JP4986913B2 - ロータリージョイント - Google Patents

Description

この発明は、アンテナの回転軸に用いられるロータリージョイントに関し、特に導波管と同軸線路との変換構造を有するロータリージョイントに関するものである。

輻射部（アンテナ）を回転させながら目標の検出や追尾を行う空中線装置には、輻射部の導波路と送受信機の導波路を接続するロータリージョイントが用いられる。ロータリージョイントの構造として従来種々のものが提案されており、例えば図８に示すような、片端が短絡された導波管１と、その導波管１に接続された同軸線路２の外導体２ａと、導波管１を貫通しベアリングなどの回転支持構造体５により保持される同軸線路２の内導体２ｂから構成される導波管同軸変換構造を有する構造が良く用いられる。このような導波管同軸変換構造のロータリージョイントにおいては、チョーク構造を内部に有する半球形状の特性調整素子６を同軸線路２の内導体２ｂの周りを囲むように導波管１内に設け、導波管１と同軸線路２間の電気的整合を取ることが多い。（特許文献１参照）

特開２０００−１１４８０２号公報（図５）

ここで、中空同軸基本モードのインピーダンスＺcoaxは

但し、Ｄ１：同軸外導体径 Ｄ２：同軸内導体径
で表され、例えばＤ１＝１１.９ｍｍ、Ｄ２＝６.０ｍｍの同軸線路の場合Ｚcoax＝４０Ω程度となる。
また、一般的に導波管のインピーダンスは一義的ではないが、方形導波管の基本モードＴＥ１０での電流定義のインピーダンスは

但し、ａ，ｂ：導波管寸法 Ｚｏ：自由空間の固有インピーダンス
と表され、２８.５ｍｍ×１２.６ｍｍの方形導波管ではＺwg＝２５０Ω程度となる。ここでこれらを直接接続した場合、インピーダンスの不一致による反射の大きさを示す反射係数は

で表され、Ｚcoax＝４０ΩおよびＺwg＝２５０Ωを代入すると｜Γ｜∧２＝０.５程度となり、大きな反射が生じることは明らかである。

半球形状の特性調整素子６であるインピーダンス整合素子を備えた導波管同軸変換構造を有するロータリージョイントでは、図９の電気等価回路に示すように導波管内部の特性調整素子６により並列サセプタンスを加えており、導波管１と同軸線路２間の電気的整合を取っている。このような半球形状のインピーダンス整合素子を用いた場合、電界の集中するような角がないため耐電力的に優れるといった利点はあるものの、並列サセプタンスで与えられる共振周波数でのみ整合するため、その周波数特性は狭帯域であるという問題があった。

また、半球形状のインピーダンス整合素子ではその形状から可変要素となるパラメータが少なく、インピーダンス整合素子単体により所望の電気特性を得ることは容易ではない。そのため、ロータリージョイント内に追加で電気特性調整構造を設けることが多く、部品点数の増加や調整作業に伴うコスト増加等の課題があった。

この発明は、インピーダンス整合素子の形状を変えるだけで、広帯域化および電気特性の調整が容易なロータリージョイントを得ることを目的とするものである。

この発明に係わるロータリージョイントは、片端が短絡されており対向２面に穴が開けられた導波管と、この導波管に開けられた一方の穴の端面に接続される同軸線路の外導体と、導波管に開けられた２つの穴を通して導波管を貫通する同軸線路の内導体と、この同軸線路の内導体を囲むように導波管内に設けられ、複数の径の異なる円柱を重ね上げた形状で構成されたインピーダンス整合素子と、このインピーダンス整合素子の内部に設けられたチョーク溝と、同軸線路の内導体を保持し、導波管を回転可能に支持する回転支持構造体を備え、インピーダンス整合素子の外部には複数のインピーダンス整合素子により溝部分が形成されるようにしたものである。

この発明のようにインピーダンス整合素子を多段円柱形状とした場合、インピーダンス整合素子自身により挿入される並列サセプタンスに加え、円柱が有する段付き溝部分においてサセプタンスが直列に入ることでロータリージョイント内に電気的共振構造が追加され、ロータリージョイントの周波数帯域は広がることになる。

また、インピーダンス整合素子を多段円柱形状とした場合、円柱の各段の径、各段の高さ、段数のいずれかを変化させることで電気特性が調整可能であり、ロータリージョイント内に追加で電気調整構造を設ける必要性が少なくなるため、ロータリージョイントの電気特性調整が容易で且つ安価に構成できる。

実施の形態１．
以下、この発明の実施形態１による導波管同軸変管構造のロータリージョイントについて図面を用いて説明する。図１はこの発明の実施形態１によるロータリージョイントの模式図、図２はこの発明の実施形態１によるロータリージョイントの断面側面図、図３はこの発明の実施形態１によるロータリージョイントの電気等価回路を示す図、図４はこの発明の実施の形態１におけるロータリージョイントの反射特性と従来のロータリージョイントの反射特性を比較したスミスチャート図、図５はこの発明によるロータリージョイントの効果を説明するための周波数とリターンロスとの関係を示す図である。

図１および図２に示すロータリージョイントおいて、導波管１は４面の平板で方形状に構成され、内部が空洞となっている。この導波管１の一端側は送受信機等に接続され、反対側の片端１ａは短絡されている。また導波管１の上下の対向する２面には穴１ｂ、１ｃが開けられている。導波管１の上面側に開けられた穴１ｂの端面には同軸線路２を構成する筒状の外導体２ａが接続され、導波管１の上下に開けられた２つの穴１ｂ、１ｃには、この穴１ｂ、１ｃを通して導波管１内部を貫通する同軸線路２を構成する内導体２ｂが設けられている。

導波管１内には、同軸線路２の内導体２ｂを囲むように、複数の径の異なる円柱を重ね上げた形状で構成されたインピーダンス整合素子３が設けられている。この実施の形態１では３段の円柱を重ね上げた形状となっており、このインピーダンス整合素子３の複数の円柱は、一体で構成してもよいし、それぞれ別体で構成してもよい。またこのインピーダンス整合素子３は、銅のような金属材料で構成される。
更に多段円柱形状のインピーダンス整合素子３の内部にはチョーク溝４が設けられる。同軸線路２の内導体２ｂの一端はベアリングなどの回転支持構造体５により保持されており、導波管１は同軸線路２の内導体２ｂを軸として回転可能となっている。

図３は図２に示すロータリージョイントの電気等価回路を示しており、図３（ａ）は図２に示す断面図によってそれぞれコンデンサＣおよびインダクタンスＬがどの箇所で形成されるかを示したものであり、図３（ｂ）はそれらによって構成されるロータリージョイントの電気等価回路の回路構成を示したものである。
図３において、インピーダンス整合素子３そのものによって構成される並列サセプタンス（コンデンサＣとインダクタンスＬとの並列回路）は、従来と同様である。この発明の実施形態の場合は、これら並列サセプタンスに加えて多段円柱構造のインピーダンス整合素子３の溝部分（ステップ部分）による直列サセプタンス（コンデンサＣ’とインダクタンスＬ’との並列回路）が入ることで共振構造が形成されており、電気特性の広帯域化が可能である。

以下、この発明の実施の形態１における効果を、有限要素法を用いた数値計算例により示す。図４はこの発明の実施の形態１におけるロータリージョイントの反射特性をインピーダンスのスミスチャートに示した図である。ここで反射特性とは、導波管１からアンテナ（図示せず）に供給された電力が全て放射されず、一部が導波管１に反射波として分布し、有効に放射されない場合の特性をいう。図４のスミスチャートは、円の上下中央を二分している直線が抵抗成分の軸で、左端が０、右端が∞を表している。この抵抗成分の軸と交わっている円を等レジスタンス円と呼び、この円上で変化するインピーダンスの抵抗成分は、軸との交点での抵抗値のまま一定である。

一方、チャート円の外周はリアクタンスの軸で、抵抗が０のところでリアクタンスは０、抵抗が∞のところでリアクタンスは∞を表している。チャート円の上半分は正の領域、下半分は負の領域である。外周と交わっている円を等リアクタンス円と呼び、この円上で変化するインピーダンスのリアクタンス成分は、軸との交点でのリアクタンス値のまま一定である。

この図４のほぼ中心には、入射波と反射波が重なってできた波（定在波）の最大値と最小値の比である定在波比（ＶＳＷＲ＝Voltage Standing Wave Ratio）を、この実施形態１の場合は１.２（ＶＳＷＲ＝１の場合は反射がなく、導波管からアンテナに供給された電力が全て放射されたことになる）として表している。この定在波比の円の付近に、実線で示したものがこの発明の実施形態である多段円柱形状のインピーダンス整合素子３を設けた場合の反射特性を表し、破線で示したものが従来の半球形状のインピーダンス整合素子６を設けた場合の反射特性を表している。なお図中において、各反射特性の線上に記載した黒三角は周波数帯域の上端を、黒丸は周波数帯域の下端を示す。

この図４から明らかなように、従来の半球形状インピーダンス整合素子６の場合の反射特性は、特性曲線が大きく広がった弧となっており、また周波数帯域の上端と下端も離れている。一方、この発明の実施形態である多段円柱形状インピーダンス整合素子３の場合の反射特性は、特性曲線に輪が生じており、また周波数帯域の上端と下端が近接している。このことから、この発明の実施形態である多段円柱形状インピーダンス整合素子３を設けたロータリージョイントの周波数帯域が広帯域化されていることが分かる。この周波数の広帯域化について図５により更に詳しく説明する。

図４に示した反射特性を、周波数とリターンロス（Return Loss）の直交２軸のグラフに表し直したものが図５である。ここでリターンロスとは、入射波と反射波の比を反射係数Γとしたとき、２０＊ｌｏｇ１０（｜Γ｜）によりデシベル［ｄＢ］換算したもので、マイナス数値の大きいほど反射が少ないことを示す。
図５は横軸に周波数を、縦軸にリターンロスを示しており、実線で示したものがこの発明の実施形態である多段円柱形状のインピーダンス整合素子３を設けた場合の特性を表し、破線で示したものが従来の半球形状のインピーダンス整合素子６を設けた場合の特性を表している。

図５の例においては、黒三角（周波数帯域の上端）と黒丸（周波数帯域の下端）の間の範囲が所望の周波数帯域を表し、リターンロス２８ｄＢ以下が所望の反射特性とする。この図５からも明らかなように、従来の半球形状のインピーダンス整合素子６の場合では周波数帯域が足りておらず所望の特性が得られていないのに対し、この発明の実施形態である多段円柱形状インピーダンス整合素子３を設けたロータリージョイントでは、周波数帯域が広帯域化されており、その結果所望の特性が得られていることが分かる。

次に、この発明の実施の形態１において電気特性の調整が容易となることを示す。図６および図７は、反射特性をインピーダンスのスミスチャートに示した図４の一部を拡大した図で、図６は図２に示す多段円柱構造のインピーダンス整合素子３の円柱２段目の径Ｄ２を変化させた場合の数値計算例であり、図７は図２に示す円柱２段目の高さＨ２を変化させた場合の数値計算例である。
まず図６において、径Ｄ２を小さくした場合の反射特性Ａにおいては、スミスチャート上の特性曲線が左に移動しており、径Ｄ２を大きくした場合の反射特性Ｂにおいては、スミスチャート上の特性曲線が右に移動しており、更に径Ｄ２が大と小の中間の場合の反射特性Ｃにおいては、スミスチャート上の特性曲線がＡとＢの中間に移動している。このように、円柱の径Ｄ２を変化することで電気特性を容易に調整できる。これらは多段円柱構造のインピーダンス整合素子３の円柱１段目の径Ｄ１または円柱３段目の径Ｄ３を変えた場合も同様な形で電気特性を調整できる。

次に図７において、高さＨ２を小さくした場合の反射特性Ａにおいては、スミスチャート上の特性曲線が上に移動しており、高さＨ２を大きくした場合の反射特性Ｂにおいては、スミスチャート上の特性曲線が下に移動しており、更に高さＨ２が大と小の中間の場合の反射特性Ｃにおいては、スミスチャート上の特性曲線がＡとＢの中間に移動している。このように、円柱の高さＨ２を変化することで電気特性を容易に調整できる。これらは多段円柱構造のインピーダンス整合素子３の円柱１段目の高さＨ１または円柱３段目の高さＨ３を変えた場合も同様な形で電気特性を調整できる。

また、実施の形態１では、多段円柱構造のインピーダンス整合素子３の段数を３段としているが、段数を３段以外の数にしても、同様に電気特性を調整できる。
このようにこの発明の実施の形態１では、多段円柱構造のインピーダンス整合素子３の円柱の各段の径、各段の高さおよび段数のいずれかを変化させることで、スミスチャート上の特性曲線を上下左右に自由に移動させることができる。このことより、追加の電気特性調整構造を設けること無く電気特性が調整可能であり、電気特性調整がより容易となったといえる。

実施の形態２．
この発明の実施の形態１では、インピーダンス整合素子３の構造を、複数の径の異なる円柱を重ね上げた形状の多段円柱構造としたが、実施の形態２の発明は、インピーダンス整合素子３として、複数の円柱を重ね上げた形状に代えて、複数の多角柱を重ね上げた多段多角柱構造を用いたものである。この場合でも、多段円柱構造の場合と同様の効果を得ることが可能である。

この発明の実施の形態１におけるロータリージョイントの導波管同軸変管構造の模式図である。 この発明の実施の形態１におけるロータリージョイントの導波管同軸変管構造の断面側面図である。 この発明の実施形態１によるロータリージョイントの電気等価回路を示す図である。 この発明の実施の形態１におけるロータリージョイントの反射特性と従来のロータリージョイントの反射特性を比較したスミスチャート図である。 この発明によるロータリージョイントの効果を説明するための周波数とリターンロスとの関係を示す図である。 この発明の実施の形態１におけるロータリージョイントの反射特性について、多段円柱形状２段目の円柱径Ｄ２を変化させた場合の関係を示した図である。 この発明の実施の形態１におけるロータリージョイントの反射特性について、多段円柱形状２段目の円柱高さＨ２を変化させた場合の関係を示した図である。 従来のロータリージョイントの導波管同軸変換構造の断面側面図である。 従来のロータリージョイントの導波管同軸変換構造の電気等価回路である。

符号の説明

１：導波管、 ２：同軸線路
２ａ：同軸線路の外導体、 ２ｂ：同軸線路の内導体、
３：多段円柱構造のインピーダンス整合素子、 ４：チョーク溝、
５：回転支持構造体。

Claims (5)

1. 片端が短絡されており対向２面に穴が開けられた導波管と、この導波管に開けられた一方の穴の端面に接続される同軸線路の外導体と、前記導波管に開けられた２つの穴を通して導波管を貫通する前記同軸線路の内導体と、この同軸線路の内導体を囲むように前記導波管内に設けられ、複数の径の異なる円柱を重ね上げた形状で構成されたインピーダンス整合素子と、このインピーダンス整合素子の内部に設けられたチョーク溝と、前記同軸線路の内導体を保持し、前記導波管を回転可能に支持する回転支持構造体を備え、前記インピーダンス整合素子の外部には複数のインピーダンス整合素子により溝部分が形成されるようにしてなるロータリージョイント。
2. 請求項１に記載のロータリージョイントにおいて、前記インピーダンス整合素子の形状を、複数の径の異なる円柱を重ね上げた形状に代えて、複数の多角柱を重ね上げた形状としたことを特徴とするロータリージョイント。
3. 請求項１または２に記載のロータリージョイントにおいて、インピーダンス整合素子の各段の径、各段の高さ、段数をパラメータとして変化させることにより、電気特性を調整するようにしたロータリージョイント。
4. 片端が短絡されており対向２面に穴が開けられた導波管と、この導波管に開けられた一方の穴の端面に接続される同軸線路の外導体と、前記導波管に開けられた２つの穴を通して導波管を貫通する前記同軸線路の内導体と、この同軸線路の内導体を囲むように前記導波管内に設けられ、複数の径の異なる円柱を重ね上げた形状で構成されたインピーダンス整合素子と、このインピーダンス整合素子の内部に設けられたチョーク溝と、前記同軸線路の内導体を保持し、前記導波管を回転可能に支持する回転支持構造体を備え、前記インピーダンス整合素子の各段の径、各段の高さ、段数をパラメータとして変化させることにより、電気特性を調整するようにしたロータリージョイント。
5. 請求項４に記載のロータリージョイントにおいて、前記インピーダンス整合素子の形状を、複数の径の異なる円柱を重ね上げた形状に代えて、複数の多角柱を重ね上げた形状としたことを特徴とするロータリージョイント。

Images