JP6649110B2 - 可撓導波管、コネクタ、および電磁波伝送システム - Google Patents

Description

この発明は、電力の伝送または無線通信を行う可撓導波管、当該可撓導波管に用いられるコネクタ、ならびに当該可撓導波管を備えた電磁波伝送システムに関するものである。

従来、例えば特許文献１には、屈曲性を有する円筒形状の樹脂の内周面に導電性皮膜を形成して、電磁波を伝送するものが提案されている。

特開２０１３−２４３５１８

しかし、屈曲性を有する可撓導波管は、屈曲時に断面形状が変化した場合、伝送特性（例えば伝送可能な周波数帯域）が変化してしまう。

また、内周面に導電性皮膜が形成された可撓導波管は、側面が押しつぶされた時に、導電性皮膜同士が接触し、短絡するおそれがある。導波管が完全に短絡した場合、入力された電磁波が全反射して、伝送されなくなる。

そこで、この発明は、屈曲性を有する可撓導波管において伝送特性の変化を抑制し、かつ短絡を防止することを目的とする。

この発明の導波管は、電磁波を伝送する可撓導波管であって、可撓性を有する中空の第１の筒状誘電体と、側面が網目状に形成され、前記第１の筒状誘電体の外周に配置される筒状導電体と、前記筒状導電体の外周に配置される可撓性を有する第２の筒状誘電体と、を備えたことを特徴とする。

このように、この発明の導波管は、可撓性を有する中空の第１の筒状誘電体に、側面が網目状に形成された導電体が組み込まれているため、側面からの圧力に対する耐久性能が高くなっている。そのため、この発明の導波管は、断面形状の変化が抑えられ、伝送特性が変化し難いようになっている。また、仮に側面が押しつぶされたとしても、内周面が導電体となっていないため、導電体同士が接触することがなく、短絡するおそれもない。

この発明によれば、屈曲性を有する可撓導波管において伝送特性の変化を抑制し、かつ短絡を防止することができる。

電磁波伝送システムの構成を示す概略ブロック図である。 導波管の構造を示す図である。 導波管の構造を示す図である。 コネクタの構造を示す図である。 コネクタの構造の変形例を示す図である。 導波管の断面形状の変形例を示す図である。 導波管の側面の一部に設けられたポートを示す図である。

図１は、本発明の導波管（可撓導波管）を備えた電磁波伝送システムの構成を示す概略ブロック図である。

電磁波伝送システムは、送信部５１、送信アンテナ５２、導波管１、受信アンテナ５３、および受信部５４を備えている。

送信部５１は、例えば所定周波数の高周波信号（例えば５．８ＧＨｚ）を出力する。送信アンテナ５２は、例えばパッチアンテナであり、送信部５１から入力される高周波信号に基づいて、電磁波（例えばマイクロ波）を放射する。

送信アンテナ５２から放射された電磁波は、導波管１と結合して所定の伝搬モードで伝送される。

受信アンテナ５３は、導波管１で伝送された電磁波を受信する。受信部５４は、受信アンテナ５３で受信された電磁波を受信し、各種電気機器等の回路に高周波信号を供給する。これにより、電磁波伝送システムは、導波管１を用いて、電力または通信信号を伝送する。

図２（Ａ）は、導波管１の斜視図であり、図２（Ｂ）は、導波管１内を伝搬する電磁波の伝送方向に直交する該導波管１の断面図であり、図２（Ｃ）は、当該断面図における電界ベクトルの方向を示した図である。図３（Ａ）は、導波管１の一部分解図である。図３（Ｂ）は、筒状導電体２１の一部拡大図である。

導波管１は、導波管１の内周に配置される第１の筒状誘電体１１と、第１の筒状誘電体１１の外周に配置され、網目状の導電体からなる筒状導電体２１と、筒状導電体２１の外周に配置され、筒状導電体２１の外周側面を被覆する第２の筒状誘電体３１と、を備えている。

第１の筒状誘電体１１は、例えば円筒形状であり、例えば樹脂からなる。第２の筒状誘電体３１も、円筒形状であり、例えば樹脂からなる。筒状導電体２１は、例えば銅またはアルミニウム等の金属からなる。

この様な導波管１は、例えば、樹脂を押し出し成型することにより第１の筒状誘電体１１を形成し、当該第１の筒状誘電体１１の外周側面に金属糸を編み込んで、筒状導電体２１を形成する。さらに、筒状導電体２１の外周側面に、第２の筒状誘電体３１を構成する樹脂を積層した後、加熱することにより形成される。この例の導波管１は、加熱することで第１の筒状誘電体１１と第２の筒状誘電体３１とが、一体化されて形成されるが、一体化されることは必須ではない。

導波管１において伝送可能な電磁波の周波数は、第１の筒状誘電体１１の内径φ１と、筒状導電体２１の内径φ２と、によって定まる。導波管１は、図２（Ｃ）の電界ベクトルに示すように、所定周波数の電磁波（例えば５．８ＧＨｚのマイクロ波）を所定の伝搬モード（例えばＴＥ１１モード）で管軸方向に伝送するようにφ１およびφ２が設定されている。一例として、本実施形態の導波管１は、φ１＝３９．６ｍｍであり、φ２＝４４．５ｍｍとなっている。

さらに、図３（Ｂ）に示すように、導波管１の非屈曲時における筒状導電体２１を構成する網目状の各導電体間の距離Ｄは、該導波管１の屈曲時における筒状導電体２１を構成する網目状の各導電体間の最大距離に応じて決定されている。例えば、第１の筒状誘電体１１の誘電率をε、および電磁波の波長をλとした場合に、例えば以下の式１で表される。なお、第１の筒状誘電体１１の厚みはｒである。

Ｄ＜λ／２√ε・・・式１
なお、導波管１の側面が押しつぶされると、導電体間の距離Ｄは、大きくなる箇所と小さくなる箇所と、が存在する。したがって、仮に導波管１の側面が押しつぶされ、第１の筒状誘電体１１の内周面同士が接触した場合に、最も距離Ｄが大きくなる箇所において、上記数式の関係を満たすことが望ましい。

そして、ＴＥ１１モードの遮断周波数ｆｃは、例えば以下の式２で表すことができる（ただし、ｖ０は、真空中における電波の伝送速度［ｍ／ｓ］であり、φは管径［ｍ］である）。

ここで、管径φは、円形導波管である導波管１の場合、筒状導電体２１の内径φ２に相当する。しかし、導波管１は、導電体である筒状導電体２１の内側に、誘電体である第１の筒状誘電体１１が配置された構造となっている。

電磁波は、誘電体を通過する際に波長が短縮するため、電磁波から見ると導波管の内径（筒状導電体２１の内径）が大きくなる。すなわち、電磁波から見た実質的な管径φ’（電磁波の電界ベクトルの方向と直交する方向でかつ中心を通る直線における導電体の内面間の実質的な距離）は、上記管径φよりも大きくなる。より詳細には、電磁波から見た実質的な管径φ’は、上記管径φよりも、第１の筒状誘電体１１の誘電率εで定まる量（例えば、２√ε）だけ、大きくなる。

ここで、第１の筒状誘電体１１の誘電率εをε＝２．５とすると、実質的な管径φ’は、例えば距離Ｄと実質的な距離Ｄ’との関係がＤ＝Ｄ’−２√εで表されるとすると、φ’＝４７．３５ｍｍとなる。

そして、規格導波管（例えばＥＩＡＪ規格円形導波管）では、規格内径４７．３５ｍｍに対応するＴＥ１１モードの遮断周波数ｆｃは、３．７１ＧＨｚとなる。すなわち、誘電体（第１の筒状誘電体１１）の内径φ１は、遮断周波数３．７１ＧＨｚの周波数における規格導波管の寸法に対応していると言える。したがって、導波管１は、５．８ＧＨｚの電磁波をＴＥ１１モードで伝送することが可能であると言える。

以上のような導波管１は、主たる材料が樹脂等の誘電体であるため、一般的な金属製の導波管に比べて極めて軽量であり、屈曲性を持たせることが可能である。また、導電体である筒状導電体２１の内周および外周は、いずれも誘電体で覆われているため、耐久性が高いものとなる。また、外周側に配置される第２の筒状誘電体３１の外周側面に、例えば動物忌避剤を塗布すれば、導波管１を建物内に配置した場合にも、ネズミ等の小動物から導波管１を保護することができる。

ただし、導波管自体が屈曲性を有する場合、側面からの圧力により、断面形状が変化する可能性がある。伝送可能な電磁波の周波数は、上述の様に、筒状導電体２１の内径φ２によって定まるため、導波管の断面形状が変化した場合、伝送可能な周波数帯域が変化してしまう。しかし、本実施形態に示す導波管１は、筒形状の誘電体に、網目状かつ筒形状の導電体が編み込まれているため、側面からの圧力に対する耐久性能が高くなっている。そのため、導波管１は、断面形状の変化が抑えられ、伝送特性が変化し難いようになっている。また、仮に導波管１の側面が完全に押しつぶされたとしても、内周面が誘電体となっているため、導電体同士が接触することがなく、短絡するおそれもない。

次に、図４は、導波管１と送信アンテナ５２とを接続するコネクタ７１の構造を示す概略図である。なお、図示は省略するが、導波管１と受信アンテナ５３とを接続するコネクタについても、コネクタ７１と同じ構造を有する。

コネクタ７１は、円筒形状の金属（例えばアルミニウム）からなる。円筒の一方の底面は金属で覆われていて、他方の底面（上面）は開口している。金属で覆われた一方の底面からは送信アンテナ５２が挿入される。ただし、送信アンテナ５２は、コネクタ７１の円筒側面から挿入することも可能である。

コネクタ７１の外径は、導波管１の外径よりも小さくなっている。また、コネクタ７１の内径は、導波管１の内径よりも大きくなっている。図４に示すように、コネクタ７１の他方の底面側は、導波管１の端部に挿入され、固定される。この例では、導波管１のうち筒状導電体２１および第２の筒状誘電体３１に形成された円形状の溝に、コネクタ７１が挿入される。

図４に示すように、コネクタ７１の内径は、筒状導電体２１の内径と同じ大きさになっている。これにより、導波管１に挿入されたコネクタ７１の内壁は、筒状導電体２１と電気的に接続される。

したがって、送信アンテナ５２は、所定の位置に固定されるとともに、送信アンテナ５２から出力された電磁波がコネクタ７１の円筒形の内部で結合し、導波管１に伝送される。同様にして、導波管１内を伝送された電磁波は、コネクタ内で受信アンテナ５３と結合する。

次に、図５（Ａ）、図５（Ｂ）、および図５（Ｃ）は、変形例に係るコネクタの構造を示す概略図である。まず、図５（Ａ）に示すコネクタ７１Ａは、第２の筒状誘電体３１の外周側面にかみ合う爪７０１を有する。このように、コネクタ７１Ａは、第２の筒状誘電体３１の外周側面にかみ合う嵌合部を有することで、コネクタ７１Ａと導波管１が強固に接続される。

図５（Ｂ）に示すコネクタ７１Ｂは、導波管１の端部に挿入されるピン７０２を有する。ピン７０２は、金属製であり、第１の筒状誘電体１１、筒状導電体２１、または第２の筒状誘電体３１に挿入され、筒状導電体２１に接触する。これにより、コネクタ７１Ｂは、ピン７０２を介して、筒状導電体２１に電気的に接続される。

図５（Ｃ）に示すコネクタ７１Ｃは、内部に誘電体７１０が充填されている。ただし、誘電体７１０の誘電正接はできるだけ低いことが望ましい。また、誘電体７１０は、コネクタ７１Ｃの他方の底面（開口）から凸状にはみ出ている。したがって、コネクタ７１Ｃと導波管１とが接続されると、誘電体７１０が導波管１の内部に挿入されることになる。このように、コネクタ７１Ｃは、導波管１の内部に挿入される内材を備えることで、導波管１が側面から押しつぶされることを防止することができる。

次に、図６は、導波管の断面形状の変形例を示す図である。導波管の断面形状は、円形、方形、台形、楕円形または角丸長方形（二つの等しい長さの平行線と二つの半円形線また半楕円形線とからなる形状）等が考えられる。図６（Ａ）に示す導波管の断面形状は、楕円形である。

仮に、導波管の断面形状が円形である場合、わずかな変形が生じた場合に、伝搬モードが縮退し、電界ベクトルの方向が安定しない可能性がある。しかし、図６（Ａ）に示すような楕円形状の場合、楕円の短軸方向に沿って強い電界が発生するため、電界ベクトルの方向を安定させることができる。

また、導波管の断面形状が楕円形状である場合、円形状に比べて、楕円の長軸方向の外周側面からの圧力に対する耐久性が高くなる。また、断面形状が楕円形状である場合、仮に楕円の短軸方向の外周側面が押しつぶされた場合にも、長軸方向の長さの変化は小さい。したがって、伝搬可能な周波数の変化が抑えられる。

さらに、断面が楕円形状である場合、楕円の短軸方向の端部に位置する誘電体の曲率は大きくなり、平面に近い状態となる。したがって、断面形状が円形状の導波管に比べて、長軸方向に沿って曲げることが容易となる。

図６（Ｂ）は、断面形状が円形の導波管において、内周側面の一部に突起１５が設けられた態様を示す図である。突起１５が設けられた箇所では、電磁波から見た実質的な導電体の内径が広がるため、図６（Ａ）に示したような楕円形状のように電界ベクトルの方向を安定させることができる。また、突起１５が設けられた箇所は変形し難くなり、伝送可能な周波数の変化を抑えることができる。

また、図６（Ｃ）に示すように、誘電体の厚みを一部厚くすることでも、電磁波から見た実質的な導電体の内径が大きくなる。したがって、図６（Ｃ）に示す導波管においても、図６（Ａ）に示した楕円形状の導波管と空間的に等価とすることができ、電界の方向を安定化させることができる。また、誘電体の厚みが厚くなっている箇所は、他の箇所よりも変形し難くなるため、伝送可能な周波数の変化を抑えることができる。

また、図６（Ｄ）に示すように、誘電正接または強度の異なる複数の誘電体が混在化された構造としてもよい。この場合、例えば誘電正接は低いが強度が低い主たる誘電体（第１の筒状誘電体１１）と、誘電正接は高いが強度が高い補強用誘電体１１Ｂと、を多層化または混在化させることで、単一の誘電体を配置するよりも誘電損失を抑えながら強度を向上させることができる。

図６（Ｅ）は、断面形状が楕円形の導波管において、第１の筒状誘電体１１の内周側面の一部に突起１５Ｂが設けられた態様を示す図である。突起１５Ｂは、楕円の長軸方向の端部に、対向して２箇所に設けられている。第１の筒状誘電体１１の楕円の長軸方向外周側面から圧力が加えられると、図６（Ｆ）に示すように、２つの突起１５Ｂ同士が当接し、断面形状が円形状となる。断面形状が楕円形の場合、第１の筒状誘電体１１の外周側面に均一に金属糸を編み込んで筒状導電体２１を形成することができない可能性がある。しかし、図６（Ｅ）に示すように、第１の筒状体１１の内周側面に突起１５Ｂを設け、楕円の長軸方向外周側面から圧力をかけることで、図６（Ｆ）のように断面形状を円形状とすることができるため、均一に金属糸を編み込んで筒状導電体２１を形成することができる。

次に、図７は、導波管１の側面の一部に設けられたポートを示す図である。図７に示すように、筒状導電体２１の側面の一部には、導電体が形成されていない箇所である非形成部６１Ａ、非形成部６１Ｂ、および非形成部６１Ｃが設けられている。

これら非形成部６１Ａ、非形成部６１Ｂ、および非形成部６１Ｃは、スロットとして機能し、電磁波が漏洩する。これにより、電磁波が取り出されるポート６０が形成される。これら非形成部６１Ａ、非形成部６１Ｂ、および非形成部６１Ｃは、導波管１の管軸方向に直交する方向からわずかに傾斜している。スロットの傾斜を強くすれば放出される電磁波が強くなる。また、スロットの大きさを変更すれば、放出される電磁波の周波数が変化する。なお、ポート６０は、単一のスロットであってもよいし、さらに多数のスロットからなる態様であってもよい。

なお、式１で示したように、筒状導電体２１を構成する網目状の各導電体間の距離Ｄがλ／２√ε以上となると、当該波長λを有する電磁波が漏洩する。したがって、筒状導電体２１を構成する導電体を編み込む際に、一部に各導電体間の距離Ｄ≧λ／２√εとなる箇所を設けることで、上記非形成部と同じ機能を実現することができる。

この場合、導波管１の内部は、外部と遮断された状態となるため、例えば液体（水）またはガスと電磁波とを導波管１で同時に伝送しながらも、電磁波だけを取り出す箇所を設けることが可能となる。

なお、導波管１の側面のうち、第１の筒状誘電体１１および第２の筒状誘電体３１を排除し、筒状導電体２１だけの箇所（ただし、Ｄ＜λ／２√ε）を設けることで、電磁波を遮断しながら液体（水）またはガスだけを取り出すためのポートを設けることも可能である。

１…導波管
１１…第１の筒状誘電体
２１…筒状導電体
３１…第２の筒状誘電体
１１Ｂ…補強用誘電体
１５、１５Ｂ…突起
５１…送信部
５２…送信アンテナ
５３…受信アンテナ
５４…受信部
６０…ポート
６１Ａ、６１Ｂ、６１Ｃ…非形成部
７１，７１Ａ，７１Ｂ，７１Ｃ…コネクタ
７０１…爪
７０２…ピン
７１０…誘電体

Claims (14)

1. 電磁波を伝送する可撓導波管であって、
   可撓性を有する中空の第１の筒状誘電体と、
   側面が網目状に形成され、前記第１の筒状誘電体の外周に配置される筒状導電体と、
   前記筒状導電体の外周に配置される可撓性を有する第２の筒状誘電体と、
   を備え、
   該可撓導波管内を伝搬する電磁波の進行方向に直交する該可撓導波管の断面において、前記電磁波の電界ベクトルの方向と直交する方向における誘電体の厚みは、当該直交する方向以外の他の方向における該誘電体の厚みより厚くなっている可撓導波管。
2. 請求項１に記載の可撓導波管において、
   該可撓導波管の非屈曲時における前記筒状導電体を構成する網目状の各導電体間の距離は、該可撓導波管の屈曲時における前記筒状導電体を構成する網目状の各導電体間の最大距離に応じて決定されていることを特徴とする可撓導波管。
3. 請求項２に記載の可撓導波管において、
   該可撓導波管の非屈曲時における前記筒状導電体を構成する網目状の各導電体間の距離をＤ、前記電磁波の波長をλ、前記第１の筒状誘電体の誘電率をεとしたときに、
   Ｄ＜λ／２√ε
   で表されることを特徴とする可撓導波管。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の可撓導波管において、
   前記第１の筒状誘電体と前記第２の筒状誘電体は、一体化されて形成されていることを特徴とする可撓導波管。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の可撓導波管において、
   該可撓導波管内を伝搬する電磁波の進行方向に直交する該可撓導波管の断面の形状が楕円形、方形、または角丸長方形である可撓導波管。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の可撓導波管において、
   前記第１の筒状誘電体は、強度の異なる少なくとも２つ以上の誘電体からなる可撓導波管。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の可撓導波管において、
   前記第１の筒状誘電体には、屈曲時における前記可撓導波管を補強する補強用誘電体が設けられている可撓導波管。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の可撓導波管において、
   前記筒状導電体の側面の一部に、前記電磁波が漏洩する箇所が設けられている可撓導波管。
9. 請求項８に記載の可撓導波管において、
   前記電磁波が漏洩する箇所は、導電体が形成されていない非形成部からなる可撓導波管。
10. 請求項８に記載の可撓導波管において、
    前記電磁波が漏洩する箇所は、前記筒状導電体を構成する網目状の各導電体間の距離Ｄが、前記電磁波の波長をλ、前記第１の筒状体の誘電率をεとしたときに、
    Ｄ≧λ／２√ε
    となる箇所である可撓導波管。
11. 請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載の可撓導波管に接続されるコネクタであって、
    前記筒状導電体における導電体に電気的に接続される内壁を有することを特徴とするコネクタ。
12. 請求項１１に記載のコネクタにおいて、
    前記第２の筒状誘電体の外周面にかみ合う嵌合部、または、前記可撓導波管の第１の筒状誘電体、前記筒状導電体、若しくは前記第２の筒状誘電体に挿入されるピンを有するコネクタ。
13. 請求項１１または請求項１２のいずれかに記載のコネクタであって、
    前記可撓導波管の内部に挿入される内材を備えたコネクタ。
14. 請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載の可撓導波管と、
    前記可撓導波管に電磁波を送信する送信アンテナと、
    前記可撓導波管で伝送された電磁波を受信する受信アンテナと
    を備えた電磁波伝送システム。

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