Waveguides

Een golfgeleider is een speciale vorm van transmissielijn die bestaat uit een holle, metalen buis. De buiswand zorgt voor gedistribueerde inductantie, terwijl de lege ruimte tussen de buiswanden voor gedistribueerde capaciteit zorgt.

Golfgeleiders geleiden microgolfenergie met minder verlies dan coaxkabels.

Golfgeleiders zijn alleen praktisch voor signalen met een extreem hoge frequentie, waarbij de golflengte de afmetingen van de dwarsdoorsnede van de golfgeleider benadert. Onder dergelijke frequenties zijn golfgeleiders nutteloos als elektrische transmissielijnen.

Gebruik van golfgeleiders als transmissielijn

Wanneer ze als transmissielijnen fungeren, zijn golfgeleiders echter aanzienlijk eenvoudiger dan tweeaderige kabels, vooral coaxkabels, bij hun fabricage en onderhoud.

Met slechts een enkele geleider (de "schil" van de golfgeleider), zijn er geen zorgen over de juiste afstand tussen de geleiders of de consistentie van het diëlektrische materiaal, aangezien het enige diëlektricum in een golfgeleider lucht is.

Vocht is ook niet zo'n groot probleem in golfgeleiders als in coaxkabels, en dus worden golfgeleiders vaak de noodzaak van gas "vullen" bespaard.

Golfgeleiders kunnen worden gezien als leidingen voor elektromagnetische energie, waarbij de golfgeleider zelf niet meer is dan een "regisseur" van de energie in plaats van als een signaalgeleider in de normale zin van het woord.

In zekere zin functioneren alle transmissielijnen als leidingen van elektromagnetische energie bij het transporteren van pulsen of hoogfrequente golven, waarbij de golven worden geleid zoals de oevers van een rivier een vloedgolf sturen.

Omdat golfgeleiders elementen met één geleider zijn, is de voortplanting van elektrische energie door een golfgeleider echter van een heel andere aard dan de voortplanting van elektrische energie langs een transmissielijn met twee geleiders.

Wat is transversale elektrische en magnetische (TEM) golfvoortplanting?

Alle elektromagnetische golven bestaan ​​uit elektrische en magnetische velden die zich in dezelfde rijrichting voortplanten, maar loodrecht op elkaar. Over de lengte van een normale transmissielijn staan ​​zowel elektrische als magnetische velden loodrecht (dwars) op de bewegingsrichting van de golf.

Dit staat bekend als de hoofdmodus , of TEM (T ransverse E lectric en M magnetische) modus. Deze modus van golfvoortplanting kan alleen bestaan ​​als er twee geleiders zijn, en het is de dominante modus van golfvoortplanting waarbij de dwarsdoorsnede-afmetingen van de transmissielijn klein zijn in vergelijking met de golflengte van het signaal.

Twin-lead transmissielijnpropagatie:TEM-modus.

Bij magnetron signaalfrequenties (tussen 100 MHz en 300 GHz), tweeaderige transmissielijnen van enige substantiële lengte die in de standaard TEM-modus werken, worden onpraktisch.

Lijnen die in dwarsdoorsnede klein genoeg zijn om de signaalvoortplanting in de TEM-modus voor microgolfsignalen te behouden, hebben meestal lage spanningswaarden en lijden aan grote, parasitaire vermogensverliezen als gevolg van de "huid" van de geleider en diëlektrische effecten.

Gelukkig zijn er bij deze korte golflengten echter andere voortplantingswijzen die niet zo "lossy" zijn als een geleidende buis wordt gebruikt in plaats van twee parallelle geleiders. Het is bij deze hoge frequenties dat golfgeleiders praktisch worden.

Wanneer een elektromagnetische golf zich door een holle buis voortplant, zal slechts één van de velden - elektrisch of magnetisch - daadwerkelijk dwars op de bewegingsrichting van de golf staan.

Het andere veld "loopt" in de lengterichting in de rijrichting, maar staat nog steeds loodrecht op het andere veld. Welk veld dwars op de rijrichting blijft, bepaalt of de golf zich voortplant in TE modus (T ransverse E lectric) of TM (T ransverse M magnetische) modus.

Waveguide (TE) transversale elektrische en (TM) transversale magnetische modi.

Er bestaan ​​vele variaties van elke modus voor een bepaalde golfgeleider, en een volledige bespreking van dit onderwerp valt ver buiten het bestek van dit boek.

Hoe worden signalen geïntroduceerd in en geëxtraheerd uit golfgeleiders?

Signalen worden typisch ingevoerd in en geëxtraheerd uit golfgeleiders door middel van kleine antenne-achtige koppelinrichtingen die in de golfgeleider worden gestoken. Soms hebben deze koppelelementen de vorm van een dipool, wat niet meer is dan twee open einddraden van de juiste lengte.

Andere keren is de koppeling een enkele stomp (een halve dipool, in principe vergelijkbaar met een "zweep" -antenne, 1/4 "in fysieke lengte), of een korte draadlus die eindigt op het binnenoppervlak van de golfgeleider.

Stub en lus koppeling aan golfgeleider.

In sommige gevallen, zoals een klasse van vacuümbuisapparaten genaamd inductieve uitgangsbuizen (de zogenaamde klystron buis in deze categorie valt), kan een "holte" gevormd uit geleidend materiaal elektromagnetische energie van een gemoduleerde elektronenstraal onderscheppen, zonder contact met de straal zelf.

Klystron inductieve uitgangsbuis.

Wat is een caviteitsresonator?

Net zoals transmissielijnen kunnen functioneren als resonerende elementen in een circuit, vooral wanneer ze worden afgesloten door een kortsluiting of een open circuit, kan een doodlopende golfgeleider ook resoneren op bepaalde frequenties.

Als het als zodanig wordt gebruikt, wordt het een holteresonator genoemd . Inductieve uitgangsbuizen gebruiken ringvormige holteresonatoren om de efficiëntie van de energieoverdracht tussen de elektronenstraal en de uitgangskabel te maximaliseren.

De resonantiefrequentie van een holte kan worden gewijzigd door de fysieke afmetingen ervan te veranderen. Hiertoe worden holtes met beweegbare platen, schroeven en andere mechanische elementen voor afstemming vervaardigd om een ​​grove aanpassing van de resonantiefrequentie te bieden.

Als een resonantieholte aan één kant open wordt gemaakt, functioneert deze als een unidirectionele antenne.

De volgende foto toont een zelfgemaakte golfgeleider gevormd uit een blik, gebruikt als antenne voor een 2,4 GHz-signaal in een "802.11b" computercommunicatienetwerk.

Het koppelelement is een kwartgolfstomp:niets meer dan een stuk massief koperdraad van ongeveer 1-1/4 inch lang dat zich uitstrekt vanaf het midden van een coaxiale kabelconnector die door de zijkant van het blikje dringt.

Can-tenna illustreert stub-koppeling met golfgeleider.

Op de achtergrond zijn nog een paar blikken antennes te zien, waaronder een "Pringles" aardappelchipsblik. Hoewel dit blikje van karton (papier) is gemaakt, biedt de metalen binnenvoering de nodige geleidbaarheid om als golfgeleider te functioneren.

Sommige blikken op de achtergrond hebben nog hun plastic deksels op hun plaats. Het plastic, dat niet-geleidend is, interfereert niet met het RF-signaal, maar fungeert als een fysieke barrière om te voorkomen dat regen, sneeuw, stof en andere fysieke verontreinigingen de golfgeleider binnendringen.

"Echte" golfgeleiderantennes gebruiken vergelijkbare barrières om de buis fysiek te omsluiten, maar laten elektromagnetische energie ongehinderd door.

BEOORDELING:

• Golfgeleiders zijn metalen buizen die functioneren als "leidingen" voor het transporteren van elektromagnetische golven. Ze zijn alleen praktisch voor signalen met een extreem hoge frequentie, waarbij de signaalgolflengte de dwarsdoorsnede-afmetingen van de golfgeleider benadert.
• Golfvoortplanting door een golfgeleider kan in twee brede categorieën worden ingedeeld:TE (Dwars Elektrisch), of TM (Transversaal magnetisch), afhankelijk van welk veld (elektrisch of magnetisch) loodrecht (dwars) op de golfbewegingsrichting staat. De golfbeweging langs een standaard twee-aderige transmissielijn is van de TEM (Transverse Electric and Magnetic) modus, waarbij beide velden loodrecht op de rijrichting staan. TEM-modus is alleen mogelijk met twee geleiders en kan niet bestaan ​​in een golfgeleider.
• Een doodlopende golfgeleider die als resonantie-element in een microgolfcircuit dient, wordt een holteresonator genoemd. .
• Een holteresonator met een open uiteinde functioneert als een unidirectionele antenne, die RF-energie verzendt of ontvangt van/naar de richting van het open uiteinde.