تفاوت میان نسخه‌های «موج‌بر»

۶۲۴ بایت حذف‌شده ،  ۲ سال پیش
تصحیح فنی و نوشتاری متن.
جز (ابزار پیوندساز: افزودن پیوند معادلات ماکسول به متن)
(تصحیح فنی و نوشتاری متن.)
{{ویکی‌سازی}}
'''موج‌بَر'''<ref>{{یادکرد فرهنگستان | مصوب=موج‌بَر | بیگانه=waveguide | بیگانه در فارسی= | حوزه=فیزیک | دفتر=دوم | بخش=فارسی | سرواژه=موج‌بَر}}</ref> یا '''هادی موج''' ساختاری است که امواجی چون [[امواج الکترومغناطیسی]] ویا [[امواج صوتی]] را هدایت و منتقل می‌کند. برای هر نوع موج انواع گوناگونی هادی موجموج‌بر وجود دارد. نوع اصلی و معمول آن یک لولهٔ فلزی توخالی است که به این منظور به کار می‌رود. هادی‌های موجموج‌برها در شکل هندسی تفاوت دارند که می‌توانند انتقال انرژی موج را در یک بعدراستا محدود کنند،کنند همچون(مانند هادی‌های موجموج‌برهای ورقه‌ایصفحه‌ای)، و نیز می‌توانند در دو بعد انرژی را محدود کنند همچون هادی‌های موجموج‌برها تاری یا شیاری. به‌علاوه هادی‌های موجموج‌برهای مختلفی برای فرکانس‌های مختلف مورد نیازموردنیاز است. به عنوان مثالمثلاً یک [[فیبر نوری]] که امواج نوری را هدایت می‌کند، نخواهدنمی‌تواند توانست ریز موج‌هاریزامواج را نیز هدایت کند.
طبق یک حساب تخمینی؛سرانگشتی پهنای هادی موجموج‌بر باید در مرتبهٔ اندازهٔ [[طول موج]] امواج هدایت شدههدایت‌شده باشد. در طبیعت نیز ساختارهایی وجود دارد که همانند هادی موجموج‌بر عمل می‌کنند. برایگوش مثالانسان یکیا لایهدیگر درجانوران، اقیانوسبهترین می‌تواندمثال [[آواز نهنگ‌ها]] را تا فاصله‌های خیلی دوربرای هدایتموج‌بر کنداست.
 
== اصول عملکرد ==
موج‌هاامواج‌ در فضاهایفضای باز در تمام جهات به شکل '''موج کروی''' منتشر می‌شوندمی‌شوند، و این امواج توان خود را متناسب با مجذور فاصله از دست می‌دهند. در فاصلهٔ '''R''' از یک منبع موج، توان برابر است با توان منبع تقسیم بر '''<math>\ R^2</math>'''. هادی‌های موج،موج‌برها، امواج را محدود می‌سازندمی‌کنند تا در در یک بعد انتشار یابند. با استفاده از هادی‌هایموج‌برها، موجامواج در شرایط ایده‌آل امواج توان خود را هنگام انتشار از دست نمی‌دهند.
به علت بازتاب کامل ازدیواره‌های هادیموج‌بر، موج؛ موج‌هاامواج درون آن به دام می‌افتند و بنا براینبنابراین انتشار درون هادی موجموج‌بر تقریباً به شکل زیک زاک بین دیواره‌ها خواهد بود. این توصیف برای موجهای الکتزو مغناطیسیالکترومغناطیسی در لوله‌های تو خالیتوخالی مستطیلی و دایره‌ای دقیق تردقیق‌تر و کامل ترکامل‌تر است.
 
== تاریخچه ==
اولین ساختار برای هدایت موج‌هاامواج توسط '''J. J. Thomson''' در سال '''۱۸۹۳''' پیشنهاد شد که اولین بار به شکل تجربی توسط '''O. J. Lodge''' در سال '''۱۸۹۴''' امتحان گردید.
اولین [[آنالیز ریاضی]] از امواج الکترو مغناطیسیالکترومغناطیسی در یک استوانهٔ فلزی توسط '''Lord Rayleigh''' در سال '''۱۸۹۷''' انجام گرفت.
برای اموج صوتی '''Lord Rayleigh''' یک آنالیز ریاضی کامل از حالت‌های انتشار را تحت عنوان '''تئوری امواج صوتی''' چاپ کرد.
مطالعات در زمینهٔ هادیموج‌بر موج دی الکتریکدی‌الکتریک همچون فیبرهای نوری ازاوایلاز اوایل سال '''۱۹۲۰''' آغاز شد، اینکاراین‌ کار توسط چند نفر انجام شد که معروفترینمعروف‌ترین 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 موجموج‌برها 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 بوده‌است؛ همان‌طور که انعکاس صوتی که در یک مجرای تو خالی همچون یک غار یا گوشی‌های طبی شناخته شده بود.
استفاده‌های دیگر از هادی‌های موجموج‌برها در [[انتقال توان]] بین دو جزء از سیستم مثل رادیو، رادار یا وسایل نوری می‌باشد. هادی‌های موج از اصول پایه‌ای آزمودن موج هدایت شده پیروی می‌کنند که از روش‌های ارزیابی غیر مخرب است.
 
=== مثال‌های ویژه ===
* فیبرهای نوری که نور و سیگنال‌ها را تا فاصله‌های دور با سرعت‌های زیاد انتقال می‌دهند.
* در اجاق‌های ماکروویو یک هادی موجموج‌بر برق را از یک '''ماگنترون''' هدایت می‌کند که در قالب فضای آشپزخانه طرح‌ریزی شده‌است.
* هادی موجموج‌بر در رادارها، موجها را به یک آنتن هدایت می‌کند که باید مقاومت ظاهری آن با توان مؤثر انتقال، مطابقت داشته باشد.
 
یک نوع از هادی موجموج‌بر که به آن باریکهٔ خطی می‌گویند، می‌تواند روی یک تخته مدار چاپی ساخته شود و برای انتقال سیگنال‌های ماکرو ویو روی تخته از آن استفاده می‌شود. این نوع از هادی موجموج‌بر خیلی ارزان ساخته می‌شود و ابعاد کوچکی دارد که می‌تواند برای استفاده درون تخته مدار چاپی مناسب باشد.
* هادی‌های موجموج‌برها در ابزارهای علمی برای اندازه‌گیری خواص نوری، صوتی و کشسانی مواد و اشیاء استفاده می‌شوند.
هادی‌های موج می‌توانند 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 یا اینکه نمونهٔ آزمایشی درون هادی موج قرار بگیرد همانند سنجش دی الکتریک دائمی. بنابراین اجسام کوچکتر مورد آزمایش قرار می‌گیرند و دقت آزمایش بیشتر خواهد شد.
 
هادی‌های موجموج‌برها می‌توانند در تماس با یک نمونه قرار بگیرند، برای مثال در سونوگرافی‌های پزشکی که در این نوع موارد هادی موجموج‌بر باعث می‌شود تا توان موج آزمایشگر محفوظ بماند یا اینکه نمونهٔ آزمایشی درون هادی موجموج‌بر قرار بگیرد همانند سنجش دی الکتریک دائمی. بنابراین اجسام کوچکتر مورد آزمایش قرار می‌گیرند و دقت آزمایش بیشتر خواهد شد.
 
== تحلیل نظری ==
انتشار امواج در امتداد محورهای هادی موجموج‌بر توسط [[معادله موج]] تشریح می‌شود و طول موج بستگی به ساختار هادی موجموج‌بر و همچنین فرکانس آن دارد.
اگر امتداد عرضی هادی موجموج‌بر را در نظر بگیریم، موج در یک الگوی موج ایستاده محبوس می‌شود. معادله‌ای که شکل امواج متقاطع را توصیف می‌کند، بسیار پیچیده‌تر است. در مورد امواج الکترومغناطیسی از '''[[معادلات ماکسول]]''' سرچشمه می‌گیرد و در مورد امواج صوتی از معادلهٔ '''الکتریسیته خطی''' همراه با شرایط مرزی گرفته می‌شود که به شکل هادی موجموج‌بر و نیز مواد سازندهٔ هادی موجموج‌بر بستگی دارد.
این معادلات راه حل‌های مختلفی دارند که روش‌های انتشار نامیده می‌شود. در هر کدام از این حالت‌ها که موج در امتداد هادی موجموج‌بر حرکت می‌کند، سرعت و شکل انتشار با نوع دیگر متفاوت خواهد بود.
دسته فرکانس‌هایی که یک هادی موجموج‌بر می‌تواند هدایت کند به عرض آن بستگی دارد. تخمین زده می‌شود که برای طول موج‌هایامواجی بلندتر هادی موجموج‌بر عریض تری احتیاج است.
چون طول موج با وارون فرکانس متناسب است، در فرکانس‌های بالا هادی‌های موجموج‌برها عرض کمتری دارند و بالعکس.
یک استثناء که در این قانون قابل ذکر است، برای حالت امواج مسطح در یک هادی موجموج‌بر 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 می‌تواند طول موجی بسیار بیشتر از مرتبهٔ اندازهٔ عرض هادی موجموج‌بر داشته باشد.
در دو انتهای هادی موجموج‌بر تشدیدی حاصل می‌شود که در این حالت تنها فرکانس‌های مشخصی – حالت‌های طبیعی تشدید - برای دوره‌های طولانی می‌تواند وجود داشته باشد.
 
== حالت‌های انتشار و فرکانس‌های قطع ==
یک حالت انتشار در یک هادی موج،موج‌بر، 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 موجموج‌بر انتشار یابد. کمترین فرکانسی که در یک حالت مشخص می‌تواند انتشار یابد، '''فرکانس قطع''' آن حالت نامیده می‌شود. حالتی که در پایین‌ترین فرکانس قطع وجود دارد، حالت پایهٔ هادی موجموج‌بر است و فرکانس قطع آن، فرکانس قطع هادی موجموج‌بر است.
یک حالت ویژهٔ هادی موجموج‌بر 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 می‌تواند در یک باند فرکانسی وسیع انتشار یابد. در یک هادی موجموج‌بر ایده‌آل که دیواره‌های آن بشکل کامل بازتاب می‌کنند، فرکانس قطع نزدیک صفر است. البته موج‌هایامواجی مسطح نمی‌توانند در هر نوع از هادی موجموج‌بر انتشار یابند، برای مثال یک کابل هم محور می‌تواند یک موج مسطح الکترومغناطیسی را پشتیبانی کند اما یک لولهٔ توخالی نمی‌تواند این کار را انجام دهد.
موج در امتداد هادی موجموج‌بر (حول محور z) با رابطهٔ
<math>\ v_z=\frac{2\pi f}{k_z}</math>
بدست می‌آید 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 می‌آید که <math>k_y</math>
و <math>k_x</math> عددهای موج متقاطع هستند و بستگی به ساختار هادی موجموج‌بر و حالت آن دارد و نسبتی با فرکانس ندارد. قطع جریان موج به این معناست که موج منتشر نمی‌شود و بنابراین 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 موجموج‌برها می‌توانند به منظور حمل موجها بر فراز بخش وسیعی از طیف الکترو مغناطیسیالکترومغناطیسی ساخته شوند. اما خصوصاً در مورد محدودهٔ فرکانس‌های نوری و میکرو ویوها سودمند می‌باشند.
بنا به فرکانس مورد نیاز می‌توانند از مواد رسانا یا عایق ساخته شوند. هادی‌های موجموج‌برها همچنین برای انتقال سیگنال‌های برق و مخابراتی استفاده می‌شود.
 
== هادی‌های امواج نوری ==
هادی‌های موجیموج‌برهای که در فرکانس‌های نوری استفاده می‌شوند و معمولاً دارای ساختار عایق می‌باشند که با مواد عایق ساخته شده و در جریان‌های الکتریکی بالا قرار می‌گیرند و بنابراین شاخص بازتاب بالایی دارند و توسط یک ماده با الکتریسیتهٔ پایین‌تر احاطه می‌شوند.
این ساختار موج‌هایامواجی نوری را توسط بازاب کامل داخلی انتشار می‌دهد و نوع رایج آن فیبرهای نوری است.
انواع دیگری از هادی‌های موجموج‌برها نوری نیز که مورد استفاده می‌باشند، شامل فیبرهای بلور شفاف است که امتیازاتی نسبت به نوع پیشین دارد.
همچنین در لامپ‌های لوله‌ای که در چراغانی‌ها کاربرد دارد، هدایت از طریق یک لولهٔ توخالی صورت می‌گیرد که سطح درونی آن دارای خاصیت انعکاسی بالایی می‌باشد.
این سطح درونی ممکن است یک فلز صیقلی باشد یا اینکه با غشای چندلایه‌ای 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 می‌گیرد تا نور را از طریق بازتاب کامل درونی انعکاس دهد.
 
== هادی‌های اموج صوتی ==
یک هادی موجموج‌بر صوتی، ساختاری فیزیکی برای هدایت امواج صوتی می‌باشد. یک مجرا برای انتشار امواج است که همچون یک خط مخابره‌ای عمل می‌کند. این مجرای عبوری شامل بعضی محیط‌ها همانند هوا می‌باشد که انتشار صوت را پشتیبانی می‌کند.
 
== ترکیب صداها ==