JP2020188377A - ターンスタイル型偏分波器 - Google Patents

Abstract

【課題】周波数特性の広帯域化が可能なターンスタイル型偏分波器を提供する。【解決手段】円形導波管２から四方に矩形導波管３が広がり、円形導波管２と矩形導波管３との分岐部に金属ブロック４が配設されているターンスタイル型偏分波器１であって、矩形導波管３に、断面が幅方向に絞られインピーダンス変換を行うアイリス部３１が形成され、該アイリス部３１よりも反円形導波管２側に断面が幅方向に拡張されインピーダンス変換を行う拡張部３２が形成されている。【選択図】図１

Description

この発明は、衛星通信用アンテナなどに用いられる導波管偏分波器に関し、特に、ターンスタイル型偏分波器に関する。

直交２偏波共用のアンテナシステムでは、水平偏波と垂直偏波を分離するための回路として偏分波器が用いられており、この偏分波器としてテーパ―ブランチ型やセプタムブランチ型、ターンスタイル型などが知られている。これらのうちターンスタイル型偏分波器は、広帯域な周波数特性の実現が可能とされ、共通導波管から四方に分岐導波管が広がり、共通導波管と分岐導波管との分岐部（４つの分岐導波管の交差部）に金属ブロックが配設されている。そして、共通導波管から入射された波が、金属ブロックで反射を抑制されて水平偏波と垂直偏波に分離し、さらに４つの分岐導波管に分配される（例えば、特許文献１等参照。）。

このようなターンスタイル型偏分波器の周波数特性に対しては、金属ブロックの形状が重要であり、周波数特性を広帯域化する手法として、図８に示すように、金属ブロック１００を先細の複数段形状にすることが知られている。すなわち、図９に示すように、例えば、下から順に積み重ねた円柱状・円盤状のブロック部１０１〜１０４で金属ブロック１００を構成し、第１のブロック部１０１から第４のブロック部１０４にわたって、外径を順次小さくするものである。ここで、図８中符号１１１と符号１１２は、それぞれ共通導波管と分岐導波管を示す。

特開２００３−２８３２０２号公報

しかしながら、金属ブロックを先細の複数段形状にする場合、先端にいくほど径・断面を細くしなければならず、製造面や実現性などを考慮した場合、周波数特性の広帯域化には限界がある。すなわち、周波数特性の広帯域化を進めると、金属ブロックを多段形状にして先端部（第４のブロック部１０４）を極細にしなければならず、製造することや形状を保持することなどが現実には困難となる。このように、金属ブロックを先細の複数段形状にするだけでは、周波数特性の広帯域化が困難であった。

そこで本発明は、周波数特性の広帯域化が可能なターンスタイル型偏分波器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、共通導波管から四方に分岐導波管が広がり、前記共通導波管と前記分岐導波管との分岐部に金属ブロックが配設されているターンスタイル型偏分波器であって、前記分岐導波管に、断面が幅方向に絞られインピーダンス変換を行うアイリス部が形成され、該アイリス部よりも反前記共通導波管側に断面が幅方向に拡張されインピーダンス変換を行う拡張部が形成されている、ことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のターンスタイル型偏分波器において、前記アイリス部が、前記共通導波管の近傍に形成されている、ことを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、インピーダンス変換を行うアイリス部と拡張部とが分岐導波管に形成されているため、金属ブロックを多段形状にして先端部を極細にすることなく、周波数特性をより広帯域化することが可能となる。すなわち、ターンスタイル型偏分波器は、インピーダンス変換と同時にモード変換を行い、モードは、円形導波管モード、同軸高次モード、矩形導波管モードの順に変換される。そして、円形導波管モードから同軸高次モードへの変換を複数段形状で先細の金属ブロックのみで行った場合、金属ブロックを多段化して先端部を細長くする必要が生じてしまい、製造面、実現性に困難が生じる。

これに対して、分岐導波管にアイリス部と拡張部とが設けられ、このアイリス部と拡張部とが複数段形状の金属ブロックの先端部に代わる役割・機能を果たすため、金属ブロックを多段形状にして先端部を極細にすることなく、周波数特性をより広帯域化することが可能となる。同様に、アイリス部と拡張部とでインピーダンス変換されるため、共通導波管と分岐導波管におけるインピーダンス関係を適正にすることが可能となり、この結果、周波数特性をより広帯域化することが可能となる。

請求項２に記載の発明によれば、アイリス部が共通導波管の近傍に形成されているため、周波数特性をより広帯域化することが可能となる。すなわち、本願発明者のシミュレーションなどによれば、アイリス部を共通導波管の近傍に設けることで、周波数特性をより広帯域化することが確認された。

この発明の実施の形態に係るターンスタイル型偏分波器の主要部を示す斜視図である。 図１のターンスタイル型偏分波器の平面図である。 図１のターンスタイル型偏分波器の垂直断面図である。 図１のターンスタイル型偏分波器と従来のターンスタイル型偏分波器の反射特性を示す図である。 この発明の実施の形態に係る第２のターンスタイル型偏分波器を示す、斜視図（ａ）と平面図（ｂ）と垂直断面図（ｃ）である。 図５のターンスタイル型偏分波器と比較する第３のターンスタイル型偏分波器を示す、斜視図（ａ）と平面図（ｂ）と垂直断面図（ｃ）である。 図５のターンスタイル型偏分波器と図６のターンスタイル型偏分波器の反射特性を示す図である。 従来のターンスタイル型偏分波器を示す斜視図である。 図８のターンスタイル型偏分波器の金属ブロックを示す正面図である。

以下、この発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

図１〜図３は、この発明の実施の形態に係るターンスタイル型偏分波器１の主要部を示す、斜視図と平面図と垂直断面図である。なお、図３および後述する図５、図６における断面図は、円形導波管２の中心線を含み矩形導波管３に平行な面における断面図である。このターンスタイル型偏分波器１は、直交する二偏波を分離するための回路であり、アイリス部３１と拡張部３２を有する点を除いて従来のターンスタイル型偏分波器と同等であるため、同等の構成についての説明を省略するが、概略次のような構成となっている。

すなわち、断面が円形の円形導波管（共通導波管）２の底面部から、断面が四角い４つの矩形導波管（分岐導波管）３が十字状に四方に広がり、円形導波管２と矩形導波管３との分岐部（４つの矩形導波管３の交差部であり、円形導波管２の底面）に金属ブロック４が配設されている。この金属ブロック４は、図３に示すように、先細の３段形状で、下から順に円盤状の第１のブロック部４１、円柱状の第２のブロック部４２および第３のブロック部４３が積み重ねられて形成され、第１のブロック部４１から第３のブロック部４３にわたって、外径が順次小さく形成されている。

そして、円形導波管２から入射された波が、金属ブロック４で反射を抑制されて水平偏波と垂直偏波に分離し、さらに４つの矩形導波管３に分配されるものである。

このような構成において、各矩形導波管３にアイリス部３１と拡張部３２とが形成されている。アイリス部３１は、インピーダンス変換を行うための変形部であり、図２に示すように、矩形導波管３の断面が幅方向に絞られて形成されている。すなわち、矩形導波管３の両側面に矩形導波管３の内側に窪む矩形の凹部が対向して形成され、両側面が中心側に狭まった（幅が狭い）アイリス部３１が設けられている。このアイリス部３１は、円形導波管２の近傍（円形導波管２との連結部）、つまり、隣接する矩形導波管３との交差部に形成されている。

同様に、拡張部３２は、インピーダンス変換を行うための変形部であり、矩形導波管３の断面が幅方向に拡張されて形成されている。すなわち、矩形導波管３の両側面に矩形導波管３の外側に突出する矩形の凸部が対向して形成され、両側面が中心から離れた（幅が広い）拡張部３２が設けられている。この拡張部３２は、アイリス部３１よりも反円形導波管２側に、かつ、アイリス部３１と隣接、連続して形成されている。

このようなアイリス部３１と拡張部３２は、金属ブロック４とともに、適正な変換が行えるように、その形状、寸法および位置が設定されている。すなわち、モードは、円形導波管モード、同軸高次モード、矩形導波管モードの順に変換され、金属ブロック４とアイリス部３１と拡張部３２によって、変換が適正に行われるように、アイリス部３１と拡張部３２の形状、寸法および位置が設定されている。

一方、図３に示すように、このターンスタイル型偏分波器１は、矩形導波管３の特性インピーダンスＺが、アイリス部３１および拡張部３２と金属ブロック４で構成されるインピーダンス変換部を介して、円形導波管２にて特性インピーダンス２Ｚになる２偏波２分岐並列回路である。そして、このような特性インピーダンスの関係が満たされるように、アイリス部３１と拡張部３２の形状、寸法および位置が設定されるとともに、矩形導波管３と金属ブロック４と円形導波管２の寸法が設定されている。

このような構成のターンスタイル型偏分波器１によれば、インピーダンス変換を行うアイリス部３１と拡張部３２とが矩形導波管３に形成されているため、金属ブロック４を多段形状にして先端部を極細にすることなく、周波数特性をより広帯域化することが可能となる。すなわち、ターンスタイル型偏分波器１は、インピーダンス変換と同時にモード変換を行い、モードは、円形導波管モード、同軸高次モード、矩形導波管モードの順に変換される。そして、円形導波管モードから同軸高次モードへの変換を複数段形状で先細の金属ブロック４のみで行った場合、金属ブロック４を多段化して先端部を細長くする必要が生じてしまい、製造面、実現性に困難が生じる。

これに対して、矩形導波管３にアイリス部３１と拡張部３２とが設けられ、上記のように、アイリス部３１と拡張部３２とが複数段形状の金属ブロック４の先端部に代わる役割・機能を果たすため、金属ブロック４を多段形状にして先端部を極細にすることなく、周波数特性をより広帯域化することが可能となる。同様に、アイリス部３１と拡張部３２とでインピーダンス変換されるため、円形導波管２と矩形導波管３におけるインピーダンス関係を適正にすることが可能となり、この結果、周波数特性をより広帯域化することが可能となる。

また、アイリス部３１が円形導波管２の近傍に形成されているため、周波数特性をより広帯域化することが可能となる。すなわち、本願発明者のシミュレーションなどによれば、アイリス部３１を円形導波管２の近傍に設けることで、周波数特性をより広帯域化することが確認された。

ここで、本ターンスタイル型偏分波器１の周波数に対する反射特性Ｌ１と、金属ブロック４の形状、寸法が同じでアイリス部３１と拡張部３２を有さない従来のターンスタイル型偏分波器の周波数に対する反射特性Ｌ２を図４に示す。図中符号ｆｃは使用中心周波数を示し、符号ｆｎは使用周波数帯域を示す。この図から、従来の反射特性Ｌ２に比べて本反射特性Ｌ１が、例えばｆｃ±２６％という広い使用周波数帯域ｆｎにおいて良好であることが確認できる。

また、上記のように、アイリス部３１および拡張部３２の寸法、位置は、金属ブロック４の形状、寸法に応じて設定され、アイリス部３１および拡張部３２と金属ブロック４の寸法、位置関係などを最適化することで、周波数特性をより良好にすることが可能となる。すなわち、アイリス部３１および拡張部３２の寸法、位置などをより最適化すると、例えば、図５に示すような第２のターンスタイル型偏分波器１１となり、アイリス部３１および拡張部３２の寸法、位置などを最適化していない場合には、図６に示すような第３のターンスタイル型偏分波器１２となる。

ここで、第２のターンスタイル型偏分波器１１は、隣接する矩形導波管３同士で構成される内角部（十字の内角部）に、円形導波管２側に窪む矩形の窪み３０が形成され、この窪み３０に隣接してアイリス部３１が形成されている。また、拡張部３２は、その平面形状が略扇状で、アイリス部３１から離れて形成されている。一方、第３のターンスタイル型偏分波器１２のアイリス部３１は、断面の絞り量が極小で（ほとんどなく）、このアイリス部３１に隣接して拡張部３２が形成されている。

このような第２のターンスタイル型偏分波器１１の周波数に対する反射特性Ｌ３と、第３のターンスタイル型偏分波器１２の周波数に対する反射特性Ｌ４を図７に示す。図中符号ｆｃは使用中心周波数を示し、符号ｆｎは使用周波数帯域を示す。この図から、最適化されていない反射特性Ｌ４に比べて最適化された反射特性Ｌ３が、例えばｆｃ±２６％という広い使用周波数帯域ｆｎにおいてより良好であることが確認できる。

以上、この発明の実施の形態について説明したが、具体的な構成は、上記の実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。例えば、上記の実施の形態では、円盤状・円柱状のブロック部４１〜４３からなる金属ブロック４の場合について説明したが、角錐状の金属ブロックなどであってもよい。

１ ターンスタイル型偏分波器
２ 円形導波管（共通導波管）
３ 矩形導波管（分岐導波管）
３１ アイリス部
３２ 拡張部
４ 金属ブロック

Claims (2)

1. 共通導波管から四方に分岐導波管が広がり、前記共通導波管と前記分岐導波管との分岐部に金属ブロックが配設されているターンスタイル型偏分波器であって、
   前記分岐導波管に、断面が幅方向に絞られインピーダンス変換を行うアイリス部が形成され、該アイリス部よりも反前記共通導波管側に断面が幅方向に拡張されインピーダンス変換を行う拡張部が形成されている、
   ことを特徴とするターンスタイル型偏分波器。
2. 前記アイリス部が、前記共通導波管の近傍に形成されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載のターンスタイル型偏分波器。
   

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