JP4814210B2 - 高調波伝搬阻止フィルタおよびマイクロ波送信機 - Google Patents

Description

この発明は、高周波信号を扱う回路において、基本波周波数以外の高調波成分の伝搬を阻止する高調波伝搬阻止フィルタ、それを備えたマイクロ波送信機に関するものである。

従来、電波資源の有効利用を図る見地から、各種高周波機器においては使用周波数帯から離れた周波数帯域で不要な輻射が生じないように規制や勧告がなされている。

マイクロ波発信源のスプリアス特性を改善するバンドパスフィルタとして特許文献１が示されている。

図１に特許文献１の導波管型バンドパスフィルタの構成を示す。
この導波管型バンドパスフィルタは、方形導波管の基本モードであるＴＥ１０モードの主伝搬方向に対し、電界成分Ｅが直交する方向に方形導波管の基本モードであるＴＥ１０２モードの導波管型共振器１ａ，１ｂが２段に、その管壁の１つである広面で接続して設けられている。接続された導波管型共振器１ａ，１ｂの一部である両者の接続部には、折り返し部５が設けられている。この折り返し部５の導波管型共振器１ａ，１ｂを仕切る導波管の広面からなる管壁６に、両導波管型共振器１ａ，１ｂを結合させる結合孔２ａが設けられている。接続された導波管型共振器１ａ，１ｂの一端と他端の入出力結合孔３ａ，３ｂは、導波管型共振器１ａ，１ｂの広面からなる管壁６で仕切られて直接結合しないようになっている。接続された導波管型共振器１ａ，１ｂの一端と他端の入出力結合孔３ａ，３ｂには、入出力導波管４ａ，４ｂが電界成分に直交する方向に接続されている。
特開２００４−２７４３４１号公報

ところで、船舶用レーダの送信管としてはマグネトロンが用いられている。このマグネトロンは、基本的にπモードで発振して基本波周波数のマイクロ波を発生するが、同時に基本波周波数の２次高調波の発振モードであるπ−１モードの周波数成分（２次高調波成分）が不要輻射として生じる。

導波管型の共振器をフィルタとして備えた構成においては、例えば矩形導波管のＴＥ１０１モードで共振する導波管型フィルタを設けた場合に、基本波が透過するだけでなく，ＴＥ２０２モードでも共振するので、２次高調波も透過してしまう。そのため導波管型フィルタは高調波伝搬阻止フィルタとして用いることはできなかった。このことを図２を用いて次に説明する。

図２は従来の、高調波抑制機能のない導波管型共振器の構成を示す図である。図２（Ａ）はその外観斜視図である。基本的には、矩形導波管を平面形状が正方形となる寸法に切りだして、前後の開口部を導体で閉塞したような形状である。

図２（Ｂ）は基本波の電磁界分布を模式的に表している。また図２（Ｃ）は、その２次高調波の電磁界分布の構成を模式的に表している。ここで実線の矢印はある瞬間の電気力線、ドットマークおよびクロスマークは磁界の向きをそれぞれ表し、これらによって電磁界強度の分布を表している。

図２（Ｃ）は基本波の電磁界分布のうち電界エネルギーと磁界エネルギーの強度分布について示している。また、図２（Ｅ）は２次高調波の電磁界分布のうち電界エネルギーと磁界エネルギーの強度分布について示している。両図において、ＥＦは電界エネルギーが支配的な領域、ＭＦは磁界エネルギーが支配的な領域である。

このようにＴＥ１０１モードで共振する導波管型共振器はＴＥ２０２モードでも共振するので、ＴＥ１０１モードを基本波としたときの２次高調波を抑制することができない。

したがって、上記不要輻射を抑制するために、特許文献１に示されている導波管型バンドパスフィルタを用いても、肝心の２次高調波成分の抑制効果が低いという問題があった。

そこで、この発明の目的は、高調波伝搬阻止効果が高いフィルタおよびそれを備えたマイクロ波送信機を提供することにある。

上述の課題を解決するために、この発明は次のように構成する。
（１）この発明の高調波伝搬阻止（帯域通過）フィルタは、ＴＥモードで共振する導波管型の共振器を複数備え、隣接する共振器同士を結合窓を介して結合させたフィルタにおいて、
前記結合窓で前記隣接する共振器の所定次数の高調波モード同士を磁界結合および電界結合させて、当該高調波モード同士の結合を打ち消すようにしたことを特徴とする。

この構成により、高調波モード同士は結合しない。仮に、隣接する２つの共振器の一方の共振器の基本波と他方の共振器の高調波とが結合窓を介して結合するとしても、隣接する２つの共振器の高調波モード同士が上記磁界結合と電界結合とで打ち消されるので、高調波モードでの伝搬が阻止される。

これにより、抑制しようとするｎ次高調波を効果的に抑制することができ、不要高調波の伝搬を大きく阻止できる。

（２）前記結合窓は複数備えるとともに、これら複数の結合窓の幾つかでまたは全てで、前記隣接する共振器の基本波モード同士を、主として電界結合または磁界結合により結合させた、
この構成により、隣接する共振器の基本波モード同士を結合する結合窓で高調波モード同士の結合が阻止される。そのため、高調波モードでの伝搬が阻止される。

（３）前記隣接する共振器の前記高調波同士を磁界結合させる結合窓を配置するとともに、前記共振器のＥ面のいずれかの箇所に基本波の半波長以下で且つ前記高調波の半波長以上の幅をもった付加領域を備え、該付加領域の近傍に前記高調波が電界結合する結合窓を配置してもよい。

この構成により、上記付加領域の近傍に配置した結合窓によって、隣接する共振器の高調波同士が比較的強く電界結合される。そのため、他の結合窓による磁界結合を打ち消して、高調波同士の結合をより確実に抑制できる。

また、上記付加領域を設けずに、高調波モード同士が電界結合する位置に結合窓を配置すると、その結合窓は基本波モードの電界強度の高い領域でもあるので、その結合窓の開口部でまたは結合窓と対向する導体面との間で放電が生じやすくなる。すなわち耐電力性能が劣化することになるが、上述の構成によればこの問題が生じない。

（４）この発明のマイクロ波送信機は、基本波をπモードで発振するマグネトロンとアンテナとの間の伝搬路に前記高調波伝搬阻止フィルタを備える。

この構成により、マグネトロンから発生されるπ−１モードの高調波成分が前記高調波伝搬阻止フィルタで阻止されるので不要輻射が抑えられる。

この発明によれば、不要な高調波の伝搬を阻止するフィルタ、および不要な高調波の輻射を抑制したマイクロ波送信機が得られる。

《第１の実施形態》
図３は第１の実施形態に係る高調波伝搬阻止フィルタの主要部の分解斜視図である。
この高調波伝搬阻止フィルタは、基本的に、２つの金属ブロック４１，４３、その間の仕切り板４２、および入出力用空間３２ａ，３２ｄ（矩形導波管の端部）で構成している。

第１の金属ブロック４１には、一定深さの凹部を形成することによって共振領域５１ａ，５１ｂを形成している。また共振領域５１ｂには付加領域５２ｂ，５３ｂを設けている。また２つの共振領域５１ａ，５１ｂの間に結合窓３３ａｂを形成している。さらに共振領域５１ａには、図における後方に抜ける結合窓３３ａａを形成している。

第２の金属ブロック４３には、金属ブロック４１と鏡対称の関係で共振領域５１ｃ，５１ｄ、付加領域５２ｃ，５３ｃ、および結合窓３３ｃｄ，３３ｄｄをそれぞれ形成している。

仕切り板４２は金属ブロック４１，４３の共振領域形成面同士で挟まれる金属板であり、共振領域５１ｂ−５１ｃ同士を連通する結合窓３３ｂｃ１，３３ｂｃ２，３３ｂｃ３，３３ｂｃ４を開口している。

上記５つの部材を重ね合わせて高調波伝搬阻止フィルタを構成する。
このような構造により、入出力用空間３２ａ→結合窓３３ａａ→共振領域５１ａ→結合窓３３ａｂ→共振領域５１ｂ→結合窓３３ｂｃ→共振領域５１ｃ→結合窓３３ｃｄ→共振領域５１ｄ→結合窓３３ｄｄ→入出力用空間３２ｄの経路で電磁波が伝搬することになる。

図４（Ａ）は、第１の実施形態に係る高調波伝搬阻止フィルタの所定の共振器の各モードの電磁界分布の例を示す図、図４（Ｂ）はその比較例としてのフィルタの所定の共振器の各モードの電磁界分布の例を示す図である。

図５は第１の実施形態に係る高調波伝搬阻止フィルタ２０１の共振領域内に生じる２次高調波の定在波を濃度分布で示している。

図４（Ａ）（Ｂ）の共振領域５１ｂ，５１ｂ′において、破線のループＨ１は基本波モードの電磁界分布の磁界ループ、破線の４つのループＨ２は２次高調波モードの電磁界分布の磁界ループをそれぞれ表している。この共振領域５１ｂに隣接する共振領域（図３に示した共振領域５１ｃ）についても同様に、基本波モードと２次高調波モードの電磁界が分布する。

図４（Ｂ）に示した比較例としてのフィルタについても、隣接する共振領域に図４（Ｂ）に示したものと同様の基本波モードと２次高調波モードの電磁界が分布する。

比較例としてのフィルタでは、図４（Ｂ）に示すように、結合窓３３ｂｃは、互いに隣接する共振器の基本波モードの磁界エネルギーの高い領域に配置しているので、その２つの共振器の基本波モード同士は磁界結合する。また、結合窓３３ｂｃは、互いに隣接する共振器の２次高調波モードについても磁界エネルギーの比較的高い領域に配置しているので、その２つの共振器の２次高調波モード同士は磁界結合する。

そのため、図４（Ｂ）に示した比較例としてのフィルタは、基本波モードだけでなく、２次高調波についても共振するとともに伝搬してしまう。

これに対して、第１の実施形態に係る高調波伝搬阻止フィルタでは、図４（Ａ）に示すように、結合窓３３ｂｃ１，３３ｂｃ２，３３ｂｃ３，３３ｂｃ４は、互いに隣接する共振器の基本波モードの磁界エネルギーの高い領域に配置しているので、その２つの共振器の基本波モード同士は強く磁界結合する。

一方、結合窓３３ｂｃ３，３３ｂｃ４は、互いに隣接する共振器の２次高調波モードの電界エネルギーの高い領域に配置しているので、その２つの共振器の２次高調波モード同士は電界結合しようとする。結合窓３３ｂｃ３，３３ｂｃ４が２次高調波モードの電界エネルギーの高い領域にあることは、図２（Ｅ）および図５に示した電磁界分布から明らかである。

しかし、結合窓３３ｂｃ１，３３ｂｃ２は、互いに隣接する共振器の２次高調波モードの磁界エネルギーの高い領域に配置しているので、その２つの共振器の２次高調波モード同士は磁界結合しようとする。この２次高調波モード同士の電界結合と磁界結合とをほぼ等量にすることによって、互いに隣接する共振器の２次高調波モード同士は殆ど結合しないことになる。

なお、上記付加領域５２ｂ，５３ｂ（５２ｃ，５３ｃ）は、共振領域５１ｂのＥ面が部分的に突出した形状をなし、そのＥ面の長手方向に沿った幅が基本波の半波長以下で且つ２次高調波の半波長以上である。そのため、２次高調波の電磁界はこれらの付加領域５２ｂ，５３ｂ（５２ｃ，５３ｃ）に侵入して分布する。そのため、結合窓３３ｂｃ３，３３ｂｃ４は、２次高調波モードの電界エネルギーの高い位置で、且つ基本波モードの電界エネルギーの低い位置に配置できる。

基本波モードの電界エネルギーの高い位置に結合窓を配置すると、その結合窓の開口部でまたは結合窓と対向する導体面との間で放電が生じやすくなるが、この第１の実施形態によれば、この問題が生じなく、耐電力性能が劣化しない。

このようにして、高調波伝搬阻止フィルタ２０１は、４つの共振器が順に結合した４段の共振器からなり、共振領域５１ｂによる共振器部および共振領域５１ｃによる共振器部で、２次高調波モードの結合・伝搬が阻止される。すなわち、基本波周波数の帯域を通過し且つ２次高調波を阻止する機能を有する帯域通過フィルタとして作用する。

図６（Ａ）は第１の実施形態に係る高周波伝搬阻止フィルタの周波数特性図、図６（Ｂ）は、図４（Ｂ）に示した比較例としてのフィルタの周波数特性図である。いずれも基本波周波数は９．４ＧＨｚであるが、高調波阻止機能がない場合、図６（Ｂ）に示すように約１３．８ＧＨｚおよび１８．８ＧＨｚ帯で通過域が生じている。これに対して第１の実施形態による高調波伝搬阻止フィルタによれば、図６（Ａ）に丸印で示すように１８．８ＧＨｚの挿入損失が大きく、２次高調波が阻止されるのが分かる。

《第２の実施形態》
第２の実施形態に係る高調波伝搬阻止フィルタは、第１の実施形態の高調波伝搬阻止フィルタと同様に、仕切り板を２つの金属ブロックで挟んで構成する。図７は第２の実施形態に係る高調波伝搬阻止フィルタに備える共振領域の形状および結合窓の構成を示す平面図である。この図は第１の実施形態で図４（Ａ）に対応させて表したものである。

図７に示した例では、図４（Ａ）に示した付加領域５２ｂ，５３ｂを設けていない。また、共振領域５１ｂには２つの結合窓３３ｂｃ５，３３ｂｃ６のみを設けている。

図中、破線のループＨ１は基本波モードの電磁界分布の磁界ループ、破線の４つのループＨ２は２次高調波モードの電磁界分布の磁界ループをそれぞれ表している。共振領域５１ｂに対して仕切り板を介して隣接する共振領域についても同様の基本波モードと２次高調波モードの電磁界が分布する。

上記結合窓３３ｂｃ５は、互いに隣接する２つの共振器の基本波モードの磁界エネルギーの高い領域に配置しているので、また、結合窓３３ｂｃ６も２つの共振器の基本波モードの磁界エネルギーの比較的高い領域に配置しているので、その２つの共振器の基本波モード同士は磁界結合する。

一方、結合窓３３ｂｃ５は、互いに隣接する共振器の２次高調波モードについても磁界エネルギーの高い領域に配置しているので、その２つの共振器の２次高調波モード同士は磁界結合しようとする。しかし、結合窓３３ｂｃ６は、互いに隣接する共振器の２次高調波モードの電界エネルギーの高い領域に配置しているので、その２つの共振器の２次高調波モード同士は電界結合しようとする。この２次高調波モード同士の電界結合と磁界結合とをほぼ等量にすることによって、互いに隣接する共振器の２次高調波モード同士は殆ど結合しないことになる。

このようにして、４つの共振器が順に結合した４段の共振器からなり、共振領域５１ｂによる共振器部およびそれに隣接する共振領域による共振器部で、２次高調波モードの結合・伝搬が阻止される。すなわち、基本波周波数の帯域を通過し且つ２次高調波を阻止する機能を有する帯域通過フィルタとして作用する。

《第３の実施形態》
図８は第３の実施形態に係るマイクロ波送信機の例としてのレーダの構成を示すブロック図である。レーダの高周波回路部は、マイクロ波を発振するマグネトロン７２、それをパルス駆動する駆動回路７１、マグネトロン７２の発振信号を後段方向へ伝搬するサーキュレータ７３、終端器７４、２次高調波を抑制する高調波伝搬阻止フィルタ２０１、送信信号をロータリージョイント側へ伝搬させ、受信信号を受信回路側へ伝搬させるサーキュレータ７６、ロータリージョイント７７、アンテナ７８、送信信号の電力が受信回路側へ回り込まないようにする制限するリミッタ回路７９および受信回路８０を備えている。

駆動回路７１がマグネトロン７２をパルス駆動することによって、９．４ＧＨｚのパルス状マイクロ波信号が出力され、サーキュレータ７３→高調波伝搬阻止フィルタ２０１→サーキュレータ７６→ロータリージョイント７７→アンテナ７８の経路で空中へ放射される。また物標で反射した信号がアンテナ７８で受信され、ロータリージョイント７７→サーキュレータ７６→リミッタ回路７９→受信回路８０の経路で受信される。

このように送信信号が高調波伝搬阻止フィルタ２０１を通過する際、２次高調波が阻止されるので、アンテナ７８からの２次高調波の不要輻射が抑制される。高調波伝搬阻止フィルタ２０１はサーキュレータ７３の後段に設けたので、上記２次高調波はマグネトロン７２だけでなくサーキュレータ７３で生じるものについても有効である。

なお、高調波伝搬阻止フィルタ２０１を透過せずに反射した２次高調波はサーキュレータ７３を介して終端器７４で消費されるので、マグネトロン７２に対して悪影響を与えることがない。

なお、以上に示した各実施形態では、基本波の共振領域を空洞共振器で構成するものであったが、この共振領域内は空気である必要はなく、固体の誘電体が充填されていてもよい。また、誘電体ブロックの外面に電極膜を形成することによって構成してもよい、本発明の「導波管型の共振器」はこのような構成をも含む。

また、以上に示した各実施形態では、隣接する導波管型の共振器を仕切るＨ面に結合窓を設けたが、隣接共振器の位置関係に応じて、結合窓はＥ面に設けてもよい。要するに複数の結合窓の幾つかでまたは全てで、隣接する共振器の基本波モード同士を結合させ、且つ隣接する共振器の所定次数の高調波モード同士を磁界結合および電界結合させて、高調波モード同士の結合を打ち消すように複数の結合窓を配置すればよい。

特許文献１の導波管型バンドパスフィルタの構成を示す図である。 導波管型共振器の構成および基本波モードと２次高調波モードの電磁界分布の例を示す図である。 第１の実施形態に係る高調波伝搬阻止フィルタの主要部の斜視図である。 第１の実施形態に係る高調波伝搬阻止フィルタの共振領域と結合窓の構成および各モードの電磁界分布の例を示す図である。 第１の実施形態に係る高調波伝搬阻止フィルタの２次高調波モードの電磁界分布の例を示す図である。 同高調波伝搬阻止フィルタの周波数特性を示す図である。 第２の実施形態に係る高調波伝搬阻止フィルタの主要部の構成を示す平面図である。 第３の実施形態に係るレーダの構成を示すブロック図である。

符号の説明

３１，３２−入出力用空間
３３−結合窓
４１，４３−金属ブロック
４２−仕切り板
５１−共振領域
５２−付加領域
２０１−高調波伝搬阻止フィルタ

Claims (4)

1. ＴＥモードで共振し、互いに仕切り板で共振領域が仕切られた導波管型の第１の共振器と第２の共振器とを備えたフィルタであって、
   前記仕切り板は、前記第１の共振器と前記第２の共振器に対して、それぞれ高調波モードの電界結合と磁界結合とをさせる複数の結合窓を備え、
   前記電界結合と前記磁界結合とが互いにほぼ等量であり、
   前記第１の共振器と第２の共振器は、Ｅ面のいずれかの箇所に基本波の半波長以下で且つ前記高調波の半波長以上の幅をもった付加領域を備え、
   前記高調波モードの電界結合をさせる結合窓は、前記付加領域の近傍に形成されていることを特徴とする高調波伝搬阻止フィルタ。
2. 請求項１に記載の高調波伝搬阻止フィルタであって、
   前記複数の結合窓は、２次高調波モードの電界エネルギーの高い領域と２次高調波モードの磁界エネルギーの高い領域とにそれぞれ配置されていることを特徴とする高調波伝搬阻止フィルタ。
3. 請求項１または請求項２に記載の高調波伝搬阻止フィルタであって、
   前記複数の結合窓のうち幾つかまたは全ては、電界結合または磁界結合により、前記第１の共振器と前記第２の共振器の基本波モード同士を結合させることを特徴とする高調波伝搬阻止フィルタ。
4. 前記基本波を有する電磁波をπモードで発振するマグネトロンと、
   前記電磁波を放射するアンテナと、
   前記マグネトロンと前記アンテナとの間の伝搬路に配置された請求項１、２または３に記載の高調波伝搬阻止フィルタと、
   を備えたマイクロ波送信機。

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