JP4450822B2 - マイクロ波用伝送装置 - Google Patents

Description

この発明は送受信部と輻射部（アンテナ）との間でマイクロ波を伝送するマイクロ波用伝送装置に関するもので、特に回転する輻射部と固定された送受信機の間に配置されるロータリージョイントに関するものである。

直交偏波を用いて衛星通信を行う移動体アンテナの偏波角調整や、アンテナを回転させながら目標の検出や追尾を行うレーダ装置では、回転する輻射部（アンテナ）と固定された送信機および受信機（以下これらを送受信機または送受信部という）とを接続するために、輻射部に接続される回転側導波路と送受信機に接続される固定側導波路、およびこれら回転側導波路と固定側導波路との間を接続するロータリージョイント部を備えたマイクロ波用伝送装置が用いられる。

このようなマイクロ波用伝送装置として、従来は、送受信機とロータリージョイント部との間に配置され、送信機からの送信波および輻射部からの受信波を伝送する固定側導波管と、輻射部とロータリージョイント部との間に配置され、送信波および受信波を伝送する回転側導波管と、これら固定側導波管と回転側導波管との間に配置され、固定側導波管及び回転側導波管間の送信波および受信波の伝送を行なうロータリージョイント外部導体と、ロータリージョイント外部導体の中心軸にその中心軸を合わせるように配置され、その両端が固定側導波管及び回転側導波管の内部まで延びたロータリージョイント中心導体と、固定側導波管および回転側導波管それぞれの内部に保持固定されてロータリージョイント中心導体の両端を、一方の端は固定し、他方の端は回転可能なように保持した誘電体保持部と、ロータリージョイント部に含まれ、送信波および受信波の漏れおよび反射を抑えるチョーク接合部と、固定側導波管と回転側導波管の間に配置され、かつ回転機能を与えるベアリングとによって構成されたものがある。（特許文献１参照）

そして従来のマイクロ波用伝送装置は、送信波および受信波の伝送周波数帯域、およびインピーダンス整合を、誘電体保持部の誘電率、形状および寸法、並びにロータリージョイント中心導体の固定側および回転側導波管内部への突出量とその直径、によって確保することで、軸ずれをなくし、かつ所望の帯域で性能を確保しつつ部品点数の削減、構造の単純化を図り、低コスト化を実現していた。
特開２０００−１１４８０２号公報

従来のロータリージョイント部の軸方向の長さは、入出力インターフェースに使用する導波管の規格およびベアリングの数量によってその最小サイズはほぼ決まってしまい、それ以上の小型化は困難であった。また、システムの構造設計において、ロータリジョイントが導波管インターフェースを有する場合には、自由な引き回しができず、特に設計最終段階での形状変更は難しいなど自由度が限られる、他部品との組立ての際に寸法誤差の積み重ねで生じるひずみがロータリージョイント部に集中し、回転時に軸ずれを引き起こす要因となる、といった問題があった。この結果、従来の方法は複数のベアリングを使用して軸ずれを抑制する必要があった。

また、船舶搭載や陸上可搬搭載の移動体アンテナでは搭載可能な寸法に制約があるため、搭載できないといった問題があった。また、軸ずれを抑制するために用いる構成が短軸化および小型化を阻み、部品点数の増加からコストアップにも繋がっていた。一方、小型化が可能な同軸入出力のロータリージョイントでは損失が増大し、システム性能に与える影響が大きいため使用範囲が限られるといった問題があった。

一方、従来の衛星通信アンテナおよびレーダ装置の輻射部および送受信部は、導波管あるいは同軸のどちらか一方で構成されることが多いため、それらに接続されるロータリージョイントの入出力インターフェースもどちらか一方を有するものであった。この場合、例えば輻射部のインターフェースが導波管、送受信部が同軸といったように異なるインターフェースを持つアンテナシステムにおいては、同軸／導波管変換機能を有するトランジションを別に用いてインターフェースを変換する必要があった。

このように輻射部と送受信部で異なるインターフェースを有するアンテナシステムにおいては、同軸／導波管変換機能を有するトランジションを用いてインターフェースの変換を行う必要があり、部品点数の増加から、システムの大型化、変換部による電気的な劣化によるシステム性能の劣化およびコストアップに繋がっていた。

この発明は、上記従来の課題を解決するもので、入出力インターフェースが導波管と同軸というように異なるシステムにおいて、同軸／導波管変換機能を有するトランジションの働きをロータリージョイント内部で行うことで、部品点数を増やすことなく接続可能となり、またロータリージョイント中心導体を短軸化でき、全体構造の単純化・小型化および低コスト化が図れるマイクロ波用伝送装置を提供することを目的とするものである。

この発明は、送信機からの送信波を回転結合部を介して回転する輻射部に伝送すると共に、輻射部で受波した受信波を回転結合部を介して受信機に伝送するマイクロ波用伝送装置において、輻射部と回転結合部との間に配置され、送信波および受信波を伝送する回転側導波管と、送信機および受信機と回転結合部との間に配置され、送信波および受信波を伝送する固定側導波管と、固定側導波管に接続して固定され、その中心導体が回転結合部まで延びる同軸コネクタと、両端がそれぞれ回転側導波管および固定側導波管まで延び、一方の端は回転側導波管に固定され、他方の端は同軸コネクタの中心導体に回転可能なように遊嵌されて回転結合部を構成する棒状のロータリージョイント中心導体とを備え、同軸コネクタから回転結合部に延びる同軸線路において、同軸線路を構成する中心導体および外導体の少なくとも一方に段差を有してなるものである。

またこの発明は、送信機からの送信波を回転結合部を介して回転する輻射部に伝送すると共に、輻射部で受波した受信波を前記回転結合部を介して受信機に伝送するマイクロ波用伝送装置において、輻射部と回転結合部との間に配置され、送信波および受信波を伝送する回転側導波管と、送信機および受信機と回転結合部との間に配置され、送信波および受信波を伝送する固定側導波管と、回転側導波管に接続して固定され、その中心導体が回転結合部まで延びる同軸コネクタと、両端がそれぞれ回転側導波管および固定側導波管まで延び、一方の端は固定側導波管に固定され、他方の端は同軸コネクタの中心導体に回転可能なように遊嵌されて回転結合部を構成した棒状のロータリージョイント中心導体とを
備え、同軸コネクタから回転結合部に延びる同軸線路において、同軸線路を構成する中心導体および外導体の少なくとも一方に段差を有してなるものである。

この発明によると、入出力インターフェースとして一方を導波管、他方を同軸コネクタとすることで、ロータリージョイント中心導体を短軸化でき、全体構造の単純化および小型化につながる。また、一方が同軸コネクタとなることで、他部品との組立てによって生じるひずみがロータリージョイントに加わりにくくなるため軸ずれが生じにくい、伝送線路の引回しが導波管接続に比べてしやすく設計の自由度が増す、といった効果が得られる。一般に、同軸線路を使用すると誘電体損により損失は増大するが、この発明のロータリージョイントにおいて、誘電体が存在するのはほぼ同軸コネクタのみであり、損失はほとんど生じないため、導波管の場合とほぼ同等の性能を得ることができる。

また、同軸／導波管変換機能を有するトランジションの働きをロータリージョイント内部で行うことで、輻射部と送受信部のインターフェースが異なるシステムにおいても部品点数を増やすことなく接続可能となり、部品点数の増加、システムの大型化およびシステム性能の劣化を生じさせずに、システム全体のコストダウンも図れる。

実施の形態１
以下、この発明の実施の形態１によるマイクロ波用伝送装置を図１乃至図４について説明する。図１はマイクロ波用伝送装置の断面図、図２は回転結合部におけるロータリージョイント中心導体と同軸コネクタの中心導体との結合例を拡大して示す図、図３は回転結合部における形状例を示す図、図４はロータリージョイント中心導体の形状、寸法および同軸コネクタの中心導体の形状、寸法などを決定する際の概念図である。

図１のマイクロ波用伝送装置は、図示していない輻射部（アンテナ）と送信機および受信機（送受信機）との間に配置されるものである。図１において、回転する輻射部と後述する回転結合部（ロータリジョイント部）との間にはＩ型の回転側導波管１が配置され、送信波および受信波を伝送する。また送受信機と後述する回転結合部との間には固定側導波管２が配置され、アンテナ支持構造物に接続、固定されて送信波および受信波を伝送する。固定側導波管２には、ネジなどで容易に同軸ケーブルが取り付けまたは取り外しが可能なレセプタクルタイプの同軸コネクタ３が固定されている。この同軸コネクタ３の固定は、固定側導波管２に形成した穴に同軸コネクタ３の誘電体部３ａを嵌合し、同軸コネクタ３の外部導体を固定側導波管２の外表面にネジなどで固定することで行われる。同軸コネクタ３には図示していない同軸ケーブルなどが取り付けられ、同軸ケーブルの他端は送受信機へ接続され、送信波および受信波を伝送する。また同軸コネクタ３の中心導体３ｂは回転結合部まで延びている。

棒状のロータリージョイント中心導体４は、両端がそれぞれ回転側導波管１および固定側導波管２まで延び、一方の端は回転側導波管１の内壁に軸棒５によって固定され、他方の端は同軸コネクタ３の中心導体３ｂに回転可能なように遊嵌されて、回転結合部の一部を構成している。また回転側導波管１および固定側導波管２の内周壁側にある回転結合部には、回転部と固定部との隙間から高周波信号が漏れ出したりしないように、周波数等によって決まる寸法の溝を切って噛み合わせるようにしたチョーク構造のチョーク接合部６が設けられている。
こうしてロータリージョイント中心導体４と同軸コネクタ３の中心導体３ｂとの回転結合部、及び回転側導波管１と固定側導波管２の内周壁側にある回転結合部は、同軸／導波管変換機能を有するトランジションの働きを行い、回転側導波管１および固定側導波管２を通過する送信波及び受信波を伝送するようになっている。

ロータリージョイント中心導体４と同軸コネクタ３の中心導体３ｂとの遊嵌部には誘電体保持部７が設けられ、両中心導体４、３ｂを回転自在に保持するようにしている。この遊嵌部における回転結合部の形状については図２により詳細に説明する。またロータリージョイント中心導体４の軸方向の真中付近には回転側導波管１の内壁に固定された誘電体保持部８が設けられ、ロータリージョイント中心導体４の回転ぶれを抑えるように保持している。なおこの誘電体保持部８はロータリージョイント中心導体４が長い場合に必要なもので、ロータリージョイント中心導体４が短い場合はこの誘電体保持部８は省略してもよい。更に回転側導波管１の外周側と固定側導波管２との間にはベアリング９が設けられ、回転側導波管１を固定側導波管２に対して回転自在に支持している。

次に、ロータリージョイント中心導体４と同軸コネクタ３の中心導体３ｂとの遊嵌部における回転結合部の結合例を示す図２について説明する。図２（ａ）は、ロータリージョイント中心導体４の一端に所定の寸法の深さを有した筒状の穴を設け、この穴に例えばテフロン（登録商標）のようなすべりの良い誘電体保持部７を詰める。そして誘電体保持部７が詰められたロータリージョイント中心導体４の穴に同軸コネクタ３の中心導体３ｂを回転可能なように嵌める。こうして、誘電体保持部７は、ロータリージョイント中心導体４と同軸コネクタ３の中心導体３ｂが回転可能なように保持しつつ、それらが回転時にも一定の位置関係を保つような働きをする。

なお、図２（ａ）はロータリージョイント中心導体４に穴を設け、この穴に同軸コネクタ３の中心導体３ｂを遊嵌するようにしたが、逆に同軸コネクタ３の中心導体３ｂに穴を設け、この穴にロータリージョイント中心導体４を回転可能なように遊嵌しても良い。
もしロータリージョイント中心導体４と同軸コネクタ３の中心導体３ｂとの間に誘電体保持部７がない場合は、中心導体の金属同士の直接の嵌合となり、金属が磨耗して金属粉が発生し、回転不能になる恐れがある。このような金属粉の発生を防ぐため、この誘電体保持部７は設けた方が好ましい。

図２（ｂ）は、回転結合部の他の結合例を示すもので、ロータリージョイント中心導体４の一端に所定の寸法の深さで段差を有した２重の筒状の穴を設け、この穴に例えばテフロン（登録商標）のようなすべりの良い誘電体保持部７を詰める。そして同軸コネクタ３の中心導体３ｂを同じく段差を有するように加工し、誘電体保持部７が詰められたロータリージョイント中心導体４の穴に回転可能なように遊嵌する。また逆に同軸コネクタ３の中心導体３ｂに段差の穴を設け、この穴にロータリージョイント中心導体４を段差に加工して回転可能なように遊嵌しても良い。
なお図２（ａ）（ｂ）において、誘電体保持部７は、ロータリージョイント中心導体４に固定されて一緒に回転するようにしてもよいし、また同軸コネクタ３の中心導体３ｂに固定されて、回転しないようにしてもよい。

更に、図２（ａ）（ｂ）において、遊嵌部における回転結合部の形状は、導波管と同軸コネクタのインピーダンス整合がとれるように加工されなければならない。もし図２（ａ）（ｂ）の形状だけでインピーダンス整合がとれにくい場合は、図３のように導波管の内壁に段差を付加することでインピーダンス整合を取る必要がある。なおインピーダンス整合を決定する要素については図４で説明する。

以上の構造により、ロータリージョイントの入出力インターフェースを導波管および同軸とし、同軸／導波管のインターフェース変換を、従来はロータリージョイントの外部で行っていたものを、この発明ではロータリージョイント内部で行うことができる。また、ロータリージョイントの外部導体は導波管同士で構成されるので、ロータリージョイントの中心導体を短軸化でき、全体構造の単純化および小型化が可能となる。したがって伝送線路上の変換部が減ることで電気的な劣化要因も少なくなり、伝送性能も維持できる。更に、一方が同軸コネクタとなることで、他部品との組立てによって生じるひずみがロータリージョイントに加わりにくくなるため軸ずれが生じにくい。また、レセプタクルタイプの同軸コネクタを使用することで、構造および組立て作業の単純化が図れ、部品点数および作業工数の削減に繋がるためコストダウンが可能となる。

次に、ロータリージョイント中心導体４の形状、寸法および直径、並びに誘電体保持部７の形状、寸法および誘電率、並びに同軸コネクタ３の中心導体３ｂの回転結合部内への突出量および直径、および誘電体３ａの突出量、直径などについて、送信波および受信波の伝送周波数帯域内でインピーダンス整合をとるために、どのように決定するかを図４に基づいて説明する。

図４において、まず、使用する周波数帯域によって、不要なモードが発生しないような導波管１、２の内径サイズａ（一般的には円形）を選ぶ。その後は、導波管１、２と同軸コネクタ３のインピーダンスが整合するように、ロータリージョイント中心導体４の形状、寸法ｂ、ｃおよび直径ｄ、および誘電体保持部７の形状、材料（比誘電率ε、誘電損失tanδ）、同軸コネクタ３の中心導体３ｂの突出量ｅ、形状、寸法ｆ、直径ｇと、誘電体３ａの突出量ｈ、直径ｉ、材料（比誘電率ε、誘電損失tanδ）を変えながら解析を行い、入力側から所望の周波数帯域の信号を入力し、出力側で信号が損失なく伝送される条件（形状、寸法、材料など）を選定して行くことになる。また上記で不十分であれば、導波管１、２内壁の形状（溝、段差、突起など）の変更を考える。
なお誘電体保持部８についても、導波管内に配置した場合の信号の損失が少なくなるように、厚み、形状を変え、解析で確認して決める。このとき、導波管内壁に溝あるいは段差などを設けることも考えられる。

以上のように、この実施の形態１においては、同軸／導波管変換機能をロータリージョイントの回転結合部内で行うことで、入出力インターフェースを同軸および導波管にすることができ、ロータリージョイントの軸方向の長さが短くなることで、構造の単純化、小型化が図れる。また本構造により、部品点数および作業工数の削減ができ、組立て性が向上することから、製造コストを安くすることができる。さらに、輻射部および送受信部のインターフェースは一方が導波管、他方が同軸になる場合でも部品点数の増加、システム性能の劣化、システムの大型化を伴うことなく、システム全体のコストダウンを図ることができる。

実施の形態２
次にこの発明の実施の形態２におけるマイクロ波用伝送装置を図５について説明する。図５はマイクロ波用伝送装置の断面図で、回転側導波管のインターフェースの方向を回転軸に対して垂直となるようにＬ型の導波管を用いて構成したものである。
図５において、回転する輻射部と接続される回転側導波管１１は、固定側導波管２に対してＬ型となる導波管である。このように構成した場合は、ロータリージョイント中心導体４の長さは短くできるので、回転側導波管１１の内部に延びたロータリージョイント中心導体４の端部は回転側導波管１１内壁に軸棒など固定する必要はなく、回転側導波管１１に設けた孔に誘電体などで保持するだけでよい。その他の構成は図５中、図１と同じ構成あるいは相当する部分には同一符号を付し、その説明を省略する。

実施の形態３
次にこの発明の実施の形態３におけるマイクロ波用伝送装置を図６について説明する。図６はマイクロ波用伝送装置の断面図である。
図６において、誘電体保持部８は、実施の形態１では回転側導波管１の内壁に固定されていたが、この実施の形態３では固定側導波管２の内壁に固定され、ロータリージョイント中心導体４の回転ぶれを抑えるように回転可能に保持したものである。その他の構成は図６中、図１と同じ構成あるいは相当する部分には同一符号を付し、その説明を省略する。
なお、この実施の形態３において、回転側導波管１に実施の形態２のようなＬ型の導波管を用いても同様である。

実施の形態４
次にこの発明の実施の形態４におけるマイクロ波用伝送装置を図７について説明する。図７はマイクロ波用伝送装置の断面図で、回転側に同軸コネクタを、固定側に導波管を設けたものである。
図７において、回転する輻射部と接続される回転側導波管１２には、同軸コネクタ３が固定され、送受信機と接続される固定側導波管１３には、ロータリージョイント中心導体４の一端が固定されている。この実施の形態４では、同軸コネクタ３と回転側導波管１２が回転し、固定側導波管１３とロータリージョイント中心導体４は固定される。その他の構成は図７中、図１と同じ構成あるいは相当する部分には同一符号を付し、その説明を省略する。
なお実施の形態４においては、誘電体保持部８は固定側導波管１３に固定されているが、実施の形態３のように回転側導波管１２に固定されていてもよい。また固定側導波管１３はＩ型導波管でなく、実施の形態２のようなＬ型の導波管を用いてもよい。

また、以上説明したマイクロ波用伝送装置は、周波数帯域によらず（導波管あるいは同軸の規格に関わらず）適用可能である。

この発明の実施の形態１を示すマイクロ波用伝送装置の断面図である。 この発明の実施の形態１におけるロータリージョイント中心導体と同軸コネクタの中心導体との結合例を拡大して示す図である。 この発明の実施の形態１における回転結合部の形状例を示す図である。 この発明におけるロータリージョイント中心導体の形状、寸法および同軸コネクタの中心導体の形状、寸法などを決定する際の概念図である。 この発明の実施の形態２を示すマイクロ波用伝送装置の断面図である。 この発明の実施の形態３を示すマイクロ波用伝送装置の断面図である。 この発明の実施の形態４を示すマイクロ波用伝送装置の断面図である。

符号の説明

１、１１、１２：回転側導波管 ２、１３：固定側導波管
３：同軸コネクタ ４：ロータリージョイント中心導体
６：チョーク接合部 ７：誘電体保持部
８：誘電体保持部

Claims (7)

1. 送信機からの送信波を回転結合部を介して回転する輻射部に伝送すると共に、前記輻射部で受波した受信波を前記回転結合部を介して受信機に伝送するマイクロ波用伝送装置において、
   前記輻射部と前記回転結合部との間に配置され、前記送信波および受信波を伝送する回転側導波管と、
   前記送信機および受信機と前記回転結合部との間に配置され、前記送信波および受信波を伝送する固定側導波管と、
   前記固定側導波管に接続して固定され、その中心導体が前記回転結合部まで延びる同軸コネクタと、
   両端がそれぞれ前記回転側導波管および固定側導波管まで延び、一方の端は前記回転側導波管に固定され、他方の端は同軸コネクタの中心導体に回転可能なように遊嵌されて前記回転結合部を構成する棒状のロータリージョイント中心導体とを備え、
   前記同軸コネクタから前記回転結合部に延びる同軸線路において、前記同軸線路を構成する中心導体および外導体の少なくとも一方に段差を有してなるマイクロ波用伝送装置。
2. 同軸コネクタはレセプタクルタイプであって、前記同軸コネクタの誘電体部が固定側導波管に形成された穴に嵌合されて、前記同軸コネクタが前記固定側導波管に固定されたことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波用伝送装置。
3. 送信機からの送信波を回転結合部を介して回転する輻射部に伝送すると共に、前記輻射部で受波した受信波を前記回転結合部を介して受信機に伝送するマイクロ波用伝送装置において、
   前記輻射部と前記回転結合部との間に配置され、前記送信波および受信波を伝送する回転側導波管と、
   前記送信機および受信機と前記回転結合部との間に配置され、前記送信波および受信波を伝送する固定側導波管と、
   前記回転側導波管に接続して固定され、その中心導体が前記回転結合部まで延びる同軸コネクタと、
   両端がそれぞれ前記回転側導波管および固定側導波管まで延び、一方の端は前記固定側
   導波管に固定され、他方の端は同軸コネクタの中心導体に回転可能なように遊嵌されて前記回転結合部を構成した棒状のロータリージョイント中心導体とを備え、
   前記同軸コネクタから前記回転結合部に延びる同軸線路において、前記同軸線路を構成する中心導体および外導体の少なくとも一方に段差を有してなるマイクロ波用伝送装置。
4. 同軸コネクタはレセプタクルタイプであって、前記同軸コネクタの誘電体部が回転側導波管に形成された穴に嵌合されて、前記同軸コネクタが前記回転側導波管に固定されたことを特徴とする請求項３に記載のマイクロ波用伝送装置。
5. ロータリージョイント中心導体と同軸コネクタの中心導体との遊嵌部に設けられ、前記両中心導体を回転自在に保持する誘電体保持部を設けた請求項１または請求項３に記載のマイクロ波用伝送装置。
6. 固定側導波管または回転側導波管に固定されてロータリージョイント中心導体を保持する誘電体保持部を設けた請求項１または請求項３に記載のマイクロ波用伝送装置。
7. 固定側導波管と回転側導波管の導波管内部の回転結合部に、送信波及び受信波の漏れを防ぐチョーク接合部を設けた請求項１または請求項３に記載のマイクロ波用伝送装置。

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