in der Höchstfrequenz-, Mikrowellen-Technik sind spezielle Arten von Wellenleitern, die aus einem runden, elliptischen oder rechteckigen Metallrohr bestehen und im Vergleich zu koaxialen Kabeln enorme Vorteile im GHz-Bereich haben.
Ein Hohlleiter besteht aus einem metallischen Hohlraum, der im Inneren eine elektromagnetische Welle führt, die durch die metallischen Wände zickzack förmig reflektiert wird, d.h. die Wellenausbreitung erfolgt im Hohlraum, wobei das elektromagnetische Feld orthogonal zur Längsachse des Hohlleiters schwingt.
Arten von Hohlleitern sind: rechteckig, zylindrisch und elliptisch. Rechteckige Hohlleiter sind die am häufigsten verwendeten Typen mit hervorragenden elektromagnetische Eigenschaften. Zylindrische Hohlleiter werden dort eingesetzt bei denen eine kreisförmige Polarisation der Welle benötigt wird.
Hohlleiter haben im Vergleich zu koaxialen Kabeln wesentlich geringere Verluste. Das liegt daran, dass der Hauptteil des elektromagnetischen Feldes im Hohlraum und nicht in einem dielektrischen Medium geführt wird und erlaubt es große Leistungen zu übertragen, ohne dass es zu nennenswerten Verlusten oder Spannungsdurchbrüchen kommt.
Ein Rechteck Hohlleiter mit dem Wellenwiderstand von 50 Ohm hat bei 10 GHz einen Verlustfaktor von 0.0035 dB/m, aus dem sich mit der Länge des Hohlleiters die effektive Rauschtemperatur Te berechnet und pro Meter bei etwa Te = 0, 47 K liegt. Aus Te berechnet sich dann die Rauschzahl zu NF = 1,00162069.
Der Frequenzbereich eines Hohlleiters erstreckt sich von der „Cutoff-Frequenz“ bis zu einer Frequenz, bei der die Verluste oder unerwünschten Moden auftreten, dass der Betrieb ineffizient wird. Typischerweise liegt der nutzbare Frequenzbereich oberhalb der „Cutoff-Frequenz“ und kann mehrere GHz umfassen, abhängig von den Abmessungen. Ein rechteckiger Hohlleiter mit der Breite a hat die „Cutoff-Frequenz“ für den TE10 Mode
fc = c /2a. Unterhalb dieser Frequenz wird die Welle stark gedämpft.
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle ist die der Lichtgeschwindigkeit c, wobei die Phasengeschwindigkeit immer größer als c ist. Ein rechteckiger Hohlleiter mit einer Breite von 0,9 Zoll und einer Höhe von 0,4 Zoll hat eine Cutoff-Frequenz von etwa 6,56 GHz für den TE10-Mode und kann in einem Frequenzbereich von etwa 8 bis 12 GHz betrieben werden.
Zylindrische Hohlleiter werden in speziellen Anwendungen, wie umlaufende Radarantennen, eingesetzt und bei denen eine kreisförmige Polarisation der Welle benötigt wird. Sie haben eine höhere mechanische Stabilität und sind in der Lage größere Leistungen zu übertragen.
Elliptische Hohlleiter bieten einzigartige Vorteile wie in der Satellitenkommunikation, wo spezielle Polarisationsanforderungen zu erfüllen sind. Die Eigenschaften werden durch die Bessel Funktionen beschrieben, so ist die „Cutoff Frequenz“ die erste Nullstelle der ersten Ableitung der Bessel-Funktion erster Art und hat für einen zylindrischen Hohlleiter mit dem Radius 1 cm den Wert von etwa 2,93 GHz. Der Frequenzbereich variiert von etwa 1 GHz bis 500 GHz.
Wer mehr wissen will sei auf „Dezimeterwellentechnik, Theorie und Technik der Dezimeterschaltungen“ von Gerhard Megla und auf den Beitrag über Rauschen hingewiesen.
Dr. Walter Schau, DL3LH
