(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の平行平板導体の間に、直線状または曲線状の第１誘電体線路および該第１誘電体線路の曲率半径よりも小さい曲率半径を有する曲線状の第２誘電体線路を隣接して設け、前記第１誘電体線路のポートａおよび／または前記第２誘電体線路のポートｄを伝送する高周波信号が、前記第１誘電体線路のポートｂおよび前記第２誘電体線路のポートｃに出力されるとともに、前記第１および第２誘電体線路から出力される高周波信号の周波数に対する透過率曲線において、それぞれ使用周波数での透過率｜Ｓij｜（ｉはｂ又はｃ、ｊはａ又はｄ）が極値を有することを特徴とする非放射性誘電体線路カプラ。
【請求項２】
第１および第２誘電体線路において、使用周波数での透過率の極値が一致することを特徴とする請求項１記載の非放射性誘電体線路カプラ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は非放射性誘電体線路カプラに関し、例えばミリ波集積回路等に組み込まれて、高周波信号のガイドとして用いられる非放射性誘電体線路を結合させるカプラ（結合器）に関する。
【０００２】
【従来技術】
非放射性誘電体線路（Non Radiative Dielectric Guideで、ＮＲＤガイドともいう）は、図５に示すように、断面矩形状の誘電体線路１の上下に平行平板導体２、３を配置して構成されている。このような非放射性誘電体線路では、平行平板導体２、３の間隔がλ／２以下のとき、波長がλより大きい高周波信号は遮断されて平行平板導体２、３間の空間には侵入できない。そして、平行平板導体２、３の間に誘電体線路１を介装すると、その誘電体線路１に沿って高周波信号を伝搬でき、その高周波信号からの放射波は平行平板導体２、３の遮断効果によって抑制される。尚、前記λは近似的に真空中を伝搬する高周波信号（電磁波）の波長に等しい。また、図５においては上側の平行平板導体３の一部を切り欠いて記載した。
【０００３】
ところで、この非放射性誘電体線路において、高周波信号（電磁波）を分割および結合するために用いられるカプラとしては、図６のように２つの誘電体線路５、６を所定の間隔Ｌで配置したものが用いられていた。尚、図６は誘電体線路の模式図であり、上下の平行平板導体は省略している。
【０００４】
誘電体線路５のポートａから入射された電磁波は、一部は誘電体線路５をそのまま透過してポートｂから出力され、一部は誘電体線路６と電磁的に結合し、ポートｃから出力される。
【０００５】
また、ポートｄから入射された電磁波は、同様にポートｂとポートｃに分割されて出力される。ポートａとポートｄに同時に電磁波を入射すると、それぞれ分割された電磁波が混合されてポートｂ、ポートｃへ出力される。
【０００６】
２つの誘電体線路の間隔Ｌを適当に調整することによって、所望の分割比を持った透過率を得ることができる。非放射性誘電体線路では、このカプラを用いて、分割器や結合器を構成していた（例えば、IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, MTT-31, No.8,August 1983,P648-654 、特開平８−８６２１号公報、特開平６−１７４８２４号公報等）。
【０００７】
また、誘電体線路５、６は直線である必要はなく、通常は、他の非放射性誘電体線路の回路と接続するため、図７に示すように直線状誘電体線路７と曲線状誘電体線路８を組み合わせたり、図示しないが２つの曲線状誘電体線路を組み合わせたものが用いられている。
【０００８】
直線状誘電体線路７と曲線状誘電体線路８を組み合わせたり、曲率半径の異なる２つの曲線状誘電体線路を組み合わせた非対称カプラでは、２つの直線状誘電体線路５、６もしくは２つの同じ曲率半径の誘電体線路を用いたものと比べ、ポートａから入射した際のポートｃへの透過率が小さいことが知られている。これは、２つの誘電体線路中の高周波信号が対称ではないためであると考えられている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の非放射性誘電体線路カプラは帯域幅が狭かったため、通信など広帯域が必要な機器では不十分であった。また、狭帯域であったため、使用周波数において所望の透過率を有するように、誘電体線路の間隔を微調整する必要があり、製造が困難であった。
【００１０】
即ち、図８に図６の従来の非放射性誘電体線路カプラの特性の計算結果を示す。この特性図は使用周波数６０ＧＨｚにおいて、ポートａから入射された高周波信号がポートｂとポートｃへ等分割される場合について行った。Ｓbaはポートｂへ出力される高周波信号の透過率、Ｓcaはポートｃへ出力される高周波信号の透過率を表している。図８に示すように、透過率は周波数によって大きく変化しており、６０ＧＨｚから周波数がずれると透過率も大きく変化する。このため、通常、従来のカプラの帯域幅は１ＧＨｚ程度のとどまっていた。このような１ＧＨｚ程度の帯域幅では、通信など広帯域が必要な機器では不十分であった。
【００１１】
また、カプラの特性は、２つの誘電体線路５、６の間隔Ｌが変動すると透過率が大きく変動するため、２つの誘電体線路５、６を高精度で配置する必要があり、このことが非放射性誘電体線路の量産性を妨げていた。
【００１２】
さらに、前述したように、直線状誘電体線路と曲線状誘電体線路を組み合わせたり、曲率半径の異なる２つの曲線状誘電体線路を組み合わせた非対称のカプラでは、２つの誘電体線路中の高周波信号の非対称性のため、設計通りの高周波信号がポートｃへ出力されないという問題があった。そのため、従来は、同じ曲率半径の曲線状誘電体線路を用いたり、曲率半径の充分大きな曲線状誘電体線路と直線状誘電体線路を組み合わせたりしてカプラを構成する必要があった。従って、設計上の自由度が少なくなると同時に、非放射性誘電体線路回路の小型化を妨げていた。
【００１３】
本発明は、従来より帯域幅が広く、通信などの広帯域を必要とする機器にも応用することができると同時に、容易に大量生産ができ、設計の自由度が高く、小型の非放射性誘電体線路カプラを提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の非放射性誘電体線路カプラは、一対の平行平板導体の間に、直線状または曲線状の第１誘電体線路および該第１誘電体線路の曲率半径よりも小さい曲率半径を有する曲線状の第２誘電体線路を隣接して設け、前記第１誘電体線路のポートａおよび／または前記第２誘電体線路のポートｄを伝送する高周波信号が、前記第１誘電体線路のポートｂおよび前記第２誘電体線路のポートｃに出力されるとともに、前記第１および第２誘電体線路から出力される高周波信号の周波数に対する透過率曲線において、それぞれ使用周波数での透過率｜Ｓij｜（ｉはｂ又はｃ、ｊはａ又はｄ）が極値を有するものである。
【００１５】
ここで、第１および第２誘電体線路において、使用周波数での透過率の極値が一致することが望ましい。
【００１６】
また、第１および第２誘電体線路が比誘電率４以上の誘電体からなるとともに、第２誘電体線路が曲率半径８ｍｍ以下の曲線状であることが望ましい。さらに第１および第２誘電体線路が比誘電率４より小さい誘電体からなるとともに、第２誘電体線路が曲率半径１２ｍｍ以下の曲線状であることが望ましい。
【００１７】
【作用】
従来の非放射性誘電体線路カプラでは、２つの直線状誘電体線路を用いたり、同じ曲率半径の曲線状誘電体線路を用いたり、曲率半径の充分大きな曲線状誘電体線路と直線状誘電体線路を組み合わせて構成されていた。これは、前述したように、設計通りの高周波信号がポートａからポートｃへ出力されないという問題のためである。
【００１８】
直線状誘電体線路と曲線状誘電体線路を組み合わせた非対称カプラの特性は図９のようになる。非対称のカプラでは、２つの直線状誘電体線路を用いたカプラに比べ、ポートｂへの透過率が大きくなり、ポートｃへの透過率が小さくなる。
【００１９】
そのため、ポートｂとポートｃへの透過率が等しくなる点が、２つの直線状誘電体線路を用いたカプラ（図８）に比べ、低周波数側に移動する。
【００２０】
本発明者等は、非対称のカプラの持つこのような問題を積極的に利用することにより、前述した問題を一挙に解決することができることを見いだし、本発明に至った。つまり、従来では、例えば、６０ＧＨｚでポートｂとポートｃに高周波信号が等分配されるカプラを作製する場合には、図８に示すように、使用周波数６０ＧＨｚにおいてＳbaの曲線とＳcaの曲線を交差するようにしていたが、本発明では、図１０に示すように、使用周波数６０ＧＨｚにおいてＳbaの曲線の極値とＳcaの曲線の極値が一致するようにしたのである。
【００２１】
即ち、一方の曲線状の誘電体線路の曲率半径を小さくすることにより２つの誘電体線路の非対称性をさらに大きくし、また２つの誘電体線路間の間隔を調整することにより、図１０に示すように使用周波数での透過率が極値となる。よって、本発明の非放射性誘電体線路カプラは、ポートｂ、ポートｃへの透過率が、使用周波数において極値となっているので、使用周波数付近の透過率曲線の傾きが非常に小さくなり、帯域幅が広くなり、通信などの広帯域を必要とする機器にも応用することができる。尚、図１０は、本発明の非放射性誘電体線路カプラの透過率と周波数との関係の計算結果を示すグラフである。
【００２２】
また、帯域幅が広いため、カプラを構成する２つの誘電体線路の間隔が多少変化しても、透過率がほとんど変化しないため、調整が簡単で容易に大量生産でき、設計の自由度が高くなる。
【００２３】
さらに、本発明の非放射性誘電体線路カプラは、従来の誘電体線路よりも曲率半径を小さくすることにより、帯域幅を広くすることができるため、小型化できる。本発明の非放射性誘電体線路カプラは、５０ＧＨｚ以上の高周波で使用される場合に好適に用いられる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明の非放射性誘電体線路カプラの斜視図を図１に示す。図１において、符号１４は一対の平行平板導体、１５は直線状の第１誘電体線路、１６は曲線状の第２誘電体線路である。また、符号ａ、ｂは第１誘電体線路１５の入出力ポートで、以後それぞれポートａ、ポートｂと呼ぶ。符号ｃ、ｄは第２誘電体線路１６の入出力ポートで、以後それぞれポートｃ、ポートｄと呼ぶ。尚、図１においては上側の平行平板導体１４の一部を切り欠いて記載した。
【００２５】
このような非放射性誘電体線路カプラでは、第１誘電体線路１５を伝送する高周波信号が、第１誘電体線路１５の高周波信号伝送方向に出力されるとともに、第２誘電体線路１６から出力されるものである。
【００２６】
尚、第２誘電体線路１６を伝送する高周波信号が、第２誘電体線路１６の高周波信号伝送方向に出力されるとともに、第１誘電体線路１５から出力されるものであっても良い。さらに、第１誘電体線路１５と第２誘電体線路１６から入力された高周波信号が、第１誘電体線路１５および第２誘電体線路１６の高周波信号伝送方向に分割されて出力されるものであっても良い。
【００２７】
平行平板導体１４は、高い電気伝導度及び加工性の点で、Ｃｕ、Ａｌ、Ｆｅ、ＳＵＳ（ステンレス）、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ等の導体板、あるいはこられの導体層を表面に形成した絶縁板でもよい。
【００２８】
誘電体線路１５、１６はテフロン等の低損失樹脂材料、コージェライト等の低誘電率セラミック材料からなることが望ましい。これらは低損失で加工が容易であり、量産に適しているからである。
【００２９】
また、図１では、直線状の第１誘電体線路１５と曲線状の第２誘電体線路１６を組み合わした非放射性誘電体線路カプラを示したが、もちろん、本発明の範囲を逸脱しないものであれば、例えば第１誘電体線路および第２誘電体線路が曲線状であっても良い。
【００３０】
ポートａから高周波信号を入射した場合、ポートｃへの透過率の減少は、曲線状の第２誘電体線路１６の曲率半径によっている。このため、ポートｂへの透過率の極小値、ポートｃへの透過率の極大値は、曲線状の第２誘電体線路１６の曲率半径を小さくするにつれてそれぞれ増加、減少する。また、この極値の位置は、２つの誘電体線路１５、１６の間隔により変化する。このため、本発明の非放射性誘電体線路カプラは、従来よりも曲率半径が小さい曲線状の第２誘電体線路１６を故意に使用することによって実現される。第２誘電体線路１６の曲率半径と２つの誘電体線路１５、１６の間隔を所定値に設定することにより、所望周波数で所望の透過率の極値を持つ非放射性誘電体線路カプラを構成することができるのである。
【００３１】
透過率の極値の値、周波数は、曲線状の第２誘電体線路１６の曲率半径と２つの誘電体線路１５、１６の間隔、使用する誘電体線路１５、１６の幅、高さ、比誘電率によって変化する。このため、最適な第２誘電体線路１６の曲率半径と２つの誘電体線路１５、１６の間隔は、所望する透過率、所望する周波数、使用する誘電体線路について、実験的もしくは計算によって決定する必要がある。
【００３２】
本発明の非放射性誘電体線路カプラとしては、第１および第２誘電体線路が誘電率４以上の誘電体からなるとともに、第２誘電体線路が曲率半径８ｍｍ以下の曲線状であることが望ましい。特に、第１誘電体線路が直線状であることが望ましい。また、第１および第２誘電体線路は実用的な面から誘電率４〜１０であることが望ましい。
【００３３】
また、第１および第２誘電体線路が誘電率４より小さい誘電体からなる場合には、第２誘電体線路が曲率半径１２ｍｍ以下の曲線状であることが望ましい。特に、第１誘電体線路が直線状であることが望ましい。また、第１および第２誘電体線路は誘電率２〜３の誘電体であることが望ましい。尚、曲率半径とは、例えば図７のＲをいう。
【００３４】
上記範囲を満たしていれば、２つの誘電体線路の曲率半径の差が大きいほど、ポートｂへの透過率の極値が小さくなるが、例えば、高さ２．２５ｍｍ、幅１．０ｍｍ、誘電率５の誘電体線路を用いて６０ＧＨｚでポートｂ、ｃへの透過率が等しくなる３ｄＢカプラは、直線状誘電体線路と曲率半径４ｍｍ程度の曲線状誘電体線路を使用することによって実現できる。
【００３５】
尚、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更は何等差し支えない。
【００３６】
【実施例】
Ｃｕからなる縦１００×横１００×厚み８ｍｍの２枚の平行平板導体を用意し、これらの平行平板導体の間に、比誘電率が４．８のコージェライトからなる高さ２．２５ｍｍ×巾１ｍｍの直線状の第１誘電体線路および曲線状の第２誘電体線路を配置し、図１の非放射性誘電体線路カプラを以下のようにして作製した。
【００３７】
この実施例では、６０ＧＨｚでポートｂとポートｃに高周波信号が等分配されるカプラを作製した場合について示す。
【００３８】
直線状の第１誘電体線路は長さ８０ｍｍのものを使用し、その両端を変換器を介して測定用の導波管に接続した。また、曲線状の第２誘電体線路は曲率半径３．９ｍｍの１８０゜ベンド（半円形状）を使用し、その両端に直線状誘電体線路を接続し、変換器を介して測定用の導波管に接続した。
【００３９】
直線状の第１誘電体線路と曲線状の第２誘電体線路の間隔は、６０ＧＨｚで透過率が極値を持つように実験的に１．４ｍｍと決定した。また、比較のため、従来のカプラとして、曲率半径１２．７ｍｍの１８０゜ベンドを２つ使用した対称カプラも作製した。
【００４０】
本発明と従来の非放射性誘電体線路について、ミリ波（数１０〜数１００ＧＨｚ帯）透過特性をヒューレットパッカード社製のネットワークアナライザー〔８７５７Ｃ〕により測定し、本発明の非放射性誘電体線路カプラの結果を図２、３に、従来の非放射性誘電体線路カプラの結果を図４に記載した。尚、図の縦軸の透過率には前記した変換器の損失が含まれているため、実際のカプラのみの透過率はこの値よりも１ｄＢ程度大きくなる。
【００４１】
図２、３から、本発明の非放射性誘電体線路カプラは５９〜６１．５ＧＨｚ程度の広い周波数範囲に渡ってポートｂとポートｃにほぼ等しい高周波信号が分配され、広帯域であることが判る。これに対して、従来のカプラでは、ポートｂとポートｃの透過率が等しくなるのは、６０〜６０．５ＧＨｚ程度のごく狭い周波数範囲にとどまっていることが判る。
【００４２】
【発明の効果】
本発明の非放射性誘電体線路カプラでは帯域幅を非常に広くでき、これにより、２つの誘電体線路の間隔が多少変化しても透過率がほとんど変化しないため、通信などの広帯域を必要とする機器にも応用することができると同時に、容易に大量生産ができ、設計の自由度が高くなる。
【００４３】
さらに、本発明の非放射性誘電体線路カプラでは、従来の誘電体線路よりも曲率半径を小さくすることにより帯域幅を広くできるため小型化を達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の非放射性誘電体線路カプラの一例を示す斜視図である。
【図２】図１の非放射性誘電体線路カプラの透過率と周波数との関係を示すグラフである。
【図３】図２の一部を拡大して示すグラフである。
【図４】従来の非放射性誘電体線路カプラの透過率と周波数との関係を示すグラフである。
【図５】非放射性誘電体線路の斜視図である。
【図６】２つの直線状の誘電体線路を用いた従来の非放射性誘電体線路カプラの模式図である。
【図７】直線状誘電体線路と曲線状誘電体線路を用いた従来の非放射性誘電体線路カプラの模式図である。
【図８】図６の非放射性誘電体線路カプラの透過率と周波数との関係の計算結果を示すグラフである。
【図９】図７の非放射性誘電体線路カプラの透過率と周波数との関係の計算結果を示すグラフである。
【図１０】本発明の非放射性誘電体線路カプラの透過率と周波数との関係の計算結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１４・・・平行平板導体
１５・・・第１誘電体線路
１６・・・第２誘電体線路
【図１】
0003872200.tif 000002
【図２】
0003872200.tif 000003
【図３】
0003872200.tif 000004
【図４】
0003872200.tif 000005
【図５】
0003872200.tif 000006
【図６】
0003872200.tif 000007
【図７】
0003872200.tif 000008
【図８】
0003872200.tif 000009
【図９】
0003872200.tif 000010
【図１０】
0003872200.tif 000011