Mikrowellentechnik - Wellenleiter

Wenn die Frequenz eines Signals oder eines bestimmten Signalbandes hoch ist, ist die Bandbreitennutzung im Allgemeinen hoch, da das Signal mehr Platz für die Akkumulation anderer Signale bietet. Hochfrequenzsignale können jedoch keine längeren Strecken zurücklegen, ohne gedämpft zu werden. Wir haben untersucht, dass Übertragungsleitungen den Signalen helfen, größere Entfernungen zurückzulegen.

Mikrowellen breiten sich durch Mikrowellenschaltungen, -komponenten und -vorrichtungen aus, die als Teil von Mikrowellenübertragungsleitungen fungieren, die allgemein als Wellenleiter bezeichnet werden.

Eine hohle Metallröhre mit gleichmäßigem Querschnitt zum Übertragen elektromagnetischer Wellen durch aufeinanderfolgende Reflexionen von den Innenwänden der Röhre wird als a bezeichnet Waveguide.

Die folgende Abbildung zeigt ein Beispiel eines Wellenleiters.

Bei der Mikrowellenkommunikation wird im Allgemeinen ein Wellenleiter bevorzugt. Der Wellenleiter ist eine spezielle Form der Übertragungsleitung, bei der es sich um ein hohles Metallrohr handelt. Im Gegensatz zu einer Übertragungsleitung hat ein Wellenleiter keinen Mittelleiter.

Die Hauptmerkmale eines Wellenleiters sind -

  • Die Rohrwand sorgt für eine verteilte Induktivität.

  • Der leere Raum zwischen den Rohrwänden sorgt für eine verteilte Kapazität.

  • Diese sind sperrig und teuer.

Vorteile von Wellenleitern

Im Folgenden sind einige Vorteile von Wellenleitern aufgeführt.

  • Wellenleiter sind einfach herzustellen.

  • Sie können sehr große Leistungen (in Kilowatt) verarbeiten.

  • Der Leistungsverlust ist bei Wellenleitern sehr vernachlässigbar.

  • Sie bieten einen sehr geringen Verlust (niedriger Wert der Alpha-Dämpfung).

  • Wenn sich Mikrowellenenergie durch den Wellenleiter bewegt, treten geringere Verluste auf als bei einem Koaxialkabel.

Arten von Wellenleitern

Es gibt fünf Arten von Wellenleitern.

  • Rechteckiger Wellenleiter
  • Kreisförmiger Wellenleiter
  • Elliptischer Wellenleiter
  • Einkantiger Wellenleiter
  • Wellenleiter mit zwei Rippen

Die folgenden Abbildungen zeigen die Arten von Wellenleitern.

Die oben gezeigten Wellenleitertypen sind in der Mitte hohl und bestehen aus Kupferwänden. Diese haben eine dünne Au- oder Ag-Auskleidung auf der Innenfläche.

Vergleichen wir nun die Übertragungsleitungen und Wellenleiter.

Übertragungsleitungen gegen Wellenleiter

Der Hauptunterschied zwischen einer Übertragungsleitung und einem Wellenleiter ist -

  • EIN two conductor structure Das kann eine TEM-Welle unterstützen, ist eine Übertragungsleitung.

  • EIN one conductor structure Das kann eine TE-Welle oder eine TM-Welle unterstützen, aber keine TEM-Welle wird als Wellenleiter bezeichnet.

Die folgende Tabelle zeigt die Unterschiede zwischen Übertragungsleitungen und Wellenleitern.

Übertragungsleitungen Wellenleiter
Unterstützt TEM-Welle TEM-Welle kann nicht unterstützt werden
Alle Frequenzen können durchgehen Nur die Frequenzen, die größer als die Grenzfrequenz sind, können durchgelassen werden
Zweileiterübertragung Einleiterübertragung
Reflexionen sind geringer Eine Welle bewegt sich durch Reflexionen von den Wänden des Wellenleiters
Es hat eine charakteristische Impedanz Es hat Wellenimpedanz
Die Ausbreitung von Wellen erfolgt nach "Schaltungstheorie" Die Ausbreitung von Wellen erfolgt nach "Feldtheorie"
Es hat einen Rückleiter zur Erde Ein Rückleiter ist nicht erforderlich, da der Körper des Wellenleiters als Erde fungiert
Die Bandbreite ist nicht begrenzt Die Bandbreite ist begrenzt
Wellen zerstreuen sich nicht Wellen zerstreuen sich

Phasengeschwindigkeit

Die Phasengeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der die Welle ihre Phase ändert, um eine Phasenverschiebung von zu erfahren Bogenmaß. Es kann als die Änderung der Geschwindigkeit der Wellenkomponenten einer Sinuswelle verstanden werden, wenn sie moduliert wird.

Lassen Sie uns eine Gleichung für die Phasengeschwindigkeit ableiten.

Gemäß der Definition beträgt die Geschwindigkeit der Phasenänderung bei Bogenmaß ist zu berücksichtigen.

Was bedeutet, $λ$ / $T$ daher,

$$ V = \ frac {\ lambda} {T} $$

Wo,

$ λ $ = Wellenlänge und $ T $ = Zeit

$$ V = \ frac {\ lambda} {T} = \ lambda f $$

Da $ f = \ frac {1} {T} $

Wenn wir Zähler und Nenner mit multiplizieren dann haben wir

$$ V = \ lambda f = \ frac {2 \ pi \ lambda f} {2 \ pi} $$

Wir wissen, dass $ \ omega = 2 \ pi f $ and $ \ beta = \ frac {2 \ pi} {f} $

Die obige Gleichung kann geschrieben werden als:

$$ V = \ frac {2 \ pi f} {\ frac {2 \ pi} {\ lambda}} = \ frac {\ omega} {\ beta} $$

Daher wird die Gleichung für die Phasengeschwindigkeit als dargestellt

$$ V_p = \ frac {\ omega} {\ beta} $$

Gruppengeschwindigkeit

Die Gruppengeschwindigkeit kann als die Geschwindigkeit definiert werden, mit der sich die Welle durch den Wellenleiter ausbreitet. Dies kann als die Geschwindigkeit verstanden werden, mit der sich eine modulierte Hüllkurve im Vergleich zum Träger allein bewegt. Diese modulierte Welle wandert durch den Wellenleiter.

Die Gleichung der Gruppengeschwindigkeit wird dargestellt als

$$ V_g = \ frac {d \ omega} {d \ beta} $$

Die Geschwindigkeit der modulierten Hüllkurve ist normalerweise langsamer als das Trägersignal.