(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基本波がＴＥモードで共振する共振領域を備えた導波管型の共振器において、
基本波に対して遮断域であり、抑制するｎ次高調波［ｎは２以上の整数］に対して伝搬域となる寸法によって形成され、中心が前記共振領域のＥ面の長手方向の中央からずれた位置に配置されている付加領域を備えたことを特徴とする高調波抑制共振器。
【請求項２】
前記共振領域は基本波がＴＥモードで共振する略矩形導波管型共振器をなし、
前記付加領域は、前記略矩形導波管型共振器のＥ面が突出した形状をなし、前記Ｅ面の長手方向に沿った幅は基本波の１／２波長以下且つｎ次高調波の１／２波長以上であり、奥行きはｎ次高調波のｍ／２波長［ｍは１以上の整数］以外である、請求項１に記載の高調波抑制共振器。
【請求項３】
前記付加領域の奥行きはｎ次高調波の略（１＋２ｍ）／４波長［ｍは０以上の整数］である、請求項２に記載の高調波抑制共振器。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の高調波抑制共振器と、前記共振領域に対して伝搬信号を導入・導出する入出力部を備えた高調波伝搬阻止フィルタ。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれかに記載の高調波抑制共振器と、当該高調波抑制共振器に結合して前記基本波の周波数で発振する能動回路と、を備えた高調波抑制発振器。
【請求項６】
前記基本波をπモードで発振するマグネトロンとアンテナとを備え、前記マグネトロンと前記アンテナとの間の伝搬路に請求項４に記載の高調波伝搬阻止フィルタを備えたマイクロ波送信機。
【請求項７】
請求項６に記載のマイクロ波送信機と、
前記アンテナから放射されたマイクロ波が物標で反射した信号を受信する受信回路と、を備えたレーダ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、高周波信号を扱う回路において、基本波周波数以外の高調波成分を抑制する高調波抑制共振器、それを備えた高調波伝搬阻止フィルタ、高調波抑制発振器、マイクロ波送信機等の高調波抑制高周波機器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電波資源の有効利用を図る見地から、各種高周波機器においては使用周波数帯から離れた周波数帯域で不要な輻射が生じないように規制や勧告がなされている。
【０００３】
例えば大電力を扱うレーダから放射される電波に含まれる不要輻射を抑制するものとして特許文献１が示されている。
【０００４】
船舶用レーダの送信管としてはマグネトロンが用いられている。このマグネトロンは、基本的にπモードで発振して基本波周波数のマイクロ波を発生するが、同時に基本波周波数の２次高調波の発振モードであるπ−１モードの周波数成分（２逓倍波成分）が不要輻射として生じる。特許文献１ではこの不要輻射を抑制するために、ペデスタル部のロータリージョイントを利用して、ロータリージョイントの中心軸上の同軸管にスプリアス抑制フィルタ（ＬＰＦ）を設けている。
【０００５】
また、一般に伝送路として導波管を用いた高周波機器において、基本波成分のみを伝搬させるために導波管型の共振器がフィルタとして設置される。
【特許文献１】特開２００７−８１８５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、特許文献１に示されているようなローパスフィルタを用いる構成では、基本波周波数帯域から高域側の周波数帯について比較的広い周波数帯に亘って高調波成分が抑制できるものの、基本波周波数帯から高域にかけての減衰特性が急峻ではなく、肝心の２次高調波の抑制効果が低いという問題があった。
【０００７】
また、導波管型の共振器をフィルタとして備えた構成においては、例えば矩形導波管のＴＥ□101モード（以下、単に「ＴＥ１０１モード」という。）で共振する導波管型フィルタを設けた場合に、基本波が透過するだけでなく，ＴＥ□202モード（以下、単にＴＥ２０２モードという。）でも共振するので、２次高調波も透過してしまう。そのため導波管型フィルタは高調波伝搬阻止フィルタとして用いることはできなかった。このことを図１を用いて次に説明する。
【０００８】
図１は従来の、高調波抑制機能のない導波管型共振器の構成を示す図である。図１（Ａ）はその外観斜視図である。基本的には、矩形導波管を平面形状が正方形となる寸法に切りだして、前後の開口部を導体で閉塞したような形状である。
【０００９】
図１（Ｂ）は基本波の電磁界分布を模式的に表している。また図１（Ｃ）は、その２倍波の電磁界分布の構成を模式的に表している。ここで実線の矢印はある瞬間の電気力線、ドットマークおよびクロスマークは磁界の向きをそれぞれ表し、これらによって電磁界強度の分布を表している。
【００１０】
このようにＴＥ１０１モードで共振する導波管型共振器はＴＥ２０２モードでも共振するので、ＴＥ１０１モードを基本波としたときの２次高調波を抑制することができない。
【００１１】
そこで、この発明の目的は、高調波の抑制効果が高い高調波抑制共振器およびそれを備えた高調波抑制高周波機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述の課題を解決するために、この発明は次のように構成する。
（１）この発明の高調波抑制共振器は、基本波がＴＥモードで共振する共振領域を備えた導波管型の共振器において、
基本波に対して遮断域であり、抑制するｎ次高調波［ｎは２以上の整数］に対して伝搬域となる寸法によって形成され、中心が前記共振領域のＥ面の長手方向の中央からずれた位置に配置されている付加領域を備えている。
【００１３】
この構成により、上記付加領域は基本波に対しては影響を与えないので、基本波の共振周波数については変化がないが、ｎ次高調波の共振周波数が低くなる。そのため、抑制しようとするｎ次高調波（ｎ逓倍波）が共振器のｎ次高調波（ｎ倍波）の共振周波数に共振しなくなる。すなわち基本波に対しては共振し、抑制する高調波に対しては共振しない高調波抑制共振器として作用する。
また、これにより、ｎ次高調波の定在波が付加領域に立ちやすくなり、その高調波抑制効果が高まる。
【００１４】
（２）前記共振領域は基本波がＴＥモードで共振する略矩形導波管型共振器をなし、
前記付加領域は、前記略矩形導波管型共振器のＥ面が突出した形状をなし、前記Ｅ面の長手方向に沿った幅は基本波の１／２波長以下且つｎ次高調波の１／２波長以上であり、奥行きはｎ次高調波のｍ／２波長［ｍは１以上の整数］以外とする。
【００１５】
この構成によれば、抑制しようとするｎ次高調波を効果的に抑制することができ、不要高調波を大きく抑制できる。
【００１６】
（３）前記付加領域の奥行きは、特にｎ次高調波の略（１＋２ｍ）／４波長［ｍは０以上の整数］とする。
この構成によれば、抑制しようとするｎ次高調波をさらに最も効果的に抑制することができ、不要高調波を大きく抑制できる。しかも、付加領域の寸法を小さく抑えることができ、全体に大型化することもない。
【００１９】
（４）この発明の高調波伝搬阻止フィルタは、上述の構成を備えた高調波抑制共振器と前記共振領域に対して伝搬信号を導入・導出する入出力部を備える。
【００２０】
この高調波伝搬阻止フィルタを例えば導波管の途中に設けることによって、抑制すべきｎ次高調波の伝搬が阻止される。
【００２１】
（５）この発明の高調波抑制発振器は、前記いずれかの構成の高調波抑制共振器と、この高調波抑制共振器に結合して基本波の周波数で発振する能動回路とを備える。
【００２２】
これにより高調波成分の抑制されたＣ／Ｎ比の高い高調波抑制発振器が構成できる。
【００２３】
（６）この発明のマイクロ波送信機は、基本波をπモードで発振するマグネトロンとアンテナとの間の伝搬路に前記高調波伝搬阻止フィルタを備える。
【００２４】
この構成により、マグネトロンから発生されるπ−１モードの高調波成分が前記高調波伝搬阻止フィルタで阻止されるので不要輻射が抑えられる。
【発明の効果】
【００２５】
この発明によれば、基本波周波数で共振し、所定の高調波周波数に対しては共振せずに抑制する共振器、不要な高調波の伝搬を阻止するフィルタ、不要周波数成分の発振を抑制した発振器、不要な高調波の輻射を抑制したマイクロ波送信機が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
《第１の実施形態》
図２は、第１の実施形態に係る高調波抑制共振器の基本的な構成を示す斜視図および各モードの電磁界分布の例を示す図である。
【００２７】
図２（Ａ）に示すように、高調波抑制共振器１０１は、共振領域２１と、その一部から突出した付加領域２２を備えている。図中、Ｅで示す面がＥ面、Ｈで示す面がＨ面である。この共振器は、内部に付加空間を備えた空洞共振器ということもできる。
【００２８】
上記付加領域２２は、共振領域２１のＥ面が部分的に突出した形状をなし、共振領域２１のＥ面の長手方向に沿った幅が基本波の１／２波長以下で、ｎ次高調波の１／２波長以上であり、且つ長さがｎ次高調波の略１／４波長の奥行きを備えたものである。
【００２９】
基本波の周波数が９．４ＧＨｚである場合、図中の各部の寸法は次のとおりである。
ａ：２２．９ｍｍ
ｂ：５ｍｍ
ｃ：２０ｍｍ
ｄ：５ｍｍ
ｅ：１０ｍｍ
図２（Ｂ）は基本波の電磁界分布、図２（Ｃ）は２倍波モード（擬似ＴＥ２０２モード）の電磁界分布を示している。付加領域２２は、基本波については遮断域であるので、図２（Ｂ）に示すように、付加領域２２が存在していても、基本波の共振周波数はほとんど変化がない。これに対して図２（Ｃ）に示すように、２倍波は付加領域２２に侵入するため、この付加領域２２も含めて共振領域として作用する。その結果、２倍波の実効的な共振空間が広がって、２倍波の共振周波数は付加領域２２が無い場合に比べて低くなる。そのため、２次高調波の周波数（基本波周波数の２倍の周波数）については共振しない。
【００３０】
なお、図２（Ｄ）に示すように、共振領域２１から突出する付加領域２３の奥行きを２次高調波の１／２波長とすれば、この図２（Ｄ）のような定在波が生じて基本波の２倍の周波数で共振してしまうことになる。したがって付加領域の奥行き寸法ｄを適切に定めることが重要である。この寸法ｄを２次高調波の略１／４波長とすれば２倍波の共振周波数の低域へのシフト量が最も大きくなり、それに伴って２次高調波の抑制効果が最も高まる。
【００３１】
図３は、共振領域２１に対する付加領域２４の中心がＥ面の長手方向に沿った長さ方向の中央位置になるように仮に形成した例を示している。この場合、図３（Ｂ）に示すように２倍波の定在波が付加領域２４に十分侵入できずに、実効共振空間が拡大されない。したがって、２次高調波の共振周波数の低下効果が少ない。
【００３２】
そこで、付加領域２４の中心がＥ面の長手方向に沿った長さ方向の中央位置からずれた位置になるように付加領域２４を配置する。
【００３３】
《第２の実施形態》
図４は第２の実施形態に係る高調波伝搬阻止フィルタの構成を示す斜視図である。ここでは電磁界分布が生じる空間のみを取り出して表している。図４において、この高調波伝搬阻止フィルタ２０１は、３つの共振領域２１ａ，２１ｂ，２１ｃを備え、共振領域２１ａ，２１ｃに対して付加領域２２ａ，２２ｃをそれぞれ設けている。また、入出力用空間３１ａ，３１ｃを備え、この入出力用空間３１ａと共振領域２１ａとの間に結合窓３３ａａを設けている。同様に、入出力用空間３１ｃと共振領域２１ｃとの間に結合窓３３ｃｃを設けている。また、共振領域２１ａと２１ｂとの間に結合窓３３ａｂを設け、２１ｂと２１ｃとの間に結合窓３３ｂｃを設けている。
【００３４】
このようにして、３つの共振領域２１ａ，２１ｂ，２１ｃおよび付加領域２２ａ，２２ｃを備えた３つの共振器が順に結合した、３段の共振器からなるフィルタを構成している。このフィルタは、基本波周波数の帯域を通過し且つ２次高調波を阻止する機能を有する帯域通過フィルタとして作用する。
【００３５】
《第３の実施形態》
図５は第３の実施形態に係る高調波伝搬阻止フィルタの主要部の斜視図、図６はその構成部品の分解平面図である。
この高調波伝搬阻止フィルタ２０２は、基本的に、２つの金属ブロック４１，４３およびその間の仕切り板４２とで構成している。
【００３６】
図６（Ａ）は第１の金属ブロック４１の平面図であり、一定深さの凹部を形成することによって共振領域５１ａ，５１ｂを形成している。また共振領域５１ｂには付加領域５２ｂを設けている。また２つの共振領域５１ａ，５１ｂの間に結合窓３３ａｂを形成している。さらに共振領域５１ａには、図における後方に抜ける結合窓３３ａａを形成している。
【００３７】
第２の金属ブロック４３には、金属ブロック４１と鏡対称の関係で共振領域５１ｃ，５１ｄ、付加領域５２ｃ、および結合窓３３ｃｄ，３３ｄｄをそれぞれ形成している。
【００３８】
仕切り板４２は金属ブロック４１，４３の共振領域形成面同士で挟まれる金属板であり、共振領域５１ｂ−５１ｃ同士を連通する結合窓３３ｂｃを開口している。
【００３９】
図５（Ａ）は図６に示した３つの部材を重ね合わせて形成される共振領域を示したものである。ここで結合窓３３ａａ，３３ｄｄにそれぞれ繋がる入出力用空間３２ａ，３２ｄを設けている。これは矩形導波管の端部である。
【００４０】
このような構造により、入出力用空間３２ａ→結合窓３３ａａ→共振領域５１ａ→結合窓３３ａｂ→（共振領域５１ｂ，付加領域５２ｂ）→結合窓３３ｂｃ→（共振領域５１ｃ，付加領域５２ｃ）→結合窓３３ｃｄ→共振領域５１ｄ→結合窓３３ｄｄ→入出力用空間３２ｄの経路で電磁波が伝搬することになる。
【００４１】
図５（Ｂ）は上記共振領域内に生じる２倍波の定在波を濃度分布で示している。このように２倍波の一部は付加領域５２ｂ，５２ｃにも生じ、その共振周波数は基本波周波数の２倍より低くなる。
【００４２】
このフィルタは、４つの共振器が順に結合した４段の共振器からなり、共振領域５１ｂ，付加領域５２ｂによる共振器部で、および共振領域５１ｃ，付加領域５２ｃによる共振器部で、２次高調波の共振が阻止される。
【００４３】
このようにして、基本波周波数の帯域を通過し且つ２次高調波を阻止する機能を有する帯域通過フィルタとして作用する。
【００４４】
図７は、図５・図６に示した高調波伝搬阻止フィルタおよびその付加領域を設けない場合の周波数特性を示す図である。
図７（Ａ）は第３の実施形態に係る高周波伝搬阻止フィルタの特性、図７（Ｂ）はその比較例として、前記付加領域５２ｂ，５２ｃを設けないフィルタの特性図である。いずれも基本波周波数は９．４ＧＨｚであるが、高調波阻止機能がない場合、図７（Ｂ）に示すように約１３．８ＧＨｚおよび１８．８ＧＨｚ帯で通過域が生じている。これに対して第３の実施形態による高調波伝搬阻止フィルタによれば、図７（Ａ）に丸印で示すように１８．８ＧＨｚの挿入損失が大きく、２次高調波が阻止されるのが分かる。
【００４５】
《第４の実施形態》
図８は第４の実施形態に係る高調波抑制共振器の構成を示す水平断面図である。この高調波抑制共振器１０２は、第１の実施形態で示したものと同様の共振領域２１および付加領域２２を備えている。この共振領域２１および付加領域２２は金属ブロック内に構成していて、その金属ブロックに導波管部４０を構成するとともに、導波管部４０の所定箇所と共振領域２１との間に結合窓３３を設けている。
【００４６】
このような構成により、導波管部４０を伝搬する電磁波は、結合窓３３を介して共振領域２１および付加領域２２からなる共振器と結合する。基本波はこの共振器と結合して略全反射する。一方、２次高調波は高調波抑制共振器１０２とは結合しないので、そのまま導波管部４０を透過する。このようにして所望の基本波をトラップし、２次高調波を透過させる回路として用いることかできる。
【００４７】
《第５の実施形態》
図９は第５の実施形態に係る高調波抑制発振器の回路図である。この高調波抑制発振器３０１は、一端を無反射終端した伝送路６１、それに結合する高調波抑制共振器１０３、伝送路６１を伝搬する信号と結合する負性抵抗素子としての能動素子Ｑ、およびスタブ６２，６３を備えている。
【００４８】
このような構成によって帯域反射型発振回路として作用する。高調波抑制共振器１０３は基本波周波数で共振し、２次高調波の周波数では共振しない高調波抑制共振器であるので、２次高調波の周波数では共振せず、２次高調波成分の生じないＣ／Ｎ比の高い発振信号が得られる。なお、高調波抑制共振器１０２は２倍波で共振するモードが生じるが、基本波周波数で発振条件を満たす位置で、伝送路６１に高調波抑制共振器１０３が結合しているので、上記２倍波の共振周波数では発振条件を満足せず、結果的に２倍波の共振周波数成分も生じない。
【００４９】
上記伝送路６１を導波管で構成する場合、高調波抑制共振器１０３には第４の実施形態で示した高調波抑制共振器１０２を用いることができる。
【００５０】
《第６の実施形態》
図１０は第６の実施形態に係る高調波抑制共振器の回路図である。この高調波抑制共振器は円形の共振領域７１と付加領域７２とで構成している。以上に示した各実施形態では、基本波の共振領域を略直方体形状としたが、この図１０に示すように、基本波の共振領域は円筒形状であってもよい。この共振領域７１の基本波の共振モードはＴＭ○010モードであり、２倍波の共振モードはＴＭ○210モードであるので、付加領域７２の作用・効果は図２に示したものと同様である。
【００５１】
《第７の実施形態》
図１１は第７の実施形態に係るマイクロ波送信機の例としての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２、それをパルス駆動する駆動回路１、マグネトロン２の発振信号を後段方向へ伝搬するサーキュレータ３、終端器４、２次高調波を抑制する高調波伝搬阻止フィルタ２０２、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６、ロータリージョイント７、アンテナ８、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９および受信回路１０を備えている。
【００５２】
駆動回路１がマグネトロン２をパルス駆動することによって、９．４ＧＨｚのパルス状マイクロ波信号が出力され、サーキュレータ３→高調波伝搬阻止フィルタ２０２→サーキュレータ６→ロータリージョイント７→アンテナ８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８で受信され、ロータリージョイント７→サーキュレータ６→リミッタ回路９→受信回路１０の経路で受信される。
【００５３】
このように送信信号が高調波伝搬阻止フィルタ２０２を通過する際、２次高調波が阻止されるので、アンテナ８からの２次高調波の不要輻射が抑制される。高調波伝搬阻止フィルタ２０２はサーキュレータ３の後段に設けたので、上記２次高調波はマグネトロン２だけでなくサーキュレータ３で生じるものについても有効である。
【００５４】
なお、高調波伝搬阻止フィルタ２０２を透過せずに反射した２次高調波はサーキュレータ３を介して終端器４で消費されるので、マグネトロン２に対して悪影響を与えることがない。
【００５５】
なお、以上に示した各実施形態では、基本波の共振領域を空洞共振器で構成するものであったが、この共振領域内は空気である必要はなく、固体の誘電体が充填されていてもよい。また、誘電体ブロックの外面に電極膜を形成することによって構成してもよい、本発明の「導波管型の共振器」はこのような構成をも含む。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】従来の導波管型共振器の構成および基本波モードと２倍波モードの電磁界分布の例を示す図である。
【図２】第１の実施形態に係る高調波抑制共振器の構成および各モードの電磁界分布の例を示す図である。
【図３】高調波抑制共振器の付加領域の形成位置の例を示す図である。
【図４】第２の実施形態に係る高調波伝搬阻止フィルタの主要部の斜視図である。
【図５】第３の実施形態に係る高調波伝搬阻止フィルタの主要部の斜視図および電磁界分布の例を示す図である。
【図６】同高調波伝搬阻止フィルタの構成部品の平面図である。
【図７】同高調波伝搬阻止フィルタの周波数特性を示す図である。
【図８】第４の実施形態に係る高調波抑制共振器の構成を示す水平断面図である。
【図９】第５の実施形態に係る高調波抑制発振器の回路図である。
【図１０】第６の実施形態に係る高調波抑制共振器の構成を示す図である。
【図１１】第７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。
【符号の説明】
【００５７】
１１−導波管型共振器
２１−共振領域
２１ａ〜２１ｃ−共振領域
２２，２３，２４−付加領域
３１，３２−入出力用空間
３３−結合窓
４０−導波管部
４１，４３−金属ブロック
４２−仕切り板
５１，７１−共振領域
５２，７２−付加領域
１０１，１０２，１０３−高調波抑制共振器
２０１，２０２−高調波伝搬阻止フィルタ
３０１−高調波抑制発振器
【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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【図１０】
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【図１１】
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