(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-03-27
(45)【発行日】2023-04-04
(54)【発明の名称】導波管型分配合成器
(51)【国際特許分類】
H01P 5/12 20060101AFI20230328BHJP
H01P 3/123 20060101ALI20230328BHJP
【FI】
H01P5/12 A
H01P3/123
(21)【出願番号】P 2019092155
(22)【出願日】2019-05-15
【審査請求日】2022-04-22
(73)【特許権者】
【識別番号】000004330
【氏名又は名称】日本無線株式会社
(73)【特許権者】
【識別番号】000191238
【氏名又は名称】日清紡マイクロデバイス株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100126561
【氏名又は名称】原嶋 成時郎
(72)【発明者】
【氏名】長谷川 真也
(72)【発明者】
【氏名】及川 和夫
【審査官】白井 亮
(56)【参考文献】
【文献】米国特許出願公開第2013/314172(US,A1)
【文献】米国特許出願公開第2015/372370(US,A1)
【文献】特開平05-048309(JP,A)
【文献】米国特許第04642586(US,A)
【文献】特表2019-505136(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01P 5/12
H01P 3/123
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
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。
【請求項2】
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。
【請求項3】
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。
【請求項4】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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。
【0004】
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。
【0005】
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。
【0006】
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。
【0007】
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。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0008】
【文献】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.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
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。
【0010】
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。
【0011】
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。
【0012】
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。
【0013】
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。
【課題を解決するための手段】
【0014】
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。
【0015】
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。
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【発明の効果】
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【図面の簡単な説明】
【0023】
【
図1】
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2】
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3】
図2におけるIII-III線に沿う断面図である。
【
図4】
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5】
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6】
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7】
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。
【
図8】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。
【
図9】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。
【
図10】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。
【発明を実施するための形態】
【0024】
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。
【0025】
(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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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)。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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)。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
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。
【0037】
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。
【0038】
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。
【0039】
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。
【0040】
(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。
【0041】
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。
【0042】
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。
【0043】
(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。
【0044】
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。
【0045】
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。
【0046】
(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。
【0047】
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。
【0048】
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。
【0049】
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。
【0050】
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)。
【0051】
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。
【0052】
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。
【0053】
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。
【0054】
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。
【0055】
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。
【0056】
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。
【0057】
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。
【0058】
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。
【0059】
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。
【0060】
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。
【0061】
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。
【符号の説明】
【0062】
1 E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
1A E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
1B E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