JP7828076B2 - 導波管、導波管の製造方法及びアンテナ - Google Patents

Description

本発明は、導波管、導波管の製造方法及びアンテナに関する。

従来、方向が異なる複数の導波管が接続されたベンド型導波管が知られている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２００５－２００７７号公報

従来の導波管は、直交する２つの導波管の交わり部に、片面に４５度のテーパ面を有する金属部材が嵌め込まれた状態で、導波管と金属部材を金属板で覆うことにより構成されていた。導波管が伝送する信号の周波数が高くなると、導波管の径と金属部材を小さくする必要がある。導波管の径と金属部材が小さくなると、導波管の周波数特性に与える金属部材の位置ずれの影響が大きくなってしまうという問題が生じていた。

そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、導波管の周波数特性を良好に維持しつつ導波管の小型化を実現することを目的とする。

本発明の第１の態様の導波管は、第１導体板と、前記第１導体板と接触している第２導体板とを有する導波管であって、前記第１導体板は、長手方向が第１方向になるように前記第１導体板の前記第２導体板側の平面である第１主平面と平行に形成された断面が長方形の溝部と、前記溝部における分岐位置を起点として、前記第１方向及び前記第１主平面と直交する第２方向において前記第２導体板から離れる向きに形成された第１垂直管部と、を有し、前記第２導体板は、前記第１主平面と接触する前記第２導体板における平面である第２主平面から突出した態様で前記溝部に挿入された、前記溝部に沿って伝搬した電波を前記第１垂直管部に向けて反射する反射面を有する反射部を有する。

前記反射面は、前記第１垂直管部における前記電波が入射する側に最も近い側の面の前記第１方向における位置と、前記第１垂直管部における前記電波が入射する側から最も遠い側の面の前記第１方向における位置との間に位置する反射領域を有してもよい。

前記反射面における前記第１導体板側の第１端部の前記第１方向における位置は、前記第１垂直管部における前記電波が入射する入射側から最も遠い側の面の前記第１方向における位置と同一であり、前記反射面における前記第１端部と反対側の第２端部の前記第１方向における位置は、前記第１垂直管部における前記入射側に最も近い側の面の前記第１方向における位置と、第１前記垂直管部における前記入射側から最も遠い側の面の前記第１方向における位置との間であってもよい。

前記第２導体板は、前記溝部における前記第１垂直管部が形成されている側と反対側の端部から前記第２方向に延びて前記第２導体板を貫通する第２垂直管部をさらに有してもよい。

方形導波管規格により定められている前記導波管の内法の幅をＷａ［ｍｍ］、光速をＣ０［１０^６ｍ／ｓ］とした場合に、前記電波の周波数は１．４×Ｃ０／（２×Ｗａ）［ＧＨｚ］以上１．７×Ｃ０／（２×Ｗａ）［ＧＨｚ］以下であり、前記反射部の前記第１方向と平行な外側面と前記溝部の前記第１方向と平行な内側面との距離が、前記溝部の２つの前記内側面間の距離に対して１２％以上３８％未満であってもよい。

本発明の第２の態様の導波管の製造方法は、第１導体板材料に、長手方向が第１方向になるように、かつ前記第１導体板材料の第１主平面と平行に、断面が長方形の溝部を形成する工程と、前記第１導体板材料に、前記溝部における分岐位置を起点として、前記第１方向及び前記第１主平面と直交する第２方向に延びる垂直管部を形成することにより第１導体板を製造する工程と、前記第１導体板材料と異なる第２導体板材料に、前記溝部に沿って伝搬した電波を前記垂直管部に向けて反射する反射面を有する反射部を、前記第２導体板材料において前記第１主平面と接触する第２主平面から突出した態様で形成することにより第２導体板を製造する工程と、前記第１導体板及び前記第２導体板を形成した後に、前記反射部を前記溝部に挿入した状態で前記第１主平面と前記第２主平面とが接触するように前記第１導体板と前記第２導体板とを結合させる工程と、を有する。

本発明の第３の態様のアンテナは、アンテナポートを有するアンテナ素子と、前記アンテナポートに接続された導波管と、を有し、前記導波管は、第１導体板と、前記第１導体板と接触している第２導体板とを有する導波管であって、前記第１導体板は、長手方向が第１方向になるように前記第１導体板の前記第２導体板側の平面である第１主平面と平行に形成された断面が長方形の溝部と、前記溝部における分岐位置を起点として、前記第１方向及び前記第１主平面と直交する第２方向において前記第２導体板から離れる向きに形成された第１垂直管部と、を有し、前記第２導体板は、前記アンテナポートと前記溝部との間において前記第２方向に形成された第２垂直管部と、前記第２導体板は、前記第１主平面と接触する前記第２導体板における平面である第２主平面から突出した態様で前記溝部に挿入された、前記溝部に沿って伝搬した電波を前記第１垂直管部に向けて反射する反射面を有する反射部と、を有する。

本発明によれば、導波管の周波数特性を良好に維持しつつ導波管の小型化を実現することができるという効果を奏する。

導波管１の構成の概要を示す透視図である。 導波管１の一部の領域の分解図である。 導波管１の一部の領域の拡大図である。 シミュレーションで用いたパラメータについて説明するための図である。 導波管１の透過特性のＬ_ｒｅｆ依存性のシミュレーション結果を示す図である。 導波管１の透過特性のＬ_ｒｅｆ依存性のシミュレーション結果を示す図である。 導波管１の透過特性のｄ_ｘ依存性のシミュレーション結果を示す図である。 導波管１の透過特性のｄ_ｘ依存性のシミュレーション結果を示す図である。 導波管１の反射特性のｄ_ｘ依存性のシミュレーション結果を示す図である。 導波管１の反射特性のｄ_ｘ依存性のシミュレーション結果を示す図である。

［導波管１の構成］
図１は、導波管１の構成の概要を示す透視図である。図２は、導波管１の一部の領域の分解図である。図３は、導波管１の一部の領域の拡大図である。

図１に示すように、導波管１は、アンテナ素子２に接続されるように構成されている。アンテナ素子２が導波管１に接続されることでアンテナが構成される。導波管１は、アンテナ素子２の出力ポートから入力された電波を伝搬する導波路を有する。導波管１は、アンテナ素子２から入力された電波をアンテナ素子２の出力ポートと異なる位置まで伝搬してから出力する。図１に示す例においては、導波管１が２つの導波路を有するが、導波管１は１つの導波路を有していてもよく、３以上の導波路を有していてもよい。

導波管１は、第１導体板１１と、第１導体板１１と接触している第２導体板１２と、を有する。第１導体板１１及び第２導体板１２は、例えば長方形の板状の金属（例えば銅）により構成されているが、第１導体板１１及び第２導体板１２の形状は任意である。導波管１の製造時に第１導体板１１と第２導体板１２との位置合わせをしやすいように、第１導体板１１及び第２導体板１２の形状は、第１導体板１１と第２導体板１２とを接触させた状態で、第１導体板１１の複数の側面と第２導体板１２における対応する複数の側面とが同一平面に位置する形状であることが望ましい。

第１導体板１１は、溝部１１１と、第１垂直管部１１２と、を有する。第２導体板１２は、第２垂直管部１２１と、反射部１２２と、を有する。図１においては、アンテナ素子２を中心として対称となる位置に、第２垂直管部１２１ａから溝部１１１ａを介して第１垂直管部１１２ａに達する第１の導波路と、第２垂直管部１２１ｂから溝部１１１ｂを介して第１垂直管部１１２ｂに達する第２の導波路とが示されている。以下の説明においては、第２垂直管部１２１ａから溝部１１１ａを介して第１垂直管部１１２ａに達する第１の導波路を例にして詳細を説明する。

溝部１１１は、長手方向が第１方向になるように第１導体板１１の第２導体板１２側の平面である第１主平面と平行に形成されている。溝部１１１の断面は長方形である。図１に示す例における第１方向は、例えば第１導体板１１及び第２導体板１２の長手方向であり、図１から図３におけるＹ方向である。

溝部１１１における第２垂直管部１２１と結合される位置に対応する端部には、第２垂直管部１２１を介してアンテナ素子２からＺ方向に入射した電波の向きをＹ方向に変えるための反射面が形成されている。反射面において電波の伝搬方向が９０°変化するので、第２垂直管部１２１及び溝部１１１は第１のコーナ導波管として機能する。

第１垂直管部１１２は、溝部１１１における分岐位置を起点として、第１方向及び第１主平面と直交する第２方向において第２導体板１２から離れる向きに形成されている。第２方向は、第１導体板１１の厚み方向であり、図１から図３におけるＺ方向である。分岐位置は、図３において符号Ｂで示すように、第１垂直管部１１２の第１方向における中央位置である。第１垂直管部１１２は、例えば導波管１を貫通するように形成されている。第１垂直管部１１２の断面は、例えば長方形である。

第２垂直管部１２１は、一端がアンテナ素子２に結合されており、他端が溝部１１１に結合されている。図１及び図２に示すように、第２垂直管部１２１は、溝部１１１における第１垂直管部１１２が形成されている側と反対側の端部から第２方向に延びて第２導体板１２を貫通する。第２垂直管部１２１の断面は、例えば長方形である。

反射部１２２は、図３（ａ）の斜視図に示すように、第２導体板１２における第１主平面と接触する平面である第２主平面から突出した態様で溝部１１１に挿入されている。反射部１２２は、溝部１１１に沿ってＹ方向に伝搬した電波を第１垂直管部１１２に向けてＺ方向に反射する反射面Ｒを有する。反射面Ｒにおいて電波の伝搬方向が９０°変化するので、溝部１１１、反射部１２２、及び第１垂直管部１１２は第２のコーナ導波管として機能する。

反射部１２２は、導体板をドリルで切削加工することにより形成されてもよく、予め成形された状態で導体板に結合されてもよい。反射部１２２がドリルで切削加工される場合、反射面Ｒを完全に平坦に形成することは困難なので、反射面Ｒは階段状に形成されていてもよい。

反射部１２２は、溝部１１１における分岐位置Ｂに対して第２垂直管部１２１よりも遠い側（図３（ａ）における右手前側）の領域に挿入されている。反射部１２２は、溝部１１１に収容されるように、第１方向及び第２方向に直交する第３方向（図１から図３におけるＸ方向）における幅が、第３方向における溝部１１１の幅よりも小さい。反射部１２２における反射面Ｒが形成されている側と反対側の端面は、図３（ａ）に示すように溝部１１１の内面と接していなくてもよいが、溝部１１１の内面に接していてもよい。

図３（ｂ）は、図３（ａ）に示す領域のＡ－Ａ線断面図である。図３（ｂ）に示すように、反射部１２２は、溝部１１１の下面と接していなくてもよいが、溝部１１１の下面と接していてもよい。

図３（ｂ）に示すように、反射面Ｒは、第１垂直管部１１２における電波が入射する側に最も近い側の面の第１方向における位置Ｐ１と、第１垂直管部１１２における電波が入射する側から最も遠い側の面の第１方向における位置Ｐ２との間に位置する反射領域を有する。

一例として、反射面Ｒにおける第１導体板１１の側の第１端部Ｅ１の第１方向における位置は、第１垂直管部１１２における電波が入射する入射側から最も遠い側の面の第１方向における位置Ｐ２と同一である。反射面Ｒにおける第１端部Ｅ１と反対側の第２端部Ｅ２の第１方向における位置は、第１垂直管部１１２における入射側に最も近い側の面の第１方向における位置Ｐ１と、第１垂直管部１１２における入射側から最も遠い側の面の第１方向における位置Ｐ２との間である。このような位置に反射面Ｒが設けられていることで、反射面Ｒで反射した電波が、溝部１１１の下面に当たることなく第１垂直管部１１２に沿って伝搬されやすくなる。その結果、導波管１から出力される電波の強度の低下を防ぐことができる。

［導波管１の製造方法］
導波管１の製造方法の一例を説明する。
まず、加工前の第１導体板材料及び第２導体板材料を準備する。そして、準備した第１導体板材料に、長手方向が第１方向になるように、かつ第１導体板材料の第１主平面と平行に、断面が長方形の溝部１１１を形成する。溝部１１１における一方の端部には、第１主平面及び第１方向に対して４５°傾斜した反射面を形成する。溝部１１１における他方の端部には、第１主平面及び第１方向に直交する端面を形成する。

続いて、第１導体板材料に、溝部１１１における分岐位置を起点として、第１方向及び第１主平面と直交する第２方向に延びる第１垂直管部１１２を形成することにより第１導体板１１が完成する。溝部１１１及び第１垂直管部１１２を形成する方法は任意であるが、例えばフライス盤により溝部１１１及び第１垂直管部１１２を形成することができる。

第１導体板材料の加工の前若しくは後、又は第１導体板材料の加工と並行して、加工前の第２導体板材料に第２垂直管部１２１及び反射部１２２を形成する。具体的には、加工前の第２導体板材料から反射部１２２以外の領域を削り取ることにより、反射部１２２が突出した態様で残るように第２導体板材料を加工する。その後、第２垂直管部１２１を形成することにより第２導体板１２が完成する。第２垂直管部１２１及び反射部１２２を形成する方法も任意であるが、例えばフライス盤を用いることができる。

溝部１１１、第１垂直管部１１２、第２垂直管部１２１及び反射部１２２を形成した後に、反射部１２２を溝部１１１に挿入した状態で第１導体板１１の第１主平面（溝部１１１が形成された側の面）と第２導体板１２の第２主平面（反射部１２２が形成された側の面）とが接触するように第１導体板１１と第２導体板１２とを結合させる。第１導体板と第２導体板の平面形状が同一である場合、第１導体板の４辺と第２導体板の４辺とが一致するように第１導体板１１と第２導体板１２とを結合させることで、高い精度で反射部１２２を所望の位置に挿入することができる。

［シミュレーション結果］
以下、図４から図９を参照しながら、導波管１の特性をシミュレーションした結果を説明する。図４は、シミュレーションで用いたパラメータについて説明するための図である。

図４（ａ）は、図３（ｂ）と同等のＡ－Ａ線断面図である。図４（ｂ）は、第１垂直管部１１２の端部の側から第２導体板１２の向きに導波管１を見た状態を示す図である。溝部１１１をドリルで切削する場合、溝部１１１の角を直角にすることは困難なので、図４（ｂ）においては、溝部１１１の右側端部の角が円弧状になっている。

図４（ａ）に示すように、反射部１２２の下面と溝部１１１の下側の内面との距離をｄ_ｚ×Ｗａとする。分岐位置Ｂと反射部１２２における反射面Ｒと反対側の端面との距離をＬ_ｒｅｆ×Ｗａとする。分岐位置Ｂと溝部１１１の端面との距離をＬ_ｗｇ×Ｗａとする。図４（ｂ）に示すように、反射部１２２の側面と溝部１１１の内側面との距離をｄ_ｘ×Ｗａとする。ここで、Ｗａは、方形導波管規格により定められている内法の幅である。一例として、ＷＲ－３の導波管の場合、Ｗａ＝０．８６４ｍｍである。また、溝部１１１の長手方向の側面が内側に曲がり始める位置を溝部１１１の端面としている。

図５及び図６は、導波管１の透過特性のＬ_ｒｅｆ依存性のシミュレーション結果を示す図である。具体的には、図５及び図６は、（Ｌ_ｗｇ－Ｌ_ｒｅｆ）×Ｗａ＝０．１ｍｍ、ｄ_ｚ×Ｗａ＝０．０５ｍｍ、ｄ_ｘ×Ｗａ＝０．１３８ｍｍの場合の透過係数Ｓ２１の周波数特性を示している。Ｌ_ｒｅｆが０．４５以上０．６０以下、０．９０以上１．２０以下、又は１．６０以上１．９０以下の範囲であれば、導波管１を伝搬させる電波の周波数が２４０ＧＨｚ以上３００ＧＨｚ以下の範囲において透過係数Ｓ２１に共振点が生じないことを確認できた。

この周波数範囲は、導波管の大きさによって変化する。すなわち、方形導波管規格により定められている導波管の内法の幅をＷａ［ｍｍ］、光速をＣ０［１０^６ｍ／ｓ］とした場合に、電波の周波数は１．４×Ｃ０／（２×Ｗａ）［ＧＨｚ］以上１．７×Ｃ０／（２×Ｗａ）［ＧＨｚ］以下であることを確認できた。

図７及び図８は、導波管１の透過特性のｄ_ｘ依存性のシミュレーション結果を示す図である。具体的には、図７及び図８は、（Ｌ_ｗｇ－Ｌ_ｒｅｆ）×Ｗａ＝０．１ｍｍ、ｄ_ｚ×Ｗａ＝０．０５ｍｍ、Ｌ_ｒｅｆ＝０．１０５の場合の透過係数Ｓ２１の周波数特性を示している。ｄ_ｘが０．１２以上である場合に、導波管１を伝搬させる電波の周波数が２４０ＧＨｚ以上３００ＧＨｚ以下の範囲において透過係数Ｓ２１に共振点が生じないことを確認できた。

図９及び図１０は、導波管１の反射特性のｄ_ｘ依存性のシミュレーション結果を示す図である。具体的には、図９及び図１０は、（Ｌ_ｗｇ－Ｌ_ｒｅｆ）×Ｗａ＝０．１ｍｍ、ｄ_ｚ×Ｗａ＝０．０５ｍｍ、Ｌ_ｒｅｆ＝０．１０５の場合の入力反射係数Ｓ１１の周波数特定を示している。ｄ_ｘが０．３８以上である場合に、導波管１を伝搬させる電波の周波数が２４０ＧＨｚ以上３００ＧＨｚ以下の範囲において入力反射係数Ｓ１１が悪くなることが確認できた。

図７及び図８を参照して示した結果、及び図９及び図１０を参照して示した結果から、ｄ_ｘが０．１２以上０．３８未満であることが望ましいということを確認できた。すなわち、反射部１２２の第１方向と平行な外側面と溝部１１１の第１方向と平行な内側面との距離ｄ_ｘ×Ｗａが、溝部１１１の２つの内側面間の距離に対して１２％以上３８％未満であることが好ましいということを確認できた。

［導波管１による効果］
以上説明したように、導波管１は、第１導体板１１及び第２導体板１２により構成されている。そして、第１導体板１１は、長手方向が第１方向になるように第１導体板１１の第１主平面と平行に形成された断面が長方形の溝部１１１と、溝部１１１における分岐位置Ｂを起点として、第２導体板１２から離れる向きに形成された第１垂直管部１１２と、を有する。第２導体板１２は、第２導体板における前記第１主平面と接触する平面である第２主平面から突出した態様で溝部１１１に挿入された、溝部１１１に沿って伝搬した電波を第１垂直管部１１２に向けて反射する反射面Ｒを有する反射部１２２を有する。

導波管１がこのように構成されていることで、第１導体板１１と第２導体板１２の位置を合わせることにより、反射部１２２が高い精度で所望の位置に固定される。その結果、導波管の周波数特性を良好に維持しつつ導波管の小型化を実現することができる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、装置の全部又は一部は、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。また、複数の実施の形態の任意の組み合わせによって生じる新たな実施の形態も、本発明の実施の形態に含まれる。組み合わせによって生じる新たな実施の形態の効果は、もとの実施の形態の効果を併せ持つ。

１ 導波管
２ アンテナ素子
１１ 第１導体板
１２ 第２導体板
１１１ 溝部
１１２ 第１垂直管部
１２１ 第２垂直管部
１２２ 反射部

Claims (7)

1. 第１導体板と、前記第１導体板と接触している第２導体板とを有する導波管であって、
   前記第１導体板は、
   長手方向が第１方向になるように前記第１導体板の前記第２導体板側の平面である第１主平面と平行に形成された断面が長方形の溝部と、
   前記溝部における分岐位置を起点として、前記第１方向及び前記第１主平面と直交する第２方向において前記第２導体板から離れる向きに形成された第１垂直管部と、
   を有し、
   前記第２導体板は、前記第１主平面と接触する前記第２導体板における平面である第２主平面から突出した態様で前記溝部に挿入された、前記溝部に沿って伝搬した電波を前記第１垂直管部に向けて反射する反射面を有する反射部を有する、
   導波管。
2. 前記反射面は、前記第１垂直管部における前記電波が入射する側に最も近い側の面の前記第１方向における位置と、前記第１垂直管部における前記電波が入射する側から最も遠い側の面の前記第１方向における位置との間に位置する反射領域を有する、
   請求項１に記載の導波管。
3. 前記反射面における前記第１導体板側の第１端部の前記第１方向における位置は、前記第１垂直管部における前記電波が入射する入射側から最も遠い側の面の前記第１方向における位置と同一であり、
   前記反射面における前記第１端部と反対側の第２端部の前記第１方向における位置は、前記第１垂直管部における前記入射側に最も近い側の面の前記第１方向における位置と、第１前記垂直管部における前記入射側から最も遠い側の面の前記第１方向における位置との間である、
   請求項１又は２に記載の導波管。
4. 前記第２導体板は、前記溝部における前記第１垂直管部が形成されている側と反対側の端部から前記第２方向に延びて前記第２導体板を貫通する第２垂直管部をさらに有する、
   請求項１又は２に記載の導波管。
5. 方形導波管規格により定められている前記導波管の内法の幅をＷａ［ｍｍ］、光速をＣ０［１０^６ｍ／ｓ］とした場合に、
   前記電波の周波数は１．４×Ｃ０／（２×Ｗａ）［ＧＨｚ］以上１．７×Ｃ０／（２×Ｗａ）［ＧＨｚ］以下であり、
   前記反射部の前記第１方向と平行な外側面と前記溝部の前記第１方向と平行な内側面との距離が、前記溝部の２つの前記内側面間の距離に対して１２％以上３８％未満である、
   請求項１又は２に記載の導波管。
6. 第１導体板材料に、長手方向が第１方向になるように、かつ前記第１導体板材料の第１主平面と平行に、断面が長方形の溝部を形成する工程と、
   前記第１導体板材料に、前記溝部における分岐位置を起点として、前記第１方向及び前記第１主平面と直交する第２方向に延びる垂直管部を形成することにより第１導体板を製造する工程と、
   前記第１導体板材料と異なる第２導体板材料に、前記溝部に沿って伝搬した電波を前記垂直管部に向けて反射する反射面を有する反射部を、前記第２導体板材料において前記第１主平面と接触する第２主平面から突出した態様で形成することにより第２導体板を製造する工程と、
   前記第１導体板及び前記第２導体板を形成した後に、前記反射部を前記溝部に挿入した状態で前記第１主平面と前記第２主平面とが接触するように前記第１導体板と前記第２導体板とを結合させる工程と、
   を有する導波管の製造方法。
7. アンテナポートを有するアンテナ素子と、
   前記アンテナポートに接続された導波管と、
   を有し、
   前記導波管は、第１導体板と、前記第１導体板と接触している第２導体板とを有する導波管であって、
   前記第１導体板は、
   長手方向が第１方向になるように前記第１導体板の前記第２導体板側の平面である第１主平面と平行に形成された断面が長方形の溝部と、
   前記溝部における分岐位置を起点として、前記第１方向及び前記第１主平面と直交する第２方向において前記第２導体板から離れる向きに形成された第１垂直管部と、
   を有し、
   前記第２導体板は、
   前記アンテナポートと前記溝部との間において前記第２方向に形成された第２垂直管部と、
   前記第２導体板は、前記第１主平面と接触する前記第２導体板における平面である第２主平面から突出した態様で前記溝部に挿入された、前記溝部に沿って伝搬した電波を前記第１垂直管部に向けて反射する反射面を有する反射部と、
   を有するアンテナ。