JPWO2014203952A1 - 展開構造物への高周波給電方式 - Google Patents

Abstract

簡便な展開機構を用いて、低損失に、かつ、抵抗性雑音を付加させることなく、マイクロ波を給電することができる高周波給電方式を提供する。前記展開構造物の第１の構造物に固定された、チョークフランジを有する第１の導波管と、前記展開構造物の第２の構造物に固定された、カバーフランジを有する第２の導波管とを備え、前記展開構造物を展開状態にしたときに、前記チョークフランジと前記カバーフランジが対向し、前記第１及び第２の導波管を介して前記展開構造物に高周波を給電する。

Description

本発明は、展開構造物に高周波を給電する方式に関する。

人工衛星搭載のアンテナ等では、高周波を展開構造物に給電することが、システム構成上、必要となることがある。

従来実施されてきた方法としては、展開箇所に可撓性のケーブルや導波管を始めとする導波路を用いる方法がある。図１は、特許文献１に記載されている、可撓性導波管を展開箇所に用いた例である。しかし、一般に可撓性導波路はリジッドな導波路と比較して高周波損失が大きく、特に、高周波になるほどその傾向が顕著であり、アンテナ等の高周波特性の劣化をもたらす。可撓性導波路の高周波損失は抵抗性のものであり、受信システムに対しては雑音負荷によるシステム雑音温度の増加を招く。また、可撓性があるといっても、その抵抗曲げトルクは無視できないものであり、かつ低温環境下では増加する傾向が大きく、かつ不確定性が大きい。このため、可撓性導波路を利用する事は、展開機構の設計や試験においても問題になることが多い。

これに対して、展開箇所に可撓性導波路を用いない方法が提案されている。第一の方法は、リジッドな導波管のみを利用し、展開箇所の導波管開口部については、ヒンジを利用した機構により、ふたつの導波管開口部近傍に備えられた凸・凹部あるいはピン・穴部を嵌合させるという方式が提案されている。これは、特許文献１に記載されており、その概念図を図２、図３に示す。しかし、その方法は、嵌合のための機械精度やトルク量の問題があり、嵌合力を十分に取れない場合には、導体間の接触抵抗の増加による高周波の損失と雑音付加が懸念される。このため、本方式の実施事例は知られていない。

第二の方法は、ある軸まわりに回転をする二つの構造物に各々固定された導波路を、その回転軸まわりの軸対称性を利用して高周波的に結合した、ロータリージョイントを利用する方法である。図４は同軸ケーブルを用いたロータリージョイントの例であり、図５は円型導波管を用いたロータリージョイントの例である（非特許文献１）。この方法では伝送に利用される矩形導波管ＴＥ１０モードを、円形導波管ＴＭ０１モードや同軸ＴＥＭモードなどのような軸対称であるモードに変換するわけあるが、モード変換に伴う高周波損失がある。また、荷重や位置精度を担う展開機構としてのヒンジ軸と、電気特性を担うロータリージョイントの回転軸が共軸であり、機構としての複雑さが増す。高周波給電の方向は展開軸に直交している場合が多いが、ロータリージョイントを用いる方式では、高周波導波路を直角に２回、方向転換しなければならず、機構が大きくなる。

特開平６−２９６１０８号公報

島田理化技報第１８巻、頁３５−４３、２００６年

以上のように、人工衛星搭載のアンテナ等では、マイクロ波やミリ波の高周波を展開構造物に給電する、簡便で、かつ、機器の高周波特性を劣化させない方式は、未だ、提案されていない。

本発明が解決しようとする課題は、人工衛星搭載のアンテナ等における展開構造物に、展開の際の抵抗トルクとなる可撓性給電路を使用せずに、簡便な展開機構を用いて、低損失に、かつ、抵抗性雑音を付加させることなく、マイクロ波を給電することができる高周波給電方式を提供することである。

上記の課題を解決するための本願の第１の発明は、展開構造物を構成する複数の部品の間で、複数の導波管を介して高周波を給電する高周波給電方式において、
前記展開構造物の第１の部品に固定された、チョークフランジを有する第１の導波管と、
前記展開構造物の第２の部品に固定された、カバーフランジを有する第２の導波管と、
を備え、前記展開構造物を展開状態にしたときに、前記チョークフランジと前記カバーフランジが対向し、前記第１及び第２の導波管を介して前記展開構造物の複数の部品の間で高周波を給電するようにしたことを特徴とする。

上記の課題を解決するための本願の第２の発明は、前記第１の発明において、前記第１の導波管は前記第１の部品に直接固定され、前記第２の導波管は前記第２の部品に直接固定されていることを特徴とする。

上記の課題を解決するための本願の第２の発明は、前記第１の発明において、前記第１の部品及び第２の部品はヒンジのそれぞれの可動部分に接続され、当該ヒンジの動作で展開可能とされており、前記第１の導波管及び第２の導波管は、前記ヒンジのそれぞれの可動部分と一体構造となっていることを特徴とする。

前記チョークフランジのチョーク溝の形状は円形とすることができるが、この形状を非円形の曲線から構成すると、高周波信号の損失をよりよく低減させることができる。

特許文献１に記載されている、可撓性導波管を展開箇所に用いた従来例を示した図である。 特許文献１に記載されている、導波管接続部の凹凸部を勘合させる従来例を示した図である。 特許文献１に記載されている、導波管接続部のピン・穴を勘合させる従来例を示した図である。 非特許文献１に記載されている、同軸ケーブルを用いたロータリージョイントの従来例を示した図である。 非特許文献１に記載されている、円型形導波管を用いたロータリージョイントの従来例を示した図である。 チョークフランジとカバーフランジを示した図であり、（ａ）は長辺中央での断面図、（ｂ）は斜視図に座標系を示した図である。 間隙があるチョークフランジとカバーフランジがついた２本の導波管の配置を示した図である。 ２本の導波管ともカバーフランジとした場合の、間隙による損失の実験結果を示した図である。 一方の導波管をチョークフランジ、他方の導波管をカバーフランジとした場合の、間隙による損失の実験結果を示した図である。 本発明の実施形態において、展開機構のヒンジと導波管開口部を一体とした場合を示した図である。 本発明の実施形態において、ヒンジと導波管開口部を分離した部品で構成した場合を示した図である。 円形のチョーク溝を有するチョークフランジの正面図である。 非円形のチョーク溝を有するチョークフランジの正面図である。 一方のフランジを円形のチョークフランジとした場合と非円形のチョークフランジとした場合の高周波信号の損失を比較する実験の結果を示した図である。

１．チョークフランジ
チョークフランジとして広く知られている構造について、図６を用いて説明する。図６（ａ）に、矩形導波管の長辺中央点での断面図を、同図（ｂ）に斜視図と座標系を示す。ここで、図６（ａ）は、同図（ｂ）のｙ−ｚ平面で切った断面図である。図６（ａ）では、給電用の左右からの導波管が、点ＡＡ’において間隙を持って対向している。一方、図６（ａ）の左側の導波管のフランジには、溝が設置されており、もう一方の右側の導波管フランジは平坦である。この平坦な導波管フランジはカバーフランジという。

二つの導波管の間の間隙は、伝送線路としてみなせ、その伝送モードの波長をλとする。給電用の導波管を基本波のＴＥ０１モードで使用している場合には、このλは、給電用導波管の管内波長にほぼ等しい。図６（ａ）に示すように、点Ａから約λ／４離れた点Ｂに、深さ（ＢＣ）が約λ／４の溝が左側の導波管に設けてある。溝ＢＣも同様な伝送線路とみなすことができる。このような構造では、間隙が構成する伝送線路ＡＢＤには、点Ｂにおいて直列に伝送線路ＢＣが接続されている。

伝送線路ＢＣは点Ｃにおいて導体で短絡されており、極めて低いインピーダンスを持つ。λ／４離れた点Ｂではこのインピーダンスは伝送線路により変換され、極めて高いインピーダンスとなる。間隙ＢＤはその形状や周辺物体によってどのようなインピーダンスを持つか確定しにくいが、この極めて高い直列のインピーダンスＢＣによって、合成された伝送線路の点Ｂにおけるインピーダンスは、極めて高い値となる。これを、給電用の導波管面点Ａでみると、λ／４の伝送線路の特性により極めて低いインピーダンスに変換される。このため点Ａにおいては、導波管面に流れる高周波電流（導波管面の壁電流）は、間隙があるものの変位電流の形態で円滑に流れ、給電用導波管の伝送モードは乱れなく維持される。

このように導波管周辺に溝を設置したチョークフランジは、溝底の導体による短絡効果を溝の深さ方向と溝の動径方向の伝送線路により、物理的には間隙があっても、その箇所を等価的に低インピーダンスにすることができ、間隙での高周波漏れや損失を効果的に小さくできる。また、たとえ損失があっても、それは高周波電磁界の漏れが原因のものであり、抵抗性雑音を付加するものではない。

ＭＩＬ規格等の標準規格のチョークフランジでは、推奨周波数範囲全域（通常、遮断周波数の１．３〜１．９倍の周波数）で、チョーク動作が有効に機能する。

２．間隙を有して対向する二本の導波管の給電損失の測定
２つの導波管開口の間に間隙がある場合のチョークフランジの効果を説明する。以下では一例として、ＸＸバンド （９．６ＧＨｚ）の周波数を用いた場合について説明する。なお、他の周波数を用いた場合への一般化は、用いる波長と間隙の相対比を用いればよい。

チョーク溝つきの規格矩形フランジ(SQUARE FLANGE CHOKE、CBR100)が付いた矩形導波管WR-90/R100（開口２２．８６×１０．１６ｍｍ）、及び平坦な矩形フランジ(SQUARE FLANGE PLAIN,UBR100)が付いた同規格の導波管を用いた。矩形導波管の長辺方向をｘ軸、短辺方向をｙ軸、導波管の伝搬方向をｚ軸と定義する（図６（ｂ）参照）。二つの導波管端面を平行にして、正規な導波管の密着した接続位置からｘ軸方向にΔｘ、ｙ軸方向にΔy、ｚ軸方向にΔzだけずらして、間隙をおいて設置する。このような間隙のある２本の導波管の配置を図７に示す。

ベクトルネットワークアナライザを用いて、間隙のある二つの導波管の９．６０ＧＨｚにおける伝搬損失（Ｓ１２およびＳ２１）を計測した。二つの導波管を正規な位置（Δｘ＝Δｙ＝Δｚ＝０）で密着させた状態での伝搬損失からの増加を、“間隙のある場合の損失”として定義した。

まず、基本的な構成として、２本の導波管ともカバーフランジを装着した場合の結果を示す。２本の導波管の断面方向の相対位置として、中心位置（Δｘ＝Δｙ＝０ｍｍ）の場合、及び、長辺に沿う方向に０．５ｍｍずらした位置（Δｘ＝０．５ｍｍ，Δｙ＝０ｍｍ）の場合、及び短辺に沿う方向に０．５ｍｍずらした（Δｘ＝０ｍｍ，Δｙ＝０．５ｍｍ）場合について、ｚ軸方向の間隙Δzの関数として、“間隙による損失”を図８に図示した。Δｚが０．１ｍｍという微小な間隙でも約０．３ｄＢ、Δｚが０．５ｍｍでは約１ｄＢの損失が生じることがわかる。

次に、一方の導波管にチョークフランジを、もう一方の導波管にはカバーフランジを装着した結果を示す。２本の導波管の断面方向の相対位置として、中心位置（Δｘ＝Δｙ＝０ｍｍ）の場合、及び、長辺に沿う方向に１ｍｍずらした位置（Δｘ＝１ｍｍ，Δｙ＝０ｍｍ）の場合、及び短辺に沿う方向に１ｍｍずらした（Δｘ＝０ｍｍ，Δｙ＝１ｍｍ）場合について、ｚ軸方向の間隙Δｚの関数として、“間隙による損失”を図９に図示した（横軸のスケールが図８と異なることに注意）。２本の導波管が、中心位置にいる（Δｘ＝Δｙ＝０ｍｍ）の場合には、間隙Δｚ＝０．５ｍｍでは０．０１ｄＢ（０．２％）、１．０ｍｍでは０．０５ｄＢ（１％）、及び２ｍｍでは０．１３ｄＢ（３％）の損失が計測された。これは、チョークフランジを用いないケース（図８）と比較して、損失は大幅に減少している。

チョークフランジを用いても、２本の導波管が断面方向に完全には正対せずに“ずれる”ことも現実には起こるので、その場合の特性について説明する。ｚ方向の間隙が１ｍｍ以上の領域（Δｚ＞１ｍｍ）では、正対している場合とほぼ等しい損失を示している。ただし、ｚ方向の間隙が１ｍｍ以下の領域（Δｚ＜１ｍｍ）では、周波数、及び２本の導波管の３次元的な間隙に依存する共振現象的な損失の増加が観測された。この状態では、フランジ間の間隙から漏洩する電磁波強度が増加していることが観測され、チョークフランジの機能が共振的に劣化していることを示唆している。この実験では、規格のチョークフランジ(SQUARE FLANGE CHOKE、CBR100)を用いたが、この共振的な現象を低減できる構造的な工夫の余地がありうると推察できる。

３．導波管の対向による展開アンテナへの給電
本発明では、マイクロ波やミリ波領域で最もコンパクトで低損失な給電方式である、リジッドな導波管による給電方式を採用する。展開部への給電については、可撓性のある導波管やケーブルへの変換を行う方式は、著しい高周波損失、展開時の抵抗トルク、電気計装の煩雑さの点から、これを回避する。

代わりに、展開部においては、２本の導波管の端面にチョークフランジとカバーフランジを備えて、両者を対向させる方式を提案する。

この際に発生する導波管断面の間の間隙による損失は、チョークフランジの使用により、大幅に軽減できる。Ｘバンド（９．６ＧＨｚ）では、２本の導波管が断面方向の中心位置（Δｘ＝Δｙ＝０ｍｍ）にある場合には、ｚ方向の間隙Δｚ＝０．５ｍｍ（λ／６０）では０．０１ｄＢ（０．２％）、１．０ｍｍ（λ／３０）では０．０５ｄＢ（１％）、及び２ｍｍ（λ／１５）では０．１３ｄＢ（３％）の損失にとどまる。

ただし、間隙による損失は２本の導波管が完全に正対せずに断面内で０．３ｍｍ（λ／１００）程度以上ずれている場合には、チョークフランジの動作が劣化して間隙による損失が増加する。しかし、この現象は、ｚ方向の間隙が２ｍｍ（λ／１５）以上の領域では、無視できる程度に小さくなる。z方向の間隙が２ｍｍ（λ／１５）以上の領域ではこの現象は次第に無視できるようになるが、一方ではｚ方向の間隙により損失は増加していく。

以上のようなチョークフランジの特性に応じて、課題解決の手法として次の２つのケースを提案する。

粗精度な展開機構のケース：
断面方向（ｘ，ｙ）についてλ／３０（Ｘバンドでは、１ｍｍ程度）の精度で２本の導波管を対向させて、伝搬方向ｚについてはλ／１５(Ｘバンドでは２ｍｍ程度)の間隙を保つ。これにより、間隙による損失は、０．１３ｄＢ程度（約３％）にできる。

高精度な展開機構のケース：
断面方向（ｘ，ｙ）についてλ／１００（Ｘバンドでは、０．３ｍｍ程度）の精度で２本の導波管を対向させて、伝搬方向ｚについてはλ／６０（Ｘバンドでは０．５ｍｍ程度）以下の間隙を保つ。これにより、間隙による損失は、Ｘバンドでは０．０１ｄＢ（約０．２％）以下に小さくできる。

図１０、図１１に展開部の構造を示す。図１０では、展開機構のヒンジと導波管開口部が一体である。図１１では、ヒンジと導波管開口部を分離した部品で構成している。

本発明により、展開構造物に高周波を給電する際の、従来技術で問題となっていた点が解決できる。すなわち、可撓性導波管、ケーブル、及びロータリージョイントを利用しないため、これらの抵抗曲げトルクに関わる設計、製作、試験上の問題を回避できる。特に、抵抗曲げトルクをなくすことで展開衝撃を緩和できる。

また、上記の“粗精度な展開機構のケース”では、二つの導波管は、高々波長の１／３０程度（Ｘバンドでは１ｍｍ）の粗精度で展開状態において対向すればよいため、マイクロ波帯、長ミリ波は、複雑で高精度な展開機構が不要である。

さらに、可撓性導波管やケーブル、およびモード変換器を利用しないため、高周波の損失が低減できる。また、展開部の摺動・接触部を、高周波電磁界が伝搬することがないため、抵抗性の雑音が付加されることがないという利点もある。

宇宙利用分野においては、衛星通信、レーダー観測ミッション、太陽発電・マイクロ波伝送などで、大面積のアンテナから高周波を送信したり、受信する必要性がしばしば見られる。そのようなシステムでは、高周波損失がシステム上の重要な性能になる。

Ｘバンド以上のマイクロ波、ミリ波では、中空の導波管が最も損失が小さい伝送路となる。また、導波管は、マイクロ波、ミリ波で高効率なアンテナであるカセグレンアンテナや、導波管スロットアンテナとの親和性が良い。導波管には以上のような大きな利点があるものの、低損失のリジッドな導波管には可撓性がないため、システムに実装する際には、ルーティングや展開部などで、計装・艤装上の問題が多い。

この問題に対しては、従来行われてきた方法には、ｉ）導波管に代わりに、可撓性のある同軸ケーブルを用いる方法、ii）給電損失を回避するために、アンテナの直近、あるいは、展開アンテナパネル毎に、周波数変換器、移相器、高周波の送信用大電力増幅器、ないしは、受信用低雑音増幅器等の電子装置を実装する方法、がある。

ｉ）の方法では、可撓性が大きい同軸ケーブルは高周波損失が大きく、システム性能を犠牲にして、実装容易性を優先したものである。ii）の方法では、機械環境、熱環境、放射線環境が劣悪な展開アンテナやパネルに、複雑な電子機器システムを実装する必要があるため、システムが重厚かつ高コストなものとなりがちである。ii）の方法が適するのは、各アンテナエレメントの直近に可変移相器と電力増幅器を設置する必要がある電子的な放射ビーム掃引を必要とするシステム、及び、１０ｍ以上の距離を給電する必要がある大型展開アンテナであるといえる。

本発明を利用することができる分野の一例は、電磁波ビームの電子掃引を必要としない数ｍ程度の展開アンテナを、低コストで軽量に実現する技術である。近年発展が顕著である高効率な導波管スロットアンテナを数枚展開させた上で、衛星本体に搭載した高周波送信・受信装置から、本発明技術を用いて低損失で導波管給電する。これにより、ロケット搭載時の収納領域が１ｍ以下の小型衛星を利用して、マイクロ波合成開口レーダーによる地球観測・監視ミッションが可能になる。

最近では、小型衛星による様々な地球観測・監視ミッションが実現しているが、そのほとんどの観測機器は口径数１０ｃｍの光学望遠鏡である。夜間や天候に左右されずに観測・監視を実施するには、数ｍのサイズのアンテナを必要とする合成開口レーダー（ＳＡＲ）等の電波センサーを小型衛星に簡便に搭載する必要がある。本発明によれば、このようなことが可能となる。

ヒンジと導波管が一体
この発明の一実施例を図について説明する。図１０は展開型アンテナの展開機構を示す斜視図である。同図中、符号１，２は従来の展開型アンテナの展開機構部と全く同一のものである。５はヒンジ部と導波管部を一体化したヒンジプレートであり、導波管開口面の一方Ａはチョークフランジを、他方Ｂはカバーフランジを有している。

次に、動作について説明する。展開力を有するうず巻きばね２の作用により、アンテナパネル１は展開し、ヒンジ部と導波管部を一体化したヒンジプレート５は、導波管開口面同士のフランジ部Ａ，Ｂを対向させる。

ヒンジと導波管が別々
以下、この発明の他の実施例を図について説明する。図１１はこの発明の第２の実施例を示す斜視図である。同図中、符号１，２，６は従来の展開型アンテナの展開機構部と全く同一のものである。特にその展開ヒンジ機構はいかなるものでも良い。アンテナパネルに別途接続された、導波管開口面の一方Ａはチョークフランジを、他方Ｂはカバーフランジを有している。

次に、動作について説明する。展開力を有するうず巻きばね２の作用により、アンテナパネル１は展開し、ヒンジ部と導波管部を一体化したヒンジプレート５は、導波管開口面同士のフランジ部Ａ，Ｂを対向させる。

導波管以外の給電系でも接合面で導波管に変換する
展開パネルの接合部以外の領域では、導波管以外の給電系を使用している場合でも、接続部で導波管に変換した後、接合部において、低損失で展開部に適した本方式を使用することが考えられる。

４．非円形チョークフランジ
これまで説明したチョークフランジのチョーク溝は、図６（ｂ）に示すように円形であった。この円形チョーク溝の形状は、図１２において、規格矩形導波管の断面である長方形ＡＢＣＤの長辺ＡＢ及びＣＤそれぞれの中点からそれぞれの辺に対して垂直外側方向にλ／４（λは使用する電磁波の波長）離れた２点Ｅ、Ｆ近傍を通る、直径が最小な円であり、チョーク溝の深さは、約λ／４の溝（図６（ａ）参照）である。

導波管の内部での電磁界の分布は、長辺の中央点付近で最大であり、円形のチョーク溝では、長辺の中央点付近で長辺からλ／４離れた位置にチョーク溝が来る一方で、短辺側では短辺からの距離はこれよりも短くなるものの、通常の場合はこのことが問題となることは少ない。しかしながら、宇宙機の展開物におけるヒンジ部分ではより高い特性が要求される。円形のチョーク溝の場合、実際に図９にいて楕円の破線で囲んだ部分に示されるように、大きな損失が存在している。

本願発明者らは、チョークフランジに対して図１３に示すような非円形のチョーク溝を設けると、円形のチョーク溝よりも優れた特性を示すことを見出した。この非円形のチョーク溝の形状は、規格矩形導波管において、導波管の断面である長方形ＡＢＣＤの長辺ＡＢ及びＣＤと、短辺ＢＣ及びＤＡのそれぞれの中点から、それぞれの辺に対して垂直外側方向にλ／４離れた４点Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈの近傍を通る曲線からなる。この曲線には、楕円形、卵形などを含む、円以外の曲線が含まれる。そして、チョーク溝の深さは、円形のチョーク溝と同様に約λ／４の溝である。

図１４は、一方のフランジを円形のチョークフランジとした場合と非円形のチョークフランジとした場合の、高周波信号の損失を比較する実験の結果を示した図である。図１４では、いずれの場合もチョークフランジとカバーフランジとの間にΔｘ＝１ｍｍ、Δｙ＝０ｍｍのずれを与え、導波管の軸方向の間隙Δｚを変化させて、高周波信号の損失を計測した。同図から分かるように、円形のチョークフランジでは、軸方向の間隙Δｚと周波数に依存する共振的な損失の増加が見られる。これに対し、非円形チョークフランジでは、円形チョークフランジのような共振的な損失の増加はほとんどない。

したがって、図１０及び図１１に示した実施例において、円形チョークフランジの代わりに非円形のチョークフランジを用いることによって、高周波信号の損失をより低減することが可能となる。

１：アンテナパネル
２：うずまきバネ
３：ヒンジ
４：可撓性導波管
５：ヒンジプレート
６：チョークフランジ
７：カバーフランジ

Claims (5)

1. 展開構造物を構成する複数の部品の間で、複数の導波管を介して高周波を給電する高周波給電方式において、
   前記展開構造物の第１の部品に固定された、チョークフランジを有する第１の導波管と、
   前記展開構造物の第２の部品に固定された、カバーフランジを有する第２の導波管と、
   を備え、前記展開構造物を展開状態にしたときに、前記チョークフランジと前記カバーフランジが対向し、前記第１及び第２の導波管を介して前記展開構造物の複数の部品の間で高周波を給電するようにしたことを特徴とする高周波給電方式。
2. 前記第１の導波管は前記第１の部品に直接固定され、前記第２の導波管は前記第２の部品に直接固定されていることを特徴とする請求項１に記載の高周波給電方式。
3. 前記第１の部品及び第２の部品はヒンジのそれぞれの可動部分に接続され、当該ヒンジの動作で展開可能とされており、前記第１の導波管及び第２の導波管は、前記ヒンジのそれぞれの可動部分と一体構造となっていることを特徴とする請求項１に記載の高周波給電方式。
4. 前記チョークフランジのチョーク溝の形状は円形であることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一項に記載の高周波給電方式。
5. 前記チョークフランジのチョーク溝の形状は非円形の曲線から構成されることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一項に記載の高周波給電方式。

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