JP6025639B2 - ミリ波帯用電波ハーフミラー及びその透過率平坦化方法 - Google Patents

Description

本発明は、ミリ波帯用の導波管内に固定される電波ハーフミラーにおいて、導波管によって形成される導波路を伝搬する電磁波に対する透過率の周波数特性を平坦化するための技術に関する。

近年、ユビキタスネットワーク社会を迎え、電波利用ニーズが高まる中、家庭内のワイヤレスブロードバンド化を実現するＷＰＡＮ（ワイヤレスパーソナルエリアネットワーク）や安全・安心な運転をサポートするミリ波レーダー等のミリ波帯無線システムが利用され始めている。また、１００ＧＨｚ超無線システム実現への取組も積極的に行われてきている。

その一方で、６０〜７０ＧＨｚ帯の無線システムの２次高調波評価や１００ＧＨｚ超の周波数帯における無線信号の評価については、周波数が高くなるにつれ測定器の雑音レベル及びミキサの変換損失が増加するとともに周波数精度が低下するため、１００ＧＨｚを超える無線信号の高感度、高精度測定技術が確立されていない状況となっている。しかも、これまでの測定技術では局部発振の高調波を測定結果から分離することができず、不要発射等の厳密な測定が困難となっている。

これらの技術課題を克服し、１００ＧＨｚ超帯域無線信号の高感度・高精度測定を実現するためには、イメージ応答及び高次高調波応答を抑制するためのミリ波帯の狭帯域なフィルタをはじめ、種々の回路技術の開発が要求されている。

例えば、ミリ波帯で周波数可変型として用いられるフィルタとしては、（ａ）ＹＩＧ共振器を用いたもの、（ｂ）バラクタダイオードを共振器に付加したもの、（ｃ）ファブリペロー共振器が知られている。

（ａ）のＹＩＧ共振器を用いたものでは現状で８０ＧＨｚ程度まで使用できるものが知られ、（ｂ）のバラクタダイオードを共振器に付加したものでは４０ＧＨｚ程度まで使用できるものが知られているが、１００ＧＨｚを超える周波数では製造が困難である。

これに対し、（ｃ）のファブリペロー共振器は光の分野でよく用いられており、これをミリ波に用いる技術が非特許文献１に開示されている。この非特許文献１には、ミリ波を反射させる一対の球面反射鏡を、その曲率半径に等しい間隔で対向させて高いＱを実現した共焦点型のファブリペロー共振器が示されている。

手代木 扶、米山 務 著「新ミリ波技術」オーム社，１９９３年、ｐ７１

しかしながら、上記共焦点型のファブリペロー共振器では、通過帯域をチューニングするために鏡面間の距離を変化させた場合、原理的に焦点がずれるためＱの大幅な低下が予想される。したがって周波数毎に曲率の違う反射鏡対を選択的に用いなければならない。

一方、光の分野でよく用いられるファブリペロー共振器としては平面型ハーフミラーを対向配置した構造のものがあり、この構造であれば、原理的に鏡面間の距離を変化させてもＱの低下は生じないが、この平面型ファブリペロー共振器を利用したフィルタをミリ波帯で実現するためには、さらに解決すべき次のような課題があった。

（Ａ）ハーフミラーに平面波を平行に入射する必要がある。フィルタへの入力が導波管の場合、その径をホーンアンテナのように大きくし平面波を実現することが考えられるがサイズが大きくなる。その場合でも完全平面波の実現は困難であり特性が劣化する。（Ｂ）ハーフミラーは平面波の一定量を平面波のままで透過させる機能をもつ必要がある。このためハーフミラーの構造が制限され、設計の自由度が低い。（Ｃ）開放型であるため、空間に放射することによる損失が大きい。

上記課題を解決するための技術として、単一モード（ＴＥ１０モード）でミリ波帯の電磁波を伝搬する導波管からなる導波路内に一対の電波ハーフミラーを対向配置させて電波ハーフミラー間に共振器を形成し、波面変換が不要で、空間放射による損失が無いフィルタを実現することが考えられる。

ところが、上記フィルタに用いる電波ハーフミラーが透過率に周波数特性を持つ場合、その周波数特性が電波ハーフミラー全体の透過率の平坦度を劣化させ、上記フィルタに用いた場合には、周波数毎の損失や透過帯域にバラツキが発生する。

本発明は、上記課題を解決し、透過率の周波数特性を平坦化することができるミリ波帯用電波ハーフミラー及びその透過率平坦化方法を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に係るミリ波帯用電波ハーフミラーは、ミリ波帯の電磁波を単一モードで伝搬する導波管（１０）が形成する導波路（１１）の内部に固定され、入射する電磁波の一部を透過させ、一部を反射させるミリ波帯用電波ハーフミラー（２０）であって、前記ミリ波帯用電波ハーフミラーは、前記導波路を塞ぐ外形を有する金属板（２１）と、前記導波路の開口長辺に沿って前記金属板に設けられた電磁波透過用のスリット（２２）と、を有し、前記電磁波が前記スリットを透過する方向における前記金属板の厚さが、前記電磁波の透過率の周波数特性に基づいて設定されている構成を有している。

この構成により、本発明の請求項１に係るミリ波帯用電波ハーフミラーは、電磁波がスリットを透過する方向における金属板の厚さが、電磁波の透過率の周波数特性に基づいて設定されているので、金属板を所定の厚さにすることにより、透過率の周波数特性を平坦化することができる。

本発明の請求項２に係るミリ波帯用電波ハーフミラーは、ミリ波帯の電磁波を単一モードで伝搬する導波管（１０）が形成する導波路（１１）の内部に固定され、入射する電磁波の一部を透過させ、一部を反射させるミリ波帯用電波ハーフミラー（４０）であって、前記ミリ波帯用電波ハーフミラーは、前記導波路を塞ぐ外形を有する閉塞板（４１）と、前記導波路の開口長辺に沿って前記閉塞板に設けられた電磁波透過用のスリット（２２）と、前記閉塞板の前記スリット側の面を含む前記閉塞板の表面に形成された金属メッキ部（４２）と、を有し、前記電磁波が前記スリットを透過する方向における前記閉塞板の厚さと前記閉塞板の表面に形成された金属メッキ部（４２ａ、４２ｃ）の厚さとの和が、前記電磁波の透過率の周波数特性に基づいて設定されている構成を有している。

この構成により、本発明の請求項２に係るミリ波帯用電波ハーフミラーは、電磁波がスリットを透過する方向における閉塞板の厚さと閉塞板の表面に形成された金属メッキ部の厚さとの和が、電磁波の透過率の周波数特性に基づいて設定されているので、閉塞板の厚さと金属メッキ部の厚さとの和を所定値にすることにより、透過率の周波数特性を平坦化することができる。

本発明の請求項３に係るミリ波帯用電波ハーフミラーは、前記導波路の開口長辺と直交する方向における前記スリットの幅が、前記電磁波の透過率の周波数特性に基づいて設定されている構成を有している。

この構成により、本発明の請求項３に係るミリ波帯用電波ハーフミラーは、導波路の開口長辺と直交する方向におけるスリットの幅が、電磁波の透過率の周波数特性に基づいて設定されているので、所望する透過率のレベルで透過率の周波数特性を平坦化することができる。

本発明の請求項４に係るミリ波帯用電波ハーフミラーの透過率平坦化方法は、ミリ波帯の電磁波を単一モードで伝搬する導波管（１０）が形成する導波路（１１）の内部に固定したミリ波帯用電波ハーフミラー（２０）の透過率平坦化方法であって、前記ミリ波帯用電波ハーフミラーは、前記導波路を塞ぐ外形を有する金属板（２１）と、前記導波路の開口長辺に沿って前記金属板に設けられた電磁波透過用のスリット（２２）と、を有し、前記電磁波が前記スリットを透過する方向における前記金属板の厚さを前記電磁波の透過率の周波数特性に基づいて設定することにより、前記ミリ波帯用電波ハーフミラーの透過率の周波数特性を平坦化する構成を有している。

この構成により、本発明の請求項４に係るミリ波帯用電波ハーフミラーの透過率平坦化方法は、電磁波がスリットを透過する方向における金属板の厚さを電磁波の透過率の周波数特性に基づいて設定することにより、ミリ波帯用電波ハーフミラーの透過率の周波数特性を平坦化することができる。

本発明の請求項５に係るミリ波帯用電波ハーフミラーの透過率平坦化方法は、ミリ波帯の電磁波を単一モードで伝搬する導波管（１０）が形成する導波路（１１）の内部に固定したミリ波帯用電波ハーフミラー（４０）の透過率平坦化方法であって、前記ミリ波帯用電波ハーフミラーは、前記導波路を塞ぐ外形を有する閉塞板（４１）と、前記導波路の開口長辺に沿って前記閉塞板に設けられた電磁波透過用のスリット（２２）と、前記閉塞板の前記スリット側の面を含む前記閉塞板の表面に形成された金属メッキ部（４２）と、を有し、前記電磁波が前記スリットを透過する方向における前記閉塞板の厚さと前記閉塞板の表面に形成された金属メッキ部（４２ａ、４２ｃ）の厚さとの和を前記電磁波の透過率の周波数特性に基づいて設定することにより、前記ミリ波帯用電波ハーフミラーの透過率の周波数特性を平坦化する構成を有している。

この構成により、本発明の請求項５に係るミリ波帯用電波ハーフミラーの透過率平坦化方法は、電磁波がスリットを透過する方向における閉塞板の厚さと閉塞板の表面に形成された金属メッキ部の厚さとの和を電磁波の透過率の周波数特性に基づいて設定することにより、ミリ波帯用電波ハーフミラーの透過率の周波数特性を平坦化することができる。

本発明は、透過率の周波数特性を平坦化することができるという効果を有するミリ波帯用電波ハーフミラー及びその透過率平坦化方法を提供することができるものである。

本発明の第１実施形態におけるミリ波帯用電波ハーフミラーの構成図である。 本発明の第１実施形態において、電波ハーフミラーの厚さＬと透過率の周波数特性との関係を示す図である。 本発明の第１実施形態において、スリットの幅と透過率の周波数特性との関係を示す図である。 本発明の第１実施形態におけるミリ波帯用フィルタの構成図である。 本発明の第２実施形態におけるミリ波帯用電波ハーフミラーの構成図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態におけるミリ波帯用電波ハーフミラー（以下「電波ハーフミラー」という。）２０の構造を示し、図１（ａ）は側面図、図１（ｂ）はＡＡ線断面図を示している。

電波ハーフミラー２０は、ミリ波帯（例えばＦバンド）で単一モード（ＴＥ１０モード）の電磁波を伝搬させる内径（ａ×ｂ＝２．０３２ｍｍ×１．０１６ｍｍ）の矩形の導波管１０に形成される導波路１１を塞ぐように固定されている。

電波ハーフミラー２０は、所定の厚さＬ（例えばＬ＝０．６５ｍｍ）を有し、導波管１０の内径と等しい外形で導波管１０に内接する矩形の金属板２１に、電磁波透過用のスリット２２が設けられた構造を有している。ここで、金属板２１の材質としては、挿入損失を低損失とし、Ｑ値を高くするために、比較的導電率の高い金属、例えば金、銀、銅などで形成するのが好ましい。また、スリット２２は、図１の（ｂ）に示しているように、所定の幅Ｗ（例えばＷ＝０．０５ｍｍ）を有し、導波管１０の開口長辺に沿って金属板２１の中央を横切るように形成されている。

次に、この構造の電波ハーフミラー２０の特性に関するシミュレーション結果について説明する。ここで、金属板２１の材質を金とした。

まず、スリット２２の幅Ｗ＝０．０５ｍｍの場合において、金属板２１の厚さＬを０．５ｍｍ、０．６５ｍｍ、０．８ｍｍと変化させたときの透過率（Ｓ_２１）の周波数特性を図２に示す。図２に示すように、金属板２１の厚さＬを変化させることにより、透過率の周波数特性を変化させることができ、Ｌ＝０．６５ｍｍのとき使用帯域である１１０ＧＨｚ〜１４０ＧＨｚの範囲内で、ほぼ平坦（±０．２ｄＢ程度）となっている。

次に、金属板２１の厚さＬ＝０．５ｍｍの場合において、スリット２２の幅Ｗを０．０４ｍｍ、０．０５ｍｍ、０．０６ｍｍと変化させたときの透過率の周波数特性を図３に示す。図３に示すように、スリット２２の幅Ｗが狭くなるに従って透過率のレベルが低下することがわかる。

以上より、本実施形態における電波ハーフミラー２０は、金属板２１の厚さＬによる透過率の周波数特性に基づいて、金属板２１の厚さＬを所定値に設定することにより、所望する透過率のレベルを有する電波ハーフミラー２０を得ることができる。したがって、透過率の周波数特性が平坦となる金属板２１の厚さＬ（図２ではＬ＝０．６５ｍｍ）とすれば、本実施形態における電波ハーフミラー２０は、透過率の周波数特性を平坦化することができる。

また、金属板２１の厚さＬによる透過率の周波数特性と、スリット２２の幅Ｗによる透過率の周波数特性とを組み合わせることにより、所望する透過率の周波数特性、所望する透過率のレベルを有する電波ハーフミラー２０を得ることができる。

また、本実施形態における電波ハーフミラー２０は、金属板２１にスリット２２を設ければよいので、簡易な構成とすることができる。その結果、本実施形態における電波ハーフミラー２０は、複雑な構成のものよりも、部品点数を削減することができるとともに、組立工程での組立誤差を小さくでき組立歩留を向上させることができるので、低コスト化を図ることができる。

図４は、前述の電波ハーフミラー２０の構造を用いたミリ波帯用フィルタ３０を示している。

ミリ波帯用フィルタ３０は、前述のＦバンド用の同径の第１導波管３１と第２導波管３２とを、その端面が対向するようにして同軸に配置し、その端部が僅かに大きい口径の第３導波管３３の両端に内接した状態で挿入されており、これら３つの連続した第１導波管３１、第２導波管３２及び第３導波管３３によってミリ波帯の所望周波数範囲を単一モードで伝搬させる導波路を形成している。

そして、２つの電波ハーフミラー２０が、第１導波管３１、第２導波管３２の端部に取り付けられており、その第１導波管３１と第２導波管３２の少なくとも一方が、第３導波管３３に保持された状態で長さ方向にスライド移動できるようになっている。

したがって、互いに対向する２つの電波ハーフミラー２０の間に平面型ファブリペロー共振器が形成され、しかも、その間隔ｄが可変されるので共振周波数を変化させることができ、波面変換が不要で、外部放射による損失がなく、広い周波数範囲にわたって特性が一様なミリ波帯の周波数可変フィルタが実現できる。

なお、ここでは周波数可変型のフィルタの例を示したが、周波数固定であれば１本の連続した導波管の内部に２つの電波ハーフミラー２０を固定すればよく、また、導波管内の２つの電波ハーフミラー２０の位置を直接外部から可変できるようにしてもよい。

（第２実施形態）
次に、本発明に係る電波ハーフミラーの第２実施形態について説明する。

本実施形態における電波ハーフミラー４０は、第１実施形態（図１（ａ）参照）における電波ハーフミラー２０に代わるものであって、その構成を図５に示す。

図５に示すように、電波ハーフミラー４０は、例えば金属（鉄、ステンレス等）で形成されたハーフミラー本体４１と、その外面に形成された金属メッキ部４２とを備えている。ここで、ハーフミラー本体４１は、本発明に係る閉塞板を構成する。なお、ハーフミラー本体４１の材質は金属に限定されるものではなく、樹脂で構成してもよい。

金属メッキ部４２は、挿入損失を低損失とし、Ｑ値を高くするために、比較的導電率の高い金属メッキ、例えば金メッキ、銀メッキ、銅メッキなどで形成されている。この金属メッキ部４２は、電磁波が入射する入射側導波路１２側に形成された入射側金属メッキ部４２ａ、スリット２２の側に形成されたスリット側金属メッキ部４２ｂ、共振部１３側に形成された共振部側金属メッキ部４２ｃを有している。

金属メッキ部４２の厚さｔは、使用帯域である１１０ＧＨｚ〜１４０ＧＨｚの電磁波が入り込む深さと考えられる０．２μｍ程度よりも厚ければよく、例えば１μｍ程度が好ましい。

前述の構成において、第１実施形態で説明した図２及び図３に示したデータを適用すれば、電波ハーフミラー４０の厚さＬ及びスリット２２の幅Ｗを所定値に設定することにより、所望する透過率の周波数特性、所望する透過率のレベルを有する電波ハーフミラー４０を得ることができる。

ここで、電波ハーフミラー４０の厚さＬは、図５に示すように、ハーフミラー本体４１の厚さと、入射側金属メッキ部４２ａ及び共振部側金属メッキ部４２ｃの厚さとを加えた寸法である。

なお、ハーフミラー本体４１が金属で形成されている場合には、入射した電磁波はスリット２２を透過して共振部１３で共振する構成であるので、金属メッキ部４２は少なくともスリット側金属メッキ部４２ｂ及び共振部側金属メッキ部４２ｃを有すればよい。この場合には、電波ハーフミラー４０の厚さＬは、ハーフミラー本体４１の厚さと、共振部側金属メッキ部４２ｃの厚さとを加えた寸法である。

以上より、本実施形態における電波ハーフミラー４０は、電波ハーフミラー４０の厚さＬによる透過率の周波数特性に基づいて、電波ハーフミラー４０の厚さＬを所定値に設定することにより、所望する透過率のレベルを有する電波ハーフミラー４０を得ることができる。したがって、透過率の周波数特性が平坦となる電波ハーフミラー４０の厚さＬ（図２ではＬ＝０．６５ｍｍ）とすれば、本実施形態における電波ハーフミラー４０は、透過率の周波数特性を平坦化することができる。

以上のように、本発明に係るミリ波帯用電波ハーフミラー及びその透過率平坦化方法は、透過率の周波数特性を平坦化することができるという効果を有し、導波管によって形成される導波路を伝搬する電磁波に対する透過率の周波数特性を平坦化するミリ波帯用電波ハーフミラー及びその透過率平坦化方法として有用である。

１０ 導波管
１１ 導波路
１２ 入射側導波路
１３ 共振部
２０、４０ 電波ハーフミラー（ミリ波帯用電波ハーフミラー）
２１ 金属板
２２ スリット
３０ ミリ波帯用フィルタ
３１ 第１導波管
３２ 第２導波管
３３ 第３導波管
４１ ハーフミラー本体（閉塞板）
４２ 金属メッキ部
４２ａ 入射側金属メッキ部
４２ｂ スリット側金属メッキ部
４２ｃ 共振部側金属メッキ部

Claims (5)

1. ミリ波帯の電磁波を単一モードで伝搬する導波管（１０）が形成する導波路（１１）の内部に固定され、入射する電磁波の一部を透過させ、一部を反射させるミリ波帯用電波ハーフミラー（２０）であって、
   前記ミリ波帯用電波ハーフミラーは、前記導波路を塞ぐ外形を有する金属板（２１）と、前記導波路の開口長辺に沿って前記金属板に設けられた電磁波透過用のスリット（２２）と、を有し、
   前記電磁波が前記スリットを透過する方向における前記金属板の厚さが、前記電磁波の透過率の周波数特性に基づいて設定されていることを特徴とするミリ波帯用電波ハーフミラー。
2. ミリ波帯の電磁波を単一モードで伝搬する導波管（１０）が形成する導波路（１１）の内部に固定され、入射する電磁波の一部を透過させ、一部を反射させるミリ波帯用電波ハーフミラー（４０）であって、
   前記ミリ波帯用電波ハーフミラーは、前記導波路を塞ぐ外形を有する閉塞板（４１）と、前記導波路の開口長辺に沿って前記閉塞板に設けられた電磁波透過用のスリット（２２）と、前記閉塞板の前記スリット側の面を含む前記閉塞板の表面に形成された金属メッキ部（４２）と、を有し、
   前記電磁波が前記スリットを透過する方向における前記閉塞板の厚さと前記閉塞板の表面に形成された金属メッキ部（４２ａ、４２ｃ）の厚さとの和が、前記電磁波の透過率の周波数特性に基づいて設定されていることを特徴とするミリ波帯用電波ハーフミラー。
3. 前記導波路の開口長辺と直交する方向における前記スリットの幅が、前記電磁波の透過率の周波数特性に基づいて設定されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のミリ波帯用電波ハーフミラー。
4. ミリ波帯の電磁波を単一モードで伝搬する導波管（１０）が形成する導波路（１１）の内部に固定したミリ波帯用電波ハーフミラー（２０）の透過率平坦化方法であって、
   前記ミリ波帯用電波ハーフミラーは、前記導波路を塞ぐ外形を有する金属板（２１）と、前記導波路の開口長辺に沿って前記金属板に設けられた電磁波透過用のスリット（２２）と、を有し、
   前記電磁波が前記スリットを透過する方向における前記金属板の厚さを前記電磁波の透過率の周波数特性に基づいて設定することにより、前記ミリ波帯用電波ハーフミラーの透過率の周波数特性を平坦化することを特徴とするミリ波帯用電波ハーフミラーの透過率平坦化方法。
5. ミリ波帯の電磁波を単一モードで伝搬する導波管（１０）が形成する導波路（１１）の内部に固定したミリ波帯用電波ハーフミラー（４０）の透過率平坦化方法であって、
   前記ミリ波帯用電波ハーフミラーは、前記導波路を塞ぐ外形を有する閉塞板（４１）と、前記導波路の開口長辺に沿って前記閉塞板に設けられた電磁波透過用のスリット（２２）と、前記閉塞板の前記スリット側の面を含む前記閉塞板の表面に形成された金属メッキ部（４２）と、を有し、
   前記電磁波が前記スリットを透過する方向における前記閉塞板の厚さと前記閉塞板の表面に形成された金属メッキ部（４２ａ、４２ｃ）の厚さとの和を前記電磁波の透過率の周波数特性に基づいて設定することにより、前記ミリ波帯用電波ハーフミラーの透過率の周波数特性を平坦化することを特徴とするミリ波帯用電波ハーフミラーの透過率平坦化方法。

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