JP6840309B2 - 同軸−導波管変換器及び導波管スロットアレーアンテナ - Google Patents

Description

本発明は、断面が矩形の導波管を備える同軸−導波管変換器及び導波管スロットアレーアンテナに関する。

従来、方形の導波管では、導波管の幅狭面側からＬ字状に曲げられたプローブを挿入して、プローブの先端を幅広面側の内壁面に接続させてプローブを流れる電流と導波管内の高周波信号とを結合させている。このような導波管では、製造を容易にするため、プローブをＬ字状に加工せず、導波管の壁面から導波管内の一部を遮る金属構造物を突出させてプローブを流れる電流と導波管内の高周波信号との間に磁界結合が生じるようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−２６３２８５号公報

しかし、特許文献１のような従来の導波管では、プローブの先端と金属構造物とを接近させて、プローブと金属構造物によりループ形状が形成されている。このループ形状と、鎖交する磁界と、プローブを流れる電流とは、磁界結合を利用して結合させられている。そのため、狭帯域で、プローブの寸法誤差に対する反射特性の劣化が大きいという課題がある。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、広帯域でかつプローブの寸法誤差に対する反射特性の劣化を抑制することのできる同軸−導波管変換器及び導波管スロットアレーアンテナを得ることを目的とする。

本発明に係る同軸−導波管変換器は、一対の対向する第１狭壁及び第２狭壁、第１狭壁及び第２狭壁に接続された一対の対向する第１広壁及び第２広壁によって断面が矩形状に形成された導波管と、導波管内で第１狭壁から第２狭壁側に向かって設けられた第１金属構造物及び第２狭壁から第１狭壁側に向かって設けられた第２金属構造物と、第１狭壁及び第１金属構造物を貫通し、先端部分が導波管内に突出する信号線とを備え、第１金属構造物の第２狭壁側の端面である第１端面は、第１広壁側から第２広壁側に向かって傾斜しており、第２金属構造物の第１狭壁側の端面である第２端面は、第１端面と間隔を隔てて対向し、第１端面と同方向に傾斜しており、信号線の先端部分は、第１端面と第２端面との間において、第２端面に対向している。

本発明の同軸−導波管変換器によれば、広帯域でかつプローブの寸法誤差に対する反射特性の劣化を抑制することのできる同軸−導波管変換器及び導波管スロットアレーアンテナを得ることができる。

本発明の実施の形態１における同軸−導波管変換器を、壁の一部を除去して示した斜視図である。 図１の同軸−導波管変換器の面ＩＩに沿う断面図である。 図２の同軸−導波管変換器のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。 図２の同軸−導波管変換器の信号線を流れる電流を示す図である。 図２の同軸−導波管変換器において金属構造物がない場合の電解分布を示す図である。 図２の同軸−導波管変換器における電解分布を示す図である。 本発明の実施の形態１における同軸−導波管変換器の電力入力部からみた反射特性を示す図である。 本発明の実施の形態１における同軸−導波管変換器の第１変形例を示す断面図である。 本発明の実施の形態１における同軸−導波管変換器の第２変形例を示す断面図である。 本発明の実施の形態１における同軸−導波管変換器の第３変形例を示す断面図である。 本発明の実施の形態１における同軸−導波管変換器の第４変形例を示す断面図である。 本発明の実施の形態２における同軸−導波管変換器を、壁の一部を除去して示した斜視図である。 図１２の同軸−導波管変換器の面ＸＩＩＩに沿う断面図である。 図１３の同軸−導波管変換器のＸＩＶ−ＸＩＶ線に沿う断面図である。 本発明の実施の形態３における同軸−導波管変換器を、壁の一部を除去して示した斜視図である。 図１５の同軸−導波管変換器の面ＸＶＩに沿う断面図である。 図１６の同軸−導波管変換器のＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ線に沿う断面図である。 本発明の実施の形態４における同軸−導波管変換器を、壁の一部を除去して示した斜視図である。 図１８の同軸−導波管変換器の分解図である。 図１９の同軸−導波管変換器における基板の表側を示す図である。 図２０の基板の裏側を示す図である。 本発明の実施の形態５における導波管スロットアレーアンテナを、壁の一部を除去して示した斜視図である。

以下、この発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における同軸−導波管変換器を、導波管の一部を除去して示した斜視図である。図２は、図１の同軸−導波管変換器の面ＩＩに沿う断面図である。図３は、図２の同軸−導波管変換器のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。

同軸−導波管変換器は、導波管１、導波管１内に設けられた第１金属構造物４１、第２金属構造物４２及び信号線としてのプローブ５によって構成されている。プローブ５は、導波管１の外部に設けられた図示しない給電回路に接続されている。

図１及び図２に示すように、導波管１は、一対の対向する第１狭壁２１及び第２狭壁２２、第１狭壁２１及び第２狭壁２２に接続された一対の対向する第１広壁３１及び第２広壁３２によって断面が矩形状に形成されている。第１狭壁２１及び第２狭壁２２の幅は、第１広壁３１及び第２広壁３２の幅よりも小さい。

導波管１の内部には、第１狭壁２１から第２狭壁２２側に向かって第１金属構造物４１が設けられ、第２狭壁２２から第１狭壁２１側に向かって第２金属構造物４２が設けられている。第１金属構造物４１及び第２金属構造物４２は、各々板状である。第１金属構造物４１及び第２金属構造物４２は、第１広壁３１及び第２広壁３２間に亘って設けられている。第１金属構造物４１は、第１狭壁２１に対して垂直に、第２金属構造物４２は第２狭壁２２に対して垂直に設けられている。

第１金属構造物４１の第２狭壁２２側の端面である第１端面４１ａは、第１広壁３１から第２広壁３２に向かって傾斜している。一方、第２金属構造物４２の第１狭壁２１側の端面である第２端面４２ａは、第１金属構造物４１の第１端面４１ａと間隔を隔てて対向している。また、第２端面４２ａは、第１端面４１ａと同方向に傾斜している。図２では、第１端面４１ａと第２端面４２ａとは平行になっている。しかし、第１端面４１ａと第２端面４２ａとは、同方向に傾斜していればよく、平行でなくてもよい。

図２に示すように、第１狭壁２１には、第１狭壁２１を貫通する穴である入力部２１ａが形成されている。図２及び図３に示すように、第１金属構造物４１には、第１狭壁２１に対して垂直に、第１狭壁２１から第２狭壁２２側に向かって貫通する貫通孔４１ｂが形成されている。入力部２１ａは貫通孔４１ｂと繋がっている。入力部２１ａには、導波管１の外部からプローブ５が挿入されている。プローブ５の先端部分は、貫通孔４１ｂを貫通して導波管１の中央付近に突出している。プローブ５の先端部分は、第１端面４１ａと第２端面４２ａとの間において、第２端面４２ａに対向するように配置されている。プローブ５は、長尺物であり、図２の紙面に対して下方に向いて十分長いものとする。

ここで、図４から図６を用いて実施の形態１の同軸−導波管変換器において、プローブ５を流れる電流１００によって導波管１が給電される原理を説明する。

図４はプローブ５上を流れる電流１００の方向を示している。図５は、導波管１内に第１金属構造物４１及び第２金属構造物４２がない場合の電界２００の分布を示している。

導波管１内の電界２００が、プローブ５上を流れる電流１００の方向と同一の成分を有する場合に、電流１００と電界２００は結合する。電流１００と電界２００が結合することによって、プローブ５から導波管１に給電がされる。従って、図５に示すように、電流１００の流れる方向に直交する成分のみを有する電界２００の中では、電流１００と電界２００が結合せず、プローブ５から導波管１に給電することができない。

図６は、実施の形態１の導波管１における電界２００の分布を示す図である。実施の形態１の導波管１は、内部に第１金属構造物４１と第２金属構造物４２とを有している。このため、導波管１内の電界２００の分布は、第１金属構造物４１の第１端面４１ａから垂直に第２金属構造物４２に向かうように生成される。よって、電界２００は、プローブ５を流れる電流１００の方向と同一の成分を有する。これにより、電流１００と電界２００とが結合し、プローブ５から導波管１に給電がされる。

図７は、実施の形態１における同軸−導波管変換器の入力部２１ａからみた電波の反射特性の周波数に対する特性を示す図である。図において、縦軸は電波の反射特性を示しており、横軸は周波数ｆ／中心周波数ｆｃを示している。また、図において、実線はプローブ５の長さが設計値の場合を示しており、破線はプローブ５の長さが設計値に対して０.３ｍｍ短い場合を示している。

プローブ５の長さが設計値の場合には、ｆ／ｆｃが１の中心周波数付近において反射特性が極小となっていることがわかる。また、プローブ５の長さが設計値よりも短い場合であっても、中心周波数付近の反射特性は−２０ｄＢ以下となっている。これより、プローブ５の寸法誤差の影響を受けにくくなっていることがわかる。

このように、実施の形態１の同軸−導波管変換器によれば、導波管１内に第１金属構造物４１と第２金属構造物４２とを対向させて配置し、第１端面４１ａと第２端面４２ａとを同一の方向に傾斜させている。そして、電界２００を第１端面４１ａから第２端面４２ａに向かう方向に発生させて、プローブ５を流れる電流１００と電界２００とを結合させている。これにより、同軸−導波管変換器の動作範囲を広帯域とすることができる。

さらに、実施の形態１の同軸−導波管変換器によれば、プローブ５の先端部分と第２端面４２ａとの距離による影響を受けにくいため、プローブ５の寸法誤差による反射特性の劣化を抑制することができる。

なお、実施の形態１の同軸−導波管変換器では、プローブ５は第１金属構造物４１に形成された貫通孔４１ｂから露出していた。しかし、貫通孔４１ｂの態様は、これに限るものではない。プローブ５の先端部分が第１狭壁２１及び第１金属構造物４１を貫通して導波管１内に突出していればよい。例えば、図８に示す第１変形例の導波管１のように、プローブ５の周囲を誘電体６によって覆ってもよい。これにより、貫通孔４１ｂ内のプローブ５のインピーダンスを一定に保つことができる。さらに、プローブ５の振動を抑制することができる。

また、図９に示す第２変形例の導波管１のように、貫通孔４１ｂの周囲に外導体壁４１ｃを形成し、外導体壁４１ｃに図示しないプローブ５の外導体を接続してもよい。

また、実施の形態１の同軸−導波管変換器では、第１金属構造物４１の第１端面４１ａ及び第２金属構造物４２の第２端面４２ａは、平坦な傾斜面であった。しかし、第１端面４１ａ及び第２端面４２ａの形状は、これに限るものではない。第１端面４１ａと第２端面４２ａとが同じ方向に傾斜していればよく、例えば、図９に示すように、曲面であってもよいし、図１０に示す第３変形例の導波管１のように、第１端面４１ａ及び第２端面４２ａを階段状にしてもよい。

また、実施の形態１の同軸−導波管変換器では、第１金属構造物４１及び第２金属構造物４２は、第１広壁３１から第２広壁３２に亘って形成されていた。しかし、第１金属構造物４１及び第２金属構造物４２は、図１１に示す第４変形例のように、第１広壁３１から第２広壁３２に向かう途中までの間、または第２広壁３２から第１広壁３１に向かう途中までの間に形成されていてもよい。

実施の形態２．
図１２は、本発明の実施の形態２における同軸−導波管変換器を、導波管１の壁の一部を除去して示した斜視図である。図１３は、図１２の同軸−導波管変換器の面ＸＩＩＩに沿う断面図である。図１４は、図１３の同軸−導波管変換器のＸＩＶ−ＸＩＶ線に沿う断面図である。

実施の形態２の同軸−導波管変換器は、第１金属構造物４１から突出するプローブ５が屈曲している点が、実施の形態１の同軸−導波管変換器とは異なる。他の構成は、実施の形態１と同様である。

実施の形態２の同軸−導波管変換器は、プローブ５の先端部分が第２金属構造物４２の第２端面４２ａに対して直交あるいはほぼ直交する方向にプローブ５を屈曲させている。これにより、プローブ５の先端部分を流れる電流１００の方向と同一の方向となる電界２００の成分を増加させることができる。よって、より効率的に、電流１００と電界２００とを結合させることができる。

実施の形態３．
図１５は、本発明の実施の形態３における同軸−導波管変換器を、導波管１の壁の一部を除去して示した斜視図である。図１６は、図１５の同軸−導波管変換器の面ＸＶＩに沿う断面図である。図１７は、図１６の同軸−導波管変換器のＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ線に沿う断面図である。

実施の形態３の同軸−導波管変換器は、第１金属構造物４１の貫通孔４１ｂの形状が、実施の形態２の同軸−導波管変換器とは異なる。他の構成は、実施の形態２と同様である。

実施の形態２の同軸−導波管変換器では、プローブ５の先端部分を屈曲させていたため、プローブ５の先端部分を貫通孔４１ｂに通す作業が困難であった。実施の形態３の同軸−導波管変換器では、第１金属構造物４１に、貫通孔４１ｂに繋がるスリット４１ｄが設けられている。これにより、貫通孔４１ｂにプローブ５の先端部分を通す作業を容易にすることができる。なお、第１金属構造物４１にスリット４１ｄを設けた場合に、スリット４１ｄによって電流１００が遮られることはない。

実施の形態４．
図１８は、本発明の実施の形態４における同軸−導波管変換器を、壁の一部を除去して示した斜視図である。図１９は、図１８の同軸−導波管変換器の分解図である。図２０は、図１９の同軸−導波管変換器における基板の表側を示す図である。図２１は、図２０の基板の裏側を示す図である。

実施の形態４の同軸−導波管変換器は、導波管を分割している点と、第１金属構造物、第２金属構造物及びプローブと同じ機能を有する構造を基板７によって構成している点が、実施の形態１から３とは異なる。他の構成は、実施の形態１から３と同様である。

図１８及び図１９に示すように、実施の形態４の同軸−導波管変換器は、一組の導波管１１と導波管１２とによって構成されている。また、実施の形態４の同軸−導波管変換器は、実施の形態１から３の第１金属構造物４１、第２金属構造物４２及びプローブ５に代えて、基板７を有している。

基板７は、導波管１１と導波管１２とによって挟まれている。導波管１１、導波管１２及び基板７は、フランジ１３によって固定されている。ここで、基板７の導波管１１側を基板７の表側とし、基板７の導波管１２側を基板７の裏側とする。

図２０に示すように、基板７の表側には、導体パターン７１、導体パターン７２及びストリップ線路７３が設けられている。

導体パターン７１は、第１狭壁２１側から第２狭壁２２側に向かって設けられている。導体パターン７１は２つに分割されている。分割された２つの導体パターン７１は、第１広壁３１側と第２広壁３２側とに、同じ幅あるいはほぼ同じ幅に分割されている。２つの導体パターン７１の間には、各導体パターン７１と間隔を空けてストリップ線路７３が第１狭壁２１から第２狭壁２２側に向かって設けられている。ストリップ線路７３は、基板７の幅方向の中央に配置されている。２つの導体パターン７１の端部である各第１端部７１ａは、第１広壁３１側から第２広壁３２側に向かって傾斜している。

導体パターン７２は、第２狭壁２２側から第１狭壁２１側に向かって設けられている。導体パターン７２の端部である第２端部７２ａは、２つの導体パターン７１の各第１端部７１ａと間隔を空けて対向している。第２端部７２ａは、各第１端部７１ａと同一の方向に傾斜している。

ストリップ線路７３は、２つの導体パターン７１の間から導体パターン７２に向かって突出している。ストリップ線路７３は、信号線として機能する。ストリップ線路７３の先端部分は、基板７の長手方向中央より第２端部７２ａ側に位置している。ストリップ線路７３の先端部分は、第２端部７２ａに対向している。ストリップ線路７３は、実施の形態１から３のプローブ５と同様の機能を有する。ストリップ線路７３は、導波管１１及び導波管１２の外部に設けられた図示しない給電回路に接続されている。

図２１に示すように、基板７の裏側の表面には、基板７の表側と同様に、２つの導体パターン７１及び導体パターン７２が設けられている。基板７の裏側の２つの導体パターン７１及び導体パターン７２は、表側の２つの導体パターン７１及び導体パターン７２と同一位置に同一形状で設けられている。基板７の裏側には、ストリップ線路７３は設けられていない。基板７の表側の各導体パターン７１と裏側の各導体パターン７１とは、第１のビア７ａによって短絡されている。また、基板７の表側の導体パターン７２と裏側の導体パターン７２とは、第２のビア７ｂによって短絡されている。

このように、実施の形態４の同軸−導波管変換器によれば、実施の形態１から３で用いた第１金属構造物４１、第２金属構造物４２及びプローブ５と同じ機能を有する構造を、基板７に設けられた導体パターン７１、導体パターン７２及びストリップ線路７３によって構成している。よって、第１金属構造物４１及び第２金属構造物４２が設けられた導波管１にプローブ５を組み付ける実施の形態１から３の同軸−導波管変換器よりも、加工精度の高い同軸−導波管変換器を得ることができる。なお、ストリップ線路７３の先端部分は、第２端部７２ａに向かって屈曲させてもよい。

実施の形態５．
図２２は、本発明の実施の形態５における導波管スロットアレーアンテナを、壁の一部を除去して示した斜視図である。

実施の形態５の導波管スロットアレーアンテナは、導波管１の第２狭壁２２に複数のスロット１ａを設けることによって形成されている。導波管スロットアレーアンテナの給電部は、実施の形態１から３のいずれかのプローブ５、あるいは実施の形態４のストリップ線路７３によって構成されている。導波管１は、プローブ５に対して管軸方向の両側に長くなっている。

複数のスロット１ａは、管内波長の１／２の間隔で配置されている。複数のスロット１ａは、導波管１の管軸方向に対して傾斜して設けられている。複数のスロット１ａの傾斜方向は、同位相で導波管１を励振するために互い違いになっている。

このように、実施の形態５の導波管スロットアレーアンテナによれば、簡易な加工工程で導波管スロットアレーアンテナを得ることができる。

１，１１，１２ 導波管、１ａ スロット、５ プローブ（信号線）、６ 誘電体、７ 基板、７ａ 第１のビア、７ｂ 第２のビア、１３ フランジ、２１ 第１狭壁、２１ａ 入力部、２２ 第２狭壁、３１ 第１広壁、３２ 第２広壁、４１ 第１金属構造物、４１ａ 第１端面、４１ｂ 貫通孔、４１ｃ 外導体壁、４１ｄ スリット、４２ 第２金属構造物、４２ａ 第２端面、７１ 導体パターン（第１導体パターン）、７２ 導体パターン（第２導体パターン）、７１ａ 第１端部、７２ａ 第２端部、７３ ストリップ線路、１００ 電流、２００ 電界。

Claims (9)

1. 一対の対向する第１狭壁及び第２狭壁、前記第１狭壁及び前記第２狭壁に接続された一対の対向する第１広壁及び第２広壁によって断面が矩形状に形成された導波管と、
   前記導波管内で前記第１狭壁から前記第２狭壁側に向かって設けられた第１金属構造物及び前記第２狭壁から前記第１狭壁側に向かって設けられた第２金属構造物と、
   前記第１狭壁及び前記第１金属構造物を貫通し、先端部分が前記導波管内に突出する信号線と
   を備え、
   前記第１金属構造物の前記第２狭壁側の端面である第１端面は、前記第１広壁側から前記第２広壁側に向かって傾斜しており、
   前記第２金属構造物の前記第１狭壁側の端面である第２端面は、前記第１端面と間隔を隔てて対向し、前記第１端面と同方向に傾斜しており、
   前記信号線の前記先端部分は、前記第１端面と前記第２端面との間において、前記第２端面に対向している同軸−導波管変換器。
2. 前記第１端面と前記第２端面とは、平行に形成されている請求項１に記載の同軸−導波管変換器。
3. 前記信号線は、誘電体で覆われている請求項１または請求項２に記載の同軸−導波管変換器。
4. 前記第１金属構造物には、前記信号線の外導体を接続する外導体壁が設けられている請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の同軸−導波管変換器。
5. 前記信号線の前記先端部分は、前記第２端面に対して直交する方向に屈曲している請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の同軸−導波管変換器。
6. 前記第１狭壁及び前記第１金属構造物には、前記信号線を貫通させた位置に繋げて形成されたスリットが設けられている請求項５に記載の同軸−導波管変換器。
7. 一対の対向する第１狭壁及び第２狭壁、前記第１狭壁及び前記第２狭壁に接続された一対の対向する第１広壁及び第２広壁によって断面が矩形状に形成された一組の導波管と、
   一組の前記導波管によって挟まれている基板とを備え、
   前記基板の一側の表面には、
   前記第１狭壁側の端部から前記第２狭壁側に向かう分割された２つの第１導体パターンと、
   前記第２狭壁側の端部から前記第１狭壁側に向かう第２導体パターンと
   分割された前記２つの第１導体パターンの間に前記２つの第１導体パターンと間隔を空けて配置されたストリップ線路とが設けられ、
   前記ストリップ線路は、
   隣合う前記２つの第１導体パターンよりも前記第２狭壁側に向かって突出する信号線であり、
   前記２つの第１導体パターンの前記第２狭壁側の端部である第１端部は、それぞれ前記第１広壁側から前記第２広壁側に向かって同一の方向に傾斜しており、
   前記第２導体パターンの前記第１狭壁側の端部である第２端部は、各前記第１端部と間隔を隔てて配置され、各前記第１端部と同方向に傾斜しており、
   前記ストリップ線路の先端部分は、前記第１端部と前記第２端部との間において、前記第２端部に対向している同軸−導波管変換器。
8. 前記基板の他側の表面には、前記基板の前記一側の表面に設けられた前記２つの第１導体パターン及び前記第２導体パターンと同一の２つの第１導体パターン及び第２導体パターンが設けられており、
   前記基板の一側の表面の前記２つの第１導体パターンと前記他側の表面の前記２つの第１導体パターンとは、第１のビアによって短絡されており、
   前記基板の一側の表面の前記第２導体パターンと前記他側の表面の前記第２導体パターンとは、第２のビアによって短絡されている請求項７に記載の同軸−導波管変換器。
9. 請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載された同軸−導波管変換器と、
   前記第２狭壁に設けられた複数個のスロットと、
   により形成された導波管スロットアレーアンテナ。

Images