(57)【要約】【課題】バトラーマトリクス給電回路を１層の基板で構成でき、また、１個の給電回路でも２系統の給電回路が構成できる分配合成回路を提供する。【解決手段】外周面が円滑な曲面を呈する立体の誘電体の外周部から、深さの異なる３種以上の孔が、当該誘電体の中心に向けて互いに干渉しないように周方向に適宜間隔を保持して外周部の全体に複数空けられた誘電体レンズ１０と、誘電体レンズ１０の表面に接続される複数の入力信号線路２０と、誘電体レンズ１０の表面における入力信号線路２０の接続位置以外の位置に接続される複数の出力信号線路３０とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周面が円滑な曲面を呈する立体の誘電体の外周部から、深さの異なる３種以上の孔が、当該誘電体の中心に向けて互いに干渉しないように周方向に適宜間隔を保持して前記外周部の全体に複数空けられた誘電体レンズと、
前記誘電体レンズの表面に接続される複数の入力信号線路と、
前記誘電体レンズの表面における前記入力信号線路の接続位置以外の位置に接続される複数の出力信号線路と
を備えることを特徴とする分配合成回路。
【請求項２】
前記誘電体レンズの形状が球体の場合において、
前記孔の深さは、前記球体の半径の６分のｎ、但しｎは５以下の整数であることを特徴とする請求項１に記載の分配合成回路。
【請求項３】
前記孔の直径は、使用する周波数の波長の３分の１以下の長さであることを特徴とする請求項１又は２に記載の分配合成回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばフェーズドアレーアンテナ等の給電回路に用いる分配合成回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
フェーズドアレーアンテナに用いる給電回路としては、例えば非特許文献１に開示された４ポートバトラーマトリクス給電回路が知られている。また、例えば非特許文献２に開示されたロットマンレンズ給電回路が知られている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】K.Uehara, T. Seki, and K. Kagoshima, “A Planar Sector Antenna for Indoor High-Speed Wireless Communication Systems” , IEICE Trans. Commun., Vol. E79-B, No.12, pp.1773-1777, Dec. 1996.
【非特許文献２】W. Rotman and R. F. Turner, “Wide-angle microwave lens for line source applications,” IEEE Trans. Antennas Propag., Vol. AP-11, No.11, pp. 623-632, Nov 1963.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の４ポートバトラーマトリクス給電回路は、複数のハイブリッド回路と移相器とで構成され、ポート数が４ポートを超えると高周波信号を伝達する信号線を交差させる部分が必要である。よって、１層のみの基板では製造できない課題がある。また、ロットマンレンズ給電回路は、水平面成型用と垂直面形成用の２系統の平面レンズから成る多ポート入出力分配器が必要であることから、周波数が高い場合に回路損失が大きくなるという課題がある。
【０００５】
本発明は、これらの課題に鑑みてなされたものであり、バトラーマトリクス給電回路を１層の基板で構成でき、また、１個の給電回路でも２系統の給電回路が構成できる分配合成回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本実施形態の一態様に係る分配合成回路は、外周面が円滑な曲面を呈する立体の誘電体の外周部から、深さの異なる３種以上の孔が、当該誘電体の中心に向けて互いに干渉しないように周方向に適宜間隔を保持して前記外周部の全体に複数空けられた誘電体レンズと、前記誘電体レンズの表面に接続される複数の入力信号線路と、前記誘電体レンズの表面における前記入力信号線路の接続位置以外の位置に接続される複数の出力信号線路とを備えることを要旨とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、バトラーマトリクス給電回路を１層の基板で構成でき、また、１個の給電回路でも２系統の給電回路が構成できる分配合成回路を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態に係る分配合成回路の斜視図を示す図である。
【図２】図１に示す分配合成回路のｘ−ｙ断面を示す図である。
【図３】図１に示す分配合成回路の誘電体レンズの断面を示す図である。
【図４】図３に示す誘電体レンズの信号の透過特性を示す図であり、（ａ）は孔径が3mm、（ｂ）は孔径が2mmの透過特性を示す図である。
【図５】図３に示す誘電体レンズの透過特性を、有限要素法で解析した結果を示す図である。
【図６】本発明の実施形態に係る分配合成回路の変形例のｘ−ｙ断面を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００１０】
図１に、本発明の実施形態に係る分配合成回路１の斜視図を示す。分配合成回路１は、誘電体レンズ１０、入力信号線路２０、及び出力信号線路３０を備える。
【００１１】
入力信号線路２０と出力信号線路３０のそれぞれの本数は、９本の例で示す。なお、入力信号線路２０と出力信号線路３０の本数は、それぞれ１本以上であれば何本でもよい。
【００１２】
入力信号線路２０は、誘電体レンズ１０の表面に接続される複数の信号線路であり、例えば高周波信号を、誘電体レンズ１０に入力する。入力信号線路２０は、例えば導波管である。また、入力信号線路２０は、マイクロストリップ線路、ストリップ線路、サスペンデット線路、コプレーナ線路、の何れであってもよい。
【００１３】
また、入力信号線路２０は、これらの線路から同軸導波変換器などを用いて誘電体線路へ接続する構成、または、導波管と誘電体線路とを組み合わせた構成であってもよい。出力信号線路３０についても同様である。
【００１４】
誘電体レンズ１０は、例えばルーネベルグレンズ等のレンズであり、入力信号線路２０で入力される高周波信号を、内部で屈折・反射させるものである。図１は、誘電体レンズ１０を例えば球体で示す。
【００１５】
誘電体レンズ１０は、例えばテフロン（登録商標）樹脂の半径30mmの球体の外周部から、深さの異なる３種以上の孔が、当該誘電体の中心に向けて互いに干渉しないように周方向に適宜間隔を保持して外周部の全体に複数空けられたものである。よって、入力信号線路２０から誘電レンズ１０に入力された高周波信号は、比誘電率2.1のテフロン樹脂層と、比誘電率1.0の空気層の２つの部分を通過して出力信号線路３０に到達することになる。
【００１６】
球体には、深さの異なる３種以上の孔がお互いに干渉しないように外周部の全体に空けられているので、球体の外周部に近いほど空気層の密度が高く、球体の中心部に近いほど空気層の密度は低くなる。したがって、テフロン樹脂と空気層を足し合わせた比誘電率は、誘電体レンズ１０の中心部で最も大きく、表面に向けて小さくなる。
【００１７】
なお、図１では、誘電体レンズ１０を挟んで入力信号線路２０と対向する位置に出力信号線路３０を配置している。また、入力信号線路２０と出力信号線路３０との配置は、この例に限定されない。出力信号線路３０は、誘電体レンズ１０の表面における入力信号線路２０の接続位置以外の位置に接続すればよい。
【００１８】
以上のように構成される分配合成回路１は、例えばバトラーマトリクス給電回路を１層の基板で構成できる。つまり、高周波信号を伝達する信号線を交差させる作用を誘電体レンズ１０が担うので、信号線を交差する必要があっても入力信号線路２０と出力信号線路３０を一層の基板上に配置することができる。
【００１９】
また、分配合成回路１によれば、水平面成型用と垂直面成型用の２系統の給電回路を容易に構成することができる。例えば、図１のｚ軸方向に、入力信号線路２０と出力信号線路３０を配置すれば1個の誘電体レンズ１０の作用によって、水平面と垂直面の２系統に、高周波信号を分配合成することが可能である。
【００２０】
図２に、図１のｘ−ｙ断面で切断した分配合成回路１の断面図を示す。ｘ軸上の３本の入力信号線路２０と出力信号線路３０が確認できる。図２を参照して更に詳しく本実施形態の分配合成回路１を説明する。
【００２１】
図２において、誘電体レンズ１０の中心から表面に向けて一点鎖線の円で示す階層構造は、比誘電率が階層的に異なることを表している。入力信号線路２０から誘電体レンズ１０に入力された例えば高周波信号は、テフロン樹脂層と空気層の界面で屈折・反射して出力信号線路３０から出力される。反射には、誘電体レンズ１０の内側表面で反射するものも含まれる。したがって、入力信号線路２０から誘電体レンズ１０に入力された高周波信号は分散して出力信号線路３０から出力される。
【００２２】
（誘電体レンズ）
図３に、誘電体レンズ１０の断面図を示す。図３は、図２の分配合成回路１から誘電体レンズ１０を取り出した図である。
【００２３】
誘電体レンズ１０は、90度の中心角ごとに半径の６分の５の深さの孔、45度の中心角ごとに半径の６分の４の深さの孔、22.5度の中心角ごとに半径の６分の３の深さの孔、11.25度の中心角ごとに半径６分の２の深さの孔、及び5.625度の中心角ごとに半径の６分の１の深さの孔を備える。これらの孔は、階段状に変化する比誘電率の変化を形成する。この例では、６段階の比誘電率の層が形成される。
【００２４】
図３に示す５種類の孔は、約2.94mmの間隔を空けて円周上に６４個設けられる。例えば、孔の深さを４種類とした場合の孔の間隔は、約5.88mmである。このように孔の間隔は、その孔（深さ）の種類数に応じて適宜決定される。
【００２５】
図４に、孔径と周波数特性の関係を示す。図４（ａ）は孔径＝3mm、（ｂ）は孔径＝2mmである。図４の横軸は周波数、縦軸はＳパラメータＳ２１［dB］である。誘電体レンズ１０の半径は30mm、材料はテフロン樹脂を用いた。
【００２６】
図４に示すように高周波数信号の透過率は、周波数の上昇と共に徐々に低下し、33GHzを越えると透過率の値が急激に悪化する周波数が出現するようになる。透過率の値が急激に悪化する33GHzの波長λは、約9.1mmである。よって、図４（ａ）の特性（孔径＝3mm）から、孔径は、使用する周波数信号の波長λの３分の１の大きさにする必要があると考えられる。
【００２７】
このことは、図４（ｂ）に示す特性（孔径＝2mm）でも確認できる。孔径＝2mmは、波長λに換算すると50GHzである。したがって、図４（ｂ）に示すように40GHzまでなだらかに減衰する透過特性を示す。
【００２８】
図５に、図３に示した誘電体レンズ１０の電磁波の透過特性を有限要素法で解析した結果を示す。図５の縦方向はｚ軸方向の電界分布、横方向はｙ軸方向の電界分布を示す。
【００２９】
電界強度は、細かい左斜線のハッチで示す部分が5.0〜3.3kV/m、クロスハッチで示す部分が3.3〜1.7 kV/m、右下がりハッチで示す部分が1.7〜1.0 kV/m、荒い左斜線のハッチで示す部分が1.0〜0.7 kV/m、白で示す部分が0.7〜0 kV/mである。
【００３０】
図５（ａ）から、誘電体レンズ１０のｙ軸上の−方向から入射した高周波信号は、誘電体レンズ１０の反対側の外周面の曲面の３カ所に分配されて出力されている様子が分かる。また、図５（ｂ）から、誘電体レンズ１０の中心角45度付近に入射した高周波信号は、誘電体レンズ１０の内部で曲げられ反対側の曲面のおおよそｙ軸付近の上から、−ｚ方向に出力されている様子が分かる。
【００３１】
このように本実施形態の誘電体レンズ１０の高周波信号に対するレンズ効果を確認することができた。このような高周波信号に対する分配合成特性等は、深さの異なる３種以上の孔を空けることで確認することができる。
【００３２】
（変形例）
図６に、変形例の分配合成回路２を示す。図６は、図１と図２の関係と同様に分配合成回路２をｘ−ｙ断面で切断した断面図である。分配合成回路２の誘電体レンズ１１は、例えばラグビーボールに似た立体形状である。
【００３３】
誘電体レンズ１１のｘ−ｙ断面は、楕円形である。このように誘電体レンズの形状は、球体に限られない。
【００３４】
また、誘電体レンズ１１は、球状、ラグビーボール状の立体で無くてもよい。例えば、断面が円の円板形状であってもよい。例えば、図１の例では、誘電体レンズ１０を球の例を示したが、図１に示す入力信号線路２０と出力信号線路３０の例では、誘電体レンズ１０の形状は円板でよい。つまり、1方向のみに信号を分散させる場合の誘電体レンズ１０は、入力信号線路２０と出力信号線路３０の厚みを持つ円板でよい。また、円柱形状でもよい。この場合、比誘電率は、z軸方向において変化しない。
【００３５】
（製造方法）
誘電体レンズ１０,１１は、例えば、テフロン樹脂、液晶ポリマー樹脂などの誘電体材料を用いて形成する。誘電体レンズ１０,１１は、３次元彫像装置（３Ｄプリンター）による成型で容易に形成することが可能である。なお、入力信号線路２０と出力信号線路３０も同時に形成することが可能である。
【００３６】
本実施形態の分配合成回路の製造方法は、分配合成回路１,２が、外周面が円滑な曲面を呈する立体の誘電体の外周部から、深さの異なる３種以上の孔が、当該誘電体の中心に向けて互いに干渉しないように周方向に適宜間隔を保持して外周部の全体に複数空けられた誘電体レンズ１０,１１と、誘電体レンズ１０,１１の表面に接続される複数の入力信号線路２０と、誘電体レンズ１０,１１の表面における入力信号線路２０の接続位置以外の位置に接続される複数の出力信号線路３０とを備え、その製造は、誘電体レンズ１０,１１、入力信号線路２０、及び出力信号線路３０を３次元彫像装置を用いて一体成型する。
【００３７】
以上説明したように本実施形態の分配合成回路によれば、誘電体レンズ１０の表面にアレーアンテナのアンテナ素子と対応する入力信号線路２０と出力信号線３０とを配置した簡易な構造で、例えばフェーズドアレーアンテナ用給電回路を実現することができる。また、水平垂直成型用の給電回路を一体で実現することができるため小型化が可能であり、回路による損失も低減させることができる。
【００３８】
なお、実施形態に沿って本発明の内容を説明したが、本発明はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変形及び改良が可能であることは、当業者には自明である。例えば、図１に示す入力信号線路２０と出力信号線路３０は、ｙ軸方向に設ける例を示したが、z軸方向の外周面に配置するようにしてもよい。このように本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で変形が可能である。
【符号の説明】
【００３９】
１、２：分配合成回路
１０、１１：誘電体レンズ
２０：入力信号線路
３０：出力信号線路
【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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