JP2918352B2

JP2918352B2 - 空間電界電力結合器

Info

Publication number: JP2918352B2
Application number: JP3100995A
Authority: JP
Inventors: ラグフヴェア・マラヴァープ; ジョージ・エイチ・マクマスター; エム・ポール・プリ
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1990-05-02
Filing date: 1991-05-02
Publication date: 1999-07-12
Anticipated expiration: 2014-07-12
Also published as: DE69122296T2; EP0455485A2; IL97851A0; EP0455485B1; IL97851A; JPH04229701A; EP0455485A3; US5142253A; DE69122296D1

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の技術分野】本発明は、電力結合器に関し、特
に、各出力が結合器の複数の入力の１つに入力として与
えられる、チューブ型あるいはソリッドステート型のい
ずれかのマイクロ波増幅器のための電力結合器に関す
る。更に詳細には、この結合器は、低電力、広帯域の進
行波管（ＴＷＴ）の電力を結合するために有効に使用す
ることができる。この結合器は、入力増幅器により供給
される合計電力と実質的に等しい単一出力を提供する。

【０００２】

【背景技術】現在、広い周波数帯域、例えば２．０〜２
０ＧＨzにわたり、現在利用可能な電源により提供し得
るより実質的に大きな（連続数百ワット）電力レベルで
無線周波（ＲＦ）エネルギの供給源を提供する必要性が
存在する。また、このような周波数範囲にわたり電力を
供給する管が故障した場合に電力出力の全部を失うこと
がない無線周波電力の供給源を備える必要もある。この
ため、例えこの周波数帯域にわたり所望の電力レベルを
供給することができる管が得られたとしても、管の故障
の場合に電力低下のみで済む本発明により提供される如
き電力供給源の方が、無線周波電力の全部を失うよりも
望ましい。

【０００３】内部に半導体増幅器を備えた電力分割器／
結合器増幅回路が、米国特許第４，４２４，４９６号に
開示されている。この米国特許においては、入力信号は
分割されて、単一の出力を生じるように結合される複数
の分離されたチャンネル内に取付けられた複数のソリッ
ドステート増幅要素の各々に対して与えられる。この増
幅要素の１つまたは複数以上の故障は、出力の漸進的な
減少を生じる。上記の米国特許の増幅回路に内蔵された
増幅器は、結合器の全出力および周波数帯域を分割器／
結合器内に含まれる半導体増幅器の各々の電力容量の数
倍まで制限する。これらの増幅器は一般に低出力のもの
であるため、分割器／結合器からの全出力は、多くの用
途において要求されるよりも更に制限されている。ま
た、半導体増幅器の各々から得られる使用可能な帯域幅
に関して制限がある。上記の米国特許の分割器／結合器
の増幅回路の更にあり得る制限は、増幅回路の分割器部
分が１つの供給源から半導体増幅器の各々への入力を低
減することである。上記米国特許の増幅器には複数の外
部増幅器から受動結合器回路へ入力電力を与えための構
成は何もない。

【０００４】２０ＧＨzまでの多オクターブ周波数帯域
にわたる高ＣＷ電力（５００Ｗ乃至１ＫＷ）が、幾つか
のマイクロ波用途において要求されている。通常、高電
力のＴＷＴが使用されるが、電力帯域幅の要求の一部を
満足するに過ぎない。また、単一管の高電力ＴＷＴは、
寿命、信頼性、効率等の点で制限がある。別の方法とし
て、本発明により提供されるような小型ＴＷＴの電力結
合がある。このような管は信頼性が高く、効率がよくか
つ多オクターブ帯域にわたり良好に作動するため、問題
は、なかんずく他の特徴にも増して帯域幅および高い平
均電力処理能力を持たねばならない電力結合器に向けら
れる。

【０００５】より高い電力を生じる幾つかの装置を電力
結合する手法は、ＧａＡｓＦＥＴ、ＧａＡｓインパッ
ト（ＩＭＰＡＴＴ）、およびバイポーラ・トランジスタ
の如きソリッドステート・デバイスで一般に使用されて
いる。例えば、ＧａＡｓインパットは、ＴＭ₀₂₀キャビ
ティ内で結合されてＸバンドにおいて１％の帯域幅で１
ＫＷに達するピーク電力を生じる。ＧａＡｓＦＥＴ増
幅器は、放射状結合器の異なる変形を用いてしばしば結
合される。ウィルキンソン、修正ウィルキンソン、およ
び進行波結合器は、電力および帯域幅要件に応じて通常
使用される他のタイプの結合器である多オクターブ帯域
幅にわたり高ＣＷ電力（連続数百ワット）を取扱うこと
を必要とする用途においては、上記の電力結合器は不充
分である。結合されることを要する各ＴＷＴは５０乃至
２５０ＷのＣＷの範囲内の出力を有し、高度の分離が、
所望の均衡のとれた動作モードにおいてのみならず、Ｔ
ＷＴのあるものが故障した時においても結合器の入力ポ
ート間で維持されることが必要である。

【０００６】

【発明の概要】従って、本発明の目的は、結合器外部
の、各々が比較的低出力電力である複数の増幅器からの
高帯域幅にわたる高い出力電力を提供するＲＦエネルギ
結合器の提供にある。

【０００７】本発明の別の目的は、複数の増幅器の出力
を結合して重大な故障が生じないように１つ以上の駆動
増幅器の故障により徐々に減少する出力電力を生じる結
合器の提供にある。

【０００８】単一の高電力ＴＷＴを用いる方法と比較し
て、本発明の結合器回路は、幾つかの顕著な利点を有す
る。それらは、要求されるＤＣ電力が比較的低いこと、
動作電圧が比較的低いこと、低電力ＴＷＴに対するソレ
ノイドおよび電源が除去できること、劣化がゆっくりで
あること、寿命が増加すること、修理が容易性になるこ
と、および信頼性が高くなることである。

【０００９】一例として、６〜１８ＧＨzバンドに対す
る６路結合器において、２５０ＷのＴＷＴが結合される
ものとすれば、結合器に加えられるＴＷＴの全ＤＣ電力
入力は、４．８キロワット（ＫＷ）より小さく、ソレノ
イド集束の等価単一高電力高電圧ＴＷＴにおいて必要で
あるよりも略々４ＫＷ少ない。その結果、電源の大き
さ、重量および電力消費の減少をもたらすことになる。
更に、システムにおける電気的および熱的負荷が減少す
ることになる。

【００１０】これまでの事例におけるような低電力ＴＷ
Ｔにおける６．２ＫＶの動作ビーム電圧は、単一高電力
ＴＷＴにおいて要求される典型的に１０ＫＶあるいはそ
れ以上より著しく少ない。このため、航空機搭載条件下
の高電圧絶縁の信頼性を増大する。低電力の各小型ＴＷ
Ｔが永久磁石により集束される結果、集束ソレノイドお
よび電源の必要がない。この結果、電力消費および重量
が減少することになる。

【００１１】結合器の形態における多数の低電力ＴＷＴ
は、劣化が緩やかである利点を提供する。１つまたはそ
れ以上のＴＷＴにおける重大な故障がシステム全体の故
障をもたらす結果とならず、また送信機は依然として電
力出力を提供することになる。結合器の冷却により、入
力源の数の半分の故障（結合器における最大損失を生じ
る）時に生じるおそれがある数百ワットのレベルの不平
衡モード電力消費を可能にする。

【００１２】小型ＴＷＴの使用寿命は、１０，０００時
間を越える。これは、単一の高電力ＴＷＴの使用寿命に
比し著しい改善である。これは、緩やかな劣化特性との
組合わせにおいて、単一ＴＷＴ法に比較してシステムの
ＭＴＢＦを著しく増大することになる。

【００１３】提起される装置の修理の容易性は、システ
ムの寿命サイクル・コストを大幅に低減し得る一特徴で
ある。このことは、真空筺体処理を必要とすることなく
交換できる主要構成要素、即ち個々のＴＷＴおよび結合
器の数に拠るものである。提起された装置に対する主要
な修理（ＴＷＴの交換）の見積もりコストは、単一の高
電力ＴＷＴにおけるよりも４因数程小さくなる。受動要
素、結合器およびチューブ・ハウジングが再使用できる
こともまた、平均的な修理コストを低減することができ
る。

【００１４】より高い信頼性を提供する要因は、より低
い動作電圧、減少した熱損失、能動装置（小型ＴＷＴ）
より低い電力および緩やかな劣化である。

【００１５】本発明のコンパクトな結合器が、上記のこ
のような特徴を提供するため開発された。上記および更
に他の目的および特徴は、ポート間の高度の分離（２５
ｄＢ）および高い結合効率（＞９０％）を伴う緩やかな
劣化特性を有する本発明の円筒状多重ポート結合器によ
って達成される。望ましい実施態様における結合器は、
半径方向に離間されて平衡モードで動作する複数の伝送
線を形成する、周方向に分離された内側および外側の導
体を有する。各伝送線の半径方向に離間された内側およ
び外側導体は、長さ方向に延長して、それぞれ周方向に
分離された内側および外側の隣接導体の各々の最も外側
の領域に内側および外側ＲＦ吸収材を有する。複数の伝
送線の各々の対応する端部は、対応する数の位相整合Ｒ
Ｆソースの１つが接続されるコネクタに対して整合され
たインピーダンスを提供する。各伝送線の他端部は、そ
の内側および外側の導体が階段状のインピーダンス変更
部分を介してそれぞれ並列に接続されて、ＲＦ負荷と接
続するための１つの出力コネクタを形成する。この伝送
線およびインピーダンス変更部分は、長手方向スロット
により分割され、吸収材に面する隣接した半径方向に離
間された内外導体の面を越えて突出しない所望の平衡モ
ードのＲＦフィールドを支持する。ソースの障害が生じ
ると、結果として生じる非平衡モードが、非平衡モード
のフィールドを減衰する吸収材内に延長してともに存在
する平衡モードの安定性を生じる結果となるフィールド
を生じることになる。

【００１６】平衡モードにおける電力出力Ｐ₀は、以下
に示す緩やかな劣化の関係に依存する。

【００１７】Ｐ₀＝η・（（ｎ−ｆ）／ｎ）²・Ｐ_T ｎは入力ポート数ｆは障害のあるソース数Ｐ_Tは初めに電力を供給する全てのソースの電力和 ηは効率（典型的には、９０〜９５％）である。

【００１８】本発明の上記の特徴については、以下の詳
細な説明から更によく理解されよう。

【００１９】

【実施例】図１は、本発明の結合器１０の斜視図を示し
ている。結合器１０は、結合されて単一出力端子１３と
インピーダンス整合される前に、段状の伝送線によりイ
ンピーダンスが変更される内部伝送線に対する複数の入
力端子１２のインピーダンス整合のためのマイクロ波回
路を含む包囲体１１を有する。

【００２０】次に図２においては、図１の結合器１０
が、図１の断面線ＩＩ−ＩＩに関する縦断面で示されて
いる。結合器１０は、長手方向にスロットを設けた円筒
状の内側の導体２０と、長手方向にスロットを設けた外
側の円筒状導体２１とからなる。入力コネクタ１２に対
して与えられるＲＦエネルギは、それぞれ各対の対向す
る内側導体２０、外側導体２１により形成される伝送線
１９のスペース２２内でコネクタ１３において結合され
た出力へ伝搬する。結合器１０の入力部２３は、コネク
タ１２に取付けられた同軸状導体７４が固定ねじ２６に
より固定される８個の（８路結合器の場合）等角度で離
間されて設けられた穴２５を有する。同軸状導体７４の
中心部導体２７は、端部支持部２４の内壁部２８を越え
て延長するが、絶縁材２９および外側導体８９はこの壁
部２８と平坦に終っている。端部支持部２４の長手方向
に延長する円筒状支持部３８は、外側導体８９に対する
ストッパを提供して中心部導体２７が内壁部２８を越え
て延長する程度を制御する。金属スリーブ３１は、中心
部導体２７上で摺動して、これと電気的および機械的な
接触を生じる。このスリーブは、内側導体２０の端部６
７の穴６８（図４）と係合する小径部分３２を有する。
スリーブ３１の大径部分は、導体２０の表面６４（図４
Ａ）まで延長している。スリーブ３１は、これにより、
その外側導体が円筒状軸延長部３８により形成されるオ
フセットされた同軸線の中心導体を形成する。このオフ
セットされた同軸線は、５０オームのインピーダンスを
有し、同軸導体７４の５０オームのインピーダンス、お
よびこれが結合される伝送線１９の５０オームのインピ
ーダンスと整合している。

【００２１】外側導体２１は、端部支持部２４にプレス
嵌めされるピン３５により取外し自在に固定される端部
３３の穴を有する。外側導体２１の端部３３の内面３６
は凹部が形成され、端部支持部２４の内壁部２８から突
出する軸方向円筒部３８上に載置してスリーブ３１の領
域に平滑面３６を提供する。内側導体２０は、空隙２２
により外側導体２１から均一にスロープを呈する。

【００２２】ねじ３９により端部支持部２４に対して結
合されるのは、第１の径４１と第２の径４２を有する導
電性を有するシリンダ４０である。径４２は、シリンダ
４０と内側導体２０間にマイクロ波吸収材４３のシリン
ダを挿入するため、導体２０の内径よりも実質的に小さ
い。シリンダ４０は、このシリンダ４０の第１の径４１
と共に空胴４５を形成する端部支持部２４の壁部２８か
ら離間された壁部４４を有する。動作帯域より高い共振
周波数において空胴４５から見た短絡回路入力インピー
ダンスが、吸収材４３により占有される４分の１波長の
伝送線に等しいことが望ましい。空胴４５は、スプリア
ス・モードを装置の動作帯域より高い周波数に同調する
よう働く。シリンダ４０の軸方向長さは、前記短絡回路
インピーダンスを生じるように確保される。吸収材４３
は省くこともできるが、図７に関して後で説明するよう
に、区分された導体２０からの非平衡モード・エネルギ
からその位置において外に出るエネルギを吸収するため
に、この吸収材が存在することが望ましい。シリンダ４
０の端部３４には、包囲する区分された外側の導体２
０、４９と接触することが望ましい段を設けたシリンダ
の形態の電気的に不導体のマイクロ波吸収材４６が当接
している。

【００２３】外側導体２１、５０と接触しているのは、
縦方向に２つの半部４７'、４７”に分割されて外側導
体２１の周部へのマイクロ波吸収材４７の設置を容易に
する電気的に不導体のマイクロ波吸収材４７のシリンダ
である。

【００２４】次に、結合器１０の出力端１４について述
べれば、端部支持部４８は出力コネクタ１３、および内
側段付き導体４９および外側段付き導体５０を支持して
いる。内側導体４９および外側導体５０は、図３の結合
器１０の斜視図に示されるように、それぞれ空隙スロッ
ト５１、５２により長手方向に区切られている。スロッ
ト５１、５２は、それぞれ導体２０、２１を分離するス
ロット７２、７３の連続したものである。内側段付き導
体４９は、外側段付き導体５０のスロット５１と半径方
向に整合するスロット５２を有する。スロット５１、５
２の数は、入力端子１２の数により決定される。スロッ
ト付き導体４９、５０は、空隙５３により分離され、平
行面タイプの段付き伝送線７７を形成する。線７７は、
それぞれ導体４９、５０に接続された半径方向に離間さ
れたスロット付き導体２０、２１により形成されるマイ
クロ波伝送線１９により与えられる電磁エネルギのＴＥ
Ｍ縦方向（長さ方向）伝搬を持続させる。段付き区分導
体４９、５０の半径および幅は、出力コネクタ１３に最
も近い端部で減少する。スロット５１、５２は、導体が
それぞれ一体の導体４９´、５０´となる段付き区分導
体４９、５０の最小径で終わる。導体４９、５０の直径
の比はコネクタ１３の各段で増加して、各段の段付き伝
送線７７のインピーダンスを増加する。テーパ状同軸線
７８のインピーダンスはＺ（実際には、５０オーム）で
ある。段付き伝送線７７は、インピーダンスがｎＺオー
ムである領域８４で始まる。段付き伝送線７７は、伝送
線１９と接続される時この領域でこのインピーダンスを
Ｚオームに変更する。領域８４は、スロット５１、５２
が同軸線７８を形成するように終わる部分である。
「ｎ」は、入力１２の数である。ｎが８つの入力に等し
くＺが５０オームに等しい場合、ｎＺ＝４００オームと
なる。領域８４における８本の線７７の並列インピーダ
ンスはＺ＝５０オームであり、これは各々が５０オーム
のインピーダンスを有するテーパ状同軸線７８オームコ
ネクタ１３のインピーダンスと整合する。その結果、並
列に結合される段付き伝送線７７は、導体４９´、５０
´により形成されるテーパ状同軸線７８の５０オームの
インピーダンスと、導体２０、２１により形成される平
行面の伝送線１９の５０オームのインピーダンスとの間
の整合を提供する。内側導体４９´および外側導体５０
´は、その比が一定である直径を有し、そのため同軸線
７８の全長にわたり５０オームのインピーダンスを提供
する。段部５５、５６の数、段部の高さ、各段部の縦方
向の長さおよび導体４９、５０の段部の縦方向の変位
は、結合器１０が使用されるべき周波数帯域幅における
チェビシェフ（Ｔｃｈｅｂｙｓｃｈｅｆｆ）２項式最大
平坦インピーダンス整合を生じるように設計される。望
ましい実施態様の設計においては、６段が２．５乃至１
０ＧＨzの周波数帯域において０．５ｄＢより小さい挿
入損失をもたらす結果となるはずである。

【００２５】段付き導体４９、５０は、それぞれ導体２
０、２１の端部６０、６０'に対してねじ５７により結
合される。導体２０の他端部は、スリーブ３１により同
軸状線７４の中心部導体２７に対して取付けられる。導
体２０の端部と線７４の絶縁材２９間のスリーブ３１の
長さおよび直径は、同軸状導体７４のインピーダンスと
導体２０、２１により形成される伝送線１９のインピー
ダンス間にインピーダンス整合を生じるように選択され
る。外側導体２１の他端部は、ピン３５により端部２４
に対して結合され、端部２４の円筒状支持部３８上に載
置する。導体２１は、異なる一定半径の内側面３６およ
び外側面を有し、その全長にわたり均一な断面を呈す
る。

【００２６】内側導体２０は、図４Ａ乃至図４Ｄに示さ
れる図に従って構成される。導体２０の平面図は図４Ａ
に示され、内側段付き導体４９と同じ幅から縦方向にテ
ーパ状をなし、ここでこれらは導体２０の端部６０の開
口５９を貫通するねじ５７により相互に接合する。端部
６０は、内側段付き導体４９の端部で係合凹部６１に重
なる凹部６２を有する。図４Ｄは導体２０の端面図で、
端部６０の凹部６２および導体２０の傾斜する頂部面６
４を示している。図４Ａの断面線ＩＶ−ＩＶに関する導
体２０の縦断面図は、導体２０の傾斜した頂部面６４を
示す図４Ｂに示される。図４Ｂはまた、結合器１０の軸
３７から導体２１の内外面のように一定の半径を有する
導体２０の内面６６を示す。面６６および後縁部６５
は、導体２０の幅が図４Ａに示されるように、変化する
ため、図４Ｂにおいて発散するように見える。

【００２７】内側導体２０の他端部６７は、図４Ｂおよ
び導体２０の端面６７の図である図４Ｃに示されるよう
に縦方向に延長する穴６８を含む。開口６８は、図２の
スリーブ３１の最小径と同じ直径である。中心部導体２
７と密に嵌合するスリーブ３１は、端部６７における導
体２０に対する支持部を提供する。端部６７は、導体２
０の主要部分におけるテーパ部７０より大きなテーパ部
６９を横方向に有する。テーパ部６９は、スリーブ３１
のより大きな直径および円筒状支持部３８により形成さ
れるオフセットされた伝送線においてインピーダンス整
合を生じる。テーパ部７０は、導体２０の幅の増加を生
じて、導体２０の傾斜面６４により生じる空隙２２にお
ける対応する増加と関連して、導体２０、２１により形
成される伝送線１９のインピーダンスをその長さに沿っ
て一定（５０オーム）に維持させる。この傾斜した頂部
面６４もまた、図２に示される。

【００２８】図３は、図１および図２の結合器１０の分
解斜視図であり、図２の断面図よりも更に明瞭な望まし
い実施態様の幾つかの特質を示している。図２および図
３の対応する要素は同じ参照番号で示される。

【００２９】図５は、図２の断面線Ｖ−Ｖに関する結合
器１０の断面図を示す。図５は、空隙スペース２２によ
り分離されて導体２０、２１の長手方向のＴＥＭモード
の伝搬を支持することができる伝送線１９を形成する内
側および外側の導体２０、２１を示している。各対の導
体２０、２１は、空隙スロット７２、７３によりそれぞ
れ隣接する対の導体２０、２１から分離される。内側導
体２０および空隙７２と当接しているのは、スロット７
２により分離される導体の少なくとも前記部分に対して
導体２０、２１の全長に沿って延長する吸収材４６のシ
リンダである。外側導体２１およびスロット７２を包囲
しているのは、これもスロット７３の少なくとも全長に
わたり延長するマイクロ波吸収材４７の環状シリンダで
ある。外側の金属外板１１は、マイクロ波吸収材４７の
当接する半円形状の半部４７'、４７”を一体に保持す
るための保有支持部材として働く。外板１１は、結合器
１０に対する固定された外側覆いを提供するため端部支
持部２４、４８に取付けられることが望ましい。

【００３０】結合器１０は９０乃至９５％の結合効率で
作動するが、８つの１００ワット・ソースからの電力を
結合する時、小さな電力損失が作動温度の実質的な上昇
を結果として生じ得る。これは、結合器が典型的に小さ
な容積（例えば、約１２７〜１５２mm（５〜６インチ）
の長さの約３８〜５１mm（１１／２〜２インチ）の直径
のシリンダ）を占める故である。温度上昇を制御するた
め、結合器の端部４８の一部として形成された冷却剤チ
ャンバ９７は、それぞれパイプ９０、９１を出入りする
冷却剤９６を有する。同様に、結合器端部２４の一部と
して形成されたチャンバ９８は、それぞれパイプ９２、
９３を介して出入りする冷却剤９５を有する。端部２
４、４８は、吸収材４７および外側導体２１と機械的に
接触して、吸収材４７にＲＦ損失により生じた熱を排出
する。同様に、内側吸収材４６は、段付き導体４９、内
側導体２０および金属材料のシリンダ４０と機械的に接
触して、ＲＦエネルギにより吸収材４６に生じた熱を排
出する。シリンダ４０は、ＲＦ吸収材４３および当接し
たねじ部を結合するねじ３９を介して端部２４へ熱を運
ぶ。

【００３１】シリンダ４０は、典型的に吸収材４６と同
じ材料製の、同じように非平衡モードを吸収するように
働く中空の円筒状吸収材４３により内側導体２０から分
離される。吸収材４３、４６、４７は、典型的に、損失
のあるＲＦ特性、非導電性および良好な伝熱性の故に適
するシリコンカーバイドから作られる。金属性の導電シ
リンダ４０の軸方向長さは、吸収材４３、内側導体２０
および金属シリンダ４０で形成される空胴の空胴領域４
５の観点から、短絡回路インピーダンスを生じるように
確保される。

【００３２】本発明の別の実施例は、吸収材４３のシリ
ンダを、短絡回路インピーダンスを維持するため吸収材
４３の誘電率から空気の誘電率を考慮に入れるよう修正
された金属シリンダ４０の軸方向長さを持つ対応する空
隙で置換する。この短絡回路インピーダンスは、動作帯
域よりも高い周波数で起生する。空胴４５は、スプリア
ス・モードを動作帯域より高い周波数に同調するよう働
く。

【００３３】図６は、出力コネクタ１３により負荷９に
接続された結合器１０を示す概略図である。結合器１０
の入力コネクタ１２は、半硬質同軸線６により低出力Ｔ
ＷＴ７の出力コネクタ８に結合された状態で示される。
ＴＷＴ７の入力コネクタ５は、ＲＦソース３の多数の出
力線４に接続されている。結合器１０の対称性の故に、
結合器の各チャンネルにおける位相シフトは、実質的に
同じであり、従って、その出力における位相シフト差は
ＴＷＴ７により生成される。支持構造体２が、ＴＷＴ７
および同軸出力線６に対して設けられている。ＴＷＴ７
の一部をなすヒート・シンク７３が、ベース・プレート
１と良好に熱的接触状態にあり、ＴＷＴに対する冷却を
行う。

【００３４】動作中、ＲＦソース３は位相において実質
的に等しい振幅のＲＦエネルギをＴＷＴ７の入力コネク
タ５へ提供する。ＲＦソースにより提供される周波数
は、２．５乃至１０ＧＨzの如き周波数帯域内のどんな
周波数でもよい。ＴＷＴ７は、周波数帯域において実質
的に整合された位相を持つように選択される。この位相
マッチングは完全である必要はないが、どんな偏差でも
負荷９に対して結合器１０により与えられる僅少な電力
損失を結果として生じる。８つのＴＷＴで作動される結
合器の挿入損失は、所要の作動帯域において０．５デシ
ベルより小さい（９０％より大きな結合効率）ものでな
ければならない。各伝送線６は、５０オームの特性イン
ピーダンスを有する。結合器１０は、インピーダンス整
合動作するように設計され、このため、その入力端子１
２から見て５０オームの入力インピーダンスを有する。

【００３５】図２においては、各入力端子１２に結合さ
れた同軸線７４は５０オームの伝送線であり、その中心
部導体２７は、同軸線７４の絶縁材２９と内側導体２０
の端部間の領域における直径が空胴領域４５において実
質的に５０オームのインピーダンスを生じるように確保
されるスリーブ３１を貫通する５０オームの伝送線であ
る。内側導体２０の幅および外側導体２１からの間隔も
また、スリーブ３１において５０オームのインピーダン
スを生じるように確保される。導体２１の幅および厚さ
は、その全長にわたって一定に維持される。しかし、導
体２０、２１間のスペース２２は、導体２０、２１で形
成される伝送線１９における５０オームのインピーダン
スを維持するため端部６０まで延びる間導体２０の幅が
一次的に増大すると共に、導体２０の端部６０まで一次
的に増加される。導体２０、２１間のスペース７１を増
すため、導体２０の外表面７６は長手方向軸３７に向か
って傾斜している。導体２０の内側面６６は、長手方向
軸３７から一定の半径に維持される。導体２０、２１間
のスペースを一次的に増加すると同時に、導体２０の幅
を端部６０、６０'における導体２１の幅まで一次的に
増加することの組合わせは、導体２０、２１により形成
される伝送線１９のインピーダンスを実質的に５０オー
ムに維持させる。

【００３６】コネクタ１３のインピーダンスもまた５０
オームであるため、各々が４００オームのインピーダン
スを持ち、その結果領域８４におけるその並列結合が１
つの５０オームの同軸線７８を形成するように、８つの
５０オームの伝送線１９の各々の増加を伝送線７７に変
形するための措置がなされねばならない。区分された導
体４９、５０の端部における領域８４に４００オームの
線７７を提供するためには、インピーダンス変更段５
５、５６が存在し、これが導体４９、５０の長さおよび
スペースを規定して、望ましい本実施例においては２．
５乃至１０ＧＨzである動作帯域幅にわたり領域８４に
おける線７７の４００オームのインピーダンスをもたら
す結果となるインピーダンスの変化を生じる。

【００３７】望ましくないスプリアス・モードは、スリ
ーブ３１および同軸線７４により終了される空胴４５に
おいて導体２０、２１により形成される周方向に区分さ
れる伝送線１９の終了により確立し得る。モード同調シ
リンダ４０は、電気的に非導体のマイクロ波吸収材４６
と熱伝達状態にある導体材料から作られ、これにより端
部支持部２４を介して外部に至るエネルギ吸収材４６に
対する熱発散経路を提供する。シリンダ４０は、ねじ３
９により端部支持部２４に対して取付けられる。シリン
ダ４０の直径部４１は、端部支持部２４の係合部分の直
径と同じであり、かつシリンダ４０の主空胴４２の直径
より実質的に小さい。吸収材４３は、スロットを施した
線２０、２１の端部まで延長して、シリンダ４０周囲の
スペース２２を占有する中空シリンダ４３を形成する。
吸収材４３は、ＴＷＴソース７の障害の場合に不平衡モ
ードで望ましくないがスロット７２を介して伝送される
マイクロ波電力を吸収する。シリンダ４０および端部支
持部２４の内壁部２８により形成される空胴４５は、望
ましくないモードが動作帯域内に存在することを阻止す
る望ましくないモード・チューナを提供する。

【００３８】整合されたインピーダンスＴＥＭモード伝
搬を生じるための同軸線７４から平行面の伝送線１９へ
の空胴４５における移行部は、その周波数が動作帯域に
入る周波数における出力エネルギの重大な損失を生じる
おそれがある空胴４５内のスプリアス共振モードを生じ
る。図９Ａ乃至図９Ｃの電界の端面図に示されるよう
に、過渡領域の目的は、図９Ａに示される同軸線７４の
円形の対称的電界１００を、図９Ｃに示した導体２０、
２１により形成される平行面の伝送線１９の実質的に平
行な電界線１１１へ変更することである。この変更は、
（各入力同軸線７４毎に）図９Ｂの中間のオフセット同
軸線１１３を持つことにより達成され、そのオフセット
された「中心の」導体はスリーブ３１の対応する導体に
より提供され、その外側導体は円筒状支持部３８の内面
を含む。前記オフセット同軸線は、同軸線７４により与
えられる電界１００を図９Ｂの電界１１２に集中させ
る。この電界は、導電性スリーブ３１および支持部３８
が最も近い電界が最も強い。本発明におけるように、複
数のオフセット同軸線１１３が、支持部３８内に対称的
に配置された複数のスリーブ３１により形成される時、
結果として得る空胴４５は、動作周波数帯域内に該当す
るスプリアス共振を保持し得る寸法を有する。

【００３９】初期の設計における如く、吸収材４６がテ
ーパ状の平行面伝送線１９の端部６７まで、かつ端部２
４の壁部２８に隣接するまで延長されて、動作帯域の中
間に結合器１０からの出力エネルギのスプリアス共振の
谷部が生じた時、ＴＥＭモード伝搬のため同軸線７４か
ら平行面の伝送線１９への移行部におけるモードの生成
が認められた。吸収材４６を短くすることにより空胴４
５の軸方向長さを増加することは、共振周波数を上方へ
シフトする効果があるが、周波数は動作帯域内に止ま
る。この帯域から共振周波数を外すための解決法は、金
属の導電性材料のシリンダ４０（モード・チューナ）を
用いることであったが、その結果その面４４、端部２４
の面２８および円筒状支持部３８の内面により空胴４５
が画成される結果となった。シリンダ４０は、軸３７方
向に４分の１波長の長さであり、空胴４５から見て導体
２０とシリンダ４０の周囲間に吸収材４３を保持する間
隙を求める短絡回路インピーダンスを生成する。空胴４
５の結果とし減少した寸法がそのエネルギ吸収共振周波
数を動作帯域より高くシフトし、これにより結合器の動
作帯域全体にわたり低損失の伝送を結果として得た。

【００４０】区分された導体２０、２１により形成され
る伝送線１９、７７の各々、およびその関連する区分さ
れたインピーダンス整合用段付き導体５５、５６が、そ
れぞれ平衡したＴＥＭモードで動作する。同一位相のＲ
Ｆ電圧が、伝送線１９の入力に与えられ、結果として得
る電磁界が導体２０、２１間のスペース２２に限定され
て、存在するにしても僅かなフリンジング電界が隣接す
る伝送線１９と衝突するに過ぎない。過渡状態の領域８
４は、伝送線７７のＴＥＭモードから同軸伝送線７８の
ＴＥＭモードへのモード変換を生じる。

【００４１】８つの信号が同軸入力ポート１２に対して
与えられる位相および振幅において平衡した状態にある
と、結合器は、動作帯域にわたって変動するが、典型的
には９０乃至９５％の効率である結合効率（平均で、挿
入損失の約１／２dＢ）で動作し、ＴＥＭモードが結合
器の各伝送対において伝搬する。

【００４２】結合器と結合された増幅器７のどれかが故
障すると、更に不平衡なモードが生成される。不平衡モ
ードの電界パターンもまたＴＥＭであるが、導体２０、
２１間の平衡モードに対して直交する。特に、ＴＥＭの
不平衡モードが隣接する内側導体２０間、および隣接す
る外側導体２１間に存在し、そのフリンジング電界がマ
イクロ波吸収材４６、４７まで延長し、ここでこれらが
吸収により有効にフィルタされる。障害のない増幅器の
平衡モードは、導体２０、２１により形成される伝送線
１９上に平衡モードを提供し続ける。コネクタ１３から
の結合器出力は、障害のあるソースの数に従って出力の
理論的な緩やかな劣化が後に起きる。

【００４３】図７Ａ〜図７Ｃは、図５の断面図と対応す
る４路の電力結合器の一実施例の断面図を示す。対応す
る要素は図５に用いられたものと同じ番号が付される。
図７Ａ〜図７Ｃは、外側導体２１'が区分されず、縦方
向のスロットのない導体材料のシリンダである点を除い
て図５と異なる。区分された内側導体２０は、マイクロ
波吸収材４６を包囲している。外側導体２１'は連続す
る中空シリンダであるため、外側導体２１'と内側導体
２０間の図７Ａ〜図７Ｃの電界が導体２１'を越えて延
長し得ない故に、図５のマイクロ波吸収材４７は不要で
ある。この実施例における外側導体５０は図２の結合器
における如く段が設けられるが、スロット５１は存在し
ない。

【００４４】図７Ａは、導体２０、２１'間に限定され
る如き所望の平衡モードにおける電界１０１を示してい
る。このため、電界は負荷４６とは衝突せず、従って、
所望の動作モードにおける挿入損失は低く、その結果高
い伝送効率を得る。外側導体２１'はグラウンド面とし
て働くが、内側導体２０はＲＦサイクルの部分に応じて
正（＋）または負（−）となる瞬時の相対的極性を有す
ることに注意すべきである。図７Ａは、内側導体２０が
外側導体２１'に対して負の電位にある状態を示してい
る。

【００４５】図７Ｂは、隣接する内側導体２０が反対の
瞬時の極性を呈する不平衡モードの電界パターン１０２
を示す。この電界線１０２は、電界１０２を減衰させる
マイクロ波吸収材４６中の経路に従って隣接する導体２
０間に延長することが示される。隣接する導体２０は、
導体２１'により提供されるグラウンド面に対して交互
に正および負の電位を有する。図７Ｃは、１対の隣接す
る内側導体２０が反対の瞬時の極性にある残りの導体対
に対して同じ瞬時の極性を有する時存在する、別の不平
衡モード電界１０３を示す。再び、電界線１０３が吸収
材４６によって吸収されることが判る。結合器内部に存
在する実際の電界は、図７Ａ〜図７Ｃの電界の組合わせ
となる。

【００４６】もし外側導体２１が図２、図３および図５
における如く縦方向にスロットが設けられているなら
ば、各外側導体２１は対応する内側導体２０と反対の極
性となり、図７Ａ〜図７Ｃに示されるものと似た平衡モ
ードおよび不平衡モードの電界を生じることになる。平
衡モードの電界は、図７Ａに示されるように導体２０、
２１間に結合され、従って導体２１にスロットが設けら
れていても吸収材４６、４７により減衰されないことに
なる。しかし、図７Ｂおよび図７Ｃの不平衡モードの場
合は、図７Ｂおよび図７Ｃの電界１０２、１０３と似た
電界パターンが外側のスロット付き導体２１間に存在
し、不平衡モードの電界もまた減衰されるマイクロ波吸
収材４７により占有される領域内に延長することにな
る。

【００４７】結合器における別の重要な考察は、入力ポ
ート１２間の分離である。不平衡モードがマイクロ波吸
収材４６、４７により減衰される結合器のフィルタ特性
は、結合器の入力ポート１２間の高度の分離をもたら
す。ポート間の２５dＢほどの高い分離は望ましい実施
態様の結合器においては典型的である。

【００４８】結合器１０において行われたノイズ測定
は、結合器１０内部のマイクロ波吸収材４６、４７のフ
ィルタ動作がソースとして使用される８つのＴＷＴの各
々から生じる広帯域ノイズを打ち消し、結合器の出力の
ノイズ性能は個々の管のそれより良好であるか、あるい
はこれと相等のものである。

【００４９】要約すれば、本発明の結合器１０は、所要
の帯域特性を有する多数の低電力の進行波管またはソリ
ッドステート・デバイスを結合するため有効な、コンパ
クトで軽量であり、３次元回路の空間的電力結合器を提
供する。この結合器は、高平均電力用途に特に適してお
り、下記の特徴を有する。即ち、平衡ＴＥＭモード伝
搬、損失が低く、９０％以上の高結合効率、多オクター
ブ帯域幅動作、結合器の多くの入力に接続された増幅器
間の高度の分離、緩やかな劣化特性および優れた熱放散
特性である。

【００５０】図８は、本発明を包含するも、図２の結合
器１０よりも更に高い入出力ＲＦ電力で作動するための
結合器１０'の別の実施例を示している。結合器１０'
は、冷却液９５が入力チャンバ９８'から出ることを許
容する、電位軸方向に延長するパイプ９９と、冷却液が
出る他の端部１４'に対する流入パイプ９２を有する。
チャンバ９８'は端部２４'を冷却する機能を供する。シ
リンダ４０'、ねじ３９'、マイクロ波吸収材４６'およ
び同軸伝送線７８'、１００が、パイプ９９が貫通する
軸方向に延長する中心穴を有する。パイプ９９は、良好
な熱移動を行うためその穴と良好な熱接触状態にある。
パイプ９９は端部１４'から出て、冷却液９５をチャン
バ９７へ送って端部１４電位を冷却し、この端部から冷
却液９５がパイプ９１を経て流出する。軸方向に延長す
るパイプ９９およびその内部に保持される冷却液９５に
より提供される更に効率的な冷却が、結合器が図２の実
施例により許され得るよりはるかに高い入出力レベルで
動作することを可能にする。出力同軸線１００に含まれ
るより高い電力レベルの故に、結合器１０'は、図２に
示した如き同軸出力コネクタ１３を用いる代わりに、リ
ッジを設けた導波管１０１を用いて同軸線１００からの
出力を結合する。標準的なＮ型またはＳＣ型のコネクタ
１３は、結合器１０'が動作し得る電力レベルでアーク
を生じる可能性がある。リッジ付き導波管１０１は、中
心部に延長するリッジ１０２と、リッジ付き導波管１０
１の内側を封止するアルミナ・ウインドウ１０４とを有
する。シーリングは、ガス・パイプ１０３を介して、リ
ッジ付き導波管１０１の封止された内側および加圧され
たガスの漏洩を防止するため端部２４'で封止された結
合器１０'の封止内部（シールは図示せず）に対して加
圧ガスを供給することを可能にする。アルミナ・ウイン
ドウ１０４から先のリッジ付き導波管１０１の非加圧部
分は、高い電力負荷を接続することができる出力フラン
ジ１０５で終るリッジ付き導波管１０１の連続部であ
る。図８の結合器１０'は、結合器１０'の過熱あるいは
結合器内部空間およびリッジ付き導波管１０１内部のア
ークを生じることなく、１０００ワット以上の出力を生
じ得ることが理解されよう。

【００５１】また、当業者には、本発明の構造がコネク
タ１３と結合され、出力負荷がコネクタ１２と接続され
た１つのソースから同じマイクロ波エネルギの多数のソ
ースを得るために、電力分割器として使用できることも
認識されよう。多数のソースが広い周波数帯域にわたっ
て同じ振幅と位相を持つことになる。

【００５２】本発明の望ましい実施態様について記述し
たが、当業者にはその概念を包含する他の実施態様も使
用可能であることが理解されよう。従って、本発明は本
文に開示された実施態様に限定されるべきものではな
く、頭書の特許請求の範囲似よってのみ限定されるべき
ものと考える。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の結合器の斜視図である。

【図２】図１の線ＩＩ−ＩＩに関する縦断面図である。

【図３】結合器１０の分解斜視図である。

【図４】Ａは、図２および図３の内側導体２０の平面図
である。Ｂは、線ＩＶ−ＩＶに関するＡの断面図である。Ｃは、Ａの内側導体２０の右端図である。Ｄは、Ａの運動導体２０の左端図である。

【図５】線Ｖ−Ｖに関する図１および図２の結合器の断
面図である。

【図６】結合器１０の多数のＲＦソースおよび単一の負
荷に対する結合状態を示す概略図である。

【図７】４路の結合器の電界線を示す図である。

【図８】本発明の別の実施例の断面図である。

【図９】Ａは、図２の断面ＩＸＡ−ＩＸＡに関する同軸
状導体７４の電界パターンを示す図である。Ｂは、図２の断面ＩＸＢ−ＩＸＢに関する空胴４５内の
スリーブ３１の組立てを示す図である。Ｃは、図２の断面ＩＸＣ−ＩＸＣに関する平行面伝送線
１９を示す図である。

【符号の説明】

１ベース・プレート２支持構造体３ＲＦソース４出力線５入力コネクタ６同軸出力線７低出力ＴＷＴ８出力コネクタ９負荷１０結合器１１外板１２入力コネクタ１３出力コネクタ１９マイクロ波伝送線２０内側の円筒状導体２１外側の円筒状導体２２スペース２３入力部２４端部支持部２５穴２６固定ねじ２７中心部導体２８内壁部２９絶縁材３１金属スリーブ３２小径部分３５ピン３６平滑面３８円筒状支持部３９ねじ４０シリンダ４１第１の径部４２第２の径部４３マイクロ波吸収材４４壁部４５空胴４６マイクロ波吸収材４７マイクロ波吸収材４８端部支持部４９内側段付き導体５０外側段付き導体５１空隙スロット５２空隙スロット５５インピーダンス整合段付き導体５６インピーダンス整合段付き導体６０端部６５後縁部６８縦方向延長部６９テーパ部７０テーパ部７２スロット７３ヒート・シンク７４同軸状導体７７段付き伝送線７８テーパ状同軸線８４領域８９外側導体９０パイプ９１パイプ９２パイプ９３パイプ９５冷却剤９６冷却剤９７冷却剤チャンバ９８チャンバ９９パイプ１００対称的電界１０１リッジ付き導波管１０２リッジ１０４アルミナ・ウインドウ１０５出力フランジ１１１平行な電界線１１３オフセット同軸線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者エム・ポール・プリアメリカ合衆国マサチューセッツ州アクトン，ロングリッジ・ロード６ (56)参考文献特開昭53−42650（ＪＰ，Ａ) 特開昭55−64403（ＪＰ，Ａ) 米国特許4831345（ＵＳ，Ａ) 英国特許出願公開1330408（ＧＢ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01P 5/12,5/16,5/19 H01P 1/30 H01P 5/08 H03F 3/60

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】信号結合器の一端に配置される複数の同
軸伝送線（７４）と、複数の類似する平面伝送線（１
９）と、複数の類似する電界変換手段（３１，３８）
と、前記平面伝送線（１９）に近接して配置され不平衡
モードの無線周波エネルギを吸収する信号吸収手段（４
３，４６，４７）と、前記複数の平面伝送線（１９）に
沿って伝送される信号を結合する手段（４９，４９′，
５０，５０′）と、を備え、前記複数の電界変換手段
（３１，３８）の各々が同軸伝送線（７４）のそれぞれ
を平面伝送線（１９）のそれぞれに結合する信号結合器
において、前記複数の電界変換手段（３１，３８）が、複数の内部
導体（３１）と１つの外部導体（３８）を有し、その内
部導体の各々が同軸伝送線（７４）のそれぞれの内部導
体（２７）と平面伝送線（１９）のそれぞれの第１導体
（２０）との間に配置され、前記外部導体（３８）は同
軸伝送線（７４）の外部導体（２７）と平面伝送線（１
９）の第２導体（２１）との間に配置され、それによっ
て各電界変換手段（３１，３８）がオフセット同軸線と
して動作する、ことを特徴とする信号結合器。
【請求項２】各平面伝送線（１９）とそれに結合され
る同軸伝送線（７４）とが信号チャンネルを形成し、該
信号チャンネルは、相互に周方向に離間され、各チャン
ネルが円筒面に沿って長さ方向に延長して信号チャンネ
ルの円筒状アレイを形成し、各平面伝送線（１９）の前
記第１および第２の導体（２０，２１）は、半径方向に
分離されるとともに、それぞれ第１および第２の円筒上
に位置し、前記信号吸収手段は、それぞれ前記信号チャ
ンネルの円筒状アレイの第１導体（２０）の内側および
第２導体（２１）の外側に配置された、第１の円筒状吸
収材（４６）と第２の円筒状吸収材（４７）とを含むこ
とを特徴とする、請求項１記載の結合器。
【請求項３】前記複数の電界変換手段（３１，３８）
が、導電性空胴（４５）と結合され、該空胴は前記結合
器の動作周波数帯域より高い共振周波数を有することを
特徴とする、請求項２記載の結合器。
【請求項４】前記空胴（４５）が、前記共振周波数に
おいて４分の１波長の軸方向長さを有する導電性の金属
シリンダ（４０）と、前記空胴（４５）の第１の壁部を
形成する前記シリンダ（４０）の壁部（４４）と、前記
第１の壁部（４４）と対向する前記空胴（４５）の第２
の壁部を形成する、前記変換手段（３１，３８）に対す
る第１の支持部（２４）の導電性壁部（２８）とを含
み、前記第１および第２の壁部（４４，２８）が、前記
空胴（４５）の共振周波数を決定する距離だけ離れてい
ることを特徴とする、請求項３記載の結合器。
【請求項５】前記金属シリンダ（４０）が、信号チャ
ンネルの前記円筒状アレイと同軸状をなすとともに、か
つ前記平面伝送線（１９）の前記第１導体（２０）から
隔てられてその内部に配置され、前記第１導体（２０）
の前記第１の円筒と前記金属シリンダ（４０）との間の
スペース内に含まれる第３の円筒状吸収材（４３）を含
むことを特徴とする、請求項４記載の結合器。
【請求項６】前記第１の支持部（２４）が前記結合器
の一端部に位置し、第２の支持部（４８）が前記結合器
の他端部に位置し、前記第１の円筒状吸収材（４６′）
は第１導体（２０）の前記円筒状アレイと熱伝達接触状
態にあり、前記結合器および前記第１の円筒状吸収材
（４６′）の前記一端部および前記他端部を貫通してこ
れと熱伝達接触状態で延長する冷却手段（９２′，９
９，９７，９１）を備えることを特徴とする、請求項５
記載の結合器。
【請求項７】前記信号を結合する手段が、前記冷却手
段（９２′，９９，９７，９１）と熱伝達接触状態にあ
る出力伝送線（１００）と、前記出力伝送線（１００）
と結合されて前記結合器からの前記結合出力を提供する
出力導波管（１０１）と、を含むことを特徴とする、請
求項６記載の結合器。
【請求項８】前記出力導波管（１０１）が、ガス封止
された内部のリッジ付き導波管であり、前記出力導波管
（１０１）の前記ガス封止された内部と結合されたガス
封止内部と、前記出力導波管（１０１）および前記結合
器の内部に対して圧力ガスを供給する手段（１０３）
と、を備えることを特徴とする、請求項７記載の結合
器。
【請求項９】前記信号を結合する手段が、各々が前記
平面伝送線（１９）のそれぞれに対して一端部で結合さ
れた複数のインピーダンス変換線を含み、前記変換線は
それぞれ、他端部が相互に並列に接続されて前記結合器
の出力を供給することを特徴とする、請求項１乃至８の
いずれかに記載の結合器。
【請求項１０】各々が前記平面伝送線（１９）のそれ
ぞれに前記同軸伝送線（７４）のそれぞれに電力を供給
するように結合された複数の類似する小型ＴＷＴを備え
ることを特徴とする、請求項１乃至９のいずれかに記載
の結合器。