JP2013168830A - 導波管接続構造 - Google Patents

Abstract

【課題】導波管を接続したときに接続面間に隙間が生じても、使用周波数帯域に与える影響を抑える。
【解決手段】使用周波数帯域に応じて導波管の開口部から接続面の端までの長さＬ１を調節することにより、接続面を合わせて導波管同士を接続したときに接続面間に隙間ができた場合でも、伝搬特性に影響がでる帯域が使用周波数帯域外となるため、システム性能を損なうことがない。
【選択図】図１

Description

本発明は、導波管の接続構造に関する。

図８（ａ），（ｂ）に、従来の導波管接続構造の正面図と側面図を示す。同図に示す導波管接続構造は、導波管２の端にフランジ１０１と円形凸部１０２を備える。円形凸部１０２の接続面の中心に設けられた導波管の方形開口部２１の長辺ａが２．０３２ｍｍ、短辺ｂが１．０１６ｍｍで、接続面の直径Ｒが９．５３ｍｍであり、ＷＲ−８の規格に沿ったものである。図示していないが、フランジ１０１は、導波管同士を接続する際に位置を合わせるための位置合わせ用ピン、接続した導波管同士を固定するためのボルトなどを挿入するネジ穴を備える。導波管同士を接続する際には、位置合わせ用ピンで位置を合わせて、円形凸部１０２の接続面同士を接触させ、ボルトなどで固定する。

特開２０１０−２１９２３号公報

しかしながら、図９に示すように、導波管同士を接続した際にわずかな隙間が空いてしまうことがある。導波管の中を伝搬するＲＦ信号が高周波になると、この隙間によって伝搬特性が阻害されてしまうという問題がある。図１０に、従来の導波管接続構造により接続した導波管において、接続面間の隙間の間隔Δｄを０．１ｍｍとして各周波数における減衰量を測定した結果を示す。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、導波管を接続したときに接続面間に隙間が生じても、使用周波数帯域に与える影響を抑えることを目的とする。

本発明に係る導波管接続構造は、導波管同士を接続する導波管接続構造であって、前記導波管の端に配置され、接続面を備えた接続部と、前記接続面の中心に配置された前記導波管の開口部と、を有し、前記導波管同士を接続した際に前記接続面間に隙間が存在する場合でも使用周波数帯域の減衰量が抑えられるように、Ｌ１＝λ／４×（２ｎ−１）（Ｌ１は前記開口部の端から前記接続面の端までの長さ、λは管内波長、ｎは正の整数）で求められる周波数が使用周波数帯域外となるようにＬ１を調節したことを特徴とする。

上記導波管接続構造において、前記開口部は長方形で、前記接続面は円形であり、前記長方形の長辺の中心から当該長辺に対して垂直に延ばした前記接続面の端までの長さをＬ１としたことを特徴とする。

上記導波管接続構造において、前記開口部は長方形で、前記接続面は前記長方形の長辺の中心を中心とする半径Ｌ１の２つの半円と当該２つの半円を結ぶ直線で構成されることを特徴とする。

上記導波管接続構造において、前記開口部は長方形で、前記接続面は前記長方形の長辺の中心から当該長辺に対して垂直及び平行方向に長さＬ１離れた点を通る曲線で構成されることを特徴とする。

上記導波管接続構造において、前記開口部と前記接続面はともに円形であることを特徴とする請求項１記載の導波管接続構造。を特徴とする。

本発明によれば、導波管を接続したときに接続面間に隙間が生じても、使用周波数帯域に与える影響を抑えるができる。

本実施の形態における導波管接続構造の構成を示す正面図と側面図である。 接続面間の間隔を変化させて各周波数における減衰量を測定した結果を示す図である。 導波管の開口部の長辺から接続面の端までの長さを変化させて各周波数における減衰量をシミュレーションにより求めた結果を示す図である。 本実施の形態における別の導波管接続構造の構成を示す正面図である。 本実施の形態におけるさらに別の導波管接続構造の構成を示す正面図である。 本実施の形態におけるさらに別の導波管接続構造の構成を示す正面図である。 図６の導波管接続構造を用いて、導波管の開口部から接続面の端までの長さを変化させて各周波数における減衰量をシミュレーションにより求めた結果を示す図である。 従来の導波管接続構造の構成を示す正面図と側面図である。 導波管同士を接続した際に生じる隙間を図示した側面図である。 接続面間に隙間が存在する場合の各周波数における減衰量を測定した結果を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

図１（ａ），（ｂ）は、本実施の形態における導波管接続構造の構成を示す接続面の正面図と側面図である。

本実施の形態における導波管接続構造は、導波管同士を固定するためのフランジ１１と、使用周波数帯域に応じて設計した大きさの接続面を有する円形凸部１２を備えた構造であり、円形凸部１２の接続面の中心に導波管の方形開口部２１が設けられて導波管２の端に配置される。導波管２の断面の大きさは伝搬する電磁波によって決められ、本実施の形態では、長辺ａが２．０３２ｍｍ、短辺ｂが１．０１６ｍｍであり、９０Ｇ〜１４０ＧＨｚの電磁波を伝搬する。なお、導波管２、導波管接続構造の材質は導体である。

導波管と別の導波管を接続する場合には、フランジ１１に配置された位置合わせ用ピン（図示せず）で位置を決め、円形凸部１２の平らな接続面同士をくっつけて、双方の導波管のフランジ１１に形成されたネジ穴（図示せず）にボルトなどを挿入して固定する。

続いて、円形凸部１２の接続面の大きさの決め方について説明する。従来の導波管接続構造における接続面の大きさは、規格で定められており、例えば、ＷＲ規格の場合、ＷＲ−１０（７５ＧＨｚ〜１１０ＧＨｚ）、ＷＲ−８（９０ＧＨｚ〜１４０ＧＨｚ）、ＷＲ−６（１１０ＧＨｚ〜１７０ＧＨｚ）、ＷＲ−５（１４０ＧＨｚ〜２２０ＧＨｚ）は共通の大きさ（直径 約９．５ｍｍ）である。

図２に、ＷＲ−８導波管を用いて、接続面間の隙間の間隔Δｄを変化させて、各周波数における減衰量を測定した結果を示す。同図では、隙間がない場合（Δｄ＝０ｍｍ）と隙間の間隔Δｄが０．１ｍｍ，０．２ｍｍ，０．３ｍｍの場合について示している。Δｄ＝０ｍｍのときは伝搬特性に影響は無く、ＷＲ−８が規定する全周波数範囲（９０ＧＨｚ−１４０ＧＨｚ）で低損失の伝搬が可能であることが分かる。しかしながら、接続面間に隙間が存在する場合は、図２に示すように、１０５Ｇ〜１０７ＧＨｚと１３４Ｇ〜１３８ＧＨｚをピークとして減衰量が増加して伝搬特性に影響が出てしまう。これは、１００ＧＨｚ帯などのミリ波帯では管内波長が数ｍｍとなるため、０．１ｍｍ程度の僅かな隙間でも電磁波の一部が漏れ出てしまうために生じる現象である。方形導波管中を伝搬する電磁波の電界強度は、方形開口部２１の長辺の中心が最も大きい。よって、接続面に隙間が存在する場合、方形開口部２１の長辺の中心から漏れる電磁波が最も電力が大きくなる。接続面間の隙間から漏れ出る電磁波の一部は、円形凸部の端面でインピーダンス不整合により反射し、再び導波管へ戻る。ここで接続面間から漏れた電磁波が円形凸部の端面で反射して戻ってきた際、導波管を伝搬する電磁波に対して強め合うか弱めあうかは、電磁波の管内波長と方形開口部２１の長辺の中心から接続面の端まで垂直に伸ばした長さＬ１によって異なる。よって、図２に示したように、減衰量が大きく増加する周波数帯と、減衰量がそれほど増加していない周波数帯が存在する。一方、電磁波の管内波長λのΔｄに対する依存性は小さいため、減衰量が大きく増加する周波数はΔｄには大きく依存しない。

そこで、本実施の形態では、円形凸部１２の接続面間に隙間ができた場合でも使用周波数帯域の減衰量が抑えられるように、方形開口部２１の長辺から接続面の端までの長さＬ１を決める。長さＬ１と伝搬特性に影響がでるピークの管内波長λとの関係は次式（１）で表される。

Ｌ１＝λ／４×（２ｎ−１） ・・・（１）
ただし、ｎは正の整数である。

方形開口部２１の長辺から接続面の端までの長さＬ１によって伝搬特性に影響がでるピークの周波数（周波数ｆ＝ｃ／λ、ｃ：電波の伝播速度）が求まるので、使用周波数帯域が伝搬特性に影響がでるピークとピークの間になるように長さＬ１を調節する。例えば、１１０ＧＨｚから１３０ＧＨｚまでを使用周波数とし、ｎが２の時に生じるピークと、ｎが３の時に生じるピークとの間に、前記使用周波数帯が入るようにする。本条件のもとでＬ１とλの関係を計算してゆくと、Ｌ１＝３．３ｍｍの時に約１００ＧＨｚでｎ＝２で式（１）を満たし、さらに約１４０ＧＨｚでｎ＝３で式（１）を満たすことが分かる。実際にＬ１を３．３ｍｍとして伝送特性を電磁界解析で計算させた結果を図３に示す。ここで接続面間の間隔Δｄは０．１ｍｍとした。Ｌ１＝３．３ｍｍの結果をみると、設計通り１００ＧＨｚと１４０ＧＨｚで減衰量が大きいピークが現れ、その間の使用周波数帯（１１０ＧＨｚ〜１３０ＧＨｚ）は減衰量が小さい、という所望の結果を得ることができる。さらにＬ１が３．２ｍｍ、３．４ｍｍ、３．５ｍｍに変化させた場合も図３に示す。長さＬ１を長くしていくと伝搬特性がでるピークの周波数が低くなり、減衰量が大きく増加しない区間も低周波側にシフトできることが分かる。

なお、導波管２をぐらつかずに一直線に接続するためには接続面を小さくしすぎることはできず、長さＬ１にはある程度の長さ（例えばＬ１＞ａ）が必要である。また、円形凸部の端面で漏れ信号を反射させるためには、円形凸部の高さを低くしすぎることができず、円形凸部の高さにはある程度の高さ（例えば ａ／２以上）が必要である。

図４は、本実施の形態における別の導波管接続構造の構成を示す正面図である。

図４に示す導波管接続構造は、方形開口部２１の長辺側の上下に長さＬ１を半径とする２つの半円をつくり、２つの半円の端を直線で結んだ接続面の卵形凸部１３を備えた構造である。長さＬ１は、図１の導波管接続構造と同様に、使用周波数帯域に応じて設定する。
上述したように、接続面に隙間が存在する場合、方形開口部２１の長辺の中心から漏れる電磁波が最も電力が大きくなる。本実施例では方形開口部２１の長辺の中心を基準して半円となる構造としているため、方形開口部２１の長辺の中心から漏れた電磁波が半円部分を伝搬し、端面に達するまでの距離がどの方向に対してもＬ１とすることができる。本構造の実施により、式（１）を満たす周波数をより限定することができる。すなわち、減衰量が大きく増加する周波数区間を狭くすることができ、使用周波数帯を広く確保することが可能となる。

図５は、本実施の形態におけるさらに別の導波管接続構造の構成を示す正面図である。

図５に示す導波管接続構造は、方形開口部２１の長辺の中心から長辺に垂直な方向と長辺に平行な方向それぞれに長さＬ１離れた点を通る曲線で囲まれた接続面の楕円凸部１４を備えた構造である。長さＬ１は、図１の導波管接続構造と同様に、使用周波数帯域に応じて設定する。

本実施例においても、方形開口部２１の長辺の中心から長辺に垂直な方向と長辺に平行な方向それぞれの長さをＬ１としたことによって、式（１）を満たす周波数をより限定することができ、減衰量が大きく増加する周波数区間を狭くすることができる。さらに、楕円形の断面構造となるため、不連続点を全く含まない。構造における不連続点は、電界の擾乱によって設計者の意図しない影響を伝搬特性に与える可能性があるが、本実施例では前記影響を抑制することが可能である。

図６は、本実施の形態におけるさらに別の導波管接続構造の構成を示す正面図である。

図６に示す導波管接続構造は、断面が円形の導波管の接続構造であり、図１と同様に、使用周波数帯域に応じて設計した大きさの接続面を有する円形凸部１５を備え、円形凸部１５の接続面の中心に導波管の円形開口部２２が設けられる。導波管２の断面の大きさは伝搬する電磁波によって決められ、本実施の形態では、直径が１．８５ｍｍで、１１０Ｇ〜１４０ＧＨｚの電磁波を伝搬する。

円形導波管は方形導波管に次いでよく使用される導波管形状である。円形導波管の場合も、使用周波数帯域が伝搬特性に影響がでるピークとピークの間になるように、円形開口部２２から接続面の端までの長さＬ１を調整する。

図７に、接続面間の隙間の間隔Δｄを０．１ｍｍとし、円形開口部２２から接続面の端までの長さＬ１を変化させて、各周波数における減衰量をシミュレーションにより求めた結果を示す。同図では、長さＬ１を３．７７５ｍｍ，３．８７５ｍｍ，３．９７５ｍｍ，４．０７５ｍｍで変化させた場合について示している。図７に示すように、円形導波管の場合も、長さＬ１を長くしていくと、伝搬特性に影響がでるピークが図上で左側にシフトしている。

以上説明したように、本実施の形態によれば、使用周波数帯域に応じて導波管の開口部から接続面の端までの長さＬ１を調節することにより、接続面をくっつけて導波管同士を接続したときに接続面間に隙間ができた場合でも、減衰量が大きくなる帯域が使用周波数帯域外となるため、システム性能を損なうことがない。

１１…フランジ
１２…円形凸部
１３…卵形凸部
１４…楕円凸部
１５…円形凸部
２…導波管
２１…方形開口部
２２…円形開口部
１０１…フランジ
１０２…円形凸部

Claims (5)

1. 導波管同士を接続する導波管接続構造であって、
   前記導波管の端に配置され、接続面を備えた接続部と、
   前記接続面の中心に配置された前記導波管の開口部と、を有し、
   前記導波管同士を接続した際に前記接続面間に隙間が存在する場合でも使用周波数帯域の減衰量が抑えられるように、Ｌ１＝λ／４×（２ｎ−１）（Ｌ１は前記開口部の端から前記接続面の端までの長さ、λは管内波長、ｎは正の整数）で求められる周波数が使用帯域外となるようにＬ１を調節したこと
   を特徴とする導波管接続構造。
2. 前記開口部は長方形で、前記接続面は円形であり、前記長方形の長辺の中心から当該長辺に対して垂直に延ばした前記接続面の端までの長さをＬ１としたことを特徴とする請求項１記載の導波管接続構造。
3. 前記開口部は長方形で、前記接続面は前記長方形の長辺の中心を中心とする半径Ｌ１の２つの半円と当該２つの半円を結ぶ直線で構成されることを特徴とする請求項１記載の導波管接続構造。
4. 前記開口部は長方形で、前記接続面は前記長方形の長辺の中心から当該長辺に対して垂直及び平行方向に長さＬ１離れた点を通る曲線で構成されることを特徴とする請求項１記載の導波管接続構造。
5. 前記開口部と前記接続面はともに円形であることを特徴とする請求項１記載の導波管接続構造。

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