Waveguides

Ein Wellenleiter ist eine Sonderform der Übertragungsleitung, die aus einem hohlen Metallrohr besteht. Die Röhrenwand bietet eine verteilte Induktivität, während der Leerraum zwischen den Röhrenwänden eine verteilte Kapazität bietet.

Wellenleiter leiten Mikrowellenenergie mit geringeren Verlusten als Koaxialkabel.

Wellenleiter sind nur für Signale mit extrem hoher Frequenz praktisch, bei denen die Wellenlänge sich den Querschnittsabmessungen des Wellenleiters annähert. Unterhalb dieser Frequenzen sind Wellenleiter als elektrische Übertragungsleitungen nutzlos.

Nutzung von Wellenleitern als Übertragungsleitung

Wenn sie jedoch als Übertragungsleitungen fungieren, sind Hohlleiter in ihrer Herstellung und Wartung erheblich einfacher als zweiadrige Kabel – insbesondere Koaxialkabel.

Bei nur einem einzigen Leiter (der „Hülle“ des Wellenleiters) gibt es keine Bedenken hinsichtlich des richtigen Leiter-zu-Leiter-Abstands oder der Konsistenz des dielektrischen Materials, da das einzige Dielektrikum in einem Wellenleiter Luft ist.

Feuchtigkeit ist in Hohlleitern auch kein so schwerwiegendes Problem wie in Koaxialkabeln, und so wird Hohlleitern oft von der Notwendigkeit des „Gasfüllens“ erspart.

Wellenleiter kann man sich als Leitungen für elektromagnetische Energie vorstellen, wobei der Wellenleiter selbst nichts anderes als ein „Leiter“ der Energie ist und nicht als Signalleiter im normalen Sinne des Wortes.

In gewisser Weise fungieren alle Übertragungsleitungen als Leitungen für elektromagnetische Energie, wenn sie Impulse oder Hochfrequenzwellen transportieren und die Wellen so lenken, wie die Ufer eines Flusses eine Flutwelle richten.

Da es sich bei Wellenleitern jedoch um Einzelleiterelemente handelt, ist die Ausbreitung elektrischer Energie durch einen Wellenleiter ganz anderer Natur als die Ausbreitung elektrischer Energie durch eine zweiadrige Übertragungsleitung.

Was ist transversale elektrische und magnetische (TEM) Wellenausbreitung?

Alle elektromagnetischen Wellen bestehen aus elektrischen und magnetischen Feldern, die sich in der gleichen Bewegungsrichtung ausbreiten, jedoch senkrecht zueinander. Entlang einer normalen Übertragungsleitung sind sowohl elektrische als auch magnetische Felder senkrecht (quer) zur Wellenausbreitungsrichtung.

Dies wird als Hauptmodus bezeichnet , oder TEM (T ransverse E Elektrik und M magnetischer) Modus. Diese Art der Wellenausbreitung kann nur existieren, wenn zwei Leiter vorhanden sind, und sie ist die dominante Art der Wellenausbreitung, bei der die Querschnittsabmessungen der Übertragungsleitung im Vergleich zur Wellenlänge des Signals klein sind.

Zweileiter-Übertragungsleitungsausbreitung:TEM-Modus.

Bei Mikrowelle Signalfrequenzen (zwischen 100 MHz und 300 GHz) werden zweiadrige Übertragungsleitungen beliebiger Länge, die im Standard-TEM-Modus betrieben werden, unpraktisch.

Leitungen, die im Querschnitt klein genug sind, um die Signalausbreitung im TEM-Modus für Mikrowellensignale aufrechtzuerhalten, haben in der Regel niedrige Nennspannungen und leiden unter großen, parasitären Leistungsverlusten aufgrund von Leiterhaut- und dielektrischen Effekten.

Glücklicherweise gibt es bei diesen kurzen Wellenlängen jedoch andere Ausbreitungsmodi, die nicht so „verlustbehaftet“ sind, wenn ein leitfähiges Rohr anstelle von zwei parallelen Leitern verwendet wird. Bei diesen hohen Frequenzen werden Waveguides praktisch.

Wenn sich eine elektromagnetische Welle durch eine hohle Röhre ausbreitet, ist nur eines der Felder – entweder elektrisch oder magnetisch – tatsächlich quer zur Ausbreitungsrichtung der Welle.

Das andere Feld wird längs zur Fahrtrichtung „geschleift“, aber immer noch senkrecht zum anderen Feld. Welches Feld quer zur Fahrtrichtung bleibt, bestimmt, ob sich die Welle in TE ausbreitet Modus (T ransverse E Elektro) oder TM (T ransverse M magnetischen) Modus.

Wellenleiter (TE) transversale elektrische und (TM) transversale magnetische Moden.

Für einen bestimmten Wellenleiter gibt es viele Variationen jeder Mode, und eine vollständige Diskussion dieses Themas würde den Rahmen dieses Buches sprengen.

Wie werden Signale in Wellenleiter eingeführt und daraus extrahiert?

Signale werden typischerweise mittels kleiner antennenartiger Kopplungsvorrichtungen, die in den Wellenleiter eingeführt werden, in Wellenleiter eingeführt und daraus extrahiert. Manchmal haben diese Kopplungselemente die Form eines Dipols, der nichts anderes ist als zwei offene Stichleitungen geeigneter Länge.

In anderen Fällen ist der Koppler eine einzelne Stichleitung (ein Halbdipol, im Prinzip ähnlich einer „Peitsche“-Antenne, 1/4λ physikalische Länge) oder eine kurze Drahtschleife, die an der Innenfläche des Wellenleiters endet.

Stich- und Schleifenkopplung zum Wellenleiter.

In einigen Fällen, z. B. bei einer Klasse von Vakuumröhrengeräten, die als induktive Endröhren bezeichnet werden (das sogenannte Klystron Röhre in diese Kategorie fällt), kann ein aus leitfähigem Material gebildeter „Hohlraum“ elektromagnetische Energie von einem modulierten Elektronenstrahl abfangen, ohne Kontakt mit dem Strahl selbst zu haben.

Induktive Klystron-Ausgangsröhre.

Was ist ein Hohlraumresonator?

Genauso wie Übertragungsleitungen als Resonanzelemente in einem Stromkreis fungieren können, insbesondere wenn sie durch einen Kurzschluss oder eine Unterbrechung abgeschlossen werden, kann ein Hohlleiter mit totem Ende auch bei bestimmten Frequenzen mitschwingen.

Wenn es als solches verwendet wird, wird das Gerät als Kavitätenresonator bezeichnet . Induktive Ausgangsröhren verwenden toroidförmige Hohlraumresonatoren, um die Leistungsübertragungseffizienz zwischen dem Elektronenstrahl und dem Ausgangskabel zu maximieren.

Eine Hohlraumresonanzfrequenz kann durch Ändern ihrer physikalischen Abmessungen geändert werden. Zu diesem Zweck werden Hohlräume mit beweglichen Platten, Schrauben und anderen mechanischen Elementen zum Stimmen hergestellt, um eine grobe Resonanzfrequenzeinstellung zu ermöglichen.

Wenn ein Resonanzhohlraum an einem Ende offen gemacht wird, funktioniert er als unidirektionale Antenne.

Das folgende Foto zeigt einen selbstgebauten Hohlleiter aus einer Blechdose, der als Antenne für ein 2,4-GHz-Signal in einem „802.11b“-Computerkommunikationsnetzwerk verwendet wird.

Das Kopplungselement ist eine Viertelwellen-Stichleitung:nichts anderes als ein Stück massiver Kupferdraht mit einer Länge von etwa 1-1/4 Zoll, das sich von der Mitte eines Koaxialkabelsteckers aus erstreckt, der die Seite der Dose durchdringt.

Can-tenna veranschaulicht die Kopplung der Stichleitung mit dem Wellenleiter.

Im Hintergrund sind noch ein paar Dosenantennen zu sehen, eine davon eine Kartoffelchipdose „Pringles“. Obwohl diese Dose aus Pappe (Papier) besteht, bietet ihre metallische Innenauskleidung die notwendige Leitfähigkeit, um als Wellenleiter zu funktionieren.

Einige der Dosen im Hintergrund haben noch ihre Plastikdeckel. Da der Kunststoff nicht leitend ist, stört er das HF-Signal nicht, wirkt jedoch als physikalische Barriere, um zu verhindern, dass Regen, Schnee, Staub und andere physikalische Verunreinigungen in den Wellenleiter eindringen.

„Echte“ Hohlleiterantennen verwenden ähnliche Barrieren, um das Rohr physisch zu umschließen und dennoch elektromagnetische Energie ungehindert passieren zu lassen.

RÜCKBLICK:

• Waveguides sind Metallrohre, die als „Leitungen“ zur Übertragung elektromagnetischer Wellen dienen. Sie sind nur für Signale mit extrem hoher Frequenz praktisch, bei denen die Signalwellenlänge sich den Querschnittsabmessungen des Wellenleiters annähert.
• Die Wellenausbreitung durch einen Wellenleiter kann in zwei große Kategorien eingeteilt werden:TE (Querstrom) oder TM (Transversal Magnetic), abhängig davon, welches Feld (elektrisch oder magnetisch) senkrecht (quer) zur Wellenausbreitungsrichtung steht. Die Wellenausbreitung entlang einer Standard-Zweileiter-Übertragungsleitung ist von der TEM (Transverse Electric and Magnetic) Modus, bei dem beide Felder senkrecht zur Fahrtrichtung ausgerichtet sind. Der TEM-Modus ist nur mit zwei Leitern möglich und kann in einem Wellenleiter nicht existieren.
• Ein Hohlleiter mit totem Ende, der als Resonanzelement in einem Mikrowellenkreis dient, wird als Hohlraumresonator bezeichnet .
• Ein Hohlraumresonator mit offenem Ende fungiert als unidirektionale Antenne, die HF-Energie in Richtung des offenen Endes sendet oder empfängt.