Ein Hohlleiter-Koaxial-Übergang koppelt die Feldverteilung einer Koaxialleitung an eine vorgesehene Hohlleitermode. Er verbindet beispielsweise ein koaxiales Messgerät mit einem Hohlleiterbauteil. Seine Aufgabe ist Modenanregung und Anpassung, nicht nur eine mechanische Verbindung zweier Öffnungen.
TEM im Koaxialkabel und TE im Hohlleiter
Eine ideal homogen gefüllte Koaxialleitung kann TEM ohne von null verschiedene untere geometrische Grenzfrequenz führen. Ein gewöhnlicher geschlossener, einleitiger Metallhohlleiter unterstützt dagegen TE- oder TM-Moden, nicht das entsprechende TEM.
Beim luftgefüllten Rechteckhohlleiter ist TE10 gewöhnlich die Grundmode. Eine Sonde kann an das elektrische, eine Schleifenstruktur an das magnetische Feld koppeln. Die konkrete Anordnung hängt von Mode und Geometrie ab.
Grenzfrequenz und Nutzband
Für TE10 gilt fc = c/(2a), wobei a die größere innere Seitenlänge ist. WR-90 mit 22,86 × 10,16 mm hat damit ungefähr 6,56 GHz Grenzfrequenz; der übliche Nutzbereich beträgt 8,2–12,4 GHz.
Unterhalb der Grenze ist die betreffende Mode im idealen gleichförmigen Hohlleiter nicht gewöhnlich fortschreitend. Oberhalb können weitere Moden möglich werden. Der Übergang muss deshalb im vorgesehenen Band mit definierten Moden bewertet werden.
Ein koaxialer Anschluss ohne geometrischen TEM-Cutoff macht die gesamte Baugruppe nicht DC-tauglich. Der Hohlleiterteil und zusätzliche Bauelemente behalten ihre Frequenzeigenschaften.
Sonde, Rückwand und Anpassstruktur
Sondenlänge, Position, Rückwandabstand und gegebenenfalls Abstimmelemente bestimmen die Kopplung. Die oft erwähnte Viertelwellenlänge ist ein Entwurfsansatz bestimmter Strukturen, keine universelle Fertigungsabmessung.
Freie und geführte Wellenlänge unterscheiden sich. Für TE10 gilt λg = λ0/√[1−(fc/f)²]. In WR-90 bei 10 GHz ergeben sich ungefähr 39,7 mm statt der freien Wellenlänge von rund 30,0 mm.
Fransenfelder und die reale Sonde verändern die optimale elektrische Länge. Ein vollständiger Entwurf benötigt die tatsächlichen Materialien, Anschlüsse und Randbedingungen.
50 Ω sind nicht jede Feldimpedanz
Die koaxiale Bezugsimpedanz kann beispielsweise 50 Ω betragen. Die TE-Feldimpedanz im luftgefüllten Hohlleiter ist dagegen η/√[1−(fc/f)²] und frequenzabhängig.
Bei WR-90 und 10 GHz sind das näherungsweise 499 Ω. Diese Feldgröße ist nicht einfach derselbe Klemmenwiderstand wie 50 Ω am Koaxialport. Definierte Moden und Referenzen sind für S-Parameter erforderlich.
Was ein guter Übergang nachweisen muss
Prüfen Sie Reflexion und Übertragung über das gesamte Band. VSWR unter 1,2 und eine feste geringe Dämpfung sind mögliche Anforderungen, keine Eigenschaften aller Übergänge.
Die fertige Baugruppe wird durch Stecker, Hohlleiter, Anregung und Oberflächen begrenzt. Ein hochwertiger Stecker allein garantiert weder geringe Verluste noch das gewünschte Nutzband.
Bei einer Rück-an-Rück-Messung zweier Übergänge können Mehrfachreflexionen und das Zwischenstück die Auswertung beeinflussen. Die gemessene Dämpfung lässt sich nicht immer bedenkenlos halbieren.
Leistung und Einbau
Mittlere und Spitzenleistung, Druck, Temperatur und Lastreflexion müssen angegeben werden. Sonde, Isolator oder Stecker können vor dem Hohlleiterrohr begrenzen. Eine Kleinsignalmessung bestätigt keine beliebige Durchschlagsfestigkeit.
Kontrollieren Sie Flansch, Zentrierung, Feldorientierung und mechanische Last. Ein optischer Hohlkern-Wellenleiter ist ein anderes Bauteil als dieser metallische RF-Übergang.
Angaben für die Auswahl
- Frequenzbereich und gewünschte Mode.
- Koaxialtyp, Bezugsimpedanz und Kontaktgeschlecht.
- Hohlleiterquerschnitt, Flansch und Einbauform.
- Verlust, Reflexion und Messreferenzebenen.
- Leistung und Umgebungsbedingungen.
Die Hohlleitergleichungen erklären Cutoff und Dispersion. Vergleichen Sie Hohlleiter-Koaxial-Übergänge anhand der vollständigen Spezifikation, nicht anhand pauschaler Aussagen wie „fünfmal effizienter als Kabel“.
