Википедија

Таласовод

Таласовод је структура која проводи таласе, попут електромагнетних таласа или звука, уз минималан губитак енергије ограничавајући пренос енергије на један смер. Без физичког ограничења таласовода, амплитуде таласа се смањују у складу са инверзним квадратним законом док се шире у тродимензионалном простору.

Пресек флексибилног таласовода са прирубницом за рад под притиском.
(аниматион) Елецтриц фиелд Еx цомпонент оф тхе ТЕ31 моде инсиде ан x-банд холлоw метал wавегуиде. А цросс-сецтион оф тхе wавегуиде аллоwс а виеw оф тхе фиелд инсиде.
Електрично поље Еx компоненте ТЕ31 мода унутар x-банд шупљег металног таласовода.

Постоје различите врсте таласовода за различите типове таласа. Првобитно и најчешће[1] значење је шупља проводна метална цев која се користи за пренос високофреквентних радио таласа, посебно микроталаса. Диелектрични таласоводи се користе на вишим радио фреквенцијама, а транспарентни диелектрични таласоводи и оптичка влакна служе као таласоводи за светлост. У акустици се ваздушни канали и рогови користе као таласоводи за звук у музичким инструментима и звучницима, а металне шипке посебно обликованог типа проводе ултразвучне таласе у ултразвучној обради.

Геометрија таласовода одражава његову функцију; поред чешћих типова који каналишу талас у једној димензији, постоје и дводимензионалне таласоводне плоче које таласе ограничавају на две димензије. Фреквенција трасмитованог таласа такође диктира величину таласовода: сваки таласовод има граничну таласну дужину одређену његовом величином и неће проводити таласе веће таласне дужине; оптичко влакно које проводи светлост неће преносити микроталасе који имају много већу таласну дужину. Неке природне структуре такође могу деловати као таласоводи. Канални слој СОФАР у океану може проводити звук китове песме на огромне даљине.[2] Било који облик пресека таласовода може да подржава ЕМ таласе. Неправилне облике је тешко анализирати. Таласоводи који се обично користе су правоугаоног и кружног облика.

Принципи

уреди
 
Прмер таласовода и диплексера на радару контроле летења

Таласи се шире у свим правцима у отвореном простору као сферни таласи. Снага таласа опада са удаљеношћу Р од извора као квадрат раздаљине (закон инверзних квадрата). Таласовод ограничава талас да се шири у једној димензији, тако да у идеалним условима талас не губи снагу током ширења. Због потпуног одбијања на зидовима, таласи су ограничени на унутрашњост таласовода.

Употреба

уреди
 
Таласовод пружа напајање за напредни извор фотона Натионалне лабораторије Аргон.

Употреба таласовода за пренос сигнала била је позната и пре него што је овај појам скован. Феномен звучних таласа вођених кроз затегнуту жицу познат је одавно, као и звук кроз шупљу цев попут пећине или медицинског стетоскопа. Остале употребе таласовода су у преношењу снаге између компоненти система као што су радио, радар или оптички уређаји. Таласоводи су фундаментални принцип испитивања вођених таласима (енгл. Guided wave testing - GVT), једног од многих метода недеструктивне евалуације.

Конкретни примери:

  • Оптичка влакна преносе светлост и сигнале на велике удаљености са малим слабљењем и широким употребљивим опсегом таласних дужина.
  • У микроталасној пећи таласовод преноси снагу од магнетрона, где се стварају таласи, до коморе за кување.
  • У радару, таласовод преноси енергију радио фреквенције до и од антене, где импеданса треба да се усклади ради ефикасног преноса снаге (погледајте испод).
  • Правоугаони и кружни таласоводи обично се користе за повезивање улаyа параболичних посуђа са њиховом електроником, било пријемника са ниским нивоом шума или појачавача/предајника снаге.
  • Таласоводи се користе у научним инструментима за мерење оптичких, звучних и еластичних својстава материјала и предмета. Таласовод се може довести у контакт са узорком (као у медицинској ултрасонографији), у ком случају таласовод осигурава очување снаге тестираног таласа, или се узорак може ставити унутар таласовода (као код мерења диелектричне константе[3]), тако да се могу тестирати мањи објекти са побољшаном тачношћу.
  • Преносни водови су специфична врста таласовода, која се врло често користи.

Историја

уреди

Прву структуру за вођење таласа предложио је Џ. Џ. Томсон 1893. године, а први пут ју је експериментално тестирао Оливер Лоџ 1894. године. Прву математичку анализу електромагнетних таласа у металном цилиндру извршио је Лорд Рејли 1897. године.[4] За звучне таласе, Лорд Рејли је објавио потпуну математичку анализу начина ширења у свом семиналном делу „Теорија звука”.[5] Јагадиш Чандра Бозе хе истраживао милиметарске таласне дужине користећи таласоводе, и 1897. године је описао Краљевској институцији у Лондону своја истраживања спроведена у Колкати.[6]

Проучавање диелектричних таласовода (попут оптичких влакана, видети испод) започело је још током 1920-их. На томе је радило неколико људи, од којих су најпознатији Рејли, Зомерфелд и Деби.[7] Оптичка влакна су почела да добијају посебну пажњу током 1960-их због свог значаја за индустрију комуникација.

Развој радио комуникације се у почетку одвијао на нижим фреквенцијама, јер су се оне могле лакше ширити на велике удаљености. Дуге таласне дужине учиниле су ове фреквенције неприкладним за употребу у шупљим металним таласоводима због неопходних непрактично великих цеви. Следствено томе, истраживање шупљих металних таласовода је застало, а рад Лорда Рејлија је био привремено заборављен, те су други морали да поново дођу до његових налаза. Практична истраживања наставили су током 1930-их Џорџ К. Саутворт у Беловим лабораторијама и Вилмер L. Бароу на МИТ-у. Саутворт је испрва преузео теорију из радова о таласима у диелектричним шипкама, јер му је рад лорда Рејлија био непознат. То га је донекле довело у заблуду; неки од његових експеримената су пропали, јер није био свестан феномена таласоводне пресечне фреквенције који је већ пронађен у раду Лорда Рејлија. Озбиљним теоријским радом бавили су се Џон Р. Карсон и Сали П. Мид. Овај рад довео је до открића да се за ТЕ01 режим у кружним таласоводима губици смањују са учесталошћу, и својевремено је ово био озбиљан кандидат за формат телекомуникација на велике даљине.[8]

Значај радара у Другом светском рату дао је велики подстицај истраживању таласовода, барем на страни савезника. Магнетрон, који су 1940. године развили Џон Рандал и Хари Бут на Универзитету у Бирмингхаму у Великој Британији, пружио је добар извор енергије и омогућио микроталасне радаре. Најважнији центар америчких истраживања био је у Радијационој лабораторији (Рад Лаб) на МИТ-у, мада су и многи други учествовали у САД и Великој Британији, попут Телекомуникационе истраживачке установе. Шеф Групе за фундаментални развој у лабораторији Рад Лабу био је Едвард Милс Персел. Међу његовим истраживачима били су Џулијан Швингер, Натан Маркувиц, Карол Греј Монтгомери и Роберт Х. Дике. Велики део рада Рад Лаба концентрисан је на проналажење модела са груписаним елементима таласоводних структура како би се компоненте у таласоводу могле анализирати помоћу стандардне теорије кола. Ханс Бете је такође накратко био у Рад Лабу, али док је биравио тамо произвео је своју теорију малог отвора која се показала важном за филтере шупљина таласовода, првобитно развијене у Рад Лабу. Супротно томе, немачка страна је углавном игнорисала потенцијал таласовода у радару до врло касно у рату. То је било изражено у тој мери да кад су радарски делови из обореног британског авиона послати на анализу у компанију Сиеменс & Халске, иако су препознати као микроталасне компоненте, њихова сврха није могла да се идентификује.

У то време су микроталасне технике биле веома запостављене у Немачкој. Уопштено се веровало да то није било од користи за електронско ратовање, а онима који су желели да се баве истраживачким радом у овој области то није било дозвољено.

— Х. Мајер, ратни потпредседник компаније Сиеменс & Халске

Немачким академицима је чак било дозвољено да наставе са јавним објављивањем својих истраживања у овој области, јер се то није сматрало важним.[9][10]

Таласовод је одмах након Другог светског рата био преферентна технологија у микроталасном пољу. Међутим, постојало је више проблема. Био је гломазан, скуп за производњу, а ефекат граничне фреквенције је отежавао производњу широкопојасних уређаја. Гребенасти таласовод може повећати ширину опсега изван октаве. Боље решење је употреба технологије која ради у ТЕМ моду (односно неталасоводу), као што су коаксијални проводници, јер ТЕМ немају граничну фреквенцију. Такође се може користити заштићени правоугаони проводник, који има одређене производне предности у односу на коаксијални и може се сматрати претечом планарних технологија (тракасти вод и микротрака). Међутим, планарне технологије су заиста почеле да се развијају тек када су уведена штампана кола. Ове методе су знатно јефтиније од таласовода и углавном су заузеле своје место у већини опсега. Међутим, таласовод је и даље омиљен у вишим микроталасним опсезима, од око Ку опсега и навише.[11][12]

Референце

уреди
  1. ^ Институте оф Елецтрицал анд Елецтроницс Енгинеерс, “Тхе ИЕЕЕ стандард дицтионарy оф елецтрицал анд елецтроницс термс”; 6тх ед. Неw Yорк, Н.Y., Институте оф Елецтрицал анд Елецтроницс Енгинеерс, ц1997. ИЕЕЕ Стд 100-1996. ISBN 1-55937-833-6 [ed. Standards Coordinating Committee 10, Terms and Definitions; Jane Radatz, (chair)]
  2. ^ ORIENTATION BY MEANS OF LONG RANGE ACOUSTIC SIGNALING IN BALEEN WHALES, R. Payne, D. Webb, in Annals NY Acad. Sci., 188:110-41 (1971)
  3. ^ J. R. Baker-Jarvis, "Transmission / reflection and short-circuit line permittivity measurements", NIST tech. note 1341, July 1990
  4. ^ N. W. McLachlan, Theory and Applications of Mathieu Functions, p. 8 (1947) (reprinted by Dover: New York, 1964).
  5. ^ The Theory of Sound, by J. W. S. Rayleigh, (1894)
  6. ^ Emerson, D. T. (1997). „The work of Jagadis Chandra Bose: 100 years of MM-wave research”. 1997 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest. IEEE Transactions on Microwave Theory and Research. 45. стр. 2267—2273. Bibcode:1997imsd.conf..553E. CiteSeerX 10.1.1.39.8748  . ISBN 9780986488511. S2CID 9039614. doi:10.1109/MWSYM.1997.602853.  reprinted in Igor Grigorov, Ed., Antentop, Vol. 2, No.3, pp. 87–96.
  7. ^ Advanced Engineering Electromagnetics Архивирано 2009-05-14 на сајту Wayback Machine, by C. A. Balanis, John Wiley & Sons (1989).
  8. ^ Oliner, стр. 544–548
  9. ^ Oliner, стр. 548–554
  10. ^ Levy & Cohn, pp. 1055, 1057
  11. ^ Oliner, стр. 556–557
  12. ^ Han & Hwang, pp. 21-7, 21-50

Literatura

уреди
  • Han, C C; Hwang, Y, "Satellite antennas", in, Lo, Y T; Lee, SW, Antenna Handbook: Volume III Applications, chapter 21, Springer, 1993 ISBN 0442015941.
  • Левy, Р; Цохн, С Б, "А Хисторy оф мицроwаве филтер ресеарцх, десигн, анд девелопмент", ИЕЕЕ Трансацтионс: Мицроwаве Тхеорy анд Тецхниqуес, пагес 1055–1067, волуме 32, иссуе 9, 1984.
  • Олинер, Артхур А, "Тхе еволутион оф елецтромагнетиц wавегуидес: фром холлоw металлиц гуидес то мицроwаве интегратед цирцуитс", цхаптер 16 ин, Саркар ет ал., Хисторy оф Wирелесс, Wилеy, 2006 ISBN 0471783013.
  • Harvey, A. F. (јул 1955). „Standard waveguides and couplings for microwave equipment”. Proceedings of the IEE - Part B: Radio and Electronic Engineering. 102 (4): 493—499. doi:10.1049/pi-b-1.1955.0095. 
  • Baden Fuller, A. J. (1969). Microwaves (1 изд.). Pergamon Press. ISBN 978-0-08-006616-5. 
  • J. J. Thomson, Recent Researches (1893).
  • O. J. Lodge, Proc. Roy. Inst. 14, p. 321 (1894).
  • Lord Rayleigh, Phil. Mag. 43, p. 125 (1897).
  • George Clark Southworth, "Principles and applications of wave-guide transmission". New York, Van Nostrand [1950], xi, 689 p. illus. 24 cm. Bell Telephone Laboratories series. LCCN 50009834
  • Lioubtchenko, Dmitri; Sergei Tretyakov; Sergey Dudorov (2003). Millimeter-Wave Waveguides. Springer. стр. 149. ISBN 978-1402075315. 
  • Shevgaonkar, R. K. (2005). Electromagnetic Waves. Tata McGraw-Hill Education. стр. 327. ISBN 978-0070591165. 
  • Rana, Farhan (јесен 2005). „Lecture 26: Dielectric slab waveguides” (PDF). Class notes ECE 303: Electromagnetic Fields and Waves. Electrical Engineering Dept. Cornell Univ. Приступљено 21. 6. 2013. 

Spoljašnje veze

уреди
 
Talasovod на Викимедијиној остави.
Преузето из „https://sr.wiki.x.io/w/index.php?title=Talasovod&oldid=28525606”