Волновод

Участок гибкого волновода с герметизируемым фланцем

Электрическое поле Ex-компонента моды TE31 внутри полого металлического волновода x-диапазона.

Волновод представляет собой структуру , которая направляет волны, такие как электромагнитные волны или звука , с минимальной потерей энергии путем ограничения передачи энергии в одном направлении. Без физического ограничения волновода амплитуды волн уменьшаются по закону обратных квадратов по мере расширения в трехмерное пространство.

Существуют разные типы волноводов для разных типов волн. Первоначальное и наиболее распространенное ^[1] значение - это полая проводящая металлическая труба, используемая для передачи высокочастотных радиоволн , особенно микроволн . Диэлектрические волноводы используются на более высоких радиочастотах, а прозрачные диэлектрические волноводы и оптические волокна служат световодами. В акустике воздуховоды и рупоры используются в качестве волноводов для звука в музыкальных инструментах и громкоговорителях , а металлические стержни специальной формы проводят ультразвуковые волны при ультразвуковой обработке .

Геометрия волновода отражает его функцию; В дополнение к более распространенным типам, которые направляют волну в одном измерении, существуют двумерные пластинчатые волноводы, которые ограничивают волны в двух измерениях. Частота передаваемой волны также определяет размер волновода: каждый волновод имеет длину волны отсечки, определяемую его размером, и не будет проводить волны с большей длиной волны; оптическое волокно , что направляющие освещают не будет передавать микроволновые печи , которые имеют значительно большую длину волны. Некоторые естественные структуры также могут действовать как волноводы. Канал ГНФАР слой в океане может направлять звук кита песни через огромные расстояния. ^[2] Любая форма поперечного сечения волновода может поддерживать электромагнитные волны. Неправильные формы трудно анализировать. Обычно используются волноводы прямоугольной и круглой формы.

Принцип [ править ]

Пример волноводов и диплексера в РЛС управления воздушным движением

В открытом космосе волны распространяются во всех направлениях в виде сферических волн . Мощность волны падает с расстоянием R от источника как квадрат расстояния ( закон обратных квадратов ). Волновод ограничивает распространение волны в одном измерении, так что в идеальных условиях волна не теряет мощности при распространении. Из-за полного отражения от стен волны ограничиваются внутренней частью волновода. ^{[ необходима цитата ]}

Использует [ редактировать ]

Использование волноводов для передачи сигналов было известно еще до появления этого термина. Явление звуковых волн, проходящих через натянутый провод, было известно давно, так же как и звук через полую трубу, такую ​​как пещера или медицинский стетоскоп . Другое использование волноводов - передача мощности между компонентами системы, такими как радио, радары или оптические устройства. Волноводы - это фундаментальный принцип волноводного контроля (GWT), один из многих методов неразрушающего контроля . ^{[ необходима цитата ]}

Конкретные примеры:

• Оптические волокна передают свет и сигналы на большие расстояния с низким затуханием и широким используемым диапазоном длин волн.
• В микроволновой печи волновод передает энергию от магнетрона , где образуются волны, в камеру для приготовления пищи.
• В радаре волновод передает радиочастотную энергию к антенне и от нее, где для эффективной передачи энергии необходимо согласовать импеданс (см. Ниже).
• Прямоугольные и круглые волноводы обычно используются для подключения источников параболических антенн к их электронике, будь то малошумящие приемники или усилители / передатчики мощности.
• Волноводы используются в научных инструментах для измерения оптических, акустических и упругих свойств материалов и объектов. Волновод можно ввести в контакт с образцом (как в медицинском УЗИ ), и в этом случае волновод обеспечивает сохранение мощности испытательной волны, или образец можно поместить внутрь волновода (как при измерении диэлектрической проницаемости). ^[3] ), чтобы можно было тестировать более мелкие объекты и повышать точность.
• Линии передачи - это особый тип волновода, который очень часто используется. ^{[ необходима цитата ]}

История [ править ]

Этот раздел дублирует объем других разделов , в частности, Волновод (электромагнетизм) # История . Пожалуйста, обсудите эту проблему на странице обсуждения и отредактируйте ее в соответствии с Руководством по стилю Википедии,  заменив раздел ссылкой и резюме повторяющегося материала или выделив повторяющийся текст в отдельную статью. ( Ноябрь 2020 г. )

Первая структура для направляющих волн была предложена Дж. Дж. Томсоном в 1893 году и впервые была экспериментально испытана Оливером Лоджем в 1894 году. Первый математический анализ электромагнитных волн в металлическом цилиндре был выполнен лордом Рэлеем в 1897 году. ^[4] Для звуковых волн. Лорд Рэли опубликовал полный математический анализ режимов распространения в своей основополагающей работе «Теория звука». ^[5] Джагадиш Чандра Боз исследовал миллиметровые длины волн с помощью волноводов и в 1897 году описал Королевскому институту в Лондоне свое исследование, проведенное в Калькутте. ^[6]

Изучение диэлектрических волноводов (таких как оптические волокна, см. Ниже) началось еще в 1920-х годах несколькими людьми, самыми известными из которых являются Рэлей, Зоммерфельд и Дебай . ^[7] Оптоволокно стало привлекать особое внимание в 1960-х годах из-за его важности для индустрии связи.

Развитие радиосвязи первоначально происходило на более низких частотах, потому что их легче было распространять на большие расстояния. Длинные волны делали эти частоты непригодными для использования в полых металлических волноводах из-за того, что требовались трубы непрактично большого диаметра. Следовательно, исследования полых металлических волноводов застопорились, и работа лорда Рэлея была на время забыта, и другим пришлось заново открывать ее. Практические исследования, возобновленные в 1930-х годах Джорджем Саутвортом в Bell Labs и Уилмером Л. Барроу в Массачусетском технологическом институте.. Саутворт сначала взял теорию из статей о волнах в диэлектрических стержнях, потому что работы лорда Рэлея были ему неизвестны. Это несколько ввело его в заблуждение; некоторые из его экспериментов потерпели неудачу, потому что он не знал о явлении частоты отсечки волновода, уже обнаруженном в работе лорда Рэлея. Серьезной теоретической работой занялись Джон Р. Карсон и Салли П. Мид. Эта работа привела к открытию того, что для моды TE ₀₁ в круглом волноводе потери снижаются с увеличением частоты, и одно время это было серьезным конкурентом для формата для дальней связи. ^[8]

Важность радаров во Второй мировой войне дала большой импульс исследованиям волноводов, по крайней мере, на стороне союзников . Магнетрон , разработанный в 1940 году Джон Рэндалл и Гарри Ботинок в Университете Бирмингема в Великобритании, при условии хорошего источника питания и сделал микроволновые радары выполнимо. Самым важным центром исследований в США была Радиационная лаборатория (Rad Lab) в Массачусетском технологическом институте, но многие другие принимали участие в США и Великобритании, например, Центр исследований в области телекоммуникаций . Руководителем группы фундаментального развития Rad Lab был Эдвард Миллс Перселл.. Среди его исследователей были Джулиан Швингер , Натан Маркувиц , Кэрол Грей Монтгомери и Роберт Х. Дике . Большая часть работы Rad Lab была сосредоточена на поиске моделей волноводных структур с сосредоточенными элементами, чтобы компоненты волновода можно было анализировать с помощью стандартной теории схем. Ханс Бете также некоторое время проработал в Rad Lab, но там он разработал свою теорию малой апертуры, которая оказалась важной для волноводных резонаторных фильтров , впервые разработанных в Rad Lab. Немецкая сторона, с другой стороны, в значительной степени игнорировала потенциал волноводов в радарах до самого конца войны. Настолько, что когда детали радара сбитого британского самолета были отправлены компании Siemens & Halske для анализа, даже если они были признаны микроволновыми компонентами, их назначение не удалось определить.

В то время в Германии очень пренебрегали микроволновыми технологиями. Обычно считалось, что это бесполезно для радиоэлектронной борьбы, и тем, кто хотел провести исследовательскую работу в этой области, не разрешалось это делать.

-  Х. Майер, вице-президент Siemens & Halske во время войны

Немецким ученым даже разрешили продолжать публично публиковать свои исследования в этой области, потому что они не считались важными. ^[9]

Сразу после Второй мировой войны волновод стал предпочтительной технологией в области СВЧ. Однако есть некоторые проблемы; он громоздкий, дорогой в производстве, а эффект частоты среза затрудняет производство широкополосных устройств. Ребристый волновод может увеличить полосу пропускания за пределы октавы, но лучшим решением является использование технологии, работающей в режиме ТЕМ (то есть без волновода), такой как коаксиальные проводники, поскольку ТЕМ не имеет частоты среза. Также можно использовать экранированный прямоугольный проводник, который имеет определенные производственные преимущества перед коаксиальным кабелем и может рассматриваться как предшественник планарных технологий ( полосковая и микрополосковая).). Тем не менее, планарные технологии начали набирать обороты с появлением печатных схем. Эти методы значительно дешевле, чем волноводные, и в значительной степени заняли свое место в большинстве диапазонов. Однако волновод по-прежнему предпочитается в более высоких микроволновых диапазонах, начиная с диапазона Ku и выше. ^[10]

Свойства [ править ]

Режимы распространения и частоты среза [ править ]

Режим распространения в волноводе является одним из решений волновых уравнений, или, другими словами, форма волны. ^[7] Из-за ограничений граничных условий , существуют только ограниченные частоты и формы для волновой функции, которая может распространяться в волноводе. Самая низкая частота, на которой может распространяться определенный режим, является частотой среза этого режима. Режим с самой низкой частотой отсечки является основной модой волновода, а его частота отсечки - частотой отсечки волновода. ^{[ необходима цитата ]}

Режимы распространения рассчитываются путем решения уравнения Гельмгольца вместе с набором граничных условий в зависимости от геометрической формы и материалов, ограничивающих область. Обычное предположение для бесконечно длинных однородных волноводов позволяет нам предположить распространяющуюся форму волны, т. Е. Утверждая, что каждый компонент поля имеет известную зависимость от направления распространения (т.е. ). Более конкретно, общий подход состоит в том, чтобы сначала заменить все неизвестные изменяющиеся во времени неизвестные поля (предполагая для простоты описание полей в декартовых компонентах) их комплексным векторным представлением , достаточным для полного описания любого бесконечно длинного однотонального сигнала на частоте , ( угловая частота${\ displaystyle z}$${\ Displaystyle и (х, у, г, т)}$${\displaystyle U(x,y,z)}$${\displaystyle f}$${\displaystyle \omega =2\pi f}$), и перепишем уравнение Гельмгольца и граничные условия соответственно. Затем каждое неизвестное поле вынуждено иметь форму, подобную , где член представляет собой постоянную распространения (все еще неизвестную) в направлении, вдоль которого волновод простирается на бесконечность. Уравнение Гельмгольца может быть переписано, чтобы приспособиться к такой форме, и результирующее равенство необходимо решить для и , что в конечном итоге даст уравнение на собственные значения для и соответствующую собственную функцию для каждого решения первого. ^[11]${\displaystyle U(x,y,z)={\hat {U}}(x,y)e^{-\gamma z}}$${\displaystyle \gamma }$${\displaystyle \gamma }$${\displaystyle {\hat {U}}(x,y)}$${\displaystyle \gamma }$${\displaystyle {\hat {U}}(x,y)_{\gamma }}$

Постоянная распространения направленной волны, как правило, сложна. Для случая без потерь постоянная распространения может принимать либо действительные, либо мнимые значения в зависимости от выбранного решения уравнения собственных значений и угловой частоты . Когда это чисто реальный режим, говорят, что он находится "ниже порога отсечки", поскольку амплитуда векторов поля имеет тенденцию экспоненциально уменьшаться с распространением; мнимое , вместо этого, представляет моды, которые, как говорят, находятся «в распространении» или «выше порогового значения», поскольку комплексная амплитуда векторов не изменяется с . ^[12]${\displaystyle \gamma }$${\displaystyle \omega }$${\displaystyle \gamma }$${\displaystyle \gamma }$${\displaystyle z}$

Согласование импеданса [ править ]

В теории цепей , то сопротивление является обобщением электрического сопротивления в случае переменного тока , и измеряется в омах ( ). ^[7] Волновод в теории цепей описывается линией передачи, имеющей длину и характеристический импеданс. Другими словами, импеданс показывает отношение напряжения к току компонента схемы (в данном случае волновода) во время распространения волны. Это описание волновода изначально предназначалось для переменного тока, но также подходит для электромагнитных и звуковых волн, поскольку волна и свойства материала (такие как давление ,${\displaystyle \Omega }$плотность , диэлектрическая проницаемость ) должным образом преобразованы в электрические параметры (например, ток и импеданс).

Согласование импеданса важно, когда компоненты электрической цепи подключены (например, волновод к антенне): отношение импеданса определяет, какая часть волны передается вперед, а какая отражается. При подключении волновода к антенне обычно требуется полная передача, поэтому стараются согласовать их импедансы.

Коэффициент отражения можно рассчитать с помощью:, где (Гамма) - коэффициент отражения (0 означает полное пропускание, 1 - полное отражение и 0,5 - отражение половины входящего напряжения), а - полное сопротивление первого компонента (из которого волна входит) и второй компонент соответственно.${\displaystyle \Gamma ={\frac {Z_{2}-Z_{1}}{Z_{2}+Z_{1}}}}$${\displaystyle \Gamma }$${\displaystyle Z_{1}}$${\displaystyle Z_{2}}$

Несовпадение импеданса создает отраженную волну, которая, добавленная к приходящим волнам, создает стоячую волну. Несоответствие импеданса также можно количественно оценить с помощью коэффициента стоячей волны (КСВ или КСВН для напряжения), который связан с отношением импеданса и коэффициентом отражения следующим образом:, где - минимальное и максимальное значения абсолютного значения напряжения , а КСВН равен коэффициент стоячей волны по напряжению, значение которого 1 означает полное пропускание без отражения и, следовательно, без стоячей волны, в то время как очень большие значения означают высокое отражение и характер стоячей волны.${\displaystyle \mathrm {VSWR} ={\frac {|V|_{\rm {max}}}{|V|_{\rm {min}}}}={\frac {1+|\Gamma |}{1-|\Gamma |}}}$${\displaystyle \left|V\right|_{\rm {min/max}}}$

Электромагнитные волноводы [ править ]

Радиочастотные волноводы [ править ]

Волноводы могут быть сконструированы так, чтобы переносить волны в широкой части электромагнитного спектра , но они особенно полезны в микроволновом и оптическом диапазонах частот. В зависимости от частоты они могут быть изготовлены из проводящих или диэлектрических материалов. Волноводы используются для передачи как мощности, так и сигналов связи. ^{[ необходима цитата ]}

Оптические волноводы [ править ]

Волноводы, используемые на оптических частотах, обычно представляют собой диэлектрические волноводы, структуры, в которых диэлектрический материал с высокой диэлектрической проницаемостью и, следовательно, с высоким показателем преломления окружен материалом с более низкой диэлектрической проницаемостью. Структура направляет оптические волны за счет полного внутреннего отражения . Примером оптического волновода является оптическое волокно . ^{[ необходима цитата ]}

Также используются другие типы оптических волноводов, в том числе фотонно-кристаллическое волокно , которое направляет волны с помощью любого из нескольких различных механизмов. Направляющие в виде полой трубки с внутренней поверхностью с высокой отражающей способностью также использовались в качестве световодов для освещения. Внутренние поверхности могут быть из полированного металла или могут быть покрыты многослойной пленкой, которая направляет свет за счет брэгговского отражения (это частный случай фотонно-кристаллического волокна). Можно также использовать маленькие призмы вокруг трубы, которые отражают свет посредством полного внутреннего отражения [2] - такое ограничение, однако, обязательно несовершенно, поскольку полное внутреннее отражение никогда не может действительно направлять свет в пределах нижнего-индексный сердечник (в случае призмы часть света просачивается по углам призмы). ^{[ необходима цитата ]}

Акустические волноводы [ править ]

Акустический волновод является физической структурой для направления звуковых волн. Канал для распространения звука также ведет себя как линия передачи . Канал содержит некоторую среду, например воздух, которая способствует распространению звука. ^{[ необходима цитата ]}

Математические волноводы [ править ]

Волноводы - интересные объекты исследования с чисто математической точки зрения. Волновод (или трубка) определяется как тип граничного условия в волновом уравнении, при котором волновая функция должна быть равна нулю на границе и что допустимая область конечна во всех измерениях, кроме одного (бесконечно длинный цилиндр является примером .) Из этих общих условий можно получить большое количество интересных результатов. Оказывается, что любая трубка с выпуклостью (где ширина трубки увеличивается) допускает по крайней мере одно связанное состояние, которое существует внутри модовых промежутков. Частоты всех связанных состояний можно определить по короткому по времени импульсу. Это можно показать с помощью вариационных принципов. Интересный результат Джеффри Голдстоуна и Роберта Джаффе ^[13]состоит в том, что любая трубка постоянной ширины с закруткой допускает связанное состояние. ^{[ необходима цитата ]}

Звуковой синтез [ править ]

Синтеза звука виды использования цифровых линий задержки , как вычислительные элементы для имитации распространения волн в трубах духовых инструментов и вибрирующих струн на струнных инструментов . ^{[ необходима цитата ]}

См. Также [ править ]

• Круговая поляризация
• Электромагнитная волна
• Линейная поляризация
• Датчик орторежима
• Поляризация

Ссылки [ править ]

• Хан, CC; Hwang, Y, "Спутниковые антенны", in, Lo, YT ; Ли, SW, Справочник по антеннам: Приложения Тома III , глава 21, Springer, 1993 ISBN 0442015941 . 
• Леви, Р; Кон, С.Б., «История исследований, проектирования и разработки микроволновых фильтров» , IEEE Transactions: Microwave Theory and Techniques , страницы 1055–1067, том 32, выпуск 9, 1984.
• Олинер, Артур А., «Эволюция электромагнитных волноводов: от полых металлических волноводов до микроволновых интегральных схем», глава 16 в, Sarkar et al. , История беспроводной связи , Wiley, 2006 ISBN 0471783013 . 

Внешние ссылки [ править ]

Найдите волновод в Викисловаре, бесплатном словаре.

Викискладе есть медиафайлы по теме волноводов .

• Волновод Очень простое объяснение того, что такое волновод
• Основы работы с волноводом Несколько страниц с подробным руководством
• Электромагнитные волны и антенны: волноводы Софокл Дж. Орфанидис, факультет электротехники и вычислительной техники, Университет Рутгерса
• Связанные состояния в скрученных трубках , Дж. Голдстоун, Р.Л. Джаффе, Департамент физики Массачусетского технологического института.