JP4884532B2 - 伝送線路変換器 - Google Patents

Description

本発明は、主としてマイクロ波帯およびミリ波帯で用いられる導波管と、マイクロストリップ線路、ストリップ線路、または同軸線路などからなる伝送線路とを備えた伝送線路変換器に関し、特に、導波管として方形導波管を用いた伝送線路変換器に関する。

導波管／マイクロストリップ線路変換器は、導波管とマイクロストリップ線路との間で高周波信号を変換して伝送するために広く用いられている。特に、ミリ波帯等の高い周波数における従来の導波管／マイクロストリップ線路変換器の構成としては、導波管の管壁にスロットを設け、このスロットにマイクロストリップ線路を電磁結合させるものがある（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１に記載された導波管／マイクロストリップ線路変換器は、導波管の電界に垂直な管壁に、管軸に垂直な方向にスロットを設け、さらに、このスロットに直交するように管壁に沿ってマイクロストリップ線路を配置して両者を電磁結合させる構成を備えている。

特開平９-２４６８１６号公報

しかしながら、従来技術には次のような課題がある。特許文献１のような従来の導波管／マイクロストリップ線路変換器においては、スロットを導波管の電界に垂直な管壁、すなわち、広壁面に設けるため、マイクロストリップ線路の下に導波管の広壁面を配置する面積が必要となり、小形化が難しいという問題があった。

本発明は上述のような課題を解決するためになされたもので、伝送線路の下に配置する導波管を小型化できる伝送線路変換器を得ることを目的とする。

本発明に係る伝送線路変換器は、導波管と、導波管の壁面に設けられたスロットと、導波管の管軸方向に延在する信号導体と地導体からなる伝送線路とを備えた伝送線路変換器において、スロットは、導波管の電界に平行な壁面に設けられ、第１部分および第２部分を有する形状であり、第１部分は、導波管の管軸に対して平行でないある角度（０度より大きく９０度以下）で斜交する斜交部分であり、第２部分は、導波管の管軸に平行となる部分として斜交部分の両端部のうち少なくとも一方に形成され、導波管は、スロットが設けられた壁面が地導体の一部をなし、スロットが設けられた導波管の壁面を流れる電流は、スロットにより遮られ、伝送線路の地導体を流れる電流は、スロットの斜交部分によって遮られるものである。

本発明によれば、方形導波管の幅の狭い方の壁面（狭壁面）に設けるスロットの形状を、中央部が方形導波管の管軸との斜交部分（すなわち、中央部が方形導波管の管軸に対して０度でない角度で交わる部分）を有し、かつ斜交部分の両端部のうち少なくとも一方が方形導波管の管軸に平行となる部分を有する形状とし、このような折り曲げ形状のスロットを、方形導波管の狭壁面および伝送線路の地導体パターンにおいて、それぞれ電流が最大となる位置に、両方の電流を遮るように設けたことにより、伝送線路の下に配置する導波管を小型化できる伝送線路変換器を得ることができる。

本発明の実施の形態１における伝送線路変換器の上面図である。 本発明の実施の形態１における図１の伝送線路変換器のＡ−Ａ’断面図である。 本発明の実施の形態１における図１の伝送線路変換器のＢ−Ｂ’断面図である。 本発明の実施の形態１において、狭壁面に流れる電流がスロットの位置で最大となる様子を示した説明図である。 本発明の実施の形態１において、地導体パターンに流れる電流がスロットの位置で最大となる様子を示した説明図である。 本発明の実施の形態２における伝送線路変換器の断面図である。 本発明の実施の形態２における図６の伝送線路変換器のＡ−Ａ’断面図である。 本発明の実施の形態２における図６の伝送線路変換器のＢ−Ｂ’断面図である。 本発明の実施の形態３における伝送線路変換器を示す断面図である。 本発明の実施の形態３における図９の伝送線路変換器のＡ−Ａ’断面図である。 本発明の実施の形態３における図９の伝送線路変換器のＢ−Ｂ’断面図である。

以下、本発明の伝送線路変換器の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における伝送線路変換器の上面図である。また、図２は、本発明の実施の形態１における図１の伝送線路変換器のＡ−Ａ’断面図である。さらに、図３は、本発明の実施の形態１における図１の伝送線路変換器のＢ−Ｂ’断面図である。本実施の形態１では、伝送線路としてマイクロストリップ線路を用いた場合の、方形導波管とマイクロストリップ線路との変換器を示している。

図１〜図３における伝送線路変換器は、金属シャーシ１、誘電体基板２、ストリップ導体パターン３、地導体パターン４、およびスロット５で構成される。金属シャーシ１は、掘り込みが設けられている。また、誘電体基板２の表面にはストリップ導体パターン３が設けられ、誘電体基板２の裏面には地導体パターン４が設けられている。さらに、地導体パターン４にはスロット５が設けられている。

地導体パターン４が金属シャーシ１に接するようにして、金属シャーシ１と誘電体基板２を重ねることで、方形導波管１１を構成している。さらに、地導体パターン４が方形導波管１１の一方の狭壁面１２を形成している。また、誘電体基板２とストリップ導体パターン３と地導体パターン４からマイクロストリップ線路１３を構成している。

方形導波管１１の一端は、スロット５が設けられた位置から方形導波管１１における管内波長の約１／４倍離れた位置で短絡された構造となっている。一方、マイクロストリップ線路１３の一端は、スロット５が設けられた位置からマイクロストリップ線路１３における伝搬波長の約１／４倍離れた位置で開放された構造となっている。

スロット５は、中央部が方形導波管１１の管軸方向に対して平行でないある角度を備えた斜交部分（すなわち、中央部が方形導波管１１の管軸に対して０度でない角度で交わる部分）を有し、両端部が管軸方向に対して平行となるように折り曲げられた形状となっている（図１における点線で示したスロット５の形状参照）。また、スロット５の全体の長さは、波長の約１／２倍となっている。

次に、本実施の形態１における伝送線路変換器の動作について説明する。
方形導波管１１に入力された高周波信号は、導波管の基本モードであるＴＥ１０モードで伝搬するため、方形導波管１１の狭壁面１２には管軸に垂直な方向に電流が流れる。方形導波管１１は、一端が短絡されており、その短絡面から管内波長の約１／４倍離れた位置にあるスロット５の位置において、狭壁面１２に流れる電流は最大となる。

図４は、本発明の実施の形態１において、狭壁面１２に流れる電流がスロット５の位置で最大となる様子を示した説明図である。図４に示すように、スロット５は、狭壁面１２を流れる電流を遮るように設けられ、かつスロットの長さが約１／２波長となっている。この結果、方形導波管１１を伝搬してきた高周波信号がスロット５に結合し、スロット５が共振することとなる。

一方、マイクロストリップ線路１３を伝搬する高周波信号のグランド電流は、マイクロストリップ線路１３の伝送方向に対して平行に流れる。マイクロストリップ線路１３は、一端が開放されており、その開放端から伝搬波長の約１／４倍離れた位置にあるスロット５の位置において、地導体パターン４を流れる電流は、最大となる。

図５は、本発明の実施の形態１において、地導体パターン４に流れる電流がスロット５の位置で最大となる様子を示した説明図である。図５に示すように、スロット５の中央部が地導体パターン４を流れる電流を遮るので、共振しているスロット５からマイクロストリップ線路１３に高周波信号が結合することとなる。

したがって、方形導波管１１を伝搬してきた高周波信号は、スロット５を介してマイクロストリップ線路１３に結合し、反射を生じることなく、マイクロストリップ線路１３に伝搬することが可能となる。

以上のように、実施の形態１によれば、方形導波管の狭壁面およびマイクロストリップ線路の地導体パターンにおいて、それぞれ電流が最大となる位置に、両方の電流を遮るように、折り曲げた形状のスロットを設けている。これにより、高周波信号が方形導波管とマイクロストリップ線路との間でスロットを介して結合し、反射を生じることなく、伝搬することが可能となる。

さらに、方形導波管の狭壁面に設けるスロットの折り曲げ形状を、中央部が方形導波管の管軸との斜交部分を有し、かつ両端部が方形導波管の管軸に平行となる部分を有することにより、方形導波管の狭壁面の上に、管軸方向に沿ってマイクロストリップ線路を設けることができる。これにより、方形導波管の電界に垂直な方向にスロットを配置する場合と比較して、スロットの配置に必要な面積を小さくした小形の伝送線路変換器を得ることができる。

なお、本実施の形態１における図１〜図３に示した例では、スロット５の両端が中央部に対して折り曲げられた形状となっている場合について説明した。しかしながら、一端のみ折り曲げて管軸方向に対して平行となるように設けた場合にも、両端を折り曲げた場合と同様の効果を得ることができる。さらに、スロット５は、直線を折り曲げた形状だけでなく、曲線で構成される形状としてもよい。

また、「両端部のうち少なくとも一方が方形導波管の管軸に平行となる部分を有する形状」とは、図１に示したようなスロット端部の折り曲げ方向には限定されない。端部を１８０度反対の方向に折り曲げる（すなわち、スロット全体をＺ形状にするような方向に端部を折り曲げる）ことによっても、同様の効果を得ることができる。

また、スロット中央部の管軸方向に対する角度は、０度より大きく１８０度未満の範囲で任意に選ぶことができ、方形導波管やマイクロストリップ線路の形状およびインピーダンスに応じてこの角度を変えることで、方形導波管とマイクロストリップ線路との間のインピーダンス整合を図ることができる。

実施の形態２.
先の実施の形態１では、伝送線路としてマイクロストリップ線路を用いた場合の、方形導波管とマイクロストリップ線路との変換器について説明した。これに対して、本実施の形態２では、伝送線路として方形同軸線路を用いた場合の、方形導波管と方形同軸線路との変換器について説明する。

図６は、本発明の実施の形態２における伝送線路変換器の断面図である。また、図７は、本発明の実施の形態２における図６の伝送線路変換器のＡ−Ａ’断面図である。さらに、図８は、本発明の実施の形態２における図６の伝送線路変換器のＢ−Ｂ’断面図である。なお、図６は、図７および図８の伝送線路変換器のＣ−Ｃ’断面図に相当する。

図６〜図８において、金属シャーシ１は、掘り込みを設けた複数の金属部材を、ロウ付けや拡散接合等によって接合もしくは接着することにより形成され、方形導波管１１と方形同軸線路１４を構成している。方形導波管１１と方形同軸線路１４とを隔てる金属壁１５が、それぞれ方形導波管１１の狭壁面１２と方形同軸線路１４の外導体の一面を形成している。さらに、金属壁１５には、スロット５が設けられている。

方形導波管１１の一端は、スロット５が設けられた位置から方形導波管１１における管内波長の約１／４倍離れた位置で短絡された構造となっている。一方、方形同軸線路１４の一端は、スロット５が設けられた位置から方形同軸線路１４における伝搬波長の約１／２倍離れた位置で短絡された構造となっている。

スロット５は、中央部が方形導波管１１の管軸方向に対して平行でないある角度を備えた斜交部分（すなわち、中央部が方形導波管１１の管軸に対して０度でない角度で交わる部分）を有し、両端部が管軸方向に対して平行となるように折り曲げられた形状となっている（図６における点線で示したスロット５の形状参照）。また、全体の長さは波長の約１／２倍となっている。

次に、実施の形態２における伝送線路変換器の動作について説明する。
方形導波管１１に入力された高周波信号がスロット５を共振させる動作については、先の実施の形態１と同様である。

一方、方形同軸線路１４を伝搬する高周波信号のグランド電流は、方形同軸線路１４の伝送方向に対して平行に流れる。方形同軸線路１４は、一端が短絡されており、その短絡端から伝搬波長の約１／２倍離れた位置にあるスロット５の位置において、外導体を流れる電流は最大となる。

このとき、先の実施の形態１における図５に示したものと同様に、スロット５の中央部が外導体を流れる電流を遮るので、共振しているスロット５から方形同軸線路１４に高周波信号が結合することとなる。

したがって、方形導波管１１を伝搬してきた高周波信号は、スロット５を介して方形同軸線路１４に結合し、反射を生じることなく、方形同軸線路１４に伝搬することが可能となる。

以上のように、実施の形態２によれば、方形導波管の狭壁面および方形同軸線路の外導体において、それぞれ電流が最大となる位置に、両方の電流を遮るように、折り曲げた形状のスロットを設けている。これにより、高周波信号が方形導波管と方形同軸線路との間でスロットを介して結合し、反射を生じることなく、伝搬することが可能となる。

さらに、方形導波管の狭壁面に設けるスロットの折り曲げ形状を、中央部が方形導波管の管軸との斜交部分を有し、かつ両端部が方形導波管の管軸に平行となる部分を有することにより、方形導波管の狭壁面の上に、管軸方向に沿って方形同軸線路を設けることができる。これにより、方形導波管の電界に垂直な方向にスロットを配置する場合と比較して、スロットの配置に必要な面積を小さくした小形の伝送線路変換器を得ることができる。

なお、本実施の形態２における図６〜図８に示した例では、スロット５の両端が中央部に対して折り曲げられた形状となっている場合について説明した。しかしながら、一端のみ折り曲げて管軸方向に対して平行となるように設けた場合にも、両端を折り曲げた場合と同様の効果を得ることができる。さらに、スロット５は、直線を折り曲げた形状だけでなく、曲線で構成される形状としてもよい。

また、「両端部のうち少なくとも一方が方形導波管の管軸に平行となる部分を有する形状」とは、図６に示したようなスロット端部の折り曲げ方向には限定されない。端部を１８０度反対の方向に折り曲げる（すなわち、スロット全体をＺ形状にするような方向に端部を折り曲げる）ことによっても、同様の効果を得ることができる。

また、スロット中央部の管軸方向に対する角度は、０度より大きく１８０度未満の範囲で任意に選ぶことができ、方形導波管や方形同軸線路の形状およびインピーダンスに応じてこの角度を変えることで、方形導波管と同軸線路との間のインピーダンス整合を図ることができる。

実施の形態３.
先の実施の形態１では、伝送線路として、誘電体基板を１枚用いたマイクロストリップ線路を用いた場合の変換器について説明した。これに対して、本実施の形態３では、伝送線路として、誘電体基板を２枚用いたストリップ線路を用いた場合の変換器について説明する。

図９は、本発明の実施の形態３における伝送線路変換器を示す断面図である。また、図１０は、本発明の実施の形態３における図９の伝送線路変換器のＡ−Ａ’断面図である。さらに、図１１は、本発明の実施の形態３における図９の伝送線路変換器のＢ−Ｂ’断面図である。なお、図９は、図１０および図１１の伝送線路変換器のＣ−Ｃ’断面図に相当する。

図９〜図１１において、２枚の誘電体基板２ａ、２ｂのそれぞれの片面には、地導体パターン４ａ、４ｂが設けられている。そして、ストリップ導体パターン３は、誘電体基板２ａの地導体パターン４ａと反対側の面に設けられている。このようにして、２枚の誘電体基板２ａ、２ｂを、それぞれの地導体パターン４ａ、４ｂが外側となるように重ねることで、ストリップ線路１６を構成している。さらに、地導体パターン４ａにはスロット５が設けられている。

地導体パターン４ａが金属シャーシ１に接するようにして、金属シャーシ１と誘電体基板２ａを重ねることで、方形導波管１１を構成している。さらに、地導体パターン４ａが方形導波管１１の一方の狭壁面１２を形成している。また、地導体パターン４ａと４ｂを接続するために、誘電体基板２ａ、２ｂには、スルーホール６が設けられている。

方形導波管１１の一端は、スロット５が設けられた位置から方形導波管１１における管内波長の約１／４倍離れた位置で短絡された構造となっている。一方、ストリップ線路１６の一端は、スロット５が設けられた位置からストリップ線路１６における伝搬波長の約１／４倍離れた位置で開放された構造となっている。

スロット５は、中央部が方形導波管１１の管軸方向に対して平行でないある角度を備えた斜交部分（すなわち、中央部が方形導波管１１の管軸に対して０度でない角度で交わる部分）を有し、両端部が管軸方向に対して平行となるように折り曲げられた形状となっている（図９における点線で示したスロット５の形状参照）。また、スロット５の全体の長さは、波長の約１／２倍となっている。

また、スルーホール６は、スロット５の周囲に、誘電体基板２ａ、２ｂ内の伝搬波長の１／２未満の間隔で設けられている。

次に、本実施の形態３における伝送線路変換器の動作について説明する。
方形導波管１１に入力された高周波信号がスロット５を共振させる動作については、実施の形態１および２と同様である。

一方、ストリップ線路１６を伝搬する高周波信号のグランド電流は、ストリップ線路１６の伝送方向に対して平行に流れる。ストリップ線路１６は、一端が開放されており、その開放端から伝搬波長の約１／４倍離れた位置にあるスロット５の位置において、地導体パターン４ａを流れる電流は、最大となる。

このとき、先の実施の形態１における図５に示したものと同様に、スロット５の中央部が地導体パターン４ａを流れる電流を遮るので、共振しているスロット５からストリップ線路１６に高周波信号が結合することとなる。このとき、地導体パターン４ａを流れる電流は、スルーホール６を通して地導体パターン４ｂにも流れるため、ストリップ線路１６に高周波信号を伝搬することができる。

したがって、方形導波管１１を伝搬してきた高周波信号は、スロット５を介してストリップ線路１６に結合し、反射を生じることなく、ストリップ線路１６に伝搬することが可能となる。

以上のように、実施の形態３によれば、方形導波管の狭壁面およびストリップ線路の地導体パターンにおいて、それぞれ電流が最大となる位置に、両方の電流を遮るように、折り曲げた形状のスロットを設け、かつ、スロットの近傍にストリップ線路の上下地導体を接続するスルーホールを設けている。これにより、高周波信号が方形導波管とストリップ線路との間でスロットを介して結合し、反射を生じることなく、伝搬することが可能となる。

さらに、方形導波管の狭壁面に設けるスロットの折り曲げ形状を、中央部が方形導波管の管軸との斜交部分を有し、かつ両端部が方形導波管の管軸に平行となる部分を有することにより、方形導波管の狭壁面の上に、管軸方向に沿ってストリップ線路を設けることができる。これにより、方形導波管の電界に垂直な方向にスロットを配置する場合と比較して、スロットの配置に必要な面積を小さくした小形の伝送線路変換器を得ることができる。

なお、本実施の形態３における図９〜図１１に示した例では、スロット５の両端が中央部に対して折り曲げられた形状となっている場合について説明した。しかしながら、一端のみ折り曲げて管軸方向に対して平行となるように設けた場合にも、両端を折り曲げた場合と同様の効果を得ることができる。さらに、スロット５は、直線を折り曲げた形状だけでなく、曲線で構成される形状としてもよい。

また、「両端部のうち少なくとも一方が方形導波管の管軸に平行となる部分を有する形状」とは、図９に示したようなスロット端部の折り曲げ方向には限定されない。端部を１８０度反対の方向に折り曲げる（すなわち、スロット全体をＺ形状にするような方向に端部を折り曲げる）ことによっても、同様の効果を得ることができる。

また、スロット中央部の管軸方向に対する角度は、０度より大きく１８０度未満の範囲で任意に選ぶことができ、方形導波管やストリップ線路の形状およびインピーダンスに応じてこの角度を変えることで、方形導波管とストリップ線路との間のインピーダンス整合を図ることができる。

また、伝送線路の具体例として、実施の形態１ではマイクロストリップ線路を用い、実施の形態２では同軸線路を用い、実施の形態３ではストリップ線路を用いた場合を説明した。しかしながら、本発明は、これに限定されるものではなく、実施の形態１〜３の全ての構成に対して、マイクロストリップ線路、同軸線路、ストリップ線路のいずれの伝送線路も適用することが可能であり、同様の効果を得ることができる。

Claims (7)

1. 導波管と、
   前記導波管の壁面に設けられたスロットと、
   前記導波管の管軸方向に延在する信号導体と地導体からなる伝送線路と
   を備えた伝送線路変換器において、
   前記スロットは、前記導波管の電界に平行な壁面に設けられ、第１部分および第２部分を有する形状であり、
   前記第１部分は、前記導波管の管軸に対して平行でないある角度（０度より大きく９０度以下）で斜交する斜交部分であり、
   前記第２部分は、前記導波管の管軸に平行となる部分として前記斜交部分の両端部のうち少なくとも一方に形成され、
   前記導波管は、前記スロットが設けられた壁面が前記地導体の一部をなし、
   前記スロットが設けられた前記導波管の壁面を流れる電流は、前記スロットにより遮られ、前記伝送線路の地導体を流れる電流は、前記スロットの前記斜交部分によって遮られる
   伝送線路変換器。
2. 請求項１に記載の伝送線路変換器において、
   前記伝送線路は、前記伝送線路における伝搬波長のおよそ１／４倍だけ前記スロットから離れた位置において、一端が開放されている伝送線路変換器。
3. 請求項１に記載の伝送線路変換器において、
   前記伝送線路は、前記伝送線路における伝搬波長のおよそ１／２倍だけ前記スロットから離れた位置において、一端が短絡されている伝送線路変換器。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の伝送線路変換器において、
   前記導波管は、前記導波管における管内波長の１／４倍だけ前記スロットから離れた位置において、一端が短絡されている伝送線路変換器。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の伝送線路変換器において、
   前記伝送線路は、マイクロストリップ線路である伝送線路変換器。
6. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の伝送線路変換器において、
   前記伝送線路は、同軸線路である伝送線路変換器。
7. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の伝送線路変換器において、
   前記伝送線路は、ストリップ線路である伝送線路変換器。

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