JP6041596B2 - ２伝送モード対応平面形トランスデューサ - Google Patents

Description

本発明は、円形導波管を伝送路として二つの伝送モードで無線伝送させることを可能にした２伝送モード対応平面形トランスデューサに関するもので、例えば、レーダー方式による液位測定装置のアンテナとして好適なものである。

液位測定に用いられるレーダー方式の一つとしてＦＭＣＷ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）レーダー方式がある。このＦＭＣＷレーダー方式は、図５に示すように、予め決められた固定時間（この時間を、掃引時間（Ｔ）という）において、予め決められた周波数（Ｆ）を掃引しながら測定地点に向かって電波を送信するものである。図６に示すように、送信地点で送信された電波が、測定地点（送信地点からの距離をＬとする）で反射されて送信地点に戻るまでの往復時間ｔの間に、送信周波数がＦ・ｔ／Ｔ（Ｈｚ）だけ掃引される。この掃引された周波数は、反射波を受信した瞬間の送信周波数Ｆ_Ｔと受信周波数Ｆ_Ｒの差になる。このＦ_ＴとＦ_Ｒの差をビート周波数Ｆ_Ｂという。

上記往復時間ｔは
ｔ＝（Ｔ／Ｆ）×Ｆ_Ｂ
であるから、上記ビート周波数Ｆ_Ｂを計測することができれば、送信地点から測定地点まで電波が往復するのに要した時間ｔを計測することができる。自由空間における電波の伝送速度は光速ｃと同じであるから、送信地点から測定地点までの距離Ｌは、
Ｌ＝ｃ×ｔ／２＝ｃ×Ｔ×Ｆ_Ｂ／２Ｆ
の式で求めることができる。

図４は、比誘電率が比較的小さく、液面反射レベルが小さい液体の液位を計測するＦＭＣＷレーダー方式液位測定装置の設置例を模式的に示す。図４において符号１０はレーダーユニットを含む液位測定装置を、符号４０は液位測定装置１０を設置したタンクを示している。タンク４０は液化ガスなどの液体４１を収納するもので、タンク４０内にはタンク４０の天板から円筒形状の導波管３０がタンク４０の底に向かって垂直に設置されている。レーダー波の伝搬路として導波管３０が使用されていて、こうすることで、レーダー波の伝搬減衰量を抑えることができる。導波管３０内には液体４１が進入することができ、タンク４０内の液体レベルと導波管３０内の液体レベルが一致するようになっている。タンク４０の天板上には導波管３０の上方においてレーダーユニットからなる上記液位測定装置１０が設置されている。液位測定装置１０と導波管３０の上端との間には、本発明の工夫の対象であるトランスデューサ３２が据え付けられている。トランスデューサ３２は、上記ユニット１０から出力される信号を電波に変換して上記液面に向かい導波管３０内に放射するアンテナである。

タンク４０内の液体４１の面から天井面までの空間には、液体４１の蒸発気体が充満している。上記天井面から液体４１の面までの距離すなわち液体４１の面からその上方にあるタンク４０の空間の高さをＬとする。導波管３０の内径をＤで表している。Ｆ_Ｔは液位測定装置１０から液面に向かって導波管３０内に放射される電波の周波数を示し、Ｆ_Ｒは上記電波が液面で反射され導波管３０内を液位測定装置１０に向かって戻る電波の周波数を示している。

タンク４０内の液体４１の面から天井面までの空間すなわち導波管３０内に充満している蒸発気体の種類、気圧、その他の条件によって上記気体の比誘電率が変動し、上記気体内を伝送する電磁波の速度が変わる。電磁波の伝送速度が変動すると、前記距離Ｌの測定結果が実際の距離と異なることになる。タンク４０に収容する液体４１の種類が変わってその蒸発気体の比誘電率が変わっても測定結果に誤差が生じないように、補正などの処置を講じる必要がある。

したがって、タンク４０内の液体４１の液面をＦＭＣＷレーダー方式で精度よく測定するためには、予め測定しようとする空間の比誘電率を測定乃至は推定し、その結果を測定値に反映させて測定誤差を無くすことが望まれる。しかし、従来のＦＭＣＷレーダー方式距離測定において測定空間の比誘電率まで測定乃至は推定して測定値を補正することまでは実用されていない。

電磁波の伝送空間の比誘電率が一定であるとすると、伝送モードが変わることによって、伝送空間を伝搬する電磁波の周波数が変わる。そこで、異なる二つの伝送モードで距離測定を行い、それぞれの測定結果から上記比誘電率を演算し、さらに、それぞれの演算値の平均値を求めれば、測定空間の比誘電率を推定することができる。推定した比誘電率を距離測定に用いることにより、より精度の高い距離測定を行うことができる。

異なる二つの伝送モードで距離測定を行うには、電磁波を送受信するトランスデューサが、二つの伝送モードで送受信することができかつ二つの伝送モードが互いに干渉しないことが望ましい。さらに、トランスデューサは、電磁波の送受信基準位置が明確な平面アンテナともいわれる平面形トランスデューサであることが望ましい。

平面形トランスデューサに関しては、本発明者らが２００３年電子情報通信学会総合大会において発表した「薄型構造の円形導波管ＴＥ０１モード励振器」がある（非特許文献１参照）。この励振器は、平行においた２枚の円形導体板の中心点で、同軸線路を用いて上記導体板間に電圧を印加する導波路（これを「ラジアル導波路」という）を利用している。図１、図２は本発明に係る２伝送モード対応平面形トランスデューサの実施例を示すものであるが、図１、図２を参照しながら上記従来の励振器について説明する。図１、図２に示すように、上側の導体板８に複数の長方形のスロット１１を円周方向に等間隔で設け、各スロット１１の片側に励振ピン１２を立てた構造になっている。

励振ピン１２のない通常のラジアル導波路では導体板間に同心円状の磁界ができるが、この磁界は図１に示すスロット１１の長さ方向と直交するため電波は放射されない。図１に示すようにスロット１１の片側に励振ピン１２を立てると、同心円状の磁界は乱され、放射（ラジアル）方向の磁界成分が発生するため、各スロット１１から電波が放射される。このときの電波の電界は各スロット１１に直角になるため、図１に示すスロット１１全体で作られる電界は導体板８と同心円状になる。このような電波の生成モードをＴＥ０１モードという。ただし、図１に示す複数のスロット１１および励振ピン１２を形成しただけでは一つの伝送モード、すなわちＴＥ０１モードにしか対応することができない。なお、図１、図２に示すループ２１、マイクロストリップ線路２３、終端抵抗２４は、上記従来の励振器には存在しない。

幡野、小塩、石上、後藤：「薄型構造の円形導波管ＴＥ０１モード励振器」、２００３信州総大、Ｂ−１−９１、２００４年３月

本発明は、レーダー方式による液位測定装置のアンテナとして好適であり、測定空間の比誘電率を推定するのに便利な２モードを輻射することが可能で、２伝送モード相互間で干渉することもない２伝送モード対応平面形トランスデューサを提供することを目的とする。

本発明に係る２伝送モード対応平面形トランスデューサは、
円板形のラジアル導波路と、
上記ラジアル導波路の周方向全体に等間隔で上記ラジアル導波路の半径方向に放射状に形成された複数のスロットと、
上記各スロットの一側方に設けられた複数の励振ピンと、
上記各スロット形成領域よりも内側の上記ラジアル導波路の中心部に設けられた放射ループ材と、を備え、
上記複数のスロットと上記複数の励振ピンはＴＥ０１モードのトランスデューサを構成し、上記放射ループ材はＴＥ１１モードのトランスデューサを構成していることを最も主要な特徴とする。

本発明に係る２伝送モード対応平面形トランスデューサでは、一つの伝送モードとして非特許文献１に記載されている「薄型構造の円形導波管ＴＥ０１モード励振器」を利用しており、同軸線路の内部導体を介して波源に接続されている。このＴＥ０１モード励振器が平面形であることに注目し、ラジアル導波路の中心にＴＥ１１モードを励振するループアンテナを設けた構成が、本発明の２伝送モード対応平面形トランスデューサの特徴である。

ループアンテナはスロットからの電波を受信しないこと、ループアンテナが放射する電波をスロットは受信しないことが重要である。スロットが作る電気力線はラジアル導波路と同心円であり、ループが作る電気力線は一方向が対称で上記方向に直交する方向は反対称のため、互いに干渉しないのである。ＴＥ０１モードの電界は円板形ラジアル導波路の中心部では非常に小さくなることも、ＴＥ０１モードとＴＥ１１モードの二つの伝送モードが干渉し難い理由になっている。

本発明に係る２伝送モード対応平面形トランスデューサの実施例を示す正面図である。 上記実施例の中央部縦断面図である。 上記実施例に係るトランスデューサの給電回路例を概略的に示す結線図である。 本発明に係る２伝送モード対応平面形トランスデューサを適用可能なレーダー方式液位測定装置による測定の様子を概念的に示す模式図である。 上記レーダー方式液位測定装置による周波数掃引の例を示すグラフである。 上記周波数掃引による距離計測原理を示すグラフである。 円形導波管内におけるＴＥ１１モードでの電界と磁界の分布を示すモデル図である。 円形導波管内におけるＴＥ０１モードでの電界と磁界の分布を示すモデル図である。 スロットの側方に励振ピンがない場合の電流と磁界の関係を示すモデル図である。 スロットの一側方に励振ピンを設けた場合の電流と磁界の関係を示すモデル図である。

以下、本発明に係る２伝送モード対応平面形トランスデューサの実施例について図面を参照しながら説明する。

図１、図２において、２枚の円形導体板７と８を平行に置いたラジアル導波路が、２伝送モード対応平面形トランスデューサの本体を構成している。２枚の円形導体板７と８の間には空洞９が形成されている。図２に示すように、下側の導体板７の中心に穴を開けて同軸線路の外部導体１４を導体板７に接続し、同軸線路の内部導体１３を上側の導体板８に接続するのがラジアル導波路の一般的な形である。前記非特許文献１記載の励振器では、周波数帯域幅を広げるため内部導体１３の端部１３１はテーパ状に広がっている。内部導体１３のテーパ形端部と上側導体板８との間には隙間があるが、高周波信号の伝達には何ら支障はない。

さらにラジアル導波路を構成する上下の導体板７，８は端部の円周上で短絡されている。このラジアル導波路の上側導体板８に複数のスロット１１を周方向に等間隔に開け、スロットの片側に上下の導体板７，８をショートする励振ピン１２を設ける。これによってＴＥ０１モードのトランスデューサ１が構成され、円形導波管内でＴＥ０１モードが励振されることは先行技術として既に説明した。

具体的例として、図４に示すように、円形導波管３０の上端に、図１に示すラジアル導波路を上下逆向きにして結合し、円形導波管３０の上端をラジアル導波路で短絡した場合を考える。すなわち、円形導波管３０の上端を図１に示すラジアル導波路で同心円状に蓋をする。円形導波管３０の内径Ｄ内に、図１に示すスロット１１が入るように設定する。図１においては、中空の長い円形導波管３０を、図１の紙面上に垂直に置いた場合に相当する。図４において、円形導波管３０の上端は導体板８で短絡されている。以下、この導体板８を「短絡導体板８」という。この短絡導体板８にはＴＥ０１モードを励振するためのスロット１１が８個だけ短絡導体板８の円周方向に等間隔で並んでいる。

図８は、円形導波管３０内においてＴＥ０１モードで励振された様子をモデル的に示している。矢印のついた実線は電気力線を、矢印のついた破線は磁力線を表している。図８に示すように、ＴＥ０１モードでは、電界は円形導波管３０と同心円状に分布している。各点で電界に対し直角方向に向いている点線が磁界を示している。円形導波管３０の中心部での電界と磁界の大きさはともに小さくなる。これは、図１に示す短絡導体板８の中心部はＴＥ０１モードに対しては広い空間になっていることに対応している。

上記短絡導体板８の中心部の広い領域に、図１と図２に示すように円形導波管３０にＴＥ１１モードを励振するループ２１が設けられている。ループに給電する線路としてマイクロストリップ線路２３が短絡導体板８の表面に沿って短絡導体板８の半径方向に設けられている。このループ２１はＴＥ１１モードのトランスデューサ２を構成しており、ループ２１の先端は終端抵抗２４を介して短絡導体板８に接地する。このようにループ２１は短絡導体板８の上に平面回路の一部として製作されるが、この短絡導体板８は図２に示すラジアル導波路のアース板でもある。マイクロストリップ線路２３を用いてループ材２１に高周波電流を給電すると円形導波管３０の内部に磁界が発生する。この磁界によってファラデーの法則から電界を発生する。これらの電磁界がＴＥ１１モードである。

図８に示すＴＥ０１モードに対応するＴＥ１１モードの電磁界の様子を図７にモデル的に示した。矢印のついた実線は電気力線を、破線は磁力線を表している。図７に示すように、ＴＥ１１モードでの電気力線は、横方向の中心線で上下に反対称に二分されて下側から上側に向かい、かつ、円形導波管３０の内壁面に対し直角方向に出て直角に入るように分布する。電気力線の各点で磁力線が電気力線に対し直角方向を向くのは、ＴＥ１１モードの場合もＴＥ０１モードと同じである。

短絡導体板８にスロット１１を設けるとともにスロット１１の一側方に励振ピンを設けることによってＴＥ０１モードで励振されることを、図９、図１０を参照しながら具体的に説明する。図９、図１０はいずれも、図１に示す複数のスロット１１のうちの一つを示している。短絡導体板８には同軸線路の内部導体１３から短絡導体板８の中心に高周波信号を供給する。高周波信号電流は短絡導体板８を中心部から半径方向外側に向かって放射状に流れ、この電流Ｊによって電流Ｊに直交する方向に磁界Ｍが生成される。励振しようとする高周波信号の波長をλとすると、スロット１１の長手方向の長さは約λ／２である。スロット１１の幅寸法は、スロット１１の長手方向の寸法λ／２に対して数分の１程度にかなり小さくなっている。

図９は、スロット１１の側方に励振ピンが設けられておらず、スロット１１の長さ方向に電流Ｊが流れ、これに直交する方向であるスロット１１の幅方向に磁界Ｍが生じる例を示している。スロット１１の幅方向の寸法は、励振しようとする高周波信号の波長λに対して小さすぎるため、磁力線はスロット１１を通過できなくなり、スロット１１から電磁波は放射されない。

図１０は、スロット１１の一側方に励振ピン１２が設けられていて、スロット１１の長手方向に電流Ｊが流れる場合を示している。上記のように、電流Ｊの方向に直交する方向に磁界Ｍが生成されるが、磁界Ｍがスロット１１をその幅方向に横切ろうとするとき、磁界Ｍがスロット１１の一側方で励振ピン１２によって乱され、励振ピン１２を迂回するように蛇行しながらスロット１１を横切る。したがって、励振ピン１２側のスロット１１の縁を横切る磁界Ｍは、スロット１１の縁に対して斜めになる。この斜めの磁界Ｍは、スロット１１の幅方向の成分Ｍ_１と、スロット１１の長さ方向の成分Ｍ_２に分けることができる。磁界Ｍの上記成分Ｍ_１によってスロット１１の幅方向の磁力線が生成され、磁界Ｍの上記成分Ｍ_２によってスロット１１の長さ方向の磁力線が生成される。

上記磁界成分Ｍ_１は前記磁界Ｍと同じであり、既に述べたとおりスロット１１から電磁波が放射されることはない。これに対しスロット１１の長さ方向に生成される上記磁界成分Ｍ_２は、その波長λに対してスロット１１の長さ方向の寸法がλ／２であることから、磁界成分Ｍ_２を表す磁力線はスロット１１を通過することができ、スロット１１から電磁波が放射される。図１に示すように、短絡導体板８に複数のスロット１１を設け、各スロット１１の一側方に励振ピン１２を設けると、各スロット１１で同じ周波数の電磁波が生成され、この電磁波が放射される。

以上説明したように、図１、図２に示す実施例は２伝送モードに対応する平面形トランスデューサを構成している。このトランスデューサは、伝送路として円形導波管３０を用い、円形導波管３０内を伝搬する図７、図８に示す２種類の電磁界を利用することができる。すなわち、図１と図２に示すループ２１が励振するＴＥ１１モードと、図２に示す同軸線路１３を流れる高周波電流がスロット１１を通して励振するＴＥ０１モードである。

図１に示す例では、各スロット１１の幅方向寸法は、各スロット１１の長手方向の寸法に対してかなり小さいとはいえ、比較的幅広のスロット形状になっている。これにより、励振可能な高周波信号の周波数帯域幅を広くすることができることから、周波数を掃引しながら液面までの距離を測定するＦＭＣＷレーダー方式液位測定装置などに好適な平面形トランスデューサを得ることができる。

図３に示すように、ＴＥ０１モードのトランスデューサ１とＴＥ１１モードのトランスデューサ２には、共通の送受信機３から給電される。一つの送受信機３から引き出されている入出力線は、スイッチ４によって、二つに分岐した分岐線の一つを選択して接続されるように構成されている。一方の分岐線はコネクタ５を経てＴＥ０１モードのトランスデューサ１に接続され、他方の分岐線はコネクタ６を経てＴＥ１１モードのトランスデューサ２に接続されている。このように、二つのトランスデューサ１，２に供給される信号は同じ信号であるが、二つのトランスデューサ１，２で変換され輻射されるモードが、互いに異なるＴＥ０１モードとＴＥ１１モードになる。スイッチ４の切り替えによって、ＴＥ０１モードとＴＥ１１モードのいずれか一方が選択される。

当然ながら、上記実施例に係る平面形トランスデューサを円形導波管３０に取り付けるには、円形導波管３０の一端に、トランスデューサ形成面すなわち図２において上面を円形導波管３０内に向けて取り付ける。

上記実施例に係る２伝送モード平面形トランスデューサの説明における円形導波管を、図４に示す内径Ｄの円形導波管３０とする。これを前記ＦＭＣＷレーダー方式液位測定装置に用いると、測定精度を高めるために電磁波の伝送空間の比誘電率を推定するのに好都合である。電磁波は、その伝送空間の比誘電率の違いによって伝送特性が異なり、ビート周波数が異なるから、電磁波が伝搬する導波管内の比誘電率を求め、測定結果を比誘電率に応じて補正することによって精度の高い測定を行うことができる。前記実施例に係るトランスデューサはＴＥ０１モードとＴＥ１１モードのトランスデューサとして用いることができるため、上記二つのモードでそれぞれ測定し、測定値の違いから導波管内の比誘電率を推定することができる。

本発明に係る２伝送モード対応平面形トランスデューサはまた、液面計測と液位警報に共用することができる。一般的に、液面計測と液位警報は独立した電気回路（ハードウェア）で構成することが求められる。その場合、受動素子であるアンテナ部は、本発明に係るトランスデューサを用いることによって、一つのモードを液面計測用、もう一つのモードを液位警報用とすることで、アンテナ設備の構成を単純化することができる。

１ ＴＥ０１モードのトランスデューサ
２ ＴＥ１１モードのトランスデューサ
１０ ラジアル導波路
１１ スロット
１２ 励振ピン
２１ ループアンテナ
３０ 円形導波管

Claims (6)

1. 円板形のラジアル導波路と、
   上記ラジアル導波路の周方向全体に等間隔で上記ラジアル導波路の半径方向に放射状に形成された複数のスロットと、
   上記各スロットの一側方に設けられた複数の励振ピンと、
   上記各スロット形成領域よりも内側の上記ラジアル導波路の中心部に設けられた放射ループ材と、を備え、
   上記複数のスロットと上記複数の励振ピンはＴＥ０１モードのトランスデューサを構成し、上記放射ループ材はＴＥ１１モードのトランスデューサを構成している２伝送モード対応平面形トランスデューサ。
2. 各励振ピンと放射ループには、共通の送受信機から給電される請求項１記載の２伝送モード対応平面形トランスデューサ。
3. 伝送路として円形導波管を用いる２伝送モード対応平面形トランスデューサであって、上記円形導波管の内径よりも内側に複数のスロットおよび複数の励振ピンがある請求項１または２記載の２伝送モード対応平面形トランスデューサ。
4. 円形導波管の一端に取り付けられる請求項３記載の２伝送モード対応平面形トランスデューサ。
5. トランスデューサの本体は空洞を有していて、上記空洞とラジアル導波路で空洞共振体構造になっている請求項１乃至４のいずれかに記載の２伝送モード対応平面形トランスデューサ。
6. ＴＥ０１モードのトランスデューサを構成する励振ピンは空洞内にある請求項５記載の２伝送モード対応平面形トランスデューサ。

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