JP3638533B2 - 非放射性誘電体線路と金属導波管との接続構造およびミリ波送受信器 - Google Patents
非放射性誘電体線路と金属導波管との接続構造およびミリ波送受信器 Download PDFInfo
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ミリ波集積回路等に組み込まれて高周波信号の伝送用として用いらる非放射性誘電体線路と金属導波管との接続構造であって、外部に高周波信号を電波として送信しまた外部より受信するようにした非放射性誘電体線路と金属導波管との接続構造およびミリ波送受信器に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、誘電体線路を1対の平行平板導体によって挟持した構造からなる非放射性誘電体線路(NonRadiative Dielectric Waveguideで、以下、NRDガイドという)が、高周波信号の伝送線路の1種として用いられている。そして、このNRDガイドを配線基板などに組入れる場合、回路設計上、NRDガイドを他の高周波用伝送線路,アンテナ等と接続することが必要であり、その場合伝送特性の劣化を小さくして接続することが重要である。
【0003】
そこで、他の高周波伝送線路との接続構造として、NRDガイドとマイクロストリップ線路とを接続するための構造が提案されている。その一般的な構造を図4に示す。同図に示すように、一対の平行平板導体11、12の間に誘電体線路3が配設されたNRDガイドにおいて、平行平板導体11にスロット孔13を形成し、平行平板導体11のスロット孔13を含む表面に、中心導体15が表面に形成された誘電体基板14をスロット孔13と中心導体15の終端部とが所定の位置関係になるように載置することにより、NRDガイドとマイクロストリップ線路とをスロット孔13を介して電磁的に接続するものである。
【0004】
このほか、NRDガイドの誘電体線路と金属導波管とを接続する構成(図示せず)として、誘電体線路の入力端部または出力端部をテーパー状とし、そのテーパー部に近接させて矩形ホーン状とされた金属導波管の一端を配置するものがある。
【0005】
さらに、NRDガイドと誘電体導波管との接続構造として、平行平板導体の誘電体線路に相当する部分の一部に開口を設け、その開口と誘電体導波管の開放端部とを接続したものが提案されている(特開平12−22407号公報参照)。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、NRDガイドの誘電体線路と金属導波管とを接続する場合に、上記の如く誘電体線路の端部をテーパー状としたタイプでは、そのテーパー部の長さは高周波信号の2波長以上の長さを要するため、ミリ波集積回路の小型化という点で不利である。
【0007】
一方、小型化の点では図4に示した構成がよいが、高周波信号の周波数が30GHz以上のミリ波帯では、マイクロストリップ線路を用いたものでは伝送損失自体が大きくなるため、上記従来の接続構造は信号周波数が30GHz以上である回路基板には不向きであった。
【0008】
マイクロストリップ線路に代わり、30GHz以上のミリ波帯に対してもNRDガイドと同様に伝送損失の小さい伝搬路構造として金属導波管が知られており、回路設計においても金属導波管を用いることが重要となる。その一例として、上記特開平12−22407号公報に記載のものがある。しかしながら、この構成では、平行平板導体の誘電体線路相当部と誘電体導波管との接続部で信号の反射や漏れが生じ易く、信号の損失を小さく抑える点で不十分なものであった。
【0009】
従って、本発明は上記問題点に鑑み完成されたものであり、その目的は、30GHz以上のミリ波帯でも損失の小さい伝送が可能であり、外部に高周波信号を電波として送信し外部より受信することが可能な小型化されたものとすることである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明の非放射性誘電体線路と金属導波管との接続構造は、高周波信号の波長の2分の1以下の間隔で配置した平行平板導体間に前記高周波信号を伝搬させる誘電体線路が配設され、前記誘電体線路中を伝搬するLSMモードの定在波の電界が最大になる箇所に対応して開口が前記各平行平板導体の対向する部位にそれぞれ形成されて成る非放射性誘電体線路の前記各開口の一方に両端が開いた第一の金属導波管の一端が接続され、かつ他方に一端が開いて他端が閉じた第二の金属導波管の開いた一端が接続されていることを特徴とする。
【0011】
本発明は、上記の構成により、NRDガイドと金属導波管とを、接続損失、信号の漏洩、反射および伝送損失を小さくして接続するとともに、接続構造を小型化することができる。
【0012】
本発明において、好ましくは、前記第二の金属導波管の閉じた他端が前記開口から管内波長のn/2(nは1以上の整数)倍の位置にあることを特徴とする。
【0013】
本発明は、このような構成により、高周波信号の漏洩をさらに抑制することができる。
【0014】
本発明のミリ波送受信器は、
ミリ波信号の波長の2分の1以下の間隔で配置した平行平板導体間に、
高周波発生素子が一端部に付設され、前記高周波発生素子から出力されたミリ波信号を伝搬させる第1の誘電体線路と、
バイアス電圧印加方向が前記ミリ波信号の電界方向に合致するように配置され、バイアス電圧を周期的に制御することによって前記ミリ波信号を周波数変調した送信用のミリ波信号として出力する可変容量ダイオードと、
前記第1の誘電体線路に一端側が電磁結合するように近接配置されるかまたは一端が接合されて、前記ミリ波信号の一部をミキサー側へ伝搬させる第2の誘電体線路と、
前記平行平板導体に平行に配設されたフェライト板の周縁部に所定間隔で配置されかつそれぞれ前記ミリ波信号の入出力端とされた第1の接続部,第2の接続部および第3の接続部を有し、一つの前記接続部から入力された前記ミリ波信号をフェライト板の面内で時計回りまたは反時計回りに隣接する他の接続部より出力させるサーキュレータであって、前記第1の誘電体線路の前記ミリ波信号の出力端に前記第1の接続部が接続されるサーキュレータと、
該サーキュレータの前記第2の接続部に接続され、前記ミリ波信号を伝搬させるとともに先端部に送受信アンテナを有する第3の誘電体線路と、
前記送受信アンテナで受信され前記第3の誘電体線路を伝搬して前記サーキュレータの前記第3の接続部より出力した受信波をミキサー側へ伝搬させる第4の誘電体線路と、
前記第2の誘電体線路の中途と前記第4の誘電体線路の中途とを近接させて電磁結合させるかまたは接合させて成り、前記ミリ波信号の一部と受信波とを混合させて中間周波信号を発生させるミキサー部と、
を設けたミリ波送受信器において、
前記第3の誘電体線路中を伝搬するLSMモードの定在波の電界が最大になる箇所に対応して開口が前記各平行平板導体の対向する部位にそれぞれ形成されており、前記各開口の一方に両端が開いた第一の金属導波管の一端が接続され、かつ他方に一端が開いて他端が閉じた第二の金属導波管の開いた一端が接続されていることを特徴とする。
【0015】
本発明のミリ波送受信器は、上記構成により、ミリ波信号の伝送損失が小さいため伝送特性に優れ、その結果ミリ波レーダー等に適用した場合に探知距離を増大し得るものとなる。
【0016】
また、本発明のミリ波送受信器は、
ミリ波信号の波長の2分の1以下の間隔で配置した平行平板導体間に、
高周波発生素子が一端部に付設され、前記高周波発生素子から出力されたミリ波信号を伝搬させる第1の誘電体線路と、
バイアス電圧印加方向が前記ミリ波信号の電界方向に合致するように配置され、バイアス電圧を周期的に制御することによって前記ミリ波信号を周波数変調した送信用のミリ波信号として出力する可変容量ダイオードと、
前記第1の誘電体線路に一端側が電磁結合するように近接配置されるかまたは一端が接合されて、前記ミリ波信号の一部をミキサー側へ伝搬させる第2の誘電体線路と、
前記平行平板導体に平行に配設されたフェライト板の周縁部に所定間隔で配置されかつそれぞれ前記ミリ波信号の入出力端とされた第1の接続部,第2の接続部および第3の接続部を有し、一つの前記接続部から入力された前記ミリ波信号をフェライト板の面内で時計回りまたは反時計回りに隣接する他の接続部より出力させるサーキュレータであって、前記第1の誘電体線路の前記ミリ波信号の出力端に前記第1の接続部が接続されるサーキュレータと、
該サーキュレータの前記第2の接続部に接続され、前記ミリ波信号を伝搬させるとともに先端部に送信アンテナを有する第3の誘電体線路と、
先端部に受信アンテナ、他端部にミキサーが各々設けられた第4の誘電体線路と、
前記サーキュレータの前記第3の接続部に接続され、前記送信アンテナで受信混入したミリ波信号を伝搬させるとともに先端部に設けられた無反射終端部で前記ミリ波信号を減衰させる第5の誘電体線路と、
前記第2の誘電体線路の中途と前記第4の誘電体線路の中途とを近接させて電磁結合させるかまたは接合させて成り、前記ミリ波信号の一部と受信波とを混合させて中間周波信号を発生させるミキサー部と、
を設けたミリ波送受信器において、
前記第3の誘電体線路および第4の誘電体線路のそれぞれについて、誘電体線路中を伝搬するLSMモードの定在波の電界が最大になる箇所に対応して開口が前記各平行平板導体の対向する部位にそれぞれ形成されており、前記各開口の一方に両端が開いた第一の金属導波管の一端が接続され、かつ他方に一端が開いて他端が閉じた第二の金属導波管の開いた一端が接続されていることを特徴とする。
【0017】
本発明のミリ波送受信器は、このような構成により、ミリ波信号の伝送損失が小さいため伝送特性に優れ、また送信用のミリ波信号がサーキュレータを介してミキサーへ混入することがなく、その結果受信信号のノイズが低減して、ミリ波レーダー等に適用した場合に探知距離をさらに増大し得るものとなる。
【0018】
【発明の実施の形態】
本発明のNRDガイドについて以下に詳細に説明する。図1(a),図5,図6は本発明のNRDガイドを示す斜視図であり、図1(b)は断面図である。これらの図に示すように、本発明のNRDガイドは、一対の平行平板導体1、2間に、断面形状がa×bの矩形の誘電体線路3が配設されており、その終端部は閉じた終端部3aとなっており、高周波信号(以下、信号ともいう)に対して短絡状態ではなく開放状態とされた終端部3aとなっている。このような構成のNRDガイドにおいては、図2に示したようなLSMモードによる電界の定在波が終端部3aの端面からの反射波によって生じる。
【0019】
本発明においては、図1に示すように、誘電体線路3中を伝搬するLSMモードの定在波の電界が最大になる箇所に対応して開口5A,5Bが各平行平板導体1,2の対向する部位にそれぞれ形成されて成るNRDガイドの各開口5A,5Bの一方に、両端が開いた第一の金属導波管4Aの一端が接続され、かつ他方に、一端が開いて他端が閉じた第二の金属導波管4Bの開いた一端が接続される。
【0020】
また本発明においては、図1に示すように、誘電体線路3と第一の金属導波管4Aとを接続するために、この定在波の電界の強い部分、即ち図2におけるE1,E2,E3,E4のいずれかの箇所に対応する平行平板導体1の部位に、E1〜E4の各箇所のいずれかを中心とする開口5Aを設ける。なお、E1(下記mについてm=0)は終端部3a付近であり、E2(m=1),E3(m=2),E4(m=3)は終端部3aから管内波長のm/2(mは0以上の整数)倍の長さに相当する位置に存在する。そして、誘電体線路3と第一の金属導波管4Aとの接続位置は、低損失の点から、E2,E3またはE4の箇所に開口5Aを設けて接続することが良い。さらに、低損失および小型化の点からE2の個所がより好ましい。
【0021】
NRDガイドの誘電体線路3と第一の金属導波管4Aとは、平行平板導体1に設けられた開口5Aを介して接続される。同様に誘電体線路3と第二の金属導波管4Bとは、平行平板導体2に設けられた開口5Bを介して接続される。接続の構成としては、これらの接続部での電界方向が合致するようにして接続する。即ち、図5に示すように、開口5Aに第一の金属導波管4Aの一方の開放終端部41が接続される構成である。平行平板導体2に設けられた開口5B(図5、図6では図示せず)に接続される第二の金属導波管4Bは、開口5Aと対向する部位にあり、接続構造が上下対称となる。これにより、信号の漏洩等による接続損失を低減させ得る。
【0022】
第二の金属導波管4Bは、その閉じた他端が開口5Bから管内波長のn/2(nは1以上の整数)倍の位置にあることが好ましい。この構成により、第二の金属導波管4Bの閉じた他端が電磁波の短絡部、即ち電磁波の波の節部となり、第二の金属導波管4Bから第一の金属導波管4Aにかけて擬似的な定在波が存在することとなり、そのため第一の金属導波管4Aおよび第二の金属導波管4Bにおいて不要モードがなくなり、伝送損失および接続損失が小さくなる。より好ましくは、第二の金属導波管4Bの閉じた他端は開口5Bから管内波長の1/2〜3/2の位置にあることがよい。1/2未満では、上記効果が発現されず、3/2を超えると、第二の金属導波管4Bが大型化するとともに、第二の金属導波管4Bによる導体損失が増大して高周波信号の伝送損失が大きくなる。
【0023】
また、信号の漏洩等による接続損失をより低減し、信号の反射を小さくするために、図1に示すように、開口5Aの周辺の誘電体線路3の終端部3aの両側面に沿って電磁遮蔽部材B1,B2を配設するのが好適である。さらに好ましくは、終端部3aの端面に離隔して電磁遮蔽部材B3を設けることがよく、終端部3aの端面側への高周波信号の漏洩を防ぐことができる。
【0024】
本発明の電磁遮蔽部材B1,B2,B3は導体材料からなっていればよく、具体的にはCu,Al,Fe,Ni,Cr,Ti,Au,Ag,Pt,SUS(ステンレススチール),真鍮(Cu−Zn合金),Fe−Ni合金,Fe−Ni−Co合金等の金属や合金、または上記金属元素の1種以上を主成分として含む合金が好ましい。これらは高い導電性を有し形状の加工性も比較的良好である。また、プラスチック、セラミックス等の絶縁性の基体の表面に上記金属材料をメッキ法等により被着させたもの、あるいはプラスチック、セラミックス等の絶縁性の基体の表面に上記金属材料の微粒子を含む導電性樹脂等をコートしたものでもよい。
【0025】
また、電磁遮蔽部材B1,B2,B3は、板状のもので壁を成すもの、梯子状のものを梯子段が立設するように配置したもの、格子状のもの、網目状のもの、複数のポール状(柱状)のものを立設して配列したもの等種々の形状とし得る。梯子状のものの場合の梯子段と梯子段との間隔、格子状のものの場合の格子間隔、網目状のもの場合の網目間隔、ポール状のものの場合のポール間隔は、電磁遮蔽を行ううえでそれぞれλ/4以下(λは信号の波長)とするのがよい。
【0026】
電磁遮蔽部材B1,B2,B3の高さb1は、平行平板導体1,2の間隔bと同じであるのが、電磁遮蔽の点で好ましいが、電磁遮蔽部材B1,B2,B3の高さb1はbよりも若干低くてもよい。電磁遮蔽部材B1,B2の長さcは、誘電体線路3の終端部3aの端面から開口5Aを超える長さとするのがよく、その場合信号の漏洩等を有効に抑えることができる。
【0027】
誘電体線路3の側面と電磁遮蔽部材B1,B2との間隔d1,d2は、それぞれλ/16以上が好ましく、λ/16未満では、電磁遮蔽部材B1,B2に対向する誘電体線路3のインピーダンスが変化し、誘電体線路3中を伝搬してきた信号の反射が大きくなる。また、誘電体線路3の幅とd1,d2との和に等しくなる電磁遮蔽部材B3の長さdは、動作周波数で不要モードが遮断される幅dx以下が好ましく、この幅dxを超えると、信号の漏洩等を有効に抑えることが困難になる。例えば、dxは、信号の周波数が77GHz,誘電体線路3の比誘電率が4.9(コーディエライトセラミックス)の場合、約3.2mmである。また、誘電体線路3の端面と電磁遮蔽部材B3との間に間隔d3が有る場合、d3は特に限定するものではない。
【0028】
平行平板導体1に形成した開口5Aの形状および寸法は、図2に示すように、誘電体線路3の管内波長の半分以下の長さLと、誘電体線路3の幅aと同じ程度の幅Wを持つ長方形等の矩形がよく、このような矩形状の開口5Aは接続損失が小さいうえ加工性も良好である。また、矩形状に限らず、円形状、長円形状等であってもよい。
【0029】
さらに本発明において、図5に示すように、第一の金属導波管4Aの他方の開放終端部42を漸次大口径化されたホーンアンテナ6と成すことが好ましい。この構成により、第一の金属導波管4Aの他方の開放終端部42をアンテナとして共用することができ、他のアンテナ部材を設ける場合と比較して、アンテナ部材との接続部による接続損失が小さくなる。また信号を電波として外部に送信および外部から受信可能とすることで、高効率の伝送特性を有する自動車用のミリ波レーダーシステム等に適用できる。
【0030】
また、図6に示すように、第一の金属導波管4Aの他方の開放終端部42に、平面アンテナ7等のアンテナ部材を設けることが好適である。この場合、図5の場合よりもアンテナ部材の接続損失が若干大きくなるが、第一の金属導波管4Aの他方の開放終端部42にアンテナ部材を設けることで信号を電波として外部に送信および外部から受信可能とし、高効率の伝送特性を有する自動車用のミリ波レーダーシステム等に適用できる。
【0031】
本発明のNRDガイドは、第一の金属導波管4Aの開放終端部42に開口面アンテナ、平面アンテナ等を設けたミリ波送受信部として用いることができる。開口面アンテナとしてはホーンアンテナ,積層型開口面アンテナ等があり、平面アンテナとしてはパッチアンテナ,スロットアンテナ,プリントダイポールアンテナ等があり、特にミリ波帯域ではミリ波集積回路の小型化の点で平面アンテナが好ましい。このアンテナについては、上記範疇のものであればその他種々のものが使用できる。
【0032】
第一の金属導波管4Aおよび第二の金属導波管4Bは、Cu,Al,Fe,Ag,Au,Pt,SUS(ステンレススチール),真鍮(Cu−Zn合金)等の導体材料、あるいはセラミックス,樹脂等から成る絶縁材料の表面にこれらの導体層を形成したものでもよい。これらの導体材料は、高い電気伝導度および加工性等の点で好適である。
【0033】
本発明において、誘電体線路3の材料は、テフロン,ポリスチレン等の樹脂系誘電体材料、またはコーディエライト(2MgO・2Al2O3・5SiO2)セラミックス,アルミナ(Al2O3)セラミックス,ガラスセラミックス等のセラミックスが好ましく、これらは高周波帯域において低損失である。
【0034】
本発明でいう高周波帯域は、数10〜数100GHz帯域のマイクロ波帯域およびミリ波帯域に相当し、例えば30GHz以上、特に50GHz以上、更には70GHz以上の高周波帯域が好適である。
【0035】
本発明のNRDガイド用の平行平板導体1は、高い電気伝導度および加工性等の点で、Cu,Al,Fe,Ag,Au,Pt,SUS(ステンレススチール),真鍮(Cu−Zn合金)等の導体板、あるいはセラミックス,樹脂等から成る絶縁板の表面にこれらの導体層を形成したものでもよい。
【0036】
また、本発明のNRDガイドは、高周波発生素子としてガンダイオード等の高周波ダイオードを組み込むことによって、無線LAN,自動車のミリ波レーダ等に使用されるものであり、例えば自動車の周囲の障害物および他の自動車に対しミリ波を照射し、反射波を元のミリ波と合成して中間周波信号を得、この中間周波信号を分析することにより障害物および他の自動車までの距離、それらの移動速度等が測定できる。
【0037】
かくして、本発明は、NRDガイドの誘電体線路と金属導波管とを、接続損失を小さくして接続することができるとともに、NRDガイドおよびそれが組み込まれるミリ波集積回路等が小型化されるという作用効果を有する。
【0038】
また本発明のミリ波送受信器について、以下に説明する。図7〜図10は本発明のミリ波送受信器としてのミリ波レーダーモジュールについて示すものであり、図7は送信アンテナと受信アンテナが一体化されたものの平面図、図8は送信アンテナと受信アンテナが独立したものの平面図、図9はミリ波信号発振部の斜視図、図10はミリ波信号発振部用の可変容量ダイオード(バラクタダイオード)を設けた配線基板の斜視図である。
【0039】
図7において、51は一方の平行平板導体(他方は省略する)、52は第1の誘電体線路53の一端に設けられた電圧制御型のミリ波信号発振部である。このミリ波信号発振部52は、高周波発生素子としてのガンダイオード等の高周波ダイオードと可変容量ダイオードを具備しており、バイアス電圧印加方向がミリ波信号の電界方向に合致するように、第1の誘電体線路53の高周波ダイオード近傍に可変容量ダイオードが配置されており、その可変容量ダイオードの入出力電極間に印加するバイアス電圧を制御して、高周波ダイオードからのミリ波信号を三角波,正弦波等で周波数変調した送信用のミリ波信号として出力する。
【0040】
53は、高周波ダイオードから出力された高周波信号が変調されたミリ波信号を伝搬させる第1の誘電体線路、54は、第1,第3,第4の誘電体線路にそれぞれ接続される第1,第2,第3の接続部54a,54b,54cを有する、フェライト円板等から成るサーキュレータである。55は、サーキュレータ54の第2の接続部54bに接続され、ミリ波信号を伝搬させるとともに先端部に送受信アンテナ56を有する第3の誘電体線路、56は、第3の誘電体線路55に金属導波管を介して接続される送受信アンテナである。
【0041】
なお、サーキュレータ54は、平行平板導体に平行に配設されたフェライト円板の周縁部に所定間隔で配置されかつそれぞれミリ波信号の入出力端とされた第1の接続部54a,第2の接続部54bおよび第3の接続部54cを有し、一つの接続部から入力されたミリ波信号をフェライト円板の面内で時計回りまたは反時計回りに隣接する他の接続部より出力させるものである。
【0042】
また57は、送受信アンテナ56で受信され第3の誘電体線路55を伝搬してサーキュレータ54の第3の接続部54cより出力した受信波をミキサー59側へ伝搬させる第4の誘電体線路、58は、第1の誘電体線路53に一端側が電磁結合するように近接配置されるかまたは第1の誘電体線路53に一端が接合されて、ミリ波信号の一部をミキサー59側へ伝搬させる第2の誘電体線路、58aは、第2の誘電体線路58のミキサー59と反対側の一端部に設けられた無反射終端部(ターミネータ)である。また、図中M1は、第2の誘電体線路58の中途と第4の誘電体線路57の中途とを近接させて電磁結合させるかまたは接合させて成り、ミリ波信号の一部と受信波を混合させて中間周波信号を発生させるミキサー部である。
【0043】
本発明では、第1の誘電体線路53と第2の誘電体線路58とを接合する場合、これらの誘電体線路53,58のうちいずれか一方の接合部を円弧状となし、その円弧状部の曲率半径rを信号の波長λ以上とするのがよい。これにより、信号を低損失に、かつ出力電力を均等に分岐させることができる。また、第2の誘電体線路58と第4の誘電体線路57とを接合する場合、上記と同様に、これらの誘電体線路58,57のうちいずれか一方の接合部を円弧状となし、その円弧状部の曲率半径rを信号の波長λ以上とするのがよい。
【0044】
そして、これらの各種部品は、ミリ波信号の波長の2分の1以下の間隔で配置した平行平板導体間に設けられており、第3の誘電体線路55中を伝搬するLSMモードの定在波の電界が最大になる箇所に対応して開口が各平行平板導体の対向する部位にそれぞれ形成されて成るNRDガイドの各開口の一方に、両端が開いた第一の金属導波管の一端が接続され、かつ他方に、一端が開いて他端が閉じた第二の金属導波管の開いた一端が接続される。
【0045】
図7のものにおいて、第1の誘電体線路53の中途に、図10に示した構成のパルス変調器としてのスイッチを設け、ミリ波信号をパルス変調することもできる。例えば、図10のように、配線基板38の一主面に第2のチョーク型バイアス供給線路40を形成し、その中途に実装されたPINダイオードやショットキーバリアダイオード等の振幅変調用ダイオードを設けたスイッチである。この配線基板38を、第1の誘電体線路53の第2の誘電体線路58との信号分岐部とサーキュレータ54との間に、振幅変調用ダイオードの入出力電極に印加されるバイアス電圧印加方向が高周波信号の電界方向に合致するようにして、図9に示すように第1の誘電体線路53(図1の誘電体線路37)に介在させるものである。
【0046】
また、第1の誘電体線路53にもう一つのサーキュレータを介在させ、その第1,第3の接続部に第1の誘電体線路53を分割して接続し、第2の接続部に他の誘電体線路を接続し、その誘電体線路の先端部の端面に、図10のようなショットキーバリアダイオードを設けたスイッチを設置してもよい。
【0047】
また、本発明のミリ波送受信器としてのミリ波レーダーモジュールについて実施の形態の他の例として、送信アンテナと受信アンテナを独立させた図8のタイプがある。同図において、61は本発明の一方の平行平板導体(他方は省略する)、62は第1の誘電体線路63の一端に設けられた電圧制御型のミリ波信号発振部である。このミリ波信号発振部62は、ガンダイオード等の高周波ダイオードと可変容量ダイオードを具備しており、バイアス電圧印加方向がミリ波信号の電界方向に合致するように、第1の誘電体線路63の高周波ダイオード近傍に可変容量ダイオードが配置されており、その可変容量ダイオードの入出力電極間に印加するバイアス電圧を制御して、高周波ダイオードからのミリ波信号を三角波,正弦波等で周波数変調した送信用のミリ波信号として出力する。
【0048】
63は、高周波ダイオードから出力された信号が変調されたミリ波信号を伝搬させる第1の誘電体線路、64は、第1,第3,第5の誘電体線路63,65,67にそれぞれ接続される第1,第2,第3の接続部64a,64b,64cを有する、フェライト円板等から成るサーキュレータ、65は、サーキュレータ64の第2の接続部64bに接続され、ミリ波信号を伝搬させるとともに先端部に送信アンテナ66を有する第3の誘電体線路、66は、第3の誘電体線路65に金属導波管を介して接続される送信アンテナ、67は、サーキュレータ64の第3の接続部64cに接続され、送信用のミリ波信号を減衰させる無反射終端部67aが先端に設けられた第5の誘電体線路である。
【0049】
また68は、第1の誘電体線路63に一端側が電磁結合するように近接配置されるかまたは第1の誘電体線路63に一端が接合されて、ミリ波信号の一部をミキサー71側へ伝搬させる第2の誘電体線路、68aは、第2の誘電体線路68のミキサー71と反対側の一端部に設けられた無反射終端部である。69は、受信アンテナ70で受信された受信波をミキサー71側へ伝搬させる第4の誘電体線路である。また、図中M2は、第2の誘電体線路68の中途と第4の誘電体線路69の中途とを近接させて電磁結合させるかまたは接合させることにより、ミリ波信号の一部と受信波とを混合させて中間周波信号を発生させるミキサー部である。
【0050】
本発明では、第1の誘電体線路63と第2の誘電体線路68とを接合する場合、これらの誘電体線路63,68のうちいずれか一方の接合部を円弧状となし、その円弧状部の曲率半径rを高周波信号の波長λ以上とするのがよい。これにより、高周波信号を低損失で、かつ出力電力を均等に分岐させることができる。また、第2の誘電体線路68と第4の誘電体線路69とを接合する場合、上記と同様に、これらの誘電体線路68,69のうちいずれか一方の接合部を円弧状となし、その円弧状部の曲率半径rを高周波信号の波長λ以上とするのがよい。
【0051】
そして、これらの各種部品は、ミリ波信号の波長の2分の1以下の間隔で配置した平行平板導体間に設けられており、第3の誘電体線路65と第4の誘電体線路69のそれぞれについて、誘電体線路中を伝搬するLSMモードの定在波の電界が最大になる箇所に対応して開口が各平行平板導体の対向する部位にそれぞれ形成されており、各開口の一方に両端が開いた第一の金属導波管の一端が接続され、かつ他方に一端が開いて他端が閉じた第二の金属導波管の開いた一端が接続されている。
【0052】
図8のものにおいて、サーキュレータ64をなくし、第1の誘電体線路63の先端部に送信アンテナ66を接続した構成とすることもできる。この場合、小型化されたものとなるが、受信波の一部がミリ波信号発振部62に混入しノイズ等の原因となり易いため、図8のタイプが好ましい。
【0053】
また図8のものにおいて、第1の誘電体線路63の中途に、図10に示した構成のスイッチを設け、それを振幅変調信号で制御することでミリ波信号を振幅変調(パルス変調)することもできる。例えば、図10のように、配線基板38の一主面に第2のチョーク型バイアス供給線路40を形成し、その中途に実装されたビームリードタイプのPINダイオードやショットキーバリアダイオード等の振幅変調用ダイオードを設けたスイッチである。この配線基板38を、第1の誘電体線路63の第2の誘電体線路68との信号分岐部と、サーキュレータ64との間に、振幅変調用ダイオードの入出力電極に印加されるバイアス電圧印加方向が高周波信号の電界方向に合致するようにして、図9に示すように第1の誘電体線路53(図9の誘電体線路37)の途中に介在させるものである。
【0054】
また、第1の誘電体線路63にもう一つのサーキュレータを介在させ、その第1,第3の接続部に第1の誘電体線路63を分割して接続し、第2の接続部に他の誘電体線路を接続し、その誘電体線路の先端部の端面に、図10のようなショットキーバリアダイオードを設けたスイッチを設置してもよい。
【0055】
図8のタイプにおいて、第2の誘電体線路68が、第3の誘電体線路65に一端側が電磁結合するように近接配置されるかまたは第3の誘電体線路65に一端が接合されて、ミリ波信号の一部をミキサー71側へ伝搬させるように配置されていてもよい。
【0056】
また、これらのミリ波送受信器において、平行平板導体間の間隔はミリ波信号の空気中での波長であって、使用周波数での波長の2分の1以下となる。
【0057】
図7,図8のミリ波送受信器用のミリ波信号発振部52,62を図9,図10に示す。これらの図において、32は、ガンダイオード33を設置するための略直方体の金属ブロック等の金属部材、33は、ミリ波を発振する高周波ダイオードの1種であるガンダイオードである。34は、金属部材32の一側面に設置され、ガンダイオード33にバイアス電圧を供給するとともに高周波信号の漏れを防ぐローパスフィルタとして機能するチョーク型バイアス供給線路34aを形成した配線基板、35は、チョーク型バイアス供給線路34aとガンダイオード33の上部導体とを接続する金属箔リボン等の帯状導体である。36は、誘電体基体に共振用の金属ストリップ線路36aを設けた金属ストリップ共振器、37は、金属ストリップ共振器36により共振した高周波信号をミリ波信号発振部外へ導く誘電体線路である。
【0058】
さらに、誘電体線路37の中途には、周波数変調用ダイオードであって可変容量ダイオードの1種であるバラクタダイオード30を装荷した配線基板38を設置している。このバラクタダイオード30の入出力電極は、誘電体線路37での高周波信号の伝搬方向に垂直かつ平行平板導体の主面に平行な方向(電界方向)に並んでいる。また、バラクタダイオード30の入出力電極に印可されるバイアス電圧の印加方向は、誘電体線路37中を伝搬するLSM01モードの高周波信号の電界方向と合致しており、これにより高周波信号とバラクタダイオード30とを電磁結合させ、バイアス電圧を制御することによりバラクタダイオード30の静電容量を変化させることで、高周波信号の周波数を制御できる。また、39は、バラクタダイオード30と誘電体線路37とのインピーダンス整合をとるための高比誘電率の誘電体板である。
【0059】
また図10に示すように、配線基板38は、その一主面に第2のチョーク型バイアス供給線路40が形成され、第2のチョーク型バイアス供給線路40の中途にビームリードタイプのバラクタダイオード30が配置される。第2のチョーク型バイアス供給線路40のバラクタダイオード30との接続部には、接続用の電極31が形成されている。
【0060】
そして、ガンダイオード33から発振された高周波信号は、金属ストリップ共振器36を通して誘電体線路37に導出される。次いで、高周波信号の一部はバラクタダイオード30部で反射されてガンダイオード33側へ戻る。この反射信号がバラクタダイオード30の静電容量の変化に伴って変化し、発振周波数が変化する。
【0061】
また、図7,図8のミリ波送受信器はFMCW(Frequency Modulation Continuous Waves)方式であり、FMCW方式の動作原理は以下のようなものである。ミリ波信号発振部の変調信号入力用のMODIN端子に、電圧振幅の時間変化が三角波等となる入力信号を入力し、その出力信号を周波数変調し、ミリ波信号発振部の出力周波数偏移を三角波等になるように偏移させる。そして、送受信アンテナ56,送信アンテナ66より出力信号(送信波)を放射した場合、送受信用アンテナ56,送信アンテナ66の前方にターゲットが存在すると、電波の伝搬速度の往復分の時間差をともなって、反射波(受信波)が戻ってくる。この時、ミキサー59,71の出力側のIFOUT端子には、送信波と受信波の周波数差が出力される。
【0062】
このIFOUT端子の出力周波数等の周波数成分を解析することで、Fif=4R・fm・Δf/c{Fif:IF(Intermediate Frequency)出力周波数,R:距離,fm:変調周波数,Δf:周波数偏移幅,c:光速}という関係式から距離を求めることができる。
【0063】
本発明のミリ波信号発振部において、チョーク型バイアス供給線路34aおよび帯状導体35の材料は、Cu,Al,Au,Ag,W,Ti,Ni,Cr,Pd,Pt等から成り、特にCu,Agが、電気伝導度が良好であり、損失が小さく、発振出力が大きくなるといった点で好ましい。
【0064】
また、帯状導体35は金属部材32の表面から所定間隔をあけて金属部材32と電磁結合しており、チョーク型バイアス供給線路34aとガンダイオード33間に架け渡されている。即ち、帯状導体35の一端はチョーク型バイアス供給線路34aの一端に半田付け等により接続され、帯状導体35の他端はガンダイオード33の上部導体に半田付け等により接続されており、帯状導体35の接続部を除く中途部分は宙に浮いた状態となっている。
【0065】
そして、金属部材32は、ガンダイオード33の電気的な接地(アース)を兼ねているため金属導体であれば良く、その材料は金属(合金を含む)導体であれば特に限定するものではなく、真鍮(黄銅:Cu−Zn合金),Al,Cu,SUS(ステンレススチール),Ag,Au,Pt等から成る。また金属部材32は、全体が金属から成る金属ブロック、セラミックスやプラスチック等の絶縁基体の表面全体または部分的に金属メッキしたもの、絶縁基体の表面全体または部分的に導電性樹脂材料等をコートしたものであっても良い。
【0066】
かくして、本発明の図7のミリ波送受信器は、ミリ波信号の伝送特性に優れ、ミリ波レーダーの探知距離を増大し得るものとなる。また、図8のものは、送信用のミリ波信号がサーキュレータを介してミキサーへ混入することがなく、その結果受信信号のノイズが低減し探知距離が増大するものであって、ミリ波信号の伝送特性に優れ、ミリ波レーダーの探知距離をさらに増大し得るものとなる。
【0067】
【実施例】
本発明の実施例を以下に説明する。
【0068】
(実施例)
図1および図5に示すNRDガイドと金属導波管との接続構造を以下のように構成した。まず、図1のNRDガイドを以下のように構成した。一対の平行平板導体1,2として、厚さ6mmの2枚のAl板を1.8mmの間隔で平行に置き、断面形状が幅0.8mm、高さ1.8mmの長方形であり、長さ60mm、比誘電率4.8のコーディエライトセラミックスから成る誘電体線路3を平行平板導体1,2板間に設置することで、NRDガイドの本体部分を作製した。そして、誘電体線路3の終端部3a側の上下面に、図1に示す接続構造を設けた。即ち、誘電体線路3の終端部3aの端面から2.52mmの位置に中心を持つ、幅Wが1.55mm、長さLが3.1mmの矩形の開口5A,5Bを平行平板導体1,2に開けた。
【0069】
また、図1(a)に示すように、Alから成る板状の電磁遮蔽部材B1,B2を、終端部3a側の誘電体線路3の両側面に沿うように立設した。このとき、電磁遮蔽部材B1,B2の高さb1は1.8mm、電磁遮蔽部材B1,B2の長さcは7mm、電磁遮蔽部材B1,B2と誘電体線路3の側面との間隔d1,d2は1.15mmであった。また、誘電体線路3の終端部3aの端面側に、その端面と離隔した電磁遮蔽部材B3を立設した。端面と電磁遮蔽部材B3との間隔は1.33mmとした。
【0070】
そして、開口5Aに対して、開口5A形状と略同じ断面形状を持つ第一の金属導波管4Aを接続した。また開口5Bに対して、開口5B形状と略同じ断面形状を持つ第二の金属導波管4Bを接続した。開口5Bから第二の金属導波管4Bの閉じた終端部(端)までの距離は約2.6mmとした。そして、2.6mm=λk/2(λkは第二の金属導波管4B内での管内波長で76.5GHzにおいて約5.2mm)であった。
【0071】
この構成の接続構造について、TEモード(第一の金属導波管4A)からLSMモード(誘電体線路3)への変換損失s21と、LSMモード(誘電体線路3)からTEモード(第一の金属導波管4A)への変換損失s12と、反射損失s11とを、有限要素法によりシミュレーションして算出した。この計算結果を図3のグラフに示す。図3の結果から明らかなように、約75.5GHz〜約77.0GHzにおいて、s12,s21ともに0.11dB以下の良好な変換特性を示し、本実施例のものは低い接続損失での接続が可能なことが判った。
【0072】
なお、本発明は上記実施の形態および実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を行うことは何等差し支えない。
【0073】
【発明の効果】
本発明は、高周波信号の波長の2分の1以下の間隔で配置した平行平板導体間に高周波信号を伝搬させる誘電体線路が配設され、誘電体線路中を伝搬するLSMモードの定在波の電界が最大になる箇所に対応して開口が各平行平板導体の対向する部位にそれぞれ形成されて成るNRDガイドの各開口の一方に両端が開いた第一の金属導波管の一端が接続され、かつ他方に一端が開いて他端が閉じた第二の金属導波管の開いた一端が接続されていることにより、NRDガイドと金属導波管とを反射損失および伝送損失による接続損失を小さくして接続するとともに、接続構造が上下対称になるため、不要波の発生を抑制することができる。
【0074】
また本発明は、好ましくは、第二の金属導波管の閉じた他端が開口から管内波長のn/2(nは1以上の整数)倍の位置にあることにより、高周波信号の漏洩をさらに抑制することができる。
【0075】
本発明の送受信アンテナを具備したNRDガイド型のミリ波送受信器は、第3の誘電体線路中を伝搬するLSMモードの定在波の電界が最大になる箇所に対応して開口が各平行平板導体の対向する部位にそれぞれ形成されており、各開口の一方に両端が開いた第一の金属導波管の一端が接続され、かつ他方に一端が開いて他端が閉じた第二の金属導波管の開いた一端が接続されていることにより、金属導波管の接続損失が小さいことから、ミリ波信号の伝送特性に優れ、その結果ミリ波レーダー等に適用した場合に探知距離を増大し得るものとなる。
【0076】
また、本発明の送信アンテナと受信アンテナが独立したNRDガイド型のミリ波送受信器は、第3の誘電体線路および第4の誘電体線路のそれぞれについて、誘電体線路中を伝搬するLSMモードの定在波の電界が最大になる箇所に対応して開口が各平行平板導体の対向する部位にそれぞれ形成されており、各開口の一方に両端が開いた第一の金属導波管の一端が接続され、かつ他方に一端が開いて他端が閉じた第二の金属導波管の開いた一端が接続されていることにより、金属導波管の接続損失が小さいことから、ミリ波信号の伝送特性に優れ、その結果ミリ波レーダー等に適用した場合に探知距離を増大し得るものとなる。また、送信用のミリ波信号がサーキュレータを介してミキサーへ混入することがなく、その結果受信信号のノイズが低減し、さらにミリ波信号の伝送特性に優れ、探知距離をさらに増大し得るものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a),(b)は本発明のNRDガイドと金属導波管との接続構造について実施の形態の例を示し、(a)はNRDガイドと金属導波管との接続構造の要部部分透過斜視図、(b)は(a)の誘電体線路の中心軸における断面図である。
【図2】NRDガイド内の誘電体線路の電界分布を説明するための平面図である。
【図3】図1の接続構造について高周波信号の伝送特性を測定した結果のグラフである。
【図4】従来例を示し、NRDガイドの誘電体線路にマイクロストリップ線路を接続したものの斜視図である。
【図5】本発明のNRDガイドと金属導波管との接続構造について実施の形態の他の例を示す斜視図である。
【図6】本発明のNRDガイドと金属導波管との接続構造について実施の形態の他の例を示す斜視図である。
【図7】本発明のNRDガイド型のミリ波送受信器について実施の形態の例を示す平面図である。
【図8】本発明のNRDガイド型のミリ波送受信器について実施の形態の他の例を示す平面図である。
【図9】本発明のミリ波送受信器用のミリ波信号発振部の斜視図である。
【図10】図9のミリ波信号発振部用の可変容量ダイオードを設けた配線基板の斜視図である。
【符号の説明】
1,2:平行平板導体
3:誘電体線路
3a:終端部
4A、4B:第一、第二の金属導波管
5A、5B:開口
6:ホーンアンテナ
Claims (4)
- 高周波信号の波長の2分の1以下の間隔で配置した平行平板導体間に前記高周波信号を伝搬させる誘電体線路が配設され、前記誘電体線路中を伝搬するLSMモードの定在波の電界が最大になる箇所に対応して開口が前記各平行平板導体の対向する部位にそれぞれ形成されて成る非放射性誘電体線路の前記各開口の一方に両端が開いた第一の金属導波管の一端が接続され、かつ他方に一端が開いて他端が閉じた第二の金属導波管の開いた一端が接続されていることを特徴とする非放射性誘電体線路と金属導波管との接続構造。
- 前記第二の金属導波管の閉じた他端が前記開口から管内波長のn/2(nは1以上の整数)倍の位置にあることを特徴とする請求項1記載の非放射性誘電体線路と金属導波管との接続構造。
- ミリ波信号の波長の2分の1以下の間隔で配置した平行平板導体間に、
高周波発生素子が一端部に付設され、前記高周波発生素子から出力されたミリ波信号を伝搬させる第1の誘電体線路と、
バイアス電圧印加方向が前記ミリ波信号の電界方向に合致するように配置され、バイアス電圧を周期的に制御することによって前記ミリ波信号を周波数変調した送信用のミリ波信号として出力する可変容量ダイオードと、
前記第1の誘電体線路に一端側が電磁結合するように近接配置されるかまたは一端が接合されて、前記ミリ波信号の一部をミキサー側へ伝搬させる第2の誘電体線路と、
前記平行平板導体に平行に配設されたフェライト板の周縁部に所定間隔で配置されかつそれぞれ前記ミリ波信号の入出力端とされた第1の接続部,第2の接続部および第3の接続部を有し、一つの前記接続部から入力された前記ミリ波信号をフェライト板の面内で時計回りまたは反時計回りに隣接する他の接続部より出力させるサーキュレータであって、前記第1の誘電体線路の前記ミリ波信号の出力端に前記第1の接続部が接続されるサーキュレータと、
該サーキュレータの前記第2の接続部に接続され、前記ミリ波信号を伝搬させるとともに先端部に送受信アンテナを有する第3の誘電体線路と、
前記送受信アンテナで受信され前記第3の誘電体線路を伝搬して前記サーキュレータの前記第3の接続部より出力した受信波をミキサー側へ伝搬させる第4の誘電体線路と、
前記第2の誘電体線路の中途と前記第4の誘電体線路の中途とを近接させて電磁結合させるかまたは接合させて成り、前記ミリ波信号の一部と受信波とを混合させて中間周波信号を発生させるミキサー部と、
を設けたミリ波送受信器において、
前記第3の誘電体線路中を伝搬するLSMモードの定在波の電界が最大になる箇所に対応して開口が前記各平行平板導体の対向する部位にそれぞれ形成されており、前記各開口の一方に両端が開いた第一の金属導波管の一端が接続され、かつ他方に一端が開いて他端が閉じた第二の金属導波管の開いた一端が接続されていることを特徴とするミリ波送受信器。 - ミリ波信号の波長の2分の1以下の間隔で配置した平行平板導体間に、
高周波発生素子が一端部に付設され、前記高周波発生素子から出力されたミリ波信号を伝搬させる第1の誘電体線路と、
バイアス電圧印加方向が前記ミリ波信号の電界方向に合致するように配置され、バイアス電圧を周期的に制御することによって前記ミリ波信号を周波数変調した送信用のミリ波信号として出力する可変容量ダイオードと、
前記第1の誘電体線路に一端側が電磁結合するように近接配置されるかまたは一端が接合されて、前記ミリ波信号の一部をミキサー側へ伝搬させる第2の誘電体線路と、
前記平行平板導体に平行に配設されたフェライト板の周縁部に所定間隔で配置されかつそれぞれ前記ミリ波信号の入出力端とされた第1の接続部,第2の接続部および第3の接続部を有し、一つの前記接続部から入力された前記ミリ波信号をフェライト板の面内で時計回りまたは反時計回りに隣接する他の接続部より出力させるサーキュレータであって、前記第1の誘電体線路の前記ミリ波信号の出力端に前記第1の接続部が接続されるサーキュレータと、
該サーキュレータの前記第2の接続部に接続され、前記ミリ波信号を伝搬させるとともに先端部に送信アンテナを有する第3の誘電体線路と、
先端部に受信アンテナ、他端部にミキサーが各々設けられた第4の誘電体線路と、
前記サーキュレータの前記第3の接続部に接続され、前記送信アンテナで受信混入したミリ波信号を伝搬させるとともに先端部に設けられた無反射終端部で前記ミリ波信号を減衰させる第5の誘電体線路と、
前記第2の誘電体線路の中途と前記第4の誘電体線路の中途とを近接させて電磁結合させるかまたは接合させて成り、前記ミリ波信号の一部と受信波とを混合させて中間周波信号を発生させるミキサー部と、
を設けたミリ波送受信器において、
前記第3の誘電体線路および第4の誘電体線路のそれぞれについて、誘電体線路中を伝搬するLSMモードの定在波の電界が最大になる箇所に対応して開口が前記各平行平板導体の対向する部位にそれぞれ形成されており、前記各開口の一方に両端が開いた第一の金属導波管の一端が接続され、かつ他方に一端が開いて他端が閉じた第二の金属導波管の開いた一端が接続されていることを特徴とするミリ波送受信器。
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