(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＴＥ１０モードの導波管と、この導波管におけるＴＥ１０モードの電界と平行に配された準ＴＥＭモードのマイクロストリップ線路との間の伝送基本モードを変換する変換機構を備え、
該変換機構の特性が、その内側に前記マイクロストリップ線路と接するキャビティが形成された導波管端部の物理的な構造に応じて定まる導波管−マイクロストリップ線路変換器において、
前記キャビティに、その形状および比誘電率に応じて前記変換特性を変化させる誘電体を交換自在に配備したことを特徴とする、
導波管−マイクロストリップ線路変換器。
【請求項２】
前記導波管端部が、その表面の一部又は全部をメタライズ処理した樹脂成型品であることを特徴とする、
請求項１記載の導波管−マイクロストリップ線路変換器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波帯ないしミリ波帯で使用する導波管−マイクロストリップ線路変換器および変換器部品に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
導波管と平面回路に含まれるマイクロストリップ線路とを低損失で適切に接合する部品として、導波管−マイクロストリップ線路変換器が多用されている。
図８は、従来のこの種の導波管−マイクロストリップ線路変換器の構造説明図である。この図では、説明の便宜上、導波管等の肉厚、外壁形状等については省いてある。
図８に示される導波管−マイクロストリップ線路変換器は、内壁長辺の寸法がＡ、内壁短辺の寸法がＢの方形導波管２０の定常分布の電界と平行に、マイクロストリップ線路３１が形成された誘電体基板３０を配置して構成される。方形導波管２０の内端面は、マイクロストリップ線路３１に対して平行となる短絡面になっている。この短絡面を有する端部の部分は、通常、「導波管バックショート」と呼ばれている。以後の説明では、この端部の部分を導波管バックショート５とする。
マイクロストリップ線路３１の先端部（導波管側）は開放され、開放端部３２となっている。方形導波管２０の伝送基本モードはＴＥ１０モードであり、マイクロストリップ線路３１の伝送基本モードは準ＴＥＭモードである。
【０００３】
図９は、このような導波管−マイクロストリップ線路変換器の変換機構における電界分布を表す断面図である。図９では、方形導波管２０および導波管バックショート５の肉厚および外壁形状の一部が、マイクロストリップ線路３１を通すための孔部１ｄ等を説明するために描かれている。図９に示されるように、変換機構では、方形導波管２０のＴＥ１０モードの電界分布ｅ１とマイクロストリップ線路３１の準ＴＥＭモードの電界分布ｅ２とが、方形導波管２０の内部および導波管バックショート５のキャビティ（内部空間）内で互いに乱されつつ変換されるようになっている。
【０００４】
図１０は、導波管−マイクロストリップ線路変換器の等価回路であり、方形導波管２０におけるＴＥ１０モード伝送線路２０’の特性インピーダンスがＺ１、分岐接合（ａ−ａ’点）されるマイクロストリップ線路３１における準ＴＥＭモード伝送線路３１’の特性インピーダンスがＺ２であることを示している。
導波管−マイクロストリップ線路変換器では、これらの特性インピーダンスＺ１，Ｚ２の整合が適正にとれている必要がある。そのため、導波管バックショート５の寸法（マイクロストリップ線路３１から短絡点５０’（図９における導波管バックショート５の短絡面５０）までの長さ：以下、「短絡回路線路長」と称する）Ｌ、および、マイクロストリップ線路３１の開放端部３２の寸法が、方形導波管２０のサイズ、誘電体基板３０の厚み・比誘電率および使用周波数に応じた固有値に選定されている。
【０００５】
誘電体基板３０は、図１１に示されるように、その端部の寸法は方形導波管２０の内壁長辺の寸法Ａと同じであり、導波管バックショート５のキャビティと接する部分の長さ（図１１で破線で示されている部分から下方向の長さ）は、方形導波管２０の内壁短辺の寸法Ｂと同じになっている。マイクロストリップ線路３１の線路幅Ｗ１は、設定した特性インピーダンスに応じて一意に決まる。開放端部３２は、その幅Ｗ２がマイクロストリップ線路３１の線路幅Ｗ１よりもやや広く、方形導波管２０の長辺面から長さＴだけ導波管内部方向に入るサイズである。開放端部３２の幅Ｗ２および長さＴは、主としてインピーダンス整合の目的で、方形導波管２０の内壁サイズや誘電体基板３０の材質等に応じて一意に決められる。
【０００６】
図１２は、導波管バックショート５の概観図である。
導波管バックショート５は、方形導波管２０に接合されたときの定常分布における電界と平行となる内端面を短絡面５０、一対の内側面をＥ面とするとともに、上部長辺面の一部に図示のような切欠部５３を形成して構成される。方形導波管２０との接合を容易にするため、複数の孔部５２が形成されたフランジ５１がバックショート外壁と一体成型される場合もある。使用時には、誘電体基板３０を挟んで方形導波管２０に接合する。接合は、方形導波管２０と位置決めした後、フランジ５１の孔部５２に専用のネジを挿入することによって行う。
導波管バックショート５の開口部のサイズは、方形導波管２０の開口部と同じである。すなわち、内壁長辺の寸法はＡ、内壁短辺の寸法はＢになっている。
【０００７】
上記のように構成される従来の導波管−マイクロストリップ線路変換器の反射特性は、図１３のようになる。本来、伝送基本モードの変換に起因して発生する反射波は不要のものであり、所用帯域内では、このような反射波の悪影響を避けるため、反射減衰量−２０dB以下を実現するようにしている。
上記のような導波管−マイクロストリップ線路変換器の構造、動作については、特開昭６０−２３０７０１号、米国特許５２０２６４８号の記載を参考にすることができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の導波管−マイクロストリップ線路変換器には、以下のような解決すべき課題がある。
第１の課題は、所用の帯域内でのインピーダンス整合が難しいことである。
図１０の等価回路において、導波管−マイクロストリップ線路変換器としての基本的な要求性能は、ＴＥ１０モード伝送線路２０’の特性インピーダンスＺ１と、準ＴＥＭモード伝送線路３１’の特性インピーダンスＺ２の不整合が無いことである。通常、使用周波数における特性インピーダンスＺ１は３００オーム〜５００オーム（電圧と電流により定義）であり、特性インピーダンスＺ２は５０オームに選定される。このように差が大きい特性インピーダンス同士を整合すること自体容易なことではないが、導波管−マイクロストリップ線路変換器においては電磁界の分布そのものが全く異なっていることも、インピーダンス整合を困難にしている要因となっている。
【０００９】
製造に際しては、導波管バックショート５の短絡回路線路長Ｌ、開放端部３２の幅Ｗ２および長さＴを、予め計算によって求めた最適値に選んで加工するが、加工精度に起因して上記の最適値が計算した値から外れ、反射特性の劣化を招く場合がある。この反射特性の劣化が無視できない値になると、導波管−マイクロストリップ線路変換器ないしこれを搭載した装置全体の性能劣化につながるため、「広帯域整合」または「整合の調節機能」を付加する対策が必要となる。
【００１０】
第２の課題は、導波管バックショート５を小型化できない点である。
方形導波管２０のサイズは、使用周波数が低いほど大きくなるため、導波管バックショート５の物理的なサイズもそれにつれて大きくなる。図１０の等価回路において、短絡線路長Ｌは、ａ−ａ’点から短絡回路側を見て「開放」になる長さである必要があるため、方形導波管２０の管内波長の１／４波長付近に選ばれる。したがって、マイクロ波帯において１０ＧＨｚ以下の周波数帯で使用する導波管−マイクロストリップ線路変換器を製造するときは、導波管バックショート５の寸法がネックとなる。
【００１１】
本発明は、これらの課題を解決し、物理的な構造に応じて定まる変換機構の特性、例えば反射特性等を電気的に調節し得る改良された導波管−マイクロストリップ線路変換器および変換器部品を提供することを、その課題とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、伝送基本モードの変換性能を維持しつつ、例えば管内波長を等価的に増減させることができ、これによって、変換機構の特性を事後的に調節することができる導波管−マイクロストリップ線路変換器を提供する。
この導波管−マイクロストリップ線路変換器は、導波管と、この導波管における定常分布の電界と平行に配されたマイクロストリップ線路との間の伝送基本モードを変換する変換機構を備え、該変換機構の特性が前記導波管の所定部位の物理的な構造に応じて定まる導波管−マイクロストリップ線路変換器において、前記所定部位に、前記変換特性を電気的に変化させる金属部材を配備したものである。ここでいう「特性」は、例えば上述の反射特性、インピーダンス特性その他の電気的特性である。「物理的な構造」は、例えば、上述の内壁長辺、内壁短辺、短絡回路線路長である。
このような導波管−マイクロストリップ線路変換器では、導波管内の電界分布が金属部材に集中するため、特性の事後的な調節が可能になる。
【００１３】
前記導波管の伝送基本モードがＴＥ１０モード、前記マイクロストリップ線路の伝送基本モードが準ＴＥＭモード、前記所定部位が、前記導波管における定常分布の電界と平行となる短絡面をその内端面に有し、且つ、２つのＥ面をその内側面に有する導波管端部である場合、前記金属部材は、それぞれ前記短絡面および２つのＥ面の各々の面と直交する方向に配備される。短絡面のみ、あるいは２つのＥ面のいずれかのみに金属部材を配備する構成も可能である。いずれの場合も、各々の面から導波管内部に突出するサイズが調節可能なものとすることが望ましい。
金属部材は、導波管内部への挿入長が調節できるように導波管端部の外壁で支持された所定形状のものである。ネジ止め機構を備えたネジであってもよい。
【００１４】
前記導波管端部は、その表面の一部又は全部をメタライズ処理した樹脂成型品であってもよく、また、前記金属部材の一部が、該樹脂成型品に固定されているものであってもよい。このようにすれば、量産が容易になり、大幅なコストダウンが可能になる。
【００１５】
本発明の他の導波管−マイクロストリップ線路変換器は、ＴＥ１０モードの導波管と、この導波管における定常分布の電界と平行に配された準ＴＥＭモードのマイクロストリップ線路との間の伝送基本モードを変換する変換機構を備え、該変換機構の特性が、その内側に前記マイクロストリップ線路と接するキャビティが形成された導波管端部の物理的な構造に応じて定まる導波管−マイクロストリップ線路変換器において、前記キャビティに、その形状および比誘電率に応じて前記変換特性を変化させる誘電体を交換自在に配備したものである。
前記キャビティの全空間に、その形状および比誘電率に応じて前記変換特性を変化させる誘電体を充填するようにしてもよい。このようにすれば、所要の特性の調節を可能にしつつ、変換器サイズをより小型にすることができる。
前記導波管端部バックショートは、その表面の一部又は全部をメタライズ処理した樹脂成型品で構成することができる。
【００１６】
本発明の変換器部品は、ＴＥ１０モードの導波管と、この導波管における定常分布の電界と平行に配された準ＴＥＭモードのマイクロストリップ線路との間の伝送基本モードを変換する導波管−マイクロストリップ線路変換器に用いられる変換器部品であって、前記導波管における定常分布の電界と平行の短絡面をその内端面に有し、且つ、２つのＥ面をその内側面に有し、それぞれ前記短絡面および２つのＥ面の各々の面には、当該面と直交する方向に金属部材が配備されており、該金属部材は、導波管内部に突出するサイズが調節可能なものであり、前記突出したサイズに応じて前記変換特性を電気的に変化させるものである。
この変換器部品の表面の一部又は全部がメタライズ処理された樹脂によって成型され、前記金属部材の一部が、該樹脂に固定されるようにしてもよい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態による導波管−マイクロストリップ線路変換器の構造説明図である。便宜上、図８に示した従来のものと同一構成要素については、同一符号を付す。図１において、方形導波管２０等の肉厚、外壁形状等を省いてある点は、図８と同じである。また、方形導波管２０の定常分布の電界と平行にマイクロストリップ線路３１が形成された誘電体基板３０を配置した点、マイクロストリップ線路３１の先端部に開放端部３２が形成されている点も、図８に示したものと同じである。方形導波管２０の伝送基本モードはＴＥ１０モードであり、マイクロストリップ線路３１の伝送基本モードは準ＴＥＭモードである。
【００１８】
この実施形態の導波管−マイクロストリップ線路変換器は、導波管バックショートの構造が、図８に示した導波管バックショート５と異なる（但し、導電性部材からなる点は同じ）。
この実施形態の導波管バックショート１は、等価的に短絡回路線路長Ｌを増減させ、これによってモード変換時のインピーダンスを整合させる構造を有している。具体的には、導波管バックショート１の短絡面１ａおよび２つのＥ面１ｂ，１ｃの各々に、金属部材の一例となる金属ポスト１０，１１，１２を各面と垂直方向に挿入し、且つ、各金属ポスト１０，１１，１２の導波管バックショート１内への挿入長、つまり短絡面からの突出サイズを可変にし、これによって、事後的なインピーダンス整合のための調節機構を実現している。各面１ａ１ｂ，１ｃにおける金属ポスト１０，１１，１２の配備位置は任意でよいが、望ましくは、中央付近とする。
なお、金属ポスト１０，１１，１２は、外壁孔部によって支持されるようにしてもよく、外壁面に取り付けられた往復移動の支持機構によって支持されるようにしてもよい。金属ポスト自体が伸縮するものであってもよい。また、金属ポスト１０，１１，１２に代えて、ねじ込み式の金属スクリュー（金属ビス）を用いることもできる。
【００１９】
導波管バックショート１の短絡面１ａに金属ポスト１０を挿入すると、電界分布が金属ポスト１０に集中するため、等価的に短絡線路長Ｌを可変にすることができる。Ｅ面１ｂ，１ｃに垂直に配備される金属ポスト１１，１２の場合は、等価的に内壁長辺の寸法Ａを短縮することなり、導波管バックショート１内のＴＥ１０モードにおける管内波長を長くすることができる。すなわち、短絡回路線路長Ｌが一定であったとしても、管内波長が長くなる分だけ、短絡線路電気角Φが減少する。
【００２０】
ＴＥ１０モードの内壁長辺の寸法Ａと管内波長λgoの関係は、以下の式で表される。
λgo＝λo／√Ｘ
Ｘ＝１−（λo／（２Ａ））２  ・・・(1)
但し、λoは自由空間波長である。また、短絡線路電気角Φは、以下の式で表される。
Φ＝２πＬ／λgo  ・・・(2)
【００２１】
金属ポスト１０，１１，１２は、電界に対してそれぞれ独立に作用するものなので、図示のように３本同時に使用する必要はなく、１本ないし２本のみの使用であってもよい。また、金属ポスト１０，１１，１２の使用数は、導波管−マイクロストリップ線路変換器に要求される性能、導波管バックショート１の加工精度によって任意に決めてもよい。
【００２２】
図２は、この実施形態による導波管−マイクロストリップ線路変換器における変換部の電界分布を示す図である。方形導波管２０におけるＴＥ１０モードおよびマイクロストリップ線路における準ＴＥＭモードとも、実際には電界の向きは半波長ごとに反転するが、図２では、概念理解を優先するため、各モードとも半波長内の分布を示している。また、金属ポストは、短絡面に配備したものだけを例示している。図２に示す例の場合、電界分布は、金属ポスト１０に集中しており、その挿入長Ｓを長くすれば、等価的に短絡線路長Ｌが短くなり、逆に挿入長Ｓが短くなれば、等価的に短絡線路長Ｌが長くなる。このように、短絡回路線路長Ｌが一定であったとしても、管内波長が長くなる分だけ短絡線路電気角が減少する。金属ポスト１０の挿入量Ｓを可変にすることにより、短絡線路長Ｌを任意に調節することができる。
金属ポスト１１，１２についても、その挿入長が長くなるほど、等価的に内壁長辺の寸法Ａが短くなるので、導波管バックショート内を伝送するＴＥ１０モードの管内波長を長くすることができる。
【００２３】
この実施形態によって変化する導波管−マイクロストリップ線路変換器の特性の例として、１７ＧＨｚ帯での反射特性を図１４に示す。図１３に示した従来の導波管−マイクロストリップ線路変換器の反射特性に比べて改善されていることが理解できるであろう。
【００２４】
＜第２実施形態＞
本発明の第２実施形態による導波管−マイクロストリップ線路変換器の構造を図３に示す。便宜上、図８に示した従来のものと同一構成要素については、同一符号を付してある。図３において、方形導波管２０等の肉厚、外壁形状等を省いてある点は、図１および図８と同じである。また、方形導波管２０の定常分布の電界と平行に、マイクロストリップ線路３１が形成された誘電体基板３０を配置した点、マイクロストリップ線路３１の先端部に開放端部３２が形成されている点も、図１および図８に示したものと同じである。方形導波管２０なので、その伝送基本モードはＴＥ１０モード、マイクロストリップ線路３１の伝送基本モードは準ＴＥＭモードである。
【００２５】
この実施形態では、導波管バックショート２内のキャビティに、誘電体１３を交換自在に配備している。誘電体１３の材質としては、例えば比誘電率εｒが２程度のテフロン（登録商標）を用いることができる。
キャビティ内に誘電体１３が存在するときのＴＥ１０モード管内波長λｇは、以下の式で表すことができる。
λｇ＝λgo／√（η・εｒ）  ・・・(3)
但し、ηは誘電体充填率（キャビティの全空間に占める誘電体の割合）、εｒはその誘電体の比誘電率、λgoはεrが「１」のときの管内波長である。
【００２６】
上記の誘電体充填率ηおよび比誘電率εｒを可変にすることにより、管内波長λgoを変えることができ、さらに、導波管−マイクロストリップ線路変換器における変換機構の特性、例えば上述した短絡線路電気角Φを事後的に調節することができる。誘電体充填率ηは、誘電体の寸法で決まり、比誘電率εrはその誘電体の種類で決まる。
【００２７】
誘電体１３の形状は、自由に選ぶことができ、この形状と比誘電率εｒの値によっては誘電体自身による反射波そのものがインピーダンス整合に寄与する場合もあり、結果的に、事後的に電気的に調節できる範囲が拡がることになる。
【００２８】
図３では、誘電体１３として、ステップ状に加工したテフロン（登録商標）を用いたが、これは、導波管−マイクロストリップ線路変換器のサイズがミリ波帯域程度になると、十分にサイズが小さくなるため、サイズの小型化よりもインピーダンス特性の向上、すなわちインピーダンス整合の方を重視したためである。ステップ状に加工することにより、また、誘電体１３の位置を変えることにより、事後的なインピーダンス特性の調節が容易になる。つまり、ステップの位置および形状の変化によりインピーダンス値をステップ的に変えることができ、誘電体１３の位置を変えることにより、その値の微調整が可能になる。
【００２９】
図４は、第２実施形態による導波管−マイクロストリップ線路変換器における変換部の電界分布を示す図である。図４から明らかなように、電界分布は、誘電体１３の形状に応じて変化する。そのため、短絡線路長Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３を可変にすることにより、その微調整を行うことができる。
誘電体１３は、図５（ａ）のようなステップ状の誘電体１３のほか、図５（ｂ）のようなテーパ状の誘電体１４、図５（ｃ）のような平面状の誘電体１５を用いることもできる。テーパ状の誘電体１４では、インピーダンスがテーパ状に変化するので、インピーダンス特性の調節がより容易になる。
【００３０】
＜第３実施形態＞
図６は第３実施形態による導波管−マイクロストリップ線路変換器における、導波管バックショートの概観図である。
図示の導波管バックショート３は、第１実施形態において説明した導電性部材からなる導波管バックショートをプラスチック成型品に置き換えたものである。その際、電磁界境界条件を金属加工品(第１実施形態の導波管バックショート１)と等価にするため、プラスチック成型品の外面および内面をメタライズ処理している。符号４０，４１，４２はメタライズ処理され、その位置が固定されたメタライズポストである。
【００３１】
プラスチックの表面にメタライズする技術は一般的であるが、マイクロ波帯およびミリ波帯で所定の伝送特性を保証するに十分なメタライズ処理の際の膜厚は当然のことながら高精度であることが要求される。
本発明者らの実験によれば、メタライズ処理に使用する金属の種類と伝送周波数により一義的に算出できるスキンディップス値の５倍以上の膜厚とすることにより、導電性部材の場合とほぼ同じ特性の導波管バックショート３になることが判明している。
【００３２】
図７は、図６に示したメタライズポスト４０，４１，４２では電気的特性が安定せず、キャビティ方向への挿入長を可変する必要がある場合に、ポストのうち一部又は全部の挿入長を可変できるように金属のビス４３，４４，４５に置き換えたものである。
【００３３】
＜第４実施形態＞
第２実施形態では、誘電体１３をキャビティ内に交換自在に配備した場合の例を説明したが、誘電体は、導波管バックショートの一部のみならず、全体にわたって充填するようにしてもよい。例えば、上記の第２の課題は、比誘電率が４．０の誘電体を１００％の充填率で充填することによって容易に解決することができる。
【００３４】
１０ＧＨｚ帯における従来の導波管−マイクロストリップ線路変換器を構成した場合を例に挙げて説明すると、その改善度合いは明確である。
すなわち、方形導波管２０はＷＲ９０（ＥＩＡ規格）とし、内壁長辺の寸法Ａが２２．８６ｍｍ、内壁短辺の寸法Ｂが１０．１６ｍｍであるの１０ＧＨｚにおける特性インピーダンス（電圧と電流により定義）Ｚ１は、３４８オームである。これを特性インピーダンスＺ２が５０オームのマイクロストリップ線路３１にモード変換するとき、導波管バックショートの短絡回路線路長Ｌを１／４波長（管内波長）に選ぶと１０ｍｍが必要となる。ところが、導波管バックショート内のキャビティに比誘電率が４．０の誘電体を１００％の充填率で充填すると、導波管バックショートの短絡回路線路長Ｌは５ｍｍに短縮できる。これは、誘電体を充填することにより、導波管の管内波長が短縮されたことを意味する。充填する誘電体の誘電率と管内波長の関係は、上記の(3)式と同じである。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、例えば導波管端部の加工のばらつきのような物理的な構造変化ないし不良に起因する特性不良（インピーダンス不整合等）を事後的に改善できるという特有の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態による導波管−マイクロストリップ線路変換器の概観図。
【図２】第１実施形態による導波管−マイクロストリップ線路変換器の変換部電界分布の説明図。
【図３】本発明の第２実施形態による導波管−マイクロストリップ線路変換器の概観図。
【図４】第２実施形態による導波管−マイクロストリップ線路変換器の変換部電界分布の説明図。
【図５】  誘電体の形状を表す図で、（ａ）はステップ状の誘電体、（ｂ）はテーパ状の誘電体、（ｃ）は直線状の誘電体の例を示している。
【図６】その表面がメタライズされた導波管バックショートの説明図。
【図７】その表面および成型金属ポストの表面がメタライズされた導波管バックショートの説明図。
【図８】従来の導波管−マイクロストリップ線路変換器の概観図。
【図９】従来の導波管−マイクロストリップ線路変換器の変換部電界分布の説明図。
【図１０】  導波管−マイクロストリップ線路変換器の等価回路。
【図１１】  マイクロストリップ線路が形成された誘電体基板の構造説明図。
【図１２】  従来の導波管バックショートの概観図。
【図１３】  従来の導波管−マイクロストリップ線路変換器の反射特性図。
【図１４】  第１実施形態による導波管−マイクロストリップ線路変換器の反射特性図。
【符号の説明】
１，２，３，５  導波管バックショート
１ａ、５０  短絡面
１ｂ，１ｃ  Ｅ面
１ｄ  マイクロストリップ線路を通すための孔部
10,11,12,  金属ポスト（スクリュージ、ネジ）
40,41,42,43,44,45  メタライズポスト（スクリュー、ネジ）
１３，１４，１５  誘電体
２０  方形導波管
３０  誘電体板
３１  マイクロストリップ線路
３２  開放端部
５１  フランジ
５２  ネジ用孔部
５３  切欠部
【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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【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】
0003737445.tif 000013
【図１３】
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【図１４】
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