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すか?マイクロストリップアンテナ理論における伝送線路理論から、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し、最大の電力伝送と最小の反射損失を達成するには、適切な直列または並列の伝送線路を選択できることがわかります。マイクロストリップラインのインピーダンス整合と同じ原理が導波管のインピーダンス整合にも当てはまります。導波管システム内の反射は、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、解決策は伝送線路の場合と同じです。つまり、必要な値を変更します。集中インピーダンスは、不整合を克服するために導波路内の事前に計算された点に配置され、それによって反射の影響が排除されます。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: 導波路アイリスと等価回路、(a) 容量性、(b) 誘導性、(c) 共振性。
図 1 は、容量性、誘導性、または共振性のいずれかの形式をとる、さまざまな種類のインピーダンス マッチングを示しています。数学的な分析は複雑ですが、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慮すると、導波管の上壁と下壁の間に存在していた電位 (支配モード) が、より近接した 2 つの金属表面の間に存在することがわかります。そのため、静電容量は次のようになります。ポイントが増えます。対照的に、図 1b の金属ブロックでは、これまで流れなかった場所に電流が流れるようになります。金属ブロックの追加により、以前に強化された電界面に電流が流れます。したがって、磁場中でエネルギーの蓄積が発生し、導波路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が合理的に設計されている場合、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、開口部は並列共振になります。これは、メイン モードのインピーダンス マッチング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。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 フィルターとモード フィルターの両方として機能します。
図 2:(a) 導波管ポスト;(b) 2 つのネジの整合器
上に示した別の調整方法では、円筒形の金属ポストが幅の広い側面の 1 つから導波路内に伸びており、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があります。金属ポストは、導波路内にどれだけ伸びているかに応じて、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、このような金属ピラーが導波路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、侵入が波長の約 4 分の 1 になるまで容量性サセプタンスが増加します。この時点で直列共振が発生します。 。金属ポストがさらに貫通すると、誘導サセプタンスが提供され、挿入がより完全になるにつれて減少します。中間点の設置における共振強度は柱の直径に反比例し、フィルターとして使用できますが、この場合は高次モードを送信するための帯域阻止フィルター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のと比較して、金属ポストを使用する主な利点は、調整が簡単であることです。たとえば、2 つ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、導波管には、完全なインピーダンス整合と、反射せずに到来波を完全に吸収し、周波数に影響されないように調整された負荷が必要な場合があります。このような端末の用途の 1 つは、実際に電力を放射することなく、システム上でさまざまな電力測定を行うことです。
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の多い誘電体の部分で、反射を引き起こさないように先細になっています (先端が到来波の方向に向いている)。この損失媒体は、図 3 に示すように、導波管の幅全体を占めることも、導波管の端の中央のみ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 λp/2 の長さを持ちます。全長は約2波長分です。通常はガラスなどの誘電体板の外側をカーボン膜や水ガラスでコーティングしたものです。高出力アプリケーションの場合、このような端末には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を通じて放散されます。
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できます。導波管の中央に配置すると、最大の減衰が得られる導波管の中心から、減衰が大幅に減少する端まで横に移動できます。それは、主モードの電界強度がはるかに低いためです。
導波管内の減衰:
導波路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または位置ずれした導波路セクションからの反射
2. 導波管壁を流れる電流による損失
3. 充填導波管の誘電損失
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）によって異なります。真鍮製電線管の場合、範囲は 5 GHz で 4 dB/100m から 10 GHz で 12 dB/100m ですが、アルミニウム製電線管の場合、範囲はこれより低くなります。銀被覆導波路の場合、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。特に最高周波数での損失を減らすために、導波管は金またはプラチナで（内部）メッキされることがあります。
すでに指摘したように、導波管はハイパスフィルターとして機能します。導波管自体は事実上損失がありませんが、カットオフ周波数より下の周波数は大幅に減衰します。この減衰は、伝播ではなく、導波路の入口での反射によるものです。
導波路結合:
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が結合されるときにフランジを介して発生します。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、および科学研究の実験装置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、漏れや干渉を確実に防止し、導波管の正確な位置合わせを維持して、高信頼性の伝送と周波数電磁波の正確な位置決めを保証するために使用されます。図 5 に示すように、一般的な導波管には両端にフランジがあります。
図 5 (a) プレーン フランジ、(b) フランジ カップリング。
低い周波数では、フランジは導波管にろう付けまたは溶接されますが、高い周波数では、より平らな突合せフラット フランジが使用されます。2 つの部品を結合する場合、フランジはボルトで固定されますが、接続が途切れないように端を滑らかに仕上げる必要があります。いくつかの調整を行うことでコンポーネントを正しく位置合わせする方が明らかに簡単であるため、小型の導波管には、リング ナットでねじ込みできるネジ付きフランジが装備されている場合があります。周波数が増加すると、導波路結合のサイズは自然に減少し、結合の不連続性は信号の波長と導波路のサイズに比例して大きくなります。したがって、より高い周波数での不連続はさらに問題になります。
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。不連続性の可能性を補うために、L 字型断面の円形チョーク リングがチョーク フランジに使用され、より緊密な嵌合接続が実現されます。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 (おそらく中心周波数の 10%) を確保できます。
投稿日時: 2024 年 1 月 15 日
