JP2002135013A - モード変換器、非可逆回路素子、モード変換器付アンテナ、および回路モジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 誘電体ストリップの固定を容易にし、モード
変換部部分の長さを短縮化し、温度変化による特性変化
を抑えたモード変換器、それを備えた非可逆回路素子、
アンテナおよび回路モジュールを構成する。 【解決手段】 略平行な２つの導電体平面１，２の間
に、先端部を共振器部４とする誘電体ストリップ３を配
置して、誘電体ストリップ３と上下の導電体平面とで誘
電体線路を構成し、共振器部４を導波管１０１の端部に
配置して、この共振器部４による共振器を介して誘電体
線路１００と導波管１０１とを相互にモード変換する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明はミリ波帯やマイク
ロ波帯において、伝送路を伝搬するモードの変換を行う
モード変換器、そのモード変換器を備えた非可逆回路素
子、アンテナおよび回路モジュールに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、誘電体線路（誘電体導波路）と導
波管との伝送モードを同一面上で変換するために、誘電
体線路に用いる誘電体ストリップをテーパー状に変化さ
せて、誘電体線路から導波路へ伝送モードを徐々に変換
するようにした構造が知られている。また、誘電体共振
器を介して伝送モードの変換を行うものとして特開平１
０−１７３４１２が開示されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、前者の構造
では、誘電体ストリップの端部が自由端であるため、誘
電体ストリップの上下の導電体板部分に確実に固定でき
ないという問題、および誘電体ストリップの端部をテー
パー状にして徐々に変換する構造にしたことにより、誘
電体線路から導波管への変換部部分が長くなって、全体
に大型化するという問題があった。

【０００４】後者の構造では、誘電体ストリップとし
て、線膨張係数が大きなＰＴＦＥ等の樹脂材料を用いた
場合に、温度変化によって、共振器と誘電体ストリップ
との間隔が変化し、そのことにより、変換器の反射特性
や透過特性等が変化し、所望の周波数で所定の特性を得
るための温度範囲が狭くなるという問題があった。

【０００５】この発明の目的は、誘電体ストリップの固
定を容易にし、モード変換部部分の長さを短縮化し、温
度変化による特性変化を抑えたモード変換器、それを備
えた非可逆回路素子、アンテナおよび回路モジュールを
提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明は、略平行な２
つの導電体平面の間に、先端部を共振器構造とする誘電
体ストリップを配置して、誘電体線路を構成するととも
に、前記共振器を導波管の端部または誘電体充填導波管
の端部に配置してなり、前記誘電体線路と前記導波管ま
たは誘電体充填導波管との間で伝送モードを変換する。
このように、誘電体ストリップの先端部を共振器構造と
して、その共振器を介して導波管または誘電体充填導波
管と誘電体線路との間でモード変換を行うことにより、
誘電体ストリップの固定を容易にし、モード変換部部分
の長さを短縮化し、誘電体ストリップと共振器との間隔
の変化に伴う特性変化の問題を解消する。

【０００７】また、この発明は、前記誘電体ストリップ
の共振器部に突出部または窪みを形成し、その突出部ま
たは窪みによって共振器部を誘電体線路、導波管または
誘電体充填導波管を構成する導電体部分に係合させる。
この構造により、誘電体ストリップおよびその先端部の
共振器部分の固定を容易且つ確実に行う。

【０００８】また、この発明は、上記モード変換器を非
可逆回路素子の入出力ポートの数だけ備え、複数の導波
管または誘電体充填導波管を入出力ポートとして非可逆
回路素子を構成する。すなわち誘電体線路によってサー
キュレータ等の非可逆回路素子部分を構成し、且つ、入
出力を導波管または誘電体充填導波管で行えるようにす
る。

【０００９】また、この発明は、上記モード変換器の導
波管部分にアンテナ部を接続して、モード変換器付アン
テナを構成する。これにより、伝送路として誘電体線路
を用い、且つ導波管系のアンテナとして用いられるよう
にする。

【００１０】また、この発明は、上記モード変換器、非
可逆回路素子、またはアンテナと、誘電体線路、導波
管、または誘電体充填導波管に接続された回路素子とを
備えて回路モジュールを構成する。これにより、導波管
または誘電体充填導波管と誘電体線路とを、それぞれが
適する箇所に設け、且つモード変換部部分を小型化し
た、全体に低損失で小型の回路モジュールを構成する。

【００１１】

【発明の実施の形態】第１の実施形態に係るモード変換
器の構成を図１を参照して説明する。図１の（Ａ）は、
上部の導電体平面を構成する導体板を取り除いた状態で
の上面図、（Ｂ）は上部の導電体平面を構成する導体板
を設けた状態での（Ａ）におけるＢ−Ｂ部分の断面図、
同じく（Ｃ）は（Ａ）におけるＣ−Ｃ部分の断面図、
（Ｄ）は（Ａ）におけるＤ−Ｄ部分の断面図である。

【００１２】この図１において、１，２は上下の導電体
平面であり、その間に誘電体ストリップ３を配置して、
この誘電体ストリップと上下の導電体平面１，２とによ
って誘電体線路１００を構成している。この誘電体線路
１００は、誘電体ストリップ３部分に電磁波の伝搬エネ
ルギーが集中し、その両脇の空間部分には電磁波がほと
んど漏れないようにした非放射性誘電体線路（ＮＲＤガ
イド）としている。

【００１３】誘電体ストリップ３の先端部は円柱形状に
成形していて、この部分を共振器部４としている。すな
わちこの構造は、円柱形状の誘電体共振器と誘電体スト
リップとを一体化したものに等しい。図中１０１で示す
部分は矩形導波管を構成していて、共振器部４を導波管
の端部に配置している。

【００１４】このような構造によって、共振器部４は誘
電体線路１００を伝搬するＬＳＭ０１モードの伝送モー
ドと結合して、共振器４の共振モード（ハイブリッドモ
ードまたはＨＥ１１１モードに近いモード）で共振し、
この共振器部４の共振モードと導波管１０１のＴＥ１０
モードとが結合して、結局、共振器部４の共振器を介し
て、誘電体線路１００の伝送モードと導波管１０１の伝
送モードとが相互に変換される。

【００１５】なお、この実施形態のように、共振器部４
を両線路の丁度中間位置に配置すると、モード変換に際
しての特性劣化が小さくなる。

【００１６】次に、第２の実施形態に係るモード変換器
の構成を、図２を参照して説明する。図１に示した場合
と同じく、図２の（Ａ）は、上部の導電体平面を成す導
電体板を取り除いた状態での上面図、（Ｂ），（Ｃ），
（Ｄ）は、上部の導電体平面を成す導電体板を設けた状
態での、（Ａ）におけるＢ−Ｂ，Ｃ−Ｃ，Ｄ−Ｄ部分の
それぞれの断面図である。図１に示したものと異なり、
この図２に示す例では、誘電体ストリップ３の先端部に
形成した共振器部４を導波管１０１側に、その大半を配
置している。それと同時に共振器部４の幅より導波管１
０１の幅が狭くなる関係とし、共振器部４の側部に沿っ
て導波管の導電体板が接するようにしている。この構造
により、共振器部４を導電体部分に係合させている。こ
のような構造によって、誘電体ストリップ３および共振
器部４の、導電体部分に対する位置決め固定が確実に成
され、温度変化に伴う誘電体ストリップ３および共振器
部４の膨張・収縮による電気的特性の変化を抑えること
ができる。

【００１７】次に、第３の実施形態に係るモード変換器
の構成を図３を、参照して説明する。この図も、図１に
示した場合と同様に、（Ａ）は、上部の導電体平面を成
す導電体板を取り除いた状態での上面図、（Ｂ），
（Ｃ），（Ｄ）は、上部の導電体平面を成す導電体板を
設けた状態での、（Ａ）におけるＢ−Ｂ，Ｃ−Ｃ，Ｄ−
Ｄ部分のそれぞれの断面図である。この図３に示すモー
ド変換器は、誘電体ストリップ３の先端部の共振器部４
の軸長を、誘電体ストリップ３の高さより長くしてい
る。その分、上下の導電体平面１，２にそれぞれ窪みを
設けて、その窪みに共振器部４を係合させている。

【００１８】この構造により、共振器部４は、上下の導
電体平面を成す導電体板に位置決め固定され、誘電体ス
トリップ３および共振器部４の温度変化に伴う膨張・収
縮による電気的特性の変化が抑えられる。

【００１９】なお、誘電体線路１００部分の上下の導電
体平面の間隔ｈａと導波管１０１部分の上下面の間隔ｈ
ｂとは必ずしも一致していなくてもよく、共振器部４の
軸長（高さ）ｈｃが、ｈｃ＞ｈａ，ｈｂ、またはｈｃ＜
ｈａ，ｈｂの関係にあればよい。

【００２０】また、共振器部４の導電体平面方向への突
出は、図４に示すように片側だけであってもよい。

【００２１】次に、第４の実施形態に係るモード変換器
について、図５および図６を参照して説明する。図５の
（Ａ）は、上部の導電体平面を成す導電体板を取り除い
た状態での上面図、（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）は、上部の
導電体平面を成す導電体板を設けた状態での、（Ａ）に
おけるＢ−Ｂ，Ｃ−Ｃ，Ｄ−Ｄ部分のそれぞれの断面図
である。図５において１０１で示す部分は導波管、１０
２で示す部分は、導波管内に誘電体ストリップ３を配置
して（充填して）成る誘電体充填導波管（以下「ＤＷ
Ｇ」という。）である。誘電体ストリップ３の先端部は
共振器部４として、円柱形状に成形している。ＤＷＧ１
０２部分を伝搬するＴＥ１０モードの信号と、共振器部
４の共振モード（ハイブリッドモードまたはＨＥ１１１
モードに近いモード）とが結合し、またこのモードと導
波管１０１のＴＥ１０モードとが結合する。結局、共振
器部４を介してＤＷＧ１０２の伝送モードと、導波管１
０１の伝送モードとがモード変換される。

【００２２】なお、この図５に示す例では、ＤＷＧ１０
２における導波管部分の幅および高さを導波管１０１と
同じにしたが、ＤＷＧ１０２における導波管部分の幅お
よび高さを誘電体ストリップ３の幅および高さに合わせ
てもよい。

【００２３】図６は図５に示したモード変換器の反射特
性を示している。ここで、中心周波数は７６．５ＧＨｚ
であり、この所定の周波数において、極めて低い反射特
性が得られる。

【００２４】次に、第５の実施形態に係るモード変換器
の構成を、図７を参照して説明する。図３に示したモー
ド変換器と異なり、この図７に示す例では、誘電体線路
１００とＤＷＧ１０２との間でモード変換を行う。すな
わち、誘電体ストリップ３の一部を共振器部４として円
柱形状に成形し、ＤＷＧ部分に誘電体が充填されるよう
に、ＤＷＧ１０２側にも誘電体ストリップ３を連続させ
ている。

【００２５】なお、誘電体線路１００部分における誘電
体ストリップ３の高さｈａとＤＷＧ１０２部分における
誘電体ストリップの高さｈｂとは必ずしも等しくなくて
もよく、共振器部４の高さｈｃをｈａおよびｈｂとは異
なる高さにすればよい。

【００２６】図８は第６の実施形態に係るモード変換器
における誘電体ストリップのいくつかの形状の例を示し
ている。これらは何れも誘電体ストリップの上面図であ
り、（Ａ）に示す例では、共振器部４の中央付近に所定
深さの穴、または貫通孔を設けている。（Ｂ），（Ｃ）
に示す例では、共振器部４と誘電体ストリップ３との接
続部分に括れ部を設けている。また（Ｄ）に示す例で
は、共振器部４と誘電体ストリップ３との接続部に突出
部を設けている。

【００２７】これらは何れも、共振器部４による共振器
と誘電体線路との結合Ｑに寄与し、これらの形状によっ
て、共振器部と誘電体線路とが所定の結合Ｑで結合する
ように設定する。なお、図８に示した例では、誘電体線
路と導波管との間で、またはＤＷＧと導波管との間で、
モード変換を行うモード変換器に用いる誘電体ストリッ
プを想定したが、図７に示したように、誘電体線路とＤ
ＷＧとのモード変換を行うモード変換器についても、こ
の図８に示した構造は同様に適用できる。

【００２８】図９は第７の実施形態に係るモード変換器
における誘電体ストリップの主要部の構成を示してい
る。（Ａ）に示す例では、誘電体ストリップ３の先端部
の共振器部４に、その軸方向に突出する突出部４ａを設
けている。（Ｂ）に示す例では、円錐形状の突出部４ｂ
を設けている。さらに（Ｃ）に示す例では、所定深さの
孔４ｃを形成している。既に示した各実施形態のモード
変換器において、上下の導電体平面を成す導電体板に、
突出部４ａ，４ｂまたは孔４ｃに係合する窪みまたは突
出部を設けておくことによって、共振器部４およびこれ
に連続する誘電体ストリップ３を、上下の導電体部分に
位置決め固定するようにしてもよい。

【００２９】次に、第８の実施形態として、非可逆回路
素子の構成例を図１０を参照して説明する。図１０は誘
電体ストリップ、共振器部、および導波管部分の主要部
のみを斜視図として示している。図中３ａ，３ｂ，３ｃ
はそれぞれ誘電体ストリップであり、それらの先端部を
共振器部４ａ，４ｂ，４ｃとして形成している。また、
誘電体ストリップ３ａ，３ｂ，３ｃの中央部を連結部５
で連結している。これらの誘電体ストリップ部分および
共振器部は、図１０では省略している上下の導電体平面
を成す導電体板の間に挟み込んで、誘電体線路をそれぞ
れ構成している。なお、連結部５の上下には円板状のフ
ェライトを配置し、且つそのフェライトに対し厚み方向
に静磁界を印加する永久磁石を近接配置させて、その部
分でフェライト共振器を構成している。

【００３０】１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃはそれぞれ
導波管の内壁面を示している。ポート＃Ａから導波管の
伝送モードで電磁波が入射すると、共振器部４ａを介し
てモード変換され、誘電体ストリップ３ａによる誘電体
線路のモードで入力信号が伝搬し、連結部５を経て誘電
体ストリップ３ｂによる誘電体線路方向へ伝搬する。こ
の信号は、共振器部４ｂを介して再び導波管の伝送モー
ドで導波管１０１ｂを伝搬し、ポート＃Ｂから出力され
る。同様に、ポート＃Ｂから信号が入射されると、ポー
ト＃Ｃから出力され、ポート＃Ｃから信号が入力される
と、ポート＃Ａから出力される。このようにしてサーキ
ュレータとして作用する。ここで、例えば導波管１０１
ｃの内部に終端抵抗器を設ければ、ポートＡからポート
Ｂ方向へ信号を伝搬するアイソレータとして作用する。

【００３１】次に、モード変換器付アンテナの構成例を
第９の実施形態として図１１に示す。図１１において、
６はホーンアンテナであり、導波管１００の端部に設け
ている。但し、導波管１００は図１０に示した場合と同
様に、その内壁面のみを簡略化して表している。同様
に、誘電体ストリップ３およびその端部の共振器部４
も、上下の導電体板を除いて表している。

【００３２】図１１の（Ａ）に示す構造によれば、誘電
体ストリップ３による誘電体線路を伝搬する信号が共振
器部４を介し、導波管１００で一旦導波管モードにモー
ド変換され、ホーンアンテナ６を介して空間に放射され
る。また（Ｂ）に示す例では、導波管１００にコーナー
部分を設けて、ホーンアンテナ６による電磁波の放射方
向を誘電体線路の伝搬方向に対し垂直方向にしている。

【００３３】次に、第１０の実施形態として、上記モー
ド変換器を備えた回路モジュールおよびそれを備えたレ
ーダ装置の例を図１２を参照して説明する。図１２にお
いて、ＶＣＯは、ガンダイオードとバラクタダイオード
等を用いた電圧制御発振器、Ｉｓｏ．は反射信号がＶＣ
Ｏに戻るのを抑制するアイソレータである。Ｃｐｌ．
は、送信信号の一部をローカル信号として取り出す、Ｎ
ＲＤガイドからなる方向性結合器である。Ｃｉｒ．は、
送信信号をアンテナＡｎｔ．の１次放射器へ与え、また
受信信号をミキサーＭｉｘ．側へ伝送するサーキュレー
タである。ミキサーＭｉｘ．は、受信信号と上記ローカ
ル信号とからＩＦ（中間周波）信号を生成して出力す
る。図外の信号処理回路は、ＶＣＯの変調信号とＩＦ信
号との関係から、物標までの距離および相対速度を検知
する。

【００３４】これまでに述べたモード変換器を、サーキ
ュレータＣｉｒから出力された送信信号を導波管モード
に変換する部分に用い、図１１に示したようなホーンア
ンテナを介してミリ波の送受信を行う。

【００３５】

【発明の効果】この発明によれば、誘電体ストリップの
先端部を共振器構造として、その共振器を介して導波管
または誘電体充填導波管と誘電体線路との間でモード変
換を行うようにしたので、誘電体ストリップの固定が容
易となり、モード変換部部分の長さが短縮化でき、誘電
体ストリップと共振器との間隔の変化に伴う特性変化の
問題が解消できる。

【００３６】また、この発明によれば、前記誘電体スト
リップの共振器部に突出部または窪みを形成し、その突
出部または窪みによって、共振器部を誘電体線路、導波
管または誘電体充填導波管の導電体部分に係合させるこ
とにより、誘電体ストリップおよびその先端部の共振器
部分の固定を容易且つ確実に行うことができる。

【００３７】また、この発明によれば、上記モード変換
器を入出力ポートの数だけ備え、複数の導波管または誘
電体充填導波管を入出力ポートとして非可逆回路素子を
構成することにより、非可逆回路素子部分を誘電体線路
で構成し、且つ、入出力を導波管または誘電体充填導波
管で行えるようになる。

【００３８】また、この発明によれば、モード変換器の
導波管部分にアンテナを設けて、モード変換器付アンテ
ナを構成することにより、伝送路として誘電体線路を用
い、且つ導波管系のアンテナとして用いることが可能と
なる。

【００３９】また、この発明によれば、上記モード変換
器、非可逆回路素子、またはアンテナと、誘電体線路、
導波管、または誘電体充填導波管に接続された回路等を
備えて回路モジュールを構成することにより、導波管ま
たは誘電体充填導波管と誘電体線路とを、それぞれが適
する箇所に設け、且つモード変換部部分を小型化した、
全体に低損失で小型の回路モジュールが構成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 第１の実施形態に係るモード変換器の構成を
示す図

【図２】 第２の実施形態に係るモード変換器の構成を
示す図

【図３】 第３の実施形態に係るモード変換器の構成を
示す図

【図４】 同モード変換器の変形例を示す図

【図５】 第４の実施形態に係るモード変換器の構成を
示す図

【図６】 同モード変換器の反射特性を示す図

【図７】 第５の実施形態に係るモード変換器の構成を
示す図

【図８】 第６の実施形態に係るモード変換器における
誘電体ストリップの形状を示す図

【図９】 第７の実施形態に係るモード変換器における
誘電体ストリップおよび共振器部の形状を示す斜視図

【図１０】 第８の実施形態に係る非可逆回路素子の主
要部の構成を示す斜視図

【図１１】 第９の実施形態に係るモード変換器付きア
ンテナの主要部の構成を示す斜視図

【図１２】 第１０の実施形態に係る回路モジュールの
構成例を示すブロック図

【符号の説明】

１，２−導電体平面 ３−誘電体ストリップ ４−共振器部 ５−連結部 ６−ホーンアンテナ １００−誘電体線路 １０１−導波管 １０２−誘電体充填導波管

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 略平行な２つの導電体平面の間に、先端
   部を共振器構造とする誘電体ストリップを配置して、誘
   電体線路を構成するとともに、前記共振器を前記誘電体
   線路に接続される導波管の端部または誘電体充填導波管
   の端部に配置してなり、前記誘電体線路と、前記導波管
   または誘電体充填導波管との間で伝送モードを変換する
   モード変換器。
2. 【請求項２】 前記誘電体ストリップ先端部の共振器部
   に突出部または窪みを形成し、該突出部または窪みによ
   って、前記共振器部を前記誘電体線路、導波管または誘
   電体充填導波管を構成する導電体部分に係合させた請求
   項１に記載のモード変換器。
3. 【請求項３】 請求項１または２に記載のモード変換器
   を、非可逆回路素子の入出力ポートの数だけ備え、前記
   モード変換器における導波管または誘電体充填導波管を
   入出力ポートとした非可逆回路素子。
4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれかに記載のモード
   変換器の導波管にアンテナ部を接続したモード変換器付
   きアンテナ。
5. 【請求項５】 請求項１または２に記載のモード変換
   器、請求項３に記載の非可逆回路素子、または請求項４
   に記載のアンテナと、前記誘電体線路、導波管、または
   誘電体充填導波管に接続された回路素子とを備えて成る
   回路モジュール。