JPS6011483B2 - コルゲ−ト・インピ−ダンス整合導波管 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はマイクロ波通信用導波管の改良に関するもので
、特にコルゲートを施さない導波管とコルゲート溝を施
した装置の接続に用いて両導波管の広帯域なインピーダ
ンス整合を行なう導波管に関するものである。

はじめにコルゲート・インピーダンス整合導波管の概要
を、コルゲートを施さない導波管の例としてふつうの円
形導波管を、コルゲートを施した装置の例としてコルゲ
ート円錐ホーンを用いた場合について説明する。

第１図は従来のコルゲート・インピーダンス整合導波管
を用いた広義のコルゲ−ト・インピーダンス整合装置と
もいうべき整合装置の導波管の管軸万向の切断面の輪郭
を示した図である。

但し装置の右側端面は断面ではないが、例外的に記して
あり、あとの図においても同様である。図において、１
は円形導波管、２はコルゲート溝を設けたインピーダン
ス整合導波管、３はコルゲート円錐ホーンである。そし
て円形導波管１としてインピーダンス整合導波管２の内
蚤を２ａとする。はじめにコルゲート円錐ホーン３の特
性を、従来の整合装置の説明に必要な範囲で簡単に説明
する。一般にコルゲート円形導波管を伝播する基本ハイ
ブリッドモードにはＥＨ，．モードとＨＥ，．モ−ドが
ある。ＥＨ，．モード‘こおいては、伝播軸に垂直な面
内の電磁界成分が中心軸上では強く、半径ａの部分では
雰に近くなるが、ＨＥ，．モードにおいては、逆に中心
藤上より半径ａの部分での電磁界成分が強くなる。した
がって、Ｅ・・モードで励振されたコルゲート円形導波
管の内径を徐々に広げてコルゲート円錐ホーン３にすれ
ば、Ｅ面とＨ面の放射指向特性が一致し、かつ低サイド
ローブ特性を示す電磁ホーンが得られる。ところで、Ｅ
Ｈ，．モードとＨＥ，．モードがコルゲート導波管内に
存在する境界は「 コルゲート溝の呈するインピーダン
スによて決定される。すなわち、このインピーダンスが
容量性を呈するときはＥＨ，．モ−ド、誘導性を呈する
ときはＨＥ，．モードとなり、その境界はインピーダン
スが雰となる点、つまり溝の深さが今となる点である。
ここで＾は自由空間波長を表わす。この頃界においては
、コルゲート円形導波管であるインピーダンス整合導波
管２が半径ａの円筒面で等価的に短絡されたと考えられ
、伝播モードの電磁界分布は円形導波管のＴＥ，．モー
ドの分布と一致する。したがって、電磁ホーンとしての
放射指向特性の改善が期待できる周波数範囲は、溝の深
さが今から会となるほぼーオクターブの帯城にわたるこ
とになり、この特性は２つ以上の帯城を使用する帯城共
用函滋ホ−ンなどに利用されている。このようなコルゲ
ート円錐ホーン３を利用する場合に問題となるのは、円
形導波管１との接続方法である。

すなわち、この２つを直接に接続したのではそれぞれの
導波管の特性インピーダンスが違うために反射波が生じ
、インピーダンス特性が劣化する。そこで従来は、第１
図に示すように円形導波管１との接合部でのコルゲート
溝４の深さを約会にし、徐々に浅くして５のあたりでは
今にしてコルゲート円錐ホーン３に接続するインピーダ
ンス整合導波管２が用いられている。第２図は従釆のイ
ンピーダンス整合導波管を用いた整合装置の管藤方向の
切断面の輪郭を示したもので、接合部でのコルゲート溝
６を単に深くするだけでなく、その幅を狭くし、徐々に
広げてコルゲート円錐ホ−ン３に接続するようになって
いる。

第１図および第２図の整合装置に用いられている従釆の
インピーダンス整合導波管は、比較的狭い帯城のコルゲ
ート円錐ホーンに対しては有効であるが、すでに述べた
帯城共用ホーンなどのように広い帯域にわたって使用す
る場合には、低い周波数領域でインピーダンス特性が劣
化し、高い周波数領域ではＥ面の放射指向特性が劣化し
てサイドローブが高くなるという欠点があった。

また、導波管内の高次モード波を利用して追尾を行なう
モード追尾方式のアンテナなどは、コルゲート円錐ホー
ンを利用した場合、コルゲート導波管内をＥＨ，．モー
ド波と共に他の高次のハイブリッドモード波が伝播する
が、従来のインピーダンス整合導波管ではこの高次ハイ
ブリッドモード波に対するインピーダンス整合が良好に
行なわれないという欠点があった。つぎにこれらの理由
を述べる。第３図はコルゲート円形導波管において半径
ａの位置、すなわちコルゲート溝４の入口からその底を
みたときにこのコルゲート溝の呈する正規化インピーダ
ンスを表わす図である。電磁ホーンとしての放射指向特
性の改善が期待されるのは、すでに述べたようにコルゲ
ート溝の深さーが△から会まで例囲ｔすなわち第側こお
して‘ま横軸より下の部分である。さて、帯城共用に用
いるコルゲート円錐ホーンの最低動作周波数をん、最高
動作周波数をナ日で表わすことにする。このとき、ナＬ
における動作点をコルゲート溝の深さ】が約今になる点
、すなわち第３図におけるＡ点に、また、ナ日における
動作点を１が約うになる点すなわちＢ点にそれぞれ選ぶ
と、この範囲内ではコルゲート導波管内にＥＨ，．モー
ド波が発生され、放射指向特性が良好になる。いま、第
１図のようにコルゲート溝の深さ１を円形導波管１側に
近づくに従って徐々に深くし、接合部で川Ｌ■ける地約
会逝く偽ようにしてコルゲート円錐ホーン３と円形導波
管との整合を行うことについて考える。

すなわち、第３図においてはＡ′点で動作させる。この
ときはコルゲート溝４のインピーダンスが容量性で且つ
ほぼ零に等しくなり、等価的に金属壁と同じ作用をする
。その結果、コルゲート導波管内の電磁界分布が、前に
述べたように円形導波管のＴＥ，．モ−ド波の電磁界分
布にほぼ等しくなり、円形導波管との電磁界分布の不連
続性が除かれ、メＬ付近では良好なインピーダンス整合
が行なわれる。いいかえると、低い周波数領域において
は、円形導波管１内のＴＥ，．モード波が徐々にコルゲ
ート導波管２のＥＨｕモード波に変換された後にコルゲ
ート円錐ホーン３から放射されるために、良好なインピ
ーダンス特性と放射指向特性とが得られる。ところが、
最高動作周波数んにおける動作を考えてみると、波長＾
が短くなって１／入が大きくなり、第３図における動作
点Ｂが接合部ではＢ′点に移動し、ここではコルゲート
溝のインピーダンスが誘導性を呈することがわかる。す
でに述べたように、このときコルゲート円形導波管内を
伝播する電磁波のモードは外周で電磁界の強いＨＥ，．
モード波であり、このモード波がコルゲート円錐ホーン
３を通って放射されるためにＥ面の放射指向特性が著し
く劣化する。もちろんこのときはＥＨ，．モード波はほ
とんど発生しない。このような理由により、実際にイン
ピーダンス整合を行なうに当っては、綾合部でのコルゲ
ート溝の〆日における動作点を放射指向特性が著しく劣
下しない点、すなわち第３図におけるＢ″点付近に選ん
でいる。このときのナＬにおける動作点は同じく第３図
のＡ″点になるが、このＡ″点に比べてコルゲート溝の
インピーダンスが大きく、円形導波管との不連続による
インピーダンスの劣化は避けられない。このように、従
釆からのコルゲート溝の深さを変える方式の整合装置に
おいては、低い周波数領域におけるインピーダンス整合
と高い周波数領域における放射指向特性改善とが互いに
相反する現象となり、実際上使用可能な周波数帯域が１
オクターブの範囲より小さく制限されるという欠点があ
った。

つぎに、第２図の整合装置に用いられたインピーダンス
整合導波管の欠点を簡単に述べると、第２図のものは、
円形導波管との接合部に近づくに従ってコルゲート溝６
の幅を狭くし、コルゲート溝が円形導波管部の電磁界分
布に及ぼす影響をできるだけ４・さくしてインピーダン
ス整合を行なおうとするものであるが、この方法は、コ
ルゲート溝の呈するインピーダンスがこれまで説明して
きたようにその深さ１によってほぼ一義的に決まるため
に、第１図の場合と同じ理由により使用帯城に制限を受
けた。

さらに従来のインピーダンス整合導波管によるときは、
高次のハイブリッドモード波に対するインピーダンス整
合も良好に行なわれなくなる理由を述べる。

モード追尾装置つきの衛星通信地上局アンテナなどにお
いては、コルゲート円錐ホーンからＥＨ，．モード波の
ほかに例えばＥＨ，２モード波などを同時に放射させる
が、このような場合にはＥＨ，．モード波だけでなく、
ＥＨ８モード波に対しても良好なインピーダンス整合を
行なう必要がある。ＥＨ，２波に対して良好なインピー
ダンス整合が行なわれていないと、いわゆる時間遅れの
問題が生じ、通信の品質を損うからである。このような
高次のハイブリッドモード波に対しても、第１図のよう
な整合装置によって或る程度のィンピ−ダンス整合が可
能であることは、コルゲート導波管内のＥＨ，．モード
波と円形導波管内のＴＥ，．モード波との対応をそれぞ
れの導波管内の高次モード波同志の対応に置き換えるこ
とによって容易に理解されるが、このことはまた、ＥＨ
，．モード波の伝播の場合に使用可能な帯域に対して加
わった制限が、同じように高次モード波の場合にも加わ
ることを意味する。すなわち、第３図に関する説明で述
べたように、メＬでのＥＨ，．モード波に対するコルゲ
ート溝の動作点を理想的な点へからげ点に動かすと、高
次のハイブリッドモード波に対する動作点も理想的な点
からそうではない点に移動し、インピーダンスの不整合
が生じる。本発明はこれらの欠点を改良するもので、整
合部のコルゲート円形導波管内でＥＨ，．モード波が存
在し得る周波数帯城を広くして広帯域なインピーダンス
整合をはかろうとするものである。本発明によれば、コ
ルゲートを施さない導波管とコルゲートを施した装置を
整合的に接続するコルゲート溝付きの導波管装置であっ
て、コルゲート溝の断面形状が前記コルゲートを施さな
い導波管に近接したところで入口の部分が狭く奥の底の
部分が広くなっているコルゲート・インピーダンス整合
導波管が得られる。第４図は本発明の一実施例であるコ
ルゲート・インピーダンス整合導波管を用いた広義の整
合装樽の管鎚に沿った断面の輪郭を示している。

円形導波管１１、インピーダンス整合導波管１２、なら
びにコルゲート円錐ホーン１３の配置、およびこのコル
ゲート円錐ホーン１３の持つコルゲート簿１４の構造は
第１図あるいは第２図の従来の場合と全く同じである。
従来の装置と異なるのはインピーダンス整合導波管１２
の持つコルゲート溝１５の断面が入口が狭く底の広いテ
ーパ状の溝になっていることである。第５図は第４図の
装鷹のコルゲート溝のインピーダンス特性を示した図で
あって、比較のために従来装置の特性を破線で併記して
あり、またコルゲート溝の断面形状そのものを参考とし
て附記してある。

次にその詳細について説明するが、結論だけ先に簡単に
述べれば、コルゲート溝の入口のところが狭く底のとこ
ろが広くなっているため、そのインピーダンスが同一の
深さの従来のコルゲート溝に比べて著しく低くなり、か
つ容量性となる周波数帯城も広くなってくる。第５図に
おいて、破線上のＡ″は、第３図におけると同じく、従
来のコルゲート溝の深さを変える方式の整合導波管によ
る、円形導波管１との接合部でのコルゲート溝４の最低
動作周波数九における動作点を示す。

一方、テーパ状のコルゲ−ト溝１５の呈するインピーダ
ンスのうち、Ａ″点と同じインピーダンスを示す点には
実線上のＡの鮒対応する。このとき、Ａ川点‘こ対応す
る竿の値は、Ａ〃点に対応する２竿二Ｃ値より小さくな
っている。すなわち、同じ深さ１をもつコルゲート溝４
とを比較すると、同じインピーダンスを示す点がコルゲ
ート溝１５の場合はもっと低い周波数に移動し、インピ
ーダンス整合の可能な範囲が低域に拡大されたことを示
している。同様にｔ従来のインピーダンス整合導波管に
おいて最高動作周波数ｒＨにおける動作点を表わすＢ″
点は、同じ深さをもつコルゲート溝１５の場合のＢ川点
に対応する。このとき８側対応する竿の値はＢ制こ対応
する空の値より大きくなつれ、る。

すなわち、Ｂ＾′点の場合と同様な放射指向特性を示す
点がもっと高い周波数に移動し、高域における放射指向
特性が改善されることを示している。このような特性を
示すテーパ状断面のコルゲート溝１５を円形導波管】川
こ接続し、徐々にその断面形状を変えてコルゲート円錐
ホーン１３のコルゲート溝１４に合わせれば、すなわち
、第５図においてコルゲート溝１５の動作点をＡ川点か
ら始めて徐々にＡ点に近づけてからコルゲート円錐ホー
ン１３に援続すれば「従来よりも最低動作周波数が低い
周波数側に拡張され、かつ最高動作周波数が高い周波数
側に拡大されたインピーダンス整合が可能になる。この
ように、テーパ状断面をもつコルゲート簿竃５は「その
インピーダンスを容量性側において小さくする効果があ
り、その結果整合部のコルゲート導波管内にＥＨ，．モ
ード波が存在する周波数帯城を広げているのであるが、
同様な効果が高次のハイブリッドモード波に対しても及
んでいる。

すなわち、ＥＨ，．モード波の他にＥＨ，２モード波な
どの高次ハイブリッドモード波の伝播するコルゲ−ト円
錐ホーンにおいても、テーパ状断面のコルゲート溝を用
いてＥＨ，．モード波に対するインピーダンスを４・さ
くすると、それにともなって高次の／・ィブリッドモ−
ド波に対するインピーダンスも小さくなり、その結果高
次モード波に対する広帯域なインピーダンス整合が行な
われる。第６図は本発明の実施例によるインピーダンス
整合の実測例を示す図である。

この例は内径１７柵の円形導波管と、関口部の内蓬が１
０仇舷のコルゲート円錐ホーンとの整合装置について実
測したものである。図においてナ。はコルゲート溝の深
さがうとなるときの周波数を表わす。そして実線は本発
明によるテーパ状コルゲート溝を用いたインピーダンス
整合導波管による場合、破線は従来のコルゲート溝を用
いたインピーダンス整合導波管を用いた場合のそれぞれ
のインピーダンス特性を定在波比（ＷＳＷＲ）で示して
いる。この実測値から分るように〜本発明によれば広い
周波数帯城に亘るインピーダンス整合が行なわれている
ことが分る。以上の実施例においては、インピーダンス
整合導波管の整合の対象となるコルゲート装置としてコ
ルゲート円錐ホーンを用い、コルゲート溝の形状として
テーパ状に拡がる広底のものを用いているが、これらは
いずれも一例に過ぎず、幾多の変形が可能であり、以下
にその例をいくつか示す。

なお各図はいずれも本発明のコルゲート・インピーダン
ス整合導波管を用いた広義の整合装置の管軸方向の断面
の輪郭を示した図であるので、図面の説明は簡略にする
。第７図は本発明の第２の実施例を用いた場合の断面輪
郭図で、インピーダンス整合装置２１が直径の一定なコ
ルゲートフィーダ２２との整合に用いられている。

第８図は本発明の第３の実施例を用いた場合の断面輪郭
図で、コルゲート溝２３は、テーパ状であることは同じ
であるが、その深さを一定に保っている。

テーパ状であることの効果が大きいので、第４図の第１
の実施例に近い効果を得ることができる。第９図は本発
明の第４の実施例を用いた場合の断面の輪郭を示した図
で、コルゲート溝２４は、７ーパ状であると同時に、円
形導波管２５との薮合部附近の幅を狭くしたものであり
、特性的に極めて優れた性質を有している。

第１０図は本発明の第５の実施例を用いた場合の断面の
輪郭の一部を示した図で、コルゲート溝２６は片開きの
テーパ状になっている。

実質的には第３の実施例（第８図）と同じと考えられる
。第１１図は本発明の第６の実施例を用いた場合の断面
の輪郭の一部を示した図で、コルゲート溝２７はいくつ
かのテーパを粗合せたものである。第１２図は本発明の
第７の実施例を用いた場合の断面の輪郭の一部を示した
図で、コルゲート溝２８は段階状に変化している。以上
第７図以下に示したように、本発明の装置においてはコ
ルゲート溝の形状は、入口附近において狭く、奥の方の
底において広くなっていればよく、その狭いところから
広いところに移る途中の変化は特に限定されるものでは
ない。

以上説明したように、本発明によれば、簡単な構造で通
常導波管とコルゲート円錐ホーンとの広帯域なインピー
ダンス整合を行なうことができ、高次／・ィブリッドモ
−ド波に対しても良好なインピーダンス整合が可能であ
り、コルゲート装置と通常導波管との広帯域なインピー
ダンス整合にも応用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従釆のコルゲート・インピーダンス整合導波管
を用いた広義のインピーダンス整合装置の一例をその導
波管軸に沿って切断した断面の輪郭をあらわした図〜第
２図はコルゲート溝の深さと幅とを変えた従来の他のイ
ンピーダンス整合導波管の管軸方向切断面の輪郭図、第
３図は従来のインピーダンス整合導波管におけるコルゲ
ート溝のインピーダンス特性図、第４図は本発明の実施
例のコルゲート・インピーダンス整合導波管を用いた整
合装置の管軸方向断面の輪郭を示した図、第５図は本発
明実施例のコルゲ−ト・インピーダンス整合導波管にお
けるコルゲート溝のインピーダンス特性図、第６図は本
発明の実施例のコルゲート・インピーダンス整合導波管
によるインピーダンス特性の改善を示す実測図、第７図
から第１２図まではｔ本発明の第２から第７までの実施
例のコルゲート・インピーダンス整合導波管を用いた整
合装置の管軸万向切断面の輪郭をそれぞれあらわしたも
のである。 記号の説明：１１は円形導波管、１２はコルゲート・イ
ンピーダンス整合導波管、１３はコルゲート円錐ホーン
、１５はテーパ状コルゲート溝をそれぞれあらわしてい
る。 第１図 第２図 第３図 弟４図 第５図 第６図 第７図 界８図 第９図 第１０図 第１１図 第１２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ コルゲートを施さない導波管とコルゲートを施した
   装置の間を整合的に接続するコルゲート溝の設けられた
   導波管であつて、前記コルゲート溝の断面形状が前記コ
   ルゲートを施さない導波管に近接したところにおいて入
   口の部分が狭く底の部分が広くなつているコルゲート・
   インピーダンス整合導波管。