WO2016024362A1

WO2016024362A1 - 導波管型電力合成・分配器

Info

Publication number: WO2016024362A1
Application number: PCT/JP2014/073979
Authority: WO
Inventors: 篠原己拔; 修一相澤; 有住豊
Original assignee: 日本高周波株式会社
Priority date: 2014-08-12
Filing date: 2014-09-10
Publication date: 2016-02-18
Also published as: US10056671B2; JP5749841B1; JP2016040858A; US20170222294A1

Abstract

　導波管型電力合成・分配器Ｗは、複数のＴＥ１０モードの矩形導波管１が放射状に配置され、放射状の中心にＴＭ０１モードの円形導波管２が配置され、複数の矩形導波管１は、それぞれ、一端部が円形導波管２の一端側の側面に接続されている。

Description

導波管型電力合成・分配器

　本発明は、導波管型電力合成・分配器に関し、例えば、マイクロ波帯或いはミリ波帯において、高電力の合成或いは分配に用いられる導波管型電力合成・分配器に関する。

　従来から、高電力の出力を得るための手段の一つとして、複数の入力電力を合成し、高出力電力を得る電力合成器が知られている。この電力合成器は、電力を入力するための複数の入力端と、合成した電力を出力するための出力端とを備えている。また、電力合成分配器は、入力端を出力端とし且つ出力端を入力端として用いれば、電力分配器として機能する。そのため、本明細書中では、「電力合成器」及び「電力分配器」の両者を「電力合成・分配器」という。

　上記のような電力合成・分配器は、例えば、特許文献１に開示されている。特許文献１に開示された電力合成・分配器は、内部に空隙が形成された本体部と、本体部の略中央に設けられた中央同軸接栓と、中央同軸接栓を中心にした同心円上に並べられ、本体部に設置される複数の周辺同軸接栓と、本体部の内部の空隙に形成されたラジアル線路と、一端が中央同軸接栓に接続され且つ他端がラジアル線路の中央部に接続された中央同軸線路と、一端が周辺同軸接栓に接続され且つ他端がラジアル線路の外周部に接続された周辺同軸線路とを備えている。この電力合成・分配器は、中央同軸接栓を出力端子とし且つ周辺同軸接栓を入力端子とした場合に電力合成器として機能し、中央同軸接栓を入力端子とし且つ周辺同軸接栓を出力端子とした場合に電力分配器として機能するようになっている。

　そして、高電力の合成出力を実現するために、特許文献１に記載された電力合成・分配器を多段接続し（複数の電力合成・分配機を多段接続し）、所望の高電力出力を得ることが行われている。

　尚、同軸線路は、導波管線路に較べて、伝送損失が大きく、対電力が低いので、これらを考慮し、口径が大きな同軸線路を用いようとすると、遮断周波数が低くなる特性を有し、高周波数帯、高電力での使用には限界がある。

特開２０１３－１５０１４３号公報

　ところで、近年、電力合成・分配器の前段に配置する電力増幅器に用いられる半導体素子の性能向上により、電力増幅器からの出力が高電力化している。そのため、電力合成器として機能させる電力合成・分配器において、入力端が、電力増幅器等から出力された高電力の伝送路となる導波管で構成されたものがあれば、上述した従来技術のように、複数の電力合成・分配器（入力端が同軸接栓の電力合成・分配器）を多段接続する構成を採用することなく、高電力の出力が得られるようになる。
　しかしながら、現状では、電力合成・分配器において、複数の入力端が、高電力の伝送路に用いられる導波管で構成されているものは知られていない。

　本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、複数の電力合成・分配器を多段接続する構成を採用することなく、高電力の合成或いは分配が行える電力合成・分配器を提供することを目的とする。

　上記課題を解決するためになされた本発明は、導波管型電力合成・分配器であって、複数のＴＥ１０モードの矩形導波管が放射状に配置され、該放射状の中心にＴＭ０１モードの円形導波管が該放射状面に対して垂直に配置され、複数の前記矩形導波管は、それぞれ、一端部が前記円形導波管の一端側の側面に接続されていることを特徴とする。

　上記の構成によれば、矩形導波管の他端部を入力端とし、各入力端から電力を入力させると、各入力端からの電力が円形導波管内に入力して合成され、合成された電力が円形導波管の他端側から出力される電力合成器として機能させることができる。
　すなわち、本発明によれば、高電力の伝送路となる複数の矩形導波管を入力端とし、円形導波管の他端側を出力端とする電力合成・分配器を構成できるため、入力端が同軸接栓の電力合成・分配器を多段接続する構成を採用することなく、高電力の合成が可能になる。また、本発明によれば、複数の矩形導波管を出力端とし、円形導波管の他端側を入力端とする電力合成・分配器を構成できるため、入力端が同軸接栓の電力合成・分配器を多段接続する構成を採用することなく、高電力の分配が可能になる。
　その結果、本発明によれば、上述した従来技術と比べて、設備コストや設置コストが大幅に低減される。

　また、前記矩形導波管は、Ｈ面及びＥ面のいずれか一方或いは両方の幅寸法が、該矩形導波管の他端部から前記円形導波管に接続されている一端部に向けて狭くなっており、前記Ｈ面の片方或いは両方にリッジが設けられていることが望ましい。
　なお、上記において、矩形導波管の幅寸法は、他端部から一端部に向かって直線的に狭くなるように形成されていてもよいし、階段状に狭くなるように形成されていてもよい。

　このように、矩形導波管のＨ面及びＥ面のいずれか一方或いは両方の幅寸法が、他端部から円形導波管に接続されている一端部に向けて狭くなっているため、多数の入力端を矩形導波管で構成する合成・分配器における矩形導波管の開口寸法の機械的制約が解消できる。

　ここで、上記の機械的制約について、周波数が７ＧＨｚで、８つの矩形導波管（ＴＥ１０モード）を入力端とし、これら矩形導波管が円形導波管（ＴＭ０１モード）の側面に周方向に等間隔に接続された、８合成の電力合成・分配器を例に挙げて説明する。
　具体的には、周波数７ＧＨｚでは、矩形導波管として「ＷＲ－１３７」を用いるのが一般的である。「ＷＲ－１３７」の開口寸法は、「３４.８５（ｍｍ）×１５.７９９（ｍｍ）」であるため、８つの矩形導波管（ＷＲ－１３７）が接続される円形導波管の内径は、少なくとも、矩形導波管の広辺（Ｈ面）の寸法（３４.８５（ｍｍ））を一辺とする正八角形に外接する円形の直径（Ｌ＝９１．０６（ｍｍ））よりも大きい必要がある。
　一方、周波数７ＧＨｚを遮断周波数（波長λｃ＝４２．８５７１（ｍｍ））とする円形導波管の直径（２ａ）は、ＴＭ０１モードの円形導波管の波長（λｃ）と半径（ａ）の関係が、「λｃ＝２．６１３×ａ」であるため、「２ａ＝２×４２．８５７１／２．６１３＝３２．８０３（ｍｍ）」となる。但し、遮断周波数近辺の急激な特性変化を避けるために、円形導波管の直径（２ａ）は、上記の計算値より「１．２倍」程度大きくする必要がある。また、周波数７ＧＨｚの波長（λｃ）は、「４２．８５７１（ｍｍ）」なので、円形導波管の直径は、これより小さくして異種モードが生じないようにする必要がある。そのため、円形導波管の直径を「４０（ｍｍ）」位にする必要があるが、８つの矩形導波管（ＴＥ１０モード）を入力端として円形導波管に接続する場合、上述した通り、円形導波管の直径が「９１．０６（ｍｍ）」よりも大きい必要があるため、８合成の電力合成・分配器を構成することができない。
　そのため、本発明では、「矩形導波管のＨ面及びＥ面のいずれか一方或いは両方の幅寸法が、他端部から円形導波管に接続されている一端部に向かって狭く」することで、矩形導波管の円形導波管への接続面（開口寸法）を狭くし、ＴＥ１０モード円形導波管に対して所望数の矩形導波管の接続を可能にしている。

　しかし、上記のように、矩形導波管の円形導波管への接続面（開口寸法）を狭くすると、遮断周波数が高くなり、使用周波数帯域の低域帯における伝送が困難になるという新たな課題が生じる。例えば、円形導波管の直径を４０（ｍｍ）とし、８合成が可能な矩形導波管の接続面の開口寸法を「１５×８（ｍｍ）」とすると、遮断周波数は「１０．０（ＧＨｚ）」となり、遮断周波数以下である７ＧＨｚは通過できない。
　そのため、本発明では、矩形導波管のＨ面の片方或いは両方にリッジを設け、リッジの寸法を選ぶことにより、ＴＥ１０モードの遮断周波数を低下させ、帯域特性を広くして、低帯域での使用を可能にしている。例えば、上記のように、円形導波管の直径を４０（ｍｍ）とし、８合成可能な矩形導波管の接続面の開口寸法を「１５×８（ｍｍ）」とした場合に、接続面におけるリッジ（シングルリッジ）の寸法を、「幅６（ｍｍ）×高さ５.２（ｍｍ）」とすると、遮断周波数が、「５．７１４（ＧＨｚ）」となり、７ＧＨｚが通過できるようになる。

　また、前記円形導波管の内壁には、該円形導波管の軸方向と同一方向に延びる溝が形成され、前記溝に電波吸収体が取り付けられていることが望ましい。

　上記の構成を採用したのは以下の理由による。
　円形導波管への励振の具合等により、円形導波管の内壁面に高周波電流が円周方向に流れるＴＥｍｎモードが発生し、ＴＥ１０モードとの干渉で位相歪みが生じたり、伝送損失が多くなることがある。
　そのため、本発明では、上記の構成により、すなわち、円形導波管の軸方向と同一方向に延びる溝を形成し、その溝に電波吸収体を取り付けることにより（溝を電波吸収体で埋めることにより）、円形導波管の内壁面に流れる高周波電流に対する抵抗値を上げ、高周波電流を流れ難くして、ＴＭ０１モード以外の不要モードの発生を抑制している。

　また、前記円形導波管の他端側に、ＴＭ０１モードをＴＥ１０モードに変換するモード変換器が接続されていることが望ましい。
　このように構成したのは、通常、伝送路は矩形導波管により構成されているためであり、上記構成により、電力合成・分配器の両端（入力端及び出力端）が矩形導波管になるため、矩形導波管により構成されている伝送路に容易に組み込めるようになる。

　本発明によれば、複数の電力合成・分配器を多段接続する構成を採用することなく、高電力の合成或いは分配を行える電力合成・分配器を提供することができる。

本発明の実施形態の電力合成・分配器の外観を示した模式図である。本発明の実施形態の電力合成・分配器を構成する矩形導波管を説明するための模式図である。リッジ導波管を説明するための模式図であり、（ａ）がシングル・リッジ導波管の断面を示した模式図であり、（ｂ）がダブル・リッジ導波管の断面を示した模式図である。図３に示したリッジ導波管の等価回路を示した模式図である。本発明の実施形態の電力合成・分配器の矩形導波管と円形導波管との接続部におけるモードの状態を示す模式図である。本発明の実施形態の電力合成・分配器の円形導波管の内壁に設けた溝に電波吸収体を取り付けた構成を説明するための模式図であり、（ａ）が電力合成・分配器を斜め上方から見た模式図であり、（ｂ）が電力合成・分配器の円形導波管を平面視した模式図である。

　以下、本発明の実施形態の導波管型電力合成・分配器（以下、単に「電力合成・分配器」という）を図面に基づいて説明する。なお、本実施形態では、説明の便宜上、電力合成・分配器を電力合成器として用いた場合を例にする。また、本実施形態では、周波数が７ＧＨｚで、８つの矩形導波管１が入力端となっている８合成の電力合成・分配器Ｗを例にする。

　図１に示すように、本実施形態の電力合成・分配器Ｗは、複数（図示する例では８本）のＴＥ１０モードの矩形導波管１と、ＴＭ０１モードの円形導波管２と、モード変換器３とを備えている。なお、矩形導波管１は両端が開口しており、円形導波管は片端（図中では下端)が閉塞し、片端（図中では上端)が開口している。モード変換器３は、円形導波管部３ａの外周側面に、矩形導波管部３ｂを接続した構造で、両端が開口している。

　また、電力合成・分配器Ｗは、８本の矩形導波管１が、円形導波管２を中心にして、放射状に配置されており、各矩形導波管１の一端部が、円形導波管２の一端側（図中では下端側）の外周側面に接続されている（８本の矩形導波管１が円形導波管２の外周側面に周方向に等間隔に接続されている）。また、モード変換器３は、円形導波管２の他端側（図中では上端側）に接続されている。なお、ＴＭ０１モードの円形導波管２は、放射状に配置された矩形導波管１の放射状面に対して垂直に配置されている。

　また、図２に示すように、矩形導波管１は、Ｈ面（広辺）及びＥ面（狭辺）の幅寸法が、いずれも、矩形導波管１の他端部から円形導波管２に接続されている一端部（接続部）に向けて小さくなっている（狭くなっている）。図示する例では、Ｈ面及びＥ面の幅寸法が、他端部から接続部に向けて直線的に狭まるテーパ状に形成されている。

　このように、Ｈ面及びＥ面の幅寸法が、他端部から接続部に向けて直線的に狭まるテーパ状に形成されている構成により、矩形導波管１の開口寸法の機械的制約を解消でき、円形導波管２に接続できる矩形導波管１の数を増加させることができる。
　例えば、テーパ状に形成された矩形導波管１は、一端部（接続部）の開口寸法が「１５×８（ｍｍ）」になっており、他端部の開口寸法が「３４.８５（ｍｍ）×１５.７９９（ｍｍ）」になっている。また、円形導波管２は、直径が４０（ｍｍ）で形成されている。また、モード変換器３は、円形導波管部３ａの直径が４０（ｍｍ）、矩形導波管部３ｂの開口寸法が「３４．８５×１５．７９９（ｍｍ）」に形成されている。

　なお、図示する例では、矩形導波管１のＨ面及びＥ面の幅寸法が、他端部から接続部に向けて直線的に狭まるテーパ状に形成されているが特にこれに限定されるものではない。例えば、矩形導波管１のＨ面及びＥ面の幅寸法が、他端部から接続部に向けて階段状に段差を形成しながら狭くなっていてもよい。
　また、図示する例は、矩形導波管１のＨ面（広辺）及びＥ面（狭辺）の両方の幅寸法が、矩形導波管１の他端部から接続部に向けて小さくなっているが特にこれに限定されるものではない。矩形導波管１のＨ面（広辺）及びＥ面（狭辺）のいずれか一方の幅寸法だけが狭くなるようになっていてもよい。

　また、図２に示すように、矩形導波管１は、Ｈ面にリッジ（尾根、棟）１１が設けられている。
　このように、リッジ１１を設けたのは、以下の理由による。具体的には、矩形導波管１のＨ面及びＥ面の幅寸法を他端部から接続部に向けて小さくすると（すなわち、矩形導波管１の円形導波管２への接続部の開口寸法を小さくすると）、遮断周波数が高くなり、使用周波数帯の低域帯における伝送が困難になる。そのため、本実施形態では、矩形導波管１のＨ面にリッジ１１を設け、ＴＥ１０モードの遮断周波数が低くなるようにして、低帯域での使用を可能にしている。例えば、矩形導波管１の接続部の開口寸法が「１５×８（ｍｍ）」であり、円形導波管２の直径が４０（ｍｍ）である場合に、円形導波管２との接続面のシングルリッジ１１の寸法を、「幅６（ｍｍ）×高さ５.２（ｍｍ）」とすると、遮断周波数が、「５．７１４（ＧＨｚ）」となり、７ＧＨｚが通過できるようになる。
　なお、図２では、矩形導波管１が、２つのＨ面のうちの一方にリッジ１１を設けた導波管（シングル・リッジ導波管）で構成されているが、２つのＨ面の両方にリッジ１１を設けた導波管（ダブル・リッジ導波管）で構成されていてもよい。

　ここで、図３及び図４を参照しながら、リッジ１１を設けた導波管（シングル・リッジ導波管、ダブル・リッジ導波管）について説明する。
　シングル・リッジ導波管の断面（図３（ａ）参照）及びダブル・リッジ導波管の断面（図３（ｂ）参照）は、いずれも、図４に示す等価回路（図中のＳは対称面）で表すことができる。また、リッジ導波管のリッジ１１が形成されていな部分の特性インピーダンス（Ｙ１）は下記の［数１］に示す通りであり、リッジ１１部分の特性インピーダンス（Ｙ２）は、下記の［数２］に示す通りである。

　リッジ導波管は、リッジ１１部分の特性インピーダンス（Ｙ２）と、図中の「Ｐ－Ｐ′部」に生じる容量性のサセプタンス（Ｂ）とにより、ＴＥ１０波の遮断周波数（ｆｃ）が低められる。さらに、ＴＥ２０波、ＴＥ３０波の遮断周波数（ｆｃ）を高くすることができるため、広帯域な導波管となる。
　また、リッジ１１を設けることにより、リッジ１１部分に電界が集中し、等価的に静電容量が付加されたことになり、特性インピーダンスが低くなるので整合が取りやすくなる。

　また、本実施形態では、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、円形導波管２の内壁に、円形導波管２の軸方向と同一方向に延びる溝が形成され、この溝に電波吸収体１２が取り付けられていることが望ましい。この構成により、円形導波管２の内壁面に流れる高周波電流に対する抵抗値が上がり、高周波電流が流れ難くなり、ＴＭ０１モード以外の不要モードの発生が抑制される。

　そして、上記のように構成された電力合成・分配器Ｗは、各矩形導波管１の他端部を入力端とし、各入力端から電力を入力させると、各入力端からの電力が円形導波管内２に入力して合成され、合成された電力が円形導波管の他端側に接続されたモード変換器３から出力される。

　また、本実施形態の電力合成・分配器Ｗでは、矩形導波管１と円形導波管２との接続部におけるモードの状態が、図５に示すように、矩形導波管１（ＴＥ１０モード）の電界の方向と、円形導波管２（ＴＭ０１モード）の電界の方向が同一になっている。そのため、本実施形態よれば、矩形導波管１と円形導波管２との接続部において、スムーズにモード変換が行われ、良好な特性が得られる。

　また、矩形導波管１と円形導波管２との接続部は、円形導波管２の周りに矩形導波管１のインピーダンスが円周上に並列に接続している状態になっている。そのため、本実施形態において、上記の並列インピーダンスと、円形導波管２の特性インピーダンスとを整合させることにより、効率の良い電力合成ができる。

　なお、本実施形態の電力合成・分配器Ｗでは、各入力端からの入力を同相で励振しているときは、各入力端子間のアイソレーションは、約「１/８」となるので、約９ｄＢとなる。

　また、本実施形態の電力合成・分配器Ｗは、導波管（矩形導波管１、円形導波管２）により構成されているので、電力的にも高電力で使用でき、導波管内部を不活性ガスで加圧したり、或いは、真空にすれば、さらに高電力での使用が可能になる。
　また、導波管の外壁面を冷却（水冷又は空冷）することでより高電力に対応することも可能である。

　以上、説明したように、本実施形態によれば、矩形導波管を入力端とし、円形導波管の他端側を出力端とする電力合成・分配器Ｗが提供されるため、入力端が同軸接栓の電力合成・分配器を複数多段接続する従来技術の構成を採用することなく、高電力の合成が可能になり、上述した従来技術と比べて、設備コストや設置コストが大幅に低減される。

　また、本実施形態では、円形導波管２の他端側に、ＴＭ０１モードをＴＥ１０モードに変換するモード変換器３が接続されている。すなわち、本実施形態では、電力合成・分配器の両端（入力端及び出力端）が矩形導波管になるため、矩形導波管で構成された伝送路に容易に組み込むことができる。

　なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内において種々の変更が可能である。

　例えば、上述した実施形態において、入力端となる矩形導波管１の他端部と、出力端となるモード変換器３の他端部にコーナー導波管（ベント導波管）、ツイスト導波管等を接続することにより、入力端及び出力端の何れか一方或いは両方のフランジ面を変えれば、任意のフランジ面を有する出力（入力）端配列が可能となる。

　また、上述した実施形態では、８本の矩形導波管１を入力端とした、８合成の電力合成・分配器Ｗを示しているが、円形導波管２に接続される矩形導波管１の数は適宜設定されるものである。
　また、上述した実施形態では、円形導波管２の他端側の外周側面に、モード変換器３が接続されているが、モード変換器３がない構成であっても、本発明は適用される。

Ｗ…導波管型電力合成・分配器
１…矩形導波管
２…円形導波管
３…モード変換器
３ａ…円形導波管部（モード変換器）
３ｂ…矩形導波管部（モード変換器）
１１…リッジ
１２…電波吸収体

Claims

　複数のＴＥ１０モードの矩形導波管が放射状に配置され、該放射状の中心にＴＭ０１モードの円形導波管が該放射状面に対して垂直に配置され、
　複数の前記矩形導波管は、それぞれ、一端部が前記円形導波管の一端側の側面に接続されていることを特徴とする導波管型電力合成・分配器。
　前記矩形導波管は、Ｈ面及びＥ面のいずれか一方或いは両方の幅寸法が、該矩形導波管の他端部から前記円形導波管に接続されている一端部に向けて狭くなっており、
　更に、前記Ｈ面の片方或いは両方にリッジが設けられていることを特徴とする請求項１記載の導波管型電力合成・分配器。
　前記円形導波管の内壁には、該円形導波管の軸方向と同一方向に延びる溝が形成され、
　前記溝に電波吸収体が取り付けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の導波管型電力合成・分配器。
　前記円形導波管の他端側に、ＴＭ０１モードをＴＥ１０モードに変換するモード変換器が接続されていることを特徴とする請求項１又は２記載の導波管型電力合成・分配器。
　複数のＴＥ１０モードの矩形導波管が放射状に配置され、該放射状の中心にＴＭ０１モードの円形導波管が該放射状面に対して垂直に配置され、
　複数の前記矩形導波管は、それぞれ、一端部が前記円形導波管の一端側の側面に接続され、
　前記矩形導波管は、Ｈ面及びＥ面のいずれか一方或いは両方の幅寸法が、該矩形導波管の他端部から前記円形導波管に接続されている一端部に向けて狭くなっており、
　更に、前記Ｈ面の片方或いは両方にリッジが設けられ、
　前記円形導波管の内壁には、該円形導波管の軸方向と同一方向に延びる溝が形成され、
　前記溝に電波吸収体が取り付けられ、
　前記円形導波管の他端側に、ＴＭ０１モードをＴＥ１０モードに変換するモード変換器が接続されていることを特徴とする導波管型電力合成・分配器。