Definíció: A hullámvezetők az átviteli vezetékek egy speciális kategóriája, amelyet a hullámok (sugárzás) vezetésére (irányítására) használnak a cső hossza mentén. Ezek általában üreges fémcsövek, amelyek a teljesítmény átvitelének vagy továbbításának közegeként működnek.

Az optikai szálak a hullámvezetők egy fajtája pontosabban mondhatjuk, hogy dielektromos hullámvezető, amely optikai frekvenciákon működik az optikai (fény) jel továbbítása érdekében.

Tartalom: Hullámvezetők

1. Bevezetés
2. Típusok
3. A terjedési módok
4. Paraméterek
5. Előnyök
6. Hátrányok

Bevezetés

A hullámvezetőkben az energia egy csőben terjed. Ez lehet téglalap vagy henger alakú hullámvezető, amely nem tartalmaz központi vezetőt. Ezeket alapvetően az elektromágneses energia (mikrohullámok) vagy jelek terjedésére használják egyik végpontról a másikra. Alacsony frekvenciájú jelátvitel esetén vagy párhuzamos átviteli vonalakat, vagy koaxiális kábeleket használnak. A nagyfrekvenciás jelátvitel érdekében azonban főként hullámvezetőket használnak.

A mikrohullámú jelek frekvenciája valahol 300 MHz és 300 GHz között van. Ezek a hullámok általában a szabad térben a fény sebességével, azaz 3Χ108 m/sec sebességgel terjednek.

A hullámvezetők felváltották az átviteli vezetékeket (vagy koaxiális kábeleket), mivel az átviteli vezetékekhez több csillapítás és dielektromos veszteség társult. Mivel a hullámvezetők segítségével kis jelcsillapítás és nagy sávszélesség érhető el. A hullámvezetők alapvetően magas átjárású szűrőként működnek, mivel lehetővé teszik a nagyfrekvenciás komponensek átvitelét, miközben csillapítják az alacsony frekvenciájú jeleket.

Az alábbi ábra egy négyszögletes hullámvezetőt ábrázol:

A hullámvezető úgy továbbítja a mikrohullámú jelet, hogy az üreges hengeres cső belső faláról folyamatos visszaverődéseket végez. A hullámvezetők falai általában rézből, alumíniumból vagy sárgarézből készülnek. Belső felületét azonban arannyal vagy ezüsttel vonják be.

A hullámvezetők típusai

A hullámvezetőket főleg téglalap vagy kör alakúak közé sorolják, de ezeknek alapvetően 5 különböző típusa van:

A terjedési módok a hullámvezetőben

Amikor egy elektromágneses hullámot egy hullámvezetőn keresztül továbbítanak. Ekkor két, egymásra merőlegesen oszcilláló térkomponenssel rendelkezik. A kettő közül az egyik az elektromos mező, a másik pedig a mágneses mező.

Az alábbi ábra egy elektromágneses hullám terjedését ábrázolja z irányban a két térkomponenssel:

A hullám terjedése a hullámvezetőben alapvetően 2 módusból ered. Összességében azonban alapvetően 3 módus létezik, amelyek a következők:

• Transzverzális elektromos hullám:

A hullám terjedésének ezen módusában az elektromos térkomponens teljesen keresztirányú a hullám terjedési irányára, míg a mágneses tér nem teljesen keresztirányú a hullám terjedési irányára. Röviden TE-módnak nevezik.

• Transzverzális mágneses hullám:

A hullámterjedés ezen módjában a mágneses térkomponens teljesen keresztirányú a hullám terjedési irányára, míg az elektromos tér nem teljesen keresztirányú a hullám terjedési irányára. Röviden TM-módnak nevezzük.

• Transzverzális elektromágneses hullám:

A hullámterjedésnek ebben a módjában mindkét térkomponens, azaz az elektromos és a mágneses mező is teljesen keresztirányú a hullám terjedési irányára. Ezt rövidítve TEM-módnak nevezzük.

Megjegyzendő, hogy a TEM-mód hullámvezetőkben nem támogatott. Mivel a TEM-módhoz két vezető jelenlétére van szükség, és már tudjuk, hogy a hullámvezető egyetlen üreges vezető.

Felmerül a kérdés, hogy miért van szükség két vezetőre a TEM-módhoz?

A fenti kérdésre a válasz az, hogy a TEM-módban mind az elektromos, mind a mágneses tér teljesen keresztirányú a hullám terjedési irányával szemben.

Két különálló vezető esetén ez azért lehetséges, mert a belső vezetőből az elektromos tér a külső vezetőn keletkezik és végződik. Ezen a bizonyos vezetőn pedig áramforrásnak kell lennie ahhoz, hogy mágneses mezőt hozzon létre. De, mint már tárgyaltuk, hogy a hullámvezető egyetlen vezetővel rendelkező átviteli közeg. Ez az oka annak, hogy a TEM üzemmód nem támogatott a hullámvezetőkben.

A hullámvezető paraméterei

• Cut-off hullámhossz: Az átvitt jel maximális jelhullámhossza, amely a hullámvezetőben csillapítás nélkül terjedhet. Ez azt jelenti, hogy a cut-off hullámhosszig a mikrohullámú jel könnyen továbbítható a hullámvezetőn keresztül. Ezt λc-vel jelölik.
• Csoportsebesség: A csoportsebesség az a sebesség, amellyel a hullám terjed a hullámvezetőben. Ha az átvitt vivőjelet modulálják, akkor a modulációs burkológörbe sebessége valamivel kisebb, mint a vivőjelé.
  A burkológörbe ezen sebességét csoportsebességnek nevezzük. Ezt a Vg jelöli.
• Fázissebesség: Ez az a sebesség, amellyel az átvitt hullám a terjedés során megváltoztatja a fázisát. Vagy úgy is mondhatjuk, hogy alapvetően a terjedő hullám egy adott fázisának sebessége. Ezt a Vp.
• Hullámimpedancia jelöli: Jellemző impedanciaként is ismert. A hullám terjedése során a hullámvezető bármely pontján a keresztirányú elektromos tér és a keresztirányú mágneses tér hányadosaként határozzák meg. Ezt Zg-vel jelöljük.

A hullámvezetők előnyei

1. A hullámvezetőkben a terjedés közbeni teljesítményveszteség szinte elhanyagolható.
2. A hullámvezetők képesek nagy jelek teljesítményének kezelésére.
3. Mivel a hullámvezetők egyszerű szerkezettel rendelkeznek, így telepítésük némileg egyszerű.

A hullámvezetők hátrányai

1. A telepítési és gyártási költségei magasak.
2. A hullámvezetők általában merev természetűek, ezért néha nehézséget okoz olyan alkalmazásokban, ahol a cső rugalmasságára van szükség.
3. Egy kissé nagy méretű és terjedelmesebb, mint más átviteli vezetékek.

A hullámvezetők esetében figyelemre méltó, hogy átmérőjüknek bizonyos értékkel kell rendelkeznie a megfelelő jelterjedés érdekében. Ez azért van így, mert ha az átmérője nagyon kicsi, és a továbbítandó jel hullámhossza nagy (vagy a jel frekvenciája kicsi), akkor az nem fog megfelelően terjedni.

A megfelelő jelátvitelhez tehát a jel frekvenciájának nagyobbnak kell lennie, mint a határfrekvenciának.