JP2010166226A

JP2010166226A - Ｔｍ０１モード結合器

Info

Publication number: JP2010166226A
Application number: JP2009005814A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Kezuka; 敦毛塚; Ko Tsuchida; 航土田; Goro Yoshida; 吾朗吉田
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2009-01-14
Filing date: 2009-01-14
Publication date: 2010-07-29

Abstract

【課題】円形導波管から矩形導波管へ結合する結合器において、ＴＭ０１モードは結合し、ＴＥ１１モードは結合しないＴＭ０１モード結合器の実現。
【解決手段】円形導波管と矩形導波管の広壁面を管軸が直交するようにして重ね一方が他方に若干めり込むようにして接合し、接合した両導波管の境界壁に円形導波管の管軸方向に円形導波管内のＴＥ１１モードの管内波長の寸法間隔で且つ矩形導波管の幅中心に関して対称となる位置に円周方向に長い形状の２つの貫通スロットを設け、矩形導波管の広壁面の幅を前記接合部分の管軸方向前方後方においてＴＥ１０モードの伝送が可能な幅に両側から対称にステップ状に狭くする。
【選択図】図１

Description

本発明は、円形導波管と矩形導波管とをその管軸方向が直交するように重ねて接合し、両導波管の境界壁にスロットを設けて、円形導波管中を伝搬するＴＥ１１モードとＴＭ０１モードのうち、ＴＭ０１モードの電磁波のみを矩形導波管を介して取り出すＴＭ０１モード結合器の技術分野に関するものである。

従来、このようなＴＭ０１モード結合器として、図７に示す構造のものがある。円形導波管１と矩形導波管２を直交するように重ね、円形導波管１が矩形導波管２の下側広壁面に若干めり込むように接合されており、両導波管の境界壁に結合用のスロット３が設けられている。
そして、この円形導波管１内を伝搬する電磁波のモードは主として図８に示すように基本モードのＴＥ１１^Ｖ（垂直ＴＥ１１）、ＴＥ１１^Ｈ（水平ＴＥ１１）と高次モードのＴＭ０１である。このうちＴＭ０１モードの電磁波のみを矩形導波管２で取り出そうとするのが、図７のＴＭ０１モード結合器である（例えば、非特許文献１参照）。

図９は図７のものの寸法２面図であり、図１０は図７、図９のものにおけるＰｏｒｔ１からＰｏｒｔ２へのＳパラメータＳ２１の周波数特性を全電磁界解析の有限要素法によってシミュレーションした図である。

西田隆良他１名、「衛星搭載ＲＦセンサ用高次モードカプラの特性」、電子情報通信学会技術報告、電子情報通信学会、１９８３．８．１９、Ａ・Ｐ８３−５２、Ｐ．１５−２２

しかしながら、図７のスロット３からは、図１０に示すように、ＴＥ１１^Ｖモードの電力もレベルが低いとは言え結合してしまうという問題があった。

本発明の課題は、上記従来技術の問題点に鑑み、スロット３から矩形導波管２の方へ洩れて来るＴＥ１１^Ｖモードの電力が矩形導波管から出力されないようにしたＴＭ０１モード結合器を実現することにある。

本発明のＴＭ０１モード結合器は、上記の課題を達成するために、以下の手段構成を有する。
即ち、円形導波管と矩形導波管が、その管軸方向が相互間で直角をなすようにして、矩形導波管の広壁面が円形導波管に向けて重なり、一方が他方に一部めり込む形で接合され、両導波管の接合境界壁には円形導波管の管軸方向に円形導波管内ＴＥ１１モードにおける管内波長の寸法間隔で、且つ矩形導波管の幅中心に関して対称な位置に円周方向に長い形状の２つの貫通スロットを有し、矩形導波管の広壁面の幅は、該２つの貫通スロットを含む幅であり、矩形導波管は前記接合部の管軸方向での前後においてその広壁面幅がＴＥ１０モードの電磁波が伝搬し得る範囲で管軸に関して対称に両側から階段状に狭くなっていることを特徴とするＴＭ０１モード結合器である。

図１は、前記した本発明のＴＭ０１モード結合器の構造斜視図である。
図７と異なる点は、スロットが図７では１個であったのに対し、図１では、円形導波管１の管軸方向に、円形導波管のＴＥ１１モードの管内波長の寸法間隔を置いて、且つ矩形導波管の幅中心に関して対称な位置に２つのスロット３Ａと３Ｂが設けられており、結合部分の矩形導波管２Ａの幅寸法Ａ_１が２つのスロットに懸るようになっており、管軸両方向に向う途中で幅が狭くなっている点である。

以上の構造となっているので、円形導波管１内を伝搬して来たＴＥ１１^Ｖモードの電磁波は、スロット３Ａ、スロット３Ｂで矩形導波管内２Ａ内へ入って来る。しかし、スロット３Ａとスロット３Ｂの間隔がＴＥ１１モードの管内波長と同じ寸法となっているので、スロット３Ａとスロット３Ｂから矩形導波管内２Ａに入る電磁波は同相となる。
このように、矩形導波管においてその管軸に対して幅方向でほぼ対称な位置から同相で励振されるとその管内の伝搬モードはＴＥ２０となる。

ところが、矩形導波管は出力口に向う途中でステップ４によってＴＥ１０モードの電磁波が伝搬し得る範囲の幅の狭い矩形導波管２Ｂとなっているために、ＴＥ２０モードの電磁波はステップ４の位置で反射させられて出力の方へは向かわない。即ち、取り出し用の矩形導波管２Ｂから出力されない。
結果として、円形導波管１中でモードＴＥ１１^Ｖで伝搬して来た電磁波の電力は、矩形導波管２Ｂからは出力されないことになる。

これに対して、円形導波管内のＴＭ０１モードの管内波長はＴＥ１１モードにおける管内波長とは異なるので、ＴＥ１１モードにおける管内波長の間隔となっているスロット３Ａとスロット３Ｂとでは同相にはならない。
このため、矩形導波管２Ａ内に入った電磁波のモードはＴＥ１０、ＴＥ２０、ＴＥ３０の混成モードの伝送となる。その結果、ＴＥ２０モードはＴＥ１１^Ｖモードの場合について述べたと同じ理由によって、矩形導波管２Ｂへは伝搬しないが、矩形導波管２ＢはＴＥ１０モードは伝送するとともにＴＥ３０モードの電力もＴＥ１０モードに変って矩形導波管へ入って来るので、円形導波管１中でＴＭ０１モードで伝搬して来た電磁波の電力は矩形導波管２Ｂから出力されることになる。かくして、円形導波管１中のＴＥ１１^Ｖモードの電力は矩形導波管２Ｂから出力されずＴＭ０１モードの電力のみが出力される。

本発明のＴＭ０１モード結合器の構造斜視図である。図１のＴＭ０１モード結合器の実施例の寸法２面図である。図２のＴＭ０１モード結合器のＴＭ０１モードとＴＥ１１^Ｖモードの入力に対する出力周波数特性シミュレーション図である。図１、図２のＴＭ０１モード結合器から矩形導波管２Ｂとステップ４を除いた構造斜視図である。図４の構造における円形導波管１から矩形導波管２Ａへの各モードの結合周波数特性シミュレーション図であり、（ａ）はＴＥ１１^Ｖモードの入力に対するものであり、（ｂ）はＴＭ０１モードの入力に対するものである。図２のＴＭ０１モード結合器のスロットより左側の矩形導波管２Ａと２Ｂを取り出した斜視図と、その伝搬モードの周波数特性シミュレーション図である。従来のＴＭ０１モード結合器の例の斜視図である。円形導波管内の各伝送モードを示す図である。図７のＴＭ０１モード結合器の具体的寸法例を示す２面図である。図９のＴＭ０１モード結合器のＴＭ０１モードとＴＥ１１^Ｖモードの入力に対する出力周波数特性シミュレーション図である。

本発明の実施の形態としては、まず、構造の面では、円形導波管と矩形導波管の境界壁について、円形導波管が一部矩形導波管にめり込む形とするか或いは、矩形導波管が一部円形導波管にめり込む形にするかの点については、円形導波管内のモードに歪みを生じさせない方がよいと考えられるので、結合部分における円形導波管の円形を保つため円形導波管が矩形導波管にめり込む形状とするのが好ましい。

次に、図１において、円形導波管１の直径Ｄと矩形導波管２Ａの横幅Ａ_１の関係について見る。
まず、円形導波管において、周波数ｆの電磁波がＴＥ１１モードおよびＴＭ０１モードで伝搬できるための直径は下記数式１で表わされる。

そして、当該円形導波管におけるＴＥ１１モードの管内波長λ_ｇは下記数式２で表わされる。

そこで円形導波管の直径Ｄが数式１の最小値（右辺）であるときに、その値を数式２に代入してＴＥ１１モードの管内波長λ_ｇを求めてみると、数式３のようになる。

そして、数式２から明らかなように、直径Ｄが最小値から大きくなるにつれλ_ｇ（ＴＥ１１）は小さくなって行き、Ｄが無限大となったときに
λ_ｇ（ＴＥ１１）＝λ_０となる。
即ち、数式１の直径の円形導波管内のＴＥ１１モードにおける管内波長λ_ｇ（ＴＥ１１）は、λ_０以上１．５５７５λ_０以下ということになる。
従って、スロット３Ａ、スロット３Ｂの中心間の間隔もλ_０〜１．５５７５λ_０ということになり、この２つのスロットをカバーする矩形導波管２Ａの広壁面の幅はこの数値よりも大きくなる。

他方、矩形導波管においては、その広壁面の幅が０．５λ_０以上であれば、ＴＥ１０モードの伝搬が可能であり、１λ_０以上であればＴＥ２０モードでの伝搬が可能であり、１．５λ_０以上であればＴＥ３０モードでの伝搬が可能であるから、矩形導波管２ＡはＴＥ１０モードとＴＥ２０モードの伝搬は確実に可能である。

ＴＥ３０モードに関しては、円形導波管の直径が数式１の右辺の値であるときはスロット間隔が１．５λ_０より大きく２つのスロットを覆う導波管幅はそれより広くなるから、伝搬可能である。直径が前記値より大きくなって行くと、λ_ｇ（ＴＥ１１）は小さくなって行き或る直径のところで１．５λ_０より小さくなるので、矩形導波管２Ａの広壁面幅を円形導波管の直径が大きくなるにつれ狭くなって行くスロット間隔に合わせて狭めると、ＴＥ３０モードが伝搬しなくなる範囲が生ずる。

しかし、円形導波管の直径は、大きくして行くと更に高次のモードが生じて好ましくないので、事実上は数式１の右辺の値よりあまり大きくしないので、スロット間隔に応じて導波管幅を設定したとしても、ＴＥ３０モードが伝搬し得る管幅になると考えられる。
尤も、ＴＥ３０モードが伝搬しなくとも、結合度が若干低くなるだけで、モード選択結合器の機能そのものに影響するものではない。
若干と雖も結合度が低くならないようにしたいときには、矩形導波管２Ａの広壁面幅を１．５λ_０以上にしておけばよい。

以下、本発明のＴＭ０１モード結合器の実施例を図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明のＴＭ０１モード結合器の実施例の斜視図であり、図２は、その寸法２面図であり、（ａ）は円形導波管１の管軸方向で見た図であり、（ｂ）は（ａ）を上から見た平面図である。

図３は、図２の構造寸法のものの円形導波管１のＰｏｒｔ１から、円形導波管のモードであるＴＥ１１^ＶモードとＴＭ０１モードの電磁波の入力された場合に矩形導波管２ＢのＰｏｒｔ２に現われるそれぞれの電力比（Ｓ２１）の周波数特性を全電磁界解析の有限要素法によってシュミレーションしたグラフである。
これによれば、１２．２５ＧＨｚ〜１２．７５ＧＨｚに渡って、ＴＥ１１^Ｖモードの電力はＴＭ０１モードの電力に対して−１９ｄＢ以下となっており、これを従来のスロットが１つしかない場合（図７、図９）のＳ２１の周波数特性（図１０）と較べると、従来問題とされていたＴＥ１１^Ｖモードの出力レベルは大幅に抑圧されていることが分かる。

図４は、図１、図２の矩形導波管２Ｂ（幅の狭い導波管）とステップ４を除いた場合の斜視図である。
この構造で円形導波管１のＰｏｒｔ１からＴＥ１１^ＶおよびＴＭ０１モードで入力した場合、矩形導波管２ＡのＰｏｒｔ２に出力されるＴＥ１０、ＴＥ２０、ＴＥ３０の各モードの電力レベルがどのようになるかを前記シミュレーション法でシミュレーションしたのが図５である。
（ａ）はＴＥ１１^Ｖモードの入力に対するＳ２１であり、（ｂ）はＴＭ０１モードの入力に対するＳ２１である。

今、図５の中心周波数１２．５ＧＨｚで考えると、直径１９．０５ｍｍの円形導波管内におけるＴＥ１１モードにおける管内波長λ_ｇ（ＴＥ１１モード）は数式２により３５．４ｍｍとなる。スロット３Ａとスロット３Ｂの間隔は、この寸法になっているので、ＴＥ１１^Ｖモードの入力に対しては２つのスロットでは矩形導波管２Ａに対し同相で結合する。矩形導波管が管軸に関して対称な２箇所で同相励振されると矩形導波管内伝送モードはＴＥ２０モードとなる。
今、矩形導波管２Ａの広壁面幅Ａ_１は３８ｍｍであり、１２．５ＧＨｚの自由空間波長λ_０２４ｍｍの１．５倍以上であるからＴＥ１０、ＴＥ２０およびＴＥ３０モードの伝搬が可能ではあるが、ＴＥ１０モードとＴＥ３０モードのレベルは３０〜４５ｄＢ低い。
従って事実上、ＴＥ２０モードのみが伝搬出力されるということになる。

これに対して、ＴＭ０１モードの入力に対しては、ＴＭ０１モードの円形導波管１の管内波長λ_ｇ（ＴＭ０１モード）は８７．６ｍｍであるので、スロット間隔が３４．４ｍｍでは同相とはならず、従って矩形導波管２Ａ内ではＴＥ１０、ＴＥ２０、ＴＥ３０の混成モードとなる。このことを示しているのが、図５の（ｂ）のシミュレーション結果である。

以上のように、円形導波管１のＰｏｒｔ１からの入力モードがＴＥ１１^Ｖモードのときには矩形導波管２Ａ内でＴＥ２０モードが立ち、入力モードがＴＭ０１のときにはＴＥ１０、ＴＥ２０、ＴＥ３０モードが立つことになる。

本発明では、このような矩形導波管２Ａに、図６の（ａ）に示すように両側から対称なステップ４によって幅の狭くなった矩形導波管２Ｂが接続された形になっている。
このような矩形導波管２ＡのＰｏｒｔ１からＴＥ１０、ＴＥ２０、ＴＥ３０の各モードで入力すると矩形導波管２Ａの幅は前述のように１．５λ_ｏより大きいからいずれのモードも伝搬するが、矩形導波管２Ｂの幅Ａ_２は１９．０５で、０．５λ_ｏより大きく１．５λ_０より小さいからＴＥ１０モードは伝搬し得るが、ＴＥ３０モードは通過しない。ＴＥ２０モードは、左右両側から対称に出ているステップ４によって反射され矩形導波管２Ａへは入って行かない。即ち、Ｐｏｒｔ２には出力されない。

以上のシミュレーション結果が図６の（ｂ）である。
即ち、Ｐｏｒｔ１からのＴＥ１０モードの入力に対しては殆ど減衰なしでＰｏｒｔ２へ出力される。
ＴＥ３０モードの入力に対しては約−１０ｄＢのレベルで出力されている。これは、矩形導波管２Ｂの部分をＴＥ３０モードで伝搬するのではなく、矩形導波管２ＡでのＴＥ３０モードの電力がＴＥ１０モードにモードを変えて伝搬して行くからである。
（ｂ）の図中にＴＥ２０モードが現われていないが、Ｐｏｒｔ２における出力レベルが−６０ｄＢより更に小さいということであり、換言すれば、ステップ４で殆ど完全に反射されＰｏｒｔ２には殆ど出力されないということである。

以上より、図１の円形導波管１のＰｏｒｔ１からの入力のうちＴＥ１１^Ｖは、矩形導波管２Ａ内ではＴＥ２０モードで伝搬するが、ステップ４によって反射されるため矩形導波管２ＢのＰｏｒｔ２には出力されないことになる。

これに対して、円形導波管１のＰｏｒｔ１からの入力のうちＴＭ０１モードのものは矩形導波管２Ａ内ではＴＥ１０、ＴＥ２０、ＴＥ３０の混成モードとなるが、このうち、ＴＥ２０モードの電磁波はＴＥ１１^Ｖの場合と同様にステップ４で反射され、Ｐｏｒｔ２には出力されず、ＴＥ１０モードの電磁波はＰｏｒｔ２から出力され、ＴＥ３０モードのものも一部ＴＥ１０モードに変身してＰｏｒｔ２から出力される。

以上より、図３に示すように、円形導波管中、ＴＭ０１モードの電磁波エネルギーのみがＰｏｒｔ２から出され、ＴＥ１１^Ｖモードの電磁波エネルギーは従来（図１０）よりも大幅に抑圧され、ＴＥ１１^Ｖモードの電磁波エネルギーも充分抑圧されずに出力されるという従来技術の問題点を克服したＴＭ０１モード結合器が実現できる。

１円形導波管
２矩形導波管
２Ａ矩形導波管
２Ｂ矩形導波管
３スロット
３Ａスロット
３Ｂスロット
４ステップ

Claims

円形導波管と矩形導波管が、その管軸方向が相互間で直角をなすようにして、矩形導波管の広壁面が円形導波管に向けて重なり、一方が他方に一部めり込む形で接合され、両導波管の接合境界壁には円形導波管の管軸方向に円形導波管内ＴＥ１１モードにおける管内波長の寸法間隔で、且つ矩形導波管の幅中心に関して対称な位置に円周方向に長い形状の２つの貫通スロットを有し、矩形導波管の広壁面の幅は、該２つの貫通スロットを含む幅であり、矩形導波管は前記接合部の管軸方向での前後においてその広壁面幅がＴＥ１０モードの電磁波が伝搬し得る範囲で管軸に関して対称に両側から階段状に狭くなっていることを特徴とするＴＭ０１モード結合器。