JP7128570B2

JP7128570B2 - 導波管カプラ

Info

Publication number: JP7128570B2
Application number: JP2022533343A
Authority: JP
Inventors: 秀憲湯川; 毅大島; 裕之青山; 徹高橋
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2020-07-30
Filing date: 2020-07-30
Publication date: 2022-08-31
Anticipated expiration: 2040-07-30
Also published as: WO2022024318A1; JPWO2022024318A1

Description

本開示は導波管カプラに関する。

一般に、１８０度位相差の分配を可能とする導波管カプラとして、ラットレースリング型の導波管カプラ（以下「ラットレースカプラ」という）が知られている。ラットレースカプラは、環状の主線路部と、４つの入出力線路とから構成されている。環状の主線路部は、３本の｛ｎλ／４｝の長さの主線路と、１本の｛ｎλ／４＋λ／２｝の長さの主線路とが環状に接続されて構成されている（ここでλは使用中心周波数ｆ０の波長、ｎは奇数）。この主線路の接続部４か所には、前記４つの入出力線路がそれぞれ接続されている。この４つの入出力線路には、主線路側と接続されている側とは反対側の端に、４つのポート（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、及びＰ４）がそれぞれ設けられている（例えば、非特許文献１の図１２、図１５）。

ラットレースカプラのポートの１つに波長λの高周波が入力されると、その高周波は、残りの３つのポートのうちの２つのポートから等分に分配されて出力される。入力ポートの選び方によって、分配される高周波が同相になる場合と１８０度位相差になる場合とがある。非特許文献１の図１２で説明すると、ポートＰ１に入力した場合はポートＰ２、Ｐ４に同相で分配され、ポートＰ２に入力した場合はポートＰ１、Ｐ３に１８０度位相差で分配される。

Ｊ．ＲｅｅｄａｎｄＧ．Ｊ．Ｗｈｅｅｌｅｒ， "ＡＭｅｔｈｏｄｏｆＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＳｙｍｍｅｔｒｉｃａｌＦｏｕｒ－ＰｏｒｔＮｅｔｗｏｒｋｓ"，ＩＲＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＭｉｃｒｏｗａｖｅＴｈｅｏｒｙａｎｄＴｅｃｈｎｉｑｕｅｓ（Ｖｏｌｕｍｅ：４，Ｉｓｓｕｅ：４，Ｏｃｔｏｂｅｒ１９５６）

従来のラットレースカプラにおいては、３本の主線路の長さがλ／４の奇数倍であり、１本の主線路の長さが当該３本の主線路の長さよりもちょうどλ／２（使用中心周波数ｆ０の波長の半分）だけ長い。このように主線路の長さが使用中心周波数ｆ０の波長λを基に決められているため、入力された高周波が使用中心周波数ｆ０である場合、高周波は環状の主線路部を時計回りと反時計回りとに分かれて伝わり、出力ポートにおいてうまく打ち消し合ったり重なったりする。その結果、使用中心周波数ｆ０の高周波は同相または１８０度位相差の分配が可能となる。

ところが、入力された高周波が使用中心周波数ｆ０と異なる周波数ｆである場合、この高周波は出力ポートにおいてうまく打ち消し合ったり重なったりしない。その結果、使用中心周波数ｆ０とは異なる周波数ｆにおいては設計どおりの分配振幅及び分配位相が得られない。従来のラットレースカプラは、主線路の長さと入力した高周波の波長との関係に依拠して分配振幅及び分配位相が決まってしまう、という課題があった。本開示は、この課題を解決するべく、入力した高周波の波長に依拠しない位相補正の仕組みを備えた導波管カプラを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本開示の導波管カプラは、全体のツイスト角度が０度であり、使用中心周波数における通過位相が９０度の奇数倍である第１から第３の主導波管部と、全体のツイスト角度がプラスまたはマイナス１８０度であり、その通過位相が前記第１から第３の主導波管部の通過位相と１８０度反転している第４の主導波管部と、環状に接続された前記第１から第４の主導波管部の各接続部に接続された第１から第４の入出力導波管と、を備えた。

上記の構成とすることで、使用中心周波数ｆ０とは異なる周波数ｆにおいても、第４の主導波管部は第１から第３の主導波管部と通過位相差が１８０度となるため、主線路の長さを１つだけ他の主線路よりλ／２だけ長くすることと同じ効果が得られる。この入力した高周波の波長に依拠しない位相補正の仕組みにより、従来のラットレースカプラよりも周波数帯域が広い導波管カプラを得ることができる。

実施の形態１に係る導波管カプラの構成を説明するための斜視図実施の形態１に係る導波管カプラの構成を説明するための平面図実施の形態１に係るツイスト導波管の斜視図図３の矢印Ａ－Ａで示した箇所の断面図第１から第３の位相補正部１７、１８、１９の斜視図第４の位相補正部２０の斜視図従来のラットレースカプラの計算モデルの斜視図従来のラットレースカプラの計算モデルの平面図従来のラットレースカプラを形成する２種類の主導波管の通過位相差を検証するための計算モデル従来のラットレースカプラにおける２種類の主導波管の通過位相差のシミュレーション結果従来のラットレースカプラの通過、結合の振幅特性のシミュレーション結果従来のラットレースカプラの分配振幅差のシミュレーション結果従来のラットレースカプラの分配位相差のシミュレーション結果その１従来のラットレースカプラの分配位相差のシミュレーション結果その２実施の形態１による導波管カプラの計算モデル実施の形態１による導波管カプラを形成する２種類の主導波管部の通過位相差を検証するための計算モデル実施の形態１に係る導波管カプラの２種類の主導波管部の通過位相差のシミュレーション結果実施の形態１に係る導波管カプラの通過、結合の振幅特性のシミュレーション結果実施の形態１に係る導波管カプラの分配振幅差のシミュレーション結果実施の形態１に係る導波管カプラの分配位相差のシミュレーション結果その１実施の形態１に係る導波管カプラの分配位相差のシミュレーション結果その２実施の形態１に係る導波管カプラの位相補正部を入れ子に配置した例実施の形態２に係る導波管カプラの構成を説明するための斜視図実施の形態２に係る導波管カプラの構成を説明するための平面図実施の形態２に係る導波管カプラを構成するツイスト導波管の斜視図実施の形態２に係るハーフハイトの導波管カプラの構成を説明するための斜視図実施の形態２に係るハーフハイトの導波管カプラの構成を説明するための平面図実施の形態３に係る導波管カプラの構成を説明するための斜視図実施の形態３に係る導波管カプラの構成を説明するための平面図実施の形態３に係るツイスト導波管の斜視図図２４の矢印Ｂ－Ｂで示した箇所の断面図本開示の実施の形態４に係る導波管カプラの構成を説明するための斜視図本開示の実施の形態４に係る導波管カプラの構成を説明するための平面図

実施の形態１．
図１は本開示の実施の形態１に係る導波管カプラの構成を説明するための斜視図である。以降特に指示がない場合、図に示した導波管は、導波管の中空部の形状を表している。実施の形態１に係る導波管カプラは、環状の主導波管部と、４つの入出力導波管とから構成されている。環状の主導波管部は、第１の主導波管部９、第２の主導波管部１０、第３の主導波管部１１、及び第４の主導波管部１２が環状に接続されて構成されている。この主導波管部の接続箇所は、第１の接続部１３、第２の接続部１４、第３の接続部１５、及び第４の接続部１６であり、それぞれ第１の入出力導波管１、第２の入出力導波管２、第３の入出力導波管３、及び第４の入出力導波管４が放射状に接続されている。この４つの入出力導波管には、主導波管側と接続されている側とは反対側の端にそれぞれ第１の入出力端子５、第２の入出力端子６、第３の入出力端子７、及び第４の入出力端子８が設けられている。

また、図２は本開示の実施の形態１に係る導波管カプラの構成を説明するための平面図である。第１から第４の主導波管部９、１０、１１、１２は、それぞれ第１の位相補正部１７、第２の位相補正部１８、第３の位相補正部１９、及び第４の位相補正部２０を有している。第１の位相補正部１７は、ツイスト導波管２１、２２が直列に接続され構成される。同様に、第２の位相補正部１８、第３の位相補正部１９、及び第４の位相補正部２０は、ツイスト導波管２３、２４、ツイスト導波管２５、２６、及びツイスト導波管２７、２８がそれぞれ直列に接続され構成される。

図３Ａは本開示の実施の形態１に係るツイスト導波管２１から２８の外観の斜視図である。図３Bは、図３Aで示したツイスト導波管２１から２８の中空部を示したものである。図４は図３の矢印Ａ－Ａで示した箇所の断面図である。ツイスト導波管２１から２８は、２つのツイスト入出力導波管２９、３０が、導波管変換部３１を介して接続され構成される。導波管変換部３１は、正方形導波管の２隅を切り欠いて形成される。２隅を切り欠いた正方形導波管は、図４Aまたは図４Bで示した断面形状が考えられる。

図５は第１から第３の位相補正部１７、１８、１９の斜視図である。第１の位相補正部１７は、２つの直列に接続されたツイスト角度がプラスまたはマイナス９０度のツイスト導波管２１、２２を有し、全体のツイスト角度が０度である。第２の位相補正部１８、第３の位相補正部１９も、第１の位相補正部１７と同じように構成され、同じく、全体のツイスト角度が０度である。第１から第３の主導波管部９、１０、１１は、それぞれ第１から第３の位相補正部１７、１８、１９を有する。また、第１から第３の主導波管部９、１０、１１は、どれも使用中心周波数ｆ０において９０度の通過位相となる長さである。

図６は、第４の位相補正部２０の斜視図である。第４の位相補正部２０は、２つの直列に接続されたツイスト角度がプラスまたはマイナス９０度のツイスト導波管２７、２８を有し、全体のツイスト角度がプラスまたはマイナス１８０度である。また、第４の位相補正部２０を有する第４の主導波管部１２は、第１から第３の主導波管部９、１０、１１と同じ長さである。

本開示の導波管カプラの動作は、次のように説明できる。ツイスト角度がプラスまたはマイナス９０度のツイスト導波管は、導波管を機械的にねじって構成する方法や、図３に示したようにツイスト入出力導波管２９、３０の向きが直交するように接続して構成する方法が考えられる。導波管変換部３１の長さや切り欠く大きさは反射特性に寄与する設計パラメータである。図５及び図６で示した矢印は電界の向きを表している。図５で示した第１から第３の位相補正部１７、１８、１９においては、両端での電界の向きは同じである。一方、図６に示した第４の位相補正部２０においては、両端での電界の向きは逆である。ここで、図５と図６とで示した位相補正部は、高周波が伝搬する物理的な長さは同じである。このように伝搬距離が同じであるため、この距離により生じる通過位相は同じである。すなわち、図５に示す位相補正部と図６に示す位相補正部では周波数ｆによらず１８０度（マイナス１８０度）の位相差が生じることになる。このため、図５に示す位相補正部を備えた主導波管部の通過位相がある周波数ｆ０で９０度の場合、図６に示す位相補正部を備えた主導波管部の通過位相は同じ周波数ｆ０で２７０度（マイナス９０度）となる。

したがって、本開示の実施の形態１に係る導波管カプラは、ラットレースカプラとして機能することになる。また、ラットレースカプラとして機能するための３つの主導波管部とひとつの主導波管部との位相差１８０度は周波数ｆによらずに得られるため、本開示の実施の形態１に係る導波管カプラは従来のラットレースカプラよりも周波数帯域が広い。

本開示の導波管カプラの効果は、電磁界シミュレーション結果を用いて次のように説明できる。図７は従来のラットレースカプラの計算モデルの斜視図、図８はその平面図、図９は従来のラットレースカプラを形成する２種類の主導波管の通過位相差を検証するための計算モデルである。図１０は、従来のラットレースカプラにおける２種類の主導波管の通過位相差のシミュレーション結果を示したものである。周波数ｆが使用中心周波数ｆ０において１８０度の通過位相差が得られているものの、周波数ｆが使用中心周波数ｆ０から離れるにしたがってその差が１８０度からずれている。

図１１－１～４は、従来のラットレースカプラの周波数特性のシミュレーション結果を示したものである。横軸は周波数｛ｆ／ｆ０｝を表し、入力される高周波の周波数ｆを使用中心周波数ｆ０で割ることによって正規化している。

図１１－１は、プロットＳ１４、Ｓ３２、Ｓ１２及びＳ３４を示したものである。プロットＳ１４は、ｐｏｒｔ４からｐｏｒｔ１までの周波数伝達関数の振幅特性である。プロットＳ３２は、ｐｏｒｔ２からｐｏｒｔ３までの周波数伝達関数の振幅特性である。同様に、プロットＳ１２はｐｏｒｔ２からｐｏｒｔ１までの、プロットＳ３４はｐｏｒｔ４からｐｏｒｔ３までの、それぞれの周波数伝達関数の振幅特性である。これらのプロットは、「通過、結合の振幅特性」と呼ぶことにする。通過、結合の振幅特性は使用中心周波数ｆ０のみにおいて振幅が一致し、使用中心周波数ｆ０から離れるにしたがってその差が大きくなっている。また、図示しないが、通過、結合の位相特性も使用中心周波数ｆ０のみにおいて１８０度あるいは０度となり、使用中心周波数ｆ０から離れるにしたがってその差が大きくなっている。

図１１－２は、プロットＳ１２－Ｓ３２、Ｓ１４－Ｓ３４を示したものである。プロットＳ１２－Ｓ３２は、前述のプロットＳ１２が表す周波数伝達関数から、前述のプロットＳ３２が表す周波数伝達関数を引いた関数の振幅特性である。すなわち、プロットＳ１２－Ｓ３２は、ｐｏｒｔ２に高周波を入力したときのｐｏｒｔ１とｐｏｒｔ３とに分配された信号について、ｐｏｒｔ１の信号からｐｏｒｔ３の信号を引き算して得られる信号の振幅特性である。同様にプロットＳ１４－Ｓ３４は、ｐｏｒｔ４に高周波を入力したときのｐｏｒｔ１とｐｏｒｔ３とに分配された信号について、ｐｏｒｔ１の信号からｐｏｒｔ３の信号を引き算して得られる信号の振幅特性である。これらのプロットは、「分配振幅差」と呼ぶことにする。

図１１－３及び図１１－４は、それぞれプロットＳ１２－Ｓ３２及びプロットＳ１４－Ｓ３４を示したものである。図１１－３のプロットＳ１２－Ｓ３２は、ｐｏｒｔ２に高周波を入力したときの、ｐｏｒｔ１とｐｏｒｔ３とに分配された信号について、ｐｏｒｔ１の信号からｐｏｒｔ３の信号を引き算して得られる信号の位相特性を表す。同様に、図１１－４のプロットＳ１４－Ｓ３４は、ｐｏｒｔ４に高周波を入力したときの、ｐｏｒｔ１とｐｏｒｔ３とに分配された信号について、ｐｏｒｔ１の信号からｐｏｒｔ３の信号を引き算して得られる信号の位相特性を表す。これらのプロットは、「分配位相差」と呼ぶことにする。

図１１－２～４で示したように、従来のラットレースカプラの分配振幅差と分配位相差は使用中心周波数ｆ０では設計値どおりだが、使用中心周波数ｆ０から離れるにしたがって設計値から外れてくる。例えば、分配振幅差を０～０．２［ｄＢ］まで許容した場合、使用に適した周波数帯域は、｛ｆ／ｆ０｝がおおよそ０．９９から１．０１までである。

一方、図１２から図１５－１～４は、本開示の実施の形態１に係る導波管カプラの周波数特性のシミュレーションについて示したものである。図１２は実施の形態１による導波管カプラの計算モデル、図１３は実施の形態１による導波管カプラを形成する２種類の主導波管部の通過位相差を検証するための計算モデルである。図１４は、本開示の実施の形態１に係る導波管カプラの２種類の主導波管部の通過位相差のシミュレーション結果である。周波数ｆによらず１８０度の通過位相差が得られていることがわかる。また、図１５は、本開示の実施の形態１に係る導波管カプラの周波数特性のシミュレーション結果である。図１５－１は、通過、結合振幅特性を表した図である。図１５－２は、分配振幅差を表した図である。図１５－３及び図１５－４は、それぞれプロットＳ１２－Ｓ３２及びプロットＳ１４－Ｓ３４を示しており、分配位相差の図である。図１５－２の分配振幅差及び図１５－３、図１５－４の分配位相差は、周波数依存性は小さいことがわかる。従来のラットレースカプラと同様に分配振幅差を０～０．２［ｄＢ］まで許容した場合、本開示の実施の形態１に係る導波管カプラの使用に適した周波数帯域は、｛ｆ／ｆ０｝が０．９０から１．０３よりも広い。

以上のように、実施の形態１に係る導波管カプラは本開示の構成とすることで、使用中心周波数ｆ０とは異なる周波数ｆにおいても、主線路の長さを１つだけ他の主線路よりλ／２だけ長くすることと同じ効果が得られる。この入力した高周波の波長に依拠しない位相補正の仕組みにより、従来のラットレースカプラよりも周波数帯域が広い導波管カプラを得ることができる。

また、第１、第２、第３、第４の主導波管部９、１０、１１、１２の物理的な長さは全く同じとなり、正方形状の配置が可能となる。このため、主線路の物理的な長さが異なる従来のラットレースリングに比べて小形になるという効果もある。

また、図１６に示すように、位相補正部の位置は主導波管の中央である必要はなく、入れ子になるようにしてもよい。この場合も各主導波管部の通過位相の関係は変わらないため、同様の効果が得られる。さらに、位相補正部どうしの位置が離れることになるため、導波管の壁を厚くすることができ、製造容易性や強度が向上するという効果も有する。

なお、ここでは、第１、第２、第３の主導波管部９、１０、１１の通過位相が９０度となる場合について示したが、９０度の奇数倍となるようにしてもよい。

実施の形態２．
図１７は本開示の実施の形態２に係る導波管カプラの構成を説明するための斜視図、図１８はその平面図、図１９は実施の形態２に係る導波管カプラを構成するツイスト導波管１２１～１２８（代表して１２１）の斜視図である。図１７、１８、１９に示すように、実施の形態２に係るツイスト導波管１２１～１２８は、その広壁面寸法（いわゆるＡ寸法）の縁端部に沿ってＲ（まるみ）が設けられている。

本実施の形態２によっても、実施の形態１と同様の効果が得られる。

また、実施の形態２に係るツイスト導波管１２１～１２８は、縁端部にＲが設けられているため、ツイスト導波管１２６とツイスト導波管１２７とが近接する箇所の間を広げて導波管の壁を厚くすることがきる（図１８の点線の円で囲った部分）。これにより、製造容易性や強度が向上するという効果も有する。

また、図２０、２１で示す入出力導波管１０１Ｂ～１０４Ｂは、標準ではなくハーフハイト（Ｂ寸法が標準の半分）とした場合である。主導波管部１０９Ｂ～１１２ＢのＢ寸法も細くなるため、入出力導波管１０１Ｂ～１０４Ｂを標準導波管で形成した場合に比べツイスト導波管１２１Ｂとツイスト導波管１２２Ｂとがさらに近接することになる。このため、導波管カプラを構成する導波管の縁端部にＲを設ける効果はさらに大きくなる。

なお、ここで導波管の縁端部にＲを設けた場合について示したが、導波管は縁端部にＣ（カット）を設けてもよい。

実施の形態３．
図２２は本開示の実施の形態３に係る導波管カプラの構成を説明するための斜視図、図２３はその平面図である。実施の形態３に係るツイスト導波管２２１～２２８は、円弧状の導波管変換部２３１を有する。図２４は実施の形態３に係るツイスト導波管２２１～２２８（代表して２２１）の斜視図、図２５は図２４の矢印Ｂ－Ｂで示した箇所の断面図である。実施の形態３に係る正方形導波管は、図２５Aまたは図２５Bの断面形状が考えられる。

ツイスト導波管２２１～２２８の導波管変換部２３１は、その中央部に電界が集中するため、その形状が円弧状でも正方形状でも特性は変わらない。したがって、本実施の形態３に係る導波管カプラは、実施の形態１に係る導波管カプラと同様の効果が得られる。

さらに、ツイスト導波管２２１～２２８の導波管返還部２３１が円弧状となっているため、ツイスト導波管２２１～２２８が近接する箇所の間を広げて導波管の壁を厚くすることができ、製造容易性や強度が向上するという効果も有する。

さらに、実施の形態３に係る導波管ツイスト２２１～２２８は、縁端部に沿ってＲやＣ（カット）を設けてもよい。

実施の形態４．
図２６は本開示の実施の形態４に係る導波管カプラの構成を説明するための斜視図、図２７はその平面図である。実施の形態４に係る導波管カプラは、主導波管部３０９～３１２と入出力導波管３０１～３０４との接続部３１３～３１６において、主導波管部が鋭角ではなく滑らかに接続されている。

本実施の形態４に係る導波管カプラは、実施の形態１に係る導波管カプラと同様の効果が得られる。

さらに、実施の形態４に係る導波管カプラは、接続部３１３～３１６において主導波管部が鋭角ではなく滑らかに接続されているため、良好な反射特性が得られやすいという効果も有する。

１、１Ｂ、１０１、１０１Ｂ、３０１第１の入出力導波管、２、２Ｂ、１０２、１０２Ｂ、３０２第２の入出力導波管、３、３Ｂ、１０３、１０３Ｂ、３０３第３の入出力導波管、４、４Ｂ、１０４、１０４Ｂ、３０４第４の入出力導波管、５、５Ｂ第１の入出力端子、６、６Ｂ第２の入出力端子、７、７Ｂ第３の入出力端子、８、８Ｂ第４の入出力端子、９、９Ｂ、１０９、１０９Ｂ、２０９、３０９第１の主導波管部、１０、１０Ｂ、１１０、１１０Ｂ、２１０、３１０第２の主導波管部、１１、１１Ｂ、１１１、１１１Ｂ、２１１、３１１第３の主導波管部、１２、１２Ｂ、１１２、１１２Ｂ、２１２、３１２第４の主導波管部、１３、３１３第１の接続部、１４、３１４第２の接続部、１５、３１５第３の接続部、１６、３１６第４の接続部、１７第１の位相補正部、１８第２の位相補正部、１９第３の位相補正部、２０第４の位相補正部、２１～２８、１２１～１２８、１２１Ｂ～１２８Ｂ、２２１～２２８ツイスト導波管、２９、３０、１２９、１３０、２２９、２３０ツイスト入出力導波管、３１、１３１、２３１導波管変換部、ｆ周波数、ｆ０使用中心周波数。

Claims

全体のツイスト角度が０度であり、使用中心周波数における通過位相が９０度の奇数倍である第１から第３の主導波管部と、
全体のツイスト角度がプラスまたはマイナス１８０度であり、その通過位相が前記第１から第３の主導波管部の通過位相と１８０度反転している第４の主導波管部と、
環状に接続された前記第１から第４の主導波管部の各接続部に接続された第１から第４の入出力導波管と、
を備えたことを特徴とする導波管カプラ。
前記主導波管部は、２つの直列に接続されたツイスト角度がプラスまたはマイナス９０度のツイスト導波管を有することを特徴とする請求項１記載の導波管カプラ。
前記ツイスト導波管は、導波管変換部の広壁面側の縁端部に沿ってまるみを有することを特徴とする請求項２記載の導波管カプラ。
前記ツイスト導波管は、導波管変換部の広壁面側の縁端部に沿って面取りされていることを特徴とする請求項２記載の導波管カプラ。
前記ツイスト導波管は、導波管変換部の狭壁面側の縁端部が円弧状であることを特徴とする請求項２から請求項４のうちいずれか１項記載の導波管カプラ。
前記第１から第４の主導波管部と前記第１から第４の入出力導波管とは、前記各接続部において鋭角に接続されたことを特徴とする請求項２から請求項４のうちいずれか１項記載の導波管カプラ。
前記第１から第４の主導波管部と前記第１から第４の入出力導波管とは、前記各接続部において滑らかに接続されたことを特徴とする請求項２から請求項４のうちいずれか１項記載の導波管カプラ。