الدليل الموجي هوبنية تعمل على توجيه الموجات مثل الموجات الكهرومغناطيسية أوالموجات الصوتية. جميع نوع من أنواع الموجات يصلح له نوع مختلف من موجهات الموجات. أول وأشهر هذه الموجهات هوأنبوب معدني موصل ومجوف يُستخدم لنقل الموجات الراديوية عالية التردد، خاصة الموجات الصغرية.

تختلف موجهات الموجات في هجريبتها الهندسية، حيث يمكنها تقييد الطاقة في بُعد واحد كما هوالحال في موجهات الموجات الشريحية أوفي بُعدين اثنين كما هوموجود في موجهات الألياف البصرية أوموجهات موجات القنوات. علاوة على ذلك، يحتاج اختلاف الترددات وجود أنواع متعددة من موجهات الموجات: فـ الألياف البصرية الموجهة للـ الضوء (عالية التردد) لن تصلح لتوجيه الموجات الصغرية (ذات التردد المنخفض للغاية). وعملاً بمبدأ الحكم بناء على الخبرة، ينبغي حتىقد يكون لعرض موجه الموجات القيمة الأسية نفسها التي يتميز بها طول الموجة للموجة الموجهة.

تتضمن الطبيعة هجريبات أخرى يمكن اعتبارها موجّهات للموجات: على سبيل المثال، يمكن لطبقة قناة سوفار SOFAR الموجودة في المحيط نقل أصوات الحيتان لمسافات شاسعة.

مبدأ العمل

تنتشر الموجات في الفضاء في شتى الاتجاهات، كما هوالحال في الموجات الكروية. وبناءً على ذلك فإنها تفقد طاقتها بما يتناسب مع مربع المسافة؛ بمعنى أنه عند المسافة R من المصدر، فإن الطاقة هي طاقة المصدر مقسومة على R². يقوم موجه الموجات بالحد من انتشار الموجة في بُعد واحد، وبناءً عليه (وفي ظل الظروف المثالية) لا تفقد الموجة أي قدر من طاقتها عند الانتشار.

تُقيد الموجات داخل موجه الموجات بسبب الانعكاس الكلي من جدار موجه الموجات، مما يسفر عن حدوث الانتشار بين جدران موجه الموجات في صورة "خط متعرج". ينطبق هذا الوصف تمامًا على الموجات الكهرومغناطيسية التي تتحرك داخل أنبوب معدني مجوف نتعهد عليه من خلال مبتر مستعرض مستطيل الشكل أودائري.

معلومات تاريخية

كان جوزيف جون طومسون (J. J. Thomson) هوأول من طرح الإطار الأول لتوجيه الموجات في عام 1893، وكان أوليفر لودج (Oliver Lodge) هوأول من أجرى اختبارًا تجريبيًا عليها في عام 1894. وقد صاغ لنا جون وليم ريليه أول تحليل رياضي للموجات الكهرومغناطيسية التي تتحرك في أسطوانة معدنية في عام 1897. بالنسبة للموجات الصوتية، نشر جون ويليم ريليه التحليل الرياضي الكامل عن أنماط انتشار موجات الراديوفي عمله الفريد من نوعه “نظرية الصوت”.

بدأت دراسة موجهات الموجات العازلة للكهرباء (مثل الألياف البصرية، المشروحة بالأسفل) في وقت مبكر في حقبة العشرينيات من القرن العشرين، من خلال دراسات الكثير من الفهماء الذين كان ريليه هوأشهرهم إلى جانب سومرفيلد (Sommerfeld) وديباي (Debye). وقد بدأت الألياف البصرية في جذب اهتمام خاص في ستينيات القرن العشرين بسبب أهميتها الشديدة في صناعة وسائل الاتصالات.

الاستخدامات

على الرغم من ذلك، كان استخدام موجّهات الموجات لنقل الإشارات قد عُرف حتى قبل صياغة المصطلح. كانت ظاهرة توجيه موجات الصوت من خلال السلك المشدود معروفة منذ القدم، إضافة إلى توجيه موجات الصوت من خلال أنبوب مجوف مثلما يحدث إذا أصدر إنسان صوتًا في كهف أوالصوت الذي يُسمع من خلال سماعة طبية. تتمثل الاستخدامات الأخرى لموجهات الموجات في نقل الطاقة بين مكونات نظام مثل المذياع أوالرادار أوالأجهزة البصرية. وتعد موجهات الموجات هي أساس اختبار الموجة الموجهة (GWT)، وهي إحدي الطرق المتعددة لـالتقييم اللا إتلافي.

أمثلة خاصة:

• تنقل الألياف البصرية الضوء والإشارات لمسافات بعيدة وبمعدل إشارة مرتفع.
• في أي فرن ميكروويف ينقل موجه الموجات الطاقة من صمام الماجنترون حيث تتشكل الموجات، إلى غرفة الطهي.
• في أي رادار، ينقل موجه الموجات طاقة تردد موجات الراديومن وإلى الهوائي، حيث ينبغي حتى تتطابق مع المعاوقة للحصول على أفضل مستوى نقل للطاقة (انظر أدناه).
• يمكن إنشاء موجه موجات يُسمى الخط الشريطي في أي لوحة دارات مطبوعة، ويستخدم لنقل إشارات الموجات الصغرية على اللوحة. يتميز هذا النوع من موجهات الموجات بتواضع تكاليف تصنيعه ويتميز بصغر حجمه بحيث يمكن هجريب بسهولة في الجزء الداخلي للوحة الدارات المطبوعة.
• تُستخدم موجهات الموجات في الأجهزة الفهمية لقياس الخواص البصرية والسمعية والمرنة للمواد والأمور. يمكن توصيل موجه الموجات بجانب العينة (كما هوالوضع في أجهزة تخطيط الصدى الطبية)، وبذلك، يضمن موجه الموجات الاحتفاظ بطاقة الموجة الاختبارية، وقد تُوضع العينة داخل موجه الموجة (على غرار القياس الثابت للعازل الكهربائي)، وبذلك يمكن اختبار الأمور الأصغر بدقة عالية.

وصف مختصر للتحليل النظري

تصف المعادلة الموجية انتشار الموجة الكهرومغناطيسية على طول محور موجه الموجات، حيث تُشتق هذه المعادلة من معادلات ماكسويل، بالإضافة إلى ذلك، يعتمد طول الموجة على تصميم موجه الموجات، وما بداخله من مواد (الهواء والبلاستيك والفراغ، إلخ)، بالإضافة إلى تردد الموجة.

يعتمد التوزيع المكاني لـ المجالات الكهربائية المتنوعة في المدة الزمنية والمجالات المغناطيسية بداخل موجه الموجات على شروط القيمة الحدية التي يفرضها شكل موجه الموجات والمواد المكونة له. فرضا حتى موجه الموجات مصنوع من معدن يعد موصلاً كهربائيًا جيدًا بحيث يمكن اعتباره موصلاً كهربائيًّا مثاليًا. يتكون التصميم الداخلي لكافة موجهات الموجات تقريبًا من النحاس، ومع ذلك، فإن بعضًا من هذه الموجهات يُطلى من الداخل بـالفضة أوالمضى وهما يعدان من الموصلات الكهربائية الجيدة، علاوة على أنهما مضادان للتآكل. وبذلك تكون مسائل القيمة الحدية على الشكل التالي:

• لا تمر الموجات الكهرومغناطيسية من خلال موصلات كهربائية، بل إذا هذه الموجات يتم عكسها.
• يجب حتىقد يكون أي مجال كهربائي متصل بموصل متعامدًا عليه.
• يجب حتىقد يكون أي مجال مغناطيسي قريب من موصل متوازيًا معه.

تستبعد الشروط الحدية هذه عددًا لا يُحصى ولا يعد من الحلول للمعادلة الموجية، وما يتبقى هي الحلول المحتملة للمعادلة الموجية داخل موجّه الموجات. يتخذ باقي التحليل الخاص بحلول الموجات الكهرومغناطيسية داخل أي موجّه موجات شكلاً رياضيًا.

وتشير باقي التحليلات غير الرياضية إلى حتى موجهات الموجات شائعة الاستخدام تنتمي لفئات معدودة. ويعد النوع الأكثر شيوعًا لموجهات الموجات هوالذي يحتوى على مبتر مستعرض، وغالبًا لاقد يكون مربع الشكل. وبشكل عام، يصل طول الجانب الطويل لهذا المبتر المستعرض إلى ضعف طول جانبه القصير. مما يعد أمرًا مفيدًا في نشر الموجات الكهرومغناطيسية المحتوية على استقطاب أفقي أورأسي لها.

أما ثاني أكثر الأنواع المستخدمة شيوعًا من موجهات الموجات فيتميز بمبتر مستعرض دائري. وتظهر قيمة هذه الفائدة عند نشر الموجات الكهرومغناطيسية التي تتميز بـاستقطاب دائري أودوار للمقاطع المستعرضة. ثم، يتتبع المجال الكهربائي الخاص بها النموذج اللولبي كانعكاس للعامل الزمني.

يتميز النوع الثالث من موجهات الموجات -وهوالنوع الأقل استخدامًا- بمبتر مستعرض إهليلجي.

أوضاع انتشار الموجات وترددات القطْع

يعتبر نمط انتشار الموجات في أي موجه موجات أحد حلول المعادلات الموجية، أوبعبارة أخرى، شكل الموجة. ونظرًا للقيود الخاصة بـ مسائل القيمة الحدية، فلا يوجد هناك إلا ترددات وأشكال محدودة فقط لوظيفة الموجة التي يمكن حتى تنتشر في موجّه الموجات. ويعد أقل تردد يمكن من خلاله حتى ينتشر وضع ما تردد البتر لهذا الوضع. ويعتبر الوضع ذوأقل تردد بتر هوالوضع الأساسي لموجّه الموجات، وتردد البتر الخاص به هوتردد البتر نفسه الخاص بموجّه الموجات.

مطابقة المعاوقات

في نظرية الدارة، تكون المعاوقة هي تعميم المقاومية في حالة التيار المتردد وتٌقاس بـالأوم (${\displaystyle Omega$). يصف خط النقل المحتوي على طول ومعاوقة ذاتية أي موجه موجات في نظرية الدارة. بعبارة أخرى، المعاوقة هي مقاومة مكون الدائرة (في هذه الحالة موجّه الموجات) لعملية انتشار الموجة. كان الغرض الأساسي من هذا الوصف لموجه الموجات هوتحديد التيار المتردد، ولكن هذا الوصف مناسب أيضًا للموجات الكهرومغناطيسية والموجات الصوتية، وهذا يتم بمجرد تحويل الموجة والخواص المادية (مثل الضغط والكثافة وثابت العازل) إلى مصطلحات كهربائية (مثل التيار والمعاوقة).

تظهر أهمية مطابقة المعاوقة عند توصيل مكونات الدائرة الكهربائية (عند اتصال موجّه موجات بهوائي مثلاً): تحدد نسبة المعاوقة مقدار الموجة المنتقلة للأمام ومقدار الانعكاس. في الغالب، يحتاج توصيل أي موجّه موجات بهوائي وجود إرسال كامل، بحيث تتوافق معاوقة جميع منهما.

يمكن حساب مُعامل الانعكاس باستخدام المعادلة : ${\displaystyle \Gamma ={\frac {Z_{2 /Z_{1 -1 {Z_{2 /Z_{1 +1$، حيث إذا ${\displaystyle \Gamma$ هي معامل الانعكاس (يدل الـ 0 على الإرسال التام، ويدل 1 على الانعكاس التام، أما 0.5 فهوانعكاس نصف الجهد الوارد)، تعتبر ${\displaystyle Z_{1$ و${\displaystyle Z_{2$ المعاوقة للمكون الأول (الذي تدخل الموجة من خلاله) والمكون الثاني على التوالي.

يتسبب عدم تطابق المعاوقة في حدوث موجة عكسية، حيث يؤدي إضافتها للموجات الواردة إلى ظهور موجة ثابتة. يمكن تحديد مقدار عدم تطابق المعاوقة أيضًا بـنسبة الموجة المستقرة SWR (نسبة الموجة المستقرة أونسبة الموجة الراكدة الجهد VSWR بالنسبة للجهد)، المتصلة بنسبة المعاوقة ومُعامل الانعكاس بواسطة : ${\displaystyle VSWR=\frac{|V{|}_{max}}{|V{|}_{min}}=\frac{1+|\mathrm{\Gamma <!--\; \Gamma \; -->}|}{1-<!--\; -\; -->|\mathrm{\Gamma <!--\; \Gamma \; -->}|}}$

موجهات الموجات الكهرومغناطيسية

يمكن تصميم موجهات الموجات لنشر الموجات حول أي منطقة واسعة من الطيف الكهرومغناطيسي، إلا أنها مفيدة بصفة خاصة في الموجة الصغرية وفي مجالات التردد البصري. وبناءً على التردد، يمكن إنشاء موجّهات الموجة إما من مواد موصلة أوعازلة للكهرباء. تُستخدم موجهات الموجات لتحويل جميع من القدرة وإشارات الاتصال.

موجهات الموجات البصرية

تعتبر موجهات الموجات المستخدمة في الترددات البصرية دلائل وهياكل موجية تقليدية عازلة للكهرباء، حيث تحيط مادة ذات سماحية أقل بمادة عازلة للكهرباء ذات سماحية أعلى، وبالتالي تتميز بـ قرينة انكسار عالية. يوجه الهيكل الموجات البصرية بواسطة الانعكاس التام. تعتبر الألياف البصرية نموذج لموجّه موجات بصري.

تُستخدم أنواع أخرى من موجه الموجات البصرية، بما في ذلك الألياف الضوئية الكريستال، التي توجه الموجات عن طريق إحدى الآليات المتميزة المتوفرة. استُخدمت أيضًا الموجهات التي تتخذ شكل أنابيب مجوفة ذات سطح داخلي عالي الانعكاسية أيضًا كـأنابيب ضوء في تطبيقات الإضاءة. قد تكون الأسطح الداخلية مصنوعة من معادن مصقولة، أوقد تُغطى بغشاء متعدد الطبقات يوجه الضوء بواسطة قانون براج (يعتبر ذلك حالة خاصة بالألياف الضوئية الكريستال). كما يمكن استعمال الموشور الصغير حول الأنبوب والذي يعكس الضوء من خلال انعكاس داخلي [1]—such على الرغم من ذلك، لا يُستحب تقييد الضوء حيث لا يستطيع الانعكاس الداخلي الإجمالي توجيه الضوء بشكل سليم خلال قلب منخفض (في حالة الموشور، يتسرب بعض الضوء من زوايا الموشور).

موجهات الموجات السمعية

إن موجه الموجات السمعية تعبير عن شكل فيزيائي لتوجيه الموجات الصوتية. تعمل قناة انتشار الصوت أيضًا بنفس طريقة خط النقل. تحتوي قناة الصوت على بعض أدوات النقل، مثل الهواء، المُساعد في انتشار الصوت.

هجريب الصوت

يستخدم هجريب الصوت خط الترحيل الرقمي كعناصر حاسوبية لاتباع نهج انتشار الموجة في أنابيب الآلات الهوائية وأوتار الاهتزاز لـ الآلات الوترية.

انظر أيضًا

• الاستقطاب
• استقطاب خطي
• استقطاب دائري
• الموجة الكهرومغناطيسية

مراجع

وصلات خارجية

• Waveguide A very basic explanation on what is a waveguide
• Waveguide basics Multiple pages giving detailed tutorial
• [2]