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 =-cosax 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) (cosaz sinax )  
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) (cosaz sinax )  
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-jβzsinay  
r
ri rr r  
Điều kiện biên tại x=a:  
Ey (a, z) -jE sin(βacos)e-jβzsin0  
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  
  
mx  
a
e-jβ z ay  
z
H -jH0 cos  
  
m  
a  
mx  
a
z  
mx  
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
ny  
Ez X(x).Y(y)ejβ z  
z
z
Csin  
sin  
ejβ 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
Ey Ex   
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
2310 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 23102  
212109  
+ 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
pdf 30 trang myanh 18180 Free
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:

  • pdfbai_giang_truong_dien_tu_chuong_7_ong_dan_song_hop_cong_huon.pdf