JPH0563409A

JPH0563409A - 導波管

Info

Publication number: JPH0563409A
Application number: JP3218696A
Authority: JP
Inventors: Tsuyoshi Hamabe; 剛志浜部; 正樹 ▲廣▼田; Masaki Hirota; Tamio Aoyanagi; 民朗青柳; Nobuhiro Kanai; 伸弘金井
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1991-08-29
Filing date: 1991-08-29
Publication date: 1993-03-12

Abstract

(57)【要約】【目的】管面の少なくとも一部にＰＩＮダイオードを
一体的に形成し、導波管内を伝播する電磁波に対して管
面の一部を電子的に開放および遮断状態にし得る導波管
を提供する。【構成】支持物５に形成された矩形導波管１０の１つ
の管面を半導体基板６で構成し、この半導体基板６の導
波管に対向する面にスロット穴４を形成し、このスロッ
ト穴内の半導体基板６内に半導体ダイオード９を構成し
ている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、管面の少なくとも一部
に半導体ダイオードを一体的に形成し、該ダイオードを
制御し得るようにした導波管に関する。

【０００２】

【従来の技術】導波管を利用したスロットアレイアンテ
ナ、すなわち矩形導波管のＨ面またはＥ面に相当する管
壁に細長い長方形状のスロット穴を多数配列して形成し
た導波管型スロットアレイアンテナとしては、従来、図
１３に示すものがある。同図に示す導波管型スロットア
レイアンテナは導波管全体が例えば金属状固体で形成さ
れ、そのＨ面２またはＥ面３に相当する管壁に多数のス
ロット穴４が間隔ｄの配列で形成され、これにより放射
される電波の合成ビーム方向を制御している。なお、図
１３（ａ）はＨ面２に多数のスロット穴４が形成され、
図１３（ｂ）はＥ面３に多数のスロット穴４が形成さ
れ、図１３（ｃ）はＥ面３に多数のスロット穴４が図１
３（ｂ）と異なる配列で形成されているものを示してい
る。また、同図おいて、１は給電方向を示している。

【０００３】また、導波管を伝搬する電磁波を減衰させ
る導波管減衰器として、従来、図１４（ａ）に示すよう
に導波管１４内に支持棒１５で支持された損失材料であ
る抵抗体１６を内蔵し、該抵抗体１６を機械的に左右に
動かすように構成したものや、図１４（ｂ）に示すよう
に導波管１７にスリット１８を形成し、このスリット１
８内に薄膜からなる抵抗体１９を挿入し、この抵抗体１
９の位置を機械的に移動し得るように構成したものがあ
る。

【０００４】このように構成した導波管減衰器において
は、導波管１４，１７内に設けられた抵抗体１６，１９
に電流が流れるため電磁波のエネルギがジュール熱に変
わって電界強度が減衰する。そして、図１４（ａ）にお
いては、抵抗体１６を左右に移動することにより減衰量
が変化するが、電界強度が中央で一番強く、両端で一番
弱いということを利用し、該抵抗体１６を中央に置いて
減衰量を最も大きくしている。また、図１４（ｂ）にお
いては、電界強度が一番強い部分で抵抗体１９を導波管
１７に対して出し入れして、抵抗体１９の面積自体を変
化させて減衰量を変化させるようになっている。なお、
図１４（ｂ）に示す抵抗体１９には反射が生じないよう
にテーパが施され、また図１４（ａ）に示す抵抗体１６
の支持棒１５は電界の妨げにならないように電界に垂直
に設けられている。

【０００５】更に、導波管を利用したスロットアレイア
ンテナとして、従来、図１５に示すものがある（IEEE T
rans.Vd MTT-33, No.11, 1985, pp.1189, "A Qusi-Opti
calMultiplying Slot Array", N.Camilleri et al参
照）。同図において、４１は接地面、４１’は導波管
壁、４２は基本波入射方向、４３はスロット穴、４４は
ビームリード型ダイオードである。このように構成され
る従来の導波管型スロットアレイアンテナは導波管とし
て通常の金属導波管を使用し、ダイオードとして個別の
ビームリードダイオードを使用している。

【０００６】また、２つの導波管を結合した導波管結合
器としては、従来、図１６に示すように、第１の導波管
７１と第２の導波管７２とを１つの管面に所定の間隔を
あけて固定的に設けられた結合穴７３を有する接触部７
４において接触して構成されるものがある。同図におい
て、入力から伝送された電磁波は、１つは第１の導波管
７１の出力に伝送され、もう１つは結合穴７３の間隔に
よって決まる周波数成分が第２の導波管７２の結合出力
に伝送されるようになっている。

【０００７】更に、導波管からなる従来のフィライン形
導波管スイッチとしては、図１７に示すように、２ポー
トの方形導波管９１の内部に例えばテフロンのような絶
縁体で形成された基板９２を有し、この基板９２の表面
に図１７（ｂ）に示すように銅等の導電体からなる２つ
のフィンラインパターン９３が形成され、この２つのフ
ィンラインパターン９３は１個または複数個のＰＩＮダ
イオード９４を介して接続されたものがある。なお、方
形導波管９１の内面は金属で被覆されている。

【０００８】このように構成された従来のフィンライン
形導波管スイッチにおいて、ＰＩＮダイオード９４に順
方向に電圧を印加すると、２つのフィンラインパターン
９３は該ＰＩＮダイオードにより短絡されるので、図１
７（ａ）に示す第１ポート１１０からの入力信号は減衰
し、第２ポート１２０には出力されない。また、逆方向
の電圧を印加すると、２つのフィンラインパターン９３
は短絡されないので、第１ポート１１０からの入力信号
は減衰せずに第２ポート１２０に出力される。このよう
な構造でフィンラインパターン９３に印加する電圧の方
向を切り替えることにより、導波管９１内の信号をスイ
ッチングすることができる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】図１３に示した従来の
導波管型スロットアレイアンテナでは、導波管壁に形成
されたスロット穴４の相互間隔ｄが機械的に固定されて
いるため、導波管に伝送される電波の周波数が決まる
と、一意的に放射される電波の合成ビーム方向が特定方
向に固定されてしまうという問題がある。

【００１０】また、図１４に示した従来の導波管減衰器
では、機械的に抵抗体１６，１９を駆動するように構成
しているため、大きさおよび重量が増大し、価格が高く
なるとともに、可動部分があるため、経時変化を避ける
ことができず、微調整が必要になるという問題がある。

【００１１】更に、図１５に示すような従来の導波管型
スロットアレイアンテナは導波管として通常の金属導波
管を使用し、ダイオードとして個別のビームリードダイ
オードを使用しているので、ダイオードを各スロット穴
上に設けることが困難であるとともに、無バイアスで使
用しなければならないため、導波管に注入される高周波
電力を大きくする必要があるし、更に各ビームリードダ
イオードの特性ばらつきによる放射合成波の指向性歪お
よび高調波スペクトルのばらつきがあるという問題があ
る。

【００１２】図１６に示すように２つの導波管を結合し
た従来の方向性結合器では、結合穴の間隔が固定されて
いるため、周波数の広帯域化、他周波数帯化のネックに
なるという問題がある。

【００１３】また、図１７に示すような従来のフィンラ
イン形導波管スイッチでは、ＰＩＮダイオード９４を半
田付け等により実装しているため、１個のＰＩＮダイオ
ードを使用した場合には、順方向電圧を印加した時の電
流が少なく、入力信号に対して十分な減衰が得られない
し、更に複数のＰＩＮダイオードを使用した場合には、
順方向電流が多くなるが、各ＰＩＮダイオードの位置合
わせを正確に行わなければならず、半田付けでは困難で
あるし、また複数のＰＩＮダイオードの各ダイオード特
性のばらつきが大きいと、周波数特性が影響されるとい
う問題がある。

【００１４】本発明は、上記に鑑みてなされたもので、
その第１の目的は、管面の少なくとも一部にＰＩＮダイ
オードを一体的に形成し、導波管内を伝播する電磁波に
対して管面の一部を電子的に開放および遮断状態にし得
る導波管を提供することにある。

【００１５】本発明の第２の目的は、スロット穴上に半
導体ダイオードを形成し、該ダイオードを制御すること
によりスロット間隔を可変し、放射される電波の合成ビ
ーム方向を任意に制御可能にした導波管型スロットアレ
イアンテナを提供することにある。

【００１６】本発明の第３の目的は、複数の半導体ダイ
オードを構成した半導体基板を利用して電子的に減衰量
を可変し得る導波管を提供することにある。

【００１７】本発明の第４の目的は、スロット穴のある
導波管壁または導波管全体を半導体で構成し、スロット
穴に半導体ダイオードを一体的に形成し、スロットへの
ダイオードの固定、ダイオードの特性のばらつきによる
アンテナ指向性歪、高周波スペクトルのばらつきを防止
した導波管型スロットアレイアンテナを提供することに
ある。

【００１８】本発明の第５の目的は、結合穴にＰＩＮダ
イオードを複数配列して周波数の広帯域化、他周波数帯
化を可能にした方向性結合器を提供することにある。

【００１９】本発明の第６の目的は、不純物濃度の低い
半導体基板およびその表面に形成されたＮ型高濃度不純
物層およびＰ型高濃度不純物層からなるフィンラインパ
ターンでＰＩＮダイオードを構成し、高周波信号に対し
て十分な減衰を行い、ＰＩＮダイオードの位置合わせお
よびばらつきが少ないフィンライン形導波管スイッチを
提供することにある。

【００２０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の請求項１記載の導波管は、管面の少なくと
も一部を半導体で形成し、該半導体で形成された管面に
ＰＩＮダイオードを一体的に構成し、該ＰＩＮダイオー
ドを順方向および逆方向にバイアスし得るように構成し
たことを要旨とする。

【００２１】また、本発明の請求項２記載の導波管型ス
ロットアレイアンテナは、矩形導波管のＨ面またはＥ面
の管壁に形成された多数の細長いスロットを配列して形
成される導波管型スロットアレイアンテナであって、少
なくとも前記スロットに面する導波管の面を半導体材料
で形成し、該半導体で形成された面内に半導体ダイオー
ドを一体的に形成したことを要旨とする。

【００２２】更に、本発明の請求項３記載の導波管は、
複数の半導体ダイオードを形成された半導体基板と、該
半導体基板に形成された複数の半導体ダイオードを挟む
ように形成された溝をそれぞれ有し、該溝により導波管
を構成するように前記半導体基板を挟んで配設された一
対の対向板とを有することを要旨とする。

【００２３】本発明の請求項４記載の導波管型スロット
アレイアンテナは、矩形導波管のＨ面またはＥ面の管壁
に形成された多数の細長いスロットを配列して形成され
る導波管型スロットアレイアンテナであって、少なくと
も前記スロットに面する導波管の面を半導体材料で形成
し、該半導体で形成された面内に非線形特性を有する半
導体ダイオードを一体的に形成したことを要旨とする。

【００２４】本発明の請求項５記載の方向性結合器は、
第１の導波管と第２の導波管が１つの管面の結合孔を有
する接触部で接触している方向性結合器であって、前記
結合孔に相当する管面を高抵抗半導体基板で構成し、該
高抵抗半導体基板上にＰＩＮダイオードを複数配列した
ことを要旨とする。

【００２５】本発明の請求項６記載のフィンライン形導
波管スイッチは、互いに導電性の異なる不純物濃度の高
い半導体を材料として表面に対向するように形成された
２つのフィンラインパターンを有し、不純物濃度の低い
半導体材料で形成され、前記２つのフィンラインパター
ンと前記不純物濃度の低い半導体材料とによりＰＩＮダ
イオードを一体的に形成している基板と、該基板を内部
に設けられ、内面が金属で被覆されている導波管とを有
することを要旨とする。

【００２６】

【作用】本発明の請求項１記載の導波管では、管面の少
なくとも一部に一体的に形成されたＰＩＮダイオードを
順方向および逆方向にバイアスし、導波管内を伝播する
電磁波に対して管面の一部を開放および遮断状態にして
いる。

【００２７】また、本発明の請求項２記載の導波管型ス
ロットアレイアンテナでは、少なくともスロットに面す
る導波管の面を半導体材料で形成し、該半導体で形成さ
れた面内に半導体ダイオードを一体的に形成し、該半導
体ダイオードをオン−オフすることによりスロットの配
列を電子的に変更する。

【００２８】更に、本発明は請求項３記載の導波管で
は、複数の半導体ダイオードを形成された半導体基板を
挟むように一対の対向板を設け、前記半導体ダイオード
の動作状態で減衰量を変化させている。

【００２９】本発明の請求項４記載の導波管型スロット
アレイアンテナでは、少なくともスロットに面する導波
管の面を半導体材料で形成し、該半導体で形成された面
内に非線形特性を有する半導体ダイオードを一体的に形
成し、これにより導波管内を伝送されてきた高周波がス
ロットから外部に放射される際に高周波を生じて位相合
成され、特定の高次周波数を放射する。

【００３０】本発明の請求項５記載の方向性結合器で
は、第１の導波管と第２の導波管の結合孔に相当する管
面を高抵抗半導体基板で構成し、該高抵抗半導体基板上
にＰＩＮダイオードを複数配列している。

【００３１】本発明の請求項６記載のフィンライン形導
波管スイッチでは、導電性の異なる不純物濃度の高い半
導体を表面に対向するように形成された２つのフィンラ
インパターンを有し、不純物濃度の低い半導体材料で形
成され、該２つのフィンラインパターンと前記不純物濃
度の低い半導体材料とによりＰＩＮダイオードを一体的
に形成している基板を内面が金属で被覆された導波管の
内部に設け、安定な周波数特性およびスイッチ動作を行
っている。

【００３２】

【実施例】以下、図面を用いて本発明の実施例を説明す
る。

【００３３】図１（ａ），（ｂ）は、それぞれ本発明の
第１の実施例に係わる導波管型スロットアレイアンテナ
の構成を示す上面図および図１（ａ）のＡ−Ａ’断面図
である。

【００３４】図１（ａ）はＥ面に多数のスロット穴４
ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅを形成したものであり、こ
れらのスロット穴には丸印「○」で示すように半導体ダ
イオード９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ，９ｅが設けられてい
る。なお、図１（ａ）において、スロット穴４ａと４
ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅとの間隔は、それぞれｄ１，ｄ
２，ｄ３，ｄ４として示されている。また、図１（ａ）
において、１は給電方向である。

【００３５】図１（ｂ）の断面図に示すように、導波管
型スロットアレイアンテナは半導体または金属等からな
る支持物５および該支持物５に接着された半導体基板６
を有し、支持物５内には断面部を示す矩形導波管１０が
例えばマイクロマシニング等により形成され、該導波管
の内表面にはメタライズ８が施されている。半導体基板
６は片面にメタライズ７が施されているが、このメタラ
イズ７の一部は除去され、スロット穴４が前記導波管１
０に対向して形成されるとともに、このスロット穴４の
上の一部に半導体ダイオード９（９ａ〜９ｅ）が形成さ
れている。なお、この半導体ダイオード９はスロット穴
４の上の全部に形成されてもよい。

【００３６】図２（ａ）は図１（ｂ）に示したスロット
穴４上に形成された半導体ダイオード９（９ａ〜９ｅ）
の一端を前記メタライズ面７に接続し、他端を電極１１
に接続したものを示している。このように半導体ダイオ
ード９（９ａ〜９ｅ）を電極１１に接続し、該電極１１
を介して半導体ダイオードに電圧を印加することによ
り、各半導体ダイオード９ａ〜９ｅを個別にオン−オフ
制御することができる。

【００３７】例えば、図１（ａ）に示す複数の半導体ダ
イオード９ａ〜９ｅのうちの、半導体ダイオード９ａお
よび９ｅをオフにし、他の半導体ダイオード９ｂ，９
ｃ，９ｄをオンにすると、導波管１０を伝送してきた電
波はスロット穴４ａおよび４ｅのみが存在しているよう
に見え、スロット間隔ｄ４に相当する合成ビームの指向
性が得られることになる。また、半導体ダイオード９ａ
および９ｄをオフにし、他の半導体ダイオード９ｂ，９
ｃ，９ｅをオンにすると、スロット間隔はｄ３になる。

【００３８】このようにして、スロット間隔をｄ１，ｄ
２，ｄ３，ｄ４と変化させることにより、スロット間隔
に相当する位相差により前記スロット穴から放射される
電波の合成ビーム方向を任意に制御することができる。

【００３９】なお、図２（ｂ），（ｃ），（ｄ）はスロ
ット穴への各半導体ダイオードの配置例を種々示してい
るが、同図において１２はスロット穴上のダイオード以
外の部分である半絶縁性半導体または空隙を示してい
る。

【００４０】図３は、Ｈ面２にスロット穴を配列した第
１の実施例の他の例の導波管型スロットアレイアンテナ
を示す図である。同図（ａ）はスロット穴をまっすぐに
形成し、同図（ｂ）は斜めに形成している場合を示して
いる。また、同図（ｃ）は同図（ｂ）に示すようにＨ面
に斜めに形成された複数のスロット穴４に半導体ダイオ
ード９を設けた場合を示している。

【００４１】図４は、本発明の第２の実施例に係わる導
波管の構成図である。同図に示す導波管は、伝搬する電
磁波を減衰させる減衰器を構成するものである。このよ
うな導波管減衰器は、従来、図１４で説明したように、
低抗体を導波管内に機械的挿入し得るようにしていたも
のであるが、本実施例に示す導波管減衰器は半導体ダイ
オードを利用して電子的に行うようにしているものであ
る。

【００４２】すなわち、本実施例に示す減衰器として作
用する導波管は、図４（ａ）に示すように、一対の両側
半導体基板２１，２２によって中央の半導体基板２３を
両側から挟むように形成されるとともに、両側半導体基
板２１，２２のほぼ中央に形成された方形導波管を構成
するＵ字形の溝２１ａ，２２ａが中央の半導体基板２３
を挟んで対向するように設けられている。また、導波管
を構成するＵ字溝２１ａ，２２ａの内面にはＡｕまたは
Ａｌ等の金属薄膜が蒸着され、電磁波はこのようにＵ字
溝を対向して形成されている導波管内を伝搬するように
なっている。なお、Ｕ字形溝２１ａ，２２ａは、ＬＳＩ
製造のために微細加工技術に使用されるＲＩＥに代表さ
れる異方性エッチングによって比較的容易に形成するこ
とができる。

【００４３】中央に設けられた半導体基板２３は、その
詳細を図４（ｂ）に示すように、Ｎ型基板として形成さ
れ、このＮ型基板２３に逆のＰ型領域２４が複数並列に
形成され、これにより複数の半導体ダイオードが形成さ
れるようになっている。また、各Ｐ型領域２４の下端部
はＵ字溝の導波管２１ａ，２２ａに対応する位置まで延
出し、上端部はＮ型基板２３の上端部に形成された複数
の第１の電極２５に接続されている。中央半導体基板で
あるＮ型基板２３の下端部には第２の電極２６が形成さ
れ、前記第１の電極２５と第２の電極２６との間に電圧
を印加することによりＰ型領域２４とＮ型基板２３とに
より形成された半導体ダイオードが順方向または逆方向
にバイアスされるようになっている。なお、半導体は誘
電体としての性質も有しているので、電磁波を減衰させ
ないためや波形を乱さないためにできる限り薄くする必
要がある。

【００４４】前記Ｕ字形溝２１ａ，２２ａで構成される
方形導波管は、ハイパスフィルタの特性を有しており、
透過できる最も低い周波数を有する基本モードはＴＥ１
０モードである。導波管の断面の寸法を図４（ａ）に示
すようにＡ，Ｂ（Ａ＞Ｂ）とすると、空気中では遮断周
波数は、ｆ１＝Ｃ／（２Ａ）となる。なお、Ｃは光速で
ある。また、この基本モードの次に固有値の大きいモー
ドはＴＥ２０であり、このモードの遮断周波数はｆ２＝
Ｃ／Ａである。方形導波管は、通常ｆ１＜ｆ＜ｆ２なる
遮断周波数を有するように、すなわち基本モードだけ伝
搬するように使用される。ミリ波以上の非常に高い周波
数を伝送する場合は半導体基板を用いてＬＳＩ製造プロ
セスを適用できる寸法になる。また、比較的低い周波数
を伝送する場合には、空洞を誘電体で充填する必要があ
る。誘電率が高いほど、伝搬速度が遅くなるために波長
が短くなる。従って、同じ遮断周波数を有する導波管の
寸法を小さくできる。

【００４５】次に、図５に示す等価回路を参照して、図
４に示す導波管の減衰作用を説明する。図５は、半導体
ダイオードを並列型の減衰器として使用した場合の等価
回路である。

【００４６】図４において、第１の電極２５に正の電圧
を印加し、第２の電極２６に負の電圧を印加して、複数
のＰ型領域２４とＮ型基板２３からなる半導体ダイオー
ドを順バイアスした場合には、Ｐ型領域２４から流れ出
た電流は広がりながらも主にＰ型領域周辺を通って第２
の電極２６に向かって流れるというようにダイオードに
は電流が流れ、簡単には抵抗体とみなすことができ、正
確には図５（ａ）に示すように対向Ｒｆとインダクタン
スＬｇとの直列回路になる。そして、この場合には、図
１４で示した薄膜抵抗１９と同じように扱うことができ
る。また、ダイオードに流れる電流値に応じて対向値は
変化するので、バイアス状態で減衰量を可変することが
できる。すなわち、電磁波が伝搬している導波管の内部
の領域ではあまり広がらずに流れているので、各ダイオ
ードのバイアス状態で減衰量を制御することがきる。

【００４７】また、逆に、第１の電極２５に負の電圧を
印加し、第２の電極２６に正の電圧を印加して、逆バイ
アスした場合には、ダイオードに電流は流れず、ダイオ
ードのＰＮ接合部に空乏層が形成されるので、コンデン
サが挿入されるようになり、低抗体ではなくなり、減衰
量は小さくなる。正確には図５（ｂ）に示すようにコン
デンサＣｔと抵抗Ｇｒとの並列回路となる。コンデンサ
は周波数が高くなると、アドミタンスが大きくなるの
で、減衰量が大きくなり、可変量が小さくなる。これを
防止するために、容量が小さいダイオードおよびバイア
ス条件を選択することが必要である。Ｎ型基板２３の不
純物濃度を小さくすることや、逆バイアス電圧を大きく
することが必要である。

【００４８】図６は、本発明の第２の実施例に係わる減
衰器を構成する導波管の別の例を示す図である。同図に
示す導波管は、図４に示した導波管において両側に設け
た半導体基板２１，２２の代わりに金属板３１，３２を
使用した点が異なるものであり、その他の構成は図４に
示すものと同じである。

【００４９】このように金属板３１，３２で構成した場
合には、半導体基板のように超微細加工は困難である
が、半導体よりもミリ単位の加工がしやすいので、比較
的低い周波数の伝送に適している。

【００５０】図７は、本発明の第２の実施例に係わる導
波管減衰器を構成する導波管の更に別の例を示す図であ
る。同図に示す導波管は、図４に示した導波管において
Ｎ型領域２３を構成する中央の半導体基板２３として、
不純物濃度の非常に低いＮ型基板に導波管２１ａ，２２
ａに相当する領域を残して基板よりも濃度の高いＮ型領
域３３を形成するとともに、このＮ型領域３３にダイオ
ードのアノードを構成するＰ型領域２４を図４と同様に
形成して、ダイオードとして所謂ＰＩＮダイオードを構
成し、更に電極２５，２６を設けた中央半導体基板３５
を使用した点が異なるものである。

【００５１】このように構成されたＰＩＮダイオード
は、真性半導体に近い高抵抗層（Ｉ層）を不純物濃度の
高いＰおよびＮ層で挟んだ構造である。そして、逆バイ
アス時には、Ｉ層を中心に空乏層を形成するが、通常の
ＰＮ接合に比較して、空乏層が厚いので、接合容量が非
常に小さくなり、上述した用途に適する素子となる。ま
た、順バイアス時には、Ｐ層から正孔、Ｎ層から電子が
Ｉ層に注入され、これらのキャリアはＩ層を拡散して互
いに再結合するが、Ｉ層でのキャリアの寿命はマイクロ
波の周期に対して十分長いので、Ｉ層はマイクロ波のよ
うな高周波に対しては単なる抵抗体の役割を示す。この
抵抗体はＩ層のキャリア濃度、従って、バイアス条件に
依存する。以上のように、ＰＩＮダイオードは順バイア
ス時にも上述した用途に適した素子となる。

【００５２】図８（ａ），（ｂ）は、それぞれ本発明の
第３の実施例に係わる導波管型スロットアレイアンテナ
の構成を示す斜視図および図８（ａ）Ａ−Ａ’線断面図
である。

【００５３】図８（ａ）に示すスロットアレイアンテナ
を構成する導波管は、導波管上面、すなわちＨ面５１お
よび他の導波管壁５２を有し、上面５１に複数のスロッ
ト穴５３がアレイ状に配列されるとともに、各スロット
穴５３に半導体ダイオード５４が設けられている。な
お、図８（ａ）では、半導体ダイオード５４は丸印で示
されている。

【００５４】図８（ｂ）は図８（ａ）のＡ−Ａ’線に沿
って取った断面図であるが、同図に示す導波管型スロッ
トアレイアンテナは半導体または金属等からなる支持物
５５および該支持物５５に接着された半導体基板５６を
有し、支持物５５内には断面部を示す導波管５７が形成
され、該導波管５７の内表面にはメタライズ５８が施さ
れている。半導体基板５６は片面にメタライズ５９が施
されているが、このメタライズ５９の一部は除去され、
スロット穴６０が前記導波管５７に対向して形成される
とともに、このスロット穴６０の上の一部に半導体ダイ
オード５４が形成されている。なお、この半導体ダイオ
ード５４はスロット穴６０の上の全面に形成されてもよ
い。なお、半導体基板５６が形成されている面は前記上
面５１に相当し、また前記多の導波管壁５２に相当する
部分は支持物５５である。

【００５５】図９（ａ）は図８（ｂ）に示したスロット
穴６０上に形成された半導体ダイオード５４の一端を前
記メタライズ面５９に接続し、他端を電極６１に接続し
たものを示している。このように半導体ダイオード５４
を電極６１に接続し、該電極６１を介して半導体ダイオ
ード５４に電圧を印加することにより、半導体ダイオー
ド５４を個別にオン−オフ制御することができる。

【００５６】なお、図９（ｂ），（ｃ）は半導体ダイオ
ードの他の配置例を示す図であり、６２は空隙でも半絶
縁性半導体でもよい。

【００５７】また、上記実施例は導波管のＨ面にスロッ
トを形成した例を示したが、Ｅ面にスロットを形成して
もよい。

【００５８】以上のように構成されたスロットアレイア
ンテナの導波管に図８（ａ）に示すように入射波６３を
供給すると、該入射波はスロット穴６０から導波管外に
放射されるが、この場合にダイオード５４の非線形性に
より高周波を発生する。この高周波は例えば図１５に示
すようにダイオード５４の極正を交互に配設することに
より、アレイ効果により合成出力波としては特定の次数
（例えば、偶数次、２次等）の高周波のみが残る形とな
り、アンテナ兼周波数逓倍器を構成することができる。
また、図９に示すように、バイアス印加可能な場合に
は、入射波電力軽減や、発生高調波次数の変化または出
力の増大も可能となる。

【００５９】上述したように、半導体基板５６上にダイ
オード５４をスロット穴とともに半導体プロセス技術で
一体的に形成することにより、従来のようなスロット穴
へのダイオードの固定、ダイオードのばらつきによるア
ンテナ指向性歪、高周波スペクトルのばらつきを解決す
ることができる。また、図９（ａ）に示すように、ダイ
オードに電極を接続することにより、各ダイオードを個
別にまたは全体的に直流バイアスを印加することがで
き、入射電波電力を軽減させたり、発生する高調波次数
を半導体特性により変化させることもできる。

【００６０】図１０は、本発明の第４の実施例に係わる
２つの導波管を結合して構成される方向性結合部の構成
を示す斜視図である。同図に示す方向性結合器は、第１
の導波管８１と第２の導波管８２とを１つの管面の結合
穴８３を有する接触部８４で接触して構成され、前記結
合穴８３にＰＩＮダイオードスイッチアレイが形成され
るようになっている。

【００６１】図１１（ａ），（ｂ）は、それぞれ前記結
合穴８３に形成されている複数のＰＩＮダイオードの断
面を示しているが、複数のＰＩＮダイオードの各々は第
１および第２の導波管８１，８２の前記接触部８４が高
抵抗半導体基板８５上に隣接して形成されたＰ層８６お
よびＮ層８７を有し、該Ｐ層８６およびＮ層８７はそれ
ぞれＰＩＮダイオードのアノード８８およびＰＩＮダイ
オードのカソード８９に接続されている。なお、隣合っ
ているＰＩＮダイオードは互いに絶縁されている。

【００６２】以上のように構成される方向性結合器は、
１つのＰＩＮダイオードのアノード８８とカソード８９
との間の電圧を０、またはアノード８８に負電圧、カソ
ード８９に正電圧を印加すると、該ＰＩＮダイオードは
オフになるので、該ダイオード形成部分は高周波に対し
て誘電体窓となり、結合穴の役目をする。

【００６３】一方、一つのＰＩＮダイオードのアノード
８８に正電圧、カソード８９に負電圧を印加すると、該
ＰＩＮダイオードはオンになるので、該ダイオード形成
部分は高周波に対して金属板で置き変えたものと等価に
なり、結合穴が塞がれた状態になる。

【００６４】このように各ＰＩＮダイオードを制御する
ことにより、必要な位置に必要な数の高周波結合穴を形
成することが可能となるので、結合穴の位置を変更する
ことにより、周波数の広帯域化、他周波数帯化が可能と
なる。

【００６５】図１２は、本発明の第５の実施例に係わる
フィンライン形導波管スイッチの構成を示す図である。

【００６６】本実施例のフィンライン形導波管スイッチ
は、図１２（ａ）に示すように、内面が金属で被覆され
ている２ポートの方形導波管１０１の内部に不純物濃度
の低いシリコンを材料として形成された高抵抗シリコン
基板１０２を設け、この基板１０２の表面に図１２
（ｂ）に示すようにＮ型高濃度不純物層（Ｎ⁺層）１０
５およびＰ型高濃度不純物層（Ｐ⁺層）１０６からなる
２つの対向するフィンラインパターンを形成し、これに
よりＰ型高濃度不純物層１０６、不純物濃度の低い高抵
抗シリコン基板１０２およびＮ型高濃度不純物層１０５
により図１２（ｃ）に点線で示すようにＰＩＮダイオー
ド１０４を構成している。

【００６７】このようにＰ型高濃度不純物層１０６、高
抵抗シリコン基板１０２およびＮ型高濃度不純物層１０
５からなるＰＩＮダイオード１０４に対してＰ型高濃度
不純物層１０６に負電圧、Ｎ型高濃度不純物層１０５に
正電圧を印加して逆方向電圧をかけると、ＰＩＮダイオ
ードは逆バイアスされ、基板１０２とＰ型高濃度不純物
層１０６との間および基板１０２とＮ型高濃度不純物層
１０５との間に空乏層が形成され、Ｐ型高濃度不純物層
１０６とＮ型高濃度不純物層１０５との間は空乏層の容
量により電流が僅かに流れるだけで、２つの層は電気的
に分離され、第１ポート１１０から入力された信号は減
衰されずに第２ポートに出力される。

【００６８】また、逆にＰ型高濃度不純物層１０６に正
電圧、Ｎ型高濃度不純物層１０５に負電圧を印加して順
方向電圧をかけると、ＰＩＮダイオードは順方向にバイ
アスされ、Ｐ型高濃度不純物層１０６の正孔およびＮ型
高濃度不純物層１０５の電子が高抵抗シリコン基板１０
２に注入され、Ｐ型高濃度不純物層１０６とＮ型高濃度
不純物層１０５に挟まれた領域に電流が流れる。このた
め、Ｐ型高濃度不純物層１０６とＮ型高濃度不純物層１
０５が広い領域で短絡され、第１ポート１１０から入力
された信号は減衰し、第２ポート１２０から出力されな
い。このようにＰ型高濃度不純物層１０６とＮ型高濃度
不純物層１０５との両層に挟まれた高抵抗シリコン基板
１０２の間をＰＩＮダイオード１０４として機能させて
いるので、順方向電圧を印加した場合に、高周波信号を
十分減衰することができる。また、従来のように複数の
ダイオードを使用しないので、ダイオードの位置合わせ
や特性のばらつきを少なくする必要がなく、製造が簡単
になる。

【００６９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の請求項１
記載の導波管によれば、管面の少なくとも一部を一体的
に形成されたＰＩＮダイオードを順方向および逆方向に
バイアスし得るので、管面の一部を導波管内を伝播する
電磁波に対して電子的に開放および遮断状態にすること
ができる。

【００７０】また、本発明の請求項２記載の導波管型ス
ロットアレイアンテナによれば、少なくともスロットに
面する導波管の面を半導体材料で形成し、該半導体で形
成された面内に半導体ダイオードを一体的に形成し、該
半導体ダイオードをオン−オフすることによりスロット
の配列を電子的に変更するので、従来のように機械的に
固定されることなく、スロット間隔を変化することがで
き、放射される電波の合成ビーム方向に任意に制御する
ことができる。

【００７１】更に、本発明の請求項３記載の導波管によ
れば、複数の半導体ダイオードを形成された半導体基板
を挟むように導波管を構成する溝を有する一対の対向板
を設け、前記半導体ダイオードの動作状態で減衰量を変
化させているので、従来のように機械的動作部分がな
く、電子的に制御することができるため、軽量小型化す
ることができ、信頼性を向上することができるととも
に、また微細加工が可能となり、非常に細かいステップ
で減衰量を可変でき、又経済化することもできる。更
に、中央に挟まれる半導体基板は一般に機械強度が大き
く、微細加工技術も確率しているので、通常の抵抗体よ
りも薄くでき、電磁波の乱れを小さくすることができ
る。

【００７２】本発明の請求項４記載の導波管型スロット
アレイアンテナによれば、少なくともスロットに面する
導波管の面を半導体材料で形成し、該半導体で形成され
た面内に非線形特性を有する半導体ダイオードを一体的
に形成し、これにより導波管内を伝送されてきた高周波
がスロットから外部に放射される際に高周波を生じて位
相合成され、特定の高次周波数を放射するので、従来の
ようなスロット穴へのダイオードの固定、ダイオードの
ばらつきによるアンテナ指向性歪、高周波スペクトルの
ばらつきを防止することができる。

【００７３】本発明の請求項５記載の方向性結合器によ
れば、第１の導波管と第２の導波管の結合孔に相当する
管面を高抵抗半導体基板で構成し、該高抵抗半導体基板
上にＰＩＮダイオードを複数配列しているので、ＰＩＮ
ダイオードを適宜制御することにより、結合穴の数およ
び結合穴の位置を変更することができ、周波数の広帯域
化、他周波数帯化が可能となる。

【００７４】本発明の請求項６記載のフィンライン形導
波管スイッチによれば、導電性の異なる不純物濃度の高
い半導体を表面に対向するように形成された２つのフィ
ンラインパターンを有し、不純物濃度の低い半導体材料
で形成され。該２つのフィンラインパターンと前記不純
物濃度の低い半導体材料とによりＰＩＮダイオードを一
体的に形成している基板を内面が金属で被覆された導波
管の内部に設けているので、ＰＩＮダイオードとして機
能する領域が広いため、順方向電圧を印加した場合高周
波信号を十分減衰し得るとともに、従来のように複数の
ダイオードを使用しないため、ダイオードの位置合わせ
や特性のばらつきを少なくする必要がなく、製造が簡単
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係わる導波管型スロッ
トアレイアンテナの構成を示す上面図および断面図であ
る。

【図２】図１に示した導波管型スロットアレイアンテナ
のスロット穴上に形成された半導体ダイオードの一端を
メタライズ面に接続したた状態を示す説明図である。

【図３】Ｈ面にスロット穴を配列した第１の実施例の他
の例の導波管型スロットアレイアンテナを示す図であ
る。

【図４】本発明の第２の実施例に係わる導波管減衰器を
構成する導波管の構成図である。

【図５】図４に示す導波管の等価回路図である。

【図６】本発明の第２の実施例に係わる導波管減衰器を
構成する導波管の別の例を示す図である。

【図７】本発明の第２の実施例に係わる導波管減衰器を
構成する導波管の別の例を示す図である。

【図８】本発明の第３の実施例に係わる導波管型スロッ
トアレイアンテナの構成を示す図である。

【図９】図８に示した導波管型スロットアレイアンテナ
のスロット穴上に形成された半導体ダイオードの一端を
メタライズ面に接続した状態を示す説明図である。

【図１０】本発明の第４の実施例に係わる２つの導波管
を結合して構成される方向性結合器の構成を示す図であ
る。

【図１１】図１０に示す方向性結合器の結合穴に形成さ
れたＰＩＮダイオードを示す図である。

【図１２】本発明の第５の実施例に係わるフィンライン
形導波管スイッチの構成を示す図である。

【図１３】従来の導波管型スロットアレイアンテナの構
成を示す斜視図である。

【図１４】従来の導波管減衰器を示す斜視図である。

【図１５】従来の導波管型スロットアレイアンテナの構
成を示す図である。

【図１６】従来の導波管結合器を示す斜視図である。

【図１７】従来のフィンライン形導波管スイッチを示す
図である。

【符号の説明】

４，４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅスロット穴５支持物６半導体基板９，９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ，９ｅ半導体ダイオード１０矩形導波管２１，２２半導体基板２１ａ，２２ａＵ字溝２３Ｎ型半導体基板２４Ｐ型領域

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｑ 13/10 8940−5Ｊ (72)発明者金井伸弘神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】管面の少なくとも一部を半導体で形成
し、該半導体で形成された管面にＰＩＮダイオードを一
体的に構成し、該ＰＩＮダイオードを順方向および逆方
向にバイアスし得るように構成したことを特徴とする導
波管。
【請求項２】矩形導波管のＨ面またはＥ面の管壁に形
成された多数の細長いスロットを配列して形成される導
波管型スロットアレイアンテナであって、少なくとも前
記スロットに面する導波管の面を半導体材料で形成し、
該半導体で形成された面内に半導体ダイオードを一体的
に形成したことを特徴とする導波管型スロットアレイア
ンテナ。
【請求項３】複数の半導体ダイオードを形成された半
導体基板と、該半導体基板に形成された複数の半導体ダ
イオードを挟むように形成された溝をそれぞれ有し、該
溝により導波管を構成するように前記半導体基板を挟ん
で配設された一対の対向板とを有することを特徴とする
導波管。
【請求項４】矩形導波管のＨ面またはＥ面の管壁に形
成された多数の細長いスロットを配列して形成される導
波管型スロットアレイアンテナであって、少なくとも前
記スロットに面する導波管の面を半導体材料で形成し、
該半導体で形成された面内に非線形特性を有する半導体
ダイオードを一体的に形成したことを特徴とする導波管
型スロットアレイアンテナ。
【請求項５】第１の導波管と第２の導波管が１つの管
面の結合孔を有する接触部で接触している方向性結合器
であって、前記結合孔に相当する管面を高抵抗半導体基
板で構成し、該高抵抗半導体基板上にＰＩＮダイオード
を複数配列したことを特徴とする方向性結合器。
【請求項６】互いに導電性の異なる不純物濃度の高い
半導体を材料として表面に対向するように形成された２
つのフィンラインパターンを有し、不純物濃度の低い半
導体材料で形成され、前記２つのフィンラインパターン
と前記不純物濃度の低い半導体材料とによりＰＩＮダイ
オードを一体的に形成している基板と、該基板を内部に
設けられ、内面が金属で被覆されている導波管とを有す
ることを特徴とするフィンライン形導波管スイッチ。