JP6391560B2 - 導波管変換回路及びアンテナ装置 - Google Patents

Description

この発明は、矩形導波管の伝送波をリッジ導波管の伝送波に変換する導波管変換回路と、その導波管変換回路を搭載しているアンテナ装置とに関するものである。

例えば、マイクロ波やミリ波などの高周波数帯のアンテナ給電回路に用いられる導波管変換回路では、電波の様々な伝送形式に対応するために、異なる２つの導波管を用いて、電波を伝送する構造のものが使用されることがある。
以下の特許文献１には、異なる２つの導波管として、誘電体導波管と空洞導波管が用いられ、誘電体導波管と空洞導波管がＨ形状の結合面を介して接続されている構造が開示されている。

特開２０１１−２５４４１８号公報（図１）

異なる２つの導波管として、矩形導波管とリッジ導波管を接続する場合がある。この場合の導波管変換回路に対して、特許文献１に開示されている接続構造を適用すれば、矩形導波管における１つの幅狭面と、リッジ導波管における１つの幅狭面とが結合面を介して接続されている導波管変換回路をなすことができる。
これにより、例えば、矩形導波管に電界が入力されると、その電界を結合面で結合したのち、その結合した電界を等分配して、リッジ導波管の２つの開放端に出力することができるようになる。
しかし、この導波管変換回路では、結合面とリッジ導波管内のリッジが空間を介して離れているため、結合面で結合された電界が、リッジ導波管内のリッジに至るまでの間に弱まる。その結果として、リッジ導波管の開放端から出力することが可能な電界の電力量が減少してしまうという課題があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、結合面からリッジ導波管内のリッジに至るまでの間に電界が弱まるのを抑えて、リッジ導波管の開放端から出力することが可能な電界の電力量を増やすことができる導波管変換回路を得ることを目的とする。
また、この発明は、リッジ導波管の開放端から出力することが可能な電界の電力量を増やすことができる導波管変換回路を搭載しているアンテナ装置を得ることを目的とする。

この発明に係る導波管変換回路は、一端が開放されて、他端が短絡されている矩形導波管と、両端が開放されており、側面を構成している１つの幅狭面が、矩形導波管における１つの幅狭面と対向し、かつ、矩形導波管と平行になるように配置され、側面を構成している幅広面の内壁にリッジが設けられているリッジ導波管とを備え、矩形導波管における１つの幅狭面とリッジ導波管における１つの幅狭面との一部に、矩形導波管とリッジ導波管の結合面を画定する穴が施され、リッジ導波管内のリッジに、先端が結合面側に伸びている第１の突起物が設けられているようにしたものである。

この発明によれば、矩形導波管における１つの幅狭面とリッジ導波管における１つの幅狭面との一部に、矩形導波管とリッジ導波管の結合面を画定する穴が施され、リッジ導波管内のリッジに、先端が結合面側に伸びている第１の突起物が設けられているように構成したので、結合面からリッジ導波管内のリッジに至るまでの間に電界が弱まるのを抑えて、リッジ導波管の開放端から出力することが可能な電界の電力量を増やすことができる効果がある。

この発明の実施の形態１による導波管変換回路を示す斜視図である。 この発明の実施の形態１による導波管変換回路を示す断面図である。 図２のＡ−Ａ’線の断面図である。 この発明の実施の形態１による導波管変換回路に伝送される電波を示す説明図である。 突起物７，８が設けられていない導波管変換回路を示す断面図である。 図５の導波管変換回路と実施の形態１の導波管変換回路における反射特性を示す説明図である。 突起物８の形状がテーパ形状である導波管変換回路の一例を示す断面図である。 突起物８の形状が階段形状である導波管変換回路の一例を示す断面図である。 突起物７の形状がテーパ形状である導波管変換回路の一例を示す断面図である。 突起物７の形状が階段形状である導波管変換回路の一例を示す断面図である。 この発明の実施の形態２による導波管変換回路を示す断面図である。 この発明の実施の形態３による導波管変換回路を示す断面図である。 結合面６の形状がＨ形状である場合の図２のＡ−Ａ’線の断面図である。

以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面にしたがって説明する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による導波管変換回路を示す斜視図であり、図２はこの発明の実施の形態１による導波管変換回路を示す断面図である。
また、図３は図２のＡ−Ａ’線の断面図であり、図４はこの発明の実施の形態１による導波管変換回路に伝送される電波を示す説明図である。

図１から図４において、矩形導波管１は一端が開放されている開放端１ａと、他端が短絡されている短絡端１ｂとを有し、側面である幅狭面２ａ，２ｂと、側面である幅広面２ｃ，２ｄとによって囲まれている長方形の導波管である。
リッジ導波管３は開放端３ａ（第１の開放端）と、開放端３ｂ（第２の開放端）とを有している導波管であり、リッジ導波管３は側面である幅狭面４ａ，４ｂと、側面である幅広面４ｃ，４ｄとによって囲まれており、幅広面４ｃ，４ｄの内壁にはリッジ５が設けられている。
なお、矩形導波管１とリッジ導波管３は、幅狭面２ａと幅狭面４ｂが対向するように、平行に配置されている。
この実施の形態１では、リッジ導波管３内に設けられているリッジ５が、２つのリッジからなるダブルリッジ構造である例を示しているが、１つのリッジからなるシングルリッジ構造であるものであってもよい。
ここで、リッジ導波管３の中心軸３ｃは、開放端３ａと開放端３ｂからの距離が等しい位置、即ち、リッジ導波管３における管軸方向の中心の位置を通る直線３ｄと垂直に交わる軸である。

結合面６は矩形導波管１における幅狭面２ａとリッジ導波管３における幅狭面４ｂとの一部に施されている穴によって、その外形が画定されている。
即ち、結合面６はリッジ導波管３における管軸方向の中心の位置に施されている穴によって画定されており、その穴の形状は、リッジ導波管３における管軸方向の中心の位置を通る直線３ｄに対して線対称な形状である。このため、直線３ｄは、結合面６を画定する穴の対称軸となっている。
この実施の形態１では、図３に示すように、結合面６の形状が矩形状である例を示している。

なお、結合面６の長手方向は、リッジ導波管３の管軸方向であり、結合面６の短手方向は、リッジ導波管３の管幅方向である。リッジ導波管３の管軸方向は、図２及び図３では紙面左右方向であり、リッジ導波管３の管幅方向は、図３では紙面上下方向である。

突起物７は先端７ａが結合面６側に伸びている第１の突起物である。
突起物７はリッジ導波管３の中心軸３ｃと一致する位置で、リッジ導波管３内のリッジ５に設けられており、突起物７は、リッジ導波管３が有するインピーダンスの調節機能、即ち、反射整合をとる整合素子の機能を有している。
この実施の形態１では、リッジ導波管３内に設けられているリッジ５が、２つのリッジからなるダブルリッジ構造であるため、２つのリッジに対して突起物７がそれぞれ設けられており、２つの突起物７の設置位置は、リッジ導波管３の管軸方向で同じ位置である。即ち、図２のようにリッジ導波管３の中心軸３ｃと一致する位置である。
導波管変換回路の側面を図２のように見たとき、突起物７の形状が矩形状であるため、突起物７の先端７ａは突起物７の下面に対応している。

突起物８は先端８ａが結合面６側に伸びている第２の突起物である。
突起物８はリッジ導波管３の中心軸３ｃと一致する位置で、リッジ導波管３の幅狭面４ａの内壁に設けられており、突起物８は、リッジ導波管３が有するインピーダンスの調節機能、即ち、反射整合をとる整合素子の機能を有している。
導波管変換回路の側面を図２のように見たとき、突起物８の形状が矩形状であるため、突起物８の先端８ａは突起物８の下面に対応している。

次に動作について説明する。
例えば、矩形導波管１から基本モードＴＥ１０の電波が入力されると、矩形導波管１を伝搬する基本モードＴＥ１０は、結合面６において、図４に示すような電界の向きとなり、リッジ導波管３と結合される。
リッジ導波管３と結合された電界は、リッジ導波管３の基本モードＴＥ１０に変換される。

この実施の形態１では、リッジ導波管３内のリッジ５に突起物７が設けられているが、突起物７が設けられていない場合には、結合面６からリッジ導波管３内のリッジ５に至るまでの間に電波の電界が弱まり、その結果として、リッジ導波管３の開放端３ａ，３ｂから出力することが可能な電界の電力量が減少してしまうことがある。即ち、電波の反射が小さい良好な反射特性を実現することができなくなることがある。
しかし、この実施の形態１では、リッジ導波管３内のリッジ５に突起物７が設けられており、この突起物７が、反射整合をとる整合素子の機能を有しているため、結合面６からリッジ導波管３内のリッジ５に至るまでの間に電波の電界が弱まるのを抑えることができる。即ち、リッジ導波管３内のリッジ５に設けられている突起物７が、結合面６で結合している電界を、その電力量を維持したままリッジ導波管３内のリッジ５まで伝搬するように作用するため、結合面６からリッジ導波管３内のリッジ５に至るまでの間に電波の電界が弱まるのを抑えることができる。これにより、リッジ導波管３の開放端３ａ，３ｂから出力することが可能な電界の電力量を増やすことができる。即ち、電波の反射が小さい良好な反射特性を実現することができる。
また、リッジ導波管３の幅狭面４ａの内壁に突起物８が設けられており、この突起物８も、反射整合をとる整合素子の機能を有している。このように、突起物８が設けられていることで、さらに、良好な反射特性を実現することができる。

また、この実施の形態１では、矩形導波管１の短絡端１ｂの位置が、リッジ導波管３の中心軸３ｃから、例えば、基本モードＴＥ１０の波長の４分の１の長さの位置に設けられているため、基本モードＴＥ１０の電界が最も高い状態で、その電界を結合面６に結合させることができている。したがって、このことも、リッジ導波管３の開放端３ａ，３ｂから出力する電界の電力量の増加に寄与する。
この実施の形態１では、矩形導波管１の短絡端１ｂの位置が、リッジ導波管３の中心軸３ｃから、基本モードＴＥ１０の波長の４分の１の長さの位置に設けられている例を示しているが、リッジ導波管３の中心軸３ｃから、４分のｎ（ｎは正の奇数）波長の位置に設けられていれば、基本モードＴＥ１０の電界が最も高い状態で、その電界を結合面６に結合させることができる。

ここで、図５は突起物７，８が設けられていない導波管変換回路を示す断面図である。
図６は図５の導波管変換回路と実施の形態１の導波管変換回路における反射特性を示す説明図である。
図６に示している反射特性は、電磁界解析によって求めたものである。
突起物７，８が設けられていない図５の導波管変換回路では、基本モードＴＥ１０の中心周波数ｆ０で正規化された正規化周波数（ｆ／ｆ０）が“約０．９６５−１．０２５”の範囲で反射が−２０ｄＢ以下である。
これに対して、突起物７，８が設けられている実施の形態１の導波管変換回路では、正規化周波数（ｆ／ｆ０）が“０．９６未満−１．０４以上”の範囲で反射が−２０ｄＢ以下であり、突起物７，８が設けられていないものより、広帯域化が図られていることが確認される。

以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、矩形導波管１における幅狭面２ａとリッジ導波管３における幅狭面４ｂとの一部に、矩形導波管１とリッジ導波管３の結合面６を画定する穴が施され、リッジ導波管３内のリッジ５に、先端７ａが結合面６側に伸びている突起物７が設けられているように構成したので、結合面６からリッジ導波管３内のリッジ５に至るまでの間に電界が弱まるのを抑えて、リッジ導波管３の開放端３ａ，３ｂから出力することが可能な電界の電力量を増やすことができる効果を奏する。即ち、電波の反射が小さい良好な反射特性を実現することができる効果を奏する。

また、この実施の形態１によれば、リッジ導波管３の幅狭面４ａの内壁に、先端８ａが結合面６側に伸びている突起物８が設けられているように構成したので、さらに、良好な反射特性を実現することができる効果を奏する。

この実施の形態１では、結合面６を画定する穴の対称軸がリッジ導波管３における管軸方向の中心の位置を通る直線３ｄと一致するように、結合面６を画定する穴が施されているものを示したが、これは一例にすぎず、対称軸が直線３ｄとずれている位置に結合面６を画定する穴が施されていてもよい。

また、この実施の形態１では、リッジ導波管３の中心軸３ｃと一致する位置に突起物７，８が設けられているものを示したが、結合面６の長手方向の範囲内に突起物７，８が設けられていればよく、リッジ導波管３の中心軸３ｃと異なる位置に突起物７，８が設けられていてもよい。
ただし、この実施の形態１のように、結合面６の長手方向の中心の位置に突起物７，８が設けられている場合が最も電界の弱まりを抑えることができる。

この実施の形態１では、導波管変換回路の側面を図２のように見たとき、突起物８の形状が矩形状である例を示しているが、反射整合をとる整合素子の機能を有していれば、形状が矩形状であるものに限るものではなく、例えば、形状がテーパ形状や階段形状であるものであってもよい。
図７は突起物８の形状がテーパ形状である導波管変換回路の一例を示す断面図であり、図８は突起物８の形状が階段形状である導波管変換回路の一例を示す断面図である。
図７において、８ｂはテーパ形状を示し、図８において、８ｃは階段形状を示している。

この実施の形態１では、導波管変換回路の側面を図２のように見たとき、突起物７の形状が矩形状である例を示しているが、反射整合をとる整合素子の機能を有していれば、形状が矩形状であるものに限るものではなく、例えば、形状がテーパ形状や階段形状であるものであってもよい。
図９は突起物７の形状がテーパ形状である導波管変換回路の一例を示す断面図であり、図１０は突起物７の形状が階段形状である導波管変換回路の一例を示す断面図である。
図９において、７ｂはテーパ形状を示し、図１０において、７ｃは階段形状を示している。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、矩形導波管１の他端が全面平坦な形状の短絡端１ｂであるものを示したが、矩形導波管１の短絡端１ｂの一部の形状がテーパ形状になっているものであってもよい。

図１１はこの発明の実施の形態２による導波管変換回路を示す断面図であり、図１１において、図２と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
図１１の導波管変換回路では、矩形導波管１の短絡端１ｂの一部の形状がテーパ形状１１になっている。即ち、矩形導波管１の短絡端１ｂの一部がＨ面ベンドの構成になっている。
矩形導波管１の短絡端１ｂの一部の形状がテーパ形状１１になることで、短絡端１ｂでの電界の反射特性が高まるため、上記実施の形態１よりも更に良好な反射特性を実現することができる。

実施の形態３．
上記実施の形態１では、矩形導波管１の他端が全面平坦な形状の短絡端１ｂであるものを示したが、矩形導波管１の短絡端１ｂの一部の形状が階段形状になっているものであってもよい。

図１２はこの発明の実施の形態３による導波管変換回路を示す断面図であり、図１２において、図２と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
図１２の導波管変換回路では、矩形導波管１の短絡端１ｂの一部の形状が１段以上の階段形状１２になっている。即ち、矩形導波管１の短絡端１ｂの一部がＨ面ベンドの構成になっている。
矩形導波管１の短絡端１ｂの一部の形状が階段形状１２になることで、短絡端１ｂでの電界の反射特性が高まるため、上記実施の形態１よりも更に良好な反射特性を実現することができる。

実施の形態４．
上記実施の形態１〜３では、結合面６を画定する穴の形状が矩形状であるものを示したが、結合面６を画定する穴の形状がＨ形状であるものであってもよい。

図１３は結合面６の形状がＨ形状である場合の図２のＡ−Ａ’線の断面図である。
上記実施の形態１〜３のように、結合面６を画定する穴の形状が矩形状である場合、結合面６で高い電界を結合させるには、結合面６の短手方向の長さを短くする必要がある。
しかし、結合面６の短手方向の長さを短くすることが製造上の制約によって困難となることがある。
この実施の形態４のように、結合面６を画定する穴の形状がＨ形状である場合、結合面６の中心部分の短手方向の長さを、結合面６を画定する穴の形状が矩形状である場合の結合面６の短手方向の長さより長くしても、結合面６を画定する穴の形状が矩形状である場合と同程度の電界を結合面６に結合させることができる。
このため、結合面６を画定する穴の形状がＨ形状である場合、結合面６の中心部分の短手方向の長さを多少長くしても、結合面６で高い電界を結合させることが可能になる。したがって、高い電界を結合させる必要がある場合には、上記実施の形態１〜３よりも製造の容易化を図ることができる。

実施の形態５．
上記実施の形態１〜４では、電波の反射が小さい良好な反射特性を実現することができる導波管変換回路について示したが、上記実施の形態１〜４で示している導波管変換回路をアンテナ装置に搭載するようにしてもよい。
あるいは、上記実施の形態１〜４で示している導波管変換回路が組み込まれているアンテナ給電回路をアンテナ装置に搭載するようにしてもよい。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１ 矩形導波管、１ａ 矩形導波管１の開放端、１ｂ 矩形導波管１の短絡端、２ａ，２ｂ 矩形導波管１の幅狭面、２ｃ，２ｄ 矩形導波管１の幅広面、３ リッジ導波管、３ａ リッジ導波管３の開放端（第１の開放端）、３ｂ リッジ導波管３の開放端（第２の開放端）、３ｃ リッジ導波管３の中心軸、３ｄ リッジ導波管３における管軸方向の中心の位置を通る直線、４ａ，４ｂ リッジ導波管３の幅狭面、４ｃ，４ｄ リッジ導波管３の幅広面、５ リッジ、６ 結合面、６ａ，６ｂ 結合面６の端、７ 突起物（第１の突起物）、７ａ 突起物７の先端、７ｂ テーパ形状、７ｃ 階段形状、８ 突起物（第２の突起物）、８ａ 突起物８の先端、８ｂ テーパ形状、８ｃ 階段形状、１１ テーパ形状、１２ 階段形状。

Claims (13)

1. 一端が開放されて、他端が短絡されている矩形導波管と、
   両端が開放されており、側面を構成している１つの幅狭面が、前記矩形導波管における１つの幅狭面と対向し、かつ、前記矩形導波管と平行になるように配置され、前記側面を構成している幅広面の内壁にリッジが設けられているリッジ導波管とを備え、
   前記矩形導波管における１つの幅狭面と前記リッジ導波管における１つの幅狭面との一部に、前記矩形導波管と前記リッジ導波管の結合面を画定する穴が施され、前記リッジ導波管内のリッジに、先端が前記結合面側に伸びている第１の突起物が設けられていることを特徴とする導波管変換回路。
2. 前記リッジ導波管の側面を構成している２つの幅狭面のうち、前記矩形導波管から離れている側の幅狭面の内壁に、先端が前記結合面側に伸びている第２の突起物が設けられていることを特徴とする請求項１記載の導波管変換回路。
3. 前記第２の突起物の形状が矩形状であることを特徴とする請求項２記載の導波管変換回路。
4. 前記第２の突起物の形状がテーパ形状又は階段形状であることを特徴とする請求項２記載の導波管変換回路。
5. 前記結合面は、前記リッジ導波管における第１の開放端と第２の開放端からの距離が等しい位置である前記リッジ導波管における管軸方向の中心の位置に施されている穴によって画定されており、前記穴の形状は、前記管軸方向の中心の位置を通る直線に対して対称形状であることを特徴とする請求項１記載の導波管変換回路。
6. 前記結合面を画定する穴の形状が矩形状であることを特徴とする請求項５記載の導波管変換回路。
7. 前記結合面を画定する穴の形状がＨ形状であることを特徴とする請求項５記載の導波管変換回路。
8. 前記矩形導波管の短絡端が、前記管軸方向の中心の位置を通る直線と垂直に交わる前記リッジ導波管の中心軸から４分のｎ（ｎは正の奇数）波長の位置に設けられていることを特徴とする請求項５記載の導波管変換回路。
9. 前記矩形導波管の短絡端の一部の形状がテーパ形状であることを特徴とする請求項８記載の導波管変換回路。
10. 前記矩形導波管の短絡端の一部の形状が階段形状であることを特徴とする請求項８記載の導波管変換回路。
11. 前記リッジ導波管内に設けられているリッジは、１つのリッジからなるシングルリッジ構造であることを特徴とする請求項１から請求項１０のうちのいずれか１項記載の導波管変換回路。
12. 前記リッジ導波管内に設けられているリッジは、２つのリッジからなるダブルリッジ構造であることを特徴とする請求項１から請求項１０のうちのいずれか１項記載の導波管変換回路。
13. 請求項１から請求項１２のうちのいずれか１項記載の導波管変換回路を搭載しているアンテナ装置。

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