Введение
Структура, которая эффективно направляет волны. Волновод – это структура, которая направляет волны, ограничивая распространение энергии в одном направлении. К распространенным типам волноводов относятся акустические волноводы, направляющие звук, оптические волноводы, направляющие свет, и радиочастотные волноводы, направляющие электромагнитные волны, отличные от света, такие как радиоволны. Без физического ограничения волновода волны распространялись бы в трехмерном пространстве, а их интенсивность уменьшалась бы в соответствии с законом обратных квадратов. Существуют различные типы волноводов для разных типов волн. Изначальное и наиболее распространенное значение – это полая проводящая металлическая труба, используемая для передачи высокочастотных радиоволн, в частности микроволн. Диэлектрические волноводы используются на более высоких радиочастотах, а прозрачные диэлектрические волноводы и оптические волокна служат волноводами для света. В акустике воздушные каналы и рупоры используются в качестве волноводов для звука в музыкальных инструментах и громкоговорителях, а специально сформированные металлические стержни проводят ультразвуковые волны при ультразвуковой обработке. Геометрия волновода отражает его функцию; помимо более распространенных типов, которые направляют волну в одном измерении, существуют двумерные волноводы, которые ограничивают волны в двух измерениях. Частота передаваемой волны также определяет размер волновода: каждый волновод имеет пороговую длину волны, определяемую его размером, и не будет проводить волны большей длины волны; оптическое волокно, которое направляет свет, не будет передавать микроволны, имеющие гораздо большую длину волны. Некоторые природные структуры также могут выступать в качестве волноводов. SOFAR-канал в океане может направлять звук песен китов на огромные расстояния. Любая форма поперечного сечения волновода может поддерживать электромагнитные волны. Неправильные формы сложны для анализа. Обычно используемые волноводы имеют прямоугольную или круглую форму.
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.
История
Первая структура для направления волн была предложена Дж. Дж. Томсоном в 1893 году и впервые экспериментально протестирована Оливером Лоджем в 1894 году. Первый математический анализ электромагнитных волн в металлическом цилиндре был выполнен лордом Рэлеем в 1897 году. Для звуковых волн лорд Рэлей опубликовал полный математический анализ мод распространения в своей основополагающей работе «Теория звука». Джагадиш Чандра Боз исследовал миллиметровые длины волн, используя волноводы, и в 1897 году описал Королевскому институту в Лондоне свои исследования, проведенные в Калькутте. Изучение диэлектрических волноводов (таких как оптические волокна, см. ниже) началось еще в 1920-х годах, благодаря усилиям нескольких исследователей, наиболее известными из которых являются Рэлей, Зоммерфельд и Дебай. Оптическое волокно стало привлекать особое внимание в 1960-х годах в связи с его важностью для индустрии связи. Развитие радиосвязи первоначально происходило на более низких частотах, поскольку они могли легче распространяться на большие расстояния. Большие длины волн делали эти частоты непригодными для использования в полых металлических волноводах из-за непрактически больших диаметров требуемых труб. Следовательно, исследования полым металлическим волноводам застопорились, и работа лорда Рэлея была на некоторое время забыта и должна была быть заново открыта другими исследователями. Практические исследования возобновились в 1930-х годах благодаря Джорджу С. Саутворту в Bell Labs и Уилмеру Л. Барроу в MIT. Саутворт первоначально использовал теорию из работ о волнах в диэлектрических стержнях, поскольку работа лорда Рэлея была ему неизвестна. Это несколько вводило его в заблуждение; некоторые из его экспериментов потерпели неудачу, поскольку он не знал о явлении частоты отсечки волновода, уже обнаруженном в работе лорда Рэлея. Серьезную теоретическую работу взяли на себя Джон Р. Карсон и Салли П. Мид. Эта работа привела к открытию того, что для моды TE01 в круговом волноводе потери уменьшаются с увеличением частоты, и в свое время это было серьезным кандидатом на формат для дальней телекоммуникации. Важность радаров во Второй мировой войне дала мощный импульс исследованиям в области волноводов, по крайней мере, на стороне союзников. Магнетрон, разработанный в 1940 году Джоном Рэндаллом и Гарри Бутом в Бирмингемском университете в Великобритании, обеспечил хороший источник мощности и сделал микроволновый радар осуществимым. Наиболее важным центром исследований в США была Лаборатория радиации (Rad Lab) при MIT, но в исследованиях в США и Великобритании, например, в Исследовательском учреждении телекоммуникаций, принимали участие многие другие. Главой группы фундаментальных разработок в Rad Lab был Эдвард Миллс Перселл. Среди его исследователей были Джулиан Швингер, Натан Маркувиц, Кэрол Грей Монтгомери и Роберт Х. Дик. Большая часть работы Rad Lab была сосредоточена на поиске эквивалентных схем волноводных структур, чтобы компоненты в волноводах можно было анализировать с помощью стандартной теории цепей. Ханс Бете также ненадолго работал в Rad Lab, но там он разработал свою теорию малых апертур, которая оказалась важной для волноводных фильтров, впервые разработанных в Rad Lab. Немецкая сторона, напротив, в значительной степени игнорировала потенциал волноводов в радарах до самого конца войны. Так, когда части радаров сбитого британского самолета были отправлены в Siemens & Halske для анализа, даже несмотря на то, что они были признаны микроволновыми компонентами, их назначение не удалось установить. В то время микроволновые технологии были сильно заброшены в Германии. В целом считалось, что они бесполезны для радиоэлектронной борьбы, и тем, кто хотел проводить исследования в этой области, не разрешалось этого делать. Х. Майер, военный вице-президент Siemens & Halske. Немецким ученым даже разрешалось продолжать публиковать свои исследования в этой области, поскольку они не считались важными. Сразу после Второй мировой войны волновод был технологией выбора в микроволновой области. Однако у него есть некоторые недостатки: он громоздкий, дорогой в производстве, а эффект отсечки частоты затрудняет создание широкополосных устройств. Волноводы с ребрами могут увеличить полосу пропускания более чем на октаву, но лучше использовать технологию, работающую в режиме TEM (то есть не волноводную), такую как коаксиальные проводники, поскольку TEM не имеет частоты отсечки. Также можно использовать экранированный прямоугольный проводник, который имеет определенные преимущества в производстве по сравнению с коаксиальным кабелем и может рассматриваться как предшественник планарных технологий (полосковых линий и микрополосковых линий). Однако планарные технологии действительно начали развиваться, когда были введены печатные платы. Эти методы значительно дешевле волноводов и во многом заменили их в большинстве диапазонов. Однако волноводы по-прежнему предпочтительны в более высоких микроволновых диапазонах, начиная примерно с Ku-диапазона и выше.
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.
Режимы распространения и частоты отсечения
Режим распространения в волноводе — это одно из решений волновых уравнений, или, иными словами, вид волны. Из-за ограничений граничных условий существует лишь ограниченное число частот и форм волновой функции, которые могут распространяться в волноводе. Наименьшая частота, при которой определённый режим может распространяться, называется частотой отсечки этого режима. Режим с наименьшей частотой отсечки является основным режимом волновода, а его частота отсечки — частотой отсечки волновода. Режимы распространения вычисляются путём решения уравнения Гельмгольца совместно с набором граничных условий, зависящим от геометрической формы и материалов, ограничивающих область. Обычно предполагается, что для бесконечно длинных однородных волноводов волна имеет форму распространения, то есть каждый компонент поля имеет известную зависимость от направления распространения (т. е.). Более конкретно, стандартный подход заключается в замене всех неизвестных переменных полей, изменяющихся во времени (для простоты предположим описание полей в декартовых компонентах), их комплексным фазорным представлением , которого достаточно для полного описания любого бесконечно длинного однотонального сигнала с частотой , (угловая частота), и последующей переформулировке уравнения Гельмгольца и граничных условий. Затем каждое неизвестное поле должно иметь вид , где член представляет собой постоянную распространения (пока неизвестную) вдоль направления, в котором волновод простирается до бесконечности. Уравнение Гельмгольца можно переписать для учёта такой формы, и полученное равенство необходимо решить относительно и , что в итоге приводит к уравнению собственных значений для и соответствующей собственной функции для каждого решения последнего. Постоянная распространения направляемой волны, как правило, является комплексной. В случае отсутствия потерь постоянная распространения может принимать как действительные, так и мнимые значения, в зависимости от выбранного решения уравнения собственных значений и угловой частоты. Если она чисто действительна, режим считается "ниже частоты отсечки", поскольку амплитуда фазоров поля имеет тенденцию экспоненциально уменьшаться при распространении; мнимое значение, напротив, соответствует режимам, которые называются "в распространении" или "выше частоты отсечки", поскольку комплексная амплитуда фазоров не изменяется при .
Соответствие импеданса
В теории цепей, импеданс является обобщением электрического сопротивления для переменного тока и измеряется в омах. Волновод в теории цепей описывается линией передачи, обладающей длиной и характеристическим импедансом. Иными словами, импеданс указывает отношение напряжения к току компонента цепи (в данном случае волновода) при распространении волны. Изначально это описание волновода предназначалось для переменного тока, но оно также применимо к электромагнитным и звуковым волнам, если свойства волны и материала (такие как давление, плотность, диэлектрическая проницаемость) правильно преобразованы в электрические величины (например, ток и импеданс). Согласование импедансов важно при соединении компонентов электрической цепи (например, волновода и антенны): отношение импедансов определяет, какая часть волны передается вперед, а какая отражается. При соединении волновода с антенной обычно требуется полная передача, поэтому предпринимаются усилия для согласования их импедансов. Коэффициент отражения можно рассчитать по формуле: , где (Гамма) – коэффициент отражения (0 означает полную передачу, 1 – полное отражение, а 0,5 – отражение половины входящего напряжения), и – импедансы первого (от которого входит волна) и второго компонентов соответственно. Несогласование импедансов создает отраженную волну, которая, складываясь с входящей волной, формирует стоячую волну. Несогласование импедансов также можно оценить с помощью коэффициента стоячей волны (SWR или VSWR для напряжения), который связан с отношением импедансов и коэффициентом отражения формулой: , где – минимальное и максимальное значения абсолютной величины напряжения, а VSWR – коэффициент стоячей волны по напряжению, значение которого 1 указывает на полную передачу без отражения и, следовательно, отсутствие стоячей волны, в то время как очень большие значения свидетельствуют о сильном отражении и наличии стоячей волны.
Радиочастотные волноводы
Волноводы могут быть изготовлены для передачи волн в широкой области электромагнитного спектра, но особенно полезны в диапазонах микроволновых и оптических частот. В зависимости от частоты, они могут быть выполнены из проводящих или диэлектрических материалов. Волноводы используются для передачи энергии и сигналов связи.
Оптические волноводы
Волноводы, используемые на оптических частотах, как правило, являются диэлектрическими волноводами – структурами, в которых диэлектрический материал с высокой диэлектрической проницаемостью, и, следовательно, высоким показателем преломления, окружен материалом с более низкой диэлектрической проницаемостью. Такая структура направляет оптические волны посредством полного внутреннего отражения. Примером оптического волновода является оптическое волокно. Также используются и другие типы оптических волноводов, включая фотонные кристаллические волокна, которые направляют волны различными механизмами. В качестве световодов для освещения также применяются конструкции в виде полых труб с высокоотражающей внутренней поверхностью. Внутренние поверхности могут быть выполнены из полированного металла или покрыты многослойной пленкой, которая направляет свет посредством отражения Брэгга (это частный случай фотонного кристаллического волокна). Можно также использовать небольшие призмы вокруг трубы, отражающие свет посредством полного внутреннего отражения. Однако такое удержание неизбежно несовершенно, поскольку полное внутреннее отражение не способно полностью удерживать свет внутри области с более низким показателем преломления (в случае с призмами, часть света просачивается в углах призмы).
Акустические волноводы
Акустический волновод – это физическая структура, предназначенная для направления звуковых волн. Звук в акустическом волноводе ведет себя подобно электромагнитным волнам в линии передачи. Волны на струне, например, в игрушечном телефонном аппарате, представляют собой простой пример акустического волновода. Другой пример – волны давления в органных трубах. Термин «акустический волновод» также применяется для описания упругих волн, распространяющихся в микроскопических устройствах, таких как используемые в пьезоэлектрических линиях задержки и в стимулированном рассеянии Бриллюэна.
Математические волноводы
Волноводы – интересные объекты для изучения с чисто математической точки зрения. Волновод (или трубка) определяется как тип граничного условия для волнового уравнения, требующий, чтобы волновая функция была равна нулю на границе, а допустимая область была конечной во всех измерениях, кроме одного (например, бесконечно длинный цилиндр). Из этих общих условий можно доказать множество интересных результатов. Оказывается, любая трубка с уширением (где ширина трубки увеличивается) допускает как минимум одно связанное состояние, существующее внутри зон запрещенных мод. Частоты всех связанных состояний можно определить, используя короткий по времени импульс. Это можно показать, применяя вариационные принципы. Интересный результат, полученный Джеффри Голдстоуном и Робертом Джаффе, заключается в том, что любая трубка постоянной ширины с изгибом допускает связанное состояние.
Синтез звука
Синтез звука использует цифровые линии задержки как вычислительные элементы для моделирования распространения волн в трубах духовых инструментов и колебания струн струнных инструментов.