JP2010199992A

JP2010199992A - 導波管装置

Info

Publication number: JP2010199992A
Application number: JP2009042678A
Authority: JP
Inventors: Masatoshi Suzuki; 正俊鈴木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2009-02-25
Filing date: 2009-02-25
Publication date: 2010-09-09

Abstract

【課題】広帯域で所望の反射特性および伝送特性を得ることができる導波管装置を提供する。
【解決手段】任意の波長をλｇとおくとき、一端が壁面で閉塞された幅ａのＨ面を有する第１矩形導波管２１と、第１矩形導波管の壁面から該第１矩形導波管の中心軸方向にλｇ／２だけ離れた位置において中心軸が第１矩形導波管の中心軸と直交するように第１矩形導波管に接続された幅ａのＨ面を有する第２矩形導波管３１とを備え、第１矩形導波管には、壁面からλｇ／２だけ離れた位置から３λｇ／４だけ離れた位置までの区間に整合用管路２２が形成され、該整合用管路の幅は、Ｚ₁を第１矩形導波管の特性インピーダンス、Ｚ₂を第１矩形導波管と第２矩形導波管との接続点によって変換された第１矩形導波管から見た第２矩形導波管の特性インピーダンスとおくとき、Ｚ＝√Ｚ１・Ｚ２を満足するよう決定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、電磁波の伝送に用いられる導波管装置に関する。

例えば自動車レーダーなどといった高周波の電磁波を信号として取り扱うシステムにおいて、高周波信号の発生および増幅を行う素子とアンテナとを結ぶ信号線路を実現する際に、如何にして高周波信号を伝送するかが問題となる。

通常、１８［ＧＨｚ］程度までの電磁波を取り扱う場合は、マイクロストリップ線路やコプレーナ線路といった絶縁体基板上に金属パターンによる線路を形成した構造が用いられてきたが、１８［ＧＨｚ］を超える周波数帯域については、絶縁体基板の誘電正接により高周波信号が大きく減衰して伝送損失が生じたり、絶縁体基板上から信号エネルギーの一部が空中に放射されたりするため、信号の伝送特性が著しく劣化する。

そこで、高周波信号の線路として、誘電正接による伝送損失が少なく、信号エネルギーが空中に放射されない導波管線路が用いられている。導波管線路は、信号の伝播方向に沿った四方が金属などの導電性物質で囲まれた構造を有する。

図８は、金属板の積層によって導波管線路が形成された導波管装置の分解斜視図、図９は上面図、図１０は図９のＸ−Ｘ’で切断した断面図である。この導波管装置は、加工性を向上させるために、信号入力窓３が形成された金属板１と、信号出力窓４が形成されるとともに、切削加工などによって溝５が形成された金属板２とを重ね合わせて構成されており、信号入力窓３から入力された信号は、導波管線路としての溝５を通って信号出力窓４から出力される。

この導波管装置においては、信号の伝播経路は、金属板１に形成された信号入力窓３から金属板２に形成された溝５に伝送される際に直角に曲げられるが、導波管線路における電磁波の伝播方向を単純に直角に曲げると、導波管線路が直角に曲がる部分において信号が反射される。このため、図１１に示すように、反射特性Ｓ１１および伝送特性Ｓ２１は、信号の中心周波数（ここでは、一例として７６．５［ＧＨｚ］としている）において劣化する。

そこで、導波管線路が直角に曲がる部分における信号の反射に起因する特性の劣化を改善するために、従来では、図１２（上面図）および図１３（図１２のＸ−Ｘ’で切断した断面図）に示すように、導波管線路が直角に曲がる部分にコーナーカット部６を備えた構造の導波管装置が知られている。

また、他の導波管装置として、図１４（上面図）および図１５（図１４のＸ−Ｘ’で切断した断面図）に示すように、導波管線路が直角に曲がる部分でＥ面Ｔ分岐の導波管線路が形成された導波管装置が知られている。この導波管装置は、第１矩形導波管（溝５によって形成される導波管線路）の一端を、この第１矩形導波管に垂直に接続される第２矩形導波管（信号入力窓３から溝５に至る導波管線路または信号出力窓４から溝５に至る導波管線路））の中心軸から、信号の中心周波数における管内波長λｇの略１／２の位置で短絡したλｇ／２短絡線路により電気的仮想コーナー部を形成し、信号入力窓３から入力された信号を直角に曲げて伝播させる。

なお、関連する技術として、特許文献１は、広帯域な周波数範囲に渡って低損失で、位相変化の少ない良好な通過特性など、必要な電気特性確保のために要求される機械加工精度や製造コストを大幅に低減させることができ、かつ当該構造によって受ける加工上の制約を無くすことが可能な構造を持つ導波管ベンドを開示している。

この導波管ベンドでは、導波管内の電磁波の伝搬方向を進行方向から異なる管軸方向に変換する導波管コーナー部において、管軸方向が異なる導波管のいずれか一方または双方のコーナーから外側に向けてキャビティが構成されている。

特開２００４−１４５５６３号公報

図１２および図１３に示したコーナーカット部６を有する導波管装置は、コーナーカット部６の加工の難易度が高いため、廉価な量産品には不向きである。そこで、現在は、図１４および図１５に示した導波管線路が直角に曲がる部分でＥ面Ｔ分岐の導波管線路が形成された導波管装置が多く用いられている。

図１６は、図１４および図１５に示した導波管装置の反射特性Ｓ１１および伝送特性Ｓ２１を示す図である。図１６を参照すると、信号の中心周波数近傍において反射特性Ｓ１１≦−２０［ｄＢ］、伝送特性Ｓ２１≧−０．１［ｄＢ］と非常に低反射、低損失な特性が得られることを確認できる。これは、現在、自動車レーダーで利用可能な周波数範囲７６〜７７ＧＨｚにおいて所望される特性を満足していることを示している。

しかしながら、今後、利用可能周波数が７６〜７９ＧＨｚに拡大される傾向があり、帯域幅３ＧＨｚという広帯域なレーダシステムにＥ面Ｔ分岐の導波管線路を用いた場合、広帯域で所望の反射特性および伝送特性を得ることができないという問題がある。

本発明の課題は、広帯域で所望の反射特性および伝送特性を得ることができる導波管装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、第１の発明は、任意の波長をλｇとおくとき、一端が壁面で閉塞された幅ａのＨ面を有する第１矩形導波管と、第１矩形導波管の壁面から該第１矩形導波管の中心軸方向にλｇ／２だけ離れた位置において中心軸が第１矩形導波管の中心軸と直交するように第１矩形導波管に接続された幅ａのＨ面を有する第２矩形導波管とを備え、第１矩形導波管には、壁面からλｇ／２だけ離れた位置から３λｇ／４だけ離れた位置までの区間に整合用管路が形成され、該整合用管路の幅は、Ｚ₁を第１矩形導波管の特性インピーダンス、Ｚ₂を第１矩形導波管と第２矩形導波管との接続点によって変換された第１矩形導波管から見た第２矩形導波管の特性インピーダンスとおくとき、

を満足するよう決定されることを特徴とする。

第２の発明は、下板と、下板に積層され且つ幅ａのＨ面を有する第１矩形導波管が形成された中板と、中板に積層され且つ幅ａのＨ面を有する第２矩形導波管が形成さたれ上板とを備え、管内波長λｇの電磁波を伝送する導波管装置であって、中板は、第１矩形導波管の閉塞された壁面となる基準位置から第１矩形導波管の中心軸方向にλｇ／２だけ離れた位置までの区間は幅ａで切除され、λｇ／２だけ離れた位置から３λｇ／４だけ離れた位置までの区間は幅ｂで切除され、３λｇ／４以上離れた区間は幅ａで切除されており、上板は、中板の基準位置からλｇ／２だけ離れた位置において、第１矩形導波管の中心軸と直交する中心軸を有する第２矩形導波管を構成する貫通孔を有し、幅ｂは、Ｚ₁を第１矩形導波管の特性インピーダンス、Ｚ₂を第１矩形導波管と第２矩形導波管との接続点によって変換された第１矩形導波管から見た第２矩形導波管の特性インピーダンスとおくとき、

を満足するよう決定されることを特徴とする。

本発明によれば、従来のＥ面Ｔ分岐を用いた導波管装置と比較して、中心周波数付近で非常に低反射な特性であり、また、低反射となる周波数の帯域幅が拡大され、伝送特性も広帯域で低損失な特性となる。

本発明の実施例１に係る導波管装置の構造を示す斜視図である。本発明の実施例１に係る導波管装置を構成する下板、中板および上板の上面図である。本発明の実施例２に係る導波管装置の構造を示す斜視図である。本発明の実施例２に係る導波管装置を構成する下板、中板および上板の上面図である。本発明の実施例２に係る導波管装置の反射特性および伝送特性を示す図である。本発明の実施例３に係る導波管装置の構造を示す斜視図である。本発明の実施例３に係る導波管装置の伝送特性を示す図である。金属板の積層によって導波管線路が形成された従来の導波管装置の分解斜視図である。図７に示した導波管装置の上面図である。図９のＸ−Ｘ’で切断した断面図である。図８〜図１０に示した導波管装置に形成された導波管線路の反射特性および伝送特性を示す図である。導波管線路が直角に曲がる部分にコーナーカット部を備えた構造を有する従来の導波管装置の上面図である。図１２のＸ−Ｘ’で切断した断面図である。導波管線路が直角に曲がる部分でＥ面Ｔ分岐の導波管線路を構成した従来の導波管装置の上面図である。図１４のＸ−Ｘ’で切断した断面図である。図１４および図１５に示した従来の導波管装置の反射特性および伝送特性を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る導波管装置の斜視図である。この導波管装置は、下板１１の上に、管幅ａで管高ｃを有する第１矩形導波管２１、λｇ／４インピーダンス変成器２２およびλｇ／２短絡線路２３を形成するための中板１２、および、管幅ａで管高ｃを有する第２矩形導波管３１を形成するための上板１３が積層されて構成されている。

ここで、λｇは、導波管装置の第１矩形導波管２１および第２矩形導波管３１を伝送される信号の中心周波数における管内波長である。

下板１１、中板１２および上板１３は、所定の加工が施された金属板から構成されており、これらは、熱圧着、導電性接着剤または半田付けなどによって接合されている。

図２（ａ）は下板１１の上面図であり、図２（ｂ）は中板１２の上面図であり、図２（ｃ）は上板１３の上面図である。

下板１１は、主面が平面な平板である。

中板１２は、厚さｃの金属板を、第１矩形導波管２１の一端を閉塞して形成されるλｇ／２短絡線路２３の壁面Ｗ（これを「基準位置」と呼ぶ）から、第１矩形導波管２１の中心軸Ｃ１の方向にλｇ／２だけ離れた位置までの区間をλｇ／２短絡線路２３が形成されるように幅ａで切除し、この区間に続くλｇ／４の区間、つまり基準位置からλｇ／２だけ離れた位置から３λｇ／４だけ離れた位置までの区間をλｇ／４インピーダンス変成器２２が形成されるように幅ｂで切除し、この区間に続く区間、つまり基準位置から３λｇ／４以上離れた区間は幅ａで切除して構成されている。

上板１３は、中板１２に接合された場合に中板１２の基準位置からλｇ／２だけ離れた位置において、第１矩形導波管２１の中心軸Ｃ１と直交する中心軸Ｃ２を有する第２矩形導波管を形成する幅ａで高さｃの貫通孔を有する。

上記のように構成される下板１１、中板１２および上板１３を基準位置を一致させて積層することにより、一端が壁面で閉塞された幅ａのＨ面を有する第１矩形導波管２１と、第１矩形導波管２１の壁面Ｗから該第１矩形導波管２１の中心軸方向にλｇ／２だけ離れた位置において中心軸Ｃ２が第１矩形導波管２１の中心軸Ｃ１と直交するように第１矩形導波管２１に接続された幅ａのＨ面を有する第２矩形導波管３１とを構成する。

なお、上板、中板、下板は、一枚の板である必要はなく、同じ形状の板を複数積層(上層・中層・下層)したものであってもよい。

第１矩形導波管２１には、壁面Ｗからλｇ／２だけ離れた位置から３λｇ／４だけ離れた位置までの区間にλｇ／４インピーダンス変成器２２（本発明の「整合用管路」に対応する）が形成された導波管装置が実現されている。

ここで、λｇ／４インピーダンス変成器２２の特性インピーダンスＺは、下式（１）で表すことができる。

ここで、Ｚ₁は、第１矩形導波管２１の特性インピーダンスであり、Ｚ₂は、第１矩形導波管２１と第２矩形導波管３１との接続点によって変換された第１矩形導波管２１から見た第２矩形導波管３１の特性インピーダンス、換言すれば、第１矩形導波管２１のＨ面に第２矩形導波管３１が接続されることにより不整合を起こした導波管の接続部分のインピーダンスである。λｇ／４インピーダンス変成器２２の幅ｂは、この特性インピーダンスＺに基づき決定される。

以上説明したように、本発明の実施例１に係る導波管装置によれば、λｇ／４インピーダンス変成器２２を設けたので、不整合となっていた導波管線路の特性インピーダンスが整合され、広い周波数帯域において、低反射、低損失の導波管線路を実現できる。

図３は、本発明の実施例２に係る導波管装置の斜視図である。この導波管装置は、λｇ／２短絡線路２３の幅が、λｇ／４インピーダンス変成器２２の幅ｂと同じになるように拡張されている点を除けば、上述した実施例１に係る導波管装置と同じである。

図４（ａ）は、実施例２に係る導波管装置の下板１１の上面図であり、図４（ｂ）は中板１２ａの上面図であり、図４（ｃ）は上板１３の上面図である。これらの金属板のうち、中板１２ａのみが、実施例１に係る中板１２と異なる構造を有する。

中板１２ａは、厚さｃの金属板を、第１矩形導波管２１の一端を閉塞して形成されるλｇ／２短絡線路２３の壁面Ｗ（基準位置）から、第１矩形導波管２１の中心軸Ｃ１の方向に３λｇ／４だけ離れた位置までの区間は幅ｂで切除し、この区間に続く区間、つまり基準位置から３λｇ／４以上離れた区間は幅ａで切除して構成されている。

上記のように構成される下板１１、中板１２ａおよび上板１３を積層することにより、一端が壁面で閉塞された幅ｂのＨ面を有する第１矩形導波管２１と、第１矩形導波管２１の壁面Ｗから該第１矩形導波管２１の中心軸方向にλｇ／２だけ離れた位置において中心軸Ｃ２が第１矩形導波管２１の中心軸Ｃ１と直交するように第１矩形導波管２１に接続された幅ａのＨ面を有する第２矩形導波管３１とを備えている。

第１矩形導波管２１には、壁面Ｗから３λｇ／４だけ離れた位置までの区間にλｇ／４インピーダンス変成器２２（本発明の「整合用管路」に対応する）が形成された導波管装置が実現されている。

図５は、図３に示した導波管装置の反射特性Ｓ１１および伝送特性Ｓ２１を、電磁界シミュレータによりシミュレーションした結果を示す図である。図５に示すように、反射特性Ｓ１１は、信号の中心周波数（７６．５［ＧＨｚ］）付近で−６０［ｄＢ］以下となり、図１６に示した従来の導波管装置に較べて、非常に低反射な特性であることを確認できる。

また、伝送特性Ｓ２１は、低反射の指標である−２０［ｄＢ］以下となる周波数範囲は７６．２５〜７８．８３［ＧＨｚ］となり、図１６に示した従来の導波管装置の７６〜７７［ＧＨｚ］に較べて、帯域幅が１［ＧＨｚ］から４．５［ＧＨｚ］へと拡大されていることを確認できる。

さらに、伝送特性Ｓ２１も広帯域で低損失な特性が実現されていることを確認できる。なお、上述した実施例１に係る導波管装置のシミュレーション結果の説明は省略したが、実施例１に係る導波管装置も、図５に示した反射特性および伝送特性とほぼ同様の特性を有する。

以上説明したように、本発明の実施例２に係る導波管装置によれば、上述した実施例１に係る導波管装置と同様に、λｇ／４インピーダンス変成器２２を設けることにより、不整合となっていた導波管線路の特性インピーダンスが整合され、広い周波数帯域において、低反射、低損失の導波管線路を実現できる。

図６は、本発明の実施例３に係る導波管装置の斜視図である。この導波管装置は、図６に示すように、図３に示した第１矩形導波管２１を、絶縁体基板４０内に導電性の複数のスルーホール４１，４１ａ〜４１ｍと絶縁体基板４０の表面および裏面または内層に形成される金属などの導電性パターン４２とで導波管のＨ面およびＥ面を実現するポストウォール導波管線路で構成し、図３に示す第２矩形導波管３１を導波管４５で構成したものである。

なお、第２矩形導波管３１である導波管４５もポストウォール導波管線路で構成するようにしても良い。

図６（ａ）は、実施例３に係る導波管装置のポストウォール導波管線路の上面図であり、図６（ｂ）はポストウォール導波管線路の側面半透視図であり、図６（ｃ）はポストウォール導波管線路と導波管４５との斜視半透視図である。

ポストウォール導波管線路のスルーホール４１ａとスルーホール４１ｅとの幅は、

であり、スルーホール４１ａ〜４１ｅの全ての外周に接する壁面Ｗ（これを「基準位置」と呼ぶ）から、ポストウォール導波管線路の中心軸Ｃ１の方向に３λｇ／４だけ離れた位置までの区間には一定間隔でコの字状にスルホール４１ａ〜４１ｋが配列されている。

この区間に続く区間、つまり基準位置から３λｇ／４以上離れた区間には、中心軸Ｃ１の方向に一定間隔で２列の複数のスルホール４１が配列されている。一方の列の複数のスルホール４１と他方の列の複数のスルホール４１とは幅ａだけ離れている。

上記のように構成されるポストウォール導波管線路と導波管４５とを領域４２ａで接続する。一端が壁面Ｗで閉塞された幅ＺのＨ面を有するポストウォール導波管線路と、ポストウォール導波管線路の壁面Ｗから該ポストウォール導波管線路の中心軸方向にλｇ／２だけ離れた位置において中心軸Ｃ２がポストウォール導波管線路の中心軸Ｃ１と直交するようにポストウォール導波管線路に接続された幅ｄのＨ面を有する貫通孔４３が形成された導波管４５とを備えている。

ポストウォール導波管線路には、壁面Ｗから３λｇ／４だけ離れた位置までの区間にλｇ／４インピーダンス変成器（本発明の「整合用管路」に対応する）であるスルホール４１ｈ，４１ｉ，４１ｊ，４１ｋが形成された導波管装置が実現されている。λｇ／４インピーダンス変成器の特性インピーダンスＺは、上式（１）で表すことができる。

以上説明したように、本発明の実施例３に係る導波管装置によれば、λｇ／４インピーダンス変成器であるスルホール４１ｈ，４１ｉ，４１ｊ，４１ｋを設けたので、不整合となっていた導波管線路の特性インピーダンスが整合され、広い周波数帯域において、低反射、低損失の導波管線路を実現できる。

本発明は、自動車レーダーなどのように高周波の電磁波を信号として取り扱うシステムに利用可能である。

１１‥下板、１２‥中板、１３‥上板、２１‥第１矩形導波管、２２‥λｇ／４インピーダンス変成器、２３‥λｇ／２短絡線路、３１‥第２矩形導波管、４０‥絶縁体基板、４１，４１ａ〜４１ｋ‥スルホール。

Claims

任意の波長をλｇとおくとき、
一端が壁面で閉塞された幅ａのＨ面を有する第１矩形導波管と、
第１矩形導波管の壁面から該第１矩形導波管の中心軸方向にλｇ／２だけ離れた位置において中心軸が第１矩形導波管の中心軸と直交するように第１矩形導波管に接続された幅ａのＨ面を有する第２矩形導波管とを備え、
第１矩形導波管には、壁面からλｇ／２だけ離れた位置から３λｇ／４だけ離れた位置までの区間に整合用管路が形成され、該整合用管路の幅は、Ｚ₁を第１矩形導波管の特性インピーダンス、Ｚ₂を第１矩形導波管と第２矩形導波管との接続点によって変換された第１矩形導波管から見た第２矩形導波管の特性インピーダンスとおくとき、

を満足するよう決定されることを特徴とする導波管装置。
前記第１矩形導波管の前記壁面からλｇ／２だけ離れた位置までの区間は、前記整合用管路と同じ幅に形成されていることを特徴とする請求項１記載の導波管装置。
下板と、
前記下板に積層され且つ幅ａのＨ面を有する第１矩形導波管が形成された中板と、
前記中板に積層され且つ幅ａのＨ面を有する第２矩形導波管が形成さたれ上板と、
を備え、所定の波長λｇの電磁波を伝送する導波管装置であって、
前記中板は、前記第１矩形導波管の閉塞された壁面となる基準位置から第１矩形導波管の中心軸方向にλｇ／２だけ離れた位置までの区間は幅ａで切除され、λｇ／２だけ離れた位置から３λｇ／４だけ離れた位置までの区間は幅ｂで切除され、３λｇ／４以上離れた区間は幅ａで切除され、
前記上板は、前記中板の基準位置からλｇ／２だけ離れた位置において、前記第１矩形導波管の中心軸と直交する中心軸を有する前記第２矩形導波管を構成する貫通孔を有し、
前記幅ｂは、Ｚ₁を第１矩形導波管の特性インピーダンス、Ｚ₂を第１矩形導波管と第２矩形導波管との接続点によって変換された第１矩形導波管から見た第２矩形導波管の特性インピーダンスとおくとき、

を満足するよう決定されることを特徴とする導波管装置。
前記中板は、前記第１矩形導波管の閉塞された壁面となる基準位置から第１矩形導波管の中心軸方向に３λｇ／４だけ離れた位置までの区間は幅ｂで切除され、３λｇ／４以上離れた区間は幅ａで切除されていることを特徴とする請求項３記載の導波管装置。
前記第１矩形導波管と前記第２矩形導波管との少なくとも一方は、絶縁体基板内に導電性の複数のスルーホールと前記絶縁体基板の表面および裏面または内層に形成される導電性パターンとで導波管のＨ面およびＥ面を実現するポストウォール導波管線路からなることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の導波管装置。