JP2011182166A - Ｔ分岐導波管 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来技術におけるＥ面Ｔ分岐導波管は、導波管内における基本波帯域の管内波長の変化が大きいため、主導波管と分岐導波管を分岐させる分岐スロット部の特性が、狭帯域となる課題があった。さらに、Ｎが約１．５倍を超えると主導波管では、多くの高次モードが生じる。これら高次モードが導波管内で、共振を起こす等、電気特性が劣化する課題があった。
【解決手段】 主導波管の幅狭面の長さを、標準導波管の約１／Ｎとし、かつ分岐導波管にＮ倍波を分岐する構成とすることで、高次モードによる共振を抑圧するようにした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、マイクロ波、ミリ波帯における電力の分配、及び合成に用いられるＴ分岐導波管に関するものである。詳しくは、基本波とそのＮ倍波とを分配し、及び合成に用いられるＴ分岐導波管に関するものである。

主導波管の一端を入力端子とし、主導波管の幅広面に分岐スロットを設けて電力の分配及び合成を行うものとして、Ｅ面Ｔ分岐導波管がある。Ｅ面Ｔ分岐導波管として、主導波管と、主導波管の幅広面に設けられた分岐スロットで結合された分岐導波管とで構成されるものが知られている（例えば、非特許文献１参照）。
このようなＥ面Ｔ分岐導波管を設計する際、主導波管と分岐導波管の導波管開口寸法は、基本波に対して標準導波管とし、高次モードが伝播しないように設計することが一般的である。ここで標準導波管とは導体損失抑制の観点で設計された導波管であり、方形導波管開口寸法の幅広面の長さに対して幅狭面の長さが約１／２の関係となっているものをいう。

Matthaei, YOUNG, JONES "MICROWAVE FILTERS, IMPEDANCE-MATCHING NETWORKS, AND COUPLING STRUCTURE" P238 FIG. 5.10-9

しかしながら主導波管が上記のような標準導波管であるとき、基本波のＮ倍の周波数を有する高周波（以下、Ｎ倍波という）であって、Ｎの値が約１．５倍以上となる周波数においては、多くの高次モードが生じることになる。そして、Ｎの値によっては、これらの高次モードが導波管内で共振を起こす等して電気特性が劣化するという課題があった。
さらには、基本波帯域の管内波長の変化が大きいため、主導波管と分岐導波管とを分岐する分岐スロットの特性が狭帯域となる課題があった。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされたものであり、導波管における高次モードの発生を抑圧し、主導波管と分岐導波管とを分岐する分岐スロット部の特性を広帯域化することが可能なＴ分岐導波管を提供することを目的とする。

本発明のＴ分岐導波管は、矩形断面を有する導波管であって、一端が基本周波数を有する基本波及び前記基本波のＮ次高調波であるＮ倍波とを入力する入力端子、他端が前記基本波を出力する出力端子であり、前記導波管を構成する一方のＥ面に分岐スロットを有する主導波管と、一端が前記主導波管と前記分岐スロットで結合され、他端が前記Ｎ倍波を出力する出力端子である分岐導波管とを備え、前記主導波管の前記矩形断面の寸法は、前記Ｅ面での長さが前記基本周波数における標準導波管のＥ面の長さと同じであり、前記Ｅ面と略垂直となる面での長さが前記標準導波管のＥ面と略垂直となる面の長さの略１/Ｎ倍であるようにした。

この発明によれば、従来のＴ分岐導波管において発生していた高次モードによる共振の発生を抑圧することができる。
また、分岐導波管にＮ倍波を分岐することで、分岐導波管の方形導波管の開口寸法に対して、オーバーサイズに見えるため、Ｎ倍波帯域の管内波長の変化が小さくなり、結果として分岐させるスロット部の特性を広帯域にすることが可能となる。

この発明の実施の形態１に係るＥ面Ｔ分岐導波管の斜視図である。 この発明の実施の形態１に係る分岐スロット部の反射特性を示す図である。 この発明の実施の形態２に係るＥ面Ｔ分岐導波管の斜視図である。 従来におけるＥ面Ｔ分岐導波管の斜視図である。

この発明に係るＴ分岐導波管は、入出力の方向を切換えることで電力の分配器のほか電力の合成器としても使用することができる。また、分岐導波管が結合される面によりＥ面Ｔ分岐導波管とＨ面Ｔ分岐導波管とがあるが、以下では一例として、Ｅ面Ｔ分岐導波管を分配器として適用した場合について説明する。

まず、従来のＥ面Ｔ分岐導波管の課題について図を用いて説明する。
図４は従来のＥ面Ｔ分岐導波管の斜視図である。Ｅ面Ｔ分岐導波管は、主導波管２１と、主導波管２１の一方のＥ面に分岐スロット２３で結合された矩形断面の分岐導波管２２とで構成される。

図４において、主導波管２１は方形導波管開口寸法の幅広面の長さをＡ、幅狭面の長さをＢとした標準導波管であり、主導波管２１の基本波の設計中心波長をλ_０＝√２Ａと仮定する。なお標準導波管とは先に述べたように導体損失抑制の観点で設計された導波管であり、方形導波管開口寸法の幅広面の長さに対して幅狭面の長さが約１／２の関係となっているものをいう。図４の例では、幅広面の長さＡに対して幅狭面Ｂの長さが約１／２、すなわちＢ≒Ａ/２の関係となっている。

次に動作を説明すると、図４に示したＥ面Ｔ分岐導波管は主導波管２１の入力端子２４から基本波とＮ倍波のＲＦ信号が入力されると、分岐導波管２２の出力端子２６から分岐スロット２３で分岐した基本波のＲＦ信号を出力するとともに、主導波管出２１の出力端子２５からはＮ倍波を出力する。ここで分岐スロット２３の寸法は、基本波を分岐導波管２２に分岐するように、予め必要とする周波数帯によって最適化しておく。

ここで、基本モードの遮断周波数は設計中心周波数の約０．７倍となる。基本モードの次に発生するＴＥ２０モードでは、遮断周波数が設計中心周波数の１．４倍となる。順に、ＴＥ１１、ＴＭ１１モードでは、遮断周波数が、設計中心周波数の１．６倍、ＴＥ２１、ＴＭ２１モードでは、遮断周波数が、設計中心周波数の２倍となる。
このため、主導波管２１が標準導波管のとき、高調波であるＮ倍波のＮの値が約１．５倍以上となる周波数においては、多くの高次モードが発生し得ることになる。

このように従来の分岐導波管においては、Ｎの値によってはこれら高次モードが導波管内で共振を起こす等して、電気特性が劣化するという課題があった。さらには、基本波帯域の管内波長の変化が大きいため、主導波管と分岐導波管を分岐する分岐スロットの特性が狭帯域となるという課題があった。

実施の形態１．
次に、本発明の実施の形態１に係るＥ面Ｔ分岐導波管を図を用いて説明する。
図１は、この発明の実施の形態１を示すＥ面Ｔ分岐導波管の斜視図である。実施の形態１のＥ面Ｔ分岐導波管は、従来と同様に、主導波管１と、主導波管１の一方のＥ面（幅広面）に分岐スロットで結合された矩形断面の分岐導波管２とで構成される。

図１において、１は基本波とそのＮ倍波を入力する場合において導波管の幅狭面の長さが基本波における標準導波管の約１／Ｎ倍となる方形導波管開口を有する主導波管である。後に動作を説明するが、主導波管１の入力端子４から基本波とそのＮ倍波を含むＲＦ信号を入力し、Ｎ倍波を出力端子６に分岐して出力させようとする場合において、主導波管１の幅狭面の長さを、Ｎ倍波のＮの値が例えば２であれば（Ｎ＝２）標準導波管の幅狭面の長さの約１／２とする。
すなわち、基本波における標準導波管の幅広面の長さをＡ、幅狭面の長さをＢとしたときに、実施の形態１に係る主導波管１の開口寸法は、幅広面の長さについては従来と同じＡであり、幅狭面の長さは従来の１／ＮであるＢ／Ｎとなっている。

２はＮ倍波に対して標準導波管となる方形導波管開口を有する分岐導波管、３は主導波管１と分岐導波管２とを分岐するために主導波管１の幅広面に設けた分岐スロットである。このとき分岐スロット３の寸法は、Ｎ倍波を分岐導波管２に分岐するように、必要とする周波数帯によって最適化を行っておく。
このように、主導波管１と分岐導波管２とを分岐スロット３で接続することで、Ｅ面Ｔ分岐導波管が構成される。また、主導波管１と分岐導波管２は中心軸が直交するように接続される。

図１のＥ面Ｔ分岐導波管は以下のように動作する。
主導波管１の入力端子４から基本波とそのＮ倍波を含むＲＦ信号を入力すると、分岐導波管２の出力端子６からＮ倍波が分岐スロット３で分岐されて出力する。一方、主導波管１の出力端子５からは基本波が出力する。
このように実施の形態１のＴ分岐導波管では、主導波管の入力端子４から入力される基本波とＮ倍波を、主導波管の出力端子５に基本波、分岐導波管の出力端子６にＮ倍波を分配するように動作する。

ここで主導波管１の基本波の設計中心波長は、従来のＴ分岐導波管の場合と同様にλ０＝√２Ａと仮定する。するとＴＥ１１、ＴＭ１１モードでは、遮断周波数が、設計中心周波数の約１．６Ｎ倍、ＴＥ２１、ＴＭ２１モードでは、遮断周波数が、設計中心周波数の約２Ｎ倍となる。
つまり、主導波管１の幅狭面の長さを標準導波管の約１／Ｎとすることで、主導波管の高次モードの遮断周波数が標準導波管を用いたときより約Ｎ倍高くすることができる。 よって、ＴＥｍｎ、ＴＭｍｎモードのうち、ｍ、ｎ≠０の高次モードを抑圧することが可能となる。

一方、実施の形態１の分岐導波管では、分岐導波管２にＮ倍波を分配するようにした。
分岐導波管２にＮ倍波を分配することにより、分岐導波管２の方形導波管の開口寸法に対して、オーバーサイズに見えるため、Ｎ倍波帯域の管内波長の変化が小さくなり、分岐スロットによる主導波管１と分岐導波管２の分配特性を広帯域にすることが可能となる。

図２は、従来技術とこの発明による実施の形態１の分岐スロット部の反射特性を比較した図の一例である。
縦軸は反射振幅、横軸はＮ倍波の周波数を１とした時の規格化周波数である。図２に示すように、反射振幅−２０ｄＢ以下の反射が小さい帯域幅が６％程度まで広がっており、分岐導波管の整合が広帯域に取れるようになったことがわかる。

以上のように、実施の形態１のＴ分岐導波管は、主導波管１と、主導波管１の一方のＥ面に分岐スロット３で結合された矩形断面の分岐導波管２とで構成するようにした。
ここで主導波管１は、基本波とＮ倍波を主導波管１の入力端子４から入力する場合に、幅狭面の長さが基本波での標準導波管の長さＢの約１／Ｎ倍となる方形導波管開口を有する主導波管であり、すなわち、標準導波管１の幅広面の長さをＡ、幅狭面の長さをＢとしたときに、実施の形態１に係る主導波管１の開口寸法は、幅広面の長さは従来と同じＡであり、幅狭面の長さは約Ｂ／Ｎである。また、分岐導波管２はＮ倍波に対して標準導波管となる方形導波管開口を有する導波管である。分岐スロット３の寸法はＮ倍波を分岐導波管２に分岐するように、予め必要とする周波数帯によって最適化しておく。

実施の形態１のＴ分岐導波管は、主導波管１の入力端子４から入力される基本波とＮ倍波を、主導波管の出力端子５に基本波、分岐導波管の出力端子６にＮ倍波を分配するように動作する。

そして、実施の形態１のＴ分岐導波管では、主導波管１の幅狭面の長さを標準導波管の約１／Ｎとしていることで、主導波管の高次モードの遮断周波数が標準導波管を用いたときより約Ｎ倍高くすることができる。よって、ＴＥｍｎ、ＴＭｍｎモードのうち、ｍ、ｎ≠０の高次モードを従来より抑圧することができ、高次モードによる共振を抑圧することができる。
また、本実施の形態の分岐導波管では、分岐導波管２にＮ倍波を分配することにより、分岐導波管２の方形導波管の開口寸法に対してオーバーサイズに見えるため、Ｎ倍波帯域の管内波長の変化が小さくなり、分岐スロットによる主導波管１と分岐導波管２の分配特性を広帯域にすることができる。このように、Ｎ倍波について、広帯域な整合が可能となる分岐導波管を得ることができる。

実施の形態２．
図３は、この発明の実施の形態２を示すＥ面Ｔ分岐導波管の斜視図である。実施の形態２は、実施の形態１の分岐導波管では抑圧しきれないＴＥ２０モードを分岐するための分岐導波管を設けた構成となっている。

実施の形態１では主導波管の幅広面の長さを小さくすることでＴＥ２０モードの発生周波数を高域側に移動させることを説明したが、依然としてＴＥ２０モードが発生する可能性は残る。
そこで、実施の形態２では、ＴＥ２０モードを分岐するための分岐スロットを設ける。 図３において、７は主導波管長手方向にスロットの長軸をもつ分岐スロット７である。この分岐スロット７によりＴＥ２０モードは分岐導波管８に分岐され、分岐導波管出力端子９に終端器を接続することで、ＴＥ２０モードを抑圧することができる。このとき、図２に示す分岐スロット部の特性に影響は及ばない。

このように実施の形態２では実施の形態１で示した分岐導波管において、更に、分岐導波管２を設けた主導波管の幅広面にＴＥ２０モードを分岐するための分岐スロット７を設けた。そして、分岐導波管８と主導波管１を分岐スロット７で接続し、分岐導波管８の出力端子９には終端器を設けるようにした。

このような構成をとることにより、実施の形態２の分岐導波管は、ＴＥ２０モードの発生を更に抑圧することができる。

なお、実施の形態２では一例としてＴＥ２０モードの抑圧について説明したが、他の高次モードについても同様にして抑圧することが可能である。

上記の実施の形態１、２の説明では、分岐導波管を電力の分配器として用いる例を説明しているが、合成器として用いても良い。例えば図１や図３における分岐導波管の出力端子をＮ倍波の入力端子とし、また、主導波管の出力端子を基本波の入力端子とし、主導波管の入力端子を基本波とＮ倍波を合成した出力端子としてもよく、この場合は分岐導波管は合成器として機能する。

また、上記説明ではＥ面Ｔ分岐導波管について説明したがＨ面Ｔ分岐導波管としてもよく、Ｈ面Ｔ分岐導波管においても高次モードによる共振の発生を抑圧を抑制でき、また、分岐スロット部の特性を広帯域にすることが可能となる。

１ 主導波管、２ 分岐導波管、３ 分岐スロット、４ 主導波管入力端子、５ 主導波管出力端子、６ 分岐導波管出力端子、７ ＴＥ２０モード分岐スロット、８ ＴＥ２０モード分岐導波管、９ ＴＥ２０モード分岐導波管出力端子、２１ 主導波管、２２ 分岐導波管、２３ 分岐スロット、２４ 主導波管入力端子、２５ 主導波管出力端子、２６ 分岐導波管出力端子。

Claims (3)

1. 矩形断面を有する導波管であって、一端が基本周波数を有する基本波及び前記基本波のＮ次高調波であるＮ倍波とを入力する入力端子、他端が前記基本波を出力する出力端子であり、前記導波管を構成する一方のＥ面に分岐スロットを有する主導波管と、
   一端が前記主導波管と前記分岐スロットで結合され、他端が前記Ｎ倍波を出力する出力端子である分岐導波管とを備え、
   前記主導波管の前記矩形断面の寸法は、前記Ｅ面での長さが前記基本周波数における標準導波管のＥ面の長さと同じであり、前記Ｅ面と略垂直となる面での長さが前記標準導波管のＥ面と略垂直となる面の長さの略１/Ｎ倍であることを特徴とするＴ分岐導波管。
2. 前記Ｅ面に、前記基本波の高次モードを分岐する分岐スロットと、当該分岐スロットで前記主導波管に結合される分岐導波管を更に備えたことを特徴とする請求項１記載のＴ分岐導波管。
3. 入力端子と出力端子を具えた矩形断面を有する主導波管と、入力端子と出力端子を具えて当該出力端子は前記主導波管の一方のＥ面に設けられた分岐スロットで前記主導波管と結合される分岐導波管と、からなり、
   前記主導波管の入力端子は基本周波数を有する基本波を入力する端子であり、前記分岐導波管の入力端子は前記基本波のＮ次高調波であるＮ倍波を入力する端子であり、前記主導波管の出力端子は前記基本波と前記Ｎ倍波とを出力するＴ分岐導波管であって、
   前記主導波管の前記矩形断面の寸法は、前記Ｅ面での長さが前記基本周波数における標準導波管のＥ面での長さと同じであり、前記Ｅ面と略垂直な面での長さが前記標準導波管のＥ面と略垂直な面での長さの略１/Ｎ倍であることを特徴とするＴ分岐導波管。

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