(57)【要約】  【課題】マイクロ波装置全体を小型化したり、また、モード変換器の反射特性を広帯域化する。  【解決手段】導波管モードと同軸モードとをモード変換するモード変換器において、電磁波の導入口１ｄを備えた空洞からなる第一空洞部１ａと、前記第一空洞部１ａの壁面に、前記導入口１ｄから導入された電磁波により前記第一空洞部１ａの壁面を流れる高周波電流と交差する方向に設けたスロット１ｅと、同スロット１ｅが連続形成された第二空洞部１ｂと、同第二空洞部１ｂに連通し、前記導入口１ｄと同じ断面形状を有する第三空洞部５と、同第三空洞部５に突出させたプローブ２ａとを備え、前記第三空洞部５の入口に誘電体４を配置する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導波管モードと同軸モードとをモード変換するモード変換器において、
電磁波の入出口を備えた空洞からなる第一空洞部と、前記第一空洞部の壁面に、前記入出口から導入または送出される電磁波と対応して前記第一空洞部の壁面を流れる高周波電流と交差する方向に設けたスロットと、同スロットが連続形成された第二空洞部と、同第二空洞部に連通し、前記入出口と同じ断面形状を有する第三空洞部と、同第三空洞部に突出させた変換プローブとを備え、
前記第三空洞部の入口に誘電体を配置してなることを特徴とするモード変換器。
【請求項２】
前記誘電体を断面突状の曲面に形成してなることを特徴とする請求項１記載のモード変換器。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のモード変換器を備えたことを特徴とするマイクロ波装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、衛星通信などで用いられるマイクロ波装置に係わり、より詳細には、入力した電磁波をプローブでピックアップするモード変換器の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、マイクロ波装置としては衛星通信用周波数ダウンコンバータなどがあり、このダウンコンバータには、入力した電磁波をプローブでピックアップするモード変換器（導波管−同軸変換器）が備えられている。このモード変換器は、例えば図７の分解斜視図に示すように、アルミダイキャストで形成された筐体９３及び筐体９１と、これらで上下面を挟持された誘電体基板８２とで構成されている。なお、筐体９１は受信信号が入力される導入口を備えた第一空洞部９２を有している。
【０００３】
誘電体基板８２は、第一空洞部９２の導入口と対応する基板の上下面の銅箔を除去し、所定の長さの導体パターンからなるプローブ８１ａと、同プローブ８１ａに連なり、伝送線路として作用するマイクロストリップライン８１ｃと、基板の上下面に設けられた接地側導体パターン８１ｂとを備えている。また、筐体９３は四方形の空間からなる第二空洞部９４とマイクロストリップライン８１ｃに対するシールドケースを構成する第三空洞部９５とを有している。従って、電気的に見ると、第一空洞部９２と、第二空洞部９４と、第一空洞部９２の導入口と対応する両面の銅箔を除去した誘電体基板８２とで１つの導波管と見なすことができる。
【０００４】
筐体９１の第一空洞部９２の導入口から入力された電磁波は、筐体９３の第二空洞部９４へ導かれる。第二空洞部９４はプローブ８１ａから、入力された電磁波の波長のおよそ１／４波長に相当する深さの位置に反射面を有しているため、入力された電磁波は、プローブ８１ａで最も効率よくピックアップ、つまり、モード変換されるようになっている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
しかしながら、モード変換器は、各空洞部からなる導波管のサイズで決定される固有の反射特性（リターンロス）を備えており、導波管のサイズを固定したまま反射特性を広帯域化することや、モード変換器自体を小型化することが困難であった。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−３２０４６０号公報（第４−５頁、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は以上述べた問題点を解決し、マイクロ波装置全体を小型化したり、また、モード変換器の反射特性を広帯域化することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は上述の課題を解決するため、導波管モードと同軸モードとをモード変換するモード変換器において、電磁波の入出口を備えた空洞からなる第一空洞部と、前記第一空洞部の壁面に、前記入出口から導入または送出される電磁波と対応して前記第一空洞部の壁面を流れる高周波電流と交差する方向に設けたスロットと、同スロットが連続形成された第二空洞部と、同第二空洞部に連通し、前記入出口と同じ断面形状を有する第三空洞部と、同第三空洞部に突出させた変換プローブとを備え、前記第三空洞部の入口に誘電体を配置する。
【０００９】
また、前記誘電体を断面突状の曲面に形成する。
【００１０】
一方、請求項１や請求項２の構造を備えたモード変換器を用いてマイクロ波装置を構成する。
【発明の効果】
【００１１】
以上の手段を用いることにより、本発明によるモード変換器を備えたマイクロ波装置によれば、請求項１に係わる発明は、誘電体を用いない場合に比べて反射損失を広帯域に渡って大きくすることができる。さらに、導波管の空洞部内に誘電体が配置されるため、導波管内でのＱ値（Quality factor）が低下し、結果的に反射特性を広帯域化することができる。従って、比誘電率が空気よりも高い誘電体を用いて、その断面形状やサイズを適宜選択して装着することにより、空洞部のサイズを小さくしてモード変換器を小型化したり、反射特性を広帯域化することができる。
【００１２】
なお、このように反射特性を広帯域化することにより、従来行なっているように異なる周波数帯毎にモード変換器を用意し、複数台で広い周波数帯を分割してカバーすることなく、１台のモード変換器で対応できる。または、広帯域化のため、リッジ導波管のような複雑な形状にする必要もない。
【００１３】
請求項２に係わる発明は、誘電体が電波レンズとして機能して電磁波を変換プローブに集中させることができる。従って、請求項１の構造を用いる場合に比べて、さらに反射損失を改善させることができる。
【００１４】
請求項３に係わる発明は、空洞部のサイズを小さくしてモード変換器を小型化したり、反射特性を広帯域化したモード変換器を用いるため、マイクロ波装置を小型化したり、広い周波数帯域のマイクロ波装置を１台で構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面に基づいた実施例として詳細に説明する。なお、本発明によるモード変換器が取り扱う周波数の波長をλと呼称する。例えば１／４波長の長さをλ／４と記載する。
【実施例１】
【００１６】
図１は本発明によるＫ帯（Ｋバンド：１８〜２６ＧＨｚ）のモード変換器を備えたマイクロ波装置を示す透視状態での分解斜視図である。また、図２は図１のマイクロ波装置の断面図を示し、図２（Ａ）は側面の断面図であり、図２（Ｂ）は正面の断面図である。以下、図１及び図２を用いて構造を説明する。
【００１７】
このマイクロ波装置は衛星通信用周波数ダウンコンバータであり、四方体のアルミダイキャストで形成された下部筐体１、及び上部筐体３と、先端開放の導体パターンからなるプローブ２ａと、これに連なり、伝送線路として作用するマイクロストリップライン２ｅとを備えた誘電体基板２とで構成され、誘電体基板２は下部筐体１と上部筐体３とで挟持されている。
【００１８】
下部筐体１は、受信信号が入力される矩形の導入口１ｄを備えた第一空洞部１ａと、同第一空洞部１ａの終端上方に配置された第二空洞部１ｂと、同第二空洞部１ｂの上方に配置された第三空洞Ａ部１ｃとを備えており、第一空洞部１ａと第三空洞Ａ部１ｃとは第二空洞部１ｂで空洞が連通している。なお、導入口１ｄはＫ帯で使用するため、４．３２ｍｍ×１０．６７ｍｍの寸法になっている。また、この説明ではマイクロ波装置が受信装置として説明しているため電磁波の入口を導入口と呼称しているが、本発明を送信機に応用した場合は電磁波の出力口となる。
【００１９】
第一空洞部１ａは導入口１ｄのみが開放された有底状の角筒形であり、第三空洞Ａ部１ｃは上方が開放された角筒形であり、また、第二空洞部１ｂは上下端に、長手方向がλ／２の開放口である小判型のスロット１ｅを備えた断面が楕円の円筒形状である。なお、スロット１ｅはスロットアンテナとして機能し、導入口１ｄから入射した電磁波の進行方向を９０度上方へ曲げている。
【００２０】
ここで、スロット１ｅは、導入口１ｄから入力された受信信号により、第一空洞部１ａの壁面に流れる高周波電流と交差する方向に設ける。図５は矩形導波管の基本モードであるＴＥ１０モードの電磁界分布である。この図５において、電界Ｅは実線、磁界Ｈは点線、壁面を流れる高周波電流Ｉの分布は一点鎖線でそれぞれ表されている。
【００２１】
図６はこのような矩形導波管の壁面にスロットを設けた例であり、図５で示した高周波電流の流れる向きと平行なスロット（ａ）以外の、同高周波電流と交差する方向に設けたスロットから電波が放射される。なお、αは導波管に対する傾き角度を、ｄはセンター位置からのズレを示す距離を、ｌはスロットの長さを、ｗはスロットの幅をそれぞれ表している。また、本実施例に相当するスロットは図６の（ｆ）である。
【００２２】
また、スロット２ｅのアンテナとしての放射効率は、同スロットの長さがλ／２のときが最も良いが、本実施例ではこれに限るものではなく、第二空洞部１ｂ、または第三空洞部５の機械的寸法や、モード変換器としての反射特性、伝送特性などの電気的特性などを考慮して最適な特性が得られるように所要の長さとすることができる。
【００２３】
上部筐体３は、第三空洞Ａ部１ｃの開放口と対応する開放口を有し、プローブ２ａからλ／４の深さを有する角筒形の第三空洞Ｂ部３ａと、誘電体基板２のプローブ２ａをシールドするＬ字型の第四空洞部３ｂと、誘電体基板２の上に配置されたコンバータ回路２ｄをシールドする角筒形の第五空洞部３ｃとを備えている。なお、第三空洞Ｂ部３ａと第四空洞部３ｂと第五空洞部３ｃとはそれぞれ上部筐体３の一部で連通している。
【００２４】
一方、誘電体基板２はプローブ２ａと、基板の上下面に備えられた接地側導体パターン２ｂと、コンバータ回路２ｄの配線パターンなどからなる銅箔パターン（基板の上下面）を備えている。なお、第三空洞Ａ部１ｃと第三空洞Ｂ部３ａとの開放口に対応する位置の上下面の接地側導体パターン２ｂの銅箔は切り取られ、矩形の第三空洞Ｃ部２ｃを形成している。また、第三空洞Ａ部１ｃと第三空洞Ｂ部３ａと第三空洞Ｃ部２ｃとの断面は、４．３２ｍｍ×１０．６７ｍｍで同じ大きさに形成され、さらに、第一空洞部１ａの断面と同じ大きさである。つまり、第一空洞部１ａが第二空洞部１ｂを介して９０度上方に折曲され、第三空洞Ａ部１ｃと第三空洞Ｃ部２ｃと第三空洞Ｂ部３ａとが順次連結された第三空洞部５へ連通した構成になっている。
【００２５】
なお、ここでは説明の都合上、第三空洞Ａ部１ｃと第三空洞Ｃ部２ｃと第三空洞Ｂ部３ａとを個別に説明しているが、電気的に見るとこれらは１つの第三空洞部５からなる導波管と見なすことができる。
【００２６】
下部筐体１の第三空洞Ａ部１ｃの底部には、スロット１ｅを覆うように断面曲線状の誘電体４が配置されている。従って、例えば２０ＧＨｚ（ギガヘルツ）の電磁波が導入口１ｄから入力されると、第一空洞部１ａの奥の反射面で反射され、第二空洞部１ｂを経由して第三空洞Ａ部１ｃへ導かれる。
【００２７】
この時、誘電体４が無い状態であれば、入力された電磁波は第三空洞Ａ部１ｃ内を上方へ抜け、第三空洞Ｂ部３ａで反射されてプローブ２ａへ到達する。ただし、この場合、第二空洞部１ｂ、第三空洞Ａ部１ｃへ放射される電磁波はすべての波面がプローブ２ａと平行でないため、プローブ２ａの中心付近の電磁波のみがピックアップされることになる。つまり、それ以外の電磁波は反射波として導入口１ｄへ戻り、結果的にリターンロスが小さく（反射特性が悪く）なる。
【００２８】
本実施例では前述のように断面曲線状の誘電体４を第三空洞Ａ部１ｃの底部に備えているため、第二空洞部１ｂ内で上方に直進してきた電磁波は誘電体４が電波レンズとして機能することにより、波面がプローブ２ａと平行となるように規制される。従って、誘電体４の形状、及び誘電率を所要の値に決定すれば、第二空洞部１ｂ内を上方に直進してきた電磁波をプローブ２ａで効率的にピックアップすることができる。
【００２９】
なお、誘電体レンズを用いた装置としては、特開平１０−１２６１０９や特開２００２−９５４２を、また、誘電体レンズについては、「Richard C. Johnson ,”ANTENNA ENGINEERING HANDBOOK THIRD EDITION” p16-2〜p16-11,1993 」などの文献をそれぞれ参照されたい。
【００３０】
このように本発明によれば、モード変換器の反射特性を向上させ、導波管モード−同軸モード間の変換効率を改善することができる。なお、この効果は誘電体４の形状で特性が異なるが、誘電体４の挿入だけでも効果がある。以下に誘電体４の形状の違いによる効果を説明する。
【００３１】
図３は誘電体４の異なる３つの形状を示す斜視図である。図３（Ａ）は棒状、（Ｂ）は板状、（Ｃ）は断面曲線状の形態をしている。これらを交換しながら本発明によるモード変換器の反射特性を測定した結果を図４に示す。図４のグラフにおいて、縦軸は反射損失（ｄＢ）を示し、横軸はモード変換器に入力されるＲＦ周波数（ＧＨｚ）を示す。なお、装着される誘電体の比誘電率はすべて２．３のフッ素樹脂( ４フッ化エチレン樹脂) である。
【００３２】
図４において、誘電体がない場合は、測定周波数帯域における反射損失が−１０ｄＢ〜−１３ｄＢ程度となるが、棒状の誘電体を配置するだけで２〜５ｄＢ損失を改善できる。さらに、板状の誘電体の場合は誘電体がない場合に比較し、８〜１５ｄＢ程度改善できる。さらに、断面が曲線状の誘電体を用いると誘電体がない場合に比較し、９ｄＢ〜１８ｄＢ改善できることが読み取れる。
【００３３】
本発明の効果はこの様な反射特性の改善が、簡単な形状の誘電体を付加するだけで特定の狭い周波数帯域でなく、図４のように広い周波数帯域で可能としたことにある。このため、従来行なっているように異なる周波数帯毎にモード変換器を用意し、複数台で広い周波数帯を分割してカバーすることなく、１台のモード変換器で対応できる。
【００３４】
また、従来のように広帯域化のために、リッジ導波管のような複雑な形状の導波管を用いたり、導波管中に導体棒を突出させて整合状態を調整したりすることによる構造の複雑化や製造コストの上昇、または前記導体棒により発生するおそれのある信号の損失などの特性劣化を引き起こすことがなく、安価で簡単な構成により広帯域で反射特性の改善を実現することができる。
【００３５】
また、第三空洞Ａ部１ｃ内の空気（誘電率１．０）に代替して誘電体（誘電率２．３）が配置されるため、導波管内でのＱ値（Quality factor）が低下し、結果的に反射特性を広帯域化することができる。従って、比誘電率が空気よりも高い誘電体を用いて、その断面形状やサイズを適宜選択して装着することにより、空洞部のサイズを小さくしてモード変換器を小型化したり、反射特性を広帯域化することができる。
【００３６】
なお、本実施例では誘電体４の突方向をプローブ２ａに向かう方向に配置しているが、これに限るものでなく、誘電体４の突方向をスロット１ｅに向かう方向に配置しても同様の効果を得ることができる。
【００３７】
また、本実施例では矩形導波管を用いて説明しているが、本願はこれに限るものでなく、円形導波管を用いても同様の効果を得ることが出来る。さらに、本実施例では受信装置である周波数ダウンコンバータとして説明しているが、これに限るものでなく、衛星通信用の送信機に用いても同様の効果を得ることができる。
【００３８】
本実施例では誘電体の材料としてフッ素樹脂（四フッ化エチレン樹脂）を用いているが、これに限るものではなく、使用する周波数帯で低損失であるなど高周波特性の良い材料を適宜選択することができる。
また、本実施例ではプローブを誘電体基板上に導体パターンで形成したが、これに限るものではなく、導体棒を誘電体基板上の導体パターンに接続し、第三空洞部に突出させてもよい。
また、反射特性の測定は、ネットワークアナライザなどの通常の反射特性を測定するための測定器を用いて、測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明によるモード変換器を備えたマイクロ波装置の実施例を示す透視状態での分解斜視図である。
【図２】本発明によるモード変換器を備えたマイクロ波装置の実施例を示す、（Ａ）は側面の断面図であり、（Ｂ）は正面の断面図である。
【図３】誘電体の形状例を示す斜視図であり、（Ａ）は棒状、（Ｂ）は板状、（Ｃ）は断面曲線状である。
【図４】異なる誘電体の形状による反射特性のグラフである。
【図５】矩形導波管の基本モードで電磁界分布図である。
【図６】導波管のスロット例を示す斜視図である。
【図７】従来のモード変換器を示す分解斜視図である。
【符号の説明】
【００４０】
１  下部筐体
１ａ  第一空洞部
１ｂ  第二空洞部
１ｃ  第三空洞Ａ部
１ｄ  導入口
１ｅ  スロット
２  誘電体基板
２ａ  プローブ
２ｂ  接地側導体パターン
２ｃ  第三空洞Ｃ部
２ｄ  コンバータ回路
３  上部筐体
３ａ  第三空洞Ｂ部
３ｂ  第四空洞部
３ｃ  第五空洞部
４  誘電体
５  第三空洞部
【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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