JPH0158840B2

JPH0158840B2 -

Info

Publication number: JPH0158840B2
Application number: JP60261477A
Authority: JP
Inventors: Masamitsu Nakajima; Osami Wada; Hiroaki Asano
Original assignee: Kyoto University NUC
Current assignee: Kyoto University NUC
Priority date: 1985-11-22
Filing date: 1985-11-22
Publication date: 1989-12-13
Also published as: JPS62122100A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、核融合プラズマの電子サイクロトロ
ン共鳴加熱などのために大電力のミリ波を収束す
るミリ波収束型アンテナに関し、特に、導波管に
より導いたミリ波を任意の一点にほぼ収束させ得
るようにしたものである。

（従来の技術） 100KW級大電力のミリ波を発生させるジヤイ
ロトロンが開発されて以来、核融合をおこすため
のプラズマ加熱に電磁波動の利用が盛んになり、
その一つとして、電子のミリ波帯におけるサイク
ロトロン共鳴周波数を用いた電子サイクロトロン
共鳴（ECR）加熱が研究されている。

しかして、ジヤイロトロンの発振は円形TE_po
モードであり、出力電磁波は環状モードとなり、
このモードでは、円形導波管により導いたときに
管壁上の電界成分が零となるので、伝送損失が小
さく、伝送には最適であるが、円形開口のままで
放射すると、電磁波が円錐状に広がる。したがつ
て、この電磁波をプラズマ加熱に用いるために
は、モード変換を施し、円周方向偏波を直線偏波
に変換して偏波面を一方向に揃え、電磁波を細い
ビーム状にして放射するモード変換器が従来から
開発されており、主としてつぎの二つの態様のモ
ード変換が行われた。

Ａ直径を周期的に変化させた円形導波管、伝搬
方向を波状的に変化させた円形導波管および螺
旋状円形導波管の３種類の導波管を継続的に結
合させてジヤイロトロンから出力した電磁波の
円形TE_poモードをHE₁₁モードに変換するモー
ド変換Ｂジヤイロトロンの出力電磁波を導く円形導波
管を管軸に対して階段状もしくは斜めに切断し
た開口の前方に放物筒反射鏡を配置して、円形
TE_poモードの電磁界に変換するモード変換（発明が解決しようとする問題点）しかしながら、上述した従来のモード変換は、
ジヤイロトロンの出力電磁波を導いた円形導波管
から放射させた電磁波のエネルギーが円錐状に分
散せず、太さの変わらない電磁波ビームを得るこ
とを目的としたものであり、放射された電磁波の
エネルギーを集中させることを特に目指したもの
ではない、という問題点かあつた。

一方、核融合の研究においては、プラズマの電
子サイクロトロン加熱に際して、プラズマの一部
を局部的に加熱する必要がある。

本発明の目的は、核融合フラズマの電子サイク
ロトロン加熱にジヤイロトロンの大出力電磁波の
集中放射を用いるためなどに、円形導波管から放
射した円形TE_poモードの電磁波のエネルギーを
収束させ得るモード変換を達成するようにしたミ
リ波収束型アンテナを提供することにある。

（問題点を解決するための手段）本発明ミリ波収束型アンテナは、楕円筒面反射
鏡と放物面反射鏡とを組合わせて円形導波管から
放射される電磁波のエネルギーを局部的に収束さ
せるようにしたものであり、管軸に対して階段的
にもしくは斜めに切断した形状の開口を有する円
形導波管と、前記開口の前方に配置して前記管軸
に焦点軸を一致させるとともにその焦点軸に近接
した反射面を前記開口に対向させた楕円筒面反射
鏡と、前記開口および前記反射面の前方に当該開
口から放射して当該反射面により反射させた電磁
波の進行方向に軸を平行にして配置した放物面反
射鏡とを備えて、前記電磁波のエネルギーを所望
の一点にほぼ収束させることを特徴とするもので
ある。

（作用）本発明ミリ波収束型アンテナを用いれば、磁気
閉込め型核融合装置におけるプラズマ加熱に大電
力ミリ波を発生させるジヤイロトロンを適用し
て、ジヤイロトロンから低損失の円形導波管によ
り効率よく導いた円形TE_poモードの電磁波を放
射してそのエネルギーをプラズマの一部に収束し
て極めて効率のよい局部加熱を達成することがで
きる。

（実施例）以下に図面を参照して実施例につき本発明を詳
細に説明する。

円形導波管内を伝搬する円形TE_poモードの電
磁界は、導波管内における遮断周波数をK_cとし、
自由空間における波数をＫとしたときに、管軸に
対し α＝sin^-1K_c／Ｋ (1) また、ρ′_poをJ_p(x)＝０の第ｎ根とし、円形導波
管の半径をａとして、 α＝sin^-1（ρ′_po・λ／2πa） (1)′ なる角度αをなして伝搬する無数の平面波の集合
として取扱うことができる。すなわち、円形
TE_poモードの電磁波は、第１図ａ，ｂに示すよ
うに、円形導波管の管軸ｚに対して一定角αをな
し、管壁で反射を繰返しながら管軸ｚの近傍を管
軸ｚの方向に進行する管軸ｚ上に波源を有する素
平面波の集合とみなすことができる。

しかして、円形導波管のTE_poモードは電界ベ
クトルが円周方向を向いた環状モードであるの
で、上述のような円形TE_poモードの電磁波が円
形導波管をｚ軸に垂直な面で切断して開放した開
口から自由空間に放射させると、電磁波は管軸ｚ
と上述の一定角αをなしてあらゆる方向に進行
し、円錐状に広がる。そこで、円形導波管を第２
図ａに示すような階段状、もしくは、同図ｂに示
すように上述の角度αに対してほぼ余角をなして
斜めに切断すると、上述の電磁波は、かかる開口
に対する下方180゜に亘り、管軸を波源としてあら
ゆる角度に均等に進行する。

本発明ミリ波収束型アンテナは、まず、円形
TE_poモードの電磁波を導く円形導波管の開口を
上述した形状にし、第３図ａ，ｂに示すように、
その円形導波管１に楕円筒面反射鏡２と放物面反
射鏡３とを順次に組合わせて、その開口から放射
する電磁波のエネルギーを局部に収束させるよう
にしたものである。すなわち、円形導波管１の開
口の前方に管軸と焦点軸とが一致するようにして
楕円筒面反射鏡２を置き、さらにその前方に、円
形導波管１から放射して楕円筒面反射鏡２で反射
した電磁波の進行方向に軸が平行になるようにし
て放物面反射鏡３を置いてある。

まず、第４図ａ，ｂに示すように、円形導波管
１の前方に楕円筒面反射鏡２を置いて、楕円形断
面の長軸上に存在する２焦点のうち楕円筒面の底
部に近い方の焦点を通る焦点軸を円形導波管１の
管軸に一致させると、管軸を波源として伝搬する
素平面波は楕円筒面で反射されて、第４図ｂに示
すように、楕円筒面底部から遠い方の焦点軸に収
束され、各素面波の偏波面はその焦点軸と進行方
向とを含む平面に垂直となり、近似的に偏波方向
がｙ方向にほぼ揃つた直線偏波に変換される。し
かしながら、導波管管軸ｚの方向には収束されな
い。

つぎに、第５図に示すように、楕円筒面反射鏡
２で反射した各素平面波が遠方の焦点軸に収束す
る手前に放物面反射鏡３を置いて、放物面の軸を
その反射電磁波の進行方向と平行にし、円形導波
管管軸ｚに対して前述した角度αをなすように配
置して、この放物面反射鏡３により管軸ｚ方向の
収束を行なう。すなわち、第５図において、楕円
筒面反射鏡２で反射された素平面波が焦点軸S₁，
S₂の上に収束すると、各素平面波の等位相面S₁′，
S₂′は素平面波の進行方向z′に対して垂直となる。
かかる各素平面波を管軸ｚ方向に収束させるため
には等位相面S₁′，S₂′を管軸ｚ方向に収束させる
必要がある。そこで、焦点軸S₁S₂の中点O′をと
おり、反射素平面波の進行方向z′に垂直にx′軸を
とると、等位相線S₁′，S₂′を一点に収束させ得る
のはx′軸を準線とする放物面反射鏡であり、その
軸は反射素平面波の進行方向z′に平行となる。第
５図には収束点が管軸ｚ上に位置するようにした
例を示してあるが、楕円筒面反射鏡２の形状寸法
と放物面反射鏡３の焦点距離および位置を適切に
選定することによつて円形導波管１の開口より前
方の任意の位置に収束点を設定することができ
る。

つぎに、第５図に示した本発明アンテナの各部
寸法について、素平面波が光波のように振舞うも
のとして説明するが、実際には電磁波の波長が光
波ほど短くないので、伝搬とともに多少広がるこ
とを考慮して寸法に余裕をもたせる。

まず、楕円筒面反射鏡２の大きさについては、
楕円筒面を導波管管軸ｚに垂直に切つた断面の楕
円形をつぎの(2)式で表すと、 Y²／A²＋（ｘ−ｆ）²／Ｂ＝１ (2) ここに、ｆ＝B²−A² 円形導波管１に最も近く楕円筒面反射鏡２に当
たる素平面波Ｐの反射点Ｑのｚ座標値は、円形導
波管１の半径ａに対してつぎの(3)式となる。

ｚ＝（Ｂ−ｆ−2a）cot α (3) 一方、第６図に示すように、円形導波管１から
最も遠く楕円筒面反射鏡２に当る素平面波Ｒの反
射点Ｓのｚ座標値は、次の(4)式となる。

ｚ＝（2a＋A²／Ｂ）cot α (4) したがつて、楕円筒面反射鏡２の管軸ｚ方向の
寸法は最小限QSの長さとなる。また、円形導波
管１の第２図ａに示した開口から第５図における
下方のみに素平面波が放射されるのであるから、
楕円筒面反射鏡２の高さｈはつぎの(5)式となる。

ｈ＝Ｂ−ｆ (5) つぎに、放物面反射鏡３の位置は、前述した
x′軸を準線として設定するが、一例としては第５
図に示したようにｚ軸上に放物面の焦点Ｅを設定
するには、焦点Ｅからx′軸に下した垂線FHの中
点Ｇに対して、放物面反射鏡３をx′z′面で切つた
断面の放物線の焦点距離をFGとし、対称軸をFH
とする。すなわち、O′H＝ｌ、HG＝FG＝fpとお
くと、x′z′平面上における放物線はつぎの(6)式と
なる。

x′＝−１／4fp（x′＋ｌ）²−fp (6) したがつて、放物面反射鏡３のｚ軸方向の寸法
x′は、上式(6)の値のうち、つぎの(7)式の範囲の値
を採用する。

−2acosα≦x′≦2acosα (7) つぎに、放物面反射鏡３のｙ軸方向の寸法ｙに
ついては、第７図に示すように放物面反射鏡３を
xy平面で切つた断面において、ｘ＝x₁の高さで
素平面波が存在するｙ軸方向の範囲はつぎの(8)式
となる。

−A²／Ｂ（2f−x₁）／2f≦ｙ≦A²／Ｂ（2f−x₁）／2f (8) すなわち、第７図示の断面における放物線とｚ
軸との距離が最短になる点の高さを求めて上述の
(7)式に当てはめることによりｙ軸方向の寸法を決
定することができる。

つぎに、上述のように構成する本発明アンテナ
を試作してその性能を測定した結果について述べ
る。内径16mmの円形導波管により周波数
35.56Hz、波長λ＝8.445mm、ρ′₀₁＝3.831706の円
形TE₀₁モード電磁波を角度α＝40.1゜で200mWの
ガン発振器を用いて放射した場合における本発明
アンテナの導波系の構成例を第８図に示し、各反
射鏡２，３の寸法を第９図ａ，ｂに示す。第８図
示の導波系においては、ガン発振器４の発振出力
を整合負荷５を接続したサーキユレータ６、可調
整減衰器７、モード変換器８、モードフイルタ９
を順次に介して上述の円形導波管１０に供給して
いる。また、第９図示の寸法例においては、楕円
筒面反射鏡２の断面楕円形を表わす(2)式のパラメ
ータをＡ＝6.24cm、Ｂ＝8.0cmとしている。

また、試作アンテナの性能測定に使用して、局
部の電磁波電力値を測定し得るようにした電力検
出器の概略構成を第１０図ａに示す。実際に電界
を検出する部分は、同図ｂに示すように、高周波
用同軸線の中心導体を１／４波長だけ露出させて
構成し、測定点における露出中心導体に平行の方
向の電界成分を検出する。かかる検出器を被測定
平面上で縦横３mm間隔で格子状に選んだ測定点に
移動させ、第１０図ａに示した検出器１１により
検出した電磁波を方形導波管１２および同軸線１
３により導出するとともに、その検出器１１の位
置座標をポテンシオメータ１３，１４により計測
する。

上述のようにして、円形導波管１の開口から放
射した円形TE_poモードの電磁波を楕円筒面反射
鏡２のみにより反射させた電力分布を、第９図示
の寸法の本発明アンテナにおける楕円筒面放射鏡
２の間隔10cmの上下の各焦点軸をそれぞれ上下に
挾むyz座標面に平行な４平面上で測定した結果
を第１１図乃至第１４図に示す。各図はそれぞれ
ａ，ｂ，ｃからなり、図ａは各平面上における電
力分布を示し、“＋”点は電力最大の測定点であ
り、図ｂおよびｃは、その電力最大点“＋”を通
るｙ軸およびｚ軸の方向の電力分布をそれぞれ示
す。これらの測定結果から、楕円筒面反射鏡２の
みによるｙ軸方向の電磁波収束の作用効果が判
る。

つぎに、上述した楕円筒面反射鏡２に放物面反
射鏡３を組合わせた場合における同様の電力分布
を、xz座標面上で上述の検出器を移動させて測
定した結果を、予想収束点を中心にしたｚ軸方向
の３個所について第１５図乃至第１７図に示す。
これらの測定結果から、従来とは異なり、円形導
波管の管軸ｚの方向にも電磁波収束の作用効果が
顕著であることが判る。

なお、上述した各部に示す測定結果におけるＸ
座標およびＹ座標は第１８図に示すように設定し
てあり、Ｙ＝５cmが円形導波管の管軸の位置に相
当する。

（発明の効果）以上の説明から明らかなように、本発明によれ
ば、円形導波管から放射した電磁波の偏波方向を
揃えて収束することにより、放射電磁波のエネル
ギー密度を高めて、核融合プラズマを局部的に効
率よく加熱し得るという顕著な効果を挙げること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ，ｂは円形導波管内における電磁波伝
搬の態様をそれぞれ示す線図、第２図ａ，ｂは本
発明アンテナにおける円形導波管の開口形状の例
をそれぞれ示す線図、第３図ａ，ｂは本発明ミリ
波収束型アンテナの構成例をそれぞれ示す線図、
第４図ａ，ｂは本発明アンテナにおける円形導波
管に楕円筒面反射鏡のみを組合わせた場合におけ
る作用効果をそれぞれ示す線図、第５図は本発明
アンテナの作用効果を示す線図、第６図は同じく
その作用効果の一部を示す線図、第７図は同じく
その作用効果の他の一部を示す線図、第８図は本
発明アンテナの性能測定用導波系の構成を示すブ
ロツク線図、第９図ａ，ｂは本発明アンテナの寸
法例をそれぞれ示す線図、第１０図ａ，ｂは本発
明アンテナの性能測定用電力分布測定器の構成を
それぞれ示す線図、第１１図ａ〜ｃ乃至第１４図
ａ〜ｃは本発明アンテナにおける楕円筒面反射鏡
のみの作用効果測定結果をそれぞれ示す特性曲線
図、第１５図乃至第１７図は本発明アンテナの作
用効果測定結果をそれぞれ示す特性曲線図、第１
８図ａ，ｂは本発明アンテナの作用効果を示す特
性曲線の座標軸をそれぞれ示す線図である。１…円形導波管、２…楕円筒面反射鏡、３…放
物面反射鏡、４…ガン発振器、５…整合負荷、６
…サーキユレータ、７…可調整減衰器、８…モー
ド変換器、９…モードフイルタ、１０…円形導波
管、１１…検出器、１２…方形導波管、１３…同
軸線、１４，１５…ポテンシオメータ。

Claims

【特許請求の範囲】

１管軸に対して階段状もしくは斜めに切断した
形状の開口を有する円形導波管と、前記開口の前
方に配置して前記管軸に焦点軸を一致させるとと
もにその焦点軸に近接した反射面を前記開口に対
向させた楕円筒面反射鏡と、前記開口および前記
反射面の前方に当該開口から放射して当該反射面
により反射させた電磁波の進行方向に軸を平行に
して配置した放物面反射鏡とを備えて、前記電磁
波のエネルギーを所望の一点にほぼ収束させるこ
とを特徴とするミリ波収束型アンテナ。