導波管

導波管 は、中空の金属管で構成される特殊な形式の伝送線路です。管壁は分散インダクタンスを提供し、管壁間の空きスペースは分散容量を提供します。

ウェーブガイドは、同軸ケーブルよりも低損失でマイクロ波エネルギーを伝導します。

導波管は、波長が導波管の断面寸法に近づく非常に高い周波数の信号に対してのみ実用的です。このような周波数より下では、導波管は送電線としては役に立ちません。

伝送線路としての導波管の使用

ただし、伝送線路として機能する場合、導波管は、製造と保守において2芯ケーブル（特に同軸ケーブル）よりもかなり単純です。

単一の導体（導波管の「シェル」）だけでは、導波管内の唯一の誘電体は空気であるため、適切な導体間の間隔や誘電体材料の一貫性について心配する必要はありません。

導波管の水分も同軸ケーブル内ほど深刻な問題ではないため、導波管はガスの「充填」の必要性を免れることがよくあります。

導波管は、電磁エネルギーの導管と考えることができます。導波管自体は、通常の意味での信号​​導体としてではなく、エネルギーの「ディレクター」としてのみ機能します。

ある意味で、すべての送電線は、パルスまたは高周波を輸送するときに電磁エネルギーの導管として機能し、川の土手が津波を導くように波を導きます。

ただし、導波管は単一導体要素であるため、導波管を下る電気エネルギーの伝搬は、2導体伝送ラインを下る電気エネルギーの伝搬とは非常に異なる性質のものです。

横電気および磁気（TEM）波伝搬とは何ですか？

すべての電磁波は、同じ進行方向に伝播する電界と磁界で構成されていますが、互いに垂直です。通常の伝送線路の長さに沿って、電界と磁界の両方が波の進行方向に垂直（横）になります。

これは、プリンシパルモードとして知られています。 、または TEM （ T ランバース E レクトリックおよび M agnetic）モード。この波の伝播モードは、導体が2つある場合にのみ存在する可能性があり、信号の波長と比較して伝送線路の断面寸法が小さい波の伝播の支配的なモードです。

ツインリード伝送線路の伝搬：TEMモード。

電子レンジ 信号周波数（100 MHz〜300 GHz）では、標準TEMモードで動作する実質的な長さの2導体伝送ラインは実用的ではなくなります。

マイクロ波信号のTEMモード信号伝搬を維持するために断面寸法が十分に小さいラインは、電圧定格が低くなる傾向があり、導体の「スキン」および誘電効果による大きな寄生電力損失に悩まされます。

ただし、幸いなことに、これらの短波長では、2つの平行な導体ではなく導電性チューブを使用した場合、「損失」ではない他の伝搬モードが存在します。導波管が実用化されるのはこれらの高周波です。

電磁波が中空の管を伝わるとき、電界または磁界の1つだけが、実際には波の進行方向を横切るようになります。

他のフィールドは、進行方向に対して縦方向に「ループ」しますが、それでも他のフィールドに対して垂直です。進行方向を横切るフィールドが残っているかどうかによって、波が TE で伝播するかどうかが決まります。 モード（ T ランバース E lectric）または TM （ T ランバース M agnetic）モード。

導波管（TE）横電気モードと（TM）横磁気モード。

与えられた導波管には各モードの多くのバリエーションが存在し、この主題の完全な議論はこの本の範囲をはるかに超えています。

信号は導波管にどのように導入され、導波管から抽出されますか？

信号は通常、導波管に挿入された小さなアンテナのような結合デバイスによって導波管に導入され、導波管から抽出されます。これらの結合要素は、適切な長さの2本のオープンエンドスタブワイヤにすぎないダイポールの形をとることがあります。

また、カプラーは単一のスタブ（原理的には「ホイップ」アンテナに似たハーフダイポール、物理的な長さは1 /4λ）、または導波管の内面で終端されたワイヤーの短いループです。

導波管へのスタブとループの結合。

誘導出力管と呼ばれる真空管装置のクラスなど、場合によっては （いわゆるクライストロン チューブはこのカテゴリに分類されます）、導電性材料で形成された「空洞」は、ビーム自体とは接触せずに、変調された電子ビームからの電磁エネルギーを遮断する可能性があります。

クライストロン誘導出力管。

空洞共振器とは何ですか？

伝送線路が回路内の共振要素として機能できるように、特に短絡または開回路で終端されている場合、行き止まりの導波管も特定の周波数で共振する可能性があります。

このように使用される場合、デバイスは空洞共振器と呼ばれます。 。誘導出力管は、トロイド型の空洞共振器を使用して、電子ビームと出力ケーブル間の電力伝達効率を最大化します。

空洞の共振周波数は、その物理的寸法を変更することによって変更できます。この目的のために、可動プレート、ネジ、および調整用の他の機械要素を備えたキャビティが製造され、粗い共振周波数調整を提供します。

共振空洞の一端を開くと、一方向アンテナとして機能します。

次の写真は、「802.11b」コンピュータ通信ネットワークで2.4GHz信号のアンテナとして使用されるブリキ缶から形成された自家製の導波管を示しています。

結合要素は1/4波長スタブです。缶の側面を貫通する同軸ケーブルコネクタの中心から伸びる長さ約1〜1 / 4インチの銅線の切れ端にすぎません。

Can-tennaは、導波管へのスタブ結合を示しています。

バックグラウンドにさらにいくつかのブリキ缶アンテナが見える場合があります。そのうちの1つは「プリングルズ」ポテトチップス缶です。この缶はボール紙（紙）構造ですが、その金属製の内張りは、導波管として機能するために必要な導電性を提供します。

背景の缶の中には、まだプラスチック製の蓋が付いているものがあります。プラスチックは非導電性であるため、RF信号に干渉しませんが、雨、雪、ほこり、およびその他の物理的な汚染物質が導波管に入るのを防ぐための物理的なバリアとして機能します。

「実際の」導波管アンテナは、同様のバリアを使用してチューブを物理的に囲みますが、電磁エネルギーが妨げられることなく通過できるようにします。

レビュー：

• 導波管 電磁波を運ぶための「導管」として機能する金属管です。これらは、信号波長が導波管の断面寸法に近づく非常に高い周波数の信号に対してのみ実用的です。
• 導波管を通過する波の伝播は、大きく2つのカテゴリに分類できます。 TE （トランスバースエレクトリック）、または TM （横磁気）、どのフィールド（電気または磁気）が波の進行方向に垂直（横）であるかによって異なります。標準の2導体伝送線路に沿った波の移動は、 TEM です。 （横電気および磁気）モード。両方のフィールドが進行方向に対して垂直に方向付けられます。 TEMモードは、2つの導体でのみ可能であり、導波管内に存在することはできません。
• マイクロ波回路の共振要素として機能する行き止まりの導波管は、空洞共振器と呼ばれます。 。
• 開放端を備えた空洞共振器は、単方向アンテナとして機能し、開放端の方向との間でRFエネルギーを送受信します。