تفاوت میان نسخه‌های «موج‌بر»

۱۵۳ بایت اضافه‌شده ،  ۱۰ سال پیش
جز
ربات:اصلاح فاصلهٔ مجازی
جز (ربات:تغییر رده:ابزارهای الکتریکی)
جز (ربات:اصلاح فاصلهٔ مجازی)
== '''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 لولهٔ فلزی توخالی است که به این منظور به کار می رود.هادی هایهادی‌های موج در شکل هندسی تفاوت دارند که می توانند انرژی را در یک بعد محدود کنند ، همچون هادی هایهادی‌های موج ورقه ای و نیز می توانند در دو بعد انرژی را محدود کنند همچون هادی هایهادی‌های موج تاری یا شیاری . بعلاوه هادی هایهادی‌های موج مختلفی برای فرکانس هایفرکانس‌های مختلف مورد نیاز است. به عنوان مثال یک فیبر نوری که امواج نوری را هدایت می کندمی‌کند ، نخواهد توانست ریز موج هاموج‌ها را نیز هدایت کند.
طبق یک حساب تخمینی ؛ پهنای هادی موج باید در مرتبهٔ اندازهٔ 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 هانهنگ‌ها را تا فاصله هایفاصله‌های خیلی دور هدایت کند.
== '''اصول عملکرد''' ==
موج هاموج‌ها 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 فاصلهٔ '''R''' از یک منبع توان برابر است با توان منبع تقسیم بر '''<math>\ R^2</math>''' .هادی هایهادی‌های موج ، امواج را محدود می سازند تا در در یک بعد انتشار یابند. با استفاده از هادی هایهادی‌های موج در شرایط ایده آل امواج توان خود را هنگام انتشار از دست نمی دهند.
به علت بازتاب کامل ازدیواره هایازدیواره‌های هادی موج ؛ موج هاموج‌ها درون آن به دام می افتند و بنا براین انتشار درون هادی موج تقریباً به شکل زیک زاک بین دیواره هادیواره‌ها خواهد بود.این توصیف برای موجهای الکتزو مغناطیسی در لوله هایلوله‌های تو خالی مستطیلی و دایره ای دقیق تر و کامل تر است.
== '''تاریخچه''' ==
اولین ساختار برای هدایت موج هاموج‌ها 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 استوانهٔ فلزی توسط '''Lord Rayleigh''' در سال '''1897''' انجام گرفت.
برای اموج صوتی '''Lord Rayleigh''' یک آنالیز ریاضی کامل از حالت هایحالت‌های انتشار را تحت عنوان '''تئوری امواج صوتی''' چاپ کرد.
مطالعات در زمینهٔ 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 هافیبرها در صنعت ارتباطات بود.
== '''کاربردها''' ==
استفاده از هادی هایهادی‌های 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 ؛ همانطور که انعکاس صوتی که در یک مجرای تو خالی همچون یک غار یا گوشی هایگوشی‌های طبی شناخته شده بود.
استفاده هایاستفاده‌های دیگر از هادی هایهادی‌های موج در انتقال توان بین دو جزء از سیستم مثل رادیو , رادار و یا وسایل نوری می باشد. هادی هایهادی‌های موج از اصول پایه ای آزمودن موج هدایت شده پیروی می کنند که از روشهای ارزیابی غیر مخرب است.
=== ''مثالهای ویژه'' ===
* فیبرهای نوری که نور و سیگنال هاسیگنال‌ها را تا فاصله هایفاصله‌های دور با سرعت هایسرعت‌های زیاد انتقال می دهند.
* در اجاق هایاجاق‌های ماکروویو یک هادی موج برق را از یک '''ماگنترون''' هدایت میکندمی‌کند که در قالب فضای آشپزخانه طرح ریزی شده است.
* هادی موج در رادار هارادارها ، موجها را به یک آنتن هدایت میکندمی‌کند که باید مقاومت ظاهری آن با توان موثر انتقال ، مطابقت داشته باشد.
یک نوع از هادی موج که به آن باریکهٔ خطی میگویند ، میتواند روی یک تخته مدار چاپی ساخته شود و برای انتقال سیگنال هایسیگنال‌های ماکرو ویو روی تخته از آن استفاده می شود. این نوع از هادی موج خیلی ارزان ساخته می شودمی‌شود و ابعاد کوچکی دارد که میتواند برای استفاده درون تخته مدار چاپی مناسب باشد .
* هادی هایهادی‌های موج در ابزار هایابزارهای علمی برای اندازه گیری خواص نوری ، صوتی و کشسانی مواد و اشیاء استفاده می شوند.
هادی هایهادی‌های موج میتوانند در تماس با یک نمونه قرار بگیرند ، برای مثال در سونوگرافی هایسونوگرافی‌های پزشکی که در این نوع موارد هادی موج باعث می شودمی‌شود 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 گیرند و دقت آزمایش بیشتر خواهد شد.
== '''تحلیل نظری''' ==
انتشار امواج در امتداد محور هایمحورهای هادی موج توسط معادله موج تشریح می شودمی‌شود 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 معادلهٔ '''الکتریسیته خطی''' همراه با شرایط مرزی گرفته میشودمی‌شود که به شکل هادی موج و نیز مواد سازندهٔ هادی موج بستگی دارد.
این معادلات راه حل هایحل‌های مختلفی دارند که روش هایروش‌های انتشار نامیده می شود. در هر کدام از این حالت هاحالت‌ها 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 شودمی‌شود که برای طول موج هایموج‌های بلند تر هادی موج عریض تری احتیاج است .
چون طول موج با وارون فرکانس متناسب است ، در فرکانس هایفرکانس‌های بالا هادی هایهادی‌های 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 هایلوله‌های توخالی برای امواج صوتی )
در حالتی که یک موج مسطح داریم پهنای باند بزرگی وجود دارد که می تواند طول موجی بسیار بیشتر از مرتبهٔ اندازهٔ عرض هادی موج داشته باشد .
در دو انتهای هادی موج تشدیدی حاصل می شودمی‌شود که در این حالت تنها فرکانس هایفرکانس‌های مشخصی – حالت هایحالت‌های طبیعی تشدید - برای دوره هایدوره‌های طولانی می تواند وجود داشته باشد .
== '''حالت هایحالت‌های انتشار و فرکانس هایفرکانس‌های قطع''' ==
یک حالت انتشار در یک هادی موج ، یکی از راه حل هایحل‌های معادله موج یا به عبارت دیگر شکل موج است .
بعلت محدودیت شرایط مرزی برای تابع موج فقط فرکانس هافرکانس‌ها و شکل هایشکل‌های 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 ترینپایین‌ترین 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 می شودمی‌شود 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 هایدیواره‌های آن بشکل کامل بازتاب می کنند ، فرکانس قطع نزدیک صفر است. البته موج هایموج‌های 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 لولهٔ توخالی نمی تواند این کار را انجام دهد.
موج در امتداد هادی موج ( حول محور z ) با رابطهٔ
<math>\ v_z=\frac{2\pi f}{k_z}</math>
بدست می آید 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 مولفه هایمولفه‌های آن از رابطهٔ <math>\ k^2=k_x^2+k_y^2+k_z^2</math> بدست می آید که <math>k_y</math>
و <math>k_x</math> عدد هایعددهای 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 نمی شود 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> .
== '''هادی هایهادی‌های امواج الکترومغناطیسی''' ==
هادی هایهادی‌های موج می توانند به منظور حمل موجها بر فراز بخش وسیعی از طیف الکترو مغناطیسی ساخته شوند. اما خصوصاً در مورد محدودهٔ فرکانس هایفرکانس‌های نوری و میکرو ویو هاویوها سودمند می باشند.
بنا به فرکانس مورد نیاز می توانند از مواد رسانا یا عایق ساخته شوند . هادی هایهادی‌های موج همچنین برای انتقال سیگنال هایسیگنال‌های برق و مخابراتی استفاده می شود.
== '''هادی هایهادی‌های امواج نوری''' ==
هادی هایهادی‌های موجی که در فرکانس هایفرکانس‌های نوری استفاده می شوند و معمولاً دارای ساختار عایق می باشند که با مواد عایق ساخته شده و در جریان هایجریان‌های الکتریکی بالا قرار می گیرند و بنابراین شاخص بازتاب بالایی دارند و توسط یک ماده با الکتریسیتهٔ پایین تر احاطه می شوند.
این ساختار موج هایموج‌های نوری را توسط بازاب کامل داخلی انتشار می دهد و نوع رایج آن فیبر هایفیبرهای نوری است.
انواع دیگری از هادی هایهادی‌های موج نوری نیز که مورد استفاده می باشند ، شامل فیبرهای بلور شفاف است که امتیازاتی نسبت به نوع پیشین دارد.
همچنین در لامپ هایلامپ‌های لوله ای که در چراغانی هاچراغانی‌ها کاربرد دارد ، هدایت از طریق یک لولهٔ توخالی صورت می گیرد که سطح درونی آن دارای خاصیت انعکاسی بالایی می باشد.
این سطح درونی ممکن است یک فلز صیقلی باشد یا اینکه با غشای چندلایه ای 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 گیرد تا نور را از طریق بازتاب کامل درونی انعکاس دهد.
این تحدید کردن موجها کامل نیست زیرا بازتاب کامل درونی هیچگاه به خوبی نمی تواند نور را توسط یک هسته با شاخص پایین تر هدایت کند. ( در مورد منشور بعضی نورها به گوشه هایگوشه‌های منشور نفوذ می کنند )
== '''هادی هایهادی‌های اموج صوتی''' ==
یک هادی موج صوتی ، ساختاری فیزیکی برای هدایت امواج صوتی می باشد. یک مجرا برای انتشار امواج است که همچون یک خط مخابره ای عمل میکند.این مجرای عبوری شامل بعضی محیط هامحیط‌ها همانند هوا میباشدمی‌باشد که انتشار صوت را پشتیبانی می کند.
== '''ترکیب صداها''' ==
از خطوط تاخیری دیجیتال همچون عناصر شمارشگر برای ساده کردن انتشار موج در لوله هایلوله‌های ابزارهای موسیقی بادی و ارتعاش سیم هاسیم‌ها در ابزارهای موسیقی سیم دار استفاده می شود.
== منابع ==
ترجمه شده از http://en.wikipedia.org/wiki/Waveguide فائزه دهقان
۲۵٬۵۹۴

ویرایش