Inafasiriwa moja kwa moja kutoka kwa Wikipedia ya Kiingereza na Tafsiri ya Google

Waveguide

Sehemu ya wimbi la kubadilika na flange ya kushangaza
(uhuishaji) Sehemu ya Umeme sehemu ya Ex ya mode TE31 ndani ya wimbi la mawimbi la chuma la chini ya x-band. Sehemu ya msalaba ya wimbi la wimbi inaruhusu mtazamo wa shamba ndani.
Sehemu ya Umeme sehemu ya Ex ya mode TE31 ndani ya wimbi la mawimbi la chuma la chini ya x-band.

Waveguide ni muundo wa kwamba viongozi mawimbi, kama vile mawimbi ya umeme au sauti , pamoja na hasara kidogo cha nishati kwa kuzuia upanuzi mwelekeo moja au mbili. Kuna athari sawa katika mawimbi ya maji yamezuiwa ndani ya mfereji, au kwa nini bunduki zina mapipa ambayo huzuia upanuzi wa gesi ya moto ili kuongeza uhamisho wa nishati kwenye risasi zao. Bila kizuizi cha kimwili cha wimbi, wave amplitudes inapungua kwa mujibu wa sheria ya mraba iliyopinduliwa huku inapanua nafasi tatu.

Kuna aina tofauti za viungo vya wimbi kwa kila aina ya wimbi. Maana ya awali na ya kawaida [1] ni bomba la chuma conductive la mashimo ambalo linatumika kubeba mawimbi ya redio ya mzunguko, hasa microwaves .

Jiometri ya wimbi la wimbi linaonyesha kazi yake. Slagu waveguides huingiza nishati katika vipimo viwili, fiber au channel wave katika vipimo viwili. Mzunguko wa wimbi la kuambukizwa pia unataja sura ya mwongozo: fiber ya macho inayoongoza mwanga wa juu- mzunguko hauwezi kuongoza microwaves ya mzunguko wa chini sana. Kama kanuni ya kidole , upana wa wimbi la wimbi unahitaji kuwa na utaratibu sawa wa ukubwa kama wimbi la wimbi la kuongozwa.

Miundo mingine ya kawaida yanaweza pia kuwa kama viongozi wa wimbi. SOFAR channel safu katika bahari inaweza kuongoza sauti ya wimbo wimbo katika umbali mkubwa. [2]

Yaliyomo

Kanuni ya utendaji

Mfano wa viungo vya wimbi na diplexer katika radar ya kudhibiti trafiki ya hewa

Vimbi vinaeneza katika pande zote katika nafasi ya wazi kama mawimbi ya mviringo . Nguvu ya wimbi huanguka na umbali R kutoka chanzo kama mraba wa umbali ( sheria ya mraba inverse ). Mguu wa mawimbi unawezesha wimbi ili kueneza kwa mwelekeo mmoja, ili, chini ya hali nzuri, wimbi hupoteza nguvu wakati linaeneza. Kutokana na kutafakari kwa jumla kwenye kuta, mawimbi yanafungwa kwenye mambo ya ndani ya mwongozo.

Historia

Mfumo wa kwanza wa mawimbi ya kuongoza ulipendekezwa na JJ Thomson mwaka wa 1893, na mara ya kwanza ilijaribiwa na Oliver Lodge mwaka 1894. Uchambuzi wa kwanza wa hisabati wa mawimbi ya umeme katika silinda ya chuma ulifanyika na Bwana Rayleigh mwaka wa 1897. [3] Kwa mawimbi ya sauti , Bwana Rayleigh alichapisha uchambuzi kamili wa hisabati wa njia za uenezi katika kazi yake ya seminal, "Theory of Sound". [4] Jagadish Chandra Bose alitafiti wavelengths ya millimeter kutumia vijijini vya wimbi, na mwaka 1897 alielezea Taasisi ya Royal huko London utafiti wake uliofanywa huko Kolkata. [5]

Utafiti wa viumbe vya mawimbi ya dielectric (kama nyuzi za macho, angalia chini) ulianza mapema miaka ya 1920, na watu kadhaa, maarufu zaidi ambao ni Rayleigh, Sommerfeld na Debye . [6] Fiber ya macho ilianza kupokea tahadhari maalum katika miaka ya 1960 kutokana na umuhimu wake kwa sekta ya mawasiliano.

Uendelezaji wa mawasiliano ya redio ulifanyika mara kwa mara katika mzunguko wa chini kwa sababu hizi zinaweza kuenea kwa urahisi zaidi kwa umbali mkubwa. Wavelengths ya muda mrefu ilifanya masafa haya yasiyofaa kwa ajili ya matumizi katika vijiko vya mawimbi vya chuma kwa sababu ya zilizopo za kipenyo ambazo hazihitajika. Kwa hiyo, utafiti katika vijijini vya mawimbi vya chuma vilizidi na kazi ya Bwana Rayleigh ilikuwa imesahau kwa muda na ilipaswa kupatikana tena na wengine. Uchunguzi wa ufanisi ulianza tena miaka ya 1930 na George C. Southworth katika Bell Labs na Wilmer L. Barrow katika MIT . Southworth kwa mara ya kwanza alichukua nadharia kutoka kwa karatasi juu ya mawimbi katika viboko vya dielectri kwa sababu kazi ya Bwana Rayleigh haijulikani kwake. Hii ilimdanganya kiasi fulani; baadhi ya majaribio yake yalishindwa kwa sababu hakuwa na ufahamu wa uzushi wa mzunguko wa mzunguko wa wimbiguide uliopatikana katika kazi ya Bwana Rayleigh. Kazi kubwa ya kinadharia ilichukuliwa na John R. Carson na Sallie P. Mead. Kazi hii imesababisha ugunduzi kwamba kwa mode ya TE 01 katika hasara ya mzunguko wa mzunguko hupungua na mzunguko na wakati mwingine hii ilikuwa ni changamoto kubwa ya muundo wa mawasiliano ya umbali mrefu. [7]

Umuhimu wa rada katika Vita Kuu ya Pili ya Ulimwengu ulisaidia sana kutafsiri utafiti, angalau upande wa Allied . Magnetron iliyoanzishwa mwaka 1940 na John Randall na Harry Boot katika Chuo Kikuu cha Birmingham nchini Uingereza ilitoa chanzo kikubwa cha nguvu na kufanya rada za microwave zinawezekana. Kituo cha utafiti muhimu zaidi kilikuwa kwenye Maabara ya Radiation (Rad Lab) kwenye MIT lakini wengine wengi walishiriki Marekani, na Uingereza kama vile Uanzishaji wa Utafiti wa Mawasiliano . Mwandishi wa Kikundi cha Maendeleo ya Msingi katika Rad Lab alikuwa Edward Mills Purcell . Watafiti wake walikuwa pamoja na Julian Schwinger , Nathan Marcuvitz , Carol Gray Montgomery, na Robert H. Dicke . Kazi kubwa ya kazi ya Lab Lab ilijilimbikizia kutafuta mifano ya kipengee cha kipengee cha miundo ya wimbi ili vipengele katika wimbi la wimbi liweze kuchambuliwa kwa nadharia ya kawaida ya mzunguko. Hans Bethe pia alikuwa mdogo huko Rad Lab, lakini wakati huko alizalisha nadharia yake ndogo ya kufungua iliyoonekana kuwa muhimu kwa filters za cavity filters , kwanza zilizotengenezwa kwa Rad Lab. Kwa upande mwingine, upande wa Ujerumani, ulipuuza kwa kiasi kikubwa uwezekano wa viongozi wa wimbi katika rada hadi mwisho wa vita. Kwa kiasi kikubwa wakati sehemu za rada kutoka ndege ya Uingereza iliyopungua zilipelekwa kwa Siemens & Halske kwa ajili ya uchambuzi, ingawa walikuwa kutambuliwa kama vipengele vya microwave, lengo lao halikuweza kutambuliwa.

Wakati huo, mbinu za microwave zilipuuzwa vibaya nchini Ujerumani. Kwa ujumla waliamini kuwa haikuwa na matumizi ya vita vya elektroniki, na wale waliotaka kufanya kazi ya utafiti katika uwanja huu hawakuruhusiwa kufanya hivyo.

- H. Mayer, makamu wa rais wa vita wa Siemens & Halske

Wataalamu wa Ujerumani waliruhusiwa kuendelea kuendelea kuchapisha hadharani utafiti wao katika uwanja huu kwa sababu haikuonekana kuwa muhimu. [8]

Mara baada ya Vita ya Ulimwengu ya Vita II ilikuwa teknolojia ya uchaguzi katika uwanja wa microwave. Hata hivyo, ina matatizo fulani; ni bulky, gharama kubwa ya kuzalisha, na athari ya mzunguko wa cutoff inafanya kuwa vigumu kuzalisha vifaa vya bandband. Njia ya wimbi iliyopigwa inaweza kuongeza bandwidth zaidi ya octave, lakini suluhisho bora ni kutumia teknolojia inayofanya kazi katika hali ya TEM (yaani, sio-wimbiguide) kama waendeshaji wa coaxial tangu TEM haina mzunguko wa cutoff. Kondokta ya mstatili wa kinga inaweza pia kutumika na hii ina faida fulani ya viwanda zaidi ya mshikamano na inaweza kuonekana kama mchezaji wa teknolojia ya mpango ( stripline na microstrip ). Hata hivyo, teknolojia za sayari za kweli zilianza kuzima wakati nyaya za kuchapishwa zilianzishwa. Njia hizi ni za bei nafuu zaidi kuliko mwongozo na umepata nafasi nyingi katika bendi nyingi. Hata hivyo, mwongozo wa wimbi bado unapendekezwa katika bendi za juu za microwave kutoka kwa bandari ya Ku hadi juu. [9]

Matumizi

Waveguide kusambaza nguvu kwa Argonne National Laboratory Advanced Photon Chanzo .

Matumizi ya vidokezo vya mawimbi ya kupeleka ishara yalijulikana hata kabla ya muda huo. Sifa ya mawimbi ya sauti yaliyoongozwa kwa njia ya waya ya taut yamejulikana kwa muda mrefu, pamoja na sauti kupitia bomba la mashimo kama vile pango au stethoscope ya matibabu. Matumizi mengine ya viungo vya wimbi ni katika kupeleka nguvu kati ya vipengele vya mfumo kama vile redio, rada au vifaa vya macho. Waveguides ni kanuni ya msingi ya ufuatiliaji wa wimbi unaoongozwa (GWT), mojawapo ya njia nyingi za tathmini isiyoharibika .

Mifano maalum:

  • Fiber za macho zinaweza kutangaza nuru na ishara kwa umbali mrefu na kuzuia chini na upeo mkubwa wa wavelengths.
  • Katika tanuri ya microwave wimbi la mawimbi hutoa nguvu kutoka magnetron , ambako mawimbi hufanywa, kwenye chumba cha kupikia.
  • Katika rada, wimbi la mawimbi huhamisha nishati ya redio ya nishati na kutoka kwa antenna, ambako impedance inahitaji kuendana na uhamisho wa umeme wenye nguvu (angalia chini).
  • Vipande vya mviringo na vya Circular vidogo hutumiwa kwa kawaida kuunganisha chakula cha sahani za kibinadamu kwa umeme wao, ama wapokeaji wa sauti ndogo au nguvu za kupitisha nguvu.
  • Waveguides hutumiwa katika vyombo vya sayansi kupima mali, macho na kinga ya vifaa na vitu. Mguu wa wimbi unaweza kuwasiliana na specimen (kama katika ultrasonography ya matibabu ), katika hali hiyo wimbi la wimbi linahakikisha kuwa nguvu ya wimbi la majaribio huhifadhiwa, au sampuli inaweza kuweka ndani ya mwongozo wa wimbi (kama katika kipimo cha mara kwa mara cha dielectric [10] ), hivyo kwamba vitu vidogo vinaweza kupimwa na usahihi ni bora.
  • Mstari wa uhamisho s ni aina maalum ya wimbi la wimbi, ambalo linatumiwa sana.

Njia za kueneza na mzunguko wa cutoff

Hali ya uenezi katika wimbi la wimbi ni suluhisho moja la usawa wa wimbi, au, kwa maneno mengine, aina ya wimbi. [6] Kutokana na vikwazo vya hali ya mipaka , kuna upeo mdogo tu na fomu za kazi ya wimbi ambalo linaweza kueneza katika wimbi la wimbi. Mzunguko wa chini zaidi ambao mode fulani inaweza kueneza ni mzunguko wa cutoff wa hali hiyo. Mfumo na mzunguko wa chini kabisa ni njia ya msingi ya wimbi, na mzunguko wa cutoff ni mzunguko wa cutoff waveguide.

Njia za kuenea zinahesabiwa kwa kutatua Usawa wa Helmholtz pamoja na seti ya hali ya mipaka kulingana na sura ya kijiometri na vifaa vinavyolinda kanda. Dhana ya kawaida kwa viwango vya wimbi vya kawaida vya sare ya muda mrefu inaruhusu kudhani fomu inayoeneza kwa wimbi, yaani kusema kila sehemu ya shamba ina utegemezi unaojulikana juu ya mwelekeo wa uenezi (yaani ). Zaidi hasa, mbinu ya kawaida ni nafasi ya kwanza kuchukua nafasi zote zisizojulikana wakati-tofauti mashamba haijulikani (kuchukua kwa urahisi kuelezea mashamba cartesian vipengele) na tata yao wapangaji uwakilishi , kutosha kuelezea kikamilifu ishara moja kwa moja ya muda mrefu kwenye mzunguko , (mzunguko wa angular ), na urekebishe usawa wa Helmholtz na hali ya mipaka ipasavyo. Kisha, kila shamba lisilojulikana linalazimishwa kuwa na fomu kama , ambapo mrefu inawakilisha mara kwa mara ya uenezi (bado haijulikani) kando ya mwelekeo ambao wimbi la wimbi linapanua kwa infinity. Ulinganifu wa Helmholtz unaweza kuandikwa tena ili kuzingatia fomu hiyo na usawa unaosababisha unahitaji kutatuliwa na , kukubaliana mwisho wa equation ya eigenvalue na eigenfunction sambamba kwa kila suluhisho la zamani. [11]

Uenezi wa mara kwa mara ya wimbi la kuongozwa ni ngumu, kwa ujumla. Kwa kesi isiyopoteza, daima ya uenezi inaweza kupatikana kuchukua maadili halisi au ya kufikiri, kulingana na ufumbuzi uliochaguliwa wa equation ya eigenvalue na kwenye mzunguko wa angular . Lini ni halisi kabisa, hali hiyo inasemekana kuwa "chini ya cutoff", kwa kuwa amplitude ya wasimamizi wa shamba huelekea kupungua kwa kasi kwa propagation; ni kufikiria , badala yake, inawakilisha njia zilizoitwa "katika uenezi" au "juu ya cutoff", kama amplitude tata ya phasors haibadilika na . [12]

Impedance vinavyolingana

Katika nadharia ya mzunguko , impedance ni generalization ya resistivity umeme katika kesi ya sasa mbadala , na ni kipimo katika ohms ( ). [6] Njia ya mzunguko inatajwa na mstari wa uambukizi una impedance ya urefu na tabia. Kwa maneno mengine, impedance inaonyesha uwiano wa voltage hadi sasa wa sehemu ya mzunguko (katika kesi hii wimbigu la wimbi) wakati wa uenezi wa wimbi. Maelezo haya ya wimbi la wimbi lilikuwa la awali la kusambaza sasa, lakini pia linafaa kwa mawimbi ya umeme na sauti, mara tu mali na mawimbi (kama vile shinikizo , wiani , mara kwa mara ya dielectri ) vimebadilishwa kuwa maneno ya umeme ( sasa na impedance kwa mfano ).

Vipimo vinavyolingana ni muhimu wakati vipengele vya mzunguko wa umeme vimeunganishwa (fungulia kwa antenna kwa mfano): Uwiano wa impedance huamua kiasi gani cha wimbi kinapelekwa mbele na ni kiasi gani kinachoonekana. Katika kuunganisha mwongozo kwa antenna uhamisho kamili huhitajika, hivyo juhudi hufanyika kufanana na vikwazo vyao.

Mgawo wa kutafakari unaweza kuhesabiwa kwa kutumia: , wapi ni mgawo wa kutafakari (0 inaashiria maambukizi kamili, kutafakari kamili 1, na 0.5 inaonyesha nusu ya voltage inayoingia), na ni impedance ya sehemu ya kwanza (ambayo wimbi linaingia) na sehemu ya pili, kwa mtiririko huo.

Mchapishaji wa impedance hujenga wimbi linalojitokeza, ambalo linaongeza kwa mawimbi zinazoingia hujenga wimbi lililosimama. Kushindwa kwa impedance kunaweza pia kuthibitishwa kwa uwiano wa wimbi la msimamo (SWR au VSWR kwa voltage), ambayo inaunganishwa na uwiano wa impedance na mgawo wa kutafakari kwa: , wapi ni kiwango cha chini na kiwango cha juu thamani za voltage thamani kamili , na VSWR ni voltage amesimama wimbi uwiano, ambayo thamani ya 1 inaashiria maambukizi kamili, wasio kuwa na akili na hivyo hakuna wimbi amesimama, wakati thamani za kubwa sana maana tafakari juu na kusimama wimbi muundo.

Vipengele vya mawimbi vya umeme

Waveguides inaweza kujengwa ili kubeba mawimbi juu ya sehemu kubwa ya wigo wa umeme , lakini ni muhimu sana katika viwango vya microwave na macho ya mzunguko. Kulingana na mzunguko, wanaweza kujengwa kutoka vifaa vya conductive au dielectric . Waveguides hutumiwa kwa kuhamisha ishara mbili za nguvu na mawasiliano.

Katika radar hii ya kijeshi, mionzi ya microwave inapitishwa kati ya chanzo na kutafakari kwa njia ya wimbi. Takwimu hiyo inaonyesha kuwa microwaves hutoka sanduku katika hali ya mzunguko wa circularly (kuruhusu antenna kugeuka), kisha hubadilishwa kwa hali ya mstari, na kupitia hatua ya kubadilika. Ushauri wao ni kisha kuzungushwa katika hatua iliyopotoka na hatimaye wao husababisha antenna ya kimapenzi.

Viwango vya mawimbi vya macho

Waveguides kutumika katika frequencies macho ni kawaida dielectric waveguides, miundo ambayo vifaa dielectric na high permittivity , na hivyo high juu ya refraction , ni kuzungukwa na vifaa na permittivity chini. Muundo unaongoza viwango vya macho na kutafakari kwa ndani ndani . Mfano wa wimbi la macho ni fiber ya macho .

Aina nyingine za wimbi la mawimbi pia hutumiwa, ikiwa ni pamoja na fiber ya kioo ya photonic , inayoongoza mawimbi kwa njia yoyote ya tofauti. Guides kwa namna ya tube ya mashimo yenye uso wa ndani ya kutafakari pia umetumika kama mabomba ya mwanga kwa ajili ya maombi ya kuangaza. Nyuso za ndani zinaweza kuwa chuma cha polished, au inaweza kufunikwa na filamu ya multilayer inayoongoza mwanga na kutafakari kwa Bragg (hii ni kesi maalum ya fiber ya photonic-crystal). Mtu anaweza pia kutumia misuli ndogo karibu na bomba inayoonyesha nuru kupitia kutafakari kwa ndani ndani [2] - kufungwa kwa kifungo haifai kikamilifu, hata hivyo, kwa kuwa kutafakari kwa ndani ndani kamwe hawezi kuongoza mwanga ndani ya msingi wa chini- waji (katika kesi ya prism, baadhi ya mwanga uvujaji nje ya pembe za prism).

Vidokezo vya mawimbi vya kuvutia

Njia ya mawimbi ya sauti ni muundo wa kimwili wa kuongoza mawimbi ya sauti. Njia ya uenezi wa sauti pia hufanyika kama mstari wa maambukizi . Duct ina baadhi ya kati, kama hewa, inayounga mkono uenezi wa sauti.

Vidokezo vya mawimbi ya hisabati

Waveguides ni vitu vya kuvutia vya kujifunza kutokana na mtazamo madhubuti wa hisabati. Mguu wa wimbi (au tube) hufafanuliwa kama aina ya hali ya mipaka kwenye usawa wa wimbi kama kwamba kazi ya wimbi inapaswa kuwa sawa na sifuri kwenye mpaka na kwamba mkoa unaoruhusiwa ni kamili kwa vipimo vyote lakini moja (silinda kubwa sana ni mfano .) Idadi kubwa ya matokeo ya kuvutia yanaweza kuthibitishwa kutoka hali hii ya jumla. Inageuka kwamba tube yoyote yenye ukubwa (ambapo upana wa tube huongezeka) inakubali angalau hali moja. Hii inaweza kuonyeshwa kwa kutumia kanuni tofauti. Matokeo ya kushangaza na Jeffrey Goldstone na Robert Jaffe [13] ni kwamba tube yoyote ya upana wa mara kwa mara na kupotoka, inakubali hali iliyofungwa.

Sauti ya awali

Sauti ya awali hutumia mistari ya kuchelewa kwa digital kama vipengele vya kompyuta ili kulinganisha uenezi wa wimbi katika vijiko vya vyombo vya upepo na masharti ya vibanda ya vyombo vya kamba .

Angalia pia

  • Ushawishi wa mviringo
  • Vimbi vya umeme
  • Ushauri wa mstari
  • Orthomode transducer
  • Utekelezaji

Marejeleo

  1. ^ Institute of Electrical and Electronics Engineers, “The IEEE standard dictionary of electrical and electronics terms”; 6th ed. New York, N.Y., Institute of Electrical and Electronics Engineers, c1997. IEEE Std 100-1996. ISBN 1-55937-833-6 [ed. Standards Coordinating Committee 10, Terms and Definitions; Jane Radatz, (chair)]
  2. ^ ORIENTATION BY MEANS OF LONG RANGE ACOUSTIC SIGNALING IN BALEEN WHALES , R. Payne, D. Webb, in Annals NY Acad. Sci., 188 :110-41 (1971)
  3. ^ N. W. McLachlan, Theory and Applications of Mathieu Functions, p. 8 (1947) (reprinted by Dover: New York, 1964).
  4. ^ The Theory of Sound , by J. W. S. Rayleigh, (1894)
  5. ^ Emerson, D. T. (1997). "The work of Jagadis Chandra Bose: 100 years of MM-wave research" . IEEE Transactions on Microwave Theory and Research . 45 (12): 2267–2273. Bibcode : 1997imsd.conf..553E . doi : 10.1109/MWSYM.1997.602853 . ISBN 9780986488511 . reprinted in Igor Grigorov, Ed., Antentop , Vol. 2, No.3, pp. 87–96.
  6. ^ a b c Advanced Engineering Electromagnetics , by C. A. Balanis, John Wiley & Sons (1989).
  7. ^ Oliner, pp. 544-548
  8. ^ Oliner, pp. 548-554
    • Levy & Cohn, pp. 1055, 1057
  9. ^ Oliner, pp. 556-557
    • Han & Hwang, pp. 21-7, 21-50
  10. ^ J. R. Baker-Jarvis, "Transmission / reflection and short-circuit line permittivity measurements", NIST tech. note 1341, July 1990
  11. ^ D. Pozar, "Microwave Engineering", Third Edition, John Wiley and Sons, 2005, Chapter 3.
  12. ^ Ramo, Simon; Whinnery, John R.; Van Duzer, Theodore (1994). Fields and Waves in Communication Electronics . New York: Joh Wiley and Sons. pp. 321–324. ISBN 0-471-58551-3 .
  13. ^ * [1] Bound States in Twisting Tubes, J Goldstone, R.L. Jaffe, MIT Department of Physics
  • Han, C C; Hwang, Y, "Satellite antennas", in, Lo, Y T; Lee, SW, Antenna Handbook: Volume III Applications , chapter 21, Springer, 1993 ISBN 0442015941 .
  • Levy, R; Cohn, S B, "A History of microwave filter research, design, and development" , IEEE Transactions: Microwave Theory and Techniques , pages 1055–1067, volume 32, issue 9, 1984.
  • Oliner, Arthur A, "The evolution of electromagnetic waveguides: from hollow metallic guides to microwave integrated circuits", chapter 16 in, Sarkar et al. , History of Wireless , Wiley, 2006 ISBN 0471783013 .

Viungo vya nje