JP5089766B2 - 導波管電力分配器及びその製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、マイクロ波帯やミリ波帯の電磁波を分配または合成するのに用いる導波管電力分配器及びその製造方法に関するものである。

アレーアンテナの給電回路に使用する導波管電力分配器は、電力分配比を任意の比率に設定できることが望ましい。この要求に応える従来の導波管電力分配器としては、例えば特許文献１に示されたものが知られている。

すなわち、電力分配比を任意の比率に設定できる従来の導波管電力分配器は、第１の方形導波管（１３）と第２の方形導波管（１２）とを平行に重ねて配置し、両導波管を長手方向が管軸に直交している結合窓（１４）で接続し、第２の方形導波管（１２）に高さの低い薄肉部（１５）を設けた構成である。

この従来の導波管電力分配器は、結合窓の中心と薄肉部の中心とをずらすことにより、電力分配比を任意の比率に設定することができる。

特開２００５−１５９７６７号公報（図６、図７）

しかし、上記従来の導波管電力分配器では、第２の方形導波管に薄肉部を設けるには複雑な加工が必要であり、製造コストが高くなるという問題がある。

この発明は、上記に鑑みてなされたものであり、低コストで、かつ製造容易な構造で電力分配比を任意の比率に設定できる導波管電力分配器及びその製造方法を得ることを目的とする。

上述した目的を達成するために、この発明は、第１の方形導波管と第２の方形導波管とを互いの管軸を平行にかつ広壁を共有するように積み重ねて配置し、前記共有する広壁に結合スロットを設け、前記第１の方形導波管の管軸方向の一方の側端側が前記結合スロットを管軸方向に超えた位置で短絡面となり、前記第１の方形導波管の管軸方向の他方の側端側と前記第２の方形導波管の管軸方向両側の各側端とでもって３ポートを構成する導波管電力分配器において、前記結合スロットは、その長手方向を管軸方向に向けて形成してあるとともに、前記結合スロットの近傍における管路に突き出した整合導体を前記第２の方形導波管の一方の側壁に設けてあることを特徴とする。

この発明によれば、低コストで、かつ製造容易な構造で電力分配比を任意の比率に設定できる導波管電力分配器が得られるという効果を奏する。

図１は、導波管電力分配器が用いられる導波管スロットアレーアンテナの一例を示す正面図である。 図２は、図１に示す導波管スロットアレーアンテナの側面図である。 図３は、この発明の一実施の形態による導波管電力分配器の構成を示す斜視図である。 図４は、図３に示す導波管電力分配器の上面図である。 図５は、電磁界シミュレーションの結果を示す特性図である。 図６は、図３に示す導波管電力分配器の製造に拡散接合を適用する場合の構造及び製造方法を説明する部分断面図である。

符号の説明

１ 放射スロット
２，３ 放射導波管
４ 給電回路
５，６ 結合スロット
７ 導波管電力分配器
８ 第１の方形導波管
９ 第２の方形導波管
１０ 結合スロット
１１ 整合導体
１２ 短絡面

以下に図面を参照して、この発明にかかる導波管電力分配器及びその製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。

図１は、導波管電力分配器が用いられる導波管スロットアレーアンテナの一例を示す正面図である。図２は、図１に示す導波管スロットアレーアンテナの側面図である。

図１と図２に示す導波管スロットアレーアンテナは、放射スロット１が一方の広壁面（正面）に設けられている放射導波管２，３と、放射導波管２，３に他方の広壁面（裏面）から給電する給電回路４とで構成される。図１，図２では、２つの放射導波管による構成例を示すが、奇数個の放射導波管で構成される場合もある。

放射導波管２と給電回路４とは結合スロット５で電磁的に接続され、放射導波管３と給電回路４とは結合スロット６で電磁的に接続される。給電回路４は、導波管電力分配器７とポートＡとを有する。なお、図示例では、放射導波管２の正面には、放射スロット１が６素子設けられ、放射導波管３の正面には、放射スロット１が４素子設けられている。また、放射導波管２，３は、離して配置した場合を示すが、一体的に繋がっていても良い。その場合は、放射導波管２と放射導波管３との間に電磁干渉しないように導体壁や電磁シールドを設ける。

以上の構成において、ポートＡに入力されたマイクロ波帯またはミリ波帯の電磁波は、導波管電力分配器７によって２方向に分配される。一方の電磁波は、結合スロット５を通って放射導波管２に給電され、放射導波管２の正面に設けられる６つの放射スロット１を励振する。他方の電磁波は、結合スロット６を通って放射導波管３に給電され、放射導波管３の正面に設けられる４つの放射スロット１を励振する。

この場合、放射導波管２，３では、放射スロット１の数は異なるが、この場合でも導波管電力分配器７は、全ての放射スロット１を一様な振幅で励振できる電力を分配できる能力が求められる。この電力分配能力は、同じ数の放射スロットを有する放射導波管が奇数本ある場合でも要求される。そのため、給電回路４に用いる導波管電力分配器７は、任意の電力分配比に設定できることが望まれている。

以下、任意の電力分配比に設定できるこの実施の形態による導波管電力分配器について具体的に説明する。図３は、この発明の一実施の形態による導波管電力分配器の構成を示す斜視図である。図４は、図３に示す導波管電力分配器の上面図である。

（この実施の形態による導波管電力分配器の構成）
図３に示すように、この実施の形態による導波管電力分配器７は、第１の方形導波管８と第２の方形導波管９とが、互いの管軸を平行にかつ広壁を共有するように積み重ねて配置される。図３では、第１の方形導波管８の上に第２の方形導波管９が載置されている。

第１の方形導波管８は、管軸方向一方の側端が開口していてポートＡと連通し、管軸方向他方の側端が塞がれた短絡面１２である。第２の方形導波管９は、管軸方向両端がそれぞれ開口していてポートＢ，Ｃとなっている。

そして、共有する広壁には、結合スロット１０が設けられる。結合スロット１０は、図３では、共有する広壁の短手方向の一端側において、その長手方向を管軸方向に向けて形成されている。図４に示すように、結合スロット１０は、その長手方向中心が第１の方形導波管８の短絡面１２から約λｇ／４（λｇは管内波長）離間した位置に設けてある。

また、第２の方形導波管９の内部には、整合導体１１が結合スロット１０の近傍に設けられる。具体的には、図３に示す例では、整合導体１１は、第２の方形導波管９の広壁の短手方向の他端側における側壁に、結合スロット１０側に突き出して設けてある。整合導体１１は、図４に示すように、結合スロット１０の長手方向の中心から距離Ｘだけオフセットした位置に設けてある。整合導体１１は、第２の導波管９の管路内に突き出していれば良い。図３では、整合導体１１は溝を有する形態を示してあるが、溝部分がなく中実体であっても良い。

なお、サイズを示すと、７６ＧＨｚ帯用の導波管電力分配器の場合は、第１の方形導波管８と第２の方形導波管９とは、共に、例えば広壁の短手方向幅が２．６ｍｍであり、側壁の高さが１．２ｍｍである。

（以上のように構成される導波管電力分配器の動作）
ポートＡに入力されたマイクロ波帯やミリ波帯の電磁波は、第１の方形導波管８の中を短絡面１２に向かう管軸方向に伝搬し、結合スロット１０を励振する。励振された結合スロット１０は、第２の方形導波管９の中に電磁波を生じさせる。第２の方形導波管９の中に生じた電磁波は、第２の方形導波管９の中を管軸方向の両側に伝搬し、ポートＢとポートＣとから出力される。

ここで、ポートＢとポートＣとの電力比は、整合導体１１の位置、すなわち、オフセット距離Ｘによって任意の比率に設定することができる。すなわち、オフセット距離Ｘを０とすれば、つまり整合導体１１の中心位置を結合スロット１０の長手方向中心に合わせると、ポートＢとポートＣとに等しい電力を分配する。そして、オフセット距離Ｘを正の値とすれば、つまり整合導体１１の中心位置を結合スロット１０の長手方向中心からポートＣ側にシフトした位置にすると、ポートＢへの分配比率が高くなる。逆に、オフセット距離Ｘを負の値とすれば、つまり整合導体１１の中心位置を結合スロット１０の長手方向中心からポートＢ側にシフトした位置にすると、ポートＣへの分配比率が高くなる。なお、オフセット距離Ｘは、スロット１０のスロット長（長手方向長さ）の範囲内で調整するのが良い。

図５は、電磁界シミュレーションの結果を示す特性図である。図５において、Ｓ１１はポートＡの反射特性、Ｓ２１はポートＡからポートＢへの透過特性、Ｓ３１はポートＡからポートＣへの透過特性である。Ｓ１１は、比帯域６％にわたって−２０ｄＢ以下となっている。また、Ｓ２１とＳ３１は、周波数に対して平坦な特性であり、Ｓ２１は−１．６ｄＢであり、Ｓ３１は−５．１ｄＢである。これを電力比にすると２．２：１である。所望の電力分配比が得られていることが解る。

以上の動作は、ポートＡに電磁波を入力し、ポートＢとポートＣとに分配する場合であるが、一般に導波管電力分配器は可逆であるので、電力を合成する場合にも使用できる。すなわち、ポートＢとポートＣとに同一周波数の電磁波を入力すれば、これらは所定の比率で合成され、ポートＡから出力される。

なお、この実施の形態では、整合導体１１に誘導性アイリスを用いた場合を示したが、導体ポストまたは導体ブロック等であってもよく、同様の効果が得られる。このような整合導体１１は、一般に、従来技術の導波管薄肉部よりも加工が容易である。したがって、この実施の形態による導波管電力分配器は、従来の導波管電力分配器よりも低コストで製造できる。

（この実施の形態による導波管電力分配器の構造及び製造方法）
図３に示した導波管電力分配器７は、第１の方形導波管８と第２の方形導波管９とが一方の広壁を共有する形態であるので、結合スロット１０を設けた共有広壁の部分と、第１及び第２の方形導波管８，９から共有広壁をそれぞれ取り除いた部分との３つに分けることができる。

したがって、図３に示した形態の導波管電力分配器を製造しようとする場合、例えば３個のアルミ板材に、第１の方形導波管のコ字状溝、第２の方形導波管のコ字状溝、結合スロットをそれぞれ切削加工し、それらをろう付けで接合する方法が考えられる。しかし、この方法では、加工と接合のコストが高く、また、ろう材のはみ出しや、ろう付けによる寸法変化等の問題がある。

そこで、この実施の形態では、ろう材を用いないで接合できる拡散接合を用いて製造することにした。拡散接合とは、接合する部材を加熱・加圧して、接合面間に生じる拡散現象を利用して金属学的に一体化させる接合方法である。拡散接合は、金属表面同士を相互に原子レベル程度の距離まで接近させると、金属結合が形成されるという原理を利用しているので、原理的には２つの金属を近づければ接合が可能になる。

したがって、拡散接合を用いて製造すれば、接合コストを低くすることができる。そして、ろう材を用いないので、はみ出し等の問題がなく、また、接合による変形が少ないという利点がある。

図６は、図３に示す導波管電力分配器の製造に拡散接合を適用する場合の構造及び製造方法を説明する部分断面図である。

（構造）
図３に示す導波管電力分配器は、図６に示すように、第１の金属板１３と、第２の金属板１４と、第３の金属板１５と、第４の金属板１６と、第５の金属板１７との５つの金属板で構成することができる。５つの金属板の大きさは、任意であり、広壁の短手方向幅を確保でき、必要な管路長を確保できる大きさ以上であればよい。上記の寸法例で言えば、広壁の短手方向幅２．６ｍｍを超える大きさであればよい。５つの金属板は、例えばステンレスの鋼板でも良い。

第１の金属板１３は、第１の方形導波管８の共有広壁と対向する広壁となる金属板である。第５の金属板１７は、第２の方形導波管９の共有広壁と対向する金属板である。第３の金属板１５は、第１及び第２の方形導波管８，９が共有する広壁（共有広壁）となる金属板であり、結合スロット１０が形成されている。これら３つの金属板の板厚は、任意であり、第２の金属板１４や第４の金属板１６の板厚よりも薄くてもよい。

第２の金属板１４は、第１の方形導波管８の断面方形状管路における両広壁側を除いた管軸方向管路空間を形成するための金属板であり、第１の方形導波管８の両側壁間の間隔をスリット幅とするスリットが管軸方向に設けられている。図６に示す短絡面１２は、そのスリットの終端であり、その右方に示す符号１４ａの部分は、スリットを形成していない部分を示している。側壁の高さを決める第２の金属板１４の板厚は、上記の寸法例で言えば、１．２ｍｍである。また、広壁の短手方向幅を決めるスリット幅は、上記の寸法例で言えば、２．６ｍｍである。

第４の金属板１６は、第２の方形導波管９の断面方形状管路における両広壁側を除いた管軸方向管路空間を形成するための金属板であり、第２の方形導波管９の両側壁間の間隔をスリット幅とするスリットが管軸方向に設けられている。そして、図６では示してないが、スリットの途中に整合導体１１がスリット内に突き出して形成されている。側壁の高さを決める第４の金属板１６の板厚は、上記の寸法例で言えば、１．２ｍｍである。また広壁の短手方向幅を決めるスリット幅は、上記の寸法例で言えば、２．６ｍｍである。

（製造方法）
図６において、まず、上記した構成の第１の金属板１３と、第２の金属板１４と、第３の金属板１５と、第４の金属板１６と、第５の金属板１７とをそれぞれ用意する。これら全ての金属板は、二次元形状であり、エッチングまたはプレス加工を適用することができるので、低コストで必要部材を用意することができる。

次に、第３の金属板１５に設けた結合スロット１０の長手方向が管軸方向に平行で、第２の金属板１４に設けたスリットと第４の金属板１６に設けたスリットとが互いに管軸方向に平行で、第４の金属板１６のスリットに設けた整合導体部分が結合スロット１０の近傍に位置し、第２の金属板１４に設けたスリットの終端が結合スロット１０の長手方向中心から管内波長の約１／４離間した位置となるように位置決めする。

そして、上記のような位置決めをした状態で、第１の金属板１３から第５の金属板１７までをこの順に積み重ねて拡散接合を行うことで、図３に示した導波管電力分配器７を形成する。

なお、図６では、第１の方形導波管８と第２の方形導波管９とを構成する金属板が、一枚の板厚で必要な高さを得ることができる金属板である場合を示したが、金属板を複数枚重ねて必要な高さを得るようにしても良い。以上は、第１の方形導波管８と第２の方形導波管９との導波路断面寸法が同じである場合であるが、異なる断面寸法であっても良い。この場合には、第１の方形導波管８と第２の方形導波管９との高さ及び広壁側の幅は個別に定めることになる。

以上のように、導波管電力分配器を複数枚の金属板に分割して構成したので、それぞれの金属板は二次元形状となり、エッチングまたはプレスにより低コストで加工できる。さらに、これらの金属板を拡散接合により接合するので、低コストでかつ安定した品質で大量生産が可能になる。

以上のように、この発明にかかる導波管電力分配器は、低コストで、かつ製造容易な構造で電力分配比を任意の比率に設定できる導波管電力分配器として有用である。また、この発明にかかる導波管電力分配器の製造方法は、低コストでかつ安定した品質で大量生産する製造方法として有用である。

Claims (3)

1. 第１の方形導波管と第２の方形導波管とを互いの管軸を平行にかつ広壁を共有するように積み重ねて配置し、前記共有する広壁に結合スロットを設け、前記第１の方形導波管の管軸方向の一方の側端側が前記結合スロットを管軸方向に超えた位置で短絡面となり、前記第１の方形導波管の管軸方向の他方の側端側と前記第２の方形導波管の管軸方向両側の各側端とでもって３ポートを構成する導波管電力分配器において、
   前記結合スロットは、その長手方向を管軸方向に向けて形成してあるとともに、前記結合スロットの近傍における管路に突き出した整合導体を前記第２の方形導波管の一方の側壁に設けてある、
   ことを特徴とする導波管電力分配器。
2. 前記第１の方形導波管の前記共有広壁と対向する広壁となる第１の金属板と、
   前記第１の方形導波管の両側壁間の間隔をスリット幅とするスリットが管軸方向に設けられている第２の金属板と、
   前記結合スロットが設けられた前記共有広壁となる第３の金属板と、
   前記第２の方形導波管の両側壁間の間隔をスリット幅とするスリットが管軸方向に設けられ、途中に前記整合導体がスリット内に突き出して形成されている第４の金属板と、
   前記第２の方形導波管の前記共有広壁と対向する広壁となる第５の金属板と、
   で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の導波管電力分配器。
3. 第１の方形導波管の広壁となる第１の金属板を用意するステップと、
   前記第１の方形導波管の両側壁間の間隔をスリット幅とするスリットを管軸方向に形成した所定板厚を有する第２の金属板を用意するステップと、
   結合スロットを形成した第３の金属板を用意するステップと、
   第２の方形導波管の両側壁間の間隔をスリット幅とするスリットを管軸方向に形成し、途中にスリット内に突き出した整合導体部分を形成した所定板厚を有する第４の金属板を用意するステップと、
   前記第２の方形導波管の広壁となる第５の金属板を用意するステップと、
   前記第３の金属板に設けた前記結合スロットの長手方向が管軸方向に平行になり、前記第２の金属板に設けたスリットと前記第４の金属板に設けたスリットとが互いに管軸方向に平行になり、前記第４の金属板のスリットに設けた前記整合導体部分が前記結合スロットの近傍に位置し、前記第２の金属板に設けたスリットの終端が前記結合スロットの長手方向中心から管内波長の約１／４離間した位置となるように位置決めするステップと、
   前記位置決めをした状態で、前記第１の金属板から前記第５の金属板までをこの順に積み重ねて拡散接合を行うステップと、
   を含むことを特徴とする導波管電力分配器の製造方法。

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