Definice: Vlnovody jsou speciální kategorií přenosového vedení, které slouží k vedení (usměrňování) vln (záření) po délce trubice. Obvykle se jedná o duté kovové trubice, které fungují jako médium pro přenos nebo přenos energie.

Optická vlákna jsou typem vlnovodu, přesněji můžeme říci dielektrického vlnovodu, který pracuje na optických frekvencích za účelem přenosu optického (světelného) signálu.

Obsah: Vlnovody

1. Úvod
2. Typy
3. Způsoby šíření
4. Parametry
5. Výhody
6. Nevýhody

Úvod

Ve vlnovodech se energie šíří trubicí. Může se jednat o obdélníkový nebo válcový vlnovod, který není tvořen žádným středním vodičem. V zásadě se používají k šíření elektromagnetické energie (mikrovln) nebo signálu z jednoho konce na druhý. V případě přenosu nízkofrekvenčních signálů se používají buď paralelní přenosová vedení, nebo koaxiální kabely. Pro přenos vysokofrekvenčního signálu se však většinou používají vlnovody.

Frekvence mikrovlnného signálu leží někde mezi 300 MHz až 300 GHz. Tyto vlny se obecně šíří ve volném prostoru rychlostí světla, tj. 3Χ108 m/s.

Vlnovody nahradily přenosová vedení (nebo koaxiální kabely), protože s přenosovými vedeními byly spojeny větší útlumy a dielektrické ztráty. Stejně jako s pomocí vlnovodů lze dosáhnout malého útlumu signálu a velké šířky pásma. Vlnovody v podstatě fungují jako hornopropustný filtr, protože umožňují přenos vysokofrekvenčních složek při současném útlumu nízkofrekvenčních signálů.

Následující obrázek představuje obdélníkový vlnovod:

Vlnovod přenáší mikrovlnný signál tím, že provádí spojité odrazy od vnitřních stěn duté válcové trubice. Stěny vlnovodů jsou obvykle tvořeny mědí, hliníkem nebo mosazí. Jeho vnitřní povrch je však potažen zlatem nebo stříbrem.

Typy vlnovodů

Vlnovody se většinou klasifikují jako pravoúhlé nebo kruhové, ale v zásadě jde o 5 různých typů:

Módy šíření ve vlnovodu

Při přenosu elektromagnetické vlny vlnovodem. Pak má dvě složky pole, které kmitají vzájemně kolmo na sebe. Ze dvou je jedna elektrickým polem a druhá magnetickým polem.

Následující obrázek znázorňuje šíření elektromagnetické vlny ve směru z se dvěma složkami pole:

Šíření vlny uvnitř vlnovodu má v podstatě 2 módy. Celkově však existují v podstatě 3 módy, které jsou následující:

• Příčná elektrická vlna:

V tomto módu šíření vlny je složka elektrického pole zcela příčná ke směru šíření vlny, zatímco magnetické pole není zcela příčné ke směru šíření vlny. Označuje se zkratkou TE mód.

• Příčná magnetická vlna:

V tomto módu šíření vlny je složka magnetického pole zcela příčná ke směru šíření vlny, zatímco elektrické pole není zcela příčné ke směru šíření vlny. Označuje se zkratkou TM mód.

• Příčná elektromagnetická vlna:

V tomto módu šíření vlny jsou obě složky pole, tj. elektrické i magnetické pole, zcela příčné ke směru šíření vlny. Zkráceně se označuje jako režim TEM.

Je třeba poznamenat, že režim TEM není ve vlnovodech podporován. Pokud jde o TEM mód, je nutná přítomnost dvou vodičů a my již víme, že vlnovod je jediný dutý vodič.

Nyní vyvstává otázka, proč potřebujeme dva vodiče, aby se TEM mód mohl uskutečnit?

Odpovědí na výše uvedenou otázku je, že v TEM módu je elektrické i magnetické pole zcela příčné ke směru šíření vlny.

V případě dvou samostatných vodičů je to možné, protože z vnitřního vodiče se elektrické pole generuje a končí na vnějším. A právě u tohoto vodiče musí být přítomen zdroj proudu, aby se generovalo magnetické pole. Ale jak jsme již uvedli, vlnovod je přenosové médium s jedním vodičem. To je důvod, proč ve vlnovodech není podporován režim TEM.

Parametry vlnovodu

• Mezní vlnová délka: Je to maximální vlnová délka přenášeného signálu, která se může šířit ve vlnovodu bez útlumu. To znamená, že až do mezní vlnové délky lze mikrovlnný signál vlnovodem snadno přenášet. Označuje se λc.
• Skupinová rychlost: Skupinová rychlost je rychlost, kterou se vlna šíří uvnitř vlnovodu. Je-li přenášená nosná vlna modulována, pak je rychlost modulační obálky ve srovnání s nosným signálem o něco menší.
  Tato rychlost obálky se označuje jako skupinová rychlost. Představuje ji Vg.
• Fázová rychlost: Je to rychlost, s níž vysílaná vlna mění svou fázi během šíření. Nebo můžeme říci, že je to v podstatě rychlost určité fáze šířící se vlny. Označuje se Vp.
• Impedance vlny: Je také známá jako charakteristická impedance. Je definována jako poměr příčného elektrického pole k příčnému magnetickému poli při šíření vlny v libovolném bodě uvnitř vlnovodu. Označuje se Zg.

Výhody vlnovodů

1. V vlnovodech jsou ztráty výkonu při šíření téměř zanedbatelné.
2. Vlnovody mají schopnost zvládat výkony velkých signálů.
3. Vlnovody mají jednoduchou konstrukci, takže jejich instalace je poněkud snadná.

Nevýhody vlnovodů

1. Její instalační a výrobní náklady jsou vysoké.
2. Vlnovody jsou obecně tuhé, a proto někdy způsobují potíže v aplikacích, kde je vyžadována flexibilita trubic.
3. V porovnání s jinými přenosovými vedeními jsou poněkud větší a objemnější.

V případě vlnovodů je pozoruhodné, že jejich průměr musí mít určitou hodnotu, aby se signál správně šířil. Je tomu tak proto, že pokud je jeho průměr velmi malý a vlnová délka signálu, který se má šířit, je velká (nebo frekvence signálu je malá), pak se nebude šířit správně.

Takže frekvence signálu musí být větší než mezní frekvence, aby byl přenos signálu správný.

.