JP5732247B2 - 導波管装置 - Google Patents

Description

この発明は導波管装置に関し、特に外部からの信号を導波管に精度よく効率よく、しかも雑音少なく入力し、あるいは導波管を伝搬してきた電磁波から所望する周波数の信号を精度よく効率よく、しかも雑音少なく出力するようにした装置に関する。

導波管装置はマイクロ波を用いた衛星通信や情報通信などの分野において重要な電子要素である。
かかる導波管装置では導波管に対する電磁波の入出力と電極との関係について定説はなく、あまり分明になっていないのが現状である（非特許文献１、非特許文献２）。

「電子通信ハンドブック」，社団法人電子通信学会ハンドブック委員会編，（株）オーム社発行，昭和５４年３月３０日第１版第１刷 「マイクロ波工学の基礎」，平田仁著，日本理工出版会発行，２００４．２初版

本件発明者は、導波管内に電磁波を導波する場合に複数の入力電極を電磁波進行方向の波長に応じた間隔で並べて配置し、複数の電極の間に高周波電流を印加すれば電磁波を精度よく効率よく、しかも雑音を少なく導波できることを知見した。

本発明はかかる知見に基づいてなされたものであって、簡単な構成で電磁波を精度よく効率よく、しかも雑音少なく導波し又は出力できるようにした導波管装置を提供することを課題とする。

そこで、本発明に係る導波管装置は、導波管の中に入力電極又は出力電極を備え、導波管に電磁波を入力しあるいは導波管を伝搬してきた電磁波から電気信号を出力するようにした導波管装置において、前記入力電極又は出力電極は、導波管幅方向に延びる形状の２つ以上の電極を電磁波進行方向に並べかつ上記２つ以上の入力電極のうちの隣接する電極の間に高周波電流が印加され又は上記２つ以上の出力電極のうちの隣接する電極の間から電気信号が出力されるように配置して構成され、前記入力電極又は出力電極は、その電極配列の外周形状が導波管に内在し下記数式１によって特定される形状の一部又は全部に対応した形状に配置されていることを特徴とする。

（但し、Ｔn ：電極の外周形状ｆ（ｘ）からｎ次電界モード分布Ｇｎ（ｘ）の電磁波への変換効率、または、ｎ次電界モード分布Ｇｎ（ｘ）をもつ電磁波から外周形状f(x)の電極に誘起する高周波電流への変換効率、ｆ（ｘ）：電極の外周形状、Ｇｎ（ｘ）：ｎ次電界モード分布、ａ：導波管の幅、ｘ：導波管中央位置を零とする導波管幅方向の座標、である。）

入力又は出力は、隣接する相互に逆極性の電極に印加された電界の面積に比例する。つまり、電極の横方向の長さが導波管幅の半分のとき、電極から導波管内に伝達するエネルギーは半分（５０％）になる。本発明は一本の電極を導波管幅いっぱいに施した構成を可能とし、導波管幅を出来る限り有効に利用できるようにしたものである。

導波管内では電磁波は管内波長の周期で進行方向Ｚへ伝搬し、管内波長の１／２周期毎にその極性を変化させている。導波管の幅と伝搬周波数で決まる管内波長をもつ電磁波を励振させる場合、電界分布である管内波長の同じ極性の箇所に、電極間に生じる電界を印加し、電界モードと結合させる。そして、管内波長の次の極性、逆極性には先ほどとは逆向きの電界を印加し結合させる。従って、複数の入力電極の電磁波進行方向Ｚの間隔は、管内波長の１／２であることが必要である。出力電極についても、同じであることが理解できる。

つまり、入力電極又は出力電極は、相互に逆の極性となる電極を交互に配置するのがよい。その場合の一本の電極の電磁波進行方向Ｚ方向の長さは、出来るだけ小さくし、電極によって印加される電界と電界モードの結合を大きく施すのがよい。管内波長の１／２以下であれば電界モードとの結合は存在している。また、複数の電極が導波管の幅と周波数とで決まる管内波長の１／２の間隔で並設されるのが好ましい。
もし、隣接する２つの電極の電磁波進行方向の端縁が管内波長の１／２で決まる周波数に共振するような間隔のときは、電極のＺ方向の長さを大きくし、隣接する電極の電磁波進行方向の端縁の間の間隔を管内波長の１／２よりも更に小さくして、管内波長の１／２で決まる周波数に共振しないように最適に調整することが必要となる。

本発明では同じような形状を持った電極を単純に電磁波進行方向に並設するという簡単な構造を採用することができる。つまり、入力電極又は出力電極を設計するのに、導波管の横幅と周波数から決定される管内波長の１／２周期ごとに極性を変化するように電極をＺ方向に複数設ければよく、簡単にできる。

入力電極又は出力電極では電磁波進行方向に並設される複数の電極を相互に導波管幅方向に等しい横幅にすることができるが、相互に導波管幅方向に異なる横幅となっていてもよい。

この場合、電極の本数は２本以上であれば電磁波は励振できるが、より精度よく導波するには電極本数を増やすことが必要である。電極本数が増えれば、周波数選択度も増し、最適な入力／出力装置が可能となる。また、一本の電極形状については、円柱の金属でなくてもよく、薄板状、楕円柱、角柱などでもよい。電界を印加する電極面積を多く取れば、多くの電力が電磁波に変換される。

例えば、図１及び図２に示されるように、導波管１０内の高さ方向Ｙの中央位置２１に、丸棒状の電極１１、１２を相互に逆の極性となるように、例えばプラス極性の入力電極１１とマイナス極性の入力電極１２を交互に、しかも電磁波進行方向Ｚに並べて配置する。入力電極１１、１２の電磁波進行方向の間隔Ｐは導波管１０の幅と周波数とで決まる管内波長の１／２とする。高周波電流をプラス極性の入力電極１１とマイナス極性の入力電極１２との間に印加すると、導波管１０内に長さ２Ｐで決まる周波数の電磁波を正確に導波させることができる。

この場合、電磁波進行方向Ｚに導波管壁と最も近い電極１２の位置は、その中心線と導波管壁の距離を管内波長の１／２の整数倍になるようにする。これは、電極の中心および導波管壁が管内波長で振動する電界強度の節点（電界が零の位置）になるように設置するためである。即ち、導波管１０に内在する電界モードとの結合を大きくするため、金属の電極部を少なくするように電極のＺ方向の長さは出来るだけ小さくするのがよい。この場合、導波管壁から最短の電極の極性はプラス又はマイナスのいずれでもよい。

複数の電極は導波管内の高さ方向のどの位置に設けても効果があるが、高さ方向中央２１付近に設けると、上下対称になって安定するので、導波管高さ方向の中央付近の位置に設置するのがよい。

また、相互に逆極性となる隣接する電極１１、１２、例えばプラスの極性の電極１１とマイナスの極性の電極１２の導波管幅方向の長さは図１２に示されるように、極端に異なっていてもよい。

出力電極の場合、図９に示されるように、入力電極の場合と同様にプラスの出力電極１１とマイナスの出力電極１２を配列することができる。

また、プラスの入力電極１１の導波管１０の幅方向に延びる複数の形状部分とマイナスの入力電極１２の導波管１０の幅方向に延びる複数の形状部分とを電磁波進行方向に並設することもできる。その場合、例えば図１０に示すような構成を採用することができる。プラスの電極１１の形状部分とマイナスの電極１２の形状部分が相対している箇所に電界が生じる。これら印加した電界分布と管内波長の周期で内在する電界モードが結合し、電磁波を導波する。出力電極では電磁波から誘導された高周波電流が出力される。

電磁波が導波管内を伝搬する場合、電磁波が導波管横方向の壁面に反射しながら進行することがある。かかる場合には導波管横方向に電界モードが形成される。電極配列の外周形状を電界モード分布に沿った形状に形成することにより、その電界モードと強い結合にすることができる。そのため、本件発明者は、複数の入力電極を電磁波進行方向の波長に応じた間隔に並べるとともに、電極間に印加する電界の密度が総合的に電界モード分布になるように電磁波進行方向に並べた電極配列の形状を工夫するに至った。

本件発明者は、導波管中に電磁波を入力するために設置した複数の電極に高周波を印加することにより生じた電界分布と、導波管中に伝搬する電磁波の電界モード分布との間における伝達効率を研究した結果、高周波電流から導波管中の電磁波に伝達する変換効率は数式１で決定されることを知見した。

Ｔn ：電極の外周形状ｆ（ｘ）からｎ次電界モード分布Ｇｎ（ｘ）の電磁波への変換効率、または、ｎ次電界モード分布Ｇｎ（ｘ）をもつ電磁波から外周形状f(x)の電極に誘起する高周波電流への変換効率
ｆ（ｘ）：電極の外周形状
Ｇｎ（ｘ）：ｎ次電界モード分布
ａ：導波管の幅
ｘ：導波管幅方向の座標で導波管中央位置を零とする
である。

つまり、上記数式１は、入力電極と導波管に内在する電界モード分布との係わり合い、つまり入力電極の外周形状ｆ（ｘ）により印加した電界から導波管に伝達する、ｎ次の電界モード分布Ｇｎ（ｘ）をもつ電磁波に変換する変換効率を示している。
また、上記数式１は、導波管に内在する電界モードとして伝搬してきた電磁波のｎ次の電界モード分布Ｇｎ（ｘ）と出力電極の外周形状ｆ（ｘ）との係わり合い、つまりｎ次の電界モード分布Ｇｎ（ｘ）をもつ電磁波から出力電極の外周形状ｆ（ｘ）に誘起される高周波電流への変換効率をも示している。
即ち、上記数式１は高周波電流と電磁波との変換において、入出力の電極の外周形状と、導波管に内在する電界モード分布との変換効率を表す式であると理解できる。

上記数式１は数学的に、ｆ（ｘ）とＧｎ（ｘ）が同じ関数のとき、つまり入力または出力電極の外周形状ｆ（ｘ）と、導波管に内在する電界モード分布Ｇｎ（ｘ）の特性曲線が同じであるとき、導波管への入力または導波管からの出力の変換効率は１であり、他の電界モードの変換効率は０であることが分かっている。

つまり、導波管に内在するｎ次の電界モード分布と複数の入力電極又は出力電極がなす電極配列の外周形状あるいは電極の複数の形状部分がなす形状が同じであるならば、変換効率が最大である１で、高周波電流から導波管内の電磁波へ、または導波管内の電磁波から導波管外の高周波電流へ損失することなく、変換できることを表している。

そこで、入力電極又は出力電極の外周形状では、複数の電極又は電極の複数の形状部分が導波管に内在する電界モード分布のうち、着目する次数の電界モード分布の一部又は全部に対応した形状に配置されることができる。電極１１、１２の配列を導波管１０に内在する電界モード分布の一部又は全部に対応した外周形状に配置した例を図３ないし図５に示す。

また、入力電極１１の外周形状を、矩形状とした場合、基本波の電界モード分布に対応する形状１８とした場合（図６）について、それぞれの形状の電極１１がもつ変換効率を、導波管１０に内在するｎ次電界モードについて計算したのが図７及び図８である。

図７から、矩形型電極にはいろんな高調波成分が存在し、いろんな高調波成分が含まれていることが分かる。図８から、基本波（第１次）電界モードの電界分布曲線に対応した形状の入力電極１１の場合では基本波電界モードをもつ基本波成分しか存在せず、基本波モードの周波数においてのみ変換効率が１で、他の周波数成分における変換効率は０である。つまり、基本波モードの電界分布に対応する外周形状の入力電極１１は一種のフィルタのような特性があり、電極形状に応じた電界分布をもつ周波数成分しか、波は導波管１０内に伝達されないことが分かる。
これにより、例えば図３ないし図５に示されるように、電磁波進行方向に並置した複数の入力電極１１、１２の電極配列の外周形状を、導波管１０に内在する電界モード分布に対応する形状１８にすることにより、入力電極１１、１２の電極配列の外周形状に合った電界分布をもつ周波数成分しか、導波管１０内に伝達しないことが理解される。

つまり、導波管に内在する電界モード分布に応じた強度の電界分布に合わせて、導波管中に設けた複数の電極の間に電界を印加することにより、高周波電流を導波管に伝搬する電磁波に、より高結合に、しかも所望する電磁波を選択的に導波でき、雑音等の除去も可能になる。

これにより、着目する次数の電界モード分布によって特定される外周形状をもつ複数の入力電極の配列に高周波電流を印加すると、電極配列の外周形状に対応した電界モード分布を持った電磁波が導波管内を伝達し、他のモードの電磁波や雑音を導波管に伝達させず、雑音の少ない効率のよい特定モードの電磁波を導波管内に伝達させることができる。

また、出力電極の場合については、導波管内を電磁波が伝搬して来ると、外周形状に応じた高調波成分の電界モードのみが出力電極の配列に誘導され、他のモードや雑音は誘導されず、雑音の少ない効率のよい特定モードの電磁波のみの高周波電流を出力することができる。

電極配列の外周形状の一部または全部を、着目する次数の電界モード分布によって特定される形状とすればよく、例えば電極の外周形状を半周期以上の余弦曲線又は正弦曲線の一部または全部に対応する形状に形成することができる。
最も簡単な電極形状として、電極の外周形状を、導波管に内在する電界モード分布曲線の一部または全部に対応する形状、例えば基本波に対する電界モード分布曲線の一部または全部に対応する形状することができる。

また、電界モード分布に対応した入力電極１１は、図６の（ａ）に示すように電界モード分布曲線の上半分でも下半分だけでもよいので、入力電極１１、１２の電極配列は図５に示されるように、電界モード分布曲線の上半分でも下半分だけでもよい。

複数の電極は導波管内の高さ方向のどの位置に設けても効果があるが、高さ方向中央付近に設けると、上下対称になって安定するので、導波管高さ方向の中央付近の位置に設置するのがよい。

プラスの入力電極１１の導波管１０の幅方向に延びる複数の形状部分とマイナスの入力電極１２の導波管１０の幅方向に延びる複数の形状部分とを電磁波進行方向に並設し、かつ入力電極１１と１２が相対する箇所に生じる電界の包括的な形状が電界モード分布に対応した形状とする場合には、例えば図１１に示すような構成を採用することができる。

また、導波管１０の管壁１０Ａを一方の電極とすることができる。この場合、図１３に示されるように、入力電極１１（又は出力電極）をプラスの極性の電極（又はマイナス極性の電極）とし、導波管１０の電磁波進行方向Ｚの端壁から、導波管１０の幅と周波数とで決まる管内波長の１／２の位置（Ｐ）に設置すると、電極１１の導波管幅方向の長さを調整する、例えば入力電極１１（又は出力電極）を、導波管の幅方向に延びる形状とすることによって、基本波の電界モード分布が得られ、導波効率を向上できることが期待される。

本発明に係る導波管装置の好ましい実施形態における入力電極の電極配列の１例を示す概略斜視図である。 上記電極配列の平面構成（ａ）及び断面構成（ｂ）を示す図である。 入力電極の配列の外周形状を電界モード分布に対応する形状に形成した例を示す概略斜視図である。 入力電極の配列の外周形状を電界モード分布に対応する形状に形成した他の例を示す平面図である。 入力電極の配列の外周形状を電界モード分布に対応する形状に形成したさらに他の例を示す平面図である。 導波管基本波電界モード分布図（ａ）およびその場合の複数の電極配列の外周形状１８の導波管内での配置図である。 矩形状の入力電極における高調波次数に対する変換効率を示す図である。 基本波電界モード分布曲線に対応した入力電極における高調波次数に対する変換効率を示す図である。 本発明に係る導波管装置の好ましい実施形態における出力電極の電極配列の１例を示す概略斜視図である。 入力電極の形状部分を電磁波進行方向に配列した例を示す平面図である。 入力電極の形状部分を電磁波進行方向に配列した例において電極配列の外周形状を基本波電界モード分布に応じた形状とした例を示す平面図である。 プラス極性の電極とマイナス極性の電極の形状の例を示す図である。 導波管の管壁をマイナス極性の電極とし、１つのプラス極性の電極を配置した例を示す図である。

図１に示すように、導波管の電磁波進行方向をＺ軸、横方向をＸ軸、縦方向をＹ軸とする。所望する基本波に対する（＋）電極１１と（−）電極１２との間で電界を生じる。電極１１、１２により生じた電界に比例したエネルギーが導波管１０中の電磁波に伝達される。

電極１１、１２が導波管１０と短絡しないように、図２のように導波管１０の壁部付近で電極１１、１２は導波管１０との絶縁が保たれるほどの隙間１３をあけておく。図２（ａ）は電極１１、１２を配置したときの平面図である。図２（ｂ）にそのときの断面図を示す。１６はプラス電極１１とマイナス電極１２の電極配列である。

同軸ケーブル等と電極配列１６の接続方法は、従来の技術で接続するものとする。電極配列１６のＺ軸方向の長さは、導波管１０を伝搬する波に対する管内波長の半分Ｐを周期として設定されているが、２本以上の電極が必要で、電極本数が多くなれば周波数に対する選択度は増すが、その本数は入出力システムに合うように決めるのがよい。

導波技術の概略説明
従来の技術では、金属を介して同軸やストリップライン等から導波管に電磁波を導波する方法であり、この点で本発明と変わらない。しかし、従来の技術では、導波管に内在する電界、磁界モード分布と結合するために電極を挿入するのであるが、電磁波が電極に反射しないようにするために、電極を極力小さくする構成が採用されている。また、同軸ケーブルなどで導波管に導波させるとき、導波管端面から管内波長の１／４だけ離れた位置に同軸線内導体を設置することが上述の非特許文献１、２に図示されている。

本発明の図１及び図２の例では、導波管１０の幅方向のほぼ全幅にわたって電極配列１６を設置し、全領域に電界を生じさせ、導波管１０に内在する電界モード分布と結合させる方法を採用している点に特徴がある。

また、出力電極１１、１２についても、入力電極１１、１２と同じ方法で、電極の配列が決定される。その１例を図９に示す。

例えば、導波する電磁波の基本周波数が１０ＧＨｚの場合、導波管幅が２２．９ｍｍ、高さが１０．２ｍｍの導波管１０を用いる。電極１１又は１２は、電極材料として銅（Ｃｕ）材料を用いて形成されることができる。

（実施例）
導波する基本周波数が５０ＧＨｚの場合、導波管１０の大きさを、横方向の幅ａ＝２２．９ｍｍ、縦方向の高さｂ＝１０．２ｍｍ（基本周波数１０ＧＨｚを導波する規格寸法に相当）を使用する。高周波電流を電磁波に変換する入力電極の１例を、図１に示す。

５０ＧＨｚに対する管内波長は６．０５ｍｍであるので、電極の間隔Ｐ＝３．０２５ｍｍで、３本のプラスとマイナスの電極形状部分から入力電極１１、１２が構成されている。ｚ方向の長さは全体で７．０５ｍｍである。導波管内に設置するリード線の幅を１ｍｍとする。一本の電極形状は円筒型で、断面が直径１ｍｍの円形である。つまり、Ｚ方向の幅は管内波長の１／４以下で１．０ｍｍとする。材質は電極、リード線とも銅（Ｃｕ）を使用する。

１０ 導波管
１１ （＋）電極
１２ （−）電極

Claims (2)

1. 導波管の中に入力電極又は出力電極を備え、導波管に電磁波を入力しあるいは導波管を伝搬してきた電磁波から電気信号を出力するようにした導波管装置において、
   前記入力電極又は出力電極（１１，１２）は、導波管幅方向に延びる形状の２つ以上の電極を電磁波進行方向に並べかつ上記２つ以上の入力電極（１１，１２）のうちの隣接する電極の間に高周波電流が印加され又は上記２つ以上の出力電極（１１，１２）のうちの隣接する電極の間から電気信号が出力されるように配置して構成され、
   前記入力電極又は出力電極（１１，１２）は、その電極配列の外周形状が導波管に内在し下記数式１によって特定される形状の一部又は全部に対応した形状に配置されていることを特徴とする導波管装置。
   

   

   （但し、Ｔn ：電極の外周形状ｆ（ｘ）からｎ次電界モード分布Ｇｎ（ｘ）の電磁波への変換効率、または、ｎ次電界モード分布Ｇｎ（ｘ）をもつ電磁波から外周形状f(x)の電極に誘起する高周波電流への変換効率、ｆ（ｘ）：電極の外周形状、Ｇｎ（ｘ）：ｎ次電界モード分布、ａ：導波管の幅、ｘ：導波管中央位置を零とする導波管幅方向の座標、である。）
2. 前記入力電極又は出力電極（１１，１２）は、上記２つ以上の電極を導波管（１０）の幅と周波数とで決まる管内波長の１／２の間隔（Ｐ）で並設されている請求項１記載の導波管装置。

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