JPS6035802A - 放物筒導波管型モード変換放射器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 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もしくは自由空間平
面波に変換する円形一方形モード変換器に関し、特に、
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。

従来技術 従来のこの棟マイクロ波やミリ波の導波管伝搬モードを
変換するモード変換器は、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、近来開発が進められ
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ミリ波の伝搬に
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。

特に、上述した核融合トカマク装置における加熱用大室
カミ＋７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ャイロトロ
ンにおいては、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す、−万、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
際に要がある。したがって、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（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
った。

しかも、大電力ミリ波伝送系において、上述したように
、必然的に使用せざ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
信用には適さず、また、耐電力特性の曲からも、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、という問題もあった。

発明の散点 本発明の目的は、上述した従来の要望に応えてその問題
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一方形
モード変換器、特に、大電力ミリ波源としてのジャイロ
トロンの出力における円形導波管ＴＥｏｍモード（ｍ＝
１．２ｍ・・・ンを直線偏波のＴＥＭモード乃至方形導
波管ＴＥ１ｏモードに変換する大電力用の円形一方形モ
ード変換器會提供すること、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一方形モード変換器
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用のみならず
、通信用低電力電磁波の伝送にも同様に効率よく使用し
得る円形一方形モード変換器を提供することにある。

すなわち、本発明円形一方形モード変換器は、円筒導波
管、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直線に揃えて、順次に接
続配置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の詳細な説明
する。

まず、本発明円形一方形モード変換器の基本的構成の例
を第１図（ａ１〜（０）に示す。なお、第１図（ａ）は
上面図、同図の）は側面図、同図（０１は正面図である
。図示の基本的構成による本発明円形一方形モード変換
器は、内径ａの円筒導波管ｌと、短軸内径すおよび長軸
内径２ｂの放物筒導波管２と、内面短辺０および内面長
辺ｄの方形導波管８との縦転接続による円形ＴＴｉ：ｏ
ｍ→万形Ｔ”ｌ１方形Ｏ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すは
、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、簡単のために、以下の説明ニオイては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）は、１　＝
　ａ　ｃｏｔα 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＝　５ｉｎ−
”（ρ′ｏｍＶｏ／π／−ａ）ラジアンによって与えら
れる。ここに、ρ。缶はベッセル関数Ｊ。′（ρ）工０
のｍ番目の根であり、Ｖｏは光の速度ｆは光の周波数で
ある。

一部、方形導波管３の第１図Ｃｏｔ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キ○とする。また、方形導波管８は、出力端を、第
２図（ａ）に上面図を示し、同図（ｂｌに１則面図を示
し、同図（０）に正面図を示すように、傾き角θをもっ
て斜めに切断して開口５を設けた形態の方形導波管４を
もって構成し、オーバーサイズの方形導波管内をジグザ
グに伝搬する電＠彼を斜めに切断した開口面にて直線偏
波のＴＥＭモードに変換して取出し得るようにするのが
１例えば前述したプラズマ加熱の際の電磁波照射に好適
である。なお、上述した開口の傾き角θは、θ＝　ｓｉ
ｎ’−’（ｍ　ｖｏ／　／・ｃ　）ラジアンに設定する
。ここに、θは方形導波管内における累平面彼法線が管
軸となす角である。

また、円筒導波管１内におけるＴＥｏエモードの電界の
姿態を第３図に示し、放物筒導波管２の横断面内におけ
るぼ磁波モードの累平面波の進行方向を第４図に示して
おく。

上述したところが本発明円形一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釉々の
変更を施して本発明を実施することができる。

まず、上述した基本的構成における円筒導波管］と放物
筒導波管２とのｉＫ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】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５図（ａｌに示し、同図中、線Ａ−Ａ’に
おける横断面の構成を第５図（１）ｌに示すとともに、
線Ｂ　−Ｂ’における横〃テ面の構成を第５図ｆａｔ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
って開いｆｃ横楔状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■は、第５図
（ｔｅｌ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°−ｇ
。）贅で連続して徐々に変化させである。

つぎに、第１図示の基本的構成においては出力開口面を
斜めに傾斜させて管内における方形ＴＥ２゜モードを直
線偏波のＴＥＭモードに変換するようにした方形導波管
８の替わりに用いるに適した円形−り方形導波管の構成
例を第６図（ａｌ　、　（１）ｌに示す。

なお、同図（ａｌ　ｉｒ、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−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ＴＥｏ
ｍモードのｍ＝１とした方形ＴＥ２゜モードの電磁波を
入射させると、その入力室＄＆波は仕切板１１によって
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ｉぞれＴＥ１ｏモードにて互いに独立
に伝搬する。しかして、入射時のＴＥ２ｏ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
８７２幅の両方形導彼管内における双方の電界の向きが
逆に々す、電磁波は互いに逆位相にて伝搬するが、円形
−り方形導波管１ｏの曲り角δを δ＝／　／（／　２　ａ２／、、２　）　−１ラジアン
に選定すると、方形導波管１ｏの出カ端開ロ面に　゛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。したがって
、この出力端開口から放射する電磁波は、仕切板１１に
平行な偏波面を有する準ＴＥＭ波となる。

つぎに、第１図示の基本的構成において出力開口面を斜
めに傾斜させた方形導波管８の替わりに使用して方形Ｔ
Ｅ２０モード”　ＴＦＪ１０モードに変換するようにし
た折れ曲り方形導波管の構成例を第７図（ａｌ〜（Ｃ１
に示す。なお、同図（ａｔはその上面全示し、同図中）
および（ｃｊは折れ曲りの前後における横断面を示して
いる。図示の構成による折れ曲り方形導波管は、内面辺
長Ｃの方形導波管１２と開口１５を有する内面辺長Ｃ′
の方形導波管１８とを管軸が角度βにて交差するように
折り曲げて接続面１４にて接続したものであり、各方形
導波管１２および１３における素十面彼法線がそれぞれ
の管軸となす角をそれぞれθおよびθ′としたときに・
折れ曲り角βを、はＩぼ となるように設定する。ここに、ｍは、円筒導波管ｌに
おける円形ＴＥｏｍの伝搬モード次数である。

なお、最適の折れ曲り角βは、例えば実験的に定める。

以上に詳述したように構成する本発明円形−万形モード
変換器においては、前述した大電力ミリ波発振管ジャイ
ロトロンから発生した円形ＴＥｏｍえば方形導波管８の
傾斜開口面から平面波となって放射されるので、かかる
平面波の大電力ミリ波によっ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、あるいは、傾斜
させて接伏した次段の方形導波管、例えば第７図示の方
形２Ｍ−波管１３から放射されるＴＥ□。モードの大電
力ミリ波によってそのプラズマｆ：直接に照射すること
もでき′る。なお、かかる平面波あるいは方形ＴＥ１ｏ
モードを用いると、一定の偏波面を有する′に磁波によ
ってプラズマを照射することができる。

かかる作用をなす本発明円形−万形モード変換器を例え
ば周波数８５．５ＧＨ２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８図に示す。図示の
構成例においては、内径８２．５°ｍの円筒導波管１６
に長さ９７朋の放物筒導波管１７を外接させて縦続接続
し、さらに、その放物筒導波管に内面寸法３２．ｓ　ｖ
ｎｎ　ｘ　６５．０　ａｍの方形導波管１８全外接させ
て縦続接続しである。かかる構成の本発明円形一方形モ
ード変換器においては、周波数３５．５　ＧＨ２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−１（１
、６°をもって切断して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５．図示の構成による楔入り円筒導波管全上述
した内径８２．５ｍｍの円筒導波管１６と放物筒４波管
１７との間に介挿して接続し、横状導体片の開き角ＶＣ
＝２（９１１°−〇。））をグ。＝６０°と゛　して６
０°に選定すると、本発明円形一方形モード変換器の変
換効率を、円筒導波管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９（）係程度に１で
向上させることができる。

さらに、第６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１
８における方形ＴＥ２゜モードを準ＴｇＭモードに変換
する場合には、周波数８５．５ＧＨｚに対して方形導波
管１８の内面横幅ａを３２．５１ｒｍとし、曲り角δを
１５．４°とし、曲率半径ｄを２０菌程度に選定したと
きに、所望の平面電磁波が得られた。

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

（１１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、大室カミＩＪ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。

（８）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って、各部の形状自体も被雑な装置
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（ａｌ　、　（ｂ）および（０）は本発明円形一
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ｆａ３　、　（１））および（Ｃ１に同じくその
基本的構成における方形導波管の構成例をそれぞれ示す
上面図、側面図および正面図、 紀８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４図は同じくその基本的構成における放物筒導波管内
の累平面彼伝搬方向を示す横断面図、第５図（ａ）並び
に（ｂ）および（Ｃ１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侯入り円筒
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６図（ａ）および（ｂ）は同じくその基本的構成にお
ける方形導波管に代替して使用する円形向り方形導波管
の構成例をそれぞれ示す上面図および側面図、 第７図（ａ）並びに（ｋ））および（Ｃ）は同じくその
基本的構成における方形導波管に代替して使用する折れ
曲り方形導波管の構成例をそれぞれ示す上面図、並びに
折れ曲りの前後における線Ａ　−Ａ’および線Ｂ　−Ｂ
’の断面形状をそれぞれ示す横断面図、第８図は本発明
円形一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 ８　、４　、１２　、１８　、１８・・方形導波管５．
１５・・開口　７・・・楔入り円筒導波管８．８′・・
・楔状導体片　１０・・・円形向り方形導波管１１・・
・仕切板　１４・・・接続面。 第１ （ａ） （ｂ） １ （１６弧 図 ＜Ｃ＞ Ａ＆　Ｆ　Ｗ ｔｌ／７ＳＯ凶 （ａ） （ｂ）　（Ｃ） 、＊　Ｑ　＃ｇ１ ４ｔ　Ｏ固 １１−

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　円筒導波管、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直線に揃え
   て、順次に接続配置したことを特徴とする円形一方形モ
   ード変換器。 ２　前記方形導波管の開口面が、管軸に対して・当該方
   形導波管の管内累十面肢法線が管軸となす角度にほぼ等
   しい角度をなすことを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の円形一方形モード変換器。 ＆　２個の方形導波管を、それぞれの管内素平面彼法線
   がそれぞれの管軸となす角度の差にほぼ等しい角度をも
   ってそれぞれの管軸が交叉するように斜めに接続するこ
   とにより、前記方形導波管を構成したことを特徴とする
   特許請求の範囲比１狽記載の円形一方形モード°　変換
   器。 表　管内のほぼ中央にＥ面に平行に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彎曲させた
   方形導波管をもって前記方形導波管を構成したことを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の円形一方形モード
   変換器。 氏　管軸より管壁に向って開くとともに開き角が管軸に
   沿って順次に変化した楔状をなす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項記載の円形一方形モード変換器。