Решетка волновода

Типы волноводных решеток

Волноводная решетка представляет собой совокупность волноводов или структур, предназначенных для направленного распространения волн, таких как электромагнитные волны, световые волны или звуковые волны. Существует несколько типов волноводных решеток, в зависимости от типа волны, которую они направляют. К ним относятся;

• Электромагнитные волноводные решетки: В эту категорию входят такие структуры, как антенные решетки, где множество антенн объединяются для создания решетки, передающей или принимающей электромагнитные волны. Волноводные решетки также могут использоваться для проектирования компонентов для систем СВЧ и миллиметровых волн, таких как делители мощности, смесители или фильтры.
• Оптические волноводные решетки: Они состоят из интеграции множества волноводов в фотонных устройствах для управления световыми волнами. К ним относятся решетки делителей луча, решетки с дифракционными решетками, а также массивы микро-светодиодов или лазерных диодов.
• Ультразвуковые волноводные решетки: Их используют в приложениях, связанных со звуковыми волнами, например, в фазированных антенных решетках ультразвуковых преобразователей для медицинской визуализации или неразрушающего контроля. Волноводные решетки также могут использоваться для направления и управления другими типами волн, такими как электромагнитные, оптические или акустические волны, для различных применений.

В зависимости от структуры волновода, существуют различные типы:

• Прямоугольные волноводы: Их используют для направленного распространения волн в диапазоне СВЧ частот. Волноводная ректификационная антенна представляет собой устройство сбора энергии, которое преобразует микроволновое или радиочастотное (РЧ) электромагнитное излучение в постоянный ток с помощью массива дипольных антенн (также называемых ректификационными антеннами), интегрированных с волноводами.
• Круглые волноводы: К ним относятся пассивные РЧ компоненты, такие как циркуляционные волноводы и волноводы с ребрами для без потерь передачи линий.
• Лазерный или волоконно-оптический массив: Лазерный массив представляет собой волноводный лазер. Лазерные массивы бывают разных типов, в том числе диодные, волоконные и твердотельные лазерные массивы.
• Плазмонные волноводные решетки: Они позволяют направленно распространять волны и интегрировать их с наноструктурами для биосенсорных применений.

Функции и особенности волноводных решеток

Основная функция волноводных решеток - направлять волны от источника к нужному месту. Это зависит от конструкции решетки. Например, дизайн с сопряженным переносом будет направлять волну для сопряженного переноса между входом и выходом. Волноводная решетка состоит из многих секций, каждая из которых вносит свой вклад в общий эффект.

Некоторые функции являются общими для большинства конструкций решеток:

• Преобразователи мод: Они изменяют поляризацию или моду пучка. Они обеспечивают соответствие волноводной решетки свойствам входного пучка. Первая секция решетки обычно выполняет эту функцию. Например, когда круглый волновод питает волокно, преобразователь мод превратит круговой режим в плоский режим. Преобразование происходит за один шаг, но волноводные решетки также могут выполнять эту функцию с помощью нескольких шагов.
• Сцепляющие устройства: Это секции, которые соединяют волноводы в континууме. Они обеспечивают эффективную передачу энергии от одного волновода к другому. Они также поддерживают характеристики волноводных решеток и эффективность сцепления.
• Фокусирующие компоненты: Они необходимы для фокусировки или коллимации пучка. Они гарантируют, что пучок сохраняет правильную интенсивность и форму во время процесса сцепления.
• Компенсация дисперсии: Этот эффект необходим для компенсации временного расширения пучка. Он гарантирует сохранение временной информации при распространении волн от входного волновода к выходному.

Различные компоненты позволяют волноводным решеткам выполнять множество функций. Они также могут адаптироваться к различным рабочим сценариям. Фокусирующие линзы, например, помогают коллимировать или фокусировать волноводный пучок, в то время как смеситель мод преобразует исходный пучок в равномерное распределение.

К другим особенностям относятся компактная структура, которая уменьшает площадь устройства, и быстрое производство, которое позволяет изготавливать устройство в больших количествах с низкой стоимостью. Они также отличаются согласованностью и позволяют проводить малопотеристую передачу луча.

Области применения волноводных решеток

Волноводные решетки открывают множество возможностей для прогресса в различных отраслях, в том числе в телекоммуникациях, аэрокосмической отрасли и медицине. К областям применения относятся;

• Медицинские приложения: Используемые в эндоскопических катетерных устройствах для лечения определенных заболеваний, массивы волноводов поддерживают доставку точной световой терапии за счет интеграции волоконных лазеров в компактную и гибкую конфигурацию. Эти приложения с волноводными лазерами позволяют одновременно освещать множество тканевых мишеней, повышая эффективность фототерапии и минимизируя повреждение окружающих тканей. Такой подход с использованием волноводов открывает большие возможности для совершенствования терапевтических методик, таких как лазерная абляция, фотодинамическая терапия и таргетированное тканевое облучение при малоинвазивных операциях.
• Оптическая связь: В системах оптической связи антенные решетки на основе волноводов могут умножить пропускную способность каналов связи с лазерами в свободном пространстве за счет использования методов MIMO (множественный вход, множественный выход). Они также повышают надежность передачи данных в системах свободно-пространственной оптической связи за счет использования методов приема с разнообразием. Благодаря бесшовной интеграции с сетями оптических волноводов антенные решетки могут оптимизировать маршрутизацию и обнаружение сигналов в современных фотонных интегральных схемах. Они также открывают путь для точных лазерных систем LiDAR и датчиков благодаря своей способности управлять световыми полями и измерять их в сложных условиях.
• Квантовые технологии: Системы обнаружения фотонов могут извлечь выгоду из технологии волноводных решеток для достижения точных измерений и обнаружения квантовых состояний в многофотонных квантовых системах. Используя подход MIMO, они повышают надежность и устойчивость квантовой связи и сетей за счет использования методов приема с разнообразием. Их совместимость с сетями оптических волноводов позволяет бесшовно интегрировать их с установками квантовой оптики, обеспечивая эффективное управление и маршрутизацию квантованных световых полей. Кроме того, антенные решетки на основе волноводов способствуют разработке передовых квантовых датчиков и устройств визуализации, работающих на основе запутанного или сжатого света.
• Аэрокосмическая и оборонная промышленность: Волноводная технология интегрирована в электронные системы и компактные радары для идентификации, отслеживания и целеуказания воздушных, наземных и морских объектов, что приводит к улучшению ситуационной осведомленности и возможностей выполнения миссий. Они также обеспечивают высокоскоростные каналы связи для ракет, беспилотных летательных аппаратов и современных истребителей за счет использования лазерных систем, которые используют компактные твердотельные источники. Лазерная технология антенных решеток на основе волноводов повышает возможности боевых лазерных систем для обеспечения точного терминального наведения, глубокого поражения, противовоздушной обороны и противодействия угрозам направленной энергии.
• Измерения: Метрологические приложения используют лазерные лучи для точных измерений, таких как выравнивание луча, измерение высоты и измерение расстояния, в метрологических тоннелях и приложениях с использованием платформенных защитных дверей. Приложения в нефтегазовой промышленности используют компактные лазерные инструменты совпадения для точного управления вращающимися и ленточными конвейерными компонентами, а также для обеспечения правильной установки и выравнивания вращающегося и осевого оборудования. Лазерные измерительные системы играют решающую роль в промышленных и автомобильных приложениях, используя лазерные лучи для обеспечения точного измерения размеров, чтобы гарантировать качество оборудования и проверять детали после сборки в ограниченном пространстве.

Как выбрать волноводные решетки

При выборе антенны на основе волновода важно тщательно рассмотреть и оценить различные факторы, чтобы убедиться, что выбрана правильная решетка, соответствующая конкретным требованиям приложения. К важным факторам, которые следует учитывать, относятся;

• Рабочие частоты: Необходимо определить рабочие частоты волновода, так как модель решетки антенны напрямую зависит от частоты, на которой работает антенна. То же самое относится к осевым отношениям и усилению. Оба эти параметра зависят от частоты из-за расчета соответствующих метрик.
• Ограничения по размеру и весу: Ограничения по размеру и весу антенны являются важными факторами, которые необходимо учитывать при оценке, так как они накладывают физические ограничения на установку волновода. Учет ограничений свободного пространства или платформы обеспечивает геометрические ограничения, которые должны быть согласованы с любыми размерными требованиями, установленными конкретным дизайном волновода.
• Требования к поляризации: При выборе конкретной модели волновода важно учитывать, будет ли он использоваться для линейной или круговой поляризации, так как различные антенны имеют разные характеристики в зависимости от того, будут ли они использоваться для того или иного.
• Монтаж и интеграция: Монтаж и интеграция антенны на основе волноводной решетки должны учитываться в связи с платформой и ее системой. Также необходимо учитывать среду, в которой будет устанавливаться антенна. Такие факторы, как ограничения пространства и существующие системы, играют важную роль в определении модели и типа антенны, которая будет использоваться.
• Дальность и покрытие: Дальность и покрытие антенны - это важный фактор, который влияет на модель антенны, которую необходимо выбрать. Способность излучать радиочастотные сигналы на определенное расстояние и географическую область, которую она может охватить, важна и должна оцениваться, чтобы убедиться в правильности выбора решетки.
• Требования к усилению: Аналогично перечисленным выше факторам, требования к усилению антенны должны быть оценены, чтобы определить, сколько элементов требуется, как они расположены и какая модель будет использоваться. Способность антенны фокусировать свое излучение и прием в определенном направлении, чтобы увеличить свою эффективную дальность или чувствительность, зависит от различных факторов, характерных для каждой модели.

Вопросы и ответы о волноводных решетках

В1: В чем заключается применение волновода?

О1: Их используют во многих приложениях, где необходимо направлять электромагнитные волны с высокой эффективностью. Примерами применения являются передача микроволн, лазерные лучи, терагерцовые волноводы, оптические волокна и системы связи.

В2: Каковы преимущества волновода?

О2: У волноводов много преимуществ: они обеспечивают малопотеристую передачу электромагнитных волн, компактные размеры и могут использоваться при высоких уровнях мощности. Они также обладают способностью защищать сигналы от внешних помех.

В3: В чем разница между волноводом и антенной?

О3: Волновод - это устройство передачи, которое направляет электромагнитные волны в определенное место. Напротив, антенна - это устройство излучения, которое может передавать или принимать электромагнитные волны. Антенны преобразуют токи в проводниках в излучаемые электромагнитные волны и наоборот.

В4: Что делает волновод с сигналом?

О4: Волновод направляет электромагнитные волны в определенные моды. Волноводная решетка может управлять формой направляемой волны, что важно для применения в области измерений и связи.