도파관 은 속이 빈 금속 튜브로 구성된 특수한 형태의 전송선입니다. 튜브 벽은 분산 인덕턴스를 제공하는 반면 튜브 벽 사이의 빈 공간은 분산 커패시턴스를 제공합니다.
파장 가이드는 동축 케이블보다 더 낮은 손실로 마이크로파 에너지를 전달합니다.
도파관은 파장이 도파관의 단면적 치수에 근접하는 매우 높은 주파수의 신호에만 실용적입니다. 이러한 주파수 아래에서는 도파관이 전기 전송선으로 쓸모가 없습니다.
전송선으로서의 도파관의 사용
그러나 전송선으로 기능할 때 도파관은 제조 및 유지관리 측면에서 2선 케이블(특히 동축 케이블)보다 상당히 간단합니다.
단일 도체(도파관의 "쉘")만 있으므로 도체 간 적절한 간격이나 유전체 재료의 일관성에 대한 우려가 없습니다. 도파관의 유일한 유전체는 공기이기 때문입니다.
도파관의 습기는 동축 케이블 내부에서만큼 심각한 문제가 아니므로 도파관은 종종 가스 "충전"의 필요성이 없습니다.
도파관은 전자기 에너지의 통로로 생각할 수 있으며, 도파관 자체는 일반적인 의미의 신호 전도체라기보다는 에너지의 "지시자"에 불과합니다.
어떤 의미에서 모든 송전선은 펄스나 고주파파를 전송할 때 전자기 에너지의 통로 역할을 하며, 마치 강둑이 조수파를 이끄는 것처럼 파동의 방향을 조정합니다.
그러나 도파관은 단일 도체 소자이기 때문에 도파관을 따라 전기 에너지를 전파하는 방식은 2개 도체 전송선을 따라 전기 에너지를 전파하는 방식과 매우 다릅니다.
횡전기자기(TEM)파 전파란 무엇인가?
모든 전자기파는 같은 이동 방향으로 전파되지만 서로 수직인 전기장 과 자기장 으로 구성됩니다. 일반 전송선의 길이를 따라 전기장과 자기장은 모두 파동 이동 방향에 수직(횡)입니다.
이것은 주요 모드 또는 TEM ( Transverse Electric and M agnetic) 모드 로 알려져 있습니다 . 이 파동 전파 모드는 두 개의 도체가 있는 경우에만 존재할 수 있으며, 전송선의 단면 치수가 신호의 파장에 비해 작은 경우 파동 전파의 지배적인 모드입니다.
트윈 리드 전송선 전파: TEM 모드.
마이크로파 신호 주파수(100MHz~300GHz) 에서는 표준 TEM 모드에서 작동하는 상당한 길이의 2선 전송선이 비실용적입니다.
마이크로파 신호에 대한 TEM 모드 신호 전파를 유지할 만큼 단면 치수가 작은 선은 일반적으로 전압 정격이 낮고 도체 "스킨" 및 유전체 효과로 인해 큰 기생 전력 손실이 발생합니다.
다행히도, 이러한 짧은 파장에서는 두 개의 평행한 도체 대신 전도성 튜브를 사용하면 "손실"이 적은 다른 전파 모드가 있습니다. 이러한 고주파에서 도파관이 실용적이 됩니다.
전자기파가 속이 빈 튜브를 따라 전파될 때, 전기장이나 자기장 중 하나만이 파동의 진행 방향과 실제로 횡방향이 됩니다.
다른 필드는 이동 방향에 대해 세로로 "루프"되지만 다른 필드와 여전히 수직입니다. 이동 방향에 대해 횡으로 유지되는 필드는 파동이 TE 모드( Transverse E lectric) 또는 TM ( Transverse M agnetic ) 모드로 전파 되는지 여부를 결정합니다 .
도파관(TE) 횡전기 모드 및 (TM) 횡자기 모드.
주어진 도파관에 대해 각 모드의 많은 변형이 존재하며, 이 주제에 대한 전체적인 논의는 이 책의 범위를 벗어납니다.
신호는 어떻게 광파도관에 입력되고 광파도관에서 추출되는가?
신호는 일반적으로 도파관에 삽입된 작은 안테나와 같은 결합 장치를 통해 도파관에 도입되고 도파관에서 추출됩니다. 때때로 이러한 결합 요소는 쌍극자 형태를 취하는데, 이는 적절한 길이의 두 개의 개방형 스터브 와이어에 불과합니다.
다른 경우, 커플러는 단일 스터브(반 다이폴, 원리적으로 "휘핑" 안테나와 유사, 물리적 길이는 1/4λ)이거나 도파관의 안쪽 표면에서 종료되는 짧은 와이어 루프입니다.
도파관에 대한 스텁 및 루프 결합.
일부 경우, 유도 출력 튜브 라고 불리는 진공관 장치 (소위 클라이스트론 튜브가 이 범주에 속함)와 같이 전도성 재료로 형성된 "캐비티"가 빔 자체와 접촉하지 않고 변조된 전자 빔에서 전자기 에너지를 가로챌 수 있습니다.
클라이스트론 유도 출력관.
캐비티 공진기란 무엇인가?
전송선이 회로의 공진 소자로 기능할 수 있는 것처럼, 특히 단락 회로나 개방 회로로 종료될 때, 막힌 도파관도 특정 주파수에서 공진할 수 있습니다.
이러한 방식으로 사용될 때 이 장치는 공동 공진기 라고 합니다 . 유도 출력 튜브는 토로이드 모양의 공동 공진기를 사용하여 전자 빔과 출력 케이블 사이의 전력 전달 효율을 극대화합니다.
캐비티 공진 주파수는 물리적 치수를 변경하여 변경할 수 있습니다. 이를 위해 조정을 위한 가동 플레이트, 나사 및 기타 기계적 요소가 있는 캐비티가 제조되어 거친 공진 주파수 조정을 제공합니다.
공진 공동의 한쪽 끝이 열리면 단방향 안테나로 작동합니다.
다음 사진은 깡통으로 만든 수제 도파관을 보여줍니다. 이것은 "802.11b" 컴퓨터 통신 네트워크에서 2.4GHz 신호를 위한 안테나로 사용됩니다.
결합 소자는 1/4파장 스터브입니다. 즉, 동축 케이블 커넥터의 중앙에서 캔 측면을 관통하여 뻗은 약 1-1/4인치 길이의 단단한 구리선 조각에 불과합니다.
캔테나는 도파관에 대한 스텁 결합을 보여줍니다.
배경에는 몇 개의 깡통 안테나가 더 보이는데, 그 중 하나는 "프링글스" 감자칩 캔입니다. 이 캔은 골판지(종이)로 만들어졌지만, 금속 내부 라이닝은 도파관으로 기능하는 데 필요한 전도성을 제공합니다.
배경에 있는 캔 중 일부는 여전히 플라스틱 뚜껑이 달려 있습니다. 플라스틱은 비전도성이므로 RF 신호를 방해하지 않지만 비, 눈, 먼지 및 기타 물리적 오염 물질이 도파관에 들어가는 것을 방지하는 물리적 장벽 역할을 합니다.
"실제" 도파관 안테나는 튜브를 물리적으로 둘러싸기 위해 비슷한 장벽을 사용하지만 전자기 에너지는 방해받지 않고 통과할 수 있도록 합니다.
검토:
- 도파관 은 전자기파를 운반하는 "도관" 역할을 하는 금속 튜브입니다. 신호 파장이 도파관의 단면 치수에 근접하는 매우 높은 주파수의 신호에만 실용적입니다.
- 도파관을 통한 파동 전파는 파동 이동 방향에 수직(횡)인 전기장(전기 또는 자기)에 따라 TE (Transverse Electric) 또는 TM (Transverse Magnetic)의 두 가지 광범위한 범주로 분류할 수 있습니다. 표준 2도체 전송선을 따라 파동이 이동하는 것은 TEM (Transverse Electric and Magnetic) 모드이며, 두 필드 모두 이동 방향에 수직으로 배치됩니다. TEM 모드는 두 도체에서만 가능하며 도파관에는 존재할 수 없습니다.
- 마이크로파 회로에서 공진 소자 역할을 하는 막힌 도파관을 공동 공진기 라고 한다 .
- 개방형 끝이 있는 공동 공진기는 단방향 안테나로 기능하여 개방형 끝 방향으로 RF 에너지를 송수신합니다.