JP7581328B2 - 全帯域直交モード変換器 - Google Patents

Description

本開示は、概して、電磁信号、特には、ＲＦ及びマイクロ波信号用の変換器の分野に関する。より詳細には、本開示は、導波管型の直交モード変換器（ＯＭＴ（orthomode transducers））に関する。

導波管直交モード変換器（ＯＭＴ）は、偏波ダイバーシチが要求されるマイクロ波システム、特にレーダー及び放射測定において広範囲に使用されている。無線通信においては、ＯＭＴは、単一のアンテナにおいて、第１の偏波を持つ信号を受信し、第２の直交偏波を持つ信号を送信するように用いられる。典型的なＯＭＴは、３ポートデバイスであり、２つの直交する偏波信号を分波及び／又は合波する。

ＯＭＴにおいて探求される主な品質は、高い偏波純度、ポート間の高いアイソレーション、広い周波数のカバー帯域、及びコンパクトな寸法である。一般的にＯＭＴが反射アンテナフィード（reflector antenna feeds）の一部として構成されるため、コンパクトさは、重要な特質である。中央フィード反射アンテナにおいては、小サイズのフィードは、アンテナの中央の妨害及び関連のビーム歪を低減するために重要である。幾つかの既存のＯＭＴ（例えば、米国特許第６８４２０８５号）は、相対的にコンパクトかもしれないが、典型的には相対的に狭い周波数帯域上でしか動作せず、なぜなら、それらの設計に固有の性質のため、ポート間のアイソレーションを低減し、交差偏波を増加させ、かつ電圧定在波比を増加させる高次導波管モードを励起する傾向があるためである。例えば、上述の米国特許第６８４２０８５号に開示されたような相対的にコンパクトな多くのＯＭＴは、第１ポートを有する第１導波管部、第２ポートを有する第２導波管部、及び第３ポートを有する第３導波管部を有し、第１及び第３ポートが同一直線上にあり、第２ポートがサイドポートとして構成される。従って、第２（サイド）ポートは、第１及び第３ポート間を伝播する信号のために電磁非対称性を取り入れる。その非対称性は、高次導波管モードを励起する傾向があり得る。

ＯＭＴにおいて高次モードを抑制し、これにより周波数の有効帯域を拡大する一つの方法は、米国特許第８８１６９３０号に開示のような、導波管アームが対称に配置されたＯＭＴを設計することである。しかしながら、そのような対称なＯＭＴは、大きすぎ、及び／又は、多くの用途にとって扱いにくく、また、製造するのに高価及び／又は複雑であると考えられている。

従って、広い周波数帯域に亘って動作しつつも高い偏波純度と高いポート間アイソレーションを提供するように高次導波管モードの励起を抑制するシンプル、コンパクトな導波管ＯＭＴを提供することが関連技術において進歩になる。

本開示は、第１、第２、及び第３導波管部を備えるコンパクトな全帯域導波管ＯＭＴに関する。第１偏波を持つ信号の伝播をサポートする第１導波管部は、第１偏波を透過し、第１偏波に直交する第２偏波を反射する第１導電性ワイヤ格子偏波フィルタ（「ワイヤ格子偏波器」）を含む。第２偏波を持つ信号の伝播をサポートするように構成された第２導波管部は、第２偏波を透過し、第１偏波を反射する第２ワイヤ格子偏波器を含む。第１及び第２導波管部は、第１及び第２偏波の両方を持つ信号の伝播をサポートする第３導波管部に移行する。

動作においては、第１導波管部のポートに進入した第１偏波の無線周波数信号は、第３導波管部に伝播し、第３導波管部のポートで第１偏波を持つ信号として受信される。第１偏波を持つ信号は、第２ワイヤ格子偏波器により第２導波管部に進入することから阻止される。互恵的に、第３導波管部のポートに進入した第１偏波の無線周波数信号は、第１導波管部に伝播し、第１導波管部のポートで第１偏波を持つ信号として受信される。繰り返すが、第１偏波を持つ信号は、第２ワイヤ格子偏波器により第２導波管部に進入することから阻止される。

第２導波管部のポートに進入した第２偏波の無線周波数信号は、第３導波管部に伝播し、第３導波管部のポートで第２偏波を持つ信号として受信される。第２偏波を持つ信号は、第１ワイヤ格子偏波器により第１導波管部に進入することから阻止される。互恵的に、第３導波管部のポートに進入した第２偏波の無線周波数信号は、第２導波管部に伝播し、第２導波管部のポートで第２偏波を持つ信号として受信される。繰り返すが、第２偏波を持つ信号は、第１ワイヤ格子偏波器により第１導波管部に進入することから阻止される。

他の態様の中でも、本開示に係るＯＭＴは、ワイヤ格子偏波器の使用により、全導波管周波数帯に亘って高い偏波純度及び高いポート間アイソレーションを実現することができる。更には、これらの有利な特徴は、コンパクトで、製造し易い装置で実現され得る。本開示に係るＯＭＳのこれら及び他の特徴、利益、及び属性は、後述の詳細な説明からより十分に理解される。

図１は、本開示の実施形態に係る全帯域導波管直交モード変換器（ＯＭＴ）の理想化された図である。 図２は、ＯＭＴの第１及び第３導波管ポート間で第１偏波を持つ信号のパスを示す図１のＯＭＴの線図である。 図３は、ＯＭＴの第２及び第３導波管ポート間で第２偏波を持つ信号のパスを示す図１のＯＭＴの線図である。 図４Ａ及び４Ｂは、ワイヤ格子偏波器の偏波フィルタ機能の概略的な描写である。 図５は、本開示に係る模範的なＯＭＴの周波数の関数としての電圧定在波比を示すグラフである。 図６は、本開示に係る模範的なＯＭＴの周波数の関数としての第１及び第２導波管部間のアイソレーション（ｄＢ）を示すグラフである。 図７は、本開示に係る模範的なＯＭＴの周波数の関数としての第１及び第２直交偏波を持つ信号間での（結合）交差偏波（ｄＢ）を示すグラフである。

図１は、本開示の実施形態に係る導波管直交モード変換器（ＯＭＴ）１０を示す。導波管ＯＭＴ１０は、お互いに結合した第１導波管部１２、第２導波管部１４及び第３導波管部１６を備える。図示の実施形態においては、第１導波管部１２及び第３導波管部１６が単一体であり、実質的に同一直線上にあり、他方、第２導波管部１４は、実質的に直角をなすように第１及び第３導波管部１２、１６に固定されるが、特定の用途及び／又は状況によっては他の構成が自ずと提案される。導波管部１２、１４，１６は、断面にて実質的に矩形に図示されているが、特定の状況下では他の断面形状が適切又は好まれ得る。

（図１に図示の第１及び第２導波管１２，１４といった）矩形断面導波管の動作周波数帯は、導波管を通過する電磁波の基本（ＴＥ₁₀）モードのものである。長い方の寸法がＸ軸を規定し、短い方の寸法がＹ軸を規定する断面を持つように矩形導波管が規定されるならば、波の伝播方向がＺ軸を規定する。ＴＥ₁₀モードにおいて、Ｚ軸に沿って矩形導波管を伝播する電磁波の電場は、Ｙ軸に平行であり、かつＺ軸に直交する平面で振幅し、他方、磁場は、Ｚ軸に平行な平面で振幅する成分を有する。矩形導波管を伝播する電磁波とは対照的に、自由空間を制約されずに伝播する電磁波においては（即ち、「平面波」）、電場及び磁場の両方が、伝播方向（即ち、Ｚ軸）に直交する平面ら（電磁横又はＴＥＭモード）で完全に振幅する；即ち、いずれの場もＺ軸に沿って振幅する成分を有しない。後述から分かるように、本開示に係るＯＭＴは、矩形導波管を通過する伝播波のこの異なる特性を利用する。

米国での慣例の学名命名法に応じて、矩形断面導波管を「ＷＲｘ」と名付け、「ｘ」が２つの断面導波管寸法の大きい方を示す３と２３００の間の数であり、小さい方の寸法が、典型的には、大きい方の寸法の半分である。従って、例えば、ＷＲ６２導波管は、０．６２２インチの大きい方の内寸を有し、従って、小さい方の内寸が０．３１１インチであり、また、典型的には、１２．４～１８．０ＧＨｚの全周波数帯をカバーする。しかしながら、本開示は、導波管の標準的なサイズに限定されず、また如何なる特定の導波管形状にも限定されない。

再び図１を参照すると、第１導波管部１２は、有利にも中間部を有し、第１ポート１８から内端に向けて個別の増分又は段差１９で第１導波管部１２の短い方の寸法（「Ｙ軸」と呼ばれ得る）を増加することにより断面積が徐々に（incrementally）増加し、そこで、第２及び第３導波管部１４，１６に結合される。幾つかの実施形態では、第１導波管部１２及び第３導波管部１６の間のインピーダンス整合のために第１導波管部１２の段差部が有利であるが、導波管分野で知られているように、内部セプタム（septum）、アイリス（iris）、又はダイアフラムが、第１ポート１８で又はその近傍で第１導波管部１２内に配置されてインピーダンス整合を提供し得る。幾つかの実施形態では、第１ポート１８が矩形であり、短い方の寸法が第１電磁波偏波を規定する。第１ワイヤ格子偏波器２０は、第１導波管部１２の内端、第２導波管部１４及び第３導波管部１６とのその接合部又はその近傍に配置される。

第２導波管部１４は第２ポート２２から減じられた断面又は「首」部２３に延びて、第２ワイヤ格子偏波器２４が配置された内端、３つの導波管部１２、１４，１６の接合部又はその近傍で終端する。幾つかの実施形態では、首部２３が、第２導波管部１４及び第３導波管部１６の間のインピーダンス整合のために有利である。幾つかの実施形態では、導波管分野で知られているように、アイリス（iris）、セプタム（septum）、又はダイアフラムが、このインピーダンス整合のために用いられる。幾つかの実施形態では、第２ポート２２が矩形であり、短い方の寸法が、第１偏波に直交する第２電磁波偏波を規定する。

第３導波管部１６は、第３ポート２６から、第１及び第２導波管部１２、１４の内端に結合した内端に延びる。第３ポート２６は、好ましくは正方形であり、各辺が、第１ポート１８及び第２ポート２２それぞれの長い方の寸法に等しい長さを有するが、（例えば、円形といった）他の形状も適切であり得る。第３ポート２６の構成（形状及び寸法）は、第１及び第２偏波のいずれかを持つ信号ら（signals）の送信及び／又は受信を可能にするのである。

ワイヤ格子偏波器２０、２４は、典型的には、よく知られているように導電性ワイヤの格子から成る。断面円形のワイヤが典型的であるが、特定用途での使用のために他の断面形状も検討され得る。本開示に即して用いられるワイヤ格子偏波器２０、２４の簡素な描写が図４Ａ及び４Ｂに示される。偏波器は、各々、後述の理由から、偏波器に入射する信号の波長λよりも有利には相当に小さい周期Ｐで間隔付けられた平行なワイヤ５０の格子で形成される（即ち、Ｐ＜＜λ）。格子における各個別のワイヤ５０は、有利には、円形断面の直径ｄを有し、又は、異なる断面形状の同等の寸法を有する。斯くの如く構成されると、図４Ａに示すように、格子は、ワイヤ５０に垂直な電場ベクトルＥを持つ入射電磁波のみを透過する。対照的に、ワイヤ５０に平行な電場ベクトルを持つ電磁波は、図４Ｂに示すように、格子により反射される。従って、格子は、「垂直」電場ベクトル（「所望の偏波」）を持つ電磁波のみを通過し、「平行」電場ベクトル（望まない偏波）を持つ電磁波を阻止することにより入射信号を効果的に偏波させる。

信号波長よりもかなり小さくワイヤ周期Ｐを設けることにより、高次モードへの電磁波散乱が顕著に抑制される。詳細には、周期が小さくなるほど、「望まない」偏波の反射が大きくなり、従って、高次導波管モード励起の抑制も大きくなり、従って、ポート間アイソレーションが高まり、かつ広範囲の周波数帯に亘って交差偏波が低下する。しかしながら、周期が小さすぎると、所望の偏波の伝播の減衰が過度になり得る。従って、周期は、所望の偏波の最適な透過を許容し、かつ格子からの後方反射（電圧定在波反射又は「ＶＳＷＲ」）を最小にするのに十分な大きさにすべきである。当業者は、特定用途で最適なパフォーマンスを得るべく格子周期及び導体直径を即時に最適化することができる。

上述のようにワイヤ格子偏波器２０、２４が構築及び最適化され、第１ポート１８に進入する第１偏波を持つ信号は、第１ワイヤ格子偏波器２０を即座に透過して第３ポート２６に到達し、他方、第２ワイヤ格子偏波器２４によって第２導波管部１４に進入することから阻止される。同様、第１偏波に直交する第２偏波を持ち、第２ポート２２に進入する信号は、第２ワイヤ偏波器２４を即座に透過して第３ポート２６に到達し、他方、第１ワイヤ格子偏波器２０により第１導波管部１２に進入することから阻止される。

有利には、図１に示されるように、３つの導波管部１２、１４，１６の接合部又はその近傍でＯＭＴ１０にインピーダンス整合素子２８が設けられ得る。例えば、図示の実施形態では、インピーダンス整合素子２８は、第３導波管部１６の内端又はその近傍、第１ワイヤ格子偏波器２０の近傍に配置され得る。そのようなインピーダンス整合素子の使用は、ＲＦ波用導波管の設計において良く知られている。円柱として図示されているが、インピーダンス整合素子２８は、任意の適切な断面形状から成り得る。

第１ワイヤ格子偏波器２０は、（既述の定義のように、例えば、Ｙ軸に沿う）第１線形偏波を持つ電磁信号を透過するが、（既述の定義のように、例えば、Ｘ軸に沿う）第２の直交線形偏波を持つ放射を反射する。逆に、第２ワイヤ格子偏波器２４は、第２線形偏波を持つ放射を透過するが、第１線形偏波を持つ信号を反射する。

ＯＭＴ１０の動作が図２及び３に図式的に示されている。図２に示すように、第１導波管部１２の第１ポート１８に進入する（例えば、Ｙ軸に沿う）第１偏波の無線周波数信号は、第３導波管部１６に伝播し、第３導波管部１６の第３ポート２６で第１偏波を持つ信号として受信される。第１偏波を持つその信号は、第２ワイヤ格子偏波器２４により第２導波管部１４に進入することから妨げられる。互恵的に、第３導波管部１６の第３ポート２６に進入する第１偏波の無線周波数信号は、第１導波管部１２に伝播し、また、第１導波管部１２の第１ポート１８で第１偏波を持つ信号として受信される。繰り返すが、第１偏波を持つその信号は、第２ワイヤ格子偏波器２４により第２導波管部１４に進入することから妨げられる。

図３に示すように、第２導波管部１４の第２ポート２２に進入する（例えば、Ｘ軸に沿う）第２偏波の無線周波数信号が第３導波管部１６に伝播し、第３導波管部１６の第３ポート２６で第２偏波を持つ信号として受信される。第２偏波を持つその信号は、第１ワイヤ格子偏波器２０により第１導波管部１２に進入することから妨げられる。互恵的に、第３導波管部１６の第３ポート２６に進入する第２偏波の無線周波数信号が第２導波管部に伝播し、第２導波管部１４の第２ポート２２で第２偏波を持つ信号として受信される。繰り返すが、第２偏波を持つその信号は、第１ワイヤ格子偏波器２０により第１導波管部１２に進入することから妨げられる。

上述のところから、第２導波管部の第２ポート２２に第２偏波を持つ信号が進入している間、第１偏波を持つ信号が第１導波管部１２の第１ポート１８に進入するならば、第３導波管部１６の第３ポート２６で受信される信号は、第１及び第２偏波の両方を持つことになる、と理解される。逆に、第１及び第２偏波の両方を持って第３導波管部の第３ポート２６に信号が進入すると、第１偏波を持つ成分が第１導波管部１２の第１ポート１８にて受信され、第２直交偏波を持つ成分が、第２導波管部１４の第２ポート２２で受信されることに帰結する。

図１～３に図示のように、第２ワイヤ格子偏波器２４は、信号波の伝播方向を規定する軸に直交する平面にあり得、第１ワイヤ格子偏波器１８は、有利には、伝播軸に関して４５°の角度で配向され得る。この配向によって、有利にはお互いに直角である第２導波管部１４及び第３導波管部１６の間を伝播する第２偏波を持つ信号に対する反射「壁」としての第１ワイヤ格子偏波器１８の機能が高められる。従って、第１ワイヤ格子偏波器１８を４５°の角度に配向することによって、第２導波管部１４及び第３導波管部間の接合部で９０°の「回転（ターン）」をする時の信号の反射が低下する。幾つかの実施形態では、あったとしても、そのような反射をどの程度減らすかに依存して、第１ワイヤ格子偏波器１８の配向角が異なる。

ワイヤ格子偏波器２０、２４により提供される偏波フィルタリングは、上述のように、矩形断面導波管を伝播する電磁波のＴＥ₁₀モードの電場及び磁場の特定の振動面に依拠して達成されるものと理解される。

図５～７は、本開示に即した矩形導波管部を用いた模範的なＯＭＴの全波３Ｄ電磁シミュレーション結果を示す。模範的なＯＭＴは、第１導波管部１２の第１ポート１８から第３導波管部１６の第３ポート２６まで３．１インチ（７．９ｃｍ）の長さを有し、第２導波管部１４の第２ポート２２から第３導波管部１６の遠い（内側）壁３０まで１．８３インチ（４．６ｃｍ）の長さに垂直な第２寸法（幅）を有していた。少なくとも第１及び第２導波管ポート１８、２２が、ＷＲ６２寸法であった。第３導波管ポート２６が、０．６２２インチ掛け０．６２２インチの正方形（内寸）であった。

図５は、ＷＲ６２導波管の１２．４～１８．０ＧＨｚの動作帯域に亘る周波数の関数の電圧定在波比（ＶＳＷＲ）を反映する２つの曲線を示す。両曲線は、上記の帯域に亘って約１．１０と１．５０の間で本質的に平坦なＶＳＷＲを示す。第１及び第２導波管部１２、１４の間のアイソレーションは、図６に示すように、上記の同じ周波数帯に亘って７５ｄＢ及び８０ｄＢの間である。最後に、図７は、模範的なＯＭＴを伝播する第１及び第２直交偏波の間の交差偏波（結合）が、動作周波数帯に亘って－５９ｄＢと－６０ｄＢの間であることを示し、第１及び第２偏波間の結合又は交差偏波が極めて低い度合いであることを示す。

図５～７に図示の結果は、本開示に係るＯＭＴが、装置製造が容易で、コンパクトで導波管の全帯域において高い偏波純度及び高いポート間アイソレーションを達成することを可能にすることを実証する。同様の結果が、広範囲のＷＲｘ値の矩形導波管部を有する本開示に即したＯＭＴに予期されるものと確信する。

本明細書で好適な実施形態を開示したが、開示の実施形態の変形例や修正、また代替の実施形態が、当業者には自ずと明白である。幾つかの変形例、修正、及び代替の実施形態が本開示において説明又は示唆されたが、排他的又は網羅的であるとは考えられない。そのような変形例、修正、及び代替は、本明細書に既述されているか否かにしろ、幾つか又は全ての側面において、本開示の主題に均等であり、また、本明細書に添付の請求項に包含されると考えられるべきである。

Claims (15)

1. 全帯域導波管直交モード変換器（ＯＭＴ）であって、
   第１、第２、及び第３導波管部にして、前記第１、第２、及び第３導波管部が、各々、第１ポート、第２ポート、及び第３ポートを有し、前記第１、第２、及び第３導波管部それぞれが内端を有する第１、第２、及び第３導波管部；
   前記第１導波管部の前記内端においてそれと同一の広がりを持つ第１ワイヤ格子偏波器にして、第１偏波を持つ電磁信号を透過し、かつ前記第１偏波に直交する第２偏波を持つ電磁信号を反射する第１ワイヤ格子偏波器；及び
   前記第２導波管部の前記内端においてそれと同一の広がりを持つ第２ワイヤ格子偏波器にして、前記第２導波管部と前記第３導波管部の間の接合部に配置され、かつ前記第２偏波を持つ電磁信号を透過し、かつ前記第１偏波を持つ電磁信号を反射する第２ワイヤ格子偏波器を備え、
   前記第２ワイヤ格子偏波器は、前記第１偏波を持つ電磁信号が前記第２導波管部に進入することを阻止するように設けられ、
   前記第３導波管部は、前記第１偏波及び／又は前記第２偏波を有する電磁信号を送信及び／又は受信するように構成される、全帯域導波管ＯＭＴ。
2. 前記第１及び第３導波管部が実質的に同一直線上にあり、前記第２導波管部が、前記第１及び第３導波管部に実質的に直角である、請求項１に記載の全帯域導波管ＯＭＴ。
3. 前記第１導波管部が第１インピーダンス整合構造を含み、前記第２導波管部が第２インピーダンス整合構造を含む、請求項１又は２に記載の全帯域導波管ＯＭＴ。
4. 前記第１インピーダンス整合構造は、徐々に増加する断面寸法を有する前記第１導波管部の中間部を含む、請求項３に記載の全帯域導波管ＯＭＴ。
5. 前記第２インピーダンス整合構造は、前記第２導波管部の首部を含み、前記首部は、減じられた断面寸法を有する、請求項３又は４に記載の全帯域導波管ＯＭＴ。
6. 前記第３導波管部は、前記第３導波管部の前記内端で前記第１導波管部に結合し、前記全帯域導波管ＯＭＴが、前記第３導波管部の前記内端にインピーダンス整合素子を更に備える、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の全帯域導波管ＯＭＴ。
7. 前記インピーダンス整合素子が導電性ポストを備える、請求項６に記載の全帯域導波管ＯＭＴ。
8. 前記第１ポートは、短い方の寸法が前記第１偏波に合わされた矩形であり、前記第２ポートは、短い方の寸法が前記第２偏波に合わされた矩形である、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の全帯域導波管ＯＭＴ。
9. 前記第１ポートの前記短い方の寸法と前記第２ポートの前記短い方の寸法が等しく、前記第１ポートが、前記第２ポートの長い方の寸法に等しい長い方の寸法を有し、前記第３ポートは、前記長い方の寸法に等しい辺を有する正方形である、請求項８に記載の全帯域導波管ＯＭＴ。
10. 前記第１及び第３導波管部が軸を規定し、前記第１ワイヤ格子偏波器が前記軸に対して４５度の角度で配向される、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の全帯域導波管ＯＭＴ。
11. 第１偏波を有する第１電磁信号と第２偏波を有する第２電磁信号を分離又は結合する方法であって、当該方法は、
    （ａ）次の（ｉ）及び（ｉｉ）により全帯域導波管直交モード変換器（ＯＭＴ）を形成する工程にして、
    （ｉ）第１導波管ポートから第１内端に延びる第１導波管部、第２導波管ポートから第２内端に延びる第２導波管部、及び前記第１導波管部と実質的に同一直線上にあるように前記第１導波管部の前記第１内端に第１接合部で結合した第３内端に第３導波管ポートから延びる第３導波管部を設け、前記第１及び第３導波管部に実質的に直角になるように前記第２導波管部の前記第２内端が前記第３導波管部に第２接合部で結合され、及び
    （ｉｉ）前記第１導波管部の前記第１内端にそれと同一の広がりを持つように第１ワイヤ格子偏波器を設け、前記第２導波管部の前記第２内端にそれと同一の広がりを持つように第２ワイヤ格子偏波器を設け、前記第１ワイヤ格子偏波器が、前記第１電磁信号を透過し、前記第２電磁信号を反射し、前記第２ワイヤ格子偏波器が、前記第２接合部に配置され、及び、前記第２ワイヤ格子偏波器は、前記第２電磁信号を透過し、前記第１電磁信号を反射する、工程；及び
    （ｂ）前記第１及び第２電磁信号の少なくとも一つを前記第３導波管部で送信及び／又は受信する工程を含む、方法。
12. 前記第１導波管部が第１インピーダンス整合構造を含み、前記第２導波管部が第２インピーダンス整合構造を含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記第１インピーダンス整合構造は、徐々に増加する断面寸法を有する前記第１導波管部の中間部を含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記第２インピーダンス整合構造は、前記第２導波管部の首部を含み、前記首部は、減じられた断面寸法を有する、請求項１２又は１３に記載の方法。
15. 前記第３導波管部は、前記第３導波管部の前記第３内端で前記第１導波管部に結合し、前記第３導波管部の前記第３内端にインピーダンス整合素子が設けられる、請求項１１乃至１４のいずれか一項に記載の方法。

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