Κυματοδηγός

Τμήμα κυματοδηγού με φλάντζες σύνδεσης μεσω.

Ο κυματοδηγός είναι διάταξη μετάδοσης κυμάτων. Συνήθως αναφέρεται για τη μετάδοση ηχητικών ή ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Οι κλασσικοί κυματοδηγοί αποτελούνται από κοίλους μεταλλικούς σωλήνες ορθογώνιας, κυκλικής ή ελλειπτικής διατομής μέσα στους οποίους είναι εφικτή η όδευση ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων, ιδίως UHF και μικροκυμάτων, άνω του 1 GHz. Οι διαστάσεις του κυματοδηγού είναι συγκρίσιμες με το μήκος κύματος. Οι οπτικές ίνες είναι ειδική κατηγορία κυματοδηγών, κατάλληλες για ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία στο υπέρυθρο και ορατό μέρος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος.

Κάθε κυματοδηγός αποτελείται από ένα μακρύ μέσο, το οποίο κατάλληλο για τη μεταφορά των κυμάτων για τα οποία κατασκευάστηκε, ενώ στα όριά του χρειάζεται να ανακλάται το κύμα. Κάθε κυματοδηγός εμφανίζει κάποια αντίσταση, αν θεωρήσουμε ότι η αντίσταση είναι μηδέν, τότε σύμφωνα με τις εξισώσεις που περιγράφουν το φαινόμενο το πλάτος γίνεται άπειρο, που είναι αδύνατο.

Μέσα στον κυματοδηγό κάθε αρμονική συνιστώσα αντιστοιχεί σε μία άλλη ίσης συχνότητας και πλάτους συνιστώσας διαφορετικής κατεύθυνσης. Αυτό συμβαίνει εξ'αιτίας της ανάκλασης της μίας συνιστώσας στα όρια του κυματοδηγού παράγοντας την άλλη συνιστώσα. Οι δύο κατυθύνσεις είναι συμμετρικές ως προς τον άξονα του κυματοδηγού. Οι δύο συνιστώσες μαζί έχουν ως αποτέλεσμα τη δημιουργία ενός κύματος το οποίο μπορεί να αναλυθεί σε δύο διαφορετικές συνιστώσες, μία κατά τη διεύθυνση του άξονα, και μία κάθετη σε αυτήν. Η τελευταία δημιουργεί στάσιμα κύματα που εγκλωβίζονται σε συγκεκριμένο σημείο μέσα στον αγωγό. Αυτό θέτει περιορισμούς για τη συχνότητα του κύματος που μπορεί να μεταφέρει ο κυματοδηγός. Κάθε κυματοδηγός μπορεί να μεταφέρει μόνο κύματα και κυματικές συνιστώσες συχνότητας μεγαλύτερης από κάποια συγκεκριμένη συχνότητα. Αυτή εξαρτάται από το μέσον που είναι κατασκευασμένος ο κυματοδηγός και τις διαστάσεις του, δηλαδή εξαρτάται μόνο από τον κυματοδηγό και ονομάζεται συχνότητα αποκοπής.

Ιστορία

Τη δεκαετία του 1890, οι θεωρητικοί έκαναν τις πρώτες αναλύσεις των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων σε αγωγούς. Γύρω στο 1893, ο J. J. Thomson συμπέρανε τους ηλεκτρομαγνητικούς τρόπους μέσα σε μια κυλινδρική μεταλλική κοιλότητα.

Στη δεκαετία του 1920, αναπτύχθηκαν οι πρώτες συνεχείς πηγές ραδιοκυμάτων υψηλής συχνότητας: ο σωλήνας Barkhausen-Tube Kurtz, η πρώτη γεννήτρια που μπορούσε να παράγει ενέργεια σε εξαιρετικά υψηλές συχνότητες, και το μαγνήτρο διαιρούμενης ανόδου, το οποίο τη δεκαετία του 1930 παρήγαγε ραδιοκύματα έως και 10 GHz. Αυτό κατέστησε δυνατές τις πρώτες συστηματικές μελέτες των μικροκυμάτων τη δεκαετία του 1930. Διαπιστώθηκε ότι οι γραμμές μεταφοράς που χρησιμοποιούνται για τη μετάδοση ραδιοκυμάτων χαμηλότερης συχνότητας, η παράλληλη γραμμή και το ομοαξονικό καλώδιο, είχαν υπερβολική απώλεια ισχύος στις μικροκυματικές συχνότητες, δημιουργώντας την ανάγκη για μια νέα μέθοδο μετάδοσης.

Ο κυματοδηγός αναπτύχθηκε ανεξάρτητα μεταξύ 1932 και 1936 από τον George K. Southworth των Bell Telephone Laboratories και Wilmer L. Barrow στο ΜΙΤ, οι οποίοι εργάστηκαν χωρίς να γνωρίζουν ο ένας τον άλλον. Το ενδιαφέρον του Σάουθγουορθ προέκυψε κατά τη διάρκεια της διδακτορικής του διατριβής στη δεκαετία του 1920, κατά την οποία μέτρησε τη διηλεκτρική σταθερά του νερού χρησιμοποιώντας ένα καλώδιο ραδιοσυχνοτήτων Lecker σε μια μακρά δεξαμενή νερού. Διαπίστωσε ότι αν αφαιρούσατε τη γραμμή Prowler, η δεξαμενή νερού εξακολουθούσε να παρουσιάζει κορυφές συντονισμού, υποδεικνύοντας ότι λειτουργούσε ως διηλεκτρικός κυματοδηγός. Το 1931, στα εργαστήρια Bell Labs, συνέχισε τις εργασίες του σε διηλεκτρικούς κυματοδηγούς. Μέχρι τον Μάρτιο του 1932, παρατηρούσε κύματα σε χάλκινους σωλήνες γεμάτους με νερό.