Hullámvezető

A hullámvezető  egy mesterséges vagy természetes vezetőcsatorna, amelyben a hullám terjedhet . Ebben az esetben a hullám által szállított energiaáramlás ebben a csatornában vagy a csatornával közvetlenül szomszédos térben koncentrálódik.

A terjedő hullámok jellege szerint megkülönböztetünk elektromágneses és akusztikus hullámvezetőket. Az előbbiek speciális esete a száloptikai átviteli vonalak . A "hullámvezető" kifejezés leggyakrabban olyan fémcsövekre utal, amelyeket az elektromágneses hullámok energiájának átvitelére terveztek a mikrohullámú és az EHF tartományban [1] . Az ilyen hullámvezető  egy vagy több vezető felülettel rendelkező átviteli vezeték, amelynek keresztmetszete zárt vezető áramkör formájában lefedi az elektromágneses energia terjedési tartományát [2] . Az akusztikában a hullámvezetők a hangszerek és a hangszórók kürtjei, valamint az ultrahangot vezető speciálisan kialakított fémelemek, amelyeket ultrahangos feldolgozásban használnak.

Történelmi háttér

A hullámátvitel tervét először Joseph John Thomson angol fizikus javasolta 1893-ban, és Oliver Lodge angol fizikus és feltaláló volt az első, aki 1894-ben kísérletileg tesztelte az elvét. Az elektromágneses hullámok lefolyásának fémhengerben történő lefutásának első matematikai elemzését Lord Rayleigh brit fizikus és szerelő végezte 1897-ben [3] . A hanghullámok ( felületi akusztikus hullámok ) gondos tanulmányozása során Lord Rayleigh teljes matematikai elemzést tett közzé terjedésük elvéről "A hang elmélete" című alaptanulmányában [4] .

Később, a huszadik század 20-as éveiben megkezdődött a dielektromos hullámvezetők (beleértve az optikai szálakat is ) tanulmányozása. Számos tudós, köztük a leghíresebb Rayleigh brit fizikus és mechanikus , Sommerfeld német elméleti fizikus és matematikus , valamint Debye holland fizikus [5] volt . Az alapkutatások oda vezettek, hogy az 1960-as években az optikai szálak kiemelt figyelmet kaptak, mivel megnyíltak a lehetőségek adatátviteli és kommunikációs felhasználásukra .

A hullámvezetők típusai

Árnyékolt

Az árnyékolt hullámvezetők jól visszaverő falakkal rendelkeznek a bennük terjedő hullám számára, aminek köszönhetően a hullámerő áramlása a hullámvezető belsejében koncentrálódik. Az ilyen hullámvezetőket általában üreges vagy közepesen töltött csövek formájában készítik, speciálisan kiválasztott paraméterekkel. Ezeknek a csöveknek a keresztmetszete kör, ellipszis, téglalap alakú, amihez nagyobb szerkezeti egyszerűség társul, bár speciális célokra más keresztmetszetű hullámvezetőket is használnak. Annak érdekében, hogy a hullám a hullámvezetőben terjedésével ne az ellenkező irányba verődjön vissza, a hullámvezetőt szabályossá kell tenni: a keresztmetszet alakjának és méreteinek, valamint az anyagok fizikai tulajdonságainak állandónak kell lenniük a hullámvezető hosszában. a hullámvezető. Mivel a hullám visszaverődik az árnyékolt hullámvezető falairól, egy meghatározott módusösszetételű állóhullám jelenik meg keresztirányban .

Az elektromágneses hullámok továbbítására fémcsöveket használnak, üregesek vagy dielektrikummal töltve. Használnak koaxiális és többerű árnyékolt kábeleket is, amelyek a vezetékes átviteli vonalak közé tartoznak . A "rádiófrekvenciás hullámvezető" kifejezés (angolul rádiófrekvenciás útmutató , RG jelölés) hangsúlyozza a célt és a különbséget a vezetékes egyenáramú és ipari frekvenciájú áramátviteli vezetékektől, valamint az alacsony frekvenciájú kommunikációs kábelektől. Fém hullámvezetőket és koaxiális kábeleket használnak réselt hullámvezető antennák és sugárzó kábelek építésére a képernyőn átmenő furatokkal .

Az árnyékolt hullámvezetők közé tartoznak az akusztikus hullámvezetők is , ezek meglehetősen merev falú csövek, például fém vagy műanyag. Az ilyen hullámvezetőkben akusztikus rezgések terjednek a hullámvezetőt kitöltő gázban, általában levegőben. Korábban széles körben használták hajókon és hajókon "beszélő csövek" néven.

Szinte minden típusú hullámvezető tekinthető hosszú átviteli vonalnak , vagyis olyannak, amelynek hossza jelentősen meghaladja a bennük terjedő hullám hosszát.

Árnyékolatlan

Nyílt (árnyékolatlan) hullámvezetőkben a mező lokalizációja általában a teljes belső visszaverődés jelensége miatt következik be két közeg közötti interfészről (hullámvezetőkben , dielektromos és száloptikai fényvezetőkben ), vagy olyan területekről, ahol a közeg paraméterei egyenletesen változnak (például ionoszférikus ). hullámvezető , légköri hullámvezető , víz alatti hangcsatorna , gradiens optikai szál). A mező túlnyomórészt a hullámvezető keresztmetszet egy speciálisan kialakított tartományában helyezkedik el, és gyorsan csökken ezen a tartományon kívül. Ennek köszönhetően a hullám a hullámvezetőben van csatornázva. Az optikai tartomány nyitott sík hullámvezetői különféle integrált optoelektronikai eszközök építésére szolgálnak.

Az akusztikus nyitott hullámvezetők a felületi akusztikus hullámokon alapuló eszközök alapjául szolgálnak , ezekben az ultrahanghullámok a különböző akusztikus tulajdonságú közegek határfelületén terjednek.

Hullámvezető tulajdonságai

A hullámvezetőkben, mint az elosztott paraméterű rendszerekben, lehetséges a rezgéstípusok ( módusok ) diszkrét (nem túl erős abszorpciójú) halmazának (együttesének) létezése, minden rezgéstípus saját fázis- és csoportsebességgel terjed . Minden üzemmód diszperziós , azaz fázissebessége a frekvenciától függ és eltér a csoportsebességektől.

Árnyékolt hullámvezetőben a fázissebességek általában meghaladják egy sík homogén hullám terjedési sebességét a töltőközegben ( fénysebesség , hangsebesség ), ezeket a hullámokat gyorsnak nevezzük . Hiányos árnyékolás esetén átszivároghatnak a hullámvezető falain, visszasugározva a környező térbe. Ezek az úgynevezett szivárgó hullámok . A nyílt hullámvezetőkben általában lassú hullámok terjednek, amelyek amplitúdója gyorsan csökken a vezetőcsatornától való távolsággal.

Minden üzemmódot egy korlátozó frekvencia jellemez , amelyet kritikusnak neveznek ; a módusz csak .- t meghaladó frekvenciákon tudja továbbítani és továbbvinni az energiaáramlást a hullámvezető mentén . Azonban bizonyos esetekben (többvezetékes átviteli vonalak, üreges akusztikus hullámvezetők) vannak olyan üzemmódok, amelyek esetében fő vagy kvázi statikus.

Nagy vonalakban a hullámvezető túlméretezett lesz (a hullámvezető keresztirányú méretei jelentősen meghaladják a hullámhosszt ): ekkor egyszerre több módus is terjedhet benne, amelyek bizonyos amplitúdók és fázisok közötti összefüggések mellett a hullámvezető mentén futó csomókba csoportosíthatók. Korlátozó esetben a hullámvezetőben csomópontokkal és antinódusokkal álló állóhullám képződik, például az akusztikus hullámvezetők - akusztikus nyomáscsomópontok esetében . A csomópontokban a falak eltávolíthatók, ha a tömör csövet egymás után elhelyezett reflektorokra cserélik. Az ilyen és hasonló lencserendszereket kvázi-optikai hullámvezetőkként vagy kvázi-optikai átviteli vonalakként sorolják be.

Hullámvezetők alkalmazásai

A rádiófrekvenciás elektromos hullámvezetőket (beleértve a koaxiális kábeleket, üreges fém hullámvezetőket stb.) széles körben használják a rádiótechnikában, beleértve a rádiókommunikációt, a radarállomásokat és az elemi részecskék gyorsítására szolgáló technológiát . Egy háztartási mikrohullámú sütőben az elektromágneses hullámok forrásaként szolgáló magnetronból származó energia egy üreges fém rádióhullámvezetőn keresztül jut be a fűtőkamrába.

Az optikai szál, amely az optikai sugárzás hullámvezetője, a fény és a jelek nagy távolságra történő továbbítására szolgál kis teljesítményveszteséggel és széles hullámhossz-tartományban. Az optikai szálhoz szerkezetileg hasonló dielektromos hullámvezetőket használnak a mikrohullámú tartományban.

Akusztikus hullámvezetőket (hangcsöveket) is használnak a modern hajókon és hajókon, amelyek meghibásodásuk esetén megkettőzik az elektronikus kaputelefonokat. A felületi akusztikus hullámokon alapuló, integrált technológia szerint készült, több száz MHz-es vagy annál nagyobb frekvencián működő ultrahangos hullámvezetőket a funkcionális elektronikai eszközökben használják rádiójelek feldolgozására (késleltetés, frekvenciaszűrés, illesztett szűrők, Fourier-analízis stb.).

Lásd még

Jegyzetek

  1. ↑ „Az elektromos és elektronikai szakkifejezések IEEE szabványszótára”; 6. kiadás New York, NY, Institute of Electrical and Electronics Engineers, 1997. IEEE Std 100-1996. Az elektromos és elektronikai szakkifejezések IEEE szabványszótára / szerk. Szabványügyi Koordinációs Bizottság 10, Kifejezések és Fogalommeghatározások; Jane Radatz (elnök). - 1996. - ISBN ISBN 1-55937-833-6 .
  2. ↑ GOST 18238-72. Mikrohullámú távvezetékek. Kifejezések és meghatározások.
  3. ↑ NW McLachlan, A Mathieu-függvények elmélete és alkalmazásai, p. 8 (1947) (újranyomta: Dover: New York, 1964). (Angol)
  4. ↑ The Theory of Sound archiválva 2014. július 6-án a Wayback Machine -nél , JWS Rayleigh, (1894  )
  5. ↑ Advanced Engineering Electromagnetics Archiválva : 2009. május 14., a Wayback Machine , CA Balanis, John Wiley & Sons (1989). (Angol)

Irodalom