(57)【要約】【課題】広帯域で低反射特性を有し、必要に応じて直角以外の角度でも接続できるようにした導波管接続構造、及びそれを備えたレーダを構成する。【解決手段】導波管接続構造１０１は、第１の導波管１０と第２の導波管２０とが接続部１２３で直角に接続されている。第２の導波管２０は、接続部１２３から長さｃ２１に亘って、幅ａ２１が本来の幅ａ２とは幅が異なる変成部２１を備えている。この変成部２１の長さｃ２１は、伝搬すべき電磁波の管内波長の略１／４に相当する。接続部１２３には導波管半波長共振器３０が並列接続されている。この導波管半波長共振器３０は、接続部１２３側が開口され、終端が短絡されていて、第２の導波管２０の電磁波伝搬方向（長手方向）に延びるように配置されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁波を導波する第１の導波管と、
接続部において前記第１の導波管と所定の角度をなして接続された第２の導波管と、
を備え、
前記第２の導波管は、
前記接続部から前記電磁波の波長の略１／４の長さに亘って前記第２の導波管の幅または高さのうちの少なくともいずれかが異なる変成部と、
前記接続部から延伸された半波長共振器と、
を有していることを特徴とする導波管接続構造。
【請求項２】
前記変成部の特性インピーダンスは、前記変成部以外の前記第２の導波管の特性インピーダンスと前記第１の導波管の特性インピーダンスとの間の値である、請求項１に記載の導波管接続構造。
【請求項３】
前記接続部に対する前記第１の導波管の成す角度が９０度である、請求項１又は２に記載の導波管接続構造。
【請求項４】
前記半波長共振器は前記接続部側が開口され終端が短絡された導波管共振器である、請求項１乃至３の何れかに記載の導波管接続構造。
【請求項５】
前記半波長共振器は、前記接続部が開口され終端が短絡された空間と、この空間内に配置された誘電体コアとで構成された誘電体共振器である、請求項１乃至３の何れかに記載の導波管接続構造。
【請求項６】
探知用のパルス状電磁波を発生する電磁波発生手段と、前記パルス状電磁波を送信し、物標で反射されたエコー信号を受信するアンテナと、前記パルス状電磁波を前記アンテナへ導波し、前記アンテナからの受信信号を受信回路へ導入するサーキュレータと、を備え、
前記パルス状電磁波を前記アンテナへ導波する導波路に請求項１乃至５の何れかに記載の導波管接続構造を設けた、レーダ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、マイクロ波帯やミリ波帯で使用され、電磁波の伝搬方向を変換する導波管接続構造に関し、特に、高さ方向やベンド角の自由度の高い導波管接続構造、及びそれを備えたレーダに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、屈曲した導波路を構成する場合に、導波管ベンドが設けられるが、単に導波管を接続しただけでは、接続部での反射が大きい。例えばＸ帯標準導波管を９０°配置したものについて周波数特性を計算すると、９．４１ＧＨｚの反射係数は−８ｄＢとなる。
【０００３】
こういった問題を解決するため、特許文献１に開示されているように、例えば９０°ベンドに対して接続部を４５°のテーパ状に切り取ったり、それを近似した階段状のステップを設けたりする構造がとられている。しかし、この方法はある特定の周波数でしか整合がとれないので狭帯域特性であった。しかも、導波管の高さ位置やベンド角を変更すれば、整合自体がとれなくなって、伝送路としての所定の特性が得られない、という問題があった。
【０００４】
一方、特許文献２には、誘電体基板内に形成される積層型の誘電体導波管線路と方形導波管とを、低反射状態でほぼ直角に接続する構造が開示されている。具体的には、誘電体基板の両面に形成された一対の導体層と、信号伝送方向に信号波長の２分の１未満の繰り返し間隔で、かつ伝送方向と直交する方向に所定の幅で、導体層間を電気的に接続して形成された２列の貫通導体群とを備える誘電体導波管線路を設け、一対の導体層のうち、一方の導体層に結合用窓を設け、この結合用窓に、誘電体層を介して、高周波信号の伝送方向が異なるように開口端面を対向させた方形導波管を接続している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平９−２４６８０１号公報
【特許文献２】特開２００４−３５７０４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、特許文献１の導波管ベンドでは、特に二つの導波管のサイズが異なる場合や、角度が直角でない場合には、充分な整合がとれない問題があった。また、異種線路の接続の場合に、不連続部の影響を相殺するように設計するため、低反射特性が得られる帯域が狭いという問題もあった。
【０００７】
ここで、幅２２．９ｍｍ、高さ５ｍｍの第１の導波管と、幅２２．９ｍｍ、高さ１０．２ｍｍの第２の導波管との接続部にテーパ状のベンドを構成した場合の周波数特性を図１に示す。このように、Ｘ帯域での反射係数は−３ｄＢ〜−４ｄＢもの大きな値となる。
【０００８】
特許文献２の線路変換構造は、誘電体導波管線路と空胴導波管とを接続するものであるので、空胴導波管同士の接続部にはそのままでは適用できない。
【０００９】
そこで、この発明の目的は、広帯域で低反射特性を有し、必要に応じて直角以外の角度でも接続できるようにした導波管接続構造、及びそれを備えたレーダを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明導波管接続構造は、第１の導波管と第２の導波管とが接続部で所定の角度を成して接続されるものであり、第２の導波管は、接続部から長さが略１／４波長に亘って幅又は高さの異なる変成部を備え、接続部に半波長共振器が結合されている。
【００１１】
特に、変成部以外の第２の導波管と第１の導波管とは特性インピーダンスが異なっていてもよい。
【００１２】
例えば、前記導波管半波長共振器は、接続部が開口され、終端が短絡されて、第２の導波管の電磁波伝搬方向に延びる。
【００１３】
本発明のレーダは、探知用のパルス状電磁波を発生する電磁波発生手段と、前記パルス状電磁波を送信し、物標で反射されたエコー信号を受信するアンテナと、前記パルス状電磁波を前記アンテナへ導波し、前記アンテナからの受信信号を受信回路へ導入するサーキュレータと、を備え、前記パルス状電磁波を前記アンテナへ導波する導波路に前記導波管接続構造を設けて構成される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、二つの導波管の接続部に導波管半波長共振器を並列接続し、一方の導波管の変成部を介して二つの導波管が接続されるので、広帯域に亘って反射の少ない導波管接続構造が得られる。また、半波長共振器及び１／４波長線路がＬ性、Ｃ性の相反する整合回路として機能するため、接続角度や線路インピーダンスが大きく異なっていても整合させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】一般的なテーパ状の導波管ベンドの周波数特性図である。
【図２】図２（Ａ）は第１の実施形態に係る導波管接続構造１０１の斜視図、図２（Ｂ）はその縦断面図である。
【図３】図３（Ａ）は、特性インピーダンスＺ１の第１の導波管１０Ｔと特性インピーダンスＺ２の第２の導波管２０Ｔとの接続構造の等価回路である。図３（Ｂ）は、そのポートＰ２から回路を見たインピーダンスをスミスチャート上にプロットした図である。
【図４】図４（Ａ）は、第１の導波管１０Ｔと第２の導波管２０Ｔの接続部に並列共振器３０Ｒを設けた構造の等価回路である。図４（Ｂ）は、ポートＰ２から回路を見たインピーダンスをスミスチャート上にプロットした図である。
【図５】図５（Ａ）は、第２の導波管２０Ｔと接続部との間に１／４波長のインピーダンス変成器２１Ｔを挿入した構造の等価回路である。図５（Ｂ）は、ポートＰ２から回路を見たインピーダンスをスミスチャート上にプロットした図である。
【図６】図２に示した導波管接続構造の反射係数Ｓ１１と通過係数Ｓ２１の周波数特性図である。
【図７】図７（Ａ）は第２の実施形態に係る導波管接続構造１０２の斜視図、図７（Ｂ）はその縦断面図である。
【図８】図８（Ａ）は第３の実施形態に係る導波管接続構造１０３の斜視図、図８（Ｂ）はその縦断面図である。
【図９】第５の実施形態に係るレーダの構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
《第１の実施形態》
図２（Ａ）は第１の実施形態に係る導波管接続構造１０１の斜視図、図２（Ｂ）はその縦断面図である。但し、何れの図も導波空間形状のみを表している。実際には、金属の切削加工や鋳造加工によって導波空間が形成される。
【００１７】
この導波管接続構造１０１は、第１の導波管１０と第２の導波管２０とが接続部１２３で直角に接続されたものである。第１の導波管１０は幅ａ１、高さｂ１の矩形導波管である。第２の導波管２０の接続部１２３以外は幅ａ２、高さｂ２の矩形導波管である。第１の導波管１０、第２の導波管２０の何れもＴＥ１０モード（基本波モード）で電磁波を伝搬させる寸法にしている。すなわち、Ｅコーナ又はＥベンドとして用いる。この例では、第１の導波管１０はＸ帯標準導波管であり、第２の導波管２０は、第１の導波管１０より高さが低い。すなわち、ａ１＝ａ２、ｂ１＞ｂ２の関係にあり、第１の導波管１０と第２の導波管２０とは特性インピーダンスが異なる。
【００１８】
第２の導波管２０は、接続部１２３から長さｃ２１に亘って、幅ａ２１が本来の幅ａ２とは幅が異なる変成部２１を備えている。この変成部２１の長さｃ２１は、伝搬すべき電磁波の管内波長の略１／４に相当する。
【００１９】
接続部１２３には導波管半波長共振器３０が並列接続されている。この導波管半波長共振器３０は、接続部１２３側が開口され、終端が短絡されていて、第２の導波管２０の電磁波伝搬方向（長手方向）に延びるように配置されている。この例では、導波管半波長共振器３０の幅ａ３は第２の導波管２０の幅ａ２と等しく、高さｂ３は第２の導波管２０の高さｂ２よりも低い。導波管半波長共振器３０の長さ（共振器長）ｃ３は伝搬すべき電磁波が半波長で共振する長さに相当する。従って、この導波管半波長共振器３０は、接続部１２３側の開口部で電界最大、短絡されている終端側で電界最小、の半波長導波管共振器として作用する。
【００２０】
図２中の各部の寸法は例えば次のとおりである。
ａ１＝２２．９ｍｍ
ｂ１＝１０．２ｍｍ
ａ２＝２２．９ｍｍ
ｂ２＝５．０ｍｍ
ａ２１＝１８．９ｍｍ
ｃ２１＝１１．９ｍｍ
ａ３＝２２．９ｍｍ
ｂ３＝３ｍｍ
ｃ３＝１８．５ｍｍ
次に、本発明の導波管接続構造による整合の物理的意味について、図３〜図５を参照して説明する。
図３（Ａ）は、特性インピーダンスＺ１の第１の導波管１０Ｔと特性インピーダンスＺ２の第２の導波管２０Ｔとの接続構造の等価回路である。図３（Ｂ）は、そのポートＰ２から回路を見たインピーダンスをスミスチャート上にプロットした図である。
【００２１】
図４（Ａ）は、前記第１の導波管１０Ｔと第２の導波管２０Ｔの接続部に並列共振器３０Ｒを設けた構造の等価回路である。図４（Ｂ）は、ポートＰ２から回路を見たインピーダンスをスミスチャート上にプロットした図である。
【００２２】
並列共振器３０Ｒを結合させたことにより、その共振器の共振周波数で信号の反射が生じる。スミスチャート上では、図４（Ｂ）のように、周波数スイープとともに円を描く挙動を示す。伝送路と共振器との結合が小さくなるように設計することにより、小さな円軌跡となっている。
【００２３】
図５（Ａ）は、第２の導波管２０Ｔと前記接続部との間に１／４波長のインピーダンス変成器２１Ｔを挿入した構造の等価回路である。図５（Ｂ）は、ポートＰ２から回路を見たインピーダンスをスミスチャート上にプロットした図である。インピーダンス変成器２１Ｔの特性インピーダンスは、図5（Ｂ）のスミスチャート上で描く円の中心が、スミスチャートの中心にくるように定めている。
【００２４】
また、線路長が１／４波長であるので、インピーダンス変成器２１Ｔと第１の導波管１０Ｔとの不連続部での反射と、インピーダンス変成器２１Ｔと第２の導波管２０Ｔとの不連続部での反射とが逆相で打ち消される。そのため、スミスチャート上の円軌跡はスミスチャート上の中心方向へ移動する。図５（Ｂ）において、破線の円は反射係数が−１０ｄＢ以下になる範囲を表している。また、軌跡は８．４ＧＨｚ〜１０．５ＧＨｚの周波数範囲について表している。軌跡の大半は点線円内に入っており、広い周波数範囲に亘って整合がとれていることが分る。
【００２５】
図６は、図２に示した導波管接続構造の反射係数Ｓ１１と通過係数Ｓ２１の周波数特性図である。反射係数Ｓ１１が−１０ｄＢ以下になる周波数帯域が８．２ＧＨｚ〜２０ＧＨｚ、−２０ｄＢ以下になる周波数帯域が８．４ＧＨｚ〜１０．５ＧＨｚ、と非常に広帯域で低反射特性が得られることがわかる。
【００２６】
以上の説明では、半波長共振器の反射器としての作用と、変成部による１／４波長インピーダンス変成器の作用とによってインピーダンス整合を行うこととしたが、導波管半波長共振器３０及び長さ１／４波長の変成部は、中心周波数からの変位でＬ性、Ｃ性の相反するリアクタンス成分を生じるので、このリアクタンス成分で広帯域に亘ってインピーダンス整合する、ということもできる。
【００２７】
このように、半波長共振器を設けることによって広帯域化が図れ、変成部を設けることによってインピーダンス整合がとられるので、広帯域に亘って低反射特性が得られる。
【００２８】
《第２の実施形態》
図７（Ａ）は第２の実施形態に係る導波管接続構造１０２の斜視図、図７（Ｂ）はその縦断面図である。但し、何れの図も導波空間形状のみを表している。実際には、金属の切削加工や鋳造加工によって導波空間が形成される。
【００２９】
この導波管接続構造１０２は、断面内寸法が２２．９ｍｍ×１０．２ｍｍのＸ帯標準導波管である第１の導波管１０と、断面内寸法が２２．９ｍｍ×５ｍｍの第２の導波管２０とが接続部１２３で直角に接続されたものである。第１の導波管１０と第２の導波管２０は何れもＴＥ１０モード（基本波モード）で電磁波を伝搬する矩形導波管である。
【００３０】
第２の導波管２０は、接続部１２３から管内波長で略１／４波長に亘って、幅が狭い変成部２１を備えている。
【００３１】
接続部１２３には、誘電体共振器４０が並列接続されている。この誘電体共振器４０は、直方体状の空間４１と誘電体コア４２とで構成されている。空間４１は、直方体の五面を成す導体面で囲まれた空間であり、接続部１２３側が開口され、終端が短絡されていて、第２の導波管２０の長手方向（電磁波伝搬方向）に延びている。誘電体コア４２は、円柱状の誘電体であり、空間４１の内部のほぼ中央に配置されている。この誘電体コア４２に電磁界エネルギーが集中して、誘電体共振器４０はＴＥθrz座標で表すとＴＥ０１１モードで共振する。
【００３２】
このように、半波長共振器として誘電体共振器を設けることによって、接続部１２３の小型化が図れる。
【００３３】
《第３の実施形態》
図８（Ａ）は第３の実施形態に係る導波管接続構造１０３の斜視図、図８（Ｂ）はその縦断面図である。但し、何れの図も導波空間形状のみを表している。実際には、金属の切削加工や鋳造加工によって導波空間が形成される。
【００３４】
この導波管接続構造１０３は、断面内寸法が２２．９ｍｍ×１０．２ｍｍのＸ帯標準導波管である第１の導波管１０と、断面内寸法が２２．９ｍｍ×５ｍｍの第２の導波管２０とが接続部１２３で１３５°の交差角で接続されたものである。第１の導波管１０と第２の導波管２０は何れもＴＥ１０モード（基本波モード）で電磁波を伝搬する矩形導波管である。
【００３５】
第２の導波管２０は、接続部１２３から管内波長で略１／４波長に亘って、幅が狭い変成部２１を備えている。
【００３６】
接続部１２３には、導波管半波長共振器３０が並列接続されている。この導波管半波長共振器３０は、接続部１２３側が開口され、終端が短絡されていて、第２の導波管２０の電磁波伝搬方向（長手方向）に延びるように配置されている。この例では、導波管半波長共振器３０の幅は第２の導波管２０の幅と等しく、高さは第２の導波管２０の高さよりも低い。導波管半波長共振器３０の長さ（共振器長）は伝搬すべき電磁波が半波長で共振する長さに相当する。従って、この導波管半波長共振器３０は、接続部１２３側の開口部で電界最大、短絡されている終端側で電界最小、の半波長導波管共振器として作用する。
【００３７】
このように、導波管半波長共振器３０及び長さ１／４波長の変成部は、中心周波数からの変位でＬ性、Ｃ性の相反するリアクタンス成分を生じる整合回路として作用するので、接続角度や線路インピーダンスが大きく異なっていても整合させることができる。
【００３８】
前記二つの導波管の交差角は直角に限らず、０°〜１８０°の範囲内で定めることができる。
【００３９】
《第４の実施形態》
以上に示した各実施形態では、第２の導波管の変成部の幅を第２の導波管の元々の幅より狭くすることによって、変成部の特性インピーダンスを定めるようにしたが、第１の導波管と第２の導波管の特性インピーダンスの大小関係によっては、第２の導波管の変成部の幅を第２の導波管の元々の幅より広くする。
【００４０】
また、以上に示した各実施形態では、第２の導波管の変成部の幅を第２の導波管の元々の幅とは異ならせたが、変成部の高さを第２の導波管の変成部の元々の高さと異ならせることによって、変成部の特性インピーダンスを定めるようにしてもよい。
【００４１】
また、以上に示した各実施形態では、半波長共振器の共振器長方向（終端と開口とを結ぶ方向）を第２の導波管の電磁波伝搬方向（長手方向）に向けたが、少なくとも開口が接続部１２３に繋がっていればよい。したがって、半波長共振器の共振器長方向は例えば第１の導波管の電磁波伝搬方向に向いていてもよい。
【００４２】
《第５の実施形態》
図９は第５の実施形態に係るレーダの構成を示すブロック図である。レーダの高周波回路部は、マイクロ波を発振するマグネトロン７２、それをパルス駆動する駆動回路７１、マグネトロン７２の発振信号を後段方向へ伝搬するサーキュレータ７３、終端器７４、２次高調波を抑制する高調波伝搬阻止フィルタ２０１、送信信号をロータリージョイント側へ伝搬させ、受信信号を受信回路側へ伝搬させるサーキュレータ７６、ロータリージョイント７７、アンテナ７８、送信信号の電力が受信回路側へ回り込まないようにする制限するリミッタ回路７９および受信回路８０を備えている。
【００４３】
駆動回路７１がマグネトロン７２をパルス駆動することによって、９．６ＧＨｚのパルス状マイクロ波信号が出力され、サーキュレータ７３→高調波伝搬阻止フィルタ２０１→サーキュレータ７６→ロータリージョイント７７→アンテナ７８の経路で空中へ放射される。また物標で反射した信号がアンテナ７８で受信され、ロータリージョイント７７→サーキュレータ７６→リミッタ回路７９→受信回路８０の経路で受信される。
第１乃至第４の何れかの実施形態で示した導波管接続構造は、マグネトロン７２からサーキュレータ７６までの間、サーキュレータ７６からアンテナ７８までの間、サーキュレータ７６からリミッタ回路７９までの間の何れかの導波路に設けられる。
【符号の説明】
【００４４】
１０…第１の導波管
２０…第２の導波管
２１…変成部
３０…導波管半波長共振器
４０…誘電体共振器
４１…空間
４２…誘電体コア
１０１，１０２，１０３…導波管接続構造
１２３…接続部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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