JP2011223362A - 導波管変換器及びレーダ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】１の導波管から他の導波管へマイクロ波を導く簡易な構造を有しかつ簡易に製造可能な導波管変換器を提供する。
【解決手段】導波管変換器３０を構成する、所要厚を有する長尺の内側導体３１は、長尺方向の一端側で、第１の幅を有し、導入用導波管部１０内に露出する第１部位３１１と、長尺方向の他端側で、第１の幅より狭い第２の幅を有し、給電用導波管部２０内に露出する第２部位３１２と、第１部位３１１の適所に、突出して形成された第３部位３１３と、第１部位３１１及び第３部位３１３の少なくとも一方から直交する方向に所定長だけ延設された支持部位３１４とを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、導波管変換器及びレーダ装置に関する。

例えばレーダ装置においては、マグネトロン等のマイクロ波発生源で生成された電磁波を１又は複数の導波管を経由してアンテナまで導き、このアンテナから外方に放射するように構成されている。上流側の導波管から、向きや方向が異なる下流側の導波管に電磁波を伝搬（給電）する場合、給電構造が採用される。例えば、縦向きの導波管から横向きの導波管に電磁波を伝搬する場合、縦向きの導波管の管壁適所に所要径を有するループプローブを配置し、さらに横向きの導波管側で別の所要径に設定された電界プローブとすることで両導波管に対してそれぞれ整合が取られて電磁波がカップリング可能にされたものが知られている。

また、特許文献１には、導波管を介して外方に電磁波を放射する装置に対して、上記カップリング技術を採用したものが記載されている。特許文献１の図６、図７には、導波管セクション間に信号カプラを設けた構成が記載されている。信号カプラは同軸コネクタを備え、さらに導波管に対して電磁波を抽出したり注入したりする、高導電性材からなる導線ループプローブが挿入されている。同軸コネクタは所定長を有する中心導線や円筒状の絶縁スペーサで構成され、これらのサイズなどを適宜設計することによって、伝送路系でのインピーダンスマッチングが取られている。

国際公開 ＷＯ２００７／０３５５２３号公報

しかしながら、前述したプローブは、整合を取るべく横断面の径の設計が容易でなく、またループプローブの部分の径の太さのため、ループ形状が簡易に実現できず、ループ部位を部分的に切削する等の加工を要していた。従って、構造が複雑であると共に、その製造も容易ではなかった。また、特許文献１に記載の信号カプラも構造的には簡易ではない。

本発明は、上記に鑑みてなされたもので、１の導波管から他の導波管へマイクロ波を導く簡易な構造を有し及び簡易に製造可能な導波管変換器及びそれを備えるレーダ装置を提供することにある。

請求項１記載の導波管変換器は、第１の導波管から第２の導波管へマイクロ波を伝搬する導波管変換器において、長尺形状をなし、それぞれの部が前記第１の導波管及び前記第２の導波管の各管内に露出して配置される内側導体を備え、前記内側導体は、所要厚みを有する板状体であることを特徴とするものである。これにより、互いに向き、方向の少なくとも一方が異なる第１の導波管と第２の導波管であっても、第１の導波管から第２の導波管へ電磁波が好適にカップリングされる。そして、この発明によれば、内側導体として板材体を採用することで、内側導体の構造が簡易となり、かつその分製造もパンチ（プレス）加工で済む等容易となる。

請求項２記載の発明は、請求項１に記載の導波管変換器において、前記内側導体は、前記長尺方向の一端側で、第１の幅を有し、前記第１の導波管内に露出する第１部位と、前記長尺方向の他端側で、前記第１の幅より狭い第２の幅を有し、前記第２の導波管内に露出する第２部位とを有することを特徴とする。この構成によれば、第１の導波管内に露出している第１部位から第２の導波管に露出している第２部位に向けて電磁波が伝送される。このとき、第１部位及び第２部位の幅をそれぞれ適宜に設計することで整合を取ることが可能となり、第１の導波管から第２の導波管へスムースにマイクロ波が伝搬される。

請求項３記載の発明は、請求項２に記載の導波管変換器において、前記内側導体の前記第２部位であって前記第２の導波管内に露出する部位を嵌合する筒状の絶縁体材を備えることを特徴とする。この構成によれば、内側導体は、第２部位及び絶縁体材を介して第１、第２の導波管の結合部位に配設される。

請求項４記載の発明は、請求項２又は３に記載の導波管変換器において、前記内側導体は、前記第１部位の適所に、突出して形成された第３部位を有することを特徴とする。この構成によれば、第３部位によって第１の導波管と整合が取られて、好適に電磁波が第１部位に導入される。そして、第２部位に伝送された電磁波は、整合状態にある第２の導波管に導入される。これにより、第１の導波管から第２の導波管へ電磁波が一層好適にカップリングされる。

請求項５記載の発明は、請求項４に記載の導波管変換器において、前記第３部位は、前記第１部位の前記一端側先端に前記第１の幅より狭い第３の幅を有して形成されたことを特徴とする。この構成によれば、第１部位に対して軸対称で形成できるので、製造が容易となる。

請求項６記載の発明は、請求項５に記載の導波管変換器において、前記第２部位と第３部位の幅寸法は同一であることを特徴とする。この構成によれば、第２部位と第３部位とは同心状にあり、かつ幅を同一とすることで構造が簡易となり、その分製造が容易となる。

請求項７記載の発明は、請求項１〜６のいずれかに記載の導波管変換器において、前記内側導体は、前記第１部位及び第３部位の少なくとも一方から直交する方向に所定長だけ延設された支持部位を有することを特徴とする。この構成によれば、内側導体は指示部位を介して第１の導波管に固設可能となる。

請求項８記載の発明は、請求項７に記載の導波管変換器において、前記支持部位は、延設先端から基端に向けて、前記第１の導波管に支持するための取り付け穴が設けられていることを特徴とする。この構成によれば、第１の導波管の側壁と内側導体とは取り付け穴にネジ等を差し込むことで容易に締結される。

請求項９記載のレーダ装置は、請求項１〜８のいずれかに記載の導波管変換器と、マイクロ波発生源とを備え、前記マイクロ波発生源からのマイクロ波を第１の導波管、前記導波管変換器及び第２の導波管を介して空中に放射するものである。この発明によれば、形状簡易かつ製造容易な導波管変換器を備えたレーダ装置の提供が可能となる。

本発明によれば、内側導体として板材を採用することで、内側導体の構造が簡易で、かつその分製造が容易な導波管変換器およびレーダ装置が提供できる。

本発明に係る導波管変換器が適用される２次元アレイスロットアンテナの一実施形態を示す概略斜視図である。 導波管変換器周りの構造を示す図で、（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）はI−I矢視図である。 内側導体３１の詳細構造を示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は右側面図である。 図３に示す内側導体３１を用いた場合のリターンロスのシミュレーション結果を示す図表である。 図３に示す内側導体３１において、第３部材が３．２ｍｍの場合のリターンロスのシミュレーション結果を示す図表である。 図３に示す内側導体３１において、第３部材が３．４ｍｍの場合のリターンロスのシミュレーション結果を示す図表である。

図１は、本発明に係る導波管変換器が適用される２次元アレイスロットアンテナの一実施形態を示す概略斜視図である。図２は、導波管変換器周りの構造を示す図で、（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）はI−I矢視図である。なお、図１では、説明の便宜上、上面側から電磁波が供給され、アンテナは下面側にあり、下面の放射面から下方にマイクロ波が放射される姿勢となっているが、通常の使用態様では、アンテナの放射面は垂直面に平行隣るように設定され、マイクロ波は水平方向に向けて放射される。

２次元アレイスロットアンテナは、マイクロ波を導入する第１の導波管としての導入用導波管部１０、導入用導波管部１０の下流側に当たる第２の導波管部としての給電用導波管部２０、導入用導波管部１０と給電用導波管部２０とを結合する導波管変換器３０、及びアンテナ部４０を備えている。

導入用導波管部１０は、マイクロ波発生源、例えばマグネトロン５０からのマイクロ波が直接あるいは他の導波管を経由して導入され、導入されたマイクロ波を導波管変換器３０を経由して下流側に伝搬するものである。導入用導波管部１０は、所定の直方体形状を有し、対象となる例えば９．４ＧＨｚのマイクロ波の定在波が発生可能なサイズに設計されている。導入用導波管部１０の一側面であって一端部１０１から整合が得られる所定の位置には、導波管変換器３０を設けるための円形の開口１０２が形成されている。

給電用導波管部２０は、導入用導波管部１０に対して直交する方向に向けられている。給電用導波管部２０は、導入用導波管部１０から導波管変換器３０を介して給電された電磁波をアンテナ部４０に導くものである。給電用導波管部２０の一端２０１側には、導入用導波管部１０からの電磁波を入力する入力空間部２０２を有する。この入力空間部２０２には底部側に導入用導波管部１０の開口１０２と連通する円筒状の連結部２０３を有し、この連結部２０３に導波管変換器３０が配置される。また、給電用導波管部２０の入力空間部２０２の他端側は給電空間部２０４と連通されている。給電空間部２０４は、図１から判るように、導入用導波管部１０の長尺方向と直交する方向に所要長を有する。また、図１から判るように、入力空間部２０２の位置は、給電空間部２０４の長手方向に対してその中央側の適所に対応している。

給電空間部２０４の下面側（図１の下方側）には、前記直交方向に平行に所定数、ここでは４つのスロット２０５が所定ピッチを有して直列に配列形成されている。給電空間部２０４は、入力空間部２０２に入力された電磁波を給電空間部２０４で分岐して伝搬し、４つの各スロット２０５を介してアンテナ部４０に伝搬するようしている。なお、入力空間部２０２は、４つのスロット２０５の内側の一つのスロットと対面する位置に設定されて整合が取られている。

導波管変換器３０は、開口１０２及び開口された連結部２０３を貫通される。導波管変換器３０は、内側導体３１と内側導体３１の一部を囲繞する例えばテフロン（登録商標）からなる絶縁材３２とで構成されている。

図３は、内側導体３１の詳細構造を示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は右側面図である。図３において、内側導体３１は、所定の厚み、本実施形態では、２ｍｍの板材である。内部導体３１は、導電材好ましくは高導電材であり、例えば真鍮が採用されている。真鍮に代えて、導電材乃至は高導電材としての性質を有する材料であれば採用可能である。

内側導体３１は、概略的に長尺形状を有する。内側導体３１は、長尺方向の一端側（図３の下方側）で、第１の幅、例えば３ｍｍを有し、導入用導波管部１０内に露出する第１部位３１１と、前記長尺方向の他端側（図３の上方側）で、第１部位３１１の幅より狭い第２の幅、例えば２ｍｍを有し、給電用導波管部２０に露出する第２部位３１２と、第１部位３１１の適所で突出して形成された、主にマッチングセクションとしての第３部位３１３とを備えている。また、内側導体３１は、第１部位３１１及び第３部位３１３の少なくとも一方から前記長尺形状の方向に直交する方向に所定長だけ延設して形成された支持部位３１４を有する。

第１部位３１１の幅寸法及び第２部位３１２の長尺方向寸法は、それぞれ所要の長さ寸法に設計されており、ここでは７．５５ｍｍ、１６．１ｍｍに設定されている。また、第１部位３１１の幅寸法及び第２部位３１２の幅寸法は、いずれも露出する導入用導波管部１０、給電用導波管部２０に対してインピーダンスマッチングが取られ、電磁波が適正にカップリング可能な寸法に設計されている。また、本実施形態では、第３部位３１３として、第１部位３１１の更に下端側に所定寸法、例えば２ｍｍだけ、第１部位３１１の幅寸法である３ｍｍより狭い所定寸法、例えば２ｍｍが設けられている。

絶縁材３２は、第２部位３１２を内嵌するもので、円筒形状を有し、一方、筒内部は、第２部位３１２が内嵌されるべく、横断面（厚み×幅）が対応する長方形形状、ここでは２ｍｍ×２ｍｍの正方形をなしている。なお、絶縁材３２は、図２に示すように、装着状態で給電用導波管部２０の上面に当接する長さ寸法に設定されている。

第３部位３１３の長さ寸法及び幅寸法は、図３では第１部位３１１の幅寸法より短くかつ狭いもので、ここでは長さ２ｍｍ、幅２ｍｍである。この第３部位３１３は、第１部位３１１の適所に設けて、導入用導波管部１０とインピーダンスマッチングを取るためのものである。第３部位３１３が設けられる位置としては、第１部材３１１の上下方向の途中の適所に横向けで設けてもよく、また、そのサイズは、インピーダンスマッチングを考慮して所定の長さ寸法及び所定の幅を有するものとしてもよい。形状も矩形状に限定されず、例えば半円形状でもよい。また、第３部位３１３の個数は、１個に限定されず、インピーダンスマッチングを考慮して２個又はそれ以上の所定数を第１部位３１１の適所に設ける態様としてもよい。

支持部位３１４は、所定寸法、例えば２ｍｍで、長さが約４ｍｍとしてもよい。さらに、支持部位３１４には、導波管変換器３０を導入用導波管部１０の内壁適所に図略のネジ等を介して固設するべく、締結用の穴３１５が形成されている。図２（ｃ）は、この固設状態を示している。このように、内側導体３１を板材とすることで、所要形状の内側導体３１をパンチ加工等によって簡易に製造することが可能となる。

アンテナ部４０は、導波管であり、図１では詳細には示されていないが、下面側の幅方向（図１の左右側）に複数個のスロット（図略）が複数配列されている。アンテナ部４０は、下面に２次元状にスロットアレイが例えば簡易なパンチ加工によって配列して形成されることで、放射面が構成されている。スロットアレイは幅方向（電磁波の伝搬方向に直交する方向）に所定数ずつ、本実施形態では３個のスロットが交互に逆向きの傾斜角を有するようにして形成されている。かかるスロットアレイが電磁波伝搬方向に所定ピッチ、例えば管内波長の１／２（あるいはその奇数倍）のピッチで配列されている。これにより、ＴＥｎ０モードの電磁波が導波管内を伝搬し、スロットアレイから所要の指向性を有して放射される。

図４は、図３に示す内側導体３１を用いた場合のリターンロスのシミュレーション結果を示す図表である。図４に示すように、使用するマイクロ波の中心周波数９．４１ＧＨｚで帯域９．３８ＧＨｚ〜９．４４ＧＨｚの範囲内で、−３０ｄＢ以下となっており、カップリングが適正であることが判る。

また、図５、図６は、第１部位３１１の幅寸法を３．０ｍｍに対して、３．２ｍｍ、３，４ｍｍについてリターンロスのシミュレーションを行った際の図表である。図５、図６のいずれも、９．３８ＧＨｚ〜９．４４ＧＨｚの範囲内において、中央の９．４１ＧＨｚ付近において最小値が表れた特性を有している。また、９．３８ＧＨｚ、９．４４ＧＨｚ付近で、いずれも−３０ｄＢをやや超える程度で、実質的には帯域内で略−３０ｄＢ以下であった。

なお、本発明は、マイクロ装置の代表例としてのレーダ装置に適用可能である。レーダ装置は高周波回路部を有する。図１に示すように、この高周波回路部は、駆動部５１によって間欠駆動されてパルス状のマイクロ波を発振出力するマグネトロン５０、マイクロ波を、水平面上で回転する回転側となるアンテナを含む空中線部側に伝送するロータリージョイント６０等を備えている。かかる構成において、導入用導波管部１０が第１の導波管に相当し、給電用導波管部２０が第２の導波管に相当する。そして、駆動部５１がマグネトロン５０をパルス駆動することによって、９．４１ＧＨｚのパルス状マイクロ波信号が出力され、ロータリージョイント６０、導入用導波管部１０、誘電構造３０、給電用導波管部２０を経由してアンテナ部４０へ導かれ、空中へ放射される。

また、第１の導波管と第２の導波管とは、本実施形態における導入用導波管部１０、給電用導波管部２０に限定されず、上流側の導波管とその下流側の導波管とを結合する関係にある場合の全てに適用可能である。

１０ 導入用導波管部（第１の導波管）
１０２ 開口
２０ 給電用導波管部（第２の導波管）
２０２ 入力空間
２０３ 連結部
３０ 導波管変換器
３１ 内側導体
３２ 絶縁材（絶縁体材）
３１１ 第１部位
３１２ 第２部位
３１３ 第３部位
３１４ 支持部位
３１５ 穴
４０ アンテナ部

Claims (9)

1. 第１の導波管から第２の導波管へマイクロ波を伝搬する導波管変換器において、長尺形状をなし、それぞれの部が前記第１の導波管及び前記第２の導波管の各管内に露出して配置される内側導体を備え、前記内側導体は、所要厚みを有する板状体であることを特徴とする導波管変換器。
2. 前記内側導体は、前記長尺方向の一端側で、第１の幅を有し、前記第１の導波管内に露出する第１部位と、前記長尺方向の他端側で、前記第１の幅より狭い第２の幅を有し、前記第２の導波管内に露出する第２部位とを有することを特徴とする請求項１に記載の導波管変換器。
3. 前記内側導体の前記第２部位であって前記第２の導波管内に露出する部位を嵌合する筒状の絶縁体材を備えることを特徴とする請求項２に記載の導波管変換器。
4. 前記内側導体は、前記第１部位の適所に、突出して形成された第３部位を有することを特徴とする請求項２又は３に記載の導波管変換器。
5. 前記第３部位は、前記第１部位の前記一端側先端に前記第１の幅より狭い第３の幅を有して形成されたことを特徴とする請求項４に記載の導波管変換器。
6. 前記第２部位と第３部位の幅寸法は同一であることを特徴とする請求項５に記載の導波管変換器。
7. 前記内側導体は、前記第１部位及び第３部位の少なくとも一方から直交する方向に所定長だけ延設された支持部位を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の導波管変換器。
8. 前記支持部位は、延設先端から基端に向けて、前記第１の導波管に支持するための取り付け穴が設けられていることを特徴とする請求項７に記載の導波管変換器。
9. 請求項１〜８のいずれかに記載の導波管変換器と、マイクロ波発生源とを備え、前記マイクロ波発生源からのマイクロ波を第１の導波管、前記導波管変換器及び第２の導波管を介して空中に放射するレーダ装置。

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