Talasovod je struktura koja provodi talase, poput elektromagnetnih talasa ili zvuka, uz minimalan gubitak energije ograničavajući prenos energije na jedan smer. Bez fizičkog ograničenja talasovoda, amplitude talasa se smanjuju u skladu sa inverznim kvadratnim zakonom dok se šire u trodimenzionalnom prostoru.

Presek fleksibilnog talasovoda sa prirubnicom za rad pod pritiskom.
(animation) Electric field Ex component of the TE31 mode inside an x-band hollow metal waveguide. A cross-section of the waveguide allows a view of the field inside.
Električno polje Ex komponente TE31 moda unutar x-band šupljeg metalnog talasovoda.

Postoje različite vrste talasovoda za različite tipove talasa. Prvobitno i najčešće[1] značenje je šuplja provodna metalna cev koja se koristi za prenos visokofrekventnih radio talasa, posebno mikrotalasa. Dielektrični talasovodi se koriste na višim radio frekvencijama, a transparentni dielektrični talasovodi i optička vlakna služe kao talasovodi za svetlost. U akustici se vazdušni kanali i rogovi koriste kao talasovodi za zvuk u muzičkim instrumentima i zvučnicima, a metalne šipke posebno oblikovanog tipa provode ultrazvučne talase u ultrazvučnoj obradi.

Geometrija talasovoda odražava njegovu funkciju; pored češćih tipova koji kanališu talas u jednoj dimenziji, postoje i dvodimenzionalne talasovodne ploče koje talase ograničavaju na dve dimenzije. Frekvencija trasmitovanog talasa takođe diktira veličinu talasovoda: svaki talasovod ima graničnu talasnu dužinu određenu njegovom veličinom i neće provoditi talase veće talasne dužine; optičko vlakno koje provodi svetlost neće prenositi mikrotalase koji imaju mnogo veću talasnu dužinu. Neke prirodne strukture takođe mogu delovati kao talasovodi. Kanalni sloj SOFAR u okeanu može provoditi zvuk kitove pesme na ogromne daljine.[2] Bilo koji oblik preseka talasovoda može da podržava EM talase. Nepravilne oblike je teško analizirati. Talasovodi koji se obično koriste su pravougaonog i kružnog oblika.

PrincipiУреди

 
Prmer talasovoda i dipleksera na radaru kontrole letenja

Talasi se šire u svim pravcima u otvorenom prostoru kao sferni talasi. Snaga talasa opada sa udaljenošću R od izvora kao kvadrat razdaljine (zakon inverznih kvadrata). Talasovod ograničava talas da se širi u jednoj dimenziji, tako da u idealnim uslovima talas ne gubi snagu tokom širenja. Zbog potpunog odbijanja na zidovima, talasi su ograničeni na unutrašnjost talasovoda.

UpotrebaУреди

Upotreba talasovoda za prenos signala bila je poznata i pre nego što je ovaj pojam skovan. Fenomen zvučnih talasa vođenih kroz zategnutu žicu poznat je odavno, kao i zvuk kroz šuplju cev poput pećine ili medicinskog stetoskopa. Ostale upotrebe talasovoda su u prenošenju snage između komponenti sistema kao što su radio, radar ili optički uređaji. Talasovodi su fundamentalni princip ispitivanja vođenih talasima (engl. Guided wave testing - GVT), jednog od mnogih metoda nedestruktivne evaluacije.

Konkretni primeri:

  • Optička vlakna prenose svetlost i signale na velike udaljenosti sa malim slabljenjem i širokim upotrebljivim opsegom talasnih dužina.
  • U mikrotalasnoj peći talasovod prenosi snagu od magnetrona, gde se stvaraju talasi, do komore za kuvanje.
  • U radaru, talasovod prenosi energiju radio frekvencije do i od antene, gde impedansa treba da se uskladi radi efikasnog prenosa snage (pogledajte ispod).
  • Pravougaoni i kružni talasovodi obično se koriste za povezivanje ulaya paraboličnih posuđa sa njihovom elektronikom, bilo prijemnika sa niskim nivoom šuma ili pojačavača/predajnika snage.
  • Talasovodi se koriste u naučnim instrumentima za merenje optičkih, zvučnih i elastičnih svojstava materijala i predmeta. Talasovod se može dovesti u kontakt sa uzorkom (kao u medicinskoj ultrasonografiji), u kom slučaju talasovod osigurava očuvanje snage testiranog talasa, ili se uzorak može staviti unutar talasovoda (kao kod merenja dielektrične konstante[3]), tako da se mogu testirati manji objekti sa poboljšanom tačnošću.
  • Prenosni vodovi su specifična vrsta talasovoda, koja se vrlo često koristi.

IstorijaУреди

Prvu strukturu za vođenje talasa predložio je Dž. Dž. Tomson 1893. godine, a prvi put ju je eksperimentalno testirao Oliver Lodž 1894. godine. Prvu matematičku analizu elektromagnetnih talasa u metalnom cilindru izvršio je Lord Rejli 1897. godine.[4] Za zvučne talase, Lord Rejli je objavio potpunu matematičku analizu načina širenja u svom seminalnom delu „Teorija zvuka”.[5] Jagadiš Čandra Boze he istraživao milimetarske talasne dužine koristeći talasovode, i 1897. godine je opisao Kraljevskoj instituciji u Londonu svoja istraživanja sprovedena u Kolkati.[6]

Proučavanje dielektričnih talasovoda (poput optičkih vlakana, videti ispod) započelo je još tokom 1920-ih. Na tome je radilo nekoliko ljudi, od kojih su najpoznatiji Rejli, Zomerfeld i Debi.[7] Optička vlakna su počela da dobijaju posebnu pažnju tokom 1960-ih zbog svog značaja za industriju komunikacija.

Razvoj radio komunikacije se u početku odvijao na nižim frekvencijama, jer su se one mogle lakše širiti na velike udaljenosti. Duge talasne dužine učinile su ove frekvencije neprikladnim za upotrebu u šupljim metalnim talasovodima zbog neophodnih nepraktično velikih cevi. Sledstveno tome, istraživanje šupljih metalnih talasovoda je zastalo, a rad Lorda Rejlija je bio privremeno zaboravljen, te su drugi morali da ponovo dođu do njegovih nalaza. Praktična istraživanja nastavili su tokom 1930-ih Džordž K. Sautvort u Belovim laboratorijama i Vilmer L. Barou na MIT-u. Sautvort je isprva preuzeo teoriju iz radova o talasima u dielektričnim šipkama, jer mu je rad lorda Rejlija bio nepoznat. To ga je donekle dovelo u zabludu; neki od njegovih eksperimenata su propali, jer nije bio svestan fenomena talasovodne presečne frekvencije koji je već pronađen u radu Lorda Rejlija. Ozbiljnim teorijskim radom bavili su se Džon R. Karson i Sali P. Mid. Ovaj rad doveo je do otkrića da se za TE01 režim u kružnim talasovodima gubici smanjuju sa učestalošću, i svojevremeno je ovo bio ozbiljan kandidat za format telekomunikacija na velike daljine.[8]

Značaj radara u Drugom svetskom ratu dao je veliki podsticaj istraživanju talasovoda, barem na strani saveznika. Magnetron, koji su 1940. godine razvili Džon Randal i Hari But na Univerzitetu u Birminghamu u Velikoj Britaniji, pružio je dobar izvor energije i omogućio mikrotalasne radare. Najvažniji centar američkih istraživanja bio je u Radijacionoj laboratoriji (Rad Lab) na MIT-u, mada su i mnogi drugi učestvovali u SAD i Velikoj Britaniji, poput Telekomunikacione istraživačke ustanove. Šef Grupe za fundamentalni razvoj u laboratoriji Rad Labu bio je Edvard Mils Persel. Među njegovim istraživačima bili su Džulijan Švinger, Natan Markuvic, Karol Grej Montgomeri i Robert H. Dike. Veliki deo rada Rad Laba koncentrisan je na pronalaženje modela sa grupisanim elementima talasovodnih struktura kako bi se komponente u talasovodu mogle analizirati pomoću standardne teorije kola. Hans Bete je takođe nakratko bio u Rad Labu, ali dok je biravio tamo proizveo je svoju teoriju malog otvora koja se pokazala važnom za filtere šupljina talasovoda, prvobitno razvijene u Rad Labu. Suprotno tome, nemačka strana je uglavnom ignorisala potencijal talasovoda u radaru do vrlo kasno u ratu. To je bilo izraženo u toj meri da kad su radarski delovi iz oborenog britanskog aviona poslati na analizu u kompaniju Siemens & Halske, iako su prepoznati kao mikrotalasne komponente, njihova svrha nije mogla da se identifikuje.

U to vreme su mikrotalasne tehnike bile veoma zapostavljene u Nemačkoj. Uopšteno se verovalo da to nije bilo od koristi za elektronsko ratovanje, a onima koji su želeli da se bave istraživačkim radom u ovoj oblasti to nije bilo dozvoljeno.

— H. Majer, ratni potpredsednik kompanije Siemens & Halske

Nemačkim akademicima je čak bilo dozvoljeno da nastave sa javnim objavljivanjem svojih istraživanja u ovoj oblasti, jer se to nije smatralo važnim.[9][10]

Talasovod je odmah nakon Drugog svetskog rata bio preferentna tehnologija u mikrotalasnom polju. Međutim, postojalo je više problema. Bio je glomazan, skup za proizvodnju, a efekat granične frekvencije je otežavao proizvodnju širokopojasnih uređaja. Grebenasti talasovod može povećati širinu opsega izvan oktave. Bolje rešenje je upotreba tehnologije koja radi u TEM modu (odnosno netalasovodu), kao što su koaksijalni provodnici, jer TEM nemaju graničnu frekvenciju. Takođe se može koristiti zaštićeni pravougaoni provodnik, koji ima određene proizvodne prednosti u odnosu na koaksijalni i može se smatrati pretečom planarnih tehnologija (trakasti vod i mikrotraka). Međutim, planarne tehnologije su zaista počele da se razvijaju tek kada su uvedena štampana kola. Ove metode su znatno jeftinije od talasovoda i uglavnom su zauzele svoje mesto u većini opsega. Međutim, talasovod je i dalje omiljen u višim mikrotalasnim opsezima, od oko Ku opsega i naviše.[11][12]

ReferenceУреди

  1. ^ Institute of Electrical and Electronics Engineers, “The IEEE standard dictionary of electrical and electronics terms”; 6th ed. New York, N.Y., Institute of Electrical and Electronics Engineers, c1997. IEEE Std 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, pp. 544-548
  9. ^ Oliner, pp. 548-554
  10. ^ Levy & Cohn, pp. 1055, 1057
  11. ^ Oliner, pp. 556-557
  12. ^ Han & Hwang, pp. 21-7, 21-50

LiteraturaУреди

  • Han, C C; Hwang, Y, "Satellite antennas", in, Lo, Y T; Lee, SW, Antenna Handbook: Volume III Applications, chapter 21, Springer, 1993 ISBN 0442015941.
  • Levy, R; Cohn, S B, "A History of microwave filter research, design, and development", IEEE Transactions: Microwave Theory and Techniques, pages 1055–1067, volume 32, issue 9, 1984.
  • Oliner, Arthur A, "The evolution of electromagnetic waveguides: from hollow metallic guides to microwave integrated circuits", chapter 16 in, Sarkar et al., History of Wireless, Wiley, 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 vezeУреди