導波管と同軸ケーブルの5つの主な違い

導波管と同軸ケーブルは、その動作と構造において主に異なります。導波管は、信号を電磁波として伝送する中空の金属管であり、レーダー（例：10 GHz以上）などの高出力および高周波アプリケーションに非常に低い損失で理想的です。

対照的に、同軸ケーブルは、中央の導体が絶縁され、外層によってシールドされており、比較的低い周波数（数GHzまで）に適していますが、長距離にわたる信号減衰は高くなります。導波管は、より高い電力処理能力を持ち、より大きく、より剛性が高い一方、同軸ケーブルは柔軟で、短距離の配線が簡単です。

信号の伝送方法

ケーブルテレビに使用される一般的なRG-6タイプのような標準的な同軸ケーブルは、通常、最大3 GHzまでの周波数で動作し、信号速度は光速の約66%から84%です。対照的に、WR-90モデルのような長方形導波管は、8.2から12.4 GHzの周波数範囲（Xバンド）で電磁波を最小限の損失で効率的に伝送するように設計されており、連続波動作でしばしば数キロワットというはるかに高い電力レベルをサポートします。

同軸ケーブルは、横電磁（TEM）波として信号を伝送します。これは、電界（E）と磁界（H）の両方が波の伝搬方向に対して垂直であることを意味します。信号は、中央の導体を外側のシールドから絶縁する誘電体材料の中を伝わります。一般的なRG-213/U同軸ケーブルの伝搬速度は光速（$c$）の66%であり、信号は約198,000 km/sで伝搬することを意味します。同軸ケーブルにおける基本モード動作の最大周波数は、その物理的寸法によって制限されます。外径5 mmのケーブルの場合、この制限は通常18 GHz前後です。これを超えると、高次モードが重大な信号歪みを引き起こす可能性があります。

重要な実用的な詳細：同軸ケーブルの信号は、周波数とともに増加する減衰を経験します。たとえば、高品質なLMR-400ケーブルの損失は、1 GHzで約100フィートあたり3.5 dBですが、この損失は2.5 GHzで約100フィートあたり8.2 dBに急激に上昇します。この損失は、主に導体の抵抗と誘電体材料の散逸によるものです。

対照的に、導波管はTEMモードをサポートしません。代わりに、信号はさまざまな横電界（TE）モードまたは横磁界（TM）モードで伝搬します。長方形導波管で最も一般的なモードはTE₁₀です。波は固体誘電体の中を伝わるのではなく、内壁で反射することによって空気またはガスが充填された金属製のエンクロージャ内を導かれます。

カットオフ周波数は、導波管の基本的な概念です。これは、特定のモードが伝搬できる最低周波数です。長方形導波管の場合、TE₁₀モードのカットオフ周波数は、その幅（$a$）によって決定されます。標準的なWR-90導波管（$a = 22.86 mm, b = 10.16 mm$）のカットオフ周波数は6.56 GHzです。これは、この周波数未満の信号を効果的に送信できないことを意味します。ただし、指定された帯域（8.2 – 12.4 GHz）内では、その減衰は非常に低く、10 GHzで約0.3 dB/メートルです。これは、これらの周波数でのどの同軸ケーブルよりもはるかに優れています。さらに、中央の導体と誘電体が存在しないため、導波管は、大型同軸ケーブルのキロワット範囲と比較して、パルスレーダーシステムではしばしばメガワット範囲の、はるかに高いピーク電力レベルを処理できます。

物理的構造の違い

標準的なRG-6同軸ケーブルは、直径4.6 mmの銅の中心コア、3.6 mm厚のフォーム誘電体で絶縁され、編組アルミニウムシースでシールドされ、すべて保護PVCジャケットに封入された、柔軟な円筒形のラインです。対照的に、一般的なWR-90長方形導波管は、内部寸法が22.86 mm x 10.16 mmで、外壁厚が約2.5 mmの、剛性のある中空アルミニウム真鍮管であり、重さはメートルあたり約450グラムです。柔軟で複合的であるか、剛性でモノリシックであるかというこの構築の大きな違いは、それらの機械的な取り扱い、設置の複雑さ、および最終的なコストを直接決定し、導波管の価格は同等の同軸伝送ラインのメートルあたり5〜10倍になることがよくあります。

同軸ケーブルは同心円状の構造です。その中心には、RG-6バリアントの場合、通常1.024 mmの直径を持つ銅被覆鋼（CCS）で作られた単線またはより線の中央導体があります。これは、多くの場合ポリエチレンフォームである誘電体絶縁体に囲まれており、中心導体と外側シールドとの間に一定の3.6 mmの距離を保ちます。シールド自体は、通常、アルミニウム編組（40%から60%の被覆率）とアルミニウム箔テープの二重の組み合わせであり、75オームのインピーダンス制御とEMI保護を提供します。通常0.6 mm厚のPVCの外側ジャケットがアセンブリを完成させ、最終的な外径は6.9 mmになります。この柔軟な層状設計により、約50 mmの最小半径に曲げることができ、壁や狭いスペースを通すのに理想的です。

導波管は、この同心円状を完全に放棄しています。それらは中空の金属管であり、ほとんど常に長方形または円形であり、単一の途切れることのない内部空洞を持っています。中央の導体や内部誘電体材料はありません。内部表面は、抵抗損失を減らし、導電性を高めるために、しばしば銀または金でメッキされています。WR-90導波管の場合、22.86 mm x 10.16 mmの正確な内部断面は恣意的ではありません。これは、カットオフ周波数を制御し、8.2から12.4 GHzの範囲内でTE₁₀モードの伝搬を最適化するように計算されています。それらの構造は本質的に剛性であり、接続には精密に機械加工されたフランジ（例：UG-41/U）が必要です。導波管を曲げたりねじったりすることは、モードの乱れや内部反射を避けるためにカスタム設計された湾曲セクションを必要とする複雑なエンジニアリングタスクであり、同軸ケーブルの単純な手曲げとは対照的です。

周波数範囲の使用

ユビキタスなRG-58のような標準的な同軸ケーブルは、DCから約3 GHzまでの中核をなすものであり、セミリジッドケーブルのような特殊なバリアントは18-26 GHzの範囲にまで達します。逆に、導波管は本質的に高周波コンポーネントです。一般的なWR-90導波管は、6.56 GHzのカットオフ周波数未満では役に立ちませんが、Xバンド（8.2〜12.4 GHz）で優れており、WR-42のような他のサイズはKaバンド（26.5〜40 GHz）をカバーしています。これは単なる好みではなく、根本的な物理的制限です。伝送ラインのサイズは、それが伝送するように設計された波長の重要な割合でなければならず、20-30 GHzを超える周波数での高出力、低損失伝送に同軸ケーブルを使用することは非実用的です。

同軸技術は、0 Hz（DC）から約18 GHzまでの低周波スペクトルを支配しています。これは、同軸ケーブルの減衰が主に表皮効果と誘電体損失の関数であり、どちらも周波数の平方根に比例して増加するためです。たとえば、高品質のLMR-600ケーブルは、100 MHzで100フィートあたり約1.5 dBの損失を示しますが、これは管理可能な量です。しかし、10 GHzでは、同じケーブルの損失は100フィートあたり約12 dBにまで急増し、その距離で入力電力の90%以上が熱として失われることを意味します。これにより、同軸ケーブルは長距離、高周波リンクには非実用的になります。それらの上限周波数も機械的に制約されています。信号歪みを引き起こす高次モードの励振を避けるために、ケーブルの断面寸法は波長の小さな割合でなければなりません。標準的な50オームケーブルの場合、この実用的な上限は、柔軟なタイプで通常18-20 GHz前後、外径3.0 mmの精密セミリジッドケーブルで最大26 GHzです。

内幅22.86 mmの一般的なWR-90導波管は、その主要モードのカットオフ周波数が6.56 GHzです。その最適な動作帯域は、このカットオフ周波数の1.25倍から1.90倍であり、指定されたXバンド範囲の8.2から12.4 GHzを定義します。これらの周波数でのその減衰は非常に低く、通常10 GHzで0.3 dB/メートルです。この性能はミリ波帯域にまで及びます。内部寸法が10.67 mm x 4.32 mmのWR-42導波管は、Kaバンド（26.5から40 GHz）で動作し、これらの周波数で同軸ケーブルが決して達成できない、波長あたりの損失がさらに低い性能を実現します。トレードオフは、特定の導波管サイズに対する瞬間的な帯域幅が非常に狭く、中心周波数の30-40%未満であることが多いため、広範囲のスペクトルをカバーするには異なるサイズの導波管が必要になることです。

18 GHz未満の周波数では、同軸ケーブルはその費用対効果、柔軟性、および広い帯域幅のために好まれます。18 GHzから26 GHzの間は、高価な同軸ケーブルとより小さな導波管が競合する移行帯域です。26.5 GHzを超えると、導波管は、数メートルを超える伝送距離または数ワットを超える電力を必要とするあらゆるアプリケーションにとって、議論の余地のない唯一の実行可能な選択肢となります。これは、その効率と電力処理能力が、これらの波長で同軸ケーブルが提供できるものをはるかに上回るためです。

信号損失の比較

標準的なRG-58同軸ケーブルは、1 GHzの周波数で約100フィートあたり6.9 dBの損失を被ります。これは、信号電力の80%以上が30メートル進む前に散逸することを意味します。対照的に、標準的なWR-90長方形導波管は、10 GHzで約0.3 dB/メートルという劇的に低い損失を示します。これは、10メートルでわずか3 dBの損失に相当します。これは、同じ周波数で動作する同軸ケーブルでは信号が完全に失われる距離です。

損失は、周波数の平方根（$\sqrt{f}$）に比例して増加します。たとえば、高品質のLMR-400ケーブルの指定された減衰は、1 GHzで100フィートあたり3.5 dBです。しかし、この値は2.5 GHzで100フィートあたり8.2 dBに、そして10 GHzで驚異的な100フィートあたり19.1 dBにエスカレートします。これは、10 GHzでは、このケーブルの100フィートの配線が入力電力の98.8%を吸収し、出力にはわずか1.2%しか残らないことを意味します。誘電体損失は、通常は小さいですが、導体間の絶縁材料によってRFエネルギーが吸収されるため、これも寄与します。

導波管の減衰は、約$\sqrt{f} / (b \cdot f^{3/2})$に比例します。ここで、$b$は導波管の高さです。これにより、正味の減衰が、特定のサイズに対して、動作帯域内で周波数が増加するにつれて減少し、その後再び上昇するという結果になります。WR-90導波管の場合、減衰はその帯域の中心近く、10 GHzで約0.3 dB/メートルで最小になります。これは、同じ周波数での最高の同軸ケーブルよりも60倍以上低いです。40 GHzでは、WR-42導波管の減衰は0.1 dB/メートルである可能性があり、これは同軸技術では完全に達成不可能な性能レベルです。

この損失差の実際的な意味は、システム設計にとって非常に大きいです。

• 電力要件：LMR-400同軸ケーブルを使用して10 GHzで100フィート離れたアンテナに10ワットを供給するには、送信機は19 dBの損失を克服するために8,000ワット以上を出力する必要がありますが、これは不可能です。0.3 dB/mの損失（〜10フィートあたり1 dB）の導波管を使用すると、同じリンクに必要な送信機からの出力はわずか13ワットになります。
• 雑音指数：受信システムでは、最初の増幅器の前のすべての3 dBの損失がシステム雑音指数を3 dB悪化させます。GHz周波数での高い同軸損失は受信機の感度をひどく損ないますが、低い導波管損失はそれを維持します。
• 効率のコスト：導波管の低い損失は、高出力システムの継続的な運用コストの低さに直接つながります。これは、伝送ライン自体で熱として失われるエネルギーが少なくなるためです。

設置とコストの要因

信頼性の高いLMR-400同軸ケーブルの標準的な100フィートのスプールは、約250ドルかかり、ケーブルカッターや圧縮コネクタなどの一般的なツールを使用して、2人組の作業員によって2時間未満で設置できます。対照的に、同等のWR-90導波管は、15,000ドルから30,000ドルの費用がかかる精密に切断されたアルミニウムまたは真鍮のセクション、特殊な取り付けブラケット、および訓練を受けた技術者のチームがフランジ接続を綿密に調整し、密閉するために2〜3日かかります。この約100倍の初期コスト差は始まりにすぎず、継続的なメンテナンスと運用費用が、各ソリューションの総所有コストをさらに決定します。

同軸ケーブルと導波管システムの展開における財政的および物流的現実が、それらのアプリケーションに明確な境界を作り出しています。初期購入価格が最も明白な差別化要因です。Times Microwave LMR-400のような高品質の同軸ケーブルは、安定した市場価格が約1フィートあたり2.50ドルです。1個あたり10ドルから20ドルのコネクタを含む完全なリンクは、基本的な現場ツールを使用して端あたり5分未満で設置できます。これにより、100フィートの配線の総設置コストは500ドル未満になります。導波管は、まったく異なるコストスケールで動作します。原材料（多くの場合、内部公差が±0.05 mm以内の精密引抜アルミニウムまたは真鍮管）は本質的に高価です。標準的なWR-90導波管は、1フィートあたり150ドルから300ドルかかります。各接続には、高価なUG-41/Uフランジが必要であり、内部圧力を維持し、RF漏れを防ぐために、ボルトとガスケットで完全に調整および密閉する必要があり、ジョイントあたり100ドルから200ドルと30〜45分の労力が追加されます。

設置の複雑さが2番目の主要な要因です。同軸ケーブルの設置は、十分に理解されているプロセスです。

• 柔軟性：ケーブルは、直径の10倍の最小半径（例：LMR-400で〜4インチ）に曲げることができ、最小限の計画で導管を通し、角を曲がり、不均一な地形を横切って配線できます。
• 労力：1人の技術者が、標準的な8時間のシフトで200〜300フィートのケーブルを巻き戻し、配線し、終端することができます。
• ツール：設置に必要なのは、カッター、レンチ、圧縮ツールなどの一般的なツールだけであり、総ツーリング投資額は500ドル未満です。

剛性のある直線セクションには、たるみを防ぐために2〜3フィートごとにカスタム設計されたサポートブラケットが必要であり、これにより内部形状が歪み、反射が発生する可能性があります。方向の変更には、精密に機械加工された30°、45°、または90°のエルボーが必要であり、それぞれが数百ドルの費用がかかり、曲がりごとに小さいながらも測定可能な0.1〜0.5 dBの損失を導入します。システム全体を密閉し、内部腐食と高電力レベルでのアーク放電を防ぐために、乾燥窒素またはSF6ガスで5〜15 PSIに加圧する必要があり、圧力バルブとセンサーの統合が必要です。

それらの屋外寿命は、誘電体の湿気吸収とコネクタの腐食によって性能が低下するまで、通常7〜15年です。導波管システムは、適切に密閉および加圧されている場合、しばしば25年を超える非常に優れた動作寿命を持っています。それらの非常に優れた効率は、同じ量の電力を伝送するためのより低いエネルギーコストに直接つながります。ただし、これには、ガス圧とフランジの完全性を検証するために、定期的な〜6か月のメンテナンスチェックが必要になります。