ท่อนำคลื่นและสายส่งสัญญาณ
โครงสร้างตัวนำทำหน้าที่นำคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า โดยรองรับโหมดที่ไม่ต่อเนื่องเหนือความถี่คัตออฟ และนำส่งสัญญาณและพลังงาน
Definition
การศึกษาคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ถูกจำกัดและนำทางโดยโครงสร้างตัวนำหรือไดอิเล็กตริก ซึ่งเงื่อนไขขอบเขตจำกัดการแพร่กระจายให้อยู่ในชุดของโหมดที่ไม่ต่อเนื่อง โดยแต่ละโหมดมีความถี่คัตออฟและการกระจายตัว อิมพีแดนซ์ และรูปแบบสนามเฉพาะตัว
Scope
หัวข้อนี้ครอบคลุมการแพร่กระจายของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแบบมีทิศทางในสายส่งสัญญาณและท่อนำคลื่นแบบกลวงหรือแบบไดอิเล็กตริก: โหมดไฟฟ้าตามขวาง (transverse electric), โหมดแม่เหล็กตามขวาง (transverse magnetic) และโหมดแม่เหล็กไฟฟ้าตามขวาง (transverse electromagnetic), ความถี่คัตออฟ, การกระจายตัวในท่อนำคลื่น, อิมพีแดนซ์เฉพาะ (characteristic impedance), สมการเทเลกราฟเฟอร์ (telegrapher's equations), คลื่นนิ่ง (standing waves) และโพรงเรโซแนนซ์ (resonant cavities) โดยเชื่อมโยงเงื่อนไขขอบเขตบนตัวนำกับการส่งสัญญาณและพลังงานในทางปฏิบัติ
Core questions
- เงื่อนไขขอบเขตเลือกโหมดที่ท่อนำคลื่นสามารถรองรับได้อย่างไร?
- เหตุใดท่อนำคลื่นแบบกลวงจึงมีความถี่คัตออฟ?
- สายส่งสัญญาณนำส่งสัญญาณได้อย่างไร และอะไรเป็นตัวกำหนดอิมพีแดนซ์ของมัน?
Key concepts
- โหมด TE, TM และ TEM
- ความถี่คัตออฟ
- อิมพีแดนซ์เฉพาะ
- สมการเทเลกราฟเฟอร์
- อัตราส่วนคลื่นนิ่ง
- โพรงเรโซแนนซ์
- การกระจายตัวในท่อนำคลื่น
Key theories
- โหมดท่อนำคลื่นและความถี่คัตออฟ
- เงื่อนไขขอบเขตบนผนังตัวนำจำกัดสนามให้อยู่ในโหมดไฟฟ้าตามขวางและแม่เหล็กตามขวางที่ไม่ต่อเนื่อง โดยแต่ละโหมดจะแพร่กระจายได้เฉพาะเมื่อความถี่สูงกว่าความถี่คัตออฟที่กำหนดโดยรูปทรงเรขาคณิตของท่อนำคลื่น
- ทฤษฎีสายส่งสัญญาณ
- สมการเทเลกราฟเฟอร์อธิบายคลื่นแรงดันและกระแสบนสายส่งในรูปของความเหนี่ยวนำ ความจุ ความต้านทาน และการนำไฟฟ้าแบบกระจายตัว ซึ่งกำหนดอิมพีแดนซ์เฉพาะและการสะท้อนจากโหลดที่ไม่เข้ากัน
Clinical relevance
ท่อนำคลื่นและสายส่งสัญญาณใช้ในการนำส่งสัญญาณและพลังงานในระบบเรดาร์, การเชื่อมโยงดาวเทียมและไมโครเวฟ, ระบบเรดิโอความถี่ของเครื่องเร่งอนุภาคและเครื่องสร้างภาพด้วยเรโซแนนซ์แม่เหล็ก, การเชื่อมต่อวงจรพิมพ์ และอุปกรณ์ให้ความร้อนและกำจัดเนื้อเยื่อด้วยไมโครเวฟ
History
เฮวิไซด์ได้พัฒนาทฤษฎีสายส่งสัญญาณและสมการเทเลกราฟเฟอร์ในช่วงปลายศตวรรษที่ 19 เรย์ลีห์ได้วิเคราะห์การแพร่กระจายของคลื่นในท่อนำคลื่นแบบกลวงในปี 1897 และเทคโนโลยีท่อนำคลื่นแบบกลวงและไมโครเวฟในทางปฏิบัติได้พัฒนาขึ้นในช่วงทศวรรษ 1930-1940 โดยผลงานของเซาท์เวิร์ธ, บาร์โรว์ และคนอื่นๆ
Key figures
- Oliver Heaviside
- John William Strutt (Lord Rayleigh)
- George Southworth
Related topics
Seminal works
- jackson1998
- pozar2011
Frequently asked questions
- เหตุใดท่อนำคลื่นแบบกลวงจึงหยุดส่งสัญญาณเมื่อความถี่ต่ำกว่าค่าที่กำหนด?
- เงื่อนไขขอบเขตบังคับให้สนามต้องมีรูปแบบตามขวางที่มีขนาดเชิงพื้นที่ขั้นต่ำ ซึ่งเมื่อความถี่ต่ำกว่าความถี่คัตออฟที่สอดคล้องกัน คลื่นจะไม่สามารถเป็นไปตามเงื่อนไขเหล่านั้นได้และจะสลายตัวแทนที่จะแพร่กระจาย
- อิมพีแดนซ์เฉพาะคืออะไร?
- เป็นอัตราส่วนของแรงดันต่อกระแสสำหรับคลื่นที่เดินทางไปตามสายส่งสัญญาณ ซึ่งกำหนดโดยรูปทรงเรขาคณิตและวัสดุของสายส่ง การจับคู่โหลดกับอิมพีแดนซ์เฉพาะจะช่วยป้องกันการสะท้อนกลับ