Bài giảng Trường điện từ: Chương 7 - Lê Minh Cường

Bài giảng Trường điện từ - Chương 7: Ống dẫn sóng và hộp cộng hưởng cung cấp cho người học các kiến thức: Giới thiệu ống dẫn sóng, ống dẫn sóng hai bản song song, ống dẫn sóng hình chữ nhật, hệ số tắt dần trong ống dẫn sóng thực,... Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Ch 7: CuuDuongThanCong.com Ống dẫn sóng hộp cộng hưởng EM - Ch7 https://fb.com/tailieudientucntt Nội dung chương 7: 7.1 Giới thiệu ống dẫn sóng 7.2 Ống dẫn sóng hai song song 7.3 Ống dẫn sóng hình chữ nhật 7.4 Hệ số tắt dần ống dẫn sóng thực 7.5 Hộp cộng hưởng 7.6 Ống dẫn sóng quang (optical waveguide) CuuDuongThanCong.com EM - Ch7 https://fb.com/tailieudientucntt 7.1 Giới thiệu ống dẫn sóng: Hai dây dẫn f < fcut  Đường dây: Sóng TEM Khơng gian bên vật dẫn  Ống dẫn sóng (ods): f > fcut Sóng TE TM a) Ods song song CuuDuongThanCong.com b) Ods hình chữ nhật EM - Ch7 c) Ods hình trụ tròn https://fb.com/tailieudientucntt  Ods song song : dielectric conductors cross section conductor dielectric CuuDuongThanCong.com EM - Ch7 https://fb.com/tailieudientucntt  Ods hình chữ nhật: rectangular waveguides cross section CuuDuongThanCong.com EM - Ch7 https://fb.com/tailieudientucntt  Ods hình trụ tròn (cáp quang): CuuDuongThanCong.com EM - Ch7 https://fb.com/tailieudientucntt 7.2: Ống dẫn sóng song song: a Xét ods tạo thành từ dẫn tốt đặt cách khoảng a, điện môi lý tưởng Chúng ta khảo sát cấu trúc lý thuyết đường dây Nhưng nguyên lý làm việc hồn tồn khác Các dẫn khơng tham gia dẫn dòng nên loại bỏ hiệu ứng bề mặt CuuDuongThanCong.com EM - Ch7 https://fb.com/tailieudientucntt a) Nguyên lý làm việc ods ssong: x Thành ống ( = ) Sóng phản xạ Af x=a Sóng tới Ai r z x=0 ( = 0, , ) CuuDuongThanCong.com EM - Ch7 https://fb.com/tailieudientucntt b) Các kiểu sóng: x Sóng Af x=a Sóng Ai z x=0 H E H E E  E ya y E  E x a x  Eza z H  H x a x  Hza z H  H ya y H z  : TM wave E z  : TE wave CuuDuongThanCong.com EM - Ch7 https://fb.com/tailieudientucntt c) Kiểu sóng TM:  Giả sử TĐT điều hòa, dạng phức : E x  E x (x).e γz ; E z  E z (x).e γz H y  H y (x).e γz  Hệ phương trình Maxwell :   ax rot H  /x ax az 0 γHy  j Ex (1)   /z  j E Hy ay rotE  /x Ex ay Hy az /z   j H x   j Ez (2)    E x  Exz   j H y (3) Ez CuuDuongThanCong.com EM - Ch7 https://fb.com/tailieudientucntt 10  Bộ nghiệm sóng TEmnp :  H z  A cos  Hx   KA2 c  Hy   KA2 c mπx a cos nπy b sin pπz c pπ mπ c a nπy pπz sin mπx cos cos a b c pπ nπ c b nπy pπz cos mπx sin cos a b c  nπy pπz Ex  KA2 j nπb cos mπx sin sin a b c c  nπy pπz mπx E y   KA2 j mπ sin cos sin a a b c c  p  m n    ( )  ( )  ( v a b ) Ez  mn c Điều kiện: m, n không đồng thời ; p khác CuuDuongThanCong.com EM - Ch7 https://fb.com/tailieudientucntt 74 b) Sóng TMmnp    Xếp chồng: Ez  sin m x sin n y C1e jm,n z  C2e jm,n z a b  Ex   Coù:  Ex    Ey     γ  Ez Kc2 y jω Ez Kc2 y Hx    Hy   jω K2 c Ez x CuuDuongThanCong.com  γ  Ez Kc2 x jβm,n m Kc2 a   c cos jβm,n n Kc2 b j n Kc2 b   jK2  m a  jβm,n  Ezt Kc2 x m x a sin  n y b  jβm,n  Ezfx x Kc2 C e  jm,n z  sin cos n y b   jm,n z  C2e jm,n z   jm,n z  C2e jm,n z  EM - Ch7  jm,n z   jm,n z C e cos ma x sin nb y C1e  C2e jm,n z  C2 e sin ma x cos nb y C1e m x a  https://fb.com/tailieudientucntt 75  Điều kiện biên :  C1  C2    C e Với: E x (x,y,0)  E x (x,y,c)   j m,n c  C2 e j m,n c 0 C1  C2  m,n  C e  j m,n z  C2 e  j m,n z  C2 e C1e Và ta có: CuuDuongThanCong.com j m,n z  j m,n z p  c  z z  A cos  z    j2C1 sin  m,n z   jAsin p c  p c  2C1 cos  m,n EM - Ch7 https://fb.com/tailieudientucntt 76  Bộ nghiệm sóng TMmnp  nπy pπz E z  A sin mπx sin cos a b c  Ex    Ey   A pπ mπ Kc2 c a A pπ nπ Kc2 c b  Hx  A Kc2 j  Hy   A Kc2 nπ b j cos mπx a sin mπx a sin mπx a mπ a cos sin nπy b cos nπy b cos nπy b mπx a sin nπy b sin pπz c sin pπz c cos pπz c cos pπz c  p  m n    ( )  ( )  ( v a b ) Hz  mn c Điều kiện: m, n khác ; p = CuuDuongThanCong.com EM - Ch7 https://fb.com/tailieudientucntt 77 c) Nhận xét: Có vơ số tần số cộng hưởng: mnp   v ( )  ( )  ( ) m a f mnp  v n b p c ( ) ( ) ( ) m a n b p c  Sóng điện & từ lệch pha 90o : nên lượng trường điện trường từ không đồng thời max mà chuyển hóa lẫn Ta có: W0  We  Wm  const  Wemax  Wmmax CuuDuongThanCong.com EM - Ch7 https://fb.com/tailieudientucntt 78  VD 7.5.1: Hộp cộng hưởng c y b z a x Tính toán tần số cộng hưởng hộp cộng hưởng lấp đầy khơng khí, kích thước axbxc = 2cm x 1cm x 3cm, kiểu sóng TE101 Tần số cộng hưởng tính theo cơng thức: f  102 o o 2 0.6  1010 ( ) ( )   9GHz CuuDuongThanCong.com EM - Ch7 https://fb.com/tailieudientucntt 79  VD 7.5.2: Hộp cộng hưởng Cho hộp cộng hưởng khơng khí, cạnh a = cm, b = cm, c = cm, xác định tần số cộng hưởng bé ? Giải p m n f  1,5.10 ( )  ( )  (  Tần số cộng hưởng : osc a b c)  fosc(1) = 5303 MHz cho TE1,0,1 mode  fosc(2) = 8385 MHz cho TE0,1,1 ; TE2,0,1 ; TE1,0,2 ; TM1,1,0 ; modes  fosc(3) = 9186 MHz cho TE1,1,1 ; TM1,1,1 modes CuuDuongThanCong.com EM - Ch7 https://fb.com/tailieudientucntt 80  VD 7.5.3: Hộp cộng hưởng Các tần số cộng hưởng HCH khơng khí cho sau:  fosc(1) = 25003 MHz cho TE1,0,1 mode  fosc(2) = 25005 MHz cho TE0,1,1 mode  fosc(3) = 25006 MHz cho TM1,1,1 mode Tìm a,b c ? Giải p 2  Tần số cộng hưởng : f osc  1,5.10 ( ma )  ( bn )  ( c )  Có: ( ) ( )  ( a b b c c c ( ) ( )  ( ( 1a )2  ( )  ( )  ( CuuDuongThanCong.com )  2500 25 3.108 1,5.108 25 5.108 1,5.108 25 6.108 1,5.108 )  12500 b  503 (m) c  503 (m) )  5000 a EM - Ch7 https://fb.com/tailieudientucntt 50 (m) 81 7.6 Ống dẫn sóng quang (optical waveguide) 7.6.1 Sự phản xạ khúc xạ sóng phẳng 7.6.2 Hiện tượng phản xạ tồn phần 7.6.3 Cáp quang 7.6.4 Hệ thống truyền sóng điện từ dùng cáp quang CuuDuongThanCong.com EM - Ch7 https://fb.com/tailieudientucntt 82 7.6.1 Sự phản xạ khúc xạ upw:  Khi thành ống khơng phải kim loại: sóng tới đến mặt phân cách môi trường làm xuất sóng phản xạ khúc xạ z  Do vận tốc pha theo phương z phải nên ta có : vp1 vp1 vp2   sin  i sin  r sin  t i   r (Snell’s law)  11   t  sin  sin  i    2  1 CuuDuongThanCong.com EM - Ch7 https://fb.com/tailieudientucntt 83 7.6.2 Hiện tượng phản xạ toàn phần: c  11 v p1 c n2    2 v p2 n1   Gọi:  Khi  = 0 :  n1   t  sin  sin  i   n2  1  1   t  sin  sin  i   2  1  vị trí Ray3 : t = 90o , ta có:  2   i   c  sin    1  1  Hiện tượng phản xạ tồn phần: tồn lượng sóng tới bị phản xạ lại môi trường Hiện tượng xảy góc sóng tới thỏa: i > c CuuDuongThanCong.com EM - Ch7 https://fb.com/tailieudientucntt 84 7.6.3 Cáp quang (Fiber optic) :  Ống dẫn sóng hình trụ tròn, đường kính từ: 550 m  Sóng điện từ truyền cáp quang theo nguyên lý phản xạ toàn phần CuuDuongThanCong.com EM - Ch7 https://fb.com/tailieudientucntt 85 7.6.4 Hệ sóng truyền sóng điện từ dùng cáp quang:  Sơ đồ khối hệ thống: (120 km) CuuDuongThanCong.com EM - Ch7 https://fb.com/tailieudientucntt 86 7.6.4 Hệ sóng truyền sóng điện từ dùng cáp quang:  Sơ đồ nguyên lý mạch phát thu hai đầu đường dây cáp quang: (LED or LASER) CuuDuongThanCong.com EM - Ch7 https://fb.com/tailieudientucntt 87 7.6.4 Hệ sóng truyền sóng điện từ dùng cáp quang:  Tín hiệu thường dùng: 1000  2000 nm (vùng hồng ngoại) nên tổn hao xạ bé CuuDuongThanCong.com EM - Ch7 https://fb.com/tailieudientucntt 88 ...Nội dung chương 7: 7. 1 Giới thiệu ống dẫn sóng 7. 2 Ống dẫn sóng hai song song 7. 3 Ống dẫn sóng hình chữ nhật 7. 4 Hệ số tắt dần ống dẫn sóng thực 7. 5 Hộp cộng hưởng 7. 6 Ống dẫn sóng quang... EM - Ch7 https://fb.com/tailieudientucntt 18 7. 3 Ống dẫn sóng hình chữ nhật: CuuDuongThanCong.com EM - Ch7 https://fb.com/tailieudientucntt 19 7. 3.1 Mơ hình ods hình chữ nhật: thành ống =  điện. .. section CuuDuongThanCong.com EM - Ch7 https://fb.com/tailieudientucntt  Ods hình trụ tròn (cáp quang): CuuDuongThanCong.com EM - Ch7 https://fb.com/tailieudientucntt 7. 2: Ống dẫn sóng song song: