golfgeleiders

How a Microwave Oven Works (Juli- 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

golfgeleiders

Hoofdstuk 14 - Transmissielijnen


Een golfgeleider is een speciale vorm van transmissielijn bestaande uit een holle metalen buis. De buiswand biedt een verdeelde zelfinductie, terwijl de lege ruimte tussen de buiswanden een verdeelde capaciteit biedt: figuur hieronder

Golfgeleiders voeren microgolfenergie met een lager verlies uit dan coaxiale kabels.

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

Bij gebruik als transmissielijnen zijn golfgeleiders echter aanzienlijk eenvoudiger dan kabels met twee geleiders, met name coaxiale kabels, bij de fabricage en het onderhoud ervan. Met slechts een enkele geleider (de "schaal" van de golfgeleider), zijn er geen zorgen met een juiste geleider-tot-geleiderafstand, of van de consistentie van het diëlektrische materiaal, omdat het enige diëlektricum in een golfgeleider lucht is. Vocht is niet zo een ernstig probleem in golfgeleiders als ook binnen coaxiale kabels, en dus worden golfgeleiders vaak de noodzaak van gas "vullen" bespaard.

Golfgeleiders kunnen worden beschouwd als leidingen voor elektromagnetische energie, waarbij de golfgeleider zelf alleen maar als een "regisseur" van de energie fungeert in plaats van als een signaalgeleider in de normale betekenis van het woord. In zekere zin fungeren alle transmissielijnen als leidingen van elektromagnetische energie bij het transporteren van pulsen of hoogfrequente golven, waarbij de golven worden geleid als de oevers van een rivier een vloedgolf sturen. Omdat golfgeleiders echter uit een enkele geleider bestaan, is de voortplanting van elektrische energie langs een golfgeleider van een heel andere aard dan de voortplanting van elektrische energie langs een twee-geleider transmissielijn.

Alle elektromagnetische golven bestaan ​​uit elektrische en magnetische velden die zich in dezelfde bewegingsrichting voortplanten, maar loodrecht op elkaar staan. Over de lengte van een normale transmissielijn lopen zowel de elektrische als de magnetische velden loodrecht (dwars) op de richting van de golfbeweging. Dit staat bekend als de hoofdmodus of TEM ( T ransverse E lectric and M agnetic) -modus. Deze modus van golfvoortplanting kan alleen bestaan ​​wanneer er twee geleiders zijn en het is de dominante modus van golfvoortplanting waarbij de dwarsdoorsnededimensies van de transmissielijn klein zijn in vergelijking met de golflengte van het signaal. (Figuur hieronder)

Tweekele transmissielijn voortplanting: TEM-modus.

Bij microgolfsignaalfrequenties (tussen 100 MHz en 300 GHz) worden twee-geleidertransmissielijnen van enige substantiële lengte die in de standaard TEM-modus werken onpraktisch. Lijnen die klein genoeg zijn in dwarsdoorsnede-afmeting om TEM-modus-signaalvoortplanting voor microgolfsignalen te handhaven hebben de neiging om lage spanningswaarden te hebben, en lijden aan grote parasitaire vermogensverliezen als gevolg van geleider "huid" en diëlektrische effecten. Gelukkig bestaan ​​er bij deze korte golflengten andere wijzen van voortplanting die niet zo "lossy" zijn, als een geleidende buis wordt gebruikt in plaats van twee parallelle geleiders. Het is bij deze hoge frequenties dat waveguides praktisch worden.

Wanneer een elektromagnetische golf zich door een holle buis voortplant, zal slechts een van de velden, hetzij elektrisch of magnetisch, daadwerkelijk dwars op de bewegingsrichting van de golf zijn. Het andere veld zal in de lengterichting naar de rijrichting 'lussen', maar staat nog steeds loodrecht op het andere veld. Het veld dat dwars op de rijrichting blijft, bepaalt of de golf zich voortplant in de TE- modus ( T ransverse Electric) of TM ( T ransverse M agnetic) -modus. (Figuur hieronder)

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

Er bestaan ​​veel variaties van elke modus voor een bepaalde golfgeleider, en een volledige bespreking hiervan is ver buiten het bestek van dit boek.

Signalen worden typisch geïntroduceerd in en geëxtraheerd uit golfgeleiders door middel van kleine antenne-achtige koppelingsinrichtingen die zijn ingebracht in de golfgeleider. Soms hebben deze koppelingselementen de vorm van een dipool, die niets meer is dan twee stompjes met een open uiteinde van geschikte lengte. Op andere momenten is de koppeling een enkele stomp (een halve dipool, in principe vergelijkbaar met een "zweep" -antenne, 1/4λ in fysieke lengte), of een korte lus draad die eindigt op het binnenoppervlak van de golfgeleider: (figuur hieronder) )

Stub en lus koppeling met golfgeleider.

In sommige gevallen, zoals een klasse van vacuümbuisinrichtingen die inductieve uitvoerbuizen worden genoemd (de zogenaamde klystronbuis valt in deze categorie), kan een "holte" die is gevormd van geleidend materiaal elektromagnetische energie onderscheppen van een gemoduleerde elektronenbundel, zonder contact met de balk zelf: (hieronder een afbeelding)

Klystron inductieve output buis.

Net zoals transmissielijnen kunnen functioneren als resonantie-elementen in een circuit, vooral wanneer ze worden afgesloten door een kortsluiting of een open circuit, kan een golfgeleider met een dood uiteinde ook resoneren op bepaalde frequenties. Wanneer het apparaat als zodanig wordt gebruikt, wordt het een holteresonator genoemd . Inductieve uitvoerbuizen gebruiken toroid-vormige holteresonatoren om de efficiëntie van de vermogensoverdracht tussen de elektronenstraal en de uitvoerkabel te maximaliseren.

De resonantiefrequentie van een holte kan worden gewijzigd door de fysieke afmetingen te wijzigen. Hiertoe worden holtes met beweegbare platen, schroeven en andere mechanische elementen voor afstemming vervaardigd om een ​​grove resonantie frequentie-instelling te verschaffen.

Als een resonantieholte aan één uiteinde open wordt gemaakt, functioneert deze als een unidirectionele antenne. De volgende foto toont een zelfgemaakte golfgeleider gevormd uit een blikje, gebruikt als antenne voor een 2, 4 GHz-signaal in een "802.11b" computernetwerk. Het koppelingselement is een kwartgolfstomp: niets meer dan een stuk massief koperdraad van ongeveer 1-1 / 4 inch in de lengte die zich uitstrekt van het midden van een coaxiale kabelconnector die de zijkant van de bus binnendringt: (figuur hieronder)

Can-tenna illustreert stubkoppeling met golfgeleider.

Op de achtergrond zijn nog een paar blikjes antennes te zien, waaronder een "Pringles" -aardappelchip. Hoewel dit kan van karton (papier) constructie is, biedt de metalen binnenvoering de nodige geleiding om te functioneren als een golfgeleider. Sommige blikjes op de achtergrond hebben nog steeds hun plastic deksels op hun plaats. Het plastic, dat niet-geleidend is, interfereert niet met het RF-signaal, maar functioneert als een fysieke barrière om te voorkomen dat regen, sneeuw, stof en andere fysieke verontreinigingen de golfgeleider binnendringen. "Echte" waveguide-antennes gebruiken vergelijkbare barrières om de buis fysiek te omsluiten, maar laten elektromagnetische energie ongehinderd door.

  • BEOORDELING:
  • Golfgeleiders zijn metalen buizen die werken als "leidingen" voor het dragen van elektromagnetische golven. Ze zijn alleen praktisch voor signalen met een extreem hoge frequentie, waarbij de signaalgolflengte de dwarsdoorsnedeafmetingen van de golfgeleider nadert.
  • Golfvoortplanting door een golfgeleider kan worden ingedeeld in twee brede categorieën: TE (transversaal elektrisch) of TM (transversaal magnetisch), afhankelijk van welk veld (elektrisch of magnetisch) loodrecht (dwars) staat op de richting van de golfbeweging. De golfbeweging langs een standaard, twee-geleider transmissielijn is van de TEM (transversaal elektrisch en magnetisch) modus, waarbij beide velden loodrecht op de rijrichting zijn georiënteerd. TEM-modus is alleen mogelijk met twee geleiders en kan niet bestaan ​​in een golfgeleider.
  • Een golfgeleider met een doodlopend uiteinde die dient als een resonerend element in een microgolfschakeling, wordt een holteresonator genoemd .
  • Een holteresonator met een open uiteinde functioneert als een unidirectionele antenne, die RF-energie naar / van de richting van het open uiteinde verzendt of ontvangt.