JP3483474B2 - 共振器 - Google Patents
共振器Info
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- Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)
- Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
- Inductance-Capacitance Distribution Constants And Capacitance-Resistance Oscillators (AREA)
Description
に、2次元配列された小型導波管アレイと大型導波管と
を組み合わせることにより効率的な電磁波モードの変換
を行うようにした共振器に関する。
のミリ波・サブミリ波帯は、将来の高次情報化社会を支
える重要な周波数帯として注目されている。その理由
は、これら帯域のように周波数が高くなればなる程、光
ファイバー等の単一の通信線で送受できる情報量が大量
になるためである。また、世界的に広がりを見せるイン
ターネットや、動画を含む情報等を高速かつ高密度で伝
送するためには、高い周波数に対応できるシステムを構
成することが切望されている。このような高周波数の通
信システムの開発には、システム構成上最も基礎的な装
置である発振器(又は増幅器)の開発が、必要不可欠で
ある。ところが、現在の通信システムにおいては、周波
数が30GHz以下のマイクロ波を主体にした回路で構
成されている。
ダイオードやトランジスタ等の固体発振素子が用いられ
る。しかしながら、ミリ波以上の周波数帯で動作する固
体発振素子は、原理的に、周波数の増加に伴い発振出力
が低下する。現在のところ、例えば100GHz以上の
周波数帯で動作する固体発振素子により得られるパワー
は、通常数十mW以下である。さらに周波数が高くなれ
ば、その出力は急激に減少する。したがって、従来の技
術では、このような高い周波数領域で高出力動作をする
発振器を実現することは困難であった。
発振素子を用いて、ミリ波・サブミリ波帯等の高い周波
数において、高出力で発振する共振器を提供することを
目的とする。また、本発明は、従来マイクロ波帯で用い
られてきた基本導波管を用いた共振器設計法をそのまま
利用することにより、容易に設計・製作をすることがで
きる共振器を提供することを目的とする。
子の有する低電力特性を補償するため、発振素子を2次
元に配列し、その出力をコヒーレントに合成するように
した。また、2次元配列された発振素子からの電力を効
率よく合成するため、小さいサイズの導波管(基本モー
ド導波管)内に発振素子を装着し、2次元配列された複
数の基本モード導波管からの出力を大きいサイズの導波
管(オーバーモード導波管)内でコヒーレントに合成す
るようにした。
素子を有し、出力面が2次元的に配列された複数の基本
モード導波管と、前記基本モード導波管の出力反対方向
及び出力方向にそれぞれ結合され、発振素子から発振さ
れた出力を伝搬する複数の第1及び第2のインピーダン
ス整合器と、複数の前記基本モード導波管の出力反対方
向側に、前記第1のインピーダンス整合器を介して設け
られ、複数の前記基本モード導波管からの出力をコヒー
レントに合成するオーバーモード導波管と、前記オーバ
ーモード導波管の前記第1のインピーダンス整合器と反
対側に設けられた反射板とを備え、複数の前記第1のイ
ンピーダンス整合器を介して複数の前記基本モード導波
管と前記オーバーモード導波管との間で電磁波の伝搬モ
ード変換を行い、複数の前記第2のインピーダンス整合
器を経て出力方向に電磁波を出力するようにした共振器
が提供される。
成図を示す。図1(A)には、その全体構成図を示す。
本発明の共振器は、基本モード導波管アレイ1、オーバ
ーモード導波管2、反射板3を備える。また、図1
(B)には、基本モード導波管アレイ1の側面図を示
し、図1(C)には、その正面図を示す。
導波管10、第1及び第2のインピーダンス整合器11
及び12を有する構造を、複数ユニット備える。この例
では、基本モード導波管10は、発振素子13を備え、
N列M行にN×M個が配列されている。基本モード導波
管10は、断面寸法は波長より小さく、基本モードであ
る決まった強度分布を持つ電磁波のみを伝搬する。第1
及び第2のインピーダンス整合器11及び12は、例え
ば金属又はプラスティック等のホーン形状の導波管で構
成される。ホーン形状については、直線又は対数等のテ
ーパー構造、階段構造、誘電体を用いた整合回路構造な
ど周知の構造を採用することができる。導波管の断面形
状は、ここでは矩形形状を用いているが、これにかぎら
ず、菱形等の適宜の形状としてもよい。第1及び第2の
インピーダンス整合器11及び12は、このような構造
により、電磁波が導波管中を伝搬する際、反射係数が小
さくなるようにしている。発振素子13としては、ガン
ダイオード等のダイオードやトランジスタなどの固体発
振素子等を、適宜使用することができる。
に比較して大きな断面寸法を有し、様々な強度分布をも
つ電磁波を伝搬することができる。オーバーモード導波
管2は、N列M行に配列された基本モード導波管10を
有する基本モード導波管アレイ1の断面と結合される。
反射板3は、高周波電磁波に対して反射率が高い材料
(例えば平面鏡)で構成される。反射板3は、その位置
を可動とすることができる。例えば、オーバーモード導
波管2内に配置された反射板3の位置を、電磁波出力方
向又はその反対方向にスライドすることで、発振周波数
を適宜調整することができる。
る。図2に、本発明に係る共振器の電磁界モードの説明
図を示す。各基本モード導波管10の発振素子13から
の高周波電磁波は、第1のインピーダンス整合器11中
では、基本モード(TE10モード)で伝搬され、オー
バーモード導波管2との結合部に達する。このとき、第
1のインピーダンス整合器11としてデーパー構造が導
入されることにより、反射を小さくして電力損失を極力
少なくするように電磁波を伝搬させることができる。基
本モード導波管10は、N列M行に配列され、連接する
各列毎に電磁波の電界方向が相互に反対になるように、
発振素子13が発振する。基本モード導波管アレイ1か
らの高周波電磁界は、オーバーモード導波管2内に導か
れる。そのとき、基本モード導波管アレイ1からの合成
された電磁界分布は、オーバーモード導波管2との結合
部において、オーバーモード導波管2で許容される電磁
波モード(TEN0モード)の電磁界分布と一致するよ
うになる。
3からの高周波電磁波は、反射板3により反射され、そ
れぞれ全ての(又は複数の)基本モード導波管10の発
振素子13に入力される。各発振素子13では、全ての
(又は複数の)発振素子13から出力され反射された電
磁波により、さらに大きな出力で発振することになる。
さらに、発振された電磁波は、再び、オーバーモード導
波管2内に蓄えられ、反射板3により全ての(又は複数
の)基本モード導波管10に反射される。各発振素子1
3は、最終的には、電源電圧等により定められる飽和状
態に従い、定常状態で発振することになる。
出力の位相がそろうとき注入同期がとられ、各基本モー
ド導波管10から、周波数及び位相が同一な高出力電磁
波が第2のインピーダンス整合器12を経て出力され
る。すなわち、基本モード導波管10の各発振素子13
からの高周波電力は、オーバーモード導波管2でモード
変換され、理論効率100%で合成されることにより、
高い発振出力を得ることができる。
て説明する。図3に、本発明に係る共振器の特性を測定
するためのシステム構成図を示す。この測定に用いられ
た共振器においては、基本モード導波管を3行3列に9
個配列し、V−バンド基本導波管アレイ100を構成し
た。発振素子としては、60GHzで最大出力200m
Wのガンダイオードを用い、各基本モード導波管の中央
部に装着した。インピーダンス整合器の出力開口部での
断面寸法は、15mm×15mmである。オーバーモー
ト゛導波管200の断面寸法は45mm×45mmであ
り、反射板300によりバックショートとした。測定系
は、受信ホーン31、電力計32及びスペクトラムアナ
ライザ33を備える。このようなシステム構成を用い
て、基本モード導波管アレイ100からの出力を測定し
た。
ように、測定されたCN比(キャリア対ノイズ比)は、
−95.8dB/Hz(100kHz、61.2GH
z)と高い。すなわち、本発明によると、9個のガンダ
イオードからの出力が、あたかもひとつの発振器からの
出力のように、コヒーレントな電力合成が達成できるこ
とがわかる。
ムのパターン図を示す。この図は、図5(A)は水平方
向(H-plane)、図5(B)は垂直方向(E-plane)にお
いて、中心からの角度(度)と相対的電力(dB)との
関係を示したものである。測定値(プロット)を、TE
30モードの理論値(実線)と比較することにより、本
発明の共振器がTE30モードで発振していることがわ
かる。
ての特性図を示す。これは、図6(A)及び図6(B)
には、TE30の発振モードについて共振器長L(図3
参照)を変化させたときの発振周波数及び全出力をそれ
ぞれ示す。この例では、周波数61.3GHzにおいて
最大出力1.5W、電力合成効率83%という、きわめ
て高出力な電磁波を達成することができた。
器を発振器として使用する場合について説明したが、反
射板を取り外すこと等により、本発明の共振器を増幅器
や逓倍器等に応用することもできる。また、周知のよう
に、基本モード導波路又はインピーダンス整合器の出力
導波部では、例えばホーン部に位相制御用素子を組みこ
むことにより出力ビーム形状を変えたり、モード変換を
行うこともできる。
な固体発振素子を用いて、ミリ波・サブミリ波帯等の高
い周波数において、高出力で発振する共振器を提供する
ことができる。また、本発明によると、基本モード導波
管とオーバーモード導波管をインピーダンス整合器で結
合することにより、電磁波合成における損失が金属壁等
での高周波損失を除き、理論的にゼロとすることができ
る。したがって、本発明によると、従来達成困難であっ
た高い電力合成効率を実現することができる。
で用いられてきた基本導波管を用いた共振器設計法をそ
のまま利用することができ、容易に設計・製作をするこ
とができる共振器を提供することができる。
ステム構成図。
図。
Claims (5)
- 【請求項1】各々が発振素子を有し、出力面が2次元的
に配列された複数の基本モード導波管と、 前記基本モード導波管の出力反対方向及び出力方向にそ
れぞれ結合され、発振素子から発振された出力を伝搬す
る複数の第1及び第2のインピーダンス整合器と、 複数の前記基本モード導波管の出力反対方向側に、前記
第1のインピーダンス整合器を介して設けられ、複数の
前記基本モード導波管からの出力をコヒーレントに合成
するオーバーモード導波管と、 前記オーバーモード導波管の前記第1のインピーダンス
整合器と反対側に設けられた反射板と を備え、 複数の前記第1のインピーダンス整合器を介して複数の
前記基本モード導波管と前記オーバーモード導波管との
間で電磁波の伝搬モード変換を行い、複数の前記第2の
インピーダンス整合器を経て出力方向に電磁波を出力す
るようにした共振器。 - 【請求項2】複数の前記基本モード導波管の各発振素子
から出力反対方向に出力された電磁波は、前記第1のイ
ンピーダンス整合器を経て前記オーバーモード導波管に
供給され、さらに、前記反射板により複数の前記基本モ
ード導波管に向けて反射され、 定常状態で複数の前記基本モード導波管の発振素子から
の電磁波を、前記第2のインピーダンス整合器を経て出
力方向に出力するようにしたことを特徴とする請求項1
に記載の共振器。 - 【請求項3】前記基本モード導波管は、N列M行に配列
され、連接する各列毎に電磁波の電界方向を相互に反対
としたことを特徴とする請求項1又は2に記載の共振
器。 - 【請求項4】第1及び第2のインピーダンス整合器は、
横a縦bの矩形断面であって、N列M行に(N×M)個
配列され、 前記オーバーモード導波管は、横(a×N)縦(b×
M)の矩形断面を有し、前記第1のインピーダンス整合
器に結合されることを特徴とする請求項1乃至3のいず
れかに記載の共振器。 - 【請求項5】前記第1及び第2のインピーダンス整合器
は、テーパー構造の導波管を有し、前記基本モード導波
管と前記オーバーモード導波管との整合をとることを特
徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の共振器。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP24819798A JP3483474B2 (ja) | 1998-09-02 | 1998-09-02 | 共振器 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP24819798A JP3483474B2 (ja) | 1998-09-02 | 1998-09-02 | 共振器 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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JP2000077946A JP2000077946A (ja) | 2000-03-14 |
JP3483474B2 true JP3483474B2 (ja) | 2004-01-06 |
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP24819798A Expired - Fee Related JP3483474B2 (ja) | 1998-09-02 | 1998-09-02 | 共振器 |
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JP (1) | JP3483474B2 (ja) |
-
1998
- 1998-09-02 JP JP24819798A patent/JP3483474B2/ja not_active Expired - Fee Related
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