Waveguide, Teori 1 dan 2

Kali ini ane pengen sharing materi kuliah ane untuk mata kuliah Gelombang Mikro. Mata kuliah ini disampaikan dikelas ane pada hari Selasa, 22 November 2011 Jam 19.00 WIB di kampus ISTN CIKINI, JakPus.

 Nah berikut santapan ilmunya:

Teori Waveguide 1 

Dua-kawat Jalur transmisi yang digunakan dalam rangkaian konvensional tidak efisien untuk mentransfer energi elektromagnetik pada frekuensi gelombang mikro. Pada frekuensi ini, energi kabur oleh radiasi karena ladang tidak terbatas ke segala arah, seperti digambarkan pada Gambar 1-1. Garis coaxial lebih efisien dari dua baris kawat untuk mentransfer energi elektromagnetik karena ladang benar-benar dibatasi oleh konduktor, seperti digambarkan pada Gambar 1-2.

 

Gambar 1-1. - Fields terbatas hanya dalam dua arah.

Gambar 1-2. - Fields terkurung di segala penjuru.

Waveguides adalah cara yang paling efisien untuk mentransfer energi elektromagnetik. Dasarnya koaksial WAVEGUIDES baris tanpa pusat konduktor. Mereka dibangun dari bahan konduktif dan bisa persegi panjang, lingkaran, atau elips dalam bentuk, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1-3.

Gambar 1-3. - Waveguide bentuk.

Waveguide Keuntungan

Waveguides memiliki beberapa keunggulan dibandingkan dengan dua kawat dan jalur transmisi koaksial. Sebagai contoh, area permukaan besar akan sangat mengurangi waveguides TEMBAGA (I 2 R) KERUGIAN. Dua jalur transmisi kawat tembaga memiliki kerugian besar karena mereka memiliki luas permukaan yang relatif kecil. Luas permukaan konduktor luar dari kabel koaksial besar, tapi luas permukaan konduktor dalam relatif kecil. Pada frekuensi microwave, arus-daerah membawa konduktor dalam terbatas pada lapisan yang sangat kecil pada permukaan konduktor oleh suatu tindakan yang disebut EFEK KULIT.

Efek kulit cenderung meningkatkan resistansi efektif konduktor. Meskipun perpindahan energi dalam kabel koaksial disebabkan oleh gerakan medan elektromagnetik, besarnya bidang dibatasi oleh ukuran daerah membawa arus dari konduktor dalam. Ukuran kecil konduktor pusat bahkan lebih jauh dikurangi dengan efek kulit dan energi transmisi dengan kabel koaksial menjadi kurang efisien daripada oleh waveguides. KERUGIAN dielektrik juga lebih rendah daripada di waveguides dua kawat dan jalur transmisi koaksial. Dielektrik kerugian dalam dua-baris koaksial kawat dan disebabkan oleh pemanasan insulasi antara konduktor. Isolasi dielektrik berperilaku sebagai sebuah kapasitor yang dibentuk oleh dua kawat dari saluran transmisi. Tegangan potensial di dua kawat penyebab pemanasan dielektrik dan menghasilkan daya yang hilang. Dalam aplikasi praktis, yang sebenarnya rincian insulasi antara konduktor dari saluran transmisi lebih sering masalah daripada adalah kerugian dielektrik.

Breakdown ini biasanya disebabkan oleh tegangan stasioner paku atau "node" yang disebabkan oleh gelombang berdiri. Berdiri gelombang stasioner dan terjadi ketika bagian dari energi yang merambat di dalam garis tercermin oleh ketidaksesuaian impedansi dengan beban. Potensi tegangan gelombang yang berdiri pada titik-titik besar terbesar bisa menjadi cukup besar untuk memecah isolasi antara saluran transmisi konduktor.

Dielektrik dalam waveguides adalah udara, yang memiliki jauh lebih rendah daripada konvensional kehilangan dielektrik bahan isolasi. Namun, waveguides juga tunduk pada dielektrik kerusakan yang disebabkan oleh gelombang berdiri. Berdiri gelombang waveguides lengkung yang menyebabkan menurunkan efisiensi perpindahan energi dan dapat sangat merusak Waveguide. Juga karena medan elektromagnetik benar-benar terkandung dalam Waveguide, disimpan kerugian radiasi sangat rendah.

Kemampuan penanganan Power-keuntungan lain waveguides. Waveguides dapat menangani lebih banyak kekuatan daripada garis koaksial dengan ukuran yang sama karena daya kemampuan penanganan secara langsung berkaitan dengan jarak antara konduktor. Gambar 1-4 menggambarkan jarak antara konduktor yang lebih besar dalam Waveguide.

Gambar 1-4. - Perbandingan antara jarak pada kabel koaksial dan Waveguide melingkar.

Dalam pandangan keuntungan waveguides, Anda akan berpikir bahwa seharusnya waveguides satu-satunya jenis jalur transmisi yang digunakan. Namun, waveguides memiliki beberapa kekurangan yang membuat mereka praktis untuk digunakan hanya pada frekuensi gelombang mikro.

Waveguide Kekurangan

Ukuran fisik adalah utama frekuensi rendah pembatasan waveguides. Lebar dari suatu Waveguide harus kira-kira setengah panjang gelombang pada gelombang frekuensi yang akan diangkut. Sebagai contoh, sebuah Waveguide untuk digunakan pada 1 megahertz akan menjadi sekitar 500 meter lebar. Hal ini membuat penggunaan waveguides pada frekuensi di bawah 1000 megahertz semakin praktis. Rentang frekuensi yang lebih rendah dari sistem apapun yang menggunakan waveguides dibatasi oleh dimensi fisik waveguides. 
Waveguides sulit untuk menginstal karena mereka kaku, berbentuk pipa cekung. Khusus kopling pada sendi yang diperlukan untuk menjamin pengoperasian yang semestinya. Juga, bagian dalam permukaan waveguides sering dilapisi dengan perak atau emas untuk mengurangi efek kulit kerugian. Persyaratan ini meningkatkan biaya dan mengurangi kepraktisan dari pada setiap sistem Waveguide selain frekuensi gelombang mikro. 

Teori Waveguide 2 

Mengembangkan Waveguide dari Parallel Lines 

Anda dapat lebih memahami transisi dari Jalur transmisi biasa Waveguide konsep-konsep teori dengan mempertimbangkan perkembangan Waveguide dari dua kawat saluran transmisi. Gambar 1-5 menunjukkan bagian dari dua kawat saluran transmisi mendukung dua insulator. Di persimpangan dengan baris, maka isolator harus menunjukkan impedansi yang sangat tinggi untuk tanah untuk pengoperasian yang semestinya garis. Isolator impedansi rendah jelas akan mengalami hubungan arus pendek garis ke ground, dan ini adalah apa yang terjadi pada frekuensi sangat tinggi. Insulator biasa menampilkan karakteristik dielektrik dari suatu kapasitor yang dibentuk oleh kawat dan tanah. Ketika meningkat frekuensi, impedansi secara keseluruhan menurun. Yang lebih baik frekuensi tinggi insulator adalah gelombang seperempat bagian Jalur transmisi korsleting pada salah satu ujungnya. Semacam isolator ditunjukkan pada Gambar 1-6. Impedansi dari sebuah korsleting seperempat bagian gelombang sangat tinggi di akhir pertemuan terbuka dengan dua kawat saluran transmisi. Isolator jenis ini dikenal sebagai isolator logam dan dapat ditempatkan di manapun sepanjang dua jalur kabel. Perhatikan bahwa gelombang seperempat bagian yang insulator hanya pada satu frekuensi. Hal ini sangat membatasi bandwidth, efisiensi, dan penerapan dari jenis kawat dua baris.

Gambar 1-5. - Dua-kawat saluran transmisi menggunakan isolator biasa.

Gambar 1-6. - Quarter-bagian gelombang Jalur transmisi korsleting pada salah satu ujungnya.

Gambar 1-7 menunjukkan beberapa metalik insulator pada setiap sisi dari dua kawat saluran transmisi. Karena lebih banyak insulator ditambahkan, setiap bagian membuat kontak dengan berikutnya, dan Waveguide persegi panjang terbentuk. Garis-garis menjadi bagian dari dinding-dinding Waveguide, seperti digambarkan pada Gambar 1-8. Energi ini kemudian dilakukan dalam Waveguide hampa bukannya sepanjang dua kawat saluran transmisi.

Gambar 1-7. - Metalic insulator pada setiap sisi dari dua jalur kabel.

Gambar 1-8. - Membentuk Waveguide dengan menambahkan bagian seperempat-gelombang. 

Perbandingan cara kerja medan elektromagnetik pada saluran transmisi dan dalam Waveguide tidak tepat. Selama perubahan dari dua jalur kabel ke Waveguide, konfigurasi medan elektromagnetik juga mengalami banyak perubahan. Ini akan dibahas nanti dalam bab ini. Sebagai hasil dari perubahan ini, Waveguide tidak benar-benar beroperasi seperti dua jalur kabel yang benar-benar didorong oleh gelombang seperempat bagian. Jika tidak, penggunaan Waveguide akan terbatas pada satu panjang gelombang frekuensi yang empat kali panjang gelombang seperempat bagian. Bahkan, gelombang panjang ini tidak bisa lewat efisien melalui waveguides. Hanya sebagian kecil dari rentang frekuensi gelombang agak lebih pendek (frekuensi tinggi) bisa lulus efisien.

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1-9, dimensi terluas yang Waveguide disebut "suatu" dimensi dan menentukan jangkauan frekuensi operasi. Dimensi yang paling sempit menentukan kekuatan-kemampuan penanganan Waveguide dan disebut sebagai "b" dimensi.

 

Gambar 1-9. - Pelabelan Waveguide dimensi.

CATATAN: Metode pelabelan tidak waveguides standar dalam semua teks. Metode yang berbeda dapat digunakan dalam teks-teks lain pada prinsip-prinsip gelombang mikro, tetapi metode ini adalah sesuai dengan Standar Militer Angkatan Laut (MIL-STD).

Kemampuan Waveguide dimensi yang diberikan untuk mengangkut lebih dari satu frekuensi mungkin lebih baik dipahami dengan menganalisis tindakan-tindakan yang diilustrasikan pada Gambar 1-10. A Waveguide dapat dianggap sebagai memiliki atas dan bawah bagian seperempat-gelombang dan bagian tengah yang merupakan konduktor padat disebut BUS BAR. Dalam pandangan (A), jarak mn adalah sama dengan jarak pq, dan keduanya sama dengan satu seperempat panjang gelombang (l / 4).

Gambar 1-10A. - Frekuensi efek pada Waveguide. NORMAL OPERASI FREKUENSI

CATATAN: Sepanjang NEETS, 1 / 4 l dan l / 4 yang kedua digunakan untuk mewakili seperempat panjang gelombang dan digunakan secara bergantian. Juga, l / 2 dan 3 / 2 l akan digunakan untuk mewakili satu setengah-panjang gelombang dan 1 1 / 2 panjang gelombang, masing-masing.

Jarak np adalah lebar bus bar. Jika keseluruhan dimensi Waveguide tetap konstan, diperlukan panjang seperempat bagian gelombang frekuensi menurun sebagai meningkat. Seperti digambarkan dalam pandangan (B), ini menyebabkan lebar bus bar untuk MENINGKATKAN. Dalam teori Waveguide dapat berfungsi pada jumlah yang tak terhingga frekuensi yang lebih tinggi daripada yang dirancang Frekuensi; sebagai panjang gelombang setiap seperempat bagian mendekati nol, bus bar terus melebar untuk mengisi ruang yang tersedia. Namun, dalam praktiknya, sebuah batas frekuensi atas disebabkan oleh modus operasi, yang akan dibahas nanti.

Gambar 1-10B. - Frekuensi efek pada Waveguide. MENINGKATKAN FREKUENSI

Gambar 1-10C. - Frekuensi efek pada Waveguide. MENURUN FREKUENSI

Jika frekuensi sinyal berkurang begitu banyak bahwa dua seperempat panjang gelombang lebih panjang daripada lebar dimensi dari sebuah Waveguide, energi tidak akan lagi melewati Waveguide. Ini adalah batas frekuensi rendah, atau Cut-OFF FREKUENSI, dari suatu Waveguide. Dalam aplikasi praktis, dimensi lebar dari biasanya 0,7 Waveguide panjang gelombang pada frekuensi operasi. Hal ini memungkinkan Waveguide untuk menangani berbagai kecil frekuensi baik di atas dan di bawah frekuensi operasi. The "b" dimensi diatur oleh potensi kerusakan dielektrik, yang biasanya udara. Dimensi berkisar 0,2-0,5 panjang gelombang yang umum untuk "b" sisi dari sebuah Waveguide.