方形導波管の変換のモデリング3例

2020年 10月 20日

伝送線路は, 入力ポートから出力ポートに信号を通信するためのエネルギーを伝送するために使用されます. 例としては, 導波管, 同軸線, 平面伝送, マイクロストリップライン, コプレーナー導波ライン, スロットラインなどがあります. マイクロ波システムの展開を成功させるために, エンジニアはさまざまなタイプの伝送線を使用します. この場合, 電磁波は適切な変換によって1つのタイプの伝送線から別のタイプの伝送線に結合されます. これらの変換においては, 透過損失と反射損失が低くなければなりません.

方形導波管の主な変換タイプ

マイクロ波回路設計で頻繁に使用されるさまざまなタイプの変換について, このブログで次のように説明します.

  1. 導波管からプレーナーへの変換
  2. 同軸から導波路への変換
  3. 長方形から楕円形への導波路変換

1. 導波管から平面伝送線への変換

導波管は, 高出力で低損失の伝送を処理するのに適した候補ですが, かさばり, 高価でもあります. マイクロストリップラインなどの平面伝送線は, そのコンパクトなサイズと, マイクロ波集積回路(MIC)を形成するためのトランジスターやダイオードとの統合の容易さから, マイクロ波分野で人気を博しています. これらの理由から, 導波管から平面伝送線への変換は, 多くのタイプのマイクロ波システムに適しています.

導波管から平面伝送線路への変換は大きく3つのタイプに分類できます.

  1. インライン変換: 変換は導波管の伝搬に沿って発生
  2. アパーチャー結合変換: エネルギーはアパーチャーを介して平面伝送線に結合. アパーチャーは導波管の終端壁または側壁に配置
  3. 横方向変換: プローブは導波路の伝搬方向に対して横方向

3番目のタイプの変換を考慮して, 導波管からマイクロストリップラインへの変換モデル について詳しく説明します. このモデルでは標準のWR10導波管が使用され, 導波管からマイクロストリップラインへの変換は, 波の伝搬方向を横切る縦方向プローブ(E平面プローブとも呼ばれます)を使用して実現されます. 縦方向のプローブは, 導波管のより広い側壁から挿入され, 基板の表面が導波管の伝搬方向に沿って整列します(参照1).

 

導波管からマイクロストリップラインへの背面対背面変換モデル

このモデルでは, マイクロストリップラインは, COMSOL Multiphysics® ソフトウェアの RFモジュール 材料ライブラリで利用可能なRT/duroid® 6010LM ラミネート基板のインピーダンスを50 [オーム]に一致させるように1/4波長変換器とともに設計されています.

モデルを実験的に簡単に設定するために, 設計は背面対背面に拡張されています. この拡張設計では, 50オームのマイクロストリップラインがプローブに変換され, 隣接するWR10導波管のフィーダーとして機能します. より高い周波数での損失を考慮するために, 適切な境界条件が使用されています. 例えば, インピーダンス境界条件(IBC)が導波管壁に使用され(導体の厚さが表皮深さよりも大きい場合に適しています) 遷移 境界条件(TBC)がマイクロストリップラインに使用されます(導体の厚さが表皮深さに近い場合に適しています). これは, 数値モデルを実験的な設定に近づけるのに役立ちます. 別のアプローチでは, 完全電気導体(PEC)を使用するものもあります. ただし, PECは無損失条件であるため, このモデルでは使用されません.

Sパラメータープロットから, 全帯域(75 GHz~110 GHz)で反射が-15 dB未満であるのに対し, 最大伝送損失は0.7 dBであることがわかります. S11のスミスプロットは中心を軸として非常に密接に回転しています. これは, 良好なマッチングを意味します. この種の遷移設定は, 広い帯域幅, 高解像度, アンテナサイズの縮小など, いくつかの利点によりレーダー技術がKバンドからWバンドに移行し始めている自動車業界で役立っています.

導波管からマイクロストリップラインへの変換モデルのSパラメーター応答のプロット.

A Smith chart for the COMSOL Multiphysics model of a waveguide to microstrip line transition model.

導波管からマイクロストリップへのライン遷移モデルのSパラメータ応答とS11 のスミスチャート.

2. 同軸から導波管への変換

このブログで説明する2番目の伝送線路変換は, 同軸から導波管への変換です. 同軸線は, 同軸から導波管へのモデル に示されているように, 導波管のフィーダーとして使用できます.

このモデルは, RFモジュールと COMSOL Multiphysics を使用した単純な同軸から導波管への変換を示しています. 同軸ケーブルを介した入力波は, 1W同軸フィードの ポート 境界条件を使用して設定されます. 受動出力ポートでは, 基本的な長方形のTE 10 モードが想定されます. ポート 境界条件は, 指定されたモードに対してのみ完全に透過的です. これらの同じモードは, Sパラメーターを自動的に定量化するためにも使用されます.

このような理由から, モデル化されたセクションは, エバネッセント波がポートに到達する前にほぼ完全に消滅するように十分な長さである必要があります. これにより, サポートされている唯一の伝搬モードである6 GHzの伝搬モード(つまり基本モード)のみが残ります. この場合, 損失を考慮して, 銅の材料特性を備えた インピーダンス 境界条件が, 導波管の同軸導体と金属表面に使用されます.

 

電界分布による同軸から導波管への結合.

3. 長方形から楕円形への導波管変換

楕円形の導波管は, その最適な性能と最小のフィールドエラーにより, マイクロ波バックホールに配置できます. 曲げまたはフレアリングデバイスは, 通常, 従来の長方形の導波管を楕円形の導波管に変換することによって形成されます. このようなデバイスは, 反射によるエネルギー損失が動作周波数に対して最小になるように設計されています.

例えば, 導波管アダプターモデル では, 長方形の導波管と楕円形の導波管の間の変換におけるマイクロ波伝搬が解析されています. アダプターの特性を解析するために, この例には, 長方形の導波管からアダプターを通って楕円形の導波管に伝わる波が含まれています. Sパラメーターは周波数の関数として計算されています. 関連する周波数は全て, 導波管のシングルモード範囲にあります. つまり, 1つのモードのみが導波管内を伝搬する周波数範囲にあるということです.

矩形導波路のタイプ変換における等電場面を示すプロット. width=

矩形から楕円形への導波路変換における電界のx成分の等値面プロット

結論

伝送線変換は頻繁に使用され, それによる反射損失と伝送損失を低くする必要があります. より高い周波数では, 伝送線路で使用される金属の導電率が有限であるため, 伝送損失の原因となる表皮効果が支配的になります. この損失を考慮するために, IBCやTBC などの境界条件を最小限の計算コストで適切に使用し, インピーダンス整合によって反射損失を最小限に抑えます.

次のステップ

このブログで説明されている3つのチュートリアルモデルを確認して, COMSOL Multiphysicsで伝送線変換をモデル化してみてください:

参照

  1. Yoke-Choy Leong and S. Weinreb, “Full band waveguide-to-microstrip probe transitions,” 1999 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, pp. 1435–1438 vol. 4, 1999.

 

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