(57)【要約】【課題】金属導波管よりも高い周波数領域でも使用可能な高周波電磁波伝送線路を提供する。【解決手段】高周波電磁波伝送線路１は、周囲１２よりも誘電率が高いコア１１を有する。コア１１の内部を伝搬する電磁波は、コア１１と周囲１２との境界面１３への入射角θ0が臨界角よりも大きければ、境界面１２で全反射されるので、周囲１２には漏れず、コア１１の内部に閉じ込められる。  この高周波電磁波伝送線路１は、中空構造を有しないので、製造が非常に容易である。また、高周波領域で損失の小さい材料を用いて形成することにより、低損失な伝送線路を実現できる。【選択図】  図１
2005175941.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数が０．１ＴＨｚ以上１０ＴＨｚ以下の高周波電磁波を伝送する高周波電磁波伝送線路であって、
所定方向に延び、周囲よりも誘電率が高い誘電体からなるコアを有することを特徴とする高周波電磁波伝送線路。
【請求項２】
請求項１に記載された高周波電磁波伝送線路において、
前記コアは、前記所定方向に垂直な断面が四角形をしていることを特徴とする高周波電磁波伝送線路。
【請求項３】
請求項２に記載された高周波電磁波伝送線路において、
前記コアは、前記所定方向に垂直な断面の一辺の長さが、前記誘電体中を前記高周波電磁波が伝搬する際の波長の１／４倍以上、前記波長以下であることを特徴とする高周波電磁波伝送線路。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載された高周波電磁波伝送線路において、
前記誘電体は、その周囲に対する誘電率の比が２以上１００以下であることを特徴とする高周波電磁波伝送線路。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載された高周波電磁波伝送線路において、
前記コアの周囲を覆い、前記誘電体よりも誘電率が低い周辺部を更に有することを特徴とする高周波電磁波伝送線路。
【請求項６】
請求項５に記載された高周波電磁波伝送線路において、
前記周辺部は、前記所定方向に垂直な方向の厚みが、前記周辺部を構成する媒体中を前記高周波電磁波が伝搬する際の波長以上であることを特徴とする高周波電磁波伝送線路。
【請求項７】
請求項５または６に記載された高周波電磁波伝送線路において、
前記コアは、シリコン、ゲルマニウム、砒化ガリウム、酸化アルミニウム、ダイアモンド状炭素の少なくとも１つからなり、
前記周辺部は、真空、空気、ポリエチレン、ポリテトラフルオロエチレン、パラフィン、ポリスチレン、酸化硅素系化合物の少なくとも１つからなることを特徴とする高周波電磁波伝送線路。
【請求項８】
請求項５または６に記載された高周波電磁波伝送線路において、
前記コアは、ポリエチレン、ポリテトラフルオロエチレン、パラフィン、ポリスチレン、酸化硅素系化合物の少なくとも１つからなり、
前記周辺部は、真空または空気からなることを特徴とする高周波電磁波伝送線路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波電磁波を伝送する高周波電磁波伝送線路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、高周波電磁波の伝送には、金属導波管が使用されている。図３は、従来の高周波電磁波伝送線路である金属導波管の一構成例を示す断面図である。
金属導波管１０１は、所定方向に延びる金属部材１１１にその一端と他端との間を貫通する中空部１１２が形成された中空導体構造を有している。電磁波は中空部１１２内を伝搬する。電磁波が伝搬する方向を電磁波伝送方向という。中空部１１２の電磁波伝送方向に垂直な断面は、図３（ｂ）に示すような四角形をしている。四角形の各辺の長さは、電磁波を単一モードで伝搬させるために、伝搬させる電磁波の自由空間中の波長のほぼ半分程度の寸法となっている（例えば、非特許文献１または２参照。）。
【０００３】
なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
【非特許文献１】中島将光著、「マイクロ波光学」、第１版、森北出版、１９７５年４月１５日、ｐ．４９−６２およびｐ．２７２
【非特許文献２】細野敏夫著、「電磁波光学の基礎」、第１版、昭晃堂、昭和４８年６月２０日、ｐ．９６−９９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したように、金属導波管１０１では、中空部１１２の断面寸法は、伝搬させる電磁波の波長のほぼ半分程度の寸法となっている。このため、電磁波の周波数が高くなり波長が短くなるにつれて、中空部１１２の断面寸法は小さくなっていく。例えば、電磁波の周波数が０．１ＴＨｚでは中空部１１２の断面寸法は１ｍｍ程度であるのに対し、１０ＴＨｚになると１０μｍ程度と非常に小さくなる。しかし、このような断面寸法をもつ中空導体構造の製造は困難であり、たとえできたとしても非常に高価なものとなる。
また、金属導波管１０１は、０．１ＴＨｚ以上の周波数領域では損失が大きくなり、方向性結合器などの単純なデバイスすら構築することが困難となる。
このような理由により、実用的なデバイスの構築が可能な金属導波管１０１は、０．１ＴＨｚ以下でしか実用化されていない。
【０００５】
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、金属導波管よりも高い周波数領域でも使用可能な高周波電磁波伝送線路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
このような目的を達成するために、本発明に係る高周波電磁波伝送線路は、周波数が０．１ＴＨｚ以上１０ＴＨｚ以下の高周波電磁波を伝送する高周波電磁波伝送線路であって、所定方向に延び周囲よりも誘電率が高い誘電体からなるコアを有することを特徴とする。
【０００７】
ここで、コアについては、上記所定方向に垂直な断面を四角形にしてもよい。
コアについてはまた、上記所定方向に垂直な断面の一辺の長さを、上記誘電体中を高周波電磁波が伝搬する際の波長の１／４倍以上、波長以下にしてもよい。好ましくは、上記波長の１／３倍以上、上記波長の２／３倍以下にするとよい。
上記誘電体については、その周囲に対する誘電率の比を２以上１００以下にしてもよい。好ましくは、９以上２５以下にするとよい。
【０００８】
上述した高周波電磁波伝送線路は、コアの周囲を覆い上記誘電体よりも誘電率が低い周辺部を更に有するものであってもよい。
周辺部については、上記所定方向に垂直な方向の厚みを、周辺部を構成する媒体中を高周波電磁波が伝搬する際の波長以上にしてもよい。
これらの場合には、コアを、シリコン、ゲルマニウム、砒化ガリウム、酸化アルミニウム、ダイアモンド状炭素の少なくとも１つから構成し、周辺部を、真空、空気、ポリエチレン、ポリテトラフルオロエチレン、パラフィン、ポリスチレン、酸化硅素系化合物の少なくとも１つから構成してもよい。
あるいは、コアを、ポリエチレン、ポリテトラフルオロエチレン、パラフィン、ポリスチレン、酸化硅素系化合物の少なくとも１つから構成し、周辺部を、真空または空気から構成してもよい。
【発明の効果】
【０００９】
上述したように、本発明に係る高周波電磁波伝送線路は、周囲よりも誘電率が高いコアを有する。コア内部を伝搬する電磁波は、コア内部と周囲との境界面であるコア表面への入射角が臨界角よりも大きければ、コア表面で全反射されるので、周囲には漏れず、コア内部に閉じ込められる。よって、電磁波をコアに集中した状態で、コアが延びる方向に伝送できる。
また、この高周波電磁波伝送線路は、中空構造を有しないので、中空構造を有する金属導波管１０１と比較して、製造が非常に容易である。
また、この高周波電磁波伝送線路は、金属以外の多様な材料を用いて形成できる。このため、高周波領域で損失の小さい材料を用いることにより、低損失な伝送線路を実現できる。
したがって、本発明によれば、金属導波管１０１よりも高い周波数領域に対しても、低損失な伝送線路を安価に製造することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
次に、本発明の一実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の一実施の形態に係る高周波電磁波伝送線路の要部構成を示す図である。
図１に示す高周波電磁波伝送線路１は、所定方向に延びる第１の誘電体からなるコア１１と、コア１１の全周を覆う第２の誘電体からなる周辺部１２とから構成されている。コア１１の誘電体の比誘電率をεr1、周辺部１２の誘電体の比誘電率をεr2とすると、
εr1 ＞ εr2
の関係が成立している。電磁波はコア１１の内部を伝搬していく。電磁波が伝搬する方向を電磁波伝送方向という。
【００１１】
図２は、高周波電磁波伝送線路１の電磁波伝送原理を説明するための図である。この図において、コア１１の内部を伝搬する電磁波がコア１１と周辺部１２との境界面（すなわちコア１１の表面）１３に入射する場合に、境界面１３の法線ベクトルｎに対する電磁波の入射角θ0が臨界角θcよりも大きくなると、電磁波は境界面１３において全反射される。したがって、電磁波の入射角θ0を臨界角θcよりも大きくすることにより、電磁波は周辺部１２には漏れず、コア１１に閉じ込められるので、電磁波をコア１１に集中した状態で伝送できる。
【００１２】
高周波電磁波伝送線路１は、中空構造を有しないので、中空構造を有する金属導波管１０１と比較して、製造が非常に容易である。さらに、高周波電磁波伝送線路１は、金属以外の多様な材料を用いて形成できるので、高周波領域で損失の小さい材料を用いることにより、低損失な伝送線路を実現できる。したがって、本実施の形態によれば、金属導波管よりも高い０．１ＴＨｚ以上の周波数領域に対しても、低損失な伝送線路を安価に製造することが可能となる。ただし、シリコンをはじめ多くの材料は、電磁波の周波数が１０ＴＨｚを超えると、イオン共振やフォノン吸収などにより電磁波の吸収が非常に大きくなるため、１０ＴＨｚ以下の周波数領域で使用することが好ましい。なお、０．１ＴＨｚ以下の周波数領域での使用も可能である。
また、高周波電磁波伝送線路１は、周辺部１２が金属のような電磁波遮蔽体ではないので、外部からコア１１への電磁波の導入が容易になるという効果も得られる。
【００１３】
高周波電磁波伝送線路１の各部の構成について、さらに説明する。
［コア１１の断面形状］
図１（ｂ）には、電磁波伝送方向に垂直なコア１１の断面形状を長方形にした例が示されている。このような形状のコア１１は、例えば、周辺部１２の一部となる平面基板上に誘電体を堆積し、この誘電体の不要部分をエッチングするなどの簡単なプロセスで製造できる。なお、コア１１の断面形状は必ずしも長方形でなくてもよく、円形などの他の形状であってもよい。
【００１４】
［コア１１の寸法］
コア１１を構成する第１の誘電体からなる一様媒体中を電磁波が伝搬する際の波長をλ1とすると、コア１１の断面形状が長方形である場合には、長方形の長辺の長さＬ1を略λ1以下にすることが好ましい。このような寸法にすることにより、実用的な高周波伝送線路に必要とされる単一モード条件を満たすことが可能となる。
【００１５】
有限要素法（岡本勝就著、「光導波路の基礎」、コロナ社、１９９２年）や平面波展開法（S.G.Johnson,J.D.Joannopoulos,“Brock-iterative frequency-domain methods for Maxwell's equations in a plainwave basis”,Opt.Express,vol.8,pp.173-190,2001）による固有値解析用いた伝搬モード解析によれば、例えば比誘電率εr1＝１２の第１の誘電体で形成され断面形状が２：１の長方形をしたコア１１と、比誘電率εr2＝２の第２の誘電体で形成された周辺部１２とからなる高周波電磁界伝送線路１に対し、周波数が１ＴＨｚの電磁波を導入すると、コア１１の形状を長辺の長さＬ1が１００μｍより小さい長方形にした場合に単一モード条件を満たすという結果が得られた。
一方、比誘電率εr1＝１２の第１の誘電体中における１ＴＨｚ電磁波の波長λ1は８７μｍであるから、長方形の長辺の長さＬ1をλ1以下にするという上述した条件を満たすように、Ｌ1を８７μｍ（＜１００μｍ）にすれば、単一モード条件も満たすことが分かる。
【００１６】
しかし、長方形の短辺の長さＬ2を略λ1／４より小さくすると、コア１１から周辺部１２への電磁波の漏れが非常に大きくなり、伝送損失が増大する。このため、Ｌ2を略λ1／４より小さくしないことが好ましい。したがって、コア１１の断面形状が長方形である場合には、長方形の各辺の長さＬ1，Ｌ2を略λ1／４以上、略λ1以下にすることが好ましい。
なお、コア１１の断面形状が長方形以外の形状である場合にも、その寸法を略λ1／４以上、略λ1以下にすることが好ましい。例えば、コア１１の断面形状が円形である場合には、円の直径を略λ1／４以上、略λ1以下にすることが好ましい。
より好ましくは、コア１１の断面形状の寸法を、略λ1／３以上、略２λ1／３以下にするとよい。
【００１７】
［コア１１の周辺部１２に対する誘電率の比］
コア１１の周辺部１２に対する誘電率の比（εr1／εr2）は、略２以上にすることが好ましい。時間領域有限差分法による電磁場伝搬解析（宇野亨著、「ＦＤＴＤ法による電磁界およびアンテナ解析」、コロナ社、１９９８年）によれば、コア１１の断面形状を２：１の長方形とし、各辺の長さＬ1，Ｌ2を略λ1／４〜略λ1にした状態において、コア１１の周辺部１２に対する誘電率の比を２以上にすると、電磁波をコア１１に強く閉じ込めることができ、外部への電磁波の漏れ損失を低減できるという結果が得られた。よって、伝送損失を低減できる。
なお、周辺部１２を誘電率が比較的大きい誘電体で構成する場合を考慮すると、コア１１の周辺部１２に対する誘電率の比は、略１００以下にすることが好ましい。
より好ましくは、誘電率の比は、略９以上、略２５以下にするとよい。
【００１８】
［周辺部１２の厚み］
周辺部１２を構成する第２の誘電体からなる一様媒体中を電磁波が伝搬する際の波長をλ2とすると、電磁波伝送方向に垂直な方向の周辺部１２の厚みを、略λ2以上にすることが好ましい。時間領域有限差分去による電磁場伝搬解析によれば、上述したのと同じ条件の下では、周辺部１２の厚みをλ2以上にすると、外部への電磁波の漏れ損失を無視できるという結果が得られた。よって、伝送損失を低減できる。
【００１９】
［コア１１および周辺部１２の構成材料の例１］
コア１１を構成する第１の誘電体として、シリコン、ゲルマニウム、砒化ガリウム、酸化アルミニウムまたはダイアモンド状炭素を用いる。また、周辺部１２を構成する第２の誘電体として、ポリエチレン、ポリテトラフルオロエチレン（テフロン（登録商標））、パラフィン、ポリスチレンまたは酸化硅素系化合物を用いる。
【００２０】
周辺部１２を構成する第２の誘電体として例示した材料は、０．１ＴＨｚ〜１０ＴＨｚという周波数領域において低い誘電率をもつことが知られており、比誘電率は２．５程度またはそれ以下である。これに対し、コア１１を構成する第１の誘電体として例示した材料は、比誘電率が５以上であるので、上記の周波数領域において上記の誘電率の比（２≦εr1／εr2≦１００）が満たされる。よって、これらの材料を組み合わせてコア１１および周辺部１２を構成することにより、漏れ損失の少ない高周波電磁波伝送線路１を実現できる。さらに、これらの材料は上記の周波数領域における電磁波の吸収が少ないので、吸収損失も低減できる。
【００２１】
また、周辺部１２を真空または空気で構成してもよい。真空または空気の比誘電率は、１または１に非常に近い値なので、上述したコア１１を構成する第１の誘電体との関係で、やはり漏れ損失および吸収損失が少ない高周波電磁波伝送線路１を実現できる。なお、周辺部１２を真空で構成する場合には、コア１１を真空容器に収容する。周辺部１２を空気で構成する場合には、コア１１を空気中に配置してもよい。この際、コア１１の外周がなるべく空気以外のものに触れないように、電磁波の伝送に影響が少ないコア１１の支持構造を設けてもよい。
【００２２】
［コア１１および周辺部１２の構成材料の例２］
コア１１を構成する第２の誘電体として、ポリエチレン、ポリテトラフルオロエチレン、パラフィン、ポリスチレンまたは酸化硅素系化合物を用いる。また、周辺部１２を真空または空気で構成する。
【００２３】
周辺部１２を構成する真空または空気の比誘電率は、０．１ＴＨｚ〜１０ＴＨｚという周波数領域において１または１に非常に近い値をもつ。これに対し、コア１１を構成する第１の誘電体として例示した材料の比誘電率は、上記の周波数領域において２以上であるので、上記の誘電率の比（２≦εr1／εr2≦１００）が満たされる。よって、このような構成にすることにより、漏れ損失の少ない高周波電磁波伝送線路１を実現できる。また、これらの材料は上記周波数領域における電磁波の吸収が少ないので、吸収損失も低減できる。さらに、これらの材料は上記の周波数領域における電磁波の吸収が、例１で挙げた材料と比較して更に少ないので、吸収損失を更に低減できる。
【００２４】
［その他］
周辺部１２は、必ずしも一様材料で構成される必要はない。周辺部１２の誘電率がコア１１の誘電率よりも小さいという条件を満たしていれば、多様な材料を用いた複合構造で周辺部１２を構成してもよい。例えば、高周波電磁波伝送線路１の下部周辺部を固体材料で構成し、上部周辺部を別の固体材料または真空や空気で構成してもよい。
コア１１もまた、一様材料で構成されなくてもよい場合がある。例えば、コア１１の中心軸線から外周に向かって誘電率が次第に小さくなるような構造にしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明は、通信をはじめ、高周波電磁波が使用される分野に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】高周波電磁波伝送線路の要部構成を示す図であり、（ａ）は電磁波伝送方向に平行な断面、（ｂ）は電磁波伝送方向に垂直な断面（Ａ−Ａ′線方向の断面）をそれぞれ示している。
【図２】高周波電磁波伝送線路の電磁波伝送原理を説明するための図である。
【図３】従来の高周波電磁波伝送線路である金属導波管の一構成例を示す断面図であり、（ａ）は電磁波伝送方向に平行な断面、（ｂ）は電磁波伝送方向に垂直な断面（Ｂ−Ｂ′線方向の断面）をそれぞれ示している。
【符号の説明】
【００２７】
１…高周波電磁波伝送線路、１１…コア、１２…周辺部、１３…境界面。
【図１】
2005175941.tif 000003
【図２】
2005175941.tif 000004
【図３】
2005175941.tif 000005