導波管と同軸ケーブルは、どちらも電磁エネルギーを運ぶ伝送路です。主な違いは断面構造、伝搬モード、使用帯域、損失と耐電力、接続・取り回しにあります。「同軸は数GHzまで、導波管はそれ以上」と単純に分けることはできません。高周波用同軸部品にもミリ波帯まで対応するものがあります。
1．構造と電磁界の分布が異なる
同軸線路は中心導体と外部導体、その間の誘電体からなります。信号のエネルギーは主に導体間の電磁界として伝わります。「同軸では電子だけが信号を運び、導波管では電波を運ぶ」という区別は適切ではありません。
一般的な中空金属導波管は、矩形や円形断面の金属壁で電磁界を閉じ込めます。内部は空気、ガス、または設計された誘電体です。中心導体がない構造と、壁面の境界条件がモード特性を決めます。
2．同軸の基本モードはTEM、矩形導波管は通常TE10
理想的で均一な同軸線路のTEMモードでは、電界と磁界がどちらも進行方向に垂直です。基本TEMモードには低周波側の遮断周波数がありません。ただし、DCを通せるかどうかはコネクター、DCブロック、機器の構成にも依存します。
一様な媒質で満たされた単一導体の中空管ではTEMモードは成立せず、TEまたはTMモードを使います。内幅a > 内高さbの矩形導波管ではTE10が基本モードです。モードごとに遮断周波数があり、その下では通常の進行波として伝搬しません。
3．実用帯域の決まり方が異なる
| 項目 | 同軸線路 | 中空矩形導波管 |
|---|---|---|
| 低周波側 | 基本TEMモード自体には遮断がない | TE10など各モードに遮断がある |
| 高周波側 | 高次モード、コネクター、損失、寸法公差などで制約 | 高次モードと接続部品の帯域などで制約 |
| 広帯域用途 | 広い比帯域を実現しやすい構成がある | 標準矩形の単一モード帯域は限定される |
例としてWR-90は内寸22.86 × 10.16 mm、TE10の遮断は約6.56 GHz、一般的な推奨帯域は8.2～12.4 GHzです。リッジ導波管は標準矩形と異なる帯域特性を持ちます。どちらも名称だけでなく、接続する部品全体の仕様を確認してください。
4．損失と耐電力は条件をそろえて比較する
同軸の損失には導体損失と誘電体損失が含まれます。導波管にも導体損失があり、材料、表面状態、寸法、周波数が影響します。空気充填導波管はマイクロ波の高電力伝送に有利な場合がありますが、常にすべての同軸より低損失とは限りません。
損失の比較は、同じ周波数、長さ、温度、接続部品の条件で行います。dB/mとdB/100 ftを混ぜないこと、変換器や曲がりの損失を合計することも重要です。
たとえば一方の経路が合計1 dB、もう一方が3 dBなら、対応する電力比はそれぞれ約79%と50%です。これはdBの換算例であり、導波管と同軸の代表性能を示すものではありません。耐電力もCW、ピーク、パルス幅、圧力、冷却をそろえて比較します。
5．配線の自由度と機械接続が異なる
同軸ケーブルは曲げやすい製品が多く、狭い装置内の配線に便利です。ただし最小曲げ半径、繰り返し屈曲、引張荷重、コネクターの締付条件があります。半剛性同軸は自由に曲げ直せるケーブルではありません。
導波管は直線、曲がり、ねじり、フレキシブル部品を組み合わせます。フランジの規格、平面度、位置合わせ、シールがRF性能に関わります。WR番号が同じでも、フランジの互換性まで自動的に保証されるわけではありません。
どちらを選ぶか
- 広い周波数範囲と柔軟な配線が必要なら、まず適切な同軸系を評価する。
- 狭めのマイクロ波帯域で高電力や低損失が重要なら、導波管経路を比較する。
- 混在させる場合は、同軸・導波管変換器を含む総損失と反射を予算化する。
- 機械寸法、環境、保守、コストも含めて最終判断する。
モードと使用帯域の基礎はMicrowaves101を参照できます。部品の比較にはDolph Microwaveの標準導波管部品のインターフェースと周波数条件を確認してください。資料は英語です。
