Techniklexikon

Hohlleiter

Metallische Rohre mit rechteckigem, rundem oder zuweilen elüptischem Querschnitt zur breitbandigen (Breitband) Übertragung elektromagnetischer Wellen (daher auch »Wellenleiter« genannt) (Elektromagnetische Strahlung, Elektromagnetismus) sehr hoher Frequenzen im mm- und cm Wellenbereich. Wellen, die eine u. a. von den Abmessungen des H. bestimmte »Grenzwellenlänge« unterschreiten, breiten sich in diesem in Längsrichtung ähnlich wie im freien Raum aus, allerdings sehr verlustarm. Man unterscheidet zwei Grundtypen: 1. E-Wellen mit in Längsrichtung verlaufenden elektrischen und senkrecht dazu (transversal) verlaufenden magnetischen Feldkomponenten. 2. H-Wellen mit längslaufenden magnet. und transversalen elektr. Feldern. H. werden zur Energieübertragung über relativ kurze Stecken eingesetzt, z. B. als Energiezuführung zu einer Radarantenne (Radar). In der Elektronik: Rohrförmiger Leiter mit rundem oder rechtek kigem Querschnitt zur verlustarmen Fortlei tung elektromagnetischer Mikrowellen. Die H. bestehen aus metallischen Werkstoffen und sind innen mit einem Silberbelag versehen, um eine gute Leitfähigkeit zu erreichen. Im H. breiten sich die Mikrowellen in Form von bestimmten Wellentypen, sog. Moden aus. Die Frequenzen der optimal übertragbaren Wellen werden durch die Abmaße des H. bestimmt. Diese H. sind selbst keine mikroelektronischen Bauelemente, können aber unter bestimmten Anschlußbedingungen an integrierte Mikrowellenschaltkreise (MIC, MMIC) angeschaltet werden. ein durch leitende Wände nach aussen völlig abgegrenzter Wellenleiter beliebigen Querschnitts ohne Innenleiter. Technisch angewendet werden vor allem Hohlleiter mit rechteckförmigem, kreisförmigem und elliptischem Querschnitt. Sie dienen zur nahezu verlustlosen Fortleitung kurzer elektromagnetischer Wellen. Für Sendezwecke werden sie schon bei Frequenzen ab 300 MHz eingesetzt, ihr klassisches Anwendungsgebiet liegt jedoch erst bei Frequenzen von etwa 3 GHz (10 cm) bis 100 GHz (3 mm). Für noch kleinere Wellenlängen steigen die technischen Schwierigkeiten sehr stark an. Die Wellenlänge l_H einer elektromagnetischen Welle mit der Frequenz n im Hohlleiter weicht von der Wellenlänge l₀ im freien Raum ab. Es gilt

wobei l_k die kritische Wellenlänge oder Grenzwellenlänge ist, die im freien Raum gemessen wird. Sie gibt an, bis zu welcher grössten Vakuumwellenlänge die Fortleitung elektromagnetischer Wellen in dem betreffenden Hohlleiter möglich ist. Die Grenzwellenlänge hängt vom Wellentyp (H- oder E-Welle) ab. In einem bestimmten Hohlleiter können sich jedoch nicht nur eine H- oder E-Welle, sondern unendlich viele H- oder E-Wellen ausbreiten, die als H_mn- bzw. E_mn-Wellen bezeichnet werden, wobei m und n beliebige ganze Zahlen sind. Man erhält sie aus der Lösung der Maxwellschen Gleichungen unter den entsprechenden Randbedingungen. In jedem Hohlleiter gibt es eine elektrische Grundwelle, die unter allen möglichen E-Wellen die grösste, die kritische Wellenlänge hat. Entsprechendes gilt für die magnetische Grundwelle. Für einen rechteckigen Hohlleiter mit der Breite a und der Höhe b gilt für die kritische Wellenlänge  der E_mn- bzw. H_mn-Wellen

Die elektrischen bzw. magnetischen Grundwellen in rechteckförmigen Hohlleitern sind die E₁₁- und H₁₀-Welle. Zur Energieübertragung im Hohlleiter ist es notwendig, dass sich nur ein Wellentyp ausbreiten kann, da sonst Energieverluste eintreten. Wellen höherer Ordnung können z.B. aus der Grundwelle durch Inhomogenitäten des Hohlleiters entstehen. Man wählt deshalb die geometrischen Abmessungen von Hohlleitern so, dass über einen möglichst grossen Frequenzbereich nur ein Wellentyp stabil ist, d.h. die Betriebsfrequenz ist dann grösser als die durch die kritische Wellenlänge gegebene kritische Frequenz der beabsichtigten Welle, aber kleiner als die kritischen Frequenzen aller anderen in dem betreffenden Hohlleiter möglichen Wellentypen. Im rechteckförmigen Hohlleiter ist die H₁₀-Welle bei der Wahl von b/a » 0,5 über einen grossen Frequenzbereich stabil. Da in diesem Fall m = 1 und n = 0 ist, ergibt sich die kritische Wellenlänge zu l_k = 2a unabhängig von b. In Abb. 1 und 2 sind die Feldlinienbilder der magnetischen H₁₀-Welle (Grundwelle im rechteckförmigen Hohlleiter), der elektrischen E₀₁-Welle (Grundwelle im kreisförmigen Hohlleiter) und zum Vergleich der koaxialen Leitungswelle wiedergegeben. Besonders geringe Verluste weisen supraleitende Hohlleiter auf.

Hohlleiter 1: Momentanbild der H₁₀-Welle im Rechteckhohlleiter (magnetische Feldlinien ausgezogen, elektrische gestrichelt).

Hohlleiter 2: Momentanbild der E₀₁-Welle im kreisförmigen Hohlleiter (oben) und der Leitungswelle im Koaxialkabel (unten) (magnetische Feldlinien ausgezogen, elektrische gestrichelt).