Waveguides

Sebuah panduan gelombang adalah bentuk khusus dari saluran transmisi yang terdiri dari tabung logam berongga. Dinding tabung menyediakan induktansi terdistribusi, sedangkan ruang kosong antara dinding tabung menyediakan kapasitansi terdistribusi.

Panduan gelombang menghantarkan energi gelombang mikro dengan rugi-rugi yang lebih rendah daripada kabel koaksial.

Waveguides praktis hanya untuk sinyal frekuensi yang sangat tinggi, di mana panjang gelombang mendekati dimensi penampang dari waveguide. Di bawah frekuensi tersebut, pandu gelombang tidak berguna sebagai saluran transmisi listrik.

Penggunaan Waveguides sebagai Jalur Transmisi

Namun, ketika berfungsi sebagai saluran transmisi, pandu gelombang jauh lebih sederhana daripada kabel dua konduktor—terutama kabel koaksial—dalam pembuatan dan perawatannya.

Dengan hanya satu konduktor ("kulit") pandu gelombang, tidak ada masalah dengan jarak konduktor-ke-konduktor yang tepat, atau konsistensi bahan dielektrik, karena satu-satunya dielektrik dalam pandu gelombang adalah udara.

Kelembaban bukanlah masalah yang separah pada pandu gelombang seperti halnya dalam kabel koaksial, sehingga pandu gelombang sering kali terhindar dari kebutuhan “pengisian” gas.

Waveguides dapat dianggap sebagai saluran untuk energi elektromagnetik, waveguide itu sendiri bertindak sebagai tidak lebih dari "pengarah" energi daripada sebagai konduktor sinyal dalam arti kata yang normal.

Dalam arti tertentu, semua saluran transmisi berfungsi sebagai saluran energi elektromagnetik saat mengangkut pulsa atau gelombang frekuensi tinggi, mengarahkan gelombang seperti tepi sungai mengarahkan gelombang pasang.

Namun, karena pandu gelombang adalah elemen konduktor tunggal, perambatan energi listrik ke bawah pandu gelombang memiliki sifat yang sangat berbeda dari perambatan energi listrik ke saluran transmisi dua konduktor.

Apa yang dimaksud dengan Propagasi Gelombang Listrik dan Magnetik Transversal (TEM)?

Semua gelombang elektromagnetik terdiri dari medan listrik dan medan magnet yang merambat dalam arah yang sama, tetapi saling tegak lurus. Sepanjang saluran transmisi normal, baik medan listrik maupun medan magnet tegak lurus (melintang) terhadap arah rambat gelombang.

Ini dikenal sebagai modus utama , atau TEM (B melintang E elektrik dan M agnetik). Mode perambatan gelombang ini hanya dapat ada jika ada dua konduktor, dan ini adalah mode perambatan gelombang yang dominan di mana dimensi penampang saluran transmisi kecil dibandingkan dengan panjang gelombang sinyal.

Propagasi saluran transmisi dua lead:mode TEM.

Di microwave frekuensi sinyal (antara 100 MHz dan 300 GHz), saluran transmisi dua konduktor dengan panjang substansial berapa pun yang beroperasi dalam mode TEM standar menjadi tidak praktis.

Garis yang cukup kecil dalam dimensi penampang untuk mempertahankan propagasi sinyal mode TEM untuk sinyal gelombang mikro cenderung memiliki peringkat tegangan rendah, dan mengalami kerugian daya parasit yang besar karena "kulit" konduktor dan efek dielektrik.

Untungnya, meskipun, pada panjang gelombang pendek ini ada mode propagasi lain yang tidak "rugi", jika tabung konduktif digunakan daripada dua konduktor paralel. Pada frekuensi tinggi inilah pandu gelombang menjadi praktis.

Ketika gelombang elektromagnetik merambat ke bawah tabung hampa, hanya salah satu medan—baik listrik maupun magnet—yang akan benar-benar transversal terhadap arah rambat gelombang.

Bidang lainnya akan "memutar" secara membujur ke arah perjalanan, tetapi masih tegak lurus terhadap bidang lainnya. Bidang mana pun yang tetap melintang terhadap arah perjalanan menentukan apakah gelombang merambat di TE mode (T melintang E lectric) atau TM (B melintang M agnetik).

Mode pandu gelombang listrik transversal (TE) dan magnetik transversal (TM).

Banyak variasi dari setiap mode yang ada untuk pandu gelombang tertentu, dan diskusi lengkap tentang subjek ini berada di luar cakupan buku ini.

Bagaimana Sinyal Diperkenalkan dan Diekstraksi dari Waveguides?

Sinyal biasanya diperkenalkan dan diekstraksi dari pandu gelombang melalui perangkat kopling kecil seperti antena yang dimasukkan ke dalam pandu gelombang. Terkadang elemen kopling ini berbentuk dipol, yang tidak lebih dari dua kabel rintisan ujung terbuka dengan panjang yang sesuai.

Di lain waktu, coupler adalah rintisan tunggal (setengah dipol, pada prinsipnya mirip dengan antena "cambuk", panjang fisik 1/4λ), atau loop pendek kabel yang diakhiri di permukaan bagian dalam pandu gelombang.

Stub dan loop coupling ke waveguide.

Dalam beberapa kasus, seperti kelas perangkat tabung vakum yang disebut tabung keluaran induktif (yang disebut klystron tabung jatuh ke dalam kategori ini), "rongga" yang terbentuk dari bahan konduktif dapat mencegat energi elektromagnetik dari berkas elektron termodulasi, tidak memiliki kontak dengan berkas itu sendiri.

Tabung keluaran induktif Klystron.

Apa itu Resonator Rongga?

Sama seperti saluran transmisi yang dapat berfungsi sebagai elemen resonansi dalam suatu rangkaian, terutama ketika diakhiri oleh hubung singkat atau rangkaian terbuka, pandu gelombang buntu juga dapat beresonansi pada frekuensi tertentu.

Saat digunakan seperti itu, perangkat ini disebut resonator rongga . Tabung keluaran induktif menggunakan resonator rongga berbentuk toroid untuk memaksimalkan efisiensi transfer daya antara berkas elektron dan kabel keluaran.

Frekuensi resonansi rongga dapat diubah dengan mengubah dimensi fisiknya. Untuk tujuan ini, rongga dengan pelat bergerak, sekrup, dan elemen mekanis lainnya untuk penyetelan dibuat untuk memberikan penyesuaian frekuensi resonansi yang kasar.

Jika rongga resonansi dibuat terbuka di salah satu ujungnya, ini berfungsi sebagai antena satu arah.

Foto berikut menunjukkan pandu gelombang buatan yang dibentuk dari kaleng, digunakan sebagai antena untuk sinyal 2,4 GHz di jaringan komunikasi komputer “802.11b”.

Elemen kopling adalah rintisan seperempat gelombang:tidak lebih dari sepotong kawat tembaga padat dengan panjang sekitar 1-1/4 inci yang memanjang dari bagian tengah konektor kabel koaksial yang menembus sisi kaleng.

Can-tenna mengilustrasikan stub coupling ke waveguide.

Beberapa antena kaleng lagi dapat dilihat di latar belakang, salah satunya kaleng keripik kentang "Pringles". Meskipun kaleng ini terbuat dari konstruksi karton (kertas), lapisan dalam logamnya memberikan konduktivitas yang diperlukan untuk berfungsi sebagai pemandu gelombang.

Beberapa kaleng di latar belakang masih memiliki tutup plastik pada tempatnya. Plastik, karena nonkonduktif, tidak mengganggu sinyal RF, tetapi berfungsi sebagai penghalang fisik untuk mencegah hujan, salju, debu, dan kontaminan fisik lainnya memasuki pandu gelombang.

Antena pemandu gelombang “nyata” menggunakan penghalang serupa untuk secara fisik menutup tabung, namun memungkinkan energi elektromagnetik untuk lewat tanpa hambatan.

TINJAUAN:

• Panduan Gelombang adalah tabung logam yang berfungsi sebagai "saluran" untuk membawa gelombang elektromagnetik. Mereka praktis hanya untuk sinyal frekuensi yang sangat tinggi, di mana panjang gelombang sinyal mendekati dimensi penampang pandu gelombang.
• Perambatan gelombang melalui pandu gelombang dapat diklasifikasikan ke dalam dua kategori besar:TE (Transverse Electric), atau TM (Transversal Magnetik), tergantung pada medan (listrik atau magnet) yang tegak lurus (melintang) terhadap arah perjalanan gelombang. Perjalanan gelombang di sepanjang jalur transmisi dua konduktor standar adalah TEM (Transverse Electric and Magnetic), dimana kedua medan diorientasikan tegak lurus terhadap arah rambat. Mode TEM hanya dimungkinkan dengan dua konduktor dan tidak dapat ada dalam pandu gelombang.
• Pemandu gelombang buntu yang berfungsi sebagai elemen resonansi dalam rangkaian gelombang mikro disebut resonator rongga .
• Resonator rongga dengan ujung terbuka berfungsi sebagai antena searah, mengirim atau menerima energi RF ke/dari arah ujung terbuka.