JP2007295368A - 導波管電力分配器 - Google Patents

Abstract

【課題】設計が容易で良好な分配特性を有する導波管電力分配器を得る。
【解決手段】導波管１と、導波管１の幅広面から挿入されたプローブ３とを備えた導波管電力分配器において、導波管１は、プローブ３が挿入された位置に、幅広面の幅を部分的に狭めた導波管幅狭部４を有する。プローブ３が挿入された位置に、幅広面の幅を部分的に狭めた導波管幅狭部４を設けることにより、導波管端子５から見たインピーダンスを実数とすることができ、この結果、所望の分配特性を有する導波管電力分配器の設計が容易になる。
【選択図】図１

Description

本発明は、主としてマイクロ波帯およびミリ波帯で用いる電力分配器に関し、より詳細には導波管電力分配器に関する。

電力分配器は、高周波信号を分配および合成するために広く用いられている。低損失な電力分配器の構成としては、方形導波管の幅広面の管壁から、プローブを挿入して結合させる導波管電力分配器の構成が報告されている（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１に記載された導波管電力分配器は、複数のプローブを方形導波管の管内波長に等しい間隔で配置し、さらに、給電ピンの長さが方形導波管の端部に向かうにしたがって長くなるようにすることにより、高周波信号を等振幅で分配する構成を備えている。

特開平７−２２８３８号公報

しかしながら、従来技術には次のような課題がある。特許文献１のような従来の導波管電力分配器において、インピーダンス整合と等振幅分配特性とを同時に実現するためには、各プローブのサセプタンス成分を考慮しながら、すべてのプローブの長さを変えて設計する必要がある。その結果、設計が非常に煩雑になるという問題があった。

本発明は上述のような課題を解決するためになされたもので、設計が容易で良好な分配特性を有する導波管電力分配器を得ることを目的とする。

本発明に係る導波管電力分配器は、導波管と、導波管の幅広面から挿入されたプローブとを備えた導波管電力分配器において、導波管は、プローブが挿入された位置に、幅広面の幅を部分的に狭めた導波管幅狭部を有するものである。

本発明によれば、プローブが挿入された位置に、幅広面の幅を部分的に狭めた導波管幅狭部を設けることにより、導波管端子から見たインピーダンスを実数とすることができ、設計が容易で良好な分配特性を有する導波管電力分配器を得ることができる。

以下、本発明の導波管電力分配器の好適な実施の形態につき、図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における導波管電力分配器を示す断面図である。また、図２は、本発明の実施の形態１における図１の導波管電力分配器のＡ−Ａ’断面図である。さらに、図３は、本発明の実施の形態１における図１の導波管電力分配器のＢ−Ｂ’断面図である。ここで、図１に示した断面図は、図２および図３におけるＣ−Ｃ’断面図に相当する。

これらの図１〜図３において、導波管電力分配器は、導波管に相当する方形導波管１、同軸線路２、プローブ３、方形導波管１の側壁に設けられた金属隔壁４、方形導波管１に設けられた導波管端子５ａ、５ｂ、および同軸線路２に設けられた同軸端子６を備えている。

同軸線路２の先端に設けられたプローブ３を、方形導波管１の幅広面の中央部から垂直に挿入することにより、方形導波管１と同軸線路２との間の高周波信号を結合させる構造となっている。また、金属隔壁４は、方形導波管１のプローブ３が挿入された位置の幅広面の幅を狭めるように、方形導波管１の側壁から導波管内部に突き出す形で設けられており、導波管幅狭部に相当する。

図４は、本発明の実施の形態１における導波管電力分配器の導波管端子５ａから見たインピーダンス特性（スミスチャート）の計算結果を示す図である。ここで、図４は、２つのインピーダンス特性１０１、１０２を示している。インピーダンス特性１０１は、金属隔壁４を設けない場合のプローブ３の位置におけるインピーダンス特性を示したものである。これに対して、インピーダンス特性１０２は、金属隔壁４を設けた場合のプローブ３の位置におけるインピーダンス特性を示したものである。

インピーダンス特性１０１は、プローブ３の寄生サセプタンスの影響により、インピーダンス特性が容量性となっている。これに対し、インピーダンス特性１０２は、金属隔壁４を設けることにより、設計周波数付近におけるインピーダンスが実数になっていることがわかる。

次に、本実施の形態１における導波管電力分配器の動作について説明する。
導波管端子５ａから方形導波管１に入力された高周波信号は、一部がプローブ３に結合して同軸線路２を通って同軸端子６に出力され、残りは、そのまま方形導波管１を伝搬して導波管端子５ｂに出力される。

このとき、先の図４に示したように、方形導波管１内のプローブ３が挿入された位置に金属隔壁４を設け、方形導波管１の幅広面の幅を狭めることにより、導波管端子５ａから見たインピーダンスを実数にすることができる。このため、プローブ３が有するサセプタンスによる反射が生じることなく、導波管端子５ｂと同軸端子６の負荷に応じた分配比で高周波信号を分配することが可能となる。

以上のように、実施の形態１によれば、方形導波管内のプローブが挿入された位置に、方形導波管の幅広面の幅を部分的に狭める金属隔壁を設けることにより、導波管端子から見たインピーダンスを実数とすることができる。この結果、高周波信号の分配比は、導波管端子と同軸端子との負荷で決まることとなり、所望の分配特性を有する導波管電力分配器の設計が容易になる。

なお、本実施の形態１における図１〜図３に示した例では、プローブが挿入された位置の方形導波管の幅広面の幅を狭めるために、プローブの両側に金属隔壁を設けたが、金属隔壁をプローブの片側のみに設けた場合にも、両側に設けた場合と同様の効果が得られる。

また、図５および図６は、本発明の実施の形態１における別の導波管電力分配器を示す断面図である。図１〜図３では、プローブ３が挿入された位置の方形導波管１の幅広面の幅を狭めるために、プローブ３の両側に金属隔壁４を設けた。これに対して、図５および図６では、導波管幅狭部として金属隔壁４に代えて金属ポスト７を設けており、このような構成によっても同様の効果が得られる。

また、本実施の形態１では、プローブ３を方形導波管１の幅広面の中央部に挿入したが、方形導波管１の側壁に寄せた位置に挿入してもよい。

実施の形態２．
図７は、本発明の実施の形態２における導波管電力分配器を示す断面図である。また、図８は、本発明の実施の形態２における図７の導波管電力分配器のＢ−Ｂ’断面図である。ここで、図７に示した断面図は、図８におけるＡ−Ａ’断面図に相当する。本実施の形態２における導波管電力分配器は、先の実施の形態１における導波管電力分配器を複数並べ、それぞれの導波管端子同士を直列に接続したものである。

図７および図８は、３つの導波管電力分配器を直列接続した場合を示している。そして、この導波管電力分配器は、方形導波管１、同軸線路２ａ〜２ｃ、プローブ３ａ〜３ｃ、方形導波管１の側壁に設けられた金属隔壁４ａ〜４ｃ、方形導波管１に設けられた導波管端子５、および同軸線路２ａ〜２ｃにそれぞれ設けられた同軸端子６ａ〜６ｃを備えている。さらに、この導波管電力分配器は、方形導波管１の導波管端子５とは反対側の端部に設けられた導波管短絡部８を備えている。

同軸線路２ａ〜２ｃのそれぞれの先端に設けられたプローブ３ａ〜３ｃを、それぞれ方形導波管１の幅広面の中央部から垂直に挿入することにより、方形導波管１と同軸線路２ａ〜２ｃのそれぞれと間の高周波信号を結合させる構造となっている。複数のプローブ３ａ〜３ｃは、使用周波数における方形導波管１の管内波長のおよそ１／２の整数倍の間隔で配置されている。

また、導波管短絡部８は、３つのプローブ３ａ〜３ｃの中で導波管端子５から最も遠いプローブ３ｃから、使用周波数における方形導波管１の管内波長のおよそ１／４離れた位置に設けられている。一方、複数の導波管幅狭部に相当する金属隔壁４ａ〜４ｃは、それぞれ方形導波管１のプローブ３ａ〜３ｃが挿入された位置の幅広面の幅を狭めるように、方形導波管１の側壁から導波管内部に突き出す形で設けられている。

次に、実施の形態２における導波管電力分配器の動作について説明する。
導波管端子５から方形導波管１に入力された高周波信号は、一部がプローブ３ａ〜３ｃに結合しながら方形導波管１を伝搬し、方形導波管１の反対側の端面に設けられた導波管短絡部８で反射されて、方形導波管１内に定在波を形成する。

この定在波の電磁界分布に対して、プローブ３ａ〜３ｃは、電界の強い位置（定在波の腹）に挿入されているため、方形導波管１内を伝搬する高周波信号を効率よくプローブ３ａ〜３ｃに結合させることができる。

さらに、方形導波管１内のプローブ３ａ〜３ｃが挿入された位置のそれぞれに、方形導波管１の幅広面の幅を部分的に狭める金属隔壁４ａ〜４ｃを設けることにより、導波管端子５から見たインピーダンスを実数にすることができる。このため、プローブが有するサセプタンスによる反射が生じることなく、方形導波管１から同軸端子６ａ〜６ｃ側を見た負荷に応じた分配比で高周波信号を分配することができる。

この実施の形態２において、プローブ３ａ〜３ｃおよび金属隔壁４ａ〜４ｃの形状を同一にし、同軸端子６ａ〜６ｃを終端する負荷を等しくすれば、方形導波管１から同軸端子６ａ〜６ｃ側を見た負荷がすべて等しい抵抗分のみとなり、同軸端子６ａ〜６ｃから等振幅の信号を取り出すことができる。

また、方形導波管１に挿入するプローブ３ａ〜３ｃの長さを調整するか、もしくは、プローブ３ａ〜３ｃを挿入する位置を方形導波管１の管軸に垂直な方向に調整することにより、方形導波管１と同軸線路２ａ〜２ｃ間の結合量を変化させることができる。このため、プローブ３ａ〜３ｃの長さおよび挿入位置と、金属隔壁４ａ〜４ｃの寸法とを適切に選ぶことにより、導波管端子５とインピーダンス整合のとれた導波管電力分配器を実現することができる。

また、プローブ３ａ〜３ｃを方形導波管１の管内波長のおよそ１／２の間隔で配置した場合には、隣り合う同軸端子から取り出される信号間の位相は、逆相となる。一方、プローブ３ａ〜３ｃを方形導波管１の管内波長にほぼ等しい間隔で配置した場合には、隣り合う同軸端子から取り出される信号間の位相は、同相となる。

以上のように、実施の形態２によれば、方形導波管内の複数のプローブが挿入された位置のそれぞれに、方形導波管の幅広面の幅を部分的に狭める金属隔壁を設けたため、導波管端子から見たインピーダンスを実数にすることができる。この結果、方形導波管から同軸端子側を見た負荷が抵抗分のみとなり、サセプタンス成分に応じた各プローブの調整が不要となり、所望の分配特性を有する導波管電力分配器の設計が容易になる。

さらに、等振幅の信号に分配する場合には、複数のプローブのそれぞれ、および複数の金属隔壁のそれぞれの形状が同一となるため、構造が簡単になる。

なお、本実施の形態２における図７、図８に示した例では、プローブ３ａ〜３ｃが挿入されたそれぞれの位置の方形導波管１の幅広面の幅を狭めるために、プローブ３ａ〜３ｃのそれぞれの両側に金属隔壁４ａ〜４ｃを設けたが、金属隔壁４ａ〜４ｃをプローブ３ａ〜３ｃの片側のみに設けた場合にも、両側に設けた場合と同様の効果が得られる。

また、本実施の形態２における図７、図８に示した例では、プローブ３ａ〜３ｃが挿入された位置の方形導波管１の幅広面の幅を狭めるために、プローブ３ａ〜３ｃの両側に金属隔壁４ａ〜４ｃを設けた。これに対して、導波管幅狭部として金属隔壁４ａ〜４ｃに代えて金属ポスト（図示せず）を設けた場合にも、同様の効果が得られる。

実施の形態３．
図９は、本発明の実施の形態３における導波管電力分配器を示す断面図である。また、図１０は、本発明の実施の形態３における図９の導波管電力分配器のＢ−Ｂ’断面図である。ここで、図９に示した断面図は、図１０におけるＡ−Ａ’断面図に相当する。本実施の形態３における導波管電力分配器は、先の実施の形態２の構成において、複数の導波管幅狭部である金属隔壁４ａ〜４ｃの中で、導波管短絡部８に最も近い金属隔壁４ｃの寸法、および導波管短絡部８の位置を変えたものである。ここで、導波管短絡部８に最も近い金属隔壁４ｃは、端部側導波管幅狭部に相当する。

本実施の形態３における図９および図１０の導波管電力分配器は、導波管短絡部８をプローブ３ｃから使用周波数における方形導波管１の管内波長のおよそ１／４よりも近い位置に設けている。この場合、方形導波管１のプローブ３ｃを挿入した位置から、導波管短絡部８を見たアドミタンスが誘導性サセプタンス成分を有する。

したがって、図９に示すように、金属隔壁４ｃの凸部を小さくして、方形導波管１のプローブ３ｃを挿入した位置の幅広面の幅を、実施の形態２に比べて広くして、プローブ３ｃが容量性サセプタンスを有するようにする。この結果、プローブ３ｃの容量性サセプタンスと導波管短絡部８の誘導性サセプタンスとが互いに打ち消し合うため、実施の形態２と同様の効果を有する導波管電力分配器が得られる。

以上のように、実施の形態３によれば、導波管短絡部に最も近い端部側導波管幅狭部に相当する金属隔壁の凸部の寸法を小さくすることにより、その金属隔壁から導波管短絡部までの長さを短くして、先の実施の形態２と同様の効果を得ることができる。この結果、導波管電力分配器を小形化することができる。

実施の形態４．
本実施の形態４では、誘電体基板を備えた導波管を用いる場合について説明する。図１１は、本発明の実施の形態４における導波管電力分配器を示す断面図である。本実施の形態４における導波管電力分配器は、先の実施の形態１〜３における導波管電力分配器と比較すると、方形導波管１として誘電体基板９を備えている点が主に異なる。

また、図１２は、本発明の実施の形態４における図１１の導波管電力分配器の誘電体基板９の上面図である。また、図１３は、本発明の実施の形態４における図１１の導波管電力分配器の誘電体基板９の下面図である。さらに、図１４は、本発明の実施の形態４における図１１の導波管電力分配器のＡ−Ａ’断面図である。ここで、図１１に示した断面図は、図１２ないし図１４におけるＢ−Ｂ’断面図に相当する。

図１１〜図１４の導波管電力分配器は、方形導波管１、プローブ３ａ〜３ｃ、方形導波管１の側壁に設けられた金属隔壁４ａ〜４ｃ、方形導波管１に設けられた導波管端子５、導波管短絡部８、誘電体基板９、金属シャーシ１０、地導体パターン１１、スルーホール１２ａ〜１２ｃ、ストリップ導体パターン１３ａ〜１３ｃ、およびマイクロストリップ端子１４ａ〜１４ｃを備えている。

シャーシに相当する金属シャーシ１０は、金属の他、表面がめっきされた誘電体など、表面に導電性を有するものであればよい。地導体パターン１１は、誘電体基板９の下面に形成されている。そして、掘り込みを設けた金属シャーシ１０の上に、地導体パターン１１を金属シャーシ１０側に設けた誘電体基板９を重ねることにより、方形導波管１を構成している。さらに、スルーホール１２ａ〜１２ｃが、誘電体基板９に形成されている。

そして、このスルーホール１２ａ〜１２ｃには、それぞれプローブ３ａ〜３ｃが挿入され、はんだ、あるいは導電性接着剤などで固定されている。また、ストリップ導体パターン１３ａ〜１３ｃが、誘電体基板９の上面に形成され、それぞれスルーホール１２ａ〜１２ｃに接続されている。

誘電体基板９と地導体パターン１１とストリップ導体パターン１３ａ〜１３ｃから、それぞれマイクロストリップ線路が構成され、マイクロストリップ端子１４ａ〜１４ｃを端部に有している。また、図１１に示すように、スルーホール１２ａ〜１２ｃは、地導体パターン１１とは接続されていない。

本実施の形態４では、誘電体基板９および金属シャーシ１０により方形導波管１を構成している。また、プローブ３ａ〜３ｃが、それぞれスルーホール１２ａ〜１２ｃを介して、ストリップ導体パターン１３ａ〜１３ｃに接続されている。

方形導波管１のプローブ３ａ〜３ｃが挿入される位置には、金属シャーシ１０に掘り込みで形成された金属隔壁４ａ〜４ｃが導波管幅狭部として設けられており、導波管端子５から見たインピーダンスを実数にすることができる。この結果、実施の形態２あるいは実施の形態３と同様の動作原理による、出力がマイクロストリップ線路で構成された導波管電力分配器を得ることができる。

なお、上述の実施の形態４では、１つのプローブから１つのストリップ導体パターンに接続される場合を説明したが、複数のストリップ導体パターンを接続するように構成することもできる。図１５は、本発明の実施の形態４における複数のストリップ導体パターンを有する導波管電力分配器の誘電体基板９の上面図である。このような構成にすれば、分配数の多い多分配器を、小形に構成できる。

さらに、誘電体基板を備えた本実施の形態４における導波管を、先の実施の形態２または３における方形導波管１として用いることが可能である。すなわち、本実施の形態４の導波管電力分配器において、金属隔壁４ａ〜４ｃをプローブ３ａ〜３ｃの両側ではなく片側のみに設けた場合にも、同様の効果が得られる。また、導波管幅狭部として金属隔壁４ａ〜４ｃに代えて金属ポスト（図示せず）を設けた場合にも、同様の効果が得られる。

さらに、導波管短絡部に最も近い端部側導波管幅狭部に相当する金属隔壁の凸部の寸法を小さくすることにより、その金属隔壁から導波管短絡部までの長さを短くして、先の実施の形態２と同様の効果を得ることができる。この結果、導波管電力分配器を小形化することができる。

以上のように、実施の形態４によれば、誘電体基板と、導波管幅狭部を有するシャーシとを備えた導波管を用いることにより、プローブから直接マイクロストリップ線路に接続される構成を有する導波管電力分配器を実現でき、先の実施の形態２、３と同様の効果を得ることができる。この結果、マイクロストリップ線路出力の導波管電力分配器を薄型化することができる。さらに、金属シャーシに直接誘電体基板を重ねて方形導波管を構成することにより、構成部品が少なく構造が簡単になる。

本発明の実施の形態１における導波管電力分配器を示す断面図である。 本発明の実施の形態１における図１の導波管電力分配器のＡ−Ａ’断面図である。 本発明の実施の形態１における図１の導波管電力分配器のＢ−Ｂ’断面図である。 本発明の実施の形態１における導波管電力分配器の導波管端子から見たインピーダンス特性の計算結果を示す図である。 本発明の実施の形態１における別の導波管電力分配器を示す断面図である。 本発明の実施の形態１における別の導波管電力分配器を示す断面図である。 本発明の実施の形態２における導波管電力分配器を示す断面図である。 本発明の実施の形態２における図７の導波管電力分配器のＢ−Ｂ’断面図である。 本発明の実施の形態３における導波管電力分配器を示す断面図である。 本発明の実施の形態３における図９の導波管電力分配器のＢ−Ｂ’断面図である。 本発明の実施の形態４における導波管電力分配器を示す断面図である。 本発明の実施の形態４における図１１の導波管電力分配器の誘電体基板の上面図である。 本発明の実施の形態４における図１１の導波管電力分配器の誘電体基板の下面図である。 本発明の実施の形態４における図１１の導波管電力分配器のＡ−Ａ’断面図である。 本発明の実施の形態４における複数のストリップ導体パターンを有する導波管電力分配器の誘電体基板の上面図である。

符号の説明

１ 方形導波管（導波管）、２、２ａ〜２ｃ 同軸線路、３、３ａ〜３ｃ プローブ、４、４ａ〜４ｃ 金属隔壁（導波管幅狭部）、５、５ａ、５ｂ 導波管端子、６、６ａ〜６ｃ 同軸端子、７ 金属ポスト（導波管幅狭部）、８ 導波管短絡部、９ 誘電体基板、１０ 金属シャーシ（シャーシ）、１１ 地導体パターン、１２ａ〜１２ｃ スルーホール、１３ａ〜１３ｃ ストリップ導体パターン、１４ａ〜１４ｃ マイクロストリップ端子。

Claims (7)

1. 導波管と、
   前記導波管の幅広面から挿入されたプローブと
   を備えた導波管電力分配器において、
   前記導波管は、前記プローブが挿入された位置に、前記幅広面の幅を部分的に狭めた導波管幅狭部を有することを特徴とする導波管電力分配器。
2. 請求項１に記載の導波管電力分配器において、
   前記導波管は、
   一方の面にストリップ導体パターンが形成され、他方の面に地導体パターンが形成され、前記一方の面に形成された前記ストリップ導体パターンと接続され、前記他方の面に形成された前記地導体パターンとは接続されないように、両面の間にスルーホールが形成された誘電体基板と、
   掘り込みが形成された導電性を有するシャーシと
   を含み、前記誘電体基板の前記地導体パターンが形成された面と、前記シャーシの前記掘り込みが形成された面とを互いに対向するように重ね合わせて構成され、
   前記プローブは、前記導波管の幅広面に設けられた前記スルーホールに挿入され、
   前記導波管幅狭部は、前記プローブが挿入された位置に対応して前記シャーシに形成される前記掘り込みの幅を部分的に狭めることにより形成される
   ことを特徴とする導波管電力分配器。
3. 請求項２に記載の導波管電力分配器において、
   前記誘電体基板は、前記スルーホールと接続される前記ストリップ導体パターンを、前記スルーホールに挿入されたプローブごとに複数有することを特徴とする導波管電力分配器。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の導波管電力分配器において、
   前記導波管は、管内波長の１／２の整数倍の間隔で複数の導波管幅狭部を有し、
   前記プローブは、前記複数の導波管幅狭部のそれぞれに対応して複数配置される
   ことを特徴とする導波管電力分配器。
5. 請求項４に記載の導波管電力分配器において、
   前記導波管は、一方の端部に導波管短絡部を備え、
   前記複数の導波管幅狭部の中で前記導波管短絡部に最も近い端部側導波管幅狭部は、前記導波管短絡部から前記導波管の管内波長の１／４の奇数倍の位置に設けられる
   ことを特徴とする導波管電力分配器。
6. 請求項４または５に記載の導波管電力分配器において、
   前記複数の導波管幅狭部は、すべて同一の形状を有し、
   前記複数の導波管幅狭部のそれぞれに対応して複数配置された前記プローブは、すべて同一の長さを有する
   ことを特徴とする導波管電力分配器。
7. 請求項５に記載の導波管電力分配器において、
   前記端部側導波管幅狭部は、前記端部側導波管幅狭部以外の導波管幅狭部の幅よりも広く構成されるとともに、前記導波管短絡部から前記導波管の管内波長の１／４よりも近い位置に設けられることを特徴とする導波管電力分配器。

Images