(57)【要約】【課題】電磁波の伝搬空間を拡縮、遮蔽等する付加部材を設けたり、複雑な構造を採用したりすることなく、簡易な構造とする。【解決手段】モード変換器１０は、導波管１１と導波管１２とが連設されて構成されている。モード変換器１０は、一端にポート＃１を有し、Ｘ方向に延びる、断面方形の導波管１１と、導波管１１の他端１１ａ側であってその短尺側の側面の一方と連通された一端を有し、該側面の法線方向（Ｙ方向）に延び、他端にポート＃２が設けられた断面方形の導波管１２とを備え、導波管１１の方形断面はＴＥ１０モードの電磁波を伝搬する寸法に設定されており、導波管１２の断面の長尺側寸法はＴＥ２０モードの電磁波を伝搬し、ＴＥ３０モードの電磁波を非伝搬とする寸法に設定され、短尺側寸法は導波管１１の短尺側寸法と同一に設定されている。【選択図】図１
2010273151.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端に第１のポートを有し、第１の方向に延びる、断面が所定の長尺側寸法及び短尺側寸法をなす方形の第１の導波管と、
前記第１の導波管の他端側であって前記短尺側の側面の一方と連通された一端を有し、該側面の法線方向である第２の方向に所定長を有し、他端に第２のポートが設けられた断面方形の第２の導波管とを備え、
前記第１の導波管の前記長尺側寸法及び短尺側寸法は、ＴＥ１０モードの電磁波を伝搬する長さ寸法にそれぞれ設定されており、
前記第２の導波管の長尺側寸法は、ＴＥｎ０（ｎは２以上の整数）モードの電磁波を伝搬し、かつＴＥ(n+1)０モードの電磁波が非伝搬となる寸法に設定され、短尺側寸法は前記第１の導波管の短尺側寸法と同一に設定され、
前記第１の導波管と前記第２の導波管とが連通する部位の近傍適所であって、前記長尺側を略ｎ等分した位置に第１の金属体が立設されていることを特徴とするモード変換器。
【請求項２】
前記第１の導波管の前記他端側の近傍適所に第２の金属体が立設されていることを特徴とする請求項１に記載のモード変換器。
【請求項３】
前記第２の導波管の長尺側寸法は、ＴＥ２０モードの電磁波を伝搬し、かつＴＥ３０モードの電磁波が非伝搬となる寸法に設定されており、前記第２の導波管の前記第２のポートの近傍適所であって、前記長尺側を略２等分した位置に前記第１の金属体が立設されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のモード変換器。
【請求項４】
前記第２の導波管の長尺側寸法がＴＥ２０モードの電磁波を伝搬する寸法に設定されている、請求項１〜３のいずれかに記載のモード変換器と、
Ｔ字状の導波路を有し、そのうちの中央の１つの導波路が前記第２の導波管の前記第２のポートに連通され、残りの両側の２つの導波路は前記第１の導波管と断面の長尺側寸法が等しく、かつそれらの先端に第３、第４のポートをそれぞれ有する断面方形のＴ字状分岐回路とを備え、
前記Ｔ字状分岐回路は、前記第２のポートに連通された導波路から前記第１の方向における両側に等寸法だけそれぞれ延設され、その先端に前記第３、第４のポートを有することを特徴とする電力合成／分配器。
【請求項５】
前記Ｔ字状分岐回路は、前記第２のポート側とは反対側となる側面の近傍適所に第３の金属体が立設されていることを特徴とする請求項４に記載の電力合成／分配器。
【請求項６】
前記第３の金属体は、前記第２の導波管の長尺側の中間位置から前記第２の方向に延長された管軸に対して前記第１の方向に所定寸法だけ変位して設けられていることを特徴とする請求項４又は５に記載の電力合成／分配器。
【請求項７】
前記第２の導波管の長尺側寸法がＴＥ２０モードの電磁波を伝搬する寸法に設定されている、請求項１〜３のいずれかに記載のモード変換器と、
十字状の導波路を有し、そのうちの１つの導波路が前記第２の導波管の前記第２のポートに連通され、残りの３つの導波路は前記第１の導波管と長尺側寸法が等しく、かつそれらの先端に第３、第４、第５のポートをそれぞれ有する断面方形の十字状分岐回路とを備え、
前記十字状分岐回路は、前記第２のポートに連通された導波路から前記第１の方向における両側に等寸法だけそれぞれ延設され、その先端に前記第３、第４のポートを有し、かつ前記第２のポートに連通された導波路から前記第２の方向に延設され、その先端に前記第５のポートを有することを特徴とする平面マジックＴ。
【請求項８】
前記十字状分岐回路は、前記第２のポートに連通された導波路の長尺側の略中央位置に第３の金属体が立設され、かつ前記第５のポートの長尺側の両端の近傍に１対の第４の金属体が立設されていることを特徴とする請求項７に記載の平面マジックＴ。
【請求項９】
前記第２の導波管の長尺側寸法は、ＴＥｎ０（ｎは３以上の整数）モードの電磁波を伝搬する寸法に設定されており、前記第２の導波管の前記第２のポートの近傍であって前記長尺側を略ｎ等分した位置には分岐用金属体が立設されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のモード変換器。
【請求項１０】
請求項９のモード変換器と、
前記第２のポートの前記ｎ等分された各部位に連通され、それぞれ前記第２の方向に延設され、それらの先端に各ポートを有するｎ個の分配用導波管とを備えてなり、
前記ｎ個の分配用導波管のそれぞれは、互いに隣接する分配用導波管と分離されていることを特徴とする電力合成／分配器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波を伝搬させる導波管構造を有するモード変換器、電力合成／分配器及び平面マジックＴに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、図１２に示すように、電磁波を他の伝搬モードに変換して利用するようにしたモード変換器が提案されている（非特許文献１，２）。図１２（ａ）〜（ｅ）に示すように、非特許文献１には、方形導波管が途中でＨ面と平行な面上で直角に屈曲されたモード変換器が記載されている。このモード変換器は、屈曲部までの断面小サイズの第１の導波管４０と、屈曲後の断面大サイズの第２の導波管５０とを備えている。従って、第１の導波管４０側のポート＃１に対して、第２の導波管５０側のポート＃２は大サイズに設定されている。第１の導波管４０側のポート＃１からＴＥ１０モードの電磁波が進入すると、第２の導波管５０側のポート＃２からＴＥ２０モードで電磁波が出力され、あるいは可逆的に伝搬される。上記において、図１２（ａ）では、第１の導波管４０の後端を開口する一方、この開口を塞ぐ形で短絡用プランジャ４０１が配設され、かつ短絡用プランジャ４０１の押し込み寸法によって伝搬空間を拡縮し、変換される電磁波に対する整合を取るようにしている。
【０００３】
また、図１２（ｂ）に示すように、非特許文献１には、第１の導波管４０の途中の両側面に立設された一対の整合用のリアクタンス窓４０２及び第１の導波管４０の後端に整合用付加線路４０３を伝搬空間に作用させ、前述同様に整合を取るようにしたモード変換器も記載されている。さらに、図１２（ｃ）に示すように、非特許文献１には、屈曲部、すなわち第１の導波管４０と第２の導波管５０との連通域を、２個の結合孔６１，６２が穿設された金属壁６０で遮って伝搬空間に作用させたモード変換器や、図１２（ｄ）に示すように、整合用のリアクタンス窓４０２を併用したモード変換器も記載されている。かかるモード変換器は、前記２個の結合孔６１，６２を、断面長手方向の１／４と３／４の位置に設けることで、ＴＥ１０からＴＥ２０へモード変換を実現している。
【０００４】
次に、図１２（ｅ）に示すように、非特許文献２には、Ｔ字断面テーパ型モード変換器が記載されている。このモード変換器は、ＴＥ１０モードの電磁波が進入するポート＃１を有する方形導波管の断面形状を、図の下側、左から右への複数の変移図(i)〜(iv)に示すように、管軸方向に進むにつれて、断面長尺側と断面短尺側とが入れ替わるように変形されて、出力側のポート＃２からＴＥ２０モードの電磁波が出力されるようにしたものである。
【０００５】
一方、特許文献１には、導波管を途中で２通路に分岐する分岐路を有する種々の分配器が記載されている。この分配器は、Ｔ分岐あるいはＹ分岐を有する導波管に対してさらに変形を加えることで、同振幅かつ同位相で電力分配を行い、また逆方向に伝搬させることで電力合成を行うようにしている。
【０００６】
また、特許文献２には、導波管で構成されたマジックＴが記載されている。このマジックＴは、１の平面上で入力ポートとＴ字分岐路を有すると共に、この平面と直交する方向から前記分岐路に連通する他の入力ポートを有するものである。前記１の平面上の入力ポートから入力された電磁波はＴ字分岐路に同振幅かつ同位相で等分配される一方、直交する方向の入力ポートから入力された電磁波はＴ字分岐路に同振幅かつ逆位相で等分配される。一方、Ｔ字分岐路側から同振幅かつ同位相の電磁波が入力されると、前記１の平面上の入力ポートに合成波が出力され、Ｔ字分岐路側から同振幅かつ逆位相の電磁波が入力されると、前記直交する側の入力ポートに合成波が出力される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平２−２３０８０１号公報
【特許文献１】特許４１９９３９５号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】C. G. MONTGOMERY ,R. H. DICKE , E. M. PURCELL, “PRINCIPLES OF MICROWAVECIRCUITS”,McGRAW-HILL BOOK COMPANY, INC. P337-P338, 1948
【非特許文献２】小口文一著、「マイクロ波およびミリ波回路」、Ｐ３９０〜Ｐ３９３、１９６４年、丸善株式会社
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
非特許文献１に記載のモード変換器は、短絡用プランジャ４０１を調整するための可動構造、また、リアクタンス窓４０２及び整合用付加線路４０３を設けるための構造が必要となるため、その分、構造的に複雑となる。また、結合孔６１，６２を有する金属壁６０を介設するモード変換器では、壁部材が付加される分、構造が複雑で、製造作業も困難となる。また、整合のためにリアクタンス窓４０２を設ける必要があり、その分の構造も複雑となる。非特許文献２に記載のモード変換器は、いわゆるツイスト構造を必要とする分、構造が複雑であり、かつ製造も困難となる。
【００１０】
また、特許文献１に記載の分配器は、出力がいずれも同位相となるものであるが、用途によって１８０°の位相差の出力が必要となる場合があり、その場合、分配された出力に１８０°位相差を持たせるために、一方の出力側の外部にλ／２の長さの線路を付加する必要があり、サイズが大型化する。
【００１１】
また、特許文献２に記載の、導波管を用いたマジックＴは一般に３次元構造（立体方向に形状変化を伴う）であるため、製造が難しく、かつコスト高となる。また、マジックＴと他の部品とを接続する場合、部品が立体的に配置されるため、接続が困難になると共に、大型化する。具体的には、マイクロ波回路システムでは、マイクロ波信号を同相／逆相で等分配したり、逆に同相／逆相の２信号を合成したりすることがしばしば必要となる。この機能を備えた導波管回路素子としてマジックＴが知られているが、マジックＴは３次元構造をしているため、回路システムも不可避的に３次元的接続となり回路全体が大型化する傾向にあり、また３次元方向の曲がり導波管を必要とするなどの難点がある。さらに、導波管接合部に回路の対称性を崩さない構造の整合部を設けているが、必ずしも整合条件を満足させることは容易でない。そのため、市販品の整合レベルは設計周波数で−２５ｄＢ程度となっている。さらに、このような３次元構造では、近年様々な実用上の利点から（準）ミリ波帯で実用化が進む平面構造の誘電体基板集積導波管（ＳＩＷ）に適用することが不可能である。
【００１２】
本発明の目的は、電磁波の伝搬空間を拡縮、遮蔽等する付加部材を設けたり、複雑な構造を採用したりすることがなく、簡易な構造のモード変換器を提供することである。
【００１３】
また、本発明の目的は、小型化が可能な電力合成／分配器を提供することを目的とするものである。
【００１４】
また、本発明の目的は、３次元構造を不要にして高耐電力構造を有し、また小型化を可能とし、かつ製作、設計が容易な平面マジックＴを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
請求項１記載のモード変換器は、一端に第１のポートを有し、第１の方向に延びる、断面が所定の長尺側寸法及び短尺側寸法をなす方形の第１の導波管と、前記第１の導波管の他端側であって前記短尺側の側面の一方と連通された一端を有し、該側面の法線方向である第２の方向に所定長を有し、他端に第２のポートが設けられた断面方形の第２の導波管とを備え、前記第１の導波管の前記長尺側寸法及び短尺側寸法は、ＴＥ１０モードの電磁波を伝搬する長さ寸法にそれぞれ設定されており、前記第２の導波管の長尺側寸法は、ＴＥｎ０（ｎは２以上の整数）モードの電磁波を伝搬し、かつＴＥ(n+1)０モードの電磁波が非伝搬となる寸法に設定され、短尺側寸法は前記第１の導波管の短尺側寸法と同一に設定され、前記第１の導波管と前記第２の導波管とが連通する部位の近傍適所であって、前記長尺側を略ｎ等分した位置に第１の金属体が立設されていることを特徴とするものである。
【００１６】
この発明によれば、第１の導波管の第１のポートから入力されたＴＥ１０モードの電磁波は、第１の金属体によって第１の導波管と第２の導波管とが連通する部位の近傍適所でＴＥｎ０モードに効率良く変換された後、第２の導波管を伝搬されて第２のポートから出力される。これによって、簡易な構成で、ＴＥ１０モードを高次のＴＥｎ０モードに変換し、伝搬させ、一方、より高次モードとなるＴＥ(n+1)０モードの電磁波の伝搬を遮断することが可能となる。従って、従来のように、電磁波の伝搬空間を拡縮、遮蔽等する付加部材を設けたり、複雑な構造を採用したりすることなく、簡易な構造のモード変換器が得られる。
【００１７】
請求項２記載の発明は、請求項１に記載のモード変換器において、前記第１の導波管の前記他端側の近傍適所に第２の金属体が立設されていることを特徴とする。この発明によれば、第２の金属体によって、第１の導波管の他端で生じる寄生リアクタンスが打ち消され、インピーダンス整合がとられるので、第１の導波管の他端での反射が一層抑圧される。
【００１８】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２に記載のモード変換器において、前記第２の導波管の長尺側寸法は、ＴＥ２０モードの電磁波を伝搬し、かつＴＥ３０モードの電磁波が非伝搬となる寸法に設定されており、前記第２の導波管の前記第２のポートの近傍適所であって、前記長尺側を略２等分した位置に前記第１の金属体が立設されていることを特徴とする。この発明によれば、第１の金属体によって第２の導波管に進入した電磁波がＴＥ１０モードからＴＥ２０モードに、より効率的に変換される。
【００１９】
請求項４記載の発明は、前記第２の導波管の長尺側寸法がＴＥ２０モードの電磁波を伝搬する寸法に設定されている、請求項１〜３のいずれかに記載のモード変換器と、Ｔ字状の導波路を有し、そのうちの中央の１つの導波路が前記第２の導波管の前記第２のポートに連通され、残りの両側の２つの導波路は前記第１の導波管と断面の長尺側寸法が等しく、かつそれらの先端に第３、第４のポートをそれぞれ有する断面方形のＴ字状分岐回路とを備え、前記Ｔ字状分岐回路は、前記第２のポートに連通された導波路から前記第１の方向における両側に等寸法だけそれぞれ延設され、その先端に前記第３、第４のポートを有することを特徴とする電力合成／分配器である。この発明によれば、モード変換器からのＴＥ２０モードの電磁波は、Ｔ字状分岐回路の第３、第４のポートを有する導波路でＴＥ１０モードに変換されて第３、第４のポートから等振幅かつ逆位相で出力される。従って、分配器を小型化することが可能となる。
【００２０】
請求項５記載の発明によれば、請求項４に記載の電力合成／分配器において、前記Ｔ字状分岐回路は、前記第２のポート側とは反対側となる側面の近傍適所に第３の金属体が立設されていることを特徴とする。この発明によれば、第３の金属体によってＴ字状分岐回路の中央の１つの導波路と第３、第４のポートを有する導波路との整合が取れ、Ｔ字状分岐回路の分岐部での不要反射が抑圧され、第３、第４のポート側に効率よく電磁波を向かわせることが可能となる。
【００２１】
請求項６記載の発明は、請求項４又は５に記載の電力合成／分配器において、前記第３の金属体は、前記第２の導波管の長尺側の中間位置から前記第２の方向に延長された管軸に対して前記第１の方向に所定寸法だけ変位して設けられていることを特徴とする。この発明によれば、第３の金属体を第２の導波管の管軸に対して第１の方向に変位すると、変位方向に向かう電磁波が抑制され、第３、第４のポートから出力される電磁波パワーを、逆位相の状態を保持したままで、所望比率に分配することが可能となる。
【００２２】
請求項７記載の発明は、前記第２の導波管の長尺側寸法がＴＥ２０モードの電磁波を伝搬する寸法に設定されている、請求項１〜３のいずれかに記載のモード変換器と、十字状の導波路を有し、そのうちの１つの導波路が前記第２の導波管の前記第２のポートに連通され、残りの３つの導波路は前記第１の導波管と長尺側寸法が等しく、かつそれらの先端に第３、第４、第５のポートをそれぞれ有する断面方形の十字状分岐回路とを備え、前記十字状分岐回路は、前記第２のポートに連通された導波路から前記第１の方向における両側に等寸法だけそれぞれ延設され、その先端に前記第３、第４のポートを有し、かつ前記第２のポートに連通された導波路から前記第２の方向に延設され、その先端に前記第５のポートを有することを特徴とする平面マジックＴである。この発明によれば、モード変換器からのＴＥ２０モードの電磁波は、十字状分岐回路の第３、第４のポートを有する導波路でＴＥ１０モードに変換されて第３、第４のポートから等振幅かつ逆位相で出力され、第５のポートへは出力されない。一方、十字状分岐回路の第５のポートからのＴＥ１０モードの電磁波は、十字状分岐回路の第３、第４のポートから等振幅かつ同位相で出力され、第１のポートには出力されない。従って、３次元構造を持たないことから電界の集中箇所がなくなり、高耐電力性の向上が図れる。また、小型化を可能とし、かつ製作、設計が容易な平面マジックＴを提供することが可能となる。
【００２３】
請求項８記載の発明は、請求項７に記載の平面マジックＴにおいて、前記十字状分岐回路は、前記第２のポートに連通された導波路の長尺側の略中央位置に第３の金属体が立設され、かつ前記第５のポートの長尺側の両端の近傍に１対の第４の金属体が立設されていることを特徴とする。この発明によれば、第３の金属体によって第５のポートとの間の整合が取られ、第４の金属体によって第１のポートとの間の整合が取られる。従って、第１のポートから入力された電磁波、第５のポートから入力された電磁波のいずれも高効率で第３、第４のポートから出力される。
【００２４】
請求項９記載の発明は、請求項１又は２に記載のモード変換器において、前記第２の導波管の長尺側寸法は、ＴＥｎ０（ｎは３以上の整数）モードの電磁波を伝搬する寸法に設定されており、前記第２の導波管の前記第２のポートの近傍であって前記長尺側を略ｎ等分した位置には分岐用金属体が立設されていることを特徴とする。この発明によれば、簡易な構成で、ＴＥ１０モードを高次のＴＥｎ０モードに効果的に変換することが可能となる。
【００２５】
請求項１０記載の発明は、請求項９のモード変換器と、前記第２のポートの前記ｎ等分された各部位に連通され、それぞれ前記第２の方向に延設され、それらの先端に各ポートを有するｎ個の分配用導波管とを備えてなり、前記ｎ個の分配用導波管のそれぞれは、互いに隣接する分配用導波管と分離されていることを特徴とする電力合成／分配器である。この発明によれば、入力されたＴＥ１０モードの電磁波がｎ個のＴＥ１０モードの電磁波に分配される。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、電磁波の伝搬空間を拡縮、遮蔽等する付加部材を設けたり、複雑な構造を採用したりすることなく簡易な構造のモード変換器を提供することができる。また、小型化が可能な電力合成／分配器を提供するができる。さらに、３次元構造を不要にして高耐電力構造を有し、小型化を可能とし、かつ製作、設計が容易な平面マジックＴを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明に係るモード変換器の一実施形態を示す斜視図である。
【図２】電磁波のモード変換の状態を示す平面図である。
【図３】図１、図２のモード変換器が適用される分配器の一実施形態を示す平面図である。
【図４】図１、図２のモード変換器が適用されるマジックＴの一実施形態を示す平面図である。
【図５】図１、図２のモード変換器が適用されるマジックＴの一実施形態を示す平面図である。
【図６】図５のマジックＴの変形例を示す平面図である。
【図７】モード変換器の他の例を示す平面図である。
【図８】分配器の他の例を示す平面図である。
【図９】マジックＴ３０Ｃの平面図である。
【図１０】マジックＴ３０Ｃの特性を示すシミュレーションデータの図表で、（ａ）はレベルを示し、（ｂ）はポート＃３と＃４の位相を示している。
【図１１】マジックＴ３０Ｃの特性を示すシミュレーションデータの図表で、（ａ）はレベルを示し、（ｂ）はポート＃３と＃４の位相を示している。
【図１２】非特許文献１，２に記載された、電磁波を他の伝搬モードに変換して利用するようにしたモード変換器の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図１は、本発明に係るモード変換器の一実施形態を示す斜視図である。図２は、電磁波のモード変換の状態を示す平面図である。なお、矢印で示すＸＹＺは、３次元座標系における各方向を示したものである。
【００２９】
モード変換器１０は、導波管１１と導波管１２とを備えている。導波管１１は、一端側が開口されたポート＃１を有し、一の方向（Ｘ方向）に所定長を有しており、その後端１１ａは閉塞されている。導波管１１は、断面方形状をなし、各側面は例えばアルミニウム等の導電性材料からなる板状の側壁で構成されている。また、導波管１１の断面は、Ｙ方向の長尺側寸法とＺ方向の短尺側寸法とで設定され、これらの寸法は、伝搬対象の電磁波の周波数（管内波長）に依存して設定されている。例えば、１０ＧＨｚの電磁波（マイクロ波）を伝搬させる場合、導波管１１の長尺側寸法は、ＴＥ１０モードの電磁波が伝搬可能なように、ＴＥ１０モードにおける管内波長の１／２（カットオフ波長）以上で、ＴＥ２０モードにおける管内波長の１／２（カットオフ波長）以下の所定値、例えば２２．９ｍｍに設定されている。ポート＃１の開口面には、基本波の電界強度分布が示されている。なお、導波管１１の短尺側寸法は、ＴＥｎ０モードの伝搬に影響を与えないため、例えば長尺側寸法の１／２程度の所定値に設定されている。導波管１１は管軸方向に所定長を有する。
【００３０】
なお、方形導波管のＴＥｍｎモードのカットオフ周波数ｆcは、導波管の長尺側寸法をａ（メートル）、短尺側寸法をｂ（メートル）とするとき、
ｆc＝√｛（ｍπ／ａ）２＋（ｎπ／ｂ）２｝／２π√(εμ)
で表される。但し、εは導波管内媒質の誘電率、μは導波管内媒質の透磁率である。
【００３１】
導波管１２は、両端が開口されており、一端が導波管１１を構成する側面のうちのＹ方向の側面に連通し、Ｙ方向に延設されて、他端にポート＃２を有する。導波管１１の側面であって導波管１２と連通する側面の側壁は除去されており、これにより導波管１２との連通が確保されている。
【００３２】
導波管１２は、断面方形状をなし、Ｚ方向の短尺側寸法は導波管１１と同一である一方、Ｘ方向の長尺側寸法は、ＴＥｎ０（ｎは２以上の整数）モード、ここではＴＥ２０（ｎ＝２）モードの電磁波が伝搬可能な寸法に設定されている。本実施形態では、ＴＥ２０モードにおける管内波長の１／２（カットオフ波長）以上で、ＴＥ３０モードにおける管内波長の１／２（カットオフ波長）以下の所定値、例えば３７．５ｍｍに設定されている。ポート＃２の開口面には、ＴＥ２０モードの電界強度分布が示されている。
【００３３】
かかる構成において、所定周波数、ここでは１０ＧＨｚの電磁波がポート＃１から入力されると、この電磁波は、導波管１１の後端１１ａに向かって伝搬し、後端１１ａで反射成分と導波管１２側に偏向する成分とに分かれる。導波管１２側に偏向した電磁波は、長尺側寸法がＴＥ２０モードまで伝搬可能であるため、一部が導波管１２でＴＥ２０モードに変換される。そして、モード変換された電磁波は、導波管１２を伝搬して、先端のポート＃２から出力される。従って、モード変換器１０は、ポート＃１に入力したＴＥ１０モードの電磁波の一部を、ＴＥ２０モードに変換してポート＃２から出力する。
【００３４】
また、導波管１１内には、所定形状、例えば円柱状を有する金属製のポスト１１１（第２の金属体）が設けられている。ポスト１１１はコーナー用（反射抑圧用）であって、導波管１１のポート＃１から入力され、後端１１ａで反射する電磁波の反射量を抑圧し、導波管１２に効率的に偏向させるものである。図１、図２に示すように、ポスト１１１は、導波管１１の後端１１ａ近傍に所定本数、例えば２本が所定間隔を置いて、側壁のうちのＺ方向における下壁から上壁（長尺側の対向する両側壁）に亘って立設されている。ポスト１１１の配置位置を調整することにより、導波管１１の後端１１ａで生じる寄生リアクタンスを打ち消し、インピーダンス整合をとることができる。
【００３５】
また、導波管１２の導波管１１と連通する部位の近傍あって長尺側（Ｘ方向）の中間位置には、所定形状、例えば円柱状を有する金属製のポスト１２１（第１の金属体）が設けられている。ポスト１２１は分岐用であって、導波管１１から導波管１２に偏向される電磁波をＴＥ１０モードからＴＥ２０モードに効率的に変換するためのものである。図１、図２に示すように、ポスト１２１は、所定本数、例えば２本が所定間隔を置いて、側壁のうちのＺ方向における下壁から上壁に亘って立設されている。ポート＃２断面に見られるように、理想的なＴＥ２０モードは、長尺側（Ｘ方向）の中間位置では電界が０となるが、ポスト１２１を立設することにより、強制的に中間位置での電界を０とすることができ、ＴＥ２０モードへの変換効率を向上することができる。
【００３６】
ポストは、長尺側の対向する両側壁（下壁と上壁）に亘って立設されることで、この位置の電界強度をゼロに設定するものである。なお、ポストの数、位置及び形状は、図１，２に限定されず、効果的な反射抑圧、分岐性能を図るべく種々の態様が採用可能であり、従来のプランジャやリアクタンス窓、整合用付加線路等に比して設計の自由度が高いという利点がある。また、例えば、前記及び以後の実施形態において、ポストの形状としては、柱状であれば円形の他、多角形でもよく、また短冊状であってもよい。
【００３７】
図３は、図１、図２のモード変換器が適用される分配器の一実施形態を示す平面図である。図３に示す分配器２０は、モード変換器１０と、モード変換器１０のポート＃２に連設されたＴ字状の導波路を有する分岐回路２１とを備えている。
【００３８】
Ｔ字状の分岐回路２１は、Ｘ方向の中間で−Ｙ方向に延びる中間のポート（便宜上、＃２’という）と、±Ｘ方向に延び、先端にそれぞれ開口が形成されたポート＃３，＃４とを有する。分岐回路２１のポート＃２’は、導波管１２のポート＃２に連通すると共に、ポート＃２の断面形状と同一の断面形状を有している。分岐回路２１の導波路の部分及びポート＃３，＃４の断面形状は、導波管１１の長尺側寸法及び短尺側寸法と同一に設定されている。
【００３９】
なお、分岐回路２１のポート＃２’の奥側（Ｙ方向）の側壁２１ａ近傍には、ポスト２１１（分配器の第３の金属体）が立設されている。ポスト２１１は、分岐性能、すなわち整合をよくするもので、本実施形態では、４本がＹ方向に対して軸対称に設けられているが、本数、位置は整合状況を考慮して適宜の本数が採用可能である。
【００４０】
かかる構成において、所定周波数、ここでは１０ＧＨｚの電磁波がポート＃１から入力されると、この電磁波は、導波管１１の後端１１ａに向かって伝搬し、後端１１ａで一部が導波管１２側に偏向する。導波管１２側に偏向した電磁波は、長尺側寸法がＴＥ２０モードまで伝搬可能にしてあるため、一部が導波管１２でＴＥ２０モードに変換される。そして、モード変換された電磁波は、導波管１２を伝搬して、先端のポート＃２から出力される。ポート＃２から出力されたＴ２０モードの電磁波は分岐回路２１でＴＥ１０モードの電磁波に変換され、等分に分配されて、ポート＃３，＃４から出力される。このとき、ポート＃３、ポート＃４から出力される電磁波は、同振幅かつ逆位相（１８０°差）となる。従って、従来のように、ポート＃３，＃４の一方側に、λ／２の延長線路を設ける必要がなく、その分小型化が図れることになる。
【００４１】
なお、ポスト２１１は、図３ではＹ方向に対して軸対称に設けられているが、ポート＃３，＃４のうちの所望する一方側に所定寸法だけ変位させてもよい。このようにすれば、変位量に応じて、変位方向の出力パワーを減少させる一方、変位方向と逆側の出力パワーを増大させることができ、これにより所要の分配比を付与することが可能となる。
【００４２】
図４、図５は、図１、図２のモード変換器が適用されるマジックＴの一実施形態を示す平面図である。図４に示すマジックＴ３０は、モード変換器１０と、モード変換器１０のポート＃２に連設された十字状の導波路を有する分岐回路３１とを備えている。
【００４３】
十字状の分岐回路３１は、Ｘ方向の中間で−Ｙ方向に延びる中間のポート（便宜上、＃２’という）と、±Ｘ方向に延び、先端にそれぞれ開口が形成されたポート＃３，＃４と、ポート＃２’の奥側（Ｙ方向）の側壁２１ａからＹ方向に延設され、その先端に開口が形成されたポート＃５とを有する。分岐回路３１のポート＃２’は、導波管１２のポート＃２に連通すると共に、ポート＃２の断面形状と同一の断面形状を有している。分岐回路３１の導波路の部分及びポート＃３，＃４，＃５の断面形状は、導波管１１の長尺側寸法及び短尺側寸法と同一に設定されている。
【００４４】
かかる構成において、ポート＃１から電磁波が入力されると、図３における動作で説明したように、λ／２の延長線路を設けることなく、ポート＃３、ポート＃４から同振幅かつ逆位相（１８０°差）の電磁波が出力され、ポート＃５からは出力されない。一方、ポート＃５から電磁波が入力されると、ポート＃３、ポート＃４から同振幅かつ同位相の電磁波が出力され、ポート＃１からは出力されない。このように、ポート＃１とポート＃５との間で完全に信号が分離され、マジックＴとして動作する。そして、Ｚ方向に構造の変化がなく、従来のような３次元方向に構造を有するマジックＴとは異なるため、いわば平面回路でマジックＴを実現することができる。従って、マジックＴを平面回路で構成し得ることから、製造が簡易で、かつ小型化が可能で、さらに周辺部材との接続も、その作業も容易となる。また、平面回路であるため、電界の集中部位がない分、耐電力性が向上する。
【００４５】
なお、図５に示すように、導波管１２の長尺側の両端近傍には１対のポスト１２２が立設されると共に、分岐回路３１のポート＃２’の近傍で、かつポート＃２’の長尺側の中間位置にはポスト３１１（マジックＴの第３の金属体）が立設されている。また、分岐回路３１のポート＃５の基部であって長尺側の両端近傍には、１対のポスト３１２（マジックＴの第４の金属体）が立設されている。ポスト１２２，３１１は、ポート＃５から入力された電磁波に対する整合用であり、ポスト３１２は、ポート＃１から入力された電磁波に対する整合用である。ポスト１２２，３１１及びポスト３１２を設けることで、図４の構造に比して、反射レベルを抑圧でき、かつ分配効率を改善することができる。なお、ポスト１２２，３１１及びポスト３１２は各整合状況を考慮して適宜の本数、位置が設定可能である。
【００４６】
図６は、図５のマジックＴの変形例を示す平面図である。図６は、モード変換器１０の導波管１１に代えて導波管１３を採用したものである。導波管１３は、導波管１１の途中であってポート＃１側を−Ｙ方向に曲げたものである。導波管１３と導波管１２とでモード変換器１０Ｂが構成されている。モード変換器１０Ｂと分岐回路３１とでマジックＴ３０Ｂが構成されている。かかる導波管１３を採用することで、ポート＃１、＃３，＃４，＃５が十字状の配置に対応、乃至は各ポートの開口が直交することになるため、他の部品との接続が容易となる。なお、導波管１３のコーナー部分には反射抑圧用の金属体１１２が設けられている。
【００４７】
図７は、モード変換器の他の例を示す平面図で、ＴＥ１０モードの電磁波が併記されている。図７は、導波管１１，１２に代えて導波管１４，１５を採用して、モード変換器１０Ｃを構成したものである。導波管１４は、導波管１１と断面形状及び寸法は同一である一方、後述するＴＥ３０モードに対応させるべく、Ｘ方向に所定寸法だけ長目に製作されている。導波管１５は、両端が開口されており、一端が導波管１４を構成する側面のうちのＹ方向の側面に連通している。導波管１５は、断面の長尺側寸法がＴＥ３０（ｎ＝３）モードの電磁波が伝搬する寸法に設定されている。ＴＥ３０モードにおける管内波長の１／２（カットオフ波長）以上で、ＴＥ４０モードにおける管内波長の１／２（カットオフ波長）以下の所定値、例えば５２．５ｍｍ程度に設定されている。
【００４８】
かかる構成において、所定周波数、ここでは１０ＧＨｚの電磁波がポート＃１から入力されると、この電磁波は、導波管１４の後端１４ａに向かって伝搬し、後端１４ａで反射成分と導波管１５側に偏向する成分とに分かれる。導波管１５側に偏向した電磁波は、長尺側寸法がＴＥ３０モードまで伝搬可能にしてあるため、一部が導波管１５でＴＥ３０モードに変換される。そして、モード変換された電磁波は、導波管１５を伝搬して、先端のポート＃２から出力される。従って、モード変換器１０Ｃは、ポート＃１に入力したＴＥ１０モードの電磁波の一部を、ＴＥ３０モードに変換してポート＃２から出力する。
【００４９】
導波管１４，１５内には、図１，２に示すモード変換器１０のポスト１１１，１２１に相当するポスト１４１，１５１が設けられている。ポスト１５１（分岐用金属体）は、導波管１５の長尺側寸法を３等分する位置に、すなわち２本立設され、導波管１４から導波管１５に偏向される電磁波をＴＥ１０モードからＴＥ３０モードに効率的に変換している。
【００５０】
なお、一般に、モード変換器のポート＃２を有する導波管の長尺側寸法は、ＴＥ１０モードからＴＥｎ０モードへの変換に当たって、ｎ×λ／２にする必要がある。さらに、ポスト１５１の本数は、λ／２間隔で設ける必要があることから、（ｎ−１）本となる。
【００５１】
図８は、分配器の他の例を示す平面図である。図８は、図７に示すモード変換器１０Ｃのポート＃２に導波管２２，２３，２４を並列接続したもので、ここでは１／３分配器である。導波管２２，２３，２４は、同一形状で、長尺側寸法がλ／２を有し、両端が開口されている。導波管２２，２３，２４は、ポート＃２のＸ方向に所定の隙間を置いて並列に連設され、それらの先端に、ポート＃２ａ，＃２ｂ，＃２ｃが形成されている。これによれば、簡易な構造で、一般的な小型の１／ｎ分配器を実現することができる。
【００５２】
図９は、マジックＴ３０Ｃの平面図で、図１０，図１１は、マジックＴ３０Ｃの特性を示すシミュレーションデータの図表である。図９に示すマジックＴ３０Ｃは、ポート＃１の長尺側寸法が２２．９ｍｍ、短尺側寸法が１０．２ｍｍ、ポート＃２の長尺側寸法が３７．５ｍｍである。また、図９は、ポート＃１，＃２の長尺側寸法に対して所定の寸法比率で表現されており、他の部分の寸法及び各ポスト１１１〜３１３の直径は前記所定寸法比率と図面とから実際の寸法が換算可能である。
【００５３】
図１０は、電磁波がポート＃１から入力された時の各ポートへの出力状態を示す図表で、（ａ）はレベルを示し、（ｂ）はポート＃３と＃４の位相を示している。図１１は、電磁波がポート＃５から入力された時の各ポートへの出力状態を示す図表で、（ａ）はレベルを示し、（ｂ）はポート＃３と＃４の位相を示している。なお、図において、|Ｓｉｊ｜とは、ポート＃ｉから電磁波が入力された時のポート＃ｊへの出力を示す。ａｎｇは位相を示している。
【００５４】
図１０（ａ）に示すように、電磁波がポート＃１から入力された時には、ポート＃３，＃４には１０ＧＨｚ辺りで、−３ｄＢ（分配分に相当）であり、ほとんど減衰することなく均等に分配されて出力されていることが判る。一方、ポート＃１，＃５には１０ＧＨｚ辺りで、−３０ｄＢ程度減衰していることが判る。また、図１０（ｂ）から、ポート＃３，＃４間の位相差が１８０°であることが判る。従って、マジックＴとして充分に機能していることが判る。
【００５５】
次に、図１１（ａ）に示すように、電磁波がポート＃５から入力された時には、ポート＃３，＃４には１０ＧＨｚ辺りで、−３ｄＢであり、ほとんど減衰することなく均等に分配されて出力されていることが判る。一方、ポート＃１，＃５には１０ＧＨｚ辺りで、−３０ｄＢ〜−３５ｄＢ程度減衰していることが判る。また、図１１（ｂ）から、ポート＃３，＃４間の位相差が０°であることが判る。
【００５６】
本発明は、以下の態様を採用することが可能である。
【００５７】
（１）図１〜図６では、伝送路として導波管を用いたもので説明したが、本発明は、導波管に代えて、ＳＩＷ（substrate-integratedwaveguide）線路としてもよい。ＳＩＷ線路は電磁界分布が導波管のものとほぼ同一であるため、ＳＩＷ回路でも同様な回路設計が可能である。また、ＳＩＷ回路を使用した場合、マイクロストリップ線路への接続が容易となる。
【００５８】
（２）本実施形態では、モード変換器、分配器、及びマジックＴにおいて、これらを構成する各導波管、分岐回路（導波路）をＸ，Ｙ方向に対して平行、すなわち互いに直交するように製作したが、これに限定されず、ＸＹ平面上であれば、実質的に直交する角度範囲であってもよく、用途等によってはそれ以上の、例えばＸ方向やＹ方向に対して１０°〜２０°程度で傾斜していてもよい。
【００５９】
（３）本実施形態では、モード変換器の１つのポートから入力された電磁波を複数のポートから出力する分配器として説明したが、この分配器は、逆に出力側の複数のポートから電磁波を入力し、モード変換器の１つのポートに合成して出力する電力合成器としても作用する、電力の合成器及び分配器（電力合波／分配器）である。
【符号の説明】
【００６０】
１０，１０Ｂ，１０Ｃ  モード変換器
１１，１２，１３，１４，１５，２２，２３，２４  導波管
２０  分配器（電力合成／分配路）
２１  Ｔ字状の分岐回路
３０，３０１Ｂ，３０Ｃ  マジックＴ（平面マジックＴ）
３１  十字状の分岐回路
１１１〜３１３  ポスト
＃１，＃２，＃３，＃５，＃５，＃３１，＃３２，＃３３  ポート
【図１】
2010273151.tif 000003
【図２】
2010273151.tif 000004
【図３】
2010273151.tif 000005
【図４】
2010273151.tif 000006
【図５】
2010273151.tif 000007
【図６】
2010273151.tif 000008
【図７】
2010273151.tif 000009
【図８】
2010273151.tif 000010
【図９】
2010273151.tif 000011
【図１０】
2010273151.tif 000012
【図１１】
2010273151.tif 000013
【図１２】
2010273151.tif 000014