(57)【要約】【課題】広帯域かつ低損失の平面伝送線路・導波管変換装置を提供する。【解決手段】平面伝送線路により伝送される電力と、導波管によって伝送される電力とを相互に変換可能な平面伝送線路・導波管変換装置１において、導波管２００の一方の開口部の開口面に対して略平行に配置された短絡板（導体板２４０）と、開口部に端部が配置された平面伝送線路２４２と、短絡板から所定の距離だけ導波管の軸方向に離間して配置されるとともに短絡板に対して略平行に配置され、平面伝送線路と電磁的に結合された整合素子２２２と、短絡板と整合素子の間に配置された第１の誘電体板２３０と、整合素子を挟んで第１の誘電体の反対側に配置されるとともに、第１の誘電体板以上の厚さを有する第２の誘電体板２１０と、を有する。【選択図】図１
2016072660.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面伝送線路により伝送される電力と、導波管によって伝送される電力とを相互に変換可能な平面伝送線路・導波管変換装置において、
前記導波管の一方の開口部の開口面に対して略平行に配置された短絡板と、
前記開口部に端部が配置された平面伝送線路と、
前記短絡板から所定の距離だけ前記導波管の軸方向に離間して配置されるとともに前記短絡板に対して略平行に配置され、前記平面伝送線路と電磁的に結合された整合素子と、
前記短絡板と前記整合素子の間に配置された第１の誘電体板と、
前記整合素子を挟んで前記第１の誘電体の反対側に配置されるとともに、前記第１の誘電体板以上の厚さを有する第２の誘電体板と、
を有することを特徴とする平面伝送線路・導波管変換装置。
【請求項２】
前記短絡板の一部に切り込みが形成され、
前記切り込み内に前記平面伝送線路の端部が配置されることを特徴とする請求項１に記載の平面伝送線路・導波管変換装置。
【請求項３】
前記平面伝送線路の端部が前記整合素子と接続されることを特徴とする請求項１に記載の平面伝送線路・導波管変換装置。
【請求項４】
前記第２の誘電体板は、前記整合素子から所定の距離だけ前記導波管の軸方向に離間して配置されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の平面伝送線路・導波管変換装置。
【請求項５】
前記第２の誘電体板の前記整合素子に対向する面から前記整合素子の表面までの距離と、前記第２の誘電体板の厚さとが、得ようとする比帯域および損失特性に応じて設定されていることを特徴とする請求項４に記載の平面伝送線路・導波管変換装置。
【請求項６】
前記第２の誘電体板の前記整合素子に対向する面から前記整合素子の表面までの距離をＬとし、前記第２の誘電体板の厚さをＴとし、ｃを所定の値とした場合に、
Ｌ＝０の場合にはＴ＝３ｃ、
Ｌ＝ｃの場合にはｃ≦Ｔ≦３ｃ、
Ｌ＝２ｃ，３ｃの場合にはＴ＝２ｃ、
の関係を満たすように設定されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の平面伝送線路・導波管変換装置。
【請求項７】
前記第２の誘電体板の前記整合素子に対向する面から前記整合素子の表面までの距離をＬとし、前記第２の誘電体板の厚さをＴとし、ｃを所定の値とした場合に、
Ｔ＝２ｃの場合には０．５ｃ≦Ｌ≦１．５ｃ
の関係を満たすように設定されていることを特徴とする請求項５に記載の平面伝送線路・導波管変換装置。
【請求項８】
前記第１の誘電体板と前記第２の誘電体板は、比誘電率が７〜１０の範囲内であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の平面伝送線路・導波管変換装置。
【請求項９】
前記短絡板、前記平面伝送線路、前記整合素子、および、前記第１の誘電体板は、３層以上の多層基板によって構成されることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の平面伝送線路・導波管変換装置。
【請求項１０】
前記平面伝送線路の一部に整合回路が装荷されていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の平面伝送線路・導波管変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、平面伝送線路・導波管変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ミリ波等の周波数が高い無線通信分野では、伝送損失が少ないという利点を有することから伝送線路として導波管を利用する事が多い。一方で、主要回路部分はマイクロストリップ線路やコプレーナ線路等の平面伝送線路で構成されている。このため、平面伝送線路を伝送される電力と、導波管を伝送される電力とを相互に変換可能な平面伝送線路・導波管変換装置が必要となる。
【０００３】
このような平面伝送線路・導波管変換装置としては、例えば、特許文献１および非特許文献１に開示される技術がある。非特許文献１では、整合素子にパッチアンテナを用いて、コプレーナ線路と電磁的に結合し変換を行うため、特許文献１に示されているバックショートと呼ばれる部品を削減し、小型化が可能である。しかし、パッチアンテナを用いるため、比誘電率が２．２の基板でも、比帯域が約３％程度（反射特性＜−２０ｄＢ）であるという問題がある。
【０００４】
非特許文献１に示されている式から、以下の関係が導き出される。
【数１】
2016072660.tif 000003
【０００５】
ここで、ＢＷは帯域幅を示し、ＱはＱ（Quality）値を示し、ｔは基板の厚みを示し、εｒは基板の比誘電率を示している。式（１）から、帯域幅は基板厚みに比例し、比誘電率に反比例する事がわかる。つまり、基板が薄く、比誘電率が高い場合には、帯域幅が減少する。
【０００６】
ミリ波では、小型化のため、アルミナ等の比誘電率が７〜１０程度と高く、かつ、薄い基板を用いることが多い。仮に、特許文献１と同様の方式を採用した場合、電磁界解析を用いて解析すると、基板厚みが同様でも、比帯域が３．２％から０．３２％程度まで１／１０程度も減少するため、アルミナ基板等の高誘電体で特許文献１のような方式を採用する事が困難となる。
【０００７】
このような問題点を解決するために、広帯域化を目的とした技術が開示されている。
【０００８】
特許文献２に開示された技術では、整合素子であるパッチアンテナの個数を増やし、それぞれのパッチアンテナを共振周波数から上下にずれた周波数で共振させることで広帯域化を図っている。このような構成によれば、比帯域を３．２％から７．２％まで増加させ、約２．２５倍の改善を図ることができる。
【０００９】
特許文献３に開示された技術では、導波管と整合素子の間に空洞共振器を設けることで二重共振を発生させ、広帯域化を図っている。このような技術によれば、比帯域を３．２％から７．２％まで増加させ、約２．２５倍の改善を図ることができる。
【００１０】
特許文献４に開示された技術では、アルミナ基板の高誘電率に起因して生じるコプレーナ線路とパッチアンテナの間の電磁結合の弱体化を、コプレーナ線路とパッチアンテナをスルーホールによって結合することで改善している。このような技術では、６０ＧＨｚで通過特性が−２．２ｄＢ、反射特性が−１９．２ｄＢとなっていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２０００−２４４２１２号公報
【特許文献２】特開２０１３−１３８３５６号公報
【特許文献３】特開２０１２−０４９８６２号公報
【特許文献４】特開２００８−１３１５１３号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】Iizuka, Hideo, Toshiaki Watanabe, and Kunitoshi NISHIKAWA. "Millimeter-wave microstrip line to waveguide transition fabricated on a single layer dielectric substrate." IEICE transactions on communications 85.6 (2002): 1169-1177.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ところで、特許文献２および特許文献３に開示された技術では、比帯域を約２．２５倍改善することができるが、特許文献１において基板をアルミナ基板に変更した場合は、比帯域が０．１倍となるため、結果的に０．７２％（＝３．２％×２．２５倍×０．１倍）程度の比帯域しか望めないため、アルミナ基板を採用することが困難という問題点がある。
【００１４】
また、特許文献４に開示された技術では、通過特性は−２．２ｄＢであり、一般的に−０．５〜１．０ｄＢ程度の通過特性（変換損失）が求められる変換装置において、損失が過大であるとの問題点がある。
【００１５】
本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであり、広帯域かつ低損失の平面伝送線路・導波管変換装置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】
【００１６】
上記課題を解決するために、本発明は、平面伝送線路により伝送される電力と、導波管によって伝送される電力とを相互に変換可能な平面伝送線路・導波管変換装置において、前記導波管の一方の開口部の開口面に対して略平行に配置された短絡板と、前記開口部に端部が配置された平面伝送線路と、前記短絡板から所定の距離だけ前記導波管の軸方向に離間して配置されるとともに前記短絡板に対して略平行に配置され、前記平面伝送線路と電磁的に結合された整合素子と、前記短絡板と前記整合素子の間に配置された第１の誘電体板と、前記整合素子を挟んで前記第１の誘電体の反対側に配置されるとともに、前記第１の誘電体板以上の厚さを有する第２の誘電体板と、を有することを特徴とする。
このような構成によれば、広帯域かつ低損失の平面伝送線路・導波管変換装置を得ることができる。
【００１７】
また、本発明は、前記短絡板の一部に切り込みが形成され、前記切り込み内に前記平面伝送線路の端部が配置されることを特徴とする。
このような構成によれば、切り込み内に平面伝送線路が配置される平面伝送線路・導波管変換装置を広帯域かつ低損失化することができる。
【００１８】
また、本発明は、前記平面伝送線路の端部が前記整合素子と接続されることを特徴とする。
このような構成によれば、平面伝送線路の端部が整合素子と接続される平面伝送線路・導波管変換装置を広帯域かつ低損失化することができる。
【００１９】
また、本発明は、前記第２の誘電体板は、前記整合素子から所定の距離だけ前記導波管の軸方向に離間して配置されることを特徴とする。
このような構成によれば、整合素子と第２の誘電体の間に空隙を設けることで、電界集中を緩和し、広帯域かつ低損失の平面伝送線路・導波管変換装置を得ることができる。
【００２０】
また、本発明は、前記第２の誘電体板の前記整合素子に対向する面から前記整合素子の表面までの距離と、前記第２の誘電体板の厚さとが、得ようとする比帯域および損失特性に応じて設定されていることを特徴とする。
このような構成によれば、これらのパラメータを調整することで所望の特性を簡単に得ることができる。
【００２１】
また、本発明は、前記第２の誘電体板の前記整合素子に対向する面から前記整合素子の表面までの距離をＬとし、前記第２の誘電体板の厚さをＴとし、ｃを所定の値とした場合に、Ｌ＝０の場合にはＴ＝３ｃ、Ｌ＝ｃの場合にはｃ≦Ｔ≦３ｃ、Ｌ＝２ｃ，３ｃの場合にはＴ＝２ｃ、の関係を満たすように設定されていることを特徴とする。
このような構成によれば、ｃの値を適宜設定することで、所望の特性を簡単に得ることができる。
【００２２】
また、本発明は、前記第２の誘電体板の前記整合素子に対向する面から前記整合素子の表面までの距離をＬとし、前記第２の誘電体板の厚さをＴとし、ｃを所定の値とした場合に、Ｔ＝２ｃの場合には０．５ｃ≦Ｌ≦１．５ｃの関係を満たすように設定されていることを特徴とする。
このような構成によれば、ｃの値を適宜設定することで、所望の特性を簡単に得ることができる。
【００２３】
また、本発明は、前記第１の誘電体板と前記第２の誘電体板は、比誘電率が７〜１０の範囲内であることを特徴とする。
このような構成によれば、広帯域化および低損失化を実現するとともに、装置の小型化を実現することができる。
【００２４】
また、本発明は、前記短絡板、前記平面伝送線路、前記整合素子、および、前記第１の誘電体板は、３層以上の多層基板によって構成されることを特徴とする。
このような構成によれば、多層基板を用いることで、目的の構成を簡単に得ることができる。
【００２５】
また、本発明は、前記平面伝送線路の一部に整合回路が装荷されていることを特徴とする。
このような構成によれば、インピーダンスの整合を簡易に行うことができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、広帯域かつ低損失の平面伝送線路・導波管変換装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施形態の基本構成例を示す斜視図である。
【図２】図１に示す実施形態の詳細な構成例を示す図である。
【図３】図１に示す実施形態の電界分布を示す図である。
【図４】従来の構成例の電界分布を示す図である。
【図５】図１に示す実施形態と従来例の透過特性を示す図である。
【図６】図１に示す実施形態と従来例の反射特性を示す図である。
【図７】本発明の第１実施形態の構成例を示す斜視図である。
【図８】図７に示す第１実施形態の断面図である。
【図９】図７に示す第１実施形態のＬ，Ｔと比帯域との関係を示す図である。
【図１０】本発明の第２実施形態の構成例を示す斜視図である。
【図１１】図１０に示す第２実施形態の断面図である。
【図１２】本発明の第３実施形態の構成例を示す斜視図である。
【図１３】図１２に示す第３実施形態の断面図である。
【図１４】本発明の第４実施形態の構成例を示す斜視図である。
【図１５】図１４に示す第４実施形態の内部構造を示す図である。
【図１６】図１４に示す第４実施形態の断面図である。
【図１７】図１４に示す実施形態の電界分布を示す図である。
【図１８】従来の構成例の電界分布を示す図である。
【図１９】図１４に示す第４実施形態と従来例の透過特性を示す図である。
【図２０】図１４に示す第４実施形態と従来例の反射特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
次に、本発明の実施形態について説明する。
【００２９】
（Ａ）実施形態の基本構成の説明
図１は、本発明の実施形態の基本構成を説明するための図である。この図１に示すように、本発明の実施形態の基本構成では、導波管２００、誘電体板２１０、導体板２２０、誘電体板２３０、および、導体板２４０を有している。なお、導体板２２０（後述する整合素子２２２を含む）、誘電体板２３０、および、導体板２４０（後述する平面伝送線路２４２を含む）はこの順に積層されて１枚の積層基板を構成する。ここで、導波管２００は、直方体形状を有する金属部材２０１の中央部に導波路２０２が形成されて構成される。誘電体板２１０は、後述するように導波管２００の導波路２０２内に配置される。導体板２２０は、導電性の板状部材によって構成され、中央に開口部２２１を有する。開口部２２１内には導電性の板状部材によって構成される整合素子２２２が配置されている。また、開口部２２１の周辺には複数のスルーホール２２３が形成されている。誘電体板２３０は、板状の誘電体によって構成され、導体板２２０に形成された複数のスルーホール２２３に対応した位置にスルーホール２３１が複数形成されている。導体板２４０は短絡板として機能し、中央部に切り込み２４０ａが形成された導電性の板状部材によって構成される。切り込み２４０ａの内部には、線形形状を有する平面伝送線路２４２が配置される。導体板２４０の内周には複数のスルーホール２４１が形成されている。
【００３０】
図２は、図１に示す実施形態の基本構成の各部の詳細な構成例を示す図である。図２（Ａ）は、図１に示す誘電体板２３０上に配置された導体板２４０の詳細な構成例を示している。この例では、誘電体板２３０の比誘電率はεｒとされ、導体板２４０に形成されたスルーホール２４１の直径はφとされ、隣接するスルーホール２４１の間隔はｄとされ、平面伝送線路２４２の短手方向の幅はｗｔとされ、平面伝送線路２４２と切り込み部２４０ａとの間隔はｇとされている。
【００３１】
図２（Ｂ）は、図１に示す導体板２２０の詳細な構成例を示している。この例では、導体板２２０に形成された開口部２２１の長手方向の長さはａとされ、短手方向の長さはｂとされている。また、開口部２２１内に配置されている整合素子２２２の幅は、横方向（図２の横方向）がｗ１とされ、縦方向（図２の縦方向）がｗ２とされている。
【００３２】
図２（Ｃ）は、図１に示す実施形態の基本構成を図１に示すＡ−Ａで切断した場合の断面図の一例を示している。この例では、導体板２２０と導体板２４０は、複数のスルーホール２２３，２３１，２４１によって電気的に接続されている。これにより、導体板２２０と導体板２４０は同電位になる。また、誘電体板２３０の厚さはｔとされ、平面伝送線路２４２と整合素子２２２とが重複する長さはρとされ、誘電体板２１０の厚さはＴとされ、誘電体板２１０と整合素子２２２の間隔はＬとされている。なお、図１および図２は、理解を容易にするための模式図であり、各部の寸法は実際のものとは異なっている。
【００３３】
（Ｂ）実施形態の基本構成の動作の説明
つぎに、図１および図２に示す基本構成の動作について説明する。本発明の基本構成の各部の寸法を以下のように設定した場合の特性をシミュレーションによって求めた。
【００３４】
Ｗ１：１．０８５ｍｍ
Ｗ２：１．０８５ｍｍ
ρ  ：０．１９５ｍｍ
ｗｔ：０．２７ｍｍ
ｇ  ：０．１ｍｍ
ｔ  ：０．１２７ｍｍ
ａ  ：３．１ｍｍ
ｂ  ：１．５５ｍｍ
φ  ：０．２ｍｍ
ｄ  ：０．５ｍｍ
Ｔ  ：０．３ｍｍ
Ｌ  ：０．１ｍｍ
【００３５】
以上のようにパラメータを設定し、電界分布のシミュレーションを行った結果を図３に示す。また、同様にパラメータを設定し、誘電体板２１０を除外した場合の電界分布をシミュレーションした結果を図４に示す。
【００３６】
図３および図４とも、図２（Ｂ）において、整合素子２２２が配置された面における電界分布を示す。図３および図４の比較から、本実施形態では、整合素子２２２の周辺の電界強度が低下している。
【００３７】
図５は、導波管２００と平面伝送線路２４２との間の透過量をシミュレーションによって求めたグラフである。なお、この図５において、実線は、本発明の基本構成において誘電体板２１０および誘電体板２３０として、比誘電率が９．９の誘電体（例えば、アルミナ）を用いた場合の透過特性を示し、破線は図１に示す誘電体板２１０を有しない従来の構成に対して比誘電率が２．２の誘電体を用いた場合の透過特性を示し、一点鎖線は図１に示す誘電体板２１０を有しない従来の構成に対して比誘電率が９．９の誘電体を用いた場合の透過特性を示している。この図に示すように、比誘電率が９．９のアルミナ等の部材を用いた場合、従来の構成では−１．７ｄＢであった透過量を、本実施形態では−０．５ｄＢに改善することができる。このことから、本実施形態では、比誘電率が高い誘電体を使用した場合でも、損失を少なくすることができる。
【００３８】
図６は、導波管２００と平面伝送線路２４２との間の反射量をシミュレーションによって求めたグラフである。なお、この図６において、実線は本発明の基本構成において誘電体板２１０および誘電体板２３０として比誘電率が９．９の誘電体を用いた場合の反射特性を示し、破線は図１に示す誘電体板２１０を有しない従来の構成に対して比誘電率が２．２の誘電体を用いた場合の反射特性を示し、一点鎖線は図１に示す誘電体板２１０を有しない従来の構成に対して比誘電率が９．９の誘電体を用いた場合の反射特性を示している。この図に示すように、比誘電率が９．９のアルミナ等の部材を用いた場合、従来の構成では０．３２％であった比帯域（＝帯域幅（反射量：−２０ｄＢ以下）／中心周波数）を、１．５％に改善することができる。このことから、本実施形態では、比誘電率が高い誘電体を使用した場合でも、従来に比較して約４．５倍もの広帯域化を実現することができる。
【００３９】
以上に説明したように、本実施形態の基本構成では、整合素子２２２を挟んで誘電体板２３０の反対側に誘電体板２１０を配置したことにより、電界強度を下げることで、損失を少なくするとともに、比帯域を広帯域化することができる。また、誘電体板２１０と整合素子２２２の間に空隙を形成して空気による層を配置することで、電界集中を一層低下させ、損失をさらに少なくするとともに、比帯域をさらに広帯域化することができる。また、本実施形態の基本構成では、誘電体板２３０の厚さｔと誘電体板２１０の厚さＴの関係を、ｔ≦Ｔとなるようにしたので、導体板２４０の切り込み２４０ａに配置された平面伝送線路２４２と整合素子２２２とを、互いに接近して配置することにより互いに電磁的に結合させるとともに、誘電体板２３０以上の厚さを有する誘電体板２１０を配置することで、電界集中を低下させ、広帯域かつ低損失の平面伝送線路・導波管変換装置を得ることができる。
【００４０】
なお、以上の例では、Ｔ＝０．３ｍｍおよびＬ＝０．１ｍｍの場合を例に挙げて説明したが、Ｔ＝０．３ｍｍおよびＬ＝０ｍｍの場合には比帯域が０．６１％になり、Ｔ＝０．２ｍｍおよびＬ＝０．２ｍｍの場合には比帯域が１．０６％になり、Ｔ＝０．２ｍｍおよびＬ＝０．３ｍｍの場合には比帯域が１．０３％になるので、このような設定によっても低損失化および広帯域化を実現することができる。
【００４１】
（Ｃ）第１実施形態の構成の説明
図７は、本発明の第１実施形態に係る平面伝送線路・導波管変換装置の構成例を示す分解斜視図である。また、図８は、図７に示す平面伝送線路・導波管変換装置１を矢印Ｂ−Ｂによって切断した場合の断面を示す断面図である。図７に示すように、本発明の第１実施形態に係る平面伝送線路・導波管変換装置１は、導波管１０、積層基板２０、金属板３０、および、積層基板４０を有している。
【００４２】
ここで、導波管１０は、直方体形状を有する金属部材１１の中央部に導波路１２が形成されて構成される。導波管１０の上面（図７の上側の面）には、ネジ５１，５２の先端が挿入され、これらのネジ５１，５２を係止するためのネジ穴１３，１４が形成されている。
【００４３】
積層基板２０は、表（おもて）面（図７の上側の面）と、裏面（図７の下側の面）に導体板２２，２３がそれぞれ形成された、例えば、比誘電率が９．９程度のアルミナの誘電体板２１によって構成される。導体板２２には、中央部が導波路１２と同じ形状を有する開口部２２ａが形成されている。図７の右側に示すように、導体板２３にも、中央部に導波路１２と同じ形状を有する開口部２３ａが同様に形成されている。なお、誘電体板２１には、開口部は形成されていない。開口部２２ａ，２３ａの周辺には、複数のスルーホール２６が形成されている。この複数のスルーホール２６は、導体板２２，誘電体板２１、および、導体板２３を貫通するように形成されている。また、導波管１０に形成されたネジ穴１３，１４に対応する位置には、ネジ穴２４，２５が形成されている。このネジ穴２４，２５も導体板２２，誘電体板２１、および、導体板２３を貫通するように形成されている。
【００４４】
金属板３０は、導電性を有する板状部材によって構成される。金属板３０の中央部には、導波管１０の導波路１２に対応する形状を有する開口部３２が形成されている。また、導波管１０に形成されたネジ穴１３，１４に対応する位置には、ネジ穴３３，３４が形成されている。
【００４５】
積層基板４０は、表面（図７の上側の面）と、裏面（図７の下側の面）に導体板４２，４３がそれぞれ形成された、例えば、比誘電率が９．９程度のアルミナの誘電体板４１によって構成される。導体板４２は、Ｘ方向の幅は誘電体板４１よりも狭くなるように構成されるとともに、中央部に切り込み部４２ａが形成されている。この切り込み部４２ａ内には、切り込み部４２ａの形状よりも小さい矩形形状を有する導電性の金属部材によって構成された平面伝送線路４６が配置されている。図７の右側に示すように、導体板４３には、導波路１２と同じ形状を有する開口部４３ａが形成されている。開口部４３ａの中央部には、開口部４３ａよりも小さい面積を有する導電性の金属部材によって構成される整合素子４８が配置されている。開口部４３ａの周辺には、複数のスルーホール４７が形成されている。この複数のスルーホール４７は、導体板４２，誘電体板４１、および、導体板４３を貫通するように形成されている。また、導波管１０に形成されたネジ穴１３，１４に対応する位置には、ネジ穴４４，４５が形成されている。このネジ穴４４，４５も導体板４２，誘電体板４１、および、導体板４３を貫通するように形成されている。
【００４６】
以上のような構成を有する、積層基板２０、金属板３０、および、積層基板４０は、この順番に重ねた状態で、ネジ５１，５２によって、導波管１０にネジ止めされる。
【００４７】
この結果、図８に示すように、導波管１０の上側（図８の上側）には、積層基板２０、金属板３０、および、積層基板４０が重ねて配置される。積層基板２０の導体板２２，２３は、開口部２２ａ，２３ａと導波路１２が一致するように配置されている。また、金属板３０および積層基板４０も開口部３２および開口部４３ａが導波路１２と一致するように配置されている。導波路１２の突き当たりには、誘電体板２１が配置され、さらにその奥には誘電体板４１が配置されている。また、誘電体板４１の裏側（図８の下側）には、整合素子４８が配置されている。積層基板２０に形成された複数のスルーホール２６は、導体板２２，２３を電気的に接続する。積層基板４０に形成された複数のスルーホール４７は、導体板４２，４３を電気的に接続する。なお、誘電体板２１の厚さはＴとされ、また、整合素子４８と誘電体板２１の間隔はＬとされる。また、図７および図８は、理解を容易にするための模式図であり、各部の寸法は実際のものとは異なっている。
【００４８】
（Ｄ）第１実施形態の動作の説明
つぎに、図７に示す第１実施形態の動作について説明する。第１実施形態では、基本構成と同様にパラメータを設定した場合であって、Ｔ＝０．３ｍｍおよびＬ＝０．１ｍｍに設定した場合には、電界分布は図３と同様の状態となる。また、透過特性および反射特性も図５および図６に示す実線と同様の特性となる。このことから、第１実施形態の場合も、広帯域化および低損失化を実現することができる。
【００４９】
図９は、図７に示す第１実施形態において、誘電体板４１の厚さｔ＝０．１ｍｍとし、装荷する誘電体板２１の厚さＴと、整合素子４８と誘電体板２１の間隔をＬとした場合に、ＴとＬを変化させた場合の比帯域の変化を示す図である。この図において、列方向はＴを示し、この例ではＴ＝０，０．１，０．２，０．３，０．４の場合が示されている。また、行方向はＬを示し、この例ではＬ＝０，０．１，０．２，０．３の場合が示されている。なお、Ｔ＝０は、誘電体板２１を有しない場合であり、従来の構成を示している。この例では、Ｔ＝０の場合の比帯域は０．６１％となっている。図中にハッチングが施されている領域は、従来の構成の比帯域０．６１％に比較して、特性が改善していることを示している。
【００５０】
以上の結果を、変数ｃ（＝０．１ｍｍ）を用いて表すと、効果が得られるのは以下の範囲であることが明らかになった。
（１）Ｌ＝０の場合、    Ｔ＝３ｃ
（２）Ｌ＝ｃの場合、    ｃ≦Ｔ≦３ｃ
（３）Ｌ＝２ｃの場合、  Ｔ＝２ｃ
（４）Ｌ＝３ｃの場合、  Ｔ＝２ｃ
【００５１】
また、Ｔを基準にすると、効果が得られるのは以下の範囲である。
（５）Ｔ＝２ｃの場合、  ０．５ｃ≦Ｌ≦１．５ｃ
【００５２】
以上から、整合素子４８を挟んで誘電体板４１の反対側に誘電体板２１を配置するようにしたので、電界強度を下げることで、損失を少なくするとともに、比帯域を広帯域化することができる。また、誘電体板２１と整合素子４８の間に空隙を形成して空気による層を配置することで、電界集中を緩和し、損失をさらに少なくするとともに、比帯域をさらに広帯域化することができる。また、整合素子４８と誘電体板２１の距離Ｌと、誘電体板２１の厚さＴが所定の関係を有するように設定することで、比帯域を広帯域化することができる。さらに、誘電体板４１の厚さｔと誘電体板２１の厚さＴの関係を、ｔ≦Ｔとなるようにしたので、導体板４２の切り込み４２ａに配置された平面伝送線路４６と整合素子４８とを、互いに接近して配置することにより互いに電磁的に結合させるとともに、誘電体板４１以上の厚さを有する誘電体板２１を配置することで、電界集中を低下させ、広帯域かつ低損失の平面伝送線路・導波管変換装置を得ることができる。      
【００５３】
（Ｅ）第２実施形態の説明
図１０は、本発明の第２実施形態の構成例を示す図である。なお、図１０において、図７に示す第１実施形態に対応する部分には同一の符号を付してその説明を省略する。図１０に示す第２実施形態では、図７と比較すると、積層基板２０と金属板３０が除外され、積層基板７０，８０，９０が追加されている。また、積層基板４０の裏面から導体板４３が除外され、整合素子４８だけが残されている。さらに、図１２に示す実施形態では、誘電体板４１，７１，８１，９１は、例えば、ＬＴＣＣ（Low Temperature Co-fired Ceramics）等の板状部材によって構成される。
【００５４】
ここで、積層基板７０は、誘電体板７１の表面および裏面に導体板７２，７３がそれぞれ積層形成され、中央に導波路１２に対応する形状の開口部７４が導体板７２，７３および誘電体板７１を貫通するように形成されている。また、開口部７４の周辺には複数のスルーホール７７と、ネジ穴７５，７６が形成されている。
【００５５】
積層基板８０は、誘電体板８１の表面に導体板８２が積層形成されている。導体板８２の中央には導波路１２に対応する形状の開口部８２ａが形成されている。なお、誘電体板８１には開口部は形成されていない。開口部８２ａの周辺には複数のスルーホール８５と、ネジ穴８３，８４が形成されている。
【００５６】
積層基板９０は、誘電体板９１の表面に導体板９２が積層形成され、中央に導波路１２に対応する形状の開口部９３が導体板９２および誘電体板９１を貫通するように形成されている。また、開口部９３の周辺には複数のスルーホール９６と、ネジ穴９４，９５が形成されている。
【００５７】
以上のような構成を有する、積層基板７０〜９０および積層基板４０は、この順番に重ねた状態で、ネジ５１，５２によって、導波管１０にネジ止めされる。
【００５８】
この結果、図１１に示すように、導波管１０の上側（図１１の上側）には、積層基板７０〜９０および積層基板４０が重ねて配置される。なお、図１１は、図１０に示す平面伝送線路・導波管変換装置１を矢印Ｃ−Ｃによって切断した場合の断面を示す断面図である。積層基板７０は、開口部７４と導波管１０の導波路１２が一致するように配置されている。また、積層基板８０は、開口部８２ａと導波路１２が一致するように配置され、積層基板９０は、開口部９３と導波管１０の導波路１２が一致するように配置されている。導波路１２の突き当たりには、誘電体板８１が配置され、さらにその奥には誘電体板４１が配置されている。また、誘電体板４１の裏側（図１１の下側）には、整合素子４８が配置されている。積層基板７０，８０，９０に形成された複数のスルーホール７７，８５，９６は、導体板７３，７２，８２，９２を電気的に接続する。積層基板７０，８０，９０，４０に形成された複数のスルーホール７７，８５，９６，４７は、導体板７３，７２，８２，９２，４２を電気的に接続する。なお、誘電体板８１の厚さはＴとされ、また、整合素子４８と誘電体板８１の間隔はＬとされる。また、図１０および図１１は、理解を容易にするための模式図であり、各部の寸法は実際のものとは異なっている。
【００５９】
以上に示すような本発明の第２実施形態も、前述した基本構成および第１実施形態と同様に、整合素子４８を挟んで誘電体板４１の反対側に誘電体板８１を配置するようにしたことにより、電界強度を下げることで、損失を少なくするとともに、比帯域を広帯域化することができる。また、誘電体板８１と整合素子４８の間に空隙を形成して空気による層を配置することで、電界集中を緩和し、損失をさらに少なくするとともに、比帯域をさらに広帯域化することができる。また、誘電体板４１の厚さｔと誘電体板８１の厚さＴの関係を、ｔ≦Ｔとなるようにしたので、導体板４２の切り込み４２ａに配置された平面伝送線路４６と整合素子４８とを、互いに接近して配置することにより互いに電磁的に結合させるとともに、誘電体板４１以上の厚さを有する誘電体板８１を配置することで、電界集中を緩和し、広帯域かつ低損失の平面伝送線路・導波管変換装置を得ることができる。
【００６０】
（Ｆ）第３実施形態の説明
図１２は、本発明の第３実施形態の構成例を示す図である。なお、図１２において、図７に示す第１実施形態に対応する部分には同一の符号を付してその説明を省略する。図１２に示す第３実施形態では、図７と比較すると、積層基板２０に配置されている平面伝送線路４６が平面伝送線路４９に置換されている。これ以外の構成は、図７の場合と同様である。ここで、平面伝送線路４９は、その一部の幅が拡大された整合回路４９ａを有している。このような整合回路４９ａを設けることで、インピーダンスの整合を図ることができる。
【００６１】
図１３は、図１２に示す第３実施形態をＤ−Ｄで切断した場合の断面図である。図１３に示すように、導波管１０の上側（図１３の上側）には、積層基板２０、金属板３０、および、積層基板４０が重ねて配置される。積層基板２０は、開口部２２ａ，２３ａと、導波管１０の導波路１２が一致するように配置されている。また、金属板３０および積層基板４０も開口部３２および開口部４３ａが導波管１０の導波路１２と一致するように配置されている。導波路１２の突き当たりには、誘電体板２１が配置され、さらにその奥には誘電体板４１が配置されている。また、誘電体板４１の裏側（図１３下側）には、整合素子４８が配置されている。積層基板２０に形成された複数のスルーホール２６は、導体板２２，２３を電気的に接続する。積層基板４０に形成された複数のスルーホール４７は、導体板４２，４３を電気的に接続する。なお、誘電体板２１の厚さはＴとされ、また、整合素子４８と誘電体板２１の間隔はＬとされる。また、図１２および図１３は、理解を容易にするための模式図であり、各部の寸法は実際のものとは異なっている。
【００６２】
以上に示すような本発明の第３実施形態も、前述した基本構成ならびに第１および第２実施形態と同様に、整合素子４８を挟んで誘電体板４１の反対側に誘電体板２１を配置するようにしたことにより電界強度を下げることで、損失を少なくするとともに、比帯域を広帯域化することができる。また、誘電体板２１と整合素子４８の間に空隙を形成して空気による層を配置することで、電界集中を緩和し、損失をさらに少なくするとともに、比帯域をさらに広帯域化することができる。また、誘電体板４１の厚さｔと誘電体板２１の厚さＴの関係を、ｔ≦Ｔとなるようにしたので、導体板４２の切り込み４２ａに配置された平面伝送線路４９と整合素子４８とを、互いに接近して配置することにより互いに電磁的に結合させるとともに、誘電体板４１以上の厚さを有する誘電体板２１を配置することで、電界集中を緩和し、広帯域かつ低損失の平面伝送線路・導波管変換装置を得ることができる。
【００６３】
（Ｆ）第４実施形態の説明
図１４は、本発明の第４実施形態の構成例を示す図である。第４実施形態は、パッチアンテナを用いた実施形態で、導波管１１０および積層基板１２０を有している。ここで、導波管１１０は、内部に導波路１１２を有する直方体形状の金属部材１１１によって構成される。積層基板１２０は、誘電体板１２１の上側（図１４の上側）の面には、整合素子１２３が中央部に配置され、その周りを囲むように導体板１２２が配置されている。整合素子１２３には平面伝送線路１２４が接続されている。また、積層基板１２０の下側（図１４の下側）の面には一面に導体板１２５が形成されている。なお、導体板１２２と導体板１２５は図示しないスルーホールによって相互に接続されている。
【００６４】
図１５は、図１４に示すＥ−Ｅで切断した場合の内部構造を示している。この図に示すように、導波管１１０の導波路１１２の底部には、誘電体板１３０が配置されている。なお、この誘電体板１３０は、例えば、比誘電率が９．９の誘電体（例えば、アルミナ）によって構成される。
【００６５】
図１６は、図１４に示すＥ−Ｅで切断した場合の断面図を示している。この図に示すように、誘電体板１３０は、整合素子１２３から距離Ｌ離間した位置に配置されている。また、誘電体板１３０の厚さはＴとされている。導体板１２２と導体板１２５は、複数のスルーホール１２６によって電気的に接続されている。これにより、導体板１２２と導体板１２５は同電位となる。なお、図１４〜図１６は、理解を容易にするための模式図であり、各部の寸法は実際のものとは異なっている。
【００６６】
図１７は、第４実施形態の電界分布のシミュレーションの結果を示す図である。また、図１８は、図１４に示す構成から誘電体板１３０を除外した場合の電界分布のシミュレーションの結果を示す図である。図１７および図１８とも、整合素子１２３が配置された面における電界分布を示す。これらの図１７および図１８の比較から、第４本実施形態では、電界の強度が低くなっている。
【００６７】
図１９は、第４実施形態の透過特性を示す図である。この図において実線は第４実施形態の透過特性を示し、破線は従来技術（誘電体板１３０を除外した場合）の透過特性を示している。この図に示すように、第４実施形態では、誘電体板１３０を用いない場合に比較して、透過特性を１ｄＢ程度改善することができる。
【００６８】
図２０は、第４実施形態の反射特性を示す図である。この図において実線は第４実施形態の反射特性を示し、破線は従来技術の反射特性を示している。この図に示すように、第４実施形態では、誘電体板１３０を用いない場合に比較して、反射特性を約２倍程度広帯域化することができる。
【００６９】
以上に説明したように、第４実施形態の場合でも、前述した基本構成ならびに第１、第２、および、第３実施形態と同様に、整合素子１２３を挟んで誘電体板１２１の反対側に誘電体板１３０を配置するようにしたことにより電界強度を下げることで、損失を少なくするとともに、比帯域を広帯域化することができる。また、誘電体板１３０と整合素子１２３の間に空隙を形成して空気による層を配置することで、電界集中を緩和し、損失をさらに少なくするとともに、比帯域をさらに広帯域化することができる。
【００７０】
（Ｅ）変形実施形態の説明
以上の各実施形態は一例であって、本発明が上述したような場合のみに限定されるものでないことはいうまでもない。例えば、基本実施形態では、誘電体板２１０は、アルミナとしたが、これ以外の誘電体を用いるようにしてもよい。また、誘電体板２１０と、誘電体板２３０の間は空気を満たした状態としたが、空気以外のガス（例えば、希ガス等）を満たすようにしてもよい。もちろん、液体の誘電体を満たすようにしてもよい。
【００７１】
また、基本構成において各部の寸法を示したが、この寸法は一例であって、これらの数値のみに本発明が限定されるものではなく、目的に応じて寸法を変更するようにしてよい。
【００７２】
また、第１実施形態では、図９に示すように誘電体板２１の厚さＴと、整合素子４８と誘電体板２１の距離Ｌを変化させた場合の比帯域の変化を調べたが、図９の結果は、誘電体板２１としてアルミナを用い、また、前述した寸法の場合の例であるので、これ以外の寸法および誘電体を用いた場合には、これ以外の結果になる場合もあることはもちろんである。
【符号の説明】
【００７３】
１  平面伝送線路・導波管変換装置
１０，１１０  導波管
１２，１１２  導波路
２０，４０，７０，８０，９０，１２０  積層基板
２１，４１，７１，８１，９１，１２１，１３０  誘電体板
３０  金属板
４３，７２，７３，８２，９２，１２５  導体板
４２，１２２，２４０  導体板（短絡板）
４６，１２４  平面伝送線路
４８，１２３  整合素子
【図１】
2016072660.tif 000004
【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】
2016072660.tif 000010
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
2016072660.tif 000017
【図１５】
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【図１６】
2016072660.tif 000019
【図１７】
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【図１８】
2016072660.tif 000021
【図１９】
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【図２０】
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