JP6343827B2 - 可撓性導波管 - Google Patents

Description

本発明は、高周波の電波、電気信号を伝送する線路の一種である導波管に関する。

近年、大容量高速通信の必要性から、電気信号の周波数が高くなっており、マイクロ波帯は一般に使用され、一部ミリ波帯にまで使用数波数帯は高周波化している。
これら高周波の伝送に用いられる導波管は、可撓性に乏しく施工性が悪いために、通常のケーブルのように可撓性と柔軟性に富んだ、軽量な導波管が求められている。

特許文献１では、複数の糸を束ねて芯となる誘電体を構成しており、この誘電体は弾性的に圧縮されないため復元力を持たず、誘電体内部から外側へ向かう圧力がないので、導波管を曲げた時に断面形状の変形に抗する力がなく、誘電体外側の導体層に皺が発生し、導波管の伝送損失が増加する。

特許文献２のフレキシブル導波管は、可動部が金属を波形に整形した蛇腹管を導波管の外導体としており、可撓性をもつ部分は導波管の一部に限られ、しかも質量は従来の導波管よりも大きい。

特許文献３では、導波管の外導体は、平箔糸の幅を広くした形状の単一の金属箔テープを、誘電体棒を芯にして右回りまたは左回りに一方向にのみ巻き付けて構成されており、予め誘電体が弾性的に圧縮変形されていないため復元力がなく、内部から外向きに外導体を押す圧力が無いので、導波管を曲げた時には外導体に皺が発生し伝送損失が増加する。
また、金属箔テープを一方向に巻いているために、導波管を右方向に曲げた時と左方向に曲げた時とでは、外導体に皺の寄り方が異なり、伝送損失にも影響する。

特開２００８−２８５２３号公報 特開２００８−２７１３３３号公報 特開平８−１９５６０５号公報

本発明は、施工性に優れた軽量で柔軟性がある、伝送損失の増加を抑えた可撓性導波管を提供する。

マイクロ波帯やミリ波帯の高周波伝送では、同軸ケーブルに比べて導波管の伝送損失が小さくなる。このため、微少電力を扱う通信システムでは、同軸ケーブルではなく導波管を伝送線路として設置する。
例えば、船舶や航空機のレーダ、衛星通信など微少電力を受信する必要のあるアンテナシステムでは、アンテナに給電する伝送線路として金属製の導波管が使われる。

しかし、金属製導波管は重量物であり可撓性がなく、施工性に劣る欠点がある。従来の金属製導波管を曲げて施工する必要のあるときには、曲管と呼ばれる曲がった金属製導波管を使い直線導波管とフランジによって、ネジ止めして繋ぐ作業が必要である。
また、重量物であり可撓性がなく巻き取ることができないため、一本の金属製導波管には長さに限りがあり、長距離の伝送線路を施工するには何本もの金属製導波管をフランジで繋ぐ必要があった。また、繋ぐ導波管の本数が多くなるほど、フランジ部分での伝送損失の増加が避けられず、伝送線路としての品質を劣化させる要因になっていた。

また、アンテナを直接給電することが多い導波管の施工は、高所での作業になることがあり、重量物の高所作業は危険がともなう。このため作業員の負荷低減のためには、導波管の軽量化が必要である。

特許文献１の導波管では、芯となる誘電体が糸を束ねただけの材料であり、圧縮に対する復元力が無いため、導波管を曲げたとき、曲がり部分の導体層には不規則な皺がよることで、内部を伝搬する電磁界に散乱が生じることにより伝送損失が増加する。
また、特許文献２の導波管は曲げる必要のある部分だけが、蛇腹状外導体からなる可撓性のある金属製導波管で、曲管以外は従来の金属製導波管と同じであり、施工性が改善されることにはならない。

特許文献３では可撓性のある誘電体棒を芯とした導波管であるが、金属テープが右向きまたは左向きに一方向のみに巻きつけられており、加えて誘電体棒には圧縮に対する復元力が無く、導波管を曲げたときには特許文献１の導波管と同じような問題が起こる。
また、金属箔テープが一方向に巻き付けられているために、導波管の可撓性に方向性が生じ、導波管を右側に曲げた時と左側に曲げた時とでは、曲げ易さが異なるとともに伝送特性にも影響する。

上記目的を達成するためには、圧縮変形に対して復元力を有する誘電体を芯とし、導電性のある平箔糸で外導体を形成することで解決できる。

即ち（１）、同一形状の断面が長手方向に連続する可撓性のある誘電体を芯として、誘電体の外側表面を導体層で覆った導波管であって、前記誘電体は圧縮変形に対して復元力を有する材料からなり、前記導体層は、扁平な断面形状で導電性を有する所要数の平箔糸が、前記誘電体に巻き付けられて形成されており、前記平箔糸の半数は、前記誘電体の長手方向に対して傾斜するように右回りに巻き付けられ、かつ残りの半数の前記平箔糸は、右回りの平箔糸と同じ角度で、前記誘電体の長手方向に対して傾斜するように左回りに巻き付られていることで、前記平箔糸の張力によって、前記誘電体が圧縮変形された状態を維持している導波管にある。

そして（２）、前記平箔糸は、金属箔とフィルムを積層して形成されていることを特徴とする、上記１に記載の導波管にある。

そして（３）、前記フィルムは、導電性を備えていることを特徴とする、上記２に記載の導波管にある。

そして（４）、前記誘電体は比誘電率が２より小さい材料からなることを特徴とする、上記１から上記３のいずれかに記載の導波管にある。

本発明の導波管は、上記のように構成されているので、軽量で可撓性があり施工性に優れた導波管を実現できる。

本発明の導波管では、誘電体材料を芯にして導体層が外側表面を覆っているので、誘電体の内部を電磁界が伝搬し導波管として動作する。しかも、その芯となる誘電体は可撓性がありかつ圧縮に対して復元力を有する材料であって、導体層を形成している平箔糸の張力によって圧縮され、誘電体の断面形状が相似的に弾性収縮しているので、誘電体が復元力をもつ。
よって、誘電体内部から外側に向かって導体層を押す圧力が生じることになり、この力と平箔糸の張力が釣り合うことで、曲げに対しても導体層の断面形状が維持される。

芯となる誘電体は、平箔糸を巻き付ける際の張力によって、その断面積が数パーセント縮んでおり、その外側に平箔糸の導電性に依存した導体層が形成される。この導体層の導電率と断面形状、および圧縮された誘電体の比誘電率とが、導波管の伝送特性を決定する。

平箔糸によって形成された導体層は、圧縮された誘電体の復元力によって内側から圧力が加わることにより、一定で安定した導波管の断面形状が保持される。この内部から外側へ向かう圧力は導波管を曲げた時にも効果的であり、導波管断面の形状変化を抑え伝送損失の増加を抑制することができる。

また導体層は、同数の右回りの平箔糸と左回りの平箔糸とによって構成されているため、導波管を曲げる方向による歪みの差が小さくなり、導波管の可撓性が、曲げる方向に依存することがなくなって施工性が向上する。

本発明の導波管は柔軟性があり、また製造できる長さに事実上の制限がないので、通常の同軸ケーブルと同じように巻きとりながら生産、出荷、搬送、施工できる利点がある。
この導波管の接続点を少なくできる利点は、施工上のみならず、伝送損失を低減する上でも有益である。

本発明の導波管では、電磁界が誘電体中を伝搬するので、伝搬中に誘電体の誘電損失による減衰を受ける。このため、誘電体の比誘電率が小さい材料ほど伝搬損失は小さくなる。
通常のプラスチックなどの誘電体は、比誘電率が２以上であるが、空気層を含んだ誘電体は２以下の比誘電率を示し、導波管の芯材として適している。

本発明の典型的な導波管の構成を示した図である。 本発明の導波管の外側を覆う導体層を形成する典型的な平箔糸の図である。 本発明の２５ＧＨｚ帯の導波管に対する伝送特性を実測した実施例である。 特許文献１により構成した２５ＧＨｚ帯導波管の伝送特性を、図３と比較するための比較例である。 本発明の１５ＧＨｚ帯の導波管に対して、幅１ｍｍの平箔糸で導体層を形成した時の伝送特性を実測した実施例である。 本発明の１５ＧＨｚ帯の導波管に対して、幅１．５ｍｍの平箔糸で導体層を形成した時の伝送特性を実測した実施例である。 本発明の５０ＧＨｚ帯の導波管に対する伝送特性を実測した実施例である。 本発明の導波管と、市販されている純銅製導波管、それぞれの伝送損失と質量を比較した実施例である。

以下、実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は本発明の導波管の典型的な断面図で、圧縮変形に対して復元力のある誘電体１を芯として、細幅の平箔糸２，３を、誘電体の外側に巻き付けることで、導波管を形成している。

芯となる誘電体１は、復元力と可撓性があり、低い誘電率を有する材料である。また誘電体は棒状で、断面形状は長手方向に一定である。

誘電体１の外側に、所要数の平箔糸２，３を巻き付けている。半数の平箔糸２は誘電体に左回りに巻き付けられ、残りの半数の平箔糸３は誘電体に右回りに巻き付けられている。
平箔糸２，３は、棒状の誘電体の長手方向に対して、左回りと右回り共に同じ角度で傾斜して巻き付けられ、誘電体の外側表面を隙間なく覆っている。

誘電体１の材料として、例えば棒状の発泡ポリエチレンがあり、平箔糸を巻き付ける時の張力で、その断面積が数パーセント程度縮む程度の弾性を持っており、空気層を含むために誘電率は小さくなり、比誘電率が１．２程度の低誘電率を示す可撓性材料である。

通常、断面形状が一定の長尺品を曲げた時、湾曲部の外側では引っ張りの力が働き内側では圧縮の力が働くことによって、長尺品の長軸方向と直交する断面の形状は、潰れるように扁平に変形する。
同軸ケーブルや導波管などの伝送線路では、電磁界が伝搬する方向と直交する伝送線路の断面形状の変化は、電磁界の伝送特性に影響をおよぼす。従って、一般の同軸ケーブルでは、電磁界の伝送特性に対して、伝送線路の断面形状変化の影響が無視できる曲率の範囲内で使用することが決められている。

同軸ケーブルの場合、誘電体外側の導体層は、所要数の金属細線を巻き付けて形成されており金属線間には隙間があるために、同軸ケーブルを曲げた時、湾曲部では引っ張りと圧縮の力が多くの金属細線に分散され、隙間に歪みが緩和されることによって、導体層の断面形状の変化を抑制している。
曲がりとともに同軸ケーブルの誘電体層は、その湾曲部の断面が潰れるように変形するが、その潰れ方が同軸ケーブルの伝送特性に影響する許容値以内の曲率が、同軸ケーブルの曲げ限界である。

後述する実施例に示す導波管の平箔糸による導体層と、一般の同軸ケーブルの金属細線で形成された導体層とは、巻き付けている組織は同じ編組組織である。しかし、同軸ケーブルの誘電体の外側表面を覆う導体層は、誘電体との力学的な相互作用がない点と、曲げに対して歪みを緩和する機構が、本発明の導波管の導体層と異なる。

一般の同軸ケーブルの誘電体外側の導体層は、円形断面をもつ複数の金属細線を束にして一本の金属細線ストランドにした後、所要数のストランドを使って編組組織に仕上げて形成される。また、金属細線ストランドには内側の誘電体を収縮させる程には張力をかけず、金属細線だけで断面形状を維持している。
よって、同軸ケーブルの導体層には隙間が多く、同軸ケーブルを曲げた時の湾曲部で生じる歪みを、個々の金属細線がこの隙間を動くことによって緩和している。

これに対して後述する実施例の導波管では、導体層を形成する平箔糸は編組組織に隙間がない。扁平な断面を持つ平箔糸が隙間なく組み合って編組組織を作っており、導体層に隙間がないことが導波管の伝搬特性を向上させている。
また、本発明の導波管では、導体層を形成している平箔糸の張力によって誘電体を圧縮し、その反作用として誘電体が導体層に圧力を加えて、それらの力が平衡して断面形状が安定している機構が、同軸ケーブルを形成している導体層とは異なる。

本発明の導波管を曲げた時、導体層を形成している平箔糸には、湾曲部の外側で張力が増し内側の平箔糸では減るような張力の変化が生じる。導体層を作っている編組組織には隙間がないので、平箔糸は平箔糸の長軸方向の動きだけが可能で、この方向に各々の平箔糸が動くことで導体層に生じる張力の変化を緩和する。

また、芯となっている誘電体にも導波管の曲げによって、湾曲部の外側では伸張し内側では圧縮される力が加わる。そのため圧縮される部分では、誘電体の内部から外側に向かう正の向きの圧力が発生し、伸張する部分では内側に向かう負の向きの圧力が発生する。
本発明の導波管では、芯となっている誘電体は平箔糸の巻き付けにより、最初から圧縮され正の圧力が発生している。このため導波管の曲げによって、誘電体が伸張する負の圧力が発生する部分でも、導波管の曲げの曲率が小さい範囲では正の圧力が維持され、導体層に皺が発生することがなく、断面形状の変化は小さい。
最初から圧縮されていない場合、導波管の曲げにより誘電体が伸張する部分で、誘電体の圧力は負の方向になるため、導体層と誘電体の間に隙間が生じ、導体層に皺が発生して、断面形状の変化が大きくなり伝送損失が増加する。

本発明の導波管も他の伝送線路と同じように、曲げに伴う断面形状の変化が、伝送特性に影響を与えない範囲で使用することができる。

図２は典型的な平箔糸の実施例で、金属箔５とフィルム４とを貼り合わせて細幅に裁断している。フィルム４を貼り合わせず、金属箔５のみによる平箔糸も可能である。
また、フィルム４を導電性とすることにより、絶縁性のフィルム４を金属箔５と貼り合わせた場合よりも、導体層の導電率を高くできるので、導波管の伝送損失を小さくすることができる。

通常、誘電体中を伝搬する電磁界は、誘電体の誘電損失に起因する伝送損失を受ける。そのため、導波管内部を充填する材料は、電磁気的に真空に近い材料が望ましく、比誘電率が１に近い材料が良い。
発泡した誘電体は空気層を含み、比誘電率を２以下にすることが可能で、その内部を伝搬する電磁界の誘電損を小さくする効果があって、伝送損失をさらに低減できる。

以下の実施例で、本発明の導波管の伝送損失の測定には、専用に開発したコネクタを導波管の両端に装着し、ネットワークアナライザによって測定した。測定値は、コネクタのみの伝送損失を差し引いて、導波管の長さ１ｍあたりの伝送損失に換算している。
導波管の配置は、導波管を一箇所、曲率半径１００ｍｍで１８０度だけ曲げて、ネットワークアナライザに接続し、伝送特性を測定している。

＜実施例１＞
図３は、２５ＧＨｚ帯導波管の１ｍあたりの伝送損失を測定した、実施例である。縦４ｍｍ横９ｍｍの断面に整形した発泡ポリエチレンを芯にして、幅１ｍｍの平箔糸を巻き付けている。
導電層の形成工程は、１６本の平箔糸を用いて、ブレーディングマシン（株式会社コクブンリミテッド製：１０１−Ｃ中型キャリアブレーダー）により巻き付けている。
この平箔糸は、厚さ９μｍの銅箔と厚さ２５μｍのＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）フィルムを貼り合わせている。この導波管の最小伝送損失は、−１．６ｄＢ／ｍである。
この値は、純銅製の２５ＧＨｚ帯導波管の伝送損失の理論値−０．４ｄＢ／ｍに比べると大きいが、前述したような施工上の長所を考慮すると、本発明の導波管を使用した場合、装置全体としての建設費用の低減、運用、保守における利点がある（図３）。

＜比較例１＞
図４は、特許文献１の導波管の導体層を本発明と同じ製法で形成した比較例である。図３の２５ＧＨｚ帯導波管とは、芯となる誘電体を発泡ポリエチレンからポリプロピレン繊維束に変更した以外は、図３の導波管と同じ構成からなる。導波管を曲げたときに、芯となっている誘電体の繊維束に復元力がないため、平箔糸で形成した導体層に皺がより、図３と比較すると伝送損失が著しく増加する（図４）。

＜実施例２＞
図５は本発明の１５ＧＨｚ帯導波管の伝送損失を測定した実施例で、発泡ポリエチレン断面形状を縦９ｍｍ横１７ｍｍに整形し、幅１ｍｍの平箔糸で導体層を形成した。長さ１ｍあたりの最小の伝送損失は−１．３ｄＢ／ｍである（図５）。

＜実施例３＞
図６は、幅１．５ｍｍの平箔糸で導体層を形成したとき、１５ＧＨｚ帯導波管の伝送損失を１ｍあたりに換算しており、最小の伝送損失は約−０．８ｄＢ／ｍである。同じ１５ＧＨｚ帯の導波管である図５の導波管とは、導電層を形成する平箔糸の幅が異なっており、同じ構造をもつ平箔糸であれば、より幅が大きい平箔糸を使って導体層を形成する方が、伝送損失の低減には有利である（図６）。

図７は本発明の５０ＧＨｚ帯導波管の伝送損失を測定した実施例で、発泡ポリエチレン断面形状を縦３ｍｍ横５ｍｍに整形し、幅０．５ｍｍの平箔糸で導体層を形成した時、最小の伝送損失は−３．４ｄＢ／ｍである。この実施例は、本発明の導波管がミリ波帯でも使用可能であることを示している（図７）。

図８は、本発明の導波管と純銅製導波管について、伝送損失と質量の関係を、１ｍあたりの長さで比較した実施例である。本発明の導波管は、純銅製導波管に比べ一桁以上軽いことを示している（図８）。

マイクロ波やミリ波が利用される、航空機、船舶のレーダー、通信設備には導波管が用いられ、その施工には可撓性が必要とされている。また、航空機用には軽量化した導波管が必要とされる。

通信設備には高い信頼性がもとめられており、本発明の導波管は金属製導波管に比べ、接続部が少ない長所があるうえに、軽量で可撓性があることにより振動に対して強い特長がある。
このように本発明の導波管を用いた通信設備は、重量のある金属製導波管をフランジを用いてネジ止めすることと比べて、地震等の災害に対する信頼性は格段に高い。

無線通信の一般化にともない、電波の周波数利用は高周波数側に移行しており、今後マイクロ波やミリ波を利用する通信設備が増加する傾向がある。
このような通信設備に使用される伝送線路は導波管であり、これら設備を安価で迅速に施工するためには、軽量で可撓性のある本発明の導波管は有用である。

１ 誘電体
２ 平箔糸
３ 平箔糸
４ フィルム
５ 金属箔

Claims (4)

1. 同一形状の断面が長手方向に連続する可撓性のある誘電体を芯として、誘電体の外側表面を導体層で覆った導波管であって、前記誘電体は圧縮変形に対して復元力を有する材料からなり、前記導体層は、扁平な断面形状で導電性を有する所要数の平箔糸が、前記誘電体に巻き付けられて形成されており、前記平箔糸の半数は、前記誘電体の長手方向に対して傾斜するように右回りに巻き付けられ、かつ残りの半数の前記平箔糸は、右回りの平箔糸と同じ角度で、前記誘電体の長手方向に対して傾斜するように左回りに巻き付られていることで、前記平箔糸の張力によって、前記誘電体が圧縮変形された状態を維持している導波管。
2. 前記平箔糸は、金属箔とフィルムを積層して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の導波管。
3. 前記フィルムは、導電性を備えていることを特徴とする請求項２に記載の導波管。
4. 前記誘電体は比誘電率が２より小さい材料からなることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の導波管。