background image

0

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

 

 

 

  

ﻛﻠﯿ

ـــــ

ﺔ اﻟﮭﻨﺪﺳ

ـــــــــــــــــــــــــ

 ﺔ

  

 

اﻋﺪاد اﻟﻄﺎﻟﺐ ﻣﺮوان ﻣﺆﯾﺪ ﻣﺤﻤﺪ ﺳﻌﯿﺪ اﻟﺒﺎرودي

  

ﺎءـــــــــــــــــــــــــــــــــــﺑﺮﮭﻜﻟا ﻢــــــﺴﻗ

 

ﻞـــــــــــــــﺻﻮﻤﻟا ﺔــﻌﻣﺎﺟ

  

 

 

 

 

ﺎـﻧﻮﺴﻨﺗ

  

 ﺢــﻟﺎﺻ ﻦﻣ

  

ﻢـــــــﻜﺋﺎﻋد

 

 


background image

1

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

MAXWELL'S  EQUATIONS

  

The four field quantities of  interest are:

 

1- Electric field intensity     E( 

V/m ).

  

2- Magnetic field intensity  H( 

A/m ).        

  

3- Electric flux density        D(

C/m ).         

  

4- Magnetic flux density     B(

wb/m ).           

 

The fields are related by Maxwell's equations as follows:

 

 

∇ × E⃗ = −

 

 

 

∇ × H⃗ = ⃗ +

      

where   

= E⃗

  

  

  ∇ . D⃗   =

               

where  

D⃗ = ε E⃗   ⟹ D⃗ = ε ε E⃗

 

   

∇ . B⃗   = 0                 

where  

B⃗ =  H⃗   ⟹ B⃗ =

H⃗

 

    

 : 

conductivity   mho/m (s/m)               

ε =

36

×

10

−9

  

    

 : 

resistivity       ohm .s                          

=

4

×

10

−7

 
  

 

Ex

:- Given an electric field  ⃗

= A

cosω

t −

Z

c

y⃗

  

determine the time

  

        

dependent magnetic field intensity in free space (A&c  constant).

  

The solution:- 

 

∇ × E⃗ = −

 

                    

= −

 

 

  

 

⃗ +

⃗ = −

  

 

 

 ⃗ = −

 A

cosω

t−

Z

c

=

         

= 1 

 

  

ω

sinω

t −

=

  

 

 

= ∫

ω

sinω

t −

= −

ω
ω

cosω

t −

 

  

 ⃗ = −

cosω

t −

⃗ + 0 ⃗ + 0 ⃗  

 

 

J

 

J

 


background image

2

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Ex:- 

Given a magnetic field in free space where there is neither charge non 

 

         current density .

 

          ⃗

=

sin(ω −

) ⃗ +

cos (

) ⃗

 

         where  a,n and w are  constant . determine the electric field 

E⃗

 

 

  The solution:- 

∇ × E⃗ = −

 

 

                       

= −

 

  

=

cos

(

ω −

) ⃗

(

)

  

   

⃗ = −

cos

(

ω −

) ⃗

(

)

 

     

⃗ = −

(

)

 

     

=

(

) ⃗  

  

    

=

(

)

  

         

=

− ∫

(

)

  

         

=

(

)

  

          

=

(

)

 

          

⃗ =

0

+ 0

+

(

) ⃗

 

   

Ex

:- Given 

B⃗ = 10

1 −

2

4

sin 3 × 10 t  ⃗  In cylindrical coordinate system 

           find  .

 

   The solution:-  

∇ × ⃗ = −

 

          

= −3 1 −

3 × 10 

  

  

     

= −3 1 −

2

4

3 × 10

8

   

  

        

= −

3 1

2

4

3 × 10

8

⟹ 

= −3

1 −

4

3 × 10

8

 

  

= −

3

3 × 10

8

4

= −

3

2

16

3 × 10

8

  

  ⃗

= 0 ⃗ + −

3

3

3 × 10

8

 ⃗ + 0 ⃗  

  


background image

3

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Solution of  Maxwell's Equation For Free Space Condition

  

 

s:

Assumption

 

1-we will deal with sinusoidal time varying field 

.

 

2-The medium is assumed to be homogeneous  isotropic and source free 

 

   

∇ × ⃗ = −

               

where 

 

=

  

 

    

∇ × ⃗ = −

  

∇ × H⃗ = ⃗ +

           

where

      = E⃗         = 0 

free space  

∴ = 0

  

 

∇ × H⃗ = 

⃗         

  

  ∇ . D⃗   =

                         

where  

=

0

   

free space 

  

   

∇ . D⃗   = 0 

 

   

∇ . B⃗   = 0

 

 

 

Wave  Equations

 

Take Curl of  both sides of

 

∇ × ∇ × ⃗ = −

∇ × ⃗  

 

 

∇ ∇. ⃗ − ∇ ⃗ = −

 

 

∇ ⃗ = −

 

Also Take Curl of  both sides of  

  

 

∇ × ∇ × ⃗ =

∇ × ⃗  

 

 

∇ ∇. ⃗ − ∇ ⃗ =

 

 

∇ ⃗ = −

 

Equations         &        are called wave equation.        

  
  
  
  
  
  
 
 

1

  

J

 

J

 

J

 

2

  

1

  

a

  

b

  

2

  

b

  

a

  


background image

4

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Rectangular Waveguides

 

Assumptions:

 

1-perfect conducting for the walls

 

   of the guide (

= ∞).

  

2-lossless region within the guide (

= 0).

 

3-deal with sinusoidal time varying field 

.

 

4-the variation in  Z-direction may be expressed  as 

.

 

 

where 

 

   

is the complex propagation constant.

 

  

=

+

 

  : attenuation constant    neper/m 

  

  

: phase constant    rad/m

 

  

 , 

 , 

 & 

 are called transverse components.

  

 

 & 

 are called lonyitudinal components. 

 
 

                  

∇ × H⃗ = 

⃗                                         ∇ × ⃗ = −

 

      

=

⃗                               

= −

 

      

=

                                  

= −

   

 

      

=

                              

= −

 

      

=

                                  

= −

 

  

      

=

                                   

= −

        

 

      

=

                                   

= −

 

      from equation          

=

 where     

= −  , ℎ =

+

  

  

   

=

1

+

  by substitution of equation 

  

    

=

+

1

+

=

 

  

    

+

+

2

=

+

=

2

+

 

 

+

=

2

2 2

+

=

2

2

 

 

y

 

x

 

z

 

b

  

a

  

a

  

b

  

c

  

d

  

b

  

a

  

d

  


background image

5

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

 

+

=

2

⟹ −

=

2

  

 

= −

2

2

  

 

also from equation          

=

1

1

=

 

 

=

1

+

   by substitution of equation          

  

 

=

+

1

+

=

 

 

 

+

+

2

=

 ⟹

+

= −

2

+

      

 

 

+

=

2

2 2

⟹ 

+

=

2

2

 

 

+

=

2

2

⟹ −

=

2

 

 

= −

2

2

                                                                 

  

from equation         

 

= −

= −

1

  

 

 

= −

1

 by substitution of equation            

 

 

= −

+

1

= −

 

 

2

= −

⟹   −

+

+

2

=

 

 

+

= −

2

+

⟹ −

+

=

2

2 2

  

  

+

=

2

2

⟹ −

+

=

2

2

   

  

 

=

2

2

=

2

  

 

= −

2

+

2

 

 

Also from equation           

= −

= −

1

 

 

 

= −

1

 by substitution of equation

 

 

= −

+

1

= −

 

 

2

= −

⟹ −

+

= −

2

+

 

 

+

=

2

2

⟹ 

=

2

  

 

= −

2

+

2

   

  

b

  

a

  

1

  

2

  

c

 

  

d

  

3

  

d

  

c

  

4

  


background image

6

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

 we obtained on  transverse components equations. 

  

  

= −

2

2

                                    

  

  

= −

2

+

2

 

 

  

  

= −

2

+

2

 

   

= −

2

2

 

 

(TM)

 

Transverse Modes

  

If

 

E  & H  

are both

 

zero , all the fields within the guide will vanish .

 

It is convenient to divide the possible field configuration within the guide 

 

into two sets :

 

1- transverse magnetic (TM) waves for which 

= 0

0

.

 

2- transverse electric (TE) waves for which 

0

= 0

.

  

 

 

1- transverse magnetic (TM) waves for which 

= 0

0

.

 

  

∇ ⃗ = −

 ⃗

 

  

∇ ⃗ = −

  

  

+

+

+

= 0

 

  

+

+

+

= 0

 

  

+

+ (

+

 )

= 0

 

  

(  ,  , ) =

(  , )

  

 

  Let 

= XY

 

  Where   

X is a function of x only & Y is a function of y only

 

  

+

+ (

+

 )XY = 0

 

  

Y

+ X

+ ℎ  XY = 0  ÷  XY

  

  

+

+ ℎ   = 0

 

  

+ ℎ =

   &   

= −

 

 

 
 

  The complement of the solution is not required in the subject of radiation & propagation.

  

1

  

2

  

3

  

4

  


background image

7

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

 

= (C cos Bx + C sinBx)(C cos Ay + C sinAy)

  

=

C C cos Bx cosAy

+

C C cos Bx sinAy

+

C C sinBx cos Ay

+

C C sinBx sinAy

 

 

 

     Boundary condition:

 

     

=

= 0  = 0

 

     

=

= 0  = 0

 

      

=

= 0  =

 

      

=

= 0  =

 

      

= 0  = 0 

 

       

C C cos Ay + C C sinAy = 0 

 

        

∴ C = 0

 

   

= C C  sinBx  cos Ay

+

C C  sinBx sinAy

  

   

= 0 y = 0

 

                

C C  sinBx = 0

 

             

∴ C = 0

 

          

= C C  sinBx sinAy           let C C = C 

 

         

∴ 

= C sinBx sinAy

 

                 

= 0  =

  

                   

∴  C sin (B ) sin(Ay) = 0

 

                    

sin (B ) = 0  ⟹ B = 0 ,   , 2 ⟹

=

   where  

= 0, 1 , 2 , 3 , ….

 

                 

=

                  

 

                

= 0  =        

 

 

                    

C sin

sin(Ab) = 0

  

                    

sin(Ab) = 0  ⟹ Ab = 0 ,   , 2 ,…. ⟹ Ab =

  where   = 0 ,1 , 2 , 3 , .... 

                    

=

  

                     

= C sin

  sin

y

 

          

= C sin

  sin

y

 

 

       

=

+

 ⟹   = 0  ⟹   =

 

   

  

 


background image

8

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

The transverse component  become

 

 

=

cos

(

Bx

)

sin

(Ay)

 

  

=

sin

(

Bx

)

cos(Ay)

 

 

=

sin

(

Bx

)

cos(

Ay

)

 

 

 

=

cos

(

Bx

)

sin(Ay)

  

 

Note : since  

=

+

  & for propagation  

=

 only  where 

= 0 

 

 

∴     replaced  by  

.

     

 

               Ex:-

 starting with expression

  

                           

= (C cos Bx + C sinBx)(C cos Ay + C sinAy)

 

                Prove that the final expression of  

 for transverse magnetic waves in 

 

                Rectangular wave guide is given by 

= C sinBx

sinAy.

  

 2- transverse electric (TE) waves for which 

0

= 0

.

  

  

∇ ⃗ = −

 ⃗         

  

  

∇ ⃗ = −

  

  

+

+

+

= 0

 

  

+

+

+

= 0

 

  

+

+ (

+

 )

= 0

 

  

(  ,  , ) =

(  , )

  

 

  Let 

= XY

 

  Where   

X is a function of x only & Y is a function of y only

 

  

+

+ (

+

 )XY = 0

 

  

Y

2

X

2

+ X

2

Y

2

+ ℎ  XY = 0  ÷  XY

  

  

2

X

2

+

2

Y

2

+ ℎ   = 0 

  

  

2

X

2

+ ℎ =

   &   

2

Y

2

= −

 

 

 
  
  

 The complement of the solution is not required in the subject of radiation & propagation.

  

 


background image

9

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

    

 

 

                   

H = (C cos Bx + C sinBx)(C cos Ay + C sinAy)

 

 

H

=

C C cos Bx cosAy

+

C C cos Bx  sinAy

+

C C

sinBx

cos Ay

+

C C sinBx sinAy

 

 

= −

2

2

     

⟹ 

=

2

  

  

 

= −

2

+

2

     

⟹ 

=

2

 

 Boundary condition 

  

 

=

= 0 &  = 0

 

  

=

2

⟹  0 =

2

⟹ 

=

0

  

 

 

=

−C

1

C

3

B sin Bx cosAy

C

1

C

4

Bsin Bx  sinAy

+

C

2

C

3

BcosBx

cos Ay

+

C

2

C

4

Bcos

Bx sinAy

 

 

= 0

&

 =

0

  

     

0

= C

2

C

3

B cos Ay

+

C

2

C

4

B sinAy

  

∴   C = 0 

 

     

H

=

C C  cos Bx  cosAy

+

C C  cos Bx  sinAy

  

   

=

= 0 &  = 0

 

       

=

2

⟹  0 =

2

⟹ 

=

0

 

 

= −C

1

C

3

A cos Bx  sinAy

+

C

1

C

4

A cos Bx  cosAy

  

 

= 0

&

 =

  

                

 

0

= C

1

C

4

A cos Bx

 

    

C ≠ 0   ,  C = 0

  

    

H

=

C C  cos Bx  cosAy

         

let    

C C = C

  

     

H

=

C cos Bx  cosAy 

 

 

Ex:-

 starting with expression 

  

                           

H = (C cos Bx + C sinBx)(C cos Ay + C sinAy)

 

                Prove that the final expression of  

H  for transverse magnetic waves in 

 

                Rectangular wave guide is given by 

H = C cosBx

cosAy.

 

  

 


background image

10

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Propagation  constant 

 

 

 

=

+

 

 

 

h = A + B    &  h =

+ ω

  

  

 

A + B =

+ ω

  

 

  

=

A + B − ω

                 where   A =

    &   

B =

 

 

 There are three cases :

  

       F = Fc      where   Fc : cutoff  frequency

 

       

= 0  ⟹  no propagation  

  

        

0 =

A + B − w

 

        

0 =

+

− ω   

 

      Fc 

=

1

2

+

  cutoff frequency 

  

      Fc 

=

C

2

   

in case n = 0

 

      Fc 

=

C

2

   

in case m = 0 

 

      

=

C

Fc

  

  

      

=

2

2

+

2

   

cutoff wave length        

= 2   in case n = 0            

 

        F < Fc                                                        

= 2   in case m = 0

  

          is real   

⟹  no propagation

  

       

=   only   = 0   ∴  no propagation

 

       

=

=

+

− w

  

        F > Fc     There is propagation  

  

        

=

  only    

= 0

 

        

=

=

ω

 −

 

 

          or  

=

ω

 −

 

 

       

=

=

C

1−

Fc

F

2

 

 

      

=

F

=

2

         

: is the wave length within the guide .

   

      

 

          

 

a

  

b

  

c

  


background image

11

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

 

Ex

:- Prove  that  

=

C

1−

Fc

F

2

 

 

 

The solution:-

=

=

2

ω

2

  −

2

2

  

 

                         

=

2

ω

2

  −

2

+

2

 

 

                        Fc 

=

1

2

+

 

 

                        

2  Fc √    =

+

       square both sides  

                          

      

                   (

2 )  

 

  =

+

 

 

  Equation          in

  

             

       

=

2

ω

2

  −

(

2

)

2

2

 

=

2

(

2

)

2

2

    −

(

2

)

2

2

 

 

 

               

     

=

2

(

2

)

2

   

2

2

=

2

2

 

2

2

=

 

2

2

 ÷

 

 

       

=

2

2

2

2

 ⟹   

=

1−

2

2

⟹   

=

1−

2

 

 

  

 

       

Ex

:- Prove that   

=

+

  

 The solution:-

=

F

=

1−

2

F

=

F

1−

2

=

1−

2

 

 where

 =

 

  

 

      

=

1−

2

=

2

1−

2

=

2

1−

2

2

2

2

=

2

1−

2

2

÷ 

2

2

 

   

=

2

2

1

2

2

2 2

 ⟹ 

=

1

1

2

1

2

⟹ 

1

2

1

2

=

1

2

⟹ 

1

2

=

1

2

+

1

2

 

1

  

2

  

2

  

1

  


background image

12

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

 

 

Notes:-

  

   For (TE) it is possible to make either  m or n (but not both) equal to zero.

 

   

=

c

cos

(

B

)

cos

(

Ay

)

             or     

=

c

cos

(

B

)

 cos

(

Ay

)

 

   

=

2

sin

(

B

)

 cos

(

Ay

)

       or     

=

2

sin

(

B

)

cos

(

Ay

)

  

   

=

2

cos(B )  sin(Ay)         or     

=

2

cos(B )   sin(Ay)

 

   

=

2

cos

(

B

)

sin

(

Ay

)

     or     

=

2

cos

(

B

)

sin

(

Ay

)

  

   

=

2

sin

(

B

)

 cos

(

Ay

)

   or     

=

2

sin

(

B

)

 cos

(

Ay

)

  

    For (TM) it is not possible to make  m or n equal to zero.

 

   

= C sin

(

)

sin

(

Ay

)                

or     

= C sin

(

)

sin

(

Ay

)

 

  

   

=

2

cos

(

B

)

sin(Ay)           or     

=

2

cos

(

B

)

sin(Ay)

  

   

=

2

sin

(

B

)

cos(Ay)          or     

=

2

sin

(

B

)

cos(Ay)

  

    

=

2

sin

(

B

)

cos(Ay)           or    

=

2

sin

(

B

)

cos(Ay)

 

    

=

2

cos

(

B

)

sin(Ay)        or     

=

2

cos

(

B

)

sin(Ay)

 

    The mode 

TE  (m = 1 , n = 0) is called the dominant mode it has the lowest 

  

     Cutoff  frequency .

 

    

Fc

 

=

2

2

+

2

 

 

                                                   

TE

 

                                              

 

     

 

           

dominant mode

                                                       

TE

 

 

 

                                            

TM

    

 

 

TE 

 

TM

 


background image

13

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

 For 

TM  write the expressions for the transverse components.

 

 

TM

⟹ m = 1 , n = 1 

 

 

=

  

 

= C sin

  sin

                     

  

 

=

2

cos

sin

             

  

 

=

2

sin

cos

           

=

ω

 −

       

  

  

=

2

sin

cos

            Fc 

=

1

2

+

 

 

=

2

cos

sin

          

=

2

2

+

2

  

 For 

TE  write the expressions for the transverse components.

 

 

TE

⟹ m = 1 , n = 0

 

  

= 0  ,   

= 0   ,   

= 0 

  

  

=

c

cos

                                    

=

ω

 −

  

   

=

sin

                                Fc =

2

  

   

=

sin

                           

=

2

  

 

 For 

TE  write the expressions for the transverse components.

 

 

TE

⟹ m = 0 , n = 1

 

  

= 0  ,   

= 0   ,   

= 0 

  

  

=

c

cos

                                    

=

ω

 −

  

   

=

sin

                                Fc =

2

  

  

=

sin

                              

=

2

  

 

 


background image

14

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Wave Impedance

  

Wave impedance is defined by the following radios of electric & magnetic field 
strengths. 

 

 

=

    ,    

=

 

  

 

 

=

    ,    

=

 

 

  

=

    ,    

=

 

 

  The wave  impedance taking in the  Z-direction

 

  

  1-for TM 

  

            

(

)

=

 

 

        

(

)

=

2

+

2

2

+

2

=

 

 

    

or    

(

)

=

 

1

2

 

   

  

  2-for TE 

  

             

(

)

=

=

2

+

2

2

+

2

=

 

 

        

 

(

)

=

2

+

2

2

+

2

=

 

    

or    

(

)

=

1−

2

    

   

  

    where  

η =

 

 

    

η : is the intrinsic impedance of the medium within the wave guide 

 

          for free space  

η = 120  

 

 

  


background image

15

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Characteristic impedance

  

    A quantity of great usefulness in connection with ordinary two conductor 

 

    Transmission  lines in the characteristic impedance  

  

    

 can be defined in terms of voltage , current ratio or in terms of the power 

 

    Transmitted for a given voltage or a given current.

 

     

=

V

I

  

  ,   

=

2W

II

  

,   

=

VV

2W

 

  For  

TE

10

 mode  

 

  

=

c

cos

(

B

)

 

   

=

0  ,  

=

0  ,  

=

0

 

  

=

sin

                                  

 

   

=

sin

                                                                                               

 

     

V = −

⃗ . ⃗ 

 

     

V = −

sin

⃗ . (

⃗ +

⃗ +

⃗ )

 

     

V =

sin

⃗ 

⃗   ⟹ V =

sin

  

      

V =

sin

   at   =

2

   

⟹ V =

sin

2

  

       

V

=

 

   For  

TE

01

 mode

 

    

= 0  ,   

= 0   ,   

= 0

        

  

    

=

sin

  ,  

=

c

cos

 ,  

=

sin

 

     

V = −

⃗ . ⃗ 

 

     

V = −

sin

⃗ . (

⃗ +

⃗ +

⃗ )

 

     

V = −

sin

⃗ 

⃗   ⟹ V = −

sin

 

      

V = −

sin

  at  

=

2

  

⟹ V =

sin

2

  

       

V

= −

 

 

  

b

 

a

 

y

 

x

 


background image

16

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

      

=   ⃗ × ⃗

  

 

=

 

     

 

    

=

1

0

0 ⟹ −

⃗ +

⃗ =     ⃗ +   ⃗ +   ⃗    

  

                                     

⃗ =   ⃗   ⟹    =

                    left wall

 

     

=

−1

0

0 ⟹

⃗ −

⃗ =     ⃗ +   ⃗ +   ⃗

  

                                      

⃗ =   ⃗ ⟹       = −

                right wall

  

    

=

0

1

0 ⟹

⃗ −

⃗ =     ⃗ +   ⃗ +   ⃗

 

                                    

⃗ =   ⃗ ⟹ = −

             lower wall

  

     

=

0

−1

0 ⟹ −

⃗ +

⃗ =     ⃗ +   ⃗ +   ⃗      

 

                                      

⃗ =   ⃗   ⟹ =

                 upper wall

 

  

  For 

TE  mode                

= 0 ,  

=

sin

 , 

=

c

cos

 

    

I = ∫ ⃗ . ⃗

 

  left wall            

=

          

I = ∫

. ⃗   = ∫ 0 . ⃗   ⟹  I = 0             

  

  right wall          

= −

       

I = ∫ −

. ⃗ = ∫ 0 . ⃗   ⟹  I = 0

 

  lower wall        

= −

        

I = ∫(−

) . ⃗

  

                        

I = −

sin

⃗ +

⃗ +

 

                        

I = −

sin

=

2

2

cos

 

                        

I =

2

2

cos

− cos (0) =

2

2

(−1 − 1) 

  

                        

I =

2

2

(−2)

 

                        

I = −

2

2

2

 

 

  

J

 

n⃗ = ⃗

 

n⃗ = ⃗

 

n⃗ = − ⃗

 

n⃗ = − ⃗

 

x

  

y

  

J

  

J

z

  

J

 

J

z

  

J

z

  

J

x

  

J

y

  

J

x

  

J

x

  

J

y

  

J

y

  

J

z

  

J

z

  

J

z

  

J

z

  

J

z

  

J

z

  

J

z

  

J

 

J

  

J

 

J

x

  

J

y

  

J

z

  

J

z

  

J

z

  

J

z

  

J

z

  


background image

17

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

 upper wall        

=

        

I = ∫

. ⃗ 

  

                        

I =

sin

⃗ +

⃗ +

 

                        

I =

sin

=

2

2

cos

 

                        

I = −

2

2

cos

− cos (0) = −

2

2

(−1 − 1) 

  

                        

I = −

2

2

(−2)

 

                        

I =

2

2

2

   

 

  

 For 

TE  mode                

= 0 ,  

=

sin

 , 

=

c

cos

 

    

I = ∫ ⃗ . ⃗

 

  left wall            

=

          

I = ∫

. ⃗

 

                        

I =

sin

⃗ +

⃗ +

 

                        

I =

sin

= −

2

2

cos

 

                        

I = −

2

2

cos

− cos (0) = −

2

2

(−1 − 1) 

  

                        

I = −

2

2

(−2)

 

                        

I =

2

2

2

  

 

  right wall          

= −

       

I = ∫ −

. ⃗

 

                        

I = −

sin

⃗ +

⃗ +

 

                        

I = −

sin

=

2

2

cos

 

                        

I =

2

2

cos

− cos (0) =

2

2

(−1 − 1) 

  

                        

I =

2

2

(−2)

 

                        

I = −

2

2

2

 

  lower wall        

= −

        

I = ∫(−

) . ⃗ = ∫ 0 . ⃗   ⟹  I = 0

  

  upper wall        

=

           

I = ∫

. ⃗   = ∫ 0 . ⃗   ⟹  I = 0  

 
 

J

z

  

J

z

  

J

z

  

J

z

  

J

z

  


background image

18

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

      The currents direction                       

TE  mode               TE  mode 

 
 

 1-The current in the left well                  

I = 0                         I =

2

2

2

 

 2-The current in the right well                

I = 0                         I = −

2

2

2

  

 3-The current in the lower well              

I = −

2

2

2

          

I = 0

 

 3-The current in the upper well              

I =

2

2

2

             

I = 0

 

  The characteristic impedance for 

TE  mode 

  

   

=

V

I

=

V

max

I

 

                      

=

2 2

2

=

2

=

2

 

                      

=

2

        

 

                or   

=

2

η

1−

2

     

where  

η =

 

 

  The characteristic impedance for 

TE  mode 

  

   

=

V

I

=

V

max

I

 

                      

=

2

2

2

=

2

=

2

 

                     

=

2

    

 

             or     

=

2

η

1−

2

     

where  

η =

 

 
 

  
 

 


background image

19

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Transmitted power

 

 

 The power transmitted is obtained by integral the axial component of the pointing 

 

  Vector over the cross section of the guide.

  

 

  

=

1
2

|

|

|

|

       ,     

(

)

=

  

  

=

1

2

(

)

|

|

2

                 

 

(

)

=

            

 

  

=

1

2

(TE)

|

|

2

 

  

=

⃗ . ⃗

 

 

  

=

2

sin

(

B

)

 cos

(

Ay

)

 ⟹

=

2

+

2

sin

(

B

)

 cos

(

Ay

)

  

  For 

TE

?

 mode  

=

2

sin

(

B

)

=

sin

  

    

=

⃗ . ⃗

 

    

=

1

2

(

)

|

|

2

.

=

1

2

(

)

|

|

2

.

  

    

=

1

2

sin

0

0

.

 

  

  

     

=

1

2

sin

0

0

.

 

  

     

=

1

2

2 2 2 2

2 2

1

2

1 − cos 2

0

0

.

 

  

     

= −

1

4

2 2

2 2

1 − cos 2

0

0

.

 

      

=

1

4

2 2

2 2

sin 2

0

0

  

       

=

1

4

2 2

3

2

 watt          in general

 

      

 

For 

TE  mode

 

       

=

1

4

2

3

2

  watt 

  

  


background image

20

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

  

=

2

cos

(

B

)

 sin

(

Ay

)

 ⟹

=

2

+

2

cos

(

B

)

sin

(

Ay

)

 

  For 

TE

?

 mode  

=

2

 sin

(

Ay

)

 ⟹

=

sin

  

    

=

⃗ . ⃗   

 

    

=

1

2

(

)

|

|

2

.

=

1

2

(

)

2

.

  

    

=

1

2

sin

0

0

.

  

  

     

=

1

2

sin

0

0

.

 

  

     

=

1

2

2 2 2 2

2 2

1

2

1 − cos 2

0

0

.

  

 

     

= −

1

4

2 2

2 2

1 − cos 2

0

0

.

 

 

      

=

sin 2

0

 

       

=

1

4

2 2

3

2

 watt          in general

 

      

 

For 

TE  mode

 

       

=

1

4

2

3

2

  watt

 

 

Factor

Attenuation 

   

  

  

The attenuation factor in the range of propagation is given by 

 

   

=

2×transmitted

=

 

   

=

1

+

    

neper/m         where   

=

120

 

    or 

= 8.7 … …

/

  

    

=

2

         

where

    

=

  , 

:

 conductivity of metal

 

    

=

1

  


background image

21

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

 

Ex:-

 An air filled rectangular waveguide (a =2b) carries a positive Z-traveling 

 

         

TE  mode . if the electric field inside the guide is given by:

  

                               ⃗

= 1000 sin(25

)

30

 ⃗ .

 

          Determine:

 

         1-Phase current , wavelength , and intrinsic wave impedance .

 

         2-The magnetic field.

 

         3-Current in the lower wall.

 

         4-Characteristic impedance.

 

         5-Transmitted power.

  

 The solution:- 

    

=

25

=

0.04  ,  

=

0.02     

 

             1-  

=

30   rad/m

  

              

=

ω

 −

+

=

ω

   ,  

=

=

1     

  

              (

30 ) +

0.04

=

ω (4 × 10 )

10

−9

36

⟹ ω

=

3.68 × 10  rad

 

              

F

=

ω

2

=

3.68×10

10

2

=

5.85 GHz

 

  

            

=

2

=

2

30

=

1

15

 

m

  

             

(

)

=

=

3.68×10

10

×4 ×10

−7

30

=

490.6

Ω

 

        2- 

=

1000 sin(25

)   ⟺

=

sin

.

 

 

            

 

=

1000 ⟹

=

1000

=

1000

3.68×10

10

×4 ×10

−7

×0.04

=

1.7

  

             

⃗ =

⃗ +

⃗ +

 

             

⃗ =

sin

+ 0 + c

cos

 

             

⃗ =

30 ×0.04×1.7

sin

(

25

)

+

1.7 cos

(

25

)

 

              

⃗ =

 2 sin

(

25

)

+

1.7 cos

(

25

)

 A/m

  

        3-    

I

=

2

2

2

=

2 0.04

2

×30 ×1.7

2

=

− 52

m A   

  

        4-  

=

2

=

0.02

2 0.04

3.68×10

10

×4 ×10

−7

30

=

385.4

Ω 

  

5-  

=

1

4

2

3

2

 

  

             

=

1

4

2

3.68 × 10

10

× 4 × 10

−7

× 30

(

0.04

)

3

(

0.02

)(

1.7

)

2

  

             

=

408m W

 
 


background image

22

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

 

Ex:- 

An air filled rectangular waveguide (a =2b) carries a positive Z-traveling

 

                   If the magnetic field in the direction of  x is given by:

 

                            

H

=

j2sin (25

)

30

  , let  

=

58MS/m 

  

         Determine:                                                         

=

1 , 

=

1

 

         1-The operating frequency.

 

         2-The total electric and magnetic fields in the guide.

 

         3-Current in the lower wall.

 

         4-Characteristic impedance.

 

         5-The power lost per unit length.

 

 The solution:-   

=

25

=

0.04m ,  

=

0.02m  ,   

=

30  rad/m    

 

        1- 

=

ω

 −

 ⟹

+

=

ω

 

             (

30 ) +

0.04

=

ω (4 × 10 )

10

−9

36

⟹ ω

=

3.68 × 10

 

              

F

=

ω

2

=

3.68×10

10

2

=

5.85 GHz

     

  

       

2- 

=

j2 sin

(

25

)

 ⟺

=

sin

 

                       

=

2 ⟹

=

2

=

2

30 ×0.04

=

1.667 

 

                      

=

3.68×10

10

×4 ×10

−7

(

0.04

)

(1.667)

=

981.53

 

           

 ⃗ =

⃗ +

⃗ +

⃗ = 0

sin

+ 0

  

             ⃗

= 0 −

981.53 sin

(

25

)

+ 0   V/m

 

             ⃗

=

⃗ +

⃗ +

 

              

⃗ =

sin

+ 0 + c

cos

 

              

⃗ =

30 ×0.04×1.667

sin

(

25

)

+

1.667 cos

(

25

)

 

              ⃗

=

2 sin

(

25

)

+

1.667 cos

(

25

)

 A/m 

 

        

3-  

I

=

2

2

2

=

2 0.04

2

×30 ×1.667

2

=

− 51

m A

 

       

4- 

=

2

=

0.02

2 0.04

3.68×10

10

×4 ×10

−7

30

=

385.4

Ω  

  

            or  Fc 

=

2

=

3×10

8

2(0.04)

=

3.75 GHz

 

                 

=

2

η

1−

2

=

(0.02)

2(0.04)

120

1−

3.75
5.85

2

=

385.4

Ω

 


background image

23

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

 

     5- 

=

2

=

3.68×10

10

×4 ×10

−7

2×58×10

6

= 19.96

m Ω 

  

        

Fc 

=

2

=

3×10

10

2(0.04)

=

3.75 GHz 

  

       

  

=

1

3.75
5.85

2

=

767.5m 

 

          

=

1

+

 

          

=

19.96m

(

0.02

)

120

(

767.5m)

1

+

2

(

0.02)

0.04

3.75
5.85

=

4

.

866

 

neper/m

 

  

=

1

4

2

3

2

 

  

             

=

1

4

2

3.68 × 10

10

× 4 × 10

−7

× 30

(

0.04

)

3

(

0.02

)(

1.667

)

2

  

              

=

392.7m W

 

        

=

  

       

=

2

= 2

× 392.7m × 4

.

866

m =

3821.75  W

 

Ex:- 

Compute the power transmitted and the peak electric field across the height

 

          of a waveguide that has a width of  0.07m and  height of  0.035m. operating

 

          is at the 

TE  at a frequency of 3G Hz with a peak magnetic field intensity 

 

          of 10A/m at the guide center.

 

     The solution:-

 

= 0.07   ,   = 0.035   ,   

= 3G Hz

  

  

 

                

=

ω

 −

=

(2 × 3 × 10 ) × 4 × 10

×

10

−9

36

0.07

 

 

              

=

44 rad/m

  

 

    

=

sin

  ,  

= 0  ,  

= c

cos

  

        at the guide center 

=

2

 ,

  

= c

cos

= c

cos

= 0 

 

        at the guide center 

=

2

 , 

=

sin

=

sin

=

 

 

       

 

=

10 ⟹

=

10

=

10

× .

=

10.2

 

    

=

1

4

2

3

2

 

  

             

=

1

4

2

2 × 3 × 10

9

× 4 × 10

−7

× 44

(

0.07

)

3

(

0.035

)(

10.2

)

2

=

33

W

  

           

=

=

2 ×3×10

9

×4 ×10

−7

(

0.07

)

(10.2)

=

5383.4

 V/m

 

  


background image

24

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Ex:-

 An air filled rectangular waveguide (

6.28 × 3.14 cm) carries a positive 

 

         Z-traveling  mode .if the electric field in the z-direction is given by:

 

                                  

=

sin(50 ) sin(100 )

 

         Determine:

 

         1-The operating frequency , velocity in the guide , and wave impedance.

 

         2-Repeat (1) if the waveguide is filled by a dielectric material of  

= 9 .

 

        

3-If the operating frequency in (1) is changed to 

F /2 , find the propagation

 

             Constant.

 

   The solution:-

=

60   ,    = 0.0628   ,    = 0.0314

 

     1-      

=

ω

 −

 ⟹

+

+

=

ω

 

             (

60) +

0.0628

+

0.0314

=

ω (4 × 10 )

10

−9

36

⟹ ω

=

3.8 × 10

 

                 

F

=

ω

2

=

3.8×10

10

2

=

6.06 GHz 

  

               

=

ω

=

3.8×10

10

60

=

633.333 × 10

6

 

mps

 

      

(

)

=

=

60

3.8×10

10

×

=

178.5

Ω 

 

     

2- 

 

  

=

ω

 −

 ⟹

+

+

=

ω

  

             (

60) +

0.0628

+

0.0314

=

ω (4 × 10 )

10

−9

36

× 9 ⟹ ω

=

1.27 × 10

 

                

F

=

ω

2

=

1.27×10

10

2

=

2.02 GHz

  

              

=

ω

=

1.27×10

10

60

=

211.666 × 10

6

 

m/s

 

     

(

)

=

=

60

1.27×10

10

×

×9

=

59.4

Ω 

 

      

3-  no propagation  because of  

F < F

 

             

= α =

ω

 −

  

          

= 0

  

           

= 0

 

            

(

)

= 0

  

  
  
  
  


background image

25

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Ex:-

 An air filled rectangular waveguide with dimensions of  3cm 

× 1cm operates

 

         in the 

TE  mode at 10 GHz . the maximum electric field in the guide is 1KV/m

 

          Determine :

 

          1-The total magnetic field.

 

          2-The characteristic impedance.

 

          3-The transmitted power.

 

  The solution:- 

 

= 0 ,  

=

sin

   ,   

= 0

 

 

                         

sin

=

sin

2

=

sin

2

  

 

                 

=

sin

(

90

)

 

                

1000

=

sin(90) ⟹

=

1000 ⟹

=

1000

 

                 

=

1000

=

1000

2 ×10×10

9

×4 ×10

−7

×0.03

=

1.327  

  

         

=

ω

 −

=

(2 × 10 × 10 ) × 4 × 10

×

10

−9

36

0.03

  

       

   

=

181

 rad/m  

 

          1- 

⃗ =

⃗ +

⃗ +

 

              

⃗ =

sin

.

+ 0 + c

cos

.

 

              

⃗ =

181×0.03×1.327

sin

.

+

1.327 cos

.

 

              ⃗

=

2.3 sin

.

+

1.327 cos

.

 A/m

  

     2-   Fc 

=

2

=

3×10

8

2(0.03)

=

5 GHz

  

                 

=

2

η

1−

2

 

 

               

=

(0.01)

2(0.03)

120

1−

5

10

2

=

228

Ω

 

  

 3-  

=

1

4

2

3

2

 

  

                  

=

1

4

2

2 × 10 × 10

9

× 4 × 10

−7

× 181

(

0.03

)

3

(

0.01

)(

1.327

)

2

 

                  

=

172

mW

 

 

 
 

 


background image

26

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Ex:-

 An air filled rectangular waveguide with transverse dimensions(0.07m 

× 0.035m) 

  

      Carries a Z-traveling 

TE  mode at 3 GHz .if the peak magnetic field intensity 

  

          at the guide center equals 10 A/m .   let  

=

58MS/m

 

         Determine:                                               

=

1 , 

=

 

         1-Phase constant  , velocity in the guide , and intrinsic wave impedance .

 

         2-The electric and magnetic fields in the guide.

 

         3-Current in the lower wall.

 

         4-Characteristic impedance.

 

         5-The power lost per unit length.

 

 The solution: 

 

       1- 

=

ω

 −

=

(2 × 3 × 10 ) × 4 × 10

×

10

−9

36

0.07

  

             

=

44 rad/m

  

         

=

ω

=

2 ×3×10

9

44

=

428.4 × 10

6

 

mps     

  

       

2- 

=

sin

  ,  

= 0  ,  

= c

cos

 

        at the guide center 

=

2

 ,

  

= c

cos

= c

cos

= 0 

 

        at the guide center 

=

2

 , 

=

sin

=

sin

 

 

       

     

=

10 ⟹

=

10

=

10

× .

=

10.2  

 

               

=

44 0.07 2

=

2

 

          

=

2 sin

  ,  

= 0  ,  

=

10.2 cos

  

          

⃗ =

⃗ +

⃗ +

 

           

⃗ =

2 sin

.

+ 0 +

10.2 cos

.

 A/m

 

          

=

sin

 

           

=

2 ×3×10

9

×4 ×10

−7

(

0.07

)

(10.2)

sin

.

          

 

         

= −

5383.4 sin

.

 

           

 ⃗ =

⃗ +

⃗ +

⃗ 

 

           

⃗ = 0

5383.4 sin

.

⃗ + 0    

V/m

  

        

3-   

I

=

2

2

2

=

2 0.07

2

×44×10.2

2

=

− 446

m A

 

       

4- 

=

2

=

0.035

2 0.07

2 ×3×10

9

×4 ×10

−7

44

=

423

Ω 

  


background image

27

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

       or  Fc 

=

2

=

3×10

8

2(0.07)

=

2.143 GHz 

  

                 

=

2

η

1−

2

=

(0.035)

2(0.07)

120

1−

2.143G

3G

2

=

423

Ω

 

 

     5- 

=

2

=

2 ×3×10

9

×4 ×10

−7

2×58×10

6

= 14.3

m Ω 

  

        

Fc 

=

2

=

3×10

8

2(0.07)

=

2.143 GHz

  

       

  

=

1

2.143G

3G

2

=

700m 

 

          

=

1

+

 

          

=

14.3m

(

0.035

)

120

(

700m)

1

+

2

(

0.035)

0.07

2.143

3

=

2

.

34

m  

neper/m

 

  

=

1

4

2

3

2

 

  

             

=

1

4

2

2 × 3 × 10

9

× 4 × 10

−7

× 44

(

0.07

)

3

(

0.035

)(

10.2

)

2

=

33 W

  

        

=

 

       

=

2

= 2

× 33 × 2

.

34

m

 ⟹

=

154.44

m

W

 

       

  

Ex:-

 An air filled rectangular waveguide with cross section ( 

2 × 1cm) transmits 

 

         Power in the 

TE  mode at a rate of  373W.the impressed frequency is 30GHz .

 

          1-Determine the total magnetic field inside the guide.

 

          2-What is the peak value of the electric field occurring in the guide.

 

   The solution:-

=

ω

 −

  

             

=

(2 × 30 × 10 ) × 4 × 10

×

10

−9

36

0.02

=

608rad/m

  

                    

=

1

4

2

3

2

 

  

             

373

=

1

4

2

2 × 30 × 10 × 4 × 10

× 608(0.02) (0.01)

=

35.75

  

    

  1-  

=

608

×

0

.

02

×

35

.

75

=

138.4

  

              

⃗ =

⃗ +

⃗ +

 

           

⃗ =

138.4 sin

.

+ 0 +

35.75 cos

.

 A/m

 

 2-  

=

=

2 ×30×10

9

×4 ×10

−7

(

0.02

)

(35.75)

=

53910

 

V/m

 

  


background image

28

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Ex:-

 an air filled , X-band rectangular waveguide (2.29cm

×1.02cm) carries 

 

           a positive Z-traveling 

TE  mode at F = 9 GHz .

 

         1-Find the phase constant ,wave length in the waveguide , phase velocity in

 

            Waveguide and intrinsic wave impedance associated with this mode at 

 

            The given frequency. 

 

         2-If 

 

has the amplitude 

10  V/m .

 

             a-The expressions for the other field components.

 

             b-The total current in the lower face of the waveguide.

 

The solution:- 

=

ω

 −

      

  

          1-  

=

(2 × 9 × 10 ) × 4 × 10

×

10

−9

36

0.0229

=

129  rad/m           

                

=

2

=

2

129

=

0.0487 m  , 

=

ω

=

2 ×9×10

9

129

=

438.4 × 10

6

 

mps  

 

            

(

)

=

=

2 ×9×10

9

×4 ×10

−7

129

=

551

Ω

 

 

(

a

=

=

=

2 ×9×10

9

×4 ×10

−7

×0.0229

=

19.3

 

      2-

 

            

=

sin

0.0229

 , 

= 0  ,  

= 0     

 

                 

 ⃗ =

⃗ +

⃗ +

⃗ 

 

                

    ⃗

= 0

10000 sin

0.0229

⃗ + 0   

V/m

 

            (b)    

I

=

2

2

2

=

2 0.0229

2

×129×19.3

2

=

− 264.6

m A

 

  

Ex

:- An air filled rectangular waveguide with dimensions of  3

×1cm operates in

 

         the 

TE  mode at 12 GHz. The maximum electric field in the guide is 1KV/m.

 

         Determine the transmitted power.

  

The solution:- 

=

ω

 −

 

      

  

                  

=

(2 × 12 × 10 ) × 4 × 10

×

10

−9

36

2

0.03

=

139  rad/m

  

                

=

0, 

= 0 , 

= 0   

  

                 

= c

cos

  ,  

=

2

sin

  ,  

=

2

sin

  

  

 

                 

2

=

10

3

⟹  =

2

(

)

=

2

(

)

2 ×12×10

9

×4 ×10

−7

×0.03

=

2.2       

  

 

 

=

1

4

2 2

3

2

 

  

=

1

4(2)

2 2

2 × 12 × 10

9

× 4 × 10

−7

× 139

(

0.03

)

3

(

0.01

)(

2.2

)

2

= 109 W 

 

 


background image

29

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Ex:-

 An air filled rectangular waveguide (0.07m

×0.035m) carries a positive 

 

         Z-traveling mode. If the magnetic field in the Z-direction is given by: 

  

                                             

=

10cos

− 30

 A/m

 

         

Determine:

 

         1-The operating frequency , velocity in the guide , and wave impedance.

 

         2-The electric and magnetic field inside the guide.

 

         3-The current in the left wall.

 

         4-The characteristic impedance.

 

  The solution:- 

 

        1-  

=

30

 

 rad/m  ,  C 

=

10 

 

             

=

ω

 −

 ⟹

+

=

ω

 

             (

30 ) +

0.035

=

ω (4 × 10 )

10

−9

36

⟹ ω

=

3.9 × 10

 

                

F

=

ω

2

=

3.9×10

10

2

=

6.2 GHz

  

              

=

ω

=

3.9×10

10

30

=

413.8 × 10

6

 

mps

 

           

    

(

)

=

=

3.9×10

10

×4 ×10

−7

30

=

520

Ω

 

        2-  

=

0  ,   

= 0   ,   

= 0  

  

  

          

= c

cos

 , 

=

sin

  , 

=

sin

 

          

  

              

=

30

×

0

.

035

×

10

=

10.5       

 

 

=

3.9×10

10

×4 ×10

−7

×0.035×10

=

5460   

  

           

⃗ =

⃗ +

⃗ +

⃗   

  

       

    ⃗

=

5460 sin

0

.

035

− 30

+ 0 + 0   

V/m

 

        

⃗ =

⃗ +

⃗ +

  

        

⃗ = 0 +

10.5 sin

0

.

035

+

10 cos

0

.

035

 A/m

  

         3- 

I

=

2

2

2

=

2(0

.

035)

2

×

30

×

10

2

=

234 mA 

  

            4- Fc 

=

2

=

3×10

8

2(0.035)

=

4.285 GHz 

  

                     

=

2

η

1−

2

=

(0.07)

2(0.035)

120

1−

4.285G

6.2G

2

=

1639

Ω

 


background image

30

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

 

Ex:- 

An air rectangular waveguide (0.07m

×0.035m) carries a positive Z-traveling 

 

          

TE  mode at 5 GHz. If the peak magnetic field intensity at y = b/2 equals

 

          10 A/m , determine :

 

          1-Phase constant , velocity in the guide ,wavelength  ,  and wave impedance .

 

          2-The electric and magnetic field inside the guide.

 

          3-The current in the left wall.

 

          4-the characteristic impedance. 

 

   The solution:- 

=

ω

 −

 

  

        

1-

=

(2 × 5 × 10 ) × 4 × 10

×

10

−9

36

0.035

=

54  rad/m  

  

        

       

=

2

=

2
54

=

0.116 m

 

  

 

            

=

ω

=

2 ×5×10

9

54

=

582 × 10

6

 

mps

  

  

 

           

(

)

=

=

2 ×5×10

9

×4 ×10

−7

54

=

731

Ω

 

       2- 

= c

cos

= c

cos

=

0

  

            

   

=

sin

=

sin

=

 

              

=

10 ⟹

c =

10

=

10

54(0.035)

=

16.6  

  

               

=

2 ×5×10

9

×4 ×10

−7

×0.035×10

=

4398

 

         

      ⃗

=

⃗ +

⃗ +

⃗ 

 

               ⃗

=

sin

+ 0 + 0 

  

            ⃗

=

4398 sin

0

.

035

− 30

+ 0 + 0   

V/m

  

          

⃗ =

⃗ +

⃗ +

  

        

⃗ = 0 +

sin

+ c

cos

 A/m

  

 

⃗ = 0 +

10.5 sin

0

.

035

+

10 cos

0

.

035

 A/m

  

         3- 

I

=

2

2

2

=

2(0

.

035)

2

×

54

×

10

2

=

134 mA 

  

             4- Fc 

=

2

=

3×10

8

2(0.035)

=

4.285 GHz 

  

                     

=

2

η

1−

2

=

(0.07)

2(0.035)

120

1−

4.285G

5G

2

=

2298

Ω

 


background image

31

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Ex:- 

An air filled rectangular waveguide (a = 2b) carries a positive Z-traveling 

 

         

TE  mode. If the magnetic field inside the guide is given by:

  

                            

⃗ = [

2sin

(

25

) ⃗

+ 1.7cos

(

25

) ⃗ ]

− 30

 A/m   

 

         Determine:

 

       1-The electric field. 

 

       2-The operating frequency.

 

       3-The current in the lower wall.

 

       4-The characteristic impedance. 

  

 The solution:-

 

     

=

30

 

  

 

          

= c

cos

=

1.7cos

(

25

)

 ⟹ ∴ 

c =

1.7                                    

  

   

=

25

=

25

=

0.04  ⟹

= 2

=

0.02        

  

       

1-

     

∇ × H⃗ = 

⃗ 

  

                       

=

 

    

⃗ +

⃗ =

 

 

          

⃗ =

  

       

=

1.7cos

(

25

)

  

    ,      

= −

42.5  sin

(

25

)   

  

     

− −

42.5  sin

(

25

) ⃗ =

⃗ 

  

     

⃗ =

42.5

ω

sin

(

25

) ⃗

  

      2-  

=

ω

 −

 ⟹

+

=

ω

 

             (

30 ) +

0.04

=

ω (4 × 10 )

10

−9

36

⟹ ω

=

3.68 × 10

 

                

F

=

ω

2

=

3.68×10

10

2

=

5.857 GHz

 

      3- 

I

=

2

2

2

=

2 0.04

2

×30 ×1.7

2

=

− 52

m A

  

           4- Fc 

=

2

=

3×10

8

2(0.04)

=

3.75 GHz 

  

                    

=

2

η

1−

2

=

(0.04)

2(0.02)

120

1−

3.75G

5.857G

2

=

1542

Ω

 

 

  


background image

32

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Ex

:- An air filled rectangular waveguide has dimensions of  a = 6.28cm , b =3.14cm.

 

       The magnetic field intensity inside the guide is given by:-

  

       

⃗ =

2sin

(

50

)

cos

(

100

) ⃗

+ cos

(

50

)

sin

(

100

) ⃗

− 60

 A/m

 

       Determine:

 

     1-The electric field.

 

     2-The operating frequency

 

     3-velocity in the guide , and intrinsic wave impedance.

  

The solution:-  

=

30

  

     1-       

∇ × H⃗ = 

⃗ 

  

                       

=

 

    

⃗ +

⃗ =

  

       

=

  

       

 

=

2sin

(

50

)

cos

(

100

)

 

 ,  

= −

200sin

(

50

)

sin

(

100

)

 

  

=

cos

(

50

)

sin

(

100

)

 

 ,  

= −

50sin

(

50

)

sin

(

100

)   

  

     

50sin

(

50

)

sin

(

100

) − −

200sin

(

50

)

sin

(

100

)

⃗ =

⃗ 

 

     

50sin

(

50

)

sin

(

100

) +

200sin

(

50

)

sin

(

100

) ⃗ =

 

     

⃗ =

1

ω

50sin

(

50

)

sin

(

100

) +

200sin

(

50

)

sin

(

100

) ⃗  

V/m

 

  2- 

=

ω

 −

 ⟹

+

+

=

ω

  

             (

60) +

0.0628

+

0.0314

=

ω (4 × 10 )

10

−9

36

⟹ w

=

3.8 × 10

 

                

F

=

ω

2

=

3.68×10

10

2

=

6.06 GHz

  

  3- 

=

ω

=

3.8×10

10

60

=

633.333 × 10

6

 

mps 

  

       

(

)

 =

=

60

3.8×10

10 10

−9

36

  

      

(

)

 =

178.5

Ω

  

  

   

 


background image

33

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Fundamental parameters of antennas

 

  

 Radiation pattern:- A graphical representation of the radiation properties of 

 

                                 of the antenna a function of space coordinates.

 

                                

∝ | |  

 

                                

∝ | |  

 

 Power pattern:- A graph of the received power of a constant radius.

  

                            

( , ) ∝ | ( , )|

 

 Field pattern:- A graph of the received electric or magnetic field along a constant 

 

                          radius. 

  

                                 (

, ) normalized field pattern =

,

,

 

 

      Isotropic radiator :- A hypothetical antenna having equal radiation in all direction 

 

                                      (point source).

 

      Directional antenna:- An antenna having the property of radiating or receiving 

 

                                          electromagnetic waves more effectively in some directions 

 

                                          than others.

 

      Omni directional antenna:- An antenna having a non directional pattern in azimuth 

 

                                                   and a directional in elevation. 

 

                       Azimuth plane (  ( ) , 

= constant )  

                                                 

=

2

 

 

                       elevation plane (  ( ) ,

= constant )              

= 0

 

=

2

                                                                  

Radiation pattern lopes

      

 

      Radiating lobes:- A portion of the radiation pattern bounded by the regions of

 

                                   relatively weak direction intensity. 

  

                  

  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  

xz plane

  

yz plane

  

xy plane

  

x

  

y

  

z

  

First null beam width

 

 ( FNBW )                  

 

Half-power beam width

 

 ( HPBW )                      

 

Major lobe        

              

 

Side  lobe         

             

  

Back  lobe        

              

 

Minor lobes      

                

 

Minor lobes      

                

 

  y                     

 

  

  x                     

  

 

                         

  z

                 

     

  

 

 

 

 

 

 


background image

34

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Side lobes:- A radiating lobe in any direction other than the intended lobe 

 

                    ( usually side lobes is adjacent to the main lobe).

 

Back lobe:- A minor lobe that occupies the hemisphere in the direction apposite

 

                    to that of the major lobe.

 
 

 

Field region

 

 

< 0.62

3

   reactive near field region .

 

 

>

≥ 0.62

    radiating near 

  

 

>

2

2

  

for field region .

  

 D: The largest dimension of the antenna .

 
 

Radiation power density

 

 

  

W⃗

=

1
2

 

  

=

W⃗

.

⃗             where 

 ⃗ =

  

  

=

1
2

  .

 

  

W⃗ : The time average poynting vector 

 

or average power density.

  

            

:The radiated power (watt)

 

defined as the power radiated from

Radiation intensity is 

-

:

Radiation intensity

  

 

                                         an antenna per unit solid angle .

 

   (

, )

=

W

 

  

The radiation intensity is also related to the far-zone electric field of an antenna 

 

   by  

U ∝ | |  .

  

    (

, )

=

W

  

    (

, )

=

1
2

      ,   =

=

  

  

( , )

=

1
2

 

 

   (

, )

=

2

2

| ( , )|            where  = 120

 

       

=

∫ ∫ ( , )

Ω       where  Ω

=

 

       

=

∫ ∫ ( , )

 
 

  

 

watt

 

Unit solid angle

 

 

field region .

 

Far-field(Fraunhofer) region

 

 

Radiating near-field(Fresnel) region 

 

 

 

Reactive       

 

near-field region

 

 

D

 

 

R

 

 

R

 

2

 

1

 

*

  

*

 

*

 


background image

35

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Directivity

  

Directive gain in a given direction is the ratio of the radiation intensity in that 

 

direction to the radiation intensity of a reference antenna (isotropic antenna).

  

( , )

=

4

,

 

 

=

( , )

=

4

,

  

  

 

( , )

=

4

,

,

Ω

=

4

2

2

2

2

2

2

0

2

0

  

 

( , )

=

4

2

2

2

0

=

2

2

2

0

=

2

2

( )

  

 

 

=

4

  

 

( , ): directive gain in a given direction.

 

    (

, ): radiation intensity in a given direction .

 

    (

, )|

: maximum radiation intensity       

 

    

: radiation intensity of isotropic antenna . 

 

        

: radiated power.

  

 

 Gain:- power gain of an antenna in a given direction is defined as 

4  times the ratio

  

            of radiation intensity in that direction to the net power accepted by    

 

            the antenna from a connected transmitter.

 

       

( , )

=

4

,

 

 

 Efficiency 

η =

 

       

( , )

=

4

,

η

 

 

        

( , )

=

( , )

η 

 

         

( , )

=

( , )

=

η 

 

 
 
 
 
 
 


background image

36

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

(HPBW)

Half Power Beam Width

  

Is the angular separation of the points where the main beam of the power pattern

 

equals one half the maximum value. on the field pattern these points corresponding 

 

to the value 

 .

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                       Field pattern                                        Power pattern      

 

  

 

   (

, )

=

10

 

 

  

0.707(

)

=

( , )

 

  

0.707(10)

=

10

  

   

=

0.707 

 

    

=

0.707

=

45 

 

 

HPBW

=

2(90 −

  

 

HPBW

=

2(90 − 45

 

 

HPBW

=

90

 

 

  or  normalization

 

  (

, )

=

 

 

  

0.707(

)

=

( , )

 

  

0.707(1)

=

  

   

=

0.707 

 

    

=

0.707

=

45

 

  

HPBW

=

2(90 −

  

  

HPBW

=

2(90 − 45

)             

note: Field          0.5 

 

  

HPBW

=

90

                                    

power        0.707 

 

 

 

 

  

45º

 


background image

37

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

 

 

  (

, )

=

10

     

 

 

  

0.707(

)

=

( , ) 

 

  

0.707(1)

=

  

   

=

0.707 

 

    

=

0.707

=

45

 

  

HPBW

=

2|0 −

|

 

  

  

HPBW

=

2|0 − 45 |

            

  

  

HPBW

=

90

 

 
 
 
 

 

  
  
 

  

  
  
 
 
 
 
 

 

  
 
 
 
 
 

( , )

=

3

  

  

 

0.5(

)

=

( , )  

 

  

0.5(1)

=

3

  

   

= √

0.5 

 

    

=

0.5

=

37.5

 

  

HPBW

=

2|0 −

|

 

  

  

HPBW

=

2|0 − 37.5 |

              

  

  

HPBW

=

75

 

 
 
 
 

 

 

 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 30

  

 150

 

 300

 

 60

 

 120

 

 90

 

 330

 

 270

 

 180

 

210

 

 240

 

45º

 

 

  

  

 

 

 330

 

 270

 

 240

 

 210

 

180

 

 150

 

 120

 

 90

 

60

 

 30

 

 0

 

 300

 

 

  

x

  

y

  

z

  

37.5º

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

  

z

  

x

  


background image

38

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

(B.W)

 

Band Width

 

 

The range of frequency with which the performance of the antenna with respect to 
some characteristic conforms to a specified standard .

  

 

Input impedance

 

  
  
  
  
  
  
  
  
  

 A: Antenna 

 

 

=

+

  

 

 

=

+

   

 

 

=

=

    

For dc resistance 

  

 

 

=

2

2

    

 For high frequencies 

 

  L: length of antenna .

  

  a: radius of the antenna .

 

  

=

2

 

 

  

=

 

 

  

conductivity

 

of the antenna

  

   

=

  

   

=

  

 

 

=

+

 

  

 
 
 
 
 

 

 

Antenna

 

a

 

 

 

a

  

b

  

Radiated       

  

Wave          

 

 

R

  

s

 

R

 

Loss

 

R

 

rad

  

x

 

A

  

V

  

s

  

V

  

s

 

 

Equivalent circuit

  

i/p impedance        

  

A

  

Z

  


background image

39

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Friis Transmission equation

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  
  
  
  
  

  

=

4

2

  

  

: received power 

 
 

Ex:-

 The radiated power density of an antenna is given by 

=

2

2

 

 

       

Determine:

 

       1-The total radiated power.

 

       2-radiation intensity.

  

       3-Directivity.

 

 

The solution:-  

=

W⃗

.

⃗              

 ⃗ =

 

  

1- 

=

2

0

2

0

.

2

=

2

2

0

=

watt

 

 2-  (

, )

=

W  

 

      (

, )

=

2

=

    

  

3-

 

=

4

,

,

Ω

=

4

0

2

0

=

4

2

2

0

 

     

=

4

2

=

4

=

1.27 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Transmitting antenna

 

Receiving antenna

  

T

 

R

  

G

  

P  

 

 

 

P  

 

P  

 

G

  

 

r

  

 

x

 

 

r

  

 

t

 

 

t

 

x

 

P

in 

=P

t

 + P

Loss            

P

in 

=P

rad

 + P

Loss 

R

  

 

P

r

 , G

D

r

)        

(

 

 

 

P

t

 , G

D

t

)        

(

 


background image

40

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Ex:-

 The radiated power density of an antenna is given by by 

=

2

2

w

2

 

          Determine:

 

       1-The total radiated power.

 

       2-radiation intensity.

  

       3-Directivity.

 

 

The solution:-  

=

W⃗

.

⃗                               nete:-  

3

=

4
3

  

1- 

=

2

2

0

2

0

.

2

=

2

3

0

=

8

3

watt

 

 2-  (

, )

=

W  

 

      (

, )

=

2

2

=

2

    

  

3-

 

=

4

,

,

Ω

=

4

2

0

2

0

=

4

2

3

0

 

     

=

4

4
3

=

3
2

=

1.5

 

 

 

Ex:-

 An antenna has a field pattern given by  ( )

=

2   for 0 ≤

≤ 90

 

          Find  HPBW . 

  

The solution:- 

0.707(max)

=

2                                 ( )

 

                            

0.707(1)

=

2                              

  

                              

=

0.707

2

                                      

 

                                    

=

0.707

2

 

 

                                    

=

20.5

 

                     HPBW

=

2

×

20.5

o

=

41

o

 
 

 

Ex:- 

The radiation intensity of an antenna  is represented by  ( )

=

3

  

          for 

0 ≤

≤ 90  Find  HPBW .

 

The solution:-    

0.5(max)

=

3                              ( )

 

                            

0.5

=

3                              

  

                                 

0.707

=

3                    

 

                              

=

0.707

3

                                      

 

                                    

=

0.707

2

 

 

                                    

=

14.375

 

                     HPBW

=

2

×

14.375

o

=

28.75

o

 
 

0       1    

  

30°   0.75 

 

45°    0.5  

  

60°   0.25 

  

90°      0   

  

  

0       1    

  

30°   0.75 

 

45°    0.5  

  

60°   0.25 

  

90°      0   

  

  


background image

41

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Linear Wire Antenna

 

 

 

Wire Antennas (Linear or Curved) are some of the oldest , simplest , cheapest ,

 

 and in many cases the most versatile for many application.

  

 

        

Infinitesimal dipole (

≪ )

  

       Short dipole current element (

≤ /50) 

 

  

The current is assumed to be constant and given by:

 

   

( )⃗

=

⃗  (

=

constant) 

 

   Radiated fields it will be required to determine first 

A⃗ (magnetic vector potential)

 

   And then find  

E⃗ & H⃗ at P

.

  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

  

  

 

    

=

⃗ +

⃗ +

  

  

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1

  

 

Infinitesimal dipole         

 

P

 

Z

  

x y- 

plane

 

  

 

 

 

Z

 

x

  

y

 

r cos

θ       

r sin

θ        

O

  


background image

42

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

 

A⃗ is given by the following relation

 

 

 

A⃗

=

2

                             

=

I

A

                                            

 

 

=

 

 

 The current density (  )Integrated over the cross sectional area of wire (which is placed

 

 on xy plane) is(  ) use  current  I

 

 

I

A

=

I   

  

 

A⃗

=

4

 


2


2

  

 

A⃗

=

4


2


2

 ⃗  

  

 

A⃗

=

4

⃗     ,   

=

= 0

  

 

=

4

  

 

∇ × A⃗

=

B⃗  

  

 The transformation  between rectangular and spherical components is given by

 

 

=

0

 

  

=

=

4

 

 

  

=

=

4

 

 

  

=

  

  

∇ × A⃗

=

B⃗ 

  

  

  

∇ × A⃗

=

1

+

1

1

+

1

(

)

  

  

∇ × A⃗

=

1

(

)

 

  

 

  

H⃗

=

4

1

+

1

 

 

 

  

= 0 

 

  

= 0

 

  

=

4

1

+

1

 

 

 

 
 

 

J

 

J

 

J

 

J

 


background image

43

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

in the same manner  

  

 

∇ × H⃗

=

 +

                          

=

E

 ⟹

= 0

   free space

    

  

  

∇ × H⃗

=

 ⃗

  

  

=

2

2

1

+

         ,     

=

120

 

  

 

=

4

1

+

1

1

2

 

 

= 0  

 

 

             

or  

  

≪ 1

 

Near Field region

      

 

      

For  

≪ 1  ( ≪ ) the fields can be approximated by:

 

     

= −

2

3

 

 

 

     

= −

4

3

      

 

       

=

4

2

 

     

=

=

= 0 

  

 

 

 Ex:- 

For infinitesimal dipole (Near field region )

  

          prove that the average power density 

W⃗  

= 0

 
 

The solution:- 

W⃗

=

1
2

 

  

 

W⃗

=

1
2

2

3

⃗ ⊗

4

2

= 0   

  

 

 

W⃗

=

1
2

4

3

 ⃗ ⊗

4

2

= 0

                    

 

  

       

 

 

≫ 1

 

 

Far Field region

     

  

      

=

4

      

 

      

=

4

 

   

=

=

=

= 0

 

  

 

 

J

 

J

 

J

 

a

  

b

  

*

 


background image

44

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

 

Parameters of infinitesimal dipole

 

      Radiation Resistance

  

           

W⃗

  

⃗ ⊗ ⃗

 

 

     

W⃗

=

1
2

4

⊗ −

+

4

  

     

W⃗

=

2

4

2

⃗  

  

     

=

W

⃗  . ⃗

                ⃗

=

 ⃗

 

    

 

=

4

2

 ⃗  .

2

 

 

   

4

3

        

  

   

2

2

4

4

(

2

)

             

= √2

 

,

 

=

2

 

,

 

=

120        

  

   

=

120

2

2

√2

4

4

(

2

)

 

   

=

80

2

2

=

 

 

  

=

80

2

2

   only for   

 

50

 

 

    

  

  

    Directivity 

 

    

( , )

=

4

,

,

Ω

=

4

2

2

0

2

0

  

 

( , )

=

4

2

3

0

2

0

=

4

2

2

4

3

  

 

  

=

4

(1)

2

2

4

3

 

 

=

1.5

  

  
  
 
 

i

  

*

  

ii

  


background image

45

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

 HPBW     

  

      (

, )

=

4

 

  (

, )

=

   

 

 

  

  

0.707(

)

=

( , )

 

    

0.707(1)

=

  

     

=

0.707 

 

      

=

0.707

=

45

 

    

HPBW

=

2(90 −

  

    

HPBW

=

2(90 − 45

)            

  

    

HPBW

=

90

  

 

 

 For Infinitesimal dipole 

 

50

 

 

=

80

2

2

      

  

      

=

1.5

  

  

 

HPBW

=

90  

 

Ex:- 

Derive an expression for the radiation resistance of a short dipole antenna.

  

     The solution:-  

W⃗

  

⃗ ⊗ ⃗

 

 

     

W⃗

=

1
2

4

⊗ −

+

4

  

     

W⃗

=

2

4

2

⃗  

  

     

=

W

⃗  . ⃗

                ⃗

=

 ⃗

 

    

 

=

4

2

 ⃗  .

2

 

 

   

4

3

        

  

   

2

2

4

4

(

2

)

             

= √2

 

,

 

=

2

 

,

 

=

120        

  

   

=

120

2

2

√2

4

4

(

2

)

 

   

=

80

2

2

=

 

 

  

=

80

2

2

 

  

 

iii

  

 

45º

 

*

  


background image

46

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

       

Finite Length dipole  (

> /10)

 

 

Assume sinusoidal current distribution 

  

 

=

2

 > 0  

 

 

=

2

+

 < 0

 

 

The current is zero at the ends of the dipole since the current in the z-direction

 

 The magnetic vector potential  

 

 

A⃗ is also in the z-direction  

  

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  

 
 

 

=

4

                              

  

 

=

0

(

+

)

− ( −

)

+

0

( − )

− ( −

)

 

    

Where  L : dipole length 

 

                 H : Half dipole length

 

                 

= H   

  

 
 

  

 

2

 

 

 

 

 

 

r

 

θ

 

θ

 

x

 

Z

 

y

 

H

  

H

 

dz

 

z

  

P

 

Finite Length dipole            

 

 

 

   R = ( r   z cosθ)    for phase     

 

R = r    for amplitude             

  

 

L

 

  

R

 

r

  

c

  

θ

  

o

  

s

  

θ

  

o

  

c

o

  

z

  

s

  


background image

47

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

The general expression for the distance electric field for a dipole antenna 

( >

λ

10

)

 

 Is given by:

  

   

=

60

2

2

 

  

   1    

=

/2 dipole :

 

  

        

=

=

    ,  

(

2

)

=

cos(

2

2 2

)

=

(

2

)

= 0

    

  

  ⃗

=

60

2

     ,    

=

 

  

  

W⃗

=

1
2

  

 

 

  

W⃗

=

1
2

60

2

− 60

2

  

  

  

W⃗

=

1

2

60

2

2

2

  

 

  

=

W

⃗  . ⃗

                ⃗

=

 ⃗

  

  

=

1

2

60

2

2

2

0

 ⃗

2

0

 

  

  

=

1

2

(60

)

2

(

2

)

2

2

 

  

  

=

60

2

2

   ,  

2

2

 =

1.218

 

 

  

 

=

73

 ⟹ 

=

73 Ω                                         ( , )

  
  

 

=

4

,

,

Ω

=

4

2

2

0

2

0

   

  

 

=

4

2

2

2

2

2

0

=

4

(1)

2

2

2

2

0

=

4

1

2

(1.218)

  

 

=

1.64

 

  
  

*

  

0      0     

  

 30°   0.417 

  

45°   0.627  

  

 

60°   0.816 

  

90°      1   

  

  


background image

48

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

    HPBW     

 

  (

, )

=

2

  

   

 

 

  

  

0.707(

)

=

( , )

 

    

0.707(1)

=

2

  

     

0.707

=

2

 

 

      

=

2

  

      

=

51

 

    

HPBW

=

2(90 −

  

    

HPBW

=

2(90 − 51

)            

  

    

HPBW

=

78

  

 

 
 

 2

     

=

/4 dipole :

 

 

        

=

=

    ,  

(

2

)

=

cos(

2

2 4

)

=

(

4

)

=

0.707    

  

  ⃗

=

60

4

−0.707

 

      ,    

=

  

  

  

W⃗

=

1
2

  

  

 

  

W⃗

=

1
2

60

4

−0.707

− 60

4

−0.707

⃗   

  

  

W⃗

=

1

2

60

2

4

−0.707

2

  

  

  

=

W

⃗  . ⃗

                ⃗

=

 ⃗

  

  

=

1

2

60

2

4

−0.707

2

0

 ⃗

2

0

 

  

  

=

1

2

(60

)

2

(

2

)

4

−0.707

2

 

  

  

=

60

4

−0.707

2

 ,  

4

−0.707

2

 =

0.114

 

 

  

 

=

6.84

 ⟹ 

=

6.84 Ω                                      

  

  

45º

 

  

51º

 

*

  


background image

49

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

 

=

4

,

,

Ω

=

4

2

2

0

2

0

                     

| ( , )|

    

  

 

=

4

4

−0.707

2

2

4

−0.707

2

0

 

 

 

=

4

(0.293)

2

2

4

−0.707

2

0

=

4

(0.293)

2

2

4

−0.707

2

2

0

 

 

  

=

4

(0.293)

2

2

4

−0.707

2

0

 

 

=

4

(0.293)

2

2

(0.114)

  

  

  

=

1.506

 

  

     HPBW     

 

  (

, )

=

4

−0.707

  

   

 

 

  

  

0.707(

)

=

( , )

 

    

0.707(0.293)

=

4

−0.707

  

     

0.207

=

4

− 0.707 

 

      

=

1

0.207

− 0.707

  

      

=

46.5

 

    

HPBW

=

2(90 −

  

    

HPBW

=

2(90 − 46.5

)            

  

    

HPBW

=

87

  

 

 

  
  
  

  
  

 
 

45º

 

  

46.

 

0       0      

  

 30°   0.14     

  

45°   0.2018   

  

 

60°   0.25     

  

90°   0.293    

  


background image

50

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

  3

     

=

3 /4 dipole :

 

 

        

=

=

2

=

cos

2

2

3

4

=

3

4

= −

0.707    

  

  ⃗

=

60

3

4

−(−0.707)

 

    ,    

=

 

  

  

W⃗

=

1
2

  

  

 

  

W⃗

=

1
2

60

3

4

+0.707

− 60

3

4

+0.707

⃗   

  

  

W⃗

=

1

2

60

2

3

4

+0.707

2

  

 

  

=

W

⃗  . ⃗

                ⃗

=

 ⃗  

  

  

=

1

2

60

2

3

4

+0.707

2

0

 ⃗

2

0

 

  

  

=

1

2

(60

)

2

(

2

)

3

4

+0.707

2

 

  

  

=

60

3

4

+0.707

2

 ,

3

4

+0.707

2

 =

3.0968

 

  

 

=

185.8

 ⟹ 

=

185.8 Ω                                      

  

  

 

=

4

,

,

Ω

=

4

2

2

0

2

0

                     

| ( , )|

    

  

 

=

4

3

4

+0.707

2

2

3

4

+0.707

2

0

 

 

 

=

4

(1.707)

2

2

3

4

+0.707

2

0

=

4

(1.707)

2

2

3

4

+0.707

2

0

 

  

=

4

(1.707)

2

2

(

3.0968

)

 

  

=

1.88   

 

*

  

0       0      

  

 30°   0.318   

  

45°  0.5599    

  

 

60°   0.875   

  

90°   1.707    

  


background image

51

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

  

     HPBW      

 

  (

, )

=

3

4

+0.707

    

   

 

 

  

  

0.707(

)

=

( , )

 

    

0.707(1.707)

=

3

4

+0.707

  

     

1.2068

=

3

4

+ 0.707 

 

      

=

−1

1

1.2068

3

+ 0.707

  

      

=

57.99

 

    

HPBW

=

2(90 −

  

    

HPBW

=

2(90 − 57.99

)            

  

    

HPBW

=

64

  

 

 

 
 

  4

     

=

 dipole :

 

 

        

=

=

  ,   

2

=

cos

2

2

=

( )

= −

1    

  

  ⃗

=

60

(

)

−(−1)

       ,    

=

 

  

  

W⃗

=

1
2

  

 

 

  

W⃗

=

1
2

60

+1

− 60

+1

⃗   

  

  

W⃗

=

1

2

60

2

+1 2

  

 

  

=

W

⃗  . ⃗

                ⃗

=

 ⃗  

  

  

=

1

2

60

2

+1 2

0

 ⃗

2

0

 

  

  

=

1

2

(60

)

2

(

2

)

+1

2

 

  

  

=

60

+1

2

   ,    

+1

2

=

3.31

  

 

=

198. 6

 ⟹ 

=

198.6 Ω                                      

  

  

45º

 

  

57.99º

 

*

  


background image

52

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

 

=

4

,

,

Ω

=

4

2

2

0

2

0

                      

| ( , )|

   

 

  

 

=

4

+1

2

2

+1

2

0

  

 

 

=

4

(2)

2

2

+1

2

0

=

4

(2)

2

2

+1

2

0

  

  

=

4

4

2

(

3.3

1)

 

  

  

=

2.41

 

  

     HPBW      

 

  (

, )

=

+1

    

   

 

 

  

  

0.707(

)

=

( , )

 

    

0.707(2)

=

+1

  

     

1.414

=

(

) + 1 

 

      

=

−1

1

1.414

[

(

)

+ 1

]

  

      

=

66.08

 

    

HPBW

=

2(90 −

  

    

HPBW

=

2(90 − 66

)            

  

    

HPBW

=

48

 

 
 
  

                         Length            HPBW           

             D 

  
 

                         L =  /50            90°          very small        1.5       

  

                         L =  /4              87°              6.84             1.52

 

                         L =  /2              78°               73                1.64

 

                         L =3 /4             64°             185.8             1.88

 

                         L = 

               48°               198               2.41

 

 

  

45º

 

  

66º

 

0       0      

  

 30°   0.174   

  

45°  0.5572    

  

 

60°  1.1547    

  

90°     2         

  


background image

53

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

 

Ex:-

 A  

λ/4 transmitting dipole antenna of 4mm radius situated with its at origin

  

          radiates a power of  200W at a frequency of  100 MHz . determine:

 

          1-The current fed to the dipole.

 

          2-Directivity

  

          3-HPBW

 

          4-The electric field at (2 Km , 30° , 60°). Assume 

 

=

58

 MS/m 

  

   If a second  λ/4  dipole is placed at 1 Km away from the transmitting antenna in 

 

   the direction of maximum radiation, find the received power at the terminal of 

 

   the second (receiving) dipole.

  

The solution:-

 

=

60

2

2

 

 

    

1

-   

=

=

    ,  

(

2

)

=

cos(

2

2 4

)

=

(

4

)

=

0.707    

  

  ⃗

=

60

4

−0.707

      ,    

=

  

  

  

W⃗

=

1
2

  

  

 

  

W⃗

=

1
2

60

4

−0.707

− 60

4

−0.707

⃗   

  

  

W⃗

=

1

2

60

2

4

−0.707

2

  

  

  

=

W

⃗  . ⃗

                ⃗

=

 ⃗

  

  

=

1

2

60

2

4

−0.707

2

0

 ⃗

2

0

 

  

  

=

1

2

(60

)

2

(

2

)

4

−0.707

2

 

  

  

=

60

4

−0.707

2

 ,  

4

−0.707

2

 =

0.114

 

 

  

   

200

=

6.84

 ⟹ 

=

200

6.84

=

5.4

A

                         | ( , )|  

  

2-  

=

4

,

,

Ω

=

4

2

2

0

2

0

                         

  

*

  

0       0      

  

 30°   0.14     

  

45°   0.2018   

  

  

60°   0.25     

  

90°   0.293    

  


background image

54

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

 

=

4

4

−0.707

2

2

4

−0.707

2

0

=

4

(0.293)

2

2

4

−0.707

2

0

 

  

 

=

4

(0.293)

2

2

4

−0.707

2

0

=

4

(0.293)

2

2

(0.114)

=

1.506    

  

  

     3-  HPBW     

 

  (

, )

=

4

−0.707

  

   

 

 

  

  

0.707(

)

=

( , )

 

    

0.707(0.293)

=

4

−0.707

  

     

0.207

=

4

− 0.707 

 

      

=

1

0.207

− 0.707

  

      

=

46.5

 

    

HPBW

=

2(90 −

  

    

HPBW

=

2(90 − 46.5

)            

  

    

HPBW

=

87

  

        

  

 

 4-   

=

60

4

.

   

  

  

      

|

| =

60(

2×5.4)

2000

4

.

=

32.3m V/m

      

  

 

=

c

F

=

3×10

8

100×10

6

=

3m

   ,   

=

4

=

3
4

=

0.75m

     

  

 

=

2

2

=

0.75

2 (0.004)

2 ×100×10

6

×4 ×10

−7

2×58×10

6

=

0.0778

 

 

 

=

+

=

6.84

6.84

+

0.0778

=

98.87%

 

 

=

=

0.9887 × 1.506

=

1.488 

 

  

=

=

1.488     the same dipole      

  

 

=

4

2

=

200 × 1.488 × 1.488 ×

3

4

×

1000

2

=

25.23

 W

  

45º

 

  

46.5º

 


background image

55

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

 Ex

:- A half wave dipole is radiating into free space. The coordinate system 

  

          is defined so that the origin is at the center of the dipole and the  z-axis  

 

          is aligned with the dipole. input power to the dipole is 100W. assuming 

 

          an overall efficiency of 50%, find the power density at (500 m , 60° , 0°).

  

The solution:-

=

60

2

2

 

 

   

half wave dipole(

H)

=   

 

=

=

  ,  

(

2

)

=

cos(

2

2 2

)

=

(

2

)

=

0

 

⃗ =

60

2

      ,    

=

  

  

  

W⃗

=

1
2

  

  

 

           

W⃗

=

1
2

60

2

− 60

2

⃗   

  

  

W⃗

=

1

2

60

2

2

2

  

  

  

=

W

⃗  . ⃗

                ⃗

=

 ⃗

  

  

=

1

2

60

2

2

2

0

 ⃗

2

0

 

  

  

=

1

2

(60

)

2

(

2

)

2

2

 

  

  

=

60

2

2

 ,  

2

2

 =

1.218

 

 

  

   

=

73

 ⟹

=

73  

 

   

=

+

=

=

=

73

0.5

=

146      

 

  

=

⟹ 

=

100
146

=

0.83

A

  

 

  

W⃗

=

1

2

60

2

2

2

 

 

 

W⃗

=

1

2(120 )

60×0.83 2

500

2

2

60

60

2

 

  

W⃗

=  

17.5 

w

m

2

 

 

 

*

  


background image

56

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Ex:-

 A 0.75m transmitting dipole antenna of 4mm radius situated with its at origin

 

         radiates a power of  200W at a frequency of 100 MHz , if the directivity of

 

         the antenna is 1.52 , determine.                     Assume 

 

=

58

 MS/m

 

       1-The current fed to the dipole.

 

       2-The electric field at (2 Km , 30° , 60°).   

 

       3-HPBW of the antenna.

 

       4-The power gain.

 

The solution:- 

=

60

2

2

  

 

  

=

c

F

=

3×10

8

100×10

6

=

3m

   ,   

=

0.75

=

0.25 ⟹

=

4

 

1-   

  

    

(

2

)

=

cos(

2

2 4

)

=

(

4

)

=

0.707

  

 

⃗ =

60

4

−0.707

      ,    

=

  

  

  

W⃗

=

1
2

  

  

 

  

W⃗

=

1
2

60

4

−0.707

− 60

4

−0.707

⃗   

  

  

W⃗

=

1

2

60

2

4

−0.707

2

                   

| ( , )|

  

=

4

4

−0.707

2

2

4

−0.707

2

0

      

  

 

4

−0.707

2

=

4

(0.293)

2

2 (

1.52

)

4

−0.707

2

=

0.1129

 

 

=

W

⃗  . ⃗

                ⃗

=

 ⃗

  

  

=

1

2

60

2

4

−0.707

2

0

 ⃗

2

0

  

   

=

60

4

−0.707

2

 

  

   

200

=

6.774

 ⟹ 

=

200

6.774

=

5.4

A

 

  

*

  

0       0      

  

 30°   0.14     

  

45°   0.2018   

  

  

60°   0.25     

  

90°   0.293    

  


background image

57

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

     2-

   ⃗

=

60

4

−0.707

⃗      

  

          

|

| =

60(

2×5.4)

2000

4

.

=

32.3m V/m

  

  

     3-  HPBW     

 

  (

, )

=

4

−0.707

  

   

 

 

  

  

0.707(

)

=

( , )

 

    

0.707(0.293)

=

4

−0.707

  

     

0.207

=

4

− 0.707 

 

      

=

1

0.207

− 0.707

  

      

=

46.5

 

    

HPBW

=

2(90 −

  

    

HPBW

=

2(90 − 46.5

)            

  

    

HPBW

=

87

  

        

 

 

4-  

=

2

2

=

0.75

2 (0.004)

2 ×100×10

6

×4 ×10

−7

2×58×10

6

=

0.0778

 

 

  

=

+

=

6.774

6.774

+

0.0778

=

98.86%

  

 

 

=

=

0.9886 × 1.52

=

1.502

 

  

Ex:- 

The radiation  intensity of an antenna is given by:

 

          (

, )

=

B

o

2

0≤ ≤  0≤ ≤

0

  

 

          Determine the directivity of the antenna. 

 

The solution:- 

( , )

=

4

,

,

Ω

  

 

       

( , )

=

4

B

o

2

B

o

2

0

0

=

4

2

2

2

0

0

 

  

        

( , )

=

4

2

2 2

=

16

 

                             

  

45º

 

  

46.5º

 

elsewhere

 


background image

58

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Ex:-

 For a dipole of  length 2.5m operating at 120 MHz .Determine  

 

        1-Radiation resistance.

  

         2-Directivity.

  

         3-HPBW.

 

         4-Radiation efficiency (assume the antenna to be made of a copper wire 

 

            of 4mm radius).

 

         5-Gain.

 

       

6-The electric field intensity at a distance of 13 Km in the direction 

  

          

of maximum radiation (assume 

I = 1A ). Assume 

 

=

58

 MS/m

 

The solution:- 

=

60

2

2

  

 

  

=

c

F

=

3×10

8

120×10

6

=

2.5m

   ,   

=

.

.

=

 

1-   

  

    

2

=

cos

2

2

=

( )

=

−1

  

 

⃗ =

60

(

)

+1

      ,    

=

  

  

  

W⃗

=

1
2

  

 

 

  

W⃗

=

1
2

60

+1

− 60

+1

⃗   

  

  

W⃗

=

1

2

60

2

+1 2

                          

  

 

=

W

⃗  . ⃗

                ⃗

=

 ⃗

  

  

=

1

2

60

2

+1 2

0

 ⃗

2

0

  

   

=

60

+1

2

 

+1

2

=

3.316 

  

   

=

198.96

 ⟹

=

198.96 Ω                                 | ( , )| 

  

2- 

=

4

,

,

Ω

=

4

2

2

0

2

0

                           

  

 

=

4

+1

2

2

+1

2

0

=

4

(2)

2

2 (

3.316

)

=

2.41

  

*

  

0       0      

  

 30°   0.174   

  

45°  0.5572    

  

  

60°  1.1547    

  

90°     2         

  


background image

59

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

3- HPBW

 

  (

, )

=

+1

    

   

 

 

  

  

0.707(

)

=

( , )

 

    

0.707(2)

=

+1

  

     

1.414

=

(

) + 1 

 

      

=

−1

1

1.414

[

(

)

+ 1

]

  

      

=

66.08

 

    

HPBW

=

2(90 −

  

    

HPBW

=

2(90 − 66

)            

  

    

HPBW

=

48

 

  

 

  

4-  

=

2

2

=

2.5

2 (0.004)

2 ×120×10

6

×4 ×10

−7

2×58×10

6

=

0.285

 

 

  

=

+

=

198.96

198.96

+

0.285

=

99.8%

 

 5- 

=

=

0.998 × 2.41

=

2.405  

  

   6-   

=

60

(

)

|

| =

60×1

13000

(2) =

9.23m V/m

  

  

Ex:- 

A transmitting antenna located at origin has the far-electric field:

 

                                           

⃗ =

    

 

        For good reception at 125 Km the amplitude of the electric field is greater 

 

        Than or equal to 100  V/m. find the minimum power needed for reception. 

 

The solution:- 

 ⃗

=

A

 ⃗    

 

   

              |

| =

100 × 10

−6

=

125

×

A

=

12.5      

 

  

W⃗

=

1
2

        ,   

=

  

 

           

W⃗

=

1
2

A

 ⃗

1 A

=

1

2

A

 ⃗

  

 

=

W

⃗  . ⃗

                ⃗

=

 ⃗

  

  

=

=

1

2

A

2

2

 ⃗

0

 ⃗

2

0

=

2 A

2

2

0

  

   

=

2 (12.5)

2

2(120 )

4
3

=

1.736W

 

 

*

  

45º

 

  

66º

 


background image

60

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Ex:- 

λ/2 dipole radiates a total power 10 watts at 152 MHz . calculate the electric 

 

         and magnetic field at (1500m , 60° , 45°).

  

 The solution:-

=

60

2

2

 

        

=

=

    ,  

(

2

)

=

cos(

2

2 2

)

=

(

2

)

=

0    

  

  ⃗

=

60

2

     ,    

=

 

  

  

W⃗

=

1
2

  

 

 

  

W⃗

=

1
2

60

2

− 60

2

  

  

  

W⃗

=

1

2

60

2

2

2

  

 

  

=

W

⃗  . ⃗

                ⃗

=

 ⃗

  

  

=

1

2

60

2

2

2

0

 ⃗

2

0

 

  

  

=

1

2

(60

)

2

(

2

)

2

2

 

  

  

=

60

2

2

   ,  

2

2

 =

1.218

 

 

  

 

=

73

 

  

 

10

=

73

 ⟹ 

=

10
73

=

0.37

A

  

 

  

       ⃗

=

60

2

  

          

|

| =

60(

2×0.37)

1500

2

60

60

=

17m V/m

  

  

       ⃗

=

60

2

  

          

=

60(

2×0.37)

120

(

1500

)

2

60

60

=

45  V/m

  

 

*

  


background image

61

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Ex:- 

The power radiated by a lossless antenna is 10 watts. The radiation intensity

 

         of the antenna is given by: 

 

          (

, ) =

              

0 ≤

2

       

0 ≤

≤ 2  

 

        1-Find the maximum power density at a distance of 1000m.

 

        2-Find the directive gain.

  

 

        3-Plot the field pattern.

 

        4-Find the HPBW.

 

The solution:- 

=

∫ ∫ ( , )

Ω          Ω

=

 

  1-     

10

=

2

0

2

0

10

=

(2 )

4

4

0

2

  

         

10

=

2

(0 − 1)

=

20

( , ) =

20

 

  

     (

, ) =

=

(

,

)

2

=

20

3

(1000)

2

 

  

         maximum power density 

=

20

(1000)

2

=

6.37

w

m

2

  

 

   

2-  (

, )

=

4

,

=

4

3

10

=

4

20

(1)

10

= 8 

 

 

 3-

 

 

  

 

     

 

  

  

 

 

  

  

   

 

  

    

 

 

  

  

            

  

  

 

 
 
 
  

 

( , )

=

3

 

 

4-

 

  

 

     

0.5(

)

=

( , )  

 

      

0.5(1)

=

3

  

      

= √

0.5 

  

       

=

0.5

=

37.5

 

     

HPBW

=

2|0 −

|

 

  

     

HPBW

=

2|0 − 37.5 |

              

  

     

HPBW

=

75

  

  

 

  

 

 0

 

 

 

0

 

 

0

 

 

 

 

 

 30

  

 150

 

 60

 

 120

 

 90

 

 180

 

 

 

 

 

 210

 

 240

 

 270

 

 330

 

 300

 

37.5º

 


background image

62

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

 Ex:- 

λ/4 dipole is fed with a current of 2A (rms).

 

         1-Plot the field pattern of the dipole , and the estimate the HPBW.

 

         2-Calculate the electric field strength at a distance of  800 Km in the plane 

 

             of maximum radiation.

 

         3-If a dipole of length 0.075

λ is to produce the same electric field as that of 

 

            The 

λ/4 dipole , find the current fed to this dipole.(assume maximum radiation) 

  

 The solution:-

 

=

60

2

2

 

 

   

  

=

=

    ,  

(

2

)

=

cos(

2

2 4

)

=

(

4

)

=

0.707    

  

   

  

     1-  HPBW     

 

  (

, )

=

4

−0.707

  

   

 

 

  

  

0.707(

)

=

( , )

 

    

0.707(0.293)

=

4

−0.707

  

     

0.207

=

4

− 0.707 

 

      

=

1

0.207

− 0.707

  

      

=

46.5

 

    

HPBW

=

2(90 −

  

    

HPBW

=

2(90 − 46.5

)              

  

    

HPBW

=

87

  

        

  

    

  

2-

  ⃗

=

60

4

−0.707

                          

| ( , )|

   

 

 

              

|

| =

60

2×2

800000

(0.293)

=

62  V/m

  

   3-

 

Infinitesimal  (

≤ /50) ⟹ 0.075 λ

  

       

=

4

  

 

    

Finite Length dipole  (

> /10) ⟹  λ/4  

  

 

   

=

  

    

4

=

60

4

−0.707

 

    (

120

)

2

4

4

(

1

) =

60 2

2

(

0.293

)

=

1.055

 

  

0       0      

  

 30°   0.14     

  

45°   0.2018   

  

  

60°   0.25     

  

90°   0.293    

  

45º

 

  

46.5º

 


background image

63

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Ex:-

 For a dipole of 2.5m long (placed along the z-axis)operating at 120MHz

  

         the amplitude of  the electric field at 10 Km in the direction of maximum

 

         radiation is 10 mV/m. if the directivity of the antenna is 1.7 , determine:

 

         1- The transmitted power needed for reception.

 

         2- The amplitude of the electric field at (2 Km , 30° , 90°).           

  

         3- HPBW.

 

The solution:- 

=

60

2

2

       

| ( , )|

 

 

  

=

c

F

=

3×10

8

120×10

6

=

2.5m

   ,   

=

.

.

=

  

 

1-   

  

    

2

=

cos

2

2

=

( )

=

−1

  

 

⃗ =

60

(

)

+1

    

  

 

|

| =

60

10×10

3

(

2

)

10 × 10

−3

=

120

10×10

3

= 0.833A

      

  

  

W⃗

=

1
2

     ,  

=

    

 

 

  

W⃗

=

1
2

60

+1

− 60

+1

⃗   

  

  

W⃗

=

1

2

60

2

+1 2

                        

  

=

4

+1 2

2

+1 2

0

         

  

 

[

(

)

+1

]

2

=

4

(2)

2

2 (

1.7

)

[

(

)

+1

]

2

=

4.7

 

 

=

W

⃗  . ⃗

                ⃗

=

 ⃗

  

  

=

1

2

60

2

+1 2

0

 ⃗

2

0

  

   

=

60

+1

2

  

  

   

=

60

0.833

2

4.7

=

200

6.774

=

166 W

 

 

 

2-

 

|

| =

60(0.833)

2000

(

30

)

+1

30

=

4.36m V/m

 

 

 

 

*

  

0       0      

  

 30°   0.174   

  

45°  0.5572    

  

 

60°  1.1547    

  

90°     2         

  


background image

64

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

3-  HPBW

  

  (

, )

=

+1

    

   

 

 

  

  

0.707(

)

=

( , )

 

    

0.707(2)

=

+1

  

     

1.414

=

(

) + 1 

 

      

=

−1

1

1.414

[

(

)

+ 1

]

  

      

=

66.08

 

    

HPBW

=

2(90 −

  

    

HPBW

=

2(90 − 66

)            

  

    

HPBW

=

48

 

 

  

Ex:-

 A 

λ/2 dipole

 

situated with its center at the origin radiates a power of 600W

 

         at a frequency of 300 MHz. a second 

λ/2 dipole is placed at 1Km away from

 

         the transmitting antenna in the direction of maximum radiation. assuming 

 

         the efficiency of the dipole is 90% , find the received power at the terminal

 

         of the second (receiving) dipole.

 

The solution:- 

=

60

2

2

 

  

 

    

=

=

  ,  

(

2

)

=

cos(

2

2 2

)

=

(

2

)

= 0

  

     

⃗ =

60

2

⃗                                             

 ( , )

  

  

                

=

4

,

,

Ω

=

4

2

2

2

2

2

0

    

  

 

=

4

(1)

2

2

2

2

0

        

 ,  

2

2

 =

1.218  

  

 

=

4

1

2

(1.218)

=

1.642     ,    

= =

3×10

8

300×10

6

=

1m

  

 

=

=

0.90 × 1.64

=

1.477       , 

=

=

1.476  the same dipole

  

   

=

=

600 × 1.477 × 1.477 ×

×

=

8.3

 W

 

0      0     

  

 30°   0.417 

  

45°   0.627  

  

 

60°   0.816 

  

90°      1   

  

  

45º

 

  

66º

 


background image

65

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Ex:-

 A transmitting antenna located at the origin has the far-electric field 

  

                               

  ⃗

=

10

  V/m 

 

         If 

= 1A , determine :

 

         1- The radiated power .

 

         2- The radiation  resistance of the antenna.                 

 

         3- HPBW, and directivity of the antenna.

 

The solution:- 

⃗ =

10

      

  

            1-

W⃗

=

1
2

       ,    

=

 

 

              

W⃗

=

1
2

10

 ⃗

10

 ⃗

=

1

2

10 2

 ⃗

   

  

   

=

W

⃗  . ⃗

                ⃗

=

 ⃗

  

  

=

1

2

10 2

 ⃗ 

0

 ⃗

2

0

=

100(2 )
2(120 )

0

  

 

   

= −

10
12

3

3

0

= −

10
12

(−1−1)

3

= −

10
12

(−2)

3

=

0.555W  

  

  2-   

=

=

2

=

0.555

1

2

2

=

1.11Ω

 

3-

 

 

  

  (

, )

=

     

 

  

  

0.707(

)

=

( , ) 

 

  

0.707(1)

=

  

   

=

0.707 

  

    

=

0.707

=

45

 

  

HPBW

=

2|0 −

|

 

  

  

HPBW

=

2|0 − 45 |

            

  

  

HPBW

=

90

 

  
 
 

4- 

=

4

(

,

)|

∫ ∫ (

,

)

Ω

=

4

2

2

|

|

2

2

2

|

|

2

0

2

0

=

4

(1)

2

2

2

0

 

        

=

4

(1)

2

2

2
3

= 3  

  

 

*

  

 

 

 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 30

  

 150

 

 300

 

 60

 

 120

 

 90

 

 330

 

 270

 

 180

 

210

 

 240

 

45º

 


background image

66

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Ex:-

 The electric field intensity in the far region of an antenna is given by:

  

            

⃗ =

100

.

2

1/2

0

0≤ ≤  0≤ ≤ /2

 

  

  

         If 

= 1A , determine :

 

         1- The radiation  resistance.

 

         2- Directivity.

 

         3- HPBW in the x-y

(θ = 90) plane.

 

  

         4- HPBW in the x-z

(ϕ = 90) plane.

  

                   If a dipole of  2.5m length is to produce the same electric field as that of 

 

                   The above antenna, find the current fed to this dipole(assume maximum radiation) 

 

 The solution:-

 ⃗ =

100

.

(

2

)

1/2

  

               1-

W⃗

=

1
2

       ,    

=

 

              

W⃗

=

1
2

100

− 0.2

(

2

)

/

 ⃗

100

0.2

(

2

)

/

 

 

W⃗

=

1

2

100

 2

(

)  ⃗

   

  

   

=

W

⃗  . ⃗

                ⃗

=

 ⃗   

  

  

=

1

2

100

 2

(

)  ⃗ 

0

 ⃗

2

0

  

 

=

100

2

2

0

2

0

=

100

2

2

0

2

0

 

 

 

=

100 ×  2

2

2×120

4

2

=

32.7

2

   

  

=

32.7Ω 

 

 

2-   

=

4

,

,

Ω

=

4

2

2

2

0

0

=

4

1

2

4

2

    

  

 

=

32

=

10.186

     

  

3-  

= (

2

)

1/2

 at  

=

90°     

  

     

= (

90

2

)

1/2

= (

2

)

1/2

 

  

     

=

 

     

0.707(1)

=

=

(0.707)

=

45°

 

  

     

HPBW

=

2|0 −

|

 

     

HPBW

=

2|0 − 45°|

=

90°

 

 

  everywhere     

 

  

*

  


background image

67

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

4-  

= (

2

)

 at  

=

0°     

  

     

= (

2

0

)

=

(

1/2

)

 

  

     

=

0.707

(

1

) =

  

      

=

0.5

=

(0.5)

=

30°

  

     

HPBW

=

2|90° −

|

 

     

HPBW

=

2|90° − 30°|

=

120°

 

 

        

=

60

2

2

                             

| ( , )|

      

 

 

       

.

 

         

=

0.2

  

  

=

0.2

=

.

=

10m  

=

2.5

10

=

1

4

 

  

        

=

=

  ,  

(

2

)

=

cos(

2

2 4

)

=

(

4

)

=

0.707

  

     

⃗ =

60

4

−0.707

⃗                                  

  

 

   

=

  

    

− 0.2

(

2

)

1/2

=

4

.

 

    

100

(1)

/

=

60

(

0.293

 

     

100  × 1

=

17.58

(

0.293

)

 

       

=

100

17.58

=

5.688A

 

  

  

Ex:- 

Transmitting and receiving antenna operating at 1GHz  with gains 20 and 

 

         15 dB respectively are separated by a distance of 1Km . find the maximum 

 

         Power delivered to the load when the total power is 150W.

 

 The solution:- 

=

20

=

10

20
20

=

10

 , 

=

15

=

10

15
20

=

5.6

 

   

  

=

=

×

=

0.3m   

  

      

=

  

 

           

=

150 × 10 × 5.6 ×

.

×

  

           

=

4.8

 W

 

 

0       0      

  

 30°   0.14     

  

45°   0.2018   

  

  

60°   0.25     

  

90°   0.293    

  


background image

68

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

 Ex:- 

The radiation intensity of a lossless antenna is given by:

  

              (

, )

=

10

4

0

0≤ ≤90 

90 ≤ ≤180

 

  

  

           Determine:

 

           1- The radiated power.

 

          

2- The average power density at (1Km , 30° , 60°).

 

          

3- Directivity.

 

          

4- Gain at (30° , 60°).

  

  

            5-  HPBW. 

 

The solution:- 

=

∫ ∫ ( , )

Ω          Ω

=

  

  1-     

=

∫ 10

2

0

0

=

−10(2 )

5

5

0

2

= −

4 (0 − 1         

 

         

=

4

 

watt

 

  

   2-      (

, ) =

=

(

,

)

2

=

10

4

(1000)

2

 

         maximum power density 

=

10

4

30

(1000)

2

=

5.66

 

w

m

2

  

  

   

3-     (

, )

=

4

,

( , )

=

4

10

4

4

   

  

                   (

, )

=

10

 

=

10(1)

=

10

  

   4-      ( , )

=

 ( , )

  

 lossless   

=

100% 

  

          

  (

, )

=

 ( , )

( , )

=

10

 

           

( , )

=

10

30

=

5.66m

 

 

  

 

 5-

  

( , )

=

4

 

  

 

  

 

     0.5(

)

=

( , )

 

  

  

     0.5(1)

=

4

 

  

   

= √

0.5

  

   

   

=

0.5

  

    

   

=

32.76

 

    

HPBW

=

2|0 −

|

  

  

  

HPBW

=

2|0 − 32.76 |

           

  

  

  

HPBW

=

65.5

  
 
 
  

 

  

 

  

 

      

  

  

 

 0

 

 

 

0

 

 

0

 

 

 

 

 

 30

  

 150

 

 60

 

 120

 

 90

 

 180

 

 

 

 

 

 210

 

 240

 

 270

 

 330

 

 300

 

32.7º

 


background image

69

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Ex:- 

A) The maximum radiation intensity of a 90% efficiency antenna is 200mW/unit

  

              solid angle. find the directivity and gain when the point power is 40  mW.

 

The solution:-

 =

 

                   

=

×

  

 

                   

=

0.90 × 40 × 10

=

113

m

 

 

  

                     

=

4

,

,

Ω

=

4

,

 

 

                     

=

4

200×10

−3

113×10

−3

=

22.22

 

                     

=

=

0.90 × 22.22

=

20

  

 

        B) A 

λ/2 dipole with loss resistance of 1Ω is connected to a generator whose 

 

             internal resistance is 50

Ω. assuming that the peak voltage of the generator

 

              is 2V. find the power radiated by the antenna. 

 

        The solution:-          

  

  
  
  
  
  
  
  

             

=

73Ω  for  λ/2  

 

             

=

  

             

=

=

50Ω

 

             

=

2V

 

             

=

+

+

 

             

=

2

50+73+1

=

16.13 mA

  

             

=

16.13×10

−3

2

=

11.4 mA

 

            

=

  

            

=

(11.4 × 10 ) × 73 

 

            

9.48 mW

 
  
  
 

 

  

 

 

neglect

 


background image

70

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Theory

 

Array

 

In many application it is necessary to design antennas with very direction 

 

Characteristic (very high gain) to meet the demand of  long distance communication.

  

Antenna array is used when greater directivity is required.

  

 

 

Two element array

  

Assume P is remote from the antenna system for amplitude  

1

1

=

1

2

=

1

 

  

For phase    

1

=

2

2

=

+

2

1

&

2

≫   

 

 

  

The phase difference between 

 

radiation from the two elements

 

 

will be  .      

  

=

+

 

 : is the path difference. 

  

  : 

is the phase angle between 

&  .

 

 
 

assume the element       &      are                

 

isotropic .

 

they have constant electric field and

 

equal to 

.

  

⃗ = ⃗ + ⃗     

  

=

+

 

 

=

(1 +

+

)

 

 

| | =

(1 +

) +

 

 

| | =

1

+

2

+

+

  

| | =

2

+

2

 

  

| | =

2(1

+

)

 

| | =

2 × 2

2

 

| | = 2

2

  

  

| | = 2

+

2

 

| | = (

)   2

+

2

 

 
 

  

  

 

Two element array 

 

Far-field observations

  

 

z

  

 

 

y

  

 d/2

 

 d/2

 

 

 

d/2

  

d/2

 

I  =I    

 

  

1

  

0

  

I  =I    

 

  

2

  

 

r

 

 

r

  

2

  

 

 

r

  

r

  

2

  

c

   o

   s

   θ

  

1

 

2

  

 

 

 

   

2

  

 

   

   

1

  

2

  

  Total for     

 

electric field  

  

Element    

 

Factor      

  

Array           

  

Factor (AF)     

  

 

r

  

1

 

   

1

 

1

  

 

r

  

 

z

  

 

 

P

  


background image

71

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Ex:- 

Plot the normalized radiation pattern of two element isotropic array for 

 

         The following cases:

 

         1- 

= /2 ,  = 0  

 

        

2- 

= /2 ,  =  

  

        

3- 

= /4 ,  = /2  

 

        

4- 

=      ,  = 0  

        

 
  

1- 

= /2 ,  = 0    

  

    

=

2

2

=

  , 

=

2

  

 

A- max value   

2

=

  

                             

=

0 , ±   , ± 2  , …

 

                             

 

=

0 , ± 2 , ± 4

 

                                   

=

±

2

, ± 3

2

 

 

B- nulls           

2

=

0  

  

                           

=

±  , ± 3   , …

 

                             

 

=

±1 , ± 3 ,

 

                                   

=

0 , ±

 

 

 

C- HPBW     

 

           

2

=

0.707(max)  

 

          

2

=

0.707(1)

 

                  

=

±  , ± 3  , …

 

                    

 

=

±

1
2

, ±

3
2

  

                          

=

±

3

, ±2

3

 

                  

  

HPBW

=

2|90 − 60 |

 

                  

  

HPBW

=

120

 
 
 
 
  
  
  

  


background image

72

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

2- 

= /2 ,  =    

  

    

=

2

2

=

  ,  

=

+

2

    

 

A- max value   

+

2

=

  

                         

+ =

0 , ±   , ± 2  , …

 

                               

 

=

−   , +    , −3 , +3 , −5

 

                                   

=

−1 , + 1, −3, +3, −5

  

                                       

=

0, ± 

 

 

B- nulls           

+

2

=

 

                        

+ =

±  , ± 3   , …

 

                             

=

0 , −  , +  , −2

 

                                

=

0 , −2 , +2 , −4 

 

                                

      

=

±

2

 

 

C- HPBW  

  

    

+

2

=

0.707(max)  

 

      

+

2

=

0.707(1)

 

                          

+ =

±   , ± 3  , …

                             

 

=

−  , −3  ,

, −

5

  

                                      

=

1
2

, −

6
4

, +

1
2

, −

10

4

 

                      

=

±2

3

,

±

3

  

                           

  

HPBW

=

2 × 60

  

             

   

HPBW

=

120

  

                            or  

HPBW

=

2|180 − 120 |

  

             

   

HPBW

=

120

  

 

 

 
 
 
 

  

  


background image

73

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

3- 

= /4 ,  = /2  

  

    

=

2

4

=

2

  ,  

=

2

+

2

2

    

 

A- max value   

2

+

2

2

=

  

                         

+ =

0 , ±   , ± 2  , …

 

                               

 

=

−   , +3   , −5 , +7 , −9

 

                                   

=

−1 , + 3, −5, +7, −9

  

                                       

=

± 

 

 

B- nulls           

2

+

2

2

=

 

                        

+ =

±  , ± 3   , …

 

                             

=

, −3   , 5   , −7

 

                                

=

+1 , −3 , + 5, −7 

 

                                

      

=

0

 

 

C- HPBW  

 

    

2

+

2

2

=

0.707(max)  

 

      

2

+

2

2

=

0.707(1)

  

                          

+ =

±   , ± 3  , …

                             

 

=

0 , −   , +

, −

  

                                      

=

0 , −2 , + 2

, −

4

 

                      

=

±

2

  

                           

  

HPBW

=

2|180 − 90 |

  

             

   

HPBW

=

180

  

 

  
  
  
  
  

  


background image

74

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

4- 

=      ,  = 0

  

   

=

2

=

2   , 

=

2

2

  

 

A- max value   

2

2

=

  

                             

=

0 , ±   , ± 2  , …

 

                             

 

=

0 , ± 1, ± 2

 

                                   

=

±

2

, 0,

 

 

B- nulls           

2

2

=

0  

  

                           

=

±

2

, ± 3

2

, …

 

                             

 

=

±

1
2

, ±

3
2

,

 

                                   

=

±

3

, ±2

3

 

 

 

C- HPBW     

 

           

2

2

=

0.707(max)  

 

          

2

2

=

0.707(1)

 

                  

=

±

4

, ± 3

4

, …

 

                    

 

=

±

1
4

, ±

3
4

  

                          

=

75.5 , 104.5 , 41.4 , 138.59

  

                  

  

HPBW

=

2|90 − 75.5 |

 

                  

  

HPBW

=

29

 

                 

or  

 

HPBW

=

2|90 − 104.5 |

 

                  

  

HPBW

=

29

 

 

               or   

HPBW

=

2|0 − 41.4 |

 

                  

  

HPBW

=

82.8

 

                 

or  

 

HPBW

=

2|180 − 138.59 |

 

                  

  

HPBW

=

82.8

 

 
  
  
  
  
  
  
  

  


background image

75

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Ex

:- Two element isotropic array placed along the  z-axis spacing is 

= /2 ,

 

  

 

= − .

 

      

 

        

1- Find & plot the array factor.

 

         2- Determine the half power beam width.

 

        

3-

 

Explain how to find directivity.

 

The solution:-

 

=

2

+

2

 , 

=

2

2

=   

 

  

   

1-   

=

2

2

=

2

    

         

  

            max value   

2

=

  

                         

− =

0 , ±   , …

  

                               

 

=

 , −   , 3 

  

                                   

=

1 , − 1

  

                                       

=

0 , 

 

 

     nulls  

2

=

 

                        

− =

±  , ± 3   , …

 

                             

=

0 ,  , −  , 2

 

                                

=

0 , +2 , −2 , −4 

 

                                

      

=

±

2

 

 

  2- HPBW  

  

    

2

=

0.707(max)  

 

      

2

=

0.707(1)

 

                          

− =

±   , ± 3  , …

                             

 

=

 ,3   , 5

, −

  

                                      

=

1
2

,

6
4

, +

10

4

, −

1
2

 

                      

=

3

, 2

3

  

                           

  

HPBW

=

2 × 60         or    HPBW

=

2|180 − 120 |   

  

             

   

HPBW

=

120                     HPBW

=

120

  

                   3- 

=

4

(

,

)|

∫ ∫ (

,

)

Ω

=

4

(1)

2

(2 )

2

0

         

  

        

=

2

1
2

2

0

=

2

1
2

(

+

(

)

)

0

= 2     

   

  

  


background image

76

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

side Array

Broad

 

 

 

In this case the maximum radiation is directed normal to this axis of the array.

 

 

+

2

=

1

 ⟹  

at  

=

90   

 

 

+

2

=

1

  

 

2

=

1

 ⟹ 

2

=

0

 ⟹ 

=

0

 

  
  

  
  
  
  
  

  

Fire Array

-

End

 

In this case the maximum radiation is along the axis of the elements.

 

 

+

2

=

1

 ⟹  

at  ( 

=

0  ,   

=

180  )

 

 

+

2

=

  

 

+

2

=

1

 ⟹ 

+

2

=

0

 ⟹ 

+

=

0

 ⟹

=

 

  

  

 

+

2

=

  

 

+

2

=

1

 ⟹ 

+

2

=

0

 ⟹ −

+

=

0

 ⟹

=

+

 

  

  

 

=

±

 
  
  

 

=

 
  
  

 

=

+

 
  
  
  
  

  

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

30

 

60

 

90

 

120

 

150

 

180

 

240

 

210

 

270

 

330

 

300

 

or   

 


background image

77

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Ex:-

Using the array factor  for a two element broadside array with equal amplitude

 

        Point source element, show that the directivity expression is:   

=

2

1+

 

        If  

=

2 , plot the array factor , and then determine the HBPW.  

  

The solution:-   

=

+

2

  ,  

broadside 

 

=

 

  

  

                       

=

2

      

  

                  

=

4

(

,

)|

∫ ∫ (

,

)

Ω

=

4

(1)

2

2

0

2

0

         

  

        

=

4

(1)

2

2

1
2

(

1+

2

2

)

0

=

2

1
2

(

1+

(

)

)

0

 

 

 =

2

1
2

0

+

(

)

0

=

4

|

+ −

1

(

)

|

  

 

 =

4

(

0

)

1

(

)

(

0

)

  

 

 =

4

(

−1−1

)

1

(

)

(

)

=

4

−(−2)−

1

(

)

(

)

 

  

=

4

2−

1

−2

(

)

=

4

2+

2

(

)

=

4

2 1+

1

(

)

=

2

1+

 

   

 

 

=

2

1+

2 =

2

1+

 

  

 

2 =

2

+

2 =

2

+

+

=

2

2

 

 

+

=

 

 

=

 

 

=

0

 

 

=

  where    ≠ 0

  

 

=

 

   

2

=

 

   

=

2

 ,    = 0

 

  
  


background image

78

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

 

=

2

 ,    = 0

    

  

    

=

2

2

=

  , 

=

2

  

 

    max value   

2

=

  

                            

=

0 , ±   , ± 2  , …

 

                              

 

=

0 , ± 2 , ± 4

 

                                    

=

±

2

, ± 3

2

 

 

    nulls            

2

=

0  

  

                             

=

±   , ± 3  , …

 

                               

 

=

±1 , ± 3 ,

 

                                     

=

0 , ±

 

 

 
 
  
  
  
  
  
  
  
  
 

  

  HPBW     

 

           

2

=

0.707(max)  

 

          

2

=

0.707(1)

 

                  

=

±  , ± 3  , …

 

                    

 

=

±

1
2

, ±

3
2

  

                          

=

±

3

, ±2

3

 

                  

  

HPBW

=

2|90 − 60 |

 

                  

  

HPBW

=

120

 

 

  


background image

79

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Ex:- 

show that the directivity expression for end-fire array is:   

=

4

2+

2

 

  

The solution:- 

=

+

2

  ,  

end-fire 

 

=

  or  

=

+

 

 

  

  

                

=

+

2

     

  

                  

=

4

(

,

)|

∫ ∫ (

,

)

Ω

=

4

(1)

2

+

2

0

2

0

         

  

        

=

4

(1)

2

2

1
2

(

1+

2

+

2

)

0

 

 

            

=

2

1
2

(

1+

(

+

)

)

0

 

 

 =

2

1
2

0

+

(

+

)

0

  

   

=

4

|

+ −

1

(

+

)

|

 

 

 =

4

(

0

)

1

(

+

)

(

0+

)

  

 

 =

4

(

−1−1

)

1

(

+

)

(

+

)

 

 

=

4

−(−2)−

1

(

0

)

(

2

)

  

  

=

4

−(−2)−

1

0−

(

2

)

 

 

 

=

4

2+

1

(

2

)

 

  

=

4

2+

1

(

2

)

  

 

=

4

2+

2

 

 
 
 
 


background image

80

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Uniform Amplitude And Spacing

 

Array

 

linear

 

Element

-

N

 

Assume all the element have identical Amplitude. 

  

The progressive phase is 

.

 

Assume all the elements are isotropic.

 

  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  

 

AF = 1 +

+

+ ∙∙∙∙∙∙   +

(

)

   where   

=

+  

  

AF =

 (

)

=

=

    

 

 

 

 

AF =

( +1)

1−

=

1−

=

1−

1−

 

  

 

AF =

(1−

)

2

+(

)

2

(1−

)

2

+(

)

2

=

(1−

)

2

+(

)

2

(1−

)

2

+(

)

2

=

1−2

+

2

+

2

1−2

+

2

+

2

  

AF =

1−2

+1

1−2

+1

=

2−2

2−2

=

4

2

2

4

2

2

=

2

2

2

2

=

2

2

      

  

For small value of 

 

 |

AF| =

2

2

  

  

 

AF =

1

2

2

 

⟹  

AF ≃

1

2

2

 

 

AF =

2

2

  

  
  

 

Z

 

  

y

  

N

 

n

 

n=1

   

n=1

   

n=1

   

N

 

N

  


background image

81

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

1- Principal maximum :

  

    A principal maximum occurs when 

= 0.

 

 

   

AF =

2

2

=

0
0

 

  un defined

 

 

   

 

AF =

2

2

1
2

2

=

2

0

1
2

0

=

2

1
2

=

  

  

AF

= N 

 

      

=

+  

+

= 0 

⟹ 

= −

 

2

= −  

 

=

2

 

 

=

2

  

    

  

 

2- nulls :

 

    

AF =

2

2

  

⟹  

2

2

= 0 

 

2

= 0 

  

    

= ±

        where  

≠ 0  ,    

= 1 , 2 , 3 , 4 , …..   

  

     (

+

)

= ±

 

  

= − ±

2

  

   

=

2

− ±

 

=

−1

− ±

2

 

 

3- Secondary maximum :

  

    

2

= ±1

 

    

2

= ±

2 +1

2

  

     where  

≠ 0  ,     = 1 , 2 , 3 , 4 , …..

 

   

=

2

− ±

2 +1

 

 

The maximum of the first secondary lobe (miner lobe) occur when 

= 1  

    

 

 

 

  

= ±

  

  

AF =

2

2

=

±

1

3

2

=

±

2

3

 

  

   

AF =

2

3

 

  

AF =

2

3

=

2

3

=

0.212

 

 

AF = 20 log (0.212) = −13.47

 

  

  
 


background image

82

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

4- HPBW

 

    

AF =

2

2

  

⟹  

0.707(

) =

2

2

  

   

0.707( ) =

2

2

 

⟹ 

0.707 =

2

2

 

⟹ 

0.707 =

 

  

   

2

= ±1.391 

 

     (

+

)

= ±1.391

= − ±

.

  

 

    

2

= − ±

.

 

⟹ 

=

2

− ±

2.782

  

    

=

2

− ±

2.782

 

    

HPBW 

= 2|

|

  

 

Ex:- 

Derive an expression for the HPBW for the following cases: 

 

   

       

1- broadside case.

 

        2- end-fire case.

 

The solution:- 

 

        1- broadside case 

   

= 0  , 

= 90

 

               

=

2

− ±

2.782

 

         

=

2

±

2.782

  

             

=

±

1.391

 

            HPBW 

= 2|

|

 

            HPBW 

= 2 90 −

±

1.391

 

        2- end-fire case 

   

= ±

 , 

= 0

 

             

=

2

− ±

2.782

 

          

=

2

±

2.782

 

  

=

2

2

±

2.782

  

            

=

1 −

1.391

 

           HPBW 

= 2|

⟹ 

HPBW 

= 2|0 −

|

 

           HPBW 

= 2

1 −

1.391

 

 

 


background image

83

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Ex:- 

plot the expression

2

2

    with   for  N = 5 

  

The solution:-    N = 5

 

   Principal maximum  N = 5  ,  

= 0  

 

   

AF

=

= 5

  

   nulls   

=

±

    

= 1 , 2 , 3 , 4 , 5   

  

     

=

  

⟹ 

=

2

5

 

  

  

    

=

2×1×

5

= 72                                   

  

   

=

2×2×

5

= 144   

 

    

=

2×3×

5

= 216       

  

    

=

2×4×

5

= 288  

 

   

=

2×5×

5

= 360   

  

    Secondary max

 

    

= ±

  

     where    

= 1 , 2 , 3 , 4 , …..

 

    

=

2
5

2 +1

2

 

   

=

2
5

2×1+1

2

= 108   ,   

=

2
5

2×2+1

2

= 108    

  

    

=

2
5

2×3+1

2

= 252   ,   

=

2
5

2×4+1

2

= 324  

  

    

=

±

 

⟹ 

= 1 , 

=

 

 

AF =

2

2

=

3

2

3

2×5

= 1.236

  

    

=

±

 

⟹ 

= 2 , 

=

 

 

AF =

2

2

=

5

2

5

2×5

= 1

 

   

 
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  

°

72

  

0

  

°

144

  

°

216

  

°

288

  

°

360

  

1

  

1.236

  

5

  

AF

  


background image

84

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Ex:- 

An array of 10 isotropic elements, are placed along the z-axis a distance 

/4

 

        Assuming uniform distribution & progressive phase 

= − /2 , find:

 

        1- Width of the principle maximum.

  

        2- Amplitude of the first side lobe level.   

 

        3- Amplitude of the second side lobe level. 

 

        4- HPBW.

  

The solution:-  

=

2

4

=

2

 = −

  

∴ end fire       

 

 1-  

 

=

±

     first null  

= 1 

  

       

(

+

) =

±  

 

 

     

  

− =

±

 

       

= − +  ,  +  

  

     

=

0.3

 , 

0.7  

 

         

=

0.6 , 1.4

 

         

=

0.6 

⟹ 

=

−1

(0.6) 

 

 

     

     

=

53.13

  

     Width of the principle maximum (FNBW) 

=

2

|

0 − 53.13

o

| =

106.26

o

 

 

 2-   

=

±

 

⟹  

= 1 , 

=

  

 

       

AF =

2

2

=

3

2

3

2×10

= 2.2

 

 

AF = 20 log 

2.2

10

=

13.15

  

  

  3- 

 

=

±

 

⟹ 

= 2 , 

=

 

  

      

AF =

2

2

=

5

2

5

2×10

= 1.4   

 

AF = 20 log 

1.4

10

=

17

 

4-  

=

2

− ±

2.782

 

 

     

=

2

2

±

2.782

10

 

 

    

=

2

2

±

2.782

10

  

⟹ 

= 34.6

  

      

HPBW 

= 2|

 

        HPBW 

= 2|0 − 34.6 |    

  

         HPBW 

= 69.2

 

   or  HPBW 

= 2

1 −

1.391

 

 HPBW 

= 2

1 −

1.391

(

10

)

4

= 69.2

 

  

  

 

 


background image

85

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Ex:- 

An array of 10 isotropic elements, are placed along the z-axis a distance 

/2

 

        A part assuming uniform amplitude & progressive phase is 

180  , determine:

 

        1- First null beam width.

  

        2- first and second side lobe levels .   

 

        3- first side lobe beam width . 

 

        4- HPBW.

  

The solution:-  

=

2

2

=

  , 

=   

 

 =

 ∴ end fire       

 

 1-  

 

=

±

     first null  

= 1 

  

       

(

+

) =

±  

 

 

     

  

+

=

±

 

       

= −  , − −

  

     

=

−0.8

 , 

−1.2

 

  

         

=

−0.8 , −1.2

  

         

=

−0.8 

 

=

−1

(−0.8) 

 

 

     

     

=

143.13

  

       FNBW  

=

2

|

180

o

− 143.13

o

| =

73.74

o

 

 2-   

=

±

 

⟹  

= 1 , 

=

  

 

       

AF =

2

2

=

3

2

3

2×10

= 2.2

 

 

AF = 20 log 

2.2

10

=

13.15

  

  

       

 

=

±

 

⟹ 

= 2 , 

=

 

  

      

AF =

2

2

=

5

2

5

2×10

= 1.4   

 

AF = 20 log 

1.4

10

=

17

 

3- 

 

=

±

     first null  

2 = 1

 

    

(

+

) =

±2  

 

+

=

±

 

 

    

=

−  , −

−    

⟹  

2

=

−0.6

 , 

−1.4

 

  

=

−0.6 , −1.4

 

=

−0.6 

  

      

=

−1

(−0.6)

=

126.87

 

  

    FSLBW  

=

143.13

o

− 126.87

o

=

16.26

o

 

  

4- HPBW 

= 2

1 −

1.391

  

       HPBW 

= 2

1 −

1.391

(

10

)

2

= 48.6

  

  

 


background image

86

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

 

Phased array (Scanning array) Uniform Amplitude & Spacing

 

Assume that the maximum radiation of the array is required to be oriented at 

  

 an angle 

(0 ≤

≤ 180 ). 

 

 To accomplish this , the phase excitation (

∝), between the elements most be 

 

 Adjusted so that :

 

 

=

+

  

 Maximum radiation occur when  

= 0 

  

  

0 =

+   

  

= −

  

  

 

=

  

 

AF =

2

2

=

2

o

1
2

o

 

Ex:-

 Find the HPBW of a 10 element uniform uniform scanning array of  isotropic  

 

        Sources placed along the z-axis the spacing between the elements is 

/4 and 

 

        the maximum is directed at 

60  from its axis.  

 

The solution:-  

= −

=

2

4

60 =

2

4 2

=

4

 

 

     

=

2

− ±

2.782

  

  

     

=

2

4

4

±

2.782

10

   

 

    

=

2

4

±

2.782

10

 

  

    

= 47    ,   

= 71

  

  

      

HPBW 

=

 

  

        HPBW 

= 71.16 − 47.37     

  

         HPBW 

= 24  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

 


background image

87

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Ex:-

 Find the HPBW of a 10 element uniform uniform scanning array of  isotropic  

 

        Sources placed along the z-axis the spacing between the elements is 

/4 and 

 

        the maximum is directed at 

45  from its axis.  

 

The solution:-  

= −

=

2

4

45 =

2

4

1

2

=

2 2

 

 

          

=

2

− ±

2.782

 

  

         

=

2

4

2 2

±

2.782

10

  

 

       

=

2

2 2

±

2.782

10

 

  

    

   

= 27.84    ,   

= 58

  

  

      

    HPBW 

=

 

  

           HPBW 

= 58 − 27.84     

  

            HPBW 

= 30  

 
 
 
 

 

Ex:-

 Find the HPBW of a 10 element uniform uniform scanning array of  isotropic  

 

        Sources placed along the z-axis the spacing between the elements is 

/2 and 

 

        the maximum is directed at 

45  from its axis.  

 

The solution:-  

= −

=

2

2

45 = −

2

 

  

        

=

2

− ±

2.782

 

  

        

=

2

2

2

±

2.782

10

  

 

    

  

=

1

2

±

2.782

10

 

  

    

  

= 37.3    ,   

= 51.8

  

  

      

   HPBW 

=

 

  

           HPBW 

= 51.8 − 37.3     

  

 HPBW 

= 14.5

  

   

  

    

  

    

         

  

  

45°

  

 

  

45°

  

 

 

 


background image

88

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Ex:-

 A 10 element uniform scanning array of  isotropic sources placed along  

         the z-axis the spacing between the elements is 

/4 and the maximum is 

         directed at 

60  determine : 

        1- Width of the principle maximum.

  

        2- The amplitude of the first side lobe.   

 

        3- The amplitude of the second side lobe. 

  

        4- HPBW. 

  

 The solution:-  

=

2

4

=

2

 , 

=

= −

2

4

60 =

2

4

1
2

=

4

  

 

 1-  

 

=

±

     first null  

= 1 

  

       

(

+

) =

±  

 

 

     

  

=

±

 

       

= +  , − +

  

     

=

0.45

 , 

0.05

 

  

             

=

0.9 , 0.1

  

    

 

=

−1

(0.9)

 

=

25.84  

 

      

=

−1

(0.1)

 

=

84.26

 

       FNBW  

=

84.26

o

− 25.84

o

=

58.42

o

 

 

  2-   

=

±

 

⟹  

= 1 , 

=

  

 

       

AF =

2

2

=

3

2

3

2×10

= 2.2

 

 

AF = 20 log 

2.2

10

=

13.15

  

  

  3- 

 

=

±

 

⟹ 

= 2 , 

=

 

  

      

AF =

2

2

=

5

2

5

2×10

= 1.4   

  

AF = 20 log 

1.4

10

=

17

 

4-  

=

1

− ±

2.782

 

  

     

=

2

4

±

2.782

10

 

 

    

=

2

4

±

2.782

10

  

⟹ 

= 71  , 

= 47.4

  

      

HPBW 

=

 

  

        HPBW 

= 71 − 47.4     

  

         HPBW 

= 23.6

  

 
 

  

 


background image

89

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

  Ex:-

 A uniform linear array of 16 isotropic point sources are placed along 

 

         the z-axis with a spacing of 

/4 . if  the maximum is directed at 45  from 

         its axis , determine : 
        1- Width of the principle maximum.

  

        2- first and second side lobe levels.   

  

        3- HPBW. 

  

 The solution:-  

=

2

4

=

2

 , 

=

=

2

4

45 =

2

4

1

2

=

2 2

 

  

 1-  

 

=

±

     first null  

= 1 

  

       

(

+

) =

±  

 

 

     

  

2

2

=

±

 

       

= +

2

2

 , 

− +

2

2

 

  

          

=

0.48

 , 

0.23

 

             

=

0.96 , 0.46

  

    

 

=

−1

(0.96)

 

=

16.26  

  

      

=

−1

(0.46)

 

=

62.6

 

       FNBW  

=

62.6

o

− 16.26

o

=

46.34

o

 

 

  2-   

=

±

 

⟹  

= 1 , 

=

  

 

       

AF =

2

2

=

3

2

3

2×16

= 3.44

 

 

AF = 20 log 

3.44

16

=

13.35

  

  

       

 

=

±

 

⟹ 

= 2 , 

=

 

  

       

AF =

2

2

=

5

2

5

2×16

= 2.12 

 

AF = 20 log 

2.12

16

=

17.55

 

3-  

=

1

− ±

2.782

 

  

     

=

2

2 2

±

2.782

16

 

 

    

=

2

2 2

±

2.782

16

  

⟹ 

= 53.4  , 

= 35.1

  

      

HPBW 

=

 

  

        HPBW 

= 53.4 − 35.1     

  

         HPBW 

= 18.3

 

 

 

  

 


background image

90

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Ex:-

 A uniform linear array of 16 isotropic point sources are placed along 

 

         the z-axis with a spacing of 

/4 . if  the maximum is directed at 60  from 

         its axis , determine : 
        1- Width of the principle maximum.   2- first and second side lobe levels.   

  

        3- first side lobe beam width.              4- HPBW. 

  

 The solution:-  

=

2

4

=

2

 , 

=

= −

2

4

60 =

2

4

1
2

=

4

  

 

 1-  

 

=

±

     first null  

= 1 

  

       

(

+

) =

±  

 

 

     

  

=

±

 

       

= +  , − +

  

     

=

0.375

 , 

0.125

 

  

             

=

0.75 , 0.25

  

    

 

=

−1

(0.75)

 

=

41.4  

 

      

=

−1

(0.25)

 

=

75.5

 

       FNBW  

=

75.5

o

− 41.4

o

=

34.1

o

 

 

  2-   

=

±

 

⟹  

= 1 , 

=

  

 

        

AF =

2

2

=

3

2

3

2×16

= 3.44

 

 

AF = 20 log 

3.44

16

=

13.35

  

  

         

 

=

±

 

⟹ 

= 2 , 

=

 

  

       

AF =

2

2

=

5

2

5

2×16

= 2.12  

 

 

AF = 20 log 

2.12

16

=

17.55

 

3-   

=

±

     first null  

= 2

 

 

    

(

+

) =

±2   

⟹  

=

±

  

 

       

=

+  , −

+     

  

=

0.5

 , 

0  

  

     

=

1 , 0  

⟹ 

 

=

0  ,  

=

90   

 

    FSLBW  

=

90

o

− 75.5

o

=

14.5  

 

4- 

=

1

− ±

2.782

 

⟹ 

 

=

2

4

±

2.782

16

 

   

 

  

    

=

2

4

±

2.782

16

  

⟹ 

= 67  , 

= 52.4

  

      

HPBW 

=

 

  

        HPBW 

= 67 − 52.4    

 

 HPBW = 14.6    

 

  

 


background image

91

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Multiplication Of Patterns

 

Consider a four uniform element array of  isotropic sources placed along the z-axis 
The spacing between the elements is 

/2 and the currents are in phase ( = 0). 

 

AF

= 2

+

2

 

  

 

AF

= 2

+

2

  

 

 

=

2

2

=

 

  

 

(AF ) = (AF ) =

2

  

nulls

                               

max value

         

 

  

2

=

1                

2

=

0

  

  

=

0 , ±      

          

=

±  , ± 3 

  

 

    

=

0 , ± 2                   

=

±1 , ± 3

  

          

=

±

2

                        

=

0 , ±

                           

  

   

(AF ) =

+

2

                       

 

 

=

2

= 2

                                  

  

 

AF

=

(

)

 

nulls

        

                      

max value

        

  

  

2

2

=

1              

2

2

=

0

  

 

=

0 , ±                   

=

±

2

, ± 3

2

  

  

 

=

0 , ± 1                    

=

±

1
2

, ±

3
2

 

        

=

±

2

, 0,

                  

=

±

3

, ±2

3

  

 

(AF ) = [(AF )  or (AF ) ]

×

(AF )

                          

  

 

(AF ) =

2

(

)

 

  

  

0.707 = cos

2

cos(

) ⟹ 

= 76.5  , HPBW=2(90 − 76.5 ) = 27

  

 
 
 
 
 
 
 
 

  

/2

 

/2

/2

4

 

3

 

2

 

1

  

=

 

  

a

  

b

  

  

  

  

  

AF

12

  

 or  AF

34

 

AF

t

 

AF

ab

 

 

  


background image

92

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Ex:-

 four isotropic sources with spacing 

/2 between them are placed along  

         the z-axis assuming that the amplitudes of the elements 1&2 are +1 and 
         the amplitudes of the elements 3&4 are 

−1 Use the multiplication of  

      patterns to find and plot the total field pattern  & Find all the nulls & HPBW. 

 

The solution:- 

AF

= 2

+

2

 

  

 

                       

AF

= 2

+

2

  

 

                     

=

2

2

=

 

  

 

(AF ) = (AF ) =

2

  

nulls

                               

max value

         

 

  

2

=

1                

2

=

0

  

  

=

0 , ±      

          

=

±  , ± 3 

  

 

    

=

0 , ± 2                   

=

±1 , ± 3

  

          

=

±

2

                        

=

0 , ±

                           

  

   

(AF ) =

+

2

                       

 

 

=

2

= 2

                                  

  

 

AF

=

+

2

 

nulls

        

                      

max value

        

 

  

2

+

2

=

1         

2

+

2

=

0

  

 

+

2

=

0 , ±         

+

2

=

±

2

, ± 3

2

  

  

 

=

1
2

, −

1
2

                    

=

0, ±1

  

        

=

60  , 120

                 

=

±

2

, 0, 

  

 

(AF ) = [(AF )  or (AF ) ]

×

(AF )

                           

  

 

(AF ) =

2

+

2

 

  

 

HPBW 

= 2 90 −

1.391

= 2 90 −

1.391

(

4

)

2

= 25.58

     

  

 
 
 
 
 
 
 

/2

 

/2

/2

4

 

3

 

2

 

1

  

=

 

  

a

  

b

  

  

  

  

  

AF

12

  

 or  AF

34

  

AF

t

 

AF

ab

 

 

  

−1∠180 

−1∠180 

1∠0 

1∠0 


background image

93

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Binomial Array (non uniform array)

 

For some application a single narrow lobe without minor lobes in desired

  

It is possible to obtain a pattern with high directivity and no minor lobes.

 

if the amplitude of the sources in the array correspond to the coefficients of  

  

Binomial series these coefficients are displayed by Pascal's triangle. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 

  
  
 

 

Ex:- 

Assume 

= /2 ,  = 0 , N = 3 ,find plot & HPBW for 3element Binomial array. 

  

         (

AF ) = (AF ) =

2

 

 

         (

AF ) =

2

  

 

           (

AF ) = [(AF )  or (AF ) ]

×

(AF )

                          

  

         

(AF ) =

2

      

 

 
 
 
 
 
 
 

 
  

 (

AF ) =

2

 

  

0.707(1) =

2

 

 

√0.707 =

2

  

  

 

= 32.77  

 

=

2×32.77

180

  

⟹ 

= 68.6  

 

 HPBW

= 2|90 − 68.6 |

  

 HPBW

= 42.8

 

  

  

  

AF

12

  

 or  AF

23

 

AF

ab

 

 

  

AF

t

 

= /2

N=1

  

a

  

b

  

2

  

3

  

1

  

/2

/2

N=6

  

N=8

  

N=9

  

N=10

  

N=7

  

N=4

  

N=3

  

N=2

  

N=5

  

1

  

1

  

1

  

1

  

1

  

1

  

1

  

1

  

1

  

1

  

1

  

1

  

1

  

1

  

1

  

1

  

1

  

1

  

1

  

2

  

3

  

4

  

6

  

7

  

8

  

36

  

9

  

36

  

84

  

126

  

126

  

9

  

84

  

8

  

28

  

28

  

56

  

56

  

70

  

7

  

21

  

21

  

35

  

35

  

3

  

4

  

10

  

5

  

10

  

5

  

6

  

6

  

15

  

15

  

20

  

Pascal's triangle

  


background image

94

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

 In general the expression for Binomial array is given by :

 

 

AF =

+

2

 

  

 

Ex:- 

Determine & plot the array factor of 4- element Binomial array assume

 

          

= /2 ,  = 0 .

 

     The solution:-

AF =

+

2

  ,  

=

2

2

=

 , 

= 0

  

   

                        

AF =

+0

2

 

    

                        

AF =

2

  

  

 

 

 

nulls

                               

max value

                             

  

 

                      

2

=

1                

2

=

0

  

                          

=

0 , ±      

          

=

±  , ± 3   

  

 

                                

=

0 , ± 2                    

=

±1 , ± 3

  

          

                            

=

±

2

± 

3

2

                  

=

0

,

± 

               

   

 

 

     

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

        

0.707(1) =

2

 

 

  

  

         

√0.707 =

2

  

 

 

        

= 27

 

=

2×27

180

  

⟹ 

= 725  

 

           

      

 

            HPBW

= 2|

|

  

            HPBW

= 2|90 − 72.5 |

  

            HPBW

= 35

 
  
  

  


background image

95

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Ex:- 

A four element binomial array of in phase isotropic sources, placed along 

 

          The z-axis a distance 

3 /4 part.

 

          1- Find the nulls and maxima of the array.

 

          2- Plot the array factor.

 

          3- Determine the HPBW of the array.

 
 

     The solution:-

AF =

+

2

  ,  

=

2 3

4

=

3

2

 , 

= 0

  

   

                        

AF =

3

2

+0

2

 

    

                        

AF =

3

4

  

  

 

 

 

nulls

                               

max value

                        

-

1

  

 

                      

3

4

=

1                

3

4

=

0

  

                          

=

0 , ±      

          

=

±   , ± 3 

  

 

                                 

=

0 , ±

4
3

                    

=

±

2
3

, ± 2

  

          

                            

=

±

2

± 

3

2

                  

=

48

,

132

               

   

 

 

 2-   

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 3-    

0.707(1) =

3

4

 

 

  

  

         

√0.707 =

3

4

  

 

 

   

        

= 27

 

 

=

4×27

3×180

  

⟹ 

= 78.5  

 

           

      

 

            HPBW

= 2|

|

  

            HPBW

= 2|90 − 78.5 |

  

            HPBW

= 23

 
 

  


background image

96

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Broad Band Dipoles

  

The radiation characteristic (such as pattern , impedance , gain , ete) are very 

 

sensitivity to frequency . the degree to which they change as a function of 

  

frequency depends on antenna bandwidth.

 

for applications that require coverage of a broad range of frequencies such as

 

television reception of all channels wide band antenna as are needed.

 

Biconical Antenna

 

-

1

 

    One simplest configuration that can be

 

    used to achieve broad band characteristic 

 

    is the biconical antenna formed by placing

 

    two cones of finite extent together.   

 

    The application of a voltage vi at the input   

 

     terminals will produce out going sperical  

 

     waves, which in turn produce a current I

 

     along the surface of the cone.

 

     And voltage V between the cones.

 
 

   Input impedance.

  

   

=

4

 

 

  For free space medium  

= 120

4

  

  

  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  

    The antenna becomes more broad band as the cone angle increase.  

 

    Wherever one of the cones is mounted on an infinite plane conductor 

 

    (the lower cone is replaced by a ground plane), it forms a unipole and its

 

     input impedance is one half of the two cone structure.  

 
  

  

antenna

 

  


background image

97

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

The relationship between input impedance and frequency for different values of 

4

 

  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
 
  
 
 
 
 
 

 

Ex:-

 A 

300Ω twin load T.L is attached by a biconical antenna. Determine 

 

         The cone angle , that will match the line to an infinite length biconical

 

         antenna.   

 

 

The solution:-  

=

 is match

 

                         

= 120

4

 

                        

300 = 120

4

 

                            

= 18.7

 
  
 

  


background image

98

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

 

Cylindrical dipole

 

-

2

 

    A simple and inexpensive antenna which has broad band frequency characteristic 

  

    is a cylindrical dipole (wire of infinite diameter and length). 

  

    A very thin linear dipole has very narrow band Radiation characteristics .    

  

    Any small change is the operating frequency will result in large change in its

 

    Operational behavior.

 

    one method by which its acceptable operational Band width can be enlarged 

 

     with be to decrease the L/d ratio. 

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 

  

 
 
 

  
 

 

 

  

  

For example, an antenna with a L/d=5000  has an acceptable bandwidth 

 

                       of about 3%, which is a small fraction of the center frequency

 

                       an antenna of the same length but with a L/d=250  

  

                       has a bandwidth of about 30% .

 

  
  
  
  
  
  
  
  
  

 

 

 

Cylindrical dipole

 


background image

99

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Folded dipole

 

To achieve good directional pattern characteristics and at the same time provide 
good matching to practical lines.

 

  

/4 ≪ ℓ <  

 

The most widely used dipole is that whose overall length is L 

= /2 .

 

(

= 73 + 4.25  & 

= 1.64)

 

when the spacing between the two large side is very

 

small (S

< ) (S < 0.05 ) it is called folded dipole.

 

 

 

  

  

=

2

+

 

 

   

=

2

 

  

   

= 0.733

S

  

   

: dipole impedance.

 
 

Ex:-

 Determine 

 if 

= /2 , 

= 75Ω   

  

The solution:-

=

2

+

  ,  

ℓ =

2

2

=   

 

 

=

2

 

  

 

=

2

= ∞ 

  

 

=

2

+

=

 →∞

2

+

  

  

 

=

4
0+1

  

 

= 4

= 4 × 75 = 300Ω

 

 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 

S

 

2a

=

 

d

 

l

 

V

  

Folded dipole

  


background image

100

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Ex:- 

A two element folded dipole of identical wires has an 

ℓ/ = 500 and 

  

         center to center spacing of  

6.13 × 10

 between the wires. If the radius

 

         of the wire is 

0.479 × 10

 , compute the input impedance of the folded

 

         dipole (assume 

= 65 + 10 Ω

)

 

The solution:- 

=

2

+

 

  

   

      

                 

= 0.733

S

                    

 

   

  

                      

= 0.733(120 )

6.13×10

−3

0.479×10

−3

 

  

                   

= 306 Ω

 

                    

= 500 

⟹ 

= 500  

 

= 500(2 )

 

                          

= 500(2 × 0.479 × 10

−3

)

 

                          

= 0.479  

  

                         

=

2

 

  

                         

= 306

2  0.479

2

 

 

                

= 4631.5 Ω

 

  

 

   

                   

=

4× 4631.5×(65+ 10)

2(65+ 10)+ 4631.5

 

  

 

                  

=

4× 4631.5×(65+ 10)

130+ 20+ 4631.5

 

                 

=

4× 4631.5×(65+ 10)

130+ 4651.5

 

                  

=

4×4631.5∠90

o

×65.8∠8.75

o

4653.3∠88.7

o

 

                  

=

1219010.8∠98.75

o

4653.3∠88.7

o

 

  

                  

=

1219010.8

4653.3

98.75

o

− 88.7

o

 

  

                       

=

262∠10.05

o

Ω 

 

                    

 
 
 
  
  
  
  
  


background image

101

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Antenna

Helical 

 

D: Diameter.

 

S: spacing between each turn.

 

Total length of the antenna = NS

 

Total length of the wire = NL

o

  

L

o

length of the wire between each turn.

 

C =  D  circumference of the helix.

 

  : pitch angle. 

 

 

 =

S

=

S

 

  

  

 
  

 

  

  

                                     

 

  

The radiation characteristics of the antenna can be varied by

 

controlling 

  

   the size of its geometrical properties compared to the wavelength mode 

 

   operation

 

1- Normal mode (

≪ )

  

    

The field radiated by the antenna is maximum in a plane normal to the helix

 

     Axis and minimum along its axis.

 

  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  

The fields are obtained by superposition of the fields from the elemental

 

 radiators (circular loop & short dipole)

 
  

 

Normal mode

 

Equivalent 

 

 

S

 

 

 

 

S

 

D

 

D

 

D

 

Helical Antenna

  

  

L

  

 

 2a

  

 

S

  

  

L

o

 

S

 

α

  

C =

 π

D

 

L

o

 


background image

102

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

1- For the short dipole.

  

    

=

4

(ℓ = ) 

 

    

=

S

4

 

2- Small circular loop.

  

    

=

120

2

2

 

 

      

=

2

2

        where  D = 2a 

 

 

=

2

  

⟹ 

=

2

 

 

 

=

2

2

2

4

   

  

=

2

4

 

 

 

 are in the phase quadrature   

  

 Axial ratio(AR)

=

=

S

4

2

 −

4

=

S

2

=

S

2

2

2

=

2 S

2

=

2 S

2

 

  

 

  

0 ≤

≤ ∞ depending on D & S

 

 

= 0   at   

= 0                                              horizontal polarization (H.P)

 

 

= ∞  at   

= 0                                             vertical polarization (V.P)

  

= 1 

⟹ 

1 =

2 S

2

 

 

=

2 S                   circular polarization (C.P)

  

 

  

 
 
 

  
  
  

 

 

=

S
C

=

S

2 S

 =

S

2

2 S

 =

S

2

 

  in terms of  S

  

=

S
C

=

(

)

2

2

=

(

)

2

2 (

)

=

2

 

    in terms of  D 

  

                                            

 =

S

=

2

 

 

or

 

 

C = πD   

S    

 

L

o

  

  


background image

103

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Ex:-

 Design a five turn helical antenna which operates at 400 MHz in the normal

 

         mode. the spacing between turns is 

/50. It is desired that the antenna posses 

 

         circular polarization. determine the far zone electric field intensity at 10 Km

 

         distance in the direction of maximum radiation assume 

(

= 1 ).

 

The solution:-  N = 5 , F = 400MHz , 

S =

50

 

 

                   

=

=

3×10

8

400×10

6

= 0.75 m

 

                         

S =

0.75

50

= 0.015m 

 

 

                        

=

2

=

2

0.75

= 8.4    

 

   Circular polarization in normal mode 

⟹ 

AR = 1

 

   

= 1 

⟹ 

1 =

2 S

2

   

 

  

=

2 S =

2 × 0.75 × 0.015 = 0.15 m

 

 

 

     

=

 

⟹ 

=

=

0.15

= 0.0477m 

 

  

       

 

     

=

2

=

0.0477

2

= 0.02385 m 

 

     

=

S
C

=

0.015

0.15

= 5.7106  

 

      

=

S

4

      

 

     |

| =

8.4×120 ×1×0.015

4 ×10×1000

90

 

     |

| = 378  V/m  for one turn

 

     |

| = 378 × 5 × 10

= 1890  V/m  

  

  

    

=

2

4

 

 

    

=

120 × 8.4×0

.

02385

2

×1

4×10×1000

90 

 

    

 

= 378  V/m   for one turn 

 

    

 

= 378 × 5 × 10

= 1890  V/m 

  

   |

| = |

| +

  

    |

| = 1890   ⃗ + 1890   ⃗

 V/m

 

 

  

  


background image

104

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Ex:-

 A 5- turn helical antenna which at 400 MHz operates in the normal mode.

 

        the spacing between turns is 

/50.determine the magnitude electric field at  

 

        10 Km distance in the direction of maximum radiation for the following 

 

      cases Assume 

(

= 1 )  1- V.P case.

 

                                                 2- H.P case , assume  D = 

/10. 

 

                                                 3- C.P case. 

  

The solution:-  N = 5 , F = 400MHz , 

S =

50

 

 

                   

=

=

3×10

8

400×10

6

= 0.75 m

 

                        

S =

0.75

50

= 0.015m ,   =

2

=

2

0.75

= 8.4    

 

   1-   

=

S

4

      

 

       |

| =

8.4×120 ×1×0.015

4 ×10×1000

90 = 378  V/m   for one turn 

 

       |

| = 378 × 5 × 10

= 1890  V/m   

  

  

2-    

=

10

=

0.75

10

= 0.075   

⟹ 

=

2

=

0.075

2

= 0.0375 m

 

       

=

2

4

 

 

     

=

120 × 8.4×0

.

0375

2

×1

4×10×1000

90 = 935  V/m  for one turn

 

     

= 935 × 5 × 10

= 4675  V/m 

  

3-  Circular polarization in normal mode 

⟹ 

AR = 1

 

 

= 1 

⟹ 

1 =

2 S

2

 

⟹ 

=

2 S =

2 × 0.75 × 0.015 = 0.15 m

 

 

 

     

=

 

⟹ 

=

=

0.15

= 0.0477m 

 

    

=

2

=

0.0477

2

= 0.02385 m        

  

         

=

S

4

      

 

      |

| =

8.4×120 ×1×0.015

4 ×10×1000

90 = 378  V/m  for one turn

 

      |

| = 378 × 5 × 10

= 1890  V/m     

  

  

    

=

2

4

 

 

    

=

120 × 8.4×0

.

02385

2

×1

4×10×1000

90 = 378  V/m  for one turn

 

    

= 378 × 5 × 10

= 1890  V/m     

  

   |

| = |

| +

  

   |

| = 1890   ⃗ + 1890   ⃗

 V/m

 

 


background image

105

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Ex:-

 A helical antenna of 4-turn is operated in the normal mode at frequency of 

 

         880 MHz & is used as an antenna for wireless cellular phone the length of

 

         the helical is 5.7cm and diameter of each turn is 0.5cm determine the far 

 

         electric field at ( 1Km , 90° , 60°) assuming (

= 1 ).

 

         Hint: Design & find all dimension.  

  

The solution:-  N = 4 , F = 880MHz , L = 5.7 cm , D = 0.5 cm 

  

                   

=

=

3×10

8

880×10

6

= 0.34 m

 

  Total length of the antenna  L = NS

 

          

S =

=

5.7

4

= 1.425 cm = 0.01425 cm

 

          

=

2

=

2

0.34

= 18.5 

 

          

=

 

          

= 0.5  cm  

 

         

= √

+

 

         

=

(0.5 ) + (1.425)         

 

         

= 2.12 cm

 

Total length of the wire = NL

o

 

Total length of the wire = 

4 × 2.12 = 8.48 cm

  

=

2 S

2

=

2×0.34×0.01425

(

0.5

100

)

2

= 39.3

 

 

 

     

=

2

=

0.5

2

= 0.25 cm= 0.0025 m        

  

     

=

S
C

 

    

=

1.425

0.5

= 42.2  

  

      

=

S

4

      

 

   |

| =

18.5×120 ×1×0.01425

4 ×1000

90 = 7908.75  V/m  for one turn 

 

   |

| = 7908.75 × 4 × 10

= 31635  V/m  

  

  

  

=

2

4

 

 

  

=

120 × 18.5×0

.

0025

2

×1

4×1000

90 = 201.6  V/m  for one turn

 

  

= 201.6 × 4 × 10

= 806.4  V/m 

 

     |

| = |

| +

  

                  |

| = 31635  ⃗ + 806.4  ⃗

  V/m 

  

C = πD   

L

o

  

  

S    

 

 


background image

106

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Ex:-

 A 5- turn helical antenna which at 400 MHz operates in the normal mode.

 

         the spacing between turns is 

/50. It is desired that the antenna posses 

 

         circular polarization. 

 

        determine the: 1- circumference of the helix.            2- length of a single turn.

 

                                3- overall length of the entire helix.   4- pitch angle                     

  

The solution:- :-  N = 5 , F = 400MHz , 

S =

50

 

 

                   

=

=

3×10

8

400×10

6

= 0.75 m

 

                        

S =

0.75

50

= 0.015m

 

Circular polarization in normal mode 

⟹ 

AR = 1  

⟹ 

1 =

2 S

2

  

 

             

1-

  

=

2 S =

2 × 0.75 × 0.015 = 0.15 m

 

                2-  

= √

+

 

 

=

(0.15) + (0.015) = 0.1507m              

  

         3- overall length of the entire helix = 

0.1507 × 5 = 0.7535 m             

  

                4-  

=

S
C

⟹ 

=

0.015

0.15

= 5.7106

  

Axial mode

 

-

2

  

    The main lobe along the axis of helix.

  

    Conditions for axial mode :

  

     D & S  must be fractions of  

  

   

<

   ,  

S =

4

   

Circular polarization

   

  

  

= 1   optimum case  

  

 

12 <

< 18   ,    = 14  optimum case   

 

  

= 140

 

 

HPBW(degrees) =

52

3/2

 

 

  

 

1  Null Beam Width   FNBW(degrees) =

115

3/2

            

12 <

< 18

 

 

 

 

= 15

2

3

                                                               

<

<

 

 

 =

2 +1

2

                                                                   

> 3

 

 Normalized for field pattern

  

  

=

2

2

2

 

  

= 2

(1 −

) +

1

2

 

  

  


background image

107

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

(MSA)

 

trip Antenna

Micros

 

Micro strip antenna consist of very thin ( t

) metallic strip (patch) placed 

 

a small fraction of a wavelength ( 

 ≪

) a bore a ground plane.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
  
  
  

There are numerous substrack constants are usually in the range of 

2.2 ≪

≪ 12 

 

  

Advantages :-

 

1- light weight , low volume ,and thin profile configuration.

 

2- low falorieation cost.  

  

3- the MSA support both the linear as well as the circular polarization.

 

4- MSA can be easily integrated with the microwave integrated circuits (MICs).

 

5- MSA can be mode compact for personal mobile communication.

 

6- capable of dual & triple frequency operations and provides flexibility to be

 

    Constructed in any shape. 

 

 

Disadvantages (Limitations):-

  

1- Narrow bandwidth.

 

2- Low gain.  

  

3- Large ohmic loss in the feed structure of array.

 

4- Poor end-fine radiator.

 

5- Extraneous radiation from feeds and junctions.

 

6- Low power handling capability (

≃100 watt).

  

  
 

 

 

Microstrip Antenna

 


background image

108

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

 Design procedure for rectangular MSA specify 

 ,   , and 

h

 

  

 

Determine  W, L   for   

> 1    

  

 

=

+

1

2

+

−1

2

1

+

12

/

 

   

=

2

2

+

1

 

  

   

= 0.412

(

+

. )

+

.

(

.

)

+

.

  

  

=

+ 2∆

                                  

length effective

  

  

=

1

2

                            

velocity 

3 × 10  m/s

  

   

=

2∆                                           

  

 

   

=

1

2

2∆

  

Ex:- 

Design a rectangular microstrip antenna using a substrate  with dielectric

  

         constant of  2.2 , h = 0.1588 cm so as to resonate at 10 GHz.

 

The solution:-  

=

2

2

+

1

=

3×10

8

2×10×10

9

2

2

.

2

+

1

= 0.01186 m= 1.186 cm 

 

                   

=

+

1

2

+

−1

2

1

+

12

/

 

                   

=

2

.

2

+

1

2

+

2

.

2−1

2

1

+

12

.

.

/

= 1.972

 

 

                    

= 0.412

(

+

. )

+

.

(

.

)

+

.

 

                    

= 0.412

(

0.1588

)

(

1.972

+

0.3

)

1.186

0.1588

+

0.264

(

1.972

0.258

)

1.186

0.1588

+

0.8

= 0.081

 

                     

=

1

2

 

  

                     

=

1

2(10×10

9

)

1.972 4 ×10

−7

×

10−9

36

= 0.01068 m = 1.068 cm 

  

                       

=

2∆

 

                       

= 1.068

2(

0.081

)

= 0.906 cm

 
  
  

 


background image

109

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Ex:- 

Design a rectangular microstrip patch antenna whose center frequency

 

         is dielectric 10 GHz. The dielectric constant of the substrate is 10.2 and 

 

         the height of the substrate is 0.127 cm. determine the physical dimensions

 

         of the patch.

  

 

The solution:-  

=

2

2

+

1

=

3×10

8

2×10×10

9

2

10

.

2

+

1

 

  

                         

= 0.00634m= 0.634 cm 

 

                    

=

+

1

2

+

−1

2

1

+

12

/

 

                    

=

10

.

2

+

1

2

+

10

.

2−1
2

1

+

12

0.127
0.634

/

 

                    

= 8.635

  

 

                     

= 0.412

(

+

. )

+

.

(

.

)

+

.

 

                     

= 0.412 ℎ

(

+

0.3

)

+

0.264

(

0.258

)

+

0.8

 

                    

= 0.412

(

0.127

)

(

8.635

+

0.3

)

0.634
0.127

+

0.264

(

8.635

0.258

)

0.634
0.127

+

0.8

 

 

                  

= 0.0506

  

                     

=

1

2

 

  

                     

=

1

2 10×10

9

8.635 4 ×10

−7

×

10−9

36

 

                     

= 0.0051 m = 0.51 cm 

  

                       

=

2∆

 

                       

= 0.51

2(

0.0506

)

= 0.4088 cm

  
  
  
  
  
  
  
  

  
  


background image

110

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Plane wave

 

 

Normal incident

  

1

 
  

  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  

Consider a linearity polarized wave traveling in the positive X- direction.

 

The wave is incident normally on the boundary between two media. 

 

E

i

 : incident electric field component. 

 

H

i

 : incident magnetic field component. 

 

E

t

 : transmitted electric field component. 

 

H

t

 : transmitted magnetic field component. 

 

E

r

 : reflected electric field component. 

 

H

r

: reflected magnetic field component.

 

 

 

=

1

  ,   

= −

1

  ,   

=

2

  

 

=

+

 

 

=

+

 

 

=

=

   Transmitted coefficient 

 

 

=

=

   Reflection coefficient

 

 

 

=

=

   Transmitted coefficient 

 

  

=

=

   Reflection coefficient

 

 

 

  

Interface

  

Medium 1

 

Medium 2

  

 

 

 

 

 

 

 

 

incident

 

reflected

 

wave

 

wave

 

wave

 

transmitted

 

,

 

,

 

,

 

,

 

,

  

,

  

y

 

Z

 

X

 

H

t

 

H

i

 

H

r

 

E

t

 

E

i

 

E

r

 

1

 

2

  


background image

111

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Ex:- 

Prove that

  

1-  

=

   

2- 

=

  

 3-  

=

   

4- 

=

 

    

The solution:-  

  

  

 

 

 

1-

 

=

=

1 +

=

1 +

=

=

=

=

  

 

2-

 

=

=

1

=

1

=

(

)

=

=

=

  

 

3- 

=

=

1 +

=

1 +

=

=

=

=

  

 

4- 

=

=

1

=

1

=

(

)

=

=

=

 

                

 

  

The mediums:

 

1- For free space 

  

   

= 0  ,

   

=

   ,  

= 0   ,    = 120   

  

2- For perfect dielectric

  

   

= 0  ,    =

   ,   

= 0   ,    =

   or  

= 120

  

 3- For conducting medium 

  

 

  

≫ 1  

 

  ,  

=

=

   ,   

=

45

  

 4- For Partially conducting medium 

  

 

  

 

=

2

1 +

2

− 1    

  

   

 =

2

1 +

2

+ 1     

 

    

=

+

  

 
 
 
  
  
  
  


background image

112

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Ex:- 

A plane 1 GHz traveling wave in air with peak electric field intensity of 

 

         1 V/m is incident normally on a large copper sheet. Find the average power

 

         Absorbed by the sheet per square meter of area .

 

         given 

= 1 ,  

= 1 , 

= 5.8 × 10  mho/m.

 

The solution:-  

=

1
2

  ,  

=

    

  

   

= 1 ,     

=

= 120    ,    

=

  

 

=

45 =

2 ×10

9

×4 ×10

−7

5.8×10

7

45 = 0.011667

45

  

 

= (8.25 + 8.25)10 Ω             

  

 

=

2

2

1

+

2

=

2×0.011667

45

o

120 +8.25×10

−3

+ 8.25×10

−3

× 1 =

0.023334

45

o

377+ 8.25×10

−3

 

  

=

0.023334

45

o

377

0.00125

o

= 61.9

45

o

  

V/m 

  

 

=

2

  

⟹ 

=

2

=

61.9

×

10

−6

45

o

0.011667

45

o

= 5.3 × 10  A/m

  

 

=

1
2

  

  

 

=

1
2

[61.9

×

10

cos (

45

)

× 5.3 × 10 ]

  

 

= 1.16 × 10  

watt

/m

 

 

or  

=

1
2

  

⟹ 

=

1
2

[

]

 

  

 

=

1
2

[8.25 × 10

× (5.3 × 10 ) ]

 

 

= 1.16 × 10  

watt

/m

 

 

or  

=

1
2

  

⟹ 

=

1
2

2

2

 

  

 

=

1
2

61.9

×

10

−6

45

o 2

0.011667

45

o

=

1
2

61.9

×

10

−6 2

90

o

0.011667

45

o

 

 

=

1
2

61.9

×

10

−6 2

0.011667

(90 − 45 )

  

 

=

1
2

61.9

×

10

−6 2

0.011667

45

=

1
2

61.9

×

10

−6 2

0.011667

45

 

  

  

= 1.16 × 10  

watt

/m

 

  
  

*

  

*

  

*

  

*

  


background image

113

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

penetration)

Skin depth (depth of 

 

The skin depth   is defined to be the distance after which | | has decreased to 

 

 

=

1

=

1

 (m)

 

The E & H traveling waves in conducting 

 

medium are attenuated by the factor 

                  

         

=

  

as they advance along a long Z.                                          

=

 

  

this attenuation s so rapid that the waves

 

 may be considered to be zero after only

 

a few millimeter of travel. 

 

Ex:-

 A traveling  E-field in free space of amplitude 100 V/m strikes a sheet of 

  

        silver of  thickness 5 m as shown in figure below. assuming 

= 61.7 MS/m

  

        and a frequency of 200 MHz. find the amplitude 

 , 

 , 

 &

 .

  

 
 
 
 
 

 

  

 
 
 
 

The solution:- 

= 100 ,    

=

   ,    

=

   ,    

=

  

        

=

45 =

2 ×200×10

6

×4 ×10

−7

61.7×10

6

45 = 5.05 × 10

45 Ω

  

 

=

2

2

1

+

2

=

2×0.00505

45

o

120 +0.707+ 0.707

× 100 =

1.01

45

o

377.7

0.1

o

 

 

     

= 2.67 × 10

44.9  V/m

 

  

=

= √ × 200 × 10 × 4 × 10

× 61.7 × 10 = 2.2 × 10  neper/m

 

 

=

  

  

   

= 2.67 × 10

(2.2×10

5

×5×10

−6

)

 

  

 

= 8.88 × 10  V/m 

  

 

=

2

3

2

+

3

=

2×120

120 +0.707+ 0.707

× 8.88 × 10

=

0.6695

377.7

0.1

o

  

 

= 1.77 × 10

−0.1  V/m 

 

 

=

1

=

1

2.2×10

5

= 4.5  m

 

1

 

e

  

medium 2    

 

silver        

 

     

 

E

2

              E

 

 

medium 1

 

medium 3

 

5µm

 

 

Free space

 

Free space

 

 

=1

 

 

 

=1

  

=1

  

=1

  

= 0

 

= 0

  

= 0

  

= 0

  

=120

π

 

=120

π

 

E

1

 

E

4

 

Z

 

E

  

 

 

 

 

 

 


background image

114

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Ex:- 

In a partially conducting medium 

= 18.5 , 

= 800 , and 

= 1 mho/m

 

         Find   ,   ,   , and the velocity for a frequency of 

10  Hz

  

         Determine  ⃗

( , ) given  ⃗( , ) = 50

cos (

) ⃗  V/m.

 

The solution:- 

=

2

1 +

2

− 1  

  

  

= 2 × 10

4 ×10

−7

×800×

10

−9

36

×18.5

2

1 +

1

2 ×10

9

×

10

−9

36

×18.5

2

− 1

  

 

= 1132.6646 neper/m

  

 

=

2

1 +

2

+ 1

 

 

 

= 2 × 10

4 ×10

−7

×800×

10−9

36

×18.5

2

1 +

1

2 ×10

9

×

10

−9

36

×18.5

2

+ 1

 

 

= 2788.36 rad/m

 

 

=

+

=

2 ×10

9

×4 ×10

−7

×800

1+ 2 ×10

9

×

10

−9

36

×18.5

=

6310144

1+ 1.0277

=

6310144

90

o

1.434

45.8

o

 

 

=

6310144

90

o

−∠

45.8

o

1.434

= √4400379.358

44.2 = 2098

22.1 Ω 

 

 

=

=

2 ×10

9

2788.36

= 2.25 Mmps

  

  ⃗(

, ) = 50

1132.6646

cos (2 × 10

− 2788.36 ) ⃗

 

  ⃗(

, ) =

⃗(

,

)

  

  ⃗(

, ) =

50

120

1132.6646

cos (2 × 10

− 2788.36 ) ⃗

 

  

 
 
 
 
 


background image

115

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Ex:-

 A traveling  E-field in free space strikes a partially conducting medium

  

         as shown in figure below, given a frequency of 500 MHz and 

= 100 V/m 

 

         determine 

 & 

 &  .

  

 
 
 
 
 

 

  

 
 
 
 

The solution:- 

= 100 ,    

=

   ,    

=

   ,    

=

  

        

=

+

=

2 ×500×10

6

×4 ×10

−7

1+ 2 ×500×10

6

×

10−9

36

×55

=

3943.84

1+ 1.53

=

3943.84

90

o

1.83

56.8

o

 

 

             

=

3943.84

90

o

−∠

56.8

o

1.83

= √2155

33.2 = 46.4

16.6 Ω

  

 

=

2

2

1

+

2

=

2×46.4

16.6

o

120 +46.4

16.6

o

× 100 = 22

14.795  V/m 

 

 

=

2

1 +

2

− 1

  

  

   

= 2 × 500 × 10

4 ×10

−7

×

10−9

36

×55

2

1 +

1

2 ×500×10

6

×

10−9

36

×55

2

− 1

  

 

= 24.26 neper/m

  

 

=

  

  

   

= 22

(24.26×30×10

−3

)

= 10.6 V/m 

  

 

=

2

3

2

+

3

=

2×120

120 +46.4

16.6

o

× 10.6

  

 

= 19

−1.8  V/m 

  

 

=

3

  

⟹ 

=

3

=

19

−1.8

o

120

= 0.05

−1.8  A/m

  

 

=

1
2

  

  

 

=

1
2

[19

cos (−

1.8

)

× 0.05

cos (

−1.8

)

] = 0.47 

watt

/m

 

medium 2    

 

 

     

 

E

2

              E

 

 

medium 1

 

medium 3

 

30mm

  

Free space

 

Free space

 

=1

  

=1

  

=1

  

=1

 

= 1

  

E

i

  

E

t

 

=1

  

 

=1

  

*

  

 

 

 

 

 

 


background image

116

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

.

Oblique incidence

  

 

 1- Perpendicular Polarization.

 

     In this case the electric field is perpendicular to the plane of incidence 

 

     (xy-plane).

  

 

 

 

 

  

                                                                        

  

 

  

In this case 

 

1- 

=

 

  

2- 

=

1

2

 (Snell's Law).

 

    

 

 are indexes of refraction of medium  1  &  2  

  

    

=

1 1

2 2

 

 

=

1

1

2

2

  

    

=

1

1

2

2

 

  

    

=

2

1

2

+

1

  

    

= 1 +

 

 

    

= 1 +

2

1

2

+

1

=

2

+

1

+

2

1

2

+

1

 

 

    

=

2

2

2

+

1

 

    if both media are lossless non magnetic dielectrics 

  

 

=

2
1

2

+

2
1

2

  

if 

2

>

1

 

 

 will be real if 

1

>

2

 

&  

>

 

⟹ 

 becomes

  

 |

| = 1

 

   complex &

 

 

  

2

 

x

 

y

 

E

r

 

E

i

 

H

i

 

H

r

 

θ

i

 

θ

r

 

θ

t

  

E

t

 

H

t

  

reflection

  

incident

  

transmitted

  

medium  1    

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

  

,

  

,

 

,

  

,

  

,

 

,

 

,

  

medium  2    

  

θ

i

 

:

 

angle of incidence 

 

θ

r

 

:

 

angle of reflection 

 

θ

t

 

:

 

angle of transmission 

 

:

 

refraction index

 


background image

117

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Critical angle :- is the incident angle for which  

= 1∠0  

 

                          

=

−1

2

1

 

 

 

Ex:- 

Drive an expression for the critical angle.

 

         The solution:- 

=

2
1

2

+

2
1

2

  

 

 

  

1∠0 =

2
1

2

+

2
1

2

 

⟹ 

+

2

1

=

2

1

  

2

+

2

=

 

 

2

2

1

= 0 

 

  

  

 

2

=

0
2

 

⟹ 

2

1

2

= 0

2

=

2

1

⟹ 

=

−1

2

1

 

  

Ex:- 

A wave is incident from air onto distilled water 

= 81 , Plot the magnitude 

  

         of the reflection coefficient as a function of incident angle for perpendicular

 

         polarization.  

  

The solution:- 

=

2
1

2

+

2
1

2

 ⟹

=

81

1

2

+

81

1

2

 

  

       

  

                             

       

  

                                  

  

 
 
 
 
 
 
 
 

 

  
  

                                                                                                                                              
    

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

 

0°    10°    20°    30°    40°    50°    60°    70°    80°    90° 

  

0

 

0

.0.1

 

0.4

 

0.3

 

0.6

 

0.5

 

0.7

 

0.8

 

0.9

  

1

 

0     0.8        

  

  5°    0.8006     

  

10°    0.802  

  

15°    0.806

  

20°    0.81     

 

25°    0.8168   

  

  30°    0.824      

  

35°    0.832  

  

40°    0.842

  

45°    0.853

  

50°    0.866  

  

55°    0.879  

  

  

60°    0.894   

 

65°    0.909    

  

  70°    0.926      

  

75°    0.944  

  

80°    0.961

  

85°    0.98  

  

90°      1

       

  

  

θ

 

K

 


background image

118

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

 

2- Parallel polarization.

  

    In this case the electric field is parallel to the plane of incidence

 

    (xy-plane)  

  

 

  

  

 

  

 

 =

2

1

2

+

1

 

 

1 +   =

    

  

For lossless non-magnetic dielectrics the reflection coefficient for parallel 

 

 

 =

2
1

+

2
1

2

2
1

+

2
1

2

 

                                   

 

Brewster angle:- is the incident angle for which 

= 0 and the wave is to tally 

 

                            transmitted into medium  2  

  

                            

=

−1

2
1

1+

.

2
1

 

  

Ex:- 

Drive an expression for the critical angle.

  

         The solution:- 

 =

2
1

+

2
1

2

2
1

+

2
1

2

 

⟹ 

0 =

2
1

+

2
1

2

2
1

+

2
1

2

 

  

 

 

  

0 = −

2

1

+

2

1

 

⟹ 

2

1

=

2

1

2

  

   

2

=

2

 

⟹ 

(

1 −

2

)

=

2

 

 

=

2

2

− 1

=

2

− 1

  

 

=

2
1

2
1

2
1

2

 

⟹ 

=

2
1

2
1

−1

2
1

−1

2
1

+1

 

  

=

2
1

1+

.

2
1

 

             

 

  

Polarization becomes

 

medium  1    

  

medium  2    

  

θ

t

  

E

t

 

H

t

  

transmitted

  

θ

i

  

θ

r

  

H

r

  

H

i

  

E

r

 

E

i

 

y

 

x

 

incident

  

reflection

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

 

,

 

,

 

,

 

,

 

,

 

,

 

,

 

θ

i

 

:

 

angle of incidence 

 

θ

r

 

:

 

angle of reflection 

 

θ

t

 

:

 

angle of transmission 

 

:

 

refraction index

 


background image

119

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Ex:- 

A plane 1 GHz traveling wave in air is incident normally , 

= 1 V/m

 

         upon a sea water (

= 81 , 

= 1 , and  = 5 mho/m) .

 

         1- Calculate the magnitude of the electric field strength at 

/4 away 

 

              from the interface.    

 

         2- Determine the average power density.

 

 

 
 
 
 

 

  

 
 
 

     

  

The solution:-  

= 1 ,    

=

   ,    

=

   ,    

=

  

1-   

=

+

=

2 ×10

9

×4 ×10

−7

5+ 2 ×10

9

×

10−9

36

×81

= 34.26

24 Ω 

 

          

=

=

3×10

8

10

9

= 0.3m  ,   =

4

=

0.3

4

= 0.075m

 

 

   

=

2

2

1

+

2

=

2×34.26

24

o

120 +34.26

24

o

× 1 = 0.1677

22  V/m 

  

   

=

2

1 +

2

− 1   

  

  

     

= 2 × 10

4 ×10

−7

×

10−9

36

×81

2

1 +

1

2 ×10

9

×

10

−9

36

×81

2

− 1

  

 

 

= 20.8  neper/m 

  

    

=

= 0.1677

(20.8×75×10

−3

)

= 35.24 mV/m

  

  

    

=

2

3

2

+

3

=

2×120

120 +34.26

24

o

× 35.24 × 10

= 0.065

−1.955  V/m

  

 

  

=

3

  

⟹ 

=

3

=

0.065

−1.955

o

120

= 1.724 × 10

−1.955  A/m

  

 

    

=

1
2

  

  

 

=

1
2

[0.065

cos (−

1.955

)

× 1.724 × 10

cos (

−1.955

)

  

 

= 5.6

watt

/m

 
 

*

  

medium 2    

 

 

     

 

E

2

              E

 

 

medium 1

 

medium 3

 

  

Free space

 

Free space

 

=1

  

=1

  

=1

  

=1

 

= 5

  

E

i

  

E

t

 

= 81

  

 

=1

  

 

4

 

 

 

 

 

 

 


background image

120

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Ex:- 

A 500 MHz traveling wave in free space strikes a partially conducting

 

         Medium (

= 55 , 

= 1 , and  = 1 mho/m) if 

= 1 V/m and the 

 

         Incident angle is 

45 , Determine 

 

         1-   ,   ,   , and   for the partially conducting medium.

 

         2- The average power absorbed by the medium for square meter of area.

 

The solution:- 

= 1  ,  F = 500 MHz , 

= 55 , 

= 1 , and  = 1 mho/m        

  

 1- 

=

2

1 +

2

− 1   

  

  

     

= 2 × 500 × 10

4 ×10

−7

×

10−9

36

×55

2

1 +

1

2 ×500×10

6

×

10−9

36

×55

2

− 1

  

   

= 24.26 neper/m

  

   

=

2

1 +

2

+ 1

 

 

 

= 2 × 500 × 10

4 ×10

−7

×

10−9

36

×55

2

1 +

1

2 ×500×10

6

×

10−9

36

×55

2

+ 1

 

 

= 81.36 rad/m

 

    

=

+

=

2 ×500×10

6

×4 ×10

−7

1+ 2 ×500×10

6

×

10−9

36

×55

=

3943.84

1+ 1.53

=

3943.84

90

o

1.83

56.8

o

 

 

 

=

3943.84

90

o

−∠

56.8

o

1.83

= √2155

33.2 = 46.4

16.6 Ω

 

 

=

=

2 ×500×10

6

81.36

= 38.6 Mmps    

  

2- 

=

1

1

2

2

 

⟹ 

=

1
55

45 

⟹ 

= 5.47

 

   

=

2

1

2

+

1

 

  

   

=

46.4

16.6

o

cos 45 −120 cos (5.47)

46.4

16.6

o

cos 45 +120 cos(5.47)

= 0.844∠177  

  

  

= 1 +

  

    

= 1 + 0.844∠177 = 0.163∠15.7  

 

   

  


background image

121

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

=

  

⟹ 

=

 

⟹ 

= 0.163∠15.7 × 1 = 0.163∠15.7

 

V/m

 

  

 

=

2

=

0.163∠15.7

o

46.4

16.6

o

= 3.5 × 10 ∠−0.9  A/m

 

 

    

=

1
2

  

  

 

=

1
2

[0.163

cos (

15.7

)

× 3.5 × 10

cos (

−0.9

)

  

 

= 275

watt

/m

 

 

Ex:- 

Plot the magnitude of the reflection coefficient as a function of incident 

 

         angle (assume parallel polarization and 

= 2

). 

  

The solution:- 

=

−1

2
1

1+

.

2
1

=

−1

2

1

1

1+

.

2

1

1

=

−1

2

1+2

= 54.7

 

 

 

 

 =

2
1

+

2
1

2

2
1

+

2
1

2

 ⟹ 

 =

−2

+

2−

2

2

+

2−

2

     

 

                                           

  

                                 

  

                             

       

 

                                  

  

 
 
 
 
 
 
 
 
 

  
  

                                                                                                                                              
     

  
  
  
  
  

 

*

  

0     0.171    

  

  5°    0.17       

  

10°    0.167  

  

15°    0.163

  

20°    0.155   

 

25°    0.146    

  

  30°    0.133      

  

35°    0.118  

  

40°    0.097

  

45°    0.071

  

50°    0.039  

  

55°    0.0024

  

  

60°    0.055   

 

65°    0.124    

  

  70°    0.214      

  

75°    0.332  

  

80°    0.491

  

85°    0.704

  

90°      1        

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

 

0°    10°    20°    30°    40°    50°    60°    70°    80°    90° 

  

0

 

0.2

 

0.1

 

0.4

 

0.3

 

0.6

 

0.5

 

0.7

 

0.8

 

0.9

 

1

 


background image

122

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Ex:- 

A 200 MHz wave in free space with peak amplitude of 100 V/m is incident

 

         Normally on a large sheet of copper of  20 m thickness sketch the average

 

         Power density versus copper thickness . assume 

= 58 Mmho/m

 

The solution:- f = 200 MHz , 

= 100 V/m , 

= 120  

  

         

=

45 =

2 ×200×10

6

×4 ×10

−7

58×10

6

45 = 5.2 × 10

45 Ω

  

 

=

2

2

1

+

2

=

2×5.2×10

−3

45

o

120 +5.2×10

−3

45

o

× 100 = 2.75 × 10

45  V/m

 

  

 

=

2

2

=

0.00275

45

o

0.0052

45

o

= 0.53 A/m

  

 

    

=

1
2

  

  

 

=

1
2

[0.00275

cos (

45

)

× 0.53] 

  

 

= 515.3

watt

/m  

  

 This is max absorbed average power by the sheet & it will be attenuated by 

 

 The factor (

)   

 

   ( )

=

 

  

     ( )

=

 

 

    

( ) =

 

  

=

= √ × 200 × 10 × 4 × 10

× 58 × 10 = 214 × 10  neper/m

  

 

 

=

1

=

1

214×10

3

= 4.67 m   

 

  

=

=

1

 

 

 

( ) =

= 515.3 × 10

−2

1

= 515.3 × 10

−2

= 69.7  V/m 

  

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

 

*

  

P    

(

z

)

 

avg

 

z

 

4.67µm

 

515.3µ

  

69.7µ

  

P

  

e

  

o

  

-2

  


background image

123

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Ex:- 

Distilled water is a dielectric having the consists 

= 81 , 

= 1

 

  

       If a wave is incident from water onto water-air interface , calculate 

 

         The magnitude of the electric field strength in the air at the interface 

 

         Assume the incident 

= 1 V/m and the incident angle is 45°. 

  

The solution:-  

=

2
1

2

+

2
1

2

 

 

                      

=

45−

1

81

2

45

45+

1

81

2

45

= 0.0125 − 0.999

 

  

 

                      

= 1 +

 

 

                      

= 1 + 0.0125 − 0.999

 

 

                      

= 1.0125 − 0.999 = 1.0125 − 0.999 = 1.422∠ − 44.6

 

                  

=

 

=

= 1.422 × 1

 

 

                      

= 1.422 V/m

 

  

 

Ex:- 

Distilled water is a dielectric having the consists 

= 81 , 

= 1

 

  

       If a wave is incident from air onto air-water interface , calculate 

 

         The magnitude of the magnetic field strength in the water at the interface 

 

         Assume the incident 

= 1 V/m and the incident angle is 45° with parallel

 

          polarization. 

  

The solution:-  

 =

2
1

+

2
1

2

2
1

+

2
1

2

 

                   

 =

−81×

45+ 81

2

45

81×

45+ 81

2

45

= −0.729

 

  

                         

=

1

1

2

2

 

                         

=

1
81

45

⟹ 

= 4.5   

 

  

                   

1 +   =

 

  

 

                       

1 − 0.729 =

4.5

45

 

⟹  

= 0.1922

  

                  

=  

= 0.1922 × 1 = 0.1922 V/m

 

 

                       

=

2

=

0.1922

120

1

81

= 4.588 mA/m  

 


background image

124

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Ex:- 

For the two antenna system shown in the figure , one antenna is transmitting 

 

         a 1GHz signal 30m above moist earth , the receiving antenna is 16 Km away

 

         and 10m above moist earth (

= 12 ,  = 0.02 mho/m) show that the signal

 

         is almost perfectly reflected by the earth to the receiver.

 

         (assume perpendicular polarization).

  

 
 

  
  
  
  
  
  
  

The solution:-

 

  

 
 
 
 

  

 
 
 
 
 

 

=

2

1

2

+

1

   ,   

=

  ,  

=

 

  

 

=

16000

40

 

⟹ 

= 89.85  

 

=

1

1

2

2

 

⟹ 

=

1
12

89.85 

⟹ 

= 16.7  

  

    

=

+

=

2 ×10

9

×4 ×10

−7

0.02+ 2 ×10

9

×

10

−9

36

×12

=

7895.7

0.02+ 0.67

=

7895.7

90

o

0.67

88.3

o

 

 

         

=

7895.7

90

o

−∠

88.3

o

0.67

= √11785

1.7 = 108.56

0.85 Ω 

  

 

= 108.55 + 1.61

  

 

=

108.56

0.85

o

cos 89.85 −120 cos (16.7)

108.56

0.85

o

cos 89.85 +120 cos(16.7)

= 1∠180

 

  

16000m

 

10m

 

30m

 

30m

 

10m

 

10m

 

10m

 

16000m

 

i

θ

 

Directed path

 

Reflected path

 


background image

125

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Radio wave Propagation

  

 Characteristic of electromagnetic waves 

 

Radio waves is composed of moving field of

  

electric & magnetic force. 

 

The lines of force in the electric & magnetic

 

 fields are at right angles and perpendicular

 

 to the direction of travel.

 

The plane containing the lines of electric and 

 

magnetic force is called wave front.                     

 

  

-

:

Polarization

 

:

Linear polarization

 

-

A

 

The polarization of an electromagnetic waves is the direction of the lines of force

 

in the electric field.

 

1-  if the electric lines perpendicular to earth's surface 

 

     

∴ the wave is said to be vertically polarized.   

 

2- if the electric lines parallel to earth's surface 

 

     

∴ the wave is said to be horizontally polarized. 

  

:

inear polarization

Non l

 

-

B

   

 

1- if the direction of the lines of force in electric field is elliptical

  

    

∴ the wave is said to elliptically polarized.

 

2- circular polarization is a special case of elliptical polarization.

 
 

Propagation of radio waves at different frequency

 

The modes of propagation at different frequencies 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

earth surface

 

E

 

H

 

H

 

  

4

  

4

 

Direct wave

 

4

 

3

 

2

 

2

 

1

 


background image

126

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

1  

Ground wave propagation (up to 2 MHz).

  

     electromagnetic waves are propagated.

  

a- closed to earth's surface.

 

b- following the curvature of the globe due to diffraction.

 

   Problems: the wave suffers varying amount of attenuation according to its nature

 

                     Surface irregularities , permittivity , conductivity.

 

  Earth attenuation increase with increase frequency 

 

  this mode of propagation is suitable for medium waves (MW) up to 2 MHz.

  

2  

Sky (ion sphere or short) wave propagation (2 MHz        30 MHz).

 

   Radio waves is reflected back to the earth from ionized in the upper at mosphere

 

   (called ion sphere).

 

   Beyond 30 MHz the wave is penetrate the ion sphere (not reflected)

 

   this mode of propagation is suitable for short waves (2 MHz        30 MHz).

 

   This mode of propagation is useful for long communication along the globe 

 

   through multiple reflections.        

 

   For single reflection radio wave can cover 4000 Km distance problem 

 

   (fading) because of different paths

  

    3  &  4  ( directed , reflected )

 

   in troposphere          space wave propagation ( 30 MHz         on ward )

 

   space wave propagation is chief source of VHF communication

 

   (television & radar) (VHF : 30 MHz        300 MHz).

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

F

3

  

F

2

 

F

1

 

F

> F

> F

  

  

ion sphere

  

Earth's surface

 


background image

127

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Structure of Atmosphere 

 

1- Structure of troposphere .

 

     Extending from the surface of earth up to a height of 10 Km.

 

     Percentage of gas components does not vary with height.   

 

  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  

2- structure ion sphere.

 
 

 

critical frequency

         

electron density

                                        

Ion sphere layer 

    

  

          D-layer                 

50 − 90 Km          10 − 10   /

             

100 KHz 

 

            

110 Km         10 − 4.5 × 10   /

       

(3 − 5) MHz

       

          E-layer

 

            

220 Km       2 × 10 − 4.5 × 10   /

  

(5 − 7) MHz

       

         F

1

-layer

 

            

250 Km      3 × 10 − 2 × 10   /

        

10 MHz  

       

         F

2

-layer

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  

250 Km

  

220 Km

 

110 Km

 

(59 - 90) Km

 

ion sphere    

 

 

  

troposphere

  

10 Km

 

Earth's surface

 

height above 

 

earth's surface

 

  

height above 

 

earth (Km)   

 

  

Electron  

 

density   

 

  

F

2

  

F

1

 

E

 

D

 

night

 

day

 


background image

128

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Ground wave propagation

 

The equation for ground wave propagation:

  

 

=

 

 

: ground wave field strength.

 

 

: field strength of wave at the surface of the earth a unit distance from 

 

        the transmitting antenna. 

 

   : is the distance from the transmitting antenna.

 

  A: is the factor taking into account the ground losses.

 

  A: depends on 

( ,

, , ).

 

    

= 300

mv

m

   

 in KW ,  

= 1 is not given 

 

or  

=

90

v

m

   

 in W ,  

≃ 1m  

 

1- For vertically polarization.

  

     

=

 

  

     

=

+

1

  

2- For horizontally polarization.

  

     

=

 

  

     

=

1

  

  

     

=

1.8×10

12

(

)

  

 

in 

 

  or 

=

1.8×10

12

(

)

 

   

 

in

 

 

 

 

 

     

= 180 −

  

     

=

10

4

1

3

 

Km

 

: numerical distance.

 

  : phase constant.

 

  : distance in wave length.

 

  : is the ground conductivity.

 

  : is the dielectric constant 

  

      of the ground.

 

The attenuation factor  A  may be represented by the following formula 

 

 

=

2+0.3

2

+ +

0.6

2

 

 

0.01

 

0.1

 

1.0

 

10

 

100

 

1000

 

0.001

 

0.01

 

0.1

  

1

 

Numerical distance         a 

  

A

 

b = 0°

 

b = 30°

 

b = 60°

  

b = 90°

 

b = 180°

 


background image

129

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Ex:-

 A transmitter operating frequency 1.69 MHz provides strength of at least

 

         0.5m V/m at a distance of 16 Km. transmitting antenna has 50% efficiency

 

         and produces a radiated field that is proportional to the cosine of the angle

 

         of elevation ( Vertical polarization ). The ground has conductivity of

 

         

5 × 10  mho/cm ,and the relative dielectric constant of 15 determine  

 

         The transmitter power required.

 

The solution:- F = 1.69 MHz , 

= 0.5 × 10  , 

= 15 ,  = 5 × 10  mho/cm

 

  

                  

=

1.8×10

12

(

)

=

1.8×10

12

×5×10

−3

×10

−2

1.69×10

6

= 53.25

 

                      

=

+

1

=

15

+

1

53.25

 

⟹ 

= 16.7  

 

                  

=

=

3×10

8

1.69×10

6

= 177.5 m

 

                      

=

=

53.25

16000

177.5

16.7 = 5.1

 

                     

=

2+0.3

2

+ +

0.6

2

=

2+0.3

(

5.1

)

2

+

5.1

+

0.6

(

5.1

)

2

= 0.15

 

                    

=

 

⟹ 

0.5 × 10

= 0.15

16000

 

⟹ 

= 53.33 V/m

 

                    

=

= 0.5 × 1 = 0.5 

 

                    

=

90

 

⟹ 

53.33 =

90  (0.5)

1

 

⟹ 

= 63.2 W

 

 

Ex:-

 Find electric field strength at 10 Km distance from 1.5 MHz transmitting

 

         having 

= 2500 mV/m over ground path ,  = 3 m mho/cm and 

= 7 

 

         assume vertical polarization. 

 

The solution:- F = 1.5 MHz , 

= 2500  × 10  , 

= 7 ,  = 3 × 10  mho/cm

 

  

                  

=

1.8×10

12

(

)

=

1.8×10

12

×3×10

−3

1.5×10

6

×100

= 36

 

                      

=

+

1

=

7

+

1

36

 

⟹ 

= 12.5  

 

                  

=

=

3×10

8

1.5×10

6

= 200 m

 

                      

=

=

35

10000

200

12.5 = 4.25

 

                     

=

2+0.3

2

+ +

0.6

2

=

2+0.3

(

4.25

)

2

+

4.25

+

0.6

(

4.25

)

2

= 0.19

 

                    

=

 

= 0.19

2500×10

−3

10000

= 47.5  V/m

 

  

 


background image

130

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Ex:-

 A 50 KW transmitter employs a vertical grounded antenna with a directivity

 

         of 2. If the transmitter frequency is 1 MHz , find the ground wave field 

 

         strength at a distance of 100 Km. assume 

= 15 ,  = 10  mho/m 

 

The solution:- F = 1MHz , 

= 50 KW , 

= 15 ,  = 10  mho/m

 

  

                  

=

1.8×10

4

(

)

=

1.8×10

4

×10

−3

1

= 18

 

                      

=

+

1

=

15

+

1

18

 

⟹ 

= 41.6  

 

                  

=

=

3×10

8

1×10

6

= 300 m

 

                      

=

=

18

100×10

3

300

41.6 = 43.48

 

                     

=

2+0.3

2

+ +

0.6

2

 

                     

=

2+0.3

(

43.48

)

2

+

43.48

+

0.6

(

43.48

)

2

 

 

 

                     

= 0.0127

 

                    

=

= 1 × 2 = 2  

 

                    

=

90

 

=

90 ×50×10

3

×2

1

= 3000 V/m

 

                    

=

= 0.0127

3000

100000

= 381  V/m 

 

 

Ex:-

 A 50 KW transmitter employs a vertical grounded dipole with a gain of 1.5

 

         If the transmitter frequency is 1 MHz , find the electric field strength at 

 

         100 Km distance(neglect ground losses).

 

The solution:- F = 1MHz , 

= 50 KW , 

= 1.5 ,  = 100 × 10  mho/m

 

                    

=

90

 

=

90 ×50×10

3

×1.5

1

= 2598 V/m

 

               or 

= 300

 

                    

= 300√50 × 1.5 

 

                    

= 2598 V/m

 

                   neglect ground losses           A=1

 

                    

=

= 1

2598

100000

= 25980  V/m

 

    

 

 

 
 

  

  

  

  


background image

131

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

wave Propagation 

(Sky)(Short)

Ion spheric 

 

  Propagation over long distance of thousand kilometer or more are almost carried

 

  out by sky waves.

  

  In sky wave propagation the waves are reflected from different parts of the ionized

 

  Layers. which are always in random motion.

 

  the received signal is the vector sum of all of those randomly varying components 

 

  (this is called fading).    

 

  The state of the ionosphere is found to vary from hour to hour , day to day, 

  

   & season to season.

 

   Ionosphere wave propagation is less stable & depending upon frequency & upon

 

   The condition of the ion sphere.

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  at great heights the ionized radiations are very intense but the atmosphere is rare 

 

  and then there are few molecules present to be ionized , therefore in this region 

 

  the ionization density (number of ions or electrons per unit volume is very low).

 
 

  as the height is decreased the ionization density is increase until a height is reached 

 

  where the ionization density is maximum.

 

  as the height is decreased more , the ionization is go to decreased minimum.       

 

  
  

 

 
 

day

  

night

 

F

2

  

10

  

10

  

10

  

10

  

10

  

10

  

2

  

3

  

4

  

5

  

6

  

maximum ionization

  

 Density  =  10 / cm  

 

6

  

3

  

(10 , 300 Km)

  

6

  

Altitude (Km)

  

Electron    

  
Density/cm 

  

3

  


background image

132

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

In the ionosphere region the relative permittivity may be separated into real

 

& imaginary parts as follows:

  

 

=

 

  

 

= 1 −

2

m

o

(

2

+

2

)

  

 

=

o

 

 

=

2

m

(

2

+

2

)

 

 

N: electron density (number of electron per cubic meter (

/

)).

 

 

 

collision frequency.

  

 m: electron mass = 

9.1 × 10

 Kg.

 

  e : electron charge = 

1.6 × 10

C.

 

 

  : 

depends on (gas pressure , electron thermal velocity , ion density)

 

  

Not:- maximum conductivity occurs when 

ω = .

 

  

=

2

m

(

2

+

2

)

 

⟹ 

=

2

2m

2

 

⟹ 

=

2

2m

 

 max conductivity.

 

  

 

Proof :  

=

2

m

(

2

+

2

)

  

   

=

+

(2m )

(

+

)

  

   

0 =

m

2

+

2

2

2

(2m )

m

(

2

+

2

)

 

  

m(

+

)

(2m ) =

0

 

 

 

 

  

m

+

m

− 2m

=

0

  

   

m

− m

=

0

 

 

 

  

m

= m

 

 

  

=

 

⟹ 

=

  

 at great height   is small  ( 

≫  ) 

 

  

≃ 0  

⟹  

=

    

 

 at low height   is large  (

 

 ) 

 

  

 

again becomes small 

 

  

≃ 0  

⟹  

=

  

 
 
 
 


background image

133

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Snell's Law

  

=

1

2

 

  

 

=

 

 

=

 

 Let 

= 1  for both regions

  

  

=

(

)

 

 at high frequencies  

⟹ 

≫   

 

 

= 0 

  

=

o

= 0

  

  

= 1 −

2

m

o

(

2

+

2

)

= 1 −

2

m

o

2

 

  

  

=

  

⟹ 

=

= 1 −

2

m

o

2

 

 

   m = 

9.1 × 10

 Kg  , e = 

1.6 × 10

C ,  

=

10

−9

36

  

 

    

= 1 −

81

2

      

: /

  ,  F: Hz )

  

   

=

=

1 −

81

2

  

⟹ 

=

(

)

=

1 −

81

2

 

 

 

   

=

1 −

81

2

  

  If  

> 81   

⟹ 

the refractive index is always less than unity.

  

  If  

< 81   

⟹ 

the refractive index is imaginary which under such condition

 

  the radio waves are attenuated at this frequency and ion sphere region is not 

 

  able to transmit or bend. 

  

Ex

:- Derive an expression for the refractive index of an ionosphere layer.

 

         Assume 

ω =

  

  

The solution:- 

=

 

 

=

 

⟹ 

=

1 −

2

m

o

(

2

+

2

)

o

  where  

=

2

m

(

2

+

2

)

 

 

=

1 −

2

m

o

(

2

+

2

)

1

o

2

m

(

2

+

2

)

    Assume 

ω =

 

 

=

1 −

2

m

o

(

2

+

2

)

1

o

2

m

(

2

+

2

)

 

 

=

1 −

2

2m

2

o

2

2m

2

o

 

 

t

θ

  

i

θ

  

ion sphere

 

free space

 


background image

134

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Mechanism of radio wave bending by the ionosphere

 

 

=

1 −

81

2

 

 

Since  n < 1 

⟹ 

<

 

 

i.e angle of refraction will go on deviating 

 

from the normal as the wave raver medium

 

if successive layers of ion sphere are of higher  

 

electron density 

>

>

>

>

>

 

 

if means n will go in decreasing and decreasing 

 

i.e 

>

>

>

>

>

.

 

thus the wave will enters at say point P will be

 

deviating more and more at point will reach 

  

where it travels parallel to erath at Pm.

 

at Pm the angle of refraction is 90° and Pm

 

is highest point in the ionosphere reached by 

  

the radio wave .

 

 

=

90 = 1  and 

=

 

 Pm is also called as point of refraction.

  

 

Critical frequency :- the critical frequency of an ionized layer of the ion sphere 

  

                                 is define as the highest frequency which can be reflected by 

 

                                 a particular layer at vertical incidence.

 

               

=

=

1 −

81

2

    ,   

=

1 −

81

2

=

1 −

2

 

 

 at vertical incidence 

⟹ 

= 0 

 

  

 1 −

81

2

=

0

 

 

1 −

81

2

= 0

 ⟹ 

= 9√     

 

    

  

Virtual height :- virtual height of an ion sphere layer may be defined as a height 

 

                           to which a short pulse of energy sent vertically up word and 

 

                           traveling with the speed of light world reach 

 

                           taking the same two ways travel time

  

                           as does the actual pulse reflected from 

  

                          the layer. The virtual height is 

  

                          always greater than the actual height. 

  

               or       the virtual height h is that height 

  

                          from which a wave sent up at an      

 

                         angle appears to be reflected.

  

 
 

in free

 

 space

 

N

6

  

N

5

  

N

4

  

N

3

  

N

2

  

N

1

  

n      

 

decre-

 

asing 

  

Pm

  

t

θ

  

i

θ

  

T

  

R

  

 F

c

 

: in MHz    

  

  

 N: electron/m

 

 

 

3

 

A

  

B

 

C

 

D

 

h

  

h

  

t

=  

t

2

 =  

d

1

   

 

v

1

   

 

v

2

   

 

d

2

   

 


background image

135

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

maximum usable frequency(MUF):- the maximum possible value of frequency 

 

                                                            for which reflection take place for a given 

 

                                                            distance of propagation is called as 

 

                                                            the maximum usable frequency for

 

                                                            the distance. 

 

 

=

 

 

Ex:-

 Prove that   

=

 . 

  

 The solution:- 

=

=

1 −

81

2

   where 

= 90   

  

  

=

1 −

81

2

  

⟹ 

= 1 −

81

2

 

⟹ 

= 1 −

2

  

  

=

2

 

 

=

 

 

=  

 

=

  

 

=

  .

 
 

Skip distance(D):- the skip distance represent the minimum distance from 

 

                               the transmitter at which a sky wave of a given frequency 

 

                               will be returned to earth by the ion sphere.

 

  
  
  
  

      

 

  
  

 
 
 

 

=

2

2

2

+ℎ

2

  

 

  

 

  

 Since the MUF Fm is for which the waves is returned 

 

 For wave return to earth , angle of refraction 

= 90  

⟹ 

=

 

 

 

 

= 2ℎ

− 1 

  

 

D

 

ion sphere

 

h

o

 

θ

i

 

D

 

2

 

2

  

D

 

D

 


background image

136

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Ex:-

 Explain the terms MUF and skip distance. Show that on flat earth the skip

 

         distance for a given frequency is given by: 

 

                                         

= 2ℎ

− 1

 

The solution:- 

=

2

2

2

+ℎ

2

 ⟹ 

2

+ ℎ =

2

 

  

 

2

4

+ ℎ

=

2

4

 

⟹ 

4

+ ℎ

2

=

4

2

 

⟹ 

2

=

4

2

4

  

 

ℎ =

2

4

1

2

1

 

⟹ 

ℎ =

2

4

1−

2

2

 

⟹ 

= 4ℎ

2

2

1−

2

  

 

= 4ℎ

2

1−

2

1− 1−

2

 

⟹ 

= 4ℎ

2

1−

2

2

 

 

 

= 4ℎ

2

1

2

1

    

 

 where   

=

  

 

=

 

 

=

 

  

= 4ℎ

2

1

1

= 4ℎ

2

2

2

1

= 2ℎ

o

2

− 1

 

 

  

Ex:- 

Assume that reflection takes place at height of 400 Km, and that the maximum

 

         density in the ionosphere corresponding to 0.9 reflection index 10 MHz.

 

         what will be the range (assume flat earth) for which the MUF is 10 MHz.

 

the solution:- 

=

1 −

2

 

                   

0.9 =

1 −

10×10

6

2

 

 

                    

= 4.36 MHz

 

                     

= 2ℎ

− 1

 

                     

= 2 × 400 × 10

10×10

6

4.36×10

6

− 1 

 

                     

= 1651.27 Km

 
 
 


background image

137

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

(Space wave propagation)

 

Troposphere

 

  Useful for VHF and higher frequencies.

 

  Propagation in these frequencies are limited to a few tens of kilometers.

 

  Since space wave propagation in through troposphere 

 

  It is called troposphere propagation.

 

1- Range 

 

  TT(

ℎ ) height of the transmitting antenna 

 

              above the earth. 

  

   RR(

ℎ ) height of the receiving antenna 

 

              above the earth.

 

  d: distance between transmitting & receiving 

  

      antenna. 

 

     

=

+

 

 a: radius of the earth.

 

 

=

=

+ℎ

= ( + ℎ )

=

( +

)

 

 Note: (

1 + )

= 1 −

+

….

 

 Since the 

ℎ ≪  

⟹ 

expand by binomial theorem and neglect high power of 

  

 

= (1 −

+neglect)

  

 

= 1 −

 

 

= 1 −

2

2

 

( For small

  )

 

 

1 −

= 1 −

2

2

 

 

=

2ℎ

                  1

 

 

=

 

  

=

1

            

 2

          

 

  2    in    1

 

=

2 ℎ  

 

 In the same manner  

  

 

=

2 ℎ

 

 

∴ the range    =

+

  

 

                      

=

2 ℎ + 2 ℎ   where  = 6.37 × 10  m 

 

                  

= 3.57

ℎ + ℎ  Km

 

  

 

C

 

T

  

R

 

R

  

T

  

a

 

a

 

a

 

o

 

d

  

d

  

1

  

2

  

α

  

h

 

h

 

t

  

r

  

Ex:- Derive an expression for

 

  the range of line of sight      

space wave propagation.

  


background image

138

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

2- Field Strength

 

    Neglecting the earth's curvature

  

 
 
 
 

 

 
 
 

 

  

 

   ⃗

= ⃗ + ⃗

 

  TR : is the direct path.

 

  ToR: is the ground reflected wave.

 

  Let 

 is the field strength due to the direct wave.

  

  assume the reflection at the earth is perfect.   

 

  

= (ℎ − ℎ ) +

 

⟹ 

=

(ℎ − ℎ ) +

 

⟹ 

=

ℎ −ℎ

2

2

+ 1

 

   

=

1 +

ℎ −ℎ

2

2

0.5

  

⟹ 

=

1 +

1
2

ℎ −ℎ

2

2

+ ⋯   

 

   

=

+

ℎ −ℎ

2

2

=

+

1

2

(ℎ − 2ℎ ℎ + ℎ ) =

+

2

2

ℎ ℎ

+

2

2

  

= (ℎ + ℎ ) +

 

⟹ 

=

(ℎ + ℎ ) +

 

⟹ 

=

ℎ +ℎ

2

2

+ 1 

 

 

=

1 +

ℎ +ℎ

2

2

0.5

  

⟹ 

=

1 +

1
2

ℎ +ℎ

2

2

+ ⋯

 

 

=

+

ℎ +ℎ

2

2

=

+

1

2

(ℎ + 2ℎ ℎ + ℎ ) =

+

2

2

+

ℎ ℎ

+

2

2

  

 

=

+

2

2

+

ℎ ℎ

+

2

2

+

2

2

ℎ ℎ

+

2

2

 

 

=

+

2

2

+

ℎ ℎ

+

2

2

2

2

+

ℎ ℎ

2

2

 

 

=

2ℎ ℎ

 

 

: path difference

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

 

neglect

 

neglect

 

d

 

d

 

1

  

2

 

d

 

o

 

R

 

R

 

T

 

T

 

t

 

r

  

h

 

h

 


background image

139

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

The phase difference   (

) =

2 2ℎ ℎ

=

4 ℎ ℎ

   phase difference 

  

The resultant field strength at R is given by 

 

    

=

+

  

 

  

    

 

 

K: reflection coefficient 

  

 

=

+                                       

 

 

 

: phase difference due to the path difference

4 ℎ ℎ

.        

 

 

 

phase difference due to the path reflection from ground

 

 

 

|

|

=

(

1 +

)

2

+

2

2

 

  

For perfect reflection 

= 1∠180   

  

 

=

1 + 2

+

2

+

2

 

 

 

=

1 + 2

+ 1

 

 

 

=

2 + 2

                   

=

1
2

(1 +

2 )

 

  

=

2

(

1 +

)            

2

=

1
2

(1 +

)

 

 

 

=

2 2

2

2

  

=

4

2

2

 

  

 

= 2

2

 

Ex:-

 A transmitting antenna is elevated 30m above the grounds a receiving antenna

 

         5 Km distance is elevated 10m , determine the space wave field strength at 

 

         The receiving antenna when transmitting antenna operates 50 MHz.

 

         

= 0.94∠−180  ,  

= 1V/m

 

The solution:-  

=

+  , 

=

=

3×10

8

50×10

6

= 6m

 

  

 

=

4 ℎ ℎ

=

4 ×30×10

6×5000

= 7.2

o

   ,   

= −180

o

 

 

= 7.2

o

180

o

= −172.8

o

 

 

|

|

=

(

1 +

)

2

+

2

2

 

 

|

|

= 1

1 + 0.94

(

−172.8

)

2

+ (0.94)

2

2

(

−172.8

)

= 135.7 mV/m

  

  

Due to the 

 

direct path 

 

Due to the    

 

reflected path 

 

Ex:- Derive an expression for

 

  the space wave field strength    

(assume perfect reflection)    

 


background image

140

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Ex:- 

At what frequency a wave must propagate for D-region to have an index

 

         of refraction 0.5 given N = 400 electron/

cm

  

 the solution:- 

=

1 −

81

2

  ,  

=

400

(10

−2

)

3

= 400 × 10

6

 electron/

m  

  

                     

= 1 −

81

2

81

2

= 1 −

=

81

1

2

 

 

 

                   

=

81

1

2

=

81×400

×

10

6

1 (0.5)

2

= 207.85 KHz   

 

Ex:-

 An electromagnetic wave is propagated through the D-region with an index

 

        of the refraction of 0.5 and an electron density of 

3.24 × 10  electron/cm   

 

         if the incident angle is 30°, determine critical frequency , maximum usable

 

         frequency , and wave frequency. 

 

The solution:-  

=

3.24×10

4

(10

−2

)

3

= 3.24 × 10

10

 electron/

m  

 

                        

= 9√

= 9√3.24 × 10

= 1.62 MHz  

  

                        

=

  

 

=

=

1.62×10

6

30

= 1.87 MHz

 

                     

=

1 −

81

2

= 1 −

81

2

81

2

= 1 −

 

 

                   

=

81

1

2

=

81

1

2

=

81×3.24

×

10

10

1 (0.5)

2

= 1.87 MHz

 

 Ex:- 

A VHF communication is to be established at 90 MHz. find the distance 

 

         up to which line of sight communication may be possible if the height of

 

         the transmitting and receiving antennas are 40m and 25m respectively. also

 

         determine the field strength at the receiving end (assume perfect reflection 

 

         and  

= 1 V/m).

 

the solution:-  

= 3.57

ℎ + ℎ  Km

 

                       

= 3.57 √40 + √25 = 40.43 Km

 

 perfect reflection 

= 1∠180   ,  =

=

3×10

8

90×10

6

=

10

3

m  

  

                      

=

4 ℎ ℎ

=

4 ×40×25

10

3

×40430

= 5.3

o

 

 

                  

=

+

= 5.3

o

+

180

o

= 185.3

o

 

 

             |

|

=

(

1 +

)

2

+

2

2

 

 

             |

|

= 1

1 +

(

185.3

)

2

+ (1)

2

2

(

185.3

)

= 92.5 mV/m

       

 


background image

141

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Ex:-

 A 15 MHz wave is propagated through the ion sphere region with an electron

 

        density of 

1.24 × 10  electron/m . determine the attenuation factor for this

 

        wave. If  1- 

≫ .    2- 

=  .

 

The solution:-  

 

   1-   

≫   

 

        

=

2

m

(

2

+

2

)

≃ 0 

 

        

=

2

1 +

2

− 1 =

2

1 + (0)

2

− 1 = 0   

 

  2-  

=  

 

       

=

2

m

(

2

+

2

)

 

⟹ 

=

2

m

(

2

+

2

)

⟹ 

=

2

2m

2

  

⟹ 

=

2

2m

 

 

      

=

1.24×10

12

(1.6×10

−19

)

2

2×9.1×10

−31

×2 ×15×10

6

= 1.85 × 10

−4

 

 

   

= 1 −

2

m

o

(

2

+

2

)

 

⟹ 

= 1 −

2

2m

o

2

  

S/m

 

 

 

= 1 −

1.24×10

12

(1.6×10

−19

)

2

2×9.1×10

−31

×

10−9

36

× 2 ×15×10

6 2

= 0.778

  

 

=

o

=

1.85×10

−4

2 ×15×10

6

×

10−9

36

= 0.222

 

     

=

= 0.778

0.222

  

   

=

=

10

−9

36

(

0.778

0.222

)

  

=

2

1 +

2

− 1 = 0.0381 − 0.005 neper/m

 

  

 

Ex:- 

A high frequency radio link has to be established between two points at 

 

         a distance of 2500 Km on earth's surface. Considering the ionospheric 

 

         height to be 200 Km and its critical frequency 5 MHz, calculate MUF for

 

         the given path .

 

The solution:- 

= 2ℎ

− 1    

 

       

=

2

− 1 

 

=

− 1 

 

+ 1 =

 

       

=

2ℎ

+ 1 = 5 × 10

2500

×

10

3

2

×

200

×

10

3

+ 1 = 31.65 MHz

  


background image

142

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Ex:- 

A dipole radiator is elevated 30m above the ground . A receiving dipole

 

         5 Km

 

distant is elevated 10m . determine the space wave field strength

 

         (for parallel polarization) at the receiving antenna at a frequency of 50 MHz

 

         (assume 

= 1 V/m). 

= 15 , 

= 5 × 10  mho/m . 

  

 

 

 

 

 

 

  

The solution:-     

=

  ,  

=

 

  

 

=

5000

40

 

⟹ 

= 89.54  

 

=

1

1

2

2

=

1
15

(89.54)

= 14.96  

 

  

    

=

+

=

2 ×50×10

6

×4 ×10

−7

0.005+ 2 ×50×10

6

×

10−9

36

×15

=

395

0.005+ 0.0416

 

 

         

=

395

90

o

0.0419

83

o

395

90

o

−∠

83

o

0.0419

= √9427

7 = 97

3.5 Ω 

  

 

=

2

1

2

+

1

  

 

=

97

3.5

o

cos 89.54 −120 cos (14.96)

97

3.5

o

cos 89.54 +120 cos (14.96)

= 1∠180

  

  

   

 

=

=

3×10

8

50×10

6

= 6 m

 

  

  

   

=

4 ℎ ℎ

=

4 ×30×10

6×5000

= 7.2

o

 

 

   

=

+   

 

  

 

  

= 7.2

o

+

180

o

= 187.2

o

  

    |

|

=

(

1 +

)

2

+

2

2

 

 

   |

|

= 1

1 + 1 ×

(

187.2

)

2

+ (1)

2

2

(

187.2

)

  

    

|

|

= 125.6 mV/m

 

  

1

  

d

  

d

  

2

 

30m

 

10m

 

5000m

  


background image

143

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Parameters)

-

(S

Parameters

Scattering 

 

Notes:- voltage & current are not well defined for a microwave (why)?

  

because: 1- Equipment is not readily available to measure total voltage and total

 

                   current at the ports of the network.

 

               2- Short & open circuits are difficult to achieve over broad band of

 

                   frequencies.

 

               3- Active devices , such as power transistors & tunnel diodes frequently 

 

                   will not have stability for short or open circuit.       

 

   It is possible to define voltage as being proportional to the transverse electric field.

 

   It is possible to define current as being proportional to the transverse magnetic field.

 

   The product gives the power flow through the network.

 

 

  

 

 

 

 

 

  

  

  

  

                                                        S-Parameters

 

 

: represent the incident wave at port   1  

 

 

: represent the reflected wave at port  1

 

 

: represent the incident wave at port   2

 

 

: represent the reflected wave at port  2

 

 

: represent the incident wave at port   3

 

 

: represent the reflected wave at port  3

 

 

: represent the incident wave at port   n

 

 

: represent the reflected wave at port  n

 

 

 

  

a

 

a

 

a

 

a

 

b

 

b

  

b

 

b

 

n

 

n

 

2

 

2

 

1

 

1

 

3

 

3

 

Z

 

Z

 

Z

 

Z

 

3

 

2

 

1

 

n

 

01

 

0n

 

03

 

02

 


background image

144

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

 

=

+

    

  

 

=

+

     

  

 

=

+

 

 

=

+

 

 

=

1

  ,  

=

2

  ,  

=

3

  ……….  ,  

=

 

 

=

1

  ,  

=

2

  ,  

=

3

  ……….  ,  

=

 

 The square of any wave variable gives the average power.

 

 

=

1
2

| | =

1

2

2

=

1

1

2

  

 

: the power in the incident wave at port  1   

 

 

=

1
2

| | =

1

2

2

=

1

1

2

  

 

: the power in the reflected wave at port  1

 

 The net power flow into port   1   is given by 

  

 

=

1
2

(| | − | | )

 

 and in general the net power flow any port given by   

 

 

 =

1
2

(| | − | | )

 

The scattering Matrix 

 

  

 The scattering parameters can be written   

  

= S 

+ S

+  +S

   

 

 

= S 

+ S 

+  +S

 

 

= S 

+ S 

+   +S

 

 

 

= S 

+ S 

+  +S

 
 

  S  S

S

     

 

  

  

  S  S  S 

 

 

  S  S  S 

 

  

 

S  S  S

 

 

  

 

 

 


background image

145

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Two port network

 

 

= S

+ S

 

 

= S

+ S

 

 

S

=

1

1

 

 

S : represents the reflection coefficient at port  1  when  2  is terminated with

 

         A matched load

 

 

S

=

2

1

=

  

 

=

|

|

|

|

=

|

|

 

⟹ 

= |S |

 

  

 

S

=

2

1

 

    This factor represents the attenuation or (insertion loss)

  

 

S

=

2

2

 

reflection coefficient at port   2  when port  1  is matched

 

 

S

=

2

2

 

the attenuation for wave traveling from port  2  to port  1 

 

 

S =

1+
1−

 ⟹ 

| | =

1−S
1+S

 

Ex:- 

find the S-parameters for a two port waveguide component if the measured 

 

         VSWR = 1.3 it is also found that the power is 60 mW for an input power of 

 

         100 mW. the same results are obtained when the component is reversed

 

The solution:-    | |

=

S−1
S+1

 

 

                             

=

1.3−1
1.3+1

= 0.13 

  

                           

S

= S

=

 

                           

S

=

2

1

=

60

100

= 0.774    

 

                           

S

= S

= 0.774

 

                           

0.13 0.774

 

                           

0.774 0.13

  

 

 

wave leaving port   2

 

wave intering port   1

 

match load port   2

 

S

  

S

 

S

  

S

  

11

 

12

 

21

 

22

 

a

  

a

  

b

  

b

  

1

 

2

 

2

 

1

 


background image

146

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Ex:- 

the scatting matrix for a two port  is                             the incident power to

 

        Port  1  is 

= 50 mW, 

= 0 mW    

  

        1- calculate 

 , 

 

        2- calculate 

 , 

.

 

        3- find the reflected power at each port .

 

The solution:-  

S

= S

= 0.1  

  

                         

S

= S

= 0.7

 

        1-  

=

1
2

| |

=

2

= √2 × 0.05 = 0.316W

  

             

=

1
2

|

|

=

2

= √2 × 0 = 0W

 

        2-   

= S

+ S

 

 

              

= 0.1 × 0.316 + 0.7 × 0 = 0.0316      

 

             

= S

+ S

 

 

              

= 0.7 × 0.316 + 0.1 × 0 = 0.2212 

 

        3- 

=

1
2

| | =

1
2

|0.0316| = 0.499 mW

  

            

=

1
2

| | =

1
2

|0.2212| = 0.0244 mW

 

  

parameters

-

Properties of the S

 

1- For an ideal n-port with no reflection at any-port 

  

    

S = 0   = 1 , 2 , 3 , ….    

 

   

  

  

 

 

S

 =                               diagonal coefficients of the scattering matrix are zero

  
 
 

  All the ports have matched load.

 

 2- Reciprocal two port (symmetry of  S-parameters)

 

     A reciprocal two port has the same transmission characteristic in either direction.

 

     E.x:- for two port   1  &  2  

S

= S  

 

              for n-port  

S = S   ≠  

  

 3- Zero Property 

 

     The sum of the products of each term of any row or column multiplied by 

 

     the complex conjugate of the corresponding terms of any other row or column 

 

     is zero.

 

      

S  S

= 0

 

for  

≠  

  

  
  

0.1

 

0.7

 

0.7

 

0.1

 

0

  

0

 

0

 

0

 

k = 1 , 2 , 3 , …..n

  

j = 1 , 2 , 3 , …..n 

 

n

 

1

 


background image

147

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

 E.x    

S

S

S

S

S

S

S

S

S

  

 

S S

+ S S

+ S S

= 0

 
 

4- Unity Property

 

    The sum of the products of each term of any one row or of any one column of

 

    matrix  S  multiplied by its complex conjugate is unity.  

 

    

S  S

= 1

 

for  

= 1 , 2 , 3 ,…. , n  

  

        

S

S

S

S

S

S

S

S

S

 

 

S S

+ S S

+ S S

= 1

 

  

Microwave Components

 

 

 Microwave network consist of various microwave components and devices 

 

 connected  together.

 

Waveguide sections:

 

 Straight , twisted , curved , flexible sections toper (used as a transition between 

 

 Different size guides)

 

 Materials used (brass , bronze , and for higher frequency band , silver is used to

 

 minimize the ohmic loss )

 

 Ideal waveguide sections should have no losses or reflections.

 

 

S

=

2

1

= 1

  

 

S

= S

= 1

 

 

S

= S

= 0

 

Terminations:

 

 have an input port only.

 

 Dissipative terminations are designed to absorb the input power. 

  
 
 
 
 
 
 
 

1

 

n

 

Lossy material

 

 (tapered)     

 


background image

148

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Ex:- 

A waveguide terminations is used to dissipate 15 watts of power. if  the

 

         termination  is specified as having VSWR (S = 1.02) find the reflected power.

 

The solution:-    

=

S−1
S+1

 

 

                           

=

1.02−1
1.02+1

= 0.0099   

 

                         

= | | 

  

                         

= |0.0099| × 15 

 

                         

= 1.5 mW

 

 

 

Attenuation

  

Attenuators are used to control power levels in a microwave system by absorbing 
some of the power of an electromagnetic wave passing through. 

  

Attenuator types :

 

1- fixed 

 

2- variable

  

 
 
 
 
 
 

                             Fixed                                               variable    

  

=

 

 

 

: the output power.

 

 

: the input power.

 

 

: the total absorbed power in the resistive load. 

  

 Attenuation

= 10

1

2

= 10

1
2

1

2

1
2

2

2

= 10

1

1

2

 

  

 Attenuation(dB)

= 10

1

S

21

2

= 10

|S |

= −20

|S |

 

For  reciprocal attenuators 

S

= S  

 

Ex:-

 the input power to a 20 dB attenuator is 100 mW . find the output power and 

 

         The power absorbed by the attenuator

 

The solution:-  Attenuation

= 10

1

2

 

                                    

 

                                       

20 = 10

1

2

⟹ 

= 1 mW

 

                                       

=

 

                                       

= 100m − 1m = 99mW

 

P

1

 

P

2

 

P

1

 

P

2

 

Resistive vane 

 

Resistive vane 

 


background image

149

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Ex:-

 A 5dB waveguide attenuator is specified as having a VSWR of  1.2 assuming 

 

         That it is reciprocal . find the S-parameters of the attenuator.

 

The solution:-    

=

S−1
S+1

 

 

                           

=

1.2−1
1.2+1

= 0.0909

 

                         

S

= S

=

= 0.0909   

 

     Attenuation(dB)

= −20

|S | 

 

                             

5 = −20

|S |

S

= 0.56

 

For  reciprocal attenuators 

S

= S

= 0.56

 
  

Waveguide Tees

 

A waveguide line junction with three independent ports is referred to as a tee junction

 

The two basic types of waveguide tees are ( E-plane & H-plane ).

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 For the E-plane the axis of the side arm is parallel to the E-field lines

  

 For the H-plane the axis of the side arm is parallel to the H-field lines

 

 The scattering matrix of the E-plane T is given by

 

   [

S] =

S

S

S

S

S

S

S

S

S

⟹ 

S

S

S

S

S

S

 

 

  

 
 
 
 

when the wave is incident at port   2  will result in waves at port   1  and but apposite

  

indirection   

S

= −S  

 

since ports   1  &  2  are identical  

S

= S  

 

 [

S] =

S

S

S

S

S

−S

S

−S

S

  

 

0.0909

 

0.56

 

0.56

  

0.0909

 

  

 

=

 

=

 

=

 

Port 2

 

Port 3

 

Port 1

 

E-plane

 

Port 2

 

Port 3

 

Port 1

 

E

 

Collinear 

 

arms     

  

Side arm    

 

 

Port 2

 

E

 

E

 

Port 1

 

Port 3

 

E

 

Side arm

  

Collinear 

  

arms     

  


background image

150

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

The scattering matrix of the H-plane T is given by

 

   [

S] =

S

S

S

S

S

S

S

S

S

⟹ 

S

S

S

S

S

S

 

 

  

 
 
 

when the wave is incident at port   2  will result in waves at port   1  and with the same

 

direction   

S

= S  

 

 [

S] =

S

S

S

S

S

S

S

S

S

  

 

(Hybrid Tee)

Magic Tee 

 

  

  Magic Tee is a four port network .

 

  It can be considered as combination 

 

  of the E-plane & H-plane Tees. 

  

  A wave incident at port   4  (E arm) 

  

  divides equally between ports   2  &  3 

 

 and in opposite direction

 

 (no coupling to port   1  ) 

 

  

S

= −S

 

  

S

= 0

  

  A wave incident at port   1  (H arm) divides equally between port   2  &  3  and in

 

  The same direction (no coupling to port   4  )

 

  

S

= S

 

  

S

= 0

  

  A wave incident at port   2   zero at port   3

 

  A wave incident at port   3   zero at port   2

 

  

S

= S

= 0

 

  All the ports are matched 

S

= S

= S

= S

= 0 

 
 

             

0

S

S

S

0

0

S

0

0

0

S
S

  

             

0

S

S

0

  

 
 
 

=

 

=

  

Port 2

 

Port 3

 

Port 1

 

H-plane

 

Port 2

 

Port 3

 

Port 4

 

Port 1

 

H arm

 

E arm

 

Collinear 

 

arms    

 

  =

 


background image

151

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

For an ideal magic Tee , the scattering matrix is    

 

             

    

0  1

1

1  0

0

1  0

0

0
1

−1

  

             

0  1 −1  0

  
  
  
  
  
  
  
  

 

Directional Coupler

 

Directional coupler are four port components consisting of two waveguides coupled

 

together number of opening in a common wall

  

 
 
 
 
 

  
  
  

When all ports are terminated in their characteristic impedances , there is free 

  

transmission of power without reflection between   1  &  2  and there is no 

 

transmission of power between port   1  & port   3  or between port    2  & port   4  .

 

there directional coupler can be used to sample the power of a wave traveling 

 

in a given direction in a waveguide system.

 

 

= 10

1

4

                         

 

 Directivity  

= 10

4

3

 

 For  

= 0 

⟹  

= ∞  ideal case 

 

 For  practical D.C  

= 40 dB

 

 Scattering matrix ( assume ideal D.C )

 

 1- |

S | = |S | = 0  ,  |S | = |S | = 0

 

 

2- Assuming that the D.C is reciprocal                                  0      S      0      S    

 

                                       S      0      S      0 

  

      |

S | = |S | = |S | = |S | 

 

 3- for D.C (All the ports have matched loads)                       0      S      0      S

 

                                S      0      S      0  

  

      |

S | = |S | = |S | = |S | = 0 

 

  =

 

Port 1

 

Port 3

 

Port 2

 

Port 4

 

Added

 

waveguide

 

waveguide

 

Primary

  

Secondary

  

Canceled

  

4

  

 

 

12

 

14

 

41

  

43

 

32

 

34

 

23

 

21

 

S  =

  

A four-port circulator    

 


background image

152

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

 

Isolators

  

Isolator is non reciprocal two port component allowing a wave incident on port   1

 

to be transmitted to port   2  , but not allowing a wave incident on port   2  to be 

 

transmitted to port   1  

  

 

 

  

Application : is prevent power being reflected back to a source .

  

For ideal   |

S | = 1  forward (insertion loss)    

 

                 |

S | = 0   reverse (isolation)

 

insertion loss

= −20

|S |

 ⟹   

insertion loss

= 10

1

2

 

 

isolation

= −20

|S | 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

  

  

Ex:- 

Find the scattering coefficient for a matched isolator with 1dB insertion loss 

 

         and 30dB isolation. 

 

The solution:-  |

S | = |S | = 0

⟹  

match  

 

                        insertion loss

= −20

|S |   

 

                                           

1 = −20

|S |  

 

                                            |

S | = 0.89

  

                               isolation

= −20

|S |   

 

                                        

30 = −20

|S |

  

                                         |

S | = 0.032

 

  

 

  

 

Isolator

 

0.89

 

0.032

 

0

 

0

 

  

Faraday-rotation isolator 

 


background image

153

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

irculator

C

  

Circulators are multiport components that have the property then an incident wave 
will be coupled only to adjacent port and to no others.

  

The circulator is non reciprocal device. 

 

For three port circulator.

 

 [

S] =

0

0

S

S

0

0

0

S

0

  

  

  

Application : for a 4-port circulator 

 

 Antenna works as Tx & Rx antenna 

 

 Matched load prevents reflected wave 

 

 

 From Rx to go to Tx 

 

(despensaple if Rx is well designed)

 

 

  
  

Ex:- 

the specification of a three port circulator are given as insertion loss =1dB

 

         Isolation = 25dB and VSWR = 1.4 characterize the circulator by its

 

         S-parameters 

 

The solution:- 

=

S−1
S+1

 

 

                        

=

1.4−1
1.4+1

= 0.17

 

                        

S

= S

= S

=

= 0.17

 

        insertion loss

= −20

|S |   

  

                           

1 = −20

|S |  

 

                           |

S | = 0.89

 

                           

S

= S

= S

= 0.89

 

                isolation

= −20

|S |   

 

                         

25 = −20

|S |  

 

                         |

S | = 0.056

 

                         

S

= S

= S

= 0.056

 

  
  
  
  
  
  

 

Port 2 

 

Port 1 

 

Port 3 

 

Port 4 

 

Port 2 

 

Port 3 

 

Port 1 

 

0.89

 

0.17

  

0.17

 

0.17

 

0.89

 

0.89

 

0.056

  

0.056

 

0.056

 

Antenna 

 

Receiver 

 

Match load

 

Transmitter

 


background image

154

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Ex:-

 the scattering matrix of the three port circulator is given by: 

 

         [

S] =

0

0

0.84

0.84

0.2

0

0

0.84

0

 

         If the input power to port 1 is 10 mW , find the net power at ports 2 , and 3.

 

The solution:-  

S

= S

= S

= 0.84  ,   S

= 0.2

 ⟹

= 0.2  

 

    

= |S |

= |0.84| × 0.01 = 7.056 mW 

  

 

= |S |

= |0.2| × 7.056 × 10

= 0.28 mW   

 

 

(

)

=

 

 

= 7.056 × 10

− 0.28 × 10

 

 

= 6.776 mW

  

    

= |S |

= |0.84| × 0.28 × 10

= 0.1975 mW

 

= |S |

= |0| × 0.1975 × 10

= 0 W

 

 

(

)

=

 

 

(

)

= 0.1975 × 10

− 0

 

 

(

)

= 0.1975 mW

  

  

Ex:- 

For the following microwave circuit , determine the net power at the load

 

         And the scattering matrix of the microwave circuit.

 

        

 

          

  

 

The solution:-  Isolator

  

   insertion loss 

= −20

|S |

1 = −20

|S |

|S | = 0.89  

 

  

  

= |S |

= |0.89| × 10 × 10

= 7.9 mW  

  

  isolation

= −20

|S |

20 = −20

|S |

|S | = 0.1 

  

 Attenuator  (i/p power for Attenuator 

 =

= )     

  

  Attenuation

= 10

1

2

 

⟹ 

Attenuation

= 10

2

10 = 10

7.9×10

−3

2

 

 

= 0.79 mW  ,   

=

S−1
S+1

=

1.4−1
1.4+1

=

1
6

   

|S | =

=

1
6

   , where |

S | = 0    

  

 

(

)

=

− | |

= 0.79 × 10

1
6

× 0.79 × 10

= 0.77 mW

 

 

10 = −20

|S | 

⟹ 

|S | = 0.316 

  

 |

S | = |S | = 0.316

  

  
  

  

0.89

  

0.1

 

0

  

0

  

0

  

0.316

  

0.316

  

1

 

  

6

 

  

 

 

Attenuator

 

Isolator

 

Load 

  

VSWR

=1.4

 

10 dB

 

Insertion loss = 1dB

 

Isolation = 20dB

 

Matched

  

P

i

 = 10 mW

  


background image

155

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Ex:-

 The input power to a directional coupler is 120 mW .the coupling coefficient is

 

         20 dB and the directivity is 40 dB. Assuming that the coupler is lossless and 

 

         that all the ports have matched loads. 

 

        1- Find the output power for ports 2,3 and 4.

 

        2- Characterize the coupler by its S-parameters.

 

The solution:- 

= 10

1

4

 

 

  

1-  

20 = 10

120×10

−3

4

  

 

       

= 1.2 mW

  

         

= 10

4

3

40 = 10

1.2×10

−3

3

 

 

      

= 0.12  W

 

=

  

 

    

= 120 × 10

− 1.2 × 10

− 0.12 × 10

= 118.8 mW         

 

  

 2-   

= 10

1

4

= −20

|S |

 

       

20 = −20

|S |

|S | = 0.1

 

       |

S | = |S | = |S | = |S | = 0.1    

 

       |

S | = |S | = |S | = |S | = 0

  

       

= 10

4

3

= 10

4

3

1

1

= 10

1

3

4

1

  

 

       

= −20

31

41

   

 

       

40 = −20

31

0.1

|S | = 0.001

  

       |

S | = |S | = |S | = |S | = 0.001

 

       

S S

+ S S

+ S S

+ S S

= 1

 

       

0 × 0 + S

2

+ 0.001 + 0.1 = 1 

 

       

S

= √1 − 0.01 − 10

= 0.99

  

      |

S | = |S | = |S | = |S | = 0.99

 

                  

0       0.99     0.001    0.1 

 

             0.99       0         0.1      0.001

 

            0.001     0.1        0        0.99

 

              0.1     0.001    0.99       0

 

  
  

  
  


background image

156

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

ystron

Cavity Kl

 

Two

  

Characteristics:- 

 

1- 

= 40% 

  

2- output power contains wave is up to 500 Km pulsed power is up to 30MW at

 

    10 GHz.

  

3- power gain about 30dB. 

 
 
 
 
 
 
 
 
  
  
  
  
  
  
 

1- Velocity Modulation Process.

  

 

    

m

2

=

 

 

    

=

2

m

= 0.593 × 10

 mps  

  

     The gap voltage between buncher grids (signal voltage)

 

     

=

 

 

     

 

  
  
  
  
  
  
  

  

Let  

=  

 

       

=

 

     

=

=

(

)

=

 

 rad

  

 

Two cavity klystron amplifier

 

 

Signal voltage in the average gap transit angle

 


background image

157

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

   

: time each electron spends in gap region.   

 

  d: gap spacing in either cavity.     

  

: gap transient. 

 

 

( ) =

 1 +

1

2

+

2

 

  

 

( ) =

 1 +

1

2

2

 

 

=

(

/2)

/2

 

  

 

=

1 +

1

2

  

 

=

1 −

1

2

 

   : beam coupling coefficient of the input cavity.

  

 

 : amplitude of input signal.

 

   : DC beam voltage.  

 
  

 2- Bunching  Process

 
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
 

 

∆L =

(

)

 

 

∆L =

(

)

 

 

∆L =

(

)

 

 

∆L: the distance from the buncher grids to the location of dense electron bunching.

  

 The necessary condition for those electrons at   ,   ,   to meet at the same distance

 

 

∆L =

1

  

  

 

  

  

Signal voltage in the buncher gap

 


background image

158

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

=

 

  where 

=

 

 

=

 

 

  

X =

1

2

 

 

: DC transit angle between cavities.

 

   L: spacing between centers of cavities. 

 

   

X: bunching parameter.

  

  The fundamental component of the beam current at the catcher cavity 

 

   has a magnitude 

 

  (

) = 2

( )      where    : input DC current         

  

=

  identical cavities 

  

 

= 2

( )

  

  ( )

= 0.582  at   = 1.841

 

 

=

3.682

1

 

Output power and efficiency

 

 

 
  
  
  
  
  
  
  
  

 

: the wall resistance of the catcher cavity.

 

    

: beam coupling resistance. 

  

    

: external load resistance.

 

 

=

//

//

   ,  

: the effective shunt resistance 

  

  

=

(

) ×

 

   

= 2

( )

 

    

=

   ,  

=

2 2

(

)

2

   ,   

=

  

  

   

=

2 2

(

)

2

 

    

=

2

1

( )

2

2

× 100%

  

  

max

 

max

 

max

 

 

Output equivalent circuit

 

 

 

I

2

(ind)

  

I

2

(ind)

  


background image

159

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

For perfect coupling 

  

 

 

 

 

 

= 1 

  

  

=

(

)

= 2

(1.841) = 2

× 0.582

  

 

=

 

 

  

=

2

1

( )

2

2

× 100%

 

  

=

2(1) (0.582)

2

× 100% = 58.2%

 

 

=

2
1

=

2

1

( )

1

 

 

Ex:- 

A two-cavity Klystron amplifier has the following parameters 

 

         

= 1000 V ,  

= 40 kΩ  ,  

= 25 mA  ,   = 3 GHz

 

         Gap spacing in either cavity (d) = 1mm  and spacing between the two cavity

 

         (L) =4cm , Effective shunt impedance excluding beam loading 

= 30 kΩ  

 

         1- find the input gap voltage to give maximum voltage 

 

 

         2- find the voltage gain & efficiency of the amplifier.  

 

The solution:- The solution:- for maximum 

( ) must be maximum

 

                       This means  ( )

= 0.582  at   = 1.841 

 

    1-  

= 0.593 × 10

 

  

         

= 0.593 × 10 √1000 = 1.88 × 10  mps

 

        

=

= 2 × 3 × 10

10

−3

1.88×10

7

= 1 rad

 

 

  

        

=

=

(

/2)

/2

=

(

1/2)

1/2

= 0.958                       

  

        

=

= 2 × 3 × 10

4×10

−2

1.88×10

7

= 40 rad                      

  

        

=

2

=

2 1000 (1.841)

0.958 40

= 96 V

  

    2- 

=

2
1

=

836

96

= 8.7 

 

          (

) = 2

( ) 

 

          (

) = 2(0.958)(25 × 10 )(0.582) = 27.88 mA

 

         

= 2

( )

 

  

         

= 2(0.958)(25 × 10 )(0.582)(30 × 10 ) = 836 V

 

        

=

2 2

(

)

2

  

          

=

(

836

)

(27.88×10

−3

)

2(1000)(25×10

−3

)

× 100% = 46.6%

  

  


background image

160

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Ex:- 

A two-cavity amplifier klystron has the following parameters:

 

         Beam voltage :                              

= 900 V   

 

         Beam current :                                

= 30 mA

 

         Frequency :                                   

 = 8 GHz  

 

        Gap spacing in either cavity :           

= 1 mm

 

        Spacing between centers of cavities: L = 4 cm

  

   

        Effective shunt impedance:           

= 40kΩ   

 

        Determine: 

 

        a- The electron velocity.

 

        b- the dc transient time of electron.  

  

        c- The input voltage for maximum output voltage.        

 

        d- The voltage gain in decibels & efficiency of the amplifier.         

 

   The solution:- for maximum 

( ) must be maximum

 

                           This means  ( )

= 0.582  at   = 1.841   

 

       a- 

= 0.593 × 10

             

 

           

= 0.593 × 10 √900 = 17.79 × 10  mps

  

       b- 

=

   ,  

= 4 × 10

− 2

10

−3

2

= 3.9 cm 

 

           

=

= 2 × 8 × 10

3.9×10

−2

17.79×10

6

= 110.2 rad

 

       c- 

=

= 2 × 8 × 10

10

−3

17.79×10

6

= 2.825 rad

 

  

            

=

(

/2)

/2

=

(

2.825/2)

2.825/2

= 0.699                                

  

            

=

2

=

2 900 (1.841)

0.699 110.2

= 43 V

  

       d-   (

) = 2

( ) 

 

             (

) = 2(0.699)(30 × 10 )(0.582) = 24.4 mA

 

           

= 2

( )

 

  

            

= 2(0.699)(30 × 10 )(0.582)(40 × 10 ) = 976 V

  

           

=

2
1

=

976

43

= 22.7

 

          

  

=

2 2

(

)

2

  

            

=

(

976

)

(24.4×10

−3

)

2(900)(30×10

−3

)

× 100% = 44%

 

  
  
  


background image

161

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Ex:- 

A two cavity klystron amplifier has the following parameters: 

= 1200 V

 

         

= 28 mA ,  = 5 GHz , gap spacing in either = 1mm , spacing between 

 

         the cavities = 4cm , shunt resistance of output cavity = 60k

Ω , load resistance

 

         of output cavity = 60k

Ω , and the peak input voltage = 50 volt . determine

 

         1- The time the electrons are in the gap.  

 

         2- The efficiency of the amplifier. 

  

         3- The voltage gain.

 

         4- The range of the velocities of electrons as they leave the gap region. 

 

         5- The power delivered to the load.

 

The solution:-  

= 1200 V , 

= 28 mA ,  = 5 GHz , d =1mm , L = 4cm 

 

                         

= 60kΩ  , 

= 60kΩ , 

= 50 V       

 

     1-   

= 0.593 × 10

             

 

           

= 0.593 × 10 √1200 = 20.54 × 10  mps 

 

           

=

=

0.001

20.54×10

6

= 48.68 Psec

  

     2-  

=

= 2 × 5 × 10

10

−3

20.54×10

6

= 1.53 rad

 

  

            

=

(

/2)

/2

=

(

1.53/2)

1.53/2

= 0.905               

 

           

=

= 2 × 5 × 10

4×10

−2

20.54×10

6

= 61.18 rad

 

             

X =

1

2

=

0.905×50

2×1200

61.18 = 1.153 from table   ( ) = 0.485

 

            

=

//

= 30kΩ

  

            

= 2

( )

 

  

            

= 2(0.905)(28 × 10 )(0.485)(30 × 10 ) = 737.4 V

 

             (

) = 2

( ) = 2(0.905)(28 × 10 )(0.485) = 24.6 mA 

  

          

  

=

2 2

(

)

2

=

(

737.4

)

(24.6×10

−3

)

2(1200)(28×10

−3

)

× 100% = 26.99%

  

      3-   

=

2
1

=

737.4

50

= 14.748 

 

      4-

   

=

1 +

1

2

= 20.54 × 10 1 +

0.905×50

2×1200

= 20.92 × 10  m/s 

  

           

=

1 −

1

2

= 20.54 × 10 1 −

0.905×50

2×1200

= 20.15 × 10  m/s

  

      5-   

=

(

)

+

= 24.6 × 10

60×10

3

60×10

3

+60×10

3

= 12.3 mA

  

            

=

2

2

=

12.3×10

−3 2

×60×10

3

2

= 4.5 W

  

            

  


background image

162

 

 

ﺎﺋﯿﺔــﺑﺮﮭﻜﻟا ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﻞــــﺻﻮﻤﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ

  

    

 ﺎﻻتــﺼﺗﻻاو ﻚـــﯿﻧوﺮﺘﻜﻟﻻا عﺮـــــــــــــــﻓ

  

    

ﺎروديــﺒﻟا ﺪﻤﺤﻣ ﺪﯾﺆﻣ ناوﺮﻣ ﺐﻟﺎﻄﻟا داﺪﻋا

 

Ex:- 

A two cavity klystron amplifier has the following parameters: 

= 1200 V

 

         

= 40k

Ω ,  = 5 GHz , d = 1mm , L = L

= 4cm , shunt resistance 

  

         of the output cavity = 60k

Ω and load resistance of the output cavity = 60kΩ 

  

         determine:

 

         1- The catcher cavity voltage. 

  

         2- The efficiency of the amplifier . 

 

         3- The voltage gain.

 

         4- The distance from the buncher grid to the location of dense electrons.  

  

The solution:- 

= 1200 V , 

= 40KΩ ,  = 5GHz , d =1mm 

  

                       L = 

L

= 4cm  

= 60kΩ , 

= 60kΩ

  

       1-   

= 0.593 × 10

             

 

  

             

= 0.593 × 10 √1200 = 20.54 × 10  m/s  

 

             

=

= 2 × 5 × 10

10

−3

20.54×10

6

= 1.53 rad

 

          

=

= 2 × 5 × 10

4×10

−2

20.54×10

6

= 61.18 rad

 

  

             

=

(

/2)

/2

=

(

1.53/2)

1.53/2

= 0.905                         

  

             

=

3.682

1

 

⟹  

=

3.682

 

            

=

3.682×20.54×10

6

×1200

2 ×5×10

9

×0.905×4×10

−2

= 79.8 V

 

            

X =

1

2

=

0.905×79.8

2×1200

61.18 = 1.84 from table   ( ) = 0.582

 

            

=

//

= 30kΩ 

 

            

=

=

1200

40×10

3

= 30 mA

 

            

= 2

( )

 

  

            

= 2(0.905)(30 × 10 )(0.582)(30 × 10 ) = 948 V

 

      2-    (

) = 2

( ) = 2(0.905)(30 × 10 )(0.582) = 31.6 mA 

  

          

  

=

2 2

(

)

2

=

(

948

)

(31.6×10

−3

)

2(1200)(30×10

−3

)

× 100% = 41.6%

  

      3-   

=

2

1

=

948

79.8

= 11.88

 

      4- 

∆L =

1

= 20.54 × 10

×1200

2 ×5×10

9

×0.905×79.8

= 0.034 m

 

 
 

 
 




رفعت المحاضرة من قبل: Bilal AL Qazzaz
المشاهدات: لقد قام 7 أعضاء و 276 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل