JP2007281775A - 偏波変換器 - Google Patents

Abstract

【課題】円形導波管内に偏波間相対位相差を実現するため、管内に特殊な加工を施して偏波変換器を構成する場合、波長が短い高周波数帯では加工する寸法が小さくなり、寸法公差も厳しくなって囲うが難しくなるという課題があった。
【解決手段】円形導波管１の内部に、梯子形の導体板３を用いて所望の偏波間相対位相差を実現するサセプタンス素子を平面的に構成した。梯子形導体板３の板厚ｔを極めて薄くするとともに、適当な切り込み２０を管軸に直交する方向に複数設けることにより、サセプタンス素子の寸法が比較的大きくなり、加工が容易，寸法精度の確保が容易となった。
【選択図】図１

Description

この発明はマイクロ波帯やミリ波帯などの周波数で、導波管内を通過する電磁波の偏波面を変換する偏波変換器に関するものである。

導波管を用いてマイクロ波帯やミリ波帯の電波を送信する際、導波管内の電波の偏波面を変換させる必要があるときがある。例えばアンテナから放射された電波の偏波面は、受信側の設備に対応した偏波面でなければならないから、送信側の導波管から送信用パラボラアンテナの反射器に電波を放射する前に、適切な偏波面に変換してから放射しなければならない。衛星通信設備、レーダなどの送信設備の他にも、電波望遠鏡や、ある種の科学実験設備などでも偏波面を変換しなければならない場合は多々、例がある。
特許文献１の図９、図１０には、円形導波管内の管軸を含む面内に誘電体の板を、管軸方向に所定の長さ挿入して偏波面を回転させるものが示されている。
非特許文献１の図１には円形導波管内にその管軸を含む面内の管壁に所定の長さのポストを配列することで偏波面を回転させるものが示されている。

上記特許文献１、非特許文献１に開示されたものは、いずれも前記誘電体板または前記ポストの存在する面内の偏波成分有する通過波には位相遅れが生じ、それと直交する面の偏波成分を有する通過波には位相遅れが生じないことを利用している。即ち、導波管に送り込む電磁波の偏波面を前記誘電体、または前記ポストを含む面に対して斜め（一般には４５度）にして送り込むと、送り込まれた電磁波は前記誘電体、または前記ポストを含む面の成分と、これに直交する成分の２つに分けて考えることが出来る、そして前記誘電体板または前記ポストの存在する面内の成分の電磁波は通過波に位相遅れが生じ、それと直交する面内の成分には位相遅れが生じない（相対位相差が生じるという）ので結果として偏波面がもとの偏波面に対して回転するのである。そして前記誘電体の板の管軸方向の長さ、または前記ポストの管軸方向の配列長さを適切に設定することにより、希望する任意の偏波面角度を得ることが出来る。

非特許文献２の図１．５７には、導波管内に誘電体板を挿入して偏波変換器を構成するものが開示されている。上述のとおり偏波変換器を実現するには直交する２つの偏波の相対位相差を所定の値に設定する必要がある。これはポストを用いる場合にはその太さと長さ寸法および位置を、誘電体板を用いる場合には選択した誘電体材料の比誘電率に応じて厚みおよび長さ寸法を適切に設計／加工することに帰着する。これら寸法は使用する周波数帯における波長に応じて定められるため、周波数が高くなると物理的に寸法が小さくなる。

例えば非特許文献１に示されたポスト（導体ポストとも言う）を用いた事例では、導体ポストの直径０。０４波長、間隔０。１９波長の設計例が示されているが、これらの寸法は例えばミリ波帯である周波数１００ＧＨｚにおいては１波長が約３ｍｍとなるため、直径は０．１２ｍｍ，間隔は０．５７ｍｍとなって極めて小さいため、導体ポストを実現する導体ネジの頭部や固定用のナットが物理的に干渉して設計が困難となるとか、加工そのものが困難となるという課題があった。

また加工の寸法精度は、使用する周波数帯における波長に応じて定められるため、高い周波数帯においては相対的に要求される公差が厳しくなる。Ｋｕ帯以上の高い周波数帯では±５０μｍ以下の寸法公差が要求されることが多く、実現不可能ではないものの、特にポストとして導体ネジを用いる場合にはその挿入長の調整に多くの時間を要し、また、誘電体板を用いる場合には、入手の容易な市場で流通しているものでは寸法公差が充分で無く、再加工を要するなどの工数の増加を招いてしまう。いずれの場合も高周波数化によって歩留まりの劣化によるコスト増加や、加工精度の高い工作機械を要することによる生産性への制約が生じるという課題があった。

特開平７−７４５０３号公報 武田、他、「金属ポスト形円偏波発生器」、三菱電機技報、Ｖｏｌ。５５、Ｎｏ。６、１９８１、ｐ。４４８−４５１。 Ｔａｋａｓｈｉ Ｋｉｔｓｕｒｅｇａｗａ、「Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ａｎｔｅｎｎａｓ」、Ａｒｔｅｃｈ Ｈｏｕｓｅ、Ｂｏｓｔｏｎ、１９９０、ｐ。８１−８６。

従来の偏波変換器は、使用する周波数帯における波長に応じて定められるため、周波数が高くなると物理的に寸法が小さくなり、導体ポストを用いる場合にはその寸法および位置を、誘電体板を用いる場合には選択した誘電体材料の比誘電率に応じて厚みおよび長さを精度よく下降しなければならないが、要求されるその寸法精度が周波数が高くなるときわめて厳しくなり加工が難しいという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、使用する周波数が高くなっても、高性能で生産性が良く低コストな偏波変換器を実現することを目的とする。

この発明の偏波変換器は、内径Ｄ、板厚ｄなる円形導波管、この円形導波管の内壁に管軸に平行に設けた深さがｄより浅い第１の溝、この第１の溝の位置の管軸に対して対称な内壁位置に設けた深さがｄより浅い第２の溝、
前記第１の溝と前記第２の溝に挿入され、前記管軸に直交する方向の長さがＤなる複数の切り込みを有する梯子形導体板を備えたものである。

この発明の偏波変換器は、偏波変換器として複数の誘導性サセプタンス素子を一体の梯子形の導体板として構成するため平面的に加工すればよく、通常のワイヤカット、旋盤やＮＣ加工機などでの容易に加工可能で寸法精度の確保が容易となる効果を有する。

また、偏波変換器として複数の誘導性サセプタンス素子を一体の梯子形の導体膜により構成し、その厚みを１８μｍ程度と極めて薄くできるため、導体膜を有する誘電体基板に直交する偏波成分に対する影響が極めて小さく、設計精度を向上する効果を有する。またフォトエッチング等により導体膜形状を加工すれば、その寸法誤差を導体厚み程度に抑圧することが可能である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による偏波変換器の構成を示す斜視図で、一部を切断して内部を示した図である。図２は図１の断面図、図３は図２のものの左正面図、図４は同じく右正面図である。なお、以後の説明の都合上、管軸方向にＺ軸、これに直交する方向に図１に記載のようにＸ軸、Ｙ軸をとる。各図において断面がほぼ真円状の円形導波管１のＺ軸とＸ軸が含まれる面内でＸ軸方向に正対する管内壁に一対の溝２を管軸に平行に設けている。即ち２つの溝２は互いに１８０度の対称位置にある。この２つの溝２の中に、溝２に沿ってＺ−Ｘ面内に梯子形導体板３を挿入する。円形導波管１の管壁の厚みはｄである。溝２の幅は梯子形導体板３の板厚ｔと同じか、ごくわずか大きくしてある。溝２の深さ（Ｘ方向の管壁への溝の深さ）は管壁の板厚ｄより小さい。

梯子形導体板３はＸ軸方向に設けた複数の切り込み２０によって仕切られた複数の段４をもっている。切り込み２０の長さ（Ｘ軸方向の長さ）は管の内径Ｄと同寸法である。段４は図ではＸ軸に平行に図示しているが厳密に平行でなくてもそれなりの性能は得られる。梯子形導体板３の厚みｔは前述のとおり溝２の幅と同じかわずか小さい。ｗｉはｉ番目の段４の幅、ｐは各々の段の間隔で図２ではほぼ等間隔としている。Ｓ１は入力側の管端、Ｓ２は出力側の管端、Ｅ１は導体板の挿入面に垂直であるｙ軸に対して角度αをなす方向に偏波面を有する入力端における励振偏波の偏波面の方向、Ｅｘ１およびＥｙ１はそれぞれ入力側管端Ｓ１における励振偏波のｘ方向成分およびｙ方向成分、Ｅ２は出力側管端Ｓ２における励振偏波面のなす角を示す。Ｅｘ２およびＥｙ２は、それぞれ出力端における励振偏波のｘ方向成分およびｙ方向成分である。なお、図３は図２のものを図に向かって左側から見た図、図４は図２のものを図に向かって右側から見た図なので、図３のｙ軸は右向きが正、図４のｙ軸は左向が正となっている。

動作原理について説明を行う。まず円形導波管１の直径Ｄは使用する周波数帯域において基本モードであるＴＥ１１モードのみが伝搬し、他の高次モードは遮断となる径を与える。また段４の長さ（Ｘ方向の寸法、切り込み２０のＸ方向寸法と同じ）は円形導波管の直径Ｄと同一とする。

次に入力端における励振偏波Ｅ１を、図３に示すように、その偏波面αがｙ軸から４５度傾いた方向（梯子形導体板３の面に対しても４５度）となるようにＴＥ１１モードにて励振する。この場合、励振偏波Ｅ１のｘ方向成分Ｅｘ１およびｙ方向成分Ｅｙ１は等振幅かつ同位相となる。ここで梯子形導体板３が有する各々の段４は、これに平行なｘ方向成分に対しては誘導性サセプタンスを呈するサセプタンス素子として機能し、通過位相を進める。一方でｙ方向成分の電界に対しては梯子形導体板３が直交するため、その厚み寸法ｔが波長に比して充分に短ければ位相にはほとんど影響がない。

したがって管軸方向に伝搬し、出力端Ｐ２に到達した梯子形導体板３に平行な偏波成分Ｅｘｏと、梯子形導体板３に垂直な偏波成分Ｅｙｏが等振幅かつ９０度の位相差となるよう、個々の段４の厚みｔ、幅ｗｉ、数量ｎ、間隔ｐを与えることにより、出力端での励振偏波Ｅ２が円偏波となり、円偏波発生器が実現できる。

また管軸方向に伝搬し出力端Ｐ２に到達した段４に平行な偏波成分Ｅｘｏと、垂直な偏波成分Ｅｙｏの通過移相差が１８０度となるよう各部の寸法を与えた場合には、入力端と出力端でｘ方向の偏波成分が逆向きとなるため、出力端での励振偏波Ｅ２と入力端での励振偏波Ｅ１はｙ軸に対して線対称となり、等価的に偏波角が２αだけ回転する。よってこの場合には直線偏波の偏波面変換器が実現でき、図４に示すようにβの角度となる。この場合には偏波面の回転角βは上述のように２αに等しい。

図５および図６に、それぞれ実施の形態１による偏波変換器の、ｘおよびｙ方向偏波成分に対する等価回路を示す。図において、５および７は梯子形導体板３のｉ番目の段４が成すサセプタンス素子、６および８は各々の段の間の円形導波管部に対応する伝送線路部であり、ｐはサセプタンス素子５および７の管軸方向の間隔である。
ここでｉ番目の段４におけるｘおよびｙ方向偏波成分の通過移相量φｘｉおよびφｙｉは次式で表される。

式（１）および（２）においてλｇｘ、Ｙ０ｘ、Ｂｘｉはそれぞれｘ方向偏波成分の円形導波管における管内波長、特性アドミタンス、ｉ番目の段４のサセプタンスである。
また、λｇｙ、Ｙ０ｙ、Ｂｙｉはそれぞれｙ方向偏波成分の円形導波管における管内波長、特性アドミタンス、ｉ番目の段４のサセプタンスである。

上述のとおり、ｙ方向偏波成分に対するサセプタンスＢｙｉが無視でき（Ｂｙｉ＝０）、ｘ方向偏波成分に対するサセプタンスＢｘｉも、結果として良好な反射特性に調整された後には円形導波管の特性アドミタンスに対して充分に小さく設定される（Ｂｘｉ＜＜Ｙ０ｘ）ことを考えると、λ０を自由空間中の波長としてｉ番目の段４における偏波間位相差△φｉは以下のように近似できる。

ここでλｇｘおよびλｇｙはそれぞれｘおよびｙ方向偏波成分の管内波長である。本実施の形態１においては、中空の円形導波管であるためｘおよびｙ方向偏波成分の実効誘電率εｘおよびεｙはいずれも１で、式（４）および式（５）の値は一致する。よって式（３）は（６）式のとおりさらに簡略化できる。
式（６）を用いて、偏波変換器が有する１からｎ番目までの全てのサセプタンス素子５を通過した場合の偏波間位相差△φについて以下のように表すことができる。

ここでＢｘ０はｘ方向成分に対するサセプタンス全ての平均値であり、式（７）によって定められる。したがって、偏波変換器として動作するために必要なサセプタンスの総和が定められることから、良好な反射整合特性を得るために必要な各々のサセプタンス値Ｂｘｉを有する段４の幅ｗｉ、厚みｔ、数量ｎおよび間隔ｐを与えればよい。

図１の場合について、具体例により説明する。例えば管径Ｄが０．７λ程度の場合、段４の数ｎは、反射を極力減らすという観点から、少なくとも６以上に設定する。また、加工があまりに複雑化するのを避けるという観点からｎは３０以下とすることが好ましい。即ち、切り込み２０の数は段４の数より１つ少ない５〜２９程度となる。
ｎを６〜３０程度とした場合、梯子形導体板３の厚みｔは銅板又はアルミ板を活用するという観点から、例えば５０μｍ〜０．５ｍｍ程度のものを用いたとすると、ｗｎは０．５〜数λ程度、Ｐは数λとなる。なお、ｗｎは図１に示すように導波管の軸方向中央に対して対称に、徐々に寸法を変化させておくことが、反射を軽減するためには好ましい。

この発明の偏波変換器によれば、各サセプタンス素子を一体の梯子形の導体板３にて実現しているため、平面的な加工で済むことから工作性が良く、また相対位置の誤差も最小限に抑えることができる。

なお、図では２つの溝２は同一寸法であるかのように図示しているが、必ずしも同一である必要はない。例えば一方の溝を第１の溝、他方を第２の溝と呼ぶ場合、第１の溝の深さと第２の溝の深さとは異なっていてもよい。幅も同様に異なる幅としてもよいが、溝２の幅よりも梯子形導体板３の板厚が極端に薄い場合には、導体板３が固定されないという不具合と、管内壁の沿面距離が大きくなってしまうという不具合が生じるので、隙間に導電性の詰め物、例えば導電性塗料を塗布したり、楔を打ち込むなどしてもよい。切り込み２０は図では矩形としているが、例えば打ち抜き加工を容易にするため四隅の角に丸みをつけるなど多少の変更は行ってもよい。

実施の形態２．
実施の形態１における梯子形導体板３の板厚を極端に薄くすると円形導波管１の溝２に梯子形導体板３を挿入することが難しくなる。これを解決した偏波変換器の構成を図７に示す。図７は理解を助けるため分解した状態を示している。管軸を含む１つの面で対称に２分割された一対の導波管ブロック１０（２分割管）を用いて梯子形導体板３を挟み込むことにより偏波変換器を構成しても発明の実施例１と同様の効果が得られる。導波管ブロック１０は組み立てた後に真円となるようにするため、各ブロックの深さｆは円形導波管１を２分割したＤ／２よりも、梯子形導体板３の板厚ｔの１／２だけ寸法を小さくしてある。

円形導波管１に溝加工を施す際には、ワイヤカットが有力な加工方法であるが、長さの上限制約やワイヤ径による制約があるため、一般に３０ｃｍ以上の管軸長を有するものや、梯子形の導体板３の厚みがワイヤ径の０．４ｍｍ程度より薄い場合には、実施の形態２の加工方法の方が製作が容易となる。この本実施の形態の偏波変換器は、複数の誘導性サセプタンス素子を成す梯子形の導体板と、円形導波管を管軸が含まれる面で二等分割し組立後の導波管断面形状が真円となる内面形状を有する一対の導体ブロック１０を有し、両導体ブロックの分割面に導体板３を挟んで固定したものである。固定方法は例えば両ブロックにねじ止め用の金具を取り付けておいたり、バンドで互いを結束するなど、いろいろな方法が容易に考えられるので、図示説明は省略する。

実施の形態３．
図７はこの発明の実施の形態３による偏波変換器の構成を示す断面面図である。図８は図７の入力端Ｓ１から見た正面図、図９は図７の出力端Ｓ２から見た正面図である。この発明の実施の形態３による偏波変換器の構成を示す断面面図および正面図である。図において１は円形導波管、２は円形導波管１に設けられた管軸（ｚ軸）が含まれる面内でｘ軸方向に正対する一対の溝、１２は円形導波管１に設けられた溝２に沿ってｚ−ｘ面内に挿入された誘電体基板、１３は誘電体基板１２の片面に設けられた梯子形の導体膜（基板パターン）、１４は梯子形の導体膜１３が有する段、ｔは誘電体板１２の厚み、ｔ０は梯子形の導体膜１３の厚み、ｗｉはｉ番目の段１４の幅（管軸方向の長さ）、ｐは各々の段の間隔、Ｓ１は入力端、Ｓ２は出力端、Ｅ１は導体板の挿入面に垂直であるｙ軸に対して角度αをなす方向に偏波面を有する入力端における励振偏波、Ｅｘ１およびＥｙ１はそれぞれ入力端における励振偏波のｘ方向成分およびｙ方向成分、Ｅ２は出力端における励振偏波であり、Ｅｘ２およびＥｙ２はそれぞれ出力端における励振偏波のｘ方向成分およびｙ方向成分である。なお、図９ではｙ軸の正は左向きになる。

次に動作について説明する。偏波変換器の動作原理としては発明の実施の形態１と概ね同様で、誘電体基板１２が有する梯子形の導体膜１３を構成する各段１４が、これに平行なｘ方向成分に対しては誘導性サセプタンスを呈するサセプタンス素子として機能することで、直交偏波成分間の通過位相の相対差を所望の値とするものであるが、誘電体基板１２の影響を加味して設計を行う必要がある。

具体的に説明を行う。図７の偏波変換器の等価回路は実施の形態１の図５および図６と全く同一であり、ｉ番目の段１４による偏波間位相差△φｉも式（３）から式（５）を用いて表現できる。本実施の形態３においては、式（４）および式（５）におけるｘおよびｙ方向偏波成分の実効誘電率εｘおよびεｙが異なり、誘電体の挿入方向と同一の偏波方向となるｘ方向偏波成分に対する実効誘電率εｘが相対的に大きくなる。したがって、本実施の形態においては、式（３）を式（６）のように簡略化することは出来ないため、偏波変換器が有する１からｎ番目までの全てのサセプタンス素子を通過した場合の偏波間位相差△φは以下のように表される。

ここでＢｘ０はｘ方向成分に対するサセプタンス全ての平均値である。したがって偏波変換器として動作するために必要なサセプタンスの総和が定められることから、良好な反射整合特性を得るために必要な各々のサセプタンス値Ｂｘｉを有する段１４の幅ｗｉ、厚みｔ０、数量ｎ、間隔ｐと誘電体基板の誘電率εおよび基板厚ｔによって定められる管内波長λｇｘおよびλｇｙを与えればよい。

本実施の形態３の偏波変換器によれば、発明の実施の形態１の偏波変換器の効果に加えて、偏波間位相差△φの内の誘電体基板による成分と梯子形の導体膜１３が有する段１４のサセプタンスによる成分を任意に選定できることから設計の自由度が増すため、広帯域化や加工性の良い寸法の制約条件を加えるなど高性能化を施すことが可能となる効果を有する。また、導体膜の機械的強度が誘電体基板で保持されるので、導体膜の厚みを１８μｍ程度と極めて薄くすることができるため、導体膜を有する誘電体基板に直交する偏波成分に対する影響が極めて小さく、加工精度を向上し、偏波変換精度を向上する効果を有する。またフォトエッチング等により導体膜形状を加工すれば、その寸法誤差を導体厚み程度に抑圧することが可能であるため、より高精度な加工がより容易に行うことが出来る。

この発明の実施の形態１の偏波変換器の外観を示す斜視図である。 図１の偏波変換器の断面図である。 図１の偏波変換器のＳ１側正面図である。 図１の偏波変換器のＳ２側正面図である。 図１の偏波変換器のｘ方向偏波成分に対する等価回路図である。 図１の偏波変換器のｙ方向偏波成分に対する等価回路図である。 実施の形態２の偏波変換器の分解図である。 この発明の実施の形態３の偏波変換器の構成を示す断面図である。 図８の偏波変換器のＳ１側正面図である。 図８の偏波変換器のＳ２側正面図である。

符号の説明

１ 円形導波管、 ２ 溝、 ３ 梯子形導体板、 ４ 段、
５、７ サセプタンス素子、
６、８ 伝送線路部、 １０ ２分割導波管、
１２ 誘電体基板、 １３ 導体膜、 ２０ 切り込み。

Claims (6)

1. 内径Ｄ、板厚ｄなる円形導波管、この円形導波管の内壁に管軸に平行に設けた深さがｄより浅い第１の溝、この第１の溝の位置の前記管軸に対して対称な内壁位置に設けた深さがｄより浅い第２の溝、
   前記第１の溝と前記第２の溝に挿入され、前記管軸に直交する方向の長さがＤなる複数の切り込みを有する梯子形導体板を備えたことを特徴とする偏波変換器。
2. 管の内径Ｄなる円形導波管を管軸に対象に２分割して得られた２つの２分割管、
   互いに平行し、それぞれの長さがＤなる複数の切り込みを有する梯子形導体板、
   前記切り込みの方向が前記円形導波管の管軸に直交するように前記梯子形導体板を間にはさんで、前記２つの２分割管を保持したことを特徴とする偏波変換器。
3. 前記２分割管の深さは、前記Ｄの１／２の寸法から前記梯子形導体板の板厚の１／２の寸法を除した寸法であることを特徴とする請求項２に記載の偏波変換器。
4. 前記切り込みの数は５以上、３０以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の偏波変換器。
5. 前記梯子形導体板の板厚はこの偏波変換器を通過させる波長の１／１０以下であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の偏波変換器。
6. 前記梯子形導体板は，誘電体基板の一面に構成された導体膜であることを特徴とする請求項１、４、５のいずれか一項に記載の偏波変換器。

Images