JP6161345B2 - 偏波分離回路 - Google Patents

Description

本発明は、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。

衛星通信において、衛星の追尾機能を実現するための方式の一つに、ＴＥ(Transverse Electric wave)２１モードの信号を用いたモノパルス方式がある。
ＴＥ２１モードを検出し、そのレベルが小さくなるようにアンテナ方向を制御することで、衛星の追尾が可能となる。
このため、このようなアンテナ給電回路では、ＴＥ１１モードだけでなく、ＴＥ２１モードを分離する機能が必要となる。

ＴＥ２１モードを分離するためのコンポーネントとしては、ＴＥ２１モードカプラが一般的に知られている。
従来のＴＥ２１モードカプラの構造例を図２０に示す。
図において、１０１は第１の円形導波管端子、１０２は第２の円形導波管端子である。
３は外導体、５は結合孔、６は結合端子である。
１０７は管軸方向に一様な径の外導体からなる第１の円形導波管部、１０８は管軸方向に一様な径の外導体からなる第２の円形導波管部、９は外導体に設けられたテーパ部、１１０は管軸方向にテーパ状の外導体からなる第３の円形導波管部である。
第１の円形導波管端子１０１、第２の円形導波管端子１０２、第１の円形導波管部１０７、第２の円形導波管部１０８、第３の円形導波管部１１０は、外導体３から構成されている。
また、テーパ部９に結合孔５が設けられ、結合端子６が接続されている。

ここで、第１の円形導波管端子１０１の径は、ＴＥ１１モードとＴＥ２１モードが伝播し、第２の円形導波管端子１０２の径は、ＴＥ１１モードは伝播、ＴＥ２１モードは遮断となるように選定されている。

次にこのようなＴＥ２１モードカプラにおける動作について説明する。
ここでは、第１の円形導波管端子１０１からＴＥ１１モードとＴＥ２１モードが入力された場合について示す。
第１の円形導波管端子１０１からＴＥ１１モードとＴＥ２１モードが入力されると、第１の円形導波管部１０７、第３の円形導波管部１１０を伝播し、ＴＥ１１モードは第２の円形導波管部１０８を伝播して、第２の円形導波管端子１０２に出力される。
一方、ＴＥ２１モードについては、第２の円形導波管端子１０２では遮断となるため反射され、テーパ部９に設けられた結合孔５に結合して結合端子６に出力される。
このように、ＴＥ１１モードとＴＥ２１モードは、分離される。

このとき、ＴＥ２１モードの結合特性、ＴＥ１１モードの伝播特性は、テーパ部９と結合孔５の形状によって決定される。
なお、従来の偏波分離回路に関連する技術文献として、下記特許文献がある。

特開平１１−１１２２０１号公報

従来のＴＥ２１モードカプラは導波管で構成され、ＴＥ２１モードの結合特性や、ＴＥ１１モードの伝播特性は、テーパ部９と結合孔５の形状のみによって決定される。
このため、設計の自由度が低いという課題があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、設計の自由度を向上する偏波分離回路を得ることを目的とする。

本発明の偏波分離回路は、一端にＴＥ１１モードおよびＴＥ２１モードを伝播する第１の同軸端子が設けられた第１の同軸部と、一端にＴＥ１１モードを伝播し、ＴＥ２１モードを遮断する第２の同軸端子が設けられた第２の同軸部と、第１の同軸部の他端と第２の同軸部の他端との間に接続された第３の同軸部とを備え、第１の同軸部、第２の同軸部、および第３の同軸部は、内導体および外導体を有し、第３の同軸部の外導体に、ＴＥ２１モードと結合する結合端子が設けられ、第２の同軸部は、内導体にステップ部を有し、直交する２つのＴＥ１１モードを分離する偏分波器からなるものである。

本発明によれば、第１の同軸部、第２の同軸部、および第３の同軸部が、内導体および外導体を有するように構成した。
よって、ＴＥ２１モードの結合特性やＴＥ１１モードの伝播特性を、内導体および外導体の径の複数の組み合わせから選定することができ、設計の自由度を大きくすることができる効果がある。

本発明の実施の形態１による偏波分離回路の構成を示す側面図である。 本発明の実施の形態１による偏波分離回路の結合孔と結合端子を含む構成を示す断面図である。 ＴＥ１１モードおよびＴＥ２１モードの電界分布を示す説明図である。 ＴＥ２１モードの結合孔における結合の様子を示す説明図である。 複数の周波数帯で使用可能なことを示す説明図である。 ＴＥＭモードの電界分布を示す説明図である。 ＴＥＭモードの結合孔における結合しにくい様子を示す説明図である。 本発明の実施の形態１による他の偏波分離回路の構成を示す側面図である。 本発明の実施の形態２による偏波分離回路の構成を示す側面図である。 本発明の実施の形態２による他の偏波分離回路の構成を示す側面図である。 本発明の実施の形態３による偏波分離回路の構成を示す側面図である。 本発明の実施の形態４による偏波分離回路の構成を示す側面図である。 本発明の実施の形態５による偏波分離回路の構成を示す側面図である。 ターンスタイル形偏分波器を示す透視図である。 ＴＥ１１モードのターンスタイル形偏分波器における電界分布を示す説明図である。 ＴＥＭモードと結合孔の関係を示す説明図である。 本発明の実施の形態５による他の偏波分離回路の構成を示す側面図である。 本発明の実施の形態５による他の偏波分離回路の構成を示す側面図である。 ＴＥ２１モードとターンスタイル形偏分波器を示す透視図である。 従来の偏波分離回路の構成を示す側面図である。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１による偏波分離回路の構成を示す側面図である。
図１において、１は第１の円形同軸端子、２は第２の円形同軸端子である。
３は外導体、４は内導体、５は結合孔、６は結合端子である。
７は管軸方向に一様な径の外導体と内導体からなる第１の円形同軸部、８は管軸方向に一様な径の外導体と内導体からなる第２の円形同軸部、９は外導体に設けられたテーパ部、１０は管軸方向にテーパ状の外導体と一様な内導体からなる第３の円形同軸部である。
第１の円形同軸端子１、第２の円形同軸端子２、第１の円形同軸部７、第２の円形同軸部８、第３の円形同軸部１０は、外導体３と内導体４から構成されている。
また、テーパ部９に結合孔５が設けられ、結合端子６が接続されている。

図２は結合孔と結合端子を含む概略断面図である。
図２に示すように、テーパ部９に径方向に８個の結合孔５ａ〜５ｈが設けられ、結合端子６ａ〜６ｈが接続されている。

また、第１の円形同軸端子１の径は、ＴＥ１１モードとＴＥ２１モードが伝播し、第２の円形同軸端子２の径は、ＴＥ１１モードは伝播、ＴＥ２１モードは遮断となるように選定されている。
なお、内導体４の内側には、さらに、中空部４ａが設けられている。

次にこのような偏波分離回路における動作について説明する。
ここでは、第１の円形同軸端子１から外導体３と内導体４の間の空間に、ＴＥ１１モードとＴＥ２１モードが入力された場合について示す。
ＴＥ１１モードの電界分布は図３（ａ），（ｂ）に示すとおり、ＴＥ２１モードの電界分布は図３（ｃ），（ｄ）に示すとおりである。
ＴＥ１１モード、ＴＥ２１モードともに、直交する２つのモードが存在する。
なお、図３において矢印は電界の向きを示している。

第１の円形同軸端子１からＴＥ１１モードとＴＥ２１モードが入力されると、第１の円形同軸部７、第３の円形同軸部１０を伝播し、ＴＥ１１モードは、さらに第２の円形同軸部８を伝播して、第２の円形同軸端子２に出力される。
一方、ＴＥ２１モードについては、第２の円形同軸端子２では遮断となるため反射され、テーパ部９に設けられた結合孔５に結合する。

結合の様子を示す概念図は図４に示すとおりである。
図４（ａ）は図３（ｃ）に示した直交するモードに対応し、図４（ｂ）は図３（ｄ）に示した直交するモードに対応している。
直交するモードごとに４つの結合端子に出力される。
なお、図には示していないが、結合端子に出力された信号は、さらに対向する端子ごとに逆相合成されて、すなわち、６ａと６ｅ，６ｂと６ｆ，６ｃと６ｇ，６ｄと６ｈごとに逆相合成されて、直交する２つのモードごとに検出される。

このとき、ＴＥ２１モードの結合端子６への結合特性、ＴＥ１１モードの反射、伝播特性は、テーパ部９と結合孔５の形状および円形同軸部における外導体３と内導体４の径によって決定される。
このように、導波管ではなく、同軸で構成することで、ＴＥ１１モードとＴＥ２１モードの伝播や遮断は、外導体３と内導体４の径の複数の組み合わせから選定することができる。
このため、導波管構成と比べると、テーパ部９の形状と結合孔５の形状以外に外導体３と内導体４の径が設計パラメータとなる。
したがって、導波管での構成に比べ、設計の自由度が大きくなるという効果がある。

また、同軸構成とした場合、図５に示すように、内導体４の内側に設けた中空部４ａに、さらに別の高周波数帯の信号を伝播させることができる。
高周波数帯においても同様に追尾機能を実現する場合は、中空部４ａを伝播させた後に高周波数帯のコンポーネントを設ければよい。
このため、複数の周波数帯でアンテナ給電回路を実現できるという効果もある。

なお、同軸構成にした場合、図６に示すＴＥＭモードも伝播する。
ただし、ＴＥＭモードと結合孔の関係は図７のようになるため、結合孔には結合しにくく、ＴＥＭモードによる特性への影響は小さい。

なお、ここでは、外導体３にテーパ部９を設けた場合について示したが、図８に示すように、管軸方向に径が変わるステップ部１１を設けた構成でもよい。
この場合、テーパ部９を設けた場合に比べ、加工が容易になるという効果もある。

また、ここでは、結合端子６を８個設けた場合について示したが、直交するモードが検出できる結合孔５と結合端子６があればよく、８個でなくともよい。

以上のように、本実施の形態１によれば、第１の円形同軸部７、第２の円形同軸部８、および第３の円形同軸部１０が、内導体４および外導体３を有するように構成した。
よって、ＴＥ２１モードの結合特性やＴＥ１１モードの伝播特性を、内導体４および外導体３の径の複数の組み合わせから選定することができ、設計の自由度を大きくすることができる。

また、本実施の形態１によれば、内導体４の内側に中空部４ａが設けられように構成した。
よって、中空部４ａに別の高周波信号を伝送させることにより、複数の周波数帯でアンテナ給電回路を実現することができる。

さらに、本実施の形態１によれば、外導体３に、管軸方向に径が変わるテーパ部９が設けられるように構成した。
よって、ＴＥ２１モードの結合特性やＴＥ１１モードの伝播特性を、内導体４および外導体３の径の複数の組み合わせに加え、テーパ部９の形状から選定することができ、設計の自由度をさらに大きくすることができる。

さらに、本実施の形態１によれば、外導体３に、管軸方向に径が変わるステップ部１１が設けられるように構成した。
よって、外導体３に、テーパ部９を設けた場合に比べ、外導体３の加工を容易にすることができる。

実施の形態２．
図９は本発明の実施の形態２による偏波分離回路の構成を示す側面図である。
図において、１２ａ，１２ｂは管軸方向に内導体４の径が変わるように設けられたステップ部である。
ステップ部１２ａ，１２ｂが設けられたことにより、第１の円形同軸部７、第２の円形同軸部８、第３の円形同軸部１０において、内導体４はそれぞれ異なる径となっている。
その他の構成については、図１と同様である。

このような構成においても、上記実施の形態１と同様の効果が得られる。
また、第３の円形同軸部１０では、第１の円形同軸部７に比べ内導体４の径が大きくなっている。
外導体の形状を変えずに内導体の径を大きくすると、大きくする前に比べ、ＴＥ１１モードの遮断周波数は、低域にシフトする。
このため、ＴＥ１１モードの整合が取りやすくなる。

さらに、第１の円形同軸部７、第３の円形同軸部１０、第８の円形同軸部８と、インピーダンスが徐々に変化することになるため、インピーダンス変成機能が追加され、良好な反射特性が得られるという効果もある。

なお、ＴＥ２１モードについても遮断周波数は低域にシフトするが、第２の円形同軸端子２において、遮断という条件を維持していれば、ＴＥ２１モードの結合特性には大きな影響はなく、また、整合が取れて結合孔５への結合が大きくなっても問題はない。

また、ここでは、外導体３にテーパ部９を設けた場合について示したが、図１０に示すように、管軸方向に径が変わるステップ部１１を設けた構成でもよい。
この場合、テーパ部９を設けた場合に比べ、加工が容易になるという効果もある。

なお、内導体４に設けたステップ部１２ａ，１２ｂのように、ステップ部を多段構成した場合、さらに広帯域化が図れるという効果もある。
さらに、図１０において、ステップ部１１を多段構成しても良く、さらに広帯域化が図れるという効果がある。

以上のように、本実施の形態２によれば、内導体４に、管軸方向に径が変わるステップ部１２ａ，１２ｂが設けられるように構成した。
よって、同じ径の場合に比べ、ＴＥ１１モードの遮断周波数を低域にシフトさせ、ＴＥ１１モードの整合を取りやすくすることができる。

また、本実施の形態２によれば、内導体４に、複数のステップ部１２ａ，１２ｂが設けられるように構成した。
よって、インピーダンスが徐々に変化することになるため、インピーダンス変成機能が追加され、良好な反射特性を得ることができる。
また、さらに広帯域化を図ることができる。

さらに、本実施の形態２によれば、外導体３に、複数のステップ部１１が設けられるように構成した。
よって、インピーダンスが徐々に変化することになるため、インピーダンス変成機能が追加され、良好な反射特性を得ることができる。
また、さらに広帯域化を図ることができる。

実施の形態３．
図１１は本発明の実施の形態３による偏波分離回路の構成を示す側面図である。
図において、１３ａ，１３ｂは管軸方向に内導体４の径が変わるように設けられたステップ部である。
なお、外導体３の径は、管軸方向に一様である。
その他の構成については、図１と同様である。

図１１において、結合孔５は、第３の円形同軸部１０の一様な外導体３に設けられている。
また、第１の円形同軸端子１の径は、ＴＥ１１モードとＴＥ２１モードが伝播し、第２の円形同軸端子２の径は、ＴＥ１１モードが伝播、ＴＥ２１モードは遮断となるように選定されており、第３の円形同軸部１０では、第２の円形同軸部８に比べ、内導体４の径が大きくなっている。

このような構成においても、上記実施の形態２と同様の効果が得られる。
さらに、外導体３の径は、管軸方向に一様であるため、加工が容易であるという効果もある。

以上のように、本実施の形態３によれば、外導体３を、管軸方向に一様な径であり、内導体４に、管軸方向に径が変わるステップ部１３ａ，１３ｂが設けられるように構成した。
よって、外導体３に、テーパ部あるいはステップ部を設けた場合に比べ、外導体３の加工を容易にすることができる。

実施の形態４．
図１２は本発明の実施の形態４による偏波分離回路の構成を示す側面図である。
図において、１４は内導体４に設けられたテーパ部である。
その他の構成については、図１と同様である。

このような構成においても、上記実施の形態２と同様の効果が得られる。
さらに、内導体４の径がテーパ状になっているため、ステップ部を設けた場合に比べ、不連続の影響が小さくなり、より良好な特性が得られるという効果もある。

以上のように、本実施の形態４によれば、内導体４に、管軸方向に径が変わるテーパ部１４が設けられるように構成した。
よって、ＴＥ２１モードの結合特性やＴＥ１１モードの伝播特性を、内導体４および外導体３の径の複数の組み合わせに加え、テーパ部１４の形状から選定することができ、設計の自由度をさらに大きくすることができる。
また、同じ径の場合に比べ、ＴＥ１１モードの遮断周波数を低域にシフトさせ、ＴＥ１１モードの整合を取りやすくすることができる。
さらに、インピーダンスが徐々に変化することになるため、インピーダンス変成機能が追加され、良好な反射特性を得ることができる。
さらに、ステップ部を設けた場合に比べ、不連続の影響が小さくなり、より良好な特性を得ることができる。

実施の形態５．
図１３は本発明の実施の形態５による偏波分離回路の構成を示す側面図である。
図において、１５はＴＥ２１モードを検出するＴＥ２１モードカプラ、１６はターンスタイル形偏分波器、１７は分岐端子、１８は整合素子として機能するステップ部である。
その他の構成については、図１０と同様である。

また、図１４はターンスタイル形偏分波器について管軸方向から見た透視図である。
ＴＥ１１モードを検出する分岐端子１７と、整合を取るためのステップ部１８が、内導体４に設けられている。
なお、図には示していないが、ターンスタイル形偏分波器１６に出力された信号は、さらに、対向する端子ごとに逆相合成されて、直交する２つのモードごとに検出される。

本構成では、同軸構成のターンスタイル形偏分波器１６が、同軸構成のＴＥ２１モードカプラ１５に接続されている。
このため、図１５に示すように、電界は矢印、ドット、クロスで示される向きとなり、第２の円形同軸部８を伝播したＴＥ１１モードが、ターンスタイル形偏分波器１６によって直交する２つのモードごとに検出できるという効果がある。

さらに、ターンスタイル形偏分波器１６の整合のために、内導体４に設けられたステップ部１８を、ＴＥ２１モードカプラ１５の内導体４に設けられたステップ部１２ａ，１２ｂと共用してもよい。
この場合、ターンスタイル形偏分波器１６の整合のための内導体４のステップ部１８が、テーパ状の外導体３からなる第３の円形同軸部１０に設けられることになる。
したがって、近接配置が可能となり、小形化できるという効果もある。

なお、同軸構成にした場合、図６に示すＴＥＭモードも伝播する。
ただし、ＴＥＭモードと結合孔の関係は図１６のようになり、電界は矢印、ドットで示される向きとなるため、ＴＥ１１モードが逆相合成される際には、ＴＥＭモードは打ち消しあうことになる。
このため、ＴＥＭモードによる特性への影響は小さい。

また、ここでは、内導体４にステップ部１８を設けた場合について示したが、図１７に示すように、内導体４にテーパ部１４，１９を設けてもよい。
この場合、ステップ部を設けた場合に比べ、不連続の影響が小さくなり、より良好な特性が得られるという効果もある。

なお、図１８に示すように、外導体３は、管軸方向に一様でもよい。
この場合は、加工が容易であるという効果もある。

さらに、ＴＥ２１モードカプラ１５における結合端子と、ターンスタイル形偏分波器１６における分岐端子は、同一方向に向かないように配置してもよい。
図１９にＴＥ２１モードカプラ１５における結合端子６ａ〜６ｈと、ターンスタイル形偏分波器１６における分岐端子１７ａ〜１７ｄを、２２．５度傾けて配置した例を示す。
この場合、結合端子６ａ〜６ｈと分岐端子１７ａ〜１７ｄの一部が同一方向になるように配置した場合に比べ、ＴＥ１１モード、ＴＥ２１モードが互いに漏れ込みにくくなるという効果もある。

以上のように、本実施の形態５によれば、第２の円形同軸部８を、直交する２つのＴＥ１１モードを分離するターンスタイル形偏分波器１６からなるように構成した。
よって、第２の円形同軸部８を伝播したＴＥ１１モードが、ターンスタイル形偏分波器１６によって、直交する２つのモードごとに検出することができる。
なお、ターンスタイル形偏分波器１６のステップ部１８は、ＴＥ２１モードカプラ１５内のステップ部１２ａ，１２ｂと共用しても良く、この場合、小形化することができる。

また、本実施の形態５によれば、ターンスタイル形偏分波器１６のステップ部１２ａ，１２ｂ，１８に代えて、テーパ部１４，１９を備えるように構成した。
よって、ステップ部１２ａ，１２ｂ，１８を設けた場合に比べ、不連続の影響が小さくなり、より良好な特性を得ることができる。

さらに、本実施の形態５によれば、ＴＥ２１モードと結合する結合端子６ａ〜６ｈの向きと、ＴＥ１１モードを検出する分岐端子１７ａ〜１７ｄの向きが同一にならないように配置した。
よって、結合端子６ａ〜６ｈの向きと分岐端子１７ａ〜１７ｄの向きの一部が同一方向になるように配置した場合に比べ、ＴＥ１１モード、ＴＥ２１モードが互いに漏れ込みにくくすることができる。

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。

１ 第１の円形同軸端子、２ 第２の円形同軸端子、３ 外導体、４ 内導体、４ａ 中空部、５，５ａ〜５ｈ 結合孔、６，６ａ〜６ｈ 結合端子、７ 第１の円形同軸部、８ 第２の円形同軸部、９，１４，１９ テーパ部、１０ 第３の円形同軸部、１１，１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂ，１８ ステップ部、１５ ＴＥ２１モードカプラ、１６ ターンスタイル形偏分波器、１７，１７ａ〜１７ｄ 分岐端子。

Claims (11)

1. 一端にＴＥ１１モードおよびＴＥ２１モードを伝播する第１の同軸端子が設けられた第１の同軸部と、
   一端にＴＥ１１モードを伝播し、ＴＥ２１モードを遮断する第２の同軸端子が設けられた第２の同軸部と、
   上記第１の同軸部の他端と上記第２の同軸部の他端との間に接続された第３の同軸部とを備え、
   上記第１の同軸部、上記第２の同軸部、および上記第３の同軸部は、
   内導体および外導体を有し、
   上記第３の同軸部の外導体に、ＴＥ２１モードと結合する結合端子が設けられ、
   上記第２の同軸部は、
   上記内導体にステップ部を有し、直交する２つのＴＥ１１モードを分離する偏分波器からなることを特徴とする偏波分離回路。
2. 一端にＴＥ１１モードおよびＴＥ２１モードを伝播する第１の同軸端子が設けられた第１の同軸部と、
   一端にＴＥ１１モードを伝播し、ＴＥ２１モードを遮断する第２の同軸端子が設けられた第２の同軸部と、
   上記第１の同軸部の他端と上記第２の同軸部の他端との間に接続された第３の同軸部とを備え、
   上記第１の同軸部、上記第２の同軸部、および上記第３の同軸部は、
   内導体および外導体を有し、
   上記第３の同軸部の外導体に、ＴＥ２１モードと結合する結合端子が設けられ、
   上記第２の同軸部は、
   上記内導体にテーパ部を有し、直交する２つのＴＥ１１モードを分離する偏分波器からなることを特徴とする偏波分離回路。
3. 上記内導体は、
   内側に中空部が設けられたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の偏波分離回路。
4. 上記外導体に、
   管軸方向に径が変わるテーパ部が設けられたことを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載の偏波分離回路。
5. 上記外導体に、
   管軸方向に径が変わるステップ部が設けられたことを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載の偏波分離回路。
6. 上記外導体に設けられたステップ部は、
   複数からなることを特徴とする請求項５記載の偏波分離回路。
7. 上記内導体に、
   管軸方向に径が変わるステップ部が設けられたことを特徴とする請求項１から請求項６のうちのいずれか１項記載の偏波分離回路。
8. 上記外導体は、
   管軸方向に一様な径であり、
   上記内導体に、
   管軸方向に径が変わるステップ部が設けられたことを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載の偏波分離回路。
9. 上記内導体に設けられたステップ部は、
   複数からなることを特徴とする請求項７または請求項８記載の偏波分離回路。
10. 上記内導体に、
    管軸方向に径が変わるテーパ部が設けられたことを特徴とする請求項１から請求項６のうちのいずれか１項記載の偏波分離回路。
11. 上記偏分波器は、
    ＴＥ１１モードを検出する分岐端子を備え、
    上記結合端子の向きと、上記分岐端子の向きが同一にならないように配置したことを特徴とする請求項１または請求項２記載の偏波分離回路。

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