استاد مشاور : دکتر فرزانه بیات
مدیر مسئول : محمد حداد
سردبیر : مریم فرشباف
محقق : زهرا اشرفی
مقطع کارشناسی
رشته فیزیک مهندسی
سال 1401-1402
دانشگاه شهید مدنی آذربایجان- تبریز
نشریه ی بتاترون
مقدمه
موج های مختلف چون الکترومغناطیس و صوتی توسط ساختاری بنام موج بر هدایت و منتقل می شود. برای هر نوع موج انواع گوناگونی موجبر وجود دارد. نوع اصلی و معمول آن یک لوله فلزی توخالی است که برای حمل امواج رادیویی با فرکانس بالا بخصوص ریزموجها استفاده میشود. موجبرها شکل های هندسی متفاوتی دارند ؛ که می‌توانند انتقال انرژی موج را در یک راستا محدود کنند )مانند موجبرهای صفحه‌های(، و نیز می‌توانند در دو بُعد انرژی را محدود کنند همچون موجبرهای تاری یا شیاری. بهعلاوه موجبرهای مختلفی برای فرکانسهای مختلف موردنیاز است. مثلا یک فیبر نوری که امواج نوری را هدایت میکند، نمی‌تواند ریزامواج را هدایت کند. طبق یک حساب سرانگشتی پهنای موجبر باید در مرتبه اندازه طول موج امواج هدایت شده باشد. در طبیعت نیز ساختارهایی وجود دارد؛که همانند موجبر عمل می‌کنند. گوش انسان یا دیگر جانوران، بهترین مثال برای موجبر است.
موجبرهای دی‌الکتریک در فرکانس های رادیویی بالاتر استفاده میشوند، و موجبرهای دی الکتریک شفاف و فیبرهای نوری به عنوان موجبر برای نور استفاده میشوند. در صوتشناسی، مجرای هوا و شیپور به عنوان موجبر برای صدا در سازهای موسیقی و بلندگوها مورد استفاده قرار می گیرند و میله های فلزی با شکل مخصوص، امواج فراصوت را در ماشینکاری التراسونیک هدایت می کند.
هندسه موجبر نشان دهنده عملکرد آن است. علاوه بر انواع متداولتر که موج را در یک بُعد جاری می‌کنند، موج برهای باریک دو بعدی وجود دارند که امواج را به دو بعد محدود می‌کنند. فرکانس موج منتقل شده همچنین اندازه یک موج بر را تعیین میکند : هر موج بر دارای طول موج قطع است ؛ که با توجه به اندازه آن تعیین می شود و امواج با طول موج بیشتر را هدایت نمی‌دهد. فیبر نوری که نوربَر است، ریزموجهایی که دارای طول موج بسیار بزرگتری هستند را منتقل نمی‌کند. برخی از ساختارهای طبیعی می‌توانند مانند موجبر نیزعمل کنند.برای مثال لایه کانالSOFAR در اقیانوس می‌تواند صدای آواز نهنگ را در مسافت های دوری هدایت کند. 
تاریخچه
اولین ساختار برای هدایت امواج توسط جی جی توماس در سال 1893 پیشنهاد شد که اولین بار به شکل تجربی توسط O. J. Lodge در سال 1894 امتحان گردید. اولین آنالیز ریاضی از امواج الکترومغناطیسی در یک استوانه فلزی توسط Lord Rayleigh در سال 1897 انجام گرفت. برای امواج صوتی Lord Rayleigh یک آنالیز ریاضی کامل از حالتهای انتشار را تحت عنوان تئوری امواج صوتی چاپ کرد.مطالعات در زمینه موجبردی الکتریک همچون فیبرهای نوری از اوایل سال 1920 آغاز شد، این کار توسط چند نفر انجام شد که معروفترین آنها Sommerfeld و Debye بودند.
فیبرهای نوری توجهات خاصی را از آغاز سال 1960 به خود جلب کرد که علت اصلی آن اهمیت این فیبرها در صنعت ارتباطات بود.
کاربرد ها |
استفاده از موجبرها حتی قبل از اینکه این اصطلاح به وجود آید، شناخته شده بود. از زمان‌های قدیم انتشار امواج صوتی در امتداد یک سیم کشیده شده یک پدیده آشنا بوده است؛ همانطور که انعکاس صوتی که در یک مجرای تو خالی همچون یک غار یا گوشی های طبی شناخته شده بود. استفاده های دیگر از موجبرها در انتقال توان بین دو جزء از سیستم مثل رادیو، رادار یا وسایل نوری است.
مثالهای ویژه:
- فیبرهای نوری که نور و سیگنال ها را تا فاصله های دور با سرعت های زیاد انتقال می دهند.
- در اجاق های ماکروویو یک موجبر برق را از یک ماگنترون هدایت می کند که در قالب فضای آشپزخانه طرح ریزی شده است.
- موجبر در رادار ها، موج ها را به یک آنتن هدایت می کند که باید مقاومت ظاهری آن با توان مؤثر انتقال، مطابقت داشته باشد.
- یک نوع از موجبر که به آن باریکه خطی می گویند، می تواند روی یک تخته مدار چاپی ساخته شود و برای انتقال سیگنال های ماکرو ویو روی تخته از آن استفاده می شود. این نوع از موجبر خیلی ارزان ساخته می شود و ابعاد کوچکی دارد که می تواند برای استفاده درون تخته مدار چاپی مناسب باشد.
- موجبرها در ابزارهای علمی برای اندازه گیری خواص نوری، صوتی و کشسانی مواد و اشیاء استفاده می شوند.
- موجبر ها می توانند در تماس با یک نمونه قرار بگیرند، برای مثال در سونوگرافی های پزشکی که در این نوع موارد موجبر باعث می شود تا توان موج آزمایشگر محفوظ بماند یا اینکه نمونه آزمایشی درون موجبر قرار بگیرد همانند سنجش دی الکتریک دایمی. بنابراین اجسام کوچکتر مورد آزمایش قرار می گیرند و دقت آزمایش بیشتر خواهد شد.
چرا به موجبرها نیاز داریم؟
در فرکانس های پایین)حدودا کمتر از MHz10( ، نظریه مداری AC بدون هیچ مشکلی به بررسی و تحلیل مدار می پردازد.
در فرکانس های زیر مقدار مذکور، می توان هر مدار الکتریکی دلخواهی شامل مقاومت، سلف و خازن(RCL) را بررسی کرد که نتایج بدست آمده با تجربه نیز به خوبی سازگار است. به عبارت دیگر، به هنگام کار با مدارهایی که در فرکانس های پایین (حدودا کمتر از MHz100)کار می کنند، می توان از اثرات تابش و میدان های الکترومغناطیسی تولیدی صرف نظر کرده و مدار مذکور را با نظریه ACتحلیل کرد. نظریه مدار AC ، تقریبی از نظریه میدان کامل است . در این حالت ابعاد مدار نسبت به طول موج کوچک است. حال اگر فرکانس کاری افزایش پیدا کند، نظریه مداری AC دیگر توان تحلیل مدار را نداشته و نتایج به دست آمده اشتباه هستند. همان طور که می دانید ، فرکانس و طول موج امواج الکترومغناطیسی طبق رابطه 
با یکدیگر نسبت عکس دارند.مطابق با رابطه مذکور، با افزایش فرکانس، طول موج کاهش یافته و اندازه مدار نسبت به طول موج بزرگ می شود.غالبا ابعاد آنتن ها حدود 
است که در 
طول موج کاری است.حال اگر ابعاد مدار نسبت به طول موج بزرگ شود، سیم های مدار به منزله یک آنتن رفتار کرده و در نتیجه تابش می کنند.
به طور مثال، مداری را در نظر بگیرید که ابعاد آن حدود 10 سانتی متر است.اگر سیگنالی با فرکانس بیش از 1 گیگاهرتز به آن وارد شود، انرژی الکترومفناطیسی دیگر محدود به سیم های مدار نبوده و توسط همان سیم ها تابش می شود. طول موج یک سیگنال یک گیگاهرتزی، برابر با
است.
جهت ساده تر شدن مطلب فوق، همان مدار با طول 10 سانتی متر را درنظر بگیرید. برای دو فرکانس کاری 100 مگاهرتز و 100 گیگاهرتز خواهیم داشت:
همان طور که در بالا ملاحظه می کنید، ابعاد مدار در فرکانس های بالا نسبت به طول موج بزرگ تر می شود.جهت رفع این مشکل (تابش مدار)، یا باید ابعاد مدار را کاهش داد یا از موجبر جهت هدایت سیگنال ها استفاده کرد. امروزه در اغلب مدارهای فرکانس بالا، دو پیشنهاد مذکوررا به صورت ترکیبی استفاده می کنند. این مطالب در شاخه ای از علم فیزیک به نام فوتونیک )فرکانس های اپتیکی( و مهندسی برق - الکترونیک و مخابرات مایکروویو (ریز موج)بررسی می شود.
انواع موجبر ها
نکته : با افزایش حجم اطلاعات و نیاز به انتقال آنها ، نیاز به افزایش پهنای باند بیش از هر زمانی مورد توجه است.از این حیث انتقال اطلاعات توسط موجبرها راه حلی مناسب است. در حال حاضر مهم ترین مثال موجبری که اطلاعات وامواج الکترومغناطیسی را به فواصل خیلی دور باافت کم، انتقال می دهد، فیبر نوری است.
مهمترین عامل موثر در اندازه و ساختار موجبر ها، فرکانس یا طول موج کاری است. ابعاد موجبر ها نسبت مستقیمی با طول موج امواج الکترومغناطیسی دارد. به عبارت دیگر، همانطور که در بخش اول نیز اشاره کردیم، با افزایش فرکانس، ابعاد موجبر کوچکتر میشود . به طور مثال، لولهای فلزی با مقطع مستطیلی )تو خالی: موج در هوا در محدوده ابعاد موجبر حرکت میکند( که برای امواج مایکروویو در فرکانس 10 گیگاهرتز طراحی شده است، ابعادی در حدود 2 در 1 سانتیمتر دارد. همچنین یک فیبر نوری )جنس شیشهای( که متناسب با طول موج مخابراتی 1310 نانومتر توسعه پیدا کرده است، ساختاری استوانه های به قطر ۸ میکرون دارد.
عامل فرکانس یا طول موج، تنها تعیین کننده اندازه و نوع ساختار موجبر نبوده و در جنس ساختار نیز موثر است. همانطور که می دانید، رفتار امواج الکترومغناطیسی در محیط های مختلف توسط پارامترهای بنیادی نظیر ضریب گذردهی الکتریکی و مغناطیسی، ضریب شکست، عمق نفوذ و … بررسی می شود. به همین علت در ناحیه های مختلف فرکانسی در طیف الکترومغناطیسی، موجبر های به کار گرفته شده ساختارهای متفاوتی از حیث جنس ماده دارند.
تحلیل نظری
انتشار امواج در امتداد محورهای موج بر توسط معادله موج تشریح می شود و طول موج بستگی به ساختار موج بر و همچنین فرکانس آن دارد. اگر امتداد عرضی موج بر را در نظر بگیریم، موج در یک الگوی موج ایستاده محبوس می شود. معادله ای که شکل امواج متقاطع را توصیف می کند، بسیار پیچیده تر است. در مورد امواج الکترومغناطیسی از معادلات ماکسول سرچشمه می گیرد و در مورد امواج صوتی از معادله الکتریسیته خطی همراه با شرایط مرزی گرفته می شود که به شکل موج بر و نیز مواد سازنده موج بر بستگی دارد. این معادلات راه حل های مختلفی دارند که روشهای انتشار نامیده می شود. در هر کدام از این حالتها که موج در امتداد موج بر حرکت می کند، سرعت و شکل انتشار با نوع دیگر متفاوت خواهد بود. دسته فرکانسهایی که یک موجبر می تواند هدایت کند به عرض آن بستگی دارد. تخمین زده می شود که برای طول امواجی بلندتر موج بر عریض تری احتیاج است. چون طول موج با وارون فرکانس متناسب است، در فرکانس های بالا موج برها عرض کمتری دارند و بالعکس. یک استثناء که در این قانون قابل ذکر است، برای حالت امواج مسطح در یک موج بر مشخص وجود دارد. (مثل یک سیم هم محور در امواج الکترومغناطیسی یا لوله های توخالی برای امواج صوتی) در حالتی که یک موج مسطح داریم پهنای باند بزرگی وجود دارد که می تواند طول موجی بسیار بیشتر از مرتبه اندازه عرض موج بر داشته باشد. در دو انتهای موجبر تشدیدی حاصل می شود که در این حالت تنها فرکانس های مشخصی – حالتهای طبیعی تشدید - برای دوره های طولانی می تواند وجود داشته باشد.
با تشکر از نگاه گرمتان
پایان
