Golfgeleiders uitgelegd: fundamentele principes, modi en praktische toepassingen

Een golfgeleider is een gespecialiseerde transmissielijn bestaande uit een holle metalen buis. De metalen wanden bieden gedistribueerde inductie, terwijl de interne luchtspeling gedistribueerde capaciteit levert.

Golfgeleiders geleiden microgolfenergie met lagere verliezen dan coaxiale kabels.

Golfgeleiders zijn praktisch alleen voor signalen bij zeer hoge frequentie, waar de golfengte vergelijkbaar is met de doorsnede van de geleider. Bij lagere frequenties verliezen ze effectiviteit als transmissielijnen.

Gebruik van golfgeleiders als transmissielijn

Wanneer gebruikt als transmissielijnen, zijn golfgeleiders aanzienlijk eenvoudiger te fabriceren en te onderhouden dan twee-leider kabels, met name coaxiale.

Met slechts een enkele geleider – de mantel van de golfgeleider – is er geen noodzaak om geleider-tot-geleider afstand of diëlektrikaconsistentie te controleren; het enige diëlektrikum is lucht.

Vocht is minder problematisch in golfgeleiders dan in coaxiale kabels, dus ze laten vaak gasvulling achterwege.

Golfgeleiders fungeren als geleiders voor elektromagnetische energie, de golf richtend in plaats van het geleiden in de conventionele zin.

Alle transmissielijnen functioneren als energiegeleiders, maar de voortplanting in een enkele-leider golfgeleider verschilt fundamenteel van die in twee-leider lijnen.

Wat is Transversaal Elektrisch en Magnetisch (TEM) Golfvoortplanting?

Alle elektromagnetische golven bestaan uit elektrische en magnetische velden die samen voortplanten, loodrecht op elkaar. In een standaard transmissielijn zijn beide velden transversaal ten opzichte van de voortplantingsrichting.

Deze transversale modus, TEM (Transversaal Elektrisch en Magnetisch) genoemd, bestaat alleen in twee-leider lijnen en domineert wanneer de doorsnede van de lijn klein is ten opzichte van de golfengte.

Twee-leider transmissielijn voortplanting: TEM-modus.

Bij microgolffrequenties (100 MHz–300 GHz), worden twee-leider lijnen die in TEM-modus opereren, onpraktisch over significante lengtes.

Lijnen klein genoeg om TEM-modus bij microgolffrequenties te handhaven, lijden onder lage spanningswaarden en hoge parasitaire verliezen door huid-effect en diëlektrisch verlies.

Gelukkig zijn bij deze korte golfengtes alternatieve voortplantingsmodi beschikbaar die minder verliesvol zijn wanneer een geleidende buis wordt gebruikt in plaats van parallele geleiders. Hier worden golfgeleiders voordelig.

Wanneer een elektromagnetische golf een holle buis binnen reist, blijft slechts één van de velden – ofwel elektrisch ofwel magnetisch – transversaal ten opzichte van de voortplantingsrichting. Het andere veld lus longitudinal maar blijft loodrecht op het transversale veld. Het veld dat transversaal blijft, bepaalt of de golf voortplant in TE (Transversaal Elektrisch) of TM (Transversaal Magnetisch) modus.

Golfgeleider (TE) transversaal elektrisch en (TM) transversaal magnetisch modi.

Elke golfgeleider ondersteunt meerdere modusvariaties, maar een uitgebreide discussie valt buiten de scope van dit artikel.

Hoe worden signalen in en uit golfgeleiders gekoppeld?

Signalen worden typisch in of uit een golfgeleider gekoppeld met kleine antenne-achtige apparaten die in de geleider worden ingevoegd. Deze koppelaars kunnen dipolen zijn – twee open-eindige stumpen van geschikte lengte – of een enkele stumpf (een halve-dipool, vergelijkbaar met een whip-antenne, ¼ λ in fysieke lengte), of een korte lus draad die eindigt op de binnenkant van de geleider.

Stumpf en lus koppeling aan golfgeleider.

In sommige apparaten, zoals inductieve-uitgang buizen (bijv. de klystron), onderschept een kaviteit van geleidend materiaal elektromagnetische energie van een gemoduleerd elektronenbundel zonder direct contact.

Klystron inductieve-uitgang buis.

Wat is een kaviteitsresonator?

Net als transmissielijnen, kan een dodeind-golfgeleider resoneren op specifieke frequenties. Wanneer als zodanig gebruikt, heet het apparaat een kaviteitsresonator.

Inductieve-uitgang buizen gebruiken toroïde-vormige kaviteitsresonatoren om energieoverdracht tussen het elektronenbundel en de uitgangsgolfgeleider te maximaliseren.

De resonante frequentie van een kaviteit kan afgestemd worden door de fysieke afmetingen aan te passen. Fabrikanten incorporeren verplaatsbare platen, schroeven, en andere mechanische elementen om grove frequentie-aanstelling te bieden.

Als een resonante kaviteit open is aan één eind, functioneert het als een richtingsgevoelige antenne.

De volgende foto toont een zelfgemaakte golfgeleider geconstrueerd uit een blikje, gebruikt als antenne voor een 2,4 GHz Wi-Fi (802.11b) signaal.

Het koppelings-element is een kwart-golf stumpf: een massieve koperen draad van ongeveer 3,2 cm lang die uitstekt vanuit het midden van een coaxiale connector in het blikje.

Blikje-antenne illustreert stumpf koppeling aan golfgeleider.

Andere blikje-antennes op de achtergrond omvatten een Pringles-stijl chipsblikje, wat, ondanks zijn kartonconstructie, een metalen binnenbekleding heeft die de benodigde geleiding biedt.

Sommige blikjes hebben nog plastic deksels. Terwijl het plastic niet-geleidend is en niet interfereert met het RF-signaal, dient het als een fysieke barrière om de geleider te beschermen tegen weer en afval.

Echte golfgeleider-antennes gebruiken vergelijkbare barrières om de buis in te sluiten terwijl elektromagnetische energie ongehinderd kan passeren.

OVERZICHT:

• Golfgeleiders zijn metalen buizen die fungeren als geleiders voor elektromagnetische golven, alleen geschikt voor signalen waar de golfengte matcht met de doorsnede van de geleider.
• Golfvoortplanting in een golfgeleider valt in TE (Transversaal Elektrisch) of TM (Transversaal Magnetisch) modi, bepaald door welk veld transversaal is ten opzichte van de voortplantingsrichting. De TEM (Transversaal Elektrisch en Magnetisch) modus bestaat alleen in twee-leider lijnen en kan niet in een golfgeleider gehandhaafd worden.
• Een dodeind-golfgeleider die functioneert als een resonante element heet een kaviteitsresonator.
• Een open-eindige kaviteitsresonator werkt als een richtingsgevoelige antenne, stralend of ontvangend RF-energie van de open kant.