موجبر (Waveguide) چگونه کار می کند؟
فهرست مطالب
یک موجبر امواج را بدون تغییر و اتلاف انرژی، در یک مسیر مشخص عبور می دهد. موجبر، برای انواع طیف امواج الکترومغناطیسی و امواج صوتی کاربرد دارد.
از موجبرها چه می دانید؟
شاید دربرخی از فناوری ها، نام موجبر را به عنوان بخش سازنده ای از دستگاه های دیگر، به ویژه در حوزه اپتیک و فوتونیک شنیده باشد.
در سال های اخیر سیستم های مخابراتی و ارتباطی، به علت کاربردهای متنوع به خصوص مانند شبکه های بی سیم، رادارهای خودکار، حسگرهای تصویری و ابزارهای پزشکی بسیار مورد توجه قرار گرفته اند.
قابلیت دسترسی به تکنولوژی موثر، توانایی تولید انبوه، تکنیک های یکپارچه سازی و قیمت ارزان عوامل موفقیت این سیستم های می باشد که هسته اصلی آنها وابسته به بخش های فعالی مانند نوسان سازها، موجبر ها و تقویت کننده هاست.
موجبر ها دسته خاصی از خطوط انتقال هستند که برای هدایت امواج در مسیر مشخصی استفاده می شوند که معمولاً یک لوله فلزی توخالی هستند.
در این مقاله، به طور اختصاصی و با بیانی ساده به مورد موجبر ها و انواع آنها می پردازیم. برای اطلاعات بیشتر در این حوزه، با ما همراه باشید.
موجبر یا waveguide چیست؟
همانطور که از نام موجبر پیداست، تکنیکی است که محدود کننده، هدایت کننده و عبور دهنده انواع طیف امواج الکترومغناطیسی یا امواج صوتی است.
در یک تعریف ایده آل، یک موجبر ساختاری است که انتشار موج الکترومغناطیسی یا صوتی را در یک مسیر مشخص مقید کرده و بدون اینکه اتلاف انرژی اتفاق بیفتد، آن را عبور می دهد، البته با این ویژگی که ماهیت موج تغییری نمی کند.
waveguide ها برحسب نوع موجی که هدایت می کنند، طرح ها و ساختار عملکردی مختلفی دارند که نمونه های معمولی، لوله های فلزی تو خالی هستند.
waveguide ها بر حسب نوع هدایتگر یا هادی نیز در انواع مختلفی طراحی می شوند. برخی از آنها تنها می توانند انرژی را در یک بعد منتقل کنند و برخی برای دو بعد طراحی شده اند.
در مورد امواج الکترومغناطیسی، waveguide ها اغلب برای سیگنال هایی با فرکانس بسیار بالا عملی هستند، جایی که طول موج با ابعاد مقطع موجبر نزدیک هستند و در کمتر از چنین فرکانس هایی، به عنوان خطوط انتقال عملکردی نخواهند داشت.
به علاوه، آنها بر خلاف خطوط انتقال دو کابلی، فرکانس قطع دارند و از حالت های مختلف پشتیبانی می کنند. بنابراین، بررسی و انتخاب موجبری که عملکرد بهینه ای ارائه می دهد و استانداردهای ایمنی را رعایت می کند ضروری است.
در طبیعت نیز ساختارهایی وجود دارد که همانند موجبر عمل می کنند، مانند لایه های آب اقیانوس می توانند آواز نهنگ را تا فاصله های بسیار دوری عبور دهند. در حقیقت، به صورت یک waveguide صوتی عمل می کنند.
چرا باید از موجبر نوری استفاده می کنیم؟
زمانی که انواع موجبر به عنوان خطوط انتقال عمل می کنند، در ساختار و نگهداری نسبت به سیستم های کابلی، بسیار ساده تر هستند.
در ساختار waveguide، تنها از یک هادی منفرد (پوسته) استفاده می شود و بنابراین، هیچگونه نگرانی در مورد فاصله هادی ها، یا استحکام مواد عایق یا دی الکتریک وجود ندارد، زیرا تنها دی الکتریک موجود هوا است. رطوبت نیز به اندازه کابل ها، مشکل جدی نیست و از "پر شدن" گاز در امان هستند.
از طرفی، موجبر به عنوان یک رسانای سیگنال و هدایت کننده، مدیریت انرژی را نیز برعهده دارد و از آنجا که یک ساختار یکپارچه دارد، از اتلاف انرژی جلوگیری می کند.
اصول عملکردی موجبر نوری
امواج الکترومغناطیسی در فضای باز، در تمام جهات و به صورت موج کروی منتشر می شوند و متناسب با مجذور فاصه، افت توان دارند.بب
اگر فرکانس یک سیگنال یا یک باند خاص سیگنال بالا باشد، استفاده از پهنای باند نیز زیاد خواهد بود و بنابراین سیگنال های فرکانس بالا نمی توانند مسافت های طولانی را بدون تضعیف شدن طی کنند.
waveguide ها، امواج را محصور یا محبوس می کنند که تنها در ابعاد خاصی اجازه عبور داشته باشند و ساختار آنها به گونه ای است که برای موج، افت توان پیش نمی آید.
عمدتاً دو دسته از موجبر های نوری وجود دارد:
- آنهایی که برای محدود کردن نور از عناصر نوری در مجاورت محور نوری استفاده می کنند که به صورت دوره ای در جهت انتشار موج قرار می گیرند، مانند رزوناتورهای لیزری و موجبرهای عدسی.
- آنهایی که در آنها مکانیزم هدایت کننده، بازتاب داخلی کلی چندگانه از رابط های موازی با محور نوری است (فیبر نوری، موجبرهای دال و تشدید کننده ها)
به دلیل بازتاب های داخلی کامل از دیواره های موجبر، امواج به دام می افتند و معمولاً انتشار آنها به شکل زیگ-زاگ اتفاق می افتد. البته این توصیف بیشتر برای انواع لوله ای و توخالی صحت دارد.
روش هدایتی یک موجبر نوری
تمامی خطوط انتقال به عنوان خطوط انتقال انرژی الکترومغناطیسی، برای انتقال پالس یا امواج با فرکانس بالا عمل می کنند، عملکرد کلی یکسانی دارند (همانطور که رودخانه یک موج جزر و مدی را هدایت می کند).
با این حال، از آنجا که موجبر ساختاری تک هادی است، انتشار انرژی الکتریکی ماهیت بسیار متفاوتی با انتشار انرژی الکتریکی در یک خط انتقال دارای دو هادی دارد.
سیگنال ها معمولاً با استفاده از دستگاه های کوپلینگ آنتن مانند کوچکی در waveguide وارد می شوند و از خارج می شوند.
گاهی اوقات، جفت کننده، یک قطعه بازوی سیمی سر باز است (یک نیمه دوقطبی، در اصل شبیه به یک آنتن شلاقی، با طول فیزیکی 1/4λ) یا یک حلقه کوتاه سیم است که به سطح داخلی موجبر ختم می شود.
در برخی موارد، مانند دسته ای از دستگاه های دارای لوله خلأ (به نام لوله های خروجی القایی)، یک حفره تشکیل شده از مواد رسانا، انرژی الکترومغناطیسی را از یک پرتو مدوله شده از الکترون ها قطع می کند و هیچ تماسی با خود پرتو ندارد.
مدهای انتشار در یک موجبر نوری
یک موج الکترومغناطیسی دارای دو جزء میدان (الکتریکی و مغناطیسی) است که متقابلاً عمود بر یکدیگر نوسان می کنند.
انتشار موج در داخل موجبر اساساً در دو حالت کلی اتفاق می افتد که به شرح زیر است:
موج الکتریکی عرضی
در این حالت انتشار موج، جزء الکتریکی میدان نسبت به جهت انتشار موج کاملاً عرضی است، در حالی که میدان مغناطیسی این طور نیست و به اختصار حالت TE نامیده می شود.
برای مثال، اگر جهت انتشار موج الکترومغناطیسی در جهت Z محور مختصات باشد، برای حالت عرضی خواهیم داشت:
Ez=0, Hz≠0
موج مغناطیسی عرضی
در این حالت انتشار، جزء مغناطیسی میدان نسبت به جهت انتشار موج کاملاً عرضی است در حالی که میدان الکتریکی اینگونه نیست و به اختصار حالت TM نامیده می شود.
Ez≠0, Hz=0
بخش های مختلف یک موجبر نوری
اجزای یک موجبر شامل تقویت کننده، تضعیف کننده، هدایتگر، بازتاب‌کننده های گوشه، شاخ های تغذیه، فیلترها و بسیاری موارد دیگر است که بسته به نوع آن می تواند متفاوت باشد.
در حقیقت، هندسه یک waveguide، نوع عملکرد آن را منعکس می کند و فرکانس موج ارسالی نیز اندازه یک آن را دیکته می کند زیرا هر موجبر دارای یک طول موج قطع است که با اندازه آن تعیین می شود و امواجی با طول موج بیشتر را هدایت نمی کند.
موجبر های نوری را می توان بر اساس هندسه، مد ساختاری (نوع موج الکتریکی یا مغناطیسی)، توزیع ضریب شکست (RI) و جنس طبقه بندی کرد.
هر شکلی از مقطع waveguide می تواند از امواج الکترومغناطیسی پشتیبانی کند. موجبرهای رایج مورد استفاده مستطیل شکل و دایره ای شکل هستند اما به طور کلی، از نظر هندسی پنج نوع موجبر وجود دارد که عبارت اند از:
- مستطیلی
- دایره ای
- بیضوی
- تک لبه
- دو لبه
پارامترهای یک موجبر
طول موج قطع
حداکثر طول موج سیگنال ارسالی است که می تواند بدون هیچ گونه میرایی و اتلاف انرژی در موجبر منتشر شود. این بدان معنی است که تا طول موج قطع (λc)، سیگنال را می توان به راحتی منتقل کرد.
سرعت گروه
سرعت گروه، سرعتی است که یک موج در داخل موجبر منتشر می شود که اگر مدوله شده باشد، سرعت بسته مدولاسیون در مقایسه با سیگنال حامل تا حدودی کمتر است.
در حقیقت، سرعت بسته مدولاسیون است که به عنوان سرعت گروه نامیده می شود و با Vg نمایش داده می شود.
سرعت فاز
سرعتی است که موج ارسالی در طول انتشار، فاز خود را تغییر می دهد یا می توان گفت که اساساً سرعت یک فاز خاص از موج انتشار است که با Vp نشان داده می شود.
امپدانس موج
این پارامتر که به عنوان امپدانس ساختاری نیز شناخته می شود، نسبت میدان الکتریکی عرضی به میدان مغناطیسی عرضی در حال انتشار، در هر نقطه از موجبر تعریف می شود و با Zg نشان داده می شود.
انواع موجبر بر اساس ساختار کلی و عملکرد
بر اساس ساختار کلی و عملکرد نیز می توان موجبر ها را به دو دسته اصلی فلزی و دی الکتریک طبقه بندی کردکه در ادامه به آن می پردازیم.
waveguide نوع فلزی
موجبرهای فلزی معمولاً به شکل یک لوله فلزی رسانا هستند و امواجی که در داخل آنها منتشر می شوند، معمولاً با انعکاس از دیواره ها یا پوسته سطحی پیش می رود.
یک میدان الکترومغناطیسی نوسانی با نفوذ به یک هادی، به صورت تصاعدی ضعیف می شود که این باعث ایجاد اثر پوستی می شود که جریان های فرکانس بالا را به یک لایه نازک در زیر سطح یک هادی محدود می کند.
در حقیقت، جریان های متناوب (AC) تمایل دارند تا در نزدیکی سطح یک هادی جریان یابند که در نتیجه (الف) جریان را به بخش کوچکی از سطح مقطع کل محدود می کنند و (ب) مقاومت در برابر جریان را افزایش می دهند.
اثر پوستی ناشی از اندوکتانس رسانا است که باعث افزایش راکتانس القایی، به ویژه در فرکانس های بالا می شود. بخش داخلی رسانا یک واکنش القایی را با بخش های بیرونی تر تجربه می کنند، بنابراین راکتانس آنها بالاتر است. بنابراین، جریان به سمت راکتانس پایین تر، یعنی بخش بیرونی می رود.
به همین دلیل، امواج الکترومغناطیسی با فرکانس بالا نمی توانند به طور محسوس به یک هادی نفوذ کنند و بنابراین باید به شکل یک لوله رسانای توخالی باشند تا هدایت صورت بگیرد. اگر لوله رسانا در دو انتها بسته باشد، ممکن است امواج ایستاده شکل بگیرند.
در مورد انتقال سیگنال با فرکانس پایین، از خطوط انتقال موازی یا کابل های کواکسیال استفاده می شود، اما برای انتقال سیگنال با فرکانس بالا عمدتا از موجبرها استفاده می شود.
کابل کواکسیال یا دو محوره نیز نوع دیگری از موجبر فلزی است که یک هادی مرکزی را که توسط یک غلاف عایق در جای خود قرار می‌گیرد، احاطه کرده است.
کابل های کواکسیال به طور گسترده برای فرکانس های بسیار بالا و بسیار پایین و به عنوان خطوط انتقال برای ارتباطات تلفنی بین اقیانوسی و برای تلویزیون مدار بسته (مانند تلویزیون کابلی) استفاده می شوند.
این کابل ها برای انتقال موج در مسافت های طولانی مناسب هستند زیرا هادی مرکزی از نویز الکتریکی خارجی (یعنی تداخل) توسط مواد رسانای بیرونی محافظت می شود.
در فرکانس های بالا، محیط ابزار انتقال نسبت به سطح مقطع آن، معیار بهتری برای مقاومت در برابر شرایط محیطی است. در فرکانس های بالا، عمق نفوذ جریان (بر حسب قطر) بسیار کم می شود و اثر پوستی و موجبر مطرح می شود.
به علاوه، موجبرها به دلیل تضعیف بیشتر و تلفات کمتر انرژی، جایگزین مناسب تری برای خطوط انتقال (یا کابل های کواکسیال) هستند و اساساً به عنوان یک فیلتر بالا گذر عمل می کنند.
لوله های فلزی توخالی با مقطع مستطیلی از ساده ترین و پرکاربردترین این نوع موجبرها هستند و برای مثال، بین فرستنده (یا گیرنده) رادیویی و آنتن آن به کار می روند.
انواع مستطیلی اساساً برای انتشار امواج مایکروویو یا سیگنال، از انتهایی به انتهای دیگر استفاده می شوند.
لوله های فلزی با مقطع دایره ای برای کاربردهایی مانند رادار مناسب هستند که در آن دو بخش از موجبر باید نسبت به یکدیگر بچرخند.
waveguide نوع دی الکتریک
waveguide دی الکتریک تنها از دی الکتریک تشکیل شده است و از بازتاب داخلی کلی برای انتشار موج الکترومغناطیسی در طول موجبر استفاده می کند (مانند فیبر نوری).
اولین موجبر دی الکتریک که در فرکانس های نوری مورد بررسی قرار گرفت، فیبر نوری شیشه ای بود که عمدتاً برای کاربردهای تصویر برداری استفاده می شد.
آنها اطلاعات را به شکل سیگنال های مادون قرمز یا نور تولید شده توسط لیزرهای نیمه هادی منتقل می کنند. فیبر نوری معمولاً از یک هسته شیشه ای تشکیل شده است که توسط روکشی احاطه شده است.
یک موجبر نوری نوع دی الکتریک شامل یک محیط طولی با ضریب شکست بالا به نام Core یا هسته است که به صورت عرضی توسط یک محیط با ضریب شکست کمتر به نام Cladding یا روکش احاطه شده است.
یک موج نوری هدایت شده در موجبر در جهت طولی منتشر می شود، به طوری که نور در طول فیبر به هسته محدود می شود و بازتاب داخلی رخ می دهد. ویژگی های یک موجبر با مشخصات عرضی ثابت دی الکتریک آن (x, y) که مستقل از مختصات z است تعیین می شود.
برای یک موجبر ساخته شده از محیط نوری همسانگرد، موجبر را می توان صرفاً با یک نمایه عرضی وابسته فضایی ضریب شکست، n(x،y) مشخص کرد. به طور کلی، موجبرها را می توان به عنوان طبقه بندی کرد:
صفحه ای یا تخت دو بعدی
در این نوع، محصور شدن نور تنها در یک جهت عرضی است و هسته بین لایه های روکش و تنها در یک جهت قرار می گیرد. این تخت عمدتاً برای لیزرها و تقویت کننده ها با قدرت بالا استفاده می شوند.
غیر مسطح و سه بعدی
این انواع شامل محصور کردن نور در دو بعد است و هسته با روکش در تمام جهات عرضی احاطه شده است و ضریب شکست n(x, y) تابعی از هر دو مختصات x و y است.
یک موجبر کانالی غیر مسطح (با هدایت در هر دو جهت) ساختاری هدایت کننده به شکل نواری با عرض محدود دارد، همانند فیبرهای نوری دایره ای.
تفاوت موجبرهای دی الکتریک و فلزی
برای فرکانس های میلیمتری و بالاتر، فلز رسانای خوبی نیست و بنابراین، افت انرژی بسیار خواهد بود و نوع دی الکتریک، مانند فیبرهای نوری جایگزین مناسب تری هستند.
یکی دیگر از تفاوت های کلیدی این است که در انواع فلزی، موج الکترومغناطیسی در سطح فلز محبوس می شود. در فرکانس های بالا، میدان های الکتریکی و مغناطیسی، در فواصل کوچی از فلز نشت پیدا می کنند (کمتر از ضخامت پوست).
در حالی که انواع دی الکتریک، رسانا، سطح مشترک بین دو دی الکتریک است و بنابراین حاصل نشت میدان های الکتریکی و مغناطیسی، امواج ناپایداری است که سریعاً حذف می شوند.
موجبرهای نوع دی الکتریک، می توانند اطلاعات را با سرعت های بسیار بالاتری حمل کنند، فضای کمتری را اشغال کنند (قطر فیبر نوری تنها کسری کوچک از قطر موی انسان است) و نسبت به نویز الکتریکی حساس نیستند.
به دلیل این عوامل، فیبرهای نوری که یکی از انواع دی الکتریک است، در حال حاضر به طور گسترده ای برای انتقال داده، صدا و تصاویر از طریق خطوط تلفن راه دور استفاده می شوند.
waveguide نوع صوتی
موجبر صوتی یک ساختار فیزیکی برای هدایت امواج صوتی است و صدا نیز همانند امواج الکترومغناطیسی در یک راستا منتقل می شود. انتشار امواج صوتی در امتداد چنین ساختارهایی، هم تحت تأثیر خواص مواد ساختاری و هم محیط انتشار است.
از زمان های قدیم انتشار امواج صوتی در امتداد یک سیم، پدیده ای آشنا بوده است. انعکاس صوت درون یک غار و یا گوشی های طبی نیز از این نوع هستند.
بعدها استفاده از میکروفون های بسیار بزرگ رواج یافت که هم اندازه های بزرگی داشتند و هم جمع آوری داده همدوس از چندین کانال مختلف امری ناممکن و در صورت امکان بسیار دشوار و پر هزینه بود.
این تکنولوژی امکان کاربردهای حسی متعددی مانند حسگر لمسی، سنجش شیمیایی و بیوشیمیایی، سنجش سطح و ترکیب مایعات، دما، تنش و سنجش گشتاور را فراهم می کند. این مفهوم همچنین یک رویکرد جدید برای آزمایش مواد غیر مخرب، به ویژه سطح آنها ارائه می دهد.
سخن پایانی
انواع مختلفی از موجبر برای انواع مختلف امواج وجود دارد. اصلی ترین و رایج ترین شکل آنها، لوله های فلزی رسانای توخالی است که برای انتقال امواج با فرکانس بالا استفاده می شود. با این وجود، در فرکانس های بالاتر، موجبرهای دی الکتریک استفاده می شوند.
در موجبرهای آکوستیک یا امواج صوت، مجرای هوا و بوق مانند به عنوان موجبر در ابزارهای موسیقی و بلندگوها استفاده می شود.
امیدواریم که این مقاله برای شما مفید بوده است. برای آشنایی بیشتر با بلورآزما، می توانید به بخش محصولات این مجموعه مراجعه کنید.
