JP5985113B2 - 円偏波発生器 - Google Patents

Description

この発明は、マイクロ波帯やミリ波帯において、広帯域にわたり好ましい偏波間通過位相差の周波数特性が得られる円偏波発生器に関するものである。

衛星通信機器や携帯電話の基地局等の通信には主にマイクロ波信号が使用されており、マイクロ波信号の処理に使われる機器の一つに円偏波発生器がある。円偏波発生器は、直線偏波を円偏波に変換するものであり、よく知られている構成としてコルゲート形のものがある（例えば特許文献１参照）。

特許文献１に開示されたコルゲート形の円偏波発生器は、矩形状の導波管であって、対向する壁面上に、管軸方向と直交するひだ状の複数の隆起物（コルゲート）を、管軸方向に所定の間隔で連ねた形をしたものである。また、隆起物の先端部が描く包絡線は、管軸方向中央を頂点として滑らかな２次又は３次のＣｏｓ曲線を描くように、各隆起物の高さが変えられている。このような隆起物の配置により、円偏波発生器に入力された直交する２つの直線偏波（Ｖ偏波、Ｈ偏波）間には通過位相差が生じ、所定の周波数帯域で円偏波（右旋、左旋）に変換される。

特開２００４−２６６５０１号公報

従来の円偏波発生器は以上のように構成されており、隆起物の高さを管軸方向に緩やかに変化させることで、広帯域にわたり好ましい偏波間通過位相差の周波数特性を実現している。しかしながら、隆起物の高さを緩やかに変化させると、隆起物１個あたりでの偏波間絶対通過位相差は小さくなる。このため、所望の偏波間通過位相差の周波数特性に応じて隆起物の段数が増え、軸長は長くなる。一方、軸長を短くすると隆起物の高さが管軸方向に急峻に変化することになるため、好ましい偏波間通過位相差の周波数特性が実現しにくい。したがって、隆起物の高さを変えるだけでは、導波管の短軸化と、広帯域にわたる好ましい偏波間通過位相差の周波数特性の両立が困難であるという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、導波管の軸長を長くすることなく、広帯域にわたり好ましい偏波間通過位相差の周波数特性が得られる円偏波発生器を提供することを目的としている。

この発明に係る円偏波発生器は、矩形状の中空の導波管と、導波管内の一方の対向する壁面に設けられ、長手方向が当該導波管の管軸方向に直交し、当該管軸方向に沿って間隔を置いて配列された複数の第１の隆起物と、壁面上の第１の隆起物間に設けられ、長手方向が管軸方向に沿って配列された複数の第２の隆起物とを備えたものである。

この発明によれば、上記のように構成したので、導波管の軸長を長くすることなく、広帯域にわたり好ましい偏波間通過位相差の周波数特性が得られる。

この発明の実施の形態１に係る円偏波発生器の構成を示す一部を取り除いた斜視図である。 図１のＡ−Ａ’線断面図である。 この発明の実施の形態１に係る円偏波発生器の構成を示す上面を取り除いた上面図である。 この発明の実施の形態１に係る円偏波発生器の構成を示す図であり、（ａ）図２のＢ−Ｂ’線断面図であり、（ｂ）図２のＣ−Ｃ’線断面図である。 この発明の実施の形態１における第１の隆起物及び第２の隆起物の構成を示す拡大図である。 この発明の実施の形態１に係る円偏波発生器の効果を示す図である。 この発明の実施の形態１における第１の隆起物及び第２の隆起物の別の構成を示す拡大図である。 この発明の実施の形態２に係る円偏波発生器の構成を示す正面図である。 この発明の実施の形態３に係る円偏波発生器の構成を示す上面を取り除いた上面図である。 この発明の実施の形態４に係る円偏波発生器の構成を示す上面を取り除いた上面図である。 この発明の実施の形態５に係る円偏波発生器の構成を示す上面を取り除いた上面図である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る円偏波発生器の構成を示す一部を取り除いた斜視図であり、図２は図１のＡ−Ａ’線断面図であり、図３は上面を取り除いた上面図であり、図４（ａ）は図２のＢ−Ｂ’線断面図であり、図４（ｂ）は図２のＣ−Ｃ’線断面図であり、図５は第１の隆起物２及び第２の隆起物３の構成を示す拡大図である。
円偏波発生器は、直線偏波を円偏波に変換するものである。この円偏波発生器は、図１に示すように、導波管１、第１の隆起物２及び第２の隆起物３から構成されている。

導波管１は、矩形状の中空の導波路である。なお図１において符号１１，１２は導波管１の開口端である。また、実施の形態１では、図４に示すように、導波管１の開口端１１，１２は正方形（ａ：ｂ＝１：１）に構成されている。

第１の隆起物２は、導波管１内の一方の対向する壁面（図では上下面）に設けられ、長手方向が当該導波管１の管軸方向に直交し、当該管軸方向に沿って間隔を置いて複数配列された突起である。
第２の隆起物３は、導波管１内の上記壁面上の第１の隆起物２間に設けられ、長手方向が導波管１の管軸方向に沿って複数配列された突起である。

なお図１において、符号４は、第１の隆起物２と第２の隆起物３とが交差する点（交点）を示している。また図では、第１の隆起物２と第２の隆起物３との交点４が、導波管１の中心軸上に位置している場合を示している。このように、交点４を導波管１の中心軸上に位置させることで、Ｖ偏波の基本モードが対称な分布となり、Ｖ偏波の基本モードのカットオフ周波数を効果的に下げることができる。

そして、図２に示すように、各第１，２の隆起物２，３の先端部が描く包絡線はそれぞれ、導波管１の管軸方向中央を頂点として滑らかな２次又は３次のＣｏｓ曲線を成すように、各第１，２の隆起物２，３の高さが構成されている。

次に、上記のように構成された円偏波発生器の動作について、図１〜５を参照しながら説明する。以下では、図４に示すように、導波管１の開口端１１，１２は正方形であるとする。また図４において、実線矢印で示す偏波はＶ偏波であり、破線矢印で示す偏波はＨ偏波である。このＶ偏波とＨ偏波は互いに直交関係にある。また、図２，５に示すように、第２の隆起物３の高さは、第１の隆起物２の高さに対して高いとする。

まず、円偏波発生器の開口端１１からＶ偏波が入力された場合について考える。
開口端１１から入力したＶ偏波は、図４（ａ）に示す第１の隆起物２を有する断面形状の導波路と、図４（ｂ）に示す第２の隆起物３を有する断面形状の導波路とを交互に通過する。

このとき、図４（ａ）に示す断面形状の導波路については、一般的に管軸方向の長さが短いため、第１の隆起物２は容量性のサセプタンスとして働き、Ｖ偏波の通過位相を遅らせる。さらに、図４（ｂ）に示す断面形状の導波路については、いわゆるリッジ導波管として機能し、第２の隆起物３はＶ偏波が通過する導波路の電気長を長くする。このため、図４（ｂ）の導波路におけるＶ偏波の通過位相は、Ｈ偏波に対して相対的に遅れることになる。

次に、円偏波発生器の開口端１１からＨ偏波が入力された場合について考える。
開口端１１から入力したＨ偏波についても、図４（ａ）に示す第１の隆起物２を有する断面形状の導波路と、図４（ｂ）に示す第２の隆起物３を有する断面形状の導波路とを交互に通過する。

このとき、図４（ａ）に示す断面形状の導波路については、一般的に管軸方向の長さが短いため、第１の隆起物２は誘導性のサセプタンスとして働き、Ｈ偏波の通過位相を速める。さらに、図４（ｂ）に示す断面形状の導波路については、第２の隆起物３は電界に垂直な方向に配置されているため、第２の隆起物３によりＨ偏波の通過位相に与える影響は少ない。

以上のように、容量性及び誘導性のサセプタンスとして働く第１の隆起物２だけではなく、第２の隆起物３によっても、ＶＨ偏波間に通過位相差が生じ、開口端１２から円偏波が出力される。そのため、第１の隆起物２のみを用いた従来構成に比べ、偏波間通過位相差を大きくすることができる。したがって、第１，２の隆起物２，３の寸法を適切に選定することにより、導波管１の軸長を長くすることなく、広帯域にわたり好ましい偏波間通過位相差特性を得ることができる。

ここで、本発明の有効性について、図５に示す第１，２の隆起物２，３を用いた構成１個当たりの偏波間通過位相差を例に説明する。図６は、第１の隆起物２の１個当たりのＶＨ偏波間通過位相差の周波数特性（破線）と、第１，２の隆起物２，３を用いた構成１個当たりのＶＨ偏波間通過位相差の周波数特性（実線）とを比較した特性図である。なお、これらの特性は等価回路計算により求めたものである。

この図６に示すように、第１の隆起物２のみを用いた場合に対し、第１，２の隆起物２，３を用いた構成の場合では、偏波間通過位相差の周波数偏差が小さく、且つ多くの絶対通過位相差量を実現できることがわかる。すなわち、第１，２の隆起物２，３を管軸方向に複数配列し、それらの寸法を適切に選定することにより、導波管１の軸長を長くすることなく、広帯域にわたり好ましい通過位相差特性が得られることとなる。
なお、図６は一例であり、上記有効性については実施の形態１及び後述の実施の形態においても同様である。

また、図２，５では、交点４において、隣接する第２の隆起物３の高さが第１の隆起物２よりも高い場合について示した。しかしながら、これに限るものではなく、好ましい偏波間通過位相差特性に応じて、図７に示すように、隣接する第１の隆起物２の高さが第２の隆起物３よりも高くなるようにしてもよい。さらに、管軸方向において、ある位置では第２の隆起物３の高さが第１の隆起物２よりも高く、別のある位置では第１の隆起物２の高さが第２の隆起物３よりも高くなるようにしてもよい。

また、第１，２の隆起物２，３が交差しているため、第１の隆起物２による容量性及び誘導性のサセプタンスの大きさは、第１の隆起物２の幅と高さだけではなく、第２の隆起物３の幅や高さによっても変えることができる。よって、好ましい偏波間通過位相差特性を実現しやすいという効果もある。

以上のように、この実施の形態１によれば、導波管１内の一方の対向する壁面に設けられ、長手方向が当該導波管１の管軸方向に直交し、当該管軸方向に沿って間隔を置いて配列された複数の第１の隆起物２と、当該壁面上の第１の隆起物２間に設けられ、長手方向が管軸方向に沿って配列された複数の第２の隆起物３とを備えるように構成したので、導波管１の軸長を長くすることなく、マイクロ波帯やミリ波帯において、広帯域にわたり好ましい偏波間通過位相差の周波数特性が得られる。

実施の形態２．
実施の形態１では、図４に示すように、導波管１の開口端１１，１２を正方形に構成した場合を示した。それに対し、図８に示すように、開口端１１，１２を縦長の長方形（ａ：ｂ＝１：Ｎ）に構成してもよい。すなわち、第１，２の隆起物２，３を有する壁面間が長手方向となる長方形に構成する。これにより、Ｈ偏波のカットオフ周波数を下げることができ、広帯域な伝送特性を得ることができる。なお、実施の形態２に係る円偏波発生器のその他の構成、動作は、実施の形態１と実質的に同じである。

以上のように、この実施の形態２によれば、開口端１１，１２を縦長の長方形としたので、実施の形態１に対し、Ｈ偏波のカットオフ周波数を下げることができ、広帯域な伝送特性を得ることができる。その結果、より広帯域にわたり好ましい偏波間通過位相差特性が得られる。

実施の形態３．
実施の形態１では、図３に示すように、管軸方向において、導波管１内の壁面の幅（第１，２の隆起物２，３が設けられた壁面の管軸方向に垂直な長さ）を一様とし、且つ第１の隆起物２の長手方向の長さを一様とした場合を示した。それに対し、図９に示すように、第１の隆起物２の長手方向の長さ及び導波管１内の壁面の幅を、導波管１の両端と管軸方向中央とで異なるように構成してもよい。

図９の例では、管軸方向中央における第１の隆起物２の長手方向の長さ及び導波管１内の壁面の幅を、開口端１１，１２の開口寸法ａより長くしている。また、開口端１１，１２付近における第１の隆起物２の長手方向の長さ及び導波管１内の壁面の幅を、管軸方向中央に向かい徐々に長くするように段差状に形成している。これにより、Ｖ偏波のカットオフ周波数を下げることができ、広帯域な伝送特性を得ることができる。また、開口端１１，１２付近の開口を管軸方向中央に向かい緩やかに大きくすることで、良好な反射特性も得ることができる。なお、実施の形態３に係る円偏波発生器のその他の構成、動作は、実施の形態１と実質的に同じである。

以上のように、この実施の形態３によれば、第１の隆起物２の長手方向の長さ及び導波管１内の壁面の幅を、導波管１の両端と管軸方向中央とで異なるように構成したので、実施の形態１に対し、Ｖ偏波のカットオフ周波数を下げることができ、広帯域な伝送特性を得ることができる。その結果、より広帯域にわたり好ましい偏波間通過位相差特性が得られる。

なお図９では、開口端１１，１２付近にのみ段差を設けた場合を示したが、管軸方向中央にまで段差を設けてもよい。

実施の形態４．
実施の形態１では、図３に示すように、第１の隆起物２の厚み（管軸方向の長さ）が全て等しい場合を示した。それに対し、図１０に示すように、第１の隆起物２の厚みを、導波管１の両端に対して管軸方向中央では薄くしてもよい。これにより、設計パラメータを増やすことができ、広帯域なわたり偏波間通過位相差特性を得ることができる。なお、実施の形態４に係る円偏波発生器のその他の構成、動作は、実施の形態１と実質的に同じである。

以上のように、この実施の形態４によれば、第１の隆起物２の厚みを、導波管１の両端に対して管軸方向中央では薄くするように構成したので、実施の形態１に対し、設計パラメータを増やすことができ、広帯域にわたり好ましい偏波間通過位相差特性が得られる。

なお図９では、第１の隆起物２の厚みを導波管１の両端に対して管軸方向中央では薄くする場合を示したが、任意の厚みで配列してもよい。
また図９では、第１の隆起物２の配列間隔を一定とした場合を示したが、任意の間隔で配列してもよい。

実施の形態５．
実施の形態１では、図３に示すように、管軸方向において、第２の隆起物３の幅（当該管軸方向に垂直な長さ）を一様とした場合を示した。それに対し、図１１に示すように、各第２の隆起物３の幅を、管軸方向中央を頂点として滑らかな２次又は３次のＣｏｓ曲線を成すような幅に構成してもよい。これにより、リッジを有する伝送線路の特性インピーダンスを変えることができ、良好な反射特性を得ることができる。また、同時に、第２の隆起物３の幅を変えることで設計パラメータを増やすことができ、広帯域に好ましい偏波間通過位相差特性を得ることができる。なお、実施の形態５に係る円偏波発生器のその他の構成、動作は、実施の形態１と実質的に同じである。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

この発明に係る円偏波発生器は、矩形状の中空の導波管と、導波管内の一方の対向する壁面に設けられ、長手方向が当該導波管の管軸方向に直交し、当該管軸方向に沿って間隔を置いて配列された複数の第１の隆起物と、壁面上の第１の隆起物間に設けられ、長手方向が管軸方向に沿って配列された複数の第２の隆起物とを備えたので、導波管の軸長を長くすることなく、広帯域にわたり好ましい偏波間通過位相差の周波数特性が得られ、マイクロ波帯やミリ波帯における通信に好適である。

１ 導波管、２，３ 第１，２の隆起物、４ 交点、１１，１２ 開口端。

Claims (9)

1. 矩形状の中空の導波管と、
   前記導波管内の一方の対向する壁面に設けられ、長手方向が当該導波管の管軸方向に直交し、当該管軸方向に沿って間隔を置いて配列された複数の第１の隆起物と、
   前記壁面上の前記第１の隆起物間に設けられ、長手方向が前記管軸方向に沿って配列された複数の第２の隆起物と
   を備えた円偏波発生器。
2. 前記第１の隆起物と前記第２の隆起物の高さは異なる
   ことを特徴とする請求項１記載の円偏波発生器。
3. 前記第２の隆起物の高さは、隣接する前記第１の隆起物を挟んだ前後で異なる
   ことを特徴とする請求項１記載の円偏波発生器。
4. 前記第１の隆起物と前記第２の隆起物との交点は、前記導波管の中心軸上に位置する
   ことを特徴とする請求項１記載の円偏波発生器。
5. 前記各第１，２の隆起物の高さは、前記導波管の管軸方向中央を頂点として２次又は３次のＣｏｓ曲線を成すような高さに構成された
   ことを特徴とする請求項１記載の円偏波発赤器。
6. 前記導波管の両端の開口は、前記対向する壁面間が長手方向となる長方形に構成された
   ことを特徴とする請求項１記載の円偏波発生器。
7. 前記第１の隆起物の長手方向の長さ及び前記壁面の幅は、前記導波管の両端と管軸方向中央とで異なる
   ことを特徴とする請求項１記載の円偏波発生器。
8. 前記第１の隆起物の厚み又は配列間隔は異なる
   ことを特徴とする請求項１記載の円偏波発生器。
9. 前記各第２の隆起物の幅は、前記管軸方向中央を頂点として２次又は３次のＣｏｓ曲線を成すような幅に構成された
   ことを特徴とする請求項１記載の円偏波発生器。

Images