Các quan điểm phân tích kết cấu điện từ đ−ợc kích thích bởi sóng chạy

1.1. Giới thiệu về các kết cấu đ−ợc kích thích bởi sóng chạy

1.1.3. Các quan điểm phân tích kết cấu điện từ đ−ợc kích thích bởi sóng chạy

a) Quan điểm phân tích kết cấu sóng rò:

Theo nguyên lý t−ơng hỗ, kết cấu sóng rò kiểu khe ống dẫn sóng có thể dùng làm anten phát cũng như anten thu. Cường độ kích thích khe (cũng có nghĩa là cường độ bức xạ hoặc thu của khe) phụ thuộc vào vị trí của khe trên thành ống dẫn sóng. Khảo sát hướng tính của khe cắt trên thành ống dẫn sóng không thể dựa vào nguyên lý đổi lẫn vì kích thước của thành ống là hữu hạn, so sánh được với bước sóng, đặc biệt là khi khảo sát h−ớng tính trong mặt phẳng E. Đồ thị ph−ơng h−ớng của khe trong mặt phẳng H có thể đ−ợc xác định gằn đúng theo nguyên lý đổi lẫn đối với chấn tử điện có cùng kÝch th−íc.

Điện dẫn bức xạ GΣ của khe cũng phụ thuộc vào kích th−ớc của mặt kim loại mang khe và vị trí của khe trên mặt ấy. Vì khe cắt trên thành ống dẫn sóng sẽ bức xạ năng lượng ra không gian bên ngoài nên nó trở thành tải của ống và sẽ ảnh hưởng đến chế độ làm việc của ống dẫn sóng. Khi ấy, năng l−ợng truyền trong ống sẽ có một phần bức xạ qua khe, một phần phản xạ lại từ khe giống nh− khi phản xạ sóng từ các chỗ không đồng nhất của ống dẫn sóng và đi ng−ợc về phía máy phát, còn một phần tiếp

tục truyền lan trong ống. ảnh hưởng của khe đến chế độ làm việc của ống được đặc tr−ng bởi dẫn nạp vào và trở kháng vào của khe.

Tr−ờng hợp khe đ−ợc cắt ngang trên thành rộng của ống dẫn sóng, nó sẽ làm gián

đoạn đường sức mật độ dòng điện chảy dọc theo ống. Vì vậy khe ngang trong trường hợp này có thể đ−ợc coi nh− một trở kháng mắc nối tiếp trên đ−ờng dây song hành t−ơng đ−ơng của ống dẫn sóng. Hình 1.8a vẽ ống dẫn sóng, đ−ờng dây song hành tương đương và sơ đồ tương đương của khe ngang trên ống dẫn sóng. Các trở kháng vẽ ở hình là trở kháng chuẩn hoá, trong đó R't là điện trở tài mắc ở đầu cuối ống dẫn sóng

để phối hợp trở kháng, tạo sóng chạy trong ống.

Hình 1.8: Kết cấu sóng rò và các sơ đồ tương đương

Trường hợp khe cắt dọc, nó sẽ làm gián đoạn đường sức mật độ dòng điện ngang trên thành ống. Dòng điện ngang này có thể coi nh− dòng phân nhánh, chảy theo

đ−ờng dây nhánh mắc song song vào các dây dẫn của đ−ờng dây song hành t−ơng

đ−ơng. Vì vậy khe dọc có thể đ−ợc coi t−ơng đ−ơng với trở kháng (hay dẫn nạp) mắc song song (hình 1.8b).

Trở kháng vào (hay dẫn nạp vào) của khe có độ dài tuỳ ý là một đại l−ợng phức.

Đối với khe cộng hưởng thì Xv = 0. Muốn cho khe cộng hưởng, độ dài của nó phải nhỏ hơn λ/2 chút ít. Với khe càng rộng thì độ rút ngắn so với λ/2 sẽ càng lớn. Vì cường độ kích thích cho khe phụ thuộc vào vị trí của khe trên thành ống nên ảnh h−ởng của khe

đến chế độ làm việc của ống dẫn sóng cũng phụ thuộc vào yếu tố này. Khi tăng cường

độ kích thích khe thì trở kháng vào của khe ngang và dẫn nạp vào của khe dọc sẽ tăng.

Điện dẫn vào chuẩn hoá của khe dọc cộng h−ởng trên tấm rộng có thể đ−ợc tính theo công thức gần đúng:

⎟⎠

⎜ ⎞

⎝

⎟ ⎛

⎠

⎜ ⎞

⎝

⎛ Λ

= Λ

= a

x b

W a G

Gv' v eq 2 sin2 1

cos 2 09

,

2 πλ π

λ (1.13)

Weq là trở kháng sóng của đ−ờng dây song hành t−ơng đ−ơng với ống dẫn sóng; x1 là khoảng cách từ tâm khe đến đường trung bình; a là độ rộng của tấm lớn của ống dẫn

a) b)

sóng; b là độ rộng của tấm nhỏ của ống dẫn sóng; Λ là bước sóng trong ống dẫn sóng;

λ là b−ớc sóng trong không gian tự do

Từ công thức trên ta thấy rằng điện dẫn vào của khe dọc cộng h−ởng sẽ bằng không nếu khe nằm dọc trên đường trung bình của tấm lớn (x1 = 0), và cực đại nếu khe nằm ở mép của tấm lớn (x1 = a/2) hoặc nằm dọc trên tấm nhỏ của ống.

Điện trở vào chuẩn hoá của khe ngang cộng hưởng được xác định theo công thức:

⎟⎠

⎜ ⎞

⎝

⎟ ⎛

⎠

⎜ ⎞

⎝

⎟ ⎛

⎠

⎜ ⎞

⎝

≈ ⎛ Λ

= 2 2 2 1

3

' cos

cos 4 523

,

0 x

a a

ab W

G R

eq v v

π πλ

λ

λ (1.14)

Từ công thức này ta thấy điện trở vào của khe ngang cộng hưởng sẽ cực đại khi tâm của khe nằm trên đ−ờng trung bình của tấm rộng (x1 = 0) vì ở vị trí này dòng điện dọc có giá trị cực đại, và Rv sẽ giảm khi tâm của khe càng lùi ra xa đường trung bình.

b) Các quan điểm phân tích kết cấu sóng mặt:

Mỗi kết cấu sóng mặt th−ờng bao gồm 2 phần chính: bộ kích thích và kết cấu

định hướng sóng chậm. Bộ kích thích tạo ra sóng điện từ phẳng đồng nhất, còn kết cấu chậm biến đối sóng phẳng đồng nhất thành sóng chậm, duy trì sự bức xạ của sóng.

Bức xạ của kết cấu sóng mặt có thể đ−ợc khảo sát theo hai quan điểm nh− sau:

- Quan điểm 1: Coi bức xạ của kết cấu đ−ợc thực hiện bởi các dòng điện và dòng từ mặt t−ơng đ−ơng phân bố trên bề mặt của hệ thống chậm. Tr−ờng kích thích cho mặt bức xạ trong tr−ờng hợp này là các thành phần Ey và Hx. Đồng thời trở kháng bề mặt

đ−ợc xác định bởi (1.12) là đại l−ợng thuần ảo. Đây là bài toán bức xạ của một diện tích phẳng được kích thích bởi trường có trở kháng bề mặt là đại lượng ảo.

- Quan điểm 2: Theo quan điểm này, bức xạ của kết cấu đ−ợc coi nh− xảy ra tại chỗ gián đoạn của kết cấu. Do đó, mặt bức xạ đ−ợc coi là diện tích nằm ở đầu cuối và vuông góc với bề mặt kết cấu chậm. Diện tích này chính là một phần của mặt đồng pha của sóng mặt ở đầu cuối. Trên diện tích đó, pha của trường đồng đều, còn biên độ phân bố theo quy luật hàm mũ âm giảm dần theo h−ớng vuông góc với bề mặt kết cấu. Kích thước của mặt bức xạ được giới hạn ở chỗ mà biên độ của trường giảm đến một mức cho tr−ớc. Trong tr−ờng hợp này, tr−ờng kích thích cho mặt bức xạ sẽ gồm các thành phần Ez, Hx. Theo (1.9) và (1.11), chúng ta có đ−ợc trở kháng bề mặt của mặt bức xạ:

W0

k h H Z E

x z

s = = (1.15)

Trong trường hợp này, trở kháng bề mặt là đại lượng thực. Ký hiệu đại lượng này là Ws thì:

W0 k

Ws = h (1.16)

Đây là bài toán bức xạ của bề mặt (đ−ợc kích thích bởi tr−ờng) có trở kháng bề mặt là thực.

Nh− vậy, bài toán bức xạ của kết cấu sóng mặt nếu đ−ợc khảo sát theo quan điểm 2 thì để xác định đồ thị phương hướng của kết cấu, chúng ta không cần tính đến độ dài của kết cấu. Do đó phương pháp này sẽ cho kết quả không chính xác nếu độ dài kết cấu là nhỏ.

Ngoài ra để phân tích định tính đặc tính bức xạ của kết cấu sóng mặt cũng có thể

áp dụng lý thuyết đã biết đối với các hệ thống bức xạ thẳng. Trong trường hợp này kết cấu sóng mặt đ−ợc coi nh− tập hợp của các phần tử sắp xếp theo đ−ờng thẳng với dòng kích thích cho các phần tử có góc pha biến đổi theo quy luật sóng chậm..

c) Quan điểm chung để phân tích các kết cấu điện từ đ−ợc kích thích bởi sóng chạy

Nh− đã phân tích ở trên, đối với kết cấu sóng rò, sự bức xạ xảy ra liên tục trên bề mặt của ống dẫn sóng, tuy nhiên đối với kết cấu sóng mặt thì tồn tại 2 quan điểm để phân tích kết cấu này. Để có đ−ợc một ph−ơng pháp chung phân tích các kết cấu đ−ợc kích thích bởi sóng chạy bao gồm cả kết cấu sóng rò và sóng mặt, chúng ta sử dụng quan điểm coi bức xạ của kết cấu đ−ợc thực hiện bởi các dòng điện và dòng từ mặt t−ơng đ−ơng phân bố trên bề mặt của hệ thống. Tr−ờng kích thích cho mặt bức xạ trong trường hợp này là các thành phần Ey và Hx. Đồng thời trở kháng bề mặt được xác định là đại l−ợng phức (đối với kết cấu sóng rò) và thuần ảo (đối với kết cấu sóng mặt).

Nh− vậy bài toán sẽ đ−ợc chuyển thành bài toán bức xạ của một diện tích nào đó

được kích thích bởi trường có trở kháng bề mặt là đại lượng phức. Do vậy quy luật phân bố dòng trên kết cấu có thể đ−ợc xác định khi hệ thống kết cấu đ−ợc coi là tập hợp của các phần tử bức xạ sắp xếp trong không gian đ−ợc kích thích liên tục bởi sóng

điện từ (sóng chạy), khi ấy kết cấu sẽ biến đổi sóng kích thích (sóng sơ cấp) thành sóng bức xạ thứ cấp thỏa mãn hàm phân bố dòng đã cho trên bề mặt kết cấu. Sơ đồ kết cấu

đ−ợc kích thích bởi nguồn liên tục đ−ợc vẽ trên hình 1.9.

Nếu kết cấu có các thông số đồng nhất thì sóng sơ cấp hoặc là sẽ đ−ợc duy trì và truyền lan dọc theo kết cấu đó (trường hợp kết cấu làm nhiệm vụ định hướng) hoặc là sóng sơ cấp sẽ biến đổi hướng truyền lan nhưng bảo toàn đặc tính (trường hợp kết cấu làm nhiệm vụ phản xạ).

Hình 1.9: Kết cấu đ−ợc kích thích bởi nguồn liên tục (sóng chạy)

Để có thể tạo ra bức xạ thứ cấp với đồ thị phương hướng cho trước, sóng sơ cấp cần đ−ợc biến đổi thành một tổ hợp sóng thứ cấp có các thông số khác nhau.

Thật vậy, đặc tính bức xạ của kết cấu sóng mặt về cơ bản đ−ợc xác định bởi vận tốc pha của sóng mặt (hoặc bởi hằng số pha h). Khi có sự chồng chất một số sóng mặt với hằng số pha khác nhau trên kết cấu sẽ dẫn đến sự chồng chất trường tạo bởi các sóng đó ở khu xa, và về nguyên tắc có thể tạo thành đồ thị phương hướng bức xạ theo yêu cầu.

1.1.4. Những hạn chế trong bài toán phân tích các kết cấu đ−ợc kích thích bởi