JP5322223B2 - 右手／左手系複合導波管 - Google Patents

Description

本発明は電磁波を伝播させるための導波管であって右手系伝送路としても左手系伝送路としても動作可能な複合導波管およびその製造方法に関するものであり、さらに詳しくは、主導波管と先端短絡スタブとからなる単位構造体を周期的に配列した構造を有し、低損失かつ高耐電力であり、低コストで製造可能であるとともに、全体の構造を薄型の平板状にできる右手／左手系複合導波管に関するものである。

金属、誘電体、磁性体、超伝導体などの小片（単位構造体）を、波長に対して十分短い間隔（波長の１０分の１程度以下）で並べることで自然にはない性質を持った媒質を人工的に構成することができる。この媒質を自然にある媒質のカテゴリに比べてより大きいカテゴリに属する媒質と言う意味でメタマテリアル（metamaterials）と呼んでいる。メタマテリアルの性質は、単位構造体の形状、材質およびそれらの配置により様々に変化する。

中でも、等価的な誘電率εと透磁率μとが同時に負となるメタマテリアルは、その電界と磁界と波数ベクトルが左手系をなすことから「左手系媒質（ＬＨＭ：Left-Handed Materials）」と名付けられた。この左手系媒質を本明細書においては左手系メタマテリアルと呼ぶ。これに対して、等価的な誘電率εと透磁率μとが同時に正となる通常の媒質は「右手系媒質（ＲＨＭ：Right-Handed Materials）」と呼ばれる。これら誘電率ε、透磁率μと媒質との関係領域は、図１に示すように、誘電率εの正負および透磁率μの正負に応じた第１象限〜第４象限の媒質に分類できる。右手系媒質は第１象限の媒質であり、左手系媒質は第３象限の媒質である。

特に、左手系メタマテリアルは、波の群速度（エネルギーの伝播する速度）と位相速度（位相の進む速度）の符号が逆転している波（バックワード波と呼ばれる）の存在や、また、非伝播領域で指数関数的に減衰する波であるエバネセント波の増幅、等の特異な性質を持つものである。そして、左手系メタマテリアルによるバックワード波を伝送する線路を人工的に構成することができる。このことは、下記の非特許文献１、非特許文献２にも記載されているように公知である。

この左手系媒質構成の概念に基づき、金属パターンからなる単位セルを周期的に並べてバックワード波を伝播させる線路が提案されている。これまで、その伝送特性が理論的に取り扱われ、この線路が左手系伝送帯域を持つこと、左手系伝送帯域と右手系伝送帯域との間にバンドギャップが生じること、そのバンドギャップ幅は単位セル中のリアクタンスによりコントロールすることができること等が理論的に明らかになっている。これらに関しては、下記の非特許文献３に記載されている。

また、左手系媒質の特性を有する導波管としては、下記の非特許文献４、非特許文献５に記載されたものが提案されている。非特許文献４には、伝送する電磁波の周波数において伝搬領域となる主導波管と、主導波管中に設けた絞り（誘導性窓）と、主導波管から分岐した先端短絡スタブとを備えた周期構造の左手系導波管が記載されている。また、非特許文献５には、伝送する電磁波の周波数において遮断領域となる主導波管と、主導波管から分岐した先端短絡スタブとを備えた周期構造の左手系導波管が記載されている。この非特許文献５の左手系導波管における先端短絡スタブ中には誘電体が挿入されている。

D.R.Smith,W.J.Padilla,D.C.Vier,S.C.Nemat-Nasser,andS.Schultz,"Composite medium with simultaneously negative permeability and permittivity",Phys.Rev.Lett.,vol.84, no.18,p.4184-4187,May 2000 C.Caloz,and T.Itoh,"Application of the transmission line theory of left-handed (LH) materials to the realization of a microstrip LH line",IEEE-APS Int'l Symp. Digest,vol.2,p.412-415,June 2002 Atsushi Sanada,Chritophe Caloz and Tatsuo Itoh,"Characteristics of the Composite Right/Left-Handed Transmission Lines",IEEE Microwave and Wireless Component Letters,vol.14,no.2,p.68-70,February 2004 池田宇宙、榊原久二男、菊間信良、平山裕、"左手系導波管漏れ波スロットアレーアンテナのビーム走査特性"、２００７年電子情報通信学会総合大会講演論文集（ＢＳ−１−６）、２００７年３月、ｐ．Ｓ２１−Ｓ２２ 久保洋、笹井雅彦、真田篤志、"導波管型左手系線路とアンテナへの応用"、２００７年電子情報通信学会総合大会講演論文集（ＢＳ−１−５）、２００７年３月、ｐ．Ｓ１９−Ｓ２０

誘電体基板とその表面上の金属パターンとからなる平面型の左手系伝送線路は、誘電体による損失が比較的大きく、さらに基板の表面波モードとの結合によるエネルギー散逸があるという問題点があった。また、伝送し得る電力の上限値が小さい（低耐電力）という問題点があった。導波管型の左手系伝送路は、平面型の左手系伝送線路に比較して損失が小さく、伝送し得る電力の上限値を大きくすることができる。すなわち、低損失、高耐電力の伝送路とすることができる。

ただし、非特許文献４の左手系導波管は、主導波管中に誘導性窓となる絞りを設ける必要があり、構造が複雑となるため製造コストも増大してしまうという問題点があった。また、非特許文献５の左手系導波管は、誘導性窓が必要なく構造自体は簡素化されているが、先端短絡スタブ中に誘電体を挿入する必要があるため、製造工程においても導波管構造を形成する工程に加えて誘電体を挿入する工程が必要となり、製造工程が複雑で製造コストも増大してしまうという問題点があった。さらに、挿入した誘電体により損失が増加してしまうという問題点があった。

そこで、本発明は、右手系伝送路としても左手系伝送路としても動作可能な低損失かつ高耐電力の複合導波管を低コストで提供することを目的とする。そして、そのような右手／左手系複合導波管の形態を薄型の平板状構造として、小型機器および薄型機器への実装も可能とすることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の右手／左手系複合導波管は、複数の単位構造体が電磁波を伝送する方向に配列された構造の右手／左手系複合導波管であって、前記単位構造体は、幅寸法に比べて厚さ寸法が１／５以下の平板形状の主導波管と、前記主導波管から分岐され先端側が短絡された先端短絡スタブとからなり、前記先端短絡スタブは、前記主導波管からの分岐位置の近傍で前記主導波管とほぼ平行になるように折り曲げられた構造のものである。

また、本発明の右手／左手系複合導波管は、複数の単位構造体が電磁波を伝送する方向に配列された構造の右手／左手系複合導波管であって、前記単位構造体は、幅寸法に比べて厚さ寸法が１／５以下の平板形状の主導波管と、平板状の前記主導波管の上下面の一方の面から分岐され先端側が短絡された第１先端短絡スタブと、前記主導波管の上下面の他方の面から分岐され先端側が短絡された第２先端短絡スタブとからなり、前記第１先端短絡スタブおよび前記第２先端短絡スタブは、前記主導波管からの分岐位置の近傍で前記主導波管とほぼ平行になるように折り曲げられた構造のものである。

また、本発明の右手／左手系複合導波管は、複数の単位構造体が電磁波を伝送する方向に配列された構造の右手／左手系複合導波管であって、前記単位構造体は、幅寸法に比べて厚さ寸法が１／５以下の平板形状の主導波管と、平板状の前記主導波管の上下面の一方の面から分岐され先端側が短絡された第１先端短絡スタブと、前記主導波管の上下面の他方の面から分岐され先端側が短絡された第２先端短絡スタブとからなり、前記第１先端短絡スタブおよび前記第２先端短絡スタブは、前記主導波管からの分岐位置の近傍で前記主導波管とほぼ平行になるように折り曲げられた構造のものであり、前記第２先端短絡スタブは、外部空間に電磁波を放射する放射開口が設けられたものである。

また、本発明の右手／左手系複合導波管は、平板状の金属からなる第１層と、平板状の金属に前記先端短絡スタブの電磁波伝送空間となるべき空洞部を形成した第２層と、平板状の金属に先端短絡スタブの分岐部となるべき接続開口を形成した第３層と、平板状の金属に主導波管の電磁波伝送空間となるべき空洞部を形成した第４層と、平板状の金属からなる第５層とを、前記第１層から前記第５層をその順に互いに積層して接合し、前記先端短絡スタブを前記主導波管からの分岐位置の近傍で前記主導波管とほぼ平行になるように折り曲げられた構造とするとともに、全体を薄型の導波管としたものである。

また、本発明の右手／左手系複合導波管は、開口が形成された平板状の金属からなる第１層と、平板状の金属に第１先端短絡スタブの電磁波伝送空間となるべき空洞部を形成した第２層と、平板状の金属に前記第１先端短絡スタブの分岐部となるべき接続開口を形成した第３層と、平板状の金属に主導波管の電磁波伝送空間となるべき空洞部を形成した第４層と、平板状の金属に第２先端短絡スタブの分岐部となるべき接続開口を形成した第５層と、平板状の金属に前記第２先端短絡スタブの電磁波伝送空間となるべき空洞部を形成した第６層と、平板状の金属に、外部空間に電磁波を放射するための放射開口を形成した第７層とを、第１層から第７層をその順に互いに積層して接合し、前記第１先端短絡スタブおよび前記第２先端短絡スタブを前記主導波管からの分岐位置の近傍で前記主導波管とほぼ平行になるように折り曲げられた構造とするとともに、全体を薄型の導波管としたものである。

本発明は、以上のように構成されているので、以下のような効果を奏する。

本発明の右手／左手系複合導波管は、ミリ波領域以上の周波数において低損失かつ高耐電力の伝送路を実現するものである。また、本発明の右手／左手系複合導波管は構造が簡単であり、簡単な工程により製造することができ、製造コストも低減できる。さらに、右手／左手系複合導波管を極めて薄型に構成することができ、薄型機器や小型機器への実装にも適している。

本発明の右手／左手系複合導波管に放射開口を設けることにより、低損失かつ高耐電力のビーム走査機能を有する漏れ波アンテナを実現することができる。この漏れ波アンテナも極めて薄型に構成することができ、薄型機器や小型機器への実装にも適している。

誘電率ε、透磁率μの正負領域と媒質との関係を示す図である。 本発明の原型となった右手／左手系複合導波管４の構成を示す斜視図である。 右手／左手系複合導波管４を構成する単位構造体３の構造を示す図である。 右手／左手系複合導波管４の分散特性を示すグラフである。 本発明の第１の形態の右手／左手系複合導波管４１の側面図である。 右手／左手系複合導波管４１を下方から見た底面図である。 本発明の第２の形態の右手／左手系複合導波管５１の側面図である。 右手／左手系複合導波管５１を上方から見た平面図である。 右手／左手系複合導波管４１の製造方法を示す図である。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。まず、本発明の原型となった右手／左手系複合導波管について説明する。図２は、本発明の原型となった右手／左手系複合導波管４の構成を示す斜視図である。導体（典型的には金属）からなる断面が長方形の主導波管１には、周期的に配置された複数の先端短絡スタブ２が接続されている。図示のように、主導波管１の中心軸方向は、直交座標系（ｘｙｚ座標）のｚ軸方向とされている。電磁波は、右手／左手系複合導波管４のｚ軸方向に伝搬する。

導体（典型的には金属）からなる先端短絡スタブ２は、横方向（ｘ軸方向）の寸法が主導波管１の横方向（ｘ軸方向）の寸法よりも大きくなるように形成されている。先端短絡スタブ２と主導波管１の接続部は開口とされており、先端短絡スタブ２の先端側は短絡されている。先端短絡スタブ２は、ｚ軸と直交するように配置されており、ｘｙ平面と平行に設けられている。主導波管１と先端短絡スタブ２は、ｚ軸方向に周期性を有する周期構造体である。これは、１周期分の単位構造体３（図３参照）がｚ軸方向に周期的に密に配置されているのと等価である。

右手／左手系複合導波管４は、左手系導波管として動作可能であるとともに右手系導波管としても動作可能である。左手系導波管として動作する場合は、主導波管１は、伝送する電磁波の周波数において遮断領域となる寸法となっている。これに対して、先端短絡スタブ２は、伝送する電磁波の周波数において伝搬領域となる寸法とされている。さらに、先端短絡スタブ２は、主導波管１から見て容量性インピーダンスを示すように、ｙ軸方向の長さが設定されている。

言い換えれば、主導波管１が遮断領域となり、先端短絡スタブ２が伝搬領域となり、また、主導波管１から見て先端短絡スタブ２が容量性インピーダンスを示すような周波数では、右手／左手系複合導波管４は、左手系導波管として動作するのである。

右手／左手系複合導波管４が右手系導波管として動作する場合は、主導波管１および先端短絡スタブ２は、伝送する電磁波の周波数において伝搬領域となっている。また、先端短絡スタブ２は、主導波管１から見て誘導性インピーダンスを示すように、ｙ軸方向の長さが設定されている。言い換えれば、主導波管１および先端短絡スタブ２が伝搬領域となり、主導波管１から見て先端短絡スタブ２が誘導性インピーダンスを示すような周波数では、右手／左手系複合導波管４は、右手系導波管として動作するのである。

先端短絡スタブ２の内部の媒質は、主導波管１の内部の媒質と同一のものである。先端短絡スタブ２の横方向寸法が主導波管１の横方向寸法よりも大きくなるようにしているので、左手系導波管として動作させる場合でも動作条件を満足させることができる。

図３は、右手／左手系複合導波管４を構成する単位構造体３の構造を示す図である。単位構造体３は、主導波管１および先端短絡スタブ２からなり、ｚ軸方向の寸法Ｐは周期構造の周期（ピッチ）である。主導波管１と先端短絡スタブ２の接続部は開口１２とされており、電磁界は開口１２を通して相互に伝達される。先端短絡スタブ２の先端側は短絡されている。主導波管１の横方向（ｘ軸方向）寸法をＡとし、縦方向（ｙ軸方向）寸法をＢとする。先端短絡スタブ２の横方向（ｘ軸方向）寸法をＡｓとし、縦方向（ｚ軸方向）寸法をＢｓとする。また、先端短絡スタブ２の長さ（ｙ軸方向寸法）をＬｓとする。

右手／左手系複合導波管４は、このような構造の多数の単位構造体３がｚ軸方向にピッチＰで周期的に配置されているのと等価である。寸法ＢｓはピッチＰより小さくされており、ｚ軸方向に配列された先端短絡スタブ２と先端短絡スタブ２の間には寸法（Ｐ−Ｂｓ）の間隔が設けられる。このような単位構造体３の実際の寸法の例を次に示す。

Ｐ＝９．５［ｍｍ］
Ａ＝１９．０［ｍｍ］
Ｂ＝６．５［ｍｍ］
Ａｓ＝３８．０［ｍｍ］
Ｂｓ＝５．５［ｍｍ］
Ｌｓ＝１７．５［ｍｍ］
単位構造体３の各部の寸法を上記のようにした場合、右手／左手系複合導波管４が左手系導波管として動作するとともに、右手系導波管としても動作することが、電磁界シミュレーションによって確認されている。また、上記の寸法例の場合、左手系の伝送帯域と右手系の伝送帯域の間に非通過帯域（バンドギャップ）がなくなることが分かった。本発明では、このようにバンドギャップをなくすバランス型設計が可能である。

図４に、右手／左手系複合導波管４の分散特性を示す。右手／左手系複合導波管４の単位構造体３の寸法は前述の通りである。図４の分散特性は、ｚ軸方向に周期境界条件を与えて計算した有限要素法による電磁界シミュレーション結果である。図４のグラフの横軸はｚ軸方向の波数すなわち伝搬定数βを表すが、横軸目盛は伝搬定数βを（π／Ｐ）で規格化した値として表している。ただし、πは円周率、Ｐは単位構造体３のｚ軸方向の周期（ピッチ）である。図４のグラフの縦軸は伝送する電磁波の周波数である。

図４の分散特性を示す曲線の接線の傾きが負である領域は、この領域で右手／左手系複合導波管４が左手系媒質の特性となっていることを示すものである。前述のような構造・寸法の右手／左手系複合導波管４は、図示のように７．１８〜７．８６ＧＨｚの範囲で左手系媒質の特性を示し、７．８６〜１２．０ＧＨｚの範囲で右手系媒質の特性を示す。この右手／左手系複合導波管４では、左手系伝送特性と右手系伝送特性とがバンドギャップ無しに接続しており、バランス型の右手／左手系複合導波管が実現できている。この場合のバランス周波数は７．８６ＧＨｚである。

なお、右手／左手系複合導波管４の前述の寸法例は一例であり、他の任意の寸法とすることができる。右手／左手系複合導波管４の構造・寸法を変更すれば、左手系媒質・右手系媒質の特性を示す周波数領域も変化する。

図２のような右手／左手系複合導波管４を改良して薄型化可能な構造としたものが本発明の右手／左手系複合導波管である。図５および図６が本発明の第１の形態の右手／左手系複合導波管４１の構成を示す図である。図５は右手／左手系複合導波管４１の側面図であり、図６は右手／左手系複合導波管４１を下方から見た底面図である。右手／左手系複合導波管４１においても、主導波管１１の中心軸方向を直交座標系（ｘｙｚ座標）のｚ軸方向としている。電磁波は、右手／左手系複合導波管４１のｚ軸方向に伝搬する。

主導波管１１は、導体（典型的には金属）からなる断面が長方形の導波管であるが、厚さ方向（ｙ軸方向）の寸法（厚さ寸法）が横方向（ｘ軸方向）の寸法（幅寸法）に比べて十分に小さくされ、薄型構造の導波管とされている。具体的には主導波管１１の厚さ寸法が幅寸法の１／５以下である。

主導波管１１の下面側からは導体（典型的には金属）からなる先端短絡スタブ２１が周期的（ｚ軸方向に等間隔）に分岐している。先端短絡スタブ２１の先端側は短絡されている。先端短絡スタブ２１は、主導波管１１からの分岐位置においてはｚ軸と直交するように（ｘｙ平面と平行に）分岐しているが、分岐位置の近傍で主導波管１１の下面（ｘｚ平面）とほぼ平行になるように折り曲げられた構造となっている。これにより、右手／左手系複合導波管４１の厚さ（ｙ軸方向の寸法）を非常に小さく抑えることができ、薄型平板状の導波路や漏れ波アンテナを実現することができる。

先端短絡スタブ２１は、横方向（ｘ軸方向）の寸法が主導波管１１の横方向（ｘ軸方向）の寸法よりも大きくなるように形成されている。先端短絡スタブ２１と主導波管１の接続部は接続開口１１１とされており、主導波管１１と先端短絡スタブ２１は接続開口１１１によって結合されている。

この右手／左手系複合導波管４１は、ｚ軸方向に周期性を有する周期構造体である。これは、１周期分の単位構造体がｚ軸方向に周期的に密に配置されているのと等価である。なお、図５、図６では、点線で示す境界線の間が単位構造体３１を構成している。図示のように、単位構造体３１がｚ軸方向にピッチＰで密に配置されている。

右手／左手系複合導波管４１は、左手系導波管として動作可能であるとともに右手系導波管としても動作可能である。左手系導波管として動作する場合は、主導波管１１は、伝送する電磁波の周波数において遮断領域となる寸法となっている。これに対して、先端短絡スタブ２１は、伝送する電磁波の周波数において伝搬領域となる寸法とされている。さらに、先端短絡スタブ２１は、主導波管１１から見て容量性インピーダンスを示すように全体の長さが設定されている。

言い換えれば、主導波管１１が遮断領域となり、先端短絡スタブ２１が伝搬領域となり、また、主導波管１１から見て先端短絡スタブ２１が容量性インピーダンスを示すような周波数では、右手／左手系複合導波管４１は、左手系導波管として動作するのである。

右手／左手系複合導波管４１が右手系導波管として動作する場合は、主導波管１１および先端短絡スタブ２１は、伝送する電磁波の周波数において伝搬領域となっている。また、先端短絡スタブ２１は、主導波管１１から見て誘導性インピーダンスを示すように、全体の長さが設定されている。言い換えれば、主導波管１１および先端短絡スタブ２１が伝搬領域となり、主導波管１１から見て先端短絡スタブ２１が誘導性インピーダンスを示すような周波数では、右手／左手系複合導波管４１は、右手系導波管として動作するのである。

この構造の右手／左手系複合導波管４１においても、左手系の伝送帯域と右手系の伝送帯域の間のバンドギャップをなくすバランス型設計が可能である。このようなバランス型の右手／左手系複合導波管４１では、バランス周波数よりも低い周波数領域において左手系伝送特性を示し、バランス周波数よりも高い周波数領域において右手系伝送特性を示す。そして、バランス周波数において左手系伝送特性と右手系伝送特性とが連続的に接続されている。

次に、本発明の第２の形態の右手／左手系複合導波管について説明する。図７および図８が本発明の第２の形態の右手／左手系複合導波管５１の構成を示す図である。図７は右手／左手系複合導波管５１の側面図であり、図８は右手／左手系複合導波管５１を上方から見た平面図である。右手／左手系複合導波管５１においても、主導波管１１の中心軸方向を直交座標系（ｘｙｚ座標）のｚ軸方向としている。電磁波は、右手／左手系複合導波管５１のｚ軸方向に伝搬する。

主導波管１１は、導体（典型的には金属）からなる断面が長方形の導波管であるが、厚さ方向（ｙ軸方向）の寸法（厚さ寸法）が横方向（ｘ軸方向）の寸法（幅寸法）に比べて十分に小さくされ、薄型構造の導波管とされている。具体的には主導波管１１の厚さ寸法が幅寸法の１／５以下である。

主導波管１１の下面側からは導体（典型的には金属）からなる先端短絡スタブ２１が周期的（ｚ軸方向に等間隔）に分岐している。先端短絡スタブ２１の先端側は短絡されている。先端短絡スタブ２１は、主導波管１１からの分岐位置においてはｚ軸と直交するように（ｘｙ平面と平行に）分岐しているが、分岐位置の近傍で主導波管１１の下面（ｘｚ平面）とほぼ平行になるように折り曲げられた構造となっている。

先端短絡スタブ２１は、横方向（ｘ軸方向）の寸法が主導波管１１の横方向（ｘ軸方向）の寸法よりも大きくなるように形成されている。先端短絡スタブ２１と主導波管１の接続部は開口とされている。

この右手／左手系複合導波管５１は、ｚ軸方向に周期性を有する周期構造体である。これは、１周期分の単位構造体がｚ軸方向に周期的に密に配置されているのと等価である。なお、図７、図８では、点線で示す境界線の間が単位構造体３２を構成している。図示のように、単位構造体３２がｚ軸方向にピッチＰで密に配置されている。

以上の主導波管１１および先端短絡スタブ２１の構成は図５、図６に示した右手／左手系複合導波管４１と同様である。右手／左手系複合導波管５１では、それに加えて主導波管１１の上面に第２の先端短絡スタブ２２を設けている。第２の先端短絡スタブ２２も、導体（典型的には金属）からなり、先端側が短絡されている。また、第２の先端短絡スタブ２２も、主導波管１１からの分岐位置においてはｚ軸と直交するように（ｘｙ平面と平行に）分岐しているが、分岐位置の近傍で主導波管１１の上面（ｘｚ平面）とほぼ平行になるように折り曲げられた構造となっている。

なお、図７、図８では、第２の先端短絡スタブ２２と先端短絡スタブ２１とがｚ軸方向の逆側に折り曲げられているが、必ずしもこのようにする必要はない。両方のスタブをｚ軸方向の同じ側に折り曲げられた構造としてもよい。

この第２の形態の右手／左手系複合導波管５１は、導波管を漏れ波アンテナとして応用する例であり、第２の先端短絡スタブ２２の上面側には電磁波を放射するための放射スロット２２１が形成されている。放射スロット２２１は細長いスロット形状の開口である。この放射スロット２２１から特定の方向に電磁波を放射して、ビーム走査アンテナとして使用することができる。電磁波の周波数を変更することにより電磁波の放射方向を制御することができる。導波管の伝送特性が左手系伝送特性から右手系伝送特性まで連続的に変化するので、電磁波の放射方向を幅広く変化させることができる。

第２の先端短絡スタブ２２は、右手／左手系複合導波管５１の伝送特性を狭帯域化するために設けられている。右手／左手系複合導波管５１をビーム走査アンテナとして使用する場合には、伝送特性の帯域が広いと電磁波の放射方向を変更するために周波数を大きく変化させなければならなくなる。そこで、右手／左手系複合導波管５１の伝送特性を狭帯域化することにより、周波数の変化が小さくても放射方向を幅広く変化させることができるようになる。検討の結果、誘導性の第２の先端短絡スタブ２２を設けることにより、伝送特性を狭帯域化できることが分かった。

第２の先端短絡スタブ２２は、横方向（ｘ軸方向）の寸法が主導波管１１の横方向（ｘ軸方向）の寸法よりも大きくなるように形成されている。第２の先端短絡スタブ２２と主導波管１の接続部は接続開口１１２とされており、主導波管１１と第２の先端短絡スタブ２２は接続開口１１２によって結合されている。右手／左手系複合導波管５１は、ｚ軸方向に周期性を有する周期構造体である。これは、主導波管１１、先端短絡スタブ２１および第２の先端短絡スタブ２２からなる１周期分の単位構造体３２がｚ軸方向に周期的に密に配置されているのと等価である。

右手／左手系複合導波管５１は、左手系導波管として動作可能であるとともに右手系導波管としても動作可能である。左手系導波管として動作する場合は、主導波管１１は、伝送する電磁波の周波数が遮断領域となっている。これに対して、先端短絡スタブ２１は、伝送する電磁波の周波数が伝搬領域となっており、主導波管１１から見て容量性インピーダンスを示す。第２の先端短絡スタブ２２は、その周波数が伝搬領域であり、主導波管１１から見て誘導性インピーダンスを示す。

右手／左手系複合導波管５１が右手系導波管として動作する場合は、主導波管１１、先端短絡スタブ２１および第２の先端短絡スタブ２２は、伝送する電磁波の周波数において伝搬領域となっている。そして、先端短絡スタブ２１および第２の先端短絡スタブ２２は、主導波管１１から見て誘導性インピーダンスを示す。

この構造の右手／左手系複合導波管５１においても、左手系の伝送帯域と右手系の伝送帯域の間のバンドギャップをなくすバランス型設計が可能である。この右手／左手系複合導波管５１を漏れ波アンテナとして使用することにより、非常に薄型の平板状アンテナを実現することができる。右手／左手系複合導波管５１に伝送される電磁波の周波数を変更することにより、漏れ波アンテナの放射特性を変更することができる。導波管が右手系となる周波数から左手系となる周波数まで連続的に変化させることで、電磁波の放射方向を前方から後方まで１８０度走査することができる。すなわち、右手／左手系複合導波管５１によりビーム走査機能を有する漏れ波アンテナを実現できる。

なお、ここでは第２の先端短絡スタブ２２に放射スロット２２１を形成するようにしたが、放射スロット２２１は第２の先端短絡スタブ２２に限らずどこに設けてもよい。例えば、放射スロットを主導波管１１や先端短絡スタブ２１に設けるようにしてもよい。さらには、放射スロット２２１を全く形成せずに漏れのない導波管とすることもできる。

また、図８では各放射スロット２２１が全て同じ形状であるように表示しているが、各放射スロット２２１の幅や長さをｚ軸方向の位置に応じて順次変化させるようにしてもよい。各放射スロット２２１の幅や長さを順次変化させた場合は、全て同一形状の場合とは放射特性が異なってくる。望ましい放射特性となるように各放射スロット２２１の幅や長さを順次変化させることができる。

次に、第１の形態の右手／左手系複合導波管４１および第２の形態の右手／左手系複合導波管５１の製造方法について説明する。図９は、右手／左手系複合導波管４１の製造方法を示す図である。図５、図６に示すような構造の右手／左手系複合導波管４１は、図９に示すように、５層の金属層から製造することができる。

第１層４１１と第５層４１５は、開口も溝もない一様な金属板である。第２層４１２も金属板であるが、この第２層４１２には先端短絡スタブ２１の電磁波伝送空間となるべき空洞部が形成されている。次の第３層４１３を構成する金属板には、主導波管１１から先端短絡スタブ２１が分岐するための接続開口１１１が形成されている。そして、第４層４１４の金属板には、主導波管１１の電磁波伝送空間となるべき空洞部が形成されている。これらの第１層４１１から第５層４１５を、この順に互いに積層して接合すると、薄型の右手／左手系複合導波管４１が製造できる。

また、第２の形態の右手／左手系複合導波管５１も、図９と同様の金属層の積層によって製造することができる。図９における第４層４１４と第５層４１５の間に、第２の先端短絡スタブ２２が分岐するための接続開口１１２が形成された金属層と、第２の先端短絡スタブ２２の電磁波伝送空間となるべき空洞部が形成された金属層を積層すればよい。そして、一番上面となる金属層には、外部空間に電磁波を放射するための放射スロット２２１を形成しておく。このように、右手／左手系複合導波管５１は全部で７層の金属層から製造することができる。

以上のような右手／左手系複合導波管４１，５１は、ミリ波領域以上の周波数において低損失かつ高耐電力の伝送路を実現するものである。また、右手／左手系複合導波管５１のように放射スロットを設けることにより、低損失かつ高耐電力の漏れ波アンテナを実現することができる。また、本発明の右手／左手系複合導波管は、図９に示すような金属層の積層体により容易に製造することができ、製造コストも低減できる。このような右手／左手系複合導波管４１，５１は、極めて薄型に構成することができ、薄型機器や小型機器への実装にも適している。

以上の右手／左手系複合導波管において、単位構造体はｚ軸方向に等間隔で周期的に配置されていることが望ましい。しかし、単位構造体の位置が厳密に正確な周期性を持っていなくとも右手／左手系複合導波管として機能するので、ある程度の範囲での位置ずれは許容される。すなわち、単位構造体の位置は、完全に等間隔で周期的な配置ばかりでなく周期的位置からのずれを含んでいてもよい。また、単位構造体の間隔を所定の数式や規則に従って変化させるような規則的な配置としてもよい。ここで、規則的な配置とは周期的な配置を含むものである。

以上のような右手／左手系複合導波管の応用例としては、バックワード波を利用した位相器や全方向放射漏波アンテナ、分散性を利用したビームスキャンアンテナ、デュアルバンド回路、プレディストータ、パルス成形回路など、その他、強結合バックワードカプラ、零次共振器、デュアルバンド共振器等、数多くの種類の応用機器がある。

さらに、右手／左手系の伝送特性の間にバンドギャップを持たないバランス型の右手／左手系複合導波管として設計することができる。バランス型とすることで、小さな周波数範囲の調整で大きな特性変化を得るデバイスを実現することができる。また、誘電率可変媒質、透磁率可変媒質、構造・寸法可変機構などを利用することにより、一定の周波数であっても波数を正負の範囲で大きく変更できるデバイスを実現することができる。

本発明の右手／左手系複合導波管は、低損失かつ動作周波数が広帯域であり、広範囲の産業分野で利用できる。すなわち、本発明の右手／左手系複合導波管を利用して新規な機能を有するアンテナ、位相器、共振器、結合器などの種々の応用機器を実現することができる。

１，１１ 主導波管
２，２１ 先端短絡スタブ
３，３１，３２ 単位構造体
４，４１，５１ 右手／左手系複合導波管
１２ 開口
２２ 第２の先端短絡スタブ
１１１，１１２ 接続開口
２２１ 放射スロット
４１１ 第１層
４１２ 第２層
４１３ 第３層
４１４ 第４層
４１５ 第５層

Claims (5)

1. 複数の単位構造体（３１）が電磁波を伝送する方向に配列された構造の右手／左手系複合導波管であって、
   前記単位構造体（３１）は、幅寸法に比べて厚さ寸法が１／５以下の平板形状の主導波管（１１）と、前記主導波管（１１）から分岐され先端側が短絡された先端短絡スタブ（２１）とからなり、
   前記先端短絡スタブ（２１）は、前記主導波管（１１）からの分岐位置の近傍で前記主導波管（１１）とほぼ平行になるように折り曲げられた構造のものである右手／左手系複合導波管。
2. 複数の単位構造体（３２）が電磁波を伝送する方向に配列された構造の右手／左手系複合導波管であって、
   前記単位構造体（３２）は、幅寸法に比べて厚さ寸法が１／５以下の平板形状の主導波管（１１）と、平板状の前記主導波管（１１）の上下面の一方の面から分岐され先端側が短絡された第１先端短絡スタブ（２１）と、前記主導波管（１１）の上下面の他方の面から分岐され先端側が短絡された第２先端短絡スタブ（２２）とからなり、
   前記第１先端短絡スタブ（２１）および前記第２先端短絡スタブ（２２）は、前記主導波管（１１）からの分岐位置の近傍で前記主導波管（１１）とほぼ平行になるように折り曲げられた構造のものである右手／左手系複合導波管。
3. 複数の単位構造体（３２）が電磁波を伝送する方向に配列された構造の右手／左手系複合導波管であって、
   前記単位構造体（３２）は、幅寸法に比べて厚さ寸法が１／５以下の平板形状の主導波管（１１）と、平板状の前記主導波管（１１）の上下面の一方の面から分岐され先端側が短絡された第１先端短絡スタブ（２１）と、前記主導波管（１１）の上下面の他方の面から分岐され先端側が短絡された第２先端短絡スタブ（２２）とからなり、
   前記第１先端短絡スタブ（２１）および前記第２先端短絡スタブ（２２）は、前記主導波管（１１）からの分岐位置の近傍で前記主導波管（１１）とほぼ平行になるように折り曲げられた構造のものであり、
   前記第２先端短絡スタブ（２２）は、外部空間に電磁波を放射する放射開口（２２１）が設けられたものである右手／左手系複合導波管。
4. 平板状の金属からなる第１層（４１１）と、
   平板状の金属に前記先端短絡スタブ（２１）の電磁波伝送空間となるべき空洞部を形成した第２層（４１２）と、
   平板状の金属に先端短絡スタブ（２１）の分岐部となるべき接続開口（１１１）を形成した第３層（４１３）と、
   平板状の金属に主導波管（１１）の電磁波伝送空間となるべき空洞部（１１）を形成した第４層（４１４）と、
   平板状の金属からなる第５層（４１５）とを、
   前記第１層（４１１）から前記第５層（４１５）の順に互いに積層して接合し、前記先端短絡スタブ（２１）を前記主導波管（１１）からの分岐位置の近傍で前記主導波管（１１）とほぼ平行になるように折り曲げられた構造とするとともに、全体を薄型の導波管としたものである右手／左手系複合導波管。
5. 平板状の金属からなる第１層と、
   平板状の金属に第１先端短絡スタブ（２１）の電磁波伝送空間となるべき空洞部を形成した第２層と、
   平板状の金属に前記第１先端短絡スタブ（２１）の分岐部となるべき接続開口を形成した第３層と、
   平板状の金属に主導波管（１１）の電磁波伝送空間となるべき空洞部を形成した第４層と、
   平板状の金属に第２先端短絡スタブ（２２）の分岐部となるべき接続開口（１１２）を形成した第５層と、
   平板状の金属に前記第２先端短絡スタブ（２２）の電磁波伝送空間となるべき空洞部を形成した第６層と、
   平板状の金属に、外部空間に電磁波を放射するための放射開口（２２１）を形成した第７層とを、
   前記第１層から前記第７層の順に互いに積層して接合し、前記第１先端短絡スタブ（２１）および前記第２先端短絡スタブ（２２）を前記主導波管（１１）からの分岐位置の近傍で前記主導波管（１１）とほぼ平行になるように折り曲げられた構造とするとともに、全体を薄型の導波管としたものである右手／左手系複合導波管。
   

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