תמסורת גלים ומערכות מפולגות 0512.3526 - סמסטר ב תשע"ז

הרצאה:  ב' 13:00-16:00 וולפסון 120.    

תרגול:  קבוצה א:
           קבוצה ב:  

צוות הקורס

שעת קבלה

בניין\חדר

דואל\טלפון

מרצה :
פרופ אהוד הימן

בתאום מראש במייל

מעבדות חשמל – ח' 242

heyman@tau.ac.il

640-8147

מתרגל:
מר רם טובי

בתאום מראש במייל

תכנה – ח' 208

ramtuvi@tau.ac.il

בודק תרגילים:

מר רן פררו

בתאום מראש במייל

ranferaru@mail.tau.ac.il

כמן כן ניתן לתאם שעות קבלה אישיות עם המרצה או המתרגל באמצעות המייל.

מטלות:

1. תרגילי בית: יינתנו 8 תרגילי בית. יש להגיע לציון ממוצע 7 על מנת להיות רשאי להבחן. ציון התרגילים לא יהיה חלק מהציון הסופי.
2. ובדיקה: הגשת התרגילים תתבצע בצורה אלקטרונית לאתר המודל. יש להגיש קובץ PDF יחיד וקריא (תרגיל שלא יהיה קריא לא ייבדק). אישורי מחלה/מילואים או בקשות מיוחדות יש להפנות ישירות לבודק התרגילים.

חשוב להדגיש: התמודדות עצמית עם תרגילי הבית מהווה מרכיב חשוב בלימוד ובהצלחה בקורס!!!  

1. פרויקטים חישוביים: בנוסף לתרגילים הנ"ל יינתנו 4 תרגילי מטלאב במשקל כולל 20% חובה.  התרגילים יינתנו בזוגות ויבדקו פרונטלית מול צוות הקורס.
2. בחן אמצע: צוות הקורס רואה בהכנה לקראת הבוחן ובהשתפות בו מרכיב חשוב בתהליך הלימוד. לכן,  ההשתתפות בבחן היא חובה ובמקרה של היעדרות מסיבה לא מוצדקת, הבחן יחשב כציון אפס במשקל 10 נקודות בציון הסופי. היעדרות אפשרית רק מסיבות של מילואים או אשפוז בלבד. משקל הבוחן בציון הסופי הוא 15 נקודות מגן.
3. בחינה סופית: החומר לבחינה הסופית יכלול את כל החומר שהועבר בכיתה, החומר שנמצא באתר הקורס, תרגולי הכיתה ותרגילי הבית.
4. שאלות תלמידים: נא להפנות שאלות לפורום "שאלות סטודנטים" באתר הקורס ולא לדואר האלקטרוני

תוכן מורחב

1. מבוא לגלים ומערכות מפולגות:
   1. המעבר ממעגל מקובץ לרשת מפולגת עם העלייה בתדר.
   2. סוגי גלים: אלקטרומגנטים, אקוסטיים, אלסטיים, סיסמיים, 
   3. יישומי גלים: קרינה, התפשטות, פיזור, חישה
   4. תחומי תדר אופייניים ויישומים

חלק א: תורת הרשת של מערכות מפולגות

1. משוואת קו התמסורת
   1.  מודל רשת לקו תמסורת:  קיבול, השראות והתנגדות ליחידת אורך.
   2. משוואת קו התמסורת (משוואות הטלגרפיה ) בתחום הזמן  
   3. פתרונות גל נע בקו חסר הפסדים. מהירות הגל. אימפדנס אופייני
   4. מתח זרם והספק במישור הזמן. חוק שימור האנרגיה
2. פתרונות משוואות קו התמסורת בתחום הזמן:
   1. הדהודים בקו: דיאגרמת הדים בזמן ובמקום.
   2. דוגמאות להתפשטות פולסים
3. תורת הרשת למערכות מפולגות בניסוח תחום התדר
   1. חזרה וחידוד של מושגים פאזוריים:  מתח, זרם, הספק ממשי והספק ראקטיבי
   2. פתרון פאזורי של משוואות קו התמסורת.
   3. קו סופי מועמס (מקרים פרטיים: עומס מתואם,  קצר ונתק, עומס דמיוני).
   4. פתרונות גל נע: גלים מתקדמים וחוזרים. מקדם החזרה לאורך הקו
   5. פתרונות שדה כולל:  מתח וזרם לאורך הקו. אימפדנס לאורך הקו. 
   6. דיאגרמת Smith.
   7. גלים עומדים (יג"ע, SWR).
   8. פתרון בעיית המקור – מעגלי תמורה
   9. פרמטרי פיזור ומטריצת פיזור.
   10. טכניקות פתרון למעבר בקוו קו תמסורת רב שכבתי: שיקוף עכבות ומטריצת  ABCD
   11. הקשר בין הדהודים בקו לפתרון רשת של המצב היציב
   12. רזוננסים בקווי תמסורת סופיים: מהודים.
4. תאום עכבות
   1. שנאי רבע אורך-גל.
   2. תאום בעזרת עומסים ראקטיביית: עומס אחד, שני עומסים, שלשה עומסים.
   3. תאום עכבות רחב סרט.
5. הספקים והפסדים בקווי תמסורת:
   1. הספק מרוכב. שימור אנרגיה (משפט פוינטינג)
   2. גורמי הפסדים בקווי תמסורת. התלות בתדר.
   3. התפשטות פולס בקו דיספרסיבי: מהירות הפאזה והחבורה

חלק ב: תורה אלקטרומגנטית לקווי תמסורת

1. מנחי (מוליכי) גלים מטיפוס TEM:
   1. הפרדת משוואות מקסוול למשוואות אורכיות ורוחביות  ופיתוח משוואות קווי תמסורת (תחום הזמן)
   2. פתרונות גל נע.
   3. חישוב אלקטרומגנטי של פרמטרי הקו: קיבול,  השראות והתנגדות ליחידת אורך.
   4. דוגמאות: קו לוחות מקבילים, קו קואקסיאלי.
2. מנחי (מוליכי) גלים מטיפוס TE ו TM
   1. הפרדת משוואות מקסוול למשוואות אורכיות ורוחביות  ופיתוח משוואות קווי תמסורת (תחום התדר)
   2. אנלוגית קו התמסורת, אופנים (modes) מטיפוס TE ו- TM
   3. מקדם ההתפשטות, עכבה אופיינית
   4. מוליך גלים בעל חתך מלבני.
   5. מבוא למוליכי גלים דיאלקטריים וסיבים אופטיים
3. סוגי גלים אחרים
   1. רעידות על מיתר מתוח (גלי רוחב)
   2. גלים אקוסטיים בתוך צינור (גלי  לחץ אורכיים)
   3. גלים אלסטיים במוט (גלי לחץ בהזנחת גלי הגזירה)

חלק ג: גלים אלקטרומגנטיים מישוריים

1. משוואת הגלים במרחב הומוגני
2. גל מישורי בכיוון כללי
3. קיטובים - לינארי, מעגלי, אליפטי
4. פגיעת גל מישורי במשטח מתכתי
5. פגיעת גל מישורי במשטח גבול שבין שני חומרים דיאלקטריים הומוגניים: חוק סנל, מקדמי  פרנל, החזרה פנימית גמורה, זווית ברוסטר
6. אנלוג קו התמסורת, תווך רב-שכבתי
7. ספקטרום של גלים מישוריים.
8. קרינה ממפתח: ניסוח דו ממדי (מפתח חד ממדי)

חלק ד: מבוא לקרינה 

1. דיפול הרץ (אנטנת דיפול קצר).
2. מערך דיפולים: התאבכות, עקום קרינה
3. מושגים יסודיים בתורת האנטנות.

ספרות

1. פרופ' ג'רבי ופרופ' קסטנר, תמסורת גלים ומערכות מפולגות – תקצירי הרצאות. הפקולטה להנדסה,  אוניברסיטת ת"א, 2010.  החוברת כוללת את רוב מרכיבי הקורס אבל  הרכב הקורס ותוכנו אינם זהים. 
2. Sophocles J. Orfanidis, Electromagnetic Waves and Antennas, 2014. Free download  from http://www.ece.rutgers.edu/~orfanidi/ewa/
3. S. Ramo, J. R. Whinnery, T. Van Duzer, Field and waves in communication electronics, Wiley, 1984
4. U.S. Inan and A.S. Inan, Electromagnetic waves, Prentice Hall, 2000.
5. S. R. Seshadri, Fundamentals of transmission lines and EM fields, Addison-Wesley, 1971.
6. R. E. Collin, Foundations for microwave engineering, 2^nd Edition, McGraw-Hill, 1992 (or Wiley-IEEE Press 2000). 
7. D. M. Pozar, Microwave engineering, 4^th Edition, Wiley 2012 (1^st Edition, 1998).
8. C.T.A Johnk, Engineering electromagnetic fields and waves, Wiley, 1988.

Wave transmission

LECTURER                                                 Prof. Ehud Heyman

Office: EE Labs Building, room 242

E-mail: heyman@tau.ac.il

TEACHING ASSISTANT                          Mr. Ram Tuvi

Office: Software Building, room 208

E-mail: ramtuvi@post.tau.ac.il

COURSE TOPICS                                                                                      

PART I: Circuit Theory of Transmission Lines and Distributed Systems 

Week 1: Derivation of the Telegraphist’s equations. Wave solutions: time-harmonic and transient solutions. Power flow and dissipation and: energy conservation.

Week 2: transient solutions in lossless transmission line: reverberations;

Week 3-6: distributed circuit theory in the time harmonic regime: traveling wave solutions and power flow. Reflections, reflection coefficient and standing waves. Input impedance.  Smith Chart. Measurements in transmission lines; Matching networks: quarter wavelength, stub mating (one two and triple)). Pulse propagation and dispersion: phase and group velocities. 

PART II: Electromagnetic Theory of Transmission Lines

Week 7-8: EM waves in transmission line (TEM modes): Review of Maxwell’s Equations; derivation of the transmission line model; examples of electromagnetic systems

Week 8-9: EM waves in waveguides: Derivation of the transmission line equations for TE and TM modes in general configurations. Example: rectangular waveguides.

PART III: Plane Waves  

Week 10-11: Electromagnetic plane-waves:  The wave equation in free space, plane wave solutions, polarization. Plane wave reflection and transmission at in multi-layered  media: Transmission line analog. Angular spectrum of plane waves.

PART IV: Introduction to Radiation  

Week 12-13: Radiation: The Herzian dipole. Near vs far fields. Arrays of Herzian dipoles. Far field approximations, radiation patters, interference.

ASSIGNMENTS

There will be 8 homework assignments 75% of all homework assignments must be handed in for evaluation. In addition there will be 4 mandatory MATLAB project that count toward 20% of the final grade. Student will be examined on each project.

MIDTERM COURSE POLICY

The 2 hours midterm will count for 15% of the total course grade, if the mideterm grade is higher than that of the final exam, and will not be counted if the grade is lower. Students are permitted to bring only a basic calculator and 4 pages of formulas (no solved examples) written by the student.   

FINAL COURSE POLICY

The final 3 hours exam will cover the entire course material and will count for 65% to 80% of the total course grade, depending if the midterm grade is counted or not.  Students are permitted to bring to the exam only a basic calculator and 4 pages of formulas (no solved examples) written by the student.   

BIBLIOGRAPHY

1. Sophocles J. Orfanidis, Electromagnetic waves and antennas, 2014. Free download  from http://www.ece.rutgers.edu/~orfanidi/ewa/
2. S. Ramo, J. R. Whinnery, T. Van Duzer, Field and waves in communication electronics, Wiley, 1984
3. U.S. Inan and A.S. Inan, Electromagnetic waves, Prentice Hall, 2000.
4. C.T.A Johnk, Engineering lectromagnetic fields and waves, Wiley, 1988.
5. R. E. Collin, Foundations for microwave engineering, 2^nd Edition, McGraw-Hill, 1992 (or Wiley-IEEE Press 2000). 
6. D. M. Pozar, Microwave engineering, 4^th Edition, Wiley 2012 (1^st Edition, 1998).