JP4618726B2 - 導波管スロット結合を用いた電力分配器 - Google Patents

Description

本発明は電力分配器に関し、特に導波管スロット結合を用いた電力分配器に関する。

宇宙太陽発電システム（Ｓｐａｃｅ Ｓｏｌａｒ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ：ＳＳＰＳ）を実現する技術として、高効率なマイクロ波送電のための導波管スロット給電アクティブ集積アンテナの開発が行われている。ＳＳＰＳは、地球周回軌道上に配置された直径数Ｋｍの超大型フェイズドアレイ（アンテナ素子数：数十億）を使用して、同じく地球周回軌道上の太陽電池パネルで発電された電力を地上の受信局にマイクロ波送電しようとするものである。このシステムを成立させるためには、高精度なビーム制御、送電部の高効率化（太陽電池を除く総合効率８０％以上）、および送電システム重量の最小化（数ｇ/Ｗ）といった複数の要求規格を満たすことが必要である。

特に送電部を高効率化するためには、太陽電池パネルで発電された電力がアクティブフェーズドアレイアンテナにより地上に送信されるに際して、太陽電池パネル給電部からアクティブフェーズドアレイアンテナ給電部に高効率に電力分配して供給することが必要である。こうした必要性により、特に電力分配部の低損失化および薄型化を実現する導波管スロット給電アクティブ集積アンテナの開発が行われてきた。

図１に従来の導波管スロット給電アクティブ集積アンテナにおける電力分配器の概略構成を示す。従来の、導波管スロット結合方式によりマイクロストリップラインに電力を分配する電力分配器は、一端を終端面とした国際規格の方形導波管（ＴＥ１０モード）１０と、マイクロストリップラインの形成された基板１１とを備えている。図１に示されるように、方形導波管１０の電界方向に垂直な管壁にスロット１（１４）およびスロット２（１５）が設けられ、スロット１（１４）およびスロット２（１５）上にマイクロストリップライン１（１２）およびマイクロストリップライン２（１３）がそれぞれ載置されている。導波管１０の入力ポート１（１６）に入力されたマイクロ波は、スロット１（１４）およびスロット２（１５）を介して、スロット１（１４）およびスロット２（１５）上に載置されたマイクロストリップライン１（１２）およびマイクロストリップライン２（１３）にそれぞれ電磁結合してマイクロストリップライン１（１２）およびマイクロストリップライン２（１３）に分配される。そして、出力ポート２（１７）およびポート３（１８）から、各々のポートに接続される図示せぬ移相器およびアンテナに向けて出力される。導波管１０に設けられたスロット（１４，１５）を電力分配器として用いる利点は、マイクロストリップライン１（１２）およびマイクロストリップライン２（１３）における放射損失が無いこと、導波管１０、マイクロストリップライン１（１２）およびマイクロストリップライン２（１３）の製作が容易であること、電力分配器全体の薄型化（電界方向の高さは約２０ｍｍ）が可能であること、そして導波管１０の管壁を使用して放熱が可能であること等が挙げられる。

例えば、電力分配器について、方形導波管１０の電界方向の厚さを見てみると、導波管１０からマイクロストリップライン１（１２）、およびマイクロストリップライン２（１５）へは電磁結合を利用して電力が分配されているので、電力分配器の厚みは導波管１０の厚さにマイクロストリップラインの基板１１の厚みを加えた程度に抑えられる。また、導波管１０の入力ポート１（１６）に対して電力が供給されるため、この形態の電力分配器は大電力用分配器として使用することができる。

従来の導波管スロット結合方式を用いた電力分配器においては、電磁結合部の設計パラメータとして、マイクロストリップ線路のオープンスタブ長，スロット長，スロット幅，マイクロストリップ線路のオフセット長、マイクロストリップ線路幅，誘電体基板（サブストレート）の誘電率、および誘電体基板（サブストレート）厚が考慮されている。また、導波管スロット部の設計パラメータとしては、スロットオフセット、導波管の寸法ａ（Ｈ面）、ｂ（Ｅ面）が挙げられる。

しかし、従来の導波管スロット結合方式を用いた電力分配器においては、電力として入力されるマイクロ波の周波数が５．８ＧＨｚである場合、入力されるマイクロ波の周波数５．８ＧＨｚに対応するＷＲＪ−６の規格寸法が、導波管の寸法ａ（Ｈ面）、ｂ（Ｅ面）にそのまま使用されている。このため、従来の導波管スロット結合方式を用いた電力分配器における導波管と当該導波管に載置されているマイクロストリップラインとの結合度は、せいぜい６５％前後に制限されていた。

ここで、１つの入力ポート（ポート１）および２つの出力ポート（ポート２、ポート３）を有する電力分配器における結合度（Ｃｏｕｐｌｉｎｇ Ｆａｃｔｏｒ）は以下のように定義されている。

先に述べたように、宇宙太陽発電システムにおいては太陽電池を除く総合効率８０％以上を目指しており、従来の電力分配器における性能では効率的に不十分であった。このため、導波管１０からマイクロストリップラインへ電力を分配するに際して、更なる効率の改善が必要であり、最終的にはこの部分で９５％の結合度を目指している。

また、従来の電力分配器においては、導波管のスロット部から漏出したマイクロ波が、宇宙太陽発電システムから地上に電力を伝送するマイクロ波のビームフォーミングのビームパターンに影響を及ぼすことが考えられ、当該ビームパターンへの影響を防止する技術の開発が必要とされている。

こうした技術に関連して、今までにいくつかの提案がなされてきている。

例えば、Ｍｏｒｔａｚａｗｉ等により、「Ａ Ｓｌｏｔｔｅｄ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｑｕａｓｉ−Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ」が提案されている。この「Ａ Ｓｌｏｔｔｅｄ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｑｕａｓｉ−Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ」を、スロット導波管アレイ増幅器１として図２Ａおよび図２Ｂに示す。スロット導波管アレイ増幅器１は、並列に配列される複数の方形導波管２と、方形導波管２それぞれに設けられたスロット３上に載置される基板４上に形成され、方形導波管２からの電力が分配して結合されるマイクロストリップライン５とを備えている。本提案のスロット導波管アレイ増幅器１は、図２Ａに示されるように、マイクロストリップライン５の出力側にさらにアンプ６とパッチアンテナ７とを備え、それぞれのマイクロストリップライン５に分配結合された電力は当該アンプ６において増幅された後、マイクロストリップライン５各々の端部に形成されるパッチアンテナ７から空間に向けてマイクロ波として送信される。

本提案においては、８分配される導波管スロットとマイクロストリップラインとの電磁結合シミュレーションモデルで、９３％の結合度が得られたことが報告されている。

また、特開平８−１４８９１３号公報に開示されている「導波管ーマイクロストリップ線路変換器」では、ＴＥ１０の伝播モードを有し、一端を終端面とした方形導波管と、この方形導波管の内面に生ずる高周波電流と交差する向きにして方形導波管の管壁に設けられたスロットと、スロットと交差する向きに配置されストリップ導体の一部に形成された帯状の給電導体を有するマイクロストリップ線路とを備えた導波管ーマイクロストリップ線路変換器が提案されている。

また、特開平９−２４６８１６号公報に開示されている「導波管ーマイクロストリップ線路変換器」では、導波管の電界に垂直な管壁に導波管の内外に貫通されるスロットが設けられ、このスロット上にマイクロストリップ線路の一部が配置された導波管ーマイクロストリップ線路変換器が提案されている。

また、特開２００２−９５１２号公報に開示されている「高周波線路の変換器」では、高周波線路から導波管へまたはその逆方向に信号を伝達する高周波線路の変換器が提案されている。この高周波線路の変換器は、表面に高周波線路が形成され裏面にスロット共振器形成された基板と、該基板と導波管の間に介在しスロット共振器に電磁的に結合する導波管部とを有しており、該導波管は高周波線路と導波管のインピーダンス整合の役割を果たしている。

特開平８−１４８９１３号公報 特開平９−２４６８１６号公報 特開２００２−９５１２号公報 Ｒ．Ｂａｓｈｉｒｕｌｌａｈ，Ａ．Ｍｏｒｔａｚａｎｉ，"Ａ Ｓｌｏｔｔｅｄ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｑｕａｓｉ−Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ"ＩＥＥＥ ＭＴＴ−Ｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｄｉｇｅｓｔ，Ｖｏｌ．２、ｐｐ．６７１−６７４、Ｊｕｎｅ １３−１９、１９９９．

本発明の目的は、大電力マイクロ波を高効率で電力分配することができ、且つ、外部に対する電力の漏出を抑制することのできる小型軽量な電力分配器を供給することである。

以下に、［発明を実施するための最良の形態］で使用する括弧付き符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの符号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための最良の形態］の記載との対応関係を明らかにするために付加されたものであるが、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

本発明の電力分配器は、マイクロストリップライン（２２、２３）と、ＴＥ１０モードを有し、一端を短絡終端とした方形導波管（２０）と、遮蔽部（２９ａ、２９ｂ）とを備え、方形導波管の電界方向に垂直な管壁にスロット（２４、２５）が設けられ、スロット上にマイクロストリップラインが載置され、遮蔽部は、スロットの開口部からマイクロストリップライン載置側空間に電力が漏洩しないようにスロットの開口部に対して閉空間を形成するように配設され、導波管の特性インピーダンスは導波管のＥ面寸法およびＨ面寸法が調整されることによりマイクロストリップラインの特性インピーダンスに整合される。Ｅ面寸法およびＨ面寸法は方形導波管（２０）の全長に亘って一様である。

また、本発明の電力分配器における遮蔽部（２９ａ、２９ｂ）は、方形導波管（２０）の電界方向に垂直なスロットの設けられた管壁上に載置され、マイクロストリップライン（２２、２３）を介してスロット（２４、２５）の開口部に対して閉空間を形成する遮蔽ケースである。

また、本発明の電力分配器における遮蔽ケースは、方形導波管（２０）の電界方向に垂直なスロットの設けられた管壁上に接続される垂直壁部（２９ａ）と、垂直壁部の端部を被覆してマイクロストリップライン（２２、２３）を介してスロット（２４、２５）の開口部に対して閉空間を形成する蓋部（２９ｂ）とを備え、蓋部は、垂直壁部の端部にネジ止めされ、ネジ（３０）止めのピッチは、スロットから出力されるＲＦの空間波長の１／４以内に設定される。

また、本発明の電力分配器において、遮蔽部（２９ａ、２９ｂ）によって形成される閉空間のスロット（２４、２５）の開口部から方形導波管（２０）の電界方向への高さは、スロットから出力されるＲＦの空間波長の１／４以内に設定される。

また、本発明の電力分配器において、垂直壁部（２９ａ）と蓋部（２９ｂ）との間に導電性部材が封入される。

また、本発明の電力分配器において、方形導波管（２０）のＥ面寸法およびＨ面寸法と、遮蔽部（２９ａ、２９ｂ）によって形成される閉空間のスロット（２４、２５）の開口部からの方形導波管の電界方向の高さとが、所定の周波数に対応するように設定され、方形導波管に供給される電力が、所定の周波数においてスロットを介して、マイクロストリップライン（２２、２３）に対して９５％以上の結合度で分配される。

また、本発明の導波管スロット給電アクティブ集積アンテナは、請求項１から６までのいずれか一項に記載の電力分配器と、電力分配器に備わるマイクロストリップライン（２２、２３）上に接続される移相器と、マイクロストリップラインの出力端に接続される薄膜アンテナとを備える。

また、本発明の宇宙太陽発電システムは、地球軌道上に配置され、太陽発電した電力を地表面上に伝送する宇宙太陽発電システムであって、衛星の姿勢制御、衛星の電力制御、および衛星と地上局との通信を制御するバス機器を搭載した衛星本体と、太陽電池および太陽電池より発電した電力を地表面上に伝送するための、請求項７に記載の導波管スロット給電アクティブ集積アンテナを備えたマイクロ波送電ユニットを有するミッション機器とを備える。

また、本発明の電力分配器の結合効率調整方法は、マイクロストリップライン（２２、２３）と、ＴＥ１０モードを有し、一端を短絡終端とした方形導波管（２０）と、遮蔽部（２９ａ、２９ｂ）とを有し、導波管の電界方向に垂直な管壁にスロット（２４、２５）が設けられ、スロット上にマイクロストリップラインが載置され、遮蔽部は、スロットの開口部からマイクロストリップライン載置側空間に電力が漏洩しないようにスロットの開口部に対して閉空間を形成するように配設され、方形導波管の特性インピーダンスは方形導波管のＥ面寸法およびＨ面寸法が調整されることによりマイクロストリップラインの特性インピーダンスに整合され、前記Ｅ面寸法および前記Ｈ面寸法は前記方形導波管（２０）の全長に亘って一様である電力分配器の結合効率調整方法であって、所定の周波数において電力分配器における方形導波管とマイクロストリップラインとの結合効率を最大にするための、導波管のＥ面寸法およびＨ面寸法を最適化して、導波管の特性インピーダンスを、マイクロストリップラインの特性インピーダンスに整合する導波管インピーダンス整合ステップと、遮蔽部によって形成される閉空間のスロットの開口部からの方形導波管の電界方向に沿った高さを最適化する閉空間高さ最適化ステップとを備える。

本発明により、大電力マイクロ波を高効率で電力分配することができ、且つ、外部に対する電力の漏出を抑制することのできる小型軽量な電力分配器を供給することができる。

添付図面を参照して、本発明による導波管スロット結合を用いた電力分配器を実施するための最良の形態を以下に説明する。

本発明の実施の形態に係わる電力分配器は、スロット結合方式により、導波管からマイクロストリップラインに対して電力が分配して供給される電力分配器である。本実施の形態に係わる電力分配器においては、特に、（１）所定の周波数において、方形導波管のＥ面寸法およびＨ面寸法を最適な値に設定することにより、導波管の特性インピーダンスを、当該導波管と電力結合させるマイクロストリップラインの特性インピーダンスに整合する。また、（２）スロットの開口部に対して遮蔽部を備えることにより、導波管に設けられるスロットの開口部からマイクロストリップライン載置側空間に電力が漏洩しないように、最適な大きさを有した閉空間を形成する。

これにより、本実施の形態においては、所定の周波数における導波管からマイクロストリップラインへの電力結合度を９５％以上にすることができる。また、導波管に設けられるスロットの開口部からマイクロストリップライン載置側空間に漏洩する電力が抑制されることにより、例えば本実施の形態に係わる電力結合器を、宇宙太陽発電システムの導波管スロット給電アクティブ集積アンテナに適用する際に、当該アクティブ集積アンテナにより形成されるビームパターンにジャミングなどの影響を与えることのない高品質な電力伝送ビームを形成することが可能となる。

さらに、本実施の形態においては、破損しやすいマイクロストリップラインが遮蔽部により被覆されているため、ハンドリングの際に誤って当該マイクロストリップラインを破損する恐れが低減され、電力分配器としての信頼性を向上することができる。

（実施の形態１）電力分配器
本発明の実施の形態１に係わる導波管スロット結合を用いた電力分配器の概略構成を図３および図４に示す。本実施の形態に係わる導波管スロット結合を用いた電力分配器は、図１に示されている従来の実施の形態に係わる導波管スロット結合を用いた電力分配器に、さらに導波管に設けられるスロットの開口部からマイクロストリップライン載置側空間に電力が漏洩することを防止し、マイクロストリップラインへの結合効率を向上させるため、スロットの開口部に対してマイクロストリップライン載置側に閉空間を形成するように配設される遮蔽部を備えている。

本実施の形態に係わる導波管スロット結合を用いた電力分配器は、ＴＥ１０モードを有し、一端を終端面とした方形導波管２０と、基板２１と基板上にパターン形成されているマイクロストリップライン１（２２）およびマイクロストリップライン２（２３）とを有するマイクロストリップラインとを備えている。方形導波管２０の電界方向に垂直な管壁には、スロット１（２４）およびスロット２（２５）が設けられている。スロット１（２４）およびスロット２（２５）の長さ方向の中心にマイクロストリップライン１（２２）およびマイクロストリップライン２（２３）が直交向きに載置されている。

また、本実施の形態に係わる電力分配器においては、遮蔽部として、方形導波管２０の電界方向に垂直な管壁上に載置され、マイクロストリップライン２２、２３を介してスロット２４、２５の開口部に対して閉空間を形成する遮蔽ケースを備えている。本実施の形態に係わる電力分配器における遮蔽ケースは、方形導波管２０の電界方向に垂直な管壁上に接続される垂直壁部２９ａと、垂直壁部の端部を被覆してマイクロストリップライン２２、２３を介してスロット２４、２５の開口部に対して閉空間を形成する蓋部２９ｂとにより構成される。蓋部２９ｂは、垂直壁部２９ａの端部にネジ３０により接合される。ネジ３０によるネジ止めのピッチは、スロット２４、２５から出力されるＲＦの空間波長の１／４以内に設定される。また、本発明の電力分配器において、遮蔽部ケース（２９ａ、２９ｂ）によって形成される閉空間の、スロット２４、２５の開口部から方形導波管（２０）の電界方向に沿った高さは、垂直壁部２９ａの高さ設定を変えることにより、スロットから出力されるＲＦの空間波長の１／４以内に設定される。本実施の形態に係わる電力分配器においては、遮蔽ケースから外部に漏出するＲＦを低減するために、垂直壁部２９ａの端部と蓋部２９ｂとの間に導電性接着剤などを封入しても良い。

方形導波管２０の開口端（ポート１）２６より入力されて電力を供給するマイクロ波は、図５に示すように方形導波管２０の磁界方向に伝播して進行し、スロット１（２４）およびスロット２（２５）から導波管２０外部へと分配放射される。スロット１（２４）およびスロット２（２５）上には、マイクロストリップライン１（２２）およびマイクロストリップライン２（２３）が直交方向に向けて載置されていて、スロット１（２４）およびスロット２（２５）から放射されるマイクロ波は、マイクロストリップライン１（２２）およびマイクロストリップライン２（２３）に電磁結合されてマイクロストリップライン１（２２）およびマイクロストリップライン２（２３）に沿って伝播されて、図示せぬ移相器およびパッチアンテナ等に入力される。

このように、本実施の形態に係わる導波管スロット結合を用いた電力分配器は、（ａ）方形導波管２０とマイクロストリップライン１（２２）およびマイクロストリップライン２（２３）との結合度を高めることを目的に、方形導波管２０の特性インピーダンスをマイクロストリップライン１（２２）およびマイクロストリップライン２（２３）の特性インピーダンスに整合させるよう、方形導波管２０のＥ面寸法およびＨ面寸法を最適化する。このために、本実施の形態に係わる電力分配器に備わる方形導波管２０のＨ面の寸法とＥ面の寸法とは変更されて、電界方向に平行であるＥ面の電界方向の寸法が、同等周波数帯域において使用される標準規格に準拠した導波管における当該寸法よりも際立って短くなっている（５．８ＧＨｚの場合、Ｅ面の電界方向の寸法が、従来の規格品寸法である約２０ｍｍから４ｍｍへと変更）。また、（ｂ）方形導波管２０に設けられるスロット２４，２５の開口部からマイクロストリップライン載置側空間に電力が漏洩することを防止し、マイクロストリップラインへの電力結合効率を向上させるための、スロットの開口部に対して閉空間を形成するように配設される遮蔽部を備えていることを構成的な特徴としている。

（実施の形態１による測定結果）
本実施の形態に係わる電力分配器による電力の結合効率の測定結果を、図６に示す。本測定においては、市販のスペクトラムアナライザにより、本実施の形態に係わる電力分配器の入力用ポート１（２６）、出力用ポート２（２７）、出力用ポート３（２８）それぞれのポート間におけるＳ１１，Ｓ２１、Ｓ３１が測定された。そして、既述した結合効率の関係式［数１］により、図６に示されている測定周波数５．２ＧＨｚから６．４ＧＨｚまでにおける結合効率が求められた。

現在、本実施の形態において使用するマイクロ波の周波数は５．８ＧＨｚであり、本実施の形態の電力分配器の設計パラメータは全て、５．８ＧＨｚに合わせて最適化されている。この結果、図６にも示されるように、５．７ＧＨｚから５．９ＧＨｚまでの周波数範囲に渡って、おおよそ９５％の電力結合度を実現している。

このように、本実施の形態においては、方形導波管２０のサイズを従来の国際規格寸法から変更することにより、所定の周波数での方形導波管２０の特性インピーダンスを、マイクロストリップライン２２、２３の特性インピーダンスと整合させる。また、方形導波管２０に設けられるスロット２４、２５の開口部からマイクロストリップライン載置側空間に電力が漏洩しないように、スロットの開口部に対して閉空間を形成するように配設される遮蔽部を備える。これにより、広い周波数帯域に渡り９５％以上の高結合度を有した電力分配器を実現させることができる。また、電力分配器としてのサイズが導波管サイズに厚さ１ｍｍ程度以下の基板２１を装荷しただけの構造であるため、非常に小型軽量にすることができると共に、構造がシンプルであるため、容易に多分配構造に発展させることができる。さらに、本実施の形態においては、破損しやすいマイクロストリップライン上に、遮蔽部を備えているため、ハンドリングの際に誤って当該マイクロストリップラインを破損する可能性が低減され、電力分配器としての信頼性の向上が実現される。

（実施の形態２）導波管スロット給電アクティブ集積アンテナ
本発明の実施の形態２に係わる導波管スロット給電アクティブ集積アンテナは、実施の形態１に記載される電力分配器と、さらに当該電力分配器に備わるマイクロストリップライン上に接続される図示せぬ移相器と、当該マイクロストリップラインの出力端に接続される図示せぬ薄膜アンテナとを有している。

本実施の形態においては、実施の形態１に係わる電力分配器により分配された電力が、マイクロ波として複数の当該薄膜アンテナから出力される。複数の当該薄膜アンテナから出力されたマイクロ波は、それぞれのマイクロストリップラインに接続されている上記移相器により位相制御されてビームフォーミングされる。本実施の形態においては、導波管スロット結合を用いた電力分配器より構成される電力分配部と、複数の薄膜アンテナによって形成される給電アクティブ集積アンテナ部とが一体化されることにより、移相器などの能動回路とアンテナとを別々に作成するのと比較して伝播損失が少なくなると共に小型軽量化が実現される。

また、本実施の形態に係わる導波管スロット給電アクティブ集積アンテナにおいては、導波管２０を二次元的に配列させることにより、広面積な送電アンテナを形成することができる。例えば、図３および図４に示される方形導波管２０を、１方向に対してのみでなく、２方向に対して平面的に配列させることにより、広面積を有する送電アンテナを形成することができる。

本実施の形態においては、実施の形態１と同様に、所定の周波数における導波管からマイクロストリップラインへの電力結合度を９５％以上にできる。また、導波管に設けられるスロットの開口部からマイクロストリップライン載置側空間に漏洩する電力が抑制されることにより、例えば本実施の形態により形成されるビームパターンにジャミングなどの影響を与えない高品質な電力伝送ビームを形成することができる。

さらに、本実施の形態においては、破損しやすいマイクロストリップライン上に遮蔽部を備えているため、ハンドリングの際に当該マイクロストリップラインを破損する可能性が低減され、導波管スロット給電アクティブ集積アンテナとしての信頼性の向上が実現される。

（実施の形態３）宇宙太陽発電システム
本発明の実施の形態３に係わる宇宙太陽発電システム（Ｓｐａｃｅ Ｓｏｌａｒ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ：ＳＳＰＳ）は、地球軌道上に配置され、太陽発電した電力を地表面上に伝送する宇宙太陽発電システムであって、衛星の姿勢制御、衛星の電力制御、および衛星と地上局との通信を制御するバス機器を搭載した図示せぬ衛星本体と、太陽電池および太陽電池より発電した電力を地表面上に伝送するための、実施の形態２に記載の導波管スロット給電アクティブ集積アンテナを備えたマイクロ波送電ユニットを有するミッション機器とを備えている。

マイクロ波送電ユニットは、図示せぬ太陽電池により発電された電力を、送電アンテナからマイクロ波の形で、地上に設置されている受信局および軌道上に配置されている他の宇宙機器に送信することを目的とするミッション機器である。マイクロ波送電ユニットは、広面積のパネルの両端部に送電アンテナを有し、広面積のパネルの宇宙空間指向面に太陽電池を有している。送電アンテナには、実施の形態２に示されている導波管スロット給電アクティブ集積アンテナが適用されることにより、太陽電池で発電された電力は効率良くマイクロ波により、地上に設置された受信局および他の宇宙機器へ送信される。

また、本実施の形態においては、実施の形態１および実施の形態２に示した作用効果に加え、マイクロ波送電ユニットを備えたことにより、宇宙太陽発電システムを成立させるために必要な、高精度なマイクロ波ビーム制御、大電力マイクロ波の電力分配、送電部の高効率化、および送電システム重量の最小化（数ｇ/Ｗ）の各々の宇宙機器としての要求規格を満たすことができる。

従来の導波管スロット結合を用いた電力分配器の概略構成を示す図である。 従来のスロット導波管アレイ増幅器の概略構成を示す図である。 従来のスロット導波管アレイ増幅器の概略構成を示す図である。 本発明の実施の形態１に係わる電力分配器の概略構成を示す図である。 本発明の実施の形態１に係わる電力分配器の概略構成を示す図である。 本発明の実施の形態１に係わる電力分配器の導波管スロット結合部の概略構成を示す図である。 本発明の実施の形態１に係わる電力分配器による、特定周波数帯域における結合効率測定結果を示す図である。

符号の説明

１…スロット導波管アレイ増幅器
２、１０、２０…導波管
３…スロット
４、１１、２１…基板
５…マイクロストリップライン
６…アンプ
７…パッチアンテナ
１２、２２…マイクロストリップライン１
１３、２３…マイクロストリップライン２
１４、２４…スロット１
１５、２５…スロット２
１６、２６…ポート１
１７、２７…ポート２
１８、２８…ポート３
２９ａ…遮へいケース
２９ｂ…遮へいケース（上ぶた）
３０…ネジ

Claims (9)

1. マイクロストリップラインと、
   ＴＥ１０モードを有し、一端を短絡終端とした方形導波管と、
   遮蔽部と
   を具備し、
   前記方形導波管の電界方向に垂直な管壁にスロットが設けられ、
   前記スロット上に前記マイクロストリップラインが載置され、
   前記遮蔽部は、前記スロットの開口部から前記マイクロストリップライン載置側空間に電力が漏洩しないように前記スロットの開口部に対して閉空間を形成するように配設され、
   前記方形導波管の特性インピーダンスは前記方形導波管のＥ面寸法およびＨ面寸法が調整されることにより前記マイクロストリップラインの特性インピーダンスに整合され、
   前記Ｅ面寸法および前記Ｈ面寸法は前記方形導波管の全長に亘って一様である電力分配器。
2. 請求項１に記載の電力分配器において、
   前記遮蔽部は、前記方形導波管の電界方向に垂直な前記スロットの設けられた管壁上に載置され、前記マイクロストリップラインを介して前記スロットの開口部に対して閉空間を形成する遮蔽ケースである電力分配器。
3. 請求項２に記載の電力分配器において、
   前記遮蔽ケースは、前記方形導波管の電界方向に垂直な前記スロットの設けられた管壁上に接続される垂直壁部と、前記垂直壁部の端部を被覆して前記マイクロストリップラインを介して前記スロットの開口部に対して閉空間を形成する蓋部とを備え、
   前記蓋部は、前記垂直壁部の前記端部にネジ止めされ、前記ネジ止めのピッチは、前記スロットから出力されるＲＦの空間波長の１／４以内に設定される電力分配器。
4. 請求項１から３までの少なくとも一項に記載の電力分配器において、
   前記遮蔽部によって形成される前記閉空間の前記スロットの開口部から前記方形導波管の電界方向への高さは、前記スロットから出力されるＲＦの空間波長の１／４以内に設定される電力分配器。
5. 請求項３または４に記載の電力分配器において、
   前記垂直壁部と前記蓋部との間に導電性部材が封入される電力分配器。
6. 請求項１から５までの少なくとも一項に記載の電力分配器において、
   前記方形導波管のＥ面寸法およびＨ面寸法と、前記遮蔽部によって形成される前記閉空間の前記スロットの開口部から前記方形導波管の電界方向への高さとが、所定の周波数に対応するように設定され、
   前記方形導波管に供給される電力が、前記所定の周波数において前記スロットを介して、前記マイクロストリップラインに対して９５％以上の結合度で分配される電力分配器。
7. 請求項１から６までのいずれか一項に記載の電力分配器と、
   前記電力分配器に備わる前記マイクロストリップライン上に接続される移相器と、
   前記マイクロストリップラインの出力端に接続される薄膜アンテナと
   を備える導波管スロット給電アクティブ集積アンテナ。
8. 地球軌道上に配置され、太陽発電した電力を地表面上に伝送する宇宙太陽発電システムであって、
   衛星の姿勢制御、衛星の電力制御、および衛星と地上局との通信を制御するバス機器を搭載した衛星本体と、
   太陽電池および太陽電池より発電した電力を地表面上に伝送するための、請求項７に記載の導波管スロット給電アクティブ集積アンテナを備えたマイクロ波送電ユニットを有するミッション機器と
   を具備する宇宙太陽発電システム。
9. マイクロストリップラインと、ＴＥ１０モードを有し、一端を短絡終端とした方形導波管と、遮蔽部とを具備し、前記方形導波管の電界方向に垂直な管壁にスロットが設けられ、前記スロット上に前記マイクロストリップラインが載置され、
   前記遮蔽部は、前記スロットの開口部から前記マイクロストリップライン載置側空間に電力が漏洩しないように前記スロットの開口部に対して閉空間を形成するように配設され、前記方形導波管の特性インピーダンスは前記方形導波管のＥ面寸法およびＨ面寸法が調整されることにより前記マイクロストリップラインの特性インピーダンスに整合され、前記Ｅ面寸法および前記Ｈ面寸法は前記方形導波管の全長に亘って一様である電力分配器の結合効率調整方法であって、
   所定の周波数において前記電力分配器における前記方形導波管と前記マイクロストリップラインとの結合効率を最大にするための、
   前記方形導波管のＥ面寸法およびＨ面寸法を最適化して、前記方形導波管の特性インピーダンスを、前記マイクロストリップラインの特性インピーダンスに整合する導波管インピーダンス整合ステップと、
   前記遮蔽部によって形成される前記閉空間の前記スロットの開口部からの前記方形導波管の前記電界方向に沿った高さを最適化する閉空間高さ最適化ステップと
   を具備する電力分配器の結合効率調整方法。

Images