(57)【要約】【課題】波面変換による特性劣化がなく、電波ハーフミラーの設計に高い自由度を与え、空間放射による損失が少なく、小型な構造で周波数可変でき、フィルタとして特性を高く維持できるミリ波帯フィルタを提供する。【解決手段】ミリ波帯の所定周波数範囲の電磁波をＴＥ１０モードで一端側から他端側へ伝搬させる断面長方形の導波路を有する導波管２１と、その導波管内で導波路を塞ぐようにして所定距離隔てて固定された一対の電波ハーフミラー４０Ａ、４０Ｂとを有し、電波ハーフミラー４０Ａ、４０Ｂの間に形成される共振器の共振周波数を中心とする周波数成分を選択的に通過させるミリ波帯フィルタであって、導波管２１は、電波ハーフミラー４０Ａ、４０Ｂの間に形成される断面長方形の導波路２２ｂを囲む４つの壁面のうち、短辺に沿った壁面２３ｃ、２３ｄの間隔Ｗを可変させることで共振周波数を可変している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ミリ波帯の所定周波数範囲の電磁波をＴＥ１０モードで一端側から他端側へ伝搬させる断面長方形の導波路を有する導波管（２１）と、
前記所定周波数範囲の電磁波の一部を透過させ、一部を反射させる特性をもち、前記導波管内で前記導波路を塞ぐようにして所定距離隔てて固定された一対の電波ハーフミラー（４０Ａ、４０Ｂ）とを有し、
前記所定周波数範囲の電磁波のうち、前記一対の電波ハーフミラーの間に形成される共振器の共振周波数の電磁波を選択的に通過させるミリ波帯フィルタであって、
前記導波管は、前記一対の電波ハーフミラーの間に形成される断面長方形の導波路を囲む４つの壁面のうち、前記断面長方形の短辺に沿った壁面の間隔を可変できる構造を有しており、
該短辺に沿った壁面の間隔の可変により、前記共振周波数を可変できるようにしたことを特徴とするミリ波帯フィルタ。
【請求項２】
前記一対の電波ハーフミラーの間に形成される断面長方形の導波路を囲む４つの壁面のうち、前記断面長方形の短辺に沿った壁面から前記導波管外周面まで連続するエアダクト（６０）を設けたことを特徴とする請求項１記載のミリ波帯フィルタ。
【請求項３】
ミリ波帯の所定周波数範囲の電磁波をＴＥ１０モードで一端側から他端側へ伝搬させる断面長方形の導波路を有する導波管（２１）と、
前記所定周波数範囲の電磁波の一部を透過させ、一部を反射させる特性をもち、前記導波管内で前記導波路を塞ぐようにして所定距離隔てて固定された一対の電波ハーフミラー（４０Ａ、４０Ｂ）とを有し、
前記所定周波数範囲の電磁波のうち、前記一対の電波ハーフミラーの間に形成される共振器の共振周波数の電磁波を選択的に通過させるミリ波帯フィルタの共振周波数可変方法であって、
前記導波管の前記一対の電波ハーフミラーの間に形成される断面長方形の導波路を囲む４つの壁面のうち、前記断面長方形の短辺に沿った壁面の間隔を可変することにより、前記共振周波数を可変することを特徴とするミリ波帯フィルタの共振周波数可変方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ミリ波帯に用いるフィルタに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ユビキタスネットワーク社会を迎え、電波利用ニーズが高まる中、家庭内のワイヤレスブロードバンド化を実現するＷＰＡＮ（ワイヤレスパーソナルエリアネットワーク）や安全・安心な運転をサポートするミリ波レーダー等のミリ波帯無線システムが利用され始めている。また、１００ＧＨｚ超無線システム実現への取組も積極的に行われてきている。
【０００３】
その一方で、６０〜７０ＧＨｚ帯の無線システムの２次高調波評価や１００ＧＨｚ超の周波数帯における無線信号の評価については、周波数が高くなるにつれ測定器の雑音レベル及びミキサの変換損失が増加するとともに周波数精度が低下するため、１００ＧＨｚを超える無線信号の高感度、高精度測定技術が確立されていない状況となっている。しかも、これまでの測定技術では局部発振の高調波を測定結果から分離することができず、不要発射等の厳密な測定が困難となっている。
【０００４】
これらの技術課題を克服し、１００ＧＨｚ超帯域無線信号の高感度・高精度測定を実現するためには、イメージ応答及び高次高調波応答を抑制するためのミリ波帯の狭帯域なフィルタ技術の開発が必要であり、特に、可変周波数型（チューナブル）に適応可能なものが望ましい。
【０００５】
これまで、ミリ波帯で周波数可変型として用いられるフィルタとしては、（ａ）ＹＩＧ共振器を用いたもの、（ｂ）バラクタダイオードを共振器に付加したもの、（ｃ）ファブリペロー共振器が知られている。
【０００６】
（ａ）のＹＩＧ共振器を用いたものでは現状で８０ＧＨｚ程度まで使用できるものが知られ、（ｂ）のバラクタダイオードを共振器に付加したものでは４０ＧＨｚ程度まで使用できるものが知られているが、１００ＧＨｚを超える周波数では製造が困難である。
【０００７】
これに対し、（ｃ）のファブリペロー共振器は光の分野でよく用いられており、これをミリ波に用いる技術が非特許文献１に開示されている。この非特許文献１には、ミリ波を反射させる一対の球面反射鏡を、その曲率半径に等しい間隔で対向させて高いＱを実現した共焦点型のファブリペロー共振器が示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】手代木  扶、米山  務  著「新ミリ波技術」オーム社，１９９３年，ｐ７０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記共焦点型のファブリペロー共振器では、通過帯域をチューニングするために鏡面間の距離を動かした場合、原理的に焦点がずれるためＱの大幅な低下が予想される。したがって周波数毎に曲率の違う反射鏡対を選択的に用いなければならない。
【００１０】
一方、光の分野でよく用いられるファブリペロー共振器としては平面型ハーフミラーを対向配置した構造のものがあり、この構造であれば、原理的に鏡面間の距離を変化させてもＱの低下は生じないが、この平面型ファブリペロー共振器を利用したフィルタをミリ波帯で実現するためには、さらに解決すべき次のような課題があった。
【００１１】
（Ａ）ハーフミラーに平面波を平行に入射する必要がある。フィルタへの入力が導波管の場合、その径をホーンアンテナのように大きくし平面波を実現することが考えられるがサイズが大きくなる。その場合でも完全平面波の実現は困難であり特性が劣化する。
（Ｂ）ハーフミラーは平面波の一定量を平面波のままで透過させる機能をもつ必要がある。このためハーフミラーの構造が制限され、設計の自由度が低い。
（Ｃ）開放型であるため、空間に放射することによる損失が大きい。
【００１２】
上記課題を解決するミリ波帯フィルタとして、図６のように、ミリ波帯の所定周波数範囲の電磁波をＴＥ１０モードで一端から他端に伝搬させる導波管１によって形成される導波路１ａの内部に、前記所定周波数範囲の電磁波の一部を透過させ、一部を反射させる特性をもつ平面型の一対の電波ハーフミラー２、３を互いに間隔を開けて対向配置し、それら一対の電波ハーフミラーの間に形成される共振器の共振周波数を中心とする周波数成分を選択的に通過させる構造が考えられる。
【００１３】
上記構造であれば、波面変換による特性劣化がなく、電波ハーフミラーの設計に高い自由度を与えることができ、しかも空間放射による損失が少なくて済む。
【００１４】
そして、一対の電波ハーフミラー２、３の間の電気長を変化させることで共振器の共振周波数を可変することができ、そのために一対の電波ハーフミラーの間隔を可変する機構を用いればよい。
【００１５】
ところが、上記のように一対の電波ハーフミラーの間隔を可変する原理の周波数可変型のミリ波帯フィルタを実際に製造する際には、さらに解決すべき課題がある。
【００１６】
即ち、一対の電波ハーフミラー２、３の間隔を可変する機構を実現する場合、図７のように、所定周波数範囲の電磁波をＴＥ１０モードで伝搬させる第１導波管１１と、第１導波管１１の一端側をその外周との間に隙間のある状態で内部に受け入れる第１導波路１２ａおよび第１導波管１１の導波路１１ａと同内径で第１導波路１２ａと同心に連続する第２導波路１２ｂを有する第２導波管１２とを、導波路の長さ方向に沿って相対的に移動できるようにするとともに、一方の電波ハーフミラー２を第１導波管１１の導波路１１ａの先端に固定し、他方の電波ハーフミラー３を第２導波管１２の第２導波路１２ｂの第１導波路１２ａ寄りの端部に固定する構造となる。
【００１７】
つまり、フィルタの共振周波数を可変するために導波管をその電磁波の伝搬方向に移動させる必要があり、その方向は必然的に導波管との外部回路との接続部分となるから、周波数可変になんら寄与しない外部回路も可動される構造になってしまう。
【００１８】
これを防ぐために、例えば、図８のように、周波数可変のために可動する第１導波管１１の他端側を、固定された第３導波管１５の内側（または外側）に受け入れたフィルタ構造とすることで、周波数可変のために第１導波管１１がスライドしても、フィルタ全体の長さを不変にし、固定された第２導波管１２と第３導波管１５に外部回路を固定接続することができる。
【００１９】
ところが、上記ように３本の導波管を用いた構造はフィルタを大型化してしまい、また摺動部の増加に伴って電磁波の漏れ等による特性悪化を引き起こす。
【００２０】
本発明は、これらの課題を解決し、波面変換による特性劣化がなく、電波ハーフミラーの設計に高い自由度を与えることができ、空間放射による損失が少なくて済み、さらに、小型な構造で周波数可変でき、フィルタとして特性を高く維持できるミリ波帯フィルタおよびその共振周波数可変方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
前記目的を達成するために、本発明の請求項１のミリ波帯フィルタは、
ミリ波帯の所定周波数範囲の電磁波をＴＥ１０モードで一端側から他端側へ伝搬させる断面長方形の導波路を有する導波管（２１）と、
前記所定周波数範囲の電磁波の一部を透過させ、一部を反射させる特性をもち、前記導波管内で前記導波路を塞ぐようにして所定距離隔てて固定された一対の電波ハーフミラー（４０Ａ、４０Ｂ）とを有し、
前記所定周波数範囲の電磁波のうち、前記一対の電波ハーフミラーの間に形成される共振器の共振周波数の電磁波を選択的に通過させるミリ波帯フィルタであって、
前記導波管は、前記一対の電波ハーフミラーの間に形成される断面長方形の導波路を囲む４つの壁面のうち、前記断面長方形の短辺に沿った壁面の間隔を可変できる構造を有しており、
該短辺に沿った壁面の間隔の可変により、前記共振周波数を可変できるようにしたことを特徴とする。
【００２２】
また、本発明の請求項２のミリ波帯フィルタは、請求項１記載のミリ波帯フィルタにおいて、
前記一対の電波ハーフミラーの間に形成される断面長方形の導波路を囲む４つの壁面のうち、前記断面長方形の短辺に沿った壁面から前記導波管外周面まで連続するエアダクト（６０）を設けたことを特徴とする。
【００２３】
また、本発明の請求項３のミリ波帯フィルタの共振周波数可変方法は、
ミリ波帯の所定周波数範囲の電磁波をＴＥ１０モードで一端側から他端側へ伝搬させる断面長方形の導波路を有する導波管（２１）と、
前記所定周波数範囲の電磁波の一部を透過させ、一部を反射させる特性をもち、前記導波管内で前記導波路を塞ぐようにして所定距離隔てて固定された一対の電波ハーフミラー（４０Ａ、４０Ｂ）とを有し、
前記所定周波数範囲の電磁波のうち、前記一対の電波ハーフミラーの間に形成される共振器の共振周波数の電磁波を選択的に通過させるミリ波帯フィルタの共振周波数可変方法であって、
前記導波管の前記一対の電波ハーフミラーの間に形成される断面長方形の導波路を囲む４つの壁面のうち、前記断面長方形の短辺に沿った壁面の間隔を可変することにより、前記共振周波数を可変することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
上記のように、本発明のミリ波帯フィルタは、ＴＥ１０モードのみを伝送する導波管の導波路内部に平面型の一対の電波ハーフミラーで形成された共振器を設けた構造であるから、平面波を入射するための特別な工夫が必要なくなり、また電波ハーフミラーも平面波を透過させる必要がなく任意の形状をとることができる。
【００２５】
また、フィルタ全体として密閉型となり、外部空間への放射による損失が原理上なく、ミリ波帯において、極めて高い選択特性を実現できる。
【００２６】
また、導波管は、一対の電波ハーフミラーの間に形成される断面長方形の導波路を囲む４つの壁面のうち、その断面長方形の短辺に沿った壁面の間隔を可変できる構造を有し、その短辺に沿った壁面の間隔の可変により、共振周波数を可変できるようにしたので、小型に構成できる。
【００２７】
また、エアダクトを設けたものでは、周波数可変の際に生じる空気圧による電波ハーフミラーの歪みを防ぐことができ、安定に周波数可変できる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明のミリ波帯フィルタの基本構造を示す図
【図２】電波ハーフミラーの構造例と可動ブロックの配置の関係を示す図
【図３】電波ハーフミラーの間の導波路の短辺に沿った壁面間隔を可変したときのフィルタの特性変化を示すシミュレーション結果
【図４】片方の壁面だけを可動させるフィルタの構造図
【図５】エアダクトを可動ブロックに設けた例を示す図
【図６】本発明の基礎となるミリ波帯フィルタの原理構造図
【図７】ミリ波帯フィルタを実現する場合の第１の構造例
【図８】ミリ波帯フィルタを実現する場合の第２の構造例
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明のミリ波帯フィルタ２０の基本構造を示している。
【００３０】
図１の（ａ）に示すように、このミリ波帯フィルタ２０は、導波管２１、一対の電波ハーフミラー４０Ａ、４０Ｂおよび共振周波数可変機構５０を有している。
【００３１】
導波管２１は、金属材で断面長方形の角筒状に形成され、ミリ波帯の所定周波数範囲（例えば１１０〜１４０ＧＨｚ）の電磁波をＴＥ１０モード（単一モード）で伝搬させる口径（例えば、幅ａ×高さｂ＝２．０３２ｍｍ×１．０１６ｍｍの長方形）の導波路２２が一端側から他端側に一直線状に連続して形成されている。
【００３２】
導波管２１の中央部には、前記所定周波数範囲の電磁波の一部を透過させ、一部を反射させる特性をもつ一対の電波ハーフミラー４０Ａ、４０Ｂが導波路２２を塞ぐ状態で一定距離隔てて対向するように固定されている。
【００３３】
一対の電波ハーフミラー４０Ａ、４０Ｂは、例えば図２に示しているように、固定される導波路２２の口径に対応した大きさの矩形の誘電体基板４１と、その表面を覆う金属膜４２と、その金属膜４２に設けられた電磁波透過用のスリット４３とを有し、金属膜４２の外周が導波路２２の内壁に接触する状態で固定されていて、スリット４３の形状や面積に対応した透過率で電磁波を透過させる。
【００３４】
導波管２１の内壁で囲まれた導波路２２は、二つの電波ハーフミラー４０Ａ、４０Ｂによって第１導波路２２ａ、第２導波路２２ｂ、第３導波路２２ｃに区画される。
【００３５】
そして、電波ハーフミラー４０Ａ、４０Ｂの間に形成される長方形断面の第２導波路２２ｂを囲む４つの壁面２３ａ〜２３ｄのうち、その長方形の短辺に沿った壁面２３ｃ、２３ｄの間隔Ｗは、共振周波数可変機構５０により可変できるようになっている。
【００３６】
即ち、導波管２１には、第２導波路２２ｂの短辺に沿った両側面から、長辺方向に沿ってそれぞれ導波管２１の両側面２１ａ、２１ｂまで連続するガイド穴５１、５２が貫通形成されている。
【００３７】
このガイド穴５１、５２の高さは、第２導波路２２ｂの高さｂ（短辺＝１．０１６ｍｍ）にほぼ一致し、ガイド穴５１、５２の幅は、第２導波路２２ｂの伝搬方向の長さ（ここでは電波ハーフミラー４０Ａ、４０Ｂの間隔Ｄに等しい）に一致している。
【００３８】
そして、このガイド穴５１、５２には、ガイド穴５１、５２の内周に４つの側面を接するように内接収容され、断面長方形の第２導波路２２ｂの長辺方向に摺動自在な直方体の金属製の可動ブロック５３、５４が配置されている。
【００３９】
したがって、これら二つの可動ブロック５３、５４の互いに対向する内面側は、第２導波路２２ｂの短辺に沿った壁面２３ｃ、２３ｄをなしている。
【００４０】
二つの可動ブロック５３、５４は、導波管２１の側面２１ａ、２１ｂに固定された駆動装置５５、５６と連結されており、この駆動装置５５、５６によって、互いの間隔、即ち、第２導波路２２ｂの短辺側の壁面２３ｃ、２３ｄの間隔Ｗを変化させる。ここで駆動装置５５、５６は、例えば間隔Ｗを第１導波路２２ａ、第３導波路２２ｃの長辺長２．０３２ｍｍから２ｍ程度増加させることができるものであればよく、ステッピングモータ、サーボモータ、ソレノイドを駆動源とするもので構成できる。
【００４１】
上記のように、一対の電波ハーフミラー４０Ａ、４０Ｂの間の第２導波路２２ｂの短辺に沿った壁面間隔Ｗを可変することで、電波ハーフミラー４０Ａ、４０Ｂ間に形成される共振器の共振周波数を可変させることができる。
【００４２】
即ち、導波管の管内波長λｇは、次式で表されることが知られている。
λｇ＝λ／［１−（λ／λC10 ）２］１／２
＝λ／［１−（λ／２ａ′）２］１／２
λ：自由空間波長    λC10 ：ＴＥ０１モードの遮断周波数
ａ′：導波管の開口の長辺
【００４３】
そして、電波ハーフミラー４０Ａ、４０Ｂを対向させた構造のフィルタの共振波長（通過帯域の中心波長）は管内波長λｇの１／２となるから、第２導波路２２ｂの長辺ａ′、即ち、第２導波路２２ｂの短辺に沿った壁面の間隔Ｗを可変することで、フィルタの共振周波数を可変できる。
【００４４】
図３は、ハーフミラー間隔Ｄ＝１．２８ｍｍ、第２導波路２２ｂの短辺に沿った壁面の間隔Ｗを２．０３２ｍｍ（＝ａ）〜４．０３２ｍｍまで０．２ｍｍステップで変化（導波路中心に対して両可動ブロック５３、５４を対称に変化）させたときの共振周波数変化をシミュレーションした結果である。
【００４５】
この図から明らかなように、共振周波数をおよそ１２５ＧＨｚから１４０ＧＨｚの範囲で可変できることがわかる。
【００４６】
上記構造をもつミリ波帯フィルタ２０では、互いに対向する一対の電波ハーフミラー４０Ａ、４０Ｂの間に形成される第２導波路２２ｂの管内波長の１／２で共振する平面型のファブリペロー共振器が形成され、その共振周波数を中心とする周波数成分だけが選択的に通過できる状態となる。
【００４７】
しかも、導波路２２は、ミリ波帯において極めて低損失の閉鎖型の伝送路としての導波管構造で形成され、進行方向に直交する平面にのみ電界が存在するＴＥ波を用いるから、波面変換などの処理は不要で、共振器で抽出された信号成分のみをＴＥ１０モードで極めて低損失に出力させることができる。
【００４８】
また、フィルタ全体としてほぼ密閉型となり、外部空間への放射による損失が少なく、ミリ波帯において、極めて高い選択特性を実現できる。
【００４９】
そして、このミリ波帯フィルタ２０では、一対の電波ハーフミラー４０Ａ、４０Ｂの間に形成された第２導波路２２ｂの短辺に沿った壁面の間隔Ｗを可変することで、電波ハーフミラー４０Ａ、４０Ｂ間に形成される共振器の共振周波数を可変させているから、このフィルタの両端（導波管２１の両端）に外部回路を固定状態で接続することができ、可動吸収用の他の導波管も不要となり、フィルタ全体を小型に構成できる。
【００５０】
なお、ここでは、一対の電波ハーフミラー４０Ａ、４０Ｂの間に形成された第２導波路２２ｂの短辺に沿った両方の壁面を可動させてその間隔を可変していたが、図４のように、一方の壁面だけを可変するようにしても共振周波数を可変できる。
【００５１】
また、上記実施形態では導波管２１や共振周波数可変機構の基本構造を模式的に示したが、実際の構造については任意の変形が可能である。
【００５２】
なお、上記構造で可動ブロック５３、５４を比較的早い速度で移動させたとき、一対の電波ハーフミラー４０Ａ、４０Ｂの間の空間の体積が増減するが、その中に存在する空気が狭い隙間を抜けきらずに内部の圧力が変化し、その圧力によって薄い電波ハーフミラー４０Ａ、４０Ｂに歪みが生じ、フィルタの共振周波数が所望値からずれたり、損失が大きくなる等の問題が生じる可能性がある。
【００５３】
その圧力変化によるフィルタ特性への影響が無視できない場合には、第２導波路２２ｂの短辺に沿った壁面から導波管２１の外周面まで連続するエアダクトを設け、電波ハーフミラー４０Ａ、４０Ｂの間の空間と導波管外部との間で空気が通りやすくすればよい。図５はその一例を示すものであり、第２導波路２２ｂの短辺に沿った壁面を構成する可動ブロック５３の側部にエアダクト６０を形成して、導波路内と導波管２１の外部との間で空気が通りやすくしている。
【００５４】
なお、上記のように第２導波路２２ｂと導波管外部との間に空洞ができることによるフィルタ特性へ影響が心配されるが、矩形導波路の長辺側に比べて短辺側の形状変化の悪影響は少ないことが知られており、エアを抜く程度では問題ないことが確認されている。ここでは、可動ブロック５３にエアダクト６０を設けていたが、ガイド穴５１側にエアダクトを設けたり、図４に示したような可動しない壁面２３ｄから導波管２１の側面２１ｂまで貫通するエアダクトを設けてもよい。
【符号の説明】
【００５５】
２０……ミリ波帯フィルタ、２１……導波管、２２……導波路、２２ａ……第１導波路、２２ｂ……第２導波路、２２ｃ……第３導波路、４０Ａ、４０Ｂ……電波ハーフミラー、５０……共振周波数可変機構、６０……エアダクト
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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