JP2007180655A

JP2007180655A - 帯域阻止フィルタ内蔵伝送モード変換器

Info

Publication number: JP2007180655A
Application number: JP2005374035A
Authority: JP
Inventors: Shingo Suzuki; 真吾鈴木
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2005-12-27
Filing date: 2005-12-27
Publication date: 2007-07-12

Abstract

【課題】伝送モード変換器内に帯域阻止フィルタを内蔵し、伝送モード変換器の導波管開口部に外部付加回路などが直接接続されても、帯域阻止フィルタ特性に何らの影響を受けない構造の帯域阻止フィルタ内蔵伝送モード変換器を提供する。
【解決手段】一端側に開口部１ａを有し、他端側にショート面１ｂを有する矩形導波管１の一壁面１ｃから、プローブ２が導波管内に挿入されることにより、導波管の伝送モードと非導波管線路の伝送モードとを相互に変換する伝送モード変換器において、矩形導波管１のショート面１ｂに所望の周波数で共振する共振溝３が形成され、この共振溝３の共振周波数が阻止周波数となっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、衛星通信などのマイクロ波回路において、マイクロ波信号を導波管モードと同軸またはマイクロストリップなどの非導波管線路の伝送モードとを相互に変換する伝送モード変換器に関する。さらに詳しくは、所望の不要周波数成分を抑圧する帯域阻止フィルタ機能を有する帯域阻止フィルタ内蔵伝送モード変換器に関する。

たとえば衛星通信用のＬＮＢ（Low Noise Block down Converter）やＢＵＣ（Block Up
Converter）のような数ＧＨｚ以上のマイクロ波コンポーネントにおいては、内部回路の構成にはマイクロストリップ線路などを用いた分布定数回路が使用され、インターフェースには挿入損失の小さい導波管が一般的には使用されている。そのため、この両者間には、たとえば同軸線路と導波管とを相互に変換する同軸線路−導波管変換器などの非導波管線路と導波管との伝送モードを相互に変換する変換器が用いられる。

従来の衛星通信システムでは、送信と受信のアンテナを共用するものが多く、このような衛星通信システムでは受信系コンポーネントにおいて、送信波を抑制する必要がある。

このような特定の周波数成分を阻止する手段として、上述の伝送モード変換器の導波管開口部に金属フィルタ板を設ける構造のものが知られている（たとえば特許文献１参照）。

この構造は、たとえば図７に断面およびその正面側から見た平面の説明図が示されるような構造になっている。すなわち、図７において、一端部が開放部１ａとされ、他端部がショート面１ｂとされた導波管１の一壁面１ｃからプローブ２が挿入されて、プローブ２に接続される同軸線路またはマイクロストリップ線路などの非導波管線路と導波管とが結合して通常の同軸導波管変換器などの伝送モード変換器が形成されている。そして、その開放部１ａに特定の周波数帯を阻止する金属フィルタ板７が設けられることにより帯域阻止フィルタ内蔵型となっている。この金属フィルタ板７は、図７（ｂ）に平面説明図が示されるように、導波管の開口部内に調整片７ａ、７ｂを形成して開口部に誘導性および容量性のリアクタンスＬ、Ｃを形成することにより、フィルタを形成するものである。なお、図７（ｂ）で金属フィルタ板７の斜線の付してある部分が金属板部分で斜線のない部分は金属板が除去されて開口部となっていることを示している。この伝送モード変換器を等価回路図で示すと、図８に示されるようになる。

図８で、Ｚｃは同軸線路またはマイクロストリップ線路のインピーダンス、Ｚｗは導波管１のインピーダンスを表し、モノポールアンテナとして動作するプローブ２の容量性リアクタンスＣを導波管１の誘導性リアクタンスＬで整合することを表している。また、Ｌ１は調整片７ａによって形成されるコイルの、Ｌ２、Ｃ２は調整片７ｂによって形成されるコイルとコンデンサのそれぞれの誘導性および容量性のリアクタンスを示している。
特開２００２−１１８４０４号公報

前述のように、非導波管線路と導波管との間の伝送モードを変換する伝送モード変換器で、導波管開口部１ａに金属フィルタ板７を固着することにより特定周波数帯域を阻止する構造では、導波管に直接接続される外部付加回路（たとえば帯域通過フィルタなど）の影響を受けて、阻止周波数がずれるなど所望の特性が得られないという問題がある。この
ような問題を解決する手段として、前述の外部付加回路と金属フィルタ板７を固着した導波管開口部１ａとの間に導波管スペーサを挿入する方法が考えられるが、部品点数の増加と取付けの手間により装置価格が上昇するという問題が生じる。また、屋外で使用される装置においては、スペーサ部の気密をとる必要もあり、さらなる装置価格の上昇を招く。さらに、上記構造では、金属フィルタ板７の固着状態が一様な金属接触状態になっていないと、さらに特性が劣化するという問題もある。

本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、伝送モード変換器内に帯域阻止フィルタを内蔵し、伝送モード変換器の導波管開口部に外部付加回路などが直接接続されても、帯域阻止フィルタ特性に何らの影響を受けない構造の帯域阻止フィルタ内蔵伝送モード変換器を提供することを目的とする。

本発明による伝送モード変換器は、一端側に開口部を有し、他端側にショート面を有する矩形導波管と、該矩形導波管の一壁面から前記矩形導波管内に挿入されるプローブとを有し、導波管の伝送モードと非導波管線路の伝送モードとを相互に変換する伝送モード変換器において、前記矩形導波管のショート面またはＥ面に、所望の周波数で共振する共振溝を備え、該共振溝の共振周波数を阻止周波数とすることを特徴とする。

ここに非導波管線路とは、たとえばマイクロストリップ線路や同軸線路などの導波管以外の伝送線路を意味し、また、伝送モード変換器とは、導波管を伝送する導波管モードと、非導波管線路を伝送する非導波管線路モードとを相互に変換する変換器を意味する。

前記共振溝の深さは、前記阻止周波数の共振溝内における管内波長をλgとして、ｎ・
λg／４（ｎは正の奇数）に形成されている。

前記共振溝内に、共振周波数調整素子が挿入されていることにより、その共振周波数を可変し（具体的には、たとえば金属ポールの挿入長を可変する）、阻止周波数を所望の周波数に調整することができる。

本発明の帯域阻止フィルタ内蔵伝送モード変換器によれば、変換器を構成する導波管の開口部と反対側のショート面またはその導波管のＥ面に所望の帯域を阻止する共振溝が形成されているため、伝送モード変換部に帯域阻止共振回路が並列に接続された構造になり、かつ、外部付加回路との間で距離が得られることから、その影響を殆ど受けなくすることができる。しかも、変換器を構成する導波管内部に共振溝を形成するだけであるため、構成が簡素で、高価な部品を追加する必要もない。その結果、コストをそれ程上昇させることなく、高特性の帯域阻止を行うことができる伝送モード変換器を得ることができる。

つぎに、図面を参照しながら本発明の帯域阻止フィルタ内蔵伝送モード変換器について説明をする。本発明による帯域阻止フィルタ内蔵伝送モード変換器は、図１にその一実施形態である同軸導波管変換器の断面説明図が示されるように、一端側に開口部１ａを有し、他端側にショート面１ｂを有する矩形導波管１の一壁面１ｃから、プローブ２が導波管内に挿入されることにより、導波管の伝送モードと非導波管線路の伝送モードとを相互に変換する伝送モード変換器において、矩形導波管１のショート面１ｂまたはＥ面（図６参照）に所望の帯域で共振する共振溝３が形成されていることを特徴としている。

伝送モード変換部は、図１に示されるように、通常の同軸導波管となっている。すなわち、導波管１のショート面１ｂの前方で空洞１ｄ内に、同軸線路やマイクロストリップラ
インに接続されたプローブ２の先端が適当な結合度になる深さに挿入され、導波管の伝送モードとプローブ２に接続される同軸線路またはマイクロストリップ線路の伝送モードとが相互に変換される構造になっている。そして、本発明では、この伝送モード変換部の矩形導波管１のショート面１ｂまたはＥ面に所望の周波数帯の信号を阻止する共振溝３が形成されている。

共振溝３は、阻止しようとする所望の周波数の共振溝３における管内波長λｇの１／４またはその正の奇数倍の深さｄ（図２参照）になるように形成される。すなわち、図２に矩形導波管１の空洞部１ｄとそれに連続して形成される共振溝３の空洞部分が斜視図で示されるように、導波管１の幅広面（Ｅ面）に沿った共振溝３の幅（長辺）をａ、幅広面と垂直方向の高さ（短辺）をｂ、共振溝３の深さをｄとする、先端が短絡された矩形導波管が主信号線路である導波管１に並列に接続された構造になっている。

この共振溝３の深さｄが、阻止周波数の共振溝３における管内波長をλｇとして、ｎ・λｇ／４（ｎは正の奇数）の長さにすることにより、共振溝３を伝搬する成分は、共振溝３の終端で全反射して戻され、ｎ・λｇ／４の距離を往復するため、主線路成分との間でｎ・λｇ／２（１８０°の奇数倍）の位相差を生じることになり、振幅を打ち消し合う。そのため、そのλｇの周波数の信号を除去することができ、帯域阻止フィルタとして機能する。以下の説明では、ｎ＝１の例で説明をする。この共振溝３の深さｄは、共振溝３の長辺（幅広面の幅）の寸法ａと関連して変り、また、共振溝３の短辺（高さ）の寸法ｂは、阻止する周波数の帯域幅に関係するので、それらの関係について以下に説明をする。

まず、阻止周波数ｆｓが決まれば、その波長λは、光速をｃとして、
λ＝ｃ／ｆｓ、したがってλ／４＝ｃ／４ｆｓとなる。

上記波長λは、自由空間波長であり、共振溝（導波管として作用する）内ではその管内波長λｇは長くなり、
λｇ＝λ／｛１−（λ／λｃ）²｝^1/2
であることが知られている。ここでλｃは導波管のカットオフ波長で、
λｃ＝２・ａで与えられる。ａは前述の図２に示される共振溝３の長辺の寸法である。

幅ａは、阻止する周波数から一義的に決まるものではなく、加工のしやすさや筐体内の干渉を考慮して決定される。具体的数値で説明すると、たとえばＫｕ帯の衛星通信機器で、１４ＧＨｚの周波数を阻止周波数とする場合は、前述のλ／４は５.４ｍｍとなり、寸
法ａをＷＲ７５と同じ幅で１９.０５ｍｍとすると、共振溝３の深さｄ（＝λｇ／４）は
ｄ＝６.５ｍｍとなる。

一方、阻止する周波数の帯域幅は、共振のＱ値として扱われるので、
Ｑ＝（Ｌｓ／Ｃｓ）^1/2／Ｚｓ
として評価される。ここでＬｓ、Ｃｓ、Ｚｓは、それぞれ共振溝３のインダクタンス、キャパシタンス、インピーダンスをそれぞれ示している。また、
Ｑ＝ｆｓ／（ｆ１−ｆ２）
から、帯域幅（ｆ１−ｆ２）に置き換えることが可能となる。すなわち、分布定数回路である導波管は、前述の長辺の寸法ａと短辺の寸法ｂとが決まれば、伝送線路としてのインピーダンスＺｓが決まるので、Ｚｓを下げればＱ値が高くなって帯域幅が狭くなり、Ｚｓを上げればＱ値が低くなって帯域幅が狭くなる。一方、導波管の短辺の寸法ｂを短くするとインピーダンスＺｓは下がり、寸法ｂを長くするとインピーダンスＺｓは上がるので、この短辺の寸法ｂを調整することにより、その帯域幅を所望の値に設定することができる。従って、所望の阻止したい周波数および帯域幅に基づいて、前述の共振溝３の長辺の寸
法ａ、短辺の寸法ｂおよび深さｄを設定することにより、所望の帯域阻止フィルタを構成することができる。

この図１に示される帯域阻止フィルタとなる共振溝３を有する伝送モード変換器の等価回路図を図３（ａ）に共振溝３を有しない伝送モード変換器の等価回路図（図３（ｂ））と対比して示す。すなわち、共振溝３を有しない従来の同軸（マイクロストリップ線路）−導波管変換器（伝送モード変換器）の等価回路図は図３（ｂ）に示されるように表される。同図において、Ｚｃは同軸またはマイクロストリップ線路のインピーダンス、Ｚｗは導波管のインピーダンスを表し、モノポールアンテナとして動作するプローブ２の容量性リアクタンスＣを導波管１の誘導性リアクタンスＬで整合することを表している。本発明では、この伝送モード変換器に共振溝３が導波管１のショート面またはそのＥ面に設けられているため、共振溝３はａおよびｂをそれぞれ長辺、短辺の寸法とし、先端が短絡された矩形導波管とみなすことができ、この矩形導波管が主信号線路（導波管１）に並列接続された構造となり、図３（ａ）に示されるように、導波管１の誘導性リアクタンスＬにさらに共振溝の容量性リアクタンスＣｓと誘導性リアクタンスＬｓとの並列回路が接続された回路とみなすことができる。そのため、導波管１の開口部１ａに接続される外部付加回路の影響を受け難い構造になっている。また、図３からも明らかなように、この回路は可逆回路で、導波管側および同軸またはマイクロストリップ線路側の両方から相互に変換することができる。

この共振溝３の等価回路定数Ｌｓ、Ｃｓより共振する周波数ω_ｓおよび帯域幅を決定する共振のＱ値（帯域幅）は共振溝３のインピーダンスをＺｓとすると、
ω_ｓ＝１／（Ｌｓ・Ｃｓ）^1/2 （１）
Ｑ＝（Ｌｓ／Ｃｓ）^1/2／Ｚｓ（２）
すなわち、所望の阻止周波数ｆｓ（＝ω_ｓ／２π）および帯域幅Ｑ（＝ｆｓ／（ｆ１−ｆ２））となるように共振溝３の寸法を調整することにより、所望の周波数の信号を阻止することができる。なお、このＬｓおよびＣｓは、分布定数線路である導波管（共振溝３は導波管とみなせる）によって与えられるので、後述するように、共振周波数調整素子を共振溝３内に挿入することにより、その共振周波数および帯域幅を調整することができる。

この図１に示される構造の帯域阻止フィルタ内蔵伝送モード変換器の実施例における周波数に対する通過特性Ａおよび反射特性Ｂを図４に示す。図４から明らかなように、通過帯域１０.９ＧＨｚから１２.８ＧＨｚでは減衰は殆どなく、反射も少ない。また、阻止周波数帯域である１４〜１４.５ＧＨｚでは大きく減衰しており、所望の周波数帯域を阻止
した帯域阻止フィルタ内蔵伝送モード変換器となっている。

図５（ａ）は、本発明の帯域阻止フィルタ内蔵伝送モード変換器の他の実施形態を示す断面説明図である。すなわち、図５に示される例は、共振溝３に共振周波数調整素子４が挿入されている。共振周波数調整素子４は、たとえば金属製のポールまたは金属板などからなり、共振周波数調整素子４が共振溝３内に挿入されることにより、前述のように共振溝３は分布定数線路である導波管として作用しているため、誘導性および容量性のリアクタンスＬｓ、Ｃｓが変化する。すなわち、たとえば図５（ａ）に示されるように、導波管のＥ面側から金属ねじなどを挿入することにより、容量性素子として作用し、Ｌｓ、Ｃｓが変化するため、前述の式（１）および（２）に基づいて、共振周波数、すなわち阻止周波数およびその帯域幅を可変することができる。このときの図３（ａ）と同様の等価回路図を図５（ｂ）に示す。なお、図５（ｂ）において、図３と同じ部分には同じ符号を付してその説明を省略するが、共振周波数調整素子４の挿入長により、誘導性リアクタンスＬｓおよび容量性リアクタンスＣｓが変化するので、可変となっている。

図６は、本発明の変形例を示す図で、共振溝３が導波管１のショート面ではなく、Ｅ面（矩形導波管１の幅広面）に形成されているものである。このようなＥ面に共振溝３が形成されていても、前述の図１に示される例と同様に、導波管１に共振溝３の誘導性および容量性のリアクタンスであるＬｓとＣｓとが並列に接続された構造となり、図１に示される構造と全く同様に作用する。従って、図示されていないが、この共振溝３に周波数調整素子を挿入することにより、阻止周波数を可変にすることもできる。

以上のように、本発明によれば、伝送モード変換器を構成する導波管内部に阻止周波数で共振する共振溝が形成されているため、導波管と一体に誘導性および容量性リアクタンスが形成されており、しかもその誘導性および容量性リアクタンスが阻止周波数に対して共振するように設定されているため、外部の付加回路の影響を受けることなく、独立して所望の周波数および必要な帯域で阻止することができ、帯域阻止フィルタ内蔵の伝送モード変換器を得ることができる。

本発明による帯域阻止フィルタ内蔵伝送モード変換器の一実施形態を示す断面説明図である。図１の構造で導波管と共振溝との空洞部との関係を説明する図である。図１に示される変換器の等価回路図である。図１に示される変換器の通過特性と反射特性を示す図である。本発明による帯域阻止フィルタ内蔵伝送モード変換器の他の実施形態を示す断面説明図である。図１に示される共振器の変形例を示す断面説明図である。従来の帯域阻止フィルタ内蔵伝送モード変換器の一例を示す説明図である。図７に示される変換器の等価回路図である。

符号の説明

１導波管
１ａ開口部
１ｂショート面
１ｃ一壁面
１ｄ空洞部
２プローブ
３共振溝
４共振周波数調整素子
５共振溝

Claims

一端側に開口部を有し、他端側にショート面を有する矩形導波管と、該矩形導波管の一壁面から前記矩形導波管内に挿入されるプローブとを有し、導波管の伝送モードと非導波管線路の伝送モードとを相互に変換する伝送モード変換器において、前記矩形導波管のショート面またはＥ面に、所望の周波数で共振する共振溝を備え、該共振溝の共振周波数が阻止周波数とすることを特徴とする帯域阻止フィルタ内蔵伝送モード変換器。
前記共振溝の深さは、前記阻止周波数の前記共振溝内における管内波長をλgとして、
ｎ・λg／４（ｎは正の奇数）に形成されてなる請求項１記載の帯域阻止フィルタ
内蔵伝送モード変換器。
前記共振溝内に、共振周波数調整素子が挿入されてなる請求項１または２記載の帯域阻止フィルタ内蔵伝送モード変換器。