導波管の3つの伝送モード

導波管はTE（横電界）モード（WR-90におけるTE10モードなど）、TM（横磁界）モード（カットオフ周波数6.56GHzのTM11モードなど）、およびハイブリッドモード（電界と磁界の組み合わせ）で信号を伝送します。TE10モードは8.2～12.4GHzで動作し、最低減衰量（0.1dB/m）を実現しますが、高次モード（TE20/TM11）は3dB/mを超える分散損失を引き起こします。精密に機械加工されたフランジは、不要なモードを抑制することでVSWRを1.1未満に維持します。

導波管によるエネルギーの伝送方法

導波管は、レーダーシステムから衛星通信まで、あらゆるものを扱う現代の高周波信号伝送のバックボーンです。従来の銅線とは異なり、導波管は通常1 GHzを超える周波数において、1メートルあたり0.1 dB未満という非常に低い損失で電磁波を効率的に伝送します。例えば、Xバンド（8-12 GHz）で使用される標準的なWR-90矩形導波管は、内径が22.86 mm × 10.16 mmで、大幅な発熱なしに最大1.5 kWの電力を伝送可能です。最大の利点は、同軸ケーブルのような表皮効果による損失がないことで、高出力かつ高周波のアプリケーションに最適です。

「導波管は、エネルギーを金属の境界内に閉じ込め、放射損失や干渉を低減するため、マイクロ波周波数においてケーブルよりも優れた性能を発揮します。」

導波管内部では、エネルギーは電界分布に応じてTE（横電界）またはTM（横磁界）モードで伝搬します。例えば、矩形導波管で最も一般的なTE₁₀モードの場合、WR-90でのカットオフ周波数は6.56 GHzです。この周波数を下回ると、信号は急激に減衰（100 dB/m以上）するため、導波管としての機能を果たせません。しかし、カットオフ周波数を超えると伝搬は効率的になり、空気で満たされた導波管内での群速度は光速の70〜90%に達します。

また、導波管は同軸線路よりも高い電力密度を扱うことができます。1インチの剛性同軸ケーブルが2 GHzで最大500 W程度であるのに対し、同等の導波管は同じ周波数で5 kWを管理可能です。これは、導波管がより広い表面積にわたってエネルギーを分散させ（電流密度を低減）、誘電体損失を回避できる（ほとんどが空気で満たされているため）からです。ただし、完璧ではなく、モード変換（不要信号）や反射（VSWR 1.2超）を防ぐため、曲げやねじれには導波管幅の2倍以上の半径が必要です。

実際のシステムでは、導波管は多くの場合アンテナ、増幅器、またはフィルタに接続されます。一般的な衛星地上局では、合計損失が0.3 dBの30メートルの導波管を使用し、アンテナへの99.3%の電力伝送を保証しています。これを1.5 dBの損失がある同軸セットアップと比較すると、入力電力の30%を浪費することになります。その代償として、導波管はかさばり（同軸の10倍のサイズ）、メートルあたりのコストも3〜5倍高くなりますが、重要な高性能リンクにおいてはその効率が費用を正当化します。

材質の選択も重要です。航空宇宙分野ではアルミ製導波管（軽量、0.5-1.0 kg/m）が主流であり、地上レーダーでは銅メッキ鋼（遮蔽性能が優れる、1.2-2.0 kg/m）が適しています。極限環境向けには、銀メッキ真鍮が表面抵抗を低減し、40 GHz以上のシステムで損失を15〜20%削減します。

導波管の経路の種類

導波管は単に直線的にエネルギーを移動させるだけではありません。その経路は、アプリケーションのニーズ、周波数、および物理的な制約に基づいて変化します。例えばレーダーシステムでは、導波管は航空機の翼内に収めるために半径100-150 mmで90度曲げられることが多く、Xバンド（8-12 GHz）において曲げあたり0.1 dB未満の損失に抑えられます。一方、光ファイバジャイロスコープでは、航法システムにおいて±0.01°の精度を実現するため、0.2 dB/kmの損失を持つ3メートルのコイル状シリカ導波管が使用されます。経路の選択は信号の完全性、電力容量、およびコストに影響を与えます。衛星通信用のヘリカル導波管は1メートルあたり500ドルかかる場合がありますが、ジグザグ配置と比較して干渉を40%低減します。

一般的な導波管の経路構成

直線状の導波管は、低損失が不可欠な場所で主流です。WR-284導波管（3.3 GHz）における10メートルの走行損失はわずか0.5 dBですが、同長の同軸ケーブルでは3 dBの損失が発生します。しかし、スペースの制約により曲げが必要になることもあります。WR-137（5.8 GHz）のダブルマイター90度曲げでは、曲げ半径が80 mmを超えれば損失を0.15 dB未満に抑えられます。これよりも急な曲げでは、モード変換により電力の20%が浪費されてしまいます。

ねじれた（ツイスト）導波管は偏波を操作します。mmWave無線（28 GHz）では、30 cmにわたって180度ねじることで、MIMOアンテナアレイに不可欠な垂直偏波から水平偏波へ92%の効率で変換します。ただし、過度なねじれ（540度以上）は、不要なモードへ信号の15%を散乱させる可能性があります。

高価ではありますが、ヘリカル経路は衛星アンテナの位相安定フィードを可能にします。Qバンド（40 GHz）導波管における1.5回転のヘリックスは信号を12 ps/cm遅延させ、64素子のビームフォーミングアレイを±2度以内の位相誤差で同期させます。欠点は、表面電流の集中により、ストレートセクションと比較して電力容量が50%低下することです。

超小型システム向けには、リッジ導波管（WRD-180など）により18 GHzで30%きつい曲げが可能になりますが、電力容量が1 kWから600 Wへ犠牲になります。対照的に、波形導波管（コルゲート導波管）は曲げても定格電力を完全に維持しますが、材料コストが20%増加します。

システムにおける一般的な使用例

導波管は、高周波信号と高電力伝送において損失が許されないシステムにおける、無言の働き手です。レーダーシステムでは、一般的な航空機搭載型AESAレーダーが15-20メートルのWR-112導波管を使用して10 GHzで8 kWのパルスをわずか1.2 dBの全損失で伝送します。0.5 dBの低下がターゲット検出能力の12%低下を意味するため、これは極めて重要です。一方、衛星地上局は30メートルの導波管を使用して5 kWのアップリンク信号をパラボラアンテナに供給し、同軸ケーブルでは30%の電力を失う環境下で99%の効率を維持します。5G mmWave基地局においても、リッジ導波管（WR-42）が28 GHz信号を1ポートあたり200 Wで処理し、この周波数帯におけるプリント基板（PCB）配線による3 dB/mの損失を回避します。

主要アプリケーションの分類

• レーダーおよび防衛：
  • 海軍レーダーアレイは、湿度の高い環境下での湿気による0.3 dB/mの損失スパイクを防ぐため、加圧アルミ導波管（WR-284, 2.6-3.95 GHz）を使用します。
  • ミサイルシーカーは、50Gの衝撃に耐えつつ、100 Wのピーク電力でWバンド（94 GHz）信号をガイドする柔軟なステンレス製導波管を採用しています。
• 電気通信および5G：
  • 5G mmWave（24-40 GHz）のMassive MIMOアンテナは、0.08 dB/mの損失のWR-28導波管を配備し、64素子アレイがPCB配線時の55%に対して80%の電力効率で動作できるようにします。
  • ファイババックホールリピータは、鉄塔間の1メートルホップにEバンド（60-90 GHz）導波管を使用し、雨天時の自由空間光学よりも5倍優れたリンクあたり0.2 dBの損失を実現します。
• 医療および科学：
  • MRI装置は、0.01 dB未満の反射を伴う同軸導波管を通じて128 MHzのRFパルスをルーティングし、3T磁場の均一性を±1%以内の誤差で保証します。
  • ITERのような核融合反応炉は、プラズマを加熱するために波形円形導波管（1 MW, 170 GHz）を使用し、TE₂₁モードの歪みなしに500°Cの壁面温度に耐えます。

航空電子工学において、導波管は干渉の問題を解決します。戦闘機のXバンドレーダーはWR-90導波管で3か所の45度曲げを通じて信号をルーティングし、PCB相互接続では破損してしまうような振動に耐えつつ、全損失を0.4 dB未満に抑えています。商用旅客機は軽量化を優先し、0.8 mm厚の銅クラッド鋼導波管を選択しています。これは1.2 kg/mという軽量でありながら、4 GHzで1.5 kWの電力を処理します。

衛星通信は導波管を極限まで押し上げます。静止衛星のTWTA（進行波管増幅器）は、真空中で表面抵抗による損失を0.05 dB/mに最小化するため、金メッキ導波管を通じてKuバンド（12-18 GHz）の500 W電力を供給します。地上局は、嵐の際の60 GHzの減衰を15 dB/kmから0.7 dB/kmへと劇的に削減するため、導波管に乾燥窒素を加圧封入して対応します。

工業用加熱については、2.45 GHzマイクロ波乾燥機がWR-340導波管を使用して25 kWを処理室に直結しており、水冷式の曲げ構造が高デューティサイクル時に50°Cのホットスポットが発生するのを防いでいます。食品メーカーは、銅のように腐食することなく蒸気洗浄サイクルに耐えるステンレス製の経路を好みます。