JP6778703B2 - 高次モード結合器 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、高次モード結合器に関する。

近年、無線通信機器の分野では、装置の小型化や低コスト化が一層求められるようになっている。この傾向は、基本モードの信号と高次モードの信号の分離または合成を行う高次モード結合器においても同様である。高次モード結合器は、一般に主導波管と、周囲に接続された副導波管を備えている。高次モード結合器を作るときに、金属を複雑な立体形状に加工するのが一般的であるが、製造コストがかかってしまう。

また、副導波管の幅は信号に係る波長の半分以上である必要があるため、高次モード結合器のうち、副導波管に係る部分のサイズや重量が大きくなりがちである。このような制約があるため、高次モード結合器全体のサイズを小さくするのも難しい。

特開平１１−１１２２０１号公報 特開昭６０−１６０７０２号公報

本発明の実施形態は、小型であり、低コストで製造可能な高次モード結合器を提供する。

本発明の実施形態としての高次モード結合器は、第１導波管と、第２導波管と、基板と、を備える。前記基板は、第１面と、第１面に対向する第２面とを備え、前記第１面は、前記第１導波管の端部の開口と結合される第１結合部を有し、前記第２面は、前記第２導波管の端部の開口と結合される第２結合部を有し、前記基板は、前記第１結合部と前記第２結合部との間の領域に結合された複数の伝送線路、を含む。

第１の実施形態に係る高次モード結合器の構成例を示す図。 部品ごとに分離された高次モード結合器の構成例を示す図。 導波管の断面形状の例を示す図。 高次モード結合器の回路基板の各層を示した図。 高次モード結合器に係る回路基板の断面図。 第１の実施形態に係る高次モード結合器の断面図。 テーパー状となっている導波管の例を示す図。 ステップ状となっている導波管の例を示す図。 第２の実施形態に係る高次モード結合器の回路基板の構成例を示す図。 第３の実施形態に係る高次モード結合器の回路基板の構成例を示す図。 第４の実施形態に係る高次モード結合器の回路基板の構成例を示す図。 第５の実施形態に係る高次モード結合器の回路基板の構成例を示す図。 導体ビアを備えた回路基板の断面図。 導波管の端部に溝を設けた構成例を示す図。 導波管の端部に溝と周期構造を設けた構成例を示す図。 第８の実施形態に係る高次モード結合器の回路基板の構成例を示す図。 第９の実施形態に係る高次モード結合器の構成例を示す図。 第９の実施形態に係るプレートの構成例を示す図。 高次モード結合器に接続される合成回路の例を示す図。 高次モード結合器に接続される合成回路の例を示す図。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。また、図面において同一の構成要素は、同じ番号を付し、説明は、適宜省略する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る高次モード結合器の構成例を示している。図２は、高次モード結合器１００を部品ごとに分離して示した斜視図である。図１の高次モード結合器１００は、導波管１０１ａ、１０１ｂと、基板（高次モード伝送基板）１０３とを備えている。

導波管１０１ａ、１０１ｂは、主導波管であり、それぞれ第１導波管と第２導波管に相当する。導波管１０１ａ、１０１ｂは、それぞれの管軸が一致するように配置されている。すなわち、管軸１０２は、導波管１０１ａの管軸と、導波管１０１ｂの管軸と一致する。高次モード伝送基板１０３は、導波管１０１ａの端部と導波管１０１ｂの端部の間に配置されている。

導波管１０１ａ、１０１ｂは、例えば銅、アルミニウム、真鍮、ステンレスなどの金属から形成されている。また、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ：Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）など、金属以外の導電性材料を用いてもよい。樹脂の表面に金属メッキを施したものを使ってもよい。

図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）および図３（Ｄ）は、導波管の断面形状の例を示している。図１の導波管１０１ａ、１０１ｂの断面形状は、図３（Ａ）で示される、円形の断面形状１０である。導波管の断面形状は回転対称であれば、その他の形状をとることもできる。図３（Ｂ）〜図３（D）の断面形状１１〜１３は回転対称性を有する形状の他の例である。図３（Ｂ）の断面形状１１は円形状であるが、内壁にリッジ（ｒｉｄｇｅ）が設けられている。図３（Ｃ）の断面形状１２は、正方形状となっている。図３（Ｄ）の断面形状１３は、正方形状であるが、内壁にリッジ（ｒｉｄｇｅ）が設けられている。

断面形状が図３（Ｂ）の断面形状１１または図３（Ｄ）の断面形状１３である場合の導波管は、リッジ導波管である。リッジは導波管の本体と同一の材料で形成されていてもよいし、異なる材料で形成されていてもよい。また、導波管の内壁に溝を有するコルゲート導波管を用いてもよい。

導波管１０１ａ、１０１ｂは同一の断面形状であり、同一の材料で形成されているとする。ただし、導波管１０１ａと導波管１０１ｂは異なる断面形状であってもよいし、異なる材料で形成されていてもよい。

導波管１０１ａ、１０１ｂの管軸１０２は同一の直線を形成している。また、第１導波管である導波管１０１ａと、第２導波管である導波管１０１ｂの断面形状は管軸１０２に対して回転対称となっている。導波管の配置と構造により、反射や、不要なモードの発生を抑制できる。

図４は高次モード伝送基板１０３の各層を分離して示した斜視図である。図５は、高次モード伝送基板１０３を、図２のＡＡ´線を通るｘ−ｙ平面で切断した断面図である。以下では図２、図４および図５を参照しながら、高次モード伝送基板１０３について説明する。

高次モード伝送基板１０３は、平板状の構造物である。高次モード伝送基板１０３の両面は、それぞれ導波管１０１ａ、１０１ｂの端部と対向している。また、高次モード伝送基板１０３の中心には、導波管１０１ａおよび導波管１０１ｂの管軸１０２が通っている。高次モード伝送基板１０３の形状は、方形でも、円形でも、他の形状でもよい。

図４に示すように、高次モード伝送基板１０３は、当該基板１０３の第１面に対応する導体層１０５ａと、第１面に対向する第２面に対応する導体層１０５ｂと、導体層１０５ａ、１０５ｂにはさまれた中間層である誘電体層（誘電体基板）１０７との積層構造を有する。導体層１０５ａ、１０５ｂは例えば、銅、アルミニウム、真鍮、ステンレスなどの導電体から形成されている。誘電体基板１０７は、例えばエポキシ樹脂、ふっ素樹脂（PTFE）、ポリフェニレンエーテル樹脂（PPE）、液晶ポリマー、ポリイミド、セラミック、マイカなどの誘電体から形成された誘電体基板である。誘電体基板１０７は単一の層から形成されていてもよいし、複数の層を含むものであってもよい。誘電体層が複数の層を含む場合、それぞれの層は同じ材料で形成されていてもよいし、異なる材料で形成されていてもよい。誘電体層の内部にガラスクロスやセラミックフィラーなどが含まれていてもよい。

導体層１０５ａには、第１結合部である開口１０６ａが形成されている。開口（第１結合部）１０６ａは、導波管１０１ａの端部の開口と結合される。また、導体層１０５ｂには、第２結合部である開口１０６ｂが形成されている。開口（第２結合部）１０６ｂは、導波管１０１ｂの端部の開口と結合される。開口１０６ａ、１０６ｂは円形であり、中心が管軸１０２と一致している。開口１０６ａ、１０６ｂの円は、互いに直径と面積が等しい。したがって、ｘ−ｙ面に垂直な方向からみると開口１０６ａ、１０６ｂの位置は重なりあっている。

ただし、開口１０６ａ、１０６ｂの形状は回転対称であればよく、開口１０６ａと、開口１０６ｂの形状は異なっていてもよい。開口１０６ａと開口１０６ｂが回転対称であり、開口１０６ａと開口１０６ｂの中心が管軸１０２に一致することにより、反射や、不要なモードの発生が抑制される。

誘電体基板１０７には、複数（ここでは４つ）の伝送線路１０４が設けられている。伝送線路１０４の端部（一端）は、開口１０６ａと開口１０６ｂとの間の誘電体基板１０７の領域に結合されている。各伝送線路１０４は、当該領域から外側方向に延びるように形成されている。伝送線路１０４は、副導波管に相当する。本実施形態に係る伝送線路の例としては、ストリップライン、マイクロストリップライン、同軸線路、ポスト壁導波路（ＳＩＷ：Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ−Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）などがあるが、特に構造は限定しない。伝送線路１０４は、誘電体基板１０７の中に形成された中空状のものでもよい。

４本の伝送線路１０４の方向は９０度ずつずらされている。伝送線路の本数は４本でなくてもよい。例えば、２本、３本または５本以上の伝送線路が設けられていてもよい。また、伝送線路１０４はいずれも直線状となっているが、曲線状に形成された伝送線路を使ってもよい。

図６は、高次モード結合器１００を、管軸１０２を通るｚ−ｘ平面で切断した断面図である。

導波管１０１ａの端部が、基板１０３表面の導体層１０５ａと接している。電磁波の漏れを軽減するため、高次モード伝送基板１０３と導波管１０１ａの間の間隙は無いことが好ましい。なお、導波管１０１ａにｚ軸マイナス方向の力を加え、位置をずれにくくしてもよい。

導波管１０１ｂの端部が、高次モード伝送基板１０３表面の導体層１０５ｂと接している。電磁波の漏れを軽減するため、高次モード伝送基板１０３と導波管１０１ｂの間の間隙は無いことが好ましい。なお、導波管１０１ｂにｚ軸プラス方向の力を加えて、位置をずれにくくしてもよい。

（高次モード結合器の機能）
各伝送線路１０４は、例えばマイクロ波またはミリ波等の電磁波用の合成回路（後述する図１９、図２０参照）に接続される。合成回路では、例えばマイクロ波やミリ波などの電磁波信号の合成または分配が行われる。また、上述の導波管１０１ａの端部（高次モード伝送基板１０３と反対側の端部）または導波管１０１ｂの端部（高次モード伝送基板１０３と反対側の端部）にホーンアンテナ等のアンテナが形成されている。ホーンアンテナは、一例として、導波管の端部における開口端の開口面積を徐々に広くすることによって形成できる。この場合、導波管１０１ａまたは導波管１０１ｂは、導波管とアンテナの機能を兼ねる。以下の説明では導波管１０１ａの端部にアンテナが形成される場合を想定し、受信時の動作および送信時の動作を説明する。

受信時にアンテナで受信された電磁波（高周波信号）が導波管１０１ａの内側を伝播する。導波管１０１ａから入った電磁波の一部の高次モードに係る成分が誘電体基板１０７内の伝送線路１０４から取り出される。同様に、導波管１０１ａから入った電磁波の基本モード成分の一部も誘電体基板１０７内の伝送線路１０４から取り出される。

導波管を進行する電磁波の伝播モードは、導波管の断面形状に依存する。例えば、断面形状で円形である円形導波管が使われた場合、基本モードはＴＥ１１モードである。このとき、高次モードは複数存在する。代表的な高次モードの例としては、ＴＭ０１モード、ＴＥ２１モード、ＴＥ２１＊モード、ＴＥ０１モードなどがある。なお、ＴＥ２１＊モードは、ＴＥ２１モードの電磁界分布を４５度回転させた伝播モードである。

断面形状が長方形の方形導波管の場合、基本モードはＴＥ１０モード（またはＴＥ０１モード）となる。代表的な高次モードの例としては、ＴＥ０１モード（またはＴＥ１０モード）、ＴＭ１１モード、ＴＥ２０モード、ＴＥ０２モード、ＴＥ１１モードなどがある。なお、断面形状が正方形である場合、基本モードはＴＥ１０モードとＴＥ０１モードが縮退したモードとなる。

複数の異なる高次モードの分配または合成が行えるように伝送線路１０４を構成してもよい。例えば、本実施形態に係る４本の伝送線路に、これらの伝送線路を４５度ずつずらした伝送線路をさらに４本追加した構成を用いることができる。この場合、円形導波管のＴＥ２１モードと、ＴＥ２１＊モードを別々に取り出すことができるようになる。

送信時の場合は、受信時の逆の動作になる。例えば、基本モードの電磁波が導波管１０１ｂから入る。一方、合成回路から各伝送線路１０４を介して高次モードの電磁波が入力される。高次モード伝送基板１０３における各伝送線路１０４が結合される領域で、基本モードの電磁波と高次モードの電磁波が混合し、混合した電磁波が導波管１０１ａを伝播し、アンテナから送信される。

（変形例１）
導波管１０１ａ、１０１ｂは、管軸について回転対称であれば、円筒形以外の形状であってもよい。図７は、テーパー状となっている導波管の例を示している。図７の導波管は、ｚ軸プラス方向に進むと直径（内径）が大きくなっている。このように導波管の内径を変化させることにより、導波管内の伝播モードやカットオフ周波数を調節し、不要な高次モードが伝播するのを防ぐことができる。

図８は、ステップ状となっている導波管の例を示している。図８の例では、導波管の直径（内径）が途中で変化しており、内壁に段差が生じている。このような導波管を使っても、導波管内の伝播モードやカットオフ周波数を調節し、不要な高次モードが伝播するのを防ぐことができる。

（変形例２）
第１の実施形態では、高次モード伝送基板１０３の第１面は導体層１０５ａであり、第２面は導体層１０５ｂであったが、高次モード伝送基板１０３の第１面および第２面が誘電体層（誘電体基板）でもよい。これにより電磁波の漏洩抑制効果が低減するものの、軽量化の効果を得ることができる。この場合、第１面と第２面との間の層も誘電体層（誘電体基板）１０７のため全体を物理的に一体に構成してもよい。

（第２の実施形態）
第２の実施形態では、高次モード伝送基板１０３における誘電体基板の表面と裏面の間にｚ軸方向に貫通する開口、すなわち誘電体基板の中心部を貫通する孔（開口）を設ける。

図９は、第３の実施形態に係る高次モード結合器の高次モード伝送基板１０３の構成例を示している。図９の高次モード伝送基板１０３は、第１の実施形態に係る高次モード伝送基板１０３と同様、誘電体基板の両面に導体層１０５ａ、１０５ｂを形成したものである。導体層１０５ａ、１０５ｂには第１の実施形態と同様、開口１０６ａ、１０６ｂが設けられている。また、誘電体基板１０７内には、第１の実施形態と同様、４つの伝送線路１０４が形成されている。

誘電体基板１０７の中心部に、ｚ軸方向に貫通した孔（開口）１３０が設けられている。孔１３０は、開口１０６ａ、１０６ｂと連通している。孔１３０は円形など回転対称な形状をとり、その中心が導波管の管軸１０２と一致する。孔１３０により、導波管１０１ａまたは導波管１０１ｂの一方を伝播する電磁波は、誘電体層１０７の物質を通過せずに、導波管１０１ａまたは導波管１０１ｂの他方に伝播できる。これにより、誘電体層に起因する反射や損失を軽減できる。また、孔１３０の中心が管軸１０２に合い、形状が回転対称であることで、導波管内における反射や、不要モードの発生を抑制できる。

（第３の実施形態）
上述の各実施形態に係る高次モード結合器では、高次モード伝送基板１０３は、誘電体基板の両面に導体層（金属層）を形成することで構成されていた。本実施形態では、高次モード伝送基板１０３の全体を金属などの導電体によって形成する。高次モード伝送基板１０３の全体を導電体で形成することにより、伝播損失を軽減し、効率的な伝送を行うことができる。

図１０は、第３の実施形態に係る高次モード結合器の高次モード伝送基板の構成例を示している。図１０の高次モード伝送基板１０３ａは、導体層１０５ｃと、中間層である導体層１０５ｅと、導体層１０５ｄとを含む。第１の実施形態では中間層は誘電体基板であったが、本実施形態では導体により形成されている。導体層１０５ｅには４つの伝送線路１０４が形成されている。例えば金属板の切削加工により、伝送線路１０４が形成できる。これにより、導体層１０５ｅと導体層１０５ｄとの全体を一体形成できる。

図１０の例では、伝送線路１０４の断面形状が長方形となっている。このような伝送線路を方形導波管と呼ぶ。伝送線路１０４の断面形状は、長方形以外の形状とし、別のタイプの導波管ともよい。例えば、リッジ導波管やＧａｐ導波管を形成してもよい。また、伝送線路は直線状の経路であってもよいし、カーブ状の経路を有するものであってもよい。

高次モード伝送基板１０３ａは、中央にｚ軸方向に貫通した孔（開口）を有する。具体的には、導体層１０５ｃが開口１０６ａを有し、導体層１０５ｄが開口１０６ｂを有し、導体層１０５ｅには、これらの開口１０６ａ、１０６ｂと連通する開口（孔）が形成されている。これらの開口の形状は、矩形または正方形状となっている。開口１０６ａ、１０６ｂの中心部が導波管の管軸１０２と一致するよう、開口１０６ａ、１０６ｂに導波管１０１ａ、１０１ｂが結合される。

以上、本実施形態によれば、高次モード伝送基板全体を金属で形成することにより、伝送損失を軽減できる。なお、第１の実施形態のように誘電体基板の両面に金属層を形成する場合は、高次モード伝送基板を軽量化し、高次モード結合器全体の重量を抑えることができる利点がある。

（第４の実施形態）
本実施形態では、高次モード伝送基板に導体ビアを設けることによって、電磁波の不要な反射や、高次モード伝送基板内部への電磁波漏れを抑圧する。

図１１は、第４の実施形態に係る高次モード結合器の高次モード伝送基板の構成例を示している。第１の実施形態に係る基板と同様、誘電体基板１０７の両面に導体層１０５ａ、１０５ｂが形成されている。導体層１０５ａ、１０５ｂには開口１０６ａ、１０６ｂが形成されている。また、誘電体基板１０８には第１の実施形態と同様、４つの伝送線路１０４が形成されている。

開口１０６ａ、１０６ｂの外周に沿って、周期的に導体ビア１０９が設けられている。導体ビア１０９は、高次モード伝送基板をｚ軸方向に貫通する孔である。導体ビア１０９の孔内の側壁は、金属などの導体で被覆されている。したがって、導体層１０５ａ、１０５ｂ間は、導体ビア１０９の側壁の導体層を介して電気的に接続されている。このような構造を用いることによって、不要な反射や、高次モード伝送基板内への電磁波の漏洩を抑制できる。

（第５の実施形態）
副導波管に相当する伝送線路として、各種の構造を用いることができる。本実施形態では、導体ビアを使って伝送線路を形成する。

図１２は、第５の実施形態に係る高次モード結合器の高次モード伝送基板の構成例を示している。誘電体基板１０７の両面に、金属層１０５ａ、１０５ｂが形成されている。開口１０６ａ、１０６ｂの外周から外側方向に向かって、複数の対の導体ビア１０９ａ列が設けられている。導体ビア１０９ａは、高次モード伝送基板をｚ軸方向に貫通する孔であり、孔内の側壁は金属などの導体で被覆されている。導体層１０５ａ、１０５ｂ間は、導体ビア１０９の側壁の導体層を介して電気的に接続されている。各対の導体ビア１０９ａ列は、互いに平行な導体ビア１０９ａの列である。本例では、４組の対が９０度間隔で形成されている。

図１３は、図１２の高次モード伝送基板を線ＢＢ´を通るｙ−ｚ平面で切断した断面図である。誘電体基板１０７において各対（互いに平行な導体ビアの列）で挟まれた部分が、伝送線路１０４ａに相当する。すなわち、本実施形態における伝送線路１０４ａは、ポスト壁導波路（ＳＩＷ）である。

（第６の実施形態）
本実施形態では、導波管の端部にチョーク構造を形成することによって、電磁波の漏れを抑制する。

図１４は、導波管１０１ａの端部における基板と対向する面、すなわち基板と結合される面（以下、結合面）にチョーク構造を形成した例を示す。図１４上段は、導波管１０１ａを、ｚ−ｘ平面で切断した断面図である。図１４下段は、導波管１０１ａの端部の結合面を正面視した図である。導波管１０１ａの端部の結合面には、溝１１０が周回状に形成されている。このように溝を設けた構造は、チョーク構造と呼ばれる。なお、溝の内側部分の壁は、外側の壁よりも短くなっているが、これに限定されない。

このように導波管１０１ａの端部の結合面にチョーク構造を設けることにより、導波管１０１ａの端部と高次モード伝送基板との間からの電磁波の漏れを低減できる。本例では導波管１０１ａにチョーク構造を設けたが、導波管１０１ｂに形成してもよいし、これらの両方に形成してもよい。

（第７の実施形態）
前述した第６の実施形態では、導波管の端部の結合面にチョーク構造を設けたが、チョーク構造に代えて周期構造を設けてもよい。

図１５は、導波管１０１ａの端部の結合面に周期構造を設けた例を示す。図１５上段は、導波管１０１ａを、管軸１０２を通るｚ−ｘ平面で切断した断面図である。図１５下段は、導波管１０１ａの端部の結合面を正面視した図である。

導波管１０１ａの端部の結合面には、周回状の溝１１０が形成されており、さらに溝１１０の内部に複数の凸部１１１が周期的に設けられている。すなわち、溝１１０の内側で、凹凸構造が形成されている。図１５で示された、溝１１０および凸部１１１を含む構造は電磁バンドギャップ（ＥＢＧ：Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｂａｎｄ Ｇａｐ）構造と呼ばれる。電磁バンドギャップ構造とは、電磁波の波長よりも小さい周期構造であり、電磁波を遮断する周波数帯域を有する。

なお、図１５の例では、凸部１１１の周期構造は一列となっているが、周期構造は例えば二列や三列など複数列でもよい。

本実施形態では導波管１０１ａに電磁バンドギャップ構造を形成したが、導波管１０１ｂに形成してもよいし、これらの両方に形成してもよい。

以上、本実施形態によれば、導波管の端部の結合面に電磁バンドギャップ構造を設けることにより、導波管の端部と高次モード伝送基板との間からの電磁波の漏れを低減できる。第６の実施形態のチョーク構造を設ける場合に比べて、広い周波数帯域で電磁波の漏洩が抑制される。

（第８の実施形態）
前述した第７の実施形態では、導波管の端部の結合面に周期構造を形成したが、本実施形態では、高次モード伝送基板に周期構造を形成する。

図１６は、第８の実施形態に係る高次モード結合器の高次モード伝送基板の構成例を示している。図１６上段は、高次モード伝送基板１０３ｂを、管軸１０２を通るｚ−ｘ平面で切断した断面図である。図１６下段は、高次モード伝送基板１０３ｂをｚ軸マイナス方向に向かって正面視した図である。高次モード伝送基板１０３ｂには、ｚ軸方向に貫通した孔（開口）１６０が設けられている。孔１６０の中心は、管軸１０２と一致する。

高次モード伝送基板１０３ｂは、誘電体層１０８、導体層１０５ａ、誘電体基板（誘電体層）１０７、導体層１０５ｂの４層で形成されている。誘電体基板１０７には４つの伝送線路１０４が形成されている。図１６下段では、誘電体層１０８の上面図が示されている。

誘電体層１０８には、孔１６０の外周に沿って、周期構造１１２が形成されている。周期構造１１２は、誘電体層１０８に埋め込み形成された金属製の構造物により構成される。周期構造１１２は、半径方向に沿って周回状の３つの列を含む。各列では、金属製の構造物が周方向に周期的に配置されている。金属製の構造物は、一例としてネジ状に構成される。導波管１０１ａまたは１０１ｂの端部の結合面は、周期構造１１２が形成された部分に対向する。

周期構造１１２の構成は、その他の形状または種類に係るものであってもよい。例えば、導体ビアを孔１６０の外周に沿って形成してもよい。孔１６０の外周に沿って導体層１０５ａまたは１０５ｂまたはこれらの両方の表面に凸状の構造物（例えば金属）を形成してもよい。また、孔１６０の外周に沿って、導体層１０５ａまたは１０５ｂまたはこれらの両方の表面に、複数の凹部を規則的に形成してもよい。ここでは周期構造１１２が金属により形成される例を示したが、金属により形成する以外の方法で周期構造１１２を構成してもよい。例えば、周期構造１１２は、誘電体層１０８に形成した周期的な穴でもよい。

以上、本実施形態によれば、導波管の端部の結合面と結合される（対向する）部分に周期構造１１２を設けることにより、導波管の端部と高次モード伝送基板との間から電磁波の漏洩することを抑制できる。

（第９の実施形態）
本実施形態では周期構造を有する部品を、導波管と高次モード伝送基板との間に追加する。

図１７は、第９の実施形態に係る高次モード結合器１５０を、管軸１０２を通るｚ−ｘ面で切断した断面図である、図１７では高次モード結合器を複数の部品に分解した図を示しているが、実際にはこれらの部品は紙面に沿って縦方向に結合される。プレート（第１導体基板）１２０ａは、導波管１０１ａと高次モード伝送基板１０３の導体層１０５ａとの間に配置される。プレート（第２導体基板）１２０ｂは、高次モード伝送基板１０３の導体層１０５ｂと導波管１０１ｂの間に配置される。

プレート１２０ａ、１２０ｂは、金属などの導電性材料で形成されている。プレート１２０ａ、１２０ｂの材料は、導波管１０１ａ、１０１ｂと同一であってもよいし異なっていてもよい。

図１８は、プレート１２０ａの構成例を示している。プレート１２０ｂの構造はプレート１２０ａと同様である。図１８上段は、プレート１２０ａを、管軸１０２を通るｚ−ｘ面で切断した断面図である。図１８下段は、プレート１２０ａを、ｚ軸方向から正面視した図である。プレート１２０ａは、中央に孔（開口）１６１を有する。孔１６１は円形である。プレート１２０ａは、孔１６１の中心が、導波管１０１ａ、１０１ｂの管軸１０２と一致している。

孔１６１の外周に沿って、プレート１２０ａの表面に溝１２１ａ、裏面に溝１２２ａが設けられている。すなわち、溝１２１ａはプレート１２０ａのｚ軸プラス側の面に設けられている。溝１２２ａは、プレート１２０ａのｚ軸マイナス側の面に設けられている。

なお、プレート１２０ａ、１２０ｂは、金属などの導電性材料と誘電体の組み合わせあってもよいし、誘電体のみで形成されていてもよい。溝の代わりに電磁バンドギャップ構造などの周期構造を形成してもよい。

図１７に示すように、プレート１２０ａは、孔１６１の外周部分で、導波管１０１ａの端部の結合面と結合されている。この結合面はプレート１２０ａの溝１２１ａに対向している。溝１２１ａと反対側の溝１２２ａは、導体層１０５ａに対向している。プレート１２０ｂは、孔の外周部分で、導波管１０１ｂの端部の結合面に結合されている。この結合面はプレート１２０ｂの溝１２２ｂに対向している。プレート１２０ｂの溝１２１ｂは、高次モード伝送基板１０３の導体層１０５ｂに対向している。

以上、本実施形態によれば、溝または周期構造を備えたプレートを、導波管と高次モード伝送基板との間に追加することにより、高次モード伝送基板と導波管との間における電磁波の漏洩を抑制し、効率的な伝送を実現できる。

上述した各実施形態に係る高次モード伝送基板に、例えば、マジックＴ、ハイブリッド回路、Ｔ分岐回路、方向性結合器などを形成してもよい。上述の各種回路に係る伝送線路は、高次モード伝送基板本体の伝送線路と同一の種類のものであってもよいし、異なる種類のものであってもよい。高次モード伝送基板上にその他の回路を形成することで、無線通信システムを小型化できる。

また、上述の周期性、配置、対称性に関する条件が満たされているのであれば各部品に対して構成要素を追加してもよい。例えば、第１導波管、第２導波管、高次モード伝送基板、プレート上にネジ穴、溝、突起などが形成されていてもよいし、固定用の器具が接続されていてもよい。

（第１０の実施形態）
本実施形態では、第１〜９の実施形態のいずれかに係る高次モード結合器と接続される合成回路について説明する。

図１９は、高次モード結合器に結合される合成回路の例を示している。合成回路２００は、高次モード伝送基板１０３に円形導波管のＴＥ２１モードが入力されたときのみ、高次モード信号ｖを出力する。合成回路２００は、マジックＴ２０１〜２０３と、無反射終端２１１〜２１３とを備え、高次モード伝送基板１０３に接続されている。

高次モード伝送基板１０３は、上述の各実施形態で説明した通りである。高次モード伝送基板の両面の中心には導波管１０１ａ、１０１ｂ（図１９において図示せず）が結合されている。高次モード伝送基板には４本の伝送線路が形成されている。一方の導波管から４本の伝送線路へ高次モードに係る電磁波が分岐され、分岐された電磁波はそれぞれ、ｕ_１、ｕ_２、ｕ_３、ｕ_４である。

マジックＴ２０１〜２０３は、和（Σ）ポート，差（Δ）ポート，その他２つの入出力ポート（０°，１８０°）の計４本のポートを備える。０°ポートおよび１８０°ポートに、等振幅で同相のマイクロ波を入力すると、和ポートから合成された電磁波を得ることができる。このとき、差ポートから電磁波は出力されない。また、０°ポートおよび１８０°ポートに等振幅で互いに逆相の関係にある電磁波を入力すると、差ポートから合成された電磁波を得ることができる。このとき、和ポートからは電磁波は出力されない。

無反射終端２１１〜２１３は、入力された電磁波を反射せずに終端させるデバイスである。無反射終端の例としては、誘電体を装荷した導波管やチップ抵抗を使った同軸無反射終端器があるが、その他の種類のデバイスを用いてもよい。

次に、合成回路２００の動作について説明する。

高次モード伝送基板１０３から出力される高次モードに係る電磁波ｕ_３、ｕ_４はマジックＴ２０１に入力される。電磁波ｕ_３、ｕ_４が等振幅で互いに逆相のとき、マジックＴ２０１の差ポートのみから合成信号が出力される。また、高次モード伝送基板１０３から出力される高次モードに係る電磁波ｕ_１、ｕ_２はマジックＴ２０３に入力される。電磁波ｕ_１、ｕ_２が等振幅で互いに逆相のとき、マジックＴ２０３からの差ポートのみから合成信号が出力される。そして、マジックＴ型２０２には、電磁波ｕ_３、ｕ_４の合成信号と、電磁波ｕ_１、ｕ_２の合成信号が入力される。電磁波ｕ_３、ｕ_４の合成信号と電磁波ｕ_１、ｕ_２の合成信号が等振幅で互いに同相のとき、マジックＴ２０２の和ポートから高次モード信号ｖが出力される。円形導波管のＴＥ２１モードを高次モード伝送基板１０３に入力すると、電磁波ｕ_３とｕ_４、ｕ_１とｕ_２が等振幅で互いに逆相になる。また、電磁波ｕ_３、ｕ_４の合成信号と電磁波ｕ_１、ｕ_２の合成信号が等振幅で互いに同相であるため、高次モード信号ｖが出力される。円形導波管のＴＥ１１モードやＴＭ０１モードなど、他のモードが高次モード伝送基板１０３に入力された場合、電磁波は無反射終端器２０１〜２０３で吸収され高次モード信号ｖは出力されない。

図２０は、高次モード結合器に接続される合成回路の他の例を示している。合成回路２００ａは、マジックＴ２０１〜２０４と、無反射終端２１２、２１４とを備えている。高次モード伝送基板１０３の両面の中心には導波管１０１ａ、１０１ｂ（図１９において図示せず）が結合されている。合成回路２００ａの各構成要素の機能は、合成回路２００の各構成要素と同様である。合成回路２００ａは、高次モード伝送基板１０３に円形導波管のＴＥ２１モードが入力されたとき高次モード信号ｖ_１、円形導波管のＴＭ０１モードが入力されたとき高次モード信号ｖ_２を出力する。

次に、合成回路２００ａの動作について説明する。

高次モード伝送基板１０３から出力される高次モードに係る電磁波ｕ_３、ｕ_４はマジックＴ２０１に入力される。電磁波ｕ_３、ｕ_４が等振幅で互いに逆相のとき、マジックＴ２０１の差ポートのみから合成信号が出力される。また、電磁波ｕ_３、ｕ_４が等振幅で互いに同相のとき、マジックＴ２０１の和ポートのみから合成信号が出力される。また、高次モード伝送基板１０３から出力される高次モードに係る電磁波ｕ_１、ｕ_２はマジックＴ２０３に入力される。電磁波ｕ_１、ｕ_２が等振幅で互いに逆相のとき、マジックＴ２０３の差ポートのみから合成信号が出力される。また、電磁波ｕ_１、ｕ_２が等振幅で互いに同相のとき、マジックＴ２０３の和ポートのみから合成信号が出力される。マジックＴ２０２は、マジックＴ２０１の差ポートから出力された電磁波ｕ_３、ｕ_４の合成信号と、マジックＴ２０３の差ポートから出力された電磁波ｕ_１、ｕ_２の合成信号が同相のとき高次モード信号ｖ_１を出力する。マジックＴ２０４は、マジックＴ２０１の和ポートから出力された電磁波ｕ_３、ｕ_４の合成信号と、マジックＴ２０３の和ポートから出力された電磁波ｕ_１、ｕ_２の合成信号が同相のとき高次モード信号ｖ_２を出力する。

本実施形態で説明した合成回路は、本発明の実施形態に係る高次モード結合器の適用例のひとつにしか過ぎない。本発明の実施形態に係る高次モード結合器をその他の回路や、無線通信装置に適用できる。

第２の適用例として、反射鏡アンテナの一次放射器との組み合わせが挙げられる。高次モード結合器を反射鏡アンテナの一次放射器に接続すると、基本モードと高次モードの指向性を形成できる。基本モードの指向性はアンテナ正面方向で最大の和パターンとなり、高次モードの指向性はアンテナ正面方向でヌルの差パターンとなる。このような組み合わせを用いることにより、モノパルス方式による到来角推定やビーム走査を行うことができる。

第３の応用例として、多重モード伝送の実現が挙げられる。上述のように本発明の実施形態に係る高次モード結合器は複数の伝播モードに係る電磁波を低損失で伝送できる。各々の伝播モードを使って別々のビット列を搬送すると、通信路容量が拡大し、大容量のデータ伝送が実現される。

第４の応用例として、物性定数の測定が挙げられる。導波管や導波管共振器の高次モードを使うと、複素誘電率など、物質の物性定数の測定を行うことができる。本発明の実施形態に係る高次モード結合器を用いると、測定器の小型化・軽量化を実現できる。

なお、本発明は上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることによって種々の発明を形成できる。また例えば、各実施形態に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除した構成も考えられる。さらに、異なる実施形態に記載した構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１０、１１、１２、１３ 断面形状
１００、１５０ 高次モード結合器
１０１ａ、１０１ｂ 導波管
１０２ 管軸
１０３、１０３ａ、１０３ｂ 高次モード伝送基板
１０４、１０４ａ 伝送線路
１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃ、１０５ｄ 導体層
１０６、１０６ａ、１０６ｂ 開口
１０７ 誘電体基板
１０８ 誘電体層
１０９、１０９ａ 導体ビア
１１０、１２１ａ、１２２ａ、１２１ｂ、１２２ｂ 溝
１１１ 凸部
１１２ 周期構造
１２０ａ、１２０ｂ プレート
１３０、１６０、１６１ 孔
２００、２００ａ 合成回路
２０１、２０２、２０３、２０４ マジックＴ
２１１、２１２、２１３、２１４ 無反射終端

Claims (13)

1. 第１導波管と、
   第２導波管と、
   基板と、を備え、
   前記基板は、第１面と、第１面に対向する第２面とを備え、
   前記第１面は、前記第１導波管の端部の開口と結合される第１結合部を有し、
   前記第２面は、前記第２導波管の端部の開口と結合される第２結合部を有し、
   前記基板は、前記第１結合部と前記第２結合部との間の領域に結合された複数の伝送線路、を含む
   高次モード結合器。
2. 前記第１面は第１導体層により構成され、
   前記第２面は第２導体層により構成され、
   前記第１結合部は、前記第１導体層に形成される第１開口であり、
   前記第２結合部は、前記第２導体層に形成される第２開口である
   請求項１に記載の高次モード結合器。
3. 前記第１開口と前記第２開口とに挟まれた前記基板の領域には、前記第１開口および前記第２開口と連通する第３開口が形成されている
   請求項１または２に記載の高次モード結合器。
4. 前記基板の前記第１面と前記第２面との間の層は誘電体層である
   請求項１ないし３のいずれか一項に記載の高次モード結合器。
5. 前記基板の前記第１面と前記第２面との間の層は、導体層である
   請求項３に記載の高次モード結合器。
6. 前記複数の伝送線路は、前記第１導波管または前記第２導波管の管軸に関して軸対称である
   請求項１ないし４のいずれか一項に記載の高次モード結合器。
7. 前記第１開口および前記第２開口の周囲に、前記基板を貫通する、前記第１導体層と前記第２導体層間を接続する複数の導体ビアが形成されている
   請求項２に記載の高次モード結合器。
8. 前記複数の導体ビアは、前記伝送線路を挟むように形成されている
   請求項７に記載の高次モード結合器。
9. 前記第１導波管の端部の前記第１面と対向する面に溝が形成されている、および／または、
   前記第２導波管の端部の前記第２面と対向する面に溝が形成されている、
   請求項１ないし８のいずれか一項に記載の高次モード結合器。
10. 前記第１導波管の端部の前記第１面と対向する面に導電性材料による周期構造が形成されている、および／または、
    前記第２導波管の端部の前記第２面と対向する面に導電性材料による周期構造が形成されている、
    請求項１ないし８のいずれか一項に記載の高次モード結合器。
11. 前記第１面において前記第１結合部の周囲に沿って、周期構造が形成されている、および／または、
    前記第２面において前記第２結合部の周囲に沿って、周期構造が形成されている
    請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の高次モード結合器。
12. 前記第１導体層と、前記第１導波管との間に、第１導体基板が配置されており、前記第１導体基板は、前記第１開口と連通する第４開口を有し、前記第１導波管の前記端部の開口は前記第４開口に結合され、前記第４開口の周囲に沿って第１溝が形成されており、前記第１導波管の端部は、前記第１溝に対向し、および／または、
    前記第２導体層と、前記第２導波管との間に、第２導体基板が配置されており、前記第２導体基板は、前記第２開口と連通する第５開口を有し、前記第２導波管の前記端部の開口は前記第５開口に結合され、前記第５開口の周囲に沿って第２溝が形成されており、前記第２導波管の端部は、前記第２溝に対向する、
    請求項２に記載の高次モード結合器。
13. 前記基板は、前記第１導波管または前記第２導波管から前記複数の伝送線路へ入力された信号を受信し、受信した信号を合成することにより高次モード信号を取得する合成回路を含む
    請求項１ないし１２のいずれか一項に記載の高次モード結合器。

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