(57)【要約】【課題】電界集中領域に予め電界集中（電流集中）を緩和させる構造を採用して耐電力性を高める。【解決手段】導波管回路素子は、内部に互いに平行な対向面１ａ、１ｂを有し、基本波長の電磁波を共振させる共振空間が形成された金属部材からなる導波管回路素子１において、基本波長における電界強度が最大となる電界集中領域である、通常は対向面の略中央領域に対応する対向面の一方に。金属部材を取り除いて円孔２を形成してなる。円孔２によって電流集中が緩和され、その結果、電界集中が緩和される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に互いに平行な対向面を有し、基本波長の電磁波を共振させる共振空間が形成された金属部材からなる導波管回路素子において、
前記基本波長における電界強度が最大となる電界集中領域に対応する前記対向面の一方に凹部を設けたことを特徴とする導波管回路素子。
【請求項２】
前記凹部は前記金属部材の外部まで貫通された孔であり、前記孔の横断面形状は、該孔を介して前記基本波長の電磁波の輻射が規制される寸法に設定されていることを特徴とする請求項１記載の導波管回路素子。
【請求項３】
前記金属部材は、互いに対向する第１、第２の金属ブロックと、前記第１、第２の金属ブロック間に介設される仕切り板とからなり、前記第１、第２の金属ブロックの対向面側には、前記共振空間が前記仕切り板を挟んで互いに鏡面対称に少なくとも１つ形成されてなり、前記仕切り板には、両側に形成された前記共振空間を結合する結合窓が形成され、前記凹部は、前記仕切り板に形成された孔であることを特徴とする請求項１又は２に記載の導波管回路素子。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の導波管回路素子の前記共振空間の１つと前記基本周波数を伝送する主導波管とが主結合窓を介して接続された導波管構造であって、前記凹部は、前記１つの共振空間を形成する対向面の一方に形成されていることを特徴とする導波管構造。
【請求項５】
前記１つの共振空間の側面適所にカットオフ部が連設されていることを特徴とする請求項４記載の導波管構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基本波長の電磁波を共振させる共振空間を有する導波管回路素子及び導波管構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
導波管回路は、一般的にマイクロストリップ線路等と比べて高い耐電力性能を有するが、例えば共振器やそれを応用したフィルタ装置等は電界の集中する部分が存在し、その部分で放電が生じやすく、通常の導波管に比べて耐電力性が低いといった問題があった。従来、かかる問題を解決するために、スタブ等に電界が集中する突起部分を設けないようにしたり、導波管の寸法を大きくするといった対策が採られている。
【０００３】
特許文献１には、主導波管の外側壁に、複数段の共振器が接合された構造を有する帯域素子フィルタが記載されている。各共振器との接合面には２つの円形孔で窓部が成されている。２つの円形孔を主導波管の中央部に対して対称に形成し、最大電界強度の部分での最大電流の流れを確保したことで、窓部でのアークの発生を防止し、大電力用の帯域阻止フィルタを実現している。
【特許文献１】特開平１１−２７４８１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の突起物の内スラブ等を採用したり、導波管寸法を大きくしたりするといった対策は寸法上や加工上の制約が大きいといった問題点があった。また、特許文献１の構造では、共振器との接合部分での耐電界性能の向上は図れるものの、共振器自体の耐電界性能に関しては記載されていない。
【０００５】
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、電界集中領域に予め電界集中を緩和させる構造を採用して耐電力性の高い導波管回路素子及び導波管構造を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１記載の発明は、内部に互いに平行な対向面を有し、基本波長の電磁波を共振させる共振空間が形成された金属部材からなる導波管回路素子において、前記基本波長における電界強度が最大となる電界集中領域に対応する前記対向面の一方に凹部を設けたことを特徴とするものである。
【０００７】
金属部材の内部に形成された共振空間で、例えばＴＥ○１０１モードの共振が生じた場合、対向する対向面のほぼ中央部分に電界強度がピークとなる領域が生じる。電界強度が高くなると、対向面間で放電現象が生じ、共振が持続できなくなる。そこで、電界強度が集中する領域に対応する対向面の形状を変更して電界集中の原因となる電流の集中を緩和するようにする。例えば、対向面の少なくとも一方の面の金属材を球体の一部形状、あるいはすり鉢状に穿設して除去するようにして凹部を形成し、電流の集中を緩和する。凹部の深さを大きくして、外部と通じる孔としてもよく、この場合には、孔の部分に電流が流れないので、電流集中が効果的に緩和される。このように、電界集中部分の対向面の少なくとも一方に対して電流集中を緩和させることで電界集中が緩和され、耐電力性能が向上される。
【０００８】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の導波管回路素子において、前記凹部は前記金属部材の外部まで貫通された孔であり、前記孔の横断面形状は、該孔を介して前記基本波長の電磁波の輻射が規制される寸法に設定されていることを特徴とする。この構成によれば、孔によって、当該部分を電流が流れなくなるため、電流集中が緩和され、その結果、電界集中が緩和される。また、孔の横断面形状、例えば孔が円形の場合にあっては、その径が、基本波長の電磁波が孔を通過できない（遮断）寸法に設定されているので、電力ロスを生じることなく、耐電力性能の向上が図れる。
【０００９】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２に記載の導波管回路素子において、前記金属部材は、互いに対向する第１、第２の金属ブロックと、前記第１、第２の金属得ロック間に介設される仕切り板とからなり、前記第１、第２の金属ブロックの対向面側には、前記共振空間が前記仕切り板を挟んで互いに鏡面対称に少なくとも１つ形成されてなり、前記仕切り板には、両側に形成された前記共振空間を結合する結合窓が形成され、前記凹部は、前記仕切り板に形成された孔であることを特徴とする。この構成によれば、第１、第２の金属ブロック間に挟まれる仕切り板に凹部を形成する構造とすることで、少なくとも２以上の共振器を有するフィルタ等の導波管回路素子であっても、凹部の形成が容易となる。
【００１０】
請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の導波管回路素子の前記共振空間の１つと前記基本周波数を伝送する主導波管とが主結合窓を介して接続された導波管構造であって、前記凹部は、前記１つの共振空間を形成する対向面の一方に形成されていることを特徴とするものである。この構成によれば、凹部を、入力部となる前記１つの共振空間の対向面に形成するので、電力が最大である共振空間に対して効果的に電界集中の緩和構造が採用される。
【００１１】
請求項５記載の発明は、請求項４記載の導波管構造において、前記１つの共振空間の側面適所にカットオフ部が連設されていることを特徴とする。この構成によれば、入力部となる共振空間に凹部を設ける態様では、主導波管からの電磁波と共振空間内の電磁波とが主結合窓で干渉する結果、電界手中箇所が、凹部の形成に不適乃至は困難な箇所となる可能性がある。そこで、カットオフ部を形成して、電界集中部をシフトさせて、シフトされた位置に対して、凹部を形成するようにすれば済むので、凹部の設計が容易となる。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１記載の発明によれば、電界集中領域に予め電界集中を緩和させる凹部を設けることで、耐電力性能を向上させることができる。
【００１３】
請求項２記載の発明によれば、孔によって、電界集中が効果的に緩和される。また、基本波長の電磁波が孔を通過できない（遮断）寸法に設定することで電力ロスを生じることなく、耐電力性能の向上が図れる。
【００１４】
請求項３記載の発明によれば、第１、第２の金属ブロック間に挟まれる仕切り板に対して、凹部を形成する構造としたので、少なくとも２以上の共振器を有するフィルタ等の導波管回路素子であっても凹部を容易に形成することができる。
【００１５】
請求項４記載の発明によれば、凹部を入力部となる前記１つの共振空間の対向面に形成するので、電力が最大である共振空間に対して効果的に電界集中の緩和が可能となる。
【００１６】
請求項５記載の発明カットオフ部を形成して電界集中部をシフトさせ、シフトされた位置に対して、凹部を形成するようにすれば済むので、凹部の設計を容易にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図６は、本発明に係る導波管回路素子等が適用されるマイクロ波送受信機の一例としてのレーダ装置の構成を示すブロック図である。レーダ装置の高周波回路部は、例えば９．６３ＧＨｚのマイクロ波を基本波として発振するマグネトロンを有する。パルス駆動回路５２は、マグネトロン５１を所定周期で間歇駆動させて所定幅を有するパルス状の送信信号を生成するものである。サーキュレータ５３は、マグネトロン５１からのパルス状の送信信号を所定の回路側へ伝搬するものである。終端器５４は、サーキュレータ５３に接続され、不要電力を消費させるものである。フィルタ５５は、基本波に対する高調波の通過を抑制するものである。抑制された高調波は、サーキュレータ５３を経て終端器５４で消費される。
【００１８】
サーキュレータ５６は、送信信号を送信側へ伝搬し、受信信号を受信側へ伝搬するためのものである。ロータリージョイント５７は、静止系と回転系とを電気的に接続するためのものである。アンテナ５８は、図略のモータで定速回転させられるもので、送信信号を探知用の電波パルスとして外方に向けて送信するものである。受信系回路５９は、アンテナ５８で受波された信号に対して信号処理を施すものである。なお、マグネトロン５１〜アンテナ５８まで、アンテナ５８〜リミッタ回路５８までは導波管で構成されている。
【００１９】
図１は、本発明に係る導波管回路素子の第１実施形態を示す構造、及びその電界分布特性を示す図で、図１（ａ）は構造図、図１（ｂ）は全体の電界分布図、図１（ｃ）はＩ−Ｉ’断面における電界強度分布を示す図である。図２は、図１に対する比較例で、従来の一般的な導波管空洞共振器を示しており、図２（ａ）は構造図、図２（ｂ）は全体の電界分布図、図２（ｃ）はII−II’断面における電界強度分布を示す図である。
【００２０】
まず、図２（ａ）において、導波管空洞共振器１００は、略直方体形状の共振空間を有し、縦横の各寸法が２２．８６ｍｍ×１０．１６ｍｍに設定され、高さは、基本周波数９．６３ＧＨｚに対応する管内波長のマイクロ波を通過させる寸法６ｍｍに設定されている。この高さ寸法だけ離間して互いに平行な内壁面（対向面）１００ａ、１００ｂが形成されている。この共振空間内に電磁波が導入されると、電流は内壁面全体を流れる一方、前記対向面１００ａ、１００ｂの中央部に集中する。従って、図２（ｂ）に示すように、対向面１００ａ、１００ｂの中央部で電界強度が最大となる。その分布は、図２（ｃ）に示すように、中央部分をピークとする山形となる。従って、電界が集中する対向面１００ａ、１００ｂの中央領域では、放電現象が生じやすい。放電現象は、例えばコロナ放電の場合、電界値がある基準値を超えると開始する。放電現象が生じると、電磁波の伝搬が遮断されてしまうため、導波管空洞共振器１００を、図６のレーダ装置に適用した場合には、装置が機能しなくなる。このため、図２（ａ）に示す導波管構造では、耐電力性能をより高くすることが難しく、レーダ探知性能の向上は困難である。
【００２１】
一方、図１（ａ）に示す導波管空洞共振器１は、図２（ａ）と寸法的には同一であるが、後述する別の構造がさらに付加されている。すなわち、導波管空洞共振器１は、対向面１ａ、１ｂの一方側、図１（ａ）では対向面１ａの中央領域に、凹部としての孔２が形成されている。孔２は、対向面１ａから外部まで貫通している。孔２の直径（縦断面形状）は、本実施形態では、６ｍｍに設定されている。孔２の直径６ｍｍは、管内波長に比して充分小さいため、共振空間内の電磁波が、この孔２を経て外部に漏洩することはほとんどない。蓋３は、金属製で、所定形状、例えば正方形の天板とその周縁に立設された側板とを有するものである。蓋３は、外方より孔２を覆うように配置される。蓋３の天板の形状は有底の円筒でもよいし、有底の角筒でもよい。蓋３のサイズは、共振空間より充分に狭く、かつ高さも低いものとされており、この構造及び孔２の直径とから、共振空間内から見れば、蓋３で構成される内空間は、遮断領域となっている。
【００２２】
孔２、及び蓋３を採用することで、図１（ｂ）、（ｃ）に示すように、対向部１ａ、１ｂの中央部分での電界分布は窪んでおり、電界集中は緩和されている。
【００２３】
なお、図１の実施形態では、電界集中領域に、外部まで貫通する孔２を形成したが、電界集中領域における対向面１ａ，１ｂの少なくとも一方に対して、電流集中を緩和するための構造を採用してもよく、例えば、対向面１ａ、１ｂの少なくとも一方に対して、内壁（金属部）の一分を取り除くなど、すなわち電界集中領域に対する、部位の面積を増大乃至は電流を分散させる加工を施せばよい。
【００２４】
これにより、孔２の外周部位と対向面１ｂ間の電界強度を、図２（ｃ）に示すピーク値の近くまでさらに増大させることが可能となって、耐電力性能を向上させることができる。
【００２５】
図３は、本発明に係る導波管回路素子の第２実施形態を示す構造図であり、図４は、その分解図で、図５は、電界強度分布を示す図である。導波管回路素子１０は、第１、第２の金属ブロック１１，１２と、第１、第２の金属ブロック間に介設される仕切り板１３とを備えている。
【００２６】
金属ブロック１１は、直方体形状を有し、所要の厚みを有するアルミニウム（Ａｌ）等の導電性金属からなる。金属ブロック１１は、金属ブロック１２と対向する側の面部に、使用電磁波の周波数から定まる所定の深さ寸法を有する凹設部１１０が形成されている。凹設部１１０は、それぞれ使用電磁波の周波数から定まる所定の縦横及び高さ寸法（図１（ａ）参照）を有する共振空間１１１，１１２を有する。共振空間１１１には、入力側の主線路である導波管１４との接合を行うための結合窓１１３がブロックの厚み方向に貫通して形成されている。結合窓１１３は、電磁波の入口となる。結合窓１１４は、共振空間１１１，１１２の間に形成されている。
【００２７】
金属ブロック１２は、金属ブロック１１と同サイズの直方体形状を有し、アルミニウム（Ａｌ）等の導電性金属からなる。金属ブロック１２は、金属ブロック１１と対向する側の面部に鏡面対称な構造、すなわち使用電磁波の周波数から定まる所定の深さ寸法を有する凹設部１２０が形成されている。凹設部１２０は、それぞれ使用電磁波の周波数から定まる所定の縦横寸法を有する共振空間１２１，１２２を有する。共振空間１２１には、出力側の主線路である導波管１５との接合を行うための結合窓１２３がブロックの厚み方向に貫通して形成されている。結合窓１２３は、電磁波の出口となる。結合窓１２４は、共振空間１２１，１２２の間に形成されている。なお、結合窓１１３，１２３は、図４のような位置に限定されるものではなく、電磁波の入出力口として好適な位置が採用可能である。
【００２８】
仕切り板１３は、例えばアルミニウム（Ａｌ）製の導電材からなり、金属ブロック１１，１２の凹設部１１０，１２０それぞれの蓋材として機能する。共振領域１１１，１１２，１２１，１２２と仕切り板１３とによって構成される各導波管部分は、本実施形態ではそれぞれ共振器として機能する。仕切り板１３には、その所要位置に所要形状を有する４個の結合窓１３１〜１３４が形成（穿設）されている。なお、図には示していないが、金属ブロック１１，１２及び仕切り板１３には対応する位置であって、凹設部１１０，１２０を外した部分に所要数の機械的締結用の孔が形成され、例えばボルトとナットとで所要圧で締め付けられ、導波管が形成される。
【００２９】
結合窓１３１〜１３４は、仕切り板１３の適所をくり抜いて形成されたもので、共振空間１１２，１２２間で基本波を通過させる一方、２次高調波等を遮断する位置に形成されている。共振空間１１２の付加領域１１５，１１６は、共振空間１１２のＥ面が部分的に突出した形状をなし、そのＥ面の長手方向に沿った幅が基本波の半波長以下で且つ２次高調波の半波長以上である。そのため、２次高調波の電磁界はこれらの付加領域１１５，１１６に侵入して分布する。共振空間１２２の付加領域１２５，１２６についても同様である。そのため、結合窓１３１，１３２は、２次高調波モードの電界エネルギーの高い位置で、かつ基本波モードの電界エネルギーの低い位置に配置できる。このようにして、導波管回路素子１０は、４つの共振器が順に結合した４段の共振器からなり、共振空間１１２に相当する共振器及び共振空間１２２に相当する共振器で、２次高調波モードの結合及び伝搬が阻止される。
【００３０】
さらに、導波管回路素子１０において、仕切り板１３の適所には孔１３５が形成され、共振空間１１１，１２１の適所には付加領域１１７，１２７が形成されている。孔１３５及び付加領域１１７，１２７は、耐電力性能の向上を図るために採用されたものである。以下、説明する。
【００３１】
仕切り板１３に孔１３５が形成される前の状態で、入力側の導波管１４から基本周波数の電磁波が入力された場合の、その電界強度分布は図５のようになる。電界強度は、共振空間１１１内で最大値が見られる。図１で述べたように、電界強度のピークは、基本的には（すなわち、電磁波の入、出力部での干渉の影響を考慮に入れなければ）、共振空間１１１の中央部分で発生する。
【００３２】
一方、図３、図４からも判るように、本導波管回路素子１は、結合窓１１３が共振空間１１１の右端に形成されており、この態様での電界強度のピークは、図５より、結合窓１１３の左端側から多少離れた位置にあることが判る。これは、共振空間１１１の結合窓１１３の左側の側壁を切削して（カットオフ領域）付加領域１１７を形成することにより、基本波の電界分布を結合窓１１３の左端からやや中央寄りにずらしたものである。そして、孔１３５は、この電界強度のピーク位置に対応する仕切り板１３に形成されている。孔１３５は所要の長尺形状を有する。孔１３５の形状は、図５に示すように、電界強度のピーク領域が結合窓１１３の長手方向に沿って長目であることから、この領域を含むようにしている。なお、孔１３５によって、同時に共振空間１２１にも電界集中緩和効果が期待でき、そのため、共振空間１２１にも共振空間１１１と鏡面対称位置に（カットオフ領域）付加領域１２７が形成されている。孔１３５は、基本波長の電磁波の通過を遮断する形状、サイズとして形成されている。
【００３３】
導波管回路素子１０の各共振空間は、第１実施形態に係る共振器と同一サイズを有するものであり、この構造において、孔１３５の形成前と形成後とで放電実験を行った。孔１３５を形成する前の状態では、電磁波電力９０ＫＷで共振空間１１１内で放電が発生した。一方、孔１３５を形成した状態では、１２０ＫＷまで放電が生じないことが確認できた。
【００３４】
本発明は、以下の態様も採用可能である。
【００３５】
（１）第２実施形態では、共振空間１１１にのみ孔（凹部）を構成したが、必要に応じて、他の共振空間にも適宜、孔（凹部）を形成してもよい。凹部の形状としては、球面の一部、すり鉢状が好ましい。また、孔の態様では、断面円形が好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明に係る導波管回路素子の第１実施形態を示す構造、及びその電界分布特性を示す図で、図１（ａ）は構造図、図１（ｂ）は全体の電界分布図、図１（ｃ）はＩ−Ｉ’断面における電界強度分布を示す図である。
【図２】図１に対する比較例で、従来の一般的な導波管空洞共振器を示しており、図２（ａ）は構造図、図２（ｂ）は全体の電界分布図、図２（ｃ）はII−II’断面における電界強度分布を示す図である。
【図３】本発明に係る導波管回路素子の第２実施形態を示す構造図である。
【図４】図３の分解図である。
【図５】図３における電界強度分布を示す図である。
【図６】本発明に係る導波管回路素子が適用されるマイクロ波送受信機の一例としてのレーダ装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００３７】
１  導波管空洞共振器（導波管回路素子）
１ａ，１ｂ  対向面
２  孔（凹部）
３  蓋
１０  導波管空洞共振器（導波管回路素子、導波管構造）
１１，１２  金属ブロック（金属部材）
１１１，１１２，１２１，１２２  共振空間
１１３  結合窓（主結合窓）
１１７，１２７  カットオフ領域
１３  仕切り板
１３１〜１３４  結合窓
１３５  孔（凹部）
１４，１５  導波管（主導波管）
【図３】
2010118740.tif 000003
【図４】
2010118740.tif 000004
【図６】
2010118740.tif 000005
【図１】
2010118740.tif 000006
【図２】
2010118740.tif 000007
【図５】
2010118740.tif 000008