JPH0418721B2 - - Google Patents

Description

請求の範囲 １ 与えられたドミナントTE₁₁モードの直線偏
波のエネルギーのエネルギー断面を拡大する手段
２３と、それを円偏波のHE₁₁モードのエネルギ
ーに変換する手段２４とを備えた第１の手段と、 制御された量の移相を円偏波のHE₁₁モードの
エネルギーに導入する移相手段２２と、 移相された円偏波のHE₁₁モードのエネルギー
のエネルギー断面を縮小する手段３８と、それを
直線偏波のドミナントTE₁₁モードのエネルギー
に変換する手段３４とを備えた第２の手段と、 を有することを特徴とするミリメートル波の移相
装置。 ２ 前記移相手段２２が、ヨーク３１とコイル３
２を有するフエライト領域２９を有し、このヨー
ク３１及びコイル３２は、フエライト領域２９の
周辺に配設されて前記移相手段２２により処理さ
れるエネルギーに与えられる移相を制御すること
を特徴とする特許請求の範囲第１項に記載のミリ
メートル波の移相装置。 ３ 前記第１及び第２手段が、１対の波形ホーン
２３，３８及び各ホーンの近傍に配設された１対
の円偏波に変換する円形偏波器２４，３４を有す
ることを特徴とする特許請求の範囲第１項又は第
２項に記載のミリメートル波の移相装置。 ４ 前記第１の手段は、入力口２１と、一端がこ
の入力口２１に連結された第１波形ホーンセクシ
ヨン２３と、この第１波形ホーンセクシヨン２３
に連結され円偏波に変換する第１の円形偏波器２
４と、を備えており、 前記第２の手段は、出力口３９と、一端がこの
出力口３９に連結された第２波形ホーンセクシヨ
ン３８と、この第２波形ホーンセクシヨン３８に
連結され円偏波に変換する第２の円形偏波器３４
と、を備えており、 前記移相手段２２は、第１及び第２の偏波器２
４，３４に連結され、第１及び第２の偏波器２
４，３４を通過するエネルギーの移相を制御する
手段２８を有することを特徴とする特許請求の範
囲第１項に記載のミリメートル波の移相装置。 ５ 第１及び第２の誘電体レンズ２７，３７を有
し、 前記第１のレンズ２７が前記第１のホーンセク
シヨン２３及び前記第１の偏波器２４に連結さ
れ、 前記第２のレンズ３７が前記第２のホーンセク
シヨン３８及び前記第２の偏波器３４に連結され
ていることを特徴とする特許請求の範囲第４項に
記載のミリメートル波の移相装置。 ６ 前記波形ホーンセクシヨン２８，３８がテー
パを有し、これらの波形ホーンセクシヨン２８，
３８は、幅の狭い端部と幅の広い端部を有し、幅
の狭い端部はそれぞれ前記入力口および出力口２
１，３９に連結されていることを特徴とする特許
請求の範囲第５項に記載のミリメートル波の移相
装置。 ７ 前記第１の手段は、入力口２１と、この入力
口２１に連結され円偏波に変換する第１の円形偏
波器２４と、を備えており、 前記第２の手段は、出力口３９と、この出力口
３９に連結され円偏波に変換する第２の円形偏波
器３４と、を備えており、 前記第１及び第２の円形偏波器２４，３４に
は、夫々第１及び第２の波型ホーンセクシヨン２
３，３８の一端が連結されており、 前記移相手段２２は、第１及び第２の波型ホー
ンセクシヨン２３，３８に連結され、第１及び第
２の偏波器２４，３４を通過するエネルギーの移
相を制御する手段２８を有することを特徴とする
特許請求の範囲第１項に記載のミリメートル波の
移相装置。 ８ 第１及び第２の誘電レンズ２７，３７を有
し、 第１のレンズ２７が第１の波型ホーンセクシヨ
ン２３及び移相手段２２に連結され、 第２のレンズ３７が第２の波型ホーンセクシヨ
ン３８及び移相手段２２に連結されていることを
特徴とする特許請求の範囲第７項に記載のミリメ
ートル波の移相装置。 ９ 波形ホーンセクシヨン２３，３８がテーパを
有し、ホーンセクシヨン２３，３８がそれぞれ幅
の狭い端部及び幅の広い端部を有し、幅の狭い端
部が第１及び第２の偏波器２４，３４に連結され
ていることを特徴とする特許請求の範囲第８項に
記載のミリメートル波の移相装置。 発明の技術的背景 この発明は移相装置に関し、特に高ミリメート
ル波の周波数で使用されるミリメートル波の移相
装置に関する。 移送装置は通常、ミリメートル波の周波数で使
用されるが、実験装置を除いて35ギガヘルツ以下
の周波数で使用するように制限されている。これ
らの装置はミリメートル波のエネルギーの主モー
ドを伝搬するように設計されている。しかし、60
ギガヘルツ以上の高い周波数の領域内で使用可能
にこれらの装置を組立てることは、サイズが小さ
く、しかも、主モードの装置に必要なきわめて厳
しい公差のために、実際上不可能である。 例えば、代表的なフエライトの移相装置の断面
は10ギガヘルツで約0.25インチである。100ギガ
ヘルツでは移送装置の断面は0.025インチであり、
絶対公差は厳密に10倍である。標準の導波管から
フエライトへの変換域で集中する高いフイールド
は、たとえ形成されたとしても、そのような移相
装置の可能出力となる電力を制限する。現在ま
で、これらの厳しい公差及び電力の限界により、
従来の設計による移相装置は高いミリメートル波
の周波数で使用するように構成されていない。 設計に関した従来の移相装置の議論は、チヤー
ルズら（Charles R.Boyd.Jr…）による「２つの
モードをラツチする可逆のフエライト移送装置」
（Ａ Dual Mode Latching，Reciprocal
Ferrite Phese Shifter），ロバード（R.G.
Roberts）による「Ｘ帯域を可逆的にラツチする
フアラデイ回転子の移相装置」（An Ｘ−Band
Reciprocal Latching Fara day Rotator Phase
Shifter），ボイドら（C.R.Boyd.Jr.et al）による
「高いパワーレベルで使用するＳ帯域、２モード
可逆フエライト移相装置」（An Ｓ−Band，
Dual Mode Reciprocal Farrite Phaser For
Use At High Power Levels）と称された出版
物に記載されているが、これらはすべてIEEE Ｇ
−MTT国際マイクロ波シンポジウムダイジエク
ト1970で発表されている。 それによれば、製造を容易にするとともに、高
マイクロ波の周波数に使用できる移相装置を提供
するには、移相技術の改良が必要である。また、
高いパワーレベルで使用できる高周波数のミリメ
ートル波の移相装置を提供するにも、改良が必要
である。 発明の概要 従来技術の問題を解決するために、この発明は
フエライト材料の比較的大きな平板と、移相装置
のマイクロ波移送セクシヨンの断面を拡開するた
めの波形ホーンとを使用する。これにより、より
大きなフエライト部材を移送セクシヨンで使用す
ることができ、整合公差が倍のオーダで縮小され
る。また、移送装置の効率及び動作可能出力が大
幅に改善される。また、不必要な高次の導波管の
モードは、大きいフエライト領域の境界での漏れ
及び吸収作用により除去されるとともに、必要な
モードの漏れ及び吸収作用は最小にされる。 この発明に係る移送装置は、与えられる直線偏
波エネルギーの断面を拡大する第１のセクシヨン
を有する。このエネルギーの断面はミリメートル
波のエネルギーの波長の数倍の大きさに拡大され
る。断面は、同位相波面が実質的に平面となるよ
うに拡大される。第２のセクシヨンは、拡大され
た直線偏波エネルギーを円偏波エネルギーに変換
する。この替わりに、偏波の変換及び断面の拡大
プロセスが独立しているので、第２のセクシヨン
を第１のセクシヨンの前に配設してもよい。 移相セクシヨンは、拡大した円偏波エネルギー
を受け、そして、制御された移相を導くために配
設されている。第３のセクシヨンは、移相セクシ
ヨンの他の端部に隣接して配設され、移相された
エネルギーの断面を縮小し、このエネルギーを移
相装置により伝搬される直線偏波エネルギーに変
換する。この移相装置は、実質上対称的に構成さ
れ、この装置の両側に円形偏波器及び移相装置を
通過するエネルギーの断面を拡大又は縮小する手
段を有する。 従つて、この発明の目的はミリメートル波のエ
ネルギーの断面を拡大し、この拡大された断面の
大きさにより、特定周波数の領域で使用される従
来の移相装置の大きさと比較して、移相部分を大
きくすることにある。その結果として、移送部分
の大きさが増加することにより、製造上の公差に
おいて厳密さが軽減され、高周波数の装置の製造
を容易にさせる。 より特殊な実施例において、移相装置は、移相
装置の対向する端部に入力口及び出力口を有す
る。第１及び第２のテーパ化した波形ホーンは、
これらのホーンより伝搬されるミリメートル波の
エネルギーを拡大及び縮小するために、入力口及
び出力口の近傍に配設される。フエライトの移相
セクシヨンは２つの波形ホーンの間に介在され、
しかもこれら波形ホーンの広い端部の近傍に配設
されている。第１及び第２の非可逆の円形偏波器
は、入力口及び出力口の近傍に配設するか、また
は、波形ホーン及び移相セクシヨンの間に配設し
てもよい。偏波器は、拡大及び縮小セクシヨンの
前後の適当な位置に使用することができる。 移送セクシヨンはフエライト領域と電子回路と
を有し、この電子回路は、ヨーク及びコイルの構
成によりフエライト領域へ与えられる磁場を制御
し、装置により与えられる移相を制御する。移相
セクシヨンのコアには、フエライト材料が充填さ
れている。第１及び第２の誘電体レンズもまた、
移送セクシヨンの対向した側面に配設されてい
る。これらのレンズは、移相セクシヨンを通過す
るミリメートル波のエネルギーを平行にし、及び
収束させるために使用される。吸収材はフエライ
ト材料の外表面に沿つて配設され、不必要な高次
のエネルギーのモードを吸収する際の補助とな
る。 移送されたエネルギーの周波数に依存して、移
相セクシヨンの全体の大きさが、変化する。100
ギガヘルツの高周波のオーダにおいて、上述した
拡大し、縮小する波形ホーンを使用する必要があ
る。しかし、例えば60ギガヘルツのオーダの低周
波数では、極端な拡大は必要とされない。それゆ
え、この波形ホーンは直線化が必要であり、拡大
する断面のホーンは必要とされない。 また、この発明は、特定波長の領域のために設
計された標準ミリメートルの導波管セクシヨン
に、使用することができる。さらに、移相セクシ
ヨンがシステムで通常に使用されるならば、この
移相セクシヨンは波形導波管の内側に使用するこ
とができる。この場合、波形導波管は分離され、
そして適当なインピーダンス整合の変圧及び円形
偏波器を有する移相セクシヨンが挿入される。 動作中においては、直線偏波のミリメートル波
のエネルギーが、この装置の入力口に適用され
る。このエネルギーは、第１の波形ホーンにより
拡大される。このエネルギーは、第１の波形ホー
ンの前又は後で円偏波のエネルギーに変換され
る。この拡大した円偏波のエネルギーは移相セク
シヨンに適用され、この移相セクシヨンにおいて
は、制御された移相量が導入される。移相された
エネルギーは、第２の波形ホーンにより大きさを
圧縮され、出力口を通過して伝搬される前に、直
線偏波のエネルギーに戻される。 エネルギーの位相は、ヨークとコイルの構成に
よりなされ、この構成は、位相セクシヨンのフエ
ライト領域内で縦の磁界を制御する。エネルギー
が大きく拡大される装置において、誘電体の平行
レンズは、移相セクシヨンを通過するエネルギー
を平行にするために使用される。また、移相セク
シヨンの吸収材は、移相セクシヨンによつて導か
れる不必要な高次のモードを吸収するために、使
用される。 ２つの波形ホーンは、移相装置を通過する円偏
波の断面を拡大し、及び縮小するために使用され
る。この円偏波は、エネルギー分布のHEモード
に一致し、このモードが、Ｅ面とＨ面であるテー
パ化したフイールド分布に、実質的に同一のテー
パを与えることが知られている。それゆえ、この
フイールドは開口部全体において円偏波される。
これは、移相効果を最大とする。このフイールド
の大部分は波形ホーンセクシヨンで与えられる境
界でゼロとなる。このことは、移相セクシヨンの
フエライト領域でエツヂ効果を最小とするために
重要である。 さらに、エネルギーの断面が拡大されるので、
移相セクシヨン内で大きなフエライト部品を使用
することにより、動作可能出力を高くすることが
できる。移相装置の構成要素が比較的大きいの
で、極めて小さなサイズ及び高ミリメートル波の
周波数で使用するために、非スケール型移相装置
に要求される厳格な公差をもつ部品と比較して、
それらの部品の製造は比較的容易である。 非可逆の円形偏波器が使用されたとき、上述の
移相装置は、可逆装置である。しかし、可逆の円
形偏波器が使用されたときは、非可逆の移相装置
が構成される。

【図面の簡単な説明】

この発明の特徴及び利点は、添付図面を参照
し、以下の詳細な説明に基いて簡単に理解され
る。添付図面において、同一符号は同一の構成部
材を示している。 第１図はこの発明に係る移相装置の第１の実施
例を示している。 第２図はこの発明に係る移相装置の第２の実施
例を示している。 第３図はこの発明に係る移相装置の第３の実施
例を示している。

【発明の詳細な説明】

第１図は、この発明に係るミリメートル波の移
相装置２０の第１の実施例を示すものである。こ
の移相装置２０は入力口２１を有し、従来のミリ
メートル波の導波管セクシヨン等とすることがで
きる。このたセクシヨンは長方形、正方形又は円
形でもよい。簡単のために、移相装置２０の個々
の部品が円形の断面を有しているとする。第１の
テーパ化した波形ホーン２３は入力口２１の近傍
に配設された細い端部を有する。第１のホーン２
３は内面に配設された複数個の波形を有し、拡大
した断面の金属製フイールドホーンである。これ
らの波形は移相装置２０により処理されるエネル
ギーの波長に関連する所定の高さと間隔を有す
る。代表的な波形の高さはλをエネルギーの波長
として、λ／４より大きい。ホーン２３は銅やア
ルミニウム等の金属で形成される。第１のテーパ
化した波形ホーン２３の拡大した端部は、移相装
置２０の移相セクシヨン２２に接続されている。
移相セクシヨン２２は第１の誘電体レンズ２７、
第１の非可逆の円形偏波器２４、移相部品２８、
第２の非可逆の円形偏波器３４、第２の誘電体レ
ンズ３７を有する。誘電体レンズ２７，３７はテ
フロンその他の適当な材料による誘電体材料で形
成され、また、これらは移相セクシヨン２２のフ
エライト領域２９と円形偏波器セクシヨンのフエ
ライト領域２６，３６と同じフエライト材料で形
成することができ、これらはフエライト領域の端
部を凸状にし、積分部分としての平行なレンズに
形成される。非可逆の円形偏波器２４，３４は、
それぞれ各フエライト領域２６，３６の表面の周
辺部に、固定して設けられた永久磁石２５，３５
を有する。図に示す点刻された区域が、磁石２
５，３５の内側の区域を表わしている。偏波器２
４，３４は、従来と同様に、（円形断面）フエラ
イト２６，３６の周りに配設され、又は（矩形断
面）フエライト２６，３６の両側又はコーナーに
配設された磁石２５，３５を有する。また、フエ
ライト２６，３６はフエライト領域２９の一部、
つまり、以下に述べるように、ヨーク３１が延長
していない部分とすることができる。 移相部品２８は、フエライト領域２９を有し、
その周囲にヨーク３１とコイル３２が配設されて
いる。ヨーク３１とコイル３２の位置及び構造に
ついては、種々の変形が可能である。 これらの部品はフエライト領域２９の周囲に設
けることができ、または、従来のように、分離し
た部材をフエライト領域２９の周辺に位置させる
ことができる。ヨーク３１の端部はフエライト領
域２９に接触している。位相制御回路４０はヨー
ク３１にラツチング電流を与えるために、コイル
３２に接続されている。ラツチング電流はヨーク
３１を磁化し、このヨーク３１はフエライト領域
２９内の縦の磁界を制御し、そして、移相セクシ
ヨン２２による移相を制御する。グラフアイト等
の吸収材３３が、フエライト領域２９の外面に配
設されている。この吸収材３３は、不必要な高次
のエネルギーモードを吸収するために使用され
る。第２のテーパ化した波形ホーン３８は第２の
誘電体レンズ３７と出力口３９との間に配設され
ている。これらの部材は、移相セクシヨン２２の
他の側にて対応する部材（ホーン２３と入力口２
１）と、実質的に対称に配設される。 非可逆の円形偏波器２４，３４は、図示の状態
で、フエライト領域２９の端部に配設されてい
る。これは磁石２５，３５をフエライト領域２９
の端部へ付加しやすくするためである。しかし、
この円形偏波器は矢印４１，４２で示される領域
に配設することもできる。これらの領域内の導波
管にはフエライトが充填され、磁石２５，３５は
所望の形状で周辺部に配設される。 フエライト領域２９の形状とラツチングヨーク
３１の数と位置とに依存して、ヨーク３１を磁化
するために使用されるコイル３２は、種々の形状
をとることができる。このコイル３２はフエライ
ト領域２９を完全に取り囲むものでもよい。これ
は、大きなパワーを引き出し、応答速度が遅い。
又は、個々の小さなヨークをフエライト領域２９
の周辺に配設してもよく、各ヨークがその周囲を
取り巻く個別のコイルを有する。当業者には、
種々のヨーク及びコイル構造が知られている。 さらに、移相装置２０の各部品の境界にインピ
ーダンス整合を設ける必要がある。インピーダン
ス整合は従来から知られており、1/4波の変圧器
により達成され、この変圧器はミリメートル波エ
ネルギーが通過する経路に沿つた部品間の表面に
配設される。例えば、誘電体材料から形成された
１／４の変圧器はレンズ２７，３７とフエライト領
域２９との間及びレンズ２７，３７の外表面に配
設される。インピーダンス整合変圧器を使用する
ことは公知である。 次に、動作について説明する。ドミナント
TE₁₁゜モードで直線偏波したミリメートル波のエ
ネルギーが入力口２１に与えられる。第１の波形
ホーン２３は直線偏波したエネルギーを拡大し
て、HE₁₁モードに変換する。この拡大されたエ
ネルギーフイールドはフエライト領域２９をエネ
ルギーが通過する前に、第１の誘電体レンズによ
つて順次平行にされる。この拡大されたエネルギ
ーは、第１の円形偏波器２４によつて直線偏波の
エネルギーから円偏波のエネルギーに変換され
る。位相制御回路４０はコイル３２を通過する電
流を制御し、このコイル３２はヨーク３１と共に
所定の移相を、フエライト領域２９を通過するエ
ネルギーに伝える。 この移相されたエネルギーは第２の誘導体レン
ズ３７により収束され、第２の波形ホーン３８に
より、細いビームサイズに縮小される。移相され
た円偏波のエネルギーは、第２の円形偏波器３４
によつて直線偏波のエネルギーに変換される。こ
のエネルギーは移相装置２０内から出力口３９へ
直線偏波として連結されている。 テーパを有する波形ホーン２３，３８は円偏波
のエネルギーの使用に関連してＥとＨ面のテーパ
化したフイールド分布に、実質的に同一なテーパ
を与えるために使用される。このフイールドは、
移相能力が最大となる開口部の全体で円偏波され
る。このフイールドのテーパは、ホーン２３，３
８で与えられる境界でゼロになり、このホーン２
３，３８はフエライト領域２９でエツヂ効果を最
小とする。 第１の波形ホーン２３の電界のラインは全断面
上で平行である。従つて、直角位相における２つ
の直交偏波モードは、円偏波を形成するために結
合したとき、波を全断面の全ての箇所で円偏波さ
れる。フエライト領域がヨークとコイルの構成に
より、縦方向に磁化されているので、位相は個々
に相対する左右の円偏波に移相される。即ち、波
長は最も効果的な位相制御を行うために実質的に
円偏波される。 波形ホーン２３，３８において、この波形は、
Ｅ面内のテーパで生ずる境界で、ゼロとなる接線
の磁界（及び直角の電界）を引き起こす磁壁を発
生させる。Ｈ面においては、金属壁は電界壁及び
接線のＥフイールド（垂直のＨフイールドは境界
でゼロとなる）であり、結果として両面は等しく
テーパ化したフイールドとなる。フイールドライ
ンもまた、直線なので、直交した偏波のフイール
ド成分に振幅の垂直関係が与えられ、実質的な偏
波が断面の全ての箇所で達成される。 大きな断面を有する従来の偏波装置において、
より高次のモードが存在する。波形ホーン２３，
３８の使用は、より高次のモードの発生を最小に
する。しかし、製造上の不備と不均一性のため
に、少数の高次モードの発生が起きやすく、その
結果として、関連する周波数帯域で損失スパイク
を引き起こす。それらの不必要なモードの吸収作
用は、この問題を軽減させる。吸収作用は移相装
置２０の壁及び吸収材３３で発生し、この吸収材
３３はフエライトの移相セクシヨン２２を囲む領
域にある。より高次のモードはフエライト領域２
９から漏れ、フエライト領域を囲んでいる吸収材
３３に吸収される。HE₁₁モードの漏れは、フイ
ールドのテーパが境界でゼロになることにより、
最小にされる。 第２図は、この発明に係る移相装置２０′の第
２の実施例を示している。この移相装置２０′の
構造は第１図の実施例と類似している。しかし、
第２の実施例において、波形ホーン２３′，３
８′は波形導波管の直線部分であり、この直線部
分は拡大しまたは収縮するテーパを有しない。こ
の移相装置２０′は低ミリメートル波で使用され
て、断面の拡大が全体として必要とされない。 波形ホーン２３′は、エネルギーの断面を拡大
するために使用され、このエネルギーをドミナン
トTE₁₁モードからHE₁₁モードに変換する。非可
逆の円形偏波器２４，３４は、フエライトの移相
セクシヨン２２′に対向する両端部に使用され、
移相セクシヨンと波形ホーン２３′，３８′の連結
部となる。または、偏波器２４，３４は、入力口
２１、及び出入口３９の次に矢印４７，４８で示
すように、波形ホーン２３′，３８′前後に配設し
てもよい。導波管セクシヨンは上述した様に、矢
印４７，４８で示す、永久磁石で囲まれる領域
に、フエライト等の材料が充填される。インピー
ダンス整合変圧器４５，４６が移相セクシヨン２
２′の両側に配設される。 第３図はこの発明に係る第３の実施例を示すも
のである。この実施例において、移相セクシヨン
２２′は拡大した波形導波管に挿入される。この
波形導波管（３つのセクシヨン２３′，３８′，４
９を有する）は、分離されて、拡大した移相セク
シヨン２２″が挿入される。この移相セクシヨン
は、第２図を参照して記載された移相セクシヨン
と実質的に同一であり、移相セクシヨンを延長す
る非可逆の円形偏波器２４，３４を有する。イン
ピーダンス整合変圧器４５′，４６′が移相セクシ
ヨン２２″の両側に配設されている。 上述した移相装置は、非可逆の円形偏波器２
４，３４が使用される構造では可逆である。非可
逆の移相装置が、可逆の円形偏波器を偏波器２
４，３４として使用することにより、この発明に
従つて設計される。 即ち、35ギガヘルツ以上のミリメートル波長で
使用される新しく改良された移相装置の設計を記
述した。可逆及び非可逆の装置が、この発明によ
り設計される。この新しい設計は、高周波数のミ
リメートル波の移相装置をより簡単に製造させ
る。また、これら装置の動作可能出力が、これら
の周波数に使用するために設計された従来の移相
装置に比較して増加されている。 上述した実施例は、この発明の適用を表わす多
くの特定な実施例の１つを示したにすぎない。即
ち、当業者であれば、多くの種々の変形例がこの
発明の範囲内で可能である。