AALTO-OPAS H-BEND VAASAN YLIOPISTO TEKNILLINEN TIEDEKUNTA SÄHKÖTEKNIIKKA. Juhana Kankainen j82081 Teemu Lahti l82636 Henrik Tarkkanen l84319

Transkriptio

1 VAASAN YLIOPISTO TEKNILLINEN TIEDEKUNTA SÄHKÖTEKNIIKKA Juhana Kanainen j8081 Teemu Lahti l8636 Henri Taranen l84319 SATE010 Dynaaminen enttäteoria AALTO-OPAS H-BEND Sivumäärä: 1 Jätetty tarastettavasi: Työn tarastaja Maarit Vesapuisto

2 SISÄLLYSLUETTELO SYMBOLI- JA LYHENNELUETTELO 3 1. JOHDANTO 4. AALTOPUTKET 5 3. RAJAEHDOT 8 4. SIMULOINNIT YHTEENVETO 13

3 3 SYMBOLI- JA LYHENNELUETTELO E H Sähöentän voimauus Magneettientän voimauus PEC Perfect Electric Conductor

4 4 1. JOHDANTO Tässä työssä tutustuimme H-Bend aaltoputeen äyttäen Comsol Multiphysics ohjelmaa. Tavoitteena oli simuloida ja tutia radioaallon äyttäytymistä H-Bend aaltoputessa (suoraulmainen ulma).

5 5. AALTOPUTKET Ysittäinen (ontto) radioaalto voi esiintyä ahdessa muodossa, TM (poiittaisesti etenevä magneettiaalto) ja TE (poiittaisesti etenevä sähöaalto). Tässä työssä esitymme TE-aaltoon. Kuva 1. Malli TE ja TM muotoisesta aaltoputesta Ysi täreä suunnittelun lähtöohta on huomioida radioaallon signaalin eteneminen aaltoputen mutassa ilman tarpeettomia tehon häviöitä. Nämä häviöt eivät pelästään johdu ohmisesta vastus -ilmiöstä vaan myös tahattomista heijastusista. Nämä voidaan minimoida tarpeesi loivilla mutilla. Lähetettävän signaalin on oltava tarpeesi yhdenmuainen äytettävän puten toiminta-alueen anssa, jotta vältyttäisiin singnaalin vääristymiltä. Aaltoputen seinämät ovat yleensä päällystetty erittäin hyvällä johdinaineella, uten hopealla. Tässä simulaatiossa oletetaan seinämien olevan häviöttömiä eli n x E 0.

6 6 Kuva. Tutittava aaltoputi D-tasossa Kuva 3. Sisäänmenevä aalto: E z cos( ( π / ) *( y / a) ) (Perfect Electric Conductor)

7 7 Rajataajuus: f cmn c m a n + b TE 10 muodossa: m1, n0 ; a leveys b; b oreus 0,017445, cvalonnopeus 3*10 8 m/s (1) Tässä esimerissä aaltoputen leveys on valittu siten, että rajataajuus on 4,3 GHz. Tämä mahdollistaa toimimisen 5,4-8,1GHz taajuudelle. Koreammilla taajuusilla alaa ilmetä muitain uin TE 10 moduloituja signaaleja aiheuttaen häiriöitä. Syötetyt aallot jaautuvat tällöin useasi moodisi, joita on vaiea hallita ilman suurehoja tehohäviöitä. Rajataajuuden alle jäävät aallot eivät etene aaltoputen lävitse, miä on miroaaltoalueiden aaltoputien ominaisuus. Ensimmäiset rajataajuudet ovat f c10 4,3 GHz, f c01 8,6 GHz, f c11 9,6 GHz ja toiminta-alue on valittu olemaan alaen 1,5* f c GHz päättyen 1,95 * f c10 8,1 GHz. Tällä mahdollistetaan järevät virherajat, jolla voidaan ompensoida valmistusvirheitä seä vältetään suuret heijastuset, joita ilmenee alemmilla taajuusilla.

8 8 3. RAJAEHDOT Syötteeseen sovitetut rajaehdot oostuvat ahdesta osasta: etenevästä tasoaallosta seä absortoivasta (aaltoja vaimentavista) rajaehdosta. Sovitettuja rajaehtoja sovelletaan myös ulostulossa heijastusten eliminoimisesi. Ulostulorajoilla ei ole viritystilaa. Aaltoputien seinämien oletetaan olevan hyviä johteita, joten rajaehtojen voidaan olettaa olevan ideaaliset. Jotta voidaan määrittää absortoivan rajaehdot, pitää tietää aaltoliieen vaio erroin β, tässä esimerissä se määritetään seuraavasti: ( on aaltoluu) + + () 0 x y z x on aaltoliieen suunta, y ja z uvaa muita suuntia. Alla olevat on määritelty vapaassa tilassa: 0 x y z λ (3) 0 β λ x λ y λ z (4) (5) (6) Tässä esimerissä y-suuntainen aaltopituus on a, osa mallissa äytetään taajuudeltaan alhaisinta TE-muotoa, joten aaltoputen oreus on puolet leveydestä. Näillä tiedoilla saadaan seuraavat yhtälöt aaltoluvulle: y (7) a TE 10 muodossa: z 0 (8) Vapaan tilan aaltoluu on:

9 9 v v c *10 (9) Sijoitus: 8 0 3*10 a v y x β (10) Yhtälö (10) on taajuusriippuvainen Sovitetussa rajaehdossa saadaan syöttämällä oiea vaiheerroin eliminoitua aii aallot, joilla on sama aaltoluu. Suunnan on oltava sama uin normaalin suunta, joa määritetty ulostulon rajaehdoissa.

10 10 4. SIMULOINNIT Kuva 4. Sisään menosignaalin taajuus on 10% rajataajuudesta. Lopputulos on odotetun altainen eli ulosmenevä aalto on samanlainen uin sisään menevä aalto (ei heijastusia). Kuva 5. Käytetty taajuus 195% rajataajuudesta, jolloin aallonpituus on pienempi, jolloin jännitteen minimi ja masimiohtia esiintyy tiheämässä.

11 11 Kuva 6. Käytetty taajuus 00% rajataajuudesta, jolloin muta aiheuttaa heijastumia ja alaa ilmetä TE 01 moduloitua signaalia, jota varten putea ei suunniteltu. Kuva 7. Käytetty taajuus 3% rajataajuudesta, jolloin muta aiheuttaa heijastumia ja alaa ilmetä TE 01 ja TE 11 moduloitua signaalia, jota varten putea ei suunniteltu.

12 1 Kuva 8. Käytetty taajuus 500% rajataajuudesta, jolloin signaalin niin vääristynyt (sisältää monia modulointeja) että signaali ulee todella heiosti. Aaltoputi on suunniteltu tietyille aallonpituusille, jolloin äytettäessä liian suuria taajuusia syntyy uvan 9:n altaisia tilanteita, joissa aalto ei mahdu puteen, osa syntyy asi puoliaaltoa, uten uvan 6 simulaatio osoittaa. Kuva 9. Aaltojen äyttäminen putessa, joa on suunniteltu TE 10 aallolle.

13 13 5. YHTEENVETO Tästä simuloinnista opimme, ettei annata tehdä mutia puteen. Putia suunniteltaessa on otettava huomioon äytettävät aaltomodulaatiot ja taajuudet. Tällä tavalla voidaan välttyä signaalin vääristymiseltä ja heijastusilta. Erityisesti mutat aaltoputissa aiheuttavat vääristymiä signaalin etenemiseen. Tutiessamme TM (poiittaisesti etenevä magneettiaalto) modulaatiota oli selvästi havaittavissa päälleäisten modulaatioiden ilmenemistä taajuuden asvaessa.

14 LÄHDELUETTELO RF Modeling : An Example Waveguide H-Bend <URL: