JP2010200144A

JP2010200144A - 誘電体充填ツイスト導波管およびこれを有するアレーアンテナならびにこれらの製造方法

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Publication number: JP2010200144A
Application number: JP2009044414A
Authority: JP
Inventors: 洋二 ▲荒▼巻; Yoji Aramaki; Tamotsu Nishino; 有西野; Yasuhiro Endo; 康博遠藤; Izuru Naito; 出内藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-02-26
Filing date: 2009-02-26
Publication date: 2010-09-09
Anticipated expiration: 2029-02-26
Also published as: JP5225153B2

Abstract

【課題】射出成形を可能としかつ良好な反射特性が得られる誘電体充填ツイスト導波管およびこれを有するアレーアンテナならびにこれらの製造方法を得る。
【解決手段】異なる第１および第２の角度の偏波面を有する矩形の第１および第２の誘電体充填導波管と、第１および第２の誘電体充填導波管の間に電波の伝搬方向に沿って並べて挿入され、第１の誘電体充填導波管側から第２の誘電体充填導波管側に向かって第１の角度から第２の角度に向かって順に変化するそれぞれの角度の偏波面を有する少なくとも１つのツイスト用誘電体充填導波管とを備え、各ツイスト用誘電体充填導波管が、第１および第２の誘電体充填導波管の一方と同じ金型で同時に成形可能なように、金型で形成される部分の各辺の法線方向が金型の開く方向に対して９０度以下０度以上をなす形状を有し、かつ電波の伝搬方向の長さを管内波長の約１／４とした誘電体充填ツイスト導波管。
【選択図】図１

Description

この発明は、主としてマイクロ波帯およびミリ波帯で用いられる誘電体充填ツイスト導波管およびこれを有するアレーアンテナならびにこれらの製造方法に関するものである。

矩形導波管を伝搬する電波の偏波の方向を変える手段としてツイスト導波管が用いられている。従来の一般的なツイスト導波管として、図６に示す両端に入出力端子Ｐ１，Ｐ２を有する矩形導波管をねじった構造のツイスト導波管がある(例えば下記特許文献１参照)。また、図６のねじり部分１３をある程度長くすることにより、入射された電波の反射を小さくすることができる。

また、図７に示すように偏波方向(偏波面の角度)の異なる２つの矩形導波管２１、２２の間に矩形導波管２３を一定のひねり角をもって配置し、その長さを管内波長の約１／４とすることにより所望の周波数帯域において入射された電波の反射を小さくすることができる。

特開２００５−２６９５８９号公報

この種の装置のうち、空洞を有することなく、誘電体コア(芯まで誘電体)の外周を金属膜で覆ってなる誘電体充填導波管の場合、射出成形により製造することにより誘電体充填導波管の低コスト化が実現できる。ここで図７に示す偏波面の角度が徐々に変わるように複数の矩形導波管を並べた構造の導波管ツイスト構造を誘電体充填ツイスト導波管に適用し、これを射出成形により製造した場合を考える。すると図７の矩形導波管２２と矩形導波管２３を矩形誘電体充填導波管とし、これらを同一金型で製造する場合を例に挙げると、図８に示すように、矩形誘電体充填導波管(２２)の電波の伝搬方向と直行する横断面内の短辺方向に沿った対称面を分割面２２ａとして１対の金型２５ａ，２５ｂを用いて製造する場合には、矩形誘電体充填導波管(２３)に対してアンダーカット部２４が生じることととなり、射出成形での製造が困難となるという課題があった。

この発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、射出成形を可能としかつ良好な反射特性が得られる誘電体充填ツイスト導波管およびこれを有するアレーアンテナならびにこれらの製造方法を得ることを目的とする。

この発明は、異なる第１および第２の角度の偏波面を有する矩形の第１および第２の誘電体充填導波管と、前記第１および第２の誘電体充填導波管の間に電波の伝搬方向に沿って並べて挿入され、前記第１の誘電体充填導波管側から第２の誘電体充填導波管側に向かって前記第１の角度から第２の角度に向かって順に変化するそれぞれの角度の偏波面を有する少なくとも１つのツイスト用誘電体充填導波管と、を備え、前記各ツイスト用誘電体充填導波管が、前記第１および第２の誘電体充填導波管の一方と同じ金型で同時に成形可能なように、前記金型で形成される部分の各辺の法線方向が前記金型の開く方向に対して９０度以下０度以上をなす形状を有し、各ツイスト用誘電体充填導波管の電波の伝搬方向の長さが管内波長の約１／４であることを特徴とする誘電体充填ツイスト導波管等にある。

この発明では、射出成形を可能としかつ良好な反射特性が得られる誘電体充填ツイスト導波管およびこれを有するアレーアンテナならびにこれらの製造方法を提供できる。

この発明の実施の形態１による誘電体充填ツイスト導波管の構成を示す斜視図である。図１の最上部の誘電体充填導波管を取り除いて示した透過上面図である。図１のツイスト用誘電体充填導波管とこれと対応する部分の開閉する一対の金型との関係を示す図である。この発明の実施の形態２による誘電体充填ツイスト導波管を有するアレーアンテナの構成を示す斜視図である。図４の誘電体充填ツイスト導波管を有するアレーアンテナの製造方法を説明するための図である。従来のツイスト導波管の一例を示す斜視図である。従来のツイスト導波管の別の例を示す斜視図である。従来のアンダーカット部が生じることを説明するための図である。

実施の形態１．
図１〜３はこの発明の実施の形態１による誘電体充填ツイスト導波管およびその製造方法を説明するための図であり、図１は誘電体充填ツイスト導波管の構成を示す斜視図、図２は図１の誘電体充填導波管３２を取り除いて示した透過上面図、図３は図１のツイスト用誘電体充填導波管３１とこれと対応する部分の開閉する一対の金型３３ａ，３３ｂとの関係を示す図である。

図１および図２において、芯まで誘電体の誘電体充填導波管(以下同様)内を伝搬する電波の偏波面の向きが４５度異なる２つの(入出力)誘電体充填導波管３０、３２の間にツイスト部に当たるツイスト用誘電体充填導波管３１が設けられている。ツイスト用誘電体充填導波管３１は電波の伝搬方向と直行する横断面内の短辺方向に沿った対称面３１ｃが(図２参照)、誘電体充填導波管３０の偏波面３０ｂ(すなわち対称面)に対して２２.５度傾いている。ツイスト用誘電体充填導波管３１の電波の伝搬方向と直行する断面形状または後述する金型の開く方向に沿った断面形状は八角形となっている。また、矩形の誘電体充填導波管３０、３２の外側端に入出力端子Ｐ１、Ｐ２が設けられており、誘電体充填導波管３０、３２およびツイスト用誘電体充填導波管３１の電波の伝搬方向に沿った周面には(すなわち入出力端子Ｐ１、Ｐ２を除いた外周)、金属めっき(金属膜)が施されている(図示省略)。

図３に示すように、この実施の形態１に係る誘電体充填ツイスト導波管における例えば誘電体充填導波管３０および断面形状が八角形であるツイスト用誘電体充填導波管３１は、誘電体充填導波管３０の対称面３０ａで分割された一対の金型３３ａ、３３ｂを用いた射出成形により製造される。ツイスト用誘電体充填導波管３１の半分を形成する金型３３ａは、ツイスト用誘電体充填導波管３１のこれにより成形される部分の各辺３４ａ〜３４ｄの法線方向が、金型３３ａの開く方向３５ａの角度に対して９０度以下０度以上となるように設計されている。また、ツイスト用誘電体充填導波管３１の残り半分を形成する金型３３ｂは、ツイスト用誘電体充填導波管３１のこれにより成形される部分の各辺３４ｅ〜３４ｈの法線方向が金型３３ｂの開く方向３５ｂの角度に対して９０度以下０度以上となるように設計されている。なお金型の開く方向は一般には、導波管の電波の伝搬方向と直行するいずれかの方向となる。

このようにして一対の金型３３ａ、３３ｂで一体に形成された誘電体充填導波管３０とツイスト用誘電体充填導波管３１は、ツイスト用誘電体充填導波管３１の先に別の金型で形成された誘電体充填導波管３２が結合され、その後、誘電体充填導波管３０、ツイスト用誘電体充填導波管３１および誘電体充填導波管３２の電波の伝搬方向に沿った周面がめっき等で金属膜で覆われて導波路が形成される。

ツイスト用誘電体充填導波管３１をこのような形状とすることにより、誘電体充填ツイスト導波管を射出成形で製造する際のツイスト用誘電体充填導波管３１部分のアンダーカットがなくなり、特別な金型等を増やすことなく製造することができ、誘電体充填ツイスト導波管の低コスト化を行うことができる。

次にこの実施の形態１に係る誘電体充填ツイスト導波管の動作について説明する。入出力端子Ｐ１から入力された電波は、誘電体充填導波管３０を伝搬し、ツイスト用誘電体充填導波管３１により偏波の方向(偏波面)が変えられ、誘電体充填導波管３２に伝搬されることとなる。ここで、誘電体充電導波管３０、３２とツイスト用誘電体充填導波管３１との不連続部において反射が生じることとなるが、誘電体充電導波管３０とツイスト用誘電体充填導波管３１および誘電体充電導波管３２とツイスト用誘電体充填導波管３１との不連続部における反射はほぼ同等となり、また、ツイスト用誘電体充填導波管３１の電波の伝搬方向の長さを管内波長の約１／４とすることによりそれぞれの反射を打ち消すことができ、所望の周波数において反射を小さくすることができる。

また、ツイスト用誘電体充填導波管３１の断面形状を適切に選び特性インピーダンスを最適化することにより、誘電体充填導波管３０および３２とツイスト用誘電体充填導波管３１との不連続部における反射を小さくすることができ、広帯域な周波数帯域に渡って良好な反射特性を有する誘電体充填ツイスト導波管が得られる。

これらのことから、この実施の形態１では、低コストで良好な反射特性を有する誘電体充填ツイスト導波管を得ることができる。

なお上記説明では、ツイスト用誘電体充填導波管を１段とし入出力側の誘電体充填導波管の偏波面に対し、偏波面をそれぞれ２２.５度(４５／２度)傾けた構造について示したが、ツイスト用誘電体充填導波管を複数、電波の伝搬方向に沿って並べて挿入して多段にすることにより、より広帯域な反射特性を有する誘電体充填ツイスト導波管を得ることができる。例えば、ツイスト用誘電体充填導波管を２段として、それぞれのツイスト用誘電体充填導波管の偏波面を１５度および３０度(４５／ｎ(ｎは段数)を各段での偏波面の角度差)とする。そして各ツイスト用誘電体充填導波管の電波の伝搬方向の長さを管内波長の約１／４とする。この場合、上記の条件で形成された金型を準備することで、１つの入出力誘電体充填導波管と段数分のツイスト用誘電体充填導波管を上記と同様に１つの(１対の)金型で同時に射出成形可能となる。

また、反対側の誘電体充填導波管３２用の別の(１対の)金型を準備すれば、２つの(２対の)金型で入出力側の誘電体充填導波管３０および３２と段数分のツイスト用誘電体充填導波管３１を同時に射出成形可能となる。誘電体充填導波管３２用の別の金型は、後述する図５の４３ｃのような開閉方向が金型３３ａ、３３ｂの開閉方向と直行するものを使用してもよい。さらに、反対側の誘電体充填導波管３２と段数分のツイスト用誘電体充填導波管を上記と同様に１つの(１対の)金型で同時に射出成形してもよい。

また、ここでは誘電体充填ツイスト導波管での入出力誘電体充填導波管の偏波面の角度差(傾き)を４５度としたが、入出力誘電体充填導波管の偏波面の角度差をその他の角度(例えば９０度)とした場合にも同様の効果が得られる。

実施の形態２．
図４，５はこの発明の実施の形態２による誘電体充填ツイスト導波管を有するアレーアンテナおよびその製造方法を説明するための図であり、図４は誘電体充填ツイスト導波管を有するアレーアンテナの構成を示す斜視図、図５は図４の誘電体充填ツイスト導波管を有するアレーアンテナの製造方法を示した図である。

図４において、この発明の実施の形態２に係るアレーアンテナ４００は、入力端子Ｐ３と、分配合成回路４１０と、８つの放射素子５０ａ〜５０ｈとが設けられている。

また、分配合成回路４１０は、Ｅ面Ｔ分岐回路４０ａ〜４０ｇと、Ｅ面ベンド(例えばマイターベンド)４１ａ〜４１ｎで構成され、さらにＥ面Ｔ分岐回路４０ａ〜４０ｇには、それぞれ整合素子として動作する切り欠きが設けられている。

分配合成回路４１０は、入力端子Ｐ３から入力された電波が各Ｅ面Ｔ分岐回路４０ａ〜４０ｇで２倍ずつ段階的に分岐されて出力端が増え、さらにＥ面ベンド４１ａ〜４１ｎで分岐された電波の方向が同じ(平行)になるように構成されている。

分配合成回路４１０は、誘電体の電波の伝搬方向に沿った周面に金属めっき(金属膜)を施した(図示省略)矩形の誘電体充填導波管で構成されており、８分岐導波管側(各出力端)にはそれぞれ実施の形態１に示したツイスト用誘電体充填導波管３１ａ〜３１ｈが接続されている。また、放射素子５０ａ〜５０ｈは、分配合成回路４１０の８分岐導波管の出力端の偏波面に対して偏波面が４５度傾いてツイスト用誘電体充填導波管３１ａ〜３１ｈに接続されている。

すなわち、分配合成回路４１０の各出力端部の矩形の誘電体充填導波管、ツイスト用誘電体充填導波管３１ａ〜３１ｈ、矩形の誘電体充填導波管からなる放射素子５０ａ〜５０ｈが、実施の形態１の誘電体充填ツイスト導波管の、矩形の入出力誘電体充填導波管３０、ツイスト用誘電体充填導波管３１ａ〜３１ｈ、矩形の入出力誘電体充填導波管３２に相当し、それぞれ対応する形状を有する。従ってこれらはそれぞれ２２.５度ずつ偏波面の角度がずれており、ツイスト用誘電体充填導波管３１ａ〜３１ｈの各面は実施の形態１と同様な条件にある。

ツイスト用誘電体充填導波管３１ａ〜３１ｈをこのような形状とすることにより、誘電体充填ツイスト導波管を射出成形で製造するツイスト部分のアンダーカットがなくなり、特別な金型等を増やすことなくアレーアンテナをツイスト構造および放射素子を含めて一体製造することができ、誘電体充電導波管を用いたアレーアンテナの低コスト化を行うことができる。

図５に従ってアレーアンテナの製造方法を説明する。分配合成回路４１０の誘電体充填導波管の電波の伝搬方向と直行する横断面内の短辺方向に沿った対称面で２つに分割される１つの(一対の)金型４３ａ、４３ｂにより分配合成回路４１０と各ツイスト用誘電体充填導波管３１ａ〜３１ｈが、および金型４３ａ、４３ｂの開閉方向にその開閉方向が直行する１つの金型４３ｃにより各放射素子５０ａ〜５０ｈが同時に射出成形により製造される。

このようにして一体に形成された分配合成回路４１０と各ツイスト用誘電体充填導波管３１ａ〜３１ｈは、各ツイスト用誘電体充填導波管３１ａ〜３１ｈの先に各放射素子５０ａ〜５０ｈが結合された状態にして、分配合成回路４１０、各ツイスト用誘電体充填導波管３１ａ〜３１ｈ、各放射素子５０ａ〜５０ｈの電波の伝搬方向に沿った周面がめっき等で金属膜で覆われて導波路が形成される。

つぎに、この実施の形態２に係るアレーアンテナの動作について説明する。入力端子Ｐ３から入力された電波は、Ｅ面Ｔ分岐回路４０ａで２分配され、Ｅ面ベンド４１ａ及び４１ｂで伝搬方向が変えられた後、再びＥ面Ｔ分岐回路４０ｂ及び４０ｃによりそれぞれ２分配される。これを繰り返すことにより、入力端子Ｐ３から入射された電波は、８分配されることとなる。

分配合成回路４１０により８分配された電波は、各出力端部の矩形の誘電体充填導波管、ツイスト用誘電体充填導波管３１ａ〜３１ｈ、矩形の誘電体充填導波管からなる放射素子５０ａ〜５０ｈからなる誘電体充填ツイスト導波管により偏波の向きが４５度傾き、４５度偏波となって放射素子５０ａ〜５０ｈにより空中に放射される。

以上のようにして形成することにより、小形、軽量の給電回路を含めた４５度偏波の電波を放射するアレーアンテナを一体で構成することができ、また、対称面で２つに分割した金型４３ａ、４３ｂおよび金型４３ａ、４３ｂの開閉方向にその開閉方向が直行する金型４３ｃを用いて射出成形を行うことが容易であり、量産性の向上が可能となる。

なお、上記説明では８素子アレーアンテナについて説明したが、分岐する数を変えて素子数を変えた場合にも同様に実施可能であり、相当の効果を奏する。

また、実施の形態１と同様に各ツイスト用誘電体充填導波管３１ａ〜３１ｈの段数、偏波面の角度を変更してもよい。

また、矩形の誘電体充填導波管の電波の伝搬方向と直行する横断面は一般的には長方形であり、上記各実施の形態では、矩形の誘電体充填導波管の電波の伝搬方向と直行する横断面内の短辺方向に沿った対称面を分割面としているが、長辺方向に沿った対称面を分割面としてもよい。また、横断面が正方形の場合は当然ながら縦横どちらの方向に沿った対称面を分割面としてもよい。

また、この発明の製造方法は、射出成形に限定されることなく、金型を使った成形手法であればどのような成形方法にでも適用可能であり同様な効果を奏する。

なお、この発明は上記各実施の形態に限定されるものではなく、これらの可能な組み合わせを含むことは云うまでもない。

３０，３２ (入出力)誘電体充填導波管、３０ａ，３１ｃ対称面、３０ｂ偏波面、３１，３１ａ〜３１ｈツイスト用誘電体充填導波管、３３ａ，３３ｂ，４３ａ〜４３ｃ金型、４０ａ〜４０ｇＥ面Ｔ分岐回路、４１ａ〜４１ｎＥ面ベンド、５０ａ〜５０ｈ放射素子、４００アレーアンテナ、４１０分配合成回路、Ｐ１，Ｐ２入出力端子、Ｐ３入力端子。

Claims

異なる第１および第２の角度の偏波面を有する矩形の第１および第２の誘電体充填導波管と、
前記第１および第２の誘電体充填導波管の間に電波の伝搬方向に沿って並べて挿入され、前記第１の誘電体充填導波管側から第２の誘電体充填導波管側に向かって前記第１の角度から第２の角度に向かって順に変化するそれぞれの角度の偏波面を有する少なくとも１つのツイスト用誘電体充填導波管と、
を備え、
前記各ツイスト用誘電体充填導波管が、前記第１および第２の誘電体充填導波管の一方と同じ金型で同時に成形可能なように、前記金型で形成される部分の各辺の法線方向が前記金型の開く方向に対して９０度以下０度以上をなす形状を有し、各ツイスト用誘電体充填導波管の電波の伝搬方向の長さが管内波長の約１／４であることを特徴とする誘電体充填ツイスト導波管。
前記少なくとも１つのツイスト用誘電体充填導波管の前記金型の開く方向に沿った断面形状が八角形であることを特徴とする請求項１に記載の誘電体充填ツイスト導波管。
前記第１および第２の誘電体充填導波管および前記少なくとも１つのツイスト用誘電体充填導波管が電波の伝搬方向に沿った周面が金属膜で覆われて導波路が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の誘電体充填ツイスト導波管。
請求項１から３までのいずれか１項に記載の誘電体充填ツイスト導波管の製造方法であって、前記第１および第２の誘電体充填導波管の一方と前記少なくとも１つのツイスト用誘電体充填導波管を同じ金型で同時に成形することを特徴とする誘電体充填ツイスト導波管の製造方法。
前記第１および第２の誘電体充填導波管の他方を別の金型でさらに同時に成形することを特徴とする請求項４に記載の誘電体充填ツイスト導波管の製造方法。
入力端子から入力した電波を分配する矩形の誘電体充填導波管で構成された分配合成回路と、前記分配合成回路の分岐された複数の出力端のそれぞれに形成された誘電体充填ツイスト導波管と、からなる誘電体充填ツイスト導波管を有するアレーアンテナであって、
前記誘電体充填ツイスト導波管が、前記分配合成回路の各出力端の矩形の誘電体充填導波管からなる第１の角度の偏波面を有する第１の誘電体充填導波管と、矩形の放射素子からなる第２の角度の偏波面を有する第２の誘電体充填導波管と、前記第１および第２の誘電体充填導波管の間に電波の伝搬方向に沿って並べて挿入され、前記第１の誘電体充填導波管側から第２の誘電体充填導波管側に向かって前記第１の角度から第２の角度に向かって順に変化するそれぞれの角度の偏波面を有する少なくとも１つのツイスト用誘電体充填導波管からなり、
前記各ツイスト用誘電体充填導波管が、前記第１の誘電体充填導波管を含む前記分配合成回路と同じ金型で同時に成形可能なように、前記金型で形成される部分の各辺の法線方向が前記金型の開く方向に対して９０度以下０度以上をなす形状を有し、各ツイスト用誘電体充填導波管の電波の伝搬方向の長さが管内波長の約１／４であることを特徴とする誘電体充填ツイスト導波管を有するアレーアンテナ。
前記分配合成回路の誘電体充填導波管および各誘電体充填ツイスト導波管が電波の伝搬方向に沿った周面が金属膜で覆われて導波路が形成されていることを特徴とする請求項６に記載の誘電体充填ツイスト導波管を有するアレーアンテナ。
請求項６または７記載の誘電体充填ツイスト導波管を有するアレーアンテナの製造方法であって、前記第１の誘電体充填導波管を含む前記分配合成回路および前記少なくとも１つのツイスト用誘電体充填導波管を第１の金型で、前記第２の誘電体充填導波管を第２の金型でそれぞれ同時に成形したことを特徴とする誘電体充填ツイスト導波管を有するアレーアンテナの製造方法。