JP6186644B2 - Ｔ字型同軸管 - Google Patents

Description

この発明は、大径の中空円筒状の外部導体の内部に、小径の中実円柱状の内部導体が同軸上に配置されており、外部導体および内部導体がＴ字型に形成されている、Ｔ字型同軸管に関するものである。

従来、大電力の高周波を低損失で伝送する手段として、導波管や同軸管が利用されている。導波管は周波数が高い場合には、小さい寸法で形成することができる。しかしながら、周波数が低い場合、たとえば、３ＧＨｚなどでは、寸法が極端に大型化する。このため、このような周波数の伝送には同軸管が利用されている。しかしながら、同軸管は同軸ケーブルのように自由に曲折させることが不能である。そこで、同軸管の伝送方向を直角に偏向する場合、詳細に関しては後述するが、図５(ａ)に示すように、Ｔ字型同軸管２０を利用している。

このＴ字型同軸管２０は、大径の中空円筒状の外部導体２００の内部に小径の中実円柱状の内部導体３００が同軸上に配置されており、外部導体２００および内部導体３００がＴ字型に形成されている。このようなＴ字型同軸管２０では、内部導体３００は、それぞれ直線状の円柱状の第一線部３１０および第二線部３２０を有しており、第一線部３１０の一端までの途中の外周面に第二線部３２０の一端がＴ字型に連結されている。

しかしながら、このようなＴ字型同軸管２０では、Ｔ字型に分岐しているためにインピーダンスが整合しないので不要な反射が発生し、高周波の直角方向に偏向された伝送が阻害されやすい。そこで、上述のようなＴ字型同軸管２０でインピーダンスを整合させる手法としては、第二線部３２０より手前で第一線部３１０の外周面を円環状に切除することや（図示せず）、このような切除を二箇所で実行して円環状の誘電体で補強すること（図示せず）、などが実施されている。

なお、小幅の周波数制御幅でインピーダンス整合が可能な領域を十分に広く保つ高周波加熱装置の提案はある（たとえば、特許文献１参照）。

特開平０７−１５９５６２号公報

上述のようにＴ字型同軸管２０でも、第二線部３２０より手前で第一線部３１０の外周面を円環状に切除することや、このような切除を二箇所で実行して円環状の誘電体で補強することなどにより、インピーダンスを整合させることはできる。しかしながら、一般的に第一線部３１０は円柱状の金属棒からなる。このような第一線部３１０の外周面を円環状に切除するためには、回転加工が必要となり、その加工が困難で生産性が低下している。

本発明は上述のような課題に鑑みてなされたものであり、特性が良好で製造も容易なＴ字型同軸管を提供するものである。

上述のような課題を解決するため、本発明のＴ字型同軸管は、大径の中空円筒状の外部導体の内部に小径の中実円柱状の内部導体が同軸上に配置されており、前記外部導体および前記内部導体がＴ字型に形成されているＴ字型同軸管であって、前記内部導体は、それぞれ直線状の円柱状の第一線部および第二線部を有しており、前記第一線部の一端までの途中の外周面に前記第二線部の一端がＴ字型に連結されており、前記第一線部の周面方向で前記第二線部が連結されている部分と逆側に、底部が平面形状の所定の深さの凹部が、第二線部の軸線に対して線対称に形成されている。

したがって、このＴ字型同軸管では、Ｔ字型に連結されている第一線部と第二線部からなる内部導体の、第二線部が連結されている部分と周面方向で逆側に第一線部に少なくとも一つの凹部が形成されている。このため、この凹部により第一線部および第二線部のＴ字型の連結部に発生する不要な反射を抑制することができる。このために必要な加工は、第二線部の連結部分と逆側に第一線部に凹部を形成するだけなので、たとえば、円柱状の金属棒からなる第一線部を加工する場合でも、その外周面の全体を回転加工するような必要がない。

本発明に記載のＴ字型同軸管では、Ｔ字型に連結されている第一線部と第二線部からなる内部導体の、第二線部が連結されている部分と周面方向で逆側に第一線部に少なくとも一つの凹部が形成されている。このため、この凹部により第一線部および第二線部のＴ字型の連結部に発生する不要な反射を抑制し、インピーダンスを整合させることができる。このようにインピーダンスを整合させるために必要な加工は、第二線部の連結部分と逆側に第一線部に凹部を形成するだけなので、たとえば、円柱状の金属棒からなる第一線部を加工する場合でも、その外周面の全体を回転加工するような必要はなく、一面を切削加工するだけで実現することができる。

本発明の実施の形態におけるＴ字型同軸管の内部構造を示す模式的な縦断側面図である。 本発明の実施の形態におけるＴ字型同軸管の構造を示す模式的な斜視図である。 本発明の実施の形態におけるＴ字型同軸管による電界分布を示すシミュレーション結果の電界分布図である。 本発明の実施の形態におけるＴ字型同軸管による反射損失特性を示すシミュレーション結果の特性図である。 本発明の比較例のＴ字型同軸管の内部構造と反射損失特性を示し、(ａ)は模式的な縦断側面図、(ｂ)はシミュレーション結果の特性図である。 本発明の実施の形態におけるＴ字型同軸管の凹部の深さによる反射損失特性の違いを示し、(ａ)は模式的な縦断側面図、(ｂ)はシミュレーション結果の特性図である。 本発明の実施の形態におけるＴ字型同軸管の凹部の管軸方向の位置による反射損失特性の違いを示し、(ａ)は模式的な縦断側面図、(ｂ)はシミュレーション結果の特性図である。 本発明の実施の形態におけるＴ字型同軸管の凹部の管軸方向の全長による反射損失特性の違いを示し、(ａ)は模式的な縦断側面図、(ｂ)はシミュレーション結果の特性図である。 本発明の実施の形態におけるＴ字型同軸管の実際の反射損失特性を示し、(ａ)は模式的な縦断側面図、(ｂ)は特性図である。

つぎに、本発明の実施の一形態に関して図面を参照して以下に説明する。本実施の形態のＴ字型同軸管１０は、図１および図２に示すように、大径の中空円筒状の外部導体２００の内部に小径の中実円柱状の内部導体１００が同軸上に配置されており、外部導体２００および内部導体１００がＴ字型に形成されている。つまり、外部導体２００は、それぞれ直線状の円筒状の第一管部２１０および第二管部２２０を有しており、第一管部２１０の一端までの途中の外周面に、第二管部２２０の一端がＴ字型に連結されている。

同様に、内部導体１００は、それぞれ直線状の円柱状の第一線部１１０および第二線部１２０を有しており、第一線部１１０の一端までの途中の外周面に第二線部１２０の一端がＴ字型に連結されている。外部導体２００の第一管部２１０の一端は円盤状の閉塞端部２３０で閉塞されており、この閉塞端部２３０に、内部導体１００の第一線部１１０の一端も接続されている。

本実施の形態のＴ字型同軸管１０の外部導体２００および内部導体１００は、黄銅やアルミなどの良導体の金属で形成されており、外部導体２００の第一管部２１０および第二管部２２０は、内径１９．９４ｍｍで肉厚２．２８ｍｍに形成されている。第二管部２２０は、たとえば、図３に示すように、導波管１１に接続されており、この導波管１１の内部に、第二線部１２０の先端に接続されているトランスデューサ１２１が配置されている。

そして、本実施の形態のＴ字型同軸管１０では、第一線部１１０の周面方向で第二線部１２０が連結されている部分と逆側に凹部１１１が形成されている。この凹部１１１は、伝送させる高周波の波長λに対し、第一線部１１０の直径方向に、λ／１００〜λ／９である約λ／４０の深さまで形成されている。また、この凹部１１１は、伝送させる高周波の波長λに対し、第一線部１１０の管軸方向で、λ／１２〜λ／３である、約λ／４の全長に形成されている。

より具体的には、本実施の形態のＴ字型同軸管１０は、仕様的に３．０〜３．１ＧＨｚの高周波を伝送する。このため、第一線部１１０の直径は９．９６ｍｍであり、凹部１１１は直径方向に２．５ｍｍの深さに形成されている。さらに、凹部１１１は管軸方向に２５ｍｍの全長に形成されている。そして、このような凹部１１１は、第二線部１２０の軸線を中心に管軸方向に略対称に形成されている。

つまり、第二線部１２０の軸線を中心に管軸方向に±１２．５ｍｍに形成されている。このような凹部１１１は、前述のように金属棒からなる第一線部１１０を、図中下方から切削すればよい。なお、本実施の形態のＴ字型同軸管１０では、第二線部１２０の軸線から第一線部１１０の図中右端までも約λ／４の全長に形成されている。ただし、この部分は実際には、Ｔ字型の連結部に凹部１１１が形成されている影響で複雑な反射波が発生するため、約λ／４ではない長さで形成されている。

上述のような構成において、本実施の形態のＴ字型同軸管１０は、図３に示すように、たとえば、内部導体１００の第二線部１２０の図中上端にトランスデューサ１２１が接続され、外部導体２００の第二管部２２０の図中上端が導波管１１に接続されて、３．０〜３．１ＧＨｚの高周波の伝送に利用される。その場合の反射損失特性のシミュレーション結果が、図３および図４に示されている。

図４に示すように、３．０〜３．１ＧＨｚの帯域において、Ｓ１１が−３０［ｄＢ］以下と、良好なシミュレーション結果が得られている。つまり、第一線部１１０に、適切な直径方向の深さ、適切な管軸方向の全長、適切な管軸方向の位置に、第二線部１２０と逆側に凹部１１１が形成されているため、結果的にインピーダンスが整合して不要な反射が抑制されている。

そして、このような良好な特性のＴ字型同軸管１０を実現するためには、金属棒からなる第一線部１１０の一面を切削して凹部１１１を形成するだけでよい。このため、本実施の形態のＴ字型同軸管１０は、インピーダンスが整合していて不要な反射が抑制されており、それでいて構造が簡単で製造も容易である。

ここで本実施の形態のＴ字型同軸管１０と比較するため、凹部１１１が形成されていない従来型のＴ字型同軸管２０を図５(ａ)に例示する。このＴ字型同軸管２０では、内部導体３００の第一管部３１０の一端までの途中に第二管部３２０の一端がＴ字型に連結されているが、その逆側に凹部１１１は形成されていない。このようなＴ字型同軸管２０で３．０〜３．１ＧＨｚの高周波の伝送をシミュレートしたところ、図５(ｂ)に示すように、その帯域でＳ１１が−２５［ｄＢ］以上と、良好なシミュレーション結果が得られなかった。

つぎに、本実施の形態のＴ字型同軸管１０の凹部１１１の深さを検証するため、図６(ａ)に示すように、深さＤ＝２．５ｍｍ、Ｄ＝２．０ｍｍ、Ｄ＝３．０ｍｍ、の場合で、３．０〜３．１ＧＨｚの高周波の伝送をシミュレートした。なお、凹部１１１の管軸方向の全長は２５ｍｍ、管軸方向の位置は第二線部１２０の軸線を中心に管軸方向に±１２．５ｍｍ、に固定した。

すると、図６(ｂ)に示すように、深さＤ＝２．５ｍｍの場合は、前述のようにＳ１１が−３０［ｄＢ］以下と良好なシミュレーション結果が得られたが、これより深さＤが２．０ｍｍと浅い場合でも、３．０ｍｍと深い場合でも、シミュレーション結果は悪化した。ただし、Ｄが２．０ｍｍと浅い場合と３．０ｍｍと深い場合とは、本実施の形態のＴ字型同軸管１０の仕様を満足する許容範囲であることも確認された。つまり、凹部１１１の深さＤは、第一線部１１０の直径９．９６ｍｍの約１／４である２．５ｍｍが最良であるが、２．０ｍｍ〜３．０ｍｍも許容する。

つぎに、本実施の形態のＴ字型同軸管１０の凹部１１１の管軸方向の位置を検証するため、図７(ａ)に示すように、第二線部１２０の軸線から図中右側に１２．５ｍｍの位置に、凹部１１１の図中右端の位置Ｘ＝０．０ｍｍ、Ｘ＝−２．５ｍｍ、Ｘ＝＋２．５ｍｍ、の場合で、３．０〜３．１ＧＨｚの高周波の伝送をシミュレートした。なお、凹部１１１の直径方向の深さは２．５ｍｍ、管軸方向の全長は２５ｍｍ、に固定した。

すると、図７(ｂ)に示すように、位置Ｘ＝０．０ｍｍの場合は、前述のようにＳ１１が−３０［ｄＢ］以下と良好なシミュレーション結果が得られたが、これより位置Ｘが−２．５ｍｍと図中右方に変位した場合でも、＋２．５ｍｍと図中左方に変位した場合でも、シミュレーション結果は悪化した。ただし、この場合も、図中左右に±２．５ｍｍが、本実施の形態のＴ字型同軸管１０の仕様を満足する許容範囲であることも確認された。つまり、凹部１１１の位置Ｘは、第二線部１２０の軸線を中心に図中左右に１２．５ｍｍと対称であることが最良であるが、左右に±２．５ｍｍの変位も許容する。

つぎに、本実施の形態のＴ字型同軸管１０の凹部１１１の管軸方向の全長を検証するため、図８(ａ)に示すように、第二線部１２０の軸線を中心に、全長Ｗ＝２５ｍｍ、Ｗ＝２４ｍｍ、Ｗ＝２６ｍｍ、の場合で、３．０〜３．１ＧＨｚの高周波の伝送をシミュレートした。なお、凹部１１１の直径方向の深さは２．５ｍｍに固定した。

すると、図８(ｂ)に示すように、全長Ｗ＝２５ｍｍの場合は、前述のようにＳ１１が−３０［ｄＢ］以下と良好なシミュレーション結果が得られたが、これより全長Ｗが２４ｍｍと短縮された場合でも、２６ｍｍと延長された場合でも、シミュレーション結果は悪化した。ただし、この場合も、全長Ｗ＝２５ｍｍ±１ｍｍが、本実施の形態のＴ字型同軸管１０の仕様を満足する許容範囲であることも確認された。つまり、凹部１１１の全長Ｗは、約λ／４の２５ｍｍが最良であるが、±１ｍｍの誤差も許容する。

そして、上述のようなシミュレーション結果に基づいて、本発明者は実際に、図３に示すように、導波管１１やトランスデューサ１２１などが接続された（図示せず）、図９(ａ)に示すようなＴ字型同軸管１０を試作し、その３．０〜３．１ＧＨｚの高周波の伝送の周波数特性を測定した。すると、図９(ｂ)に示すように、シミュレーション結果とは多少は相違するものの、３．０〜３．１ＧＨｚの高周波帯域で、Ｓ１１が−３０［ｄＢ］以下と良好な実測結果が得られた。

なお、本発明は本実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で各種の変形を許容する。たとえば、上記形態では金属棒からなる第一線部１１０の下面を切削加工することにより、凹部１１１を形成することを例示した。しかしながら、最初から凹部が形成されている第一線部および第二線部を樹脂で成形し、その表面を金属メッキすることなどにより、本実施の形態のＴ字型同軸管１０を実現することも可能である。

なお、当然ながら、上述した実施の形態および複数の変形例は、その内容が相反しない範囲で組み合わせることができる。また、上述した実施の形態および変形例では、各部の構造などを具体的に説明したが、その構造などは本願発明を満足する範囲で各種に変更することができる。

１０ Ｔ字型同軸管、１１ 導波管、２０ Ｔ字型同軸管、１００ 内部導体、１１０ 第一線部、１１１ 凹部、１２０ 第二線部、１２１ トランスデューサ、２００ 外部導体、２１０ 第一管部、２２０ 第二管部、２３０ 閉塞端部、３００ 内部導体、３１０ 第一線部、３２０ 第二線部

Claims (3)

1. 大径の中空円筒状の外部導体の内部に小径の中実円柱状の内部導体が同軸上に配置されており、前記外部導体および前記内部導体がＴ字型に形成されているＴ字型同軸管であって、
   前記内部導体は、それぞれ直線状の円柱状の第一線部および第二線部を有しており、前記第一線部の一端までの途中の外周面に前記第二線部の一端がＴ字型に連結されており、
   前記第一線部の周面方向で前記第二線部が連結されている部分と逆側に、底部が平面形状の所定の深さの凹部が、第二線部の軸線に対して線対称に形成されている、
   Ｔ字型同軸管。
2. 前記凹部の前記深さ及び前記底部の幅の各々が、前記第一線部及び前記第二線部の上記連結された部分における高周波の反射を抑制させるため、伝搬させる前記高周波の波長λに対応して設定される
   請求項１に記載のＴ軸型同軸管。
3. 前記凹部が形成された前記第一線部と、前記第二線部との各々を樹脂で形成し、金属メッキを行うことにより形成された
   請求項１または請求項２に記載のＴ軸型同軸管。