موجبر چیست؟ اصول کار و انواع موجبر فلزی، نوری و صوتی

شاید نام موجبر را به عنوان بخشی از دستگاه های مخابراتی، راداری یا نوری شنیده باشید. سیستم های مخابراتی امروزی، از شبکه های بی سیم و رادارها تا حسگرهای تصویری و تجهیزات پزشکی، به اجزایی مانند نوسان سازها، تقویت کننده ها و موجبرها وابسته اند.

موجبر (Waveguide) ساختاری است که امواج را در مسیر مشخصی هدایت می کند. شناخته شده ترین نمونه آن در مخابرات مایکروویو، لوله فلزی توخالی است و در حوزه نور، فیبر نوری مهم ترین نوع موجبر است.

در این مقاله با زبانی ساده، با مفهوم موجبر، اصول کار آن، مدهای انتشار، پارامترهای مهم و انواع موجبر فلزی، دی الکتریک (نوری) و صوتی آشنا می شوید.

موجبر چیست؟

موجبر ساختاری است که امواج الکترومغناطیسی یا صوتی را در یک مسیر مشخص محدود و هدایت می کند. در حالت ایده آل، موجبر موج را با کمترین اتلاف انرژی از یک نقطه به نقطه دیگر منتقل می کند، بدون اینکه ماهیت موج تغییر کند.

موجبر ها بسته به نوع موجی که هدایت می کنند، طراحی و ساختار متفاوتی دارند:

• موجبرهای فلزی: معمولا لوله های فلزی توخالی برای امواج مایکروویو

• موجبرهای دی الکتریک (نوری): مانند فیبر نوری برای نور

• موجبرهای صوتی: برای هدایت امواج صوتی

برخی موجبر ها موج را فقط در یک جهت عرضی محدود می کنند و برخی دیگر در دو جهت عرضی.

موجبر در برابر خطوط انتقال معمولی

برای امواج الکترومغناطیسی، موجبر های فلزی معمولا برای فرکانس های بسیار بالا (مایکروویو) کاربرد دارند؛ یعنی جایی که طول موج با ابعاد مقطع موجبر قابل مقایسه است. برخلاف خطوط انتقال دوسیمه، موجبر ها یک فرکانس قطع دارند و موج هایی با فرکانس کمتر از آن را منتقل نمی کنند. همچنین موجبرها می توانند چند مد یا الگوی میدان مختلف را منتقل کنند.

موجبرهای طبیعی

در طبیعت نیز ساختارهایی وجود دارند که مانند موجبر عمل می کنند. برای مثال، در اقیانوس ها لایه ای از آب وجود دارد که به دلیل تغییرات دما و فشار، صدا را در خود محدود می کند و آواز نهنگ ها را تا هزاران کیلومتر منتقل می کند. این لایه در واقع یک موجبر صوتی طبیعی است.

چرا از موجبر استفاده می شود؟

امواج الکترومغناطیسی در فضای آزاد در همه جهات پخش می شوند و توان آنها با مجذور فاصله کاهش می یابد. از طرف دیگر، در کابل های معمولی، تلفات انرژی با افزایش فرکانس به شدت زیاد می شود. موجبر ها با محدود کردن موج در یک مسیر مشخص، امکان انتقال امواج فرکانس بالا را با تلفات بسیار کم فراهم می کنند.

مزایای موجبر فلزی نسبت به کابل

• ساختار ساده: موجبر فلزی فقط یک رسانا (دیواره لوله) دارد و نگرانی درباره فاصله رساناها یا کیفیت عایق وجود ندارد، چون معمولا دی الکتریک داخل آن هواست.

• تلفات کمتر: در فرکانس های مایکروویو، تلفات موجبر بسیار کمتر از کابل کواکسیال است.

• تحمل توان بالا: موجبرها می توانند توان های بسیار بالایی، مانند توان فرستنده های رادار، را منتقل کنند.

• حساسیت کم به رطوبت: رطوبت به اندازه کابل ها برای موجبر مشکل ساز نیست و در صورت نیاز می توان داخل آن را با گاز خشک پر کرد.

• محافظت کامل: ساختار بسته موجبر از نشت انرژی به بیرون و ورود تداخل از بیرون جلوگیری می کند.

اصول کار موجبر

موجبر موج را درون خود محصور می کند و فقط اجازه می دهد در طول آن پیش برود. در موجبر های فلزی، موج با بازتاب از دیواره های رسانا و در موجبر های دی الکتریک مانند فیبر نوری، با بازتاب کلی داخلی در مرز دو ماده هدایت می شود. در توصیف ساده پرتویی، موج با بازتاب های متوالی، مسیری زیگزاگی در طول موجبر طی می کند.

دو سازوکار هدایت در موجبرهای نوری

1. هدایت با عناصر نوری دوره ای: در این روش، عدسی ها یا آینه هایی که در فواصل منظم در طول مسیر قرار گرفته اند، نور را بارها کانونی می کنند و آن را نزدیک محور نگه می دارند؛ مانند موجبرهای عدسی و تشدیدگرهای لیزر.

2. هدایت با بازتاب کلی داخلی: نور با بازتاب های متوالی از مرزهای موازی با محور، درون ماده محصور می شود؛ مانند فیبر نوری و موجبرهای تخت.

ورود و خروج سیگنال در موجبر فلزی

سیگنال معمولا با کمک کوپلرهای کوچک آنتن مانند وارد موجبر شده و از آن خارج می شود. این کوپلر می تواند یک پروب سیمی کوتاه با طولی در حد یک چهارم طول موج باشد که مانند یک آنتن کوچک عمل می کند، یا یک حلقه کوچک سیم که به دیواره داخلی موجبر وصل می شود.

در برخی لامپ های خلأ مایکروویو، مانند لامپ های خروجی القایی، یک حفره رسانا انرژی الکترومغناطیسی را از یک پرتو الکترونی مدوله شده دریافت می کند، بدون اینکه با خود پرتو تماس داشته باشد.

مدهای انتشار در موجبر

موج الکترومغناطیسی از دو میدان الکتریکی و مغناطیسی عمود بر هم تشکیل شده است. در یک موجبر فلزی توخالی، موج به یکی از این دو صورت اصلی منتشر می شود. فرض کنید جهت انتشار موج، محور z باشد:

مد الکتریکی عرضی (TE)

در مد TE، میدان الکتریکی کاملا عمود بر جهت انتشار است، اما میدان مغناطیسی یک مولفه در جهت انتشار دارد:

Ez = 0 و Hz ≠ 0

مد مغناطیسی عرضی (TM)

در مد TM، میدان مغناطیسی کاملا عمود بر جهت انتشار است، اما میدان الکتریکی یک مولفه در جهت انتشار دارد:

Ez ≠ 0 و Hz = 0

چرا مد TEM در موجبر توخالی وجود ندارد؟

در مد TEM، هر دو میدان الکتریکی و مغناطیسی کاملا عمود بر جهت انتشار هستند. این مد فقط در ساختارهایی با حداقل دو رسانا، مانند کابل کواکسیال، وجود دارد. چون موجبر توخالی فقط یک رسانا دارد، نمی تواند مد TEM را منتقل کند و به همین دلیل فرکانس قطع دارد.

در موجبر مستطیلی، مد اصلی که کمترین فرکانس قطع را دارد، مد TE10 است.

اجزای سیستم موجبر

سیستم های موجبر علاوه بر خود لوله موجبر، اجزای مختلفی مانند خم ها و پیچ ها، کوپلرهای جهتی، تضعیف کننده ها، فیلترها، اتصالات چرخان، شیپورهای تغذیه (آنتن های بوقی) و بارهای تطبیق دارند.

اندازه موجبر به فرکانس موجی که باید منتقل شود بستگی دارد، چون هر موجبر یک طول موج قطع دارد که با ابعاد آن تعیین می شود و امواجی با طول موج بلندتر از آن را منتقل نمی کند.

انواع موجبر از نظر شکل مقطع

موجبر ها از نظر هندسی پنج نوع اصلی دارند:

• مستطیلی: رایج ترین نوع

• دایره ای

• بیضوی

• برجسته تک (Single Ridge)

• برجسته دوتایی (Double Ridge)

موجبر های برجسته یک یا دو برآمدگی در داخل مقطع خود دارند که پهنای باند قابل استفاده را افزایش می دهد. موجبر های نوری نیز بر اساس هندسه، مد، توزیع ضریب شکست و جنس طبقه بندی می شوند.

پارامترهای مهم موجبر

فرکانس قطع و طول موج قطع

طول موج قطع (λc) بیشترین طول موجی است که می تواند در موجبر منتشر شود. امواجی با طول موج کوتاه تر از λc (یا فرکانس بیشتر از فرکانس قطع) منتشر می شوند و امواج با طول موج بلندتر به سرعت میرا می شوند. به همین دلیل موجبر مانند یک فیلتر بالاگذر عمل می کند.

برای مد اصلی TE10 در موجبر مستطیلی با عرض a:

λc = 2a

برای مثال، موجبر استاندارد WR-90 با عرض داخلی حدود ۲۲.۸۶ میلی متر، فرکانس قطعی حدود ۶.۵۶ گیگاهرتز دارد و برای باند X (حدود ۸.۲ تا ۱۲.۴ گیگاهرتز) استفاده می شود.

سرعت گروه

سرعت گروه (Vg) سرعتی است که انرژی و اطلاعات در موجبر منتقل می شوند. اگر موج مدوله شده باشد، سرعت گروه همان سرعت حرکت پوشش مدولاسیون است. در موجبر فلزی توخالی، سرعت گروه همیشه کمتر از سرعت نور است.

سرعت فاز

سرعت فاز (Vp) سرعت حرکت یک فاز مشخص از موج، مثلا یک قله، در طول موجبر است. در موجبر فلزی توخالی، سرعت فاز بیشتر از سرعت نور است. این موضوع با نسبیت تناقضی ندارد، چون سرعت فاز انرژی یا اطلاعات منتقل نمی کند. در موجبر پر از هوا، حاصل ضرب این دو سرعت برابر مجذور سرعت نور است:

Vp × Vg = c²

امپدانس موج

امپدانس موج (Zg) نسبت میدان الکتریکی عرضی به میدان مغناطیسی عرضی در هر نقطه از موجبر است و به مد انتشار و فرکانس بستگی دارد.

انواع موجبر بر اساس ساختار

موجبر فلزی

موجبر های فلزی معمولا لوله های رسانای توخالی هستند که امواج درون آنها با بازتاب از دیواره ها پیش می روند.

اثر پوستی

در فرکانس های بالا، جریان الکتریکی در یک رسانا تمایل دارد فقط در لایه نازکی نزدیک سطح آن جریان یابد. به این پدیده اثر پوستی می گویند. دلیل آن این است که بخش های داخلی رسانا راکتانس القایی بیشتری دارند و جریان به سمت لایه های بیرونی با راکتانس کمتر رانده می شود. نتیجه این پدیده، کاهش سطح موثر رسانا و افزایش مقاومت آن در فرکانس های بالاست.

به همین دلیل امواج الکترومغناطیسی فرکانس بالا عملا به داخل فلز نفوذ نمی کنند و فقط سطح داخلی موجبر در هدایت موج نقش دارد. اگر دو انتهای یک لوله رسانا بسته شود، امواج ایستاده درون آن تشکیل شده و یک حفره تشدید ایجاد می شود.

کابل کواکسیال

کابل کواکسیال (هم محور) از یک رسانای مرکزی و یک رسانای بیرونی استوانه ای تشکیل شده که با یک عایق از هم جدا شده اند. رسانای بیرونی از رسانای مرکزی در برابر نویز و تداخل خارجی محافظت می کند. کابل کواکسیال برای انتقال سیگنال ها در طیف گسترده ای از فرکانس ها، تلویزیون کابلی، اتصال آنتن ها و در گذشته، کابل های تلفن بین قاره ای استفاده شده است.

مقایسه موجبر و کابل کواکسیال

در فرکانس های پایین، از خطوط انتقال دوسیمه یا کابل کواکسیال استفاده می شود، اما در فرکانس های مایکروویو، تلفات کابل کواکسیال زیاد می شود و موجبر ها به دلیل تضعیف و تلفات کمتر، گزینه بهتری هستند.

موجبر مستطیلی

موجبرهای مستطیلی ساده ترین و پرکاربردترین نوع موجبر فلزی هستند و برای انتقال امواج مایکروویو، مثلا بین فرستنده یا گیرنده رادار و آنتن آن، استفاده می شوند.

موجبر دایره ای

موجبر های دایره ای در کاربردهایی مانند اتصالات چرخان رادار مناسب اند؛ جایی که دو بخش موجبر باید نسبت به هم بچرخند.

موجبر دی الکتریک (نوری)

موجبر دی الکتریک فقط از مواد عایق ساخته شده و با بازتاب کلی داخلی موج را هدایت می کند. مهم ترین نمونه آن فیبر نوری است.

یک موجبر نوری از دو بخش تشکیل شده است:

• هسته (Core): بخش مرکزی با ضریب شکست بیشتر که نور در آن حرکت می کند.

• روکش (Cladding): لایه ای با ضریب شکست کمتر که هسته را احاطه کرده است.

نوری که با زاویه مناسب وارد هسته می شود، در مرز هسته و روکش دچار بازتاب کلی داخلی می شود و در طول فیبر محدود می ماند. ویژگی های موجبر نوری با توزیع ضریب شکست آن در مقطع عرضی، یعنی n(x,y)، تعیین می شود.

نخستین موجبر های دی الکتریک در فرکانس های نوری، فیبرهای شیشه ای برای تصویربرداری بودند. امروزه فیبرهای نوری اطلاعات را به شکل نور فروسرخ تولید شده توسط لیزرهای نیمه رسانا منتقل می کنند. چارلز کائو به خاطر کارهای پیشگامانه در زمینه انتقال نور در فیبرهای نوری برای ارتباطات، در سال ۲۰۰۹ جایزه نوبل فیزیک را دریافت کرد.

موجبر های نوری بر اساس هندسه دو نوع اصلی دارند:

موجبر تخت (صفحه ای)

در موجبر تخت، نور فقط در یک جهت عرضی محدود می شود؛ هسته یک لایه نازک بین دو لایه روکش است. این موجبرها در اپتیک مجتمع و برخی لیزرها و تقویت کننده ها کاربرد دارند.

موجبر کانالی

در موجبر کانالی، نور در هر دو جهت عرضی محدود می شود و هسته از همه طرف با روکش احاطه شده است. فیبرهای نوری با مقطع دایره ای و موجبرهای نواری در تراشه های فوتونیک از این نوع هستند.

تفاوت موجبرهای فلزی و دی الکتریک

• محدوده فرکانس: در فرکانس های نوری، فلزات تلفات بسیار زیادی دارند و به همین دلیل برای هدایت نور از موجبرهای دی الکتریک مانند فیبر نوری استفاده می شود.

• محل محصور شدن موج: در موجبر فلزی، موج توسط دیواره های رسانا محصور می شود و میدان ها فقط به عمق بسیار کمی، در حد عمق پوستی، در فلز نفوذ می کنند. در موجبر دی الکتریک، موج در مرز دو ماده عایق هدایت می شود و بخشی از میدان به صورت موج میرا (Evanescent) کمی به روکش نفوذ می کند و به سرعت تضعیف می شود.

• ظرفیت و اندازه: فیبرهای نوری می توانند داده را با سرعت بسیار بالاتری منتقل کنند، فضای بسیار کمتری اشغال می کنند و در برابر نویز الکتریکی مصون هستند.

به همین دلایل، فیبرهای نوری امروزه ستون اصلی شبکه های مخابراتی و اینترنت هستند. فیبرهای نوری در ابزارهای اندازه گیری نیز کاربرد دارند؛ برای مثال، در پروب های طیف سنج رامان نور از طریق فیبر نوری به نمونه رسانده و از آن جمع آوری می شود.

موجبر صوتی

موجبر صوتی ساختاری است که امواج مکانیکی مانند صوت را در یک مسیر مشخص هدایت می کند. انتشار صوت در این ساختارها به خواص مواد سازنده موجبر و محیط انتشار بستگی دارد.

نمونه هایی از موجبرهای صوتی عبارت اند از:

• گوشی پزشکی: که صدای قلب و ریه را از طریق لوله ها به گوش پزشک می رساند

• لوله های سخنگو: که در گذشته در کشتی ها و ساختمان ها برای ارتباط صوتی استفاده می شدند

• سازهای بادی و بلندگوهای بوقی: که مجرای هوا و شکل بوقی آنها صدا را هدایت و تقویت می کند

• کانال صوتی اقیانوس: که صدا را هزاران کیلومتر منتقل می کند

موجبرهای صوتی و امواج فراصوتی هدایت شده در زمینه های مختلفی مانند حسگرهای لمسی، سنجش شیمیایی و زیستی، اندازه گیری سطح و ترکیب مایعات، دما، تنش و گشتاور کاربرد دارند. این فناوری همچنین روشی برای آزمون غیرمخرب مواد، مانند بازرسی لوله ها در فواصل طولانی، فراهم می کند.

سوالات متداول درباره موجبر

موجبر چیست؟

ساختاری که امواج الکترومغناطیسی یا صوتی را در یک مسیر مشخص و با تلفات کم هدایت می کند.

فرکانس قطع موجبر چیست؟

کمترین فرکانسی که می تواند در موجبر منتشر شود؛ امواج با فرکانس کمتر از آن منتقل نمی شوند.

تفاوت موجبر و کابل کواکسیال چیست؟

کابل کواکسیال دو رسانا دارد و می تواند فرکانس های پایین را نیز منتقل کند، اما موجبر توخالی یک رسانا دارد، فرکانس قطع دارد و در فرکانس های مایکروویو تلفات بسیار کمتری دارد.

آیا فیبر نوری نوعی موجبر است؟

بله، فیبر نوری یک موجبر دی الکتریک است که نور را با بازتاب کلی داخلی در هسته خود هدایت می کند.

تفاوت مد TE و TM چیست؟

در مد TE میدان الکتریکی و در مد TM میدان مغناطیسی کاملا عمود بر جهت انتشار موج است.

جمع بندی

موجبر ها ساختارهایی برای هدایت امواج در یک مسیر مشخص و با تلفات کم هستند. موجبرهای فلزی توخالی، به ویژه نوع مستطیلی، پرکاربردترین موجبر در فرکانس های مایکروویو هستند و در رادار، مخابرات ماهواره ای و تجهیزات مایکروویو استفاده می شوند. در فرکانس های نوری، موجبرهای دی الکتریک مانند فیبر نوری جایگزین آنها می شوند و پایه شبکه های مخابراتی امروزی را تشکیل می دهند. در حوزه صوت نیز، مجاری هوا و ساختارهای بوقی در سازهای موسیقی، بلندگوها و گوشی های پزشکی نقش موجبر صوتی را دارند.

برای آشنایی با محصولات بلورآزما، به صفحه محصولات مراجعه کنید.

منابع

• Review on Optical Waveguides