: המשך: – הפסדי הולכה המשך :
Transcription
: המשך: – הפסדי הולכה המשך :
הפסדי הולכה – המשך: הפסדי הולכה עולים לפי . f I בכבל קואקס למשל הזרם המשטחי שבחתך הפנימי הוא: 2 a b J s ולכן עבור רדיוס קטן הזרם גדל. בתדרים גבוהים (סדר גודל של ) 1G H zנתקשה להעביר כבלים ארוכים. כדי להתגבר על זה ,דרך אחת היא ע"י ביטול המוליך הפנימי ואז פשוט יהיה לנו חוט בודד הנקרא גלבו-עגול. במבנה כזה (בעל מוליך יחיד) לא ניתן לקיים ,TEMז"א לא ניתן לקיים תנאי שפה. לכן הדרך היחידה להעביר גלים בתנאים אלו היא ע"י מודים מזגזגים .TE-TM a חלול (הערה חשובה!! המרצה החליט כי חובה לראות את הסרט ג'וג'יטסו!) גלי :TM-TE באופן כללי ,הרכיבים החשמלי והמגנטי ניצבים זה לזה תמיד אך אין הדבר מחייב כי הם יהיו ניצבים שניהם לציר ההתקדמות ˆ. z נניח כי מגיע גל בזווית כלשהי ביחס לציר ההתקדמות ˆ zוזווית נוספת . ניתן להטיל את הגלים לפי ולהגדיר באופן הבא: גל TMהוא גל שמגיע בזווית כלשהי לציר ההתקדמות ˆ zומטילים אותו כך שהרכיב החשמלי יהיה במישור הנקבע ע"י ציר והמישורים השווי-פאזה המאונכים לציר ה . zˆ -במצב זה הרכיב המגנטי מאונך לציר ˆ zולכן הגל נקרא .TM כאשר מטילים בצורה הפוכה ,דהיינו ,שהרכיב החשמלי מאונך לציר ˆ , zהגל נקרא .TE נדבר על התפשטות רוחבית ואורכית: ˆ יש לנו ווקטור התקדמותk : v אנלוג קו תמסורת להתפשטות אורכית .k ראינו כבר בעבר כי המכפלה הסקלרית k r :היא ההיטל של rעל . k המכפלה הסקלרית קובעת את המישור שווה-פאזה. (לעיון נוסף ניתן להיעזר בהרצאה 1באופטיקה ,שם נידון הדבר באריכות). xxˆ yyˆ zzˆ j kxxk y ykz z ˆ j k x xˆ k y yˆ k z z z 2 t Q 0 v .2Q 2 2 Q x, y, z 0 במצב הרמוני יציב t j מקבלים: xˆ , yˆ 1 בתווך הומוגני (דיאלקטרי): ˆz אנלוג קו תמסורת להתפשטות תהודה רוחבית . e j k r e ניתן לכתוב בצורה פרטנית: e jk z j z eכאשר. k z : בפרט עבור התקדמות בציר ˆ zנקבל: e הוכחנו כי כל רכיבי V , A , E , Hמקיימים את משוואת הגלים התלת-מימדית ˆz 2 k 2 , v .k נחפש גל V המתקדם אורכית בכיוון ˆ , zדהיינו . Q x , y , z P x , y e j z :ברור כי. z j 2z 2 : 2 2 נסמן את הגרדיאנט בצורה הבאה )t=transversal( xˆ x yˆ y j zˆ t j zˆ :ואז מתקיים. t 2 : 2 נציב במשוואת הגלים . t k 2 2 P x , y 0 :היות ו k 2 , 2 -הם מספרים ניתן להגדיר. k t2 k 2 2 : נקבל את משוואת הלמהולץ: נציב בהלמהולץ: j kxxk y y P x, y 0 kt 2 2 t -זו היא משוואת הגלים הרוחבית. P x , y A eונקבל. t k t2 P 0 k x2 k y2 k t2 P 0 : 2 זה הוא פתרון בתנאי ש k x2 k y2 k t2 -מייצג משוואת מעגל .היות ופתרון זה הוא פתרון אחד אפשרי ,נוכל לכתוב באופן הכללי: j kx xk y y z n n An e Q x , y , z כאשר. k x2 k y2 k t2 : n n n הפתרון הכללי מורכב מסכום גלים מישוריים המתקדמים בזווית ביחס ל zˆ -בצורת קונוס. כך כאשר נתבונן במרחק מהראשית לכיוון ˆ zנקבל מעגל ברדיוס k tהמלא בגלים הנעים בהתקדמות k iוזווית iכלשהן אשר ממלאות את היקפו. |1 קווי תמסורת -סיכום ועריכה מאת שי ידרמן k i 1 ˆz t k i k אנלוג קו תמסורת כללי: ראינו את עיקר הפיתוח בהרצאה 1לקבלת משוואת הגלים: V I 0 2 C dz z I j C V היחס בין Vל I -הוא קבוע רק אם. V V 0 e j z : נשים לב כי אם היינו לוקחים רק את רכיב הסינוס (או הקוסינוס) לא היינו מקבלים יחס קבוע. מכאן שהיחס נשמר קבוע רק עבור הגל המתקדם והגל החוזר יחדיו. נראה זאת: L Z0 C LC , בהינתן L C L L L C C dz z 2dz dz z dz z . j V j L I I Z 0 נוכל לחלץ ולכתב: C dz dz ˆz V I . 2 Ldz zV j L I z Ldz Z0 ,C Z0 .L ˆy מצב :TE k בשביל הניתוח הראשוני ניקח . k y k t , k x 0 :לאחר מכן עבור לניתוח כללי. H Hy kt אנלוג קו תמסורת אורכי: / k cos E H cos Hy kt k kt sin E . TE yˆ אנלוג קו תמסורת רוחבי: ˆz Ex x z E V I HH y . Z0 x s in E y T E Z0 Ex y H V I H Z0 kt הקשר בין E x , H yהוא. y H z j C E x : 2 מהצבה בביטוים לעיל: kt 2 kt kt , C kt . L נחזיר למשוואה הקודמתE x : 2 t 2 k . y H z j kt ניקח את H y E x מהאנלוג של קו התמסורת האורכי ונציבH y : בסופו של דבר נקבל את המשוואה: המשוואה הכללית הבאה: yˆ t H z 2 tH z j 2 kt j 2 kt 2 t 2 k E x j 2 t 2 k . y H z j . H y באותו האופן אפשר לעשות את התהליך לכל ציר ולכן נקבל את . yˆ H t עבור השדה החשמלי נקבל. E E t TE H t zˆ : פותרים t k t2 H z 0 :עם תנאי השפה E t 0 :ו H t 0 -שאומר כי n H z 0 :מכיוון שהשדה המגנטי בניצב למשטח הוא קבוע והנגזרת nהיא ביחס לאנך למשטח. |2 קווי תמסורת -סיכום ועריכה מאת שי ידרמן :TM מצב yˆ E .) (אח"כ נבצע הכללהk x 0 - וk y k t : כעת, H - בE נחליף את,העיקרון דומה מאוד k Ey kt H :אנלוג קו תמסורת אורכי zˆ . TM cos yˆ V E IH Z0 V x H k :אנלוג קו תמסורת רוחבי y E I H Ey T M Z0 x z H Ez . Z0 x Ez sin Hx x kt k kt kt . y E z j L H x : הואE z - לH x הקשר בין 2 . y E z j kt 2 H x j 2 Ey kt TM 2 2 j Ey kt 2 j . Et 2 2 kt kt j tEz 2 Ey : ונקבלL kt 2 , C :נציב את :באותה ההכללה כפי שעשינו קודם מקבלים 2 . על השפות של המשטחE z 0 :.ה. עם ת t k t2 E z 0 : והמשוואה. H t T M zˆ E t :נבטא פורמלית : בגלבו לוחותTE – דוגמא xˆ 2 . x k t2 H z 0 : xˆ עלינו לפתור את משוואת הלמהולץ עבור a .Hz e : אוH z cos k t x : אוH z sin k t x :הפתרונות jk t x . על השפה n H z x H z 0 : כי עלינו לקייםH z cos k t x נבחר את zˆ . H z H 0 co s k t x x H z k t H 0 sin k t x 0 k t .Ht j k 2 t tH z j k 2 t . E E t T E H t zˆ T E . sin k t x e j z e 2j 1 המודים,מספיק קטן יהיה קיטעון jk t x k e jk t x אם, e j z k t H 0 sin k t x xˆ j kt 1 kt H 0 sin k t x xˆ H 0 sin k t x xˆ zˆ T E e 2j jk t x j z 1 e jk t x j z j kt a :לכן :כעת נפתור H 0 sin k t x yˆ :וגם : e j z -לפתרון כללי נכפיל ב 2j n k a 2 j n 2 - נשים לב כי היות ו.קיבלנו שני גלים מישוריים בלבד .הללו יעבדו מתדר מסוימים והלאה 4.1.12 : תאריך.10 עד כאן הרצאה סיכום ועריכה מאת שי ידרמן- קווי תמסורת |3 התפשטות במודים :TM , TE אנלוג קו תמסורת: ראינו כי: t co s T E כאשר :היא הזווית הנ"ל: k kt kc נראה את התלות בתדר: 2 I H Z 0 T E /T M אם k k c :אז יש התפשטות ו 0 -ממשי. אם k k c :אז יש קיטעון ו -מדומה טהור המקיים. Im 0 : (.)c=cutoff 1 c E t , T M co s V 2 2 f 1 c f k kc 2 k 1 c k 2 k . k cos cos k כל עוד C :יש התפשטות .כל המקדמים k , C , f C , :תלויים ב -ולכן נסיק כי אם גדול תדר הקיטעון יורד. 2 ניתן לעבוד עם סמית עבור TM,TEלא בקיטעון .נגדיר: ואיתו עובדים בסמית .שנאי ברבע אורך גל: g (g=guide) g אשר קשור ישירות לשינוי הפאזה לאורך ציר . 4 גלבו מלבני: y אין כאן TEMכי יש מוליך בודד בחתך .נתחיל במצב :TE 2 2 דרוש לפתור t k t H z 0 :עם תנאי שפה 0 , y H z y 0 , b 0 : H z x, y X x Y y X '' Y Y '' X k t X Y 0 / : X Y 2 נקבל: '' Y kt 0 2 ky 2 '' Y Y Y kx , 2 2 x '' X .יש לנו 2משוואות: x 0 ,a x H z X '' k x2 X 0 X ' x 0 , a 0 X '' X X Y '' k Y 0 Y ' y 0 , b 0 2 y x הפתרונות: 2 y 2 המודים נקראים( T E n m :חשוב לשמור על הסדר - n :של Xו m -של .) Yמתקיים: a X X 0 co s k x x n kx a k k k 2 t b Y Y 0 co s k y y m k y b 2 n m a b . kt kc ניתן לראות כי אסור המצב . n , m 0, 0 :למעט זה ,כל המספרים השלמים עבורם אפשריים. פתרון יחיד הוא. H z x , y H 0 cos k x x cos k y y : הפתרון הכללי הוא: cos k x x sin k y y נקבל את השדה החשמלי: j k y 2 kt sin k x x cos k y y 2 נרשום את תדירויות הקיטעון: 2 ˆ 0 sin k x x cos k y y yH jkk x 2 kt 2 t k ˆ 0 cos k x x sin k y y yH c n m v 2 2 2a 2b kcv מקובלנו כי a b :בה"כ. |4 j kx קווי תמסורת -סיכום ועריכה מאת שי ידרמן nm . fC ˆ 0 t H z xH jkk y 2 t k . j 2 t k .Ht ˆ 0 . E t T E H t zˆ xH z מבחינת התדרים ,התדר הנמוך ביותר הוא: v v . f C 1 0 התדר אחריו הוא: 2a a . f C 2 0 נשים לב כי התדר: v 2b f C 0 1 יכול להימצא או בתחום f C 10 f C 01 f C 20 :או בתחום. f C 01 f C 20 : בתחום המיקרוגל עובדים ב Mode-יחיד כך שהאינטרפייסים מותאמים לאותו Modeיחיד שהוא חייב להיות ה Mode-בעל תדר הקיטעון הנמוך ביותר שנקרא Modeדומיננטי .רוצים שבתחום העבודה ה-Mode--ים הגבוהים מהדומיננטי יהיו בקטעון. בהתאם לכך אנו רוצים לקיים f C 01 f C 20 :אך כדי למנוע פגיעה מיותרת בהספק נקבע f C 01 f C 20 :ולכן. a 2 b : אם רוחב הסרט יפלוש ל-Mode-ים גבוהים יותר אז לאחר מרחק ארוך ,בשל גימור לא מושלם ההספק הנ"ל יתחלק בין כל המודים שיכולים להתפשט. הספק מעבר לתחום רוחב סרט הרצוי אשר יתחלק בין שני התדרים שיכולים להתפשט בגלבו .אנו נפסיד מכך היות ואנו מעוניינים בהעברה של תדר אחד (הנמוך). ניקח כדוגמא את הדגם.WR-62 : המידות שלו הן( 1.58 0.79cm 2 :בדיוק.) a 2 b : 8 ניתן לחשב את תדר הקיטעון 9.486 G H z : 2 3 10 2 1.58 10 c 2a . fC f בדפי נתונים יש תחום מומלץ של תדרים לעבודה (אצלנו.) 12.4,18 G H z : f C 20 f C 10 בד"כ התחום הוא 1.25 f C 10 , 0.95 f C 20 :או. 1.25 f C 10 ,1.9 f C 10 : תרגיל: נתון גלבו מלבני 4 2 cm 2 :המעורר בMode- בתדר מרכזי. f 2.5GHz : מצא את אחוז ההספק המוחזר והמועבר. )(2 )(3 )(1 T E10 b r =1 r 4 פתרון: 1 .5 c m r 4 a להלן תיאור האנלוג לקו תמסורת: נקבל את התדר המינימלי: 1.875 G H z 4 c/ 2a כמו כן: c 3 .7 5 G H z 2a 2a 2 2 0 2 2 f 2 f 1 C1 v1 f 9 3.75 3.75 1 1 -j 1 -58.5 j m 2.5 2.5 העכבות: 2 1 l 1 .5cm 1 .8 7 5 1 1 6 9 .2 6 m 2 .5 337.2 j Z 01 . fC 2 2 נמצא: v . fC1 Z 02 Z 01 285 , Z 02 0 1 . 1 k1 co s 1 k1 2 f 2 2.5 10 1 C2 8 3 10 f 2 f c ( . 2 קיטעון ולכן.) Im 2 0 : . Z 01 נשים לב כי בקיטעון העכבה היא תמיד השראותית. לעניין , לא ניתן להשתמש בסמית כי אנו בקיטעון ,לכן נעבוד רק עם הנוסחאות: Z 01 jZ 02 tan 2 l Z 02 jZ 01 tan 2 l נקבל: 2 2 Z 02 285 j 337.2 j tan -58.5 j 1.5 10 285337.2 j 285 j tan -58.5 j 1.5 10 נקבל Z in 105.7 300.8 j :ואז: Z l jZ 02 tan 0 l Z 02 jZ l tan 0 l . 337נעזר בזהות. tan jx j tan x : 0.084 0.705 j 2 Z in Z 01 Z in Z 01 . ההספק המוחזר 0.5043 :ואחוז ההספק המועבר.100-50.43=49.57% : |5 . Z in Z 0 Z 02 קווי תמסורת -סיכום ועריכה מאת שי ידרמן TMבגלבו מלבני: יש לפתור את t2 k t2 E z 0 :עם תנאי השפה: 0 0 , Ez y 0 ,b m נקבל את הפתרון E z x , y E 0 sin k x x sin k y y :כאשר: x 0 ,a , ky b n a Ez .kx כעת רואים כי מספיק ש n -או mיהיו אפס וזה מבטל הכל .ה Mode-הנמוך ביותר הוא T M 11 :ולכן מעדיפים לעבוד עם .TE מהירות פאזה ,מהירות חבורה ודיספרסיה: v הגל בתוך גלבו הולך בזיגזג ולכן אם נניח כי הוא נע במהירות vובזווית ביחס לציר ההתקדמות (ציר ) z נוכל לומר כי מהירות החבורה שלו היא ההיטל על הציר. v g ro u p v co s : נביט על גל מתקדם . e j z :נוסיף את התלות הזמנית e j t :ונקבל: נסמן זאת: v v ph ונפשט: cos k cos z j t / e j t j z . eהביטוי: נפשט g : 2 2 k cos cos ולכן: T z נקרא מהירות הפאזה. . v ph נקבל בסוף. v g v ph v 2 : להלן מופיעה אינטרפרטציה גיאומטרית של מהירות הפאזה: באדום מסומנים מישורים שווי-פאזה ומרחקם הוא . g v g v co s v v ph כאשר: v .T z vg co s 2 1 2 v ph 2 2 . k 1 c 1 c התלות של ב -היא c : v v עבור cנקבל קירוב לישר ולכן האסימפטוטה שבסרטוט. נמצא את הנגזרת: d d 2 הנגזרת היא v g : :נעלה בחזקה : v v ph 2 v d d c 2 2 2 d 1 2 v 1 2 . 2 . 2 d v c למעשה רואים כי ערך הנגזרת בכל נקודה הוא מהירות החבורה. עד כאן הרצאה .11תאריך11.1.12 : דיספרציה במערכות מיקרוגל: ראינו כי c : 2 2 1 v . נעבוד סביב תדר 0אשר לו מתאים ערך . 0הוכחנו בשיעור שעבר כי: d מהירות החבורה היא v : 0 d . v g אנו מעוניינים להעביר סיגנל בזמן. נניח שיש לנו סיגנל של פולסים במחזור Tעם תדר בסיס: 2 T .c נסתכל על פולס בודד ,ניתן לקרבו ל f t -אשר לה התמרה פורייה: |6 קווי תמסורת -סיכום ועריכה מאת שי ידרמן t dt i t f t e . F v 0 0 . v ph מאפננים את הפולס עם גל נושא בתדר g t f t e i t : 0ומקבלים - G F 0 :הזזה בתדר של הפולס. במהלך הקורס פתרנו עבור כל רכיב ספקטראלי בנפרד. בגלבו TE/TM -נכנס g t :ואנו רוצים את למצוא את הפונקציה בקצה הגלבו. g 1 t , z : היות ואנו יודעים לפתור עבור על רכיב בנפרד ,עלינו לחבר את כל הפתרונות. 0 משמעות החיבור היא אינטגרל פורייה: d j t z G e 1 2 . g1 t , z ניתן לראות כי כל מרכיב ספקטראלי מושהה בפרק זמן של . zנסמן פאזה. t z : z עבור TEMראינו: ולכן כשנציב נקבלd g t : v v z j t v G e 1 2 . g1 t , z רואים כי קו תמסורת TEMלא מעוות את הפונקציה אלא רק משהה אותה בזמן. z / v : נפתח את המעבר בקו :TE/TM נתמקד סביב תדר בסיס 0ונפתח לפי טור טיילור את הפאזה שהוגדרה קודם: 2 1 . 0 ' 0 0 '' 0 0 2 תחילה נראה את ההשפעה על 0 ו: ' 0 - נוכל לכתוב: z d / d z f t v g . 0 0 t 0 z , ' 0 t נציב זאת בהתמרה ונקבל את המסקנה הבאה: z j 0 t v ph d ' e z j ' t v g F ' e z j 0 t v ph e 1 2 d z j 0 t v g e z j 0 t v ph F 0 e 1 2 g1 t , z רואים כי גל נושא מושהה ב z / v g -ונוסע במהירות . v p hהמידע עובר ללא עיוות. הנגזרת השנייה תעוות את הפאזה יותר ויותר ככל שמתרחקים מתדר הבסיס (כי אז הביטוי '' 0 0 2 z 1 2 גדול יותר). j 0 t v t2 ph e : הזמן במישור , לתדרים בהתאם ישתנה המשמעות היא שהביטוי cos '' קונבולוציה בזמן עם קוסינוס .הנגזרת השנייה '' היא: d 1 d v g d jt 0 e 1 Fולכן המידע עובר 2 z d . '' z קרינה: ידוע כי מתוך J x , y , z אפשר לחשב את השדות החשמלי והמגנטי בכל מקום במרחב. נסתכל על קואקס למשל ,נוכל למצוא את השדה החשמלי בתוכו ומחוץ לו וכן את השדה המגנטי במרחב .באמצעות מ.מקסוול. במקרה זה ,היות ואין שדות מחוץ לקואקס ,אין קרינה מחוץ לו אלא רק בתוכו. כדי לקבל קרינה עלינו לשנות את הגיאומטריה ,כגון נתק: המשמעות של קרינה היא שקיימת זווית מרחבית כלשהי שלתוכה מוזרם הספק. ההספק תלוי במרחק באופן הבא: 1 2 r P r d 2 .S A r d 2 d |7 קווי תמסורת -סיכום ועריכה מאת שי ידרמן תנאי לקרינה הוא התאבכות בונה משני זרמים בכיוון הזרימה. r1 נקבל באופן כללי: I e jkr1 e jkr2 r jkr2 e I jkr1 e r I jkr2 r I e jkr1 e r2 I r2 E r1 במכנה קירבנו לפי r1 r2 r :אשר אסור לבצע בחזקה. התנאי הוא (התאבכות בונה): jkr2 e jkr1 I d d cos I eואז kr2 2 n 1 kr1 : או . k r2 r1 2 n 1 :ניתן לראות כי: r2 r1 d cos רואים כי גם ל n 0 -יש פתרון רק אם , kd :ז"א: d c ולכן 2 n 1 : kd . co s .k כלל אצבע :קווי תמסורת TEMבקצוות לא קורנים (כל עוד התדר נמוך מספיק כדי לא לעורר .)TE/TM כדי "לעזור" לקרינה להתרחש נפתח את המוליכים (אז נקבל אנטנה באורך .) l במצב זה נקבל אזור די גדול עם זרמים שתומכים זה בזה. באותה השיטה נקבל כי כעת. kl co s 2 n : תמיד יש פתרון ל . n 0 -כדי שבכלל יהיו זרמים צריך ש d -יהיה מסדרי גודל של . r1 I r2 l d l cos I אנטנות קוויות: מושגי יסוד של אנטנות: .1מקור איזוטרופי :מקור שקורן הספק שווה לכל הכיוונים. מקבלים: W 2 4 r m PT 2 .)T=Transmit( S בפועל אין אנטנה איזוטרופית במציאות כי תמיד נקבל הפרשים בעוצמת ההספק במרחב. .2כיווניות: לכן מגדירים את הכיווניות D , :אשר מבדילה בין העוצמה במרחב: W D , 2 4 r m PT 2 .S 2 יש תנאי עם הכיווניותsin d d PT : 2 Sr -המשמעות היא שלא ניתן להגדיר כיווניות שתניב ערך הגדול מההספק המשודר. 0 0 2 נסמן את אלמנט השטח: d sin d d ונקבל את התנאי D , d 1 : 0 0 1 4 D , PT PT 4 2 Sd . 0 0 .3אימפדנס קרינה: אנטנה צורכת הספק מהמקור ומשדרת החוצה . PTנסמן מתח מקור. V : 2 ההספק המדומה של המקור הוא S VI * IZ A I * I Z A :כאשר - Z Aאימפדנס האנטנה. 2 נגדיר . Z A R A jX A :החלק הממשי הוא( PT R e S I R A :החלק המדומה לא מעניין אותנו). קוראים ל R A -התנגדות הקרינה. אנטנה במצב קליטה: כעת מגיע הספק אל האנטנה ועלינו למצוא את שקול התבנין שלה. העכבה השקולה מתקבלת מקיצור מקורות אקטיביים ולכן. Z th Z A : מתח התבנין הוא .)Open Circuit( V th V oc :לכן מקבלים את: |8 קווי תמסורת -סיכום ועריכה מאת שי ידרמן ZA מעגל תמורה של אנטנה בשידור ZA ZL VO C 2 נגדיר את ההספק הנקלט: VO C Re Z L . Pr PL O A D ZA ZL 2 העומס שיבטיח הספק נקלט מירבי הוא Z A* Z L :והוא: VO C 4RA 2 VO C RA 2RA נגדיר מקדם פרופורציה A , :הנקרא – שטח חתך אפקטיבי – ושווה: נציב זאת ונקבל: 4 R A S A , 2 Pr זה הוא ההספק המתואם. A , S Pr m axכאשר Pr m ax :מתקבל בתיאום. . VO C .4הדדיות :Reciprocity רשת הדדית היא רשת שבה הזרמת זרם לפורט הכניסה ( )1תגרום למתח ריקם בפורט היציאה ( )2אז הזרמת אותו זרם לפורט היציאה ( )2תגרום לאותו מתח ריקם בפורט הכניסה (.)1 {כל מערכת ליניארית ופאסיבית היא גם הדדית (ללא דיודות או שאר דברים שנושאים הספק לכיוון אחד.}).. הפעלת משפט הדדיות על מערכת 2אנטנות: נתונות אנטנת שידור ואנטנת קליטה במרחק rגדול. אותנו מעניין לדעת כמה מההספק המשודר קולטת האנטנה השנייה. ניתן להמיר את שתי האנטנות למערכת .Two-Port 2 ההספק המשודר הוא PT I R A1 :ולכן: נכתוב: 4 R A 2 S A2 2 , 2 2 D1 1 , 1 VO Cונציב: 2 4 r r 2 לכל אנטנה בעולם: D , co n st I PT 2 4 r 4 RA2 2 VO C . VO C R A1 R A 2 A1 1 , 1 D 2 2 , 2 I I r . VO C R A 1 R A 2 A2 2 , 2 D1 1 , 1 r I r A2 2 , 2 D1 1 , 1 A1 1 , 1 D 2 2 , 2 כדי שהשוויון יתקיים לכל 1/ 2 , 1/ 2אז: A , 1 S ווקטור הפוינטינג המשודר. כעת נחליף :אנטנה 2תשדר ואנטנה 1תקלוט .ברור כי כל החישוב זהה ולכןR A1 R A 2 A1 1 , 1 D 2 2 , 2 : מההדדיות נשווה עפ"י הגדרה ונקבל : r 1 2 D1 1 , 1 A2 2 , 2 I או בסוףR A1 R A 2 A2 2 , 2 D1 1 , 1 : PT I A2 2 , 2 . D 2 2 , 2 A1 1 , 1 D1 1 , 1 מהביטוי הנ"ל ניתן להבין כי אנטנה קולטת חזקה מאותו כיוון שאליו היא משדרת חזק. מבחינת היחידות רואים כי הקבוע הזה צריך להתאים ל m 2 -והערך היחיד שמתאים ליחידות אלו ותלוי בתדר הוא אורך הגל. על סמך קבוע זה נראה את נוסחת ְפרִיס ):(Friis DT T , T D R R , R 2 נעזרנו בהחלפה: |9 4 PT 2 D R R , R 4 r / A , אשר תוכח בשיעור הבא. D , 2 4 קווי תמסורת -סיכום ועריכה מאת שי ידרמן PT D T T , T 2 4 r DT T , T PT 2 4 r Pr m ax AR R , R השוואה בין תקשורת חוטית ותקשורת אלחוטית: כאשר משדרים באנטנה אלחוטית מקבלים את היחסיות: PT 2 r / . Pr כאשר מעבירים מידע בקו תמסורת מקבלים. Pr PT e z : בביטוי זה ניתן לראות כי אם המרחק ממש גדול נקבל עדיפות לשידור אלחוטי. באופן הפוך ,במרחקים קטנים עדיף תקשורת חוטית. עד כאן הרצאה .12תאריך18.1.12 : אנטנת זרם: בדיון על אנטנה נזניח את תופעות ההפסדים ונתמקד בשני מצבים :שידור וקליטה. אנטנה במצב שידור: I 0 נכנס זרם הזנה I 0למעגל אשר מגיע לעומס. Z A R A jX A : D , 2 ההספק המשודר הוא PT I 0 R A :וההספק המרוכב השלם: PT 2 4 r ZA .S כדי לדעת את אופי השידור יש לדעת את . D , R A אנטנה במצב קליטה: I 0 במצב זה חלק מההספק הממשי נופל על העומס . Z L R L jX L חלק נוסף נופל על Z Aוהוא מגיע כתוצאה משידור של האנטנה במצב קליטה. כן – אנטנה אשר קולטת תדר מסוים מיד משדרת את התדר הזה. 2 2 לכן יש לנו Preceive I 0 R L :ו. Pretransm it I 0 R A - ZA VO C ZL סה"כ ההספק המדומה הוא. S V O*C I 0 : נמצא את הביטויים של D , R Aעבור מצב שידור: נתונה אנטנה משדרת שבה זורם זרם . I z נמצא את E , Hהרחוקים. יש להיעזר במשוואות מקסוול הלא-הומוגניות. E V f A : השדה המגנטי הוא B 0 H :והשטף: מכיילים את הפוטנציאל לפי כיול לורנץ: tV 0 הפוטנציאלים המכוילים לפי לורנץ מקיימים: Ad l 1 2 c . Bda ( A זה דומה לקשר בין Jל - -משוואות הרציפות.) J t 0 : t V c 0 1 2 2 V ו- t A 0 J c 1 2 .2 A מספיק לפתור רק את . 2 A 0 J :פונקצית הזרם היא J x , y , z , t ולכן ניתן לפתור את המשוואה הבאה: G t t ' x x ' y y ' z z ' 2 ואז: ' Jdx ' dy ' dz ' dt 0 G הפתרון הוא של פונקצית גרין: | 10 .A t t ' R / c 4 R ,G קווי תמסורת -סיכום ועריכה מאת שי ידרמן 2 . R x x ' y y ' z z ' 2 2 : נקבל. J x ', y ', z ', t ' I z x ' y ' e j t ' zˆ :נסמן את הפתרון שלנו Az 0 t t ' R / c 4 R I z ' x ' y ' dx ' dy ' dz ' dt ' 0 e j t R / c I z ' dz ' e 4 R 0 e jkR 4 R I z ' dz ' x y z z ' .) עקב אי ההשפעה שלו בפעולות המתמטיותe j t (מקובל שלא לכתוב את הביטוי. R z j t 2 2 2 :כאשר . נכתוב זאת באקספוננט. R r z ' cos :לפי הקירוב ניתן לכתוב . עקב זניחות ההפרשיםR r במכנה נכתוב פשוט R r e .G r z ' cos . F F I z ' k jkr : כאשרAz 0 G r e jk cos z ' I z ' dz ' :נכתוב 4 r : ונשים לב כי מדובר בהתמרת פורייהF e jk cos z ' I z ' dz ' :נסמן z k cos . A z 0 G r F :בסוף :כעת נמצא את השדות . zA ˆ z A z zˆ : מתוך הפתיחה ניתן לראות כי. B A zA ˆ z :השדה המגנטי יחושב לפי 1 1 1 . A z 0 r G r F rˆ F G r ˆ 0 jk G r F rˆ F G r ˆ :נפתח את הביטוי r r r . נשתמש בזה במשוואה המקורית. jkrˆ : רואים כי. A z jkrˆ A z :ולכן 1 k r :עבור שדה רחוק . H jkG r F sin ˆ : ולכןrˆ zˆ ˆ sin : כאשרB zA ˆ z jkrˆ zA ˆ z :נקבל :כאשר נציב זאת בכיול לורנץ נקבל את משוואת מקסוול E V j A 1 j 0 1 H j 0 jkrˆ H 0 jkG r F sin ˆ F . leff f sin : האורך האפקטיבי של האנטנה יוגדר. f I0 :נגדיר פקטוריזציה של האנטנה :ההספק על קליפה כדורית רחוקה מהאנטנה . S E H 0 k * 2 16 R 2 2 F 2 sin rˆ 0 2 2 . PT S da S r rd r sin d 0 0 0 . RA 0 . D , S r 4 r PT . 1 4 l eff 1 4 2 2 2 16 2 I0 2 16 l eff 2 16 R k k I0 2 I0 2 2 2 rˆ :ההספק המדומה הוא 2 l eff l eff 2 2 d :ההספק הממשי d : היאR A -נוסחה ל 2 l eff k 2 : ע"י חילוץ מהביטוי העליוןD , נמצא את d D , d 1 :נשים לב כי הביטוי הזה כבר מנורמל לפי תנאי הנירמול . D , 0k 2 4 R A l eff 2 :הקשר בין שני הפרמטרים סיכום ועריכה מאת שי ידרמן- קווי תמסורת | 11 E :אנטנות בקליטה xˆ . האנטנה הקולטת מקבלת גל שניתן להתייחס אליו כאל מישורי בזווית מסוימת . k k sin xˆ k cos zˆ : כאשרe jk r :הפאזה של הגל המישורי הפוגע היא j kx sin kz cos jkz cos e . e jk r : הפאזה על האנטנה היא. e jk r e :נקבל 1 I x0 :ההספק המדומה הוא . H da 2 a E z z ' H S E E sin e z z * y jkz cos I * z ' dz ' z ' dz ' E z z ' I * z ' dz ' * y E sin F E I 0 l eff V O C I 0 * * * * . E leff V O C :רואים מכאן את ההגדרה Pr .A VO C S 2 / 4RA S E 2 l eff 2 0 4RAS 4RA l eff 2 4 D , :שטח החתך האפקטיבי הוא :גורם חוסר תיאום . Pr 2 2 VO C VO C 2 : ההספק הנקלט תחת עומס מתואם הוא, Preceive I 0 R L 4RA ZA ZL :)הספק העומס הוא (הנקלט RL .)Return Lost : (מלשוןR L Preceive Pr Z0 4 R A RL 2 ZL . RL 1 ZA ZL :נגדיר 2 :ניתן לראות זאת גם במעגל התמורה 2 ZA ZL 4 R A RL :)אנטנת דיפול נקודתי (הרציאנית .) דרך האנטנה (אנו גם לא דורשים איפוס הזרם בקצוותI 0 בעלת זרם אחיד l האנטנה היא קצרה מאוד 0.5 l .z' l : נשים לב כי מהדרישהF I z ' e jk z z :נפתח באינטגרל פורייה dz ' 0.5 l k z k cos . I z I 0 l z : בצורה מתמטית יותר אפשר לכתוב. F I 0 l :הזרם קבוע ולכן . l eff . RA 0k 2 2 16 2 l 0 0 2 eff d 0k 2 2 16 2 l 0k l 4 2 2 2 sin d d 3 8 0 0 .)1.5 (הכיווניות המירבית היא שלD , 0k 2 4 R A 0k l 2 2 6 3 l eff F sin 2 :האורך האפקטיבי 2 2 l l 0 790 :כעת 3 2 0k 3 2 l sin I0 2 3 2 2 2 l sin sin :וכן 4 2 0 l 2 z r סיכום ועריכה מאת שי ידרמן- קווי תמסורת | 12 פילוג הזרם באנטנה (כמו קואקס בעל רדיוס חיצוני אינסופי): zˆ a בגלי TEMסימנו k :לאורך ציר ˆ zולכן. I z Ae jkz Be jkz : 0.5l E עבור z 0נקבל I 0 I 0 :ו . I 0.5 l 0 -יש לנו 2משוואות בשני נעלמים. jkl נקבל: 1 jkl I0e 2 A ו- 2 j sin 0.5 kl לכןsin k 0.5 l z : 1 2 H I0e 2 j sin 0.5 kl I0 sin 0.5 kl .B I0 .I z I 0 מסימטריה נוכל לדרוש עבור z 0 :את אותו הדבר. בסה"כ נקבל את התוצאה הסופי הבאה : sin k 0.5 l z I0 sin 0.5 kl .I z הביטוי הזה הוא של אנטנת גל עומד. 0.5l עד כאן הרצאה .13תאריך25.1.12 : בשיעור שעבר חישבנו פרמטרים של דיפול נקודתי. ראינו כי עבור אנטנת גל עומד : 2 sin k 0.5 l z I0 sin 0.5 kl .I z R A 790 אשר מאוד קטנה לפי הדרישה כי. l : l קיבלנו התנגדות : I z / I0 z 0 .5l לא חישבנו את הקיבול של האנטנה X Aמפאת הזמן אבל הוא גדול מאוד. 0 .5l I z / I0 נצייר את הביטוי של הזרם כתלות ב( z -הגרף הראשון). הגרף הנ"ל מתאים לאנטנת 4 l או. lk 0 .5 : z 0 .5l בגרף הבא (שני) מתקיים . lk 0 .5 :ההבדל הוא בקצב העלייה והירידה של הגרף. 0 .5l I z / I0 כאשר kהולך וגדל יווצר מצב שבו הגרף מגיע לערכו המירבי לפני הציר (שלישי). במצב הקיצוני ביותר l lk נגיע למקרה שבו אין זרם במרכז (רביעי). האנטנה השימושית ביותר היא זו שמתוארת בגרף השני שבו: 2 I z / I0 .l z נמצא את הפרמטרים של האנטנה: נפתח בהתמרת פורייהdz : jk z z e I m sin k 0.5 l z 0.5 l 0.5 l סימנו: | 13 I0 sin 0.5 kl z k z k cos . F F I z . I m נפריד את האינטגרל לשני חלקים עקב הערך המוחלט. קווי תמסורת -סיכום ועריכה מאת שי ידרמן 0 .5l 0 .5l 0 .5l 0 .5l 0 0.5 l I m sin k 0.5 l z e jk z z I m sin k 0.5 l z e dz 0.5 l jk z z dz 0 :נפשט את האינטגרל הראשון 0 I m sin k 0.5 l z e 0 jk z z dz z ' =- z 0.5 l I m sin k 0.5 l z ' e 0.5 l jk z z ' dz ' z ' = z 0.5 l 0.5 l . I m sin k 0.5 l z e 0.5 l jk z z dz 0 I m sin k 0.5 l z e jk z z dz 0 I m sin k 0.5 l z e jk z z 0 0.5 l jk z jk z dz I m sin k 0.5 l z e z e z dz :נקבל 0 0.5 l : ונעזר בזהות טריגונומטרית2 I m sin k 0.5 l z cos k z z dz :נפשט 0 0.5 l Im sin 0.5 lk k z k z sin 0.5 lk k z k z dz 0 cos 0.5 lk k z k z cos 0.5 lk k z k z Im k kz k kz 0 0.5 l kl cos cos cos k sin 2 2k F I m 2 . F 2 Im k l kl cos z cos k k 2 2 2k 2 2 z kl kl cos cos cos 2I0 kl 2 2 : ונקבלk z k cos :נציב 2 2 k sin 0.5 kl sin kl cos cos : ) נקבל מצב הרבה יותר פשוטkl 1 2 n : (אוkl 2 n :נשים לב כי עבור k sin 2 . בסכימה לכל אורכהX A 0 : ובהםl 1 2 n :התנאי מוביל לכפולות שלמות של חצאי אורך גל 2 2I0 2 . l eff kl kl cos cos cos F sin 2 2 2 : נחשב זאת, l eff :נגדיר I0 k sin 0.5 kl sin 2 . RA 0 k 2 2 16 2 l 2 eff 0 sin d d 2 sin 0 0 x . Si x 0 sin u u 2 0.5 kl 0 kl kl cos cos cos 2 2 d sin : R A נחשב את du :בעיקרון יש ביטוי סגור לאינטגרל המבוטא באמצעות הפונקציה .)Mathlab-אין לנו צורך בזה ונסתפק בתיאור גרפי של ערך האינטגרל (אשר ניתן למימוש ב R A sin 2 0.5 kl :נקבל בקירוב את הגרף הבא .)(המרצה אמר שישלח במייל קוד להרצה כדי שנוכל לראות את הגרף המדויק 1 2 0 .6 8 1 0 5 .4 2 7 3 .1 kl 1 3 5 סיכום ועריכה מאת שי ידרמן- קווי תמסורת | 14 . D 0k 2 4 R A l eff 2 kl kl cos cos cos 0 2 2 2 R A sin 0.5 kl sin 2 : D נחשב את :נצטמצם למקרים החשובים , D kl co s co s 0 2 RA sin 2 , l eff kl co s co s 2 2 k sin : ובוkl 1 2 n :המקרה ראשון . R A 73.1 , 105.42 , 120.68 :ההתנגדויות n0 n 1 n0 n2 1 .9 5 1 3 .2 1 .2 1 0 .5 n 1 0 .5 kl co s co s 2 : sin 1 0 .5 n2 2 :נצייר את .) בין עוצמת הכיווניות במרחב לזווית השידורtradeoff (רואים כי יש. היא כדי לא לקבל אונות צדn 0 -הסיבה שמשתמשים ב . n 2 0.994 , n 1 1.13 - ו. n 0 :עבור 0 RA 1.64 cos 0.5 cos 2 cos 0.5 cos . R A 73.1 , D 1.64 , l eff sin k sin 2 :מחישוב מהיר מקבלים : מקבליםl 2 בפרט עבור :תרגיל 50 10 v f 100 M H z 90 t R 90 :נתונים המשדר והמקלט הבאים .האנטנות הן באורך חצי גל . חשב את אורכי האנטנות.א . לאנטנה המשדרתZ in חשב את.ב . חשב את ההספק המשודר.ג . באנטנה קולטתV o c חשב את.ד ? מהו שקול תבנין.ה . חשב את ההספק הנקלט במקלט.ו Z 0 73.1 Z in R L 50 3km :פתרון .l 1 .5 m 2 : שתי האנטנות הן באורך חצי גל ולכן. c 3 m .א f . Z in R A j X A 73.1 : יש / 2 לאנטנות.ב 2 . Pt 10 50 Z in R e Z in 10 50 73.1 2 73.1 0.48W 2 cos 0.5 cos E 8 W 1.64 7 10 2 sin m 0 : נקבל.ג 2 .S Pt 4 r 2 D t t 90 0.48 4 3 10 3 2 : ההספק הכולל.ד סיכום ועריכה מאת שי ידרמן- קווי תמסורת | 15 השדה הוא: V 3 3 7 7 1 .6 2 4 1 0 8 S 0 7 1 0 m האורך האפקטיבי: 0.955 m 2 2 / .E 2 cos 0.5 cos R sin R . l eff R לכן. V oc l eff E 1.55 m v : k ה .יש לנו תיאום ולכן: R A 73.1 2 9 וR e 50 7.93 10 W . V oc 73.1 50 . PR j l 50 R A 73.1 Voc Z 0 73.1 V oc e אנטנת מונופול: יש לנו מקור בודד המחובר לארקה .מטען qשנע במהירות vיוצר שיקוף בהארקה qשנע ב. v - עקב כך החישוב של אנטנת דיפול תקף כאן אבל רק מעל לארקה. נשים לב כי המתח הוא חצי מהמתח המשודר כי הוא מחובר לקרקע וזהו. לכן עבור אותו זרם הזנה יש חצי מתח הזנה ואז: . Z A m onopol 0.5 Z A dipole , l effm l effd , D m 2 D d q הארקה q דוגמא: נתונה אנטנת סלולרי מונופול ( / 4השקולה לאנטנת דיפול של ) / 2על גג מכונית הקולטת ב . 9 0 -נתון: W 2 m . f 1G H z , S 1 1 0 6 א .חשב את אורך האנטנה. ב .חשב את . V o c ג .חשב את . A ד .עבור איזה Z Lיש תאום? מה ההספק הנקלט עבור Z Lמתואם? פתרון: א 0.3 m . c . f ב .האורך הוא 9.55 cm : 2 cos 0.5 cos sin k , leff 90 לכן: V m S 0 0 .0 1 9 4 2 cos 0.5 cos 2 D d 2 1.64 3.28 : כאשר , A ג .נעזרD : sin 4 1 1 ד . Z A m Z A d 7 3 .1 3 6 .5 5 0 j .דרוש. Z L Z A* 36.55 : 2 2 E ואז. V oc 1.85 m v : 2 . D D mלכן. A 0.0235 m : ההספק הנקלט בתיאום הוא. PR A S 0.0235 10 6 23.5 nW : 2 דרך נוספת היא: 23.5 nW 1.85 10 3 4 36.55 2 V oc 4RA . PR עד כאן הרצאה .14תאריך1.2.12 : | 16 קווי תמסורת -סיכום ועריכה מאת שי ידרמן 2