JPS59501848A - ミリメ−トル波の移相装置 - 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】 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。

移相装置は通常、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３ ５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、シかも、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、代表的カフエライトの移相装置の断面はｊＯギガヘルツで約０．２５イ ンチである。１００ギガヘルツでは移相装置の断面は０．０２５インチであシ、 絶対公差は厳密に１０倍である。標準の導波管から７エライトへの変換域で集中 する高いフィールドは、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、チャールズら（Ｃｈａｒｌｅｓ　Ｒ、Ｂ ｏｙｄ　、　Ｊｒ−）による「２つのモードをラッチする可逆のフェライト移相 装置Ｊ　（Ａ　ｋｌＭｏｄｅ　Ｌａｔｃｈｉｎｇ　、　Ｒｅｃｉｐｒｏｃａｌ　 ｌｉ’ｅｒｒｉｔｅ　Ｐｈｅｓｅ　５ｈｉｆｔｅｒ）。

ロバート（ｆｌ　、　Ｇ　、　Ｒｏｂｅｒｔｇ　）による［Ｘ帯域全可逆的にラ ッチするファラディ回転子の移相装置Ｊ（ＡｎＸ−１３ａｎｄ　Ｒｅｃｉｐｒｏ ｃａｌ　Ｌａｔｃｈｉｎｇ　Ｆａｒａ　ｄａｙ　Ｒｏｔａｔｏｒ　ＰｈａｓｅＳ ｈｉｆｔｅｒ）　、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モ一ド可逆フエライト位相装置Ｊ　（Ａ ｎ　Ｓ　−Ｂａｎｄ　、　Ｄｕａｌ　ＭｏｄｅＲｅｃｉｐｒｏｃａｌ　Ｆｅｒｒ ｉｔｅ　Ｐｈａｓｅｒ　Ｆｏｒ　Ｕｓｅ　Ａｔ　Ｈｉｇｈ　ＰｏｗｅｒＬｅｖｅ ｌｓ　）と称された出版物に記載されているが、これε らはすべて猶Ｇ−Ｙけ国際マイクル波シンポジウムダイジェスト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、この発明はフェ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相セクションの断面を拡開するための波形ホ−ン とを使用する。これによシ、よシ大きなフェライト部材を移相セクションで使用 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、移相装置の・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 、大きいフェライト領域に、必要なモードの漏れ及び吸収作用は最小にされる。

この発明に係る移相装置は、与えられる直線偏波エネルギーの断面を拡大する第 １のセクションを有する。このエネルギーの断面はミリメートル波エネルギーの ′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のセクションは、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。この替わシに、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のセクションを第１のセクションの前に配設してもよい ０ 移相セクションは、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のセクションは、移相セクションの他の端部 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。

従って、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シ、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、移相部 分の大きさが増加することによシ、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。

よシ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、これらのホーンに よシ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。フェライトの移相セクションは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ョンの間に配設してもよい。偏波器は、拡 大及び縮小セクションの前後の適当な位置に使用することができる。

移相セクションはフェ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シフエライト領域へ与えられる磁場を制御し、装置によシ 与えられる移相を制御する′。移相セクションのコアには、フェライト材料が充 填されている。第１及び第２の誘電体レンズもまた、移相セクションの対向した 側面に配設されている。これらのレンズは、移相セクショ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 ェライト材料の外表面に沿って配設され、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。

移相されたエネルギーの周波数に依存して、移相セクションの全体の大きさが、 変化する。１００ギガ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、極端外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シ、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 管セクションに、使用することができる。さらに、移相セクションがシステムで 通常に使用されるならば、との移相セクショ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、そして適当々インピーダンス整 合の変圧器及び円形偏波器を有する移相セクションが挿入される。

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の波形ホーンにょシ拡大される。

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ョンに適用され、との移相 セクションにおいては、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の波形ホーンによシ大きさを圧縮され、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シなされ、この構成は、位相セ クションのフェ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、移相セクショ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、移相セクションの吸収材は、移相セク ションによっ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ィールド分布に、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、このフィ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。このフィールドの大部分は 波形ホーンセクションで与えられる境界でゼロと々る。このことは、移相セクシ ョンのフェライト領域でエッ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、移相セクション内で大きなフェラ 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ョン等とすることが できる。このセクションは長方形、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２３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ィード 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凶よＩｃ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 相セクション２２に接続されている。移相セクション２２は第１の誘電体レンズ ２１、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 ョン２２のフェライト領域２９と円形偏波器セクションのフェライト領域２６． ３６と同じフェライト材料で形成することができ、とれらはフェライト領域の端 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、それぞれ各フェライト領域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 ２５，３５の内側の区域を表わしている。偏波器２４．３４は、従来と同様に、 （円形断面）フェライト２６．３６の周シに配設され、又は（矩形断面）フェラ 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 、フェライト２６゜３６はフェライト領域２９の一部、つまシ、以下に述べるよ うに、ヨーク３ノが延長していない部分とするの周囲にヨーク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。

これらの部品はフェライト領域２９の周囲に設けることができ、または、従来の ように、分離した部材をフェライト領域２９０周辺に位置させることができる。

ヨーク３１の端部はフェライト領域２９に接触している。位相制御回路４０はヨ ーク３１にラッチング電流を与えるために、コイル３２に接続されている。

ラッチング電流はヨーク３１を磁化し、このヨーク３１はフェライト領域２９内 の縦の磁界を制御し、そして、移相セクション２２による移相を制御する。グラ ファイト等の吸収材３３が、フェライト領域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為。

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３２と出力口３９との 間に配設されている。これう（７）部材は、移相セクション２２の他の側にて対 応する部材（ホーン２３と入力口２１）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、フェライト領域２９の端部に 配設されている。これは磁石２５．３５をフェライト領域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ェライトが充填され、磁石２５．３５は所望の形 状で周辺部に配設される。

フェライト領域２９の形状とラッチングヨーク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′フェライト領域２９を完全に取シ囲むものでもよい。

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 をフェライト領域２９の周辺に配設してもよく、各ヨークがその周囲を取シ巻く 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の構造が知られている。

さらに、移相装置２ｏの各部品の境界にインピーｆ”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波の変圧器にょシ達 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径路に沿った部品間 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波の変圧器はレ ンズ２７．３７とフェライト領域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）ＴＥ、、。

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、Ｈ８１ｍモードに 変換する。この拡大されたエネルギーフィールドはフェライト領域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っ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によっ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１このコイル３２はヨーク３１と共に所定の移相を、フェライト領域 ２９を通過するエネルギ゛−に伝える。

この移相されたエネルギーは第２の誘電体レンズ３７によ）収束され、第２の波 形ポーン３８にょシ、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によっ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ィールド分布に、実質的に同一なテーパを与えるために 使用される。このフィールドは、移相能力が最大となる開口部の全体で円偏波さ れる。このフィールドノテーハハ、ホーン２３．３８で与えられる境界でゼロに なシ、このホーン２３．３８はフェライト領域２９でエッ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。従って、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 は全断面の全ての箇所で円偏波される。フェライト領域がヨークとコイルの構成 にょシ、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、８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フィールド（／垂直のＨフィール ドは境界でゼロとなる）であシ、結果として両面は等しくテーパ化したフィール ドとなる。フィールドラインもまた、直線なので、直交した偏波のフィールド成 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 。

大き々断面を有する従来の偏波装置において、よシ高次のモードが存在する。波 形ホーン２３．３８の使用は、よシ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はフェ ライトの移相セクション２２を囲む領域にある。よシ高次のモードはフェライト 領域２９から漏れ、フェライト領域を囲んでいる吸収材４ ３３に吸収される。ＨＥ、１モードの漏れは、フィールドのテーパが境界でゼロ になることによシ、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’、３Ｂ’は波形導波管の直線部分であシ、この直線部 分は拡大しまたは収縮するテーパを有し々い。との移相装置２０’は低ミリメー トル展で使用されて、断面の拡大が全体として必要とされない０ 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ＴＥ１□モードからＨＥ１１そ−ドに変換する。非可逆の円形 偏波器２４．３４は、フェライトの移相セクション２２′に対向する両端部に使 用され、移相セクションと波形ホーン２３’　、　Ｊ　Ｒ’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２　Ｊ’　、　３　Ｂ’前後に配設してもよい。導波 管セクションは上述した様に、矢印４７．４８で示す、永久磁石で囲まれる領域 に、フェ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 移相セクション２２′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、 移相セクション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 つのセクション２３’、３Ｂ’、４９を有する）は、分離されて、拡大した移相 セクション２２“が挿入される。この移相セクションは、第２図を参照して記載 された移相セクションと実質的に同一であシ、移相セクショ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’ が移相セクシ目ン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２４゜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２４．３４として使用 することにより、この発明に従って設計される。

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、この発明によシ設計される 。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シ簡単に製造さ せる。また、と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。

↑ 国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）　与えられたドミナン）ＴＥ、、モードの直線偏波のエネルギーのエネル ギー断面を拡大しく２３）、それを円偏波のＨＥｌ、モードのエネルギーに変換 する（２４）第１手段と、制御された量の移相を円偏波のＨＥ、１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■Ｅ目モードのエネルギーのエネルギー断面を縮小しく３８ ）、直線偏波のドミナン）ＴＥｓｔモードのエネルギーに変換する（３４）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（３２）を有するフ ェライト領域（２９）を有し、このヨーク（３１）及びコイル（３２）は、フェ ライト領域（２９）の周辺に配設されて前記移相セクション（２２）によ多処理 されるエネルギーに与えられる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対の円形偏波器（２４，３４）を有することを特徴とす る請求の範囲第１項又は第２項に記載のミリメートル波の移相装置。 ８ （４）　入力口（２１）及び出力口（３９）と、その一端がとの入力口及び出力 口Ｃｏｘ、ｓｓ）に夫々連結された第１及び第２の波形ホーンセクションＣａｔ ｓ、ｓｓ）と、 入力口及び出力口（２Ｊ、３９）の反対側の端にに夫々連結された第１及び第２ の円形偏波器（２４゜３４）と、 第１及び第２の偏波器（２４，３４）に連結された移相装置（２２）と、を有し 、 との移相装置（２２）は第１及び第２の偏波器（２４’ｔ　３４　）を通過する エネルギの移相を制御する手段（２８）を有することを特徴とするミリメートル 波の移相装置。 （５）　第１及び第２の誘電体レンズＣ２７，Ｊ７）を有し、 前記第１のレンズ（２７）が前記第１のホーンセクション（２３）及び前記第１ の偏波器（２４）に連結され、 前記第２　Ｏレンズ（３７）が前記第２のホーンセクション（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ョン（２８，３８）がｆ−ハを有し、これらの波 形ホーンセクション（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方口（２１゜３９）に連結されている ことを特徴とする請求の範囲第５項に記載のミリメートル波の移相装置。 （７）　入力口（２１）及び出方口（３９）と、この入力口（２１）及び出力口 （３９）に夫々連結された第１及び第２の円形偏波器（２４，３４）と、その一 端が第１及び第２の円形偏波器（Ｊ４．Ｊ４）に夫々連結された第１及び第２の 波形ホーンセクション＜２３．３８）と、 とのホーンセクション（２３，３８）に連結された移相装置（２２）と、を有し 、 との移相装置（２２）は第１及び第２の偏波器（ｘ４，３４）を通過するエネル ギの移相を制御する手段（２８）を有することを特徴とする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のホーンセクション（２３）及び移相装置（２２） に連結され、第２のレンズ（３７）が第２のホーンセクション（３８）及び移相 装置（２２）に連結されていることを特徴とする請求の範囲第７項に記載のミリ メートル波の移相装置。 （９）　波形ホーンセクション（２ｓ、ｓｓ）がテーパを有し、ホーンセクショ 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５　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 る請求の範囲第８項に記載のミリメートル波の移相装置。