導波管のインピーダンス整合を実現するにはどうすればよいでしょうか? マイクロストリップアンテナ理論の伝送線路理論から、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するために適切な直列または並列の伝送線路を選択すれば、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。導波管システムでの反射は、インピーダンスの不整合を引き起こす可能性があります。インピーダンスの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、必要な値を変更することです。集中インピーダンスを導波管内の計算されたポイントに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を使用しますが、導波管ではさまざまな形状の金属ブロックを使用します。
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。
図1は、図示のいずれの形態も取り得る、容量性、誘導性、共振性の様々なインピーダンス整合を示しています。数学的な解析は複雑ですが、物理的な説明はそうではありません。図中の最初の容量性金属ストリップを考えると、導波管の上壁と下壁の間に存在していた電位（支配的なモードにおいて）が、より近接した2つの金属表面の間に存在するため、静電容量が増加することがわかります。一方、図1bの金属ブロックは、これまで電流が流れていなかった場所に電流を流します。金属ブロックの追加により、以前に強化された電界平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、導波管のその点における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が適切に設計されていれば、導入される誘導性リアクタンスと容量性リアクタンスは等しくなり、開口部は並列共振になります。これは、主モードのインピーダンス整合とチューニングが非常に良好であり、このモードのシャント効果が無視できることを意味します。しかし、他のモードや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ーとモードフィルターの両方の役割を果たす。
図2：（a）導波管ポスト、（b）2本のネジで固定する整合器
調整方法の一つとして、円筒形の金属柱が広い側面の一つから導波管内に伸びており、その点で集中リアクタンスを提供するという点で金属ストリップと同じ効果を発揮する例が上に示した。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となる。基本的に、この整合方法は、このような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提供し、その容量性サセプタンスは、侵入が波長の約4分の1になるまで増加する。この時点で直列共振が発生する。金属柱をさらに侵入させると、誘導性サセプタンスが提供され、挿入が完全になるにつれて減少する。中間点設置時の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るが、この場合は高次モードを伝送するためのバンドストップフィルタとして使用される。金属ストリップのインピーダンスを増加させる方法と比較して、金属柱を使用する大きな利点は、調整が容易であることである。例えば、2本のネジを調整装置として使用することで、効率的な導波管整合を実現できる。
抵抗負荷と減衰器：
他の伝送システムと同様に、導波管も、入射波を反射なく完全に吸収し、周波数に依存しないようにするためには、完璧なインピーダンス整合と同調負荷が必要となる場合がある。このような端子の用途の一つとして、実際に電力を放射することなく、システム上の様々な電力測定を行うことが挙げられる。
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、導波管の端に設置され、反射を防ぐために先端が入射波に向くようにテーパー状になった損失性誘電体部分です。この損失性媒体は、導波管の全幅を占める場合もあれば、図3に示すように導波管端の中央部分のみを占める場合もあります。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λp/2の長さを持ち、全長は約2波長です。通常、ガラスなどの誘電体板でできており、外側にカーボン膜または水ガラスがコーティングされています。高出力用途では、このような端子に導波管の外側にヒートシンクを追加することができ、端子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 可動ベーン式減衰器
図4に示すように、誘電体減衰器は取り外し可能にすることができる。導波管の中央に配置された減衰器は、最大の減衰効果が得られる導波管の中心から、支配モードの電界強度がはるかに低いため減衰効果が大幅に減少する端部まで、横方向に移動させることができる。
導波管における減衰：
導波管のエネルギー減衰は、主に以下の側面を含みます。
1. 導波管内部の不連続部または位置ずれした導波管部分からの反射
2. 導波管壁を流れる電流によって生じる損失
3. 充填導波管における誘電損失
最後の 2 つの損失は、同軸線路における対応する損失と似ており、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。真鍮管の場合、損失範囲は 5 GHz で 4 dB/100m、10 GHz で 12 dB/100m ですが、アルミニウム管の場合は範囲が低くなります。銀メッキされた導波管の場合、損失は通常 35 GHz で 8dB/100m、70 GHz で 30dB/100m、200 GHz で 500 dB/100m 近くになります。損失を低減するため、特に最高周波数では、導波管の内部に金またはプラチナがメッキされることがあります。
既に述べたように、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損失がありませんが、カットオフ周波数以下の周波数は著しく減衰します。この減衰は、伝搬ではなく導波管開口部での反射によるものです。
導波路結合:
導波管の接合は、導波管部品同士を接合する際に、通常はフランジを介して行われます。このフランジの役割は、スムーズな機械的接続と適切な電気的特性、特に低い外部放射と低い内部反射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、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。これらは、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、高周波電磁波の高信頼性伝送と高精度な位置決めを保証します。図5に示すように、一般的な導波管は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らな突き合わせフランジが使用されます。2つの部品を接合する場合、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に端部は滑らかに仕上げる必要があります。調整によって部品を正しく位置合わせする方が明らかに容易であるため、小型の導波管には、リングナットでねじ込むことが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。周波数が高くなるにつれて、導波管結合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のサイズに比例して大きくなります。したがって、高周波数での不連続性はより厄介になります。
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ために、図 6 に示すように、導波管間に小さな隙間を設けることができます。チョーク カップリングは、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。不連続性を補償するために、チョーク フランジには L 字型の断面を持つ円形のチョーク リングが使用され、より密着した接続を実現します。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 を超えない妥当な帯域幅 (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
