Projektityö 3 Siirtojohdot, heijastus, läpäisy ja TEM-aaltomuoto



Samankaltaiset tiedostot
l s, c p T = l v = l l s c p. Z L + Z 0

MHz. Laske. = 1,5 j1,38

SATE2010 Dynaaminen kenttäteoria syksy /8 Laskuharjoitus 7 / Smithin-kartan käyttö siirtojohtojen sovituksessa

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

521384A RADIOTEKNIIKAN PERUSTEET Harjoitus 3

1. Erään piirin impedanssimittauksissa saatiin seuraavat tulokset:

Radiotekniikan perusteet BL50A0301

LUT, Sähkötekniikan osasto. 1. Ilmassa etenevällä tasoaallolla on sähkökentän voimakkuus z. d) vaihekerroin

23 VALON POLARISAATIO 23.1 Johdanto Valon polarisointi ja polarisaation havaitseminen

Kenttäteoria. Viikko 10: Tasoaallon heijastuminen ja taittuminen

Aaltojen heijastuminen ja taittuminen

Aaltojen heijastuminen ja taittuminen

SATE1050 Piirianalyysi II syksy 2016 kevät / 8 Laskuharjoitus 13 / Smithin kartta ja kuorman sovittaminen

Häiriöt kaukokentässä

Esimerkki 1a. Stubisovituksen (= siirtokaapelisovitus) laskeminen Smithin kartan avulla

SATE2010 Dynaaminen kenttäteoria syksy /6 Laskuharjoitus 6 / Siirtojohdot ja transientit häviöttömissä siirtojohdoissa

3.32. On tärkeätä muistaa, että tehosta desibeleissä puhuttaessa käytetään kerrointa 10 ja kentänvoimakkuuden yhteydessä kerrointa 20.

S /142 Piirianalyysi 2 2. Välikoe

Antennit ja syöttöjohdot

Matematiikan tukikurssi

KELAN INDUKTANSSI VAASAN YLIOPISTO TEKNILLINEN TIEDEKUNTA SÄHKÖTEKNIIKKA. Miika Manninen, n85754 Tero Känsäkangas, m84051

Jakso 3: Dynamiikan perusteet Näiden tehtävien viimeinen palautus- tai näyttöpäivä on keskiviikko

Sähkötekniikka ja elektroniikka

Projekti 5 Systeemifunktiot ja kaksiportit. Kukin ryhmistä tarkastelee piiriä eri taajuuksilla. Ryhmäni taajuus on

Työ 21 Valon käyttäytyminen rajapinnoilla. Työvuoro 40 pari 1

SMG-2100: SÄHKÖTEKNIIKKA

Laske relaksaatiotaajuus 7 µm (halk.) solulle ja 100 µm solulle.

Johdatus diskreettiin matematiikkaan Harjoitus 7,

Valon luonne ja eteneminen. Valo on sähkömagneettista aaltoliikettä, ei tarvitse väliainetta edetäkseen

Projekti 5 Systeemifunktiot ja kaksiportit. Kukin ryhmistä tarkastelee piiriä eri taajuuksilla. Ryhmäni taajuus on

SEISOVA AALTOLIIKE 1. TEORIAA

SMG-5250 Sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC) Jari Kangas Tampereen teknillinen yliopisto Elektroniikan laitos

SIS. Vinkkejä Ampèren lain käyttöön laskettaessa magneettikenttiä:

1. Tasavirtapiirit ja Kirchhoffin lait

Häiriöt, siirtojohdot, antennit, eteneminen

Scanned by CamScanner

RF-tekniikan perusteet BL50A Luento Antennit Radioaaltojen eteneminen

c) Määritä paraabelin yhtälö, kun tiedetään, että sen huippu on y-akselilla korkeudella 6 ja sen nollakohdat ovat x-akselin kohdissa x=-2 ja x=2.

HARJOITUS 7 SEISOVAT AALLOT TAVOITE

FYSIIKKA (FY91): 9. KURSSI: Kertauskurssi KOE VASTAA KUUTEEN (6) TEHTÄVÄÄN!!

766320A SOVELTAVA SÄHKÖMAGNETIIKKA, PREPPAUSTA PÄÄTEKOKEESEEN 2014

Radioamatöörikurssi 2014

2. Miten aaltomuodot luokitellaan? Millaisia aaltomuotoja etenee koaksiaalijohdossa, suorakulmaisessa aaltoputkessa ja mikroliuskajohdossa?

Keskitaajuudella rinnakkaisreaktanssi kasvaa ideaalisena äärettömän suureksi:

RG-58U 4,5 db/30m. Spektrianalysaattori. 0,5m. 60m

Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta - dia-valinta 2012 Insinöörivalinnan fysiikan koe , malliratkaisut

KOLMEPORTTISEN KIERTOELIMEN SIMULOINTI COMSO- LILLA

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

VALON KÄYTTÄYTYMINEN RAJAPINNOILLA

S Piirianalyysi 2 Tentti

S OPTIIKKA 1/10 Laboratoriotyö: Polarisaatio POLARISAATIO. Laboratoriotyö

14.1. Lämpötilan mittaaminen

Erityinen suhteellisuusteoria (Harris luku 2)

Tekijät: Hellevi Kupila, Katja Leinonen, Tuomo Talala, Hanna Tuhkanen, Pekka Vaaraniemi

- Kahden suoran johtimen välinen magneettinen vuorovaikutus I 1 I 2 I 1 I 2. F= l (Ampèren laki, MAOL s. 124(119) Ampeerin määritelmä (MAOL s.

MAA10 HARJOITUSTEHTÄVIÄ

Sähköstatiikan laskuissa useat kaavat yksinkertaistuvat hieman, jos vakio C kirjoitetaan muotoon

Antennit. Säteilyn syntyminen antennissa

Laboratoriotyön sisältö. Pareittain tehtävä laboratoriotyö Vaatimukset: Laboratoriotyöskentely Loppuraportti (1 raportti/työ)

2.2 Ääni aaltoliikkeenä

FY3: Aallot. Kurssin arviointi. Ryhmätyöt ja Vertaisarviointi. Itsearviointi. Laskennalliset ja käsitteelliset tehtävät

SÄHKÖMAGNEETTINEN KYTKEYTYMINEN

suunta kuvassa alaspäin. Virrankuljettajat liikkuvat magneettikentässä ja sähkökentässä suoraan, kun

25 INTERFEROMETRI 25.1 Johdanto

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

ESTON LASKENTA VERKOSSA

Kondensaattorin läpi kulkeva virta saadaan derivoimalla yhtälöä (2), jolloin saadaan

Faradayn laki ja sähkömagneettinen induktio

VIRTAPIIRILASKUT II Tarkastellaan sinimuotoista vaihtojännitettä ja vaihtovirtaa;

FYSP105 / K3 RC-SUODATTIMET

Mielestämme hyvä kannustus ja mukava ilmapiiri on opiskelijalle todella tärkeää.

Polarisaatio. Timo Lehtola. 26. tammikuuta 2009

SMG-5250 Sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC) Jari Kangas Tampereen teknillinen yliopisto Elektroniikan laitos

4A 4h. KIMMOKERROIN E

4.2 Akustista fonetiikkaa

Johdatus vaihtosähköön, sinimuotoiset suureet. DEE Piirianalyysi Risto Mikkonen

V astaano ttav aa antennia m allinnetaan k u v an m u k aisella piirillä, jo ssa o n jänniteläh d e V sarjassa

S Piirianalyysi 2 Tentti

SMG-5250 Sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC) Jari Kangas Tampereen teknillinen yliopisto Elektroniikan laitos

monissa laskimissa luvun x käänteisluku saadaan näyttöön painamalla x - näppäintä.

SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

Antennit ja. syöttöjohdot. OH3TR:n radioamatöörikurssi Tiiti Kellomäki, OH3HNY

S Piirianalyysi 2 Tentti

Huomaathan, että ohjeessa olevat näytöistä otetut kuvat voivat poiketa sinun koulutuksesi vastaavien sivujen kuvista.

DEE Sähkötekniikan perusteet

Aluksi Kahden muuttujan lineaarinen epäyhtälö

OPTIIKAN TYÖ. Fysiikka 1-2:n/Fysiikan peruskurssien harjoitustyöt (mukautettu lukion oppimäärään) Nimi: Päivämäärä: Assistentti:

4757 4h. MAGNEETTIKENTÄT

MS-A Matriisilaskenta Laskuharjoitus 3

RF-tekniikan perusteet BL50A0300

Sähköstaattisen potentiaalin laskeminen

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

TW- EAV510: WDS- TOIMINTO KAHDEN TW- EAV510 LAITTEEN VÄLILLÄ

1. Eläydy, voit halutessasi myös pukeutua, lukemasi kirjan henkilöksi. Anna luokkatovereiden haastatella sinua.

Kuten aaltoliikkeen heijastuminen, niin myös taittuminen voidaan selittää Huygensin periaatteen avulla.

Asenna myös mikroskopian lisäpala (MBF ImageJ for Microscopy Collection by Tony Collins)

S Piirianalyysi 1 2. välikoe

YLEINEN AALTOLIIKEOPPI

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

FYSP105/2 VAIHTOVIRTAKOMPONENTIT. 1 Johdanto

Transkriptio:

POP Kevät 2012 Projektityö 3 Siirtojohdot, heijastus, läpäisy ja TM-aaltomuoto Tähän mennessä kaikki piirimallit R, L, C, jne. ovat olleet keskitettyjä, mikä on tarkoittanut sitä, että sähkön äärellistä kulkuaikaa ei ole otettu huomioon. Tämä approksimaatio on hyvä silloin, kun signaalin aallonpituus on selvästi suurempi kuin mallitettavan komponentin fyysinen koko. Kun taajuuden kasvaessa signaalin aallonpituus alkaa olla samaa suuruusluokkaa kuin itse komponentti, ei sitä voida enää esittää keskitettyjen mallien avulla. Tässä projektissa tutustutaan siirtojohtoon, jonka avulla voidaan kuvata esimerkiksi koaksiaalikaapeleita, optisia kuituja, mikroliuskajohtoja ja sähkövoimalinjoja. Siirtojohdon avulla voidaan myös sähkömagneettisen aallon nopeuden vaikutukset ottaa huomioon. Tarkasteltavissa siirtojohdoissa etenevät aallot ovat ns. TM-aaltoja (Transverse lectromagnetic), joissa sekä sähkö- että magneettikenttävektorit ovat kohtisuorassa aallon etenemissuuntaa vastaan. Tällainen on myös vapaassa tilassa etenevä tasoaalto, jollaisella radioaaltojen etenemistäkin usein mallinnetaan. päjatkuvuudet eli äkkinäiset impedanssin muutokset aiheuttavat heijastuksia siirtojohdoissa. Samoin vapaan tilan tasoaalto heijastuu kohdatessaan materiaalien rajapintoja. Huomataan, että TM-aaltojen heijastus- ja läpäisykertoimet ratkaistaan samalla periaatteella niin piirianalyysin kuin kenttäteoriankin kannalta. Projektityönä lasketaan monikerrosrajapintasovitus: 1.1 n 3, d 3 n 4, d 4 Kuvan mukainen monikerrosrajapinta halutaan sovittaa siten, että kohtisuoraan vasemmalta tuleva IR-B-tasoaalto (f = 200 THz) ei heijastuisi. Sovituskerrokseen tullaan käyttämään ainetta, jonka taitekertoimen arvo on n 2 = 2. Kuinka paksu d 2 kerroksen täytyy olla? Riittääkö se vai tarvitaanko vielä toinen sovituskerros? Jos tarvitaan, mikä on sen paksuus d 1 ja taitekerroin n 1 (1, 5). Rajapinnan molemminpuolin on ilmaa (n 0 = 1), sekä rajapinnassa käytettävät aineet ovat epämagnettisia µ = µ 0 ja häviöttömiä. Käytä Smithin karttaa (siirtojohtoanalogia) ja tarkista ratkaisusi laskemalla rakenteen ketjumatriisi K ja edelleen tuloimpedanssi Z IN sekä heijastuskerroin R. Kuinka suuri osa tehosta läpäisee sovitetun rajapinnan? λ 0 = 1500 nm d 4 = 200 nm d 3 = 200 nm n 4 = 4 n 3 = 3 n 2 = 2.

Mitä palautetaan? Labramittauksen jälkiselostus Palautettavia tehtäviä (2 kpl) ja lisäksi Monikerrosrajapinta-tehtävä Milloin palautetaan? Jälkiselostus on palautettava viimeistään ti 20.3.2012 Miten arvostellaan? Laboratoriomittaus suoritettu 2 välikoetehtävä Piirianalyysin välikokeessa Monikerrosrajapinta-tehtävä pisteytettävät esitehtävät palautettavat tehtävät. Palautettavat tehtävät 1.2 R Tasajännitelähde = 3 V kytketään oheiseen Z o1, l 1 R Z o2, l 2 R piiriin hetkellä t = 0 s. Häviöttömien siirtojohtojen pituudet ovat l 1 = l 2 = 90 m. Laske lop- u 3 (t) pupään jännite u 3 (t) ajan funktiona. Z o1 = 50 Ω Z o2 = 25 Ω R = 50 Ω. 1.3 I R ] [ = I a [ Ua ρ Z 0, l 1 1 Z L Z 0, l 2 cos(βl) jy 0 sin(βl) jz 0 sin(βl) ] [ Ub ] cos(βl) I b Määrää kuvan mukaisessa kytkennässä a) heijastuskerroin ρ 1 ja sen avulla SAS siirtojohdossa, jonka pituus on l 1, b) jännitelähteen läpi kulkeva virta I. Häviöttömän siirtojohdon ominaisimpedanssi on Z 0 = 50 Ω, ja valon nopeus c = 3 10 8 m/s. Voit myös käyttää Smithin karttaa. = 2,25/0 V R = 200 Ω l 1 = 3/4 m Z L = (20 + j40) Ω f = 100 MHz l 2 = 3/8 m.

Projektityö 3 Siirtojohdot, heijastus, läpäisy ja TM-aaltomuoto Oppitunti 1 ma 20.2.2012 - labramittaus Tutustutaan laboratoriossa jännitteen käyttäytymiseen pitkässä siirtojohdossa ajan funktiona. Oppitunti 2 ti 21.2.2012 - varattu itseopiskeluun Itseopiskelu: Lue Ramo Whinnery Duzer: Fields and Waves in Communication lectronics - kirjan kappaleesta 5 sivut 210-222 (siirtojohdot aika-alueessa). Seuraavat kysymykset voivat auttaa opiskelussa. Vastauksia ei tarvitse palauttaa. miksi siirtojohtoja käsitellään, miksi ne ovat tärkeitä? miten häviötöntä siirtojohtoa voidaan mallintaa piirikomponenteilla? mikä on lennätinyhtälö ja mikä on aaltoyhtälö? mitä ne tarkoittavat? mikä on jatkuvuusehto ominaisimpedanssien epäjatkuvuuskohdassa? mitkä ovat heijastus- ja läpäisykertoimien lausekkeet ja millaisia arvoja ne voivat saada? Oppitunti 3 to 23.2.2012 - itseopiskelun purku, siirtojohto aika-alueessa Käydään läpi itseopiskeltua teoriaa siirtojohdoista ja lasketaan muutama lasku teorian soveltamiseksi (mahdollisesti demoten) 1.1 i k Tasajännite kytketään hetkellä t = 0 johtoon, jonka pituus on l ja jonka kapasitanssi ja induktanssi l s, c p pituusyksikköä kohti ovat c p ja l s. Mieti, kuinka virta i käyttäytyy ajan t funktiona ja piirrä kuva. Johto on häviötön. 1.2 R Z 01, l 1 Z 02, l 2 R u(t) Tasajännitelähde = 3 V kytketään oheiseen piiriin hetkellä t = 0 s. Häviöttömien siirtojohtojen pituudet ovat l 1 = l 2 = 90 m. Määritä loppupään jännite u(t) ajan funktiona välillä 0 < t < 1µs. Z 01 = 50 Ω Z 02 = 25 Ω R = 50 Ω v = 3 10 8 m/s. Oppitunti 4 pe 24.2.2012 - TYHJÄ

Oppitunti 5 ma 27.2.2012 - siirtojohdot aika/taajuusalueessa Siirrytään siirtojohdon taajuusaluetarkasteluihin. Tutustutaan ketjumatriisiesitykseen sekä impedanssikaavaan piirianalyysin että kenttäteorian näkökulmasta. lasketaan (demoten?): DynHK 8.41 impedanssikaava kenttäteoriassa lasketaan jatkuvan tilan lasku: 1.3 ε(t) R g Z 01 Z 02 R Aalto lähtee kulkemaan johtoa pitkin jännitelähteestä. nsimmäisen johdon ominaisimpedanssi on Z 01 ja toisen Z 02. Mikä on päätevastuksen R jännite jatkuvuustilassa? = 200 kv Z 01 = 400 Ω Z 02 = 50 Ω R = 150 Ω R g = Z 01. Oppitunti 6 ti 28.2.2012 - tasoaallon heijastuminen rajapinnasta, Snellin laki Oppitunnilla pohdittavia käsitetestejä (klikkerikysymyksiä) varten luetaan etukäteen seuraavat Dynaamisen kenttäteorian kirjan (DynOK) luvut ja etsitään vastaukset seuraaviin itseopiskelukysymyksiin. Itseopiskelukysymysten vastaukset palautetaan paperilla tai sähköpostilla viimeistään oppituntia edeltävänä arkipäivänä. DykOK 2.3 2.4. sikysymykset: (palautus ma 27.2.2012) 1. Mikä on aallon polarisaation merkitys sen heijastumisessa rajapinnasta? 2. Selitä, mitä tarkoitetaan Brewsterin kulmalla? 3. Mitkä asiat lukemassasi tuntuivat hankalilta tai vaikeilta ymmärtää? Jollei mikään ollut hankalaa, mikä tällöin oli kaikkein mielenkiintoisinta?

Oppitunti 7 to 1.3.2012 - Laskuharjoitus 1.4 Z in Z g Iin Z 0, s Z 0, T Z L Siirtojohto on häviötön ja ilmaeristeinen ja sen ominaisimpedanssi on Z 0 = 50 Ω. Laske sisäänmenoimpedanssi Z in siirtojohdon ketjumatriisin avulla sekä sisäänmenovirta I in, kun = 1/0 V ja Z L = 100 Ω sekä Z g = 200 Ω. Tarkastellaan neljää eri johdon pituutta a. johdon pituus on λ/4 b. johdon pituus on λ/2 c. johdon pituus on 3λ/4 d. johdon pituus on 5λ/6 kolmen eri kuorman tapauksessa 1: johdon loppupää on avoin 2: johdon loppupää on oikosuljettu 3: johto on päätetty impedanssiin Z L = 100 Ω. Oppitunti 8 pe 2.3.2012 - TYHJÄ Mahdollisuus valmistautua välikokeeseen (Seuraava viikko on tenttiviikko) Oppitunti 9 ma 12.3.2012 - Laskuharjoitus DynHK: 8.24 Kohtisuora heijastuminen johdepinnasta, tehon heijastus 8.28 Aalto läpäisee eristelevyn 8.30 Auringonvalo heijastuu vedestä Oppitunti 10 ti 13.3.2012 - Smithin diagrammi Tutustutaan Smithin diagrammiin ensin ohjatusti: 1.5 Z a Z 0, l Z Johto, jonka ominaisimpedanssi on Z 0 = 50 Ω, on päätetty impedanssilla Z = (75 j69) Ω. Johdon pituus on l = 3,5 m ja sitä syötetään taajuudella f = 50 MHz. Laske (a) syöttöpisteimpedanssi Z a (b) heijastuskerroin ρ a johdon alkupäässä (c) seisovan aallon suhde σ (d) paikka, jossa esiintyy jänniteminimi. Aallon etenemisnopeus johdolla on v = 3 10 8 m/s.

Seuraavaksi tutustutaan sovittamiseen siirtojohdolla: 1.6 Johto (Z A 0 = 50 Ω) on päätetty impedanssilla Z = (30 j80) Ω. Kuorman sovittamiseksi liitetään johtoon oikosuljettu johdonpätkä (Z Z 0 Z 0, l 2 Z 0 = 50 Ω, pituus l A 1 ) etäisyydelle l 2 kuormasta siten, että liitoskohdasta näkyvä kokonaisimpedanssi A on ominaisimpedanssin Z 0 suuruinen. Laske (a) etäisyys l 2 Z 0, l 1 (b) tarvittavan johdonpätkän pituus l 1. A 1.7 Z 0 Z 0, l 1 Sovita Smithin kartan avulla kuorma Z L kuvan mukaisella kytkennällä johdolle, jonka ominaisimpedanssi Z Z 0 = 60 Ω. Laske siis pituudet l 1 L ja l 2 metreissä, kun taajuus f = 5 MHz ja aallon Z 0, l 2 etenemisnopeus johdolla v = 2 10 8 m/s. Z L = (24 j12) Ω. Jos mielestäsi johdolta, jonka pituus on l 1 löytyy jänniteminimi, laske sen paikka. Jos ei, perustele miksi. Oppitunti 11 to 15.3.2012 - AWR-harjoitus Siirtojohdon sisäänmenoimpedanssi, tutkitaan edellisellä kerralla laskettua tehtävää simuloimalla AWRD-ohjelmistolla. Oppitunti 12 pe 16.3.2012 - Dynaamisen laskari laskuja TM-johdoista (DynHK): 9.5 koaksiaalijohdon kentät 9.6 neljännesaaltosovitus mikroliuskajohdolla Lisäksi mahdollisia rästiin jääneitä tehtäviä Oppitunti 13 ma 19.3.2012 - Itseopiskelu Oppitunti 14 ti 20.3.2012 - projektin palautus