موج‌بر

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
(تغییرمسیر از هادی‌موج)
پرش به: ناوبری، جستجو

مقدمه[ویرایش]

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.هادی‌های موج در شکل هندسی تفاوت دارند که می توانند انرژی را در یک بعد محدود کنند، همچون هادی‌های موج ورقه ای و نیز می توانند در دو بعد انرژی را محدود کنند همچون هادی‌های موج تاری یا شیاری . بعلاوه هادی‌های موج مختلفی برای فرکانس‌های مختلف مورد نیاز است. به عنوان مثال یک فیبر نوری که امواج نوری را هدایت می‌کند، نخواهد توانست ریز موج‌ها 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 نهنگ‌ها را تا فاصله‌های خیلی دور هدایت کند.

اصول عملکرد[ویرایش]

موج‌ها 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 \ R^2 .هادی‌های موج، امواج را محدود می سازند 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 افتند 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 ای دقیق تر و کامل تر است.

تاریخچه[ویرایش]

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. اولین آنالیز ریاضی از امواج الکترو مغناطیسی 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 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[ویرایش]

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؛ همانطور 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 باشد. هادی‌های موج از اصول پایه ای آزمودن موج هدایت شده پیروی می کنند که از روشهای ارزیابی غیر مخرب است.

مثالهای ویژه[ویرایش]

  • فیبرهای نوری که نور و سیگنال‌ها را تا فاصله‌های دور با سرعت‌های زیاد انتقال می دهند.
  • در اجاق‌های ماکروویو یک هادی موج برق را از یک ماگنترون هدایت می‌کند که در قالب فضای آشپزخانه طرح ریزی شده است.
  • هادی موج در رادارها، 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 باریکهٔ خطی میگویند، میتواند روی یک تخته مدار چاپی ساخته شود و برای انتقال سیگنال‌های ماکرو ویو روی تخته از آن استفاده می شود. این نوع از هادی موج خیلی ارزان ساخته می‌شود و ابعاد کوچکی دارد که میتواند برای استفاده درون تخته مدار چاپی مناسب باشد .

  • هادی‌های موج در ابزارهای علمی برای اندازه گیری خواص نوری، صوتی و کشسانی مواد و اشیاء استفاده می شوند.

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 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[ویرایش]

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 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 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 شود. در هر کدام از این حالت‌ها 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 می‌شود که برای طول موج‌های بلند تر هادی موج عریض تری احتیاج است . چون طول موج با وارون فرکانس متناسب است، در فرکانس‌های بالا هادی‌های 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 لوله‌های 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 می‌شود که در این حالت تنها فرکانس‌های مشخصی – حالت‌های طبیعی تشدید - برای دوره‌های طولانی می تواند وجود داشته باشد .

حالت‌های انتشار و فرکانس‌های قطع[ویرایش]

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 تواند انتشار یابد ، فرکانس قطع آن حالت نامیده می شود.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 تواند در یک باند فرکانسی وسیع انتشار یابد . در یک هادی موج ایده‌آل که دیواره‌های آن بشکل کامل بازتاب می کنند، فرکانس قطع نزدیک صفر است. البته موج‌های مسطح نمی‌توانند 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 نمی‌تواند این کار را انجام دهد. موج در امتداد هادی موج ( حول محور z ) با رابطهٔ \ v_z=\frac{2\pi f}{k_z} بدست می آید که\ f فرکانس \ \vec v سرعت موج در فضای آزاد و \ \vec k عدد موج است که بشکل برداری است و اندازهٔ آن برابر است با \ k=\frac{2\pi f}{v} ارتباط بین اندازهٔ عدد موج و مولفه‌های آن از رابطهٔ \ k^2=k_x^2+k_y^2+k_z^2 بدست می آید که k_y و k_x 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 k_c=k=\sqrt{k_x^2+k_y^2} و بنابراین فرکانس قطع برابر است با f_c=\frac{k_c v}{2\pi}=\frac{v}{2\pi}\sqrt{k_x^2+k_y^2} .

هادی‌های امواج الکترومغناطیسی[ویرایش]

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

هادی‌های امواج نوری[ویرایش]

هادی‌های موجی که در فرکانس‌های نوری استفاده می شوند و معمولاً دارای ساختار عایق می باشند که با مواد عایق ساخته شده و در جریان‌های الکتریکی بالا قرار می گیرند و بنابراین شاخص بازتاب بالایی دارند و توسط یک ماده با الکتریسیتهٔ پایین تر احاطه می شوند. این ساختار موج‌های نوری را توسط بازاب کامل داخلی انتشار می دهد و نوع رایج آن فیبرهای نوری است. انواع دیگری از هادی‌های موج نوری نیز که مورد استفاده می باشند، شامل فیبرهای بلور شفاف است که امتیازاتی نسبت به نوع پیشین دارد. همچنین در لامپ‌های لوله ای که در چراغانی‌ها 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 نمی‌تواند نور را توسط یک هسته با شاخص پایین تر هدایت کند. ( در مورد منشور بعضی نورها به گوشه‌های منشور نفوذ می کنند )

هادی‌های اموج صوتی[ویرایش]

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 محیط‌ها همانند هوا می‌باشد که انتشار صوت را پشتیبانی می کند.

ترکیب صداها[ویرایش]

از خطوط تاخیری دیجیتال همچون عناصر شمارشگر برای ساده کردن انتشار موج در لوله‌های ابزارهای موسیقی بادی و ارتعاش سیم‌ها در ابزارهای موسیقی سیم دار استفاده می شود.

منابع[ویرایش]

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