Wellenleiter: Wie kann man sich auf nur einer Frequenz ausbreiten?

Wellenleiter haben eine "niedrige" Grenzfrequenz, bei der EM-Wellen den Wellenleiter nicht mehr durchdringen, aber sie werden ein anständiges Frequenzband über diesem Grenzpunkt passieren, und die Theorie ist bekannt.

Grenzfrequenz ist: -

Wobei c die Lichtgeschwindigkeit im Wellenleiter ist und$\mu$Und$\epsilon$sind Permeabilität und Dielektrizitätskonstante des Luftdielektrikums innerhalb des Wellenleiters. Auch "a" ist die längere der beiden Innenabmessungen des Wellenleiters: -

Diese Gleichung sagt Ihnen im Grunde, dass die niedrigste Frequenz durch die Dimension "a" bestimmt wird und diese Frequenz eine Wellenlänge von 2a hat. Die Hälfte von "a", die eine Viertelwellenlänge ist, impliziert einen offenen Stromkreis bei dieser Frequenz, daher sind die oberen und unteren "Platten" des Wellenleiters tatsächlich nicht verbunden.

Die maximale Frequenz, die durchgelassen werden kann, ist etwas schwieriger zu erklären und hängt vom Verständnis der Betriebsmodi ab, aber es ist ziemlich einfach zu erklären, dass ein anständiges Frequenzband ohne ernsthafte Dämpfung innerhalb eines Wellenleiters durchgelassen werden kann.

Der Grenzpunkt sollte leicht verständlich sein, aber um zu verstehen, dass ein Wellenleiter eine Reihe von Frequenzen passieren kann, ist ein kleiner Vertrauensvorschuss erforderlich (ohne in die Mathematik einzusteigen): -

Das obige Bild ist eine Zeichnung eines Hohlleiters und zeigt zwei "Sammelschienen" - diese können als elektrische Verbindungen ein- oder ausgesehen werden. Wenn die Sammelschiene dünn ist, ist das Maß a/2 die Hälfte der physikalischen Breite des Hohlleiters.

Dies definiert die untere Frequenzgrenze des Wellenleiters.

Stellen Sie sich nun vor, dass die Sammelschiene für höhere Frequenzen dicker wird. Ja, ich weiß, dass sich im Wellenleiter keine Sammelschiene befindet, da es sich um ein massives Metallstück handelt, das zu einem Rohr geformt ist, aber die Analogie zur Sammelschiene soll dazu beitragen, das Konzept zu verwirklichen, dass höhere Frequenzen funktionieren ...

Wenn die Sammelschiene dicker wird, verringert sich a/2. Was auch immer der Wert a/2 ist, es wird eine Viertelwelle bei irgendeiner Frequenz sein und dies wird ein offener Stromkreis für das angelegte elektrische Signal sein.

Somit können Wellenleiter einen Bereich von Frequenzen durchlassen und sind nicht auf genau eine Punktfrequenz beschränkt.

Andys Antwort zeigt, warum ein Wellenleiter mit einheitlichem Querschnitt eine sehr große Übertragungsbandbreite hat, sodass er nicht zur selektiven Übertragung einer bestimmten Frequenz verwendet werden kann.

Es ist aber auch möglich, Wellenleiterstrukturen aufzubauen, die sich wie analoge Filter verhalten. Innerhalb des Bandes der nominellen Wellenleitergeometrie können alle Tiefpass-, Hochpass-, Bandpass- und Bandsperrfilter hergestellt werden.

Wie in der Übertragungsleitungstheorie beeinflussen Diskontinuitäten in der Wellenleiterstruktur die sich ausbreitende Welle ähnlich wie diskrete Kondensatoren oder Induktoren dies tun würden. Diese Elemente können zu Filtern kombiniert werden.

Beispielsweise wird eine im Wellenleiter platzierte dünne Platte als Iris bezeichnet , und die Ersatzschaltbilder verschiedener Irisformen sind hier dargestellt:

(Bild von Wikimedia-Benutzer SpinningSpark, CC-BY-SA)

Zahlreiche andere Strukturen sind möglich, darunter in den Leiter eingebrachte dielektrische Elemente, Änderungen des Leiterquerschnitts, Schlitze in der Wand des Leiters usw. Filter, die durch selektive Kopplung von Signalen zwischen zwei parallel verlaufenden Wellenleitern arbeiten, sind ebenfalls üblich. Weitere Einzelheiten finden Sie im Wikipedia-Artikel zu Wellenleiterfiltern .

Da diese Strukturen typischerweise in gleichmäßig beabstandeten Intervallen entlang des Wellenleiters angeordnet sind, können sie schließlich Filter ziemlich hoher Ordnung erzeugen. Für den Fall, dass ein Bandpassfilter hergestellt wird, bedeutet dies, dass sie sehr selektiv für sehr schmale Passbänder sein können.