JP3498611B2 - 方向性結合器、アンテナ装置および送受信装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、誘電体線路を用
いた方向性結合器、その方向性結合器を用いたアンテナ
装置および送受信装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、ミリ波帯等における伝送線路とし
て、２つの導体板の間に誘電体ストリップを配してなる
誘電体線路が用いられている。このような誘電体線路を
用いてミリ波回路を構成する場合、２つの誘電体線路に
電力分配を行う部分に方向性結合器が用いられている。

【０００３】誘電体線路を用いた従来の方向性結合器
は、２つの導体板の間に所定距離隔てて２つの直線部と
曲線部とから成る誘電体ストリップを近接配置し、その
近接配置した部分で誘電体線路間を結合させるようにし
ている。

【０００４】上記誘電体線路を用いたミリ波回路の例と
してミリ波レーダを挙げることができる。ミリ波レーダ
に用いられるアンテナ装置は誘電体レンズとその誘電体
レンズの焦点位置に１次放射器を配置することによって
構成されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来のミリ
波レーダにおいては、アンテナの指向方向が固定である
ため、次に述べるように、条件によっては目的通りの探
知や計測が行われない場合が生じる。たとえば図２２に
示すように複数車線の道路を車両が走行している場合
に、前方に存在する他の車両から反射する電波を受信す
るだけでは、その車両が自車が現在走行している車線上
に存在するのか否かが直ちには判定できない。すなわち
図２２において自車ＣｍからＢ２で示す放射ビームで電
波を送波した場合に、前方を走行する車両Ｃａからの反
射波とともに対向車線を走行する車両Ｃｂからの反射波
も受波することになる。また図２３に示す例では、自車
ＣｍがＢ１で示す放射ビームで前方に電波を送波して
も、車線に沿って前方を走行している車両Ｃａを探知す
ることはできない。さらに図２４に示すように、起伏の
ある道路を走行中に、自車Ｃｍが前方にＢ１で示す放射
ビームで電波の送波を行っても前方の車両Ｃａを探知す
ることはできない。

【０００６】そこで、１次放射器と誘電体レンズとを組
み合わせたアンテナ装置において、１次放射器の位置を
変位させることによって、ビームの指向方向をチルトさ
せる構成が考えられる。１次放射器の位置を変位させる
ためには、１次放射器につながる誘電体線路と回路につ
ながるもう一つの誘電体線路とを低損失で結合させたま
ま、その２つの誘電体線路を相対的に変位可能な構造と
すればよい。そのために、誘電体線路による上記方向性
結合器の構造を採り、且つ２つの誘電体線路を相対的に
変位可能な構造とすればよい。

【０００７】ところが、方向性結合器を構成する２つの
誘電体線路の分離位置（分離面）は近接配置した２つの
誘電体ストリップにそれぞれ平行な面となる。この構造
によれば、誘電体ストリップを挟む導体板の端面が２つ
の誘電体線路の電磁波伝搬方向に平行な方向に形成され
るため、その導体板の端面部分で、導体板を流れる電流
の電流経路が絶たれ、反射が生じることになる。その結
果、伝送モード以外の不要なモードが生じるなどして損
失が増大し、また所定の方向性結合器としての特性が得
られないという問題が生じる。

【０００８】上述の例では、方向性結合器部分で２つの
誘電体線路を相対変位させる場合について説明したが、
たとえば誘電体線路を用いた回路モジュールを組み合わ
せて１つの装置を構成するような場合に、回路モジュー
ル間で誘電体線路同士を結合させるために、方向性結合
器を構成することができる。このような場合にも、回路
モジュール間で、導体板を流れる電流の電流経路が絶た
れ、反射が生じる。その結果、損失が増大し、回路モジ
ュール間で所定の信号の伝送特性が得られないという問
題が生じる。

【０００９】この発明の目的は、上記反射や損失の問題
を解消した、２つの誘電体線路が分離された構造の方向
性結合器を提供することにある。

【００１０】ところで、方向性結合器を構成する２つの
誘電体線路の誘電体ストリップは、所定領域のみを近接
させるために、その方向性結合器につながる誘電体線路
部分にはベンドを設ける必要がある。しかし、たとえば
ＬＳＭモードからＬＳＥモードへのモード変換による損
失を抑えるためには、ベンドの曲率半径を大きくせざる
を得なかった。その結果、装置全体が大型化し、またア
ンテナ装置を構成した際、可動部が軽量化できずに、ビ
ームの高速偏向が困難となる。一方、誘電体ストリップ
を挟む２つの導体板の対向面の間隔を狭くした、ＬＳＭ
０１モードの単一モードを伝送する誘電体線路を用いれ
ば、ベンドの曲率半径を自由に設定できるが、結合部で
の十分な結合を得るために結合部の長さを長くしなけれ
ばならず、やはり装置全体が大型化し、可動部の軽量化
が困難となる。結合部の誘電体ストリップ同士の間隔を
非常に狭くすれば、結合を強くすることも可能である
が、方向性結合器としての特性が、分離されている２つ
の誘電体線路間の相対位置精度に大きく依存することに
なる。

【００１１】この発明の他の目的は方向性結合器および
方向性結合器を用いた装置全体を容易に小型化できるよ
うにし、また可動部の質量をより小さくできるようにし
て、ビームの指向方向を高速に偏向できるようにするこ
とにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この発明では、それぞれ
２つの導体板の間に誘電体ストリップを配して第１・第
２の誘電体線路を構成し、その各々の導体板の端面同士
を接触状態または非接触状態に配置し、第１・第２の誘
電体線路の誘電体ストリップを導体板の端面付近にほぼ
平行に配置することによって構造的に分離された第１と
第２の誘電体線路からなる方向性結合器を構成する。そ
して、第１または第２の誘電体線路の導体板の端面に、
誘電体ストリップを挟む対向面である電極面から伝送波
の半波長の略整数倍だけ離れた位置を短絡面とする溝を
形成する。

【００１３】この構造により、第１・第２の誘電体線路
の導体板の端面同士の突き合わせ部分における電極面が
等価的に連続したものとして作用する。したがって、２
つの誘電体線路間が導体板部分で分離されているにも拘
らず、その間隙部分で損失が殆ど生じない。また、間隙
部分における反射が殆どないため、反射に伴うスプリア
スモードが発生しない。

【００１４】 また、この発明では、前記誘電体線路を
伝搬する伝送波の伝送方向に、前記誘電体線路を伝搬す
る伝送波の位相定数と等しい波数ベクトル成分を持つよ
うに向きを定められた伝送波の半波長の略整数倍だけ前
記電極面より離れた位置を短絡面とする。

【００１５】 第１・第２の誘電体線路の導体板の端面
同士の突き合わせ部分を伝搬する伝送波は、その大きさ
と、前記誘電体線路の長手方向に伝搬する伝送波の大き
さとにより決定される方向をもつ。すなわち、上記伝送
波の大きさ（波数ｋ）は決まっていて、その伝送波を誘
電体線路の伝送波伝搬方向に投影したときに、その波が
誘電体線路を伝搬する伝送波の位相定数に一致するよう
な方向（θ）に伝送波が進行する。したがって、その方
向に電極面から上記伝送波の半波長の略整数倍だけ離れ
た位置が短絡面となるように溝を設ければ、上記反射問
題の回避が最適化される。

【００１６】 また、この発明では、略平行に配置した
誘電体ストリップ部分と前記電極面とによりノーマルＮ
ＲＤガイドを構成し、前記略平行に配置した誘電体スト
リップ部分以外の前記電極面間の間隔を、前記略平行に
配置した誘電体ストリップ部分の高さより狭くして、前
記略平行に配置した誘電体ストリップ部分以外の誘電体
ストリップ部分と前記電極面とにより、ＬＳＭ０１モー
ドの単一モードを伝送するハイパーＮＲＤガイドを構成
する。そして、ノーマルＮＲＤガイドとハイパーＮＲＤ
ガイドとの間にノーマルＮＲＤガイドとハイパーＮＲＤ
ガイドとの線路変換部を設ける。これによりノーマルＮ
ＲＤガイド部分では、平行配置した誘電体ストリップ部
分の長さを長くしなくても、また誘電体ストリップ間の
間隔を極端に狭めなくても容易に結合をとることがで
き、かつハイパーＮＲＤガイド部分では曲率半径の小さ
なベンドを形成してもＬＳＥモードへのモード変換が行
われないので、伝送損失が増大することなく、全体に容
易に小型化できる。

【００１７】 また、この発明では上記方向性結合器の
第１の誘電体線路に１次放射器を結合させ、この１次放
射器を略焦点位置とする誘電体レンズを固定位置に設け
る。この構造により、第１の誘電体線路を第２の誘電体
線路に対して相対変位させれば、誘電体レンズの焦点面
内を１次放射器が変位することになり、ビームの指向方
向がチルトする。しかも、方向性結合器部分での損失が
小さく、また第１の誘電体線路側にノーマルＮＲＤガイ
ドとハイパーＮＲＤガイドを設けることによって可動部
を小型で低質量なものとすることができる。また第２の
誘電体線路にノーマルＮＲＤガイドとハイパーＮＲＤガ
イドを設けることによって、全体に小型化されたアンテ
ナ装置が得られる。

【００１８】 上記方向性結合器部分における第１の誘
電体線路と第２の誘電体線路とによる結合線路が、当該
結合線路の偶モードの位相定数をβｅ、奇モードの位相
定数をβｏとし、Δβ＝｜βｅ−βｏ｜ と置いたと
き、 （Δβｚ／２）＝ｎπ＋π／２〔 n:0,1,2 ... 〕を満た
す ように方向性結合器を構成すれば、送信信号および受
信信号を可動部と固定部間で最も効率的に電力伝送で
き、アンテナとしての効率が高まる。

【００１９】また、この発明では上記第２の誘電体線路
へ送信部から送信信号を伝送し、かつ第２の誘電体線路
からの受信信号を受信部へ伝送するサーキュレータを第
２の誘電体線路に接続する。この構造により単一の１次
放射器および単一の方向性結合器を用いてビームの方向
をチルトさせることのできる送受共用のアンテナ装置が
得られる。

【００２０】また、この発明では上記サーキュレータの
入力ポートに送信回路、出力ポートに受信回路をそれぞ
れ接続して送受信装置を構成する。

【００２１】

【発明の実施の形態】この発明の第１の実施形態に係る
方向性結合器およびアンテナ装置の構成を図１〜図１１
を参照して説明する。

【００２２】図１は方向性結合器部分の構成と１次放射
器および誘電体レンズとの関係を示す図である。図１の
（Ａ）は上部の導体板を取り除いた状態での上面図、
（Ｂ）は１次放射器部分を通る断面図である。図１の
（Ａ）において３２は固定部、３１は可動部であり、可
動部３１は固定部３２に対して相対的に矢印方向に変位
する。可動部３１において１４は下部の導体板、１１は
誘電体ストリップであり、下部の導体板１４と上部の導
体板との間に、この誘電体ストリップ１１を設けて第１
の非放射性誘電体線路（以下「ＮＲＤガイド」とい
う。）を構成している。固定部３２において１６は下部
の導体板、１２は誘電体ストリップであり、下部の導体
板１６と上部の導体板との間に、この誘電体ストリップ
１２を設けて第２のＮＲＤガイドを構成している。

【００２３】この第１と第２のＮＲＤガイドの各々の導
体板の端面同士は所定の間隙を隔てて非接触状態に配置
している。第１と第２のＮＲＤガイドの誘電体ストリッ
プ１１，１２は導体板１４，１６の端面付近に平行に配
置して、互いに近接させている。この構造により、第１
と第２のＮＲＤガイドから成る方向性結合器を構成して
いる。

【００２４】図１において１１′，１２′部分で示す誘
電体線ストリップおよびそれを挟む上下の導体板とによ
ってＬＳＭ０１モードの単一モードを伝送するＮＲＤガ
イド（以下、「ハイパーＮＲＤガイド」という。）をそ
れぞれ構成している。

【００２５】可動部３１側の誘電体ストリップ１１′の
端部には円柱形状の誘電体共振器からなる１次放射器１
３を設けている。図１の（Ｂ）に示すように、上部の導
体板１５には、１次放射器１３部分に同軸関係にあるホ
ーン状のテーパー部分を有する開口部を形成している。
そして、１次放射器１３と開口部との間に、導電体板に
スリットを形成したスリット板を図に示すように挟み込
んでいる。これにより誘電体ストリップ１１′の長手方
向に直角で導体板１４，１５に平行な方向に電界成分を
持ち、導体板１４，１５に垂直な方向に磁界成分を持つ
ＬＳＭモードで、誘電体ストリップ１１′内を電磁波が
伝搬する。そして、誘電体ストリップ１１′と１次放射
器１３とが電磁界結合し、１次放射器１３内に誘電体ス
トリップ１１′の電界と同一方向の電界成分を持つＨＥ
１１１モードが発生する。そして、直線偏波の電磁波が
上記開口部を介して導体板１４に垂直な方向に放射され
る。誘電体レンズ１８はこれを収束させて所定のビーム
を形成する。逆に、誘電体レンズを介して開口部から電
磁波が入射されると、１次放射器１３はＨＥ１１１モー
ドで励振し、これと結合する誘電体ストリップ１１′に
ＬＳＭモードで電磁波が伝搬することになる。

【００２６】固定部側３２の誘電体ストリップ１２′の
一方の端部には終端器２０を設けている。以上に構成に
より、他方の誘電体ストリップ１２′によるハイパーＮ
ＲＤガイドに送信信号が入力され、受信信号が出力され
ることになる。

【００２７】図２は上記１次放射器の変位によるビーム
の指向方向の変化を示す図である。このように１次放射
器１３を誘電体レンズ１８の略焦点面に配置し、その焦
点面内を変位させることにより（図１に示した可動部３
１を固定部３２に対して相対的に変位させることによ
り）、送受波ビームＢは図２に示すように左右方向に偏
向することになる。

【００２８】図３は図１におけるＡ−Ａ部分の断面図で
ある。可動部側の第１のＮＲＤガイドは上下の導体板１
４，１５とその間の誘電体ストリップ１１とから構成
し、固定部３２側の第２のＮＲＤガイドは上下の導体板
１６，１７およびその間の誘電体ストリップ１２とから
構成している。そして、この第１と第２のＮＲＤガイド
の導体板の端面同士を所定の間隙を隔てて対向配置させ
るとともに、導体板１６，１７の端面に、この導体板１
６，１７に平行方向に延びる所定の溝を形成している。

【００２９】図４は上記溝の構造を示す２つの例であ
る。（Ａ）の例では、電極面（上下の導体板の対向面）
からｈ０離れた位置に深さｄ０、幅ｇ０の溝を形成して
いる。ここでｇ０は、導体板１５と１７との間隙ｇに等
しい。またｈ０＝ｄ０であり、これらの長さを、間隙を
伝搬する電磁波の１／４波長の奇数倍の長さとしてい
る。溝の端部Ｐ３は短絡端であるので、そこからｄ０離
れたＰ２点は等価的に開放点、そこからさらにｈ０離れ
たＰ１点は等価的に短絡点（短絡面）となる。したがっ
て導体板１５と１７の電極面は等価的に連続したものと
なる。

【００３０】図４の（Ｂ）に示す例では、溝の幅ｇ１を
導体板１５，１７の間隙ｇより広くしている。このよう
な構造においても、短絡面であるＰ３から見てＰ１の位
置が等価的に短絡面となるように、溝の形成位置、深さ
および幅を定めればよい。通常は、溝の幅ｇ１が広くな
るに伴い、電極面から溝までの距離ｈ１を短くすること
によって、２つの導体板間の間隙位置Ｐ２部分を等価的
に開放点とすることができる。このように２つの導体板
の間隙部分を開放端とすることによって、導体板に電流
が流れることがなく、電流による導体損失を抑えること
ができる。

【００３１】このように可動部と固定部の２つのＮＲＤ
ガイド間が導体板部分で分離されているにも拘らず、両
者の電極面が等価的に連続したものとして作用するた
め、間隙があることによる損失が殆ど生じない。また、
間隙部分における反射が殆どないため、反射に伴うスプ
リアスモードが発生しない。

【００３２】図５は２つのＮＲＤガイドの結合部分の他
の構成を示す断面図である。図３に示した例では上下の
それぞれの導体板の端面に溝を形成したが、この溝は固
定部側に限らず図５の（Ａ）のように可動部側に形成し
てもよい。また（Ｂ）のように固定部と可動部の上下の
導体板のうち、反対部分にそれぞれ溝を形成してもよ
い。また（Ｃ）のように溝同士を向かい合わせに形成し
てもよい。また、可動部と固定部側とで導体板の厚み寸
法は必ずしも一致している必要はなく、異なる場合に
は、（Ｄ）のように互いの導体板の端面の対向部分の厚
み寸法を揃えるようにしてもよい。なお、このように可
動部側の導体板１４，１５の全体の厚みを薄くすること
によって、可動部全体を小型軽量化することができ、低
トルクのモータでも高速に変位させることが容易とな
る。さらには図５の（Ｅ）のように、上下の導体板のう
ち一方にのみ溝を形成しても所定の効果を奏する。

【００３３】図４に示した例において、６０ＧＨｚ帯で
あればｇ＝ｇ０＝０．２ｍｍ、ｈ０＝ｄ０＝１．２ｍｍ
とする。また図４の（Ｂ）の場合ｇ＝０．２ｍｍ、ｇ１
＝１．０ｍｍ、ｈ１＝０．９６ｍｍ、ｄ１＝１．５ｍｍ
とする。なお、この例では溝の端部Ｐ３から電極面Ｐ１
までの距離を伝送波の半波長としたが、この距離は、波
長をλとして、ｎλ／２ （ｎは１以上の整数）とすれ
ばよい。また電極面Ｐ１または溝の端部Ｐ３から中間点
Ｐ２までの距離を（２ｍ−１）λ／４ （ｍは１以上の
整数）とすればよい。ただしＰ１点からＰ３点までの距
離が長くなる程、Ｐ１点が等価的に短絡面としてみなせ
る周波数帯域の幅が狭くなるので、広帯域にわたって上
記の効果を得るためには、Ｐ１点またはＰ３点から中間
点Ｐ２までの距離を略λ／４とするのがよい。

【００３４】図６は上記方向性結合器とその電力分配比
との関係を示す図である。今、誘電体ストリップ１１，
１２による結合線路の偶モードの位相定数をβｅ、奇モ
ードの位相定数をβｏとし、Δβ＝｜βｅ−βｏ｜ と
置くと、ポート＃１から入力される電磁波に対するポー
ト＃２へ出力される電磁波の電力比は Ｐ２／Ｐ１＝１
−ｓｉｎ² （Δβｚ／２）で表され、ポート＃１から入
力される電磁波に対するポート＃４へ出力される電磁波
の電力比は Ｐ４／Ｐ１＝ｓｉｎ² （Δβｚ／２）で表
される。したがって、（Δβｚ／２）＝ｎπ＋π／２
〔n:0,1,2 ... 〕の関係とすれば、ポート＃１からの入
力は全てポート＃４へ出力されることになり、０ｄＢ方
向性結合器が構成される。

【００３５】図７は図１に示した方向性結合器における
ハイパーＮＲＤガイドとノーマルＮＲＤガイド部分の断
面構造を示す図である。（Ａ）は図１のＡ−Ａ部分にお
けるＮＲＤガイド１２部分の断面図、（Ｂ）は図１にお
けるＢ−Ｂ部分の断面図である。ノーマルＮＲＤガイド
は、（Ａ）に示すように導体板１６，１７の電極面間の
間隔Ｄｈを誘電体ストリップ１２の高さと等しくしてい
る。ハイパーＮＲＤガイドは（Ｂ）のように導体板１
６，１７に深さＧｈの溝を形成して、導体板１６，１７
の電極面間の間隔Ｅｈを誘電体ストリップ１２′の高さ
寸法Ｄｈより狭くしている。このように溝を形成すると
ともに、誘電体ストリップによる伝搬域と誘電体ストリ
ップのない非伝搬域の導電体板の間隔および誘電体スト
リップの誘電率を定めて、ＬＳＭ０１モードの遮断周波
数がＬＳＥ０１モードの遮断周波数より低くなるよう
に、またＬＳＥ０１モードの遮断周波数が使用する周波
数より高くなるように設定する。この構造により、誘電
体ストリップのベンド部の曲率半径等に関わらず、常に
ＬＳＭ０１モードの単一モードで伝送を行うことが可能
となる。これにより全体に小型化し、かつ低損失化を図
ることができる。

【００３６】同一周波数帯の信号を伝搬させる場合、ハ
イパーＮＲＤガイドの誘電体ストリップ１２′の幅ＤＨ
ｗはノーマルＮＲＤガイドの誘電体ストリップ１２の幅
ＤＮｗより小さくなる。たとえば６０ＧＨｚ帯の場合、
誘電体ストリップの比誘電体率εｒを２．０４とすれ
ば、Ｄｈ＝２．２ｍｍ、ＤＮｗ＝３．０ｍｍ、Ｇｈ＝
０．５ｍｍ、Ｅｈ＝１．２ｍｍ、ＤＨｗ＝１．８ｍｍで
ある。

【００３７】図８はノーマルＮＲＤガイドとハイパーＮ
ＲＤガイドとの線路変換器部分の構造を示す斜視図、図
９はその上面図および断面図である。但し図８および図
９では上部の導体板を取り除いた状態として示してい
る。これらの図に示すように、ハイパーＮＲＤガイドと
ノーマルＮＲＤガイドとの変換部では、両者の誘電体ス
トリップの幅方向の寸法の違いを徐々に解消するために
テーパー状としている。また上下の導体板１６，１７の
電極面間の間隔は変換部において段階的に変化させてい
る。すなわちハイパーＮＲＤガイドと変換部との境界位
置からｗ１まではハイパーＮＲＤガイドの電極面間の間
隔を保ち、一方、ノーマルＮＲＤガイドと変換部との境
界位置からｗ２まではノーマルＮＲＤガイドの電極面間
の間隔を保ち、ｗ１とｗ２の中間部分ではハイパーＮＲ
ＤガイドとノーマルＮＲＤガイドの電極面間の間隔の中
間値としている。たとえばｗ１＝ｗ２＝０．７５ｍｍ、
ｗｏ＝３．０ｍｍ、ｇｈ１＝０．１３ｍｍ、ｇｈ２＝
０．３７ｍｍとする。ここでｗ３は伝送波の略１／４波
長に相当する。これにより電極面間の間隔の段差部分で
生じる反射波１と反射波２とが逆相で合成されて、反射
波が打ち消される。これにより反射を生じさせることな
くハイパーＮＲＤガイドとノーマルＮＲＤガイドとの線
路変換を行う。

【００３８】なお、上述の例では固定部側のハイパーＮ
ＲＤガイドとノーマルＮＲＤガイドの構成および両者の
線路変換部の構成を示したが、可動部についても同様で
ある。

【００３９】図１０は上記方向性結合器を０ｄＢ方向性
結合器とした場合の各部の寸法例を示す図、図１１はそ
の場合の特性を示す図である。図１０において各部の寸
法はｍｍ単位で示している。同図の（Ａ）は上部の導体
板を取り除いた状態での上面図、（Ｂ）は（Ａ）におけ
るＡ−Ａ部分の断面図、（Ｃ）はノーマルＮＲＤガイド
とハイパーＮＲＤガイドとの線路変換部の上面図および
その付近の断面図である。また、（Ｄ）は可動部の原点
位置を示す図である。

【００４０】図１１は可動部を−８ｍｍ，０ｍｍ，＋８
ｍｍの３つの位置に変位させたときの方向性結合器の透
過特性を示す図であり、（Ａ）は各周波数における透過
特性、（Ｂ）は１次放射器への透過特性の拡大図、
（Ｃ）は５９．５ＧＨｚにおける可動部の位置に対する
透過特性の変化を示している。このように比較的広い周
波数範囲にわたって可動部を移動させても電力分配を略
０ｄＢで行うことができる。なお完全に０ｄＢとならな
いのは、電力分配のずれ以外に線路損失および伝送損失
が存在するためである。

【００４１】次に、他の方向性結合器の構造例を図１２
〜図１４を参照して説明する。図１２の（Ａ）は上部の
導体板を取り除いた状態での上面図、（Ｂ）は（Ａ）に
おけるＡ−Ａ部分の断面図である。（Ｃ）はその比較例
としての断面図である。図１に示した場合と異なり、こ
の例では、可動部側のＮＲＤガイドの誘電体ストリップ
１１の一方１１′部分をハイパーＮＲＤガイドとし、他
方の端部１１″部分もハイパーＮＲＤガイドとしてい
る。この構造により、誘電体ストリップ１１の両端の横
幅が狭まることになるので、誘電体ストリップ１１の軸
方向への位置決めが確実となる。しかもこの方向性結合
器が０ｄＢ方向性結合器である場合、１次放射器１３の
反対側の誘電体ストリップ１１″によるハイパーＮＲＤ
ガイドには、ポート＃１からの送信信号が殆ど現れない
ので、抵抗終端させる必要がなく、そのまま開放端また
は短絡端としておけばよい。

【００４２】しかし、このように、固定部側のノーマル
ＮＲＤガイドの誘電体ストリップ１２に近接させてハイ
パーＮＲＤガイドを構成すると、図１２の（Ｃ）に示す
ように○印で示すような壁（電気壁）が誘電体ストリッ
プ１２に近接することになるので、ＬＳＭ０１モードか
らＬＳＥモードへの結合を引き起こしてしまう。そこ
で、図１２の（Ｂ）のように、固定部側の導体板１６，
１７の端面に対向する部分の導体板１４，１５の電極面
の間隔を導体板１６，１７の電極面の間隔に等しくす
る。なお、１次放射器１３に結合する誘電体ストリップ
１１′によるハイパーＮＲＤガイド部分についても固定
部側のノーマルＮＲＤガイドに近接して電気壁が生じる
ことになるが、０ｄＢ方向性結合器の場合、この部分を
伝搬する電磁波は殆どないので、上記ＬＳＥモードへの
結合の問題は生じない。

【００４３】なお、ノーマルＮＲＤガイドに平行なハイ
パーＮＲＤガイドを図１２の（Ｃ）に示したように、通
常の左右対称構造とする場合には、図１３に示すよう
に、ハイパーＮＲＤガイドに比較的近接するノーマルＮ
ＲＤガイドの誘電体ストリップ１２の内部にＬＳＥモー
ドサプレッサを設ければよい。図１３の（Ｂ）は誘電体
ストリップ１２の中央部の縦方向の部分断面図、（Ｃ）
は（Ａ）のＡ−Ａ部分の断面図である。ＬＳＥモードサ
プレッサは基本的に電極面に垂直で且つ伝送波伝搬方向
に沿った方向に配置した導体部材であり、ＬＳＥモード
をこの部分で阻止する。また、その導体部材の高さ方向
の寸法を同図に示すように交互に変えてフィルタ回路を
構成することによってＴＥＭモードとの結合が生じない
ようにしている。図中の各部の寸法の単位はｍｍであ
り、６０ＧＨｚ帯における例である。

【００４４】図１３に示す例では、可動部側の誘電体ス
トリップ１１″部分のハイパーＮＲＤガイドに終端器２
０を設けている。このようにハイパーＮＲＤガイドに変
換して終端器２０を設ければ、方向性結合器の結合バラ
ンスが多少ずれていて、ポート＃３からの反射が生じる
場合であっても、その影響を低減することができる。

【００４５】また、同図に示すように、ハイパーＮＲＤ
ガイドにして終端器を設けることにより、この終端器部
分が固定部側のノーマルＮＲＤガイドの誘電体ストリッ
プ１２から遠ざかり、両者間の結合が殆ど生じない。そ
のため終端器部分を固定部側のＮＲＤガイドから遠ざけ
るためのベンドを設けることなく終端器を配置すること
ができる。

【００４６】なお、図１２，図１３における誘電体スト
リップ１１″によるＮＲＤガイドのポートは他の目的で
利用してもよい。たとえばポート＃２およびポート＃３
に出力端子を設けて、ポート＃２からはたとえば送信信
号のパワーおよび周波数等をモニターし、ポート＃３か
らはアンテナ端での反射をモニターするようにしてもよ
い。

【００４７】図１４は方向性結合器の更に他の構成例を
示す図である。以上に示した幾つかの例では、可動部側
の１次放射器１３と結合するハイパーＮＲＤガイドにベ
ンドを設けたが、図１４の（Ａ）に示すようにベンドを
設けずに１次放射器１３を配置してもよい。この場合、
１次放射器１３による電磁波の偏波面は可動部３１の移
動方向に沿った向きとなる。先に示した例のように、ベ
ンドを設けて１次放射器１３を４５°方向で結合させれ
ば電磁波の偏波面は４５°に傾くことになる。したがっ
て目的に応じてベンド部分を構成すればよい。

【００４８】また、図１４の（Ｂ）に示すように、可動
部３１側のＮＲＤガイドの全体をノーマルＮＲＤガイド
としてもよい。この場合、可動部３１のサイズは通常大
型化するが、ベンドの曲率半径はモード変換に伴う伝送
損失が最も小さくなるように設計すればよい。

【００４９】図１５は方向性結合器の可動部側の他の構
成例を示す断面図である。この例では、合成樹脂板の外
面に金属膜をメッキして上下の導体板１４，１５を形成
している。可動部側に溝を形成する場合には、樹脂基材
の状態で予め形成しておき、溝の内面を含めて樹脂基材
の外面の全体に金属メッキを施せばよい。なお、ＮＲＤ
ガイドとして作用する電極膜は誘電体ストリップ１１を
挟む面であるので、外面には必ずしも電極膜を形成しな
くてもよい。

【００５０】図１６は可動部の他の構成例を示す図であ
り、上部の導体板を取り除いた状態での上面図である。
この例では、可動部３１に設ける誘電体ストリップ１
１，１１′および１次放射器１３の配置位置以外の領域
における導体板の存在範囲（面積）を極力縮小化したも
のである。そのために、Ａ，Ｂに示すような切欠部分を
形成し、またＣに示すように孔を設ける。ただしＮＲＤ
ガイドおよび１次放射器としての特性に影響を与えない
範囲に留めるべきである。たとえばハイパーＮＲＤガイ
ド部分については、誘電体ストリップ１１′から幅方向
に２ｍｍ以上離れた位置に切欠部や孔を形成し、また１
次放射器１３については半径８ｍｍ以上離れた箇所に切
欠部や孔を形成する。図中の破線はその確保範囲を示し
ている。

【００５１】さて、次にアンテナ装置および送受信装置
の構成例を図１７〜図２１を参照して説明する。

【００５２】図１７は上部の導体板部分を取り除いた状
態での上面図である。可動部３１と固定部３２部分にお
ける方向性結合器の構造は図１に示したものと同様であ
る。ここでは、方向性結合器の信号入出力部となるポー
ト＃１にサーキュレータ１９を接続し、サーキュレータ
１９の入力ポートに誘電体ストリップ２１によるハイパ
ーＮＲＤガイドを接続し、サーキュレータ１９の出力ポ
ートに、誘電体ストリップ２３によるハイパーＮＲＤガ
イドを接続している。誘電体ストリップ２１によるハイ
パーＮＲＤガイドにはオシレータを接続し、誘電体スト
リップ２３によるハイパーＮＲＤガイドにはミキサを接
続している。誘電体ストリップ２１と２３の間にはそれ
ぞれの誘電体ストリップによるハイパーＮＲＤガイドと
結合して方向性結合器を構成する誘電体ストリップ２２
を配置している。この誘電体ストリップ２２の両端部に
は終端器２０を設けている。ここで、ミキサおよびオシ
レータ部分は、バラクタダイオードやガンダイオードを
設けて、これらに対するバイアス電圧印加用の回路を設
けるために、基板を介在させたハイパーＮＲＤガイドで
構成している。

【００５３】このように構成することによって、オシレ
ータの発振信号は誘電体ストリップ２１→サーキュレー
タ１９→誘電体ストリップ１２→誘電体ストリップ１１
→１次放射器１３の経路で伝搬されて、１次放射器１３
の軸方向に電磁波が放射される。逆に、１次放射器１３
に入射した電磁波は誘電体ストリップ１１→誘電体スト
リップ１２→サーキュレータ１９→誘電体ストリップ２
３の経路でミキサに入力される。また誘電体ストリップ
２１，２２，２３により構成される２つの方向性結合器
を介して発振信号の一部がローカル信号として、受信信
号とともにミキサに与えられる。これによりミキサは送
信信号と受信信号の差の周波数成分を中間周波信号とし
て生成する。

【００５４】図１８は送受信装置全体の構成を示す分解
斜視図である。同図において４２は後述する可動部駆動
ユニットであり、可動部３１を変位させる。４３はホー
ンであり、可動部３１の１次放射器が変位する方向に長
孔の開口を有している。「０ｄＢカプラ」は可動部３１
とともに方向性結合器を構成する。「ＲＦ」は上記ミキ
サを含む回路部分、「ＶＣＯ」は上記オシレータを含む
回路部分である。また「制御回路」は可動部駆動ユニッ
ト４２の制御および中間周波信号を基に探知物体までの
距離、角度および相対速度の情報を抽出して、外部装置
へそれらのデータを出力する。これらを組み立てる場
合、各ユニットをケース４１の内部に配置し、ホーン４
３を装着し、Ｏリング４４を挟んで誘電体レンズ１８を
被せ、誘電体レンズ１８側に４つのナットを配置し、ケ
ース４１の下面から４つのネジでネジ止めする。

【００５５】図１９は上記可動部駆動ユニットの構成を
示す斜視図である。同図において５４は送りネジであ
り、その一端を軸受けを介して回転自在にフレームに取
り付けている。送りネジ５４の他端はフレームにネジ止
め固定したパルスモータ５５の軸に接続している。フレ
ームには送りネジ５４に平行に送りガイド５１を設けて
いて、送りネジ５４に螺合するナット部が送りガイド５
１に摺動可能な状態に設けている。１次放射器を有する
可動部３１は上記ナット部にネジ止め固定している。ま
た上記ナット部には遮光板５２を取り付けている。フレ
ームにはフォトインタラプタ５３を形成していて、その
光軸を上記遮光板５３が過るように配置している。

【００５６】この送りネジ方式では、パルスモータ５５
に与えるパルス数によって可動部３１を所定位置へ変位
させるので、基本的にオープンループ制御となる。すな
わち、パルスモータのパルス制御を行うＣＰＵが所定数
のパルスをパルスモータへ与えることによって、可動部
の位置制御を行い、同時に、現在の可動部の位置を表す
パルス数をメモリやレジスタでカウントすることによっ
て、可動部の位置を間接的に検知する。但し、パルスモ
ータが脱調した場合や電源投入直後には可動部３１の位
置が不明であるので、上記遮光板５２とフォトインタラ
プタ５３を用いる。

【００５７】上述の例では、回転運動するモータを用い
て可動部を変位させるようにしたが、直線運動するモー
タを用いて可動部を変位させるようにしてもよい。図２
０はその場合の可動部駆動ユニットの構造を示してい
る。（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は可動部の変位方向に垂直
な面での断面図である。この図において４６，４７は外
部ヨーク、４５は内部ヨークであり、外部ヨーク４６，
４７の内面にマグネット４８，４９を取り付けて磁気回
路を構成している。外部ヨーク４７には内部ヨーク４５
に平行な２本のガイドピン５１，５１を固定している。
５０は可動コイルであり、ガイドピン５１，５１に沿っ
て摺動する可動ブッシュ部と一体化している。同時に、
内部ヨーク４５は可動コイル５０と一定の間隔を保って
可動コイル５０を貫通している。一方、１次放射器を設
けた可動部３１は上記可動ブッシュ部にネジ止め固定し
ている。可動ブッシュ部には遮光板５２を取り付けてい
て、菱形状の窓を設けている。外部ヨーク４７には２組
のフォトインタラプタ５３ａ，５３ｂを取り付けてい
て、その光軸が菱形状の窓を通過するように配置してい
る。

【００５８】上記ボイスコイルモータ方式の場合、２組
のフォトインタラプタ５３ａ，５３ｂの受光量の差に応
じて可動部３１の位置を検出し、所定位置に可動部３１
が位置するようにモータを駆動する。

【００５９】図２１は、以上に示したアンテナ装置およ
び送受信装置を用いて構成したミリ波レーダ全体の構成
を示すブロック図である。同図において信号処理装置内
の信号処理部は送受信装置を用いて、たとえば前方を走
行する車両までの距離と相対速度を数値情報として抽出
し、制御・警報部では、自車の走行速度と車間距離との
関係から、たとえば予め定めた条件を満たす時に警報を
発したり、前方車両との相対速度が予め定めたしきい値
を超えた時に警報を発する。

【００６０】

【実施例】第１・第２の誘電体線路の導体板の端面同士
の突き合わせ部分における透過および反射の特性を最適
化する例を次に示す。

【００６１】 図２５は上部の２つの導体板の突き合わ
せ部分の構造を示す部分斜視図である。図においては、
電極面に対して垂直方向（ｘ方向）に伝搬する伝送波の
みを、空間を伝搬する伝送波と考えるのではなく、誘電
体線路の長手方向（ｚ方向）に伝搬するＮＲＤガイドの
主モードであるＬＳＭモードも考慮している。すなわ
ち、誘電体線路の長手方向に伝搬するＬＳＭモードの位
相定数βと空間中を伝搬する伝送波の波数ｋで決定され
るθ（＝ｃｏｓ-1（β／ｋ））の向きに伝送波が伝搬す
るものとし、この伝搬ベクトルをもつ伝送波の進行方向
に沿って半波長の略整数倍だけ電極面から離れた位置を
短絡面とする溝を形成する。

【００６２】 図２５において、ｐ１点から伝搬する伝
送波はｐ２点で溝のｙ方向に伝搬し、ｐ３点で反射し、
ｐ４点まで伝搬する。その後更にｐ５点まで伝搬する。
ここで、図２５において点ｐ１，ｐ５は図４に示した点
Ｐ１に、点ｐ２，ｐ４は図４に示した点Ｐ２に、点ｐ３
は図４に示した点Ｐ３にそれぞれ対応している。

【００６３】 上記伝送波の波数ｋは、ｋ＝ω√（ε
μ）で与えられる。ここで、ω：対象周波数、ε：溝部
の誘電率、μ：溝部の透磁率である。特に、空気の場
合、ｋ＝ω√（εo μo ）となる。導体板の突き合わせ
部分における誘電体ストリップの寸法および位置を図２
６に示すようにした場合、７６ＧＨｚ帯での、図２５に
おける各部の寸法は、ｇ＝０．２ｍｍ、ｇ２＝１．０ｍ
ｍ、ｈ２＝１．０７ｍｍ、ｄ２＝１．６ｍｍ、とする。

【００６４】次に、このときの方向性結合器の特性測定
結果を図２８に示す。ここで、方向性結合器のポートの
定義は図２７に示すとおりである。なお、誘電体材料に
は比誘電率２．０４のフッ素樹脂を用いた。このよう
に、７６ＧＨｚを中心とする幅広い周波数帯に亘って、
低損失で安定した透過特性が得られる。因みに、図２９
の（Ａ）は溝を設けない場合の透過特性を示している。
このように、溝を全く設けないと、透過特性が非常に悪
い。また、（Ｂ）は、電極面に対して垂直方向（ｘ方
向）に伝搬する伝送波のみを考慮して、溝の寸法を、ｇ
＝０．２ｍｍ、ｇ２＝１．０ｍｍ、ｈ２＝０．７ｍｍ、
ｄ２＝１．２２ｍｍ、と定めた場合の透過特性を示して
いる。このように、溝の寸法が適当でなければ、或る周
波数（図の例では略７３ＧＨｚ，７５ＧＨｚ，７７ＧＨ
ｚ，７９ＧＨｚ，８１ＧＨｚ）でＬＳＭモードからＬＳ
Ｅモードへのモード変換が生じて、急峻な損失が生じ
る。

【００６５】

【発明の効果】請求項１に係る発明によれば、第１・第
２の誘電体線路の導体板の端面同士の突き合わせ部分が
分離されているにも拘らず両導体板の電極面が等価的に
連続したものとして作用するため、間隙部分での損失が
殆ど生じない。また、間隙部分における反射が殆どない
ため、反射に伴うスプリアスモードが発生しない。

【００６６】 請求項２に係る発明によれば、第１・第
２の誘電体線路の導体板の端面同士の突き合わせ部分を
伝搬する伝送波の伝搬方向に応じて短絡面の位置が最適
化されるため、導体板の突き合わせ部分における反射を
最も効果的に抑制することができる。

【００６７】 請求項３に係る発明によれば、ノーマル
ＮＲＤガイド部分では、誘電体ストリップ間の間隔を極
端に狭めなくても容易に結合をとることができ、かつハ
イパーＮＲＤガイド部分では曲率半径の小さなベンドを
形成してもＬＳＭモードからＬＳＥモードへのモード変
換が行われないので、伝送損失が増大することなく、全
体に容易に小型化できる。

【００６８】 請求項４に係る発明によれば、第１の誘
電体線路を第２の誘電体線路に対して相対変位させるこ
とによってビームの指向方向がチルトする、方向性結合
器部分での損失が小さいアンテナ装置が得られる。しか
も、第１の誘電体線路側にノーマルＮＲＤガイドとハイ
パーＮＲＤガイドを設けることによって、可動部を小型
で低質量なものとすることができ、低トルクのモータを
用いてもビームを高速にチルトさせることが可能とな
る。また第２の誘電体線路にノーマルＮＲＤガイドとハ
イパーＮＲＤガイドを設けることによって、全体に小型
化されたアンテナ装置が得られる。

【００６９】請求項５に係る発明によれば、送信信号お
よび受信信号を可動部と固定部間で最も効率的に電力伝
送でき、アンテナとしての効率が高まる。

【００７０】請求項６に係る発明によれば、単一の１次
放射器および単一の方向性結合器を用いてビームの方向
をチルトさせることのできる送受共用の小型のアンテナ
装置が得られる。

【００７１】請求項７に係る発明によれば、小型で低損
失な送受信装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施形態に係る方向性結合器およびアン
テナ装置の構成を示す図

【図２】誘電体レンズと１次放射器の相対位置とビーム
の指向方向との関係を示す図

【図３】方向性結合器部分の断面図

【図４】方向性結合器の導体板の端面の構造を示す部分
断面図

【図５】方向性結合器の各種構成例を示す断面図

【図６】方向性結合器の構造とその特性との関係を示す
図

【図７】二種の誘電体線路の断面構造を示す図

【図８】線路変換器部分の構成を示す斜視図

【図９】同線路変換器部分の構成を示す上面図および断
面図

【図１０】方向性結合器の各部の寸法例を示す図

【図１１】同方向性結合器の特性図

【図１２】第２の実施形態に係る方向性結合器の構成を
示す図

【図１３】他の方向性結合器の構成例を示す図

【図１４】可動部側の構成の異なる他の方向性結合器の
構成を示す図

【図１５】可動部側の誘電体線路の構成を示す断面図

【図１６】他の方向性結合器の構成例を示す上面図

【図１７】送受信装置の構成を示す図

【図１８】アンテナ装置および送受信装置の構成を示す
分解斜視図

【図１９】送りネジ方式の構成例を示す斜視図

【図２０】ボイスコイルモータの構成例を示す図

【図２１】車載用ミリ波レーダの構成を示すブロック図

【図２２】車載用レーダにおいて放射ビームを水平方向
にチルトさせた様子を示す図

【図２３】車載用レーダにおいて放射ビームを水平方向
にチルトさせた様子を示す図

【図２４】車載用レーダにおいて放射ビームを鉛直方向
にチルトさせた様子を示す図

【図２５】上部の２つの導体板の突き合わせ部分の構造
を示す部分斜視図

【図２６】導体板の突き合わせ部分の構造を示す断面図

【図２７】方向性結合器のポートの定義を示す図

【図２８】方向性結合器の透過特性の測定結果を示す図

【図２９】比較例としての方向性結合器の透過特性の測
定結果を示す図

【符号の説明】

１１，１２−誘電体ストリップ １３−１次放射器 １４，１５，１６，１７−導体板 １８−誘電体レンズ １９−サーキュレータ ２０−終端器 ２１，２２，２３−誘電体ストリップ ３１−可動部 ３２−固定部 ４１−ケース ４２−可動部駆動ユニット ４３−ホーン ４４−Ｏリング ４５−内部ヨーク ４６，４７−外部ヨーク ４８，４９−マグネット ５０−可動コイル ５１−送りガイド ５２−遮光板 ５３ａ，５３ｂ−フォトインタラプタ ５４−送りネジ ５５−モータ

フロントページの続き (72)発明者 斉藤 篤 京都府長岡京市天神二丁目26番10号 株 式会社村田製作所内 (72)発明者 西山 大洋 京都府長岡京市天神二丁目26番10号 株 式会社村田製作所内 (72)発明者 近藤 靖浩 京都府長岡京市天神二丁目26番10号 株 式会社村田製作所内 (72)発明者 北森 宣匡 京都府長岡京市天神二丁目26番10号 株 式会社村田製作所内 (56)参考文献 特開 平11−195910（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−127001（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−22701（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−8621（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01P 5/18 H01P 5/08 H01Q 3/08 H01Q 19/06 H01Q 13/00

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 それぞれ２つの導体板の間に誘電体スト
   リップを配して前記２つの導体板の対向面を電極面とす
   る第１・第２の誘電体線路を構成し、当該第１・第２の
   誘電体線路を、その各々の導体板の端面同士を接触状態
   または非接触状態に配置し、第１・第２の誘電体線路の
   誘電体ストリップを前記導体板の端面付近に略平行に配
   置するとともに、第１または第２の誘電体線路の前記導
   体板の端面に、前記電極面から伝送波の半波長の略整数
   倍だけ離れた位置を短絡面とする溝を形成したことを特
   徴とする方向性結合器。
2. 【請求項２】 前記伝送波の半波長の略整数倍だけ離れ
   た位置は、前記誘電体線路を伝搬する伝送波の伝送方向
   に、前記誘電体線路を伝搬する伝送波の位相定数と等し
   い波数ベクトル成分を持つように向きを定められた伝送
   波の半波長の略整数倍だけ前記電極面より離れた位置で
   ある請求項１に記載の方向性結合器。
3. 【請求項３】 前記略平行に配置した誘電体ストリップ
   部分と前記電極面とによりノーマルＮＲＤガイドを構成
   し、前記略平行に配置した誘電体ストリップ部分以外の
   前記電極面間の間隔を、前記略平行に配置した誘電体ス
   トリップ部分の高さより狭くして、前記略平行に配置し
   た誘電体ストリップ部分以外の誘電体ストリップ部分と
   前記電極面とにより、ＬＳＭ０１モードの単一モードを
   伝送するハイパーＮＲＤガイドを構成し、ノーマルＮＲ
   ＤガイドとハイパーＮＲＤガイドとの間にノーマルＮＲ
   ＤガイドとハイパーＮＲＤガイドとの線路変換部を設け
   たことを特徴とする請求項１または２に記載の方向性結
   合器。
4. 【請求項４】 請求項１、２または３に記載の方向性結
   合器と、当該方向性結合器の第１の誘電体線路に結合す
   る１次放射器と、該１次放射器を略焦点位置とし前記方
   向性結合器の第２の誘電体線路とともに固定された誘電
   体レンズとを設けて成るアンテナ装置。
5. 【請求項５】 前記第１の誘電体線路と前記第２の誘電
   体線路とによる結合線路が、当該結合線路の偶モードの
   位相定数をβｅ、奇モードの位相定数をβｏとし、Δβ
   ＝｜βｅ−βｏ｜ と置いたとき、 （Δβｚ／２）＝ｎπ＋π／２〔 n:0,1,2 ... 〕を満た
   す ことを特徴とする請求項４に記載のアンテナ装置。
6. 【請求項６】 送信部から前記第２の誘電体線路へ送信
   信号を伝送し、且つ前記第２の誘電体線路から受信信号
   を受信部へ伝送するサーキュレータの入出力ポートを前
   記第２の誘電体線路に接続したことを特徴とする請求項
   ４または５に記載のアンテナ装置。
7. 【請求項７】 請求項６に記載のアンテナ装置における
   サーキュレータの入力ポートに送信回路、出力ポートに
   受信回路をそれぞれ接続して成る送受信装置。