(57)【要約】本発明の高周波回路は、導波管１と、導波管１の内部に配置された少なくとも１つの共振器２とを備える。共振器２は、Ｈ面と交差する平面に平行な少なくとも１つのパターニングされた導電体層を有し、導波管１の内部の誘電率、形状およびサイズによって規定されるカットオフ周波数よりも低い周波数で共振する。この共振により、カットオフ周波数よりも低い周波数を有する電磁波が導波管１の内部を通過することが可能になる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
導波管と、
前記導波管の内部に配置された少なくとも１つの共振器と、
を備え、
前記共振器は、Ｈ面と交差する平面に平行な少なくとも１つのパターニングされた導電体層を有し、前記導波管の内部の誘電率、形状およびサイズによって規定されるカットオフ周波数よりも低い周波数で共振することにより、前記カットオフ周波数よりも低い周波数を有する電磁波に前記導波管内部を通過させる、高周波回路素子。
【請求項２】
前記共振器は、前記カットオフ周波数よりも低い共振周波数を有している請求項１に記載の高周波回路素子。
【請求項３】
前記共振器の共振周波数は、前記カットオフ周波数の四分の一以下である、請求項２に記載の高周波回路素子。
【請求項４】
前記共振器は複数である請求項１に記載の高周波回路素子。
【請求項５】
前記複数の共振器は、それぞれ、異なる共振周波数を有する請求項４に記載の高周波回路素子。
【請求項６】
前記パターニングされた導電体層は、螺旋形状導体配線、一部が開放されたリング形状導体配線、螺旋形状スロット、および、一部が欠けたリング形状スロットの少なくとも１つを有している請求項１に記載の高周波回路素子。
【請求項７】
前記共振器は、二分の一波長共振器または四分の一波長共振器として機能する請求項６に記載の高周波回路素子。
【請求項８】
前記パターニングされた導電体層は複数であり、
前記複数の導電体層は、積層され、相互に交差結合している請求項６に記載の高周波回路素子。
【請求項９】
前記共振器は、積層螺旋共振器構造または積層螺旋導体共振器構造を有している請求項８に記載の高周波回路素子。
【請求項１０】
前記パターニングされた導電体層は、複数であり前記複数の導電体層は積層されており、
前記複数の導電体層のうちの隣接する導電体層は、互いに回転方向が逆の螺旋形状を有している請求項１に記載の高周波回路素子。
【請求項１１】
前記共振器は複数であり、前記導波管の内部において異なる向きに配置されている請求項１に記載の高周波回路素子。
【請求項１２】
前記共振器の少なくとも一つは、前記パターニングされた導電体層が前記導波管のＨ面以外の面に平行となるように配置されている請求項１１に記載の高周波回路素子。
【請求項１３】
前記導波管は、対向する一対の金属壁を有しており、
前記一対の金属壁は、導電部材によって接続されている請求項１に記載の高周波回路素子。
【請求項１４】
請求項１に記載の複数の高周波回路素子を備える高周波回路であって、
前記複数の高周波回路素子は、
第１の周波数で電磁波を伝送させる第１の高周波回路素子と、
前記第１の周波数とは異なる第２の周波数で電磁波を伝送させる第２の高周波回路素子と、
を含んでおり
前記第１および第２の周波数を有する電磁波の分波または合波を行う、高周波回路素子。
【請求項１５】
請求項１に記載の高周波回路素子を備える高周波回路であって、
前記高周波回路素子に含まれる前記導波管は、電磁波を放射または受信するアンテナとして機能する高周波回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、高周波回路に関し、特にマイクロ波帯またはミリ波帯に属する高周波信号の伝送、分配、合成、放射、または検出に適した高周波回路素子、および当該回路素子を備える高周波回路に関している。
【背景技術】
【０００２】  高周波回路における伝送線路の一つとして、導波管（ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）が知られている。一般に導波管は中空の管状導電体からなる構造物であり、導電体によって囲まれた内部空間に特定モードの電磁界を形成し、所定周波数の電磁波を進行させる。導波管には、電磁波の伝搬方向に垂直な断面が矩形の矩形導波管や断面が円形の円形導波管がある（非特許文献１）。【０００３】  図１２を参照しながら、矩形導波管の典型的な構造を説明する。図示されている導波管の断面は長方形であり、その縦方向サイズはａ［ｍｍ］、横方向サイズはｂ［ｍｍ］である（ａ＜ｂ）。横方向サイズｂの２倍以下の実効波長を有する電磁波は、この導波管の内部を透過することができるが、横方向サイズｂの２倍を超える実効波長を有する電磁波は透過することができない。言い換えると、この導波管を透過することができる電磁波の実効波長は２×ｂ［ｍｍ］以下である。電磁波の速度ｃは、実効波長×周波数で示されるため、カットオフ周波数ｆｃはｃ／（２×ｂ）で表され、カットオフ周波数ｆｃ以下の周波数の電磁波はカットされる。【０００４】  矩形導波管は、アンテナとしても使用され得る。図１３は、アンテナとして機能する矩形導波管の構造を示している。図１３の導波管は、一端に入力部３１、他端に開口面３２を有している。入力部３１に入力された所定周波数の電磁波は導波管の内部を伝送し、そのまま開口面３２から自由空間に放射される。この場合も、入力部３１の横方向サイズｂの２倍に等しい実効波長（２×ｂ）に相当する周波数がカットオフ周波数ｆｃとなる。従って、図１３のアンテナは、このカットオフ周波数ｆｃよりも高い周波数の電磁波を放射または受信することが可能である。【０００５】  所望の放射指向性を得るため、開口面３２の横方向サイズｂ１および縦方向サイズａ１を、それぞれ、入力部３１の横方向サイズｂおよび縦方向サイズａとは異なる値に設定してもよい。【０００６】  図１３の矩形導波管アンテナに類似する構造を備えたアンテナとして、スロットアンテナが知られている。図１４（ａ）は、スロットアンテナ装置の斜視図であり、（ｂ）は、面２６で切り取られた断面図である。【０００７】  図１４に示すスロットアンテナ装置は、裏面に接地導体層２３が設けられた誘電体基板２１を有しており、接地導体層２３の中央部には帯状のスロット２４が形成されている。スロット２４は、接地導体層２３におけるスロット形成領域の導体部分を、その厚さ方向に全て除去することによって形成されている。誘電体基板２１の表面には、接地導体層２３のスロット２４を横切るように信号導体配線２２が設けられている。この信号導体配線２２と接地導体層２３とによってマイクロストリップ線路が形成され、マイクロストリップ線路に沿って電磁波が進行する。このとき、スロット２４の横幅の２倍に等しい実効波長で共振が生じることになる。共振が生じると、スロット２４を介して誘電体基板２１の裏面側に位置する自由空間に電磁波が放射される。スロット２４によって共振する周波数（共振周波数）近傍の周波数を有する電磁波のみが自由空間へ効率良く放射される。【０００８】  導波管は、アンテナのみならず、高周波回路として種々の用途��使用される。特許文献１、２は、導波管を構成要素とする帯域フィルタを開示している。
【特許文献１】特開昭６２−１８６６０２号公報
【特許文献２】特開昭６３−２６９８０２号公報
【非特許文献１】Ｗｉｌｅｙ−Ｉｎｔｅｒｓｃｉｅｎｃｅ社、“Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｃｉｒｃｕｉｔ  Ｄｅｓｉｇｎ”２８頁から３３頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】  前述の通り、導波管が伝送し得る電磁波の周波数は、カットオフ周波数ｆｃよりも高い。例えば２ＧＨｚの電磁波を進行させる導波管を作製するには、導波管の横方向サイズｂを７．５ｃｍ以上に設定する必要がある。７．５ｃｍよりも短い横幅の導波管では、カットオフ周波数ｆｃが２ＧＨｚよりも高くなるため、２ＧＨｚの電磁波は導波管内を伝送できない。このため、例えば２．４ＧＨｚなどの周波数帯域で使用される高周波回路に導波管を用いようとすると、そのサイズが大きすぎるという問題が生じる。【００１０】  導波管の内部を誘電率の高い材料で満たすことにより、導波管のカットオフ周波数ｆｃを低減することが可能であり、その分、導波管のサイズを小さくすることが可能になる。【００１１】  以下、図１５（ａ）および図１５（ｂ）を参照しながら、導波管のカットオフ周波数ｆｃを更に詳しく説明する。図１５（ａ）は、内部が空気の導波管について得られた透過強度と周波数との関係を模式的に示すグラフである。一方、図１５（ｂ）は、内部が高誘電率材料で充填された導波管について、透過強度と周波数との関係を模式的に示すグラフである。【００１２】  図１５（ａ）および図１５（ｂ）から、カットオフ周波数ｆｃよりも低い周波数では電磁波を透過（伝送）できないことがわかる。また、高誘電率材料の充填により、カットオフ周波数ｆｃを低減することができることもわかる。カットオフ周波数ｆｃは、誘電率の０．５乗に反比例するため、例えば誘電率が９の高誘電率材料で導波管の内部を充填すると、カットオフ周波数ｆｃを三分の一（＝１／９０．５＝１／３）に低下することができる。このことは、誘電率が９の高誘電率材料を充填することにより、導波管１の内部における電磁波の実効波長が三分の一に短くなることを意味している。【００１３】  しかしながら、例えば横方向サイズｂが３ｍｍの導波管を用いる場合、比誘電率９の高誘電率材料を充填しても、カットオフ周波数ｆｃは５０ＧＨｚから１６．７ＧＨｚに低減するだけであり、周波数２ＧＨｚ程度の電磁波を伝送することはできない。周波数２ＧＨｚ程度の電磁波を伝送するには、更に横方向サイズｂを約８倍に拡大する必要がある。同様のことは、導波管を用いるアンテナや、スロットアンテナにも当てはまる。【００１４】  このように、従来の導波管構造を採用する限り、例えば１０ｍｍ以下の横方向サイズｂを有する小型の導波管を作製しても、周波数５ＧＨｚ以下の電磁波を伝送することはできない。【００１５】  特許文献１および２は、いずれも、導波管の内部に誘電体共振器を配置することにより、帯域通過フィルタとしての機能を導波管に付与し得ることを開示している。しかしながら、誘電体共振器の働きによって透過強度が高められる周波数帯域は、図１５（ｃ）に模式的に示すように、図１５（ｂ）における低下したカットオフ周波数ｆｃよりも高周波側に位置している。このため、特許文献１または２に開示されている従来技術を用いたとしても、高誘電率材料で導波管の内部を完全に充填する場合に比べて、導波管を更に小型化することはできない。【００１６】  本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、従来よりも小型化された導波��を用いて相対的に低い周波数の電磁波伝送を可能にする高周波回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】  本発明の高周波回路素子は、導波管と、前記導波管の内部に配置された少なくとも１つの共振器とを備え、前記共振器はＨ面と交差する平面に平行な少なくとも１つのパターニングされた導電体層を有し、前記導波管の内部の誘電率、形状およびサイズによって規定されるカットオフ周波数よりも低い周波数で共振することにより、前記カットオフ周波数よりも低い周波数の電磁波に前記導波管内部を通過させる。【００１８】  好ましい実施形態において、前記共振器は、前記カットオフ周波数よりも低い共振周波数を有している。【００１９】  好ましい実施形態において、前記共振器の共振周波数は、前記カットオフ周波数の四分の一以下である。【００２０】  好ましい実施形態において、前記共振器は複数である。【００２１】  好ましい実施形態において、前記複数の共振器は、それぞれ、異なる共振周波数を有している。【００２２】  好ましい実施形態において、前記パターニングされた導電体層は、螺旋形状導体配線、一部が開放されたリング形状導体配線、螺旋形状スロット、および、一部が欠けたリング形状スロットの少なくとも１つを有している。【００２３】  好ましい実施形態において、前記共振器は、二分の一波長共振器または四分の一波長共振器として機能する。【００２４】  好ましい実施形態において、前記パターニングされた導電体層は複数であり、前記複数の導電体層は、積層され、相互に交差結合している。【００２５】  好ましい実施形態において、前記共振器は、積層螺旋共振器構造または積層螺旋導体共振器構造を有している。【００２６】  好ましい実施形態において、前記パターニングされた導電体層は、複数であり前記複数の導電体層は積層されており、前記複数の導電体層のうちの隣接する導電体層は、互いに回転方向が逆の螺旋形状を有している。【００２７】  好ましい実施形態において、前記共振器は複数であり、前記導波管の内部において異なる向きに配置されている。【００２８】  好ましい実施形態において、前記共振器の少なくとも一つは、前記パターニングされた導電体層が前記導波管のＨ面以外の面に平行となるように配置されている。【００２９】  好ましい実施形態において、前記導波管は、対向する一対の金属壁を有しており、前記一対の金属壁は、導電部材によって接続されている。【００３０】  本発明の高周波回路は、上記いずれかの複数の高周波回路素子を備える高周波回路であって、前記複数の高周波回路素子は、第１の周波数で電磁波を伝送させる第１の高周波回路素子と、前記第１の周波数とは異なる第２の周波数で電磁波を伝送させる第２の高周波回路素子とを含んでおり、前記第１および第２の周波数を有する電磁波の分波または合波を行う。【００３１】  本発明の高周波回路は、上記いずれかの高周波回路素子を備える高周波回路であって、前記高周波回路素子に含まれる前記導波管は、電磁波を放射または受信するアンテナとして機能する。【００３２】  本発明の他の高周波回路素子は、電磁波の放射および受信の少なくとも一方の動作を行う高周波回路素子であって、表面および裏面を有する誘電体基板と、前記誘電体基板の表面および裏面のいずれか一方の面に形成した接地導体層とを備え、前記接地導体層���は、前記電磁波の伝送周波数で共振条件を満たすサイズよりも小さいスロットが形成され、前記スロットの内部または近傍には少なくとも１つの共振器が配置されており、前記共振器は、前記スロットの共振周波数よりも低い共振周波数を有している。【００３３】  本発明の分析装置は、上記いずれかの高周波回路素子と、前記高周波回路素子に接続された検出装置とを備え、前記検出装置は、前記高周波回路素子が受信する電磁波を検知する。
【発明の効果】
【００３４】  本発明の高周波回路によれば、従来よりも格段に小さな断面サイズを有する導波管を用いて低い周波数の電磁波を伝送することが可能になるため、高周波回路を小型化できる。【００３５】  また、本発明の高周波回路によると、共振器の共振周波数帯域以外の周波数では、伝送電磁波を著しく減衰させるため、周波数選択性の高い帯域通過フィルタ機能を実現することもできる。【００３６】  また、本発明の分析装置によれば、電磁波プローブとして機能する導波管のサイズを縮小できるため、検出の位置分解能を高めることができる。また、導波管のサイズを縮小しても、検出の効率が低下しない。
【図面の簡単な説明】
【００３７】［図１］本実施形態による高周波回路の第１の実施形態を示す図である。
［図２］（ａ）は、本実施形態における共振器２として好適に用いられる積層螺旋導体共振器の断面図、（ｂ）は、当該共振器が有する導体配線１０１の平面レイアウト図、（ｃ）は、当該共振器に含まれる導体配線１０２の平面レイアウト図である。
［図３］積層螺旋導体共振器の共振周波数と積層間隔との関係を示すグラフである。
［図４］（ａ）は、本実施形態における共振器２として好適に用いられる他の例を示す断面図であり、（ｂ）は、当該共振器が有する導体配線１０４の平面レイアウト図、（ｃ）は、当該共振器に含まれる導体配線１０５の平面レイアウト図である。
［図５］（ａ）は、本実施形態における共振器２として好適に用いられる更に他の例を示す断面図であり、（ｂ）は、当該共振器が有する導体配線１０４、１０５の平面レイアウト図である。
［図６］実施形態１の高周波回路により構成される分波器／合波器の構成を模式的に示す図である。
［図７］実施形態１の高周波回路素子を備える分析装置の構成を模式的に示す図である。
［図８］（ａ）は、実施例１の高周波回路の構造を示す斜視図であり、（ｂ）は、その側面図である。
［図９］実施形態１の実施例１−１と比較例１−１の通過特性を示す図である。
［図１０］実施形態１の実施例１−１、１−２、１−３と比較例１−１の通過特性を示す図である。
［図１１］（ａ）は、本発明による高周波回路素子の第２の実施形態の構成を示す図であり、（ｂ）は、その断面図である。
［図１２］従来の技術である導波管の構造図である。
［図１３］従来の技術である矩形導波管アンテナの構造図である。
［図１４］（ａ）は、従来の技術であるマイクロストリップ線路により給電するスロットアンテナの構造を示す図であり、（ｂ）は、その断面図である。
［図１５］（ａ）は、内部が空気の導波管の透過強度と周波数との関係を模式的に示すグラフ、（ｂ）は、内部が高誘電率材料で充填された導波管の透過強度と周波数との関係を模式的に示すグラフ、（ｃ）は、内部に誘電体共振器が配置された導波管の透過強度と周波数との関係を模式的に示すグラフ、（ｄ）は、本発明の実施形態１における導波管の透過強度と周波数との関係を模式的に示すグラフである。
【符号の説明】
【００３８】  １  導波管
２、２５  共振器
３、１１、１２、１ｎ  本発明による高周波回路
４  自由空間または測定物を配置した空間
５  検出装置
６  表示装置
７  導波管の入出力部分
７ａ、７ｂ  入出力面
８  導波管の括れ部分
２１  誘電体基板
２２  信号導体配線
２３  接地導体層
２４  スロット
２６  ＸＺ平面
３１  入力部
３２  開口面
１０１、１０２  螺旋導体配線
１０３  共振器におけるパターニングされた導電体層の周りの空間
１０４、１０５  一部が切断されたリング共振器
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】  （実施形態１）
まず、図１を参照しながら、本発明による高周波回路素子の第１の実施形態を説明する。図１に示される本実施形態の高周波回路素子は、導波管１と、導波管１の内部に配置された複数の共振器２とを備えている。導波管１の両側には入出力部７０が配置されている。共振器２は、後に詳しく説明するように、少なくとも１つのパターニングされた導電体層（導体配線１０１、１０２）を有している。この導電体層の形状および配置の仕方により、導波管１によって規定される「カットオフ周波数ｆｃ」よりも低い周波数で共振を引き起こし、カットオフ周波数ｆｃよりも低い周波数の電磁波に導波管１を通過させることを可能にする。図１では、共振器２の一部を拡大した図面も記載しているが、その図では、導体配線１０１、１０２の重なり具合がわかるように、導体配線１０１．１０２が透明であるかのように記載している。【００４０】  なお、本明細書における「カットオフ周波数ｆｃ」とは、共振器２が存在しない場合における導波管１の内部の誘電率、形状およびサイズによって規定される周波数ｆｃであり、その周波数ｆｃよりも低い周波数の電磁波は、本来、導波管１の内部を伝搬できない。しかし、本実施形態では、共振器２の働きにより、カットオフ周波数ｆｃよりも低い周波数で共振を生じさせ、それによって、本来は導波管１の内部を伝搬することができない周波数の電磁波透過を可能にしている。【００４１】  ここで、導波管１の内部を透過し得る電磁波の周波数を「伝送周波数」と称することとする。従来の導波管によれば、「伝送周波数」は常に「カットオフ周波数ｆｃ」よりも高い値を有しているが、本発明では、伝送周波数がカットオフ周波数ｆｃよりも低い値を有している。【００４２】  図１５（ｄ）は、本実施形態における導波管１について得られる透過強度と周波数との関係を模式的に示している。図１５（ｄ）から理解されるように、カットオフ周波数ｆｃよりも低い周波数（伝送周波数ｆ１）で電磁波の透過強度が高くなっている。より詳細には、導波管１の内部を高誘電率材料で充填することにより低減したカットオフ周波数ｆｃ（図１５（ｄ）参照）に比べても伝送周波数ｆ１を低く設定することができる。この伝送周波数ｆ１は、導波管１の内部に配置する共振器２の共振周波数ｆ０に近い値を有している。【００４３】  以下、本実施形態の高周波回路素子の構成をより詳細に説明する。【００４４】  図１に示すように、導波管１は、外部から電磁波の入出力を受ける入力面２０１および出力面２０３を有している。本実施形態における導波管１の入力面２０１および出力面２０３は、互いに平行な関係にある。入力面２０１から導波管１に入射した特定波長範囲の電磁波は、導波管１の内部を透過し、出力面２０３から出射される。このため、入力面２０１および出力面２０３に対して垂直な方向を「伝搬方向」または「伝送方向」と称することとする。図１に示すＸＹＺ座標によれば、Ｚ軸が伝搬方向に平行であり、入力面２０１および出力面２０３は、ＸＹ面に平行である。【００４５】  なお、入力面２０１および出力面２０３は対称関係にあり、出力面２０３から導波管１に入射した特定波長範囲の電磁波も、導波管１の内部を透過し、入力面２０１から出射され得る。このため、２つの面２０１、２０３を相互に区別することなく、「入出力面」と称しても良い。入出力面２０１、２０３上には、電磁波の伝搬を阻害する部材は配置されず、他の導波管などの高周波回路素子（不図示）と接続され得る。本実施形態では、導波管１と同様の構成を有する２つの入出力部７０が入出力面２０１、２０３を介して導波管１に接続されている。【００４６】  図１に示す構成例では、導波管１の内部に４つの共振器２が配置されているが、１つ導波管１に用いられる共振器２の個数は４つに限定されない。各共振器２は、導波管１の内部に配置可能なサイズを有しながら、上述したカットオフ周波数ｆｃよりも低い共振周波数ｆ０で共振するように設計されている。大きさに比べて低い周波数で共振するために必要な共振器２の具体的な構成は、後に詳しく説明する。【００４７】  図１に示す導波管１の内部は概略直方体であり、Ｚ軸（伝搬方向）に直交する平面で切り取った断面の形状は、長方形である。以下、単に「断面」と称するときは、Ｚ軸（伝搬方向）に直交する平面で切り取った断面を指すものする。導波管１の内部空間のＹ軸方向サイズをａ［ｍｍ］、Ｘ軸方向サイズはｂ［ｍｍ］とする。ここでは、ａ＜ｂの関係が成立している。【００４８】  導波管１の本体部分は、樹脂や金属などの材料から好適に形成され得るが、少なくとも内壁面は導電性を有する材料から形成される必要がある。導電性を有する材料としては、典型的には金属が用いられ、例えば金や銅から好適に用いられる。導波管１の内壁をメッキなどのメタライゼーション層によって被覆する場合、導電層の厚さ（メッキ厚さ）は例えば５μｍ程度に設定され得る。内壁面上の導電層の厚さは、伝送周波数ｆ１における表皮厚さより十分大きな値に設定される。【００４９】  導波管１の内部は、例えば樹脂などからなる固体の誘電体（誘電率：ε）２０５で充填されている。誘電体２０５は、共振器２を導波管１の内部で固定し、保持する機能も発揮することができる。誘電体２０５の誘電率εが空気の誘電率（約１）よりも高いため、導波管１の内部空間の誘電率が向上する。導波管１の内部空間の誘電率が上昇することにより、実効波長が短くなるため、導波管１のサイズを更に縮小することが可能になる。誘電体２０５の材料としては、高周波回路用基板の材料として広く利用されている公知の樹脂やセラミックを採用することができる。なお、導波管１の内部は、特別な誘電体材料で満たされている必要はなく、空気によって満たされていてもよい。導波管１の内部を固体以外の誘電体材料で充填する場合は、何らかの部材により、導波管１に対して共振器２を固定することが好ましい。【００５０】  本実施形態の構成では、ａ＜ｂの関係が成り立つため、導波管１の内部を伝搬する電磁波の「電界」はＹＺ面に平行に分布し、電磁波の「磁界」はＸＺ面に平行に分布する。このため、ＹＺ面に平行な面を「Ｅ面」と称し、ＸＺ面に平行な面を「Ｈ面」と定義することができる。【００５１】  ここでは、入力面２０１のＺ座標値と出力面２０３のＺ座標値とが相互に等しい絶対値を有し、かつ、その符合が逆となるようにＺ軸の零点を設定する。また、Ｚ軸が入射面２０１および出射面２０３の各々の中心を通るようにＸ軸の零点およびＹ軸の零点を設定する。この結果、導波管１の内壁面のうち、ＸＺ面に平行な面（Ｈ面）のＹ座標値は、±ａ／２であり、ＹＺ面に平行な面（Ｅ面）のＸ座標値は、±ｂ／２となる。【００５２】  本実施形態では、導波管１のサイズｂによって決定されるカットオフ周波数ｆｃが、伝送周波数ｆ１や共振器２の共振周波数ｆ０よりも十分高い値に設定される（図１５（ｄ）参照）。以下、この点を詳細に説明する。【００５３】  まず、サイズｂの大きさは、カットオフ周波数ｆｃにおける電磁波の実効波長の二分の一に相当する。伝送周波数ｆ１よりもカットオフ周波数ｆｃが高いということは、カットオフ周波数ｆｃに対応する実効波長が伝送周波数ｆ１に対応する実効波長よりも十分に短いことを意味する。すなわち、サイズｂは、伝送周波数ｆ１に対応する実効波長の二分の一よりも小さい値に設定されている。【００５４】  伝送周波数ｆ１は、小型でありながらにも低い値を示す共振器２の共振周波数ｆ０に近い値を有している。すなわち、共振器２の共振周波数ｆ０をカットオフ周波数ｆｃよりも格段に低くすることができれば、同一の伝送周波数ｆ１を実現するために必要な導波管１のサイズｂを、従来構造の導波管のサイズｂに比べて大幅に小さくすることができる。小型でありながら、実効波長の長い電磁波を共振させるためには、以下に説明するように共振器２が特殊な構造を有している必要がある。【００５５】  図２を参照しながら、共振器２の構造を説明する。図２（ａ）は、共振器２の断面構成を示している。本実施形態の共振器２は、図２（ａ）に示されるように、所定の距離だけ離れて積層された第１導体配線１０１および第２導体配線１０２を有している。図２（ｂ）および図２（ｃ）は、それぞれ、第１導体配線１０１および第２導体配線１０２の平面レイアウトを示している。第１導体配線１０１および第２導体配線１０２は、いずれも螺旋形状を有するようにパターニングされた導電体層であり、交差容量結合によって相互に結合され、１つの共振器構造を形成している。このため、このような構造を有する共振器を「積層螺旋導体共振器」と称する場合がある。この積層螺旋導体共振器は、小型でありながらも、低い周波数で共振することが可能である。このような構造を有する共振器は、本出願人による米国出願（ＳＮ１０／９６９０９６、公開２００５／００７７９９３）に開示されている。【００５６】  図２に示す共振器２において、第１導体配線１０１および第２導体配線１０２は、上述した交差容量結合の結果、分布定数的に結合した平行結合線路として機能することができる。このため、第１導体配線１０１および第２導体配線１０２のうちの一方（例えば第１導体配線１０１）に電流が流れた場合、他方（例えば第２導体配線１０２）にも同一方向に電流が流れることになる。この電流は、もとの導体配線（例えば第１導体配線１０１）に同じ方向の電流を誘起するため、共振器２における共振波長が各導体配線１０１、１０２の共振波長をはるかに上回る大きさを持つことになる。すなわち、導体配線１０１、１０２が配置されている空間１０３の誘電率や透磁率よりも、あたかも高い誘電率や透磁率の空間を形成しているかのように���共振現象を生じせしめることができる。【００５７】  本実施形態では、上記の構成を有する共振器２を採用することにより、図１に示す導波管１の内部において、そのサイズｂよりも十分に長い実効波長を有する電磁波を共振させることが可能になる。このような共振器２を構成する導電体層のパターンは、螺旋導体配線の形状を有している必要は無く、後述する種々の形状を有することが可能である。例えば、スロットを規定する開口部を有する形状を備えていてもよい。【００５８】  図３は、共振器２における導体配線１０１、１０２の積層間隔と、共振周波数（最低次の基本共振周波数）との関係を示すグラフである。このグラフは、以下の表１に示す構成を備えた共振器２について得られたデータを示している。【００５９】
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【００６０】  図３から明らかなように、積層間隔を小さくするほど、共振器２の共振周波数を低減することが可能である。同一形状の単一の螺旋導体配線を積層しない状態で共振させる場合、その共振周波数は、４．６ＧＨｚであった。このことから、複数の螺旋導体配線を積層し、積層間隔を低減することにより、共振周波数が大きく低減された共振器２を作製することができることがわかる。【００６１】  このような共振器２を導波管１の内部に配置することにより、導波管１の内部空間の実効的な誘電率や透磁率を共振周波数において増大する効果が得られる。これは、積層された２つの螺旋導体配線を同じ方向に電流が流れる共振モードにおいて、実効誘電率や実効透磁率が増大しているからである。【００６２】  本実施形態では、上記構成の共振器２を用いることにより、従来構造の導波管であれば、そのサイズを拡大しなければカットオフされる周波数の電磁波を、サイズを拡大することなく透過させることが可能になる。具体的には、導波管のサイズｂによって規定されるカットオフ周波数ｆｃの四分の一以下、好ましくは１０分の１以下の周波数を有する電磁波が通過することが可能となる。言い換えると、伝送周波数が同一であれば、導波管のサイズｂを四分の一、好ましくは１０分の１以下に小さくすることが可能になる。現在の高周波回路で使用される周波数のうち、本発明による効果が特に得られる周波数は１ＭＨｚ以上１００ＧＨｚ以下の範囲にある。【００６３】  １つの導波管１の内部に配置される共振器２の個数は、単数であっても複数であってもよい。共振器２の個数を２または４個にすると、導波管１のサイズを大型化する必要がないため、本発明の効果を十分に得ることができる。共振器２の共振周波数ｆ０は、伝送周波数ｆ１に等しい値か、または近い値を有するように設定される。【００６４】  複数の共振器２の各々が共振する周波数は、同一の値であってよいし、異なる値であってもよい。共振器２を配置する位置は、導波管１の内部に限定されず、導波管１の入出力面２０１、２０３の近傍であってもよい。複数の共振器２を直列または並列的に配置したり、ランダムに配置することにより、共振器２を相互に結合して、所望の効果を得ることができる。共振器２の個数や配置形式を調節することにより、伝送周波数に所定の幅を有する帯域を付与することができる。【００６５】  各共振器２を構成する螺旋導体配線の積層数は２に限定されず、３以上であってもよい。螺旋導体配線の積層数を増加させることにより、更に低い共振周波数を得ることができる。【００６６】  なお、積層した螺旋導体配線を用いて共振器を構成することによって誘電率や透磁率を増大させる効果は、螺旋導体配線を螺旋形状のスロットに置換しても得ることが可能である。また、この効果は、螺旋スロットと螺旋スロットとを積層するだけではなく、螺旋導体配線と螺旋スロットとを積層することによっても得ることができる。【００６７】  共振器２を構成するように積層した導電体層パターンは、導体によって相互に接続されていてもよい。積層した導電体層パターンを導体によって相互接続すると、より低い周波数での共振現象を発現させることが可能となる。導電体層パターンの周囲��間は、誘電率の高い材料によって充填されていることが好ましい。この材料の誘電率や透磁率は、導波管の内部または導波管の入出力部の内部を充填している誘電体の誘電率や透磁率よりも高い値を有することが好ましい。誘電率や透磁率の高い材料は、積層されている導電パターンの間の空間の少なくとも一部に存在していてもよい。高誘電率材料または高透磁率材料を用いて共振器を作製することにより、共振器の共振周波数を更に低減することが可能になる。【００６８】  共振器２の共振周波数を低減するという観点からは、積層する螺旋導体配線における螺旋回転方向を相互に反対に設定することが好ましいが、螺旋回転方向は、同一であってもよい。共振器２に用いる螺旋導体配線は、図２に示すように、積層構造を有しているが、同一面内に螺旋導体配線を配置しても共振器２を形成することができる。螺旋導体配線の積層数が１である場合は、共振周波数の低減効果が充分に得られないが、従来のカットオフ周波数ｆｃよりも低い周波数の電磁波を伝送させる導波管が実現すること可能である。【００６９】  図１に示す導波管１の外形は矩形であるが、本発明で使用可能な導波管の形状は、図１に示すものに限定されない。円形導波管やリッジ導波管などを用いても、本発明の高周波回路素子を形成することが可能である。【００７０】  本実施形態では、共振器を構成する螺旋導体配線が導波管のＨ面に平行とはならないように共振器の向きを決定している。すなわち、共振器の導体層がＨ面に平行な面と交差するように共振器を配置している。本発明の有利な効果を奏するには、共振器が導波管内の電磁界と結合する必要があるが、螺旋導体配線が導波管のＨ面に平行な場合、十分な結合度が得られない。【００７１】  導波管の内部に複数の共振器を配置する場合は、それら共振器の向きが規則性を持たず、ランダムであってもよい。複数個の共振器の螺旋導体配線の全てがＨ面に平行になることはないからである。【００７２】  次に、図４および図５を参照しながら、共振器２における導体配線の他の構成例を説明する。以下に説明する導体配線は、いずれも、リング状配線の一部に切断部（ギャップ部）が形成され、この切断部を介して両端が対向する構成を有している。【００７３】  図４（ａ）は、このような２つの導体配線１０４、１０５を積層することによって作製された共振器の断面を模式的に示している。図４（ｂ）は、導体配線１０４の平面レイアウトを示し、図４（ｃ）は、導体配線１０５の平面レイアウトを示している。【００７４】  導体配線１０４、１０５は、それぞれ、矩形のリング状共振器として機能し、相互に容量結合する。誘電体１０３の誘電率を１０．２、矩形領域の一辺を２ｍｍ、配線幅を２００μｍ、配線間の最低幅を２００μｍ、配線厚さを２０μｍとして、積層間隔を１５０μｍに設定した場合、この共振器の共振周波数は３．８５ＧＨｚとなった。【００７５】  このような共振器も、図２に示す共振器と同様に、積層された２つの導体配線を電流が同一方向に流れることにより、平行結合線路の実効誘電率の増大効果を発揮する。したがって、このような共振器を導波管の内部に配置すると、導波管の内部空間における実効的な誘電率を共振周波数付近の帯域��増大させる効果が得られる。【００７６】  図５（ａ）は、同一面内に導体配線１０４、１０５を配置した他の共振器の断面構成を示し、図５（ｂ）は、導体配線１０４、１０５の平面レイアウトを示している。誘電体１３０の誘電率を１０．２、矩形領域の一辺を２ｍｍ、配線幅を２００μｍ、配線間の最低幅を２００μｍ、配線厚さを２０μｍに設定すると、共振周波数は５．８ＧＨｚとなった。【００７７】  このように共振器２の導体配線を共振器２の一辺よりも長くすることにより、共振器２を大型化することなく、共振周波数を低減することが可能になる。【００７８】  なお、共振器２を構成する二つの螺旋導体配線の一方における開放終端箇所を、導波管の内壁に接続することにより、共振器２の短絡終端を行ってもよい。このような短絡終端を行うと、共振器２を四分の一波長共振器として動作させることができる。一方、このような短絡終端を行わない場合、共振器は二分の一波長共振器として動作することになる。【００７９】  図１に示す例では、導波管１の内壁を構成する四面の全体が導電層によって被覆されている。言い換えると、対向する一対の内壁面上の導電層が、この内壁面に直交する他の一対の内壁面上の導電層によって電気的に接続されている。しかしながら、本発明による高周波回路素子の導波管は、このような構成を有するものに限定されない。一対の平行な導電層を導体ビア構造によって相互に接続することによっても、断面が長方形の導波管を形成することができる。このような導体ビア構造を採用することにより、多層誘電体基板中に導波管を形成することが容易になる。また、導波管の内部に配置した共振器と対向する内壁導電層を導体ビア構造に置き換えることにより、共振器のＱ値が向上し、通過損失を低減できる効果も得られる。【００８０】  本発明による高周波回路素子は、アンテナに用いることも可能である。例えば図１に示す導波管１の出力面２０３を自由空間に開放する構成を採用することにより、本発明の高周波回路素子を小型導波管アンテナとして動作させることができる。【００８１】  図１に示す構成を有するｎ個（ｎは２以上の整数）の高周波回路素子１１、１２、・・・１ｎを用意し、図６に示すように、１つの導波管に並列的に接続しても良い。高周波回路素子１１、１２、・・・１ｎの共振周波数ｆ０１、ｆ０２・・・ｆ０ｎを相互に異なる値に調節することにより、分波器または合波器を構成することができる。【００８２】  さらに、図１に示す高周波回路素子をアンテナ導波管として用いることにより、微小回路領域からの不要輻射を計測し得る分析装置を構成することができる。図７は、このような分析装置の構成を示すブロック図である。図７に示すように、この分析装置は、本実施形態の高周波回路素子３を備え、高周波回路素子３の一端が自由空間もしくは所定周波数の信号を放射する回路を配置した空間４に接続されている。また、この分析装置は、高周波回路素子３の他端に接続された検出装置５と、検出装置５が出力する電気信号を表示する表示装置６とを備えている。検出装置５は、導波管内に配置されている共振器２の共振周波数ｆ０に等しい周波数ｆ０の信号を受信すると、その信号を電気信号に変換して出力する。【００８３】  このような分析装置によれば、高周波回路素子３を小型化できるため、空間４の微小領域から放射される周波数ｆ０の電磁波を適切に計測することが可能になる。
【実施例１】
【００８４】  次に、図８を参照しながら、本発明による高周波回路素子の実施例１−１から１−１２を説明する。【００８５】  図８は、実施例１−１から１−１１の基本的な構成を示している。図８（ａ）は、実施例の斜視透視図であり、図８（ｂ）は、その側面図である。【００８６】  図８に示すように、各実施例の導波管は、２つの入出力部分７と、入出力部分７に挟まれた括れ部分８とを備えている。導波管は、誘電率１０．２の樹脂材料から作製され、中央部に位置する括れ部分８の断面が入出力部分７の断面よりも小さく形成されている。括れ部分８の縦方向サイズはａ［ｍｍ］、横方向サイズはｂ［ｍｍ］、入出力部分７の縦方向サイズはＡ［ｍｍ］、横方向サイズＢ［ｍｍ］である。実施例１−１では、Ａ＝２５ｍｍ、Ｂ＝３２ｍｍに設定した。【００８７】  ここでは、縦方向をＹ軸、横方向をＸ軸、導波管の長さ方向をＺ軸とする座標軸を採用する。また、簡単のため、Ａ＜Ｂ、ａ＜ｂと設定する。括れ部分８の入出力面７ａ、７ｂの中間点にＺ＝０の零点を配置するため、入出力面７ａ、７ｂのＺ座標値は、絶対値が等しく、符号が逆である。【００８８】  入力部７においては、導波管のＨ面の境界面をＹ＝±Ａ／２、導波管のＥ面の境界面をＸ＝±Ｂ／２となるよう、導波管断面の中央にＸ＝Ｙ＝０の座標原点を設定した。同様に、中央の括れ部分８においては、導波管のＨ面の境界面をＹ＝±ａ／２、導波管のＥ面の境界面をＸ＝±ｂ／２である。なお、単位はｍｍで統一している。【００８９】  実施例１−１から１−１１の高周波回路素子は、いずれも、中央の括れ部分８と同様に、入出力部分７の導波管も誘電率１０．２の誘電体で充填されている。このため、サイズＢの値によって規定されるカットオフ周波数ｆｃは、１．５ＧＨｚである。【００９０】  共振器２の構成は、実施形態１について説明した共振器２の構成と同様である。すなわち、表１に示すパラメータ値を有し、２層の螺旋導体配線の積層間隔を１５０μｍに設定した。この結果、各共振器２の共振周波数は２．１ＧＨｚであった。【００９１】  導波管の括れ部分８は、ａ＝２．２ｍｍ、ｂ＝２．５ｍｍ、長さ７ｍｍのサイズを有している。括れ部分８のカットオフ周波数ｆｃはサイズｂの値によって規定され、１８．８ＧＨｚであった。共振器２の共振周波数２．１ＧＨｚは、カットオフの条件に相当している。具体的には、共振器２の共振周波数はカットオフ周波数ｆｃの９分の１に相当している。【００９２】  実施例１−１では、導波管の括れ部分８の中央においてＸ＝０の位置に一つの共振器２を配置した。このとき、共振器２の積層された螺旋導電体配線がＥ面に平行となるように共振器２の向きを設定した。【００９３】  図９は、実施例１−１および比較例１−１の透過特性を示している。比較例１−１と実施例１−１との相違点は、共振器２の有無のみにある。【００９４】  図９から明らかなように、比較例１−１では、７９ｄＢ程度の減衰が周波数にかかわらず発生しているが、実施例１−１では、２．０８ＧＨｚ帯で減衰がマイナス４２ｄＢ程度に低減されている。すなわち、実施例１−１の導波管は２．０８ＧＨｚ帯の電磁波を透過することができる。【００９５】  次に、複数の共振器２をＺ軸方向��沿って直列的に配列した実施例１−２、１−３を説明する。共振器２は、いずれも、その螺旋導体配線がＥ面に平行となるように配置した。【００９６】  実施例１−２および実施例１−３において直列的に配置した共振器２の個数は、それぞれ、２個および３個である。隣接する共振器２の配置間隔は、実施例１−２では１ｍｍに設定し、実施例１−３では０．２ｍｍに設定した。なお、実施例１−３では、３個の共振器のうち、両端に位置する共振器の一部は、括れ部分８から入出力部分７に突出している。【００９７】  図１０は、実施例１−２、１−３の通過特性を示している。図１０からわかるように、導波管の内部において複数の共振器２が相互に結合することにより、共振周波数帯域が拡大し、より広い通過帯域が得られた。また、最大通過量は、結合する共振器２の個数が増加するほど大きくなった。【００９８】  実施例１−１から１−３および比較例１−１の構成と、それらの特性値を表２に示す。【００９９】
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【０１００】  実施例１−１において、共振器２の位置をＸ＝０からＸ＝１またはＸ＝−１に変更した場合も、共振器２の共振周波数付近の周波数帯域において、通過帯域が得られた。【０１０１】  更に、実施例１−１において、Ｘ＝０．５およびＸ＝−０．５の位置に並列して２個の共振器２を配置した場合、および、Ｘ＝１、Ｘ＝０、Ｘ＝−１の位置に３個の共振器２を並列的に配置した場合でも、同様に、共振器２の共振周波数付近の周波数帯域において、通過帯域が得られた。【０１０２】  次に、比較例１−２について透過特性を求めた。比較例１−２は、実施例１−２の構成において、螺旋導体配線がＥ面（ＹＺ面）に平行となる向きからＨ面（ＸＺ面）に平行となる向きに共振器２を回転させたものである。【０１０３】  比較例１−２では、２個の共振器２がＹ＝０のＨ面上に直列的に配置されている。２個の共振器２のＺ座標値は、それぞれ、Ｚ＝−２、およびＺ＝＋２である。【０１０４】  比較例１−２の透過特性は、共振器２を配置しない場合の通過特性と同様であった。比較例１−２において、共振器２のＹ座標値をＹ＝０からＹ＝１に変更した比較例１−３についても透過特性を求めたが、比較例１−２に比べて通過特性に変化は生じなかった。【０１０５】  次に、共振器２の向きを実施例１−１における共振器２の向きと等しくし、括れ部分８のサイズｂを５ｍｍに拡大した比較例１−４を用意した。比較例１−４では、共振器２をＸ軸方向に二並列に配置した。比較例１−４においては、共振器２の導電体層がＨ面に平行となる向きに共振器２を配置しているため、通過強度の増大は得られなかった。【０１０６】  実施例１−２と比較例１−２、１−３、１−４の構造と特性を表３に示す。【０１０７】
2006011412.tif 000004
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【０１０８】  次に、共振器２の導電体層がＸＹ面に平行となるように３つの共振器２を配置した実施例１−４を作製した。共振器２をＺ＝１．５、０、−１．５の３箇所に直列的に配置されている。実施例１−４によると、２．０５ＧＨｚにおける通過強度はマイナス６５ｄＢであった。【０１０９】  次に、括れ部分８の横方向サイズを５ｍｍに設定し、共振器２の導電体層がＸＹ面に平行となるように６つの共振器２を配置した実施例１−５を作製した。実施例１−４と異なる点は、直列的に配置された３個の共振器２が２列存在する点にある。共振器２の並列数が１である実施例１−４の通過強度はマイナス６５ｄＢであったが、共振器２の並列数が２である実施例１−５の通過強度はマイナス１５ｄＢになった。実施例１−４と実施例１−５の構造と特性を表４に示す。【０１１０】
2006011412.tif 000006
【０１１１】  次に、実施例１−２において共振器２であった導波管内部の小型共振器を、一層構成の螺旋導体配線のみと設定を変更して、実施例１−６を作製した。実施例１−６は、３．５ＧＨｚにおいて通過強度マイナス１９ｄＢを示した。実施例１−６から二直列で配置された螺旋導体配線を除いた構成の比較例１−１の高周波回路素子が、３．５ＧＨｚにおいて通過強度マイナス７０ｄＢを示すのと比較すると、実施例１−６において本発明の有利な効果を得られたことが分かった。実施例１−６と比較例１−１の構造比較と特性比較を表５に示す。なお、実施例１−６において通過する電磁波の周波数はカットオフ周波数ｆｃの５分の１以下に相当している。【０１１２】
2006011412.tif 000007
【０１１３】  次に、実施例１−２において、導波管１の内部において導波管内壁に接続せず、分離して配置していた共振器２を、導波管内壁に接続した実施例１−７を作製した。実施例１−７における共振器２は、共振器の一部を構成する二つの螺旋導体共振器の内、一方の螺旋導体配線の外郭の開放終端箇所を、直接導波管内壁に接続することにより共振器２を短絡終端し、新たな小型共振器とした。実施例１−７は、１．８ＧＨｚにおいて通過強度マイナス２９ｄＢを示した。実施例１−７から二直列で配置された共振器２を除いた構成の比較例１−１の高周波回路素子が、１．８ＧＨｚにおいて通過強度マイナス８０ｄＢを示すのと比較すると、実施例１−７において本発明の有利な効果を得られたことが分かった。なお、実施例１−７において通過した電磁波の周波数は、カットオフ周波数ｆｃの１０分の１以下に相当している。実施例１−７と比較例１−１の構造比較と特性比較を表６に示す。【０１１４】
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2006011412.tif 000009
【０１１５】  次に、括れ部分８（−３．５＜Ｚ＜３．５）に共振器２を一切配置せず、導波管１の入出力部７（Ｚ＞３．５、Ｚ＜−３．５）のみに、共振器２を配置した実施例１−８から１−１１を作製した。【０１１６】  実施例１−８においては、ａ＝２．２ｍｍ、ｂ＝２．５ｍｍの条件で、Ｚ＝４．７及び−４．７の箇所にＥ面に平行に共振器２を一つずつ配置した。入力部、出力部の共振器２の配置とも一並列一直列であり、配置したのはＸ＝Ｙ＝０の箇所である。実施例１−８においては、２．０５ＧＨｚにおいて通過強度マイナス４０ｄＢを得た。同様に、実施例１−９においては、実施例１−８においてＸ＝０であった共振器２の配置位置をＸ＝２に移動した。すなわち、共振器２の配置箇所は導波管括れ部分の投射面状には無いが、２．０５ＧＨｚにおいて通過強度マイナス６９ｄＢを得た。同様の本発明の効果は、Ｘが実効波長の８分の１程度に達するまで得ることが可能であった。実施例１−８と実施例１−９の構造比較と特性比較を表７に示す。【０１１７】
2006011412.tif 000010
【０１１８】  実施例１−１０では、ａ＝２．２ｍｍ、ｂ＝２．５ｍｍの条件で、ＸＹ平面に平行に共振器２を一つずつ配置した。二つの共振器２の配置位置は、Ｚ＝±４、Ｘ＝Ｙ＝０である。実施例１−１０においては、２．０５ＧＨｚで通過強度マイナス７５ｄＢを得た。同様に、実施例１−１１においては、ａ＝２．２ｍｍ、ｂ＝５ｍｍの条件で、Ｚ＝７．５及び−７．５のＸＹ平面に共振器２を二つずつ配置した。二つの共振器２はＹ＝０、Ｘ＝−２と２の座標点に一つずつ並列に配置して、１．９７ＧＨｚにおいて通過強度マイナス３３ｄＢを得た。実施例１−１０と実施例１−１１の構造比較と特性比較を表８に示す。【０１１９】
2006011412.tif 000011
【０１２０】  比較例１−５においては、ａ＝２．２ｍｍ、ｂ＝２．５ｍｍの条件で、Ｚ＝８．２及び−８．２の箇所にＨ面に平行に共振器２を一つずつ配置した。入力部、出力部の共振器２の配置とも一並列一直列であり、配置したのはＸ＝Ｙ＝０の箇所である。【０１２１】  比較例１−５においては、共振器２を配置しない比較例１−１と同様のマイナス７９ｄＢの通過強度しか得られず、本発明の有利な効果を得ることができなかった。【０１２２】  次に、実施例１−１２として、実施例１−２の導波管から出力部を取り除き、導波管アンテナを作製した。すなわち、導波管の括れ部分８の一端をそのまま自由空間への放射開口面とし機能させた。また、比較例１−６として、共振器を配置しない導波管アンテナも作製した。２．０５ＧＨｚにおける放射効率は、比較例１−６で０．１％であるのに対して、実施例１−１２では１２．２％であった。【０１２３】  （実施形態２）
以下、本発明による高周波回路素子の第２の実施形態を説明する。本実施形態の高周波回路素子は、スロットアンテナである。【０１２４】  まず、図１１を参照する。図１１（ａ）は、本実施形態における高周波回路素子の構造を示す斜視図であり、図１１（ｂ）は、その破線部断面図である。図１１において、図１４に示す構成要素と同一または対応する構成要素には同じ参照符号を用いている。【０１２５】  図１１のスロットアンテナ装置は、図１４のスロットアンテナと同様に、裏面に接地導体層２３が設けられた誘電体基板２１を有しており、接地導体層２３の中央部には帯状のスロット２４が形成されている。誘電体基板２１の表面には、接地導体層２３のスロット２４を横切るように信号導体配線２２が設けられている。信号導体配線２２と接地導体層２３とによってマイクロストリップ線路が形成され、マイクロストリップ線路に沿って電磁波が進行する。【０１２６】  本実施形態では、スロット２４の内部または近傍に小型共振器２５が配置されている。小型共振器２５の構成は、実施形態１における共振器２と同様である。小型共振器２５の位置は、接地導体層２３に関して誘電体基板２１側であっても、自由空間側であってもよい。小型共振器２５の少なくとも一部がスロット２４によって規定される空間と重なることが望ましい。【０１２７】  本実施形態で使用する小型共振器２５の共振周波数ｆ０は、スロット２４の横幅ｂによって決定される共振周波数よりも低い値に調整されている。スロット２４の共振周波数は、図１５（ｄ）に示すカットオフ周波数ｆｃに対応しており、本実施形態では、小型共振器２５の働きにより、その共振周波数ｆ０の電磁波の放射を高い効率で行うことが可能になる。本来、小型共振器２５の共振周波数ｆ０の電磁波は、スロット２４の幅ｂの２倍によりも長い実効波長を有しているため、スロット２４から自由空間に放射される効率は低いはずである。しかしながら、小型共振器２５の機能により、スロット２４の横幅ｂに比べて十分に長い実効波長を有する電磁波の高効率送受信が可能になる。配置する小型共振器２５の個数は、１つに限定されず、複数であってもよい。【０１２８】  ここでは、スロット２４の縦方向をＹ軸方向、横方向をＸ軸方向、放射方向をＺ軸方向とする座標軸を定義する。スロット２４におけるＹ軸方向サイズはａ、Ｘ軸方向サイズはｂである（ａ＜ｂ）。スロットの開口面は、Ｚ＝０のＸＹ平面に一致させ、Ｘ＝Ｙ＝０の座標零点がスロット２４の中央に位置するものとする。【０１２９】  スロット２４の横方向サイズｂにより決定される共振周波数ｆｃは、伝送周波数ｆ１、小型共振器２５の共振周波数ｆ０よりも高い値に設定される。共振周波数ｆｃの実効波長は、２×ｂで表されるが、伝送周波数ｆ１の実効波長は、２×ｂよりも遥かに大きい。また、小型共振器２５のサイズも、伝送周波数ｆ１の実効波長よりも小さい。【０１３０】  従来のスロットに比べて格段に狭いスロット２４から、電磁波を放射させることが可能となる。具体的には、スロット２４の幅ｂによって規定される共振周波数の三分の一、さらに好ましくは四分の一以下の周波数の電磁波を放射させることが可能となる。【０１３１】  実施形態１につい���説明した原理に基づき、配置する小型共振器２５の個数を複数に設定すると、複数の小型共振器２５の間の結合により、共振周波数ｆ０に帯域を付与することができる。小型共振器２５の共振周波数ｆ０は、伝送周波数ｆ１と同じ値または近い値に設定される。複数の共振器２５の共振周波数は、それぞれ、同じ値に設定されてもよいし、異なる値に設定されてもよい。小型化の観点からは、共振器２５の個数を２から３程度の値に設定することが好ましい。【０１３２】  小型共振器２５は、実施形態１の共振器２について説明したように、積層螺旋導体共振器構造に限られず、多様な構成を採用し得る。【０１３３】  なお、共振器２５をスロット２４の開口面上に配置する場合、共振器２５の導電体層（螺旋導体など）は、それぞれ、開口面（ＸＺ面）に平行とならないようにする必要がある。スロット２４の開口面（ＸＺ面）は、スロット２４の長手方向と電磁波放射方向を２軸として含む平面である。共振器２５の導電体層（螺旋導体など）がＸＺ面に平行であると、スロット２４の内部に形成される電磁界と共振器２５との結合度が不充分になるからである。共振器２５の向きは、規則性を有さず、種々の方位を有していていもよい。【０１３４】  マイクロストリップ線路は、本実施形態に不可欠ではなく、マイクロストリップ線路をコプレーナ線路、グランド付コプレーナ線路、またはスロット線路等の伝送線路に置き換えてもよい。
【実施例２】
【０１３５】  以下、実施形態２における高周波回路素子の実施例２−１から２−２を説明する。【０１３６】  誘電率３．９、厚さ２５０μｍの樹脂材料からなる誘電体基板２１を用意し、その表面に幅５００μｍ、厚さ２０μｍの金配線で信号導体配線２２を形成した。誘電体基板２１の裏面には、スロット形成領域を除く全面に、厚さ５０μｍの金メッキを行ない、接地導体層２３を形成した。【０１３７】  本実施例の接地導体層２３のスロット２４は、横幅６ｍｍ、縦２．４ｍｍの矩形状を有しており、スロット２４の中央部をＸ＝Ｙ＝０の原点と設定した。信号導体配線２２の開放終端部は、Ｘ＝Ｙ＝０の原点から５ｍｍ離れている。誘電体基板２１の裏面は、Ｚ＝０のＸＹ平面に一致している。Ｚ軸の正部分が、電磁波の放射される自由空間に一致させている。【０１３８】  実施例２−１として、Ｅ面（ＹＺ面）に平行な面内に共振器２５を配置した。共振器２５は、一辺２ｍｍの正方領域に形成された螺旋導体を有している。螺旋導体の配線幅は０．２ｍｍであり、螺旋回転数は２であり、導体配線間の最小間隔は０．２ｍｍである。このような螺旋導体配線を、螺旋回転方向が反対になるようにして積層した。積層間隔は０．１５ｍｍに設定した。このように２つの螺旋導体を交差結合することによって得られた積層螺旋導体の共振器２５は、単体では、４．０７ＧＨｚの共振周波数を示した。【０１３９】  上記構成の共振器２５を２つ用意し、信号導体配線２２の両側に一つずつ配置した。共振器２５の中心がＺ＝−１の点に位置するようにした。すなわち、共振器２５は、−０．２５＜Ｚ＜０の範囲では誘電体基板２１内に位置し、Ｚ＜−０．２５、およびＺ＞０では、空気中に位置している。共振器２５の中心位置はＹ＝０、Ｘ＝１．５、−１．５に設定した。【０１４０】  実施例２−１では、４．０７ＧＨｚにおいてリターンロス７ｄＢ、利得５ｄＢｉ、放射効率４６．２％の結果が得られた。一方、実施例２−１から共振器２５を取り除いた比較例２−１では、４．０７ＧＨｚにおいて、リターンロス０．２ｄＢ、利得マイナス２．２１ｄＢｉ、放射効率１４．９％の結果が得られた。この結果を比較すると、放射効率の格段の差が発生していることがわかる。【０１４１】  なお、実施例２−１のアンテナから放射される電磁波の周波数は、スロット２４の共振周波数の三分の一以下に相当していた。【０１４２】  共振器２５の導電体層がＥ面（ＹＺ面）に平行な実施例２−１の高周波回路素子を改変し、共振器２５の導電体層をＸＹ面に平行にした実施例２−２を作製した。【０１４３】  実施例２−２では、信号導体配線２２の両側に一つずつの共振器２５を配置した。具体的には、Ｘ＝１．７ｍｍ、−１．７ｍｍの地点に各共振器２５の螺旋導体配線の中心点が位置するようにした。Ｚ軸に関しては、共振器２５の間の空間が全て樹脂で満たされつつも、共振器２５の一方が放射面に面するように、共振器２５の位置を設定した。共振器２５の単体での共振周波数は２．７７ＧＨｚであった。【０１４４】  実施例２−２では、２．７７ＧＨｚにおいてリターンロス２．８ｄＢ、利得０．７７ｄＢｉ、放射効率３２．９％の結果が得られた。一方、実施例２−２から共振器２５を取り除いた比較��２−１では、２．７７ＧＨｚにおいて、リターンロス０．１ｄＢ、利得マイナス１０．６ｄＢｉ、放射効率３．８２％の結果が得られた。この結果を比較すると、放射効率に格段の差が発生していることがわかる。なお、実施例２−１のアンテナから放射される電磁波の周波数は、スロット２４の共振周波数の４．５分の１以下に相当していた。【０１４５】  共振器２５の導電体層がＥ面（ＹＺ面）に平行な実施例２−２の高周波回路素子を改変し、共振器２５の導電体層をＨ面（ＸＺ面）へと変更した比較例２−２を作製した。比較例２−２の放射特性は、比較例２−１の放射特性と同一であった。表９に、実施例２−１、２−２、比較例２−１、２−２の構造と特性を示す。【０１４６】
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【０１４７】  なお、共振器２５における積層数を増加させることにより、更に低い周波数で電磁波の放射を得ることが可能である。【０１４８】  以上、説明してきたように、本発明の高周波回路素子によれば、伝送周波数ｆ１の近傍に共振周波数ｆ０を有する小型の共振器を導波管内部に配置することにより、本来ならばカットオフされる電磁波の通過を可能とする。このことは、導波管の内部に配置した共振器により、導波管の内部空間における誘電率や透磁率が実質的に増大する効果が生じることを意味する。このため、従来よりも狭い断面形状の導波管内を電磁波が透過することが可能になる。【０１４９】  上記共振器の働き、すなわち、誘電率や透磁率が実質的に増大する効果が生じると、従来よりも狭い開口の導波管アンテナから効果的に電磁波を放射させることもできる。
【産業上の利用可能性】
【０１５０】  本発明の高周波回路素子は、従来よりも極端に狭い断面形状を有する導波管に電磁波を伝搬させることが可能であるため、小型導波管として有用である。また、小型導波管アンテナとして、電磁波の放射および検出が可能となる。【０１５１】  したがって、本発明の高周波回路素子および当該回路素子を備える高周波回路は、通信分野や分析分野におけるフィルタ、アンテナ、検出器、分波器に広く応用され得る。また、電力伝送やＩＣタグなどの無線技術を利用する装置にも応用され得る。
【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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【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】
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【図１５】
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【手続補正書】
【提出日】平成17年12月1日(2005.12.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導波管と、
前記導波管の内部に配置された少なくとも１つの共振器と、
を備え、
前記共振器は、Ｈ面と交差する平面に平行な少なくとも１つのパターニングされた導電体層を有し、前記導波管の内部の誘電率、形状およびサイズによって規定されるカットオフ周波数よりも低い周波数で共振することにより、前記カットオフ周波数よりも低い周波数を有する電磁波に前記導波管内部を通過させる、高周波回路素子。
【請求項２】
前記共振器は、前記カットオフ周波数よりも低い共振周波数を有している請求項１に記載の高周波回路素子。
【請求項３】
前記共振器の共振周波数は、前記カットオフ周波数の四分の一以下である、請求項２に記載の高周波回路素子。
【請求項４】
前記共振器は複数である請求項１に記載の高周波回路素子。
【請求項５】
前記複数の共振器は、それぞれ、異なる共振周波数を有する請求項４に記載の高周波回路素子。
【請求項６】
前記パターニングされた導電体層は、螺旋形状導体配線、一部が開放されたリング形状導体配線、螺旋形状スロット、および、一部が欠けたリング形状スロットの少なくとも１つを有している請求項１に記載の高周波回路素子。
【請求項７】
前記共振器は、二分の一波長共振器または四分の一波長共振器として機能する請求項６に記載の高周波回路素子。
【請求項８】
前記パターニングされた導電体層は複数であり、
前記複数の導電体層は、積層され、相互に交差結合している請求項６に記載の高周波回路素子。
【請求項９】
前記共振器は、積層螺旋共振器構造または積層螺旋導体共振器構造を有している請求項８に記載の高周波回路素子。
【請求項１０】
前記パターニングされた導電体層は、複数であり前記複数の導電体層は積層されており、
前記複数の導電体層のうちの隣接する導電体層は、互いに回転方向が逆の螺旋形状を有している請求項１に記載の高周波回路素子。
【請求項１１】
前記共振器は複数であり、前記導波管の内部において異なる向きに配置されている請求項１に記載の高周波回路素子。
【請求項１２】
前記共振器の少なくとも一つは、前記パターニングされた導電体層が前記導波管のＨ面以外の面に平行となるように配置されている請求項１１に記載の高周波回路素子。
【請求項１３】
前記導波管は、対向する一対の金属壁を有しており、
前記一対の金属壁は、導電部材によって接続されている請求項１に記載の高周波回路素子。
【請求項１４】
請求項１に記載の複数の高周波回路素子を備える高周波回路であって、
前記複数の高周波回路素子は、
第１の周波数で電磁波を伝送させる第１の高周波回路素子と、
前記第１の周波数とは異なる第２の周波数で電磁波を伝送させる第２の高周波回路素子と、
を含んでおり
前記第１および第２の周波数を有する電磁波の分波または合波を行う、高周波回路素子。
【請求項１５】
請求項１に記載の高周波回路素子を備える高周波回路であって、
前記高周波回路素子に含まれる前記導波管は、電磁波を放射または受信するアンテナとして機能する高周波回路。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波回路に関し、特にマイクロ波帯またはミリ波帯に属する高周波信号の伝送、分配、合成、放射、または検出に適した高周波回路素子、および当該回路素子を備える高周波回路に関している。
【背景技術】
【０００２】
高周波回路における伝送線路の一つとして、導波管（waveguide）が知られている。一般に導波管は中空の管状導電体からなる構造物であり、導電体によって囲まれた内部空間に特定モードの電磁界を形成し、所定周波数の電磁波を進行させる。導波管には、電磁波の伝搬方向に垂直な断面が矩形の矩形導波管や断面が円形の円形導波管がある（非特許文献１）。
【０００３】
図１２を参照しながら、矩形導波管の典型的な構造を説明する。図示されている導波管の断面は長方形であり、その縦方向サイズはａ［ｍｍ］、横方向サイズはｂ［ｍｍ］である（ａ＜ｂ）。横方向サイズｂの２倍以下の実効波長を有する電磁波は、この導波管の内部を透過することができるが、横方向サイズｂの２倍を超える実効波長を有する電磁波は透過することができない。言い換えると、この導波管を透過することができる電磁波の実効波長は２×ｂ［ｍｍ］以下である。電磁波の速度ｃは、実効波長×周波数で示されるため、カットオフ周波数ｆｃはｃ／（２×ｂ）で表され、カットオフ周波数ｆｃ以下の周波数の電磁波はカットされる。
【０００４】
矩形導波管は、アンテナとしても使用され得る。図１３は、アンテナとして機能する矩形導波管の構造を示している。図１３の導波管は、一端に入力部３１、他端に開口面３２を有している。入力部３１に入力された所定周波数の電磁波は導波管の内部を伝送し、そのまま開口面３２から自由空間に放射される。この場合も、入力部３１の横方向サイズｂの２倍に等しい実効波長（２×ｂ）に相当する周波数がカットオフ周波数ｆｃとなる。従って、図１３のアンテナは、このカットオフ周波数ｆｃよりも高い周波数の電磁波を放射または受信することが可能である。
【０００５】
所望の放射指向性を得るため、開口面３２の横方向サイズｂ１および縦方向サイズａ１を、それぞれ、入力部３１の横方向サイズｂおよび縦方向サイズａとは異なる値に設定してもよい。
【０００６】
図１３の矩形導波管アンテナに類似する構造を備えたアンテナとして、スロットアンテナが知られている。図１４（ａ）は、スロットアンテナ装置の斜視図であり、（ｂ）は、面２６で切り取られた断面図である。
【０００７】
図１４に示すスロットアンテナ装置は、裏面に接地導体層２３が設けられた誘電体基板２１を有しており、接地導体層２３の中央部には帯状のスロット２４が形成されている。スロット２４は、接地導体層２３におけるスロット形成領域の導体部分を、その厚さ方向に全て除去することによって形成されている。誘電体基板２１の表面には、接地導体層２３のスロット２４を横切るように信号導体配線２２が設けられている。この信号導体配線２２と接地導体層２３とによってマイクロストリップ線路が形成され、マイクロストリップ線路に沿って電磁波が進行する。このとき、スロット２４の横幅の２倍に等しい実効波長で共振が生じることになる。共振が生じると、スロット２４を介して誘電体基板２１の裏面側に位置する自由空間に電磁波が放射される。スロット２４によって共振する周波数（共振周波数）近傍の周波数を有する電磁波のみが自由空間へ効率良く放射される。
【０００８】
導波管は、アンテナのみならず、高周波回路として種々の用途に使用される。特許文献１、２は、導波管を構成要素とする帯域フィルタを開示している。
【特許文献１】特開昭６２−１８６６０２号公報
【特許文献２】特開昭６３−２６９８０２号公報
【非特許文献１】Ｗiｌｅｙ−Ｉｎｔｅｒｓｃｉｅｎｃｅ社、"Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｃｉｒｃｕｉｔ  Ｄｅｓｉｇｎ"  ２８頁から３３頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前述の通り、導波管が伝送し得る電磁波の周波数は、カットオフ周波数ｆｃよりも高い。例えば２ＧＨｚの電磁波を進行させる導波管を作製するには、導波管の横方向サイズｂを７．５ｃｍ以上に設定する必要がある。７．５ｃｍよりも短い横幅の導波管では、カットオフ周波数ｆｃが２ＧＨｚよりも高くなるため、２ＧＨｚの電磁波は導波管内を伝送できない。このため、例えば２．４ＧＨｚなどの周波数帯域で使用される高周波回路に導波管を用いようとすると、そのサイズが大きすぎるという問題が生じる。
【００１０】
導波管の内部を誘電率の高い材料で満たすことにより、導波管のカットオフ周波数ｆｃを低減することが可能であり、その分、導波管のサイズを小さくすることが可能になる。
【００１１】
以下、図１５（ａ）および図１５（ｂ）を参照しながら、導波管のカットオフ周波数ｆｃを更に詳しく説明する。図１５（ａ）は、内部が空気の導波管について得られた透過強度と周波数との関係を模式的に示すグラフである。一方、図１５（ｂ）は、内部が高誘電率材料で充填された導波管について、透過強度と周波数との関係を模式的に示すグラフである。
【００１２】
図１５（ａ）および図１５（ｂ）から、カットオフ周波数ｆｃよりも低い周波数では電磁波を透過（伝送）できないことがわかる。また、高誘電率材料の充填により、カットオフ周波数ｆｃを低減することができることもわかる。カットオフ周波数ｆｃは、誘電率の０．５乗に反比例するため、例えば誘電率が９の高誘電率材料で導波管の内部を充填すると、カットオフ周波数ｆｃを三分の一（＝１／９0.5＝１／３）に低下することができる。このことは、誘電率が９の高誘電率材料を充填することにより、導波管１の内部における電磁波の実効波長が三分の一に短くなることを意味している。
【００１３】
しかしながら、例えば横方向サイズｂが３ｍｍの導波管を用いる場合、比誘電率９の高誘電率材料を充填しても、カットオフ周波数ｆｃは５０ＧＨｚから１６．７ＧＨｚに低減するだけであり、周波数２ＧＨｚ程度の電磁波を伝送することはできない。周波数２ＧＨｚ程度の電磁波を伝送するには、更に横方向サイズｂを約８倍に拡大する必要がある。同様のことは、導波管を用いるアンテナや、スロットアンテナにも当てはまる。
【００１４】
このように、従来の導波管構造を採用する限り、例えば１０ｍｍ以下の横方向サイズｂを有する小型の導波管を作製しても、周波数５ＧＨｚ以下の電磁波を伝送することはできない。
【００１５】
特許文献１および２は、いずれも、導波管の内部に誘電体共振器を配置することにより、帯域通過フィルタとしての機能を導波管に付与し得ることを開示している。しかしながら、誘電体共振器の働きによって透過強度が高められる周波数帯域は、図１５（c）に模式的に示すように、図１５（ｂ）における低下したカットオフ周波数ｆｃよりも高周波側に位置している。このため、特許文献１または２に開示されている従来技術を用いたとしても、高誘電率材料で導波管の内部を完全に充填する場合に比べて、導波管を更に小型化することはできない。
【００１６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、従来よりも小型化された導波管を用いて相対的に低い周波数の電磁波伝送を可能にする高周波回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の高周波回路素子は、導波管と、前記導波管の内部に配置された少なくとも１つの共振器とを備え、前記共振器はＨ面と交差する平面に平行な少なくとも１つのパターニングされた導電体層を有し、前記導波管の内部の誘電率、形状およびサイズによって規定されるカットオフ周波数よりも低い周波数で共振することにより、前記カットオフ周波数よりも低い周波数の電磁波に前記導波管内部を通過させる。
【００１８】
好ましい実施形態において、前記共振器は、前記カットオフ周波数よりも低い共振周波数を有している。
【００１９】
好ましい実施形態において、前記共振器の共振周波数は、前記カットオフ周波数の四分の一以下である。
【００２０】
好ましい実施形態において、前記共振器は複数である。
【００２１】
好ましい実施形態において、前記複数の共振器は、それぞれ、異なる共振周波数を有している。
【００２２】
好ましい実施形態において、前記パターニングされた導電体層は、螺旋形状導体配線、一部が開放されたリング形状導体配線、螺旋形状スロット、および、一部が欠けたリング形状スロットの少なくとも１つを有している。
【００２３】
好ましい実施形態において、前記共振器は、二分の一波長共振器または四分の一波長共振器として機能する。
【００２４】
好ましい実施形態において、前記パターニングされた導電体層は複数であり、前記複数の導電体層は、積層され、相互に交差結合している。
【００２５】
好ましい実施形態において、前記共振器は、積層螺旋共振器構造または積層螺旋導体共振器構造を有している。
【００２６】
好ましい実施形態において、前記パターニングされた導電体層は、複数であり前記複数の導電体層は積層されており、前記複数の導電体層のうちの隣接する導電体層は、互いに回転方向が逆の螺旋形状を有している。
【００２７】
好ましい実施形態において、前記共振器は複数であり、前記導波管の内部において異なる向きに配置されている。
【００２８】
好ましい実施形態において、前記共振器の少なくとも一つは、前記パターニングされた導電体層が前記導波管のＨ面以外の面に平行となるように配置されている。
【００２９】
好ましい実施形態において、前記導波管は、対向する一対の金属壁を有しており、前記一対の金属壁は、導電部材によって接続されている。
【００３０】
本発明の高周波回路は、上記いずれかの複数の高周波回路素子を備える高周波回路であって、  前記複数の高周波回路素子は、第１の周波数で電磁波を伝送させる第１の高周波回路素子と、前記第１の周波数とは異なる第２の周波数で電磁波を伝送させる第２の高周波回路素子とを含んでおり、前記第１および第２の周波数を有する電磁波の分波または合波を行う。
【００３１】
本発明の高周波回路は、上記いずれかの高周波回路素子を備える高周波回路であって、前記高周波回路素子に含まれる前記導波管は、電磁波を放射または受信するアンテナとして機能する。
【００３２】
本発明の他の高周波回路素子は、電磁波の放射および受信の少なくとも一方の動作を行う高周波回路素子であって、表面および裏面を有する誘電体基板と、前記誘電体基板の表面および裏面のいずれか一方の面に形成した接地導体層とを備え、前記接地導体層には、前記電磁波の伝送周波数で共振条件を満たすサイズよりも小さいスロットが形成され、前記スロットの内部または近傍には少なくとも１つの共振器が配置されており、前記共振器は、前記スロットの共振周波数よりも低い共振周波数を有している。
【００３３】
本発明の分析装置は、上記いずれかの高周波回路素子と、前記高周波回路素子に接続された検出装置とを備え、前記検出装置は、前記高周波回路素子が受信する電磁波を検知する。
【発明の効果】
【００３４】
本発明の高周波回路によれば、従来よりも格段に小さな断面サイズを有する導波管を用いて低い周波数の電磁波を伝送することが可能になるため、高周波回路を小型化できる。
【００３５】
また、本発明の高周波回路によると、共振器の共振周波数帯域以外の周波数では、伝送電磁波を著しく減衰させるため、周波数選択性の高い帯域通過フィルタ機能を実現することもできる。
【００３６】
また、本発明の分析装置によれば、電磁波プローブとして機能する導波管のサイズを縮小できるため、検出の位置分解能を高めることができる。また、導波管のサイズを縮小しても、検出の効率が低下しない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
（実施形態１）
まず、図１を参照しながら、本発明による高周波回路素子の第１の実施形態を説明する。図１に示される本実施形態の高周波回路素子は、導波管１と、導波管１の内部に配置された複数の共振器２とを備えている。導波管１の両側には入出力部７０が配置されている。共振器２は、後に詳しく説明するように、少なくとも１つのパターニングされた導電体層（導体配線１０１、１０２）を有している。この導電体層の形状および配置の仕方により、導波管１によって規定される「カットオフ周波数ｆｃ」よりも低い周波数で共振を引き起こし、カットオフ周波数ｆｃよりも低い周波数の電磁波に導波管１を通過させることを可能にする。図１では、共振器２の一部を拡大した図面も記載しているが、その図では、導体配線１０１、１０２の重なり具合がわかるように、導体配線１０１．１０２が透明であるかのように記載している。
【００３８】
なお、本明細書における「カットオフ周波数ｆｃ」とは、共振器２が存在しない場合における導波管１の内部の誘電率、形状およびサイズによって規定される周波数ｆｃであり、その周波数ｆｃよりも低い周波数の電磁波は、本来、導波管１の内部を伝搬できない。しかし、本実施形態では、共振器２の働きにより、カットオフ周波数ｆｃよりも低い周波数で共振を生じさせ、それによって、本来は導波管１の内部を伝搬することができない周波数の電磁波透過を可能にしている。
【００３９】
ここで、導波管１の内部を透過し得る電磁波の周波数を「伝送周波数」と称することとする。従来の導波管によれば、「伝送周波数」は常に「カットオフ周波数ｆｃ」よりも高い値を有しているが、本発明では、伝送周波数がカットオフ周波数ｆｃよりも低い値を有している。
【００４０】
図１５（ｄ）は、本実施形態における導波管１について得られる透過強度と周波数との関係を模式的に示している。図１５（ｄ）から理解されるように、カットオフ周波数ｆｃよりも低い周波数（伝送周波数ｆ１）で電磁波の透過強度が高くなっている。より詳細には、導波管１の内部を高誘電率材料で充填することにより低減したカットオフ周波数ｆｃ（図１５（ｄ）参照）に比べても伝送周波数ｆ１を低く設定することができる。この伝送周波数ｆ１は、導波管１の内部に配置する共振器２の共振周波数ｆ０に近い値を有している。
【００４１】
以下、本実施形態の高周波回路素子の構成をより詳細に説明する。
【００４２】
図１に示すように、導波管１は、外部から電磁波の入出力を受ける入力面２０１および出力面２０３を有している。本実施形態における導波管１の入力面２０１および出力面２０３は、互いに平行な関係にある。入力面２０１から導波管１に入射した特定波長範囲の電磁波は、導波管１の内部を透過し、出力面２０３から出射される。このため、入力面２０１および出力面２０３に対して垂直な方向を「伝搬方向」または「伝送方向」と称することとする。図１に示すＸＹＺ座標によれば、Ｚ軸が伝搬方向に平行であり、入力面２０１および出力面２０３は、ＸＹ面に平行である。
【００４３】
なお、入力面２０１および出力面２０３は対称関係にあり、出力面２０３から導波管１に入射した特定波長範囲の電磁波も、導波管１の内部を透過し、入力面２０１から出射され得る。このため、２つの面２０１、２０３を相互に区別することなく、「入出力面」と称しても良い。入出力面２０１、２０３上には、電磁波の伝搬を阻害する部材は配置されず、他の導波管などの高周波回路素子（不図示）と接続され得る。本実施形態では、導波管１と同様の構成を有する２つの入出力部７０が入出力面２０１、２０３を介して導波管１に接続されている。
【００４４】
図１に示す構成例では、導波管１の内部に４つの共振器２が配置されているが、１つ導波管１に用いられる共振器２の個数は４つに限定されない。各共振器２は、導波管１の内部に配置可能なサイズを有しながら、上述したカットオフ周波数ｆｃよりも低い共振周波数ｆ０で共振するように設計されている。大きさに比べて低い周波数で共振するために必要な共振器２の具体的な構成は、後に詳しく説明する。
【００４５】
図１に示す導波管１の内部は概略直方体であり、Ｚ軸（伝搬方向）に直交する平面で切り取った断面の形状は、長方形である。以下、単に「断面」と称するときは、Ｚ軸（伝搬方向）に直交する平面で切り取った断面を指すものする。導波管１の内部空間のＹ軸方向サイズをａ［ｍｍ］、Ｘ軸方向サイズはｂ［ｍｍ］とする。ここでは、ａ＜ｂの関係が成立している。
【００４６】
導波管１の本体部分は、樹脂や金属などの材料から好適に形成され得るが、少なくとも内壁面は導電性を有する材料から形成される必要がある。導電性を有する材料としては、典型的には金属が用いられ、例えば金や銅から好適に用いられる。導波管１の内壁をメッキなどのメタライゼーション層によって被覆する場合、導電層の厚さ（メッキ厚さ）は例えば５μｍ程度に設定され得る。内壁面上の導電層の厚さは、伝送周波数ｆ１における表皮厚さより十分大きな値に設定される。
【００４７】
導波管１の内部は、例えば樹脂などからなる固体の誘電体（誘電率：ε）２０５で充填されている。誘電体２０５は、共振器２を導波管１の内部で固定し、保持する機能も発揮することができる。誘電体２０５の誘電率εが空気の誘電率(約１）よりも高いため、導波管１の内部空間の誘電率が向上する。導波管１の内部空間の誘電率が上昇することにより、実効波長が短くなるため、導波管１のサイズを更に縮小することが可能になる。誘電体２０５の材料としては、高周波回路用基板の材料として広く利用されている公知の樹脂やセラミックを採用することができる。なお、導波管１の内部は、特別な誘電体材料で満たされている必要はなく、空気によって満たされていてもよい。導波管１の内部を固体以外の誘電体材料で充填する場合は、何らかの部材により、導波管１に対して共振器２を固定することが好ましい。
【００４８】
本実施形態の構成では、ａ＜ｂの関係が成り立つため、導波管１の内部を伝搬する電磁波の「電界」はＹＺ面に平行に分布し、電磁波の「磁界」はＸＺ面に平行に分布する。このため、ＹＺ面に平行な面を「Ｅ面」と称し、ＸＺ面に平行な面を「Ｈ面」と定義することができる。
【００４９】
ここでは、入力面２０１のＺ座標値と出力面２０３のＺ座標値とが相互に等しい絶対値を有し、かつ、その符合が逆となるようにＺ軸の零点を設定する。また、Ｚ軸が入射面２０１および出射面２０３の各々の中心を通るようにＸ軸の零点およびＹ軸の零点を設定する。この結果、導波管１の内壁面のうち、ＸＺ面に平行な面（Ｈ面）のＹ座標値は、±ａ／２であり、ＹＺ面に平行な面（Ｅ面）のＸ座標値は、±ｂ／２となる。
【００５０】
本実施形態では、導波管１のサイズｂによって決定されるカットオフ周波数ｆｃが、伝送周波数ｆ１や共振器２の共振周波数ｆ０よりも十分高い値に設定される（図１５（ｄ）参照）。以下、この点を詳細に説明する。
【００５１】
まず、サイズｂの大きさは、カットオフ周波数ｆｃにおける電磁波の実効波長の二分の一に相当する。伝送周波数ｆ１よりもカットオフ周波数ｆｃが高いということは、カットオフ周波数ｆｃに対応する実効波長が伝送周波数ｆ１に対応する実効波長よりも十分に短いことを意味する。すなわち、サイズｂは、伝送周波数ｆ１に対応する実効波長の二分の一よりも小さい値に設定されている。
【００５２】
伝送周波数ｆ１は、小型でありながらにも低い値を示す共振器２の共振周波数ｆ０に近い値を有している。すなわち、共振器２の共振周波数ｆ０をカットオフ周波数ｆｃよりも格段に低くすることができれば、同一の伝送周波数ｆ１を実現するために必要な導波管１のサイズｂを、従来構造の導波管のサイズｂに比べて大幅に小さくすることができる。小型でありながら、実効波長の長い電磁波を共振させるためには、以下に説明するように共振器２が特殊な構造を有している必要がある。
【００５３】
図２を参照しながら、共振器２の構造を説明する。図２（ａ）は、共振器２の断面構成を示している。本実施形態の共振器２は、図２（ａ）に示されるように、所定の距離だけ離れて積層された第１導体配線１０１および第２導体配線１０２を有している。図２（ｂ）および図２（ｃ）は、それぞれ、第１導体配線１０１および第２導体配線１０２の平面レイアウトを示している。第１導体配線１０１および第２導体配線１０２は、いずれも螺旋形状を有するようにパターニングされた導電体層であり、交差容量結合によって相互に結合され、１つの共振器構造を形成している。このため、このような構造を有する共振器を「積層螺旋導体共振器」と称する場合がある。この積層螺旋導体共振器は、小型でありながらも、低い周波数で共振することが可能である。このような構造を有する共振器は、本出願人による米国出願（ＳＮ１０／９６９０９６、公開２００５／００７７９９３）に開示されている。
【００５４】
図２に示す共振器２において、第１導体配線１０１および第２導体配線１０２は、上述した交差容量結合の結果、分布定数的に結合した平行結合線路として機能することができる。このため、第１導体配線１０１および第２導体配線１０２のうちの一方（例えば第１導体配線１０１）に電流が流れた場合、他方（例えば第２導体配線１０２）にも同一方向に電流が流れることになる。この電流は、もとの導体配線（例えば第１導体配線１０１）に同じ方向の電流を誘起するため、共振器２における共振波長が各導体配線１０１、１０２の共振波長をはるかに上回る大きさを持つことになる。すなわち、導体配線１０１、１０２が配置されている空間１０３の誘電率や透磁率よりも、あたかも高い誘電率や透磁率の空間を形成しているかのように、共振現象を生じせしめることができる。
【００５５】
本実施形態では、上記の構成を有する共振器２を採用することにより、図１に示す導波管１の内部において、そのサイズｂよりも十分に長い実効波長を有する電磁波を共振させることが可能になる。このような共振器２を構成する導電体層のパターンは、螺旋導体配線の形状を有している必要は無く、後述する種々の形状を有することが可能である。例えば、スロットを規定する開口部を有する形状を備えていてもよい。
【００５６】
図３は、共振器２における導体配線１０１、１０２の積層間隔と、共振周波数（最低次の基本共振周波数）との関係を示すグラフである。このグラフは、以下の表１に示す構成を備えた共振器２について得られたデータを示している。
【００５７】
【表１】
2006011412.tif 000028
【００５８】
図３から明らかなように、積層間隔を小さくするほど、共振器２の共振周波数を低減することが可能である。同一形状の単一の螺旋導体配線を積層しない状態で共振させる場合、その共振周波数は、４．６ＧＨｚであった。このことから、複数の螺旋導体配線を積層し、積層間隔を低減することにより、共振周波数が大きく低減された共振器２を作製することができることがわかる。
【００５９】
このような共振器２を導波管１の内部に配置することにより、導波管１の内部空間の実効的な誘電率や透磁率を共振周波数において増大する効果が得られる。これは、積層された２つの螺旋導体配線を同じ方向に電流が流れる共振モードにおいて、実効誘電率や実効透磁率が増大しているからである。
【００６０】
本実施形態では、上記構成の共振器２を用いることにより、従来構造の導波管であれば、そのサイズを拡大しなければカットオフされる周波数の電磁波を、サイズを拡大することなく透過させることが可能になる。具体的には、導波管のサイズｂによって規定されるカットオフ周波数ｆｃの四分の一以下、好ましくは１０分の１以下の周波数を有する電磁波が通過することが可能となる。言い換えると、伝送周波数が同一であれば、導波管のサイズｂを四分の一、好ましくは１０分の１以下に小さくすることが可能になる。現在の高周波回路で使用される周波数のうち、本発明による効果が特に得られる周波数は１ＭＨｚ以上１００ＧＨｚ以下の範囲にある。
【００６１】
１つの導波管１の内部に配置される共振器２の個数は、単数であっても複数であってもよい。共振器２の個数を２または４個にすると、導波管１のサイズを大型化する必要がないため、本発明の効果を十分に得ることができる。共振器２の共振周波数ｆ０は、伝送周波数ｆ１に等しい値か、または近い値を有するように設定される。
【００６２】
複数の共振器２の各々が共振する周波数は、同一の値であってよいし、異なる値であってもよい。共振器２を配置する位置は、導波管１の内部に限定されず、導波管１の入出力面２０１、２０３の近傍であってもよい。複数の共振器２を直列または並列的に配置したり、ランダムに配置することにより、共振器２を相互に結合して、所望の効果を得ることができる。共振器２の個数や配置形式を調節することにより、伝送周波数に所定の幅を有する帯域を付与することができる。
【００６３】
各共振器２を構成する螺旋導体配線の積層数は２に限定されず、３以上であってもよい。螺旋導体配線の積層数を増加させることにより、更に低い共振周波数を得ることができる。
【００６４】
なお、積層した螺旋導体配線を用いて共振器を構成することによって誘電率や透磁率を増大させる効果は、螺旋導体配線を螺旋形状のスロットに置換しても得ることが可能である。また、この効果は、螺旋スロットと螺旋スロットとを積層するだけではなく、螺旋導体配線と螺旋スロットとを積層することによっても得ることができる。
【００６５】
共振器２を構成するように積層した導電体層パターンは、導体によって相互に接続されていてもよい。積層した導電体層パターンを導体によって相互接続すると、より低い周波数での共振現象を発現させることが可能となる。導電体層パターンの周囲空間は、誘電率の高い材料によって充填されていることが好ましい。この材料の誘電率や透磁率は、導波管の内部または導波管の入出力部の内部を充填している誘電体の誘電率や透磁率よりも高い値を有することが好ましい。誘電率や透磁率の高い材料は、積層されている導電パターンの間の空間の少なくとも一部に存在していてもよい。高誘電率材料または高透磁率材料を用いて共振器を作製することにより、共振器の共振周波数を更に低減することが可能になる。
【００６６】
共振器２の共振周波数を低減するという観点からは、積層する螺旋導体配線における螺旋回転方向を相互に反対に設定することが好ましいが、螺旋回転方向は、同一であってもよい。共振器２に用いる螺旋導体配線は、図２に示すように、積層構造を有しているが、同一面内に螺旋導体配線を配置しても共振器２を形成することができる。螺旋導体配線の積層数が１である場合は、共振周波数の低減効果が充分に得られないが、従来のカットオフ周波数ｆｃよりも低い周波数の電磁波を伝送させる導波管が実現すること可能である。
【００６７】
図１に示す導波管１の外形は矩形であるが、本発明で使用可能な導波管の形状は、図１に示すものに限定されない。円形導波管やリッジ導波管などを用いても、本発明の高周波回路素子を形成することが可能である。
【００６８】
本実施形態では、共振器を構成する螺旋導体配線が導波管のＨ面に平行とはならないように共振器の向きを決定している。すなわち、共振器の導体層がＨ面に平行な面と交差するように共振器を配置している。本発明の有利な効果を奏するには、共振器が導波管内の電磁界と結合する必要があるが、螺旋導体配線が導波管のＨ面に平行な場合、十分な結合度が得られない。
【００６９】
導波管の内部に複数の共振器を配置する場合は、それら共振器の向きが規則性を持たず、ランダムであってもよい。複数個の共振器の螺旋導体配線の全てがＨ面に平行になることはないからである。
【００７０】
次に、図４および図５を参照しながら、共振器２における導体配線の他の構成例を説明する。以下に説明する導体配線は、いずれも、リング状配線の一部に切断部（ギャップ部）が形成され、この切断部を介して両端が対向する構成を有している。
【００７１】
図４（ａ）は、このような２つの導体配線１０４、１０５を積層することによって作製された共振器の断面を模式的に示している。図４（ｂ）は、導体配線１０４の平面レイアウトを示し、図４（ｃ）は、導体配線１０５の平面レイアウトを示している。
【００７２】
導体配線１０４、１０５は、それぞれ、矩形のリング状共振器として機能し、相互に容量結合する。誘電体１０３の誘電率を１０．２、矩形領域の一辺を２ｍｍ、配線幅を２００μｍ、配線間の最低幅を２００μｍ、配線厚さを２０μｍとして、積層間隔を１５０μｍに設定した場合、この共振器の共振周波数は３．８５ＧＨｚとなった。
【００７３】
このような共振器も、図２に示す共振器と同様に、積層された２つの導体配線を電流が同一方向に流れることにより、平行結合線路の実効誘電率の増大効果を発揮する。したがって、このような共振器を導波管の内部に配置すると、導波管の内部空間における実効的な誘電率を共振周波数付近の帯域で増大させる効果が得られる。
【００７４】
図５（ａ）は、同一面内に導体配線１０４、１０５を配置した他の共振器の断面構成を示し、図５（ｂ）は、導体配線１０４、１０５の平面レイアウトを示している。誘電体１３０の誘電率を１０．２、矩形領域の一辺を２ｍｍ、配線幅を２００μｍ、配線間の最低幅を２００μｍ、配線厚さを２０μｍに設定すると、共振周波数は５．８ＧＨｚとなった。
【００７５】
このように共振器２の導体配線を共振器２の一辺よりも長くすることにより、共振器２を大型化することなく、共振周波数を低減することが可能になる。
【００７６】
なお、共振器２を構成する二つの螺旋導体配線の一方における開放終端箇所を、導波管の内壁に接続することにより、共振器２の短絡終端を行ってもよい。このような短絡終端を行うと、共振器２を四分の一波長共振器として動作させることができる。一方、このような短絡終端を行わない場合、共振器は二分の一波長共振器として動作することになる。
【００７７】
図１に示す例では、導波管１の内壁を構成する四面の全体が導電層によって被覆されている。言い換えると、対向する一対の内壁面上の導電層が、この内壁面に直交する他の一対の内壁面上の導電層によって電気的に接続されている。しかしながら、本発明による高周波回路素子の導波管は、このような構成を有するものに限定されない。一対の平行な導電層を導体ビア構造によって相互に接続することによっても、断面が長方形の導波管を形成することができる。このような導体ビア構造を採用することにより、多層誘電体基板中に導波管を形成することが容易になる。また、導波管の内部に配置した共振器と対向する内壁導電層を導体ビア構造に置き換えることにより、共振器のＱ値が向上し、通過損失を低減できる効果も得られる。
【００７８】
本発明による高周波回路素子は、アンテナに用いることも可能である。例えば図１に示す導波管１の出力面２０３を自由空間に開放する構成を採用することにより、本発明の高周波回路素子を小型導波管アンテナとして動作させることができる。
【００７９】
図１に示す構成を有するｎ個（ｎは２以上の整数）の高周波回路素子１１、１２、・・・１ｎを用意し、図６に示すように、１つの導波管に並列的に接続しても良い。高周波回路素子１１、１２、・・・１ｎの共振周波数ｆ０１、ｆ０２・・・ｆ０ｎを相互に異なる値に調節することにより、分波器または合波器を構成することができる。
【００８０】
さらに、図１に示す高周波回路素子をアンテナ導波管として用いることにより、微小回路領域からの不要輻射を計測し得る分析装置を構成することができる。図７は、このような分析装置の構成を示すブロック図である。図７に示すように、この分析装置は、本実施形態の高周波回路素子３を備え、高周波回路素子３の一端が自由空間もしくは所定周波数の信号を放射する回路を配置した空間４に接続されている。また、この分析装置は、高周波回路素子３の他端に接続された検出装置５と、検出装置５が出力する電気信号を表示する表示装置６とを備えている。検出装置５は、導波管内に配置されている共振器２の共振周波数ｆ０に等しい周波数ｆ０の信号を受信すると、その信号を電気信号に変換して出力する。
【００８１】
このような分析装置によれば、高周波回路素子３を小型化できるため、空間４の微小領域から放射される周波数ｆ０の電磁波を適切に計測することが可能になる。
【００８２】
（実施例１）
次に、図８を参照しながら、本発明による高周波回路素子の実施例１−１から１−１２を説明する。
【００８３】
図８は、実施例１−１から１−１１の基本的な構成を示している。図８（ａ）は、実施例の斜視透視図であり、図８（ｂ）は、その側面図である。
【００８４】
図８に示すように、各実施例の導波管は、２つの入出力部分７と、入出力部分７に挟まれた括れ部分８とを備えている。導波管は、誘電率１０．２の樹脂材料から作製され、中央部に位置する括れ部分８の断面が入出力部分７の断面よりも小さく形成されている。括れ部分８の縦方向サイズはａ［ｍｍ］、横方向サイズはｂ［ｍｍ］、入出力部分７の縦方向サイズはＡ［ｍｍ］、横方向サイズＢ［ｍｍ］である。実施例１−１では、Ａ＝２５ｍｍ、Ｂ＝３２ｍｍに設定した。
【００８５】
ここでは、縦方向をＹ軸、横方向をＸ軸、導波管の長さ方向をＺ軸とする座標軸を採用する。また、簡単のため、Ａ＜Ｂ、ａ＜ｂと設定する。括れ部分８の入出力面７ａ、７ｂの中間点にＺ＝０の零点を配置するため、入出力面７ａ、７ｂのＺ座標値は、絶対値が等しく、符号が逆である。
【００８６】
入力部７においては、導波管のＨ面の境界面をＹ＝±Ａ／２、導波管のＥ面の境界面をＸ＝±Ｂ／２となるよう、導波管断面の中央にＸ＝Ｙ＝０の座標原点を設定した。同様に、中央の括れ部分８においては、導波管のＨ面の境界面をＹ＝±a／２、導波管のＥ面の境界面をＸ＝±b／２である。なお、単位はｍｍで統一している。
【００８７】
実施例１−１から１−１１の高周波回路素子は、いずれも、中央の括れ部分８と同様に、入出力部分７の導波管も誘電率１０．２の誘電体で充填されている。このため、サイズＢの値によって規定されるカットオフ周波数ｆｃは、１．５ＧＨｚである。
【００８８】
共振器２の構成は、実施形態１について説明した共振器２の構成と同様である。すなわち、表１に示すパラメータ値を有し、２層の螺旋導体配線の積層間隔を１５０μｍに設定した。この結果、各共振器２の共振周波数は２．１ＧＨｚであった。
【００８９】
導波管の括れ部分８は、ａ＝２．２ｍｍ、ｂ＝２．５ｍｍ、長さ７ｍｍのサイズを有している。括れ部分８のカットオフ周波数ｆｃはサイズｂの値によって規定され、１８．８ＧＨｚであった。共振器２の共振周波数２．１ＧＨｚは、カットオフの条件に相当している。具体的には、共振器２の共振周波数はカットオフ周波数ｆｃの９分の１に相当している。
【００９０】
実施例１−１では、導波管の括れ部分８の中央においてＸ＝０の位置に一つの共振器２を配置した。このとき、共振器２の積層された螺旋導電体配線がＥ面に平行となるように共振器２の向きを設定した。
【００９１】
図９は、実施例１−１および比較例１−１の透過特性を示している。比較例１−１と実施例１−１との相違点は、共振器２の有無のみにある。
【００９２】
図９から明らかなように、比較例１−１では、７９ｄＢ程度の減衰が周波数にかかわらず発生しているが、実施例１−１では、２．０８ＧＨｚ帯で減衰がマイナス４２ｄＢ程度に低減されている。すなわち、実施例１−１の導波管は２．０８ＧＨｚ帯の電磁波を透過することができる。
【００９３】
次に、複数の共振器２をＺ軸方向に沿って直列的に配列した実施例１−２、１−３を説明する。共振器２は、いずれも、その螺旋導体配線がＥ面に平行となるように配置した。
【００９４】
実施例１−２および実施例１−３において直列的に配置した共振器２の個数は、それぞれ、２個および３個である。隣接する共振器２の配置間隔は、実施例１−２では１ｍｍに設定し、実施例１−３では０．２ｍｍに設定した。なお、実施例１−３では、３個の共振器のうち、両端に位置する共振器の一部は、括れ部分８から入出力部分７に突出している。
【００９５】
図１０は、実施例１−２、１−３の通過特性を示している。図１０からわかるように、導波管の内部において複数の共振器２が相互に結合することにより、共振周波数帯域が拡大し、より広い通過帯域が得られた。また、最大通過量は、結合する共振器２の個数が増加するほど大きくなった。
【００９６】
実施例１−１から１−３および比較例１−１の構成と、それらの特性値を表２に示す。
【００９７】
【表２】
2006011412.tif 000029
【００９８】
実施例１−１において、共振器２の位置をＸ＝０からＸ＝１またはＸ＝−１に変更した場合も、共振器２の共振周波数付近の周波数帯域において、通過帯域が得られた。
【００９９】
更に、実施例１−１において、Ｘ＝０．５およびＸ＝−０．５の位置に並列して２個の共振器２を配置した場合、および、Ｘ＝１、Ｘ＝０、Ｘ＝−１の位置に３個の共振器２を並列的に配置した場合でも、同様に、共振器２の共振周波数付近の周波数帯域において、通過帯域が得られた。
【０１００】
次に、比較例１−２について透過特性を求めた。比較例１−２は、実施例１−２の構成において、螺旋導体配線がＥ面（ＹＺ面）に平行となる向きからＨ面（ＸＺ面）に平行となる向きに共振器２を回転させたものである。
【０１０１】
比較例１−２では、２個の共振器２がＹ＝０のＨ面上に直列的に配置されている。２個の共振器２のＺ座標値は、それぞれ、Ｚ＝−２、およびＺ＝＋２である。
【０１０２】
比較例１−２の透過特性は、共振器２を配置しない場合の通過特性と同様であった。比較例１−２において、共振器２のＹ座標値をＹ＝０からＹ＝１に変更した比較例１−３についても透過特性を求めたが、比較例１−２に比べて通過特性に変化は生じなかった。
【０１０３】
次に、共振器２の向きを実施例１−１における共振器２の向きと等しくし、括れ部分８のサイズｂを５ｍｍに拡大した比較例１−４を用意した。比較例１−４では、共振器２をＸ軸方向に二並列に配置した。比較例１−４においては、共振器２の導電体層がＨ面に平行となる向きに共振器２を配置しているため、通過強度の増大は得られなかった。
【０１０４】
実施例１−２と比較例１−２、１−３、１−４の構造と特性を表３に示す。
【０１０５】
【表３】
2006011412.tif 000030
【０１０６】
次に、共振器２の導電体層がＸＹ面に平行となるように３つの共振器２を配置した実施例１−４を作製した。共振器２をＺ＝１．５、０、−１．５の３箇所に直列的に配置されている。実施例１−４によると、２．０５ＧＨｚにおける通過強度はマイナス６５ｄＢであった。
【０１０７】
次に、括れ部分８の横方向サイズを５ｍｍに設定し、共振器２の導電体層がＸＹ面に平行となるように６つの共振器２を配置した実施例１−５を作製した。実施例１−４と異なる点は、直列的に配置された３個の共振器２が２列存在する点にある。共振器２の並列数が１である実施例１−４の通過強度はマイナス６５ｄＢであったが、共振器２の並列数が２である実施例１−５の通過強度はマイナス１５ｄＢになった。実施例１−４と実施例１−５の構造と特性を表４に示す。
【０１０８】
【表４】
2006011412.tif 000031
【０１０９】
次に、実施例１−２において共振器２であった導波管内部の小型共振器を、一層構成の螺旋導体配線のみと設定を変更して、実施例１−６を作製した。実施例１−６は、３．５ＧＨｚにおいて通過強度マイナス１９ｄＢを示した。実施例１−６から二直列で配置された螺旋導体配線を除いた構成の比較例１−１の高周波回路素子が、３．５ＧＨｚにおいて通過強度マイナス７０ｄＢを示すのと比較すると、実施例１−６において本発明の有利な効果を得られたことが分かった。実施例１−６と比較例１−１の構造比較と特性比較を表５に示す。なお、実施例１−６において通過する電磁波の周波数はカットオフ周波数ｆｃの５分の１以下に相当している。
【０１１０】
【表５】
2006011412.tif 000032
【０１１１】
次に、実施例１−２において、導波管１の内部において導波管内壁に接続せず、分離して配置していた共振器２を、導波管内壁に接続した実施例１−７を作製した。実施例１−７における共振器２は、共振器の一部を構成する二つの螺旋導体共振器の内、一方の螺旋導体配線の外郭の開放終端箇所を、直接導波管内壁に接続することにより共振器２を短絡終端し、新たな小型共振器とした。実施例１−７は、１．８ＧＨｚにおいて通過強度マイナス２９ｄＢを示した。実施例１−７から二直列で配置された共振器２を除いた構成の比較例１−１の高周波回路素子が、１．８ＧＨｚにおいて通過強度マイナス８０ｄＢを示すのと比較すると、実施例１−７において本発明の有利な効果を得られたことが分かった。なお、実施例１−７において通過した電磁波の周波数は、カットオフ周波数ｆｃの１０分の１以下に相当している。実施例１−７と比較例１−１の構造比較と特性比較を表６に示す。
【０１１２】
【表６】
2006011412.tif 000033
【０１１３】
次に、括れ部分８（−３．５＜Ｚ＜３．５）に共振器２を一切配置せず、導波管１の入出力部７（Ｚ＞３．５、Ｚ＜−３．５）のみに、共振器２を配置した実施例１−８から１−１１を作製した。
【０１１４】
実施例１−８においては、ａ＝２．２ｍｍ、ｂ＝２．５ｍｍの条件で、Ｚ＝４．７及び−４．７の箇所にＥ面に平行に共振器２を一つずつ配置した。入力部、出力部の共振器２の配置とも一並列一直列であり、配置したのはＸ＝Ｙ＝０の箇所である。実施例１−８においては、２．０５ＧＨｚにおいて通過強度マイナス４０ｄＢを得た。同様に、実施例１−９においては、実施例１−８においてＸ＝０であった共振器２の配置位置をＸ＝２に移動した。すなわち、共振器２の配置箇所は導波管括れ部分の投射面状には無いが、２．０５ＧＨｚにおいて通過強度マイナス６９ｄＢを得た。同様の本発明の効果は、Ｘが実効波長の８分の１程度に達するまで得ることが可能であった。実施例１−８と実施例１−９の構造比較と特性比較を表７に示す。
【０１１５】
【表７】
2006011412.tif 000034
【０１１６】
実施例１−１０では、ａ＝２．２ｍｍ、ｂ＝２．５ｍｍの条件で、ＸＹ平面に平行に共振器２を一つずつ配置した。二つの共振器２の配置位置は、Ｚ＝±４、Ｘ＝Ｙ＝０である。実施例１−１０においては、２．０５ＧＨzで通過強度マイナス７５ｄBを得た。同様に、実施例１−１１においては、ａ＝２．２ｍｍ、ｂ＝５ｍｍの条件で、Ｚ＝７．５及び−７．５のＸＹ平面に共振器２を二つずつ配置した。二つの共振器２はＹ＝０、Ｘ＝−２と２の座標点に一つずつ並列に配置して、１．９７ＧＨｚにおいて通過強度マイナス３３ｄＢを得た。実施例１−１０と実施例１−１１の構造比較と特性比較を表８に示す。
【０１１７】
【表８】
2006011412.tif 000035
【０１１８】
比較例１−５においては、ａ＝２．２ｍｍ、ｂ＝２．５ｍｍの条件で、Ｚ＝８．２及び−８．２の箇所にＨ面に平行に共振器２を一つずつ配置した。入力部、出力部の共振器２の配置とも一並列一直列であり、配置したのはＸ＝Ｙ＝０の箇所である。
【０１１９】
比較例１−５においては、共振器２を配置しない比較例１−１と同様のマイナス７９ｄＢの通過強度しか得られず、本発明の有利な効果を得ることができなかった。
【０１２０】
次に、実施例１−１２として、実施例１−２の導波管から出力部を取り除き、導波管アンテナを作製した。すなわち、導波管の括れ部分８の一端をそのまま自由空間への放射開口面とし機能させた。また、比較例１−６として、共振器を配置しない導波管アンテナも作製した。２．０５ＧＨｚにおける放射効率は、比較例１−６で０．１％であるのに対して、実施例１−１２では１２．２％であった。
【０１２１】
（実施形態２）
以下、本発明による高周波回路素子の第２の実施形態を説明する。本実施形態の高周波回路素子は、スロットアンテナである。
【０１２２】
まず、図１１を参照する。図１１（ａ）は、本実施形態における高周波回路素子の構造を示す斜視図であり、図１１（ｂ）は、その破線部断面図である。図１１において、図１４に示す構成要素と同一または対応する構成要素には同じ参照符号を用いている。
【０１２３】
図１１のスロットアンテナ装置は、図１４のスロットアンテナと同様に、裏面に接地導体層２３が設けられた誘電体基板２１を有しており、接地導体層２３の中央部には帯状のスロット２４が形成されている。誘電体基板２１の表面には、接地導体層２３のスロット２４を横切るように信号導体配線２２が設けられている。信号導体配線２２と接地導体層２３とによってマイクロストリップ線路が形成され、マイクロストリップ線路に沿って電磁波が進行する。
【０１２４】
本実施形態では、スロット２４の内部または近傍に小型共振器２５が配置されている。小型共振器２５の構成は、実施形態１における共振器２と同様である。小型共振器２５の位置は、接地導体層２３に関して誘電体基板２１側であっても、自由空間側であってもよい。小型共振器２５の少なくとも一部がスロット２４によって規定される空間と重なることが望ましい。
【０１２５】
本実施形態で使用する小型共振器２５の共振周波数ｆ０は、スロット２４の横幅ｂによって決定される共振周波数よりも低い値に調整されている。スロット２４の共振周波数は、図１５（ｄ）に示すカットオフ周波数ｆｃに対応しており、本実施形態では、小型共振器２５の働きにより、その共振周波数ｆ０の電磁波の放射を高い効率で行うことが可能になる。本来、小型共振器２５の共振周波数ｆ０の電磁波は、スロット２４の幅ｂの２倍によりも長い実効波長を有しているため、スロット２４から自由空間に放射される効率は低いはずである。しかしながら、小型共振器２５の機能により、スロット２４の横幅ｂに比べて十分に長い実効波長を有する電磁波の高効率送受信が可能になる。配置する小型共振器２５の個数は、１つに限定されず、複数であってもよい。
【０１２６】
ここでは、スロット２４の縦方向をＹ軸方向、横方向をＸ軸方向、放射方向をＺ軸方向とする座標軸を定義する。スロット２４におけるＹ軸方向サイズはａ、Ｘ軸方向サイズはｂである（ａ＜ｂ）。スロットの開口面は、Ｚ＝０のＸＹ平面に一致させ、Ｘ＝Ｙ＝０の座標零点がスロット２４の中央に位置するものとする。
【０１２７】
スロット２４の横方向サイズｂにより決定される共振周波数ｆｃは、伝送周波数ｆ１、小型共振器２５の共振周波数ｆ０よりも高い値に設定される。共振周波数ｆｃの実効波長は、２×ｂで表されるが、伝送周波数ｆ１の実効波長は、２×ｂよりも遥かに大きい。また、小型共振器２５のサイズも、伝送周波数ｆ１の実効波長よりも小さい。
【０１２８】
従来のスロットに比べて格段に狭いスロット２４から、電磁波を放射させることが可能となる。具体的には、スロット２４の幅ｂによって規定される共振周波数の三分の一、さらに好ましくは四分の一以下の周波数の電磁波を放射させることが可能となる。
【０１２９】
実施形態１について説明した原理に基づき、配置する小型共振器２５の個数を複数に設定すると、複数の小型共振器２５の間の結合により、共振周波数ｆ０に帯域を付与することができる。小型共振器２５の共振周波数ｆ０は、伝送周波数ｆ１と同じ値または近い値に設定される。複数の共振器２５の共振周波数は、それぞれ、同じ値に設定されてもよいし、異なる値に設定されてもよい。小型化の観点からは、共振器２５の個数を２から３程度の値に設定することが好ましい。
【０１３０】
小型共振器２５は、実施形態１の共振器２について説明したように、積層螺旋導体共振器構造に限られず、多様な構成を採用し得る。
【０１３１】
なお、共振器２５をスロット２４の開口面上に配置する場合、共振器２５の導電体層（螺旋導体など）は、それぞれ、開口面（ＸＺ面）に平行とならないようにする必要がある。スロット２４の開口面（ＸＺ面）は、スロット２４の長手方向と電磁波放射方向を２軸として含む平面である。共振器２５の導電体層（螺旋導体など）がＸＺ面に平行であると、スロット２４の内部に形成される電磁界と共振器２５との結合度が不充分になるからである。共振器２５の向きは、規則性を有さず、種々の方位を有していていもよい。
【０１３２】
マイクロストリップ線路は、本実施形態に不可欠ではなく、マイクロストリップ線路をコプレーナ線路、グランド付コプレーナ線路、またはスロット線路等の伝送線路に置き換えてもよい。
【０１３３】
（実施例２）
以下、実施形態２における高周波回路素子の実施例２−１から２−２を説明する。
【０１３４】
誘電率３．９、厚さ２５０μｍの樹脂材料からなる誘電体基板２１を用意し、その表面に幅５００μｍ、厚さ２０μｍの金配線で信号導体配線２２を形成した。誘電体基板２１の裏面には、スロット形成領域を除く全面に、厚さ５０μｍの金メッキを行ない、接地導体層２３を形成した。
【０１３５】
本実施例の接地導体層２３のスロット２４は、横幅６ｍｍ、縦２．４ｍｍの矩形状を有しており、スロット２４の中央部をＸ＝Ｙ＝０の原点と設定した。信号導体配線２２の開放終端部は、Ｘ＝Ｙ＝０の原点から５ｍｍ離れている。誘電体基板２１の裏面は、Ｚ＝０のＸＹ平面に一致している。Ｚ軸の正部分が、電磁波の放射される自由空間に一致させている。
【０１３６】
実施例２−１として、Ｅ面（ＹＺ面）に平行な面内に共振器２５を配置した。共振器２５は、一辺２ｍｍの正方領域に形成された螺旋導体を有している。螺旋導体の配線幅は０．２ｍｍであり、螺旋回転数は２であり、導体配線間の最小間隔は０．２ｍｍである。このような螺旋導体配線を、螺旋回転方向が反対になるようにして積層した。積層間隔は０．１５ｍｍに設定した。このように２つの螺旋導体を交差結合することによって得られた積層螺旋導体の共振器２５は、単体では、４．０７ＧＨｚの共振周波数を示した。
【０１３７】
上記構成の共振器２５を２つ用意し、信号導体配線２２の両側に一つずつ配置した。共振器２５の中心がＺ＝−１の点に位置するようにした。すなわち、共振器２５は、−０．２５＜Ｚ＜０の範囲では誘電体基板２１内に位置し、Ｚ＜−０．２５、およびＺ＞０では、空気中に位置している。共振器２５の中心位置はＹ＝０、Ｘ＝１．５、−１．５に設定した。
【０１３８】
実施例２−１では、４．０７ＧＨｚにおいてリターンロス７ｄＢ、利得５ｄＢｉ、放射効率４６．２％の結果が得られた。一方、実施例２−１から共振器２５を取り除いた比較例２−１では、４．０７ＧＨｚにおいて、リターンロス０．２ｄＢ、利得マイナス２．２１ｄＢｉ、放射効率１４．９％の結果が得られた。この結果を比較すると、放射効率の格段の差が発生していることがわかる。
【０１３９】
なお、実施例２−１のアンテナから放射される電磁波の周波数は、スロット２４の共振周波数の三分の一以下に相当していた。
【０１４０】
共振器２５の導電体層がＥ面（ＹＺ面）に平行な実施例２−１の高周波回路素子を改変し、共振器２５の導電体層をＸＹ面に平行にした実施例２−２を作製した。
【０１４１】
実施例２−２では、信号導体配線２２の両側に一つずつの共振器２５を配置した。具体的には、Ｘ＝１．７ｍｍ、−１．７ｍｍの地点に各共振器２５の螺旋導体配線の中心点が位置するようにした。Ｚ軸に関しては、共振器２５の間の空間が全て樹脂で満たされつつも、共振器２５の一方が放射面に面するように、共振器２５の位置を設定した。共振器２５の単体での共振周波数は２．７７ＧＨｚであった。
【０１４２】
実施例２−２では、２．７７ＧＨｚにおいてリターンロス２．８ｄＢ、利得０．７７ｄＢｉ、放射効率３２．９％の結果が得られた。一方、実施例２−２から共振器２５を取り除いた比較例２−１では、２．７７ＧＨｚにおいて、リターンロス０．１ｄＢ、利得マイナス１０．６ｄＢｉ、放射効率３．８２％の結果が得られた。この結果を比較すると、放射効率に格段の差が発生していることがわかる。なお、実施例２−１のアンテナから放射される電磁波の周波数は、スロット２４の共振周波数の４．５分の１以下に相当していた。
【０１４３】
共振器２５の導電体層がＥ面（ＹＺ面）に平行な実施例２−２の高周波回路素子を改変し、共振器２５の導電体層をＨ面（ＸＺ面）へと変更した比較例２−２を作製した。比較例２−２の放射特性は、比較例２−１の放射特性と同一であった。表９に、実施例２−１、２−２、比較例２−１、２−２の構造と特性を示す。
【０１４４】
【表９】
2006011412.tif 000036
【０１４５】
なお、共振器２５における積層数を増加させることにより、更に低い周波数で電磁波の放射を得ることが可能である。
【０１４６】
以上、説明してきたように、本発明の高周波回路素子によれば、伝送周波数ｆ１の近傍に共振周波数ｆ０を有する小型の共振器を導波管内部に配置することにより、本来ならばカットオフされる電磁波の通過を可能とする。このことは、導波管の内部に配置した共振器により、導波管の内部空間における誘電率や透磁率が実質的に増大する効果が生じることを意味する。このため、従来よりも狭い断面形状の導波管内を電磁波が透過することが可能になる。
【０１４７】
上記共振器の働き、すなわち、誘電率や透磁率が実質的に増大する効果が生じると、従来よりも狭い開口の導波管アンテナから効果的に電磁波を放射させることもできる。
【産業上の利用可能性】
【０１４８】
本発明の高周波回路素子は、従来よりも極端に狭い断面形状を有する導波管に電磁波を伝搬させることが可能であるため、小型導波管として有用である。また、小型導波管アンテナとして、電磁波の放射および検出が可能となる。
【０１４９】
したがって、本発明の高周波回路素子および当該回路素子を備える高周波回路は、通信分野や分析分野におけるフィルタ、アンテナ、検出器、分波器に広く応用され得る。また、電力伝送やＩＣタグなどの無線技術を利用する装置にも応用され得る。
【図面の簡単な説明】
【０１５０】
【図１】本実施形態による高周波回路の第１の実施形態を示す図である。
【図２】（ａ）は、本実施形態における共振器２として好適に用いられる積層螺旋導体共振器の断面図、（ｂ）は、当該共振器が有する導体配線１０１の平面レイアウト図、（ｃ）は、当該共振器に含まれる導体配線１０２の平面レイアウト図である。
【図３】積層螺旋導体共振器の共振周波数と積層間隔との関係を示すグラフである。
【図４】（ａ）は、本実施形態における共振器２として好適に用いられる他の例を示す断面図であり、（ｂ）は、当該共振器が有する導体配線１０４の平面レイアウト図、（ｃ）は、当該共振器に含まれる導体配線１０５の平面レイアウト図である。
【図５】（ａ）は、本実施形態における共振器２として好適に用いられる更に他の例を示す断面図であり、（ｂ）は、当該共振器が有する導体配線１０４、１０５の平面レイアウト図である。
【図６】実施形態１の高周波回路により構成される分波器／合波器の構成を模式的に示す図である。
【図７】実施形態１の高周波回路素子を備える分析装置の構成を模式的に示す図である。
【図８】（ａ）は、実施例１の高周波回路の構造を示す斜視図であり、（ｂ）は、その側面図である。
【図９】実施形態１の実施例１−１と比較例１−１の通過特性を示す図である。
【図１０】実施形態１の実施例１−１、１−２、１−３と比較例１−１の通過特性を示す図である。
【図１１】（ａ）は、本発明による高周波回路素子の第２の実施形態の構成を示す図であり、（ｂ）は、その断面図である。
【図１２】従来の技術である導波管の構造図である。
【図１３】従来の技術である矩形導波管アンテナの構造図である。
【図１４】（ａ）は、従来の技術であるマイクロストリップ線路により給電するスロットアンテナの構造を示す図であり、（ｂ）は、その断面図である。
【図１５】（ａ）は、内部が空気の導波管の透過強度と周波数との関係を模式的に示すグラフ、（ｂ）は、内部が高誘電率材料で充填された導波管の透過強度と周波数との関係を模式的に示すグラフ、（ｃ）は、内部に誘電体共振器が配置された導波管の透過強度と周波数との関係を模式的に示すグラフ、（ｄ）は、本発明の実施形態１における導波管の透過強度と周波数との関係を模式的に示すグラフである。
【符号の説明】
【０１５１】
１    導波管
２、２５    共振器
３、１１、１２、１ｎ    本発明による高周波回路
４    自由空間または測定物を配置した空間
５    検出装置
６    表示装置
７    導波管の入出力部分
７ａ、７ｂ    入出力面
８    導波管の括れ部分
２１    誘電体基板
２２    信号導体配線
２３    接地導体層
２４    スロット
２６    ＸＺ平面
３１    入力部
３２    開口面
１０１、１０２    螺旋導体配線
１０３    共振器におけるパターニングされた導電体層の周りの空間
１０４、１０５    一部が切断されたリング共振器
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2006011412.tif 000037
【図２】
2006011412.tif 000038
【図３】
2006011412.tif 000039
【図４】
2006011412.tif 000040
【図５】
2006011412.tif 000041
【図６】
2006011412.tif 000042
【図７】
2006011412.tif 000043
【図８】
2006011412.tif 000044
【図９】
2006011412.tif 000045
【図１０】
2006011412.tif 000046
【図１１】
2006011412.tif 000047
【図１２】
2006011412.tif 000048
【図１３】
2006011412.tif 000049
【図１４】
2006011412.tif 000050
【図１５】
2006011412.tif 000051
【国際調査報告】
2006011412.tif 000052
2006011412.tif 000053
2006011412.tif 000054
2006011412.tif 000055