JP2014507083A - ホモダインｆｍｃｗ−レーダ・デバイス用ダイプレクサ - Google Patents

Abstract

本発明は、ホモダインＦＷＣＷ-レーダ・デバイス向けのダイプレクサ（３０）に関するが、このダイプレクサは、寸法の小さな中空導体構造に特徴付けられ、したがって、簡単にかつ費用効果が高く作製することができる。
ダイプレクサ（３０）の中空導体構造を、２つのハーフ・シェル（３２、３４）から切り出し、その後、接合してダイプレクサ（３０）を形成することができる。様々な材料により、ハーフ・シェル（３２、３４）の材料の選択肢が提供される。
【選択図】図５

Description

本発明は、ホモダインＦＭＣＷ-レーダ・デバイス用ダイプレクサに関する。本発明は、とりわけ、中空導体技術で構築したダイプレクサに関する。

ダイプレクサは、レーダ・デバイス内で２つの入力を１つの出力に接続する働きをし、この意味で、周波数ゲートとして機能する。したがって、たとえば、１つの出力チャネルに接続されたアンテナを動作させることができるように、２つの入力チャネルを信号方向に分断および分離することが可能である。エコー信号は、アンテナの伝送信号から反射され、反射面にぶつかり、戻って来たところを受信され、次いで、これを、関連する受信器に戻るように分配することが可能である。一方、ダイプレクサ内の信号は、できる限り減衰されるべきであり、他方、両入力チャネル間の分断は、できる限り大きくなるべきである。このことは、信号が所望の方向にのみ導かれるべきであり、反対方向では、減衰ができる限り大きくなるべきであることを意味する。

低コスト分野のレーダ技術用の周知のダイプレクサは、たとえば、マイクロストリップ・カプラとして回路基盤上に直接配置され、回路基盤とともに非常に小型で、非常に精密に、非常に費用効果が高く実現することができ、したがって、こうしたダイプレクサは、たとえば携帯電話などの消費者向製品内で使用することができる。それらの不利な点には、低い指向特性と、適度なマッチングでの高いロスとが含まれる。

一方、導体構造が中空導体セクションから形成されたダイプレクサが知られている。ダイプレクサ用の中空導体は、原則として、互いに追従する中空導体セクションから形成された、実質的には平行に延びる２つの中空導体チャネルである電力分割器からなる。中空導体チャネルのこれら中空導体セクションは、通常、カップリング・ゾーンにより分離される。第１の電力分割器の後、電力を半分にしたもの２つが、互いに異なるパスレングスを移動し、したがって、異なる位相を得る。第２の電力分割器は、互いに異なるパスレングスにも関わらず、これら電力を半分にしたもの２つが等しい位相を有する場合に、加算素子として働く。しかし、位相が互いに異なれば、電力の弱化が起こる。これら位相が反対であれば、電力は消される。したがって、有効なダイプレクサは、加算が起こる周波数における出力線の線長と、取消しの周波数における出力線の線長とについて寸法決めがなさなければならない。ダイプレクサは、調整可能な迂回回線が以下の条件を同時に満たすときに最も効果的に機能する。
−一方の周波数についての位相シフトが、０°でなければならない。
−他方の周波数についての位相シフトが、１８０°でなければならない。

２つの伝送周波数間の周波数分離は、ダイプレクサ設計により予め定められる。通常、迂回回線は、波長の倍数を用いて寸法決めされ、これにより、より一層小さな位相差が乗算され、したがって、ダイプレクサはより狭い通過特性を得る。それとともに、同一の中空導体長が一方の周波数については半波長の厳密に偶数の倍数を有さなければならず、２つ目の周波数については半波長の奇数倍数を有さなければならないように、伝送周波数が予め定められる。その結果、ダイプレクサは、他の周波数についても透過するようになるが、こうした周波数は、通常は補足的フィルタにより抑制される。多波長を使用する更なる理由は、それを用いると、２つの伝送周波数間の導入された周波数分離が軽減されることである。

中空導体構造のダイプレクサを備えるＦＭＣＷレーダ・デバイスは、高い電力処理能力で特徴付けられ、所望の周波数への相対的に簡単な調整を可能にするので、たとえば、工業プロセス測定技術のコンテキストでの距離測定や充填レベル測定などの広帯域用途にとりわけ適している。

Ralf BeyerおよびUwe Rosenbergの刊行物「Compact Top-Wall Hybrid/Coupler Design for Extreme Broad Bandwidth Applications」、Microwave Symposium Digest、MTT-S International、２００５年６月１２〜１７日、ISBN ０-７８０３-８８４６-１／０５、１２２７〜１２３０ページからの、先に説明した種類のダイプレクサが知られているが、このダイプレクサは、広帯域使用向けに設計され、２つのハーフ・シェル（half shell）からなる。しかし、このダイプレクサは、中空導体セクション間のカップリング・ゾーン内に中空導体スリット・カプラを使用し、このカプラは、たとえば、工業プロセス測定技術で所望される５０ＧＨｚを超える周波数のために相対的に大規模でなければならず、一方で、非常に狭いカップリング・スリットを有さなくてはならず、こうしたスリットは、作製するのが困難である。

したがって、本発明の目的の１つは、ホモダインＦＭＣＷレーダ・デバイス用ダイプレクサであって、中空導体構造の寸法が減じられているので、簡単にかつ費用効果が高く作製することができるダイプレクサを提供することである。

この目的は、本発明に従って、ホモダインＦＭＣＷレーダ用ダイプレクサにより実現されるが、このダイプレクサは、
水平偏波および末端中空導体ゲートを有する、互いに接近して隣接する２つの平行な中空導体と、
これらの中空導体チャネルを接続するための、パーティション内の開口部にあるカップリング・ゾーンと、
カップリング・ゾーンの領域内に位置し、中空導体に対して垂直に配置される窪みと、
を備え、
ダイプレクサが、広帯域挙動を示し、カップリング・ゾーン内でのＨ２０波の伝搬を可能にするように、カップリング・ゾーンおよび窪みの寸法に対する中空導体の寸法の比が選択され、
各中空導体ゲートでは、ダイプレクサに接続された送信器および受信器の中空導体への遷移領域がもたらされ、この遷移領域は、所望の広帯域挙動をサポートするような位置および形態で実現され、
ダイプレクサが、２つの対称ハーフ・シェルから作製される。

本発明の有利な形式の実施形態の１つでは、ダイプレクサの中空導体が、矩形断面を有する。

本発明の更なる形式の実施形態では、窪みが概ねプリズム状である。

本発明の他の形式の実施形態では、窪みが円筒状である。

本発明の他の形式の実施形態では、ダイプレクサが、２つのハーフ・シェルから構成され、中空導体、窪み、および遷移領域が、ハーフ・シェルからミリング形成される。

本発明の特別な実施形態の１つによれば、ミリングが、１ｍｍの大きさのオーダの直径を有するツールで行われるのが条件である。

本発明の更なる形式の実施形態の場合、それからダイプレクサを組立て可能である２つのハーフ・シェルが、射出成形された部品であり、特にこれを、プラスチック射出成形された部品とすることができる。

本発明の他の形式の実施形態は、ハーフ・シェルの切断平面が電界強度Ｅの平面内に存在することを条件とする。

本発明の他の形式の実施形態は、本発明のダイプレクサを含む充填レベル測定デバイスに関する。

本発明のダイプレクサの特別な利点には以下が含まれる。
・非常に高い周波数を厳密に対象とした、小規模な中空導体寸法が得られる。
・その結果として、中空導体構造が作製しやすい。
・中空導体構造をミリング技術で費用効果が高く作製することができる。

以下では、添付の図面に示す本発明の実施形態の例を参照して、本発明をより厳密に説明および記載する。
電界の平面内に中空導体およびカプラを備えるダイプレクサの主要部品の概略図である。 本発明のダイプレクサの一実施形態の例の斜視図である。 本発明の理想的と考えられるダイプレクサの原理の見取図である。 パラメータを伴った、本発明のダイプレクサの構造の原理の見取図である。 図３のダイプレクサの構造をミリング形成したものの２つのハーフ・シェルの図である。 本発明のダイプレクサの一実施形態の実用例の斜視図である。

簡略化のために、本発明のダイプレクサの同等の要素およびモジュールには、同等の参照符号を以下では使用する。

電界の図示のために、また、本発明のダイプレクサについての原点として、図１は、２つの中空導体チャネル１２および１４を有するダイプレクサ１を示すが、これら中空導体チャネル１２および１４は、それぞれ、２つの中空導体セクション１２ａ、１２ｂおよび２つの中空導体セクション１４ａ、１４ｂから形成される。中空導体チャネル１２と１４とは、それぞれ中空導体セクション１２ａ、１２ｂおよび中空導体セクション１４ａ、１４ｂであり、中空導体カプラ１６内で接続される。中空導体セクション１２ａ、１２ｂおよび中空導体セクション１４ａ、１４ｂの末端に配置されるのは、第１のゲート１８ａ、第２のゲート１８ｂ、第３のゲート１８ｃ、および第４のゲート１８ｄである。電界Ｅの方向、よって偏波方向は、第１のゲート１８ａおよび第４のゲート１８ｄにおいて、各ケースについて矢印２０で示される。第１のゲート１８ａおよび第４のゲート１８ｄは、こうしたダイプレクサの場合には、それら自体が周知のコネクタ・ゲートであり、中空導体（中空導体セクション）（図示せず）を用いて、送信器および受信器に接続される。

図２は、２つの対称ハーフ・シェル３２および３４の形態の本発明のダイプレクサ３０の一実施形態の例の斜視図である。好ましくは、本発明のダイプレクサ３０の場合、ハーフ・シェル３２および３４の分離平面または切断平面は、電界Ｅの平面であるが、これは、図２中では、矢印「５４」で示している。図面自体に関する理由で、図２の中空構造自体は、色なしで提示し、ケース毎に、適当な材料の周囲を囲むブロック内に導入しているが、こうした材料は、対称ハーフ・セル３２および３４がこのように作製されるように、ミリング形成されるのが好ましい。

図２に示すように、好ましくは矩形断面および水平偏波を有する、互いに接近して隣接する２つの平行な中空導体チャネル３６と３８とが、パーティション４２により分離され、これにより、中空導体セクション３６ａ、３６ｂおよび中空導体セクション３８ａ、３８ｂの末端に、第１のゲート４０ａ、第２のゲート４０ｂ、第３のゲート４０ｃおよび第４のゲート４０ｄが形成される。中空導体チャネル３６と３８との間にカップリング・ゾーン４６を提供するために、パーティション４２は開口部４４により遮られる。本発明のダイプレクサ３０の所望の広帯域挙動は、カップリング・ゾーン４６および窪み４８、５０の寸法に対する中空導体寸法の比が特定の比である場合にのみ取得されるので、中空導体寸法を任意に選択することはできない。これらの条件のより厳密な説明は、後に図４に関連して行う。結果として得られる中空導体寸法から、送信器および受信器との接続のためにシステム所定の中空導体断面に移動するために、各中空導体ゲート４０ａ〜４０ｄに遷移領域５２ａ〜５２ｄが導入される。遷移領域５２ａ〜５２ｄは、位置および形状について、ダイプレクサ３０の所望の広帯域挙動をサポートするように実現される。

電界Ｅ５４の平面内のスリット・カプラの図２に示す構造の動作の原理を、図３に概略的に示す。説明のために、図２にも参照を行う。

理想的に「無限に」薄いパーティション４２によりそれ自体が分離された中空導体チャネル３６、３８は、カップリング・ゾーン４６中で開口部４４によって接続される。カップリング・ゾーン４６中では、Ｈ１０モード波が、ｙ方向とｘ方向との両方に伝搬することができる。図３のエッジｅ１が、第１のゲート３８ａから来るＨ１０モード波の場に対して、強力な外乱位置を形成し、これにより、カップリング・ゾーン４６内で、第２のゲート４０ｂの前にＥ場の渦がもたらされる。カップリング・ゾーン４６の様々な寸法との様々な周波数の組合せにより、渦によって第２のゲート４０ｂ中へのＨ１０モード波の伝搬を阻止することができるが、これは、カップリング・ゾーン４６の他方の端部の更なるエッジｅ２に励起される潜在的な戻りの波を阻止することもできるからである。ただし、この挙動は、狭帯域用途についてのみ当てはまる。さらに、ダイプレクサ３０の設計に自由度がほとんどないので、出力ゲート４０ｃおよび４０ｄへの対称な（−３ｄＢ）結合を実現するのは非常に困難である。

図３の上部には、ｚ方向のカップリング・ゾーン４６（図２参照）を示している。

上で説明した理想的なスリット・カプラのもう１つの問題は、その実際の実行および実装であるが、これは、実際の実施形態でのこうしたカプラが、厚さが有限であるパーティション４２を常に有する（図２参照）からである。パーティション４２が厚くなるほど、ダイプレクサを作製するのは容易になるが、先に述べた理想的な動作からはより逸脱する。

しかし、厚さが有限であるパーティション４２（図２参照）の問題、および、それから生じるカップリング・ゾーン４６内での更なるエッジの問題を軽減するために、本発明は、Ｅ面内で接合された２つのハーフ・シェル３４、３６からの、図２に示すダイプレクサ３０の構築を実現する。後に説明する中空導体構造の相互に整合した比率に従えば、広帯域用途向けのダイプレクサを容易に提供することが可能である。この点に関して、ダイプレクサ３０の広帯域挙動を実現するために、複数の中空導体モードを利用する。このタイプのカプラの場合にとりわけ新規なことは、厳密に規定したエッジおよび外乱位置による、特には、共有されるカップリング・ゾーン４６内の窪みによる、Ｈ２０モードの普通とは異なる励起である。外乱位置はそれぞれ、伝搬不能な減衰波を励起し、このとき、減衰波は、エネルギー格納要素として働き、電気的性質を実現するように、互いに特定の関係に設定される。後者は、こうしたダイプレクサの３次元全波分析のためのそれ自体が周知のプログラムを用いて、外乱位置パラメータの意図的な変動により確認される。

既に述べたように、カップリング・ゾーンは図３に示すｚ方向にあり、したがって、Ｈ２０モード波とＨ０１モード波との両方が励起される。制御された状態でこれをどのようにして利用することができるかを、本発明のダイプレクサ３０の特別な形式の実施形態の１つの図４に示す構造のパラメータに基づいて説明する。

ｚ方向に延びる（図３と比較されたい）カップリング・ゾーン４６（図２参照）の高さａｋにおいては、Ｈ２０モード波、Ｈ０１モード波、およびＨ１０モード波が、互いに異なる伝播速度を有し、これにより干渉が共有され、このことは、渦（図３の渦参照）の場所に影響与える。カップリング・ゾーン４６の高さａｋを最適化すると、第４のゲート４０ｄの前にＥ場の渦を置き、所望の挙動を実現することが可能になる。窪み４８、５０（図２参照）のｚ方向において、幅ｂｋと長さｌｋとを減少させ、パーティション４２の遷移ゾーンｌｐ、ｂｐをカップリング・ゾーン４６に適応させることにより、更なる最適化を行うことができる。

７０ＧＨｚ〜８５ＧＨｚの場合の本発明のダイプレクサ３０の一実施形態の実用例について、図４に基づき与えられるパラメータを以下に示す。

このようにして、たとえば２０％の帯域幅を超えるゲートでの良好なマッチングの場合に、ほぼ対称な電力分配および良好な分離により特徴付けられるダイプレクサが実現される。

本発明のダイプレクサ３０が特別に作製しやすいのは、２つの対称なハーフ・シェルを使用した実装形態に起因するが、これらハーフ・シェルは、望まれる周波数の波長に対して、コンパクトに作製することが可能である。アルミニウム射出成形ハーフ・シェルを適用する場合、構造体の全体形状を、たとえば１ｍｍのオーダの短いミリング・ツール直径を用いて作製することができるように設計することが可能であることが分かっている。このようにして、作業時間が短くなり、相対的に高い精度が得られる。

図５および６は、本発明のダイプレクサ３０の一実施形態の実用例の構造を斜視図形態で示す。図５は、各ハーフ・シェルのため、ブロック内に切り込んだ個別の構造を示し、図６は、ダイプレクサ３０のため、互いに接合した各ハーフ・シェルのブロックから切り出した構造を拡大したものを示す。

先に述べたアルミニウム以外の他の射出成形材料により、たとえばプラスチックといった合成材料など、ダイプレクサ３０のハーフ・シェルのための選択肢が提供される。同様に、たとえば矩形または円筒状の窪みなど、図２および４に示す窪み４８、５０（図２参照）以外の他の形状の選択肢も提供される。

本発明のダイプレクサは、レーダ信号を用いて動作する充填レベル測定デバイス内での適用に特に適している。

１０ ダイプレクサ
１２ １．中空導体チャネル
１４ ２．中空導体チャネル
１２ａ、ｂ （１２）の中空導体セクション
１４ａ、ｂ （１４）の中空導体セクション
１６ 中空導体カプラ
１８ａ〜ｄ ゲート
２０ 方向（Ｅ）（矢印）
３０ ダイプレクサ
３２ １．ハーフ・シェル
３４ ２．ハーフ・シェル
３６ １．中空導体チャネル
３６ａ、ｂ （３６）の中空導体セクション
３８ ２．中空導体チャネル
３８ａ、ｂ （３８）の中空導体セクション
４０ａ〜ｂ ゲート
４２ パーティション
４４ 開口部
４６ カップリング・ゾーン
４８ １．凹部
５０ ２．凹部
５２ａ〜ｂ ゲートにおける遷移領域
５４ 方向Ｅ（矢印）

Claims (10)

1. ホモダインＦＭＣＷレーダ・デバイス向けのダイプレクサであって、
   水平偏波および末端中空導体ゲート（４０ａ〜ｂ）を有する、互いに接近して隣接する２つの平行な中空導体チャネル（３６、３８）と、
   前記中空導体チャネル（３６、３８）を接続するための、パーティション（４２）内の開口部（４４）にあるカップリング・ゾーン（４６）と、
   前記カップリング・ゾーン（４６）の領域内に位置し、前記中空導体チャネル（３６、３８）に対して垂直に配置される窪み（４８、５０）と、
   を備え、
   前記ダイプレクサ（３０）が、広帯域挙動を示し、前記カップリング・ゾーン内でのＨ２０波の伝搬を可能にするように、前記カップリング・ゾーン（４６）および前記窪み（４８、５０）の寸法に対する前記中空導体の寸法の比が選択され、
   前記中空導体ゲート（４０ａ〜ｂ）では、前記ダイプレクサに接続された送信器および受信器の中空導体への遷移領域（５２ａ〜ｂ）がもたらされ、前記遷移領域（５２ａ〜ｂ）が、所望の広帯域挙動をサポートするような位置および形態で実現され、
   前記ダイプレクサ（３０）が、２つの対称ハーフ・シェル（３２、３４）から作製される、
   ダイプレクサ。
2. 前記中空導体チャネル（３６、３８）が、矩形断面を有する、
   請求項１に記載のダイプレクサ。
3. 前記窪み（４８、５０）が、概ねプリズム状で実現される、
   請求項１または２のうちの１項に記載のダイプレクサ。
4. 前記窪み（４８、５０）が、円筒状で実現される、
   請求項１または２のうちの１項に記載のダイプレクサ。
5. 請求項１〜４のうちの１項に記載のダイプレクサであって、
   ２つのハーフ・シェル（３２、３４）から構成され、
   前記中空導体チャネル（３６、３８）、前記窪み（４８、５０）および前記遷移領域（５２ａ〜ｂ）が、前記ハーフ・シェル（３２、３４）からミリング形成される、
   ダイプレクサ。
6. 前記ミリングが、たとえば直径１ｍｍを有するツールで行われる、
   請求項５に記載のダイプレクサ。
7. 射出形成された部品である２つのハーフ・シェル（３２、３４）から組立て可能である、
   請求項１〜６のうちの１項に記載のダイプレクサ。
8. 前記ハーフ・シェル（３２、３４）が、プラスチック射出成形された部品である、
   請求項７に記載のダイプレクサ。
9. 前記ハーフ・シェル（３２、３４）の切断平面が、電界強度Ｅ（５４）の平面である、
   請求項１〜８のうちの１項に記載のダイプレクサ。
10. 請求項１〜９のうちの１項に記載のダイプレクサ（３０）を備える、
    充填レベル測定デバイス。

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