JP6219324B2 - 平面伝送線路導波管変換器 - Google Patents

Description

本発明は、平面伝送線路を伝搬する電磁波の伝搬モードと、導波管内部を伝搬する電磁波の伝搬モードとを相互に変換する平面伝送線路導波管変換器に関するものである。

従来から、例えばミリ波レーダ用アンテナ等の導波管給電方式の平面アンテナを実現するため、平面伝送線路を伝搬する電磁波の伝搬モードを、導波管内部を伝搬する電磁波の伝搬モードに変換する平面伝送線路導波管変換器が用いられている。平面伝送線路導波管変換器の具体例として、特許文献１には、一端に電磁波導入用の開口を設け、他端に終端面を設けた方形導波管１と、方形導波管の側面に垂直に配置した誘電体基板と、誘電体基板に形成したマイクロストリップ線路５とからなる平面伝送線路導波管変換器が記載されている。特許文献１に記載された平面伝送線路導波管変換器では、マイクロストリップ線路の信号導体を延長して略帯び状に形成して方形導波管内に突出させ帯び状プローブとし、帯び状プローブの幅方向を方形導波管の中心軸方向に合わせ、帯び状プローブの長手方向の向きが方形導波管の中心軸に向かうように配置している。

特開平０６−１３２７０９号公報

特許文献１に記載された平面伝送線路導波管変換器では、例えば強度保持のため基板の誘電体層を厚くした場合に、導波管内部で電界集中する箇所が従来とは異なるため、前記背景技術のように方形導波管の中心軸にプローブを配置しても、インピーダンス不整合により通過特性が低下してしまうという問題があった。

本発明の目的は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、誘電体基板の誘電体層の厚さの影響を受けることなく、低損失で平面線路を伝搬する信号を導波管に出力することが可能な平面伝送線路導波管変換器を提供することを目的とする。

（第１の態様）
本発明の第１の態様に係る平面伝送線路導波管変換器は、方形導波管と、誘電体基板と、を備え、前記誘電体基板は、当該誘電体基板上に作製された高周波信号を伝搬する平面伝送線路と、前記平面伝送線路と前記方形導波管とを結合するプローブと、を有し、前記誘電体基板は、前記プローブが前記方形導波管内部の電界と結合するために、前記導波管への平面伝送線路の挿入向きがＨ面に対して垂直かつＥ面と平行に挿入され、前記プローブは、前記方形導波管Ｈ面の中央部よりも、誘電体基板側に位置していることを特徴とする。

本態様によれば、プローブが方形導波管Ｈ面の中央部よりも誘電体基板側に位置しているため、誘電体層の厚さを考慮して、導波管内部で電界が集中する箇所を調整することができる。このようにして、導波管内部で電界が集中する箇所を調整できるので、誘電体基板の誘電体層の厚さの影響を受けることなく、低損失で平面線路を伝搬する信号を導波管に出力することができる。

（第２の態様）
本発明の第２の態様に係る平面伝送線路導波管変換器は、前記誘電体基板が、前記方形導波管長辺の３０％以上の厚みを持った多層基板を含むことを特徴とする。

本態様によれば、誘電体基板が、方形導波管長辺の３０％以上の厚みを持った多層基板を含むので、導波管内で誘電体基板を確実に支持固定することができ、かつ、反射特性を抑えることができるため、誘電体基板の誘電体層の厚さの影響を受けることなく、低損失で平面線路を伝搬する信号を導波管に出力することができる。

（第３の態様）
本発明の第３の態様に係る平面伝送線路導波管変換器は、前記プローブが、前記方形導波管Ｈ面の中央部から前記方形導波管長辺の４．０％〜７．９％の長さに相当する距離、誘電体基板側に位置していることを特徴とする。

本態様によれば、プローブを、Ｈ面の中央部から方形導波管長辺の４．０％〜７．９％の長さに相当する距離、誘電体基板側に配置させるという条件を満たすことで、その他の配置条件に比べて特に反射特性を低く抑えることができ、低損失で平面線路を伝搬する信号を導波管に出力することができる。つまり、本態様によれば、方形導波管長辺の３０％以上の厚みを持った多層基板を含む場合においても、−３０ｄＢ以下に反射特性を抑えることができ、低損失で平面線路を伝搬する信号を導波管に出力することができる。

（第４の態様）
本発明の第４の態様に係る平面伝送線路導波管変換器は、前記誘電体基板は、前記方形導波管長辺の３０．２％の厚みを持った多層基板であって、前記プローブは、前記方形導波管Ｈ面の中央部から前記方形導波管長辺の４．０％〜１６．８％の長さに相当する距離、前記誘電体基板側に位置していることを特徴とする。

本態様によれば、方形導波管長辺の３０．２％の厚みを持った多層基板を含む場合においても、−３０ｄＢ以下に反射特性を抑えることができ、低損失で平面線路を伝搬する信号を導波管に出力することができる。

（第５の態様）
本発明の第５の態様に係る平面伝送線路導波管変換器は、前記誘電体基板は、前記方形導波管長辺の３６．６％の厚みを持った多層基板であって、前記プローブは、前記方形導波管Ｈ面の中央部から前記方形導波管長辺の１．４％〜７．９％の長さに相当する距離、前記誘電体基板側に位置していることを特徴とする。

本態様によれば、方形導波管長辺の３６．６％の厚みを持った多層基板を含む場合においても、−３０ｄＢ以下に反射特性を抑えることができ、低損失で平面線路を伝搬する信号を導波管に出力することができる。

本発明によれば、低損失で平面線路を伝搬する信号を導波管に出力することができる。

本発明が適用された平面伝送線路導波管変換器について説明するための図である。 導波管に対するプローブの配置位置について説明するための図である。 導波管に対するプローブの配置位置について説明するための図である。 本発明が適用された平面伝送線路導波管変換器の電界強度と、比較例に係る平面伝送線路導波管変換器の電界強度とについて説明するための図である。 本発明が適用された平面伝送線路導波管変換器の電界強度と、比較例に係る平面伝送線路導波管変換器の電界強度とについて説明するための図である。 本実施形態に係るフィルタと比較例に係るフィルタとの周波数特性について説明するための図である。 プローブの配置位置に応じて変化する反射特性を示す図である。 誘電体基板の基板厚みに応じて変化する反射特性を示す図である。

本発明を実施するための形態（以下、本実施形態という。）について具体例を示して説明する。本実施形態は、平面伝送線路を伝搬する電磁波の伝搬モードと、導波管内部を伝搬する電磁波の伝搬モードとを相互に変換する平面伝送線路導波管変換器に関する。このような平面伝送線路導波管変換器の具体例として、図１に示すような、平面伝送線路導波管変換器１の構成について説明する。

（１）全体構成
図１（Ａ）は平面伝送線路導波管変換器１の概略を示す斜視図である。平面伝送線路導波管変換器１は、図１（Ａ）に示すように、高周波信号を伝搬する平面伝送線路２１が作製された誘電体基板２と、金属筺体１０を加工して作製された導波管３とを備える。

図１（Ｂ）及び図１（Ｃ）は、平面伝送線路導波管変換器１を、誘電体基板２と同一の平面で切断したときに現れる断面形状を示す図である。

導波管３は、図１（Ｂ）に示すように、金属筐体１０の側面１１を削り出すことにより形成された空洞である。具体的には、導波管３は、当該導波管３に発生する電界と平行なＥ面３Ｅと、電界に対して垂直なＨ面３Ｈによって決まる方形形状の導波管である。このような形状からなる導波管３は、後述する平面伝送線路２１を伝搬する高周波信号の伝搬モードを変換して開口３Ｃから外部に放出する送信用アンテナまでの導波路として機能する。あるいは、導波管３は、受信用アンテナの導波路として機能する開口３Ｃから導入した電磁波の伝搬モードを変換して、平面伝送線路２１に伝搬する。

また、金属筐体１０には、例えば図１（Ａ）に示すように、導波管３と平行した位置に誘電体基板２を設置する基板設置面１２が形成されている。また、金属筐体１０には、基板設置面１２に対して垂直な側面１３から導波管３内部に突出した空孔１３ｃが形成されている。

誘電体基板２は、誘電体層２０と、高周波用基板として機能する誘電体層２０ａと、誘電体層２０ａに積層された金属層からなる平面伝送線路２１とから構成され、基板設置面１２に設置されている。また、平面伝送線路２１には、図１（Ｂ）及び図１（Ｃ）に示すように、金属筐体１０に形成された空孔１３Ｃを介して導波管３内部に突出した位置に配置されるプローブ２２が形成されている。

このような空孔１３Ｃを介して導波管３内部に突出した位置にプローブ２２が配置される。このような配置により、プローブ２２は、導波管３への平面伝送線路２１の挿入向きが、Ｈ面に対して垂直かつＥ面と平行に挿入され、導波管３内部の電磁界と結合する。

以上のような構成からなる平面伝送線路導波管変換器１では、導波管３内部に挿入されている誘電体基板２の誘電体層２０の影響によって、導波管３内部の電界強度分布が変化するという特性を考慮して、図２及び図３に示すように、プローブ２２が、方形導波管３のＨ面３Ｈの中央部よりも、Ｅ面３Ｅ側すなわち誘電体基板２側に配置される。

ここで、図２は、導波管３の電磁波進行方向に対して垂直な方向に、誘電体基板２を切断したときに現れる断面図を示し、図３は、図２に示す断面各部の寸法を設定したときに決まるプローブ２２の位置を説明するための図である。

図３では、誘電体基板２の基板厚みをｔ、導波管３の長辺及び短辺をａ及びｂとして表記している。具体的に、誘電体基板２は、方形導波管長辺ａの３０％以上の厚みｔの多層基板を持った基板を採用する。また、プローブ２２を、方形導波管Ｈ面の中央部Ｃよりも方形導波管長辺ａの５％以上の値ｄ、誘電体基板２側に位置させる。

このようにして、本実施形態の平面伝送線路導波管変換器１では、プローブ２２が方形導波管Ｈ面の中央部Ｃよりも誘電体基板２側に位置しているため、後述する図４及び図５を用いた評価から明らかなように、誘電体基板２の誘電体層２０の厚さの影響を受けることなく、低損失で平面線路を伝搬する信号を導波管３に出力することができる。

（２）本実施形態に係る平面伝送線路導波管変換器の評価
本実施形態に係る平面伝送線路導波管変換器１の伝送特性を評価する比較対象として、プローブを方形導波管Ｈ面の中央部に配置した平面伝送線路導波管変換器を用いる。

まず、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示すような断面図からそれぞれ見たときの、本実施形態の平面伝送線路導波管変換器１及び比較例に係る平面伝送線路導波管変換器４０の電界強度分布について評価する。

図４（Ａ）は、本実施形態の平面伝送線路導波管変換器１において、導波管３のＨ面３Ｈから見た導波管３の断面図である。また、図４（Ｂ）は、比較例に係る平面伝送線路導波管変換器４０において、導波管４３のＨ面４３Ｈから見た導波管４３の断面図である。ここで、平面伝送線路導波管変換器１のプローブ２２は方形導波管Ｈ面３Ｈの中央部Ｃよりも誘電体基板２側に位置しているのに対して、比較例に係る平面伝送線路導波管変換器４０の誘電体基板４２に形成されたプローブ４２２は方形導波管Ｈ面４３Ｈの中央部Ｃに位置している。

図５（Ａ）及び図５（Ｂ）は、それぞれ図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に対応する電界強度分布を示した図である。図５（Ｂ）で示したように、誘電体の厚みの影響を受けて、電界が集中する箇所がＨ面４３Ｈ中央から誘電体基板２側に変化する。このような電界が集中する箇所が変化する特性を利用して、本実施形態の平面伝送線路導波管変換器１のように、プローブ２２を誘電体基板２側にずらすと、高効率で平面伝送線路２１と導波管３とを電磁界結合することができる。

次に、本実施形態の平面伝送線路導波管変換器及び比較例に係る平面伝送線路導波管変換器の通過特性について図６を参照して評価する。

図６（Ａ）は、横軸を信号の伝送周波数とし、縦軸に平面伝送線路と導波管との間の通過特性を示したシミュレーション結果である。また、図６（Ｂ）は、横軸を信号の伝送周波数とし、縦軸に平面伝送線路と導波管との間の反射特性を示したシミュレーション結果である。ここで、図６（Ａ）及び図６（Ｂ）では、本実施形態に係る平面伝送線路導波管変換器の周波数特性を実線で示し、比較例に係る平面伝送線路導波管変換器の周波数特性を破線で示している。

図６（Ａ）から明らかなように、本実施形態に係る平面伝送線路導波管変換器１は、全周波数帯域に亘って、比較例に係る平面伝送線路導波管変換器に比べて通過特性を表した利得が高い結果となっている。また、図６（Ｂ）から明らかなように、本実施形態に係る平面伝送線路導波管変換器１は、全周波数帯域に亘って、比較例に係る平面伝送線路導波管変換器に比べて反射特性が低く抑えられている。

これは、図６の結果から明らかなように、本実施形態の平面伝送線路導波管変換器１では、比較例に係る平面伝送線路導波管変換器と比較して高効率で平面伝送線路２１と導波管３とを電磁界結合することができるからである。

次に、図３におけるプローブ２２の方形導波管中央Ｃからの変位量ｄに応じた反射特性の変化について、図７を参照して説明する。図７は、誘電体基板２の基板厚みｔを方形導波管長辺ａの３０．２％に相当する厚みに固定した条件の下、変位量ｄを方形導波管長辺ａの０％、４．２％、８．４％、１２．６％、１６．８％に相当する５種類の値に変化させたときの反射特性（周波数特性）を示すグラフ（Ｇ１１、Ｇ１２、Ｇ１３、Ｇ１４、Ｇ１５）である。つまり、図７の横軸は、整合調整過程において、４０〜４５ＧＨｚの周波数範囲で整合のとれたＧ１２、Ｇ１３、Ｇ１４、Ｇ１５については、反射特性が最下点となる周波数により正規化した周波数（４０〜４５ＧＨｚ）を示し、４０〜４５ＧＨｚの周波数範囲で整合のとれなかったＧ１１については、４２．５ＧＨｚを１として正規化した周波数を示す。図７のＧ１２〜Ｇ１５の各グラフは整合調整過程において最も整合がとれた状態の反射特性［ｄＢ］を示している。変位量ｄが方形導波管長辺ａの０％の場合のグラフＧ１１は、４０〜４５ＧＨｚの範囲で整合がとれないが、変位量ｄが方形導波管長辺ａの４．２％〜１６．８％の場合のグラフＧ１２〜Ｇ１５では、反射特性が最下点となる周波数における反射量が−３０ｄＢ以下で整合をとることが可能であることを示している。

上記に説明した図７に示す反射特性から明らかなように、方形導波管長辺ａの約３０％の厚みを持った誘電体基板２においては、プローブを、Ｈ面３Ｈの中央部から方形導波管長辺ａの４．２％〜１６．８％の長さに相当する距離、誘電体基板２側に配置させることで、反射特性を低く抑えることができる。

次に、誘電体基板２の基板厚みｔに応じた反射特性の変化について図８を参照して説明する。図８は、基板厚みｔを方形導波管長辺ａの１１．６％、３０．２％、３６．６％に相当する厚みにそれぞれ固定した条件の下、方形導波管長辺ａに対する変位量ｄの割合（横軸）の変化に応じた反射特性（縦軸）の変化を示したグラフ（Ｇ２１、Ｇ２２、Ｇ２３）である。図８の縦軸には、図７と同様に、整合調整過程において最も整合がとれた状態の反射特性［ｄＢ］を示している。

まず、基板厚みｔを方形導波管長辺ａの３０．２％に固定した条件のグラフＧ２２は、図７の結果について表現形式を変更したものであり、横軸の値４．０％以上の範囲、より具体的には４．０％乃至１６．８％の範囲で、縦軸に示す反射特性が−３０ｄＢ以下に抑えることを示している。また、方形導波管長辺ａに対する基板厚みｔの割合を３６．６％に固定した条件のグラフＧ２３は、横軸の値が１．４％〜７．９％のときの反射特性が−３０ｄＢ以下に抑えることを示している。上記に説明した図８の結果から明らかなように、基板厚みｔを、方形導波管長辺ａの３０％以上とし、プローブ２２の方形導波管中央Ｃからの変位量ｄを方形導波管長辺ａの４．０〜７．９％とすることで、反射特性を低く抑えることができる。一方、基板厚みｔを方形導波管長辺ａの１１．６％に固定した条件のグラフＧ２１は、横軸の値が４．０％〜７．９％の範囲内で反射特性を−３０［ｄＢ］以下に抑えることができない。

（３）効果
以上のように、本実施形態に係る平面伝送線路導波管変換器１は、プローブ２２が方形導波管Ｈ面３Ｈの中央部Ｃよりも誘電体基板２側に位置しているため、誘電体層２０の厚さを考慮して、導波管内部で電界が集中する箇所を調整することができる。このようにして、導波管３内部で電界が集中する箇所を調整できるので、誘電体基板２の誘電体層２０の厚さの影響を受けることなく、低損失で平面線路を伝搬する信号を導波管３に出力することができる。

また、好ましくは、本実施形態に係る平面伝送線路導波管変換器１は、図３に示した寸法のように、誘電体基板２が、方形導波管長辺の３０％以上、より好ましくは図８の結果から明らかなように３０％〜３６．６％の厚みを持った多層基板を含むことにより、導波管３内で誘電体基板２を確実に支持固定することができ、かつ、反射特性を抑えることができるため、誘電体基板２の誘電体層２０の厚さの影響を受けることなく、低損失で平面線路を伝搬する信号を導波管３に出力することができる。

また、好ましくは、本実施形態に係る平面伝送線路導波管変換器１は、方形導波管長辺の約３０％の厚みを持った誘電体基板２において、プローブを、Ｈ面３Ｈの中央部から方形導波管長辺ａの４．０％〜７．９％の長さに相当する距離、誘電体基板２側に配置させることで、反射特性を低く抑えることができる。つまり、方形導波管長辺の３０％以上の厚みを持った多層基板を含む場合においても、−３０ｄＢ以下に反射特性を抑えることができ、低損失で平面線路を伝搬する信号を導波管に出力することができる。

また、好ましくは、本実施形態に係る平面伝送線路導波管変換器１は、方形導波管長辺の３０．２％の厚みを持った誘電体基板２を用いて、プローブを、Ｈ面３Ｈの中央部から方形導波管長辺ａの４．０％〜１６．８％の長さに相当する距離、誘電体基板２側に配置させることで、反射特性を低く抑えることができる。つまり、方形導波管長辺の３０．２％の厚みを持った多層基板を含む場合において、−３０ｄＢ以下に反射特性を抑えることができ、低損失で平面線路を伝搬する信号を導波管に出力することができる。

また、好ましくは、本実施形態に係る平面伝送線路導波管変換器１は、方形導波管長辺の３６．６％の厚みを持った誘電体基板２を用いて、プローブを、Ｈ面３Ｈの中央部から方形導波管長辺ａの１．４％〜７．９％の長さに相当する距離、誘電体基板２側に配置させることで、反射特性を低く抑えることができる。つまり、方形導波管長辺の３６．６％の厚みを持った多層基板を含む場合において、−３０ｄＢ以下に反射特性を抑えることができ、低損失で平面線路を伝搬する信号を導波管に出力することができる。

なお、本実施形態に係る平面伝送線路導波管変換器１は、通過帯域が図６に示すような周波数帯に限定されることなく、適用例に応じて各部材の寸法を調整すればよい。

１ 平面伝送線路導波管変換器
２ 誘電体基板
２０ 誘電体層
２１ 平面伝送線路
２２ プローブ
３ 導波管

Claims (4)

1. 方形導波管と、
   誘電体基板と、を備え、
   前記誘電体基板は、当該誘電体基板上に積層された金属層からなるマイクロストリップ線路により、高周波信号を伝搬する平面伝送線路と、
   前記平面伝送線路と前記方形導波管とを結合するプローブと、を有し、
   前記誘電体基板は、前記プローブが前記方形導波管内部の電界と結合するために、前記導波管への平面伝送線路の挿入向きがＨ面に対して垂直かつＥ面と平行に挿入されるとともに、前記方形導波管長辺の３０％以上３６．６％以下の厚みを持った多層基板であり、
   前記プローブは、前記方形導波管Ｈ面の中央部から前記方形導波管長辺の４．０％〜７．９％の長さに相当する距離、前記方形導波管Ｈ面の中央部よりも、誘電体基板側に位置していることを特徴とする平面伝送線路導波管変換器。
2. 前記誘電体基板は、前記方形導波管長辺の３０．２％の厚みを持った多層基板であることを特徴とする請求項１記載の平面伝送線路導波管変換器。
3. 前記誘電体基板は、前記方形導波管長辺の３６．６％の厚みを持った多層基板であることを特徴とする請求項１記載の平面伝送線路導波管変換器。
4. 方形導波管と、
   誘電体基板と、を備え、
   前記誘電体基板は、当該誘電体基板上に積層された金属層からなるマイクロストリップ線路により、高周波信号を伝搬する平面伝送線路と、
   前記平面伝送線路と前記方形導波管とを結合するプローブと、を有し、
   前記誘電体基板は、前記プローブが前記方形導波管内部の電界と結合するために、前記導波管への平面伝送線路の挿入向きがＨ面に対して垂直かつＥ面と平行に挿入されるとともに、前記方形導波管長辺の３６．６％の厚みを持った多層基板であり、
   前記プローブは、前記方形導波管Ｈ面の中央部から前記方形導波管長辺の１．４％〜７．９％の長さに相当する距離、前記方形導波管Ｈ面の中央部よりも、誘電体基板側に位置していることを特徴とする平面伝送線路導波管変換器。

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