(57)【要約】【課題】インピーダンスの変換器と電波の伝送方向の変換器とを一体化し、動作帯域を狭くすることなく、小型の変換用導波管回路を実現する。【解決手段】インピーダンスが異なる第１および第２の導波管４、５と中間の断面積（中間のインピーダンス）を有する空胴６の一端部が、第２の導波管５と電波の伝送方向に沿って接続され、空胴６の他端部は、第１の導波管４の電波の伝送方向と交差する方向に形成された開口面と、空胴６の第２の導波管５の電波の伝送方向と平行方向に形成された開口面とを対向させて接続されると共に、その接続された開口面における第１の導波管４の開口面積が第１の導波管４の断面積より小さくされることにより開口面にキャパシタンスが形成され、そのキャパシタンスにより接続部での伝送方向を曲げることにより発生するインダクタンスを打ち消し、インピーダンスの不整合を解消するように形成されている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の導波管と、該第１の導波管とインピーダンスの異なる第２の導波管とを、電波の伝送方向が曲るように所定の角度をもって接続する導波管回路であって、前記第２の導波管の電波の伝送方向に対して直角方向の断面積が前記第１および第２の導波管の電波の伝送方向に対して直角方向のそれぞれの断面積の中間の値を有する空胴の一端部が、前記第２の導波管と前記伝送方向に沿って接続され、前記空胴の他端部は、前記第１の導波管の開口面と、前記空胴の前記第２の導波管の電波の伝送方向と平行方向に形成された開口面とを対向させて接続されると共に、該接続された開口面における前記第１の導波管の開口面積が該第１の導波管の断面積より小さくされることにより前記開口面でキャパシタンスが形成され、該キャパシタンスにより、前記空胴で電波の伝送方向を曲げることにより発生するインダクタンスを打ち消し、インピーダンスの不整合を解消するように接続されていることを特徴とする導波管回路。
【請求項２】
前記第１の導波管が第１の金属ブロックにより形成され、前記第２の導波管および空胴の前記伝送方向に沿った一壁面を除去した形状の溝が第２の金属ブロックにより形成され、前記第１の金属ブロックの前記第１の導波管の開口面が形成された端面に前記第２の金属ブロックを接合することにより形成される請求項１記載の導波管回路。
【請求項３】
前記空胴の前記伝送方向に対して直角方向の断面が、少なくとも２種類の異なる断面形状を有する請求項１または２記載の導波管回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波やミリ波などの電波の伝送線路として用いられる導波管回路に関する。さらに詳しくは、インピーダンスの異なる２つの導波管を接続すると共に、電波の伝送方向を変えるコーナ部分を有する小型で広帯域な導波管回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インピーダンスの異なった導波管を接続し、かつ、その２つの導波管の開口が所定の角度を有するように接続する場合、従来は、ベント導波管またはコーナ導波管と、インピーダンスを変換するテーパ導波管または４分の１波長変成器などを別々に作製し、それらを接続する構造が用いられている（たとえば特許文献１参照）。
【０００３】
コーナ導波管と４分の１波長変成器を用いた導波管回路の基本的構造例を図８に、斜視図およびその断面図で示す。この例のコーナ導波管３４は、Ｅコーナと呼ばれるもので、２本の矩形導波管をそれら２本の導波管の短辺を同一面として９０°の角度で接続したもので、その角度は４５°の屈曲部２ヵ所で形成されている。４分の１波長変成器３５は、接続する導波管の中間のインピーダンスをもった概略４分の１波長の長さを有する導波管４０を２つの導波管３８、３９の間に接続する構造である。この例は、４分の１波長の導波管４０が１段の変成器を示したが、より広帯域にするために、インピーダンスの異なる４分の１波長の導波管を２段以上接続する構造のものも知られている。なお、コーナ導波管３４と４分の１波長変成器３５とは、ボルト３６とナット３７により接続される。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２９８３０１号公報（図２）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような導波管回路では、コーナ導波管とインピーダンス変成器とを別々に作製して、接続しなければならないため、部品点数が増加すると共に、導波管回路の寸法が大きくなるという問題がある。
【０００６】
本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、インピーダンスの変換器と電波の伝送方向の変換器とを一体化し、動作帯域を狭くすることなく、小型の変換用導波管回路を実現することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明による導波管回路は、第１の導波管と、該第１の導波管とインピーダンスの異なる第２の導波管とを、電波の伝送方向が曲るように所定の角度をもって接続する導波管回路であって、前記第２の導波管の電波の伝送方向に対して直角方向の断面積が前記第１および第２の導波管の電波の伝送方向に対して直角方向のそれぞれの断面積の中間の値を有する空胴の一端部が、前記第２の導波管と前記伝送方向に沿って接続され、前記空胴の他端部は、前記第１の導波管の開口面と、前記空胴の前記第２の導波管の電波の伝送方向と平行方向に形成された開口面とを対向させて接続されると共に、該接続された開口面における前記第１の導波管の開口面積が該第１の導波管の断面積より小さくされることにより前記開口面でキャパシタンスが形成され、該キャパシタンスにより、前記空胴で電波の伝送方向を曲げることにより発生するインダクタンスを打ち消し、インピーダンスの不整合を解消するように接続されていることを特徴とする。
【０００８】
ここに「前記伝送方向に沿って接続され」とは、前記伝送方向が曲げられないで繋がるように接続されることを意味し、「前記伝送方向と交差する方向」とは、前記伝送方向と平行方向ではなく、前記伝送方向に対して所定の角度を成す方向を意味し、９０°の方向には限定されない。
【０００９】
この構造にすることにより、第１および第２の導波管のインピーダンスを整合する空胴の第２の導波管の電波の伝送方向と平行な面に形成された開口面を、第１の導波管の電波の伝送方向と交差する方向に形成された開口面に対向させて接続する構成であるため、Ｅコーナのように、別途導波管を接続することなく、伝送方向の変換部を形成することができ、非常に小型の変換回路を構成することができる。しかも、第１の導波管の開口面における開口面積を小さくしてキャパシタンスを形成し、そのキャパシタンスと伝送方向が曲ることにより生じるインダクタンスとを相殺するように開口面の面積が設定されているため、伝送方向の曲げに伴う損失の発生はなく、広帯域で優れた伝送特性が得られる。
【００１０】
具体的構造としては、たとえば前記第１の導波管が第１の金属ブロックにより形成され、前記第２の導波管および空胴の前記伝送方向に沿った一壁面を除去した形状の溝が第２の金属ブロックにより形成され、前記第１の金属ブロックの前記第１の導波管の開口面が形成された端面に前記第２の金属ブロックを接合することにより形成される。このような構成にすれば、第１の金属ブロックと第２の金属ブロックとをその開口面を対向させてネジなどにより固定するだけで得られるため、相互の位置合せをして特性を確認した上で固定することができ、非常に安定した高特性の伝送方向変換およびインピーダンス変換の導波管回路が得られる。なお、伝送方向の変換は、第１の導波管の開口面（第１の金属ブロックの端面）の角度で正確に規定される。
【００１１】
前記空胴の前記第２の導波管の電波の伝送方向に対して直角方向の断面が、少なくとも２種類の異なる断面形状を有する構造にすることにより、２つの導波管の間で、インピーダンスの差が大きい場合でも、順次インピーダンスを近づけて完全に整合することができ、広帯域のインピーダンス変換をすることができるため好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
つぎに、本発明の導波管回路について、図面を参照しながら説明をする。
【００１３】
本発明による導波管回路は、図１にその一実施形態の斜視および断面の説明図が示されるように、第１の導波管４と、その第１の導波管４とインピーダンスの異なる第２の導波管５を、電波の伝送方向が曲るように所定の角度をもって接続する導波管回路である。そして、第２の導波管５の電波の伝送方向に対して直角方向の断面積が第１および第２の導波管４、５の電波の伝送方向に対して直角方向の断面積の中間の値を有する（第１および第２の導波管のインピーダンスに対して中間のインピーダンスを有する）空胴６の一端部が、第２の導波管５と電波の伝送方向に沿って接続され、空胴６の他端部は、第１の導波管４の電波の伝送方向と交差する方向に形成された開口面と、空胴６の第２の導波管５の電波の伝送方向と平行方向に形成された開口面とを対向させて接続されると共に、その接続された開口面における第１の導波管４の開口面積が第１の導波管４の断面積より小さくされることにより開口面にキャパシタンスが形成され、そのキャパシタンスにより空胴部での電波の伝送方向を曲げることにより発生するインダクタンスを打ち消し、インピーダンスの不整合を解消するように形成されている。
【００１４】
図１に示される例は、第１の導波管４が第１の金属ブロック１に形成され、第２の導波管５および空胴６が、第２の金属ブロック２に形成された第２の導波管用溝５ａおよび空胴用溝６ａと第１の金属ブロック１の端面１ａとにより形成され、第１および第２の金属ブロック１、２がネジ３により接合して固定されることにより形成されている。
【００１５】
空胴６は、図８に示される従来の４分の１波長導波管４０とほぼ同様の構造で、第１および第２の導波管４、５のインピーダンスを整合するように形成されている。すなわち、図６に各導波管４、５および空胴６でのアドミッタンスＹ（インピーダンスＺ）、ならびにその等価回路図が示されるように、第１および第２の導波管のアドミッタンス（インピーダンス）をそれぞれＹ１（Ｚ１）、Ｙ２（Ｚ２）、空胴のアドミッタンス（インピーダンス）をＹｔ（Ｚｔ）とすると、Ｚｔ＝（Ｚ１×Ｚ２）１／２となるように設計される。導波管の幅方向の寸法を変えなければ、導波管のインピーダンスはその高さａ１、ａ２、ａｔにほぼ比例するため、ａｔ＝（ａ１×ａ２）１／２になるように、空胴６の高さａｔは決定される。
【００１６】
具体例としては、たとえば９．４ＧＨｚ用で、第１の導波管４の寸法が、２２．９ｍｍ（幅）×１０．２ｍｍ（高さａ１）で、第２の導波管５が２２．９ｍｍ（幅）×２．６ｍｍ（高さａ２）の場合、空胴６は、両者の中間の寸法で、２２．９ｍｍ（幅）×５ｍｍ（高さａｔ）×１０ｍｍ（長さ）に形成されている。
【００１７】
また、この空胴６と第１の導波管４との接続は、従来の電波の伝送方向に沿った接続ではなく、図１に示される例では、電波の伝送方向が９０°の角度で曲るように接続されている点で、従来の４分の１波長変成器と異なっている。すなわち、空胴６の一端側と第２の導波管５との接続は従来と同様にマイクロ波などの電波の伝送方向に沿って接続されているが、空胴６の他端側と第１の導波管４との接続は、電波の伝送方向を直接曲げるように、第１導波管４の電波の伝送方向と交差する面で形成された開口面４ａと、空胴６の第２の導波管５の電波の伝送方向と平行な面で形成された開口面６ｂとを対向させることにより接続されている。この場合、第１の導波管４の開口面４ａの面積を第１の導波管４の断面積より小さくすることにより、後述するように開口面４ａにキャパシタンスが形成され、そのキャパシタンスが電波の伝送方向を曲げることにより発生するインダクタンスを打ち消すように、開口面積が調整されている。
【００１８】
すなわち、開口面４ａでの面積が小さくされることにより、その高さが第１導波管４の高さａ１より小さく（幅方向の寸法は同じ）なり、図６（ａ）に示されるように、その開口面４ａでの不連続部分でキャパシタンスＣが形成される。このキャパシタンスＣは、開口面積が小さくなるほど大きくなり、開口面積が大きくなるとキャパシタンスＣが小さくなる。一方、伝送方向が急激に曲げられることにより、そのコーナ部分にインダクタンスＬが形成される。このインダクタンスＬは、接続面での角度が鋭角になるほど大きくなる。このキャパシタンスＣとインダクタンスＬとは、図６（ｂ）に示されるように、伝送線路に並列にリアクタンスを形成するため、この両者を打ち消し合うことにより、電波の伝送方向を曲げられることにより発生するインダクタンスの影響を解消することができる。
【００１９】
これらのキャパシタンスＣやインダクタンスＬは、各導波管および空胴６と開口面４ａの寸法および接合面の角度などにより計算により求めることができ、このキャパシタンスＣとインダクタンスＬとが相互に打ち消し合うような寸法の開口面積に形成されている。具体例として、前述の第１および第２の導波管４、５、ならびに空胴６の寸法で、開口面４ａの寸法は２２．９ｍｍ（幅）×５．１ｍｍ（高さ）となり、第１の導波管４の丁度半分になった。この開口面積の大きさは、導波管寸法や接合面の角度などにより異なってくる。
【００２０】
本発明の導波管回路によれば、導波管をＥ面が所定の角度（図１に示される例では９０°）でそのまま接続した構造になっているが、コーナ部分で発生するインダクタンス成分を、インピーダンスの異なる導波管を接続する開口面での不連続部分で形成されるキャパシタンスにより打ち消すように接続されているため、従来のコーナ導波管のような距離を離して特性をとる必要がなく、非常に小型で良好な周波数特性の導波管回路となる。
【００２１】
すなわち、従来の構造では、Ｅ面を９０°曲げるとコーナ部分でインダクタンスが発生し、マイクロ波の反射が大きくなる。この反射、すなわちインダクタンスを低減するために、従来は導波管を接続する部分の角をカットし、図８に示されるコーナ導波管３４のように、導波管の屈曲部を２ヵ所設け、それぞれの屈曲部に発生するインダクタンスが、ある距離だけ離れて設置されることにより、それらが相殺されるように設計されていた。そのため、コーナ導波管を設けると大きくなると共に、その距離は、周波数に応じて最適な値が決まってくるため、周波数によりその伝送特性が変るという問題があったが、本発明によれば、キャパシタンスにより相殺しているため、そのような問題も生じない。
【００２２】
実際に図１に示される構造の導波管回路の周波数に対する挿入損失およびリターンロスの特性を図７（ａ）に示す。従来の図８に示される構造の同様の周波数特性が図７（ｂ）に示されるように、小型になるのみならず、遥かに周波数特性も向上していることが分る。
【００２３】
図１に示される例のように、第１の金属ブロック１と第２の金属ブロック２とをネジ３により接合する構造にすることにより、第１の金属ブロック１の端面を平面に加工し、第２の金属ブロック２に空胴用溝６ａおよび第２の導波管用溝５ａを形成して両者を接合して組み立てることができるため、機械加工も容易であり、低コストで導波管回路を製造することができる。さらに、前述のように、キャパシタンスＣとインダクタンスＬとは計算により求められるが、実際には多少変動する場合があり、その場合でも、第１の金属ブロック１と第２の金属ブロック２とを接合する構造であれば、伝送特性をチェックしながら、両者をずらしてその開口面積を調整することができ、非常に高性能な導波管回路が得られる。なお、第１の金属ブロック１と第２の金属ブロック２との接合は、ネジ３によらないで、ハンダやロウ材などによる接合により一体化してもよい。
【００２４】
図２は、本発明による導波管回路の他の実施形態を示す断面図である。この例は、空胴６が２段構造に形成された例で、第１の空胴６１と第２の空胴６２とにより空胴６が形成されている。すなわち、第１の導波管４と第２の導波管５とのインピーダンスを徐々に近づけるように異なる中間の断面積を有するように形成されている。具体例としては、前述のように、第１の導波管４を、２２．９ｍｍ×１０．２ｍｍ、第２の導波管５を２２．９ｍｍ×２．６ｍｍとし、空胴６の第１の空胴６１を２２．９ｍｍ×７．２ｍｍ（高さａｔ１）、第２の空胴６２を２２．９ｍｍ×３．７ｍｍ（高さａｔ２）で、それぞれの長さを動作周波数のほぼ４分の１波長である１０ｍｍ程度に形成したものである。このように、インピーダンス変換部を多段に形成することにより、インピーダンス整合を充分にとることができて、広帯域の周波数特性が向上する。
【００２５】
このようなインピーダンス変換部を多段にして周波数特性を向上させる空胴６の場合でも、第１の空胴６１と第１の導波管４とを接合する開口面に形成されるキャパシタンスが、前述のように伝送方向が曲ることにより発生するインダクタンスを打ち消すように、開口面積を設定することにより、所望の角度に伝送方向を曲げる導波管回路を良好な特性で得ることができる。
【００２６】
図３は、図１の構造の変形例である。すなわち、第１の導波管４と第２の導波管の関係が図１の例と逆になり、第１の導波管４が断面積の小さい、すなわちインピーダンスの小さい導波管で構成されている。具体的には、第１の導波管４が２２．９ｍｍ×２．６ｍｍに形成され、第２の導波管５が２２．９ｍｍ×１０．２ｍｍに形成され、空胴６は図１の例と同じで２２．９ｍｍ×５ｍｍに形成されているが、空胴６と接合する第１の導波管４の開口面積は２２．９ｍｍ×１．３ｍｍで、第１の導波管４の断面積のほぼ半分にすることにより、前述のキャパシタンスとインダクタンスとを相殺することができた。他の構成は、図１の例と同じで、同じ部分には同じ符号を付してその説明を省略する。
【００２７】
図４は本発明による導波管回路のさらに他の実施形態を示す断面図である。この例は、伝送方向を９０°に曲げるのではなく、たとえば１２０°の方向に曲げる例で、前述の図２の例と同様に、空胴６も２段構成になっている。このように、９０°でない場合でも、第１の導波管４の開口面４ａを伝送方向に対して所望の角度である１２０°になるように第１の金属ブロック１の端面１ａを形成しておくことにより、前述の図２に示されるのと同様に空胴用溝および第２の導波管用溝を形成した第２の金属ブロック２を接合するだけで、所望の角度の方向に電波の伝送方向を曲げることができる。もちろん、コーナ部でのインダクタンスは前述の各例とは異なるため、接合面の開口面積を、そのインダクタンスを打ち消すキャパシタンスになるように調整する。各導波管の寸法が前述の例と同じで、開口部の寸法ｄが５．８ｍｍのときに、伝送特性の優れた導波管回路が得られた。
【００２８】
図５は、本発明の応用例を示すもので、インパット発振器の断面図である。すなわち、インパット発振器は、インパットダイオード１１を低インピーダンスの導波管（第２の導波管）５に設置し、インパットダイオード１１と第２の導波管５のショート面５１との間で形成される共振器の共振周波数で発振させる装置である。そのため、インパットダイオード１１をインピーダンスの小さい導波管に装填してインピーダンスの小さい導波管５で発振出力を出すことになるが、本発明の導波管回路を用いることにより、スペースをとることなく、通常の規格寸法の導波管である２２．９ｍｍ×１０．２ｍｍの第１の導波管４で、所望の方向に出力することができる。図５において、１２はインパットダイオード１１の入力端子である。なお、図５において、図１と同じ部分には同じ符号を付してその説明を省略する。
【００２９】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、導波管のインピーダンスを変換し、かつ、電波の伝送方向を曲げる導波管回路を、非常に小型で、しかも周波数特性の優れた高性能な導波管回路として、安価に得ることができる。その結果、伝送線路を導波管で構成する装置を小型化することができると共に、インパット発振器などのように、インピーダンスの小さい導波管を用いて作られる発振器でも、簡単に通常のインピーダンスの導波管で出力することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による導波管回路の一実施形態を示す斜視および断面の説明図である。
【図２】本発明による導波管回路の他の実施形態を示す断面説明図である。
【図３】図１に示される導波管回路の変形例を示す断面説明図である。
【図４】本発明による導波管回路の他の実施形態を示す断面説明図である。
【図５】本発明の導波管回路を用いた応用例を示す断面説明図である。
【図６】図１に示される導波管回路の開口面に形成されるキャパシタンスおよびインダクタンスの説明図およびその等価回路図である。
【図７】（ａ）は、図１に示される導波管回路の挿入損失およびリターンロスの特性例を示す図、（ｂ）は図８に示される従来構造の同様の特性例を示す図である。
【図８】従来のインピーダンスおよび電波の伝送方向を変換する導波管回路の一例を示す斜視および断面の説明図である。
【符号の説明】
１    第１の金属ブロック
１ａ  端面
２    第２の金属ブロック
４    第１の導波管
４ａ  開口面
５    第２の導波管
５ａ  第２の導波管用溝
６    空胴
６ａ  空胴用溝
６１    第１の空胴
６２    第２の空胴
【図１】
2004363916.tif 000003
【図２】
2004363916.tif 000004
【図３】
2004363916.tif 000005
【図４】
2004363916.tif 000006
【図５】
2004363916.tif 000007
【図６】
2004363916.tif 000008
【図７】
2004363916.tif 000009
【図８】
2004363916.tif 000010