موجبر (Waveguide) چیست؟ – به زبان ساده

در این مقاله در نظر داریم تا با زبانی ساده به معرفی موجبر (Waveguide) و دلیل استفاده از آن‌ بپردازیم. با ما در ادامه مطلب همراه باشید.

موجبر

چرا به موجبرها نیاز داریم؟

فیلم آموزش میدان‌ها و امواج در فرادرس

کلیک کنید

به عبارت دیگر، به هنگام کار با مدارهایی که در فرکانس‌های پایین (حدوداً کمتر از $$100\ MHz$$) کار می‌کنند، می‌توان از اثرات تابش و میدان‌های الکترومغناطیسی تولیدی صرف‌نظر کرده و مدار مذکور را با نظریه AC تحلیل 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. همان‌طور که می‌دانید، فرکانس و طول موج امواج الکترومغناطیسی طبق رابطه ($$f = \frac{c}{\lambda}$$) با یکدیگر نسبت عکس دارند. مطابق با رابطه مذکور، با افزایش فرکانس، طول موج کاهش یافته و اندازه مدار نسبت به طول موج بزرگ می‌شود.

جهت ساده‌تر شدن مطلب فوق، همان مدار با طول ۱۰ سانتی‌متر را در نظر بگیرید. برای دو فرکانس کاری ۱۰۰ مگاهرتز و ۱00 گیگاهرتز خواهیم داشت:

$$\large f = \frac{ c }{ \lambda }\ \Rightarrow\ \lambda = \frac{ c = 3 \times 10^{8}\ \ (\frac{ m }{ s })}{ f\ \ (\frac{ 1 }{ s} = Hz) }\ \ \ \ (m)$$

$$\large f = 100\ MHz\ \Rightarrow\ \lambda = \frac{ 3 \times 10^{8}\ \ (\frac{ m }{ s })}{ 100 \times 10^{6}\ \ (\frac{ 1 }{ s} = Hz) } = 3\ m$$

$$\large f = 10\ GHz\ \Rightarrow\ \lambda = \frac{ 3 \times 10^{8}\ \ (\frac{ m }{ s })}{ 10 \times 10^{9}\ \ (\frac{ 1 }{ s} = Hz) } = 3\ cm$$

همان‌طور که در بالا ملاحظه می‌کنید، ابعاد مدار در فرکانس‌های بالا نسبت به طول موج بزرگ‌تر می‌شود. جهت رفع این مشکل (تابش مدار)، یا باید ابعاد مدار را کاهش داد یا از موجبر جهت هدایت سیگنال‌ها استفاده کرد. امروزه در اغلب مدارهای فرکانس بالا، دو پیشنهاد مذکور را به صورت ترکیبی استفاده می‌کنند. این مطالب در شاخه‌ای از علم فیزیک به نام فوتونیک (فرکانس‌های اپتیکی) و مهندسی برق - الکترونیک و مخابرات مایکروویو (ریز موج) بررسی می‌شود.

شفافیت نسبی جو (Atmospheric Opacity)

فیلم آموزش موج‌بر در میدان‌ها و امواج در فرادرس

کلیک کنید

همان‌طور که می‌دانید، افزایش فرکانس (کاهش طول موج) به منزله افزایش پهنای‌باند و در نتیجه افزایش آهنگ انتقال اطلاعات است. حال اگر کانال انتقال پیام، همان هوا (جو) باقی بماند، اما فرکانس را به جهت افزایش پهنای باند، افزایش دهیم، چه اتفاقی رخ می‌دهد؟

با این اوصاف، تنها امواجی که می‌توان از آن‌ها در محیط آزاد (هوا) استفاده کرد، امواج رادیویی و مایکروویو هستند. امواج با فرکانس‌ بالاتر (طول موج کوتاه) به شدت توسط ذرات موجود در جو و بخار آب پراکنده و یا جذب می‌شوند. همین امر انتقال آن‌ها را در مسیر‌های طولانی با مشکل مواجه می‌کند. به طوز مثال مخابرات نوری فضای آزاد (Free Space Optical Communication) علی‌رغم پهنای‌باند و سرعت بالا، در فاصله‌های طولانی و یا روز‌های بارانی عملاً قابل استفاده نیست.

با افزایش حجم اطلاعات و نیاز به انتقال آن‌ها، نیاز به افزایش پهنای‌باند بیش از هر زمانی مورد توجه است. از این حیث انتقال اطلاعات توسط موجبر ها راه حلی مناسب است. در حال حاضر مهم‌ترین مثال از موجبری که اطلاعات و امواج الکترومغناطیسی را به فواصل خیلی دور با افت کم، انتقال می‌دهد، فیبر نوری است. جهت آشنایی با مخابرات فیبر نوری چهار مقاله زیر را به شما پیشنهاد می‌کنیم. لازم به ذکر است که فرکانس‌های مورد استفاده در مخابرات فیبر نوری در محدوده مادون قرمز نزدیک (NIR) قرار دارند.

• «فیبر نوری -- به زبان ساده» : بررسی فیبر نوری به عنوان موجبر (کانال) انتقال پیام در مخابرات و معرفی دیگر کاربرد‌های آن
• «مخابرات نوری -- به زبان ساده» : بررسی یک لینک مخابرات نوری مبتنی بر فیبر نوری از فرستنده تا گیرنده
• «مخابرات فیبر نوری -- راهنمای جامع» : بررسی روند پیشرفت مخابرات فیبر نوری در شش نسل
• «FTTH چیست؟ -- از صفر تا صد» : آشنایی کامل با شبکه‌های نوری FTTX/FTTH

انواع موجبر

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 ۱۰ گیگاهرتز طراحی شده است،‌ ابعادی در حدود ۲ در ۱ سانتی‌متر دارد. همچنین یک فیبر نوری (جنس شیشه‌ای) که متناسب با طول موج مخابراتی 1310 نانومتر توسعه پیدا کرده است، ساختاری استوانه‌ای به قطر ۸ میکرون دارد.

امروزه نیاز به لینک‌های مخابراتی با پهنای‌باند بالا پیش از هر زمان دیگری احساس می‌شود. همان‌طور که می‌دانید، افزایش پهنای‌باند با افزایش فرکانس رابطه داشته که افزایش فرکانس خود مشکلاتی را ایجاد می‌کند. همان‌طور که در بخش‌های پیشین اشاره کردیم، مهم‌ترین مشکلی که افزایش فرکانس کاری ایجاد می‌کند، بحث تابش از سیم‌های مدار است. تابش از مدار به منزله افت توان بوده که جهت رفع این مشکل باید رویکردهای جدیدی را اتخاذ کرد.

جدا از شاخه‌ مخابرات نوری که پهنای‌باند زیادی را فراهم می‌آورند، شاید بتوان گفت که نیاز روزافزون به رشد شبکه‌های موبایلی پرسرعت نظیر 4G یا ۵G، دلیل پیشرفت مخابرات مایکروویو پهن‌باند باشد. رشد و پیشرفت مخابرات مایکروویو یا ریز موج، مدیون پیشرفت آنتن‌ها و مدارات (الکترونیک) فرکانس بالا است. بدیهی است که در مخابرات بی‌سیم، آنتن مهم‌ترین بخش سیستم است. به طور مثال تلفن‌های همراه هوشمند که امروزه بیشترین ترافیک مخابراتی را ایجاد می‌کنند، شامل چندین آنتن جهت تماس تلفنی، بلوتوث، وای فای و… هستند. همچنین مدارهایی فرکانس بالا داخل آن‌ها تعبیه شده است تا بتوانند سیگنال مورد نیاز را جهت ارسال به آنتن تولید کنند.

جهت طراحی خطوط انتقال و آنتن‌های فرکانس بالا، نیاز است تا ابتدا با اصول پایه‌ای مخابرات میدان آشنا شده و سپس اصول تحلیل و طراحی آنتن‌های فرکانس بالا را فرا گرفت. همان‌طور که می‌دانید، آنتن‌ها به قسمت‌های دیگری موسوم به مدار گیرنده و فرستنده متصل هستند. مدارهای فرستنده و گیرنده متناسب با مخابرات مایکروویو، در فرکانس‌های بالا کار می‌کنند. بدیهی است که روش‌های بررسی متداول علم الکترونیک قدیم (فرکانس پایین)، قادر به تحلیل و طراحی مدارهای گیرنده و فرستنده فرکانس بالا نبوده و نیاز است تا از اصول مخابرات میدان و امواج، در علم الکترونیک نیز استفاده کنیم.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• آموزش طراحی و شبیه‌سازی تقویت کننده‌های توان مایکروویو در نرم افزار ADS
• رادار (Radar) -- به زبان ساده
• میزر (Maser) -- به زبان ساده
• لیدار -- به زبان ساده

^^