Kỹ thuật ANT & Truyền sóng_C6 pdf

Ống dẫn sóng (Waveguides)
•Giới thiệu
• Sóng TEM, TE và TM
• Ống dẫn sóng hình chữ nhật
–Tần số cắt (Cutoff Frequency)
–Sự truyền sóng trong ống dẫn sóng (Wave
Propagation)
–Vận tốc truyền sóng (Wave Velocity)
–Trở kháng sóng
–…
•Hộp cộng hưởng
Waveguide components
Figures from: www.microwaves101.com/encyclopedia/waveguide.cfm
Rectangular waveguide
Waveguide to coax adapter
E-tee
Waveguide bends
More waveguides
/>Một số đặc điểm
•Tổn hao thấp
– Ở tần số cao
– Công suất lớn
• Không thể hoạt động ở tần số thấp hơn
một tần số xác
định.
–Cóthểứng dụng như một bộ lọc thông cao
•Códạng tròn (circular) hoặc chữ nhật
(rectangular)
Waveguides
• Sóng lan truyền trong các
đường dây truyền sóng là

sóng TEM hoặc gần TEM.
• Trong ống dẫn sóng, sóng
lan truyền ở mode TE hoặc
TM.
• Ứng với mode sóng, tồn tại
Tần số giới hạn
Rectangular
waveguide
Circular
waveguide
Optical FiberDielectric Waveguide
Ống dẫn sóng hình chữ nhật
•Xét ống dẫn sóng hình chữ nhật có kích thước
trong a x b,
• Trong Ống dẫn sóng, sóng sẽởmode TE
hoặcTM.
– In TE modes, the electric field is transverse to the
direction of propagation.
– In TM modes, the magnetic field that is transverse
and an electric field component is in the propagation
direction.
• Mode truyền hình thành trong ống dẫn sóng quy
định cho cấu hình trường trong ống dẫn sóng, và
được ký hiệu qua 2 chỉ số: TE
mn
và TM
mn.
–m chỉ số lượng nửa bước sóng dọc theo trục x
–n chỉ số lượng nửa bước sóng dọc theo trục y
•Một mode riêng biệt chỉ được hỗ trợ khi tần số lớn

hơn tần số cắt của nó. Tần số cắt được tính bởi:
11 11
oror oo rr rr
c
u
μ
εμμεε μεμε με
== = =
22 22
1
22
mn
rr
c
mn c mn
f
ab ab
με μ ε
=+ +
⎛ ⎞ ⎛⎞ ⎛ ⎞ ⎛⎞
=
⎜ ⎟ ⎜⎟ ⎜ ⎟ ⎜⎟
⎝ ⎠ ⎝⎠ ⎝ ⎠ ⎝⎠
8
, 3 10 m/sc =×
Table 7.1: Some Standard Rectangular Waveguide
Waveguide
Designation
a
(in)

b
(in)
t
(in)
f
c10
(GHz)
freq range
(GHz)
WR975 9.750 4.875 .125 .605 .75 – 1.12
WR650 6.500 3.250 .080 .908 1.12 – 1.70
WR430 4.300 2.150 .080 1.375 1.70 – 2.60
WR284 2.84 1.34 .080 2.08 2.60 – 3.95
WR187 1.872 .872 .064 3.16 3.95 – 5.85
WR137 1.372 .622 .064 4.29 5.85 – 8.20
WR90 .900 .450 .050 6.56 8.2 – 12.4
WR62 .622 .311 .040 9.49 12.4 - 18
Location of modes: 2b=a
Tần số cắt:
22
2
mn
rr
c
cmn
f
ab
με
=+
⎛⎞⎛⎞

⎜⎟⎜⎟
⎝⎠⎝⎠
22
2
mn
c
cm n
f
ab
=+
⎛⎞⎛⎞
⎜⎟⎜⎟
⎝⎠⎝⎠
8
where 3 10 m/sc =×
r
r
For air 1
and 1
μ
ε
=
=
Phaõn boỏ trửụứng trong oỏng daón soựng, mode TE
10
• Mode: TE
10
and TE

20
– In both cases, E only varies in the x direction;
since n = 0, it is constant in the y direction.
–For TE
10
, the electric field has a half sine
wave pattern, while for TE
20
a full sine wave
pattern is observed.
Caùc mode soùng khaùc:
Example
Let us calculate the cutoff frequency for the first four modes of WR284 waveguide.
The guide dimensions are a = 2840 mils and b = 1340 mils. Converting to metric
units we have a = 7.214 cm and b = 3.404 cm.
22
2
mn
c
cm n
f
ab
=+
⎛⎞⎛⎞
⎜⎟⎜⎟
⎝⎠⎝⎠
8
where 3 10 m/sc =×
()
8

10
310
100
2.08 GHz
227.214 1
c
m
x
ccm
s
f
acmm
== =
()
8
01
310
100
4.41 GHz
2 2 3.404 1
c
m
x
ccm
s
f
bcmm
== =
20
4.16 GHz

c
c
f
a
==
8
22
11
310
1 1 100
4.87 GHz
2 7.214 3.404 1
c
m
x
cm
s
f
cm cm m
=+=
⎛⎞⎛⎞
⎜⎟⎜⎟
⎝⎠⎝⎠
TE
10
:
TE
01
:
TE

20
:
TE
11
:
TE
10
TE
01
TE
20
TE
11
2.08 GHz
4.16 GHz
4.41 GHz
4.87 GHz
TM
11
Rectangular Waveguide
Example
8
For air 3 10 m/sc =×
Sự lan truyền sóng trong ống dẫn sóng
Sự lan truyền sóng trong ống dẫn sóng có thể
được xem là sự lan truyền của một cặp sóng TEM.
Vận tốc truyền sóng là u
u
, chỉ số u chỉ ra rằng điều
kiện truyền không bị giới hạn bởi thành ống. Trong

không khí, u
u
= c.
2
sin
m
a
λ
θ
=
2
sin
u
u
a
mf
λθ
==
λ
c
, ứng với: θ = 90°
2
u
c
c
u
a
mf
λ
==

22
2
mn
c
cm n
f
ab
⇒= +
⎛⎞⎛⎞
⎜⎟⎜⎟
⎝⎠⎝⎠
sin
c
c
f
f
λ
θ
λ
==
()
2
1
u
p
c
u
u
f
f

=
−
()
2
22
cos cos 1 sin 1
c
f
f
θθ θ
==−=−
cos
u
p
u
u
θ
=
Vận tốc pha:
cos
Gu
uu
θ
=
(
)
2
1
c
Gu

f
uu
f
=−
Vận tốc nhóm
Vận tốc sóng TEM
11 11
u
o ror oo rr rr
c
u
μ
εμμεε μεμε με
== = =
8
where 3 10 m/sc =×
Wave velocity
Phase velocity
p
u
Group velocity
Beach
Ocean
Phase velocity
p
u
u
u
Wave velocity
u

u
G
u
Group velocity
Point of contact
Trở kháng sóng: Tỉ số giữa thành phần điện trường ngang và thành phần từ
trường ngang.
2
,
1
TE
u
mn
c
Z
f
f
η
=
−
⎛⎞
⎜⎟
⎝⎠
TE mode TM mode
2
.1
TM
c
mn u
f

Z
f
η
⎛⎞
=−
⎜⎟
⎝⎠
()
2
1/
c
u
G
f
f
ββ
=−
Hệ số pha:
2
1
c
Gu
f
f
λ
λ
=
⎛⎞
−
⎜⎟

⎝⎠
Chiều dài bước sóng:
Wave velocity
Phase velocity
p
u
Group velocity
Example
Rectangular Waveguide
Example
Rectangular Waveguide
Let’s determine the TE mode impedance looking into a 20 cm long section of shorted WR90
waveguide operating at 10 GHz.
From the Waveguide Table 7.1, a = 0.9 inch (or) 2.286 cm and b = 0.450 inch (or) 1.143 cm.
22
2
mn
c
cm n
f
ab
=+
⎛⎞⎛⎞
⎜⎟⎜⎟
⎝⎠⎝⎠
TE
10
6.56 GHz
Mode Cutoff Frequency
TE

01
13.12 GHz
TE
11
14.67 GHz
TE
20
13.13 GHz
TE
02
26.25 GHz
At 10 GHz, only the TE
10
mode is supported!
TE
10
6.56 GHz
Mode Cutoff Frequency
TE
01
13.12 GHz
TE
11
14.67 GHz
TE
20
13.13 GHz
TE
02
26.25 GHz

TE
10
TE
20
TE
01
TE
11
TM
11
6.56 GHz 13.12 GHz
TE
02
26.25 GHz
14.67 GHz
Rearrange
13.13 GHz
10
2
120
500 .
6.56GHz
1-
10GHz
TE
Z
π
Ω
==Ω
⎛⎞

⎜⎟
⎝⎠
()
10
tan
IN
TE
ZjZ
β
=
l
The impedance looking into a short circuit is
given by
The TE
10
mode impedance
2
1 278/
c
u
f
rad
f
m
ββ
=−=
⎛⎞
⎜⎟
⎝⎠
The TE

10
mode propagation constant is
given by
(
)
(
)
500 tan 55, 6 697
IN
Zj j=Ω =−Ω
()
500 tan 278 0.2
IN
rad
Z
jm
m
=Ω
⎛⎞
×
⎜⎟
⎝⎠
Soùng ñöùng:
Soùng ñöùng:
Soùng di chuyeån
Đầu cuối ống dẫn sóng:
Kết thúc ống dẫn sóng bằng một tấm điện trở
Kích thích oáng daãn soùng: