JP2016178571A - 導波管／伝送線路変換器 - Google Patents

Abstract

【課題】ミリ波帯等の高い周波数帯を用いる導波管／伝送線路変換器において、誘電体基板のパターンの配置精度及び誘電体基板のパターンと導波管の間の位置精度が低いと想定される実際の場合においても、低い反射特性及び高い透過特性を再現性よく満足する。
【解決手段】本発明では、パッチアンテナにおいて、パッチ素子の近傍に、寄生素子を配置することにより、広帯域化を図ることを応用した。すなわち、導波管／伝送線路変換器２において、整合素子２８の近傍かつ整合素子２８と導波方向に異なる層に、無給電素子２９を配置することにより、広帯域化を図ることができ、第１及び第２の誘電体基板２３、２４のパターンの配置精度及び第１及び第２の誘電体基板２３、２４のパターンと導波管２１の間の位置精度が低いと想定される実際の場合においても、低い反射特性及び高い透過特性を再現性よく満足することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、導波管により伝送される電力と、伝送線路により伝送される電力と、を相互に変換する導波管／伝送線路変換器に関する。

導波管／伝送線路変換器は、アンテナ装置への給電等に適用されており、特許文献１、２等に開示されている。まず、特許文献１では、導波管内の電界強度の高い位置において、伝送線路を挿入している。しかし、特許文献１では、導波管内の電磁波が有する波長のほぼ１／４に等しい距離分だけ、導波管に沿って伝送線路から離れた位置において、導波管短絡面を必要とする。よって、特許文献１では、導波管／伝送線路変換器を小型化することができず、短絡面を形成する構造体が、アンテナ装置を形成する面より前面に存在するため、アンテナ装置の指向性の劣化原因となる。

特開２００４−３２０４６０号公報 特開２０００−２４４２１２号公報

次に、特許文献２では、整合素子に伝送線路を結合し、伝送線路から導波管へ電波を伝搬する技術を利用している。以下の説明から明らかなように、特許文献２では、特許文献１と比べて、導波管／伝送線路変換器を小型化することができ、アンテナ装置の指向性を劣化させる原因となる短絡面を形成する構造体を無くすことができる。

従来技術の導波管／伝送線路変換器の構成を図１に示す。最上段は、導波管／伝送線路変換器１の側面断面図を示す。第２段は、導波管／伝送線路変換器１の矢視Ａ−Ａ平面断面図を示す。第３段は、導波管／伝送線路変換器１の矢視Ｂ−Ｂ平面断面図を示す。最下段は、後述する整合素子１７の共振長の方向の電界分布を示す。

導波管／伝送線路変換器１は、誘電体基板１３、短絡金属層１４、金属部材１５、接地金属層１６及び整合素子１７を備える。

誘電体基板１３は、導波管１１の開口部を塞ぐように配置される。誘電体基板１３の面は、導波管１１の導波方向に垂直な面である。図１の第２、３段において、誘電体基板１３のうちパターンが配置される部分は、白地で示され、誘電体基板１３のうちパターンが配置されない部分は、斜線で示される。

短絡金属層１４は、誘電体基板１３の表面かつ導波管１１の外部に配置され、誘電体基板１３を貫通する金属部材１５及び誘電体基板１３の表面かつ導波管１１の外枠に配置される接地金属層１６により、導波管１１と同電位に保持される。

整合素子１７は、誘電体基板１３の表面かつ導波管１１の内部に配置され、誘電体基板１３を介して伝送線路１２と電磁的に結合され、誘電体基板１３の周囲の環境における実効波長λ_ｇの電磁波を定在波として立てるための共振長（ほぼλ_ｇ／２）を、導波管１１内の電界方向及び伝送線路１２の給電方向に有する。

従来技術の導波管／伝送線路変換器の特性を図２に示す。このように、図２に示した反射特性は、導波管／伝送線路変換器１の中心周波数のまわりの狭帯域において低くなり、図２に示した透過特性は、導波管／伝送線路変換器１の中心周波数のまわりの狭帯域において高くなる。ここで、図２に示した低い反射特性及び高い透過特性は、誘電体基板１３のパターンの配置精度及び誘電体基板１３のパターンと導波管１１の間の位置精度が高いと想定される理想の場合における、シミュレーション結果である。

よって、誘電体基板１３のパターンの配置精度及び誘電体基板１３のパターンと導波管１１の間の位置精度が低いと想定される実際の場合において、図２に示した低い反射特性及び高い透過特性は、再現性よく満足されない可能性が高い。このことは、ミリ波帯等の高い周波数帯を用いる導波管／伝送線路変換器１において、特に顕著となる。

そこで、前記課題を解決するために、本発明は、ミリ波帯等の高い周波数帯を用いる導波管／伝送線路変換器において、誘電体基板のパターンの配置精度及び誘電体基板のパターンと導波管の間の位置精度が低いと想定される実際の場合においても、低い反射特性及び高い透過特性を再現性よく満足することを目的とする。

上記目的を達成する第１の手段として、パッチアンテナにおいて、パッチ素子の近傍に、寄生素子を配置することにより、広帯域化を図ることを応用した。すなわち、導波管／伝送線路変換器において、整合素子の近傍かつ整合素子と導波方向に異なる層に、無給電素子を配置することにより、広帯域化を図ることができ、誘電体基板のパターンの配置精度及び誘電体基板のパターンと導波管の間の位置精度が低いと想定される実際の場合においても、低い反射特性及び高い透過特性を再現性よく満足することができる。

具体的には、本発明は、導波管により伝送される電力と、伝送線路により伝送される電力と、を相互に変換する導波管／伝送線路変換器であって、前記導波管の開口部を塞ぐように配置される第１の誘電体基板と、前記第１の誘電体基板の表面かつ前記導波管の外部に配置される第２の誘電体基板と、前記第１及び第２の誘電体基板の間に配置され、前記伝送線路と結合され、前記第１及び第２の誘電体基板の周囲の環境における実効波長の電磁波を定在波として立てるための共振長を前記導波管内の電界方向及び前記伝送線路の給電方向に有する整合素子と、前記第１の誘電体基板の表面かつ前記導波管の内部に配置され、前記整合素子と電磁的に結合され、前記整合素子が有する共振長と異なる共振長を有する無給電素子と、を備えることを特徴とする導波管／伝送線路変換器である。

この構成によれば、上述の効果に加え、（１）２枚の誘電体基板を使用するため、厚みを増して誘電体基板の強度を向上させたことにより、パターンと導波管の間の位置精度を高くすることができ、（２）整合素子及び無給電素子を異なる層に配置するため、第１の誘電体基板の厚みを調整することにより、整合素子と無給電素子の間の電磁的な結合を強くすることができ、（３）２枚の誘電体基板の間に配置される整合素子を含む誘電体基板のパターンの大きさを小さくすることができる。

上記目的を達成する第２の手段として、パッチアンテナにおいて、パッチ素子の近傍に、寄生素子を配置することにより、広帯域化を図ることを応用した。すなわち、導波管／伝送線路変換器において、整合素子の近傍かつ整合素子と導波方向に同一の層に、無給電素子を配置することにより、広帯域化を図ることができ、誘電体基板のパターンの配置精度及び誘電体基板のパターンと導波管の間の位置精度が低いと想定される実際の場合においても、低い反射特性及び高い透過特性を再現性よく満足することができる。

具体的には、本発明は、導波管により伝送される電力と、伝送線路により伝送される電力と、を相互に変換する導波管／伝送線路変換器であって、前記導波管の開口部を塞ぐように配置される誘電体基板と、前記誘電体基板の表面かつ前記導波管の内部に配置され、前記伝送線路と結合され、前記誘電体基板の周囲の環境における実効波長の電磁波を定在波として立てるための共振長を前記導波管内の電界方向及び前記伝送線路の給電方向に有する整合素子と、前記誘電体基板の表面かつ前記導波管の内部に配置され、前記整合素子と電磁的に結合され、前記整合素子が有する共振長と異なる共振長を有する無給電素子と、を備えることを特徴とする導波管／伝送線路変換器である。

この構成によれば、上述の効果に加え、１枚のみの誘電体基板を使用するため、導波管／伝送線路変換器の製造を容易にすることができる。

このように、本発明は、ミリ波帯等の高い周波数帯を用いる導波管／伝送線路変換器において、誘電体基板のパターンの配置精度及び誘電体基板のパターンと導波管の間の位置精度が低いと想定される実際の場合においても、低い反射特性及び高い透過特性を再現性よく満足することができる。

従来技術の導波管／伝送線路変換器の構成を示す図である。 従来技術の導波管／伝送線路変換器の特性を示す図である。 第１の実施形態の第１の導波管／伝送線路変換器の構成を示す図である。 第１の実施形態の第２の導波管／伝送線路変換器の構成を示す図である。 第１の実施形態の導波管／伝送線路変換器の特性を示す図である。 第２の実施形態の導波管／伝送線路変換器の構成を示す図である。

添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施の例であり、本発明は以下の実施形態に制限されるものではない。

（第１の実施形態）
第１の実施形態の第１の導波管／伝送線路変換器の構成を図３に示す。導波管／伝送線路変換器２は、整合素子２８及び無給電素子２９を導波方向に異なる層に配置され、第１の誘電体基板２３を導波管２１の外部に配置される。導波管／伝送線路変換器２を平面アレーアンテナに適用する場合には、複数の導波管／伝送線路変換器２のパターンを第１及び第２の誘電体基板２３、２４に形成すればよい。

左欄第１段は、導波管／伝送線路変換器２の側面断面図を示す。左欄第２段は、導波管／伝送線路変換器２の矢視Ｃ−Ｃ平面断面図を示す。右欄最上段は、導波管／伝送線路変換器２の矢視Ｄ−Ｄ平面断面図を示す。右欄第２段は、導波管／伝送線路変換器２の矢視Ｅ−Ｅ平面断面図を示す。右欄第３段は、整合素子２８の共振長の方向の電界分布を示す。右欄最下段は、無給電素子２９の共振長の方向の電界分布を示す。

第１の実施形態の第２の導波管／伝送線路変換器の構成を図４に示す。導波管／伝送線路変換器３は、整合素子３８及び無給電素子３９を導波方向に異なる層に配置され、第１の誘電体基板３３を導波管３１の内部に配置される。導波管／伝送線路変換器３を平面アレーアンテナに適用する場合には、複数の導波管／伝送線路変換器３のパターンを第２の誘電体基板３４に形成すればよい。

左欄第１段は、導波管／伝送線路変換器３の側面断面図を示す。左欄第２段は、導波管／伝送線路変換器３の矢視Ｆ−Ｆ平面断面図を示す。右欄最上段は、導波管／伝送線路変換器３の矢視Ｇ−Ｇ平面断面図を示す。右欄第２段は、導波管／伝送線路変換器３の矢視Ｈ−Ｈ平面断面図を示す。右欄第３段は、整合素子３８の共振長の方向の電界分布を示す。右欄最下段は、無給電素子３９の共振長の方向の電界分布を示す。

導波管／伝送線路変換器２は、第１の誘電体基板２３、第２の誘電体基板２４、短絡金属層２５、金属部材２６、接地金属層２７、整合素子２８及び無給電素子２９を備える。導波管／伝送線路変換器３は、第１の誘電体基板３３、第２の誘電体基板３４、短絡金属層３５、金属部材３６、接地金属層３７、整合素子３８及び無給電素子３９を備える。

第１の誘電体基板２３、３３は、それぞれ、導波管２１、３１の開口部を塞ぐように配置される。第１の誘電体基板２３は、導波管２１の外部に配置され、平面アレーアンテナにおける複数の導波管／伝送線路変換器２のパターンを形成される。第１の誘電体基板３３は、導波管３１の内部に配置され、平面アレーアンテナにおける単一の導波管／伝送線路変換器３のパターンを形成される。第１の誘電体基板２３、３３の面は、それぞれ、導波管２１、３１の導波方向に垂直な面である。図３、４の右欄第２段において、第１の誘電体基板２３、３３のうちパターンが配置される部分は、白地で示され、第１の誘電体基板２３、３３のうちパターンが配置されない部分は、斜線で示される。

第２の誘電体基板２４、３４は、それぞれ、第１の誘電体基板２３、３３の表面かつ導波管２１、３１の外部に配置される。第２の誘電体基板２４、３４は、それぞれ、平面アレーアンテナにおける複数の導波管／伝送線路変換器２、３のパターンを形成される。第２の誘電体基板２４、３４の面は、それぞれ、導波管２１、３１の導波方向に垂直な面である。図３、４の左欄第２段及び右欄最上段において、第２の誘電体基板２４、３４のうちパターンが配置される部分は、白地で示され、第２の誘電体基板２４、３４のうちパターンが配置されない部分は、斜線で示される。

短絡金属層２５は、導波管２１が延びていない側の第２の誘電体基板２４の表面に配置され、第１及び第２の誘電体基板２３、２４を貫通する金属部材２６及び第１の誘電体基板２３の表面かつ導波管２１の外枠に配置される接地金属層２７により、導波管２１と同電位に保持される。短絡金属層３５は、導波管３１が延びていない側の第２の誘電体基板３４の表面に配置され、第２の誘電体基板３４を貫通する金属部材３６及び第２の誘電体基板３４の表面かつ導波管３１の外枠に配置される接地金属層３７により、導波管３１と同電位に保持される。導波管／伝送線路変換器２、３において、誘電体基板の積層方法に相違があるため、金属部材２６、３６がいずれの誘電体基板を貫通するか、接地金属層２７、３７がいずれの誘電体基板の表面に配置されるか、相違するのである。

整合素子２８、３８は、それぞれ、第１及び第２の誘電体基板（２３、２４）、（３３、３４）の間に配置され、第２の誘電体基板２４、３４を介して伝送線路２２、３２と電磁的に結合され、第１及び第２の誘電体基板（２３、２４）、（３３、３４）の周囲の環境における実効波長λ_ｇの電磁波を定在波として立てるための共振長（ほぼλ_ｇ／２）を、導波管２１、３１内の電界方向及び伝送線路２２、３２の給電方向に有する。

無給電素子２９、３９は、それぞれ、第１の誘電体基板２３、３３の表面かつ導波管２１、３１の内部に配置され、整合素子２８、３８と電磁的に結合され、整合素子２８、３８が有する共振長（ほぼλ_ｇ／２）と異なる共振長（ほぼλ_ｇ’／２）を有する。

ここで、整合素子２８、３８及び伝送線路２２、３２は、別層に存在する。そして、伝送線路２２、３２の先端形状は、切り欠き付きのスタブ又はスロットである。よって、整合素子２８、３８及び伝送線路２２、３２は、電磁的な結合を実現することができる。

図３、４の説明では、金属部材２６は、導波管２１の２面の広壁面及び２面の狭壁面の断面に沿って第１及び第２の誘電体基板２３、２４を貫通する「スルーホール」で形成されており、金属部材３６は、導波管３１の２面の広壁面及び２面の狭壁面の断面に沿って第２の誘電体基板３４を貫通する「スルーホール」で形成されている。変形例としては、金属部材２６は、導波管２１の２面の広壁面及び２面の狭壁面の断面に沿って第１及び第２の誘電体基板２３、２４を貫通する「導体壁」であってもよく、金属部材３６は、導波管３１の２面の広壁面及び２面の狭壁面の断面に沿って第２の誘電体基板３４を貫通する「導体壁」であってもよい。

第１の実施形態の導波管／伝送線路変換器の特性を図５に示す。このように、図５に示した反射特性は、導波管／伝送線路変換器２、３の中心周波数のまわりの広帯域において低くなり、図５に示した透過特性は、導波管／伝送線路変換器２、３の中心周波数のまわりの広帯域において高くなる。ここで、図５に示した低い反射特性及び高い透過特性は、第１及び第２の誘電体基板（２３、２４）、（３３、３４）のパターンの配置精度及び第１及び第２の誘電体基板（２３、２４）、（３３、３４）のパターンと導波管２１、３１の間の位置精度が高いと想定される理想の場合における、シミュレーション結果である。

よって、第１及び第２の誘電体基板（２３、２４）、（３３、３４）のパターンの配置精度及び第１及び第２の誘電体基板（２３、２４）、（３３、３４）のパターンと導波管２１、３１の間の位置精度が低いと想定される実際の場合において、図５に示した低い反射特性及び高い透過特性は、再現性よく満足される可能性が高い。このことは、ミリ波帯等の高い周波数帯を用いる導波管／伝送線路変換器２、３において、特に顕著となる。

そして、第１の実施形態では、第２の実施形態と異なり、２枚の誘電体基板（２３、２４）、（３３、３４）を使用するため、厚みを増して誘電体基板（２３、２４）、（３３、３４）の強度を向上させたことにより、パターンと導波管２１、３１の間の位置精度を高くすることができる。

さらに、第１の実施形態では、第２の実施形態と異なり、整合素子２８、３８及び無給電素子２９、３９を異なる層に配置するため、第１の誘電体基板（２３、３３）の厚みを調整することにより、整合素子２８、３８と無給電素子２９、３９の間の電磁的な結合を強くすることができ、２枚の誘電体基板（２３、２４）、（３３、３４）の間に配置される整合素子２８、３８を含む誘電体基板（２３、２４）、（３３、３４）のパターンの大きさを小さくすることができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態の導波管／伝送線路変換器の構成を図６に示す。導波管／伝送線路変換器４は、整合素子４７及び無給電素子４８を導波方向に同一の層に配置され、複数台数分のパターンを誘電体基板４３に形成され、アレーアンテナの給電等に適用可能である。

最上段は、導波管／伝送線路変換器４の側面断面図を示す。第２段は、導波管／伝送線路変換器４の矢視Ｉ−Ｉ平面断面図を示す。第３段は、導波管／伝送線路変換器４の矢視Ｊ−Ｊ平面断面図を示す。第４段は、整合素子４７の共振長の方向の電界分布を示す。最下段は、無給電素子４８の共振長の方向の電界分布を示す。

導波管／伝送線路変換器４は、誘電体基板４３、短絡金属層４４、金属部材４５、接地金属層４６、整合素子４７及び無給電素子４８を備える。

誘電体基板４３は、導波管４１の開口部を塞ぐように配置される。誘電体基板４３は、導波管４１の外部に配置され、複数台数分のパターンを形成される。誘電体基板４３の面は、導波管４１の導波方向に垂直な面である。図６の第２、３段において、誘電体基板４３のうちパターンが配置される部分は、白地で示され、誘電体基板４３のうちパターンが配置されない部分は、斜線で示される。

短絡金属層４４は、誘電体基板４３の表面かつ導波管４１の外部に配置され、誘電体基板４３を貫通する金属部材４５及び誘電体基板４３の表面かつ導波管４１の外枠に配置される接地金属層４６により、導波管４１と同電位に保持される。

整合素子４７は、誘電体基板４３の表面かつ導波管４１の内部に配置され、誘電体基板４３を介して伝送線路４２と電磁的に結合され、誘電体基板４３の周囲の環境における実効波長λ_ｇの電磁波を定在波として立てるための共振長（ほぼλ_ｇ／２）を、導波管４１内の電界方向及び伝送線路４２の給電方向に有する。

無給電素子４８は、誘電体基板４３の表面かつ導波管４１の内部に配置され、整合素子４７と電磁的に結合され、整合素子４７が有する共振長（ほぼλ_ｇ／２）と異なる共振長（ほぼλ_ｇ’／２）を有する。無給電素子４８は、導波管４１の広壁面の断面の方向に沿って、整合素子４７に対して反対の位置に、それぞれ１枚ずつを配置されている。

ここで、整合素子４７及び伝送線路４２は、別層に存在する。そして、伝送線路４２の先端形状は、切り欠き付きのスタブ又はスロットである。よって、整合素子４７及び伝送線路４２は、電磁的な結合を実現することができる。

図６の説明では、金属部材４５は、導波管４１の２面の広壁面及び２面の狭壁面の断面に沿って誘電体基板４３を貫通する「スルーホール」で形成されている。変形例としては、金属部材４５は、導波管４１の２面の広壁面及び２面の狭壁面の断面に沿って誘電体基板４３を貫通する「導体壁」であってもよい。

第２の実施形態において、第１の実施形態と同様に、反射特性は、導波管／伝送線路変換器４の中心周波数のまわりの広帯域において低くなり、透過特性は、導波管／伝送線路変換器４の中心周波数のまわりの広帯域において高くなる。

よって、第２の実施形態において、第１の実施形態と同様に、誘電体基板４３のパターンの配置精度及び誘電体基板４３のパターンと導波管４１の間の位置精度が高いと想定される理想の場合と比べて、誘電体基板４３のパターンの配置精度及び誘電体基板４３のパターンと導波管４１の間の位置精度が低いと想定される実際の場合において、低い反射特性及び高い透過特性は、再現性よく満足される可能性が高い。このことは、ミリ波帯等の高い周波数帯を用いる導波管／伝送線路変換器４において、特に顕著となる。

そして、第２の実施形態では、第１の実施形態と異なり、１枚のみの誘電体基板４３を使用するため、導波管／伝送線路変換器４の製造を容易にすることができる。

本発明の導波管／伝送線路変換器は、ミリ波帯等の高い周波数帯を用いるアレーアンテナの給電等において、誘電体基板のパターンの配置精度及び誘電体基板のパターンと導波管の間の位置精度が低いと想定される実際の場合においても、低い反射特性及び高い透過特性を再現性よく満足する目的に対して、適用することが可能である。

１、２、３、４：導波管／伝送線路変換器
１１、２１、３１、４１：導波管
１２、２２、３２、４２：伝送線路
１３、４３：誘電体基板
２３、３３：第１の誘電体基板
２４、３４：第２の誘電体基板
１４、２５、３５、４４：短絡金属層
１５、２６、３６、４５：金属部材
１６、２７、３７、４６：接地金属層
１７、２８、３８、４７：整合素子
２９、３９、４８：無給電素子

Claims (2)

1. 導波管により伝送される電力と、
   伝送線路により伝送される電力と、
   を相互に変換する導波管／伝送線路変換器であって、
   前記導波管の開口部を塞ぐように配置される第１の誘電体基板と、
   前記第１の誘電体基板の表面かつ前記導波管の外部に配置される第２の誘電体基板と、
   前記第１及び第２の誘電体基板の間に配置され、前記伝送線路と結合され、前記第１及び第２の誘電体基板の周囲の環境における実効波長の電磁波を定在波として立てるための共振長を前記導波管内の電界方向及び前記伝送線路の給電方向に有する整合素子と、
   前記第１の誘電体基板の表面かつ前記導波管の内部に配置され、前記整合素子と電磁的に結合され、前記整合素子が有する共振長と異なる共振長を有する無給電素子と、
   を備えることを特徴とする導波管／伝送線路変換器。
2. 導波管により伝送される電力と、
   伝送線路により伝送される電力と、
   を相互に変換する導波管／伝送線路変換器であって、
   前記導波管の開口部を塞ぐように配置される誘電体基板と、
   前記誘電体基板の表面かつ前記導波管の内部に配置され、前記伝送線路と結合され、前記誘電体基板の周囲の環境における実効波長の電磁波を定在波として立てるための共振長を前記導波管内の電界方向及び前記伝送線路の給電方向に有する整合素子と、
   前記誘電体基板の表面かつ前記導波管の内部に配置され、前記整合素子と電磁的に結合され、前記整合素子が有する共振長と異なる共振長を有する無給電素子と、
   を備えることを特徴とする導波管／伝送線路変換器。

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