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誘導加熱解析事例

磁場/磁界 有限要素法 過渡応答

マジックT型導波管の電磁界解析



衛星通信の送受信システムやマイクロ波
地上通信システムで利用される電磁波回
路は、各種導波管で構成されています。
これら導波管の中から今回はマジック T型
導波管について、電磁界解析ソフトウェア
F-WAVEで解析しました。


マジックT型導波管は、分岐が電界面に
平行に出るE面T分岐導波管と、磁界面に
平行にでるH面T分岐導波管を組み合わせ
た導波管です。


マジック T 型導波管の概念図は図1、2の
通りです。
導波管内の電磁界解析 モデル外観
図1 マジックT型導波管概念図
導波管内の電磁界解析 モデル外観
図2 マジックT型導波管断面図

マジックT型導波管は、4つの端子を持つ4開口素子のひとつで、E面T分岐導波管とH面T分岐
導波管が組み合わされた構造になっています。
マジックT型導波管のポート1からTE10モードでマイクロ波を入力すると、ポート3とポート4には
同相で等電力に分配されますが、ポート2に向かうマイクロ波は、伝播方向に電界が向いた
TMモードになります。
しかし、TE10モード用の導波管ではTMモードがカットオフとなり、伝播できませんので、ポート2
にはマイクロ波は現れません。
次に、ポート2からTE10モードで入力すると、ポート3とポート4には互いに逆相で分配されます。
この時、ポート1は左右対称なモード、TE20モードで励振されますが、TE20モードでは同様に
カットオフとなり、伝播しません。
逆に、ポート3とポート4から同相のマイクロ波を入力すると、ポート1にはそれらが合成されて
出力されますが、ポート2には出力されません。
また、ポート3とポート4から互いに逆相のマイクロ波を入力すると、ポート2には合成されて出力
されますが、ポート1には出力されません。

マジックT型導波管は、このような性質を利用して、マイクロ波の分配および合成に利用され
ます。

以下のような条件で、各ポートに [ 5GHz ] [ 1W 相当 ] のTE10波を入力しました。

CASE1  ポート1にTE10入力

CASE2  ポート2にTE10入力

CASE3  ポート3と4にTE10入力(振幅が等しく同相)

CASE4  ポート3と4にTE10入力(振幅が等しく逆相)

解析結果をまとめると、各CASEのポートの入出力電力値は以下のようになりました。

ポート1 ポート2 ポート3 ポート4
CASE1 入 力 1.0914 x 10-7 0.5000 0.5000
CASE2 2.3864 x 10-7 入 力 0.5000 0.5000
CASE3(1) 2.000 1.4264 x 10-7 入 力 1.000
CASE3(2) 2.000 1.4264 x 10-7 1.000 入 力
CASE4(1) 3.9544 x 10-7 2.000 入 力 1.000
CASE4(2) 3.9544 x 10-7 2.000 1.000 入力(逆相

図3 各ポートの出力電力値 (単位:W)

CASE1の電界分布は、実部が図4~5、虚部が図6~7のようになります。
今回は周波数応答解析を行っていますので、実部は t = 0(入力と同相)の場合の
分布、虚部は t = -T/4の分布を表しています。
CASE1の場合、ポート1から入力された電界に対してE面T分岐導波管として機能
し、ポート3とポート4に同相で等電力に分配されている状態がわかります。
また、ポート2に対して、伝播方向に電界が向いたTMモードになり、ポート2には
マイクロ波が伝搬されない状態が確認できます。

導波管内の電磁界解析 導波管内の電磁界解析
図4 CASE1:電界コンタ図 (虚部)   図5 CASE1:電界ベクトル線図 (実部)
導波管内の電磁界解析   導波管内の電磁界解析
図6 CASE1:電界コンタ図 (虚部)   図7 CASE1:電界ベクトル線図 (実部)

CASE2の電界分布は、実部が図8~9、虚部が図10~11のようになります。
ポート2から入力すると、ポート3とポート4に互いに逆相で分配されている状態が確認できます。
またこの時、ポート1はカットオフとなり、伝播されていないことがわかります。

導波管内の電磁界解析 導波管内の電磁界解析
図8 CASE2:電界コンタ図 (虚部)   図9 CASE2:電界ベクトル線図 (実部)
導波管内の電磁界解析   導波管内の電磁界解析
図10 CASE2:電界コンタ図 (虚部)   図11 CASE2:電界ベクトル線図 (実部)

CASE3の電界分布は、実部が図12~13、虚部が図14~15のようになります。
ポート3とポート4から同相のマイクロ波を入力すると、ポート1にはそれらが合成
されて出力されますが、ポート2には出力されません。
図12~15で、それらの状態を確認することができます。

導波管内の電磁界解析 導波管内の電磁界解析
図12 CASE3:電界コンタ図 (虚部)   図13 CASE3:電界ベクトル線図 (実部)
導波管内の電磁界解析   導波管内の電磁界解析
図14 CASE3電界コンタ図 (虚部)   図15 CASE3:電界ベクトル線図 (実部)

CASE4の電界分布は、実部が図16~17、虚部が図18~19のようになります。
CASE4とは逆に、ポート3とポート4から互いに逆相のマイクロ波を入力すると、
ポート2 には合成されて出力されますが、ポート1には出力されません。
図12~15で、それらの状態を確認することができます。

導波管内の電磁界解析 導波管内の電磁界解析
図16 CASE4:電界コンタ図 (虚部)   図17 CASE4:電界ベクトル線図 (実部)
導波管内の電磁界解析   導波管内の電磁界解析
図18 CASE4:電界コンタ図 (虚部)   図19 CASE4:電界ベクトル線図 (実部)

CASE1およびCASE2の電界分布の時間的な変化をアニメーション化すると、
図20および図21のようになります。

導波管内の電磁界解析 アニメーション 導波管内の電磁界解析 アニメーション
図20 電界のアニメーション図
(CASE1)
  図21 電界のアニメーション図
(CASE2)

以上のように、導波管内の伝搬シミュレーションを行うことにより、Sパラメータに
よる導波管を通過する電力量を比較したり、入射波と反射波の位相を評価したり
することができます。

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