Post on 04-Feb-2018
transcript
1. WAVEGUIDE
ELEKTROMAGNETIK
TERAPAN
OUTLINE
1. Pendahuluan 2. Rectangular Waveguide 3. Circular Waveguide
PENDAHULUAN
Mode Propagasi
TE modes (Transverse Electric) have no electric field in the direction of propagation (Ez =0 and Hz ≠ 0)
TM modes (Transverse Magnetic) have no magnetic field in the direction of propagation (Ez ≠ 0 and Hz = 0)
TEM modes (Transverse Electro Magnetic) have no electric nor magnetic field in the direction of propagation (Ez =Hz = 0 )
Hybrid modes/Quasi_TEM have both electric and magnetic field components in the direction of propagation.
PENDAHULUAN
Jenis Waveguide
ellips
rectangular
sirkular
PENDAHULUAN
Karakteristik Waveguide
Waveguide tidak mendukung gelombang TEM karena konstruksinya tidak tersusun oleh 2 konduktor yang terpisah
Gelombang dalam waveguide akan berpropagasi dengan mode yang lebih tinggi yaitu mode TM (Transverse Magnetic) dan mode TE (Transverse Electric)
Cocok untuk aplikasi frekuensi tinggi dan high power
PENDAHULUAN
Kelebihan Waveguide
Mode TE dan TM memiliki Bandwidth yang terbatas. Dalam kenyataanya gelombang tidak akan merambat pada mode TE dan TM pada frekuensi dibawah frekuensi cut off.
Mode TE dan TM bersifat dispersif. Artinya kecepatan phasa dari gelombang sangat tergantung dari frekuensi.
Bentuknya yang besar dan berat
Kekurangan Waveguide
Dapat menyalurkan power yang besar (orde Kilowatt)
Memiliki Loss yang sangat kecil
PENDAHULUAN
Aplikasi Waveguide
Waveguide biasanya digunakan untuk high frequency application dan high-power application, contohnya adalah high-power microwave transmitter
Meskipun tren teknologi menunjukkan kearah compact aplication yang mengakibatkan penggunaan waveguide sudah banyak diganti dengan planar teknologi (mikrostrip, stripline dsb), tetapi untuk aplikasi testing yang membutuhkan ketepatan tinggi (high precision) masih menggunakan waveguide.
PENDAHULUAN
Komponen – komponen Tambahan pada Aplikasi Waveguide
Waveguide termination
Waveguide Bend and twist
Coax to WG transition Attenuator
PENDAHULUAN
Mode Propagasi dalam Waveguide
y = b
x = a
x
y
, = 0
=
Mode Gelombang Dalam Waveguide Terdapat 2 kemungkinan konfigurasi medan dalam waveguide :
(1) Transverse Electric ( mode TE )
0,0 zz HEMedan listrik transversal terhadap sumbu bumbung gelombang
(2) Transverse Magnetic ( mode TM )
0,0 zz EHMedan magnet transversal terhadap sumbu bumbung gelombang
Mode Transverse Electromagnetic ( mode TEM ) TIDAK MUNGKIN ADA pada waveguide
z
r
r = a
PENDAHULUAN
Mode Propagasi dalam Waveguide
Mode-mode dalam waveguide seperti TEmn dan TMmn sebenarnya menggambarkan wive pattern yang terjadi pada wiveguide.
Subscript m merepresentasikan jumlah puncak sepanjang sumbu x dan Subscript n merepresentasikan jumlah puncak sepanjang sumbu y
Contoh : Mode TE10 berarti medan listrik berada pada bidang tranversal dan tidak ada komponen medan listrik pada arah propagasi gelombang, dan medan listrik berubah sepanjang sumbu x dengan 1 puncak, tetapi tidak berubah sepanjang sumbu y.
Mode mana yang akan dibangkitkan didalam waveguide tergantung dari frekuensi dan posisi pencatuan dari waveguide.
RECTANGULAR WAVEGUIDE
RWG MODE TMmn
ax
x
y
c
z
0,,
0x
0y by
z
2tcos
b
yncos
a
xmsinCE
mn
z
C real , dan
h2 = M2 + N2
a
mM
b
nN
Persamaan medan
Atau
0
sinsin
z
zj
oz
H
eyb
nx
a
mEE
,3,2,1, nm
RECTANGULAR WAVEGUIDE
RWG MODE TMmn
ax
x
y
c
z
0,,
0x
0y by
z
2tsin
b
ynsin
a
xmcosC
a
m
hE
mn
2
mnx
C real , dan
h2 = M2 + N2
a
mM
b
nN
Persamaan medan
Atau
zj
z
mn
xsmney
b
nx
a
mE
b
n
a
m
a
mj
E
sincos022
,3,2,1, nm
RECTANGULAR WAVEGUIDE
RWG MODE TMmn
ax
x
y
c
z
0,,
0x
0y by
z
2tsin
b
yncos
a
xmsinC
b
n
hE
mn
2
mny
C real , dan
h2 = M2 + N2
a
mM
b
nN
Persamaan medan
Atau
zj
z
mn
ysmney
b
nx
a
mE
b
n
a
m
b
nj
E
cossin022
,3,2,1, nm
RECTANGULAR WAVEGUIDE
RWG MODE TMmn
ax
x
y
c
z
0,,
0x
0y by
z
2tsin
b
yncos
a
xmsinC
b
n
hH
mn
2x
C real , dan
h2 = M2 + N2
a
mM
b
nN
Persamaan medan
Atau
zj
zxsmney
b
nx
a
mE
b
n
a
m
b
nj
H
cossin022
,3,2,1, nm
RECTANGULAR WAVEGUIDE
RWG MODE TMmn
ax
x
y
c
z
0,,
0x
0y by
z
2tsin
b
ynsin
a
xmcosC
a
m
hH
mn
2y
C real , dan
h2 = M2 + N2
a
mM
b
nN
Persamaan medan
Atau
zj
zysmney
b
nx
a
mE
b
n
a
m
a
mj
H
sincos022
,3,2,1, nm
RECTANGULAR WAVEGUIDE
RWG MODE TEmn
ax
x
y
c
z
0,,
0x
0y by
C real , dan
h2 = M2 + N2
a
mM
b
nN
Persamaan medan
0
coscos
z
zj
oz
E
eyb
nx
a
mHH
Atau
zj
zmneNycosMxcosCH
,3,2,1, nm
RECTANGULAR WAVEGUIDE
RWG MODE TEmn
ax
x
y
c
z
0,,
0x
0y by
C real , dan
h2 = M2 + N2
a
mM
b
nN
Persamaan medan
zj
22xmneNysinMxcosC
NM
NjE
Atau
zj
zxsmney
b
nx
a
mH
b
n
a
m
b
nj
E
sincos022
,3,2,1, nm
RECTANGULAR WAVEGUIDE
RWG MODE TEmn
ax
x
y
c
z
0,,
0x
0y by
C real , dan
h2 = M2 + N2
a
mM
b
nN
Persamaan medan
zj
22ymneNycosMxsinC
NM
MjE
Atau
zj
zysmney
b
nx
a
mH
b
n
a
m
a
mj
E
cossin022
,3,2,1, nm
RECTANGULAR WAVEGUIDE
RWG MODE TEmn
ax
x
y
c
z
0,,
0x
0y by
C real , dan
h2 = M2 + N2
a
mM
b
nN
Persamaan medan
zj
22
mnx
mneNycosMxsinCNM
MjH
Atau
zj
z
mn
xsmney
b
nx
a
mH
b
n
a
m
b
mj
H
cossin022
,3,2,1, nm
RECTANGULAR WAVEGUIDE
RWG MODE TEmn
ax
x
y
c
z
0,,
0x
0y by
C real , dan
h2 = M2 + N2
a
mM
b
nN
Persamaan medan
zj
22
mny
mneNysinMxcosCNM
NjH
Atau
zj
z
mn
ysmney
b
nx
a
mH
b
n
a
m
b
nj
H
sincos022
,3,2,1, nm
RECTANGULAR
WAVEGUIDE
Mode Perambatan GEM pada Rectangular Waveguide
RECTANGULAR WAVEGUIDE
μεωb
nπ
a
mπγ 2
22
Konstanta Propagasi
22
2
b
n
a
m
• Terjadi perambatan energi untuk,
22
2
mnb
n
a
mjj
• Tidak terjadi perambatan energi untuk,
22
2
b
n
a
m
2
22
mnb
n
a
m
Frequency Cuttoff
22
mn,COb
n
a
m
2
1f
mn,COops ff Terjadi perambatan energi, gelombang berjalan dalam waveguide
mn,COops ff Tidak terjadi perambatan energi, “mode evanescent”
ax
x
y
c
z
0,,
0x
0y by
RECTANGULAR WAVEGUIDE
ax
x
y
c
z
0,,
0x
0y by Kecepatan Phasa
Konstanta Phasa
2
op
mn,CO
mnf
f1
2
op
mn,CO
mn
f
f1
vv
2
op
mn,CO
mn,gf
f1vv
2
op
mn,CO
mn
f
f1
Panjang Gelombang
Group Velocity
2
op
mn,CO
imn,TMf
f1ZZ
2
op
mn,CO
imn,TE
f
f1
ZZ
Grafik impedansi intrinsik untuk mode TE dan TM
Impedansi Karakteristik
iZ
2
op
mn,c
mnf
f1F
“ Faktor mode “
RECTANGULAR WAVEGUIDE
Mode Terendah / Mode Dominan / Fundamental Mode
• Mode gelombang yang memiliki frekuensi cutoff paling rendah disebut sebagai mode dominan (mode terendah). Gelombang mode dominan memiliki daya/energi paling dominan diantara mode-mode lainnya
• Pada umumnya, waveguide direncanakan untuk bekerja pada mode terendah dan mode lainnya yang lebih tinggi dihindarkan karena memiliki Loss yang lebih besar dan field pattern bisa berubah.
• Untuk bumbung gelombang rektangular, mode terendah adalah mode TE10 atau TE01 tergantung dari dimensi bumbung gelombang. Hal ini karena mode-mode tersebut kemungkinan memiliki frekuensi cutoff terendah.
• Jika a > b , mode terendah adalah TE10 , sedangkan
jika a < b , mode terendah adalah TE01
• Untuk mode TM, mode terendah adalah TM11
22
mn,COb
n
a
m
2
1f
a
b
RECTANGULAR WAVEGUIDE
Mode Terendah / Mode Dominan / Fundamental Mode
• Setiap waveguide standard dari industri biasanya hanya cocok untuk frekuensi tertentu saja dan bisa dilihat di tabel disamping
Suatu RWG memiliki dimensi a = 7,62 cm dan b = 4 cm, terbuat dari
bahan konduktor yang diasumsikan sempurna, rongganya vakum,
beroperasi pada mode TE10 pada frekuensi operasi 30 % lebih tinggi
dari frekuensi cutoff-nya. Hitung :
a) Frekuensi cutoff
b) Frekuensi operasi
c) Impedansi intrinsik
RECTANGULAR WAVEGUIDE
Contoh Soal
RECTANGULAR WAVEGUIDE
Tinjauan Daya
Rapat daya (vektor Poynting) rata-rata
*
21 Re ssav HEP
Sedangkan daya total rata-rata yang menembus bidang z konstan (kearah z)
z
2
y
2
xmn
z
mn
2
y
2
x*
av aHH2
Za
Z
EE
2
1HERe
2
1P
mn
2
y
2
xb
0y
a
0x
b
0y
a
0x
zzavavZ
EE
2
1adxdyaPW
RECTANGULAR WAVEGUIDE
Rugi-rugi Daya pada RWG
Rugi-Rugi daya pada RWG disebabkan oleh ketidaksempurnaan dielektrik
rongga dan ketidaksempurnaan konduktor dinding. Dielektrik tak-sempurna menyebabkan pada
mode propagasi dengan :
Konduktor tak-sempurna menyebabkan sebagian medan yang mestinya
maksimal dipropagasikan, tetapi diabsorbsi sebagian oleh dinding-dinding konduktor sebagai daya disipasi.
j1 mnmnmn j
dan,0mn :sehingga,0mn
tanj1
b
nπ
a
mπγ 2
22
c
RECTANGULAR WAVEGUIDE
Pencatuan Waveguide
• waveguide selalu dicatu pada titik dimana terjadi medan maksimumnya.
• Lihat persamaan medan listriknya, cari titik maksimumnya dan waveguide dicatu pada titik maksimum tersebut !
• Pencatuan bisa dilakukan dengan kabel koaxial dengan ujung dikupas dimasukkan ke dalam waveguide.
• Contoh untuk TE10 :
Terdapat satu komponen medan untuk medan listrik E, yaitu komponen ke arah sumbu y :
z
2tsin
a
xsinC
ae
a
xsinC
ajE
10
zj
y10
Untuk t = 0, maka harga medan listrik maksimum terjadi pada :
2
ax
4z 10, y = sembarang, dan
4,0,
2
a 10
RECTANGULAR WAVEGUIDE
Pencatuan Waveguide
x
y
z
2
a
4
10
Percatuan untuk TE10
CIRCULAR WAVEGUIDE
Pendahuluan
Asumsi: Misalkan Circular Waveguide (CWG) dengan sistem koordinat silinder dengan arah seperti gambar di samping:
z
r
= a
Dinding CWG: Konduktor sempurna (C = )
Pengisi CWG: Dielektrik sempurna (s = 0 ; = 0, , )
Dimensi CWG: Jari-jari = a.
gelombang merambat ke arah z-positif.
Mode Terendah / Mode Dominan / Fundamental Mode
• Mode Dominan pada CWG adalah TE11 dan TM01
TE11 TE21 TE01 TE31 TE41TE12
TM01 TM11 TM21 TM02
11cTEc ff
CIRCULAR WAVEGUIDE
CIRCULAR WAVEGUIDE
Konstanta Propagasi
Frekuensi Cutoff
2
2
nlnl,TM
a
p
2
2
nlnl,TE
a
'p
TM
nlc
a2
pf
TE
nlc
a2
'pf
2
nl2
nl,TMa
p
2
nl2
nl,TEa
'p
Konstanta Phasa
CIRCULAR WAVEGUIDE
Panjang Gelombang
Kecepatan Fasa dan Kecepatan Group
Impedansi Intrinsik
nlnl
phF
vv
nl
nl
g Fvd
dv
2
op
cnl
f
f1F
“ Faktor mode “
nl
nlF
2
op
cinl,TM
f
f1ZZ
2
op
c
inl,TE
f
f1
ZZ
CIRCULAR WAVEGUIDE
Fungsi Bessel orde 0,1,2, …( pnl )
Fungsi Bessel orde ke-0
Akar pertama fungsi Bessel orde ke-0 = p01
Untuk mode TM Untuk mode TM
Untuk mode TE
CIRCULAR WAVEGUIDE
Suatu waveguide sirkular terbuat dari konduktor sempurna dengan radius 1,5 cm,
diisi dengan dielektrik (r = 4, dan r = 1). Jika frekuensi operasinya 20% lebih
rendah dari frekuensi cut-off mode diatas mode dominan, maka:
a. frekuensi operasi = ......................GHz
b. panjang gelombang = ..........................
c. kecepatan grup = .........................., kecepatan fasa = ..........................
Contoh Soal
ANY QUESTION???