JP2006005846A - 導波管マイクロストリップ線路変換器 - Google Patents

Abstract

【課題】 マイクロ波帯やミリ波帯等の高周波を伝送する際、導波管とマイクロストリップ線路を接続する変換器において、接続箇所からの不要放射の発生やノイズの混入が問題となっていた。
【解決手段】 矩形導波管をリッジ導波管に変換した後、リッジ導波管とマイクロストリップ線路の間に偏心同軸線路を挿入して、伝送線路断面でみた電界分布をほとんど変えることなく高周波信号を伝送することにより、接続箇所で発生する信号の反射を抑圧した。
【選択図】 図１

Description

この発明は、主としてマイクロ波帯およびミリ波帯における高周波伝送線路の変換構造に関するものであり、特に、矩形導波管とマイクロストリップ線路とを接続する導波管マイクロストリップ線路変換器に関するものである。

マイクロ波帯およびミリ波帯における高周波信号の伝送線路として、矩形導波管とマイクロストリップ線路（以下、ＭＳＬ）は広く使用されている。矩形導波管は、伝送線路の低損失が求められる場合や矩形導波管インターフェースを有するアンテナ機器に高周波信号を伝送する場合に用いられている。ＭＳＬは、機器内部の伝送線路で小型化が求められる場合に使用されている。また、矩形導波管とＭＳＬの変換器がしばしば必要とされ、実用されている。

矩形導波管とＭＳＬの接続形態としては、それぞれの信号伝送方向を変えずに接続する構造のものと、接続箇所で伝送方向を直角に変える構造のものがあり、被接続機器の配置や構造によって使い分けられている。

信号伝送方向を変えずに接続する矩形導波管とＭＳＬの変換器として、比較的構造が簡単な従来技術が知られている。（例えば、非特許文献１参照）

Microstrip Lines and Slotlines Second Edition,p43,Figure 1.28,Artech House

非特許文献１に示す接続構造は、矩形導波管の内部にテーパ型の変換器を取付けることによりいったんリッジ導波管形状に変換し、導波管断面でみた電界分布をＭＳＬ断面でみた電界分布に近似させた後でテーパ終端をＭＳＬの線路導体に接続して、ＭＳＬへの高周波信号の伝送を行っている。テーパ変換器はλ／４多段ステップ変換器（以下、ステップ変換器）としても良く、いずれの変換器においてもその形状やＭＳＬの寸法諸元を適当に設定すれば、広帯域にわたり高周波信号の反射を低く抑えることが可能である。

しかしながら、非特許文献１に示す接続構造においては、テーパ変換器とＭＳＬの接続箇所でＭＳＬ側に全ての高周波信号の電流が流れず、一部の電流はテーパ端面に沿って矩形導波管の切断面からさらに矩形導波管外面に流れてしまう。この電流によって、形状の不連続点から空間へ不要波が放射される、あるいは外界からノイズを拾ってしまうという問題があった。

この発明は係る課題を解決するためになされたものであり、導波管マイクロストリップ線路変換器における、不要波の放射や外界からのノイズの混入を抑えることを目的とする。

この発明による導波管マイクロストリップ線路変換器は、
マイクロストリップ線路と、矩形導波管と、前記マイクロストリップ線路の線路端に対向配置され、前記矩形導波管の端面に設けられて貫通穴の形成された導体短絡板と、前記矩形導波管の内面に取付けられ、当該矩形導波管への取付面の反対側に多段のステップ面が形成されるとともに、各段のステップ面と取付面との高さが端末部に向かって順次高くなるステップ変換器と、前記ステップ変換器の端末部と前記マイクロストリップ線路の線路端の間を接続し、前記導体短絡板の貫通穴を貫通して配置される導体ピンとを備えたものである。
また、前記マイクロストリップ線路は、線路導体側の面を前記ステップ変換器の取付面側に対向配置し、前記導体短絡板は、前記貫通穴の中心軸を、前記導体ピンの中心軸に対して前記ステップ変換器の取付面側に偏心させたものである。

この発明によれば、テーパ変換器とマイクロストリップ線路との間の不要放射を抑圧することができる。
また、矩形導波管からマイクロストリップ線路までの伝送線路の電界分布を、ほぼ近似した分布に維持できるので、広帯域にわたり反射を低く抑えることができる。

実施の形態１．
以下、図を用いてこの発明に係る実施の形態１について説明する。
図１は実施の形態１による導波管ＭＳＬ変換器の構成を示す図であって、（ａ）は側面断面図、（ｂ）は断面ＡＡ、（ｃ）は断面ＢＢ、（ｄ）は断面ＣＣにおける、各電界分布を示している。また、図２は実施の形態１による同軸ＭＳＬ変換器の構成を示す上面図である。

図において、導体シャシ８、導体カバー９および短絡板１０によって矩形導波管７を構成する。導体カバー９の矩形導波管７の内面には、矩形導波管７内における高周波信号の伝搬方向（以下、伝搬方向）と一致する導体カバー９の中心線上に、ステップ変換器６を取付けている。ステップ変換器６は階段形状に成形された金属板で構成され、少なくとも２段以上の多段のステップ面が設けられている。図の例では３段のステップ面を示している。各ステップの伝搬方向の長さは使用周波数の波長の略４分の１である。ステップ変換器６は、矩形導波管７の取付面から矩形導波管７の端末部（以下、最終ステップ部）に向って、順次ステップ面が取付面から離れていくように配置される。すなわち、最終ステップ部では取付面からそのステップ面までの高さが最も高くなり、取付面と向かい合う矩形導波管７の内面に最も接近する。

ステップ変換器６は、最終ステップ部におけるステップ面と隣接する端末面に導体ピン４を設けている。ステップ変換器６の最終ステップ部は、矩形導波管７の取付面側の内面との間に空隙を有している。短絡板10は貫通した貫通穴５が設けられ、ステップ変換器６の最終ステップ部に近接して矩形導波管７の端末面に配置されている。導体ピン４は矩形導波管７の貫通穴５を貫通して、貫通穴５より所定量突き出るように配置される。貫通穴５の中心軸は、導体ピン４の中心軸に対して所定量ステップ変換器取付面側にずらした位置となるように、導体ピン４と貫通穴５の位置設定が成されている。すなわち、貫通穴５は、導体ピン４に対して偏心穴となっている。

導体シャシ８のステップ変換器６の取付面と向かい合う面で、短絡板10の近傍もしくは短絡板１０に接するように、ＭＳＬを構成する基板２を取付ける。基板２上には線路導体１を設けておき、導体ピン４は線路導体１の端末部にハンダ付けなどで接続される。基板２の裏面には地導体３が設けられる。地導体３は導体シャシ７にハンダ付けされ、導電性接着剤による接着あるいはネジ止めなどで導体シャシ８に完全に固定される。勿論、充分な接合強度が得られるのであれば、ハンダ固定のみでも良い。ステップ変換器６の最終ステップ部と導体カバー９との間では、図１に示すａとｂの寸法の和が、使用周波数（伝搬波長）の略４分の１波長となるよう切除した形状としておく。なお、ａ寸法は、短絡板10における導体カバー９と貫通穴５の内面との長さを示し、ｂ寸法は、ステップ変換器６と導体カバー９との空隙の高さを示す。

導体シャシ８、短絡板10、導体カバー９、ステップ変換器６および導体ピン４は必ずしも分離した部品ではなく、加工あるいは組立の都合によって適宜一体化してもよく、分離したそれぞれの部品はネジ止めなどで組上げればよい。

以下、高周波信号が矩形導波管７から入力された場合における電界分布の変化をもとに、信号の伝搬動作について説明する。

矩形導波管７の断面における電界分布は、励振モードが通常のＴＥ０１モードの場合断面中心の電界が最も強度の高いコサイン分布になる。次にステップ変換器６を設けた箇所に信号が伝搬すると、ステップ下面と向かい合う矩形導波管内面の間の電界強度がさらに強くなり、間隔が最小となる最終ステップ断面では、図１(d)に示すように電界はほとんどステップ変換器６と向かい合う矩形導波管７内面の中心付近に集中するようになる。

図１(d)に示す断面形状はリッジ導波管と呼ばれるものであり、ステップ変換器６は矩形導波管７からリッジ導波管への変換器として機能している。各ステップの伝搬方向への長さは略４分の１波長としておくことで、ステップ段差における反射を打ち消し合うことが可能である。またステップの段数を多くすることで広帯域化が可能であり、４ないし５段程度にしておけば、矩形導波管７の使用周波数帯域全体にわたり低反射な変換器にできる。

次に、高周波信号は最終ステップから導体ピン４と貫通穴５で構成した偏心同軸線路に導かれる。
この実施の形態では、ステップ変換器とＭＳＬの接続点において、非特許文献１では開放構造となっていた矩形導波管端面直近に短絡面を設け、この短絡面に貫通穴を設けている。さらに、この貫通穴に矩形導波管内部に設置されたステップ変換器とＭＳＬの線路導体を互いに接続する導体ピンを通すことによって偏心同軸線路を形成し、不要電磁波の放射を抑えた導波管ＭＳＬ変換器を実現している。

しかしながら、矩形導波管をリッジ導波管形状に変換して導波管断面の電界分布をＭＳＬ断面の電界分布に近似させる場合には、単に電界分布の異なる同軸線路に接続すると、再び電界分布が異なるＭＳＬへ高周波信号を伝送する際に、各々の接続箇所で電界分布の違いによって信号反射が起こり易くなる。すなわち、通常の同軸線路は中心導体からみて放射状の一様な電界分布となるからである。この際、ステップ変換器と矩形導波管の間に誘電体板や整合ネジを追加して、矩形導波管と同軸線路の接続箇所の特性インピーダンス整合を行うことも可能であるが、部品点数が増えコスト高になり、さらに同軸線路とＭＳＬの接続箇所における信号反射を改善できないという問題を生じてしまう。

このため、この実施の形態では図１(c)に示すように、偏心同軸線路の断面における電界を、導体ピン４と貫通穴５の一方の内面との間に集中した分布としている。この電界分布は、リッジ導波管形状の電界分布と近似したものであるため、偏心同軸線路と矩形導波管７の接続箇所における反射を抑えることが容易である。

また、一部のグランド電流は貫通穴５のエッジから短絡板10の内面を伝わり、さらに導体カバー９の内面に沿ってステップ変換器６との接合箇所まで流れていき、接続箇所から反射して貫通穴５に戻ってくるが、図１に示す寸法ａとｂの和、すなわちグランド電流の経路長を略４分の１波長に設定しておけば、貫通穴５のエッジからみて電気的にはオープンとなり、導体ピン４の表面上流れる信号電流との反射して戻ってきたグランド電流の位相差は180度になるため、問題は生じない。

次に高周波信号は偏心同軸線路からＭＳＬへ導かれる。ＭＳＬ断面の電界は図１(b)のように基板２をはさんで線路導体１と地導体３の間に集中した分布となっており、偏心同軸線路断面の電界分布と近似したものになっている。したがって偏心同軸線路とＭＳＬの接続箇所で起こる反射を抑えることが容易である。

以上のように、矩形導波管７から偏心同軸線路、ＭＳＬまでの各伝送線路における電界は、ほぼ近似した分布が維持されるため、広帯域にわたり反射を低く抑えた導波管ＭＳＬ変換器を実現することが容易となる。また矩形導波管７のＭＳＬ側端面は貫通穴５を除き短絡板10で塞いだ形状になっているので、非特許文献１の構造では問題になっていた不要輻射を抑制することができる。

なお、偏心同軸線路を構成する貫通穴５は、テフロン（登録商標）などの誘電体で満たす構造してもよい。この場合、誘電体の分コストが上昇するが、導体ピン４と貫通穴５の絶縁性向上や導体ピン４の機械的な保持性向上を図ることができる。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、矩形導波管７内部にリッジ導波管への変換器としてステップ変換器６を用いているが、この代わりに図３に示すようなテーパ変換器１１を用いてもよい。テーパ変換器１１は、曲面形状のテーパ面を、矩形導波管７の取付面とは反対側の面、すなわち導体シャシ８の内面に対向させて配置する。テーパ変換器１１のテーパ面は、導体ピン４の取付けされる端末面に向かって、順次取付け面との高さを高くしている。また、テーパ変換器１１は導体カバー９との間に空隙部が形成されている。
テーパの伝送方向への長さは必要な周波数帯域によって適宜調整すればよく、実施の形態１と同様の効果が得られる。

実施の形態３．
上記実施の形態では、導体ピン４の直径を一定としているが、図４に示すように、線路導体１への接続箇所で導体ピン４の先端部１２の径が小さくなるように、導体ピン４の先端を段付き加工してもよい。ＭＳＬの線路導体１の幅が導体ピン４の直径より小さい場合、線路導体１と導体ピン４のハンダ付けなどの接続作業性が悪くなるが、上記加工によってこれを解消できる。また導体ピン４が線路導体１と重なる箇所では、導体ピン４と短絡板10の間で発生する浮遊容量成分で反射が生じるが、実施の形態３ではこの反射をも軽減できる。なお中心導体の先端部12の大きさは、加工性および加工後の機械強度などから許容できる程度まで小さくしてよい。

なお、実施の形態３のステップ変換器６を、テーパ変換器11としてもよいことは言うまでもない。

この発明の実施の形態１である同軸ＭＳＬ変換器を示す側面断面図である。 この発明の実施の形態１である同軸ＭＳＬ変換器を示す上面図である。 この発明の実施の形態２である同軸ＭＳＬ変換器を示す側面断面図である。 この発明の実施の形態３である同軸ＭＳＬ変換器を示す側面断面図である。

符号の説明

１ 線路導体、２ 基板、３ 地導体、４ 導体ピン、５ 貫通穴、６ ステップ変換器、７ 矩形導波管、８ 導体シャシ、９ 導体カバー、１０ 短絡板、１１ テーパ変換器。

Claims (4)

1. マイクロストリップ線路と、
   矩形導波管と、
   前記マイクロストリップ線路の線路端に対向配置され、前記矩形導波管の端面に設けられて、貫通穴の形成された導体短絡板と、
   前記矩形導波管の内面に取付けられ、当該矩形導波管への取付面の反対側に多段のステップ面が形成されるとともに、各段のステップ面と取付面との高さが端末部に向かって順次高くなるステップ変換器と、
   前記ステップ変換器の端末部と前記マイクロストリップ線路の線路端の間を接続し、前記導体短絡板の貫通穴を貫通して配置される導体ピンとを備え、
   前記マイクロストリップ線路は、線路導体側の面を前記ステップ変換器の取付面側に対向配置し、
   前記導体短絡板は、前記貫通穴の中心軸を、前記導体ピンの中心軸に対して前記ステップ変換器の取付面側に偏心させたことを特徴とする導波管マイクロストリップ線路変換器。
2. マイクロストリップ線路と、
   矩形導波管と、
   前記マイクロストリップ線路の線路端に対向配置され、前記矩形導波管の端面に設けられて、貫通穴の形成された導体短絡板と、
   前記矩形導波管の内面に取付けられ、当該矩形導波管への取付面の反対側にテーパ面が形成されるとともに、テーパ面と取付面との高さが端末部に向かって順次高くなるステップ変換器と、
   前記ステップ変換器の端末部と前記マイクロストリップ線路の線路端の間を接続し、前記導体短絡板の貫通穴を貫通して配置される導体ピンとを備え、
   前記マイクロストリップ線路は、線路導体側の面を前記ステップ変換器の取付面側に対向配置し、
   前記導体短絡板は、前記貫通穴の中心軸を、前記導体ピンの中心軸に対して前記ステップ変換器の取付面側に偏心させたことを特徴とする導波管マイクロストリップ線路変換器。
3. 前記ステップ変換器と前記矩形導波管内面との間に間隙部を設け、
   前記間隙部における前記短絡板と前記ステップ変換器との距離と、前記短絡板の貫通穴の内面と前記矩形導波管内面の高さとの、和を、伝搬波長の概略４分の１に設定したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の導波管マイクロストリップ線路変換器。
4. 前記導体ピンと前記マイクロストリップ線路の線路導体の接続部において、前記導体ピンの径を、前記線路導体の幅と概略同等以下にしたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一つに記載の導波管マイクロストリップ変換器。

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