Bài giảng Trường điện từ - Chương 7: Ống dẫn sóng & hộp cộng hưởng - Lecture 13: Ống dẫn sóng - Trần Quang Việt
Chương 7 – Ống dẫn sóng & hộp cộng hưởng
Lecture 13:
Ống dẫn sóng
[11. Understand the definition of waveguide. Determine propagating
modes, cutoff frequency, wavelength, phase velocity, modal impedance,
transmitted power and modal field expressions in a rectangular
waveguide.]
TranQuangViet–Facultyof EEE–HCMUT-Semester 1/12-13
Chương 7 – Ống dẫn sóng & hộp cộng hưởng
7.1. Giới thiệu về ống dẫn sóng
7.2. Ống dẫn sóng hai bảng song song
7.3. Ống dẫn sóng hình chữ nhật
7.4. Hệ số tắt dần trong Ods thực
7.5. Thiết kế Ods hình chữ nhật
TranQuangViet–Facultyof EEE–HCMUT-Semester 1/12-13
1
7.1. Giới thiệu về ống dẫn sóng
Hệ thống truyền dẫn định hướng: dẫn sóng điểm điểm
Hai loại hệ thống truyền dẫn định hướng: TL & Ods
. TL (TL 2 bảng song song, dây song hành, cáp đồng trục):
• Có 2 vật dẫn, dẫn dòng nhờ đặt dưới điện áp nguồn
• Truyền sóng TEM
• Tổn hao lớn ở tần số cao f<fc.
. Ods (ods 2 bảng song song, hcn, trụ tròn, quang)
• Có 2 vật dẫn, 1 vật dẫn hoặc 0 có vật dẫn nào, sóng truyền
trong điện môi + phản xạ tại mặt phân cách
• Chỉ truyền các kiểu sóng TE & TM
• Tổn hao rất ít ở tần số cao f>fc (do hạn chế của góc px)
TranQuangViet–Facultyof EEE–HCMUT-Semester 1/12-13
7.1. Giới thiệu về ống dẫn sóng
TranQuangViet–Facultyof EEE–HCMUT-Semester 1/12-13
2
7.1. Giới thiệu về ống dẫn sóng
Thông tin về cáp đồng trục RG49/U:
TranQuangViet–Facultyof EEE–HCMUT-Semester 1/12-13
7.1. Giới thiệu về ống dẫn sóng
Thông tin về cáp đồng trục RG6/U:
TranQuangViet–Facultyof EEE–HCMUT-Semester 1/12-13
3
7.1. Giới thiệu về ống dẫn sóng
Các loại Ods thường gặp:
Các kiểu sóng trong Ods đặt dọc theo trục z:
TM: Hz=0, Ez≠0
TE: Ez=0, Hz≠0
TranQuangViet–Facultyof EEE–HCMUT-Semester 1/12-13
7.1. Giới thiệu về ống dẫn sóng
TranQuangViet–Facultyof EEE–HCMUT-Semester 1/12-13
4
7.1. Giới thiệu về ống dẫn sóng
TranQuangViet–Facultyof EEE–HCMUT-Semester 1/12-13
7.1. Giới thiệu về ống dẫn sóng
TranQuangViet–Facultyof EEE–HCMUT-Semester 1/12-13
5
7.2. Ods hai bảng song song & hiện tượng tới hạn
7.2.1. Kiểu sóng TEm0
7.2.2. Kiểu sóng TMm0
TranQuangViet–Facultyof EEE–HCMUT-Semester 1/12-13
7.2.1. Kiểu sóng TEm0
Các thông số đặc trưng của sóng TEM trong điện môi:
ri
=
= /
asi =-cos ax sinri az
asr =cosrr ax sinrr az
TranQuangViet–Facultyof EEE–HCMUT-Semester 1/12-13
6
a) Xác định trường điện từ
Sóng điện và sóng từ tới:
ri
Ei E e-jβr.a ay E e-jβ(-xcos +zsin ) ay
si
ri
i0
i0
Ei0
1
e
-jβ(-xcos +zsin ) (cos az sin ax )
r
r
Hi [asi Ei ]
r
r
Sóng điện và sóng từ phản xạ:
rr
Er E e-jβr.a ay E e-jβ(xcos +zsin ) ay
sr
rr
r0
r0
Er0
1
e
-jβ(xcos +zsin ) (cos az sin ax )
r
r
H r [asr Er ]
r
r
TranQuangViet–Facultyof EEE–HCMUT-Semester 1/12-13
a) Xác định trường điện từ
Sóng điện và sóng từ tổng hợp:
E Ei Er ; H Hi Hr
Điều kiện biên tại x=0:
-jβzsinrr
Ey (0, z) [E e-jβzsin +Er0e
] 0
ri
i0
Ei0 Er0 E0 / 2
E -jE0 sin(βxcosr )e-jβzsin ay
r
ri rr r
Điều kiện biên tại x=a:
Ey (a, z) -jE sin(βacos )e-jβzsin 0
r
0
r
2
2
mπ m λ
1
β
mπ
a
cosr
sinr
βa
a 2
TranQuangViet–Facultyof EEE–HCMUT-Semester 1/12-13
7
a) Xác định trường điện từ
Phân bố của trường điện & trường từ:
TranQuangViet–Facultyof EEE–HCMUT-Semester 1/12-13
b) Hiện tượng tới hạn & tần số tới hạn (tần số cắt)
cosθr = mπ = mv
1
2a f
Hiện tượng tới hạn:
βa
f> f c
f=
f> f c
f> f c
f= f c
f> f c
θr =0
Tần số tới hạn (tần số cắt):
TranQuangViet–Facultyof EEE–HCMUT-Semester 1/12-13
8
c) Một số nhận xét về kiểu TEm0
Có vô số kiểu sóng TEm0: TE10, TE20, …; mỗi kiểu truyền
có một tần số cắt riêng và phải thỏa mãn:
Phân bố sóng đứng dọc theo trục x với số nữa sóng là m
và sóng chạy dọc theo trục z với hệ số pha:
Vận tốc pha:
Bước sóng trong ods:
TranQuangViet–Facultyof EEE–HCMUT-Semester 1/12-13
c) Một số nhận xét về kiểu TEm0
Trở sóng kiểu TEm0:
Mật độ dòng công suất điện từ trung bình:
Dòng công suất điện từ trung bình lan truyền theo hướng
trục z hướng truyền sóng trong Ods là +z
Mật độ dòng công suất điện từ tức thời không lan truyền
song song với trục z mà theo nguyên tắc phản xạ:
. Góc phản xạ:
. Góc tới:
TranQuangViet–Facultyof EEE–HCMUT-Semester 1/12-13
9
7.2.2. Kiểu sóng TMm0
Tính tương tự như kiểu TEm0, ta có các kết quả của kiểu
TMm0 như sau:
TranQuangViet–Facultyof EEE–HCMUT-Semester 1/12-13
a) Phân bố của kiểu TMm0
m x
a
e-jβ z ay
z
H -jH0 cos
m
a
m x
a
z
m x
e-jβ z ax
H
z
z
sin
e-jβ z az
E jH0 cos
0
a
TranQuangViet–Facultyof EEE–HCMUT-Semester 1/12-13
10
b) Một số nhận xét về kiểu TMm0
Có vô số kiểu sóng TMm0: TM10, TM20, …; mỗi kiểu truyền
có một tần số cắt riêng và phải thỏa mãn:
Phân bố sóng đứng dọc theo trục x với số nữa sóng là m
và sóng chạy dọc theo trục z với hệ số pha:
Vận tốc pha:
Bước sóng trong ods:
TranQuangViet–Facultyof EEE–HCMUT-Semester 1/12-13
b) Một số nhận xét về kiểu TMm0
Trở sóng kiểu TMm0:
Mật độ dòng công suất điện từ trung bình:
Dòng công suất điện từ trung bình lan truyền theo hướng
trục z hướng truyền sóng trong Ods là +z
Mật độ dòng công suất điện từ tức thời không lan truyền
song song với trục z mà theo nguyên tắc phản xạ:
. Góc phản xạ:
. Góc tới:
TranQuangViet–Facultyof EEE–HCMUT-Semester 1/12-13
11
7.3. Ods hình chữ nhật không tổn hao
Giả sử ods có: tiết điện HCN (ab), chiều dài rất lớn đặt
dọc theo trục z, không tổn hao (th=,đm=0), TĐT biến
thiên điều hòa
7.3.1. Thiết lập phương trình & ĐKB
7.3.2. Kiểu sóng từ ngang TM
7.3.3. Kiểu sóng điện ngang TE
7.3.4. Các đại lượng đặc trưng
TranQuangViet–Facultyof EEE–HCMUT-Semester 1/12-13
7.3.1. Thiết lập phương trình
Quy luật lan truyền như ods 2 bảng nhưng phức tạp hơn:
TEmn
TE0n
TEm0
Do lan truyền không tổn hao nên ta có sóng như ods 2 bảng
nhưng thêm 1 thành phần:
•
•
•
•
E =E0 (x,y)e-jz , H=H0 (x,y)e-jz
Áp dụng hệ phương trình Maxwell dạng phức:
•
•
rot H=jωεE
•
•
rot E=-jωμ H
TranQuangViet–Facultyof EEE–HCMUT-Semester 1/12-13
12
7.3.1. Thiết lập phương trình
H
y
z
jβHy jEx (1)
jβHx H j Ey (2)
z
rotH jE
x
Hy
x
Hx jEz (3)
y
Ez
y
jβEy jHx (4)
jβEx Ez jHy (5)
rot E j H
x
Ey
Ex jHz (6)
x
y
TranQuangViet–Facultyof EEE–HCMUT-Semester 1/12-13
7.3.1. Thiết lập phương trình
Từ (1), (2), (4)& (5) biểu diễn Ex, Ey, Hx, Hy theo Ez & Hz:
x
z
dọc
ngang
y
Với:
ω2
v2
K2c =(jβ)2+ω2με=β2+
Thế Ex, Ey, Hx, Hy vào (3) & (6):
TranQuangViet–Facultyof EEE–HCMUT-Semester 1/12-13
13
7.3.1. Thiết lập phương trình
Các điều kiện biên: (tìm các hằng số)
D1n D2n s
Chọn
E1t E2t 0
B1n B2n 0
E1t E2t 0
B1n B2n 0
Et 0
Bn 0
H1t H2t Js
J1n J2n
s
Ez (0, y,z) 0
Ey (0, y, z) 0
Hx (0, y,z) 0
t
Ví dụ: ods HCN
Ez (x,0, z) 0
Ex (x,0, z) 0
H y (x,0, z) 0
TranQuangViet–Facultyof EEE–HCMUT-Semester 1/12-13
7.3.2. Kiểu sóng TM
2 Ez 2 Ez
K2 Ez 0
Do Hz =0 Giải phương trình:
c
x2
y2
Dùng phương pháp phân ly biến số: Ez X(x).Y(y)ejβ z
z
2
2
1
1
X Y Y Kc2 0
Thế vào pt trên, ta có:
x2
y2
X
2X
1
M2
x2
X A1 sin(Mx)+B1 cos(Mx)
Y A2 sin(Ny)+B2 cos(Ny)
M2 + N2 = Kc2
X
2Y
1
N2
y2
Y
- M2 - N2 K2c 0
TranQuangViet–Facultyof EEE–HCMUT-Semester 1/12-13
14
7.3.2. Kiểu sóng TM
Áp dụng ĐKB cho Ez:
Ez (x,0, z) 0
Ez (0, y, z) 0
Y(y=0) 0 B2 0
Y(y=b) 0 N n / b
X(x=0) 0 B 0
1
Ez (a, y, z) 0
X(x=a) 0 M m / a
Ez (x,b, z) 0
Từ các kết quả trên ta có:
mx
a
n y
Ez X(x).Y(y)ejβ z
z
z
Csin
sin
e jβ z
b
2
2 β2
2
2
β βmn
2
2
m
n
m
n
b
v
v
a
b
a
TranQuangViet–Facultyof EEE–HCMUT-Semester 1/12-13
7.3.2. Kiểu sóng TM
Tính các thành phần ngang:
jβC
Kc2
ny
b
Ex (-jβ x )
cos
sin
sin
cos
ejβz
ejβz
ejβz
Ez
1
m
mx
Kc2
a
a
jβC
Kc2
ny
b
Ez
n
mx
1
Ey (jβ y )
K2
b
a
c
jC
ny
b
Ez
y
n
mx
1
Hx (j )
sin
cos
sin
Kc2
Kc2
b
a
jC
Kc2
ny
b
Hy (j )
cos
ejβz
Ez
m
mx
1
Kc2
x
a
a
E y E x
Tính trở sóng của kiểu TM:
TM
Hx
Hy
TranQuangViet–Facultyof EEE–HCMUT-Semester 1/12-13
15
7.3.2. Kiểu sóng TM
Phương trình mô tả kiểu sóng TM:
ny
b
ejβz
mx
Ez Csin
sin
a
Ex jβC
cos
sin
ejβz
ejβz
ny
m
mx
Kc2
a
a
b
Ey jβC
sin
cos
ny
n
mx
Kc2
b
a
b
1
TM
1
Hx Ey; Hy Ex; Hz 0
TM
Nhận xét: có vô số kiểu sóng TM tồn tại trong ods hcn:
TM11, TM21, TM32,…; không tồn tại kiểu TMm0 hoặc TM0n.
TranQuangViet–Facultyof EEE–HCMUT-Semester 1/12-13
7.3.2. Kiểu sóng TM
Mật độ dòng công suất điện từ trung bình:
. Tínhtheo trườngđiện:
<P>= 12 Re{EH } 2 [| Ex |2 | Ey |2 ]az
*
1
TM
. Tính theo trường từ:
<P>= 1 Re{EH*} TM [| Hx |2 | Hy |2]az
2
2
Công suất điện từ trung bình của kiểu TM:
a
1
P= 2
b[| Ex |2 | Ey |2 ]dxdy (W)
TM 0 0
a
P=
b[| Hx |2 | Hy |2 ]dxdy (W)
TM
Hoặc:
2
0 0
TranQuangViet–Facultyof EEE–HCMUT-Semester 1/12-13
16
7.3.3. Kiểu sóng TE
Giải tương tự kiểu TM, ta có pt kiểu sóng TE :
ny
b
ejβz
mx
H Ccos
cos
z
a
Hx jβC
sin
cos
sin
ejβz
ny
b
m
mx
Kc2
a
a
Hy jβC
cos
ejβz
ny
b
n
b
mx
Kc2
a
Ex Hy; Ey Hx; Ez 0
;TE
TE
TE
Nhận xét: có vô số kiểu sóng TE tồn tại trong ods hcn:
TE10, TE01, TE32,…; không tồn tại kiểu TE00.
TranQuangViet–Facultyof EEE–HCMUT-Semester 1/12-13
7.3.3. Kiểu sóng TE
Mật độ dòng công suất điện từ trung bình:
. Tính theo trường điện:
<P>= 12 Re{EH } 2 [| Ex |2 | Ey |2 ]az
*
1
TE
. Tính theo trường từ:
<P>= 1 Re{EH*} TE [| Hx |2 | Hy |2]az
2
2
Công suất điện từ trung bình của kiểu TE:
a
1
P= 2
b [| Ex |2 | Ey |2 ]dxdy (W)
TE 0 0
a
P=
b[| Hx |2 | Hy |2 ]dxdy (W)
TE
Hoặc:
2
0 0
TranQuangViet–Facultyof EEE–HCMUT-Semester 1/12-13
17
7.3.4. Các đại lượng đặc trưng
Tần số tới hạn: sóng truyền không tổn hao khi mnR
2
2
2
m
a
n
b
βmn
v
Mỗi kiểu sóng có một tần số tới hạn, kiểu sóng có tần số tới
hạn nhỏ nhất gọi là kiểu cơ bản. Một kiểu muốn tồn tại trong
Ods thì tần số sóng phải lớn hơn tần số tới hạn của kiểu đó.
Hệ số pha:
TranQuangViet–Facultyof EEE–HCMUT-Semester 1/12-13
7.3.4. Các đại lượng đặc trưng
Vận tốc pha:
Bước sóng:
Trở sóng:
. Kiểu TE:
. Kiểu TM:
TranQuangViet–Facultyof EEE–HCMUT-Semester 1/12-13
18
7.3.5. Ví dụ về Ods hcn
Ví dụ: ods HCN đm kk, axb=3cmx1,5cm, xác định tên các kiểu
sóng truyền được trong Ods tại f=12GHz. Kiểu TE10, f=12GHz,
biên độ cực đại của trường điện là E0=1KV/m được kích hoạt
trong Ods. Tìm các đại lượng đặc trưng và CS trung bình
truyền trong ods của kiểu này?
Điều kiện sóng truyền không tổn hao:
2
2
2
2
a
2af
v
v
2
m
a
n
m2
n2
f fth
b
b
2
2
9
2 310 1210
3108
m2 4n2
m2 4n2 5.76
TranQuangViet–Facultyof EEE–HCMUT-Semester 1/12-13
7.3.5. Ví dụ về Ods hcn
Tìm bộ chỉ số m & n kiểu sóng:
m=0 n=1 TE01
m=1 n=0,1 TE10 ,TE11, TM11
m=2 n=0 TE20
Tìm các đại lượng đặc trưng của kiểu TE10:
v
3108
+ fth
5109 (Hz) 5(GHz)
2a 2 3102
2 12109
+ 10 0 1 ( fth / f )2
+ / 1 ( f / f )2
1 (5 /12)2 228.5( rad )
3108
m
3108
/ 1 (5 /12)2 2.75(cm)
12109
10
th
TranQuangViet–Facultyof EEE–HCMUT-Semester 1/12-13
19
7.3.5. Ví dụ về Ods hcn
TranQuangViet–Facultyof EEE–HCMUT-Semester 1/12-13
7.3.5. Ví dụ về Ods hcn
TranQuangViet–Facultyof EEE–HCMUT-Semester 1/12-13
20
Tải về để xem bản đầy đủ
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Trường điện từ - Chương 7: Ống dẫn sóng & hộp cộng hưởng - Lecture 13: Ống dẫn sóng - Trần Quang Việt", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
bai_giang_truong_dien_tu_chuong_7_ong_dan_song_hop_cong_huon.pdf

