JP2005033463A

JP2005033463A - Waveguide rotary joint

Info

Publication number: JP2005033463A
Application number: JP2003195691A
Authority: JP
Inventors: Mitsuhiro Yoshida; 光宏吉田; Hiroshi Matsumoto; 浩松本; Tsumoru Niitake; 積新竹; Sadao Miura; 禎雄三浦; Koji Nishiyama; 浩司西山; Yuuichirou Shinnou; 祐一郎神納
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2003-07-11
Filing date: 2003-07-11
Publication date: 2005-02-03

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress the attenuation of an electromagnetic wave in circular waveguides and to reduce the possibility of electric discharge from the circular waveguides by eliminating the need of a choke structure which requires mechanical precision about a waveguide rotary joint. SOLUTION: A TE01 mode is used as a mode for an electromagnetic wave in circular waveguides 2A and 2B. That is, the electromagnetic wave transmitted in an inputting side rectangular waveguide 4 in a TE10 mode is transmitted to the circular waveguides 2A and 2B while the TE10 mode is converted into the TE01 mode at the connection part of the inputting side rectangular waveguide 4 and the circular waveguide 2A. The electromagnetic wave is outputted to an outputting side rectangular waveguide 5 while the TE01 mode is converted again into the TE10 mode at the connection part of the circular waveguide 2B and the outputting side rectangular waveguide 5. COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波等の高周波数の電磁波を伝送する２本の方形導波管を回転結合部を有する円形導波管を介して回転可能に連結する導波管ロータリージョイントに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５、図６は、高周波数の電磁波、例えばマイクロ波の伝送に用いられる従来の導波管ロータリージョイントの構成を示す断面図である。従来の導波管ロータリージョイント２１は、２つの円形導波管２２Ａ，２２Ｂがベアリング２６によって軸心線２３周りに相対回転可能に結合され、これら円形導波管２２Ａ，２２Ｂに方形導波管２４，２５が接合された構造となっている。各方形導波管２４，２５は、その短辺側の側面を円形導波管２２Ａ，２２Ｂの軸心線２３に平行に配置されており、一方の円形導波管２２Ａの端部側面に入力側の方形導波管２４の先端部が軸心線２３に対し直角に接合され、他方の円形導波管２２Ｂの端部側面に出力側の方形導波管２５の先端部が軸心線２３に対し直角に接合されている。なお、円形導波管２２Ａ，２２Ｂ及び方形導波管２４，２５は、アルミや銅をその基材としている。
【０００３】
通常、マイクロ波は入力側の方形導波管２４内をＴＥ１０モードで伝送されるようになっている。ここで図５，図６中に実線或いは破線で示す矢印は電磁界の分布を示したものであり、破線で示す矢印が磁界の分布を示し、実線で示す矢印が電界の分布を示している。ＴＥ１０モードでは、環状の磁界が方形導波管２４の長手方向に沿って分布し、且つこの環状の磁界は方形導波管２４の長辺側の側面に平行に分布する。
【０００４】
このような分布の磁界が方形導波管２４内に発生することにより、方形導波管２４の先端部が接合された円形導波管２２Ａ内には、図６に示すように、方形導波管２４内の磁界とのカップリング作用によって、円形導波管２２Ａ，２２Ｂの軸心線２３周りに磁界が発生する。これによりマイクロ波のモードは、ＴＥ１０モードからＴＭ０１モードに変換され、ＴＭ０１モードにて円形導波管２２Ａ，２２Ｂ内を出力側の方形導波管２５に向けて伝送される。ＴＭ０１モードは円形導波管２２Ａ，２２Ｂの軸心線２３に対して対称なモードであるため、円形導波管２２Ａ，２２Ｂが相対的に回転したとしても電磁界が影響を受けることがない。
【０００５】
そして、円形導波管２２Ｂと出力側の方形導波管２５との接合部では、円形導波管２２Ｂ内の端部近傍に発生した軸心線２３周りの磁界とのカップリング作用によって、方形導波管２５内に方形導波管２５の長辺側の側面に平行な環状の磁界が発生する。これによりマイクロ波のモードは、再びＴＭ０１モードからＴＥ１０モードに変換され、ＴＥ１０モードにて方形導波管２５に出力される。
【０００６】
なお、円形導波管２２Ａ，２２Ｂの回転結合部には、円形導波管２２Ａ，２２Ｂの内壁面を直接接触させることなく電気的に短絡させるための１／４波長型のチョーク構造２８が設けられている。このチョーク構造２８は、円形導波管２２Ａ，２２Ｂの外周側に設けられた第１同軸導波管部３０と、第１同軸導波管部３０の外周側に設けられた第２同軸導波管部３１とから構成され、第１同軸導波管部３０の一方の端縁に円形導波管２２Ａ，２２Ｂの内壁面間の隙間２９が開口し、第１同軸導波管部３０の他方の端縁に第２同軸導波管３１部の端縁が連通している。各同軸導波管部３０，３１の軸方向長さはマイクロ波の管内波長の１／４に設定されている。
【０００７】
ＴＭ０１モードでは円形導波管２２Ａ，２２Ｂの軸心線２３方向に壁面電流が流れるが、このように回転結合部にチョーク構造２８が設けられることによって、円形導波管２２Ａ，２２Ｂの内壁面間に隙間２９がある場合でも壁面電流の連続性を確保することができる。また、隙間２９から外部へのマイクロ波の漏洩を防止することもできる。なお、円形導波管２２Ａ，２２Ｂは環状のシール２７によって密閉されており、内部を真空に保つことができるようになっている。
【０００８】
以上のような構成の導波管ロータリージョイントの他、同軸型の導波管ロータリージョイントも公知である（非特許文献１参照）。この従来の同軸型の導波管ロータリージョイントでは、入力側の方形導波管内をＴＥ１０モードで伝送されてきたマイクロ波は、ＴＥＭモードやＴＥ１１モード等に変換されて同軸導波管（中央に軸を有する円形導波管）内を伝送され、再びＴＥ１０モードに変換されて出力側の方形導波管に出力されるようになっている。また、従来の同軸型の導波管ロータリージョイントでも、同軸導波管の回転結合部にはチョーク構造が設けられており、壁面電流の連続性の確保や内壁面の隙間からの漏洩の防止が図られている。なお、このような同軸型の導波管ロータリージョイントは、図５，図６で示したタイプのものに比べて構造が複雑である。
【０００９】
【非特許文献１】
ＧＥＯＲＧＥＬ．ＲＡＧＡＮ，ＭＩＣＲＯＷＡＶＥＴＲＡＮＳＭＩＳＳＩＯＮＣＩＲＣＵＩＴＳ，ＭｃＧＲＡＷ−ＨｉｌｌＢＯＯＫＣＯＭＰＡＮＹ，ＩＮＣ．，ｐｐ．４５１−４５５，１９４８
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の導波管ロータリージョイントでは、上述のように壁面電流の連続性やマイクロ波の漏洩を防止するためのチョーク構造２８が必要となるため、高い機械的精度が要求され、製作コストが高くなってしまう。また、円形導波管２２Ａ，２２Ｂの隙間２９を横切るように壁面電流が流れるため、チョーク構造２８の内部にマイクロ波が侵入し、そこでの壁面電流損失によってマイクロ波が減衰してしまう。さらに、ＴＭ０１モードでは円形導波管２２Ａ，２２Ｂの内壁面に垂直に電界が立つため、場合によっては円形導波管２２Ａ，２２Ｂから外部への放電の虞もある。なお、これらの課題は同軸導波管内のマイクロ波のモードとしてＴＥＭモードやＴＥ１１モード等を用いる従来の同軸型の導波管ロータリージョイントにも共通している。
【００１１】
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、機械的精度が要求されるチョーク構造を不要とし、それにより、円形導波管内での電磁波の減衰を抑制するとともに、円形導波管からの放電の虞も低減できるようにした導波管ロータリージョイントを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の導波管ロータリージョイントは、円形導波管内での電磁波（マイクロ波等の高周波数の電磁波）のモードとして、ＴＥ０１モードを用いることを特徴としている。すなわち、本発明では、入力側方形導波管内をＴＥ１０モードで伝送される電磁波を入力側方形導波管と円形導波管との接合部でＴＥ０１モードに変換して円形導波管内を伝送し、円形導波管と出力側方形導波管との接合部で電磁波を再びＴＥ０１モードからＴＥ１０モードに変換して出力側方形導波管に出力する。
【００１３】
電磁波がＴＥ０１モードで伝送されるときには、図１（ａ），図１（ｂ）に示すように環状の磁界が円形導波管２の長手方向に沿って円形導波管２の軸心線３に対称に、且つ軸心線３を通る平面内に分布する。そして、この磁界と直行するように、図１（ａ）に示すように軸心線３を中心として環状に電界が分布する。なお、図１中に実線或いは破線で示す矢印は電磁界の分布を示したものであり、破線で示す矢印が磁界の分布を示し、実線で示す矢印が電界の分布を示している。
【００１４】
図１（ａ）に示すような電界分布により、ＴＥ０１モードでは壁面電流は円形導波管２の内壁面を周方向に流れ、ＴＭ０１モード等のように軸方向に流れることがない。したがって、円形導波管２の図示しない回転結合部での隙間における壁面電流の連続性を確保するためのチョーク構造が不要となる。これにより、円形導波管２の機械的な誤差に対するロバスト性が得られるとともに、円形導波管２内での電磁波の減衰を抑制することができる。また、ＴＥ０１モードでは電界は軸心線３を中心として環状に分布することから、電界が内壁面に垂直に立つＴＭ０１モード等と比較して円形導波管２の外部への放電の虞も極めて小さい。
【００１５】
入口側方形導波管と円形導波管との接合部の構造は、電磁波のモードがＴＥ１０モードからＴＥ０１モードへ変換されるような構造であればよく、その構造に限定はないが、好ましくは、特開平５−２５１９１１号公報に開示された技術を応用する。この技術は、ＳＬＥＤ法を用いた大電力高周波パルス圧縮装置におけるＴＥ０１ｎ姿態空洞共振器にかかる技術であり、本発明とは技術分野が異なるが、電磁波のモードをＴＥ１０モードからＴＥ０１モードへ変換するための空洞共振器と方形導波管との接合部の構造は、本発明にかかる入力側方形導波管と円形導波管との接合部の構造にも適用することができる。すなわち、入力側方形導波管の短辺側の側面を円形導波管の端部に接合し、その接合部に円形導波管の軸心線を挟んで２つの結合孔を設けるようにする。そして、好ましくは、２つの結合孔間の距離は管内波長の約半分の距離とする。このような構造により、２つの結合孔でのカップリングにより円形導波管内に励起される磁界は１８０度の位相差を有することになるので、ＴＭ１１モードやＴＥ１１モード等の他のモードが円形導波管内に発生するのを抑制することができる。
【００１６】
円形導波管と出口側方形導波管との接合部の構造についても、電磁波のモードがＴＥ０１モードからＴＥ１０モードへ変換されるような構造であればよく、その構造に限定はないが、ここでも入口側と同様の構造とすることができる。すなわち、出口側方形導波管の短辺側の側面を円形導波管の端部に接合し、その接合部に円形導波管の軸心線を挟んで２つの結合孔を設けるようにする。そして、好ましくは、２つの結合孔間の距離は管内波長の約半分の距離とする。このような構造により、出口側方形導波管内にＴＥ１０モード以外の他のモードが発生するのを抑制することができる。
【００１７】
円形導波管内にＴＭ１１モード等の他のモードが発生するのを抑制するための手段としては、円形導波管の内壁面を周方向に電気的に分断する環状の溝を設けるようにしてもよい。この溝は回転結合部の継目を利用することができる。ＴＭ１１モードでは円形導波管内の内壁面を軸方向に壁面電流が流れるが、このように内壁面を周方向に電気的に分断することにより、その位置での軸方向への壁面電流の連続性が絶たれ、円形導波管内におけるＴＭ１１モードの発生周波数が変化する（高周波数側にシフトする）ことになる。なお、溝の位置は、円形導波管内に発生するＴＥ０１モードの磁界の節（環状の磁界と磁界との間）に対応させるのが好ましい。磁界の節では電界が弱まるので溝内への電磁波の侵入を抑制して減衰を低減することができ、また、溝から外部への電磁波の漏れを抑制することができる。
【００１８】
さらに、円形導波管内にＴＭ１１モード等の他のモードが発生するのを抑制するための別の手段としては、円形導波管の内部端面に内壁面に沿って環状の溝を設けるようにしてもよい。このように内部端面に内壁面に沿って環状の溝を設けることで、円形導波管内におけるＴＭ１１モードの発生周波数が変化する（高周波数側にシフトする）ことになる。
【００１９】
なお、本発明の導波管ロータリージョイントの利用分野には限定はなく、電磁場の伝送に導波管を用いる分野であれば、一般的な通信分野のみならず医療分野（例えばがんの温熱療法）等の種々の分野において利用することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図２は本発明の一実施形態としての導波管ロータリージョイントの構成を示す断面図であり、図３はその側面図である。これらの図に示すように、導波管ロータリージョイント１は、２つの円形導波管２Ａ，２Ｂがベアリング６によって軸心線３周りに相対回転可能に結合されて、回転結合部を有する１つの円形導波管２が構成され、各円形導波管２Ａ，２Ｂに方形導波管４，５が接合された構造となっている。各方形導波管４，５の端部にはフランジ４ａ，５ａが設けられており、これらフランジ４ａ，５ａを用いて延長用の方形導波管や加速器等の機器類を導波管ロータリージョイント１に接続することができるようになっている。
【００２１】
円形導波管２Ａ，２Ｂと方形導波管４，５との接合形態は、一方の円形導波管２Ａの端部底面に入力側方形導波管４の短辺側の側面を接合し、他方の円形導波管２Ｂの端部底面に出力側方形導波管５の短辺側の側面を接合したものとされている。そして、入力側方形導波管４と円形導波管２Ａとの接合部には、円形導波管２Ａ，２Ｂの軸心線３を挟んだ対称位置に２つの結合孔７Ａ，７Ｂが設けられ、円形導波管２Ｂと出力側方形導波管５との接合部には、同様に円形導波管２Ａ，２Ｂの軸心線３を挟んだ対称位置に２つの結合孔８Ａ，８Ｂが設けられている。各接合部における結合孔７Ａ，７Ｂ間の距離及び結合孔８Ａ，８Ｂ間の距離（中心間距離）は、円形導波管２Ａ，２Ｂ内におけるマイクロ波の管内波長の約１／２に設定されている。また、各方形導波管４，５の先端部から先端側の結合孔７Ａの中心までの距離は、管内波長の約１／４に設定されている。なお、マイクロ波の管内波長は円形導波管２Ａ，２Ｂの内径により決まり、円形導波管２Ａ，２Ｂの管内の軸方向長さは管内波長の１／２の整数倍（図２では２倍）に設定されている。
【００２２】
円形導波管２Ａ，２Ｂの回転結合部には、隙間（環状の溝）９が設けられている。この隙間９は円形導波管２Ａの内壁面と円形導波管２Ｂの内壁面とを周方向に電気的に分断している。また、隙間９の位置はここでは管内中央に設定されている。なお、円形導波管２Ａ，２Ｂ間には環状の真空シール１０が介装されており、円形導波管２Ａ，２Ｂの内部を密閉して真空に保つことができるようになっている。
【００２３】
このような構成により、本発明の一実施形態としての導波管ロータリージョイント１では、入力側方形導波管４内をＴＥ１０モードで伝送されるマイクロ波の磁界が２つの結合孔７Ａ，７Ｂを介して円形導波管２Ａ，２Ｂ内の磁界とカップリングし、円形導波管２Ａ，２Ｂ内に環状の磁界を励起する。この磁界は、円形導波管２Ａ，２Ｂの長手方向に沿って軸心線３に対称に、且つ軸心線３を通る平面内に分布する。これによりマイクロ波のモードは、ＴＥ１０モードからＴＥ０１モードに変換され、ＴＥ０１モードにて円形導波管２Ａ，２Ｂ内を出力側の方形導波管５に向けて伝送される。なお、図２中に破線で示す矢印が磁界の分布を示している。
【００２４】
このとき発生する磁界は、軸心線３を挟んで設けられた結合孔７Ａ，７Ｂでのカップリングによって１８０度の位相差を有することになるので、ＴＭ１１モードやＴＥ１１モード等の他のモードが円形導波管２Ａ，２Ｂ内に発生するのを抑制することができる。さらに、円形導波管２Ａの内壁面と円形導波管２Ｂの内壁面とは、隙間９によって周方向に電気的に分断されているので、壁面電流の連続性はこの隙間９において絶たれることになる。これによりＴＭ１１モードのように壁面電流が軸方向に流れるモードでは、発生周波数が高周波数側にシフトしてＴＥ０１モードの発生周波数から大きく離れることになるので、これらのモードがＴＥ０１モードと同時に円形導波管２Ａ，２Ｂ内に発生するのを抑制することができる。
【００２５】
そして、円形導波管２Ｂと出力側の方形導波管５との接合部では、円形導波管２Ｂ内の端部底面近傍に発生した磁界が、２つの結合孔８Ａ，８Ｂを介して方形導波管５内に作用し、そのカップリング作用によって方形導波管５内に方形導波管５の長辺側の側面に平行な環状の磁界が発生する。これによりマイクロ波のモードは、再びＴＥ０１モードからＴＥ１０モードに変換され、ＴＥ１０モードにて方形導波管５に出力される。
【００２６】
このように、本発明の一実施形態としての導波管ロータリージョイント１によれば、円形導波管２Ａ，２Ｂ内にＴＭ１１等の他のモードが発生するのを抑制して専らＴＥ０１モードを発生させることができる。ＴＥ０１モードは円形導波管２Ａ，２Ｂの軸心線３に対して対称なモードであるため、円形導波管２Ａ，２Ｂが相対的に回転したとしても電磁界が影響を受けることがない。
【００２７】
また、ＴＥ０１モードでは壁面電流は円形導波管２Ａ，２Ｂの内壁面を周方向に流れ、従来の導波管ロータリージョイントにかかるＴＭ０１モード等のように軸方向に流れることがないので、隙間９における軸方向の壁面電流の連続性を確保するためのチョーク構造が不要である。これにより、円形導波管２Ａ，２Ｂの機械的な誤差に対するロバスト性が得られるとともに、円形導波管２Ａ，２Ｂ内での電磁波の減衰を抑制することができるという利点がある。
【００２８】
さらに、ＴＥ０１モードでは電界は軸心線３を中心として環状に分布することから、電界が内壁面に垂直に立つＴＭ０１モード等と比較して円形導波管２の外部への放電の虞も極めて小さいという利点もある。
また、本実施形態では、円形導波管２Ａ，２Ｂ間の隙間９の位置を管内中央に設定しているが、この位置は円形導波管２Ａ，２Ｂ内に発生するＴＥ０１モードの磁界の節に対応しているので、隙間９へのマイクロ波の侵入を抑制してマイクロ波の減衰を低減することができ、また、隙間９から外部へのマイクロ波の漏れを抑制することができるという利点もある。
【００２９】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、上述の実施形態では、入力側方形導波管４と円形導波管２Ａとの接合部に軸心線３を挟んで２つの結合孔７Ａ，７Ｂを設けているが、これらの結合孔７Ａ，７Ｂのうち何れか一方のみを設けるようにしてもよい。これによっても円形導波管２Ａ，２Ｂ内にＴＥ０１モードを発生させることができる。ただし、この場合にはＴＭ１１モードやＴＥ１１モード等の他のモードも発生する可能性が高くなるので、好ましくは、上述の実施形態のように２つの結合孔７Ａ，７Ｂを設けるようにする。また、出力側方形導波管５と円形導波管２Ｂとの接合部についても、同様に軸心線３を挟んだ２つの結合孔８Ａ，８Ｂのうち何れか一方のみを設けるようにしてもよい。ただし、この場合も好ましくは上述の実施形態のように２つの結合孔８Ａ，８Ｂを設けるようにする。
【００３０】
また、上述の実施形態では、円形導波管２Ａ，２Ｂの繋ぎ目の隙間９の作用により、円形導波管２Ａ，２Ｂ内にＴＥ０１モード以外のモードが発生するのを抑制しているが、図４に示すように出力側の円形導波管２Ｂの内部端面に内壁面に沿って環状の溝１１を設けるようにしてもよい。このような溝１１を設けることで、円形導波管内におけるＴＭ１１モードの発生周波数が高周波数側にシフトしてＴＥ０１モードの発生周波数から大きく離れることになるので、ＴＭ１１モードがＴＥ０１モードと同時に円形導波管２Ａ，２Ｂ内に発生するのを抑制することができる。なお、図４では出力側の円形導波管２Ｂに溝１１を設けているが、入力側の円形導波管２Ａにもこのような溝を設けてもよい。
【００３１】
さらに、上述の実施形態にかかる導波管ロータリージョイントは軸のないタイプであるが、中央に軸を有する円形導波管（同軸導波管）を有する同軸型の導波管ロータリージョイントにも本発明を適用することができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の導波管ロータリージョイントによれば、円筒導波管内の電磁波のモードをＴＥ０１モードとすることにより、壁面電流は円形導波管の内壁面を周方向に流れるようになるので、高い機械的精度が要求されるチョーク構造が不要となり、円形導波管の機械的な誤差に対するロバスト性が得られるとともに、円形導波管内での電磁波の減衰を抑制することができるという利点がある。また、ＴＥ０１モードでは電界は軸心線を中心として環状に分布することから、電界が内壁面に垂直に立つＴＭ０１モード等と比較して円形導波管の外部への放電の虞も極めて小さいという利点もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかるＴＥ０１モードの電磁界分布図であり、（ａ）は円形導波管の縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＩ−Ｉ線における軸方向断面図である。
【図２】本発明の一実施形態としての導波管ロータリージョイントの構成を示す平面断面図である。
【図３】図２のＩＩＩ方向視の側面図である。
【図４】図２に示す導波管ロータリージョイントの変形例を示す平面断面図であり、要部の構成のみを示している。
【図５】従来の導波管ロータリージョイントの構成を示す平面断面図である。
【図６】図５のＶＩ−ＶＩ線における側面断面図である。
【符号の説明】
１導波管ロータリージョイント
２，２Ａ，２Ｂ円形導波管
３軸心線
４，５方形導波管
４ａ，５ａフランジ
６ベアリング
７Ａ，７Ｂ，８Ａ，８Ｂ結合孔
９隙間（環状の溝）
１０真空シール
１１溝[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a waveguide rotary joint that rotatably couples two rectangular waveguides that transmit high-frequency electromagnetic waves such as microwaves via a circular waveguide having a rotational coupling portion.
[0002]
[Prior art]
5 and 6 are cross-sectional views showing the configuration of a conventional waveguide rotary joint used for transmission of high-frequency electromagnetic waves, for example, microwaves. In the conventional waveguide rotary joint 21, two circular waveguides 22 A and 22 B are coupled by a bearing 26 so as to be relatively rotatable around an axis 23, and the rectangular waveguide 24 is connected to the circular waveguides 22 A and 22 B. , 25 are joined together. Each of the rectangular waveguides 24 and 25 is arranged such that the side surface on the short side is parallel to the axial center line 23 of the circular waveguides 22A and 22B, and input to the end side surface of one circular waveguide 22A. The distal end portion of the rectangular waveguide 24 on the side is joined at right angles to the axial center line 23, and the distal end portion of the rectangular waveguide 25 on the output side is joined to the axial center line 23 on the side surface of the other circular waveguide 22B. It is joined at a right angle. The circular waveguides 22A and 22B and the rectangular waveguides 24 and 25 are made of aluminum or copper as a base material.
[0003]
Usually, microwaves are transmitted in the TE10 mode in the rectangular waveguide 24 on the input side. 5 and 6, the arrows indicated by solid lines or broken lines indicate electromagnetic field distributions, the arrows indicated by broken lines indicate magnetic field distributions, and the arrows indicated by solid lines indicate electric field distributions. . In the TE10 mode, an annular magnetic field is distributed along the longitudinal direction of the rectangular waveguide 24, and the annular magnetic field is distributed in parallel to the long side surface of the rectangular waveguide 24.
[0004]
When the magnetic field having such a distribution is generated in the rectangular waveguide 24, the rectangular waveguide 22A in which the distal end portion of the rectangular waveguide 24 is joined has a rectangular waveguide as shown in FIG. A magnetic field is generated around the axial center line 23 of the circular waveguides 22A and 22B by the coupling action with the magnetic field in the tube 24. As a result, the microwave mode is converted from the TE10 mode to the TM01 mode, and transmitted through the circular waveguides 22A and 22B toward the output-side rectangular waveguide 25 in the TM01 mode. Since the TM01 mode is a symmetric mode with respect to the axis 23 of the circular waveguides 22A and 22B, the electromagnetic field is not affected even if the circular waveguides 22A and 22B rotate relatively.
[0005]
Then, at the junction between the circular waveguide 22B and the output-side rectangular waveguide 25, a square is formed by a coupling action with a magnetic field around the axial center line 23 generated in the vicinity of the end in the circular waveguide 22B. An annular magnetic field parallel to the side surface on the long side of the rectangular waveguide 25 is generated in the waveguide 25. As a result, the microwave mode is again converted from the TM01 mode to the TE10 mode, and is output to the rectangular waveguide 25 in the TE10 mode.
[0006]
A quarter-wave type choke structure 28 is provided at the rotational coupling portion of the circular waveguides 22A and 22B to electrically short-circuit the inner wall surfaces of the circular waveguides 22A and 22B without directly contacting them. It has been. The choke structure 28 includes a first coaxial waveguide portion 30 provided on the outer peripheral side of the circular waveguides 22A and 22B, and a second coaxial waveguide provided on the outer peripheral side of the first coaxial waveguide portion 30. A gap 29 between the inner wall surfaces of the circular waveguides 22 A and 22 B is opened at one end edge of the first coaxial waveguide portion 30, and the other end of the first coaxial waveguide portion 30. The end edge of the second coaxial waveguide 31 part communicates with the end edge. The axial length of each of the coaxial waveguide portions 30 and 31 is set to ¼ of the in-tube wavelength of the microwave.
[0007]
In the TM01 mode, a wall surface current flows in the direction of the axial center line 23 of the circular waveguides 22A and 22B. Even when there is a gap 29, the continuity of the wall current can be ensured. Further, leakage of microwaves from the gap 29 to the outside can be prevented. The circular waveguides 22A and 22B are sealed by an annular seal 27 so that the inside can be kept in a vacuum.
[0008]
In addition to the waveguide rotary joint configured as described above, a coaxial waveguide rotary joint is also known (see Non-Patent Document 1). In this conventional coaxial waveguide rotary joint, the microwave transmitted in the TE10 mode in the rectangular waveguide on the input side is converted into a TEM mode, a TE11 mode, etc. In the circular waveguide), and is again converted to the TE10 mode and output to the rectangular waveguide on the output side. In addition, even in the conventional coaxial waveguide rotary joint, the rotation coupling portion of the coaxial waveguide is provided with a choke structure, which ensures the continuity of the wall current and prevents leakage from the gap between the inner wall surfaces. It is illustrated. Such a coaxial waveguide rotary joint has a more complicated structure than that of the type shown in FIGS.
[0009]
[Non-Patent Document 1]
GEORGE L. RAGAN, MICROWAVE TRANSMISSION CIRCUITS, McGRAW-Hill BOOK COMPANY, INC. , Pp. 451-455, 1948
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, since the conventional waveguide rotary joint requires the choke structure 28 for preventing the continuity of the wall current and the leakage of the microwave as described above, high mechanical accuracy is required and the manufacturing cost is high. It will be high. Further, since the wall current flows so as to cross the gap 29 between the circular waveguides 22A and 22B, the microwave enters the choke structure 28, and the microwave is attenuated by the wall current loss there. Furthermore, in the TM01 mode, an electric field is formed perpendicularly to the inner wall surfaces of the circular waveguides 22A and 22B, so that there is a possibility of discharge from the circular waveguides 22A and 22B to the outside in some cases. These problems are common to conventional coaxial waveguide rotary joints that use a TEM mode, a TE11 mode, or the like as a microwave mode in the coaxial waveguide.
[0011]
The present invention has been devised in view of such problems, and eliminates the need for a choke structure that requires mechanical accuracy, thereby suppressing the attenuation of electromagnetic waves in the circular waveguide and the circular waveguide. An object of the present invention is to provide a waveguide rotary joint that can reduce the risk of electric discharge.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the waveguide rotary joint of the present invention is characterized in that the TE01 mode is used as a mode of electromagnetic waves (high-frequency electromagnetic waves such as microwaves) in the circular waveguide. That is, in the present invention, the electromagnetic wave transmitted in the TE10 mode in the input side rectangular waveguide is converted to the TE01 mode at the junction between the input side rectangular waveguide and the circular waveguide and transmitted in the circular waveguide. The electromagnetic wave is again converted from the TE01 mode to the TE10 mode at the junction between the circular waveguide and the output side rectangular waveguide, and is output to the output side rectangular waveguide.
[0013]
When the electromagnetic wave is transmitted in the TE01 mode, an annular magnetic field is formed along the longitudinal direction of the circular waveguide 2 as shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b). In a plane passing through the axis 3. Then, as shown in FIG. 1A, an electric field is distributed in an annular shape centering on the axis 3 so as to be orthogonal to the magnetic field. In FIG. 1, arrows indicated by solid lines or broken lines indicate electromagnetic field distributions, arrows indicated by broken lines indicate magnetic field distributions, and arrows indicated by solid lines indicate electric field distributions.
[0014]
Due to the electric field distribution as shown in FIG. 1A, in the TE01 mode, the wall current flows in the circumferential direction on the inner wall surface of the circular waveguide 2, and does not flow in the axial direction as in the TM01 mode. Therefore, the choke structure for ensuring the continuity of the wall current in the gap at the rotary coupling portion (not shown) of the circular waveguide 2 is not necessary. Thereby, the robustness with respect to the mechanical error of the circular waveguide 2 can be obtained, and the attenuation of the electromagnetic wave in the circular waveguide 2 can be suppressed. Further, in the TE01 mode, since the electric field is distributed in an annular shape centering on the axial center line 3, there is a great risk of discharge to the outside of the circular waveguide 2 as compared with the TM01 mode or the like in which the electric field is perpendicular to the inner wall surface. small.
[0015]
The structure of the junction between the entrance side rectangular waveguide and the circular waveguide may be any structure as long as the electromagnetic wave mode is converted from the TE10 mode to the TE01 mode, and the structure is not limited, but preferably The technique disclosed in JP-A-5-251911 is applied. This technique is a technique related to the TE01n state cavity resonator in the high-power high-frequency pulse compression apparatus using the SLED method, and is different from the present invention in order to convert the electromagnetic wave mode from the TE10 mode to the TE01 mode. The structure of the junction between the cavity resonator and the rectangular waveguide can also be applied to the structure of the junction between the input side rectangular waveguide and the circular waveguide according to the present invention. That is, the side surface on the short side of the input side rectangular waveguide is joined to the end portion of the circular waveguide, and two coupling holes are provided at the joint portion with the axial center line of the circular waveguide interposed therebetween. . Preferably, the distance between the two coupling holes is about half of the guide wavelength. With such a structure, the magnetic field excited in the circular waveguide by coupling at the two coupling holes has a phase difference of 180 degrees, so that other modes such as the TM11 mode and the TE11 mode are circularly guided. Occurrence in the wave tube can be suppressed.
[0016]
The structure of the junction between the circular waveguide and the outlet side rectangular waveguide is not limited as long as the electromagnetic wave mode can be converted from the TE01 mode to the TE10 mode. However, it can have the same structure as the entrance side. That is, the side surface on the short side of the outlet side rectangular waveguide is joined to the end portion of the circular waveguide, and two coupling holes are provided in the joint portion with the axial center line of the circular waveguide interposed therebetween. . Preferably, the distance between the two coupling holes is about half of the guide wavelength. With such a structure, generation of modes other than the TE10 mode in the outlet side rectangular waveguide can be suppressed.
[0017]
As a means for suppressing the occurrence of other modes such as the TM11 mode in the circular waveguide, an annular groove for electrically dividing the inner wall surface of the circular waveguide in the circumferential direction may be provided. Good. This groove can make use of the joint of the rotary joint. In the TM11 mode, a wall current flows in the axial direction on the inner wall surface in the circular waveguide. By thus electrically dividing the inner wall surface in the circumferential direction, the continuity of the wall current in the axial direction at that position is determined. As a result, the generation frequency of the TM11 mode in the circular waveguide changes (shifts to the higher frequency side). The position of the groove preferably corresponds to the node of the TE01 mode magnetic field (between the annular magnetic field) generated in the circular waveguide. Since the electric field is weakened at the magnetic field node, it is possible to reduce the attenuation by suppressing the penetration of the electromagnetic wave into the groove, and to suppress the leakage of the electromagnetic wave from the groove to the outside.
[0018]
Further, as another means for suppressing the occurrence of other modes such as the TM11 mode in the circular waveguide, an annular groove is provided along the inner wall surface on the inner end face of the circular waveguide. Also good. Thus, by providing an annular groove on the inner end surface along the inner wall surface, the TM11 mode generation frequency in the circular waveguide changes (shifts to the higher frequency side).
[0019]
Note that the field of application of the waveguide rotary joint of the present invention is not limited, and any field that uses a waveguide for electromagnetic field transmission can be used not only in the general communication field but also in the medical field (for example, thermotherapy for cancer). ) And the like.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a configuration of a waveguide rotary joint as an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a side view thereof. As shown in these drawings, the waveguide rotary joint 1 includes two circular waveguides 2A and 2B that are coupled to each other by a bearing 6 so as to be relatively rotatable around an axis 3 and have a rotational coupling portion. A circular waveguide 2 is configured, and the rectangular waveguides 4 and 5 are joined to the circular waveguides 2A and 2B. Flanges 4a and 5a are provided at the ends of each of the rectangular waveguides 4 and 5, and the flanges 4a and 5a are used to connect devices such as a rectangular waveguide for extension and an accelerator to the waveguide rotary joint. 1 can be connected.
[0021]
The joining form of the circular waveguides 2A and 2B and the rectangular waveguides 4 and 5 is such that the side surface on the short side of the input side rectangular waveguide 4 is joined to the bottom surface of the end of one circular waveguide 2A. The side surface on the short side of the output side rectangular waveguide 5 is joined to the bottom surface of the end of the other circular waveguide 2B. Then, two coupling holes 7A and 7B are provided at the symmetric positions with the axis 3 of the circular waveguides 2A and 2B sandwiched between the input side rectangular waveguide 4 and the circular waveguide 2A. Similarly, at the junction between the circular waveguide 2B and the output-side rectangular waveguide 5, two coupling holes 8A and 8B are provided at symmetrical positions with the axis 3 of the circular waveguides 2A and 2B interposed therebetween. It has been. The distance between the coupling holes 7A and 7B and the distance between the coupling holes 8A and 8B (center-to-center distance) at each joint are set to about ½ of the in-tube wavelength of the microwaves in the circular waveguides 2A and 2B. ing. Further, the distance from the distal end portion of each rectangular waveguide 4, 5 to the center of the coupling hole 7A on the distal end side is set to about 1/4 of the in-tube wavelength. The in-tube wavelength of the microwave is determined by the inner diameters of the circular waveguides 2A and 2B, and the axial length of the circular waveguides 2A and 2B is an integral multiple of 1/2 of the in-tube wavelength (double in FIG. 2). ) Is set.
[0022]
A gap (annular groove) 9 is provided in the rotational coupling portion of the circular waveguides 2A and 2B. The gap 9 electrically divides the inner wall surface of the circular waveguide 2A and the inner wall surface of the circular waveguide 2B in the circumferential direction. In addition, the position of the gap 9 is set at the center in the pipe here. An annular vacuum seal 10 is interposed between the circular waveguides 2A and 2B so that the inside of the circular waveguides 2A and 2B can be sealed and kept in a vacuum.
[0023]
With such a configuration, in the waveguide rotary joint 1 as one embodiment of the present invention, the microwave magnetic field transmitted in the TE10 mode through the input side rectangular waveguide 4 passes through the two coupling holes 7A and 7B. And the magnetic field in the circular waveguides 2A and 2B is coupled to excite an annular magnetic field in the circular waveguides 2A and 2B. This magnetic field is distributed symmetrically with respect to the axial center line 3 along the longitudinal direction of the circular waveguides 2A and 2B and in a plane passing through the axial center line 3. As a result, the microwave mode is converted from the TE10 mode to the TE01 mode, and is transmitted in the TE01 mode toward the output-side rectangular waveguide 5 in the circular waveguides 2A and 2B. In addition, the arrow shown with a broken line in FIG. 2 has shown distribution of the magnetic field.
[0024]
The magnetic field generated at this time has a phase difference of 180 degrees due to coupling at the coupling holes 7A and 7B provided with the axis 3 interposed therebetween, so that other modes such as the TM11 mode and the TE11 mode can be used. Generation in the circular waveguides 2A and 2B can be suppressed. Further, since the inner wall surface of the circular waveguide 2A and the inner wall surface of the circular waveguide 2B are electrically separated in the circumferential direction by the gap 9, the continuity of the wall current is interrupted in the gap 9. become. As a result, in the mode in which wall current flows in the axial direction as in the TM11 mode, the generated frequency shifts to the higher frequency side and is far away from the generated frequency in the TE01 mode. Occurrence in the wave tubes 2A and 2B can be suppressed.
[0025]
At the junction between the circular waveguide 2B and the rectangular waveguide 5 on the output side, the magnetic field generated near the bottom of the end in the circular waveguide 2B is square through the two coupling holes 8A and 8B. An annular magnetic field parallel to the side surface of the long side of the rectangular waveguide 5 is generated in the rectangular waveguide 5 due to the coupling action. As a result, the microwave mode is again converted from the TE01 mode to the TE10 mode, and is output to the rectangular waveguide 5 in the TE10 mode.
[0026]
Thus, according to the waveguide rotary joint 1 as an embodiment of the present invention, the TE01 mode is exclusively generated by suppressing the occurrence of other modes such as TM11 in the circular waveguides 2A and 2B. Can be made. Since the TE01 mode is a symmetric mode with respect to the axis 3 of the circular waveguides 2A and 2B, the electromagnetic field is not affected even if the circular waveguides 2A and 2B rotate relatively.
[0027]
In the TE01 mode, the wall current flows in the circumferential direction on the inner wall surfaces of the circular waveguides 2A and 2B and does not flow in the axial direction as in the TM01 mode applied to the conventional waveguide rotary joint. The choke structure for ensuring the continuity of the wall current in the axial direction is not required. Accordingly, there are advantages that robustness against mechanical errors of the circular waveguides 2A and 2B can be obtained, and attenuation of electromagnetic waves in the circular waveguides 2A and 2B can be suppressed.
[0028]
Further, in the TE01 mode, since the electric field is distributed in an annular shape centering on the axis 3, there is a great risk of discharge to the outside of the circular waveguide 2 as compared with the TM01 mode or the like in which the electric field is perpendicular to the inner wall surface. There is also an advantage of being small.
In this embodiment, the position of the gap 9 between the circular waveguides 2A and 2B is set at the center of the tube. This position is a node of the TE01 mode magnetic field generated in the circular waveguides 2A and 2B. Therefore, it is possible to reduce the microwave attenuation by suppressing the microwave intrusion into the gap 9 and to suppress the leakage of the microwave from the gap 9 to the outside. There is also.
[0029]
Although one embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, in the above-described embodiment, the two coupling holes 7A and 7B are provided at the junction between the input side rectangular waveguide 4 and the circular waveguide 2A with the axis 3 interposed therebetween. Only one of 7A and 7B may be provided. This also makes it possible to generate the TE01 mode in the circular waveguides 2A and 2B. However, in this case, since there is a high possibility that other modes such as the TM11 mode and the TE11 mode also occur, it is preferable to provide the two coupling holes 7A and 7B as in the above-described embodiment. Similarly, only one of the two coupling holes 8A and 8B sandwiching the axial center line 3 may be provided at the joint between the output side rectangular waveguide 5 and the circular waveguide 2B. Good. However, also in this case, preferably, the two coupling holes 8A and 8B are provided as in the above-described embodiment.
[0030]
In the above-described embodiment, the operation of the gap 9 between the circular waveguides 2A and 2B suppresses the generation of modes other than the TE01 mode in the circular waveguides 2A and 2B. As shown in FIG. 4, an annular groove 11 may be provided along the inner wall surface on the inner end face of the output-side circular waveguide 2B. Providing such a groove 11 shifts the generation frequency of the TM11 mode in the circular waveguide to the high frequency side and greatly deviates from the generation frequency of the TE01 mode. Occurrence in the wave tubes 2A and 2B can be suppressed. In FIG. 4, the grooves 11 are provided in the output-side circular waveguide 2B. However, such grooves may also be provided in the input-side circular waveguide 2A.
[0031]
Further, the waveguide rotary joint according to the above-described embodiment is a type without an axis, but the present invention is also applied to a coaxial type waveguide rotary joint having a circular waveguide (coaxial waveguide) having an axis at the center. The invention can be applied.
[0032]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the waveguide rotary joint of the present invention, the wall current flows in the circumferential direction on the inner wall surface of the circular waveguide by setting the electromagnetic wave mode in the cylindrical waveguide to the TE01 mode. As a result, a choke structure requiring high mechanical accuracy is not required, robustness against mechanical errors of the circular waveguide is obtained, and attenuation of electromagnetic waves in the circular waveguide is suppressed. There is an advantage that you can. In addition, in the TE01 mode, since the electric field is distributed in an annular shape around the axial center line, the risk of discharge to the outside of the circular waveguide is extremely small compared to the TM01 mode in which the electric field is perpendicular to the inner wall surface. There are also advantages.
[Brief description of the drawings]
1A and 1B are TE01 mode electromagnetic field distribution diagrams according to the present invention, in which FIG. 1A is a longitudinal sectional view of a circular waveguide, and FIG. 1B is an axial sectional view taken along line II in FIG. .
FIG. 2 is a plan sectional view showing a configuration of a waveguide rotary joint according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a side view taken along the direction III in FIG. 2;
4 is a plan sectional view showing a modification of the waveguide rotary joint shown in FIG. 2, and shows only the configuration of the main part.
FIG. 5 is a plan sectional view showing a configuration of a conventional waveguide rotary joint.
6 is a side sectional view taken along line VI-VI in FIG. 5;
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Waveguide rotary joint 2, 2A, 2B Circular waveguide 3 Axes 4,5 Rectangular waveguide 4a, 5a Flange 6 Bearing 7A, 7B, 8A, 8B Coupling hole 9 Clearance (annular groove)
10 Vacuum seal 11 Groove

Claims

In a waveguide rotary joint in which a rectangular waveguide is joined to each end of a circular waveguide having a rotary coupling portion and both ends relatively rotatable about an axis.
The electromagnetic wave transmitted in the TE10 mode in the input side rectangular waveguide is converted into the TE01 mode at the junction between the input side rectangular waveguide and the circular waveguide, and transmitted in the circular waveguide. A waveguide rotary joint, wherein the electromagnetic wave is again converted from a TE01 mode to a TE10 mode at a junction between the waveguide and the output side rectangular waveguide, and is output to the output side rectangular waveguide.

The side surface on the short side of the rectangular waveguide is joined to the end of the circular waveguide, and the joint is provided with two coupling holes across the axis of the circular waveguide. The waveguide rotary joint according to claim 1, wherein:

The waveguide rotary joint according to claim 1 or 2, wherein an annular groove for electrically dividing the inner wall surface of the circular waveguide in the circumferential direction is provided.

4. The waveguide rotary joint according to claim 3, wherein the groove is provided so as to correspond to a node of a TE01 mode magnetic field generated in the circular waveguide.

The waveguide rotary joint according to any one of claims 1 to 4, wherein an annular groove is provided along an inner wall surface of the inner end face of the circular waveguide.