دانلود مقاله موجبر‌های نوری

بخشی از مقاله

مقدمه :
يكي از مهمترين قسمت‌هاي سيستم انتقال ، خط ارتباط آن است . ساده ترين نوع خط ارتباط از دو سيم موازي هم تشكيل شده ، كه به آن خط دو سيمه مي‌گويند . خط دو سيمه براي انتقال فركانس‌هاي راديويي پايين مناسب است و مقدار تضعيف آن در اين فركانس‌ها كم است . در فركانس‌هاي حدود گيگاهر تز تضعيف خط دو سيمه خيلي زياد شده و از كابل هم محور استفاده مي‌كنند . كابل هم محور از يك‌هادي استوانه اي توپر و يك‌هادي استوانه اي تو خالي با شعاع بيشتر تشكيل شده است . اين دو به طور‌هادي هم محور قرار گرفته و عايقي بين آن‌ها را پر مي‌كند .

تضعيف كابل با از 1 گيگاهرتز تا افزايش فركانس زياد شده و بنابر اين كابلهاي هم محور در فركانس‌هاي ماكروويو فقط براي ارتباط در فاصله‌هاي كم ( حدود چند متر ) استفاده مي‌شود به اين دليل است كه در فركانس‌هاي بالا و فواصل زياد ، از نوع سوم خط ارتباط كه موجبرناميده مي‌شود استفاده مي‌كنند . موجبر ، لوله اي تو خالي و فلزي سخت يا قابل انعطاف است ، كه موج در عايق داخل ان حد اكثراً هواست منتشر مي‌شود . مقطع موجبر‌ها مستطيلي ،مربعي،دايروي،و يا بيضوي است ،متداول ترين و مپر مصرف ترين آن‌ها موجبر‌هاي مستطيلي است .

موجبر‌هاي قابل انعطاف (فلكسيبل ) اكثراً مقطع بيضي دارند . شكل (1) انواع مختلف خطوط ارتباط را نشان مي‌دهد . اولين بار در اواسط دهه 1930 ، موجبر به عنوان يك خط ارتباط به كار رفت . موجب ‌ها را مي‌توان براي فركانس‌هاي 3% تا بيش از 300 گيگاهرتز بكار برد ،ولي به علت اينكه در فركانسهاي پايين ابعاد آنها بزرگ و در فركانسهاي بالا كوچك مي‌شوند عملاًبه جز در موارد استثنائي و محدود ، آنها را فقط براي فركانسهاي حدود 100 گيگاهر تز براحتي مي‌توان به كار برد.

فصل اول
موجبرهای مستطیلی معمولی
باند تک مد
فرکانس و طول موج قطع کلیه مدهای موجبر مستطیلی را می توان، به کمک روابط زیر محاسبه نمود.

که در آنها a,b بترتیب عرض و ارتفاع داخلی موجبر مستطیلی هستند. مدهای موجبر به دو دسته تقسیم می شوند. TE (که به ترتیب میدان الکتریکی و میدان مغناطیسی فقط در جهت عمود بر مسیر انتشار آنها وجود دارد. مقادیر فرکانس قطع مدهای مختلف را با ازای نسبتهای مختلف b/a شكل 1 توضيح ميدانهاي الكتريك و مغناطيسي چند مد TM, TE را نشان مي‌دهد ميزان تغييرات مدها در جهات a و b به ترتیب با m n نشان داده می شوند. برحسب روابط موج در داخل موجبر، m , n برای مدلهای TM نمی توانند صفر شوند.

دیده می شود در صورتی که نسبت باشد بیشترین عرض باند تک مد موجبر بوجود می آید. این عرض باند از فرکانس قطع مد اصلی (TE10) شروع و تا دو برابر آن یعن فرکانس قطع مد دوم ادامه دارد یعنی در حالت باند کامل تک مد موجبر عبارت است از:

که در آن a بر حسب سانتیمتر می باشد، به همین علت در انتخاب ابعاد موجبر سعی می کنند برای داشتن باند وسیعتر نسبت کوچکتر از باشد. از سوی دیگر مقدار تضعیف موج در اثر افت در بدنه موجبر، یا کمتر شدن نسبت بالا می رود. بنابراین حالت مناسب زمانی حدود باشد، که چنین موجبرهایی را موجبرهای مستطیلی معمولی می نامند.

نامگذاری
موجبرهای مستطیلی معمولی، که نسبت در آنها در حدود است (جدول 1) بترتیب زیرا از چپ نامگذاری می شوند:
الف: شماره سری جزوه‌های کمیته بین المللی استانداردهای الکتروتکنیکک در مودر موجبرها (4).
ب: مخفف نام انگلیسی بین المللی استاندارد‌های الکترونیک
ج: بعد از یک خط تیره، حرفی انگلیسی که مشخص کننده شکل مقطع داخلی موجبر است.

برای موجبر مستطیلی معمولی، این حرف R است، و همانطوری که در قسمت‌های بعدی توضیح داده خواهد شد. حرف F برای موجبرهای پهن، M برای موجبرهای نیمه پهن< Q برای موجبرهای مربعی، C برای موجبرهای دایروی P برای موجبرهای مستطیلی که از میله گرد ساخته شده است، و D,Z,S و T برای موجبرهای Ridged استفاده می شود.

د: شماره ای که مشخص کننده ابعاد و یا فرکانس موجبر است، این شماره تقریبا 100/1 میانگین هندسی فرکانس ابتدا و انتهای باند موجبر بر حسب مگاهرتز و یا ده برابر آن میانگین بر حسب گیگاهرتز است.
هـ: در مواقع ضروری حرف P که نشان دهنده موجبر با خطای کم در ابعاد است اضافه میشود یک مثال در مورد نامگذای در زیر آمده است.
مثال: از نام 153 IEC-R100 نتیجه می گیریم:

مشخصه‌های مکانیکی
ابعاد
همان طور که قبلا بحث، بهترین حالت برای ابعاد موجبر معمولی است، ولی موجبرهایی با نسبت ساخته اند و در سطح وسیعی استفاده می شود، این نوع موجبرها هم استاندارد شده اند، عرض و ارتفاع 34 نوع موجبری که استاندارد شده در ستونهای (5) و (6) جدول 1 آمده است، هم چنین دو نوع موجبر R35 و R41 که مصرف زیاد دارد و آنها به عنوان استاندارد پذیرفته شده اند که در دو ردیف آخر همان جدول آورده ایم.
ابعاد داخلی موجبر با تقریب mm 001/0 گرد شده اند، در صورتیکه رقم اول ابعاد 1 یا 2 باشد، مقدار آن حداکثر به صورت 5 رقمی ، و اگر بین 3 الی 9 باشد، حداکثر 4 رقمی نوشته شده اند. بیان ارقام با چنین تقریبهایی باعث ایجاد ماکزیمم تضعیف انعکاسی در حدود db 70- برای موجبرهای بزرگ می شود.
شعاع انحناء گوشه‌های داخلی موجبر:

عملا ساخت موجبر با گوشه‌های قائم مشکل است، انحنای گوشه‌های داخلی موجبر باعث تغییر طول موج و در نتیجه، تغییر امپدانس مشخصه، ازیاد انعکاس وتضعیف می شود. در موجبر کاملا مستطیلی طول موج در داخل موجبر از رابطه (3) بدست می آید.
ولی در موجبری که گوشه‌های داخلی آن شعاع انحناء r دارد، طول موج داخل موجبر برابر است با:

ضخامت دیواره‌ها
ضخامت دیواره موجبر، باید از عمق پوشتی موج داخل موجبر، بیشنر باشد، اگر از آن حد کمتر باشد، موج به بیرون از موجبر نشد می کند. همچنین چون در فرکانس بالا عمق پوستی خیلی کوچک است، حتی اگر ضخامت بدنه چندین برابر عمق پوستی شود، باز موجبر دارای استحکام مناسب نخواهد بود.
ضخامت دیواره موجبرهای مختلف که در واقع نصف تفاضل ابعاد خارجی و داخلی آنهاست بعضی موجبرهای مستطیلی با دیواره ضخیم جهت استفاده‌های نظامی ساخته شده و در جزوه استاندارد) (MIL-W-85/2C تعریف گردیده اند. مشخصه‌های تعدادی از این موجبرها در جدول 2 آمده است.

ماکزیمم تفاوت ضخامت دیواره‌ها
خطای ضخامت دیواره‌ها باعث منطبق نشدن ابعاد داخلی دو موجبر و در نتیجه ازدیاد انعکاس در محل اتصال می شود، به همین دلیل اعوجاج مقطع را به صورت نصف تفاضل ضخامتهای اندازه گیری شده، دیواره‌های مقابل هم تعریف می کنند مقدار این اعوجاج نباید از 10% ضخامت دیواره بیشتر باشد، در عمل تفاضل دو دیواره را با حداکثر خطای مخالف هم اندازه می گیرند و اعوجاج را محاسبه می کنند.

خمش (انحناء) موجبر
موجبر در یک طول مشخص ممکن است مقداری انحناء داشته باشید. انحناء بین دو نقطه را به صورت ماکزیمم انحناء موجبر، نسبت به خط راست بین آن دو نقطه، در نظر می گیرند.
انحناء روی سطح خارجی موجبر اندازه گرفته می شود. برای یک قطعه موجبر بطول 10 برابر عرض داخلی، انحناء نباید بیش از 10 برابر خطای مجاز عرضع داخلی باشد، هم چنین برای قطعه موجبری بطول 50 برابر عرض داخلی انحناء نباید بیش از 40 برابر خطای مجاز عرض داخلی گردد.
در اندازه گیری انحناء موجبر، باید بگونه ای قرار گیرد که نیروی جاذبه اثری در انحناء آن نداشته باشد.

پیچش موجبر
میزان پیچش موجبر نسبت به محور اصلی آن باید حتی الامکان جزیی باشد، میزانت مجاز پیچش عبارتست از:
الف:برای موجبری که عرض داخلی آن مساوی یا بزرگتر از 100 میلیمتر باشد: 5/0 درجه در هرمتر.
ب: برای موجبری که عرض داخلی آن کوچکتر از 100 میلی متر باشد: 5/0 درجه برای طولی از موجبر که 10 برابر عرض داخلی آن است.
بطور کلی برای طولی از موجبر که 50 برابر عرض داخلی آن است، پیچش نباید بیش از 2 باشد، چون عملا پیچش در یک قطعه طولانی در جهات مختلف اتفاق می افتد.

موجبرها را با اره برقی می برند، باید از اره برقی خوب و با سرعت زیاد استفاده کرد تا اعوجاج در مقطعه موجبر پیدا نشود، پس از بریدن، مقطع داخلی موجبر، باید اندازه‌ها استاندارد باشد.

روش بريدن موجبر
موجبر‌ها را با اره برقي مي‌برند، بايد از اره برقي خوب و با سرعت زياد استفاده كرد تا اعواجاج در مقطع موجبر پيدا نشود، پس از بريدن مقطع داخي موجبر بايد اندازه‌ها استاندارد باشد
وزن و طولی موجبر
هنوز استانداردهای برای وزن و طول موجبرها در نظر گرفته نشده است، بر حسب اندازه موجبر، نوع مصرف، و جنس بدنه آن می توان موجبرهایی با اوزان و طولهای متفاوت ساخت. در اینجا فقط اوزان موجبرهای کمپانی انگلیسی Everel Azdar و طولهای مومجبرهای یک کمپانی ژاپنی را برای نمونه ذکر می کنیم جدول 3

فصل دوم
موجبرهای مستطیلی پهن و نیمه پهن
برای تطبیق موجبرهای مستطیلی معمولی با المانهایی مثل کریستال، ترمیستور و یا وسایل موجبری مانند موجبرهای دایروی و یا محفظه ای رزونانسی، ناچار از تغییر امپدانس مشخصه موجبر معمولی استفاده می شود، یکی از راههای تغییر امپدانس مشخصه موجبر کاهش ارتفاع را، به دو مقدار محدود کرده اند، که ارتفاع داخلی موجبر معمولی را به صورت پله پله یا تدریجی کاهش می دهند، تا بیکی از این دو ارتفاع برسند. موجبرهای با ارتفاع کمتر را بصورت زیر نامگذاری و استاندارد کرده اند، یک دسته موجبرهایی هستند با نسبت حدودا برابر 23/8 (12/0= ) که به نام موجبر پهن معروفند، دسته دیگر موجبرهایی هستند با نسبت حدودا برابر 4(25/0= ) که به موجبرهای نیمه پهن موسومند. مشخصه‌های مکانیکی والکتریکی این دو نوع موجبر در جداول (15) و (16) آمده است.

روش نامگذاری

در استاندارد بین المللی IEC روش نامگذاری این دو نوع موجبر شبیه موجبر معمولی بوده و بترتیب زیر است (8):
الف: شمار سری جزوه‌های کمیته بین المللی استانداردهای الکترونیک در مورد موجبرها، سه حرف مخفف نام کمیته مذکور، یک خط تیره (153 IEC-)
ب: حرفی انگلیسی که مشخص کننده شکل مقطع داخلی موجبر است، که برای موجبرهای پهن حرف f و برای موجبرهای نیمه پهن حرف M بکار می برند.
ج: شماره ای که ابعاد و یا فرکانس موجبر را مشخص می کند، این شماره تقریبا 100/1 میانگین هندسی فرکانس ابتدا و انتهای باند موجبر بر حسب مگاهرتز و با ده برابر همان میانگین، بر حسب گیگاهرتز است، با توجه به جدول (15) و (16) می بینید که این شماره و باند موجبرها با موجر مستطیلی معولی جدول (1) تشابه دارد.

مثال- از روی نام 153 IEC)F48 نتیجه می گیریم:

مشخصات مکانیکی
ابعاد داخلی
عرض داخلی این موجبرها برابر عرض موجبر مستطیلی هم شماره آنها، که همین باند را دارد. مثلا عرض داخلی موجبرهای M22,F22,R22 مساوی و برابر 22/109 است (جداول (1)،(15)، (16)، بنابراین فرکانس قطع مداصلی آنها یکسان می باشد. ارتفاع موجبرهای پهن 12/0=8.33/1 عرض آن است، ولی در موجبرهای کوچکتر ارتفاع را تقریبا ثابت می گیرند که این باعث کمتر شدن این نسبت می شود. ارتفاع موجبرهای نیمه پهن همواره 0.25=4/1 عرض آن می گیرند. مقدار خطای مجاز ابعاد این نوع موجبرها 1000/1 عرض آنهاست. ابعاد داخلی ومیزان خطای مجاز آنها، و ماکزیمم شعاع انحناء در ستونهای (4) الی (6) جداول (1) و (2) آمده اند.

ضخامت و ماکزیمم تفاوت ضخامت دیواره‌ها
با موجبرهای مستطیلی معمولی همانند، ضخامت دیواره موجبرهای پهن و نیمه پهن را در ستون هفتم جداول (15) و (16) نموده ایم.

ابعاد خارجی
در ستونهای 8 و 9 جداول (15) و (16) آورده ایم. خطای مجاز ابعاد خارجی 500/1 عرض داخلی، مقدار خطا، ماکزیمم و مینیمم انحناء گوشه‌های خارجی، در ستونهای (10) الی (12) جداول فوق الذکر وجود دارد.
مستطیلی بودن مقطع، خمش و پیچش
با موجبرهای مستطیلی معولی یکسانند.

وزن و طول موجبر
هنوز توسط IEc استاندارد نشده، ولی به عنوان اوزان و طولهای موجبرهای پهن و نیمه پهن تعریف شده در استانداردهای انگلیسی BS9220 NOO, BS9220 NOO2 در جدول (17) آورده شده است.

فصل سوم
موجبرهای مستطیلی فلکسیبل
موجبرهایی که جنس بدنه آنها سخت نیست و بر حسب نوع ساخت. می توان آنها را خم کرد و یا پیچاند، به موجبرهای فلکسیبل موسومند. بنابراین این موجبرها را به دو دسته اصلی (موجبرهای فلکسیبل قابل پیچش) و (موجبرهای فلکسیبل غیر قابل پیچش) تقسیم می شوند، همچین بر حسب نوع مصرف، میزان خم موجبر و تضعیف آن، می توان موجبرهای فلکسیبل اعم از قابل پیچش و غیر قابل پیچش را به سه کلاس A,B,C تقسیم کرد. این سه کلاس در واقع سه نوع استاندارد مختلف دارد که سازنده یا خریدار در انتخاب آنها مختار است. مشخصه‌های این سه کلاس را می توان به صورت زیر مقایسه کرد.

الف: مینیمم شعاعهای خمش: بر حسب مورد استفاده از موجبر، مقدار شعاع خمش آن تفاوت دارد ولی در همه حالت‌ها می توان نتیجه گرفت که شعاع‌های خمش کلاس B بیش از کلاس A و کلاس A بیش از کلاس C است، هر چقدر شعاع خمش بیشتر باشد، میزان خمش در یک طول معین کمتر می شود یعنی می توانیم بگوییم میزان خمش کلاس B کمتر A کمتر از C است.
ب: مقدار تضعیف فلکسیبلیتی کلاس B و C مساوی بوده و هر دو کلاس A کمترند: مشخصههای موجبرها فلکسیبل در جداول (1) (2) ملاحظه می شود. جدول (1) مشخصه‌های مکانیکی و جدول (2) مشخصه‌های الکتریکی موجبرهای فلکسیبل را مشخص می نمایند. مثلا مینیمم شعاع خمش هر یک از سه کلاس موجبر در جدول (1) و مقدار تضعیف فلکسیبلیتی را در جدول (2) آورده ایم.

باند فرکانسی
اکثرا موجبرهای فلکسیبل همراه با موجبرهای معمولی هم مقطع با خود مصرف می شوند. باند این نوع موجبر برابر موجبر مستطیلی هم عرض خود است. اگر در تمامی باند از آن استفاده شود به آن حالت تمام باند اطلاق می شود. گاهی برای اینکه ضریب انعکاس موجبر کم باشد. فقط در 15% از کل بانند از آن استفاده می کنند، در این صورت فرکانس مرکزی را مشخص می کند 75% از کل باند را به آن اضافه و کم می کنند تا باند کار موجبر به دست آید:

روش نامگذای
به ترتیب از چپ به راست عبارتند از:
الف: شماره سری جزوه‌های کمیته بین المللی استانداردهای الکتروتکنیک در مورد موجبرهای فلکسیبل، سه حرف مخفف نام کمیته فوق الذکر، یک خط تیره (636 IEC-)
ب: حرفی که مشخص کننده نوع موجبر فلکسیبل است که برای موجبر فلکسیبل قابل پیچش (tWistable) حرف T و برای موجبر فلکسیبل غیر قابل پیچش (Non-Twistable) حرف B به کار می برند.
ج: حرف و شماره ای که نام موجبر مستطیلی هم فرکانس و قابل تطبیق با آن است.
د: حروفی که کلاس موجر (میزان خمش و تضعیف فلکسیبلیتی موجبر) مشخص می کند. همان طور که قبلا گفته شد، سه کلاس موجبر A,B,C هستند
هـ) در صورتی که از تمام باند موجبر استفاده شود حرف F قرار می دهند، و اگر فقط از 15% باند استفاده وشد عددی که مشخص کننده ده برابر فرکانس میانی باند بر حسب گیگاهرتز است می آید.