JP2005033463A - 導波管ロータリージョイント - Google Patents

Abstract

【課題】導波管ロータリージョイントに関し、機械的精度が要求されるチョーク構造を不要とし、それにより、円形導波管内での電磁波の減衰を抑制するとともに、円形導波管からの放電の虞も低減できるようにする。
【解決手段】円形導波管２Ａ，２Ｂ内での電磁波のモードとしてＴＥ０１モードを用いるようにする。すなわち、入力側方形導波管４内をＴＥ１０モードで伝送される電磁波を入力側方形導波管４と円形導波管２Ａとの接合部でＴＥ０１モードに変換して円形導波管２Ａ，２Ｂ内を伝送し、円形導波管２Ｂと出力側方形導波管５との接合部で電磁波を再びＴＥ０１モードからＴＥ１０モードに変換して出力側方形導波管５に出力する。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波等の高周波数の電磁波を伝送する２本の方形導波管を回転結合部を有する円形導波管を介して回転可能に連結する導波管ロータリージョイントに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５、図６は、高周波数の電磁波、例えばマイクロ波の伝送に用いられる従来の導波管ロータリージョイントの構成を示す断面図である。従来の導波管ロータリージョイント２１は、２つの円形導波管２２Ａ，２２Ｂがベアリング２６によって軸心線２３周りに相対回転可能に結合され、これら円形導波管２２Ａ，２２Ｂに方形導波管２４，２５が接合された構造となっている。各方形導波管２４，２５は、その短辺側の側面を円形導波管２２Ａ，２２Ｂの軸心線２３に平行に配置されており、一方の円形導波管２２Ａの端部側面に入力側の方形導波管２４の先端部が軸心線２３に対し直角に接合され、他方の円形導波管２２Ｂの端部側面に出力側の方形導波管２５の先端部が軸心線２３に対し直角に接合されている。なお、円形導波管２２Ａ，２２Ｂ及び方形導波管２４，２５は、アルミや銅をその基材としている。
【０００３】
通常、マイクロ波は入力側の方形導波管２４内をＴＥ１０モードで伝送されるようになっている。ここで図５，図６中に実線或いは破線で示す矢印は電磁界の分布を示したものであり、破線で示す矢印が磁界の分布を示し、実線で示す矢印が電界の分布を示している。ＴＥ１０モードでは、環状の磁界が方形導波管２４の長手方向に沿って分布し、且つこの環状の磁界は方形導波管２４の長辺側の側面に平行に分布する。
【０００４】
このような分布の磁界が方形導波管２４内に発生することにより、方形導波管２４の先端部が接合された円形導波管２２Ａ内には、図６に示すように、方形導波管２４内の磁界とのカップリング作用によって、円形導波管２２Ａ，２２Ｂの軸心線２３周りに磁界が発生する。これによりマイクロ波のモードは、ＴＥ１０モードからＴＭ０１モードに変換され、ＴＭ０１モードにて円形導波管２２Ａ，２２Ｂ内を出力側の方形導波管２５に向けて伝送される。ＴＭ０１モードは円形導波管２２Ａ，２２Ｂの軸心線２３に対して対称なモードであるため、円形導波管２２Ａ，２２Ｂが相対的に回転したとしても電磁界が影響を受けることがない。
【０００５】
そして、円形導波管２２Ｂと出力側の方形導波管２５との接合部では、円形導波管２２Ｂ内の端部近傍に発生した軸心線２３周りの磁界とのカップリング作用によって、方形導波管２５内に方形導波管２５の長辺側の側面に平行な環状の磁界が発生する。これによりマイクロ波のモードは、再びＴＭ０１モードからＴＥ１０モードに変換され、ＴＥ１０モードにて方形導波管２５に出力される。
【０００６】
なお、円形導波管２２Ａ，２２Ｂの回転結合部には、円形導波管２２Ａ，２２Ｂの内壁面を直接接触させることなく電気的に短絡させるための１／４波長型のチョーク構造２８が設けられている。このチョーク構造２８は、円形導波管２２Ａ，２２Ｂの外周側に設けられた第１同軸導波管部３０と、第１同軸導波管部３０の外周側に設けられた第２同軸導波管部３１とから構成され、第１同軸導波管部３０の一方の端縁に円形導波管２２Ａ，２２Ｂの内壁面間の隙間２９が開口し、第１同軸導波管部３０の他方の端縁に第２同軸導波管３１部の端縁が連通している。各同軸導波管部３０，３１の軸方向長さはマイクロ波の管内波長の１／４に設定されている。
【０００７】
ＴＭ０１モードでは円形導波管２２Ａ，２２Ｂの軸心線２３方向に壁面電流が流れるが、このように回転結合部にチョーク構造２８が設けられることによって、円形導波管２２Ａ，２２Ｂの内壁面間に隙間２９がある場合でも壁面電流の連続性を確保することができる。また、隙間２９から外部へのマイクロ波の漏洩を防止することもできる。なお、円形導波管２２Ａ，２２Ｂは環状のシール２７によって密閉されており、内部を真空に保つことができるようになっている。
【０００８】
以上のような構成の導波管ロータリージョイントの他、同軸型の導波管ロータリージョイントも公知である（非特許文献１参照）。この従来の同軸型の導波管ロータリージョイントでは、入力側の方形導波管内をＴＥ１０モードで伝送されてきたマイクロ波は、ＴＥＭモードやＴＥ１１モード等に変換されて同軸導波管（中央に軸を有する円形導波管）内を伝送され、再びＴＥ１０モードに変換されて出力側の方形導波管に出力されるようになっている。また、従来の同軸型の導波管ロータリージョイントでも、同軸導波管の回転結合部にはチョーク構造が設けられており、壁面電流の連続性の確保や内壁面の隙間からの漏洩の防止が図られている。なお、このような同軸型の導波管ロータリージョイントは、図５，図６で示したタイプのものに比べて構造が複雑である。
【０００９】
【非特許文献１】
ＧＥＯＲＧＥ Ｌ． ＲＡＧＡＮ， ＭＩＣＲＯＷＡＶＥ ＴＲＡＮＳＭＩＳＳＩＯＮ ＣＩＲＣＵＩＴＳ， ＭｃＧＲＡＷ−Ｈｉｌｌ ＢＯＯＫ ＣＯＭＰＡＮＹ， ＩＮＣ．， ｐｐ．４５１−４５５， １９４８
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の導波管ロータリージョイントでは、上述のように壁面電流の連続性やマイクロ波の漏洩を防止するためのチョーク構造２８が必要となるため、高い機械的精度が要求され、製作コストが高くなってしまう。また、円形導波管２２Ａ，２２Ｂの隙間２９を横切るように壁面電流が流れるため、チョーク構造２８の内部にマイクロ波が侵入し、そこでの壁面電流損失によってマイクロ波が減衰してしまう。さらに、ＴＭ０１モードでは円形導波管２２Ａ，２２Ｂの内壁面に垂直に電界が立つため、場合によっては円形導波管２２Ａ，２２Ｂから外部への放電の虞もある。なお、これらの課題は同軸導波管内のマイクロ波のモードとしてＴＥＭモードやＴＥ１１モード等を用いる従来の同軸型の導波管ロータリージョイントにも共通している。
【００１１】
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、機械的精度が要求されるチョーク構造を不要とし、それにより、円形導波管内での電磁波の減衰を抑制するとともに、円形導波管からの放電の虞も低減できるようにした導波管ロータリージョイントを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の導波管ロータリージョイントは、円形導波管内での電磁波（マイクロ波等の高周波数の電磁波）のモードとして、ＴＥ０１モードを用いることを特徴としている。すなわち、本発明では、入力側方形導波管内をＴＥ１０モードで伝送される電磁波を入力側方形導波管と円形導波管との接合部でＴＥ０１モードに変換して円形導波管内を伝送し、円形導波管と出力側方形導波管との接合部で電磁波を再びＴＥ０１モードからＴＥ１０モードに変換して出力側方形導波管に出力する。
【００１３】
電磁波がＴＥ０１モードで伝送されるときには、図１（ａ），図１（ｂ）に示すように環状の磁界が円形導波管２の長手方向に沿って円形導波管２の軸心線３に対称に、且つ軸心線３を通る平面内に分布する。そして、この磁界と直行するように、図１（ａ）に示すように軸心線３を中心として環状に電界が分布する。なお、図１中に実線或いは破線で示す矢印は電磁界の分布を示したものであり、破線で示す矢印が磁界の分布を示し、実線で示す矢印が電界の分布を示している。
【００１４】
図１（ａ）に示すような電界分布により、ＴＥ０１モードでは壁面電流は円形導波管２の内壁面を周方向に流れ、ＴＭ０１モード等のように軸方向に流れることがない。したがって、円形導波管２の図示しない回転結合部での隙間における壁面電流の連続性を確保するためのチョーク構造が不要となる。これにより、円形導波管２の機械的な誤差に対するロバスト性が得られるとともに、円形導波管２内での電磁波の減衰を抑制することができる。また、ＴＥ０１モードでは電界は軸心線３を中心として環状に分布することから、電界が内壁面に垂直に立つＴＭ０１モード等と比較して円形導波管２の外部への放電の虞も極めて小さい。
【００１５】
入口側方形導波管と円形導波管との接合部の構造は、電磁波のモードがＴＥ１０モードからＴＥ０１モードへ変換されるような構造であればよく、その構造に限定はないが、好ましくは、特開平５−２５１９１１号公報に開示された技術を応用する。この技術は、ＳＬＥＤ法を用いた大電力高周波パルス圧縮装置におけるＴＥ０１ｎ姿態空洞共振器にかかる技術であり、本発明とは技術分野が異なるが、電磁波のモードをＴＥ１０モードからＴＥ０１モードへ変換するための空洞共振器と方形導波管との接合部の構造は、本発明にかかる入力側方形導波管と円形導波管との接合部の構造にも適用することができる。すなわち、入力側方形導波管の短辺側の側面を円形導波管の端部に接合し、その接合部に円形導波管の軸心線を挟んで２つの結合孔を設けるようにする。そして、好ましくは、２つの結合孔間の距離は管内波長の約半分の距離とする。このような構造により、２つの結合孔でのカップリングにより円形導波管内に励起される磁界は１８０度の位相差を有することになるので、ＴＭ１１モードやＴＥ１１モード等の他のモードが円形導波管内に発生するのを抑制することができる。
【００１６】
円形導波管と出口側方形導波管との接合部の構造についても、電磁波のモードがＴＥ０１モードからＴＥ１０モードへ変換されるような構造であればよく、その構造に限定はないが、ここでも入口側と同様の構造とすることができる。すなわち、出口側方形導波管の短辺側の側面を円形導波管の端部に接合し、その接合部に円形導波管の軸心線を挟んで２つの結合孔を設けるようにする。そして、好ましくは、２つの結合孔間の距離は管内波長の約半分の距離とする。このような構造により、出口側方形導波管内にＴＥ１０モード以外の他のモードが発生するのを抑制することができる。
【００１７】
円形導波管内にＴＭ１１モード等の他のモードが発生するのを抑制するための手段としては、円形導波管の内壁面を周方向に電気的に分断する環状の溝を設けるようにしてもよい。この溝は回転結合部の継目を利用することができる。ＴＭ１１モードでは円形導波管内の内壁面を軸方向に壁面電流が流れるが、このように内壁面を周方向に電気的に分断することにより、その位置での軸方向への壁面電流の連続性が絶たれ、円形導波管内におけるＴＭ１１モードの発生周波数が変化する（高周波数側にシフトする）ことになる。なお、溝の位置は、円形導波管内に発生するＴＥ０１モードの磁界の節（環状の磁界と磁界との間）に対応させるのが好ましい。磁界の節では電界が弱まるので溝内への電磁波の侵入を抑制して減衰を低減することができ、また、溝から外部への電磁波の漏れを抑制することができる。
【００１８】
さらに、円形導波管内にＴＭ１１モード等の他のモードが発生するのを抑制するための別の手段としては、円形導波管の内部端面に内壁面に沿って環状の溝を設けるようにしてもよい。このように内部端面に内壁面に沿って環状の溝を設けることで、円形導波管内におけるＴＭ１１モードの発生周波数が変化する（高周波数側にシフトする）ことになる。
【００１９】
なお、本発明の導波管ロータリージョイントの利用分野には限定はなく、電磁場の伝送に導波管を用いる分野であれば、一般的な通信分野のみならず医療分野（例えばがんの温熱療法）等の種々の分野において利用することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図２は本発明の一実施形態としての導波管ロータリージョイントの構成を示す断面図であり、図３はその側面図である。これらの図に示すように、導波管ロータリージョイント１は、２つの円形導波管２Ａ，２Ｂがベアリング６によって軸心線３周りに相対回転可能に結合されて、回転結合部を有する１つの円形導波管２が構成され、各円形導波管２Ａ，２Ｂに方形導波管４，５が接合された構造となっている。各方形導波管４，５の端部にはフランジ４ａ，５ａが設けられており、これらフランジ４ａ，５ａを用いて延長用の方形導波管や加速器等の機器類を導波管ロータリージョイント１に接続することができるようになっている。
【００２１】
円形導波管２Ａ，２Ｂと方形導波管４，５との接合形態は、一方の円形導波管２Ａの端部底面に入力側方形導波管４の短辺側の側面を接合し、他方の円形導波管２Ｂの端部底面に出力側方形導波管５の短辺側の側面を接合したものとされている。そして、入力側方形導波管４と円形導波管２Ａとの接合部には、円形導波管２Ａ，２Ｂの軸心線３を挟んだ対称位置に２つの結合孔７Ａ，７Ｂが設けられ、円形導波管２Ｂと出力側方形導波管５との接合部には、同様に円形導波管２Ａ，２Ｂの軸心線３を挟んだ対称位置に２つの結合孔８Ａ，８Ｂが設けられている。各接合部における結合孔７Ａ，７Ｂ間の距離及び結合孔８Ａ，８Ｂ間の距離（中心間距離）は、円形導波管２Ａ，２Ｂ内におけるマイクロ波の管内波長の約１／２に設定されている。また、各方形導波管４，５の先端部から先端側の結合孔７Ａの中心までの距離は、管内波長の約１／４に設定されている。なお、マイクロ波の管内波長は円形導波管２Ａ，２Ｂの内径により決まり、円形導波管２Ａ，２Ｂの管内の軸方向長さは管内波長の１／２の整数倍（図２では２倍）に設定されている。
【００２２】
円形導波管２Ａ，２Ｂの回転結合部には、隙間（環状の溝）９が設けられている。この隙間９は円形導波管２Ａの内壁面と円形導波管２Ｂの内壁面とを周方向に電気的に分断している。また、隙間９の位置はここでは管内中央に設定されている。なお、円形導波管２Ａ，２Ｂ間には環状の真空シール１０が介装されており、円形導波管２Ａ，２Ｂの内部を密閉して真空に保つことができるようになっている。
【００２３】
このような構成により、本発明の一実施形態としての導波管ロータリージョイント１では、入力側方形導波管４内をＴＥ１０モードで伝送されるマイクロ波の磁界が２つの結合孔７Ａ，７Ｂを介して円形導波管２Ａ，２Ｂ内の磁界とカップリングし、円形導波管２Ａ，２Ｂ内に環状の磁界を励起する。この磁界は、円形導波管２Ａ，２Ｂの長手方向に沿って軸心線３に対称に、且つ軸心線３を通る平面内に分布する。これによりマイクロ波のモードは、ＴＥ１０モードからＴＥ０１モードに変換され、ＴＥ０１モードにて円形導波管２Ａ，２Ｂ内を出力側の方形導波管５に向けて伝送される。なお、図２中に破線で示す矢印が磁界の分布を示している。
【００２４】
このとき発生する磁界は、軸心線３を挟んで設けられた結合孔７Ａ，７Ｂでのカップリングによって１８０度の位相差を有することになるので、ＴＭ１１モードやＴＥ１１モード等の他のモードが円形導波管２Ａ，２Ｂ内に発生するのを抑制することができる。さらに、円形導波管２Ａの内壁面と円形導波管２Ｂの内壁面とは、隙間９によって周方向に電気的に分断されているので、壁面電流の連続性はこの隙間９において絶たれることになる。これによりＴＭ１１モードのように壁面電流が軸方向に流れるモードでは、発生周波数が高周波数側にシフトしてＴＥ０１モードの発生周波数から大きく離れることになるので、これらのモードがＴＥ０１モードと同時に円形導波管２Ａ，２Ｂ内に発生するのを抑制することができる。
【００２５】
そして、円形導波管２Ｂと出力側の方形導波管５との接合部では、円形導波管２Ｂ内の端部底面近傍に発生した磁界が、２つの結合孔８Ａ，８Ｂを介して方形導波管５内に作用し、そのカップリング作用によって方形導波管５内に方形導波管５の長辺側の側面に平行な環状の磁界が発生する。これによりマイクロ波のモードは、再びＴＥ０１モードからＴＥ１０モードに変換され、ＴＥ１０モードにて方形導波管５に出力される。
【００２６】
このように、本発明の一実施形態としての導波管ロータリージョイント１によれば、円形導波管２Ａ，２Ｂ内にＴＭ１１等の他のモードが発生するのを抑制して専らＴＥ０１モードを発生させることができる。ＴＥ０１モードは円形導波管２Ａ，２Ｂの軸心線３に対して対称なモードであるため、円形導波管２Ａ，２Ｂが相対的に回転したとしても電磁界が影響を受けることがない。
【００２７】
また、ＴＥ０１モードでは壁面電流は円形導波管２Ａ，２Ｂの内壁面を周方向に流れ、従来の導波管ロータリージョイントにかかるＴＭ０１モード等のように軸方向に流れることがないので、隙間９における軸方向の壁面電流の連続性を確保するためのチョーク構造が不要である。これにより、円形導波管２Ａ，２Ｂの機械的な誤差に対するロバスト性が得られるとともに、円形導波管２Ａ，２Ｂ内での電磁波の減衰を抑制することができるという利点がある。
【００２８】
さらに、ＴＥ０１モードでは電界は軸心線３を中心として環状に分布することから、電界が内壁面に垂直に立つＴＭ０１モード等と比較して円形導波管２の外部への放電の虞も極めて小さいという利点もある。
また、本実施形態では、円形導波管２Ａ，２Ｂ間の隙間９の位置を管内中央に設定しているが、この位置は円形導波管２Ａ，２Ｂ内に発生するＴＥ０１モードの磁界の節に対応しているので、隙間９へのマイクロ波の侵入を抑制してマイクロ波の減衰を低減することができ、また、隙間９から外部へのマイクロ波の漏れを抑制することができるという利点もある。
【００２９】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、上述の実施形態では、入力側方形導波管４と円形導波管２Ａとの接合部に軸心線３を挟んで２つの結合孔７Ａ，７Ｂを設けているが、これらの結合孔７Ａ，７Ｂのうち何れか一方のみを設けるようにしてもよい。これによっても円形導波管２Ａ，２Ｂ内にＴＥ０１モードを発生させることができる。ただし、この場合にはＴＭ１１モードやＴＥ１１モード等の他のモードも発生する可能性が高くなるので、好ましくは、上述の実施形態のように２つの結合孔７Ａ，７Ｂを設けるようにする。また、出力側方形導波管５と円形導波管２Ｂとの接合部についても、同様に軸心線３を挟んだ２つの結合孔８Ａ，８Ｂのうち何れか一方のみを設けるようにしてもよい。ただし、この場合も好ましくは上述の実施形態のように２つの結合孔８Ａ，８Ｂを設けるようにする。
【００３０】
また、上述の実施形態では、円形導波管２Ａ，２Ｂの繋ぎ目の隙間９の作用により、円形導波管２Ａ，２Ｂ内にＴＥ０１モード以外のモードが発生するのを抑制しているが、図４に示すように出力側の円形導波管２Ｂの内部端面に内壁面に沿って環状の溝１１を設けるようにしてもよい。このような溝１１を設けることで、円形導波管内におけるＴＭ１１モードの発生周波数が高周波数側にシフトしてＴＥ０１モードの発生周波数から大きく離れることになるので、ＴＭ１１モードがＴＥ０１モードと同時に円形導波管２Ａ，２Ｂ内に発生するのを抑制することができる。なお、図４では出力側の円形導波管２Ｂに溝１１を設けているが、入力側の円形導波管２Ａにもこのような溝を設けてもよい。
【００３１】
さらに、上述の実施形態にかかる導波管ロータリージョイントは軸のないタイプであるが、中央に軸を有する円形導波管（同軸導波管）を有する同軸型の導波管ロータリージョイントにも本発明を適用することができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の導波管ロータリージョイントによれば、円筒導波管内の電磁波のモードをＴＥ０１モードとすることにより、壁面電流は円形導波管の内壁面を周方向に流れるようになるので、高い機械的精度が要求されるチョーク構造が不要となり、円形導波管の機械的な誤差に対するロバスト性が得られるとともに、円形導波管内での電磁波の減衰を抑制することができるという利点がある。また、ＴＥ０１モードでは電界は軸心線を中心として環状に分布することから、電界が内壁面に垂直に立つＴＭ０１モード等と比較して円形導波管の外部への放電の虞も極めて小さいという利点もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかるＴＥ０１モードの電磁界分布図であり、（ａ）は円形導波管の縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＩ−Ｉ線における軸方向断面図である。
【図２】本発明の一実施形態としての導波管ロータリージョイントの構成を示す平面断面図である。
【図３】図２のＩＩＩ方向視の側面図である。
【図４】図２に示す導波管ロータリージョイントの変形例を示す平面断面図であり、要部の構成のみを示している。
【図５】従来の導波管ロータリージョイントの構成を示す平面断面図である。
【図６】図５のＶＩ−ＶＩ線における側面断面図である。
【符号の説明】
１ 導波管ロータリージョイント
２，２Ａ，２Ｂ 円形導波管
３ 軸心線
４，５ 方形導波管
４ａ，５ａ フランジ
６ ベアリング
７Ａ，７Ｂ，８Ａ，８Ｂ 結合孔
９ 隙間（環状の溝）
１０ 真空シール
１１ 溝

Claims (5)

1. 回転結合部を有し両端部が軸心線周りに相対回転可能な円形導波管の各端部に方形導波管が接合された導波管ロータリージョイントにおいて、
   入力側方形導波管内をＴＥ１０モードで伝送される電磁波を上記入力側方形導波管と上記円形導波管との接合部でＴＥ０１モードに変換して上記円形導波管内を伝送し、上記円形導波管と出力側方形導波管との接合部で上記電磁波を再びＴＥ０１モードからＴＥ１０モードに変換して上記出力側方形導波管に出力する
   ことを特徴とする、導波管ロータリージョイント。
2. 上記方形導波管の短辺側の側面が上記円形導波管の端部に接合され、上記接合部には上記円形導波管の軸心線を挟んで２つの結合孔が設けられている
   ことを特徴とする、請求項１記載の導波管ロータリージョイント。
3. 上記円形導波管の内壁面を周方向に電気的に分断する環状の溝が設けられている
   ことを特徴とする、請求項１又は２記載の導波管ロータリージョイント。
4. 上記溝は、上記円形導波管内に発生するＴＥ０１モードの磁界の節に対応するように設けられている
   ことを特徴とする、請求項３記載の導波管ロータリージョイント。
5. 上記円形導波管の内部端面に内壁面に沿って環状の溝が設けられている
   ことを特徴とする、請求項１〜４の何れかの項に記載の導波管ロータリージョイント。

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