JP5153858B2 - 伝送線路構造物 - Google Patents

Description

この発明は、マイクロ波帯およびミリ波帯を含む高周波帯で使用される伝送線路、特に導波管線路や導波管回路を構成する伝送線路構造物に関する。

一般的に、導波管を分割する場合に、電磁波の伝搬方向に平行で、かつ電磁波の伝搬方向に直交する導波管断面の短辺に平行な分割面で分割するときには、導波管線路内の側壁（この場合は、広壁面）を流れる電流が分断されないような分割面を選択することができる。

また、電磁波の伝搬方向に直交する導波管断面が対称形状である場合には、導波管断面の長辺の略中点を通る分割面で導波管を分割することにより、分割によって生じる隙間が原因となって、導波管線路の内部を伝搬する電磁波の伝搬モードが乱されることはない。そのため、この場合には、隙間による性能悪化を最小限に抑制することができる。

このような、隙間による性能悪化を最小限に抑制することができる分割面（以下、「理想分割面」と称する）は、導波管断面の形状や導波管を形成する材料の材料定数（導電率、誘電率、表面粗さ等）からほぼ決定され、理想分割面が導波管断面の長辺の略中点から外れる場合もある。

しかしながら、導波管線路内の側壁を流れる電流の分布（電流分布）を乱す要因となる付加構造物として、例えば別の導波路への変換回路が導波管線路上に設けられている場合には、上記のように理想分割面を選択しただけでは、性能悪化を十分に抑制することができない。すなわち、導波管線路において、良好な反射特性や通過特性、あるいは他のチャンネルとの良好なアイソレーション特性を実現することができない。

そこで、上記の問題点を解決するものとして、例えば以下のものが挙げられる。
従来の導波管プレートは、複数の導波管線路を有し、電磁波の伝搬方向に直交する各導波管断面の長辺の両脇には、導波管線路の端部から使用周波数における自由空間中の伝搬波長の略１／４（λ／４）離した位置に、使用周波数における自由空間中の伝搬波長の略１／４（λ／４）の深さを持つチョーク構造が形成されている（例えば、特許文献１参照）。

以下、図面を参照しながら、従来の伝送線路構造物について説明する。
図４は、従来の伝送線路プレート（伝送線路構造物）を示す断面図である。図４の伝送線路プレートは、電磁波の伝搬方向に平行で、かつ電磁波の伝搬方向に直交する導波管断面の短辺に平行な分割面で分割される伝送線路プレートに、上記特許文献１に示した導波管プレートを適用したものである。また、導波管線路上には、導波管線路内の電流分布を乱す付加構造物として、別の導波路への変換回路が設けられている。

図４において、この伝送線路プレートは、第１導体プレート２１ａと第２導体プレート２１ｂとが、電磁波の伝搬方向に平行で、かつ電磁波の伝搬方向に直交する導波管断面の短辺に平行な分割面で接触されて構成されている。
また、第１導体プレート２１ａと第２導体プレート２１ｂとが接触されて、全３チャンネルの導波管線路２２ａ〜２２ｃが形成されている。また、分割面には、隙間２６が形成されている。
また、第１導体プレート２１ａには、導波管線路２２ａ〜２２ｃの各々を挟むように設けられたチョーク構造２３ａ〜２３ｄが形成されている。

また、導波管線路２２ａ〜２２ｃには、それぞれチャンネル毎に別の導波路２４ａ〜２４ｃが、導波管線路２２ａ〜２２ｃと導波路２４ａ〜２４ｃとの接続を実現する変換回路である結合スロット（付加構造物）２５ａ〜２５ｃを介して接続されている。結合スロット２５ａ〜２５ｃは、結合孔である。
なお、図４では、導波管線路２２ａ〜２２ｃ内の電流分布を乱す付加構造物として、結合スロット２５ａ〜２５ｃを設けているが、これに限定されず、複数の伝送線路に電力を分配する分岐回路であってもよいし、導波管線路の反射特性を改善する整合素子等であってもよい。

ここで、チョーク構造２３ａ〜２３ｄは、電磁波の伝搬方向に直交する各導波管断面の長辺の両脇で、導波管線路２２ａ〜２２ｃの端部から使用周波数における自由空間中の伝搬波長の略１／４（λ／４）離れた位置に、使用周波数における自由空間中の伝搬波長の略１／４（λ／４）の深さで形成されている。
これにより、導体プレートの分割面からの電磁波の漏れや反射による性能悪化が抑制される。

特開２００３−１８８６０１号公報

しかしながら、従来技術には、次のような問題点があった。
図４に示した従来の伝送線路プレートでは、チョーク構造２３ａ〜２３ｄを形成する場合に、隣接する導波管線路２２ａ〜２２ｃ間の導体プレートの壁厚として、少なくとも使用周波数における自由空間中の伝搬波長の１／２以上を確保する必要がある。
そのため、チョーク構造を形成するための加工費が必要となるので、製造コストが増大するという問題点があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、導体の分割面からの電磁波の漏れや反射による性能悪化を抑制するとともに、コストダウンを実現することができる伝送線路構造物を提供することにある。

この発明に係る伝送線路構造物は、電磁波を伝送するための導波管線路である複数の伝送線路が、複数の伝送線路に共通の分割面で分割される複数の導体により形成される伝送線路構造物であって、複数の伝送線路の各々は、共通の分割面における隣接する伝送線路間の導体の壁厚が、使用周波数における自由空間伝搬波長の略１／４の奇数倍になるように配置されているものである。

この発明の伝送線路構造物によれば、複数の伝送線路の各々は、共通の分割面における隣接する伝送線路間の導体の壁厚が、使用周波数における自由空間伝搬波長の略１／４の奇数倍になるように配置されている。ここで、自由空間伝搬波長の略１／４の奇数倍の厚さを有する伝送線路間の導体は、１／４波長のインピーダンス変成器として機能し、隣接する伝送線路間にチョーク構造を設けることなく電磁波の漏れや反射を防止する。
そのため、導体の分割面からの電磁波の漏れや反射による性能悪化を抑制するとともに、コストダウンを実現することができる。

この発明の実施の形態１に係る伝送線路プレートを示す断面図である。 （ａ）は、この発明の実施の形態２に係る伝送線路プレートを示す断面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示した伝送線路プレートのＩ−Ｉ線に沿った矢視断面図である。 この発明の実施の形態２に係る伝送線路プレートを示す別の断面図である。 従来の伝送線路プレートを示す断面図である。

以下、この発明の各実施の形態について図に基づいて説明するが、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る伝送線路プレート（伝送線路構造物）を示す断面図である。
図１の伝送線路プレートは、導波管の管軸方向（電磁波の伝搬方向）に平行で、かつ管軸方向に直交する導波管断面の短辺に平行な分割面で分割される伝送線路プレートにおいて、導波管線路上に、導波管線路内の側壁を流れる電流分布を乱す付加構造物として、別の導波路への変換回路が設けられたものである。

図１において、この伝送線路プレートは、第１導体プレート１ａと第２導体プレート１ｂとが、管軸方向に平行で、かつ管軸方向に直交する導波管断面の短辺に平行な共通の分割面で接触されて構成されている。なお、共通の分割面は、管軸方向に直交する導波管断面の長辺の略中点を通っている。ここで、導波管断面の長辺の略中点は、機械的な寸法の中点であってもよいし、電気的な寸法の中点であってもよい。

また、第１導体プレート１ａと第２導体プレート１ｂとが接触されて、全３チャンネルの導波管線路２ａ〜２ｃ（伝送線路）が形成されている。また、分割面には、隙間７が形成されている。
また、第１導体プレート１ａには、導波管線路２ａ〜２ｃを挟むように設けられたチョーク構造３ａ、３ｂが形成されている。チョーク構造３ａ、３ｂは、導波管線路２ａ〜２ｃの両端の導波管線路２ａ、２ｃの外側から、使用周波数における自由空間中の伝搬波長の略１／４離した位置に、使用周波数における自由空間中の伝搬波長の略１／４の深さを持つように形成されている。

また、導波管線路２ａと導波管線路２ｂとの間には、第１導体プレート１ａと第２導体プレート１ｂとを分割したときの隙間７によって伝送線路４ａが形成されている。また、導波管線路２ｂと導波管線路２ｃとの間には、隙間７によって伝送線路４ｂが形成されている。
また、導波管線路２ａ〜２ｃには、それぞれチャンネル毎に別の導波路５ａ〜５ｃが、導波管線路２ａ〜２ｃと導波路５ａ〜５ｃとの接続を実現する変換回路である結合スロット（付加構造物）６ａ〜６ｃを介して接続されている。結合スロット６ａ〜６ｃは、結合孔である。

図１に示した伝送線路プレートでは、上述した従来の伝送線路プレートと同様に、理想分割面の近傍で第１導体プレート１ａと第２導体プレート１ｂとを接触させている。そのため、通常の伝送線路であれば、導体プレートの分割面からの電磁波の漏れを防止することができる。
これは、通常の導波管線路内の側壁（広壁面）を流れる電流ベクトルにおいては、導波管の条件のみから決まる理想分割面において管軸方向に直交する電流ベクトルが分布しないので、導体プレートの分割によって電流の流れが分断されないためである。

なお、導波管断面の形状や導波管を形成する材料の材料定数（導電率、誘電率、表面粗さ等）が、分割面を対称面にして対称形状である場合には、理想分割面は、導波管断面の長辺の略中点を通る分割面となる。
ただし、導波管を形成する材料の材料定数や加工方法（加工Ｒや抜き勾配等）が、分割面を対称面にして対称形状でない場合には、理想分割面は、導波管断面の長辺の中点から外れることがあり、その位置は、材料定数や加工方法に依存する。

ここで、図１の伝送線路プレートでは、導波管線路２ａ〜２ｃの上部に、導波管線路２ａ〜２ｃ内の側壁を流れる電流分布を乱す付加構造物として、結合スロット６ａ〜６ｃが設けられている。そのため、導波管の断面形状から決まる理想分割面の近傍においても、管軸方向に直交する電流ベクトルが分布することとなる。

したがって、図１のように、電流分布を乱す要因となる結合スロット６ａ〜６ｃが導波管線路２ａ〜２ｃ上に設けられている場合には、上述のように導波管の断面形状や材料のみから決まる理想分割面を選択しただけでは、性能悪化を十分に抑制することができない。すなわち、チョーク構造を導波管線路の両脇に設けることなしに、各導波管線路において、良好な反射特性や通過特性、あるいは他のチャンネルとの良好なアイソレーション特性を実現することができない。

そこで、この実施の形態１の伝送線路プレートにおいて、導波管線路２ａ〜２ｃは、共通の分割面における隣接する導波管線路２ａ〜２ｃ間の伝送線路４ａ、４ｂの壁厚（導波管線路２ａ〜２ｃ間の導体プレートの厚さ）Ｄが、使用周波数における自由空間伝搬波長の略１／４（λ／４）になるように配置されている。
ここで、伝送線路４ａ、４ｂの壁厚Ｄを、自由空間伝搬波長の略１／４とすることにより、第１導体プレート１ａと第２導体プレート１ｂとを接触させたときの隙間７によって形成される伝送線路４ａ、４ｂが、１／４波長のインピーダンス変成器として機能する。また、この伝送線路４ａ、４ｂの隣接するチャンネル側の端部は、隣接する導波管線路２ａ〜２ｃによって開放点となるので、自チャンネル側の端部では、等価的な短絡点を得ることができる。そのため、隣接する導波管線路２ａ〜２ｃ間にチョーク構造を設けることなく電磁波の漏れや反射を防止することができる。

この発明の実施の形態１に係る伝送線路構造物によれば、複数の伝送線路は、共通の分割面における隣接する伝送線路間の壁厚が、使用周波数における自由空間伝搬波長の略１／４になるように配置されている。
ここで、自由空間伝搬波長の略１／４の厚さを有する伝送線路間の壁は、１／４波長のインピーダンス変成器として機能し、隣接する伝送線路間にチョーク構造を設けることなく電磁波の漏れや反射を防止する。
そのため、導体の分割面からの電磁波の漏れや反射による性能悪化を抑制するとともに、チョーク構造をなくして伝送線路構造物の製造コストを低減することができる。また、導波管線路間の間隔を狭くすることができるので、伝送線路構造物のサイズを小型化することができる。
また、各導波管線路において、良好な反射特性や通過特性、あるいは他のチャンネルとの良好なアイソレーション特性を実現することができる。

ここで、導波管線路２ａ〜２ｃの両側に隣接する導波管線路が存在する場合には、上述したように伝送線路４ａ、４ｂを配置して良好な特性を得ることができるが、導波管線路の両側に隣接する導波管線路が存在しない場合には、隣接する導波管線路が存在しない側に、従来の伝送線路プレートと同様に、チョーク構造３ａ、３ｂまたはダミーの導波管線路を設ける必要がある。

なお、上記実施の形態１では、導波管線路２ａ〜２ｃ内の側壁を流れる電流分布を乱す付加構造物として、結合スロット６ａ〜６ｃを設けているが、これに限定されない。
付加構造物としては、導波管線路と自由空間とを接続する結合孔、複数の伝送線路に電力を分配する分岐回路、電磁波の伝搬方向を変更するベンド回路、導波管線路の反射特性を改善する整合素子、アンテナとして機能する放射スロット、Ｈ面Ｔ分岐やＥ面Ｔ分岐などの分岐回路、Ｈ面ベンドやＥ面ベンドなどのベンド回路、整合用途等のアイリスやポスト等が挙げられる。
これらの場合も、上記実施の形態１と同様の効果を奏することができる。

また、上記実施の形態１では、導波管線路２ａ〜２ｃ内の側壁を流れる電流分布を乱す付加構造物が存在する場合について説明したが、これに限定されない。付加構造物が存在しない場合であっても、分割面が導波管線路内の側壁を流れる電流が分断する場合には、この実施の形態１の伝送線路４ａ、４ｂを適用することにより、上記実施の形態１と同様の効果を奏することができる。

分割面が導波管線路内の側壁を流れる電流が分断する場合として、まず、管軸方向に直交する導波管断面の短辺に平行な分割面で第１導体プレートと第２導体プレートとを分割する場合において、分割面が理想分割面から外れる場合が挙げられる。また、分割面が導波管線路内の側壁を流れる電流が分断する別の場合として、管軸方向に直交する導波管断面の長辺に平行な分割面で第１導体プレートと第２導体プレートとを分割する場合が挙げられる。なお、これらの場合には、導波管断面の端部で第１導体プレートと第２導体プレートとを分割する場合も含まれる。

実施の形態２．
図２（ａ）は、この発明の実施の形態２に係る伝送線路プレート（伝送線路構造物）を示す断面図である。また、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示した伝送線路プレート（伝送線路構造物）のＩ−Ｉ線に沿った矢視断面図である。
図２（ａ）および図２（ｂ）の伝送線路プレートは、導波管の管軸方向（電磁波の伝搬方向）と直交する分割面で分割されるものである。

図２（ａ）および図２（ｂ）において、この伝送線路プレートは、第１導体プレート１１ａと第２導体プレート１１ｂとが、管軸方向と直交する共通の分割面で接触されて構成されている。
また、第１導体プレート１１ａと第２導体プレート１１ｂとが接触されて、全３チャンネルの導波管線路１２ａ〜１２ｃ（伝送線路）が形成されている。また、分割面には、隙間１７が形成されている。

また、第１導体プレート１１ａには、導波管線路１２ａ〜１２ｃを挟むように設けられたチョーク構造１３ａ、１３ｂが形成されている。チョーク構造１３ａ、１３ｂは、導波管線路１２ａ〜１２ｃの両端の導波管線路１２ａ、１２ｃの外側から使用周波数における自由空間中の伝搬波長の略１／４離した位置に、使用周波数における自由空間中の伝搬波長の略１／４の深さを持つように形成されている。

また、導波管線路１２ａと導波管線路１２ｂとの間には、第１導体プレート１１ａと第２導体プレート１１ｂとを分割したときの隙間１７によって伝送線路１４ａが形成されている。また、導波管線路１２ｂと導波管線路１２ｃとの間には、隙間１７によって伝送線路１４ｂが形成されている。

図２に示すように、管軸方向と直交する分割面で接触されて構成された伝送線路プレートでは、上述した従来の伝送線路プレートや上記実施の形態１の伝送線路プレートとは異なり、導体プレートの分割面からの電磁波の漏れがほとんど発生しなくなるような理想分割面は存在しない。
これは、管軸方向と直交する分割面では、導波管線路内の側壁を流れる電流ベクトルを必ず分断するためである。

このような場合には、特許文献１に示されているように、導波管線路の端部から使用周波数における自由空間中の伝搬波長の略１／４離した位置に、使用周波数における自由空間中の伝搬波長の略１／４の深さを持つチョーク構造を設置することによって、性能悪化を抑えることができる。すなわち、チョーク構造を導波管線路の周囲に設けることにより、各導波管線路において、良好な反射特性や通過特性、あるいは他のチャンネルとの良好なアイソレーション特性を実現することができる。
しかしながら、上述したように、チョーク構造を形成することにより、伝送線路プレートのサイズが大きくなり、製造コストが増加するという問題点があった。

そこで、この実施の形態２の伝送線路プレートにおいて、導波管線路１２ａ〜１２ｃは、共通の分割面における隣接する導波管線路１２ａ〜１２ｃ間の伝送線路１４ａ、１４ｂの壁厚（導波管線路１２ａ〜１２ｃ間の導体プレートの厚さ）Ｄが、使用周波数における自由空間伝搬波長の略１／４（λ／４）になるように配置されている。
ここで、伝送線路１４ａ、１４ｂの壁厚Ｄを、自由空間伝搬波長の略１／４とすることにより、第１導体プレート１１ａと第２導体プレート１１ｂとを接触させたときの隙間１７によって形成される伝送線路１４ａ、１４ｂが、１／４波長のインピーダンス変成器として機能する。また、この伝送線路１４ａ、１４ｂの隣接するチャンネル側の端部は、隣接する導波管線路１２ａ〜１２ｃによって開放点となるので、自チャンネル側の端部では、等価的な短絡点を得ることができる。そのため、隣接する導波管線路１２ａ〜１２ｃ間にチョーク構造を設けることなく電磁波の漏れや反射を防止することができる。

この発明の実施の形態２に係る伝送線路構造物によれば、複数の伝送線路は、共通の分割面における隣接する伝送線路間の壁厚が、使用周波数における自由空間伝搬波長の略１／４になるように配置されている。
ここで、自由空間伝搬波長の略１／４の厚さを有する伝送線路間の壁は、１／４波長のインピーダンス変成器として機能し、隣接する伝送線路間にチョーク構造を設けることなく電磁波の漏れや反射を防止する。
そのため、導体の分割面からの電磁波の漏れや反射による性能悪化を抑制するとともに、チョーク構造をなくして伝送線路構造物の製造コストを低減することができる。また、導波管線路間の間隔を狭くすることができるので、伝送線路構造物のサイズを小型化することができる。
また、各導波管線路において、良好な反射特性や通過特性、あるいは他のチャンネルとの良好なアイソレーション特性を実現することができる。

ここで、導波管線路１２ａ〜１２ｃの両側に隣接する導波管線路が存在する場合には、上述したように伝送線路１４ａ、１４ｂを配置して良好な特性を得ることができるが、導波管線路の両側に隣接する導波管線路が存在しない場合には、隣接する導波管線路が存在しない側に、従来の伝送線路プレートと同様に、チョーク構造１３ａ、１３ｂまたはダミーの導波管線路を設ける必要がある。

なお、図３に示すように、隣接する導波管線路１２ａ〜１２ｃの管軸が互いにオフセットするように、すなわち導波管線路１２ａ〜１２ｃのそれぞれについて、管軸方向に直交する導波管線路１２ａ〜１２ｃの断面の一辺の中点と導波管線路１２ａ〜１２ｃの軸とを通る直線が、共通の分割面において互いにオフセットするように、導波管線路１２ａ〜１２ｃの位置を分割面内で変位させて配置することにより、各導波管線路１２ａ〜１２ｃ間のアイソレーション特性をさらに向上させることができる。

なお、上記実施の形態１、２では、伝送線路として導波管線路２ａ〜２ｃ、１２ａ〜１２ｃを挙げて説明したが、これに限定されない。伝送線路としては、同軸線路等が挙げられる。
これらの場合も、上記実施の形態１、２と同様の効果を奏することができる。

また、上記実施の形態１、２では、管軸方向に直交する導波管断面における短辺方向に導波管線路２ａ〜２ｃ、１２ａ〜１２ｃを隣接して配置したが、これに限定されず、導波管断面における長辺方向に導波管線路を隣接して配置してもよい。また、上述した導波管線路以外の伝送線路についても同様である。
これらの場合も、上記実施の形態１、２と同様の効果を奏することができる。

また、上記実施の形態１、２では、隣接する導波管線路２ａ〜２ｃ、１２ａ〜１２ｃ間に形成された伝送線路４ａ、４ｂ、１４ａ、１４ｂの壁厚Ｄが、使用周波数における自由空間伝搬波長の略１／４（λ／４）になっていると説明したが、これに限定されない。
隣接する導波管線路間に形成された伝送線路の壁厚は、使用周波数における自由空間伝搬波長の略１／４の奇数倍になっていてもよい。
この場合も、隣接する導波管線路間に形成された伝送線路が、１／４波長のインピーダンス変成器として機能するので、隣接する伝送線路間にチョーク構造を設けることなく電磁波の漏れや反射を防止することができる。
また、このとき、隣接する導波管線路間で、かつ導波管線路の端部から使用周波数における自由空間中の伝搬波長の略１／４離した位置に、使用周波数における自由空間中の伝搬波長の略１／４の深さを持つチョーク構造を形成することにより、導体の分割面からの電磁波の漏れや反射による性能悪化をさらに抑制することができる。

また、上記実施の形態１、２では、伝送線路プレートは、複数の導体プレートにより構成されると説明したが、これに限定されない。伝送線路プレートは、導体プレートを用いる代わりに、プラスチックや樹脂等を成型して形を作り、伝送線路として機能させる表面に導体をメッキ処理して構成してもよい。
これらの場合も、上記実施の形態１、２と同様の効果を奏することができる。

１ａ、１ｂ、１１ａ、１１ｂ 導体プレート、２ａ〜２ｃ、１２ａ〜１２ｃ 導波管線路（伝送線路）、３ａ、３ｂ、１３ａ、１３ｂ チョーク構造、４ａ、４ｂ、１４ａ、１４ｂ 伝送線路、６ａ〜６ｃ 結合スロット（付加構造物）。

Claims (2)

1. 電磁波を伝送するための導波管線路である複数の伝送線路が、前記複数の伝送線路に共通の分割面で分割される複数の導体により形成される伝送線路構造物であって、
   前記複数の伝送線路の各々は、前記共通の分割面における隣接する伝送線路間の導体の壁厚が、使用周波数における自由空間伝搬波長の略１／４の奇数倍になるように配置されていることを特徴とする伝送線路構造物。
2. 隣接する伝送線路間で、かつ前記伝送線路の端部から前記使用周波数における自由空間伝搬波長の略１／４離した位置に、前記使用周波数における自由空間伝搬波長の略１／４の深さを持つチョーク構造が形成されることを特徴とする請求項１に記載の伝送線路構造物。

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