JP4222329B2 - 偏分波器 - Google Patents

Description

この発明は、マイクロ波及びミリ波で使用する偏分波器に関するものである。

近年、通信容量の拡大に伴い広周波数帯域化、偏波を共用されることが多い。この為、衛星搭載用アンテナの給電としては偏分波器が必要となる。この偏分波器として、直交する２つ偏波のうち１つの偏波を対向する２つの方形分岐導波管に分配し、それぞれの偏波の分岐導波管を９０度の角度で四方に広げるように配置するターンスタイル形構成が用いられる(例えば非特許文献１)。また、衛星に搭載される機器は限られた空間に配置する為に小形化を図る必要もあり、１つの偏波は１つのポートに、もう１つの偏波は２つの方形分岐導波管に分配させるセプタム形構成が用いられることもある（例えば非特許文献２）。

荒巻他："TURNSTILE形分岐回路を用いた薄形偏分波器の広帯域設計"、信学総大、Ｃ−２−４４（2003-3） Takashi Kitsuregawa、"SATELLITE COMMUNICATION ANTENNAS"、Artech House、p87,Fig1.61(c)

通信容量の拡大のため、チャンネル数の増加による周波数の広帯域化、偏波共用化のみならず、高出力化に伴い、ｋＷ級の送信電力を扱う場合が多くなっている。衛星搭載の場合、真空中での使用となるため、高出力を扱う場合、真空中でのマルチパクタ放電が発生しないように考慮する必要がある。このため、広帯域特性を有しながら、耐電力の優れた偏分波器が必要である。

偏波を分離する方式としてターンスタイル形がある。ターンスタイル形では、分岐回路から方形分岐導波管に電力を分配する為、電力が分散される特徴がある。しかしながら、四方に方形分岐導波管が広がり、再度それらを合分配器により合成/分波した後、各偏波を取り出す必要があり、構成が複雑になり、且つ偏分波器が大きくなるという課題があった。又、インピーダンス整合のための四方への分岐部に設置されている金属ピラミッドの先端に電界が集中し、耐電力特性が低下する課題があった。

また、導波管内部にセプタムを挿入し、偏波を分離するセプタム形がある。セプタムは導波管内部に配置した平板のことで、偏波と並行に平板を配置すると電波は通過できず、逆に偏波に直交に平板が配置されていると電波は通過することができる性質があり、この偏波の性質を利用したものがセプタム形偏分波器である。このセプタム形は小形化を図れる特長があるが、ターンスタイル形と同様にセプタムの先端に電界が集中し、耐電力的に不利であるという課題があった。

本発明に係わる偏分波器は、方形導波管と、前記方形導波管の相対する側面に直角に分岐する方形分岐導波管と、前記方形導波管と前記方形分岐導波管の交差する空間に設けられ、前記方形導波管の前記側面と直角に設けられる２枚のセプタムと、を備え、前記セプタムの間隔ｄは、前記方形導波管を通過する電磁波の波長をλとし、０．１８λから０．２７λであり、前記セプタムは、前記方形導波管の中心軸からｄ／２の位置に配置されるものである。

この発明は、耐電力の優れた偏分波器を得ることができる。

実施の形態１
図１から図５は、本発明の実施の形態１を示す図である。図１は本発明に係わる偏分波器１である。偏分波器１は方形導波管２と第１の方形分岐導波管３と第２の方形分岐導波管４とを備えている。

方形導波管２の相対する左右の側面には、方形導波管２と直交する様に第１の方形分岐導波管３と第２の方形分岐導波管４とが接続されている。つまり、第１の方形分岐導波管３と第２の方形分岐導波管４は、方形導波管２の相対する側面と直角に備えられている。第１の方形分岐導波管３と第２の方形分岐導波管４の中心軸５は一致させる。

方形導波管２内部には、方形導波管２を通過する第１の偏波７と第２の偏波８とを分離するセプタム６が設けられている。セプタム６は、方形導波管２と第１の方形分岐導波管３と、第２の方形導波管４との交差する空間に設けられている。第１の偏波７は一例として水平偏波、第２の偏波８は垂直偏波である。

セプタム６は、第１の方形分岐導波管３、第２の方形導波管４の中心軸５に平行である。また、セプタム６は、方形導波管２の第１の方形分岐導波管３及び第２の方形導波管４が備えられている側面と直角に設けられる。

方形導波管２より入力された第１の偏波７と第２の偏波８の受信信号のうち、セプタム６に平行な電界の第２の偏波８は第１の方形分岐導波管３、第２の方形分岐導波管４に配分される。第１の方形分岐導波管３と第２の方形分岐導波管４は、それぞれ位相が１８０度異なる分波された第２の偏波９となる。第１の偏波７はそのまま方形導波管２を通過する。

つまり、方形導波管２に入力された第１の偏波７はそのまま方形導波管２を通過し、第２の偏波８はセプタム６により分配されて第１の方形分岐導波管３と第２の方形分岐導波管４とに分配される。

図２（a）はセプタム形状、(ｂ)はセプタム形分岐回路のＸＺ断面図、（ｃ）はＸＹ断面図である。座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚの定義は図１中に示してあるものと同様である。図２（ａ）に示すようにセプタム６は、方形の凸部１０と、方形の凸部１０と連続的につながる傾斜部１１とを備える。また、セプタム６の底部は平面１２である。もちろん、セプタム６は、極めて薄くてもよく、平面１２は製造誤差の範囲で凹凸が有っても良い。言い換えれば、平面１２の幅は、ミリメートルを切る極めて狭くても良い。

また、図２（ｂ）に示すように、第１の方形分岐導波管３を通過する分波された第２の偏波９と第２の方形分岐導波管４を通過する分波された第２の偏波９とは位相が１８０度異なっているため、矢印の向きが異なる。

偏分波器１は、一方の偏波が方形導波管２の管軸方向に取り出されるため、ターンスタイル形に比べて導波管端子が１つ少なく、合／分配器を１つしか使用しないことによりベンド導波管も必要なくなるため、小形化を実現させることができる。

第１の偏波７が通過することにより、セプタム６の先端に電界が集中するが、方形の凸部１０の先端を平らとすることで電界が集中しない構成である。また、セプタム６を２枚とすることで電界強度が分散される。

図２（ｃ）に示すように、セプタム６の間隔をｄとする。第２の偏波８は、セプタムを２枚とすることで、最大電界が集中することを無くし耐電力特性を向上することができる。詳細を以下で説明する。

図３に図２（a）に記す２枚のセプタム間隔ｄを変化させたときの耐電力、反射特性を示す。図３において、横軸はセプタム間隔ｄ／λを示している。ここでλは、方形導波管２を通過する電磁波の波長である。また左目盛りは耐電力ｋＷを示し、右目盛りは反射特性ｄＢを示す。

図３によれば反射特性は、０．１８λ〜０．２７λで極値を示すが、実運用上反射特性は−２０ｄＢ以下で有ればよいため、間隔ｄは０．１５λ〜０．３λで有ればよい。また、耐電力特性は、０．２５λ以上でほぼ一定値を示すが、実運用上耐電力は６０ｋＷ以上有れば足りるため、０．１５λ以上であればよい。以上から、間隔ｄは０．１８λ〜０．２７λが優れる。なお、セプタム６は、方形導波管１の中心軸から左右均等に配置されている。

また、先端が平らになることで反射が増えるが、凸部の寸法を適当な値に選ぶことにより整合が図れる。図４（ａ）は方形の凸部１０の半幅ｒｋと反射特性との関係を示す図であり、図４（ｂ）は方形の凸部１０の高さΔｈと反射特性との関係を示す図である。

図４（a）から方形の凸部１０の半幅ｒｋは約０．００２λ〜０．００３λのとき反射特性は−２０ｄＢ以下となる。また、図４（ｂ）から方形の凸部１０の高さΔｈは約０．１４λ〜０．１７λのとき反射特性が−２０ｄＢ以下となる。よって、方形の凸部１０の半幅ｒｋは０．００２λ〜０．００３λが優れ、方形の凸部１０の高さΔｈは０．１４λ〜０．１７λが優れる。

第１の偏波７により電界が強くなるのはセプタム６の方形の凸部１０であり、第２の偏波８により電界が強くなるのはセプタム６の傾斜部１１である。よって、このセプタム構造にすることにより、第１の偏波７は方形の凸部１０、第２の偏波７は傾斜部１１とそれぞれ電界強度が強くなる位置を変えられるため、電力の分散できる。結果として、耐電力が優れた偏分波器１を提供することができる。

なお、図３及び図４においては、図２（ａ）に示すように方形凸部１０の高さと、傾斜部１１の高さの合計を０．４０λ、それ以外の高さを０．４２λとしているが、設計に応じて適宜変更しても良い。

もちろん、設計に応じて図５に示すようにセプタム６を４枚にしても良いし、更に増やしても良い。つまり、２枚のセプタム６を中心からずらした構成の場合、第１の偏波７と第２の偏波８の偏波間アイソレーションが十分に達成できない場合があるため、セプタム６を２枚以上とすることにより偏波間アイソレーションを向上することができる。

図６から図８は、別の実施例におけるセプタム６の図である。図６から図８においてセプタム６の形状を変えることにより、第１の偏波７の反射、耐電力特性の微調整が可能となる。

図６において、図２（ａ）に示すセプタム６の平面１２に代わって、２枚の面によりＶ字状の突起１３を設けた。セプタム６にＶ字状の突起１３を設けることにより、セプタム６がテーパー状となり、セプタムで生じる第１の偏波３の反射を小さくできる。

図７においては、図２（ａ）に示すセプタム６の平面１２に代わって、２枚の面によりＶ字切込１４を設けた。セプタム６にＶ字切込１４を設けることにより第１の偏波３の反射を小さくできる共にセプタム６の小形化を図ることができる。

図８においては、図２（ａ）に示すセプタム６の平面１２に代わって、複数の面により凸状切込１５を設けた。これにより、第１の偏波７のセプタム６上の電流を変えて、電力の分散を図り、耐電力特性を向上することができる。また、図８には、穴１６を設けている。これにより、小型化／軽量化することができる。

なお、前記面の幅は極めて薄くても良い。

以上のように、レプタム６の形状を変えることにより、耐電力特性の微調整が可能となると共に、小型化／軽量化することができる。

この様に、本発明によれば、耐電力の優れた偏分波器を得ることができる。

実施の形態１の偏分波器を示すである。 実施の形態１のセプタムの形状を示す図である。 セプタム間隔変化時の耐電力、反射特性図である。 セプタム形状を変化させたときの反射特性図である。 セプタムを複数備えた実施の形態１の偏分波器を示す。 セプタム形状図である。 セプタム形状図である。 セプタム形状図である。

符号の説明

１ 偏分波器、２ 方形導波管、３ 第１の方形分岐導波管、４ 第２の方形分岐導波管、５ 中心軸、６ セプタム、７ 第１の偏波、８ 第２の偏波、９ 分波された第２の偏波、１０ 方形の凸部、１１ 傾斜部、１２ 平面、１３ Ｖ字状の突起、１４ Ｖ字切込、１５ 凸状切込、１６ 穴。

Claims (3)

1. 方形導波管と、
   前記方形導波管の相対する側面に直角に分岐する方形分岐導波管と、
   前記方形導波管と前記方形分岐導波管の交差する空間に設けられ、前記方形導波管の前記側面と直角に設けられる２枚のセプタムと、を備え、
   前記セプタムの間隔ｄは、前記方形導波管を通過する電磁波の波長をλとし、０．１８λから０．２７λであり、
   前記セプタムは、前記方形導波管の中心軸からｄ／２の位置に配置され、
   前記セプタムは、方形の凸部と、前記方形の凸部と連続的につながる傾斜部とを具備し、
   前記セプタムの底部がＶ字型の突起を構成する偏分波器。
2. 方形導波管と、
   前記方形導波管の相対する側面に直角に分岐する方形分岐導波管と、
   前記方形導波管と前記方形分岐導波管の交差する空間に設けられ、前記方形導波管の前記側面と直角に設けられる２枚のセプタムと、を備え、
   前記セプタムの間隔ｄは、前記方形導波管を通過する電磁波の波長をλとし、０．１８λから０．２７λであり、
   前記セプタムは、前記方形導波管の中心軸からｄ／２の位置に配置され、
   前記セプタムは、方形の凸部と、前記方形の凸部と連続的につながる傾斜部とを具備し、
   前記セプタムの底部がＶ字型の切込を構成する偏分波器。
3. 前記方形導波管を通過する電磁波の波長をλとし、前記方形の凸部の半幅ｒｋが０．００２λから０．００３λ、高さΔｈが０．１４λから０．１７λである請求項１または請求項２に記載の偏分波器。

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