JP2019029815A - 導波管−伝送線路変換器 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で広帯域化ができ、小型化、低コスト化を図ることが可能となるようにする。
【解決手段】導波管１の短絡面１ａに直交する側面に挿入孔８を設けると共に、この挿入孔８を中心にした円形凹部９を形成し、この凹部９を覆うように同軸線路２の外導体４の金属板４ａを取り付け、同軸線路２の中心導体３に繋がるプローブ５を挿入孔８から導波管１の内部に挿入することにより、導波管１の側面と同軸線路２との間に、凹部９の内周側面が先端短絡面となるラジアル線路６を設ける。これにより、導波管１と同軸線路２のインピーダンスの整合を図る。
【選択図】図１

Description

本発明は導波管−伝送線路変換器、特にマイクロ波装置に用いられる導波管と同軸線路又はマイクロストリップ線路等の伝送線路との間の変換器に関する。

従来から、マイクロ波を伝送する線路として、導波管、同軸線路、マイクロストリップ線路等が多く用いられる。上記導波管は、伝送ロスが小さく、大電力を扱うことが可能であるが、製作コストが高いという欠点がある。上記マイクロストリップ線路は、導波管と比べ伝送ロスが大きいが、低コストでの製作が可能であり、半導体素子等を装着することも容易であり、マイクロ波増幅装置等に広く利用されている。また、可撓性のある同軸線路は、複数のマイクロ波装置の間を結線するのに都合がよく広く利用されている。マイクロ波装置では、このような各種の線路が混在する場合が多く、導波管と同軸線路を接続するための導波管−同軸線路変換器や導波管とマイクロストリップ線路を接続するための導波管−マイクロストリップ線路変換器等が必要となる。

近年、通信の高度化等により、周波数帯域幅の広いマイクロ波装置が要求されることが多くなっている。それらに対応するために、例えば広帯域化された各種構成の同軸線路−導波管変換器が発明され、実用化されている。その例として、広帯域で製作誤差に強くなるようにリッジ導波管を利用するもの（下記特許文献１）、インピーダンス整合を図るために同軸線路の中心導体であるプローブから導波管をみたインピーダンスを段階的に大きくするもの（下記特許文献２）等が提案されている。

これらの変換器の構造は、低インピーダンスの同軸線路と高インピーダンスの導波管の間に、それらの中間のインピーダンスの線路を設けるものであり、この中間のインピーダンスの線路として、特許文献１ではリッジ導波管が用いられ、特許文献２では同軸線路の外導体の径を段階的に大きくする構造が用いられている。

特許第５６９２２４２号公報、 特開平０５−１３６６０８号公報

しかしながら、上記のようなリッジ導波管を用いた同軸導波管変換器では、リッジ部分の構造が複雑となるため、低コスト化、小型化を図ることは困難である。
また、同軸線路の外導体の径を段階的（ステップ状）に大きくする構造において、インピーダンスの整合をとる場合、そのステップの１段につき約λ／４の線路長が必要になると考えられ、更に広帯域化するためには多段のステップが必要であり、小型化は困難となる。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡単な構成で広帯域化ができ、小型化、低コスト化を図ることが可能となる導波管−伝送線路変換器を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、端面を短絡した導波管と、中心導体に接続されたプローブを有する同軸線路とを備え、上記導波管の短絡面に直交する側面の挿入孔から導波管内部へ上記同軸線路のプローブを挿入する構成の導波管−伝送線路変換器において、上記導波管の側面と上記同軸線路との間に、上記プローブを中心とするラジアル線路を設け、このラジアル線路で上記導波管と上記同軸線路のインピーダンス整合を図ることを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１の構成において、上記ラジアル線路は、上記導波管の側面に上記挿入孔を中心とする凹部を形成し、この凹部を上記同軸線路の外導体に接続される導体部で覆うことにより、又は上記同軸線路の外導体に接続される導体部に上記挿入孔を中心とする凹部を形成し、この凹部を上記導波管の側面に接続することにより、又は独立した金属板に上記挿入孔を中心とする凹部を形成し、この金属板を上記導波管と上記同軸線路との間に接続することにより形成したことを特徴とする。

請求項３の発明は、端面を短絡した導波管と、表面にマイクロストリップ線路、裏面に接地導体面が形成され、この接地導体面の開口部を貫通させながらプローブを上記マイクロストリップ線路に接続したマイクロストリップ線路基板とを備え、上記導波管の短絡面に直交する側面の挿入孔から導波管内部へ上記マイクロストリップ線路基板のプローブを挿入する構成の導波管−伝送線路変換器において、上記導波管の側面と上記マイクロストリップ線路基板との間に、上記プローブを中心とするラジアル線路を設け、このラジアル線路で上記導波管と上記マイクロストリップ線路のインピーダンス整合を図ることを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項３の構成において、上記ラジアル線路は、上記導波管の側面に上記挿入孔を中心とする凹部を形成し、この凹部に上記マイクロストリップ線路基板を接続することにより、又は独立した金属板により上記挿入孔を中心とする凹部を形成し、この金属板を上記導波管と上記マイクロストリップ線路基板との間に接続することにより形成したことを特徴とする。

上記請求項１の構成によれば、導波管−伝送線路変換器である導波管−同軸線路変換器において、例えば導波管の側面に挿入孔とこの挿入孔を中心とする凹部を形成し、この凹部を覆うように同軸線路を接続して挿入孔からプローブを配置することにより（又は同軸線路側に凹部を形成する構成でもよい）、導波管の側面と同軸線路との間にラジアル線路を形成しており、このラジアル線路によって導波管と同軸線路のインピーダンス整合を図ることが可能となる。

また、請求項３によれば、導波管−伝送線路変換器である導波管−マイクロストリップ線路変換器において、マイクロストリップ線路基板裏面の接地導体面の開口部を貫通させながら表面のマイクロストリップ線路にプローブが接続され、このプローブを導波管の側面に形成された凹部の挿入孔から内部へ挿入し、凹部を基板裏面の接地導体で覆うことにより、導波管の側面とマイクロストリップ線路基板との間にラジアル線路が設けられ、このラジアル線路によって導波管とマイクロストリップ線路のインピーダンス整合を図ることができる。この構成では、マイクロストリップ線路に接続されたプローブが接地導体面を貫通する開口部で同軸線路の中心導体として機能するので、この導波管−マイクロストリップ線路変換器は中間に同軸線路を介した変換器であり、その同軸線路と導波管の間に先端短絡のラジアル線路を設けた構造となる。

本発明によれば、導波管の側面と同軸線路又はマイクロストリップ線路との間に、ラジアル線路を設けることにより、簡単な構成で、小型かつ広帯域な変換器が得られるという効果がある。
また、上記ラジアル線路が導波管の側面に凹部を設けたり、同軸線路側に金属製の凹部を設けたりするだけで形成できるため、低コスト化と小型化を図ることが可能になるという利点がある。

本発明に係る第１実施例の導波管−伝送線路（同軸線路）変換器の構成を示す断面図である。 第２実施例の導波管−伝送線路（同軸線路）変換器の他の例の構成を示す断面図である。 第３実施例の導波管−伝送線路（マイクロストリップ線路）変換器の構成を示す断面図である。

図１に、第１実施例の導波管−伝送線路変換器（導波管−同軸線路変換器）の構成が示されており、図１の符号１は矩形の導波管、１ａは短絡面、２は同軸線路、３は同軸線路２の中心導体、４は同軸線路２の外導体、４ａは外導体４の端部に設けられた導体部となる円形金属板、５は中心導体３を延伸させたプローブ、６はプローブ５を中心とする円形空間を持つラジアル線路である。
第１実施例では、図示されるように、導波管１の短絡面１ａに直交する側面に挿入孔（円形孔）８を設けると共に、この挿入孔８を中心にした円形凹部９を形成し、この凹部９を覆うように同軸線路２の外導体４に接続するように金属板（導体部）４ａを取り付けており、中心導体３に繋がるプローブ５を挿入孔８から導波管内部に挿入することにより、導波管１の側面と同軸線路２との間にラジアル線路６が設けられる。このラジアル線路６は、円形凹部９の内周面（側面）が先端短絡面となる。

このような第１実施例の構成によれば、導波管１はプローブ５から距離Ｐの位置で短絡しており、この距離Ｐはおおよそ管内波長の１/４の長さとなる。従って、プローブ５の位置でマイクロ波の高周波電界は最大値となり、プローブ５と導波管壁面との間の容量によって導波管１とプローブ５は結合する。このとき、プローブ５の長さＤと距離Ｐの値を適宜選択することによって、異なったインピーダンスの導波管１と同軸線路２はインピーダンス変換され、良好な伝送特性が得られる。

ところで、マイクロ波はプローブ５に連結している中心導体３に導かれて同軸線路２に伝わるが、このプローブ５の位置Ｐ、長さＤを適宜選択するだけでは、特定の周波数でインピーダンス整合するのみで、狭帯域な変換器となる。この狭帯域な特性は、プローブ５の先端の容量の周波数特性が大きいことに由来する。
そこで、本発明は、この狭帯域の変換器に先端短絡のラジアル線路６を設置することで、広帯域化した変換器を実現させたものである。先端短絡のラジアル線路６の短絡距離Ｌは、波長の１/４よりも短い距離で行うので、同軸線路上からラジアル線路側をみた場合、等価回路でインダクタンスが並列に形成される構成となる。

また、ラジアル線路６と導波管１の側面壁までの距離Ｘは波長の１/８以下で、距離によるインピーダンスの差の小さな近接した位置の設置としているので、導波管側面からラジアル線路側をみても、インダクタンスである。先端短絡のラジアル線路６を設置することで、等価回路では、先端短絡のラジアル線路６のインダクタンスと、プローブ５の容量の周波数特性は逆方向になっていて、その周波数特性を打ち消すため、広帯域な導波管−伝送線路変換器が得られる。

図２に、第２実施例の導波管−伝送線路変換器（導波管−同軸線路変換器）の構成が示されており、この第２実施例は、ラジアル線路６を形成する凹部９を同軸線路側に設けたものである。即ち、同軸線路２の外導体４の端部に一体となる金属板４ｂの裏面側に凹部９を形成し、この凹部９を有する金属板４ｂを導波管１１の側面に取り付けると共に、プローブ５を挿入孔８から導波管内部へ挿入することにより、導波管１１の側面と同軸線路２との間にラジアル線路６が設けられる。
このような構成の第２実施例においても、上記第１実施例と同様に、広帯域な導波管−伝送線路変換器となる。

なお、第１、第２実施例において、ラジアル線路６を構成する凹部９は、導波管１側又は同軸線路２（導体部）に設けたが、独立した金属板に挿入孔８を中心とする凹部９を形成し、この金属板を導波管１，１１と同軸線路２との間に接続するようにしてもよい。

図３に、第３実施例の導波管−伝送線路変換器（導波管−マイクロストリップ線路変換器）の構成が示されており、図３の符号１２はマイクロストリップ線路基板、１３は誘電体基板、１４は誘電体基板１３の表面に形成されたマイクロストリップ線路、１５は誘電体基板１３の裏面に形成された接地導体面、１６は接地導体面に開けられた円形開口部である。
そして、第２実施例のプローブ５は、接地導体面１５の開口部１６から誘電体基板１３を貫通する状態でマイクロストリップ線路１４にはんだ付けされており、このマイクロストリップ線路基板１２を導波管１の側面に配置し、このプローブ５を凹部９の挿入孔８から導波管内部へ挿入することにより、導波管１とマイクロストリップ線路１４の裏面の接地導体面１５との間にラジアル線路６が設けられる。

この第３実施例では、プローブ５が中心導体、接地導体面１５の開口部１６が外導体となる同軸線路が形成されていると考えられ、第３実施例は、ラジアル線路６を設けた第１実施例の導波管−同軸線路変換器の先に、マイクロストリップ線路１４を結線した構造と同等となり、広帯域化された変換器となる。

なお、上記第３実施例では、導波管１１に凹部９を形成する場合について説明したが、独立した金属板に凹部を形成し、或いは独立して金属板に貫通孔を形成し、導波管１とマイクロストリップ線路基板１２との間に配置し、導波管１の側面及び接地導体面１５に接続して凹部９を形成してもよい。

以上のように、第１実施例と第３実施例のラジアル線路６は、導波管１の筐体側面に凹部９を形成することで、第２実施例のラジアル線路６は同軸線路２の外導体４につながる金属板４ｂに凹部９を形成することで、簡単に配置することができ、小型化、低コスト化を図ることが可能となる。

１，１１…矩形導波管、 １ａ…短絡面、
２…同軸線路、 ３…同軸線路の中心導体、
４…同軸線路の外導体、 ４ａ，４ｂ…金属板、
５…プローブ、 ６…ラジアル線路、
８…挿入孔、 ９…凹部、
１２…マイクロストリップ線路基板、
１３…絶縁体基板、 １４…マイクロストリップ線路、
１５…接地導体面、 １６…開口部。

Claims (4)

1. 端面を短絡した導波管と、
   中心導体に接続されたプローブを有する同軸線路とを備え、
   上記導波管の短絡面に直交する側面の挿入孔から導波管内部へ上記同軸線路のプローブを挿入する構成の導波管−伝送線路変換器において、
   上記導波管の側面と上記同軸線路との間に、上記プローブを中心とするラジアル線路を設け、このラジアル線路で上記導波管と上記同軸線路のインピーダンス整合を図ることを特徴とする導波管−伝送線路変換器。
2. 上記ラジアル線路は、上記導波管の側面に上記挿入孔を中心とする凹部を形成し、この凹部を上記同軸線路の外導体に接続される導体部で覆うことにより、又は上記同軸線路の外導体に接続される導体部に上記挿入孔を中心とする凹部を形成し、この凹部を上記導波管の側面に接続することにより、又は独立した金属板に上記挿入孔を中心とする凹部を形成し、この金属板を上記導波管と上記同軸線路との間に接続することにより形成したことを特徴とする請求項１記載の導波管−伝送線路変換器。
3. 端面を短絡した導波管と、
   表面にマイクロストリップ線路、裏面に接地導体面が形成され、この接地導体面の開口部を貫通させながらプローブを上記マイクロストリップ線路に接続したマイクロストリップ線路基板とを備え、
   上記導波管の短絡面に直交する側面の挿入孔から導波管内部へ上記マイクロストリップ線路基板のプローブを挿入する構成の導波管−伝送線路変換器において、
   上記導波管の側面と上記マイクロストリップ線路基板との間に、上記プローブを中心とするラジアル線路を設け、このラジアル線路で上記導波管と上記マイクロストリップ線路のインピーダンス整合を図ることを特徴とする導波管−伝送線路変換器。
4. 上記ラジアル線路は、上記導波管の側面に上記挿入孔を中心とする凹部を形成し、この凹部に上記マイクロストリップ線路基板を接続することにより、又は独立した金属板により上記挿入孔を中心とする凹部を形成し、この金属板を上記導波管と上記マイクロストリップ線路基板との間に接続することにより形成したことを特徴とする請求項３記載の導波管−伝送線路変換器。
   

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