JP5959364B2 - 導波管 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、無線送信機などに用いられる導波管に関する。

気象レーダや空港監視レーダなど、比較的ハイパワーの無線送信機を備える装置は、受信系回路を保護するためのリミター回路を備えることが多い。リミター回路は、送信電力の受信系回路への回り込みを防止し、受信電力が過大な信号（至近距離からのエコーなど）から受信系回路を護るため、あるいは、受信信号の歪みによるデータエラーを防止するためなどにも用いられる。

特許第４２６８５０７号公報

一般的なリミター回路はダイオードの飽和特性を利用するので、整合回路を要する。また、ダイオード自身の損失が大きいので解決を要望されている。
ところで、当該技術分野に係わる無線送信機の殆どは、導波管を備える。導波管にリミッター機能を設け、ミリ波、マイクロ波などの無線帯域にある信号を直接処理できるようにすれば損失を低減したり、整合回路を不要にしたりできるなどの可能性があるが、そのような導波管は未だ知られていない。

目的は、リミター機能を備える導波管を提供することにある。

実施形態によれば、導波管は、開口を有する第１の導波路と、第１の導波路の開口と間隙を隔てて対向配置される開口を有する第２の導波路と、電波感応部とを具備する。電波感応部は、第１の導波路に入力される電波の強度が既定の閾値を越えれば間隙を電気的に短絡し、強度が閾値以下であれば間隙を電気的に開放する。

図１は、第１の実施形態に係る導波管の一例を示す図である。 図２は、実施形態に係る導波管における作用を確認するために実施された電磁界シミュレーションの結果の一例を示す図である。 図３は、第２の実施形態に係る導波管の一例を示す図である。 図４は、第３の実施形態に係る導波管の一例を示す図である。 図５は、第４の実施形態に係る導波管の一例を示す図である。 図６は、第５の実施形態に係る導波管の一例を示す図である。 図７は、第６の実施形態に係る導波管の一例を示す図である。 図８は、第７の実施形態に係る導波管の一例を示す図である。

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る導波管の一例を示す図である。図１（ａ）は上面図を示し、図１（ｂ）および（ｃ）は側面図を示す。図１に示される導波管は、それぞれの開口の間隙（ギャップ部）を隔てて対向配置される、入力導波路１と出力導波路２とを備える。この種の導波管は、いわゆる分割型導波管として知られる。ギャップ部は、主に入力導波路１と出力導波路２との熱接触を遮断するために設けられる。

入力導波路１は、その開口の縁に形成される導体板３−１、３−２を備える。導体板３−１、３−２は例えば四角形をなし、そのうち対向する２辺は入力導波路１の断面の長辺の長さをもつ。他の２辺は、概ね１／４波長の長さを持つ。同様に出力導波路２は、その開口に、断面の長辺から短辺に並行な方向に延伸される概ね１／４波長の導体板３−３、３−４を備える。つまり導波管に入出力される電波の波長をλとすると、導体板３−１〜３−４の２辺の長さは概ね１／４λであり、他の２辺は断面の長辺の長さである。

さらに、実施形態に係る導波管は、入力導波路１と出力導波路２とを導体板３−１〜３−４の端部で互いに接続する、ダイオードペア４−１、４−２を備える。ダイオードペア４−１、４−２は、互いに極性の異なる（アンチパラレルな）１組のダイオードを備える。つまりダイオードペア４−１、４−２は、入力導波路１、出力導波路２の開口縁から略１／４λの位置に取り付けられる。

上記構成において、入力導波路１に電波が（例えば図１（ｃ）に示される矢印の方向から）到来すると、入力導波路１はこの電波により励起されて電波強度に応じた電位を帯びる。入力導波路１と出力導波路２の電位との電位差がダイオードのオン電圧より低ければ、いずれのダイオードもオフ状態である。よって導体板３−１と３−３、および、導体板３−２と３−４は、ギャップ部を介して電気的にオープンのままとなる。

その結果、導波管側から見れば、ダイオードペアの接続される開放端から１／４波長の位置ではショートとなる。これにより、到来する波長λの電波に対して、導体板３−１〜３−４およびギャップ部の無い特性と等価な通過特性を実現することができる。つまり波長λの電波は、その強度がダイオードをオンしない範囲においては、ギャップ部をロスレスで通過する。

一方、到来する電波強度が比較的高く、入力導波路１と出力導波路２の電位との電位差がダイオードのオン電圧より高ければ、いずれかのダイオードがオンとなる。よって導体板３−１と３−３、および、導体板３−２と３−４が、ギャップ部を介してショートされる。

その結果、導体板３−１と３−３、および、導体板３−２と３−４が電気的に接続されることから、その長さは概ね１／２波長と等化になり、波長λの電波に対して共振器が形成される。共振器面は導波管のインピーダンスよりも低くなる。従って、入力導波路１を伝搬してきた電波は共振器面において反射される。これにより導波管は、既定の強度以上の電波を通過させないリミターとして作用することになる。

図２は、実施形態に係る導波管における作用を確認するために実施された電磁界シミュレーションの結果の一例を示す図である。シミュレーションにおいて、導体板３−１と３−３、および、導体板３−２と３−４を導体で接続してダイオードのオンと等価させた。また、導体板３−１と３−３、および、導体板３−２と３−４を接続しないことでダイオードのオフと等価させた。この条件化で８．２ＧＨｚの電波に対する電磁界解析を行った結果、図２に示されるグラフを得られた。

図２によれば、ダイオードのオフ時はほぼロスレスに近い状態で電波が伝搬し、また、オン時は共振周波数（８．２ＧＨｚ）で反射が起こる特性を実現できていることがわかる。すなわち通過する電力を減衰させる特性を実現できていることがわかる。なお、図２左側の６．６ＧＨｚ以下の周波数範囲は、導波管自身のカットオフ特性による減衰である。

以上述べたように第１の実施形態では、入力導波路１の開口に導体板３−１、３−２を形成し、出力導波路２の開口に導体板３−３、３−４を形成し、両導波路１、２の開口を互いにギャップ部を隔てて対向させて導波管を形成する。導体板３−１〜３−４の長さを、対象とする電波の波長λのλ／４とする。そして、導体板３−１、３−３をダイオードペア４−１で接続し、導体板３−２、３−４をダイオードペア４−２で接続するようにした。

ダイオードペア４−１、４−２は、アンチパラレルに接続される一対のダイオードである。ダイオードペア４−１、４−２の各ダイオードは、入力導波路１に入力される電波の強度に感応してオン／オフする。つまりダイオードは、電波強度が既定の閾値を越えればオンし、導体板３−１と３−３、および、導体板３−２と３−４をショートする。電波強度が閾値以下であればダイオードはオフのままであり、導体板３−１と３−３、および、導体板３−２と３−４はオープンされたままの状態となる。

従って第１の実施形態によれば、入力される電波強度が低ければロスレスで通過させ、電波強度が高ければ反射する機能を、導波管に併せ持たせることが可能になる。つまり第１の実施形態の導波管は、ダイオードをオンするレベルの電波が到来すると、通過電力値を制限するリミターとして機能する。これらのことから、リミター機能を備える導波管を提供することが可能になる。

［第２の実施形態］
図３は、第２の実施形態に係る導波管の一例を示す図である。図３において図１と共通する部分には同じ符号を付して示し、ここでは異なる部分についてのみ説明する。
図３（ａ）は、入力導波路１に、導波管の長さ方向に沿って導体板３−１、３−２を形成した例を示す。逆に、出力導波路２に、導波管の長さ方向に沿って導体板３−３、３−４を形成してもよい。いずれのケースでもダイオードペアは、導体板の縁から略λ／４離間する位置において、導体板と、導体板を持たない導波路とを接続する。
また、図３（ｂ）に示されるように、導体板３−１〜３−４はどのような方向に形成されても良い。例えば電波の伝搬方向すなわち導波管の長軸方向と垂直でない方向に、導体板３−１〜３−４を形成しても良い。

［第３の実施形態］
図４は、第３の実施形態に係る導波管の一例を示す図である。図４において図１と共通する部分には同じ符号を付して示し、ここでは異なる部分についてのみ説明する。図４（ａ）に示されるように、導体板３−１〜３−４のサイズは導波管断面の長辺長さよりも短くても良い。逆に図４（ｂ）に示されるように、導体板３−１〜３−４のサイズは導波管断面の長辺長さよりも長くても良い。いずれのケースでも、取り扱う電波の波長λに応じた共振器を形成することができれば、図４（ｃ）のように、導体板３−１〜３−４が導波管断面の長辺長さと同等の長さのケースと同様の効果を得ることができる。

［第４の実施形態］
図５は、第４の実施形態に係る導波管の一例を示す図である。図５において図１と共通する部分には同じ符号を付して示し、ここでは異なる部分についてのみ説明する。
図５（ａ）に示されるように、導体板の長さを不均一にしても良い。図５（ａ）においては導体板３−１、３−３の長さ（λ２／４）を、導体板３−２、３−４の長さ（λ１／４）よりも長くした例が示される。このような構成によれば、波長λ１およびλ２の電波に対する共振器を形成することができ、リミター機能を発揮し得る帯域を拡大することが可能になる。

図５（ｂ）は、複数のダイオードペアを備える一例を示す。図５（ｂ）は、図１のダイオードペア４−１、４−２に加えて、入力導波路１、出力導波路２を開口縁から略３λ／４の位置で接続するダイオードペア４−３、４−４を備える。
より一般的に表現すれば、ｎ＝３として、ダイオードペア４−３、４−４は、導体板３−１、３−２の入力導波路１の開口縁から略λ／４×ｎ離間する位置と、導体板３−３、３−４の出力導波路２の開口縁から略λ／４×ｎ離間する位置とを接続する。図１の構成はｎ＝１に相当する。もちろん、ｎ＝３，５，…というように、ｎは任意の正の奇数であって良く、また必ずしも隣り合う奇数でなくても良い。さらには、導体板３−１、３−３を接続するダイオードペアの数と、導体板３−２、３−４を接続するダイオードペアの数とを異ならせても良い。つまり図５（ｂ）の導波管を挟んで左右のダイオードペアの数を変えても良い。

図５（ａ）に示されるように、ダイオードペアの取り付け位置にバリエーションをもたせることで、ダイオードのオン時における共振器の共振周波数を異ならせることができる。よって反射させる電波の周波数帯域幅を拡大することが可能となる。また、さらに多くのダイオードを接続する図５（ｂ）の例では、共振器同士の結合により、反射させる電波の周波数帯域を同様に拡大できる。このように、ダイオードペアの数および取り付け位置を変更することで、共振器の帯域および取り扱い可能な電波の帯域を拡大できる。

［第５の実施形態］
図６は、第５の実施形態に係る導波管の一例を示す図である。図６において図１と共通する部分には同じ符号を付して示し、ここでは異なる部分についてのみ説明する。
第５の実施形態では、導体板３−３に共振器５−１を形成し、導体板３−２に共振器５−２を形成するようにした。共振器５−１、５−２は例えば導電部材で囲まれる空洞であり、その一部がギャップ部に開口している。このように、共振器５−１、５−２は導体板３−１、３−２および導波管を伝搬する電波と電気的に結合する。なお、共振器５−１、５−２に同じ特性を持たせても良いし、異なる特性を持たせても良い。

図６に示される構成によれば、第５の実施形態と同様に複数の共振器が結合する状態を作り出せるので、広い周波数帯域で入力電力を反射させることができる。特に、図６によれば、入力導波路１、出力導波路２を接続するダイオードペアの数をより少なくできる。よって入力導波路１と出力導波路２との間で、ダイオードペアを通じて熱が伝わることを最小にできる。これにより入力導波路１と出力導波路２との間での断熱効果を高めることができる。

［第６の実施形態］
図７は、第６の実施形態に係る導波管の一例を示す図である。図７において図１と共通する部分には同じ符号を付して示し、ここでは異なる部分についてのみ説明する。
図７に示される導波管は、図１の構成に加えて、ギャップ部に誘電体板６を備える。誘電体板６のサイズは、導波管を塞ぐのに十分なサイズ、つまり入力導波路１の開口および出力導波路２の開口よりも大きいサイズとする。

ギャップ部の間隔は、電波の波長などに応じた最適値をとる。よって過度に狭くならざるを得ないケースがあり、大電力の信号を通す場合に放電を生じる可能性が出てくる。そこで第７の実施形態では、誘電体板６を設け、ギャップ部の放電保護を実現するようにする。これにより対応可能な電力レベルを拡大することが可能になる。

［第７の実施形態］
図８は、第７の実施形態に係る導波管の一例を示す図である。図８において図１と共通する部分には同じ符号を付して示し、ここでは異なる部分についてのみ説明する。

図８に示される導波管は、図１の構成加えて、入力導波路１と出力導波路２とをオン／オフ接続するバイアス回路を備える。バイアス回路は、導体板３−１、３−３（入力導波路１、出力導波路２）にバイアス電圧を印加する電源７と、電源７によるバイアス電圧の印加をオン／オフするスイッチ８とを備える。スイッチ８は外部からの制御信号（図示せず）などを受けてオン／オフ制御される。

上記構成によれば、バイアス電圧を印加のタイミングを制御することで、ダイオードのオン／オフを、電波の到来および強度とは別個に制御することができる。つまり入力導波路１、出力導波路２の間に、強制的に電位差を持たせることが可能になる。これにより任意のタイミングで信号の切り替えを行うことが可能になる。スイッチ８を切り替えスイッチのみとして動作させる場合には、ダイオードは一方の極性のみで動作させることができる。

このように、バイアス回路を付加し、バイアス電圧をダイオードに加えることで任意のタイミングでのダイオードのオン／オフ制御が可能になる。これにより実施形態の導波管を、例えば送信信号に合わせたタイミングでのスイッチングの可能な、ノッチフィルタとして機能させることができる。

なお本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば導波管の断面は４角形に限らず、任意の形状とすることができる。また、ダイオードペアの取り付け位置も、導波管表面から概ね１／４波長の位置であれば任意の位置とすることができる。要するに到来する電波の波長および強度に応じた共振器を形成することができれば良い。さらに、入力導波路１と出力導波路２との間隔、すなわちギャップ長は通過損失との兼ね合いで任意に選択することが可能である。

また実施形態に係る導波管のリミター機能は、受信系への過大入力を防ぐだけでなく、別の用途にも用いることができる。例えば超伝導フィルタへの応用も可能である。つまり超伝導デバイスに出力導波路２を接続すれば、入力導波路１からの熱が出力導波路２および超伝導デバイスに伝送することをギャップ部により防止できる。これに加えて、電波のエネルギーにより超伝導状態が破壊されることを、導波管のリミター機能により防止することが可能になる。

いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示するものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…入力導波路、２…出力導波路２、３−１〜３−４…導体板、４−１〜４−４…ダイオードペア、５−１、５−２…共振器、６…誘電体板、７…電源、８…スイッチ

Claims (8)

1. 開口を有する第１の導波路と、
   前記第１の導波路の開口と間隙を隔てて対向配置される開口を有する第２の導波路と、
   前記第１の導波路に入力される電波の強度が既定の閾値を越えれば前記間隙を電気的に開放し、前記強度が前記閾値以下であれば前記間隙を電気的に短絡する電波感応部とを具備する、導波管。
2. 前記電波の波長をλとしたとき、
   前記電波感応部は、
   前記第１の導波路の開口の縁に形成される導体板と、
   前記導体板の前記縁から略λ／４離間する位置において当該導体板と前記第２の導波路とを接続するダイオードペアとを備え、
   前記ダイオードペアは、互いに極性の異なる一対のダイオードである、請求項１に記載の導波管。
3. 前記電波の波長をλとしたとき、
   前記電波感応部は、
   前記第１の導波路の開口の縁に形成される第１の導体板と、
   前記第２の導波路の開口の縁に形成され前記第１の導体板と対向配置される第２の導体板と、
   前記第１の導体板の前記第１の導波路の開口の縁から略λ／４離間する位置と、前記第２の導体板の前記第２の導波路の開口の縁から略λ／４離間する位置とを接続するダイオードペアとを備え、
   前記ダイオードペアは、互いに極性の異なる一対のダイオードである、請求項１に記載の導波管。
4. ｎを正の奇数としたとき、
   さらに、前記第１の導体板の前記第１の導波路の開口の縁から略λ／４×ｎ離間する位置と、前記第２の導体板の前記第２の導波路の開口の縁から略λ／４×ｎ離間する位置とを接続する複数のダイオードペアを備える、請求項３に記載の導波管。
5. 前記第１の導体板と前記第２の導体板とは、前記電波の伝搬方向と垂直に形成される、請求項３および４のいずれか１項に記載の導波管。
6. 前記第２の導体板に形成され、前記電波と電気的に結合する共振器を備える、請求項３に記載の導波管。
7. さらに、前記間隙に封入され、前記第１の導波路の開口および前記第２の導波路の開口よりもサイズの大きい誘電体部材を具備する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の導波管。
8. さらに、前記第１の導波路と前記第２の導波路との間にバイアス電圧を印加する電源と、
   前記バイアス電圧の印加をオン／オフするスイッチとを具備する、請求項２および３のいずれか１項に記載の導波管。

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