JP5716248B2 - 超高周波電気通信アンテナ向けｏｍｔ型ブロードバンドの多帯域用送受信カプラー−セパレーター - Google Patents

Description

本発明は、超高周波電気通信アンテナ向けＯＭＴ（「直交モード変換器」）型の非常に広い帯域を有する、多帯域用送受信カプラー−セパレーターに関する。そのような装置はまた「マルチプレクサー」あるいは「多重化ＯＭＴ」とも呼ばれ得る。記述を単純化するため、この装置は単に「カプラー」と呼ばれるであろう。

図１は超高周波導波管技術によって作られる、「直線偏波分離器」と呼ばれるＯＭＴの図を示す。参照番号１であるこのＯＭＴは、本質的に超高周波電気通信アンテナに面するホーンに接続されるように設計された第１のポート２、及び送信機又は受信機に接続されるように設計された２つの別のポート３、４を備える。このＯＭＴは直線偏波のみで動作する。これら３つのポートは同軸である。ポート３は水平偏波に対応し、ポート４は垂直偏波に対応する。ポート３は長方形であり、ポート２と３の中間の寸法を有する１つ以上の導波管の部分５によってポート２に接続される。ポート４は、３つのポートの共通軸に対して対称に置かれ、各々が細長いおおよそ「Ｕ」形を有し、ポート２及び３の各々に直径方向で対向する連結スロットに達している、２つの導波管の部分６Ａ、６Ｂによって、ポート２へ半径方向に接続される。

図２のカプラー７は「ピラミッド形の」ＯＭＴである。それは本質的に正方形断面の平行６面体を有する中央の空洞及び、この空洞の底面に置かれたピラミッド８を含む。ポート９から１２は、平行６面体のピラミッドの横にある三角形の４面に面するように到達している。そのようなＯＭＴを用いて、正方形断面を有する中央ポートと４つのポート間の電磁波の連結は広帯域であり得る。この動作範囲は、円形断面のポートと、高次モードの伝搬を促進するＯＭＴの平行６面体との間の転移を用いることにより影響され、又は低減され得る。さらに、このカプラーは多重化機能を持たない。

図３は円形断面を有する従来のＯＭＴ１３を示す。それは本質的に、一般には空洞である３つの連続的な同軸の導波管の部分１４、１５、及び１６を備える。第１の導波管１４は最大径を有し、１つのみが図示されているスロット１４Ａのような２つ又は４つの長方形の連結スロットを備え、各々は図示されているポート１４Ｂのようなポートと結ばれている。同様に、部分１４よりも小さい直径を有する部分１５は、各々がポート１５Ｂと結ばれている２つ又は４つの連結スロット１５Ａを備える。最後に、部分１５よりも小さい直径を有する部分１６は、最も高い周波数帯域を伝搬させるためのポートを形成し、一方で部分１４は最も低い周波数同士を連結し、部分１５は中間値の周波数同士を連結する。そのようなカプラーは、従って多帯域の連結を可能にするが、これらの帯域の幅は狭い。

図４のカプラー１７は、正方形又は長方形の断面を有する平行６面体の空洞により延ばされた、長方形の平行６面体形状の空洞１８と、正方形又は長方形の断面を有し、その空洞の軸と同軸のポート１９とを備えるタイプである。空洞１８は、その２つ（又は４つ）の各側面上に、連結ポート１８Ｂと結ばれている連結スロット１８Ａを含む。そのようなカプラーは比較的広い周波数帯域に対して動作するが、しかし円形断面のホーンの接続へのインターフェースとして役立ち、そして正方形又は長方形の断面を有する空洞１８と、そこにつながれる円形断面の導波管との間にある（図示されない）転移は、高次モード、とりわけ有効な信号の伝搬を妨げる高調波が存在するために、その動作範囲を狭める。

図５は米国特許第６ ５６６ ９７６号明細書によって公知のＯＭＴ２０の図を示す。このＯＭＴは、円形断面のポート２２を、同じく円形断面でポート２２よりも小さい直径を有するポート２３に接続する円錐体２１を備える。ポート２１Ｂと結ばれている連結スロット２１Ａは円錐体２１の上に作られる。そのようなＯＭＴは狭い周波数帯域のみ伝搬することを可能にする。

本発明の主題は、直線偏波及び円偏波の双方に対して（１オクターブよりも大きい）非常に広い帯域幅にわたり動作可能な、超高周波電気通信アンテナ向けＯＭＴ型の非常に広い帯域を有する、多帯域用の送受信カプラーである。

本発明によるカプラーは、全ての周波数を伝搬するためのポートと、本体と、高周波帯域を伝搬するためのポートとを備え、これら３つの部分は同軸であり、３つの全てが円形断面を有し、低周波数帯域を伝搬するための連結スロットが本体内に作られ、各々が導波管と結合され、そして２つのポートを結合するその本体が、連結部分と低周波数すなわち連結された周波数を遮断するための部分とを備える、少なくとも１つの区間を含み、その外形が、最大の断面を有するポートから最小の断面を有するポートへと絶えず減少する、多項式の法則に従って変化する回転体形状を有し、各連結部分が２つ又は４つの広帯域の連結スロットを備えることを特徴とする。

連結スロットは再結合後に、直線偏波及び円偏波における動作を可能にする。それらの数が２つで直径方向に対向している場合、それは単一の直線偏波に関し、それらの数が４つでありかつ隣接するスロットに対して９０°に位置する場合、それは直線偏波及び円偏波に関する。連結状態において、損失を別にすれば、カプラー自体によって誘起される、及び機械加工された材料の処理のタイプ（例えば、銀ベースの仕上げは非常に良好な伝導性を可能にする）によって誘起される、全ての連結された信号はそのとき回収される。

遮断部分はまた高周波数の横方向への伝搬を可能にする適応機能を実行し、それはまた（ポートＰ１とＰ２の間で）カプラーの全体的な適応を助ける。

本発明は限定されない例としてみなされ、添付図により例示される実施形態の詳細な説明を読むことによって、より良く理解されるであろう。

上述された、既知のカプラーを単純化した図である。 上述された、既知のカプラーを単純化した図である。 上述された、既知のカプラーを単純化した図である。 上述された、既知のカプラーを単純化した図である。 上述された、既知のカプラーを単純化した図である。 本発明によるカプラーの実施形態を単純化した図である。 本発明によるカプラーの実施形態を単純化した図である。 本発明によるカプラーの実施形態を単純化した図である。

本発明はカプラーの３つの単純な例に関して後述されるが、それはこれらの例に限定されず、そしてこれらカプラーの本体は多数の別の外形を持ち得ることが明確に理解され、これらの外形は一般に最大の断面を有するポートから最小の断面を有するポートへと絶えず減少する、多項式の法則に従って変化すると規定される。

後述される本発明に従う全てのカプラーは、主として次の要素を備える：本体が後に続く第１ポートＰ１及び第２ポートＰ２であって、これら３つの要素は全て円形断面を有し、そして同軸である。ポートＰ１の内径はポートＰ２の内径よりも大きく、一方で連結部分の内径はポートＰ１の内径に対し、それらの接続点において等しく、そしてそのＰ１との接続点とＰ２との接続点の間で絶えず減少する。本体は連結部分及び、同じ集まりの連結部分に関連する遮断周波数用の部分で構成される、少なくとも１つの区間を含む。本明細書に記述された実施形態は、各々そのような１つの区間だけを含むが、本発明はそのような単一の区間に限定されず、本発明のカプラーは（連結及び分離において）処理されるべき中間の周波数帯域が存在する数だけ、そのような区間を含むことが良く理解される。遮断部分の外形は異なる変遷の規則を有する１つ以上の部分を備え得る。これらのカプラーの各々に対して、ポートＰ１は（低いサブ帯域及び高いサブ帯域の連結を表わす）全ての有効な帯域幅を伝搬し、そして超高周波電気通信アンテナのような集束システムと結ばれる電磁波を、送信及び受信において伝搬するホーンに（示されていないやり方で）接続され、一方でポートＰ２は高いサブ帯域のみを伝搬し、そして連結部分の連結ポートは低いサブ帯域を伝搬する。ポートＰ２及び連結部分のポートは（示されていないやり方で）送受信システムに接続される。各連結部分の長手方向外形の変遷の規則は、本発明の必須の要素であり、示される各々の実施形態に対して詳細に後述されるであろう。

連結部分は、異なる数が純粋にそして単純に役に立たないであろうため、２つ又は４つの連結スロットだけを含み得ることに注意されたい。後述される連結部分の外形の例は、それらが直線か又はスプライン曲線により形状を定められるかにかかわらず、機械加工での製作が容易である。

図６のカプラー２５の本体２４は、異なる勾配を有する２つの連続した（連結部分を決定する）直線部分２６及び（低周波数の遮断部分を決定する）２７で構成される外形を有する（これらの勾配はカプラーの長手軸に関して、図の平面内で考慮されなければならない）。この外形は、異なる勾配を有する３つ以上の部分を含み得ることが良く理解される。図に示す例において、部分２６の勾配は部分２７の勾配よりも大きいが、その反対も同様に可能である。

これらの勾配値の間の比率は、それらが遂行すべき任務、すなわち、連結及び分離されるべきサブ帯域と、相互の周波数間隔との相対的な帯域値における割合に依存するため、問題のケースに応じて異なる。セパレーターの各部分は、低い帯域の連結が、約１０〜１５°の角度θ１（勾配２６）を伴う傾斜、及び角度θ２（勾配２７）を伴う傾斜であるその次の部分を表わすことにより、カプラーを介するこれらの同じ低い帯域の伝搬を短絡（防止）することを促進する。これらの全てはまた、伝搬され分離されるべき全周波数帯域用の全てのカプラーの、（ＳＷＲ、すなわち定常波比率に関して）良好な適応を促進する。広帯域の長方形連結スロット２４Ａは部分２４の本体内に作られる。これらのスロットは部分２４の長手方向軸に平行に延びる。今の場合、それらの数は２つ又は４つである。２つのスロットは少なくとも１つの直線偏波を連結するために役立ち、４つのスロットは２つの直線偏波と２つの円偏波を連結するために役立つ。（図示されない）再結合システムが、それらを復元するために必要である。これらのスロットのうちの１つだけが図において見られる。各スロットは長方形断面の導波管２４Ｂと結合されている。各連結スロット及び関連する導波管は、この場合「連結アーム」と呼ばれる。連結スロットの寸法は、連結されるべき最低周波数の伝搬を可能にするため、従来の長方形の導波管の寸法のように、最初に決定される。

望ましくは、本発明による全ての実施形態に対するように、図６の実施形態に関して、連結アームの各ガイドの端部には、アーム２４Ｂに対して連結されるべき帯域幅の外側にあり得る、そして部分２４を通じて長手方向のみに通過しなければならない、場合によっては可能性のある周波数の残留を除去するために設計された、（図示されない）１つ以上の従来のフィルタリング・セルが存在する。

ポートＰ１からポートＰ２へと考慮される、図７のカプラー２９の連結部分２８の外形は、それに直線部分３１が続くスプライン曲線３０で構成されている。スプライン曲線３０の形状を定める方程式は、上記に規定したように、部分２８に対応する部分の直径が、最大の断面を有するポートから最小の断面を有するポートへ、又はより正確には外形３１により形状を定められる部分を伴う接続点へと絶えず減少するならば、様々な形を有し得る。

図８のカプラー３２は、各々が図７のスプライン曲線３０と同じ条件を満たす、その外形が２つの異なる連続的なスプライン曲線３４、３５で構成されている、連結要素３３を備える。本発明のカプラーの連結部分の外形は、３つ以上のスプライン曲線を含み得ることが良く理解される。スプライン曲線の数は、連結されるべき帯域幅の大きさ（関係帯域の割合）、連結されるべき帯域幅の数、及びそれら相互の周波数間隔から由来する。カプラーを機械的に製作する可能性もまた、このスプライン曲線の数を制限し得る：そのとき妥協が必要であろう。一例として、Ｌ帯域を連結するため、及びＣ帯域とＫｕ帯域を分離するために作られるカプラーにおいて、スプライン曲線３５の形状を定めるために四角の正弦関数が用いられている。このスプライン曲線は低い（Ｌ）帯域の連結を促進する短絡領域を規定し、そしてより高い（Ｃ及びＫｕ）帯域の良好な適応は、カプラーを通じて伝搬される。連結を実行するスプライン曲線３４は一次の多項式（直線の外形）であった。

限定されない例示的な実施形態によれば、本発明のカプラーは直線偏波又は円偏波にかかわらず、送信モード及び受信モード（カプラーの連結及び分離機能）の両方において広いサブ帯域Ｋｕ及びＫａを処理し、それは次のような全部で４つのサブ帯域を与える。Ｋｕ帯域において、送信される周波数の帯域は１０．９５〜１２．７５ＧＨｚまで広がり、受信される周波数の帯域は１３．７５〜１４．５ＧＨｚまで広がる。Ｋａ帯域において、送信される周波数の帯域は１７．７〜２０．２ＧＨｚまで広がり、受信される周波数の帯域は２７．５〜３０ＧＨｚまで広がる。最小の既知の導波管はＣ８９０（半径＝１．１９４ｍｍ）であるため、最小のカプラーは従来の機械加工がその製作を制限する場合、電気めっき又は電鋳法によって製作され得る。部分の多項式の法則の複雑さは、仕様の要求を考慮に入れ、一方で製作の可能性を過度に制約しないように選ばれなければならない。そのようなカプラーは、カバーされる周波数の全帯域（１０．９５〜３０ＧＨｚ）が１オクターブを超えて広がるため、従って「非常に広帯域」と見なされ得る。この例において、Ｋａ帯域の信号は円偏波（送信モードと受信モードにおいて右と左）を有し、Ｋｕ帯域の信号は直線偏波（送信モードと受信モードにおいて水平と垂直に直交）を有する。Ｋｕ帯域（送信と受信）の全体は、連結体の４つの連結アームを通過し、連結された関係帯域の２７．９％を表わし、一方でカプラーを通過するＫａ帯域は分離された関係帯域の５１．６％を表わす。関係帯域の割合Ｐ_ＢＲは次のように定義される：
これはＫｕ帯域に対して：
を与える。

カプラー−セパレーターを介して連結されるべき低い帯域と、伝搬されるべき高い帯域との間隔（この場合１４．５〜１７．７ＧＨｚ、すなわちＫｕとＫａの間の中間帯）は、カプラーが製作され得るかどうかを示す。この周波数の間隔は小さすぎてはならず、さもないと最高帯域の最初もまた連結する危険性がある。連結部分と遮断部分又は遮断部分の直後との間に置かれる、選択的フィルター（十字形のくり抜きを含む規定された厚さの、円形輪郭を有する超高周波７色フィルター）の使用は、連結されるべき帯域幅と分離されるべき帯域幅が非常に近い場合に、役立ち得る。このカプラーは、４つのサブ帯域の伝送（送信と受信）用の、唯一の非常に広帯域のアンテナを用いることを可能にする。

Claims (5)

1. 超高周波電気通信アンテナ向け直交モード（ＯＭＴ）カプラー型の非常に広い帯域を有する、多帯域用の送受信カプラー−セパレーターであって、
   全ての周波数を伝搬するためのポート（Ｐ１）と、本体（２４、２８、３３）と、高周波帯域を伝搬するためのポート（Ｐ２）とを備え、これら３つの部分が同軸であり、３つの全てが円形断面を有し、低周波数帯域（２４Ａ、２８Ａ、３３Ａ）を伝搬するための連結スロットが本体内に作られ、各々が導波管（２４Ｂ、２８Ｂ、３３Ｂ）と結合され、
   ２つのポートを結合するその本体（２４、２８、３３）が、連結部分と低周波数すなわち連結された周波数を遮断するための部分とを備える、少なくとも１つの区間を含み、その外形が、最大の断面を有するポートから最小の断面を有するポートへと絶えず減少する、多項式の法則に従って変化する回転体形状を有し、各連結部分が２つ又は４つの広帯域の連結スロットを備えることを特徴とする、カプラー−セパレーター。
2. その外形が、前記カプラーの３つの部分の共通軸に対して異なる傾斜を有する、少なくとも２つの直線部分（２６、２７）を含むことを特徴とする、請求項１に記載のカプラー−セパレーター。
3. その外形が、後に直線部分（３１）が続く、少なくとも１つのスプライン曲線（３０）を備えることを特徴とする、請求項１に記載のカプラー−セパレーター。
4. その外形が、少なくとも２つの連続するスプライン曲線（３４、３５）を備えることを特徴とする、請求項１に記載のカプラー−セパレーター。
5. その外形が、それぞれ後に連結スロットの無い直線部分又はスプライン曲線が続く、２つ又は４つの連結スロットを有する直線の連結部分あるいはスプライン曲線を伴う、幾つかの複合した集まりの連続を備えることを特徴とする、請求項１に記載のカプラー−セパレーター。