JP4179271B2 - スタブ付きフィルタ及び、ダイプレクサ - Google Patents

Description

この発明は、スタブ付きフィルタ及び、送信信号と受信信号を分波するダイプレクサに関するものである。

スタブ付きフィルタの基本設計方法は明らかになっているが（非特許文献１）耐電力要求の厳しいスタブ付きフィルタの設計方法については明らかとなっていない。

Waveguide Components for Antenna Feed Systems : Theory and CADJ.Uher,J.Bornemann,and U.Rosenberg (1993 ARTECH HOUSE,INC.)

スタブ付きフィルタは、耐電力特性が低く大電力を入力した場合に放電が発生するという問題がある。

本発明に係わるスタブ付きフィルタ及び、スタブ付きフィルタにより構成されるダイプレクサは、大電力を入力しても放電の発生が抑制され耐電力が向上する。

本発明に係わるスタブ付きフィルタは、内部が中空の方形導波管と、前記方形導波管の側面に接合され、前記方形導波管と接合されていない端部が閉じている内部が中空のスタブと、を備え、前記方形導波管の中空部分と前記スタブの中空部分とは貫通しており、前記スタブの中空部分は太さの異なるステップ部を備えるものである。

本発明に係わるダイプレクサは、共通導波管と、受信周波数帯域を通過させる第１のスタブ付きフィルタと、送信周波数帯域を通過させる第２のスタブ付きフィルタと、を備え共通導波管を通過した受信信号は前記第１のスタブ付きフィルタを通過し、第２のスタブ付きフィルタを通過した送信信号は共通導波管を通過するものである。

本発明によれば、耐電力が向上する。

実施の形態１．
図１から図８は、本発明の実施の形態１を示す図である。図１は本発明に係わるスタブ付きフィルタを示す概念図である。

図１において（１）は外観図、（２）はＡ方向断面図を示す。スタブ付きフィルタ１には、方形導波管２とスタブ３とが備えられている。スタブ３は、方形導波管２の側面に接合されている。方形導波管２及び、スタブ３は内部が中空であり、方形導波管１の中空部分とスタブ３の中空部分とは貫通している。方形導波管２とスタブ３との接合方法は設計に応じて任意に設定すればよい。つまり、溶接により接合しても良いし、一体構造としても良い。

スタブ３の方形導波管１と接合されていない端部は閉じている。また、スタブ３には太さの異なるステップ部４が備えられている。

スタブ３の長さＸは、使用波長をλとすると、λ／２の整数倍を基準とする。スタブ３の長さＸがλ／２の整数倍とすると、波長λ近傍の電磁波はスタブ３が高インピーダンスとなるため、スタブ３が存在しない場合と等価となり、スタブ付きフィルタ１を通過できる。これに対して、波長λ以外の周波数ではスタブ３が低インピーダンスとなりスタブ付きフィルタ１を通過することができない。なお、波長λ近傍とは、スタブ付きフィルタが通過できる波長λ１からλ２の範囲を言う。

図２は、スタブ付きフィルタ１の通過特性を示すシミュレーション結果である。図２において、横軸は周波数、縦軸は通過電力を示す。このシミュレーション結果によれば周波数ｆ１から周波数ｆ２の電磁波がスタブ付きフィルタ１を通過できている。ここで、光速をｃとすると、周波数ｆ１とはｃ／λ１、周波数ｆ２とはｃ／λ２である。

シミュレーションによれば、スタブ３の長さＸを０．１λ程度変化させた方が所定の波長λの通過特性が良くなる傾向があるため、スタブ３の長さＸは設計に応じてλ／２を０．１λ程度増減させても良い。

また、スタブ３を後述するように複数設けた場合、各スタブ３の長さＸをそれぞれ若干ずつ異ならせることで、帯域幅を変化させても良い。

図３は、スタブ３の配置の概念図を示すものであり（１）はスタブ３が単独の場合、（２）は方形導波管２の相対する面にスタブ３が配置される場合、（３）は方形導波管２の同一面にスタブ３が複数備える場合を示す。スタブ３は図３（１）に示すように単独であっても良いし、図３（２）に示すように相対する位置にであっても良いし、（３）に示すように同一面に複数あっても良い。これら設計によって決定すればよい。

図３の（１）から（３）のいずれにしても、波長によりスタブ３のインピーダンスが異なるため、スタブ付きフィルタ１としての動作は変わらない。つまり、使用波長λ近傍の電磁波はスタブ３が高インピーダンスとなりスタブ付きフィルタ１を通過できるが、波長λ以外の周波数ではスタブ３が低インピーダンスとなりスタブ付きフィルタ１を通過できなくなる。

ここで、図１を用いて、スタブ３の間隔Ｚｌに付いて説明する。Ｚｌは、使用波長λにおいて高インピーダンスとなるようにλ／４の奇数倍を基準とし、設計により決定すればよい。

図４は、導波管２の相対する面にスタブ３を備え、そのスタブ３の段数を変えたときのスタブ付きフィルタ１の通過特性を示すシミュレーション結果である。図２において、横軸は周波数、縦軸は通過電力を示す。図４のシミュレーション結果は、スタブ３の段数ｎが３段、５段、７段を示している。段数が多いほど急峻な特性を示す。スタブ３の段数は、使用環境等に応じて適宜設定すればよい。

次にスタブ幅Ｚについて説明する。スタブ幅Ｚを０．０５λから０．１５λに変更してシミュレーションを実施した結果、スタブ幅Ｚを大きくすると通過帯域が狭くなる傾向にある。また、耐電力は、スタブ幅Ｚが０．１２λ程度で最大を示した。なお、耐電力はスタブ内で放電が発生する電界集中の度合いを基準に判定している。

つまり、スタブ幅Ｚは通過帯域及び耐電力を勘案し設計により任意に設定すればよいが、本実施の形態では一例として耐電力が最大を示した０．１２λの場合で説明する。

次にステップ部４の幅Ｚｐに付いて説明する。図５は同一の入力電力を印加したときのスタブ３の電界集中状態を示す図であり、（１）は従来のスタブ付きフィルタ、（２）は本発明に係わるスタブ付きフィルタである。図５において色の濃い部分が電界集中している部分を示している。

図５の（１）において、スタブ３の中腹部５で特に電界が集中していることが分かる。つまり、従来のスタブ付きフィルタでは、中腹部５に電界が集中し、これにより絶縁破壊が起こり、放電が開始する。これに対して、図５の（２）では同一入力であるにも係わらず、スタブ３のステップ部４に電界集中が見られず、絶縁破壊は発生しない。つまり、ステップ部４により電力集中が緩和され、結果として耐電力が向上する。言い換えれば、大電力を入力しても放電の発生が抑制され耐電力が向上する。

図６は、ステップ部４の幅Ｚｐをパラメータとした時の耐電力特性６を示す図である。横軸はステップ部４の幅Ｚｐを、縦軸は耐電力を示す。この図に示すとおり、ステップ部４の幅Ｚｐを大きくした場合、耐電力が増加する。図６は、スタブ３の間隔Ｚｌがλ／４の場合の結果であるが、Ｚｐを大きくすることで、隣接するステップ部４同士が接触する場合には、スタブ３の間隔Ｚｌをλ／４の奇数倍で大きくすればよい。

また、図６には、使用中心周波数における反射特性７を併記している。反射特性は、電力がスタブ付きフィルタ１をどの程度通過したかを示す指標であり、小さいほど良い。図６に示す通り、ステップ部４の幅Ｚｐによらず、反射特性はほぼ一定である。

次に、ステップ部４の位置について説明する。シミュレーションによれば、図１における方形導波管２からステップ部４の長さＸaは、０．２λ程度が優れている。また、ステップ部の大きさＸｌは、０．２９λ程度が優れるが、設計に応じて任意に設定すればよい。

図７及び図８は本実施の形態に示す別な実施例であり、一部のスタブ３に複数のステップ部４を設けても良いし、全てのスタブ３に複数のステップ部４を設けてもより。もちろん、ステップ部４を複数設ける場合、スタブ３の長さＸを大きくしても良い。この様に、ステップ部４を増やすことにより、更に電界集中が防止でき、耐電力が向上する。

この様に、スタブ付きフィルタ１のスタブ３にステップ部４を設けることにより、大電力を入力しても放電の発生が抑制され耐電力が向上する。

次に、スタブ付きフィルタ１の製造方法の一例を述べる。図９は図１に示す方形導波管２のＢ方向から見た場合の内部の電流分布１００を示す。方形導波管２の中心部分１０１で電流値が０となっている。電流値が０の部分で分割して製造した場合、接合部における受動相互変調歪みの発生を抑えることができる。

つまり、図１に示すＡを中心に左右に分割し製造した場合、接合部における受動相互変調歪みの発生を抑えることができる。また、左右対称であるため、製造コストを低減することが出来る。

以上のように、内部が中空の方形導波管と、前記方形導波管の側面に接合され、前記方形導波管と接合されていない端部が閉じている内部が中空のスタブと、を備え、前記方形導波管の中空部分と前記スタブの中空部分とは貫通しており、前記スタブの中空部分は太さの異なるステップ部を備えるスタブ付きフィルタは、耐電力が向上する。

実施の形態２．
図１０及び図１１は、本発明の実施の形態２を示す図である。本実施の形態では、実施の形態１のスタブ付きフィルタ１を複数用いて構成されるダイプレクサ２０に付いて説明する。

図１０の（１）はダイプレクサ２０のブロック図であり、（２）はダイプレクサ２０のイメージ図である。ダイプレクサ２０には、アンテナ２１、受信機２２及び、送信機２３が接続されている。

ダイプレクサ２０は、共通導波管２４、第１のスタブ付きフィルタ２５及び、第２のスタブ付きフィルタ２６を備えている。第１のスタブ付きフィルタ２５の帯域は受信周波数であり、第２のスタブ付きフィルタ２６の帯域は送信周波数となっている。これらのスタブ付きフィルタの帯域は、実施の形態１に従い決定すればよい。

まず、受信信号の流れについて説明する。アンテナ２１で受信された受信信号は、共通導波管２４を通過する。共通導波管２４を通過した受信信号は第１のスタブ付きフィルタ２５を通過できるが、第２のスタブ付きフィルタ２６は通過することができない。結果として受信信号は全て第１のスタブ付きフィルタ２５を通過し、受信機２２に入力される。

次に、送信信号の流れについて説明する。送信機２３から送信された送信信号は、第２のスタブ付きフィルタ２６を通過する。第２のスタブ付きフィルタ２６を通過した送信信号は、共通導波管２４を通過できるが第１のスタブ付きフィルタ２５を通過することはできない。結果として、送信信号は全て共通導波管２４を通過して、アンテナ２１から出力される。

この様に、スタブ付きダイプレクサ１を２つ備えることで、共通のアンテナ２１及び共通導波管２４を用いて送信及び受信を行うことができる。

図１１は、スタブ付きフィルタ１を複数用いて構成されるダイプレクサ２０の別な実施例である。図１１において、第２の導波管型ハイブリット１０は、入出力端子１０−Ａ〜１０−Ｃを備える。また、第１の導波管型ハイブリット１１は、入出力端子１１−Ａ〜１１−Ｄを備える。

送信機２３からの送信信号は第２の導波管型ハイブリット１０の端子１０−Ａへ入力し２分配され、それぞれ端子１０−Ｂ、１０−Ｃから出力される。２分配された信号はそれぞれスタブ付きフィルタ１で帯域制限され、第１の導波管型ハイブリット１１の端子１１−Ａ、１１−Ｂへ入力される。この２つの信号は第１の導波管型ハイブリット１１で合成され、第１の導波管型ハイブリット１１の端子１１−Ｃに出力され、共通導波管２５を通過しアンテナ２１に出力される。

一方、アンテナ２１で受信された受信信号は共通導波管２４を通過し、第１の導波管型ハイブリット１１の端子１１−Ｃへ入力し２分配され、それぞれ第１の導波管型ハイブリット１１の端子１１−Ａ、１１−Ｂに出力される。しかし、スタブ付きフィルタ１は受信帯域では全反射となるため、この信号は再度第１の導波管型ハイブリット１１の端子１１−Ａ、１１−Ｂから入力し、第１の導波管型ハイブリット１１の端子１１−Ｄに出力され受信機２２に入力される。

ここで、第１の導波管型ハイブリット１１の端子１１−Ｃへの出力信号は、端子１１−Ｃ→端子１１−Ａ→端子１１−Ｃの信号と端子１１−Ｃ→端子１１−Ｂ→端子１１−Ｃの信号の合成であるが、それぞれの経路での位相差は端子１１−Ｃ→端子１１−Ａは０°、端子１１−Ａ→端子１１−Ｃは０°、端子１１−Ｃ→端子１１−Ｂは−９０°、端子１１−Ｂ→端子１１−Ｃは−９０°となるため、端子１１−Ｃ→端子１１−Ａ→端子１１−Ｃでは０°の位相差、端子１１−Ｃ→端子１１−Ｂ→端子１１−Ｃでは−１８０°の位相差となり、結果として端子１１−Ｃでは逆相となるため、出力信号は発生しない。

一方、第１の導波管型ハイブリット１１の端子１１−Ｄへの出力信号は、端子１１−Ｃ→端子１１−Ａ→端子１１−Ｄの信号と端子１１−Ｃ→端子１１−Ｂ→端子１１−Ｄの信号の合成であるが、それぞれの経路での位相差は端子１１−Ｃ→端子１１−Ａは０°、端子１１−Ａ→端子１１−Ｄは−９０°、端子１１−Ｃ→端子１１−Ｂは−９０°、端子１１−Ｂ→端子１１−Ｄは０°となるため、端子１１−Ｃ→端子１１−Ａ→端子１１−Ｄでは−９０°の位相差、端子１１−Ｃ→端子１１−Ｂ→端子１１−Ｄでは−９０°の位相差となり、結果として端子１１−Ｃでは同相となるため、出力信号は全て端子１１−Ｄに発生することになり、送受信信号を分離することができる。

以上のように、スタブ付きダイプレクサ１を２つ備えることで、共通のアンテナ２１及び共通導波管２４を用いて送信及び受信を行うことができる。

この様なダイプレクサは、例えば準天頂衛星の送受信系に用いられる。

共通導波管と、受信周波数帯域を通過させる第１のスタブ付きフィルタと、送信周波数帯域を通過させる第２のスタブ付きフィルタと、を備え、共通導波管を通過した受信信号は前記第１のスタブ付きフィルタを通過し、第２のスタブ付きフィルタを通過した送信信号は共通導波管を通過するダイプレクサにおいて、スタブ付きダイプレクサ１を２つ備えることで、共通のアンテナ２１及び共通導波管２４を用いて送信及び受信を行うことができる。

実施の形態１を示すスタブ付きフィルタの概念図を示す図である。 スタブ付きフィルタの通過特性を示すシミュレーション結果を示す図である。 スタブ３配置の概念図を示す図である。 導波管２の相対する面にスタブ３を備え、そのスタブ３の段数を変えたときのスタブ付きフィルタ１の通過特性を示すシミュレーション結果である。 同一入力を印加したときの電界集中を示す図である。 ステップ部４の幅Ｚｐをパラメータとした時の耐電力特性を示す図である。 実施の形態１を示すスタブ付きフィルタの断面図を示す図である。 実施の形態１を示すスタブ付きフィルタの断面図を示す図である。 方形導波管の内部の電流分布を示す図である。 実施の形態２を示すダイプレクサのブロック図及びイメージ図である。 実施の形態２を示すダイプレクサのブロック図である。

符号の説明

１ スタブ付きフィルタ、２ 方形導波管、３ スタブ、４ ステップ部、５ 中腹部、６ 耐電力特性、７ 反射特性、１０ 第２の導波管型ハイブリッド、１１ 第１の導波管型ハイブリッド、２０ ダイプレクサ、２１ アンテナ、２２ 受信機、２３ 送信機、２４ 共通導波管、２５ 第１のスタブ付きフィルタ、２６ 第２のスタブ付きフィルタ、１００ 電流分布、１０１ 方形導波管の中心部分。

Claims (7)

1. 内部が中空の方形導波管と、
   前記方形導波管の側面に接合され、前記方形導波管と接合されていない端部が閉じている内部が中空のスタブと、を備え、
   前記方形導波管の中空部分と前記スタブの中空部分とは貫通しており、
   前記スタブの中空部分は、前記方形導波管と接合される端部および閉じている端部の幅よりも中腹部の幅が大きくなるように突出した、太さの異なるステップ部を備えるスタブ付きフィルタ。
2. 前記スタブは、前記方形導波管の相対する面に備えられている請求項１に記載のスタブ付きフィルタ。
3. 前記スタブは、前記方形導波管の同一面に複数備える請求項１または請求項２に記載のスタブ付きフィルタ。
4. 前記スタブの長さは、前記方形導波管の接合部分から使用波長λの半分の整数倍である請求項１から請求項４のいずれかにかに記載のスタブ付きフィルタ。
5. 前記スタブは複数のステップを備える請求項１から請求項４のいずれかに記載のスタブ付きフィルタ。
6. 請求項１から請求項５のいずれかに記載のスタブ付きフィルタを備えるダイプレクサにおいて、
   共通導波管と、
   受信周波数帯域を通過させる第１のスタブ付きフィルタと、
   送信周波数帯域を通過させる第２のスタブ付きフィルタと、を備え
   共通導波管を通過した受信信号は前記第１のスタブ付きフィルタを通過し、第２のスタブ付きフィルタを通過した送信信号は共通導波管を通過するダイプレクサ。
7. 請求項１から請求項５のいずれかに記載のスタブ付きフィルタを備えるダイプレクサにおいて、
   電磁波が通過する共通導波管と、
   前記共通導波管と接続され、前記電磁波を分配する第１の導波管型ハイブリッドと、
   前記第１の導波管型ハイブリッドで分配された電磁波の帯域を制限する複数のスタブ付きフィルタと、
   前記複数のスタブ付きフィルタの信号を統合する第２の導波管型ハイブリッドと、を備えるダイプレクサ。

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