Aaltoputkien teoria

Tämä artikkeli menee syvälle aaltoputkien matematiikassa. Etenkin jos Maxwell ja osittaisdifferentiaalit ovat ystäviäsi, astu rohkeasti eteenpäin. Vaikka ne eivät oliskaan ystäviäsi, tästä pitäisi saada pohjaymmärrystä siihen, miksi lopputuloksena olevat yhtälöt ovat sellaisia kuin ovat.

Tiivistettyjä lopputuloksia esitetään "Teoria" nimisessä osassa aaltoputki artikkelissa.

Englanninkielinen termi aaltoputkelle on: waveguide, koska se ohjaa (guide) sähkömagneettista energiaa sisällään.

Yleistä

Sähkömagneettista tehoa voidaan siirtää ontossa johdeputkessa. Kun sähkömagneettista kenttää rajoitetaan tällä tavalla, sen etenemistavat poikkeavat vapaan avaruuden tilanteesta. Johtavat seinämät sallivat sähkömagneettisen kentän olemassaolon vain kun johteen pintaa pitkin ei ole sähkökenttää. Aaltoputken ominaisuudet riippuvat täten sen muodosta ja koosta. Erilaiset epäjatkuvuudet aaltoputkessa muuttavat sen siirtolinjaominaisuuksia ja näitä ominaisuuksia voidaan käyttää tuottamaan induktiivista- tai kapasitiivista reaktanssia.

Sähkö- ja magneettikenttien kuviot ovat erilaisia eri moodeissa ja niille onkin kehitetty vakio nimistö sen mukaan, onko sähkökenttä (E) vai magneettikenttä (M) nolla etenemissuuntaan (putken pituusakseli) (T = Transversal = poikittainen) josta saadaan kolme yhdistelmää: TE, TM, TEM. Aaltoputkissa vain TE ja TM ovat mahdollisia. Näihin lisätään suffiksit (TEmn, TMmn), jotka kertovat että montako kertaa kyseinen kenttä muuttuu annetulla akselilla.

Merkintätapa on, että ensimmäinen numero (m) on suorakaideputken pidemmän sivun (a) suuntaan olevien puoliaaltojen määrän ja toinen (n) on lyhyemmän sivun (b).

Pyöreälle putkelle ensimmäinen numero (m) on putken sisäpinnan ympäri olevien täysien sähkökentän aaltojen määrä (ei puoliaaltojen!) ja toinen (n) on putken lävistäjän läpi olevien puoliaaltojen määrä.

Seuraavaksi kirjoitetaan Maxwellin yhtälöillä suorakulmaisen aaltoputken sisäisten kenttien olemus ensin tavallisessa oikeakätisessä suorakulmaisessa koordinaatistossa, jossa z on putken pituussuuntaan ja positiivinen signaalin etenemissuuntaan.

Pyöreän aaltoputken tarpeisiin tehdään sama harjoitus polaarikoordinaatistolla, jossa z on samoin kuin suorakulmaisella tapauksella.

Pyörittelemällä Maxwellin yhtälöitä ja kieltämällä tapaus: $m=n=0$ saadaan sitten...

Suorakaideaaltoputki

Suorakaideaaltoputki on ontto metalliputki, jonka poikkileikkaus on suorakaide. Putken johtavat seinät pitävät sähkömagneettisen kentän sisällään ja näin ohjaavat niitä. Useita erilaisia sähkömagneettisten kenttien konfiguraatioita ('moodeja') voi samanaikaisesti olla olemassa aaltoputkessa.

Kun sähkömagneettisen kentän "aallot" kulkevat pitkin johdetta (putkea), ne heijastelevat edestakaisin seinien välillä. Tästä seuraa, että joko sähkökenttä tai magneettikenttä on etenemissuuntainen, eli se ei enää olekaan poikittainen sähkömagneettinen aalto (Transversal electromagnetic wave - TEM). Oheinen kuva esittää, miten mikä tahansa säännöllinen tasoaalto voidaan häviöttömässä johteessa esittää TE ja TM -aalloiksi.

Tasoaallon heijastuminen aaltoputkessa

Kun aallonpituus $\lambda \,$ on se jaettavissa putken pituussuuntaiseen ($\lambda _{p}\,$) ja siihen nähden kohtisuoraan ('normaaliin', $\lambda _{n}\,$) Yhtälöinä:

$\lambda _{n}={\frac {\lambda }{\cos \theta }}\qquad \lambda _{p}={\frac {\lambda }{\sin \theta }}\,$ (eq.1)

missä $\theta \,$ on heijastuvan aallon heijastuskulma ja $\lambda \,$ on saapuvan signaalin aallonpituus vapaassa väliaineessa (jos putkessa olisi jotain muuta kuin ilmaa/tyhjöä.)

Aaltoputkessa oleva tasoaalto on nähtävissä kahtena komponenttina: ensimmäinen on seisova aalto joka on kohtisuorassa putken heijastavia seiniä kohtaan ja toinen on liikkuva aalto joka kulkee heijastavien seinien kanssa samaan suuntaan. Häivöttömässä aaltoputkessa nämä etenemistila (moodit) voidaan luokitella olemaan joko transverse electric (TE), tai transverse magnetic (TM).

Suorakaideputkissa näitä moodeja kutsutaan nimillä: $TE_{mn}\,$ ja $TM_{mn}\,$, missä $m$ laskee puolia aallonpituuksia sähkö- tai magneettikentän voimakkuuksia x-koordinaatin suuntaan (yleensä suorakaideputken pidemmän sivun suuntaan.) Samoin $n$ kertoo puolien aallonpituuksien määrän.

Aaltoyhtälöiden ratkaisuja suorakulmaisissa koordinaateissa

Aaltoyhtälöille voidaan tarjota ratkaisut sekä aika- että taajuusdomaineissa. Yksinkertaisuuden vuoksi käsittelemme nyt kuitenkin vain siniaallon vakaan tilan (steady state) ratkaisuja oikeakätisessä suorakulmaisessa koordinaatistossa.

Sähköiset ja magneettiset aaltoyhtälöt voidaan esittää taajuusdomainissa seuraavin vektoriyhtälöin:

$\nabla ^{2}\mathbf {E} =\gamma ^{2}\mathbf {E}$ (eq.2)

$\nabla ^{2}\mathbf {H} =\gamma ^{2}\mathbf {H}$ (eq.3)

jossa $\gamma ={\sqrt {j\omega \mu \left(\sigma +j\omega \epsilon \right)}}=\alpha +j\beta$.

Suorakulmaisissa (ja yleensä oikeakätisissä) koordinaateissa lausuttavat E tai H noudattavat kompleksista skalaariaaltoyhtälöä, tai Helmholtzin yhtälöä.

$\nabla ^{2}\psi =\gamma ^{2}\psi$ (eq.4)

Helmholtzin yhtälö suorakulmaisissa koordinaateissa on:

${\frac {\partial ^{2}\psi }{\partial x^{2}}}+{\frac {\partial ^{2}\psi }{\partial y^{2}}}+{\frac {\partial ^{2}\psi }{\partial z^{2}}}=\gamma ^{2}\psi$ (eq.5)

Tämä on lineaarinen ja homogeeninen osittaisdifferentiaaliyhtälö kolmessa ulottuvuudessa. Käyttämällä muuttujien erottelua, ratkaisuksi saadaan:

$\psi =X\left(x\right)Y\left(y\right)Z\left(z\right)$ (eq.6)

missä esim. $X\left(x\right)$ on funktio pelkän $x$-koordinaatin suhteen.

Pienellä sijoitus ja kaavajumpalla edellisistä saadaan:

${\frac {1}{X}}{\frac {d^{2}X}{dx^{2}}}+{\frac {1}{Y}}{\frac {d^{2}Y}{dy^{2}}}+{\frac {1}{Z}}{\frac {d^{2}Z}{dz^{2}}}=\gamma ^{2}$ (eq.7)

Koskapa edellisten kolmen termin summa on vakio ja jokainen niistä termeistä on oma itsenäinen riippumaton muuttuja, jokaisen osatermin pitää olla yhtäsuuret.

Olkoot yllä olevat kolme termiä: $k_{x}^{2},k_{y}^{2},k_{z}^{2}\,$, osittaisdifferentiaalin erottelu voidaan esittää muodossa:

$-k_{x}^{2}-k_{y}^{2}-k_{z}^{2}=\gamma ^{2}\,$ (eq.8)

Yleinen ratkaisu kullekin (eq.7) differentiaaliyhtälölle on:

${\frac {d^{2}X}{dx^{2}}}=-k_{x}^{2}X$ (eq.9)

${\frac {d^{2}Y}{dy^{2}}}=-k_{y}^{2}Y$ (eq.10)

${\frac {d^{2}Z}{dz^{2}}}=-k_{z}^{2}Z$ (eq.11)

ja ne ovat käännettävissä muotoon:

$X=A\sin k_{x}x+B\cos k_{x}x\,$ (eq.12)

$Y=C\sin k_{y}y+D\cos k_{y}y\,$ (eq.13)

$Z=E\sin k_{z}z+F\cos k_{z}z\,$ (eq.14)

Suorakulmaisissa koordinaateissa Helmholtz yhtälöjen täydet ratkaisut ovat:

$\psi =\left(A\sin k_{x}x+B\cos k_{x}x\right)\left(C\sin k_{y}y+D\cos k_{y}y\right)\times \left(E\sin k_{z}z+F\cos k_{z}z\right)$ (eq.15)

TE-aaltoputkimoodit suorakaideputkelle

Apumuuttuja:

$v_{p}={\frac {1}{\sqrt {\mu \epsilon }}}={\frac {c}{\sqrt {\mu _{r}\epsilon _{r}}}}$

on signaalin vaihenopeus putken sisäisessä eristeaineessa, ilmalle/tyhjölle se on valonnopeus.

Cutoff wave number:

$k_{c}={\sqrt {\left({\frac {m\pi }{a}}\right)^{2}+\left({\frac {n\pi }{b}}\right)^{2}}}=\omega _{c}{\sqrt {\mu \epsilon }}={\frac {\omega _{c}}{v_{p}}}$

$\,\,={\frac {2\pi f_{c}{\sqrt {\mu _{r}\epsilon _{r}}}}{c}}$

jossa a ja b on metreinä.

Alarajataajuus on:

$f_{c}={\frac {1}{2{\sqrt {\mu \epsilon }}}}{\sqrt {{\frac {m^{2}}{a^{2}}}+{\frac {n^{2}}{b^{2}}}}}={\frac {1}{2}}v_{p}{\sqrt {{\frac {m^{2}}{a^{2}}}+{\frac {n^{2}}{b^{2}}}}}$

jota vastaava aallonpituus:

$\lambda _{c}={\frac {2}{\sqrt {\left({\frac {m}{a}}\right)^{2}+\left({\frac {n}{b}}\right)^{2}}}}$

Huomio: Tämä ei riipu putken täyteaineen ominaisuuksista!

Etenemisvakio (tai tässä vaihevakio):

$\beta _{g}=\omega {\sqrt {\mu \epsilon }}{\sqrt {1-\left({\frac {f_{c}}{f}}\right)^{2}}}$

Vaihenopeus:

$v_{g}={\frac {\omega }{\beta _{g}}}={\frac {v_{p}}{\sqrt {1-\left(f_{c}/f\right)^{2}}}}$

Ominaisaaltoimpedanssi TE-moodeille voidaan lausua:

$Z_{g}={\frac {E_{x}}{H_{y}}}=-{\frac {E_{y}}{H_{x}}}={\frac {\omega \mu }{\beta _{g}}}={\frac {\eta }{\sqrt {1-\left(f_{c}/f\right)^{2}}}}$

missä: $\eta ={\sqrt {\mu /\epsilon }}$ on eristeen ominaisimpedanssi.

Aaltoputken aallonpituus on:

$\lambda _{g}={\frac {\lambda }{\sqrt {1-\left(f_{c}/f\right)^{2}}}}$

missä: $\lambda =v_{p}/f\,$ on aallonpituus putken sisäeristeessä.

TM-aaltoputkimoodit suorakaideputkelle

Alarajataajuus $f_{c}$ on kuten TE-moodilla.

Etenemisvakio $\beta _{g}\,$ on kuten TE-moodilla.

Vaihenopeus $v_{g}\,$ on kuten TE-moodilla.

Ominaisaaltoimpedanssi TM-moodeille voidaan lausua:

$Z_{g}={\frac {\beta _{g}}{\omega \epsilon }}=\eta {\sqrt {1-\left(f_{c}/f\right)^{2}}}$

missä: $\eta ={\sqrt {\mu /\epsilon }}$ on eristeen ominaisimpedanssi kuten TE-moodilla.

Aaltoputken aallonpituus $\lambda _{g}\,$ on kuten TE-moodilla.

TE-aaltoputkimoodit pyöreälle putkelle

Vaihenopeus putken sisällä olevassa eristeaineessa:

$v_{p}={\frac {1}{\sqrt {\mu \epsilon }}}={\frac {c}{\sqrt {\mu _{r}\epsilon _{r}}}}$

joka ilmalle/tyhjölle on käytännössä valonnopeus.

Etenemismoodit ovat besselin funktion $J_{n}^{\prime }(k_{c}r)=0\,$ juuria (joka on siis besselin funktion derivaatta ja edustaa perättäisiä maksimeja ja minimejä). Merkintä $X_{np}^{\prime }\,$ tarkoittaa $J_{n}$ funktion derivaatan p:nnettä nollakohtaa ja ollaan kiinnostuneet parametrin $k_{c}r$ numeerisesta arvosta siinä nollakohdassa.

Cutoff wave number:

$k_{c}={\frac {X_{np}^{\prime }}{r}}=\omega _{c}{\sqrt {\mu \epsilon }}={\frac {\omega _{c}}{v_{p}}}$

Etenemisvakio on muotoa:

$\beta _{g}={\sqrt {\omega ^{2}\mu \epsilon -\left({\frac {X_{np}^{\prime }}{r}}\right)^{2}}}$

Alarajataajuus:

$f_{c}={\frac {X_{np}^{\prime }}{2\pi r{\sqrt {\mu \epsilon }}}}={\frac {X_{np}^{\prime }v_{p}}{2\pi r}}$

sitä vastaava aallonpituus:

$\lambda _{c}={\frac {2\pi r}{X_{np}^{\prime }}}$

Huomio: Tämä ei riipu putken täyteaineen ominaisuuksista!

TE-moodin vaihenopeus:

$v_{g}={\frac {\omega }{\beta _{g}}}={\frac {v_{p}}{\sqrt {1-\left(f_{c}/f\right)^{2}}}}$

Aallonpituus:

$\lambda _{g}={\frac {\lambda }{\sqrt {1-\left(f_{c}/f\right)^{2}}}}$

jossa $\lambda ={\frac {v_{p}}{f}}$ on aallonpituus täytteenä olevassa eristeaineessa.

Aaltoimpedanssi:

$Z_{g}={\frac {\omega \mu }{\beta _{g}}}={\frac {\eta }{\sqrt {1-\left(f_{c}/f\right)^{2}}}}$

missä $\eta ={\sqrt {\mu /\epsilon }}$ on eristeaineen ominaisimpedanssi.

TM-aaltoputkimoodi pyöreälle putkelle

Vaihenopeus putken sisällä olevassa eristeaineessa:

$v_{p}={\frac {1}{\sqrt {\mu \epsilon }}}={\frac {c}{\sqrt {\mu _{r}\epsilon _{r}}}}$

joka ilmalle/tyhjölle on käytännössä valonnopeus.

Etenemismoodit ovat besselin funktion $J_{n}(k_{c}r)=0\,$ juuria ja merkintä $X_{np}$ tarkoittaa $J_{n}$ funktio p:nnettä juurta ja ollaan kiinnostuneita nimenomaan parameterin $k_{c}r$ (tulon) arvosta siinä kohdassa.

Cutoff wave number:

$k_{c}={\frac {X_{np}}{r}}=\omega _{c}{\sqrt {\mu \epsilon }}={\frac {\omega _{c}}{v_{p}}}$

Etenemisvakio on muotoa:

$\beta _{g}={\sqrt {\omega ^{2}\mu \epsilon -\left({\frac {X_{np}}{r}}\right)^{2}}}$

Alarajataajuus:

$f_{c}={\frac {X_{np}}{2\pi r{\sqrt {\mu \epsilon }}}}={\frac {X_{np}v_{p}}{2\pi r}}$

sitä vastaava aallonpituus:

$\lambda _{c}={\frac {2\pi r}{X_{np}}}$

Huomio: Tämä ei riipu putken täyteaineen ominaisuuksista!

TM-moodin vaihenopeus $v_{g}\,$ on sama yhtälö, kuin TE-moodilla.

Aallonpituus $\lambda _{g}\,$ on sama yhtälö, kuin TE-moodilla.

Aaltoimpedanssi $Z_{g}$ on sama yhtälö, kuin TE-moodilla.

Tyypit

Suorakaideputki (rectangular waveguide)

Suorakaideputkessa sähkökenttä on poikittain putkessa sen pidempien sivujen välillä. Sähkökentän voimakkuus putoaa reunoilla (lyhyet sivut) nollaan ja on keskellä maksimi. Jakaumakuvio on sinikäyrä. Magneettikenttä koostuu silmukoista jotka ovat samansuuntaisia pitkien sivujen kanssa.

Ilma-/tyhjötäytteiselle suorakaiteen muotoiselle aaltoputkelle tehollinen aallonpituus on:

$\lambda _{g}={\frac {\lambda }{\sqrt {1-\left(\lambda /2a\right)^{2}}}}\,$

missä:

• $\lambda \,$ on aallonpituus tyhjössä
• a on isompi sisämitoista ("pitkän sivun" mitta)

Suorakaideputkella signaalin polarisaatio on samansuuntainen sähkökentän kanssa, eli se on samansuuntainen lyhyiden sivujen kanssa.

Tällaisen putken käyttökelpoinen ylätaajuus on tyypillisesti (korkeampien etenemismoodien välttötarpeesta johtuen) noin 1.4 kertaa alarajataajuus.

Pyöreä putki (circular/round waveguide)

Pyöreässä aaltoputkessa voidaan kuljettaa energiaa, mutta se ei pakota signaalille mitään polarisaatiota. Tästä voi toisaalta olla etuakin, kun halutaan tuottaa/kuljettaa pyörivää polarisaatiota.

Pyöreän aaltoputken ensisijainen etenemismoodi on ns. TE-11 ja sen raja-aallonpituus voidaan määrittää olevan:

$\lambda _{c}=J_{n}^{\prime }(k_{c},r)=3.412\ r\,$

missä:

• r on putken sisäsäde.

Pyöreän aaltoputken aallonpituus voidaan näin lausua olevan:

$\lambda _{g}={\frac {\lambda }{\sqrt {1-\left(\lambda /3.412\ r\right)^{2}}}}\,$

Seuraava mutkikkaampi etenemismoodi on TM-01, jolle $\lambda _{c}=2.613\ r\,$. Tämä vastaa taajuutta, joka on vain noin 1.3 kertainen TE-11 alarajataajuuteen, joten pyöreä putki toimii havaittavasti kapeammalla taajuusalueella, kuin suorakaideputki.

Harjanneputki (ridged waveguide)

Tekemällä suorakaideputken pitkän sivun keskelle pitkittäinen harjanne (joko vain toiseen sivuun, tai molempiin), saadaan tehtyä putki, jossa käyttökelpoinen taajuusalue on huomattavasti laajempi, kuin tavallisessa putkessa. Tämä seuraa keskiharjanteen olemassaolon haitasta ylemmille etenemismuodoille.

Tyypillisesti käyttökelpoinen ylätaajuus voi olla 2.0-2.5 kertainen alarajaan nähden.

Koska harjanneputkessa sähkökenttä on harjanteiden välillä lyhimmillään, myös läpilyönti voi tapahtua pienemmällä jännitteellä kuin harjanteettomassa tavallisessa suorakaideputkessa. Näin harjanneputken maksimi tehokesto on pienempi, kuin suorakaideputkella.