Golfpijp

Golfpijp

Release status: documentation

Description	hardware
License	GPL
Author	User:Harry H. Arends
Contributors
Categories
CAD Models
External Link

Inleiding

Een golfpijp met flenzen

Een golfgeleider is een elektromagnetische toevoerleiding die wordt gebruikt voor hoogfrequente signalen, en het geleidt microgolfenergie met een lager verlies dan coaxkabels en wordt gebruikt in microgolfcommunicatie, radars, ruimtevaart, telecommunicatie en andere hoogfrequente toepassingen. Golfgeleiders kunnen worden vervaardigd van diëlektrische of geleidende materialen, afhankelijk van de golffrequentie. In sommige situaties worden golfgeleiders gebruikt om zowel communicatiesignalen als stroom over te dragen. Rechthoekige golfgeleider is een van de eerste typen transmissielijnen die zijn ontworpen voor veel toepassingen, zoals isolatoren, detectoren, verzwakkers, koppelingen en sleuflijnen die beschikbaar zijn voor verschillende standaard golfgeleiderbanden tussen 1 GHz en meer dan 220 GHz. De rechthoekige golfgeleider ondersteunt TM- en TE-modi, maar geen TEM-golven omdat we geen uniek voltage kunnen definiëren omdat er slechts één geleider in een rechthoekige golfgeleider zit. De frequentie die niet kan worden gepropageerd door rechthoekige golfgeleiders wordt afsnijfrequentie genoemd.

Werking

Als gevolg van het skineffect zijn metalen bij zeer hoge frequenties zeer slechte geleiders voor elektromagnetische golven. Anderzijds zullen opvallende golven niet in het metaal doordringen, maar gereflecteerd worden. Hiervan wordt gebruikgemaakt in golfpijpen. De golven kunnen namelijk wel worden geleid door een diëlektricum dat door metalen geleiders begrensd wordt. De golven worden van wand naar wand gereflecteerd en zijn als het ware in de metalen buis opgesloten.

De afmeting en de vorm van de golfpijp is bepalend voor de optimale frequentie die geleid kan worden. Meestal is de breedte van de pijp groter dan de halve golflengte van de desbetreffende golf. De hoogte van de golfpijp en een eventueel aanwezig diëlektricum (bijvoorbeeld droge lucht of vacuüm) zijn bepalend voor het maximale vermogen dat kan worden getransporteerd.

Vanwege de hoge frequenties en de veelal hoge vermogens die getransporteerd worden, is een lekkende golfpijp zeer gevaarlijk. Daarom worden er in het algemeen hoge veiligheidseisen gesteld aan golfpijpen.

Skineffect

Skineffect

Het skineffect is het verschijnsel dat in geleiders, waarin een wisselstroom loopt, de elektrische stroomdichtheid|stroomdichtheid hoger wordt met het naderen van het oppervlak van de geleider. Dit komt doordat een wisselstroom ook een wisselflux heeft. Aangezien deze zijn oorzaak tegenwerkt (Wet van Lenz), is ze in het midden van de geleider tegenwerkend en werkt ze aan de rand mee. Hierdoor zullen de elektronen meer geneigd zijn zich voort te bewegen langs de buitenkant, dan langs de binnenkant.

De sterkte van het effect neemt toe met de frequentie van de wisselstroom. Het skineffect speelt daarom vooral een rol bij radiofrequente (RF) wisselstromen, te zien aan de volgende cijfers. Bij een frequentie van 50Hz is de (effectieve) indringdiepte in koper ongeveer 1 cm, bij 10 kHz is dit een 0,66 mm en bij 10 MHz nog maar 20 μm, wat inhoudt dat bij deze laatste frequentie de stroom eigenlijk slechts aan het oppervlak loopt. Het gevolg van het skineffect is dat de weerstand van een geleider sterk toeneemt bij hogere frequenties. Daarom is het beter om in HF-techniek met holle geleiders te werken.

In de praktijk geldt dit skineffect ook voor de bliksem, die beschouwd kan worden als hoogfrequent.

Vergelijking

Bij een geleider met cirkelvormige doorsnede verloopt de stroomdichtheid J als functie van de afstand d tot het oppervlak:

$J=J_{0}e^{-d/\delta }$.

De parameter $\delta$, de (effectieve) indringdiepte, neemt sterk af met toenemende frequentie.

$\delta ={\sqrt {{2} \over {\omega \sigma \mu }}}$.

Daarin is

$\mu$ de magnetische permeabiliteit;

σ de conductiviteit van het materiaal;

ω de hoekfrequentie.

Toepassing

Het skineffect is in het algemeen nadelig, maar vindt ook praktische toepassing. Brengt men een werkstuk dat aan het oppervlak een warmtebewerking (oppervlakteharding) moet ondergaan, in een hoogfrequent veld, dan zal ten gevolge van het skineffect alleen aan het oppervlak een stroom lopen en daar warmteontwikkeling geven.

Dit effect is vooral bekend bij radiofrequente wisselstromen. Bij het ontwerp van zend- en ontvangantennes moet ermee rekening worden gehouden dat het oppervlak van de toegepaste geleiders dus de meeste RF-stroom zal voeren.

Van deze eigenschap wordt ook gebruikgemaakt door voor sommige toepassingen de antenne uit hol buismateriaal te maken, wat scheelt in kosten en gewicht. Dit was dan ook het geval bij de traditionele tv-antennes die men vroeger vaak op daken van huizen aantrof: de zgn. 'hark'-antennes of beter yagi-antennes.

Behalve holle buis, wordt ook gebruikgemaakt van litzedraad. Naast het voordeel van de buigzaamheid bij netsnoeren is er dan het voordeel van een grotere effectieve doorsnede van het koper bij hoogfrequente stromen. In dit laatste geval moeten wel alle dunne deeldraadjes onderling geïsoleerd zijn.

Wet van Lenz

Magnetische flux door een rechthoekige geleidende lus met oppervlakte $A$ met tussenhoek $\theta$ in de formule

De wet van Lenz is een natuurkundige wet over elektromagnetisme. De wet stelt dat een veranderende magnetische flux in een elektriciteit geleidende lus een elektrische spanning en daarmee een stroom opwekt die een tegengesteld magnetisch veld veroorzaakt. Een geleidende lus werkt dus een veranderende magneetflux tegen. De wet van Lenz is een gevolg van de inductiewet van Faraday, waarin de tegenwerking tot uiting komt in het minteken.

 Es wird in dem vor dem Nordpol eines Magneten bewegten Leiter durch elektrodynamische Vertheilung ein galvanischer Strom entstehen, der, wenn man sich in der Art in den bewegten Leiter versetzt, daß man das Gesicht zum Nordpol wendet und sich dabei mit dem Leiter rechts hinbewegt, einen vom Kopf zu den Füßen durchströmt.

Formulering met wetten van Maxwell

De wet van Lenz kan gezien worden als een gevolg van de vierde wet van Maxwell, ook wel inductiewet van Faraday genoemd, die stelt dat een veranderend magneetveld een elektrisch veld opwekt. In de vectorformulering van Oliver Heaviside luidt deze wet van Maxwell

$\nabla \times E+{\frac {\partial B}{\partial t}}=0$

Daarin is:

$\nabla \times$	de Rotatie (vectorveld)
$E$	de elektrische veldsterkte
${\frac {\partial }{\partial t}}$	partiële tijdsafgeleide en
$B$	het Magnetisch veld

Door toepassing van de stelling van Stokes wordt de volgende integraalvorm gevonden, die tot de bovengenoemde formule voor een winding leidt:

$\oint _{\partial A}E\mathrm {d} s=-\iint _{A}{\frac {\partial B}{\partial t}}\,\mathrm {d} A=-{\frac {\mathrm {d} {\mathit {\Phi }}_{B}}{\mathrm {d} t}}=U_{\text{ind}}$

met

$\mathrm {d} s$	de infinitesimale verandering van de plaatsvector $s$ langs de rand $\partial A$ van het oppervlak $A$
$A$	het oppervlak waarover geïntegreerd wordt
$\mathrm {d} A$	een infinitesimaal oppervlakte–element
${\mathit {\Phi }}_{B}$	de magnetische flux en
$U_{\mathrm {ind} }$	elektrische inductiespanning,

Vorm & Spec's

Rechthoekige golfgeleiders ondersteunen TE- en TM-modi, ideaal voor radartoepassingen met hoog vermogen, die tot 1 MW aankunnen. Circulaire golfgeleiders ondersteunen TE-, TM- en hybride modi, geschikt voor uitzendingen vanwege hun circulaire polarisatiemogelijkheden en robuustheid in roterende verbindingen.

Code's & Afmetingen Rechthoekig

Specificatie van stijve rechthoekige golfgeleiderbuis koper messing brons

Waveguide name			Recommended frequency	Cutoff frequency lowest order mode	Cutoff frequency next mode	Inner dimensions of waveguide opening
EIA	RCSC *	IEC				A inch[mm]	B inch[mm]
WR2300	WG0.0	R3	0.32 to 0.45 GHz	0.257 GHz	0.513 GHz	23 [584.2]	11.5 [292.1]
WR2100	WG0	R4	0.35 to 0.50 GHz	0.281 GHz	0.562 GHz	21 [533.4]	10.5 [266.7]
WR1800	WG1	R5	0.45 to 0.63 GHz	0.328 GHz	0.656 GHz	18 [457.2]	9 [228.6]
WR1500	WG2	R6	0.50 to 0.75 GHz	0.393 GHz	0.787 GHz	15 [381]	7.5 [190.5]
WR1150	WG3	R8	0.63 to 0.97 GHz	0.513 GHz	1.026 GHz	11.5 [292.1]	5.75 [146.05]
WR975	WG4	R9	0.75 to 1.15 GHz	0.605 GHz	1.211 GHz	9.75 [247.65]	4.875 [123.825]
WR770	WG5	R12	0.97 to 1.45 GHz	0.766 GHz	1.533 GHz	7.7 [195.58]	3.85 [97.79]
WR650	WG6	R14	1.15 to 1.72 GHz	0.908 GHz	1.816 GHz	6.5 [165.1]	3.25 [82.55]
WR510	WG7	R18	1.45 to 2.20 GHz	1.157 GHz	2.314 GHz	5.1 [129.54]	2.55 [64.77]
WR430	WG8	R22	1.72 to 2.60 GHz	1.372 GHz	2.745 GHz	4.3 [109.22]	2.15 [54.61]
	WG9		2.20 to 3.30 GHz	1.686 GHz	3.372 GHz	3.5 [88.9]	1.75 [44.45]
WR340	WG9A	R26	2.20 to 3.30 GHz	1.736 GHz	3.471 GHz	3.4 [86.36]	1.7 [43.18]
WR284	WG10	R32	2.60 to 3.95 GHz	2.078 GHz	4.156 GHz	2.84 [72.136]	1.34 [34.036]
	WG11		3.30 to 4.90 GHz	2.488 GHz	4.976 GHz	2.372 [60.2488]	1.122 [28.4988]
WR229	WG11A	R40	3.30 to 4.90 GHz	2.577 GHz	5.154 GHz	2.29 [58.166]	1.145 [29.083]
WR187	WG12	R48	3.95 to 5.85 GHz	3.153 GHz	6.305 GHz	1.872 [47.5488]	0.872 [22.1488]
WR159	WG13	R58	4.90 to 7.05 GHz	3.712 GHz	7.423 GHz	1.59 [40.386]	0.795 [20.193]
WR137	WG14	R70	5.85 to 8.20 GHz	4.301 GHz	8.603 GHz	1.372 [34.8488]	0.622 [15.7988
WR112	WG15	R84	7.05 to 10 GHz	5.26 GHz	10.52 GHz	1.122 [28.4988]	0.497 [12.6238]
WR102			7.00 to 11 GHz	5.786 GHz	11.571 GHz	1.02 [25.908]	0.51 [12.954]
WR90	WG16	R100	8.20 to 12.40 GHz	6.557 GHz	13.114 GHz	0.9 [22.86]	0.4 [10.16]
WR75	WG17	R120	10.00 to 15 GHz	7.869 GHz	15.737 GHz	0.75 [19.05]	0.375 [9.525]
WR62	WG18	R140	12.40 to 18 GHz	9.488 GHz	18.976 GHz	0.622 [15.7988]	0.311 [7.8994]
WR51	WG19	R180	15.00 to 22 GHz	11.572 GHz	23.143 GHz	0.51 [12.954]	0.255 [6.477]
WR42	WG20	R220	18.00 to 26.50 GHz	14.051 GHz	28.102 GHz	0.42 [10.668]	0.17 [4.318]
WR34	WG21	R260	22.00 to 33 GHz	17.357 GHz	34.715 GHz	0.34 [8.636]	0.17 [4.318]
WR28	WG22	R320	26.50 to 40 GHz	21.077 GHz	42.154 GHz	0.28 [7.112]	0.14 [3.556]
WR22	WG23	R400	33.00 to 50 GHz	26.346 GHz	52.692 GHz	0.224 [5.6896]	0.112 [2.8448]
WR19	WG24	R500	40.00 to 60 GHz	31.391 GHz	62.782 GHz	0.188 [4.7752]	0.094 [2.3876]
WR15	WG25	R620	50.00 to 75 GHz	39.875 GHz	79.75 GHz	0.148 [3.7592]	0.074 [1.8796]
WR12	WG26	R740	60 to 90 GHz	48.373 GHz	96.746 GHz	0.122 [3.0988]	0.061 [1.5494]
WR10	WG27	R900	75 to 110 GHz	59.015 GHz	118.03 GHz	0.1 [2.54]	0.05 [1.27]
WR8	WG28	R1200	90 to 140 GHz	73.768 GHz	147.536 GHz	0.08 [2.032]	0.04 [1.016]
WR6	WG29	R1400	110 to 170 GHz	90.791 GHz	181.583 GHz	0.065 [1.651]	0.0325 [0.8255]
WR7	WG29	R1400	110 to 170 GHz	90.791 GHz	181.583 GHz	0.065 [1.651]	0.0325 [0.8255]
WR5	WG30	R1800	140 to 220 GHz	115.714 GHz	231.429 GHz	0.051 [1.2954]	0.0255 [0.6477]
WR4	WG31	R2200	172 to 260 GHz	137.243 GHz	274.485 GHz	0.043 [1.0922]	0.0215 [0.5461]
WR3	WG32	R2600	220 to 330 GHz	173.571 GHz	347.143 GHz	0.034 [0.8636]	0.017 [0.4318]
WR2	-	-	325-500 GHz	-	-	0.020 [0.508]	0.010 [0.254]
WR1	-	-	750-1100 GHz	-	-	0.010 [0.254]	0.0050 [0.127]

De rechthoekige golfgeleider ondersteunt TM- en TE-modi, maar geen TEM-golven

Code's & Afmetingen Rond

FrequencyBand	Frequency Range		Circular WaveguideDiameter, Inches (mm)	Cover Flange (Brass)MIL-F- 3922 UG	Flange Type
X	LOW	8.2-9.97	1.094 (27.79)	53-001 UG-39/U	Square
	MID	8.5-11.6	0.938 (23.83)
	HIGH	9.97-12.4	0.797 (20.24)
Ku	LOW	12.4-15.9	0.688 (17.48)	53-005 UG-1666/U	Square
	MID	13.4-18.0	0.594 (15.08)
	HIGH	15.9-18.0	0.500 (12.70)
K	LOW	17.5-20.5	0.455 (11.56)	54-001 UG-595/U	Square
	MID	20-24.5	0.396 (10.06)
	HIGH	24-26.5	0.328 (8.33)
Ka	LOW	26.5-33	0.315 (8.00)	54-003 UG-595/U	Square
	MID	33-38.5	0.250 (6.35)
	HIGH	38.5-40	0.219 (5.56)
Q	LOW	33-38.5	0.250 (6.35)	67B-006 UG-383/U	Round
	MID	38.5-43	0.219 (5.56)
	HIGH	43-50	0.188 (4.78)
U	LOW	40-43	0.210 (5.33)	67B-007 UG-383/U-M	Round
	MID	43-50	0.188 (4.78)
	HIGH	50-60	0.165 (4.19)
V	LOW	50-58	0.165 (4.19)	67B-008 UG-385/U	Round
	MID	58-68	0.141 (3.58)
	HIGH	68-75	0.125 (3.18)
E	LOW	60-66	0.136 (3.45)	67B-009 UG-387/U	Round
	MID	66-82	0.125 (3.18)
	HIGH	82-90	0.094 (2.39)
W	LOW	75-88	0.112 (2.84)	67B-010 UG-387/U-M	Round
	HIGH	88-110	0.094 (2.39)
F	LOW	90-115	0.089 (2.26)	-UG-387/U-M	Round
	HIGH	115-140	0.075 (1.91)
D	LOW	110-140	0.073 (1.85)	-UG-387/U-M	Round
	HIGH	140-160	0.059 (1.50)
G	LOW	140-180	0.058 (1.47)	-UG-387/U-M	Round
	HIGH	180-220	0.045 (1.14)
---	---	170-260	0.049 (1.25)	-UG-387/U-M	Round
---	---	220-325	0.039 (0.99)	-UG-387/U-M	Round