JP5630728B2 - 位相安定性のための導波管用の機械的温度補償装置 - Google Patents

Description

本発明は導波管用の機械的補償装置に関する。より正確には、本発明は温度変化に起因する膨張と収縮を受ける導波管において、位相安定性を確保するための技術を用いる解決策を提供する。

特に、例えば宇宙機器内へ組み込まれ、一般にマニホールドと呼ばれる特定の導波管を備えるマルチプレクサ−デマルチプレクサ（又はＯｍｕｘ）の場合、温度変化は大きくなり得る。これらのマニホールドは典型的にはアルミニウムで作製され、その熱膨張係数（ＣＴＥ）は２３ｐｐｍに等しく、これらの温度変化により引き起こされる変形は、位相のずれが導波内へ導入されるようなものである。これらの位相のずれは装置の故障をもたらす。例えば、Ｏｍｕｘチャネルの不整合が生じ得る。

これらの問題を修正するために、幾つかの技術が開発されて来た。第一の方法はできる限り小さい熱膨張係数を有する材料で、導波管及びマニホールドを生産することにある。Ｉｎｖａｒ^ＴＭのような材料は０．５ｐｐｍまで下がり得る熱膨張係数を有し、温度変化に関して非常に小さい変形性を与える。しかしながら、実用的な理由、とりわけ導波管が一般に、例えばアルミニウムのような熱膨張係数の大きい軽金属で作製される宇宙設備内に搭載されるため、機械的補償による解決策が、特にアルミニウムの導波管を用いて機能するために探求されている。これはマニホールドの熱膨張係数とそれが搭載される全体設備の熱膨張係数との間の大きすぎる差が、多大な機械的応力を引き起こすためである。これらの応力を低減するために、熱膨張係数を平均化することが必要である。

現在、位相安定性を確保するように、変形をその短辺に加えることにより長方形断面の導波管の熱膨張が補償され得ることが知られている。一つの既存技術は、導波管の短辺に直角な軸に沿って動くスペーサ部品を用いて、その短辺を押すか又は引くことにより導波管を変形させることにある。

しかしながら、これらの技術は一般的に、導波管の長辺に平行でそれらの間に間隔を保つ、Ｉｎｖａｒ^ＴＭ（又は類似の熱膨張係数を有する別の材料）で作製された非常に大きな板の使用を必要とする。これらの板の存在は導波管によって占められるスペースを増大させる。

この欠点を軽減するために、本発明は、温度変化の影響下で、本体と導波管から切り出されてそれと共に一体となっている偏心した長手方向リブを回転させ、導波管の短辺を変形させる、Ｉｎｖａｒ^ＴＭ又は熱膨張係数の小さい材料で作製されたアクチュエータの使用を提案する。

このために、本発明の主題は、第一の熱膨張係数を有するとともに、二つの長辺（６、７）と二つの短辺（４、５）とを有する導波管（１）を備え、前記短辺（４、５）が中央軸を有し、前記導波管（１）が前記短辺（４、５）の幅の約半分にわたって、該導波管（１）の該短辺（４、５）と少なくとも部分的に共通の面部分を有する、二つの長手方向リブ（２、３）を更に含み、該長手方向リブ（２、３）が前記導波管（１）の前記短辺（４、５）の中央軸に対して偏心し、前記導波管（１）本体において切り出されている、補償された導波管装置であって、
前記長手方向リブ（２、３）と接して、該長手方向リブ（２、３）を前記導波管（１）の前記短辺（４、５）と前記長辺（６、７）との間の交点とほぼ一致する回転軸のまわりに回転させる手段を備え、導波管（１）の短辺（４、５）の変形を生じさせ、
前記長手方向リブ（２、３）を回転させる前記手段が、該長手方向リブ（２、３）の終端に固定されるとともに、前記第一の熱膨張係数よりも小さい第二の熱膨張係数を有する熱変形性の小さい少なくとも一つの要素を備える。

前記第二の熱膨張係数は少なくとも５だけ、前記第一の熱膨張係数よりも小さいことが有利である。

長手方向リブを回転させる前記手段は、第二の熱膨張係数を有する熱変形性の小さい前記要素を少なくとも備えたバイメタル、及び前記第二の熱膨張係数よりも大きい第三の熱膨張係数を有する補足的な要素からなることが有利である。

バイメタルの熱変形性の小さい前記要素はＩｎｖａｒ^ＴＭで作製され、そしてバイメタルの補足的な要素はアルミニウムで作製されることが有利である。

長手方向リブを回転させる前記手段は、熱変形性の小さい前記要素に対応する第一タイプのストラップの対と、前記導波管に結合され前記ストラップ同士の間に置かれている、前記第一の熱膨張係数を有するつなぎ部材とを備えることが有利である。

前記ストラップはＩｎｖａｒ^ＴＭで作製され、前記導波管と前記つなぎ部材はアルミニウムで作製されることが有利である。

長手方向リブを回転させる前記手段は、前記第二の熱膨張係数よりも大きい第四の熱膨張係数を有するフレームと、熱変形性の小さい前記要素に対応する第二タイプのストラップの対とを備え、更に前記長手方向リブと前記フレームとの間に連結機構を備えることが有利である。

前記装置は前記導波管の長辺によって隔てられた二つの対向する長手方向リブと、前記長手方向リブの端部に接続された第二タイプのストラップの対の、二対のストラップとを備えることが有利である。

前記ストラップの対はＩｎｖａｒ^ＴＭで作製され、前記フレームはアルミニウム又はチタンで作製され、そして前記導波管はアルミニウム又はチタンで作製されることが有利である。

前記ストラップの対はチタンで作製され、前記フレーム及び導波管はアルミニウムで作製されることが有利である。

本発明の他の特徴及び利点は、以下の説明から、そして添付図面に関連して明らかになるであろう。

図１は、内部の位相安定性を確保するために、長方形断面のアルミニウム導波管の短辺に加えられる変形のシミュレーションを示す。単純化のため、短い基底がフラット・プロフィール（ｆｌａｔ ｐｒｏｆｉｌｅ）と呼ばれる等脚台形の変形プロフィールが考慮される。従って、理論的に完全な補償のために、図１に示す曲線は２０℃〜８５℃の間の温度に対し、８５℃におけるフラット・プロフィールのサイズに従って、短辺に加えられる変形の合計を示す。ゼロのフラット・プロフィールに相当する最悪の場合、すなわち三角形の変形は合計１４２μｍ、すなわち各短辺において７１μｍの補償を要するであろう。実際には、変形はむしろカーブしているため、補償の必要条件は二つの短辺に対して典型的にはおよそ５０μｍである。そのような変形は、以下に記載される機械的補償装置により達成される。

図２ａは、変形のない、常温における本発明による装置の図を示す。導波管１は二つの長辺６と７、及び二つの短辺４と５を備える長方形断面を有する。二つの長手方向リブ２と３は、そのうえ導波管１の本体において切り出され、それと共に一体化されている。これらの長手方向リブ２と３は、導波管の短辺の幅のおよそ半分にわたり、導波管１のそれぞれの短辺４と５と共通の面を有する。それらはまた互いに平行で短辺４と５の中央軸に対し偏心している。

図２ｂは、加熱されている、本発明による装置の挙動を示す。その原理は長手方向リブ２と３の回転によって、導波管の短辺４と５の変形を起こすことにある。

これらの長手方向リブ２と３を回転させるため、例えばバイメタルのようなアクチュエータを使用することが可能である。これらは典型的にはＩｎｖａｒ^ＴＭとアルミニウムのような、非常に異なる熱膨張係数を有する材料の二枚の板からなる。温度変化の影響下でバイメタルは変形し、長手方向リブと接触して適切に位置する場合、その回転を生じる。しかしながら、以下に記載するような他の好適な手段もまた実施され得る。

図３ａ及び３ｂは、どのようにして長手方向リブが回転させられ得るかを説明する。

図３ａは、フレーム１２が主としてアルミニウム製である、任意のＯｍｕｘ上に搭載された装置（完全には示されていない）を例示する。二つの長手方向リブ２と３の各端部は、例えばＩｎｖａｒ^ＴＭのような小さい熱膨張係数を有する材料で作製されたストラップ８、９、１０、１１を介してＯｍｕｘのフレーム１２に連結される。一方のストラップ８と９、及びもう一方のストラップ１０と１１は、前記ストラップと同じ材料で作製されたフレーム上の共通ベースにおいて一緒に結合される。従ってストラップ同士の間の隙間は、どのような温度であろうと殆ど一定である。対照的に、導波管１はアルミニウムのような熱膨張係数の大きい材料で作製されており、温度が上昇又は低下するときに膨張又は収縮する。

結果として、図３ａの導波管１の一つの領域の拡大である図３ｂに示すように、導波管１が膨張するとき、一方においてストラップ８と９との間、及びもう一方において１０と１１との間の隙間は一定であるため、ストラップ８、９、１０、及び１１に作用する引張り力及び圧縮力はリブ２及び３に伝達され、それはリブ自身周りの回転を生じ、そして導波管１の短辺４と５を変形させる。

導波管１の短辺４と５を変形させることにより、導波管の膨張により導入される位相のずれを機械的に補償することが可能である。その原理は、その膨張により導入される位相のずれを修正するように、導波管１の電気的長さを調節することである。

図４は本発明による別の例示的実施形態を示す。より正確には、図４は本発明による補償された導波管の断面を示す図である。典型的にはＩｎｖａｒ^ＴＭで作製されるストラップ１３及び１４と、典型的にはアルミニウムで作製されるつなぎ部材１５／導波管１組立品との間の熱弾性の差異は、温度変化が存在するときにリブ２及び３を自身の周りに回転させる。導波管及びつなぎ部材１５は大きな熱膨張係数を有するため、それらは実際にストラップ１３及び１４よりもはるかに大きく収縮又は膨張するであろう。従って引張り力及び圧縮力が発生し、リブ２及び３を回転させるであろう。その結果、リブ２及び３は導波管１の短辺４と５を変形させるであろう。この変形を正しく調節することにより、本装置は導波管１内における位相安定性を保証する。

要約すると、本発明の主な利点は、潜在的に大きな熱膨張係数を有し、大きい温度変化を受ける導波管内の位相安定性を、機械的装置を用いて確保することである。

導波管内の位相安定性を確保するために、８５℃においてアルミニウムの導波管に加えられる変形を示す曲線である。 公称温度における（変形のない）本発明の原理を示す図である。 高温における（導波管の変形を伴う）本発明の原理を示す図である。 公称温度における（変形のない）本発明による装置の一例の、概略図である。 自身の周りのリブの回転による導波管の変形を強調した、本発明による装置の一例の概略図である。 本発明による装置の別の例を示す図である。

符号の説明

１ 導波管
２ リブ、長手方向リブ
３ リブ、長手方向リブ
４ 短辺
５ 短辺
６ 長辺
７ 長辺
８ ストラップ、第二タイプのストラップ
９ ストラップ、第二タイプのストラップ
１０ ストラップ、第二タイプのストラップ
１１ ストラップ、第二タイプのストラップ
１２ フレーム
１３ ストラップ、第一タイプのストラップ
１４ ストラップ、第一タイプのストラップ
１５ つなぎ部材

Claims (10)

1. 第一の熱膨張係数を有するとともに、二つの長辺（６、７）と二つの短辺（４、５）とを有する導波管（１）を備え、前記短辺（４、５）が中央軸を有し、前記導波管（１）が前記短辺（４、５）の幅の約半分にわたって、該導波管（１）の該短辺（４、５）と少なくとも部分的に共通の面部分を有する、二つの長手方向リブ（２、３）を更に含み、該長手方向リブ（２、３）が前記導波管（１）の前記短辺（４、５）の中央軸に対して偏心し、前記導波管（１）本体において切り出されている、補償された導波管装置であって、
   前記長手方向リブ（２、３）と接して、該長手方向リブ（２、３）を前記導波管（１）の前記短辺（４、５）と前記長辺（６、７）との間の交点とほぼ一致する回転軸のまわりに回転させる手段を備え、導波管（１）の短辺（４、５）の変形を生じさせ、
   前記長手方向リブ（２、３）を回転させる前記手段が、該長手方向リブ（２、３）の端部に固定されるとともに、前記第一の熱膨張係数よりも小さい第二の熱膨張係数を有する熱変形性の小さい少なくとも一つの要素を備える
   ことを特徴とする装置。
2. 前記第二の熱膨張係数が前記第一の熱膨張係数より、少なくとも５だけ小さい請求項１に記載の装置。
3. 前記長手方向リブ（２、３）を回転させる前記手段が、少なくとも前記第二の熱膨張係数を有する熱変形性の小さい前記要素を含むバイメタルからなり、補足的要素が前記第二の熱膨張係数よりも大きい、第三の熱膨張係数を有する請求項１又は２に記載の装置。
4. バイメタルの熱膨張係数の小さい前記要素がＩｎｖａｒ^ＴＭで作製され、バイメタルの補足的要素がアルミニウムで作製される請求項３に記載の装置。
5. 前記長手方向リブ（２、３）を回転させる前記手段が、熱変形性の小さい前記要素に対応する第一タイプのストラップの対（１３−１４）を備え、前記第一の熱膨張係数を有するつなぎ部材（１５）が導波管（１）に固定され、そして前記ストラップ（１３、１４）同士の間に置かれている請求項１又は２に記載の装置。
6. 前記ストラップ（１３、１４）がＩｎｖａｒ^ＴＭで作製され、前記導波管（１）と前記つなぎ部材（１５）がアルミニウムで作製される請求項５に記載の装置。
7. 前記長手方向リブ（２、３）を回転させる前記手段が、前記第二の熱膨張係数よりも大きい第四の熱膨張係数を有するフレーム（１２）を備え、そして第二タイプのストラップの対（８−９、１０−１１）が熱変形性の小さい前記要素に対応し、更に前記長手方向リブ（２、３）と前記フレーム（１２）との間に連結機構を備える請求項１又は２に記載の装置。
8. 前記装置が導波管（１）の長辺（６、７）により隔てられた二つの対向する長手方向リブ（２、３）を備え、第二タイプのストラップの対の、二対のストラップ（８−９、１０−１１）が前記長手方向リブの端部に接続される請求項７に記載の装置。
9. 前記ストラップの対（８−９、１０−１１）がＩｎｖａｒ^ＴＭで作製され、前記フレームがアルミニウム又はチタンで作製され、そして前記導波管（１）がアルミニウム又はチタンで作製される請求項７又は８に記載の装置。
10. 前記ストラップの対（８−９、１０−１１）がチタンで作製され、前記フレーム及び前記導波管（１）がアルミニウムで作製される請求項７又は８に記載の装置。

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