導波管フランジ

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す。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のことです。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）長方形です。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ますが、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メカニズムが使用されることがあります。 ^[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ります。

導波管接合部の主な特徴は、気密性があるかどうか、導波管に圧力をかけることができるかどうか、そして接触接続かチョーク接続かです。これにより、長方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、完全に相互互換性の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、低高さ、正方形、円形導波管用の標準フランジ設計も存在します。

導波管アセンブリ内の雰囲気は、湿気の侵入を防ぐため、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に、加圧されることがよくあります。加圧するには、導波管のすべての接合部が気密である必要があります。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 の右側にあるものなど) 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のフランジの 1 つがこのタイプである必要があります。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で作られた平らなガスケットを使用して、通常は加圧できない一対の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なしでも接合できるが、その場合、接続部は加圧できない。^{[引用が必要]}

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]

接触接続は、ガスケットとカバーフランジの任意の組み合わせの結合によって形成され、理想的には、表面電流を遮断する接合部の亀裂がなく、導波管から別の導波管まで連続した内面を形成します。この種の接続の難しさは、フランジの表面の製造上の欠陥や汚れや損傷により亀裂が生じることです。亀裂を横切る電流のアーク放電は、さらなる損傷や電力損失を引き起こし、導波管の片側からもう片側へのアーク放電を引き起こし、それによって導波管を短絡させる可能性があります。^{[引用が必要]}

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) フランジを結合することによって形成されます。チョーク フランジ面の中央領域は、カバー フランジ面には接触せず、狭い隙間で分離されるようにわずかに凹んでいます。凹んだ領域は、フランジ面に切り込まれた深いチョーク トレンチ(または溝または溝) 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、チョーク溝を囲むガスケット溝^[3]を備えています。これらの 2 つの同心円状の溝があるため、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。^{[引用が必要]}

2 つのチョーク フランジを接合するのは誤りであると考えられています。フランジ面間の隙間が意図した 2 倍になり、ガイドの接合部が 1 つではなく 2 つあるのと同じ効果が得られます。加圧できないチョーク フランジがない場合、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。^{[引用が必要]}

組み立てられたチョーク接続のE面の断面を図 3 に示します。これは、導波管の広い壁を中心線に沿って切断する面であり、縦方向の表面電流 (接合部を横切る電流) が最も強くなる場所です。チョーク溝とフランジ面間の隙間は、メイン ガイドのパスへのやや複雑な側枝を形成します。この側枝は、導波管の広い壁と接する部分で入力インピーダンスが低くなるように設計されており^[3] 、表面電流は隙間によって妨げられることなく、フランジの分離面に出入りします。逆に、チョーク溝の外側の端、つまり 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示します。そのため、接触点を流れる電流は小さな値に減少し^[3]、フランジ間の亀裂を横切るアークの危険性も同様に減少します。^[要出典]

チョークフランジの動作周波数では、溝の深さは波長の約 4 分の1 ^{[3]です。これは自由空間波長の 4 分の 1 よりいくらか長くなります。}なぜなら、電界も溝の周りを回るときに変化し、極性が 2 回変化するか、円周で 1 つの完全な波が発生するためです。溝はこのように 1/4 波長の共振短絡スタブを構成し、その入り口で高い (理想的には無限大の) 入力インピーダンスを持ちます。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ます。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 平面で波長の 4 分の1 ^{[3]です。したがって、ギャップは}1/4 波長変圧器を形成し、溝の上部の高インピーダンスを導波管の広い壁の低い (理想的にはゼロの) インピーダンスに変換します。^[要出典]

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 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。ただし、ギャップを極端に狭くし^{[1] [3]}、チョークの溝を比較的広くすると^[1]、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保つことができます。ギャップと溝の幅が固定比率の場合、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 つの接続が直列になっている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、ギャップ長が正確に 1/4 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寸) 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 倍の幅（導波管の高さの約 20%）がありますが、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、比率は大幅に異なります。MIL 仕様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^{[5] [ 6] [7] [8] [9]}（つまり、ガイドのカットオフ周波数の約 1.3 倍から 1.9 倍）で使用することを目的としています。

チョーク接続の発明者としては、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・ロバーツの協力が挙げられます。}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ときに発明したと主張しています。^[12]この発明は特許を取得していません。^[10]

チョーク接続は、使用帯域にわたってVSWR 1.01 ^[13] ( -46 dBの反射)を達成し、接合部でのアーク放電の危険性を排除します^[13]。しかし、損傷のないプレーンフランジ間の接触接続を慎重に行うことで、より良い性能が得られます。^[13]

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の表面からわずかに突き出るようにし、2つの部品をはんだ付けまたはろう付けした後、管の端を機械加工して表面と完全に同じ高さになるようにします。^[14]このタイプの構造は、図1、4、5に示されています。^{[引用が必要]}

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側の寸法と一致します。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、導波管の内面とフランジの口の間に途切れのない伝導経路を確保するために、はんだ付けまたはろう付けされています。このタイプの構造は図 2 に示されており、図 3 に図式的に示されています。このバリエーションは突合せマウントで、導波管がフランジの背面に接します。フランジの背面には、チューブの位置を合わせるのに十分な数の突起がありますが、チューブの周囲に途切れのないソケット壁は形成されません。

ソケットマウントは、取り付け時にフランジの表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、フランジの製造時に表面が凹む深さと結果として生じる隙間の幅が固定され、取り付け時に変化しないことを意味します。MIL仕様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]}

MIL-DTL-3922は、長方形導波管のチョーク、ガスケット/カバー、カバーフランジの詳細な説明を提供する米国軍事規格です。MIL-DTL-39000/3は、ダブルリッジ^[15]導波管のフランジを説明しており、以前は^{[16] [17]}シングルリッジガイドのフランジも説明していました。

MIL規格のフランジはUG-xxxx/Uという形式で指定されます。ここで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。

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ます。

IECフランジは、英数字コードで識別されます。英数字コードは次の文字で構成されます。U 、P、Cは非加圧型^[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導波管用の正方形プレーンカバーフランジ（つまり、WG20、WR42用）、PDR84はR84導波管用の長方形ガスケットフランジ（WG15、WR112）、CAR70はR70導波管用の丸型チョークフランジ（WG14、WR137）です。

IEC 規格は、英国規格協会などの多くの欧州標準化団体によって承認されています。

米国電子工業会（EIA）は、標準矩形導波管のWR指定を定義した団体です。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]）の後に、関連する導波管のEIA番号（WR番号）を付けて指定されます。たとえば、CPR112は、導波管WR112（WG15）のガスケットフランジです。

無線部品標準化委員会 (RCSC) は、標準矩形導波管のWG 指定を発案した団体です。また、 5985-99-xxx-xxxxという形式の識別子を持つ標準チョークおよびカバーフランジも定義しました。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]

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