Wave Guide

Wellenleiter (englisch: waveguide), bezeichnet ein inhomogenes Medium, das durch seine physikalische Beschaffenheit eine Welle so bündelt, dass sie darin geführt wird.

Wellenleiter für elektromagnetische (Radio-)Wellen

Kabelform

Symmetrisch (sog. Zweidrahtleitung, 2 Litzen oder starre Drähte, teilweise auch im gemeinsamen Schirm) oder asymmetrisch (Koaxialkabel) aufgebaute Kabel sind zur Übertragung hoher Frequenzen im VHF/UHF-/Dezimeterwellen-Bereich geeignet. Leiterquerschnitt und Isolierstoff beeinflussen die Dämpfung pro Länge. Je dünner das Kabel, desto höher ist in der Regel die Dämpfung. Knickstellen und Quetschungen, welche die Kabelgeometrie verändern, verursachen Reflexionen oder Abstrahlung.

Anwendung: Antennenkabel für Funksender und -Empfänger, Übertragung von Hochfrequenzleistungen bis in den UKW-Bereich; üblich bis 1 GHz, zwischen 1-10 GHz je nach Anwendung, darüber dann Hohlleiter.

Eindraht-Wellenleitung (auch Goubau-Leitung oder G-Leitung)

Auch auf einem einzelnen Draht kann sich eine elektromagnetische Welle ausbreiten. In einem Bereich von ca. 1/2 Wellenlänge um die Leitung dürfen sich jedoch keine dämpfenden oder leitenden Materialien befinden. Auch darf die Leitung keine Knicke aufweisen. Daher ist diese sehr verlustarme Art der Übertragung auf wenige Anwendungsfälle beschränkt: Früher versorgte man abgelegene Orte mit einer solchen, durch die ganze Siedlung führenden Leitung und ermöglichte bei geringer Sendeleistung Fernsehempfang - die Teilnehmer mussten nur ihre Antennen in die Nähe dieser Leitung bringen.
Dazu befand sich idealerweise eine leistungsfähige Empfangsanlage auf einer Anhöhe bzw. einem anderen geeigneten erhöhten Standort. Von dieser wurde dann mit einer Goubau-Leitung über mehrere Kilometer hinweg das eigentliche Empfangsgebiet versorgt. Die Speisung und auch der reflexionsfreie Abschluss einer solchen Leitung erfolgt mit einem koaxialen Exponentialtrichter, der jedoch in Skelettbauweise auch nur aus mehreren Stäben bestehen kann.

Rohrform (Hohlleiter)

Hohlleiter sind Metallrohre ohne Innenleiter mit rechteckigem oder kreisförmigem Querschnitt. Sie werden für höchste Frequenzen und Leistungen verwendet. Der Innenquerschnitt muss bestimmte Mindestmaße aufweisen, die von der größten zu übertragenden Wellenlänge abhängen. Metallische Gegenstände darin verursachen eine Fehlanpassung, welche gar eine Beschädigung der Innenwände durch Überschläge herbeiführen können. Metallische Hohlleiter können durch ein Koaxkabel, dessen Innenleiter in den Hohlleiter ragt, gespeist werden. Die Wellen sind im Metallhohlkörper „gefangen“ und breiten sich entlang des Leiters ab Einkopplung bis zum Austritt verlustarm und ohne Einfluss von/nach außen aus. Es gibt jedoch auch dielektrische "Hohl"-Leiter, bei denen die Welle wie in einem Lichtleitkabel geführt wird.

Metallische Hohlleiter werden im SHF-Frequenzbereich für hohe Leistungen verwendet. Für die Speisung ist daher meist ein Magnetron zuständig, welches oft selbst bereits einen Hohlleiter-Flansch besitzt.

Die Breite eines Rechteck-Hohlleiters muss > 1/2 der Wellenlänge (Lambda) sein. Häufigste Anwendung: Radargerät, Mikrowellenherd.

Streifenleiter

Streifenleitungen zur impedanz- und laufzeitangepassten Speisung der Strahlerelemente in einer Panelantenne für TV-Satellitenempfang

Wellenleiter können auch planar (flächig) als Streifenleitung (engl. strip line, microstrip line) ausgeführt sein, zum Beispiel als Mikrostreifen- oder Koplanarleiter. Dabei werden dünne Metallfilme auf nichtleitende (dielektrische) Materialien aufgebracht. Solche Leitungen finden sich zum Beispiel auf Leiterplatten für höchste Frequenzen (z. B. in Satelliten-Empfangsgeräten (LNBs)) und findet bei Strip-line-Antennen (auch als Panelantenne oder flat panel antenna bezeichnet) und manchen Wendelantennen Anwendung.

Weitere Wellenleiter

Optik

LWL (Lichtwellenleiter bzw. Lichtleitkabel) zu Dekorationszwecken, zur Datenübertragung, als Faserlaser und zur Fortleitung von Laserstrahlung. Daneben gibt es in der Integrierten Optik Wellenleiter in Substratmaterialen, die z. B. durch Dotierung erzeugt werden.

Wellenleiter-Effekt im Ozean

Im Ozean funktioniert das Schallgeschwindigkeitsminimum, das in subpolaren Regionen in ca. 200 m, in subtropischen in ca. 1200 m Tiefe auftritt, als Wellenleiter. Dies wird z. B. zur akustischen Datenübermittlung benutzt (Siehe auch SOFAR-Kanal). In der physikalischen Ozeanographie benutzt man diesen Umstand, um Temperaturprofile oder Strömungen zu messen (siehe Akustische Tomographie).

Ebenfalls im Ozean stellt der Äquator einen Wellenleiter dar, an dem entlang sich äquatoriale Kelvinwellen ausbreiten. Dies spielt z.B. beim El-Niño-Phänomen eine wichtige Rolle.

Wellenleiter-Effekt in der Atmosphäre

In der Atmosphäre sind Überreichweiten von Funkwellen im UKW-Bereich bekannt, die durch Inversionsschichten hervorgerufen werden, indem die Funkwellen sich in diesen wie in einem Wellenleiter ausbreiten.

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