マジックＴ型導波管の高周波電磁界解析事例

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、高周波電磁界解析ソフトウェア F-WAVEで評価解析しました。

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。

図１　マジックＴ型導波管概念図

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す。
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。

マイクロ波をマジックＴ型導波管のポート１からＴＥ10モードで入力すると、ポート３とポート４には同相で等電力に分配されます。
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。
したがって、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。
しかし、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にはそれらが合成されて出力されます。
しかし、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。

図４　ＣＡＳＥ１：電界コンター図 (実部)	図５　ＣＡＳＥ１：電界ベクトル線図 (実部)
図６　ＣＡＳＥ１：電界コンター図 (虚部)	図７　ＣＡＳＥ１：電界ベクトル線図 (虚部)

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。

図８　ＣＡＳＥ２：電界コンター図 (実部)	図９　ＣＡＳＥ２：電界ベクトル線図 (実部)
図１０　ＣＡＳＥ２：電界コンター図 (虚部)	図１１　ＣＡＳＥ２：電界ベクトル線図 (虚部)

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。

図１２　ＣＡＳＥ３：電界コンター図 (実部)	図１３　ＣＡＳＥ３：電界ベクトル線図 (実部)
図１４　ＣＡＳＥ３：電界コンター図 (虚部)	図１５　ＣＡＳＥ３：電界ベクトル線図 (虚部)

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。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。

図１６　ＣＡＳＥ４：電界コンター図 (実部)	図１７　ＣＡＳＥ４：電界ベクトル線図 (実部)
図１８　ＣＡＳＥ４：電界コンター図 (虚部)	図１９　ＣＡＳＥ４：電界ベクトル線図 (虚部)

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。

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。

この解析事例につきましては、次の動画でご覧いただけます。

この評価解析は高周波電磁界解析ソフトウェア F-WAVE で行いました。

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