JP4758873B2 - バンドパスフィルタ - Google Patents

Description

本発明は、特にマイクロ波を伝送するための導波管構造のバンドパスフィルタにおいて、レーダ装置から輻射される電波の不要成分を抑制するための構成に関する。

従来から、レーダ装置では、主にＳバンド、Ｃバンド、Ｘバンド等の周波数帯のマイクロ波を使用した物標の探索が行われているが、この種のレーダ装置では、使用する周波数が高いことや、大きな電力を損失なく伝送するために、導波管回路が多く用いられ、また様々な理由から特定の周波数だけを伝送させ、それ以外の周波数成分の伝送を阻止するためにフィルタが用いられる。例えば、マグネトロンを発振源とした場合、基本波以外の発振周波数のπ−１モード波や高調波が発振されるが、これらの基本波以外の不要な周波数波帯の発振、所謂スプリアスを抑制すると共に、占有する帯域幅の狭小化ができる導波管及びフィルタが求められる。

図８には、従来のＸバンドレーダ装置で観測される広帯域スペクトラムの一例が示されており、図示されるように、Ｘバンドレーダ装置では、基本波Ｐの他に、π−１モード波ＳＰ1や高調波の１つである２倍波ＳＰ2が観測される。これらのスプリアスは、基本波に対して既に相当低いレベルであるが、電波の有効利用の観点から更なる低減が望まれている。

そして、上記スプリアスを抑制、低減するために、下記に示すような特許文献等に示されるフィルタが用いられる。即ち、特開２００１−１３６００５号公報（特許文献１）は、周波数遮断特性の異なる２種類のフィルタを共振窓によって結合するものであり、特開２００４−１１７１３２号公報（特許文献２）は、基本波よりも高い周波数を遮断するローパスフィルタと、基本波よりも低い周波数を遮断するハイパスフィルタを配置し、２種類のフィルタでバンドパスフィルタを構成するものである。また、特開２００５−００５９３０号公報（特許文献３）は、非対称誘導性共振窓部を導波管伝送路に一体形成すると共に、この導波管伝送路を途中で折り返すようにしたものである。

特開２００１−１３６００５号公報 特開２００４−１１７１３２号公報 特開２００５−００５９３０号公報 「MICROWAVE FILTERS, IMPEDANCE-MATCHING NETWARKS, AND COUPLING STRUCTRES」、McGRAW-HILL BOOK COMPANY刊行、GEORGE L. MATTHAEI他著、４２５頁の１４及び１５の欄

しかしながら、上記特許文献１では、２種類のフィルタを共振窓によって結合することから、構成や設計が複雑になり、上記特許文献２では、ローパスフィルタ及びハイパスフィルタの独立した２つのフィルタを使用することから、減衰量を確保するためには、全長が長くなり、フィルタの小型化を図ることができないという問題があった。

また、上記特許文献３では、全長が短いにも拘らず大きな減衰量が確保できる利点があるが、導波管伝送路を折り返すため構成が複雑になると共に、減衰量の傾斜を大きくしようとすると通過帯域が狭くなる。即ち、この場合のフィルタの空洞のリアクタンスは、単一であり、単一の共振となるため、減衰量の傾斜を大きくとると通過帯域が狭くなる。そのため、減衰量の傾斜を大きくとりつつ帯域幅を広くするには、フィルタの段数を重ねる必要があるが、この場合には、共振周波数がずれたフィルタをスタガー手法で重ねることから、通過周波数から周波数のずれたフィルタを使用することになり、この結果、通過周波数の挿入損失が大きくなるという不都合がある。また、遮断する周波数の高域側と低域側を個別に調整できないという問題もある。

更に、バンドパスフィルタの基本設計事例が開示されている上記非特許文献１に記載のバンドパスフタは、フィルタの空洞のリアクタンスは単一であり、単一の共振となるため、減衰量の傾斜を大きくとろうとすると、通過帯域幅が狭くなる。

また、従来のレーダ装置では、マグネトロンを発振源とする場合に、基本波ローブ内スプリアスエミッション（以下、不要エミッションという）という現象が生じ、この不要エミッションによる影響を除去できないという問題があった。
図９には、従来のＸバンドレーダ装置で観測される基本波周辺のスペクトラムの一例が示されており、図示されるように、Ｘバンドレーダ装置では、ピーク発振周波数（Ｐ）に対して−６０ｄＢｃから−８０ｄＢｃ程度小さいレベルにおいて、ピーク発振周波数より低い周波数側でそのローブに不要エミッションＬＥが観測される。この不要エミッションＬＥは、マグネトロンをパルスで発振させた場合に一般的に見られる現象であり、基本波の発振が成立する場合に、パルス立ち上がりの陽極電圧の低い時点では周波数の低い側で発振するために起こるものである。

このような発振周波数より低い周波数側に発生する不要エミッションＬＥは、従来において取り除くことができず、これに起因するスプリアスがアンテナから輻射されているが、電波の有効利用の観点から占有する帯域幅を狭くする要請があり、基本発振周波数の出力レベルと比較して極めて小さい−６０ｄＢｃ程度の領域であっても、この不要エミッションＬＥに起因するスプリアスを抑制することが望ましい。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、広い帯域において挿入損失を低く抑える特性を維持した上で、シンプルな構成で小型化が可能となり、また遮断周波数の高域側と低域側を個別に設定でき、更には発振周波数より低い周波数側に発生する不要エミッションを低減し、電波の有効利用を図ることが可能となるバンドパスフィルタを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に係るバンドパスフィルタは、通過周波数帯より高域側の所定の周波数帯を遮断するために、矩形導波管内の第１面に凹部を形成し、この凹部にワッフルアイアン型の突起を形成したワッフルアイアン型フィルタを用い、このワッフルアイアン型フィルタの矩形導波管内における上記ワッフルアイアン型突起が形成された第１面に垂直な第２面の一部であって上記ワッフルアイアン型突起に対向する部分を該ワッフルアイアン型突起の方へ突出させ、かつ該第２面の突出面間の幅を入力口の幅よりも短くすることにより、上記通過周波数帯より低域側の周波数帯を遮断するように構成したことを特徴とする。

請求項１の構成によれば、ワッフルアイアン型突起（スタブ）の幅（Ｗ）、高さ（Ｈ）又は長さ（Ｌｂ）を調整することにより、通過周波数帯域における高域側の遮断周波数が設定され、また第２面の一部であるワッフルアイアン型突起に対向する部分の突出量、即ち第２面とワッフルアイアン型突起との間隔を調整して、その部分の第２面間の幅を入力口の幅よりも短くすることにより、通過周波数帯域における低域側の遮断周波数が設定されることになり、この場合も、遮断周波数の高域側と低域側をそれぞれ個別に設定することが可能となる。

即ち、本発明は、従来のワッフルアイアン型のローパスフィルタに、その通過周波数の低域側を遮断するための構成を付加し、バンドパスフィルタとして機能するようにしたものである。そして、上記ローパスフィルタの遮断周波数をマグネトロンのπ−１モード周波数又は高調波に合わせ、低域側の遮断周波数を基本波周波数より３００〜１０００ＭＨｚ程度低い周波数に合わせることにより、良好な特性のバンドパスフィルタを得ることができる。

本発明によれば、従来のワッフルアイアン型ローパスフィルタの導波管内のスロット間の第２面の突出量又は第２面の一部の突出量を調整するだけでよいので、広い帯域において挿入損失を低く抑える特性を維持した上で、シンプルな構成で小型化が可能となり、また遮断周波数の高域側と低域側をそれぞれ個別に設定できるという効果がある。更に、ワッフルアイアン型ローパスフィルタの導波管内の第２面の突出は、ワッフルアイアン型ローパスフィルタのリアクタンスへの影響が少ないため、本来の特性はそのまま維持され、π−１モードや２倍波のスプリアスを遮断することができる。また、基本波より低い周波数側のローブに発生する不要エミッションを遮断する効果を新たに得ることができる。その結果、占有する周波数帯域を狭くすることができ、電波の有効利用を図ることが可能となる。

図１及び図２には、本発明の参考例に係るバンドパスフィルタの構成が示されており、このバンドパスフィルタはコルゲート型フィルタ（ローパスフィルタ）を用いたものである。図において、バンドパスフィルタ１０は、入力口１２ｉから出力口１２ｏの形状を含めて全体の伝送路（断面）が矩形となる導波管１２が設けられ、この矩形導波管（伝送路）１２における矩形の長辺側の面である２つの第１面Ｓ1［図１（Ａ）の左右内面で、Ｈ面］に、その第１面Ｓ1から壁面内部（伝送方向に垂直な方向）へ窪むスロット（溝部）１４が伝送方向７０へ向けて３段形成される。このようなスロット１４を矩形導波管１２内に設けることにより、コルゲート型のローパスフィルタが構成される。

即ち、上記スロット１４の幅Ｗ_１（矩形導波管１２の長辺の幅と同一）、深さＤ、そして長さＬａを調整することにより、所定の周波数帯域よりも高い高域側周波数を遮断することができ、その遮断周波数より低い周波数においては、挿入損失が比較的小さくなり、Ｘバンドで、０．２ｄＢ以下に抑えることができる。また、上記スロット１４はその段数を増やすことにより、遮断周波数域の減衰量を増加させることができ、この例では３段として遮断周波数の大きな減衰量が確保できるようにしているが、この段数は必要となる減衰量に合わせて増減させることになる。

そして、上記３つのスロット１４の間の導波管１２の内面で、上記第１面Ｓ1に垂直となる面、即ち矩形の短辺側に位置する面である２つの第２面（Ｅ面）Ｓ2に、この第２面Ｓ2から導波管１２の中心へ向け幅ｔａだけ突出させた突出部（張出壁）１６を形成する。即ち、この突出部１６を設け、矩形導波管１２の断面矩形の長い方の幅Ｗ_２を狭くすることにより、上記コルゲート型ローパスフィルタで設定される通過周波数帯域の低い方の遮断周波数を設定し、所定の低域周波数を遮断することができる。また、この狭小化による効果が別のリアクタンスとして動作するため、従来のキャビティ型のバンドパスフィルタと異なり、高域側と低域側を別々に計算して設定することができる。

この参考例では、例えば上記スロット１４の幅Ｗ_１（矩形導波管１２の長辺の幅でもある）を２２．２ｍｍ、深さＤを９．３ｍｍ、長さＬａを３．２ｍｍとし、第２面Ｓ2の突出量ｔａを２．５ｍｍとし、対向するＳ2間の幅Ｗ_２を１７．２ｍｍに設定する。そして、基本周波数９４００ＭＨｚに対し、高域側の遮断（阻止）周波数をπ−１モード又は高調波の周波数に設定し、低域側の遮断周波数を基本周波数より３００〜１０００ＭＨｚ程度低い周波数に設定している。

図３には、図１の例のバンドパスフィルタの挿入損失１０１及び反射損失２０１の特性が示されており、この図３に示されるように、挿入損失１０１では、上記スロット１４を形成したコルゲート型フィルタにより、図示の高域の遮断特性ＨＲ_１が得られ、また第２面Ｓ2の突出によって図示の低域の遮断特性ＬＲ_１が得られることになる。そして、これらの遮断特性ＨＲ_１，ＬＲ_１は、各々を独立して調整することが可能となる。また、所望の基本周波数ｆ_０の周辺は、広い帯域に渡って挿入損失が低く抑えられている。

このような例によれば、従来のコルゲート型ローパスフィルタに対してスロット間の導波管内第２面Ｓ2の突出量を調整するだけであるから、構成が簡単であり、伝送方向７０に直列に種類の異なる２つのフィルタを接合することなく、バンドパスフィルタの小型化を図ることが可能となる。

なお、参考例の３段の上記スロット１４は、図１（Ａ）の状態で導波管１２の左右に設けているが、左右のいずれか一方でもよく、また突出部１６も上下のいずれか一方に形成するようにしてもよい。

図４及び図５には、実施例に係るバンドパスフィルタの構成が示されており、このバンドパスフィルタはワッフルアイアン型フィルタ（ローパスフィルタ）を用いたものである。図において、バンドパスフィルタ２０は、参考例と同様に、入力口２２ｉから出力口２２ｏの形状を含めて全体の伝送路の断面が矩形となる導波管２２が設けられ、この矩形導波管２２における矩形の長辺側の面である２つの第１面Ｓ1［図４（Ａ）の左右内面で、Ｈ面］に、凹部２３が設けられ、この凹部２３から導波管２２の中心（伝送方向７０に垂直な方向）へ向けて突出する状態でワッフルアイアン型突起、即ちスタブ２４が３個形成される。このスタブ１４は、伝送方向７０に対して１段配置した構成となるが、伝送方向７０に垂直な方向に配置する数は３個ではなく、２個等としてもよい。このようなスタブ２４を矩形導波管２２内に設けることにより、ワッフルアイアン型のローパスフィルタが構成される。

即ち、上記スタブ２４の幅Ｗ、高さＨ、そして長さＬｂを調整することにより、所定の周波数帯域よりも高い高域側周波数を広帯域に渡り遮断することができ、その遮断周波数より低い周波数においては、挿入損失が比較的小さくなり、Ｘバンドで、０．２ｄＢ以下に抑えることができる。また、上記スタブ２４は伝送方向７０の段数を増やすことにより、遮断周波数域の減衰量を増加させることができ、２段，３段等としてもよい。

そして、実施例では、上記導波管２２の内面で上記第１面Ｓ1に垂直となる面、即ち矩形の短辺側に位置する面である２つの第２面（Ｅ面）Ｓ2に、この第２面Ｓ2の一部をスタブ２４の側面へ向け（導波管２２の中心へ向け）幅ｔｂだけ突出させた突出部（張出壁部）２６を形成する。即ち、この突出部２６とスタブ２４との幅を狭くすることにより、上記ワッフルアイアン型ローパスフィルタで設定される通過周波数帯域の低い方の遮断周波数を設定し、所定の低域周波数を遮断することができる。また、この狭小化による効果が別のリアクタンスとして動作するため、従来のキャビティ型のバンドパスフィルタと異なり、高域側と低域側を別々に計算して設定している。

この実施例では、例えば上記スタブ２４の幅Ｗを４．１ｍｍ、高さＨを３．９ｍｍ、長さＬｂを４．１ｍｍとし、第２面Ｓ2の突出量ｔｂを２．６ｍｍに設定する。そして、基本周波数９４００ＭＨｚに対し、高域側の遮断（阻止）周波数をπ−１モード又は高調波の周波数に設定し、低域側の遮断周波数を基本周波数より３００〜１０００ＭＨｚ程度低い周波数に設定することができる。

図６には、実施例のバンドパスフィルタの挿入損失１０２及び反射損失２０２の特性が示されており、この図６に示されるように、挿入損失１０２では、上記スタブ２４を形成したワッフルアイアン型フィルタにより、図示の高域の遮断特性ＨＲ_２が得られ、また第２面Ｓ2の突出によって図示の低域の遮断特性ＬＲ_２が得られる。そして、これらの遮断特性ＨＲ_２，ＬＲ_２は、各々を独立して調整することが可能となる。また、所望の基本周波数ｆ_０の周辺は、広い帯域に渡って挿入損失が低く抑えられると共に、基本周波数ｆ_０の２倍波の周波数２ｆ_０に渡り良好な減衰量が確保される結果となった。

このような実施例によれば、従来のワッフルアイアン型ローパスフィルタに対してスロット間の導波管内第２面Ｓ2の突出量を調整するだけであるから、構成が簡単であり、伝送方向７０に直列に種類の異なる２つのフィルタを接合することなく、バンドパスフィルタの小型化を図ることが可能となる。

図７には、上記参考例及び実施例のバンドパスフィルタを組み込んだＸバンドレーダ装置で観測されるスペクトラムが示されており、これは、高域側の遮断周波数をマグネトロンのπ−１モード周波数又は高調波に合わせ、低域側の遮断周波数を基本周波数より３００〜１０００ＭＨｚ低い周波数に合わせたときのアンテナから輻射されるスペクトラムであり、この場合のバンドバスフィルタは、マグネトロンの発振部とアンテナとの間に、サーキュレータ、ＴＲ管、ロータリージョイント等と共に配置したものである。

この図７に示されるように、参考例及び実施例のバンドパスフィルタを採用した場合は、ピーク周波数Ｐに対して−６０ｄＢｃから−８０ｄＢｃ小さいレベルにおいて、従来の図９では周波数９．２ＧＨｚ以下で観測された不要エミッションＬＥが抑制され、良好なスペクトラムが得られた。また、図８で観測された２倍波ＳＰ２の周波数も抑制される結果となっている。

なお、実施例の１段の上記スタブ２４は、図４（Ａ）の状態で導波管１２の左右に設けているが、左右のいずれか一方でもよく、また突出部２６も上下のいずれか一方に形成してもよい。
また、実施例では、１段のスタブ２４に対して突出部２６を形成したが、このスタブ２４を複数段設ける場合は、複数段のスタブ２４のそれぞれに対して各々の突出部２６を複数配置してもよいし、複数段のスタブ２４の全体に渡って１つの（幅広の）突出部を配置してもよい。

本発明の参考例に係るバンドパスフィルタの構成を示し、図（Ａ）は入力口側から見た図、図（Ｂ）は側面図、図（Ｃ）は図（Ｂ）のＩ−Ｉ線断面図である。 図１のバンドパスフィルタを示す斜視図である。 図１のバンドパスフィルタの挿入損失と反射損失の特性を示す図である。 本発明の実施例に係るバンドパスフィルタの構成を示し、図（Ａ）は入力口側から見た図、図（Ｂ）は側面図、図（Ｃ）は図（Ｂ）のＩＩ−ＩＩ線断面図である。 実施例のバンドパスフィルタを示す斜視図である。 実施例のバンドパスフィルタの挿入損失と反射損失の特性を示す図である。 参考例及び実施例のバンドパスフィルタを用いたレーダ装置で観測されるスペクトラムを示す図である。 従来のレーダ装置で観測される広帯域スペクトラムを示す図である。 従来のレーダ装置で観測される基本波周辺のスペクトラムを示す図である。

１０，２０…バンドパスフィルタ、
１２，２２…導波管（矩形伝送路）、
１４…スロット、
１６，２６…突出部、
２３…凹部、
２４…スタブ（ワッフルアイアン型突起）。

Claims (1)

1. 通過周波数帯より高域側の所定の周波数帯を遮断するために、矩形導波管内の第１面に凹部を形成し、この凹部にワッフルアイアン型の突起を形成したワッフルアイアン型フィルタを用い、
   このワッフルアイアン型フィルタの矩形導波管内における上記ワッフルアイアン型突起が形成された第１面に垂直な第２面の一部であって上記ワッフルアイアン型突起に対向する部分を該ワッフルアイアン型突起の方へ突出させ、かつ該第２面の突出面間の幅を入力口の幅よりも短くすることにより、上記通過周波数帯より低域側の周波数帯を遮断するように構成したバンドパスフィルタ。

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