JP7316836B2

JP7316836B2 - 導波管型偏分波器

Info

Publication number: JP7316836B2
Application number: JP2019092156A
Authority: JP
Inventors: 毅光島; 崇徳野呂; 裕三澁谷; 和夫及川
Original assignee: Japan Radio Co Ltd; Nisshinbo Micro Devices Inc
Current assignee: Japan Radio Co Ltd; Nisshinbo Micro Devices Inc
Priority date: 2019-05-15
Filing date: 2019-05-15
Publication date: 2023-07-28
Anticipated expiration: 2039-05-15
Also published as: JP2020188376A

Description

この発明は、衛星通信用アンテナなどに用いられる導波管型偏分波器に関し、特に、マジックＴ分岐回路を備える導波管型偏分波器に関する。

直交２偏波共用のアンテナシステムでは、水平偏波と垂直偏波を分離するための回路として偏分波器が用いられており、この偏分波器としてテーパ―ブランチ型やセプタムブランチ型、ターンスタイル型などが知られている。これらのうちターンスタイル型偏分波器は、広帯域な周波数特性の実現が可能とされ、共通導波管から四方に分岐導波管が広がり、共通導波管と分岐導波管との分岐部（４つの分岐導波管の交差部）に金属ブロックが配設されている。そして、共通導波管から入射された波が、金属ブロックで反射を抑制されて水平偏波と垂直偏波に分離し、４つの分岐導波管に分配される（例えば、特許文献１等参照。）。

このようなターンスタイル型偏分波器を広い周波数帯域で使用する場合、周波数帯域内に高次モード不要共振が発生するため、通過や反射および偏波分離特性に乱れが生じて、所望の特性が得られない場合がある。このため、導波管分岐箇所にマジックＴ分岐回路を使用し、高次モード不要共振をマジックＴ分岐回路のＨポート（吸収ポート）で吸収して、特性の乱れを防止する、という技術が知られている（例えば、特許文献２等参照。）。

特開２００３－２８３２０２号公報特開２００４－３１２２７１号公報

ところで、マジックＴ分岐回路は、Ｅ面Ｔ分岐とＨ面Ｔ分岐とを組み合わせた構造であり、その特性を十分に広帯域化することは一般に困難である。このため、マジックＴ分岐回路を偏分波器に適用しても、所望の周波数帯域内において高次モード不要共振を吸収できない周波数が生じてしまう。

そこで本発明は、広い周波数帯域にわたって高次モード不要共振を抑制可能な導波管型偏分波器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、Ｅ面Ｔ分岐とＨ面Ｔ分岐とを組み合わせたマジックＴ分岐回路を備える導波管型偏分波器であって、前記マジックＴ分岐回路の底面部に、前記マジックＴ分岐回路の内側に突出する凸状で前記Ｅ面Ｔ分岐の真下空間から前記Ｈ面Ｔ分岐にわたって延び、基本となるＥポートの周波数特性を広帯域化するとともに、広い周波数帯域にわたって高次モード不要共振を抑制するリッジ部が設けられている、ことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の導波管型偏分波器において、前記マジックＴ分岐回路の底面部の幅方向の中央部に設けられている、ことを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、マジックＴ分岐回路の底面部にリッジ部がＥ面Ｔ分岐からＨ面Ｔ分岐にわたって設けられているため、広い周波数帯域にわたって高次モード不要共振を抑制することが可能となる。すなわち、リッジ部をＥ面Ｔ分岐からＨ面Ｔ分岐にわたって設けることで、基本となるＥポートの周波数特性が広帯域化するとともに、Ｈポートの反射特性が広い周波数帯域にわたって良好となり、この結果、広い周波数帯域にわたって高次モード不要共振を抑制することが可能となる。しかも、底面部にリッジ部を設けるだけでよいため、高い加工精度などを要せず製造費を低減することが可能となる。

請求項２に記載の発明によれば、マジックＴ分岐回路の底面部の幅方向の中央部にリッジ部が設けられているため、広い周波数帯域にわたって高次モード不要共振をより効果的に抑制することが可能となる。

この発明の実施の形態に係る導波管型偏分波器を示す斜視図である。図１の導波管型偏分波器のＸＺ断面図である。図１の導波管型偏分波器のＹＺ断面図である。図１の導波管型偏分波器の円形導波管周辺のＹＺ断面図である。図１の導波管型偏分波器に適用されるマジックＴ分岐回路を示す模式図である。図５のマジックＴ分岐回路のＥポートの中心を含むＹＺ断面であり、リッジ部がない場合における、Ｅポート励振状態を示す模式図（ａ）と、Ｈポート励振状態を示す模式図（ｂ）である。図５のマジックＴ分岐回路のＥポートの中心を含むＹＺ断面であり、Ｈポートの幅を小さくした場合のＥポート励振状態を示す模式図（ａ）と、リッジ部を設けた場合のＨポート励振状態を示す模式図（ｂ）である。図１の導波管型偏分波器のマジックＴ分岐回路周辺を示す、斜視図（ａ）と正面図（ｂ）と、（ａ）のＡ－Ａ断面図（ｃ）である。図８のマジックＴ分岐回路の反射特性を示す図である。この発明の実施の形態において、リッジ部がＥ面Ｔ分岐のみに設けられた導波管型偏分波器のマジックＴ分岐回路周辺を示す、斜視図（ａ）と正面図（ｂ）と、（ａ）のＢ－Ｂ断面図（ｃ）である。図１０のマジックＴ分岐回路の反射特性を示す図である。図１の導波管型偏分波器のＳパラメータ特性を示す図である。図１０のマジックＴ分岐回路を採用した導波管型偏分波器のＳパラメータ特性を示す図である。

以下、この発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

図１～図４は、この発明の実施の形態に係る導波管型偏分波器１を示す斜視図と、ＸＺ断面図と、ＹＺ断面図と、円形導波管２周辺のＹＺ断面図である。なお、図２～図４は、円形導波管２の中心線を含む断面図である。この導波管型偏分波器１は、水平偏波と垂直偏波を分離するための回路であってマジックＴ分岐回路Ｍ１、Ｍ２を備え、リッジ部６を有する点を除いてマジックＴ分岐回路を備えた従来の導波管型偏分波器と同等であるため、同等の構成についての説明を省略するが、概略次のような構成となっている。ここで、図１～図４などにおいては、わかりやすくするために、導波管で構成される導波管内部つまり空間エリアのみを示している。

図１に示すように、断面が円形で共通ポートＰ１である円形導波管（共通導波管）２の底面側から、断面が四角い４つの矩形導波管（分岐導波管）３１～３４が十字状に四方に広がり、円形導波管２の底面部に金属ブロック４が配設されている。この金属ブロック４は、図４に示すように、周波数特性を広帯域化するために、先細の３段形状となっている。すなわち、下から順に円盤状の第１のブロック部４１、円柱状の第２のブロック部４２および第３のブロック部４３が積み重ねられて形成され、第１のブロック部４１から第３のブロック部４３にわたって、外径が順次小さく形成されている。

そして、円形導波管２から入射された波が、金属ブロック４で反射を抑制されて水平偏波と垂直偏波に分離し、４つの第１の矩形導波管３１～３４に分配される。第１の矩形導波管３１～３４には、それぞれ第２の矩形導波管５１～５４が接続され、第２の矩形導波管５１～５４は、管軸がそのＨ面において湾曲する部位と直線部位で形成されている。

マジックＴ分岐回路Ｍ１、Ｍ２は、Ｅ面Ｔ分岐（Ｅポート）とＨ面Ｔ分岐（Ｈポート）とを組み合わせた回路である。すなわち、Ｘ方向偏波のマジックＴ分岐回路Ｍ１は、第２の矩形導波管５１から伝搬する波と第２の矩形導波管５２から伝搬する波とを合成し、その基本モードの逆相合成された波をＥポートであるＸ方向偏波ポートＰ３に出力し、基本モードの同相合成された波をＨポートであるＸ方向吸収ポートＰ５に出力するが、Ｘ方向吸収ポートＰ５には条件次第で高次モードが冗長されることがある。

同様に、Ｙ方向偏波のマジックＴ分岐回路Ｍ２は、第２の矩形導波管５３から伝搬する波と第２の矩形導波管５４から伝搬する波とを合成し、その基本モードの逆相合成された波をＥポートであるＹ方向偏波ポートＰ２に出力し、基本モードの同相合成された波をＨポートであるＹ方向吸収ポートＰ４に出力するが、Ｙ方向吸収ポートＰ４には条件次第で高次モードが冗長されることがある。

このような構成において、マジックＴ分岐回路Ｍ１、Ｍ２の底面部に、基本となるＥポートの周波数特性を広帯域化するとともに、広い周波数帯域にわたって高次モード不要共振を抑制するリッジ部６が設けられている。このリッジ部６は、マジックＴ分岐回路Ｍ１、Ｍ２の内側に突出する金属製の凸状で、マジックＴ分岐回路Ｍ１、Ｍ２の底面部の幅方向の中央部に設けられ、ＥポートからＨポートにわたって延びている。

具体的には、Ｘ方向偏波のマジックＴ分岐回路Ｍ１の場合、図３に示すように、Ｘ方向偏波ポートＰ３に対向する底面の幅方向中央部に内側に突出する凸状のリッジ部６が設けられ、このリッジ部６がＸ方向偏波ポートＰ３からＸ方向吸収ポートＰ５まで貫通して延びている。ここで、幅方向とは、マジックＴ分岐回路Ｍ１から導波管つまり第２の矩形導波管５１、５２が伸びる方向である。同様に、Ｙ方向偏波のマジックＴ分岐回路Ｍ２の場合、図２に示すように、Ｙ方向偏波ポートＰ２に対向する底面の幅方向中央部に内側に突出する凸状のリッジ部６が設けられ、このリッジ部６がＹ方向偏波ポートＰ２からＹ方向吸収ポートＰ４まで貫通して延びている。このようにリッジ部６が設けられることで、マジックＴ分岐回路Ｍ１、Ｍ２のＨポートがリッジ導波管形状となっている。

このリッジ部６は、基本となるＥポート（Ｙ方向偏波ポートＰ２、Ｘ方向偏波ポートＰ３）の周波数特性が広帯域化するとともに、Ｈポート（Ｙ方向吸収ポートＰ４、Ｘ方向吸収ポートＰ５）の反射特性が広い周波数帯域にわたって良好となって、広い周波数帯域にわたって高次モード不要共振を抑制できるように、その形状、寸法および位置が設定されている。ここで、マジックＴ分岐回路Ｍ１、Ｍ２は、ともに同等の構成であるため、図５～図７に示す模式図に基づいて、以下に説明する。

図５に示すように、マジックＴ分岐回路１００は、Ｅポート１０１から延びる導波管の左右に導波管１０２、１０３が設けられ、導波管１０２、１０３の分岐点から垂直に延びる導波管の先端がＨポート１０４となる。

図６は、図５に示す座標系におけるＹＺ断面図を示す。図６（ａ）に示すＥポート励振の場合、Ｅポート１０１の基本モード（ＴＥ１０モード）の電界Ｆ１が、Ｅポート１０１の真下空間（分岐部）１０１ａを介して、左右の導波管１０２、１０３に伝搬される。この際、第１の導波管１０２に伝搬される基本モードＦ１と、第２の導波管１０３に伝搬される基本モードＦ１とは、互いに逆相となる。

また、基本モードＦ１が真下空間１０１ａから導波管１０２、１０３に伝搬される際に、真下空間１０１ａ内に基本モードＦ１のみならず高次モード（ＴＥ２０モード）Ｆ２が発生し、これにより、Ｈポート１０４に高次モードＦ２が誘起される。そして、導波管１０２、１０３の分岐部（真下空間１０１ａ）からＨポート１０４の間で高次モードＦ２が共振し、Ｅポート励振時の伝搬特性が劣化してしまう。

一方、図６（ｂ）に示すＨポート励振の場合には、導波管１０２、１０３から同相の基本モードＦ１がＥポート１０１の真下空間１０１ａに伝搬され、この基本モードＦ１がそのままＨポート１０４に伝搬される。このため、Ｈポート１０４に高次モードＦ２が誘起されず、Ｈポート励振時の伝搬特性は劣化しない。

また、図７（ａ）に示すように、Ｈポート１０４の幅を狭くした場合、上記図６（ａ）に示す高次モードＦ２の発生を抑制することができるが、基本モードＦ１がＨポート１０４を伝搬できなくなり、Ｈポート励振時の伝搬特性などが劣化してしまう。

これに対して、図７（ｂ）に示すように、Ｅポート１０１からＨポート１０４にわたってリッジ部６を設けることで、高次モードＦ２の発生を抑制することができ、かつ、Ｈポート１０４の幅を狭くする必要がないため、基本モードＦ１のＨポート１０４への伝搬特性も良好となる。つまり、高次モード不要共振を抑制しつつ周波数の広帯域化が可能となり、このような効果が得られるように、リッジ部６の形状、寸法および位置が設定されている。ここで、図７では、わかりやすくするために、Ｈポート１０４の幅を極端に小さく図示している。

このように、本導波管型偏分波器１によれば、マジックＴ分岐回路Ｍ１、Ｍ２の底面部にリッジ部６がＥポートからＨポートにわたって設けられているため、広い周波数帯域にわたって高次モード不要共振を抑制することが可能となる。すなわち、リッジ部６をＥポートからＨポートにわたって設けることで、基本となるＥポート（Ｙ方向偏波ポートＰ２、Ｘ方向偏波ポートＰ３）の周波数特性が広帯域化するとともに、Ｈポート（Ｙ方向吸収ポートＰ４、Ｘ方向吸収ポートＰ５）の反射特性が広い周波数帯域にわたって良好となり、この結果、広い周波数帯域にわたって高次モード不要共振を抑制することが可能となる。しかも、底面部にリッジ部６を設けるだけでよいため、高い加工精度などを要せず製造費を低減することが可能となる。

また、マジックＴ分岐回路Ｍ１、Ｍ２の底面部の幅方向の中央部にリッジ部６が設けられているため、広い周波数帯域にわたって高次モード不要共振をより効果的に抑制することが可能となる。

ここで、図８は、本導波管型偏分波器１のマジックＴ分岐回路Ｍ１、Ｍ２の周辺を示す図であり、図９は、本導波管型偏分波器１のＨポートの反射特性を示す図である。また、図１０は、リッジ部６がＥポートに設けられＨポートまで設けられていない導波管型偏分波器のマジックＴ分岐回路の周辺を示す図であり、図１１は、この導波管型偏分波器のＨポートの反射特性を示す図である。図９、図１１において、Ｌ１、Ｌ１１は、第１のポートＰａにおけるＳパラメータ反射特性を示す。Ｌ４、Ｌ１４は、第４のポートＰｄにおけるＳパラメータ反射特性を示す。また、図９、図１１中の符号ｆｃは使用中心周波数を示し、符号ｆｎは使用周波数帯域を示す。図１２、図１３においても同様である。

図１１に示す例では、リッジ部６がＨポートまで設けられていない場合には、使用周波数帯域ｆｎの低周波数帯域において、Ｈポートの反射特性Ｌ１４が良好でない。すなわち、マジックＴ分岐回路のＨポートを単なる矩形導波管とすると、その矩形導波管寸法により使用周波数帯域ｆｎにおいて高周波数帯域で高次モード不要共振が発生し特性が劣化する場合、あるいは、低周波数帯域が導波管カットオフ周波数以下となり特性が劣化する場合が発生する。この結果、Ｈポートの反射特性が広い周波数帯域において良好とはならない。

これに対して、図９に示すように、リッジ部６がＨポートまで設けられている場合には、例えばｆｃ±２６％という広い使用周波数帯域ｆｎの全域において、Ｈポートの反射特性Ｌ４が良好となる。すなわち、この例では、リッジ部６をＨポートまで設けることで、低周波数帯域での高次モード不要共振も吸収することができる。このように、リッジ部６をＥポートからＨポートにわたって設けることで、不要共振を抑制して広帯域化することが可能となる。

さらに、図１２は、図８のマジックＴ分岐回路を本導波管型偏分波器１に採用した際の、本導波管型偏分波器１のＳパラメータ特性を示す図であり、図１３は、図１０のマジックＴ分岐回路を導波管型偏分波器に採用した際の、導波管型偏分波器のＳパラメータ特性を示す図である。この図において、Ｌ２１、Ｌ３１は、共通ポートにおけるＸ方向偏波Ｓパラメータ反射特性を示し、Ｌ２２、Ｌ３２は、共通ポートにおけるＹ方向偏波Ｓパラメータ反射特性を示し、Ｌ２３、Ｌ３３は、Ｘ方向偏波とＹ方向偏波の偏波分離特性を示す。図１３に示すように、図１０のマジックＴ分岐回路を採用した際には、高次モード不要共振の影響で、Ｘ方向偏波とＹ方向偏波の偏波分離特性（Ｌ３３）の使用周波数帯域ｆｎ内にリップルが生じ、設定した目標値を満たさなくなる場合が生じる。これに対して、図１２に示すように、図８のマジックＴ分岐回路を採用した本導波管型偏分波器１では、高次モード不要共振が抑圧され、Ｘ方向偏波とＹ方向偏波の偏波分離特性（Ｌ２３）が使用周波数帯域ｆｎ内で設定した目標値を十分満たすことが認められる。

以上、この発明の実施の形態について説明したが、具体的な構成は、上記の実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。例えば、上記の実施の形態では、導波管型偏分波器にターンスタイル型偏分波器が採用された場合について説明したが、その他の偏分波器であってもよい。

１導波管型偏分波器
２円形導波管（共通導波管）
３１～３４第１の矩形導波管（分岐導波管）
４金属ブロック
５１～５４第２の矩形導波管
６リッジ部
Ｍ１、Ｍ２マジックＴ分岐回路
Ｐ１共通ポート
Ｐ２Ｙ方向偏波ポート、Ｅポート（Ｅ面Ｔ分岐）
Ｐ３Ｘ方向偏波ポート、Ｅポート（Ｅ面Ｔ分岐）
Ｐ４Ｙ方向吸収ポート、Ｈポート（Ｈ面Ｔ分岐）
Ｐ５Ｘ方向吸収ポート、Ｈポート（Ｈ面Ｔ分岐）

Claims

Ｅ面Ｔ分岐とＨ面Ｔ分岐とを組み合わせたマジックＴ分岐回路を備える導波管型偏分波器であって、
前記マジックＴ分岐回路の底面部に、前記マジックＴ分岐回路の内側に突出する凸状で前記Ｅ面Ｔ分岐の真下空間から前記Ｈ面Ｔ分岐にわたって延び、基本となるＥポートの周波数特性を広帯域化するとともに、広い周波数帯域にわたって高次モード不要共振を抑制するリッジ部が設けられている、
ことを特徴とする導波管型偏分波器。
前記リッジ部が、前記マジックＴ分岐回路の底面部の幅方向の中央部に設けられている、
ことを特徴とする請求項１に記載の導波管型偏分波器。