JPH0412041B2

JPH0412041B2 -

Info

Publication number: JPH0412041B2
Application number: JP63195305A
Authority: JP
Inventors: Masamitsu Nakajima; Osami Wada
Original assignee: Kyoto University NUC
Current assignee: Kyoto University NUC
Priority date: 1988-08-06
Filing date: 1988-08-06
Publication date: 1992-03-03
Also published as: JPS6477201A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、導波管を伝搬する電磁波の伝搬モー
ドを円形導波管モードから方形導波管モードに変
換する円形−方形モード変換器に関し、時に、大
電力のマイクロ波やミリ波の伝搬モードを効率よ
く変換し得るようにしたものである。

（従来の技術）マイクロ波やミリ波の導波管伝搬モードを変換
する従来のこの種のモード変換器は、専ら、低電
力電磁波に対する通信用のものに限られており、
近来開発が勧められている核融合トカマク装置に
おけるプラズマの極超高温加熱に用いる大電力ミ
リ波などの大電力電磁波の伝搬に使用し得るオー
バーサイズの導波管における伝搬モードの変換に
使用し得るモード変換器は、少なくとも本発明者
の知る限りにおいては未だ開発の途上にある。

（発明が解決しようとする課題）特に、上述した核融合トカマク装置における加
熱用大電力ミリ波の発生については、最近開発さ
れつつある大電力ミリ波の発生源としての大電力
電子管ジヤイロトロにおいては、磁界により電子
を回転させて大電力ミリ波を発生させる関係上、
その発振出力ミリ波を円形導波管モードにて取出
さざるを得ず、一方、核融合トカマク装置にてプ
ラズマをミリ波により集中照射して加熱する際に
は直線偏波の伝搬モードにてミリ波を放射する必
要がある。したがつて、この種大電力用モード変
換器については、円形導波管モードから直線偏波
伝搬モード乃至方形導波管モードに変換する大電
力用の円形モード−直線偏波モード変換器の開発
が切望されるようになつた。

しかも、大電力ミリ波伝送系において、上述し
たように、必然的に使用さぜるを得ないオーバー
サイズの導波管は、異なる複数種類の伝搬モード
が混在し得るが故に、通例、通信用には適さず、
また、耐電力特性の面からも、従来の低電力通信
用モード変換器は大電力用には全く使用し得な
い、という問題もあつた。

（課題を解決するための手段）本発明の目的は、上述した従来の要望に応えて
その課題を解決し、大電力電磁波の伝送に耐え
て、円形導波管モードから直線偏波伝搬モード乃
至方形導波管モードへのモード変換を効率よく行
ない得る大電力用の円形−方形モード変換器、特
に、大電力ミリ波源としてのジヤイロトロンの出
力における円形導波管TE_pnモード（ｍ＝１、２、
…）を直線偏波の方形導波管TE₁₀モードに変換
する大電力用の円形−方形モード変換器を提供す
ること、すなわち、大電力ミリ波による核融合プ
ラズマの加熱、計測、制御やその他のマイクロ波
加熱に必要な大電力用の円形−方形モード変換器
を提供することにある。

本発明の他の目的は、大電力電磁波の伝送のみ
ならず、比較的低電力の通信用電磁波の伝送にも
同様に効率よく使用し得る円形−方形モード変換
器を提供することにある。

すなわち、本発明円形−方形モード変換器は、
順次に内包する大きさの断面をそれぞれ有する円
筒導波管、その円筒導波管における内径と電磁波
伝搬角の余切との積にほぼ等しい長さの放物筒導
波管および方形導波管を、それぞれの中心軸、共
焦点軸および中心軸を一致させて順次に接続配置
することにより、円形導波管モードの電磁波を方
形導波管モードの電磁波に変換するように構成し
たことを特徴とするものである。

（実施例）以下に図面を参照して実施例につき本発明を詳
細に説明する。

まず、本発明円形−方形モード変換器の基本的
構成の例を第１図ａ〜ｃに示す。なお、第１図ａ
は上面図、同図ｂは側面図、同図ｃは正面図であ
る。図示の基本的構成による本発明円形−方形モ
ード変換器は、内径ａの円筒導波管１と、短軸内
径ｂおよび長軸内径２ｂの放物筒導波管２と、内
面短辺ｃおよび内面長辺ｄの方形導波管３との縦
属接続による円形TE_pn→方形TE_2n,pのモード変
換を行なうようにしたものである。かかる基本的
構成の要部をなす放物筒導波管２は、焦点軸が一
致して共通になるように２枚の放物面鏡を対向さ
せて組合わせた形態のものであり、その共通焦点
軸は円筒導波管１の中心軸と一致させる。一般
に、かかる放物筒導波管２の横幅すなわち短軸内
径ｂは、円筒導波管１の内径ａより大きく選定す
ればよいのであるが、感単のために、以下の説明
においてはａ＝ｂとした場合の例について述べ
る。

しかして、放物筒導波管２の軸方向の長さｌ
は、ｌ＝ａ cot α となるように設定する。なお、上式中のαは、円
筒導波管１内における電磁波の伝搬角であり、 α＝sin^-1（ρ′_pnV_c／πf・ａ）ラジアンによつて与えられる。ここに、ρ′_pnはベツセル関
数J₀′（ρ）＝０のｍ番目の根であり、V_cは光の速
度、ｆは光の周波数である。

一方、方形導波管３の第１図ｃに示す断面の大
きさは、基本的には放物筒導波管２に外接するよ
うに選定してｂ≒ｃとする。

また、円筒導波管１内におけるTE₀₁モードの
電界の姿態を第２図に示し、放物筒導波管２の横
断面内における電磁波モードの素平面波の進行方
向を第３図に示しておく。

上述したところが本発明円形−方形モード変換
器の基本的構成であり、必要に応じ、つぎに述べ
るような種々の変更を施して本発明を実施するこ
とができる。

例えば、上述した基本的構成における円筒導波
管１と放物筒導波管２との直接接続による放物筒
導波管２の尖り部近傍における多重反射の発生を
抑えて出力モードの純度を向上させる作用をなす
ために、円筒導波管１と放物筒導波管２との間に
介挿して用いる楔入り円筒導波管の全体構成を第
４図ａに示し、同図中、線Ａ−A′における横断
面の構成を同部ｂに示すとともに、線Ｂ−B′に
おける横断面の構成を同図ｃに示す。図示の全体
構成においては、円筒導波管６と放物筒導波管９
との間に楔入り円筒導波管７を介挿して接続して
あり、その円筒導波管７内には、管軸から側壁に
向つて開いた楔状の２個の導体片８と８′とを互
いに対向させて挿入してあり、その楔状の開き角
Ｖは、第４図ｂとｃとにそれぞれ示したように、
円筒導波管６に接続する入力端における最小値0°
から放物筒導波管９に接続する出力端における最
大値２（90°−φ₀）まで連続して徐々に変化させて
ある。

つぎに、第１図示の基本的構成における方形導
波管３として用いるに適した円形曲り方形導波管
の構成例を第５図ａ，ｂに示す。なお、同図ａは
その上面を示し、同図ｂは側面を示している。図
示の構成による円形曲り方形導波管１０において
は、管内の中央部にＥ面に平行に仕切板１１を挿
入するとともに、Ｈ面内にて円形の一部をなして
彎曲させてあり、円筒導波管１における円形
TE_pnモードのｍ＝１とした方形TE₂₀モードの電
磁波を入射させると、その入力電磁波は仕切板１
１によつて２分され、仕切板１１の左右に構成さ
れる横幅ａ／２の方形導波管内をそれぞれTE₁₀
モードにて互いに独立に伝搬する。しかして、入
射時のTE₂₀モードにおいては、方形導波管１０
の仕切板１１の左右に構成されたａ／２幅の両方
形導波管内における双方の電界の向きが逆にな
り、電磁波は互いに逆位相にて伝搬するが、円形
曲り方形導波管１０の曲り角δを δ＝１／√（² ² _c ²）−１ラジアンに選定すると、円形曲り方形導波管１０の出力端
においては、曲りの内側と外側とにて導波管内の
伝搬行路長差が生ずるために、仕切板１１の左右
に構成された両方形導波管内の電界の向きが揃う
ことになる。したがつて、この出力端以降に伝搬
する電磁波は、仕切板１１に平行な偏波面を有す
る準TEM波となる。

以上に詳述したように構成する本発明円形−方
形モード変換器においては、前述した大電力ミリ
波発振管のジヤイロトロンから発生した円形
TE_0nモードの大電力ミリ波を円筒導波管１から
入射させると、方形TE_2n,0モードに変換された電
磁波が方形一様偏波となつて方形導波管３内を伝
搬するので、かかる方形一様偏波の大電力ミリ波
によつて核融合トカマク装置内のプラズマを直接
に照射することができ、一定の偏波面を有する電
磁波によつてプラズマを効率よく照射することが
できる。

かかる作用をなす本発明円形−方形モード変換
器を例えば周波数35.5GHzにて動作させるように
した場合における主要部の具体的構成例を第６図
に示す。図示の構成例においては、内径32.5mmの
円筒導波管１６に長さ97mmの放物筒導波管１７を
外接させて縦続接続し、さらに、その放物筒導波
管１７に内面寸法32.5mm×65.0mmの方形導波管１
８を外接させて縦続接続してある。かかる構成の
本発明円形−方形モード変換器においては、周波
数35.5GHzの電磁波を円形TE₀₁モードにて円筒導
波管１６に入射させるとともに、方形導波管１８
の出力端を角度θ＝10.6°をもつて切断し傾斜面
開口を設けると、管軸に対し10.6°の角度をなす
方向に平面電磁波が放射される。

また、第４図示の構成による楔入り円筒導波管
を上述した内径32.5mmの円筒導波管１６と放物筒
導波管１７との間に介挿して接続し、楔状導体片
の開き角Ｖ（＝２（90°−φ₀））をφ₀＝60°として60
°
に選定すると、本発明円形−方形モード変換器の
変換効率を、円筒導波端１６を放物筒導波管１７
に直接に縦続接続したときの70％程度から90％程
度にまで向上させることができる。

さらに、第５図示の構成による円形曲り二重方
形導波管を上述した方形導波管１８に縦続接続し
て方形導波管１８における方形TE₂₀モードを準
TEMモードに変換する場合には、周波数35.5G
Hzに対して方形導波管１８の内面横幅ａを32.5mm
とし、曲り角δを15.4°とし、曲率半径ｒを20cm
程度に選定したときに、所望の平面電磁波が得ら
れた。

（発明の効果）以上の説明から明らかなように、本発明によれ
ば、つぎのような顕著な効果を得ることができ
る。

(1) 導波管内電磁波伝搬モードの変換器として、
構成が極めて簡単となるので、変換損失が少な
く、また、極端な不連続部が存在しないので、
大電力電磁波の伝搬時に放電が生じ難く、大電
力ミリ波の伝送に使用するに好適である。

(2) モード変換器を完全密閉型に構成し得るの
で、外部に不用電磁波が放射されず、大電力ミ
リ波の伝送に使用しても安全である。

(3) 大電力電磁波伝送に使用するモード変換器を
小型に構成し得るので、核融合トカマク装置の
ように装置全体の構成が複雑であつて、各部の
形状自体も複雑な装置に対しても容易に使用す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ，ｂおよびｃは本発明円形−方形モー
ド変換器の基本的構成の例をそれぞれ示す上面
図、側面図および正面図、第２図は同じくその基
本的構成における円筒導波管内の電界の姿態を示
す横断面図、第３図は同じくその基本的構成にお
ける放物筒導波管内の素平面波伝搬方向を示す横
断面図、第４図ａ並びにｂおよびｃは同じくその
基本的構成における円筒導波管と放物筒導波管と
の間に介挿する楔入り円筒導波管の構成例を示す
斜視図、並びに、同図の線Ａ−A′および線Ｂ−
B′における断面形状をそれぞれ示す横断面図、
第５図ａおよびｂは第１図示の基本的構成におけ
る方形導波管に代替して使用する円形曲り方形導
波管の構成例をそれぞれ示す上面図および側面
図、第６図は本発明円形−方形モード変換器の具
体的構成の例を示す横断面図である。１，６，１６……円筒導波管、２，９，１７…
…放物筒導波管、３，１８……方形導波管、７…
…楔入り円筒導波管、８，８′……楔状導体片、
１０……円形曲り方形導波管、１１……仕切板。

Claims

【特許請求の範囲】１順次に内包する大きさの断面をそれぞれ有す
る円筒導波管、その円筒導波管における内径と電
磁波伝搬角の余切との積にほぼ等しい長さの放物
筒導波管および方形導波管を、それぞれの中心
軸、共焦点軸および中心軸を一致させて順次に接
続配置することにより、円形導波管モードの電磁
波を方形導波管モードの電磁波に変換するように
構成したことを特徴とする円形−方形モード変換
器。２管軸より管壁に向つて開くとともに開き角が
管軸に沿つて順次に増大した楔状をなす２個の導
体を互いに対向させて挿入した円筒導波管を介し
て前記円筒導波管と前記放物筒導波管とを接続し
たことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
円形−方形モード変換器。３順次に内包する大きさの断面をそれぞれ有す
る円筒導波管、その円筒導波管における内径と電
磁波伝搬角の余切との積にほぼ等しい長さの放物
筒導波管および管内のほぼ中央にＥ面に平行して
仕切板を挿入するとともにＨ面内にて円形の一部
をなして湾曲させた方形導波管を、それぞれの中
心軸、共焦点軸および中心軸を一致させて順次に
接続配置することにより、円形導波管モードの電
磁波を方形導波管モードの電磁波に変換するよう
に構成したことを特徴とする円形−方形モード変
換器。