JP2005341443A - Power distributor using waveguide slot coupling - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は電力分配器に関し、特に導波管スロット結合を用いた電力分配器に関する。 The present invention relates to a power distributor, and more particularly to a power distributor using waveguide slot coupling.
宇宙太陽発電システム(Space Solar Power System:SSPS)を実現する技術として、高効率なマイクロ波送電のための導波管スロット給電アクティブ集積アンテナの開発が行われている。SSPSは、地球周回軌道上に配置された直径数Kmの超大型フェイズドアレイ(アンテナ素子数:数十億)を使用して、同じく地球周回軌道上の太陽電池パネルで発電された電力を地上の受信局にマイクロ波送電しようとするものである。このシステムを成立させるためには、高精度なビーム制御、送電部の高効率化(太陽電池を除く総合効率80%以上)、および送電システム重量の最小化(数g/W)といった複数の要求規格を満たすことが必要である。 As a technology for realizing a space solar power system (SSPS), a waveguide slot-fed active integrated antenna for high-efficiency microwave power transmission has been developed. SSPS uses an ultra-large phased array (number of antenna elements: billions) with a diameter of several kilometers arranged in an orbit around the earth. It is intended to transmit microwaves to the receiving station. In order to establish this system, multiple requirements such as high-precision beam control, high efficiency of the power transmission unit (overall efficiency of 80% excluding solar cells), and minimization of the power transmission system weight (several g / W) It is necessary to meet the standards.
特に送電部を高効率化するためには、太陽電池パネルで発電された電力がアクティブフェーズドアレイアンテナにより地上に送信されるに際して、太陽電池パネル給電部からアクティブフェーズドアレイアンテナ給電部に高効率に電力分配して供給することが必要である。こうした必要性により、従来から導波管スロット給電アクティブ集積アンテナの開発が行われてきた。 In particular, in order to increase the efficiency of the power transmission unit, when the power generated by the solar panel is transmitted to the ground by the active phased array antenna, power is efficiently transferred from the solar panel power supply unit to the active phased array antenna power supply unit. It is necessary to distribute and supply. Due to these needs, waveguide slot-fed active integrated antennas have been conventionally developed.
導波管スロット給電アクティブ集積アンテナは、特に電力分配部の低損失化および薄型化を図ったシステムである。図1に、導波管スロット給電アクティブ集積アンテナに使われる導波管スロットーマイクロストリップライン電力分配器の構成を示している。従来の導波管スロットーマイクロストリップライン電力分配器は、TE10モードを有し、一端を終端面とした国際規格の方形導波管1と、マイクロストリップラインとを備えている。図1に示されるように、方形導波管1の電界方向に垂直な管壁にスロット1(5)およびスロット2(6)が設けられ、スロット1(5)およびスロット2(6)上にマイクロストリップライン1(3)およびマイクロストリップライン2(4)が配置されている。導波管1の開口端に電力としてマイクロ波が入力される。導波管1に入力されたマイクロ波は、スロット1(5)およびスロット2(6)を介して、スロット1(5)およびスロット2(6)上に配置されたマイクロストリップライン1(3)およびマイクロストリップライン2(4)に電磁結合してマイクロストリップライン1(3)およびマイクロストリップライン2(4)のそれぞれから分配されて出力される。導波管1に設けられたスロット(5,6)を電力分配器として用いる利点は、マイクロストリップライン1(3)およびマイクロストリップライン2(4)における放射損失が無いこと、導波管1およびマイクロストリップライン1(3)およびマイクロストリップライン2(4)の製作が容易であること、電力分配器全体の薄型化が可能であること、および導波管1の管壁を使用して放熱が可能であることである。
The waveguide slot-fed active integrated antenna is a system that achieves particularly low loss and thinning of the power distribution unit. FIG. 1 shows the configuration of a waveguide slot-microstrip line power divider used in a waveguide slot-fed active integrated antenna. A conventional waveguide slot-microstrip line power distributor has a TE10 mode, and includes an international standard
例えば電力分配器全体の厚さについて見てみると、導波管1からマイクロストリップライン1(3)、およびマイクロストリップライン2(4)へは電磁結合を利用して電力が分配されているので、電力分配器の厚みは導波管1の厚さにマイクロストリップラインのサブストレート2の厚みを加えた程度に抑えられる。また、導波管1に対して電力が供給されるため、この形態の電力分配器は大電力用分配器として使用することができる。
For example, looking at the thickness of the entire power distributor, power is distributed from the
上記した導波管スロット結合を用いた電力分配器の電気特性を調べるために、高周波電磁界シミュレータ(HFSS)を使用してシミュレーションモデルが作成された。そして、複数のモデルパラメータが設定されて導波管スロット給電アクティブ集積アンテナに係わる上記導波管スロット結合を用いた電力分配器の実現性を探るためのコンピュータシミュレーションが行われた。 In order to investigate the electrical characteristics of the power distributor using the waveguide slot coupling described above, a simulation model was created using a high frequency electromagnetic field simulator (HFSS). A plurality of model parameters were set, and a computer simulation was conducted to find out the feasibility of the power divider using the waveguide slot coupling related to the waveguide slot-fed active integrated antenna.
図2Aに従来の導波管スロット結合を用いた電力分配器のシミュレーションモデルを示している。図2Aでは、導波管20に設けられているスロット1(24)およびスロット2(25)上にマイクロストリップライン1(22)およびマイクロストリップライン2(23)が配置されるように、導波管20上にマイクロストリップのサブストレート21が設置されている。シミュレーションモデルの座標系は図2Aに示されるように設定されている。導波管の+x方向にある開口端がPORT1(26)に設定されている。マイクロストリップライン1(22)の−y方向の端がPORT2(27)に設定され、マイクロストリップライン2(23)の−y方向の端がPORT3(28)に設定されている。PORT1(26)から導波管20に入力された電力は、導波管20に設けられたスロット1(24)およびスロット2(25)から放射されて、各々のスロット上に配置されたマイクロストリップラインにそれぞれ電磁結合されて分配される。分配された電力は、PORT2(27)およびPORT3(28)より出力される。
FIG. 2A shows a simulation model of a power distributor using a conventional waveguide slot coupling. In FIG. 2A, the waveguide is such that the microstrip line 1 (22) and the microstrip line 2 (23) are disposed on the slot 1 (24) and the slot 2 (25) provided in the
上記したシミュレーションモデルを使用してシミュレーションを実行する際のモデルパラメータの値、および各々のパラメータの、導波管、スロット部、マイクロストリップにおける位置関係が図2Bに示されている。電磁結合部のパラメータとしては、マイクロストリップ線路のオープンスタブ長Lm,スロット長Ls,スロット幅Ws,マイクロストリップ線路のオフセット長dm、マイクロストリップ線路幅Wm,誘電体基板(サブストレート)の誘電率εr、および誘電体基板(サブストレート)厚hが挙げられる。また、導波管スロット部のパラメータとしては、スロットオフセット長d、導波管の寸法a(H面)、b(E面)が挙げられる。特に従来のシミュレーションモデルでは、導波管スロット部のパラメータとして、導波管20に電力として入力されるマイクロ波の周波数5.6GHzに対応するWRJ−6の規格寸法が、導波管の寸法a(H面)、b(E面)にそのまま使用されている。
FIG. 2B shows model parameter values when the simulation is performed using the simulation model described above, and the positional relationship of each parameter in the waveguide, the slot portion, and the microstrip. The parameters of the electromagnetic coupling section include: microstrip line open stub length Lm, slot length Ls, slot width Ws, microstrip line offset length dm, microstrip line width Wm, dielectric constant εr of the dielectric substrate (substrate) , And dielectric substrate (substrate) thickness h. Further, the parameters of the waveguide slot portion include a slot offset length d, a waveguide dimension a (H plane), and b (E plane). In particular, in the conventional simulation model, the standard dimension of WRJ-6 corresponding to the frequency 5.6 GHz of the microwave input as electric power to the
図2Bに示されたパラメータの値を使って高周波電磁界シミュレータ(HFSS)でシミュレーションされた結果を図3に示している。図3(a)には4GHzから7GHzまでにおけるS11,S21,S31が示されている。また、図3(b)には4GHzから7GHzまでにおける結合度(Coupling Factor)が示されている。ここで、結合度(Coupling Factor)は以下のように定義されている。 FIG. 3 shows the result of simulation by a high frequency electromagnetic field simulator (HFSS) using the parameter values shown in FIG. 2B. FIG. 3 (a) shows S11, S21, and S31 from 4 GHz to 7 GHz. FIG. 3B shows the coupling factor from 4 GHz to 7 GHz. Here, the coupling factor is defined as follows.
先に述べたように、宇宙太陽発電システムにおいては太陽電池を除く総合効率80%以上を目指しており、従来のシミュレーションモデルにおける性能では効率的に不十分であった。このため、導波管20からマイクロストリップラインへ電力を分配するに際して、更なる効率の改善が必要であり、最終的にはこの部分で95%の結合度を目指している。
As described above, the space solar power generation system aims at an overall efficiency of 80% or more excluding solar cells, and the performance in the conventional simulation model is not efficient enough. For this reason, when power is distributed from the
こうした技術に関連して、今までにいくつかの提案がなされてきている。 Several proposals have been made so far in relation to these technologies.
例えば、Mortazawi等により、「A Slotted Waveguide Quasi−Optical Power Amplifier」が提案されている。この「A Slotted Waveguide Quasi−Optical Power Amplifier」において、8分配される導波管スロットとマイクロストリップラインとの電磁結合シミュレーションモデルで、93%の結合度が得られたことが報告されている。 For example, “A Slotted Waveguide Quasi-Optical Power Amplifier” has been proposed by Mortazawi et al. In this “A Slotted Waveguide Quasi-Optical Power Amplifier”, it is reported that a coupling degree of 93% was obtained in an electromagnetic coupling simulation model of a waveguide slot and a microstrip line divided into eight.
また、特開平8−148913に開示されている「導波管ーマイクロストリップ線路変換器」では、TE10の伝播モードを有し、一端を終端面とした方形導波管と、この方形導波管の内面に生ずる高周波電流と交差する向きにして方形導波管の管壁に設けられたスロットと、スロットと交差する向きに配置されストリップ導体の一部に形成された帯状の給電導体を有するマイクロストリップ線路とを備えた導波管ーマイクロストリップ線路変換器が提案されている。 In addition, in the “waveguide-microstrip line converter” disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-148913, a rectangular waveguide having a TE10 propagation mode and having one end as a termination surface, and the rectangular waveguide And a slot provided on the tube wall of the rectangular waveguide in a direction intersecting with the high-frequency current generated on the inner surface of the rectangular waveguide, and a strip-shaped feed conductor formed in a part of the strip conductor disposed in the direction intersecting with the slot Waveguide-microstrip line converters with strip lines have been proposed.
また、特開平9−246816に開示されている「導波管ーマイクロストリップ線路変換器」では、導波管の電界に垂直な管壁に導波管の内外に貫通されるスロットが設けられ、このスロット上にマイクロストリップ線路の一部が配置された導波管ーマイクロストリップ線路変換器が提案されている。 In addition, in the “waveguide-microstrip line converter” disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 9-246816, a slot penetrating into and out of the waveguide is provided on the tube wall perpendicular to the electric field of the waveguide, A waveguide-microstrip line converter in which a part of the microstrip line is disposed on the slot has been proposed.
また、特開平2002−9512に開示されている「高周波線路の変換器」では、高周波線路から導波管へまたはその逆方向に信号を伝達する高周波線路の変換器が提案されている。この高周波線路の変換器は、表面に高周波線路が形成され裏面にスロット共振器形成された基板と、該基板と導波管の間に介在しスロット共振器に電磁的に結合する導波管部とを有しており、該導波管は高周波線路と導波管のインピーダンス整合の役割を果たしている。 Further, in the “high-frequency line converter” disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2002-9512, a high-frequency line converter that transmits a signal from a high-frequency line to a waveguide or in the opposite direction is proposed. The high-frequency line converter includes a substrate having a high-frequency line formed on the front surface and a slot resonator formed on the back surface, and a waveguide portion interposed between the substrate and the waveguide and electromagnetically coupled to the slot resonator. The waveguide plays a role of impedance matching between the high-frequency line and the waveguide.
本発明の目的は、高結合度を有し、且つ反射損失の少ない、導波管スロット結合を用いた電力分配器を提供することである。 An object of the present invention is to provide a power distributor using waveguide slot coupling that has a high degree of coupling and low reflection loss.
以下に、[発明を実施するための最良の形態]で使用する括弧付き符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの符号は、[特許請求の範囲]の記載と[発明を実施するための最良の形態]の記載との対応関係を明らかにするために付加されたものであるが、[特許請求の範囲]に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。 In the following, means for solving the problem will be described using reference numerals with parentheses used in [Best Mode for Carrying Out the Invention]. These symbols are added in order to clarify the correspondence between the description of [Claims] and the description of the best mode for carrying out the invention. ] Should not be used for interpretation of the technical scope of the invention described in the above.
本発明の電力分配器は、マイクロストリップライン(43,44)と、TE10モードを有して一端を短絡終端とした方形導波管(41)とを備え、導波管(41)の電界方向に垂直な管壁にスロット(45,46)が設けられ、スロット(45,46)上にマイクロストリップライン(43,44)が配置され、導波管(41)の特性インピーダンスは導波管(41)のE面寸法およびH面寸法が調整されることによりマイクロストリップライン(43,44)の特性インピーダンスに整合される。 The power distributor of the present invention includes a microstrip line (43, 44) and a rectangular waveguide (41) having a TE10 mode and having one end short-circuited, and the electric field direction of the waveguide (41). Slots (45, 46) are provided on the tube wall perpendicular to the microstrip line (43, 44), and the characteristic impedance of the waveguide (41) is the waveguide ( 41) The E plane dimension and the H plane dimension of 41) are adjusted to match the characteristic impedance of the microstrip line (43, 44).
また、本発明の電力分配器の導波管(41)に電力が供給され、所定周波数において電力がスロット(45,46)を介して、マイクロストリップライン(43,44)に対して90%以上の結合度で分配される。 Further, power is supplied to the waveguide (41) of the power distributor of the present invention, and the power is 90% or more with respect to the microstrip line (43, 44) through the slot (45, 46) at a predetermined frequency. It is distributed with the degree of coupling.
また、本発明の電力分配器のスロットの長さは、導波管(41)に電力を供給するために入力されるマイクロ波の管内波長の半分であり、マイクロストリップライン(43,44)はスロット(43,44)の長さ方向の中心に垂直に配置される。 Also, the slot length of the power distributor of the present invention is half the in-tube wavelength of the microwave input to supply power to the waveguide (41), and the microstrip lines (43, 44) are The slots (43, 44) are arranged perpendicular to the longitudinal center.
また、本発明の電力分配器の導波管(41)は放熱構造を有し、放熱構造により電力分配器の放熱が行われる。 In addition, the waveguide (41) of the power distributor of the present invention has a heat dissipation structure, and heat dissipation of the power distributor is performed by the heat dissipation structure.
また、本発明の電力分配器の導波管(41)に入力される電力が所定の周波数において導波管(41)の入力ポートから反射される反射率が、1%未満である。 Further, the reflectance at which the power input to the waveguide (41) of the power distributor of the present invention is reflected from the input port of the waveguide (41) at a predetermined frequency is less than 1%.
また、本発明の電力分配器の結合度は、導波管(41)への透過電力に対するマイクロストリップライン(43,44)に結合する電力の比として定義され、結合度が5GHzから7GHzにおいて0.05/GHz以下の平坦度である。 The coupling degree of the power distributor of the present invention is defined as the ratio of the power coupled to the microstrip line (43, 44) to the transmitted power to the waveguide (41), and the coupling degree is 0 at 5 GHz to 7 GHz. .05 / GHz or less flatness.
また、本発明の導波管スロット給電アクティブ集積アンテナ(70)は電力分配器を備える。 The waveguide slot-fed active integrated antenna (70) of the present invention also includes a power distributor.
また、本発明の宇宙太陽発電システム(84)は電力分配器を備える。 In addition, the space solar power generation system (84) of the present invention includes a power distributor.
本発明により、大電力マイクロ波を高効率で電力分配することができ、且つ、小型軽量である電力分配器を供給することができる。 According to the present invention, a high-power microwave can be distributed with high efficiency, and a small and lightweight power distributor can be supplied.
添付図面を参照して、本発明による導波管スロット結合を用いた電力分配器を実施するための最良の形態を以下に説明する。 The best mode for carrying out a power distributor using waveguide slot coupling according to the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
(実施の形態1)
本発明の実施の形態1に係わる導波管スロット結合を用いた電力分配器の構成を図4に示している。本実施の形態に係わる導波管スロット結合を用いた電力分配器の基本構成は、図1に示されている従来の実施の形態に係わる導波管スロット結合を用いた電力分配器と同じである。本実施の形態の導波管スロット結合を用いた電力分配器は、TE10モードを有し、一端を終端面とした方形導波管41と、サブストレート42とマイクロストリップライン1(43)およびマイクロストリップライン2(44)とを有するマイクロストリップラインとを備えている。導波管41の電界方向に垂直な管壁にスロット1(45)およびスロット2(46)が設けられている。スロット1(45)およびスロット2(46)の長さ方向の中心にマイクロストリップライン1(43)およびマイクロストリップライン2(44)が垂直向きに配置されている。
(Embodiment 1)
FIG. 4 shows the configuration of a power distributor using waveguide slot coupling according to the first embodiment of the present invention. The basic configuration of the power distributor using the waveguide slot coupling according to the present embodiment is the same as that of the power distributor using the waveguide slot coupling according to the conventional embodiment shown in FIG. is there. The power distributor using the waveguide slot coupling of the present embodiment has a TE10 mode, a rectangular waveguide 41 having one end as a termination surface, a substrate 42, a microstrip line 1 (43) and a microstrip. And a microstrip line having a strip line 2 (44). Slot 1 (45) and slot 2 (46) are provided on the tube wall perpendicular to the electric field direction of waveguide 41. A microstrip line 1 (43) and a microstrip line 2 (44) are arranged vertically in the center in the longitudinal direction of the slot 1 (45) and the slot 2 (46).
導波管41の開口端より入力されて電力を供給するマイクロ波は、導波管の磁界方向に伝播して進行し、スロット1(45)およびスロット2(46)へ分配されて導波管41外部へと放射される。スロット1(45)およびスロット2(46)上には、マイクロストリップライン1(43)およびマイクロストリップライン2(44)が配置されていて、スロット1(45)およびスロット2(46)から放射されるマイクロ波はマイクロストリップライン1(43)およびマイクロストリップライン2(44)に電磁結合されてマイクロストリップライン1(43)およびマイクロストリップライン2(44)に沿って伝播される。 A microwave that is input from the open end of the waveguide 41 and supplies power propagates in the direction of the magnetic field of the waveguide, travels, is distributed to the slot 1 (45) and the slot 2 (46), and is guided to the waveguide. 41 is emitted to the outside. A microstrip line 1 (43) and a microstrip line 2 (44) are arranged on the slot 1 (45) and the slot 2 (46), and are emitted from the slot 1 (45) and the slot 2 (46). The microwaves are electromagnetically coupled to the microstrip line 1 (43) and the microstrip line 2 (44) and propagate along the microstrip line 1 (43) and the microstrip line 2 (44).
本実施の形態に係わる導波管スロット結合を用いた電力分配器が従来の実施の形態に係わる導波管スロット結合を用いた電力分配器と異なる点は、
(a)導波管41とマイクロストリップライン1(43)およびマイクロストリップライン2(44)との結合度を高めるために、導波管41の特性インピーダンスはマイクロストリップライン1(43)およびマイクロストリップライン2(44)の特性インピーダンスに整合されるよう寸法に設定変更されたことである。このために、導波管41のH面の寸法とE面の寸法とは変更されて、電界方向に平行であるE面の電界方向の寸法が際立って短くなっている。
The difference between the power divider using the waveguide slot coupling according to the present embodiment and the power divider using the waveguide slot coupling according to the conventional embodiment is that
(A) In order to increase the degree of coupling between the waveguide 41 and the microstrip line 1 (43) and the microstrip line 2 (44), the characteristic impedance of the waveguide 41 is the microstrip line 1 (43) and the microstrip. That is, the dimensions are changed to match the characteristic impedance of the line 2 (44). For this reason, the dimension of the H surface of the waveguide 41 and the dimension of the E surface are changed, and the dimension of the E surface in the electric field direction parallel to the electric field direction is remarkably shortened.
(b)また、導波管41の特性インピーダンスがマイクロストリップライン1(43)およびマイクロストリップライン2(44)の特性インピーダンスに整合されることにより、従来の導波管スロット結合を用いた電力分配器ではスロットに対するマクロストリップラインの配置位置はインピーダンスの低いスロット端部とされていたのが、本実施の形態では、スロット1(45)およびスロット2(46)の中心にマイクロストリップライン1(43)およびマイクロストリップライン2(44)が各々配置されている。これは、最もインピーダンスが高いスロット中心位置で導波管41とマイクロストリップライン1(43)およびマイクロストリップライン2(44)とのインピーダンス整合が取られることにより、導波管からスロット1(45)およびスロット2(46)を介して空間に放射される電力の大部分がマイクロストリップライン1(43)およびマイクロストリップライン2(44)に結合するからである。 (B) Further, the characteristic impedance of the waveguide 41 is matched with the characteristic impedance of the microstrip line 1 (43) and the microstrip line 2 (44), so that power distribution using the conventional waveguide slot coupling is performed. In the present embodiment, the arrangement position of the macro strip line with respect to the slot is the slot end portion with low impedance, but in this embodiment, the micro strip line 1 (43 ) And microstrip line 2 (44), respectively. This is because the waveguide 41 and the microstrip line 1 (43) and the microstrip line 2 (44) are impedance-matched at the center of the slot where the impedance is the highest, so that the slot 1 (45) is removed from the waveguide. This is because most of the power radiated to the space through the slot 2 (46) is coupled to the microstrip line 1 (43) and the microstrip line 2 (44).
[シミュレーションモデル]
上記考え方に基づいて、本実施の形態に係わるシミュレーションモデルが高周波電磁界シミュレータ(HFSS)を使用して作成された。本実施の形態に係わるシミュレーションモデルを図5Aに示している。本実施の形態に係わるシミュレーションモデル構成は、従来の実施の形態に係わる導波管スロットーマイクロストリップ変換部のシミュレーションモデルと同じものであり、ここではモデルの説明を省略する。
[Simulation model]
Based on the above concept, a simulation model according to the present embodiment was created using a high frequency electromagnetic field simulator (HFSS). A simulation model according to the present embodiment is shown in FIG. 5A. The simulation model configuration according to the present embodiment is the same as the simulation model of the waveguide slot-microstrip conversion unit according to the conventional embodiment, and the description of the model is omitted here.
[シミュレーションパラメータ]
本発明の実施の形態に係わるシミュレーションモデルを使用してシミュレーションを実行する際のモデルパラメータの値、および各々のパラメータの、導波管、スロット部、マイクロストリップにおける位置関係が図5Bに示されている。本実施の形態のシミュレーションモデルで設定されているモデルパラメータは、従来のシミュレーションモデルにおいて設定されていたモデルパラメータと同様である。特に本発明の実施の形態に係わるシミュレーションモデルにおいては、導波管50の特性インピーダンスをマイクロストリップライン1(52)およびマイクロストリップライン2(53)の特性インピーダンスに整合させることを目的として、導波管スロット部の”導波管H面寸法(a)”と、”導波管E面寸法(b)”とがパラメータサーチされている。また、上記したように、最もインピーダンスが高いスロット中心位置で導波管50とマイクロストリップライン1(52)およびマイクロストリップライン2(53)とのインピーダンス整合を取ることを目的として、マイクロストリップラインがスロットの中心からどれだけずれた位置に配置されているのかを示すモデルパラメータである”マイクロストリップ線路のオフセット長(dm)”は0mmに設定されている。
[Simulation parameters]
FIG. 5B shows the values of model parameters when the simulation is executed using the simulation model according to the embodiment of the present invention, and the positional relationship of each parameter in the waveguide, slot portion, and microstrip. Yes. The model parameters set in the simulation model of the present embodiment are the same as the model parameters set in the conventional simulation model. Particularly, in the simulation model according to the embodiment of the present invention, the
[シミュレーション結果]
図5Bに示されたパラメータの値が設定されて、高周波電磁界シミュレータ(HFSS)により実行された結果が図6に示されている。図6(a)には4GHzから7GHzまでにおけるS11,S21,S31が示されている。また、図6(b)には4GHzから7GHzまでにおける結合度(Coupling Factor)が示されている。ここで、結合度ηの定義は従来の実施の形態における定義と同じである。
[simulation result]
FIG. 6 shows the result of setting the values of the parameters shown in FIG. 5B and executing them by the high frequency electromagnetic field simulator (HFSS). FIG. 6A shows S11, S21, and S31 from 4 GHz to 7 GHz. FIG. 6B shows the coupling factor from 4 GHz to 7 GHz. Here, the definition of the degree of coupling η is the same as the definition in the conventional embodiment.
図6(a)に示されているように、導波管50へ電力を供給するためにPORT1(56)に入力されるマイクロ波の反射率は、5.6GHzにおいて、0.03%である。また、PORT1(56)に入力されて、PORT2(57)およびPORT3(58)より出力されるマイクロ波の5.6GHzにおける通過損失はそれぞれ、S21=−2dBおよびS31=−4dB程度である。図6(b)に示されているように、このときの結合度は、5.6GHzにおいて90%以上である。つまり、本実施の形態におけるシミュレーションモデルにおいては、導波管50に入力される電力の90%以上の電力が2本のマイクロストリップライン52,53に電磁的に結合されて分配されている。また、本実施の形態における導波管のカットオフ周波数である5GHzより高い周波数において、5GHzから7GHzまでの実に2GHz以上の周波数帯域に渡って90%程度の結合度が保たれている。
As shown in FIG. 6A, the reflectance of the microwave input to the PORT 1 (56) for supplying power to the
本実施の形態においては、導波管50に入力されるマイクロ波の反射率は所定周波数においてわずか0.03%に抑えられており、さらに、実際に導波管50に入力された電力がマイクロストリップライン52,53に分配される電力の結合効率が90%以上である。このことは、本実施の形態の導波管スロット結合を用いた電力分配器において結合部からの漏洩に起因する損失が非常に小さく、高効率化されていることを意味している。
In the present embodiment, the reflectance of the microwave input to the
本発明の実施の形態においては、導波管41のサイズを設計パラメータに加えて、導波管41の寸法を従来の国際規格寸法から変更し、マイクロストリップライン43,44の特性インピーダンスと導波管41の特性インピーダンスを整合させる。このことにより、広い周波数帯域に渡り90%以上の高結合度を有した電力分配器を実現させることができる。 In the embodiment of the present invention, the size of the waveguide 41 is added to the design parameters, the dimensions of the waveguide 41 are changed from the conventional international standard dimensions, and the characteristic impedance of the microstrip lines 43 and 44 and the waveguide are changed. The characteristic impedance of the tube 41 is matched. As a result, it is possible to realize a power distributor having a high coupling degree of 90% or more over a wide frequency band.
また、電力入力部に導波管41を使用することにより、マグネトロンや進行波管(TWT)などにより生成された大電力のマイクロ波の入力にも十分に耐え得る電力分配器とすることができる。さらに、導波管の加工精度の範囲において、高周波のマイクロ波への対応もできる。 Further, by using the waveguide 41 for the power input unit, it is possible to provide a power distributor that can sufficiently withstand the input of high-power microwaves generated by a magnetron, traveling wave tube (TWT), or the like. . Furthermore, it is possible to cope with high-frequency microwaves within the range of processing accuracy of the waveguide.
この他にも、電力分配器としてのサイズが導波管サイズに厚さ1mm程度以下のサブストレート42を装荷しただけの構造であるため、非常に小型軽量にすることができると共に、構造がシンプルであるため、容易に多分配構造に発展させることができる。 In addition to this, since the size of the power distributor is simply a structure in which the substrate 42 having a thickness of about 1 mm or less is loaded on the waveguide size, it can be made very small and light, and the structure is simple. Therefore, it can be easily developed into a multi-distribution structure.
(実施の形態2)
実施の形態1に示されている導波管スロット結合を用いた電力分配器を備えた導波管スロット給電アクティブ集積アンテナ70の構成を図7に示している。
(Embodiment 2)
FIG. 7 shows a configuration of a waveguide slot-fed active integrated antenna 70 provided with a power distributor using the waveguide slot coupling shown in the first embodiment.
導波管スロット給電アクティブ集積アンテナ70は、導波管スロット結合を用いた電力分配器部と、アクティブ集積アンテナ部とにより構成される。導波管スロット結合を用いた電力分配器部は、導波管71、導波管スロットライン73、マイクロストリップライン72、および給電部74Aを備える。スロット結合を用いた電力分配器部の構成および動作については実施の形態1に記述したとおりである。
The waveguide slot-fed active integrated antenna 70 includes a power distributor unit using a waveguide slot coupling and an active integrated antenna unit. The power distributor unit using the waveguide slot coupling includes a waveguide 71, a waveguide slot line 73, a
アクティブ集積アンテナ部は、給電層74C,位相制御層76、およびアンテナ層79を備えている。給電層74Cは、給電層給電部74Bと、位相制御層76と電磁的に結合するためのサブストレート上パッチアンテナ75を有している。位相制御層76は、Active Device77および移相器78を有している。また、アンテナ層79は、位相制御層76と電磁結合するためのサブストレート上パッチアンテナ75および地上の基地局に向けてマイクロ波を送信するためのアンテナ群100を有している。
The active integrated antenna unit includes a
導波管スロット結合を用いた電力分配器部の給電部74Aとアクティブ集積アンテナ部の給電層給電部74Bとは電気的に接続されている。そして、給電部74Aに分配されて出力された電力は給電層74Cに形成されている給電層給電部74Bに送られる。給電層74Cにおいて、給電層給電部74Bが形成されている面の裏面にはサブストレート上パッチアンテナ75が形成されている。そして、給電層給電部74Bとサブストレート上パッチアンテナ75とは表裏で電気的に接続されており、給電層給電部74Bに伝送された電力はサブストレート上パッチアンテナ75を介して対向する位相制御層76に電磁結合される。給電層給電部74Bからサブストレート上パッチアンテナ75を介して位相制御層に供給された電力は、位相制御層76上に形成されているActive Device77により増幅、および同じく位相制御層76上に形成されている移相器78により位相制御される。そして、位相制御層76において増幅および位相制御されたマイクロ波の電力は、アンテナ層79の位相制御層76に対向している面上に形成されているサブストレート上パッチアンテナ75を介して電磁結合されてアンテナ層に電力が供給される。アンテナ層79のサブストレート上パッチアンテナ75が形成されている面の裏面にはアンテナ群100が形成されており、このアンテナ群100を介してアンテナ層79まで送られてきた電力はマイクロ波の形で地上局に送信される。
The power feeding unit 74A of the power distributor unit using the waveguide slot coupling and the power feeding layer
本実施の形態によれば、アクティブ集積アンテナ部においては、低損失移相器による位相制御および集積アンテナによる地上の基地局へのマイクロ波放射が行われる。導波管スロット結合を用いた電力分配器部と、アクティブ集積アンテナ部とが一体化されることにより、移相器などの能動回路とアンテナとを別々に作成するのに比較して伝播損失が少なくなると共に小型軽量化を実現させることができる。 According to this embodiment, in the active integrated antenna unit, phase control by a low-loss phase shifter and microwave radiation to a ground base station by an integrated antenna are performed. By integrating the power divider unit using waveguide slot coupling and the active integrated antenna unit, the propagation loss is reduced compared to creating an active circuit such as a phase shifter and an antenna separately. It is possible to reduce the size and weight while reducing the number.
また、本実施の形態の導波管スロット給電アクティブ集積アンテナ70においては、導波管71を二次元的に配列させることによって広面積を有した送電アンテナを形成することができる。例えば図7では、導波管71と同等な導波管71Aおよび71Bを1方向に対してのみ配列させているが、これを2方向に対して配列させて、より広面積を有する送電アンテナを形成することもできる。
In the waveguide slot-fed active integrated antenna 70 of the present embodiment, a power transmission antenna having a large area can be formed by arranging the waveguides 71 two-dimensionally. For example, in FIG. 7, the
(実施の形態3)
実施の形態2に示される導波管スロット給電アクティブ集積アンテナを備えた宇宙太陽発電システム84(Space Solar Power System:SSPS)の構成を図8に示している。
(Embodiment 3)
FIG. 8 shows the configuration of a space solar power system (SSPS) provided with the waveguide slot-fed active integrated antenna shown in the second embodiment.
この宇宙太陽発電システム84は、衛星の姿勢制御、衛星の電力制御、および衛星と地上局との通信を制御するバス機器を搭載した衛星本体80と、ミッション機器であるマイクロ波送電ユニット82とを備える。また、マイクロ波送電ユニット82は、太陽電池81と送電アンテナ83とを有している。
This space solar power generation system 84 includes a satellite body 80 equipped with a bus device that controls satellite attitude control, satellite power control, and communication between the satellite and the ground station, and a microwave
マイクロ波送電ユニット82は、太陽電池81により発電された電力を、送電アンテナ83からマイクロ波の形で、地上に設置されている受信局および軌道上に配置されている他の宇宙機器に送信することを目的とするミッション機器である。マイクロ波送電ユニット82は、広面積のパネルの両端部に送電アンテナ83を有し、広面積のパネルの宇宙空間指向面に太陽電池81を有している。送電アンテナ83には、実施の形態2に示されている導波管スロット給電アクティブ集積アンテナが適用されることにより、太陽電池81で発電された電力は効率良くマイクロ波により、地上に設置された受信局、および他の宇宙機器へ送信される。
The microwave
マイクロ波送電ユニット82を備えたことにより、宇宙太陽発電システム84を成立させるために必要な、高精度なマイクロ波ビーム制御、大電力マイクロ波の電力分配、送電部の高効率化(太陽電池を除く総合効率80%以上)、および送電システム重量の最小化(数g/W)の各々の要求規格を満たすことができる。
By providing the microwave
1…導波管(WRJ−6)
2、21、42、51…サブストレート
3、22、43、52…マイクロストリップライン1
4、23、44、53…マイクロストリップライン2
5、24、45、54…スロット1
6、25、46、55…スロット2
20、41、50、71、71A、71B…導波管
26、56…PORT1(input)
27、57…PORT2(output)
28、58…PORT3(output)
70…導波管スロット給電アクティブ集積アンテナ
72…マイクロストリップライン
73…導波管スロットライン
74A…給電部
74B…給電層給電部
74C…給電層
75…サブストレート上パッチアンテナ
76…位相制御層
77…Active Device
78…移相器
79…アンテナ層
80…衛星本体
81…太陽電池
82…マイクロ波送電ユニット
83…送電アンテナ
84…宇宙太陽発電システム
100…アンテナ群
1 ... Waveguide (WRJ-6)
2, 21, 42, 51 ...
4, 23, 44, 53 ...
5, 24, 45, 54 ...
6, 25, 46, 55 ...
20, 41, 50, 71, 71A, 71B ... Waveguide 26, 56 ... PORT1 (input)
27, 57 ... PORT2 (output)
28, 58 ... PORT3 (output)
70 ... Waveguide slot fed active
78 ... Phase shifter 79 ... Antenna layer 80 ... Satellite body 81 ...
Claims (8)
TE10モードを有し、一端を短絡終端とした方形導波管と
を具備し、
前記導波管の電界方向に垂直な管壁にスロットが設けられ、
前記スロット上に前記マイクロストリップラインが配置され、
前記導波管の特性インピーダンスは前記導波管のE面寸法およびH面寸法が調整されることにより前記マイクロストリップラインの特性インピーダンスに整合される
電力分配器。 Microstrip line,
A rectangular waveguide having a TE10 mode and having one end short-circuited;
Slots are provided in the tube wall perpendicular to the electric field direction of the waveguide,
The microstrip line is disposed on the slot;
A power divider in which the characteristic impedance of the waveguide is matched to the characteristic impedance of the microstrip line by adjusting the E-plane dimension and the H-plane dimension of the waveguide.
前記導波管に電力が供給され、所定周波数において前記電力が前記スロットを介して、前記マイクロストリップラインに対して90%以上の結合度で分配される
電力分配器。 The power divider according to claim 1, wherein
A power distributor in which power is supplied to the waveguide and the power is distributed at a predetermined frequency to the microstrip line through the slot with a coupling degree of 90% or more.
前記スロットの長さは前記導波管に電力を供給するために入力されるマイクロ波の管内波長の半分であり、前記マイクロストリップラインは前記スロットの長さ方向の中心に垂直に配置される
電力分配器。 The power divider according to claim 1 or 2,
The length of the slot is half the in-tube wavelength of the microwave input to supply power to the waveguide, and the microstrip line is disposed perpendicular to the center of the slot in the length direction. Distributor.
前記導波管は放熱構造を有し、
前記放熱構造により前記電力分配器の放熱が行われる
電力分配器。 The power divider according to any one of claims 1 to 3,
The waveguide has a heat dissipation structure,
A power distributor in which heat dissipation of the power distributor is performed by the heat dissipation structure.
前記導波管に供給される電力が、所定の周波数において前記導波管の入力ポートから反射される反射率が1%未満である
電力分配器。 The power divider according to any one of claims 1 to 4,
A power distributor in which the power supplied to the waveguide has a reflectance of less than 1% reflected from an input port of the waveguide at a predetermined frequency.
前記結合度は前記導波管への透過電力に対する前記マイクロストリップラインに結合する電力の比として定義され、前記結合度が5GHzから7GHzにおいて0.05/GHz以下の平坦度である
電力分配器。 The power divider according to any one of claims 1 to 4,
The degree of coupling is defined as a ratio of power coupled to the microstrip line to transmitted power to the waveguide, and the degree of coupling is a flatness of 0.05 / GHz or less at 5 GHz to 7 GHz.
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