JP2021118446A - 導波路装置 - Google Patents

Abstract

【課題】異種金属からなる導波路と回路基板との接続箇所において位差腐食の発生を防止して安定した製品特性を取得し得る構造を提供する。【解決手段】、導波路装置は、第１の面および第１の面の反対側の第２の面を有する基板と、少なくとも基板の第１の面側に配置されるグランド導体と、基板の第１の面側に配置されるマイクロストリップラインと、第１の面に対向する導電性表面を有し、導電性表面の少なくとも一部がグランド導体の一部に接触する導電部材と、マイクロストリップラインに対向し第１の方向に沿って延びる導電性の導波面を有する導波部材とを備える。導波部材の導波面に垂直な方向から見て、導波部材の前記導波面の少なくとも一部と前記マイクロストリップラインの端部を含む部分とが重なり合う重複部分を備える。導波面とマイクロストリップラインとの間に、隙間または誘電体層がある。【選択図】図１

Description

本開示は、導波路装置に関する。

レーダシステムで用いられるマイクロ波（ミリ波を含む）は、回路基板に実装された集積回路（以下本明細書では「マイクロ波ＩＣ」と称する。）によって生成される。マイクロ波ＩＣは、製法に応じて「ＭＩＣ」(Microwave Integrated Circuit)、「ＭＭＩＣ」(Monolithic Microwave Integrated Circuit、又はMicrowave and Millimeter wave Integrated Circuit)とも呼ばれる。マイクロ波ＩＣは、送信する信号波のもととなる電気信号を生成し、マイクロ波ＩＣの信号端子に出力する。電気信号は、ボンディングワイヤ等の導体線、および、後述する基板上の導波路を経て、変換部に至る。変換部は、当該導波路と導波管との接続部、つまり異なる導波路の境界部に設けられる。

変換部は高周波信号発生部を含む。「高周波信号発生部」とは、マイクロ波ＩＣの信号端子から導線で導かれた電気信号を、導波管の直前で高周波電磁界に変換するための構成を有する部位をいう。高周波信号発生部によって変換された電磁波は導波管に導かれる。つまり、導波管は、導波路を通じて回路基板上のマイクロ波ＩＣに接続される。

ここで、導波管が、例えば、アルミニウム（Aｌ）またはマグネシウム製（Mg）であるのに対し、回路基板のパターンが、例えば、銅箔で、パターン表面が金メッキ加工されている場合、該導波管と該パターンとの接続箇所において異種金属が接触することとなる。そのため、接触箇所周辺で結露等によって水滴がつくと、微小なものであっても、腐食電位の差に起因するガルバニック腐食が生ずる可能性がある。

例えば、下記の特許文献１には、導波管と誘電体基板の表面の導電体層との間に誘電体が挿入された接続装置が開示されている。当該装置によれば、導波管のフランジ形状や固定機構の位置を調整することで異種金属が接触することによる腐食を防止することが可能となっている。

また、近年では、電磁波の伝搬損失が小さい導波路構造としてＷＲＧ構造（以下、ＷＲＧ：Ｗａｆｆｌｅ−ｉｒｏｎ Ｒｉｄｇｅ ｗａｖｅＧｕｉｄｅと称する場合がある。）が存在する（特許文献２）。ＷＲＧ構造は、導電部材、導波部材、および人工磁気導体で構成される。ＷＲＧ構造についても、回路基板上のＭＭＩＣ(高周波集積回路)と接続する必要がある。ＷＲＧ構造においては、例えばアルミニウム（Aｌ）またはマグネシウム製（Mg）であるのに対し、回路基板のパターンには銅箔、または金メッキ加工が施されており、接続箇所で異種金属同士が接触する事になる。

特許第５０４７０６５号公報 国際公開第２０１０／０５０１２２号明細書

上記特許文献１の接続装置によれば、異種金属同士の接触に起因する電食を防止しうるが、接続装置に用いられる導波管がステップ状構造のものとなっている。しかしながら、リッジ導波管やＷＲＧ構造を持つ導波路においては、依然として異種金属からなる導波路と回路基板との接続箇所において電位差腐食を防ぐことができない上、製品特性が安定しないという問題が生じ得る。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、異種金属からなる導波路と回路基板との接続箇所において、電位差腐食の発生を防止して安定した製品特性を取得し得る構造を提供することを目的とする。

本開示の一態様による導波路装置は、第１の面および第１の面の反対側の第２の面を有する基板と、少なくとも基板の第２の面側に配置されるグランド導体と、基板の第１の面側に配置されるマイクロストリップラインと、第１の面に対向する導電性表面を有し、導電性表面の少なくとも一部がグランド導体の一部に接触する導電部材と、導電部材から突出するリッジ状の導波部材であって、マイクロストリップラインに対向し第１の方向に沿って延びる導電性の導波面を有する導波部材と、を備え、導波部材の導波面に垂直な方向から見て、導波部材の前記導波面の少なくとも一部と前記マイクロストリップラインの端部を含む部分とが重なり合う重複部分を備え、導波部材の導波面とマイクロストリップラインとの間に、隙間または誘電体層があり、導波部材の導波面に沿って導波路が規定され、導波路は、マイクロストリップラインに接続される。

本開示の他の態様による導波路装置は、第１の面および第１の面の反対側の第２の面を有する基板と、少なくとも基板の第２の面側に配置されるグランド導体と、基板の前記第１の面側に配置されるマイクロストリップラインと、第１の面に対向する導電性表面を有する板状の導電部材と、導電部材から突出するリッジ状の導波部材であって、マイクロストリップラインに対向し第１の方向に沿って延びる導電性の導波面を有する導波部材と、導波部材の両側に配置される人工磁気導体と、を備え、導波部材の前記導波面に垂直な方向から見て、導波部材の導波面の少なくとも一部と、マイクロストリップラインの端部を含む部分とが重なり合う重複部分を備え、導波部材の導波面とマイクロストリップラインとの間に、隙間または誘電体層があり、導波部材の導波面に沿って導波路が規定され、導波路は、マイクロストリップラインに接続される。

本発明によれば、異種金属からなる導波路と回路基板との接続箇所において、電位差腐食の発生を防止して製品特性を安定させることができる。

導波路装置の第１例を示す斜視図である。 導波路装置の第１例を正面側からみた図である。 導波路装置の他の例を正面側からみた図である。 導波路装置の第１例の側面側からみた断面図である。 導波路装置の第１例を垂直方向からみて、リッジとマイクロストリップラインとの位置関係を示す図である。 拡幅部および重複部分の寸法の一例を示す図である。 導波路装置の第２例を示す斜視図である。 導波路装置の第２例を正面側からみた図である。 導波路装置の第２例の側面側からみた断面図である。 導波路装置の第２例を垂直方向からみて、リッジとマイクロストリップラインとの位置関係を示す図である。 図９の部分拡大図である。 導波路装置の第３例を示す斜視図である。 導波路装置の第３例の部分拡大斜視図である。 導波装置の構成例を模式的に示す斜視図である。 導波装置１００のＸＺ面に平行な断面の構成を模式的に示す図である。 導波装置１００のＸＺ面に平行な断面の構成の他の例を模式的に示す図である。 導電部材１１０と導電部材１２０との間隔を極端に離した状態にある導波装置１００を模式的に示す斜視図である。 図１３Ａに示す構造における各部材の寸法の範囲の例を示す図である。 導波装置の他の例を示す図である。 導波装置の他の例を示す図である。 導波装置の他の例を示す図である。 導波装置の他の例を示す図である。 導波装置の他の例を示す図である。 導波装置の他の例を示す図である。 導波装置の他の例を示す図である。 導波装置の他の例を示す図である。 導波装置の他の例を示す図である。 導波部材１２２の導波面１２２ａと導電部材１１０の導電性表面１１０ｂとの間隙における幅の狭い空間を伝搬する電磁波を模式的に示す図である。 中空導波管７３０の断面を模式的に示す図である。 導電部材１２０上に２個の導波部材１２２が設けられている形態を示す断面図である。 ２つの中空導波管７３０を並べて配置した導波装置の断面を模式的に示す図である。 アンテナ装置２００の構成の一部を模式的に示す斜視図である。 アンテナ装置２００におけるＸ方向に並ぶ２つのスロット１１２の中心を通るＸＺ面に平行な断面の一部を模式的に示す図である。 スロット１１２毎にホーン１１４を有するアンテナ装置２００の構造の一部を模式的に示す斜視図である。 図２０に示すアンテナ装置２００をＺ方向からみた上面図である。 図２１ＡのＣ−Ｃ線断面図である。 第１の導波装置１００ａにおける導波部材１２２Ｕの平面レイアウトを示す図である。 第２の導波装置１００ｂにおける導波部材１２２Ｌの平面レイアウトを示す図である。

図１〜図１１を参照して、本発明の導波路装置の実施形態について説明する。なお、以下では、説明の便宜上、互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ方向を示すＸＹＺ座標を設定する。一例として、Ｘ軸とＹ軸とを含むＸＹ平面が水平となっており、Ｚ軸が鉛直となっている。また、本明細書では、Ｙ方向を第１の方向とし、Ｘ方向を第２の方向として、説明するものとする。

＜第１の実施形態＞
図１に示す導波路装置１００は、導波路を有する１または２以上の導波路モジュールを有する装置であり、導波路が基板に電気的に接続される導波路装置の第１例である。高周波電磁界は、Ｙ軸方向に平行に、換言するとＸＺ平面に垂直な方向に沿って伝搬する。

導波路装置１００の導波路モジュールは、図２Ａに示すように、第１の面および第１の面の反対側の第２の面を有する基板と、少なくとも基板の第２の面側に配置されるグランド導体と、基板の第１の面側に配置されるマイクロストリップライン（ＭＳＬ）と、第１の面に対向する導電性表面を有し、導電性表面の少なくとも一部がグランド導体の一部に接触する導電部材と、導電部材から突出するリッジ状の導波部材であって、ＭＳＬに対向し第１の方向に沿って延びる導電性の導波面を有する導波部材（リッジ）とを備える。

「導波路モジュール」は、基板上に導波路を有するひとまとまりの構造体を言う。「導波路モジュール」は製造され、製品として流通し得る。基板は実装基板、ＩＣ実装基板、誘電体基板であり得る。

「ＩＣ実装基板」は、マイクロ波ＩＣが搭載された状態の実装基板を意味し、構成要素として、「マイクロ波ＩＣ」と「実装基板」とを備えている。単なる「実装基板」は、実装用の基板を意味し、マイクロ波ＩＣが搭載されていない状態にある。

本実施形態では、基板の第１の面が、上側を向いた＋Ｚ方向側の面であり、基板の第２の面は、下側を向いた−Ｚ方向側の面である。本実施形態では、第１の面、および第２の面にそれぞれグランド導体があって、それがビアで接続されている。第２の面の側のグランド導体から第１の面まで達するビアを複数個並べ、導波管の端面（すなわち導電部材の導電性表面）に接触させる構成であってもよい。その場合は、第１の面側のグランド導体は必ずしも備える必要はない。また、基板の第１の面には、ストリップ状の導体が配置されている。このストリップ状導体と、これに対向するグランド導体とがＭＳＬを構成する。本明細書において、ストリップ状導体そのものを「マイクロストリップライン」またはＭＳＬと称することがある。ＭＳＬは、グランド導体とストリップ状の導体との間に導波路として形成される。そして、ＭＳＬに沿って高周波電磁界が伝搬される。基板のパターンは、例えば、銅箔で形成される。パターンの表面には、金メッキ加工が施されている。

導電部材は、例えば、リッジ導波管を含む。リッジ導波管は、第１の方向に延びる直方体形状を有しており、基板を覆うように配置されている。つまり、リッジ導波管の端面（導電性表面）がグランド導体を介して基板の第１の面に配置されている。

リッジ導波管のＹ方向における端部には、直方体形状の開口部が形成されている。図３に示すように、リッジ導波管の開口部は、リッジ導波管内の空間に繋がっている。リッジ導波管内の空間には、基板、グランド導体、ＭＳＬ、及び導波部材（リッジ）が位置している。

リッジ導波管は、導波管内の導波路に接続する貫通孔（ポートとも称する）を備えている。貫通孔は、ＸＹ方向と直交するＺ方向に延び、かつ、リッジ導波管の上端面から下端面にかけて貫通している。貫通孔の形状は、図４Ａに示すように、例えば、Ｕ字形状を有しているが、かかる形状に限定されるものではない。貫通孔は不図示の電子回路に接続される。そのような電子回路は、送信回路または受信回路として機能する。電子回路は、例えば、ミリ波を生成するＭＭＩＣ（Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）などのマイクロ波集積回路を含み得る。電子回路は、マイクロ波集積回路に加えて、他の回路、例えば、信号処理回路をさらに含んでいてもよいし、通信回路を含んでいてもよい。

リッジ導波管およびリッジは、例えば、アルミニウム（Aｌ）、マグネシウム（Mg）、亜鉛（Zn）などの金属材料、あるいはこれら金属を最多の成分とする合金から構成される。

図４Ａに示すように、導波路装置１００は、リッジの導波面に垂直な方向から見て、リッジの導波面の少なくとも一部とＭＳＬの端部を含む部分とが重なり合う重複部分を備える。ここで、「重複部分」とは、物理的に接触しておらず、リッジの導波面に垂直な方向から見て、リッジとＭＳＬとが、少なくとも一部において互いに対向して重なって位置している部分をいう。重複部分は、貫通孔に繋がっている。

ＭＳＬは、端部を含む部分に、第１の方向と交差する方向に幅が拡がる拡幅部を備える。この拡幅部の一部は重複部分と重なる。すなわち、リッジの導波面に垂直な方向から見て、拡幅部の直上にリッジの端部が位置している。リッジの端部が、拡幅部の基部に達していても良い。なお、本明細書において“リッジの端部”とは、リッジの長さ方向における端を意味する。この場合、拡幅部は全体がリッジの導波面と重なる。このように伝送線路を構成しても、高周波電磁界は伝搬可能である。但し、第１の方向における拡幅部の途中にリッジの端部を位置させた方が、ＭＳＬからリッジへの高周波電磁波の伝搬は円滑になる。

第１の方向と交差する方向における拡幅部の幅は、少なくとも重複部分における導波部材の幅よりも大きいことが望ましい。

図４Ｂは、拡幅部および重複部分の寸法の一例を示す図である。第１の方向における拡幅部の長さは、マイクロストリップラインに沿って伝搬する電磁波の波長の１／４よりも長く、空気中における電磁波の波長よりも短い値に設定され得る。但し、空気中における電磁波の波長の１／４よりも長い値が好適であり得る。マイクロストリップラインに沿って伝搬する電磁波の波長をλとすると、第１の方向における重複部分の長さは、例えば（１／８）λ以上（３／８）λ以下に設定され得る。このように、当該重複部分の長さは、λ／４に近い値に設定され得る。そのような条件を満たすように拡幅部および重複部分を設計することにより、伝送効率を向上させることができる。図４Ｂには、拡幅部の長さが１．２ｍｍ、重複部分の長さが０．７ｍｍ（＝約λ／４）の例が示されている。拡幅部および重複部分の長さはこの寸法に限定されない。

導波路装置１００は、リッジの導波面とＭＳＬとの間の少なくとも一部に隙間を備える。図２Ａ及び図３の例では、リッジの導波面とＭＳＬとの間に僅かな隙間が設けられている。隙間は、伝搬する高周波電磁界の波長に応じて決定され得る。例えば、ミリ波の波長を有する高周波電磁界であれば、隙間は１０〜２０マイクロメートル程度であり得る。隙間は、少なくとも重複部分に設けられることが望ましい。隙間の大きさは、例えば重複部分における導波部材の幅の１０分の１よりも小さい。

また、導波路装置１００は、リッジの導波面とＭＳＬとの間の少なくとも一部に誘電体層を備えるようにしてもよい。誘電体層は、例えばレジスト材料から構成される絶縁層であり得る。レジスト材料は特に限定されない。誘電体層の厚みは、１０〜２０マイクロメートル程度であり得る。誘電体層は、少なくとも重複部分に設けられることが望ましい。

一般的には、伝送効率は、２つの導波面が物理的に接触している場合が最も高く、隙間が開いている場合には低下する。しかし、導波路装置が上記の構成を採る事で、隙間が空いていても、伝送効率の低下幅は縮小する。ここで、リッジ導波管と基板とが異なる金属材料で構成されているため、２つの導波面の間に隙間またはレジスト層を設けることなく、物理的に接触させると、異種金属同士の接触に起因する電位差腐食が生じ得る。そこで、リッジの導波面とＭＳＬとの間の少なくとも一部に隙間または誘電体層を設けることによって、互いに異種の金属からなる２つの導波面を接触させることなく、高周波電磁波を伝搬させる事が可能である。これにより、導波面とＭＳＬとの間で直流電流が流れることが防止されるため、上記電位差腐食の発生を防止することができる。

図２Ｂは、本実施形態の変形例を示している。この変形例では、導電部材の導電性表面と第１の面側のグランド導体との間に誘電体によるレジスト層が介在する。レジスト層に代えて、隙間を設けてもよい。このような構成によれば、導電部材とグランド導体との間でも直流電流が流れることを抑制できるため、当該箇所で生じ得るガルバニック腐食の発生を抑制することができる。

＜第２の実施形態＞
図５に示す導波路装置２００は、ワッフルアイアン構造を有する導波路（ＷＲＧ導波路）を有する１または２以上の導波路モジュールを有する装置であり、ＷＲＧ導波路が基板に電気的に接続される装置である。高周波電磁界は、Ｙ軸方向に平行に、換言するとＸＺ平面に垂直な方向に沿って伝搬する。

導波路装置２００の導波路モジュールは、図６に示すように、第１の面および第１の面の反対側の第２の面を有する基板と、少なくとも基板の第２の面に配置されるグランド導体と、基板の第１の面側に配置されるマイクロストリップライン（ＭＳＬ）と、第１の面に対向する導電性表面を有する板状の導電部材と、リッジ状の導波部材であって、ＭＳＬに対向し第１の方向に沿って延びる導電性の導波面を有する導波部材（リッジ）と、導波部材の両側に配置される人工磁気導体とを備える。

導電部材は、例えば、板形状の導電プレートで構成される。導電部材およびリッジは、例えば、アルミニウム（Aｌ）、マグネシウム（Mg）、亜鉛（Zn）などの金属材料、あるいはこれら金属を最多の成分とする合金から構成される。導電部材は、例えば金属板を加工して成型される。

導電部材は、ＷＲＧ導波路に繋がる貫通孔（ポートとも称する）を備えている（不図示）。貫通孔は、ＸＹ方向と直交するＺ方向に延び、かつ、導電部材の上端面から下端面にかけて貫通している。貫通孔の形状は、例えば、Ｕ字形状を有しているが、かかる形状に限定されるものではない。貫通孔は、第１例と同様に、不図示の電子回路に接続される。そのような電子回路は、送信回路または受信回路として機能する。電子回路の構成は、第１例と同様である。

人工磁気導体は、複数の導電性ロッドを備える。各導電性ロッドは、導電部材の導電性表面に接続された基部と、基板の第１の面側のグランド導体に対向する先端部とを有する。人工磁気導体によって高周波電磁界の漏洩が抑止される。つまり、電磁波（信号波）は人工磁気導体と導電部材の導電性表面との間の空間を伝搬できない。このため、導波面と導電部材の導電性表面との間の空間にＷＲＧ導波路が形成され、このＷＲＧ導波路を電磁波が伝搬する。なお、導電部材、複数の導電性ロッド、およびリッジは、連続した単一構造体の一部であってもよい。

図７に示すように、導電性ロッドは導電部材から−Ｚ方向に伸びている。図６の例では、複数の導電性ロッドの長さは概ね同じである。導電性ロッドのグランド導体側の先端部から、導電部材の導電性表面までの距離は、λｍ／２未満である。ここでλｍは、ＭＳＬおよびリッジに沿って伝搬する電磁波の周波数帯域における最高周波数の自由空間波長である。

図８及び図９に示すように、導波路装置２００は、第１の実施形態と同様に、リッジの導波面に対して垂直方向から見て、リッジの導波面の少なくとも一部とＭＳＬの端部とが重なり合う重複部分を備える。重複部分は、貫通孔に繋がっている。

ＭＳＬの端部には、第１の方向と交差する方向に幅が拡がる拡幅部を備える。この拡幅部の一部は重複部分となっている。すなわち、リッジの導波面に対して垂直な方向から見て、拡幅部の直上にリッジ端部が位置している。リッジの端部が、拡幅部の基部に達していても良い。この場合、拡幅部は全体がリッジの導波面と重なる。このように伝送線路を構成しても、高周波電磁界は伝搬可能である。但し、第１の方向における拡幅部の途中にリッジの端部を位置させた方が、ＭＳＬからリッジへの高周波電磁波の伝搬は円滑になる。

第１の方向と交差する方向における拡幅部の幅は、少なくとも重複部分における導波部材の幅よりも大きいことが望ましい。

導波路装置２００は、リッジの導波面とＭＳＬとの間の少なくとも一部に隙間を備える。図６及び図７の例では、リッジの導波面とＭＳＬとの間に僅かな隙間が設けられている。隙間は、伝搬する高周波電磁界の波長に応じて決定し得る。例えば、ミリ波の波長を有する高周波電磁界であれば、隙間は１０〜２０マイクロメートル程度であり得る。隙間は、少なくとも重複部分に設けられることが望ましい。

また、導波路装置２００は、リッジの導波面とＭＳＬとの間の少なくとも一部に誘電体層を備えるようにしてもよい。誘電体層は、例えばレジスト材料から構成される絶縁層であり得る。レジスト材料は特に限定されない。誘電体層の厚みは、１０〜２０マイクロメートル程度であり得る。誘電体層は、少なくとも重複部分に設けられることが望ましい。

ここで、リッジと、基板とが異なる金属材料で構成されているため、２つの導波面の間に隙間またはレジスト層を設けることなく、物理的に接触させると、異種金属同士の接触に起因する電位差腐食が生じ得る。そこで、リッジの導波面とＭＳＬとの間の少なくとも一部に隙間または誘電体層を設けることによって、２つの導波面の間を離間させることができる。これにより、電位差腐食の発生を防止し得る。

＜他の構成例＞
図１０及び図１１に示す導波路装置３００は、導波路装置の第３例である。導波路装置３００の導波路モジュールは、基板と、グランド導体と、基板の第１の面側に配置されるＭＳＬと、導波管とを備える。導波管は、Ｚ方向に延びる角柱形状を有しており、基板上の一部を覆うように配置されている。つまり、導波管の端面（導電性表面）がグランド導体を介して基板の第１の面に配置されている。

導波管のＹ方向端部には、直方体形状の開口部が形成されている。図１１に示すように、導波管の開口部は、導波管内の空間に繋がっている。導波管内の空間には、基板、グランド導体、ＭＳＬが位置している。

導波管は、導波管内の導波路に繋がる貫通孔（ポートとも称する）を備えている。貫通孔は、ＸＹ方向と直交するＺ方向に延び、かつ、導波管の上端面から下端面にかけて貫通している。貫通孔の形状は、例えば、Ｉ字形状を有しているが、かかる形状に限定されるものではない。貫通孔は、第１例と同様に、不図示の電子回路に接続される。そのような電子回路は、送信回路または受信回路として機能する。電子回路の構成は、第１例と同様である。

導波管は、例えば、アルミニウム（Aｌ）、マグネシウム（Mg）、亜鉛（Zn）などの金属材料、あるいはこれら金属を最多の成分とする合金から構成される。

導波路装置３００は、導波管の端面とグランド導体との間の少なくとも一部に隙間または誘電体層を備える。図１１の例では、導波管の端面とグランド導体との間に僅かな厚みの誘電体層（レジスト層）が設けられている。誘電体層の厚みは、１０〜２０マイクロメートル程度であり得る。これにより、第１例及び第２例と同様に、電位差腐食の発生を防止し得る。

（ＷＲＧ導波路の構成例）
次に、本開示の実施形態において用いられるワッフルアイアンリッジ導波路（ＷＲＧ）の基本的な構成を説明する。

前述の特許文献２に開示されているリッジ導波路は、人工磁気導体として機能するワッフルアイアン構造中に設けられている。このような人工磁気導体を、本開示に基づき利用するリッジ導波路は、マイクロ波またはミリ波帯において、損失の低いアンテナ給電路を実現できる。また、このようなリッジ導波路を利用することにより、アンテナ素子を高密度に配置することが可能である。このようなリッジ導波路を、本明細書において、ワッフルアイアンリッジ導波路（ＷＲＧ）と称することがある。以下、ワッフルアイアンリッジ導波路の基本的な構成および動作の例を説明する。

人工磁気導体は、自然界には存在しない完全磁気導体（ＰＭＣ: Ｐｅｒｆｅｃｔ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）の性質を人工的に実現した構造体である。完全磁気導体は、「表面における磁界の接線成分がゼロになる」という性質を有している。これは、完全導体（ＰＥＣ: Ｐｅｒｆｅｃｔ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）の性質、すなわち、「表面における電界の接線成分がゼロになる」という性質とは反対の性質である。完全磁気導体は、自然界には存在しないが、例えば複数の導電性ロッドの配列のような人工的な構造によって実現され得る。人工磁気導体は、その構造によって定まる特定の周波数帯域において、完全磁気導体として機能する。人工磁気導体は、特定の周波数帯域（伝搬阻止帯域）に含まれる周波数を有する電磁波が人工磁気導体の表面に沿って伝搬することを抑制または阻止する。このため、人工磁気導体の表面は、高インピーダンス面と呼ばれることがある。

図１２は、ＷＲＧ構造を備える導波装置の構成例を模式的に示す斜視図である。図示されている導波装置１００は、対向して平行に配置された板形状（プレート状）の導電部材１１０および１２０を備えている。導電部材１２０には複数の導電性ロッド１２４が配列されている。

図１３Ａは、導波装置１００のＸＺ面に平行な断面の構成を模式的に示す図である。図１３Ａに示されるように、導電部材１１０は、導電部材１２０に対向する側に導電性表面１１０ｂを有している。導電性表面１１０ｂは、導電性ロッド１２４の軸方向（Ｚ方向）に直交する平面（ＸＹ面に平行な平面）に沿って二次元的に拡がっている。この例における導電性表面１１０ｂは平滑な平面であるが、後述するように、導電性表面１１０ｂは平面である必要は無い。

図１４は、わかり易さのため、導電部材１１０と導電部材１２０との間隔を極端に離した状態にある導波装置１００を模式的に示す斜視図である。現実の導波装置１００では、図１２および図１３Ａに示したように、導電部材１１０と導電部材１２０との間隔は狭く、導電部材１１０は、導電部材１２０の全ての導電性ロッド１２４を覆うように配置されている。

図１２から図１４は、導波装置１００の一部分のみを示している。導電部材１１０、１２０、導波部材１２２、および複数の導電性ロッド１２４は、実際には、図示されている部分の外側にも拡がって存在する。導波部材１２２の端部には、前述のように、電磁波が外部空間に漏洩することを防止するチョーク構造が設けられる。チョーク構造は、例えば、導波部材１２２の端部に隣接して配置された導電性ロッドの列を含む。

再び図１３Ａを参照する。導電部材１２０上に配列された複数の導電性ロッド１２４は、それぞれ、導電性表面１１０ｂに対向する先端部１２４ａを有している。図示されている例において、複数の導電性ロッド１２４の先端部１２４ａは同一または実質的に同一の平面上にある。この平面は人工磁気導体の表面１２５を形成している。導電性ロッド１２４は、その全体が導電性を有している必要はなく、ロッド状構造物の少なくとも上面および側面に沿って拡がる導電層があればよい。この導電層はロッド状構造物の表層に位置してもよいが、表層が絶縁塗装または樹脂層からなり、ロッド状構造物の表面には導電層が存在していなくてもよい。また、導電部材１２０は、複数の導電性ロッド１２４を支持して人工磁気導体を実現できれば、その全体が導電性を有している必要はない。導電部材１２０の表面のうち、複数の導電性ロッド１２４が配列されている側の面１２０ａが導電性を有し、隣接する複数の導電性ロッド１２４の表面が導電体によって電気的に接続されていればよい。導電部材１２０の導電性を有する層は、絶縁塗装や樹脂層で覆われていてもよい。言い換えると、導電部材１２０および複数の導電性ロッド１２４の組み合わせの全体は、導電部材１１０の導電性表面１１０ｂに対向する凹凸状の導電層を有していればよい。

導電部材１２０上には、複数の導電性ロッド１２４の間にリッジ状の導波部材１２２が配置されている。より詳細には、導波部材１２２の両側にそれぞれ人工磁気導体が位置しており、導波部材１２２は両側の人工磁気導体によって挟まれている。図１４からわかるように、この例における導波部材１２２は、導電部材１２０に支持され、Ｙ方向に直線的に延びている。図示されている例において、導波部材１２２は、導電性ロッド１２４の高さおよび幅と同一の高さおよび幅を有している。後述するように、導波部材１２２の高さおよび幅は、導電性ロッド１２４の高さおよび幅とは異なる値を有していてもよい。導波部材１２２は、導電性ロッド１２４とは異なり、導電性表面１１０ｂに沿って電磁波を案内する方向（この例ではＹ方向）に延びている。導波部材１２２も、全体が導電性を有している必要は無く、導電部材１１０の導電性表面１１０ｂに対向する導電性の導波面１２２ａを有していればよい。導電部材１２０、複数の導電性ロッド１２４、および導波部材１２２は、連続した単一構造体の一部であってもよい。さらに、導電部材１１０も、この単一構造体の一部であってもよい。

導波部材１２２の両側において、各人工磁気導体の表面１２５と導電部材１１０の導電性表面１１０ｂとの間の空間は、特定周波数帯域内の周波数を有する電磁波を伝搬させない。そのような周波数帯域は「禁止帯域」と呼ばれる。導波装置１００内を伝搬する電磁波（信号波）の周波数（以下、「動作周波数」と称することがある。）が禁止帯域に含まれるように人工磁気導体は設計される。禁止帯域は、導電性ロッド１２４の高さ、すなわち、隣接する複数の導電性ロッド１２４の間に形成される溝の深さ、導電性ロッド１２４の幅、配置間隔、および導電性ロッド１２４の先端部１２４ａと導電性表面１１０ｂとの間隙の大きさによって調整され得る。

次に、図１５を参照しながら、各部材の寸法、形状、配置等の例を説明する。

図１５は、図１３Ａに示す構造における各部材の寸法の範囲の例を示す図である。導波装置は、所定の帯域（「動作周波数帯域」と称する。）の電磁波の送信および受信の少なくとも一方に用いられる。本明細書において、導電部材１１０の導電性表面１１０ｂと導波部材１２２の導波面１２２ａとの間の導波路を伝搬する電磁波（信号波）の自由空間における波長の代表値（例えば、動作周波数帯域の中心周波数に対応する中心波長）をλｏとする。また、動作周波数帯域における最高周波数の電磁波の自由空間における波長をλｍとする。各導電性ロッド１２４のうち、導電部材１２０に接している方の端の部分を「基部」と称する。図１５に示すように、各導電性ロッド１２４は、先端部１２４ａと基部１２４ｂとを有する。各部材の寸法、形状、配置等の例は、以下のとおりである。

（１）導電性ロッドの幅
導電性ロッド１２４の幅（Ｘ方向およびＹ方向のサイズ）は、λｍ／２未満に設定され得る。この範囲内であれば、Ｘ方向およびＹ方向における最低次の共振の発生を防ぐことができる。なお、ＸおよびＹ方向だけでなくＸＹ断面の対角方向でも共振が起こる可能性があるため、導電性ロッド１２４のＸＹ断面の対角線の長さもλｍ／２未満であることが好ましい。ロッドの幅および対角線の長さの下限値は、工法的に作製できる最小の長さであり、特に限定されない。

（２）導電性ロッドの基部から導電部材１１０の導電性表面までの距離
導電性ロッド１２４の基部１２４ｂから導電部材１１０の導電性表面１１０ｂまでの距離は、導電性ロッド１２４の高さよりも長く、かつλｍ／２未満に設定され得る。当該距離がλｍ／２以上の場合、導電性ロッド１２４の基部１２４ｂと導電性表面１１０ｂとの間において共振が生じ、信号波の閉じ込め効果が失われる。

導電性ロッド１２４の基部１２４ｂから導電部材１１０の導電性表面１１０ｂまでの距離は、導電部材１１０と導電部材１２０との間隔に相当する。例えば導波路をミリ波帯である７６．５±０．５ＧＨｚの信号波が伝搬する場合、信号波の波長は、３．８９３４ｍｍから３．９４４６ｍｍの範囲内である。したがって、この場合、λｍは３．８９３４ｍｍとなるので、導電部材１１０と導電部材１２０との間隔は、３．８９３４ｍｍの半分よりも小さく設計される。導電部材１１０と導電部材１２０とが、このような狭い間隔を実現するように対向して配置されていれば、導電部材１１０と導電部材１２０とが厳密に平行である必要はない。また、導電部材１１０と導電部材１２０との間隔がλｍ／２未満であれば、導電部材１１０および／または導電部材１２０の全体または一部が曲面形状を有していてもよい。他方、導電部材１１０、１２０の平面形状（ＸＹ面に垂直に投影した領域の形状）および平面サイズ（ＸＹ面に垂直に投影した領域のサイズ）は、用途に応じて任意に設計され得る。

図１３Ａに示される例において、導電性表面１２０ａは平面であるが、本開示の実施形態はこれに限られない。例えば、図１３Ｂに示すように、導電性表面１２０ａは断面がＵ字またはＶ字に近い形状である面の底部であってもよい。導電性ロッド１２４または導波部材１２２が、基部に向かって幅が拡大する形状をもつ場合に、導電性表面１２０ａはこのような構造になる。このような構造であっても、導電性表面１１０ｂと導電性表面１２０ａとの間の距離が波長λｍの半分よりも短ければ、図１３Ｂに示す装置は、本開示の実施形態における導波装置として機能し得る。

（３）導電性ロッドの先端部から導電性表面までの距離Ｌ２
導電性ロッド１２４の先端部１２４ａから導電性表面１１０ｂまでの距離Ｌ２は、λｍ／２未満に設定される。当該距離がλｍ／２以上の場合、導電性ロッド１２４の先端部１２４ａと導電性表面１１０ｂとの間を電磁波が往復する伝搬モードが生じ、電磁波を閉じ込められなくなるからである。なお、複数の導電性ロッド１２４のうち、少なくとも導波部材１２２と隣り合うものについては、先端が導電性表面１１０ｂとは電気的には接触していない状態にある。ここで、導電性ロッドの先端が導電性表面に電気的に接触していない状態とは、先端と導電性表面との間に空隙がある状態、あるいは、導電性ロッドの先端と導電性表面とのいずれかに絶縁層が存在し、導電性ロッドの先端と導電性表面が絶縁層を間に介して接触している状態、のいずれかを指す。

（４）導電性ロッドの配列および形状
複数の導電性ロッド１２４のうちの隣接する２つの導電性ロッド１２４の間の隙間は、例えばλｍ／２未満の幅を有する。隣接する２つの導電性ロッド１２４の間の隙間の幅は、当該２つの導電性ロッド１２４の一方の表面（側面）から他方の表面（側面）までの最短距離によって定義される。このロッド間の隙間の幅は、ロッド間の領域で最低次の共振が起こらないように決定される。共振が生じる条件は、導電性ロッド１２４の高さ、隣接する２つの導電性ロッド間の距離、および導電性ロッド１２４の先端部１２４ａと導電性表面１１０ｂとの間の空隙の容量の組み合わせによって決まる。よって、ロッド間の隙間の幅は、他の設計パラメータに依存して適宜決定される。ロッド間の隙間の幅には明確な下限はないが、製造の容易さを確保するために、ミリ波帯の電磁波を伝搬させる場合には、例えばλｍ／１６以上であり得る。なお、隙間の幅は一定である必要はない。λｍ／２未満であれば、導電性ロッド１２４の間の隙間は様々な幅を有していてもよい。

複数の導電性ロッド１２４の配列は、人工磁気導体としての機能を発揮する限り、図示されている例に限定されない。複数の導電性ロッド１２４は、直交する行および列状に並んでいる必要は無く、行および列は９０度以外の角度で交差していてもよい。複数の導電性ロッド１２４は、行または列に沿って直線上に配列されている必要は無く、単純な規則性を示さずに分散して配置されていてもよい。各導電性ロッド１２４の形状およびサイズも、導電部材１２０上の位置に応じて変化していてよい。

複数の導電性ロッド１２４の先端部１２４ａが形成する人工磁気導体の表面１２５は、厳密に平面である必要は無く、微細な凹凸を有する平面または曲面であってもよい。すなわち、各導電性ロッド１２４の高さが一様である必要はなく、導電性ロッド１２４の配列が人工磁気導体として機能し得る範囲内で個々の導電性ロッド１２４は多様性を持ち得る。

各導電性ロッド１２４は、図示されている角柱形状に限らず、例えば円筒状の形状を有していてもよい。さらに、各導電性ロッド１２４は、単純な柱状の形状を有している必要はない。人工磁気導体は、導電性ロッド１２４の配列以外の構造によっても実現することができ、多様な人工磁気導体を本開示の導波装置に利用することができる。なお、導電性ロッド１２４の先端部１２４ａの形状が角柱形状である場合は、その対角線の長さはλｍ／２未満であることが好ましい。楕円形状であるときは、長軸の長さがλｍ／２未満であることが好ましい。先端部１２４ａがさらに他の形状をとる場合でも、その差し渡し寸法は一番長い部分でもλｍ／２未満であることが好ましい。

導電性ロッド１２４（特に、導波部材１２２に隣接する導電性ロッド１２４）の高さ、すなわち、基部１２４ｂから先端部１２４ａまでの長さは、導電性表面１１０ｂと導電性表面１２０ａとの間の距離（λｍ／２未満）よりも短い値、例えば、λｏ／４に設定され得る。

（５）導波面の幅
導波部材１２２の導波面１２２ａの幅、すなわち、導波部材１２２が延びる方向に直交する方向における導波面１２２ａのサイズは、λｍ／２未満（例えばλｏ／８）に設定され得る。導波面１２２ａの幅がλｍ／２以上になると、幅方向で共振が起こり、共振が起こるとＷＲＧは単純な伝送線路としては動作しなくなるからである。

（６）導波部材の高さ
導波部材１２２の高さ（図示される例ではＺ方向のサイズ）は、λｍ／２未満に設定される。当該距離がλｍ／２以上の場合、導電性ロッド１２４の基部１２４ｂと導電性表面１１０ｂとの距離がλｍ／２以上となるからである。

（７）導波面と導電性表面との間の距離Ｌ１
導波部材１２２の導波面１２２ａと導電性表面１１０ｂとの間の距離Ｌ１については、λｍ／２未満に設定される。当該距離がλｍ／２以上の場合、導波面１２２ａと導電性表面１１０ｂとの間で共振が起こり、導波路として機能しなくなるからである。ある例では、当該距離Ｌ１はλｍ／４以下である。製造の容易さを確保するために、ミリ波帯の電磁波を伝搬させる場合には、距離Ｌ１を、例えばλｍ／１６以上とすることが好ましい。

導電性表面１１０ｂと導波面１２２ａとの距離Ｌ１の下限、および導電性表面１１０ｂと導電性ロッド１２４の先端部１２４ａとの距離Ｌ２の下限は、機械工作の精度と、上下の２つの導電部材１１０、１２０を一定の距離に保つように組み立てる際の精度とに依存する。プレス工法またはインジェクション工法を用いた場合、上記距離の現実的な下限は５０マイクロメートル（μｍ）程度である。ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）技術を用いて例えばテラヘルツ領域の製品を作る場合には、上記距離の下限は、２〜３μｍ程度である。

次に、導波部材１２２、導電部材１１０、１２０、および複数の導電性ロッド１２４を有する導波路構造の変形例を説明する。以下の変形例は、本開示の各実施形態におけるいずれの箇所のＷＲＧ構造にも適用され得る。

図１６Ａは、導波部材１２２の上面である導波面１２２ａのみが導電性を有し、導波部材１２２の導波面１２２ａ以外の部分は導電性を有していない構造の例を示す断面図である。導電部材１１０および導電部材１２０も同様に、導波部材１２２が位置する側の表面（導電性表面１１０ｂ、１２０ａ）のみが導電性を有し、他の部分は導電性を有していない。このように、導波部材１２２、導電部材１１０、１２０の各々は、全体が導電性を有していなくてもよい。

図１６Ｂは、導波部材１２２が導電部材１２０上に形成されていない変形例を示す図である。この例では、導波部材１２２は、導電部材１１０と導電部材とを支持する支持部材（例えば、筐体の内壁等）に固定されている。導波部材１２２と導電部材１２０との間には間隙が存在する。このように、導波部材１２２は導電部材１２０に接続されていなくてもよい。

図１６Ｃは、導電部材１２０、導波部材１２２、および複数の導電性ロッド１２４の各々が、誘電体の表面に金属などの導電性材料がコーティングされた構造の例を示す図である。導電部材１２０、導波部材１２２、および複数の導電性ロッド１２４は、相互に導電体で接続されている。一方、導電部材１１０は、金属などの導電性材料で構成されている。

図１６Ｄおよび図１６Ｅは、導電部材１１０、１２０、導波部材１２２、および導電性ロッド１２４の各々の最表面に、誘電体の層１１０ｃ、１２０ｂを有する構造の例を示す図である。図１６Ｄは、導体である金属製の導電部材の表面を誘電体の層で覆った構造の例を示す。図１６Ｅは、導電部材１２０が、樹脂などの誘電体製の部材の表面を、金属などの導体で覆い、さらにその金属の層を誘電体の層で覆った構造を有する例を示す。金属表面を覆う誘電体の層は樹脂などの塗膜であってもよいし、当該金属が酸化する事で生成された不動態皮膜などの酸化皮膜であってもよい。

最表面の誘電体層は、ＷＲＧ導波路によって伝播される電磁波の損失を増やす。しかし、導電性を有する導電性表面１１０ｂ、１２０ａを腐食から守ることができる。また、直流電圧や、ＷＲＧ導波路によっては伝播されない程度に周波数の低い交流電圧の影響を遮断することができる。

図１６Ｆは、導波部材１２２の高さが導電性ロッド１２４の高さよりも低く、導電部材１１０の導電性表面１１０ｂのうち、導波面１２２ａに対向する部分が、導波部材１２２の側に突出している例を示す図である。このような構造であっても、図１５に示す寸法の範囲を満たしていれば、前述の実施形態と同様に動作する。

図１６Ｇは、図１６Ｆの構造において、さらに、導電性表面１１０ｂのうち導電性ロッド１２４に対向する部分が、導電性ロッド１２４の側に突出している例を示す図である。このような構造であっても、図１５に示す寸法の範囲を満たしていれば、前述の実施形態と同様に動作する。なお、導電性表面１１０ｂの一部が突出する構造に代えて、一部が窪む構造であってもよい。

図１７Ａは、導電部材１１０の導電性表面１１０ｂが曲面形状を有する例を示す図である。図１７Ｂは、さらに、導電部材１２０の導電性表面１２０ａも曲面形状を有する例を示す図である。これらの例のように、導電性表面１１０ｂ、１２０ａは、平面形状に限らず、曲面形状を有していてもよい。曲面状の導電性表面を有する導電部材も、「板形状」の導電部材に該当する。

上記の構成を有する導波装置１００によれば、動作周波数の信号波は、人工磁気導体の表面１２５と導電部材１１０の導電性表面１１０ｂとの間の空間を伝搬することはできず、導波部材１２２の導波面１２２ａと導電部材１１０の導電性表面１１０ｂとの間の空間を伝搬する。このような導波路構造における導波部材１２２の幅は、中空導波管とは異なり、伝搬すべき電磁波の半波長以上の幅を有する必要はない。また、導電部材１１０と導電部材１２０とを厚さ方向（ＹＺ面に平行）に延びる金属壁によって電気的に接続する必要もない。

図１８Ａは、導波部材１２２の導波面１２２ａと導電部材１１０の導電性表面１１０ｂとの間隙における幅の狭い空間を伝搬する電磁波を模式的に示している。図１８Ａにおける３本の矢印は、伝搬する電磁波の電界の向きを模式的に示している。伝搬する電磁波の電界は、導電部材１１０の導電性表面１１０ｂおよび導波面１２２ａに対して垂直である。

導波部材１２２の両側には、それぞれ、複数の導電性ロッド１２４によって形成された人工磁気導体が配置されている。電磁波は導波部材１２２の導波面１２２ａと導電部材１１０の導電性表面１１０ｂとの間隙を伝搬する。図１８Ａは、模式的であり、電磁波が現実に作る電磁界の大きさを正確には示していない。導波面１２２ａ上の空間を伝搬する電磁波（電磁界）の一部は、導波面１２２ａの幅によって区画される空間から外側（人工磁気導体が存在する側）に横方向に拡がっていてもよい。この例では、電磁波は、図１８Ａの紙面に垂直な方向（Ｙ方向）に伝搬する。このような導波部材１２２は、Ｙ方向に直線的に延びている必要は無く、不図示の屈曲部および／または分岐部を有し得る。電磁波は導波部材１２２の導波面１２２ａに沿って伝搬するため、屈曲部では伝搬方向が変わり、分岐部では伝搬方向が複数の方向に分岐する。

図１８Ａの導波路構造では、伝搬する電磁波の両側に、中空導波管では不可欠の金属壁（電気壁）が存在していない。このため、この例における導波路構造では、伝搬する電磁波が作る電磁界モードの境界条件に「金属壁（電気壁）による拘束条件」が含まれず、導波面１２２ａの幅（Ｘ方向のサイズ）は、電磁波の波長の半分未満である。

図１８Ｂは、参考のため、中空導波管７３０の断面を模式的に示している。図１８Ｂには、中空導波管７３０の内部空間７２３に形成される電磁界モード（ＴＥ_１０）の電界の向きが矢印によって模式的に表されている。矢印の長さは電界の強さに対応している。中空導波管７３０の内部空間７２３の幅は、波長の半分よりも広く設定されなければならない。すなわち、中空導波管７３０の内部空間７２３の幅は、伝搬する電磁波の波長の半分よりも小さく設定され得ない。

図１８Ｃは、導電部材１２０上に２個の導波部材１２２が設けられている形態を示す断面図である。このように隣接する２個の導波部材１２２の間には、複数の導電性ロッド１２４によって形成される人工磁気導体が配置されている。より正確には、各導波部材１２２の両側に複数の導電性ロッド１２４によって形成される人工磁気導体が配置され、各導波部材１２２が独立した電磁波の伝搬を実現することが可能である。

図１８Ｄは、参考のため、２つの中空導波管７３０を並べて配置した導波装置の断面を模式的に示している。２つの中空導波管７３０は、相互に電気的に絶縁されている。電磁波が伝搬する空間の周囲が、中空導波管７３０を構成する金属壁で覆われている必要がある。このため、電磁波が伝搬する内部空間７２３の間隔を、金属壁の２枚の厚さの合計よりも短縮することはできない。金属壁の２枚の厚さの合計は、通常、伝搬する電磁波の波長の半分よりも長い。したがって、中空導波管７３０の配列間隔（中心間隔）を、伝搬する電磁波の波長よりも短くすることは困難である。特に、電磁波の波長が１０ｍｍ以下となるミリ波帯、あるいはそれ以下の波長の電磁波を扱う場合は、波長に比して十分に薄い金属壁を形成することが難しくなる。このため、商業的に現実的なコストで実現することが困難になる。

これに対して、人工磁気導体を備える導波装置１００は、導波部材１２２を近接させた構造を容易に実現することができる。このため、複数のアンテナ素子が近接して配置されたアンテナアレイへの給電に好適に用いられ得る。

図１９Ａは、上記のような導波路構造を利用したアンテナ装置２００の構成の一部を模式的に示す斜視図である。図１９Ｂは、このアンテナ装置２００におけるＸ方向に並ぶ２つのスロット１１２の中心を通るＸＺ面に平行な断面の一部を模式的に示す図である。このアンテナ装置２００においては、第１導電部材１１０が、Ｘ方向およびＹ方向に配列された複数のスロット１１２を有している。この例では、複数のスロット１１２は２つのスロット列を含み、各スロット列は、Ｙ方向に等間隔に並ぶ６個のスロット１１２を含んでいる。第２導電部材１２０には、Ｙ方向に延びる２つの導波部材１２２が設けられている。各導波部材１２２は、１つのスロット列に対向する導電性の導波面１２２ａを有する。２つの導波部材１２２の間の領域、および２つの導波部材１２２の外側の領域には、複数の導電性ロッド１２４が配置されている。これらの導電性ロッド１２４は、人工磁気導体を形成している。

各導波部材１２２の導波面１２２ａと、導電部材１１０の導電性表面１１０ｂとの間の導波路には、不図示の送信回路から電磁波が供給される。Ｙ方向に並ぶ複数のスロット１１２のうちの隣接する２つのスロット１１２の中心間の距離は、例えば、導波路を伝搬する電磁波の波長と同じ値に設計される。これにより、Ｙ方向に並ぶ６個のスロット１１２から、位相の揃った電磁波が放射される。

図１９Ａおよび図１９Ｂに示すアンテナ装置２００は、複数のスロット１１２の各々をアンテナ素子（放射素子とも称する。）とするアンテナアレイである。このようなアンテナ装置２００の構成によれば、アンテナ素子間の中心間隔を、例えば導波路を伝搬する電磁波の自由空間における波長λｏよりも短くすることができる。複数のスロット１１２には、ホーンが設けられ得る。ホーンを設けることで、放射特性または受信特性を向上させることができる。

図２０は、スロット１１２毎にホーン１１４を有するアンテナ装置２００の構造の一部を模式的に示す斜視図である。このアンテナ装置２００は、二次元的に配列された複数のスロット１１２および複数のホーン１１４を有する導電部材１１０と、複数の導波部材１２２Ｕおよび複数の導電性ロッド１２４Ｕが配列された導電部材１２０とを備える。図２０は、導電部材１１０、１２０の相互の間隔を極端に離した状態を示している。導電部材１１０における複数のスロット１１２は、Ｘ方向およびＹ方向に配列されている。図２０には、導波部材１２２Ｕの各々の中央に配置されたポート（貫通孔）１４５Ｕも示されている。導波部材１２２Ｕの両端部に配置され得るチョーク構造の図示は省略されている。本実施形態では、導波部材１２２Ｕの数は４個であるが、導波部材１２２Ｕの数は任意である。本実施形態では、各導波部材１２２Ｕは、中央のポート１４５Ｕの位置で２つの部分に分断されている。

図２１Ａは、図２０に示す１６個のスロットが４行４列に配列されたアンテナ装置２００をＺ方向からみた上面図である。図２１Ｂは、図２１ＡのＣ−Ｃ線断面図である。このアンテナ装置２００における導電部材１１０は、複数のスロット１１２にそれぞれ対応して配置された複数のホーン１１４を備えている。複数のホーン１１４の各々は、スロット１１２を囲む４つの導電壁を有している。このようなホーン１１４により、指向性を向上させることができる。なお、各ホーン１１４は、図２０に示す構造に代えて、例えば図１に示すように、一対のリッジと、一対の側壁を有する構造を有していてもよい。そのような構造によれば、前述の実施形態と同様、グレーティングローブの影響を抑制することができる。

図示されるアンテナ装置２００においては、スロット１１２に直接的に結合する第１の導波部材１２２Ｕを備える第１の導波装置１００ａと、第１の導波装置１００ａの導波部材１２２Ｕに結合する第２の導波部材１２２Ｌを備える第２の導波装置１００ｂとが積層されている。第２の導波装置１００ｂの導波部材１２２Ｌおよび導電性ロッド１２４Ｌは、導電部材１３０上に配置されている。第２の導波装置１００ｂは、基本的には、第１の導波装置１００ａの構成と同様の構成を備えている。

図２１Ａに示すように、導電部材１１０は、第１の方向（Ｙ方向）および第１の方向に直交する第２の方向（Ｘ方向）に配列された複数のスロット１１２を備える。複数の導波部材１２２Ｕの導波面１２２ａは、Ｙ方向に延びており、複数のスロット１１２のうち、Ｙ方向に並んだ４つのスロットに対向している。この例では導電部材１１０は、４行４列に配列された１６個のスロット１１２を有しているが、スロット１１２の数および配列はこの例に限定されない。各導波部材１２２Ｕは、複数のスロット１１２のうち、Ｙ方向に並んだ全てのスロットに対向している例に限らず、Ｙ方向に隣接する少なくとも２つのスロットに対向していればよい。Ｘ方向に隣接する２つの導波面１２２ａの中心間隔は、例えば波長λｏよりも短く設定され、より好ましくは、波長λｏ／２よりも短く設定される。

図２１Ｃは、第１の導波装置１００ａにおける導波部材１２２Ｕの平面レイアウトを示す図である。図２１Ｄは、第２の導波装置１００ｂにおける導波部材１２２Ｌの平面レイアウトを示す図である。これらの図に示すように、第１の導波装置１００ａにおける導波部材１２２Ｕは直線状に延びており、分岐部も屈曲部も有していない。一方、第２の導波装置１００ｂにおける導波部材１２２Ｌは、分岐部および屈曲部の両方を有している。

第１の導波装置１００ａにおける導波部材１２２Ｕは、導電部材１２０が有するポート１４５Ｕを通じて第２の導波装置１００ｂにおける導波部材１２２Ｌに結合する。言い換えると、第２の導波装置１００ｂの導波部材１２２Ｌを伝搬してきた電磁波は、ポート１４５Ｕを通って第１の導波装置１００ａの導波部材１２２Ｕに達し、第１の導波装置１００ａの導波部材１２２Ｕを伝搬することができる。このとき、各スロット１１２は、導波路を伝搬してきた電磁波を空間に向けて放射するアンテナ素子として機能する。反対に、空間を伝搬してきた電磁波がスロット１１２に入射すると、その電磁波はスロット１１２の直下に位置する第１の導波装置１００ａの導波部材１２２Ｕに結合し、第１の導波装置１００ａの導波部材１２２Ｕを伝搬する。第１の導波装置１００ａの導波部材１２２Ｕを伝搬してきた電磁波は、ポート１４５Ｕを通って第２の導波装置１００ｂの導波部材１２２Ｌに達し、第２の導波装置１００ｂの導波部材１２２Ｌに沿って伝搬することも可能である。

図２１Ｄに示すように、第２の導波装置１００ｂの導波部材１２２Ｌは、１本の幹状部分と、幹状部分から分岐した４つの枝状部分を有する。導波部材１２２Ｌの幹状部分は、Ｙ方向に延びており、ポート１４５Ｌに接続されている。ポート１４５Ｌは、任意の導波路を介して、高周波信号を生成または受信する電子回路２９０に接続される。

電子回路２９０は、特定の位置に限定されず、任意の位置に配置されていてよい。電子回路２９０は、例えば、導電部材１３０の背面側（図２１Ｂにおける下側）の回路基板に配置され得る。そのような電子回路は、例えば、ミリ波を生成または受信するＭＭＩＣ（Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）などのマイクロ波集積回路を含み得る。電子回路２９０は、マイクロ波集積回路に加えて、他の回路、例えば、信号処理回路をさらに含んでいてもよい。そのような信号処理回路は、例えばアンテナ装置を備えたシステムの動作に必要な各種の処理を実行するように構成され得る。電子回路２９０は、通信回路を含んでいてもよい。通信回路は、アンテナ装置を備えた通信システムの動作に必要な各種の処理を実行するように構成され得る。

マイクロ波集積回路は、高周波信号を生成または処理するように構成される。マイクロ波集積回路は、送信機および受信機の少なくとも一方として機能する。電子回路２９０は、送信機に接続されたＡ／Ｄコンバータ、および受信機に接続されたＤ／Ａコンバータの一方または両方を備えていてもよい。電子回路２９０は、さらに、Ａ／ＤコンバータおよびＤ／Ａコンバータの一方または両方に接続された信号処理回路を備えていてもよい。信号処理回路は、デジタル信号のエンコードおよびデジタル信号のデコードの少なくとも一方を実行する。そのような信号処理回路は、アンテナ装置が送信する信号の生成、またはアンテナ装置によって受信された信号の処理を行う。

なお、電子回路と導波路とを接続する構造は、例えば、米国特許出願公開第２０１８／０３５１２６１、米国特許出願公開第２０１９／０００６７４３、米国特許出願公開第２０１９／０１３９９１４、米国特許出願公開第２０１９／００６７７８０、米国特許出願公開第２０１９／０１４０３４４、および国際特許出願公開第２０１８／１０５５１３に開示されている。これらの文献の開示内容の全体を本願明細書に援用する。

図２１Ａに示される導電部材１１０を「放射層」と呼ぶことができる。また、図２１Ｃに示される導電部材１２０、導波部材１２２Ｕ、および導電性ロッド１２４Ｕの全体を含む層を「励振層」と呼び、図２１Ｄに示される導電部材１３０、導波部材１２２Ｌ、および導電性ロッド１２４Ｌの全体を含む層を「分配層」と呼んでもよい。また「励振層」と「分配層」とをまとめて「給電層」と呼んでもよい。「放射層」、「励振層」および「分配層」は、それぞれ、一枚の金属プレートを加工することによって量産され得る。放射層、励振層、分配層、および分配層の背面側に設けられる電子回路は、モジュール化された１つの製品として製造され得る。

この例におけるアンテナアレイでは、図２１Ｂからわかるように、プレート状の放射層、励振層および分配層が積層されているため、全体としてフラットかつ低姿勢(ｌｏｗ ｐｒｏｆｉｌｅ)のフラットパネルアンテナが実現されている。例えば、図２１Ｂに示す断面構成を持つ積層構造体の高さ(厚さ)を１０ｍｍ以下にすることができる。

図２１Ｄに示される導波部材１２２Ｌは、ポート１４５Ｌに接続される１本の幹状部分と、幹状部分から分岐した４つの枝状部分を有する。４つの枝状部分の先端部の上面に対向して、４つのポート１４５Ｕがそれぞれ位置している。貫通孔２１２から導電部材１２０の４つのポート１４５Ｕまでの、導波部材１２２Ｌに沿って測った距離は、全て等しい。このため、導電部材１３０の貫通孔２１２から、導波部材１２２Ｌに入力された信号波は、導波部材１２２ＵのＹ方向における中央に配置された４つのポート１４５Ｕのそれぞれに同じ位相で到達する。その結果、導電部材１２０上に配置された４個の導波部材１２２Ｕは、同位相で励振され得る。

なお、用途によっては、アンテナ素子として機能する全てのスロット１１２が同位相で電磁波を放射する必要はない。励振層および分配層における導波部材１２２Ｕおよび１２２Ｌのネットワークパターンは任意であり、図示される形態に限定されない。

励振層、分配層を構成するに当たっては、導波路における様々の回路要素を利用する事ができる。それらの例は、例えば米国特許第１００４２０４５、米国特許第１００９０６００、米国特許第１０１５８１５８、国際特許出願公開第２０１８／２０７７９６、国際特許出願公開第２０１８／２０７８３８、米国特許出願公開第２０１９／００７４５６９に開示されている。これらの文献の開示内容の全体を本願明細書に援用する。

本開示におけるアンテナ装置は、例えば車両、船舶、航空機、ロボット等の移動体に搭載されるレーダ装置またはレーダシステムに好適に用いられ得る。レーダ装置は、上述したいずれかの実施形態における導波装置を備えたアンテナ装置と、当該アンテナ装置に接続されたＭＭＩＣなどのマイクロ波集積回路とを備える。レーダシステムは、当該レーダ装置と、当該レーダ装置のマイクロ波集積回路に接続された信号処理回路とを備える。本開示の実施形態におけるアンテナ装置と、小型化が可能なＷＲＧ構造とを組み合わせた場合、従来の中空導波管を用いた構成と比較して、アンテナ素子が配列される面の面積を小さくすることができる。このため、当該アンテナ装置を搭載したレーダシステムを、狭小な場所にも容易に搭載することができる。レーダシステムは、例えば道路または建物に固定されて使用され得る。信号処理回路は、例えば、マイクロ波集積回路によって受信された信号に基づき、到来波の方位を推定する処理等を行う。信号処理回路は、例えば、ＭＵＳＩＣ法、ＥＳＰＲＩＴ法、およびＳＡＧＥ法などのアルゴリズムを実行して、到来波の方位を推定し、推定結果を示す信号を出力するように構成され得る。信号処理回路は、さらに、公知のアルゴリズムにより、到来波の波源である物標までの距離、物標の相対速度、物標の方位を推定し、推定結果を示す信号を出力するように構成されていてもよい。

本開示における「信号処理回路」の用語は、単一の回路に限られず、複数の回路の組み合わせを概念的に１つの機能部品として捉えた態様も含む。信号処理回路は、１個または複数のシステムオンチップ（ＳｏＣ）によって実現されてもよい。例えば、信号処理回路の一部または全部がプログラマブルロジックデバイス（ＰＬＤ）であるＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）であってもよい。その場合、信号処理回路は、複数の演算素子（例えば汎用ロジックおよびマルチプライヤ）および複数のメモリ素子（例えばルックアップテーブルまたはメモリブロック）を含む。または、信号処理回路は、汎用プロセッサおよびメインメモリ装置の集合であってもよい。信号処理回路は、プロセッサコアとメモリとを含む回路であってもよい。これらは信号処理回路として機能し得る。

本開示の実施形態におけるアンテナ装置は、無線通信システムにも利用され得る。そのような無線通信システムは、上述したいずれかの実施形態における導波装置を含むアンテナ装置と、当該アンテナ装置に接続された通信回路（送信回路または受信回路）とを備える。送信回路は、例えば、送信すべき信号を表す信号波をアンテナ装置内の導波路に供給するように構成され得る。受信回路は、アンテナ装置を介して受信された信号波を復調してアナログまたはデジタルの信号として出力するように構成され得る。

本開示の実施形態におけるアンテナ装置は、さらに、屋内測位システム（ＩＰＳ：Ｉｎｄｏｏｒ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）におけるアンテナとしても利用することができる。屋内測位システムでは、建物内にいる人、または無人搬送車（ＡＧＶ：Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｇｕｉｄｅｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ）などの移動体の位置を特定することができる。アンテナ装置はまた、店舗または施設に来場した人が有する情報端末（スマートフォン等）に情報を提供するシステムにおいて用いられる電波発信機（ビーコン）に用いることもできる。そのようなシステムでは、ビーコンは、例えば数秒に１回、ＩＤなどの情報を重畳した電磁波を発する。その電磁波を情報端末が受信すると、情報端末は、通信回線を介して遠隔地のサーバコンピュータに、受け取った情報を送信する。サーバコンピュータは、情報端末から得た情報から、その情報端末の位置を特定し、その位置に応じた情報（例えば、商品案内またはクーポン）を、当該情報端末に提供する。

ＷＲＧ構造を有するスロットアレイアンテナを備えたレーダシステム、通信システム、および各種監視システムの応用例が、例えば米国特許第９７８６９９５号明細書および米国特許第１００２７０３２号に開示されている。これらの文献の開示内容の全体を本願明細書に援用する。本開示のスロットアレイアンテナは、これらの文献に開示された各応用例に適用することができる。

本開示の導波路装置は、電磁波を利用するあらゆる技術分野において利用可能である。
例えばギガヘルツ帯域またはテラヘルツ帯域の電磁波の送受信を行う各種の用途に利用され得る。特に小型化が求められる車載レーダシステム、各種の監視システム、屋内測位システム、および無線通信システムなどに用いられ得る。

１００ ２００ ３００ 導波路装置

Claims (12)

1. 第１の面および前記第１の面の反対側の第２の面を有する基板と、
   少なくとも前記基板の前記第２の面側に配置されるグランド導体と、
   前記基板の前記第１の面側に配置されるマイクロストリップラインと、
   前記第１の面に対向する導電性表面を有し、前記導電性表面の少なくとも一部が前記グランド導体の一部に接触する導電部材と、
   前記導電部材から突出するリッジ状の導波部材であって、前記マイクロストリップラインに対向し第１の方向に沿って延びる導電性の導波面を有する導波部材と、
   を備え、
   前記導波部材の前記導波面に垂直な方向から見て、
   前記導波部材の前記導波面の少なくとも一部と前記マイクロストリップラインの端部を含む部分とが重なり合う重複部分を備え、
   前記導波部材の前記導波面と前記マイクロストリップラインとの間に、隙間または誘電体層があり、
   前記導波部材の前記導波面に沿って導波路が規定され、
   前記導波路は、前記マイクロストリップラインに接続される、
   導波路装置。
2. 前記導電部材は、リッジ導波管を含み、
   前記リッジ導波管は、前記導波路に繋がる貫通孔を備え、
   前記重複部分は、前記貫通孔に繋がる、
   請求項１に記載の導波路装置。
3. 前記マイクロストリップラインは、前記第１の方向と交差する方向における寸法が拡がる拡幅部を備え、
   前記導波部材の前記導波面に垂直な方向から見て、前記拡幅部の一部は前記重複部分と重なる、
   請求項１または２に記載の導波路装置。
4. 前記第１の方向と交差する方向において、前記拡幅部の幅は、前記重複部分における前記導波部材の幅よりも大きい、
   請求項３に記載の導波路装置。
5. 前記第１の方向における前記拡幅部の長さは、前記マイクロストリップラインに沿って伝搬する電磁波の波長の１／４よりも長い、請求項３または４に記載の導波路装置。
6. 前記マイクロストリップラインに沿って伝搬する電磁波の波長をλとするとき、
   前記第１の方向における前記重複部分の長さは、（１／８）λ以上（３／８）λ以下である、
   請求項３から５のいずれかに記載の導波路装置。
7. 第１の面および前記第１の面の反対側の第２の面を有する基板と、
   少なくとも前記基板の前記第２の面側に配置されるグランド導体と、
   前記基板の前記第１の面側に配置されるマイクロストリップラインと、
   前記第１の面に対向する導電性表面を有する板状の導電部材と、
   前記導電部材から突出するリッジ状の導波部材であって、前記マイクロストリップラインに対向し第１の方向に沿って延びる導電性の導波面を有する導波部材と、
   前記導波部材の両側に配置される人工磁気導体と、
   を備え、
   前記導波部材の前記導波面に垂直方向から見て、
   前記導波部材の前記導波面の少なくとも一部と、前記マイクロストリップラインの端部を含む部分とが重なり合う重複部分を備え、
   前記導波部材の前記導波面と前記マイクロストリップラインとの間に、隙間または誘電体層があり、
   前記導波部材の前記導波面に沿って導波路が規定され、
   前記導波路は、前記マイクロストリップラインに接続される、
   導波路装置。
8. 前記人工磁気導体は、
   複数の導電性ロッドを備え、
   前記導電部材は、前記導波路に繋がる貫通孔を有しており、
   前記重複部分は、前記貫通孔に繋がる、
   請求項７に記載の導波路装置。
9. 前記マイクロストリップラインは、前記第１の方向と交差する方向における寸法が拡がる拡幅部を備え、
   前記導波部材の前記導波面に垂直な方向から見て、前記拡幅部の一部は前記重複部分と重なる、
   請求項７または８に記載の導波路装置。
10. 前記第１の方向と交差する方向において、前記拡幅部の幅は、前記重複部分における前記導波部材の幅よりも大きい、
    請求項９に記載の導波路装置。
11. 前記第１の方向における前記拡幅部の長さは、前記マイクロストリップラインに沿って伝搬する電磁波の波長の１／４よりも長く、空気中における前記電磁波の波長よりも短い、請求項９または１０に記載の導波路装置。
12. 前記マイクロストリップラインに沿って伝搬する電磁波の波長をλとするとき、
    前記第１の方向における前記重複部分の長さは、（１／８）λ以上（３／８）λ以下である、
    請求項９から１１のいずれかに記載の導波路装置。

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