Luftleitung (Hochfrequenztechnik)

Als Luftleitung[1] (englisch air line)[2] bezeichnet man in der Hochfrequenztechnik eine besonders präzise hergestellte, meist koaxial aufgebaute elektrische Leitung, die zur Halterung des Innenleiters keine dielektrischen Stützen, sondern nur Luft enthält.

Außenleiter (links) und noch nicht montierter Innenleiter einer koaxialen Luftleitung. Der Innendurchmesser D des Außenleiterrohrs beträgt sehr genau 7 mm.

Prinzip

So erreicht man eine hochgenaue Realisierung des Leitungswellenwiderstandes (Impedanz) Z_L, der sich aufgrund der sehr genau bekannten Permittivität von Luft (die relative Permittivität ε_r von Luft unter Normalbedingungen beträgt etwa ε_r ≈ 1,00059) außer aus dem exakt bekannten Wellenwiderstand des Vakuums Z₀ allein aus den mechanischen Abmessungen D (Innendurchmesser des Außenleiterrohrs) und d (Durchmesser des Innenleiterstabes) der Leitung berechnen lässt.

Z_{L}={\frac {Z_{\rm {0}}}{2\pi {\sqrt {\varepsilon _{\rm {r}}}}}}\cdot \ln \left({\frac {D}{d}}\right)

Näherungsweise berechnet sich somit der Leitungswellenwiderstand einer koaxialen Luftleitung zu:

$Z_{L}\approx {\frac {59{,}9585~\Omega }{\sqrt {\varepsilon _{\rm {r}}}}}\cdot \ln \left({\frac {D}{d}}\right)\approx 59{,}94~\Omega \cdot \ln \left({\frac {D}{d}}\right)$

Anwendungen

Bei präziser Herstellung von Außen- und Innenleiter, die mit Toleranzen von wenigen Mikrometern (µm) gefertigt werden können, erhält man eine Luftleitung, deren Impedanz um weniger als 0,1 Ω vom gewünschten Referenzwert (meist 50 Ω) abweicht. Die Luftleitung wird in der Hochfrequenzmesstechnik als Impedanznormal mit besonders geringem Reflexionsfaktor, beispielsweise zur Überprüfung (Verifikation) der Messgenauigkeit von Messgeräten eingesetzt.[3]

Der Reflexionsfaktor r der Luftleitung lässt sich aus ihrem Leitungswellenwiderstand (Impedanz) Z_L und der Referenzimpedanz (beispielsweise 50 Ω) berechnen:

r={\frac {Z_{L}-50~\Omega }{Z_{L}+50~\Omega }}

Typische Reflexionsfaktoren qualitativ hochwertiger Luftleitungen betragen zwischen 0,2 % und 0,5 %. Umgerechnet in Reflexionsdämpfung a (Rückflussdämpfung)

a=-20\,\mathrm {dB} \cdot \lg \left|r\right|

ergeben sich Werte zwischen 46 dB (0,5 %) und 54 dB (0,2 %).

Reusenleitung eines Langwellensenders für 225 kHz (rechts im Hintergrund der 330 Meter hohe Sendemast des polnischen Rundfunksenders Solec Kujawski)

Luftleitungen sind praktisch in einem sehr großen Frequenzbereich etwa ab 1 GHz bis hinauf zu über 50 GHz (abhängig von den Anschlusstypen) einsetzbar und kommerziell erhältlich.[4] Zu niedrigen Frequenzen wird ihr Einsatzbereich durch den Skin-Effekt begrenzt. Aufgrund der endlichen Leitfähigkeit der verwendeten Leitermaterialien (oberflächlich meist Gold mit einer spezifischen Leitfähigkeit σ ≈ 45·10⁶ S/m) steigt die Eindringtiefe der elektromagnetischen Wellen zu niedrigen Frequenzen hin immer mehr an. Dies führt zu einer effektiven Vergrößerung des (elektrischen) Durchmesserunterschiedes von Außen- zu Innenleiter und somit zu einer Impedanzerhöhung der Luftleitung. Diese beträgt bei 3 GHz bereits etwa 20 mΩ und steigt umgekehrt proportional zur Wurzel aus der Frequenz mit fallender Frequenz weiter an. Ein wichtiges Qualitätsmerkmal von Luftleitungen ist auch eine geringe Rauheit der Oberfläche in der Größenordnung von weniger als einem Mikrometer (<1 µm). Die typische Länge einer Luftleitung beträgt 300 mm.[5]

Koaxiale Luftleitungen werden auch in großen Abmessungen aus Drähten realisiert, um hohe Leistungen im Langwellen- und Mittelwellenbereich zu übertragen, beispielsweise zwischen Sendehaus und Sendemast (Bild). Sie werden als Reusenleitungen bezeichnet.

Darüber hinaus gibt es auch nichtkoaxiale Luftleitungen. Ein Beispiel sind koplanare Luftleitungen, die bei Prüfspitzen von Wafer-Probern verwendet werden.

Weblinks

Modellierung mehrfach beschichteter, koaxialer Luftleitungen. Abteilungsnachricht der PTB, 2014, abgerufen am 2. Mai 2018.
Mathematikgestützte Kalibrierung von Vektornetzwerkanalysatoren (unter Verwendung einer Präzisions-Luftleitung). Abteilungsnachricht der PTB, 2008, abgerufen am 2. Mai 2018.
Luftleitung der Firma Rosenberger Hochfrequenztechnik mit 2,92 mm-Steckverbindern, abgerufen am 2. Mai 2018.

Einzelnachweise

Meinke/Gundlach: Taschenbuch der Hochfrequenztechnik, Band 1 – Grundlagen, Springer, 1992, S. 36. ISBN 3-540-54714-2.
Operation and Maintenance Manual for Air Lines von Anritsu, 1990, S. 1. PDF; 85 kB (englisch), abgerufen am 3. Mai 2018.
Mathematikgestützte Kalibrierung von Vektornetzwerkanalysatoren (unter Verwendung einer Präzisions-Luftleitung). Abteilungsnachricht der PTB, 2008, abgerufen am 2. Mai 2018.
Luftleitung bis 40 GHz von Rosenberger Hochfrequenztechnik, abgerufen am 2. Mai 2018.
Operation and Maintenance Manual for Air Lines von Anritsu, 1990, S. 1. PDF; 85 kB (englisch), abgerufen am 3. Mai 2018.

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[1] Meinke/Gundlach: Taschenbuch der Hochfrequenztechnik, Band 1 – Grundlagen, Springer, 1992, S. 36. ISBN 3-540-54714-2.

[2] Operation and Maintenance Manual for Air Lines von Anritsu, 1990, S. 1. PDF; 85 kB (englisch), abgerufen am 3. Mai 2018.

[3] Mathematikgestützte Kalibrierung von Vektornetzwerkanalysatoren (unter Verwendung einer Präzisions-Luftleitung). Abteilungsnachricht der PTB, 2008, abgerufen am 2. Mai 2018.

[4] Luftleitung bis 40 GHz von Rosenberger Hochfrequenztechnik, abgerufen am 2. Mai 2018.

[5] Operation and Maintenance Manual for Air Lines von Anritsu, 1990, S. 1. PDF; 85 kB (englisch), abgerufen am 3. Mai 2018.