dapansieucaotan

HƯỚNG DẪN ÔN DẪN ÔN THI MÔN KTSCT 1.  Vẽ hệ tọa độ tổng quát và nêu và  nêu tên của 6 thành phần của của trường điện từ trong trong hệ tọa độ tổng quát. - Hệ toạ độ trụ tổng quát bao gồm 3 trục z, q 1     và q 2 2.  (10 đ)  đ)  1 và

Trong không gian ba chiều nói chung của các loại đường truyền, sóng điện từ được biểu diễn theo hệ toạ độ tổng quát bao gồm 3 trục như hình vẽ. Hệ tọa độ này bao gồm: Trục z trùng với phương truyền sóng, chứa các thành phần dọc trục. Trục q1 và trục q2 nằm trong mặt phẳng ngang vuông góc với phương truyền sóng z +

+

-

Hai thành phần trường của mỗi trục. (5đ) 

Theo mỗi trục của hệ toạ độ trên, trường điện từ sẽ bao gồm 2 thành phần: Thành phần điện trường: có ký hiệu là E. Thành phần từ trường có ký hiệu là H. + +

-

Sáu thành phần của trường. (5đ) 

 Như vậy trong không không gian tự do, trường điện từ sẽ có 6 thành phần, bao gồm : 4 thành phần ngang ngang là Eq1; Eq2; Hq1; Hq2; và 2 thành phần dọc là E z; Hz. + +

2.  Viết nghiệm của phương trình sóng và nêu ý nghĩa của các tham số cũng như  ý như  ý nghĩa của hàm phân bố dọc trục. trục. - Viết nghiệm của nghiệm của phương trình sóng  và  và n êu êu ý nghĩa các tham số. ( 10  10 đ)  đ) 

 Nghiệm của phương trình sóng là hàm phân bố dọc trục có dạng theo biểu thức sau: ±(α + jβ) F(z) = e±γz = e±(α Trong đó:  =  + j: là hằng số truyền của sóng dọc theo phương truyền sóng (z ). : là hệ số tiêu hao [Np/m]. : là hệ số pha của sóng [rad/m] Mang dấu (-) khi sóng truyền lan theo hướng trục z (sóng tới). Mang dấu (+) khi sóng truyền tru yền theo hướng ngược lại (sóng phản xạ). + + + + +

-

Giải thích ý nghĩa của hàm phân bố dọc trục  trụ c  F   F (z)  đ)  (z) . (10 đ) 

Hàm phân bố dọc trục cho biết phân bố của trường điện từ dọc theo phương truyền sóng (z).  Nếu ta biểu diễn trường dưới dạng điện áp phân bố dọc trục có dạng:

 U  e (  j  ) z   U  e (  j  ) z   U  e   z e  j   z   U  e  z e  j  z  Từ đó ta nhận thấy: Với sóng tới:   z  + Thành phần biên độ U  e sẽ giảm dần khi tiến về phía tải, tốc độ suy giảm biên độ sóng  phụ thuộc vào hệ số tổn hao .   j  z  + e cũng sẽ giảm dần khi tiến dần về phía tải tức là sóng sẽ bị chậm pha dần khi càng xa nguồn, tốc độ chậm pha phụ thuộc vào hệ số pha của sóng . Với sóng phản xạ:   z  + Thành phần biên độ U  e sẽ tăng dần khi tiến về phía tải, điều này có nghĩa là thành  phần sóng phản phản xạ sẽ bị suy hao dần khi cách xa tải .  j  z  sẽ tăng dần khi tiến dần về phía tải tức là sóng phản xạ sẽ bị chậm pha dần khi càng + e xa tải, tốc độ chậm pha cũng phụ thuộc vào hệ số pha ( ). U  z 

3. Theo 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? - Viết hàm phân bố dọc trục và biểu thứ c tính   . (7 đ)  đ) 

Quá trình giải phương trình sóng (1.3) cho ta nghiệm là hàm phân bố dọc trục có dạng theo ±(α + jβ)  biểu thức sau: F(z) = e±γz = e±(α . Với γ là hằng số truyền và được tính từ biểu thức liên quan: 1

    j

2

 2                th    2  

Trong đó: λ th 

2π χ 

2

là bước sóng tới hạn của sóng truyền trong đường truyền , χ là số sóng

ngang. Xét trong điều kiện lý tưởng với đường truyền không tổn hao (hệ số tổn hao  = 0) thì:

 λ   1   = α+ j = jβ, do đó ta có: β   λ  λ th  2π

-

2

Khái niệm về trường truyền lan  (7 đ)  đ)   Khi k 2 >   2 tức là   <  <  th  = j   hay:  hay: th hay f > f th th thì ta có   = 2

2      f th   2    =  = 1   1      f        th   Điều này có nghĩa  là một số thực (hay γ thuần ảo) cho 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). 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 3 tham số: Bước sóng truyền trong đường truyền có ký k ý hiệu là t Vận tốc pha: vận tốc dịch chuyển mặt đồng pha của sóng dọc theo phương truyền sóng (z), có ký hiệu là V ph: Vận tốc nhóm: vận tốc truyền lan của nhóm sóng hợp thành tín hiệu, có ký hiệu là V nh:

2

+ +

+

-

Khái niệm về trường tại chỗ. (6 đ)  đ)   Khi k 2 <   2

tức là

  >  >  th  =   ; th hay f < f th th thì ta có   = đóng vai trò hệ số tổn hao tương đương với hệ số :

do β thuần ảo hay nói cách khác γ

2

2      2  f th     1   =  =   1     th      f    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 suy giảm dọc trục z theo quy luật hàm số mũ e -z. Trường điện từ lúc này được gọi là trường tại chỗ hay còn gọi là trường trườ ng địa phương.

2

4. Theo các thành phần của trường điện từ người ta có thể phân trường điện từ thành từ  thành những loại nào? - Sáu thành phần của trường truyền lan trong t rong hệ tọa độ tổng quát. Và nêu tên của các loại trường  (4   (4 đ)  đ) 

Theo hệ tọa độ tổng quát, tr trường ường điện từ trong không gian 3 chiều bao gồm 6 thành phần: Hai thành phần dọc trục là H z và Ez Bốn thành phần ngang nằm trong mặt phẳng ngang là: E q1; Eq2; Hq1 và Hq2 Tùy thuộc vào sự tồn tại của các thành phần trường này người ta phân chia ra làm 4 loại trường là TM, TE, TEM và trường lai ghép. + +

-

-

-

Trường TM(E) và TM(E) và các thành phần của trường . (4 đ)  đ) 

Trường TM (hay trường E) được gọi là trường điện dọc. Với 2 thành phần dọc trục (z) chỉ có 1 thành phần là điện trường (E z  0) mà vắng mặt thành phần từ trường t rường (Hz = 0). Như vậy trường TM(E) chỉ còn lại 5 thành phần là thành phần điện dọc (E z) và bốn thành phần ngang là E q1; Eq2; Hq1; Hq2. Trường TE(H) và TE(H) và các thành phần của trường . (4 đ)  đ) 

Trường TE (hay trường H) được gọi là trường từ dọc . Với 2 thành phần dọc trục chỉ tồn tại thành phần từ trường (H z  0) mà vắng mặt thành phần điện trường (E z = 0). Như vậy trường TE(H) cũng chỉ còn lại 5 thành phần là thành phần từ dọc (H z) và 4 thành phần ngang là E q1; Eq2; Hq1; Hq2. Trường TEM và các thành phần của trường . (4 đ)  đ) 

2

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 E q1; 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 H 10 và điều kiện để ÔDSCN chỉ truyền duy nhất trường cơ bản H 10. - Viết biểu thức t ính bước sóng tới hạn chung cho cả trường E &H. (5đ) 

Trong ống dẫn sóng chữ nhật, bước sóng tới hạn được tính chung cho cả hai loại trường E và H

như sau: λ th =

2 2

2

trong đó: m. n là các chỉ số nguyên không âm và không đồng

m +n  a   b  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 Bước sóng tới hạn (th)

2a

20 a

01

H02

2b

-

Vẽ phổ bước sóng tới hạn với các trường đã tính. (5đ) 

-

Nhận xét. (5đ) 

b

11 2ab a 2  b 2

30 2

40 a

a

3

2

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:

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 TE 10 (H 10) 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 H 10 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 H 10 trong 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) l à: ωμ         H zm sin  x  = Eym sin  x  Một thành phần điện trường E y = -j π/a  a    a     Hai thành từ trường là: Hz = Hzm. cos  x  và: a   jβ π    Hx = H zmsin  x   = Hxm sin  x  π a  a  +

+

a

-

Từ biểu thức rút ra đặc điểm  chung của trường H 10 : (14 đ)  3

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 E y phân cực thẳng dọc theo trục y tức vuông góc với trục x (thành rộng) có a    a     biên độ cực đại tại x = .  sin .  sin 1 và 2   a 2 2    bằng 0 tại x = 0,a. (hai bên thành hẹp). Cấu trúc của E y 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 H z 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 =

a

2

) 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 H 10 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 H 10 trong ÔDS chữ nhật được tính theo biểu thức sau:

     P(H10) = P0. 1     2a  Với P0 =

ab. E 2m 4

 

2

(với Em là biên độ điện trường trong ống dẫn sóng chữ nhật) 2

         Do đó ta có:  1     = f   . P0  2a   2a  P

-

-

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 H10 với bước sóng công tác trong ÔDS chữ nhật như đồ thị sau. Nêu ý nghĩa. ( 8đ  ) 

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 H 10 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 E dt thì ta sẽ tính được công suất truyền lan giới hạn (P gh) trong ống dẫn sóng chữ nhật theo biểu thức tính công suất truyền nói trên  là: 2

     . 1   Pgh (H10) =   2a  4  Với điều kiện áp suất bình thường và chất điện môi là không khí thì ta có: 2      Pgh (H10)  597ab. 1     2a   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 hạ n. ab.E dt2

4

8.  Viết biểu thức và vẽ đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của sự tổn hao của trường cơ bản H 10 trong 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 b      1 . R s gọi là điện trở mặt riêng  R s  a  2a   KL (H10 )  .  = f( ) của kim loại làm mặt trong 2 2 a        b. 1    ống dẫn sóng:   2a 

 kl (  kl là độ dẫn riêng của kim loại làm mặt trong ống dẫn sóng) 2 kl [Nếu không viết được biểu thức trên thì cần nêu hệ số tổn hao α KL  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 H 10 (2a) theo biểu thức đơn  giản αKL(H10) = f( )]. Với: R s 

-

-

Vẽ đồ thị (5đ) 

2a

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 ( 7đ  ) 

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 H 10 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

a

và b  . 2

9. Khái niệm về các trường đơn vị, trường cơ bản H 11 trong ÔDSTT. Vẽ phổ bước sóng tới hạn và nêu điều kiện truyền lan duy nhất trường cơ bàn H 11. - 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 số m và n là 2R  2R  eth  cho trường TM và hth  cho trường TE chúng ta thấy: trong ống dẫn sóng trụ  mn  mn tròn có nhiều thành phần trường khác nhau là TM mn (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 μ mn và ε mn . 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. 5

-

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 λ th =  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 E r  và H. Thành phần điện trường ngang được tính theo biểu thức: Er  = 

U 1 .  b r  ln . a

(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 = -

E r  Zc

 là trở kháng sóng của trườ ng TEM. Do đó: H = 

, với Zc =

U 1 .   b r  . ln  a

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 E r 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  b  phân và bằng giá trị điện áp giữa vỏ và lõi:  E r dl  U a Dòng điện chảy trong lõi trong hay vỏ ngoài có giá trị bằng nhau và ngược chiều và được tính 2.U theo biểu thức: I =  H  dl  = 2rH     b L ln  a 1

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) 

Là sự 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:

Trong đó: 6

+ + + -

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 (a  c).cb đúng sau:  th   . + +

d

 Nếu so sánh bước sóng tới hạn của nó với ống dẫn sóng chữ nhật với trường cơ bản H 10 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: φ t >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 sóng. Do đó, tia sóng dễ bị khúc xạ ra các lớp ngoài (n2 và n3) gây tổn hao sóng lớn . +

7

+ -

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 hiệ n 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 =

c V ph

(c = 3x108m/s và v ph là vận tốc pha của sóng truyền trong hệ)

-

Giải thích mục đích của đưòng truyền sóng điện từ chậm (6 đ) 

-

Cho 1 v í dụ cụ thể (7 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 (3x10 8m/s) xuống hàng nghìn lần để tương thích với vận tốc của chùm tia điện tử (10 5m/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 . 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.

8

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: V ph

c



2

; Do đó, hệ

 2.a   S  số làm chậm của hệ sẽ là: 2 c 2.a    1  K ch  = f (a,S)  V ph S    Người ta đã xây dựng được đặc trưng tán sắc của hệ làm chậm xoắn với các giá trị khác nh au của góc nghiêng của bước xoắn ( ) theo đồ thị có dạng như hình vẽ . 1 

-

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 [F z(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 9

đó, trong hộp cộng hưởng chữ nhật tồn tại nhiều thành phần trườ ng là Emnp và Hmnp và 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: k  

2π

; (1)

λ 0

Mặt khác ta đã có:  2  k 2   2  

(2) 2

2

m n Trong ống dẫn sóng chữ nhật ta có:          (3)  a    b  2

Theo kết quả tính β = p

π L

 trong hộp CHCN với giả thiết α = 0, ta có    j   jp  (4) L

Thay các kết quả trên (1), (3) và (4) vào biểu thức (2) ta được: 2 2 2 2  m    n    p     2   a    b   L     Từ đó rút ra biểu thức tính bước sóng cộng hưởng riêng:  0

0  -

2 2

2

 m    n     p          a     b   L 

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 H 101 có: 2aL

 0 (101) 

có giá trị lớn nhất nên được gọi là dao động riêng cơ bản còn có các thành

L  phần khác gọi là các dao động bậc cao. a

2

2

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 ( 7đ  ) 

Trong đường truyền siêu cao tần, hệ số pha  được biểu thị qua bước sóng truyền trong trường truyền có dạng:  =

2

t

,

Mặt khác ta có kết quả tí nh  trong hộp cộng hưởng chữ nhật là:  =  p

Do đó ta có: => L =  p

2

t

  L

   =  p

L

t 2

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 =

 t 

2

, góc pha ban đầu là φ 0

tại điểm xuất phát z = 0 và được mô tả quá trình  phản xạ sóng trong hộp như hình vẽ . Sau khi truyền hết chiều dài L của hộp, +

10

sóng sẽ phản xạ lần thứ nhất và có góc dịch pha là π (tương ứng với

 t 

2

).

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 L C song: Q// = 0 ; Q nt  0 ; trong đó: g

r 

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 trườngW H : + + + +

WE

1

1

2

2

 CU 2m  và WH  LI2m ; Trong đó:

Um là biên độ điện áp trên tụ điện C. Im Là biên độ dòng điện trong điện cảm L. Biến đổi tương đương biểu thức tính Q của khung ta được  : 1  C.U 2m  0  W 2  0 E Q //  1 1  g.U 2m gU 2m  2 2  1  0 LI 2m  W Q  2 0 H  nt  1 2 1 2 r .I m rI m  2 2  + +

1

Đặt Pth = Q // Q  0

2

 0

W Pth

g.U 2m

1

 r .I 2m  và gọi Pth là công suất tổn hao trong hộp cộng hưởng ta có:

WE Pth

2

; Q nt

 0

WH Pth

; từ đó viết được biểu thức tính Q của hộ p :

.

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 dẫn không tuyệt đối của kim loại làm hộp cộng hưởng (P thKL) 11

Tiêu hao do chất điện môi chứa bên trong hộp cộng hưởng (P thĐM) Tiêu hao do ghép nối với các tải của hộp cộng hưởng ( P thT) Do đó ta có thể viết P th = Pth (i )  PThKL  Pth DM  PthT . + +

Thay vào biểu thức tính Q của hộp: Q  0 Q = ω0

W Pth

Trong đó -

Þ

1 Q

1 Q KL

=



PThKL +Pth DM +PthT ω0 W PthKL

;

1

0 W Q DM



=

PthDM

PthKL ω0 W ;

1

0 W Q T

W Pth

+



 hay

PthDM ω0 W

+

1 Q

=

Pth ω0 W

PthT ω0 W

=

1 QKL

+

1 QDM

+

1 QT

PthT

0 W

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. 1 Q0



1 Q KL



1 Q DM

=> 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 hưởn g 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 =  p . 2

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 V 0 (với V0 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) 

-

Tìm hiểu cấu trúc trường cần sử dụng. (5đ) 

-

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

 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 H 10 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 13

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) 

Chuyển tiếp dạng que dò với các tiết diện ngang/dọc và các kích thước như hình sau

14

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 S lây- 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 trì được 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).

15

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: 2

         1 .     th  2 

Theo biểu thức này, khi chọn bước sóng công tác  >> th thì có thể coi  

2

 th

, điều này có

nghĩa 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). ( 8đ   ) 

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 3T E. 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 H 10  (ODSCN) & H11(ODSTT). Theo cấu trúc trường của chạc 3 như hình vẽ sau tại mặt cuối của các nhánh: 16

Trường cơ bản ở mặt đối là trường H10, trường có bản ở các mặt chính là H 10 (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 H 10 vào nhánh 3 thì nhánh 1 và nhánh 2 có sóng điện từ đi ra với  biên độ bằng nhau và ngược pha nhau (H 10 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 bả n 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 17

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 F 2 với nhánh chứa mặt chính và ngươc lại. Như vậy bộ lọc F 1 sẽ chỉ chọn lọc tín hiệu có tần số f 1 và 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 FDM nhiều 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: C   20 lg

a1 b4

(Nếu gọi nhánh 4 là nhánh ghép và nhánh 1 là nhánh sóng tới) +

Hệ số định hướng D:

 D  

20 lg

b4 b2

(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 c ó cùng môdul:  R1   R2   R3  R4 tức là S 11  S 22  S 33  S 44 (Trong đó: S ii là các phần tử của ma trận tán xạ [ S]) 18

+

+

-

 S   S 23  Nếu bộ ghép đối xứng để có  :  14 , thì nó hoàn toàn phối hợp, tức hệ số phản xạ S  S   24  13 của các mặt chính đều bằng zero: S 11 = S22 = S33 = S44 = 0 Một bộ ghép định hướng đối xứng là một M8C hoàn toàn phối hợp và ngược lại một M8C thuận nghịch hoàn toàn phối hợp là một một bộ ghép định hướng.

Ứng dụng của bộ ghép định hướng(5đ) 

Các bộ ghép định hướng thường được sử dụng để: + Hỗ trợ cho các thiết bị đo kiểm tra trạng thái của sóng điện từ trong đường truyền siêu cao hoặc; + Hỗ trợ cho các thiết bị đo hệ số sóng đứng, sóng chạy từ hệ số phản xạ R cho nên được gọi là phản xạ kế.

29. Nêu khái niệm, đặc trưng của các loại cầu và mục đích ứng dụng của các bộ cầu siêu cao. - K hái niệm các bộ cầu siêu cao. (4đ) 

Các bộ cầu siêu cao là M8C dùng để chia đôi công suất hay là các bộ ghép định hướng với hệ số ghép C = 3 dB. Các bộ cầu siêu cao được cấu tạo trên các đoạn ống dẫn sóng chữ nhật, trụ tròn hoặc mạch giải... Khác với bộ ghép định hướng, ở nhánh ra chỉ trích 1 phần năng lượng của sóng tới (từ nhánh tới); phần năng lượng chính được truyền ra nhánh ra, còn đối với các bộ cầu siêu cao, năng lượng của sóng tới được chia đều cho cả hai nhánh ra trừ nhánh cách ly. Có 3 loại cầu thường được sử dụng là: cầu T kép, cầu khe cho ống dẫn sóng chữ nhật và cầu vòng cho ống dẫn sóng đồng trục hoặc mạch dải.

-

-

Đặc trưng của các loại cầu siêu cao: cầu T - kép, cầu khe, cầu vòng (3x4=12đ) 

Cầu T kép được cấu tạo kết hợp từ 2 chạc 3 vuông góc khác loại là 3T -E và 3T-H. Tính chất chia đôi công suất cho các nhánh ra dựa theo tính chất kết hợp của cả 2 loại chạc 3T. Cầu khe được cấu tạo bởi 2 đoạn ống dẫn sóng chữ nhật giống nhau và được ghép chung nhau trên thành hẹp (b). Trên thành rộng chung có để một khe chữ nhật có chiều cao là thành rộng (b) còn chiều dài là ( l ). Tính chất chia đôi công suất tại hai lối ra là do sự tổng hợp của 2 thành  phần trường đồng pha và ngược pha do trường cơ bản H 10 khi đi qua khe chung có cạnh dài (a) tăng gấp đôi sẽ tạo thành trường cơ bản mới là H’ 10 có bước sóng tới hạn gấp 2 lần và trường  bậc cao H’20 tạo ra. Cầu vòng được cấu tạo từ các đoạn mạch dải hoặc ống dẫn sóng /cáp đồng trục được uốn thành vòng tròn các nhán h của cầu tập trung tại nửa vòng và cách đều nhau ¼ bước sóng công tác.  Nguyên lý chia đôi công suất cho hai nhánh ra là do sự tổng hợp của 2 sóng đi theo hai chiều ngược nhau của vòng sẽ đồng biên và đồng pha tại các nhánh ra, đồng biên và ngược pha tại nhánh cách ly. Ứng dụng của các bộ cầu. (4đ) 

Các bộ cầu siêu cao được ứng dụng trong tuyến siêu cao với các mục đích như sau: Chia đôi công suất. Ghép công suất Quay pha (phối hợp). Phối hợp trở kháng, tạo cầu trở kháng. Trộn cần bằng, điều chế cân bằng. Tách sóng pha cân bằng. Phân biệt tần số (tách tần số)... + + + + + + +

30. Trình bày ferit và các tính chất của ferit trong trường điện từ . - Ferit và tính chất của ferit chưa bị từ hóa trong trường điện từ . (5đ) 

Ferit là một hỗn hợp của ôxit sắt 3 Fe2O3 với một số ôxit kim loại khác như Mg, Mn, Ni …dưới dạng bột được nén lại thành hình dạng thích hợp. Nó vừa có tính chất của chất điện môi vừa có tính chất của sắt từ với hằng số điện môi và từ môi tương đối: ' = 5 16; tgσe = 10-2  10-3 μ’ = 110 ở tần số thấp thì μ’ có giá trị rất lớn Ở điều kiện bình thường (không bị từ hoá) Ferit như là một chất điện môi đẳng hướng đối với trườngđiện từ. + +

19

K hi bị từ hoá bởi từ trường không đổi và đặt nó trong môi trường truyền sóng siêu cao thì ferit sẽ có một số tính chất đặc biệt phụ thuộc vào sự phân cực của sóng điện từ. -

Hiện tưởng cộng hưởng sắt từ của ferit bị từ hóa với sóng phân cự c tròn. (10đ) 

 Nếu truyền sóng điện từ có vectơ cường độ từ trường H  phân cực tròn và mặt phẳng chứa H vuông góc với từ trường từ hoá lõi ferit H 0 thì ferit bị từ hoá nói trên được coi như môi trường đẳng hướng với sóng điện từ phân cực tròn. Độ từ thẩm tương đối của ferit phụ thuộc vào chiều quay của sóng phân cực tròn (tức là phụ thuộc vào chiều của từ trường H 0): μ *  μ *x  a với x và a là các hằng số phụ thuộc vào cấu trúc của ferit, cường độ từ trường từ hoá lõi và tần số sóng siêu cao truyền qua ferit. Mang dấu (+) khi sóng phân cực tròn quay phải. Mang dấu (-) khi sóng phân cực tròn quay trái. Do đó ferit bị từ hoá bởi từ trường không đổi sẽ có tác dụng khác nhau lên sóng phân cực tròn quay phải và quay trái. Thực tế khi tính đến tiêu hao do ferit gây ra người ta đưa ra biểu thức tính  có tính đến tổn hao:  = 1  j2 . Trong đó  : + Phần thực 1  biểu thị sự biến đổi vận tốc pha V ph + Phần ảo 2  biểu thị mức độ tổn hao của sóng khi truyền qua ferit. Quá trình nghiên cứu mối quan hệ giữa  và H0 cho kết quả như hình vẽ. Dựa vào kết quả nghiên cứu này ta thấy: tại một giá trị nào đó của H0 (H 0 = H0ch) vận tốc  pha của sóng phân cực tròn quay phải biến đổi mạnh theo H0(1+) còn +2 đạt giá trị cực đại cho nên bị tổn hao nhiều. Còn đối với sóng phân cực tròn quay trái thì vận tốc pha gần như không thay đổi và sóng khi truyền qua ferit hầu như không bị tổn hao. Hiện tượng này được gọi là hiện tượng cộng hưởng sắt từ trong ferit bị từ hoá. + +

-

Hiệu ứng Faraday của feritbij từ hóa với sóng phân cưc thẳng . (5đ) 

 Nếu truyền sóng điện từ phân cực thẳng với phương truyền dọc theo từ trường từ hoá lõi ferit  H 0 vào ferit bị từ hoá thì khi đi ra khỏi ferit, mặt phẳng phân cực của sóng sẽ bị quay đi một góc so với khi đi vào ferit. Góc quay và chiều quay phụ thuộc vào cả chiều và cường độ của H 0 cũng như kích thước của lõi ferit. Hiện tượng này gọi là hiệu ứng Faradây của ferit bị từ hoá trong trường điện từ.

31. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của chuyển mạch vòng tuần hoàn đối xứng chữ Y. - C ấu tạo chuyển mạch vòng tuần hoàn đối xứng chữ Y . (10 đ) 

Được cấu tạo trên cơ sở của một chạc 3 đối xứng kiểu H (3Y-H).Tại tâm quay của 3Y -H đặt một thanh ferit hình trụ được bọc bằng vỏ điện môi đồng trục và vuông góc với các thành rộng (a) của ÔDS chữ nhật. Tại 3 đầu tâm của 3 nhánh chữ Y đặt 3 thanh điện môi nhỏ hình trụ song song với lõi ferit, CMV tuần hoàn đối xứng chữ Y có cấu tạo (a) và ký hiệu (b) như hình vẽ.

-

N guyên lý chuyển mạch vòng tuần hoàn đối xứng chữ Y . (10 đ) 

20

Từ trường từ hoá lõi thép ferit được đặt đồng trục với lõi ferit (vuông góc với thành rộng (a) của ống dẫn sóng chữ nhật, với cấu tạo như vậy khi sóng cơ bản H 10 đi vào một nhánh sẽ được phân làm đôi khi gặp lõi ferit và đi vòng qua lõi ferit với hai chiều khác nhau. Do tính chất của ferit bị từ hoá với trường điện từ, nếu chọn kích thước của lõi ferit và cường độ H0 thích hợp thì: + Tại một trong hai nhánh ra sẽ là tập hợp của hai sóng đi tới theo 2 chiều sẽ đồng pha nhau và tồn tại sóng điện từ ra. + Tại nhánh còn lại hai sóng đi tới theo hai chiều sẽ ngược pha dẫn đến triệt tiêu nhau và không có sóng ra.  Như vậy, với ký hiệu của các nhánh là (1), (2), (3), khi từ trường H 0 có chiều nào đó thì chu trình rẽ nhánh sẽ là (1)  (2)  (3)  (1). Nếu đảo chiều H 0 thì chu trình rẽ nhanh sẽ đảo ngược lại (1)  (3)  (2)  (1). 32. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của chuyển mạch vòng tuần hoàn 4 nhánh trên ống dẫn sóng chữ nhật. - Cấu tạo và ký hiệu của chuyển mạch vòng tuần hoàn 4 nhánh. (5đ) 

Là một M8C siêu cao kết hợp giữa hai bộ cầu khe với một bộ quay pha không thuận nghịch có góc dịch pha là π ( nếu truyền sóng cùng chiều H 0) và 0 (nếu truyền sóng cùng chiều H 0) được ghép với nhau như hình (a) và ký hiệu trong mạch điện như hình (b) .

-

Nguyên lý chuyển mạch vòng tuần hoàn 4 nhánh. (1 5đ) 

Theo nguyên lý của cầu khe, thì sóng rẽ nhánh đi ra sẽ lệch pha với sóng vào và ra các nhánh chính là

 

2

. Ví dụ nếu sóng H 10 đi vào nhánh (1) khi đi qua cầu khe thứ nhất để xuống nhánh

(4) sẽ bị lệch pha đi một góc là  pha đi một góc là

 

2

 

2

. Khi đi qua cầu khe thứ 2 để ra nhánh (2) cũng sẽ bị dịch

. Kết hợp với tác dụng của bộ quay pha với góc lệch pha là    ta có sự thay

đổi góc pha như hình vẽ : Do đó: + Tại nhánh ra (3) không có sóng điện từ (do tính chất của bộ ghép định hướng). + Tại nhánh ra (2) sẽ là tổng hợp của 2 sóng cùng có độ lệch pha là     nên chúng đồng pha và có biên độ sóng ra. + Tại nhánh ra (4) sẽ là tổng hợp của hai sóng có độ lệch pha là

 

 +

 

2

 và

đó chúng ngược pha nhau và không có sóng ra. Xét chiều ngược lại, với giả thiết sóng đi vào nhánh (2), tương tự ta có thể  biểu diễn sự thay đổi góc pha tại các nhánh như hình vẽ: + Tại nhánh ra (4 ) không có sóng điện từ (do tính chất của bộ ghép

 

2

 do

21

định hướng). + Tại nhánh ra (3) sẽ là tổng hợp của 2 sóng cùng có độ lệch pha là   /2 nên chúng đồng  pha và có biên độ trường đi ra. + Tại nhánh ra (1) sẽ là tổng hợp của hai sóng có độ lệch pha là 0 và   do đó chúng ngược  pha nhau và không có sóng ra. Với cách phân tích tương tự như trên nếu : + Sóng đi vào nhánh (3) thì có sóng ra ở nhánh (4) và, Sóng đi vào nhánh (4) thì có sóng ra ở nhánh (1) +  Như vậy chu trình chuyển mạch sẽ là (1)  (2)  (3) (4)  (1). Nếu đổi chiề u H 0 thì chu trình sẽ thay đổi ngược lại: (1)  (4) (3) (2) (1). 33. Nêu cấu tạo, nguyên lý làm việc và đặc điểm ứng dụng của điốt PIN. - Đặc điểm cấu tạo. (7,5đ) 

Đi-ôt PIN có cấu tạo trên một khối bán dẫn thuần thường là Silic có bề dày từ 10 200 m và được bọc kín bằng vỏ sứ - kim loại để giảm tổn hao bề mặt. Hai đầu được tạo ra 2 vùng bán dẫn tạp khác loại có nồng độ cao là p và n . Hai miền này cách nhau một lớp bán dẫn thuần có điện trở rất lớn (lớp i) như hình vẽ:

 Như vậy như vậy sẽ tồn tại 2 chuyển tiếp p-i và i-n. + Miền p được gắn điện cực gọi là Anot –  A. + Miền n được gắn điện cực gọi là Katot –  K. -

N guyên lý làm việc . (7,5 đ) 

 Nguyên lý làm việc của điot PIN: +  Nếu UAK  < 0 thì điện thế tiếp xúc p-i & n-i sẽ ngăn cản sự phun hạt từ miền p và n vào miền i cho nên không có dòng điện ngược I AK . ( do trở kháng miền i rất lớn). +  Nếu U AK  > 0 thì sẽ xảy ra hiện tượng phun hạt dẫn vào miền i từ miền n và miền p làm cho lớp i trở thành dẫn điện tạo thành dòng điện thuận I AK . Sơ đồ tương đương của điốt PIN như hình vẽ cho ba trường hợp  : Phân cực ngược mắc song song (a) Phân cực ngược mắc nối tiếp (b) và Phân cực thuận (c) + + +

-

Đặc điểm ứng dụng . (5đ   )

Điốt PIN được ứng dụng nhiều trong kỹ thuật siêu cao, nó có tác dụng như một chuyển mạch siêu cao tần: + Khi định thiên ngược hoặc không có định thiên (U AK  < 0) thì không có ảnh hưởng tới đường truyền. + Khi định thiên thuận nó có tác dụng ngắn mạch để tạo ra sự phản xạ toàn phần. Lớp i có độ cách điện lớn khi phân cực ngược và có độ dẫn lớn khi phân cực thuận cho phép làm việc với công suất lớn (Chịu dòng điện thuận lớn và điện áp ngược cao).

34. Trình bày đặc điểm cấu trúc của đi ốt Gunn, nêu các điểm chính của hiệu ứng Gunn. Đặc điểm cấu tạo. (8 đ)  22

Cấu trúc của đi ốt Gunn là một khối bán dẫn đồng nhất trong đó dòng sin h ra là do chuyển động của các điện tích đồng thời với sự dịch chuyển của các hạt dẫn nhảy mức năng lượng từ vùng năng lượng này sang vùng năng lượng khác nên nó được gọi là dụng cụ chuyển dịch điện tử TED (Transferred Electrons Device). Mặt khác đi ốt Gunn chỉ được cấu tạo dựa trên một số  bán dẫn tạp nhất định như GaAs (Gali -Asennua); GaN (Gali- Nitơ)  ; InP (Indi- phốt pho) hoặc Cd -Te (CadimiTeluride). Đối với các bán dẫn tạp loại này có mức năng lượng hạt dẫn lớn hơn nhiều lần mức năng lượng nhiệt của nó (Eg >> 0,026 eV). Ví dụ về cấu tạo của điôt Gunn với loại bán dẫn GaAs như hình vẽ. -

Các điểm chínhcủa hiệu ứng Gu nn. (12 đ) 

 Năm 1963, J.B Gunn đã khám phá ra hiện tượng độ linh động âm của chất bán dẫn (mà trước đó 1961 Ridley và Watkins đã khảo sát) trên loại bán dẫn tạp GaAs và InP qua thí nghiệm sau: + Trên bán dẫn tạp GaAs khi đặt lên nó một điện trường có biên độ đủ lớn (khoảng 2000  4000 V/Cm) thì dòng điện chảy qua nó sẽ dao động dưới dạng hình sin e đặt chồng lên xung dòng điện. + Tần số của dao động này chỉ phụ thuộc vào cấu trúc của điốt mà không phụ thuộc vào mạch điện bên ngoài. + Chu kỳ dao động tỷ lệ thuận với bề dày lớp bán dẫn và xấp xỉ bằng thời gian dịch chuyển hạt dẫn giữa 2 điện cực với vận tốc dịch chuyển hạt trong khoảng 10 5 m/s. + Ban đầu khi điện trường tăng lên thì vận tốc dịch chuyển của hạt tăng lên tuy nhiên khi vượt qua ngưỡng khoảng 3kv/cm thì vận tốc này sẽ giảm xuống như được mô tả trong hình vẽ.

35. Giải thích hiệu ứng Gunn theo thuyết RWH và nêu ứng dụng của đi ốt Gunn. - Vẽ đồ thị quan hệ giữa v&E và cấu trúc 2 vùng thung lũng năng lượng theo thuyết RWH tương đương với độ linh động và khối lượng của e . (5 đ) 

Để giải thích hiệu ứng Gunn có thể sử dụng thuyết RWH. Theo thuyết RWH thì mức năng lượng ở vùng dẫn của bán dẫn GaAs được chia làm 2 vùng thung lũng như hình vẽ: Vùng năng lượng thấp (EL ) có độ linh động điện tử cao và Vùng năng lượng cao (EH) có độ linh động . + +

-

Giải thích hiệu ứng Guun theo sự nhảy mức năng lượng. (10đ) 

Hiệu ứng Gunn có thể được giải thích theo sự chuyển dịch mức năng lượng của thuyết RWH theo hình sau:

(a) Khi điện trường ngoài có giá trị thấp (E 0,026 eV). + Mức chênh lệch năng lượng này phải nhỏ hơn mức năng lượng cấm Eg: Eg < Eg. + Các điện tử ở vùng thấp phải có độ linh động cao và khối lượng nhỏ, còn ở vùng cao thì khối lượng tăng và độ linh động giảm. -

Ứng dụng của đi -ôt Gun n. (5đ) 

Do điốt Gunn có vùng điện trở âm nên thường được ứng dụng để tạo ra các dao động siêu cao tần (thường sử dụng tạo dao động nội trong máy thu radar).

36. Nêu nguyên lý hoạt động và ứng dụng của đèn Klystron trực xạ. - Phác họa cấu tạo . (5đ) 

Đèn klystron trực xạ có cấu tạo sơ bộ bao như hình vẽ  :

-

Nguyên lý hoạt động . (12 đ) 

 Nguyên lý làm việc của đèn được giải thích như sau: Khi ka-tốt được nung nóng sẽ bức xạ nhiệt điện tử. Dưới tác dụng của điện trường gia tốc U 0 và hệ thống hội tụ, chùm tia điện tử sẽ hợp thành tia mảnh và chuyển động về phía điện cực colectơ với vận tốc không đổi là v 0 và sẽ đi qua các khe hẹp d 1 và d2 của các hộp cộng hưởng xuyến. Khi chùm tia điện tử đi qua khe hẹp d 1 của HCH1 dưới tác dụng của thành phần điện trường E1 của trường siêu cao trong HCH 1 điều khiển sẽ bị thay đổi cả cường độ và vận tốc : Khi điện trường siêu cao E1 cùng chiều với trường gia tốc thì chùm tia điện tử sẽ gia tăng cả cường độ lẫn vận tốc. Ở nửa chu kỳ còn lại khi điện trường siêu cao E 1 ngược chiều với trường gia tốc thì chùm tia điện tử sẽ bị suy giảm cả cường độ lẫn vận tốc Quá trình điều khiển chùm tia điện tử này được gọi là quá trình điều tốc chùm tia và kết quả là chùm tia điện tử khi đi qua HCH thứ nhất sẽ xảy ra hiện tượng kết nhóm để tạo thành từng nhóm điện tử có mức năng lượng lớn và thay đổi theo quy luật của trường siêu cao . Điểm kết nhóm đầu tiên sẽ cách tâm HCH thứ nhất một quãng là L phụ thuộc vào cấu trúc đèn, các điện áp gia tốc và tần số của trường siêu cao: .U o với v0 là vận tốc chùm tia e khi chưa có trường SCT (v0  593.103 U 0 (m/s) L = v 0 .i .E1 Trong đó: + U0 là điện trường gia tốc. +  là tần số của sóng siêu cao. + i: là một hằng số phụ thuộc vào cấu trúc HCH 1. + E1: Biên độ trường tại khe hẹp d 1.  Nếu đặt HCH2 có tâm của khe hẹp d2 trùng với điểm kết nhóm đầu tiên của chùm tia điện tử (tức là cách tâm của d1 một khoảng là L thì quá trình trao đổi năng lượng của chùm tia điện tử cho trường siêu cao tại HCH2 đạt hiệu suất cao nhất (có thể tới 30%). Phần dư của chùm tia điện tử (70%) sẽ được Colectơ thu về. +

+

-

Ứng dụng. (3 đ)  24

Đèn klystron trực xạ được ứng dụng để khuếch đại dòng năng lượng trường điện từ có tần số siêu cao (GHz) với công suất ra rất lớn với dải thông không rộng do sử dụng hộp cộng hưởng 37. Nêu nguyên lý hoạt động và ứng dụng của đèn Klystron phản xạ. - Phác họa cấu tạo. (5đ) 

Đèn klystron phản xạ có cấu tạo sơ bộ như hình vẽ :

-

Nguyên lý hoạt động. (1 2đ  ) 

 Nguyên lý làm việc của đèn được giải thích như sau: Khi ka-tốt được nung nóng sẽ bức xạ nhiệt điện tử. Dưới tác dụng của điện trường gia tốc U 0 và hệ thống hội tụ, chùm tia điện tử sẽ hợp thành tia mảnh và chuyển động về phía điện cực P với vận tốc không đổi là v 0 và sẽ đi qua các khe hẹp d của hộp cộng hưởng xuyến. Dưới tác dụng của thành phần điện trường E của trường siêu cao trong HCH, tia điện tử sẽ bị điều khiển cả cường độ và vận tốc : Khi điện trường siêu cao E cùng chiều với trường gia tốc thì chùm tia điện tử sẽ gia tăng cả cường độ lẫn vận tốc. Ở nửa chu kỳ còn lại khi điện trường siêu cao E ngược chiều với trường gia tốc thì chùm tia điện tử sẽ bị suy giảm cả cường độ lẫn vận tốc Quá trình điều khiển chùm tia điện tử này được gọi là quá trình điều tốc chùm tia và kết quả là chùm tia điện tử khi đi qua  HCH sẽ xảy ra hiện tượng kết nhóm để tạo thành từng nhóm điện tử có mức năng lượng lớn và thay đổi theo quy luật của trường siêu cao . Chùm tia điện tử này sau khi được kết nhóm sẽ chuyển động quán tính về phía điện cực đẩy và  bị điện trường âm của điện cực P đẩy quay trở về HCH để trao lại năng lượng cho trường điện từ. trao đổi năng lượng của chùm tia điện tử cho HCH đạt hiệu quả nhất khi dòng điện tử (chùm tia) và điện trường trong khe hẹp d của HCH lệch nhau 900. Chính vì điều này dẫn đến trong đèn klystron phản xạ tồn tại nhiều mod (tính theo số nguyên chu kỳ của thời gian quay vê của chùm tia). Mod càng cao thì quãng đường đi vòng của chùm tia càng dài nên hiệu suất khuếch đại của đèn càng giảm. +

+

-

Ứng dụng. (3đ) 

Đèn klystron phản xạ có kích thước nhỏ gọ n nên được ứng dụng để khuếch đại dòng năng lượng có tần số siêu cao (GHz) với công suất ra không yêu cầu lớn và dải thông không rộng do sử dụng hộp cộng hưởng

38. Giải thích hiện tượng kết nhóm và nguyên lý khuếch đại trong các đèn klystron . - Hiện tượng kết nh óm chùm tia e và giải thích hiện tượng kết nhóm trong các đèn klystron . (10đ) 

Hiện tượng kết nhóm chùm tia điện tử là kết quả của quá trình điều tốc chùm tia trong các đèn điện tử được sử dụng để khuếch đại dòng năng lương siêu cao tần . Hiện tương này sinh ra do có sự tham gia của thành phần điện trường E của trường siêu cao cần khuếch đại cùng với điện trường gia tốc của đèn điện tử để điều khiển chùm tia điện tử cả về vận tốc lẫn cường độ như hình vẽ, trong đó: ve là vận tốc chùm tia điện tử ne là mật độ (cường độ) chùm tia điện tử x là trục chuyển động của chùm tia, ngược hướng với điện trường gia tốc. Hiện tượng kết nhóm chùm tia được giải thích như sau: Khi không có điện trường siêu cao (E = 0), dưới tác dụng của trường gia tốc, chùm tia điện tử chuyển động với cường độ và vận tốc (v 0) không đổi. + + +

+

25

Trong một nửa chu kỳ của thành phần điện trường siêu cao khi chiều của điện trường này cùng chiều với điện trường gia tốc thì chùm tia điện tử sẽ được gia tăng cả vận tốc lẫn cường độ. Trong nửa chu kỳ còn lại của điện trường siêu cao, chiều của điện trường này sẽ ngược chiều với chiều của điện trường gia tốc nên chùm tia điện tử sẽ bị suy giảm cả về vận tốc lẫn cường độ.  Như vậy thành phần điện trường của trường siêu cao sẽ liên tục điều khiển chùm tia điện tử cả vận tốc và cường độ cho nên chùm tia điện tử sau khi đi qua vùng có điện trường siêu cao điều khiển sẽ bị kết thành từng nhóm có cường độ rất lớn. +

+

-

Giải thích nguyên lý khuyếch đại trong các đèn klystron(10đ   )

 Nguyên lý làm việc của hai loại đèn klystron được giải thích như sau: Khi ka-tốt được nung nóng sẽ bức xạ nhiệt điện tử. Dưới tác dụng của điện trường gia tốc U 0 và hệ thống hội tụ, chùm tia điện tử sẽ hợp thành tia mảnh và chuyển động về phía điện cực  (+) với vận tốc không đổi là v 0 và sẽ đi qua  khe hẹp của HCH có chứa điện trường siêu cao điều khiển. Thành phần điện trường của trường siêu cao này sẽ kết hợp với điện trường gia tốc điều tốc chùm tia điện tử để có hiện tượng kết nhóm chùm tia sau khi ra khỏi HCH. Tại điểm kết nhóm đầu tiên, ta đặt HCH thứ hai như đối với loại đèn trực xạ thì năng lượng rất lớn của chùm tia sẽ trao lại cho trường điện từ tại HCH này để có được năng lượng của trường điện từ ở lối ra lớn hơn nhiều so với HCH có trường điều khiển ở lối vào, hay nói cách khác đèn đã thực hiện chức năng khuếch đại trường điện từ. Chùm tia điện tử được kết nhóm sau khi ra khỏi HCH sẽ chuyển động quán tính và bị điện trường âm của điện cực P đẩy quay trở lại HCH để trao lại năng lượng cho trường trong HCH như đối với loại đèn phản xạ. Điều này có nghĩa là sự hoạt động của đèn đã làm gia tăng năng lượng của trường điện từ trong HCH, hay nó cách khác đèn có chức năng khuếch đại trường điện từ. +

+

39. Nêu nguyên lý hoạt động và ứng dụng của đèn sóng chạy (TWT). - Phác họa cấu tạo (5đ) 

Cấu tạo của đèn sóng chạy được mô tả như hình vẽ:

-

Nguyên lý hoạt động . (10đ) 

-

Ứng dụng (5đ) 

Khi k atot được nung nóng sẽ bức xạ nhiện điện tử. Dưới tác dụng của trường gia tốc U0 điện tử sẽ chuyển động về phía colectơ với vận tốc v 0 không đổi. Do có hệ thống hội tụ mà chùm tia điện tử sẽ hội tụ và đi vào trong lòng hệ làm chậm xoắn để đến collecter. Hệ làm chậm xoắn có tác dụng làm chậm sóng điện từ cho xấp xỉ với vận tốc dịch chuyển của chùm tia điện tử nhằm mục đích tăng cường hiệu quả trao đổi năng lượng giữa trường điện từ với chùm tia điện tử. Thành phần điện trường của trường siêu cao sẽ điều tốc chùm tia điện tử để tạo ra sự kết nhóm chùm tia để trao lại năng lượng của chùm tia điện tử cho trường điện từ trong hệ làm chậm xoắn và thực hiện được chức năng khuếch đại sóng điện từ . Quá trình trao đổi năng lượng này sẽ diễn ra suốt chiều dài của hệ làm chậm xoắn cho nên hiệu suất sử dụng năng lượng của chùm tia điện tử (hiệu suất khuếch đại) có thể đạt được giá trị rất cao (tới 70%). Mặt khác do sử dụng hệ làm chậm xoắn nên đèn sóng chạy có giải tần công tác rất rộng

Đèn sóng chạy được ứng dụng để khuếch đại công suất ở dải tần số siêu cao. Nó có công suất trung bình, giải tần rộng và đặc biệt là có hiệu suất khuếch đại cao .

40. Trình bày tóm tắt nguyên lý hoạt động và nêu điều kiện tồn tại dao động trong đèn Magnetron - Trình bày vắn tắt n guyên lý tạo dao động . (15 đ )  26

Khi k atot được nung nóng sẽ phát xạ nhiệt điện tử. Dưới tác dụng của trường gia tốc U AK  và từ trường H0 vuông góc sẽ chuyển động từ K về A theo quỹ đạo Cycloit theo phương trình sau: x = R (t - sin t) z = R (1 - cos t) Trong đó: x có hướng từ K đến A: hướng của điện trường E AK . z có hướng trùng với trục của K và A: hướng của véctơ cảm ứng từ B. Đường cong này được tạo ra do vòng tròn sinh có bán kính R lăn trên trục x với vận tốc di chuyển là v, vận tốc góc là  , với bán kính và vận tốc góc được xác định theo biểu thức: + +

R =  k 1

E H 02

 = k 2 .H0

Trong đó: k 1 và k 2 là các hằng số; E là điện trường gia tốc và H 0 là cường độ từ trườ ng trong đèn.  Như vậy ta thấy rằng cả bán kính vòng tròn sinh (R) và vận tốc góc của nó () đều phụ thuộc vào cường độ từ trường H0: + Khi H0 = 0 thì ta thấy R = ; s = 0: Toàn bộ điện tử đi từ K đến A theo quỹ đạo thẳng cho nên dòng điện I AK  đạt giá trị cực đại và không thay đổi (I AK max). + Khi H0 > 0 thì R giảm và ω tăng lên, lúc này dòng điện từ đi từ K về A sẽ bị uốn cong dần sang quỹ đạo cycloit với bán kính giảm và vận tốc tăng dần theo chiều tăng của H 0. + Khi H0 tăng tới 1 giá trị nào đó gọi là giá trị tới hạn (H th) thì đường cong quỹ đạo sẽ tiếp tuyến với thành trong của Anot. Lúc này một số điện tử sẽ không đi tới A (do quán tính chuyển động) mà quay trở lại Katot làm giảm dòng I AK  < IAKmax. + Khi H0 > Hth thì số lượng hạt điện tử quay về Katot tăn g nhanh làm cho dòng I AK  giảm nhanh về "Zero" khi tăng H 0. -

Kết luận nguyên lý tạo dao động và nêu điều kiện tồn tại dao động . (5 đ) 

 Như vậy, khi điện tử thoát ra khỏi Katot dưới tác dụng của điện trường U AK  sẽ chuyển động về  phía Anot tạo nên dòng cảm ứng thuận I AK . Dưới tác dụng của từ trường H 0 > Hth sẽ không đập vào Anot mà quay ngược trở về Katot tạo nên dòng cảm ứng theo chiều ngược lại ( -IAK ). Sau đó, dưới ảnh hưởng của điện trường gia tốc lại quay trở về Anot tạo ra một chu kỳ hành trình tương ứng với chu kỳ của dao động siêu cao được tạo ra (tương ứng với vận tốc góc của vòng tròn sinh (). Do đó điều kiện để tồn tại dao động trong đèn magnetron là điện trường E AK  và cường độ từ trường H0 phải đủ lớn hơn giá trị Hth.

27