導波管のインピーダンス整合をどのように実現するのでしょうか。マイクロストリップ アンテナ理論の伝送線路理論から、適切な直列または並列伝送線路を選択して、伝送線路間または伝送線路と負荷間のインピーダンス整合を実現し、最大の電力伝送と最小の反射損失を実現できることがわかります。マイクロストリップ線路のインピーダンス整合の原理は、導波管のインピーダンス整合にも適用されます。導波管システムにおける反射は、インピーダンスの不整合につながる可能性があります。インピーダンス劣化が発生した場合の解決策は、伝送線路の場合と同じで、必要な値を変更します。導波管内の事前に計算されたポイントに集中インピーダンスを配置して不整合を克服し、反射の影響を排除します。伝送線路では集中インピーダンスまたはスタブが使用されますが、導波管ではさまざまな形状の金属ブロックが使用されます。
図1:導波管アイリスと等価回路、(a)容量性、(b)誘導性、(c)共振性。
図 1 は、さまざまな種類のインピーダンス整合を示しています。これらは、示されている形式のいずれかを取り、容量性、誘導性、または共振性にすることができます。数学的分析は複雑ですが、物理的な説明は複雑ではありません。図の最初の容量性金属ストリップを考えると、導波管の上部壁と下部壁の間に存在していた電位 (基本モード) が、より近接した 2 つの金属表面間に存在していることがわかるため、静電容量がその点に増加します。対照的に、図 1b の金属ブロックは、以前は流れていなかった場所に電流が流れることを可能にします。金属ブロックの追加により、以前は強化された電界面に電流が流れます。したがって、磁場にエネルギーが蓄積され、導波管のその点のインダクタンスが増加します。さらに、図 c の金属リングの形状と位置を適切に設計すると、導入される誘導性リアクタンスと容量性リアクタンスが等しくなり、開口部が並列共振します。これは、主モードのインピーダンス整合と同調が非常に良好であり、このモードのシャント効果は無視できることを意味します。ただし、他のモードまたは周波数は減衰されるため、共振金属リングはバンドパスフィルタとモードフィルタの両方として機能します。
図2:(a)導波管支柱、(b)2本ネジ整合器
上の図は、別の調整方法を示しています。ここでは、円筒形の金属柱が導波管の広い側面の1つから導波管内に伸びており、その点に集中リアクタンスを与えるという点で金属ストリップと同じ効果があります。金属柱は、導波管内にどれだけ伸びているかによって、容量性または誘導性になります。基本的に、この整合方法は、金属柱が導波管内にわずかに伸びると、その点で容量性サセプタンスを与え、その容量性サセプタンスは、侵入が約1/4波長になるまで増加します。この時点で直列共振が発生します。金属柱をさらに侵入させると、誘導性サセプタンスを与え、挿入が進むにつれて減少します。中間点設置における共振強度は柱の直径に反比例し、フィルタとして使用できますが、この場合は高次モードを透過させる帯域阻止フィルタとして使用されます。金属ストリップのインピーダンスを増加させる場合と比較して、金属柱を使用する主な利点は、調整が容易なことです。たとえば、2 本のネジを調整デバイスとして使用して、効率的な導波管マッチングを実現できます。
抵抗負荷と減衰器:
他の伝送システムと同様に、導波管も、反射なしに入射波を完全に吸収し、周波数に依存しないようにするために、完全なインピーダンス整合と調整された負荷を必要とする場合があります。このような端末の用途の一つとして、実際に電力を放射することなく、システム上で様々な電力測定を行うことが挙げられます。
図3 導波管抵抗負荷(a)シングルテーパー(b)ダブルテーパー
最も一般的な抵抗終端は、導波管の端に取り付けられた損失性誘電体の部分で、反射を起こさないように（先端が入射波の方を向いて）テーパー状になっています。この損失性媒体は、導波管の幅全体を占めることもあれば、図 3 に示すように導波管の端の中央だけを占めることもあります。テーパーはシングル テーパーまたはダブル テーパーで、通常は長さが λp/2、全長が約 2 波長です。通常はガラスなどの誘電体プレートで作られ、外側はカーボン フィルムまたは水ガラスでコーティングされています。高電力アプリケーションでは、このような端末に導波管の外側にヒート シンクを追加することができ、端末に供給される電力はヒート シンクまたは強制空冷によって放散されます。
図4 可動ベーン減衰器
誘電体減衰器は、図 4 に示すように取り外し可能にすることができます。導波管の中央に配置すると、減衰が最も大きくなる導波管の中心から、主要モードの電界強度がはるかに低いため減衰が大幅に減少する端まで横方向に移動できます。
導波管内の減衰:
導波管のエネルギー減衰には、主に次の側面が含まれます。
1. 内部導波路の不連続部または導波路の不整合による反射
2. 導波管壁を流れる電流による損失
3. 充填導波管における誘電損失
最後の2つは同軸線路の対応する損失に似ており、どちらも比較的小さいです。この損失は、壁の材質とその粗さ、使用される誘電体、および周波数（表皮効果による）に依存します。真鍮製導管の場合、損失は5GHzで4dB/100m、10GHzで12dB/100mの範囲ですが、アルミニウム製導管の場合は範囲が狭くなります。銀メッキ導波管の場合、損失は通常、35GHzで8dB/100m、70GHzで30dB/100m、200GHzで500dB/100m近くになります。特に高周波数域での損失を低減するために、導波管は（内部に）金またはプラチナでメッキされることがあります。
既に指摘したように、導波管はハイパスフィルタとして機能します。導波管自体は実質的に無損失ですが、カットオフ周波数以下の周波数は大きく減衰します。この減衰は伝播によるものではなく、導波管の入口での反射によるものです。
導波管結合:
導波管の結合は、通常、導波管の部品またはコンポーネントを接合する際にフランジを介して行われます。このフランジの機能は、滑らかな機械的接続と適切な電気特性、特に外部放射と内部反射の低減を確保することです。
フランジ:
導波管フランジは、マイクロ波通信、レーダーシステム、衛星通信、アンテナシステム、そして科学研究における実験装置などで広く使用されています。異なる導波管セクションを接続し、漏洩や干渉を防ぎ、導波管の正確な位置合わせを維持することで、高信頼性の伝送と周波数電磁波の正確な位置決めを実現します。典型的な導波管は、図5に示すように、両端にフランジを備えています。
図５ （a）プレーンフランジ、（b）フランジカップリング。
低周波数ではフランジは導波管にろう付けまたは溶接されますが、高周波数ではより平坦な突合せフラットフランジが使用されます。2つの部品を接合する際、フランジはボルトで固定されますが、接続部の不連続性を避けるため、端部は滑らかに仕上げる必要があります。調整を加えることで部品の位置合わせが容易になるのは明らかであるため、小型の導波管には、リングナットでねじ止めできるねじ付きフランジが装備されている場合があります。周波数が高くなると、導波管結合部のサイズは自然に小さくなり、結合の不連続性は信号波長と導波管サイズに比例して大きくなります。そのため、高周波数における不連続性はより深刻な問題となります。
図6 (a)チョークカップリングの断面図、(b)チョークフランジの端面図
この問題を解決するには、図6に示すように、導波管間に小さな隙間を残すことができます。チョーク結合は、通常のフランジとチョークフランジを接続して構成されます。不連続性を補正するため、チョークフランジにはL字型断面の円形チョークリングが使用され、より強固な接続を実現します。通常のフランジとは異なり、チョークフランジは周波数に敏感ですが、最適化された設計により、SWRが1.05を超えない適切な帯域幅（中心周波数の10%程度）を確保できます。
投稿日時: 2024年1月15日
