Definition: Hohlleiter sind eine spezielle Kategorie von Übertragungsleitungen, die dazu dienen, die Wellen (Strahlung) entlang der Länge des Rohres zu leiten (zu richten). Es handelt sich dabei in der Regel um ein hohles Metallrohr, das als Medium zur Übertragung von Energie dient.

Optische Fasern sind eine Art von Wellenleiter, genauer gesagt ein dielektrischer Wellenleiter, der bei optischen Frequenzen arbeitet, um das optische (Licht-)Signal zu übertragen.

Inhalt: Wellenleiter

1. Einführung
2. Typen
3. Ausbreitungsarten
4. Parameter
5. Vorteile
6. Nachteile

Einführung

In Wellenleitern wird die Energie durch ein Rohr übertragen. Dabei kann es sich um einen rechteckigen oder zylindrischen Hohlleiter handeln, der keinen zentralen Leiter enthält. Sie werden hauptsächlich für die Ausbreitung von elektromagnetischer Energie (Mikrowellen) oder Signalen von einem Ende zum anderen verwendet. Bei der Übertragung von Niederfrequenzsignalen werden entweder parallele Übertragungsleitungen oder Koaxialkabel verwendet. Für die Übertragung von Hochfrequenzsignalen werden jedoch hauptsächlich Hohlleiter verwendet.

Die Frequenz eines Mikrowellensignals liegt irgendwo zwischen 300 MHz und 300 GHz. Diese Wellen breiten sich im Allgemeinen im freien Raum mit der Lichtgeschwindigkeit von 3Χ108 m/s aus.

Wellenleiter haben die Übertragungsleitungen (oder Koaxialkabel) ersetzt, da diese mehr Dämpfung und dielektrische Verluste aufwiesen. Mit Hilfe von Hohlleitern können eine geringe Signaldämpfung und eine große Bandbreite erreicht werden. Hohlleiter fungieren im Wesentlichen als Hochpassfilter, da sie die Übertragung von Hochfrequenzkomponenten ermöglichen, während sie die niederfrequenten Signale dämpfen.

Die folgende Abbildung zeigt einen rechteckigen Hohlleiter:

Ein Hohlleiter überträgt ein Mikrowellensignal durch kontinuierliche Reflexionen an den Innenwänden des hohlen zylindrischen Rohrs. Die Wände des Hohlleiters bestehen im Allgemeinen aus Kupfer, Aluminium oder Messing. Die innere Oberfläche ist jedoch mit Gold oder Silber beschichtet.

Arten von Wellenleitern

Wellenleiter werden hauptsächlich als rechteckig oder kreisförmig klassifiziert, aber es gibt grundsätzlich 5 verschiedene Typen:

Ausbreitungsmodi in einem Wellenleiter

Wenn eine elektromagnetische Welle durch einen Wellenleiter übertragen wird. Dann hat sie zwei Feldkomponenten, die senkrecht zueinander schwingen. Von den beiden ist eine ein elektrisches Feld und die andere ein magnetisches Feld.

Die folgende Abbildung stellt die Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle in z-Richtung mit den beiden Feldkomponenten dar:

Die Ausbreitung der Welle im Hohlleiter erzeugt grundsätzlich 2 Moden. Insgesamt existieren jedoch grundsätzlich 3 Moden, die wie folgt lauten:

• Transversale elektrische Welle:

Bei dieser Art der Wellenausbreitung verläuft die elektrische Feldkomponente vollständig quer zur Wellenausbreitungsrichtung, während das Magnetfeld nicht vollständig quer zur Wellenausbreitungsrichtung verläuft. Sie wird als TE-Mode abgekürzt.

• Transversale Magnetwelle:

Bei dieser Wellenausbreitungsart steht die magnetische Feldkomponente vollständig quer zur Wellenausbreitungsrichtung, während das elektrische Feld nicht vollständig quer zur Wellenausbreitungsrichtung steht. Sie wird als TM-Mode abgekürzt.

• Transversale elektromagnetische Welle:

Bei dieser Wellenausbreitungsart liegen beide Feldkomponenten, d.h. das elektrische und das magnetische Feld, vollständig quer zur Ausbreitungsrichtung der Welle. Er wird als TEM-Mode abgekürzt.

Hier ist zu beachten, dass der TEM-Mode in Hohlleitern nicht unterstützt wird. Für den TEM-Modus ist das Vorhandensein von zwei Leitern erforderlich, und wir wissen bereits, dass ein Wellenleiter ein einzelner Hohlleiter ist.

Nun stellt sich die Frage, warum brauchen wir zwei Leiter, damit der TEM-Modus stattfinden kann?

Die Antwort auf die obige Frage ist, dass in einem TEM-Modus sowohl das elektrische als auch das magnetische Feld völlig quer zur Richtung der Wellenausbreitung verlaufen.

Im Falle von zwei getrennten Leitern ist dies möglich, weil das elektrische Feld vom inneren Leiter aus erzeugt wird und am äußeren endet. Und gerade an diesem Leiter muss eine Stromquelle vorhanden sein, um ein magnetisches Feld zu erzeugen. Aber wie wir bereits besprochen haben, ist der Hohlleiter ein Einleiter-Übertragungsmedium. Das ist der Grund, warum der TEM-Modus in Hohlleitern nicht unterstützt wird.

Parameter eines Hohlleiters

• Grenzwellenlänge: Sie ist die maximale Signalwellenlänge des Sendesignals, die sich im Hohlleiter ungedämpft ausbreiten kann. Das bedeutet, dass ein Mikrowellensignal bis zur Cut-Off-Wellenlänge problemlos durch den Hohlleiter übertragen werden kann. Sie wird mit λc bezeichnet.
• Gruppengeschwindigkeit: Die Gruppengeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der sich die Welle im Hohlleiter ausbreitet. Wird der übertragene Träger moduliert, so ist die Geschwindigkeit der Modulationshüllkurve etwas geringer als die des Trägersignals.
  Diese Geschwindigkeit der Hüllkurve wird als Gruppengeschwindigkeit bezeichnet. Sie wird durch Vg dargestellt.
• Phasengeschwindigkeit: Sie ist die Geschwindigkeit, mit der die übertragene Welle während der Ausbreitung ihre Phase ändert. Man kann auch sagen, dass sie im Grunde die Geschwindigkeit einer bestimmten Phase der sich ausbreitenden Welle ist. Sie wird mit Vp bezeichnet.
• Wellenimpedanz: Sie wird auch als Wellenwiderstand bezeichnet. Er ist definiert als das Verhältnis des transversalen elektrischen Feldes zu dem des transversalen magnetischen Feldes während der Wellenausbreitung an einem beliebigen Punkt innerhalb des Hohlleiters. Er wird mit Zg bezeichnet.

Vorteile von Wellenleitern

1. In Wellenleitern ist der Leistungsverlust während der Ausbreitung fast vernachlässigbar.
2. Wellenleiter haben die Fähigkeit, große Signalleistungen zu verwalten.
3. Da Hohlleiter eine einfache Struktur besitzen, ist ihre Installation relativ einfach.

Nachteile von Hohlleitern

1. Ihre Installations- und Herstellungskosten sind hoch.
2. Hohlleiter sind in der Regel starr und verursachen daher manchmal Schwierigkeiten bei Anwendungen, bei denen die Flexibilität der Röhre erforderlich ist.
3. Sie sind im Vergleich zu anderen Übertragungsleitungen etwas größer und sperriger.

Bei Hohlleitern ist zu beachten, dass ihr Durchmesser einen bestimmten Wert haben muss, um eine ordnungsgemäße Signalausbreitung zu gewährleisten. Denn wenn der Durchmesser sehr klein ist und die Wellenlänge des zu übertragenden Signals groß ist (oder die Signalfrequenz klein), dann wird es nicht richtig übertragen.

Die Signalfrequenz muss also größer sein als die Grenzfrequenz, damit das Signal richtig übertragen werden kann.