Definitie: Golfgeleiders zijn een speciale categorie transmissielijnen die worden gebruikt om de golven (straling) langs de lengte van de buis te geleiden (richten). Het gaat meestal om een holle metalen buis die als medium fungeert om vermogen over te dragen of over te brengen.

Optische vezels zijn een soort golfgeleiders, meer bepaald kunnen we zeggen diëlektrische golfgeleiders die bij optische frequenties werken om het optische (licht)signaal over te brengen.

Inhoud: Waveguides

1. Introduction
2. Types
3. Modes of Propagation
4. Parameters
5. Advantages
6. Disadvantages

Introduction

In waveguides, wordt de energie door een buis voortgeplant. Het kan een rechthoekige of cilindrische golfgeleider zijn die niet uit een centrale geleider bestaat. Deze worden hoofdzakelijk gebruikt voor de voortplanting van elektromagnetische energie (microgolven) of signaal van het ene uiteinde naar het andere. Voor de transmissie van laagfrequente signalen worden ofwel parallelle transmissielijnen ofwel coaxkabels gebruikt. Maar voor de transmissie van hoogfrequente signalen worden hoofdzakelijk golfgeleiders gebruikt.

De frequentie van een microgolfsignaal ligt ergens tussen 300 MHz en 300 GHz. Deze golven planten zich in het algemeen voort in de vrije ruimte met de snelheid van het licht, d.w.z. 3Χ108 m/sec.

Golfgeleiders hebben de transmissielijnen (of coaxkabels) vervangen omdat er meer verzwakking en diëlektrische verliezen verbonden waren aan transmissielijnen. Met behulp van golfgeleiders kan een kleine signaalverzwakking en een grote bandbreedte worden bereikt. Golfgeleiders fungeren in wezen als een hoogdoorlaatfilter, aangezien zij de transmissie van hoogfrequente componenten mogelijk maken, terwijl zij de laagfrequente signalen verzwakken.

De onderstaande figuur stelt een rechthoekige golfgeleider voor:

Een golfgeleider zendt een microgolfsignaal uit door continue reflecties te maken tegen de binnenwanden van de holle cilindrische buis. De wanden van de golfgeleiders bestaan in het algemeen uit koper, aluminium of messing. Het binnenoppervlak is echter bekleed met goud of zilver.

Typen golfgeleiders

Golfgeleiders worden hoofdzakelijk geclassificeerd als rechthoekig of cirkelvormig, maar er zijn in principe 5 verschillende typen:

Voorplantingswijzen in een golfgeleider

Wanneer een elektromagnetische golf door een golfgeleider wordt geleid. Dan heeft het twee veldcomponenten die onderling loodrecht op elkaar oscilleren. Van de twee is er één een elektrisch veld en de andere een magnetisch veld.

De onderstaande figuur toont de voortplanting van een elektromagnetische golf in de z-richting met de twee veldcomponenten:

De voortplanting van de golf in de golfgeleider heeft in wezen twee toestanden. In totaal bestaan er echter 3 toestanden, die als volgt zijn:

• Transversale elektrische golf:

In deze wijze van golfvoortplanting is de elektrische veldcomponent geheel dwars op de richting van de golfvoortplanting, terwijl het magnetische veld niet geheel dwars op de richting van de golfvoortplanting ligt. Hij wordt afgekort als TE-mode.

• Transversale magnetische golf:

In deze voortplantingswijze van de golf is de magnetische veldcomponent volledig dwars op de voortplantingsrichting van de golf, terwijl het elektrische veld niet volledig dwars op de voortplantingsrichting van de golf is. Het wordt afgekort als TM-mode.

• Transversale elektromagnetische golf:

In deze wijze van golfvoortplanting zijn beide veldcomponenten, d.w.z. de elektrische en magnetische velden, volledig dwars op de richting van de golfvoortplanting. Hij wordt afgekort als de TEM-stand.

Hierbij moet worden opgemerkt dat de TEM-stand niet wordt ondersteund in golfgeleiders. Wat de TEM modus betreft, is er behoefte aan de aanwezigheid van twee geleiders en we weten reeds dat een golfgeleider een enkele holle geleider is.

Nu rijst de vraag waarom we twee geleiders nodig hebben om de TEM modus te laten plaatsvinden?

Het antwoord op de bovenstaande vraag is, dat in een TEM-mode zowel het elektrische als het magnetische veld geheel dwars op de voortplantingsrichting van de golf staan.

In het geval van twee afzonderlijke geleiders is dit mogelijk, omdat vanuit de binnenste geleider het elektrische veld ontstaat en eindigt bij de buitenste geleider. En bij deze specifieke geleider moet een stroombron aanwezig zijn om een magnetisch veld op te wekken. Maar, zoals wij reeds hebben besproken, is de golfgeleider een enkel geleidend transmissiemedium. Dit is de reden waarom de TEM-mode niet wordt ondersteund in golfgeleiders.

Parameters van een golfgeleider

• Afsnijgolflengte: Dit is de maximale golflengte van het uitgezonden signaal dat zonder enige verzwakking in de golfgeleider kan worden voortgeplant. Dit betekent dat tot de afsnijgolflengte een microgolfsignaal gemakkelijk door de golfgeleider kan worden doorgegeven. Deze wordt aangeduid met λc.
• Groepssnelheid: De groepssnelheid is de snelheid waarmee de golf zich in de golfgeleider voortplant. Indien de uitgezonden draaggolf wordt gemoduleerd, is de snelheid van de modulatie-enveloppe iets lager dan die van het draaggolfsignaal
  . Zij wordt weergegeven door Vg.
• Fasesnelheid: Dit is de snelheid waarmee de uitgezonden golf tijdens de voortplanting van fase verandert. Of we kunnen zeggen dat het in feite de snelheid van een bepaalde fase van de zich voortplantende golf is. Deze wordt aangeduid met Vp.
• Golfimpedantie: Het is ook bekend als de karakteristieke impedantie. Zij wordt gedefinieerd als de verhouding van het transversale elektrische veld tot dat van het transversale magnetische veld tijdens de golfvoortplanting op elk punt binnen de golfgeleider. Het wordt aangeduid met Zg.

Voordelen van golfgeleiders

1. In golfgeleiders, is het machtsverlies tijdens propagatie bijna verwaarloosbaar.
2. Golfgeleiders hebben de capaciteit om groot-signaalmacht te beheren.
3. Zoals golfgeleiders een eenvoudige structuur bezitten, zo is hun installatie enigszins gemakkelijk.

Nadelen van golfgeleiders

1. De installatie- en fabricagekosten ervan zijn hoog.
2. Waveguides zijn over het algemeen stijf van aard en veroorzaken dus soms moeilijkheden in toepassingen waar buisflexibiliteit vereist is.
3. Het is enigszins groot in omvang en omvangrijker in vergelijking met andere transmissielijnen.

Het is opmerkelijk in het geval van golfgeleiders dat hun diameter één of andere bepaalde waarde moet hebben om goede signaalpropagatie te hebben. Dit is zo omdat, indien de diameter zeer klein is en de golflengte van het te propageren signaal groot (of de signaalfrequentie klein) dan zal het niet goed worden gepropageerd.

Dus, de signaalfrequentie moet groter zijn dan de scheidingsfrequentie om een goede signaaltransmissie te hebben.