JP6049438B2

JP6049438B2 - ループ方向性結合器

Info

Publication number: JP6049438B2
Application number: JP2012278280A
Authority: JP
Inventors: 石橋　秀則; 秀則石橋; 田原　志浩; 志浩田原; 秀憲湯川; 大和田　哲; 哲大和田; 学栗原
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-12-20
Filing date: 2012-12-20
Publication date: 2016-12-21
Anticipated expiration: 2032-12-20
Also published as: JP2014123831A

Description

本発明は、主に大電力が通過する導波管回路のパワーモニタなどに利用される疎結合なループ方向性結合器に関する。

大電力が通過する導波管回路のパワーモニタには、結合度が−３０ｄＢ以下となるような、疎結合な方向性結合器が利用される。
電力を正確に測定するには、使用周波数帯域内において結合偏差が小さいこと、製品毎の結合度のばらつきが小さいことが要求される。
このような疎結合な方向性結合器の一つにループ方向性結合器がある。
ループ方向性結合器は、主線路である導波管と副線路である同軸線路を、結合孔を介して結合させる構造であり、結合度を低くするために、結合孔の大きさを波長よりも小さくするのが一般的である。
このため、高周波になるに従い結合度が高くなる特性を示す。
使用周波数帯域内において結合偏差が大きくなると、製造誤差などにより少しでも特性がばらつくことで、要求仕様から特性が外れてしまうという課題が起きていた。
そこで、従来のループ方向性結合器では、テーパー面を有する台座を移動させることにより、結合ループと結合孔の距離を可変にし、結合度を調整する構造が提案されている（下記特許文献１参照）。

特開平３−２９７２０２号公報

従来のループ方向性結合器は以上のように構成されているので、前記特許文献１で示されるような、結合ループと結合孔の距離を可変にすることにより、結合度を調整する構成では、結合度のオフセットは調整可能であるが、使用周波数帯域内の結合偏差を変えることができない課題があった。
また、結合ループと結合孔の距離を可変にするために、テーパー面を有する台座が必要となるため、構造が複雑になり、製造経費が高くなってしまうなどの課題があった。

本発明は、使用周波数帯域内の結合偏差を低減すると共に、製造経費を安価にするループ方向性結合器を得ることを目的とする。

本発明のループ方向性結合器は、壁面に結合孔が形成された導波管と、結合孔を被覆するように、導波管の外壁面に電気的に短絡して設けられた外導体カバーと、外導体カバーを貫通するように設けられた２本の同軸線路と、外導体カバーの内部に設けられ、両端に２本の同軸線路の内導体がそれぞれ接続されて結合ループを形成する導体と、導体に設けられた突起部とを備え、突起部は、導波管に形成された結合孔に対して略平行に設けられたことを特徴とするものである。

本発明によれば、外導体カバーの内部に設けられた導体に突起部を設け、当該突起部は、導波管に形成された結合孔に対して略平行に設けられた。
よって、結合度の周波数特性を変化させることができ、使用周波数帯域内の結合偏差を低減することができる。
また、結合ループと結合孔の距離を調整する構造が必要ないため、製造経費を安価にすることができる効果がある。

本発明の実施の形態１によるループ方向性結合器の外観を示す正面図、上面図、側面図である。本発明の実施の形態１によるループ方向性結合器の構造を示す断面図である。本発明の実施の形態１によるループ方向性結合器の構造を示す上面からの透視図である。本発明の実施の形態１によるループ方向性結合器の他の突起部の構造を示す上面からの透視図である。本発明の実施の形態１によるループ方向性結合器の他の突起部の構造を示す上面からの透視図である。本発明の実施の形態１によるループ方向性結合器の他の突起部の構造を示す上面からの透視図である。本発明の実施の形態１によるループ方向性結合器の他の突起部の構造を示す断面図である。本発明の実施の形態１によるループ方向性結合器の導体の傾斜の構造を示す上面からの透視図である。従来のループ方向性結合器の結合度の周波数特性を示す特性図である。本発明の実施の形態１によるループ方向性結合器の等価回路を示す回路図である。本発明の実施の形態１によるループ方向性結合器の結合度の周波数特性を示す特性図である。本発明の実施の形態２によるループ方向性結合器の構造を示す断面図である。本発明の実施の形態２によるループ方向性結合器の構造を示す底面からの透視図である。本発明の実施の形態２によるループ方向性結合器の他の突起部の構造を示す底面からの透視図である。本発明の実施の形態２によるループ方向性結合器の他の突起部の構造を示す底面からの透視図である。本発明の実施の形態２によるループ方向性結合器の他の突起部の構造を示す底面からの透視図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１によるループ方向性結合器の概観を示す図である。
また、図２及び図３は、本発明の実施の形態１によるループ方向性結合器の構造を示す図であり、図２は断面図、図３は上面からの透視図である。
本実施の形態１によるループ方向性結合器の構造は、壁面に結合孔１０が形成された導波管２０と、結合孔１０を被覆するように、導波管２０の外壁面に電気的に短絡して設けられた外導体カバー３０と、外導体カバー３０を貫通するように設けられた２本の同軸線路４０，４１と、外導体カバー３０の内部に設けられ、両端に同軸線路４０，４１の内導体がそれぞれ接続されて結合ループ６０を形成する導体５０からなる。
また、導体５０に突起部７０を設ける。

なお、導波管２０の入口を入力ポート８１、出口を出力ポート８２とし、同軸線路４０を結合ポート８３、同軸線路４１をアイソレーションポート８４とする。
また、外導体カバー３０は、導波管２０上を回転方向に摺動自在な構造である。
ここで、図１に示す構成では、導波管は、矩形導波管の形状をしているが、円形導波管やリッジ導波管であっても良く、形状は限定されない。

ここで、図２及び図３に示す構成では、導体５０は、導波管２０の壁面に形成された結合孔１０に対して略平行に一つの突起部７０を設けた。
その他、図４に示すように、複数の突起部７１ａ，７１ｂを設けて良く、また、図５に示すように、途中で折れ曲がった形状の突起部７２ａ，７２ｂでも良く、さらに、図６に示すように、導体５０にＬ字状の切れ込みを入れることにより形成される突起部７３ａ，７３ｂでも良く、さらに、図７に示すように、導波管２０の壁面に形成された結合孔１０に対して略垂直方向に突起部７４ａ，７４ｂを設けても良い。
このように、さまざまな形状の突起部のうちから一つの形状の突起部を選択できることから、設計の自由度を広げることができる。

次に動作について説明する。
ループ方向性結合器は、入力ポート８１に信号を入力すると、主線路である導波管２０を通り出力ポート８２に出力される信号と、結合孔１０から漏れ出る信号が導体５０と結合し、副線路である同軸線路４０，４１に出力される信号に分かれる。
結合孔１０から漏れ出る信号と導体５０との結合は、電界と結合ループ６０を通過する磁界によって行われる。
電界結合により誘起された電流は、結合ポート８３とアイソレーションポート８４に等振幅、同相で進み、磁界結合により誘起された電流は、結合ポート８３とアイソレーションポート８４に等振幅で逆相の電流が流れる。
この時、図８に示すように、導波管２０上の外導体カバー３０を、回転方向に摺動することで、導体５０を管軸方向に対して傾斜させることにより、磁界の結合度を調整し、アイソレーションポート８４に誘起された電界結合による電流を打ち消すことで方向性結合器となる。

次に従来のループ方向性結合器の結合度の周波数特性を図９に示す。
ここで、従来のループ方向性結合器とは、図１から図３に示した構成において、導体５０に突起部７０が設けられていない構成である。
従来のループ方向性結合器は、結合度を低くするために、結合孔１０の径を使用周波数帯域の１／４波長よりも小さくしているため、周波数が高くなるに従い、結合度も高くなってしまう。

次に本実施の形態１のループ方向性結合器の等価回路を図１０に示す。
本実施形態１のループ方向性結合器は、結合線路９０の出力ポート９２と結合線路１００の入力ポート１０１、結合線路９０のアイソレーションポート９４と結合線路１００の結合ポート１０３をそれぞれ接続し、アイソレーションポート９４と結合ポート１０３の間にスタブ１１０を備えた等価回路として示される。
この等価回路は、線路９０ａ，１００ａがループ方向性結合器の導波管２０に対応し、線路９０ｂ，１００ｂがループ方向性結合器の導体５０に対応し、スタブ１１０がループ方向性結合器の突起部７０に対応する。
結合線路９０と結合線路１００の電気長の合計は、結合孔１０の径が使用周波数帯域の１／４波長よりも小さいため、９０°よりも短くなる。
このような等価回路での結合ポート９３から出力される信号は、入力ポート９１から入力された信号が直接結合ポート９３に出力される信号１２０と、入力ポート９１から入力された信号が出力ポート９２、入力ポート１０１、結合ポート１０３、アイソレーションポート９４を順に通過して結合ポート９３に出力される信号１３０の合成信号となる。
なお、１０２は出力ポート、１０４はアイソレーションポートである。

ここで、結合線路９０の結合度をC_A、電気長をθ_Aとして、損失が十分に小さいと仮定し、また、結合線路９０と結合線路１００が同じ特性を持つと仮定する。
さらに、スタブ１１０の通過位相をθ_Sとして、挿入損失が十分に小さいと仮定すると、結合ポート８３に出力される信号の結合度Cは、次のような式で表すことができる。

この式より、スタブ１１０の通過位相が遅れるほど結合度が低くなることがわかる。
スタブ１１０の通過位相の周波数特性は、周波数が高くなるに従い通過位相の遅れが大きくなることから、周波数が高くなるに従い結合度が低くなる。
従って、スタブ１１０を設けると、スタブ１１０を設けない場合と比較して、結合度の周波数特性の傾きが小さくなる。
そのため、本実施の形態１によるループ方向性結合器は、導体５０に突起部７０を設けたことにより、図１１に示すように、使用周波数帯域内の結合偏差を低減することができる。
また、結合ループ（導体５０）６０と結合孔１０の距離を調整する構造が必要ないため、製造経費を安価にすることができる。
さらに、導波管２０の壁面に形成される結合孔１０に対して略平行に突起部７０を設けると、設計時に突起部７０の長さを変えても、結合孔１０との距離や結合ループの大きさを変える必要がなくなる。
そのため、結合度を大きく変えることなく、設計可能になり、設計が容易になる。

以上のように、本実施の形態１によれば、外導体カバー３０の内部に設けられた導体５０に突起部７０を設けた。
よって、結合度の周波数特性を変化させることができ、使用周波数帯域内の結合偏差を低減することができる。
また、導体５０と結合孔１０の距離を調整する構造が必要ないため、製造経費を安価にすることができる。
さらに、導波管２０の壁面に形成された結合孔１０に対して略平行に突起部７０を設けた。
よって、設計時に突起部７０の長さを変えても、結合孔１０との距離や結合ループの大きさを変える必要がなくなり、結合度を大きく変えることなく、設計可能になり、設計を容易にすることができる。

実施の形態２．
図１２及び図１３は、本発明の実施の形態２によるループ方向性結合器の構造を示す図であり、図１２は断面図、図１３は底面からの透視図である。
本実施の形態２によるループ方向性結合器の構造は、導体５０が誘電体基板１４０上に形成される。
誘電体基板１４０上に形成された導体５０は、外導体カバー３０の内部に設けられ、同軸線路４０，４１の内導体が誘電体基板１４０を貫通して、両端にそれぞれ接続されて結合ループ６０を形成する。
その他の構成については、前記実施の形態１と同様である。

ここで、図１２及び図１３に示す構成では、導体５０は、導波管２０の壁面に形成された結合孔１０に対して略平行に一つの突起部７０を設けた。
その他、図１４に示すように、複数の突起部７６ａ，７６ｂを設けて良く、また、図１５に示すように、途中で折れ曲がった形状の突起部７７ａ，７７ｂでも良く、さらに、図１６に示すように、導体５０にＬ字状の切れ込みを入れることにより形成される突起部７８ａ，７８ｂでも良い。
このように、さまざまな形状の突起部のうちから一つの形状の突起部を選択できることから、設計の自由度を広げることができる。

次に動作について説明する。
本実施の形態２のループ方向性結合器の動作は、前記実施の形態１のループ方向性結合器の動作と同様である。
また、本実施の形態２のループ方向性結合器の等価回路に関しても、前記実施の形態１のループ方向性結合器と同様であるため、本実施の形態２によるループ方向性結合器は、誘電体基板１４０上に突起部７０を備えた導体５０を形成することにより、図１１に示すように、使用周波数帯域内の結合偏差を低減することができる。
さらに、結合ループ（導体５０）６０と結合孔１０の距離を調整する構造が必要ないため、製造経費を安価にすることができる。
さらに、誘電体基板１４０上に導体５０を形成することにより、中空に導体５０を形成した前記実施の形態１の構成よりも強度を上げることができる。
さらに、誘電体基板１４０を使用することで、導体５０の微細な加工が可能となる。

以上のように、本実施の形態２によれば、誘電体基板１４０上に導体５０を形成することにより、導体５０の強度を上げると共に、導体５０の微細な加工を可能にすることができる。

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。

１０結合孔、２０導波管、３０外導体カバー、４０，４１同軸線路、５０導体、６０結合ループ、７０，７１ａ，７１ｂ，７２ａ，７２ｂ，７３ａ，７３ｂ，７４ａ，７４ｂ，７６ａ，７６ｂ，７７ａ，７７ｂ，７８ａ，７８ｂ突起部、８１，９１，１０１入力ポート、８２，９２，１０２出力ポート、８３，９３，１０３結合ポート、８４，９４，１０４アイソレーションポート、９０，１００結合線路、９０ａ，１００ａ，９０ｂ，１００ｂ線路、１１０スタブ、１２０，１３０信号、１４０誘電体基板。

Claims

壁面に結合孔が形成された導波管と、
前記結合孔を被覆するように、前記導波管の外壁面に電気的に短絡して設けられた外導体カバーと、
前記外導体カバーを貫通するように設けられた２本の同軸線路と、
前記外導体カバーの内部に設けられ、両端に前記２本の同軸線路の内導体がそれぞれ接続されて結合ループを形成する導体と、
前記導体に設けられた突起部とを備え、
前記突起部は、
前記導波管に形成された前記結合孔に対して略平行に設けられたことを特徴とするループ方向性結合器。
前記導体は、
誘電体基板上に形成されたことを特徴とする請求項１記載のループ方向性結合器。