Кіріспе
Толқынды тиімді бағыттайтын құрылым. Толқын жетек – энергияны бір бағытта таратуды шектеу арқылы толқынды бағыттайтын құрылым. Толқын жетектердің кең таралған түрлеріне дыбысты бағыттайтын акустикалық толқын жетектер, жарықты бағыттайтын оптикалық толқын жетектер және радио толқындары сияқты жарықтан басқа электромагниттік толқындарды бағыттайтын радиожиіліктік толқын жетектер жатады. Толқын жетектерінің физикалық шектеулері болмаса, толқындар үш өлшемді кеңістікке таралып, қарқындылығы кері квадрат заңына сәйкес төмендейді. Толқынның әртүрлі түрлері үшін әртүрлі толқын жетектері қолданылады. Бастапқы және ең көп таралған мағынасы – жоғары жиілікті радио толқындарды, әсіресе микротолқындарды тасымалдауға арналған өткізгіш металл түтік. Диэлектрлік толқын жетектері жоғары радиожиіліктерде қолданылады, ал мөлдір диэлектрлік толқын жетектері мен оптикалық талшықтар жарықтың толқын жетектері ретінде қызмет етеді. Акустикада ауа арналары мен рупорлар музыкалық аспаптар мен динамиктерде дыбыс толқынын бағыттау үшін қолданылады, ал арнайы пішінделген металл таяқшалар ультрадыбыстық өңдеуде ультрадыбыстық толқындарды өткізеді. Толқын жетектерінің геометриясы олардың функциясын көрсетеді; толқындарды бір өлшемде бағыттайтын кең таралған түрлерге қоса, толқындарды екі өлшемде шектейтін екі өлшемді плиталық толқын жетектері де бар. Таратылатын толқынның жиілігі толқын жетектерінің мөлшерін де анықтайды: әрбір толқын жетектерінің мөлшеріне байланысты кесілу толқын ұзындығы болады және одан үлкен толқын ұзындығын өткізбейді; жарықты бағыттайтын оптикалық талшық, одан әлдеқайда үлкен толқын ұзындығына ие микротолқындарды өткізбейді. Табиғатта кездесетін кейбір құрылымдар да толқын жетектері ретінде әрекет ете алады. Океандағы SOFAR каналының қабаты кит әнінің дыбысын өте үлкен қашықтықтарға жеткізе алады. Толқын жетектерінің кез келген қима пішіні ЭМ толқындарын қолдай алады. Дұрыс емес пішіндерді талдау қиын. Көбінесе қолданылатын толқын жетектері тікбұрышты және дөңгелек пішінде болады.
A waveguide is a structure that guides waves by restricting the transmission of energy to one direction. Common types of waveguides include acoustic waveguides which direct sound, optical waveguides which direct light, and radio frequency waveguides which direct electromagnetic waves other than light like radio waves. Without the physical constraint of a waveguide, waves would expand into three dimensional space and their intensities would decrease according to the inverse square law. There are different types of waveguides for different types of waves. The original and most common meaning is a hollow conductive metal pipe used to carry high frequency radio waves, particularly microwaves. Dielectric waveguides are used at higher radio frequencies, and transparent dielectric waveguides and optical fibers serve as waveguides for light. In acoustics, air ducts and horns are used as waveguides for sound in musical instruments and loudspeakers, and specially shaped metal rods conduct ultrasonic waves in ultrasonic machining. The geometry of a waveguide reflects its function; in addition to more common types that channel the wave in one dimension, there are two dimensional slab waveguides which confine waves to two dimensions. The frequency of the transmitted wave also dictates the size of a waveguide: each waveguide has a cutoff wavelength determined by its size and will not conduct waves of greater wavelength; an optical fiber that guides light will not transmit microwaves which have a much larger wavelength. Some naturally occurring structures can also act as waveguides. The SOFAR channel layer in the ocean can guide the sound of whale song across enormous distances. Any shape of cross section of waveguide can support EM waves. Irregular shapes are difficult to analyse. Commonly used waveguides are rectangular and circular in shape.
Тарих
Толқындарды бағыттаудың алғашқы құрылымын 1893 жылы Дж. Дж. Томсон ұсынды, ал алғаш рет 1894 жылы Оливер Лодж тәжірибелік түрде сынап көрді. Электромагниттік толқындардың металл цилиндрдегі алғашқы математикалық талдауын 1897 жылы Лорд Рейли жасады. Дыбыс толқындары үшін Лорд Рейли өзінің «Дауыстың теориясы» атты маңызды еңбегінде таралу режимдерінің толық математикалық талдауын жариялады. Жағадиш Чандра Боз толқын жетектерін пайдалана отырып миллиметрлік толқын ұзындығын зерттеді және 1897 жылы Лондондағы Корольдік институтына Калькуттада жүргізген зерттеулерін баяндады. Диэлектрлік толқын жетектерін зерттеу (мысалы, оптикалық талшықтар, төменде қараңыз) 1920 жылдары бірнеше адам бастады, олардың ең танымалдары – Рейли, Зоммерфельд және Деби. Оптикалық талшықтар 1960 жылдары байланыс индустриясы үшін маңыздылығы артып, ерекше назарға ие болды. Радиобайланыстың дамуы бастапқыда төменгі жиіліктерде жүрді, себебі оларды үлкен қашықтықтарға оңай таратуға болатын. Ұзын толқын ұзындығы осы жиіліктерді қуыс металл толқын жетектерінде пайдалануға қолайсыз етті, себебі қажетті түтіктердің диаметрі тым үлкен болар еді. Осының салдарынан қуыс металл толқын жетектерін зерттеу тоқтап, Лорд Рейлидің жұмысы біраз уақытқа ұмытылып, оны басқалар қайта ашуға мәжбүр болды. Практикалық зерттеулерді 1930 жылдары Джордж С. Саутворт Bell Labs және Вилмер Л. Барроу MIT-де қайта бастады. Саутворт теорияны алдымен диэлектрлік таяқшалардағы толқындар туралы мақалалардан алды, себебі Лорд Рейлидің жұмысы оған белгісіз болды. Бұл оны біршама жаңылыстырды; оның кейбір тәжірибелері сәтсіз аяқталды, өйткені ол Лорд Рейлидің жұмысында кездесетін толқын жетектерінің кесу жиілігі құбылысынан хабарсыз болды. Джон Р. Карсон және Салли П. Мид теориялық жұмысты жан-жақты жүргізді. Бұл жұмыс TE01 режиміндегі дөңгелек толқын жетектеріндегі жоғалтулар жиілікпен төмендейтінін көрсетті және бір кезде бұл ұзақ қашықтыққа арналған телекоммуникация форматына үміткер болды. Екінші дүниежүзілік соғыста радардың маңыздылығы, кем дегенде одақтас елдер тарапынан, толқын жетектерін зерттеуге үлкен серпін берді. 1940 жылы Ұлыбританиядағы Бирмингем университетінде Джон Рэндалл мен Гарри Бут жасаған магнетрон жақсы қуат көзі болып, микротолқынды радарды мүмкін етті. АҚШ-тағы зерттеулердің ең маңызды орталығы MIT-дегі Радиациялық зертхана (Rad Lab) болды, бірақ көптеген басқалары да АҚШ-та және Ұлыбританияда, мысалы Телекоммуникацияларды зерттеу институтында қатысты. Rad Lab-тегі Іргелі даму тобының басшысы Эдвард Миллс Перселл болды. Оның зерттеушілері Джулиан Швингер, Натан Маркувиц, Кэрол Грей Монтгомери және Роберт Х. Дикке. Rad Lab жұмысының көп бөлігі толқын жетекшілерінің құрылымдарының элементтік модельдерін табуға бағытталды, соның арқасында толқын жетектеріндегі компоненттер стандартты тізбек теориясымен талдануы мүмкін болды. Ханс Бете де Rad Lab-те қысқа уақыт болды, бірақ ол жерде ол өзінің кіші диафрагма теориясын жасады, ол алғаш рет Rad Lab-те жасалған толқын жетекші қуыс сүзгілері үшін маңызды болып шықты. Ал неміс тарапы радардағы толқын жетектерін соғыстың соңына дейін елемеді. Мәселен, британдық ұшақтың радиолокациялық бөліктері Siemens & Halske компаниясына талдау үшін жіберілгенде, олар микротолқынды компоненттер ретінде танылса да, олардың мақсатын анықтау мүмкін болмады. Ол кезде микротолқынды техника Германияда мүлдем еленбей қалған еді. Жалпы алғанда, бұл электрондық соғысқа ешқандай пайдасы жоқ деп саналды, және осы салада ғылыми-зерттеу жұмыстарын жүргізгісі келгендерге рұқсат етілмеді. Siemens & Halske компаниясының соғыс уақытындағы вице-президенті Г. Майер. Неміс ғалымдарына осы саладағы зерттеулерін жариялауды жалғастыруға рұқсат етілді, өйткені бұл маңызды деп саналмады. Екінші дүниежүзілік соғыстан кейін микротолқынды технология толқын жетектерін таңдауға айналды. Алайда, оның кейбір кемшіліктері бар: ол үлкен, өндірісі қымбат, ал кесу жиілігі кең жолақты құрылғыларды жасауды қиындатады. Риджді толқын жетектері жолақтылық диапазонын октавадан асыра көтеруге мүмкіндік береді, бірақ жақсы шешім – TEM режимінде жұмыс істейтін технологияны пайдалану (яғни толқын жетектері емес), мысалы коаксиалдық өткізгіштер, себебі TEM-де кесу жиілігі жоқ. Қалқандалған тікбұрышты өткізгішті де пайдалануға болады, ол коаксиалдыға қарағанда белгілі бір өндірістік артықшылықтарға ие және оны жазық технологиялардың (таспалы және микротаспалы) алғы күші ретінде қарастыруға болады. Алайда, жазық технологиялар басылып шығарылатын тізбектер енгізілген кезде дами бастады. Бұл әдістер толқын жетектерінен әлдеқайда арзан және көптеген жолақтарда оның орнын басты. Дегенмен, толқын жетектері Ku жолағынан жоғарырақ жиіліктердегі микротолқынды жолақтарда әлі де басым болып табылады.
German academics were even allowed to continue publicly publishing their research in this field because it was not felt to be important. Immediately after World War II waveguide was the technology of choice in the microwave field. However, it has some problems; it is bulky, expensive to produce, and the cutoff frequency effect makes it difficult to produce wideband devices. Ridged waveguide can increase bandwidth beyond an octave, but a better solution is to use a technology working in TEM mode (that is, non waveguide) such as coaxial conductors since TEM does not have a cutoff frequency. A shielded rectangular conductor can also be used and this has certain manufacturing advantages over coax and can be seen as the forerunner of the planar technologies (stripline and microstrip). However, planar technologies really started to take off when printed circuits were introduced. These methods are significantly cheaper than waveguide and have largely taken its place in most bands. However, waveguide is still favoured in the higher microwave bands from around Ku band upwards.
Таралу режімдері мен шекті жиіліктер
Толқын жетегіндегі таралу режимі – толқын теңдеулерінің бір шешімі, немесе басқаша айтқанда, толқынның формасы. Шекаралық шарттардың шектеулеріне байланысты, толқын жетегінде тарала алатын толқын функциясының жиіліктері мен формалары шектеулі. Белгілі бір режимнің тарала алатын ең төменгі жиілігі – сол режимнің кесу жиілігі. Ең төменгі кесу жиілігіне ие режим – толқын жетегінің негізгі режимі, ал оның кесу жиілігі – толқын жетегінің кесу жиілігі. Таралу режимдері Гельмгольц теңдеуін геометриялық пішінге және аймақты шектейтін материалдарға байланысты шекаралық шарттар жиынтығымен бірге шешу арқылы есептеледі. Шексіз ұзын, біркелкі толқын жетектері үшін қабылданатын әдеттегі болжам, толқынның таралу формасын қабылдауға мүмкіндік береді, яғни әрбір өріс компонентінің таралу бағытына белгілі тәуелділігі бар (мысалы, ). Нақтырақ айтқанда, кең таралған тәсіл – алдымен барлық белгісіз, уақыт бойынша өзгеретін өрістерді (өрістерді картезиялық компоненттерде қарастырудың қарапайымдылығын ескере отырып) олардың күрделі фазорлық өрнегімен ауыстыру, бұл жиілігі бар кез келген шексіз ұзақ, бір тонды сигналды толық сипаттауға жеткілікті (бұрыштық жиілігі ), содан кейін Гельмгольц теңдеуін және шекаралық шарттарды сәйкес қайта жазу. Содан кейін, әрбір белгісіз өріс тәрізді формаға ие болуға мәжбүр болады, мұнда мүшесі толқын жетегінің шексіздікке дейін созылатын бағыты бойынша таралу тұрақтысын (әлі белгісіз) білдіреді. Гельмгольц теңдеуін осындай формаға сәйкес қайта жазуға болады және алынған теңдікті және үшін шешу қажет, нәтижесінде үшін өзіндік мән теңдеуі және оның әрбір шешімі үшін тиісті өзіндік функция шығады. Жетектелген толқынның таралу тұрақтысы, әдетте, күрделі шама болып табылады. Жоғалмайтын жағдайда таралу тұрақтысы өзіндік мән теңдеуінің таңдалған шешіміне және бұрыштық жиілікке байланысты нақты немесе жорамал мәндерді қабылдауы мүмкін. Егер таза нақты болса, режим "кесуден төмен" деп аталады, өйткені өріс фазорларының амплитудасы таралумен бірге экспоненциалды түрде төмендейді; ал жорамал болса, керісінше, "таралуда" немесе "кесуден жоғары" деп аталатын режимдерді көрсетеді, себебі фазорлардың күрделі амплитудасы өзгермейді.
Импедансты сәйкестендіру
Сұлба теориясында импиданс – ауыспалы ток жағдайында электр кедергісінің жалпылама түрі және о өлшеу бірлігі – ом. Сұлба теориясындағы толқын жетегі – ұзындығы және сипаттамалық импидансы бар беріліс желісі ретінде сипатталады. Басқаша айтқанда, импиданс – толқын таралу кезінде контур құрауышының (осы жағдайда толқын жетегінің) кернеуге шағылысқан тогының қатынасын көрсетеді. Толқын жетегінің бұл сипаттамасы бастапқыда ауыспалы ток үшін жасалған, бірақ толқын мен материалдың қасиеттері (мысалы, қысым, тығыздық, диэлектрлік тұрақты) тиісінше электр шамаларына (мысалы, ток пен импиданс) ауыстырылған жағдайда электромагниттік және дыбыс толқындары үшін де қолданылуы мүмкін. Электр контурының компоненттері қосылғанда (мысалы, толқын жетегі антеннаға) импиданс сәйкестігі маңызды: импиданс қатынасы толқынның қанша бөлігі алға таратылатынын және қанша бөлігі кері шағылысатынын анықтайды. Толқын жетегін антеннаға қосу кезінде әдетте толық тарату қажет, сондықтан олардың импиданстарын сәйкестіруге тырысады. Шағылысу коэффициентін келесі формула арқылы есептеуге болады: , мұндағы (Гамма) – шағылысу коэффициенті (0 – толық таратуды, 1 – толық шағылысуды, ал 0,5 – кіріс кернеуінің жартысын шағылыстырады), – толқын кіретін бірінші компоненттің, ал – екінші компоненттің импидансы. Импиданс сәйкессіздігі шағылысқан толқынды тудырады, ол кіріс толқындарымен қосылып, тұрған толқынды жасайды. Импиданс сәйкессіздігін тұрған толқын коэффициентімен (көтерілу үшін SWR немесе VSWR) өлшеуге болады, ол импиданс қатынасымен және шағылысу коэффициентімен байланысты: , мұндағы – кернеу абсолюттік шамасының ең төменгі және ең жоғары мәндері, ал VSWR – кернеудің тұрған толқын коэффициенті, оның 1 мәні толық таратуды, шағылысудың болмауын және демек, тұрған толқынның жоқтығын білдіреді, ал өте үлкен мәндер жоғары шағылысуды және тұрған толқын үлгісін білдіреді.
Радиожиілік толқын жетектері
Толқынбағыттағыштар электромагниттік спектрдің кең ауқымында толқындарды таратуға мүмкіндік береді, бірақ олар микротолқынды және оптикалық жиіліктерде ерекше тиімді. Жиілігіне қарай, олар өткізгіш немесе диэлектриктерден жасалуы мүмкін. Толқынбағыттағыштар қуатты және коммуникациялық сигналдарды беруге қолданылады.
Оптикалық толқын жетектері
Оптикалық жиіліктерде қолданылатын толқын жетектері көбінесе диэлектрлік толқын жетектері болып табылады, оларда жоғары диэлектрлік өтімділігі және осыған байланысты жоғары сыну индексіне ие диэлектрлік материал төмен диэлектрлік өтімділігі бар материалмен қоршалған. Бұл құрылым толық ішкі шағылыс арқылы оптикалық толқындарды бағыттайды. Оптикалық толқын жетектерінің мысалы – оптикалық талшық. Сонымен қатар, әртүрлі механизмдер арқылы толқындарды басқаратын фотондық кристалл талшықтары сияқты, басқа да оптикалық толқын жетектері қолданылады. Жарықтандыру мақсатында жарық құбырлары ретінде пайдаланылатын, ішкі беті жоғары шағылысқа ие қуыс түтіктер де бар. Ішкі беттері жылтыратылған металлдан жасалған немесе жарықты Брагг шағылысы арқылы бағыттайтын көп қабатты пленкамен жабылған болуы мүмкін (бұл фотондық кристалл талшығының ерекше жағдайы). Құбырдың айналасына орналасқан және толық ішкі шағылыс арқылы жарықты шағылыстыратын кішкентай призмаларды да қолдануға болады. Алайда, мұндай шектеу толық емес, себебі толық ішкі шағылыс төменгі индекстік ядроның ішінде жарықты толығымен бағыттай алмайды (призма жағдайында, жарықтың бір бөлігі призма бұрыштарынан шығып кетеді).
Акустикалық толқын жетектері
Акустикалық толқын жетек – дыбыс толқындарын бағыттауға арналған физикалық құрылым. Акустикалық толқын жетектегі дыбыс, беріліс желісіндегі электромагниттік толқындар сияқты қасиет көрсетеді. Сымдағы толқындар, мысалы, банка телефонындағыдай, акустикалық толқын жетектерінің қарапайым мысалы болып табылады. Тағы бір мысал – орган құбырларындағы қысым толқындары. «Акустикалық толқын жетек» термині сондай-ақ микродеңгейдегі құрылғылардағы серпімді толқындарды сипаттау үшін де қолданылады, мысалы, пьезоэлектрлік кешіктіру желілері мен күшті Бриллуэн шашырауында қолданылатын құрылғылар.
Математикалық толқын жетектері
Толқын жетектері қатаң математикалық тұрғыдан зерттеуге қызықты нысандар болып табылады. Толқын жетек (немесе түтік) – толқын теңдеуіндегі шекаралық шарттың бір түрі ретінде анықталады, онда толқындық функция шекарада нөлге тең болуы керек, ал рұқсат етілген аймақ барлық өлшемдерде біреуін қоспағанда шекті болуы керек (шексіз ұзын цилиндр мысал ретінде келтіріледі). Осы жалпы шарттардан көптеген қызықты нәтижелерді дәлелдеуге болады. Кез келген түтікте (түтіктің ені кеңейгенде) модальдық аралықтардың ішінде кемінде бір байланысқан күйдің болатыны анықталады. Барлық байланысқан күйлердің жиіліктерін уақыт бойынша қысқа импульс қолдану арқылы анықтауға болады. Бұл вариациялық принциптерді пайдалану арқылы көрсетілуі мүмкін. Джеффри Голдстоун мен Роберт Джаффе жасаған қызықты нәтиже – тұрақты ені бар және бұрылған түтік байланысқан күйді қабылдайды.
Дыбыс синтезі
Дыбыс синтезі, желді аспаптардың құбырларындағы және ішекті аспаптардың дірілдегі ішектеріндегі толқын таралуын модельдеу үшін есептеу элементтері ретінде цифрлық кешіктіру желілерін қолданады.