موج‌بر: تفاوت میان نسخه‌ها

== اصول عملکرد ==

موج‌ها در فضاهای باز در تمام جهات به شکل '''موج کروی''' منتشر می شوندمی‌شوند و این امواج توان خود را متناسب با مجذور فاصله از دست می دهندمی‌دهند. در فاصلهٔ '''R''' از یک منبع توان برابر است با توان منبع تقسیم بر '''<math>\ R^2</math>'''. .هادی‌های موج، امواج را محدود می سازندمی‌سازند تا در در یک بعد انتشار یابند. با استفاده از هادی‌های موج در شرایط ایده‌آل امواج توان خود را هنگام انتشار از دست نمی‌دهند.

به علت بازتاب کامل ازدیواره‌های هادی موج؛ موج‌ها درون آن به دام می افتندمی‌افتند و بنا براین انتشار درون هادی موج تقریباً به شکل زیک زاک بین دیواره‌ها خواهد بود. این توصیف برای موجهای الکتزو مغناطیسی در لوله‌های تو خالی مستطیلی و دایره ایدایره‌ای دقیق تر و کامل تر است.

== تاریخچه ==

اولین ساختار برای هدایت موج‌ها توسط '''J. J. Thomson''' در سال '''۱۸۹۳''' پیشنهاد شد که اولین بار به شکل تجربی توسط '''O. J. Lodge''' در سال '''۱۸۹۴''' امتحان گردید.

مطالعات در زمینهٔ هادی موج دی الکتریک همچون فیبرهای نوری ازاوایل سال '''۱۹۲۰''' آغاز شد، اینکار توسط چند نفر انجام شد که معروفترین آنها '''Sommerfeld''' و '''Debye''' بودند . فیبرهای نوری توجهات خاصی را از آغاز سال '''۱۹۶۰''' به خود جلب کرد که علت اصلی آن اهمیت این فیبرها در صنعت ارتباطات بود.

== کاربردها ==

استفاده از هادی‌های موج حتی قبل از اینکه این اصطلاح به وجود آید، شناخته شده بود . از زمانهای قدیم انتشار امواج صوتی در امتداد یک سیم کشیده شده یک پدیدهٔ آشنا بوده است؛ همانطورهمان‌طور که انعکاس صوتی که در یک مجرای تو خالی همچون یک غار یا گوشی‌های طبی شناخته شده بود.

استفاده‌های دیگر از هادی‌های موج در [[انتقال توان]] بین دو جزء از سیستم مثل رادیو، رادار و یا وسایل نوری می باشدمی‌باشد. هادی‌های موج از اصول پایه ایپایه‌ای آزمودن موج هدایت شده پیروی می کنندمی‌کنند که از روشهای ارزیابی غیر مخرب است.

* فیبرهای نوری که نور و سیگنال‌ها را تا فاصله‌های دور با سرعت‌های زیاد انتقال می دهندمی‌دهند.

* هادی موج در رادارها، موجها را به یک آنتن هدایت می‌کند که باید مقاومت ظاهری آن با توان موثرمؤثر انتقال، مطابقت داشته باشد.

یک نوع از هادی موج که به آن باریکهٔ خطی میگویند،می‌گویند، میتواندمی‌تواند روی یک تخته مدار چاپی ساخته شود و برای انتقال سیگنال‌های ماکرو ویو روی تخته از آن استفاده می شودمی‌شود. این نوع از هادی موج خیلی ارزان ساخته می‌شود و ابعاد کوچکی دارد که میتواندمی‌تواند برای استفاده درون تخته مدار چاپی مناسب باشد .

* هادی‌های موج در ابزارهای علمی برای اندازه گیریاندازه‌گیری خواص نوری، صوتی و کشسانی مواد و اشیاء استفاده می شوندمی‌شوند.

هادی‌های موج میتوانندمی‌توانند در تماس با یک نمونه قرار بگیرند، برای مثال در سونوگرافی‌های پزشکی که در این نوع موارد هادی موج باعث می‌شود تا توان موج آزمایشگر محفوظ بماند و یا اینکه نمونهٔ آزمایشی درون هادی موج قرار بگیرد همانند سنجش دی الکتریک دائمی. بنابر این اجسام کوچکتر مورد آزمایش قرار می گیرندمی‌گیرند و دقت آزمایش بیشتر خواهد شد.

== تحلیل نظری ==

انتشار امواج در امتداد محورهای هادی موج توسط [[معادله موج]] تشریح می‌شود و طول موج بستگی به ساختار هادی موج و همچنین فرکانس آن دارد.
اگر امتداد عرضی هادی موج را در نظر بگیریم، موج در یک الگوی موج ایستاده محبوس می شودمی‌شود. معادله ایمعادله‌ای که شکل امواج متقاطع را توصیف می کند،می‌کند، بسیار پیچیده ترپیچیده‌تر است. در مورد امواج الکترومغناطیسی از '''معادلات ماکسول''' سرچشمه می گیردمی‌گیرد و در مورد امواج صوتی از معادلهٔ '''الکتریسیته خطی''' همراه با شرایط مرزی گرفته می‌شود که به شکل هادی موج و نیز مواد سازندهٔ هادی موج بستگی دارد.

این معادلات راه حل‌های مختلفی دارند که روش‌های انتشار نامیده می شودمی‌شود. در هر کدام از این حالت‌ها که موج در امتداد هادی موج حرکت میکند،می‌کند، سرعت و شکل انتشار با نوع دیگر متفاوت خواهد بود.

دسته فرکانس هاییفرکانس‌هایی که یک هادی موج می تواندمی‌تواند هدایت کند به عرض آن بستگی دارد. تخمین زده می‌شود که برای طول موج‌های بلند تربلندتر هادی موج عریض تری احتیاج است .

یک استثنااستثناء که در این قانون قابل ذکر است، برای حالت امواج مسطح در یک هادی موج مشخص وجود دارد.( (مثل یک سیم هم محور در امواج الکترومغناطیسی یا لوله‌های توخالی برای امواج صوتی )

در حالتی که یک موج مسطح داریم [[پهنای باند]] بزرگی وجود دارد که می تواندمی‌تواند طول موجی بسیار بیشتر از مرتبهٔ اندازهٔ عرض هادی موج داشته باشد .

در دو انتهای هادی موج تشدیدی حاصل می‌شود که در این حالت تنها فرکانس‌های مشخصی – حالت‌های طبیعی تشدید - برای دوره‌های طولانی می تواندمی‌تواند وجود داشته باشد .

== حالت‌های انتشار و فرکانس‌های قطع ==

یک حالت انتشار در یک هادی موج، یکی از راه حل‌های معادله موج یا به عبارت دیگر شکل موج است.
بعلت محدودیت شرایط مرزی برای [[تابع موج]] فقط فرکانس‌ها و شکل‌های محدودی وجود دارد که بتواند در هادی موج انتشار یابد. کمترین فرکانسی که در یک حالت مشخص می تواندمی‌تواند انتشار یابد ،یابد، '''فرکانس قطع''' آن حالت نامیده می شودمی‌شود. حالتی که در پایین‌ترین فرکانس قطع وجود دارد، حالت پایهٔ هادی موج است و فرکانس قطع آن، فرکانس قطع هادی موج است.

یک حالت ویژهٔ هادی موج هنگامی است که یک حالت موج مسطح داریم.

یک موج مسطح در فضای آزاد منتشر می‌شود و [[جبهه موج]] آن نیز مسطح است . یک موج مسطح می تواندمی‌تواند در یک باند فرکانسی وسیع انتشار یابد . در یک هادی موج ایده‌آل که دیواره‌های آن بشکل کامل بازتاب می کنند،می‌کنند، فرکانس قطع نزدیک صفر است. البته موج‌های مسطح نمی‌توانند در هر نوع از هادی موج انتشار یابند، برای مثال یک کابل هم محور میتواندمی‌تواند یک موج مسطح الکترومغناطیسی را پشتیبانی کند اما یک لولهٔ توخالی نمی‌تواند این کار را انجام دهد.

موج در امتداد هادی موج ( حول محور z ) با رابطهٔ

بدست می آیدمی‌آید که<math>\ f</math> فرکانس <math>\ \vec v</math> سرعت موج در فضای آزاد و <math>\ \vec k</math> [[عدد موج]] است که بشکل برداری است و اندازهٔ آن برابر است با <math>\ k=\frac{2\pi f}{v}</math>

ارتباط بین اندازهٔ عدد موج و مولفه‌های آن از رابطهٔ <math>\ k^2=k_x^2+k_y^2+k_z^2</math> بدست می آیدمی‌آید که <math>k_y</math>

و <math>k_x</math> عددهای موج متقاطع هستند و بستگی به ساختار هادی موج و حالت آن دارد و نسبتی با فرکانس ندارد. قطع جریان موج به این معناست که موج منتشر نمی‌شود و بنابر این عدد موج طولی برابر صفر است؛ و بدین ترتیب عدد موج قطع <math>k_c=k=\sqrt{k_x^2+k_y^2}</math> و بنابراین فرکانس قطع برابر است با <math>f_c=\frac{k_c v}{2\pi}=\frac{v}{2\pi}\sqrt{k_x^2+k_y^2}</math>.

== هادی‌های امواج الکترومغناطیسی ==

هادی‌های موج می توانندمی‌توانند به منظور حمل موجها بر فراز بخش وسیعی از طیف الکترو مغناطیسی ساخته شوند. اما خصوصاً در مورد محدودهٔ فرکانس‌های نوری و میکرو ویوها سودمند می باشندمی‌باشند.

بنا به فرکانس مورد نیاز می توانندمی‌توانند از مواد رسانا یا عایق ساخته شوند . هادی‌های موج همچنین برای انتقال سیگنال‌های برق و مخابراتی استفاده می شودمی‌شود.

== هادی‌های امواج نوری ==

هادی‌های موجی که در فرکانس‌های نوری استفاده می شوندمی‌شوند و معمولاً دارای ساختار عایق می باشندمی‌باشند که با مواد عایق ساخته شده و در جریان‌های الکتریکی بالا قرار می گیرندمی‌گیرند و بنابراین شاخص بازتاب بالایی دارند و توسط یک ماده با الکتریسیتهٔ پایین ترپایین‌تر احاطه می شوندمی‌شوند.

این ساختار موج‌های نوری را توسط بازاب کامل داخلی انتشار می دهدمی‌دهد و نوع رایج آن فیبرهای نوری است.

انواع دیگری از هادی‌های موج نوری نیز که مورد استفاده می باشند،می‌باشند، شامل فیبرهای بلور شفاف است که امتیازاتی نسبت به نوع پیشین دارد.

همچنین در لامپ‌های لوله ایلوله‌ای که در چراغانی‌ها کاربرد دارد، هدایت از طریق یک لولهٔ توخالی صورت می گیردمی‌گیرد که سطح درونی آن دارای خاصیت انعکاسی بالایی می باشدمی‌باشد.

این سطح درونی ممکن است یک فلز صیقلی باشد یا اینکه با غشای چندلایه ایچندلایه‌ای پوشانده شده باشد که نور را توسط بازتاب براگ ( نوع مخصوصی از فیبرهای بلور شفاف ) هدایت کند و همچنین یک منشور کوچک در اطراف لوله مورد استفاده قرار می گیردمی‌گیرد تا نور را از طریق بازتاب کامل درونی انعکاس دهد.

این تحدید کردن موجها کامل نیست زیرا بازتاب کامل درونی هیچگاه به خوبی نمی‌تواند نور را توسط یک هسته با شاخص پایین ترپایین‌تر هدایت کند. ( در مورد منشور بعضی نورها به گوشه‌های منشور نفوذ می کنند می‌کنند)

http://en.wikipedia.org/wiki/Waveguide