JP5385057B2 - 左手／右手系複合伝送路 - Google Patents

Description

本発明は、左手／右手系複合伝送路に関するものである。

一般に、伝送線路として用いられる同軸線路やマイクロストリップ線路等は、インダクタＬ_R及びキャパシタＣ_Rを用いた等価回路で表すと、入力と出力との間にインダクタＬ_Rが複数直列に接続され、入力−出力間とグランドとの間にキャパシタＣ_Rが接続されたＬＣＬ構造のローパスフィルタ（ＬＰＦ）の構成をとるものであった。このようなＬＣＬ構造の伝送路は、右手系伝送路と呼ばれ、位相−周波数特性が線形となる特性を備えている。

これに対して、位相−周波数特性が非線形となる特性を備えた左手系伝送路が研究されている。この左手系伝送路は、インダクタＬ_L及びキャパシタＣ_Lを用いた等価回路で表すと、入力と出力との間にキャパシタＣ_Lが複数直列接続され、入力−出力間とグランドとの間にインダクタＬ_Lが接続されたＣＬＣ構造のハイパスフィルタ（ＨＰＦ）の構成をとることになる。現実的には純粋なＣＬＣ構造の左手系伝送路は存在せずに、左手系伝送路と右手系伝送路とを組み合わせた左手／右手系複合伝送路を左手系伝送路として用いている。

上記左手／右手系複合伝送路は、インダクタＬ_R、Ｌ_LとキャパシタＣ_R、Ｃ_Lを用いた等価回路で表すと、入力と出力との間にインダクタＬ_R及びキャパシタＣ_Lが複数直列接続され、入力−出力間とグランドとの間に互いに並列接続されたインダクタＬ_L及びキャパシタＣ_Rが接続されている。

上述したような等価回路を実現する左手／右手系複合伝送路として、例えば、図５に示された構成のものが提案されている（非特許文献１）。同図に示すように、左手／右手系複合伝送路１００は、立方体状の誘電性を有する誘電体セラミック１０１と、この誘電体セラミック１０１の表面に設けられた４枚のグランド板１０２と、この誘電体セラミック１０１内に設けられた複数の導体ユニット１０３と、を備えている。

上記４枚のグランド板１０２は、互いに連結されて接地されている。４枚のグランド板１０２は、誘電体セラミック１０１を囲むように誘電体セラミック１０１の図５中の正面、背面、上面及び下面にそれぞれ配置されている。上記導体ユニット１０３は、図５に示す例では２つ設けられている。この導体ユニット１０３は各々、断面Ｕ字状のＵ字導体板１０３ａと、メアンダライン導体板１０３ｂと、から構成されている。上記Ｕ字導体板１０３ａは、誘電体セラミック１０１の正面及び背面に対してそれぞれ平行に配置された一対の平行導体板１０３ａ−１と、一対の平行導体板１０３ａ−１の上面側の端部同士を連結する連結導体板１０３ａ−２と、が一体に形成されている。

上記メアンダライン導体板１０３ｂは、ジグザグに蛇行して設けられていて、上記連結板１０３ａ−２と誘電体セラミック１０１の下面に設けられたグランド板１０２との間を接続する。上述した導体ユニット１０３は、隣り合う導体ユニット１０３の平行導体板１０３ａ−１同士が互いに離間しかつ平行になるように複数並べて設けられている。

次に、上述した構成の図５に示す左手／右手系複合伝送路１００とＬＣ等価回路との関係を図６を参照して説明する。同図に示すように、互いに隣り合う導体ユニット１０３の平行導体板１０３ａ−１間のギャップにキャパシタＣ_Lが生じ、メアンダライン導体板１０３ｂにインダクタＬ_Lが生じる。また、連結導体板１０３ａ−２にインダクタ１／２Ｌ_Rが生じ、この連結導体板１０３ａ−２と誘電体セラミック１０１の上面に配置されたグランド板１０２との間のギャップにキャパシタＣ_Rが生じる。

結果、上述した図５に示す左手／右手系複合伝送路１００のＬＣ等価回路は、図９に示すようになる。即ち、左手／右手系複合伝送路１００は、入力と出力との間にインダクタ１／２Ｌ_R、インダクタ１／２Ｌ_R、キャパシタＣ_L、インダクタ１／２Ｌ_R、インダクタ１／２Ｌ_Rがこの順に直列接続され、インダクタ１／２Ｌ_Rとインダクタ１／２Ｌ_Rとの間に互いに並列接続されたキャパシタＣ_R及びインダクタＬ_Lが接続される。

上述した図５に示す左手／右手系複合伝送路１００では、誘電体セラミック１０１の４面に４枚のグランド板１０２を設ける必要があり、構造が複雑になるという問題があった。また、図６に示すように上記キャパシタＣ_Rが連結導体板１０３ａ−２と誘電体セラミック１０１の上面に配置されたグランド板１０２との間のギャップに生じているので、キャパシタＣ_Rの値を大きくするためには、上記連結導体板１０３ａ−２の面積を大きくする必要がある。しかしながら、左手／右手系複合伝送路１００を薄型にするために上記連結導体板１０３ａ−２の面積を大きくすることができず、キャパシタＣ_Rの値を制御することが困難である、という問題があった。

また、上述した左手／右手系複合伝送路１００の従来例として、例えば、図７に示された構成のものも提案されている（非特許文献２）。同図に示すように、左手／右手系複合伝送路１００は、立方体状の誘電性を有する誘電体セラミック１０１と、この誘電体セラミック１０１の表面に設けられた４枚のグランド板１０２と、この誘電体セラミック１０１内に設けられた複数の導体ユニット１０３と、出力ストリップライン１０４と、入力ストリップライン１０５と、を備えている。

上記４枚のグランド板１０２は、互いに連結されて接地されている。４枚のグランド板１０２は、誘電体セラミック１０１を囲むように誘電体セラミック１０１の図７中の正面、背面、上面及び下面にそれぞれ配置されている。上記導体ユニット１０３は、図７に示す例では２つ設けられている。この導体ユニット１０３は各々、断面Ｕ字状のＵ字導体板１０３ａと、線状導体板１０３ｃと、から構成されている。Ｕ字導体板１０３ａは、誘電体セラミック１０１の上面及び下面に対してそれぞれ平行に配置された一対の平行導体板１０３ａ−１と、この一対の平行導体板１０３ａ−１の正面側の端部同士を連結する連結導体板１０３ａ−２と、が一体に形成されている。

上記線状導体板１０３ｃは、直線状に設けられていて、Ｕ字導体板１０３ａと誘電体セラミック１０１の正面に設けられたグランド板１０２との間を接続する。上述した導体ユニット１０３は、隣り合う導体ユニット１０３の平行導体板１０３ａ−１同士が互いに離間しかつ平行になるように複数並べて設けられている。上記出力ストリップライン１０４は、下面側に設けられた導体ユニット１０３の下面側の平行導体板１０３ａ−１から突出して設けられている。上記入力ストリップライン１０５は、上面側に設けられた導体ユニット１０３の上面側の平行導体板１０３ａ−１から突出して設けられている。

次に、上述した構成の図７に示す左手／右手系複合伝送路１００とＬＣ等価回路との関係を図８を参照して説明する。同図に示すように、互いに隣り合う導体ユニット１０３の平行導体板１０３ａ−１間のギャップにキャパシタＣ_Lが生じ、線状導体板１０３ｃにインダクタＬ_Lが生じる。また、平行導体板１０３ａ−１にインダクタ１／２Ｌ_Rが生じ、連結導体板１０３ａ−２と誘電体セラミック１０１の正面に配置されたグランド板１０２との間のギャップにキャパシタＣ_Rが生じる。結果、上述した図７に示す左手／右手系複合伝送路１００のＬＣ等価回路は、図５に示す左手／右手系複合伝送路１００と同様に、図９に示すようになる。

そして、上述した図７に示す左手／右手系複合伝送路１００も、図５と同様に、誘電体セラミック１０１の４面に４枚のグランド板１０２を設ける必要があり、構造が複雑になるという問題があった。また、キャパシタＣ_Rは、連結導体板１０３ａ−２と誘電体セラミック１０１の正面に配置されたグランド板１０２との間のギャップに生じているので、キャパシタＣ_Rを大きくするには連結導体板１０３ａ−２を大きくする必要がある。しかしながら、左手／右手系複合伝送路１００を薄型にするためには、上記連結導体板１０３ａ−２の面積を大きく取ることができず、キャパシタＣ_Rの値を制御することが困難である、という問題があった。

Y.Horii,C.Caloz and T.Itoh,"Super-compact multilayered left-handed transmission line and diplexer application,"IEEE Trans.Microwave Theory and Techinques,vol.53,pp.1527-1534.Apr.2005 Y.horii,A. Tanaka, T. Hayashi and Y .IIDA ," A compact multilayered wideband bandpass filter exhibuting left-handed and right-handed behaviors,"IEICE Trans.Electron., vol E89-C,pp.1348-1350,2006.

そこで、本発明は、グランド板を１枚にして構成を簡単にすると共に、薄型を保ちつつ簡単にキャパシタＣ_Rの値を制御することができる左手／右手系複合伝送路を提供することを課題とする。

上述した課題を解決するためになされた請求項１記載の発明は、接地された１枚のグランド板と、（ａ）前記グランド板に対してそれぞれ垂直に配置された互いに平行な一対の平行導体板、前記一対の平行導体板の前記グランド板から離れた側の端部同士を連結する連結導体板、及び、前記一対の平行導体板の前記グランド板側の端部と前記グランド板との間をそれぞれ接続する一対の線状導体板、が一体に形成された断面Ｕ字状の第１導体板と、（ｂ）一端が、前記一対の平行導体板に対して平行となり、かつ、前記第１導体板と離間するように、前記一対の平行導体板間に挿入されると共に他端がグランド板に接続された第２導体板と、から構成される複数の導体ユニットと、を備え、前記複数の導体ユニットが、隣り合う導体ユニットの平行導体板同士が互いに離間しかつ平行になるように複数並べて設けられていることを特徴とする左手／右手系複合伝送路に存する。

以上説明したように請求項１記載の発明によれば、第２導体板を設けることにより、平行導体板と第２導体板との間のギャップにキャパシタＣ_Rが生じる。従って、グランド板を１枚にすることができる。また、キャパシタＣ_Rの値を制御するには平行導体板と第２導体板とが重なる面積を制御すればよく、薄型を保ちつつキャパシタＣ_Rの値を簡単に制御することができる。

（Ａ）は本発明の左手／右手系複合伝送路の一実施形態を示す斜視図であり、（Ｂ）は（Ａ）に示す左手／右手系複合伝送路の正面図であり、（Ｃ）は（Ａ）に示す左手／右手系複合伝送路の側面図である。 図１に示す左手／右手系複合伝送路とＬＣ等価回路との関係を示す説明図である。 図１に示す左手／右手系複合伝送路のＬＣ等価回路を示す回路図である。 図１に示す左手／右手系複合伝送路の周波数−位相特性を示すグラフである。 （Ａ）は従来の左手／右手系複合伝送路の一例を示す斜視図であり、（Ｂ）は（Ａ）に示す左手／右手系複合伝送路の正面図であり、（Ｃ）は（Ａ）に示す左手／右手系複合伝送路の側面図である。 図５に示す左手／右手系複合伝送路とＬＣ等価回路との関係を示す説明図である。 （Ａ）は従来の左手／右手系複合伝送路の一例を示す斜視図であり、（Ｂ）は（Ａ）に示す左手／右手系複合伝送路の上面図であり、（Ｃ）は（Ａ）に示す左手／右手系複合伝送路の側面図である。 図７に示す左手／右手系複合伝送路と等価回路との関係を示す説明図である。 図５及び図７に示す左手／右手系複合伝送路のＬＣ等価回路を示す回路図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１に示すように、左手/右手系複合伝送路１は、立方体状の誘電性を有する誘電体セラミック２と、この誘電体セラミック２の表面に設けられた１枚のグランド板３と、この誘電体セラミック２内に設けられた複数の導体ユニット４と、を備えている。

上記１枚のグランド板３は、誘電体セラミック２の一面に設けられている。本実施形態では、１枚のグランド板３は、誘電体セラミック２の図１中の下面に設けられている。上記導体ユニット４は、本実施形態では２つ設けられている。この導体ユニット４は各々、断面Ｕ字状のＵ字導体板４ａ（第１導体板）と、平面視四角形状の導体板４ｂ（第２導体板）と、を備えている。Ｕ字導体板４ａは、グランド板３に対してそれぞれ垂直に配置された互いに平行な一対の平行導体板４ａ−１と、一対の平行導体板４ａ−１のグランド板３から離れた側の端部同士を連結する連結導体板４ａ−２と、一対の平行導体板４ａ−１のグランド板３側の端部−グランド板３の間をそれぞれ接続する一対の線状導体板４ａ−３と、が一体に形成されている。

上記導体板４ｂは、一端が、一対の平行導体板４ａ−１に対して平行となり、かつ、Ｕ字導体板４ａと離間するように、一対の平行導体板４ａ−１間に挿入されると共に他端がグランド板３に接続されている。上述した複数の導体ユニット４は、隣り合う導体ユニット４の平行導体板４ａ−１同士が互いに離間しかつ平行に設けられている。

次に、上述した構成の図１に示す左手／右手系複合伝送路１とＬＣ等価回路との関係を図２を参照して説明する。同図に示すように、互いに隣り合う導体ユニット４の平行導体板４ａ−１間のギャップにキャパシタＣ_Lが生じる。また、導体板４ｂにそれぞれインダクタＬ_Lが生じる。さらに、平行導体板４ａ−１と導体板４ｂとの間のギャップにそれぞれキャパシタＣ_Rが生じ、連結導体板４ａ−２にインダクタＬ_Rが生じる。

結果、図１に示す左手／右手系複合伝送路１のＬＣ等価回路は図３に示すようになる。即ち、入力と出力との間にインダクタＬ_R、キャパシタＣ_L、インダクタＬ_Rがこの順に直列に接続され、インダクタＬ_R−キャパシタＣ_L間とグランドとの間に互いに並列接続されたキャパシタＣ_R及びインダクタＬ_Lが接続される。

次に、本発明者らは、上述した図１に示す左手／右手系複合伝送路１を作製し、作製した左手／右手系複合伝送路１に対する入力信号の周波数を０〜２．５ＧＨｚの範囲で変化させたときの出力信号の位相を測定した。結果を図４に示す。同図から明らかなように、図１に示す左手／右手計複合伝送路１の位相特性は非線形となっていることから、左手系媒体の特徴を有していることが分かる。

上述した構成の左手／右手系複合伝送路１によれば、導体板４ｂを設けることにより、平行導体板４ａ−１と導体板４ｂとの間のギャップにキャパシタＣ_Rが生じる。従って、グランド板３を１枚にすることができる。また、キャパシタＣ_Rの値を制御するには平行導体板４ａ−１と導体板４ｂとが重なる面積を制御すればよく、薄型を保ちつつキャパシタＣ_Rの値を簡単に制御することができる。

なお、上述した実施形態によれば、左手／右手系複合伝送路１は２つの導体ユニット４から構成されていたが、本発明はこれに限ったものではない。導体ユニット４としては、２つ以上の複数設けられていればよい。

また、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

１ 左手／右手系複合伝送路
３ グランド板
４ 導体ユニット
４ａ Ｕ字導体板（第１導体板）
４ａ−１ 平行導体板
４ａ−２ 連結導体板
４ａ−３ 線状導体板
４ｂ 導体板（第２導体板）

Claims (1)

1. 接地された１枚のグランド板と、
   （ａ）前記グランド板に対してそれぞれ垂直に配置された互いに平行な一対の平行導体板、前記一対の平行導体板の前記グランド板から離れた側の端部同士を連結する連結導体板、及び、前記一対の平行導体板の前記グランド板側の端部と前記グランド板との間をそれぞれ接続する一対の線状導体板、が一体に形成された断面Ｕ字状の第１導体板と、（ｂ）一端が、前記一対の平行導体板に対して平行となり、かつ、前記第１導体板と離間するように、前記一対の平行導体板間に挿入されると共に他端がグランド板に接続された第２導体板と、から構成される複数の導体ユニットと、を備え、
   前記複数の導体ユニットが、隣り合う導体ユニットの平行導体板同士が互いに離間しかつ平行になるように複数並べて設けられている
   ことを特徴とする左手／右手系複合伝送路。

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