توضیحات
پروژه شبیه سازی موجبر مستطیلی و کواکسیالی در نرم افزار انسیس ANSYS HFSS
Simulation of Rectangular and Coaxial Waveguide in ANSYS HFSS
موجبرهای الکترومغناطیسی:
در دهة ۱۸۹۰ نظریه پردازان برای اولین بار انتشار امواج الکترومغناطیسی را در لوله توخالی تحلیل کردند و در حدود سال ۱۸۹۳ جی. جی تامسون مدهای الکترومغناطیسی در داخل حفره های فلزی استوانه ای را به دست آورد. در سال ۱۸۹۷ لرد ریلی با استفاده از معادلات موجبر و حل مسئله شرط مرزی امواج الکترومغناطیسی را از طریق لوله توخالی و میله های دی الکتریک حل کرد و هر یک از موارد زیر را نشان داد:
۱- امواج، تنها می توانند در مدهای نرمال با میدان الکتریکی (مد TE) یا با میدان مغناطیسی (مد TM) و یا با هر دو، به صورت عمود بر راستای انتشار، بدون اتلاف حرکت کنند. مدهای نرمال، الگوهای نوسانی هستند که به ساختار مادهی تشکیل دهنده و شرایط مرزی شان بستگی دارند.
۲- هر مد دارای یک فرکانس قطع است و امواج با فرکانس کمتر از فرکانس قطع، از موجبر منتقل نمی شوند.
٣- از آنجا که طول موج قطع برای یک موجبر به اندازه عرض موجبر است، یک لوله توخالی نمی تواند طول موج های رادیویی را که بیشتر از قطر لوله ی مورد استفاده هستند، حمل کند.
در سال ۱۹۰۲ وبر اظهار داشت که امواج الکترومغناطیسی در لوله ها با سرعت کمتری نسبت به فضای آزاد حرکت می کنند. در سال ۱۹۳۱، محققین در آزمایشگاه های بل، دی الکتریک را به عنوان موجبر در نظر گرفتند و یک سال بعد، موج الکترومغناطیسی را در لوله ی مسی پر از آب، منتشر کردند. حدود سی و پنج سال از کار قبلی ریلی که انتشار امواج در دی الکتریک و لولهی توخالی را تحلیل کرده بود، می گذشت و تقریبا فراموش شده بود؛ بنابراین سرگی، ریاضیدان آزمایشگاه بل، دوباره موجبرها را به طور نظری تحلیل کرد. یک سال بعد در دسامبر ۱۹۳۳ متوجه شدند که دی الکتریک با پوسته ی فلزی ضروری است و از آن زمان به بعد به موجبرهای فلزی توجه شد و مورد تحقیق قرار گرفت. در مارس ۱۹۳۶ بارو حالت های انتشار و فرکانس قطع در موجبر مستطیلی را محاسبه کرد. او اولین آزمایش های موفق موجبر را با یک لوله توخالی که چهار متر طول و قطری حدود ۴۶ سانتی متر داشت، انجام داد و منبع مورد استفاده ی او طول موجی برابر با ۴۰ سانتی متر داشت.
موجبر:
به ساختارهای هدایت کننده موج، موجبر(waveguide) گفته می شود. از انواع موجبرها می توان به موجبر مستطیلی و موجبر کواکسیالی اشاره کرد. برای فرکانس های مختلف، موجبرهای مختلف با ابعاد متفاوت مورد نیاز است.
موجبرها، موج الکترومغناطیسی و انرژی را از یک مکان به مکان دیگر منتقل می کنند. به طور مثال در شتاب دهنده های رادیو فرکانسی، موجی که توسط کلایسترون تولید می شود، با یک موجبر به کاواک شتاب دهنده انتقال داده می شود. موج عبوری به علت بازتاب کامل از دیواره ها، درون موجبر به دام می افتد و بنابراین انتشار درون موجبر، تقریبا به شکل زیکزاک بین دیواره ها خواهد بود.
موجبر کواکسیالی:
موجبر کواکسیالی نوعی خط انتقال دایره ای با دو استوانه ی فلزی هم محور است، که در فاصله بین دو استوانه، خلاء وجود دارد.
شکل شماتیک موجبر کواکسیالی.
موج الکترومغناطیسی در موجبر کواکسیالی، در فضای خالی بین دو استوانه فلزی هم محور منتشر می شود. به طور مثال در شکل فوق انتشار موج الکترومغناطیسی در موجبر کواکسیالی، در راستای محور X است و هر کدام از میدان های الکتریکی و مغناطیسی بر راستای انتشار موج، عمود هستند. در شتاب دهنده ها، از موجبر کواکسیالی برای انتقال موج با طول موجهای مختلف و همچنین به عنوان کوپلر استفاده می شود.
موجبر مستطیلی:
موجبر مستطیلی صرفا یک موجبر فلزی است که در داخل آن موج الکترومغناطیسی می تواند در اثر بازتاب از سطوح داخلی منتشر شود. شماتیکی از موجبر مستطیلی با ابعاد a و b در شکل زیر نشان داده شده است.
شکل شماتیکی از موجبر مستطیلی.
شرح پروژه:
در این پروژه شبیه سازی موجبر مستطیلی و کواکسیالی در نرم افزار انسیس ANSYS HFSS انجام شده است.
موجبر مستطیلی:
هندسه مسئله:
نتایج شبیه سازی:
نتایج میدان الکتریکی:
نتایج میدان مغناطیسی:
موجبر کواکسیالی:
هندسه مسئله:
نتایج
