JPH09205319A - 準光学共振器を用いたミリ波サブミリ波用装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】平面反射鏡を用いながら回折損失が抑制される
機能を持った準光学共振器を用い、高効率のビーム入出
力型フィルター、導波路フィルタ装置の他、低いサイド
ローブ特性と高い放射効率を併せ持つ準平面型アンテナ
装置及び、ミリ波サブミリ波帯精密素材測定用装置の実
現 【構成】 一対の平行平面反射鏡と、該一対の平面反射
鏡の間に集束作用を持つ媒質を配置し、双方の鏡面での
反射波が繰り返し重畳されるように対向させ共振器を構
成し、該一対の平面反射鏡の反射鏡面は、部分透過性の
反射鏡面領域を成し、当該部分透過性の鏡面領域が波長
に比較して細かな格子状の導体パターンからなる反射鏡
面であるか、又は導体反射鏡面からなり、該反射鏡面の
部分を成すストリップ素子と、該ストリップ素子の裏面
に高周波信号の導波路との結合部を備えるか、のいずれ
かである反射鏡であり、上記一対の反射鏡面が同じ反射
損失を持つ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、電磁波信号波に
対し集束作用を持つ媒質の両側に、一対の平面反射鏡を
配置し、双方の鏡面での反射波が該集束作用を持つ媒質
を通過し繰り返し重畳されるように対向させて構成され
る準光学共振器を用いた、マイクロ波〜サブミリ波帯の
ビーム入出力型フィルター装置、マイクロ波ミリ波発振
装置、マイクロ波〜サブミリ波アンテナ装置、ミリ波サ
ブミリ波精密素材計測方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のマイクロ波技術に基づく共振器で
は、短波長化ととも共振器の特性は劣化し、特に短ミリ
波帯以上の周波数では優れた性能を持つ共振器の実現は
難しくなる。通常の空洞共振器や誘電体共振器、さらに
平面回路型の共振器を含めたマイクロ波共振器が、半波
長あるいは実効波長程度の寸法であり、高周波化ととも
に共振器自体の寸法が小さくなるためミリ波帯では、共
振器のＱ値は低く、さらに結合部の加工制御の問題に直
面し、Ｑ値の設定制御が困難となる。これに対し通常、
光共振器の構成として用いられる二つの球面鏡または球
面鏡と平面鏡を対向させた準光学的共振器では、共振器
内の高周波電磁界エネルギーは光軸に沿って蓄積され、
縦モード数を大きくとることで高Ｑ値の共振器が容易に
実現できる。

【０００３】球面反射鏡を用いたミリ波開放型共振器
は、光の共振器技術を用いておりミリ波以上の周波数で
の利用が有効である。特に短ミリ波帯（60-300GHz）の
波長は、光波長に比べ３桁大きいことから、最新の薄膜
微細加工技術を用いることで十分高い加工精度を駆使
し、ミリ波に対し振幅と位相の制御を含めた回路構造を
組み合わせることができ、光共振器技術では通常用いら
れない高反射率の制御と、高周波電磁界に対する各種の
技巧を用いることが可能である。

【０００４】図１は、光共振器として良く知られている
平行平面鏡からなるファブリ・ペロー共振器の構成を示
す図であり、部分透過性の鏡面を用い平面波に対する光
共振器として最も基本的な共振器である。入射波１の一
部は部分透過性の平面反射鏡３を通過し、平行に配置さ
れた一対の平面鏡３、４の間に入り繰り返し反射により
重畳される。入射波１の周波数が平面鏡間隔で決まる共
振周波数に一致するとき、内部の繰り返し反射波５のエ
ネルギーは最も効率よく蓄積される。入射波１による共
振器の励振効率は最大となり、共振器内の蓄積エネルギ
ーは最大となり、結果として透過波２の電力も最大とな
る。

【０００５】光波に比べ波長の長いミリ波に対しては、
有限なビーム径としての扱いが必要となり図１の平行平
面鏡からなるファブリ・ペロー共振器の構成の場合、共
振器の軸に直交する方向へのエネルギーの散逸すなわち
回折損失が問題となるため、上述のように平面鏡に換え
て球面反射鏡を用いた準光学共振器が用いられる。図２
は部分透過性反射鏡面を持つ一対の球面鏡６、７からな
る準光学共振器の構成を示す図であり、入射波１の一部
は部分透過性の球面反射鏡６を通過し、対向して配置さ
れた球面反射鏡６、７で構成される共振器内に入り繰り
返し反射により重畳される。この際、入射波１の周波数
が鏡面間隔で決まる共振周波数に一致するとき、内部の
繰り返し反射波のエネルギーは最も効率よく蓄積され
る。

【０００６】一対の球面反射鏡を用いて構成される図２
の様な、準光学共振器の基本共振モード８（TEMooq）の
形は、球面鏡の曲率半径Ｒ、鏡面間隔Ｄ及び、波長λで
きまり、基本共振モードの電磁界は、光軸から離れるに
従って急速に減少するガウシアン分布をなすことが知ら
れており、鏡面の開口径２ａをビームスポットサイズに
比べ十分な大きさに設定することで鏡面間での繰り返し
反射の際に鏡の縁からもれ共振器の外に散逸される成分
による損失（回折損失）を無視できる微少量に設定でき
る。

【０００７】基本共振モード８を表す最小スポットサイ
ズＷoは、ガウシアンビームの電磁界分布が最も細くな
るビームウエストの位置において、電磁界強度が光軸上
の１／ｅの強度に低下する光軸からの距離（即ち半径）
に相当する。図２の様な、準光学共振器において、二つ
の球面鏡が同じであるとし、その曲率半径がＲであり、
鏡面間隔がＤ、さらに波長λであるとすれば、最小スポ
ットサイズＷoは、

【０００８】

【数１】

【０００９】で与えられる。また、TEMmnqの共振周波数
ｆは、

【００１０】

【数２】

【００１１】として、高次モードの共振周波数を含めた
表現式として与えられる。ただし、ここでΔは、球面波
であることによる補正項であり、Δ＝(m+n+1)(1/π)cos
-1(1-D/R)］であり、ｍ、ｎは横方向の高次モードを表
す係数であり、ｑ＋１は縦モードの数を表しｑ＝０，
１，２．．．である。結合部を二つ持ち回折損失が無視
できる準光学共振器のＱ値、Ｑ_L、は

【００１２】

【数３】

【００１３】ただし、１／Ｑ_o＝１／Ｑ_c＋１／Ｑ_dで与
えられる。ここでＱoは、無負荷時のＱ値であり、共振
器を構成する二つの球面鏡面が有限な導電率を持つこと
による表面抵抗損失に対応するＱ値、Ｑ_cと、共振器内
の誘電体吸収損失に対応するＱ値、Ｑ_dにより表され
る。Ｑ₁及びＱ₂は、それぞれ入射波１の側の結合部及
び、透過波２の側の結合部が設けられたことによる共振
器の損失の増加分に対応する結合Ｑ値である。結合係数
β₁、β₂は、それぞれの球面鏡面に設けられる結合部に
対しβ₁＝Q_o/Q₁、β₂＝Ｑ_o／Ｑ₂で表現される。結合部
を設けない場合の球面鏡面の反射率をＲ_mとすれば、無
負荷時のＱ値、Ｑ_oは

【００１４】

【数４】

【００１５】で与えられる。式(4)′は、鏡面抵抗損失
が鏡面反射率Ｒ_mを支配する場合のＱ_oを与える関係式
で、δはスキンディプスで、導体表面電流が１／ｅに減
少する深さであり、δ＝(2/ωμ_oσ)^1/2で与えられる。
さらに、開放型共振器における共振時の電力透過率Ｔ
は、

【００１６】

【数５】

【００１７】で与えられる。ここで、ηは共振モード励
振効率に関わる係数であり、マイクロ波の閉じた形の共
振器では、η＝１として扱える場合が多いいが、高次モ
ードの共存する共振器や開放型共振器の場合ηは、１か
ら1/1000の間の様々な値となる。

【００１８】球面鏡を用いたミリ波帯の開放型共振器の
技術として、図３に示すような金属球面鏡６、７に、微
小結合孔９、１０を設け高反射率の鏡面の微弱結合と
し、高Ｑ値の共振器を実現する方法があった。しかし、
この方法では、信号源からの入射波１は通常金属導波管
１１の中を伝送され、共振器と外部との微弱結合部であ
る結合孔９に到達する。結合孔９及び１０は、電磁波の
波長に比べ小さいため、微小な結合孔９から共振器側へ
入った電磁波１２は広角度に回折され、その内の大部分
は共振器内のガウシアンビームの共振モード８の励振に
寄与せず、外部に散逸される。開放型共振器において１
０⁵以上のＱ値を達成しようとする場合、共振時の透過
波２と入射波１の電力比を表す式５のηの値は−２０〜
−３０ｄＢ程度の値となり励振効率は非常に低い値とな
り。共振時の透過率Ｔは、式５で与えられる様に結合係
数β₁、β₂に対する依存性から一般にはさらに小さな値
となる。

【００１９】これに対し、本発明者らによる、米国特許
（T.Matsui and K.Araki, "Open Resonator for Electr
omagnetic Waves Having a Polarized Coupling Regio
n",登録番号 第5,012,212号、1991.4.30登録 ）におい
て開示されている方法として、図４に示す様に光学研磨
した球面基板１５上に形成した導体反射鏡面を球面反射
鏡１３とし、その中央部の波長に比べて大きな円形の反
射鏡面領域を電磁波波長に比較し細かな一次元薄膜導体
格子１６（又は二次元薄膜導体格子１７）による高反射
率の部分透過性の結合部１４として反射率を設定制御す
る手法が開発された。この方法によれば、結合部を形成
する薄膜導体格子１６又は１７の導体部分と空隙部分の
比を変化するか、波長に対する薄膜導体格子１６又は、
１７の空間周期を選択調整することで高反射率の反射鏡
面である結合部の結合係数を選択設定することができ
る。したがって、図５の様に、上記の準光学的結合部を
持つ図４の球面鏡を用いて形成される共振器では、入射
波１が共振器内のガウシアンビームに近いビームとして
供給される場合、高Ｑの共振器特性の確保と高いモード
励振効率が同時に実現できる。

【００２０】さらに、ミリ波サブミリ波帯の球面反射鏡
を用いた準光学共振器の構成技術として上記の手法を発
展させ応用したミリ波サブミリ波用装置として、高Ｑ値
の開放型共振器を用いた低損失誘電体素材の精密測定装
置（Ph.Coquet, T.Matsui and M.kiyokawa,"Dielectric
Measurements in the 60GHz Band Using a High-Q Gau
ssian Beam Open Resonator", IEICE Trans. on Elect
ronics, Vol.E78-C, pp.1125-1130,1995) 及び、低損失
導体薄膜の高周波表面損失の絶対値を計測評価するため
の試料表面インピ−ダンスの精密測定方法及び装置（国
内特許：松井、荒木「試料表面のインピ−ダンス測定方
法及び装置」特許第1,956,723号、平成7年8月10日登
録）等が開示されている。これらは、図５に示す様な球
面反射鏡を用いた高Ｑ値の準光学共振器内に被測定試料
を配置し、電磁波信号との相互作用を効率よく行わせる
ことで、誘電体素材における損失や、導体表面での高周
波電流による損失などの微小な変化を高感度に検出する
測定技術及び装置に関するものである。

【００２１】さらに、図６に示す様に、球面反射鏡１３
を用いた準光学共振器を構成する一対の反射鏡の一方の
部分透過性の反射鏡面１４を自由空間との結合部とし、
他の一方の導体反射鏡面１８の一部を成すストリップ素
子１９の裏面に高周波信号の導波路２０との結合部２１
を設け、負性抵抗増幅回路２２と一体化することで発振
出力２３を、低サイドローブのビーム出力として得られ
る、ビーム出力型の発振器の構成が開示されている。
（米国特許：T.Matsui and M.Kiyokawa, "Gaussian-Bea
m Oscillator for Microwave and Millimeter Waves",
特許第5,450,040号、1995.9.12登録）

【００２２】さらに、図７に示す様に、球面鏡を用いた
準光学的共振器を構成する一対の反射鏡の一方の部分透
過性の反射鏡面１４を平凸球面レンズ状に成形された低
損失の誘電体基板２７の凸球面を用い自由空間との結合
部とし、誘電体基板２７の平面に導体反射鏡面１８を形
成し、該導体反射鏡面１８の一部を成すストリップ素子
１９の裏面に、送信回路（又は受信回路）２４と接続す
る高周波信号の導波路との結合部２１を設け、鏡面間隔
を半波長または低い次数の縦モード数とし、球面鏡を用
いた共振器の構造を導波路中の高周波信号の導波路モー
ド２５と空間ビーム２６との間の変換を高効率で行うた
めに利用し、共振器内の電磁界（共振モード８）が光軸
を中心とするガウシアン分布を成すこととを利用した準
平面的構造と高い放射効率を持つ低サイドローブ共振型
アンテナが実現されている。（松井、清川、「ガウシア
ンビーム型アンテナ装置」、平成6年1月11日特許出願）

【００２３】球面反射鏡を用いた共振器内に形成される
共振モードTEMooqのガウシアンビームは球面鏡の曲率半
径Ｒと波長λ及び、共振器長Ｄ又は縦モード数(ｑ-１)
で決まり、ビームの最小スポットサイズＷoは式１で与
えられる。広く知られた回折広がりの関係として、半径
Ｗoの開口内に閉じ込められた波動の遠方界での半頂角
θは、

【００２４】

【数６】

【００２５】で与えられる。球面反射鏡を用いた準光学
共振器の構造を導波路中の高周波信号導波路モード２５
と空間ビーム２６との間の変換を高効率で行うために利
用したガウシアンビーム型アンテナ装置では、最小スポ
ットサイズＷoを設定することで目的に応じたアンテナ
放射パターンを設計できる。

【００２６】上記の、米国特許："Gaussian-Beam Oscil
lator for Microwave and Millimeter Waves", （特許
第5,450,040号）及び、国内特許出願中の「ガウシアン
ビーム型アンテナ装置」（平成6年1月11日出願）のよう
に、縦モード数(ｑ-１)の小さい共振器を構成する場
合、図７の様に、平凸球面レンズ状に成形された低損失
の誘電体基板２７を用いてその表面に金属プレーティン
グを施し導体薄膜反射鏡とし、球面鏡と平面鏡を対向さ
せた準光学共振器が構成できる。この場合、レンズ状に
成形された低損失の誘電体基板の両面が曲率半径の大き
な球面であっても同様に用いることができる。何れの場
合も、球面反射鏡を用いたガウシアンビーム型共振器に
誘電体が充填された場合の構成であり、従来技術による
球面反射鏡を用いた準光学共振器の構成と基本的な相違
はない。

【００２７】以上に述べたように、球面反射鏡を用いる
準光学共振器は、精密計測用の高Ｑ値共振器を構成しミ
リ波サブミリ波帯用装置を実現するために実際に利用で
きる有効な共振器技術である。しかし、共振器を構成す
る反射鏡面の少なくとも一方は球面鏡である必要がある
が、今後、マイクロ波、ミリ波サブミリ波帯技術とその
利用が、広く普及し一般向けの多くの応用分野が生まれ
ることを想定する場合、従来からの球面反射鏡を利用す
る共振器の構成方法は、簡易な共振器構成や、量産によ
る低コスト化の可能性の他、具体的ないくつかの困難が
予想できる。たとえば、短ミリ波帯準光学ビームフィル
ターを構成するために共振器結合部の微細構造の加工形
成を球面反射鏡面上の広い範囲に施し、さらに結合特性
の精密制御を行うのは短波長化とともに急速に困難な問
題となる。さらに、凹球面鏡の光学研磨された基板を用
いて反射鏡面とし他方の反射鏡面と対向させる場合、裏
面の誘電体基板部分の存在は、共振器の励振の際に電磁
波ビームの波面の歪みを生じさせるため共振器の性能を
制限する場合が考えられる。特に、サブミリ波の小型の
共振器を用い精密測定が必要な場合、加工の困難さとあ
わせ、球面鏡基板部分による位相の乱れが困難な問題で
あった。

【００２８】短波長領域で使用できる共振器の構成で、
部分透過性の反射鏡面や、導波路との結合部の形成を精
密に制御するために直面する困難は、球面上に導体薄膜
パターンを形成しなければならない事に原因している。
これに対し、平行平面反射鏡では鏡面上の薄膜加工は格
段に容易となる。平面反射鏡面からなり、球面反射鏡の
持つ性能上の利点を兼ね備えた新しい準光学共振器の開
発が必要であった。

【００２９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の事情
に鑑みてなされたもので、従来、球面反射鏡を用いて形
成されるガウシアンビームの共振モードを持つ新しい準
光学共振器を平行平面鏡の組み合わせで実現し、位相面
の乱れを生じないビーム入出力型フィルター装置、高い
放射効率と低サイドローブ特性を持つ準平面型アンテナ
装置の構成が容易となる手法、及び、短ミリ波帯以上の
精密素材測定用装置を提供することにある。

【００３０】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するた
め、本発明による準光学共振器とミリ波サブミリ波用装
置は、

【００３１】電磁波信号波に対し集束作用を持つ媒質の
両側に、一対の平面反射鏡を配置し、双方の鏡面での反
射波が、該集束作用を持つ媒質を通過し繰り返し重畳さ
れるように対向させ共振器を構成し、該一対の平面反射
鏡は波長に比較して細かな格子状の導体パターンからな
る部分透過性の鏡面であり、当該共振器内部で繰り返し
反射する電磁波信号波に対し、上記一対の反射鏡面が同
じ反射損失を持つ、

【００３２】また、電磁波信号波に対し集束作用を持つ
媒質の両側に一対の平面反射鏡を配置し、双方の鏡面で
の反射波が繰り返し重畳されるように対向させ共振器を
構成し、一方の反射鏡面に当該共振器の光軸を中心とす
る円形の部分透過性の鏡面領域を設け自由空間との電磁
波結合部を成し、当該部分透過性の鏡面領域が波長に比
較して細かな格子状の導体パターンからなる反射鏡面で
あり、当該共振器を構成する他方の反射鏡は導体反射鏡
面からなり、該反射鏡面の部分を成すストリプ素子と、
該ストリップ素子裏面には高周波信号の導波路との結合
部を備え、上記一対の反射鏡面が同じ反射損失を持つ。

【００３３】また、電磁波信号波に対し集束作用を持つ
媒質の両側に、一対の平面反射鏡を配置し、双方の鏡面
での反射波が該集束作用を持つ媒質を通過し繰り返し重
畳されるように対向させた共振器の構成と、一つ又は複
数の負性抵抗増幅回路と、該一対の平面反射鏡の一方は
部分透過性の反射鏡面であり、当該共振器を構成する他
方の反射鏡は導体反射鏡面からなり、該導体反射鏡面の
一部をなすストリップ素子の裏面に当該共振器と該一つ
又は複数の負性抵抗増幅回路の間を個別に高周波信号の
導波路により接続する結合部を備え、上記一対の反射鏡
面の一方の部分透過性の反射鏡面の反射率が、当該共振
器の他の導体反射鏡面を構成し負性抵抗増幅回路との結
合部を裏面に持つ反射鏡面の反射率に比較し高い。

【００３４】また、電磁波信号源と電磁波信号波の伝送
路と、電磁波信号波に対し集束作用を持つ媒質の両側
に、一対の平面反射鏡を配置し、双方の鏡面での反射波
が該集束作用を持つ媒質を通過り繰返し重畳されしるよ
うに対向させた互いに平行に配置した共振器の構成と、
当該共 振器を構成する該一対の平面反射鏡の導体
反射鏡面の中央部には、電磁波の波長に比較し１／２０
から１／１００の空間周期の導体グリッド構造からなる
電磁波結合部を備え、平面状の被測定試料を当該共振器
の中央に移動し、該一対の反射鏡面と平行に保持する機
構又は、一方の導体反射鏡面上に保持する機構を持ち、
該共振器を構成する一対の反射鏡面の反射率が同じであ
り、該共振器を構成する一方の反射鏡面から入射した電
磁波信号の反射波及び、他方の反射鏡面から出力される
透過波を検出するための受信機とからなる。

【００３５】また、本発明による準光学共振器を用いた
ミリ波サブミリ波装置は、該一対の平行平面反射鏡面の
間隔を一定に保持する構成、又は、当該平行平面反射鏡
面間隔を可変調整させる駆動機構を持ち、当該反射鏡面
に設ける高周波電磁界の導波路との結合部は、金属導波
管、同軸伝送路、ストリップライン型及びコプレーナ型
の平面導波路等の電磁波信号の伝送路との結合である。

【００３６】上記構成の準光学共振器を用いたミリ波サ
ブミリ波用装置によれば、一方の平面反射鏡の部分透過
性の鏡面に空間から入射する電磁波ビームは、その電磁
波電力の大部分は平面鏡面で反射し、残りの小さな電力
部分が該部分透過性の鏡面を通過し、さらに集束作用を
持つ媒質を通過し、互いに平行に配置された一対の平面
反射鏡の他の一方の平面反射鏡面で到達した電力の大部
分が反射され、その残りの小さな電力部分が該部分透過
性の反射鏡面を通過し、該一方の平面反射鏡面で反射さ
れた電磁波ビームは、再び集束作用を持つ媒質を逆方向
に通過し、はじめの平面反射鏡面で再び反射され、当該
一対の反射鏡面の間隔が２πの整数倍の位相差を生じさ
せるとき、平面反射鏡に連続的に入射する電磁波は波長
の整数倍の位相差で繰返し重畳され、一対の平面反射鏡
の間に置かれた集束作用を持つ媒質を通過する際の集束
作用により回折損失が抑制され、光軸に沿った安定な電
磁界分布が形成され電磁波のエネルギー分布は電磁波の
伝搬する方向の中心軸付近で高くその軸から離れるに従
って急激に低下するガウシアンビーム（基本モードＴＥ
Ｍooq；ｑは縦モード数を表す整数）で表現される共振
器モードが励振され、大きな高周波電磁界エネルギーと
して蓄積され、さらに上記一対の反射鏡面が同じ反射率
を持つことから、一方の反射鏡面から見た当該準光学共
振器は、該共振器の結合損失と内部損失が等しい臨界結
合状態となり、電磁波ビームが入射する側の平面反射鏡
面で反射される大部分の電磁波ビームは、共振器内に蓄
積され当該平面反射鏡面から反射される大部分の電磁波
ビームと同じ方向へ漏れ出る半波長の位相差と等しい振
幅を持つの電磁界によって相殺され、無反射となり、一
方の平面反射鏡に入射したと等しい電磁波電力が、他の
一方の平面反射鏡からガウシアンビームとして出力さ
れ、高性能なビーム入出力型フィルターの機能を持つミ
リ波サブミリ波用装置が実現できる。

【００３７】また、上記構成の準光学共振器を用いたミ
リ波サブミリ波用装置によれば、導波路を伝送された高
周波信号は、一方の導体反射鏡面からなる平面反射鏡の
部分を成すストリップ素子の裏面にある高周波信号の導
波路との結合部を経て該一方の導体反射鏡面からなる反
射鏡面の部分を成すストリップ素子に高周波電流を誘起
し、該導体反射鏡面領域の高周波電流は、集束作用を持
つ媒質とその両側に配置された一対の平面反射鏡とによ
って構成される共振器内に放射され、に集束作用を持つ
媒質を通過し、平行に配置された一対の平面反射鏡の他
の一方の部分透過性鏡面領域を持つ平面反射鏡面でその
大部分が反射され、再び集束作用を持つ媒質を逆方向に
通過し、はじめの平面反射鏡面で再び反射され、当該一
対の反射鏡面の間隔が２πの整数倍の位相差を生じさせ
るとき、平面反射鏡に連続的に入射する電磁波は波長の
整数倍の位相差で繰返し重畳され、一対の平面反射鏡の
間に置かれた集束作用を持つ媒質を通過する際の集束作
用により回折損失が抑制され、光軸に沿った安定な電磁
界分布が形成され電磁波のエネルギー分布は電磁波の伝
搬する方向の中心軸付近で高くその軸から離れるに従っ
て急激に低下するガウシアンビーム（基本モードＴＥＭ
ooq；ｑ−１は縦モード数を表す整数）で表現される共
振器モードが励振され、大きな高周波電磁界エネルギー
として蓄積され、部分透過性の鏡面領域からビームとし
て放射される。上記一対の反射鏡面が同じ反射率を持つ
ことから、一方の反射鏡面から見た当該準光学共振器
は、該共振器の結合損失と内部損失が等しい臨界結合状
態となり、部分透過性の鏡面領域を持つ平面鏡側及び、
導波路との結合部を裏面に持つ導体反射鏡面側のいずれ
から見ても、共振周波数において無反射となり、一方の
平面反射鏡に入射したと等しい電磁波電力が、導波路モ
ードから空間ビームへ、あるいは空間ビームから導波路
モードへ変換されるアンテナ装置が実現できる。開口面
電力分布がガウシアンであることから原理的に低サイド
ローブ特性を持つ高い放射効率を持つアンテナ装置とし
て用いることができる。

【００３８】また、上記構成の準光学共振器を用いたミ
リ波サブミリ波用装置によれば、導波路を伝送された負
性抵抗増幅回路からの微小振幅の高周波信号成分は一方
の反射鏡面の部分を成す導体反射鏡面領域（ストリップ
素子）の裏面にある高周波信号の導波路との結合部を経
て該一方の反射鏡面の部分を成すストリップ素子に高周
波電流を誘起し、該ストリップ素子上の高周波電流は、
集束作用を持つ媒質とその両側に配置された一対の平面
反射鏡とからなり、双方の鏡面での反射波が繰り返し重
畳されるように対向させ構成された共振器内に放射さ
れ、該負性抵抗増幅回路からの微小振幅の高周波信号成
分のうち当該一対の平面反射鏡面の間隔が２πの整数倍
の位相差を生じさせる周波数成分については、集束作用
を持つ媒質の集光作用により軸に沿った安定な電磁界分
布が形成され、電磁波のエネルギー分布は電磁波の伝搬
する方向の中心軸付近で高くその軸から離れるに従って
急激に低下するガウシアンビーム（基本モードＴＥＭoo
q ；ｑは縦モード数を表す整数）で表現される共振器モ
ードが励振され、発振の初期段階では共振器内部からの
微弱な反射波が該共振器へ結合入射したのと逆向きの経
路を経て負性抵抗増幅回路に返り、増幅されて再び導波
路を伝送され結合部を経て共振器に結合し、この増幅帰
還のループの繰り返しにより共振器内部の電磁界振幅は
増大し、電磁界振幅の成長とともに負性抵抗による増幅
利得が減少し一定振幅の発振状態となり、共振器内部に
蓄積された高周波電力は、当該共振器を形成する他方の
反射鏡面に設けられ自由空間との電磁波結合部を成す円
形の部分透過性の鏡面領域からガウシアンビームを空間
へしみ出させる形で放射し、開口面電力分布がガウシア
ン又はそれの中心部分を切りとった形態を成すことか
ら、低サイドローブ特性のマイクロ波、ミリ波サブミリ
波発振装置として動作する

【００３９】また、上記構成の準光学共振器を用いたミ
リ波サブミリ波用装置によれば、電磁波信号源からの電
磁波信号波は、伝送路を経て、一方の平面反射鏡の導体
反射鏡面の中央部に設けた導体グリッドからなる電磁波
結合部に入射し、その電磁波電力の大部分は平面鏡面で
反射し、残りの小さな電力成分が電磁波結合部を通過
し、さらに集束作用を持つ媒質を通過し、互いに平行に
配置された一対の平面反射鏡の他の一方の平面反射鏡面
でその大部分が反射され、残りの小さな電力部分が該部
分透過性の反射鏡面を通過し、該一方の平面反射鏡面で
反射された電磁波ビームは、再び集束作用を持つ媒質を
逆方向に通過し、はじめの平面反射鏡面で再び反射さ
れ、当該一対の反射鏡面の間隔が２πの整数倍の位相差
を生じさせるとき、平面反射鏡に連続的に入射する電磁
波は波長の整数倍の位相差で繰返し重畳され、一対の平
面反射鏡の間に置かれた集束作用を持つ媒質を通過する
際の集束作用により回折損失が抑制され、光軸に沿った
安定な電磁界分布が形成され電磁波のエネルギー分布は
電磁波の伝搬する方向の中心軸付近で高くその軸から離
れるに従って急激に低下するガウシアンビーム（基本モ
ードＴＥＭooq；ｑは縦モード数を表す整数）で表現さ
れる共振器モードが励振され、大きな高周波電磁界エネ
ルギーとして蓄積され、さらに、平面状の被測定試料を
当該共振器内の中央又は、一方の導体反射鏡面上に保持
し、同じ縦モード数に成るようにするときの鏡面間隔の
変位量から屈折率が、また、被測定試料が共振器内に有
るときと除去したときの共振Ｑ値から、該被測定試料の
損失を絶対量として測定できる。

【００４０】

【発明の実施の形態】以下、本発明による準光学共振器
を用いたミリ波サブミリ波用装置の実施の形態について
詳細に説明する。

【００４３】対向する平行平面反射鏡の間にレンズ効果
を持つ媒質を設け鏡面間を繰り返し反射する電磁波をそ
の集束効果により有限なビ−ム径に保持し回折損失の影
響を低減させ安定な共振モードが実現できる．これによ
り従来，球面反射鏡を用いて形成されるガウシアンビー
ムの共振モードを持つ準光学共振器が平面鏡の組み合わ
せで実現できる．本発明の準光学共振器を用いたミリ波
サブミリ波用装置の基本構成となる集束作用を持つ媒質
を用いた共振器の構成と原理を説明する。レンズ効果を
持つ媒質の最も単純な構成として曲率半径ｒの平凸レン
ズを考えると、その焦点距離fｏは、

【００４４】

【数７】

【００４５】で与えられる。ここでｎは、電磁波信号波
のその波長におけるレンズの屈折率である。図８の２８
は、薄肉の平凸レンズの集束作用を模式的に示した図
で、Ｆは焦点を表している。図８の２９は、同じ平凸レ
ンズの平面側を向かい合わせて組み合わせた場合の集束
作用を示す図であり、ここでＦは一つの平凸レンズの焦
点位置を示す。この場合一方のレンズの焦点Ｆから出た
光束は最初のレンズで平行ビームとなり次のレンズで反
対側の焦点位置Ｆに集束される。図９は、本発明による
準光学共振器を用いたミリ波サブミリ波用装置の一部を
成す集束作用を持つ媒質と平面反射鏡の組み合わせによ
り生じる機能を示す説明図であり、平凸レンズと平面反
射鏡を組み合わせた構成であり、レンズの焦点Ｆから出
た光束を元の焦点Ｆに再集束させる機能を持ち、この組
み合わせの構成によれば二つの平凸レンズを組み合わせ
た図８の２９に示す両凸レンズと同等な集束効果を持つ
反射鏡として機能する。これは、焦点距離ｆが、

【００４６】

【数８】

【００４７】である反射鏡に相当し、すなわち、曲率半
径Ｒが、

【００４８】

【数９】

【００４９】である凹球面反射鏡と等価に扱うことがで
きる。

【００５０】また、電磁波信号に対する集束作用を持つ
媒質としては中央部で高い屈折率分布を持つ平面レンズ
を用いる構成も可能である。ガウシアンビーム共振器の
新しい構成原理として平面鏡間にレンズを含む構成を示
したが、レンズの集束作用は、通過する光路長が光軸か
らの距離の２次関数になっていることによっており、光
ファイバー技術で広く実用化されているように、中心軸
に対称な屈折率分布を構成することで各種の方法により
平板レンズが実現可能であり、平行平面反射鏡の間に平
面型レンズを挟んだ新しい準光学共振器が構成できる。
ミリ波帯で低損失な特性を持つ各種の誘電体素材を組み
合わせた平行平板レンズの両面に平面反射鏡を形成する
構成は製造工程が単純化できる可能性が高く実用上有効
であると考えられる。

【００５１】本発明による準光学共振器を用いたミリ波
サブミリ波用装置の実施形態の一例として、ビーム入出
力型フィルター装置があり、図１０はその構成を模式的
に示す説明図であり、入射波１及び透過波２が空間ビー
ムである場合の装置を表している。図１０では、部分透
過性鏡面３４及び３５の間の集束効果を持つ媒質とし
て、一対の平凸レンズ状媒質を凸面を対向させた配置と
して用いる場合、単一の平凸レンズを用いた場合を示し
ている。共振器長は半波長の整数倍であり、誘電体表面
の効果を最小限にするために、平凸レンズ状媒質の厚さ
は１／２波長の整数倍とすることが望ましい。図１１
は、集束作用を持つ媒質３６を用いた平行平面鏡から成
る共振器を一般的に表したもので、平板型集束媒質３２
又は平凸球面レンズを含む集束媒質３３のいずれを用い
ることもできる。自由空間との電磁波結合部を成す部分
透過性鏡面領域３４及び３５として波長に比較し細かな
格子状の導体パターンからなる反射鏡面を設ける。発明
者らの研究の結果、上記のごとき反射鏡面では、高い反
射率を持つ鏡面の微小な透過率が格子状の導体パターン
の寸法を変化することで選択調整できることが実証され
ている（米国特許 "OpenResonator for Electromagneti
c Waves Having a Polarized Coupling Region"， 登録
番号 第5,012,212 号、1991.4.30 登録）。共振器内に
蓄積された電磁波エネルギーは、この部分透過性の鏡面
領域を通じて、ガウシアンビーム又は、その変形分布を
持つビームとして自由空間へ放射される。

【００５２】また、図１２は、本発明による準光学共振
器を用いたミリ波サブミリ波用装置の実施形態の他の一
例である、ガウシアンビーム型アンテナ装置への応用を
示す説明図である。この図１２の構成は、図７に示すガ
ウシアンビーム型アンテナ装置と基本的に同じ構成概念
であるが、本発明では球面反射鏡を用いない点で従来技
術と異なっている。アンテナとして空間との結合部の構
成に係わる部分透過性鏡面３４の形成に関しては、短波
長化とともに平面反射鏡を用いる本発明の方法が有利と
なり重要になると考えられる。また、二次元アレー状に
アンテナの配置を実現しようとする場合、本発明による
準光学共振器の構成により可能となった平面上へのパタ
ーン形成は従来技術に比べ大きな利点である。

【００５３】図１２の構成では、送信回路２４からの高
周波信号波は導波路２０を伝送され、高周波信号の導波
路２０との結合部２１を経て一方の平面反射鏡面３の導
体反射鏡面１８の部分を成す導体ストリップ素子１９に
高周波電流を誘起し、該導体反射鏡面領域の高周波電流
は、集束作用を持つ媒質３６とその両側に配置された一
対の平面反射鏡３、４とによって構成される共振器内に
放射され、一方の部分透過性鏡面領域１４を持つ平面反
射鏡面４でその大部分が反射され、再び集束作用を持つ
媒質３６を逆方向に通過し、はじめの平面反射鏡面３で
再び反射され、当該一対の反射鏡面の間隔が２πの整数
倍の位相差を生じさせるとき、平面反射鏡３に連続的に
入射する電磁波は波長の整数倍の位相差で繰返し重畳さ
れ、一対の平面反射鏡３、４の間に置かれた媒質を通過
する際の集束作用により回折損失が抑制され、光軸に沿
った安定な電磁界分布が形成され電磁波のエネルギー分
布は電磁波の伝搬する方向の中心軸付近で高くその軸か
ら離れるに従って急激に低下するガウシアンビーム（基
本モードＴＥＭooq；ｑ−１は縦モード数を表す整数）
で表現される共振器モードが励振され、大きな高周波電
磁界エネルギーとして蓄積され、部分透過性の鏡面領域
１４からビームとして放射される。上記一対の反射鏡面
が同じ反射率を持つことから、該共振器の結合損失と内
部損失が等しい臨界結合状態となり、部分透過性の鏡面
領域１４を持つ平面鏡４側及び、導波路２０との結合部
２１を裏面に持つ導体反射鏡面側のいずれから見ても、
共振周波数において無反射となり、一方の平面反射鏡に
入射したと等しい電磁波電力が、導波路モード２５から
空間ビーム２６へ、あるいは空間ビーム２６から導波路
モード２５へ変換されるアンテナ装置が実現できる。開
口面電力分布がガウシアンであることから原理的に低サ
イドローブ特性を持つ高い放射効率を持つアンテナ装置
として用いることができる。

【００５４】また、図１３は、本発明による準光学共振
器を用いたミリ波サブミリ波用装置の実施形態の別の一
例として、ビーム出力型発振器装置への応用を示す説明
図である。この構成は、図６に開示のビーム出力型発振
器の構成と基本的に同じ構成概念であるが、本発明では
球面反射鏡を用いない点で従来技術と異なっている。ビ
ーム出力型発振器の空間との結合部の構成に係わる部分
透過性鏡面３４の形成に関しては、短波長化とともに平
面反射鏡を用いる本発明の方法が有利となり重要になる
と考えられる。また、二次元アレー状にビーム出力型発
振装置の配置を実現しようとする場合平面上へのパター
ン形成は従来技術に比べ有利である。

【００５５】図１３の構成では、導波路２０を伝送され
た負性抵抗増幅回路２２からの微小振幅の高周波信号成
分は一方の反射鏡面の部分を成す導体反射鏡面領域（ス
トリップ素子１９）の裏面にある高周波信号の導波路２
０との結合部２１を経て該一方の反射鏡面の部分を成す
ストリップ素子１９に高周波電流を誘起し、該ストリッ
プ素子１９上の高周波電流は、集束作用を持つ媒質３６
とその両側に配置された一対の平面反射鏡３、４とから
なり、双方の鏡面での反射波が繰り返し重畳されるよう
に対向させ構成された共振器内に放射され、該負性抵抗
増幅回路２２からの微小振幅の高周波信号成分のうち当
該一対の平面反射鏡面３及び４の間隔が２πの整数倍の
位相差を生じさせる周波数成分については、集束作用を
持つ媒質の集光作用により軸に沿った安定な電磁界分布
が形成され、電磁波のエネルギー分布は電磁波の伝搬す
る方向の中心軸付近で高くその軸から離れるに従って急
激に低下するガウシアンビーム（基本モードＴＥＭooq
；ｑは縦モード数を表す整数）で表現される共振器モ
ードが励振され、発振の初期段階では共振器内部からの
微弱な反射波が該共振器へ結合入射したのと逆向きの経
路を経て負性抵抗増幅回路３６に返り、増幅されて再び
導波路２０を伝送され結合部２１を経て共振器に結合
し、この増幅帰還のループの繰り返しにより共振器内部
の電磁界振幅は増大し、電磁界振幅の成長とともに負性
抵抗による増幅利得が減少し一定振幅の発振状態とな
り、共振器内部に蓄積された高周波電力は、当該共振器
を形成する他方の反射鏡面に設けられ自由空間との電磁
波結合部を成す円形の部分透過性の鏡面領域からガウシ
アンビームを空間へしみ出させる形で放射し、開口面電
力分布がガウシアン又はそれの中心部分を切りとった形
態を成すことから、低サイドローブのビーム出力特性を
持つ発振装置として用いることができる。

【００５６】本発明による準光学共振器を用いたミリ波
サブミリ波用装置の部分透過性鏡面領域３４について
は、鏡面透過における吸収損失を微小量に抑えることが
高性能ビーム入出力型フィルターや、高い放射効率のア
ンテナ特性を実現する上で必要である。高い導伝率を持
つ良質な金属を鏡面素材として用い、有限な高周波表面
抵抗による損失の効果を最小限にとどめ且つ、部分透過
性鏡面領域２の表面に設ける金属膜による格子パターン
を波長の１／４〜１／２５程度の空間周期の範囲のサイ
ズに選ぶことで、電磁波が金属格子領域を染みでる効果
が反射率を支配しするように設計し、透過率数パーセン
トの鏡面領域として用いることで金属格子での透過吸収
の効果は無視できる微小量にでき、高い放射効率のアン
テナ装置や、ビーム入出力型フィルター装置の高い透過
率が確保できる。図４の１６及び１７は、部分透過性鏡
面領域３４を形成するために用いることのできる金属格
子パターンを模式的に示す図と考えられる。金属格子パ
ターン１６と１７は、基本的な概念を示しており、これ
らの変形が部分透過性鏡面領域３４を形成するためのパ
ターンとして利用可能なことはもちろんである。

【００５７】反射鏡表面が高い導電性を持つ高純度の銅
やアルミニウム、金、或いは銀のような金属導体による
滑らかな鏡面でできている場合、表面抵抗損失による鏡
面反射損失は、短ミリ波帯で0.1-0.2％程度以下が達成
できる。これらの高品質な金属薄膜素材を用い薄膜微細
加工技術を適用する事で、サブミリ波帯までの高効率な
部分透過性鏡面３４が実現できる。

【００５８】図１４は、本発明による準光学共振器を用
いたミリ波サブミリ波用装置の実施形態のその他の例と
して、複数の負性抵抗増幅回路を組み合わせ電力合成に
よる高出力を得るためのビーム出力型発振器装置への応
用を示す説明図である。図１４は、複数の負性抵抗増幅
回路２２がそれぞれ導波路２０と接続する結合部２１と
ストリップ素子１９により共通の準光学共振器に結合
し、全体として一つの発振器として動作させ効率よく電
力合成するための構成である。ここでは、準光学共振器
断面を模式的に示しており、すべての負性抵抗増幅回路
２２は同じように作られており、該負性抵抗増幅回路２
２から、導波路２０と結合部２１、更にストリップ素子
を経て共振器と結合する電気長は、全て同じように作ら
れている。集束作用を持つ媒質３６の集束作用により電
磁界分布は準光学共振器の中央部で高くなるガウシアン
ビームとなり、円形の平面導体反射鏡面１８と部分透過
性反射鏡面３４の直径を選択し、回折損失を実効上無視
できる様に構成する。

【００５９】次に、本発明による準光学共振器を用いた
ミリ波サブミリ波用装置の共振周波数を電気的に微調整
するための具体的な実施形態の一例を示す。図１５は、
本発明による図１３のビーム出力型発振装置に、付加的
なストリップ素子１９と該ストリップ素子の裏面に導波
路２０との結合部２１を設け、導波路２０にはバラクタ
ダイオード等の電気的にインピーダンスを大きく変化で
きる能動素子３７を接続し、駆動回路３８により該能動
素子３７を変化させ、準光学共振器の共振周波数に変化
を与え、結果として図１３のビーム出力型発振装置に周
波数変調機能を加えることができる。

【００６０】次に、図１６を用いて、本発明による準光
学共振器を用いたミリ波サブミリ波用装置の実施形態の
一例である精密素材計測用装置について説明する。球面
反射鏡を用いた準光学共振器がミリ波帯の精密計測技術
上重要な役割を果たしているが、本発明による新しい準
光学共振器の構成によれば平行平面鏡である部分透過性
反射鏡面３４、３５と集束作用を持つ媒質３６の組み合
わせることで、効率の良い精密測定が可能となる。図１
６は、一対の平行平面の部分透過性反射鏡面３４、３５
と一対の集束作用を持つ媒質３６を組み合わせて構成し
た対称型の準光学共振器の中央に被測定試料４２を保持
し、ミリ波サブミリ波信号源３９からの入射波１を該準
光学共振器に結合し、透過波２を受信する高感度受信機
４４と、入射波１に対する反射波４３をサーキュレータ
ー４０で分離し受信する高感度受信機４４からなり、鏡
面位置を調整し、共振周波数及び縦モード数の設定をす
るために、一対の平行平面の部分透過性反射鏡面３４、
３５は、それぞれの位置を光軸に沿って可変するための
駆動機構４５を備えている。また、被測定試料４２の位
置を調整するために光軸に沿って試料を移動する駆動機
構４１を備えている。

【００６１】図１７は、一対の平行平面の部分透過性反
射鏡面３４、３５と集束作用を持つ媒質３６を組み合わ
せ、被測定試料４２を鏡面状に配置した素材測定用共振
器の構成であり、共振周波数を固定し、他の物理的作用
を加えることで生じる微小な変化を検出するのに適して
いる。この準光学的共振器の構成は、図１６の構成の準
光学共振器と置き換えて使用することができる。

【００６２】具体的には、短ミリ波からサブミリ波にお
ける磁気共鳴の測定で、周波数を固定し、磁場を掃引し
微細な共鳴構造を分析するために有効で有る。１００〜
６００ＧＨｚの磁気共鳴の測定には、４〜２４テスラの
均一な磁場中に配置する必要があり、本発明による準光
学共振器の構成法によれば、小型で高い精度の共振器を
提供できることから、高周波磁気共鳴分野での利用が期
待できる。

【００６３】

【発明の効果】本発明による準光学共振器を用いたミリ
波サブミリ波用装置では、共振器の空間との結合部が平
面鏡である部分透過性の反射鏡面になることから、 短ミリ波サブミリ波帯の高いフィネスを持つビーム入
出力型フィルターとして位相の乱れを生じ無い理想的な
高性能フィルターの実現が可能となった。 球面上へのパターン形成が不要となりアンテナの製作
上の自由度が増し、より複雑で高い加工精度が要求され
るアレーアンテナ等への発展の可能性が得られた。さら
に、多数の発振素子を並列配置することが容易であり、
特に１００ＧＨｚ以上の周波数帯での利点は大きい。 短ミリ波からサブミリ波帯での電磁波と物質素材の相
互作用を効果的に行うために、小型の高い精度の共振器
と反射面パターンの精密加工が重要であったが、本発明
による準光学共振器を用いたミリ波サブミリ波用装置で
は平面鏡の微細加工ですむことから従来の凹球面基板を
用いることによる微細加工上の困難と同時に、図５の凹
球面基板１５自体が、入射波１の位相に乱れを生じさせ
る弊害の両方を同時に解決できる手法が実現された。

【図面の簡単な説明】

【図１】公知の一対の平行平面鏡からなるファブリ・ペ
ロー共振器の構成を示す説明図。

【図２】公知の部分透過性反射鏡面を持つ一対の球面反
射鏡を用いた準光学共振器の構成を示す説明図。

【図３】公知の導波管に接続された微小結合孔を持つ球
面反射鏡を用いた準光学共振器の構成の一例を示す説明
図。

【図４】公知の薄膜導体格子からなる部分透過性結合領
域を持つ球面反射鏡の構成を示す説明図。

【図５】公知の薄膜導体格子からなる部分透過性結合領
域を持つ球面反射鏡を用いた準光学共振器の構成を示す
説明図。

【図６】公知の球面反射鏡を用いた準光学共振器を用い
たビーム出力型発振器の構成を示す説明図。

【図７】公知の平凸球面状の誘電体基板を用いたガウシ
アンビーム型アンテナ装置の構成の一例を示す説明図

【図８】公知の平凸レンズの電磁波に対する集束作用を
模式的に示す説明図

【図９】本発明による準光学共振器を用いたミリ波サブ
ミリ波用装置の一部を成す集束媒質と反射鏡の組み合わ
せによる機能を模式的に示す説明図。

【図１０】本発明による準光学共振器を用いたミリ波サ
ブミリ波用装置の実施形態の一例であるビーム入出力型
フィルター装置を模式的に示す説明図。

【図１１】本発明による準光学共振器を用いたミリ波サ
ブミリ波用装置の準光学共振器の一般構成を模式的に示
す説明図。

【図１２】本発明による準光学共振器を用いたミリ波サ
ブミリ波用装置の実施形態の他の一例であるガウシアン
ビーム型アンテナ装置の構成を示す説明図。

【図１３】本発明による準光学共振器を用いたミリ波サ
ブミリ波用装置の実施形態の別の一例であるビーム出力
型発振装置の構成を示す説明図。

【図１４】本発明による準光学共振器を用いたミリ波サ
ブミリ波用装置の実施形態のその他の一例である電力合
成機能を持つビーム出力型発振装置の構成を示す説明
図。

【図１５】本発明による準光学共振器を用いたミリ波サ
ブミリ波用装置の実施形態のその他の一例である発振周
波数を可変とするビーム出力型発振装置の構成を示す説
明図。

【図１６】本発明による準光学共振器を用いたミリ波サ
ブミリ波用装置の実施形態のその他の一例である精密素
材計測用装置の構成を示す説明図。

【図１７】本発明による準光学共振器を用いたミリ波サ
ブミリ波用装置の実施形態のその他の一例である精密素
材計測用装置の他の共振器構成を示す説明図。

【符号の説明】

１：入射波 ２：透過波 ３：平面反射鏡 ４：平面反射鏡 ５：繰り返し反射波５ ６：球面反射鏡 ７：球面反射鏡 ８：基本共振モード ９：微小結合孔 １０：微小結合孔 １１：金属導波管 １２：共振器側へ入った電磁波 １３：球面反射鏡 １４：部分透過性結合部 １５：球面基板 １６：薄膜導体格子（一次元） １７：薄膜導体格子（二次元） １８：導体反射鏡面 １９：導体反射鏡面の一部を成すストリップ素子 ２０：導波路 ２１：導波路との結合部 ２２：負性抵抗増幅回路 ２３：発振出力ビーム ２４：送信回路又は受信回路 ２５：導波路モード ２６：空間ビーム ２７：誘電体基板 ２８：平凸レンズの集光作用を模式的に示す図 ２９：二つの平凸レンズの集光作用を模式的に示す図 ３０：平面鏡に平凸レンズを組み合わせた反射鏡を模式
的に示す図 ３１：等価な集束作用を持つ球面反射鏡を模式的に示す
図 ３２：平板型集束作用を持つ媒質 ３３：凸レンズを含む集束作用を持つ媒質 ３４：部分透過性反射鏡面 ３５：部分透過性反射鏡面 ３６：集束作用を持つ媒質 ３７：能動素子 ３８：駆動回路 ３９：ミリ波サブミリ波信号源 ４０：サーキュレーター ４１：光軸方向の駆動装置 ４２：被測定試料 ４３：反射波 ４４：高感度受信機 ４５：光軸方向の駆動装置

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電磁波信号波に対し集束作用を持つ媒質の
   両側に、一対の平面反射鏡を配置し、双方の鏡面での反
   射波が、該集束作用を持つ媒質を通過し繰り返し重畳さ
   れるように対向させ共振器を構成し、該一対の平面反射
   鏡は波長に比較して細かな格子状の導体パターンからな
   る部分透過性の鏡面であり、当該共振器内部で繰り返し
   反射する電磁波信号波に対し、上記一対の反射鏡面が同
   じ反射損失を持つことを特徴とする準光学共振器を用い
   たミリ波サブミリ波用装置。
2. 【請求項２】電磁波信号波に対し集束作用を持つ媒質の
   両側に、一対の平面反射鏡を配置し、双方の鏡面での反
   射波が該集束作用を持つ媒質を通過し繰り返し重畳され
   るように対向させ共振器を構成し、一方の反射鏡面に当
   該共振器の光軸を中心とする円形の部分透過性の鏡面領
   域を設け自由空間との電磁波結合部を成し、当該部分透
   過性の鏡面領域が波長に比較して細かな格子状の導体パ
   ターンからなる反射鏡面であり、当該共振器を構成する
   他方の反射鏡は導体反射鏡面からなり、該反射鏡面の部
   分を成すストリップ素子と、該ストリップ素子の裏面に
   は高周波信号の導波路との結合部を備え、上記一対の反
   射鏡面が同じ反射損失を持つことを特徴とする準光学共
   振器を用いたミリ波サブミリ波用装置。
3. 【請求項３】電磁波信号波に対し集束作用を持つ媒質の
   両側に、一対の平面反射鏡を配置し、双方の鏡面での反
   射波が該集束作用を持つ媒質を通過し繰り返し重畳され
   るように対向させた共振器の構成と、一つ又は複数の負
   性抵抗増幅回路と、該一対の平面反射鏡の一方は部分透
   過性の反射鏡面であり、当該共振器を構成する他方の反
   射鏡は導体反射鏡面からなり、該導体反射鏡面の一部を
   なすストリップ素子の裏面に当該共振器と該一つ又は複
   数の負性抵抗増幅回路の間を個別に高周波信号の導波路
   により接続する結合部を備え、上記一対の反射鏡面の一
   方の部分透過性の反射鏡面の反射率が、当該共振器の他
   の導体反射鏡面を構成し負性抵抗増幅回路素子との結合
   部を裏面に持つ反射鏡面の反射率に比較し高いことを特
   徴とする準光学共振器を用いたミリ波サブミリ波用装
   置。
4. 【請求項４】電磁波信号源と電磁波信号波の伝送路と、
   電磁波信号波に対し集束作用を持つ媒質の両側に、一対
   の平面反射鏡を対向させ互いに平行に配置した共振器の
   構成と、当該共振器を構成する該一対の平面反射鏡の導
   体反射鏡面の中央部には、電磁波の波長に比較し１／２
   ０から１／１００の空間周期の導体グリッド構造からな
   る電磁波結合部を備え、平面状の被測定試料を当該共振
   器の中央に移動し、該一対の反射鏡面と平行に保持する
   機構又は、一方の導体反射鏡面上に保持する機構を持
   ち、該共振器を構成する一対の反射鏡面の反射率が同じ
   であり、該共振器を構成する一方の反射鏡面から入射し
   た電磁波信号の反射波及び、他方の反射鏡面から出力さ
   れる透過波を検出するための受信機とからなることを特
   徴とする準光学共振器を用いたミリ波サブミリ波用装
   置。
5. 【請求項５】該一対の平行平面反射鏡面の間隔を一定に
   保持する構成、又は、当該平行平面反射鏡面間隔を可変
   調整させる駆動機構を持つことを特徴とする請求項１、
   ２、３及び４の準光学共振器を用いたミリ波サブミリ波
   用装置。
6. 【請求項６】該集束作用を持つ媒質は、電磁波信号波に
   対し低損失な誘電体を用いた凸レンズ状であり、当該集
   束作用を持つ媒質の厚さは実効波長の１／２又は、その
   整数倍であることを特徴とする請求項１、２、３及び４
   の準光学共振器を用いたミリ波サブミリ波用装置。
7. 【請求項７】該集束作用を持つ媒質は、電磁波信号波に
   対し低損失な誘電体を用いた平面板状であり、当該媒質
   の厚さは中央部で実効波長の１／２又は、その整数倍の
   厚さであり、周辺部では中央部に比較し実効的に薄くな
   る中心部で高く周辺で低い屈折率分布を持つことを特徴
   とする請求項１、２、３及び４の準光学共振器を用いた
   ミリ波サブミリ波用装置。
8. 【請求項８】該一対の平面反射鏡の鏡面導体は、マイク
   ロ波、ミリ波、サブミリ波帯の電磁波に対し高周波損失
   の小さい銅、アルミニウム、金、及び超伝導体等の薄膜
   であることを特徴とする請求項１、２、３及び４の準光
   学共振器を用いたミリ波サブミリ波用装置。
9. 【請求項９】該集束作用を持つ媒質は、マイクロ波、ミ
   リ波、サブミリ波帯の電磁波に対して低損失誘電体であ
   るサファイア、石英、ダイヤモンド、酸化マグネシウ
   ム、シリコン、ガリウムヒ素、インジウムリン、オレフ
   ィン、ポリエチレン、ＰＴＦＥ、窒化シリコン、窒化ア
   ルミ、及び微細粒子原料を用い発砲性の低誘電率セラミ
   ックス等からなることを特徴とする請求項１、２、３及
   び４の準光学共振器を用いたミリ波サブミリ波用装置。
10. 【請求項１０】電磁波信号波に対し集束作用を持つ媒質
    の両側に、対向させて配置した当該一対の平面反射鏡の
    一方の反射鏡に、高周波電磁界の導波路との結合部以外
    の副次的な結合部を設け、バラクターダイオード等の能
    動素子を装荷した回路と、当該能動素子に結合する駆動
    回路と、該駆動回路に接続する信号源とからなることを
    特徴とする請求項１、２及び３の準光学共振器を用いた
    ミリ波サブミリ波用装置。
11. 【請求項１１】該平面状の被測定試料の付近に均一な磁
    場分布を与える磁場発生機構と、当該磁場発生機構によ
    る磁場は、２４テスラ以下の磁場について連続可変掃引
    できる構成であり、該平面状の被測定試料の付近に、変
    調磁場を与えるための交流磁場発生装置とからなること
    を特徴とする請求項４の準光学共振器を用いたミリ波サ
    ブミリ波用装置。