JP4294618B2 - ポラライザ - Google Patents

Description

この発明は、直線偏波の位相を変化させるとき広帯域にわたって好ましい位相差特性を有するポラライザに関するものである。

衛星通信装置や携帯電話基地局等の通信には高周波信号が使用されており、高周波通信の処理に供する機器として、コルゲート導波管形のポラライザがある。コルゲート導波管形のポラライザは、一般には方形の導波管であって管軸方向にひだ状の突起を連ねたコルゲートを相対向して配置している。このコルゲートは、管軸に平行な断面において連続した複数の矩形からなる断面形状をしている。
従来のポラライザは、コルゲート先端部分の包絡線が、ポラライザの管軸の中央部分を頂点として滑らかな２次または３次のＣｏｓ曲線を描くように各コルゲートの高さを変化させ、また、コルゲート基底部分の包絡線が管壁側に凸となるように管内部を非直線状に形成して、放電現象を抑制しながら所望の偏波間の位相差特性を得ている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−２６８５０１号公報（第３，４頁、図１（Ａ）〜図１（Ｃ））

従来のポラライザは以上のように構成されているので、不要共振モードである「ＴＥ（ＴＭ）１１モード」の遮断周波数や垂直偏波及び水平偏波の反射特性等の高周波特性に悪影響を与えないようにしながらコルゲート基底部分を非直線状に設計することは難しく、また広帯域にわたって偏波間の位相差特性を好ましいものにしようとすると、コルゲートのひだ状突起の数が多くなってポラライザの全長が長くなってしまうという課題があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、形状をわずかに変更することにより高周波特性を損なわずに広帯域にわたって好ましい偏波間の位相差特性を有するポラライザを得ることを目的とする。

この発明に係るポラライザは、管軸に直交する断面形状が正方形をわずかに変化させた長方形となるように形成され、高周波信号を伝導する管孔と、管孔の長方形の短辺を成す内壁面に設けられたコルゲートと、管孔の開口部であり且つ長方形の短辺を成す対向する両内壁面に設けられ、該内壁面から迫り出た形状であり且つ該開口部における長辺の長さを狭めるように形成された第１の段差部位と、管孔の開口部であり且つ長方形の長辺を成す対向する両内壁面に設けられ、該内壁面よりも低くなるような形状であり且つ該開口部における短辺の長さを広げるように形成され、第１の段差部位と共に該開口部における管軸に直交する断面形状が正方形となるように形成された第２の段差部位とを備えたものである。

この発明によれば、管軸に直交する断面形状が正方形をわずかに変化させた長方形となるように形成され、高周波信号を伝導する管孔と、管孔の長方形の短辺を成す内壁面に設けられたコルゲートとを備えたので、垂直偏波と水平偏波との位相差特性を広帯域にわたって好ましいものとすることができるという効果がある。
また、管孔の開口部であり且つ長方形の短辺を成す対向する両内壁面に設けられ、該内壁面から迫り出た形状であり且つ該開口部における長辺の長さを狭めるように形成された第１の段差部位と、管孔の開口部であり且つ長方形の長辺を成す対向する両内壁面に設けられ、該内壁面よりも低くなるような形状であり且つ該開口部における短辺の長さを広げるように形成され、第１の段差部位と共に該開口部における管軸に直交する断面形状が正方形となるように形成された第２の段差部位とを備えたので、正方形導波管とポラライザとの管孔の形状を一致させて高周波伝導を良好に行うことができるという効果がある。

以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１によるコルゲート導波管形のポラライザを備えたアンテナの概略構成を示す説明図である。図示したアンテナ１は、主鏡２と副鏡３とを備えたパラボラアンテナである。このアンテナ１は、主鏡２の凹部中央に設けられたホーン４と、該ホーン４に接続されているポラライザ５を備えている。また、アンテナ１は図中一点破線で示したＸ軸を中心に回動すると共にＹ軸を中心に回動するように支持され、矢印Ｚで示した高周波信号等のビーム到来方向へ向きを変えるように構成されている。主鏡２は、例えば受信した直線偏波の高周波信号を副鏡３へ反射する凹面鏡である。副鏡３は、主鏡２から入射した高周波信号をホーン４へ向けて反射するように配置されている。ホーン４は、副鏡３から上記の高周波信号を入射して、副鏡３からみて後方に接続されているポラライザ５へ該高周波信号を導くように配置されている。ポラライザ５は、矩形状の導波管と同様な形状をしており、管内部に設けたコルゲートの作用によってホーン４を介して入射した高周波信号の垂直偏波と水平偏波の位相差を変化させ、所定の位相差を有する垂直偏波及び水平偏波を例えばフロントエンド等の高周波機器へ送出するものである。

図２−１は、実施の形態１によるポラライザの概略構成を示す説明図である。この図は、図１に示したホーン４と接続されるポラライザ５の、管軸に直交する断面形状を示したものである。ポラライザ５は、高周波信号を伝導させる管孔９を管軸に直交する断面では略正方形となるように形成したもので、詳しくは、わずかに長さが異なる長辺と短辺とから成る長方形に形成したものである。図２−１に示した管孔９は、管軸に直交する断面がいずれの箇所でも一様な形状となるように形成されており、短辺が上下に配置され長辺が左右側方に配置されるように形成されている。図２−１では、この短辺の長さをＷ、長辺の長さをＨとして示している。これらの長さＨ，Ｗは、任意の正方形を成す一辺の長さから例えば３％程度の範囲内で変化させたもので、例えば長さＨは上記の正方形の一辺より３％長く、長さＷは該正方形の一辺より３％短い値である。このように長さＨの長辺と長さＷの短辺は、上記の正方形の一辺に対して同じ長さを加減したものである。なお、ポラライザ５の前後には正方形導波管が接続されることが一般的で、当該正方形導波管が接続されるポラライザ５の開口部やその近傍の部位は後述するように形成されている。
図中矢印２０は、ポラライザ５の内部を伝わる高周波信号のうち、垂直偏波の変位方向を示し、矢印２１は水平偏波の変位方向を示したものである。コルゲート１１は、水平偏波の変位方向に対して直交する側方に配置され、図２−１では矢印２１の両側に配置されている。

図２−２は、実施の形態１によるポラライザの概略構成を示す説明図である。この図は、図２−１にＡ−Ａ’線で示した部分の断面形状を示したもので、この図に示したＣ−Ｃ’線がポラライザ５の管軸に相当する。
図２−３は、実施の形態１によるポラライザの概略構成を示す説明図である。この図は、図２−１にＢ−Ｂ’線で示した部分の断面形状を示したものである。図２−２及び図２−３は、ポラライザ５の管軸に沿った断面形状を示すものである。
ポラライザ５の内部には、図２−１に示した管孔９の周縁の短辺を成す内壁面１０にコルゲート１１が設けられている。コルゲート１１は、複数の突起を所定の間隔で連ねた形状をしており、その断面は図２−２に示したように連続した矩形状となっている。また、各矩形の先端部分の包絡線が山なり状となるように、例えばｎ次Ｃｏｓ曲線を描くように該先端部分の高さ、即ち上記の各突起の高さを変化させている。また、図２−２にＤ−Ｄ’線で示したポラライザ５の延設方向において中央となる位置で、上記の包絡線が頂点に達するようにコルゲート１１の先端部分の高さを変化させている。

コルゲート１１は、前述のようにポラライザ５の管孔９の内部において上下方向に対向配置されている内壁面１０にそれぞれ設けられている。内壁面１０は、一様な平面で構成され、コルゲート１１の基底部分の包絡線は直線となるように形成されている。コルゲート１１を成す突起の数、当該突起の高さや幅等の寸法、ならびに管孔９の形状や寸法等は、垂直偏波の位相と水平偏波の位相との差をどの程度の大きさに調整するのか、例えば上記の両偏波間の位相差を何度にするかに応じて設定される。
コルゲート１１を備えたポラライザ５は、金属または樹脂のいずれの材料を用いて形成してもよい。

図２−４〜図２−６は、実施の形態１によるポラライザの概略構成を示す説明図である。図２−１〜図２−３に示したものと同一部分に同じ符号を使用し、その説明を省略する。これらの図２−４〜図２−６は、図２−１〜図２−３のポラライザ５の両端に形成されている開口部とその近傍の概略形状を示したもので、当該図２−１〜図２−３ではポラライザ５の内部構成をわかり易くするため図示を省略した部分を表している。図２−４は図２−１に対応するもので、ポラライザ５の開口部を正面視した図である。また、図２−５は図２−２に対応する断面図で、ポラライザ５の開口部近傍を表している。図２−６は図２−３に対応する断面図で、図２−５と同様にポラライザ５の開口部近傍を表している。前述の管孔９を詳しく説明すると、コルゲート１１を有する二つの内壁面１０と、これらの内壁面１０の両側方に各々配置されている内壁面１３によって形成されている。なお、内壁面１３は、内壁面１０と同様に一様な平面から成るものである。管孔９は、管軸に直交する断面では孔形状が主に長方形をしており、ポラライザ５の開口部近傍では正方形をしている。内壁面１０には、図２−４及び図２−５に示したようにポラライザ５の開口部近傍において段差部位１２が形成され、内壁部１３には図２−４及び図２−６に示したように開口部近傍において段差部位１４が形成されている。

段差部位１２は、ポラライザ５の開口部を正面視したとき図２−４に示したように縦長の長方形の断面形状を成している管孔９を、垂直方向に狭めるように形成されているもので、ポラライザ５を側方視した断面では図２−５に示したように階段状になって内壁面１０よりも高く、即ち管孔９の管軸へ向って内壁面１０から迫り出た形状を成している。段差部位１４は、ポラライザ５の開口部を正面視したとき図２−４に示したように縦長の長方形の断面形状を成している管孔９を、水平方向に広げるように形成されているもので、ポラライザ５を側方視した断面では図２−６に示したように階段状になって内壁面１３よりも低くなるように形成されている。これらの段差部位１２，１４をポラライザ５の開口部近傍に形成させることにより、図２−４に示したように当該開口部の孔形状を正方形として、正方形導波管とポラライザ５との管孔の形状を一致させて高周波伝導を良好に行うことができる。なお、段差部位１２はコルゲート１１が配置されていない位置に形成され、また段差部位１４もポラライザ５の内部において段差部位１２と同様な位置に形成されており、これらの段差の形状は導波特性に悪影響を与えないように形成させたものである。

次に動作について説明する。
図３−１は、実施の形態１によるポラライザの位相特性を示す説明図である。図中縦軸は、ポラライザ５を通過した垂直偏波と水平偏波の位相を表し、横軸は該垂直偏波及び水平偏波の周波数を表している。特性曲線３０は垂直偏波の位相特性を表し、特性曲線３１は水平偏波の位相特性を表している。なお、図中右端に記載した破線の縦軸は垂直偏波と水平偏波との位相差を指し示すものである。
図３−２は、管孔の管軸に直交する断面形状が正方形のポラライザの位相特性を示す説明図である。図中縦軸は、正方形の管孔を有するポラライザを通過した垂直偏波や水平偏波の位相を表し、横軸は垂直偏波及び水平偏波の周波数を表している。特性曲線３５は垂直偏波の位相特性を表し、特性曲線３６は水平偏波の位相特性を表している。

図３−１及び図３−２に示した特性は、いずれも垂直偏波と水平偏波との位相差が１８０°となるように各偏波の位相を変化させるコルゲートを備えたポラライザの位相特性を例示したものである。
管孔の断面形状が正方形のポラライザは、コルゲートの作用によって図３−２に示したように垂直偏波の特性曲線３５と水平偏波の特性曲線３６が異なったものになる。コルゲートを例えば管孔の上下内壁面に備えると、水平偏波に関する位相特性が垂直偏波に関する位相特性に比べて急峻に変化するものとなってしまう。そのため偏波間の位相差が周波数によって変化してしまい、図３−２に破線で示した特性曲線３７のように位相差が所望の１８０°となる周波数の範囲が狭いものとなる。

図３−１に示した垂直偏波の特性曲線３０と水平偏波の特性曲線３１は、図３−２の特性曲線３５及び特性曲線３６と比べると、進んでいた偏波では位相が遅れ、遅れていた偏波では位相が進んで垂直偏波の位相特性と水平偏波の位相特性が同様なものに近づいている。ポラライザ５は、前述のように管孔９の孔形状を正方形からわずかに各辺の長さを変更し、例えば図２−１に例示したものでは、短辺を成すように管孔９の幅をＷ、長辺を成すように管孔９の高さをＨとしている。水平偏波に影響する管孔９の幅Ｗを小さく、また垂直偏波に影響する管孔９の高さＨを大きく構成することにより、水平偏波の位相特性は緩やかに変化するようになり、また垂直偏波の位相特性は急峻に変化するようになる。両偏波の位相特性をそれぞれわずかに変化させることで、上記のように垂直偏波の位相特性と水平偏波の位相特性は近似したものとなり、図３−１に破線で示した平坦な特性曲線３２のような位相差特性が得られ、両偏波間の位相差は広帯域にわたって概ね１８０°となる。
ここでは、両偏波間の位相差を１８０°とするポラライザ５を例示して説明したが、前述のようにコルゲート１１の突起数やその高さ、また管孔９の形状／寸法等の構成を適切に設定することにより、任意の位相差を有するポラライザを得ることができ、上記の説明と同様な作用効果が得られる。

実施の形態１によるポラライザ５は、管孔９の内部を平面から成る内壁面で構成しているので設定／設計を容易に行うことができる。また両偏波間の位相差を、管孔９の形状を正方形からわずかに長方形に変化させるだけで調整することができ、扱う周波数帯域によらず良好な位相差特性が得られ、広帯域を扱う場合でも全長を長くする必要がなくなる。また、管孔９の寸法をわずかに変化させるだけなので、不要共振モードである「ＴＥ（ＴＭ）１１モード」の遮断周波数が変わらず、さらに他の入出力導波管と直接接続してもポラライザ５が有する両偏波の反射特性及び偏波間の位相差特性をほとんど損ねることがない。
また、ポラライザ５は金属または樹脂のいずれを材料として用いてもよく、材料選択に自由度を持たせることができる。

以上のように実施の形態１によれば、管軸に直交する断面において管孔９の形状を正方形からわずかに各辺の長さを変更した長方形としたので、高周波特性に影響を与えないようにしながら垂直偏波の位相と水平偏波の位相とを広帯域にわたって所望の位相差を有するように変化させることができるという効果がある。
また、比較的設計の困難なコルゲート１１を設計した後、管孔９の寸法のみを調整して容易に両偏波間の位相差特性を調整することができ、広帯域の位相差特性を良好にする設計が容易になるという効果がある。

この発明の実施の形態１によるポラライザを備えたアンテナの概略構成を示す説明図である。 実施の形態１によるポラライザの概略構成を示す説明図である。 実施の形態１によるポラライザの概略構成を示す説明図である。 実施の形態１によるポラライザの概略構成を示す説明図である。 実施の形態１によるポラライザの概略構成を示す説明図である。 実施の形態１によるポラライザの概略構成を示す説明図である。 実施の形態１によるポラライザの概略構成を示す説明図である。 実施の形態１によるポラライザの位相特性を示す説明図である。 管孔の管軸に直行する断面形状が正方形のポラライザの位相特性を示す説明図である。

符号の説明

１ アンテナ、２ 主鏡、３ 副鏡、４ ホーン、５ ポラライザ、９ 管孔、１０ 内壁面、１１ コルゲート、１２ 段差部位、１３ 内壁面、１４ 段差部位、３０〜３２，３５〜３７ 特性曲線。

Claims (5)

1. 管軸に直交する断面形状が正方形をわずかに変化させた長方形となるように形成され、高周波信号を伝導する管孔と、
   前記管孔の前記長方形の短辺を成す内壁面に設けられたコルゲートと、
   前記管孔の開口部であり且つ前記長方形の短辺を成す対向する両内壁面に設けられ、該内壁面から迫り出た形状であり且つ該開口部における長辺の長さを狭めるように形成された第１の段差部位と、
   前記管孔の開口部であり且つ前記長方形の長辺を成す対向する両内壁面に設けられ、該内壁面よりも低くなるような形状であり且つ該開口部における短辺の長さを広げるように形成され、前記第１の段差部位と共に該開口部における管軸に直交する断面形状が正方形となるように形成された第２の段差部位とを備えたポラライザ。
2. 管孔の管軸に直交する断面形状は、正方形の辺から同じ長さを加減して高さを大きく幅を小さくした長方形であることを特徴とする請求項１記載のポラライザ。
3. 管孔の管軸に直交する断面形状は、正方形の辺を３％程度の範囲内で変化させたことを特徴とする請求項１または請求項２記載のポラライザ。
4. 金属材料で形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載のポラライザ。
5. 樹脂材料で形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載のポラライザ。

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