JP7012910B2

JP7012910B2 - 偏分波器

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Publication number: JP7012910B2
Application number: JP2021538534A
Authority: JP
Inventors: 秀憲湯川; 優牛嶋; 素実渡辺; 徹高橋
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2019-08-02
Filing date: 2019-08-02
Publication date: 2022-01-28
Anticipated expiration: 2039-08-02
Also published as: WO2021024310A1; JPWO2021024310A1

Description

本発明は、主として、ＶＨＦ（ＶｅｒｙＨｉｇｈＦｒｅｑｕｅｎｃｙ）帯、ＵＨＦ（ＵｌｔｒａＨｉｇｈＦｒｅｑｕｅｎｃｙ）帯、マイクロ波帯及びミリ波帯などの周波数帯において複数の偏波を分離する偏分波器に関するものである。

衛星通信システムなどの無線通信システムでは、周波数の有効利用を目的として互いに直交する複数の偏波が使用されており、当該複数の偏波を分離するための偏分波器（Ｏｒｔｈｏ－Ｍｏｄｅ－Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ，ＯＭＴ）が必要である。この種の偏分波器は、たとえば、下記の非特許文献１に開示されている。

非特許文献１には、一端に短絡端を有するとともに他端に入出力端子を有する円形導波管と、当該短絡端近傍における円形導波管の側壁から互いに逆方向へ分岐するように延在する２本の矩形導波管とを備えたＴ分岐形偏分波器（Ｔ－ｊｕｎｃｔｉｏｎＯｒｔｈｏ－Ｍｏｄｅ－Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）が開示されている。当該２本の矩形導波管のうちの第１の矩形導波管の広壁面は、円形導波管の管軸方向と平行となるように配置されており、当該２本の矩形導波管のうちの第２の矩形導波管の広壁面は、円形導波管の管軸方向と直交するように配置されている。このようなＴ分岐形偏分波器は、円形導波管の入出力端子から入力された互いに直交する２つの直線偏波を分離し、当該２つの直線偏波の一方を第１の矩形導波管の分岐端子から出力し、当該２つの直線偏波の他方を第２の矩形導波管の分岐端子から出力する。

Hidenori YUKAWA, Yu USHIJIMA, Motomi ABE, Takeshi OSHIMA, Naofumi YONEDA, and Moriyasu MIYAZAKI, "Metal 3D-Printed T-Junction Ortho-Mode-Transducer with an Offset Stepped Post", IEICE Transactions on Electronics, Vol. E102-C, No. 1, pp. 56-63, January 2019.（たとえば、図３（ａ）～（ｃ）参照）

非特許文献１に開示されている従来のＴ分岐形偏分波器では、第１及び第２の矩形導波管の分岐端子間の相互の影響を低減させて良好な偏分波特性を得るために、第１の矩形導波管の広壁面は、円形導波管の管軸方向と平行となるように配置され、第２の矩形導波管の広壁面は、円形導波管の管軸方向と直交するように配置される。このように従来のＴ分岐形偏分波器は、円形導波管の管軸に関して幾何学的に非対称な構成を有しているので、第１及び第２の矩形導波管の分岐端子から出力される偏波信号の周波数特性が異なるものとなる。このことが偏分波特性の向上の妨げとなるという課題がある。

上記に鑑みて本発明の目的は、分離された偏波信号の周波数特性を同じにすることができ、優れた偏分波特性を実現する偏分波器を提供することである。

本発明の一態様による偏分波器は、電磁波を伝播する導波管からなり、当該導波管の管軸方向における一端に設けられた短絡端、及び、当該導波管の当該管軸方向における他端に設けられた入出力端子を有するとともに、前記短絡端と前記入出力端子との間で互いに直交する第１の偏波成分及び第２の偏波成分を伝搬させる導波空間を有する共通導波管と、互いに対向する一対の広壁面及び互いに対向する一対の狭壁面を有し、前記共通導波管の側壁に接続されて前記管軸方向と直交する第１の方向に延在する第１の矩形導波管と、互いに対向する一対の広壁面及び互いに対向する一対の狭壁面を有し、前記共通導波管の側壁に接続されて前記管軸方向と直交する第２の方向に延在する第２の矩形導波管とを備え、前記短絡端は、前記管軸方向と直交する面を形成する基端部を有し、前記第１の矩形導波管の当該一対の広壁面は、前記第１の方向とは垂直な面において前記基端部に対して４５度の角度で傾斜し、前記第２の矩形導波管の当該一対の広壁面は、前記第２の方向とは垂直な面において前記基端部に対して４５度の角度で傾斜していることを特徴とする。

本発明の一態様による偏分波器は、第１及び第２の矩形導波管の入出力端子からそれぞれ出力される偏波信号の周波数特性を同じにすることができる構成を有しているので、優れた偏分波特性を実現することができる。

本発明に係る実施の形態１の偏分波器の概略構成を示す斜視図である。図１に示される偏分波器の正面図である。図１に示される偏分波器の底面図である。図４Ａは、図１に示される偏分波器の右側面図であり、図４Ｂは、図１に示される偏分波器の左側面図である。実施の形態１の矩形導波管に入力される直線偏波信号の電界を概念的に示す説明図である。実施の形態１の偏分波器の内部を伝搬する偏波信号成分を表す説明図である。実施の形態１の偏分波器の内部を伝搬する偏波信号成分を表す説明図である。実施の形態１の共通導波管から出力される偏波信号を概念的に示す説明図である。実施の形態１の矩形導波管に入力される直線偏波信号の電界を概念的に示す説明図である。実施の形態１の偏分波器の内部を伝搬する偏波信号成分を表す説明図である。実施の形態１の偏分波器の内部を伝搬する偏波信号成分を表す説明図である。実施の形態１の共通導波管から出力される偏波信号を概念的に示す説明図である。実施の形態１の共通導波管から出力される２つの偏波信号を概念的に示す説明図である。実施の形態１の変形例である偏分波器の概略構成を示すブロック図である。本発明に係る実施の形態２の偏分波器の概略構成を示す斜視図である。図１５に示される偏分波器の右側面図である。図１５に示される偏分波器の背面図である。図１５に示される偏分波器の底面図である。実施の形態１の共通導波管から出力される２つの直線偏波信号を概念的に示す説明図である。本発明に係る実施の形態３の偏分波器の概略構成を示す斜視図である。図２１Ａは、図２０に示される偏分波器の右側面図であり、図２１Ｂは、図２０に示される偏分波器の左側面図である。図２２Ａ及び図２２Ｂは、実施の形態３の短絡端の構成を概略的に示す図である。図２３Ａ及び図２３Ｂは、実施の形態３の第１変形例における短絡端の構成を概略的に示す図である。図２４Ａ及び図２４Ｂは、実施の形態３の第２変形例における短絡端の構成を概略的に示す図である。図２５Ａ及び図２５Ｂは、実施の形態３の第３変形例における短絡端の構成を概略的に示す図である。本発明に係る実施の形態４の偏分波器の概略構成を示す斜視図である。図２６に示される偏分波器の背面図である。実施の形態４の第１変形例の偏分波器の背面図である。図２９Ａ及び図２９Ｂは、実施の形態４の第２変形例の偏分波器の概略構成を示す斜視図である。実施の形態４の第２変形例の偏分波器についての反射特性の計算例を示すグラフである。実施の形態４の第２変形例の偏分波器についての偏波間アイソレーション特性の計算例を示すグラフである。

以下、図面を参照しつつ、本発明に係る種々の実施の形態について詳細に説明する。なお、図面全体において同一符号を付された構成要素は、同一構成及び同一機能を有するものとする。また図面に示されるＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸は、互いに直交するものとする。

実施の形態１．
図１は、本発明に係る実施の形態１の偏分波器１の概略構成を示す斜視図である。また、図２は、図１に示される偏分波器の正面図であり、図３は、図１に示される偏分波器の底面図であり、図４Ａは、図１に示される偏分波器の右側面図であり、図４Ｂは、図１に示される偏分波器の左側面図である。

図１に示されるように本実施の形態の偏分波器１は、共通導波管１０と、共通導波管１０の側壁から分岐する矩形導波管２０，３０とを備えて構成されている。共通導波管１０は、Ｚ軸方向に平行な管軸Ａｘをもつ円形導波管からなり、管軸方向一端に設けられた短絡端１０ｑと、管軸方向他端に設けられた開放端である入出力端子１０ｐと、短絡端１０ｑと入出力端子１０ｐとの間で互いに直交する２つの偏波成分（第１及び第２の偏波成分）からなる電磁波を管軸方向に伝搬させる導波空間１０ｈとを有している。本実施の形態の共通導波管１０は、主にＴＥ_１１モードを伝搬させることができる。

短絡端１０ｑは、管軸Ａｘと直交する平面を形成する環状の基端部１０ｑｂと、この基端部１０ｑｂから入出力端子１０ｐに向けて突出する突起部１０ｑｃとを有している。図１～図４に示されるように突起部１０ｑｃは、管軸Ａｘに関して幾何学的に対称な円錐台形状を有し、突起部１０ｑｃの先端部分の位置は管軸Ａｘと一致する。本実施の形態の突起部１０ｑｃは、基端部１０ｑｂから入出力端子１０ｐに向かうに従って連続的に変化する断面を有しているが、これに限定されるものではない。基端部１０ｑｂから入出力端子１０ｐに向かうに従って段階的に変化する断面を有するように突起部１０ｑｃの形状が変更されてもよい。

一方、矩形導波管（第１の矩形導波管）２０は、図１～図３及び図４Ｂに示されるように、互いに対向する一対の広壁面と、互いに対向する一対の狭壁面とからなる内壁面を有している。ここで、広壁面とは、図４Ｂに示されるように矩形導波管２０の矩形断面の長辺を形成している内壁面を意味し、狭壁面とは、その矩形断面の短辺を形成している内壁面を意味する。また矩形導波管２０は、共通導波管１０の短絡端１０ｑの近傍にて共通導波管１０の側壁からＹ軸負方向（第１の方向）に延在するように配置されている。矩形導波管２０の内部の導波空間２０ｈは、結合孔を介して共通導波管１０の導波空間１０ｈと連通している。矩形導波管２０の一端には、入出力端子（分岐端子）２０ｐが設けられている。

矩形導波管（第２の矩形導波管）３０は、矩形導波管２０と同一の導波路構造を有している。図１～図３及び図４Ａに示されるように、矩形導波管３０は、互いに対向する一対の広壁面と、互いに対向する一対の狭壁面とからなる内壁面を有している。ここで、広壁面とは、図４Ａに示されるように矩形導波管３０の矩形断面の長辺を形成している内壁面を意味し、狭壁面とは、その矩形断面の短辺を形成している内壁面を意味する。また矩形導波管３０は、共通導波管１０の短絡端１０ｑの近傍にて共通導波管１０の側壁からＹ軸正方向（第２の方向）に延在するように配置されている。矩形導波管３０の内部の導波空間３０ｈは、結合孔を介して共通導波管１０の導波空間１０ｈと連通している。矩形導波管３０の一端には、入出力端子（分岐端子）３０ｐが設けられている。

図２，図４Ａ及び図４Ｂに示されるように短絡端１０ｑの突起部１０ｑｃは、矩形導波管２０と共通導波管１０との間に形成された結合孔と対向し、矩形導波管３０と共通導波管１０との間に形成された結合孔とも対向している。このような突起部１０ｑｃは、矩形導波管２０，３０間の信号伝搬を遮断する機能を果たすことができる。

上記した矩形導波管２０，３０は、共通導波管１０の管軸方向とは垂直な面において互いに逆方向（Ｙ軸負方向及びＹ軸正方向）にそれぞれ延在し、かつ管軸Ａｘに関して幾何学的に対称となるように配置されている。図４Ａに示されるように矩形導波管３０の広壁面は、Ｘ－Ｚ平面において短絡端１０ｑの基端部１０ｑｂに対して反時計回りでθ１＝４５°の角度にて傾斜している。一方、図４Ｂに示されるように矩形導波管２０の広壁面は、Ｘ－Ｚ平面において短絡端１０ｑの基端部１０ｑｂに対して時計回りでθ２＝４５°の角度にて傾斜している。

このような偏分波器１は、金属合金材料を加工し溶接することにより作製されればよい。あるいは、偏分波器１は、金属３Ｄプリンタを用いてアルミ合金（ＡｌＳｉ_１０Ｍｇ）などの金属粉末を積層造形することにより共通導波管１０及び矩形導波管２０，３０を一体的に形成することにより作製されてもよい。たとえば、金属３Ｄプリンタの方式としては、レーザ焼結法（ＳｅｌｅｃｔｉｖｅＬａｓｅｒＳｉｎｔｅｒｉｎｇ，ＳＬＳ）、直接金属レーザ焼結法（ＤｉｒｅｃｔＭｅｔａｌＬａｓｅｒＳｉｎｔｅｒｉｎｇ，ＤＭＬＳ）、レーザ溶融法（ＳｅｌｅｃｔｉｖｅＬａｓｅｒＭｅｌｔｉｎｇ，ＳＬＭ）、電子ビーム溶解法（ＥｌｅｃｔｒｏｎＢｅａｍＭｅｌｔｉｎｇ，ＥＢＭ）またはレーザ直接積層法（ＬａｓｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＮｅｔＳｈａｐｉｎｇ，ＬＥＮＳ）が使用可能である。なお、後述する実施の形態２～４及びこれらの変形例も、偏分波器１と同様の方法で作製可能である。

金属３Ｄプリンタを用いる場合、設計データに従って金属合金材料を１層ずつ積層することで偏分波器１が造形されるので、その積層方向とは垂直な平面状の板を造形することが難しい。上記のとおり、非特許文献１に開示されている従来のＴ分岐形偏分波器は、円形導波管の側壁から互いに逆方向へ分岐するように延在する２本の矩形導波管を有し、これら２本の矩形導波管は、いずれも円形導波管の管軸方向とは垂直な壁面を有している。このため、金属３Ｄプリンタを用いてそれら矩形導波管の壁面を積層造形する場合には、円形導波管の管軸方向を積層方向から所定角度（たとえば４５度）傾斜させなければならないが、これは円形導波管の造形精度の低下、あるいは積層面積の増大による高コスト化を生じさせるおそれがある。これに対し、本実施の形態の偏分波器１の場合、図４Ａ及び図４Ｂに示されるように、矩形導波管２０，３０の広壁面は共通導波管１０の管軸方向に対して４５度で傾斜しているので、金属３Ｄプリンタは、共通導波管１０の管軸方向に沿って金属合金材料を積層造形することができる。これにより、共通導波管１０の造形精度の向上及び偏分波器１の低コスト化を実現することができる。

次に、図５～図１３を参照しつつ実施の形態１の偏分波器１の動作について説明する。

先ず、矩形導波管３０の入出力端子３０ｐに直線偏波信号が入力される場合の動作を以下に説明する。図５は、矩形導波管３０の入出力端子３０ｐに入力された直線偏波信号の電界Ｅ１を概念的に示す図である。この電界Ｅ１は、互いに直交する２つの電界成分Ｅ１ｘ，Ｅ１ｚのベクトル和として考えることができる。このとき、電界成分Ｅ１ｘは、図６に示されるように矩形導波管３０の入出力端子３０ｐから共通導波管１０の入出力端子１０ｐに伝搬する際に電界成分Ｅ２ｘに変換される。突起部１０ｑｃは、矩形導波管２０，３０間の電界成分Ｅ１ｘの伝搬を遮断するので、矩形導波管３０から矩形導波管２０へ漏れる電界成分の量は非常に小さなものとすることができる。

一方、電界成分Ｅ１ｚは、図７に示されるように矩形導波管３０の入出力端子３０ｐから共通導波管１０の入出力端子１０ｐに伝搬する際に電界成分Ｅ２ｙに変換される。突起部１０ｑｃは、矩形導波管２０，３０間の電界成分Ｅ１ｚの伝搬を遮断するので、矩形導波管３０から矩形導波管２０へ漏れる電界成分の量は非常に小さなものとすることができる。図８に示されるように共通導波管１０の入出力端子１０ｐから出力される信号は、電界成分Ｅ２ｘ，Ｅ２ｙのベクトル和である電界Ｅ２を有する偏波信号となる。

次に、矩形導波管２０の入出力端子２０ｐに直線偏波信号が入力される場合の動作を以下に説明する。図９は、矩形導波管２０の入出力端子２０ｐに入力された直線偏波信号の電界Ｅ３を概念的に示す図である。この電界Ｅ３は、互いに直交する２つの電界成分Ｅ３ｘ，Ｅ３ｚのベクトル和として考えることができる。このとき、電界成分Ｅ３ｘは、図１０に示されるように矩形導波管２０の入出力端子２０ｐから共通導波管１０の入出力端子１０ｐに伝搬する際に電界成分Ｅ４ｘに変換される。突起部１０ｑｃは、矩形導波管２０，３０間の電界成分Ｅ４ｘの伝搬を遮断するので、矩形導波管２０から矩形導波管３０へ漏れる電界成分の量は非常に小さなものとすることができる。

一方、電界成分Ｅ３ｚは、図１１に示されるように矩形導波管２０の入出力端子２０ｐから共通導波管１０の入出力端子１０ｐに伝搬する際に電界成分Ｅ４ｙに変換される。突起部１０ｑｃは、矩形導波管２０，３０間の電界成分Ｅ４ｙの伝搬を遮断するので、矩形導波管２０から矩形導波管３０へ漏れる電界成分の量は非常に小さなものとすることができる。図１２に示されるように共通導波管１０の入出力端子１０ｐから出力される信号は、電界成分Ｅ４ｘ，Ｅ４ｙのベクトル和である電界Ｅ４を有する偏波信号となる。

したがって、入出力端子２０ｐ，３０ｐにそれぞれ直線偏波信号が入力された場合には、図１３に示されるように共通導波管１０の入出力端子１０ｐは、図８に示した電界Ｅ２を有する偏波信号と、図１２に示した電界Ｅ４を有する偏波信号とを出力することができる。これら直線偏波信号は互いに直交する。言い換えると、共通導波管１０の入出力端子１０ｐから互いに直交する偏波信号を含む電磁波が入力された場合には、偏分波器１は、これら偏波信号を分離して、当該偏波信号の一方を矩形導波管２０の入出力端子２０ｐから出力することができ、当該偏波信号の他方を矩形導波管３０の入出力端子３０ｐから出力することができる。

以上に説明したとおり、非特許文献１に開示されている従来のＴ分岐形偏分波器とは異なり、実施の形態１の偏分波器１は、矩形導波管２０，３０の入出力端子２０ｐ，３０ｐからそれぞれ出力される偏波信号の周波数特性を同じにすることができる構成を有している。このため、優れた偏分波特性（たとえば、入出力端子間アイソレーション特性、偏波間アイソレーション特性及び反射特性）を実現することができる。

非特許文献１に開示されている従来のＴ分岐形偏分波器は、円形導波管の側壁から分岐する２本の矩形導波管を有するが、非対称な構造を有している。このため、２本の矩形導波管のうちの一方の矩形導波管から出力される偏波信号の周波数特性を最適化すると、他方の矩形導波管から出力される偏波信号の周波数特性が劣化してしまう。また一方の矩形導波管と円形導波管との間の整合が良好にされると、他方の矩形導波管と円形導波管との間の整合がずれるという課題がある。これに対し、本実施の形態の場合、図１～図３及び図４Ａ，４Ｂに示したとおり、矩形導波管２０，３０は、共通導波管１０の管軸方向とは垂直な面において互いに逆方向にそれぞれ延在し、かつ管軸Ａｘに関して幾何学的に対称となるように配置されているので、偏分波器１は、管軸方向を含むＸ－Ｚ平面に関して幾何学的に対称な構造を有している。このため、従来のＴ分岐形偏分波器と比べると、矩形導波管２０，３０と共通導波管１０との間の整合を容易に調整することができる。

図１４は、実施の形態１の変形例である偏分波器１Ａの概略構成を示すブロック図である。図１４に示されるように偏分波器１Ａは、実施の形態１の偏分波器１の入出力端子２０ｐ，３０ｐに９０度ハイブリッドカプラ９が接続された構成を有している。９０度ハイブリッドカプラ９は４つの入出力端子９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄを有し、入出力端子９ａ，９ｂはそれぞれ偏分波器１の入出力端子２０ｐ，３０ｐと結合されている。入出力端子９ｃ，９ｄのいずれか一方に偏波信号（たとえばＴＥ_１０モード）が入力されると、９０度ハイブリッドカプラ９は、互いに９０度の位相差を有する偏波信号を入出力端子９ａ，９ｂから入出力端子３０ｐ，２０ｐに出力する。入出力端子９ｃに偏波信号が入力される場合には、偏分波器１は入出力端子１０ｐから右旋円偏波を出力することができ、入出力端子９ｄに偏波信号が入力される場合には、偏分波器１は入出力端子１０ｐから左旋円偏波を出力することができる。よって偏分波器１Ａは、円偏波分離器として動作することができる。なお、たとえば、９０度ハイブリッドカプラ９の入出力端子９ｃを信号送信用の端子として利用し、９０度ハイブリッドカプラ９の入出力端子９ｄを信号受信用の端子として利用することが可能である、

９０度ハイブリッドカプラ９は、幾何学的に対称な構造を有するように構成可能であるので、偏分波器１Ａは全体として幾何学的に対称な構造を有するように構成可能である。したがって、偏分波器１Ａは優れた偏分波特性を有することができる。

実施の形態２．
次に、本発明に係る実施の形態２について説明する。図１５は、本発明に係る実施の形態２の偏分波器２の概略構成を示す斜視図である。また、図１６は、図１５に示される偏分波器２の右側面図であり、図１７は、図１５に示される偏分波器２の背面図であり、図１８は、図１５に示される偏分波器２の底面図である。

図１５に示されるように実施の形態２の偏分波器２は、実施の形態１の偏分波器１と同様に、共通導波管１０と、共通導波管１０の側壁から分岐する矩形導波管２０，３０とを備えて構成されている。偏分波器２の構成は、共通導波管１０と矩形導波管２０との間の接続形態を除いて、実施の形態１の偏分波器１の構成と同じである。

本実施の形態では、矩形導波管２０は、共通導波管１０の短絡端１０ｑの近傍にて共通導波管１０の側壁からＸ軸負方向（第１の方向）に延在するように配置されており、矩形導波管３０は、短絡端１０ｑの近傍にて共通導波管１０の側壁からＹ軸正方向（第２の方向）に延在するように配置されている。矩形導波管２０の内部の導波空間２０ｈは、結合孔を介して共通導波管１０の導波空間１０ｈと連通している。

また図１６及び図１７に示されるように短絡端１０ｑの突起部１０ｑｃは、矩形導波管２０と共通導波管１０との間に形成された結合孔と対向し、矩形導波管３０と共通導波管１０との間に形成された結合孔とも対向している。このような突起部１０ｑｃは、矩形導波管２０，３０間の信号伝搬を遮断する機能を果たすことができる。

矩形導波管２０，３０は、図１８に示されるように、共通導波管１０の管軸方向と直交する面において互いに直交する方向（Ｘ軸負方向及びＹ軸正方向）にそれぞれ延在している。図１６に示される矩形導波管２０の断面形状は、図１７に示される矩形導波管３０の断面形状と一致する。図１６に示されるように矩形導波管３０の広壁面は、Ｘ－Ｚ平面において短絡端１０ｑの基端部１０ｑｂに対して反時計回りでθ１＝４５°の角度にて傾斜している。一方、図１７に示されるように矩形導波管２０の広壁面は、Ｙ－Ｚ平面において短絡端１０ｑの基端部１０ｑｂに対して反時計回りでθ３＝４５°の角度にて傾斜している。

実施の形態１の場合と同様に偏分波器２の矩形導波管２０，３０の入出力端子２０ｐ，３０ｐにそれぞれ直線偏波信号が入力された場合には、図１９に示されるように共通導波管１０の入出力端子１０ｐは、電界Ｅ２を有する偏波信号と、電界Ｅ５を有する偏波信号とを出力することができる。これら偏波信号は互いに直交する。言い換えると、共通導波管１０の入出力端子１０ｐから互いに直交する偏波信号を含む電磁波が入力された場合には、偏分波器２は、これら偏波信号を分離して、当該偏波信号の一方を矩形導波管２０の入出力端子２０ｐから出力することができ、当該偏波信号の他方を矩形導波管３０の入出力端子３０ｐから出力することができる。

以上に説明したとおり、実施の形態１の偏分波器１と同様に、実施の形態２の偏分波器２も、矩形導波管２０，３０の入出力端子２０ｐ，３０ｐからそれぞれ出力される偏波信号の周波数特性を同じにすることができる構成を有している。このため、優れた偏分波特性を実現することができる。また、実施の形態１と比べると、矩形導波管２０，３０は互いに近い位置に配置されるので、偏分波器２の寸法を小さくすることができる。

実施の形態３．
次に、本発明に係る実施の形態３について説明する。図２０は、本発明に係る実施の形態３の偏分波器３の概略構成を示す斜視図である。また、図２１Ａは、図２０に示される偏分波器３の右側面図であり、図２１Ｂは、図２０に示される偏分波器３の左側面図である。

図２０に示されるように実施の形態３の偏分波器３は、共通導波管１１と、共通導波管１１の側壁から分岐する矩形導波管２０，３０とを備えて構成されている。偏分波器３の構成は、実施の形態１の共通導波管１０に代えて図２０の共通導波管１１を有する点を除けば、実施の形態１の偏分波器１の構成と同じである。

共通導波管１１は、Ｚ軸方向に平行な管軸Ａｘをもつ円形導波管からなり、管軸方向一端に設けられた短絡端１１ｑと、管軸方向他端に設けられた開放端である入出力端子１１ｐと、短絡端１１ｑと入出力端子１１ｐとの間で互いに直交する２つの偏波成分（第１及び第２の偏波成分）からなる電磁波を管軸方向に伝搬させる導波空間１１ｈとを有している。本実施の形態の共通導波管１１は、主にＴＥ_１１モードを伝搬させることができる。

短絡端１１ｑは、管軸Ａｘと直交する平面を形成する環状の基端部１１ｑｂと、この基端部１１ｑｂから入出力端子１１ｐに向けて突出する突起部１１ｑｃとを有する。突起部１１ｑｃは、管軸Ａｘから偏心した楕円錐台形状を有している。図２１Ａ及び図２１Ｂに示されるように突起部１１ｑｃは、矩形導波管２０と共通導波管１１との間に形成された結合孔と対向し、矩形導波管３０と共通導波管１１との間に形成された結合孔とも対向する。

図２２Ａ及び図２２Ｂに示されるように突起部１１ｑｃは、自己の本体部分の上に楕円柱状の先端部分１１ｑｔを有し、先端部分１１ｑｔは、共通導波管１１の管軸Ａｘからオフセット（偏心）した位置に配置されている。このような先端部分１１ｑｔにより、矩形導波管２０，３０間の信号伝搬を遮断させる効果が向上するので、偏分波特性の向上が可能となる。なお、楕円柱状の先端部分１１ｑｔに代えて円柱状の先端部分が設けられてもよい。

本実施の形態の突起部１１ｑｃは、図２２Ａに示されるように、基端部１１ｑｂから入出力端子１１ｐに向かうに従って直線状に変化する傾斜部分を有しているが、これに限定されるものではない。基端部１１ｑｂから入出力端子１１ｐに向かうに従って曲線状に変化する傾斜部分を有するように突起部１１ｑｃの形状が変更されてもよい。図２３Ａ及び図２３Ｂは、実施の形態３の第１変形例の共通導波管１１Ａにおける短絡端１１ｕの構成を概略的に示す図である。図２３Ａ及び図２３Ｂに示されるように、短絡端１１ｕは、管軸Ａｘと直交する平面を形成する環状の基端部１１ｕｂと、この基端部１１ｕｂから共通導波管１１Ａの入出力端子に向けて突出する突起部１１ｕｃとを有する。この突起部１１ｕｃは、自己の本体部分の上に楕円柱状の先端部分１１ｕｔを有し、基端部１１ｕｂから共通導波管１１Ａの入出力端子に向かうに従って曲線状に変化する傾斜部分を有している。

また、本実施の形態の突起部１１ｑｃは、図２２Ａに示されるように、基端部１１ｑｂから入出力端子１１ｐに向かうに従って連続的に変化する断面を有しているが、これに限定されるものではない。基端部１１ｑｂから入出力端子１１ｐに向かうに従って段階的に変化する断面を有するように突起部１１ｑｃの形状が変更されてもよい。図２４Ａ及び図２４Ｂは、実施の形態３の第２変形例の共通導波管１１Ｂにおける短絡端１１ｓの構成を概略的に示す図である。図２４Ａ及び図２４Ｂに示されるように、短絡端１１ｓは、管軸Ａｘと直交する平面を形成する環状の基端部１１ｓｂと、この基端部１１ｓｂから共通導波管１１Ｂの入出力端子に向けて突出する突起部１１ｓｃとを有する。この突起部１１ｓｃは、自己の本体部分の上に楕円柱状の先端部分１１ｓｔを有し、基端部１１ｓｂから共通導波管１１Ｂの入出力端子に向かうに従って段階的に変化する断面を有している。

また、図２５Ａ及び図２５Ｂは、実施の形態３の第３変形例の共通導波管１１Ｃにおける短絡端１１ｖの構成を概略的に示す図である。図２５Ａ及び図２５Ｂに示されるように、短絡端１１ｖは、管軸Ａｘと直交する平面を形成する環状の基端部１１ｖｂと、この基端部１１ｖｂから共通導波管１１Ｃの入出力端子に向けて突出する四角錐台形状の突起部１１ｖｃとを有する。この突起部１１ｖｃは、自己の本体部分の上に四角柱状の先端部分１１ｖｔを有している。なお、図２５Ａの例では、基端部１１ｖｂから共通導波管１１Ｃの入出力端子に向かうに従って連続的に変化する断面を有しているが、これに限定されるものではない。基端部１１ｖｂから共通導波管１１Ｃの入出力端子に向かうに従って段階的に変化する断面を有するように突起部１１ｖｃの形状が変更されてもよい。

以上に説明したように実施の形態３では、偏分波器３の突起部１１ｑｃは先端部分１１ｑｔを有し、先端部分１１ｑｔは、共通導波管１１の管軸Ａｘからオフセット（偏心）した位置に配置されている。このような先端部分１１ｑｔにより、矩形導波管２０，３０間の信号伝搬を遮断させる効果が向上するので、偏分波特性の向上が可能となる。

実施の形態４．
次に、本発明に係る実施の形態４について説明する。図２６は、本発明に係る実施の形態４の偏分波器４の概略構成を示す斜視図である。図２７は、図２６に示される偏分波器４の背面図である。

図２６に示されるように本実施の形態の偏分波器４は、共通導波管１２と、共通導波管１２の側壁から分岐する矩形導波管２１，３１とを備えて構成されている。共通導波管１１２は、Ｚ軸方向に平行な管軸Ａｘをもつ円形導波管からなる導波管部１３と、この導波管部１３に縦続接続されてインピーダンス変成器として機能する結合導波管部１４とを備えている。導波管部１３の一端には、入出力端子１３ｐが設けられている。たとえば、結合導波管部１４としては、導波管部１３とは異なる断面寸法を有する円形導波管が使用可能である。図２６及び図２７に示されるように、結合導波管部１４の一端には、上記実施の形態１～３のいずれかの短絡端と同様の構造を有する短絡端１４ｑが設けられている。

矩形導波管（第１の矩形導波管）２１は、入出力端子２２ｐを有する矩形導波管部２２と、この矩形導波管部２２に縦続接続されてインピーダンス変成器として機能する結合導波管部２３とを備えている。結合導波管部２３としては、矩形導波管部２２とは異なる断面寸法を有する矩形導波管が使用可能である。

矩形導波管（第２の矩形導波管）３１は、入出力端子３２ｐを有する矩形導波管部３２と、この矩形導波管部３２に縦続接続されてインピーダンス変成器として機能する結合導波管部３３とを備えている。結合導波管部３３としては、矩形導波管部３２とは異なる断面形状を有する矩形導波管が使用可能である。

このようにインピーダンス変成器として機能する結合導波管部１４，２３，３３を使用することで、インピーダンス整合をとりやすくなるので、さらに良好な偏分波特性を実現することができる。

なお、図２７に示した形態に代えて、図２８に示すように結合導波管部２３，３３が短絡端１４ｑを跨がるような形態を有する偏分波器４Ａもありうる。また、本実施の形態では、結合導波管部１４，２３，３３の各々は一段だけ設けられているが、これに限定されるものではなく、２段以上の結合導波管部が設けられてもよい。

図２９Ａ及び図２９Ｂは、実施の形態４の第２変形例の偏分波器４Ｂの概略構成を示す図である。この偏分波器４Ｂの構成は、短絡端１４ｑ及び結合導波管部２３，３３が、連続する外壁面（カットされた平面）を形成している点を除いて、図２６に示した実施の形態４の偏分波器４の構成と同じである。短絡端１４ｑは、図２２に示した短絡端１１ｑと同様の構造を有している。

図３０は、第２変形例の偏分波器４Ｂについての反射特性の計算例を示すグラフであり、図３１は、偏分波器４Ｂについての偏波間アイソレーション特性の計算例を示すグラフである。図３０及び図３１のグラフの横軸は、正規化周波数を示している。図３０のグラフの縦軸は、矩形導波管２１，３１の入出力端子２２ｐ，３２ｐの反射量（単位：ｄＢ）を示している。図３０において、実線は、矩形導波管２１の入出力端子２２ｐの反射量を、点線は、矩形導波管３１の入出力端子３２ｐの反射量をそれぞれ表している。また、図３１のグラフの縦軸は、共通導波管１２の入出力端子１３ｐから入力された１つの直線偏波が本来出力されない入出力端子（分岐端子）に出力される量（偏波間アイソレーション：ＸＰＤ）（単位：ｄＢ）を示している。図３１において、実線は、矩形導波管２１の入出力端子２２ｐに出力される量を、点線は、矩形導波管３１の入出力端子３２ｐに出力される量をそれぞれ表している。図３０及び図３１に示されるように、ともに実線と点線とがほぼ重なり同一の偏分波特性を示していること、及び、比帯域１５％以上で反射量２５ｄＢ、偏波間アイソレーション２５ｄＢ以上の良好な偏分波特性が得られることが確認された。

以上、図面を参照して本発明に係る実施の形態１～４及びこれらの変形例について述べたが、実施の形態１～４及びこれらの変形例は本発明の例示であり、他の様々な実施の形態もありうる。本発明の範囲内において、上記実施の形態１～４の自由な組み合わせ、各実施の形態の任意の構成要素の変形、または各実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

たとえば、上記した共通導波管１０，１１，１１Ａ～１１Ｃ，１２はいずれも円形導波管であるが、これに限定されるものではない。円形導波管に代えて正方形導波管が使用されてもよい。正方形導波管が使用される場合には、切削加工による製造が容易となるという効果がある。

また、実施の形態１の場合と同様に、実施の形態２～４の偏分波器２～４にも図１４の９０度ハイブリッドカプラ９が接続されてよい。

本発明に係る偏分波器は、たとえば、天体観測用の電波望遠鏡、衛星通信システム及び衛星放送システムにおけるアンテナ装置に使用されることに適している。

１，１Ａ，２～４，４Ａ，４Ｂ偏分波器、９９０度ハイブリッドカプラ、９ａ～９ｄ端子、１０共通導波管、１０ｐ入出力端子、１０ｑ短絡端、１０ｑｃ突起部、１０ｑｂ基端部、１０ｈ導波空間、１１，１１Ａ～１１Ｃ共通導波管、１１ｐ入出力端子、１１ｑ，１１ｕ，１１ｓ，１１ｖ短絡端、１１ｑｂ，１１ｕｂ，１１ｓｂ，１１ｖｂ基端部、１１ｑｃ，１１ｕｃ，１１ｓｃ，１１ｖｃ突起部、１１ｑｔ，１１ｕｔ，１１ｓｔ，１１ｖｔ先端部分、１２共通導波管、１３導波管部、１４結合導波管部、２０矩形導波管、２０ｐ入出力端子、２０ｈ導波空間、２１矩形導波管、２２矩形導波管部、２３結合導波管部、３０矩形導波管、３０ｐ入出力端子、３０ｈ導波空間、３１矩形導波管、３２矩形導波管部、３３結合導波管部。

Claims

電磁波を伝播する導波管からなり、当該導波管の管軸方向における一端に設けられた短絡端、及び、当該導波管の管軸方向における他端に設けられた入出力端子を有するとともに、前記短絡端と前記入出力端子との間で互いに直交する第１の偏波成分及び第２の偏波成分を伝搬させる導波空間を有する共通導波管と、
互いに対向する一対の広壁面及び互いに対向する一対の狭壁面を有し、前記共通導波管の側壁に接続されて前記管軸方向と直交する第１の方向に延在する第１の矩形導波管と、
互いに対向する一対の広壁面及び互いに対向する一対の狭壁面を有し、前記共通導波管の側壁に接続されて前記管軸方向と直交する第２の方向に延在する第２の矩形導波管と
を備え、
前記短絡端は、前記管軸方向と直交する面を形成する基端部を有し、
前記第１の矩形導波管の当該一対の広壁面は、前記第１の方向とは垂直な面において前記基端部に対して４５度の角度で傾斜し、
前記第２の矩形導波管の当該一対の広壁面は、前記第２の方向とは垂直な面において前記基端部に対して４５度の角度で傾斜している、
ことを特徴とする偏分波器。
請求項１に記載の偏分波器であって、前記第１の矩形導波管及び前記第２の矩形導波管は、同一の導波路構造を有することを特徴とする偏分波器。
請求項１または請求項２に記載の偏分波器であって、前記第１の矩形導波管及び前記第２の矩形導波管は、前記管軸方向とは垂直な面において互いに逆方向にそれぞれ延在し、かつ前記共通導波管の管軸に関して幾何学的に対称となるように配置されていることを特徴とする偏分波器。
請求項１または請求項２に記載の偏分波器であって、
前記第１の矩形導波管及び前記第２の矩形導波管は、前記管軸方向と直交する面において互いに直交する方向にそれぞれ延在し、
前記第１の方向とは垂直な面における前記第１の矩形導波管の断面形状は、前記第２の方向とは垂直な面における前記第２の矩形導波管の断面形状と一致する、
ことを特徴とする偏分波器。
請求項１から請求項４のうちのいずれか１項に記載の偏分波器であって、
前記短絡端は、前記基端部から前記入出力端子に向けて突出する突起部を有し、
前記突起部は、前記第１の矩形導波管と前記共通導波管との間に形成された結合孔と対向し、かつ前記第２の矩形導波管と前記共通導波管との間に形成された結合孔と対向している
ことを特徴とする偏分波器。
請求項５に記載の偏分波器であって、前記突起部は、前記基端部から前記入出力端子に向かうに従って連続的または段階的に変化する断面をもつ円錐台形状または楕円錐台形状を有することを特徴とする偏分波器。
請求項５に記載の偏分波器であって、前記突起部は、前記基端部から前記入出力端子に向かうに従って連続的または段階的に変化する断面をもつ四角錐台形状を有することを特徴とする偏分波器。
請求項５から請求項７のうちのいずれか１項に記載の偏分波器であって、前記突起部は、円柱状または楕円柱状の先端部分を有することを特徴とする偏分波器。
請求項８に記載の偏分波器であって、前記突起部の当該先端部分は、前記共通導波管の管軸からオフセットした位置に配置されていることを特徴とする偏分波器。
請求項９に記載の偏分波器であって、前記先端部分は、円柱状または楕円柱状であることを特徴とする偏分波器。
請求項１から請求項１０のうちのいずれか１項に記載の偏分波器であって、
前記共通導波管は、
前記入出力端を有する導波管部と、
前記短絡端を有し、前記導波管部と縦続接続されてインピーダンス変成器として機能する結合導波管部と
を有することを特徴とする偏分波器。
請求項１から請求項１１のうちのいずれか１項に記載の偏分波器であって、
前記第１の矩形導波管は、
第１の矩形導波管部と、
前記共通導波管の側壁と接続され、前記第１の矩形導波管部と縦続接続されてインピーダンス変成器として機能する第１の結合導波管部とを有し、
前記第２の矩形導波管は、
第２の矩形導波管部と、
前記共通導波管の側壁と接続され、前記第２の矩形導波管部と縦続接続されてインピーダンス変成器として機能する第２の結合導波管部とを有する、
ことを特徴とする偏分波器。
請求項１２に記載の偏分波器であって、前記基端部、前記第１の結合導波管部及び前記第２の結合導波管部は、連続する外壁面を形成していることを特徴とする偏分波器。
請求項１から請求項１３のうちのいずれか１項に記載の偏分波器であって、前記第１の矩形導波管の当該入出力端子及び前記第２の矩形導波管の当該入出力端子と接続された９０度ハイブリッドカプラをさらに備えることを特徴とする偏分波器。
請求項１から請求項１４のうちのいずれか１項に記載の偏分波器であって、前記共通導波管、前記第１の矩形導波管及び前記第２の矩形導波管は、金属３Ｄプリンタを用いて金属粉末を積層造形することにより一体的に形成された造形物であることを特徴とする偏分波器。