Tổng hợp theo slide ch1–ch4 và cuốn Bài giảng Trường điện từ và Siêu cao tần (PTIT, 2013), bám theo đề cương ôn tập và đề kiểm tra giữa kỳ của lớp. Chương 5–6 không có slide, tổng hợp từ giáo trình. Ký hiệu giữ đúng như bài giảng để khớp với đề.
Γ hệ số truyền sóng (không phải hệ số phản xạ)Π vectơ Poyntingλth bước sóng tới hạn · λs bước sóng trong ốngIhd dòng hiệu dụngd độ sâu thâm nhậprot · div · grad = curl · div · grad
TRA CỨU Toán tử: ký hiệu và cách đọc
Toán tử nào biến cái gì thành cái gì là câu hỏi trắc nghiệm hay gặp. Gõ vào ô tìm kiếm để lọc nhanh, gõ không dấu cũng được.
Ký hiệu
Đọc là
Ý nghĩa
Kết quả
$\nabla$
nabla
Toán tử vi phân vectơ $\vec i_x\partial_x+\vec i_y\partial_y+\vec i_z\partial_z$
dùng để viết grad, div, rot
$\grad U=\nabla U$
grad U (gradien)
Hướng và tốc độ tăng nhanh nhất của trường vô hướng; vuông góc mặt đẳng mức
vô hướng → vectơ
$\div\vA=\nabla\cdot\vA$
đi-vơ A (divergence, độ tán)
Thông lượng đi ra trên một đơn vị thể tích: đo nguồn của trường
Tiền tố: m = 10⁻³, µ = 10⁻⁶, n = 10⁻⁹; k = 10³, M = 10⁶, G = 10⁹. Đề cho mV/m thì nhân 10⁻³ trước khi tính.
Bảng sin cho bài lưỡng cực
θ
0°
30°
45°
60°
90°
$\sin\theta$
0
0,5
0,707
0,866
1
$\sin^2\theta$
0
0,25
0,5
0,75
1
CHƯƠNG 1 Định luật và nguyên lý cơ bản của trường điện từ
Đề cương hỏi: hệ phương trình Maxwell, 3 loại trường (tĩnh, dừng, biến thiên), 3 loại môi trường (điện môi, vật dẫn, bán dẫn). Nguồn: slide ch1, sách tr.8–34.
Ý chính để chọn đáp án
Trường điện từ là dạng vật chất đặc biệt, có 2 thuộc tính: tồn tại khách quan và vận động khách quan.
Thông số: điện trường có 3 ($\vE,\vD,\vJ$), từ trường có 2 ($\vB,\vH$), môi trường có 3 ($\varepsilon,\mu,\sigma$).
MX1 = định luật dòng điện toàn phần (Ampe) + dòng dịch của Maxwell. MX2 = định luật cảm ứng Faraday mở rộng cho mọi vòng kín, không cần dây dẫn. MX3, MX4 = định luật Gauss.
Dòng dịch và dòng dẫn có vai trò như nhau trong việc tạo ra từ trường xoáy (MX1).
MX1, MX2: điện trường biến thiên sinh ra từ trường xoáy và ngược lại. Trường biến thiên luôn gắn bó, luôn có tính xoáy.
$\div\vB=0$ (MX4): không có từ tích trong tự nhiên, $\vB$ luôn chảy liên tục, thông lượng từ qua mặt kín bằng 0.
$\div\vD=\rho$ (MX3): điện tích là nguồn của điện trường. Đường sức $\vD$ bắt đầu ở điện tích dương, kết thúc ở điện tích âm, nên có thể không liên tục.
$\div\vA>0$: đi ra nhiều hơn đi vào (nguồn phát). $\div\vA<0$: đi vào nhiều hơn. $\div\vA=0$: không có nguồn, trường liên tục.
$\rot\vA=0$: trường thế (không xoáy), đường sức hở, có điểm đầu và cuối. $\rot\vA\ne0$: trường xoáy, đường sức khép kín.
grad cho biết tốc độ thay đổi của trường vô hướng; vectơ grad hướng theo pháp tuyến mặt đẳng mức.
Mặt đẳng thế không cắt nhau. Đường sức vuông góc mặt đẳng thế. Công dịch chuyển điện tích trên mặt đẳng thế bằng 0.
Trường tĩnh: công dịch chuyển điện tích không phụ thuộc đường đi, công theo vòng kín bằng 0 (tính chất thế).
$\mu_r>1$: thuận từ. $\mu_r<1$: nghịch từ. Sắt từ: $\mu_r=10^3\div10^4$. Đa số chất có $\varepsilon_r>1$ và là môi trường tuyến tính.
Môi trường tuyến tính: $\varepsilon,\mu,\sigma$ không phụ thuộc cường độ trường. Đồng nhất, đẳng hướng: tham số là hằng số. Không đẳng hướng: tham số khác nhau theo hướng. Không đồng nhất: tham số phụ thuộc tọa độ.
Theo $\sigma$: dẫn điện $>10^4$ S/m; bán dẫn $10^{-10}\div10^4$ S/m; cách điện $<10^{-10}$ S/m. Điện môi lý tưởng $\sigma=0$; vật dẫn lý tưởng $\sigma=\infty$.
Định lý Poynting (Umôv–Poynting) là định luật bảo toàn năng lượng của trường điện từ. $\vec\Pi$ vuông góc với cả $\vE$ và $\vH$.
Chiều truyền sóng là chiều truyền năng lượng. Vận tốc $v=1/\sqrt{\mu\varepsilon}$ chỉ phụ thuộc môi trường.
Điều kiện bờ: $E_t$ luôn liên tục. $H_t$ nhảy một lượng $J_S$ (giữa 2 điện môi thì liên tục). $D_n$ nhảy một lượng $\sigma_s$. $B_n$ luôn liên tục.
Sát vật dẫn lý tưởng: $E_t=0$; $H_{t}=J_S$; $D_n=\sigma_s$; bên trong vật dẫn $E=H=0$.
$\vH$ có cùng dạng; nghiệm khác nhau do điều kiện đầu khác nhau.
Điều kiện bờ
Thành phần
Tổng quát
Giữa 2 điện môi
Môi trường 2 là vật dẫn lý tưởng
$E_t$
$E_{1t}=E_{2t}$ (luôn đúng)
$E_{1t}=E_{2t}$
$E_{1t}=0$
$H_t$
$H_{1t}-H_{2t}=J_S$
$H_{1t}=H_{2t}$
$H_{1t}=J_S$, $H_{2t}=0$
$D_n$
$D_{2n}-D_{1n}=\sigma_s$
$D_{1n}=D_{2n}$
$D_{1n}=\sigma_s$
$B_n$
$B_{1n}=B_{2n}$
$B_{1n}=B_{2n}$
$B_{1n}=0$
$J_S$: mật độ dòng mặt (A/m). $\sigma_s$: mật độ điện tích mặt (C/m²). Thành phần tiếp tuyến liên tục khi rot hữu hạn; thành phần pháp tuyến liên tục khi div hữu hạn.
CHƯƠNG 2 Bức xạ sóng điện từ
Đề cương hỏi: công suất và điện trở bức xạ của lưỡng cực điện; trị hiệu dụng E, H, Π theo góc θ; đồ thị định hướng; cách tăng công suất bức xạ và tính định hướng. Nguồn: slide ch2, sách tr.35–48.
Ý chính để chọn đáp án
Thực chất bức xạ sóng là quá trình chuyển đổi năng lượng.
Lưỡng cực điện (dipol) = nguyên tố anten thẳng: đoạn dây $l\ll\lambda$, dòng điện phân bố đều, hai đầu có điện tích $\pm q$ biến đổi.
Thế vectơ chậm: $\vA$ tại điểm cách nguồn $r$, thời điểm $t$ do dòng ở thời điểm sớm hơn $t-r/v$ quyết định. $\vA$ cùng phương dòng (chỉ có $A_z$).
Khu gần ($r\ll\lambda$): bỏ qua chậm pha (chuẩn tĩnh); E và H lệch pha 90°; $\Pi_{tb}=0$, năng lượng dao động qua lại; gọi là trường cảm ứng.
Khu xa ($r\gg\lambda$): chỉ còn $E_\theta,H_\varphi$, $E_r=0$; E và H đồng pha, cùng giảm theo $1/r$; $\Pi_{tb}\ne0$, năng lượng bức xạ ra ngoài; là sóng cầu, sóng điện từ ngang.
Dipol không bức xạ dọc trục ($\theta=0^\circ,180^\circ$), bức xạ cực đại vuông góc trục ($\theta=90^\circ$).
Đồ thị phương hướng: mặt phẳng kinh tuyến (chứa trục) là hai vòng tròn tiếp xúc tại gốc (hình số 8); mặt phẳng ngang là đường tròn (không phụ thuộc $\varphi$).
Hàm phương hướng cho phân bố biên độ của trường theo hướng, ở cùng khoảng cách $r=\text{const}$.
$P_{bx}\sim I^2,\ l^2,\ f^2$. Tăng $I$: có nhược điểm. Tăng $l$: phải giới hạn ($l\ll\lambda$). Tăng $f$: hiệu quả nhất. Thực tế tăng $l$ tới cỡ $\lambda$, thường dùng anten nửa sóng.
Tăng tính định hướng: dùng hệ thống (dàn) anten, dựa trên giao thoa. Muốn bức xạ về một phía: 2 dàn có dòng lệch pha (ví dụ $d=\lambda/4$, $\delta=\pi/2$).
Vòng dây (lưỡng cực từ): E và H đổi chỗ so với dipol ($E_\varphi$, $H_\theta$); Poynting vẫn hướng ra. Cùng chiều dài và dòng, anten thẳng bức xạ mạnh hơn nhiều (kết cấu hở, dòng khép kín qua dòng dịch).
Anten nửa sóng $l=\lambda/2$: dòng phân bố không đều (dạng sin), chia thành nhiều dipol nhỏ rồi cộng lại.
Vectơ $\vE$ của dipol nằm trong mặt phẳng chứa trục: phân cực thẳng; dipol đặt đứng cho phân cực đứng.
Trong không khí: $E_\theta=\dfrac{60\pi Il}{\lambda r}\sin\theta$, $\dfrac{E_\theta}{H_\varphi}=120\pi$. Thay $I=I_{hd}$ thì được trị hiệu dụng, thay $I_m$ thì được biên độ. $k=\omega/v=2\pi/\lambda$.
Không khí: $E_{max}=60I/r$. Đồ thị số 8 hẹp hơn $\sin\theta$ một chút. $R_{bx}\approx73$ Ω, $D\approx1{,}64$ (bổ sung). Không áp công thức $80\pi^2(l/\lambda)^2$ cho anten nửa sóng.
Hai anten nửa sóng cách nhau $d$, lệch pha $\delta$ (2.35)–(2.37) · S13–S16
Cùng pha ($\delta=0$): đồ thị đối xứng qua gốc; $d=\lambda/2$ triệt tiêu theo trục nối 2 anten, cực đại theo hướng vuông góc. $d=\lambda/4$, $\delta=\pi/2$: bằng 0 về một phía, gấp đôi một anten về phía kia (bức xạ một phía).
So sánh
Tiêu chí
Khu gần (cảm ứng)
Khu xa (bức xạ)
Điều kiện
$r\ll\lambda$ ($kr\ll1$)
$r\gg\lambda$ ($kr\gg1$)
Thành phần
$H_\varphi,\ E_r,\ E_\theta$
$H_\varphi,\ E_\theta$; $E_r=0$
Suy giảm
$H\sim1/r^2$, $E\sim1/r^3$
$E,H\sim1/r$; $\Pi\sim1/r^2$
Pha E–H
lệch 90°
đồng pha
Năng lượng
dao động qua lại, $\Pi_{tb}=0$; Π đổi dấu với tần số $2f$
bức xạ ra ngoài, $\Pi_{tb}\ne0$
Tiêu chí
Lưỡng cực điện (anten thẳng)
Lưỡng cực từ (vòng dây)
Anten nửa sóng
Trường khu xa
$E_\theta,\ H_\varphi$
$E_\varphi,\ H_\theta$ (đổi chỗ)
$E_\theta,\ H_\varphi$
$f(\theta)$
$\sin\theta$
$\sin\theta$
$\cos(\frac\pi2\cos\theta)/\sin\theta$
$R_{bx}$ (không khí)
$80\pi^2(l/\lambda)^2$
$20\pi^2(2\pi a/\lambda)^4$
≈ 73 Ω (bổ sung)
Phụ thuộc tần số
$P\sim f^2$
$P\sim f^4$
Phân bố dòng
đều
đều, khép kín
dạng sin
CHƯƠNG 3 Sóng điện từ phẳng
Đề cương hỏi: sóng TEM, TE, TM; phân cực elip, tròn, đứng, ngang; phương trình sóng phẳng; tham số sóng trong điện môi, vật dẫn, bán dẫn; hiệu ứng bề mặt. Nguồn: slide ch3, sách tr.49–68.
Ý chính để chọn đáp án
Mặt đồng pha là mặt phẳng → sóng phẳng. Biên độ trên mặt đồng pha như nhau → sóng đồng nhất. Mặt trụ → sóng trụ; mặt cầu → sóng cầu.
Vận tốc pha $v_{ph}$ là đại lượng quy ước, có thể lớn hơn $c$. Vận tốc truyền năng lượng $v=1/\sqrt{\mu\varepsilon}\le c$.
TEM: $E_z=H_z=0$ (sóng phẳng là TEM). TE = sóng H: $E_z=0,\ H_z\ne0$. TM = sóng E: $H_z=0,\ E_z\ne0$. (Slide ghi nhầm TM là "sóng điện ngang".)
Dạng phân cực = quỹ đạo đầu mút vectơ $\vE$. Mặt phẳng phân cực chứa phương truyền và $\vE$.
Phân cực tròn cần cả hai: $E_{mx}=E_{my}$ và $\delta=\pm\pi/2$. Chỉ có $\delta=\pm\pi/2$ mà biên độ khác nhau thì vẫn là elip.
Phân cực thẳng: $\delta=0,\pm\pi,\dots$ (biên độ bất kỳ). Đứng: $\vE$ theo phương thẳng đứng; ngang: $\vE$ theo phương nằm ngang.
Quay phải / quay trái xác định khi nhìn theo chiều truyền sóng: cùng chiều kim đồng hồ là quay phải. Chiều quay do dấu của $\delta$ quyết định.
Phân loại môi trường khi truyền sóng theo $\tg\delta_e=\dfrac{\sigma}{\omega\varepsilon}$ (dòng dẫn / dòng dịch): $\ll1$ điện môi, $\gg1$ vật dẫn, cỡ 1 bán dẫn. Cùng một chất có thể đổi loại khi đổi tần số.
Điện môi lý tưởng: $\alpha=0$ (không suy hao), E và H đồng pha, $Z_s$ thực, $v_{ph}=v$ không tán sắc.
Vật dẫn tốt: $\alpha=\beta$, suy hao rất mạnh, $\alpha\sim\sqrt\omega$; H chậm pha hơn E 45° ($\xi=\pi/4$); $Z_s$ rất nhỏ; $v_{ph}\ll c$, tán sắc.
Bán dẫn: dùng công thức đầy đủ; $0<\xi<\pi/4$; tán sắc.
Độ sâu thâm nhập $d$: quãng đường để biên độ giảm e ≈ 2,718 lần; khi đó công suất giảm $e^2\approx7{,}39$ lần (bài giảng in 7,45). Tần số càng cao, $d$ càng nhỏ.
Hiệu ứng bề mặt: dòng xoay chiều tập trung sát bề mặt dây (dòng một chiều phân bố đều); tần số càng cao càng mạnh.
Ảnh hưởng: tiết diện dẫn điện hiệu dụng giảm → điện trở tăng, tổn hao tăng; điện cảm thay đổi. Vì vậy ở siêu cao tần dùng hệ định hướng (ống dẫn sóng) thay cho dây dẫn.
Phiến dẫn dày $2a$: $2a\ll d$ là phiến "trong suốt" (tần số thấp, trường gần đều); $2a\gg d$ là phiến "đục" (tần số cao, $R=X$).
Khi phản xạ: phân cực ngang là $\vE$ vuông góc mặt phẳng tới (song song mặt phân cách); phân cực đứng là $\vE$ nằm trong mặt phẳng tới.
Không đẳng hướng: ferit bị từ hóa có $\mu$ là tenxơ (từ quay); plasma, tầng điện ly trong từ trường có $\varepsilon$ là tenxơ (điện quay).
$\alpha$: hệ số suy hao [Np/m]; $\beta$: hệ số pha [rad/m]. Dạng tương đương: $\dot\Gamma=j\omega\sqrt{\mu\dot\varepsilon}$ với $\dot\varepsilon=\varepsilon-j\sigma/\omega$.
Gần điện môi ($\sigma\ll\omega\varepsilon$): $\beta\approx\omega\sqrt{\varepsilon\mu}$, $\alpha\approx\dfrac{\sigma}{2}\sqrt{\dfrac{\mu}{\varepsilon}}$.
Brewster (bổ sung, chỉ phân cực đứng): $\tg\psi_B=\sqrt{\varepsilon_2/\varepsilon_1}$. Phản xạ toàn phần (bổ sung): chỉ khi đi từ $\varepsilon$ lớn sang $\varepsilon$ nhỏ, $\sin\psi_{th}=\sqrt{\varepsilon_2/\varepsilon_1}$.
Nếu coi $E$ là trị hiệu dụng thì bỏ hệ số ½. Công suất giảm theo $e^{-2\alpha z}$.
CHƯƠNG 4 Sóng điện từ trong các hệ định hướng
Đề cương hỏi: vì sao tần số cao phải dùng ống dẫn sóng hoặc cáp; phân loại dải siêu cao tần và ứng dụng; hệ định hướng và phạm vi dùng từng loại đường truyền; tính chất đặc biệt của sóng siêu cao tần; bài ống dẫn sóng chữ nhật. Nguồn: slide ch4, sách tr.69–89.
Dải siêu cao tần
Dải
Tên
Bước sóng
Tần số
Đường truyền dùng
Sóng mét
VHF
10 m ÷ 1 m
30 ÷ 300 MHz
Dây song hành, cáp đồng trục
Sóng dm
UHF
10 dm ÷ 1 dm
300 MHz ÷ 3 GHz
Cáp đồng trục (phổ biến)
Sóng cm
SHF
10 cm ÷ 1 cm
3 ÷ 30 GHz
Ống dẫn sóng chữ nhật, tròn
Sóng mm
EHF
10 mm ÷ 1 mm
30 ÷ 300 GHz
Mạch dải, ống dẫn sóng điện môi (sóng mặt)
Theo bài giảng, dải SCT là λ = 10 m ÷ 1 mm, tức f = 3·10⁷ ÷ 3·10¹¹ Hz (gồm cả VHF). Ứng dụng: truyền hình, FM, thông tin vệ tinh, di động, radar, đạo hàng. Băng chữ cái theo IEEE (bổ sung): L 1–2, S 2–4, C 4–8, X 8–12, Ku 12–18, K 18–27, Ka 27–40 GHz.
Ý chính để chọn đáp án
Tính chất đặc biệt của sóng SCT: (1) truyền thẳng trong tầm nhìn, xuyên qua khí quyển; (2) tính định hướng cao khi anten lớn hơn nhiều λ; (3) dải tần rộng, nhiều kênh; (4) kích thước thiết bị cỡ λ: phải tính hiệu ứng giữ chậm, quán tính bay của điện tử; dùng phần tử phân bố thay cho phần tử tập trung.
Ví dụ dung lượng: cả dải sóng ngắn (3–30 MHz) chỉ chứa khoảng 4000 kênh thoại hay 4 kênh video; ở dải cm chỉ cần đoạn λ từ 2,992 đến 3 cm.
Vì sao tần số cao không dùng dây dẫn thường: tổn hao bức xạ (đường dây hở bức xạ như anten), hiệu ứng bề mặt (điện trở và tổn hao nhiệt tăng), tổn hao điện môi, dễ bị nhiễu. Đường truyền kín (cáp, ống dẫn sóng) tránh được bức xạ.
Ở dải cm, cáp đồng trục bị tổn hao bề mặt ở lõi và tổn hao điện môi rất lớn, nên chuyển sang ống dẫn sóng. Ống dẫn sóng có kích thước ngang cỡ λ nên không dùng được ở dải mét.
Hệ định hướng (đường truyền) là hệ thống giới hạn đường truyền lan của dao động / năng lượng điện từ theo hướng đã chọn. Đường truyền đồng nhất: tiết diện ngang không đổi, môi trường bên trong đồng nhất.
Đường truyền hở: dây đôi, mạch dải, đường truyền sóng mặt (ống dẫn sóng điện môi). Đường truyền kín: cáp đồng trục, ống dẫn sóng kim loại.
TE = trường điện ngang = sóng $H_{mn}$ ($E_z=0$). TM = trường từ ngang = sóng $E_{mn}$ ($H_z=0$). TEM: $E_z=H_z=0$.
Ống dẫn sóng rỗng chỉ có TE, TM, không có TEM (không có dây dẫn ở giữa để khép kín đường sức H). Cáp đồng trục có cả TEM, TE, TM; TEM truyền ở mọi tần số.
$m$, $n$ = số nửa sóng đứng theo cạnh $a$ (trục x) và cạnh $b$ (trục y). Mỗi cặp $mn$ là một mode.
Ống chữ nhật: TE cho phép một chỉ số bằng 0 (không cả hai). TM cần $m,n\ge1$, mode TM thấp nhất là TM₁₁. Không có TE₀₀, TM₁₀, TM₀₁.
Mode cơ bản (λ_th lớn nhất) ứng với cạnh lớn: $a>b$ thì TE₁₀, $\lambda_{th}=2a$; nếu $b>a$ thì TE₀₁, $\lambda_{th}=2b$. Đề giữa kỳ có $b>a$.
Truyền được khi $\lambda<\lambda_{th}$ (hay $f>f_{th}$). Dưới tới hạn, Γ thực: trường suy giảm, sóng không chạy (kể cả khi thành ống dẫn lý tưởng).
Ống dẫn sóng là môi trường tán sắc: $v_{ph}>c$, $v_{nh}<c$, $\lambda_s>\lambda$. Khi $f\to f_{th}$: $v_{ph}\to\infty$, $v_{nh}\to0$, $\lambda_s\to\infty$.
$TE_{mn}$ và $TM_{mn}$ (với $m,n\ge1$) có cùng $\lambda_{th}$, $f_{th}$, $\lambda_s$ (suy biến). Khi liệt kê mode phải ghi cả hai.
Ống tròn: $m$ theo chu vi ($\ge0$), $n$ theo bán kính ($\ge1$). Mode cơ bản TE₁₁ ($\nu_{11}=1{,}840$); tiếp theo TM₀₁ (2,405). Có TE₀₁, TM₀₁.
Cáp đồng trục: chỉ có $E_r$, $H_\varphi$, cùng pha, tỷ lệ $1/r$; sóng TEM giống hệt sóng phẳng trong không gian tự do. Phổ biến nhất ở VHF, UHF.
Dây song hành: đường truyền hở, đối xứng, truyền TEM, dòng hai dây ngược pha; rẻ, dễ lắp, dễ phối hợp; nhược điểm bị nhiễu và tổn hao bức xạ. Dùng dải mét.
Mạch dải: dải dm đến mm, chế tạo dạng mạch in, dùng trong vi mạch siêu cao, đo lường; 4 dạng: đối xứng, không đối xứng, đường khe, cáp phẳng. Đế $\varepsilon_r$ ≈ 7–13, dày 1,5–5 mm.
Ống dẫn sóng điện môi: dải mm và ngắn hơn (đến quang học), truyền sóng mặt chậm; loại tròn chính là sợi quang; có dạng nhảy bậc và gradient.
Công thức ống dẫn sóng chữ nhật $a\times b$
Bước sóng tới hạn, tần số tới hạn (4.17)(4.18) · S21
Không khí. Có điện môi: nhân $\lambda_{th}$ với $\sqrt{\varepsilon_r\mu_r}$, thay $c$ bằng $v$. Nhanh: $TE_{m0}$: $2a/m$; $TE_{0n}$: $2b/n$. $\lambda_{th}$ không phụ thuộc $f$.
$D$: khoảng cách hai trục; $d$: đường kính dây. $L_0=\frac{\mu}{\pi}\ln\frac{2D}{d}$, $C_0=\frac{\pi\varepsilon}{\ln(2D/d)}$.
So sánh
Đường truyền
Dải dùng
Hở / kín
Loại sóng
Ưu điểm
Nhược điểm
Dây song hành
mét (VHF)
hở
TEM
rẻ, mềm, dễ lắp, dễ phối hợp
nhiễu, tổn hao bức xạ
Cáp đồng trục
VHF, UHF
kín
TEM (+ TE, TM bậc cao)
phổ biến nhất, không bức xạ
ở dải cm tổn hao lõi và điện môi lớn
Ống dẫn sóng chữ nhật, tròn
cm (SHF)
kín
chỉ TE, TM
tổn hao nhỏ ở dải cm
kích thước cỡ λ; có tần số tới hạn; ở mm khó chế tạo
Mạch dải
dm ÷ mm
hở
gần TEM (bổ sung)
gọn nhẹ, làm dạng mạch in
công suất nhỏ (bổ sung)
Ống dẫn sóng điện môi
mm và ngắn hơn, quang
hở (sóng mặt)
sóng mặt chậm
tổn hao nhỏ, nhỏ gọn
—
TE ($H_{mn}$)
TM ($E_{mn}$)
TEM
Thành phần dọc
$E_z=0$, $H_z\ne0$
$H_z=0$, $E_z\ne0$
$E_z=H_z=0$
Chỉ số (chữ nhật)
$m,n\ge0$, không đồng thời 0
$m,n\ge1$
—
Mode thấp nhất
TE₁₀ / TE₀₁ (chữ nhật), TE₁₁ (tròn)
TM₁₁ (chữ nhật), TM₀₁ (tròn)
—
Trở kháng
$>Z_0$
$<Z_0$
$=Z_0$
Tần số tới hạn
có
có
không ($f_{th}=0$)
Có ở
ống dẫn sóng, cáp (bậc cao)
ống dẫn sóng, cáp (bậc cao)
cáp, dây song hành; không có trong ống rỗng
CHƯƠNG 5 Hộp cộng hưởng
Nguồn: sách tr.90–98. Slide trên lớp không có chương này, nên đáp án dựa vào sách: định nghĩa và phân loại hộp, hệ số phẩm chất, hộp chữ nhật, điều chỉnh tần số, kích thích và ghép năng lượng, bài 5-1, 5-2.
Ý chính để chọn đáp án
Hộp cộng hưởng là vùng không gian hữu hạn mà sau thời gian ≫ chu kỳ dao động SCT có sự tích lũy năng lượng điện từ (tr.90). Nó tích lũy, không dùng để truyền hay hấp thụ năng lượng.
Không dùng mạch LC ở SCT vì: (1) muốn $f_0$ lớn phải giảm L, C tới mức không chế tạo được; (2) kích thước cỡ λ nên mạch bức xạ; (3) tiêu hao bề mặt và điện môi tăng, Q giảm, mất tính chọn lọc (tr.90).
Phân loại: kín đơn giản (chữ nhật, trụ tròn, đồng trục, xuyên tâm); kín phức tạp (hình xuyến, một khâu của Manhetron, đồng trục có khe); không kín (điện môi, hai bản phản xạ song song, dùng ở dải mm và quang học).
Hộp có kích thước cho trước có vô số dạng dao động riêng, mỗi dạng có $\lambda_0$, $f_0$, $Q$ riêng (mạch LC chỉ có một $f_0$). Q của hộp ngầm hiểu là Q của một dạng không suy biến.
Dao động tự do → hộp tiếng vọng kiểm tra trạm phát xung. Dao động cưỡng bức → hệ cộng hưởng chọn lọc cho thu, phát, đo lường. Trong dụng cụ điện tử → không gian tương tác giữa trường và điện tử.
$Q=\omega_0W/P_{th}=2\pi W/W_{th}$: $W$ là năng lượng tích lũy, $W_{th}$ là năng lượng tiêu hao trong một chu kỳ. Q đặc trưng khả năng duy trì dao động tự do và dải thông, Q cao thì chọn lọc tốt.
$Q_0$ (không tải) chỉ tính tiêu hao trong hộp: thành hộp ($Q_{kl}$) và điện môi ($Q_{dm}$). $Q_{ng}$ chỉ tính tiêu hao do ghép tải. $Q_t$ (tải) tính cả hai.
Các công suất tiêu hao cộng nên nghịch đảo Q cộng: $\frac1{Q_t}=\frac1{Q_0}+\frac1{Q_{ng}}$. Do đó $Q_t$ luôn nhỏ hơn cả $Q_0$ và $Q_{ng}$.
Ghép tới hạn: $Q_{ng}=Q_0$. Ghép chặt: $Q_{ng}<Q_0$ ($P_{tht}$ lớn hơn tiêu hao trong hộp). Ghép lỏng: $Q_{ng}>Q_0$.
Hiệu suất $\eta=P_{tht}/P_{th}=Q_t/Q_{ng}$. Ghép tới hạn thì $\eta=0{,}5$; ghép chặt thì $\eta>0{,}5$.
Hộp chữ nhật $a\times b\times L$: $m,n,p$ là số nửa sóng đứng dọc $x$ ($a$), $y$ ($b$), $z$ ($L$). Hộp giới hạn bởi hai vách tại $z=0$, $z=L$ nên theo $z$ cũng là sóng đứng.
TM: $m,n\ge1$, sách ghi $p=1,2,\dots$ TE: $m,n\ge0$ (không cùng bằng 0), $p\ge1$. Vì thế không có $TE_{110}$ ($p=0$) và không có $TM_{10p}$, $TM_{01p}$.
Công thức $\lambda_0$ (5.12) chung cho TE và TM vì chỉ phụ thuộc $m,n,p$. Hai dạng khác cấu trúc nhưng cùng $\lambda_0$ gọi là suy biến (vd $TE_{111}$ và $TM_{111}$).
Với $L>a>b$, dạng cơ bản ($\lambda_0$ lớn nhất) là $H_{101}$ ($TE_{101}$): $\lambda_0=\dfrac{2aL}{\sqrt{a^2+L^2}}$. Chú ý $2a$ là $\lambda_{th}$ của $TE_{10}$ trong ống, không phải $\lambda_0$ của hộp.
Công suất trung bình dọc $z$ trong hộp bằng 0 (sóng đứng, E và H lệch pha $90^\circ$). Dạng thỏa điều kiện cộng hưởng có biên độ rất lớn, các dạng khác tắt nhanh.
Theo nguyên lý tương hỗ, phần tử kích thích cũng là phần tử ghép (lấy năng lượng ra). Ba loại: điện (que dò), từ (vòng dây), nhiễu xạ (khe, lỗ).
$n=0$ (hoặc $m=0$) làm mọi thành phần bằng 0. Sách ghi $p=1,2,\dots$ (bổ sung: nhiều giáo trình khác cho phép $p=0$ với TM, ví dụ $TM_{110}$; khi thi theo sách).
Vật kim loại nhỏ ở chỗ E cực đại: tần số giảm. Ở chỗ H cực đại: tần số tăng. Khác với pittông (dịch thành hộp, đổi $L$), cách này đơn giản, không gây tiêu hao ở chỗ tiếp xúc, bù được sai số chế tạo.
So sánh
$TM_{mnp}$ ($E_{mnp}$)
$TE_{mnp}$ ($H_{mnp}$)
Thành phần dọc
$E_z$ (sin·sin·cos)
$H_z$ (cos·cos·sin)
Chỉ số cho phép
$m\ge1$, $n\ge1$; sách ghi $p\ge1$
$m,n\ge0$ (không cùng 0), $p\ge1$
Ví dụ tồn tại / không
$TM_{111}$ có; $TM_{101}$, $TM_{011}$ không
$TE_{101}$, $TE_{011}$ có; $TE_{110}$ không
$\lambda_0$
cùng công thức (5.12)
Phần tử kích thích
Tương đương
Đặt ở đâu
Hướng
Que dò (loại điện)
lưỡng cực điện
chỗ E cực đại
song song đường sức E; thường là lõi trong cáp đồng trục kéo dài
Vòng dây (loại từ)
lưỡng cực từ
chỗ H cực đại
mặt vòng vuông góc đường sức H
Khe, lỗ (nhiễu xạ)
lưỡng cực từ hoặc điện + từ
chỗ dòng mặt cực đại
khe cắt ngang dòng mặt; hợp để ghép ống dẫn sóng với ống hoặc với hộp
Chế độ ghép
Điều kiện
$\eta$
Chặt
$Q_{ng}<Q_0$
$>0{,}5$
Tới hạn
$Q_{ng}=Q_0$, $Q_t=Q_0/2$
$=0{,}5$
Lỏng
$Q_{ng}>Q_0$
$<0{,}5$
Giá trị $\eta$ theo cột cuối suy từ $\eta=Q_0/(Q_0+Q_{ng})$ (bổ sung).
$Q_t=Q_0+Q_{ng}$ là sai. Cộng nghịch đảo: $1/Q_t=1/Q_0+1/Q_{ng}$.
$Q_0$ không gồm tiêu hao do ghép tải. Thêm $1/Q_{ng}$ vào thì thành $1/Q_t$.
$TE_{110}$ và $TM_{10p}$ không tồn tại. TE cần $p\ge1$, TM cần $m,n\ge1$.
Dạng cơ bản $H_{101}$ có $\lambda_0=2aL/\sqrt{a^2+L^2}$, không phải $2a$ (đó là $\lambda_{th}$ của $TE_{10}$ trong ống).
(5.13) là $L=\tfrac12p\lambda_t$: hay quên hệ số 1/2. Và $\lambda_t$ là bước sóng trong ống, không phải $\lambda_0$.
Kim loại ở chỗ E cực đại thì tần số giảm, ở chỗ H cực đại thì tăng (dấu của $\Delta W_H-\Delta W_E$).
Ghép chặt là $Q_{ng}<Q_0$ (không phải lớn hơn); tải kéo $Q_t$ xuống, hiệu suất $\eta>0{,}5$.
CHƯƠNG 6 Mạng nhiều cực siêu cao tần
Nguồn: sách tr.99–153 (6.1–6.4 lý thuyết ma trận, 6.5–6.9 cấu kiện, phối hợp trở kháng, dụng cụ SCT). Chỉ dùng đặc tính bên ngoài tại các mặt cuối, công cụ là đại số tuyến tính.
Ý chính để chọn đáp án
Mạng có $n$ nhánh là mạng $2n$ cực. Mặt cuối $C_p$ phải đặt đủ xa chỗ nối để không còn trường bậc cao. Sóng vào qua $C$ là sóng tới $a$, sóng ra là sóng phản xạ $b$ (tr.99).
$[b]=[S][a]$ (6.18). $S_{pq}$ ($p\ne q$) là hệ số truyền từ nhánh q sang p (chỉ số đầu là nhánh ra); $S_{pp}$ là hệ số phản xạ riêng khi các nhánh khác phối hợp ($a_l=0$).
$[S]$ là ma trận duy nhất đo được trực tiếp ở SCT (sóng tới, sóng phản xạ); $[T]$, $[\bar Z]$, $[\bar Y]$ chỉ suy ra từ $[S]$ (tr.109).
Dịch mặt cuối $C_p$ về phía mạng một đoạn $d_p$ ($\theta_p=2\pi d_p/\lambda$): $S'_{pp}=S_{pp}e^{2j\theta_p}$, $S'_{pq}=S_{pq}e^{j(\theta_p+\theta_q)}$. Module không đổi, chỉ pha đổi.
Thuận nghịch: $[S]=[S]^T$ (6.30). Không tổn hao: $[S]$ unita, $\sum_q|S_{pq}|^2=1$ (6.31)(6.32). Hai tính chất độc lập nhau.
$[T]$ nối nhóm nhánh ra của mạng này với nhóm nhánh vào của mạng kia: $\binom{a_1}{b_1}=[T]\binom{b_2}{a_2}$ (6.34), nối tầng $[T]=[T_1][T_2][T_3]$ (6.37). Yếu tố của $[T]$ nói chung không có ý nghĩa vật lý trực tiếp.
$[\bar Z]$ và $[\bar Y]$ nghịch đảo nhau, thuận nghịch thì đối xứng. Mạng không tổn hao thì các yếu tố của $[\bar Z]$ thuần ảo.
Đoạn $\lambda/4$ không tổn hao: $R_{px1}=-R_{px2}$, $\bar Z_{ch1}=1/\bar Z_{ch2}$, $Z_1Z_2=Z_{co}^2$ (6.55). Tải nối tắt thành hở mạch và ngược lại.
Tải không phản xạ cho sóng chạy hoàn toàn, $|R_{px}|\le0{,}01$; dùng khi đo và làm anten tương đương. Mức công suất nhỏ: $P_t\le1$ W.
4 cực không tổn hao: $|S_{11}|=|S_{22}|=\cos\varphi$ ($\varphi$ là góc mở), $K_d=\operatorname{cotg}^2(\varphi/2)$. Biến thế lý tưởng: không tồn tại $[\bar Z]$ lẫn $[\bar Y]$ ($C=D=0$).
Trở kháng mắc song song: $S_{11}-S_{12}=-1$. Dẫn nạp mắc nối tiếp: $S_{11}+S_{12}=1$ (6.90)(6.91). Không nhầm hai dạng ma trận này.
Bộ ghép định hướng: nhánh 1–2 và 3–4 cách ly: $S_{12}=S_{34}=0$ (6.102); nếu đối xứng thì hoàn toàn phối hợp ($S_{ii}=0$, dạng (6.108)). Sóng vào (1) ra chính ở (3), nhánh ghép (4), nhánh cách ly (2). Hệ số ghép $C=20\lg|a_1/b_4|$, hệ số định hướng $D=20\lg|b_4/b_2|$ (tính theo biên độ nên $20\lg$).
Cầu T kép (T magic): nhánh E ($S_{13}=-S_{23}$) và H ($S_{14}=S_{24}$), $|S_{13}|=1/\sqrt2$, $S_{11}=S_{22}=S_{12}=0$. Cầu 3 dB chia đôi công suất, $C\approx3{,}01$ dB.
Cầu vòng (6.114): từ (1) tới (2) hai đường lệch $\lambda/2$ nên triệt tiêu, tới (3), (4) lệch $\lambda$ nên đồng pha; $S_{21}=0$, $S_{31}=S_{41}=1/\sqrt2$. Trở sóng vòng $Z_C^T=\sqrt2Z_{nh}^T$.
Ferít từ hóa tác dụng khác nhau lên hai sóng phân cực tròn quay trái, phải: cơ sở của phần tử không thuận nghịch. Quay mặt phẳng phân cực là hiệu ứng Faraday; $H_0=H_{0ch}$ là cộng hưởng sắt từ.
Van cộng hưởng và van Faraday cho truyền một chiều. Circulator: chu trình (1)→(2)→(3)→(1) (chữ Y 3 nhánh) hoặc (1)→(2)→(3)→(4)→(1); đổi chiều $\vec H_0$ thì đổi chiều chu trình. Ứng dụng: bảo vệ máy phát, nối anten dùng chung cho phát và thu.
Phối hợp dải hẹp: phần tử thuần kháng hoặc biến áp $\lambda/4$ ($Z_{CT}=\sqrt{Z_vZ_t}$), không tiêu hao. Dải rộng: tải hấp thụ, van, đoạn không đồng nhất, mạch cộng hưởng.
Đồ thị Smith: tâm O là phối hợp ($\bar r=1,\bar x=0$), A là ngắn mạch, B là hở mạch. Một vòng ứng với $\lambda/2$; thuận chiều kim đồng hồ là từ tải về máy phát. Dẫn nạp lấy bằng đối xứng qua O trên vòng $K_d=const$.
Dụng cụ SCT: Klystron (hốc cộng hưởng, kết nhóm electron), đèn sóng chạy TWT, diode PIN (thiên áp thuận ≈ $r_+$ nối tiếp $L_s$, chuyển mạch), diode tunnel (điện trở âm, pha tạp rất cao).
Sóng chuẩn hóa, hệ số phản xạ, sóng đứng (6.1)
Quan hệ sóng và điện áp, dòng chuẩn hóa (6.10)–(6.12) · tr.102
$C=(1-S_{11})(1-S_{22})-S_{12}^2$, $D=(1+S_{11})(1+S_{22})-S_{12}^2$; biến thế lý tưởng có $C=D=0$ nên không có $[\bar Z]$, $[\bar Y]$. Vd $n=2$: $\rho=\frac35$, $t=\frac45$.
T cần $C\ne0$, Π cần $D\ne0$. Sách in $\bar Z_B=\bar Z_{12}-\bar Z_{21}$ (6.95) và $Y'_B=-\bar y_{12}-\bar y_{21}$: nhầm; đúng như trên.
Cấu kiện 4 cực
Ghi nhớ
Chuyển tiếp (tr.121–122)
que dò: dải 15–20%, $K_{ch}\ge0{,}95$; Slaypher: bền điện, dải ≈7%; thanh ngang + tấm chắn điện cảm: tới 20%; cúc: công suất lớn (Magnetron)
Bộ suy giảm (tr.123–124)
hấp thụ (bản hấp thụ); tới hạn: $\alpha=\frac{2\pi}\lambda\sqrt{(\lambda/\lambda_{th})^2-1}\approx\frac{2\pi}{\lambda_{th}}$, suy giảm tuyến tính theo chiều dài, nhưng phản xạ lớn; điều khiển điện: ferít, diode PIN
Vào nhánh E (3): (1), (2) nhận hai sóng đồng biên, ngược pha, không ra (4). Vào nhánh H (4): (1), (2) đồng biên, đồng pha, không ra (3). Nhánh E dùng tấm chắn điện cảm, nhánh H dùng que dò để phối hợp.
$\varepsilon_r=5\div16$; ở SCT $\mu_r$ giảm về cỡ 1. $\mu_x,a,\mu_z$ nói chung là số phức: phần thực chỉ vận tốc pha, phần ảo chỉ tiêu hao. Bài giảng in $\mu^-=\mu_1^++j\mu_2^-$, đúng là $\mu_1^-+j\mu_2^-$.
Biến áp $\lambda/4$ phối hợp tr.141 (bổ sung công thức)
$f_c$ (6.117) là tần số cắt, tại đó phần thực của $Z_{in}$ bằng 0. Vd $R_n=30\,\Omega$, $C=20$ pF, $R_s=1\,\Omega$: $f_c\approx1{,}43$ GHz. Đường tải lưỡng ổn → flip-flop; đơn ổn → tạo xung; bất ổn (cắt tại đoạn điện trở âm) → khuếch đại, dao động.
Cấu kiện
Chức năng
Số cổng
Tính chất chính
Bộ ghép định hướng
lấy mẫu một phần công suất sóng tới
4
1–2 và 3–4 cách ly; phối hợp; thuận nghịch, không tổn hao
Cầu T kép
chia đôi công suất, cộng, trừ
4
E và H cách ly; (1), (2) cách ly; phối hợp 4 cổng; thuận nghịch
Cầu vòng
chia, cộng, trừ
4
cách ly bằng hiệu đường $\lambda/2$; $Z_C^T=\sqrt2Z_{nh}^T$; thuận nghịch
Van (ferít)
truyền một chiều, hấp thụ chiều ngược
2
không thuận nghịch; cộng hưởng sắt từ hoặc Faraday ($45^\circ$)
Circulator
dẫn năng lượng theo chu trình (1)→(2)→(3)→…
3 hoặc 4
không thuận nghịch; chữ Y (ferít ở tâm), cầu khe + 2 ferít, hoặc phân cực; đổi chiều $H_0$ thì đảo chu trình
Biến áp $\lambda/4$
phối hợp dải hẹp
2
đoạn đồng nhất dài $\lambda/4$, $Z_{CT}=\sqrt{Z_vZ_t}$; không tiêu hao
Klystron
khuếch đại / dao động công suất lớn
—
trực xạ: 2 hốc, hốc 1 điều tốc, electron kết nhóm, hốc 2 lấy ra; $\eta$ lý thuyết 58%, thực 15–30%; đến 500 kW, 40 dB. Phản xạ: 1 hốc, tạo dao động 10–500 mW, 1–25 GHz
Đèn sóng chạy
khuếch đại / tạo sóng
—
ống xoắn; 300 MHz–50 GHz; khuếch đại ≈ 70 dB
Diode PIN
chuyển mạch, quay pha, suy giảm điều khiển điện
2
thiên áp âm/không: trở lớn; thiên áp thuận: $r_+$ (vài Ω) nối tiếp $L_s$ (0,2–2 nH)
Diode tunnel
khuếch đại, tạo dao động, flip-flop
2
điện trở âm, pha tạp rất cao; $I_p/I_v$ từ chục đến vài chục lần
Số cổng của bộ ghép, cầu T, cầu vòng, circulator chữ Y/4 nhánh theo các mục tương ứng (tr.125–138). Cột "Số cổng" của van, Klystron, TWT, PIN, tunnel là bổ sung.
Bẫy
$S_{pq}$ là truyền từ q sang p, không phải từ p sang q (chỉ số đầu là nhánh ra).
$S_{pp}$ chỉ là hệ số phản xạ khi các nhánh còn lại phối hợp ($a_l=0$), tức mắc tải không phản xạ.
$K_{ch}=1/K_d$ (sách tr.103 in nhầm vế trái). $K_d\ge1$ còn $K_{ch}\le1$.
Thuận nghịch ($[S]=[S]^T$) khác không tổn hao (unita). Ferít không thuận nghịch nhưng vẫn có thể không tổn hao (bổ sung).
Không tổn hao thì $[\bar Z]$ thuần ảo, không phải thực. Biến thế lý tưởng thì không tồn tại $[\bar Z]$, $[\bar Y]$.
Song song: $S_{11}-S_{12}=-1$; nối tiếp: $S_{11}+S_{12}=1$. Hay đảo hai dạng ma trận.
$C$, $D$ tính theo biên độ nên dùng $20\lg$, không phải $10\lg$.
Đoạn $\lambda/4$: $Z_1Z_2=Z_{co}^2$ (không phải trung bình cộng); $R_{px1}=-R_{px2}$: cùng module, đảo pha $180^\circ$, nên $K_d$ không đổi.
Ferít (van, circulator) là phần tử không thuận nghịch; cầu T, cầu vòng, bộ ghép định hướng thì thuận nghịch.
BÀI TOÁN Ba dạng bài trong đề, giải sẵn
Số liệu lấy đúng từ đề kiểm tra giữa kỳ (GK) và đề cương ôn tập (ÔT). Đáp số đã tính lại bằng máy. Trắc nghiệm có thể hỏi đúng một bước trong các bài này.
Dạng 1: Lưỡng cực điện trong không khí
$\lambda=c/f$ (1 MHz → 300 m; 2 MHz → 150 m). Kiểm tra $r\gg\lambda$: đang ở khu xa.
$P_{bx}=R_{bx}I_{hd}^2$. Đề cho biên độ thì $P=\tfrac12R_{bx}I_m^2$.
$E_{max}=\dfrac{60\pi I_{hd}l}{\lambda r}$, $H_{max}=\dfrac{I_{hd}l}{2\lambda r}=\dfrac{E_{max}}{120\pi}$, $\Pi_{max}=E_{max}H_{max}$ (trị hiệu dụng nên không nhân ½).
Theo góc: $E,H$ nhân $\sin\theta$; $\Pi$ nhân $\sin^2\theta$. Tại θ = 0° mọi thứ bằng 0.
GK $l=1$ m, $I_{hd}=15$ A, $f=2$ MHz, $r=8$ km
$\lambda=150$ m · $R_{bx}=0{,}03509$ Ω · $P_{bx}=7{,}90$ W
θ
E (mV/m)
H (µA/m)
Π (W/m²)
0°
0
0
0
30°
1,178
3,125
3,68·10⁻⁹
60°
2,041
5,413
1,104·10⁻⁸
90°
2,356
6,250
1,473·10⁻⁸
Bài làm của bạn ghi $R_{bx}=0{,}03514$ Ω và $P_{bx}=7{,}91$ W. Giá trị đúng là 0,03509 Ω và 7,90 W. Phần E, H dùng $I_{hd}$ là đúng.
ÔT $l=1$ m, $I_{hd}=10$ A, $f=10^6$ Hz, $r=20$ km
$\lambda=300$ m · $R_{bx}=8{,}773\cdot10^{-3}$ Ω · $P_{bx}=0{,}877$ W
θ
E (V/m)
H (A/m)
Π (W/m²)
0°
0
0
0
30°
1,571·10⁻⁴
4,167·10⁻⁷
6,54·10⁻¹¹
60°
2,721·10⁻⁴
7,217·10⁻⁷
1,963·10⁻¹⁰
90°
3,142·10⁻⁴
8,333·10⁻⁷
2,618·10⁻¹⁰
Dạng 2: Sóng phẳng trong môi trường đồng nhất
Tính $\mu=\mu_r\cdot4\pi\cdot10^{-7}$, đổi mV/m sang V/m. Phân loại bằng $\sigma/(\omega\varepsilon)$. Đề cho ε = 0 nghĩa là bỏ qua dòng dịch: dùng công thức vật dẫn.
Vật dẫn: $\alpha=\beta=\sqrt{\omega\mu\sigma/2}$, $\Gamma=\alpha(1+j)$. Điện môi: $\alpha=0$, $\beta=\omega\sqrt{\varepsilon\mu}$. Bán dẫn: công thức (3.25).
Vật dẫn: $Z_s=\sqrt{\omega\mu/\sigma}\angle45^\circ$. Điện môi: $120\pi\sqrt{\mu_r/\varepsilon_r}$.
Bài làm của bạn ra α = β = 3,58, Z = 506,31∠45°, λ = 1,755 m, d = 0,2793 m, tức cao hơn khoảng 1%. Phương pháp đúng; chỉ lệch ở bước bấm máy $\sqrt{\omega\mu\sigma/2}$ (với $\mu=5{,}027\cdot10^{-6}$ thì $\omega\mu\sigma/2=4\pi=12{,}57$).
Dạng 3: Ống dẫn sóng chữ nhật (không khí, thành dẫn lý tưởng)
$\lambda_0[\mathrm{cm}]=30/f[\mathrm{GHz}]$. Giữ 4 chữ số, vì các mode sát tới hạn rất nhạy với sai số làm tròn.
Mode truyền được khi $(m/a)^2+(n/b)^2<(2/\lambda_0)^2$, nên $m<2a/\lambda_0$, $n<2b/\lambda_0$. Thử mọi cặp trong khung đó.
TE: mọi cặp trừ (0,0). TM: chỉ các cặp có $m,n\ge1$. Mỗi cặp $m,n\ge1$ cho cả TE và TM.
Với mỗi mode: $\lambda_{th}=\dfrac{2}{\sqrt{(m/a)^2+(n/b)^2}}$, rồi $\lambda_s=\dfrac{\lambda_0}{\sqrt{1-(\lambda_0/\lambda_{th})^2}}$.
GK $a=3$ cm, $b=4$ cm, $f=13$ GHz → $\lambda_0=2{,}3077$ cm
$m\le2$, $n\le3$. Có 15 mode: 10 TE + 5 TM. Mode cơ bản là TE₀₁ (vì $b>a$).
Mode
λth (cm)
λs (cm)
TE₀₁
8,000
2,410
TE₁₀
6,000
2,500
TE₁₁, TM₁₁
4,800
2,632
TE₀₂
4,000
2,825
TE₁₂, TM₁₂
3,328
3,203
TE₂₀
3,000
3,612
TE₂₁, TM₂₁
2,809
4,047
TE₀₃
2,667
4,605
TE₁₃, TM₁₃
2,437
7,18
TE₂₂, TM₂₂
2,400
8,40
TE₃₀, TE₀₄, TE/TM₂₃
≤ 2,0
không truyền
Danh sách mode và λth trong bài làm của bạn đều đúng. Hai giá trị λs lệch do làm tròn: mode 13 đúng là 7,18 (bạn ghi 7,14), mode 22 đúng là 8,40 (bạn ghi 8,33).
ÔT $a=2{,}5$ cm, $b=2$ cm, $f=10$ GHz → $\lambda_0=3$ cm
$m\le1$, $n\le1$. Có 4 mode: TE₁₀, TE₀₁, TE₁₁, TM₁₁. Mode cơ bản TE₁₀.
Mode
λth (cm)
fth (GHz)
λs (cm)
TE₁₀
5,000
6,00
3,750
TE₀₁
4,000
7,50
4,536
TE₁₁, TM₁₁
3,124
9,60
10,78
TE₂₀
2,500
12,0
không truyền
BẪY Những chỗ dễ chọn nhầm
Dấu trong Maxwell. $\rot\vE=-\partial\vB/\partial t$ có dấu trừ; $\rot\vH=\vJ+\partial\vD/\partial t$ có dấu cộng.
"Không có từ tích" là $\div\vB=0$ (MX4), không phải $\div\vD=\rho$.
Gauss và Stokes. Gauss: mặt kín ↔ thể tích (div). Stokes: đường kín ↔ mặt (rot).
div ra số, rot ra vectơ. $\div\rot\vA=0$, $\rot\grad U=0$.
Cùng chữ, khác nghĩa. $\rho$: mật độ điện tích hoặc điện trở suất. $\sigma$: độ dẫn điện hoặc mật độ điện tích mặt. Γ: hệ số truyền sóng (bài giảng), không phải hệ số phản xạ.
Trường dừng: H xoáy, E là trường thế. Trường tĩnh: cả hai là trường thế, độc lập.
sinθ và sin²θ. E, H, f(θ) theo sinθ; Π theo sin²θ. Tại 30°: E bằng 0,5 lần cực đại, Π chỉ bằng 0,25 lần.
Hiệu dụng hay biên độ. Với $I_{hd}$: $P=I_{hd}^2R$, $\Pi=E_{hd}H_{hd}$. Với biên độ: thêm hệ số ½. Lẫn hai cách thì sai đúng 2 lần.
$P_{bx}\sim(l/\lambda)^2$: gấp đôi $f$ thì $P$ tăng 4 lần (vòng dây tăng 16 lần, vì $\sim f^4$).
Dipol không bức xạ dọc trục, cực đại vuông góc trục. θ đo từ trục dipol, không phải góc ngẩng so với mặt đất.
Lệch pha 90° là khu gần của dipol. Sóng phẳng trong điện môi lý tưởng thì đồng pha; trong vật dẫn tốt lệch 45° (H chậm pha).
d ≠ λ. $d=1/\alpha$, $\lambda=2\pi/\beta$. Chỉ vật dẫn tốt mới có $\lambda=2\pi d$. Tại $z=d$: biên độ giảm e lần, công suất giảm e² lần.
Chiều căn thức. $Z=120\pi\sqrt{\mu_r/\varepsilon_r}$ (μ ở trên); $v=c/\sqrt{\varepsilon_r\mu_r}$.
TE là sóng H ($H_z\ne0$), TM là sóng E ($E_z\ne0$). Rất dễ đảo.
Phân cực tròn cần 2 điều kiện: biên độ bằng nhau và lệch pha ±π/2.
Không có TM₁₀, TM₀₁ trong ống chữ nhật. TM thấp nhất là TM₁₁. Ống tròn thì lại có TM₀₁, TE₀₁.
Đừng mặc định $a>b$. Đề giữa kỳ có $b>a$, mode cơ bản là TE₀₁ ($\lambda_{th}=2b$). Luôn gắn $m$ với $a$, $n$ với $b$.
Điều kiện truyền là $\lambda<\lambda_{th}$ (hay $f>f_{th}$). $\lambda_{th}$ là bước sóng lớn nhất còn đi qua được.
Trong ống dẫn sóng $v_{ph}>c$, $v_{nh}<c$, $\lambda_s>\lambda_0$, $Z_{TE}>Z_0>Z_{TM}$.
TEM không có trong ống dẫn sóng rỗng. Cáp đồng trục có TEM ở mọi tần số.
Dải: mét = VHF, dm = UHF, cm = SHF, mm = EHF. Đừng lẫn UHF với SHF.
LUYỆN Ôn luyện nhanh
Câu hỏi ngắn soạn từ nội dung Sổ tay, lọc theo chương. Bấm một đáp án để xem đúng sai và giải thích. Bộ 290 câu đầy đủ, có xáo câu và xáo đáp án, nằm ở tab Trắc nghiệm.
Lý thuyết trường điện từ & Siêu cao tần
Lời giải đề ôn tập, đề giữa kỳ và bài tập chương 5–6
Giải từng bước theo giáo trình Bài giảng Trường điện từ và Siêu cao tần (PTIT, 2013) và slide của lớp. Số trong ngoặc như (2.16) là số hiệu công thức trong giáo trình. Tra nhanh ký hiệu và công thức ở Sổ tay LTTĐT & SCT.
Đề ôn tập 11 câu: 8 lý thuyết, 3 bài tínhĐề giữa kỳ 3 bài tínhChương 5–6 2 bài trong sách + 8 bài mẫu$c=3\cdot10^8$ m/s · $\mu_0=4\pi\cdot10^{-7}$ H/m · $Z_0=120\pi$ Ω
Phần 1
Đề cương ôn tập
Câu 2, 5, 11 là bài tính; các câu còn lại là câu hỏi lý thuyết, trả lời theo giáo trình.
ÔT · CÂU 1 Hệ phương trình Maxwell, 3 loại trường, 3 loại môi trường
1. Hệ phương trình Maxwell
Gồm 4 phương trình, xây dựng từ các định luật thực nghiệm:
MX1: định luật dòng điện toàn phần (Ampe), bổ sung thêm dòng điện dịch của Maxwell.
MX2: định luật cảm ứng điện từ Faraday, mở rộng cho mọi vòng kín, không cần là dây dẫn.
MX3, MX4: định luật Gauss cho điện trường và từ trường.
Từ dạng tích phân sang vi phân: (1), (2) dùng biến đổi Green–Stokes; (3), (4) dùng biến đổi Gauss.
Kèm theo là các phương trình liên hệ với môi trường: $\vD=\varepsilon\vE$, $\vB=\mu\vH$, $\vJ=\sigma\vE$. Với trường điều hòa $e^{j\omega t}$, hệ có dạng phức (1.31):
Quan hệ giữa điện trường và từ trường (MX1, MX2). Điện trường biến thiên theo thời gian sinh ra từ trường xoáy, và từ trường biến thiên sinh ra điện trường xoáy. Hai trường luôn gắn bó với nhau, tạo thành trường điện từ thống nhất. Dòng dẫn và dòng dịch có vai trò như nhau trong việc tạo ra từ trường.
Mô tả hình học của trường (MX3, MX4).
$\div\vB=0$: đường sức $\vB$ luôn khép kín, liên tục, vì trong tự nhiên không có từ tích.
$\div\vD=\rho$: đường sức $\vD$ xuất phát từ điện tích dương và tận cùng ở điện tích âm. Điện tích là nguồn của điện trường.
Quan hệ giữa trường và môi trường chất thông qua các tham số $\varepsilon,\mu,\sigma$ và mật độ điện tích $\rho$.
2. Ba loại trường điện từ
Trường tĩnh
Trường dừng
Trường biến thiên
Điều kiện
$\partial/\partial t=0$; $\vJ=0$ (điện tích đứng yên)
$\partial/\partial t=0$; $\vJ=\text{const}\ne0$ (dòng không đổi)
Phân loại theo độ dẫn điện tĩnh (giáo trình tr.11): dẫn điện $\sigma>10^4$ S/m; bán dẫn $10^{-10}<\sigma<10^4$ S/m; cách điện $\sigma<10^{-10}$ S/m.
Phân loại khi truyền sóng: dùng $\tg\delta_e=\sigma/(\omega\varepsilon)$, tức tỷ số dòng dẫn trên dòng dịch.
$\tg\delta_e\ll1$: điện môi.
$\tg\delta_e\gg1$: vật dẫn.
$\tg\delta_e$ cỡ 1: bán dẫn.
ÔT · CÂU 2 Lưỡng cực điện: công suất, điện trở bức xạ, trường theo góc
Đề bàiCho một lưỡng cực điện có chiều dài $l=1$ m, có dòng điện $I_{hd}=10$ A, tần số $f=10^6$ Hz đặt trong không khí. a) Tính công suất bức xạ và tổng trở bức xạ. b) Tính trị hiệu dụng của cường độ điện trường, cường độ từ trường và vectơ Poynting tại các điểm cách anten $R=20$ km ứng với các góc tà $\theta$ bằng 0°, 30°, 60°, 90°. Vẽ định tính đồ thị định hướng của lưỡng cực.
$l=1\ \text{m}\ll\lambda=300$ m, nên anten là lưỡng cực điện (nguyên tố anten thẳng), dòng phân bố đều. $r/\lambda=20000/300\approx66{,}7\gg1$, nên điểm khảo sát nằm ở khu xa và dùng được công thức (2.10), (2.11).
Kiểm tra chéo: $\Pi_{max}=1{,}5\,\dfrac{P_{bx}}{4\pi r^2}=1{,}5\times\dfrac{0{,}877}{4\pi\cdot4\cdot10^8}=2{,}618\cdot10^{-10}$ W/m², khớp.
b) Giá trị theo từng góc
Nhân $E_{max},H_{max}$ với $\sin\theta$, nhân $\Pi_{max}$ với $\sin^2\theta$:
θ
sinθ
E (V/m)
H (A/m)
Π (W/m²)
0°
0
0
0
0
30°
0,5
1,571·10⁻⁴
4,167·10⁻⁷
6,545·10⁻¹¹
60°
0,866
2,721·10⁻⁴
7,217·10⁻⁷
1,963·10⁻¹⁰
90°
1
3,142·10⁻⁴
8,333·10⁻⁷
2,618·10⁻¹⁰
b) Đồ thị định hướng
Hàm phương hướng (2.13): $f(\theta)=\dfrac{E(\theta)}{E_{max}}=\sin\theta$, và $f(\varphi)=1$.
Mặt phẳng kinh tuyến (chứa trục dipol): hai đường tròn tiếp xúc nhau tại gốc. Trường bằng 0 dọc trục (θ = 0°, 180°) và cực đại theo phương vuông góc (θ = 90°).
Mặt phẳng ngang (vuông góc trục): đường tròn, vì trường không phụ thuộc $\varphi$.
Mặt phẳng kinh tuyến: $f(\theta)=\sin\theta$, hình số 8.Mặt phẳng ngang: $f(\varphi)=1$, đường tròn.
Đáp sốa) $R_{bx}=8{,}773\cdot10^{-3}$ Ω; $P_{bx}=0{,}877$ W. b) Tại θ = 0°, 30°, 60°, 90°: E = 0; 1,571·10⁻⁴; 2,721·10⁻⁴; 3,142·10⁻⁴ V/m. H = 0; 4,167·10⁻⁷; 7,217·10⁻⁷; 8,333·10⁻⁷ A/m. Π = 0; 6,545·10⁻¹¹; 1,963·10⁻¹⁰; 2,618·10⁻¹⁰ W/m².
ÔT · CÂU 3 Nâng cao công suất bức xạ và tăng tính định hướng cho anten
1. Nâng cao công suất bức xạ
Từ công thức công suất bức xạ của lưỡng cực điện trong không khí (2.16):
Công suất tỷ lệ với bình phương dòng điện, bình phương chiều dài anten và bình phương tần số. Có 3 cách tăng:
Tăng dòng $I$. Có nhược điểm: phải dùng nguồn công suất lớn, tổn hao nhiệt trên dây và mạch tiếp điện tăng theo $I^2$.
Tăng chiều dài $l$. Phải giới hạn, vì công thức chỉ đúng khi $l\ll\lambda$ (dòng phân bố đều). Thực tế người ta tăng $l$ đến mức so sánh được với bước sóng. Thường dùng nhất là anten nửa sóng $l=\lambda/2$, có dòng phân bố hình sin.
Tăng tần số $f$: hiệu quả nhất. Ở tần số thấp anten gần như không bức xạ. Ví dụ bài 2-3: vòng dây 3 m² ở 50 Hz chỉ bức xạ khoảng $10^{-20}$ W. Muốn bức xạ hiệu quả phải dùng tần số cao.
2. Tăng tính định hướng
Một lưỡng cực có $f(\theta)=\sin\theta$. Trong mặt phẳng ngang nó bức xạ đều mọi hướng ($f(\varphi)=1$), nên không định hướng được theo phương vị. Muốn tập trung năng lượng vào một hướng, phải dùng hệ thống (dàn) anten sắp đặt thích hợp. Tính định hướng có được nhờ giao thoa của trường do các anten tạo ra.
Với hai anten nửa sóng song song cách nhau $d$, dòng lệch pha $\delta$, hàm định hướng trong mặt phẳng ngang là (2.35):
Định hướng theo φ (mặt phẳng ngang): đặt nhiều anten thẳng đứng, song song, thẳng hàng, dòng cùng pha. Ví dụ 5 anten nửa sóng cách nhau λ/2: hai búp chính vuông góc với dãy anten.
Định hướng theo θ: xếp các anten nối đuôi nhau dọc theo trục.
Định hướng theo cả θ và φ: ghép nhiều anten thành dàn trên một mặt phẳng.
Bức xạ về một phía: dùng hai anten (hoặc hai dàn) có dòng lệch pha. Với $d=\lambda/4$, $\delta=\pi/2$ thì $f(\varphi)=\cos\big[\tfrac{\pi}{4}(\cos\varphi+1)\big]$: bằng 0 ở phía $\varphi=0$ và gấp đôi một anten ở phía $\varphi=\pi$.
Hai anten cùng pha luôn cho đồ thị đối xứng qua gốc. Muốn đồ thị không đối xứng thì phải có $\delta\ne0$.
ÔT · CÂU 4 Sóng TEM, TE, TM; phân cực; phương trình sóng phẳng và tham số trong các môi trường
1. Sóng TEM, TE, TM
Xét sóng truyền theo trục z:
Loại
Tên gọi
Điều kiện
Dùng ở
TEM
sóng điện từ ngang
$E_z=0,\ H_z=0$: $\vE,\vH$ vuông góc phương truyền
không gian tự do (sóng phẳng), cáp đồng trục, dây song hành
TE
sóng điện ngang, sóng H
$E_z=0,\ H_z\ne0$
ống dẫn sóng
TM
sóng từ ngang, sóng E
$H_z=0,\ E_z\ne0$
ống dẫn sóng
2. Phân cực của sóng
Dạng phân cực là quỹ đạo mà đầu mút vectơ $\vE$ vạch ra trong mặt phẳng vuông góc phương truyền. Mặt phẳng phân cực là mặt phẳng chứa phương truyền và vectơ $\vE$. Sóng tổng quát được phân tích thành hai thành phần vuông góc, cùng tần số:
Phân cực elip: trường hợp tổng quát, đầu mút $\vE$ vạch hình elip.
Phân cực tròn: khi $E_{mx}=E_{my}=E_m$ và $\delta=\pm\pi/2$; khi đó $E_1^2+E_2^2=E_m^2$. Nhìn theo chiều truyền sóng: $\vE$ quay cùng chiều kim đồng hồ là quay phải, ngược chiều là quay trái.
Phân cực thẳng: khi $\delta=0,\pm\pi,\dots$; vectơ $\vE$ luôn nằm trên một đường thẳng, $E_2=\pm\dfrac{E_{my}}{E_{mx}}E_1$.
Phân cực đứng: $\vE$ theo phương thẳng đứng.
Phân cực ngang: $\vE$ theo phương nằm ngang.
Khi xét phản xạ: phân cực ngang có $\vE$ vuông góc mặt phẳng tới, phân cực đứng có $\vE$ nằm trong mặt phẳng tới.
3. Phương trình sóng phẳng
Xét sóng TEM, $\vE=E_x\vec i_x$, $\vH=H_y\vec i_y$, truyền theo z. Từ hệ Maxwell dạng phức suy ra (3.8), (3.10):
Trong đó $\alpha$ là hệ số suy hao [Np/m], $\beta$ là hệ số pha [rad/m], $\dot Z_s$ là trở kháng sóng. Các đại lượng suy ra: $v_{ph}=\omega/\beta$, $\lambda=2\pi/\beta$, $d=1/\alpha$.
Đề bàiMột sóng phẳng điều hòa lan truyền trong môi trường đồng nhất vô hạn, với các thông số $\varepsilon=0$, $\mu=\mu_0$, $\sigma=10^4$ S/m. Biết cường độ điện trường $E_m=600$ mV/m, tần số $\omega=3\cdot10^8$ rad/s. Hãy xác định các thông số của sóng: hệ số truyền sóng Γ, trở kháng sóng Z, vận tốc sóng v, bước sóng λ, độ sâu thâm nhập d, cường độ từ trường $\dot H$, vectơ Poynting $\dot\Pi$.
$\varepsilon=0$ (đề in "$\varepsilon_0=0$")$\mu=\mu_0=4\pi\cdot10^{-7}$ H/m$\sigma=10^4$ S/m$E_m=0{,}6$ V/m$\omega=3\cdot10^8$ rad/s
Xác định loại môi trường
Đề cho $\varepsilon=0$, tức bỏ qua dòng điện dịch: môi trường chỉ có dòng dẫn, là vật dẫn. Dùng công thức vật dẫn tốt (3.20)–(3.24).
Kiểm tra: dù lấy $\varepsilon=\varepsilon_0$ thì $\dfrac{\sigma}{\omega\varepsilon_0}=\dfrac{10^4}{3\cdot10^8\times8{,}85\cdot10^{-12}}\approx3{,}8\cdot10^6\gg1$, vẫn là vật dẫn tốt.
ÔT · CÂU 6 Hiệu ứng bề mặt và ảnh hưởng đến truyền sóng
1. Hiệu ứng bề mặt là gì
Với dòng điện một chiều, mật độ dòng phân bố đều trên tiết diện dây dẫn. Với dòng điện xoay chiều, mật độ dòng tập trung sát bề mặt ngoài của vật dẫn và giảm nhanh khi đi vào bên trong. Hiện tượng này gọi là hiệu ứng bề mặt (skin effect). Tần số càng cao, hiện tượng càng mạnh.
Giải thích theo lý thuyết sóng phẳng (mục 3.4.2): sóng điện từ đi vào vật dẫn tốt bị suy hao rất nhanh, biên độ giảm theo $e^{-\alpha z}$ với $\alpha=\sqrt{\omega\mu\sigma/2}$. Lớp dẫn điện thực tế chỉ dày cỡ độ sâu thâm nhập:
Ở độ sâu $d$, biên độ trường (và mật độ dòng) giảm $e$ lần. $d$ giảm tỷ lệ $1/\sqrt f$. Ví dụ với đồng ($\sigma=5{,}8\cdot10^7$ S/m): $d\approx66\ \mu$m ở 1 MHz, chỉ còn khoảng $0{,}66\ \mu$m ở 10 GHz (bổ sung, tính theo công thức trên).
2. Ảnh hưởng đến truyền sóng
Điện trở của dây dẫn tăng, tổn hao tăng. Dòng chỉ chảy trong lớp mỏng dày cỡ $d$, nên diện tích dẫn điện hiệu dụng giảm. Điện trở tăng theo $\sqrt f$, tổn hao nhiệt trên đường truyền tăng.
Điện cảm của vật dẫn thay đổi. Từ trường bên trong dây giảm nên điện cảm trong giảm.
Khó truyền năng lượng ở tần số cao và siêu cao. Với dây dẫn thông thường, tổn hao trở nên rất lớn. Vì vậy ở siêu cao tần phải dùng hệ định hướng sóng điện từ (ống dẫn sóng, cáp đồng trục), có ưu điểm hạn chế tổn hao do bức xạ và do hiệu ứng bề mặt.
Sóng khó thâm nhập vào vật dẫn. Ở siêu cao tần, trường chỉ tồn tại trong lớp rất mỏng sát bề mặt kim loại. Một lớp kim loại mỏng đã đủ để chắn sóng; mặt trong ống dẫn sóng chỉ cần mạ lớp dẫn điện tốt (bổ sung).
Phiến dẫn phẳng dày 2a (mục 3.5.2):
Khi $2a\ll d$ (tần số thấp), phiến "trong suốt", trường phân bố gần đều.
Khi $2a\gg d$ (tần số cao), phiến "đục", hiệu ứng bề mặt rõ rệt, tổng trở phiến có $R=X$.
ÔT · CÂU 7 Vì sao ở tần số cao phải dùng ống dẫn sóng hoặc cáp đồng trục
Ở tần số thấp, kích thước đường dây (khoảng cách hai dây, đoạn dây) rất nhỏ so với bước sóng. Năng lượng bức xạ ra ngoài không đáng kể, hiệu ứng bề mặt yếu, nên đường dây dẫn điện bình thường (dây đôi) truyền năng lượng tốt.
Khi tần số tăng cao, đường dây thường gặp các vấn đề sau:
Tổn hao do bức xạ. Đường dây đôi là đường truyền hở. Khi kích thước của nó so sánh được với bước sóng, nó bức xạ năng lượng ra không gian như một anten. Công suất bức xạ tăng theo $f^2$ (chương 2).
Tổn hao do hiệu ứng bề mặt. Dòng dồn ra lớp mỏng dày $d=\sqrt{2/(\omega\mu\sigma)}$ ở bề mặt dây. Điện trở và tổn hao nhiệt tăng theo $\sqrt f$.
Tổn hao trong điện môi của vật liệu cách điện tăng theo tần số.
Dễ bị nhiễu từ môi trường xung quanh, vì trường không bị giới hạn.
Vì vậy ở dải dm trở lên, đường dây đôi không còn dùng rộng rãi. Người ta chuyển sang đường truyền kín, có mặt kim loại bao bọc vùng truyền năng lượng, nên tránh được bức xạ năng lượng ra xung quanh và chống nhiễu:
Cáp đồng trục. Trường TEM bị giới hạn giữa lõi và vỏ, không bức xạ. Truyền được mọi tần số ($f_{th}=0$), là đường truyền phổ biến nhất ở VHF, UHF.
Ống dẫn sóng. Ở dải cm, cáp đồng trục lại có tổn hao lớn do hiệu ứng bề mặt ở lõi trong và tổn hao điện môi, nên chỉ dùng cho cự ly ngắn, công suất nhỏ. Ống dẫn sóng không có lõi, bên trong là không khí, nên tổn hao nhỏ và chịu được công suất lớn. Kích thước ngang của ống phải cỡ bước sóng ($\lambda_{th}\sim2a$), nên ống dẫn sóng chỉ khả thi khi λ cỡ cm ($f\sim10^{10}$ Hz) và không dùng được ở dải mét.
ÔT · CÂU 8 Phân loại dải sóng siêu cao tần và ứng dụng
Theo bài giảng, dải siêu cao tần là phần của phổ sóng điện từ có $\lambda=10\ \text{m}\div1\ \text{mm}$, tức $f=3\cdot10^7\div3\cdot10^{11}$ Hz. Dải này chia thành 4 dải nhỏ:
Dải
Tên
Bước sóng
Tần số
Ứng dụng
Sóng mét
VHF
10 m ÷ 1 m
30 ÷ 300 MHz
truyền hình VHF, phát thanh FM, thông tin di động, hàng không
Sóng decimet
UHF
10 dm ÷ 1 dm
300 MHz ÷ 3 GHz
truyền hình UHF, thông tin di động
Sóng centimet
SHF
10 cm ÷ 1 cm
3 ÷ 30 GHz
thông tin vệ tinh, radar, viba chuyển tiếp
Sóng milimet
EHF
10 mm ÷ 1 mm
30 ÷ 300 GHz
liên lạc vệ tinh – vệ tinh, radar, thông tin di động
Ứng dụng chung của sóng siêu cao tần: truyền hình, phát thanh FM, thông tin vệ tinh, thông tin di động, radar, đạo hàng (dẫn đường). Sóng SCT lan truyền theo tầm nhìn thẳng, xuyên qua tầng điện ly, nên đặc biệt phù hợp cho liên lạc vệ tinh.
Ngoài ra trong kỹ thuật thường dùng tên băng theo chữ cái (bổ sung, không có trong giáo trình): L 1–2 GHz, S 2–4, C 4–8, X 8–12, Ku 12–18, K 18–27, Ka 27–40 GHz.
ÔT · CÂU 9 Hệ định hướng sóng điện từ và phạm vi ứng dụng các đường truyền
1. Khái niệm
Hệ định hướng sóng điện từ (đường truyền) là các hệ thống, thiết bị dùng để giới hạn đường truyền lan của các dao động điện từ hoặc các dòng năng lượng điện từ theo một hướng đã chọn.
Đường truyền đồng nhất thỏa hai điều kiện: tiết diện ngang không đổi dọc theo đường truyền, và môi trường bên trong đồng nhất. Kỹ thuật SCT chủ yếu dùng đường truyền đồng nhất. Có hai loại:
Đường truyền hở: tại tiết diện ngang không có vòng kim loại bao bọc vùng truyền năng lượng. Gồm dây song hành (dây đôi), mạch dải, đường truyền sóng mặt (ống dẫn sóng điện môi).
Đường truyền kín: có ít nhất một mặt kim loại bao bọc hoàn toàn vùng truyền năng lượng. Đó là ống kim loại chứa điện môi đồng nhất, không khí hoặc chân không: cáp đồng trục, ống dẫn sóng chữ nhật, ống dẫn sóng tròn.
2. Phạm vi ứng dụng của từng loại
Đường truyền
Dải sóng
Loại sóng
Đặc điểm và ứng dụng
Dây song hành
sóng mét (VHF)
TEM
Đường truyền hở, đối xứng; rẻ, mềm, dễ lắp đặt, dễ phối hợp. Nhược điểm: bị nhiễu, tổn hao bức xạ. Dùng làm feeder anten VHF.
Cáp đồng trục
mét, decimet (VHF, UHF)
TEM (cả TE, TM bậc cao)
Đường truyền kín, không bức xạ, phổ biến nhất; truyền TEM ở mọi tần số. Ở dải cm tổn hao lõi và điện môi lớn.
Ống dẫn sóng chữ nhật, tròn
centimet (SHF)
chỉ TE, TM
Tổn hao nhỏ, kích thước phù hợp ở dải cm, chịu công suất lớn; có tần số tới hạn. Ở dải mm quá nhỏ, khó chế tạo, tổn hao lớn.
Mạch dải
decimet ÷ milimet
gần TEM
Gọn nhẹ, chế tạo dạng mạch in; dùng trong vi mạch siêu cao, thiết bị thu, đo lường.
Ống dẫn sóng điện môi
milimet và ngắn hơn (đến quang học)
sóng mặt chậm
Tổn hao nhỏ, kích thước bé, dễ chế tạo; loại phẳng dùng trong quang tích phân, laze bán dẫn; loại tròn là sợi quang.
ÔT · CÂU 10 Các tính chất đặc biệt của sóng siêu cao tần
Truyền thẳng trong phạm vi nhìn thấy trực tiếp. Sóng SCT hầu như xuyên qua được tầng khí quyển, ít thay đổi về công suất và phương truyền, nên dùng được cho thông tin vệ tinh và vũ trụ.
Tính định hướng cao. Khi bức xạ từ những vật có kích thước lớn hơn nhiều so với bước sóng, có thể tạo búp sóng hẹp. Đây là cơ sở của radar và các tuyến viba.
Khoảng tần số sử dụng lớn, số kênh rất lớn. Ví dụ trong giáo trình: toàn bộ dải sóng ngắn (λ = 100 m ÷ 10 m, tức 3 ÷ 30 MHz) chỉ chứa khoảng 4000 kênh thoại hay 4 kênh truyền hình. Cùng lượng kênh đó ở dải cm chỉ chiếm đoạn bước sóng từ 2,992 đến 3 cm.
Kích thước phần tử và thiết bị so sánh được với bước sóng. Ở dải cm và mm, phải tính đến hiệu ứng giữ chậm của sóng điện từ. Với đèn điện tử, thời gian bay của điện tử so sánh được với chu kỳ dao động (hiệu ứng quán tính bay); với linh kiện bán dẫn, phải tính quán tính dịch chuyển của điện tử và lỗ trống. Vì vậy khái niệm phần tử tập trung (R, L, C) không còn dùng được, phải thay bằng phần tử có tham số phân bố.
ÔT · CÂU 11 Ống dẫn sóng chữ nhật a = 2,5 cm, b = 2 cm, f = 10 GHz
Đề bàiCho một ống dẫn sóng chữ nhật có kích thước $a=2{,}5$ cm và $b=2$ cm. Độ dẫn điện của thành ống vô cùng lớn. Điện môi bên trong ống là không khí. a) Hỏi ở tần số $f=10$ GHz những mode sóng nào có thể truyền được trong ống? b) Tính bước sóng tới hạn $\lambda_{th}$ và bước sóng hoạt động $\lambda_s$ của từng mode sóng đó.
$a=2{,}5$ cm$b=2$ cm$f=10$ GHzkhông khí, thành dẫn lý tưởng
Sóng TE cho phép một chỉ số bằng 0 (không đồng thời cả hai). Sóng TM cần $m\ge1$ và $n\ge1$, vì $E_z\sim\sin\frac{m\pi x}{a}\sin\frac{n\pi y}{b}$ triệt tiêu khi một chỉ số bằng 0. Vậy các mode truyền được là TE₁₀, TE₀₁, TE₁₁ và TM₁₁. Mode cơ bản là TE₁₀ (vì $a>b$).
Mode bị chặn gần nhất: TE₂₀ có $\lambda_{th}=2{,}5$ cm < 3 cm.
Phần 2
Đề kiểm tra giữa kỳ
Ba bài cùng dạng với câu 2, 5, 11 của đề ôn tập, khác số liệu. Cuối mỗi bài có đối chiếu với bài làm tay của bạn.
GK · CÂU 1 Lưỡng cực điện l = 1 m, I = 15 A, f = 2 MHz
Đề bàiCho một lưỡng cực điện có chiều dài $l=1$ m, có dòng điện $I_{hd}=15$ A, tần số $f=2$ MHz đặt trong không khí. a) Tính công suất bức xạ và tổng trở bức xạ. b) Tính trị hiệu dụng của cường độ điện trường, cường độ từ trường và vectơ Poynting tại các điểm cách anten $R=8$ km ứng với các góc tà θ bằng 0°, 30°, 60°, 90°. Vẽ định tính đồ thị định hướng của lưỡng cực.
Giống câu 2 đề ôn tập: $f(\theta)=\sin\theta$ cho hình số 8 (hai vòng tròn tiếp xúc tại gốc) trong mặt phẳng kinh tuyến, và đường tròn trong mặt phẳng ngang. Xem hình ở câu 2 ôn tập.
Đáp sốa) $R_{bx}=0{,}03509$ Ω; $P_{bx}=7{,}90$ W. b) Tại θ = 0°, 30°, 60°, 90°: E = 0; 1,178; 2,041; 2,356 mV/m. H = 0; 3,125; 5,413; 6,250 µA/m. Π = 0; 3,68·10⁻⁹; 1,104·10⁻⁸; 1,473·10⁻⁸ W/m².
Đối chiếu bài làm của bạn: phương pháp đúng. Bạn ghi $R_{bx}=0{,}03514$ Ω và $P_{bx}=7{,}91$ W do làm tròn $\pi^2$; giá trị chính xác là 0,03509 Ω và 7,90 W. Các giá trị E, H, Π và cách dùng $I_{hd}$ đều đúng.
Đề bàiMột sóng phẳng điều hòa lan truyền trong môi trường đồng nhất vô hạn, với các thông số $\varepsilon_r=0$, $\mu_r=4$ và $\sigma=10^{-2}$ S/m. Biết cường độ điện trường $E_m=600$ mV/m, tần số $\omega=5\cdot10^8$ rad/s. Hãy xác định các thông số của sóng: hệ số truyền sóng Γ, α, β, trở kháng sóng Z, vận tốc sóng v, bước sóng λ, cường độ $\dot E$, $\dot H$, độ sâu thâm nhập d.
Đối chiếu bài làm của bạn: bạn đã phân loại đúng (vật dẫn) và dùng đúng công thức, nhưng kết quả bị lệch khoảng 1%: α = β = 3,58 (đúng là 3,545), Z = 506,31∠45° (đúng là 501,3∠45°), λ = 1,755 m (đúng là 1,772), d = 0,2793 m (đúng là 0,2821). Lỗi nằm ở bước bấm máy $\sqrt{\omega\mu\sigma/2}$: với $\mu=5{,}027\cdot10^{-6}$ thì $\omega\mu\sigma/2$ đúng bằng $4\pi=12{,}566$.
Nếu hiểu εr = 1 (không khí) thay vì 0: $\sigma/(\omega\varepsilon_0)=2{,}26$, tức cỡ 1, nên môi trường là bán dẫn và phải dùng (3.25)–(3.27). Khi đó α = 2,861 Np/m, β = 4,393 rad/m, |Z| = 479,4 Ω với ξ = 33,1°, v = 1,14·10⁸ m/s, λ = 1,430 m, d = 0,350 m. Đề ghi εr = 0 nên đáp án chính là theo công thức vật dẫn ở trên.
GK · CÂU 3 Ống dẫn sóng chữ nhật a = 3 cm, b = 4 cm, f = 13 GHz
Đề bàiCho một ống dẫn sóng chữ nhật có kích thước $a=3$ cm và $b=4$ cm. Độ dẫn điện của thành ống vô cùng lớn. Điện môi bên trong ống là không khí. a) Hỏi ở tần số $f=13$ GHz những mode sóng nào có thể truyền qua được ống dẫn sóng? b) Tính bước sóng tới hạn $\lambda_{th}$ và bước sóng hoạt động $\lambda_s$ của từng mode sóng đó.
$a=3$ cm (trục x)$b=4$ cm (trục y)$f=13$ GHzkhông khí
Bị chặn gần nhất: TE₃₀ và TE₀₄ ($\lambda_{th}=2$ cm), TE/TM₂₃ ($\lambda_{th}=1{,}993$ cm), đều nhỏ hơn 2,3077 cm.
Đối chiếu bài làm của bạn: danh sách 15 mode và tất cả giá trị $\lambda_{th}$ đều đúng. Hai giá trị $\lambda_s$ lệch do làm tròn: TE/TM₁₃ đúng là 7,18 cm (bạn ghi 7,14), TE/TM₂₂ đúng là 8,40 cm (bạn ghi 8,33). Mode sát tới hạn rất nhạy với sai số, nên giữ λ = 2,3077 cm thay vì làm tròn.
Phần 3
Bài tập chương 5 và 6
Chương 5: 2 bài tập cuối chương trong giáo trình (tr.98). Chương 6: giáo trình không có bài tập, nên các bài dưới đây được soạn theo đúng công thức trong chương để luyện các dạng hay ra.
BÀI 5-1 Tần số cộng hưởng của hộp chữ nhật
Đề bàiMột hộp cộng hưởng chữ nhật có các kích thước $a=10$ cm, $b=20$ cm, $L=30$ cm. Độ dẫn điện của thành hộp là vô cùng lớn, điện môi bên trong là không khí. Tính tần số sóng trong hộp cộng hưởng với $m=1$, $n=0$, $p=1$.
Với $n=0$, dạng TM không tồn tại vì TM cần $m,n\ge1$ (5.11). Dạng TE cho phép $m,n=0,1,2,\dots$ và $p\ge1$ (5.14). Vậy đây là dạng $TE_{101}$ ($H_{101}$).
Kiểm tra bằng dạng rút gọn cho $H_{101}$: $\lambda_0=\dfrac{2aL}{\sqrt{a^2+L^2}}=\dfrac{600}{\sqrt{1000}}=18{,}97$ cm, khớp.
Đáp sốDạng $TE_{101}$: $\lambda_0\approx18{,}97$ cm, $f_0\approx1{,}58$ GHz.
Lưu ý: không nhầm với tần số tới hạn của mode $TE_{10}$ trong ống dẫn sóng ($c/2a=1{,}5$ GHz). Hộp cộng hưởng có thêm chỉ số p theo chiều dài L.
BÀI 5-2 Bảng bước sóng cộng hưởng riêng
Đề bàiTính và lập bảng các bước sóng cộng hưởng riêng trong hộp cộng hưởng chữ nhật rỗng có kích thước $a=7{,}2$ cm, $b=3{,}4$ cm, $L=10$ cm với các dạng dao động hoạt động có trong dải sóng có $\lambda\ge5{,}3$ cm.
$a=7{,}2$ cm$b=3{,}4$ cm$L=10$ cmđiều kiện: $\lambda_0\ge5{,}3$ cm
Đề in "$\lambda_t\ge5{,}3$ cm". Ở đây hiểu là liệt kê các dạng có bước sóng cộng hưởng riêng $\lambda_0\ge5{,}3$ cm.
$n^2\le0{,}1424/0{,}08651=1{,}65$ nên $n\le1$. Với $n=0$: $m\le2$ và $p\le3$. Với $n=1$: phần còn lại chỉ $0{,}0559$, nên $m\le1$ và $p\le2$.
Lọc theo quy tắc chỉ số của bài giảng
TE: $m,n\ge0$ (không cùng bằng 0), $p\ge1$. TM: $m,n\ge1$, $p\ge1$. Vì $n\le1$ nên TM chỉ có thể là $TM_{11p}$, và chỉ $p=1$ thỏa điều kiện.
Tính λ₀ cho từng dạng
Ví dụ $TE_{103}$: $\lambda_0=\dfrac{2}{\sqrt{0{,}01929+0{,}09}}=\dfrac{2}{0{,}3306}=6{,}05$ cm. Ví dụ $TE_{111}$, $TM_{111}$: $\lambda_0=\dfrac{2}{\sqrt{0{,}01929+0{,}08651+0{,}01}}=\dfrac{2}{0{,}3403}=5{,}88$ cm.
Đáp số
Dạng
$(m/a)^2+(n/b)^2+(p/L)^2$
λ₀ (cm)
f₀ (GHz)
$TE_{101}$ (cơ bản)
0,02929
11,69
2,57
$TE_{102}$
0,05929
8,21
3,65
$TE_{201}$
0,08716
6,77
4,43
$TE_{011}$
0,09651
6,44
4,66
$TE_{103}$
0,10929
6,05
4,96
$TE_{111}$, $TM_{111}$ (suy biến)
0,11580
5,88
5,10
$TE_{202}$
0,11716
5,84
5,13
$TE_{012}$
0,12651
5,62
5,34
Tổng cộng 9 dạng dao động: 8 dạng TE và 1 dạng TM. Bị loại sát nút: $TE_{112}$/$TM_{112}$ có $\lambda_0=5{,}24$ cm < 5,3 cm.
Kiểm tra dạng cơ bản: vì $L>a>b$ nên dạng cơ bản là $H_{101}$, với $\lambda_0=\dfrac{2aL}{\sqrt{a^2+L^2}}=\dfrac{144}{12{,}32}=11{,}69$ cm, khớp hàng đầu tiên.
BÀI 6-1 Hệ số phản xạ và sóng đứng
Đề bài (tự soạn)Tại mặt cuối của một nhánh, trở kháng chuẩn hóa $\bar Z_{ch}=1+j$. Tính hệ số phản xạ $R_{px}$, hệ số sóng đứng $K_d$, hệ số sóng chạy $K_{ch}$ và tỷ lệ công suất sóng tới đi vào tải.
Với $P_t=\tfrac12|a|^2$, $P_{px}=\tfrac12|b|^2$ thì $P_{px}/P_t=|R_{px}|^2=0{,}2$. Công suất vào tải bằng $P_t(1-|R_{px}|^2)=0{,}8\,P_t$ (6.8.1).
Đáp số$R_{px}=0{,}2+j0{,}4$ ($|R_{px}|=0{,}447$); $K_d=2{,}62$; $K_{ch}=0{,}38$; 80% công suất tới vào tải, 20% phản xạ.
BÀI 6-2 Kiểm tra tính chất của ma trận tán xạ
Đề bài (tự soạn)Mạng 4 cực có $[S]=\begin{pmatrix}0{,}6&j0{,}8\\j0{,}8&0{,}6\end{pmatrix}$. a) Mạng có thuận nghịch, có tổn hao không? b) Nhánh 2 mắc tải phối hợp, tính $K_d$ ở nhánh 1 và tỷ lệ công suất truyền sang nhánh 2. c) Tìm ma trận trở kháng chuẩn hóa $[\bar Z]$.
Cả điều kiện biên độ lẫn điều kiện pha đều thỏa: mạng không tổn hao.
b) Nhánh 2 phối hợp
$a_2=0$ nên $b_1=S_{11}a_1$, $b_2=S_{21}a_1$. Ở nhánh 1: $|R_{px}|=|S_{11}|=0{,}6$, $K_d=\dfrac{1{,}6}{0{,}4}=4$. Công suất sang nhánh 2: $P_2/P_1=|S_{21}|^2=0{,}64$.
Đề bài (tự soạn)Đường truyền có trở kháng đặc tính 50 Ω. a) Mắc tải $Z_2=200$ Ω qua một đoạn λ/4 có $Z_{co}=50$ Ω, tính trở kháng $Z_1$ ở đầu kia. b) Muốn phối hợp tải 200 Ω với đường truyền 50 Ω bằng biến áp λ/4, trở sóng của biến áp bằng bao nhiêu? c) Nếu cuối đoạn λ/4 bị ngắn mạch thì đầu kia là gì?
a) Trở kháng qua đoạn λ/4
Theo (6.55): $Z_1Z_2=Z_{co}^2$, nên $Z_1=\dfrac{50^2}{200}=12{,}5$ Ω. Trở kháng chuẩn hóa đảo ngược: $\bar Z_{ch2}=4$ thành $\bar Z_{ch1}=1/4$.
b) Biến áp λ/4
Cần trở kháng vào bằng 50 Ω: $Z_v=\dfrac{Z_{CT}^2}{Z_t}=50$, suy ra $Z_{CT}=\sqrt{50\times200}=100$ Ω.
c) Cuối ngắn mạch
$\bar Z_{ch2}=0$ nên $R_{px2}=-1$; qua đoạn λ/4, $R_{px1}=-R_{px2}=1$, tức $\bar Z_{ch1}=\infty$: đầu kia là hở mạch (6.52).
Đáp sốa) $Z_1=12{,}5$ Ω. b) $Z_{CT}=100$ Ω. c) Hở mạch.
BÀI 6-5 Trở kháng thuần kháng mắc song song
Đề bài (tự soạn)Một trở kháng chuẩn hóa $\bar z=j$ mắc song song vào đường truyền. Tính ma trận tán xạ và kiểm tra mạng có tổn hao không.
Dấu hiệu mắc song song: $S_{11}-S_{21}=-1$, đúng. Công suất: $|S_{11}|^2+|S_{21}|^2=0{,}2+0{,}8=1$, nên mạng không tổn hao. Điều này hợp lý vì $\bar z$ thuần kháng.
Đáp số$S_{11}=S_{22}=-0{,}2+j0{,}4$, $S_{12}=S_{21}=0{,}8+j0{,}4$; 20% công suất phản xạ, 80% truyền qua, không tổn hao.
BÀI 6-6 Bộ ghép định hướng
Đề bài (tự soạn)Bộ ghép định hướng có hệ số ghép $C=20$ dB, hệ số định hướng $D=30$ dB. Đưa công suất 10 mW vào nhánh 1, các nhánh khác mắc tải phối hợp. Tính công suất ra ở nhánh ghép 4 và nhánh cách ly 2.
Nhánh ghép 4
Theo (6.109): $C=20\lg|a_1/b_4|=20$ dB nên $|b_4/a_1|=10^{-1}$. Công suất tỷ lệ bình phương biên độ: $P_4=10\ \text{mW}\times10^{-2}=0{,}1$ mW.
Nhánh cách ly 2
Theo (6.110): $D=20\lg|b_4/b_2|=30$ dB nên $P_2=P_4\times10^{-3}=10^{-4}$ mW $=0{,}1\ \mu$W.
Nhánh chính 3
Nếu bộ ghép không tổn hao và phối hợp, phần còn lại ra nhánh 3: $P_3\approx10-0{,}1=9{,}9$ mW.
Bẫy: C và D định nghĩa theo biên độ nên dùng $20\lg$. Khi đổi sang công suất thì 20 dB tương ứng với tỷ số 100 lần.
BÀI 6-7 Cầu T kép và cầu vòng
Đề bài (tự soạn)a) Cầu T kép lý tưởng: đưa 2 W vào nhánh H (4). Công suất và pha ở các nhánh 1, 2, 3? b) Đưa 2 W vào nhánh 1 thì sao? c) Cầu vòng có các nhánh 50 Ω: trở kháng đặc tính của thân cầu?
a) Vào nhánh H
Từ (6.111): $S_{14}=S_{24}=j/\sqrt2$, $S_{34}=0$. Mỗi nhánh 1, 2 nhận $|1/\sqrt2|^2\times2=1$ W, đồng pha; nhánh E (3) không có sóng ra.
b) Vào nhánh 1
Cột 1 của (6.111): $S_{31}=1/\sqrt2$, $S_{41}=j/\sqrt2$, $S_{21}=S_{11}=0$. Nhánh 3 và 4 mỗi nhánh nhận 1 W; nhánh 2 cách ly, nhận 0.
c) Cầu vòng
Theo (6.112), (6.113): $Z_C^T=\sqrt2\,Z_{nh}^T=\sqrt2\times50=70{,}7$ Ω.
Đáp sốa) 1 W ở nhánh 1, 1 W ở nhánh 2 (đồng pha), 0 ở nhánh 3. b) 1 W ở nhánh 3, 1 W ở nhánh 4, 0 ở nhánh 2. c) 70,7 Ω.
BÀI 6-8 Diode tunnel
Đề bài (theo số liệu tiêu biểu trong giáo trình)Mạch tương đương diode tunnel có $-R_n=-30$ Ω, $C=20$ pF, $R_s=1$ Ω, $L_s=5$ nH. Tính tần số cắt $f_c$ và tần số tự cộng hưởng $f_r$.
Chọn một hoặc nhiều bộ câu hỏi, bật trộn câu và trộn đáp án, rồi làm bài. Câu làm sai được lưu lại để ôn riêng. Nội dung theo giáo trình PTIT (chương 1–6) và slide của lớp.
Chế độ
Trộn
Số câu
Bộ câu hỏi
00:00
Phím tắt: 1–4 hoặc A–D để chọn đáp án · ← → để chuyển câu · Enter để sang câu tiếp.