JP4542062B2

JP4542062B2 - 導波管分配器

Info

Publication number: JP4542062B2
Application number: JP2006107575A
Authority: JP
Inventors: 聡泰角田; 浩光内田; 尚史米田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-04-10
Filing date: 2006-04-10
Publication date: 2010-09-08
Anticipated expiration: 2026-04-10
Also published as: JP2007282025A

Description

本発明は、導波管分配器に関し、特に、マイクロ波に対して用いられるマジックＴ構造を有する導波管分配器に関する。

現在、伝送線路として同軸線路が広く用いられている。しかしながら、マイクロ波以上の周波数においては、同軸線路内導体の導体損が大きく、また、支持材料の損失があるため、低損失化と大電力容量の特性から、同軸線路の使用には問題がある。

一方、導波管の構造は、中空の管状導体（断面は、矩形か円形が一般的）であり、マイクロ波がその内部を伝播することから、中心導体の導体損や支持材料の誘電体損失が無く、低損失となっている。そこで、アンテナの給電回路部分等には、低損失性が求められることが多いため、低損失である導波管が広く用いられている。

通常、中空導波管の分配器は、３端子回路として方形導波管の長辺方向に分岐を設けるＥ面Ｔ分岐や、短辺方向に分岐を設けるＨ面Ｔ分岐、Ｈ面Ｙ分岐などがある。また、４端子回路としては、Ｅ面Ｔ分岐とＨ面Ｔ分岐を組み合わせて後に円錐形円板やロッド等でインピーダンス整合を取り、構成しているマジックＴ構造がある。そして、これらの方法は、広い範囲で用いられている（例えば、特許文献１、非特許文献１、非特許文献２参照）。

特開平７−４６０１１号公報アンテナ工学ハンドブック電子情報通信学会編オーム社刊Ｐ２６４〜Ｐ２６７マイクロ波工学中島将光著森北出版刊Ｐ１２３

しかしながら、従来技術には次のような課題がある。従来の金属製中空導波管を用いた分配器としては、マジックＴと中空導波管終端の組み合わせによって構成する場合と、金属加工を行った導波管のみで構成する場合（いわゆるＥ面Ｔ分岐、Ｈ面Ｔ分岐）の２種類がある。

分配された各ポート間に高いアイソレーションが必要な場合は、前者が使用され、あまり高いアイソレーションが必要でない場合は、後者が使用されることが多い。これら両者の場合、中空導波管を三次元的に組み立てることが必要であり、中空導波管を用いるために、大きさがさらに大きくなってしまう。

また、マジックＴと中空導波管終端の組み合わせである前者の場合においては、終端が必要となる。このためには、導波管の一端を導体で短絡させ、それから管内波長の４分の１（λｇ／４）離れた面を電気的開放面とし、伝搬モードの特性インピーダンスに等しい抵抗値を持つ抵抗体を、導波管の電界が最大となる位置に電界と平行に配置することで終端として動作させる。

ここで、通常は、導波管に急激な不連続を与えないようにテーパを持った抵抗体を構成する。この結果、最低でもλｇ／４の長さが必要になってしまうことに加えて、他のコンポーネントと接続するためにフランジが必要となる。

このため、従来の終端部は、金属加工を行った導波管と終端短絡面を合わせ、短絡面に切れ込み等を設置し、切れ込みからテーパ状となっている抵抗体を挿入してフランジに形成した位置固定用穴に、接着剤やネジなどで固定して組み立てられる。従って、終端として動作させる場合に、抵抗体を確実に保持するために、短絡面以外の面（側面等）におくことが必要になるという問題がある。

さらに、通常のマジックＴ構成においては、通常、サセプタンス成分を付加してインピーダンス整合をとるために、アイリスや円錐コーン等の調整素子が必須である。従って、このような構成とするための手間やコストがかかってしまうことや、調整素子が入ることによりマジックＴの通過損失が増大するといった問題もある。

本発明は上述のような課題を解決するためになされたもので、簡単な構成を有する高性能な導波管分配器を得ることを目的とする。

本発明に係る導波管分配器は、Ｅ面Ｔ分岐とＨ面Ｔ分岐とを組み合わせたマジックＴ構造を有する４ポートの樹脂導波管を含む導波管分配器において、樹脂導波管の４ポートの内の電磁波が入力される入力ポートは、樹脂導波管の特性インピーダンスとの整合をとる第１の整合用構造を有し、樹脂導波管の４ポートの内の終端ポートは、樹脂導波管の特性インピーダンスとの整合をとる第２の整合用構造を有し、第２の整合用構造は、終端ポートにおいて樹脂導波管に彫り込まれて形成され、金属メッキが施されていない彫り込み部と、彫り込み部に嵌合されることにより終端ポートの金属メッキが施された端面と面一となる吸収体と、彫り込み部に嵌合された吸収体を終端ポートに固定する固定具とを備えるものである。

本発明によれば、マジックＴ構造を有する４ポートの方形樹脂導波管を用いた導波管分配器において、入力ポートに第１の整合用構造を有し、終端ポートに彫り込み部、吸収体および固定具を含む第２の整合用構造を有することで、簡単な構成を有する高性能な導波管分配器を得ることができる。

以下、本発明の導波管分配器の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における導波管分配器の接続部の上方斜影面を示す図である。この図１に示す導波管分配器は、方形樹脂導波管１０のＨ面Ｔ分岐にＥ面Ｔ分岐を組み合わせたマジックＴ構造となっており、４つのポートで構成される。以下の説明において、それぞれの導波管端の４つのポートを、図１に示すように、ポート１、ポート２、ポート３、ポート４と呼ぶ。

ここで、方形樹脂導波管１０において、ポート１は、入力ポートに相当し、第１の整合用構造２０の一例であるインピーダンス調整構造２１が設けられている。さらに、各ポート１〜４における管軸方向に対する端面は、ポート４以外が金属メッキを施さずに露出しており（図１の網掛け部の端面に相当）、導波管側面等の端面以外については、金属メッキが施されている。

そして、以下の説明で用いる図１〜図７のすべての図面において、網掛け部分は、金属メッキが施されていないことを示し、非網掛け部は、金属メッキが施されていることを示すものとする。

ここで、終端ポートに相当するポート４を終端部と呼ぶ。終端部の端面には、金属メッキを施していない円柱形彫り込み部３１が形成されている。円柱形彫り込み部３１は、この円柱形彫り込み部３１に挿入される円柱形吸収体３２と嵌合し、組み立て後にポート４の端面と面一となるような寸法としている。そして、円柱形彫り込み部３１に円柱形吸収体３２を挿入後、金属等の導体固定具３３を用いて終端部が固定される。このようにして構成される円柱形彫り込み部３１、円柱形吸収体３２および導体固定具３３は、第２の整合用構造３０に相当する

続いて、このような図１の構成を有する導波管分配器の動作について説明する。
図１で示される構造において、入力ポートであるポート１から電磁波（マイクロ波）が入力された場合を考える。この場合は、ポート１から電磁波（マイクロ波）が入力され、ポート２とポート３に逆相で分配され、終端ポートに相当するポート４が終端部になると考えられる。

本構造は、４開口素子として、等価回路で表現することができる。この場合、導波管の特性インピーダンスをＺ_ｎとし、各ポート１〜４のインピーダンスをそれぞれＺ_１、Ｚ_２、Ｚ_３、Ｚ_４としたとき、Ｚ_１、Ｚ_２、Ｚ_３は、通常、導波管端面なので純抵抗となり、特に、Ｚ_２、Ｚ_３は、Ｚ_ｎであるとする。

本構造は、ポート２〜ポート３の直線導波管の間に、ポート１とポート４を設けていると見ることができる。このため、ポート１とポート４によるサセプタンス成分Ｘ_１、Ｘ_２が生じる。従って、ポート４のインピーダンスＺ_４は、Ｘ_１、Ｘ_２と整合をとるためのサセプタンス成分Ｘ_４を用いて、Ｚ_４＝Ｒ_４＋ｊＸ_４と表現できる。

これからポート１〜ポート４に関係する接点方程式、閉路方程式を導出して、各ポートにおけるインピーダンス値を計算する。ここで、マジックＴの整合条件および無結合性（Ｓ_１１＝Ｓ_２２＝Ｓ_３３＝Ｓ_４４＝Ｓ_２３＝Ｓ_３２＝０）を条件として解くと、下式（１）〜（５）の結果が得られる。

Ｘ_１＝−Ｘ_２（１）
Ｚ_１＝２Ｚ_ｎ（２）
Ｒ_４＝Ｘ_１ ^２／２（１＋Ｘ_１ ^２）（３）
Ｘ_４＝Ｘ_１ ^３／２（１＋Ｘ_１ ^２）（４）
０＜Ｒ_４＜Ｚ_ｎ／２（５）

ここで、式（２）から、ポート１のインピーダンスＺ_１は、導波管特性インピーダンスＺ_ｎの２倍である。また、式（３）、（４）の結果と│Ｒ_４│≫│Ｘ_４│であることから、Ｚ_４＝Ｒ_４＋ｊＸ_４≒Ｒ_４となる。そして、式（５）の結果と併せて考えると、ポート１は、導波管の特性インピーダンスＺ_ｎの２倍、ポート４は、導波管の特性インピーダンスＺ_ｎの半分とすることで理想的なマジックＴとしての特性が得られることがわかる。

ここで、ポート１については、第１の整合用構造２０としてインピーダンス調整構造２１を設けることで導波管特性インピーダンスＺ_ｎの２倍を実現している。また、ポート４に対応する無反射終端部は、上述した第２の整合用構造３０を有している。そして、この無反射終端部については、導体固定具３３による短絡面からおおむねλｇ／４以下離れた点で伝送波の特性インピーダンスの半分となるように導波管に抵抗体（円柱形吸収体３２に相当）を挿入する。さらに、抵抗体にある程度の長さを持たせることで広い周波数で無反射終端を実現している。

一般的に、中空導波管においては、吸収体を中心部分に浮いた状態で保持することは、非常に難しく、通常は、吸収体をテーパ構造にすることで底面と側面等の２面以上で抵抗体を保持している。

それに対し、本実施の形態１に示すような構造においては、円柱形吸収体３２を短絡面の最も効果的な場所に配置することができる。この結果、特性インピーダンスで終端する必要がなく、固定も簡単なため、高性能な終端部を簡単に製造することができる。

また、中空導波管のマジックＴ構造においては、アイリスや円錐コーン等の調整素子を設けていることで、複雑かつ高価となってしまう。それに対し、本実施の形態１においては、樹脂導波管であるために、比較的簡単かつ安価に構成することができる。このことから、各分配ポート間が高アイソレーションで小形な分配器を、安価かつ簡単に得ることができるという効果がある。

さらに、抵抗体の形状としては、図１に示すような円柱形吸収体３２とする以外に、四角柱抵抗体、円錐抵抗体、三角柱、くさび形等の形状に変更した吸収体を用いた場合にも、図１の場合と同様の効果が得られる。

また、図１では、金属等の導体を用いた導体固定具３３を用いて抵抗体の固定と電磁波の漏れを抑えている。しかしながら、導体ではない固定具を使用した場合についても、隙間が管内波長に対して十分小さい寸法としているため、電磁波の漏れはないことがわかる。従って、抵抗体を固定するものは、導体、非導体を問わないため、さらに安価に製作できるという効果が得られる。

また、本構造においては、終端部も一体として製造できるため、全体として分配器の寸法を小さくすることができるという効果も得られる。

以上のように、実施の形態１によれば、Ｅ面Ｔ分岐とＨ面Ｔ分岐とを組み合わせたマジックＴ構造を有する４ポートの方形樹脂導波管を用いた導波管分配器において、入力ポートに第１の整合用構造を有し、終端ポートに彫り込み部、吸収体および固定具を含む第２の整合用構造を有することで、簡単な構成により高性能な導波管分配器を実現することができる。

実施の形態２．
図２は、本発明の実施の形態２における導波管分配器の接続部の上方斜影面を示す図である。この図２は、ポート１に、第１の整合用構造２０として、インピーダンス調整構造２１の代わりに容量性アイリス２２を設けている点が実施の形態１と異なる。

続いて、図２の構成を有する導波管分配器の動作について説明する。図２における導波管分配器は、容量性アイリス２２によってサセプタンス成分を付加し、インピーダンス整合をとっている。このことから、実施の形態１と同様の効果が得られる。また、アイリス部の寸法を広げ、逆方向とした場合にも、同様の効果が得られる。

実施の形態３．
図３は、本発明の実施の形態３における導波管分配器の接続部の上方斜影面を示す図である。この図３は、ポート１に、第１の整合用構造２０として、インピーダンス調整構造２１の代わりに誘導性アイリス２３を設けている点が実施の形態１と異なる。

続いて、図３の構成を有する導波管分配器の動作について説明する。図３における導波管分配器は、誘導性アイリス２３によってサセプタンス成分を付加し、インピーダンス整合をとっている。このことから、実施の形態１と同様の効果が得られる。また、アイリス部の寸法を広げ、逆方向とした場合にも同様の効果が得られる。

実施の形態４．
図４は、本発明の実施の形態４における導波管分配器の接続部の上方斜影面を示す図である。この図４は、ポート１に、第１の整合用構造２０として、インピーダンス調整構造２１の代わりに、ポート１の短手側寸法をテーパ状に変えたテーパ２４を設けている点が実施の形態１と異なる。

続いて、図４の構成を有する導波管分配器の動作について説明する。図４における導波管分配器は、短手方向の寸法を変化させるテーパ２４によってサセプタンス成分を付加し、インピーダンス整合をとっている。このことから、実施の形態１と同様の効果が得られる。また、テーパ形状を逆とした場合についても同様の効果が得られる。

実施の形態５．
図５は、本発明の実施の形態５における導波管分配器の接続部の上方斜影面を示す図である。この図５は、ポート１に、第１の整合用構造２０として、インピーダンス調整構造２１の代わりに、ポート１の長手側寸法をテーパ状に変えたテーパ２４を設けている点が実施の形態１と異なる。

続いて、図５の構成を有する導波管分配器の動作について説明する。図５における導波管分配器は、長手方向の寸法を変化させるテーパ２４によってサセプタンス成分を付加し、インピーダンス整合をとっている。このことから、実施の形態１と同様の効果が得られる。また、テーパ形状を逆とした場合についても同様の効果が得られる。

実施の形態６．
図６は、本発明の実施の形態６における導波管分配器の接続部の上方斜影面を示す図である。この図６は、ポート１に、第１の整合用構造２０として、インピーダンス調整構造２１の代わりに、方形樹脂導波管１０のポート１の長手方向にメッキを施さない穴部２５を設け、その穴部２５に嵌合するように導体もしくは金属メッキを施された誘電体で構成されるロッド２６を挿入した点が実施の形態１と異なる。

続いて、図６の構成を有する導波管分配器の動作について説明する。図６における導波管分配器は、方形樹脂導波管１０のポート１に導体のロッド２６によるサセプタンス成分を付加することができる。これを用いてインピーダンス整合をとることで、さらにインピーダンス不整合による不要反射を抑えることができる。このことから、実施の形態１で得られる効果に加えて電気特性を改善し、組み立て後に調整可能であるという効果が得られる。

実施の形態７．
図７は、本発明の実施の形態７における導波管分配器の接続部の上方斜影面を示す図である。この図７は、ポート１に、第１の整合用構造２０として、インピーダンス調整構造２１の代わりに、方形樹脂導波管１０のポート１の短手方向にメッキを施さない穴部２５を設け、その穴部２５に嵌合するように導体もしくは金属メッキを施された誘電体で構成されるロッド２６を挿入した点が実施の形態１と異なる。

続いて、図７の構成を有する導波管分配器の動作について説明する。図７における導波管分配器は、方形樹脂導波管１０のポート１に導体のロッド２６によるサセプタンス成分を付加することができる。これを用いてインピーダンス整合をとることで、さらにインピーダンス不整合による不要反射を抑えることができる。このことから、実施の形態１で得られる効果に加えて電気特性を改善し、組み立て後に調整可能であるという効果が得られる。

本発明の実施の形態１における導波管分配器の接続部の上方斜影面を示す図である。本発明の実施の形態２における導波管分配器の接続部の上方斜影面を示す図である。本発明の実施の形態３における導波管分配器の接続部の上方斜影面を示す図である。本発明の実施の形態４における導波管分配器の接続部の上方斜影面を示す図である。本発明の実施の形態５における導波管分配器の接続部の上方斜影面を示す図である。本発明の実施の形態６における導波管分配器の接続部の上方斜影面を示す図である。本発明の実施の形態７における導波管分配器の接続部の上方斜影面を示す図である。

符号の説明

１０方形樹脂導波管（樹脂導波管）、２０第１の整合用構造、２１インピーダンス調整構造、２２容量性アイリス、２３誘導性アイリス、２４テーパ、２５穴部、２６ロッド、３０第２の整合用構造、３１円柱形彫り込み部（彫り込み部）、３２円柱形吸収体（吸収体）、３３導体固定具（固定具）。

Claims

Ｅ面Ｔ分岐とＨ面Ｔ分岐とを組み合わせたマジックＴ構造を有する４ポートの樹脂導波管を含む導波管分配器において、
前記樹脂導波管の前記４ポートの内の電磁波が入力される入力ポートは、前記樹脂導波管の特性インピーダンスとの整合をとる第１の整合用構造を有し、
前記樹脂導波管の前記４ポートの内の終端ポートは、前記樹脂導波管の特性インピーダンスとの整合をとる第２の整合用構造を有し、
前記第２の整合用構造は、
前記終端ポートにおいて前記樹脂導波管に彫り込まれて形成され、金属メッキが施されていない彫り込み部と、
前記彫り込み部に嵌合されることにより前記終端ポートの金属メッキが施された端面と面一となる吸収体と、
前記彫り込み部に嵌合された前記吸収体を前記終端ポートに固定する固定具と
を備える
ことを特徴とする導波管分配器。
請求項１に記載の導波管分配器において、
前記第１の整合用構造は、容量性アイリスで構成されることを特徴とする導波管分配器。
請求項１に記載の導波管分配器において、
前記第１の整合用構造は、誘導性アイリスで構成されることを特徴とする導波管分配器。
請求項１に記載の導波管分配器において、
前記第１の整合用構造は、前記入力ポートの長手方向にテーパを設けて構成されることを特徴とする導波管分配器。
請求項１に記載の導波管分配器において、
前記第１の整合用構造は、前記入力ポートの短手方向にテーパを設けて構成されることを特徴とする導波管分配器。
請求項１に記載の導波管分配器において、
前記第１の整合用構造は、前記入力ポートの長手方向に設けられた金属メッキを施さない穴部と、前記穴部に挿入されるロッドとで構成されることを特徴とする導波管分配器。
請求項１に記載の導波管分配器において、
前記第１の整合用構造は、前記入力ポートの短手方向に設けられた金属メッキを施さない穴部と、前記穴部に挿入されるロッドとで構成されることを特徴とする導波管分配器。