JP4057761B2 - 導波管接続素子、導波管接続素子のインピーダンス整合方法およびｓバンドレーダ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、マイクロ波などの高周波を伝送する導波管を接続するとともに、導波の方向を変更する導波管接続素子およびそのインピーダンス変換方法、さらにこの導波管接続素子を用いたＳバンドレーダ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
導波路として、導波管、同軸ケーブルなどのものが実用化されており、このうち導波管として、矩形導波管、偏平導波管、円形導波管など種々の形状のものが実用化されている。これらの導波路はそれぞれ異なる特徴を有するため、場面に応じて使い分けられている。
【０００３】
ところで、船舶用レーダの空中線は、３０回／分程度の高速回転および風速１００ｍ／ｓの強風に耐えることが条件とされるため、可能な限り空気抵抗の少ない形状にする必要がある。発振器で発振された高周波パルスは導波路を介して空中線の先端部から供給されるが、この高周波パルスを伝送する導波路として、導波管サイズの大きなＳバンドレーダ等では、従来は、最も空気抵抗の小さい同軸ケーブルが用いられていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、発振器の出力端子および空中線の入力端子はともに導波管であるため、同軸ケーブルの両端に同軸−導波管の変換素子が必要であった。また、Ｓバンド（約３ＧＨｚ）程度の周波数になると同軸ケーブルは損失が大きい。同軸ケーブルは自立しないため、同軸ケーブルをつり下げて支持する横棒が別に必要であるなど種々の問題点があった。
【０００５】
そこで、発振器から空中線への導波線路として導波管を用いることが考えられるが、通常の矩形導波管はＥ方向の高さが大きいため空気抵抗が大きいという問題点がある。そこで偏平導波管を使用すればよいことになるが、空中線の入力端は通常の矩形導波管であるため、入力端子でインピーダンスを変換する変換器が必要である。導波路の空中線への接続は、図５（Ｂ）に示すように空中線の先端部で導波路を１８０°ターンさせて行うが、このターンのためのコーナー素子とインピーダンスの変換素子の両方を設けることは、スペースの制約がある空中線の先端部では困難であり、また、空気抵抗も増加するという問題点があった。
【０００６】
この発明は、導波の方向を変更しながら、形状の異なる導波管のインピーダンス整合を行うことのできる導波管接続素子およびそのインピーダンス整合方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、矩形導波管を接続する第１の接合部と、扁平導波管を接続する第２の接合部とを２つのコーナーを介して接続した導波管接続素子であって、各コーナーの切り落とし寸法を、前記矩形導波管から前記第１の接合部側を見たインピーダンスが、前記第２の接合部から前記扁平導波管側を見たインピーダンスに整合するように設定したことを特徴とする。
【０００８】
請求項２の発明は、前記第１・第２の接合部はそれぞれ９０度のコーナーとし、前記矩形導波管と前記扁平導波管とを互いに平行に配置するとともに、前記接合部で信号の伝搬経路が折り返すように、前記矩形導波管と前記扁平導波管の端部に前記接合部を配置したことを特徴とする。
【０００９】
請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記整合部の長さを、λを信号波長、ｍを任意の整数とするとき、（２ｍ＋１）λ／８（λは、導波管内波長を示す）となるようにしたことを特徴とする。
【００１０】
請求項４の発明は、矩形導波管を接続する第１の接合部と、偏平導波管を接続する第２の接合部とを２つのコーナーを介して接続した導波管接続素子において、各コーナーの切り落とし寸法を調整することで、前記第１の接合部および第２の接合部のインピーダンスを整合させることを特徴とする。
【００１１】
請求項５の発明は、空中線の給電部に、請求項１、請求項２または請求項３に記載の導波管接続素子を接続し、この導波管接続素子に偏平導波管を接続したことを特徴とする。
【００１２】
導波管の方向を変えるための素子としてコーナーやベンドなどが用いられるが、この形状を適当なものにすることにより、その部分のリアクタンスを変えることができ、これを利用して両端に接続される異なる形状の導波管のインピーダンスの整合をとることができる。これにより、導波管の方向を変える接続素子に、異なる形状の導波管のインピーダンスを整合する整合素子を兼ねさせることができる。
【００１３】
また、コーナー素子としては、Ｅコーナー、Ｈコーナーがあるが、請求項２〜４の発明において、２つのコーナーの組み合わせは、２つのＥコーナー、２つのＨコーナーまたは１つのＥコーナーと１つのＨコーナーのどの組み合わせでもよい。一般的にコーナーは、長方形の導波路を９０度曲げ、その角を三角形（三角柱）に切り落として狭めた形状になっており、この切り落としの寸法を変えることによってその部分のインピーダンス（リアクタンス）が変わる。そこで、この発明では、この切り落とし寸法を適当に設定することにより、形状の異なる２つの導波管のインピーダンス整合をとった。そして、整合部の長さを（２ｍ＋１）λ／８としたことにより、上記切り落とし寸法の設計、すなわち、整合を容易にした。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図面を参照してこの発明の実施形態である導波管接続素子について説明する。図１は同導波管接続素子を上下に分割した斜視図である。図２は、同導波管接続素子に導波管を接続した状態の平断面図である。
この導波管接続素子１は、Ｅコーナーを２つ含んだ略コ字形をしており、導波路が１８０度ターンするように２つの導波管を接続する。一方の接合部４は矩形導波管２を挟持する構造になっており、他方の接合部５は偏平導波管３を挟持する構造になっている。この導波管接続素子１は、アルミニウム等の導電性非鉄金属をダイカスト成形して製造される。なお、この導波管接続素子をＳバンドレーダーに用いる場合、矩形導波管はＲ３２（内径７２．１ｍｍ×３４．０ｍｍ：肉厚２ｍｍ）を用い、偏平導波管はＭ３２（内径７２．１ｍｍ×１８．０ｍｍ：肉厚２ｍｍ）を用いる。
【００１５】
前記２つのＥコーナー７，８間の中間部６は、矩形導波管２と偏平導波管３のインピーダンスを整合しやすいように、その長さＣが（３／８）λ≒５．０ｃｍにされている。そして、矩形導波管２のＥ方向の長さをＡ（＝３４ｍｍ）、偏平導波管のＥ方向の長さをＢ（＝１８ｍｍ）とすると、中間部６のＥ方向の長さは√（Ａ・Ｂ）（≒２４．７ｍｍ）にされている。２つのＥコーナー７，８は、それぞれ角の部分が三角柱形状の切り落とし７ａ，８ａによって導波路が狭められており、この部分がインダクタとして機能する。Ｅコーナー７のＥ方向の長さはａにされており、Ｅコーナー８のＥ方向の長さはｂにされている。
【００１６】
これらａ，ｂを適当に設定することにより、矩形導波管２のインピーダンスと偏平導波管３のインピーダンスの整合をとる。前記中間部６の長さＣを（３／８）λとしたことにより、両コーナー７，８における反射係数のベクトルが直交し、整合をとることが容易になる。
【００１７】
図３のスミスチャートを参照して、矩形導波管２と偏平導波管３のインピーダンス整合を、カットアンドトライ法で調整する方法について説明する。まず、同図（Ａ）において、試作した導波管接続素子の一方から他方の反射係数（インピーダンス）を測定する。得られた反射係数が、たとえば同図Ｐ１にプロットされる値であったとする。Ｅコーナー８の高さｂを変化させるとリアクタンスが変化して反射係数は、円弧（等抵抗曲線）Ｂ１上を矢印の方向に移動する。そして、ｂを適当な大きさに調整して、反射係数がＰ２になるようにする。このＰ２はＲ／Ｚ₀ ＝１の円を２７０度回転させたものである。すなわち、この次にＥコーナー７の高さａを調整するが、Ｅコーナー７とＥコーナー８とは、３λ／８だけ離れているため、リアクタンスを変化させたときの反射係数のベクトルの変化方向が２７０度ずれるためである。
【００１８】
次に同図（Ｂ）において、Ｅコーナー７の高さａを変化させるとリアクタンスが変化して反射係数は、円弧（等抵抗曲線）Ｂ２上を矢印の方向に移動する。そして、ａを適当な大きさに調整して、反射係数がＰ３になるようにする。このＰ３はスミスチャートの中心であり、これにより矩形導波管側と偏平導波管側のインピーダンスの整合がとれたことになる。
【００１９】
上記のように中間部６の長さを（２ｍ＋１）λ／８の長さにしたことにより、Ｅコーナー７の高さａまたはＥコーナー８のｂを調整したときの反射係数ベクトルの変化方向が直交するようになり、調整が容易になる。なお、Ｅコーナーの高さａ，ｂが、コーナーの切り落とし寸法７ａ，８ａに対応している。
【００２０】
次に図１を参照して接合部について説明する。この導波管接続素子は、Ｈ面の中央部で上側分割体１ｂ，下側分割体１ａに分割できるようになっており、これら分割体はフランジ１２ａ，１２ｂをボルト・ナットで締めつけることによって接続される。このとき接合部４，５に挿入された矩形導波管２および偏平導波管３が挟持される。以下接合部４について説明する。下側分割体１ａおよび上側分割体１ｂのそれぞれの端面近傍には、半波長チョーク溝１５が形成されている。矩形導波管２はその長さ方向と直角方向に切断された端面を有し、導波管２の底面１７の端面近傍には導波管２の長さ方向と直角な方向に切欠溝１８が形成されている。
【００２１】
また、下側分割体１ａの内底面１３の上には前記切欠溝１８と嵌合する突出部１４が設けられている。導波管２を接続素子１に接続するには、下側分割体１ａの内面に導波管２を挿入し、前記突出部１４に前記切欠溝１８を嵌合させ、上側分割体１ｂのフランジ１２ｂを下側分割体１ａのフランジ１２ａに当接させ、両フランジをボルト・ナットで固定して導波管２の上下短面（Ｅ面）を接続素子１にて挟持固定することによって完了する。なお、偏平導波管３および接合部５もこれと同じ構成であり、導波管の接合は、矩形導波管２、偏平導波管３を同時に行う。
【００２２】
図４は、下側分割体１ａの接合部４に矩形導波管２を挿入した状態における下側分割体１ａの部分平面図と導波管２の端面近傍の水平断面図を示す図である。導波管２の端面および端面近傍には、下側分割体１ａとの間に導波管２の端面を起点とする隙間１９を設け、この隙間１９の長さｄ１を１／４波長に等しくする。また、隙間１９の終点を起点として下側分割体１ａの内部に導波管２と並行ととなる方向に、隙間１９と連続した溝２０を設け、その長さｄ２を１／４波長に等しくする。前記隙間１９および溝２０は上側分割体１ｂについても同様に設ける。長さｄ１とｄ２との和は１／２波長に等しくなり、したがって隙間１９および溝２０によって半波長チョーク溝１５が形成されるので、導波管２と接続素子１との接続点２１においてマイクロ波の反射は生じない。前記溝２０は、導波管２と並行に設ける例を示したが、溝２０の長さが１／４波長に等しければ、その方向に特に制限はない。
【００２３】
図５（Ａ）は、上記の導波管接続素子１をＳバンドレーダ装置に適用した例を示す図である。同図において、空中線３０はその端部の給電部３０ａから高周波パルスの給電をうけるとともに、受信した反射エコーを給電部３０ａから出力する。給電部３０ａには上記の導波管接続素子１の矩形導波管接合部４が接続され、その反対側の偏平導波管接合部５には給電用の偏平導波管３１が接続されている。この偏平導波管は空中線３０の回転軸３２に導かれ、この回転軸３２の内部でロータリジョイント（不図示）に接続されている。ロータリジョイントは、アイソレータを介して送信部（マグネトロン）および受信部に接続されている。このように給電用の導波路として偏平導波管３１を用い、この偏平導波管３１と空中線３０との接続およびインピーダンス整合を１つの導波管接続素子１で行うようにしたことにより、空中線全体の回転方向の断面積を減少させ、回転時の空気抵抗を減少させることができる。
【００２４】
上記実施形態ではＥコーナーを２つ有する導波管接続素子について説明したが、Ｈコーナーを２つ有するものについても同様の理論で設計することができる。また、２つのコーナーの接続方向も、上記実施形態では導波方向が１８０度ターンするように接続したが、導波方向が卍形に並行移動するように接続してもよい。さらに、ＥコーナーとＨコーナーを接続して空間的に（同一平面に納まらない）導波方向を変更するものに適用することもできる。
【００２５】
また、上記実施形態では、Ｓバンドに用いる矩形導波管と偏平導波管を接続するものについて説明したが、周波数帯、導波管の形状はこれに限定されない。
【００２６】
【発明の効果】
この発明によれば、導波の方向を変える接続素子に、異なる形状の導波管を接続しインピーダンスを整合させる整合素子を兼ねさせることができる。
また、この発明によれば、Ｓバンドレーダの空中線の回転方向の空気抵抗を減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施形態である導波管接続素子の分解斜視図である。
【図２】同導波管接続素子の平断面図である。
【図３】同導波管接続素子のインピーダンス整合を説明するためのスミスチャートである。
【図４】同導波管接続素子の接合部付近の断面図である。
【図５】この発明の実施形態および従来のＳバンドレーダ装置の空中線部の概略構造図である。
【符号の説明】
１…導波管接続素子
１ａ…下側分割体
１ｂ…上側分割体
２…矩形導波管
３…偏平導波管
４…（矩形導波管の）接合部
５…（偏平導波管の）接合部
６…整合部
７，８…Ｅコーナー
７ａ，８ａ…切り落とし
１２ａ，１２ｂ…フランジ
１３…内底面
１４…突出部
１５…半波長チョーク溝
１７…底面
１８…切欠溝
１９…すき間
２０…溝
２１…接続点

Claims (5)

1. 矩形導波管を接続する第１の接合部と、扁平導波管を接続する第２の接合部とを２つのコーナーを介して接続した導波管接続素子であって、
   各コーナーの切り落とし寸法を、前記矩形導波管から前記第１の接合部側を見たインピーダンスが、前記第２の接合部から前記扁平導波管側を見たインピーダンスに整合するように設定した導波管接続素子。
2. 前記第１・第２の接合部はそれぞれ９０度のコーナーであり、前記矩形導波管と前記扁平導波管とを互いに平行に配置するとともに、前記接合部で信号の伝搬経路が折り返すように、前記矩形導波管と前記扁平導波管の端部に前記接合部を配置した請求項１に記載の導波管接続素子。
3. 前記整合部の長さを、λを信号波長、ｍを任意の整数とするとき、（２ｍ＋１）λ／８となるようにした請求項１または２に記載の導波管接続素子。
4. 矩形導波管を接続する第１の接合部と、扁平導波管を接続する第２の接合部とを２つのコーナーを介して接続した導波管接続素子において、
   各コーナーの切り落とし寸法を調整することで、前記矩形導波管から前記第１の接合部側を見たインピーダンスが、前記第２の接合部から前記扁平導波管側を見たインピーダンスに整合させる導波管接続素子のインピーダンス整合方法。
5. 空中線の給電部に、請求項１、請求項２または請求項３に記載の導波管接続素子を接続し、この導波管接続素子に扁平導波管を接続したＳバンドレーダ装置。

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