JP7252053B2

JP7252053B2 - 導波管型分配合成器

Info

Publication number: JP7252053B2
Application number: JP2019092155A
Authority: JP
Inventors: 真也長谷川; 和夫及川
Original assignee: Japan Radio Co Ltd; Nisshinbo Micro Devices Inc
Current assignee: Japan Radio Co Ltd; Nisshinbo Micro Devices Inc
Priority date: 2019-05-15
Filing date: 2019-05-15
Publication date: 2023-04-04
Anticipated expiration: 2039-05-15
Also published as: JP2020188375A

Description

この発明は、マイクロ波、ミリ波帯などにおける電力の分配及び合成に用いられる導波管型分配合成器に関する。

導波管を分岐させて電力分配及び合成を行うために、Ｅ面もしくはＨ面のＴ分岐導波管が用いられている。Ｅ面Ｔ分岐導波管は、主導波管（実施の形態では第１の導波管）と、主導波管の一方のＥ面に結合された矩形状断面の分岐導波管（実施の形態では第２の導波管）とで構成される。また、Ｈ面Ｔ分岐導波管は、主導波管と、主導波管の一方のＨ面に結合された矩形状断面の分岐導波管とで構成される。いずれのＴ分岐導波管においても、直交する導波管の寸法が異なるため、導波管前後におけるインピーダンスが異なり、分岐部で不整合が発生してしまい、反射特性が劣化してしまう。

そもそも、Ｅ面Ｔ分岐導波管の寸法（横幅と縦高さ）とインピーダンスとの関係は、主導波管（垂直導波管）のインピーダンスに対して分岐導波管（水平導波管）のインピーダンスが１／２相当になるという関係にある。

そのため、両導波管のインピーダンスの整合性を取るには、ある垂直導波管の寸法を基準として、１．垂直導波管の縦高さを水平導波管の縦高さの２倍にするか、２．水平導波管の縦高さを垂直導波管の縦高さの１／２にするか、という２つの方法が考えられる。

前者にあっては、導波管を引き回す際に導波管を曲げた場合に周波数帯域が狭くなるという問題が発生し、後者にあっては、水平導波管の高さが低くなることにより回路損失が増大するという問題が発生する。

いずれの方法を採ったとしても、導波管分岐回路に接続できる導波管寸法が制約されるという問題もあった。

そこで、非特許文献１に示すようなステップ導波管を用いて分岐前後の導波管の寸法を揃えて反射特性の劣化を抑制したものがある。

Yage Li et al., "A W-band Miniature Power Divider Based On E-faced-folded Magic-T Junction," IEEE MTT-S IMWS-AMP, 2016 FIG. 2.

しかしながら、ステップ状の導波管を分岐部に設けることにより、導波管ユニット全体が大型かつ複雑化してしまい、製造コストも増大するという問題があった。

また、図８に示すＥ面Ｔ分岐導波管１００においては、主導波管１１０の入力ポート１１１からの垂直方向の電磁波を水平方向の２つに分岐導波管１２０の両端の出力ポート１２１、１２２側へそれぞれ分岐するとき、図９に示すように分岐導波管１２０において底面１２３に対して垂直方向の基本モードのみの電界が位相のみを逆にして両端の出力ポート１２１、１２２に向かって伝搬して行くのが理想である。

ところが、実際には、図９で点線にて囲む部分（分岐部）において導波管１００（１１０と１２０）が連続していないため、基本モードのほか、高次モードが発生してしまう。

図１０において、実線で示す矢印は基本モード、破線で示す矢印が高次モードである。そして、図１０に示すように分岐導波管１２０には基本モードと高次モードとが混在して電磁波が伝搬されてしまい、高次モードが存在するため反射特性が悪化するという問題があった。

そこでこの発明は、高次モードが発生したとしてもこれを抑制し、できる限り反射特性を向上させるとともに、広帯域化を図ることができる導波管型分配合成器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、一端に第１のポートを有する第１の導波管と、長さ方向の中間部において前記第１の導波管の他端に接続され、両端に第２のポート及び第３のポートを有する第２の導波管と、を備えた導波管型分配合成器において、前記第２の導波管内に、前記第２のポート及び第３のポートから前記第１の導波管との接続部に行くに従って、上下方向の高さ寸法を大きくしたリッジ状の間隔調整部を設けた、ことを特徴とする。

この発明によれば、分岐部におけるリッジの高さ寸法を両端より大きくすることで、第１の導波管のインピーダンスと、第２の導波管のインピーダンスとの整合性を取り、またリッジにすることで高次モードを抑制する。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の導波管型分配合成器において、前記間隔調整部を、階段状で前記第２のポート及び第３のポートから前記第１の導波管との接続部に行くに従って、上下方向の高さ寸法が大きくなるステップとして設けた、ことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の導波管型分配合成器において、間隔調整部を、前記第２の導波管の底面に形成した、ことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、一端に第１のポートを有する第１の導波管と、長さ方向の中間部において前記第１の導波管の他端に接続され、両端に第２のポート及び第３のポートを有する第２の導波管と、一端に第４のポートを有し、他端が前記第２の導波管の長さ方向の中間部であって前記第１の導波管が接続された面と直交する面に接続された第３の導波管と、を備え、前記第２の導波管内に、前記第２のポート及び第３のポートから前記第１の導波管との接続部に行くに従って、上下方向の高さ寸法を大きくしたリッジ状の間隔調整部を設けた、ことを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、第２の導波管の分岐部におけるリッジの高さ寸法を両端より大きくしたため、第１の導波管のインピーダンスと、第２の導波管のインピーダンスとの整合性を取ることができ、また、リッジにすることで高次モードの発生を抑制し、反射特性の悪化を抑えることができるとともに、広帯域化を図ることができる。

請求項２に記載の発明によれば、間隔調整部を階段状にすることで、各高次モードを段階的に適正に抑制することができる。

請求項３に記載の発明によれば、間隔調整部を第２の導波管の底面に形成することで、形状の複雑化を防ぐことができ、コスト削減に寄与することができる。

請求項４に記載の発明によれば、第２の導波管の分岐部におけるリッジの高さ寸法を両端より大きくしたため、第１の導波管のインピーダンスと、第２の導波管のインピーダンスとの整合性を取ることができ、また、リッジにすることで高次モードの発生を抑制し、反射特性の悪化を抑えることができるとともに、広帯域化を図ることができる。

図２及び図３とともに、この発明の実施の形態１に係る導波管型分配合成器の導波管内の空間を模式的に示すもので、本図は斜視図である。図１におけるＸ軸方向に直交するＹＺ面で切った断面図である。図２におけるIII－III線に沿う断面図である。図１～図３の実施の形態１に係る導波管型分配合成器の変形例１を示すもので、導波管型分配合成器の導波管内の空間をＸ軸方向に直交するＹＺ面で切断した断面図である。図１～図３の実施の形態１に係る導波管型分配合成器の変形例２を示すもので、導波管型分配合成器の導波管内の空間をＸ軸方向に直交するＹＺ面で切断した断面図である。図７と共に、この発明の実施の形態２に係る導波管型分配合成器の導波管内の空間を模式的に示すもので、本図は斜視図である。図６におけるＸ軸方向に直交するＹＺ面で切った断面図である。従来のＥ面Ｔ分岐導波管の導波管内の空間を示す斜視図である。従来のＥ面Ｔ分岐導波管における導波管中心付近の分布で、電磁波の理想的な伝搬状態を示す模式図である。従来のＥ面Ｔ分岐導波管における導波管中心付近の分布で、電磁波の実際の伝搬状態を示す模式図である。

以下、この発明を図示の各実施の形態に基づいて説明する。

（実施の形態１）
図１～図３は、この発明の実施の形態１に係る導波管型分配合成器の導波管の内部の空間を模式的に示したものである。便宜上、各図は導波管の空間を示すが、符号が示すものは導波管の各部として説明する。図１は外観斜視図を、図２は図１をＸ軸方向に直交するＹＺ面で切った断面図を、図３は図２におけるIII－III線に沿う断面図である。なお、図１および後述する図６、図８においてＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を記しているが、Ｙ軸は第２の導波管の中心軸を、Ｚ軸は第１の導波管の中心軸を、Ｘ軸は第３の導波管（図６のみ）の中心軸を、それぞれ示す。従って、これらＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の原点は第１の導波管の中心軸と第２の導波管の中心軸と第３の導波管（図６のみ）の中心軸との交点である。

実施の形態１に係る導波管型分配合成器はいわゆるＥ面Ｔ分岐導波管１であり、垂直方向（Ｚ軸方向）に伸びる矩形状断面の第１の導波管１０と、第１の導波管１０の下方のＥ面に結合され、水平方向（Ｙ軸方向）に伸びる矩形状断面の第２の導波管２０とで構成される。

第１の導波管１０は上端が入力ポート（第１のポート）１１に下端が接続端子になっている。また、第２の導波管２０は一端が第１の出力ポート（第２のポート）２１に、他端が第２の出力ポート（第３のポート）２２になっており、そのほぼ中央部のＥ面（導波管矩形断面の長辺側の幅広面）に接続口が設けられており、この接続口と上記第１の導波管１０の下端の接続端子とが接続されている。これにより、第１の導波管１０と第２の導波管２０は中心軸（管軸）が直交するように接続される。

第２の導波管２０の底面２３には、両端２１、２２より中央部に寄った位置から中央部にかけて階段状の間隔調整部２４が形成されている。この間隔調整部２４は底面２３の幅方向のほぼ中央部にのみに形成され、いわゆるリッジとなっている（図３参照）。

この間隔調整部２４は両端出力ポート２１、２２から中央部に行くに従い高さ寸法が大きくなる階段状に形成され、各出力ポート２１、２２側から、各ステップ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄとなっている。

書籍「小西良弘, “マイクロ波回路の基礎とその応用 -基礎知識から新しい応用まで”, 総合電子出版社, 1990 年8 月20 日第1 版, pp. 111-112.」に記されているように、基本モードＴＥ１０波について、矩形導波管の遮断波長λcと、リッジ導波管の遮断波長λc´は次式で求まる。

λc＝２ａ
λc´≒πａ√（（１－ａ´／ａ）（ａ´／ａ）（ｂ／ｂ´））
ａは導波管横幅、ａ´はリッジ部横幅、ｂは導波管高さ、ｂ´はリッジ部縦高さ、をそれぞれ示す（図３参照）。

一方、高次モード（ＴＥ２０波、ＴＥ３０波）に対しては、元の矩形導波管の遮断周波数と大きく変わらない。但し、ａ´／ａ＜１／２の場合はＴＥ２０波の遮断周波数が、また、１／３＜ａ´／ａ＜２／３の範囲ではＴＥ３０波の遮断周波数が、元の矩形導波管の場合と比べて高くなる。

これにより、リッジ導波管は基本モードＴＥ１０波に対しては遮断周波数を低くし、高次モード（ＴＥ２０波、ＴＥ３０波）に対しては遮断周波数を高くすることができるので広帯域な導波管とすることができる。

なお、この実施の形態１のＥ面Ｔ分岐導波管１にあっては、底面２３にのみリッジ（間隔調整部）２４を形成した、いわゆるシングル・リッジとしたが、本発明はこれに限らず、底面２３及び上面に設けた、いわゆるダブル・リッジにしても良い。

リッジの幅寸法、高さ寸法は電磁波の周波数、各導波管の寸法に依存するため、高次モードが抑制できるように、かつ、広帯域化が図れるように調整される。また、各ステップ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄごとにその幅寸法、高さ寸法を異なるようにしても良い。要は、高次モードが抑制でき、広帯域になるように設定することが肝要である。

以上のように、実施の形態１に係るＥ面Ｔ分岐導波管１によれば、第２の導波管２０の底面２３に両端出力ポート２１、２２から中央部に行くに従い上下方向の高さ寸法が大きくなるステップ状の間隔調整部２４を形成したので、第１の導波管１０の高さ寸法（Ｙ方向）と第２の導波管２０の高さ寸法（Ｚ方向）とが同じ又は近似であっても分岐部における第２の導波管２０の上下方向の間隔が狭まるので（リッジによる効果）、両導波管１０と２０とのインピーダンスの整合性を取ることができ、高次モードの発生を抑制し、反射特性を良好にすることができる。

さらに、間隔調整部２４をステップ状としたことにより、広帯域化を段階的に適正化することができる。

また、間隔調整部２４を第２の導波管２０の底面２３に形成することで、第２の導波管２０の形状を複雑にすることがないため、コストを抑制した状態で製作することができる。

なお、この実施の形態１にあっては、間隔調整部２４を第２の導波管２０の中央部に形成したものを示したが、左右方向（Ｘ方向）のいずれかに寄ったものであっても構わない。

（変形例１）
図４は図１をＹＺ面で切った断面図で、上記実施の形態１に係るＥ面Ｔ分岐導波管の変形例１Ａを示し、間隔調整部２４Ａを両端出力ポート２１Ａ、２２Ａから中央部に行くに従い底面３０からの高さ寸法が大きくなるような傾斜面３１、３１に形成したものである。

具体的には、Ｅ面Ｔ分岐導波管１Ａの第２の導波管２０Ａの底面３０には、両端出力ポート２１Ａ、２２Ａから中央部に行くに従い高さ寸法が大きくなる斜面３１、３１と中央部（分岐部）近傍においてはほぼ平面３２とからなるリッジ状の間隔調整部２４Ａが設けられている。

このような斜面３１、３１及び平面３２を有するリッジ状の間隔調整部２４Ａにあっても、両端出力ポート２１Ａ、２２Ａから第１の導波管１０Ａに行くに従い第２の導波管２０Ａの上下間隔が狭くなるため、高次モードの発生を抑制することができるとともに、中央部から出力ポート２１Ａ、２２Ａに行くに従い上下間隔が広くなるため広帯域化を実現することができる。

（変形例２）
図５は図１をＹＺ断面で切った断面図で、上記実施の形態１に係るＥ面Ｔ分岐導波管の別の変形例１Ｂを示し、間隔調整部２４Ｂが第２の導波管２０Ｂの底面３５でなく上面３６に形成されたものである。

具体的には、Ｅ面Ｔ分岐導波管１Ｂの第２の導波管２０Ｂの上面３６、３６には、両端出力ポート２１Ｂ、２２Ｂから中央部に行くに従い高さ寸法が大きくなる斜面３７、３７と中央部（分岐部）近傍においてはほぼ平面３８、３８とからなるリッジ状の間隔調整部２４Ｂが形成されている。

このような斜面３７、３７及び平面３８、３８を有するリッジ状の間隔調整部２４Ｂにあっても、両端出力ポート２１Ｂ、２２Ｂから第１の導波管１０Ｂに行くに従い第２の導波管２０Ｂの上下間隔が狭くなるため、高次モードの発生を抑制することができるとともに、中央部から出力ポート２１Ｂ、２２Ｂに行くに従い上下間隔が広くなるため広帯域化を実現することができる。

（実施の形態２）
図６及び図７はこの発明の実施の形態２に係る導波管型分配合成器を示す。

この導波管型分配合成器はいわゆるマジックＴ型導波管２であり、分岐が電界面に平行に出るＥ面Ｔ分岐導波管と磁界面に平行に出るＨ面Ｔ分岐導波管とを組み合わせた導波管である。

マジックＴ型導波管２は、Ｚ方向に伸びる第１の導波管４０と、分岐が電界面に平行に出てＹ方向に伸びるＥ面Ｔ分岐導波管（第２の導波管）５０と、分岐が磁界面に平行に出てＸ方向に伸びるＨ面Ｔ分岐導波管（第３の導波管）６０とからなり、第１の導波管４０の上端が入力ポート（第１のポート）４１に、第２の導波管５０の両端が出力ポート（第２のポート）５１、（第３のポート）５２に、第３の導波管６０の一端が出力ポート（第４のポート）６１に、なっている。

このマジックＴ型導波管２の上記第１の導波管４０と第２の導波管５０とは、上記実施の形態１に係るＥ面Ｔ分岐導波管１に相当する。

そして、第２の導波管５０の底面５３には、両端５１、５２より中央部に寄った位置から中央部にかけて階段状の間隔調整部５４、５４が形成されている。この間隔調整部５４は底面５３の幅方向のほぼ中央部にのみに形成され、いわゆるリッジとなっている（図６、図７参照）。

この間隔調整部５４は両端出力ポート５１、５２から中央部に行くに従い高さ寸法が大きくなる階段状に形成され、各出力ポート５１、５２側から、各ステップ５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、５４ｄとなっている。

また、第３の導波管６０にはリッジ６２がその長さ方向（Ｘ方向）に亘って形成されている。

そのため、上記第２の導波管５０の間隔調整部５４、５４は第３の導波管６０のリッジ６２により分断され、第１の出力ポート５１側と第２の出力ポート５２側とに分けられている。

このように、マジックＴ型導波管２によれば、第１の導波管４０の入力ポート４１から入力された基本モード（ＴＥ１０波）が第２の導波管５０に伝搬するとき、第１の出力ポート５１側と第２の出力ポート５２側とに逆相で分配される。また、第３の導波管６０には左右対称なモード、ＴＥ２０波で励振されるが、ＴＥ２０波はカットオフとなり伝搬しないようになっている。

もちろん、マジックＴ型導波管２の各導波管の端部６１又は５１、５２を入力ポートとした場合には他のポート４１、５１、５２又は４１、６１が出力ポートとして機能することになる。

具体的には、第４のポート６１に入力した場合、第２、３のポート５１、５２に基本モードが同位相で出力され、第１のポート４１に高次モードが出力される。また、第２、３のポート５１、５２に同位相で入力した場合、第４のポート６１に基本モードが出力され、第１のポート４１に高次モードが出力される。さらに、第２、３のポート５１、５２に逆位相で入力した場合、第１のポート４１に基本モードが出力され、第４のポート６１に高次モードが出力される。

以上のように、実施の形態２に係るマジックＴ型導波管２によれば、第２の導波管５０の底面５３には、ステップ状の間隔調整部５４を形成したので、第１の導波管４０の高さ寸法（Ｙ方向）と第２の導波管５０の高さ寸法（Ｚ方向）とが同じ又は近似であっても分岐部における第２の導波管５０の上下方向の間隔が狭まるので（リッジによる効果）、両導波管４０と５０とのインピーダンスの整合性を取ることができ、高次モードの発生を抑制し、反射特性を良好にすることができる。

さらに、間隔調整部５４をステップ状としたことにより、広帯域化を図ることができる。

以上、この発明の各実施の形態について説明したが、具体的な構成は、各実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。

なお、上記各実施の形態においては、第１の導波管が入力側で、第２の導波管が出力側とした分配器を示したが、本発明はこれに限らず、第２の導波管の両端が入力ポートで第１の導波管の上端が出力ポートとしたいわゆる合成器にも適用することができる。

また、上記各実施の形態においては、Ｅ面Ｔ分岐導波管に適用したものについて説明したが、本発明はこれに限らず、Ｈ面Ｔ分岐導波管にも適用することができる。

１Ｅ面Ｔ分岐導波管（導波管型分配合成器）
１０第１の導波管
１１入力ポート（第１のポート）
２０第２の導波管
２１第１の出力ポート（第２のポート）
２２第２の出力ポート（第３のポート）
２３第２の導波管の底面
２４間隔調整部
２４ａ第１のステップ
２４ｂ第２のステップ
２４ｃ第３のステップ
２４ｄ第４のステップ
１ＡＥ面Ｔ分岐導波管（導波管型分配合成器）
１０Ａ第１の導波管
２０Ａ第２の導波管
２１Ａ第１の出力ポート（第２のポート）
２２Ａ第２の出力ポート（第３のポート）
２４Ａ間隔調整部
３０第２の導波管の底面
１ＢＥ面Ｔ分岐導波管（導波管型分配合成器）
１０Ｂ第１の導波管
２０Ｂ第２の導波管
２１Ｂ第１の出力ポート（第２のポート）
２２Ｂ第２の出力ポート（第３のポート）
２４Ｂ間隔調整部
３５第２の導波管の底面
２マジックＴ型導波管（導波管型分配合成器）
４０第１の導波管
４１入力ポート（第１のポート）
５０第２の導波管
５１第１の出力ポート（第２のポート）
５２第２の出力ポート（第３のポート）
５３第２の導波管の底面
５４間隔調整部
５４ａ第１のステップ
５４ｂ第２のステップ
５４ｃ第３のステップ
５４ｄ第４のステップ
６０第３の導波管
６１第４のポート

Claims

一端に第１のポートを有する第１の導波管と、長さ方向の中間部において前記第１の導波管の他端に接続され、両端に第２のポート及び第３のポートを有する第２の導波管と、を備えた導波管型分配合成器において、
前記第２の導波管内に、前記第２のポート及び第３のポートから前記第１の導波管との接続部に行くに従って、上下方向の高さ寸法を大きくしたリッジ状の間隔調整部を設けた、
ことを特徴とする導波管型分配合成器。
前記間隔調整部を、階段状で前記第２のポート及び第３のポートから前記第１の導波管との接続部に行くに従って、上下方向の高さ寸法が大きくなるステップとして設けた、
ことを特徴とする請求項１に記載の導波管型分配合成器。
前記間隔調整部を、前記第２の導波管の底面に形成した、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか１項に記載の導波管型分配合成器。
一端に第１のポートを有する第１の導波管と、長さ方向の中間部において前記第１の導波管の他端に接続され、両端に第２のポート及び第３のポートを有する第２の導波管と、一端に第４のポートを有し、他端が前記第２の導波管の長さ方向の中間部であって前記第１の導波管が接続された面と直交する面に接続された第３の導波管と、を備え、前記第２の導波管内に、前記第２のポート及び第３のポートから前記第１の導波管との接続部に行くに従って、上下方向の高さ寸法を大きくしたリッジ状の間隔調整部を設けた、ことを特徴とする導波管型分配合成器。