導波管
定義: 導波管は、管の長さに沿って波 (放射) を導く (方向付ける) ために使用される伝送線路の特殊なカテゴリです。
光ファイバーは導波路の一種で、光信号を伝送するために光周波数で動作する誘電体導波路と言うことができます。 導波管
- イントロダクション
- タイプ
- 伝搬モード
- パラメータ
- メリット
- デメリット
イントロ
導波管において、エネルギーはチューブを通して伝搬されます。 導波管には矩形導波管と円筒導波管があり、中心導体で構成されることはありません。 基本的には、電磁エネルギー(マイクロ波)や信号を端から端まで伝搬させるために使用されます。 低周波の信号伝送には、平行伝送線路や同軸ケーブルが使われる。
マイクロ波信号の周波数は、300 MHz～300 GHzの間にあります。
マイクロ波信号の周波数は300 MHzから300 GHzの間にあり、これらの波は一般に光の速度、すなわち3Χ108 m/secで自由空間を伝播します。
伝送線路は減衰と誘電損失を伴うので、導波管は伝送線路（または同軸ケーブル）の代わりとなりました。 導波管は、信号の減衰が少なく、広い帯域幅を実現することができます。
下図は長方形の導波管を表しています。
導波管は、中空の円筒形の管の内壁から連続的に反射してマイクロ波信号を伝達します。 導波管の壁は一般に銅、アルミニウム、真鍮などで構成されています。 しかし、その内面は金や銀でコーティングされています。
導波管の種類
導波管は大きく分けて長方形と円形がありますが、基本的に5種類あります。
導波管の伝播モード
導波管を電磁波が伝播すると、導波管を介して伝播します。 そのとき、互いに垂直に振動する2つの電界成分を持つ。 下図は、2つの磁場成分を持つ電磁波のz方向への伝搬を表している：
導波管内の波の伝搬は、基本的に2つのモードを生じる。
- 横波：
このモードでは、電場成分は波の伝播方向に対して完全に横波であるが、磁場は波の伝播方向に対して完全に横波ではない。
- 横磁波：
この波の伝搬モードでは、電場が波の伝搬方向に対して完全に横でないのに対し、磁場成分が波の伝搬方向に対して完全に横である。
- 横波電磁波：
このモードでは電場と磁場の両方が波の伝播方向に対して完全に横向きになる。 TEMモードと略されます。
ここで注意すべきは、TEMモードは導波管ではサポートされていないことです。 TEMモードに関しては、2つの導体の存在が必要で、導波管は1つの中空導体であることは既に知っています。
さて、なぜTEMモードが起こるのに、2つの導体が必要なのかという疑問が生じます。
上記の疑問に対する答えは、TEMモードでは電場と磁場の両方が波の伝播方向に対して完全に横切るからです。
2つの別々の導体の場合、これは、内側の導体から電場が発生して外側の導体で終端するために可能です。 そして、この特定の導体では、磁場を発生させるために電流源が存在しなければなりません。 しかし、導波管は単一導体の伝送媒体であることは既に述べたとおりです。
導波路のパラメータ
- カットオフ波長。 導波管内で減衰することなく伝搬できる送信信号の最大波長です。 つまり、カットオフ波長までは、マイクロ波信号が容易に導波管内を伝搬することができる。 λc.で表されます。
- 群速度。 導波管内を波が伝搬する速度を群速度という。 送信キャリアが変調されている場合、変調エンベロープの速度はキャリア信号に比べていくらか小さくなります
このエンベロープの速度を群速度と呼びます。 Vg. - 位相速度で表される。 送信波が伝搬中に位相を変化させる速度である。 あるいは、基本的には伝搬波の特定の位相の速度であると言える。 これはVp.
- Wave Impedanceで示される。 特性インピーダンスとも呼ばれる。 導波管内の任意の点での波動伝播中の横電界と横磁界の比として定義される。
導波路の利点
- 導波路では、伝搬中の電力損失はほとんど無視できるほど小さく、
- 大信号電力の管理能力がある。
- 構造が単純なので、設置が容易。
導波管の短所
- 設置および製造コストが高い。
- 導波管は一般的に剛体であるため、管の柔軟性が要求される用途では困難が生じる。
- 他の伝送路に比べてサイズがやや大きく、かさばる。
導波管の場合、適切な信号伝搬ができるように、その直径にある特定の値が必要なことは注目されるところです。 これは、その直径が非常に小さく、伝播する信号の波長が大きい（または信号周波数が小さい）場合、それは適切に伝播しないためです。
したがって、適切な信号伝送を行うには、信号周波数がカットオフ周波数よりも大きくなければなりません。