Ghid de val

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Ghid de undă dreptunghiulară

În fizică , optică și telecomunicații , un ghid de undă este o structură liniară ( metalică sau dielectrică ), care transmite și limitează undele electromagnetice într-o cale între cele două capete, permițând astfel o propagare ghidată [1] . Prin urmare, este un mijloc de transmitere a unui semnal pe un canal de comunicație .

Generalitate

Ghid de undă dreptunghiular metalic

În câmpul cu microunde , un ghid de undă este de obicei un tub gol din metal cu secțiune transversală dreptunghiulară, circulară sau eliptică. Este posibil ca ghidajul să fie umplut cu un mediu dielectric , de obicei din plastic. Se poate crede intuitiv că câmpul electromagnetic este limitat prin „reflexia” de pe pereții ghidului de unde (un metal reflectă și absoarbe în mod natural undele electromagnetice, în timp ce o discontinuitate a indicelui de refracție între două medii dielectrice produce o reflexie electromagnetică).

În domeniul frecvențelor optice , un ghid de undă este adesea realizat cu un ghid complet dielectric. Aceasta constă dintr-o elevație locală a indicelui de refracție într-un material transparent la lungimea de undă care urmează să fie transportată. Acest fenomen permite limitarea luminii printr-o reflecție internă totală. În cazul fibrelor optice , creșterea indicelui se realizează prin doparea adecvată a centrului sau nucleului fibrei în timpul procesului de fabricație în sine. În acest fel, este posibil să se obțină fibre având caracteristici destul de variate în ceea ce privește utilizările necesare. Pentru nevoile de iluminare și transport de informații pe distanțe scurte și foarte scurte, se folosesc fibre de plastic, în timp ce fibrele de silice sunt utilizate pentru telecomunicații pe distanțe lungi. La o lungime de undă de 1550 nm , atenuarea tipică a unei fibre de silice monomod este de aproximativ 0,2 dB pe kilometru. Aceasta înseamnă că puterea semnalului este atenuată de 10 ori pe o distanță de 50 km [ fără sursă ] . Aceste caracteristici excelente au făcut posibilă rețelele de telecomunicații de astăzi cu rate de transmisie ridicate și atenuare redusă.

Ghid de val în laborator

În optica integrată, ghidul de undă reprezintă elementul de bază care este combinat pentru a obține funcții mai complexe. Există mai multe tehnologii care diferă în principal pe baza substratului utilizat și a tehnicii utilizate pentru a obține elevația indicelui de refracție local. Printre acestea, reamintim tehnicile împrumutate direct de la microelectronică care utilizează cumva siliciul ca substrat (perfect transparent în infraroșu) sau semiconductorii III-V, cum ar fi arsenura de galiu, deosebit de interesante pentru proprietățile lor optoelectronice. Reamintim, de asemenea, tehnologiile de schimb și difuzie a protonilor pe niobat de litiu utilizate pentru proprietățile electrooptice ale acestuia și a schimbului de ioni pe sticlă, apreciabile pentru calitatea ghidajelor realizate pentru compatibilitatea cu fibrele optice de silice.

Închiderea luminii poate fi obținută și prin așa-numitele cristale fotonice, care sunt constituite din structuri periodice de indice de refracție în care au fost introduse „defecte”. Periodicitatea materialelor introduce (un pic ca la cristale) o structură de bandă în care anumite condiții de propagare electromagnetică sunt interzise. Introducerea defectelor permite limitarea luminii (care nu se poate propaga în altă parte), creând astfel un ghid de unde. Cu toate acestea, datorită dificultății tehnice considerabile de realizare a acestor structuri, ghidajele realizate în practică prezintă pierderi de propagare liniare destul de semnificative.

În câmpul de frecvență radio , unele zone încărcate cu ioni ale stratosferei sau unele regiuni reflectante ale troposferei pot acționa ca un ghid de undă atmosferică .

În calculul numeric, termenul ghid de undă poate fi folosit și pentru a se referi la un tampon de date utilizat ca o linie de întârziere care simulează comportamentul fizic al unui ghid de undă, cum ar fi în sinteza ghidului de undă digital .

TE10.gif TE11.gif

Descrierea matematică

Modalități de propagare

Descrierea matematică a propagării electromagnetice în ghidurile de undă utilizează abordarea câmpului de undă pornind de la ecuațiile lui Maxwell și dă naștere așa-numitei teorii a modurilor ghidate . Această teorie afirmă că câmpul electromagnetic total care se propagă într-un ghid de undă poate fi de fapt gândit ca o combinație liniară de moduri de propagare . Fiecare mod de propagare este o configurație „simplă” de câmp sau undă care se propagă în ghid, rămânând neschimbată (cu excepția cazului în care ghidul nu își schimbă secțiunea transversală). Soluția analitică a ecuațiilor lui Maxwell pentru a obține modurile de propagare a ghidului de undă este obținută prin utilizarea potențialelor scalare Hertz-Debye . Soluția ecuațiilor este ușoară numai în cazul particular al ghidurilor de undă dreptunghiulare și al plăcii dielectrice. În alte cazuri mai complexe, cum ar fi ghidurile de undă metalice circulare sau fibrele optice, soluția ecuațiilor analitice este destul de complicată.

O constantă de propagare diferită este asociată cu fiecare mod de propagare care caracterizează, printre altele, viteza de fază . O modalitate este o funcție proprie a ecuațiilor de propagare ghidate, iar valoarea sa proprie este constanta de propagare.

Fibra optică , exemplu de ghid de undă dielectric

În plus, se poate calcula că un mod de propagare nu se poate propaga la fiecare frecvență, ci că există o „ frecvență de întrerupere(frecvență de întrerupere), sub care modul nu mai este excitat. În general, prin urmare, lungimea de undă de ghidare λg este diferită de lungimea de undă λs a sursei de microunde sau de radiofrecvență .

În ghidajele metalice, modurile de ghid de undă sunt împărțite în moduri transvers-electric (TE) sau transvers-magnetic (TM), în funcție de câmpul electric sau magnetic este pur transversal la direcția de propagare. Pentru ghidajele de undă metalice goale, modul fundamental (adică cel cu cea mai mică frecvență critică) este TE 1.0 pentru ghidajele dreptunghiulare și TE 1.1 pentru ghidajele circulare; topografia lor de câmp este descrisă mai jos. În unele cazuri, un mod de propagare are atât câmpurile electrice, cât și cele magnetice în plan transversal către direcția de propagare (modul TEM). Pentru ca acest lucru să se întâmple, ghidul trebuie să fie compus din cel puțin doi conductori izolați unul de celălalt, ca într-un cablu coaxial . Apoi devine posibilă descrierea propagării modului prin valori de tensiune și curent care pot fi măsurate în mod ideal în fiecare secțiune a liniei de transmisie .

În ghidajele dielectrice, propagarea TE sau TM are o definiție ușor diferită și se referă la faptul că câmpul electric este sau nu paralel cu pereții dielectrici care alcătuiesc ghidajul.

Caracteristici

Antena claxon , una dintre posibilele aplicații ale ghidurilor de undă între cablul de alimentare a semnalului și radiație / recepție

Un ghid de undă închis este un ghid de undă

  • (a) tubulare, de obicei dreptunghiulare sau circulare;
  • (b) cu pereți din material conductiv (metalic);
  • (c) golite sau umplute cu material dielectric;
  • (d) care permite propagarea unui număr mare de moduri (chiar dacă în practică încercăm să propagăm câteva);
  • (e) în care fiecare mod individual este asociat cu constanta de propagare pentru acel mod;
  • (f) în care câmpul din fiecare punct poate fi exprimat ca o combinație liniară a modurilor overcut;
  • (g) în care nu există câmp iradiat ;
  • (h) în care discontinuitățile și curburile mecanice determină o modificare a topologiei câmpului, dar nu iradierea în afara ghidului.

O aplicație obișnuită în telecomunicații este alimentarea antenelor de sunet sau slot pentru transmisie și recepție. Un ghid de undă ondulat își găsește aplicația în proiectarea radarului și a altor echipamente similare.

Potrivirea impedanței

O problemă comună sistemelor de transport al energiei electrice prezente și în ghidurile de undă este așa-numita nepotrivire a impedanței dintre secțiunea ghid de undă și sarcina de la capete, cum ar fi o antenă, care generează o undă reflectată spre emițător. Această problemă, comună și liniilor de transmisie , este eliminată prin metode și proceduri de potrivire a impedanței prin așa-numitul Sliding Screw Tuner , un șurub metalic care intră în ghid pentru o anumită adâncime și la o anumită distanță de sarcină, ambele reglabile.

Notă

  1. ^ ghid în Enciclopedia Treccani , pe www.treccani.it . Adus la 15 iulie 2017 .

Elemente conexe

Alte proiecte

linkuri externe

Controlul autorității GND (DE) 4160442-8 · NDL (EN, JA) 00.561.566
Electromagnetismul Portalul electromagnetismului : accesați intrările Wikipedia care se ocupă de electromagnetism