JPS6231844B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、周波数選択性表面を用いて電磁波の
広帯域低損失分波を行う方法に関する。特にマイ
クロ波もしくはミリ波の共用空中線回路に実施す
るに適する分波方法に関する。

〔従来の技術とその問題点〕 衛星通信の需要の増大に伴い、送受各２周波か
らなる４周波を１個の共用アンテナを用いて行う
方式が開発されている。４周波共用アンテナの実
現には、現有の送受信帯と、新しく加わる送受信
帯とを分離するための分波器が必要となる。この
目的を満たす分波器としては、従来の導波管分波
器を利用する方法もあるが、分離すべき２周波数
帯が離れている場合には、高い方の周波数帯が導
波管の高次モード領域に入るため好ましくない。
そこで、自由空間を伝搬する電磁波のビーム中
に、周波数によつてその透過および反射特性が異
なる周波数選択性表面を配置することにより、分
波を行う方法が検討されている。衛星通信に用い
る周波数選択性表面は、広帯域にわたつて低損失
であることが望まれる。

従来のこの種の方法を金属板に正方形の窓を周
期的にあけた周波数選択性表面の例により説明す
る。第１図は従来例の分波器の構造図で、１は金
属正方形格子である。第２図はその側面図で電磁
波の通路を示す。このような格子に入射波２が入
射すると、その一部は反射され反射波３となり、
残りは透過し、透過波４となる。このとき、透過
エネルギーの入射エネルギーに対する割合（透過
率）は一般に第３図のようになる。

すなわち、比較的周波数の低い領域では、この
格子はみかけ上インダクタンスとして作用し、共
振周波数_１で原理的に透過率が１となる。さら
に高い周波数領域では、高次モードが発生し、そ
れぞれのモードの共振周波数_２，が現れる特
性となる。

従来方法の一つは、この特性のうち周波数が低
い領域を利用する方法である。低い周波数では、
第４図ａに示すような１枚の格子１の等価回路
は、第４図ｂに示すようなインダクタンスで表す
ことができる。従つて、第４図ｃに示す特性が得
られる。このような格子の何枚かを適当な間隔を
おいて配置し、格子間の相互作用による共振を利
用して分波を行う方法が知られている。第５図ａ
は２枚の格子１を間隔ｌで配置した例で、第５図
ｂに等価回路図、第５図ｃに特性図を示す。この
方法では比較的低い周波数領域に２枚の格子で１
つの共振点を作ることができる。この場合、共振
曲線の傾斜が鋭いために、広い帯域の通過特性を
得るには、さらに多くの枚数が必要となる。また
このときには、導体損失などによる損失が多くな
る欠点をもつ。

従来方法の第二の例は、格子それ自体の固有の
共振現象を利用する方法である。前述の第３図に
示した_１，_２…がこの共振点であり、これら
の共振点を中心に通過帯を選び、分波器として使
う方法である。この方法にはいくつかの欠点があ
る。

第１の欠点は共振点が自由に選べないことであ
る。すなわち、格子周期の波長に対する比を変化
させることによつて、第１の共振点f₁は変えるこ
とができるが、f₁に対する高次モードの各共振点
の比f₂／f₁，f₃／f₁…は大きく変えることができな
い。

第２の欠点は各共振点の間に透過率が著しく低
下する領域が生ずることである。これにより帯域
は限定される。

第３の欠点は、共振点f₁から上の周波数帯が高
次モード領域になることである。格子の高次モー
ドは、第６図に示すように、正規の透過波４、お
よび反射波３とは異なる伝搬方向をもつ回析波５
であり、これはグレーテイング・ローブと呼ばれ
ている。前記共振点f₁，f₂…は、このグレーテイ
ング・ローブの発生と対応して生じることが知ら
れていて、格子の共振には、必ずグレーテイン
グ・ローブの発生が伴う。これらのグレーテイン
グ・ローブにより電波が所望の方向以外にも伝搬
するため損失が生じる。第３図で共振点f₂，f₃に
おいて完全透過となつていないのはこのためであ
る。さらに正規の方向以外に電波が伝搬するの
で、受信帯では、グレーテイング・ローブ方向か
らの雑音を拾うことになり、低雑音特性を要求さ
れる衛星通信用としては不向きである。

第４の欠点はこのような格子を複数枚重ねて用
いても、帯域が広がることは期待できないことで
ある。各共振点の間に透過率が著しく低い点があ
るため、帯域が限定されることと、高次モード領
域であるため特性が複雑な様相を呈することが予
想されるからである。

第５の欠点は高次モード領域の等価回路解析が
困難であり、設計が複雑化することである。

また、正方形格子内にクロス形状の金属を設け
て等価的にＬ―Ｃ共振特性をもたせ固有の共振点
以下の領域を使用帯域として使用する提案がなさ
れている（文献B.S.T.J.VOL.54No.2P.263―283
「Resonant―Grid Quasi―Optical
Diplexers」）。

しかし、この方法は正方形格子内に複雑な形状
の格子を設けてＬ―Ｃ共振特性をもたせるため、
共振点、反共振点の調節にはその格子パターンの
形状を変更しなければならず、工作が複雑となる
欠点がある。

本発明は、これらの欠点を解決するもので、簡
単な構成により広帯域低損失分波を行う方法を提
供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、金属あるいは誘電体もしくは金属と
誘電体との組合せによつて、正方形格子の周期構
造に形成された周波数選択性表面板を複数枚組合
せ、電磁波を透過もしくは反射させて行う電磁波
の分波方法において、 上記周波数選択性表面板を少なくとも３枚以上
平行に配列し、この周波数選択性表面板の窓の面
積により定まる共振特性のＱの値を通過周波数領
域に適合させ、上記周波数選択性表面板の問題を
相互作用による共振点が各周波数選択性表面板固
有の共振点より低い領域に生ずる点に設定し、上
記周波数選択性表面板が等価的にインダクタンス
とみなすことのできる周波数領域より高く、しか
も上記周波数選択性表面板の固有の共振周波数よ
り低い上記共振点を含む周波数領域に通過周波数
領域を定めることを特徴とする。

〔作用〕

正方形格子を通過帯域でＬ―Ｃ共振特性を有す
るように構成し、かつその窓の割合で定まるＱの
値を通過帯域に適合するように定める。

周波数選択性表面板の固有共振周波数_１より
低い領域に相互作用による共振点を生ずるように
各周波数選択性表面板相互の間隔ｌを定める。

この複数枚の周波数選択性表面板が等価的にイ
ンダクタンスとみなすことができる領域より高
く、固有の共振周波数より低い周波数領域を通過
周波数領域として使用できる。

〔実施例〕

以下本発明の実施例を図面を参照して説明す
る。

本発明の原理を、金属薄板に正方形格子構成し
て周波数選択性表面を形成した場合を例にとつて
説明する。まず正方形格子を縦方向の平行格子と
横方向の平向格子の組合せと考える。すなわち、
第７図ａの平行格子と第８図ａの平行格子を組合
せて、第９図ａに示す正方形格子が構成されると
考える。第７図ａのように、偏波面Ｅが平行格子
に平行なときは、等価回路は第７図ｂのように、
インダクタンスＬで表すことができる。また第８
図ａのように、偏波面Ｅが平行格子に垂直なとき
は、等価回路は第８図ｂのようにキヤパシタンス
Ｃで表される。従つて、正方形格子の等価回路は
第９図ｂのようにＬ―Ｃ共振回路で表される。た
だし、前述のように共振点f₁から上の周波数帯
は、高次モード領域となるので、等価回路は単純
に表すことはできない。また、周波数が低い領域
では前述のキヤパシタンスＣの効果が減ずるの
で、インダクタンスＬのみとなる。第９図Ｃはこ
の領域の特性図である。

本発明の方法は、格子が等価回路的に、Ｌ―Ｃ
共振回路で表せる領域に通過帯を設定することに
一つの特徴がある。

第１０図は本発明の方法を実施した分波器の構
造図である。正方形格子６を３枚平行に配列す
る。その間隔をそれぞれl₁，l₂とする。この等価
回路は第１１図のように表すことができる。各格
子に固有の共振点を等しくf₁に設定しておけば、
３枚構成にしたときも、f₁が完全透過点となる。
さらに高次モード領域を逃れるために、f₁は使用
通過帯の上限よりもわずかに上方へ設定する。
各々のＬ―Ｃ共振回路の共振の鋭さＱをそれぞ
れ、Q₁，Q₂，Q₃とすると、Q₁，Q₂，Q₃および素
子間隔l₁，l₂を適当に選べば、各素子に固有の共
振点f₁の他に格子の相互作用による共振点を第１
２図の７に示すように２箇所（３枚の場合）つく
ることができる。この場合、この２つの共振点が
高次モード領域に入らないように、f₁より低い周
波数にこれらの共振点が実現し、しかも通常帯域
を覆うことができるように、各素子のＱおよび素
子間隔を決める。このように、第１２図の特性が
実現される。

なお、各格子のＱは第９図に示されるように、
窓の大きさの割合ａ／ｄ_ｘによつて決定される。また共 振点f₁は、格子の周期の波長λに対する比ｄ_ｘ／λによ つて決定される。従つてａ，ｄ_xを適当に選ぶこ
とによつて、格子を任意のf₁およびＱに設定する
ことができる。

なお、誘電体板上の金属薄膜に正方形格子を形
成して本発明を実施することができ、その組合せ
枚数は３枚に限らずそれ以上であつてもよい。さ
らに各板の間は空気である必要はなく、誘電体で
もよく、金属板に厚さがあり、窓の部分に誘電体
を装架したものであつてもよい。

本発明の応用例を第１３図〜第１７図に示す。

第１３図は本発明の方法による周波数選択性表
面１１を曲面状に成形し、これをビーム・ウエー
ブ・ガイドの曲面鏡として用いた例である。１２
は曲面反射鏡、１３は電磁ホーンである。

第１４図および第１５図は、本発明による平板
状の周波数選択性表面１４をビーム・ウエーブ・
ガイドに応用した例である。１２は曲面反射鏡、
１３は電磁ホーンを示す。

第１６図は、カセグレン・アンテナの副反射鏡
１６として本発明を実施して、周波数共用アンテ
ナを構成した例である。

第１７図は、電磁ホーン中に本発明による平板
状の周波数選択性表面１４を挿入して周波数共用
ホーンを構成した例である。

〔発明の効果〕

以上説明したように、周波数選択性表面の使用
周波数領域を等価的にインダクタンスとして動作
する領域よりも高く、また高次モードが発生する
領域よりも低く設定し、これを複数枚組合せるこ
とにより、広帯域にわたつて低損失の分波器を構
成することが可能である。インダクタンス領域の
みを利用する従来の方法では、１つの共振点をつ
くるのに少なくとも２枚の格子を必要としたが、
本発明の方法では格子相互の共振を利用している
ため、同一の特性を得るのに、原理的には半分の
枚数の格子でよいことになる。また、高次モード
領域を使用していないので、グレーテイング・ロ
ーブによる損失は生じない。さらに、等価回路解
析による設計も容易であり、周波数および帯域を
自由に選べる優れた利点がある。

また、正方形格子のみでＬ―Ｃ共振特性を得ら
れるため、共振点反共振点の調整が各周波数選択
性表面板の間隔の調整だけで行うことができ、各
格子内の形状を変更する必要がなく、その構造が
簡単な周波数選択性表面板を作成することが易い
効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は正方形格子の構造図。第２図は入射
波、反射波および透過波の関係を示す図。第３図
は正方形格子の一般的特性を示す図。第４図は等
価的にインダクタンスとなる領域を利用する従来
方法の説明図。ａは構造図、ｂは等価回路図。ｃ
は特性図。第５図は同じく２枚の格子を利用する
従来方法の説明図。ａは構造図、ｂは等価回路
図、ｃは特性図。第６図はグレーテイング・ロー
ブの説明図。第７図は偏波面が平行格子に平行で
あるときの説明図。ａは構造図、ｂは等価回路
図。第８図は偏波面が平行格子に垂直であるとき
の説明図。ａは構造図、ｂは等価回路図。第９図
は正方形格子説明図。ａは構造図、ｂは等価回路
図、ｃは特性図。第１０図は本発明の方法を実施
した構造の説明図。第１１図はその等価回路図。
第１２図はその特性図。第１３図は曲面状周波数
選択性表面をビーム・ウエーブ・ガイドに実施し
た応用例を示す構成図。第１４図はビーム・ウエ
ーブ・ガイドの収束ビーム中に周波数選択性表面
を挿入した応用例を示す構成図。第１５図ビー
ム・ウエーブ・ガイドの平行ビーム中に周波数選
択性表面を挿入した応用例を示す構造図。第１６
図はカセグレン・アンテナの副反射鏡に本発明を
実施して周波数共用アンテナを構成した応用例を
示す構造図。第１７図は周波数共用ホーンに本発
明を実施した応用例を示す構造図。 １…正方形格子、２…入射波、３…反射波、４
…透過波、５…回析波、６…正方形格子、７…相
互作用による共振点、８…誘電体、９…金属板、
１０…誘電体板、１１…曲面状周波数選択性表
面、１２…曲面反射鏡、１３…電磁ホーン、１４
…平面状周波数選択性表面、１５…主反射鏡、１
６…副反射鏡。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 金属あるいは誘電体もしくは金属と誘電体と
   の組合せによつて、正方形格子の周期構造に形成
   された周波数選択性表面板を複数枚組合せ、電磁
   波を透過もしくは反射させて行う電磁波の分波方
   法において、 上記周波数選択性表面板を少なくとも３枚以上
   平行に配列し、 この周波数選択性表面板の窓の面積により定ま
   る共振特性のＱの値を通過周波数領域に適合さ
   せ、 上記周波数選択性表面板の間隔を相互作用によ
   る共振点が各周波数選択性表面板固有の共振点よ
   り低い領域に生ずる点に設定し、 上記周波数選択性表面板が等価的にインダクタ
   ンスとみなすことのできる周波数領域より高く、
   しかも上記周波数選択性表面板の固有の共振周波
   数より低い上記共振点を含む周波数領域に通過周
   波数領域を定める ことを特徴とする電磁波の分波方法。