金属導波管では、導電率、質量、表面状態、環境、加工と接合を考慮して材料を選びます。銅やアルミニウムは代表的ですが、材質名だけで損失や耐電力が保証されるわけではありません。矩形、円形、リッジ、テーパーは別々の設計上の役割を持ちます。
銅とアルミニウムの比較
銅は高い導電率を利用しやすい一方、密度や加工・接合方法を考慮します。アルミニウムは軽量化に有利な用途があり、合金、表面処理と接続部の設計が重要です。すべての導波管に無酸素銅や6061-T6が必須というわけではありません。
実際の選定は周波数と総損失の要求から行います。たとえばWR-90の寸法が同じでも、表面、めっき、長さ、フランジの組立で測定値は変わります。10 GHzで一律0.01 dB/m未満とする保証はできません。
表皮深さと表面処理
良導体の近似では表皮深さはδ = √[2/(ωμσ)]です。室温付近の銅をσ ≈ 5.8×107 S/m、μ ≈ μ0とした10 GHzの例では約0.66 μmになります。これは表面状態が重要な理由を示す概算です。
めっきは導電性、耐食性、接触などの要求に応じて検討します。厚さだけでなく下地、密着、粗さ、連続性も関係します。「金めっき3～5 μmなら接触抵抗0.1 Ω未満」といった万能条件はありません。
矩形と円形
通常の矩形導波管ではTE10が基本モードで、内幅aに対して空気充填の遮断周波数はc/(2a)です。標準部品を使って経路を構成しやすい利点がありますが、適切な使用帯域とモードの確認が必要です。
円形の基本モードはTE11です。回転対称の給電部などで用いられますが、円形なら自動的に低損失や円偏波となるわけではありません。誘電体を入れれば必ず帯域が30%広がるという規則もありません。
リッジ導波管の目的
内部に突起を設けるリッジ構造は、場の分布とモードの遮断条件を変えます。ダブルリッジなどは広帯域用途で使われますが、寸法、隙間、局所電界、損失を含めた設計が必要です。
標準矩形のaとbだけの式を、そのままリッジ導波管へ適用できません。狭い隙間の加工誤差やピーク電界が重要になる場合があります。
テーパー導波管とは
テーパーは断面を長さ方向に変化させる部分です。異なるサイズの接続、モードの変換、整合などのために使います。変化の長さと形状によって反射や不要モードの励振が変わります。
長くすれば全条件で良くなるとは限りません。帯域、損失、設置空間、加工と接続面を合わせて評価します。放射用ホーンは広がる構造を持ちますが、単なる線路間テーパーとは目的が異なります。
コルゲートと誘電体部品
コルゲートは溝を使って境界条件やモードを制御する構造です。給電ホーンでパターンや交差偏波を改善する設計などがありますが、すべての導波管の減衰を40%削減するものではありません。
誘電体窓やカバーは、材質、厚さ、損失、反射、耐熱性と密閉の要求に合わせて設計します。家庭用電子レンジのカバーと精密伝送路の窓を、名前だけで同じ部品とみなさないでください。
図面と検証に必要な情報
- 帯域、使用モード、断面、長さと変換部形状。
- 材料、表面処理、内部粗さと接合方法。
- フランジ、位置合わせ、シールと環境条件。
- 許容反射、損失、ピーク・平均電力と熱条件。
- 要求から導かれた寸法公差と測定方法。
全サイズ共通の±0.025 mm公差ではなく、性能と接続条件に適した公差を設定します。伝搬の基礎はMicrowaves101、製品構成はDolph Microwaveの導波管部品を参照してください。
