Chương 1 - TONG QUAN VE SÓNG VI BA 1.1 Sóng viba và sự bức xạ điện từ Sự bức xạ điện từ là một dạng phát xạ năng lượng dưới dạng sóng truyền đì với vận tốc ánh sáng. trong đó điện trường và từ trường đao động vuông góc với nhau va vuông góc với phương truyền sóng. Phương truyền sóng điện từ được the hiện như tren hình 1.1 [huyẻt điện từ lần đầu tiên được James Clerk Maxwell ( hình 1.2) công bố vào ngày 8 tháng 12 năm 1864 trước Hiệp hội khoa học Hoang gia Luân Đôn. trong nhiều nam sau đó công trình " Li thuyết động lực học của trường điện từ” được xuất ban trên Ki yếu Triết học của Hiệp hội khoa học Hoang gia Luân Đôn.
Trong tác pham gốc của minh, Maxwell đề cập đến 20 phương trình toán học chứa 20 biên số nêu lên mỗi quan hệ giữa điện va từ. Vi tinh chất phức tạp toán học của nỏ ma sau nảy Heaviside đã đơn gián hóa thành 4 phương trình trường điện tử (còn gọi là bến phương trinh Maxwell). Trong tác phâm nảy Maxwell đã viết [2]: * Lý thuyết ma tôi để nghị có thẻ coi là lý thuyết Trường điện từ. Vì rằng no nghiên cứu không gian bao quanh các vật điện và từ, Nó cũng có thể coi là lí thuyết điện động lực học, vi nó thừa nhận rằng trong không gian có vật chất chuyển động.
nhở nó ma các hiện tượng điện từ diễn ra ta quan sát được. Trường điện tir là bộ phận của không gian chứa đựng va bao bọc các vật ở trạng thái điện hoặc trạng thái từ. Chúng ta có đủ cơ sở chắc chăn dé khăng định ring ban thân ánh sáng (bao gôm ca bức xạ nhiệt và các loại bức xạ khác) chính [a sự nhiễu loạn cua điện và tử được truyền đi đưới đạng sóng thông qua trường điện từ và tuân theo những quy luật điện tr” Một cách tông quát. các bức xạ điện từ được phản chia dựa theo bước sóng ( hoặc tin số) thánh sóng radio, sóng viba.
bức xạ hồng ngoại, ảnh sáng nhìn thấy. bức xạ tử ngoại. tia X va tia gamma ( Hình 1.3) Luan văn tốt nghiệp Cao Hoàng Sơn 300 GHz tương ứng với bước sóng từ Im đến Imm. Cụm từ micro - wave lan đầu tiên được gọi bởi A.Clavier trong một bài báo xuất bản năm 1931 bởi công ty Điện Thoại và Điện Tín quốc tế dé mô tả sóng radio có bước sóng 18cm được truyền đi từ Dover, Anh quốc đến Calais, Pháp [5].
Trong một bài báo khác cũng được viết bởi Clavier 2 năm sau đó, năm 1933, cum từ sóng vi ba được dùng dé chi sóng điện từ có bước sóng khoảng 0. Sóng vi ba có thé chia thành ba dãy phỏ tan số chính : Tan số cực cao (UHF) có tan số nằm trong khoảng từ 300MHz đến 3GHz, tan số siêu cao (SHF) có tin số trải dài từ 3GHz đến 30GHz và tần số cực kì cao (EHF) tương ứng với tần số từ 30GHz đến 300GHz 1.2 Lịch sử hình thành và sự phát triển của sóng viba Năm 1831 , Faraday khám phá ra hiện tượng cảm ứng điện từ, các công trình của Faraday đã ảnh hưởng mạnh mẽ đến thẻ giới quan khoa học của Maxwell. Maxwell hiểu được các quan điểm mới của Faraday và nhận thấy những ý tưởng sâu sắc trong đó nên đã tiếp tục những nghiên cứu của Faraday, Vào năm 1864, Maxwell đưa ra thuyết trường điện từ [5]. Trong học thuyết nay dé cập đến sự tôn tại của những sóng điện từ không nhìn thấy được bảng mắt thường.
Và vào cudi những năm 1880, nhà khoa học người Đức Heinrich Hertz lần dau tiên đã tạo ra được sóng điện từ với bước sóng dài hơn bước sóng của ánh sáng. Bộ dụng cụ ông Luận văn tốt nghiệp Cao Hoàng Sơn 10 dùng dé tao ra sóng điện từ gọi là “bộ rung Hertz” có thê tạo ra sóng với tan số khoảng 450 MHz. James Clerk Maxwell Vào những năm 1890, nhà vật lý người Án Độ tên là Jagadish Chandra Bose đã mở rộng thí nghiệm của Hertz bằng việc cải tiễn bộ dụng cụ và tạo ra được sóng có tan số cao hơn từ 60 đến 120 GHz THE ELECTROMAGNETIC SPECTRUM 0 ~~ 6510" số” te” ” -—_ SNS ~—~ — — —< ne eee .— ————— atte! e , tố , w vợ ` - 0 ` c - Hình 1. Thang sóng điện từ Vào những năm đầu 1900 sự phát triển của kĩ thuật vô tuyến chủ yếu là ở việc tạo ra các sóng điện tử có tin số từ cao (HF) cho đến rất cao( VHF).
Mãi cho đến những năm 40 của thé ki 20, từ nhu cầu của sự phát triển của của công nghệ rada trong chiến tranh Thế giới thir II khi đó những lí thuyết và công nghệ vẻ sóng vi ba mới được chủ ý mạnh mẽ. Tại Mỹ, phòng thí nghiệm bức xa (Radiation Laboratory) được thành lập tại Viện công nghệ Massachusetts (MIT) dé phát triển L.uận văn tốt nghiệp Cao Hoàng Sơn 11 khoa học rada va những ứng dụng của nó, Rat nhiều những nha khoa học hang dau thời bay giờ bao gồm N. H, Dicke đã hội tụ vé đây mở ra thời ki phát triển mạnh mê trong lĩnh vực sóng vi ba. Công việc của họ là nghiên cứu lí thuyết và tiền hanh thí nghiệm tim ra những vật liệu thich hợp làm ống dẫn viba.
ang ten, bat đầu xây dung lí thuyết vẻ mạng lưới vi ba liên kết với nhau, Nhiều người trong số họ là những nhà vật lý trở vé sau chiến tranh (một số sau đó được nhận giải thưởng Nobel), Những nghiên cứu của họ có thẻ được tóm gọn trong tài liệu gôm 28 tập của MIT ma giá trị của nó vẫn còn được ứng dụng đến ngày nay [1]. Nguồn phát sóng viba Có thé tao ra vi ba bằng nhiều thiết bị. chia lâm hai loại: thiết bị chat rin va thiết bị ông chân không. Thiết bị vi ba chất rắn dựa trên chất ban dẫn như silicon hoặc arsenur galli, và ngay ca các transistor hiệu ứng trường (FET), transistor tiếp xúc mặt lường cực (BJT), các diode Gunn vả diode IMPATT.
Từ các transistor tiêu chuẩn người ta phát triển những linh kiện tốc độ cao hơn dùng trong các ứng dụng vi ba. Biến thé vi ba của transistor BJT có loại HBT (heterojunction bipolar transistor), biên thê vi ba của transistor FET thi có loại MESFET (transistor hiệu ứng trường có màng bán dan kim loại). loại HEMT (côn gọi là HFET), và transistor LDMOS. Thiết bj vi ba chat rắn có ưu điểm là kích thước nhỏ, giá thành rẻ và tương thích với hau hết các mạch tích hợp vi ba đo đó nó được sử dụng nhiều tuy nhiên với thiết bị nay thi tần số tạo ra không lớn bang ông chân không.
Thiết bị ông chân không hoạt động dựa trên chuyên động của electron trong chan không dưới ảnh hưởng cua điện trường hoặc tử trường. gồm có magnetron , klystron. dén sóng chạy (TWT). Trong nhừng năm gan đây thiết bị vi ba chat rin với những ưu điểm của nó dan thay thé những ống chân không trong các thiết bị tạo sóng vi ba.
Tuy nhiên thiết bị ống chân không van có vị tri nhất định của nó khi có thé tạo ra sóng vi ba cỏ tần số lớn ( trên 100GH2) với công suất cao (từ 10 kW đến l0 MW) [1] —_—m————T“T— ——————— ừèừ F ừ ừ .— ừ —>ïẳằ>>—= Luận văn tốt nghiệp Cao Hoảng Sơn 12 những tính chat chung của sóng như truyền thăng, phản xạ, khúc xạ. phân cực, giao thoa. mà ta sẽ tiến hành khảo sat chỉ tiết ở chương 2 1.5 Ảnh hưởng của sóng viba đến sức khỏe con người Một trong những tác hại nguy hiểm của bức xạ vi ba lên cơ thể người là tác dụng nhiệt của nó. Cơ thé chúng ta hấp thy năng lượng sóng vi ba và chuyển nó thành nhiệt, tương tự như trường hợp thức ăn đặt trong lò vi ba.
Sự nung nóng diễn ra bên trong cơ thể và khó cảm nhận được ở mức độ kích thích thấp. Tác dụng nhiệt này đặc biệt nguy hiểm đến não, mắt, cơ quan sinh dục và da dày. Sự thừa bức xạ có thể dẫn đến bệnh đục thủy tỉnh thể, vô sinh hoặc gây ung thư. Tuy nhiên điều nay hiểm xảy ra với trường hợp sóng vi ba dùng trong các lò vi sóng hoặc sóng vi ba dùng trong bộ thí nghiệm nay vì có tần số thấp chưa đủ gây nguy hại đến sức khỏe con người [1] 1.6 Thang sóng vi ba Phé vi ba thường được xác định là năng lượng điện từ có tan số khoảng từ | GHz đến 1000 GHz, nhưng trước đây cũng bao gồm cả những tin sé thấp hơn.
Những ứng dụng vi ba phô biến nhất ở khoảng | đến 40 GHz. Dựa theo cách sắp xếp của Hội vô tuyến điện Anh (Radio Society of Great Britain) có bảng phân loại sau [6] : L.uận văn tốt nghiệp Cao Hoàng Sơn 13 Bang 1. Phân loại sóng vi ba [ Ki hiệu Ls “Thang T20 — | S band 2 dén 4 GHz Cha — [ ”1đến§GHzˆ —] X band Wain Gi K,, band i 12 dén 18 GHz K band 18 đến 26.5 đến 40 GHz Q band = 5 lđa50GNU, ` ' U band 40 đến 60 GHz V band 50 dén 75 GHz F — Wband 1 dénii0GHz - F band 90 dén 140 GHz D band 110 dén 170 GHz 1.7 Ung dụng của sóng viba 1.1 Dùng dé nung nóng Sóng viba được ding dé làm nóng các vật khác. Ứng dụng phô biển nhất vẻ tác dụng làm nóng của sóng vi ba là làm lò vi sóng dùng trong gia đình đùng dé làm nóng và nâu chín thức ăn.
Trong công nghiệp. sóng vi ba được dùng dé nau thịt xông khói. chẻ biên khoai tây lát và lưu hóa cao su [3] 1.2 Dùng trong thông tín liên lạc Sóng vi ba được dùng rộng rải trong truyền thông vệ tinh truyền phat tin hiệu va thông tín nhờ vao kha nang truyền qua bau khí quyên Trai Dat ma it bị hap thụ. [hông tin tr trạm không gian được truyền xuống Trái Dat ở tan số vi ba và được thu nhận bởi các Ang ten không lỏ trên mặt dat L.uận văn tốt nghiệp Cao Hoảng Sơn Hình 1.
Hệ thống truyền phát thông tin qua vệ tỉnh ( hình ảnh lấy từ NASA/JPL — Caltech) 1.3 Hệ thống Radar (Radio Detection and Ranging) Radar là phương pháp xác định sự hiện điện, vị trí, vận tốc và những tính chất khác của mục tiêu thông qua việc sử dụng thiết bi tạo ra tân số sóng vi ba. Một tin hiệu sóng vi ba được phat đi từ hệ thong radar và được phản xa lại khi gặp mục tiêu.