bélyegkép| Rugalmas hullámvezető egy része nyomás alatt álló peremmel alt=(animation) Electric field Ex component of the TE31 mode inside an x-band hollow metal waveguide. A cross-section of the waveguide allows a view of the field inside.|jobbra|bélyegkép| TE31 módú elektromos tér Ex komponense egy X-sávú üreges fém hullámvezető belsejében
A hullámvezető olyan szerkezet, amely a hullámokat, például az elektromágneses hullámokat vagy akár a hangot, minimális energiaveszteséggel vezeti az energia átadásának egy meghatározott irányába történő korlátozásával. A hullámvezető fizikai kényszere nélkül, a hullámamplitúdók az inverz négyzetes törvény szerint csökkennek, amikor háromdimenziós térben terjednek.
Különböző típusú hullámvezetők vannak a különböző típusú hullámokhoz. Az eredeti és leggyakoribbInstitute of Electrical and Electronics Engineers, “The IEEE standard dictionary of electrical and electronics terms”; 6th ed. New York, N.Y., Institute of Electrical and Electronics Engineers, c1997. IEEE Std 100-1996. [ed. Standards Coordinating Committee 10, Terms and Definitions; Jane Radatz, (chair)] az üreges vezető fémcső, amelyet nagyfrekvenciás rádióhullámok, különösen mikrohullámok továbbítására használnak. A dielektromos hullámvezetőket magasabb rádiófrekvenciákon használják, az átlátszó dielektromos hullámvezetők és az optikai szálak pedig a fény hullámvezetőiként szolgálnak. Az akusztikában a légcsatornákat és a kürtöket hullámvezetőként használják a hangszerekhez és a hangszórókhoz, a speciális alakú fémrudak pedig ultrahangot vezetnek az ultrahangos megmunkálás során.
A hullámvezető geometriája tükrözi a funkcióját; a hullámot egy dimenzióban irányító, elterjedtebb típusok mellett vannak kétdimenziós födém hullámvezetők, más néven sík hullámvezetők, amelyek két dimenzióra korlátozzák a hullámokat. Az átvitt hullám frekvenciája a hullámvezető méretét is meghatározza: mindegyik hullámvezetőnek a méretétől függő vágási hullámhossza van, és nem vezet nagyobb hullámhosszú hullámokat; a fényt irányító optikai szál nem továbbítja a sokkal nagyobb hullámhosszú mikrohullámokat. Néhány természetesen előforduló szerkezet hullámvezetőként is működhet. Az óceán SOFAR csatornarétege óriási távolságokon vezetheti a bálna dalának hangját.ORIENTATION BY MEANS OF LONG RANGE ACOUSTIC SIGNALING IN BALEEN WHALES, R. Payne, D. Webb, in Annals NY Acad. Sci., 188:110-41 (1971) A hullámvezető bármilyen keresztmetszetű alakja képes támogatni, befolyásolni az EM (elektromágneses) hullámokat. A szabálytalan formákat nehéz elemezni. A leggyakrabban használt hullámvezetők téglalap alakúak és kör alakúak.
Alapelv bélyegkép| Példa hullámvezetőkre és diplexerre a légiforgalmi irányító radarban A hullámok a nyílt térben gömbhullámként terjednek minden irányba. A hullámteljesítmény a forrástól R távolságra, a távolság négyzetével (inverz négyzetes törvény) csökken. A hullámvezető korlátozza a hullám terjedését egy (vagy két) dimenzióban, így ideális körülmények között a hullám nem veszít energiát terjedése közben. A falakon történő teljes visszaverődés miatt a hullámok a hullámvezető belsejére korlátozódnak.
Felhasználásai bélyegkép| Hullámvezető táplálja az Argonne Nemzeti Laboratórium fejlett fotonforrását
A hullámvezetők felhasználása a jelek továbbítására már a kifejezés megalkotása előtt is ismert volt. A feszes vezetéken keresztül vezetett hanghullámok jelensége régóta ismert, ugyanígy az üreges csövön, például egy barlangon vagy orvosi sztetoszkópon keresztüli hangterjedés is. A hullámvezetők további felhasználási módjai a rendszer komponensei, például rádió, radar vagy optikai eszközök közötti energia továbbítása. A hullámvezetők elvén működik az irányított hullámteszt (Guided Wave Testing - GWT), amely a roncsolásmentes értékelés számos módszerének egyike.
Konkrét példák:
Az optikai szálak nagy távolságra továbbítják a fényt és a jeleket, alacsony csillapítással és széles tartományban skálázható hullámhosszban. Mikrohullámú sütőben hullámvezető adja át az energiát a magnetronból, ahol hullámok képződnek, a főzőkamrába. A radarban egy hullámvezető továbbítja a rádiófrekvenciás energiát oda-vissza az antennáról úgy, hogy az impedanciát illeszti is a hatékony energiaátvitel érdekében (lásd alább). Négyszögletes és kör alakú hullámvezetőket elterjedten használnak a parabolatükör és elektronikájuk közötti betápláláshoz, akár alacsony zajszintű vevőkhöz, akár erősítőhöz/adóhoz. A hullámvezetőket tudományos eszközökben használják az anyagok és tárgyak optikai, akusztikai és elasztikus tulajdonságainak mérésére. A hullámvezető érintkezésbe hozható a mintával (mint egy orvosi ultrahangvizsgálaton), ebben az esetben a hullámvezető biztosítja a teszthullám erejének konzerválódását, vagy a mintát a hullámvezető belsejébe helyezhetjük (mint például egy dielektromos állandó mérésnél).J. R. Baker-Jarvis, "Transmission / reflection and short-circuit line permittivity measurements", NIST tech. note 1341, July 1990), így kisebb objektumok tesztelhetők és jobb a pontosság. A rádiófrekvenciás távvezeték a hullámvezető egy speciális típusa, nagyon gyakran használják. Ismert fajtája a csőtápvonal.
Történelem Az első hullámvezetési struktúrát J. J. Thomson javasolta 1893-ban, és először Oliver Lodge tesztelte 1894-ben. A fémhengerben lévő elektromágneses hullámok első matematikai elemzését Lord Rayleigh végezte 1897-ben.N. W. McLachlan, Theory and Applications of Mathieu Functions, p. 8 (1947) (reprinted by Dover: New York, 1964). A hanghullámok esetében Lord Rayleigh A hang elmélete című alapművében publikálta a terjedési módok teljes matematikai elemzését.The Theory of Sound, by J. W. S. Rayleigh, (1894) Jagadish Chandra Bose hullámvezetők segítségével milliméteres hullámhosszakat kutatott, és 1897-ben leírta a londoni Királyi Intézetnek Kolkatában végzett kutatását. reprinted in Igor Grigorov, Ed., Antentop, Vol. 2, No.3, pp. 87–96.
A dielektromos hullámvezetők (például az optikai szálak, lásd alább) tanulmányozása már az 1920-as években elkezdődött, a kutatók közül a leghíresebb Rayleigh, Sommerfeld és Debye.Advanced Engineering Electromagnetics , by C. A. Balanis, John Wiley & Sons (1989). Az optikai szálak az 1960-as években kezdtek különös figyelmet kapni, mivel a kommunikációs ipar számára nagy jelentőséggel bírt a használatuk.
A rádiókommunikáció fejlődése kezdetben az alacsonyabb frekvenciákon történt, mert ezek könnyebben terjednek nagy távolságra is. A hosszú hullámhosszak miatt, ezen frekvenciákat üreges fém hullámvezetőkbe való alkalmazásra alkalmatlanoknak tekinthetjük, mivel a gyakorlatban szükséges nagy átmérőjű csövek kivitelezhetetlenek. Következésképpen az üreges fém hullámvezetők kutatása elakadt, és Lord Rayleigh munkáját egy időre elfelejtették, így másoknak később újra fel kellett fedezniük. A gyakorlati vizsgálatokat az 1930-as években folytatta George C. Southworth a Bell Labsnál és Wilmer L. Barrow az MIT-nél. Southworth eleinte a dielektromos rudak hullámairól szóló tanulmányokból vette át az elméletet, mert Lord Rayleigh munkája számára ismeretlen volt. Ez némileg félrevezette; egyes kísérletei kudarcot vallottak, mert nem volt tisztában a hullámvezető levágási frekvenciájának jelenségével, amely már Lord Rayleigh munkájában megtalálható. A komoly elméleti munka végigvitelét John R. Carson és Sallie P. Mead vállalta fel. Ez a munka arra a felfedezésre vezetett, hogy a TE 01 üzemmódban a kör alakú hullámvezető vesztesége a frekvenciával csökken, és ez egy ponton túl már komoly versenyzővé emelte az elméletet a nagy távolsági távközlés formátumára.Oliner, pp. 544-548
A radar fontossága a második világháborúban nagy lendületet adott a hullámvezeték kutatásának, legalábbis a szövetségesek részéről. A magnetron, amelyet 1940-ben John Randall és Harry Boot fejlesztett ki az Egyesült Királyság Birminghami Egyetemén, jó áramforrást biztosított, és mikrohullámú radarok építését tette lehetővé. Az amerikai kutatás legfontosabb központja az MIT sugárzási laboratóriumában (Rad Lab) volt, de sokan mások is részt vettek az Egyesült Államokban és az Egyesült Királyságban, például a Telekommunikációs Kutatóintézetnél. A Rad Lab Alaptudományi Fejlesztési Csoportjának vezetője Edward Mills Purcell volt. Kutatói között volt Julian Schwinger, Nathan Marcuvitz, Carol Gray Montgomery és Robert H. Dicke. A Rad Lab munkájának nagy része a hullámvezető szerkezetek darabos elemmodelljeinek kutatására összpontosított, hogy a hullámvezetőben lévő komponensek elemezhetők legyenek a szokásos áramkörelmélettel. Hans Bethe rövid ideig a Rad Lab-nál is járt, de miközben ott készítette el a „kis nyílás elméletét” (small aperture theory), amely fontosnak bizonyult a hullámvezető üregszűrők számára, először a Rad Lab-ban fejlesztették ki. A német oldalon viszont a háború végső szakaszáig nagyrészt figyelmen kívül lettek hagyva a radar hullámvezetők lehetőségei. Olyannyira, hogy amikor egy lelőtt brit repülőgép radaralkatrészeit elemzés céljából a Siemens & Halskéba küldték, annak ellenére, hogy mikrohullámú alkatrészként ismerték fel, pontos rendeltetésüket nem sikerült beazonosítaniuk.
A német akadémikusoknak megengedték, hogy továbbra is nyilvánosan tegyék közzé ezen a területen végzett kutatásaikat, mert nem tartották fontosnak.
Közvetlenül a második világháború után a hullámvezető volt a csúcstechnológia a mikrohullám területén. Van azonban néhány problémája; terjedelmes, drága előállítani, és a letörési frekvencia hatás megnehezíti a széles sávú eszközök gyártását. A barázdás hullámvezeték növelheti a sávszélességet egy oktávon túl, de jobb megoldás az, ha olyan technológiát használunk, amely TEM módban működik (vagyis nem hullámvezető), például koaxiális vezetőket, mivel a TEM-nek nincs letörési frekvenciája. Árnyékolt téglalap alakú vezető is használható, és ennek bizonyos gyártási előnyei vannak a koaxszal szemben, és a sík technológia (szalagvezeték és mikroszalag) előfutáraként tekinthető. A sík technológiák azonban a nyomtatott áramkörök bevezetésekor kezdtek igazán elterjedni. Ezek a módszerek lényegesen olcsóbbak, mint a hullámvezetők, és jelentős teret hódítottak a legtöbb sávban. A hullámvezetést azonban továbbra is előnyben részesítik a magasabb mikrohullámú sávokban, a Ku sávtól felfelé.
Tulajdonságok Terjedési módok és vágási frekvenciák A hullámvezetőben a terjedési mód a hullámegyenletek egyik megoldása, vagy más szavakkal, a hullám alakja. A határfeltételek korlátai miatt csak korlátozott frekvenciák és formák adódnak a hullámfüggvény számára úgy, hogy továbbterjedhessenek a hullámvezetőben. A legalacsonyabb frekvencia, amellyel egy bizonyos módozat terjedhet, az adott üzemmód alsó határfrekvenciája. A legalacsonyabb határfrekvenciával rendelkező üzemmód a hullámvezető alap módja, a határfrekvenciája pedig a hullámvezető alsó vágási frekvenciája.