JP4925928B2

JP4925928B2 - 高周波リミッタ

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Publication number: JP4925928B2
Application number: JP2007149673A
Authority: JP
Inventors: 哲也高島; 美佐是安
Original assignee: Furuno Electric Co Ltd
Current assignee: Furuno Electric Co Ltd
Priority date: 2007-06-05
Filing date: 2007-06-05
Publication date: 2012-05-09
Anticipated expiration: 2027-06-05
Also published as: JP2008306308A

Description

この発明は、伝搬する高周波信号の最大電力を抑制する高周波リミッタに関するものである。

従来、送受共用のアンテナを用いて高電力高周波信号を送受信するレーダ装置等の送受信装置においては、受信信号の経路に高周波リミッタが設けられている（非特許文献１参照）。

図１は従来の一般的な高周波リミッタの配置例を示すブロック図である。図１においてマグネトロン１０１の発振信号は、サーキュレータ１０２を介してアンテナ１０３から送信される。物標で反射し、アンテナ１０３が受信した信号はサーキュレータ１０２を介し、高周波リミッタ１０４を通過して受信モジュール１０５へ与えられる。

図２は図１に示した高周波リミッタ１０４の構成例を示す断面図である。中央部にポスト３が突出形成されているチューニングブロック２が導波管部１の所定箇所に設けられている。ポスト３の先端部には折り返しチョーク５が設けられ、ポスト３の途中部分にリミッタダイオード４が挿入されている。
日本財団図書館、"平成15年度通信講習用船舶電気装備技術講座（レーダー、機器保守整備編）4・3 送受切替え回路"、[online]、［平成１９年５月７日検索］、インターネット＜http://nippon.zaidan.info/seikabutsu/2003/00138/contents/0020.htm＞

一般に、ＰＩＮダイオードの製造方法や形状の変更（ロット変更）があると、リミッティング特性が大きく変化する。高周波リミッタのリミッティング特性は、ＰＩＮダイオードの取り付け高さを調整すること等によってある程度は調整が可能であるが、上記ロット変更があると従来の調整機構では対応できず、所望のリミッティング特性が得られない場合があった。また、そのため高周波リミッタの設計を変更する必要が生じたり、ＰＩＮダイオードに対する要求仕様が厳しくなったりして、これらがコストアップの要因となっていた。

そこで、この発明の目的は、リミッティング特性の調整範囲を広くとれるようにして、ＰＩＮダイオードの特性パラメータのばらつきをほぼ完全に吸収し、所望のリミッティング特性が得られるようにした高周波リミッタを提供することにある。

前記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）導波管を伝搬する高周波信号の電力を所定の上限値で制限する高周波リミッタにおいて、
前記高周波信号が到来する第１の（入力側の）導波管および伝搬すべき高周波信号を出力する第２の（出力側の）導波管が接続される共振器部を備え、
前記共振器部は、同軸に配置した中心導体とそれに対向する台座とから成る内部半同軸共振器と、前記共振器部のキャビティと前記台座とから成る外部半同軸共振器とを備えた二重の半同軸共振器を少なくとも１組備えて成り、
前記内部半同軸共振器の前記中心導体と前記台座との間にＰＩＮダイオードを接続し、
前記中心導体の前記内部半同軸共振器への突出量および前記キャビティに対する前記台座の突出量（前記外部半同軸共振器の開放部の位置）を個別に調整可能に設けたことを特徴とする。

（２）前記共振器部は、前記高周波信号が到来する第１の（入力側の）導波管が接続される第１の共振器部と、当該第１の半同軸共振器と結合するとともに、伝搬すべき高周波信号を出力する第２の（出力側の）導波管が接続される第２の共振器部と、から成り、且つ第１・第２の共振器部は、互いの前記キャビティの内径寸法が異なったものとする。

（３）前記第１の導波管と前記第１の共振器部との間に整合用の第１の共振窓を備え、前記第２の導波管と前記第２の共振器部との間に整合用の第２の共振窓を備え、第１・第２の共振器部の間に設けた整合用の第３の共振窓を備えたものとする。

この発明によれば次のような効果を奏する。
（１）前記二重の半同軸共振器の内部半同軸共振器について、前記中心導体の前記内部半同軸共振器への突出量（ｙ）および前記キャビティに対する前記台座の突出量（ｘ）（前記外部半同軸共振器の開放部の位置）を個別に調整することができるので、共振器のＱ値を変更でき、そのことによりＰＩＮダイオードに掛かる電圧を制御し、リミッティング特性を広範囲に亘って調整することができる。

その結果、ＰＩＮダイオードのロット変更等によるダイオードの特性ばらつきを吸収し、所望の特性に調整可能な高周波リミッタを構成できる。

（２）前記二重の半同軸共振器の外部半同軸共振器（キャビティ）の内径を変化させることで、内部半同軸共振器と外部半同軸共振器とをそれぞれ同軸線路と見なしたときの線路の特性インピーダンスの比（ステップインピーダンス比）が変化する。このインピーダンス比を変えることでダイオードにかかる電力が変化するため、半同軸共振器毎にリミッティング特性を調整することができる。

このため、２つの半同軸共振器を異なる内径とする（異なる共振系とする）ことで各共振器のリミッティング特性を個別に調整することができ、その結果、高周波リミッタ全体の特性をより広範囲に亘って調整することができる。

（３）前記第１の導波管と前記第１の半同軸共振器との間、前記第２の導波管と前記第２の半同軸共振器との間、第１・第２の半同軸共振器の間に、それぞれ整合用の共振窓を備えたことにより、導波管と半同軸共振器との間のモード変換が適切に行われ、挿入損失が低減できる。

《第１の実施形態》
図３は第１の実施形態に係る高周波リミッタの透視斜視図である。また図４はその中央部の縦断面図である。
図３・図４に示す高周波リミッタ１００は、サーキュレータと受信モジュールとの間に配置されるものであり、受信信号を伝搬する導波管が接続される。この高周波リミッタ１００は、図３に示すように共振器部１０と２つの導波管との間に配置される共振窓１１，１２を備えている。

図３に示した共振器部１０は、図４に示すように、下部導体部１３および上部導体部１４からなる円筒形状のキャビティ３４内に構成している。このキャビティ３４の内部には、下部導体部１３側から内部方向に突出する外部台座１５を設けている。この外部台座１５の外周面と下部導体部１３の孔には、互いに螺合するためのネジを形成している。

また、上記キャビティ３４内に、上部導体部１４側から突出するポスト１７（中心導体）を設けている。ポスト１７の下端部には内部台座１６を配置していて、この内部台座１６とポスト１７の下端部との間にＰＩＮダイオード１８を接合一体化している。内部台座１６の外周面と外部台座１５の内周面には互いに螺合するためのネジを形成している。

キャビティ３４と外部台座１５とによって外部半同軸共振器を構成していて、外部台座１５の内周面とポスト１７とによって内部半同軸共振器を構成している。

前記外部台座１５を旋回させることによってキャビティ３４に対する外部台座１５の突出量（ｘ）を調整することができ、またポスト１７を旋回させることによってポスト１７の内部半同軸共振器への突出量ｙを調整することができる。しかも、上記ｘ、ｙを独立して調整できる。

図４に示したＰＩＮダイオード１８は、この高周波リミッタ１００に対して共振窓１１を介してパルス電力が入力されると、ポスト１７と内部台座１６との間に電圧が印加されて、その接合容量が変化し、導波管との結合特性が大きく変化して入力電力を反射する。

共振器（外部半同軸共振器および内部半同軸共振器）のＱ値は、前記寸法ｘおよびｙの調節によって変化する。共振器のＱ値に応じてＰＩＮダイオード１８に掛かる電圧が変化するので、上記寸法ｘ，ｙを調節することによってリミッティング特性を広範囲に亘って調整することができる。

図５は、前記キャビティ３４の大きさがそれぞれ異なる３つの高周波リミッタの特性を示す図である。ここでキャビティの内径をＬ，Ｍ，Ｓで表すと、Ｌ＝２３．０ｍｍ、Ｍ＝２０．０ｍｍ、Ｓ＝１７．０ｍｍである。

図５（Ａ）はキャビティサイズＬの特性、（Ｂ）はキャビティサイズＭの特性、（Ｃ）はキャビティサイズＳの特性である。これらの図においてＯＮで示す曲線はＰＩＮダイオードがオン状態で挿入損失が最大となるｘ，ｙの寸法の関係、ＯＦＦで示す曲線はＰＩＮダイオードがオフ状態でリターンロスが最小となるｘ，ｙの寸法の関係を示す図である。なお、ここでは使用周波数を９．４１ＧＨｚとしている。

また図５（Ｄ）はＰＩＮダイオードのオン時の挿入損失の特性、（Ｅ）はＰＩＮダイオードのオフ時のリターンロスの特性である。それぞれキャビティの大きさをＬ，Ｍ，Ｓで表している。

高周波リミッタとして使用する場合に、ＰＩＮダイオードのオフ時には挿入損失が小さく、オン時には挿入損失が大きくなる特性を合わせ持つ必要がある。そのため、図５（Ａ）〜（Ｃ）におけるオン時の特性曲線とオフ時の特性曲線の交点が前記ｘ，ｙの最適寸法となる。

図５から、キャビティの内径が小さいほどｘ，ｙ寸法に対する特性変化が大きいこと、およびキャビティの内径が小さいほど挿入損失が大きくなる傾向にあることが分かる。

これは、キャビティの内径が小さいほど、共振窓と内部の共振回路とが接近して結合状態が複雑になることから、リターンロスおよび挿入損失の特性変化が大きくなるものと考えられる。また、図３に示したように共振窓１１，１２の形状としていわゆるＨ型共振窓以外にＣ型共振窓を採用することもできるが、Ｃ型共振窓の場合には組み立て方により共振窓ギャップ部と共振回路との結合状態が大きく異なるため、組み立て精度に対する特性変化が大きくなる。そのため共振窓はＨ型共振窓が好ましい。

以上のことから、単一の共振器部１０を備えた高調波リミッタを構成する場合に、キャビティの大きさに応じて最適なｘ，ｙ寸法をとなるように、図４に示した外部台座１５のキャビティ３４に対する挿入量およびポスト１７の外部台座１５の内部に対する挿入量をそれぞれ調整すればよい。

ところで、キャビティ３４の内径を変化させると、内部半同軸共振器と外部半同軸共振器とをそれぞれ同軸線路と見なした時の線路の特性インピーダンスの比（ステップインピーダンス比）が変化する。ここで外部半同軸共振器のインピーダンスをＺａ、内部半同軸共振器のインピーダンスをＺｂで表すと、キャビティの内径が大きくなるとＺａ＞Ｚｂ、キャビティ３４の内径が小さくなるとＺａ＜Ｚｂとなり、所定の内径の時、Ｚａ＝Ｚｂの関係となる。

そしてリミッティング量は、Ｚａ＞Ｚｂであるほど小、Ｚａ＜Ｚｂであるほど大となる。これはＺａ＜Ｚｂとなるような条件で回路の整合がとれ、ダイオードに電流が流れやすい状態になるためであると考えられる。

また、内部半同軸共振器のＱ値は図４に示した寸法ｘ，ｙ（特に寸法ｘ）を変化させることによって変化するが、リミッティング量は、Ｑ値が低いほど小さく、Ｑ値が高いほど大きくなる。これは、Ｑ値が高いほど感度が良好となり、ダイオードに電流が流れるためリミッティング量が増加し、Ｑ値が低いときはこの逆の関係になるためである。

このようにして、キャビティの内径の選定および寸法ｘの調整によって、ＰＩＮダイオード１８に印加される電圧を制御して所望のリミッティング量に設定することができる。また、寸法ｘに応じて、ダイオードオフ時のリターンロスが最小、ダイオードオン時の挿入損失が最大となるための最適な寸法ｙを定めることができる。

《第２の実施形態》
図６は第２の実施形態に係る高周波リミッタの透視斜視図である。また図７（Ａ）はその高周波リミッタの透視上面図、（Ｂ）は透視正面図である。
この第２の実施形態に係る高周波リミッタ２００は、２つの共振器部１０，２０を備えるとともに、第１の共振器部１０と導波管（不図示）との間に共振窓１１、第２の共振器部２０と導波管（不図示）との間に共振窓２１、第１・第２の共振器部１０，２０の間に共振窓２２をそれぞれ設けている。

第１の共振器部１０および第２の共振器部２０の構成は第１の実施形態で示したものと基本的に同様であるが、第１の共振器部１０と第２の共振器部２０は、外部台座、内部台座、およびポストを同一寸法にするとともに、キャビティの内径を互いに異なったものとしている。

また、第１・第２の共振器部１０−２０間の共振窓２２は導波管との間の共振窓１１，２１と同様のＨ型共振窓形状としている。

このようにキャビティの内径寸法の異なる２つの２重の半同軸共振器を従属接続することによって、それぞれの共振器の合成特性が得られる。したがって特性調整のパラメータが２倍になってリミッティング特性をより広範囲に亘って調整することが可能となる。

従来の一般的なレーダ装置における送受切り替え回路部を含む構成を示すブロック図である。同回路の高周波リミッタ部分の断面図である。第１の実施形態に係る高周波リミッタの透視斜視図である。同高周波リミッタの断面図である。同高周波リミッタの各種特性例を示す図である。第２の実施形態に係る高周波リミッタの透視斜視図である。同高周波リミッタの透視上面図および透視正面図である。

符号の説明

１０，２０−共振器部
１１，１２，２１，２２−共振窓
１３−下部導体部
１４−上部導体部
１５−外部台座
１６−内部台座
１７−ポスト（中心導体）
１８，２８−ＰＩＮダイオード
３４−キャビティ
１００，２００−高周波リミッタ

Claims

導波管を伝搬する高周波信号の電力を所定の上限値で制限する高周波リミッタにおいて、
前記高周波信号が到来する第１の導波管および伝搬すべき高周波信号を出力する第２の導波管が接続される共振器部を備え、
前記共振器部は、同軸に配置した中心導体とそれに対向する台座とから成る内部半同軸共振器と、前記共振器部のキャビティと前記台座とから成る外部半同軸共振器とを備えた二重の半同軸共振器を少なくとも１組備えて成り、
前記内部半同軸共振器の前記中心導体と前記台座との間にＰＩＮダイオードを接続し、
前記中心導体の前記内部半同軸共振器への突出量および前記キャビティに対する前記台座の突出量を個別に調整可能に設けたことを特徴とする高周波リミッタ。
前記共振器部は、前記高周波信号が到来する第１の導波管が接続される第１の共振器部と、当該第１の半同軸共振器と結合するとともに、伝搬すべき高周波信号を出力する第２の導波管が接続される第２の共振器部と、から成り、且つ第１・第２の共振器部は、互いの前記キャビティの内径寸法を異ならせた請求項１に記載の高周波リミッタ。
前記第１の導波管と前記第１の共振器部との間に整合用の第１の共振窓を備え、前記第２の導波管と前記第２の共振器部との間に整合用の第２の共振窓を備え、第１・第２の共振器部の間に設けた整合用の第３の共振窓を備えた請求項２に記載の高周波リミッタ。