HƯỚNG DẪN
HƯỚNG DẪN ÔN ÔN THI MÔN THI MÔN KTSCTKTSCT 1.
1. Vẽ Vẽ hệ tọa độ tổng quát vàhệ tọa độ tổng quát và nêu nêu tên của tên của 6 thành phần củ6 thành phần của trường điện từ trona trường điện từ trong hệ tọa độ tổngg hệ tọa độ tổng quát.
quát.
-- Hệ toạ độ trụ tổng quát bao gồm 3 trục z, q Hệ toạ độ trụ tổng quát bao gồm 3 trục z, q 1 1 và q và q 2 2 . (10 . (10 đ) đ)
Trong không gian ba chiều nói chung của các loại đường truyền, sóng điện từ được biểu diễn Trong không gian ba chiều nói chung của các loại đường truyền, sóng điện từ được biểu diễn theo h
theo hệ toạ độ tổng quát bao gồm 3 trục như hìnhệ toạ độ tổng quát bao gồm 3 trục như hình vẽ.vẽ. Hệ tọa độ này bao
Hệ tọa độ này bao gồm:gồm: +
+ Trục z trùng với phương truyền sóng, chứa các thành phầnTrục z trùng với phương truyền sóng, chứa các thành phần dọc trục.
dọc trục. +
+ Trục qTrục q11 và trục qvà trục q22 nằm trong mặt phẳng ngang vuông gócnằm trong mặt phẳng ngang vuông góc
với phương truyền sóng z với phương truyền sóng z
-- Hai thành phần trường của mỗi trục. (5đ) Hai thành phần trường của mỗi trục. (5đ)
Theo mỗi trục của hệ toạ độ trên, trường điện từ sẽ bao gồm 2 Theo mỗi trục của hệ toạ độ trên, trường điện từ sẽ bao gồm 2 thành phần:
thành phần: +
+ Thành phần điện trường: có ký hiệu là E.Thành phần điện trường: có ký hiệu là E. +
+ Thành phần từ trường có ký hiệu là H.Thành phần từ trường có ký hiệu là H.
-- Sáu thành phần của trường. (5đ) Sáu thành phần của trường. (5đ)
Như vậy trong kh
Như vậy trong không gian tự do, trường điện từ sẽ có 6 ông gian tự do, trường điện từ sẽ có 6 thành phần, bao gồmthành phần, bao gồm::
+
+ 4 thành phần ng4 thành phần ngang ang là Elà Eq1q1; E; Eq2q2; H; Hq1q1; H; Hq2q2; và; và
+
+ 2 thành phần dọc là E2 thành phần dọc là Ezz; H; Hzz..
2.
2. Viết nghiệm của phương trình sóng và nêu Viết nghiệm của phương trình sóng và nêu ý nghĩa của các ý nghĩa của các tham số cũng như tham số cũng như ý nghĩa của hàm ý nghĩa của hàm phân bố dọc trục
phân bố dọc trục..
-- Viết nghiệm Viết nghiệm của phương trình sóng của phương trình sóng và n và n êu ý nghĩa các tham số. ( êu ý nghĩa các tham số. ( 10 10 đ) đ)
N
Nghiệmghiệm của phương trình sóngcủa phương trình sóng là hàm phân bố dọc trục có dạng theo biểu thức sau:là hàm phân bố dọc trục có dạng theo biểu thức sau: FF(z)(z) = = ee±±γzγz==ee±(±(α + jβ)α + jβ)
Trong đó: Trong đó:
+
+ = = + j + j: là hằng số truyền của : là hằng số truyền của sóng dọc theo phương truyền sóng (zsóng dọc theo phương truyền sóng (z).). +
+ : là hệ số tiêu hao [Np/m].: là hệ số tiêu hao [Np/m]. +
+ : là hệ số pha của sóng [rad/m]: là hệ số pha của sóng [rad/m] +
+ Mang dấu (Mang dấu (--) khi sóng truyền lan theo hướng trục z (sóng tới).) khi sóng truyền lan theo hướng trục z (sóng tới). +
+ Mang dấu (+) khi sóng truyền theo hướng ngược lại (sóng phản xạ).Mang dấu (+) khi sóng truyền theo hướng ngược lại (sóng phản xạ).
-- Giải thích ý nghĩa của hàm phân bố dọc trụGiải thích ý nghĩa của hàm phân bố dọc trục c F F (z) (z) . (10 . (10 đ) đ)
Hàm ph
Hàm phân bố dọc trục cho biết phân bố của trường điện từ dọc theo phương truyền sóng (z).ân bố dọc trục cho biết phân bố của trường điện từ dọc theo phương truyền sóng (z). Nếu ta biểu diễn trường dưới dạng
Nếu ta biểu diễn trường dưới dạng điện áp phân bố dọc trục có điện áp phân bố dọc trục có dạng:dạng: z z j j z z z z j j z z z z j j z z j j z
z U U ee U U ee U U ee ee U U ee ee
U U (( )) (( )) Từ đó ta nhận thấy: Từ đó ta nhận thấy: Với sóng tới: Với sóng tới: +
+ Thành phần biên độThành phần biên độ U U ee z z sẽsẽ giảm dần khi tiến về giảm dần khi tiến về phía tải, tốc độ suy giảm biên độ phía tải, tốc độ suy giảm biên độ sóngsóng
phụ thuộc vào hệ
phụ thuộc vào hệ số tổn haosố tổn hao ..
+
+ ee j j z z cũng sẽ giảm dần khi tiến dần về phía cũng sẽ giảm dần khi tiến dần về phía tải tức là tải tức là sóng sẽ bị chậm pha dần khi càng xasóng sẽ bị chậm pha dần khi càng xa
nguồn, tốc độ chậm pha phụ thuộc vào hệ
nguồn, tốc độ chậm pha phụ thuộc vào hệ số pha của sóngsố pha của sóng ..
Với sóng phản xạ: Với sóng phản xạ:
+
+ Thành phần biên độThành phần biên độ U U ee z z sẽ tăng dần khi tiến về phía tải, điều này có nghĩa là thànhsẽ tăng dần khi tiến về phía tải, điều này có nghĩa là thành
phần sóng p
phần sóng phản xạ sẽ bị suy hao hản xạ sẽ bị suy hao dần khi cách xa tảidần khi cách xa tải..
+
+ ee j j z z sẽ tăng dần khi tiến dần về phía tải tức là sóng phảnsẽ tăng dần khi tiến dần về phía tải tức là sóng phản xạ sẽ bị chậm pha dần khi càngxạ sẽ bị chậm pha dần khi càng
xa tải, tốc độ chậm pha cũng phụ thuộc vào hệ số pha ( xa tải, tốc độ chậm pha cũng phụ thuộc vào hệ số pha ().). 3.
3. Theo đặc trưng phân bố của trường điện từ dọc theo trục z người ta có thể phân chia trườngTheo đặc trưng phân bố của trường điện từ dọc theo trục z người ta có thể phân chia trường điện từ thành những loại như thế nào?
điện từ thành những loại như thế nào?
-- Viết hàm phân bố dọc trục và biểu thứ Viết hàm phân bố dọc trục và biểu thứ c tínhc tính . (7 . (7 đ) đ)
Quá trình giải phương trình sóng (1.3) cho ta nghiệm là hàm phân bố dọc trục có dạng theo Quá trình giải phương trình sóng (1.3) cho ta nghiệm là hàm phân bố dọc trục có dạng theo biểu thức sau:
2 2 2 2 2 2 2 2 th th j j T Trong đó:rong đó:λ λ thth 22ππ χ χ
llà bước sóng tới hạnà bước sóng tới hạn của sóng truyền trong đường truyềncủa sóng truyền trong đường truyền,, χ là số sóngχ là số sóng ngang.
ngang. Xét trong điều kiện lý tưởng với đường truyền không tổn hao (hệ số tổn haoXét trong điều kiện lý tưởng với đường truyền không tổn hao (hệ số tổn hao = 0) thì: = 0) thì: = = α+α+ j j = jβ, do đó ta có:= jβ, do đó ta có: 2 2 th th 2 2ππ λ λ β β 11 λ λ λ λ
-- Khái niệm về trường truyền lan Khái niệm về trường truyền lan (7 (7 đ) đ)
Khi
Khi k k 22 > > 22 tức làtức là < < thth hay f > f hay f > f thth thì ta có thì ta có = = jj hay: hay:
= = 2 2 th th 1 1 2 2 = = 2 2 th th f f f f 1 1 2 2 Điều này có nghĩa
Điều này có nghĩa là một số thựclà một số thực (hay γ thuần ảo)(hay γ thuần ảo) cho nên trường điện từ trong đường truyềncho nên trường điện từ trong đường truyền
có dạng sóng chạy có biên độ không đổi (không tổn hao) dọc theo phương truyền sóng (trục z). có dạng sóng chạy có biên độ không đổi (không tổn hao) dọc theo phương truyền sóng (trục z). Ta gọi trường điện từ loại này là trường truyền lan vì nó có tính chất truyền lan.
Ta gọi trường điện từ loại này là trường truyền lan vì nó có tính chất truyền lan. Trường truyền lan được đặc trưng với
Trường truyền lan được đặc trưng với 3 tham số3 tham số::
+
+ Bước sóng truyền trong đường truyền có kBước sóng truyền trong đường truyền có ký hiệu làý hiệu là tt
+
+ Vận tốc pha: vận tốc dịch chuyển mặt đồng pha của sóng dọc theo phương truyền sóngVận tốc pha: vận tốc dịch chuyển mặt đồng pha của sóng dọc theo phương truyền sóng (z), có ký hiệu là V
(z), có ký hiệu là V ph ph::
+
+ Vận tốc nhóm: vận tốc truyền lan của nhóm sóng hợp thành tín hiệu, có ký hiệu là VVận tốc nhóm: vận tốc truyền lan của nhóm sóng hợp thành tín hiệu, có ký hiệu là Vnhnh::
-- Khái niệm về trường tại chỗ.Khái niệm về trường tại chỗ. (6 (6 đ) đ) Khi
Khi k k 22 < < 22 tức làtức là > > thth hay f < f hay f < f thth thì ta có thì ta có = = ;; do β thuần ảodo β thuần ảo hay nói cách kháchay nói cách khác γγ
đóng vai
đóng vai trò tròhệ số tổn hao tương đương với hệ sốhệ số tổn hao tương đương với hệ số ::
== == 11 f f f f 2 2 1 1 2 2 22 thth 22 th th
Do đó trường điện từ không truyền lan dọc theo trục z của đường truyền mà bị tiêu hao rất Do đó trường điện từ không truyền lan dọc theo trục z của đường truyền mà bị tiêu hao rất nhanh trên đường truyền. Nó
nhanh trên đường truyền. Nó suy giảm dọc suy giảm dọc trục z theo quy luật hàm số mũ etrục z theo quy luật hàm số mũ e--zz. Trường điện từ. Trường điện từ
lúc này được gọi là trường tại chỗ hay còn gọi là trườ
lúc này được gọi là trường tại chỗ hay còn gọi là trường địa phương.ng địa phương.
4.
4. Theo các thành phần của trường điện từ người ta có thể phânTheo các thành phần của trường điện từ người ta có thể phân trường điện từ trường điện từ thành những loạithành những loại nào?
nào?
-- Sáu thành phần của trường truyền lan tSáu thành phần của trường truyền lan trong hệ tọa độ tổng quát.rong hệ tọa độ tổng quát.Và nêu tên của các loại trường Và nêu tên của các loại trường (4 (4 đ) đ)
Theo hệ tọa độ tổng quát, tr
Theo hệ tọa độ tổng quát, trường điện từ trong không gian 3 chiều ường điện từ trong không gian 3 chiều bao gồm 6 thành phần:bao gồm 6 thành phần: +
+ Hai thành phần dọc trục là HHai thành phần dọc trục là Hzz và E và Ezz
+
+ Bốn thành phần ngang nằm trong mặt phẳng ngang là: Bốn thành phần ngang nằm trong mặt phẳng ngang là: EEq1q1; E; Eq2q2; H; Hq1q1 và H và Hq2q2
Tùy thuộc vào sự tồn tại của các
Tùy thuộc vào sự tồn tại của các thành phần trường này người ta phân chia thành phần trường này người ta phân chia ra làm 4 loại ra làm 4 loại trườngtrường là TM, TE, TEM và trường lai ghép.
là TM, TE, TEM và trường lai ghép.
-- Trường TM(E) Trường TM(E) và các thành phần của trường và các thành phần của trường . (4 . (4 đ) đ)
Trường TM (hay trường E)
Trường TM (hay trường E) được gọi là trường điện dọc. Với 2 thành phần dọc trục (z) chỉ có 1được gọi là trường điện dọc. Với 2 thành phần dọc trục (z) chỉ có 1 thành phần là điện trường (E
thành phần là điện trường (Ezz 0) mà vắng mặt thành phần từ t0) mà vắng mặt thành phần từ trường (Hrường (Hzz = 0). Như vậy trường= 0). Như vậy trường
TM(E) chỉ còn lại 5 thành phần là thành phần điện dọc (E
TM(E) chỉ còn lại 5 thành phần là thành phần điện dọc (Ezz) và bốn thành phần ngang là E) và bốn thành phần ngang là Eq1q1;; E
Eq2q2; H; Hq1q1; H; Hq2q2..
-- Trường TE(H) Trường TE(H) và các thành phần của trường và các thành phần của trường . (4 . (4 đ) đ)
Trường TE (hay trường H) được gọi là trường từ dọc
Trường TE (hay trường H) được gọi là trường từ dọc.. Với 2 thành phần dọc trục chỉ tồn tạiVới 2 thành phần dọc trục chỉ tồn tại thành phần từ trường (H
thành phần từ trường (Hzz 0) mà vắng mặt thành phần điện trường (E0) mà vắng mặt thành phần điện trường (Ezz = 0). Như vậy trường= 0). Như vậy trường
TE(H) cũng chỉ còn lại 5 thành phần là thành phần từ dọc (H
TE(H) cũng chỉ còn lại 5 thành phần là thành phần từ dọc (Hzz) và 4 thành phần ngang là E) và 4 thành phần ngang là Eq1q1;; E
Eq2q2; H; Hq1q1; H; Hq2q2..
Trường TEM còn được gọi là trường điện từ ngang. Với loại trường này các thành phần dọc trục đều vắng mặt do đó chỉ còn lại 4 thành phần ngang của trường là Eq1; Eq2; Hq1; Hq2.
- Trường lai ghép EH/HE. (4 đ)
Trong trường hợp trường điện từ tồn tại cả 6 thành phần thì dựa vào thành phần dọc nào chứa ưu thế thì ta gọi tên đó trước tức là: EH hoặc HE và trường này được gọi là trường lai ghép.
5. V iết biểu thức tính bước sóng tới hạn của các trường đơn vị trong ÔDSCN, nêu khái niệm trường cơ bản H10và điều kiện để ÔDSCN chỉ truyền duy nhất trường cơ bản H10.
- Viết biểu thức t ính bước sóng tới hạn chung cho cả trường E &H. (5đ)
Trongống dẫn sóng chữ nhật, bước sóng tới hạn được tính chung cho cả hai loại trường E và H
như sau: th 2 2 2 λ = m n + a b trong đó: m. n là các chỉ số nguyên không âm và không đồng
thời bằng “0”; a, b là các kích thước tiết diện ngang của ống dẫn sóng
- Tính t oán cụ thể một số trường đơn vị có thmn lớn nhất . ( 5đ)
Khi thay các chỉ số m, n vào biểu thức trên ta tính được các giá trị của bước sóng tới hạn của các trường đơn vị trong ống dẫn sóng chữ nhật. Cụ thể cho một số trường bậc thấp như bảng: Trường đơn vị mn 10 20 01 H02 11 30 40 Bước sóng tới hạn (th) 2a a 2b b a2 b2 ab 2 2 3 a 2 a - Vẽ phổ bước sóng tới hạn với các trường đã tính. (5đ)
Từ các giá trị tính được trong bảng trên, với điều kiện a>2b ta có thể vẽ được đồ thị phân bố của bước sóng tới hạn của các trường đơn vị trong ống dẫn sóng chữ nhật như sau:
- Nhận xét. (5đ)
Theo đồ thị trên ta có những nhận xét về các trường đơn vị trong ÔDSCN như sau :
+ K hi chỉ số m, n càng tăng thì bước sóng tới hạn của trường đơn vị càng giảm và phổ tần số càng tập trung về phía gốc “0”.
+ Trong tất cả các trường đơn vị thì trường TE10 (H10) có bước sóng tới hạn lớn nhất là th = 2a cho nên trường H10 được gọi là trường cơ bản.
+ Các trường đơn vị còn lại được gọi là trường bậc cao.
Do đó, điều kiện truyền lan duy nhất trường cơ bản H10 là bước sóng của sóng truyền trong ống
dẫn sóng phải thỏa mãn : a < < 2a (với a > 2b)
6. Từ nghiệm của bài toán Noiman và kết quả của các thành phần của trường TE(H) hãy viết các thành phần của trường cơ bản H10trong ÔDSCN và nêu đặc điểm của loại trường này.
- Viết biểu thức đầy đủ 3 thành phần của trường cơ bản H 10 . (6 đ)
Từ 6 thành phần của trường TE(H) trong ÔDSCN được tính từ nghiệm của bài toán Noiman, khi thay chỉ số m=1/n=0 thì chỉ còn lại 3 thành phần của trường (3 thành phần còn lại = 0) là:
+ Một thành phần điện trường Ey = -j ωμ Hzm π/a sin x a = Eym sin x a + Hai thành từ trường là: Hz = Hzm. cos x a và: Hx
=
jβH sin zm πx π a a =
Hxm sin x a - Từ biểu thức rút ra đặc điểm chung của trường H 10 : (14 đ)Cả 3 thành phần này đều không phụ thuộc vào y, tức là chúng được phân bố đều dọc theo trục y.
+ Nêu đặc điểm của điện trường. (7 đ)
Điện trường chỉ có 1 thành phần Ey phân cực thẳng dọc
theo trục y tức vuông góc với trục x (thành rộng) có
biên độ cực đại tại x =
1 2 sin 2 a . a sin . 2 a và bằng 0 tại x = 0,a. (hai bên thành hẹp). Cấu trúc của Ey
trong tiết diện ngang của ÔDS như hình vẽ. + Nê u đặc điểm của từ trường. (7 đ)
Từ trường gồm 2 thành phần là Hz và Hx lệch
pha nhau 900 nên nó có phân cực elip trong
mặt phẳng xoz. Phân cực này sẽ chuyển về phân cực thẳng tại giữa thành rộng (x = 2 a ) và hướng theo trục z ở 2 thành hẹp (x = 0, x = a) như hình vẽ.
7. Viết biểu thức và vẽ đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của công suất truyền của trường cơ bản H10
trong ÔDSCN , nêu ý nghĩa của biểu thức và đồ thị nói trên.
- Viết biểu thức công suất truyền của trường H 10 , có giải thích.(7đ)
Công suất truyền của sóng cơ bản H10 trong ÔDS chữ nhật được tính theo biểu thức sau: P(H10) = P0. 2 a 2 1 Với P0 = 4 E . ab 2m
(với Em là biên độ điện trường trong ống dẫn sóng chữ nhật)
Do đó ta có: 2 0 2a 1 P P = a 2 f . - Vẽ đồ thị P/P 0 (5đ). Từ biểu thức trên ta có thể vẽ được đường cong biểu diễn sự phụ thuộc công suất truyền của trường cơ bản H10với bước sóng công tác trong
ÔDS chữ nhật như đồ thị sau. - Nêu ý nghĩa. ( 8 đ)
Theo đồ thị của công suất truyền thì khi bước sóng công tác càng tiến về giá trị giới hạn thì công suất của sóng H10 trong ống dẫn sóng càng giảm mạnh.
Nếu gọi biên độ điện trường trong ống dẫn sóng chữ nhật mà tại giá trị đó bắt đầu xảy ra hiện tượng đánh lửa trong nó là Edt thì ta sẽ tính được công suất truyền lan giới hạn (Pgh) trong ống
dẫn sóng chữ nhật theo biểu thức tính công suất truyền nói trên là: Pgh (H10) = 2 2 dt a 2 1 . 4 E . ab
Với điều kiện áp suất bình thường và chất điện môi là không khí thì ta có: Pgh (H10) 597ab. 2 a 2 1
Như vậy để cho sóng truyền lan bình thường không hỏng thì công suất truyền lan trong ống dẫn sóng chữ nhật phải luôn luôn nhỏ hơn giá trị giới hạn.
8. Viết biểu thức và vẽ đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của sự tổn hao của trường cơ bản H10trong
ÔDSCN, nêu ý nghĩa của biểu thức và đồ thị nói trên.
- Viết biểu thức hệ số tiêu hao αKL và nêu ý nghĩa các tham số (8 đ)
Tiêu hao trong ống dẫn sóng chủ yếu là hiệu ứng bề mặt do độ dẫn không tuyệt đối của bề mặt kim loại bên trong thành ống gây ra. Trong ống dẫn sóng thực tế bao giờ cũng có tổn hao năng lượng do hiệu ứng bề mặt vì có các dòng điện mặt chảy trên thành kim loại của nó mặc dù độ dãn KL là rất lớn.
Hệ số tiêu hao này được tính theo biểu thức:
2 2 s 10 KL a 2 1 . b a 2 . a b 2 1 . R ) H ( = f( a 2 ) Với: kl kl s 2 R
( là độ dẫn riêng của kim loại làm mặt trong ống dẫn sóng)kl
[Nếu không viết được biểu thức trên thì cần nêu hệ số tổn hao αKL phụ thuộc vào các yếu tố
như tính chất dẫn điện của kim loại làm mặt trong của OODS, các kích thước của tiết diện ngang và bước sóng tới hạn của trường H10 (2a) theo biểu thức đơn
giản αKL(H10) = f( a 2 )]. - Vẽ đồ thị (5đ)
Đường cong phụ thuộc của tổn hao kim loại với tần số này ứng với 2 trường hợp: b/a = 0,1 và b/a = 0,5 được vẽ như hình bên.
- Nêu ý nghĩa ( 7 đ)
Theo đồ thị trên, khi bước sóng công tác tiến dần tới giá trị của bước sóng tới hạn ( th = 2a) thì
sự suy giảm của trường cơ bản H10 sẽ giảm mạnh và phụ thuộc vào kích thước b/a. Khi b/a có
giá trị cỡ 0,5 thì cho hệ số tổn hao nhỏ
Như vậy, k ết hợp cả sự phụ thuộc của công suất truyền và hệ số tổn hao do kim loại làm ÔDS vào bước sóng công tác, bước sóng tới hạn, để cho ống dẫn sóng chữ nhật chỉ truyền lan duy nhất trường cơ bản H10 với công suất truyền lan lớn và tiêu hao trong nó nhỏ thì người ta phải
chọn các kích thước và giải tần công tác như sau:
1,05a < 1,6a và b
2 a
.
9. Khái niệm về các trường đơn vị, trường cơ bản H11 trong ÔDSTT. Vẽ phổ bước sóng tới hạn và
nêu điều kiện truyền lan duy nhất trường cơ bàn H11. - Nêu khái niệm về trường đơn vị trong ÔDSTT(5đ)
Từ các biểu thức tính bước sóng tới hạn ứng với các chỉ số khác nhau của các chỉ sốm và n là
mn e th R 2 cho trường TM và mn h th R 2
cho trường TE chúng ta thấy: trong ống dẫn sóng trụ
tròn có nhiều thành phần trường khác nhau là TMmn (Emn) và TEmn(Hmn). Các trường này có
cấu trúc trường khác nhau và được gọi là trường đơn vị.
- Kh ái niệm trường cơ bản H11 trong ÔDSTT (5đ)
Với các chỉ số m; n chúng ta tra được các giá nghiệm của hàm Besell μmn và εmn . Từ đó tính
được bước sóng tới hạn của các trường đơn vị trong ÔDS trụ tròn theo biểu thức trên và có nhận xét như sau:
+ Trường TE11 (H11) có bước sóng tới hạn lớn nhất (3,41R) nên được gọi là trường cơ bản.
+ Các trường còn lại được gọi là trường bậc cao
- Vẽ phổ bước sóng tới hạn các trường đơn vị với một số trường bậc thấp(5đ)
Cũng từ các giá trị bước sóng tới hạn của một số trường đơn vị bậc thấp tính được nói trên chúng ta có thể vẽ được đồ thị phân bố bước sóng tới hạn như hình vẽ.
R s gọi là điện trở mặt riêng
của kim loại làm mặt trong ống dẫn sóng:
- Điều kiện truyền lan duy nhất trường cơ bản H 11 (5đ)
Từ đồ thị phân bố bước sóng tới hạn nói trên ta thấy: để trong ÔDS trụ tròn chỉ lan duy nhất một dạng trường cơ bản H11 thì bước sóng công tác phải được chọn trong khoảng từ: 2,61R <
< 3,41R
10. Nêu các đặc điểm của trường cơ bản TEM trong ÔDS & cáp đồng trục.
- Chỉ có 2 thành phần ngang là E r và H φ - viết biểu thức. (8đ)
Trường điện từ ngang TEM có λth = nên được gọi là trường cơ bản. Các thành phần dọc của
trường cơ bản TEM đều vắng mặt, chỉ tồn tại hai thành phần ngang là Er và H.
Thành phần điện trường ngang được tính theo biểu thức: Er = r 1 . a b . ln U
(Trong đó: U là hiệu điện thế giữa lõi và vỏ của ống hay cáp).
Thành phần từ trường ngang được tính theo biểu thức:: H = c r Z E , với Zc = là trở kháng sóng của trườ ng TEM.Do đó: H = r 1 . a b ln . U - Vẽ cấu trúc trường TEM . (6 đ)
Cấu trúc đường sức cường độ trường cơ bản TEM tại một thời điểm t nào đó trong 2 tiết diện ngang và dọc được vẽ như sau:
- Nêu đặc điểm của điện áp và dòng điện (6 đ )
Tích phân của cường độ điện trường Er theo một đường cong bất kỳ nối giữa lõi trong với vỏ
ngoài của ống dẫn sóng hay cáp cho kết qủa không phụ thuộc vào dạng đường cong lấy tích phân và bằng giá trị điện áp giữa vỏ và lõi: bE dl U
a r
Dòng điện chảy trong lõi trong hay vỏ ngoài có giá trị bằng nhau và ngược chiều và được tính theo biểu thức: I =
1 L dl H = a b ln U . 2 rH 2 11. Nêu đặc điểm cấu tạo, bước sóng tới hạn và phạm vi ứng dụng của ÔDS &H.
- Đặc điểm cấu tạo của cả 2 loại ÔDS. (10 đ)
Làsự biến tấu của ống dẫn sóng chữ nhật để có được tiết diện ngang có dạng hình chữ hoặc
hình chữ H với các kích thước như hình vẽ:
+ a, b là các kích thước tiết diện ngang của ÔDS chữ nhật. + c là phần thu hẹp cạnh a của ÔDS chữ nhật.
+ d là khe hẹp (phần còn lại sau khi thu hẹp cạnh b của ÔDS chữ nhật. - Viết biểu thức tính bước sóng tới hạn và nêu đặc điểm ứng dụng. (10đ)
Trường điện từ trong ống dẫn sóng và H có dạng chuẩn dừng:
+ Điện trường chủ yếu tập trung ở khe hẹp d và + Từ trường chủ yếu tập trung ở 2 vùng còn lại.
Bước sóng tới hạn của sóng cơ bản trong hai ống dẫn sóng này được tính theo biểu thức gần đúng sau: d cb ). c a ( th .
Nếu so sánh bước sóng tới hạn của nó với ống dẫn sóng chữ nhật với trường cơ bản H10 có
cùng kích thước a, b(th = 2a); thì ống dẫn sóng & H có bước sóng tới hạn lớn hơn nhiều.
Chính vì vậy mà ống dẫn sóng và H có ưu điểm là giải tần công tác rộng.
Ngoài ra chúng còn có trở kháng sóng thay đổi trong một phạm vi rất rộng khi thay đổi kích thước cho nên các ống dẫn sóng & H thường được sử dụng trong các thiết bị giải rộng và
phối hợp trở kháng. Nhược điểm của ống dẫn sóng & H la hệ số tiêu hao lớn và công suất
giới hạn nhỏ ( lớn; Pgh nhỏ).
12. Nêu các nguyên lý truyền sóng quang trong ÔDS điện môi .
- Đặc điểm của ODS điện môi loại SI & GI. (5đ)
Theo phân bố chiết suất của các lớp điện môi, ống dẫn sóng điện môi (cáp quang) được phân thành 2 loại như hình sau:
+ Loại chiết suất nhảy bậc SI – Step Index như hình (a) và + Loại chiết suất biến đổi dần GI – Gradien Index như hình (b) Hai loại cáp quang này có nguyên lý truyền sóng khác nhau
- N guyên lý truyền sóng quang của loại SI. ( 10 đ)
Nguyên lý truyền sóng của ống dẫn sóng loại SI là sự phản xạ toàn phần của tia sóng tại mặt
giới hạn phân cách giữa các lớp điện môi có chiết suất khác nhau khi đạt điều kiện: φt >φ0.
Trong đó φ là góc hợp bởi tia sóng với mặt phẳng pháp tuyến của lớp điện môi chính theo như hình vẽ:
+ φt là góc tới của tia sóng hợp với pháp tuyến của mặt phân cách .
+ φ0 là góc giới hạn phản xạ mà tại đó sóng không phản xạ nên chỉ truyền lan dọc theo mặt
phân cách giữa hai lớp điện môi.
Nếu không thỏa mãn điều kiện nói trên (φt >φ0) thì:
+ Khi
t
0: tia sóng sẽ đi dọc theo mặt phân cách ; không có hiện tượng phản xạ+ Khi
t
0: sẽ xảy ra khúc xạ sóng; tia sóng sẽ đi ra ngoài lớp điện môi chính. - Nguyên lý tr uyền sóng quang của loại GI. (5đ)Khác với loại SI, nguyên lý truyền sóng của ống dẫn sóng loại GI là sự khúc xạ liên tục của tia sóng khi truyền trong lớp điện môi chính có chiết suất không đồng đều (lớn nhất tại tâm). Tia sóng sẽ bị uốn cong và truyền trong lớp điện môi chính (lớp lõi) khi thỏa mãn điều kiện về góc tới của nó. Nguyên lý truyền sóng của loại này được thể hiện trong hình sau:
13. Thế nào là đường truyền sóng điện từ chậm, đường truyền này được sử dụng vào mục đích gì, cho ví dụ cụ thể?
- Khái niệm đường truyền sóng điện từ chậm – hệ làm chậm (7 đ)
Đường truyền sóng điện từ chậm (hay còn được gọi là hệ làm chậm) là đường truyền siêu cao tần mà khi sóng điện từ truyền lan qua nó sẽ bị giảm tốc độ đáng kể.
Đặc trưng cho hệ làm chậm là hệ số làm chậm: K ch = ph V c (c = 3x108m/s và v
phlà vận tốc pha của sóng truyền trong hệ)
- Giải thích mục đích của đưòng truyền sóng điện từ chậm (6 đ)
Trong một số dụng cụ điện tử siêu cao tần như đèn sóng chạy, người ta sử dụng hệ làm chậm để làm giảm vận tốc của sóng điện từ (3x108m/s) xuống hàng nghìn lần để tương thích với vận
tốc của chùm tia điện tử (105m/s). Điều này sẽ đạt được hiệu quả tương tác cao nhất trong quá
trình trao đổi năng lượng giữa trường điện từ với chùm tia điện tử.
- Cho 1 v í dụ cụ thể (7 đ)
Ví dụ trong đèn sóng chạy sử dụng hệ làm chậm xoắn để đạt được hiệu suất khuếch đại cao và giải tần công tác rộng. Đèn sóng chạy TWT có cấu tạo như hình vẽ (các em có thể vẽ hình đơn giản hơn, chủ yêu nhấn mạnh hệ làm chậm):
14. Nêu các đặc trưng cơ bản của hệ làm chậm xoắn: cấu tạo, đặc điểm của hệ số làm chậm, đặc trưng tán sắc và ứng dụng.
- Cấu tạo (5đ)
Hệ làm chậm xoắn được cấu tạo từ một dây dẫn đơn hay một giải kim loại mảnh xoắn lại theo hình lò xo, có vỏ ngoài là ống kim loại với các kích thước như hình vẽ.
Trong đó:
+ Bước xoắn: S
+ Đường kính vòng xoắn: 2a
+ Góc nghiêng của bước xoắn: φ liên quan đến bước xoắn S và đường kính 2a.
- Hệ số làm chậm và khái niệm đặc trưng tán sắc (10 đ) Trường kích thích cho hệ làm chậm xoắn là trường TEM được dẫn từ cáp đồng trục truyền vào hệ làm chậm với vận tốc ánh sáng C.
Vận tốc pha của sóng trruyền lan trong hệ làm chậm xoắn được tính theo biểu thức: 2 ph S a . 2 1 c V ; Do đó, hệ số làm chậm của hệ sẽ là: 2 ph ch S a . 2 1 V c K = f (a,S)
Người ta đã xây dựng được đặc trưng tán sắc của hệ làm chậm xoắn với các giá trị khác nhau của góc nghiêng của bước xoắn ( theo đồ thị có dạng như hình vẽ) .
- Nêu đặc điểm của đặc trưng tán sắc và ứng dụng (5đ)
Từ đồ thị đặc trưng tán sắc của hệ làm chậm xoắn ta thấy: khi góc nghiêng < 100 có các đoạn
nằm ngang khá rộng tức hệ làm chậm cho giải tần số công tác rộng và hệ số làm chậm lớn. Hệ làm chậm xoắn được ứng dụng trong các đèn sóng chạy (TWT) làm việc trong giải tần công tác rộng cho các bộ khuyếch đại tín hiệu siêu cao tần có công suất trung bình.
15. Khái niệm hộp cộng hưởng và nêu các điểm khác nhau giữa hộp và khung cộng hưởng.
- Khái niệm hộp cộng hưởng(5đ)
Hộp cộng hưởng là một vùng không gian hữu hạn mà ở trong đó, sau một khoảng thời gian lớn hơn nhiều chu kỳ dao động siêu cao tần thì sẽ có sự tích luỹ năng lượng trường điện từ.
- Các điểm khác nhau giữa hộp và khung cộng hưởng như: đặc điểm tham số, bước sóng/tần số, hệ số
phẩm chất, điều hưởng…(15 đ)
Hộp cộng hưởng và khung cộng hưởng có 4 điểm khác nhau như sau:
+ Về tham số: hộp có tham số rải, chỉ làm việc ở giải tần số siêu cao còn khung có tham số tập trung chỉ làm việc ở giải tần số thấp.
+ Về bước sóng/tần số cộng hưởng: hộp có vô số dao động riêng có bước sóng cộng hưởng khác nhau trong khi khung chỉ có duy nhất một tần số cộng hưởng.
+ Về hệ số phẩm chất hay còn gọi là độ phẩm chất: trong hộp có vô số độ phẩm chất tùy thuộc vào loại tổn hao và bước sóng cộng hưởng của vô số dao động tiêng còn trong khung chỉ có duy nhất một độ phẩm chất kể cả cho khung nối tiếp và khung song song.
+ Về phương pháp điều hưởng: khung chỉ có một phương pháp là thay đổi L hoặc thay
đổi C còn hộp có hai phương pháp là thay đổi kích thước của hộp và phương pháp nhiễu loạn nhỏ.
16. Khái niệm về các dao động riêng và dẫn dắt đến biểu thức tính bước sóng cộng hưởng riêng và khái niệm dao động riêng cơ bảo và dao động bậc cao trong hộp cộng hưởng chữ nhật.
- Khái niệm các dao động riêng(5đ)
Khi áp dụng kết quả hàm phân bố của trường trong hộp cộng hưởng chữ nhật [Fz(p)] vào các
loại trường đơn vị Emn và Hmn của ống dẫn sóng chữ nhật làm hộp chúng ta sẽ tìm được các
thành phần của trường trong hộp. Như vậy, mỗi thành phần của trường trong hộp sẽ ứng 3 chỉ số là m,n và p. Ứng với mỗi bộ chỉ số nguyên m,n,p hợp thành một trường trong HCHCN. Do
đó, trong hộp cộng hưởng chữ nhật tồn tại nhiều thành phần trườ ng là Emnp và Hmnpvà được gọi là các dao động riêng. - Dẫn dắt đến biểu thức tính bướ c só ng cộng hưởng riêng(10đ) Bước sóng cộng hưởng riêng đượctính từ biểu thức: 0 2π k λ ; (1) Mặt khác ta đã có:2 k 2 2 (2) Trong ống dẫn sóng chữ nhật ta có: 2 2 2 b n a m (3) Theo kết quả tính β = pπ
L trong hộp CHCN với giả thiết α = 0, ta có j jpL
(4)
Thay các kết quả trên (1), (3) và (4) vào biểu thức (2)ta được:
2 0 2 2 2 2 L p b n a m Từ đó rút ra biểu thức tính bước sóng cộng hưởng riêng: 2 2 2 0 L p b n a m 2 = λ0(mnp)
- Khái niệm dao động riêng cơ bản và khái niệm dao động bậc cao(5đ)
Với điều kiện về các kích thướccủa hộp cộng hưởng chữ nhật là: L > a > 2b, khi thay các chỉ số m,n,p vào biểu thức tính bước sóng cộng hưởng riêng ta nhận thấy dao động riêng H101 có:
2 2 ) 101 ( 0 L a aL 2
có giá trị lớn nhất nên được gọi là dao động riêng cơ bản còn có các thành
phần khác gọi là các dao động bậc cao.
17. Lập phương trình điều kiện cộng hưởng và giải thích ý nghĩa vật lý của nó.
- Dẫn dắt đến phương trình điều kiện cộng hưởng ( 7 đ)
Trong đường truyền siêu cao tần, hệ số pha được biểu thị qua bước sóng truyền trong trường
truyền có dạng: = t 2 , Mặt khác ta có kết quả tính trong hộp cộng hưởng chữ nhật là: = L p Do đó ta có: t 2 = L p => L = 2 pt
Phương trình này được gọi là điều kiện cộng hưởng của hộp cộng hưởng chữ nhật. - Giải thích ý nghĩa vật lý (13 đ) .
Phương trình điều kiện cộng hưởng của hộp cộng hưởng chữ nhật mô tả sóng truyền dọc theo trục Z sẽ bị phản xạ liên tiếp 2 lần tại z = 0 và z = L có pha lệch nhau là p2π (nguyên lần bước
sóng)tức là chúng đồng pha nhau.
Để chứng minh điều này chúng ta giả thiết với chỉ số p = 1 tức là L =
2
t
, góc pha ban đầu là φ0
tại điểm xuất phát z = 0 và được mô tả quá trình phản xạ sóng trong hộp như hình vẽ.
sóng sẽ phản xạ lần thứ nhất và có góc dịch pha là π (tương ứng với
2
t
).
+ Tương tự sóng phản xạ lần thứ nhất sau khi đi hết chiều dài của hộp sẽ tiếp tục phản xạ lần thứ 2 với góc dịch pha tương tự là π.
+ Do đó, qua hai lần phản xạ liên tiếp tổng góc dịch pha sẽ là 2π
Do đó, dạng dao động riêng nào thoả mãn phương trình điều kiện cộng hưởng sẽ có biên độ rất lớn trong hộp, còn các dạng khác không thoả mãn điều kiện trên sẽ bị tiêu hao và tắt rất nhanh.
18. Khái niệm hệ số phẩm chất của HCH, dẫn dắt đến biểu thức tính hệ số phẩm chất của hộp. - Khái niệm hệ số phẩm chất của HCH(5đ)
Hệ số phẩm chất hay còn gọi là độ phẩm chất là một tham số đặc trưng cơ bản của hộp cộng hưởng. Nó đánh giá chất lượng của hộp cộng hưởng nói chung hay đánh giá độ chọn lọc tần số hay khả năng duy trì dao động trong hộp nói riêng.
- Từ biểu thức tính Q của khung cộng hưởng dẫn dắt đến biểu thức hệ số phẩm chất Q của hộp(15đ)
Từ biểu thức tính độ phẩm chất của khung cộng hưởng có tham số tập trung nối tiếp hoặc song song: Q// = g C 0 ; r L Qnt 0 ; trong đó:
+ C, L là các thành phần điện dung và điện cảm của mạch ; + g: Giá trị điện dẫn thuần của mạch cộng hưởng song song + r: Giá trị điện trở thuần của mạch cộng hưởng nối tiếp + ω0: tần số cộng hưởng riêng
Để đánh giá hệ số phẩm chất của hộp, chúng ta phải dựa vào hệ thức năng lượng là năng lượng điện trường WE và năng lượng từ trườngWH: 2 m E CU 2 1 W và H LI2m 2 1 W ; Trong đó:
+ Umlà biên độ điện áp trên tụ điện C.
+ ImLà biên độ dòng điện trong điện cảm L.
Biến đổi tương đương biểu thức tính Q của khung ta được :
2 m H 0 2 m 2 m 0 nt 2 m E 0 2 m 2 m 0 // rI 2 1 W I . r 2 1 LI 2 1 Q gU 2 1 W U . g 2 1 U . C 2 1 Q Đặt Pth = 2m r .I2m 2 1 U . g 2 1
và gọi Pthlà công suất tổn hao trong hộp cộng hưởng ta có:
th H 0 nt th E 0 // P W Q ; P W
Q ; từ đó viết được biểu thức tính Q của hộ p :
th 0
P W
Q .
Trong đó: W là tổng năng lượng tích luỹ trong HCH tương đương :
W = WE + WH = WE (max) = WH(max).
19. Nêu các loại độ phẩm chất từ sự tổn hao của sóng điện từ trong các HCH. - Viết biểu thức tính hệ số phẩm chất theo tổn hao năng lượng. ( 12 đ)
Sự tiêu hao năng lượng điện từ trường trong các hộp cộng hưởng do các nguyên nhân sau:
+ Tiêu hao trên bề mặt bên trong hộp cộng hưởng do hiệu ứng bề mặt gây ra chủ yếu do độ
+ Tiêu hao do chất điện môi chứa bên trong hộp cộng hưởng (PthĐM)
+ Tiêu hao do ghép nối với các tải của hộp cộng hưởng ( PthT)
Do đó ta có thể viết Pth = Pth(i) PThKL PthDM PthT.
Thay vào biểu thức tính Q của hộp:
th 0 P W Q hay th 0 P 1 = Q ω W Q = ThKL th DM thT thKL thDM thT 0 th 0 0 0 0 KL DM T P +P +P P P P W 1 1 1 1 ω Þ = = + + = + + P Q ω W ω W ω W ω W Q Q Q Trong đó W P Q 1 ; W P Q 1 ; W P Q 1 0 thT T 0 thDM DM 0 thKL KL
- Khái niệm về các độ phẩm chất của hộp: Q KL. Q DM.Q T.và Q 0 . (8đ)
+ QKL: Độ phẩm chất của hộp cộng hưởng khi chỉ tính đến tổn hao do bề mặt kim loại bên
trong hộp.
+ QDM: Độ phẩm chất của hộp cộng hưởng khi chỉ tính đến tổn hao do chất điện môi chứa
bên trong hộp.
+ QT: Độ phẩm chất của hộp cộng hưởng khi chỉ tính đến tổn hao do phối ghép với tải.
+ DM KL 0 Q 1 Q 1 Q 1
=> Q0 là hệ số phẩm chất của hộp cộng hưởng khi không có tải hay
còn được gọi là hệ số phẩm chất riêng của hộp cộng hưởng .
20. Điều hưởng cho hộp cộng hưởng là gì? Nêu các điểm chính của các phương pháp điều hưởng cho hộp cộng hưởng.
- Khái niệm & phân loại điều hưởng . (5 đ)
Điều hưởng là làm thay đổi điều kiện cộng hưởng của hộp cộng hưởng cho phù hợp với dao
động riêng được sử dụng.
Có 2 phương pháp điều hưởng đối với các hộp cộng hưởng là:
+ Làm thay đổi các kích thước của hộp cộng hưởng mà chủ yếu là thay đổi đổi chiều dài
L của hộp.
+ Phương pháp nhiễu loạn nhỏ: đưa các vật thể nhiễu loạn nhỏ vào trong hộp cộng hưởng.
- Đặc điểm phương pháp thay đổi kích thước . (5 đ)
Chủ yếu thay đổi chiều dài (L) của hộp bằng các Piston dịch chuyển được như hình vẽ.
K hi thay đổi vị trí của Piston làm cho L thay đổi tức là chúng ta được các giá trị khác nhau của tần số cộng hưởng theo điều kiện cộng hưởng: L =
2 p .
Ưu điểm của phương pháp này là phạm vi điều chỉnh tần số cộng hưởng rộng. Tuy nhiên, nó có hai nhược điểm chính là:
+ Khó thực hiện với các hộp có cấu trúc phức tạp.
+ Tổn hao bề mặt tương đối lớn ở vùng tiếp xúc kim loại giữa phần động và phần tĩnh.
- Đặc điểm phương pháp nhiễu loạn nhỏ. (10đ)
Đưa vào hộp cộng hưởng có thể tích V một vật thể có thể tích là V0 (với V0 << V). Vật thể đưa
vào có thể là điện môi, ferit hay kim loại dẫn điện tốt. Vì vật thể đưa vào có kích thước nhỏ hơn nhiều so với thể tích rỗng của hộp cộng hưởng cho nên nó không gây méo đáng kể đến cấu trúc trường của dạng dao động sử dụng trong hộp nên nó được coi là một vật thể nhiễu loạn nhỏ. Theo kết quả nghiên cứu của phương pháp nhiễu loạn nhỏ thì sự thay đổi tần số cộng hưởng được xác định theo biểu thức : (V) E H W 2 W W . Trong đó:
+ WHlà sự thay đổi của năng lượng từ trường.
+ W(v): Là năng lượng tích luỹ cực đại của trường trong HCH khi chưa đưa phần tử
nhiễu loạn vào (
0;
0 là hằng số điện môi và từ môi của không khí chứa trong hộpcộng hưởng). Cho nên, nếu:
+ W = WH - WE = 0 thì không làm thay đổi tần số cộng hưởng(0).
+ W > 0 thì sẽ làm tăng tần số cộng hưởng
+ W < 0 thì sẽ làm giảm tần số cộng hưởng
21. Muốn kích thích hay ghép năng lượng cho ÔDS hay HCH chúng ta cần phải xét đến các yếu tố nào? Cho ví dụ minh họa.
- Khái niệm về kích thích và ghép năng lượng . (5 đ)
Các phần tử dùng để tạo ra dạng trường mong muốn trong ống dẫn sóng hay hộp cộng hưởng được gọi là phần tử kích thích.
Các phần tử dùng để ghép năng lượng của dạng trường có trong ống dẫn sóng hay hộp cộng hưởng ra mạch ngoài được gọi là phần tử liên kết hay còn được gọi là phần tử ghép.
Để giải quyết bài toán kích thích hay ghép năng lượng cho ÔDS hay HCH chúng ta cần phải giải quyết 3 vấn đề cụ thể như sau:
+ Lựa chọ phần tử kích thích hoặc ghép
+ Tìm hiểu cấu trúc trường của trường cần kích thích hay ghép và
+ Đưa phần tử kích thích hoặc ghép vào vị trí thích hợp theo cấu trúc trường đã xét.
- Lựa chọn phần tử kích thích/ghép . (5 đ)
Các phần tử kích thích được lựa chọn thuộc một trong 3 loại như sau:
+ Lưỡng cực điện: tạo ra điện trường biến thiên. + Lưỡng cực từ: tạo ra từ trường biến thiên.
+ Kích thích dạng nhiễu xạ là sự kết hợp của cả hai dạng trên
- Tìm hiểu cấu trúc trường cần sử dụng. (5đ)
Nếu kích thích/ghép bằng lưỡng cực điện, chúng ta phải xét đến cấu trúc thành phần điện trường của loại trường sử dụng.
Nếu kích thích/ghép bằng lưỡng cực từ, chúng ta phải xét đến cấu trúc thành phần từ trường của loại trường sử dụng.
Nếu kích thích/ghép bằng phần tử nhiễu xạ, chúng ta phải xét đến cấu trúc của cả thành phần điện trường và từ trường của loại trường sử dụng.
- Chọn vị trí đưa phần tử kích thích/ghép vào ÔDS hoặc HCH . (5đ)
Phụ thuộc vào phần tử kích thích/ghép và cấu trúc trường đã xét, đưa phần tử kích thích vào vị trí tập trung lớn nhất (bụng) của điện từ trường sao cho trường điện từ tạo ra do phần tử kích thích phải trùng với trường sử dụng (bài toán kích thích) hoặc trường
sử dụng có trường điện từ trùng khớp với phần tử ghép (bài toán ghép).
Ví dụ: kích thích trường cơ bản H10 cho ống dẫn sóng chữ nhật bằng
lưỡng cực điện (que dò) trong mặt phẳng tiết diện ngang của ÔDS như trong hình vẽ.
22. Trình bày đặc điểm của các tấm chắn kim loại mỏng trong ống dẫn sóng chữ nhật. - Khái niệm về tấm chắn và các loại tấm chắn,.( 5đ )
Nếu trong một ống dẫn sóng bất kỳ, tại một tiết diện S nào đó chúng ta đưa vào một tấm chắn kim loại rất mỏng có kích thước nhỏ hơn tiết diện ngang của ống dẫn sóng, thì tấm chắn này sẽ tạo ra xung quanh nó một điện trường riêng về hai phía độc lập với chiều của sóng tới.
Tấm chắn kim loại mỏng là một M4C cực tán xạ đối xứng điện và có thể biểu diễn tương đương như là một trở kháng thuần mắc song song trong đường truyền. Tính chất và giá trị của trở kháng này phục thuộc vào cấu trúc của tấm chắn trong ống dẫn sóng.
Các tấm chắn thường được sử dụng có 3 loại là tấm chắn điện dung, tấm chắn điện cảm và tấm chắn cộng hưởng.
- Tấm chắn điện dung với các đặc điểm.(5đ)
Tấm chắn điện dung là tấm kim loại mỏng đặt tại tiết diện ngang và che một phần tiết diện theo chiều rộng b của một ống dẫn sóng chữ nhật. Phần còn lại được gọi là lỗ sóng có chiều rộng là
d, do đó có 2 trường hợp của tấm chắn điện dung là tấm chắn điện dung đối xứng như hình (a) và không đối xứng như hình (b):
Tính dung của tấm chắn là do sự giảm nhỏ tiết diện của ống dẫn sóng theo thành hẹp (b) tạo nên ở khe hẹp (d) một điện trường và 2 bên khe hẹp sẽ tích luỹ năng lượng điện trường tương đương như một điện dung C mắc song song với đường truyền như hình (c)
- Tấm chắn điện cảm với các đặc điểm.(5đ)
Tấm chắn điện cảm là tấm kim loại mỏng đặt tại tiết diện ngang của ống dẫn sóng chữ nhật và che một phần tiết diện theo chiều rộng (a) của ống dẫn sóng chữ nhật. Cũng như tấm chắn điện dung, phần còn lại được gọi là lỗ sóng có bề rộng là d và cũng có 2 loại tấm chắn là tấm chắn đối xứng như hình (a) và không đối xứng như hình (b).
Tính cảm của tấm chắn này chính là một phần dòng điện ngang trên thành rộng chảy theo tấm chắn tạo nên sự tích luỹ tăng lượng từ trường trên tấm chắn. Do đó, sơ đồ tương đương của tấm chắn loại này như là một điện cảm mắc song song với đường truyền như hình (c).
- Tấm chắn cộng hưởng với các đặc điểm.(5đ)
Tấm chắn cộng hưởng là sự kết hợp giữa tấm chắn điện dung và tấm chắn điện cảm. Một tấm kim loại mỏng đặt tại tiết diện ngang của ống dẫn sóng chữ nhật, che chắn một phần tiết diện cả theo chiều ngang và chiều dọc tạo nên một lỗ sóng có hình chữ nhật [hình (a)) hoặc elip [hình (b)]với các kích thước là a' và b'
Sơ đồ tương đương của tấm chắn loại này như một khung cộng hưởng mắc song song với đường truyền như hình (c).
23. Nêu khái niệm về chuyển tiếp và đặc điểm của các loại chuyển tiếp đồng trục - ống dẫn sóng chữ nhật.
- Khái niệm về chuyển tiếp.(5đ)
Chuyển tiếp là một phần tử siêu cao tần được sử dụng để ghép nối các loại đường truyền khác nhau với các dạng sóng làm việc thích hợp.
Trong các tuyến siêu cao tần người ta dùng các phần tử chuyển tiếp với các dạng như sau:
+ Chuyển tiếp từ cáp/ÔDS đồng trục sang ÔDS trụ tròn, chữ nhật, mạch dải ...
+ Chuyển tiếp giữa các ÔDS.
+ Chuyển tiếp giữa ÔDS và mạch dải.
- Đặc điểm của chuyển tiếp dạng que dò(5 đ)
Việc phối hợp trở kháng giữa 2 loại đường truyền được đảm bảo bởi việc chọn chiều dài que dò (l d ) và khoảng cách từ que dò đến thành ngắn mạch của ỐDS (l ) thích hợp.
Để mở rộng dải tần, việc phối hợp trở kháng được thực hiện bằng cách tăng đường kính của
que dò d và độ lệch tâm a' so với tâm của thành rộng ống dẫn sóng chữ nhật (cũng như với
khoảng cách l ).
Ưu điểm của chuyển tiếp dạng này là cho dải tần cộng tác tương đố rộng, có thể đạt đến 20%. Nhược điểm của nó là do que dò tương đương như một điện dung mắc song song với đường
truyền nên ở chính đầu que dò tập trung điện trường mạnh làm giảm độ bền của chuyển tiếp
- Đặc điểm của chuyển tiếp dạng Slayphơ.(5đ)
Để khắc phục nhược điểm của dạng chuyển tiếp que dò người ta dùng dạng chuyển tiếp Slâyphơ như hình sau.
Về cơ bản giống dạng que dò song người ta không tách lõi trong của ống hay cáp ra mà chúng được ngắn mạch đầu cuối với vỏ ống dẫn sóng chữ nhật đồng thời phần ống hay cáp xuyên qua ống dẫn sóng chữ nhật và kéo dài thêm một quãng có chiều dài l d và đoạn này được gọi là đoạn
slâyphơ.
Tuy nhiên, k hi chọn chiều dài l d và khoảng cách l thích hợp thì chuyển tiếp dạng này cũng chỉ
cho phép giải tần công tác tương đối cũng chỉ đạt đến khoảng 7%.
- Đặc điểm của chuyển tiếp dạng có thanh ngang & dạng cúc áo .(5đ)
Các dạng chuyển tiếp que dò và Slây- phơ có ưu nhược điểm đối ngược nhau.
Để phát huy ưu điểm của cả hai loại nói trên, tức là giải tần công tác rộng và có độ bền cao,
người ta sử dụng loại chuyển tiếp que dò có bổ sung tấm chắn điện cảm trong ÔDSCN để giảm
sự ảnh hưởng của điện trường lên đầu que dò, tăng độ bền cho chuyển tiếp mà vẫn ít làm thay đối đến sự phối hợp trở kháng đảm bảo duy trìđược giải tần công tác tương đối của loại chuyển tiếp dạng que dò.
Khi cần chuyển tiếp năng lượng có công suất lớn, để đảm bảo độ bền điện cao, người ta sử dụng chuyển tiếp dạng cúc áo có bổ sung các tấm chắn điện cảm với phần lõi trong của ống hay cáp được mở rộng đường kính về cuối chỗ tiếp xúc với ống dẫn sóng chữ nhật ở mặt cuối,
24. Nêu khái niệm bộ suy giảm và các nguyên lý suy giảm sóng được sử dụng trong các bộ suy giảm.
- Khái niệm các bộ suy giảm . (5đ)
Các bộ suy giảm là một mạng 4 cực siêu cao mà khi sóng điện từ truyền lan qua đó sẽ bị giảm một phần đáng kể năng lượng. Có 3 loại suy giảm:
+ Suy giảm kiểu hấp thụ sóng. + Suy giảm kiểu tới hạn.
+ Suy giảm có điều khiển điện.
- Nguyên lý suy giảm trong bộ suy giảm kiểu hấp thụ .(5đ)
Nguyên lý suy giảm trong các bộ suy giảm kiểu hấp thụ sóng là đưa các tấm có tính chất hấp thụ sóng vào bên trong đoạn ÔDSCN. Có thể thay đổi độ suy giảm bằng cách thay đổi kích thước của tấm hấp thụ như hình (a)hoặc thay đổi vị trí của tấm hấp thụ như hình (b).
Hình 3.27 Hai dạng suy giảm kiểu hấp thụ Để tránh phản xạ sóng thì các tấm hấp thụ phải được vát nhọn ở 2 đầu.
Bộ suy giảm loại này có ưu điểm lớn nhất là có cấu trúc đơn giản, dễ chế tạo và ít phản xạ sóng. Tuy nhiên tồn tại một số nhược điểm như:
+ Hệ số suy giảm nhỏ < 50dB
+ Rất nhạy cảm với tấn số: khi tần số công tác biến đổi thì độ suy giảm cũng thay đổi mạnh.
- Nguyên lý suy giảm trong bộ suy giảm kiểu tới hạn.(5đ)
Các bộ suy giảm kiểu tới hạn hoạt động theo nguyên lý sử dụng trường tại chỗ (sóng đứng), tức là chọn kích thước của ÔDSCN và bước sóng công tác sao cho bước sóng công tác phải đạt điều kiện tồn tại sóng đứng: > th.. K hi đó, sóng đi qua bộ suy giảm sẽ bị suy hao với hệ số
suy giảm được xác định theo biểu thức tính độ suy hao:
1 2 2 th .
Theo biểu thức này, khi chọn bước sóng công tác >> th thì có thể coi
th 2
, điều này cónghĩa là độ suy giảm không phụ thuộc tần số công tác.
- Nguyên lý suy giảm trong bộ suy giảm có điều khiển bằng điện . (5đ)
Các bộ suy giảm điều khiển bằng điện hoạt động dựa trên hai nguyên lý cơ bản là:
+ Lợi dụng tính chất của ferit bị từ hoá trong từ trường không đổi để tạo ra các bộ suy giảm
không thuận nghịch. Ngoài mức độ suy giảm khác nhau tuỳ theo phương truyền, độ suy giảm còn phụ thuộc mạnh vào cường độ của từ trường từ hoá lõi ferit.
+ Sử dụng các đi-ốt siêu cao để tạo ra các bộ suy giảm mà độ suy giảm của nó có thể thay
đổi được bằng dòng định thiên một chiều cung cấp cho đi-ốt.
25. Cấu trúc và các tính chất của chạc 3 vuông góc kiểu E.
- Khái niệm và phân loại chạc 3 vuông góc kiểu E (có hình vẽ cấu tạo). ( 8 đ)
Chạc 3 vuông góc kiểu E là một chạc 3 vuông góc được ghép theo thành phần điện trường (E) của ống dẫn sóng chữ nhật trên thành rộng (a), nên còn được gọi là 3TE.
3TE được cấu tạo trên cơ sở của một đoạn ống dẫn sóng chữ nhật làm mặt đối, 2 mặt chính còn lại có thể là các đoạn ống dẫn sóng chữ nhật như hình (a) hoặc trụ tròn như hình (b). Đoạn ống dẫn sóng làm mặt đối đặt vuông góc với đoạn ống dẫn sóng còn lại của 2 mặt chính.
- Các tính chất của chạc 3 vuông góc kiểu E (có giải thích). (12 đ)
Với giả thiết các ống dẫn sóng đều làm việc với trường cơ bản là H10 (ODSCN) &
H11(ODSTT).
Trường cơ bản ở mặt đối là trường H10, trường có bản ở các mặt chính là H10 (nếu là ODSCN)
hoặc là H11 (nếu là ODSTT). Theo sự biến đổi dạng cấu trúc thành phần điện trường của các
trường cơ bản như hình trên, chúng ta có thể rút ra tính chất quan trọng của 3TE như sau:
+ Nếu kích thích sóng H10 vào nhánh 3 thì nhánh 1 và nhánh 2 có sóng điện từ đi ra với biên
độ bằng nhau và ngược pha nhau (H10 hoặc H11).
Từ đó rút ra được hai tính chất nội suy:
+ Nếu kích thích đồng thời 2 trường cơ bản vào cả 2 mặt chính 1&2 cùng biên độ và ngược
pha thì sẽ có trường cơ bản H10 ở nhánh ra (mặt đối).
+ Nếu kích thích đồng thời 2 trường cơ bản cùng biên độ và đồng pha nhau vào cả 2 mặt
chính 1&2 thì không tồn tại sóng điện từ ở mặt đối.
26. Cấu trúc và các tính chất của chạc 3 đối xứng kiểu H. - Khái niệm và cấu tạo của chạc 3 đối xứng kiểu H . (8 đ)
Nếu ống dẫn sóng chữ nhật được phân làm 3 nhánh cách đều nhau (1200) ta có một chạc ba đối
xứng – được gọi tắt là chạc 3Y.
Nếu mặt phẳng chứa trục của cả 3 nhánh vuông góc với các
thành hep (b) của ống dẫn sóng chữ nhật, ta có chạc 3 đối
xứng kiểu H ( còn gọi là 3Y-H) như hình vẽ.
Như vậy, theo khái niệm của chạc ba thì chạc ba đối xứng có điểm đặc biệt là một nhánh bất kỳ vừa là mặt chính vừa là mặt đối của 2 nhánh còn lại.
- Các tính chất của chạc 3 đối xứng kiểu H (có giải t hích). (12 đ)
Các tính chất của chạc 3Ycũng tương tự như các tính chất của chạc 3T tương ứng.
Theo cấu trúc từ trường của trường cơ bản H10 tại mặt đối (3) và các mặt chính (1) & (2) của
chạc 3T-H cho các mặt chính được tạo bởi các đoạn ống dẫn sóng chữ nhật như hình vẽ sau:
Theo hình vẽ trên ta rút ra được tính chất quan trọng của 3YH như sau:
+ Nếu kích thích sóng cơ bản H10 vào nhánh bất kỳ (3) thì nhánh (1) và nhánh (2) có
trường cơ bản H10 đi ra với biên độ bằng nhau và đồng pha nhau.
Dođó rút ra được hai tính chất nội suy:
+ Nếu kích thích đồng thời 2 trường cơ bản H10 vào cả 2 mặt cuối bất kỳ (1)&(2) cùng
biên độ và đồng pha thì sẽ có trường cơ bản H10 đi ra ở nhánh còn lại (3).
+ Nếu kích thích đồng thời 2 trường cơ bản H10 cùng biên độ và ngược đồng pha nhau
vào cả 2 mặt cuối bất kỳ (1)&(2)thì không tồn tại sóng điện từ ở mặt cuối còn lại (3).
27. Nêu ứng dụng của chạc 3 trong chuyển mạch thu phát sóng của radar và bộ tách kên tần số trong hệ thông tin phân kênh theo tần số.
- Ứng dụng của chạc 3 trong chuyển mạch thu phát sóng của rada .(10đ)
Trong thiết bị rada, máy phát và máy thu làm việc chung một anten. Để bảo vệ máy thu khi máy phát làm việc (với biên độ trường rất lớn) chúng ta có thể sử dụng bộ phối hợp thu phát
chính là chạc 3T kết hợp với 1 đèn 2 cực có khí được đặt ngay tại mặt đối của nhánh đi vào
máy thu như hình vẽ.
Nguyên lý chuyển mạch như sau:
+ Khi máy phát làm việc, do biên độ điện
trường tại mặt đối lớn nên đèn có khí sẽ ngắn mạch đầu vào máy thu tạo nên một M4C phối hợp hoàn toàn giữa máy phát với anten.
+ Khi máy phát ngừng làm việc, đèn có khí
ngừng thông sẽ làm hở mạch nhánh vào máy
thu để tiếp nhận sóng điện từ thu nhận được từ anten vào máy thu.
- Ứng dụng của chạc 3 trong bộ tách kênh tần số .(10đ)
Trong các hệ thống thông tin phân kênh theo tần số FDM như hệ thống Viba (hệ thống thông tin tiếp sức), người ta truyền trên cùng một đường truyền nhiều kênh thông tin có tần số khác nhau. Ở phía máy thu, để tách các kênh phân chia theo tần số này chúng ta có thể sử dụng các chạc 3Y như hình vẽ.
Tín hiệu FDM được đưa vào nhánh của mặt đối, ở hai nhánh của
mặt chính còn lại được nối với 2 bộ chọn lọc tần số. Ở tần số f 1
thì mặt đối chứa bộ lọc F1 sẽ ngắn mạch với các thành phần có
tần số khác với f 1 tạo nên sự phối hợp giữa nhánh chứa bộ lọc F2
với nhánh chứa mặt chính và ngươc lại. Như vậy bộ lọc F1 sẽ chỉ
chọn lọc tín hiệu có tần số f 1và bộ lọc F2 chỉ chọn lọc tín hiệu có tần số f 2.
Thực tế tách tần số trong rất nhiều thành phần tần số của tín hiệu FDM, nên để tách tần số của
FDMnhiều kênh người ta chia làm nhiều nhánh, mỗi nhánh sử dụng một chạc 3Y.
28. Nêu khái niệm, các tính chất và ứng dụng của bộ ghép địng hướng. - Khái niệm bộ ghép định hướng.(10 đ) Các bộ ghép định hướng là một M8C siêu cao. Bốn nhánh của M8C có thể được chia làm 2 nhóm như hình vẽ, bao gồm: + Nhóm I: Nhánh 1 & 2 + Nhóm II: Nhánh 3 & 4 Ta nói rằng M8C trên là một bộ ghép định
hướng nếu các nhánh của một nhóm hoàn toàn cách ly khi các nhánh của nhóm còn lại hoàn toàn phối hợp. Điều này có nghĩa là không có sự tán xạ giữa các nhánh trong cùng một
nhóm. Hay nói một cách khác, một bộ ghép định hướng là một mạng 8 cực siêu cao khi thỏa
mãn các điều kiện như sau:
+ Nếu cho sóng vào nhánh 1, các nhánh còn lại được nối với các tải không phản xạ thì sẽ
không có sóng ra ở nhánh 2.
+ Nếu cho sóng vào nhánh 3, các nhánh còn lại được nối với các tải không phản xạ thì sẽ
không có sóng ra ở nhánh 4
Bộ ghép định hướng có ký hiệu trong mạch điện như hình vẽ và được đặc trưng bởi hai tham số cơ bản như sau:
+ Hệ số ghép hay còn gọi là hệ số phân mạch C: 4 1 lg 20 b a C
(Nếu gọi nhánh 4 là nhánh ghép và nhánh 1 là nhánh sóng tới)
+ Hệ số định hướng D: 2 4 lg 20 b b D (Nếu gọi nhánh 4 là nhánh ghép và nhánh 2 là nhánh cách ly) - Các tí nh chất của bộ ghép định hướng. (5đ) Bộ ghép định hướng có có ba tính chất sau: + Các hệ số phản xạ của bộ ghép có cùng môdul: 4 3 2 1 R R R R tức là S 11 S 22 S 33 S 44 (Trong đó: Sii là các phần tử của ma trận tán xạ [ S])
