JPH01187526A - 偏波変換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は無線通信および光通信に利用する。特に、電波
または光波の偏波面を円偏波と直線偏波とで双方向に変
換する電磁波回路に関する。

〔従来の技術〕

第４図は従来例偏波変換器の構成図である。この偏波変
換器は９０°移相器１により構成される。

ここで、互いに直交するＸ軸、ｙ軸およびＺ軸を定義し
、ｚ軸の正方向に円偏波を入射し、この円偏波からＸ軸
方向およびｙ軸方向の直線偏波を得る場合を例に説明す
る。

この場合には、９０°移相器１をＸ軸に対して４５゜傾
斜させて配置する。この９０°移相器１に２軸正方向に
円偏波が入射すると、その円偏波の回転方向により、Ｘ
軸方向またはｙ軸方向のどちらかに平行な直線偏波が得
られる。したがって、ｙ軸およびｙ軸に平行に偏分波器
を配置することにより、それぞれの成分を互いに漏れ込
むことなく取り出すことができる。以下の説明では、左
旋円偏波がＸ軸方向の直線偏波に変換され、右旋円偏波
がｙ軸方向の直線偏波に変換されるものとする。

また、この９０°移相器１に、２軸負方向にＸ軸方向ま
たはｙ軸方向のどちらかに平行な直線偏波を入射すると
、その偏波方向により、左旋円偏波または右旋円偏波の
どちらか一方が得られる。

このような偏波変換器を無線通信装置や光通信装置に用
いた場合には、回転方向の異なる円偏波を使用して異な
る情報を伝送できることから、周波数を有効に利用する
ことができる利点がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、９０°移相器は使用する周波数帯域内で位相誤
差があり、さらに温度変化によって位相誤差が生じる問
題がある。９０°移相器に位相誤差があると、この９０
°移相器に円偏波を入射しても、得られる偏波はｙ軸ま
たはｙ軸に一致する直線偏波とはならず、楕円偏波とな
る。このた必、例えば反時計方向に回転する円偏波を入
射しても、Ｘ軸成分だけでなくＸ軸成分も発生してしま
う。したがって、直交する二つの偏波を使用した場合に
、位相誤差により互いの偏波成分に漏れ込みが生じ、通
信品質が劣化してしまう欠点があった。

この問題点についてさらに詳しく説明する。

第５図は９０°移相器の位相誤差に対する交差偏波識別
度、すなわち主偏波成分と交差偏波成分との電力比によ
り定義される量の計算値を示す。この図に示したように
、位相誤差がＯｏの付近では交差偏波識別度が大きく良
好な特性が得られるが、位相誤差が増加すると交差偏波
識別度が急激に劣化する。例えば位相誤差が２°のとき
には、３５［ＩＢの交差偏波識別度しか得られない。ま
た、５ＱｄＢ以上の交差偏波識別度を確保するためには
、位相誤差を０．４°以下に抑える必要がある。

９０°移相器の移相誤差と交差偏波識別度の劣化との関
係を第６図に示すポアンカレ球により説明する。ポアン
カレ球は電磁波の任意の偏波を球面上の位置で表すもの
で、一般に、北極点しは左旋円偏波を示し、南極点Ｒは
右旋円偏波を示す。また、赤道上の点は直線偏波を示し
、点Ｘ、Ｙがそれぞれｙ軸、ｙ軸方向の直線偏波を示す
。

このポアンカレ球を用いると、９０°移相器は、中心○
から経度９０°　（傾斜角４５°の２倍）の点Ｐに向か
う直線を軸とし、球面上の点を位相量９０゜だけ右回り
に回転させる動作として表される。９０゜移相器の位相
差が正確に９０°であれば、純粋に、北極点りの左旋円
偏波が点Ｘで表されるＸ軸方向の直線偏波に変換される
。しかし、９０°からの位相誤差がある場合には、点Ｘ
からずれた点Ａ１に変換され、直線偏波ではなく楕円偏
波となる。ここで、ｌＡＩ　ＯＸが位相誤差φｃに対応
する。この一方で、点Ａ、で表される偏波に対する交差
偏波識別度は１，４ＡＩ　ＯＸの正接の二乗に逆比例す
る。したがって、点Ｘから離れるほど交差偏波識別度が
劣化する。

このように、従来の偏波変換器では、９０°位相器の位
相誤差が直接に交差偏波識別度の劣化の原因となる。こ
のため、所望の交差偏波識別度を得るためには、使用周
波数帯域全体にわたって位相誤差を小さく抑える必要が
ある。このためには、材料および構造が複雑になり、し
かも製造後に調整工程が必要となるため、製造コストが
高くなる欠点があった。また、位相誤差の最悪値により
使用可能な周波数帯域幅が制限されるため広帯域化が困
難であり、温度その他の周囲環境により位相量が変化す
るため使用条件が制限される欠点があった。

本発明は、以上の問題点を解決し、位相誤差による特性
劣化を改善し、広い周波数帯域にわたり良好な特性を示
し、しかも温度変化による影響を受けにくい偏波変換器
を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の偏波変換器は、９０°移相器の直線偏波側に、
この９０°移相器の位相誤差を補正する１８０゜移相器
を備えたことを特徴とする。ここで、１８０゜移相器は
直線偏波の偏波方向に対して角度αだけ傾斜して配置さ
れ、９０°移相器は上記偏波方向に対して角度〔２α＋
４５°〕だけ傾斜して配置される。ただし、角度αは、
１８０°移相器の移相誤差をφ、とし、１８０°移相器
の位相誤差をφｃとするとき、φ、≧φｃの場合には、 α−’／２５ｉｎ−１（φｃ／φ、） φ、〈φｃの場合には、 α−４５゜ により定義される角度である。

〔作　用〕

本発明の偏波変換器は、９０°移相器に移相誤差があっ
ても、１８０°移相器を組み合わせることにより、両者
の移相誤差を打ち消すことができる。

周波数や温度その他の変化によりそれぞれの移相器の位
相誤差が変化しても、二つの移相器の材料および構造が
同等であれば、その移相誤差の比は一定になる。そこで
、このような移相器を組み合わせることにより、全体の
移相誤差を自己補償することができる。

〔実施例〕

第１図は本発明実施例偏波変換器の斜視図を示す。

この偏波変換器は、円偏波と直線偏波とを双方向に変換
する９０°移相器１と、この９０°移相器１の直線偏波
側に、この９０°移相器１の位相誤差を補正する１８０
°移相器２を備える。

１８０°移相器２はＸ軸方向に対して角度αだけ傾斜し
て配置され、９０°移相器１はＸ軸方向に対して角度〔
２α＋４５°〕だけ傾斜して配置される。

角度αは、１８０°移相器２の移相誤差をφＬとし、９
０°移相器１の位相誤差をφｃとするとき、φＬ≧φｃ
の場合には、 α−’／２　ｓｉｎ　’（φＣ／φＬ　）　　　−−−
−（１）φしくφｃの場合には、 α−４５°　　　　　　　　　　　　　　（２）により
定義される角度である。

ここで、本発明の詳細な説明するために必要な移相器の
位相誤差の一般的特性について説明する。

一般に移相器は、使用する周波数帯域の中心周波数にお
いて位相誤差が零となるように設計されるが、周波数の
増加と共にその位相誤差が増加する。これは、周波数が
増加すれば波長が短くなり、一定の長さの移相器に対し
て等化的に移相器の電気的長さが増加することによる。

したがって、位相誤差の増加は本質的なものである。同
じ理由により、１８０°移相器は９０°移相器の二倍の
位相量をもつので、位相誤差φ、は９０°移相器の位相
誤差φｃのほぼ二倍となる傾向がある。さらに、ｒ−φ
Ｌ／φｃ とすると、使用周波数が温度その他の周囲の条件が変化
して位相誤差φ０、φｃが変化しても、ｒは一定に保た
れる性質がある。したがって、（１）式の場合でも角度
αは不変であり、周波数や温度その他の変化が生じても
設定角度αを変える必要はない。

第２図は本実施例における９０°移相器１の位相誤差に
対する交差偏波識別度の特性例を示す。ここては、ｒ＝
２の場合とｒ＝５の場合との例を示す。このときの角度
αは（１）式により与えられ、それぞれα＝１４．９°
およびα−５，４°に設定した。

この特性を第５図に示した従来例の特性と比較すると、
同じ９０°移相器１の位相誤差に対して交差偏波識別度
が大きくなり、特性が大幅に改善されることがわかる。

例えばｒ＝２の場合には、位相誤差が２°のとき、従来
例では３５ｄＢ程度の交差偏波識別度しか得られないが
、本実施例では６５ｄＢ以上となり、３０ｄＢ以上の交
差偏波識別度が得られる。また、５０ｄＢ以上の交差偏
波識別度を得るためには、従来例では位相誤差を０．４
°以下に抑える必要があったが、本実施例では５°まで
の位相誤差を許容できる。

このような良好な特性が得られるのは、９０’移相器１
の位相誤差と１８０°移相器２の位相誤差とが自動的に
相殺する自己補償作用をもつからである。この作用の原
理について、第３図に示すポアンカレ球を用いてさらに
詳しく説明する。

第３図において、０はポアンカレ球の中心、Ｌは左旋円
偏波に対応する北極点、Ｒは右旋円偏波に対応する南極
点、Ｘ、ＹはそれぞれＸ軸、ｙ軸方向の直線偏波に対応
する点をそれぞれ表す。さらに、線分ＯＱは第１図にお
ける９０°移相器１の挿入方向、Ｏ８は１８０°移相器
２の挿入方向、Ｂ。

およびＢ１は９０°移相器１の位相誤差がそれぞれ０、
φｃのときに左旋円偏波が変換される偏波に対応する点
、Ｃｏは１８０°移相器２の位相誤差がφ、の場合に点
Ｂ。の偏波が変換される点、Ｓｌは線分Ｏ８と線分ＸＢ
ｏ　との交点をそれぞれ示す。

第１図に示した９０°移相器１は、Ｘ軸に対する傾斜角
が〔２α＋４５°〕であり、線分ＯＱを軸として球面上
の点を９０°回転させる機能をもつ。また、１８０°移
相器２は、Ｘ軸に対する傾斜角がαであり、線分○Ｓを
軸として球面上の点を１８０゜回転させる機能をもつ。

ここで、９０°移相器１に位相誤差がなければ、北極点
りが赤道上の点Ｂ。に移され、左旋円偏波が直線偏波に
変換される。しかし、９０°移相器１に位相誤差φｃが
あると、北極点りが１ＢｏＯＢ＋−φｃとなる点Ｂ１に
移り、左旋円偏波が楕円偏波に変換される。

また、１８０°移相器２に位相誤差がなければ、点Ｂ。

の直線偏波は点Ｘに移され、Ｘ軸方向の直線偏波となる
。しかし、位相誤差φ、がある場合には、点Ｂ。は点Ｘ
から離れた点Ｃ８に移る。ここで点Ｃ８は、線分Ｂ。Ｘ
と線分Ｏ８との交点を点Ｓ１　とするとき、ｆｃｏ　　
Ｓｔ　　Ｘ−φ、となる点である。また、弧Ｃ８Ｘの長
さは、線分○Ｘの長さを「１」として、５ｉｎ（２α）
×φ、で表される。

ここで、角度αを（１）式のように設定すると、弧Ｃｏ
ｘの長さがφｃとなり、弧Ｂ。Ｂ１の長さに等しくなる
。したがって、９０°移相器に位相誤差φ０がある場合
の点Ｂ１が、１８０°移相器の位相誤差により点Ｘの近
傍に移される。すなわち、９０゜移相器と１８０°移相
器との双方に位相誤差があっても、左旋円偏波をほぼＸ
軸方向に一致する実質的な直線偏波に変換することがで
きる。交差偏波識別度は点Ｘに近いほど良好であり、上
述した構成により交差偏波識別度が改善される。

以上の説明では左旋円偏波をＸ軸方向の直線偏波に変換
する例を述べたが、左旋または右旋円偏波とＸ軸または
ｙ軸方向の直線偏波との各組み合わせについても同様で
ある。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の偏波変換器は、９０°移
相器と１８０°移相器との位相誤差による自己補償効果
を利用して、従来例に比較して良好な交差偏波識別特性
が得られる。また、所望の交差偏波識別度を得るために
必要な位相誤差の制限を大幅に緩和できる。したがって
、位相誤差を小さくするために従来必要であった材質お
よび構造の高度化や調整工程が不要になり、安価に製造
できる効果がある。

また、従来は位相誤差が大きくなるために制限を受けて
いた使用周波数帯域幅を拡大でき、広帯域化が可能とな
る効果がある。

さらに、移相器の位相誤差は温度により劣化するが、本
発明の偏波変換器では温度変化による位相誤差に対して
も自己補償効果をもつことから、この偏波変換器を使用
するための環境条件が緩和される効果がある。

本発明は、無線通信用アンテナ給電回路、導波管回路、
光伝送回路その他に利用して、広帯域、高性能でしかも
温度その他の環境条件に優れた回路を経済的に提供でき
る効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例偏波変換器の構成図。 第２図は９０°移相器の位相誤差に対する交差偏波識別
度の計算値を示す図。 第３図は本発明実施例の動作原理図。 第４図は従来例偏波変換器の構成図。 第５図は９０°移相器の位相誤差に対する交差偏波識別
度の計算値を示す図。 第６図は従来例の動作原理図。 １・・・９０°移相器、２・・・１８０°移相器。 代理人　弁理士　井　出　直　孝　゛ ・１．、′ 夷鞄例 昂　１　図 ｏｎ＠銘粕凧の相租総弗　ｒ廂）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）円偏波と直線偏波とを変換する９０゜移相器を備
   えた双方向性の偏波変換器において、 上記９０゜移相器の直線偏波側に、この９０゜移相器の
   位相誤差を補正する１８０゜移相器を備えたことを特徴
   とする偏波変換器。
2. （２）１８０゜移相器は直線偏波の偏波方向に対して角
   度αだけ傾斜して配置され、 ９０゜移相器は上記偏波方向に対して角度〔２α＋４５
   ゜〕だけ傾斜して配置された 請求項１記載の偏波変換器。 ただし、角度αは、１８０゜移相器の移相誤差をφ＿Ｌ
   とし、９０゜移相器の位相誤差をφ＿ｃとするとき、 φ＿Ｌ≧φ＿ｃの場合には、 α＝１／２ｓｉｎ＾−＾１（φ＿ｃ／φ＿Ｌ）φ＿Ｌ＜
   φ＿ｃの場合には、 α＝４５゜ により定義される角度である。