Waveguide

fra Wikipedia, den gratis encyklopædi
Spring til navigation Spring til søgning

En bølgeleder er en bølgeleder for elektromagnetiske bølger overvejende i frekvensområdet fra 1 til 1100 GHz . [1] Bølgeledere er metalrør med for det meste rektangulære, cirkulære eller elliptiske tværsnit. Med dem kan elektrisk strøm i det nævnte frekvensområde transmitteres med meget mindre tab end med elektriske kabler som f.eks. Koaksialkabler . På grund af deres design foretrækkes bølgeledere til høj effekt eller meget høje frekvenser, da der ikke er behov for en ledende centerleder, som det er tilfældet med et koaksialt kabel. Da en bølgeleder praktisk talt kun kan laves af metal, såsom messing, er den særligt robust over for miljøpåvirkninger, ekstreme temperaturer, vibrationer eller rumstråling og bruges derfor meget i luftfart samt stationære transmissionssystemer på land og på skibe.

Rektangulær bølgeleder

Fysisk baggrund

Illustration af bølgelederens bølgelængde
Illustration af det elektriske felt for en elektromagnetisk bølge i en rektangulær bølgeleder i tilstand TE31; feltstyrken er vist ved endefladerne, den ene side og ved den vandrette sektion i midten af ​​bølgelederen

Hvis en elektromagnetisk bølge rammer en meget ledende grænseflade, reflekteres den i sig selv. Med en passende afstand mellem en parallel anden grænseflade dannes en stående bølge . Hvis der tilføjes sidevægge, oprettes en hulrumsresonator . Også i dette er de elektromagnetiske bølger stående bølger; det er et stationært elektrisk og magnetisk skiftefelt . De mulige resonansfrekvenser for de stående bølger afhænger af afstanden mellem væggene.

I en bølgeleder på den anden side bevæger de vekslende elektriske og magnetiske felter sig:

Forestil dig et langt rør med et rektangulært tværsnit, hvor en plan bølge rammer en smal side vinkelret og reflekteres frem og tilbage mellem de to vægge. Bølgelængden er dobbelt så stor som afstanden mellem de to vægge, så der opstår en stående bølge. Hvis afstanden mellem de to vægge nu reduceres lidt, kan bølgen kun forplante sig i en særlig vinkel, hvorved der igen opstår en stående bølge mellem de to vægge. For at gøre dette skal bølgelængden langs den længere væg være dobbelt så stor som afstanden mellem de to vægge. Den resulterende bølgelængde i længderetningen fører til bølgeudbredelse langs bølgelederen. For at skelne mellem stående bølger taler man om en rejsebølge .

Minimumsbredden for en rektangulær bølgeleder svarer omtrent til halvdelen af bølgelængden af den transmitterede frekvens - netop da passer kun en enkelt antinode ind i den i tværretningen. Man kan derfor udlede den laveste frekvens, der bruges i den tilhørende enhed, fra bredden af ​​en rektangulær bølgeleder. Lister den tilsvarende bølgelængde til den kritiske bølgelængde λ k eller afskæringsbølgelængden λ c (med c for "cut-off"). Det beregnes efter forholdet λ k = 2 · a (hvor a er den længere side af det rektangulære bølgeleder-tværsnit, se skitse ovenfor). Ved at udvide bølgelederfilteret kan specifikke frekvensområder undertrykkes målrettet.

Bølgeledere kan også betjenes med øget internt gastryk for at kunne overføre højere magter (i overensstemmelse med Paschens lov ) uden overslag eller luftnedbrud. I denne sammenhæng betyder fænomenet multipaktion den konstruktive overlejring af flere forskellige bølgelængder, hvilket kan resultere i meget høje feltstyrker.

Mode

Formeringsmåder H 1.0 , H 2.0 og H 3.0 i en rektangulær bølgeleder

Den beskrevne formeringstype kan foregå på en sådan måde, at et integralt multiplum af halvdelen af ​​bølgelængden passer mellem de smalle sider. De forskellige mulige tilstande er de såkaldte oscillation modes, modes for short, og er angivet med de tal, der svarer til dette multiplum; altså: 1, 2, 3, ...

Ved højere frekvenser forbindes de vandrette tværgående tilstande med de lodrette mellem toppen og bunden af ​​røret, hvor forskellige tilstande forekommer uafhængigt. For at beskrive en tilstand i en rektangulær bølgeleder er det derfor nødvendigt at angive to tal, tilstandsrækkefølgen : z. B. (2,3) -tilstand . Et af tallene står for en af ​​de tværgående tilstande i retning af de elektriske og magnetiske feltkomponenter (E- og H -retning).

Feltlinjerne i det elektriske felt er altid vinkelret på den ydre leder og løber fra den ene side af væggen til den anden. Afhængigt af hvor mange ekstreme værdier feltforløbet har over hele bølgelederens bredde, får tilstandsbetegnelsen sit første indeks. Bredden af ​​en bølgeleder er angivet med a. I tilfælde af et maksimum, minimumstallet for elektrisk feltfordeling, taler man om en - eller. Bølge.

Tilsvarende angiver antallet af maksima i feltprofilen for det elektriske felt over hele bølgelederens højde det andet indeks. Bølgelederens højde er angivet med b . Feltstyrken kan forblive konstant over hele bølgelederens højde (så der behøver ikke at være et maksimum), man taler derefter om en eller. Bølge.

Der er også sammenlignelige tilstande i runde bølgeledere. Her er der imidlertid også tilstande, der har en homogen feltfordeling langs rørets omkreds.

Koblingen og afkoblingen af ​​HF -energien sker gennem slidser, koblingssløjfer, stænger, tragte ( hornradiatorer ) eller huller - afhængigt af om energien skal komme ind i en anden bølgeleder, ind i et koaksialkabel eller ud i det fri. Placeringen og formen af ​​disse koblingselementer bestemmer bølgernes formering og retning .

E / H -tilstande

I elektromagnetiske bølger er de elektriske og magnetiske felter altid vinkelret på hinanden. For at bølgen kan forplante sig i en rumlig retning, skal bølgekomponenter eksistere i denne rumlige retning. Hvis det elektriske felt er vinkelret på forplantningsretningen, taler man om H-tilstande. Hvis magnetfeltet er vinkelret på forplantningsretningen, taler man om E-modes. Figuren viser et længdesnit gennem en bølgeleder (z-retning).

Forskel mellem E- og H -tilstande

Waveguide bølgelængde og cutoff frekvens

Mens afstanden mellem maksima for feltfordelingen i x- eller y -retningen afhænger af bølgelængden for fri rum i bølgen, er bølgelederens bølgelængde afgørende for afstanden mellem maksima i z -retningen, dvs. i udbredelsesretningen.

Bølgelederens bølgelængde afhænger af tilstandsrækkefølgen, bølgelængden i det frie rum i henhold til ovenstående ligning samt bredde og højde af bølgelederen, men ikke om tilstanden er elektrisk eller magnetisk. Den er altid større end bølgelængden i ledige rum for den samme frekvens, og fasehastigheden i z -retningen er tilsvarende større end lysets hastighed.

Forholdet er ikke-lineært, og for en given tilstandsorden og dimensioner er der en ledig bølgelængde, som bølgelederens bølgelængde nærmer sig uendeligt:

En divergerende bølgelederbølgelængde betyder, at bølgen ikke kan forplante sig (gruppehastighed nul). Da bølgelederens bølgelængde for en tilstand med en bestemt frekvens afhænger af bølgelederens dimensioner, kan ikke vilkårlige tilstande spredes i en bølgeleder. Jo højere værdien af ​​en tilstand er, desto større er dens afskæringsfrekvens eller jo mindre afskæringsbølgelængden er .

Afskæringsfrekvensen deler frekvensområdet i to områder, dæmpningsområdet og udbredelsesområdet. Den afgørende faktor her er opformeringskoefficientens y adfærd over frekvensen.

Bølgen kan ikke forplante sig i dæmpningsområdet. Spredningskoefficienten er som rent ægte. Bølgen dæmpes derfor aperiodisk. Tilstande, der ikke er i stand til at formere sig, kan ophidses og i det mindste midlertidigt binde en del af bølgeenergien. Hvis bølgens frekvens er den samme som afskæringsfrekvensen, er forplantningskoefficienten nul. Bølgen reflekteres i en ret vinkel mellem siderne af bølgelederen uden energitransport.

Bølgen er i stand til at forplante sig til frekvenser over afskæringsfrekvensen. Spredningskoefficienten er ideelt set og dermed rent indbildt. Bølgen dæmpes derfor ikke, men formerer sig i bølgelederen med et frekvensafhængigt faseskift . En bølge, der er i stand til at formere sig, dæmpes også i den virkelige bølgeleder. Tabene i bølgeledervæggen (overfladestrømme), som kun er endeligt ledende, bidrager hertil. (Tab) andelen af ​​overfladestrømmene i krafttransporten er afhængig af tilstand, har en tendens til at falde med højere tilstande og har en tendens til at stige på grund af hudeffekten . Da bølgeledere normalt er fyldt med luft eller gas, er der ingen dielektriske tab. Dette er en væsentlig faktor for deres anvendelse ved meget høje frekvenser.

Bølgeimpedans

Bølgeimpedansen forbinder amplituderne for en elektromagnetisk bølges elektriske og magnetiske feltstyrker. I bølgelederen er den frekvensafhængig og adskiller sig i TM- og TE-tilstand, men har den samme værdi overalt i bølgelederen.

hvor f- grænse betyder afskæringsfrekvensen for den respektive tilstand og er frirumsbølgemodstanden .

Over grænsefrekvensen ( f > f -grænsen ) er impedansen reel, og energi spredes i bølgelederen. Under afskæringsfrekvensen er impedansen på den anden side imaginær, og bølgen trænger ind i bølgelederen med faldende amplitude.

Forskellige bølgeledere og deres tilstande

Mange karakteristiske egenskaber er fælles for alle bølgelederstyper. Dette inkluderer en afskæringsfrekvens, under hvilken der ikke finder nogen bølgeudbredelse sted.

Mens TEM-bølger formerer sig i et koaksialkabel (elektriske og magnetiske felter er altid vinkelret på udbredelsesretningen), findes kun såkaldte H-bølger (også TE-bølger) og E-bølger (TM-bølger) i en bølgeleder magnetisk eller den elektriske feltkomponenter i forplantningsretningen.

Waveguides har en højpasadfærd , med som en cutoff -frekvens. Rektangulære og cirkulære bølgeledere viser de grundlæggende bølgetyper, der er nævnt nedenfor. Hvis disse grundlæggende bølger (baseret på H- eller E -bølger) ikke har mulighed for at forplante sig på grund af bølgelederens dimensioner, vil heller ingen andre bølgetyper formere sig. Se også hulrumsresonator . Over afskæringsfrekvensen afhænger bølgernes udbredelse ( f.eks. Gruppehastighed , fasehastighed og bølgelængde) af frekvensen. Bølgeudbredelsen i bølgelederen er derfor i princippet dispersiv .

Følgende regler gælder for eksistensen af ​​mode:

  • Elektriske og magnetiske feltlinjer er altid vinkelret på hinanden.
  • Magnetfeltlinjer er altid lukkede og kan ikke ramme vægge - de kan kun røre ved vægge.
  • Elektriske feltlinjer kan ikke vises langs væggene, men kun ramme dem vinkelret.

Rektangulær bølgeleder

Rektangulær bølgeleder med flange

Som allerede nævnt ovenfor er den største dimension afgørende for en rektangulær bølgeleder. Det betyder, at bredden bestemmer de bølger, der kan forplante sig i denne leder.

Følgende gælder for E-bølgen i udbredelsesretningen:

hvor m og n repræsenterer tilstandstallene ( m : x-retning (tværgående) og n : y-retning (lodret) med hensyn til udbredelse i længderetningen z). a er bølgelederens større dimension. Se også Maxwells ligninger .

Det følger heraf, at den grundlæggende bølgetype af E -bølgerne er -Bølge er fordi ovenstående ligning med værdierne m = 0 eller n = 0 også og derfor er der ingen E -komponent i forplantningsretningen. Således i det rektangulære bølgeleder mindst - Bølger kan opstå i udbredelsesretningen.

H10 -bølgen er imidlertid typisk for rektangulære bølgeledere.

Rund bølgeleder

For den cirkulære bølgeleder skyldes oscillationstilstandene fra Bessel -funktionen og dens derivater samt nulpunkter, hvormed de formerende H- og E -bølger for den cirkulære bølgeleder kan bestemmes. For den cirkulære bølgeleder får man med radius som grundlæggende mode ; deres cutoff -bølgelængde beregnes ved hjælp af det første nul for det første derivat af Bessel -funktionen i den første orden, som er på 1.841:

Dæmpningen af -Bølge er højere end den for -Bølge. Derfor er det ofte ønskeligt at forhindre spredning af - Reducer bølgen. Til dette formål er indersiden af ​​en cirkulær bølgeleder forsynet med riller. Disse forstyrrer kun spredningen af -Bølge (se billedet herunder, bølgeleder med elliptisk tværsnit). Afskæringsbølgelængden på -Bølge beregnes med:

Således er cutoff -bølgelængden mindre end grundbølgen , hvorfor bølgelederen er til -Bølge opfører sig ikke længere i en enkelt tilstand.

Bølgeleder med elliptisk tværsnit

Elliptisk bølgeleder for 3,8 til 5,8 GHz

Udover rektangulære og runde bølgeledere bruges også bølgeledere med elliptisk tværsnit. Afskæringsbølgelængden svarer nogenlunde til det dobbelte af den tværgående dimension ( λ k ≈ 2 · a ). Som tommelfingerregel er elliptiske bølgeledere noget større i deres tværgående dimensioner end rektangulære bølgeledere med samme afskæringsfrekvens.

Fra et teknisk synspunkt kan elliptiske bølgeledere også udformes som fleksible linjer. Så større længder af den kan opbevares og transporteres i ruller eller på "kabeltromler". Elliptiske bølgeledere tillader også mindre bøjningsradier end runde eller kantede.

Forbindelser og tilslutninger af en bølgeleder

Kapacitiv indføring i en bølgeleder; i den højre billedvisning ovenfra

Energien kan kobles ind eller ud på forskellige måder i en bølgeleder. H 10 -bølgen, som er vigtig for mange tekniske anvendelser, kobles sammen med en stavantenne, der er fastgjort i en afstand af λ / 4 fra den lukkede ende. I tilfælde af kapacitiv kobling fra et koaksialkabel, som vist i den tilstødende figur, er den indre leder åben, svarende til en stavantenne. Dette arrangement styrker et felt maksimalt den koblede bølge ved koblingspunktet, således at H 10 bølge kan kun udbreder sig i den eneste tilbageværende retning.

Når en koaksial forbindelse er magnetisk koblet til bølgelederen, kortsluttes den indre leder i bølgelederen med bagvæggen. Også her genereres et feltmaksimum på fodringspunktet.

Resonansforsegling med λ / 4 ved forbindelsespunktet (flange) mellem to bølgeledersegmenter

Ved tilslutning af en bølgeleder til andre enheder skal den elektriske modstand være meget lav langs hele omkredsen, da der kan strømme høje strømme i væggen. En simpel trykkontakt kan ikke holde kontaktmodstanden permanent lav, hvorfor der bruges en λ / 2 transformationsledning AC i flangen , som omdanner en kortslutning ved A til en kortslutning ved C (se special case λ / 2 ). Man vælger en bølgeleder -tilstand, hvor der er et spændingsmaksimum ved C (se midterste billede).

Da kun små strømme flyder i midten ved punkt B , har enhver kontaktmodstand der ringe effekt. På dette tidspunkt kan du endda installere en isolerende gummiplade til at fylde bølgelederen med inaktiv gas. Dette princip om resonansforseglingen bruges også til at forsegle døren til en mikrobølgeovn med højfrekvent teknologi.

En bølgeleder kan afsluttes uden refleksion ved hjælp af en bølgesump .

historie

De første ideer til bølgeledere og koaksialkabler går tilbage til Joseph John Thomson og Oliver Lodge i 1893 og 1894. Den første matematiske udarbejdelse af processerne kommer fra Lord Rayleigh , der omkring 1897 foreslog at fjerne den indre leder af koaksialkablerne, som allerede var kendt på det tidspunkt, så den elektromagnetiske bølge, der kun blev guidet gennem ydervæggen, kunne forplante sig deri . Han beskrev processerne gennem refleksioner af bølgen på beklædningen, svarende til hvad der er tilfældet med optiske fibre . Rayleigh var også den første til at indse, at hver bølgeleder skal have en lavere grænsefrekvens, som bestemmes af dens dimensioner. De første praktisk anvendte bølgeledere, oprindeligt med et cirkulært tværsnit, blev bygget i 1932 af George Clark Southworth og JF Hargreaves. [2] Waveguides blev mere udbredt med fremkomsten af ​​militær radarteknologi i anden verdenskrig . Civile applikationer, såsom kommunikationssatellitter , fulgte i de følgende årtier.

Bølgelederfrekvensbånd

En bølgeleder med visse dimensioner bruges kun fornuftigt i et bestemt frekvensområde med en båndbredde på mindre end en oktav . Ingen udbredelse er mulig under den nedre grænsefrekvens, og den elektromagnetiske bølge dæmpes blindt; over den øvre frekvensgrænse er , ud over den ønskede grundlæggende tilstand, uønskede højere tilstande i stand til at forplante sig. Kommercielt tilgængelige rektangulære bølgeledere er blandt andet tilgængelige for følgende frekvensområder:

Flere bølgeledere i Argonne National Laboratory
Frekvensområde
(i GHz )
Tape-
betegnelse
betegnelse bred
(i mm )
bred
(i tommer )
DIN 47302 / IEC 153 VVM
0,77 ... 1,14 UHF / L R 9 WR 975 247,65 9.750
1,12 ... 1,7 0 L. R 14 WR 650 165,10 6.500
1.7 ... 2.6 LA R 22 WR 430 109,22 4.300
2.2 ... 3.3 LS R 26 WR 340 0 86,36 3.400
2,6 0 ... 3,95 S. R 32 WR 284 0 72,14 2.840
3,22 ... 4,90 EN. R 40 WR 229 0 58,17 2.290
3,95 ... 5,85 G R 48 WR 187 0 47,55 1.872
4,64 ... 7,05 C. R 58 WR 159 0 40,39 1.590
5,85 ... 8,2 0 J R 70 WR 137 0 34,85 1.372
7.05 ... 10.0 H R 84 WR 112 0 28.50 1.122
8.2 0 ... 12.4 x R 100 WR 90 0 22,86 0,900
10.0 ... 15.0 M. R 120 WR 75 0 19.05 0,750
12.4 ... 18.0 P. R 140 WR 62 0 15,80 0,622
15.0 ... 22.0 N R 180 WR 51 0 12,95 0,510
18.0 ... 26.5 K R 220 WR 42 0 10,67 0,420
21.7 ... 33.0 R 260 WR 34 00 8,64 0,340
26,5 ... 40,0 R. R 320 WR 28 00 7.11 0,280
33.0 ... 50.0 Q 400 kr WR 22 00 5,69 0,224
40,0 ... 60,0 U R 500 WR 19 00 4,78 0,188
50,0 ... 75,0 V R 620 WR 15 00 3,76 0,148
75.0 ... 110 W. 900 kr WR 10 00 2,54 0,100
90 0 … 140 1200 kr WR 8 00 2.032 0,080
110 ... 170 WR 6 00 1.651 0,065
140 ... 220 WR 5 00 1.295 0,051
170 ... 260 WR 4 00 1.092 0,043
220… 325 WR 3 00 0,864 0,034

Denne tabel er baseret på et bredde-til-højde-forhold på 2: 1. De lavere anbefalede transmissionsfrekvenser er i gennemsnit 1,26 gange højere end de kritiske nedre grænsefrekvenser som følge af bredden, de øvre transmissionsfrekvenser er i gennemsnit 1,48 gange de lavere anbefalede transmissionsfrekvenser. Faktoren 1,86 (middelværdi) for de øvre transmissionsfrekvenser for den respektive kritiske nedre grænsefrekvens sikrer monomodespredning (værdi <2).

For WRxxx -betegnelsen af ​​bølgelederen: Bølgelederens bredde udtrykkes i% inch (1 inch = 25,4 mm). En WR-28 bølgeleder er således 28% af en tomme = 7,11 mm bred.

Bølgeledere i praksis

Magnetron med bølgelederforbindelse fra en radar

Bølgeledere bruges:

En line -ventilator holder fugt ude af miljøet, hvilket kan forfalde tilpasningen af ​​bølgelederen.

litteratur

  • Horst Stöcker: Lommebog over fysik. 4. udgave. Verlag Harry Deutsch, Frankfurt am Main 2000, ISBN 3-8171-1628-4
  • Kommunikationsteknologi del 3 Kablet kommunikationstransmissionslinjeteknologi. Institut for udvikling af moderne undervisningsmetoder e. V., Bremen
  • Werner Bächtold: Lineære elementer i højfrekvent teknologi. 2. reviderede udgave, Hochschulverlag AG på ETH Zürich, Zürich 1998, ISBN 3-7281-2611-X
  • Wilfried Plaßmann, Detlef Schulz (Hrsg.): Håndbog i elektroteknik. 5. udgave, Vieweg & Teubner Verlag, Wiesbaden 2009, ISBN 978-3-8348-0470-9 .
  • Hans Fricke, Kurt Lamberts, Ernst Patzelt: Grundlæggende om elektrisk kommunikation. BG Teubner Verlag, Stuttgart 1979.
  • Hans Heinrich Meinke, Friedrich-Wilhelm Gundlach: Lommebog over højfrekvent teknologi. 5. reviderede udgave. Bind II. Springer Verlag, Berlin 1992, ISBN 3-540-54715-0 .
  • Klaus W. Kark: Antenner og strålingsfelter. 6. udgave, Springer Fachmedien, Wiesbaden 2017, ISBN 978-3-658-13964-3 .

Weblinks

Commons : Waveguide - Samling af billeder, videoer og lydfiler
Wiktionary: Waveguide - forklaringer på betydninger, ordoprindelse, synonymer, oversættelser

Individuelle beviser

  1. R & S®ZCxxx millimeter bølge konverter: Netværk analyse op til 1100 GHz , rohde-schwarz.com, adgang den 25. april 2021.
  2. TK Sarkar, Robert Mailloux, Arthur A. Oliner, M. Salazar-Palma, Dipak L. Sengupta: History of Wireless. John Wiley & Sons, 2006, ISBN 0-471-78301-3 , s.   90 og 129 .