Ein Wellenleiter ist eine Struktur, die Wellen, wie elektromagnetische Wellen oder Schallwellen führt. Es gibt verschiedene Typen von Wellenleitern für jeden Typ der Welle. Die ursprüngliche und allgemeinste Bedeutung ist eine hohle leitende Metallpfeife, die verwendet ist, um hohe Frequenzfunkwellen, besonders Mikrowellen zu tragen.

Wellenleiter unterscheiden sich in ihrer Geometrie, die Energie in einer Dimension solcher als in Plattenwellenleitern oder zwei Dimensionen als in der Faser oder den Kanalwellenleitern beschränken kann. Außerdem sind verschiedene Wellenleiter erforderlich, um verschiedene Frequenzen zu führen: Führendes Licht von Glasfaserleiter (hohe Frequenz) wird Mikrowellen nicht führen (die eine viel niedrigere Frequenz haben). Als Faustregel muss die Breite eines Wellenleiters derselben Größenordnung wie die Wellenlänge der geführten Welle sein.

Es gibt Strukturen in der Natur, die als Wellenleiter handeln: Zum Beispiel kann die SOFAR Kanalschicht im Ozean Walfisch-Lied enorme Entfernungen führen.

Grundsatz der Operation

Wellen in der Lichtung pflanzen sich in allen Richtungen als Kugelwellen fort. Auf diese Weise verlieren sie ihre Macht proportional zum Quadrat der Entfernung; d. h. in einer Entfernung R von der Quelle ist die Macht die durch R geteilte Quellmacht. Die Wellenleiter-Grenzen die Welle zur Fortpflanzung in einer Dimension, so dass (unter idealen Bedingungen) die Welle keine Macht verliert, während sie sich fortpflanzt.

Wellen werden innerhalb des Wellenleiters wegen des Gesamtnachdenkens von der Wellenleiter-Wand beschränkt, so dass die Fortpflanzung innerhalb des Wellenleiters ungefähr als ein "Zickzack" zwischen den Wänden beschrieben werden kann. Diese Beschreibung ist für elektromagnetische Wellen in einer hohlen Metalltube mit einer rechteckigen oder kreisförmigen bösen Abteilung genau.

Geschichte

Die erste Struktur für führende Wellen wurde von J. J. Thomson 1893 vorgeschlagen, und wurde zuerst von Oliver Lodge 1894 experimentell geprüft. Die erste mathematische Analyse von elektromagnetischen Wellen in einem Metallzylinder wurde von Herrn Rayleigh 1897 durchgeführt.

Für Schallwellen hat Herr Rayleigh eine volle mathematische Analyse von Fortpflanzungsweisen in seiner Samenarbeit, "Die Theorie des Tons veröffentlicht".

Die Studie von dielektrischen Wellenleitern (wie Glasfaserleiter, sieh unten) hat schon in den 1920er Jahren durch mehrere Menschen begonnen, die am berühmtesten sind, von denen Rayleigh, Sommerfeld und Debye sind.

Glasfaserleiter hat begonnen, spezielle Aufmerksamkeit in den 1960er Jahren wegen seiner Wichtigkeit zur Kommunikationsindustrie zu erhalten.

Gebrauch

Der Gebrauch von Wellenleitern, um Signale zu übersenden, war sogar bekannt, bevor der Begriff ins Leben gerufen wurde. Das Phänomen von durch eine gespannte Leitung geführten Schallwellen ist seit langem, sowie Ton durch eine hohle Pfeife wie eine Höhle oder medizinisches Stethoskop bekannt gewesen. Anderer Gebrauch von Wellenleitern ist im Übertragen der Macht zwischen den Bestandteilen eines Systems wie Radio, optische oder Radargeräte. Wellenleiter sind der grundsätzliche Grundsatz der geführten Welle-Prüfung (GWT), eine der vielen Methoden der nichtzerstörenden Einschätzung.

Spezifische Beispiele:

• Glasfaserleiter übersenden Licht und Signale für lange Entfernungen und mit einer hohen Signalrate.
• In einem Mikrowellengerät überträgt ein Wellenleiter Macht vom magnetron, wo Wellen zum Kochen-Raum gebildet werden.
• In einem Radar überträgt ein Wellenleiter Radiofrequenzenergie und von der Antenne, wo der Scheinwiderstand für die effiziente Energieübertragung (sieh unten) verglichen werden muss.
• Ein Wellenleiter hat gerufen Trennlinie kann auf einer gedruckten Leiterplatte geschaffen werden und wird verwendet, um Mikrowellensignale auf dem Ausschuss zu übersenden. Dieser Typ des Wellenleiters ist sehr preiswert, um zu verfertigen, und hat kleine Dimensionen, die gedruckte Innenleiterplatten anpassen.
• Wellenleiter werden in wissenschaftlichen Instrumenten verwendet, um optische, akustische und elastische Eigenschaften von Materialien und Gegenständen zu messen. Der Wellenleiter kann im Kontakt mit dem Muster gestellt werden (als in einer Medizinischen Echographie), in welchem Fall der Wellenleiter sicherstellt, dass die Macht der Probewelle erhalten wird, oder das Muster in den Wellenleiter gestellt werden kann (als in einem dielektrischen unveränderlichen Maß), so dass kleinere Gegenstände geprüft werden können und die Genauigkeit besser ist.

Eine Skizze der theoretischen Analyse

Die elektromagnetische Welle-Fortpflanzung entlang der Achse des Wellenleiters wird durch die Wellengleichung beschrieben, die aus den Gleichungen von Maxwell abgeleitet wird, und wo die Wellenlänge von der Struktur des Wellenleiters und dem Material innerhalb ihrer (Luft, Plastik, Vakuum, usw.), sowie auf der Frequenz der Welle abhängt.

Der Raumvertrieb der zeitändernden elektrischen Felder und magnetischen Felder innerhalb des Wellenleiters hängt von Grenzbedingungen ab, die durch die Gestalt und Materialien des Wellenleiters auferlegt sind. Lassen Sie uns annehmen, dass der Wellenleiter aus einem Metall gemacht wird, das solch ein guter Leiter ist, dass wir denken können, dass es ein vollkommener Leiter ist. Fast alle Wellenleiter haben Kupferinnere, aber einige von ihnen werden sogar mit Silber oder Gold auf dem Inneren - ausgezeichnete Leiter, und auch widerstandsfähig gegen die Korrosion gepanzert. Jetzt sind die Grenzbedingungen diese:

• Elektromagnetische Wellen führen Leiter, aber eher nicht durch, sie werden widerspiegelt.
• Jedes elektrische Feld, das einen Leiter berührt, muss darauf rechtwinklig sein.
• Jedes magnetische Feld in der Nähe von einem Leiter muss dazu parallel sein.

Diese Grenzbedingungen beseitigen eine unendliche Zahl von Lösungen der Wellengleichung und derjenigen, die bleiben, sind die möglichen Lösungen der Wellengleichung innerhalb des Wellenleiters. Der Rest der Analyse der Lösungen der elektromagnetischen Wellen innerhalb eines Wellenleiters wird sehr mathematisch.

Alles, was darin bleibt, dass gesagt werden kann, ohne sehr mathematisch zu werden, ist, dass allgemein verwendete Wellenleiter nur einiger Kategorien sind. Die allgemeinste Art des Wellenleiters ist diejenige, die einen rechteckigen Querschnitt, derjenige hat, der gewöhnlich nicht quadratisch ist. Es ist für die lange Seite dieses Querschnitts üblich, zweimal so lang zu sein, wie seine kurze Seite. Diese sind nützlich, um elektromagnetische Wellen zu tragen, die eine horizontale oder vertikale Polarisation zu ihnen haben.

Das zweite meistens verwendete Art des Wellenleiters hat einen kreisförmigen Querschnitt. Diese erweisen sich, ziemlich nützlich zu sein, wenn sie elektromagnetische Wellen mit einem Drehen, kreisförmiger Polarisation zu ihnen tragen. Dann verfolgt sein elektrisches Feld ein spiralenförmiges Muster als eine Funktion der Zeit.

Die dritte Art eines Wellenleiters - wirklich eines selten verwendeten ein - hat einen elliptischen Querschnitt.

Fortpflanzungsweisen und Abkürzungsfrequenzen

Eine Fortpflanzungsweise in einem Wellenleiter ist eine Lösung der Wellengleichungen, oder, mit anderen Worten, die Form der Welle. Wegen der Einschränkungen der Grenzbedingungen gibt es nur beschränkte Frequenzen und Formen für die Welle-Funktion, die sich im Wellenleiter fortpflanzen kann. Die niedrigste Frequenz, in der sich eine bestimmte Weise fortpflanzen kann, ist die Abkürzungsfrequenz dieser Weise. Die Weise mit der niedrigsten Abkürzungsfrequenz ist die grundlegende Weise des Wellenleiters, und seine Abkürzungsfrequenz ist die Wellenleiter-Abkürzungsfrequenz.

Das Scheinwiderstand-Zusammenbringen

In der Stromkreis-Theorie ist der Scheinwiderstand eine Generalisation des elektrischen spezifischen Widerstands im Fall vom Wechselstrom, und wird in Ohm gemessen.

Ein Wellenleiter in der Stromkreis-Theorie wird durch eine Übertragungslinie beschrieben, die eine Länge und selbst Scheinwiderstand hat. Mit anderen Worten ist der Scheinwiderstand der Widerstand des Stromkreis-Bestandteils (in diesem Fall ein Wellenleiter) zur Fortpflanzung der Welle. Diese Beschreibung des Wellenleiters war für den Wechselstrom ursprünglich beabsichtigt, aber ist auch für elektromagnetische und Schallwellen passend, einmal werden die Welle und materiellen Eigenschaften (wie Druck, Dichte, dielektrische Konstante) in elektrische Begriffe (Strom und Scheinwiderstand zum Beispiel) richtig umgewandelt.

Scheinwiderstand, der zusammenpasst, ist wichtig, wenn Bestandteile eines elektrischen Stromkreises (Wellenleiter mit der Antenne zum Beispiel) verbunden werden: Das Scheinwiderstand-Verhältnis bestimmt, wie viel der Welle vorwärts übersandt wird, und wie viel widerspiegelt wird. Im Anschließen eines Wellenleiters zu einer Antenne ist eine ganze Übertragung gewöhnlich erforderlich, so dass ihre Scheinwiderstände verglichen werden.

Der Reflexionskoeffizient kann berechnet werden mit: wo der Reflexionskoeffizient ist (0 zeigt volle Übertragung an, 1 volles Nachdenken, und 0.5 ist ein Nachdenken der Hälfte der eingehenden Stromspannung), und sind der Scheinwiderstand des ersten Bestandteils (von dem die Welle hereingeht), und der zweite Bestandteil, beziehungsweise.

Eine Scheinwiderstand-Fehlanpassung schafft eine widerspiegelte Welle, die zu den eingehenden Wellen beigetragen hat, schafft eine stehende Welle. Eine Scheinwiderstand-Fehlanpassung kann auch mit dem Verhältnis der stehenden Welle gemessen werden (SWR oder VSWR für die Stromspannung), der mit dem Scheinwiderstand-Verhältnis und Reflexionskoeffizienten verbunden wird durch: wo die minimalen und maximalen Werte der Stromspannung absoluter Wert sind, und der VSWR das Stromspannungsverhältnis der stehenden Welle ist, welcher Wert von 1 volle Übertragung, ohne Nachdenken und so keine stehende Welle anzeigt, während sehr große Werte hohes Muster des Nachdenkens und stehenden Welle bedeuten.

Elektromagnetische Wellenleiter

Wellenleiter können gebaut werden, um Wellen über einen breiten Teil des elektromagnetischen Spektrums zu tragen, aber sind in den optischen und Mikrowellenfrequenzreihen besonders nützlich. Abhängig von der Frequenz können sie entweder von leitenden oder von dielektrischen Materialien gebaut werden. Wellenleiter werden verwendet, um sowohl Macht als auch Nachrichtensignale zu übertragen.

Optische Wellenleiter

An optischen Frequenzen verwendete Wellenleiter sind normalerweise dielektrische Wellenleiter, Strukturen, in denen ein dielektrisches Material mit hohem permittivity, und so hohem Index der Brechung, durch ein Material mit tiefer permittivity umgeben wird. Die Struktur führt optische Wellen durch das innere Gesamtnachdenken. Ein Beispiel eines optischen Wellenleiters ist Glasfaserleiter.

Andere Typen des optischen Wellenleiters werden auch einschließlich der Photonic-Kristallfaser verwendet, die Wellen durch einigen von mehreren verschiedenen Mechanismen führt. Handbücher in der Form einer hohlen Tube mit einer hoch reflektierenden inneren Oberfläche sind auch als leichte Pfeifen für Beleuchtungsanwendungen verwendet worden. Die inneren Oberflächen können Metall poliert werden, oder können mit einem Mehrschicht-Film bedeckt werden, der Licht durch das Nachdenken von Bragg führt (das ist ein spezieller Fall einer Photonic-Kristallfaser). Man kann auch kleine Prismen um die Pfeife verwenden, die Licht über das innere Gesamtnachdenken http://www.physics.ubc.ca/ssp/research/lightpipe.htm-such widerspiegeln, ist Beschränkung jedoch notwendigerweise unvollständig, da inneres Gesamtnachdenken Licht innerhalb eines Kerns des niedrigeren Index nie aufrichtig führen kann (im Prisma-Fall, strömt ein Licht an den Prisma-Ecken aus).

Akustische Wellenleiter

Ein akustischer Wellenleiter ist eine physische Struktur, um Schallwellen zu führen. Ein Kanal für die Schallausbreitung benimmt sich auch wie eine Übertragungslinie. Der Kanal enthält ein Medium wie Luft, die Schallausbreitung unterstützt.

Gesunde Synthese

Gesunde Synthese verwendet Digitalverzögerungslinien als rechenbetonte Elemente, um Welle-Fortpflanzung in Tuben von Blasinstrumenten und den vibrierenden Reihen von Saiteninstrumenten vorzutäuschen.

Siehe auch

• Wandler von Orthomode
• Polarisation
• geradlinige Polarisation
• kreisförmige Polarisation
• elektromagnetische Welle

Außenverbindungen

• Wellenleiter Eine sehr grundlegende Erklärung darauf, was ein Wellenleiter ist
• Francesco Errante, Das Verhalten von RF hat Übertragungslinien in einem progressiven Welle-Regime erwogen
• Wellenleiter-Grundlagen Vielfache Seiten, die geben, haben über Tutorenkurs ausführlich berichtet