JP4057761B2 - Waveguide connection element, waveguide connection element impedance matching method, and S-band radar apparatus - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、マイクロ波などの高周波を伝送する導波管を接続するとともに、導波の方向を変更する導波管接続素子およびそのインピーダンス変換方法、さらにこの導波管接続素子を用いたSバンドレーダ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
導波路として、導波管、同軸ケーブルなどのものが実用化されており、このうち導波管として、矩形導波管、偏平導波管、円形導波管など種々の形状のものが実用化されている。これらの導波路はそれぞれ異なる特徴を有するため、場面に応じて使い分けられている。
【0003】
ところで、船舶用レーダの空中線は、30回/分程度の高速回転および風速100m/sの強風に耐えることが条件とされるため、可能な限り空気抵抗の少ない形状にする必要がある。発振器で発振された高周波パルスは導波路を介して空中線の先端部から供給されるが、この高周波パルスを伝送する導波路として、導波管サイズの大きなSバンドレーダ等では、従来は、最も空気抵抗の小さい同軸ケーブルが用いられていた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、発振器の出力端子および空中線の入力端子はともに導波管であるため、同軸ケーブルの両端に同軸−導波管の変換素子が必要であった。また、Sバンド(約3GHz)程度の周波数になると同軸ケーブルは損失が大きい。同軸ケーブルは自立しないため、同軸ケーブルをつり下げて支持する横棒が別に必要であるなど種々の問題点があった。
【0005】
そこで、発振器から空中線への導波線路として導波管を用いることが考えられるが、通常の矩形導波管はE方向の高さが大きいため空気抵抗が大きいという問題点がある。そこで偏平導波管を使用すればよいことになるが、空中線の入力端は通常の矩形導波管であるため、入力端子でインピーダンスを変換する変換器が必要である。導波路の空中線への接続は、図5(B)に示すように空中線の先端部で導波路を180°ターンさせて行うが、このターンのためのコーナー素子とインピーダンスの変換素子の両方を設けることは、スペースの制約がある空中線の先端部では困難であり、また、空気抵抗も増加するという問題点があった。
【0006】
この発明は、導波の方向を変更しながら、形状の異なる導波管のインピーダンス整合を行うことのできる導波管接続素子およびそのインピーダンス整合方法を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明は、矩形導波管を接続する第1の接合部と、扁平導波管を接続する第2の接合部とを2つのコーナーを介して接続した導波管接続素子であって、各コーナーの切り落とし寸法を、前記矩形導波管から前記第1の接合部側を見たインピーダンスが、前記第2の接合部から前記扁平導波管側を見たインピーダンスに整合するように設定したことを特徴とする。
【0008】
請求項2の発明は、前記第1・第2の接合部はそれぞれ90度のコーナーとし、前記矩形導波管と前記扁平導波管とを互いに平行に配置するとともに、前記接合部で信号の伝搬経路が折り返すように、前記矩形導波管と前記扁平導波管の端部に前記接合部を配置したことを特徴とする。
【0009】
請求項3の発明は、請求項2の発明において、前記整合部の長さを、λを信号波長、mを任意の整数とするとき、(2m+1)λ/8(λは、導波管内波長を示す)となるようにしたことを特徴とする。
【0010】
請求項4の発明は、矩形導波管を接続する第1の接合部と、偏平導波管を接続する第2の接合部とを2つのコーナーを介して接続した導波管接続素子において、各コーナーの切り落とし寸法を調整することで、前記第1の接合部および第2の接合部のインピーダンスを整合させることを特徴とする。
【0011】
請求項5の発明は、空中線の給電部に、請求項1、請求項2または請求項3に記載の導波管接続素子を接続し、この導波管接続素子に偏平導波管を接続したことを特徴とする。
【0012】
導波管の方向を変えるための素子としてコーナーやベンドなどが用いられるが、この形状を適当なものにすることにより、その部分のリアクタンスを変えることができ、これを利用して両端に接続される異なる形状の導波管のインピーダンスの整合をとることができる。これにより、導波管の方向を変える接続素子に、異なる形状の導波管のインピーダンスを整合する整合素子を兼ねさせることができる。
【0013】
また、コーナー素子としては、Eコーナー、Hコーナーがあるが、請求項2〜4の発明において、2つのコーナーの組み合わせは、2つのEコーナー、2つのHコーナーまたは1つのEコーナーと1つのHコーナーのどの組み合わせでもよい。一般的にコーナーは、長方形の導波路を90度曲げ、その角を三角形(三角柱)に切り落として狭めた形状になっており、この切り落としの寸法を変えることによってその部分のインピーダンス(リアクタンス)が変わる。そこで、この発明では、この切り落とし寸法を適当に設定することにより、形状の異なる2つの導波管のインピーダンス整合をとった。そして、整合部の長さを(2m+1)λ/8としたことにより、上記切り落とし寸法の設計、すなわち、整合を容易にした。
【0014】
【発明の実施の形態】
図面を参照してこの発明の実施形態である導波管接続素子について説明する。図1は同導波管接続素子を上下に分割した斜視図である。図2は、同導波管接続素子に導波管を接続した状態の平断面図である。
この導波管接続素子1は、Eコーナーを2つ含んだ略コ字形をしており、導波路が180度ターンするように2つの導波管を接続する。一方の接合部4は矩形導波管2を挟持する構造になっており、他方の接合部5は偏平導波管3を挟持する構造になっている。この導波管接続素子1は、アルミニウム等の導電性非鉄金属をダイカスト成形して製造される。なお、この導波管接続素子をSバンドレーダーに用いる場合、矩形導波管はR32(内径72.1mm×34.0mm:肉厚2mm)を用い、偏平導波管はM32(内径72.1mm×18.0mm:肉厚2mm)を用いる。
【0015】
前記2つのEコーナー7,8間の中間部6は、矩形導波管2と偏平導波管3のインピーダンスを整合しやすいように、その長さCが(3/8)λ≒5.0cmにされている。そして、矩形導波管2のE方向の長さをA(=34mm)、偏平導波管のE方向の長さをB(=18mm)とすると、中間部6のE方向の長さは√(A・B)(≒24.7mm)にされている。2つのEコーナー7,8は、それぞれ角の部分が三角柱形状の切り落とし7a,8aによって導波路が狭められており、この部分がインダクタとして機能する。Eコーナー7のE方向の長さはaにされており、Eコーナー8のE方向の長さはbにされている。
【0016】
これらa,bを適当に設定することにより、矩形導波管2のインピーダンスと偏平導波管3のインピーダンスの整合をとる。前記中間部6の長さCを(3/8)λとしたことにより、両コーナー7,8における反射係数のベクトルが直交し、整合をとることが容易になる。
【0017】
図3のスミスチャートを参照して、矩形導波管2と偏平導波管3のインピーダンス整合を、カットアンドトライ法で調整する方法について説明する。まず、同図(A)において、試作した導波管接続素子の一方から他方の反射係数(インピーダンス)を測定する。得られた反射係数が、たとえば同図P1にプロットされる値であったとする。Eコーナー8の高さbを変化させるとリアクタンスが変化して反射係数は、円弧(等抵抗曲線)B1上を矢印の方向に移動する。そして、bを適当な大きさに調整して、反射係数がP2になるようにする。このP2はR/Z0 =1の円を270度回転させたものである。すなわち、この次にEコーナー7の高さaを調整するが、Eコーナー7とEコーナー8とは、3λ/8だけ離れているため、リアクタンスを変化させたときの反射係数のベクトルの変化方向が270度ずれるためである。
【0018】
次に同図(B)において、Eコーナー7の高さaを変化させるとリアクタンスが変化して反射係数は、円弧(等抵抗曲線)B2上を矢印の方向に移動する。そして、aを適当な大きさに調整して、反射係数がP3になるようにする。このP3はスミスチャートの中心であり、これにより矩形導波管側と偏平導波管側のインピーダンスの整合がとれたことになる。
【0019】
上記のように中間部6の長さを(2m+1)λ/8の長さにしたことにより、Eコーナー7の高さaまたはEコーナー8のbを調整したときの反射係数ベクトルの変化方向が直交するようになり、調整が容易になる。なお、Eコーナーの高さa,bが、コーナーの切り落とし寸法7a,8aに対応している。
【0020】
次に図1を参照して接合部について説明する。この導波管接続素子は、H面の中央部で上側分割体1b,下側分割体1aに分割できるようになっており、これら分割体はフランジ12a,12bをボルト・ナットで締めつけることによって接続される。このとき接合部4,5に挿入された矩形導波管2および偏平導波管3が挟持される。以下接合部4について説明する。下側分割体1aおよび上側分割体1bのそれぞれの端面近傍には、半波長チョーク溝15が形成されている。矩形導波管2はその長さ方向と直角方向に切断された端面を有し、導波管2の底面17の端面近傍には導波管2の長さ方向と直角な方向に切欠溝18が形成されている。
【0021】
また、下側分割体1aの内底面13の上には前記切欠溝18と嵌合する突出部14が設けられている。導波管2を接続素子1に接続するには、下側分割体1aの内面に導波管2を挿入し、前記突出部14に前記切欠溝18を嵌合させ、上側分割体1bのフランジ12bを下側分割体1aのフランジ12aに当接させ、両フランジをボルト・ナットで固定して導波管2の上下短面(E面)を接続素子1にて挟持固定することによって完了する。なお、偏平導波管3および接合部5もこれと同じ構成であり、導波管の接合は、矩形導波管2、偏平導波管3を同時に行う。
【0022】
図4は、下側分割体1aの接合部4に矩形導波管2を挿入した状態における下側分割体1aの部分平面図と導波管2の端面近傍の水平断面図を示す図である。導波管2の端面および端面近傍には、下側分割体1aとの間に導波管2の端面を起点とする隙間19を設け、この隙間19の長さd1を1/4波長に等しくする。また、隙間19の終点を起点として下側分割体1aの内部に導波管2と並行ととなる方向に、隙間19と連続した溝20を設け、その長さd2を1/4波長に等しくする。前記隙間19および溝20は上側分割体1bについても同様に設ける。長さd1とd2との和は1/2波長に等しくなり、したがって隙間19および溝20によって半波長チョーク溝15が形成されるので、導波管2と接続素子1との接続点21においてマイクロ波の反射は生じない。前記溝20は、導波管2と並行に設ける例を示したが、溝20の長さが1/4波長に等しければ、その方向に特に制限はない。
【0023】
図5(A)は、上記の導波管接続素子1をSバンドレーダ装置に適用した例を示す図である。同図において、空中線30はその端部の給電部30aから高周波パルスの給電をうけるとともに、受信した反射エコーを給電部30aから出力する。給電部30aには上記の導波管接続素子1の矩形導波管接合部4が接続され、その反対側の偏平導波管接合部5には給電用の偏平導波管31が接続されている。この偏平導波管は空中線30の回転軸32に導かれ、この回転軸32の内部でロータリジョイント(不図示)に接続されている。ロータリジョイントは、アイソレータを介して送信部(マグネトロン)および受信部に接続されている。このように給電用の導波路として偏平導波管31を用い、この偏平導波管31と空中線30との接続およびインピーダンス整合を1つの導波管接続素子1で行うようにしたことにより、空中線全体の回転方向の断面積を減少させ、回転時の空気抵抗を減少させることができる。
【0024】
上記実施形態ではEコーナーを2つ有する導波管接続素子について説明したが、Hコーナーを2つ有するものについても同様の理論で設計することができる。また、2つのコーナーの接続方向も、上記実施形態では導波方向が180度ターンするように接続したが、導波方向が卍形に並行移動するように接続してもよい。さらに、EコーナーとHコーナーを接続して空間的に(同一平面に納まらない)導波方向を変更するものに適用することもできる。
【0025】
また、上記実施形態では、Sバンドに用いる矩形導波管と偏平導波管を接続するものについて説明したが、周波数帯、導波管の形状はこれに限定されない。
【0026】
【発明の効果】
この発明によれば、導波の方向を変える接続素子に、異なる形状の導波管を接続しインピーダンスを整合させる整合素子を兼ねさせることができる。
また、この発明によれば、Sバンドレーダの空中線の回転方向の空気抵抗を減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施形態である導波管接続素子の分解斜視図である。
【図2】同導波管接続素子の平断面図である。
【図3】同導波管接続素子のインピーダンス整合を説明するためのスミスチャートである。
【図4】同導波管接続素子の接合部付近の断面図である。
【図5】この発明の実施形態および従来のSバンドレーダ装置の空中線部の概略構造図である。
【符号の説明】
1…導波管接続素子
1a…下側分割体
1b…上側分割体
2…矩形導波管
3…偏平導波管
4…(矩形導波管の)接合部
5…(偏平導波管の)接合部
6…整合部
7,8…Eコーナー
7a,8a…切り落とし
12a,12b…フランジ
13…内底面
14…突出部
15…半波長チョーク溝
17…底面
18…切欠溝
19…すき間
20…溝
21…接続点[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a waveguide connecting element for connecting a waveguide for transmitting a high frequency wave such as a microwave and changing the direction of the waveguide, an impedance conversion method therefor, and an S band using the waveguide connecting element. The present invention relates to a radar device.
[0002]
[Prior art]
Waveguides, coaxial cables, etc. have been put to practical use as waveguides. Of these, waveguides of various shapes such as rectangular waveguides, flat waveguides, circular waveguides have been put to practical use. Has been. Since these waveguides have different characteristics, they are properly used according to the situation.
[0003]
By the way, since the antenna of the marine radar is required to withstand high speed rotation of about 30 times / minute and strong wind of 100 m / s, it is necessary to make the air resistance as low as possible. The high-frequency pulse oscillated by the oscillator is supplied from the tip of the antenna via the waveguide. Conventionally, the S-band radar having a large waveguide size has the most air as a waveguide for transmitting the high-frequency pulse. A coaxial cable with low resistance was used.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, since both the output terminal of the oscillator and the input terminal of the antenna are waveguides, a coaxial-waveguide conversion element is required at both ends of the coaxial cable. Further, when the frequency is about S band (about 3 GHz), the coaxial cable has a large loss. Since the coaxial cable is not self-supporting, there are various problems such as a separate horizontal bar that suspends and supports the coaxial cable.
[0005]
Therefore, it is conceivable to use a waveguide as a waveguide line from the oscillator to the antenna. However, a normal rectangular waveguide has a problem that air resistance is large because the height in the E direction is large. Therefore, a flat waveguide may be used. However, since the input end of the antenna is a normal rectangular waveguide, a converter that converts impedance at the input terminal is required. As shown in FIG. 5B, the waveguide is connected to the antenna by turning the waveguide by 180 ° at the tip of the antenna. Both the corner element and the impedance conversion element are provided for this turn. This is difficult at the tip of the antenna with space limitations, and there is a problem that air resistance increases.
[0006]
An object of the present invention is to provide a waveguide connecting element capable of performing impedance matching of waveguides having different shapes while changing the waveguide direction, and an impedance matching method thereof.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The invention of
[0008]
According to a second aspect of the present invention, the first and second joint portions have 90 ° corners, and the rectangular waveguide and the flat waveguide are arranged in parallel to each other. The junction is arranged at the ends of the rectangular waveguide and the flat waveguide so that the propagation path is folded back .
[0009]
According to a third aspect of the present invention, in the second aspect of the present invention, when the length of the matching portion is λ is a signal wavelength and m is an arbitrary integer, (2m + 1) λ / 8 (λ is a wavelength in the waveguide) It is characterized by the following.
[0010]
The invention according to claim 4 is a waveguide connection element in which a first junction for connecting rectangular waveguides and a second junction for connecting flat waveguides are connected via two corners. The impedance of the first joint and the second joint is matched by adjusting the cut-off dimension of each corner.
[0011]
In the invention of claim 5, the waveguide connecting element according to
[0012]
Corners, bends, etc. are used as elements to change the direction of the waveguide. By making this shape appropriate, the reactance of that part can be changed, and this is used to connect to both ends. It is possible to match impedances of differently shaped waveguides. As a result, the connecting element that changes the direction of the waveguide can also serve as a matching element that matches the impedances of the waveguides having different shapes.
[0013]
The corner elements include an E corner and an H corner. In the inventions of claims 2 to 4, a combination of two corners is two E corners, two H corners, or one E corner and one H corner. Any combination of corners is acceptable. In general, the corner has a shape in which a rectangular waveguide is bent by 90 degrees and the corner is cut into a triangle (triangular prism) to narrow it. The impedance (reactance) of the portion changes by changing the size of the cut-off. . Therefore, in the present invention, impedance matching between two waveguides having different shapes is obtained by appropriately setting the cut-off dimension. The length of the matching portion is set to (2m + 1) λ / 8, thereby facilitating the design of the cut-off dimensions, that is, matching.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A waveguide connection element according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a perspective view of the waveguide connecting element divided into upper and lower parts. FIG. 2 is a cross-sectional plan view of a state where a waveguide is connected to the waveguide connection element.
The
[0015]
The intermediate portion 6 between the two E corners 7 and 8 has a length C of (3/8) λ≈5.0 cm so that impedances of the rectangular waveguide 2 and the
[0016]
By appropriately setting these a and b, the impedance of the rectangular waveguide 2 and the impedance of the
[0017]
A method for adjusting impedance matching between the rectangular waveguide 2 and the
[0018]
Next, in FIG. 5B, when the height a of the E corner 7 is changed, the reactance changes and the reflection coefficient moves in the direction of the arrow on the circular arc (isoresistance curve) B2. Then, a is adjusted to an appropriate size so that the reflection coefficient becomes P3. This P3 is the center of the Smith chart, thereby matching the impedance of the rectangular waveguide side and the flat waveguide side.
[0019]
By changing the length of the intermediate portion 6 to (2m + 1) λ / 8 as described above, the change direction of the reflection coefficient vector when the height a of the E corner 7 or b of the E corner 8 is adjusted is changed. It becomes orthogonal and adjustment becomes easy. Note that the heights a and b of the E corner correspond to the cut-off
[0020]
Next, the joint portion will be described with reference to FIG. The waveguide connecting element can be divided into an upper divided body 1b and a lower divided body 1a at the center of the H surface, and these divided bodies are connected by
[0021]
Further, a
[0022]
FIG. 4 is a diagram showing a partial plan view of the lower divided body 1a and a horizontal sectional view in the vicinity of the end face of the waveguide 2 in a state where the rectangular waveguide 2 is inserted into the joint 4 of the lower divided body 1a. . A gap 19 starting from the end face of the waveguide 2 is provided between the end face of the waveguide 2 and in the vicinity of the end face 1a, and the length d1 of the gap 19 is equal to ¼ wavelength. To do. Further, a groove 20 continuous with the gap 19 is provided in the lower split body 1a in the direction parallel to the waveguide 2 with the end point of the gap 19 as the starting point, and its length d2 is equal to ¼ wavelength. To do. The gap 19 and the groove 20 are similarly provided for the upper divided body 1b. The sum of the lengths d1 and d2 is equal to ½ wavelength, and therefore, the half-
[0023]
FIG. 5A is a diagram showing an example in which the
[0024]
In the above embodiment, the waveguide connecting element having two E corners has been described. However, a device having two H corners can be designed by the same theory. In addition, the connection direction of the two corners is also connected so that the waveguide direction turns 180 degrees in the above-described embodiment, but may be connected so that the waveguide direction moves in parallel in a bowl shape. Furthermore, the present invention can also be applied to a device in which the E corner and the H corner are connected to change the waveguide direction spatially (not within the same plane).
[0025]
Moreover, although the said embodiment demonstrated what connects the rectangular waveguide used for S band, and a flat waveguide, a frequency band and the shape of a waveguide are not limited to this.
[0026]
【The invention's effect】
According to the present invention, the connecting element that changes the direction of the waveguide can serve as a matching element that connects the waveguides having different shapes and matches the impedance.
According to the present invention, the air resistance in the rotation direction of the antenna of the S-band radar can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded perspective view of a waveguide connection element according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a plan sectional view of the waveguide connecting element.
FIG. 3 is a Smith chart for explaining impedance matching of the waveguide connecting element;
FIG. 4 is a cross-sectional view of the vicinity of the joint of the waveguide connecting element.
FIG. 5 is a schematic structural diagram of an antenna portion of an embodiment of the present invention and a conventional S-band radar device.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (5)
各コーナーの切り落とし寸法を、前記矩形導波管から前記第1の接合部側を見たインピーダンスが、前記第2の接合部から前記扁平導波管側を見たインピーダンスに整合するように設定した導波管接続素子。A waveguide connection element in which a first joint for connecting a rectangular waveguide and a second joint for connecting a flat waveguide are connected via two corners,
The cut-off dimension of each corner was set so that the impedance of the rectangular waveguide viewed from the first junction side matched the impedance of the second junction viewed from the flat waveguide side . Waveguide connection element.
各コーナーの切り落とし寸法を調整することで、前記矩形導波管から前記第1の接合部側を見たインピーダンスが、前記第2の接合部から前記扁平導波管側を見たインピーダンスに整合させる導波管接続素子のインピーダンス整合方法。In the waveguide connecting element in which the first joint for connecting the rectangular waveguide and the second joint for connecting the flat waveguide are connected via two corners,
By adjusting the cut-off dimension of each corner, the impedance of the rectangular waveguide as viewed from the first junction is matched with the impedance of the second junction as viewed from the flat waveguide . Impedance matching method for waveguide connection element.
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