Wellenleiter erklärt: Grundlagen, Modi und praktische Anwendungen

Ein Wellenleiter ist eine spezialisierte Übertragungsleitung, bestehend aus einem hohlen metallischen Rohr. Die Metallwände liefern verteilte Induktivität, während der interne Luftspalt verteilte Kapazität bereitstellt.

Wellenleiter leiten Mikrowellenenergie mit geringerem Verlust als Koaxialkabel.

Wellenleiter sind praktisch nur für Signale bei sehr hoher Frequenz, wo die Wellenlänge mit dem Querschnitt des Führers vergleichbar ist. Bei niedrigeren Frequenzen verlieren sie ihre Wirksamkeit als Übertragungsleitungen.

Verwendung von Wellenleitern als Übertragungsleitung

Als Übertragungsleitungen eingesetzt, sind Wellenleiter erheblich simpler zu fertigen und zu warten als Zweileiterkabel, insbesondere Koaxialkabel.

Mit nur einem einzigen Leiter – der Wellenleiterhülle – entfällt die Notwendigkeit, Leiter-zu-Leiter-Abstand oder Dielektrikumskonsistenz zu kontrollieren; das einzige Dielektrikum ist Luft.

Feuchtigkeit ist in Wellenleitern weniger problematisch als in Koaxialkabeln, weshalb sie oft auf Gasfüllung verzichten.

Wellenleiter fungieren als Kanäle für elektromagnetische Energie, die Welle leitend statt im konventionellen Sinne leitend.

Alle Übertragungsleitungen fungieren als Energiekanäle, aber die Ausbreitung in einem Einleiter-Wellenleiter unterscheidet sich fundamental von der in Zweileiterleitungen.

Was ist Transversale Elektrische und Magnetische (TEM) Wellenausbreitung?

Alle elektromagnetischen Wellen bestehen aus elektrischen und magnetischen Feldern, die sich zusammen ausbreiten, senkrecht zueinander. In einer Standard-Übertragungsleitung sind beide Felder transvers zur Ausbreitungsrichtung.

Dieser transversale Modus, TEM (Transverse Electric and Magnetic) genannt, existiert nur in Zweileiterleitungen und dominiert, wenn der Querschnitt der Leitung klein im Vergleich zur Wellenlänge ist.

Zweileiter-Übertragungsleitung Ausbreitung: TEM-Modus.

Bei Mikrowellenfrequenzen (100 MHz–300 GHz) werden Zweileiterleitungen im TEM-Modus über signifikante Längen unpraktikabel.

Leitungen, die klein genug sind, um TEM-Modus bei Mikrowellenfrequenzen aufrechtzuerhalten, leiden unter niedrigen Spannungsfestigkeiten und hohen parasitären Verlusten durch Skin-Effekt und Dielektrikumsverluste.

Glücklicherweise stehen bei diesen kurzen Wellenlängen alternative Ausbreitungsmodi zur Verfügung, die weniger verlustbehaftet sind, wenn ein leitendes Rohr statt paralleler Leiter verwendet wird. Hier werden Wellenleiter vorteilhaft.

Wenn eine elektromagnetische Welle ein hohles Rohr hinab wandert, bleibt nur eines der Felder – entweder elektrisch oder magnetisch – transvers zur Ausbreitungsrichtung. Das andere Feld schlingt sich längs, bleibt aber senkrecht zum transversalen Feld. Das transversale Feld bestimmt, ob die Welle im TE (Transversale Elektrische) oder TM (Transversale Magnetische) Modus ausbreitet.

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

Jeder Wellenleiter unterstützt mehrere Modusvariationen, aber eine umfassende Diskussion liegt außerhalb des Rahmens dieses Artikels.

Wie werden Signale in Wellenleiter eingekoppelt und ausgekoppelt?

Signale werden typischerweise mit kleinen antennenähnlichen Geräten in den Wellenleiter ein- oder ausgekoppelt. Diese Koppler können Dipole sein – zwei offene Stummel entsprechender Länge – oder ein einzelner Stummel (ein Halbdipol, ähnlich einer Peitschenantenne, ¼ λ physischer Länge) oder eine kurze Drahtschleife, die auf der inneren Oberfläche des Führers endet.

Stummel- und Schleifenkopplung an Wellenleiter.

In manchen Geräten, wie induktiven Ausgangsröhren (z. B. Klystron), fängt eine Hohlraum aus leitendem Material elektromagnetische Energie von einem modulierten Elektronenstrahl ohne direkten Kontakt ab.

Klystron induktive Ausgangsröhre.

Was ist ein Hohlraumresonator?

Wie Übertragungsleitungen kann ein blind endender Wellenleiter bei spezifischen Frequenzen resonieren. Als solches genutzt, wird das Gerät Hohlraumresonator genannt.

Induktive Ausgangsröhren verwenden toroidförmige Hohlraumresonatoren, um die Leistungsübertragung zwischen Elektronenstrahl und Ausgangswellenleiter zu maximieren.

Die Resonanzfrequenz eines Hohlraums kann durch Anpassen seiner physischen Abmessungen abgestimmt werden. Hersteller integrieren bewegliche Platten, Schrauben und andere mechanische Elemente für grobe Frequenzeinstellung.

Wenn ein Resonanzhohlraum an einem Ende offen ist, fungiert er als gerichtete Antenne.

Das folgende Foto zeigt einen selbstgebauten Wellenleiter aus einer Blechdose, verwendet als Antenne für ein 2,4-GHz-Wi-Fi-Signal (802.11b).

Das Koppelelement ist ein Viertelwellen-Stummel: ein massiver Kupferdraht von etwa 1-1/4 Zoll Länge, der vom Zentrum eines Koaxialsteckers in die Dose ragt.

Can-tenna illustriert Stummelkopplung an Wellenleiter.

Weitere Blechdosen-Antennen im Hintergrund umfassen eine Pringles-Chips-Dose, die trotz ihrer Pappkonstruktion eine metallische Innenbeschichtung hat, die die notwendige Leitfähigkeit liefert.

Einige Dosen haben noch Plastikdeckel. Während das Plastik nicht-leitend ist und das HF-Signal nicht stört, dient es als physische Barriere zum Schutz des Führers vor Wetter und Schmutz.

Echte Wellenleiter-Antennen verwenden ähnliche Barrieren, um das Rohr einzuschließen, während elektromagnetische Energie ungehindert passieren kann.

ZUSAMMENFASSUNG:

• Wellenleiter sind Metallrohre, die als Kanäle für elektromagnetische Wellen fungieren, geeignet nur für Signale, wo die Wellenlänge dem Querschnitt des Führers entspricht.
• Wellenausbreitung in einem Wellenleiter fällt in TE (Transversale Elektrische) oder TM (Transversale Magnetische) Modi, bestimmt davon, welches Feld transvers zur Ausbreitungsrichtung ist. Der TEM-Modus (Transversale Elektrische und Magnetische) existiert nur in Zweileiterleitungen und kann in einem Wellenleiter nicht aufrechterhalten werden.
• Ein blind endeter Wellenleiter, der als resonantes Element fungiert, heißt Hohlraumresonator.
• Ein offenendiger Hohlraumresonator arbeitet als gerichtete Antenne, strahlt oder empfängt HF-Energie von der offenen Seite.