1
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THÁI BÌNH
KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ
BÀI GIẢNG
SIÊU CAO TẦN
Thái Bình, tháng 6 năm 2019
2
Danh mục Trang
Chương 1: Đường dây truyền sóng 5
1.1. Khái niệm 5
1.2. Phương trình truyền sóng trên đường dây 5
1.3. Các môi trường truyền sóng trong thực tế 10
1.4. Hiện tượng phản xạ sóng trên đường dây – hệ số phản xạ 15
1.5. Trở kháng đường dây – dẫn nạp đường dây 20
1.6. Hiện tượng sóng đứng – hệ số sóng đứng 27
Chương 2: Đồ thị Smith 34
2.1 Giới thiệu 34
2.2 Các đồ thị vòng tròn 34
2.3 Đồ thị Smith 40
2.4 Ứng dụng cơ bản của đồ thị Smith 45
2.5 Phối hợp trở kháng trên đường dây truyền sóng 50
Chương 3: Ma trận tán xạ 58
3.1 Khái niệm chung 58
3.2 Khái niệm về đường dây truyền sóng mở rộng 60
3.3 ĐỊNH LUẬT KIRCHOFF MỞ RỘNG ĐỐI VỚI MẠNG VIBA. MA TRẬN 65
TRỞ KHÁNG VÀ MA TRẬN DẪN NẠP
3.4 Ma trận tán xạ 88
3
CHƯƠNG 0. NHẬP MÔN KỸ THUẬT VIBA
0.1 GIỚI THIỆU CHUNG
Thuật ngữ “viba” (microwaves) là để chỉ những sóng điện từ có bước sóng rất nhỏ, ứng
với phạm vi tần số rất cao của phổ tần số vô tuyến điện.
Phạm vi của dải tần số này cũng không có sự quy định chặt chẽ và thống nhất toàn thế
giới. Giới hạn trên của dải thường được coi là tới 300 GHz (f = 3.1011 Hz), ứng với bước sóng
=1mm (sóng milimet), còn giới hạn dưới có thể khác nhau tuỳ thuộc vào các quy ước theo tập
quán sử dụng. Một số nước coi "sóng cực ngắn" là những sóng có tần số cao hơn 30 MHz (bước
sóng ≤ 10m), còn một số nước khác coi "viba" là những sóng có tần số cao hơn 300 MHz
(bước sóng ≤ 1m).
Với sự phát triển nhanh của kỹ thuật và những thành tựu đạt được trong việc chinh phục
các băng tần cao của phổ tần số vô tuyến, khái niệm về phạm vi dải tần của "viba" cũng có thể
còn thay đổi.
Hình 0.1 minh hoạ phổ tần số của sóng điện từ và phạm vi dải tần của kỹ thuật viba được
coi là đối tượng nghiên cứu trong môn học này.
HÌNH 0.1 Phổ tần số của sóng điện từ
Trong ứng dụng thực tế, dải tần của vi ba còn được chia thành các băng tần nhỏ hơn:
- Cực cao tần UHF (Ultra High Frequency): f = 300 MHz ÷ 3 GHz
- Siêu cao tần SHF (Super High Frequency): f = 3 ÷ 30 GHz
- Thậm cao tần EHF (Extremely High Frequency):f = 30 ÷ 300 GHz
10
-
1
10
-
2
10
-
6
10
-
3
10
2
10
1
10
3
Ánh
sáng
nhìn
thấy
sóng
mét
(VHF)
sóng
ngắn
sóng
trung
sóng
dài
Viba
Hồng ngoại
T
ần số (Hz)
Bước sóng (m)
3.10
5
3.10
6
3.10
7
3.10
8
3.10
11
3.10
9
3.10
10
3.10
14
4
0.2 CÁCH TIẾP CẬN MÔN HỌC VÀ CÁC CÔNG THỨC CẦN THIẾT
Do phạm vi tần số của viba rất cao nên các lý thuyết mạch kinh điển thường không cho
phép giải quyết trực tiếp các bài toán của mạng viba.
Xét theo một ý nghĩa nào đó, lý thuyết mạch cũng có thể dược xem như là sự mở rộng
của lý thuyết Điện - Từ trường mô tả bởi hệ phương trình Maxwell. Tuy nhiên, lý thuyết mạch
kinh điển là lý thuyết áp dụng cho các mạch điện với các phần tử có tham số tập trung (như các
điện trở, tụ điện…), còn các cấu kiện viba lại thường là các phần tử có tham số phân bố, tại đây
pha của điện áp và dòng điện sẽ thay đổi tuỳ theo điểm khảo sát do kích thước của "phần tử"
viba là so sánh được với bước sóng.
Nếu xét ở phạm vi tần số cao hơn nữa, tiến tới giới hạn quang học thì có thể thấy rằng tại
đây, các cấu kiện quang học sẽ có kích thước lớn hơn nhiều so với bước sóng, và khi ấy hệ
phương trình Maxwell lại được chuyển thành lý thuyết quang hình. Hệ thống quang bây giờ có
thể được thiết kế theo nguyên lý quang hình. Kỹ thuật này đôi khi cũng có thể được áp dụng cho
hệ thống viba ở dải sóng milimet và được coi như lý thuyết chuẩn quang học.
Nói chung, đối với kỹ thuật viba thì công cụ lý thuyết chủ yếu để sử dụng là hệ phương
trình Maxwell và các nghiệm của chúng ở dạng tổng quát nhất. Do vậy, lý thuyết về các hệ
truyền dẫn vi ba như ống dẫn sóng, hệ đồng trục, hệ song hành, hệ thống chậm…được xây dựng
trên cơ sở khảo sát nghiệm của hệ phương trình Maxwell với các điều kiện bờ cụ thể của cấu
trúc hệ truyền dẫn. Các nghiệm này được trình bày dưới dạng điện từ trường HE, là hàm của
các toạ độ của không gian khảo sát.
Các bài toán này cũng được đề cập đến trong các giáo trình về lý thuyết Trường điện từ,
điện động lực học kỹ thuật. Vì vậy, để giảm bớt sự cồng kềnh và trùng lặp của cuốn sách, các
bài toán về các hệ truyền dẫn viba, trong đó chủ yếu là tìm nghiệm của hệ phương trình Maxwell
để xác định các dạng sóng tồn tại trong hệ (các mode sóng) với cấu trúc Trường và các tham số
cơ bản của chúng như tần số tới hạn, trở kháng sóng, hệ số pha, vận tốc pha và vận tốc
nhóm…sẽ không được đưa vào cuốn sách, mặc dù chúng được coi là một phần quan trọng của
lý thuyết và kỹ thuật viba. Các kiến thức về sóng điện từ phẳng và truyền sóng trong các hệ định
hướng được coi là các kiến thức mà độc giả đã được chuẩn bị trước khi học tập giáo trình này.
Tuy nhiên, cuốn sách cũng dành một phần để nhắc lại những công thức quan trọng và
những mối quan hệ chính của các hệ truyền dẫn viba để giúp bạn đọc tham khảo khi cần thiết.
Đối với bài toán mạng viba thì việc áp dụng lý thuyết trường để khảo sát lại trở nên phức
tạp. Nghiệm của hệ phương trình Maxwell cho ta một hình ảnh hoàn thiện về cấu trúc của
trường ở mọi điểm của không gian khảo sát mà thông thường đối với các mục đích thực tiễn thì
ta cũng không cần phải biết chi tiết như vậy.
Thường người ta hay quan tâm đến các đại lượng tại các đầu cuối của mạng, ví dụ điện
áp, dòng điện, trở kháng…, là các đại lượng có thể được biểu thị theo các khái niệm của lý
thuyết mạch. Do vậy, giải pháp nghiên cứu trong "Lý thuyết và kỹ thuật viba" cũng vẫn là tìm
5
cách áp dụng các lý thuyết mạch điện kinh điển sau khi có sự quy đổi tương đương một cách
phù hợp.
0.3 ƯU VIỆT CỦA DẢI TẦN VIBA VÀ ỨNG DỤNG CỦA KỸ THUẬT VIBA TRONG
THỰC TIỄN
Kỹ thuật viba có liên quan đến các phần tử và mạch điện làm việc với các dao động có
bước sóng rất nhỏ. Điều này, một mặt khó khăn cho việc phân tích thiết kế và chế tạo, nhưng
mặt khác cũng là lợi thế khi ứng dụng kỹ thuật viba vì các lý do sau đây:
- Như đã biết, độ tăng ích của một ăngten là hàm tỷ lệ thuận với kích thước tương đối của
ăngten so với bước sóng. Do vậy, tăng ích của ăngten viba dễ đạt được giá trị cao.
- Dải tần thực tế trong thông tin viba dễ dàng đạt được giá trị lớn ứng với dải tần tương đối
f
f
có giá trị nhất định. (Thật vậy, 1% của 30 GHz là 300 MHz, trong khi đó 1% của
300MHz chỉ là 3 MHz).
Sóng viba truyền theo đường thẳng, không bị phản xạ trên tầng điện ly nên có thể khai
thác thông tin vệ tinh và thông tin viba mặt đất trên cùng dải sóng mà không ảnh hưởng đến
nhau, có thể sử dụng lại tần số trên những cự ly không lớn.
Trong kỹ thuật ra-đa, như đã biết, diện tích phản xạ hiệu dụng của mục tiêu tỷ lệ với kích
thước tương đối của mục tiêu so với bước sóng, do vậy dùng ra-đa viba sẽ nhận được diện tích
phản xạ hiệu dụng lớn. Nếu xét cả đặc tính ưu việt của ăngten viba về độ tăng ích thì rõ ràng là
dải tần viba trở nên rất thích hợp cho kỹ thuật ra-đa.
Như đã biết, dải tần viba rất gần gũi với các tần số cộng hưởng của nhiều phân tử,
nguyên tử nên kỹ thuật viba có thể đem lại nhiều ứng dụng trong nghiên cứu cơ bản, trong viễn
thám, trong y học và trong kỹ thuật nhiệt (lò viba).
Ngày nay, kỹ thuật viba được ứng dụng ở nhiều lĩnh vực thực tiễn, nhưng những ứng
dụng chính và quan trọng nhất là trong kỹ thuật ra-đa và trong thông tin.
Các hệ thống ra-đa, viba được dùng để phát hiện các mục tiêu trên không, trên biển và
trên bộ, dùng để bám và điều khiển các đối tượng bay, dùng trong các hệ thống lái tự động, để
thăm dò khí tượng phục vụ cho dự báo thời tiết (ra-đa khí tượng), để quan sát mặt đất và thăm
dò tài nguyên từ xa, ngoài vũ trụ (viễn thám).
Các hệ thống thông tin dùng dải tần viba (thông tin viba) đang được phát triển rộng
khắp trên thế giới, bao gồm cả thông tin cố định và di động, thông tin nội hạt và đường dài, đặc
biệt là thông tin quốc tế qua vệ tinh và các hệ thông tin định vị toàn cầu…chứng tỏ vai trò rất
quan trọng của dải tần viba và kỹ thuật viba.