JP5674904B1 - 分配回路及びアレイアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】分配特性に与える影響が小さく、所定の周波数において反射損失を低減できる分配回路を提供する。【解決手段】一端側を第１のポートＰ１とし、他端側を第２のポートＰ２とする主導波管２と、主導波管２の側面２ａに形成されたスリット４に対向して一端が接続され、他端側を第３のポートＰ３及び第４のポートＰ４とする第１の分岐導波路５及び第２の分岐導波路６が平行に並んで形成された分岐導波管３とを備え、主導波管２の内側には、スリット４が形成された側面２ａとは反対側の側面２ｂに沿って、第１のポスト８と、第２のポスト９とが並んで配置され、第１のポスト８は、スリット４と対向する位置から主導波管２の内側に向かって第１の突出量Ｔ１で突出して設けられ、第２のポスト９は、第１のポスト８よりも第１のポートＰ１側に位置して、主導波管２の内側に向かって第１の突出量Ｔ１よりも小さい第２の突出量Ｔ２で突出して設けられている。【選択図】図２

Description

本発明は、分配回路及びアレイアンテナに関する。

マイクロ波帯又はミリ波帯の電波は、波長が１ｍ〜１００μｍ、周波数が３００ＭＨｚ〜３ＴＨｚの電磁波（電磁界）である。マイクロ波帯又はミリ波帯の電波は、衛星テレビ放送、マイクロ波通信、レーダー等の広い分野に亘って応用されている。例えば、周波数が数１０ＧＨｚ以上の準ミリ波帯からミリ波帯の電波は、航空宇宙分野で使用されている。周波数が６０ＧＨｚのミリ波帯においては、大容量高速無線通信分野への応用に注目が集まっている。周波数が７７ＧＨｚのミリ波帯においては、自動車衝突防止レーダーの実用化が始まっている。

マイクロ波帯又はミリ波帯の電波を用いた通信モジュールには、導波管を主体とした分配回路がしばしば用いられる。特に、多くのアンテナ素子に給電する必要があるアレイアンテナにおいて、同技術は非常に重要である。

導波管を用いた分配回路として、例えば図１３に示す分配回路１００を挙げることができる。この図１３に示す分配回路１００は、π分岐（Pi-Junctions）と呼ばれるものであり、一端側を第１のポートＰ１’とし、他端側を第２のポートＰ２’とする主導波管１０１と、主導波管１０１の一側面に形成されたスリット１０２に対向して一端が接続され、他端側を第３のポートＰ３’及び第４のポートＰ４’とする第１の分岐導波路１０３及び第２の分岐導波路１０４が仕切り壁１０５を挟んで平行に並んで形成された分岐導波管１０６とを備えた構成となっている。また、主導波管１０１の内側には、ポスト１０７が設けられている。

図１３に示す分配回路１００では、第１のポートＰ１’から電力（マイクロ波帯又はミリ波帯の電磁界）が入力されることによって、必要な分の電力が第３のポートＰ３’及び第４のポートＰ４’に分配された後、残りの電力が第２のポートＰ２’から出力される。また、第３のポートＰ３’及び第４のポートＰ４’から出力される電力は、互いに同位相且つ同振幅であることが要求される。

"Waveguide π-Junction with an Inductive Post"、IEICE TRANS.ELECTRON.,VOL.E75-C,NO.3 MARCH 1992、Jiro HIROKAWA,Makoto ANDO and Naohisa GOTO

しかしながら、上述した図１３に示す従来の分配回路１００では、設計中心周波数の制御方法が不明であり、周波数特性制御に関わる指針が見出せないという問題があった。具体的には、この分配回路１００の設計パラメータのうち、図１４に示すスリット１０２の中心から仕切り壁１０５の中心までの距離「ｄ」や、スリット１０２の中心からポスト１０７の中心までの距離「ｑ」といった寸法を変えると、制御すべき反射係数がミニマムとなる中心周波数の他にも位相バランス及び振幅バランスといった他のパラメータの周波数特性にも多大な影響を及ぼすという問題があった。

ここで、「ｄ」を１００μｍ刻みで３水準Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３（Ｗ１＜Ｗ２＜Ｗ３）としたときの周波数［ＧＨｚ］の変化に対する反射係数［ｄＢ］をシミュレーションにより計算した結果を図１５に示し、振幅バランス特性［ｄＢ］をシミュレーションにより計算した結果を図１６に示し、位相バランス特性［ｄＢ］をシミュレーションにより計算した結果を図１７に示す。

なお、３水準Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３の位置については、図１８に示すように、分岐導波管１０６の中心線Ｌ１’に沿った位置を原点（０）とし、主導波管１０１の長手方向（Ｘ’方向）において第１のポートＰ１側を＋方向とした。そして、仕切り壁１０５の位置を１００μｍ（０．１ｍｍ）刻みで３水準Ｗ１＝＋０．１，Ｗ２＝０，Ｗ３＝−０．１としてシミュレーションによる計算を行った。また、本例では、設計周波数を６０ＧＨｚとし、これに対応した導波管のサイズを想定して計算を実施した。

図１５〜図１７に示すように、Ｗ１の水準では、６０ＧＨｚよりも高い周波数側に設計中心周波数が制御されており、振幅バランス特性も優れたものとなっている。しかしながら、位相バランス特性が悪いと言える。また、「ｄ」を１００μｍ刻みで調整しただけで、特性が大きく変動していることがわかる。

具体的に、反射損失（反射係数）がミニマムになる周波数は、おおよそＷ１の水準では５５ＧＨｚ付近であり、Ｗ２の水準では６０ＧＨｚ付近であり、Ｗ３の水準では６５ＧＨｚ付近である。したがって、「ｄ」の位置を１００μｍ刻みで変化させると、反射損失がミニマムになる周波数が５ＧＨｚも変化することとなり、感度が高いということが言える。

加えて、Ｗ２の水準からＷ３の水準に変化させたとき、反射損失がミニマムになる周波数を６０ＧＨｚから６５ＧＨｚに制御できるが、位相バランスが同時に劣化してしまう。また、Ｗ２の水準からＷ１の水準に変化させたとき、反射損失がミニマムになる周波数を６０ＧＨｚから６５ＧＨｚに制御できるが、振幅バランスが同時に劣化してしまう。

したがって、「ｄ」は、制御パラメータとしてはコントロールすべき周波数特性以外の分配回路１００の特性に対する影響が大きい（感度が高い）という問題があった。また、「ｄ」や「ｑ」といった主導波管１０１と分岐導波管１０６との接続部付近にある設計パラメータを制御する場合、スリット１０２から第１の分岐導波路１０４及び第２の分岐導波路１０５に分配される電力（電磁界）に及ぼす影響が大きい。その結果として、分配特性（位相バランス及び振幅バランス）に悪影響を与えてしまうと考えられる。

本発明の一つの態様は、このような従来の事情に鑑みて提案されたものであり、分配特性に与える影響が小さく、所定の周波数において反射損失を低減できる分配回路、並びにそのような分配回路を備えたアレイアンテナを提供することを目的の一つとする。

上記目的を達成するために、本発明の一つの態様に係る分配回路は、一端側を第１のポートとし、他端側を第２のポートとする主導波管と、主導波管の側面に形成されたスリットに対向して一端が接続され、他端側を第３のポート及び第４のポートとする第１の分岐導波路及び第２の分岐導波路が平行に並んで形成された分岐導波管と、を備える。主導波管の内側には、スリットが形成された側面とは反対側の側面に沿って、第１のポストと、第２のポストとが並んで配置されている。第１のポストは、スリットと対向する位置から主導波管の内側に向かって第１の突出量で突出して設けられている。第２のポストは、第１のポストよりも第１のポート側に位置し、且つ、主導波管の内側に向かって第１の突出量よりも小さい第２の突出量で突出して設けられている。

また、第２のポストは、分岐導波管の一端が主導波管に接続された角部の延長線に沿った位置又はその近傍に配置されていてもよい。

また、第１のポスト及び／又は第２のポストは、壁から構成されていてもよい。

また、第１のポスト及び／又は第２のポストは、少なくとも１つ又は複数の柱から構成されていてもよい。

また、第１のポストは、分岐導波管の中心線よりも第２のポート側に偏倚して設けられていてもよい。

また、主導波管及び前記分岐導波管は、ポスト壁導波路から構成されていてもよい。

また、本発明の一つの態様に係るアレイアンテナは、前記何れかの分配回路を備える。

以上のように、本発明の一つの態様によれば、分配特性に与える影響が小さく、所定の周波数において反射損失を低減できる分配回路、並びにそのような分配回路を備えたアレイアンテナを提供することが可能である。

本発明の一実施形態に係る分配回路の概略構成を示す透視斜視図である。 図１に分配回路の概略構成を示す断面図である。 図２に示す分配回路の内部で伝送される電界の強度分布を示す模式図である。 第２のポストの変形例を示す断面図である。 第２のポストの変形例を示す断面図である。 分配回路の変形例を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係るアレイアンテナの概略構成を示す分解斜視図である。 第２のポストの位置を変化させたときの反射損失の周波数特性の変化をシミュレーションにより計算した結果を示すグラフである。 第２のポストの位置を変化させたときの振幅バランスの周波数特性の変化をシミュレーションにより計算した結果を示すグラフである。 第２のポストの位置を変化させたときの位相バランスの周波数特性の変化をシミュレーションにより計算した結果を示すグラフである。 実施例における分配回路の各部の寸法を示す断面図である。 実施例における第２のポストの位置を説明するための断面図である。 従来の分配回路の概略構成を示す透視斜視図である。 図１３に示す分配回路の設計パラメータを説明するための要部断面図である。 図１４中に示すｄを変化させたときの反射損失の周波数特性の変化をシミュレーションにより計算した結果を示すグラフである。 図１４中に示すｄを変化させたときの振幅バランスの周波数特性の変化をシミュレーションにより計算した結果を示すグラフである。 図１４中に示すｄを変化させたときの位相バランスの周波数特性の変化をシミュレーションにより計算した結果を示すグラフである。 図１４中に示すｄの３水準の位置を説明するための断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の全ての図面においては、各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがある。

（分配回路）
先ず、本発明の一実施形態として図１及び図２示す分配回路１について説明する。
なお、図１は、分配回路１の概略構成を示す透視斜視図である。図２は、分配回路１の概略構成を示す断面図である。

分配回路１は、図１に示すように、主導波管２と、分岐導波管３とを備えている。主導波管２は、方形筒状の導波路を形成するものであり、その一端側を第１のポートＰ１とし、その他端側を第２のポートＰ１としている。また、主導波管２の一側面２ａには、スリット４が形成されている。スリット４は、分岐導波管３の一側面２ａの中央部を所定の幅で開口させた導波管窓である。

分岐導波管３は、方形筒状の導波路を形成するものであり、その一端をスリット４に対向させた状態で主導波管２の一側面２ａ接続されている。また、分岐導波管３は、その他端側を第３のポートＰ３及び第４のポートＰ４とする第１の分岐導波路５及び第２の分岐導波路６を形成している。第１の分岐導波路５及び第２の分岐導波路６は、分岐導波管３の内側を仕切る仕切り壁７を挟んで互いに平行に並んで形成されている。仕切り壁７は、分岐導波管３の中心線Ｌ１に沿って配置されている。また、仕切り壁７の一端は、スリット４から所定の距離だけ離間して配置されている。

主導波管２の内側には、スリット４が形成された側面２ａとは反対側の側面２ｂに沿って、第１のポスト８と、第２のポスト９とが並んで配置されている。第１のポスト８は、壁８ａにより構成されている。壁８ａは、スリット４に対向する位置から主導波管２の内側に向かって第１の突出量Ｔ１で突出して設けられている。また、第１のポスト８（複数のポール８ａ）は、分岐導波管３の中心線Ｌ１よりも第２のポートＰ２側に所定の距離（偏倚量という。）Ｓだけ偏倚して設けられている。

なお、第１のポスト８の第１の突出量Ｔ１及び偏倚量Ｓについては、後述する第１のポートＰ１から入力された電力を第３のポートＰ３及び第４のポートＰ４と第２のポートＰ４との間で分配する割合に応じて適宜調整することが可能である。

第２のポスト９は、１つのポール（柱）９ａにより構成されている。このポール９ａは、第１のポスト８よりも第１のポートＰ１側に位置し、且つ、主導波管２の内側に向かって第１の突出量Ｔ１よりも小さい第２の突出量Ｔ２で突出して設けられている。また、第２のポスト９（ポール９ａ）は、分岐導波管３の一端が主導波管２に接続された角部Ｃの延長線Ｌ２に沿った位置又はその近傍に配置されている。

なお、ここで言う角部の延長線に沿った位置とは、主導波管２に一端が接続された分岐導波管３の厚み分を含んだ角部の延長線に沿った位置を言う。したがって、図２では、主導波管２と分岐導波管３との外側の輪郭線に基づく角部Ｃの延長線Ｌ２を基準にして、第２のポスト９の位置を規定しているが、主導波管２と分岐導波管３との内側の輪郭線に基づく角部Ｃ’の延長線Ｌ２’を基準にして、第２のポスト９の位置を規定してもよい。また、第２のポスト９については、これらの延長線Ｌ２，Ｌ２’上に少なくとも一部が位置すればよい。さらに、ここで言う近傍とは、後述する本発明の効果が得られる範囲で延長線Ｌ２，Ｌ２’に沿った位置から第２のポスト９の位置がずれていてもよいことを意味する。

以上のような構成を有する分配回路１では、図３に示すように、第１のポートＰ１から電力（マイクロ波帯又はミリ波帯の電磁界）が入力されることによって、必要な分の電力が第３のポートＰ３及び第４のポートＰ４に分配された後、残りの電力が第２のポートＰ２から出力される。また、第３のポートＰ３及び第４のポートＰ４から出力される電力は、互いに同位相且つ同振幅である。なお、図３は、分配回路１の内部で伝送される電界の強度分布を示す模式図である。

本実施形態の分配回路１では、第２のポスト９の位置を調整することによって、分配特性に与える影響を軽減しながら、周波数特性を制御することが可能である。例えば、主導波管２の長手方向（図３中のＸ方向）のうち、第２のポスト９を第１のポートＰ１側（−Ｘ方向）に位置させることよって、低周波数側に調整することができ、第２のポスト９を第２のポートＰ２側（＋Ｘ方向）に位置させることよって、高周波数側に調整することができる。

なお、本発明は、上記実施形態のものに必ずしも限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、第１のポスト８や第２のポスト９については、上述した１つの壁８ａやポール９ａにより構成されたものに限らず、例えば、図４（ａ）に示すような複数のポール８ｂ，９ｂが連結して配置された構成や、図４（ｂ）に示すような複数のポール８ｃ，９ｃが離間して配置された構成としてもよい。また、第２のポスト９は、上述したポール９ａにより構成されたものに限らず、図５に示すような壁９ｄにより構成されたものであってもよい。また、第１のポスト８及び第２のポスト９については、スリット４が形成された側面２ａとは反対側の側面２ｂに対して、接触している（一体に形成されている）構成であっても、接触していない（離間して形成されている）構成であってもよい。

また、図６に示すような分配回路１Ａのように、主導波管２及び分岐導波管３がポスト壁導波路（ＰＷＷ：Post-Wall Waveguide）により構成されたものであってもよい。ポスト壁導波路は、プリント回路基板（ＰＣＢ：Print Circuit Board）の両面に形成された導体（銅箔）の間を、孔部（スルーホール）にめっきを施すことによって形成されたポスト壁１０により電気的に接続し、このポスト壁１０を多数配列して方形状の導波路を構成したものである。また、第１のポスト８及び第２のポスト９についても、ポスト壁（ポール）８ｅ，９ｅにより形成されている。この分配回路１Ａでは、上記分配回路１と同様に、第２のポスト９の位置を調整することによって、分配特性に与える影響を軽減しながら、周波数特性を制御することが可能である。

（アレイアンテナ）
次に、本発明の一実施形態として図７に示すアレイアンテナ５０について説明する。
なお、図７は、アレイアンテナ５０の概略構成を示す分解斜視図である。
なお、以下の説明では、上記分配回路１と同等の部位については、説明を省略すると共に、図面において同じ符号を付すものとする。

アレイアンテナ５０は、図７に示すように、上記分配回路１を複数並べた構成であり、具体的には、主導波路２に対して分岐導波路３を複数並べた構成を有している。また、各分岐導波路３の上部壁５１には、給電部（図示せず。）から送給された電力（電磁界）を外部空間に放射する複数のスロット５２が所定の間隔で互い違いに並んで設けられている。

本実施形態のアレイアンテナ５０では、分配特性に与える影響を軽減しながら、周波数特性を制御することが可能な分配回路１により構成されることで、平面アンテナとして安定した周波数特性（アンテナ特性）を得ることができ、なお且つ、小型化及び省電力化に対応することが可能である。

以下、実施例により本発明の効果をより明らかなものとする。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することができる。

本実施例では、上記分配回路１について、第２のポスト９の位置をＸ方向に変化させたときの周波数［ＧＨｚ］の変化に対する反射係数［ｄＢ］をシミュレーションにより計算した結果を図８に示し、振幅バランス特性［ｄＢ］をシミュレーションにより計算した結果を図９に示し、位相バランス特性［ｄＢ］をシミュレーションにより計算した結果を図１０に示す。

なお、本シミュレーションにおいて、上記分配回路１の各部の寸法を図１１に示す。また、主導波管２及び分岐導波管３の厚み（高さ）を０．５ｍｍとし、誘電体比誘電率を３．８として計算を行った。

第２のポスト９の位置については、図１２に示すように、Ｘ方向の原点（０）を角部Ｃの延長線Ｌ２に沿った位置から＋方向に０．１７５ｍｍ離れた位置とした。そして、第２のポスト９の位置を１００μｍ（０．１ｍｍ）刻みで４水準Ｘ＝−０．２，Ｘ＝−０．１，Ｘ＝０，Ｘ＝＋０．１とし、設計周波数を６０ＧＨｚとしてシミュレーションによる計算を行った。

図８〜図１０に示すシミュレーション結果からは、第２のポスト９の位置を調整する場合は、第２のポスト９の位置を３００μｍの範囲で変化させても、反射損失（反射係数）がミニマムになる周波数を６０ＧＨｚから６５ＧＨｚの範囲で５ＧＨｚ未満に抑えられていることがわかる。したがって、従来の図１４に示す「ｄ」や「ｑ」といった設計パラメータを調整する場合に比べて、周波数の変化に伴う分配特性への影響が少ない（感度が低い）ことがわかる。
以上のことから、本発明によれば、分配特性に与える影響を軽減しながら、周波数特性を精密に制御することが可能であることが明らかとなった。

１…分配回路 １Ａ…分配回路（ポスト壁導波路） ２…主導波管 ３…分岐導波管 ４…スリット ５…第１の分岐導波路 ６…第２の分岐導波路 ７…仕切り壁 ８…第１のポスト ８ａ…壁 ８ｂ，８ｃ…ポール（柱） ８ｅ…ポスト壁 ９…第２のポスト ９ａ，９ｂ，９ｃ…ポール（柱） ９ｄ…壁 ９ｅ…ポスト壁 １０…ポスト壁 ５０…アレイアンテナ ５１…上部壁 ５２…スロット Ｐ１…第１のポート Ｐ２…第１のポート Ｐ３…第３のポート Ｐ４…第４のポート

Claims (7)

1. 一端側を第１のポートとし、他端側を第２のポートとする主導波管と、
   前記主導波管の側面に形成されたスリットに対向して一端が接続され、他端側を第３のポート及び第４のポートとする第１の分岐導波路及び第２の分岐導波路が平行に並んで形成された分岐導波管と、を備え、
   前記主導波管の内側には、前記スリットが形成された側面とは反対側の側面に沿って、第１のポストと、第２のポストとが並んで配置され、
   前記第１のポストは、前記スリットと対向する位置から前記主導波管の内側に向かって第１の突出量で突出して設けられ、
   前記第２のポストは、前記第１のポストよりも前記第１のポート側に位置し、且つ、前記主導波管の内側に向かって前記第１の突出量よりも小さい第２の突出量で突出して設けられていることを特徴とする分配回路。
2. 前記第２のポストは、前記分岐導波管の一端が前記主導波管に接続された角部の延長線に沿った位置又はその近傍に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の分配回路。
3. 前記第１のポスト及び／又は前記第２のポストは、壁から構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の分配回路。
4. 前記第１のポスト及び／又は前記第２のポストは、少なくとも１つ又は複数の柱から構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の分配回路。
5. 前記第１のポストは、前記分岐導波管の中心線よりも前記第２のポート側に偏倚して設けられていることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の分配回路。
6. 前記主導波管及び前記分岐導波管は、ポスト壁導波路から構成されていることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の分配回路。
7. 請求項１〜６の何れか一項に記載の分配回路を備えたアレイアンテナ。