Was ist ein Wellenleiter?
Ein Wellenleiter ist ein Objekt, das den Fluss jeder Art von Welle lenkt. Einige der grundlegendsten Typen umfassen Drähte oder hohle Rohre, die Schallwellen leiten können. Oft werden Wellenleiter verwendet, um elektromagnetische Wellen zwischen Orten zu übertragen, typischerweise unter Verwendung eines Hohlrohrs aus elektrisch leitendem Metall. Wellenleiter werden üblicherweise zur Übertragung von Energie- oder Kommunikationssignalen verwendet. Jeder Wellentyp erfordert einen anderen Führungstyp.
Die Art der geführten Welle bestimmt die Geometrie des Wellenleiters. Die Breite der Führung muss in den meisten Fällen in derselben Größenordnung liegen wie die Länge der Wellen, die sie leiten wird. Dies bedeutet, dass eine optische Faser, die hochfrequente Lichtwellen leitet, die niederfrequenten Schallwellen nicht effektiv leitet. Andere Faktoren, wie etwa der akzeptable Signal- oder Leistungsverlust, helfen auch bei der Bestimmung des besten Wellenleiters für eine bestimmte Aufgabe.
Elektromagnetische Wellen im Weltraum strahlen normalerweise in alle Richtungen von ihrem Ursprungsort aus. Dies führt dazu, dass die Strahlung proportional zum Quadrat ihrer Entfernung von diesem Ursprungspunkt an Leistung verliert. Ein Wellenleiter lässt zu, dass sich die Strahlung unter idealen Umständen nur in einer Dimension ausbreitet, wodurch verhindert wird, dass sie während der Ausbreitung an Leistung verliert.
Wellenleiter reflektieren die Welle an den Wänden des Leiters. Idealerweise breiten sich die Wellen in einem Zickzackmuster innerhalb des Wellenleiters aus. Dies bedeutet, dass ein Wellenleiter häufig am besten funktioniert, wenn er einen kreisförmigen oder quadratischen Querschnitt hat.
Es gibt viele verschiedene Arten von Wellenleitern, von optischen Fasern, die die Übertragung von Daten über Lichtwellen zum Schallfrequenz- und Ranging-Kanal (SOFAR) ermöglichen, einer Wasserschicht im Ozean, die als natürlicher Wellenleiter für Walgesang fungiert. Radarsysteme verwenden Wellenleiter, um Funkwellen auf eine Antenne zu lenken, damit sie mit der richtigen Impedanz gesendet werden können. Wissenschaftliche Instrumente verwenden auch Wellenleiter, um die akustischen und optischen Eigenschaften verschiedener Objekte zu messen.
Wellenleiter werden seit Jahrhunderten verwendet, lange bevor irgendjemand verstanden hat, wie sie funktionieren. Der erste Wellenleiter für Schallwellen wurde 1893 vom britischen Physiker JJ Thomson vorgeschlagen und im nächsten Jahr von einem anderen Physiker, OJ Lodge, getestet. Die Arbeiten wurden im späten 19. und frühen 20. Jahrhundert fortgesetzt. Wissenschaftler untersuchten in den 1920er Jahren die Verwendung von Lichtleitfasern als Wellenleiter für sichtbares Licht.