موجهات الموجة Waveguides

عند وجود تردد إشارة أو نطاق محدد “Band” من الإشارات مرتفعاً، كما يُعد استعمال النطاق الترددي مرتفعاً، حيث تعطي الإشارة مساحة أكبر لتتراكم الإشارات الأخرى، ومع ذلك لا يمكن للإشارات عالية التردد أن تسافر لمسافات أطول دون أن تضعف، كما أنّ خطوط النقل تساعد الإشارات على الانتقال لمسافات أطول، كما تنتقل الموجات الدقيقة بواسطة دوائر الميكروويف والمكونات والأجهزة، والتي تعمل كقسم من خطوط نقل الموجات الدقيقة، والتي تُعرف على نطاق كبير باسم الموجات الموجية.

ما هي موجهات الموجة؟

موجهات الموجة “Waveguides”: هي شكل خاص من خطوط النقل يتكون من أنبوب معدني مجوف حيث يوفر جدار الأنبوب الحث الموزع، بينما توفر المساحة الفارغة بين جدران الأنبوب سعة موزعة، كما تكون عملية فقط للإشارات ذات التردد العالي للغاية، حيث يقترب الطول الموجي من أبعاد المقطع العرضي للدليل الموجي، وتحت هذه الترددات تكون الأدلة الموجية عديمة الفائدة كخطوط نقل كهربائية ويتم استعمال الموجه الموجي بشكل عام في اتصالات الميكروويف، وعلى عكس خط النقل لا يحتوي الدليل الموجي على موصل مركزي.

الخصائص الرئيسية للموجهات الموجية:

• يوفر جدار الأنبوب الحث الموزع.

• توفر المساحة الفارغة بين جدران الأنبوب سعة موزعة.

• ضخمة ومكلفة.

كيفية استخدام موجهات الموجات كخط نقل:

عندما تعمل موجهات الموجة كخطوط نقل، فإنّ الموجهات الموجية تكون أبسط بكثير من الكابلات ثنائية الموصل، خاصةً الكابلات المحورية في تصنيعها وصيانتها، وباستخدام موصل واحد فقط “غلاف” الموجه الموجي، لا توجد مخاوف بشأن التباعد المناسب بين الموصل والموصل، أو تناسق المادة العازلة؛ لأنّ العازل “Insulator” الوحيد في الموجه الموجي هو الهواء، حيث أنّ الرطوبة ليست مشكلة خطيرة في موجهات الموجات، وكما هو الحال داخل الكابلات المحورية أيضاً، ولذلك غالباً ما يتم تجنيب أدلة الموجات من ضرورة “ملء” الغاز.

قد يُنظر إلى موجهات الموجات على أنّها قنوات للطاقة الكهرومغناطيسية، حيث يعمل الدليل الموجي نفسه على أنّه ليس أكثر من “مدير” للطاقة بدلاً من كونه موصل إشارة، وبالمعنى المحدد للكلمة وبمعنى آخر تُعتبر جميع خطوط النقل “Transmission Lines” قنوات للطاقة الكهرومغناطيسية عند إرسال النبضات أو الموجات عالية التردد وتوجيه الموجات، ومع ذلك نظراً لأنّ الموجهات الموجية هي عناصر أحادية الموصل، فإنّ انتشار الطاقة الكهربائية أسفل موجه الموجة له ​​أسلوب مختلف تماماً عن انتشار الطاقة الكهربائية أدنى خط نقل ثنائي الموصل.

مزايا موجهات الموجات:

• من السهل تصنيع موجهات الموجات.

• يمكنهم التعامل مع قوة كبيرة جداً أي حوالي مئات الكيلو من الواط.

• فقدان الطاقة لا يكاد يذكر في موجهات الموجة.

• أنّها توفر خسارة منخفضة للغاية انخفاض قيمة التوهين.

• عندما تنتقل طاقة الميكروويف عبر الموجه الموجي، فإنّها تتعرض لخسائر أقل من الكابلات المحورية.

أنواع الموجهات الموجية:

أنواع الموجهات الموجية مجوفة في الوسط وتتكون من جدران نحاسية، وهذه لها بطانة رقيقة من “Au” أو “Ag” على السطح الداخلي.

• الموجه الموجي المستطيل.

• الموجه الموجي دائري.

• الموجه الموجي بيضاوي الشكل.

• الموجه الموجي أحادي الحافة.

• الموجه الموجي مزدوج الحواف.

الفرق بين خطوط النقل والموجهات الموجية:

ملاحظة:“TEM” هي اختصار لـ “Transverse Electro Magnetic”.

ما هي الترددات استخدام موجهات الموجات؟

يعتمد ذلك على مزيج التردد والقوة، حيث تبدأ الموجهات الموجية في أن تكون مفيدة بين حوالي “1 جيجاهرتز” وتعمل عدة مئات من جيجاهرتز، وبعد ذلك في منطقة تيراهيرتز، بين أجزاء التردد اللاسلكي والأجزاء الضوئية من الطيف، كما تعمل الكابلات المحورية الحديثة أيضاً في عشرات الجيجاهرتز، وهي أسهل في العمل معها من أدلة الموجات، وهي قابلة للتطبيق عند مستويات طاقة أقل أي ملي واط إلى بضع واط، كحد أقصى.

ومع ذلك، فإنّ الموجهات الموجية مطلوبة في بعض الأحيان حتى عند الترددات الفرعية عشرات الجيجاهيرتز أو مئات الميجاهيرتز، إذا كانت مستويات الطاقة عالية، فعلى سبيل المثال قد يستخدمها جهاز إرسال بث على نطاق “FM” تقريباً “88 ميجاهرتز” إلى “108 ميجاهرتز”، وممّا ينتج آلاف الواط إلى هوائيه، حيث تتوفر أدلة موجية قياسية جاهزة من العديد من المصادر بدءاً من حوالي “1 جيجاهرتز” وتصل إلى حوالي “100 جيجاهرتز”.

كما تم استخدام موجهات الموجات على نطاق واسع قبل تطوير الكابلات المحورية الحديثة عالية الأداء حيث أنّه على الرغم من مظهرها البسيط، فإنّ الكابلات المحورية الحديثة مصممة بشكل كبير، وتجمعات مصنّعة بدقة من الموصل المركزي، والعازل الكهربائي المتداخل والدرع الخارجي والعزل الوقائي الذي يتطلب مستويات عالية من المواد واتساق الإنتاج، حيث تُعتبر الكابلات ذات الترددات الأعلى مع فقدان أقل واستقرار أفضل من التطورات الجديدة نسبياً.

• “FM” هي اختصار لـ “Frequency modulation”.

ما هي نظرية الدليل الموجي؟

يدعم الموجه الموجي أنماطاً مختلفة لانتشار الطاقة بناءً على أبعادها ونسبة الطول أو العرض، حيث يتم تحليل أدلة موجات الطاقة الكهرومغناطيسية، عن طريق حل معادلات ماكسويل في شكل ما، وباستخدام معادلة الموجة الكهرومغناطيسية بشروط حدية تحددها خصائص المواد الإرشادية وواجهاتها، كما تركز مبادئ الدليل الموجي على ثلاث سمات للحقول الإلكترونية أي الكهربائية والمجالات المغناطيسية “H” للطاقة الكهرومغناطيسية:

• لا يمكن للموجات الكهرومغناطيسية المرور عبر الموصلات، ولكنّها تنعكس بواسطة الموصلات.

• يجب أن تكون أي خطوط المجال الإلكتروني التي تلمس الموصل متعامدة مع هذا الموصل.

• يجب أن تكون أي خطوط مجال “H” قريبة من الموصل موازية لذلك الموصل.

أوضاع الموجهات الموجية:

• الأوضاع الكهرومغناطيسية المستعرضة “TEM” أي لا يتوفر مجال كهربائي “electric field” ولا مغناطيسي في اتجاه الانتشار.

• الأنماط الكهربائية المستعرضة “TE”، حيث لا يحتوي على مجال كهربائي “electric field” في اتجاه الانتشار، كما يسمى هذا أحياناً الوضع “H”؛ لأنّه لا يتضمن سوى مجال مغناطيسي على طول اتجاه الانتشار.

• الأنماط المغناطيسية المستعرضة “TM”، حيث لا يوجد مجال مغناطيسي في اتجاه الانتشار ويسمى هذا أحياناً الوضع “E”؛ لأنّه لا يوجد سوى مجال كهربائي على طول اتجاه الانتشار.

ملاحظة:“TM” هي اختصار لـ “Transverse magnetic” و”TE” هي اختصار لـ “Transverse electric”.