JP6559385B2 - 偏波分離回路 - Google Patents

Description

この発明は、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ものである。

直交する二つの円偏波信号（右旋、左旋）または直線偏波信号（垂直、水平）を分離する回路として、セプタムポラライザと呼ばれる、正方形導波管内にセプタム位相板を挿入した構造のものが知られている。

従来のセプタムポラライザは、正方形導波管とセプタム位相板からなり、正方形導波管端子と二つの長方形端子を有するものである。セプタム位相板は、正方形導波管内に二つの長方形導波管端子が形成されるように挿入され、正方形導波管端子に近づくに従って階段状に細くなるように形成されている。

このような回路では、正方形導波管端子から直交する二つの円偏波信号（右旋、左旋）が入力された場合、それぞれの円偏波信号が直線偏波信号に変換され、異なる長方形導波管端子から出力される。また、正方形導波管端子から直交する二つの直線偏波信号が入力された場合については、セプタム位相板に垂直な直線偏波信号に対しては長方形導波管から同じ電界の向き、セプタム位相板に水平な直線偏波信号に対しては長方形導波管から向かいあう電界の向きで直線偏波信号が出力される。

円偏波信号または直線偏波信号のいずれが入力された場合についても、セプタム位相板の階段部分の寸法や板厚により、偏波分離特性が決定される。

また、導波管の開口径を小型化するための手法として、リッジの装荷が知られている。リッジは一般的に矩形断面形状の突起部からなるものである。リッジの装荷により導波管の遮断周波数を下げることができるので、リッジを装荷しない導波管と同じ遮断周波数を実現しようとした場合には、リッジの装荷により断面寸法を小さくできる利点がある。このため、セプタムポラライザにリッジを装荷した構造があった（例えば、特許文献１参照）。

米国特許出願公開第２０１５／００１１１５９号明細書

しかしながら、従来のリッジを装荷したセプタムポラライザは、小型化はできるものの、リッジの影響により軸比などの特性が劣化するという問題があった。

この発明は、かかる問題を解決するためになされたもので、偏波分離回路における軸比を向上させることのできる偏波分離回路を提供することを目的とする。

この発明に係る偏波分離回路は、４本のリッジを有し、管軸方向に垂直な断面が正方形である正方形導波管と、正方形導波管の内部を管軸方向に沿って仕切ることで二つの長方形導波管端子を形成し、かつ、正方形導波管における二つの長方形導波管端子に対向する正方形導波管端子に近づくに従って階段状に細くなるように形成されたセプタム位相板と、セプタム位相板の最も幅が太くなる部分が接合されている壁面に対向する側のリッジの一部に、管軸方向に垂直な断面形状が当該リッジの他の部分より大きい突起部とを備えたものである。

この発明に係る偏波分離回路は、セプタム位相板の最も幅が太くなる部分が接合されている壁面に対向する側のリッジの一部に、管軸方向に垂直な断面形状がリッジの他の部分より大きい突起部を備えたものである。これにより、良好な軸比特性を得ることができる。

この発明の実施の形態１の偏波分離回路を示す斜視図である。 この発明の実施の形態１の偏波分離回路の平面図である。 この発明の実施の形態１の偏波分離回路の側面図である。 この発明の実施の形態１の偏波分離回路の突起部付近の拡大斜視図である。 この発明の実施の形態１の偏波分離回路における突起部の設置位置の断面図である。 図６Ａは、この発明の実施の形態１の偏波分離回路におけるリッジが装荷されていない場合の斜視図、図６Ｂ及び図６Ｃは、正方形導波管端子から直交する二つの円偏波信号が入力された場合の説明図である。 図７Ａ及び図７Ｂは、この発明の実施の形態１の偏波分離回路の正方形導波管端子から直線偏波信号が入力された場合の説明図である。 図８Ａ及び図８Ｂは、この発明の実施の形態１の偏波分離回路の正方形導波管端子から直線偏波信号が入力された場合の電界分布の変化を示す説明図である。 図９Ａは、この発明の実施の形態１の偏波分離回路におけるリッジが装荷されている場合の斜視図、図９Ｂは、正方形導波管端子から直線偏波信号が入力された場合の電界分布の変化を示す説明図である。 この発明の実施の形態１の偏波分離回路の突起部が装荷された場合の電界分布の変化を示す説明図である。 この発明の実施の形態１の偏波分離回路の突起部の他の例を示す斜視図である。 この発明の実施の形態２の偏波分離回路を示す断面図である。 この発明の実施の形態２の偏波分離回路の他の例を示す断面図である。 この発明の実施の形態２の偏波分離回路の突起部を設けない場合の斜視図である。 この発明の実施の形態２の偏波分離回路の突起部を設けた場合の斜視図である。 図１４と図１５の構造において、同等の反射特性が得られるように設計した場合の軸比と周波数の関係を示す説明図である。 この発明の実施の形態３の偏波分離回路の突起部の斜視図である。 この発明の実施の形態４の偏波分離回路の突起部の斜視図である。 この発明の実施の形態４の偏波分離回路の突起部の他の例の斜視図である。

以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。
実施の形態１．
図１は、本実施の形態による偏波分離回路の構成を示す斜視図である。
図示の偏波分離回路は、正方形導波管１、セプタム位相板２、正方形導波管端子３、長方形導波管端子４，５を備え、かつ、セプタム位相板２と直交するリッジ６ａ，６ｂと、セプタム位相板２と平行なリッジ７ａ，７ｂとリッジ７ｂに設けられた突起部８を備えている。また、図２に平面図、図３に側面図、図４に突起部８付近の拡大図、図５に突起部８の設置位置の断面図を示す。

これらの図において、正方形導波管１は、管軸方向に垂直な断面が正方形に形成され、かつ管軸方向と平行に４本のリッジ６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂを有する導波管である。セプタム位相板２は、正方形導波管１の内部を管軸方向に沿って仕切ることで二つの長方形導波管端子４，５を形成し、かつ、正方形導波管１における二つの長方形導波管端子４，５に対向する正方形導波管端子３に近づくに従ってその幅が階段状に細くなるように形成されている。リッジ６ａ，６ｂはセプタム位相板２と直交するよう設けられたリッジであり、リッジ７ａ，７ｂはセプタム位相板２と平行なリッジである。リッジ６ａ，６ｂとリッジ７ａ，７ｂおよび突起部８は正方形導波管１の外部から見た場合は凹部であるが、正方形導波管１の内部から見た場合は凸部であり、正方形導波管１の内部に突出している。突起部８は、リッジ７ｂに設けられた、管軸方向に垂直な断面形状がリッジ７ｂと異なる突起部であり、正方形導波管１の内部において、セプタム位相板２の最も幅が太くなる部分が接合されている壁面に対向する側の壁面に設けられている。リッジ６ａ，６ｂ及びリッジ７ａ，７ｂは矩形断面形状であり、突起部８は、リッジ７ｂの幅を上辺とする台形断面形状となっている。

次に実施の形態１の偏波分離回路の動作を説明する。以下、リッジが装荷されていない場合、リッジが装荷された場合、突起部が装荷された場合について順に説明する。

図６Ａはリッジが装荷されていない導波管を示している。この導波管において、正方形導波管端子３から、直交する二つの円偏波信号（右旋、左旋）が入力された場合、図６Ｂと図６Ｃに示すように、それぞれの円偏波信号が直線偏波信号に変換され、異なる長方形導波管端子４，５から出力される。また、正方形導波管端子３から直交する二つの直線偏波信号が入力された場合については、セプタム位相板２に垂直な直線偏波信号に対しては長方形導波管端子４，５から同じ電界の向き（図７Ａ参照）、セプタム位相板２に水平な直線偏波信号に対しては長方形導波管端子４，５から向かいあう電界の向き（図７Ｂ参照）で直線偏波信号が出力される。なお、図６及び図７において、正方形導波管端子３、長方形導波管端子４，５、およびセプタム位相板２の装荷断面における矢印は電界の向きを表す。

以上のような偏波分離の原理について、説明を簡略化するため、正方形導波管端子３から直交する二つの直線偏波信号が入力された場合における電界分布の変化について示す。正方形導波管端子３から直交する二つの直線偏波信号が入力された場合、セプタム位相板２が装荷された導波管断面１００では、図８Ａ及び図８Ｂに示すように、それぞれの偏波に対し、過渡的な電界分布となる。なお、図８Ａ及び図８Ｂにおいても、正方形導波管端子３、長方形導波管端子４，５および導波管断面１００における矢印は電界の向きを表す。また、導波管断面１００は突起部８の設置部に相当する位置の断面である。

次に導波管の開口径を小型化するためにリッジが装荷された場合について示す。図９Ａはリッジ６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂが装荷されている導波管を示している。導波管にリッジ６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂを設けた構造では、図９Ｂに示されるような過渡的な電界分布となる。このとき、リッジ６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂが装荷されているため、図９Ｂに示すように、セプタム位相板２と対向するリッジ７ｂの近傍において、壁面からリッジ７ｂの先端に向かう不要な電界成分（図中の矢印１０１）が生じる。このため、図８Ａ及び図８Ｂの場合に比べスムースな電界分布の変換が阻害されることになる。その結果、特性が劣化する。

次に、突起部８が装荷された場合について説明する。突起部８が装荷された構造では、図１０に示されるような過渡的な電界分布となる。このとき、突起部８により、壁面からリッジの先端に向かう不要な電界成分（図中破線矢印１０２で示す）が生じにくくなる。このためスムースな電界分布の変換が実現されることになる。

なお、以上は、リッジ６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂが装荷された構造において、水平偏波が入力された場合について説明したが、垂直偏波が入力された場合は、壁面近傍での電界成分は小さいため、リッジ６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂの影響は小さい。

以上に示したように、突起部８を装荷することにより、垂直偏波が入力された場合についてはほぼ影響なく、また、水平偏波が入力された場合についてはスムースな電界分布の変換が実現され、良好な軸比特性が得られる。

なお、リッジ７ｂをすべて突起部８と同じ台形断面形状にしても同様の効果は得られるが、リッジとしての効果が低減されるため小型化が難しくなる。このため、突起部８はセプタム位相板２が接合されている壁面に対向する側の一部に装荷するのが望ましいが、図１１に示すように突起部８を装荷する長さを変えて、軸比と小型化とをトレードオフの関係にして設計してもよい。

以上説明したように、実施の形態１の偏波分離回路によれば、４本のリッジを有し、管軸方向に垂直な断面が正方形である正方形導波管と、正方形導波管の内部を管軸方向に沿って仕切ることで二つの長方形導波管端子を形成し、かつ、正方形導波管における二つの長方形導波管端子に対向する正方形導波管端子に近づくに従って階段状に細くなるように形成されたセプタム位相板と、セプタム位相板の最も幅が太くなる部分が接合されている壁面に対向する側のリッジの一部に、管軸方向に垂直な断面形状が当該リッジの他の部分より大きい突起部とを備えたので、小型化できると共に良好な軸比特性を得ることができる。

また、実施の形態１の偏波分離回路によれば、突起部の断面形状は、リッジを設ける壁面の側の底辺が大きい台形状であるようにしたので、容易に突起部の加工を行うことができる。

実施の形態２．
実施の形態２は、突起部の断面形状として、壁面側の底辺と当該底辺に対向する上辺を結ぶ斜辺を曲線状に形成した例である。
実施の形態２の偏波分離回路の基本的な構成は図１〜図５に示した実施の形態１の構成と同様であるが、突起部の構成が異なっている。図１２は、実施の形態２の偏波分離回路における突起部９の位置の正方形導波管１の断面図である。実施の形態２の突起部９は、台形の斜辺部分が曲線状に形成されている。すなわち、台形の斜辺部分にＲが設けられている。その他の部分は実施の形態１と同様であるため、他の部分についての説明は省略する。
このように突起部９を構成したため、エンドミルによる加工が容易になるという効果がある。

また、図１３に示すように、正方形導波管１の隅部とリッジ６ａ，６ｂ及びリッジ７ａ，７ｂの隅部の断面形状を曲線状に形成してもよい。すなわち、隅部にＲを設けてもよい。図１３において、曲面部１０ａ，１０ｂは長方形導波管端子４側に設けられた曲面部、曲面部１０ｃ，１０ｄは長方形導波管端子５側に設けられた曲面部、曲面部１０ｅ，１０ｆはリッジ７ａに設けられた曲面部、曲面部１０ｇ，１０ｈはリッジ７ｂに設けられた曲面部、曲面部１０ｉ，１０ｊはリッジ６ａに設けられた曲面部、曲面部１０ｋ，１０ｌはリッジ６ｂに設けられた曲面部である。なお、これらの曲面部１０ａ〜１０ｌは突起部９の曲率半径Ｒより小さな曲率半径Ｒを有するよう形成されている。
これにより、すべての加工をエンドミルにより行え、より加工が容易となるという効果もある。

このような構成の偏波分離回路について、電磁界計算を行った。ここでは電磁界計算として、商用電磁界シミュレータＡＮＳＯＦＴ＿ＨＦＳＳを用いて、突起部を設けた場合と設けない場合との比較を行った。なお、突起部の断面形状にはＲを設け、ほかの個所には突起部よりも小さなＲを設けた。図１４に突起部９を設けない構造、図１５に突起部９を設けた構造を示す。

図１６は、図１４と図１５の構造において、同等の反射特性が得られるように設計した場合の軸比と周波数の関係を示す説明図である。図中、実線が突起部９を設けた場合、点線が突起部９を設けていない場合である。使用帯域は、規格化周波数で０．８と１．２近傍のそれぞれ２線で挟まれた領域である。１．２近傍の高域において、軸比が０．２ｄＢ程度よくなる（小さくなる）ことが分かる。

以上説明したように、実施の形態２の偏波分離回路によれば、突起部の断面形状は、リッジを設ける壁面の側の底辺と底辺に対向する上辺を結ぶ斜辺が曲線状に形成されているようにしたので、加工が容易であり、かつ、良好な軸比特性を得ることができる。

実施の形態３．
実施の形態３の偏波分離回路は、突起部の断面形状を管軸方向と平行にステップ状に変化させるようにしたものである。
図１７は、実施の形態３に係わる偏波分離回路の構成を説明するための突起部近傍の拡大斜視図である。図１７において、セプタム位相板２及びリッジ７ｂは実施の形態１または実施の形態２の構成と同様である。突起部１１は、台形の断面形状が異なる二つの第１の突起部１１ａと第２の突起部１１ｂが管軸方向と平行に並んで設けられ、ステップ状の突起部１１を構成している。これら第１の突起部１１ａ及び第２の突起部１１ｂの断面積の大小関係は、第１の突起部１１ａ＜第２の突起部１１ｂとなっている。その他の偏波分離回路としての構成は実施の形態１と同様であるため、ここでの説明は省略する。

このような構成によっても実施の形態１と同様に、良好な軸比特性が得られる。
また、突起部１１の断面形状を管軸方向にステップ状に変化させているため、不連続の影響が小さくなり、良好な反射特性が得られるという効果もある。

なお、ここでは、台形断面形状を２回変えた場合について示したが、３回以上変えてもよい。

以上説明したように、実施の形態３の偏波分離回路によれば、突起部の断面形状は、管軸方向と平行にステップ状に変化するようにしたので、良好な軸比特性を得ることができると共に、良好な反射特性を得ることができる。

実施の形態４．
実施の形態４の偏波分離回路は、突起部の断面形状を管軸方向と平行に連続的に変化させるようにしたものである。
図１８は、実施の形態４に係わる偏波分離回路の構成を説明するための突起部近傍の拡大斜視図である。図１８において、セプタム位相板２及びリッジ７ｂは実施の形態１または実施の形態２の構成と同様である。突起部１２は、その断面形状が、正方形導波管端子３から長方形導波管端子４の方向に沿って矩形状から台形状に連続的に変化するよう構成されている。その他の偏波分離回路としての構成は実施の形態１と同様であるため、ここでの説明は省略する。また、図１９に、突起部１３として他の例を示す。この突起部１３は、矩形状から台形状に変化する部分の管軸方向断面形状がどの部分でも台形状となる構成である。すなわち、この構成は、実施の形態３のステップ状に変化させる台形断面形状の変化回数を無限大としたのに相当する。

このような構成によっても実施の形態１と同様に、良好な軸比特性が得られる。
また、突起部１２の断面形状を管軸方向に連続的に変えているため、より不連続の影響が小さくなり、良好な反射特性が得られるという効果もある。

以上説明したように、実施の形態４の偏波分離回路によれば、突起部の断面形状は、管軸方向と平行に矩形状からリッジを設ける壁面の側の底辺が大きい台形状に連続的に変化するようにしたので、良好な軸比特性を得ることができると共に、良好な反射特性を得ることができる。

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。

以上のように、この発明に係る偏波分離回路は、直交する二つの円偏波信号または直線偏波信号を分離する回路に関するものであり、ＶＨＦ帯、ＵＨＦ帯、マイクロ波帯およびミリ波帯での偏波信号を分離するのに適している。

１ 正方形導波管、２ セプタム位相板、３ 正方形導波管端子、４ 長方形導波管端子、５ 長方形導波管端子、６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂ リッジ、８，９，１１，１２，１３ 突起部、１０ａ〜１０ｌ 曲面部、１１ａ 第１の突起部、１１ｂ 第２の突起部１１ｂ。

Claims (5)

1. ４本のリッジを有し、管軸方向に垂直な断面が正方形である正方形導波管と、
   前記正方形導波管の内部を管軸方向に沿って仕切ることで二つの長方形導波管端子を形成し、かつ、前記正方形導波管における前記二つの長方形導波管端子に対向する正方形導波管端子に近づくに従って階段状に細くなるように形成されたセプタム位相板と、
   前記セプタム位相板の最も幅が太くなる部分が接合されている壁面に対向する側のリッジの一部に、管軸方向に垂直な断面形状が当該リッジの他の部分より大きい突起部とを備えたことを特徴とする偏波分離回路。
2. 前記突起部の断面形状は、前記リッジを設ける壁面の側の底辺が大きい台形状であることを特徴とする請求項１記載の偏波分離回路。
3. 前記突起部の断面形状は、前記リッジを設ける壁面の側の底辺と当該底辺に対向する上辺を結ぶ斜辺が曲線状に形成されていることを特徴とする請求項１記載の偏波分離回路。
4. 前記突起部の断面形状は、管軸方向と平行にステップ状に変化することを特徴とする請求項２記載の偏波分離回路。
5. 前記突起部の断面形状は、管軸方向と平行に矩形状から前記リッジを設ける壁面の側の底辺が大きい台形状に連続的に変化することを特徴とする請求項１記載の偏波分離回路。

Images