Definicja: Falowody są specjalną kategorią linii transmisyjnej, która jest używana do prowadzenia (kierowania) fal (promieniowania) wzdłuż długości rury. Są to zazwyczaj pusta metalowa rura, która działa jako medium do przenoszenia lub przekazywania power.

Włókna optyczne są rodzajem falowodu, a dokładniej możemy powiedzieć, dielektryczne falowód, który działa na częstotliwościach optycznych w celu przekazywania sygnału optycznego (światło).

Zawartość: Waveguides

1. Introduction
2. Types
3. Modes of Propagation
4. Parameters
5. Advantages
6. Disadvantages

Introduction

W waveguides, energia jest propagowana przez rurkę. Może to być zarówno prostokątny lub cylindryczny falowód, który nie składa się z żadnego centralnego przewodnika. Są one zasadniczo wykorzystywane do propagacji energii elektromagnetycznej (mikrofale) lub sygnału z jednego końca do drugiego. W przypadku transmisji sygnału o niskiej częstotliwości, albo równoległe linie transmisyjne lub kable koncentryczne są używane. Ale w celu uzyskania wysokiej częstotliwości transmisji sygnału, falowody są głównie używane.

Częstotliwość sygnału mikrofalowego leży gdzieś pomiędzy 300 MHz do 300 GHz. Fale te ogólnie propagują w wolnej przestrzeni z prędkością światła, tj., 3Χ108 m/sec.

Falowody zastąpiły linie transmisyjne (lub kable koncentryczne), ponieważ więcej tłumienia i straty dielektryczne były związane z liniami transmisyjnymi. Jak z pomocą falowodów, małe tłumienie sygnału i duża szerokość pasma mogą być osiągnięte. Falowody zasadniczo funkcjonują jako filtr górnoprzepustowy, ponieważ umożliwiają transmisję składowych o wysokiej częstotliwości przy jednoczesnym tłumieniu sygnałów o niskiej częstotliwości.

Poniższy rysunek przedstawia prostokątny falowód:

Falowód transmituje sygnał mikrofalowy poprzez ciągłe odbicia od wewnętrznych ścian wydrążonej cylindrycznej rury. Ścianki falowodów są zazwyczaj wykonane z miedzi, aluminium lub mosiądzu. Jednak ich wewnętrzna powierzchnia jest pokryta złotem lub srebrem.

Typy falowodów

Falowody są głównie klasyfikowane jako prostokątne lub okrągłe, ale są one zasadniczo 5 różnych typów:

Typy propagacji w falowodzie

Gdy fala elektromagnetyczna jest transmitowana przez falowód. Ma ona wtedy dwie składowe pola, które oscylują wzajemnie prostopadle do siebie. Jedna z nich to pole elektryczne, a druga to pole magnetyczne.

Poniższy rysunek przedstawia propagację fali elektromagnetycznej w kierunku z z dwoma składowymi pola:

Rozchodzenie się fali wewnątrz falowodu powoduje powstanie w zasadzie 2 modów. Jednak ogólnie istnieją w zasadzie 3 tryby, które są następujące:

• Fala elektryczna poprzeczna:

W tym trybie propagacji fali składowa pola elektrycznego jest całkowicie poprzeczna do kierunku propagacji fali, natomiast pole magnetyczne nie jest całkowicie poprzeczne do kierunku propagacji fali. Jest on określany skrótem TE mode.

• Transverse Magnetic wave:

W tym trybie propagacji fali składowa pola magnetycznego jest całkowicie poprzeczna do kierunku propagacji fali, podczas gdy pole elektryczne nie jest całkowicie poprzeczne do kierunku propagacji fali. Jest on określany skrótem TM mode.

• Transverse electromagnetic wave:

W tym trybie propagacji fali, obie składowe pola tj. pole elektryczne i magnetyczne są całkowicie poprzeczne do kierunku propagacji fali. Jest on określany skrótowo jako tryb TEM.

Należy tutaj zauważyć, że tryb TEM nie jest obsługiwany w falowodach. Dla trybu TEM potrzebna jest obecność dwóch przewodników, a wiemy już, że falowód jest pojedynczym pustym przewodnikiem.

Teraz pojawia się pytanie, dlaczego potrzebujemy dwóch przewodników, aby tryb TEM miał miejsce?

Odpowiedź na powyższe pytanie jest taka, że w trybie TEM zarówno pole elektryczne jak i magnetyczne są całkowicie poprzeczne do kierunku propagacji fali.

W przypadku dwóch oddzielnych przewodników jest to możliwe, ponieważ z wewnętrznego przewodnika pole elektryczne generuje się i kończy na zewnętrznym. A w tym konkretnym przewodniku musi być obecne źródło prądu, aby wytworzyć pole magnetyczne. Ale, jak już mówiliśmy, falowód jest medium transmisyjnym z jednym przewodnikiem. To jest powód, dla którego tryb TEM nie jest obsługiwany w falowodach.

Parametry falowodu

• Długość fali odcięcia: Jest to maksymalna długość fali nadawanego sygnału, która może być propagowana w falowodzie bez żadnego tłumienia. Oznacza to, że aż do długości fali odcięcia, sygnał mikrofalowy może być łatwo transmitowany przez falowód. Jest ona oznaczana przez λc.
• Prędkość grupowa: Prędkość grupowa jest to prędkość, z jaką fala propaguje się wewnątrz falowodu. Jeśli transmitowany nośnik jest modulowany, wtedy prędkość obwiedni modulacji jest nieco mniejsza w porównaniu z sygnałem nośnym.
  Ta prędkość obwiedni jest określana jako prędkość grupowa. Jest ona reprezentowana przez Vg.
• Prędkość fazowa: Jest to prędkość, z jaką transmitowana fala zmienia swoją fazę podczas propagacji. Można też powiedzieć, że jest to w zasadzie prędkość określonej fazy rozchodzącej się fali. Oznaczana jest przez Vp.
• Impedancja falowa: Znana jest również jako impedancja charakterystyczna. Definiuje się ją jako stosunek poprzecznego pola elektrycznego do poprzecznego pola magnetycznego podczas propagacji fali w dowolnym punkcie wewnątrz falowodu. Oznacza się ją przez Zg.

Wady falowodów

1. W falowodach straty mocy podczas propagacji są prawie pomijalne.
2. Falowody mają zdolność do zarządzania mocą dużych sygnałów.
3. Jako że falowody mają prostą strukturę, ich instalacja jest dość łatwa.

Wady falowodów

1. Koszt instalacji i produkcji jest wysoki.
2. Falowody są generalnie sztywne z natury i stąd czasami powodują trudności w zastosowaniach, gdzie wymagana jest elastyczność tuby.
3. Mają nieco większe rozmiary i są bardziej nieporęczne w porównaniu z innymi liniami transmisyjnymi.

W przypadku falowodów warto zauważyć, że ich średnica musi mieć pewną określoną wartość, aby zapewnić właściwą propagację sygnału. Dzieje się tak dlatego, że jeśli jego średnica jest bardzo mała, a długość fali propagowanego sygnału jest duża (lub częstotliwość sygnału jest mała), to nie będzie on propagowany prawidłowo.

Więc częstotliwość sygnału musi być większa niż częstotliwość odcięcia, aby mieć prawidłową transmisję sygnału.

.