Hohlleiter () sind Wellenleiter für elektromagnetische Wellen, die derzeit für Frequenzen ab 320 MHz (Typ R3 IEC / DIN) bis zu 5 THz (WM-57 IEEE) zur Verfügung stehen. Das Hohleiterprofil R3 besitzt eine nutzbare Bandbreite von 320 MHz bis 490 MHz, wobei ein weiteres Hohleiterprofil mit seiner niedrigsten nutzbare Frequenz an die maximal nutzbaren Frequenz des vorigen Hohlleiterprofils anschließt. Zusätzlich gibt es in der Regel mindestens ein weiteres Hohlleiterprofil was die nutzbaren Frequenzbereiche der beiden anderen Hohleiterprofile zum Teil überlappt, wobei es im UHF-Bereich jedoch mehrere einander überlappende Hohlleiterprofile gibt.
Im Gegensatz dazu dienen Glasfaser-Lichtleiter für die darüberliegenden höheren Frequenzbereiche der Infrarotstrahlung (IR) ab etwa 100 THz (ca. 3 µm) über den sichtbaren Bereich bis zur Ultraviolettstrahlung (UV) bei rund 1 PHz (ca. 300 nm).
Grundlagen Wie der Name sagt, sind es hohle Leiter. Sie bestehen aus einer Hülle, die zumindest innen durchgehendend und an den Verbindungsstellen der Flansche mit denen einzelne Hohlleitersegmente verbunden werden, metallisch leitendend und plan sein müssen, aber auch nicht zu porös sein dürfen. Hohlleiter-Segmenten sind innen hohl und mit Luft gefüllt, es können aber auch einzelne Hohlleitersegmente unter Druck gesetzt werden, z. B. mit getrockneter Luft oder mit einem Gas, aber auch mit einem Dielektrikum gefüllt sein kann.
Hohlleiter bestehen meistens aus Metallrohren, z. B. Messing, Aluminium oder Kupfer, wobei rechteckige, quadratische, kreisförmige oder elliptische Formen üblich sind, können aber auch aus metallisiertem Plastik gefertigt werden, z. B. Hornstrahler für Frequenzbereiche von mehreren 10 GHz für automotive Anwendungen.
Die meisten Hohlleiterbauformen sind materialbedingt starr und nicht biegsam. Deshalb existieren zum Verbinden für rechteckige Hohlleiter z. T. auch gebogene, gewundene oder flexible Hohleitersegmente. Flexible Hohleitersegmente bestehen aus gewundenen, sich überlappenden bzw. HF-abdichtenden Windungen, damit ein flexibles Hohleitersegment innerhalb der vorgegebenen Biegeradien gebogen werden kann, aber dennoch eine Abstrahlung der elektromagnetischen Welle aus dem Hohlleiter verhindert. mini | rechts | Hohlleiter mit Flanschen Zur Verbindung von Hohleitersegmenten befindet sich an der Stirnseite des Hohlleiterprofiles zur Verbindung mit dem nächsten Hohlleitersegment jeweils ein Hohlleiter-Flansch (engl. Waveguide-Flange). Für jedes Hohlleiterprofil stehen i. d. Regel mehrere Hohlleiter-Flansche zur Verfügung, die sich sowohl in der Form, z. B. mit runder oder eckiger Form, als auch Anzahl, Größe und Platzierung von Bohrungenen zur Verschraubung der Hohlleiter-Flansche miteinander unterscheiden.
Die Grenzfrequenz (engl. cutoff frequency), definiert die tiefste Frequenz, ab der sich elektromagnetische Wellen in einem Hohlleiter ausbreiten können. Sie wird auch als untere Grenzfrequenz bezeichnet und entspricht der Wellenlänge, die durch die zweifache, größte Ausdehnung des Hohleiters definiert ist. Der nutzbare Frequenzbereich umfasst eine Oktave und beginnt ca. 25 % über der Grenzfrequenz.
Der Vorteil von Hohlleitern gegenüber Koaxialkabeln liegt in einem flacheren Anstieg der Dämpfungsverluste in Hohlleitern mit zunehmender Frequenz und der um ca. 1000-fach höheren maximal übertragbaren Hüllkurvenspitzenleistung (, PEP). So können z. B. bei Primärradar-Sensoren in Hohlleitern Pulsspitzenleistungen von über 5 MW PEP übertragen werden. Im Gegensatz zu Hohlleitern treten bei Koaxialkabeln zusätzliche Verluste auf dem Innenleiter, der äußeren Abschirmung, im verwendeten Dielektrikum, das zum Zentrieren des Innenleiters benötigt wird und durch Abstrahlung durch mangelhafte Abschirmung auf, z. B. grobmaschiges Kupfergeflecht.
Hohlleiter wirken bis zur Grenzfrequenz wie ein Hochpass, d. h. dass sich erst oberhalb dieser Frequenz Wellen ausbreiten. Im Gegensatz zu Koaxialkabeln erfolgt unterhalb der Grenzfrequenz keine Energieübertragung. Koaxialkabel können auf dem Innenleiter und Abschirmung sowohl Gleichstrom, Wechselstrom als auch Hochfrequenzsignale übertragen.
Sofern Hohlleiter aus festem Metall mit dickeren Wandstärken bestehen, z. B. Aluminium oder Messing, sind diese steif im Vergleich zu flexiblen Wellen-Hohlleitern aus Kupfer. Hohlleiter werden z. B. in Radar-Sensoren an Land, Satelliten, in Luft- oder Seefahrzeugen und Luft- und Raumfahrt verwendet.
Hohlleiter müssen im Innenbereich, in dem die hochfrequenten Signale sich ausbreiten sollen, wie auch an den Flanschen, an denen Hohleiter miteinander verschraubt werden, eine sehr gut leitende, porenlose, metallische Oberfläche besitzen. Die Flansche, an denen die Enden von Hohlleitern verschraubt werden, müssen eine plane Fläche haben, um eine unerwünschte Ab- und Einstrahlung nach-/von außen zu minimieren.
Je nach verwendetem Metall und Umgebungseinflüssen können die Metalle auch anfällig für Korrosion sein.
Durch hohe Luftfeuchtigkeit in Hohlleitern kann es ferner bei höheren Pulsspitzensendeleistungen zur Beeinträchtigung der Funktion kommen, weshalb Hohlleiter in Radaranlagen z. T. mit Schutzgas oder getrockneter Luft unter Druck gesetzt werden. Hohlleiter werden z. B. bei Puls-Radar-Anlagen in Luft- und Raumfahrt und Schiffen eingesetzt.
Hohlleiter erfordern zur Verbindung einen passenden Flansch () an deren Ende(n), wobei folgende Profilformen existieren:
Rechteck-Hohleiter () für nutzbare Frequenzbereiche zwischen minimal 0,32 GHz Standard-Rechteck-Hohleiter-Typ: R3 (IEC) bis zu 5000 GHz Standard-Rechteck-Hohleiter-Typ: WM-57-Rectangular Waveguide (IEEE) verfügbar. Rechteck-Hohlleiter mit reduzierter Höhe () sind von 0,32 GHz Rechteck-Hohlleiter-mit-reduzierter-Höhe-Typ: ½ WR-2300 (½ EIA) bis zu 12,5 GHz Rechteck-Hohlleiter-mit-reduzierter-Höhe-Typ: "M(F) 100 = F 100" (IEC) verfügbar. Quadratische Hohlleiter () sind von 3,59 GHz Quadratischer-Hohlleiter-Typ: Q41 (IEC) und bis zu 13,74 GHz Quadratischer-Hohlleiter-Typ: Q130 (IEC) verfügbar. Rundhohlleiter () sind von 3,59 GHz Rund-Hohlleiter-Typ: C 3.3 (IEC) und bis zu 13,74 GHz Rund-Hohlleiter-Typ: Q130 (IEC) verfügbar. Steghohlleiter (), die im Hohlraum zusätzlich rechteckige oder trapezförmige Stege besitzen, durch dessen Einbringen die Grenzfrequenz der Grundwelle, deren elektrisches Feld parallel zu den Stegen orientiert ist, herabgesetzt wird. Dadurch besitzen Steghohlleiter geringere Abmessungen als Hohlleiter ohne Stege. Stege innerhalb des Hohleiters gibt es in folgenden Hohlleitertypen: Rechteckige Steghohlleiter, die innen zusätzlich zwei rechteckigen Stege besitzen Quadratische Steghohlleiter, die innen vier rechteckige oder trapezförmige Stege besitzen, deren Bandbreite bei ca. 34 % der Mittenfrequenz liegt. Stegrundhohlleiter, die innen zwei oder vier rechteckige oder trapezförmige Stege besitzen, deren Bandbreite bei ca. 26,5 % der Mittenfrequenz liegt.
Hohlleiterflansche dienen zur Verbindung von einzelnen Segmenten und sind an einer oder beiden Seiten eines Hohlleiterprofils angebracht, wobei zu jedem Hohlleiterprofil i. d. Regel mehrere Flanschtypen existieren, die verwendet werden können, z. B. bei rechteckförmigen Hohlleitern rund oder rechteckig. Ferner gibt es folgende Sonderformen von Flanschen: Resonanzdichtung () durch einen eingefrästen λ/4-Saugkreis rund um den Hohlleiter am Flansch Hohlleiter-Flansch mit Druckanschluss (), um Hohlleiter mit gereinigter Luft unter Druck zusetzen und/oder einem Gas zu befüllen Flansch mit Druckfenster () zur Isolierung von Hohlleiterabschnitten, die unter Druck mit gereinigter Luft und/oder einem Gas gefüllt sind von Abschnitten, die nicht unter Druck stehen oder mit einem Gas gefüllt sind Weiterhin existieren Sonderformen von Hohlleitern, dies sind z. B.: Flexible Hohlleiter () z. B. reckeckförmige oder elliptische Hohlleiter, damit diese innerhalb der Grenzen der definierten Biegeradien biegsam sind und so eine Verlegung bei fordernden örtlichen Gegebenheiten erlauben. Hohlraumresonator Hohlleiter-Richtkoppler Koaxial-Hohlleiter-Übergänge dienen zur Erregung von Hohlleiterwellen beim Übergang von einem Koaxialleiter auf einen Hohlleiter, bzw. umgekehrt zur Wandlung von elektromagnetischen Wellen in einem Hohlleiter beim Übergang auf einen Koaxialleiter. Hohlleiter-Drehkupplung () zur Kopplung von einem oder mehreren Hohlleitern und/oder Koaxialkabel mit um 360° drehenden oder in einem vertikalen oder horizontalen Winkelbereich hin und her schwenkenden Antennen von Radar-Anlagen (PSR, SSR und/oder IFF) mit hohem Antennengewinn genutzt werden. Schlitzhohlleiter-Messgerät besteht aus einer für den Messbereich geeignetem Schlitzhohlleiter (Abbildung 5) und einem Detektor die beide auf einem Universal-Probe-Carriage (Abbildung 11) montiert werden, um eine genaue Positionierung des Detektors (engl. Probe Abbildung Nr. 6, Nr. 7, Nr. 8) entlang des Schlitzes des Slotted-Waveguides zu Messzwecken erlaubt. mini|Schlitzhohlleiter-Messgerät: Slotted-Waveguide (Nr. 5) mit Detektor (Nr. 6, Nr. 7 und Nr. 8) und einer Universal-Probe-Carriage (HP-810, Nr. 11) in einem Messaufbau Alle Komponenten bilden ein Microwave-Test-Bench (Mikrowellen-Testbett). Hornstrahler () die in folgenden Bauformen existeren, bzw. verwendet werden: Hornstrahler-Antennen bestehen aus einem Holleitersegment bei dem sich die mechanischen Abmessungen des Hohlleiters zu der Stelle des Strahlungsaustritts der elektromagnetischen Welle zunehmend aufweitet um einen allmählichen Übergang vom Hohlleiter zur Freiraumausbreitung zu erreichen. Mit zunehmender Länge steigen sowohl die physikalischen Abmessungen als auch der Antennengewinn. Hornstrahler existieren sowohl Rechteck-, Quadrat- als auch Rund-Hohlleiter mit und ohne Ridges (dt. Stege), für die Nutzung mit einfacher dualer oder zirkularer Polarisation. Es gibt folgende Arten von Hornstrahler-Antennen: Hornstrahler als eigenständige Antenne mit einem Antennengewinn von ca. 15 dBi, z. B. zur Nutzung als Bezugsantenne bzw. Gewinnnormal, mit einem Gewinn bis weit über 25 dBi. Bei extrem großen Abmessungen, wie bei der Holmdel Horn Antenna, wurde auch schon von etwas über 43 dBi Antennengewinn erreicht. Feedhorn-Erreger zum Ausleuchten von Reflektor-Antennen, z. B. Parabolförmige Reflektorantennen, wobei je nach Form und Abmessungen des Reflektors Antennengewinne von mehr als 36 dBi erreichbar sind, z. B. Primary-Surveillance-Radar Sensor, SRE-M Schlitzantennen bestehen aus einem längeren Hohlleitersegment in das λ/2-lange Schlitze zum Abstrahlen der elektromagnetischen Energie eingefräst werden. Dabei unterscheidet man zwischen folgenden Arten: eindimensionale Phased Arrays mit Schlitzantennen wenn nur ein Hohlleiter verwendet wird. zweidimensionale Phased Arrays mit Schlitzantennen bei Nutzung von mehreren parallel zueinander angeordneten Schlitzantennenntennen Nutzung in einem längeren Reflektorrohr. Hohlleiter-Dämpfungsglieder () zur Abschwächung von Signalen. Abschwächer existieren mit festen Dämpfungswerten, variablen Dämpfungswerten, die innerhalb vorgegebener Bereiche einstellbar sind.