JP5076223B2 - 十字を有するフィルター - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ波導波管と、その製造方法と、マイクロ波フィルター、特に非常に高い電力のマイクロ波フィルターへのその適用とに関する。本発明は、当該技術分野ではスタブと呼ばれ、インピーダンスを生成するのに用いられる、長さの調節可能な短絡された伝送線を備えるフィルターに特に適用できる。

本発明はまた、特に宇宙分野で適用可能なマイクロ波フィルターを用いたマイクロ波送信／受信ステーションにも関する。

一定の適用分野では、非常に高い電力のマイクロ波フィルターが必要とされている。これは、例えば、送信電力が特に高い必要があり、使用するフィルターが、最大送信電力をもたらすために、高い電力レベルで有効である必要がある宇宙分野における場合である。これは、例えば、人工衛星による直接送信系における例の場合である。人工衛星はこのため、最大電力で送信が可能である必要がある。しかし、本発明は、高電力動作が求められる他のいかなる分野にも適用可能である。

導波管が真空で用いられる際（宇宙への適用に関して）、かつ高電力導波管の場合、導波管のある領域でマルチパクター効果と呼ばれる電子なだれが発生する可能性がある。

このマルチパクター効果は、電子を導波管の壁から突き抜けさせる電磁界の集中によって起こる。電子はその後、導波管の反対側の壁に向かって加速する。これらの電子が後者の壁に衝突すると、今度は電子がそこから突き抜ける等のことが起こる。このように電子なだれ現象が発生し、これにより導波管の電気的性能を低下させ、これを破壊させることになり得る。

このため、この現象は特に、空気分子のない真空で導波管が動作する宇宙分野で発生する。

マルチパクター電力レベルは、マルチパクター効果を起こさずに構成要素を使用できる最大電力である。この閾値電力は、２つの平行平板間で次の式によって計算できる。
Ｐ＝（１／ＶＭＦ ^２ ）×（Ｖ _{ｍｕｌｔｉ} ^２ ／２Ｚ _０ ）
ここで、
・マルチパクター閾値電圧（Ｖ _{ｍｕｌｔｉ} ）は導波管の製造に使用する機器の種類によって決まるが、この電圧は、周波数に平板間の臨界距離を乗じた積（ｆ×ｄ）に常に比例する。
・ＶＭＦ（電圧増大係数）は、計算点における電圧と構成要素の入力電圧との比である。このＶＭＦは、計算点における二つの平板間の電界集中とともに増大する。
・インピーダンス（Ｚ _０ ）は、使用する導波管の規格および使用周波数（通常はアプリケーションによって固定されている）によって決まる。

このマルチパクター効果を減少させるためには、Ｖ _{ｍｕｌｔｉ} を増大させるために導波管の壁をさらに離すこと、またはＶＭＦを低下させるために電界集中を減少させることが可能である。

これらの解決策はいずれも問題を有している。導波管の壁をさらに離すことを想定すると、動作周波数の範囲は狭まり、装置は動作範囲内の全周波数に導波管を合わせるのが困難になる。

臨界地点での電界集中を減少させるために、装置のトポロジーを修正する必要があり、フィルターの場合にはフィルターの種類を変更する必要さえある。

本発明の目的はこれらの問題を解決し、マルチパクター電力レベルが顕著に増大したマイクロ波導波管およびマイクロ波フィルターを提供することである。

このため、本発明は、以下の工程、
−電界集中が発生する導波管の１つまたは複数の臨界領域を定める工程と、
−このように定めた１つまたは複数の臨界領域に導波管の拡大部を製造する工程とを含むマイクロ波導波管の製造方法に関する。

この方法は、スタブなど、長さが調節可能な短絡された伝送線を備えるマイクロ波フィルターの製造に適用できる。この方法は、
−複数のスタブ内に、電界集中が発生するスタブ臨界領域を定める工程と、
−各スタブのスタブ臨界領域に拡大部を製造する工程とを含む。

有益であるのは、各拡大部がスタブの短絡領域から距離λｇ／４に位置していることであり、λｇは、フィルターの動作波長範囲内の管内波長である。

本発明はまた、この方法によって製造されたマイクロ波フィルターにも関する。各スタブは、スタブの軸に垂直な水平腕部が前記拡大部に相当するラテン十字の形状をしている。

本発明において、各スタブの水平腕部は互いに軸方向の長さが等しくない。

本発明の別の実施形態では、少なくとも１つの水平腕部が異なる寸法の断面を有している。スタブの軸に最も近い断面は、スタブの軸からさらに離れた位置にある１つまたは複数の断面よりも大きい。

別の実施形態によれば、少なくとも１つの水平腕部が異なる寸法の断面を有しており、スタブの軸に最も近い断面はスタブの軸からさらに離れた位置にある１つまたは複数の断面よりも小さい。

各水平腕部の端面がスタブの軸に対して傾斜していることも可能である。

本発明の別の実施形態によれば、各水平腕部の端面が湾曲した形状を有することも可能である。

本発明はまた、このように説明したマイクロ波フィルターを用いたマイクロ波送信／受信ステーションにも適用できる。このため、このステーションは、
−水平偏波信号用であり、上述の第１の受信フィルターおよび第１の送信フィルターを備える第１のダイプレクサーと、
−垂直偏波信号用であり、上述の第２の受信フィルターおよび第２の送信フィルターを備える第２のダイプレクサーと、
−第１のダイプレクサーに接続された水平偏波信号用の第１のポートと、第２のダイプレクサーに接続された垂直偏波信号用の第２のポートと、送信／受信ホーンに接続された第３のポートとを有する偏波モード分波器／合波器とを備えている。

本発明の種々の目的および特徴は、以下の説明および添付の図面においてより明確に明らかになる。

図１ａは、マイクロ波を伝播するための導波管ｇ１を示したものである。公知のように、導波管には電磁エネルギー準位のばらつきが認められる。エネルギー準位のばらつきを図１ａに図示してある。特に、導波管の領域ｚ１においてエネルギーの集中がみられ、最大値ｃ１は、上述のように、マルチパクター効果の原因となり得る。導波管の領域ｚ１はその後、損傷を受け得る。

このため、本発明は、これを改善するために、エネルギーの集中があり得るＺ１などの領域を同定して位置を突き止め、導波管をこれらの領域において拡大する方法を提供する。

これにより、図１ｂは、導波管ｇ１の壁が拡大部ｅｌ１を有する本発明による導波管の一例を示している。この拡大部は、領域ｚ１におけるエネルギーの集中がマルチパクター効果を起こさないように製造されている。

本発明はまた、マイクロ波フィルターの製造にも適用可能である。

図２は、主導波管にシャントとして、短絡で終端する結合したインピーダンス整合素子を含むフィルターの一部を示したものである。このような素子は当該技術分野ではスタブと呼ばれるため、本明細書の残りの部分ではこの用語で呼ぶ。

フィルターのスタブが電磁エネルギーの集中の場所であることがわかっている。スタブにおけるマルチパクター効果の発生を回避するため、拡大部をエネルギー集中領域に設けてある。

図２のｓｔ１などのスタブでは、所与の波長λｇについての最大のエネルギー集中が、スタブの短絡面ｃｃ１から距離λｇ／４で発生する。このため、本発明は、この距離ｃｃ１においてスタブの二つの誘導壁に拡大部ｅｌ２および拡大部ｅｌ３を設ける。このため、スタブはラテン十字の形状をしており、その水平腕部はスタブｓｄ１の軸Ｘに垂直であり、拡大部ｅｌ２および拡大部ｅｌ３を形成している。

ここで、スタブを有するマイクロ波フィルターに適用した本発明の一例を、図３、図４ａ、図４ｂを参照して説明する。

図３は、６つのスタブｓｔ２〜ｓｔ７を有する公知の種類のフィルターｇ３を示している。マルチパクター効果を起こしやすいエネルギー最大値が、スタブｓｔ４およびスタブｓｔ５の領域ｚ３にみられる。

本発明は、このマルチパクター効果の回避を可能にする。これを行うため、図４ａに示すように、スタブｓｔ４およびスタブｓｔ５は、領域ｚ３に拡大部ｅ４および拡大部ｅ５を有している。これらの拡大部は、上述のように配置されたものである。

しかし、場合によっては、スタブ間の距離により、これらの拡大部を図３に示す種類のフィルターに設けられないことがある。このため、スタブは、フィルターの主軸の両側に分けられる。これにより得られるのは、図４ｂに示すような構成である。また、この構成は、スタブｓｔ'２〜ｓｔ'７のすべてに拡大部ｆ２〜ｆ７を設けている。最大のエネルギー集中はスタブｓｔ'４およびスタブｓｔ'５において最も高いため、これらのスタブの拡大部ｆ４および拡大部ｆ５は、スタブｓｔ'３およびスタブｓｔ'６の拡大部ｆ３および拡大部ｆ６よりも大きく、スタブｓｔ'２およびスタブｓｔ'７の拡大部ｆ２および拡大部ｆ７よりもさらに大きい。

拡大部は、異なる形状であってよい。

図５ｂ〜７ｃは、これらの形状の種々の例をあげたものである。

その目的は、図５ａに示した、本発明による拡大部がないとマルチパクター効果が起こると思われるスタブｓｕ１において、マルチパクター効果の発生を回避することである。

図５ｂおよび図５ｃは、上述の拡大部ｅｕ１および拡大部ｅｕ２を有するスタブｓｕ１を示している。拡大部ｅｕ２は拡大部ｅｕ１よりも大きく、図５ｂのスタブにおける初期のエネルギー集中よりも高い図５ｃのスタブの初期のエネルギー集中のために設けられたものである。

図５ｄのスタブは、異なる断面を有する拡大部を備えている。第１の拡大部ｅｕ３は大きさが比較的大きく、この拡大部は大きさがこれよりも小さい第２の拡大部ｅｕ'３を有している。

図５ｅの拡大部ｅｕ４および拡大部ｅｕ'４は図５ｄのものと同一の種類であるが、異なるエネルギー準位で有効となるようにより小さい寸法をなしている。

これらのスタブでは、拡大部はスタブの軸Ｘに関して対称である。

図６ａは、拡大部ｅｕ５を有するスタブを示したものであり、拡大部ｅｕ５自体はこれよりも大きい大きさの拡大部ｅｕ'５を有している。拡大部はスタブの軸Ｘに関して対称であり、拡大部ｅｕ'５は拡大部ｅｕ５の軸Ｙに関して対称である。

図６ｂは、図６ａのものと同一の種類のスタブを示したものであるが、拡大部ｅｕ'６は拡大部ｅｕ６の軸Ｙに関して対称ではない。

図６ｃは、スタブの軸Ｘの一方の側に拡大部ｅ"７を有するスタブを示しており、軸Ｘの他方の側に拡大部ｅｕ７を有し、拡大部ｅｕ７自体はこれよりも大きい大きさの拡大部ｅｕ'７を有している。

このため、スタブの軸Ｘに関して対称でない拡大部を製造するようになっている。

さらに、スタブの軸Ｘから最遠の拡大部の端面が軸Ｘに平行とならないようにしてもよい。これを、軸Ｘに対して傾斜した面ｆａ９および面ｆａ１０によって図７ａおよび図７ｂに示す。

図７ｂに示すように、拡大部の壁が湾曲した面を有するようにしてもよい。

図７ｃに示した別の実施形態では、拡大部ｅｕ１１の端面ｆａ１１が湾曲した形状をなしていることもある。

マルチパクター効果を防止する上述した種々の拡大部の形状はフィルターのスタブに適用するという文脈で説明したものであるが、これらはいかなるマイクロ波導波管にも適用できる。

本発明で説明したスタブを設けることにより、フィルターの電力レベルが非常に大幅に増大し得る。

さらに、本発明で説明したようなスタブは、図５ａに示したような拡大部のないスタブよりも大きい容積を有する。このように容積が増大すると、抵抗損を大幅に減少させる結果となる。このため、本発明を、導波管、特にフィルターにおいて抵抗損を減少させるために用いることができる。

ここで、人工衛星に乗せた送信／受信装置の中に適用したこのようなフィルターの一例を、図８を参照して説明する。

このような装置は、異なるエネルギー準位で信号を送信し受信することができる必要がある。最大エネルギー準位で送信する必要があり、比較的減衰した信号を受信する必要がある。

図８に示した装置は、送信および受信の両方のための単一の共通ホーンＣＯを有している。

ダイプレクサーフィルターＤＸＨおよびダイプレクサーフィルターＤＸＶはそれぞれ、水平偏波および垂直偏波のためのものであり、偏波モード分波器／合波器ＯＭＴのポートｅ１およびポートｅ２に接続され、偏波モード分波器／合波器ＯＭＴはそのポートｅ３を介して送信／受信ホーンＣＯに接続されている。

受信フィルターＦｉＲｘＨおよび受信フィルターＦｉＲｘＶは比較的低い動作電力のものでよい。対照的に、送信フィルターＦｉＴｘＨおよび送信フィルターＦｉＴｘＶは、高い電力レベルで動作できる必要がある。

送信フィルターＦｉＴｘＨおよび送信フィルターＦｉＴｘＶは本発明に従って設計されており、高い電力レベルを可能にしている。これにより、送信および受信の両方のための単一のホーンＣＯを有する図８に示したような装置を製造することができる。

このため、本発明は、導波管、特にフィルターにおいて、
−電力性能を大幅に増大させてマルチパクター効果を回避し、
−抵抗損を減少させ、
−低い受動相互変調積（ＰＩＭＰ）ｌを保証する「スタブ」を有するフィルターを製造するために現在用いられている方法と完全に両立できる構成を得て、
−人工衛星の単一アンテナの電位を節約することを可能にする。Ｔｘ電力レベルが高い場合でさえも、送信（Ｔｘ）機能と受信（Ｒｘ）機能とを単一のアンテナの中に組み合わせることが可能である。

本発明の主題を説明するための導波管の図である。 本発明による導波管の例示的な実施形態である。 本発明によるフィルターの例示的な実施形態である。 マルチパクター効果を発生させる危険をもたらす低いマルチパクター電力レベルを有するスタブを備えるマイクロ波フィルターである。 本発明によるスタブを有するマイクロ波フィルターの例示的な実施形態である。 マイクロ波フィルターのスタブの種々の実施形態である。 本発明によるスタブの他の実施形態である。 本発明によるスタブの他の実施形態である。 マイクロ波送信／受信機に適用した本発明の一例である。

Claims (6)

1. −電界集中が発生する導波管（ｇ１）の１つまたは複数の臨界領域（ｚ１）を定める工程と、
   −このように定めた１つまたは複数の臨界領域に前記導波管の拡大部（ｅｌ１）を製造する工程とを含む、マイクロ波導波管の製造を含むスタブ（ｓｔ１〜ｓｔ７、ｓｕ１）を備えるマイクロ波フィルターの製造方法において、
   前記方法が、
   −複数のスタブに、電界集中が発生するスタブ臨界領域（ｚ３）を定める工程と、
   −各スタブのスタブ臨界領域に拡大部（ｅｌ２、ｅ４、ｅ５、ｆ２〜ｆ７、ｅｕ１〜ｅｕ１０）を製造する工程とを含み、
   −複数のスタブの各スタブ（ｓｔ１）が、前記スタブの軸（Ｘ）に垂直な水平腕部が前記拡大部（ｅｌ２、ｅｌ３）に相当するラテン十字の形状であり、
   各拡大部が前記スタブの短絡領域（ｃｃ１）から距離λｇ／４に位置し、λｇは前記フィルターの動作波長範囲内の管内波長であり、
   各スタブの水平腕部は互いに軸方向（Ｙ）の長さが等しくない
   ことを特徴とするマイクロ波フィルターの製造方法。
2. 少なくとも１つの水平腕部が異なる寸法の断面（ｅｕ３、ｅｕ'３、ｅｕ４、ｅｕ'４）を有し、前記スタブの軸に最も近い前記断面（ｅｕ３、ｅｕ４）が、前記スタブの軸からより離れた位置にある前記１つまたは複数の断面（ｅｕ'３、ｅｕ'４）より大きいことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波フィルター。
3. 少なくとも１つの水平腕部が異なる寸法の断面（ｅｕ５、ｅｕ'５、ｅｕ６、ｅｕ'６）を有し、前記スタブの軸に最も近い前記断面（ｅｕ５、ｅｕ６）が、前記スタブの軸からより離れた位置にある前記１つまたは複数の断面（ｅｕ'５、ｅｕ'６）より小さいことを特徴とする請求項１または２のいずれか一項に記載のマイクロ波フィルター。
4. 各水平腕部の端面（ｆａ９、ｆａ１０）が前記スタブの軸に対して傾斜していることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波フィルター。
5. 各水平腕部（ｅｕ１１）の端面（ｆａ１１）が湾曲した形状を有することを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波フィルター。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載のマイクロ波フィルターを適用したマイクロ波送信／受信ステーションにおいて、
   −水平偏波信号用であり、請求項１〜７のいずれか一項に記載の第１の受信フィルター（ＦｉＲｘＨ）および第１の送信フィルター（ＦｉＴｘＨ）を備える第１のダイプレクサー（ＤＸＨ）と、
   −垂直偏波信号用であり、請求項１〜７のいずれか一項に記載の第２の受信フィルター（ＦｉＲｘＶ）および第２の送信フィルター（ＦｉＴｘＶ）を備える第２のダイプレクサー（ＤＨＶ）と、
   −前記第１のダイプレクサー（ＤＸＨ）に接続された水平偏波信号用の第１のポート（ｅ１）と、前記第２のダイプレクサー（ＤＸＶ）に接続された垂直偏波信号用の第２のポート（ｅ２）と、送信／受信ホーン（ＣＯ）に接続された第３のポート（ｅ３）とを有する偏波モード分波器／合波器と、を備えることを特徴とするマイクロ波送信／受信ステーション。

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