JP4903100B2 - 導波管形電力合成分配器およびそれを用いたアレーアンテナ装置 - Google Patents

Description

この発明は、主としてＶＨＦ帯、ＵＨＦ帯、マイクロ波帯およびミリ波帯で用いられる導波管形電力合成分配器およびそれを用いたアレーアンテナ装置に関するものである。

従来から導波管形電力合成分配器およびそれを用いたアレーアンテナ装置は良く知られている。
図８は従来の導波管形電力合成分配器に適用されるショートスロット形の導波管形の方向性結合器（たとえば、非特許文献１参照）の構成を示す３面図（平面図および側面図）である。

図８において、等しい開口径を有する方形導波管６１、６２は、互いの管軸が平行となるように、かつ互いの幅の狭い面が向かい合うように並べられている。
方形状の結合孔６３は、方形導波管６１、６２の向かい合う面を結合している。
ショートスロット形の導波管形の方向性結合器６４は、方形導波管６１、６２と、結合孔６３と、入出力端子（第１および第２の入力端子Ｐ１、Ｐ４、ならびに、第１および第２の出力端子Ｐ２、Ｐ３）とにより構成されている。

次に、図８に示した従来の導波管形電力合成分配器の動作について説明する。
いま、ある周波数帯の電波が、方形導波管基本モード（方形導波管ＴＥ１０モード）として、第１の入力端子Ｐ１から入力されたとすると、この入射電波は、方形導波管６１を伝播し、結合孔６３により結ばれている方形導波管６１、６２の区間に入る。

結合孔６３により結ばれている区間は、幅の広い（方形導波管６１の約２倍の幅を有する）方形導波管となっているので、ＴＥ１０モードとＴＥ２０モードとが励振される。
このとき、上記２つのモードの電界は、第１の入力端子Ｐ１側では相加され、第２の入力端子Ｐ４側では相殺されるように分布するので、第２の入力端子Ｐ４側へ逃げる電力は、非常に少ない。

また、ＴＥ１０モードおよびＴＥ２０モードは、上記幅の広い方形導波管区間を伝送するが、その際、位相速度の違いから相互に干渉を起こし、たとえば２つのモードが９０度位相差になると、第１の出力端子Ｐ２および第２の出力端子Ｐ３に等しい電力が伝送され、図８の回路は方向性結合器として動作することになる。

実際には、図８の構造において、広帯域にわたって所望の結合度と良好な反射特性とを維持する設計は困難であるが、上記幅の広い方形導波管区間に、ポスト（金属円柱）などの整合素子を設けることにより、所望の結合度と良好な反射特性とを同時に得ることができる。

上述のように、方向性結合器６４は、第１の入力端子Ｐ１から入力された電波を、広い周波数帯域にわたって、第１および第２の出力端子Ｐ２、Ｐ３から所望の分配振幅比で出力するとともに、良好な反射特性と優れた低損失性と高いアイソレーション特性とを同時に得ることができるので、マイクロ波帯およびミリ波帯で用いられる高性能な電力合成分配器を実現するのに有効である。また、アレーアンテナ装置の給電回路部を構成する電力合成分配器としても便利である。

なお、従来から、９０度ハイブリッド電力分配器の出力端の一方に容量性移相器を装荷し、出力端の他方に誘導性移相器を装荷した構成とすることにより、広い周波数帯域にわたって出力信号を同相とする技術も提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

小口文一「マイクロ波およびミリ波回路」丸善株式会社、１９６４、第３０３頁〜第３０５頁 特許第２５９２４７６号公報

従来の導波管形電力合成分配器では、第１の入力端子Ｐ１から入力された信号を第１および第２の出力端子Ｐ２、Ｐ３に分配する際に、分配された出力信号間の相対位相差が９０度となることから、アレーアンテナ装置の給電回路部に用いる場合には、９０度の位相差を補正するために、第１の出力端子Ｐ２側に付く導波管の管軸長を、第２の出力端子Ｐ３側に付く導波管よりも、管内波長の１／４だけ長く設定する必要があるので、導波管の管内波長の周波数特性の影響により、アレーアンテナ装置の給電回路としての分配位相偏差が、使用周波数帯の両端の領域で劣化して、広帯域にわたって良好な分配特性を得ることが困難になるという課題があった。

また、上記に代えて、上記特許文献１のように、第１の出力端子Ｐ２側に付く導波管内に、第１の出力端子Ｐ２の幅の広い面から突き出た複数の容量性素子を設け、第２の出力端子Ｐ３側に付く導波管内に、第２の出力端子Ｐ３の幅の狭い面から突き出た複数の誘導性素子を設けた場合には、構造が複雑となり、加工難易度が高まるという課題があった。
また、この場合、ミリ波帯用アレーアンテナ装置の給電回路部では、導波管径が小さくなるので、加工誤差の影響を受けやすくなり、所望の使用帯域おいて良好な分配特性を得ることが困難になるという課題があった。

さらに、上記のような従来の相対位相差補正方法では、第１の出力端子Ｐ２側に付く導波管と第２の出力端子Ｐ３側に付く導波管との物理長を揃えて設計することが難しく、特にアレーアンテナ装置の給電回路部に用いる場合には、給電回路全体の設計および形状が複雑になり、給電回路の低コスト化および小形化が困難になるという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、アレーアンテナ装置の給電回路部の広帯域化、高性能化、小形化および低コスト化を可能とした導波管形電力合成分配器を得ることを目的とする。
また、加工誤差による性能劣化を軽減させた導波管形電力合成分配器を得ることを目的とする。

この発明による導波管形電力合成分配器は、開口径の等しい方形導波管からなり第１および第２の入力端子と第１および第２の出力端子とを有するとともに、第１の入力端子から入力された信号を第１および第２の出力端子から出力する導波管形の方向性結合器と、第１の出力端子に接続された第１の半円形導波管と、第１の半円形導波管に接続された第１の方形導波管と、第２の出力端子に接続された第２の半円形導波管と、第２の半円形導波管に接続された第２の方形導波管とを備え第１の半円形導波管は、水平方向の側面に溝が設けられ、第１の方形導波管は、第１の出力端子と同じ開口径を有し、第２の半円形導波管は、第１の半円形導波管と同じ直径および管軸長を有するとともに、天頂方向の側面に溝が設けられ、第２の方形導波管は、第２の出力端子と同じ開口径を有するとともに、第１の方形導波管と同じ管軸長を有するものである。

また、この発明による導波管形電力合成分配器を用いたアレーアンテナ装置は、導波管形電力合成分配器を複数個用いたアレーアンテナ装置であって、複数の素子アンテナと、複数の素子アンテナに接続された複数の高周波モジュールとを備え、複数の高周波モジュールは、移相器または増幅器により構成され、複数の導波管形電力合成分配器は、複数の高周波モジュールに電力を分配するか、または、複数の高周波モジュールから出力される電力を合成するものである。

この発明によれば、第１の入力端子から入力された電波を、広い周波数帯域にわたって、所望の分配振幅比で、かつ同相で出力することができるうえ、良好な反射特性と優れた低損失性と高いアイソレーション特性とを同時に得ることができる。

実施の形態１．
以下、図面を参照しながら、この発明の実施の形態１について詳細に説明する。
図１はこの発明の実施の形態１に係る導波管形電力合成分配器の構成を示す３面図（平面図および側面図）である。また、図２は単一溝形の円形導波管の円偏波発生器を示す平面図および側面図であり、図１の導波管形電力合成分配器における動作原理を説明するための図である。

図１において、前述（図８参照）と同様の第１および第２の入力端子Ｐ１、Ｐ４、第１および第２の出力端子Ｐ２、Ｐ３については、前述と同一符号が付されている。
また、方形導波管１、２および結合孔３は、それぞれ、前述（図８参照）の方形導波管６１、６２および結合孔６３に対応している。

開口径が等しい複数（並列）の方形導波管１、２は、互いの幅の狭い面が向かい合うように並べられ、かつ、互いの管軸が平行となるように並べられている。
方形状の結合孔３は、方形導波管１、２の向かい合う面を結合している。また、円柱状の整合素子４は、方形導波管１、２および結合孔３内に設けられている。

導波管形の方向性結合器５は、方形導波管１、２と、結合孔３と、整合素子４とから構成されている。
第１の半円形導波管６は、方向性結合器５の方形導波管１に接続されており、水平方向の側面に溝が設けられている。この結果、溝の隣接部には突部６ａが形成されている。
第２の円形導波管７は、方向性結合器５の方形導波管２に接続されており、天頂方向の側面に溝が設けられて突部７ａが形成されるとともに、第１の半円形導波管６と同じ直径および管軸長を有する。

第１の方形導波管８は、第１の半円形導波管６に接続されており、方向性結合器５の方形導波管１と同じ開口径を有している。
第２の方形導波管９は、第２の半円形導波管７に接続されており、方形導波管１と同じ開口径を有するとともに、第１の方形導波管８と同じ管軸長を有している。
方向性結合器５は、第１および第２の入出力端子Ｐ１〜Ｐ４を有し、第１および第２の方形導波管８、９は、出力端子Ｐ５、Ｐ６を有している。

以上のように、方向性結合器５は、開口径の等しい並列の方形導波管１、２からなり、第１および第２の入力端子Ｐ１、Ｐ４と、第１および第２の出力端子Ｐ２、Ｐ３とを有する。また、方向性結合器５は、前述のように、第１の入力端子Ｐ１から信号が入力されたときに、第１および第２の出力端子Ｐ２、Ｐ３から信号を出力するが、第２の入力端子Ｐ４からは信号をほとんど出力しない。

第１の半円形導波管６は、第１の出力端子Ｐ２に接続され、第１の方形導波管８は、第１の半円形導波管６に接続されている。
また、第２の半円形導波管は、第２の出力端子に接続され、第２の方形導波管９は、第２の半円形導波管７に接続されている。

第１の半円形導波管６は、自身の管内波長相当の管軸長を有するとともに、水平方向の側面に溝が設けられて突部６ａが形成されている。第１の方形導波管８は、第１の出力端子Ｐ２と同じ開口径を有する。
また、第２の半円形導波管７は、第１の半円形導波管６と同じ直径および管軸長を有するとともに、天頂方向の側面に溝が設けられて突部７ａが形成されている。第２の方形導波管９は、第２の出力端子Ｐ３と同じ開口径を有するとともに、第１の方形導波管８と同じ管軸長を有する。

次に、図１に示したこの発明の実施の形態１による動作について説明する。
前述と同様に、ある周波数帯の電波が、方形導波管基本モード（方形導波管ＴＥ１０モード）として、第１の入力端子Ｐ１から入力されたとすると、この入射電波は、方形導波管１を伝播し、結合孔３により結ばれている方形導波管１、２の区間に入る。

結合孔３により結ばれている区間は、幅の広い（方形導波管１の約２倍の幅を有する）方形導波管となっているので、ＴＥ１０モードとＴＥ２０モードとが励振される。このとき、上記２つのモードの電界は、第１の入力端子Ｐ１側では相加され、第２の入力端子Ｐ４側では相殺されるように分布するので、第２の入力端子Ｐ４側へ逃げる電力は、非常に少ない。

また、ＴＥ１０モードおよびＴＥ２０モードは、上記幅の広い方形導波管区間を伝送するが、その際、位相速度の違いから相互に干渉を起こし、たとえば２つのモードが９０度位相差になると、第１の出力端子Ｐ２および第２の出力端子Ｐ３に等しい電力が伝送され、図１の回路は、方向性結合器として動作することになる。
実際には、図１に示すように、広帯域にわたって所望の結合度と良好な反射特性を維持するために、整合素子４が設けられる。

方向性結合器５の第１の出力端子Ｐ２および第２の出力端子Ｐ３から出力された電波は、広帯域にわたって「ほぼ９０度」の位相差を有するので、この位相差を相殺するために、図１のように、水平方向の側面に溝（突部６ａ）が設けられた第１の半円形導波管６と、天頂方向の側面に溝（突部７ａ）が設けられた第２の半円形導波管７とが装荷される。
これにより、第１および第２の方形導波管８、９の出力端子Ｐ５、Ｐ６から出力される電波の位相を同相にすることができる。

第１および第２の半円形導波管６、７は、同一で単一溝形の円形導波管の円偏波発生器を互いに直行する平面で半割りした構造を有している。
また、各半円形導波管６、７の管軸長は、使用周波数帯の中心周波数における各半円形導波管６、７の管内波長の約１／２に設定されている。これにより、反射特性の劣化を防止することができる。

図２は単一溝形円形導波管の円偏波発生器を示す側面図であり、公知文献（たとえば「Ｎａｏｆｕｍｉ Ｙｏｎｅｄａ、ｅｔ．ａｌ．「Ｍｏｎｏ−Ｇｒｏｏｖｅｄ Ｃｉｒｃｕｌａｒ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｐｏｌａｒｉｚｅｒｓ」ＩＥＥＥ ＭＴＴ−Ｓ Ｉｎｔ．Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｓｙｍｐ．Ｄｉｇ．２００２、８２１〜８２４ページ）に示された構成である。

図２において、単一溝形円形導波管の円偏波発生器は、円形導波管１０と、円形導波管１０の側面に設けられた側溝１１と、円形導波管１０の入出力端子Ｐ７、Ｐ８とを備えている。
以下、側溝１１の中心（図２内の破線参照）を通る平面に対して、４５度傾いた直線偏波を成す円形導波管の基本モード（ＴＥ１１モード）の電波が、入力端子Ｐ７から入力された場合について説明する。

まず、側溝１１の影響により、入射電波には、側溝１１の中心（破線）を通る平面に対して水平な偏波成分と垂直な偏波成分との間で、位相差が生じる。このとき、側溝１１の寸法諸元が適切に設計されていれば、出力端子Ｐ８から出力される基本モードの電波は、所望の周波数帯において円偏波となる。

このことは、側溝１１の中心（破線）を通る平面に対して、水平な偏波を有する基本モードが通過した場合でも、垂直な偏波を有する基本モードが通過した場合でも、反射がほとんどなく、かつ、互いの通過位相の相対差が「ほぼ９０度」となっていることを意味する。

上記と同様の関係は、図２の円形導波管１０を、側溝１１の中心（破線）を通る平面に対して半割りしたモデルと等価な構成と、これに直交する平面で半割りしたモデルと等価な構成と、においても成立する。すなわち、図１のように、水平方向の側面に溝が設けられて突部６ａが形成された第１の半円形導波管６（中心を通る平面で半割りしたモデル）と、天頂方向の側面に溝が設けられて突部７ａが形成された第２の半円形導波管７（中心に直交する平面で半割りしたモデル）と、の間でも成立することになる。

以上のように、この発明の実施の形態１に係る導波管形電力合成分配器は、互いに開口径が等しい方形導波管１、２からなり第１および第２の入力端子Ｐ１、Ｐ４と第１および第２の出力端子Ｐ２、Ｐ３とを有するとともに、第１の入力端子Ｐ１から入力された信号を第１および第２の出力端子Ｐ２、Ｐ３から出力する導波管形の方向性結合器５を備えている。
方向性結合器５は、互いの幅の狭い面が向かい合うように並べられるとともに、互いの管軸が平行となるように並べられた方形導波管１、２と、方形導波管１、２の向かい合う面を結ぶ方形状の結合孔３と、方形導波管１、２および結合孔３内に設けられた円柱状の整合素子４と、から構成されている。

また、この発明の実施の形態１に係る電力合成分配器は、方向性結合器５の方形導波管１の第１の出力端子Ｐ２に接続されて、水平方向の側面に溝（突部６ａ）が設けられた第１の半円形導波管６と、方向性結合器５の方形導波管２の第２の出力端子Ｐ３に接続されて、天頂方向の側面に溝（突部７ａ）が設けられた第２の半円形導波管７と、第１の半円形導波管６に接続された第１の方形導波管８と、第２の半円形導波管７に接続された第２の方形導波管９と、を備えている。

これにより、方向性結合器５の第１の入力端子Ｐ１から入力された電波を、第１および第２の方形導波管８、９の出力端子Ｐ５、Ｐ６から、広い周波数帯域にわたって、所望の分配振幅比でかつ同相で出力することができる。
また、良好な反射特性と、優れた低損失性と、高いアイソレーション特性とを、同時に実現することができる。

また、図１に示すように、電力合成分配器の構造が簡素であることから、低コスト化を実現するとともに、加工誤差による特性劣化を軽減することができる。
さらに、第１の出力端子Ｐ２側に付く第１の方形導波管８の物理長と、第２の出力端子Ｐ３側に付く第２の方形導波管９の物理長と、を揃えて設計することができるので、アレーアンテナ装置の給電回路部に用いる場合には、給電回路全体の設計および形状が簡素になり、給電回路の低コスト化および小形化を実現することができる。

実施の形態２．
なお、上記実施の形態１（図１）では、方向性結合器５の第１および第２の出力端子Ｐ２、Ｐ３に、第１および第２の半円形導波管６、７を接続したが、図３のように、第３および第４の方形導波管２６、２７を接続してもよい。
図３はこの発明の実施の形態２に係る導波管形電力合成分配器の構成を示す３面図（平面図および側面図）である。また、図４は溝形正方形導波管の円偏波発生器を示す平面図および側面図であり、図３の導波管形電力合成分配器における動作原理を説明するための図である。

図３において、前述（図１参照）と同様のものについては、前述と同一符号を付して詳述を省略する。また、第１および第２の方形導波管２８、２９は、前述の第１および第２の方形導波管８、９に対応している。

この発明の実施の形態２に係る導波管形電力合成分配器は、方形導波管１に接続されて、水平方向の側面に溝が設けられて突部２６ａが形成された第３の方形導波管２６と、方形導波管２に接続されて、天頂方向の側面に溝が設けられて突部２７ａが形成されるとともに、方形導波管２６と同じ断面形状および管軸長を有する第４の方形導波管２７と、を備えている。

第３の方形導波管２６に接続された第１の方形導波管２８は、方向性結合器５の方形導波管１（第１の出力端子Ｐ２）と同じ開口径を有する。
第４の方形導波管２７に接続された第２の方形導波管２９は、方向性結合器５の方形導波管２（第２の出力端子Ｐ３）と同じ開口径を有するとともに、第１の方形導波管２８と同じ管軸長を有する。

以上のように、この発明の実施の形態２に係る導波管形電力合成分配器は、第１の出力端子Ｐ２に接続された第３の方形導波管２６と、第２の出力端子Ｐ３に接続された第４の方形導波管２７と、第３の方形導波管２６に接続された第１の方形導波管２８と、第４の方形導波管２７に接続された第２の方形導波管２９とを備えている。

第１の方形導波管２８は、第１の出力端子Ｐ２と同じ開口径を有し、第２の方形導波管２９は、第２の出力端子Ｐ３と同じ開口径を有するとともに、第１の方形導波管２８と同じ管軸長を有する。
第３の方形導波管２６は、自身の管内波長相当の管軸長を有するとともに、水平方向の側面に溝（突部２６ａ）が設けられ、第４の方形導波管２７は、第３の方形導波管２６と同じ直径および管軸長を有するとともに、天頂方向の側面に溝（突部２７ａ）が設けられている。

この発明の実施の形態２に係る導波管形電力合成分配器の方向性結合器５は、前述の実施の形態１と同様に動作する。
図４は溝形正方形導波管の円偏波発生器の構成を示す平面図および側面図である。
図４において、溝形正方形導波管の円偏波発生器は、正方形導波管３０と、正方形導波管３０の側面に設けられた側溝３１と、正方形導波管３０の入出力端子Ｐ７、Ｐ８とを備えている。

以下、側溝３１の中心（図４内の破線参照）を通る平面に対して、４５度傾いた直線偏波を成す方形導波管の基本モード（ＴＥ１０モード）の電波が、入力端子Ｐ７から入力された場合について説明する。

まず、側溝３１の影響により、入射電波には、側溝３１の中心（破線）を通る平面に対して水平な偏波成分と垂直な偏波成分との間で、位相差が生じる。このとき、側溝３１の寸法諸元が適切に設計されていれば、出力端子Ｐ８から出力される基本モードの電波は、所望の周波数帯において円偏波となる。

このことは、側溝３１の中心（破線）を通る平面に対して、水平な偏波を有する基本モードが通過した場合でも、垂直な偏波を有する基本モードが通過した場合でも、反射がほとんどなく、かつ、互いの通過位相の相対差が「ほぼ９０度」となっていることを意味する。

上記と同様の関係は、図４の正方形導波管３０を、側溝３１の中心（破線）を通る平面に対して半割りしたモデルと等価な構成と、これに直交する平面で半割りしたモデルと等価な構成と、においても成立する。すなわち、図３のように、水平方向の側面に溝（突部２６ａ）が設けられた第３の方形導波管２６（中心を通る平面で半割りしたモデル）と、天頂方向の側面に溝（突部２７ａ）が設けられた第４の方形導波管２７（中心に直交する平面で半割りしたモデル）と、の間でも成立することになる。

以上のように、この発明の実施の形態２によれば、前述の実施の形態１と同様の作用効果を奏する。
また、この発明の実施の形態２に係る導波管形電力合成分配器によれば、位相補正回路（第３および第４の方形導波管２６、２７）を方形導波管で構成することができるので、前述の実施の形態１の場合と比較して、加工が容易となる。

さらに、第３および第４の方形導波管２６、２７と、方向性結合器５の方形導波管１、２との各断面寸法を等しくすることができる場合には、反射特性の向上などの効果を奏することができる。

実施の形態３．
なお、上記実施の形態１、２（図１、３）では、位相補正回路として、溝付きの導波管６、７、２６、２７を用いたが、図５に示すように、複数のアイリス４０ａ、４１ａを有する第１および第２の方形導波管４０、４１を用いてもよい。

図５はこの発明の実施の形態３に係る導波管形電力合成分配器の構成を示す３面図（平面図および側面図）である。また、図６はコルゲート形の正方形導波管の円偏波発生器を示す平面図および側面図であり、図５の導波管形電力合成分配器における動作原理を説明するための図である。

図５において、前述（図１、図３参照）と同様のものについては、前述と同一符号を付して詳述を省略する。
第１の方形導波管４０は、たとえば前述（図３）の第３および第１の方形導波管２６、２８に対応する。
また、第２の方形導波管４１は、たとえば前述（図３）の第４および第２の方形導波管２７、２９に対応する。

図５の導波管形電力合成分配器において、第１の方形導波管４０は、方向性結合器５の方形導波管１（第１の出力端子Ｐ２）に接続されており、第１の出力端子Ｐ２と同じ開口径を有するとともに、複数のアイリス４０ａが設けられている。複数のアイリス４０ａは、天頂方向の側面に周期的に並び、中央部が両端部よりも長く設定されている。

第２の方形導波管４１は、方向性結合器５の方形導波管２（第２の出力端子Ｐ３）に接続されており、第１の方形導波管４０と同じ開口径および管軸長を有するとともに、複数のアイリス４１ａが設けられている。複数のアイリス４１ａは、水平方向の側面に周期的に並び、中央部が両端部よりも長く設定されている。
第１および第２の方形導波管４０、４１は、出力端子Ｐ５、Ｐ６を有する。

以上のように、この発明の実施の形態３に係る導波管形電力合成分配器は、第１の出力端子Ｐ２に接続された第１の方形導波管４０と、第２の出力端子Ｐ３に接続された第２の方形導波管４１とを備えており、第１の方形導波管４０は、第１の出力端子Ｐ２と同じ開口径を有するとともに、天頂方向の側面に周期的に並設され、かつ中央部が両端部よりも長い形状を有する複数のアイリス４０ａが設けられている。
また、第２の方形導波管４１は、第１の方形導波管４０と同じ開口径および管軸長を有するとともに、水平方向の側面に周期的に並設され、かつ中央部が両端部よりも長い形状を有する複数のアイリス４１ａが設けられている。

次に、この発明の実施の形態３による動作について説明する。
いま、ある周波数帯の電波が、方形導波管基本モード（方形導波管ＴＥ１０モード）として、第１の入力端子Ｐ１から入力されたとすると、この入射電波は、方向性結合器５の方形導波管１を伝播し、結合孔３により結ばれている方形導波管１、２の区間に入る。
結合孔３により結ばれている区間は、幅の広い（方形導波管１の約２倍の幅を有する）方形導波管となっているので、ＴＥ１０モードとＴＥ２０モードとが励振される。

このとき、上記２つのモードの電界は、第１の入力端子Ｐ１側では相加され、第２の入力端子Ｐ４側では相殺されるように分布するので、端子Ｐ４側へ逃げる電力は非常に少ない。
また、ＴＥ１０モードおよびＴＥ２０モードは、上記幅の広い方形導波管区間を伝送するが、その際、位相速度の違いから相互に干渉を起こす。たとえば、２つのモードが９０度位相差になると、第１および第２の出力端子Ｐ２、Ｐ３に等しい電力が伝送されて、方向性結合器として動作することになる。実際には、広帯域にわたって、所望の結合度と良好な反射特性を維持するために、整合素子４が設けられる。

方向性結合器５の第１および第２の出力端子Ｐ２、Ｐ３から出力された電波は、広帯域にわたって「ほぼ９０度」の位相差を有するので、この位相差を相殺するように、天頂方向の側面に、中央部が両端部よりも長い複数のアイリス４０ａが設けられた方形導波管４０と、水平方向の側面に、中央部が両端部よりも長い複数のアイリス４１ａが設けられた方形導波管４１と、を装荷する。
これにより、出力端子Ｐ５、Ｐ６から出力される電波の位相は同相となる。なお、第１および第２の方形導波管４０、４１は、同一でコルゲート形の正方形導波管の円偏波発生器を、水平面および垂直面で各々半割りした構造を有している。

図６はコルゲート形の正方形導波管の円偏波発生器の構成を示す側面図であり、公知文献（たとえば「Ｆｒｉｔｚ Ａｒｎｄｔ、ｅｔ．ａｌ．「Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ Ｗｉｄｅｂａｎｄ Ｃｏｍｐａｃｔ Ｓｑｕａｒｅ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｐｏｌａｒｉｚｅｒ」Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ．Ｖｏｌ．２１、Ｎｏ．１２、Ｊｕｎｅ １９８５、第５１７頁〜第５１８頁」）に示された構成である。

図６において、コルゲート形の正方形導波管の円偏波発生器は、正方形導波管４２と、円形導波管４２の側面に設けられた中央部が両端部よりも長い複数のアイリス４３と、正方形導波管４２の入出力端子Ｐ７、Ｐ８を備えている。
ここで、左右対称面（図６内の縦方向の破線参照）に対して、４５度傾いた直線偏波を成す電波が、入力端子Ｐ７から入力された場合、アイリス４３の影響により、左右対称面（破線）に対して、水平な偏波成分と垂直な偏波成分との間で通過位相差が生じる。このとき、アイリス４３の寸法諸元が適切に設計されていれば、出力端子Ｐ８から出力される基本モードの電波は、所望の周波数帯において円偏波となる。

このことは、左右対称面（破線）に対して、水平な偏波を有する基本モードが通過した場合でも、垂直な偏波を有する基本モードが通過した場合でも、反射がほとんどなく、かつ、互いの通過位相の相対差が「ほぼ９０度」となっていることを意味する。

上記と同様の関係は、正方形導波管４２を、左右対称面（破線）に対して半割りしたモデルと等価な構成（図５内の天頂方向の側面に複数のアイリス４０ａが設けられた第１の方形導波管４０）と、正方形導波管４２を、上下対称面で半割りしたモデルと等価な構成（水平方向の側面に複数のアイリス４１ａが設けられた第２の方形導波管４１）と、の間でも成立する。

以上のように、この発明の実施の形態３に係る電力合成分配器は、方向性結合器５の第１の出力端子Ｐ２に接続されて、天頂方向の側面に中央部が両端部よりも長い複数のアイリス４０ａが設けられた方形導波管４０と、方向性結合器５の第２の出力端子Ｐ３に接続されて、水平方向の側面に中央部が両端部よりも長い複数のアイリス４１ａが設けられた方形導波管４１と、を備えている。

これにより、方向性結合器５の第１の入力端子Ｐ１から入力された電波を、第１および第２の方形導波管４０、４１の出力端子Ｐ５、Ｐ６から、非常に広い周波数帯域にわたって、所望の分配振幅比で、かつ同相で出力することができる。
また、良好な反射特性と、優れた低損失性と、高いアイソレーション特性と、を同時に実現することができる。

さらに、第１の出力端子Ｐ２側に付く第１の導波管４０の物理長と、第２の出力端子Ｐ３側に付く第２の導波管４１の物理長と、を揃えて設計することができるので、アレーアンテナ装置の給電回路部に用いる場合には、給電回路全体の設計および形状が簡素になり、給電回路の低コスト化および小形化を実現することができる。

なお、上記実施の形態１〜３では、平行に並べられ、かつ同じ開口径を有する２つの方形導波管１、２により、方向性結合器５を構成したが、ある角度（たとえば、９０度）で立体的に交差するよう並べられ、かつ同じ開口径を有する２つの方形導波管（図示せず）により、方向性結合器５を構成してもよい。

また、２つの方形導波管１、２の間を結ぶ要素として、１つの方形状の結合孔３を用いたが、１つの円形状の結合孔（図示せず）を用いてもよく、１つまたは２つの十字形状の結合孔（図示せず）を用いてもよく、複数の円形状（または、方形状）の結合孔群（図示せず）を用いてもよく、２つの方形導波管１、２の管軸長の約１／４の管軸長を有する複数の方形分岐導波管群（図示せず）を用いてもよい。

実施の形態４．
なお、上記実施の形態１〜３では、アレーアンテナ装置の構成について言及しなかったが、図７に示すように、複数の導波管形電力合成分配器４７を用いてアレーアンテナ給電回路４８とし、アレーアンテナ装置を構成してもよい。
図７はこの発明の実施の形態４に係るアレーアンテナ装置の概略構成を示すブロック図である。

図７において、アレーアンテナ装置は、複数の導波管形電力合成分配器４７により構成されたアレーアンテナ給電回路４８と、アレーアンテナ給電回路４８により駆動される複数の素子アンテナ４４と、アレーアンテナ給電回路４８の複数の移相器４５および複数の増幅器４６と、を備えている。

複数の移相器４５および複数の増幅器４６は、高周波モジュールを構成している。
アレーアンテナ給電回路４８は、入力端子Ｐ９を有し、複数の高周波モジュール（複数の移相器４５および複数の増幅器４６）を介して、複数の素子アンテナ４４に接続されている。

アレーアンテナ給電回路４８において、複数の導波管形電力合成分配器４７は、入出力機能を有する。
入力端子Ｐ９は、ラダー接続された複数の導波管形電力合成分配器４７のうちの、最上段側の導波管形電力合成分配器４７に接続されている。

以上のように、この発明の実施の形態４に係るアレーアンテナ装置は、導波管形電力合成分配器４７を複数個用いたアレーアンテナ装置であって、複数の素子アンテナ４４と、複数の素子アンテナ４４に接続された複数の高周波モジュール（移相器４５または増幅器４６）とを備えている。
複数の導波管形電力合成分配器４７は、複数の高周波モジュールに電力を分配するか、または、複数の高周波モジュールから出力される電力を合成する。

図７において、ある周波数帯の電波は、入力端子Ｐ９から入力され、トーナメント状に配置された複数の電力合成分配器４７により分配されて、複数の増幅器４６に入力され、増幅器４６で増幅された後、複数の移相器４５を介して、複数の素子アンテナ４４から放射される。

このとき、導波管形電力合成分配器４７として、前述の実施の形態１〜３の電力合成分配器５のいずれかを用いれば、アレーアンテナ給電回路４８によって分配される各電波の通過位相を、容易に同相にすることができる。
したがって、アレーアンテナ給電回路４８の広帯域化、高性能化、小形化および低コスト化を実現することができる。

この発明の実施の形態１に係る導波管形電力合成分配器を示す３面図（平面図および側面図）である。 この発明の実施の形態１に係る導波管形電力合成分配器における動作原理を説明するための平面図および側面図である。 この発明の実施の形態２に係る導波管形電力合成分配器を示す３面図（平面図および側面図）である。 この発明の実施の形態２に係る導波管形電力合成分配器における動作原理を説明するための平面図および側面図である。 この発明の実施の形態３に係る導波管形電力合成分配器を示す３面図（平面図および側面図）である。 この発明の実施の形態３に係る導波管形電力合成分配器における動作原理を説明するための平面図および側面図である。 この発明の実施の形態４に係るアレーアンテナ装置の概略構成を示すブロック図である。 従来の導波管形電力合成分配器を示す３面図（平面図および側面図）である。

符号の説明

１、２ 方形導波管、５ 方向性結合器、６ 第１の半円形導波管、７ 第２の半円形導波管、６ａ、７ａ、２６ａ、２７ａ 突部（溝に対応）、８、２８、４０ 第１の方形導波管、９、２９、４１ 第２の方形導波管、２６ 第３の方形導波管、２７ 第４の方形導波管、４０ａ、４１ａ アイリス、Ｐ１ 第１の入力端子、Ｐ２ 第１の出力端子、Ｐ３ 第２の出力端子、Ｐ４ 第２の入力端子。

Claims (7)

1. 開口径の等しい方形導波管からなり第１および第２の入力端子と第１および第２の出力端子とを有するとともに、前記第１の入力端子から入力された信号を前記第１および第２の出力端子から出力する導波管形の方向性結合器と、
   前記第１の出力端子に接続された第１の半円形導波管と、
   前記第１の半円形導波管に接続された第１の方形導波管と、
   前記第２の出力端子に接続された第２の半円形導波管と、
   前記第２の半円形導波管に接続された第２の方形導波管とを備え
   前記第１の半円形導波管は、水平方向の側面に溝が設けられ、
   前記第１の方形導波管は、前記第１の出力端子と同じ開口径を有し、
   前記第２の半円形導波管は、前記第１の半円形導波管と同じ直径および管軸長を有するとともに、天頂方向の側面に溝が設けられ、
   前記第２の方形導波管は、前記第２の出力端子と同じ開口径を有するとともに、前記第１の方形導波管と同じ管軸長を有することを特徴とする導波管形電力合成分配器。
2. 前記方向性結合器は、
   平行に並べられ、かつ同じ開口径を有する２つの方形導波管と、
   前記２つの方形導波管の間を結び、かつ、前記２つの方形導波管の管軸長の約１／４の管軸長を有する複数の方形分岐導波管群と
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の導波管形電力合成分配器。
3. 前記方向性結合器は、
   平行に並べられ、かつ同じ開口径を有する２つの方形導波管と、
   前記２つの方形導波管の間を結ぶ１つの方形結合孔と
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の導波管形電力合成分配器。
4. 前記方向性結合器は、
   平行に並べられ、かつ同じ開口径を有する２つの方形導波管と、
   前記２つの方形導波管の間を結ぶ複数の円形結合孔群または方形結合孔群と
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の導波管形電力合成分配器。
5. 前記方向性結合器は、
   ある角度で立体的に交差するよう並べられ、かつ同じ開口径を有する２つの方形導波管と、
   前記２つの方形導波管の間を結ぶ１つの円形結合孔と
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の導波管形電力合成分配器。
6. 前記方向性結合器は、
   ９０度の角度で立体的に交差するよう並べられ、かつ同じ開口径を有する２つの方形導波管と、
   前記２つの方形導波管の間を結ぶ１つまたは２つの十字形結合孔と
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の導波管形電力合成分配器。
7. 請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の導波管形電力合成分配器を複数個用いたアレーアンテナ装置であって、
   複数の素子アンテナと、
   前記複数の素子アンテナに接続された複数の高周波モジュールとを備え、
   前記複数の高周波モジュールは、移相器または増幅器により構成され、
   前記複数の導波管形電力合成分配器は、前記複数の高周波モジュールに電力を分配するか、または、前記複数の高周波モジュールから出力される電力を合成することを特徴とするアレーアンテナ装置。

Images