JP6031999B2

JP6031999B2 - 偏波分離回路

Info

Publication number: JP6031999B2
Application number: JP2012281990A
Authority: JP
Inventors: 秀憲湯川; 明道廣田; 大和田　哲; 哲大和田; 水野　友宏; 友宏水野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-12-26
Filing date: 2012-12-26
Publication date: 2016-11-24
Anticipated expiration: 2032-12-26
Also published as: JP2014127784A

Description

この発明は、主としてＶＨＦ帯、ＵＨＦ帯、マイクロ波帯およびミリ波帯で用いられる偏波分離回路に関するものである。

直交する２つの円偏波信号（右旋、左旋）または直線偏波信号（垂直、水平）を分離する回路として、セプタムポラライザと呼ばれる、正方形導波管内にセプタム位相板を挿入した構造のものが知られている。（例えば、非特許文献１の図２参照）。

従来の偏波分離回路の構造例を図３４に示す。図３４において、１は正方形導波管、２はセプタム位相板、３は正方形導波管端子、４は長方形導波管端子、５は長方形導波管端子である。正方形導波管１内に、２つの長方形導波管端子４、５が形成されるように設けられたセプタム位相板２は、正方形導波管端子３に近づくに従って階段状に細くなるように形成されている。

このような回路では、図３５に示すように、正方形導波管端子３から直交する２つの円偏波信号（右旋、左旋）が入力された場合、それぞれの円偏波信号が直線偏波信号に変換され、異なる長方形導波管端子から出力される。なお、図３５において、正方形導波管端子３における矢印（破線）は円偏波信号の回転の向き、長方形導波管端子４、５における矢印（実線）は電界の向きを表す。また、正方形導波管端子３から直交する２つの直線偏波信号が入力された場合については、図３６に示すようにセプタム位相板２に垂直な直線偏波信号に対しては長方形導波管４、５から同じ電界の向き、セプタム位相板２に水平な直線偏波信号に対しては長方形導波管４、５から向かいあう電界の向きで直線偏波信号が出力される。このとき、図３４の破線で示すセプタム位相板２が装荷された導波管断面では、図３７に示されるようにそれぞれの偏波に対し、過渡的な電界分布となる。なお、図３７においても、正方形導波管端子３、長方形導波管端子４、５、およびセプタム位相板２装荷断面における矢印は電界の向きを表す。

円偏波信号または直線偏波信号のいずれが入力された場合についても、セプタム位相板２の階段部分の寸法や板厚により、偏波分離特性が決定される。

このような構成で実現される反射特性は非特許文献１の図９や図１０に示されるように、高域（非特許文献１では１１．５ＧＨｚ）に共振が生じる。このため、使用帯域としてはこの共振周波数以下となる。

Petr LECIAN, Miroslav KASAL, "X Band Septum Polarizer as Feed for Parabolic Antenna", 2010 15th Conference on Microwave Techniques (COMITE), pp.35-38, IEEE, 2010.

従来の偏波分離回路は、正方形導波管とセプタム位相板のみで構成され、偏波分離特性は、セプタム位相板の階段部分の寸法や板厚により決定されていた。また、使用帯域は、高域の共振により制限されるという問題があった。

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、偏波分離回路における広帯域化を目的とするものである。

この発明に係る偏波分離回路は、
正方形導波管と、
互いに並行配置され、前記正方形導波管に連結した２つの長方形導波管と、
前記正方形導波管の内部を前記２つの長方形導波管に仕切るように設けられ、前記長方形導波管から前記正方形導波管への方向に従って階段状に幅が細くなるように形成されたセプタム位相板と、
前記正方形導波管と前記長方形導波管との連結部において、前記セプタム位相板の最も幅が細くなる部分が接合されている壁面に対向する側の内部２隅に設けられた突出部と、
を備えたことを特徴とするものである。

この発明によれば、広帯域な偏波分離回路を得られるという効果がある。

この発明の実施の形態１による偏波分離回路を示す構成図この発明の実施の形態１による偏波分離回路を示す構成図この発明の実施の形態１による偏波分離回路を示す構成図この発明の実施の形態１による偏波分離回路を示す構成図この発明の実施の形態１による偏波分離回路を示す構成図この発明の実施の形態１による偏波分離回路の動作を示す説明図この発明の実施の形態１による偏波分離回路の動作を示す説明図この発明の実施の形態１による偏波分離回路を示す構成図この発明の実施の形態１による偏波分離回路を示す構成図この発明の実施の形態２による偏波分離回路を示す構成図この発明の実施の形態２による偏波分離回路を示す構成図この発明の実施の形態２による偏波分離回路を示す構成図この発明の実施の形態２による偏波分離回路を示す構成図この発明の実施の形態２による偏波分離回路を示す構成図この発明の実施の形態２による偏波分離回路を示す構成図この発明の実施の形態２による偏波分離回路を示す構成図この発明の実施の形態３による偏波分離回路を示す構成図この発明の実施の形態３による偏波分離回路を示す構成図この発明の実施の形態３による偏波分離回路を示す構成図この発明の実施の形態３による偏波分離回路を示す構成図この発明の実施の形態３による偏波分離回路を示す構成図この発明の実施の形態３による偏波分離回路を示す構成図この発明の実施の形態３による偏波分離回路を示す構成図この発明の実施の形態３による偏波分離回路を示す構成図この発明の実施の形態３による偏波分離回路の特性計算に用いた構成を示す図この発明の実施の形態３による偏波分離回路の特性計算に用いた構成を示す図従来の偏波分離回路の特性を示す計算例従来の偏波分離回路の特性を示す計算例この発明の実施の形態３による偏波分離回路の特性を示す計算例この発明の実施の形態３による偏波分離回路の特性を示す計算例この発明の実施の形態４による偏波分離回路を示す構成図この発明の実施の形態５による偏波分離回路を示す構成図この発明の実施の形態５による偏波分離回路を示す構成図従来の偏波分離回路を示す構成図従来の偏波分離回路の動作を示す説明図従来の偏波分離回路の動作を示す説明図従来の偏波分離回路の動作を示す説明図

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係わる偏波分離回路の構成を説明するための斜視図である。図１において、１は正方形導波管、２は位相板であるセプタム位相板、３は正方形導波管端子、４は長方形導波管端子、５は長方形導波管端子、６（６ａ、６ｂ）は突出部である溝である。また、図２に上面図、図３に側面図、図４に溝６を設けた部分の導波管の断面図、図５に溝６を設けた導波管のみの斜視図を示す。溝６は正方形導波管１の一部の２隅を切り欠くように設けられている。溝を設けた部分の導波管の断面構造は図４に示すように凸形を横向きにした形となっている。

セプタム位相板２は、長方形導波管４、５から正方形導波管１への方向に従って階段状に幅が細くなるように形成されている。
溝６は正方形導波管１の外部から見た場合は凹部であるが、正方形導波管１の内部から見た場合は凸部であり、導波管の内部に突出している。溝６は、正方形導波管１の内部において、セプタム位相板２の最も幅が細くなる部分が接合されている壁面に対向する側の内部２隅に設けられている。

次に動作について説明する。説明の簡単化のため、ここでは、正方形導波管端子３から直交する２つの直線偏波信号（垂直、水平）が入力された場合について示す。

導波管に溝６を設けない従来の構造では、セプタム位相板２に水平な直線偏波信号が入力された場合、使用帯域内における導波管断面の電界分布は図３７の下側に示したようになるものの、高域の共振周波数では図６のようになることが電磁界計算により確認される。図６に示される電界分布は、図７に示す、基本モードの次の高次モードであるＴＥ１１モードが重畳されたものであり、導波管断面における２隅には電界が生じない分布となっていることがわかる。このため、共振周波数では、図３７に示したような過渡的な電界分布とは大きく異なることになり、正方形導波管端子３から長方形導波管端子４、５への直線偏波信号の変換がされないことになる。

ここで、導波管の一部の２隅に溝６を設けた場合、隅とセプタム位相板２との間隔が近くなることになる。このため、隅からセプタム位相板２にかけての電界が生じやすくなる。この場合は、図３７の下側に示された過渡的な電界分布と同様の電界分布が実現され、正方形導波管端子３から長方形導波管端子４、５への直線偏波信号の変換がされることになる。

別の見方をすると、導波管の寸法が一部狭くなるためＴＥ１１モードの遮断周波数が高くなることになるということもできる。このとき、基本モードのＴＥ１０モードについては、電界は導波管中心部に集中するため、２隅に溝６を設けた影響は小さい。このため、ＴＥ１０モードの遮断周波数が高くなる影響はＴＥ１１モードの遮断周波数が高くなる効果に比べ小さい。

したがって、共振周波数が高域にシフトすることになり、これにより、使用帯域が広帯域化するという効果がある。

なお、溝６の位置も偏波分離特性を決定することになり、図８、図９に示すように、セプタム位相板部２で発生したＴＥ１１モードが十分に減衰しない範囲で、溝６の位置を適宜選定することができる。

以上のように、実施の形態１に示した偏波分離回路では、使用帯域の広帯域化が実現できるという効果が得られる。

実施の形態２．
図１０は本発明の実施の形態２に係わる偏波分離回路の構成を説明するための斜視図である。図１０において、１から６は図１と同一である。また、図１１に上面図、図１２に側面図、図１３に溝６を設けた部分の導波管の断面図、図１４に溝６を設けた導波管のみの斜視図を示す。溝６（６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ）は正方形導波管の一部の４隅を切り欠くように設けられている。溝６を設けた部分の導波管の断面構造は図１３に示すように十字形となっている。

本実施の形態によっても実施の形態１と同様、使用帯域が広帯域化するという効果が得られる。

さらに溝６を４隅に設けたことにより、基本モードであるＴＥ１０モードに対する対称性が保たれ、ＴＥ１０モードへの影響がさらに小さくなるという効果がある。

なお、溝６の位置も偏波分離特性を決定することになり、図１５、図１６に示すように、セプタム位相板部２で発生したＴＥ１１モードが十分に減衰しない範囲で、溝６の位置を適宜選定することができる。

実施の形態３．
図１７は発明の実施の形態３に係わる偏波分離回路の構成を説明するための斜視図である。図１７において、１から６は図１および図１０と同一である。また、図１８に上面図、図１９に側面図、図２０に溝６を設けた部分の導波管の断面図、図２１に溝６を設けた導波管のみの斜視図を示す。溝６（６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ）は正方形導波管の一部の４隅を切り欠き、管軸方向（導波管内を伝搬する信号の伝搬方向）に対し高さ（深さ）が階段状に変わるように設けられている。溝６を設けた部分の導波管の断面構造は図２０に示すように十字形となっている。

さらに、溝６は管軸方向に対し高さが階段状に変わっているため、正方形導波管端子３や長方形導波管端子４、５からの溝６がある部分の導波管断面への形状の不連続が小さくなる。このため、導波管内を伝搬する信号の反射が低減し、偏波分離回路の反射特性が向上するという効果もある。

なお、階段状の形状は図１７に示した３段ではなく、図２２に示すような５段、あるいはそれ以上でもよい。
また、図２３に示すように、階段状のステップ部を滑らかに変化するようにしてもよい。その場合はさらに不連続の影響が小さくなり、反射特性がより向上するという効果もある。
さらに、図２４に示すように、溝６は管軸方向に対し三角状に変化するようにしてもよい。その場合もさらに不連続の影響が小さくなるという効果がある。

ここで、電磁界計算結果を示す。電磁界計算は、市販の電磁界シミュレータＡＮＳＯＦＴ＿ＨＦＳＳを用いて、溝６を設けた場合と設けない場合との比較を行った。なお、溝６を設けた場合については、溝６を４隅に設け、管軸方向に９段の山形の階段状とした。
図２５にセプタム位相板２の上面図、図２６に溝６を設けた導波管１の側面図を示す。

最初に、図２７に溝６を設けない場合の偏波分離回路の反射特性を示す。図２７において、○線は正方形導波管端子３における垂直偏波、△線は正方形導波管端子３における水平偏波、□線と◇線は重なっており、２つの長方形導波管端子４、５における直線偏波の反射特性である。２０．４ＧＨｚから２５ＧＨｚにおいて全ての偏波に対して２０ｄＢ以上の反射が得られている。
図２８は溝６を設けない場合の軸比である。２０．４ＧＨｚから２５ＧＨｚにおいて０．７ｄＢ以下の軸比が得られている。なお、反射、軸比ともに２５．２ＧＨｚには共振が見られる。したがって、高域についてはこの共振により使用帯域が制限されることが確認できる。

次に、図２９に溝６を設けた場合の反射特性を示す。図２９においても、○線は正方形導波管端子３における垂直偏波、△線は正方形導波管端子３における水平偏波、□線と◇線は２つの長方形導波管端子４、５における直線偏波の反射特性を示している。共振周波数は溝６を設けない場合の２５．２ＧＨｚから２５．７ＧＨｚにシフトし、２０．２ＧＨｚから２５．６ＧＨｚにおいて全ての偏波に対して２０ｄＢ以上の反射が得られている。
図３０は溝６を設けた場合の軸比である。反射特性と同様、共振周波数は２５．７ＧＨｚにシフトし、２０．２ＧＨｚから２５．６ＧＨｚにおいて０．７ｄＢ以下の軸比が得られている。

以上のように、反射２０ｄＢ以上、軸比０．７ｄＢ以下の特性が得られる比帯域としては、溝を設けない場合には２０．３％であったものが、溝を設けることにより２３．６％の使用帯域に広帯域化することが確認できる。

なお、以上の計算では、溝６を設けた場合にセプタム位相板２の寸法を微修正しているが、寸法を微修正しない場合でも共振周波数の高域へのシフトにより広帯域化の効果は得られる。

以上の実施の形態では、溝６を４隅に設けた場合について示したが、実施の形態１のように溝６を２隅に設けてもよい。

実施の形態４．
図３１は発明の実施の形態４に係わる偏波分離回路の構成を説明するための断面図である。図３１において、７ａ、７ｂは偏波分離回路を形成する金属ブロックである。図３１では、溝６は４隅に設けられており、長方形導波管端子４、５をＥ面分割（幅広面の中心で分割）した２つの金属ブロック７ａ、７ｂを組み合わせて偏波分離回路を形成する構成としている。溝６は４隅に設けなくとも、２隅に設けても良い。
本実施の形態によっても、溝６を設けたことにより、実施の形態１と同様の効果が得られる。

さらに、溝６を２隅、あるいは、４隅に設ける場合に、金属ブロックにおいて片側から掘削ができ、導波管のＥ面分割が可能となる。このため、金属ブロックを組み合わせて偏波分離回路を構成する場合に、他の分割で組み合わせる方法に比べ、損失の増加が低減されるという効果がある。

実施の形態５．
図３２は発明の実施の形態５に係わる偏波分離回路の構成を説明するための断面図である。図３２において、７ａ、７ｂは偏波分離回路を形成する金属ブロック、８は突出部であるネジである。図３２では、金属ブロック７ａ、７ｂに溝６は設けられず、４隅にネジ８（８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ）が設けられている。
本実施の形態によっても、ネジ部とセプタム位相板２との間隔が小さくなり、電界が生じやすくなるため、実施の形態１と同様の効果が得られる。

さらに、ネジ８の挿入量（内部への突出長）を変えることができるため、偏波分離特性を調整できるという効果も有する。

なお、図３３に示すように、ネジ８は管軸方向に複数個配置してもよい。
また、ネジ８は側面から挿入してもよい。

１正方形導波管、２セプタム位相板、３正方形導波管端子、４、５長方形導波管端子、６（６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ）溝、７（７ａ、７ｂ）金属ブロック、８（８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ）ネジ

Claims

正方形導波管と、
互いに並行配置され、前記正方形導波管に連結した２つの長方形導波管と、
前記正方形導波管の内部を前記２つの長方形導波管に仕切るように設けられ、前記長方形導波管から前記正方形導波管への方向に従って階段状に幅が細くなるように形成されたセプタム位相板と、
前記正方形導波管と前記長方形導波管との連結部において、前記セプタム位相板の最も幅が細くなる部分が接合されている壁面に対向する側の内部２隅に設けられた突出部と、
を備えたことを特徴とする偏波分離回路。
前記突出部は、前記正方形導波管と前記長方形導波管との連結部において、前記セプタム位相板の最も幅が細くなる部分が接合されている壁面に近い側の内部２隅にも設けられたことを特徴とする請求項１に記載の偏波分離回路。
前記突出部は、前記正方形導波管および前記長方形導波管の管軸方向に対し、形状断面が階段状に変化することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の偏波分離回路。
前記階段状の変化において、前記階段状のステップ部が前記管軸方向に対し滑らかに変化することを特徴とする請求項３に記載の偏波分離回路。
前記突出部は、前記正方形導波管および前記長方形導波管の管軸方向に対し、形状断面が三角状に変化することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の偏波分離回路。
前記突出部は、突出長が外部から調整可能な単数または複数のネジであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の偏波分離回路。