JP2020137031A - 導波管接続構造、それを用いた導波管スイッチ及びミリ波帯スペクトラムアナライザ - Google Patents

Abstract

【課題】被試験対象の導波管と異種の導波管とを接続する際に、所望の使用周波数帯域において高次モードの発生を抑えることができる導波管接続構造、それを用いた導波管スイッチ及びミリ波帯スペクトラムアナライザを提供する。【解決手段】ＤＵＴ２００の導波管２１０から出力されるミリ波帯の電磁波を伝搬させる入力導波管３１が端面３０ａから端面３０ｂまで貫通形成された入力導波管ブロック３０と、ＤＵＴ２００の導波管２１０と、入力導波管３１の端面３０ａ側とを接続する補助導波管１０と、を備え、入力導波管３１と補助導波管１０はリッジ構造を有しており、補助導波管１０の端面１０ａにおける開口の寸法がＤＵＴ２００の導波管２１０の開口の寸法に等しく、補助導波管１０の端面１０ｂにおける開口の寸法が入力導波管３１の端面３０ａにおける開口の寸法に等しい。【選択図】図１

Description

本発明は、導波管接続構造、それを用いた導波管スイッチ及びミリ波帯スペクトラムアナライザに関する。

近年の情報化社会の発展とともに、各種通信で用いられる情報量は増大し、従来使用されたマイクロ波帯での周波数資源が不足している。そのため、各種アプリケーションは年々高い周波数領域へと移行し、それらアプリケーションの評価に用いられる測定器（スペクトラムアナライザ）に要求される解析周波数もマイクロ波帯からミリ波帯へと移行してきている。

また、スペクトラムアナライザ単体で測定できる上限周波数（例えば６０ＧＨｚ）を越える（１００ＧＨｚを越えるような）周波数の信号を解析する場合には、スペクトラムアナライザの外部にダウンコンバータをフロントエンドとして接続し、このフロントエンドに被測定信号を入力するのが一般的である。

１００ＧＨｚを超える周波数帯の電磁波を伝搬させるフロントエンドの前段においては、電磁波の伝搬経路として一般に導波管が用いられる。導波管は、カットオフ周波数以下の帯域の電磁波の透過を制限するハイパスフィルタとして働くため、フロントエンドは導波管の使用周波数帯域ごとに作製されることになる。例えば１４０ＧＨｚ〜３３０ＧＨｚをカバーする場合、ＷＲ−３帯のフロントエンド、ＷＲ−４帯のフロントエンド、及びＷＲ−５帯のフロントエンドを用いることになる。これらのフロントエンドをまとめて１つの広帯域スペクトラムアナライザを構成する場合、図１１に示すような構成が想定される。このとき、被試験対象（Device Under Test：ＤＵＴ）２００からの信号を各フロントエンド７０ａ〜７０ｃに切り替える導波管スイッチ２２０が必要となる（例えば、特許文献１参照）。

図１１に示す広帯域スペクトラムアナライザは、導波管スイッチ２２０とフロントエンド７０ａ〜７０ｃに加えて、補助導波管２３０と、スイッチ８１，８２と、ローカル信号発生器８３と、スペクトラム解析部９０と、表示部９３と、操作部９４と、制御部９５と、を備える。

補助導波管２３０は、ＤＵＴ２００の導波管２１０から出力されるミリ波帯の被測定信号の電磁波を伝搬させるテーパ導波管であり、ＤＵＴ２００の導波管２１０と、導波管スイッチ２２０の入力導波管２３１とを滑らかに接続する。ローカル信号発生器８３は、被測定信号を中間周波数帯に変換するためのローカル信号を出力するようになっている。スイッチ８１は、導波管スイッチ２２０により選択されたフロントエンド７０ａ〜７０ｃに、ローカル信号発生器８３から出力されたローカル信号を出力するようになっている。一方、スイッチ８２は、導波管スイッチ２２０により選択されたフロントエンド７０ａ〜７０ｃから出力された中間周波数帯の信号を選択して、スペクトラム解析部９０に出力するようになっている。

スペクトラム解析部９０は、各フロントエンド７０ａ〜７０ｃによって中間周波数帯に変換された被測定信号に対するスペクトラム解析を行うようになっている。スペクトラム解析部９０によって検出された被測定信号のスペクトラムの情報は表示部９３に出力され、例えば測定周波数を横軸、信号レベルを縦軸とする画面上にスペクトラム波形が表示される。制御部９５は、ユーザによる操作部９４への操作に応じて、導波管スイッチ２２０、スイッチ８１，８２の切替え、スペクトラム解析部９０への解析に必要な情報の伝達等の処理を行うようになっている。

導波管スイッチ２２０は、可動部を水平に移動させることで出力導波管を切り替えることが可能であり、例えば１対３のスイッチの実現が可能である。このとき、導波管スイッチ２２０の入力導波管２３１をどのように選択するかが問題となる。前述のとおり導波管は、ハイパスフィルタとして動作する。このことより、使用する全ての周波数の電磁波を透過させるためには、使用周波数帯域の下限周波数がカットオフ周波数より高くなる必要がある。よって、図１１の例では、入力導波管２３１としてＷＲ−５導波管を用いることになる。

特許第６１８５４５５号公報

しかしながら、ＷＲ−５導波管である入力導波管にＷＲ−３又はＷＲ−４導波管を備えるＤＵＴを接続した場合、導波管接続構造のずれにより透過特性にリップルが生じるなどの課題が存在する。例えば、図１２に示すように、ＷＲ−３導波管をテーパ導波管によりＷＲ−５導波管に接続し、再度ＷＲ−３導波管に接続したモデルのシミュレーション結果を図１３に示す。ここで、図１２のシミュレーションモデルは、ＷＲ−３導波管であるＤＵＴ２００の導波管２１０に対して、導波管スイッチ２２０によりＷＲ−３帯のフロントエンド７０ｃが選択された状況に相当する。図１３（ａ）は導波管同士の接続がｘ，ｙ方向にずれのない（上下左右対称な）位置に接続されている場合であり、図１３（ｂ）は、中央のＷＲ−５導波管がｘ，ｙ方向にそれぞれ０．０２ｍｍずれて２つのＷＲ−３導波管に接続された場合を示している。図１３（ａ）より、ずれのない場合は、ＷＲ−３導波管の透過帯域２２０ＧＨｚ〜３３０ＧＨｚにおいて、透過特性Ｓ_２１が大きな周波数特性を持たないことが分かる。

しかしながら、図１３（ｂ）を見ると２４０ＧＨｚ付近から３３０ＧＨｚの間に透過特性Ｓ_２１が低下する周波数があることが分かる。これは、ＷＲ−５導波管の高次モードが２３１．４ＧＨｚ以上で発生したことによって引き起こされた現象であると推定される。上記の０．０２ｍｍのずれ量は、機械公差を考慮すると実際に生じる可能性が大きいものである。また、透過特性Ｓ_２１の低下量は、ずれの位置関係により変化するため、キャリブレーションによりあらかじめ取り除くことも困難である。このため、この透過特性Ｓ_２１の低下はスペクトラムアナライザの性能を劣化させることになる。

本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであって、被試験対象の導波管と異種の導波管とを接続する際に、所望の使用周波数帯域において高次モードの発生を抑えることができる導波管接続構造、それを用いた導波管スイッチ及びミリ波帯スペクトラムアナライザを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る導波管接続構造は、被試験対象の導波管から出力されるミリ波帯の電磁波を伝搬させる入力導波管が第１の端面から第２の端面まで貫通形成された入力導波管ブロックと、前記被試験対象の前記導波管と、前記入力導波管の前記第１の端面側とを接続する補助導波管と、を備える導波管接続構造において、前記入力導波管と前記補助導波管はリッジ構造を有しており、前記補助導波管の前記被試験対象に対向する一方の端面における開口の寸法が前記被試験対象の前記導波管の開口の寸法に等しく、前記補助導波管の前記入力導波管ブロックに対向する他方の端面における開口の寸法が前記入力導波管の前記第１の端面における開口の寸法に等しい構成である。

この構成により、本発明に係る導波管接続構造は、被試験対象の導波管と異種の入力導波管とを接続する際に、所望の使用周波数帯域において高次モードの発生を抑えることができる。

また、本発明に係る導波管接続構造においては、前記補助導波管は、前記一方の端面から前記他方の端面に向かって開口の寸法が連続的に変化するテーパ導波管であってもよい。

この構成により、本発明に係る導波管接続構造は、補助導波管における無用な反射の発生を防止しながら、被試験対象の導波管と入力導波管とを接続することができる。

また、本発明に係る導波管接続構造においては、前記入力導波管及び前記補助導波管の前記リッジ構造は、前記入力導波管及び前記補助導波管の開口の断面形状が両側部の高さに対して中央部の高さが小となるダブルリッジ構造であってもよい。

また、本発明に係る導波管スイッチは、上記のいずれかに記載の導波管接続構造における前記補助導波管に接続される前記入力導波管が形成された前記入力導波管ブロックを固定するベース部と、前記ベース部に支持され、前記ミリ波帯の電磁波を伝搬させる複数の接続導波管が、前記入力導波管ブロックの前記第２の端面に平行に対向する第３の端面から第４の端面まで貫通形成された接続導波管ブロックと、前記ベース部に固定され、前記ミリ波帯の電磁波を伝搬させる複数の出力導波管が、前記接続導波管ブロックの前記第４の端面に平行に対向する第５の端面から第６の端面まで貫通形成された出力導波管ブロックと、を備え、前記接続導波管ブロックは、前記入力導波管ブロック及び前記出力導波管ブロックに対してスライド移動し、異なる複数の位置で、前記入力導波管と前記複数の出力導波管とを選択的に接続させ、前記複数の接続導波管の前記第３の端面における開口の寸法が前記入力導波管の前記第２の端面における開口の寸法に等しく、前記複数の接続導波管の前記第４の端面における開口の寸法が前記複数の出力導波管の前記第５の端面における開口の寸法にそれぞれ等しい構成である。

この構成により、本発明に係る導波管スイッチは、スペクトラムアナライザに適用された場合に、被試験対象の導波管と異種の入力導波管との接続によるスペクトラムアナライザの性能劣化を抑制することができる。

また、本発明に係る導波管スイッチにおいては、前記入力導波管は、前記複数の出力導波管のうち最も使用周波数帯域が高い出力導波管の開口の寸法と等しい寸法の開口を有する導波管に、前記リッジ構造を設けたものであってもよい。

この構成により、本発明に係る導波管スイッチは、最も使用周波数帯域が低い出力導波管５１の使用周波数帯域の下限以下まで入力導波管の透過帯域を伸ばすとともに、最も使用周波数帯域が高い出力導波管の使用周波数帯域の上限まで入力導波管における高次モードの発生を抑えることができる。

また、本発明に係る導波管スイッチにおいては、前記複数の接続導波管は、リッジ構造を有しており、前記第３の端面から前記第４の端面に向かって開口の寸法が連続的に変化するテーパ導波管であってもよい。

この構成により、本発明に係る導波管スイッチは、各接続導波管における無用な反射の発生を防止しながら、入力導波管と複数の出力導波管とを接続することができる。

また、本発明に係るミリ波帯スペクトラムアナライザは、上記のいずれかに記載の導波管スイッチと、互いに異なる使用周波数帯域を有し、前記被測定信号をそれぞれ所定の中間周波数帯に変換する複数の中間周波数変換部と、各前記中間周波数変換部によって前記中間周波数帯に変換された信号を受けて、各前記使用周波数帯域を含む測定周波数範囲における前記被測定信号のスペクトラム解析を行うスペクトラム解析部と、を備えるミリ波帯スペクトラムアナライザであって、前記導波管スイッチは、前記複数の出力導波管の前記第６の端面側がそれぞれ前記複数の中間周波数変換部に接続されており、前記被試験対象の前記導波管から出力されるミリ波帯の前記被測定信号の電磁波を、所望の使用周波数帯域を有する前記中間周波数変換部に選択的に出力する構成である。

この構成により、本発明に係るミリ波帯スペクトラムアナライザは、上記の構成の導波管スイッチにより所望の使用周波数帯域を有する中間周波数変換部を選択できるため、被試験対象の導波管と異種の入力導波管との接続による性能劣化を抑制することができる。

本発明は、被試験対象の導波管と異種の導波管とを接続する際に、所望の使用周波数帯域において高次モードの発生を抑えることができる導波管接続構造、それを用いた導波管スイッチ及びミリ波帯スペクトラムアナライザを提供するものである。

本発明の実施形態に係る導波管接続構造を備えるミリ波帯スペクトラムアナライザの構成図である。 （ａ）は本発明の実施形態に係る導波管接続構造における入力導波管の斜視図であり、（ｂ）は本発明の実施形態に係る導波管接続構造における入力導波管の電磁波の伝搬方向に垂直な断面図である。 ＷＲ−３導波管（リッジ構造あり）とＷＲ−３導波管（リッジ構造なし）の透過特性のシミュレーション結果を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る導波管接続構造における各種導波管のリッジ構造の他の例を示す断面図である。 本発明の実施形態に係る導波管スイッチの動作説明図である。 本発明の実施形態に係る導波管接続構造のシミュレーションモデルを示す断面図である。 ＤＵＴの導波管をＷＲ−５導波管とした図６のシミュレーションモデルの周波数特性を示すグラフである。 ＤＵＴの導波管をＷＲ−４導波管としたシミュレーションモデルの周波数特性を示すグラフである。 ＤＵＴの導波管をＷＲ−３導波管としたシミュレーションモデルの周波数特性を示すグラフである。 本発明の実施形態に係るミリ波帯スペクトラムアナライザが備えるフロントエンドの構成図である。 従来のミリ波帯スペクトラムアナライザの構成図である。 従来の導波管接続構造のシミュレーションモデルを示す断面図である。 （ａ）は図１２のシミュレーションモデルにおいて導波管同士の接続にずれがない場合のシミュレーション結果を示すグラフであり、（ｂ）は図１２のシミュレーションモデルにおいて導波管同士の接続にずれがある場合のシミュレーション結果を示すグラフである。

以下、本発明に係る導波管接続構造、それを用いた導波管スイッチ及びミリ波帯スペクトラムアナライザの実施形態について、図面を用いて説明する。なお、各図面上の各構成の寸法比は、実際の寸法比と必ずしも一致していない。

図１は、本発明の実施形態の導波管接続構造を備えるミリ波帯スペクトラムアナライザ１００（以下、単にスペクトラムアナライザ１００と記す）の全体構成を示している。このスペクトラムアナライザ１００は、ＤＵＴ２００が備える導波管２１０から出力されるミリ波帯の被測定信号のスペクトラム特性を求めるものである。ＤＵＴ２００としては、例えば信号発生器や無線機などの１００ＧＨｚを超える周波数の信号を発生させる機器を想定している。スペクトラムアナライザ１００は、例えば、補助導波管１０と、導波管スイッチ２０と、中間周波数変換部としてのフロントエンド７０ａ〜７０ｃと、スイッチ８１，８２と、ローカル信号発生器８３と、スペクトラム解析部９０と、表示部９３と、操作部９４と、制御部９５と、を備える。

補助導波管１０は、ＤＵＴ２００の導波管２１０から出力されるミリ波帯の被測定信号の電磁波を伝搬させる導波管であり、ＤＵＴ２００の導波管２１０と、後述する導波管スイッチ２０の入力導波管ブロック３０における入力導波管３１の第１の端面３０ａ側とを滑らかに接続するようになっている。なお、補助導波管１０及び入力導波管ブロック３０は、本実施形態の導波管接続構造を構成する。

この補助導波管１０はＤＵＴ２００の導波管２１０のサイズごとに別に用意する必要がある。補助導波管１０のＤＵＴ２００に対向する一方の端面１０ａにおける開口の寸法は、ＤＵＴ２００の導波管２１０（例えば方形導波管）の開口の寸法に等しくなっている。また、補助導波管１０の入力導波管ブロック３０に対向する他方の端面１０ｂにおける開口の寸法は、入力導波管３１の第１の端面３０ａにおける開口の寸法に等しくなっている。なお、２つの開口の寸法が等しいとは、両者が完全に一致することのみを意味するものではなく、各導波管の製造ばらつきの範囲内で互いに等しいことをいう。補助導波管１０内における無用な反射の発生を防止するため、補助導波管１０は、ＤＵＴ２００に対向する一方の端面１０ａから、入力導波管ブロック３０に対向する他方の端面１０ｂに向かって、開口の寸法が連続的に変化するテーパ導波管となっている。

導波管スイッチ２０は、補助導波管１０から出力されたミリ波帯の被測定信号の電磁波を、後段のフロントエンド７０ａ〜７０ｃに選択的に出力するためのものであり、ベース部２１と、入力導波管ブロック３０と、接続導波管ブロック４０と、出力導波管ブロック５０と、駆動装置６０と、を有している。

ベース部２１の上面側には、入力導波管ブロック３０と出力導波管ブロック５０が固定され、接続導波管ブロック４０がスライド移動可能に支持されている。入力導波管ブロック３０は、ｘ方向に延び、外形が横長矩形で厚さ一定の金属板からなり、第１の端面３０ａの中央からその反対側の第２の端面３０ｂの中央までｚ方向に沿って貫通する入力導波管３１が形成されている。入力導波管３１は、補助導波管１０を介して、ＤＵＴ２００の導波管２１０から出力されたミリ波帯の被測定信号の電磁波を伝搬させるようになっている。

図２（ａ），（ｂ）に示すように、例えばこの金属壁で囲まれた入力導波管３１は、電磁波の伝搬方向に垂直な開口の断面形状が両側部の高さに対して中央部の高さが小となるダブルリッジ構造を有している。入力導波管３１においては、上下の内壁中央から互いに近づく方向に突出する２つの突出部３２ａ，３２ｂが長手方向に連続して形成されている。すなわち、入力導波管３１の開口の中央部３１ａの高さｈ１が、開口の両側部３１ｂ，３１ｃの高さｈ２に対して小に設定されている。なお、補助導波管１０も入力導波管３１と同様のダブルリッジ構造を有しており、特に、入力導波管３１に対向する端面１０ｂにおける開口の形状は、入力導波管３１の第１の端面３０ａにおける開口の形状と同一であることが望ましい。

スペクトラムアナライザ１００の測定周波数範囲を例えば１４０ＧＨｚ〜３３０ＧＨｚとする場合には、入力導波管３１のカットオフ周波数は１４０ＧＨｚ以下である必要がある。このような入力導波管３１は、例えば、開口のサイズをｈ１＝０．１５ｍｍ、ｈ２＝０．４３２ｍｍ、ｗ１＝０．２０ｍｍ、ｗ２＝０．３３２ｍｍ（すなわち、ｗ１＋２×ｗ２＝０．８６４ｍｍ）とすることで実現できる。つまり、この入力導波管３１は、内寸が０．８６４ｍｍ×０．４３２ｍｍであるＷＲ−３導波管に、突出部３２ａ，３２ｂを設けたような構成となっている。図３のシミュレーション結果により、通常のＷＲ−３導波管の透過特性Ｓ_２１と比較して、上記の構成の入力導波管３１の透過特性Ｓ_２１においてカットオフ周波数が１４０ＧＨｚより十分に低下していることが確認できる。つまり、ＷＲ−３導波管に上記のようなダブルリッジ構造を設けることで、ＷＲ−５導波管と同等の低いカットオフ周波数を得ることができる。

入力導波管ブロック３０の第２の端面３０ｂには、接続導波管ブロック４０の第３の端面４０ａが、所定の隙間（例えば０．１ｍｍ程度）を持って平行に対向している。第２の端面３０ｂ側の入力導波管３１の開口の周囲を囲む位置には、端面３０ｂ，４０ａ間の隙間からの電磁波漏出を防止するためのチョーク溝が適宜設けられていてもよい。

接続導波管ブロック４０は、外形が略直方体の金属製で、ミリ波帯の電磁波を伝搬させる複数（この例では３本）の接続導波管４１〜４３が、第３の端面４０ａから、第３の端面４０ａに平行な第４の端面４０ｂまで貫通形成されている。

また、各接続導波管４１〜４３の第３の端面４０ａ側の開口の周囲を囲む位置にも、入力導波管ブロック３０の第２の端面３０ｂと同様に、端面３０ｂ，４０ａ間の隙間からの電磁波漏出を防止するためのチョーク溝が適宜設けられていてもよい。

なお、接続導波管ブロック４０は、例えばベース部２１の下面側に設けられた駆動装置６０によって、入力導波管ブロック３０及び出力導波管ブロック５０に対してｘ方向にスライド移動される。この駆動装置６０としては、例えばステッピングモータを駆動源とし、その回転力を直進運動に変換して接続導波管ブロック４０を支持する部材に伝達する構造を採用できるが、具体的な構造については任意である。

接続導波管ブロック４０の複数の接続導波管４１〜４３のｙ方向に沿った高さ位置（厳密には、端面側開口の高さ位置：以下同様）は、入力導波管ブロック３０の入力導波管３１の高さと一致している。駆動装置６０により接続導波管ブロック４０がｘ方向に移動すれば、入力導波管ブロック３０の入力導波管３１に対し、接続導波管ブロック４０の複数の接続導波管４１〜４３が異なる３つの位置で選択的に接続されることになる。この場合の接続とは、端面間の隙間を介して互いの導波管の開口の中心位置が一致した状態を示すものとする。

接続導波管ブロック４０の第４の端面４０ｂには、出力導波管ブロック５０の第５の端面５０ａが所定の隙間（例えば０．１ｍｍ程度）を持って平行に対向している。各接続導波管４１〜４３の第４の端面４０ｂ側の開口の周囲を囲む位置には、端面４０ｂ，５０ａ間の隙間からの電磁波漏出を防止するためのチョーク溝が適宜設けられていてもよい。

複数の接続導波管４１〜４３の第３の端面４０ａにおける開口の寸法は、入力導波管３１の第２の端面３０ｂにおける開口の寸法に等しくなっている。また、複数の接続導波管４１〜４３の第４の端面４０ｂにおける開口の寸法は、後述する複数の出力導波管５１〜５３（例えば方形導波管）の第５の端面５０ａにおける開口の寸法にそれぞれ等しくなっている。なお、複数の接続導波管４１〜４３も入力導波管３１と同様のダブルリッジ構造を有しており、特に、入力導波管３１に対向する第３の端面４０ａにおける開口の形状は、入力導波管３１の第２の端面３０ｂにおける開口の形状と同一であることが望ましい。複数の接続導波管４１〜４３内における無用な反射の発生を防止するため、複数の接続導波管４１〜４３は、第３の端面４０ａから第４の端面４０ｂに向かって、開口の寸法が連続的に変化するテーパ導波管となっている。

出力導波管ブロック５０は、ｘ方向に延び、外形が横長矩形で厚さ一定の金属板からなり、ミリ波帯の電磁波を伝搬させる複数の出力導波管５１〜５３が第５の端面５０ａからその反対側の第６の端面５０ｂまで貫通形成されている。図１の例では、出力導波管５１はＷＲ−５導波管であり、出力導波管５２はＷＲ−４導波管であり、出力導波管５３はＷＲ−３導波管である。つまり、入力導波管３１は、複数の出力導波管５１〜５３のうち最も使用周波数帯域が高いＷＲ−３導波管の出力導波管５３の開口の寸法と等しい寸法の開口を有する導波管にリッジ構造を設けたものとなっている。

出力導波管５１〜５３の第５の端面５０ａ側の開口の周囲を囲む位置には、端面４０ｂ，５０ａ間の隙間からの電磁波漏出を防止するためのチョーク溝が適宜設けられていてもよい。

なお、上記の説明では、補助導波管１０、入力導波管３１、及び接続導波管４１〜４３がダブルリッジ構造を有しているとしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、これらの導波管は、図４（ａ）に示すようなシングルリッジ構造や、図４（ｂ）に示すようなクアッドリッジ構造などの任意のリッジ構造を有していてもよい。また、接続導波管４１〜４３と出力導波管５１〜５３の本数がそれぞれ３本であるとしたが、これらの導波管の本数はそれぞれ２本であってもよく、それぞれ４本以上であってもよい。

図１及び図５に示す導波管スイッチ２０の各導波管の位置関係について説明すると、中央の出力導波管５２の第５の端面５０ａ側の開口が、入力導波管ブロック３０の入力導波管３１の第２の端面３０ｂ側の開口と同心に並ぶようにベース部２１上に固定されている。また、他の２つの出力導波管５１，５３は、それらの開口の中心位置を通る延長線が入力導波管３１の開口の中心位置を通る延長線を対称に挟むように配置される。

図５（ａ）の状態では、中央の接続導波管４２の第３の端面４０ａ側の開口は、入力導波管ブロック３０の入力導波管３１の第２の端面３０ｂ側の開口と同心に並んでいる。また、中央の接続導波管４２の第４の端面４０ｂ側の開口は、出力導波管ブロック５０の中央の出力導波管５２の第５の端面５０ａ側の開口と同心に並んでいる。他の２つの接続導波管４１，４３の第３の端面４０ａ側の開口の中心位置は、入力導波管３１の開口の中心位置を通る延長線を挟んで同一距離Ｌの位置に設けられる。また、２つの接続導波管４１，４３の第４の端面４０ｂ側の開口の中心位置は、出力導波管５１，５３の開口の中心位置を通る延長線からそれぞれ外側に同一距離Ｌの位置に設けられている。

したがって、図５（ａ）の状態では、入力導波管３１と出力導波管５２の間が接続導波管４２を介して接続された状態となる。また、図５（ａ）の状態から駆動装置６０が接続導波管ブロック４０を幅方向（ｘ方向）に−Ｌだけ移動すれば、図５（ｂ）のように、入力導波管３１と出力導波管５１の間が接続導波管４１を介して接続された状態となる。また、図５（ａ）の状態から駆動装置６０が接続導波管ブロック４０をｘ方向にＬだけ移動すれば、図５（ｃ）のように、入力導波管３１と出力導波管５３の間が接続導波管４３を介して接続された状態となる。このようにして、接続導波管ブロック４０は、入力導波管ブロック３０及び出力導波管ブロック５０に対してスライド移動し、異なる複数の位置で、入力導波管３１と複数の出力導波管５１〜５３とを選択的に接続させる。

次に、この導波管接続構造を用いて、ＤＵＴ２００の導波管２１０と、補助導波管１０と、導波管スイッチ２０の入力導波管ブロック３０と、接続導波管ブロック４０と、出力導波管ブロック５０と、を接続した場合のシミュレーションを行った。シミュレーションモデルは計算時間を短縮するため、図１２のモデルをｚ軸方向で半分にしたようなモデルとした。すなわち、ＤＵＴ２００の導波管２１０から導波管スイッチ２０の入力導波管３１の途中までをシミュレーションの範囲とした。

図６（ａ），（ｂ）は、例として、ＤＵＴ２００の導波管２１０と導波管スイッチ２０により選択される出力導波管５１が共にＷＲ−５導波管であり、導波管スイッチ２０の入力導波管３１がダブルリッジ構造のＷＲ−３導波管である場合を想定したモデルである。シミュレーションモデルにおいては、導波管同士の接続のずれを模擬するため、補助導波管１０をｘ，ｙ方向にそれぞれ０．０５ｍｍ移動させている。この値は、これまでの経験上から導波管同士の接続が最もずれた場合を想定した値である。なお、各導波管の端面間の隙間はないものとしている。

シミュレーション結果を図７〜図９に示す。図７の結果は、図６のシミュレーションモデルに基づいており、ＷＲ−５導波管の使用周波数帯域である１４０ＧＨｚ〜２２０ＧＨｚにおいて、高次モードの発生に起因する透過特性Ｓ_２１の低下が存在しないことを示している。

また、図８の結果は、ＤＵＴ２００の導波管２１０と導波管スイッチ２０により選択される出力導波管５２が共にＷＲ−４導波管であり、導波管スイッチ２０の入力導波管ブロック３０がダブルリッジ構造のＷＲ−３導波管である場合を想定したシミュレーションモデルに基づいている。すなわち、図８の結果は、ＷＲ−４導波管の使用周波数帯域である１７０ＧＨｚ〜２６０ＧＨｚにおいて、高次モードの発生に起因する透過特性Ｓ_２１の低下が存在しないことを示している。

また、図９の結果は、ＤＵＴ２００の導波管２１０と導波管スイッチ２０により選択される出力導波管５３が共にＷＲ−３導波管であり、導波管スイッチ２０の入力導波管ブロック３０がダブルリッジ構造のＷＲ−３導波管である場合を想定したシミュレーションモデルに基づいている。すなわち、図９の結果は、ＷＲ−３導波管の使用周波数帯域である２２０ＧＨｚ〜３３０ＧＨｚにおいて、高次モードの発生に起因する透過特性Ｓ_２１の低下が存在しないことを示している。

以上の結果から、ダブルリッジ構造の入力導波管３１と、入力導波管３１と異なる寸法の方形導波管である導波管２１０とをテーパ導波管である補助導波管１０を介して接続しても、スペクトラムアナライザの性能を劣化させない導波管スイッチ２０を構成することが可能であることが確認できた。

フロントエンド７０ａ〜７０ｃは、複数の出力導波管５１〜５３の第６の端面５０ｂ側がそれぞれ接続されており、ＤＵＴ２００の導波管２１０から出力されるミリ波帯の被測定信号を、後段のスペクトラム解析部９０の解析可能な周波数範囲（中間周波数帯）に変換するようになっている。なお、各フロントエンド７０ａ〜７０ｃは、互いに異なる使用周波数帯域を有している。図１０に示すように、各フロントエンド７０ａ〜７０ｃは、例えば、ミリ波帯の被測定信号から自身の使用周波数帯域を含む測定周波数範囲の信号成分を抽出する前置フィルタ７１と、後述するローカル信号発生器８３から出力されるローカル信号を周波数逓倍する逓倍器７２と、逓倍器７２の出力と前置フィルタ７１により抽出された信号成分とをミキシングするミキサ７３と、を有する。なお、ＤＵＴ２００の導波管２１０から出力されるミリ波帯の被測定信号の電磁波は、導波管スイッチ２０により所望の使用周波数帯域を有するフロントエンド７０ａ〜７０ｃに選択的に出力される。

フロントエンド７０ａは、使用周波数帯域１４０ＧＨｚ〜２２０ＧＨｚを含む測定周波数範囲において、出力導波管（ＷＲ−５導波管）５１から出力されたミリ波帯の被測定信号を所定の中間周波数帯にダウンコンバートするようになっている。フロントエンド７０ｂは、使用周波数帯域１７０ＧＨｚ〜２６０ＧＨｚを含む測定周波数範囲において、出力導波管（ＷＲ−４導波管）５２から出力されたミリ波帯の被測定信号を所定の中間周波数帯にダウンコンバートするようになっている。フロントエンド７０ｃは、使用周波数帯域２２０ＧＨｚ〜３３０ＧＨｚを含む測定周波数範囲において、出力導波管（ＷＲ−３導波管）５３から出力されたミリ波帯の被測定信号を所定の中間周波数帯にダウンコンバートするようになっている。

スイッチ８１は、導波管スイッチ２０により選択されたフロントエンド７０ａ〜７０ｃの逓倍器７２に、ローカル信号発生器８３から出力されたローカル信号を出力するようになっている。一方、スイッチ８２は、導波管スイッチ２０により選択されたフロントエンド７０ａ〜７０ｃのミキサ７３から出力された中間周波数帯の信号を選択して、スペクトラム解析部９０に出力するようになっている。これらのスイッチ８１，８２は、扱う周波数が例えば４０ＧＨｚ以下程度まで低くなるので、導波管スイッチ２０のような導波管型のものでなく、小型のリレー型や半導体スイッチ等で構成できる。

ローカル信号発生器８３は、例えばＰＬＬ回路を含み、ローカル信号を出力するようになっている。ローカル信号発生器８３から出力されるローカル信号の周波数は、導波管スイッチ２０により選択されるフロントエンド７０ａ〜７０ｃの使用周波数帯域に応じて制御部９５により可変に設定される。なお、１つのローカル信号発生器８３からのローカル信号をスイッチ８１で切り替えて各フロントエンド７０ａ〜７０ｃに出力する上記の構成の代わりに、各フロントエンド７０ａ〜７０ｃにそれぞれローカル信号発生器を設ける構成としてもよい。

スペクトラム解析部９０は、各フロントエンド７０ａ〜７０ｃによって中間周波数帯に変換された信号を受けて、各フロントエンド７０ａ〜７０ｃの使用周波数帯域を含む測定周波数範囲における被測定信号のスペクトラム解析を行うものである。例えば、スペクトラム解析部９０は、この中間周波数帯の信号をデジタル信号処理が可能な低い周波数帯に変換する周波数変換部９１と、周波数変換部９１によってより低い周波数帯に変換された信号に基づいて、被測定信号のスペクトラムを検出するスペクトラム検出部９２と、を有している。

周波数変換部９１は、ヘテロダイン方式の周波数変換処理を、ローカル信号の周波数を掃引しながら行うことで、ユーザが指定したフロントエンド７０ａ〜７０ｃから出力された信号を、デジタル処理が可能な周波数帯に連続的に変換する構成となっている。スペクトラム検出部９２は、周波数変換部９１の出力をデジタル信号に変換し、高速フーリエ変換処理等を行うことで、被測定信号のスペクトラムを求めるようになっている。

スペクトラム解析部９０によって検出された被測定信号のスペクトラムの情報は表示部９３に出力され、例えば測定周波数を横軸、信号レベルを縦軸とする画面上にスペクトラム波形が表示される。表示部９３は、例えばＬＣＤやＣＲＴなどの表示機器で構成され、制御部９５からの制御信号に応じて、各種表示内容を表示するようになっている。さらに、表示部９３は、各種条件を設定するためのソフトキー、プルダウンメニュー、テキストボックスなどの操作対象の表示を行うようになっている。

操作部９４は、ユーザが接続導波管ブロック４０の複数のフロントエンド７０ａ〜７０ｃの中から使用したいフロントエンドを直接指定したり、所望の測定周波数範囲や周波数分解能等の情報を指定したりするためのものであり、それらの指定された情報に基づいて制御部９５が各部の制御を行う。操作部９４は、例えば表示部９３の表示画面の表面に設けられたタッチパネルで構成される。あるいは、操作部９４は、キーボード又はマウスのような入力デバイスを含んで構成されてもよい。また、操作部９４は、リモートコマンドなどによる遠隔制御を行う外部制御装置で構成されてもよい。制御部９５は、操作部９４により指定された情報に応じて、導波管スイッチ２０、スイッチ８１，８２の切替え、スペクトラム解析部９０への解析に必要な情報の伝達等の処理を行う。

例えば、操作部９４によって指定されたフロントエンドが、ＷＲ−５帯（１４０ＧＨｚ〜２２０ＧＨｚ）のフロントエンド７０ａである場合、制御部９５は、導波管スイッチ２０の入力導波管３１と出力導波管５１の間を接続導波管４１を介して接続するとともに、スイッチ８１，８２をフロントエンド７０ａ側に接続する。

また、操作部９４によって指定されたフロントエンドが、ＷＲ−４帯（１７０ＧＨｚ〜２６０ＧＨｚ）のフロントエンド７０ｂである場合、制御部９５は、導波管スイッチ２０の入力導波管３１と出力導波管５２の間を接続導波管４２を介して接続するとともに、スイッチ８１，８２をフロントエンド７０ｂ側に接続する。

また、操作部９４によって指定されたフロントエンドが、ＷＲ−３帯（２２０ＧＨｚ〜３３０ＧＨｚ）のフロントエンド７０ｃである場合、制御部９５は、導波管スイッチ２０の入力導波管３１と出力導波管５３の間を接続導波管４３を介して接続するとともに、スイッチ８１，８２をフロントエンド７０ｃ側に接続する。

なお、上記の説明では、フロントエンド７０ａ〜７０ｃの個数が３個であるとしたが、導波管スイッチ２０の出力導波管５１〜５３の本数に応じて、２個であってもよく、４個以上であってもよい。

以上説明したように、本実施形態に係る導波管接続構造は、リッジ構造の入力導波管３１を備えているため、ＤＵＴ２００の導波管２１０と異種の入力導波管３１とを接続する際に、所望の使用周波数帯域において高次モードの発生を抑えることができる。

また、本実施形態に係る導波管接続構造は、ＤＵＴ２００の導波管２１０と入力導波管３１とを接続するリッジ構造のテーパ導波管である補助導波管１０を備えているため、補助導波管１０における無用な反射の発生を防止しながら、ＤＵＴ２００の導波管２１０と入力導波管３１とを接続することができる。

また、本実施形態に係る導波管スイッチ２０は、スペクトラムアナライザに適用された場合に、ＤＵＴ２００の導波管２１０と異種の入力導波管３１との接続によるスペクトラムアナライザの性能劣化を抑制することができる。

また、本実施形態に係る導波管スイッチ２０は、入力導波管３１が、最も使用周波数帯域が高い出力導波管５３の開口の寸法と等しい寸法の開口を有する導波管にリッジ構造を設けたものとなっている。このように構成された入力導波管３１は、最も使用周波数帯域が低い出力導波管５１の使用周波数帯域の下限以下まで透過帯域を伸ばすとともに、最も使用周波数帯域が高い出力導波管５３の使用周波数帯域の上限まで高次モードの発生を抑えることができる。

また、本実施形態に係る導波管スイッチ２０は、入力導波管３１と複数の出力導波管５１〜５３とを接続するリッジ構造のテーパ導波管である複数の接続導波管４１〜４３を備えているため、各接続導波管４１〜４３における無用な反射の発生を防止しながら、入力導波管３１と複数の出力導波管５１〜５３とを接続することができる。

また、本実施形態に係るスペクトラムアナライザ１００は、上記の構成の導波管スイッチ２０により所望の使用周波数帯域を有するフロントエンド７０ａ〜７０ｃを選択できるため、ＤＵＴ２００の導波管２１０と異種の入力導波管３１との接続による性能劣化を抑制することができる。

１０ 補助導波管
１０ａ 一方の端面
１０ｂ 他方の端面
２０ 導波管スイッチ
２１ ベース部
３０ 入力導波管ブロック
３０ａ 第１の端面
３０ｂ 第２の端面
３１ 入力導波管
３１ａ 中央部
３１ｂ，３１ｃ 両側部
３２ａ，３２ｂ 突出部
４０ 接続導波管ブロック
４０ａ 第３の端面
４０ｂ 第４の端面
４１〜４３ 接続導波管
５０ 出力導波管ブロック
５０ａ 第５の端面
５０ｂ 第６の端面
５１〜５３ 出力導波管
７０ａ〜７０ｃ フロントエンド
８３ ローカル信号発生器
９０ スペクトラム解析部
１００ スペクトラムアナライザ
２００ ＤＵＴ
２１０ 導波管

Claims (7)

1. 被試験対象（２００）の導波管（２１０）から出力されるミリ波帯の電磁波を伝搬させる入力導波管（３１）が第１の端面（３０ａ）から第２の端面（３０ｂ）まで貫通形成された入力導波管ブロック（３０）と、
   前記被試験対象の前記導波管と、前記入力導波管の前記第１の端面側とを接続する補助導波管（１０）と、を備える導波管接続構造において、
   前記入力導波管と前記補助導波管はリッジ構造を有しており、
   前記補助導波管の前記被試験対象に対向する一方の端面（１０ａ）における開口の寸法が前記被試験対象の前記導波管の開口の寸法に等しく、前記補助導波管の前記入力導波管ブロックに対向する他方の端面（１０ｂ）における開口の寸法が前記入力導波管の前記第１の端面における開口の寸法に等しいことを特徴とする導波管接続構造。
2. 前記補助導波管は、前記一方の端面から前記他方の端面に向かって開口の寸法が連続的に変化するテーパ導波管であることを特徴とする請求項１に記載の導波管接続構造。
3. 前記入力導波管及び前記補助導波管の前記リッジ構造は、前記入力導波管及び前記補助導波管の開口の断面形状が両側部（３１ｂ，３１ｃ）の高さに対して中央部（３１ａ）の高さが小となるダブルリッジ構造であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の導波管接続構造。
4. 前記請求項１から請求項３のいずれかに記載の導波管接続構造における前記補助導波管に接続される前記入力導波管が形成された前記入力導波管ブロックを固定するベース部（２１）と、
   前記ベース部に支持され、前記ミリ波帯の電磁波を伝搬させる複数の接続導波管（４１〜４３）が、前記入力導波管ブロックの前記第２の端面に平行に対向する第３の端面（４０ａ）から第４の端面（４０ｂ）まで貫通形成された接続導波管ブロック（４０）と、
   前記ベース部に固定され、前記ミリ波帯の電磁波を伝搬させる複数の出力導波管（５１〜５３）が、前記接続導波管ブロックの前記第４の端面に平行に対向する第５の端面（５０ａ）から第６の端面（５０ｂ）まで貫通形成された出力導波管ブロック（５０）と、を備え、
   前記接続導波管ブロックは、前記入力導波管ブロック及び前記出力導波管ブロックに対してスライド移動し、異なる複数の位置で、前記入力導波管と前記複数の出力導波管とを選択的に接続させ、
   前記複数の接続導波管の前記第３の端面における開口の寸法が前記入力導波管の前記第２の端面における開口の寸法に等しく、前記複数の接続導波管の前記第４の端面における開口の寸法が前記複数の出力導波管の前記第５の端面における開口の寸法にそれぞれ等しいことを特徴とする導波管スイッチ。
5. 前記入力導波管は、前記複数の出力導波管のうち最も使用周波数帯域が高い出力導波管の開口の寸法と等しい寸法の開口を有する導波管に、前記リッジ構造を設けたものであることを特徴とする請求項４に記載の導波管スイッチ。
6. 前記複数の接続導波管は、リッジ構造を有しており、前記第３の端面から前記第４の端面に向かって開口の寸法が連続的に変化するテーパ導波管であることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の導波管スイッチ。
7. 前記請求項４から請求項６のいずれかに記載の導波管スイッチと、
   互いに異なる使用周波数帯域を有し、前記被測定信号をそれぞれ所定の中間周波数帯に変換する複数の中間周波数変換部（７０ａ〜７０ｃ）と、
   各前記中間周波数変換部によって前記中間周波数帯に変換された信号を受けて、各前記使用周波数帯域を含む測定周波数範囲における前記被測定信号のスペクトラム解析を行うスペクトラム解析部（９０）と、を備えるミリ波帯スペクトラムアナライザであって、
   前記導波管スイッチは、前記複数の出力導波管の前記第６の端面側がそれぞれ前記複数の中間周波数変換部に接続されており、前記被試験対象の前記導波管から出力されるミリ波帯の前記被測定信号の電磁波を、所望の使用周波数帯域を有する前記中間周波数変換部に選択的に出力することを特徴とするミリ波帯スペクトラムアナライザ。