JP4724849B2

JP4724849B2 - 誘電体ケーブルおよび導波管

Info

Publication number: JP4724849B2
Application number: JP2006196691A
Authority: JP
Inventors: 新治末定
Original assignee: Fukui Prefecture
Current assignee: Fukui Prefecture
Priority date: 2006-07-19
Filing date: 2006-07-19
Publication date: 2011-07-13
Anticipated expiration: 2026-07-19
Also published as: JP2008028523A

Description

本発明は、高周波の電磁界を伝送する伝送線路技術に関する。

電磁界の伝送線路は、低周波ではレッヘル線路や同軸ケーブル、マイクロ波帯以上の高周波では導波管が一般的である。

高周波の電磁界を伝送するには、レッヘル線路や同軸ケーブルでは伝送損失が大きいため導波管が使われる。しかし、導波管は可撓性がないため敷設が容易でなく、また高価であるという欠点がある。

導波管が可撓性に乏しいという欠点を改善した伝送線路として、フッ素樹脂等の低誘電損失材料を使った柔軟性に富む誘電体ケーブルが知られているが、導波管よりもさらに高価である。

本発明は、可撓性がない金属製導波管を代替し、かつ高周波においても伝送損失が小さい、低価格の伝送線路を実現することを目的とする。

上記の目的を達するため、本発明では、安価な化学繊維等の糸を電磁界を導くための誘電体とし、それらを束ね、または絡み合わせることにより形状を保ち、低コストの誘電体ケーブルと導波管を提示する。

即ち（１）、所用数の電気的に絶縁性である糸を束ね、あるいは絡みあわせることで構成され、一方向に所要の長さを持つケーブルであって、そのケーブル断面の誘電率分布構造が、中心部の誘電率が高く周辺部は低くなるように構成され、この断面の誘電率分布構造が長さ方向に連続することにより、電磁界を伝送することを特徴とするケーブルにある。

そして（２）、断面内の一カ所または複数の局所的な領域の誘電率が、それぞれの局所的領域の周囲の誘電率とは異なっており、この断面内の誘電率分布構造が長さ方向に連続することを特徴とする上記（１）に記載のケーブルにある。

そして（３）、上記（１）および（２）に記載のケーブルであって、その断面の最も外側に金属層を配設した断面構造が長さ方向に連続することにより、電磁界を伝送することを特徴とする導波管にある。

さらに（４）、所用数の電気的に絶縁性である糸を束ね、あるいは絡みあわせることで構成され、一方向に所要の長さを持つケーブルであって、断面内の一カ所または複数の局所的な領域の誘電率が、それぞれの局所的領域の周囲の誘電率とは異なっており、ケーブル断面の最も外側に金属層を配設した断面構造が長さ方向に連続することにより、電磁界を伝送することを特徴とする導波管にある。

化学繊維等は一般に、電磁気的に良い低損失の誘電体であるので、その糸を所要数束ねた繊維束は、電磁界を導く誘電体伝送線路として用いることができる。

糸は一般に円形の断面を持つので、糸を束ねた繊維束には糸と糸の間に多くの空隙が存在する。このため糸の材質本来の誘電率よりも、糸の集合体としての繊維束がもつ等価的な誘電率は、空隙を含む分だけ小さくなる。

繊維束の誘電率が小さくなるということは、電磁界の伝搬に伴う誘電損失も小さくなることを意味しており、繊維束を伝送線路にした誘電体ケーブルの伝送損失は、糸本来の材質で、空隙を含まない誘電体伝送線路を構成した場合よりも小さくなる。

誘電体伝送線路は柔軟性があるので、小さな変形によって、その電磁界の伝搬モードが変化してしまう。本発明では誘電率の異なる繊維材料を組み合わせることで、局所的に誘電率の異なる領域を配設することが可能で、簡単に伝送線路断面内での誘電率分布を制御できるので、電磁界の伝搬モードを固定することが可能になる。伝搬モードの固定化は、伝送線路に取り付けるコネクタの設計が容易になり、伝送線路とコネクタの接続点での電磁界の反射損失の低減が図られる。

また、繊維束は柔軟性があり、ケーブルや導波管としたときの敷設が容易になることで、高周波利用設備の設置面積の縮小が可能になることや工期の短縮などで、設備全体の建設コスト低減につながる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の典型的な誘電体ケーブルの断面図である。図１の誘電体ケーブルは、その断面構造が二層の異なった誘電率をもつ繊維束からなり、内側層を構成する繊維束の等価的な誘電率は、外側層の等価的誘電率よりも大きい。

内側の層は、ε_r１なる比誘電率を有する電気的に絶縁性の糸１の集合体である。糸１単体の断面は円形であるので、束ねて繊維束とすると空隙を多数含み、この空隙を含むことで内側の層の等価的な比誘電率はε_r1よりも小さくなる。このことより、電磁界伝搬に伴う誘電損失も小さくなる。

内側の層の等価的な比誘電率は、ε_r1よりも小さく空気よりも大きい。電磁界は誘電率の大きい空間に集中して伝搬するので、内側の層だけを空気中に置いた場合、繊維束に沿って電磁界を導くことができる。

一般には、内側層を空気のみが取り囲んでいるような敷設方法は不可能なので、図１で示す糸２の集合体からなる外側層が必要になる。糸２はε_r2なる比誘電率をもつ材質からなり、図１の糸２の繊維束からなる外側層の等価的な比誘電率を、内側層の等価的な比誘電率よりも小さくすることで電磁界を伝搬させる。

内側層と外側層のそれぞれの厚さは、それぞれの材料の誘電率、伝搬する電磁界の周波数と伝搬モードによって決定される。

一般に伝送線路は、その両端に伝送線路の内部電磁界を、同軸ケーブル内部の伝搬モードである、TEMモードへのモード変換器の働きをするコネクタを取り付ける必要があるので、電磁界の伝搬モードは伝送線路全体にわたって一定していることが望ましい。

図1の誘電体ケーブルは、小さな変形で簡単に電磁界の伝搬モードが変化する。この点を改善するため、図２のように、ε_r3、ε_r4なる比誘電率を持つ糸３，糸４からなる繊維束を、断面内で局所的に配設することにより伝播モードを固定することができる。

図２では、糸３，糸４からなる局所的領域がケーブル断面の両極に位置するように配設されているので、ケーブル内の電磁界の方向を固定することが可能になる。図２の場合、ε_r3、ε_r4とε_r2との大小関係や局所的領域の面積、および電磁界の周波数によって、電界の方向は、両極方向またはそれと直交する方向に固定される。

図２の局所的に配設した繊維束の領域は、その領域の面積や材質、伝搬する電磁界の周波数により、一箇所または複数にすることができる。また、図２では外側層内に配設しているが、内側層内に配設することもできるし、内側層と外側層それぞれに配設することも可能である。

糸３および糸４の繊維束を配設した局所的な領域の等価誘電率は、それぞれの局所領域を取り囲んでいる領域の等価誘電率と異なることが必要である。このとき、糸３および糸４の比誘電率ε_r3、ε_r4は、等しい値であってもかまわない。

図３は、本発明の基本的な誘電体ケーブルを導波管とした例で、繊維束の外側に金属層５を配設することで得られる。繊維束からなる誘電体層は、図２のような局所的に誘電率が異なる領域を設けた断面構造とすることは、電磁界の伝搬モードを固定するために有効である。

図４は、図３の内側の層をなくし単一の層からなり、電磁界の伝搬モードを固定するために局所的に誘電率の異なる領域を配設した導波管の例である。

金属層５は、めっき、塗布、蒸着、金属線編組等の方法で配設する事ができる。また、やや可撓製に劣るが、従来のように金属パイプや金属箔で繊維束を包む方法も可能である。

繊維束を作る際、撚りをかけたり不織布のように糸を絡み合わせなければ、繊維束として形を保つことができないので、一旦、繊維束の外側を糸、フィルム等の、繊維束断面の誘電率分布に大きな影響を与えない材料で包むことが必要になる。この場合、繊維束を構成する糸と同種の糸を用いて束ねることが有効である。また、繊維束の等価誘電率と同じ誘電率をもつフィルムで包むことも有効である。

図５は、本発明にかかる図１の構造で試作した、長さ１ｍの誘電体ケーブルの伝送量を測定したグラフである。実線は、試作誘電体ケーブルの伝送量を周波数を変化させて測定したものである。比較のため、試作誘電体ケーブルを接続しない状態で、測定器に現れる伝送量を一点鎖線で示す。

試作誘電体ケーブルは、その両端に設けるコネクタを市販のものを使ったため、ケーブル内部の電磁界との整合が十分でなく、大きな反射損失が生じてしまった。コネクタをケーブル内部の電磁界を考慮して設計する事で、この反射損失は無視できるほど小さくすることが可能である。

図５では、10GHz付近から急激に伝送量が増し、15GHzから20GHzまでの周波数範囲で、この誘電体ケーブルは良好な伝送線路として動作することがわかる。

図５で測定した試作誘電体ケーブルは、図１の断面構造をもっている。内側層は、ポリプロピレンの糸を数百本束ねたものを芯にして、製紐機を使って、ポリプロピレンの糸による編み組みを施して、直径約10mmの繊維束としてまとめている。また、外側層はポリエステルの糸を絡ませて製造した、１平方メートル当たり300グラム、厚さ約30mmの不織布を用いた。

図６は、試作誘電体ケーブルに使った材料の誘電損失を誘電正接(tanδ)として測定したグラフで、ポリプロピレン糸の繊維束を三角印で、ポリエステルの不織布を丸印で示す。両方ともに測定のばらつきは大きいが、ポリプロピレンは10^-２以下、ポリエステル不織布は10^-３以下の誘電損失を示すことが推定され、マイクロ波以上の高い周波数においても良い低誘電損失材料であることがわかる。

図１の構造を持つ誘電体ケーブルは、単一モード光ファイバの伝搬と同じ伝送原理利用している。図１の内側層の直径を２ａ、光速をｃ、伝搬する電磁界の周波数をｆとすると、この伝送線路は数１を満足する。数１でε_ra、ε_rbは、それぞれ内側層と外側層の等価的な比誘電率を示している。

光ファイバケーブルのコネクタは、マイクロ波やミリ波用ケーブルのコネクタとは違い、ケーブル内部からコネクタへの電磁界の伝搬原理が異なるために、図２のような局所的に誘電率の異なる領域を設ける必要は無い。

… 本発明の基本的な誘電体ケーブルの断面図 … 局所領域の誘電率を制御して伝搬モードを固定化したケーブルの断面図 … 本発明の基本的な導波管の断面図 … 局所領域の誘電率を制御して伝搬モードを固定化した導波管の断面図 … 図１の断面をもつ試作誘電体ケーブルの伝送量を測定したグラフ … 試作誘電体ケーブルの材料について、誘電損失を測定したグラフ

符号の説明

１ … ε_r1の比誘電率を持つ糸
２ … ε_r2の比誘電率を持つ糸
３ … ε_r3の比誘電率を持つ糸
４ … ε_r4の比誘電率を持つ糸
５ … 金属層

Claims

所用数の電気的に絶縁性である糸を束ね、あるいは絡みあわせることで構成され、糸と糸の間に空隙が存在することで、糸の材料単体の誘電率よりも、糸の集合体としての繊維束がもつ等価的な誘電率が小さく設定された、一方向に所要の長さを持つケーブルであって、そのケーブル断面の誘電率分布構造が、中心部の誘電率が高く周辺部は低くなるように構成され、この断面の誘電率分布構造が長さ方向に連続することにより、電波を伝送することを特徴とするケーブル。
断面内の一カ所または複数の局所的な領域の誘電率が、それぞれの局所的領域の周囲の誘電率とは異なっており、この断面内の誘電率分布構造が長さ方向に連続することを特徴とする請求項１のケーブル。
請求項１又は請求項２に記載のケーブルと、ケーブル断面の最も外側に配設されて断面構造が長さ方向に連続する金属層とを備え、電波を伝送することを特徴とする導波管。
所用数の電気的に絶縁性である糸を束ね、あるいは絡みあわせることで構成され、糸と糸の間に空隙が存在することで、糸の材料単体の誘電率よりも、糸の集合体としての繊維束がもつ等価的な誘電率が小さく設定された、一方向に所要の長さを持つケーブルであって、断面内の一カ所または複数の局所的な領域の誘電率が、それぞれの局所的領域の周囲の誘電率とは異なるケーブルと、ケーブル断面の最も外側に配設されて断面構造が長さ方向に連続する金属層とを備え、電波を伝送することを特徴とする導波管。