Faculdade de Engenharia
Guias de Onda e Cavidades
Faculdade de Engenharia
Propagação guiada
z y dieléctrico 2 dieléctrico 2 guia metálico y z dieléctrico 1 guia dieléctrico 2 1n
n
c i
estudo dos guias de onda
equações de Maxwell condições fronteira 0 0 H E E j H H j E
0 0 2 2 2 2 H H E E
campos harmónicos meios LHIreflexão interna total
0 ,
0
v
Faculdade de Engenharia
Guias de onda cilíndricos
x
y
z
podem estar limitados por condutor ideal
propagação segundo +
z
,
secção transversal não varia com
z
guias preenchidos com meio sem perdas
comprimento infinito
ze
y
x
H
z
y
x
H
,
,
0,
ze
y
x
E
z
y
x
E
,
,
0,
Faculdade de Engenharia
Guias de onda cilíndricos – determinação dos campos
x y z
ze
y
x
H
z
y
x
H
,
,
0,
ze
y
x
E
z
y
x
E
,
,
0,
0
0
2 2 2 2
H
H
E
E
0
0
0 2 0 2 0 2 0 2
H
h
H
E
h
E
xy xy 2 2 2 h 2 2 2 2 2 y x xy 2 eqs. vectoriais 6 eqs. escalares0
0
0
0
0
0
0 2 0 2 0 2 0 2 0 2 0 2 0 2 0 2 0 2 0 2 0 2 0 2
z z xy z z xy y y xy y y xy x x xy x x xyH
h
H
E
h
E
H
h
H
E
h
E
H
h
H
E
h
E
não independentesFaculdade de Engenharia
Guias de onda cilíndricos – componentes transversais
x y z H j E
H j
E 0 0 0 0 0 0 0 0 0 z x y y x z x y zH
j
y
E
x
E
H
j
E
x
E
H
j
E
y
E
0 0 0 0 0 0 0 0 0 z x y y x z x y zE
j
y
H
x
H
E
j
H
x
H
E
j
H
y
H
z e y x H H 0 ,
z e y x E E 0 ,
H
j
E
E
y
H
j
x
E
h
E
x
E
j
y
H
h
H
y
E
j
x
H
h
H
z z z z x z z y z z x 0 0 0 0 0 2 0 0 0 2 0 0 0 2 01
1
1
1
componentes transversais à custa das componentes longitudinais
Faculdade de Engenharia
Determinação dos campos no interior do guia
x y z
x
H
j
y
E
h
E
y
H
j
x
E
h
E
x
E
j
y
H
h
H
y
E
j
x
H
h
H
z z y z z x z z y z z x 0 0 2 0 0 0 2 0 0 0 2 0 0 0 2 01
1
1
1
se h0 2. determinar0
0
0 2 0 2 0 2 0 2
z z xy z z xyH
h
H
E
h
E
2 2 2
h
1. resolver 3. obter
z z e y x H z y x H e y x E z y x E , , , , , , 0 0aplicação de condições fronteira
Nota ondas TE ondas TEM ondas TM 0 e 0 0 0 z z H E 0 e 0 0 0 z z E H 0 e 0 0 0 z z E H
Faculdade de Engenharia
Frequência de corte
x y z
2 2 2
h
frequência de corte 1 2 2
h
h2 2
2
h
f
c
1 2 f fc
ze
y
x
H
z
y
x
H
,
,
0,
ze
y
x
E
z
y
x
E
,
,
0,
c f f
c f f
j
modo evanescente modo em propagaçãoFaculdade de Engenharia
Características dos modos em propagação
x y z
f fc
j 1 2 f fc
modo em propagação: constante de fase
m c mf
f
,
1
2 comprimento de onda m m c m f f
, 2 1 2 2 se fc 0
mconstante de fase num meio infinito de parâmetros
,
Faculdade de Engenharia
Características dos modos em propagação
x y z
f fc
j 1 2 f fc
modo em propagação: velocidade de fase 2 1 f fc m velocidade de grupo f v se fc 0 v f vmvelocidade de fase num meio infinito de parâmetros
,
1 , 1 2 m c m f v f f v vse guia preenchido com ar, vm c c vf 2
1
f
f
v
v
c m g se fc 0 v g vm d d vg 1 2 m g fv v v Faculdade de Engenharia
Impedância de onda
x
y
z
ondas TEM propagando-se segundo +
z
num meio ilimitado com
z H
E E z H ˆ ˆ 1 ondas propagando-se segundo +
z
num guia
z
H
Z
E
E
z
Z
H
ˆ
ˆ
1
: TE ou TEM ondas TM ou TEM ondas :
H
x
H
y
Z
z
E
y
E
x
E
y
E
x
E
Z
z
H
y
H
x
H
x y z y x x y z y xˆ
ˆ
ˆ
ˆ
ˆ
ˆ
ˆ
1
ˆ
ˆ
ˆ
H
z
0
0 z E ondas TM ou TEM ondas TE ou TEM impedância de onda x y y xH
E
H
E
Z
Faculdade de Engenharia
Potência média propagada
x y z potência média x y y x
H
E
H
E
Z
A med medS
d
A
P
z
dA
A
d
ˆ
*
2
1
H
E
S
med
Re
A x y y x medE
H
*
E
H
*
dA
2
1
Re
P
A y x med E E dA Z 2 2 1 2 1P
Re
A y x H dA H Z 2 2 2 1 ReFaculdade de Engenharia
Energia média armazenada e velocidade de transporte de energia
x
y
z
energia média armazenada por unidade de comprimento
A med m med e medw
w
dA
W
'
, ,
2 2 2
,4
*
4 x y z med eE
E
E
E
E
w
2 2 2
,4
*
4 x y z med mH
H
H
H
H
w
med med enW
v
'
P
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Ondas TEM
x y z ondas TEM E
z
H
z
0
x
H
j
y
E
h
E
y
H
j
x
E
h
E
x
E
j
y
H
h
H
y
E
j
x
H
h
H
z z y z z x z z y z z x 0 0 2 0 0 0 2 0 0 0 2 0 0 0 2 01
1
1
1
0
2
h
2
h
f
c
m g f m m v v v j
1 2 f fc 2 1 f fc m usar equações m 0
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Ondas TEM – impedância de onda
x y z ondas TEM:
E
z
H
z
0
equações de Maxwell:0
0 0 0 0 0 0
y
E
x
E
H
j
E
H
j
E
x y y x x y
0
0 0 0 0 0 0
y
H
x
H
E
j
H
E
j
H
x y y x x y
H j E E j H
j ZTEM x y y xH
E
H
E
Z
j
jFaculdade de Engenharia
Ondas TM – impedância de onda
x y z ondas TM Hz0 0 e Ez0 0
2xyE
z0
h
2E
z0
0
y
E
h
E
x
E
h
E
x
E
h
j
H
y
E
h
j
H
z y z x z y z x
0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0
x y y x H E H E Z
j ZTM 1 2 f f j
c 1 2 f fc
A y x med E E dA Z 2 2 1 2 1P
Remodos evanescentes f fc ZTM é imaginário
P
med 0f f
modos em propagação
21 f f
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Ondas TE – impedância de onda
x y z ondas TE Ez0 0 e Hz0 0 x y y x H E H E Z
0
0 2 0 2
xyH
zh
H
zx
H
h
j
E
y
H
h
j
E
y
H
h
H
x
H
h
H
z y z x z y z x
0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0
j ZTE 1 2 f f j c modos evanescentes f fc ZTE é imaginário
P
med 0 cf f
modos em propagação (real e superior a )
1 2 f fc
A y x med E E dA Z 2 2 1 2 1P
Re
21
f
f
Z
TE
cFaculdade de Engenharia
Impedância de onda vs frequência
x y z
1
Z
região
evanescente
cf
f
2
1
21
f
f
Z
TE
c
21
f
f
Z
TM
c
TEMZ
Faculdade de Engenharia
Guias de placas paralelas
guia preenchido com material sem perdas b y z x W
,
placas condutoras ideais
comprimento infinito propagação segundo +
z
b
W
0
x
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Guias metálicos – condições fronteira
guias metálicos limitados por condutores ideais
0
cond cond B
E
contínuo
tanE
eB
normcontínuo
condições fronteiraH
B
0
norm tan H
E
junto aos condutoresb y z x W
0
z xE
E
0
yH
b
y
y
0
e
em
Faculdade de Engenharia
Guias de placas paralelas – determinação dos campos
b y z x W
x
H
j
y
E
h
E
y
H
j
x
E
h
E
x
E
j
y
H
h
H
y
E
j
x
H
h
H
z z y z z x z z y z z x 0 0 2 0 0 0 2 0 0 0 2 0 0 0 2 01
1
1
1
(se )h0 2. determinar0
0
0 2 0 2 0 2 0 2
z z xy z z xyH
h
H
E
h
E
2 2 2
h
1. resolver 0 x 0 0 0 2 2 0 2 0 2 2 0 2 z z z z H h dy H d E h dy E d dy dE h E dy dH h j E dy dH h H dy dE h j H z y z x z y z x 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 ondas TE ondas TEM ondas TM 0 e 0 0 0 z z H E 0 e 0 0 0 z z E H 0 e 0 0 0 z z E H
z z e y x H z y x H e y x E z y x E , , , , , , 0 0 0 xFaculdade de Engenharia
Ondas TEM
b y z x W ondas TEM Hz0 0 e Ez0 0 equações de Maxwell:0
0 0 0 0 0 0
y
E
x
E
H
j
E
H
j
E
x y y x x y
0
0 0 0 0 0 0
y
H
x
H
E
j
H
E
j
H
x y y x x y
H j E H j E e h0 método anterior não funciona0
x
0
0 0
dy
dH
dy
dE
x x 0 xE
eH
x0 são constantesFaculdade de Engenharia
Ondas TEM
b y z x W 0 xE
eH
x0 são constantes0
)
(
)
0
(
0 0
E
b
E
x x 0 0 y x ZH E 0
0
yH
0 0 x y ZH E
0 yE
TEMZ
constante 0 0 x E y E E0 0ˆ condições fronteira 0 z x E E 0 y H em y 0 e y b impedância de onda x y y x H E H E Z x E H0 0 ˆ
Z E Hx y 0 0 Faculdade de Engenharia
Ondas TM – componente longitudinal
b y z x W solução geral: 0 e 0 0 0 z z E H 2 2 0
0
0 2
z zE
h
dy
E
d
y
A
hy
B
hy
E
z0
sin
cos
0 0 0 z E 0 B , 3 , 2 , 1 , n b n h
0 sin hb A
y
n
A
E
n
b
n
h
n z
sin
,
2
,
1
,
0 ondas TM condições fronteira 0 z x E E 0 y H em y 0 e y b
0 0 b Ez
y A
hy Ez0 sinFaculdade de Engenharia
Ondas TM – componentes transversais
b y z x W b y n A E n b n h n z sin , 3 , 2 , 1 , 0 dy dE h E dy dH h j E dy dH h H dy dE h j H z y z x z y z x 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 b y n A n b E b y n A n b j H n y n x
cos cos 0 0 0 0 Faculdade de Engenharia
Ondas TM – modo TM
n b y z x W modo TMn b y n A n b E b y n A n b j H b y n A E n y n x n z
cos cos sin 0 0 0 , 3 , 2 , 1 , n b n h Nota: modo TMnparan
=0 é modo TEM 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Ez 0 /A n n=1 n=2 n=3Faculdade de Engenharia
Ondas TE – componente longitudinal
b y z x W ondas TE Ez0 0 e Hz0 0 2 0 0 2 0 2 z z h H dy H d
y A
hy B
hy Hz0 sin cosnota: não existe condição fronteira para Hz0
é necessário determinar as componentes transversais para se poder aplicar as condições fronteira
condições fronteira 0 z x E E 0 y H em y 0 e y b solução geral:
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Ondas TE – componentes transversais
b y z x W
y A
hy B
hy Hz0 sin cos dy dE h E dy dH h j E dy dH h H dy dE h j H z y z x z y z x 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 0
A hy B hy
h j E hy B hy A h H x y sin cos sin cos 0 0 condições fronteira 0 z x E E 0 y H b y y 0 e em
0 0
0 0 0 y x H E
, 3 , 2 , 1 , n n h
0 A
hy B h j E hy B h H hy B H x y z sin sin cos 0 0 0
0
0 0 H b b Ex yFaculdade de Engenharia
Ondas TE – modo TE
n b y z x W b y n B n b j E b y n B n b H b y n B H n x n y n z
sin sin cos 0 0 0 modo TEn , 3 , 2 , 1 , n b n h
Nota:Não existe modo TE0
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 y/b E z 0 /A n n=1 n=2 n=3 n z B H0
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Guias de placas paralelas – frequência de corte
b y z x W
2
h
f
c
0
TEM
h
,
3
,
2
,
1
,
TE TM,
n
b
n
h
f
c TEM
0
b
n
f
c2
TE TM,
modo dominante modo com menor frequência de corte
guias de placas paralelas modo dominante é o modo TEM
para uma dada frequência
f
só se propagam os modos comf
c
f
como , modo TEM está sempre presente
f
0
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A componente longitudinal do campo eléctrico de uma onda TM de frequência 15 GHz que se propaga num guia preenchido com um material dieléctrico de parâmetros é dada por
Exercício
0,4
0
Determine a) o parâmetro característico ; b) a frequência de corte; c) a constante de propagação;d) os fasores dos campos eléctrico e magnético;
e) o vector médio de Poynting ;
f) a impedância de onda. h
100
V/m
sin 50 z z y e E
formulário:Faculdade de Engenharia
Exercício
Um guia de placas paralelas com b = 1 cm está preenchido com ar. Determine a) que modos se propagam se a frequência de operação for f = 35 GHz;
b) a frequência de operação máxima para que o guia esteja em regime monomodo.
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Exercício
Para o modo TEM num guia de placas paralelas, determine
formulário
a) as expressões para as densidades superficiais de carga e de corrente nas placas;
Faculdade de Engenharia
Resolução de exercício – densidade de carga nas placas
b y z x W
x
E
H
y
E
E
ˆ
ˆ
0 0 0 0
j H E e x y e E E z j z j ˆ ˆ 0 0
1 2
ˆ D D an s
1 2 n aˆ 0 2 D y e E D1
0 jzˆdensidade de carga nas placas:
placa superior: y aˆn ˆ interior do guia:
j z s y b E e
0 0 2 D y e E D
jzˆ placa inferior: y aˆ n ˆ
j z s y E e
0 0 1 2 n aˆFaculdade de Engenharia
Resolução de exercício – densidade de corrente nas placas
b y z x W x e E H y e E E z j z j ˆ ˆ 0 0
1 2 n aˆdensidade de corrente nas placas:
placa superior: y aˆn ˆ interior do guia: placa inferior: y aˆ n ˆ 1 2 n aˆ
1 2
ˆ H H a Js n 0 2 H x e E H 0 j zˆ 1
y b
E e z Js 0 jzˆ
0 2 H x e E H 0 j zˆ 1
y
E e z Js 0 0 jzˆ
Faculdade de Engenharia
Resolução de exercício – tensão e corrente nas placas
b y
z
x
W
tensão entre as placas: bE0ejz
2 1 1 2 P Pl
d
E
V
V
corrente na placa superior:
A s d J I z j e E W
0 x e E H y e E E z j z j ˆ ˆ 0 0 interior do guia:
y b
E e z Js 0 jzˆ
z j y E e E 0
b ydy E z V 0 corrente tensão
W s dxz J z I ˆFaculdade de Engenharia
Nota – equações das linha de transmissão
b y z x W
j z e bE z V 0
j z e E W z I
0 j z z j e E W j dz dI e bE j dz dV
0 0 V b W j dz dI I W b j dz dV
W
H/m
b L
F/m
b W C j CV dz dI I L j dz dV
0 0 2 2 2 2 2 2 LCI dz I d LCV dz V d
eqs. para
V
eI
numa linha de transmissão sem perdasFaculdade de Engenharia
Guias rectangulares
guia preenchido com material sem perdas
,
placas condutoras ideais
comprimento infinito propagação segundo +
z
b
y
z
x
Faculdade de Engenharia
Guias rectangulares – condições fronteira
0
cond cond B
E
contínuo
tanE
eB
normcontínuo
condições fronteiraH
B
0
norm tan H
E
junto aos condutoresb y z x a a x x H E E b y y H E E x z y y z x e 0 em 0 e 0 em 0 0 0 0 0 0 0
Faculdade de Engenharia
Guias rectangulares – determinação dos campos
x
H
j
y
E
h
E
y
H
j
x
E
h
E
x
E
j
y
H
h
H
y
E
j
x
H
h
H
z z y z z x z z y z z x 0 0 2 0 0 0 2 0 0 0 2 0 0 0 2 01
1
1
1
(se )h0 2. determinar0
0
0 2 0 2 0 2 0 2
z z xy z z xyH
h
H
E
h
E
2 2 2
h
1. resolver
z z e y x H z y x H e y x E z y x E , , , , , , 0 0 b y z x aFaculdade de Engenharia
Ondas TEM
b y z x a 0 0 0 z z H E E e H estão no plano xy
S PS
d
t
E
I
l
d
H
int
0 H Hlinhas de são percursos fechados na secção transversal do guia
0
cond H
linhas de são fechadasH
corrente no interior do guia superfície limitada por P
0
int
I
fluxo de através de S é nuloE
não existem ondas TEM em guias rectangulares
0
Pl
d
H
H
0
E
0
Faculdade de Engenharia
Ondas TM e TE – determinação das componentes longitudinais
b y z x a
0
0
0 2 0 2 0 2 0 2
z z xy z z xyH
h
H
E
h
E
resolver 0 2 2 xy
h
x,y
2 2 2 2 2 y x xy 0 2 2 2 2 2
h y x
x
,
y
X
x
Y
y
método da separação das variáveis
0 2 2 2 2 2 h XY dy Y d X dx X d Y 0 1 1 2 2 2 2 2 h dy Y d Y dx X d X
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Método da separação das variáveis
b y z x a
0
1
1
2 2 2 2 2
h
dy
y
Y
d
y
Y
dx
x
X
d
x
X
função dex
função dey
equação anterior é satisfeita apenas quando
constante
1
2 2
dx
x
X
d
x
X
constante
1
2 2
dy
y
Y
d
y
Y
2 2 21
xk
dx
x
X
d
x
X
2 2 21
yk
dy
y
Y
d
y
Y
0
2 2 2
k
xk
yh
h
2
k
x2
k
2yFaculdade de Engenharia
Método da separação das variáveis
b y z x a
2 2 2 1 x k dx x X d x X
2 2 2 1 y k dy y Y d y Y 2 2 2 y x k k h
2 2 2 1 x k dx x X d x X
2 2 2 1 y k dy y Y d y Y
0 2 2 2 k X x dx x X d x
0 2 2 2 k Y y dy y Y d y
x A
k x
B
k x
X sin x cos x
y C
k y D
k y
Y sin y cos y solução geral de é:
x,y
X
x Y y 0 2 2 2 2 2
h y x
x
,
y
A
sin
k
xx
B
cos
k
xx
C
sin
k
yy
D
cos
k
yy
Faculdade de Engenharia
Ondas TM – componente longitudinal
b y z x a ondas TM Hz0 0 xy2 Ez0 h2Ez0 0
A
k
x
B
k
x
C
k
y
D
k
y
E
z0
sin
x
cos
xsin
y
cos
y
x X Y
y condições fronteira b y y a x x Ez e 0 e 0 em 0 0
0,
0 0 y Ez
,
0 0 b x Ez
,
0 0 y a Ez 0 B
x A
k x
X sin x inteiro , m a m kx
, n inteiro b n ky
,0
0 0 x Ez 0 D
y C
k y Y sin y b y n a x m E Ez0 0,mnsin
sin
Faculdade de Engenharia
Ondas TM – componentes transversais
b y z x a b y n a x m E Ez0 0,mnsin
sin
y
E
h
E
x
E
h
E
x
E
h
j
H
y
E
h
j
H
z y z x z y z x
0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0
0 0, 2 0 0, 2 0 0, 2 0 0, 2sin
cos
cos
sin
cos
sin
sin
cos
x mn y mn x mn y mnj
n
m x
n y
H
E
h
b
a
b
j
m
m x
n y
H
E
h
a
a
b
m
m x
n y
E
E
h
a
a
b
n
m x
n y
E
E
h
b
a
b
2 2 m
n
2 2 2 k k h estas componentes satisfazem as condições fronteira para as componentes transversais
a x x H E b y y H E x y y x e 0 em 0 e 0 em 0 0 0 0 0 nota
Faculdade de Engenharia
Modo TM
mn b y z x a b y n a x m E Ez0 0,mnsin
sin
0 0, 2 0 0, 2 0 0, 2 0 0, 2sin
cos
cos
sin
cos
sin
sin
cos
x mn y mn x mn y mnj
n
m x
n y
H
E
h
b
a
b
j
m
m x
n y
H
E
h
a
a
b
m
m x
n y
E
E
h
a
a
b
n
m x
n y
E
E
h
b
a
b
2 2 2 b n a m h notas 2. 0 h m0 ou n0 1. 0 0 n m ou E H 0 1 1 n m e 0 n mFaculdade de Engenharia
Modo TE
mn b y z x a 2 2 2 b n a m h
notas 2. 0 h m0 ou n0 1. 0 0 n m ou 0 0,cos
cos
z mnm x
n y
H
H
a
b
0 0, 2 0 0, 2 0 0, 2 0 0, 2sin
cos
cos
sin
cos
sin
sin
cos
x mn y mn x mn y mnm
m x
n y
H
H
h
a
a
b
n
m x
n y
H
H
h
b
a
b
j
n
m x
n y
E
H
h
b
a
b
j
m
m x
n y
E
H
h
a
a
b
é possível ter 0 n mFaculdade de Engenharia
Guias rectangulares – frequência de corte
2
h
f
c
modo dominante nos guias rectangulares é o modo TE10 2 2 TE TM, b n a m h
2 22
1
b
n
a
m
f
c
b y z x amodos TMmn m1 e n1 modo TMmndominante é o modo TM11
modos TEmn m 0 ou n 0 se modo TE
a
b
mn dominante é o modo TE10
11 10 c TM TE cf
f
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Guias circulares
guia preenchido com material sem perdas
,
superfície condutora ideal
comprimento infinito propagação segundo +