導波路の基礎：モード、原理、実用応用

導波路は、中空の金属管で構成される特殊な伝送線路です。金属壁が分布インダクタンスを提供し、内部の空気隙間が分布容量を供給します。

導波路は同軸ケーブルより低損失でマイクロ波エネルギーを伝送

導波路は、波長が導波路の断面に比較可能な非常に高い周波数の信号でのみ実用的です。低周波数では伝送線路としての効果を失います。

伝送線路としての導波路の使用

伝送線路として使用される場合、導波路は2導体ケーブル、特に同軸ケーブルよりも製造とメンテナンスが大幅にシンプルです。

導波路のシェルという単一導体のみで、導体間隔や誘電体の一貫性を制御する必要がなく、唯一の誘電体は空気です。

同軸ケーブルより湿気が問題になりにくいため、ガス充填を省略することが多いです。

導波路は電磁エネルギーの導管として機能し、従来の意味での伝導ではなく波を導きます。

すべての伝送線路はエネルギー導管として機能しますが、単一導体導波路での伝播は2導体ラインとは根本的に異なります。

横電界・横磁界（TEM）波伝播とは？

すべての電磁波は、互いに垂直な電界と磁界が共に伝播します。標準的な伝送線路では、両界が伝播方向に対して横方向です。

この横モードをTEM（Transverse Electric and Magnetic）と呼び、2導体ラインにのみ存在し、ラインの断面が波長に対して小さいときに支配的です。

ツインリード伝送線路伝播：TEMモード

マイクロ波周波数（100MHz〜300GHz）では、TEMモードで動作する2導体ラインは長距離では非実用的になります。

マイクロ波でTEMモードを維持するほど小さいラインは、低耐圧とスキン効果・誘電体損失による高寄生損失に悩まされます。

幸い、これらの短波長では、平行導体の代わりに導電管を使用すると損失が少ない代替伝播モードが利用可能になります。ここで導波路が有利になります。

電磁波が中空管を伝播すると、電界または磁界のいずれか一方のみが伝播方向に対して横方向を保ちます。もう一方の界は縦方向にループしますが、横界に垂直なままです。横方向を保つ界が電界か磁界かにより、TE（横電界）またはTM（横磁界）モードで伝播します。

導波路のTE（横電界）およびTM（横磁界）モード

各導波路は複数のモード変種を支持しますが、包括的な議論は本記事の範囲を超えます。

信号を導波路に導入・取り出す方法

信号は通常、導波路に挿入された小型アンテナ様デバイスを使用して結合されます。これらのカプラーは、適切な長さの2つの開放端スタブであるダイポール、単一スタブ（1/2ダイポール、ホイップアンテナに類似、物理長1/4λ）、または導波路内面で終端する短いワイヤーループの形を取ります。

スタブとループによる導波路結合

一部のデバイス（誘導出力管、例：クリストロン）では、導電性材料の空洞が変調電子ビームから電磁エネルギーを直接接触なしで取り出します。

クリストロン誘導出力管

空洞共振器とは？

伝送線路と同様に、行き止まりの導波路は特定周波数で共振できます。この用途で使用されるデバイスを空洞共振器と呼びます。

誘導出力管は、トロイダル形状の空洞共振器を使用して電子ビームと出力導波路間の電力伝達を最大化します。

空洞の共振周波数は物理寸法の調整でチューニング可能です。メーカーは可動プレート、ネジ、その他の機械的要素を組み込み、粗い周波数調整を提供します。

共振空洞が一端開放されている場合、単方向アンテナとして機能します。

以下の写真は、缶から手作りされた導波路で、2.4GHz Wi-Fi（802.11b）信号のアンテナとして使用されています。

結合素子は1/4波長スタブ：同軸コネクタの中心から缶内部に延びる約1-1/4インチのソリッド銅線です。

缶テナ：スタブ結合による導波路例

背景の他の缶アンテナにはプリングルス風チップ缶があり、段ボール製ながら内面に金属ライニングがあり、必要な導電性を提供します。

一部の缶にはプラスチック蓋が残っています。プラスチックは非導電性でRF信号を妨げませんが、導波路を風雨やゴミから物理的に保護するバリアとして機能します。

実用導波路アンテナも同様のバリアを使用し、電磁エネルギーを妨げずに管を密閉します。

復習：

• 導波路は電磁波の導管として機能する金属管で、波長が導波路断面と一致する信号にのみ適する
• 導波路での波伝播は、伝播方向に対してどちらの界が横方向かによりTE（横電界）またはTM（横磁界）モードに分類される。TEM（横電界・横磁界）モードは2導体ラインにのみ存在し、導波路では維持できない
• 行き止まり導波路が共振素子として機能する場合、空洞共振器と呼ばれる
• 一端開放の共振空洞は単方向アンテナとして動作し、開放側からRFエネルギーを放射または受信