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Guias de Onda Circulares VFRdi E V . F . R odriguez Esquerre

Guias de Onda Circulares

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Page 1: Guias de Onda Circulares

Guias de Onda Circulares

V F R d i EV. F. Rodriguez Esquerre

Page 2: Guias de Onda Circulares

x

ρa

φy⊗z

ε, , dμ ε σ

Si t i ilí d i d d ilí d iSimetria cilíndrica: coordenadas cilíndricas

Page 3: Guias de Onda Circulares

ˆˆ ˆE E E Eφ

ˆ

zE E E E zρ φρ φ= + +

ˆˆ ˆzH H H H zρ φρ φ= + +

2 2 0z zE k E∇ + =

2 2 0H k H∇ + = 0z zH k H∇ +

2 2 22

2 2 2 2

1 1zρ ρ ρ ρ φ

⎛ ⎞∂ ∂ ∂ ∂∇ = + + +⎜ ⎟∂ ∂ ∂ ∂⎝ ⎠zρ ρ ρ ρ φ∂ ∂ ∂ ∂⎝ ⎠

Page 4: Guias de Onda Circulares

MODOS TE

0zE = 2 2 0z zH k H∇ + =

2 2 22

2 2 2 2

1 1zρ ρ ρ ρ φ

⎛ ⎞∂ ∂ ∂ ∂∇ = + + +⎜ ⎟∂ ∂ ∂ ∂⎝ ⎠

( ) ( ) ( ) ( ), ,zH z R P Z zρ φ ρ φ=

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )2 21 1R R P

P Z z P Z z R Z zρ ρ φ

φ φ ρ∂ ∂ ∂

+ +( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

2 2 2

22 0

P Z z P Z z R Z z

Z zR P k R P Z z

φ φ ρρ ρ ρ ρ φ

ρ φ ρ φ

+ +∂ ∂ ∂

∂+ +

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )2 0R P k R P Z zz

ρ φ ρ φ+ + =∂

( ) ( ) ( ) ( ), ,zH z R P Z zρ φ ρ φ=Dividindo cada termo por:

Page 5: Guias de Onda Circulares

MODOS TE

( )( )

( )( )

( )( )

( )( )2 2 2

22 2 2 2

1 1 1 1 0R R P Z z

kρ ρ φ

φ φ∂ ∂ ∂ ∂

+ + + + =∂ ∂ ∂ ∂( ) ( ) ( ) ( )2 2 2 2R R P Z z zρ ρ ρ ρ ρ ρ φ φ∂ ∂ ∂ ∂

Os termos envolvendo uma única variável devem serOs termos envolvendo uma única variável devem ser constantes

( )221 Z z

γ∂

=( ) 2Z z z

γ=∂

( ) ( ) ( ) zZ A γ−( ) 1 2z zZ z Ae A eγ γ−= + ( )Z finito+∞ = ( ) 1

zZ z Ae γ=

( )( )

( )( )

( )( )2 22

2 2 2 22 2

1 0R R P

kR R P

ρ ρ φρ ρ ρ γ ρρ ρ ρ ρ φ φ

∂ ∂ ∂+ + + + =

∂ ∂ ∂

Page 6: Guias de Onda Circulares

MODOS TE( )2

( )( )2

22

1 Pk

P φ

φφ φ

∂= −

∂( ) ( )

22

2

Pk Pφ

φφ

φ∂

= −∂( )

( ) 3 4sin cosP A k A kφ φφ φ φ= +

φ

( ) ( )2P P mφ φ π= ± k nφ = inteiron =

( ) ( )2

( ) 3 4sin cosP A n A nφ φ φ= +

( )( )

( )( )22

2 2 2 2 22 0

R Rn k

R Rρ ρρ ρ ρ γ ρ

ρ ρ ρ ρ∂ ∂

+ − + + =∂ ∂

2 2 2k hγ+ =

( ) ( )22 R R∂ ∂

( )( )

( )( )22

2 2 22 0

R Rh n

R Rρ ρρ ρ ρ

ρ ρ ρ ρ∂ ∂

+ + − =∂ ∂

Page 7: Guias de Onda Circulares

( )( )

( )( )22

2 2 22 0

R Rh n

R Rρ ρρ ρ ρ

∂ ∂+ + − =

∂ ∂( ) ( )2R Rρ ρ ρ ρ∂ ∂

Equação diferencial de Bessel ( ) ( ) ( )5 6n nR A J h A Y hρ ρ ρ= +( ) ( ) ( )

( )0R finito= ( ) ( )5 nR A J hρ ρ=

0 8

1.0 ( )0J ρ

0.6

0.8

( )1J ρ( )2J ρ

( )3J ρ

0.2

0.4( )3J ρ

2 4 6 8 10 12

-0.2

ρ

-0.4

Page 8: Guias de Onda Circulares

( ) ( ) ( ) ( ), ,zH z R P Z zρ φ ρ φ=

( ) zZ A γ−( ) ( )R A J hρ ρ ( ) sin cosP A Aφ φ φ+ ( ) 1zZ z Ae γ=( ) ( )5 nR A J hρ ρ= ( ) 3 4sin cosP A n A nφ φ φ= +

( ) ( )( )( )( )( ) ( )( )( )( )5 3 4 1, , sin cos zz nH z A J h A n A n Ae γρ φ ρ φ φ −= +

βjγ α β= +

Considerando meios dielétricos sem perdas e pcondutores perfeitos

jγ β= jγ β=

( ) ( ) ( ), , sin cos j zz nH z A n B n J h e βρ φ φ φ ρ −= +( ) ( ) ( )

Page 9: Guias de Onda Circulares

As demais componentes são obtidas usando:p

E j Hωμ∇× = − H j Eωε∇× = −

ˆˆ ˆzE E E E zρ φρ φ= + +

ˆˆ ˆzH H H H zρ φρ φ= + +

1 ˆˆ zρ φ∂ ∂ ∂∇ = + +

zρ φ

ρ ρ φ∂ ∂ ∂

Page 10: Guias de Onda Circulares

2z zE HjE

hρωμβ

ρ ρ φ⎛ ⎞∂ ∂

= − +⎜ ⎟∂ ∂⎝ ⎠h ρ ρ φ∂ ∂⎝ ⎠

z zE HjE β⎛ ⎞∂ ∂⎜ ⎟2

z zjEhφ

β ωμρ φ ρ

⎛ ⎞= − −⎜ ⎟∂ ∂⎝ ⎠

2z zE HjH

hρωε βρ φ ρ

⎛ ⎞∂ ∂= −⎜ ⎟∂ ∂⎝ ⎠h ρ φ ρ∂ ∂⎝ ⎠

E Hj β⎛ ⎞∂ ∂2

z zE HjHhφ

βωερ ρ φ

⎛ ⎞∂ ∂= − +⎜ ⎟∂ ∂⎝ ⎠

Page 11: Guias de Onda Circulares

MODOS TE 0zE =

( ) ( )sin cos j zH A n B n J h e βφ φ ρ −= +( ) ( )sin cosz nH A n B n J h eφ φ ρ= +

( ) ( )2 cos sin j zn

j nE A n B n J h eh

βρ

ωμ φ φ ρρ

−= − −

( ) ( )2 sin cos n j zJ hjE A n B n e

φ

ρωμ φ φ −∂= +

∂( )2hφ φ φ

ρ∂

( )J hj ρβ ∂( ) ( )2 sin cos n j zJ hjH A n B n e

ρ

ρβ φ φρ

−∂= − +

( ) ( )2 cos sin j zn

j nH A n B n J h eh

βφ

β φ φ ρρ

−= − −

Page 12: Guias de Onda Circulares

Condições de contorno: campos elétricos tangenciais nulos sobre o condutor 

( ) 0E aφ ρ = = 0zE =

( ) ( )2 sin cos n j zJ hjE A n B n e

φ

ρωμ φ φ −∂= +

( )

( )2hφ ρ∂

( ) ( )2 sin cos 0n j z

a

J hj A n B n eh

β

ρ

ρωμ φ φρ

=

∂+ =

( )0nJ hρ∂

= ( ) 0nJ ha∂=0

aρρ

=

=∂

=∂

Page 13: Guias de Onda Circulares

( )J ρ∂

0.4

( )1J ρρ

∂∂

( )J ρ∂

0.2

( )3J ρρ

∂∂

2 4 6 8 10 12ρ

2 4 6 8 10 12

-0.2

-0.4 ( )2J ρ∂

-0.6 ( )J ρ∂

( )2 ρρ∂

( )0 0; 3,832 7,016 10,174J ρ

ρρ

∂= =

Page 14: Guias de Onda Circulares

( ) 0nJ ha∂=

∂( )'

0n nmJ ρ∂=

∂'nmha ρ= 'nmh ρ

=ρ∂ ρ∂ a

Valores correspondentes ao modo TEρ'n0 ρ'n1 ρ'n2 ρ'n3

n = 0 0 3,832 7,016 10,174

Valores correspondentes ao modo TE

n   0 0 3,832 7,016 10,174

n = 1 0 1,841 5,331 8,536

n = 2 0 3,054 6,706 9,970

Modos TE n índica a variação em φModos TEnm n índica a variação em φm índica a variação em ρ

Page 15: Guias de Onda Circulares

Frequencia de corte  fnm do modo TEnm

2'ρ⎛ ⎞2 2 2 nmnm k h

aρβ ω με ⎛ ⎞= − = − ⎜ ⎟

⎝ ⎠

22 ' 0nm

aρω με ⎛ ⎞− =⎜ ⎟

⎝ ⎠a⎝ ⎠

'nmf ρ=

2nmcf aπ με

Analisando a tabela o menor valor corresponde aosAnalisando a tabela, o menor valor corresponde  aos valores m=1 n=1

TE11 é o modo dominante e mais usado

Page 16: Guias de Onda Circulares

Campos dos Modos TE

( ) ( )2 cos j zn

j nE A n J h eh

βρ

ωμ φ ρρ

−= −h ρ

( ) ( )2 sin n j zJ hjE A n e

φ

ρωμ φρ

−∂=

∂( )2hφ ρ∂

0E =

( ) ( )sin n j zJ hjH A n e βρβ φ −∂

= −

0zE =

( )2 sinH A n ehρ φ

ρ= −

j nβ ( ) ( )2 cos j zn

j nH A n J h eh

βφ

β φ ρρ

−= −

( ) ( )sin j zz nH A n J h e βφ ρ −=

Page 17: Guias de Onda Circulares

Impedância para Modos TE

TE

E E kH H

ρ φ

φ ρ

ωμ ηηβ β

= = − = =

( ) ( )2 cos j zn

j nE A n J h eh

βρ

ωμ φ ρρ

−= −

( ) ( )2 cos j zn

j nH A n J h eh

βφ

β φ ρρ

−= −

Page 18: Guias de Onda Circulares

Campos dos Modos TE11

( ) ( )12 cos j zjE A J h eh

βρ

ωμ φ ρρ

−= −h ρ

( ) ( )2 sin n j zJ hjE A e

φ

ρωμ φρ

−∂=

∂( )2hφ ρ∂

0E =

( ) ( )1sin j zJ hjH A e βρβ φ −∂= −

0zE =

( )2 sinH A ehρ φ

ρ= −

jβ ( ) ( )12 cos j zjH A J h eh

βφ

β φ ρρ

−= −

( ) ( )1sin j zzH A n J h e βφ ρ −=

Page 19: Guias de Onda Circulares

Potencia Modo TE112

01 ˆRe2

a

P E H z d dρ φ π

ρ φ ρ= =

∗= × ⋅∫ ∫0 0

2ρ φ= =∫ ∫2

1 Ra

P E H E H d dρ φ π

φ= =

∗ ∗⎡ ⎤∫ ∫0

0 0

1 Re2

P E H E H d dρ φ φ ρ

ρ φ

ρ φ ρ∗ ∗

= =

⎡ ⎤= −⎣ ⎦∫ ∫⎡ ⎤

( ) ( )2 2212 2 2 2

0 14 2

0 0

1Re cos sin2

aJ hA

P J h h d dh

ρ φ π

φ

ρωμ βφ ρ φ ρ φ ρ

ρ ρ

= = ⎡ ⎤⎛ ⎞∂⎢ ⎥= + ⎜ ⎟∂⎢ ⎥⎝ ⎠⎣ ⎦

∫ ∫0 0ρ φ= = ⎝ ⎠⎣ ⎦

( ) ( ) 2212 21Re

aJ hA

P J h h dρ

ρπωμ βρ ρ ρ

= ⎡ ⎤⎛ ⎞∂⎢ ⎥= + ⎜ ⎟∫ ( )0 14

0

Re2

P J h h dh

ρ

ρ ρ ρρ ρ

=

⎢ ⎥= + ⎜ ⎟∂⎢ ⎥⎝ ⎠⎣ ⎦∫

2

( ) ( )2

2 20 11 14 ' 1

4A

P J hah

πωμ βρ= −

Page 20: Guias de Onda Circulares

Perdas nos condutores no modo TE11

.2

sc

RP H H dρ φ∗= ∫ ( )2

2 2

2s

c zRP H H ad

φ π

φ φ=

= +∫2C∫ ( )

02

φ=∫

( )22 2

2 2 2isA RP J h d

φ πβ φ φ φ

=⎛ ⎞⎜ ⎟∫ ( )2 2 2

14 2

0

cos sin2

scP J ha ad

h aφ

β φ φ φ=

⎛ ⎞= +⎜ ⎟

⎝ ⎠∫

( )2 2

214 21

2s

c

A R aP J ha

h aπ β⎛ ⎞

= +⎜ ⎟⎝ ⎠⎝ ⎠

( )2 2

21sA R aJ h

π β⎛ ⎞⎜ ⎟ ( )

( )

214 2 2

22

0 11

12

2 ' 1

s

c sc

J hah aP R kh

P akA

β

αηβ ρπωμ β

+⎜ ⎟ ⎛ ⎞⎝ ⎠= = = +⎜ ⎟−⎝ ⎠( ) ( )0 112 211 14

2 12 ' 1

4P akA

J hah

ηβ ρπωμ βρ ⎝ ⎠−

Page 21: Guias de Onda Circulares

MODOS TM 0zH =

2 2 0z zE k E∇ + =

( ) ( )sin cos j zz nE C n D n J h e βφ φ ρ −= +

( ) ( )2 sin cos n j zJ hjE C n D n e

ρ

ρβ φ φρ

−∂= − +

∂h ρ∂

( ) ( )2 cos sin j zj nE C n D n J h e βφ

β φ φ ρ −= − −

( ) ( )cos sin j zj enH C D J h βω φ φ ρ −

( ) ( )2 cos sin nE C n D n J h ehφ φ φ ρρ

( ) ( )2 cos sin j zn

jH C n D n J h eh

βρ φ φ ρ

ρ= −

( )J hj ρωε ∂( ) ( )2 sin cos n j zJ hjH C n D n e

φ

ρωε φ φρ

−∂= − +

Page 22: Guias de Onda Circulares

Condições de contorno: campos elétricos tangenciais nulos sobre o condutor 

( ) 0zE aρ = = ( ) 0E aφ ρ = =

( ) ( )sin cos j zz nE C n D n J h e βφ φ ρ −= +

( ) ( )sin cos 0j zC n D n J h e βφ φ ρ −+ =

( ) ( )

( ) ( )sin cos 0jn a

C n D n J h e β

ρφ φ ρ

=+ =

( ) 0J hρ = ( ) 0J ha =( ) 0n aJ h

ρρ

== ( ) 0nJ ha =

Page 23: Guias de Onda Circulares

1.0

( )0 0, 2, 405 5,520 8,654J ρ ρ= =

0 6

0.8

( )1J ρ( )J ρ

0.4

0.6 ( )2J ρ( )3J ρ

2 4 6 8 10 12

0.2

ρ

-0.4

-0.2

Page 24: Guias de Onda Circulares

nmha ρ= nmh ρ=( ) 0nJ ha = ( ) 0n nmJ ρ =

a

Valores correspondentes ao modo TMρn0 ρn1 ρn2 ρn3

n = 0 ‐ 2,405 5,520 8,654

Valores correspondentes ao modo TM

n   0 2,405 5,520 8,654

n = 1 0 3,832 7,016 10,174

n = 2 0 5,135 8,417 11,620

Modos TM n índica a variação em φModos TMnm n índica a variação em φm índica a variação em ρ

Page 25: Guias de Onda Circulares

Frequencia de corte  fnm do modo TMnm

2ρ⎛ ⎞2 2 2 nmnm k h

aρβ ω με ⎛ ⎞= − = − ⎜ ⎟

⎝ ⎠

22 0nm

aρω με ⎛ ⎞− =⎜ ⎟

⎝ ⎠a⎝ ⎠

nmf ρ=

2nmcf aπ με

Analisando a tabela o menor valor corresponde aosAnalisando a tabela, o menor valor corresponde  aos valores n=0 m=1

TE11 é o modo dominante e mais usado

Page 26: Guias de Onda Circulares

Impedância para Modos TM

E Eρ φ β ηβTE H H k

ρ φ

φ ρ

β ηβηωε

= = − = =

( ) ( )2 sin cos n j zJ hjE C n D n e

ρ

ρβ φ φ −∂= − +

∂( )2hρ ρ∂

( ) ( )2 sin cos n j zJ hjH C n D n e

φ

ρωε φ φρ

−∂= − +

Page 27: Guias de Onda Circulares

Perdas nos Modos TMProblema Proposto: Analisar perdas do modo TM

Perdas num guia circular de cobre com a =2,54 cm

Page 28: Guias de Onda Circulares

EXEMPLO

Determinar a freqüência de corte dos dois primeirosmodos num guia circular com raio a=0 5 cm cujo interiormodos num guia circular com raio a=0,5 cm cujo interioré revestido em ouro e está preenchido com teflon.Calcule as perdas devido a 30 cm do guia operando emCalcule as perdas devido a 30 cm do guia, operando em14 GHz. Faça um esboço da distribuição dos campos.

7 2 08 0 0004δ74,1 10 S/mcσ = × 2,08rε = tan 0,0004δ =

( )2nm

nmcf TM

π με=' ( )

2nm

cf TEρ=

Das tabelas os menores valores correspondem aos

2 aπ με( )2nmcf aπ με

Das tabelas, os menores valores correspondem aosmodos TE11 e TM01

Page 29: Guias de Onda Circulares

81 841 3 10× ×11 2

1,841 3 10( ) 12,19 GHz2 0,5 10 2,08cf TEπ −

× ×= =

× ×

8

01 2

2, 405 3 10( ) 15,92 GHz2 0 10 2 08cf TM × ×

= =01 2( )

2 0,5 10 2,08cf π −× ×

Page 30: Guias de Onda Circulares

91

8

2 2 14 10 2,08 422,9 m3 10

rfk

π ε π −× × ×= = =83 10c ×

22111' 1,831422 9 208k ρβ −⎛ ⎞⎛ ⎞

⎜ ⎟ ⎜ ⎟111

2

,422,9 208 m0,5 10

kaρβ −

⎛ ⎞⎛ ⎞= − = − =⎜ ⎟ ⎜ ⎟×⎝ ⎠ ⎝ ⎠

( )2( )22 422,9 0,0004tan= = = 0,172 Np/m = 1,49 dB/m2 2 208d

k δαβ

××

74,1 10 S/mcσ = × 0 0,0367 2sR ωμσ

= = Ω2 cσ

22 0 672 Np/m 0 583 dB/msR khα

⎛ ⎞+⎜ ⎟

2

11

0,672 Np/m = 0,583 dB/m' 1

sc h

akα

ηβ ρ= + =⎜ ⎟−⎝ ⎠

( ) ( )Perdas 1,49 0,583 0,3 0,62 dBd c Lα α= + = + × =

Page 31: Guias de Onda Circulares

TE11H EzH Eρ