Wellenleiter (Radiofrequenz) – Wikipedia

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“Wellenleiter (Elektromagnetismus)” leitet hier um. Informationen zu optischen Wellenleitern finden Sie unter Wellenleiter (Optik). Weitere Arten von Wellenleitern finden Sie unter Wellenleiter.
Sammlung von Standardwellenleiterkomponenten.

In der Hochfrequenz- und Kommunikationstechnik, Wellenleiter ist ein hohles Metallrohr, das zum Tragen von Funkwellen verwendet wird.[1] Diese Art von Wellenleiter wird als Übertragungsleitung hauptsächlich bei Mikrowellenfrequenzen verwendet, beispielsweise zum Verbinden von Mikrowellensendern und -empfängern mit ihren Antennen in Geräten wie Mikrowellenöfen, Radarsätzen, Satellitenkommunikation und Mikrowellenfunkverbindungen.

Man kann sich vorstellen, dass sich die elektromagnetischen Wellen in einem (Metallrohr-) Wellenleiter in einem Zick-Zack-Pfad entlang der Führung bewegen und wiederholt zwischen gegenüberliegenden Wänden der Führung reflektiert werden. Für den besonderen Fall von rechteckiger WellenleiterAuf dieser Ansicht kann eine genaue Analyse basieren. Die Ausbreitung in einem dielektrischen Wellenleiter kann auf die gleiche Weise betrachtet werden, wobei die Wellen durch Totalreflexion an seiner Oberfläche auf das Dielektrikum beschränkt sind. Einige Strukturen, wie nicht strahlende dielektrische Wellenleiter und die Goubau-Linie, verwenden sowohl Metallwände als auch dielektrische Oberflächen, um die Welle einzuschränken.

Prinzip[edit]

Beispiel für Wellenleiter und einen Diplexer in einem Flugsicherungsradar

Je nach Frequenz können Wellenleiter entweder aus leitenden oder aus dielektrischen Materialien hergestellt werden. Im Allgemeinen ist der Wellenleiter umso größer, je niedriger die zu übergebende Frequenz ist. Beispielsweise ist der natürliche Wellenleiter, den die Erde bildet, gegeben durch die Abmessungen zwischen der leitenden Ionosphäre und dem Boden sowie den Umfang in der mittleren Höhe der Erde, bei 7,83 Hz resonant. Dies ist als Schumann-Resonanz bekannt. Andererseits können Wellenleiter, die bei der Kommunikation mit extrem hohen Frequenzen (EHF) verwendet werden, weniger als einen Millimeter breit sein.

Geschichte[edit]

George C. Southworth, der in den frühen 1930er Jahren Wellenleiter vor einem kilometerlangen experimentellen Wellenleiter in Bell Labs, Holmdel, New Jersey, entwickelte, verwendete in seinen Forschungen[2]
Southworth (links) Demonstration des Wellenleiters beim IRE-Treffen im Jahr 1938,[2] zeigt 1,5-GHz-Mikrowellen, die durch den 7,5 m langen flexiblen Metallschlauch laufen, der auf einem Diodendetektor registriert ist.

In den 1890er Jahren führten Theoretiker die ersten Analysen elektromagnetischer Wellen in Kanälen durch.[3] Um 1893 leitete JJ Thomson die elektromagnetischen Moden in einem zylindrischen Metallhohlraum ab.[3] 1897 führte Lord Rayleigh eine endgültige Analyse der Wellenleiter durch. Er löste das Randwertproblem elektromagnetischer Wellen, die sich sowohl durch leitende Röhren als auch durch dielektrische Stäbe beliebiger Form ausbreiten.[3][4][5][6] Er zeigte, dass sich die Wellen ohne Dämpfung nur in bestimmten Normalmoden entweder mit dem elektrischen Feld (TE-Moden) oder dem Magnetfeld (TM-Moden) oder beiden senkrecht zur Ausbreitungsrichtung ausbreiten können. Er zeigte auch, dass jeder Modus eine Grenzfrequenz hatte, unterhalb derer sich Wellen nicht ausbreiten würden. Da die Grenzwellenlänge für eine gegebene Röhre in der gleichen Größenordnung wie ihre Breite lag, war klar, dass eine hohle leitende Röhre keine Funkwellenlängen tragen konnte, die viel größer als ihr Durchmesser waren. 1902 beobachtete RH Weber, dass sich elektromagnetische Wellen in Röhren langsamer ausbreiten als im freien Raum, und folgerte den Grund; dass sich die Wellen in einem “Zick-Zack” -Pfad bewegen, wenn sie von den Wänden reflektiert werden.[3][5][7]

Vor den 1920er Jahren konzentrierten sich die praktischen Arbeiten an Funkwellen auf das niederfrequente Ende des Funkspektrums, da diese Frequenzen für die Fernkommunikation besser waren.[3] Diese lagen weit unter den Frequenzen, die sich selbst in großen Wellenleitern ausbreiten konnten, so dass in dieser Zeit nur wenige experimentelle Arbeiten an Wellenleitern durchgeführt wurden, obwohl einige Experimente durchgeführt wurden. In einem Vortrag vom 1. Juni 1894 “Die Arbeit von Hertz” vor der Royal Society demonstrierte Oliver Lodge die Übertragung von 3-Zoll-Radiowellen von einer Funkenstrecke durch einen kurzen zylindrischen Kupferkanal.[3][8] In seiner bahnbrechenden Forschung zu Mikrowellen zwischen 1894 und 1900 verwendete Jagadish Chandra Bose kurze Rohrlängen, um die Wellen zu leiten. Einige Quellen schreiben ihm daher die Erfindung des Wellenleiters zu.[9] Danach wurde das Konzept, dass Funkwellen von einer Röhre oder einem Kanal übertragen werden, jedoch aus technischen Gründen außer Kraft gesetzt.[3]

In den 1920er Jahren wurden die ersten kontinuierlichen Quellen für hochfrequente Radiowellen entwickelt: die Barkhausen-Kurz-Röhre,[10] der erste Oszillator, der Strom bei UHF-Frequenzen erzeugen könnte; und das Split-Anode-Magnetron, das in den 1930er Jahren Funkwellen mit bis zu 10 GHz erzeugt hatte.[3] Dies ermöglichte die erste systematische Erforschung von Mikrowellen in den 1930er Jahren. Es wurde festgestellt, dass Übertragungsleitungen, die zur Übertragung von niederfrequenten Funkwellen, parallelen Leitungen und Koaxialkabeln verwendet werden, übermäßige Leistungsverluste bei Mikrowellenfrequenzen aufweisen, was die Notwendigkeit eines neuen Übertragungsverfahrens erforderlich macht.[3][10]

Der Wellenleiter wurde zwischen 1932 und 1936 von George C. Southworth in den Bell Telephone Laboratories unabhängig entwickelt[2] und Wilmer L. Barrow vom Massachusetts Institute of Technology, der ohne gegenseitiges Wissen arbeitete.[3][5][6][10] Southworths Interesse wurde während seiner Doktorarbeit in den 1920er Jahren geweckt, in der er die Dielektrizitätskonstante von Wasser mit einer hochfrequenten Lecher-Leitung in einem langen Wassertank maß. Er fand heraus, dass der Wassertank, wenn er die Lecher-Leitung entfernte, immer noch Resonanzspitzen zeigte, was darauf hinweist, dass er als dielektrischer Wellenleiter fungierte.[3] 1931 nahm er an den Bell Labs die Arbeit mit dielektrischen Wellenleitern wieder auf. Im März 1932 beobachtete er Wellen in wassergefüllten Kupferrohren. Rayleighs frühere Arbeiten waren vergessen worden, und Sergei A. Schelkunoff, ein Mathematiker von Bell Labs, führte theoretische Analysen von Wellenleitern durch[3][11] und wiederentdeckte Wellenleitermodi. Im Dezember 1933 wurde festgestellt, dass mit einem Metallmantel das Dielektrikum überflüssig ist und die Aufmerksamkeit auf Metallwellenleiter verlagert wird.

Barrow hatte sich 1930 für hohe Frequenzen interessiert und bei Arnold Sommerfeld in Deutschland studiert.[3] Am MIT arbeitete er ab 1932 an Hochfrequenzantennen, um schmale Funkwellenstrahlen zu erzeugen und Flugzeuge im Nebel zu lokalisieren. Er erfand eine Hornantenne und kam auf die Idee, ein Hohlrohr als Zuleitung zu verwenden, um der Antenne Funkwellen zuzuführen.[3] Bis März 1936 hatte er die Ausbreitungsmodi und die Grenzfrequenz in einem rechteckigen Wellenleiter abgeleitet.[10] Die Quelle, die er verwendete, hatte eine große Wellenlänge von 40 cm. Für seine ersten erfolgreichen Wellenleiterexperimente verwendete er einen 16-Fuß-Abschnitt eines Luftkanals mit einem Durchmesser von 18 Zoll.[3]

Barrow und Southworth wurden einige Wochen vor der geplanten Präsentation von Arbeiten zu Wellenleitern auf einem gemeinsamen Treffen der American Physical Society und des Institute of Radio Engineers im Mai 1936 auf ihre Arbeit aufmerksam.[3][10] Sie haben freundschaftlich Vereinbarungen über die Aufteilung von Krediten und die Aufteilung von Patenten getroffen.

Die Entwicklung des Zentimeterradars während des Zweiten Weltkriegs und der ersten Hochleistungs-Mikrowellenröhren, des Klystrons (1938) und des Hohlraummagnetrons (1940), führte zur ersten weit verbreiteten Verwendung von Wellenleitern.[10] Es wurden Standardwellenleiter- “Sanitär” -Komponenten mit Flanschen am Ende hergestellt, die miteinander verschraubt werden konnten. Nach dem Krieg in den 1950er und 60er Jahren wurden Wellenleiter in kommerziellen Mikrowellensystemen wie Flughafenradar- und Mikrowellenrelais-Netzwerken, die zur Übertragung von Telefonanrufen und Fernsehprogrammen zwischen Städten gebaut wurden, üblich.

Beschreibung[edit]

Rechteckiger hohler Wellenleiter
Flexibler Wellenleiter von einem J-Band-Radar

Im Mikrowellenbereich des elektromagnetischen Spektrums besteht ein Wellenleiter normalerweise aus einem hohlen metallischen Leiter. Diese Wellenleiter können die Form einzelner Leiter mit oder ohne dielektrische Beschichtung haben, z. B. die Goubau-Leitung und spiralförmige Wellenleiter. Hohlwellenleiter müssen einen Durchmesser von einer halben Wellenlänge oder mehr haben, um eine oder mehrere Transversalwellenmoden zu unterstützen.

Wellenleiter können mit Druckgas gefüllt werden, um Lichtbögen zu verhindern und eine Mehrfachverdichtung zu verhindern, wodurch eine höhere Leistungsübertragung ermöglicht wird. Umgekehrt kann es erforderlich sein, dass Wellenleiter als Teil evakuierter Systeme (z. B. Elektronenstrahlsysteme) evakuiert werden.

Ein geschlitzter Wellenleiter wird im Allgemeinen für Radar und andere ähnliche Anwendungen verwendet. Der Wellenleiter dient als Einspeisungspfad, und jeder Schlitz ist ein separater Strahler, wodurch eine Antenne gebildet wird. Diese Struktur hat die Fähigkeit, ein Strahlungsmuster zu erzeugen, um eine elektromagnetische Welle in einer bestimmten relativ engen und steuerbaren Richtung auszulösen.

EIN geschlossener Wellenleiter ist ein elektromagnetischer Wellenleiter (a), der rohrförmig ist, üblicherweise einen kreisförmigen oder rechteckigen Querschnitt aufweist, (b) elektrisch leitende Wände aufweist, (c) hohl ist oder mit einem dielektrischen Material gefüllt ist, (d) das a tragen kann eine große Anzahl von diskreten Ausbreitungsmodi, obwohl nur wenige praktisch sein können, (e) in denen jeder diskrete Modus die Ausbreitungskonstante für diesen Modus definiert, (f) in der das Feld an einem beliebigen Punkt in Bezug auf die unterstützten Modi beschrieben werden kann, (g) in denen kein Strahlungsfeld vorhanden ist und (h) in denen Diskontinuitäten und Biegungen eine Modenumwandlung verursachen können, jedoch keine Strahlung.[citation needed]

Die Abmessungen eines hohlen metallischen Wellenleiters bestimmen, welche Wellenlängen er unterstützen kann und in welchen Moden. Typischerweise wird der Wellenleiter so betrieben, dass nur ein einziger Modus vorhanden ist. Der niedrigstmögliche Ordnungsmodus wird im Allgemeinen ausgewählt. Frequenzen unterhalb der Grenzfrequenz der Führung breiten sich nicht aus. Es ist möglich, Wellenleiter in Moden höherer Ordnung oder mit mehreren vorhandenen Moden zu betreiben, dies ist jedoch normalerweise unpraktisch.

Wellenleiter bestehen fast ausschließlich aus Metall und meist starren Strukturen. Es gibt bestimmte Arten von “gewellten” Wellenleitern, die sich biegen und biegen können, aber nur dort eingesetzt werden, wo dies wesentlich ist, da sie die Ausbreitungseigenschaften verschlechtern. Aufgrund der Ausbreitung von Energie hauptsächlich in Luft oder Raum innerhalb des Wellenleiters ist es einer der verlustärmsten Übertragungsleitungstypen und für Hochfrequenzanwendungen, bei denen die meisten anderen Arten von Übertragungsstrukturen große Verluste verursachen, sehr bevorzugt. Aufgrund des Hauteffekts bei hohen Frequenzen dringt elektrischer Strom entlang der Wände typischerweise nur wenige Mikrometer in das Metall der Innenfläche ein. Da hier der größte Teil des Widerstandsverlusts auftritt, ist es wichtig, dass die Leitfähigkeit der Innenfläche so hoch wie möglich gehalten wird. Aus diesem Grund sind die meisten Wellenleiterinnenflächen mit Kupfer, Silber oder Gold beschichtet.

VSWR-Messungen (Voltage Standing Wave Ratio) können durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass ein Wellenleiter zusammenhängend ist und keine Lecks oder scharfen Biegungen aufweist. Wenn solche Biegungen oder Löcher in der Wellenleiteroberfläche vorhanden sind, kann dies die Leistung sowohl der an beiden Enden angeschlossenen Sender- als auch der Empfängerausrüstung beeinträchtigen. Eine schlechte Übertragung durch den Wellenleiter kann auch als Folge von Feuchtigkeitsansammlungen auftreten, die die Leitfähigkeit der Innenflächen korrodieren und verschlechtern, was für eine geringe Verlustausbreitung entscheidend ist. Aus diesem Grund sind Wellenleiter am äußeren Ende nominell mit Mikrowellenfenstern ausgestattet, die die Ausbreitung nicht stören, aber die Elemente fernhalten. Feuchtigkeit kann auch dazu führen, dass sich in Hochleistungssystemen wie Funk- oder Radarsendern Pilze ansammeln oder Lichtbögen bilden. Feuchtigkeit in Wellenleitern kann typischerweise mit Kieselgel, einem Trockenmittel oder einer leichten Druckbeaufschlagung der Wellenleiterhohlräume mit trockenem Stickstoff oder Argon verhindert werden. Trockenmittel-Kieselgelkanister können mit Schraubspitzen befestigt werden, und Systeme mit höherer Leistung verfügen über Drucktanks zur Aufrechterhaltung des Drucks, einschließlich Leckagemonitoren. Lichtbögen können auch auftreten, wenn die leitenden Wände ein Loch, einen Riss oder eine Beule aufweisen, wenn sie mit hoher Leistung (normalerweise 200 Watt oder mehr) übertragen werden. Wellenleiter Sanitär[12] ist entscheidend für die ordnungsgemäße Wellenleiterleistung. Stehende Spannungswellen treten auf, wenn Impedanzfehlanpassungen im Wellenleiter bewirken, dass Energie in die entgegengesetzte Ausbreitungsrichtung zurückreflektiert wird. Diese Reflexionen begrenzen nicht nur die effektive Energieübertragung, sondern können auch höhere Spannungen im Wellenleiter verursachen und die Ausrüstung beschädigen.

Abschnitt des flexiblen Wellenleiters

Wellenleiter (Knöchelstück 900MHz)

In der Praxis dienen Wellenleiter als Äquivalent zu Kabeln für Superhochfrequenzsysteme (SHF). Für solche Anwendungen ist es erwünscht, Wellenleiter mit nur einem Modus zu betreiben, der sich durch den Wellenleiter ausbreitet. Mit rechteckigen Wellenleitern ist es möglich, den Wellenleiter so zu gestalten, dass das Frequenzband, über das sich nur ein Modus ausbreitet, 2: 1 beträgt (dh das Verhältnis der oberen Bandkante zur unteren Bandkante beträgt zwei). Die Beziehung zwischen den Wellenleiterdimensionen und der niedrigsten Frequenz ist einfach: wenn

W.{ displaystyle scriptstyle W}

Ist die größere ihrer beiden Dimensionen, so ist die längste Wellenlänge, die sich ausbreiten wird

λ=2W.{ displaystyle scriptstyle lambda ; = ; 2W}

und die niedrigste Frequenz ist somit

f=c/.λ=c/.2W.{ displaystyle scriptstyle f ; = ; c / lambda ; = ; c / 2W}

Bei kreisförmigen Wellenleitern beträgt die höchstmögliche Bandbreite, bei der sich nur ein einziger Modus ausbreitet, nur 1,3601: 1.[13]

Da rechteckige Wellenleiter eine viel größere Bandbreite haben, über die sich nur ein einziger Modus ausbreiten kann, existieren Standards für rechteckige Wellenleiter, jedoch nicht für kreisförmige Wellenleiter. Im Allgemeinen (aber nicht immer) sind Standardwellenleiter so ausgelegt, dass

  • Ein Band beginnt dort, wo ein anderes Band endet, mit einem anderen Band, das die beiden Bänder überlappt[14]
  • Die Unterkante des Bandes ist ungefähr 30% höher als die Grenzfrequenz des Wellenleiters
  • Die Oberkante des Bandes ist ungefähr 5% niedriger als die Grenzfrequenz des Modus nächster höherer Ordnung
  • Die Wellenleiterhöhe beträgt die Hälfte der Wellenleiterbreite

Die erste Bedingung besteht darin, Anwendungen in der Nähe von Bandkanten zu ermöglichen. Die zweite Bedingung begrenzt die Dispersion, ein Phänomen, bei dem die Ausbreitungsgeschwindigkeit eine Funktion der Frequenz ist. Es begrenzt auch den Verlust pro Längeneinheit. Die dritte Bedingung besteht darin, eine Kopplung evaneszenter Wellen über Moden höherer Ordnung zu vermeiden. Die vierte Bedingung ist die, die eine Betriebsbandbreite von 2: 1 zulässt. Obwohl es möglich ist, eine Betriebsbandbreite von 2: 1 zu haben, wenn die Höhe weniger als die Hälfte der Breite beträgt, maximiert eine Höhe von genau der Hälfte der Breite die Leistung, die sich innerhalb des Wellenleiters ausbreiten kann, bevor ein dielektrischer Durchschlag auftritt.

Unten finden Sie eine Tabelle mit Standardwellenleitern. Der Wellenleitername WR steht für Wellenleiter rechteckigund die Zahl ist die innere Abmessungsbreite des Wellenleiters in Hundertstel Zoll (0,01 Zoll = 0,254 mm), gerundet auf den nächsten Hundertstel Zoll.

Standardgrößen des rechteckigen Wellenleiters
Wellenleitername Frequenzbandname Empfohlenes Betriebsfrequenzband (GHz) Grenzfrequenz des Modus niedrigster Ordnung (GHz) Grenzfrequenz des nächsten Modus (GHz) Innenabmessungen der Wellenleiteröffnung
UVP RCSC * * IEC (Zoll) (mm)
WR2300 WG0.0 R3 0,32 – 0,45 0,257 0,513 23.000 × 11.500 584,20 × 292,10
WR2100 WG0 R4 0,35 – 0,50 0,281 0,562 21.000 × 10.500 533,40 × 266,7
WR1800 WG1 R5 0,45 – 0,63 0,328 0,656 18.000 × 9.000 457,20 × 228,6
WR1500 WG2 R6 0,50 – 0,75 0,393 0,787 15.000 × 7.500 381,00 × 190,5
WR1150 WG3 R8 0,63 – 0,97 0,513 1,026 11.500 × 5.750 202,10 × 146,5
WR975 WG4 R9 0,75 – 1,15 0,605 1.211 9,750 × 4,875 247,7 × 123,8
WR770 WG5 R12 0,97 – 1,45 0,766 1,533 7,700 × 3,850 195,6 × 97,79
WR650 WG6 R14 L Band (Teil) 1,15 – 1,72 0,908 1,816 6.500 × 3.250 165,1 × 82,55
WR510 WG7 R18 1,45 – 2,20 1.157 2.314 5,100 × 2,550 129,5 × 64,77
WR430 WG8 R22 1,72 – 2,60 1,372 2,745 4.300 × 2.150 109,2 × 54,61
WR340 WG9A R26 S-Band (Teil) 2,20 – 3,30 1,736 3.471 3.400 × 1.700 86,36 × 43,18
WR284 WG10 R32 S-Band (Teil) 2,60 – 3,95 2,078 4.156 2,840 × 1,340 † 72,14 × 34,94
WR229 WG11A R40 C-Band (Teil) 3,30 – 4,90 2,577 5.154 2,290 × 1,145 58,17 × 29,08
WR187 WG12 R48 C-Band (Teil) 3,95 – 5,85 3.153 6.305 1,872 × 0,872 † 47,55 × 22,2
WR159 WG13 R58 C-Band (Teil) 4,90 – 7,05 3.712 7.423 1,590 × 0,795 40,38 × 20,2
WR137 WG14 R70 C-Band (Teil) 5,85 – 8,20 4.301 8.603 1,372 × 0,622 † 34,90 × 15,8
WR112 WG15 R84 – – 7.05 – 10.00 Uhr 5.260 10.520 1,122 × 0,497 † 28,50 × 12,6
WR90 WG16 R100 X-Band 8,20 – 12,40 6.557 13.114 0,900 × 0,400 † 22,9 × 10,2
WR75 WG17 R120 – – 10.00 – 15.00 Uhr 7.869 15.737 0,750 × 0,375 19,1 × 9,53
WR62 WG18 R140 K.u Band 12.40 – 18.00 Uhr 9.488 18.976 0,622 × 0,311 15,8 × 7,90
WR51 WG19 R180 – – 15.00 – 22.00 Uhr 11.572 23.143 0,510 × 0,255 13,0 × 6,48
WR42 WG20 R220 K Band 18.00 – 26.50 14.051 28.102 0,420 × 0,170 † 10,7 × 4,32
WR34 WG21 R260 – – 22.00 – 33.00 Uhr 17.357 34.715 0,340 × 0,170 8,64 × 4,32
WR28 WG22 R320 K.ein Band 26,50 – 40,00 21.077 42.154 0,280 × 0,140 7,11 × 3,56
WR22 WG23 R400 Q Band 33.00 – 50.00 26.346 52.692 0,224 × 0,112 5,68 × 2,84
WR19 WG24 R500 U Band 40.00 – 60.00 31.391 62,782 0,188 × 0,094 4,78 × 2,39
WR15 WG25 R620 V-Band 50.00 – 75.00 39,875 79.750 0,148 × 0,074 3,76 × 1,88
WR12 WG26 R740 E Band 60.00 – 90.00 48.373 96,746 0,122 × 0,061 3,10 × 1,55
WR10 WG27 R900 W Band 75,00 – 110,00 59.015 118.030 0,100 × 0,050 2,54 × 1,27
WR8 WG28 R1200 F Band 90.00 – 140.00 73,768 147,536 0,080 × 0,040 2,03 × 1,02
WR6, WR7, WR6,5 WG29 R1400 D Band 110,00 – 170,00 90,791 181,583 0,0650 × 0,0325 1,65 × 0,826
WR5 WG30 R1800 140,00 – 220,00 115.714 231,429 0,0510 × 0,0255 1,30 × 0,648
WR4 WG31 R2200 172,00 – 260,00 137,243 274,485 0,0430 × 0,0215 1,09 × 0,546
WR3 WG32 R2600 220,00 – 330,00 173,571 347,143 0,0340 × 0,0170 0,864 × 0,432
* * Ausschuss für die Normung von Funkkomponenten
† Aus historischen Gründen betragen die Außen- und nicht die Innenabmessungen dieser Wellenleiter 2: 1 (mit Wandstärke WG6 – WG10: 0,08 “(2,0 mm), WG11A – WG15: 0,064” (1,6 mm), WG16 – WG17: 0,05 “( 1,3 mm), WG18 – WG28: 0,04 “(1,0 mm))[15]

Für die Frequenzen in der obigen Tabelle besteht der Hauptvorteil von Wellenleitern gegenüber Koaxialkabeln darin, dass Wellenleiter die Ausbreitung mit geringerem Verlust unterstützen. Für niedrigere Frequenzen werden die Wellenleiterabmessungen unpraktisch groß und für höhere Frequenzen werden die Abmessungen unpraktisch klein (die Herstellungstoleranz wird ein wesentlicher Teil der Wellenleitergröße).

Mathematische Analyse[edit]

Elektromagnetische Wellenleiter werden analysiert, indem die Maxwellschen Gleichungen oder ihre reduzierte Form, die elektromagnetische Wellengleichung, gelöst werden, wobei die Randbedingungen durch die Eigenschaften der Materialien und ihre Grenzflächen bestimmt werden. Diese Gleichungen haben mehrere Lösungen oder Modi, die Eigenfunktionen des Gleichungssystems sind. Jeder Modus ist durch eine Grenzfrequenz gekennzeichnet, unterhalb derer der Modus in der Führung nicht existieren kann. Die Ausbreitungsmodi des Wellenleiters hängen von der Betriebswellenlänge und -polarisation sowie der Form und Größe des Leiters ab. Der Longitudinalmodus eines Wellenleiters ist ein bestimmtes stehendes Wellenmuster, das durch in dem Hohlraum eingeschlossene Wellen gebildet wird. Die Quermoden werden in verschiedene Typen eingeteilt:

  • TE-Moden (transversal elektrisch) haben kein elektrisches Feld in Ausbreitungsrichtung.
  • TM-Moden (transversal magnetisch) haben kein Magnetfeld in Ausbreitungsrichtung.
  • TEM-Moden (transversal elektromagnetisch) haben weder ein elektrisches noch ein magnetisches Feld in Ausbreitungsrichtung.
  • Hybridmoden haben sowohl elektrische als auch magnetische Feldkomponenten in Ausbreitungsrichtung.

Wellenleiter mit bestimmten Symmetrien können unter Verwendung der Methode der Trennung von Variablen gelöst werden. Rechteckige Wellenleiter können in rechteckigen Koordinaten gelöst werden.[16]::143 Runde Wellenleiter können in Zylinderkoordinaten gelöst werden.[16]::198

In hohlen Einleiterwellenleitern sind TEM-Wellen nicht möglich. Die Lösung der Maxwellschen Gleichungen für eine solche Welle zeigt, dass das elektrische Feld sowohl eine Divergenz von Null als auch eine Krümmung von Null aufweisen muss[clarification needed]. Da das elektrische Feld, das die leitenden Grenzen tangiert, gleich Null sein muss, muss es überall Null sein. Gleichermaßen

∇2Φ=0{ displaystyle nabla ^ {2} Phi = 0}

mit den Randbedingungen garantiert nur die triviale Lösung kein Feld. Dies steht im Gegensatz zu Zweileiter-Übertragungsleitungen, die bei niedrigeren Frequenzen verwendet werden; Koaxialkabel, parallele Drahtleitung und Streifenleitung, in denen der TEM-Modus möglich ist. Zusätzlich können die Ausbreitungsmoden (dh TE und TM) innerhalb des Wellenleiters mathematisch als Überlagerung von TEM-Wellen ausgedrückt werden.[17]

Der Modus mit der niedrigsten Grenzfrequenz wird als bezeichnet dominanter Modus des Leitfadens. Es ist üblich, die Größe der Führung so zu wählen, dass nur dieser eine Modus im Frequenzband des Betriebs existieren kann. In rechteckigen und kreisförmigen (Hohlrohr-) Wellenleitern werden die dominanten Moden als TE bezeichnet1,0 Modus und TE1,1 Modi jeweils.[18]

  • TE1,1 Modus eines kreisförmigen hohlen metallischen Wellenleiters.

Dielektrische Wellenleiter[edit]

EIN dielektrischer Wellenleiter verwendet einen festen dielektrischen Stab anstelle eines Hohlrohrs. Eine optische Faser ist eine dielektrische Führung, die so ausgelegt ist, dass sie bei optischen Frequenzen arbeitet. Übertragungsleitungen wie Mikrostreifen, koplanare Wellenleiter, Streifenleitungen oder Koaxialkabel können ebenfalls als Wellenleiter betrachtet werden.

Dielektrische Stab- und Plattenwellenleiter werden verwendet, um Funkwellen zu leiten, meist bei Millimeterwellenfrequenzen und darüber.[19][20] Diese begrenzen die Radiowellen durch Totalreflexion ab dem Schritt des Brechungsindex aufgrund der Änderung der Dielektrizitätskonstante an der Materialoberfläche.[21] Bei Millimeterwellenfrequenzen und darüber ist Metall kein guter Leiter, daher können Metallwellenleiter eine zunehmende Dämpfung aufweisen. Bei diesen Wellenlängen können dielektrische Wellenleiter geringere Verluste aufweisen als Metallwellenleiter. Optische Faser ist eine Form eines dielektrischen Wellenleiters, der bei optischen Wellenlängen verwendet wird.

Ein Unterschied zwischen dielektrischen und Metallwellenleitern besteht darin, dass an einer Metalloberfläche die elektromagnetischen Wellen eng begrenzt sind; Bei hohen Frequenzen dringen die elektrischen und magnetischen Felder sehr kurz in das Metall ein. Im Gegensatz dazu ist die Oberfläche des dielektrischen Wellenleiters eine Grenzfläche zwischen zwei Dielektrika, so dass die Felder der Welle in Form einer abklingenden (sich nicht ausbreitenden) Welle außerhalb des Dielektrikums eindringen.[21]

Siehe auch[edit]

Verweise[edit]

Dieser Artikel basiert teilweise auf Material aus Federal Standard 1037C und aus MIL-STD-188 sowie ATIS

  1. ^ Institut für Elektro- und Elektronikingenieure, „Das IEEE-Standardwörterbuch für elektrische und elektronische Begriffe“; 6. Aufl. New York, NY, Institut für Elektro- und Elektronikingenieure, c1997. IEEE Std 100-1996. ISBN 1-55937-833-6 [ed. Standards Coordinating Committee 10, Terms and Definitions; Jane Radatz, (chair)]
  2. ^ ein b c Southworth, GC (August 1936). “Elektrische Wellenleiter” (PDF). Kurzwellen-Handwerk. 7 (1): 198, 233. Abgerufen 27. März, 2015.
  3. ^ ein b c d e f G h ich j k l m n Ö p Packard, Karle S. (September 1984). “Der Ursprung der Wellenleiter: Ein Fall mehrfacher Wiederentdeckung” (PDF). IEEE-Transaktionen zur Mikrowellentheorie und -techniken. MTT-32 (9): 961–969. Bibcode:1984ITMTT..32..961P. CiteSeerX 10.1.1.532.8921. doi:10.1109 / tmtt.1984.1132809. Abgerufen 24. März 2015.
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Weiterführende Literatur[edit]

  • George Clark Southworth, “Prinzipien und Anwendungen der Wellenleiterübertragung“. New York, Van Nostrand [1950]xi, 689 p. illus. 24 cm. Bell Telephone Laboratories Serie. LCCN 50009834

Externe Links[edit]

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