Радиотолқындарды тасымалдайтын металл құбырлар

Кіріспе

Радио толқындарын тасымалдауға арналған қуыс металл құбыр. Радиожиіліктік және байланыс инженериясында толқын жетек – радио толқындарын тасымалдауға қолданылатын қуыс металл құбыр. Осы типтегі толқын жетектер көбінесе микротолқындық жиіліктерде тарату желісі ретінде қолданылады, мысалы микротолқындық таратушылар мен қабылдағыштарды антенналарына қосу, микротолқынды пештер, радарлар, спутниктік байланыс және микротолқындық радио байланыс жүйелері сияқты құрылғыларда. (Металл құбыр) толқын жетектегі электромагниттік толқындар жолбойынша зигзаг тәрізді қозғалып, жолдың қарама-қарсы қабырғаларынан қайта-қайта шағылысады деп елестетуге болады. Тікбұрышты толқын жетектер үшін осы көзқарас негізінде нақты талдау жасау мүмкін. Диэлектрлік толқын жетектерде таралу да осылай қарастырылуы мүмкін, онда толқындар диэлектриктің бетінде толық ішкі шағылыс арқылы шектеледі. Кейбір құрылымдар, мысалы, сәуле шығармайтын диэлектрлік толқын жетектері мен Губау желісі, толқынды шектеу үшін металл қабырғалар мен диэлектрлік беттерді бірге қолданады.

Принцип

Жиілігіне байланысты, толқын жетектері өткізгіш немесе диэлектрлік материалдардан құрастырылуы мүмкін. Әдетте, өткізілуі тиіс жиілік неғұрлым төмен болса, толқын жетегінің мөлшері де соғұрлым үлкен болады. Мысалы, Жердің табиғи толқын жетегі, өткізгіш ионосфера мен жер арасындағы өлшемдерімен және Жердің орташа биіктігіндегі шеңберімен анықталады, ол 7,83 Гц жиілігінде резонансқа түседі. Бұл Шуман резонансы деп аталады. Ал, өте жоғары жиілікті (ӨЖЖ) байланыста қолданылатын толқын жетектерінің ені бір миллиметрден де аз болуы мүмкін.

Тарих

[[Сурет: Джордж Саутворт және толқын жетекшілері. jpg|thumb|1930 жылдардың басында толқын жетекшілерін әзірлеген Джордж С. Саутворт, Нью-Джерси штатының Холмдел қаласындағы Белл зертханасындағы шамамен бір мильдік экспериментальді толқын жетекшісінің алдында, оны өз зерттеулерінде қолданды. 1893 жылы Ж. Дж. Томсон цилиндрлі металл қуысының ішіндегі электромагниттік режимдерді тудырды. Ол толқындардың электр өрісімен (TE режимдері) немесе магнит өрісімен (TM режимдері) таралу бағытына перпендикуляр белгілі бір нормальді режимдерде ғана әлсіреусіз жүре алатынын көрсетті. Сондай-ақ, ол әрбір режимнің төменгі жиілігі бар екенін көрсетті, одан төмен толқындар тарамайды. Белгілі бір түтіктің кесу толқын ұзындығы оның енімен шамалас болғандықтан, диаметрінен әлдеқайда үлкен радио толқын ұзындығын өткізуге бормайтыны анық болды. 1902 жылы Р. Х. Вебер электромагниттік толқындардың түтіктерде бос кеңістікке қарағанда баяу жылдамдықпен қозғалатынын байқады және себебін анықтады: толқындар қабырғалардан шағылысып, «зигзаг» тәрізді жолмен жүреді. 1920 жылдарға дейін радио толқындар саласындағы практикалық жұмыстар радио спектрінің төменгі жиілік бөлігіне бағытталды, себебі осы жиіліктер ұзақ қашықтыққа байланыс үшін жақсырақ болды. Микротолқындарды зерттеудегі алғашқы жұмыстарында (1894-1900 жж.) Жагадиш Чандра Бос толқындарды өткізу үшін қысқа құбырларды қолданды, сондықтан кейбір дереккөздер оны толқын жетекшісін ойлап тапқан деп санайды. Алайда, осыдан кейін радио толқындардың құбыр немесе арна арқылы тасымалдануы туралы түсінік инженерлік білімнен шығып кетті. UHF жиіліктерінде қуат тудыратын алғашқы осциллятор; және 1930 жылдары 10 ГГц дейін радио толқындарды өндірген бөлінген анодты магнитрон. Массачусетс технология институтындағы Уилмер Л. Барроу да осы мәселемен айналысты, бірақ олар бір-бірін білмей жұмыс істеді. және толқын жетекшілерінің режимдерін қайта ашты. 1933 жылдың желтоқсанында металл қабықшада диэлектрик қажет емес екені анықталды және назар металл толқын жетекшілеріне аударылды. Барроу 1930 жылы Германияда Арнольд Сомерфельдтің басшылығымен жоғары жиіліктерге қызығушылық танытқан. Толқын жетекшісінің тиімді жұмыс істеуі үшін маңызды. Кернеудің тұрақты толқындары толқын жетекшісіндегі кедеріссіздіктердің салдарынан энергияның таралу бағытына қарама-қарсы бағытта кері қайтуына себеп болады. Энергияның тиімді берілуін шектеуге қоса, бұл кері шағылыстар толқын жетекшісіндегі кернеуді жоғарылатып, жабдықты зақымдауы мүмкін.

[[Image:George Southworth & waveguides. jpg|thumb|George C. Southworth who developed waveguides in the early 1930s, in front of mile long experimental waveguide run at Bell Labs, Holmdel, New Jersey, used in his research Around 1893 J. J. Thomson derived the electromagnetic modes inside a cylindrical metal cavity. He showed that the waves could travel without attenuation only in specific normal modes with either the electric field (TE modes) or magnetic field (TM modes), perpendicular to the direction of propagation. He also showed each mode had a cutoff frequency below which waves would not propagate. Since the cutoff wavelength for a given tube was of the same order as its width, it was clear that a hollow conducting tube could not carry radio wavelengths much larger than its diameter. In 1902 R. H. Weber observed that electromagnetic waves travel at a slower speed in tubes than in free space, and deduced the reason; that the waves travel in a "zigzag" path as they reflect from the walls. Prior to the 1920s, practical work on radio waves concentrated on the low frequency end of the radio spectrum, as these frequencies were better for long range communication. In his pioneering 1894 1900 research on microwaves, Jagadish Chandra Bose used short lengths of pipe to conduct the waves, so some sources credit him with inventing the waveguide. However, after this, the concept of radio waves being carried by a tube or duct passed out of engineering knowledge. the first oscillator which could produce power at UHF frequencies; and the split anode magnetron which by the 1930s had generated radio waves at up to 10 GHz. and Wilmer L. Barrow at the Massachusetts Institute of Technology, who worked without knowledge of one another. and rediscovered waveguide modes. In December 1933 it was realized that with a metal sheath the dielectric is superfluous and attention shifted to metal waveguides. Barrow had become interested in high frequencies in 1930 studying under Arnold Sommerfeld in Germany. is crucial for proper waveguide performance. Voltage standing waves occur when impedance mismatches in the waveguide cause energy to reflect back in the opposite direction of propagation. In addition to limiting the effective transfer of energy, these reflections can cause higher voltages in the waveguide and damage equipment.

Іс жүзінде

Іс жүзінде толқын жетектері аса жоғары жиілікті (SHF) жүйелер үшін кабельдердің эквиваленті болып табылады. Мұндай қолданыстар үшін толқын жетектерінде тек бір режим таралатындай етіп жұмыс істеу қажет. Тікбұрышты толқын жетектерінде толқын жетегін тек бір режим таралатын жиілік жолағын 2:1 дейін (яғни жоғарғы жолақтың төменгі жолаққа қатынасы екі) етіп жобалау мүмкін. Толқын жетектерінің өлшемдері мен ең төменгі жиіліктің арасындағы байланыс қарапайым: егер оның екі өлшемінің үлкені болса, онда таралатын ең ұзын толқын ұзындығы және ең төменгі жиілік сол болады.

Дөңгелек толқын жетектерінде тек бір режим таралуына мүмкіндік беретін ең жоғары жолақтың ені 1.3601:1 ғана. Тікбұрышты толқын жетектері тек бір режим таралуы мүмкін болатын әлдеқайда кең жолаққа ие болғандықтан, тікбұрышты толқын жетектері үшін стандарттар бар, бірақ дөңгелек толқын жетектері үшін жоқ. Әдетте (бірақ әрқашан емес), стандартты толқын жетектері бір жолақтың екінші жолақтың аяқталуымен басталатындай етіп, екі жолақты жабатын тағы бір жолақпен жасалады. Дөңгелек толқын жетектерін цилиндрлік координаттарда шешуге болады. Ең төменгі кесу жиілігіне ие режим жетектегі басым режим деп аталады. Жетектің өлшемін таңдау кезінде, жұмыс жиілік жолағында тек осы бір режим ғана болуына мүмкіндік беру қалыпты жағдай. Тікбұрышты және дөңгелек (құбырлы) толқын жетектерінде басым режимдер тиісінше TE1,0 және TE1,1 режимдері деп белгіленеді.