хвилевід

1. екрановані [ правити | правити код ]
2. неекрановані [ правити | правити код ]

Хвилевід - штучний або природний направляючий канал, в якому може поширюватися хвиля . При цьому потік потужності, що переноситься хвилею, зосереджений всередині цього каналу або в області простору, що безпосередньо примикає до каналу.

За природою поширюються хвиль розрізняють електромагнітні та акустичні хвилеводи. Окремим випадком перших є оптоволоконні лінії передачі . Найбільш часто під терміном «хвилевід» маються на увазі металеві трубки, призначені для передачі енергії електромагнітних хвиль діапазонів НВЧ і КВЧ. Такий хвилевід - лінія передачі, що має одну або декілька провідних поверхонь, з поперечним перерізом у вигляді замкнутого проводить контуру, що охоплює область поширення електромагнітної енергії [1] .

Вперше конструкція для передачі хвиль була запропонована англійським фізиком Джозефом Джоном Томсоном в 1893 році, а першим її принцип експериментально перевірив англійський фізик і винахідник Олівер Лодж в 1894 році. Першим математичний аналіз ходу електромагнітних хвиль в металевому циліндрі виконав британський фізик і механік лорд Релей в 1897 році [2] . У процесі ретельного вивчення звукових хвиль ( поверхневих акустичних хвиль ), Лорд Релей опублікував повний математичний аналіз принципу їх поширення в своєму фундаментальному дослідженні «Теорія звуку» [3] .

Надалі, в 20-ті роки двадцятого століття почалося вивчення діелектричних хвилеводів (в тому числі і оптичних волокон ). Кілька вчених, серед яких найбільш відомими були британський фізик і механік Релей , Німецький фізик-теоретик і математик Зоммерфельд , А також нідерландський фізик Дебай [4] . Фундаментальні дослідження привели до того, що в 1960-і роки скловолокна стали привертати до себе особливу увагу в зв'язку з можливостями, що відкриваються їх використання для передачі даних і забезпечення зв'язку .

екрановані [ правити | правити код ]

Екрановані хвилеводи мають добре відображають стінки для розповсюджується в ньому хвилі, завдяки чому потік потужності хвилі зосереджений всередині хвилеводу. Як правило, такі хвилеводи виконані у вигляді порожніх або заповнених середовищем із спеціально підібраними параметрами трубок. Поперечний переріз цих трубок має форму кола, еліпса, прямокутника, що пов'язано з більшою конструктивною простотою, хоча для спеціальних цілей використовуються хвилеводи і з іншими формами поперечного перерізу. Щоб хвиля у міру поширення в волноводе не відображалася в зворотному напрямку, хвилевід виконують регулярних: форма і розміри поперечного перерізу, а також фізичні властивості матеріалів повинні бути постійні по довжині хвилеводу. Оскільки хвиля відбивається від стінок екранованого хвилеводу, то в поперечному напрямку виникає стояча хвиля з певним складом мод .

Для передачі електромагнітних хвиль використовуються металеві трубки, порожнисті або заповнені діелектриком. також використовуються коаксіальні і багатожильні кабелі, які відносять до провідних лініях передачі . Термін «радіочастотний хвилевід» (англ. Radiofrequency guide, позначення RG) підкреслює призначення і відміну від провідних ліній передачі постійного струму та струму промислової частоти, а також від низькочастотних комунікаційних кабелів. Металеві хвилеводи і коаксіальні кабелі з наскрізними отворами-щілинами в екрані служать для побудови волноводно-щілинних антен та випромінювальних кабелів.

До екранованим волноводам відносять також акустичні хвилеводи , Це труби з досить жорсткими стінками, наприклад, металеві або пластмасові. У таких хвилеводах акустичні коливання поширюються в газі, що наповнює хвилевід, як правило, в повітрі. Раніше широко застосовувалися на судах і кораблях під назвою «переговорні труби».

Практично всі типи хвилеводів можна розглядати як різновиду довгих ліній передачі, тобто таких, довжина яких перевищує довжину розповсюджується в них хвилі.

неекрановані [ правити | правити код ]

У відкритих (неекранованих) волноводах локалізація поля зазвичай обумовлена ​​явищем повного внутрішнього відображення від кордонів розділу двох середовищ (в хвилеводах діелектричних і оптоволоконних световодах ), Або від областей з плавно змінюються параметрами середовища (наприклад, іоносферний хвилевід , атмосферний хвилевід , підводний звуковий канал , Градиентное оптоволокно). Поле локалізується переважно всередині спеціально призначеної для цього області поперечного перерізу хвилеводу і швидко убуває за межами цієї області. Завдяки цьому хвиля каналізується в волноводе. Відкриті планарниє хвилеводи оптичного діапазону використовуються для побудови різних інтегральних оптоелектронних пристроїв.

Акустичні відкриті хвилеводи служать основою пристроїв на поверхневих акустичних хвилях , В таких хвилеводах ультразвукова хвиля поширюється вздовж кордону розділу середовищ з різними акустичними властивостями.

У волноводах, як в системах з розподіленими параметрами, можливе існування дискретного (при не дуже сильному поглинанні) набору (ансамблю) типів коливань ( мод ), Кожен тип коливань поширюється зі своїми фазовими і груповими швидкостями. Всі моди мають дисперсією , Тобто їх фазові швидкості залежать від частоти і відрізняються від групових швидкостей.

У екранованому волноводе фазові швидкості зазвичай перевищують швидкість поширення плоскої однорідної хвилі в заповнює середовищі ( швидкість світла , швидкість звуку ), Ці хвилі називаються швидкими. При неповному екранування вони можуть проникати крізь стінки хвилеводу, переізлучаясь в навколишній простір. Це так звані витікають хвилі. У відкритих хвилеводах, як правило, поширюються повільні хвилі, амплітуди яких швидко зменшуються при видаленні від направляючого каналу.

Кожна мода характеризується граничною частотою ω k {\ displaystyle \ omega _ {k}} , Званої критичної; мода може поширюватися і переносити уздовж хвилеводу потік енергії тільки на частотах ω {\ displaystyle \ omega} , Що перевищують ω k r {\ displaystyle \ omega _ {kr}} . Однак в деяких випадках (багатопровідні лінії передачі, порожнисті акустичні хвилеводи) існують моди, для яких ω k r = 0 {\ displaystyle \ omega _ {kr} = 0} , Їх називають головними або квазістатичного.

При великих ω {\ displaystyle \ omega} хвилевід стає надрозмірні (поперечні розміри хвилеводу значно перевищують довжину хвилі ): Тоді в ньому одночасно поширюється безліч мод, які при певних співвідношеннях між амплітудами і фазами можуть групуватися в біжать уздовж хвилеводу згустки. У граничному випадку, в волноводе утворюється стояча хвиля з вузлами і пучностями, наприклад, для акустичних хвилеводів - вузли акустичного тиску. У вузлах стінки можна прибрати, замінивши суцільну трубу послідовно розставленими відбивачами. Такі, а також аналогічні їм лінзовий системи класифікують як квазіоптичні хвилеводи або квазіоптичні лінії передачі.

Радіочастотні електричні хвилеводи завжди застосовуються в сучасних радіолокаційних станціях , Техніці для прискорення елементарних частинок.

Акустичні хвилеводи (переговорні труби) застосовуються на сучасних судах, дублюючи електронні переговорні пристрої в разі їх відмови.

Хвилеводи на поверхневих акустичних хвилях застосовуються в обробці сигналів для побудови електромеханічних фільтрів.

• Калінін В. А., Лобов Г. Д., Багнетів В. В. Радіофізика для інженерів / Под ред. С.І.Баскакова. - М.: Изд-во МЕІ, 1994. - 130 с. - 500 екз.
• Шаров Г.А. Хвилеводні пристрої сантиметрових і міліметрових хвиль. - М.: Гаряча лінія - Телеком, 2015. - 640 с. - 500 екз. - ISBN 978-5-9912-0473-6 .