JP7402035B2

JP7402035B2 - 導波管変換器

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Publication number: JP7402035B2
Application number: JP2019227999A
Authority: JP
Inventors: 康明小田
Original assignee: Ｊｒｃモビリティ株式会社
Priority date: 2019-12-18
Filing date: 2019-12-18
Publication date: 2023-12-20
Anticipated expiration: 2039-12-18
Also published as: JP2021097343A

Description

本開示は、管軸方向が異なる導波管同士の間を結合窓を介して変換する技術に関する。

管軸方向が異なる導波管同士の間を結合窓を介して変換する技術が、以下の従来技術の第１から第３の導波管変換器として、特許文献１等に開示されている。

従来技術の第１の導波管変換器１の全体構成を図１に示す。第１導波管１１の電界面は、第２導波管１２の磁界面と垂直である。第１導波管１１の磁界面は、第２導波管１２の電界面と平行である。結合窓１３は、第２導波管１２の磁界面に形成される。結合窓１３の幅サイズは、第２導波管１２の磁界面の幅サイズと同程度である。

第１導波管１１の基本モード（ＴＥ１０モード）の電磁波（電界方向Ｅ_１）は、結合窓１３で第２導波管１２の高次モード（ＴＥ２０モード）の電磁波に変換されるが、第２導波管１２のカットオフのため第２導波管１２を伝搬することができない。第２導波管１２の基本モード（ＴＥ１０モード）の電磁波（電界方向Ｅ_２）は、結合窓１３で第１導波管１１の高次モード（ＴＭモード）の電磁波に変換されるが、第１導波管１１のカットオフのため第１導波管１１を伝搬することができない。つまり、従来技術の第１の導波管変換器１は、第１導波管１１と第２導波管１２との間を変換することができない。

従来技術の第２の導波管変換器２の全体構成を図２に示す。第１導波管２１の電界面は、第２導波管２２の磁界面と垂直である。第１導波管２１の磁界面は、第２導波管２２の電界面と平行である。第１導波管２１の電界面は、閉塞部として機能する第３導波管２３の電界面と平行である。第１導波管２１の磁界面は、閉塞部として機能する第３導波管２３の磁界面と垂直である。結合窓２４は、第２導波管２２の磁界面に形成される。結合窓２４の幅サイズは、第２導波管２２の磁界面の幅サイズと同程度である。

第１導波管２１の基本モード（ＴＥ１０モード）の電磁波（電界方向Ｅ_１）は、まずＥベント導波管変換器と同様に、第３導波管２３の基本モード（ＴＥ１０モード）の電磁波に変換され、第３導波管２３を伝搬・反射することができ、次にＨベント導波管変換器と同様に、第２導波管２２の基本モード（ＴＥ１０モード）の電磁波に変換され、第２導波管２２を伝搬することができる。第２導波管２２の基本モード（ＴＥ１０モード）の電磁波（電界方向Ｅ_２）は、まずＨベント導波管変換器と同様に、第３導波管２３の基本モード（ＴＥ１０モード）の電磁波に変換され、第３導波管２３を伝搬・反射することができ、次にＥベント導波管変換器と同様に、第１導波管２１の基本モード（ＴＥ１０モード）の電磁波に変換され、第１導波管２１を伝搬することができる。つまり、従来技術の第２の導波管変換器２は、第１導波管２１と第２導波管２２との間を変換することができる。

従来技術の第３の導波管変換器３の全体構成を図３に示す。第１導波管３１の電界面は、第２導波管３２の磁界面と垂直である。第１導波管３１の磁界面は、第２導波管３２の電界面と平行である。結合窓３３は、第２導波管３２の磁界面に形成される。結合窓３３の形状は、導波管スロットアンテナの１スロットと同形状である。

第１導波管３１の基本モード（ＴＥ１０モード）の電磁波（電界方向Ｅ_１）は、導波管スロットアンテナと同様に、第２導波管３２の基本モード（ＴＥ１０モード）の電磁波及び第２導波管３２の高次モード（ＴＥ２０モード）の電磁波に変換され、前者のみ第２導波管３２を伝搬することができる。第２導波管３２の基本モード（ＴＥ１０モード）の電磁波（電界方向Ｅ_２）は、導波管スロットアンテナと同様に、第１導波管３１の基本モード（ＴＥ１０モード）の電磁波及び第１導波管３１の高次モード（ＴＭモード）の電磁波に変換され、前者のみ第１導波管３１を伝搬することができる。つまり、従来技術の第３の導波管変換器３は、第１導波管３１と第２導波管３２との間を変換することができる。

特許第５３００９０１号明細書

しかし、従来技術の第２の導波管変換器２は、スペースを大きく必要とする閉塞部として機能する第３導波管２３を備えるため、省スペース化、低損失化、設計容易化及び製造誤差低減を図ることができない。そして、従来技術の第３の導波管変換器３は、電磁波の周波数に大きく依存するスロットアンテナとして機能する結合窓３３を備えるため、低損失化、設計容易化、製造誤差低減及び広帯域化を図ることができない。

そこで、前記課題を解決するために、本開示は、管軸方向が異なる導波管同士の間を結合窓を介して変換する導波管変換器において、一方の導波管の電界面（磁界面）が他方の導波管の磁界面（電界面）と垂直（平行）であるときでも、省スペース化、低損失化、設計容易化、製造誤差低減及び広帯域化を図ることができるようにすることを目的とする。

前記課題を解決するために、電磁波の偏波面を９０°回転させるねじれ導波管の機能を、管軸方向が異なる導波管同士の間の結合窓の形状に反映させることとした。

具体的には、本開示は、管軸方向が異なる導波管及び誘電体基板の内部の基板内導波管と、前記誘電体基板に関して前記導波管の反対側に配置される前記導波管の短絡部と、を備え、前記導波管と前記基板内導波管との間を結合窓を介して変換する導波管変換器であって、前記導波管の電界面は、前記基板内導波管の磁界面と垂直であり、前記導波管の磁界面は、前記基板内導波管の電界面と平行であり、前記結合窓は、前記誘電体基板の両面の導体層に形成され、前記基板内導波管かつ前記結合窓近傍の電界方向は、前記基板内導波管の閉塞部側から入出力部側へと向けて、前記導波管の基本モードの電界方向と平行方向から、前記基板内導波管の基本モードの電界方向と平行方向へとねじれることを特徴とする導波管変換器である。

また、本開示は、管軸方向が異なる第１導波管及び第２導波管と、前記第２導波管に関して前記第１導波管の反対側に配置される前記第１導波管の短絡部と、を備え、前記第１導波管と前記第２導波管との間を結合窓を介して変換する導波管変換器であって、前記第１導波管の電界面は、前記第２導波管の磁界面と垂直であり、前記第１導波管の磁界面は、前記第２導波管の電界面と平行であり、前記結合窓は、前記第２導波管の両面の磁界面に形成され、前記第２導波管かつ前記結合窓近傍の電界方向は、前記第２導波管の閉塞部側から入出力部側へと向けて、前記第１導波管の基本モードの電界方向と平行方向から、前記第２導波管の基本モードの電界方向と平行方向へとねじれることを特徴とする導波管変換器である。

この構成によれば、本開示の導波管変換器は、電磁波の周波数にあまり依存しないねじれ導波管として機能する結合窓を備えるため、一方の導波管の電界面（磁界面）が他方の導波管の磁界面（電界面）と垂直（平行）であるときでも、省スペース化、低損失化、設計容易化、製造誤差低減及び広帯域化を図ることができるようにすることができる。

そして、本開示の導波管変換器は、誘電体基板の内部の基板内導波管に適用されるときには、（１）導波管同士の間のマイクロストリップ線路等を備えないため、省スペース化、低損失化、設計容易化及び製造誤差低減を図ることができ、（２）ねじれ導波管として機能する結合窓を備えるため、基板内導波管の引き回し自由度を高めることができる。

前記効果を実現するために、導波管の入出力側へ切れ込みを入れるはさみの刃の形状を、管軸方向が異なる導波管同士の間の結合窓の形状に採用することとした。

具体的には、本開示は、前記導波管の電界面の幅方向と平行方向の、前記導波管の側の前記誘電体基板の導体層に形成される前記結合窓の幅サイズは、前記基板内導波管の閉塞部側から入出力部側へと向けて、前記導波管の一方の磁界面の位置又は当該位置の近傍から前記導波管の他方の磁界面の位置又は当該位置の近傍までを含む幅サイズから、前記導波管の一方の磁界面の位置のみ、当該位置の近傍のみ又は当該位置及び当該位置の近傍のみを含む幅サイズへと狭くなり、前記導波管の短絡部の電界面の幅方向と平行方向の、前記導波管の短絡部の側の前記誘電体基板の導体層に形成される前記結合窓の幅サイズは、前記基板内導波管の閉塞部側から入出力部側へと向けて、前記導波管の短絡部の一方の磁界面の位置又は当該位置の近傍から前記導波管の短絡部の他方の磁界面の位置又は当該位置の近傍までを含む幅サイズから、前記導波管の短絡部の他方の磁界面の位置のみ、当該位置の近傍のみ又は当該位置及び当該位置の近傍のみを含む幅サイズへと狭くなることを特徴とする導波管変換器である。

また、本開示は、管軸方向が異なる導波管及び誘電体基板の内部の基板内導波管と、前記誘電体基板に関して前記導波管の反対側に配置される前記導波管の短絡部と、を備え、前記導波管と前記基板内導波管との間を結合窓を介して変換する導波管変換器であって、前記導波管の電界面は、前記基板内導波管の磁界面と垂直であり、前記導波管の磁界面は、前記基板内導波管の電界面と平行であり、前記結合窓は、前記誘電体基板の両面の導体層に形成され、前記導波管の電界面の幅方向と平行方向の、前記導波管の側の前記誘電体基板の導体層に形成される前記結合窓の幅サイズは、前記基板内導波管の閉塞部側から入出力部側へと向けて、前記導波管の一方の磁界面の位置又は当該位置の近傍から前記導波管の他方の磁界面の位置又は当該位置の近傍までを含む幅サイズから、前記導波管の一方の磁界面の位置のみ、当該位置の近傍のみ又は当該位置及び当該位置の近傍のみを含む幅サイズへと狭くなり、前記導波管の短絡部の電界面の幅方向と平行方向の、前記導波管の短絡部の側の前記誘電体基板の導体層に形成される前記結合窓の幅サイズは、前記基板内導波管の閉塞部側から入出力部側へと向けて、前記導波管の短絡部の一方の磁界面の位置又は当該位置の近傍から前記導波管の短絡部の他方の磁界面の位置又は当該位置の近傍までを含む幅サイズから、前記導波管の短絡部の他方の磁界面の位置のみ、当該位置の近傍のみ又は当該位置及び当該位置の近傍のみを含む幅サイズへと狭くなることを特徴とする導波管変換器である。

また、本開示は、前記第１導波管の電界面の幅方向と平行方向の、前記第１導波管の側の前記第２導波管の磁界面に形成される前記結合窓の幅サイズは、前記第２導波管の閉塞部側から入出力部側へと向けて、前記第１導波管の一方の磁界面の位置又は当該位置の近傍から前記第１導波管の他方の磁界面の位置又は当該位置の近傍までを含む幅サイズから、前記第１導波管の一方の磁界面の位置のみ、当該位置の近傍のみ又は当該位置及び当該位置の近傍のみを含む幅サイズへと狭くなり、前記第１導波管の短絡部の電界面の幅方向と平行方向の、前記第１導波管の短絡部の側の前記第２導波管の磁界面に形成される前記結合窓の幅サイズは、前記第２導波管の閉塞部側から入出力部側へと向けて、前記第１導波管の短絡部の一方の磁界面の位置又は当該位置の近傍から前記第１導波管の短絡部の他方の磁界面の位置又は当該位置の近傍までを含む幅サイズから、前記第１導波管の短絡部の他方の磁界面の位置のみ、当該位置の近傍のみ又は当該位置及び当該位置の近傍のみを含む幅サイズへと狭くなることを特徴とする導波管変換器である。

また、本開示は、管軸方向が異なる第１導波管及び第２導波管と、前記第２導波管に関して前記第１導波管の反対側に配置される前記第１導波管の短絡部と、を備え、前記第１導波管と前記第２導波管との間を結合窓を介して変換する導波管変換器であって、前記第１導波管の電界面は、前記第２導波管の磁界面と垂直であり、前記第１導波管の磁界面は、前記第２導波管の電界面と平行であり、前記結合窓は、前記第２導波管の両面の磁界面に形成され、前記第１導波管の電界面の幅方向と平行方向の、前記第１導波管の側の前記第２導波管の磁界面に形成される前記結合窓の幅サイズは、前記第２導波管の閉塞部側から入出力部側へと向けて、前記第１導波管の一方の磁界面の位置又は当該位置の近傍から前記第１導波管の他方の磁界面の位置又は当該位置の近傍までを含む幅サイズから、前記第１導波管の一方の磁界面の位置のみ、当該位置の近傍のみ又は当該位置及び当該位置の近傍のみを含む幅サイズへと狭くなり、前記第１導波管の短絡部の電界面の幅方向と平行方向の、前記第１導波管の短絡部の側の前記第２導波管の磁界面に形成される前記結合窓の幅サイズは、前記第２導波管の閉塞部側から入出力部側へと向けて、前記第１導波管の短絡部の一方の磁界面の位置又は当該位置の近傍から前記第１導波管の短絡部の他方の磁界面の位置又は当該位置の近傍までを含む幅サイズから、前記第１導波管の短絡部の他方の磁界面の位置のみ、当該位置の近傍のみ又は当該位置及び当該位置の近傍のみを含む幅サイズへと狭くなることを特徴とする導波管変換器である。

この構成によれば、本開示の導波管変換器は、電磁波の周波数にあまり依存しないねじれ導波管として機能する、はさみの刃の形状の結合窓を備えることができる。

そして、本開示の導波管変換器は、誘電体基板の内部の基板内導波管に適用されるときには、短絡部への入出力のために誘電体基板の両面の導体層に結合窓を備えればよい。

このように、本開示は、管軸方向が異なる導波管同士の間を結合窓を介して変換する導波管変換器において、一方の導波管の電界面（磁界面）が他方の導波管の磁界面（電界面）と垂直（平行）であるときでも、省スペース化、低損失化、設計容易化、製造誤差低減及び広帯域化を図ることができるようにすることができる。

従来技術の第１の導波管変換器の全体構成を示す図である。従来技術の第２の導波管変換器の全体構成を示す図である。従来技術の第３の導波管変換器の全体構成を示す図である。本開示の第１の導波管変換器の全体構成を示す図である。本開示の第１の導波管変換器の部分構成を示す図である。本開示の第１の導波管変換器の変換特性を示す図である。本開示の第１の導波管変換器の設計方法を示す図である。本開示の第１の導波管変換器の設計結果を示す図である。比較例の導波管変換器の部分構成を示す図である。本開示の第２の導波管変換器の全体構成を示す図である。本開示の第２の導波管変換器の部分構成を示す図である。

添付の図面を参照して本開示の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本開示の実施の例であり、本開示は以下の実施形態に制限されるものではない。

（本開示の第１の導波管変換器）
本開示の第１の導波管変換器４の全体構成を図４に示す。図４は、導波管変換器４の斜視図を示す。本開示の第１の導波管変換器４の部分構成を図５に示す。図５は、基板内導波管４２の分解斜視図を上段に示し、基板内導波管４２の透視平面図を下段に示す。図５では、導波管４１及び短絡部４３と基板内導波管４２との接続位置を破線で示す。図５の下段では、結合窓４４及び結合窓４５の周縁は、導波管４１及び短絡部４３の開口の周縁の内側にある。そして、図面上はずれているが、実際には重なり合っている。

導波管変換器４は、管軸方向が異なる導波管４１及び誘電体基板４６の内部の基板内導波管４２と、誘電体基板４６に関して導波管４１の反対側に配置される導波管４１の短絡部４３と、を備え、導波管４１と基板内導波管４２との間を結合窓４４、４５を介して変換する。基板内導波管４２の磁界面は、誘電体基板４６の両面の導体層４７、４８（例えば、銅箔等。）により形成される。基板内導波管４２の電界面は、誘電体基板４６の内部の導通部４９（例えば、ポスト壁等。）により形成される。短絡部４３は、結合窓４４、４５の位置及び基板内導波管４２の内部での電界強度を高くするために形成される。

導波管４１の電界面は、基板内導波管４２の磁界面と垂直である。導波管４１の磁界面は、基板内導波管４２の電界面と平行である。結合窓４４、４５は、誘電体基板４６の両面の導体層４７、４８に形成される。結合窓４４、４５は、誘電体基板４６の一面の導体層に形成されるのみでは、短絡部４３への入出力をできなくするが、誘電体基板４６の両面の導体層に形成されることにより、短絡部４３への入出力をできるようにする。

ここで、電磁波の偏波面を９０°回転させるねじれ導波管の機能を、管軸方向が異なる導波管４１と基板内導波管４２との間の結合窓４４、４５の形状に反映させる。

具体的には、基板内導波管４２かつ結合窓４４、４５近傍の電界方向は、基板内導波管４２の閉塞部側（図４及び図５の左側。）から入出力部側（図４及び図５の右側。）へと向けて、導波管４１の基本モード（ＴＥ１０モード）の電界方向Ｅ_１と平行方向から、基板内導波管４２の基本モード（ＴＥ１０モード）の電界方向Ｅ_２と平行方向へとねじれる。

そして、基板内導波管４２の入出力部側へ切れ込みを入れるはさみの刃の形状を、管軸方向が異なる導波管４１と基板内導波管４２との間の結合窓４４、４５の形状に採用する。ただし、結合窓４４、４５の形状を重ね合わせて、はさみの刃の形状を実現する。

具体的には、導波管４１の電界面の幅方向と平行方向の、導波管４１の側の誘電体基板４６の導体層４８に形成される結合窓４５の幅サイズは、基板内導波管４２の閉塞部側から入出力部側へと向けて、導波管４１の一方の磁界面の位置又は当該位置の近傍から導波管４１の他方の磁界面の位置又は当該位置の近傍までを含む幅サイズから、導波管４１の一方の磁界面の位置のみ、当該位置の近傍のみ又は当該位置及び当該位置の近傍のみを含む幅サイズへと狭くなる。

その一方で、導波管４１の短絡部４３の電界面の幅方向と平行方向の、導波管４１の短絡部４３の側の誘電体基板４６の導体層４７に形成される結合窓４４の幅サイズは、基板内導波管４２の閉塞部側から入出力部側へと向けて、導波管４１の短絡部４３の一方の磁界面の位置又は当該位置の近傍から導波管４１の短絡部４３の他方の磁界面の位置又は当該位置の近傍までを含む幅サイズから、導波管４１の短絡部４３の他方の磁界面の位置のみ、当該位置の近傍のみ又は当該位置及び当該位置の近傍のみを含む幅サイズへと狭くなる。

導波管４１の基本モード（ＴＥ１０モード）の電磁波（電界方向Ｅ_１）は、ねじれ導波管と同様に、基板内導波管４２の基本モード（ＴＥ１０モード）の電磁波に変換され、基板内導波管４２を伝搬することができる。基板内導波管４２の基本モード（ＴＥ１０モード）の電磁波（電界方向Ｅ_２）は、ねじれ導波管と同様に、導波管４１の基本モード（ＴＥ１０モード）の電磁波に変換され、導波管４１を伝搬することができる。つまり、導波管変換器４は、導波管４１と基板内導波管４２との間を変換することができる。

このように、導波管変換器４は、電磁波の周波数にあまり依存しないねじれ導波管として機能する結合窓４４、４５を備えるため、導波管４１の電界面（磁界面）が基板内導波管４２の磁界面（電界面）と垂直（平行）であるときでも、省スペース化、低損失化、設計容易化、製造誤差低減及び広帯域化を図ることができるようにすることができる。

さらに、導波管変換器４は、誘電体基板４６の内部の基板内導波管４２に適用されるときには、（１）導波管４１と基板内導波管４２との間のマイクロストリップ線路等を備えないため、省スペース化、低損失化、設計容易化及び製造誤差低減を図ることができ、（２）ねじれ導波管として機能する結合窓４４、４５を備えるため、基板内導波管４２の引き回し自由度を高めることができる。

そして、導波管変換器４は、電磁波の周波数にあまり依存しないねじれ導波管として機能する、はさみの刃の形状の結合窓４４、４５を備えることができる。

さらに、導波管変換器４は、誘電体基板４６の内部の基板内導波管４２に適用されるときには、短絡部４３への入出力のために誘電体基板４６の両面の導体層４７、４８に結合窓４４、４５を備えればよい。

本開示の第１の導波管変換器４の変換特性を図６に示す。図６では、使用周波数で規格化した周波数を用いている。図６の上段に示したように、反射係数Ｓ１１が－２０ｄＢ以下の帯域幅は、使用周波数の５．２％程度である。図６の下段に示したように、使用周波数の５．２％程度の帯域幅での通過係数Ｓ２１は、－０．７ｄＢ程度である。

本開示の第１の導波管変換器４の設計方法を図７に示す。図７では、結合窓４４及び結合窓４５の周縁と、導波管４１及び短絡部４３の開口の周縁と、は重なり合っている。導波管４１の電界面の幅方向と平行方向の結合窓４４、４５の幅サイズのうち、基板内導波管４２の閉塞部側の幅サイズは、Ｗｇｎ＝０．４０λ（λは使用波長。）であり、基板内導波管４２の入出力部側の幅サイズは、Ｗである。導波管４１の磁界面の幅方向と平行方向の結合窓４４、４５の長さサイズのうち、基板内導波管４２の閉塞部側から入出力部側までの長さサイズは、Ｗｇｗ＝０．８１λ（λは使用波長。）であり、結合窓４４、４５の幅サイズが変化する領域の長さサイズは、Ｌ＝０．６６λ（λは使用波長。）である。以下では、Ｗを可変として、挿入損失を計算した。

本開示の第１の導波管変換器４の設計結果を図８に示す。図８では、使用周波数で規格化した周波数を用いている。ここで、挿入損失が規格化周波数０．９７から規格化周波数１．０４までの帯域幅で－１ｄＢ以下となることが望ましいとする。すると、導波管４１の電界面の幅方向と平行方向の結合窓４４、４５の幅サイズのうち、基板内導波管４２の入出力部側の幅サイズＷは、０．２９λ≦Ｗ≦０．３５λ（λは使用波長。）であることが望ましい。つまり、結合窓４４又は結合窓４５のいずれかのうちの長方形から欠けた部分の面積ＷＬ／２に対する、結合窓４４と結合窓４５の重ね合わせのうちの長方形から欠けた部分の面積ＷＬ（１－Ｗｇｎ／２Ｗ）^２の比率２（１－Ｗｇｎ／２Ｗ）^２は、０．１７４≦２（１－Ｗｇｎ／２Ｗ）^２≦０．３６３であることが望ましい。

（比較例の導波管変換器）
比較例の導波管変換器４の部分構成を図９に示す。図９では、導波管４１及び短絡部４３と基板内導波管４２との接続位置を破線で示す。そして、結合窓４４及び結合窓４５の周縁は、導波管４１及び短絡部４３の開口の周縁の内側にある。さらに、図面上はずれているが、実際には重なり合っている。図９の左上欄は、比較例の第１の結合窓４４、４５を示す。図９の右上欄は、比較例の第２の結合窓４４、４５を示す。図９の左中欄は、比較例の第３の結合窓４４、４５を示す。図９の右中欄は、比較例の第４の結合窓４４、４５を示す。図９の左下欄は、比較例の第５の結合窓４４、４５を示す。図９の右下欄は、比較例の第６の結合窓４４、４５を示す。

図９の左上欄の比較例の第１の結合窓４４、４５では、基板内導波管４２の入出力部側へ切れ込みを入れるはさみの刃の形状を結合窓４４、４５の形状に採用する。ただし、結合窓４４、４５の形状のそれぞれにおいて、はさみの刃の形状を実現する。

つまり、結合窓４４、４５の幅サイズは、基板内導波管４２の閉塞部側から入出力部側へと向けて、導波管４１の一方の磁界面の位置又は当該位置の近傍から導波管４１の他方の磁界面の位置又は当該位置の近傍までを含む幅サイズから、導波管４１の一方及び他方の磁界面の位置のみ、当該位置の近傍のみ又は当該位置及び当該位置の近傍のみを含む幅サイズへと狭くなる。すると、導波管変換器４は、導波管４１と基板内導波管４２との間を変換不能である。

図９の右上欄の比較例の第２の結合窓４４、４５では、基板内導波管４２の入出力部側へ切れ込みを入れるはさみの片刃の形状を結合窓４４、４５の形状に採用する。ただし、結合窓４４、４５の形状のそれぞれにおいて、はさみの片刃の形状を実現する。

つまり、結合窓４４、４５の幅サイズは、基板内導波管４２の閉塞部側から入出力部側へと向けて、導波管４１の一方の磁界面の位置又は当該位置の近傍から導波管４１の他方の磁界面の位置又は当該位置の近傍までを含む幅サイズから、導波管４１の一方の磁界面の位置のみ、当該位置の近傍のみ又は当該位置及び当該位置の近傍のみを含む幅サイズへと狭くなる。すると、導波管変換器４は、導波管４１と基板内導波管４２との間を変換不能である。

図９の左中欄の比較例の第３の結合窓４４、４５では、基板内導波管４２の入出力部側へ尖った先を向ける二等辺三角形の形状を結合窓４４、４５の形状に採用する。ただし、結合窓４４、４５の形状のそれぞれにおいて、二等辺三角形の形状を実現する。

つまり、結合窓４４、４５の幅サイズは、基板内導波管４２の閉塞部側から入出力部側へと向けて、導波管４１の一方の磁界面の位置又は当該位置の近傍から導波管４１の他方の磁界面の位置又は当該位置の近傍までを含む幅サイズから、導波管４１の一方及び他方の磁界面の中間の位置のみ又は当該位置及び当該位置の近傍のみを含む幅サイズへと狭くなる。すると、導波管変換器４は、導波管４１と基板内導波管４２との間を変換不能である。

図９の右中欄の比較例の第４の結合窓４４、４５では、基板内導波管４２の閉塞部側へ切れ込みを入れるはさみの刃の形状を結合窓４４、４５の形状に採用する。ただし、結合窓４４、４５の形状を重ね合わせて、はさみの刃の形状を実現する。

つまり、結合窓４４の幅サイズは、基板内導波管４２の入出力部側から閉塞部側へと向けて、導波管４１の一方の磁界面の位置又は当該位置の近傍から導波管４１の他方の磁界面の位置又は当該位置の近傍までを含む幅サイズから、導波管４１の一方の磁界面の位置のみ、当該位置の近傍のみ又は当該位置及び当該位置の近傍のみを含む幅サイズへと狭くなる。そして、結合窓４５の幅サイズは、基板内導波管４２の入出力部側から閉塞部側へと向けて、導波管４１の一方の磁界面の位置又は当該位置の近傍から導波管４１の他方の磁界面の位置又は当該位置の近傍までを含む幅サイズから、導波管４１の他方の磁界面の位置のみ、当該位置の近傍のみ又は当該位置及び当該位置の近傍のみを含む幅サイズへと狭くなる。すると、導波管変換器４は、導波管４１と基板内導波管４２との間を変換不能である。

図９の左下欄の比較例の第５の結合窓４４、４５では、基板内導波管４２の一電界面側へ切れ込みを入れるはさみの刃の形状を結合窓４４、４５の形状に採用する。ただし、結合窓４４、４５の形状を重ね合わせて、はさみの刃の形状を実現する。

つまり、結合窓４４の幅サイズは、基板内導波管４２の閉塞部側から入出力部側へと向けて、導波管４１の一方の磁界面の位置又は当該位置の近傍から導波管４１の他方の磁界面の位置又は当該位置の近傍までを含む幅サイズから、導波管４１の一方の磁界面の位置のみ、当該位置の近傍のみ又は当該位置及び当該位置の近傍のみを含む幅サイズへと狭くなる。そして、結合窓４５の幅サイズは、基板内導波管４２の入出力部側から閉塞部側へと向けて、導波管４１の一方の磁界面の位置又は当該位置の近傍から導波管４１の他方の磁界面の位置又は当該位置の近傍までを含む幅サイズから、導波管４１の一方の磁界面の位置のみ、当該位置の近傍のみ又は当該位置及び当該位置の近傍のみを含む幅サイズへと狭くなる。すると、導波管変換器４は、導波管４１と基板内導波管４２との間を変換不能である。

図９の右下欄の比較例の第６の結合窓４４、４５では、基板内導波管４２の入出力部側及び閉塞部側へ切れ込みを入れるはさみの片刃の形状を結合窓４４、４５の形状に採用する。ただし、結合窓４４、４５の形状のそれぞれにおいて、はさみの片刃の形状を実現する。

つまり、結合窓４４の幅サイズは、基板内導波管４２の閉塞部側から入出力部側へと向けて、導波管４１の一方の磁界面の位置又は当該位置の近傍から導波管４１の他方の磁界面の位置又は当該位置の近傍までを含む幅サイズから、導波管４１の一方の磁界面の位置のみ、当該位置の近傍のみ又は当該位置及び当該位置の近傍のみを含む幅サイズへと狭くなる。そして、結合窓４５の幅サイズは、基板内導波管４２の入出力部側から閉塞部側へと向けて、導波管４１の一方の磁界面の位置又は当該位置の近傍から導波管４１の他方の磁界面の位置又は当該位置の近傍までを含む幅サイズから、導波管４１の他方の磁界面の位置のみ、当該位置の近傍のみ又は当該位置及び当該位置の近傍のみを含む幅サイズへと狭くなる。すると、導波管変換器４は、導波管４１と基板内導波管４２との間を変換不能である。

（本開示の第２の導波管変換器）
本開示の第２の導波管変換器５の全体構成を図１０に示す。図１０は、導波管変換器５の斜視図を示す。本開示の第２の導波管変換器５の部分構成を図１１に示す。図１１は、第２導波管５２の斜視図を上段に示し、第２導波管５２の透視平面図を下段に示す。図１１では、第１導波管５１及び短絡部５３と第２導波管５２との接続位置を破線で示す。図１１の下段では、結合窓５４及び結合窓５５の周縁は、第１導波管５１及び短絡部５３の開口の周縁の内側にある。そして、図面上はずれているが、実際には重なり合っている。

導波管変換器５は、管軸方向が異なる第１導波管５１及び第２導波管５２と、第２導波管５２に関して第１導波管５１の反対側に配置される第１導波管５１の短絡部５３と、を備え、第１導波管５１と第２導波管５２との間を結合窓５４、５５を介して変換する。短絡部５３は、結合窓５４、５５の位置及び第２導波管５２の内部での電界強度を高くするために形成される。

第１導波管５１の電界面は、第２導波管５２の磁界面と垂直である。第１導波管５１の磁界面は、第２導波管５２の電界面と平行である。結合窓５４、５５は、第２導波管５２の両面の磁界面に形成される。結合窓５４、５５は、第２導波管５２の一面の磁界面に形成されるのみでは、短絡部５３への入出力をできなくするが、第２導波管５２の両面の磁界面に形成されることにより、短絡部５３への入出力をできるようにする。

ここで、電磁波の偏波面を９０°回転させるねじれ導波管の機能を、管軸方向が異なる第１導波管５１と第２導波管５２との間の結合窓５４、５５の形状に反映させる。

具体的には、第２導波管５２かつ結合窓５４、５５近傍の電界方向は、第２導波管５２の閉塞部側（図１０及び図１１の左側。）から入出力部側（図１０及び図１１の右側。）へと向けて、第１導波管５１の基本モード（ＴＥ１０モード）の電界方向Ｅ_１と平行方向から、第２導波管５２の基本モード（ＴＥ１０モード）の電界方向Ｅ_２と平行方向へとねじれる。

そして、第２導波管５２の入出力部側へ切れ込みを入れるはさみの刃の形状を、管軸方向が異なる第１導波管５１と第２導波管５２との間の結合窓５４、５５の形状に採用する。ただし、結合窓５４、５５の形状を重ね合わせて、はさみの刃の形状を実現する。

具体的には、第１導波管５１の電界面の幅方向と平行方向の、第１導波管５１の側の第２導波管５２の磁界面に形成される結合窓５５の幅サイズは、第２導波管５２の閉塞部側から入出力部側へと向けて、第１導波管５１の一方の磁界面の位置又は当該位置の近傍から第１導波管５１の他方の磁界面の位置又は当該位置の近傍までを含む幅サイズから、第１導波管５１の一方の磁界面の位置のみ、当該位置の近傍のみ又は当該位置及び当該位置の近傍のみを含む幅サイズへと狭くなる。

その一方で、第１導波管５１の短絡部５３の電界面の幅方向と平行方向の、第１導波管５１の短絡部５３の側の第２導波管５２の磁界面に形成される結合窓５４の幅サイズは、第２導波管５２の閉塞部側から入出力部側へと向けて、第１導波管５１の短絡部５３の一方の磁界面の位置又は当該位置の近傍から第１導波管５１の短絡部５３の他方の磁界面の位置又は当該位置の近傍までを含む幅サイズから、第１導波管５１の短絡部５３の他方の磁界面の位置のみ、当該位置の近傍のみ又は当該位置及び当該位置の近傍のみを含む幅サイズへと狭くなる。

第１導波管５１の基本モード（ＴＥ１０モード）の電磁波（電界方向Ｅ_１）は、ねじれ導波管と同様に、第２導波管５２の基本モード（ＴＥ１０モード）の電磁波に変換され、第２導波管５２を伝搬することができる。第２導波管５２の基本モード（ＴＥ１０モード）の電磁波（電界方向Ｅ_２）は、ねじれ導波管と同様に、第１導波管５１の基本モード（ＴＥ１０モード）の電磁波に変換され、第１導波管５１を伝搬することができる。つまり、導波管変換器５は、第１導波管５１と第２導波管５２との間を変換することができる。

このように、導波管変換器５は、電磁波の周波数にあまり依存しないねじれ導波管として機能する結合窓５４、５５を備えるため、第１導波管５１の電界面（磁界面）が第２導波管５２の磁界面（電界面）と垂直（平行）であるときでも、省スペース化、低損失化、設計容易化、製造誤差低減及び広帯域化を図ることができるようにすることができる。

そして、導波管変換器５は、電磁波の周波数にあまり依存しないねじれ導波管として機能する、はさみの刃の形状の結合窓５４、５５を備えることができる。

なお、本開示の第２の導波管変換器５では、第２導波管５２の両面の磁界面の間の距離は長く（第２導波管５２の規格のため。）、第２導波管５２の内部は真空又は空気である。一方、本開示の第１の導波管変換器４では、基板内導波管４２の両面の磁界面の間の距離は短く（誘電体基板４６の薄さのため。）、基板内導波管４２の内部は誘電体である。

そこで、本開示の第２の導波管変換器５においても、本開示の第１の導波管変換器４と同様に、第１導波管５１と第２導波管５２との間を変換するためには、第２導波管５２の両面の磁界面の間の距離をできるかぎり短くすることが望ましい。

ただし、本開示の第２の導波管変換器５においても、本開示の第１の導波管変換器４と同様に、第２導波管５２での変換後の伝送効率を向上させるためには、第２導波管５２の両面の磁界面の間の距離をできるかぎり長くすることが望ましい。

そして、本開示の第２の導波管変換器５においては、本開示の第１の導波管変換器４と比べて、第２導波管５２のサイズ及び内部物質が異なることを考慮して、結合窓５４、５５のサイズ及び短絡部５３の長さを異ならせることが望ましい。

１、２、３、４、５：導波管変換器
１１、２１、３１：第１導波管
１２、２２、３２：第２導波管
２３：第３導波管
１３、２４、３３：結合窓
４１：導波管
４２：基板内導波管
４３：短絡部
４４、４５：結合窓
４６：誘電体基板
４７、４８：導体層
４９：導通部
５１：第１導波管
５２：第２導波管
５３：短絡部
５４、５５：結合窓

Claims

管軸方向が異なる導波管及び誘電体基板の内部の基板内導波管と、前記誘電体基板に関して前記導波管の反対側に配置される前記導波管の短絡部と、を備え、前記導波管と前記基板内導波管との間を結合窓を介して変換する導波管変換器であって、
前記導波管の電界面は、前記基板内導波管の磁界面と垂直であり、
前記導波管の磁界面は、前記基板内導波管の電界面と平行であり、
前記結合窓は、前記誘電体基板の両面の導体層に形成され、
前記基板内導波管かつ前記結合窓近傍の電界方向は、前記基板内導波管の閉塞部側から入出力部側へと向けて、前記導波管の基本モードの電界方向と平行方向から、前記基板内導波管の基本モードの電界方向と平行方向へとねじれ、
前記導波管の電界面の幅方向と平行方向の、前記導波管の側の前記誘電体基板の導体層に形成される前記結合窓の幅サイズは、前記基板内導波管の閉塞部側から入出力部側へと向けて、前記導波管の一方の磁界面の位置又は当該位置の近傍から前記導波管の他方の磁界面の位置又は当該位置の近傍までを含む幅サイズから、前記導波管の一方の磁界面の位置のみ、当該位置の近傍のみ又は当該位置及び当該位置の近傍のみを含む幅サイズへと狭くなり、
前記導波管の短絡部の電界面の幅方向と平行方向の、前記導波管の短絡部の側の前記誘電体基板の導体層に形成される前記結合窓の幅サイズは、前記基板内導波管の閉塞部側から入出力部側へと向けて、前記導波管の短絡部の一方の磁界面の位置又は当該位置の近傍から前記導波管の短絡部の他方の磁界面の位置又は当該位置の近傍までを含む幅サイズから、前記導波管の短絡部の他方の磁界面の位置のみ、当該位置の近傍のみ又は当該位置及び当該位置の近傍のみを含む幅サイズへと狭くなることを特徴とする導波管変換器。
管軸方向が異なる導波管及び誘電体基板の内部の基板内導波管と、前記誘電体基板に関して前記導波管の反対側に配置される前記導波管の短絡部と、を備え、前記導波管と前記基板内導波管との間を結合窓を介して変換する導波管変換器であって、
前記導波管の電界面は、前記基板内導波管の磁界面と垂直であり、
前記導波管の磁界面は、前記基板内導波管の電界面と平行であり、
前記結合窓は、前記誘電体基板の両面の導体層に形成され、
前記導波管の電界面の幅方向と平行方向の、前記導波管の側の前記誘電体基板の導体層に形成される前記結合窓の幅サイズは、前記基板内導波管の閉塞部側から入出力部側へと向けて、前記導波管の一方の磁界面の位置又は当該位置の近傍から前記導波管の他方の磁界面の位置又は当該位置の近傍までを含む幅サイズから、前記導波管の一方の磁界面の位置のみ、当該位置の近傍のみ又は当該位置及び当該位置の近傍のみを含む幅サイズへと狭くなり、
前記導波管の短絡部の電界面の幅方向と平行方向の、前記導波管の短絡部の側の前記誘電体基板の導体層に形成される前記結合窓の幅サイズは、前記基板内導波管の閉塞部側から入出力部側へと向けて、前記導波管の短絡部の一方の磁界面の位置又は当該位置の近傍から前記導波管の短絡部の他方の磁界面の位置又は当該位置の近傍までを含む幅サイズから、前記導波管の短絡部の他方の磁界面の位置のみ、当該位置の近傍のみ又は当該位置及び当該位置の近傍のみを含む幅サイズへと狭くなることを特徴とする導波管変換器。
管軸方向が異なる第１導波管及び第２導波管と、前記第２導波管に関して前記第１導波管の反対側に配置される前記第１導波管の短絡部と、を備え、前記第１導波管と前記第２導波管との間を結合窓を介して変換する導波管変換器であって、
前記第１導波管の電界面は、前記第２導波管の磁界面と垂直であり、
前記第１導波管の磁界面は、前記第２導波管の電界面と平行であり、
前記結合窓は、前記第２導波管の両面の磁界面に形成され、
前記第２導波管かつ前記結合窓近傍の電界方向は、前記第２導波管の閉塞部側から入出力部側へと向けて、前記第１導波管の基本モードの電界方向と平行方向から、前記第２導波管の基本モードの電界方向と平行方向へとねじれ、
前記第１導波管の電界面の幅方向と平行方向の、前記第１導波管の側の前記第２導波管の磁界面に形成される前記結合窓の幅サイズは、前記第２導波管の閉塞部側から入出力部側へと向けて、前記第１導波管の一方の磁界面の位置又は当該位置の近傍から前記第１導波管の他方の磁界面の位置又は当該位置の近傍までを含む幅サイズから、前記第１導波管の一方の磁界面の位置のみ、当該位置の近傍のみ又は当該位置及び当該位置の近傍のみを含む幅サイズへと狭くなり、
前記第１導波管の短絡部の電界面の幅方向と平行方向の、前記第１導波管の短絡部の側の前記第２導波管の磁界面に形成される前記結合窓の幅サイズは、前記第２導波管の閉塞部側から入出力部側へと向けて、前記第１導波管の短絡部の一方の磁界面の位置又は当該位置の近傍から前記第１導波管の短絡部の他方の磁界面の位置又は当該位置の近傍までを含む幅サイズから、前記第１導波管の短絡部の他方の磁界面の位置のみ、当該位置の近傍のみ又は当該位置及び当該位置の近傍のみを含む幅サイズへと狭くなることを特徴とする導波管変換器。
管軸方向が異なる第１導波管及び第２導波管と、前記第２導波管に関して前記第１導波管の反対側に配置される前記第１導波管の短絡部と、を備え、前記第１導波管と前記第２導波管との間を結合窓を介して変換する導波管変換器であって、
前記第１導波管の電界面は、前記第２導波管の磁界面と垂直であり、
前記第１導波管の磁界面は、前記第２導波管の電界面と平行であり、
前記結合窓は、前記第２導波管の両面の磁界面に形成され、
前記第１導波管の電界面の幅方向と平行方向の、前記第１導波管の側の前記第２導波管の磁界面に形成される前記結合窓の幅サイズは、前記第２導波管の閉塞部側から入出力部側へと向けて、前記第１導波管の一方の磁界面の位置又は当該位置の近傍から前記第１導波管の他方の磁界面の位置又は当該位置の近傍までを含む幅サイズから、前記第１導波管の一方の磁界面の位置のみ、当該位置の近傍のみ又は当該位置及び当該位置の近傍のみを含む幅サイズへと狭くなり、
前記第１導波管の短絡部の電界面の幅方向と平行方向の、前記第１導波管の短絡部の側の前記第２導波管の磁界面に形成される前記結合窓の幅サイズは、前記第２導波管の閉塞部側から入出力部側へと向けて、前記第１導波管の短絡部の一方の磁界面の位置又は当該位置の近傍から前記第１導波管の短絡部の他方の磁界面の位置又は当該位置の近傍までを含む幅サイズから、前記第１導波管の短絡部の他方の磁界面の位置のみ、当該位置の近傍のみ又は当該位置及び当該位置の近傍のみを含む幅サイズへと狭くなることを特徴とする導波管変換器。