JP6671564B2 - 導波管方向性結合器及び偏波分離回路 - Google Patents

Description

この発明は、主としてＶＨＦ帯、ＵＨＦ帯、マイクロ波帯及びミリ波帯で用いられる導波管方向性結合器及びこれを用いた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。セプタムポラライザは一つの正方形導波管端子と、広壁面が対向して隣接する二つの長方形導波管端子を有するものである。

セプタムポラライザにおいて、正方形導波管端子から直交する二つの円偏波が入力された場合は、それぞれセプタム位相板を介して隣接する長方形導波管端子に分離されて出力される。一方、正方形導波管端子から直交する二つの直線偏波が入力された場合は、偏波の向きに応じてそれぞれ二つの長方形導波管から同じ電界の向き、または、対向する電界の向きで出力される。このため、直線偏波を分離するためには、セプタムポラライザの二つの長方形導波管に、１８０度位相差の方向性結合器を接続する必要がある。

一般的な１８０度位相差の導波管方向性結合器としては、マジックＴやラットレースが知られている。マジックＴは二つの導波管端子に逆相で入力されると一つの導波管端子に合成されて出力される。一方、ラットレースは９０度伝送線路と２７０度伝送線路からなるものであり、二つの導波管端子に逆相で入力されると一つの導波管端子に合成されて出力される。

いずれの場合も二つの導波管端子は離れているため、長方形導波管端子同士が隣接しているセプタムポラライザと接続するためには引き回しの伝送線路が必要となる。従来、このような引き回しのための伝送線路の無い導波管方向性結合器として、位相補正回路を二つの導波管端子に接続して位相差を１８０度とした導波管方向性結合器が知られている（例えば、非特許文献１の図１参照）。

F.Arndt et al, "Rigorous Modal-S-Matrix Design of A New Class of Broadband 180-Degree Branch Guide Couplers", 1990 IEEE MTT-S Digest, pp.577-580, IEEE, 1990.

しかしながら、上記非特許文献１に記載されたような従来の導波管方向性結合器は一般的なブランチライン形の方向性結合器と位相補正回路が接続されるため、大型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、１８０度位相差の導波管方向性結合器として小型化を図ることのできる導波管方向性結合器を提供することを目的とする。

この発明に係る導波管方向性結合器は、矩形の入出力断面形状を有する第一の主導波管と、矩形の入出力断面形状を有し、断面長辺側の面を広壁面とした場合、広壁面が第一の主導波管の断面長辺側の面である広壁面と対向して配置された第二の主導波管と、第一の主導波管と第二の主導波管におけるそれぞれの広壁面の開口部同士を接続する枝導波管を備え、第一の主導波管と第二の主導波管の管内波長が異なり、かつ、第一の主導波管は、管軸方向の一部において入出力断面形状と異なる断面形状を有し、第二の主導波管は、管軸方向の一部において、第二の主導波管の入出力断面形状及び第一の主導波管の一部の断面形状とは異なる断面形状を有するようにしたものである。

この発明に係る導波管方向性結合器は、第一の主導波管と第二の主導波管とを枝導波管で接続し、第一の主導波管と第二の主導波管の管内波長を異なるようにしたものである。これにより、１８０度位相差の導波管方向性結合器として小型化を図ることができる。

この発明の実施の形態１の導波管方向性結合器を示す斜視図である。 この発明の実施の形態１の導波管方向性結合器の断面図である。 この発明の実施の形態１の導波管方向性結合器の等価回路図である。 この発明の実施の形態１の導波管方向性結合器の特性を示す説明図である。 この発明の実施の形態１の導波管方向性結合器の外形寸法を示す説明図である。 この発明の実施の形態２の導波管方向性結合器の断面図である。 この発明の実施の形態２の導波管方向性結合器の特性を示す説明図である。 この発明の実施の形態３の導波管方向性結合器の断面図である。 この発明の実施の形態４の導波管方向性結合器の断面図である。 この発明の実施の形態５の偏波分離回路の断面図である。 この発明の実施の形態５の偏波分離回路に用いられるセプタムポラライザを示す斜視図である。 この発明の実施の形態５の偏波分離回路の外形寸法を示す説明図である。

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導波管方向性結合器の構成を示す斜視図である。
図示の導波管方向性結合器は、第一の主導波管１、第二の主導波管２、複数の枝導波管３を備える。第一の主導波管１及び第二の主導波管２は、それぞれ矩形の入出力断面形状を有する導波管である。これら第一の主導波管１及び第二の主導波管２の入出力断面形状は同じに形成され、また、それぞれ管軸方向断面が長辺側の面（以下、これを広壁面という）が対向するよう配置されている。第一の主導波管１は第一の端子Ｐ１と第二の端子Ｐ２を有し、第二の主導波管２は第三の端子Ｐ３と第四の端子Ｐ４を有する。複数の枝導波管３は第一の主導波管１と第二の主導波管２とを接続するための導波管であり、第一の主導波管１及び第二の主導波管２の広壁面の開口部同士を接続する。
第一の主導波管１の内部における枝導波管３が開口する広壁面と対向する広壁面には第一の突起４が複数個管軸方向に沿って周期的に設けられている。一方、第二の主導波管２の内部における管軸方向断面が短辺側の面（以下、これを狭壁面という）のそれぞれには第二の突起５が複数個管軸方向に沿って周期的に設けられている。

図２は、導波管方向性結合器における断面図であり、断面１０１は管軸方向に沿って広壁面を切断する面、断面１０２は第一の主導波管１の広壁面と平行に狭壁面を切断する面、断面１０３は第二の主導波管２の広壁面と平行に狭壁面を切断する面、断面１０４は第一の突起４及び第二の突起５の突起形成方向と平行な面を示している。

図２に示すように、第一の突起４及び第二の突起５はその高さ（導波管内への突出量）が管軸方向の中央部において高くなる分布となっている。このような第一の突起４及び第二の突起５が第一の主導波管１及び第二の主導波管２内に設けられることによって、第一の主導波管１は、管軸方向の一部において入出力断面形状と異なる断面形状を有し、また、第二の主導波管２は、管軸方向の一部において、入出力断面形状及び第一の主導波管１の一部の断面形状と異なる断面形状を有することになる。ここで、第一の主導波管１の管軸方向の一部の断面及び第二の主導波管２の管軸方向の一部の断面は、入出力断面よりも外形が小さいことになる。

次に、実施の形態１の導波管方向性結合器の動作について説明する。
複数の第一の突起４が設けられた第一の主導波管１と、複数の第二の突起５が設けられた第二の主導波管２は、突起の設けられ方が異なるため、異なる管内波長を有する導波管となる。このため、同じ物理長であっても通過位相は異なるものとなる。このような主導波管同士を枝導波管３で接続した場合、等価回路としては図３のようになる。

ここで、Ｐｏｒｔ１が第一の端子Ｐ１、Ｐｏｒｔ２が第二の端子Ｐ２、Ｐｏｒｔ３が第三の端子Ｐ３、Ｐｏｒｔ４が第四の端子Ｐ４、Θ１が第一の主導波管１の伝送線路の電気長、Θ２が第二の主導波管２の伝送線路の電気長、Θ３が枝導波管３の伝送線路の電気長を表している。また、矢印は、一例として第一の端子Ｐ１から信号が入力されたときに第四の端子Ｐ４に出力される信号の経路を模式的に示している。第一の端子Ｐ１から入力され、第四の端子Ｐ４に出力される信号は、各経路の信号の重ね合わせとなるため、各電気長を適切に設定すると、所望の中心周波数において信号が出力されず、良好なアイソレーション特性が得られるようになる。同様に、反射、通過、結合特性についても良好な特性を得ることが可能である。

以上の原理について、説明を簡略化するため、等価回路計算した結果について示す。図４に計算結果を示す。図において、反射（Ｓ１１、Ｓ４４）、アイソレーション（Ｓ４１）、通過（Ｓ２１）、結合（Ｓ３１）の各特性を示している。中心周波数において良好なアイソレーションが得られ、反射特性は通過端子と結合端子で中心周波数からシフトするものの良好な特性が得られていることがわかる。また、通過と結合の特性は中心周波数において同じ分配比となる特性となる。さらに、位相差は１８０度が得られていることがわかる（Ｓ２４とＳ３４参照）。

このように、本実施の形態では、第一の主導波管１と第二の主導波管２に異なる複数の第一の突起４及び第二の突起５を設けることにより、管軸方向に長くすることなく位相差１８０度が得られるという効果がある。

また、図５に示すように、入出力導波管の広壁面の幅をＡ、狭壁面の幅をＢ、枝導波管の長さをＣとすると、本導波管方向性結合器の外形は、幅Ａと幅２Ｂ＋Ｃの中に納まり、小型化に寄与するという効果もある。

さらに、導波管方向性結合器を、例えば、セプタムポラライザといった他のコンポーネントに接続して偏波分離回路として構成する場合、第一の主導波管と第二の主導波管の入出力断面形状が異なる場合は変成器等を用いて入出力導波管寸法を合わせる必要があるが、本実施の形態では、第一の主導波管と第二の主導波管の寸法が同一であるため、このような変成部等の部材を設ける必要がなく、その結果、偏波分離回路といった装置を構成する場合の小型化を図ることができる。

なお、図１では、複数の第一の突起４と複数の第二の突起５の高さは、管軸方向に中央部において高くなる分布となるものについて示したが、所望の特性に応じて分布を異なるようにしてもよい。また、第一の突起４と第二の突起５の数も、所望の特性に応じて設定してよい。さらに、第一の突起４と第二の突起５の幅も、所望の特性に応じて設定してよい。

以上説明したように、実施の形態１の導波管方向性結合器によれば、矩形の入出力断面形状を有する第一の主導波管と、矩形の入出力断面形状を有し、断面長辺側の面を広壁面とした場合、広壁面が第一の主導波管の断面長辺側の面である広壁面と対向して配置された第二の主導波管と、第一の主導波管と第二の主導波管におけるそれぞれの広壁面の開口部同士を接続する枝導波管を備え、第一の主導波管と第二の主導波管の管内波長が異なり、かつ、第一の主導波管は、管軸方向の一部において入出力断面形状と異なる断面形状を有し、第二の主導波管は、管軸方向の一部において、第二の主導波管の入出力断面形状及び第一の主導波管の一部の断面形状とは異なる断面形状を有するようにしたので、１８０度位相差の導波管方向性結合器として小型化を図ることができる。

また、実施の形態１の導波管方向性結合器によれば、第一の主導波管と第二の主導波管の入出力断面形状は同じであるようにしたので、他のコンポーネントを接続する場合でも特別な構成を必要とせず、他のコンポーネントを接続した場合の小型化を図ることができる。

また、実施の形態１の導波管方向性結合器によれば、第一の主導波管の管軸方向の一部の断面及び第二の主導波管の管軸方向の一部の断面は、それぞれ入出力断面よりも外形が小さいようにしたので、所望の特性を容易に実現することができる。

また、実施の形態１の導波管方向性結合器によれば、第一の主導波管は、枝導波管が接続される広壁面と対向する広壁面に、第一の突起が管軸方向に沿って周期的に複数設けられ、第二の主導波管は、断面が短辺側の二つの面に第二の突起が複数管軸方向に沿って周期的に複数設けられたので、所望の特性を容易に実現することができる。

また、実施の形態１の導波管方向性結合器によれば、第一の主導波管に設けられた複数の第一の突起と、第二の主導波管に設けられた複数の第二の突起の高さは、管軸方向の中央部において高くなる分布であるようにしたので、所望の特性を容易に実現することができる。

実施の形態２．
実施の形態２は、枝導波管３と第二の主導波管２との接続面と第二の突起５との間に空間部を設けたものである。
図６は、実施の形態２の導波管方向性結合器の断面図であり、実施の形態１における図２と同様に、断面１０１は管軸方向に沿って広壁面を切断する面、断面１０２は第一の主導波管１の広壁面と平行に狭壁面を切断する面、断面１０３は第二の主導波管２の広壁面と平行に狭壁面を切断する面、断面１０４は第一の突起４及び第二の突起５の突起形成方向と平行な面を示している。

図６に示すように、実施の形態２の導波管方向性結合器は、第二の突起５と、枝導波管３と第二の主導波管２との接続面との間に空間部６が設けられている。その他の構成は実施の形態１と同様であるため、対応する部分に同一符号を付してその説明を省略する。
本実施の形態によっても、第一の主導波管１と第二の主導波管２の管内波長は異なるので、実施の形態１と同様の効果が得られる。また、第二の主導波管２において、枝導波管３が接続される面と第二の突起５との間に空間部６が位置するため、枝導波管３が接続しやすく、製造が容易となる効果がある。さらに、空間部６の大きさもパラメータとすることができ、所望の特性を得るための調整がしやすいという効果がある。

ここで、本構成の有効性について確認した電磁界計算結果について説明する。電磁界計算は、市販の電磁界シミュレータＡＮＳＯＦＴ＿ＨＦＳＳを用いて行った。図７に計算結果を示す。ここで、Ｓ１１、Ｓ４１等は図４に示したものと同様である。

図４に示した等価回路計算結果と同様、物理的な構造においても良好な反射、アイソレーション、通過、結合の各特性が得られていることがわかる。また、位相差は１８０度である。本特性は従来文献と概ね同等の特性である。したがって、従来と同等の特性で管軸方向の長さを約半分にできることを確認した。

以上説明したように、実施の形態２の導波管方向性結合器によれば、第二の突起と、枝導波管と第二の主導波管との接続面との間に空間部を設けたので、実施の形態１の効果に加えて製造が容易となる効果がある。また、空間部の大きさもパラメータとすることができるため、所望の特性を得るための調整がしやすいという効果がある。

実施の形態３．
実施の形態３は、枝導波管の、第一の主導波管及び第二の主導波管の広壁面の幅方向の長さを、第一の主導波管及び第二の主導波管の広壁面の幅よりも小さくしたものである。
図８は、実施の形態３の導波管方向性結合器の断面図であり、実施の形態１における図２と同様に、断面１０１は管軸方向に沿って広壁面を切断する面、断面１０２は第一の主導波管１の広壁面と平行に狭壁面を切断する面、断面１０３は第二の主導波管２の広壁面と平行に狭壁面を切断する面、断面１０４は第一の突起４及び第二の突起５の突起形成方向と平行な面を示している。

図８に示すように、実施の形態３の導波管方向性結合器は、枝導波管７として、第一の主導波管１及び第二の主導波管２の広壁面の幅方向の長さ（図中Ｄで示す）が、第一の主導波管１及び第二の主導波管２の広壁面の幅（図中Ａで示す）より小さく（Ｄ＜Ａ）形成されている。その他の構成については実施の形態１と同様であるため、対応する部分に同一符号を付してその説明を省略する。
本実施の形態によっても、第一の主導波管１と第二の主導波管２の管内波長は異なるので、実施の形態１と同様の効果が得られる。さらに、枝導波管７の、第一、第二の主導波管幅方向の長さが短いので、第二の主導波管２の第二の突起５との交差を少なくすることができ、製造が容易であるという効果がある。

以上説明したように、実施の形態３の導波管方向性結合器によれば、枝導波管の、第一の主導波管及び第二の主導波管の広壁面の幅方向の長さを、第一の主導波管及び第二の主導波管の広壁面の幅よりも小さくしたので、実施の形態１の効果に加えて製造が容易であるという効果が得られる。

実施の形態４．
実施の形態４は、第一の主導波管１または第二の主導波管２の枝導波管３が接続された広壁面と対向する広壁面に第三の突起を設けたものである。
図９は、実施の形態４の導波管方向性結合器の断面図であり、実施の形態１における図２と同様に、断面１０１は管軸方向に沿って広壁面を切断する面、断面１０２は第一の主導波管１の広壁面と平行に狭壁面を切断する面、断面１０３は第二の主導波管２の広壁面と平行に狭壁面を切断する面、断面１０４は第一の突起４及び第二の突起５の突起形成方向と平行な面を示している。

図９に示すように、実施の形態４の導波管方向性結合器は、第一の主導波管１における枝導波管３が接続された広壁面と対向する広壁面に管軸方向に沿って第三の突起８を設けている。また、第一の主導波管１及び第二の主導波管２については、実施の形態１〜実施の形態３における第一の突起４及び第二の突起５は設けられていない。枝導波管３は実施の形態１、２と同様に第一の主導波管１と第二の主導波管２とを接続している。
本実施の形態によっても、第一の主導波管１と第二の主導波管２の管内波長は異なるので、実施の形態１と同様の効果が得られる。さらに、第一の主導波管１及び第二の主導波管２に第一の突起４及び第二の突起５を設ける場合に比べ、製造が容易であるという効果がある。

なお、上記例では第三の突起８を第一の主導波管１側に設けたが、第二の主導波管２側に設けてもよい。

以上説明したように、実施の形態４の導波管方向性結合器によれば、第一の主導波管または第二の主導波管における枝導波管が接続された広壁面と対向する広壁面に、管軸方向に沿って第三の突起を設けたので、実施の形態１の効果に加えて製造が容易であるという効果が得られる。

実施の形態５．
実施の形態５は、セプタムポラライザと導波管方向性結合器とを接続した偏波分離回路を示す例である。
図１０は、実施の形態５の偏波分離回路を示す断面図であり、実施の形態１における図２と同様に、断面１０１は管軸方向に沿って広壁面を切断する面、断面１０３は第二の主導波管２の広壁面と平行に狭壁面を切断する面、断面１０４は第一の突起４及び第二の突起５の突起形成方向と平行な面を示している。

図１０に示すように、実施の形態５の偏波分離回路は、セプタムポラライザ９と導波管方向性結合器１０とが接続されている。図１１はセプタムポラライザ９を示す斜視図である。図示のように、セプタムポラライザ９は正方形導波管１１内にセプタム位相板１２が挿入された構成である。セプタムポラライザ９は、一端に正方形導波管端子Ｐ５を備え、他端にセプタム位相板１２で分割された長方形導波管端子Ｐ６とＰ７を備えている。このようなセプタムポラライザ９が導波管方向性結合器１０に対して引き回し線路を用いることなく直結されている。すなわち、セプタムポラライザ９の長方形導波管端子Ｐ６とＰ７が導波管方向性結合器１０の第一の端子Ｐ１と第四の端子Ｐ４に直結されている。ここで、導波管方向性結合器１０は、実施の形態１における導波管方向性結合器であり、対応する部分に同一符号を付してその説明を省略する。また、図１２に示すように、断面１０４方向から見た場合、すべてセプタムポラライザ９の外形（Ａ_１×Ａ_１）内に収まるよう形成されている。

このように構成された実施の形態５の偏波分離回路では、セプタムポラライザ９の正方形導波管端子Ｐ５から直交する二つの直線偏波が入力された場合、長方形導波管端子Ｐ６とＰ７に出力され、さらに導波管方向性結合器１０により分離され、偏波の向きに応じて第二の端子Ｐ２または第三の端子Ｐ３に出力される。

なお、上記例では導波管方向性結合器１０として実施の形態１の導波管方向性結合器を用いたが、同様に、実施の形態２から実施の形態４のうちのいずれかの導波管方向性結合器を用いてもよい。

以上説明したように、実施の形態５の偏波分離回路によれば、実施の形態１から実施の形態４のうちのいずれかの導波管方向性結合器とセプタムポラライザとを備え、セプタムポラライザは、一つの正方形導波管端子と二つの長方形導波管端子とを有し、セプタムポラライザの二つの長方形導波管端子と導波管方向性結合器における第一の主導波管と第二の主導波管のそれぞれの導波管端子とを接続するようにしたので、偏波分離回路として、小型化が図れ、かつ、良好な偏波分離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、この発明に係る導波管方向性結合器及び偏波分離回路は、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、マイクロ波帯及びミリ波帯での偏波信号を分離するのに適している。

１ 第一の主導波管、２ 第二の主導波管、３，７ 枝導波管、４ 第一の突起、５ 第二の突起、６ 空間部、８ 第三の突起、９ セプタムポラライザ、１０ 導波管方向性結合器、１１ 正方形導波管、１２ セプタム位相板、Ｐ１ 第一の端子、Ｐ２ 第二の端子、Ｐ３ 第三の端子、Ｐ４ 第四の端子、Ｐ５ 正方形導波管端子、Ｐ６，Ｐ７ 長方形導波管端子、１０１ 管軸方向に沿って広壁面を切断する面、１０２ 第一の主導波管の広壁面と平行に狭壁面を切断する面、１０３ 第二の主導波管の広壁面と平行に狭壁面を切断する面、１０４ 第一の突起及び第二の突起の突起形成方向と平行な面。

Claims (9)

1. 矩形の入出力断面形状を有する第一の主導波管と、
   矩形の入出力断面形状を有し、断面長辺側の面を広壁面とした場合、当該広壁面が前記第一の主導波管の断面長辺側の面である広壁面と対向して配置された第二の主導波管と、
   前記第一の主導波管と前記第二の主導波管における前記それぞれの広壁面の開口部同士を接続する枝導波管を備え、
   前記第一の主導波管と前記第二の主導波管の管内波長が異なり、かつ、前記第一の主導波管は、管軸方向の一部において入出力断面形状と異なる断面形状を有し、前記第二の主導波管は、管軸方向の一部において、当該第二の主導波管の入出力断面形状及び前記第一の主導波管の一部の断面形状とは異なる断面形状を有することを特徴とする導波管方向性結合器。
2. 前記第一の主導波管と前記第二の主導波管の入出力断面形状は同じであることを特徴とする請求項１記載の導波管方向性結合器。
3. 前記第一の主導波管の管軸方向の一部の断面及び前記第二の主導波管の管軸方向の一部の断面は、それぞれ入出力断面よりも外形が小さいことを特徴とする請求項１記載の導波管方向性結合器。
4. 前記第一の主導波管は、前記枝導波管が接続される広壁面と対向する広壁面に、第一の突起が管軸方向に沿って周期的に複数設けられ、前記第二の主導波管は、断面が短辺側の二つの狭壁面に第二の突起が複数管軸方向に沿って周期的に複数設けられたことを特徴とする請求項１記載の導波管方向性結合器。
5. 前記第一の主導波管に設けられた複数の第一の突起と、第二の主導波管に設けられた複数の第二の突起の高さは、管軸方向の中央部において高くなる分布であることを特徴とする請求項４記載の導波管方向性結合器。
6. 前記第二の突起と、前記枝導波管と前記第二の主導波管との接続面との間に空間部を設けたことを特徴とする請求項４記載の導波管方向性結合器。
7. 前記枝導波管の、前記第一の主導波管及び前記第二の主導波管の広壁面の幅方向の長さは、前記第一の主導波管及び前記第二の主導波管の広壁面の幅よりも小さいことを特徴とする請求項１記載の導波管方向性結合器。
8. 前記第一の主導波管または前記第二の主導波管における前記枝導波管が接続された広壁面と対向する広壁面に、管軸方向に沿って第三の突起を設けたことを特徴とする請求項１記載の導波管方向性結合器。
9. 請求項１から請求項８のうちのいずれか１項記載の導波管方向性結合器とセプタムポラライザとを備え、
   前記セプタムポラライザは、一つの正方形導波管端子と二つの長方形導波管端子とを有し、当該セプタムポラライザの二つの長方形導波管端子と前記導波管方向性結合器における前記第一の主導波管と前記第二の主導波管のそれぞれの導波管端子とを接続することを特徴とする偏波分離回路。

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