Aaltoputki

Yleistä

Sähkömagneettista tehoa voidaan siirtää ontossa johdeputkessa. Kun sähkömagneettista kenttää rajoitetaan tällä tavalla, sen etenemistavat poikkeavat vapaan avaruuden tilanteesta. Johtavat seinämät sallivat sähkömagneettisen kentän olemassaolon vain kun johteen pintaa pitkin ei ole sähkökenttää. Aaltoputken ominaisuudet riippuvat täten sen muodosta ja koosta. Erilaiset epäjatkuvuudet aaltoputkessa muuttavat sen siirtolinjaominaisuuksia ja näitä ominaisuuksia voidaan käyttää tuottamaan induktiivista- tai kapasitiivista reaktanssia.

Aaltoputken tärkein ominaisuus on sen erinomaisen pieni häivöisyys energian siirrossa. Toinen on sen korkea energiansiirtokyky (ilmatäytteinen aaltoputki kokee sähkökentän koronaläpilyönnin noin 2 MW teholla.)

Käytännössä kaikilla aaltoputkilla on alarajataajuus, jota isommat aallonpituudet eivät onnistuneesti etene putkessa. Pienemmät etenevät, kuten esim. valon kulku putken läpi selvästi osoittaa (valokin on sähkömagneettista säteilyä.) Alin taajuus joka putkessa etenee riippuu putken mitoista, mutta peukalosääntönä voidaan pitää, että putken läpimitta tai isomman sivun pituus on noin puoli aallonpituutta.

Varsinaisesti ei ole olemassa rajaa sille, kuinka alhaisella taajuudella aaltoputkia (parijohtojen ja koaksiaalien sijasta) voidaan käyttää, mutta käytännöllisistä syistä niitä ei käytetä noin yhden gigahertsin alapuolella. (Esim. 50 MHz:lla aaltoputken poikkileikkaus olisi 3.0 x 1.5 metriä.)

Maan kuoren ja ionosfäärin väliin jäävä alue käyttäytyy aaltoputken tavoin äärimmäisen alhaisilla radiotaajuuksilla (n. 100-10000 Hz)

Aaltoputken sisällä ei varsinaisesti voida puhua jännitteestä ja virrasta, niiden tilalla havaitaan jaksollisesti muuttuvat sähkö- ja magneettikentät, jotka ovat sekä ajan että paikan funktioita. Käytännössä mitattavat ominaisuudet ovatkin aina impedanssi ja teho.

Normaalikäytössä käytetään aaltoputkia, jotka ovat lähellä taajuusalueensa alarajaa, tyypillisesti 1.25 - 1.9 kertaa alarajataajuus. Tämän rajan yllä esiintyy aaltoputkessa mutkikkaampia sähkö- ja magneettikentän yhdistelmiä, joiden kesken on vaikea ennustaa energia jakaumaa. Vakavin ongelma on, että näiden muiden yhdistelmien tehollinen aallonpituus ja etenemisnopeus poikkeaa kaikista muista ja niinpä jos energiaa johdetaan aaltoputkeen useammalla moodilla yhtä aikaa, kaikki ei saapuisi perille samanaikaisesti joka näkyy mm. pulssin ajallisena pitenemisenä ja VSWR:änä.

Teoriaa

Sähkömagneettisen kentän laittaminen johtavien seinämien sisään muuttaa mm. sen aallonpituutta kasvattaen sitä suhteessa johdekammion (putken) mittojen mukaan.

Kaikille aaltoputkimuodoille voidaan sanoa, että:

$\lambda _{g}={\frac {\lambda }{\sqrt {\epsilon _{r}-\left(\lambda /\lambda _{c}\right)^{2}}}}\,$

missä:

• $\lambda _{c}\,$ on aaltoputken alarajataajuuden mukainen aallonpituus, tarkemmin alempana
• $\lambda \,$ on aallonpituus avaruudessa (tyhjössä)
• $\epsilon _{r}\,$ on putken täytteen suhteellinen dielektrisyysvakio (ilmalle: 1.000)

Sähkö- ja magneettikenttien kuviot ovat erilaisia eri moodeissa ja niille onkin kehitetty vakio nimistö sen mukaan, onko sähkökenttä (E) vai magneettikenttä (M) nolla etenemissuuntaan (pituusakseli) (T = Transversal = poikittainen) josta saadaan kolme yhdistelmää: TE, TM, TEM. Aaltoputkissa vain TE ja TM ovat mahdollisia. Näihin lisätään suffiksit, jotka kertovat että montako kertaa kyseinen kenttä muuttuu annetulla akselilla. Merkintätapa on, että ensimmäinen numero on suorakaideputken pidemmän sivun (a) vaihtelujen määrä ja toinen on lyhyemmän sivun (b). Pyöreillä putkilla nämä ovat vastaavasti kierros kehää pitkin (a) ja läpi säteen suuntaan (b).

Aaltoputkimoodi: TE10

Yksinkertaisin kenttäkuvio:

$\lambda _{c}=2a\,$

Aaltoputkimoodi: TE11

$\lambda _{c}={\frac {2a}{\sqrt {1+\left(a/b\right)^{2}}}}\,$

Aaltoputkimoodi: TE21

$\lambda _{c}={\frac {a}{\sqrt {1+\left(a/b\right)^{2}}}}\,$

Aaltoputkimoodi: TM11

$\lambda _{c}={\frac {2a}{\sqrt {1+\left(a/b\right)^{2}}}}\,$

Aaltoputkimoodi: TM21

$\lambda _{c}={\frac {a}{\sqrt {1+\left(a/2b\right)^{2}}}}\,$

Aaltoputkimoodi: TM22

$\lambda _{c}={\frac {a}{\sqrt {1+\left(a/b\right)^{2}}}}\,$

Tyypit

Suorakaideputki

Suorakaideputkessa sähkökenttä on poikittain putkessa sen pidempien sivujen välillä. Sähkökentän voimakkuus putoaa reunoilla (lyhyet sivut) nollaan ja on keskellä maksimi. Jakaumakuvio on sinikäyrä. Magneettikenttä koostuu silmukoista jotka ovat samansuuntaisia pitkien sivujen kanssa.

Ilma-/tyhjötäytteiselle suorakaiteen muotoiselle aaltoputkelle tehollinen aallonpituus on:

$\lambda _{g}={\frac {\lambda }{\sqrt {1-\lambda /\left(2a\right)^{2}}}}\,$

missä:

• $\lambda \,$ on aallonpituus tyhjössä
• a on isompi sisämitoista ("pitkän sivun" mitta)

Suorakaideputkella signaalin polarisaatio on samansuuntainen sähkökentän kanssa, eli se on samansuuntainen 'lyhyiden sivujen kanssa.

Tällaisen putken käyttökelpoinen ylätaajuus on tyypillisesti (korkeampien etenemismoodien välttötarpeesta johtuen) noin 1.4 kertaa alarajataajuus.

Pyöreä putki

Pyöreässä aaltoputkessa voidaan kuljettaa energiaa, mutta se ei pakota signaalille mitään polarisaatiota. Tästä voi toisaalta olla etuakin, kun halutaan tuottaa/kuljettaa pyörivää polarisaatiota'.

Pyöreän aaltoputken ensisijainen etenemismoodi on ns. TE-11 ja sen raja-aallonpituus (tyhjö/ilma) voidaan määrittää olevan:

$\lambda _{c}=3.412r\,$

missä:

• r on putken sisäsäde.

Pyöreän aaltoputken aallonpituus voidaan näin lausua olevan:

$\lambda _{g}={\frac {\lambda }{1-\lambda /\left(3.412r\right)^{2}}}\,$

Seuraava mutkikkaampi etenemismoodi on TM-01, jolle $\lambda _{c}=2.613r\,$. Tämä vastaa taajuutta, joka on vain noin 1.3 kertainen alarajataajuuteen, joten pyöreä putki toimii havaittavasti kapeammalla taajuusalueella, kuin suorakaideputki.

Harjanneputki

Tekemällä suorakaideputken pitkän sivun keskelle pitkittäinen harjanne (joko vain toiseen sivuun, tai molempiin), saadaan tehtyä putki, jossa käyttökelpoinen taajuusalue on huomattavasti laajempi, kuin tavallisessa putkessa. Tyypillisesti käyttökelpoinen ylätaajuus voi olla 2.0-2.5 kertainen alarajaan nähden.