マイクロ波通信技術の基礎：発生・伝送・通信の仕組みを解説

マイクロ波通信

マイクロ波とは、周波数300 MHz以上、波長1 m未満の電磁波を指します。つまり、高周波かつ短波長の電磁波がマイクロ波です。このマイクロ波を伝送媒質として行う通信を「マイクロ波通信」と呼びます。

電磁波とアンテナの役割

マイクロ波通信では、変調信号が送信アンテナから大気中へ放射され、受信アンテナが情報信号を受け取ります。マイクロ波は主に共振キャビティと導波路を通じて発生・伝送されます（導電体内の金属空洞や空洞で、特定周波数に調整されたものをキャビティ共振器と呼びます）。マイクロ波伝送は電磁波によって行われ、「見通し通信（Line-of-Sight）」とも呼ばれます。これは物理媒質を介さず大気中で情報信号を伝送し、受信アンテナが受信する方式です。見通し通信では、送受信タワーのアンテナが互いに向き合っている必要があります。

マイクロ波（0.3〜300 GHz）は周波数帯域により3グループに分類されます。

• 超高周波帯（UHF）： 0.3 GHz 〜 3 GHz
• 極超高周波帯（SHF）： 3 GHz 〜 30 GHz
• 超極高周波帯（EHF）： 30 GHz 〜 300 GHz

従来の真空管では、電極間のインダクタンス・キャパシタンスバランス、電極間の電子速度などの制約によりマイクロ波発生は困難でした。そのため、数ワット〜数百ワットのマイクロ波を発生させる特殊管「マイクロ波発生管」が用いられます。代表的なものはマグネトロン、クリストロン、進行波管で、これらはマイクロ波発振器・増幅器として使用されます。ここではマグネトロンについて詳しく解説します。

マグネトロンとは？その仕組み

マイクロ波通信においてマイクロ波発振器として用いられる円筒形ダイオードがマグネトロンです。イギリスのランドールとブート両氏によって発明されました。

マグネトロンの構造

基本的に円筒形です。加熱タングステンカソードを中心に、8つの永久銅アノード空洞が配置されています。空洞の数は偶数でなければなりません。空洞のサイズは発振周波数に応じて決定され、一般的に300度または450度間隔で配置されます。同軸ケーブルを1つの空洞に接続して目的のマイクロ波を取り出し、高出力時には導波路を用いて出力信号を得ます。

キャビティマグネトロンの動作原理は進行波管と同様です。放射状の電界と軸方向の磁界の相互作用によって高周波マイクロ波が発生します。したがって、マグネトロン管周囲に電界を形成する必要があります。

電界はカソードとアノード間で直線的な運動を生じさせ、磁界は円運動を生じさせます。そのため、加熱カソードから放出された電子は、電界と磁界の相互作用により直進しません。

磁界がゼロなら電子は電界のみの影響でアノードへ直進します（X線軌道）。磁界を少し強めると軌道はわずかに曲がります（Y線軌道）。さらに磁界を強めると、電子はアノードに到達せず、その手前で折り返してカソードへ戻ります（Z線軌道）。これが「カットオフ磁界」です。磁界をさらに強めると、電子は放射されてカソードへ戻り、カソードを危険な温度まで加熱してしまいます。

したがって、マグネトロン管周囲に適切な磁界値を維持すれば、所望のマイクロ波周波数を得られます。マグネトロンは900 MHz〜2.5 GHzの周波数帯で、300 W〜10 kWの出力、約70%の効率で動作します。