JP5044536B2 - 導波管・伝送線路変換器、およびアンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、導波管・伝送線路変換器、および導波管・伝送線路変換器を用いたアンテナ装置に関する。

高周波では波長が短く、導波路の長さ当たりのロスが大きいため、導波管アンテナを構成するにはアンテナと高周波回路を近接させ、給電のロスを少なくすることが必要である。また、波長が短くなるにつれてアンテナが小さくなるため、高い製作精度が要求される。さらに、通信装置全体の小型・軽量化が求められているため、アンテナだけでなく、給電回路や高周波回路の小型・軽量化が要求される。

これらの要求に対応する技術として、導波管アレイと給電回路と高周波回路を一体化したスロットアレイアンテナとその製造法が知られている（特許文献１参照）。特許文献１に記載された技術では、誘電体平行平板を切断して得られる誘電体角材の表面に導体層を蒸着することによって導波管を構成する。この導波管を複数接合した後に、フォトリソグラフィ技術を用いてスロット等の開口を接合した導波管に転写することでスロットアレイと給電回路を構成する。また、接合した導波管に、多層配線構造を有した高周波回路を積層する。

上述したように導波管アレイと給電回路と高周波回路を一体化した構成とすることで、給電回路を小型に構成することができる。従って、アンテナと高周波回路を可能な限り隣接させることができ、通信装置全体を小型・軽量化することができる。さらに、特許文献１に記載された技術では、フォトリソグラフィ技術とセラミック加工技術を応用しており、従来の機械加工よりも高い加工精度を実現できる。
特開２００５−２０４３４４号公報

上記特許文献１に記載される技術の場合、高周波回路の信号を導波管に伝送するために、高周波回路層、給電層をそれぞれ１層ずつ設けなければならず、複雑で導波管全体が厚い構造となってしまうという問題がある。また、高周波回路の信号がシングルエンド型であることを想定しており、同相雑音に強い差動型の信号を導波管に伝送するためには、バラン等を使用してシングルエンド型に変換する必要がある。

この発明は、上記の問題を解決するために達成され、簡易な薄型構造で高周波回路の差動型の信号を導波管に伝送することができる、導波管・伝送線路変換器およびアンテナ装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様は差動信号を入力または出力する差動対端子を有する高周波回路と、前記差動信号を入力または出力する差動対端子にそれぞれ接続される２つの伝送線路と、短絡壁で短絡された端部及び横断面方向に対向する２つの壁を有する導波管と、２つの前記伝送線路にそれぞれ接続され、２つの前記壁から略等距離の位置に配置される２つの給電ピンと、を具備し、２つの前記給電ピンは、互いが前記導波管の管内波長の略１／２倍離れて、前記導波管の内部に配置され、２つの前記給電ピンの一方は、前記端部より前記管内波長の略（１＋２α）／４（αは、０以上の整数）倍離れた位置に配置される、ことを特徴とする導波管・伝送線路変換器を提供する。

本発明により、簡易な薄型構造で高周波回路の差動型の信号を導波管に伝送することができる、導波管・伝送線路変換器およびアンテナ装置が実現できる。

以下、図面を参照しながら本実施の形態について詳細に説明する。

＜第１の実施形態＞
図１に示す導波管・伝送線路変換器によると、導波管１は矩形状に構成され、短絡された第１端部２及び開放された第２端部３並びに上下壁４、５及び対向する側壁６，７を有する。この矩形導波管１の上壁４に高周波回路モジュール８が配置される。この高周波回路モジュール８は、受信回路、送信回路又は送受信回路を有している。受信回路を有しており、信号を受信する場合には入力部、送信回路を有しており、信号を送信する場合には出力部として動作する差動対端子を有する。また、高周波回路モジュール８が送受信回路を有している場合は、入力部として動作する差動対端子及び、出力部として動作する差動対端子をそれぞれ有していてもよい。また、ひとつの差動対端子を、送受信に応じて入力部／出力部として動作するよう切り替えてもよい。なお、差動対とは、互いに逆位相の信号が流れる信号線や回路が対になったものである。

高周波回路モジュール８の差動信号を入力または出力する差動対端子には、２つの伝送線路９が接続される。２つの伝送線路９は、差動対として動作する。伝送線路９は、高周波回路モジュール８に接続される２つの引出線路９ａとこれら引出線路９ａの端部から導波管１の軸方向に互いに反対方向にそれぞれ延びている２つの導出線路９ｂとで構成される。これら導出線路９ｂの先端部に２つの給電ピン１０がそれぞれ接続される。給電ピン１０は、例えば銅、アルミ、銀、金等での金属で構成される。これら２つの給電ピン１０は導波管１の軸ｚに沿った縦断面、即ちｚｙ平面と略平行に導波管１の内部に配置される。この場合、２つの給電ピン１０の一方が導波管の第１の端部２より管内波長の略（１＋２α）／４（αは、０以上の整数）倍離れた位置に配置され、２つの給電ピン１０が、対向する側壁６，７から略等距離の位置に、互いに管内波長の略２分の１波長離れて導波管１の軸方向に並べて配置される。給電ピン１０の長さは使用する周波数に応じて適宜設定される。

高周波回路モジュール８は、送信回路、受信回路または送受信回路を含んでおり、送信時には、低周波回路からの入力を高周波に変換し、アンテナへの入力信号を生成する。受信時には、アンテナからの入力信号を低周波信号に変換する。

導波管１は、金属壁によって囲まれた導波路であるが、壁が金属ポストで形成されたポスト壁導波管でもよい。導波管１は最も低い遮断周波数を有する基本モードであるＴＥ_１０モードが伝搬するサイズを持つように構成される。図１のように導波管１の横断面の開口の横の長さをａ、縦の長さをｂとする。所望の動作周波数をｆ、動作周波数ｆにおける自由空間の波長をλ、高速をｃとすると、導波管１の横の長さはλ／２＜ａとなる範囲で決定される。ａ≒２ｂである通常の導波管において、より高次のモードを遮断する場合は、導波管１の横の長さはλ／２＜ａ＜λとなる範囲で決定される。

管内波長（λ_gとする）とは、導波管の軸方向ｚの波長であり、遮断波長をλ_ｃとすると、次式（１）で与えられる。

ＴＥ_１０モードの遮断波長は、２ａで与えられる。

図１の導波管・伝送線路変換器の動作について説明する。

図１の導波管・伝送線路変換器の断面を示す図２では、座標系は図１に示している座標系と同一である。なお、図２では、図１の高周波回路モジュール８および伝送線路９を省略している。図示する電界強度および電界の向きはＴＥ_１０モードの場合を表している。電界強度は図２に示す０の位置を０としている。また、図２のｘ軸方向は、図１の導波管１の横断面の開口の横方向に、ｙ軸方向は、縦方向に相当する。すなわち、ｘｙ平面は、図１の導波管１の横断面に相当する。

ｘｙ平面をみると、導波管１のｘ方向の導波管１の内壁の位置が電界の節（最小）となり、導波管１の断面方向、即ちｘ方向に対向する壁６，７から略等距離になる位置が電界の腹（最大）となる。

ｙｚ平面をみると、導波管１の第１の端部２の位置が電界の節（最小）となり、導波管１の第１の端部２から管内波長の略（１＋２α）／４（αは、０以上の整数）倍離れた位置が電界の腹（最大）となる。ｙｚ平面における隣り合う電界の腹は逆位相となっている。

給電ピン１０には互いに逆位相の差動信号が流れており、互いに逆位相の電界を発生させることができる。図２のように給電ピン１０を配置すれば、ＴＥ_１０モードの電界強度が最大の位置で、かつＴＥ_１０モードの電界の向きに合った位置に電界を発生させることになり、導波管１にＴＥ_１０モードの信号を発生させることができる。

なお、上記の動作説明では送信時の場合を説明したが、受信時の場合には逆の動作が得られ、導波管１のＴＥ_１０モードの信号を給電ピン１０の差動信号に容易に変換できることは言うまでもない。なお、図１では高周波回路モジュール８が導波管１の上に搭載されているが、別の場所に配置されてもよい。

このように、導波管１の内部のＴＥ_１０モードにおける電界分布に合った位置に２つの給電ピン１０を配置することにより、高周波回路モジュール８の差動信号と導波管１の基本モードであるＴＥ_１０モードの信号との変換を容易に行うことができる。高周波回路モジュール８から直接に導波管１に給電できるため、複雑な構造が不要となり、小型な導波管・伝送線路変換器が実現できる。

＜第２の実施形態＞
図３を参照して第２の実施形態に係る導波管・伝送線路変換器の概略構成を説明する。第２の実施形態は第１の実施形態と同じ部分については同じ参照符号を付している。

図３に示す導波管・伝送線路変換器によると、導波管１は図１と同様に矩形状に構成され、短絡された第１端部２及び開放された第２端部３並びに上下壁４、５及び対向する側壁６，７を有する。この矩形導波管１の上壁４に高周波回路モジュール８が配置される。この高周波回路モジュール８は第1の実施形態の高周波回路モジュール８と同様な構成を有しているので詳細な説明は省略する。

高周波回路モジュール８の差動信号を入力または出力する差動対端子には２つの伝送線路９が接続される。２つの伝送線路９は、差動対として動作する。伝送線路９は高周波回路モジュール８に接続される２つの引出線路９ａとこれら引出線路９ａの端部から導波管１の軸ｚに対して横方向ｘに互いに対向してそれぞれ延びている２つの導出線路９ｂとで構成される。これら導出線路９ｂの先端部に２つの給電ピン１０がそれぞれ接続される。

２つの給電ピン１０は導波管１の軸ｚに対して直交する方向に沿った縦断面、即ちｘｙ平面と略平行に導波管１の内部に配置される。この場合、２つの給電ピン１０が導波管の第１の端部２より管内波長の略（１＋２α）／４（αは、０以上の整数）倍離れた位置に横断面方向に並べて配置され、２つの側壁６，７の間隔の略４分の１の距離だけ２つの側壁６，７からそれぞれ離れた位置に配置される。

導波管１はＴＥ_２０モードが伝搬するサイズとなっている。図３に示す導波管１の横断面の開口の横の長さをａ、縦の長さをｂとする。所望の動作周波数をｆ、動作周波数ｆにおける自由空間の波長をλ、高速をｃとすると、導波管１の横の長さはλ＜ａとなる範囲で決定される。

管内波長（λ_gとする）は、遮断波長をλ_ｃとすると、第１の実施形態と同様に式（１）によって与えられる。ＴＥ_２０モードの遮断波長は、ａで与えられる。

図３の導波管・伝送線路変換器の動作について説明する。

図３の導波管・伝送線路変換器の断面を示す図４では、座標系は図３に示している座標系と同一である。なお、図４では、図３の高周波回路モジュール８および伝送線路９を省略している。図示する電界強度および電界の向きはＴＥ_２０モードの場合を表している。電界強度は図４に示す０の位置を０としている。

ｘｙ平面をみると、導波管１のｘ方向の導波管１の内壁の位置が電界の節となり、導波管１のｘ方向に対向する側壁６，７から側壁６，７の間隔の略４分の１の距離の位置が電界の腹となる。ｘｙ平面における隣り合う電界の腹は逆位相となっている。

ｙｚ平面をみると、導波管１の第１の端部２の位置が電界の節となり、導波管１の第１の端部２から管内波長の略（１＋２α）／４（αは、０以上の整数）倍離れた位置が電界の腹となる。

２つの給電ピン１０には互いに逆位相の差動信号が流れており、互いに逆位相の電界を発生させることができる。図４のように給電ピン１０を配置すれば、ＴＥ_２０モードの電界強度が最大の位置で、かつＴＥ_２０モードの電界の向きに合った位置に電界を発生させることになり、導波管１にＴＥ_２０モードの信号を発生させることができる。

なお、上記の動作説明では送信時の場合を説明したが、受信時の場合には逆の動作が得られ、導波管１のＴＥ_２０モードの信号を給電ピン１０の差動信号に容易に変換できることは言うまでもない。

なお、図３では高周波回路モジュール８が導波管１の上に搭載されているが、別の場所に配置されていてもよい。

このように、導波管１内部のＴＥ_２０モードにおける電界分布に合った位置に給電ピン８を配置することにより、高周波回路モジュール８の差動信号と導波管１のＴＥ_２０モードの信号との変換を容易に行うことができる。高周波回路モジュール８から直接に導波管１に給電できるため、複雑な構造が不要であり、小型な導波管・伝送線路変換器が実現できる。

＜第３の実施形態＞
図５を参照して第３の実施形態に係る導波管・伝送線路変換器を説明する。第３の実施形態は第１の実施形態と同じ部分については同じ参照符号を付している。図５の導波管・伝送線路変換器では、図１の高周波回路モジュール８が誘電体基板１１に搭載され、伝送線路９および給電ピン１０が誘電体基板１１に形成されている。

図５の導波管・伝送線路変換器の動作原理は図１の導波管・伝送線路変換器と同様であるので省略する。

図５の高周波回路モジュール８が誘電体基板１１に搭載され、伝送線路９および給電ピン１０が誘電体基板１１に形成されていることにより、伝送線路９や給電ピン１０を導波管１に直接形成せずに誘電体基板１に形成するので、通常の基板作製プロセスで伝送線路９や給電ピン１０を形成することが可能となり、容易に給電構造を製造できる。

伝送線路９は、例えばマイクロストリップ線路、コプレーナ導波路等に容易にすることができ、放射しにくい伝送線路構造も構成できる。給電ピン１０はビアホールとして誘電体基板１１に形成することができる。

＜第４の実施形態＞
図６を参照して第４の実施形態に係る導波管・伝送線路変換器の概略構成を説明する。第４の実施形態は第３の実施形態と同じ部分については同じ参照符号を付している。図６の導波管・伝送線路変換器は、図３の高周波回路モジュール８が誘電体基板１１に搭載され、伝送線路９および給電ピン１０が誘電体基板１１に形成されている。

図６の導波管・伝送線路変換器の動作原理は図３の導波管・伝送線路変換器と同様であるので省略する。

図６の高周波回路モジュール８が誘電体基板１１に搭載され、伝送線路９および給電ピン１０が誘電体基板１１に形成されていることにより、伝送線路９や給電ピン１０を導波管１に直接形成せずに誘電体基板１１に形成するので、通常の基板作製プロセスで伝送線路９や給電ピン１０を形成することが可能となり、容易に給電構造を製造できる。

伝送線路９は、例えばマイクロストリップ線路、コプレーナ導波路等に容易にすることができ、放射しにくい伝送線路構造も構成できる。給電ピン１０は誘電体基板１１の内部のビアホールとして形成することができる。

＜第５の実施形態＞
図７を参照して第５の実施形態に係る導波管・伝送線路変換器の概略構成を説明する。第５の実施形態は第３の実施形態と同じ部分については同じ参照符号を付している。図７の導波管・伝送線路変換器では、図５の高周波回路モジュール８、伝送線路９、給電ピン１０、誘電体基板１１が導波管１の内部に設けられている。具体的には、誘電体基板１１が導波管１の下壁５の上に配置され、この誘電体基板１１に高周波回路モジュール８、伝送線路９及び給電ピン１０が取り付けられる。この場合、給電ピン１０は誘電体基板に１１に孔を形成し、これらの孔に埋め込まれ、ビアホールとして形成することができる。伝送線路９と接続されている給電ピン１０の部分と逆側の端部は導波管１の内壁に接続されている。

図７の導波管・伝送線路変換器の動作について説明する。

図７の導波管・伝送線路変換器の断面を示す図８では、座標系は図７に示している座標系と同一である。なお、図８では、図７の高周波回路モジュール８および伝送線路９を省略している。図示する電界強度および電界の向きはＴＥ_１０モードの場合を表している。電界強度は図２に示す０の位置を０としている。

ｘｙ平面をみると、導波管１のｘ方向の導波管１の内壁の位置が電界の節となり、導波管１の断面方向、即ちｘ方向に対向する壁６，７から略等距離になる位置が電界の腹となる。

ｙｚ平面をみると、導波管１の第１の端部２の位置が電界の節となり、導波管１の第１の端部２から管内波長の略（１＋２α）／４（αは、０以上の整数）倍離れた位置が電界の腹となる。ｙｚ平面における隣り合う電界の腹は逆位相となっている。

給電ピン１０には互いに逆位相の差動信号が流れており、互いに逆位相の電界を発生させることができる。図２のように給電ピン１０を配置すれば、ＴＥ_１０モードの電界強度が最大の位置で、かつＴＥ_１０モードの電界の向きに合った位置に電界を発生させることになり、導波管１にＴＥ_１０モードの信号を発生させることができる。

また、図８のように給電ピン１０を配置すれば、電界強度の小さい２つの給電ピン１０のそれぞれからの距離が略等しい部分に高周波回路モジュール８が配置されるため、導波管１の内部の電界に与える影響が少ない。導波管１の外部と接続する配線も、電界強度の小さい２つの給電ピン１０のそれぞれからの距離が略等しい部分に配置すれば、導波管１の内部の電界に与える影響を少なくできる。

なお、上記の動作説明では送信時の場合を説明したが、受信時の場合には逆の動作が得られ、導波管１のＴＥ_１０モードの信号を給電ピン１０の差動信号に容易に変換できることは言うまでもない。

このように、導波管１の内部のＴＥ_１０モードにおける電界分布に合った位置に給電ピン１０を配置することにより、高周波回路モジュール８の差動信号と導波管１の基本モードであるＴＥ_１０モードの信号との変換を容易に行うことができる。高周波回路モジュール８から直接に導波管１に給電できるため、複雑な構造が不要となり、小型な導波管・伝送線路変換器が実現できる。

高周波回路モジュール８、伝送線路９、給電ピン１０、誘電体基板１１が導波管１の内部に設けられるので、導波管１の外部に高周波回路モジュール８や給電構造を設ける必要がなくなり、より小型な導波管・伝送線路変換器が実現できる。

また、伝送線路９と接続されている給電ピン１０の部分と逆側の端部が導波管１の内壁すなわち広い金属面に接続されているので、接続されずにオープンになっている場合よりも、伝送線路９と接続されている給電ピン１０の部分と逆側の方が低インピーダンスになっているようにみえ、給電ピン１０に電流がのり易くなる。したがって、高周波回路モジュール８の差動信号と導波管１のＴＥ_１０モードの信号との変換をより容易に行うことができる。

また、電界強度の小さい２つの給電ピン１０のそれぞれからの距離が略等しい部分に高周波回路モジュール８が配置されるため、導波管１の内部の電界に与える影響を少なくできる。導波管１の外部と接続する配線も、電界強度の小さい２つの給電ピン１０のそれぞれからの距離が略等しい部分に配置すれば、導波管１の内部の電界に与える影響を少なくできる。

図７の高周波回路モジュール８及び誘電体基板１１を省略したモデルにおいて、高周波回路モジュール８との伝送線路９の接続部分に第１ポート（差動対）、導波管１の第１の端部２と逆側の端部３の横断面とにそれぞれ第２ポートを設け、ａ＝３．８ｍｍ、ｂ＝１．９ｍｍとした際の、Ｓパラメータの電磁界シミュレーション結果を図９に示す。また、第１ポート（差動対）に差動信号を入力した際の導波管１の内部の電界強度分布の電磁界シミュレーション結果を図１０に示す。図１０に示す座標系は、図８に示す座標系と同様である。ａ＝３．８ｍｍなので、ｃ／（２ａ）で表されるＴＥ_１０モードの遮断周波数は３９．５ＧＨｚである。

図９は、Ｓパラメータ_１１、Ｓ_２２が小さい程、第１及び第２ポートのそれぞれに入力された信号が反射せず、第１及び第２ポートそれぞれに信号が返ってこないということを示している。また、図９では、ＳパラメータＳ_２１、Ｓ_１２が大きい程、それぞれ第１ポートから第２ポートに、第２ポートから第１ポートに信号が通過しているということを示している。図９をみると、５０ＧＨｚ程度から７０ＧＨｚ程度までＳパラメータＳ_１１、Ｓ_２２が小さく、ＳパラメータＳ_２１、Ｓ_１２が大きい結果が得られているのが確認できる。

図１０を参照すると、第１ポートに信号を入力したことで、導波管１の内部にＴＥ_１０モードの電界が現われているのが確認できる。動作周波数は給電ピン１０の高さによって調整できる。

図９、図１０の電磁界シミュレーション結果より、図７、図８のように導波管１の内部のＴＥ_１０モードにおける電界分布に合った位置に給電ピン１０を配置することにより、差動信号を導波管１の基本モードであるＴＥ_１０モードの信号に容易に変換できるということが確認できる。

＜第６の実施形態＞
図１１を参照して第６の実施形態に係る導波管・伝送線路変換器の概略構成を説明する。第６の実施形態は第４の実施形態と同じ部分については同じ参照符号を付している。図１１の導波管・伝送線路変換器は、図６の高周波回路モジュール８、伝送線路９、給電ピン１０、誘電体基板１１が導波管１の内部に設けられている。具体的には、誘電体基板１１が導波管１の下壁５の上に配置され、この誘電体基板１１に高周波回路モジュール８、伝送線路９及び給電ピン１０が取り付けられる。伝送線路９と接続されている給電ピン１０の部分と逆側の端部は導波管１の内壁に接続されている。

図１１の導波管給電構造の動作について説明する。

図１１の導波管・伝送線路変換器の断面を示す図１２では、座標系は図１１に示している座標系と同一である。なお、図１２では、図１１の高周波回路モジュール８および伝送線路９を省略している。図示する電界強度および電界の向きはＴＥ_２０モードの場合を表している。電界強度は図１２に示す０の位置を０としている。

ｘｙ平面をみると、導波管１のｘ方向の導波管１の内壁の位置が電界の節となり、導波管１のｘ方向に対向する側壁６，７から側壁６，７の間隔の略４分の１の距離の位置が電界の腹となる。ｘｙ平面における隣り合う電界の腹は逆位相となっている。

ｙｚ平面をみると、導波管１の第１の端部２の位置が電界の節となり、導波管１の第１の端部２から管内波長の略（１＋２α）／４（αは、０以上の整数）倍離れた位置が電界の腹となる。

２つの給電ピン１０には互いに逆位相の差動信号が流れており、互いに逆位相の電界を発生させることができる。図１２のように給電ピン１０を配置すれば、ＴＥ_２０モードの電界強度が最大の位置で、かつＴＥ_２０モードの電界の向きに合った位置に電界を発生させることになり、導波管１にＴＥ_２０モードの信号を発生させることができる。

また、図１２のように給電ピン１０を配置すれば、電界強度の小さい２つの給電ピン１０のそれぞれからの距離が略等しい部分に高周波回路モジュール８が配置されるため、導波管１の内部の電界に与える影響が少ない。導波管１の外部と接続する配線も、電界強度の小さい２つの給電ピン８のそれぞれからの距離が略等しい部分に配置すれば、導波管１の内部の電界に与える影響を少なくできる。

なお、上記の動作説明では送信時の場合を説明したが、受信時の場合には逆の動作が得られ、導波管１のＴＥ_２０モードの信号を給電ピン１０の差動信号に容易に変換できることは言うまでもない。

このように、導波管１の内部のＴＥ_２０モードにおける電界分布に合った位置に給電ピン１０を配置することにより、高周波回路モジュール８の差動信号と導波管１のＴＥ_２０モードの信号との変換を容易に行うことができる。高周波回路モジュール８から直接に導波管１に給電できるため、複雑な構造が不要となり、小型な導波管・伝送線路変換器が実現できる。

高周波回路モジュール８、伝送線路９、給電ピン１０、誘電体基板１１が導波管１の内部に設けられていることにより、導波管１の外部に高周波回路モジュール８や給電構造を設ける必要がなくなり、より小型な導波管・伝送線路変換器が実現できる。

また、伝送線路９と接続されている給電ピン１０の部分と逆側の端部が導波管１の内壁すなわち広い金属面に接続されているので、接続されずにオープンになっている場合よりも、伝送線路９と接続されている給電ピン１０の部分と逆側の方が低インピーダンスになっているようにみえ、給電ピン１０に電流がのり易くなる。したがって、高周波回路モジュール８の差動信号と導波管１のＴＥ_２０モードの信号との変換をより容易に行うことができる。

また、電界強度の小さい２つの給電ピン１０のそれぞれからの距離が略等しい部分に高周波回路モジュール８が配置されるため、導波管１の内部の電界に与える影響を少なくできる。導波管１の外部と接続する配線も、電界強度の小さい２つの給電ピン１０のそれぞれからの距離が略等しい部分に配置すれば、導波管１の内部の電界に与える影響を少なくできる。

図１１において、高周波回路モジュール８、誘電体基板１１を省略したモデルに、高周波回路モジュール８との伝送線路９の接続部分に第１ポート（差動対）、導波管１の第１の端部２とは逆側の端部３の横断面に第２ポートを設け、ａ＝７．０ｍｍ、ｂ＝１．９ｍｍとした際の、Ｓパラメータの電磁界シミュレーション結果を図１３に示す。また、第１ポートに信号を入力した際の導波管１の内部の電界強度分布の電磁界シミュレーション結果を図１４に示す。図１４に示す座標系は、図１２に示す座標系と同様である。ａ＝７．０ｍｍなので、ｃ／ａで表されるＴＥ_２０モードの遮断周波数は４２．９ＧＨｚである。

図１３は、ＳパラメータＳ_１１、Ｓ_２２が小さい程、第１及び第２ポートのそれぞれに入力された信号が反射せず、第１及び第２ポートそれぞれに信号が返ってこないということを示している。また、図１３では、ＳパラメータＳ_２１、Ｓ_１２が大きい程、それぞれ第１ポートから第２ポートに、第２ポートから第１ポートに信号が通過しているということを示している。図１３をみると、５０ＧＨｚ程度から７０ＧＨｚ程度までＳパラメータＳ_１１、Ｓ_２２が小さく、ＳパラメータＳ_２１、Ｓ_１２が大きい結果が得られているのが確認できる。

図１４を参照すると、第１ポートに信号を入力したことで、導波管１の内部にＴＥ_２０モードの電界が現われているのが確認できる。動作周波数は給電ピン１０の高さによって調整できる。

図１３、図１４の電磁界シミュレーション結果より、図１１、図１２のように導波管１の内部のＴＥ_２０モードにおける電界分布に合った位置に給電ピン１０を配置することにより、差動信号を導波管１のＴＥ_２０モードの信号に容易に変換できるということが確認できる。

＜第７の実施形態＞
図１５を参照して第７の実施形態に係る導波管・伝送線路変換器の概略構成を説明する。第７の実施形態は第６の実施形態と同じ部分については同じ参照符号を付している。図１５の導波管・伝送線路変換器は、図１１の導波管１の内部に、第１の端部２と逆側に、導波管１の横断面方向の略中間に給電ピン１０と略平行な面をもつ金属壁１２が更に設けられる構造を有する。即ち、導波管１の内部であって、導波管１の側壁５，６間の中間の位置、即ちａ／２の位置に金属壁１２が給電ピン１０の前方に平行に配置される。これにより、２本の給電ピン１０の前方に金属壁によって仕切られた２つの導波路がそれぞれ形成される。なお、金属壁１２は金属ポストで形成されたポスト壁でもよい。

図１５の導波管・伝送線路変換器の動作は図１１の動作と同様であり、図１５の導波管・伝送線路変換器の電界分布は図１２と同様である。図１５の導波管・伝送線路変換器の導波管１の内部は、図１２のように、ｘ方向に互いに逆位相のＴＥ_１０モードの２つの電界分布が並んで形成される。

図１５のように導波管１の横断面方向の略中間に給電ピン１０と略平行な面をもつ金属壁１２を設けることで、２つ並んだ互いに逆位相のＴＥ_１０モードの電界分布が金属壁７によってアイソレートされ、一方のＴＥ_１０モードが乱れても他方に影響を与えないようにすることができる。なお、図３、図６の導波管給電構造に金属壁７を設けても同様の効果が得られる。

＜第８の実施形態＞
図１６を参照して第８の実施形態に係るアンテナ装置の概略構成を説明する。第８の実施形態は第５の実施形態と同じ部分については同じ参照符号を付している。図１６のアンテナ装置は、図７の導波管１の第１の端部２とは逆側に電波を放射するための開口面１３を設けている。開口面１３はテーパ構造により広げてホーンアンテナを構成してもよい。

図１６のように導波管１に開口面１３を設けることで、導波管１を伝搬してきた電磁波が開口面１３より放射され、高周波回路モジュール８と一体化された給電構造が小型である開口面アンテナが実現できる。

なお、上記では送信時についてのみ述べているが、受信時でもよい。なお、図１、図５の導波管・伝送線路変換器に開口面１３を設けても同様の効果が得られる。

＜第９の実施形態＞
図１７を参照して第９の実施形態に係るアンテナ装置の概略構成を説明する。第９の実施形態は第７の実施形態と同じ部分については同じ参照符号を付している。図１７のアンテナ装置は、図１５の導波管１の第１の端部２とは逆側に電磁波を放射するためのスロット１４を設け、導波管１の第２の端部３は短絡されている。

金属壁７を挟んで左右のスロット１４は対称的に配置されている。図１７の導波管１の内部では、金属壁７を挟んで左右に互いに逆位相のＴＥ_１０モードの２つの電界分布が並んで形成されるので、金属壁７を挟んで左右のスロット１４を対称的に配置することで、複数のスロット１４のそれぞれからの放射の向きが揃えられる。図１７のアンテナ装置は＋ｙ方向に最大放射が得られる。最大放射方向を傾けたい場合は、図１７のようにスロット１４を対称的に配置する必要はない。実施形態では、スロットは導波管の軸方向に縦長に形成されているが横長に形成しても良く、形状に限定されない。

図１７のように導波管１にスロット１４を設けることで、導波管１を伝搬してきた電磁波がスロット１４より放射され、高周波回路モジュール８と一体化された給電構造が小型となる開口面アンテナが実現できる。

なお、図１７ではスロット１０がｚ方向に平行に配置されているが、垂直でも斜めでもよい。また、図１７では第２の端部３が短絡されているが、オープンとしてもよいし、抵抗等を装荷してもよい。

スロットは図１、図３、図５、図６、図７、図１１の実施形態の導波管・伝送線路変換器に設けても、高周波回路モジュール８と一体化された給電構造が小型となるスロットアンテナが実現できる。

本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

第１の実施形態に係る導波管・伝送線路変換器の概略構成を示す図 図１の導波管・伝送線路変換器の断面および動作を表す図 第２の実施形態に係る導波管・伝送線路変換器の概略構成を示す図 図３の導波管・伝送線路変換器の断面および動作を表す図 第３の実施形態に係る導波管・伝送線路変換器の概略構成を示す図 本発明の第４の実施形態に係る導波管・伝送線路変換器の概略構成を示す図 本発明の第５の実施形態に係る導波管・伝送線路変換器の概略構成を示す図 図７の導波管・伝送線路変換器の断面および動作を表す図 図７の導波管・伝送線路変換器の簡易モデルのＳパラメータのシミュレーション結果を示す図 図７の導波管・伝送線路変換器の簡易モデルの電界強度分布のシミュレーション結果を示す図 本発明の第６実施形態に係る導波管・伝送線路変換器の概略構成を示す図 図１１の導波管・伝送線路変換器の断面および動作を表す図 図１１の導波管・伝送線路変換器の簡易モデルのＳパラメータの電磁界シミュレーション結果を示す図 図１１の導波管・伝送線路変換器の簡易モデルの電界強度分布の電磁界シミュレーション結果を示す図 本発明の第７実施形態に係る導波管・伝送線路変換器の概略構成を示す図 本発明の第８実施形態に係るアンテナ装置の概略構成を示す図 本発明の第９実施形態に係るアンテナ装置の概略構成を示す図

符号の説明

１…導波管、２…第１端部、３…第２端部、４…上壁、５…下壁、６、７…側壁、８…高周波回路モジュール、９…伝送線路、１０…給電ピン、１１…誘電体基板、１２…金属壁、１３…開口面、１４…スロット

Claims (11)

1. 差動信号を入力または出力する差動対端子を有する高周波回路と、
   前記差動対端子にそれぞれ接続される２つの伝送線路と、
   短絡壁で短絡された端部及び上下壁並びに横断面の方向に対向する２つの側壁を有する矩形状導波管と、
   ２つの前記伝送線路にそれぞれ接続され、２つの前記側壁から略等距離の位置に配置される２つの給電ピンと、を具備し、
   ２つの前記給電ピンは、互いが前記矩形状導波管の管内波長の略１／２倍離れて、前記矩形状導波管の内部に配置され、
   ２つの前記給電ピンの一方は、前記端部より前記管内波長の略（１＋２α）／４（αは、０以上の整数）倍離れた位置に配置される、
   ことを特徴とする導波管・伝送線路変換器。
2. 差動信号を入力または出力する差動対端子を有する高周波回路と、
   前記差動対端子にそれぞれ接続される、２つの伝送線路と、
   短絡壁で短絡された端部及び上下壁並びに横断面の方向に対向する２つの側壁を有する矩形状導波管と、
   ２つの前記伝送線路にそれぞれ接続され、２つの前記側壁の間隔の略１／４の距離だけ前記側壁からそれぞれ離れた位置にそれぞれ配置される２つの給電ピンと、を具備し、
   ２つの前記給電ピンは、前記端部より前記管内波長の略（１＋２α）／４（αは、０以上の整数）倍離れた位置に前記矩形状導波管の内部に配置されることを特徴とする導波管・伝送線路変換器。
3. ２つの前給電ピンと略平行な面をもつ金属壁が、２つの前記側壁の略中間に設けられた、請求項２に記載の導波管・伝送線路変換器。
4. 前記高周波回路が誘電体基板に搭載され、前記伝送線路及び前記給電ピンが、前記誘電体基板に形成されたことを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の導波管・伝送線路変換器。
5. 前記高周波回路、前記伝送線路、前記給電ピンおよび前記誘電体基板が前記矩形状導波管の内部に設けられたことを特徴とする、請求項４に記載の導波管・伝送線路変換器。
6. ２つの前記給電ピンの終端が前記矩形状導波管の内壁に接続されたことを特徴とする、請求項５の導波管・伝送線路変換器。
7. 前記給電ピンはビアホールとして前記誘電体基板に形成される、請求項５又は６の導波管・伝送線路変換器。
8. 前記側壁の間隔は、λ／２（λ：自由空間の波長）より大きいことを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか１項の導波管・伝送線路変換器。
9. 前記伝送線路はマイクロストリップ線路又はコプレーナ導波路により構成される、請求項１乃至８のいずれか１項の導波管・伝送線路変換器。
10. 前記給電ピンは前記伝送線路に直接接続される、請求項１乃至９のいずれか１項の導波管・伝送線路変換器。
11. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載された導波管・伝送線路変換器の前記矩形状導波管の前記端部と逆側の端部に放射スロット又は開口が少なくとも１つ以上設けられた、アンテナ装置。

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