導波管フランジは、導波管の各セクションを接合するためのコネクタであり、本質的にはパイプフランジと同じである。この記事での導波管とは、マイクロ波エネルギー用の中空の金属導管である。フランジの接続面は、正方形、円形、または（特に大型[ 1 ]または高さの低い長方形導波管の場合）長方形である。一対のフランジ間の接続は通常4本以上のボルトで行われるが、迅速な組み立てと分解が必要な場合は、ねじ付きカラーなどの代替機構が使用されることがある。[ 1 ] 特に非常に小さな導波管の場合は、正確な位置合わせを確実にするために、ボルトに加えて ダボピンが使用されることがある。
導波管接合部の主な特徴は、気密性の有無、導波管への加圧が可能かどうか、そして接触接続かチョーク接続かです。これにより、矩形導波管のサイズごとに3種類のフランジが存在します。
長方形導波管には、互いに完全に互換性がない競合する標準フランジが多数存在します。[ 2 ]ダブルリッジ導波管、低背導波管、正方形導波管、円形導波管用の標準フランジ設計も存在します。
加圧
[編集]導波管アセンブリ内の雰囲気は、湿気の浸入を防ぐため、または導波管の破壊電圧を上げて伝送できる電力を増やすため、しばしば加圧されます。加圧するには、導波管のすべての接合部が気密であることが必要です。これは通常、各接合部を形成するフランジの少なくとも1つの表面の溝にゴム製のOリングを装着することで実現されます。ガスケット、ガスケット/カバー、または加圧可能なフランジ（図2の右側のような）は、Oリングを収容する単一の円形の溝によって識別できます。各加圧可能な接続部におけるフランジの1つだけがこのタイプであればよく、もう1つは（図1のように）平坦な面を持つことができます。この溝のないタイプは、カバー、平坦なフランジ、または非加圧フランジとして知られています。[要出典]
特殊な導電性エラストマー製の平型ガスケットを使用することで、加圧できないフランジ間に気密シールを形成することも可能である。2つのプレーンカバーフランジは、このようなガスケットを使用せずに接合することは可能であるが、その場合、接続部は加圧できない。[要出典]
電気的導通
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電流は導波管の内面を流れ、マイクロ波電力が反射や損失なく接続部を通過するためには、導波管間の接合部を通過する必要があります。[要出典]
接触接続
[編集]接触接続は、ガスケットとカバーフランジの任意の組み合わせによって形成され、理想的には、一方の導波管から他方の導波管まで連続した内面が形成され、接合部に亀裂が生じて表面電流が遮断されることはありません。この種の接続の難しさは、フランジの表面に製造上の欠陥や汚れ、損傷があると亀裂が生じることです。亀裂を流れる電流がアーク放電すると、さらなる損傷や電力損失が発生し、導波管の片側から反対側へのアーク放電を引き起こし、短絡を引き起こす可能性があります。[要出典]
チョーク接続
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- 導波管チューブをソケットに取り付けます...
- チョークフランジと...
- ガスケット/カバーフランジ
- フランジ面間の隙間（縮尺通りではない）
- フランジ面の接触点
- チョーク溝の底が短い
- 加圧を可能にするOリングガスケット
チョーク接続は、1つのチョークフランジと1つのカバー（またはガスケット/カバー）フランジを嵌合させることで形成されます。チョークフランジ面の中央領域は、カバーフランジ面とは接触せず、狭い隙間によって隔てられるようにわずかに凹んでいます。凹んだ領域は、フランジ面に切られた深いチョークトレンチ（または溝）によって区切られています。チョークフランジは長方形導波管でのみ使用され、常に加圧可能であり、チョーク溝を囲むガスケット溝を備えています[ 3 ]。これらの2つの同心円状の溝があることで、チョークフランジは簡単に識別できます。図2の左側のフランジがチョークフランジです。[要出典]
2つのチョークフランジを接合することは誤りとされています。フランジ面間の隙間が想定の2倍になり、ガイドの接合部が1つではなく2つあるのと同じような効果が生じるためです。加圧されないチョークフランジがない場合は、すべてのフランジはチョーク、ガスケット/カバー、カバーの3つのカテゴリのいずれかに分類されます。[要出典]
組み立てられたチョーク接続部のE面断面を図3に示す。これは、導波管の各広壁を中心線に沿って切断した面であり、接合部を横切る縦方向の表面電流が最も強くなる部分である。チョーク溝とフランジ面間の隙間は、主導波管の経路に対してやや複雑な側枝を形成する。この側枝は、導波管の広壁と接する部分で低い入力インピーダンスを呈するように設計されている[ 3 ]。そのため、表面電流は隙間によって遮られることなく、フランジの分離面に出入りする。一方、チョーク溝の外縁、すなわち2つのフランジが物理的に接触する部分では、溝は高い直列インピーダンスを呈する。そのため、接触点を流れる電流は小さくなり[ 3 ]、フランジ間の亀裂を介したアーク放電の危険性も同様に低減される。[要出典]
理論
[編集]チョークフランジの動作周波数において、溝の深さは約1/4波長[ 3 ]である。これは自由空間波長の1/4よりもやや長い。なぜなら、電界は溝を周回する際にも変化し、極性が2回変化するため、つまり円周で1つの完全な波が生じるからである。したがって、溝は1/4波長共振短絡スタブを構成し、その入口で高い（理想的には無限大の）入力インピーダンスを持つ。この高いインピーダンスはフランジ間の金属間接続と直列になっており、そこを流れる電流を最小限に抑える。主導波管からギャップを通って溝までの距離も、同様にE平面で1/4波長[ 3 ]である。したがって、ギャップは1/4波長変圧器を形成し、溝上部の高インピーダンスを導波管の広い壁面での低い（理想的にはゼロの）インピーダンスに変換する。[要出典]
周波数依存性
[編集]チョーク接続の動作は波長に依存するため、導波管の動作帯域内で最大で 1 つの周波数でインピーダンスがゼロになることがあります。しかし、ギャップを極めて狭く[ 1 ] [ 3 ]し、チョークの溝を比較的広く[ 1 ]することで、広い周波数帯域にわたって入力インピーダンスを小さく抑えることができます。ギャップと溝の幅が一定の比率である場合、接続の入力インピーダンスはどちらかの幅にほぼ比例します (両方の幅を 2 倍にすると、2 つの接続を直列に接続したのと同じになります)。溝の幅だけを広げると、入力インピーダンスが比例して増加し、変換されたインピーダンスがある程度減少しますが、ギャップ長がちょうど 4 分の 1 波長でない場合は、その効果は制限されます。MIL仕様のチョーク フランジのギャップ幅は導波管の高さ (ガイドの小さい方の内側の寸法) の 2% ～ 3% で、WR28 導波管 (WG22) の場合、ギャップはわずか 3 千分の 1 インチになります。これらのフランジのチョーク溝は約8倍（導波管の高さの約20%）広くなっていますが、標準的な中型ガイドの幅と高さの比率は2:1から外れているため、比率は大きく異なります。MIL規格のチョークフランジは、導波管の推奨動作周波数帯域全体（ガイドのカットオフ周波数の約1.3～1.9倍）で使用することを目的としています[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]。
歴史
[編集]チョーク接続の発明を主張する人物としては、第二次世界大戦中にMIT放射線研究所で働いていたノーマン・ラムゼイ[ 10 ] [ 11 ] とシェップ・ロバーツの協力者がいる。ウィンフィールド・ソールズベリーも、1941年から1942年にかけてMIT放射線研究所の無線周波数グループのリーダーを務めていた際に発明したと主張している[ 12 ] 。この発明は特許を取得していない[ 10 ] 。
パフォーマンス
[編集]チョーク接続は、有効帯域全体でVSWR 1.01 [ 13 ]（反射率-46 dB）を達成し、接合部におけるアーク放電の危険性を排除します[ 13 ]。しかしながら、損傷のない平面フランジ間の接触接続を慎重に行うことで、より良い性能を実現できます[ 13 ] 。
導波管への取り付け
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フランジは、導波管の端に 貫通マウントまたはソケットマウントされます。
貫通マウント
[編集]貫通取り付けでは、導波管はフランジの前面まで貫通します。最初は管がフランジ面からわずかに突出するようにしますが、2つの部品をはんだ付けまたはろう付けした後、管の端部をフランジ面と完全に水平になるように機械加工します。 [ 14 ]このタイプの構造は、図1、図4、図5に示されています。[要出典]
ソケットマウント
[編集]ソケットマウントでは、フランジ前面の開口部が導波管の内寸と一致します。背面の開口部は、導波管の端にフィットするソケットを形成するために溝が切られています。2つの部品ははんだ付けまたはろう付けされ、導波管の内面とフランジの開口部との間の導通経路が途切れないようにします。このタイプの構造は図2に示されており、図3には概略が示されています。このバリエーションとして、突合せマウントがあります。これは、導波管がフランジの背面に接するものです。フランジの背面には、管の位置を合わせるのに十分な数の突起がありますが、管の周囲に途切れのないソケット壁を形成することはありません。
ソケットマウントは、取り付け時にフランジの面を機械加工する必要がありません。チョークフランジの場合、これは面の凹み深さとその結果生じる隙間の幅がフランジの製造時に固定され、取り付け時に変化しないことを意味します。MIL規格のチョークフランジはソケットマウントです。[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]
標準
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ミルスペック
[編集]MIL-DTL-3922は、長方形導波管のチョーク、ガスケット/カバー、カバーフランジについて詳細に規定した米国軍事規格です。MIL -DTL-39000/3は、ダブルリッジ導波管[ 15 ]のフランジについて規定しており、以前は[ 16 ] [ 17 ]シングルリッジ導波管のフランジについても規定していました。
MIL規格のフランジはUG-xxxx/Uという形式で表記されます。xは可変長のカタログ番号を表し、それ自体にはフランジに関する情報は含まれていません。[ 2 ]
これらの規格は米国政府の著作物であり、米国国防兵站局からオンラインで無料で入手できます。
IEC
[編集]国際電気標準会議（IEC）規格IEC 60154は、正方形[ 18 ]および円形導波管[ 19 ]用のフランジ、ならびにフラット[ 20 ] 、ミディアムフラット[ 21 ]、および通常の[ 22 ]長方形導波管用のフランジについて規定している。
IECフランジは、以下の英数字コードで識別されます。U、P、Cはそれぞれ非加圧型[ 2 ] （プレーンカバー）、加圧型[ 2 ]（ガスケット溝付き）、チョーク[ 2 ]（両方のチョークガスケット溝付き）を表します。2番目の文字はフランジの形状やその他の詳細を示し、最後に導波管のIEC識別子が続きます。標準の長方形導波管の場合、2番目の文字はA～Eで、AとCは丸型フランジ、Bは正方形、DとEは長方形です。したがって、たとえばUBR220はR220導波管（つまり、WG20、WR42）の正方形プレーンカバーフランジ、PDR84はR84導波管（WG15、WR112）の長方形ガスケットフランジ、CAR70はR70導波管（WG14、WR137）の丸型チョークフランジです。
IEC 規格は、英国規格協会など、多くの欧州規格団体によって承認されています。
環境影響評価
[編集]米国電子工業連盟（EIA）は、標準矩形導波管のWR規格を定めた団体です。EIAフランジは、CMR（コネクタ、小型、矩形導波管[ 2 ]）またはCPR（コネクタ、加圧可能、矩形導波管[ 2 ]）の略称で、その後に該当する導波管のEIA番号（WR番号）が続きます。例えば、CPR112は導波管WR112（WG15）用のガスケットフランジです。
RCSC
[編集]無線部品標準化委員会（RCSC）は、標準矩形導波管のWG名称を制定した機関です。また、標準チョークフランジとカバーフランジを5985-99-xxx-xxxxという形式の識別子で定義しました。ここで「x」はカタログ番号を表し、それ自体にはフランジに関する情報は含まれていません。[ 2 ]
参考文献
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- ^ a b c d e Harvey, AF (1955年7月). 「マイクロ波機器用の標準導波管とカップリング」. Proceedings of the IEE - Part B: Radio and Electronic Engineering . 102 (4): 493– 499. doi : 10.1049/pi-b-1.1955.0095 .
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- ^ IEC (1969-01-01)、IEC 60154-4 導波管用フランジ パート4：円形導波管用フランジの関連仕様（第1版） 【フランジタイプJ】
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- ^ IEC (1983-01-01)、IEC 60154-6 導波管用フランジ パート6：中平面長方形導波管用フランジの関連仕様（第1版） [フランジタイプ L、N]
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