JP4053928B2 - 円−矩形導波管変換器、直交偏波分離用分波器、一次放射器、給電部及びアンテナ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、円形導波管と矩形導波管との間で円滑に高周波信号を伝送するための円−矩形導波管変換器に関するものである。さらに、本発明は、この円−矩形導波管変換器を使用した直交偏波分離用分波器、一次放射器、給電部及びアンテナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
円−矩形導波管変換器は、例えば円形導波管を伝送された高周波信号を、円形導波管に結合された矩形導波管に良好に伝送するようにモード変換するためのもので、この変換器の一例が、特許文献１、特許文献２に開示されている。
【０００３】
【特許文献１】
特許第３１１２１６９号明細書
【特許文献２】
特開２０００−２２８６０１号公報
【０００４】
特許文献１では、円形導波管の短絡端部の近傍に矩形導波管が結合され、円形導波管内において、その短絡端部の近傍にモード変換用の透孔が設けられ、この透孔の後方にＥコーナーが形成されている。
【０００５】
特許文献２では、やはり、円形導波管の短絡部の近傍に矩形導波管が結合され、円形導波管内において、その短絡端部の近傍に、短絡端部と間隙を開けて、三角形状の整合用反射リブが設けられている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１では、モード変換用の透孔を設けた上に、伝搬方向変換用のＥコーナーを設けなければならない。そのため、これらを収容可能な長さに円形導波管を構成しなければならず、円形導波管の長さ寸法が長くなる。これによって、円−矩形導波管変換器も長くなり、大型化になる。同様に特許文献２においても、整合用反射リブと円形導波管の短絡端部との間に隙間を設けなければならず、やはり円形導波管の長さが長くなり、円−矩形導波管変換器も大型になる。一般に、円−矩形導波管変換器では、その定在波比が１に近い値であることが望ましい。しかし、特許文献１、２に開示された円−矩形導波管変換器では、１に近い値、例えば１．３よりも小さい値を取る周波数帯域が狭く、例えば特許文献１では衛星通信において使用されている１２ＧＨｚ帯において約１２．１ＧＨｚから１２．９ＧＨｚの約８００ＭＨｚ帯域でしか定在波比を１．３以下にすることができない。また、特許文献２でも、約１２．０ＧＨｚから１２．８ＧＨｚの約８００ＭＨｚ帯域でしか定在波比を１．３以下とすることができない。衛星通信では、１２ＧＨｚ帯以外に、１４ＧＨｚ帯も使用されている。従って、１４ＧＨｚ帯においても１．３以下の定在波比とすることが望ましい。
【０００７】
本発明は、所望の複数の周波数帯において定在波比を小さくした小型の円−矩形導波管変換器を提供することを目的とする。本発明は、このような円−矩形導波管変換器を使用した直交偏波分離用分波器、一次放射器、給電部及びアンテナを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明による円−矩形導波管変換器は、円形導波管を有している。この円形導波管は、管軸の一端に開口端部を他端に短絡端部を有するものである。この円形導波管の短絡端部に矩形導波管の一端が結合されている。この結合は、矩形導波管の管軸が、円形導波管の管軸に直交するように行われている。この矩形導波管の他端部が開口されている。この矩形導波管の短辺が前記円形導波管の管軸に平行に位置し、長辺が前記円形導波管の管軸に垂直に位置している。この長辺の長さは、円形導波管の直径よりも長いことが望ましく、短辺の長さは長辺の長さの約１／２であることが望ましい。円形導波管の内部の短絡壁の近傍に隔壁が設けられている。この隔壁が有する直線状の第１接触辺が、前記円形導波管の短絡端部に接触している。第１の接触辺は、矩形導波管の管軸に平行であることが望ましい。この第１接触辺の一端、例えば矩形導波管から離れた端部から円形導波管の開口端部に向かって、前記管軸に沿って、前記矩形導波管とは反対側にある前記円形導波管の内面を直線状に第２接触辺が伸びている。この第２接触辺の先端、即ち、円形導波管の開口端部側の第２接触辺の端部から前記矩形導波管側に第１接触辺と平行な直線状に第１開放直線辺が伸びている。第１開放直線辺の先端、即ち矩形導波管に近い第１開放直線辺の端部から前記矩形導波管に向かって傾斜した開放斜辺が伸びている。開放斜辺の先端、即ち、開放斜辺の矩形導波管に近い端部から第１開放直線辺と平行に第２開放直線辺が伸びている。第２開放直線辺の先端、即ち矩形導波管に近い端部から第１接触辺の他端に向かって、第３開放直線辺が伸延している。第３の開放直線辺は、第２接触辺と平行に伸延している。
【０００９】
このように構成された円−矩形導波管変換器では、例えば円形導波管の開放端部から円形導波管内に導入された直線偏波、例えば垂直偏波の超高周波信号が円形導波管を伝送され、隔壁によってその方向が変更されて、矩形導波管内に導入され、矩形導波管内を伝送される。隔壁がＥベント及び整合器として機能する。即ち、１つの隔壁によって、２つの機能を果たす。従って、Ｅベントと整合器とをそれぞれ設ける必要が無く、円形導波管を短くすることができる。また、隔壁の第１接触辺が円形導波管の短絡壁に接触しており、隔壁と短絡壁との間には空間を設ける必要が無く、円形導波管を短くすることができる。しかも、この構成によると、定在波比が１に近い値である高周波信号の周波数帯が広くなる。
【００１０】
上記の円−矩形導波管変換器において、第１接触辺の長さを約０．２５乃至０．７５λｇ（λｇは、前記円−矩形導波管変換器を伝送される高周波信号の管内波長）とすることができる。この場合、第２接触辺の長さを約０．７乃至０．９λｇ、第１及び第２開放直線辺の長さを約０．０５乃至０．１λｇとすることが望ましい。さらに、第３開放直線辺を約０．１乃至０．２λｇとすることが望ましい。
【００１１】
上記の円−矩形導波管において、第１乃至第３の開放直線辺を除去することもできる。この場合、第３の開放直線辺が存在しないので、さらに、円形導波管を短くすることができるし、所望の複数の帯域において定在波比を小さくすることができる。
【００１２】
これら円−矩形導波管変換器を、一方の出力部として使用して直交偏波分離用分波器を構成することもできる。この場合、例えば、他方の出力部として、もう一つの矩形導波管が円形導波管に取り付けられる。もう１つの矩形導波管は、前記矩形導波管と平行に配置することができる。この場合、もう１つの矩形導波管の短辺は、円形導波管の管軸に直交し、長辺が円形導波管の管軸に平行に位置させる。
【００１３】
これら円−矩形導波管変換器または直交偏波分離用分波器を使用して一次放射器を形成することができる。この場合、円形導波管の開口端部から高周波信号が導入されるが、この開口端部に、ホーン部を設けることが望ましい。
【００１４】
このような一次放射器を用いて給電部を構成することができる。この給電部を用いてアンテナを構成することもできる。このアンテナは、例えばパラボラ反射鏡やオフセットパラボラ反射鏡のような反射鏡を有することが望ましく、その焦点位置に給電部を設ける。給電部の円形導波管の開口端部が反射鏡側を向くように給電部を配置する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施形態の円−矩形導波管変換器は、例えばホーン部と共に一次放射器を構成している。この一次放射器に、コンバータ等が設けられて、給電部が構成されている。この給電部が、反射鏡、例えばパラボラ反射鏡またはオフセットパラボラ反射鏡の焦点位置に設けられ、アンテナ、例えばパラボラアンテナまたはオフセットパラボラアンテナを構成している。
【００１６】
図１（ａ）に示すように、この円−矩形導波管変換器は、円形導波管２を備えている。この円形導波管２は、その一端部が短絡された短絡端部２ａとされ、これと対向する端部が開放端部２ｂとされている。これら短絡端部２ａと開放端部２ｂの中心が管軸２ｃ上に位置している。開放端部２ｂの外周には、図１（ｂ）に示すように、フランジ、例えば円形フランジ４が一体に形成されている。このフランジ４には、図示していないがホーン部が取り付けられている。このホーン部がパラボラ反射鏡またはオフセットパラボラ反射鏡の焦点位置に、パラボラ反射鏡またはオフセットパラボラ反射鏡の鏡面側を向いて配置されている。
【００１７】
円形導波管２の短絡端部２ａには、矩形導波管６が一体に形成されている。この矩形導波管６の管軸６ａが、円形導波管２の管軸２ｃと直交するように矩形導波管６が配置されている。この矩形導波管６は両端部が開口され、その一方の開口部が円形導波管２と連通し、他端の開口部の周囲には、図１（ｃ）に示すように、フランジ、例えば矩形フランジ８が一体に形成されている。このフランジ８を利用して、信号処理手段、例えば周波数コンバータが取り付けられている。この周波数コンバータは、パラボラ反射鏡またはオフセットパラボラ反射鏡で反射され、ホーン部を介して円形導波管２に導入され、矩形導波管６に伝送された特定の偏波信号、例えば垂直偏波の超高周波信号を、所定の周波数の中間周波信号に周波数変換するためのものである。このホーン部、円−矩形導波管変換部及びコンバータによって給電部が構成されている。
【００１８】
この矩形導波管６は、図１（ｃ）に示すように１対の短辺６ｂと、これらに直交する１対の長辺６ｃとを有している。短辺６ｂは、円形導波管２の管軸６ｃと平行に配置されている。また、長辺６ｃは、短辺６ｂと直交するように配置されている。長辺６ｃの長さは、円形導波管２の内径よりも大きく設定され、短辺６ｂの長さは、長辺６ｃの１／２の長さに設定されている。
【００１９】
円形導波管２の短絡壁２ａと一体に隔壁１０が形成されている。この隔壁１０は、管軸２ｃ上に位置している。隔壁１０は、所定の厚みを有し、それの側面形状が多角形状である。
【００２０】
この隔壁１０は、第１の接触辺１０ａを有している。第１の接触辺１０ａは、短絡壁２ａにおける矩形導波管６と反対側の端部から矩形導波管６側に管軸６ａと平行に所定の長さ、例えば０．２５乃至０．７５λｇ（λｇは、この円−矩形導波管変換器において伝送される超高周波信号の中心周波数信号の管内波長）、具体的には図２に示すように約０．５λｇの長さを有している。
【００２１】
第１の接触辺１０ａの矩形導波管６とは反対側の端部から、第２の接触辺１０ｂが、円形導波管２の内面を管軸２ｃに沿って開口端部２ｂ側に伸延している。その長さは、例えば０．７乃至０．９λｇで、具体的には図２に示すように約０．８λｇである。
【００２２】
開口端部２ｂ側の第２の接触辺１０ｂの端部から、第２の接触辺２ｂに直交して、矩形導波管６側に第１の開放直線辺１０ｃが伸延している。第１の開放直線辺１０ｃは、例えば０．０５乃至０．１λｇの長さで、具体的には図２に示すように約０．０７５λｇである。
【００２３】
第１の開放直線辺１０ｃの矩形導波管６側の端部から、開放斜辺１０ｄが矩形導波管６の円形導波管２側にある開放端部に向けて伸延している。この開放斜辺１０ｄの先端は、矩形導波管６の上方に位置している。
【００２４】
この開放斜辺１０ｄの矩形導波管６側の端部から、第１の開放直線辺１０ｃに平行に第２の開放直線辺１０ｅが矩形導波管６側に伸延している。その長さは、例えば０．０５λｇ乃至０．１λｇ、具体的には図２に示すように約０．０７５λｇである。
【００２５】
この第２開放直線辺１０ｅの矩形導波管６側の端部から、第１の接触辺１０ａに向かって、管軸２ｃと平行に第３開放直線辺１０ｆが伸延している。第３開放直線辺１０ｆは、例えば０．０５乃至０．１λｇ、具体的には、図２に示すように約０．１５λｇである。
【００２６】
従って、開放斜辺１０ｄの高さ寸法は、０．０５乃至０．６５λｇ、具体的には図２に示すように約０．３５λｇ、長さ寸法は、０．６乃至０．８５λｇ、具体的には図２に示すように約０．６５λｇである。
【００２７】
開放斜辺１０ｄのみではなく、これに連ねて第１開放直線辺１０ｃ、第２開放直線辺１０ｅを有する点と、第１接触辺１０ａが、円形導波管２の短絡端部２ａに接触することによって隔壁１０と短絡端部２ａとの間に空隙が形成されていない点とが、この隔壁１０の特徴である。この隔壁１０が円形導波管２と矩形導波管６とのインピーダンスを整合させるための整合器として、さらに、伝搬方向変換器として機能する。
【００２８】
円形導波管２の開放端部２ｂに供給される超高周波信号は、直線偏波、例えば垂直偏波の超高周波信号であって、図１（ａ）における上下方向に電界の値が変化しながら、円形導波管２の短絡端部２ａ側に向かって伝搬するものとする。この垂直偏波の超高周波信号は、円形導波管２内を伝送され、隔壁１０によって矩形導波管６側に９０度折り曲げられ、フランジ８に取り付けられたコンバータが備えるプローブによって受信される。
【００２９】
図３は、この円−矩形導波管変換器によって、垂直偏波信号を伝送した場合における周波数対ＶＳＷＲ特性を示したものである。この円−矩形導波管変換器は、１に近いＶＳＷＲ、例えば１．３よりも小さいＶＳＷＲを、約１２ＧＨｚ乃至１４．４ＧＨｚの約２．４ＧＨｚという非常に広い周波数帯域において示している。
【００３０】
本発明の第２の実施の形態の円−矩形導波管変換器は、図４に示すように、直交偏波分離用分波器に使用されている。この直交偏波分離用分波器は、新たに矩形導波管１２が設けられている以外、第１の実施形態の円−矩形導波管変換器と同様に構成されている。同等部分には、同一符号を付して、その説明を省略する。
【００３１】
新たな矩形導波管１２は、図４（ａ）に示すように、矩形導波管６に接近し、かつ円形導波管２の短絡端部２ａから矩形導波管６よりも離れた位置で、矩形導波管６に平行に円形導波管２と一体に形成されている。図４（ｂ）に示すように、矩形導波管１２の短辺１２ａは、円形導波管２の管軸２ｃと直交して配置され、長辺１２ｂは、円形導波管２の管軸２ｃと平行に配置されている。即ち、矩形導波管１２の短辺１２ａ、長辺１２ｂは、矩形導波管６の短辺６ｂ、長辺６ｃと９０度方向が異なって配置されている。
【００３２】
矩形導波管６は、例えば垂直偏波の超高周波信号を伝搬するためのものであり、矩形導波管１２は、水平偏波の超高周波信号を伝搬するためのものである。矩形導波管１２の円形導波管２から離れた開放端部の周囲にはフランジ、例えば角型のフランジ１４が設けられている。このフランジ１４を利用して、例えば水平偏波の信号を受信して、処理する処理手段、例えば周波数コンバータ（図示せず）が設けられている。
【００３３】
また、円形導波管２の内部における隔壁１０と矩形導波管１２との間に、管軸２ｃに沿って矩形導波管６、１２の管軸に直交する面上に位置するように、モード阻止手段、例えば反射板１６が設けられている。この反射板１６は、水平偏波の信号を反射し、垂直偏波の信号のみを通過させるものである。
【００３４】
この直交偏波分離用分波器では、円形導波管２のフランジ４にホーン部が取り付けられ、パラボラ反射鏡またはオフセットパラボラ反射鏡の焦点位置にホーン部が反射鏡側を向くように配置される。この直交偏波分離用分波器、２台の周波数コンバータ及びホーン部によって給電部が構成されている。反射鏡によって垂直偏波及び水平偏波の超高周波信号をホーン部に集束させると、これら両超高周波信号は、円形導波管２を伝搬する。そのうち、水平偏波の超高周波信号は、矩形導波管１２内を伝搬する。一方、垂直偏波の超高周波信号は、反射板１６を通過し、第１の実施の形態で述べたのと同様にして、矩形導波管６内を伝搬する。
【００３５】
図５は、この直交偏波分離用分波器での垂直偏波信号における周波数対ＶＳＷＲ特性を示したものである。この直交偏波分離用分波器でも、１に近いＶＳＷＲ、例えば１．３よりも小さいＶＳＷＲが、約１２ＧＨｚ乃至１４．０ＧＨｚの約２．０ＧＨｚという非常に広い周波数帯域において示されている。
【００３６】
図６（ａ）、（ｂ）に第１の参考例の円−矩形導波管変換器を示す。この円−矩形導波管変換器は、図６（ａ）と図１（ａ）の比較から明らかなように、隔壁１０の構成が相違する以外、第１の実施の形態の円−矩形導波管変換器と同様に構成されている。同等部分には、同一符号を付して、その説明を省略する。
【００３７】
この円−矩形導波管変換器において使用されている隔壁１０では、第１乃至第３の開放直線辺１０ｃ、１０ｅ、１０ｆが除去されている。その代わりに、第２の接触辺１０ｂの先端と、第１の接触辺１０ａの基端とを直接に開放斜辺１０ｄが接続してある。この隔壁１０は、円形導波管２と一体に成型されている。第１の接触辺１０ａ、第２の接触辺１０ｂの長さは、第１及び第２の実施の形態における隔壁１０の第１及び第２の接触辺１０ａ、１０ｂとほぼ同じ長さを有し、具体的には、第１の接触辺１０ａが１７．５ｍｍ（約０．５λｇ）、第２の接触辺１０ｂが２５ｍｍ（約０．８λｇ）である。
【００３８】
図７は、この円−矩形導波管変換器のＶＳＷＲ対周波数特性を示したものである。この円−矩形導波管変換器は、約１１．９ＧＨｚ乃至１２．８ＧＨｚ及び１４．０ＧＨｚ乃至１４．５ＧＨｚの所望の複数の周波数帯において、１．３以下のＶＳＷＲを示している。図７と、図３、図５との比較から、第１乃至第３の開放直線辺１０ｃ、１０ｅ、１０ｆの存在によって、ＶＳＷＲ対周波数特性の広帯域化が図られていることが判る。しかし、これら第３の開放直線１０ｆを除去することによって円形導波管２の長さ方向に沿う隔壁１０の長さ寸法を短くすることができ、円形導波管２の長さ寸法も短くすることができ、この円−矩形導波管変換器の小型化を図ることができる。
【００３９】
第２の参考例の円−矩形導波管変換器を図８に示す。この円−矩形導波管変換器は、隔壁１０を円形導波管２とは別個に形成した以外、同様に構成されている。隔壁１０が別個に形成されているので、円形導波管２には、この隔壁固定用の２つの溝２ｄ、２ｅが設けられ、これら溝２ｄ、２ｅに、隔壁１０の２つの接触辺１０ａ、１０ｂに連なる挿入片１０ｇ、１０ｈが形成されている。
【００４０】
第１及び第２の参考例の円−矩形導波管変換器を改変して、第２の実施の形態に示した直交偏波分離分波器を構成することもできる。
【００４１】
上記の各実施の形態では、処理手段として、周波数コンバータを使用したが、これに限ったものではなく、例えば増幅器を使用することもあるし、或いは、導波管モードの信号を同軸モードに変換する変換器を使用することもある。
【００４２】
上記の各実施の形態では、矩形導波管６に垂直偏波信号を伝送したが、第１の実施の形態、第１及び第２の参考例の円−矩形導波管変換器または第２の実施の形態の直交偏波分離分波器を適切に配置することによって、水平偏波信号を矩形導波管６に伝送することもできる。
【００４３】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、所望の周波数帯域またはこれら所望の周波数帯域を含む広い周波数帯域にわたってＶＳＷＲを低い値にすることができるし、また、隔壁が整合器とモード変換器とを兼用し、しかも隔壁が円形導波管の短絡壁部に接触しているので、円形導波管の長さを短くすることができ、円−矩形導波管変換器や直交偏波分離用分波器を小型化することができ、これらを使用した一次放射器、給電部及びアンテナも小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施の形態の円−矩形導波管変換器の縦断正面図、側面図及び底面図である。
【図２】 図１の円−矩形導波管変換器で使用している隔壁の拡大正面図である。
【図３】 図１の円−矩形導波管変換器のＶＳＷＲ対周波数特性図である。
【図４】 本発明の第２の実施の形態の直交偏波分離用分波器の縦断正面図及び底面図である。
【図５】 図４の直交偏波分離用分波器のＶＳＷＲ対周波数特性図である。
【図６】 第１の参考例の円−矩形導波管変換器の縦断正面図及び隔壁１０の拡大正面図である。
【図７】 図６の円−矩形導波管変換器のＶＳＷＲ対周波数特性図である。
【図８】 第２の参考例の円−矩形導波管変換器の縦断正面図である。
【符号の説明】
２ 円形導波管
２ａ 短絡端部
２ｂ 開放端部
２ｃ 管軸
６ 矩形導波管
１０ 隔壁
１２ 矩形導波管

Claims (6)

1. 管軸の一端に開口端部を他端に短絡端部を有する円形導波管と、
   前記管軸に直交して、前記円形導波管の短絡端部に一端が結合され、他端が開口され、短辺が前記管軸に平行に位置し、長辺が前記管軸に垂直に位置する矩形導波管と、
   前記円形導波管内において前記短絡端部に直線状の第１接触辺が接触し、この第１接触辺の一端から前記開口端部に向かって、前記管軸に沿って、前記矩形導波管とは反対側にある前記円形導波管の内面を直線状に第２接触辺が伸び、この第２接触辺の先端から前記矩形導波管側に第１接触辺と平行な直線状に第１開放直線辺が伸び、第１開放直線辺の先端から前記矩形導波管に向かって傾斜して開放斜辺が伸び、この開放斜辺の先端から第１開放直線辺と平行に第２開放直線辺が伸延し、第２開放直線辺の先端から第１接触辺の他端に向かって第３の開放直線辺が第２の接触片に平行に伸延している隔壁とを、
   具備する円−矩形導波管変換器。
2. 請求項１記載の円−矩形導波管変換器において、第１接触辺の長さが約０．２５乃至０．７５λｇ（λｇは、前記円−矩形導波管変換器を伝送される信号の管内波長）で、第２接触辺の長さが約０．７乃至０．９λｇで、第１及び第２開放直線辺の長さが約０．０５乃至０．１λｇで、第３開放直線辺が約０．１乃至０．２λｇである円−矩形導波管変換器。
3. 請求項１または２記載の円−矩形導波管変換器の矩形導波管を、一方の出力部とした直交偏波分離用分波器。
4. 請求項１または２記載の円−矩形導波管変換器を使用した一次放射器。
5. 請求項３記載の直交偏波分離用分波器または請求項４記載の一次放射器を使用した給電部。
6. 請求項５記載の給電部を使用したアンテナ。

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