موج‌بر: تفاوت میان نسخه‌ها

محتوای حذف‌شده محتوای افزوده‌شده

درخط

نسخهٔ ‏۳ ژوئیهٔ ۲۰۱۰، ساعت ۱۳:۲۷

مقدمه

هادی موج ساختاری است که امواجی چون امواج الکترو مغناطیسی و امواج صوتی را هدایت می کند. برای هر نوع موج انواع گوناگونی هادی موج وجود دارد.نوع اصلی و معمول آن یک لوله ی فلزی توخالی است که به این منظور به کار می رود.هادی های موج در شکل هندسی تفاوت دارند که می توانند انرژی را در یک بعد محدود کنند ، همچون هادی های موج ورقه ای و نیز می توانند در دو بعد انرژی را محدود کنند همچون هادی های موج تاری یا شیاری.بعلاوی هادی های موج مختلفی برای فرکانس های مختلف مورد نیاز است. به عنوان مثال یک فیبر نوری که امواج نوری را هدایت می کند ، نخواهد توانست ریز موج ها را نیز هدایت کند. طبق یک حساب تخمینی؛ پهنای هادی موج باید در مرتبه ی اندازه ی طول موج امواج هدایت شده باشد . در طبیعت نیز ساختارهایی وجود دارد که همانند هادی موج عمل می کنند .برای مثال یک لایه در اقیانوس می تواند آواز نهنگ ها را تا فاصله های خیلی دور هدایت کند.

اصول عملکرد

موج ها در فضاهای باز در تمام جهات به شکل موج کروی منتشر می شوند و این امواج توان خود را متناسب با مجذور فاصله از دست می دهند. در فاصله ی R از یک منبع توان برابر است با توان منبع تقسیم برR^2.هادی های موج ، امواج را محدود می سازند تا در در یک بعد انتشار یابند. با استفاده از هادی های موج در شرایط ایده آل امواج توان خود را هنگام انتشار از دست نمی دهند. به علت بازتاب کامل ازدیواره های هادی موج ؛ موج ها درون آن به دام می افتند و بنا براین انتشار درون هادی موج تقریبا به شکل زیک زاک بین دیواره ها خواهد بود.این توصیف برای موجهای الکتزو مغناطیسی در لوله های تو خالی مستطیلی و دایره ای دقیق تر و کامل تر است.

تاریخچه

اولین ساختار برای هدایت موج ها توسط J. J. Thomson در سال 1893 پیشنهاد شد که اولین بار به شکل تجربی توسط O. J. Lodge در سال 1894 امتحان گردید. اولین آنالیز ریاضی از امواج الکترو مغناطیسی در یک استوانه ی فلزی توسط Lord Rayleigh در سال 1897 انجام گرفت. برای اموج صوتی Lord Rayleigh یک آنالیز ریاضی کامل از حالت های انتشار را تحت عنوان تئوری امواج صوتی چاپ کرد. مطالعات در زمینه ی هادی موج دی الکتریک همچون فیبرهای نوری ازاوایل سال 1920 آغاز شد اینکار توسط چند نفر انجام شد که معروفترین آنها Sommerfeld و Debye بودند . فیبرهای نوری توجهات خاصی را از آغاز سال 1960 به خود جلب کرد که علت اصلی آن اهمیت این فیبر ها در صنعت ارتباطات بود.

کاربردها

استفاده از هادی های 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 پدیده ی آشنا بوده است ؛ همانطور که انعکاس صوتی که در یک مجرای تو خالی همچون یک غار یا گوشی های طبی شناخته شده بود. استفاده های دیگر از هادی های موج در انتقال توان بین دو جزء از سیستم مثل رادیو , رادار و یا وسایل نوری می باشد. هادی های موج از اصول پایه ای آزمودن موج هدایت شده پیروی میکنند که از روشهای ارزیابی غیر مخرب است.

مثالهای ویژه

فیبرهای نوری که نور و سیگنال ها را تا فاصله های دور با سرعت های زیاد انتقال می دهند.
در اجاق های ماکروویو یک هادی موج برق را از یک ماگنترون هدایت میکند که در قالب فضای آشپزخانه طرح ریزی شده است.
هادی موج در رادار ها ، موجها را به یک آنتن هدایت میکند که باید مقاومت ظاهری آن با توان موثر انتقال ، مطابقت داشته باشد.

یک نوع از هادی موج که به آن باریکه ی خطی میگویند میتواند روی یک تخته مدار چاپی ساخته شود و برای انتقال سیگنال های ماکرو ویو روی تخته از آن استفاده می شود. این نوع از هادی موج خیلی ارزان ساخته می شود و ابعاد کوچکی دارد که میتواند برای استفاده درون تخته مدار چاپی مناسب باشد .

هادی های موج در ابزار های علمی برای اندازه گیری خواص نوری ، صوتی و کشسانی مواد و اشیاء استفاده می شوند.

هادی های موج میتوانند در تماس با یک نمونه قرار بگیرند برای مثال در سونوگرافی های پزشکی که در این نوع موارد هادی موج باعث می شود تا توان موج آزمایشگر محفوظ بماند و یا اینکه نمونه ی آزمایشی درون هادی موج قرار بگیرد همانند سنجش دی الکتریک دائمی.بنابر این اجسام کوچکتر مورد آزمایش قرار می گیرند و دقت آزمایش بیشتر خواهد شد.

تحلیل نظری

انتشار امواج در امتداد محور های هادی موج توسط معادله موج تشریح می شود 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 شود. معادله ای که شکل امواج متقاطع را توصیف می کند، بسیار پیچیده تر است. در مورد امواج الکترومغناطیسی از معادلات ماکسول سرچشمه می گیرد و در مورد امواج صوتی از معادله ی الکتریسیته خطی همراه با شرایط مرزی گرفته میشود که به شکل هادی موج و نیز مواد سازنده ی هادی موج بستگی دارد. این معادلات راه حل های مختلفی دارند که روش های انتشار نامیده می شود. در هر کدام از این حالت ها که موج در امتداد هادی موج حرکت میکند، سرعت و شکل انتشار با نوع دیگر متفاوت خواهد بود. دسته فرکانس هایی که یک هادی موج می تواند هدایت کند به عرض آن بستگی دارد. تخمین زده می شود که برای طول موج های بلند تر هادی موج عریض تری احتیاج است . چون طول موج با وارون فرکانس متناسب است ، در فرکانس های بالا هادی های موج عرض کمتری دارند و بالعکس. یک استثنا 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 لوله های توخالی برای امواج صوتی ) در حالتی که یک موج مسطح داریم پهنای باند بزرگی وجود دارد که می تواند طول موجی بسیار بیشتر از مرتبه ی اندازه ی عرض هادی موج داشته باشد . در دو انتهای هادی موج تشدیدی حاصل می شود که در این حالت تنها فرکانس های مشخصی – حالت های طبیعی تشدید- برای دوره های طولانی می تواند وجود داشته باشد .

حالت های انتشار و فرکانس های قطع

یک حالت انتشار در یک هادی موج ، یکی از راه حل های معادله موج یا به عبارت دیگر شکل موج است . بعلت محدودیت شرایط مرزی برای تابع موج فقط فرکانس ها و شکل های محدودی وجود دارد که بتواند در هادی موج انتشار یابد.کمترین فرکانسی که در یک حالت مشخص می تواند انتشار یابد ، فرکانس قطع آن حالت نامیده می شود.حالتی که در پایین ترین فرکانس قطع وجود دارد ، حالت پایه ی هادی موج است و فرکانس قطع آن ، فرکانس قطع هادی موج است. یک حالت ویژه ی هادی موج هنگامی است که یک حالت موج مسطح داریم. یک موج مسطح در فضای آزاد منتشر می شود و جبهه موج آن نیز مسطح است . یک موج مسطح می تواند در یک باند فرکانسی وسیع انتشار یابد . در یک هادی موج ایده آل که دیواره های آن بشکل کامل بازتاب می کنند ، فرکانس قطع نزدیک صفر است. البته موج های مسطح نمی توانند در هر نوع از هادی موج انتشار یابند ، برای مثال یک کابل هم محور میتواند یک موج مسطح الکترومغناطیسی را پشتیبانی کند اما یک لوله ی توخالی نمی تواند این کار را انجام دهد.