دليل الموجة

مثال على دليل الموجة: جزء من دليل موجة مستطيل مرن يستخدم للرادار وله شفة .
(رسم متحرك) المكون Ex للمجال الكهربائي للنمط TE31 داخل موجه معدني مجوف في نطاق x. يسمح المقطع العرضي للموجه برؤية المجال في الداخل.
مكون المجال الكهربائي Ex للنمط TE31 داخل دليل موجي مستطيل معدني مجوف بنطاق x.

الموجه الموجي هو هيكل يوجه الموجات عن طريق تقييد اتجاه انتقال الطاقة. تشمل الأنواع الشائعة للموجهات الموجية الموجهات الصوتية التي توجه الصوت ، والموجهات الضوئية التي توجه الضوء ، والموجهات الراديوية التي توجه الموجات الكهرومغناطيسية الأخرى غير الضوء المرئي أو شبه المرئي، مثل موجات الراديو .

بدون القيد المادي للموجة الدليلية، ستتوسع الموجات في الفضاء ثلاثي الأبعاد وستنخفض شدتها وفقًا لقانون التربيع العكسي .

توجد أنواع مختلفة من الموجهات الموجية لأنواع مختلفة من الموجات. المعنى الأصلي والأكثر شيوعًا هو أنبوب معدني موصل مجوف يُستخدم لنقل موجات الراديو عالية التردد ، وخاصة الموجات الميكروية . [ 1 ] تُستخدم الموجهات الموجية العازلة عند ترددات الراديو العالية، بينما تُستخدم الموجهات الموجية العازلة الشفافة والألياف البصرية كموجهات موجية للضوء. في مجال الصوتيات ، تُستخدم قنوات الهواء والأبواق كموجهات موجية للصوت في الآلات الموسيقية ومكبرات الصوت ، بينما تُستخدم قضبان معدنية ذات أشكال خاصة لتوصيل الموجات فوق الصوتية في عمليات التشغيل بالموجات فوق الصوتية .

تعكس هندسة الموجه وظيفتها؛ فبالإضافة إلى الأنواع الأكثر شيوعًا التي توجه الموجة في بُعد واحد، توجد موجهات ثنائية الأبعاد تحصر الموجات في بُعدين. كما يحدد تردد الموجة المنقولة حجم الموجه: لكل موجه طول موجة قطع يُحدده حجمه، ولن ينقل موجات ذات أطوال موجية أكبر؛ فالألياف البصرية التي توجه الضوء لا تنقل الموجات الميكروية ذات الأطوال الموجية الأكبر بكثير. يمكن لبعض التكوينات الطبيعية أن تعمل كموجهات أيضًا. فطبقة قناة SOFAR في المحيط قادرة على توجيه صوت أغاني الحيتان عبر مسافات شاسعة. [ 2 ] يمكن لأي شكل من أشكال الموجه أن يدعم الموجات الكهرومغناطيسية. مع ذلك، يصعب تحليل الأشكال غير المنتظمة. أما الموجهات الشائعة الاستخدام فهي مستطيلة أو دائرية المقطع العرضي.

الاستخدامات

دليل موجي يزود مصدر الفوتونات المتقدم التابع لمختبر أرغون الوطني بالطاقة .

كانت استخدامات الموجهات الموجية لنقل الإشارات معروفة حتى قبل صياغة المصطلح. فظاهرة انتقال الموجات الصوتية عبر سلك مشدود معروفة منذ زمن طويل، وكذلك انتقال الصوت عبر أنبوب مجوف كالكهف أو سماعة الطبيب . ومن الاستخدامات الأخرى للموجهات الموجية نقل الطاقة بين مكونات النظام، مثل أجهزة الراديو والرادار والأجهزة البصرية. وتُعد الموجهات الموجية المبدأ الأساسي لاختبار الموجات الموجهة (GWT)، وهو أحد أساليب التقييم غير المتلف العديدة . [ 3 ]

أمثلة محددة:

  • تنقل الألياف الضوئية الضوء والإشارات لمسافات طويلة مع انخفاض التوهين ونطاق واسع من الأطوال الموجية القابلة للاستخدام.
  • في فرن الميكروويف، يقوم موجه الموجات بنقل الطاقة من المغنطرون ، حيث تتشكل الموجات، إلى حجرة الطهي.
  • في الرادار، يقوم دليل الموجة بنقل طاقة الترددات الراديوية من وإلى الهوائي، حيث يجب مطابقة المعاوقة لنقل الطاقة بكفاءة (انظر أدناه).
  • تُستخدم الموجهات المستطيلة والدائرية بشكل شائع لتوصيل تغذية الأطباق المكافئة بأجهزتها الإلكترونية، سواء كانت أجهزة استقبال منخفضة الضوضاء أو مكبرات/أجهزة إرسال الطاقة.
  • تُستخدم الموجهات الموجية في الأجهزة العلمية لقياس الخصائص البصرية والصوتية والمرنة للمواد والأجسام. يمكن وضع الموجه الموجي على اتصال مباشر مع العينة (كما هو الحال في التصوير بالموجات فوق الصوتية الطبية )، وفي هذه الحالة يضمن الموجه الموجي الحفاظ على قوة الموجة المستخدمة في الاختبار، أو يمكن وضع العينة داخل الموجه الموجي (كما هو الحال في قياس ثابت العزل الكهربائي)، مما يسمح باختبار أجسام أصغر حجماً ويزيد من دقة القياس. [ 4 ]
  • خط النقل هو نوع محدد شائع الاستخدام من الموجهات الموجية. [ 5 ]

تاريخ

اقترح جيه جيه طومسون أول بنية لتوجيه الموجات عام 1893، واختُبرت تجريبيًا لأول مرة على يد أوليفر لودج عام 1894. وأجرى اللورد رايلي أول تحليل رياضي للموجات الكهرومغناطيسية في أسطوانة معدنية عام 1897. [ 6 ] : 8 وفيما يخص الموجات الصوتية، نشر اللورد رايلي تحليلًا رياضيًا كاملًا لأنماط الانتشار في عمله الرائد "نظرية الصوت". [ 7 ] بحث جاغاديش تشاندرا بوس في أطوال الموجات المليمترية باستخدام الموجهات الموجية، وفي عام 1897 وصف للمؤسسة الملكية في لندن بحثه الذي أجراه في كلكتا. [ 8 ] [ 9 ]

بدأت دراسة الموجهات العازلة ( مثل الألياف الضوئية، انظر أدناه) في وقت مبكر من عشرينيات القرن العشرين، على يد العديد من الأشخاص، وأشهرهم رايلي وسومرفيلد وديباي . [ 10 ] بدأت الألياف الضوئية تحظى باهتمام خاص في ستينيات القرن العشرين نظرًا لأهميتها في صناعة الاتصالات.

بدأ تطوير الاتصالات اللاسلكية بترددات منخفضة لسهولة انتشارها عبر مسافات طويلة. إلا أن طول الموجات جعل هذه الترددات غير مناسبة للاستخدام في الموجهات المعدنية المجوفة نظرًا لحجم الأنابيب الكبير جدًا المطلوب. ونتيجة لذلك، توقف البحث في الموجهات المعدنية المجوفة، وطُويت صفحة أعمال اللورد رايلي لفترة، ثم أعاد اكتشافها باحثون آخرون. استؤنفت الدراسات العملية في ثلاثينيات القرن العشرين على يد جورج سي. ساوثوورث في مختبرات بيل، وويلمر إل. بارو في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا . في البداية، استند ساوثوورث إلى نظرية الموجات في قضبان عازلة، لجهله بأعمال اللورد رايلي. وقد أدى ذلك إلى تضليله بعض الشيء، إذ فشلت بعض تجاربه لعدم إلمامه بظاهرة تردد القطع في الموجهات، والتي سبق أن رُصدت في أعمال رايلي. ثم تولى جون آر. كارسون وسالي بي . ميد العمل النظري الجاد في هذا المجال. أدى هذا العمل إلى اكتشاف أن الفقد في نمط TE 01 في الموجهات الدائرية يتناقص مع التردد، وكان هذا النمط في وقت من الأوقات منافسًا قويًا لتنسيق الاتصالات بعيدة المدى. [ 11 ] : 544-548

أعطى دور الرادار المحوري في الحرب العالمية الثانية دفعةً قويةً لأبحاث الموجهات الموجية، على الأقل من جانب الحلفاء . وقد وفّر المغنطرون ، الذي طوّره جون راندال وهاري بوت عام 1940 في جامعة برمنغهام بالمملكة المتحدة، مصدر طاقةٍ فعّالاً، وجعل رادار الموجات الميكروية ممكناً. كان أهم مركزٍ للأبحاث الأمريكية في مختبر الإشعاع (Rad Lab) بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ( MIT)، لكنّ العديد من المراكز الأخرى شاركت في الولايات المتحدة والمملكة المتحدة، مثل مؤسسة أبحاث الاتصالات . ترأس إدوارد ميلز بورسيل مجموعة التطوير الأساسي في مختبر الإشعاع ، وضمّ فريقه البحثي جوليان شوينجر ، وناثان ماركوفيتز ، وكارول غراي مونتغمري، وروبرت هـ. ديك . ركّز جزءٌ كبيرٌ من عمل مختبر الإشعاع على إيجاد نماذج العناصر المُجمّعة لهياكل الموجهات الموجية، بحيث يُمكن تحليل مكونات الموجهات الموجية باستخدام نظرية الدوائر القياسية. عمل هانز بيث لفترةٍ وجيزةٍ في مختبر الإشعاع، وخلال تلك الفترة، قدّم نظريته حول الفتحات الصغيرة، والتي أثبتت أهميتها لمرشحات تجويف الموجهات الموجية ، التي طُوّرت لأول مرة في مختبر الإشعاع. من جهة أخرى، تجاهل الجانب الألماني إلى حد كبير إمكانات الموجهات الموجية في الرادار حتى وقت متأخر من الحرب. لدرجة أنه عندما أُرسلت أجزاء رادار من طائرة بريطانية محطمة إلى شركة سيمنز وهالسكه لتحليلها، على الرغم من التعرف عليها كمكونات للموجات الميكروية، لم يكن بالإمكان تحديد الغرض منها.

في ذلك الوقت، كانت تقنيات الميكروويف مهملة للغاية في ألمانيا. كان يُعتقد عموماً أنها غير مجدية في الحرب الإلكترونية، ولم يكن يُسمح لمن يرغب في إجراء أبحاث في هذا المجال بالقيام بذلك.

إتش. ماير، نائب رئيس شركة سيمنز وهالسكي في زمن الحرب

بل سُمح للأكاديميين الألمان بمواصلة نشر أبحاثهم في هذا المجال علنًا، لأنه لم يُعتبر ذا أهمية. [ 12 ] : 548-554 [ 13 ] : 1055، 1057

مباشرةً بعد الحرب العالمية الثانية، كانت تقنية الموجهات الموجية الخيار الأمثل في مجال الموجات الميكروية. مع ذلك، تعاني هذه التقنية من بعض المشاكل؛ فهي ضخمة الحجم، ومكلفة الإنتاج، كما أن تأثير تردد القطع يُصعّب إنتاج أجهزة ذات نطاق ترددي واسع. يمكن للموجهات الموجية المُضلّعة زيادة عرض النطاق الترددي إلى ما يزيد عن أوكتاف، لكن الحل الأمثل هو استخدام تقنية تعمل في نمط TEM (أي بدون موجهات موجية) مثل الموصلات المحورية ، لأن نمط TEM لا يمتلك تردد قطع. يمكن أيضًا استخدام موصل مستطيل محمي، وله مزايا تصنيعية معينة مقارنةً بالموصلات المحورية، ويمكن اعتباره رائدًا للتقنيات المستوية ( الخطوط الشريطية والخطوط الميكروية ). مع ذلك، بدأت التقنيات المستوية بالانتشار على نطاق واسع مع ظهور الدوائر المطبوعة. هذه الطرق أرخص بكثير من الموجهات الموجية، وقد حلت محلها إلى حد كبير في معظم النطاقات. ومع ذلك، لا تزال الموجهات الموجية هي الخيار المفضل في نطاقات الموجات الميكروية العليا، بدءًا من نطاق Ku تقريبًا. [ 12 ] : 556-557 [ 14 ] : 21-27، 21-50

ملكيات

أنماط الانتشار وترددات القطع

نمط الانتشار في الدليل الموجي هو أحد حلول معادلات الموجة، أو بعبارة أخرى، شكل الموجة. [ 10 ] نظرًا لقيود الشروط الحدية ، فإن ترددات وأشكال دالة الموجة التي يمكن أن تنتشر في الدليل الموجي محدودة. أدنى تردد يمكن أن ينتشر فيه نمط معين هو تردد القطع لهذا النمط. النمط ذو أدنى تردد قطع هو النمط الأساسي للدليل الموجي، وتردد قطعه هو تردد قطع الدليل الموجي. [ 15 ] : 38

تُحسب أنماط الانتشار بحل معادلة هيلمهولتز إلى جانب مجموعة من الشروط الحدية التي تعتمد على الشكل الهندسي والمواد المحيطة بالمنطقة. يسمح لنا الافتراض المعتاد للموجات الموجهة المنتظمة ذات الطول اللانهائي بافتراض شكل انتشار للموجة، أي أن كل مكون من مكونات المجال له اعتماد معروف على اتجاه الانتشار (أيz{\displaystyle z}). وبشكل أكثر تحديدًا، يتمثل النهج الشائع في استبدال جميع الحقول غير المعروفة المتغيرة مع الزمن أولاً.u(x،y،z،ت){\displaystyle u(x,y,z,t)}(بافتراض تبسيط الوصف، يتم استخدام المكونات الديكارتية لوصف الحقول ) مع تمثيلها للمتجهات الطورية المعقدةيو(x،y،z){\displaystyle U(x,y,z)}، وهو ما يكفي لوصف أي إشارة أحادية النغمة طويلة بلا حدود عند الترددو{\displaystyle f}، (التردد الزاوي)ω=2πو{\displaystyle \omega =2\pi f}ثم نعيد كتابة معادلة هيلمهولتز والشروط الحدية وفقًا لذلك. بعد ذلك، يُجبر كل حقل مجهول على أن يكون له شكل مثليو(x،y،z)=يو^(x،y)هـ-γz{\displaystyle U(x,y,z)={\hat {U}}(x,y)e^{-\gamma z}}، حيثγ{\displaystyle \gamma }يمثل هذا الحد ثابت الانتشار (الذي لا يزال مجهولاً) على طول الاتجاه الذي يمتد فيه الدليل الموجي إلى ما لا نهاية. يمكن إعادة كتابة معادلة هيلمهولتز لتتوافق مع هذا الشكل، ويجب حل المعادلة الناتجة لإيجاد قيمة ثابتة الانتشار.γ{\displaystyle \gamma }ويو^(x،y){\displaystyle {\hat {U}}(x,y)}مما ينتج عنه في النهاية معادلة القيم الذاتية لـγ{\displaystyle \gamma }ودالة ذاتية مقابلةيو^(x،y)γ{\displaystyle {\hat {U}}(x,y)_{\gamma }}لكل حل من الحلول السابقة. [ 16 ]

ثابت الانتشارγ{\displaystyle \gamma }إن ثابت الانتشار للموجة الموجهة معقد بشكل عام. في حالة انعدام الفقد، قد يأخذ ثابت الانتشار قيمًا حقيقية أو تخيلية، وذلك اعتمادًا على الحل المختار لمعادلة القيم الذاتية وعلى التردد الزاوي.ω{\displaystyle \omega }. متىγ{\displaystyle \gamma }إذا كان حقيقيًا تمامًا، يُقال إن النمط "أقل من تردد القطع"، لأن سعة متجهات المجال تميل إلى التناقص أُسّيًا مع الانتشار؛ تخيليγ{\displaystyle \gamma }بدلاً من ذلك، يمثل هذا النمط الأنماط التي يُقال إنها "في طور الانتشار" أو "فوق تردد القطع"، حيث لا يتغير السعة المركبة للمتجهات الطورية معz{\displaystyle z}[ 17 ]

مطابقة المعاوقة

في نظرية الدوائر الكهربائية ، تُعتبر المعاوقة تعميمًا للمقاومة الكهربائية في حالة التيار المتردد ، ويتم قياسها بالأوم (Ωأوميغا[ 10 ] يُوصف الدليل الموجي في نظرية الدوائر الكهربائية بخط نقل له طول ومعاوقة مميزة . [ 18 ] : 2-3، 6-12 [ 19 ] : 14 [ 20 ] بعبارة أخرى، تشير المعاوقة إلى نسبة الجهد إلى التيار لمكون الدائرة ( في هذه الحالة، الدليل الموجي) أثناء انتشار الموجة. كان هذا الوصف للدليل الموجي مُصممًا في الأصل للتيار المتردد، ولكنه مناسب أيضًا للموجات الكهرومغناطيسية والصوتية، بمجرد تحويل خصائص الموجة والمادة (مثل الضغط والكثافة وثابت العزل الكهربائي ) إلى مصطلحات كهربائية ( التيار والمعاوقة على سبيل المثال). [ 21 ] : 14

يُعدّ توافق المعاوقة أمرًا بالغ الأهمية عند توصيل مكونات الدائرة الكهربائية (كالموجّه الموجي بالهوائي على سبيل المثال): إذ تحدد نسبة المعاوقة مقدار الموجة التي تُنقل للأمام ومقدارها الذي ينعكس. عند توصيل الموجّه الموجي بالهوائي، عادةً ما يكون النقل الكامل مطلوبًا، لذا يُبذل جهد لمطابقة معاوقتهما. [ 20 ]

يمكن حساب معامل الانعكاس باستخدام :Γ=Z2-Z1Z2+Z1{\displaystyle \Gamma ={\frac {Z_{2}-Z_{1}}{Z_{2}+Z_{1}}}}، أينΓ{\displaystyle \Gamma }(غاما) هو معامل الانعكاس (0 يشير إلى النقل الكامل، و1 إلى الانعكاس الكامل، و0.5 إلى انعكاس نصف الجهد الوارد)، Z1{\displaystyle Z_{1}}وZ2{\displaystyle Z_{2}}تمثل هذه القيم معاوقة المكون الأول (الذي تدخل منه الموجة) والمكون الثاني، على التوالي. [ 22 ]

يؤدي عدم تطابق المعاوقة إلى انعكاس الموجة، وعند إضافة هذه الموجة إلى الموجات الواردة، تتكون موجة مستقرة. ويمكن قياس عدم تطابق المعاوقة أيضًا باستخدام نسبة الموجة المستقرة (SWR أو VSWR للجهد)، والتي ترتبط بنسبة المعاوقة ومعامل الانعكاس كما يلي:VSدبليوR=|V|مأx|V|مأنان=1+|Γ|1-|Γ|{\displaystyle \mathrm {VSWR} ={\frac {|V|_{\rm {max}}}{|V|_{\rm {min}}}}={\frac {1+|\Gamma |}{1-|\Gamma |}}}، أين|V|مأنان/مأx{\displaystyle \left|V\right|_{\rm {min/max}}}يمثل الحد الأدنى والحد الأقصى للقيمة المطلقة للجهد ، وVSWR هي نسبة الموجة الموقوفة للجهد، حيث تشير القيمة 1 إلى انتقال كامل، بدون انعكاس وبالتالي بدون موجة موقوفة، بينما تشير القيم الكبيرة جدًا إلى انعكاس عالٍ ونمط موجة موقوفة. [ 20 ]

الموجهات الكهرومغناطيسية

الموجهات الموجية للترددات الراديوية

يمكن تصميم الموجهات الموجية لنقل الموجات عبر نطاق واسع من الطيف الكهرومغناطيسي ، لكنها مفيدة بشكل خاص في نطاقات ترددات الميكروويف والترددات الضوئية . وبحسب التردد، يمكن تصنيعها من مواد موصلة أو عازلة . تُستخدم الموجهات الموجية لنقل كلٍ من الطاقة وإشارات الاتصالات. [ 15 ] : 1-3 [ 23 ] : xiii-xiv

في هذا الرادار العسكري، تُنقل إشعاعات الميكروويف بين المصدر والعاكس عبر موجه موجي. يوضح الشكل أن موجات الميكروويف تغادر الصندوق بشكل دائري متناظر (مما يسمح للهوائي بالدوران)، ثم تُحوّل إلى نمط خطي، وتمر عبر مرحلة مرنة. بعد ذلك، يُعاد تدوير استقطابها في مرحلة ملتوية، وأخيرًا تُشعّ على الهوائي المكافئ.

الموجهات الضوئية

تُستخدم الموجهات الضوئية عادةً في الترددات البصرية، وهي عبارة عن هياكل تتكون من مادة عازلة ذات سماحية عالية ، وبالتالي معامل انكسار عالٍ ، محاطة بمادة ذات سماحية أقل. وتوجه هذه الهياكل الموجات الضوئية عن طريق الانعكاس الداخلي الكلي . ومن أمثلة الموجهات الضوئية الألياف الضوئية . [ 24 ]

تُستخدم أنواع أخرى من الموجهات الضوئية، بما في ذلك ألياف البلورات الضوئية ، التي توجه الموجات عبر آليات متعددة ومختلفة. كما استُخدمت موجهات على شكل أنبوب مجوف ذي سطح داخلي عاكس للغاية كأنابيب ضوئية لتطبيقات الإضاءة. قد تكون الأسطح الداخلية من معدن مصقول، أو مغطاة بغشاء متعدد الطبقات يوجه الضوء عن طريق انعكاس براغ (وهذه حالة خاصة من ألياف البلورات الضوئية). يمكن أيضًا استخدام موشورات صغيرة حول الأنبوب تعكس الضوء عبر الانعكاس الداخلي الكلي [ 25 ] ، إلا أن هذا الحصر غير مثالي بالضرورة، لأن الانعكاس الداخلي الكلي لا يمكنه توجيه الضوء بشكل كامل داخل لب ذي معامل انكسار منخفض (في حالة الموشور، يتسرب بعض الضوء من زوايا الموشور). [ 26 ]

الموجهات الصوتية

الموجه الصوتي هو بنية فيزيائية لتوجيه الموجات الصوتية. يتصرف الصوت في الموجه الصوتي كما لو كان موجات كهرومغناطيسية على خط نقل . تُعد الموجات على وتر، كتلك الموجودة في هاتف مصنوع من علبة معدنية ، مثالًا بسيطًا على الموجه الصوتي. ومن الأمثلة الأخرى موجات الضغط في أنابيب الأرغن . يُستخدم مصطلح الموجه الصوتي أيضًا لوصف الموجات المرنة الموجهة في الأجهزة متناهية الصغر، كتلك المستخدمة في خطوط التأخير الكهروإجهادية وفي تشتت بريلوين المحفز .

أنابيب لا نهائية

تفرض الموجهات الموجية (أو الأنابيب) شرطًا حدوديًا على معادلة الموجة بحيث يجب أن تساوي دالة الموجة صفرًا على الحدود، وأن تكون المنطقة المسموح بها محدودة في جميع الأبعاد باستثناء بُعد واحد. الأسطوانة اللانهائية الطول مثال على ذلك. رياضيًا، أي أنبوب ذو انتفاخ، حيث يزداد عرض الأنبوب، يسمح بوجود حالة مقيدة واحدة على الأقل غير منتشرة. باستخدام مبادئ التباين، أثبت جيفري غولدستون وروبرت جافي أن أنبوبًا ذو عرض ثابت مع التواء يسمح بوجود حالة مقيدة. [ 27 ]

توليف الصوت

يستخدم توليف الصوت خطوط التأخير الرقمية كعناصر حسابية لمحاكاة انتشار الموجات في أنابيب آلات النفخ والأوتار المهتزة للآلات الوترية . [ 28 ]

انظر أيضاً

ملحوظات

مراجع