JP5439521B2 - 電力検出器付導波管 - Google Patents

Description

本発明は、導波管内を伝搬している電磁波の電力を検出する技術に関する。

導波管内を伝搬している電磁波の電力検出手法として、特許文献１によれば、マイクロ波帯やミリ波帯の電波を反射鏡を用いて伝送するビーム伝送装置を利用し、当該反射鏡に電波の波長以下の大きさの開口を２つ設け、それらで受けた電波を合成して電力を検出する技術が開示されている。

また、特許文献２によれば、検出回路を表面に形成したＭＩＣ基板を導波管の外表面に設置し、導波管内に挿入されたプローブに結合された入力信号を当該検出回路で検出する技術が開示されている。

特開平４−３４０４７４号公報 特開平６−２３５７４４号公報

しかしながら、特許文献１の開示技術は、電磁波の進行方向に位置する反射鏡に到達した電磁波を利用するため、そのような反射鏡を持たない一般的な導波管では電力を検出することができない。

特に、使用する電磁波が高周波の場合には、当該電磁波の信号を伝搬する導波管のサイズが極めて小さくなるため、導波管内部にそのような複雑な形状を加工することは困難である。

また、特許文献２の開示技術は、電磁波を結合するプローブと当該電磁波の電力を検出する検出回路とを各別に設けているため、それらを接続する接続用ワイヤの距離が長く、信号ロスが大きいので、電力を正確に測定することが難しい。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、その課題とするところは、ミリ波、テラヘルツ波などの高周波の信号に対しても適用可能な小型の電磁波電力検出手段を提供することにある。

請求項１記載の電力検出器付導波管は、導波管内を伝搬している電磁波を受信するアンテナと、前記受信した電磁波の電力を検出する電力検出回路と、前記アンテナ及び前記電力検出回路を同一表面に配設し、前記電磁波の電界の振動方向に位置する導波管の内壁面に傾けて設置された誘電体基板と、前記検出された電力を導波管外へ出力するモニタ用出力電極と、を有することを特徴とする。

請求項２記載の電力検出器付導波管は、請求項１記載の電力検出器付導波管において、前記誘電体基板は、前記傾けた設置によって減少した前記電界の振動方向における導波路の高さの減少分の最大値と増加した増加分の最大値とが同一になるように設置されていることを特徴とする。

請求項３記載の電力検出器付導波管は、請求項１又は２に記載の電力検出器付導波管において、前記誘電体基板は、前記導波管の内壁面に形成された階段状又は斜状の凹部に設置されていることを特徴とする。

請求項４記載の電力検出器付導波管は、請求項１乃至３のいずれかに記載の電力検出器付導波管において、前記誘電体基板上の任意のグランドに接続され、当該グランドでのグランド電位を導波管外へ出力するグランド用出力電極を更に有することを特徴とする。

請求項５記載の電力検出器付導波管は、請求項１乃至３のいずれかに記載の電力検出器付導波管において、前記誘電体基板上の任意のグランドが前記導波管に接続されていることを特徴とする。

以上より、本発明によれば、電磁波の電界の振動方向に位置する導波管の内壁面に傾けて設置された誘電体基板の同一表面に、アンテナ及び電力検出回路を共に配設したため、小型な電磁波電力検出手段を提供できる。

本発明によれば、ミリ波、テラヘルツ波などの高周波の信号に対しても適用可能な小型の電磁波電力検出手段を提供できる。

第１の実施の形態に係る電磁波の進行方向での電力検出器付導波管の断面図である。 電界方向から見たＩＣチップの上面図である。 電力検出器付導波管の製造方法を説明する図である。 コプレーナ線路給電パッチアンテナの指向性の例を示す図である。 ＩＣチップ設置の変形例を示す図である。 電力検出器付導波管の伝搬特性を説明する図である。 第２の実施の形態に係る電力検出器付導波管の導波路の斜視断面図である。

以下、本発明を実施する一実施の形態について図面を用いて説明する。但し、本発明は多くの異なる様態で実施することが可能であり、本実施の形態の記載内容に限定して解釈すべきではない。

〔第１の実施の形態〕
図１は、第１の実施の形態に係る電磁波の進行方向１００での電力検出器付導波管１の断面図である。本実施の形態に係る電力検出器付導波管１は、矩形状の中空内を導波路として電磁波が伝搬する方形導波管を利用して形成される導波管であって、電界の振動方向２００に位置する導波管の内壁面に階段状のザグリ２が形成され、そのザグリ２の段差を利用してＩＣチップ３が傾斜して設置されている。

ＩＣチップ３は、ザグリ２による段差との間隙に埋められた導電性ペースト材４により先の導波管の内壁面に固定され、パッチアンテナ５と電力検出回路６が導波路側の同一表面に共に配設されている。

その導波管の内壁面には一対の挿通孔（図１において１つのみ図示）が更に形成されており、一方の挿通孔７ａには、導波管外の端部にモニタ電力端子を有するモニタ用出力電極８ａが挿入され、他方の挿通孔には、グランド用出力電極（図１において不図示）が挿入されている。

図２は、電界方向から見たＩＣチップ３の上面図である。パッチアンテナ５は、受信電極５ａとグランド電極５ｂで構成されている。受信電極５ａは、電力検出回路６に接続されており、当該電力検出回路６は、金属ワイヤ９ａを介してモニタ用出力電極８ａに接続されている。一方、グランド電極５ｂは、それとは異なる金属ワイヤ９ｂを介して先のグランド用出力電極に接続されている。

次に、図１及び図２を参照しながら、本電力検出器付導波管１の電力検出動作について説明する。例として、１００ＧＨｚのミリ波（ＴＥ１０波）が導波管内を伝搬しているものとする。

そのような高周波数帯の電磁波が本電力検出器付導波管１の導波路３００を伝搬する場合、ＴＥ１０モードの電界が図１の上方向又は下方向に振動し、その振動方向に位置するパッチアンテナ５により当該電界成分（導波路を伝搬する電磁波信号の一部）が受信される。

その信号はパッチアンテナ５を構成している受信電極５ａから電力検出回路６に伝達され、当該電力検出回路６によって自乗検波されることで、導波管内に流れる電磁波の電力量に関連した電圧が検出される。このような電力検出回路は、例えば、電力を検出する電磁波の周波数で動作可能なダイオードやトランジスタの非線形動作領域を使用することによって実現可能である。

そして、検出された電圧は、金属ワイヤ９ａを通じてモニタ用出力電極８ａから電力検出器付導波管１の外部に出力され、グランド電極５ｂからグランド用出力電極に出力されたグランド電圧との差分を更に用いて、所定の用途で利用される。

例えば、アンテナの前段に本電力検出器付導波管１を設置する、又は当該前段に位置する導波管を本電力検出器付導波管１に変更して利用される。アンテナから空中に放出される所定周波数の電波電力（空中線電力）は電波法で規定されているので、当該放出される直前の電磁波電力をモニタリングし、その結果に応じて放出力を調整する用途例が挙げられる。

次に、図３を参照しながら、本電力検出器付導波管１の製造方法について説明する。最初に、同図（ａ）に示すように、金属で形成される方形導波管１０の短辺の中心線５００で当該方形導波管１０を分割して分離し、２つの部品１０ａ，１０ｂを作製する。

このとき、ＩＣチップ３を作製し、パッチアンテナ５と電力検出回路６を一体化して当該ＩＣチップ３の同一表面に配設しておく。その後、ＩＣチップ３の裏面を研磨して誘電体基板の薄層化を行う。薄板化する理由は、ＩＣチップ３の設置による導波路内の特性インピーダンスの変化をできるだけ少なくするためである。

例えば、導波路の高さｙの１／４以下の厚さになるまで薄くしたＩＣチップ３を作製する。具体的には、ＷＲ−１０導波管（導波路の幅ｘ＝２．５４ｍｍ、高さｙ＝１．２７ｍｍ）の場合、ＩＣチップ３の厚さを例えば０．１５ｍｍとする。

次に、同図（ｂ）に示すように、一方の部品１０ａの導波管の内壁面を加工して、作製したＩＣチップ３を所定の角度で設置できる大きさのザグリ２を形成する。このとき、２つの挿通孔７ａ，７ｂを更に形成して、一方の挿通孔７ａにモニタ用出力電極８ａを挿入し、他方の挿通孔７ｂにグランド用出力電極８ｂを挿入する。ここで、モニタ用出力電極８ａ，グランド用出力電極８ｂと、部品１０ａとは、電気的に絶縁されるようにする。

次に、ＩＣチップ３を先の所定の角度で設置する。ＩＣチップは非常に小型であり、かつ電子回路が搭載されているため、ＩＣチップ自体の形状を用いて所定の角度を実現することは困難であることから、本実施の形態では、先に形成したザグリ２との間隙を導電性ペースト材（図３において不図示）で埋めて当該ＩＣチップ３を固定する。本構成をとることにより、一般的にサイズが小さいＩＣチップでも容易に所定の角度で設置可能となる。ＩＣチップ３上の電力検出回路６をモニタ用出力電極８ａに金属ワイヤ９ａで接続すると共に、グランド電極５ｂをグランド用出力電極８ｂに金属ワイヤ９ｂで接続する。

最後に、同図（ｄ）に示すように、分割により作製されていた他方の部品Ｂを、分割前と同一の導波路形状になるように部品Ａにあわせ、螺子１１を用いて両方の部品Ａ，Ｂを圧着させる。以上の工程を通じて、本電力検出器付導波管１が製造される。

ここで、ＩＣチップ３の傾斜角度について説明する。この傾斜角度は、導波管を伝搬する電磁波信号から電力を取り出す割合と、導波管内に設置された際のパッチアンテナ５の受信特性によって決定される。

例えば、パッチアンテナ５の例として図２に示したようなコプレーナ線路給電パッチアンテナを使用し、導波路を伝搬する信号の約３．１％（−１５ｄＢ）の電力を取り出して検波する場合を考える。

まず、導波管内におけるコプレーナ線路給電パッチアンテナ（以下、アンテナ）のアンテナ角度と当該アンテナで受信される電力割合との関係を求める。ここで、アンテナ角度とは、電界の振動方向２００とアンテナの励振方向４００（図２参照）との角度差であり、平行の場合は０°、垂直の場合は９０°である。また、アンテナで受信される電力割合とは、アンテナに到来する信号電力に対するアンテナで受信された電力割合である。

アンテナのアンテナ角度と当該アンテナで受信される電力割合との関係が仮に図４に示すような場合、アンテナ角度が７０°に設定されるときに−１５ｄＢ（約３．１％）の受信電力を得ることができる。

以上より、信号から取り出したい電力とパッチアンテナ５の受信特性との関係に基づいてアンテナ傾斜角度が決定されるが、本実施の形態においては、その傾斜角度については何ら限定されず、ザグリ２の加工形状により任意の角度を利用することができる。

また、本発明においては、電力を取り出すことを目的の前提とすることから、パッチアンテナ５が傾斜して設置されていれば良く、例えば、図５（ａ）に示すように、ザグリ２を斜状に加工してＩＣチップ３を設置しても良いし、同図（ｂ）に示すように、ＩＣチップ３の全体をザグリ２にすっぽりと埋まるように配置しても良い。

更には、同図（ｃ）に示すように、ザグリ２を形成する代わりに、導波管の内壁面に当該導波管の内壁と同材質の枕部１２を設け、ＩＣチップ３の片側を当該枕部１２にかけるように設置しても良い。

また、図１や図５に例示した各ＩＣチップ３において、パッチアンテナ５と電力検出回路６の位置関係を入れ替えても良い。なお、図５では、パッチアンテナ５と電力検出回路６の記載を省略している。

一方、導波管内におけるＩＣチップ３の設置は導波管の内側形状に変化を及ぼすことから、導波路の形状変化により導波管の特性インピーダンスが変化するため、信号の反射などが生じて、良好な伝搬の妨げになる可能性がある。

ここで、図６に示すように、幅ｘ，高さｙの導波路３００を有する導波管の特性インピーダンスをＺ_０とし、ＩＣチップ３を設置したことによる当該導波路３００の高さｙの実効的な変化量が最も大きくなる点をそれぞれΔｙ１，Δｙ２とすると、信号の進行方向において導波路の高さが最も低くなる点Ｌでの特性インピーダンスＺ_Ｌと、最も高くなる点Ｈとの各特性インピーダンスＺ_Ｈは、それぞれ、式（１），式（２）で近似的に表現できる。

Ｚ_Ｌ＝（（ｙ−Δｙ１）／ｙ）Ｚ_０ （１）
Ｚ_Ｈ＝（（ｙ＋Δｙ２）／ｙ）Ｚ_０ （２）
式（１），（２）において、ＩＣチップ３の設置により導波路の形状変化に起因する変数はΔｙ１とΔｙ２であるため、導波管の特性インピーダンスの変化を小さくするには、Ｚ_ＬやＺ_ＨをＺ_０に近づけるように、Δｙ１やΔｙ２を小さくすることが好ましい。

上述したように特性インピーダンスの変化分を小さくする観点から、所定の傾斜角度でＩＣチップ３を実装する際は、Δｙ１＝Δｙ２となるように設置する方法が好ましい。

これらより、例えば、先のＷＲ−１０導波管（ｘ＝２．５４ｍｍ、ｙ＝１．２７ｍｍ）に対して、１ｍｍ角のＩＣチップ３を２０°の角度で図１に示したように設置する場合、Δｙ１とΔｙ２は約０．１７１ｍｍとなる。この場合、特性インピーダンスの変化は、ＷＲ−１０導波管の特性インピーダンスの０．８６５倍から１．１３４倍までの変化に留まり、非常に小さい。

したがって、そのようなＷＲ−１０導波管の場合には、角度を２０°、Δｙ１とΔｙ２を０．１７１ｍｍとなるようにＩＣチップ３を設置することが好ましい。

また、電磁波信号を高効率で受信するため、電界強度が最大となる位置にパッチアンテナ５を配設することが好ましい。例えば、先のＴＥ１０モードの電界の場合、導波路の端側よりも中央側の方が電界強度は高いことから、パッチアンテナ５の中心線が導波管の幅の中心に一致するようにパッチアンテナを配置する。

以上より、本実施の形態によれば、電界の振動方向に位置する導波管の内壁面に傾けて設置されたＩＣチップ３の同一表面に、パッチアンテナ５及び電力検出回路６を共に配設したので、小型な電磁波電力検出手段を提供できる。これにより、電磁波の周波数帯がミリ波など高周波帯であっても、その電磁波の電力を検出できる。

また、本実施の形態によれば、導波管の内壁面の単純加工によりＩＣチップ３の傾斜角度を任意に変更できるので、パッチアンテナ５で受信される電力の大きさを必要に応じて適宜調整できる。

また、本実施の形態によれば、ＩＣチップ３による導波管の特性インピーダンス変動は僅かであることから、導波管整合回路が不要であって、簡易な電力検出器付導波管を提供できる。

〔第２の実施の形態〕
第１の実施の形態では、一対の挿通孔７ａ，７ｂを形成してモニタ用出力電極８ａとグランド用出力電極８ｂをそれぞれ挿入し、電力とグランド電流電圧を電界方向の同一導波管の内壁面からそれぞれ出力する場合について説明したが、第２の実施の形態では、当該グランド用出力電極８ｂを利用しない場合について説明する。

図７は、第２の実施の形態に係る電力検出器付導波管１の導波路の斜視断面図である。本電力検出器付導波管１では、パッチアンテナ５のグランド電極５ｂに接続された金属ワイヤ９ｂを、導波管の内壁面（広くは、導波管自体）に接続する。これにより、静電圧としては電力検出器付導波管１とグランド電極５ｂとが等電位となる。

また、モニタ用出力電極８ａを挿入する挿通孔７ａのみを形成し、グランド用出力電極８ｂ用の他の挿通孔７ｂは形成しない。本実施の形態においては、電力検出器付導波管１を伝搬する信号の電力は、グランド用出力電極８ｂに現れる電圧と、電力検出器付導波管１の静電圧との電位差を求めることで見積ることができる。それ以外については、第１の実施の形態で説明した電力検出器付導波管１と同じであることから、重複する説明は省略する。

以上より、本実施の形態によれば、第１の実施の形態と比較して、グラウンド電位を導波管自体から取るため、外来する信号による干渉などによって、電力検波の感度が低下する可能性があるが、挿通孔７ｂの形成，グランド用出力電極８ｂの挿入，グランド用出力電極８ｂと金属ワイヤ９ｂとの接合といった工程を省略できる。

以下、各実施の形態での共通事項について説明する。各実施の形態では、パッチアンテナ５と電力検出回路６を載置する基板としてＩＣチップ３を例に説明したが、その他、モノシリックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）を利用しても良く、広くは誘電体基板であれば良い。

各実施の形態では、電磁波を受信するアンテナとしてパッチアンテナ５を例に説明したが、その他、先述したコプレーナ線路給電パッチアンテナやオンチップアンテナを利用しても良い。

各実施の形態では、１００ＧＨｚのミリ波導波管を例に説明したが、他の周波数帯のミリ波導波管や、その他マイクロ波導波管を利用しても良く、広くは電磁波を伝搬する導波管であれば良い。

各実施の形態では、ＴＥ１０波（ＴＥ１０モードの電界）の電磁波を例に説明したが、他のモードの電磁波であっても良く、広くは電界の振動方向に位置する導波管の内壁面にＩＣチップ３を設置していれば、同様の効果を得ることができる。

各実施の形態では、ＩＣチップ３を電界方向の導波管の内壁面に１つ設置する場合を例に説明したが、当該導波管の内壁面（又は対向する２つの当該導波管の内壁面）に複数設置しても良い。例えば、ＴＥ１０モードの電界の場合、電磁波の進行方向に沿って電界方向が交互することから、進行方向に沿って当該対向する２面に交互に配置しても良い。

第１の実施の形態では、グランド電極５ｂをグランド用出力電極８ｂに接続し、第２の実施の形態では、グランド電極５ｂを導波管の内壁に接続した場合について説明したが、電力検出器付導波管１の静電圧としてのグランド電位を取得できれば良いことから、グランド電極５ｂに代えて、ＩＣチップ３上の任意のグランド（例えば、電力検出回路６のグランド）を利用しても良い。

１…電力検出器付導波管
２…ザグリ（凹部）
３…ＩＣチップ（誘電体基板）
４…導電性ペースト材
５…パッチアンテナ
５ａ…受信電極
５ｂ…グランド電極
６…電力検出回路
７ａ…一方の挿通孔
７ｂ…他方の挿通孔
８ａ…モニタ用出力電極
８ｂ…グランド用出力電極
９ａ…金属ワイヤ
９ｂ…金属ワイヤ
１０…方形導波管
１０ａ，１０ｂ…部品
１１…螺子
１２…枕部
１００…電磁波の進行方向
２００…電界の振動方向
３００…導波路
４００…アンテナの励振方向
５００…方形導波管の短辺の中心線

Claims (5)

1. 導波管内を伝搬している電磁波を受信するアンテナと、
   前記受信した電磁波の電力を検出する電力検出回路と、
   前記アンテナ及び前記電力検出回路を同一表面に配設し、前記電磁波の電界の振動方向に位置する導波管の内壁面に傾けて設置された誘電体基板と、
   前記検出された電力を導波管外へ出力するモニタ用出力電極と、
   を有することを特徴とする電力検出器付導波管。
2. 前記誘電体基板は、
   前記傾けた設置によって減少した前記電界の振動方向における導波路の高さの減少分の最大値と増加した増加分の最大値とが同一になるように設置されていることを特徴とする請求項１記載の電力検出器付導波管。
3. 前記誘電体基板は、
   前記導波管の内壁面に形成された階段状又は斜状の凹部に設置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電力検出器付導波管。
4. 前記誘電体基板上の任意のグランドに接続され、当該グランドでのグランド電位を導波管外へ出力するグランド用出力電極を更に有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の電力検出器付導波管。
5. 前記誘電体基板上の任意のグランドが前記導波管に接続されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の電力検出器付導波管。

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