JP2018085680A - 電磁波伝送ケーブル - Google Patents

Abstract

【目的】中空導波管からなる電磁波伝送ケーブルにおいて、導波管全体としての伝送損失及び剛性を維持しつつ、金属との接触部分における伝送損失を低減する。【構成】電磁波を伝送する伝送ケーブルであって、筒状に形成された中空の誘電体層からなる中空導波管と、中空導波管の長手方向に所定長さに亘って設けられ、中空導波管の外周を囲むように誘電体層の表面を被覆する金属材料と、を有し、中空導波管は、金属材料に被覆された金属被覆部と被覆されていない非被覆部とから構成され、金属被覆部における内径が非被覆部における内径よりも大きい。【選択図】図１

Description

本発明は、電磁波伝送ケーブルに関する。

樹脂等の誘電体で作られた中空導波管は、同軸ケーブル等の金属ケーブルや金属導波管に比べると軽量で且つフレキシブル性（柔軟性、曲げやすさ）が高く、さらに伝送損失も少なく伝送効率が良いため、主にミリ波（３０〜３００ＧＨｚ）からＴＨｚ帯（０．１〜１００ＴＨｚ）の電磁波を伝送するケーブルとして有効である。このような中空導波管として、伝送損失をさらに抑えるべくコア径（コア部分の径）の長さの範囲を定めた導波管が提案されている（例えば、特許文献１）。

また、中空導波管の導波路は、フレキシブル性（柔軟性、曲げやすさ）を考慮して、中空の誘電体層により構成されることが望ましい。このような樹脂等の誘電体からなるクラッド層及び乾燥空気や真空等からなるコアを有する導波管において、コア及びクラッド層の屈折率を考慮して、クラッド層の厚さをコア径の半分よりも薄くした導波管が提案されている（特許文献２）。

米国特許７４０９１３２号公報 米国特許出願公開第２０１０／０１３５６２６号公報

電磁波伝送ケーブルには、導波管を所定の位置に支持する支持部や、導波管同士を接続するコネクタ部が設けられている。このような支持部やコネクタ部では、位置ズレ防止の観点から、誘電体層の表面は金属スリーブや金具等の金属により被覆される。誘電体層の外側表面に部分的に金属が接していると、当該部分において金属との境界条件が発生し、それ以外の部分とは異なる伝送状態となる。特に金属との接触部分では伝送状態が悪化し、伝送損失が大きくなってしまう。

伝送損失を防ぐには、金属と接している部分の長さを短くする等の対処方法が考えられるが、接している部分が完全になくなるわけではないため、本質的な解決とはならない。このため、誘電体層の厚さを金属との境界条件を考慮した厚さとすることが望ましい。

上記した従来技術では、径の長さや層の厚さを定めるにあたり、支持部やコネクタ部における金属との接触による伝送状態の変化が考慮されていないという問題があった。また、誘電体層全体を金属との接触部分に合わせた厚さとすると、導波路全体での損失が大きくなる、誘電体層の厚さが薄すぎてその他の部分では導波路としての剛性が不足する等、使用に適さない場合が往々にしてあるという問題があった。

本発明が解決しようとする課題としては、導波管全体としての伝送損失及び剛性を維持しつつ金属との接触部分における伝送損失を低減することができないという問題が一例として挙げられる。

請求項１に記載の発明は、電磁波を伝送する伝送ケーブルであって、筒状に形成された中空の誘電体層からなる中空導波管と、前記中空導波管の長手方向に所定長さに亘って設けられ、前記中空導波管の外周を囲むように前記誘電体層の表面を被覆する金属材料と、を有し、前記中空導波管は、前記金属材料に被覆された金属被覆部と被覆されていない非被覆部とから構成され、前記金属被覆部における内径が前記非被覆部における内径よりも大きいことを特徴とする。

実施例１の電磁波伝送ケーブルの断面図である。 実施例２の電磁波伝送ケーブルの断面図である。 電磁波伝送ケーブルの中空導波管がコネクタ部及び支持部において金属スリーブに被覆される例を模式的に示す図である。

以下、本発明の実施例であるについて、図面を参照して説明する。なお、以下の各実施例における説明及び添付図面においては、実質的に同一又は等価な部分には同一の参照符号を付している。

図１は、本発明の電磁波伝送ケーブル１００の断面図である。電磁波伝送ケーブル１００は、ミリ波からテラヘルツ波までの電磁波（３０〜１０００００ＧＨｚ）を伝送する伝送ケーブルであり、導波路が筒状に形成された中空の誘電体層からなる中空導波管１０から構成されている。また、電磁波伝送ケーブル１００は、他の電磁波伝送ケーブルとの接続が行われるコネクタ部において、中空導波管１０を被覆し且つ保持する金属スリーブ１３を有する。

中空導波管１０は、誘電体層１１及び中空領域１２から構成されている。中空領域１２は、電磁波が伝送される導波路となる部分である。

誘電体層１１は、中心軸ＣＡを中心として中空領域１２を囲むように筒状に形成されている。すなわち、誘電体層１１は、中心軸ＣＡを中心とした回転対称の形状を有する。誘電体層１１は、樹脂等の誘電体から構成されている。

中空領域１２は、電磁波が伝送される導波路となる部分であり、中空導波管１０の内径（すなわち、誘電体層１１からなる誘電体チューブの内径）に沿って、中心軸ＣＡを中心とした回転対称の形状に設けられている。

中空導波管１０は、金属スリーブ１３により被覆されている部分と金属スリーブ１３により被覆されていない部分とで、誘電体層１１が異なる厚さ（膜厚）となるように形成されている。すなわち、誘電体層１１は、金属スリーブ１３により被覆されている部分と被覆されていない部分との境界ラインであるラインＢ１を境に、異なる厚さを有する。

具体的には、誘電体層１１は、金属スリーブ１３により被覆されている部分では厚さｄ１を有し、被覆されていない部分では厚さｄ２（ｄ２＞ｄ１）を有する。すなわち、誘電体層１１は、金属スリーブ１３により被覆されている部分における厚さ（膜厚）が金属スリーブ１３により被覆されている部分における厚さ（膜厚）よりも薄い形状を有する。

また、中空導波管１０は、金属スリーブ１３により被覆されている部分では内径ｗ１を有し、被覆されていない部分では内径ｗ２（ｗ２＜ｗ１）を有する。すなわち、中空導波管１０は、金属スリーブ１３により被覆されている部分では内径が大きく、金属スリーブ１３により被覆されていない部分では内径が小さくなるように形成されている。すなわち、金属スリーブ１３により被覆されている部分では中空領域１２の幅（中空導波管１０の中心軸ＣＡに垂直な方向における幅）が大きく、金属スリーブ１３により被覆されていない部分では中空領域１２の幅が小さい。

また、中空導波管１０の金属スリーブ１３により被覆されている部分と金属スリーブ１３により被覆されていない部分とは同軸（中心軸が共通、同一）である。また、中空導波管１０の金属スリーブ１３により被覆されている部分の外径は、金属スリーブ１３により被覆されていない部分の外径と等しい。

金属スリーブ１３は、中空導波管１０の長手方向の所定距離に亘って設けられ、中空導波管１０の中心軸ＣＡを中心として中空導波管１０の外周を囲むように誘電体層１１の外側表面（すなわち、中空領域１２とは反対側の表面）を被覆している。また、金属スリーブ１３は、中心軸ＣＡを中心とした回転対称の断面形状を有する。

金属スリーブ１３により被覆されている部分における誘電体層１１の厚さｄ１は、誘電体層１１及び金属スリーブ１３の境界条件を考慮して、電磁波を伝送損失の少ないＨＥ１１モードでの伝送に適した厚さとなるように選択されている。具体的には、当該部分における誘電体層１１の厚さｄ１は、以下の式を満たすように設定されている。

ｄ１＝π／４／ｋ／√（ｎ²−１） （ｋ；波数ベクトル，ｎ；誘電体の屈折率）
従って、例えば電磁波が３００ＧＨｚ、誘電体層１１を構成する誘電体の屈折率がｎ＝１．５である場合、金属スリーブ１３により被覆されている部分における誘電体層１１の厚さｄ１＝１００μｍ程度となる。

一方、金属スリーブ１３により被覆されていない部分における厚さｄ２は、上記式にかかわらず、電磁波の伝送がＨＥ１１モードでの伝送に適した厚さとなるように、ｄ１とは異なる値に設定されている。例えば、中空導波管１０自体の外径が１ｍｍであるとすると、金属スリーブ１３により被覆されていない部分における誘電体層１１の厚さｄ２は、１５０〜３００μｍ（すなわち、中空導波管１０の内径は７００〜４００μｍ）に設定されている。

なお、金属スリーブ１３により被覆されていない部分において、中空導波管１０の内径（すなわち、誘電体層１１からなる誘電体チューブの内径）は、伝送損失の少ないＨＥ１１モードへの固定を強めるため、伝送する電磁波の波長より小さく設定することが望ましい。一方、中空の領域が減少すると、誘電体による伝送損失が大きくなってしまうため、当該部分における中空導波管１０の内径は、伝送する電磁波の半波長よりも長く設定することが望ましい。従って、金属スリーブ１３により被覆されていない部分における中空導波管１０の内径は、伝送する電磁波の半波長以上且つ波長以下となるように設定されている。

また、中空導波管１０の外径は、伝送する電磁波の波長相当（電磁波の波長×誘電体層１１の屈折率）よりも大きいことが望ましい。一方、ＨＥ１１モードでの伝送を主とするためには、中空導波管１０の外径はあまり大きくないことが望ましく、具体的には伝送する電磁波の波長相当の倍以下であることが望ましい。従って、中空導波管１０の外径は、伝送する電磁波の波長相当以上且つ波長相当の倍以下となるように設定されている。

以上のように、本実施例の電磁波伝送ケーブル１００では、金属スリーブ１３に被覆された部分と被覆されていない部分とで誘電体層１１の厚さが異なる。金属スリーブ１３に被覆された部分については、誘電体及び金属の境界条件を考慮して厚さが設定されており、それ以外の部分については、誘電体のみの伝送条件を考慮して厚さが設定されている。

この構成によれば、中空導波管全体としての伝送損失及び剛性を維持しつつ、金属と接触する部分における伝送損失を低減することが可能となる。

図２（ａ）は、本発明の実施例２における電磁波伝送ケーブル２００の、中空導波管２０及び金属スリーブ２３の断面を示す図である。

本実施例の中空導波管２０は、誘電体層２１の厚さがｄ１からｄ２に変化する変化点が、金属スリーブ２３に被覆された部分と被覆されていない部分との境界であるラインＢ１ではなく、ラインＢ１よりも金属スリーブ２３に対して内側（すなわち金属スリーブ２３に被覆された部分の内部側）に位置するラインＢ２である点において、実施例１の中空導波管１０と異なる。

また、中空導波管２０は、内径がｗ１からｗ２に変化する変化点が、金属スリーブ２３に被覆された部分と被覆されていない部分との境界であるラインＢ１ではなく、ラインＢ１よりも金属スリーブ２３に対して内側（すなわち金属スリーブ２３に被覆された部分の内部側）に位置するラインＢ２である点において、実施例１の中空導波管１０と異なる。

すなわち、中空導波管２０は、金属スリーブ２３に被覆された部分において、管の内径が金属スリーブ２３に被覆されていない部分における菅の内径よりも大きく且つ誘電体層２１の厚さが金属スリーブ２３に被覆されていない部分における誘電体層２１の厚さよりも小さい第１の領域Ａ１と、管の内径が金属スリーブ２３に被覆されていない部分における菅の内径と等しく且つ金属スリーブ２３に被覆されていない部分における誘電体層２１の厚さと等しい第２の領域Ａ２と、を有する。

図２（ｂ）は、本実施例の変形例である電磁波伝送ケーブル３００の、中空導波管３０及び金属スリーブ３３の断面を示す図である。

中空導波管３０は、誘電体層３１が第２の領域Ａ２において、誘電体層３１の厚さがｄ１からｄ２へと連続的に変化するテーパー部ＴＰを有する点で、図２（ａ）の中空導波管２０と異なる。

図２（ａ）及び（ｂ）に示す中空導波管２０及び３０において、金属スリーブ２３及び３３により被覆され且つラインＢ２よりも内側の部分における厚さｄ１は、実施例１と同様、誘電体層２１及び３１と金属スリーブ２３及び３３との境界条件を考慮して、電磁波を伝送損失の少ないＨＥ１１モードでの伝送に適した厚さとなるように選択されている。具体的には、金属部分における厚さｄ１は、以下の式を満たすように設定されている。

ｄ１＝π／４／ｋ／√（ｎ²−１） （ｋ；波数ベクトル，ｎ；誘電体の屈折率）
従って、例えば電磁波が３００ＧＨｚ、誘電体層２１及び３１を構成する誘電体の屈折率がｎ＝１．５である場合、誘電体層２１及び３１の厚さｄ１＝１００μｍ程度となる。

また、金属スリーブ２３及び３３により被覆され且つラインＢ２よりも外側の部分及び金属スリーブ２３及び３３により被覆されていない部分における厚さｄ２は、上記式にかかわらず、電磁波の伝送がＨＥ１１モードでの伝送に適した厚さとなるように、ｄ１とは異なる値に設定されている。例えば、中空導波管２０及び３０の外径が１ｍｍであるとすると、金属スリーブ２３及び３３により被覆され且つラインＢ２よりも外側の部分及び金属スリーブ２３及び３３により被覆されていない部分における誘電体層２１及び３１の厚さｄ２は、１５０〜３００μｍ（すなわち、中空導波管２０及び３０の内径は７００〜４００μｍ）に設定されている。

また、実施例１と同様、金属スリーブ２３及び３３により被覆され且つラインＢ２よりも外側の部分及び金属スリーブ２３及び３３により被覆されていない部分における中空導波管２０及び３０の内径（すなわち、誘電体層２１及び３１からなる誘電体チューブの内径）は、伝送する電磁波の波長より小さく半波長よりも長くなるように設定されている。また、中空導波管２０及び３０の外径についても、実施例１と同様、伝送する電磁波の波長相当（波長×誘電体層２１及び３１の屈折率）よりも大きく、波長相当の倍以下となるように設定されている。

以上のように、図２（ａ）及び（ｂ）の中空導波管２０及び３０は、金属スリーブ２３及び３３により被覆された部分と被覆されていない部分との境界であるラインＢ１ではなく、金属スリーブ２３及び３３により被覆された部分の内部側に誘電体層２１及び３１の厚さが変化する部分を有する。このため、実施例１の中空導波管１０と比較して、ラインＢ１の付近における変形（例えば、導波管が曲げられる等）に強い。

なお、第２の領域Ａ２では、第１の領域Ａ１や金属スリーブ２３及び３３により被覆されていない箇所と比べて部分的に伝送損失が大きいものの、当該領域は短距離であるため、導波管全体の伝送損失への影響は軽微である。

従って、本実施例の中空導波管によれば、金属との接触部分における伝送損失を低減しつつ、変形に対する耐性を保つことができる。

なお、本発明の実施形態は、上記実施例で示したものに限られない。例えば、上記実施例では、中空導波管が金属スリーブ１３（２３、３３）により被覆されている場合を例として説明したが、これに限られず、導波管を被覆するような形状の金属の金具等によって保持されていてもよい。

また、上記実施例では、電磁波伝送ケーブル１００（２００、３００）が、他の電磁波伝送ケーブルとの接続が行われるコネクタ部において金属スリーブ１３（２３、３３）を有する例について説明した。しかし、金属スリーブが設けられる部分はこれに限られず、図３に示すように、コネクタ部の他、電磁波伝送ケーブルを所定の高さに支持するための支持部に金属スリーブが設けられていても良い。

１０，２０，３０ 中空導波管
１１，２１，３１ 誘電体層
１２ 中空領域
１３，２３，３３ 金属スリーブ
１００，２００，３００ 電磁波伝送ケーブル
ＣＡ 中心軸
Ａ１ 第１の領域
Ａ２ 第２の領域
ＴＰ テーパー部

Claims (9)

1. 電磁波を伝送する伝送ケーブルであって、
   筒状に形成された中空の誘電体層からなる中空導波管と、
   前記中空導波管の長手方向に所定長さに亘って設けられ、前記中空導波管の外周を囲むように前記誘電体層の表面を被覆する金属材料と、
   を有し、
   前記中空導波管は、前記金属材料に被覆された金属被覆部と被覆されていない非被覆部とから構成され、前記金属被覆部における内径が前記非被覆部における内径よりも大きいことを特徴とする電磁波伝送ケーブル。
2. 前記中空導波管は、前記金属被覆部における前記誘電体層の厚さが前記非被覆部における前記誘電体層の厚さよりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の電磁波伝送ケーブル。
3. 前記中空導波管は、
   前記金属被覆部及び前記非被覆部において同軸であり、
   前記金属被覆部における外径と前記非被覆部における外径とが同一である、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の電磁波伝送ケーブル。
4. 前記中空導波管は、前記金属被覆部において、前記金属被覆部における内径が前記非被覆部における内径よりも大きい第１の領域と、前記金属被覆部における内径が前記非被覆部における内径と等しい第２の領域と、を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１に記載の電磁波伝送ケーブル。
5. 前記中空導波管は、前記第１の領域における前記誘電体層の厚さが前記非被覆部における前記誘電体層の厚さよりも小さく、前記第２の領域における誘電体層の厚さが前記非被覆部における誘電体層の厚さと等しいことを特徴とする請求項４に記載の電磁波伝送ケーブル。
6. 前記中空導波管は、前記金属被覆部と前記非被覆部との境界付近において、前記誘電体層の厚さが連続的に変化するように形成されたテーパー領域を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１に記載の電磁波伝送ケーブル。
7. 前記電磁波は、周波数が３０〜１０００００ＧＨｚであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１に記載の電磁波伝送ケーブル。
8. 前記誘電体層の厚さは、前記電磁波の伝送がＨＥ１１モードでの伝送に適した値となるように設定されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１に記載の電磁波伝送ケーブル。
9. 前記誘電体層の厚さは、前記金属被覆部において、前記金属材料と前記誘電体層との境界条件に基づいて設定されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１に記載の電磁波伝送ケーブル。

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