JP2008244857A - 導波管接合器 - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロ波からミリ波帯の電磁波を伝送する導波管伝送路において、導波管の接合部での伝送損失を抑えることができると共に、電磁波の漏洩を抑制することができ、かつ導波管の接合部における強度を保持することができる導波管接合器を提供する。
【解決手段】導波管接合器１０は、隣接する導波管１１の端部間に介在され、伝送電磁波の波長より薄い誘電体層１６で被覆されている金属スペーサ１４と、隣接する導波管１１の端部間に金属スペーサ１４が介在された状態で導波管１１の端部間を接合する締結具とを備えている。金属スペーサ１４は、隣接する導波管１１端部の段部１２によって形成された空隙１３に配置されている。締結具は、導波管１１の端部近傍に突設されたフランジ２０の第１ボルト挿通孔２１に挿通される絶縁ボルト２２とその絶縁ボルト２２に螺合されるナットとにより構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば波長の短いマイクロ波からミリ波の長距離に渡る伝送を必要とするミリ波焼成炉、化学反応炉、プラズマ発生装置、核融合プラズマ装置等において、高電力の電磁波発生源とその利用装置との間に存在し、両装置間を電気的に絶縁するか、又は静電容量的に接続する際に必要となる導波管接合器に関するものである。

従来、２つの導波管の絶縁を目的として接合する導波管接合器は、使用する波長が数センチメートルから数十センチメートルのマイクロ波を伝送する導波管に用いるため、基本モードであるＴＥ_０１モードのみが伝送（伝搬）できる基本導波管の接合に使用される。この場合、２つの直流的又は準直流的絶縁のための接合に関しては、特許文献１に示されている如く、チョークフランジと呼ばれる構造と、その副導波路中に備えられた絶縁体により実現することができた。

さらに、伝送波の周波数が高く、波長がミリメートル程度のミリ波伝送導波管では、基本導波管の断面サイズが非常に小さくなり、高電力伝送時には導波管内で高周波放電やアーキングが発生し、高電力伝送は難しく、通常オーバーサイズ導波管と呼ばれる高次モードが多数伝送可能なマルチモード導波管が用いられる。高電力ミリ波の伝送には、通常コルゲート導波管と呼ばれる内壁面の周方向に細かい溝構造を旋削した円形断面導波管が用いられる。伝送モードとしては、低損失のＨＥ_１１モードが用いられる。該導波管においては、導波管の間隙を波長の数倍程度にしても電磁波の漏洩は数％以内に抑えられる。但し、不要モードへのモード変換を抑えるために、２つの導波管の同軸度、導波管軸の平行度は非常に高い精度が要求される。このような導波管においては、伝搬モードが基本モードとは異なるため、チョークフランジ構造は採用できず、また導波管の接合部に存在する間隙は、電磁波漏洩を引き起こす原因となる。

前述の如く、周波数が高く、波長の短い高電力の電磁波を、単一モードのみが伝送可能な基本導波管では伝送できず、またオーバーサイズ導波管を用いて伝送する際には、その導波管の絶縁構造として従来使用されているチョークフランジ構造を採用することは難しい。そこで導波管の接合に関し、二つの導波管が絶縁を介して嵌合い構造で結合されている絶縁導波管が提案されている（例えば、特許文献２を参照）。
国際公開公報ＷＯ００／００７７８号公報（第１頁及び第２頁） 国際公開公報ＷＯ００／０５７７８号公報（第３頁及び第１４頁）

ところが、特許文献２に記載の絶縁導波管においては、二つの導波管が嵌合い構造で結合されているだけであることから、二つの導波管の同軸度や平行度が十分に得られず、導波管の接合部での伝送損失を十分に抑えることができなかった。しかも、二つの導波管の嵌合い構造だけでは緩みが生じ、わずかの隙間から伝送電磁波が漏洩するという問題があった。加えて、二つの導波管の嵌合い構造に用いられる絶縁物として例えばフッ素樹脂が用いられているが、このような絶縁物では導波管の接合部における強度を確保することはできなかった。

本発明はこのような従来技術の問題点に着目してなされたものである。その目的とするところは、マイクロ波からミリ波帯の電磁波を伝送する導波管伝送路において、導波管の接合部での伝送損失を抑えることができると共に、電磁波の漏洩を抑制することができ、かつ導波管の接合部における強度を保持することができる導波管接合器を提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明の導波管接合器は、隣接する導波管の端部を接合するためのものであって、隣接する導波管の端部間に介在され、伝送電磁波の波長より薄い誘電体層で被覆されている金属スペーサと、隣接する導波管の端部間に前記金属スペーサが介在された状態で導波管の端部間を接合する締結具とを備えていることを特徴とするものである。

請求項２に記載の発明の導波管接合器は、請求項１に係る発明において、前記隣接する導波管の端部には各々段部が形成され、両段部間の空隙に前記金属スペーサが介在されていることを特徴とするものである。

請求項３に記載の発明の導波管接合器は、請求項１又は請求項２に係る発明において、前記隣接する導波管の端部と金属スペーサとの間にシールリングが装着されて隣接する導波管の端部間が密封されていることを特徴とするものである。

請求項４に記載の発明の導波管接合器は、請求項３に係る発明において、前記隣接する導波管の端部又は金属スペーサには環状溝が設けられ、該環状溝にシールリングが嵌着されていることを特徴とするものである。

請求項５に記載の発明の導波管接合器は、請求項１から請求項４のいずれか１項に係る発明において、前記導波管の端部間は電気的に絶縁されているか、又は静電容量的に接続されていることを特徴とするものである。

本発明によれば、次のような効果を発揮することができる。
請求項１に記載の発明の導波管接合器では、隣接する導波管の端部間に介在される金属スペーサが伝送電磁波の波長より薄い誘電体層で被覆されていることから、隣接する導波管が電気的に絶縁又は静電容量的に接続されると共に、電磁波の漏洩を抑えることができる。また、金属スペーサを用いることから、導波管の接合部での強度を維持することができる。さらに、導波管の端部間が締結具で接合されているため、隣接する導波管の間に同軸度及び平行度を得ることができ、導波管の接合部における電磁波の伝送低下を抑えることができる。従って、導波管接合器は、マイクロ波からミリ波帯の電磁波を伝送する導波管伝送路において、導波管の接合部での伝送損失を抑えることができると共に、伝送電磁波の漏洩を抑制することができ、かつ導波管の接合部における強度を保持することができる。

請求項２に記載の発明の導波管接合器では、隣接する導波管の端部には各々段部が形成され、両段部間の空隙に前記金属スペーサが介在されている。このため、請求項１に係る発明の効果に加え、金属スペーサを隣接する導波管の端部間に安定した状態で配置することができる。

請求項３に記載の発明の導波管接合器では、隣接する導波管の端部と金属スペーサとの間にシールリングが装着されて隣接する導波管の端部間が密封されている。従って、請求項１又は請求項２に係る発明の効果に加え、導波管内を真空化したり、耐放電性気体を充填したりすることができ、高周波放電やアーキングを回避することができ、高電力伝送を安定した状態で行うことができる。

請求項４に記載の発明の導波管接合器では、隣接する導波管の端部又は金属スペーサには環状溝が設けられ、該環状溝にシールリングが嵌着されている。このため、請求項３に係る発明の効果に加え、導波管の接合部における密封構造を容易に形成することができる。

請求項５に記載の発明の導波管接合器では、導波管の端部間は電気的に絶縁されているか、又は静電容量的に接続されている。従って、高電力の電磁波発生源とその利用装置との間に設けられる導波管接合器により両装置間における電気的な絶縁又は静電容量的な接続を果たしつつ、請求項１から請求項４のいずれかに係る導波管接合器の効果を発揮することができる。

以下、本発明の最良と思われる実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
（第１実施形態）
図１及び図２に示すように、周波数の高いマイクロ波からミリ波帯の高電力伝送を行うための導波管１１はアルミニウム等の導体により円筒状に形成され、その端部には円環状の段部１２が形成されている。導波管１１の直径は、伝送電磁波の波長より十分に大きいオーバーサイズに設定されている。そして、両段部１２間に形成された空隙１３に円筒状をなす金属スペーサ１４が介装され、隣接する導波管１１の端部が伝送電磁波の波長以下の隙間１５を形成し、隣接する導波管１１の間の電気的な絶縁又は静電容量的な接続を図るようになっている。なお、導波管１１はコーナ部や分岐部においては、直線状ではなく、Ｌ型、Ｔ型等の形状を有している。

この金属スペーサ１４は、通常アルミニウム合金等の金属により製作されるが、その表面には例えば硬質アルマイト加工が施される。そして、隣接する導波管１１の間に十分な精度で同軸度及び平行度が確保されるようになっている。金属スペーサ１４の表面全体は、伝送電磁波の波長より薄い誘電体層１６で被覆されている。誘電体層１６はこのように薄く形成され、外部への電磁波の漏洩が抑えられるように構成されている。誘電体層１６を形成する誘電体は電気的に絶縁性の材料であり、例えば二酸化ケイ素等の無機材料、シリコーン樹脂等の合成樹脂、セラミックスなどが用いられる。誘電体層１６の形成方法は特に制限されず、常法に従って行われる。

係る金属スペーサ１４の両側面には円環状の第１環状溝１７が凹設され、該第１環状溝１７にはゴム製のシールリング１８が嵌着されている。このシールリング１８により、導波管１１の端面と金属スペーサ１４との間、ひいては導波管１１の端部間が密封されている。なお、導波管１１の内周面には円環状をなす多数の微細溝１９が一定間隔をおいて形成され、該導波管（コルゲート導波管）１１内を伝送される電磁波の減衰が抑制されるようになっている。

導波管１１の端部近傍位置にはフランジ２０が突設され、該フランジ２０には周方向に一定間隔をおいて第１ボルト挿通孔２１が設けられている。そして、隣接する導波管１１の端部間に前記金属スペーサ１４が介在され、両フランジ２０が対向している状態で両第１ボルト挿通孔２１に締結具を構成する絶縁ボルト２２が挿通され、同じく締結具を構成するナット２３が絶縁ボルト２２に螺合されている。上記の金属スペーサ１４、締結具としての絶縁ボルト２２及びナット２３等により導波管接合器１０が構成されている。

図３に示すように、前記金属スペーサ１４の両側面に設けられた第１環状溝１７に代えて、導波管１１の端面に円環状をなす第２環状溝１７ａを切削により形成し、該第２環状溝１７ａにシールリング１８を嵌着させることもできる。図４に示すように、導波管１１のフランジ２０に図３に示す第１ボルト挿通孔２１より内径の大きい第２ボルト挿通孔２１ａを形成し、金属製ボルト２２ａに絶縁座２４を装着した状態で第２ボルト挿通孔２１ａに挿通することもできる。

以上詳述した第１実施形態によれば、次のような作用及び効果を発揮することができる。
・ 第１実施形態における導波管接合器１０では、隣接する導波管１１の端部間に介在される金属スペーサ１４が伝送電磁波の波長より薄い誘電体層１６で被覆されていることから、隣接する導波管１１が電気的に絶縁又は静電容量的に接続されると共に、電磁波の漏洩や不要モードの発生（モード変換）を抑えることができる。また、金属スペーサ１４を用いることから、導波管１１の接合部での機械的強度を維持することができる。さらに、導波管１１の端部間が締結具としての絶縁ボルト２２とナット２３とで接合されているため、隣接する導波管１１の間に同軸度及び平行度を得ることができ、導波管１１の接合部における電磁波伝送の低下を抑えることができる。従って、係る導波管接合器１０は、マイクロ波からミリ波帯の電磁波を伝送する導波管伝送路において、導波管１１の接合部での伝送損失を抑えることができると共に、伝送電磁波の漏洩を抑制することができ、かつ導波管１１の接合部における強度を保持することができる。

・ 隣接する導波管１１の端部には各々段部１２が形成され、両段部１２間の空隙１３に前記金属スペーサ１４が介在されることにより、金属スペーサ１４を隣接する導波管１１の端部間に安定した状態で配置することができると共に、金属スペーサ１４の幅を適宜設定することによって隣接する導波管１１の間の隙間１５を調整することができる。

・ 隣接する導波管１１の端部と金属スペーサ１４との間にシールリング１８が装着されて隣接する導波管１１の端部間が密封されることにより、導波管１１内を真空化したり、耐放電性気体を充填したりすることができ、高周波放電やアーキングを回避することができ、その結果電磁波の高電力伝送を安定した状態で行うことができる。

・ 金属スペーサ１４に第１環状溝１７又は導波管１１の端部に第２環状溝１７ａが設けられ、それら第１環状溝１７又は第２環状溝１７ａにシールリング１８が嵌着されることにより、導波管１１の接合部における密封構造（気密構造）を容易に形成することができる。

・ 導波管１１の端部間は電気的に絶縁されるか、又は静電容量的に接続されることにより、高電力の電磁波発生源とその利用装置との間に設けられる導波管接合器１０によって両装置間における電気的な絶縁又は静電容量的な接続を果たしつつ、前記導波管接合器１０の効果を発揮することができる。
（第２実施形態）
次に、本発明を具体化した第２実施形態に関して説明する。この第２実施形態については、前記第１実施形態と対比して説明する。

図５に示すように、前記フランジ２０は導波管１１の端部近傍位置ではなく、端部位置に突設され、第１実施形態より幅狭に形成されている。前記段部１２は、フランジ２０の端面部分に到るまで大径に形成されている。金属スペーサ１４は両段部１２間の空隙１３に介装され、第１実施形態より大径に形成されている。第１環状溝１７は、金属スペーサ１４の中心側に設けられ、該第１環状溝１７にシールリング１８が嵌着されている。

導波管１１は円筒状又は四角筒状に形成されるが、その内周面には微細溝１９は設けられていない。伝送電磁波の周波数が比較的低い場合には、四角筒状の導波管１１ではＴＥ_０１モードの基本モードを使用することが好ましく、円筒状の導波管１１では低損失のＴＥ_０ｎ（ｎは整数）モードを使用することが好ましい。導波管１１の内壁面での伝送電磁波の伝送を妨げないように、金属スペーサ１４の内周面には誘電体層１６を設けないことが望ましい。

なお、前記実施形態を次のように変更して具体化することも可能である。
・ 金属スペーサ１４表面に設けられる誘電体層１６の形成方法は、アルマイト加工等の化学的処理方法に限らず、誘電体の溶射法やコーティング法を採用することができる。

・ シールリング１８として、ゴム製や樹脂製のＯリングに限らず、金属製のシールリング１８を用いることができる。この場合、導波管１１の接合部が加熱されて高温に晒されたときでも、十分な高温耐性を発揮させることができる。

・ 第１実施形態において、導波管１１を四角筒状に形成することも可能である。
・ 前記フランジ２０には、伝送電磁波の定在波を形成する導波路を設けることも可能である。

・ 導波管１１の端部間を接合する締結具として、両フランジ２０を連結するクランプを用いたり、螺合構造による連結具を用いたりすることもできる。
次に、前記実施形態から把握できる技術的思想について以下に記載する。

・ 前記隣接する導波管の端部には互いに対向するようにフランジを設け、対向する各フランジ間を締結具で締結するように構成されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の導波管接合器。このように構成した場合、請求項１から請求項５のいずれかに係る発明の効果に加えて、導波管の端部間における接合を容易に行うことができる。

・ 前記隣接する導波管の端部には互いに対向するようにフランジを設け、対向する各フランジには貫通孔を形成し、対向する各フランジの貫通孔に締結具を構成するボルトを挿通して同じく締結具を構成するナットで締付け固定するように構成されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の導波管接合器。このように構成した場合、請求項１から請求項５のいずれかに係る発明の効果に加えて、導波管の端部間における接合を強固に行うことができる。

・ 前記隣接する導波管の端部間には隙間が形成されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の導波管接合器。このように構成した場合、請求項１から請求項５のいずれかに係る発明の効果に加えて、電気的な絶縁又は静電容量的な接続の効果を向上させることができる。

本発明を具体化した第１実施形態の導波管接合器で隣接する導波管を接合した状態を示す断面図。 導波管接合器で隣接する導波管を接合した状態を示す斜視図。 隣接する導波管のフランジ間を絶縁ボルト及びナットで締結した状態を示す半断面図。 第１実施形態の別例を示す部分半断面図。 第２実施形態の導波管接合器で隣接する導波管を接合した状態を示す断面図。

符号の説明

１０…導波管接合器、１１…導波管、１２…段部、１３…空隙、１４…金属スペーサ、１６…誘電体層、１７…第１環状溝、１７ａ…第２環状溝、１８…シールリング、２２…締結具としての絶縁ボルト、２２ａ…締結具としての金属製ボルト、２３…締結具としてのナット。

Claims (5)

1. 隣接する導波管の端部を接合するためのものであって、隣接する導波管の端部間に介在され、伝送電磁波の波長より薄い誘電体層で被覆されている金属スペーサと、隣接する導波管の端部間に前記金属スペーサが介在された状態で導波管の端部間を接合する締結具とを備えていることを特徴とする導波管接合器。
2. 前記隣接する導波管の端部には各々段部が形成され、両段部間の空隙に前記金属スペーサが介在されていることを特徴とする請求項１に記載の導波管接合器。
3. 前記隣接する導波管の端部と金属スペーサとの間にシールリングが装着されて隣接する導波管の端部間が密封されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の導波管接合器。
4. 前記隣接する導波管の端部又は金属スペーサには環状溝が設けられ、該環状溝にシールリングが嵌着されていることを特徴とする請求項３に記載の導波管接合器。
5. 前記導波管の端部間は電気的に絶縁されているか、又は静電容量的に接続されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の導波管接合器。

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