TRƯỜNG ĐIỆN TỪ Em ch7 lecture 01 s1 13 14

Chương – 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.]  Tran Trần Quang Việt Viet –– BMCS Faculty–of Khoa EEEĐiện – HCMUT-Semester – ĐHBK Tp.HCM1/12-13 Chương – Ống dẫn sóng & hộp cộng hưởng 7.1 Giới thiệu 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 Ods thực 7.5 Thiết kế Ods hình chữ nhật  Tran Trần Quang Việt Viet –– BMCS Faculty–of Khoa EEEĐiện – HCMUT-Semester – ĐHBK Tp.HCM1/12-13 7.1 Giới thiệu 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 bảng song song, dây song hành, cáp đồng trục): • Có vật dẫn, dẫn dịng nhờ đặt điện áp nguồn • Truyền sóng TEM • Tổn hao lớn tần số cao  ffc (do hạn chế góc px)  Tran Trần Quang Việt Viet –– BMCS Faculty–of Khoa EEEĐiện – HCMUT-Semester – ĐHBK Tp.HCM1/12-13 7.1 Giới thiệu ống dẫn sóng  Tran Trần Quang Việt Viet –– BMCS Faculty–of Khoa EEEĐiện – HCMUT-Semester – ĐHBK Tp.HCM1/12-13 7.1 Giới thiệu ống dẫn sóng  Thơng tin cáp đồng trục RG49/U: http://www.accesscomms.com.au  Tran Trần Quang Việt Viet –– BMCS Faculty–of Khoa EEEĐiện – HCMUT-Semester – ĐHBK Tp.HCM1/12-13 7.1 Giới thiệu ống dẫn sóng  Thơng tin cáp đồng trục RG6/U: http://www.accesscomms.com.au  Tran Trần Quang Việt Viet –– BMCS Faculty–of Khoa EEEĐiện – HCMUT-Semester – ĐHBK Tp.HCM1/12-13 7.1 Giới thiệu ống dẫn sóng  Các loại Ods thường gặp: Parallel-plate waveguide Rectangular waveguide Circular waveguide  Các kiểu sóng Ods đặt dọc theo trục z: TE: Ez=0, Hz≠0 TM: Hz=0, Ez≠0  Tran Trần Quang Việt Viet –– BMCS Faculty–of Khoa EEEĐiện – HCMUT-Semester – ĐHBK Tp.HCM1/12-13 7.1 Giới thiệu ống dẫn sóng  Tran Trần Quang Việt Viet –– BMCS Faculty–of Khoa EEEĐiện – HCMUT-Semester – ĐHBK Tp.HCM1/12-13 7.1 Giới thiệu ống dẫn sóng  Tran Trần Quang Việt Viet –– BMCS Faculty–of Khoa EEEĐiện – HCMUT-Semester – ĐHBK Tp.HCM1/12-13 7.1 Giới thiệu ống dẫn sóng  Tran Trần Quang Việt Viet –– BMCS Faculty–of Khoa EEEĐiện – HCMUT-Semester – ĐHBK Tp.HCM1/12-13 7.2 Ods hai bảng song song & tượng tới hạn 7.2.1 Kiểu sóng TEm0 7.2.2 Kiểu sóng TMm0  Tran Trần Quang Việt Viet –– BMCS Faculty–of Khoa EEEĐiện – HCMUT-Semester – ĐHBK Tp.HCM1/12-13 7.2.1 Kiểu sóng TEm0      Các thơng số đặc trưng sóng TEM điện mơi:  =  =  /     a si =-cos ri a x  sin  ri a z    a sr =cos rr a x  sin  rr a z  Tran Trần Quang Việt Viet –– BMCS Faculty–of Khoa EEEĐiện – HCMUT-Semester – ĐHBK Tp.HCM1/12-13 a) Xác định trường điện từ  Sóng điện sóng từ tới:     -jβr.a si Ei  E i0e a y   E i0e -jβ(-xcosri +zsin ri ) a y    E   H i  [a si  E i ]  i0 e -jβ(-xcosr +zsinr ) (cos r a z  sin  r a x )    Sóng điện sóng từ phản xạ:     E r  E r0e -jβr.asr a y  E r0 e-jβ(xcos rr +zsin rr ) a y    E   H r  [a sr  E r ]  r0 e-jβ(xcosr +zsinr ) (cos r a z  sin  r a x )    Tran Trần Quang Việt Viet –– BMCS Faculty–of Khoa EEEĐiện – HCMUT-Semester – ĐHBK Tp.HCM1/12-13 a) Xác định trường điện từ  Sóng điện sóng từ tổng hợp:       E  Ei  E r ; H  Hi  H r  Điều kiện biên x=0:  E y (0, z )  [ E i0 e -jβzsin ri +E r0 e-jβzsin rr ]  Ei0  E r0  E /  ri   rr   r   E  -jE sin(βxcos r )e -jβzsinr a y  Điều kiện biên x=a:  E y (a, z )  -jE sin(βacos r )e -jβzsinr  mπ m λ cos r   βa a 2     mπ  sin r      β    a   Tran Trần Quang Việt Viet –– BMCS Faculty–of Khoa EEEĐiện – HCMUT-Semester – ĐHBK Tp.HCM1/12-13 a) Xác định trường điện từ  Phân bố trường điện & trường từ:   mπx  -jβz z  E  -jE sin  e ay a    jE β  mπx  -jβz z  E mπ  mπx  -jβz z  H = z sin  e a + cos x    e az η β η βa  a   a      mπ  βz          a   Tran Trần Quang Việt Viet –– BMCS Faculty–of Khoa EEEĐiện – HCMUT-Semester – ĐHBK Tp.HCM1/12-13 b) Hiện tượng tới hạn & tần số tới hạn (tần số cắt)  Hiện tượng tới hạn: mv cosθ r = mπ βa = 2a f=  f> f c f> f c f> f c f> f c f= f c  Tần số tới hạn (tần số cắt): f f th =fc  θ r =0 mv 2a  Tran Trần Quang Việt Viet –– BMCS Faculty–of Khoa EEEĐiện – HCMUT-Semester – ĐHBK Tp.HCM1/12-13 c) Một số nhận xét kiểu TEm0  Có vơ số kiểu sóng TEm0: TE10, TE20, …; kiểu truyền có tần số cắt riêng phải thỏa mãn: f>f c =f th  mv/2a  Phân bố sóng đứng dọc theo trục x với số sóng m sóng chạy dọc theo trục z với hệ số pha: β z =β   f th /f  (rad/m)  Vận tốc pha: v m =ω/β z =v p /   f c /f  (m/s)  Bước sóng ods: λ m =2π/β z =λ /   f th /f  (m)  Tran Trần Quang Việt Viet –– BMCS Faculty–of Khoa EEEĐiện – HCMUT-Semester – ĐHBK Tp.HCM1/12-13 c) Một số nhận xét kiểu TEm0  Trở sóng kiểu TEm0:   ηTE   E y / H x  ηβ/β z  η /   f th /f  ()  Mật độ dịng cơng suất điện từ trung bình:      1 η 2 < P >  R e{E  H * }  E ym a z  T E H xm a z (W /m ) 2η T E Dịng cơng suất điện từ trung bình lan truyền theo hướng trục z  hướng truyền sóng Ods +z  Mật độ dịng cơng suất điện từ tức thời không lan truyền song song với trục z mà theo nguyên tắc phản xạ:  Góc phản xạ: cosθ r =mλ/(2a)=f th /f  Góc tới: i  900   r  Tran Trần Quang Việt Viet –– BMCS Faculty–of Khoa EEEĐiện – HCMUT-Semester – ĐHBK Tp.HCM1/12-13 7.2.2 Kiểu sóng TMm0     Tính tương tự kiểu TEm0, ta có kết kiểu TMm0 sau:  Tran Trần Quang Việt Viet –– BMCS Faculty–of Khoa EEEĐiện – HCMUT-Semester – ĐHBK Tp.HCM1/12-13 a) Phân bố kiểu TMm0   m x  -jβz z  H  -jH cos  e ay  a     m x  -jβ z   H m sin  m x  e-jβ z a z E   j H z cos  e ax  a  a    a  z z  Tran Trần Quang Việt Viet –– BMCS Faculty–of Khoa EEEĐiện – HCMUT-Semester – ĐHBK Tp.HCM1/12-13 10 7.3.2 Kiểu sóng TM  Phương trình mơ tả kiểu sóng TM:  Ez  Csin  ma x  sin   e n y b  jβz  e   sin  cos  e n y b Ex  jβKC2  ma  cos  ma x  sin  c Ey   jβKC2 c  n b  n y b  m x a    jβz  jβz 1 Hx   TM Ey ; Hy  TM Ex ; Hz   Nhận xét: có vơ số kiểu sóng TM tồn ods hcn: TM11, TM21, TM32,…; không tồn kiểu TMm0 TM0n  Tran Trần Quang Việt Viet –– BMCS Faculty–of Khoa EEEĐiện – HCMUT-Semester – ĐHBK Tp.HCM1/12-13 7.3.2 Kiểu sóng TM  Mật độ dịng cơng suất điện từ trung bình:  Tính theo trường điện:      *  2 1

= Re{E H }  2TM [| E x |  | E y | ]a z  Tính theo trường từ:      *   2 TM

= Re{E H }  [| Hx |  | H y | ]a z  Cơng suất điện từ trung bình kiểu TM: P= 2TM Hoặc: P= TM  b a   [| E   [| H 0 a b 0 x  x  |  | E y |2 ]dxdy (W)  |  | H y |2 ]dxdy (W)  Tran Trần Quang Việt Viet –– BMCS Faculty–of Khoa EEEĐiện – HCMUT-Semester – ĐHBK Tp.HCM1/12-13 16 7.3.3 Kiểu sóng TE  Giải tương tự kiểu TM, ta có pt kiểu sóng TE :   e   sin  cos  e   cos  sin  e Hz  Ccos ma x  cos  Hy    jβz m a m x a n y b  jβz jβC n K2c b  m x a n y b  jβz Hx  jβKC2  n y b c    Ex TE Hy ; Ey  TE Hx ; Ez  ;TE    Nhận xét: có vơ số kiểu sóng TE tồn ods hcn: TE10, TE01, TE32,…; không tồn kiểu TE00  Tran Trần Quang Việt Viet –– BMCS Faculty–of Khoa EEEĐiện – HCMUT-Semester – ĐHBK Tp.HCM1/12-13 7.3.3 Kiểu sóng TE  Mật độ dịng cơng suất điện từ trung bình:  Tính theo trường điện:      *  2 1

= Re{E H }  2TE [| E x |  | E y | ]a z  Tính theo trường từ:      *   2 TE

= Re{E H }  [| Hx |  | H y | ]a z  Cơng suất điện từ trung bình kiểu TE: P= 2TE Hoặc: P= TE  b a   [| E   [| H a 0 b x  x  |  | E y |2 ]dxdy (W)  |  | H y |2 ]dxdy (W)  Tran Trần Quang Việt Viet –– BMCS Faculty–of Khoa EEEĐiện – HCMUT-Semester – ĐHBK Tp.HCM1/12-13 17 7.3.4 Các đại lượng đặc trưng  Tần số tới hạn: sóng truyền không tổn hao mnR βmn  2  v    ma    nb    v m n f  f th  th      2  a  b Mỗi kiểu sóng có tần số tới hạn, kiểu sóng có tần số tới hạn nhỏ gọi kiểu Một kiểu muốn tồn Ods tần số sóng phải lớn tần số tới hạn kiểu  Hệ số pha: 2 β=βmn      f th /f   0   fth /f  (rad/m)  Tran Trần Quang Việt Viet –– BMCS Faculty–of Khoa EEEĐiện – HCMUT-Semester – ĐHBK Tp.HCM1/12-13 7.3.4 Các đại lượng đặc trưng  Vận tốc pha: vmn = β  v /   f th /f  (m/s) v  1/  mn  Bước sóng: mn = β2   /   f th /f  (m)   v/ f mn  Trở sóng:   0 /   fth /f  () 0   /    Kiểu TE: TE   Kiểu TM: TM    0   f th /f  ()   Tran Trần Quang Việt Viet –– BMCS Faculty–of Khoa EEEĐiện – HCMUT-Semester – ĐHBK Tp.HCM1/12-13 18 7.3.5 Ví dụ Ods hcn Ví dụ: ods HCN đm kk, axb=3cmx1,5cm, xác định tên kiểu sóng truyền Ods f=12GHz Kiểu TE10, f=12GHz, biên độ cực đại trường điện E0=1KV/m kích hoạt Ods Tìm đại lượng đặc trưng CS trung bình truyền ods kiểu này?  Điều kiện sóng truyền khơng tổn hao: v m n f  f th       a  b 2 a  2af   m    n2    b  v     10 2  12  10   m  4n     108   2 2  m  4n  5.76  Tran Trần Quang Việt Viet –– BMCS Faculty–of Khoa EEEĐiện – HCMUT-Semester – ĐHBK Tp.HCM1/12-13 7.3.5 Ví dụ Ods hcn m  4n  5.76  Tìm số m & n  kiểu sóng:  m=0  n=1  TE 01  m=1  n=0,1  TE 10 , TE 11 , TM 11  m=2  n=0  TE 20  Tìm đại lượng đặc trưng kiểu TE10: v  10    10 ( Hz )  5(GHz ) + f th  2 a   10 + 10    ( f th / f )   12109 3108 + 10   /  ( f th / f )   3108 12109 /  (5 / 12)  228.5( rad m )  (5 / 12)  2.75(cm )  Tran Trần Quang Việt Viet –– BMCS Faculty–of Khoa EEEĐiện – HCMUT-Semester – ĐHBK Tp.HCM1/12-13 19 7.3.5 Ví dụ Ods hcn  Tran Trần Quang Việt Viet –– BMCS Faculty–of Khoa EEEĐiện – HCMUT-Semester – ĐHBK Tp.HCM1/12-13 7.3.5 Ví dụ Ods hcn  Tran Trần Quang Việt Viet –– BMCS Faculty–of Khoa EEEĐiện – HCMUT-Semester – ĐHBK Tp.HCM1/12-13 20 7.4 Hệ số tắt dần Ods thực  Tran Trần Quang Việt Viet –– BMCS Faculty–of Khoa EEEĐiện – HCMUT-Semester – ĐHBK Tp.HCM1/12-13 7.4 Hệ số tắt dần Ods thực  Tran Trần Quang Việt Viet –– BMCS Faculty–of Khoa EEEĐiện – HCMUT-Semester – ĐHBK Tp.HCM1/12-13 21 7.4 Hệ số tắt dần Ods thực  Tran Trần Quang Việt Viet –– BMCS Faculty–of Khoa EEEĐiện – HCMUT-Semester – ĐHBK Tp.HCM1/12-13 7.4 Hệ số tắt dần Ods thực  Ví dụ tính d Ods HCN:  Tran Trần Quang Việt Viet –– BMCS Faculty–of Khoa EEEĐiện – HCMUT-Semester – ĐHBK Tp.HCM1/12-13 22 7.4 Hệ số tắt dần Ods thực  Tran Trần Quang Việt Viet –– BMCS Faculty–of Khoa EEEĐiện – HCMUT-Semester – ĐHBK Tp.HCM1/12-13 7.4 Hệ số tắt dần Ods thực  Tran Trần Quang Việt Viet –– BMCS Faculty–of Khoa EEEĐiện – HCMUT-Semester – ĐHBK Tp.HCM1/12-13 23 7.4 Hệ số tắt dần Ods thực  Tran Trần Quang Việt Viet –– BMCS Faculty–of Khoa EEEĐiện – HCMUT-Semester – ĐHBK Tp.HCM1/12-13 7.4 Hệ số tắt dần Ods thực  Tran Trần Quang Việt Viet –– BMCS Faculty–of Khoa EEEĐiện – HCMUT-Semester – ĐHBK Tp.HCM1/12-13 24 7.4 Hệ số tắt dần Ods thực  Tran Trần Quang Việt Viet –– BMCS Faculty–of Khoa EEEĐiện – HCMUT-Semester – ĐHBK Tp.HCM1/12-13 7.4 Hệ số tắt dần Ods thực  Tran Trần Quang Việt Viet –– BMCS Faculty–of Khoa EEEĐiện – HCMUT-Semester – ĐHBK Tp.HCM1/12-13 25 7.5 Thiết kế Ods hình chữ nhật  Tran Trần Quang Việt Viet –– BMCS Faculty–of Khoa EEEĐiện – HCMUT-Semester – ĐHBK Tp.HCM1/12-13 7.5 Thiết kế Ods hình chữ nhật  Tran Trần Quang Việt Viet –– BMCS Faculty–of Khoa EEEĐiện – HCMUT-Semester – ĐHBK Tp.HCM1/12-13 26 7.5 Thiết kế Ods hình chữ nhật  Tran Trần Quang Việt Viet –– BMCS Faculty–of Khoa EEEĐiện – HCMUT-Semester – ĐHBK Tp.HCM1/12-13 7.5 Thiết kế Ods hình chữ nhật  Tran Trần Quang Việt Viet –– BMCS Faculty–of Khoa EEEĐiện – HCMUT-Semester – ĐHBK Tp.HCM1/12-13 27 7.5 Thiết kế Ods hình chữ nhật  Tran Trần Quang Việt Viet –– BMCS Faculty–of Khoa EEEĐiện – HCMUT-Semester – ĐHBK Tp.HCM1/12-13 7.5 Thiết kế Ods hình chữ nhật  Tran Trần Quang Việt Viet –– BMCS Faculty–of Khoa EEEĐiện – HCMUT-Semester – ĐHBK Tp.HCM1/12-13 28 7.5 Thiết kế Ods hình chữ nhật TE  0  (fc /f ) 377   (1,16/1,74)  505,8()  Tran Trần Quang Việt Viet –– BMCS Faculty–of Khoa EEEĐiện – HCMUT-Semester – ĐHBK Tp.HCM1/12-13 7.5 Thiết kế Ods hình chữ nhật   8,65.104 (Np/m)  0.0075(dB/m)  Tran Trần Quang Việt Viet –– BMCS Faculty–of Khoa EEEĐiện – HCMUT-Semester – ĐHBK Tp.HCM1/12-13 29 7.5 Thiết kế Ods hình chữ nhật  Tran Trần Quang Việt Viet –– BMCS Faculty–of Khoa EEEĐiện – HCMUT-Semester – ĐHBK Tp.HCM1/12-13 30