JP6641895B2

JP6641895B2 - 導波管を用いた高周波装置

Info

Publication number: JP6641895B2
Application number: JP2015215920A
Authority: JP
Inventors: 勇笈原
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2015-11-02
Filing date: 2015-11-02
Publication date: 2020-02-05
Anticipated expiration: 2035-11-02
Also published as: JP2017092532A

Description

本発明は、導波管を用いた高周波装置に関する。

レーダシステムでは、アンテナへの送信信号の送信、及びアンテナからの受信信号の受信を行うため送受信機が使用される。送受信機には一般的に送信側に高出力増幅器があり、送信する信号を高圧・高出力に増幅する。高出力化された送信信号の伝送には、高耐圧・高耐熱が要求され、一般的に導波管が使用される。

一般的に使用される方形導波管には、JIS（Japanese Industrial Standards）規格(C6601〜6608)、EIAJ（Electronic Industry Association of Japan）規格(TT-3006)等があり、送受信信号の周波数帯、及び送受信機を構成する各コンポーネント（フィルタ、方向性結合器、サーキュレータ、モニタ、等）のフランジ面に合わせた導波管選定を行い、連接することより送受信機が構成される。

また特許文献１（特開２００４−２５３９６６号）の同軸導波管変換器は、導波管２がボディ部１０とカバー部２３とに分割され、ボディ部１０は筐体１の一つの壁面を構成している。カバー部２０は溝部２１を持ち、ボディ部１０に被せて固定し、この溝部２１を導波管としている。またボディ部１０に貫通口１２が開いており、その貫通口１２に結合ピン３１が挿入されている。この結合ピン３１が導波管と筐体内部の回路基板を接続する。結合ピン３１の導波管２への挿入長を調整することで回路基板と導波管２との結合度、インピーダンスを調整する。（図１、図２、（００２０）〜（００２２）段落）
また同文献の（００３３）段落では、図１、図２とは逆に、ボディ部１０に溝を形成し、カバー部２０を平坦にする、あるいはボディ部１０とカバー部２０の両方に溝を形成してもよい、と述べている。

特開２００４−２５３９６６号公報

方形導波管には、直線導波管の他に、コーナー導波管、変成器、ネジレ導波管、フレキシブル導波管、等、必要とする形状や機能に合わせたものを調達し連接することにより装置内または装置間（送受信機〜アンテナ間など）で所望の機能を実現することができる。しかし規格品の方形導波管は、必要としている管内径寸法（a：幅(W)、b：高さ(H)）に対して、3倍程度の高さのフランジが存在する。そのため許される裝置寸法に制約がある場合、導波管実装によるフランジを含んだ外径としての容積が問題になる。

また特許文献１は小型化を目的にしていないので、小型化という視点では導波管に対して何も工夫しておらず厚いままである。

本発明の目的は、以上述べた問題点を解決し、導波管を小型化した高周波装置を提供することである。

本発明は、筐体の少なくとも一部となる蓋と前記筐体内に導体板を備え、前記導体板に凹部が形成され、前記導体板を前記凹部が形成されている側で前記蓋と対向させて導波管とすることを特徴とする高周波装置である。

本発明によれば、導波管を小型化した高周波装置を提供できる。

本発明の第１の実施形態の高周波装置を示す図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は上面図である。本発明の第２の実施形態の高周波装置を示す斜視図である。図２の高周波装置をＡ方向から見た側面図である。図２の高周波装置をＢ方向から見た側面図である。本発明の第２の実施形態の高周波装置の部品であるベースを図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図である。本発明の第２の実施形態の高周波装置の部品である蓋を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図である。

（第１の実施形態）
図１を用いて本発明の第１の実施形態の高周波装置を説明する。筐体１００は高周波装置１をその一部として備えた無線装置を収納する。無線装置全体は図示を省略している。図１（ａ）に示すように高周波装置１は導体板７０と蓋３を備える。蓋３は筐体１００の一部を構成している。導体板７０は筐体１００内で蓋３と対向し、蓋３に固定されている。導体板７０の蓋３と対向する面には凹部８０が形成されている。図１（ｂ）は高周波装置１を筐体１００の上方から見た上面図である。図１（ｂ）に示すように、導体板７０の凹部８０側と蓋３を対向させて密閉し、形成された空間を導波管４０とする。蓋３と導体板７０で、無線装置の機能の一部を備えた高周波装置になる。このようにすれば導波管を小型化することができる。
（第２の実施形態）
図２〜図６を用いて本発明の第２の実施形態を説明する。本実施形態の高周波装置１は導波管配線にサーキュレータ２個を一体化して成形している。図２は高周波装置を組み立てた状態の斜視図、図３は図２をＡ方向から見た側面図、図４は図２をＢ方向から見た側面図である。

本実施形態の高周波装置１は、アルミニウム合金製の板であるベース２と、同じくアルミニウム合金製の板である蓋３で構成する。ベース２はサーキュレータ２個を導波管配線に一体化して形成したものであり、それを蓋３でネジ止めして気密に組み立てる。蓋３は高周波装置１の筐体を兼ねている。図３は図２をＡ方向から見た側面図、図４は図２をＢ方向から見た側面図である。

ベース２は導波管と導波管コンポーネントであるサーキュレータを作り込むことができしかも形成した導波管、サーキュレータから電磁波が漏れない厚さであり、ベース２は電磁波が漏れない厚さである。またベース２は低背のフランジ２０を備え、蓋３も同様に低背のフランジ２２を備える。フランジ２０，２２にはネジ穴３０を等間隔に４つずつ開けてあり、他の高周波装置と、導波管開口部１０，１２の位置を合わせてネジで接続することができる。つまり本実施形態の高周波装置１は、無線装置を構成するモジュールとして、筐体内に組み込むことができる。他の高周波装置としては、本実施形態の高周波装置１と同じく、蓋が筐体の一部を形成し蓋と凹部を設けた導体板とで導波管を形成する構造のものを用いることができる。また他の高周波装置として、通常の構造の高周波装置、例えば、基板に増幅器、送信機、受信機などを搭載し規格品の導波管を用いたモジュールを、本実施形態の高周波装置１と接続して無線装置を構成することもできる。

次に図５（ａ）の斜視図、（ｂ）の平面図を用いてベース２を説明する。導波管とサーキュレータは長方形のアルミニウム合金の板を切削加工して凹部を形成して作製する。ベース２には導波管とサーキュレータを作り込むため、蓋３より厚いアルミニウム合金の板を使う。導波管と導波管の間に、サーキュレータとして動作するために必要な形状を切削加工で形成する。それによりサーキュレータ５１、５２を導波管と一体に形成している。サーキュレータの中央部にフェライト６１、６２を埋め込む。サーキュレータ５１、５２はベース２の中央に近接して配置され、サーキュレータ５１、５２の電磁波の出入口に導波管４１〜４４を形成する。言い換えればサーキュレータは導波管の経路上に形成する。サーキュレータ５１、５２間には短い導波管４５を形成する。本実施形態では断面が矩形の導波管（矩形導波管）を形成する。

図５（ｂ）の平面図から分かるように、切削加工で形成した凹部の平面形状は左右対称であり、凹部は大まかには横長の「Ｈ」の形状をしている。導波管４１〜４４とサーキュレータ５１、５２の平面形状は短い直線をつなげるか緩やかに曲線を持った形状にして、導波管とサーキュレータ間のインピーダンス不整合を抑える。導波管４１〜４４となる凹部の深さはサーキュレータ５１、５２となる凹部の深さよりも浅くして（空間を薄くして）インピーダンス整合を取る。深さが異なるため、導波管４１〜４５とサーキュレータ５１、５２の間には段差９０がある。

次に図６を用いて、ベース２と対向し筐体の一部となる蓋３を説明する。蓋３の平面の外形形状は図６（ｂ）に示すようにベース２と同じにする。蓋３のベース２と対向する面は平坦である。図６（ａ）はその反対面で筐体の表側となる面を示している。蓋３の両側部にはほかの部品との接続部となるフランジ２２が形成されている。蓋３はアルミニウム合金製の板を切削加工して大部分を薄くする。２つのフランジ２２の中央部をつなぐ直線部分をサポート部２４として残すことで蓋３の平面度を確保し、導波管を気密に保ちやすくする。

ベース２の導波管４１〜４５を形成した側（凹部のある側）に蓋３を被せ、ネジ穴３０にネジ（不図示）を通して密封し凹部を気密にする。気密にするには例えば凹部の淵に突条（不図示）を形成しておいてネジで締める、溶接、ろう付け、あるいは、接着剤による接着などの方法を用いる。

本実施形態では、動作する周波数帯はX帯であり、導波管規格WRI-100(EIAJ規格導波管)をベースとして加工している。導波管規格では、WRI-100の内径呼寸法はa：幅(W)が22.86mm、b：高さ(H)が10.16mmであり、周波数帯域は8.20〜12.5GHzである。一方本実施形態の導波管４１〜４５の内径寸法は、図４に示すようにa：幅(W)を22.86mm同等とし、b：高さ(H)を4.5mmと規格品に対して半分以下に薄型化した。伝送する電力に対して導波管の耐電圧が許す限り薄型化することができる。

本実施形態では導波管内に伝搬する電磁波のモードとしてTE₁₀モードを用いる。導波管の高さ(H)を小さくして薄型化しても、TE₁₀の伝搬モードは導波管を伝搬する際、余り影響を受けない（減衰しない）。TE₁₀では幅(W)に対して高さ(H)つまり寸法の短い方の寸法を変えても伝搬モードには影響を与えない。

他のモードには、高さ方向を小さくすると減衰して正しく伝搬させることが難しくなるものがある。ただし通常の用途ではTE₁₀モードを使用することが多いので、実質的に問題は生じない。規格品の導波管は、ユーザーがどの伝搬モードで使用するかを絞っていないため、高さ・幅が過剰寸法である。

本実施形態は電波送受信機に用いるものであり、図５（ｂ）に示すように、導波管４１はアンテナ、導波管４２は送信機、導波管４３は受信機、導波管４４は終端器にそれぞれ接続される。送信機、受信機、終端器、リミッタは筐体内に配置している。送信機からの送信電波は導波管４２、サーキュレータ５１を通ってアンテナに送信される。筐体とアンテナの間の導波管の不具合等の理由で、意図しない送信反射波がアンテナから戻ってくることがあるが、サーキュレータ５１、５２、導波管４３を通って受信機との間に設けたリミッタに送られ、送信機には戻らない。その一部がリミッタで反射されても、サーキュレータ５２で終端器に送られそこで終端し送信機には戻らない。またアンテナで受信した電波はサーキュレータ５１、５２を通って受信機に送られる。

このようにして本実施形態の高周波装置１を用いた送受信機は、送信機からアンテナへの送信信号の導波、送受信の分離、意図しないアンテナ部からの反射波の終端器への導波、アンテナから受信機への受信信号の導波、を実現している。このような機能は既存の規格品では、導波管５本、サーキュレータ２個で実現しているものであり、それらの間の接続のためのフランジが必要になるため大型化してしまう。しかし本実施形態では導波路５本とサーキュレータ２個の間にフランジ接続はなく、非常に小型化できる。フランジ接続には導波管自体よりも寸法が大きいためその分の余分な空間を筐体内に必要とし、しかも接続用ネジの取り付けのための作業空間（工具・作業者の手）も筐体内に必要とする。しかし本実施形態ではこの空間を割愛でき、高密度に部品を配置できる。

導波管規格WRI-100のフランジは一般的にFUER100（JEITA（Japan Electronics and Information Technology Industries Association）規格）であり、寸法はA:幅(W) 44.90mm、B：高さ(H)32.2mmのため、装置内に導波管設置のため32.2mm以上の高さ（厚み）のスペースを必要としデッドスペースも生じていた。本実施形態では、装置内などにおいて省スペース、低背で設置したい場合、32.2mm必要であった高さ方向の設置スペースを6.6mmまで薄型化することができた。

また、規格品の導波管コンポーネント（素子）を用いると、入出力方向がその規格品により決定されており自由に変更はできない。規格品の導波管は、ストレート、Lアングル、ねじり程度に限られるため、導波管コンポーネントの連接を、限られたシャーシ内の空間で行うためにはＵ経路やねじりなど冗長な経路が発生していた。しかし本実施形態では、導波管をベース２上で自由に形成できるので、導波管を最適な経路で配線することができる。そのため無駄な空間が少なくなり、筐体内に導波管も含めてどれくらい装置を実装できるかを示す装置内実装率が向上する。

また、コンポーネント（素子）自体も、電磁的な物理現象に反しない範囲で、入出力の方向を自由に設計することができ、導波管配線を最適化できる。

なお筐体に収納した無線装置の部品のうち、小型化すると有効なものだけについて小型化すると効率的である。
（他の実施形態）
第２の実施形態ではサーキュレータを導波管と一体形成したが、サーキュレータ以外にも、フィルタ、モニタ（ＲＦ（ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙ）モニタ）、アイソレータ、方向性結合器、移相器、分配器、アッテネータ、スタブ等の導波管コンポーネントを導波管と一体形成できる。

また第２の実施形態では方形導波管を用いたが、円形、テーパー等の導波管も可能である。また第２の実施形態ではベースと蓋の材料としてアルミニウム合金を用いたが、他の金属でもよい。

また第１、第２の実施形態では筐体内の導波管とコンポーネントを一体化して筐体を小型化した。しかし筐体内に収納していた機能の一部を、筐体外に外出しして元の筐体を小型化することもできる。例えば筐体に収納した無線装置を導波管で筐体外のアンテナと接続する場合、この導波管の途中に筐体内の機能の一部を持つ高周波装置１を設置してもよい。

また実施形態では送受信機の例を述べたが、送信機、受信機でもよく、またそれ以外の無線装置にも適用することができる。

また第２の実施形態では全てネジ止めで蓋とベースを接続したが、対角一組にピン、もう一組にネジという組合せも可能である。

本発明は、導波管を用いる無線装置に用いることができる。特に無線送受信装置に用いることができる。

１高周波装置
２ベース
３蓋
１０、１２導波管開口部
２０、２２フランジ
３０ネジ穴
４０、４１、４２、４３、４４導波管
５１、５２サーキュレータ
６１、６２フェライト
７０導体板
８０凹部
１００筐体

Claims

筐体の少なくとも一部となる蓋を備え、前記筐体内に導体板を備え、前記導体板に凹部が形成され、前記導体板を前記凹部が形成されている側で前記蓋と対向させて導波管とし、前記導体板の前記凹部が形成された側と反対側の面と、前記反対側の面と対向する前記筐体との間に空間を有することを特徴とする高周波装置。
前記導波管の経路上の前記導体板に導波管コンポーネントを一体形成した請求項１に記載の高周波装置。
前記導波管コンポーネントは、サーキュレータ、フィルタ、モニタ、アイソレータ、方向性結合器、移相器、分配器、アッテネータまたはスタブである請求項２に記載の高周波装置。
前記導波管は電磁波をＴＥ_１０モードで伝搬させる請求項１から３のいずれか一項に記載の高周波装置。
前記導波管の伝搬モードに影響しない寸法を、前記導波管の耐圧が許す範囲で小さくする請求項１から４のいずれか一項に記載の高周波装置。
請求項１から５のいずれか一項に記載の高周波装置には接続部が形成され、前記接続部で他の高周波装置と接続されてなる無線装置。