Định nghĩa về vi sóngs

Sóng vi ba được sử dụng trong radar, truyền dẫn vô tuyến, nấu ăn và các ứng dụng khác đã trở nên thiết yếu trong xã hội hiện đại. Sóng vi ba là sóng điện từ, thường được định nghĩa là nằm trong dải tần số từ 100 MHz (bước sóng 3 m) đến 300 GHz (bước sóng 1 mm). Trên 30 GHz, vì bước sóng được đo bằng mm, nên người ta thường gọi chúng là sóng mm. Dải tần số quang học bắt đầu từ trên 300 GHz với tia hồng ngoại. Dải tần số vô tuyến mở rộng xuống từ vùng vi ba đến thấp tới 3 KHz (bước sóng 100.000 m). Điều quan trọng cần hiểu là tất cả chúng đều là sóng điện từ tuân theo cùng một định luật cổ điển.

Do kích thước của các linh kiện điện rời rạc thông thường (ví dụ điện trở carbon, tụ điện mica, cuộn cảm quấn dây) và dây dẫn kết nối chúng trở nên lớn so với bước sóng ở tần số vi sóng trở lên, nên chúng không còn phù hợp để chế tạo mạch vi sóng. Thay vào đó, các linh kiện mạch "in" phân tán, ống dẫn sóng và các linh kiện chủ động chuyên dụng (ví dụ như bộ khuếch đại) với kích thước bên trong cực nhỏ được sử dụng, cho đến khi bước sóng trở nên quá nhỏ đến mức phải sử dụng các kỹ thuật quang học, chẳng hạn như thấu kính và gương.

Hiệu ứng da ở tần số vi sóng

Một lý do khác khiến các linh kiện rời rạc tần số thấp thông thường và dây kết nối không thể sử dụng ở tần số vi sóng là hiện tượng gọi là hiệu ứng bề mặt, tức là năng lượng tần số cao chỉ truyền trên lớp vỏ ngoài của dây dẫn và không xuyên qua nó ở khoảng cách lớn. Khái niệm về hiệu ứng bề mặt có thể được hiểu rõ nhất qua ví dụ sau. Nếu bạn buộc một sợi dây vào một quả bóng rồi xoay quả bóng quanh đầu với tốc độ chậm, bạn sẽ thấy quả bóng ở khá gần cơ thể bạn khi bạn xoay nó. Khi bạn xoay nó nhanh hơn, nó sẽ giãn ra xa đầu và cơ thể bạn hơn, và ở tốc độ đủ cao, nó sẽ giãn thẳng ra. Lực gây ra hiện tượng này là lực ly tâm.

Liên hệ tốc độ của quả bóng với tần số (tốc độ chậm là tần số thấp, tốc độ cao là tần số cao), khi tần số tăng lên, lực ly tâm tăng dần. Lực này là độ tự cảm được thiết lập trên đường truyền đơn giản vì có dòng điện chạy qua. Lực này, mà chúng ta gọi là lực ly tâm vi sóng, ngăn năng lượng xuyên qua bề mặt đường truyền và khiến nó đi theo đường dẫn dọc theo bề mặt đường truyền thay vì đi xuống toàn bộ tiết diện, như trong các mạch tần số thấp; do đó, hiệu ứng bề mặt quyết định các đặc tính của tín hiệu vi sóng.

Tương ứng với hiệu ứng bề mặt là một thuật ngữ gọi là độ sâu bề mặt. Đây là độ sâu mà năng lượng vi sóng thực sự thâm nhập vào một vật dẫn, và phụ thuộc vào vật liệu được sử dụng và tần số hoạt động. Ví dụ, độ sâu bề mặt trong đồng ở tần số 10 GHz là 0,000025 inch; đối với nhôm ở tần số 10 GHz là 0,000031 inch; đối với bạc là 0,000023 inch; và đối với vàng là 0,000019 inch. Do đó, có thể thấy rằng năng lượng thực sự truyền dọc theo cạnh ngoài của kim loại. Điều này càng được nhấn mạnh hơn khi xét đến việc đối với bảng mạch vi sóng có lớp phủ đồng, độ dày của lớp đồng thường là 0,0014 inch.

Vì đường truyền không cho phép năng lượng tần số cao xuyên sâu vào dây dẫn, nên việc sử dụng dây dẫn tròn (hướng kính) trên các linh kiện cho ứng dụng vi sóng là không hợp lý. Năng lượng sẽ chỉ truyền trên bề mặt của dây dẫn và rất không hiệu quả. Đó là lý do tại sao có dây dẫn dạng ruy băng hoặc không có dây dẫn chỉ có điểm kết thúc hàn trên hầu hết các linh kiện vi sóng. Đó cũng là lý do tại sao có tương đối ít linh kiện vật lý trên bảng mạch vi sóng. Chúng vẫn ở đó, nhưng chúng được phân bổ trên một diện tích lớn, mỏng với các giá trị tương đương với các thiết bị rời rạc được sử dụng ở tần số thấp hơn; do đó, có thuật ngữ là các thành phần phần tử phân tán. Đây là lý do khiến nhiều người nhìn vào mạch vi sóng và tự hỏi, "Tất cả các bộ phận ở đâu?" Mạch vi sóng yêu cầu các kỹ thuật thiết kế và chế tạo đặc biệt.