Bài giảng Lý thuyết trường điện từ - Bài: Dẫn sóng & bức xạ - Nguyễn Công Phương

Nội dung text: Bài giảng Lý thuyết trường điện từ - Bài: Dẫn sóng & bức xạ - Nguyễn Công Phương

1. Nggyuyễn Công Phương Lý thuy ếttrt trường điệntn từ Dẫn sóng & bức xạ
2. Dẫn sóng & bức xạ • Trường của đường dây dài • Các kiểu dẫn sóng cơ bản • Phân tích sóng ph ẳng c ủaad dẫn sóng song phẳng • Phân tích dẫn sóng song phẳng bằng phương trình sóng • Dẫn sóng chữ nhật •Dẫn sóng điện môi phẳng • Cáp quang • Các nguyên lý cơ bản của anten Dẫn sóng & bức xạ 3
3. Trường của đường dây dài (2) t  'b C d d Vật dẫn (σc) Điệnmôi (σ, ε’, μ)  b GC t b  ' d d LL ngoµi b Ld Z 2 0 R Cb ' c b Dẫn sóng & bức xạ 5
4. Trường của đường dây dài (4) 2'  C Điệnmôin môi ln(ba / ) Mặtdt dẫn (σ, ε’, μ) (σ )  2  c GC a  ' ln(ba / ) b l 1 R c trong 2 cS  c ()a Thấp tần 1 R ngoµi 22  c[(cb )] 11 1 R 222  c acb  bcc11 42 Lbc ln22 3 ln 22 22 24 ab4(cb ) cb Dẫn sóng & bức xạ 7
5. Trường của đường dây dài (5)  ' Mặt dẫn (σ ) C c 1 cosh (da / 2 ) a Điện môi a (σ, ε’, μ)  G d cosh 1 (da / 2 ) Thấp tần  1 1 Ld cosh(/2)a 4 2 R 2 a c Dẫn sóng & bức xạ 9
6. Các kiểu dẫn sóng cơ bản (1) z d x ε y Dẫn sóng & bức xạ 11
7. Các kiểu dẫn sóng cơ bản (3) I I – –––– –– –– ++ ++ +++ + + – E E k  H  H + + + + ++ ++ + + ++ ++ ++ ++ + z –––– –– – + d x kklx k   ε y kl θ kx kl θ Dẫn sóng & bức xạ 13
8. Dẫn sóng & bức xạ • Trường của đường dây dài • Các kiểu dẫn sóng cơ bản • Phân tích sóng phẳng củada dẫn sóng song phẳng • Phân tích dẫn sóng song phẳng bằng phương trình sóng • Dẫn sóng chữ nhật •Dẫn sóng điện môi phẳng • Cáp quang • Các nguyên lý cơ bản của anten Dẫn sóng & bức xạ 15
9. Phân tích sóng phẳng của dẫn sóng song phẳng (2) kx kl kx kl Etới Ephản xạ Ephản xạ Etới   Ez –Ez Vật dẫn Vật dẫn lýýt tưởng lý t ưởng  TE, lệch π TM, lệch 0 Dẫn sóng & bức xạ 17
10. Phân tích sóng phẳng của dẫn sóng song phẳng (4) 22 mm k κm λ k ' n l k ' r 0 cc m m d θm mm k cos βm mmcm  m arccos arccos arccos kd  nd 2 nd 22 22 mmc mm kk 11 k kd  nd Dẫn sóng & bức xạ 19
11. Phân tích sóng phẳng của dẫn sóng song phẳng (6) Ví dụ 1 Xét đường dây d ẫn sóng song phẳng, kho ảng cách gi ữaa2m 2 mặttd dẫnnlà là d =1cm= 1 cm, được điền đầy teflon với ε’r = 2,1. Xác định tần số hoạt động của sóng để nó có thể lan truyền ở chế độ m = 1. 8 mc 1 c .3.10 3 10 c1 10 nd ' 21102,1.10 2 212,1 r d 10 c1 3.10 10 fc1 103101,03.10 Hz 103GHz10,3GHz 2 22,1 10,3 GHz f 20,6 GHz Dẫn sóng & bức xạ 21
12. x Phân tích sóng phẳng của dẫn sóng song phẳng (8) E  H  H kx E kx kl kl z TE TM jjk.rlx k.r EEeEeys 00 κm kaa  λ lmxmz kl kaax mx mz ra xzx az θ jxmmm jx jz m EEeys 0 () e e β jmmz ' j z m 2sin()jE00mm x e E sin() x e Dẫn sóng & bức xạ 23
13. Phân tích sóng phẳng của dẫn sóng song phẳng (10) 2 n cm n 22 m 1  cm c  c  cm 2 2 nn22ncm  2 cm mcm 11 cc cm cm mmcm  m arccos arccos arccos kd  nd 2 nd mc  cm nd cm  cosm  cm Dẫn sóng & bức xạ 25
14. Dẫn sóng & bức xạ • Trường của đường dây dài • Các kiểu dẫn sóng cơ bản • Phân tích sóng ph ẳng c ủaad dẫn sóng song phẳng • Phân tích dẫn sóng song phẳng bằng phương trình sóng •Dẫn sóng chữ nhật • Dẫn sóng điện môi ph ẳng • Cáp quang • Các nguyên lý c ơ bảnnc củaaanten anten Dẫn sóng & bức xạ 27
15. Phân tích dẫn sóng song phẳng bằng phương trình sóng (2) z j z m d EEfxeys 0 m () x fmmm()xxx cos (() ) s i(in() ) Efxx 0()sin()  ε y ymmx 0 m E 0  ymxd d m = 2 mx jm z m = 1 m = 3 EEys 0 sin e d Dẫn sóng & bức xạ 29
16. Phân tích dẫn sóng song phẳng bằng phương trình sóng (4) z  EH j ss d x mx jzm EEys 0 sin e d ε y EE  Eaa ys ys szxxz jmmz j z mmExejExe00cos( )aa zmm  sin( ) x EEzzEEyy EExx  Ea xy a az yz  zx  xy Dẫn sóng & bức xạ 31
17. Dẫn sóng & bức xạ • Trường của đường dây dài • Các kiểu dẫn sóng cơ bản • Phân tích sóng ph ẳng c ủaad dẫn sóng song phẳng • Phân tích dẫn sóng song phẳng bằng phương trình sóng • Dẫnsóngchn sóng chữ nhật •Dẫn sóng điện môi phẳng • Cáp quang • Các nguyên lý cơ bản của anten Dẫn sóng & bức xạ 33
18. Dẫn sóng chữ nhật (2) y b x jz p a EE sin( ye )0 p , xs00 p 0 p b 0 p j z y HEye sin( ) 0 p ys 00 p b 0 p jz HjE cos( ye ) 0 p zs 00 p pc x  (0p ) c nb a Dẫn sóng & bức xạ 35
19. Dẫn sóng điện môi phẳng (1) n 2 x d n1 n2 n2 d/2 n1 z –d/2 n2 Dẫn sóng & bức xạ 37
20. Dẫn sóng điện môi phẳng (3) θ2 k jjxk.r22 j z 2l n EEeEeeys202 02 2 n1  j θ 22 1 k1x k1l  22202 jjkjj n k cos 2 1/2 n k2x 2 n1 2 k jjjnk20()j sin 1 1 1 k n 1l 2 k2 k2l θ1 θ2 β β d  2 (2)xd/ jz EEeeys202 x 2 d  2 (2)xd d/ j z EEeeys202 x 2 Dẫn sóng & bức xạ 39
21. Dẫn sóng điện môi phẳng (5) jz dd E01c cos() xe x 22 dd  2 (2)xd/ jz EEeexsc()cos()TE ch½n 01 c  22 dd  2 (2)xd / jz Eeex01c cos( ) 22 jz dd Exe01l sin( ) x 22 dd  2 (2)xd/ jz EEeexsl()TE lÎ 01 l sin() 22 dd  2 (2)xd / jz E01l cos() ee x 22 Dẫn sóng & bức xạ 41
22. Dẫn sóng điện môi phẳng (6) Ví dụ 1 Một đường dây d ẫn sóng điện môi ph ẳng được dùng để truyền ánh sáng có bước sóng λ = 1,30 μm; độ dày của tấm dẫn là d = 5,00 μm; chiết suất của lớp điện môi bao quanh là n2 = 1,450. Xác định chiết suất lớn nhất của tấm dẫn để nó có thể truyền sóng chế độ đơn. 22  2d nn12 2 2  22 1, 30 nn12 1,450 1,456 22.5,00d Dẫn sóng & bức xạ 43
23. Cáp quang (1) EzRxs(,,)    i () i ()exp(j i z ) i 22  EEssk 22 n2 11 EE n xs xs ()0kE22 1 22 xs   b a 22dR dR1 d 2 22()k 2 RRd22  dd    22 d 2 cos()  2 0 () 2 d sin( ) 22 dR1 dR 22 kR 0 22() cos() d d Dẫn sóng & bức xạ 45
24. Cáp quang (3) 1 J () 0 t AJ () tt  thùc 0,8 R() BK  tt ¶o 060,6 0,4 J1() t 0,2 0 –0,2 –0,4 0246810121416 Dẫn sóng & bức xạ 47
25. Cáp quang (5) 1 0,8 J0 ()t 0,6 n2 J1()t 0,4 n1 0,2 b a 0 – 0,2 4 3.5 –0,4 0246810121416 3 2.5 K1  t 2 AJ ()  thùc  tt1.5 R() K0 t BK  tt ¶o 1 0.5 00 0.5 1 1.5 2 2.5 3 Dẫn sóng & bức xạ 49
26. Cáp quang (7) 11 1 SEHE Re[EH ˆˆ ] Re[ ] 2 zssxs,tb×nh 22ysxs 2 n2 22 u n IIJm 0 cos ( ) a 1 a b a 2 Ju2 () w II  K22cos ( ) a m 0 K ()wa Dẫn sóng & bức xạ 51
27. Cáp quang (9) 1 VV(11) 2, 405 JV ( ) 0 ccm 111, 1  1 0,8 VVc (11) 2, 405 060,6 2 a 22 c nn12 0,4 2, 405 0,2 0 –0,2 J1() t J0 () t –0,4 0246810121416 Dẫn sóng & bức xạ 53
28. z Các nguyên lý cơ bản của anten (1) I It0 cos d []J []I dL []I d A dv a I V z 4 R 4 R 4 R Id0 jRv/ y Aezs R 4 R []II 0 cos  t x v jRv / IIs  0e –A z Azs θs Id0 jrv/ AArs zs cos Ae cos rs 4 R AAszs sin Id0 jrv/ Ae sin Ars A s 0 s 4 R r P(r, θ, φ) θ y Dẫn sóng & bức xạ 55
29. Các nguyên lý cơ bản của anten (3) Id0 jrv /  1 He s sin j 4 vr r2 HHrs  s 0 D  HHE  j t s s 1111 (sin)HrH  HrHHHrr ( ) ()  Haaa r  rrrrrsiiins  in     11 Id 11 E 0 cose jrv / EHrs (sin) s  rs 23 jrsin   2 vr j r 11  Id0 jrv / j 11 ErH ss () Ee sin j r  s 22 3 4 vr vr j r Dẫn sóng & bức xạ 57
30. Các nguyên lý cơ bản của anten (5) Id0 jr /  1 Hej s sin 4 r r2 o 8 VDId0 4  , 90 , t 0, f 300MHz, v 3.10 m/s,  1 m  1 jr Hj s e r r2 2 21 H cos{[arctg(2 rr ) 2 ]} r r4 cos(ab ) cos a cos b sin a sin b cos[arctg(x )] 1/ 1 x2 1 H (cos 2 rr 2 sin 2 r ) r2 Dẫn sóng & bức xạ 59
31. z Các nguyên lý cơ bản của anten (7) Id0 jr /  1 Hej s sin d 4  r r2 I Id0  jr / 11 y Ers cose 2 rjr232 x Id 21  Eej 0 sin jr / s 23 z 4  r r j2 r Id a Hj j 0 sine jr / φ s 2r θ y Ers 0 EssH r φ a Id0  j r / r Es jesin 2r x aθ Dẫn sóng & bức xạ 61
32. Các nguyên lý cơ bản của anten (9) Id0 jr / Hj s j sine 2r EH  Id j r / Ej 0 sin e Id0 2 r s 2r Ht sin sin 2r EH ss  2 Id0 22 2 r SEHr   sin sin t 2r  2 2  2 Id002 2 2 r SSr r 0 sindd  sin t  00 23r  22 Id00 2 Id Stb×nh  40 23rr 2 Dẫn sóng & bức xạ 63
33. Các nguyên lý cơ bản của anten (11) Ví dụ Xét một nggyuyên tố anten thẳng, dài d = 1m, có dòng điện I0 = 1A, đặt trong không khí. Tính công suất & tổng trở bức xạ trong 2 trường hợp: a) f = 3 MHz; b) f = 300 Hz Dẫn sóng & bức xạ 65
34. Các nguyên lý cơ bản của anten (13) I Đơn cực I Mặt dẫn Ảnh I Dẫn sóng & bức xạ 67