Wellenleitergeometrien

Wellenleitergeometrien beschreiben die Querschnittsformen, durch die elektromagnetische Wellen in einem Wellenleiter geführt werden. Die Geometrie bestimmt die Modenstruktur, Grenzfrequenzen, Dispersion und Verlustmechanismen des Systems und beeinflusst, ob die Leitung für Mikrowellen, Hochfrequenz- oder optische Signale geeignet ist.

Zu den klassischen geometrischen Typen zählen metallische Hohlleiter mit rechteckigem oder rundem Querschnitt, in denen TE- und TM-Moden durch Randbedingungen festgelegt werden. Dielektrische Wellenleiter umfassen Slab-, Kanal- und Ridge-Wellenleiter sowie optische Fasern (Step-Index, Graded-Index). In der integrierten Optik kommen auch Slot- und Coplanar-Wellenleitungen zum Einsatz. Spezialisierte Strukturen dienen der Modenkontrolle, Impedanzanpassung oder der Integration in Bauteile.

Der Querschnitt bestimmt die Cut-off-Frequenzen jeder Modenart. In Hohlleitern dominiert typischerweise TE10 in rechteckigen Profilen; bei runden Profilen entspricht TE11 dem niedrigsten Grenzwert. Dielektrische Wellenleiter leiten das Signal durch Totalreflexion unter dem Einfluss des Brechungsindexunterschieds. Wichtige Kenngrößen sind Modenart (ein- oder mehrmodig), Gruppengeschwindigkeit, Dispersion sowie Verluste aus Leitfähigkeit, Dielektrizität und Oberflächenrauheit.

Design- und Praxisaspekte: Die Abmessungen stehen typischerweise in grobem Verhältnis zur halben Wellenlänge der Betriebsfrequenz. Übergänge, Biegungen und Kopplungen beeinflussen Verluste und Modenübertragung; Tapering oder Impedanzanpassungen werden eingesetzt. Materialtoleranzen und Fertigungseinflüsse wirken sich stark auf die Leitfähigkeit und die Streuung aus.

Anwendungen: Wellenleitergeometrien finden breite Anwendung in Mikrowellen- und Radarleitungen, Satellitenkommunikation, optische Netzwerke und integrierter Photonik. Durch gezielte Geometrie lassen sich Moden, Impedanz und Dispersion kontrollieren.