JP2015226109A - 伝送モード変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】伝送損失の低減を図ることができる伝送モード変換装置を提供する。
【解決手段】中空方形状の導波管２と、平面回路からなる伝送線路３と、伝送線路３と導波管２との間で伝送モードの変換を行うモード変換器４と、モード変換器４と導波管２との間で伝送信号を伝搬させる導波路５と、を備え、導波路５は、伝送信号の伝搬方向に並んで形成された少なくとも１対以上のスロット１１ａ，１１ｂを有し、導波管２は、スロット１１ａ，１１ｂと対向する位置に開口部１２ａを有して、導波路５と接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、伝送モード変換装置に関する。

近年、ミリ波帯を利用した数Ｇｂｐｓの高速大容量通信が提案され、その一部が実現されつつある。特に、６０ＧＨｚ帯で動作する無線通信機器は、より重要性を増している。国内においては、５９〜６６ＧＨｚの広い周波数帯域が無免許で利用可能であることから、この周波数帯の民生分野への普及が期待されており、安価で小型のミリ波通信モジュールの実現が急務となっている。

ミリ波帯を利用した通信モジュールでは、中空方形状の導波管と、平面回路からなる伝送線路（マイクロストリップ線路やコプレーナ線路等）との間で伝送モードの変換を行うための伝送モード変換装置（導波管伝送線路変換器）が必要とされる。このため、上述した中空方形状の導波管と平面回路からなる伝送線路とを接続するための様々な接続構造が提案されている（例えば、特許文献１〜４及び非特許文献１を参照。）。

また、基板加工技術に基づく導波路形成技術として、ポスト壁導波路（ＰＷＷ：Ｐｏｓｔ−ｗａｌｌ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）が知られている（例えば、特許文献５を参照。）。ポスト壁導波路は、誘電体基板の両面に対向した状態で形成された一対の導体層と、誘電体基板を貫通する複数の導体ポストにより一対の導体層の間を接続し、これら複数の導体ポストを互いに平行に並べることによって形成された一対のポスト壁とから方形状の導波路を構成したものである。すなわち、このポスト壁導波路は、従来の中空方形状の導波管が備える一対の広壁と一対の狭壁とを、それぞれ一対の導体層と一対のポスト壁とに置き換えたものと解釈できる。

特開２０１１−６１２９０号公報 特開平６−１４０８１５号公報 特許第２９２８１５４号公報 特許第４４５３６９６号公報 特許第３６７２２４１号公報

榊原久二男、"多層基板を用いたミリ波帯平面アンテナに関する研究"、［ｏｎｌｉｎｅ］、電気通信普及財団、研究調査報告書Ｎｏ．２３（２００８年）、２８６−２９６頁、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｔａｆ．ｏｒ．ｊｐ／ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ／ｋｊｏｓｅｉ＿２３／ｉｎｄｅｘ−１／ｐａｇｅ／ｐ２８６．ｐｄｆ＞

しかしながら、従来の伝送モード変換装置は、構造が複雑であり、なお且つ、マイクロストリップ線路等の平面回路と導波管とが直交する（すなわち伝送信号の伝搬方向が直交する）ように導波管と伝送線路とを接続しなければならないという制約があった。また、伝送線路と導波管との間で伝送信号を変換するとき、一般的な変換損失が１ｄＢ程度と大きいという問題があった。

本発明の一つの態様は、このような従来の事情に鑑みて提案されたものであり、伝送損失の低減を図ることができる伝送モード変換装置を提供することを目的の一つとする。

上記目的を達成するために、本発明の一つの態様に係る伝送モード変換装置は、中空方形状の導波管と、平面回路からなる伝送線路と、前記伝送線路と前記導波管との間に設けられたモード変換器と、前記モード変換器と前記導波管との間に設けられた導波路と、を備える。前記導波路は、伝送信号の伝搬方向に並んで形成された少なくとも１対以上のスロットと、を有する。前記導波管は、前記スロットと対向する位置に開口部を有して、前記導波路と接続されている。

また、本発明の一つの態様に係る別の伝送モード変換装置は、中空方形状の導波管と、前記導波管と接続された導波路と、を備える。前記導波路は、伝送信号の伝搬方向に並んで形成された少なくとも１対以上のスロットを有する。前記導波管は、前記スロットと対向する位置に開口部を有して、前記導波路と接続されている。

また、前記伝送モード変換装置において、前記導波路は、誘電体基板の両面に互いに対向した状態で形成された第１の導体層及び第２の導体層と、前記誘電体基板を貫通する複数の導体ポストにより前記第１の導体層と前記第２の導体層との間を接続し、これら複数の導体ポストを並べることによって形成されたポスト壁と、を有するポスト壁導波路であり、前記スロットは、前記第１の導体層と前記第２の導体層とのうち、前記導波管と接続される側の導体層に形成されている構成であってもよい。

また、前記伝送モード変換装置において、前記スロットは、前記導波路内を伝搬する伝送信号の伝搬方向に２対並んで設けられている構成であってもよい。

また、前記伝送モード変換装置において、前記２対並んで設けられたスロット間の距離が、前記導波管内を伝搬する伝送信号の波長の１／２である構成であってもよい。

また、前記伝送モード変換装置において、前記開口部は、前記導波管の前記導波路と平面視で重なる領域に開口しており、前記開口部の前記モード変換器側の端部から前記モード変換器に最も近い側のスロットに至るまでの距離が、前記導波管内を伝搬する伝送信号の波長の１／３以上１／２以下であり、前記開口部の前記モード変換器とは反対側の端部から前記モード変換器に最も遠い側のスロットに至るまでの距離が、前記導波路内を伝搬する伝送信号の波長の１／１５以上である構成であってもよい。

また、前記伝送モード変換装置において、前記ポスト壁導波路は、前記ポスト壁で囲まれた導波路構造の内側に、少なくとも１つ以上の導体ポストを有する構成であってもよい。

また、前記伝送モード変換装置において、前記伝送線路は、前記導波管と接続される側の導体層の面上に誘電体層を介して設けられ、前記モード変換器は、前記伝送線路の一端側と接続された導体ピンを有し、前記導体ピンは、前記導体層とは非接触な状態で、前記ポスト壁で囲まれた導波路構造の内側に向かって突出して設けられている構成であってもよい。

また、前記伝送モード変換装置は、前記誘電体層の面上に、前記伝送線路の他端側と接続された信号パッドと、前記誘電体層を貫通するビアを介して前記第２の導体層と接続された一対の接地パッドとを有する構成であってもよい。

また、前記伝送モード変換装置において、前記ポスト壁導波路は、前記モード変換器側から前記導波管側に向かって、複数の導体ポストが第１の幅で互いに平行に並ぶ一対の第１のポスト壁と、複数の導体ポストが前記第１の幅よりも大きい第２の幅で互いに平行に並ぶ一対の第２のポスト壁とが順次並んで配置されると共に、前記一対の第１のポスト壁の前記モード変換器側の端部の間に複数の導体ポストが並ぶ第３のポスト壁と、前記一対の第１のポスト壁の前記導波管側の端部と前記一対の第２のポスト壁の前記モード変換器側の端部との間に複数の導体ポストが並ぶ一対の第４のポスト壁と、前記一対の第２のポスト壁の前記導波管側の端部の間に複数の導体ポストが並ぶ第５のポスト壁とが配置された導波路構造を有している構成であってもよい。

また、前記伝送モード変換装置において、前記モード変換器は、前記一対の第１のポスト壁と前記第３のポスト壁とで囲まれる領域に配置され、前記スロットは、前記一対の第２のポスト壁と前記一対の第４のポスト壁と前記第５のポスト壁とで囲まれる領域に配置されている構成であってもよい。

また、前記伝送モード変換装置は、前記誘電体基板の前記伝送線路が設けられた側の面上に実装されると共に、前記伝送線路と電気的に接続された半導体素子を備える構成であってもよい。

また、前記伝送モード変換装置は、前記導波路に対して前記導波管を固定する固定機構を備える構成であってもよい。

以上のように、本発明の一つの態様によれば、伝送損失の低減を図ることができる伝送モード変換装置を提供することが可能である。

本発明の一実施形態に係る伝送モード変換装置の透視斜視図である。 図１に示す伝送モード変換装置の透視平面図である。 図１に示す伝送モード変換装置の断面図である。 図１に示す伝送モード変換装置で伝送される信号の強度分布を示す模式図である。 図１に示す伝送モード変換装置の要部を拡大して示す透視斜視図である。 図１に示す伝送モード変換装置において、ポスト壁導波路基板の上に半導体素子が実装された状態を示す断面図である。 固定機構を備えた伝送モード変換装置を示す透視斜視図である。 図７に示す固定機構を備えた伝送モード変換装置を示す断面図である。 本発明の別の実施形態に係る平面アンテナ装置の透視斜視図である。 図９に示す平面アンテナ装置のスロットから放出される電波の強度分布を示す模式図である。 実施例１の伝送モード変換装置を構成する導波管における各部の寸法を示す平面図である。 実施例１の伝送モード変換装置を構成するポスト壁導波路基板における各部の寸法を示す平面図である。 実施例１の伝送モード変換装置について周波数の変化に対する反射係数をシミュレーションにより計算した結果を示すグラフである。 実施例１の伝送モード変換装置について周波数の変化に対する透過係数をシミュレーションにより計算した結果を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の全ての図面においては、各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがある。

（伝送モード変換装置）
先ず、本発明の一実施形態として図１、図２及び図３示す伝送モード変換装置（導波管伝送線路変換器）１について説明する。なお、図１は、伝送モード変換装置１の透視斜視図である。図２は、伝送モード変換装置１の透視平面図である。図３は、伝送モード変換装置１の断面図である。また、以下の説明においては、ＸＹＺ直交座標系を設定し、このＸＹＺ直交座標系を参照しつつ各部材の位置関係について説明する。具体的には、各図中における伝送モード変換装置１の長さ方向（前後方向）をＸ軸方向とし、各図中における伝送モード変換装置１の幅方向（左右方向）をＹ軸方向とし、各図中における伝送モード変換装置１の高さ方向（上下方向）をＺ軸方向とする。

伝送モード変換装置１は、図１，図２及び図３に示すように、中空方形状の導波管２と、平面回路からなる伝送線路３と、伝送線路３と導波管２との間に設けられたモード変換器４と、モード変換器４と導波管２との間に設けられたポスト壁導波路５とを備えている。このうち、ポスト壁導波路５は、ポスト壁導波路基板５Ａにより構成されている。また、伝送線路３及びモード変換器４は、ポスト壁導波路基板５Ａと一体に形成されている。

具体的に、このポスト壁導波路基板５Ａは、誘電体基板６の両面に互いに対向した状態で形成された第１の導体層７及び第２の導体層８と、誘電体基板６を貫通する複数の導体ポスト９により第１の導体層７と第２の導体層８との間を接続し、これら複数の導体ポスト９を並べることによって形成されたポスト壁１０とを有している。ポスト壁導波路５は、広壁としての第１の導体層７及び第２の導体層８と、狭壁としてのポスト壁１０とから方形状の導波路を構成している。なお、図示を省略するものの、第１の導体層７及び第２の導体層８は、接地（グランド）電位となるように外部と接続可能とされている。

誘電体基板６としては、例えば、樹脂、ガラス、セラミックス、又はこれらの複合体等の誘電体からなるものを用いることができるが、これらに必ずしも限定されるものではない。第１の導体層７及び第２の導体層８としては、例えば、銅、アルミニウム等の金属、又はこれらの合金等の導電体からなるものを用いることができるが、これらに必ずしも限定されるものではない。導体ポスト９は、誘電体基板６を厚み方向（Ｚ軸方向）に貫通する孔部（スルーホール）に例えば銅等の金属めっきを施すことによって形成することができる。また、ポスト壁導波路５は、プリント回路基板（ＰＣＢ：Print Circuit Board）のような両面銅張積層板を加工して作製することもできる。

ポスト壁導波路５は、ポスト壁１０で囲まれた導波路構造を有している。ポスト壁１０は、このポスト壁導波路５の長さ方向（Ｘ軸方向）に平行な一対の第１のポスト壁１０ａ，１０ａ及び一対の第２のポスト壁１０ｂ，１０ｂと、このポスト壁導波路５の幅方向（Ｙ軸方向）に平行な第３のポスト壁１０ｃ、一対の第４のポスト壁１０ｄ，１０ｄ及び第５のポスト壁１０ｅとを有して構成されている。

このうち、一対の第１のポスト壁１０ａ，１０ａと一対の第２のポスト壁１０ｂ，１０ｂとは、モード変換器４側から導波管２側に向かって、互いの幅方向の中心を一致させた状態で、この順で並んで配置されている。一対の第１のポスト壁１０ａ，１０ａは、複数の導体ポスト９が第１の幅Ｗ_１で互いに平行に並ぶことによって形成されている。一対の第２のポスト壁１０ｂ，１０ｂは、複数の導体ポスト９が第１の幅Ｗ_１よりも大きい第２の幅Ｗ_２で互いに平行に並ぶことによって形成されている。

一方、第３のポスト壁１０ｃと一対の第４のポスト壁１０ｄ，１０ｄと第５のポスト壁１０ｅとは、モード変換器４側から導波管２側に向かって、互いに平行な状態で、この順で並んで配置されている。第３のポスト壁１０ｃは、一対の第１のポスト壁１０ａ，１０ａのモード変換器４側の端部の間に複数の導体ポスト９が並ぶことによって形成されている。一対の第４のポスト壁１０ｄ，１０ｄは、一対の第１のポスト壁１０ａ，１０ａの導波管２側の端部と一対の第２のポスト壁１０ｂ，１０ｂのモード変換器４側の端部との間に複数の導体ポスト９が並ぶことによって形成されている。第５のポスト壁１０ｅは、一対の第２のポスト壁１０ｂ，１０ｂの導波管２側の端部の間に複数の導体ポスト９が並ぶことによって形成されている。

なお、ポスト壁１０を構成する各導体ポスト９の間隔については、高周波信号（伝送信号）がポスト壁導波路５の外部に漏洩しない間隔となるように設定されている。例えば、互いに隣接する導体ポスト９の間隔（中心間距離）については、導体ポスト９の直径の２倍以下とすることが望ましい。また、本実施形態の伝送モード変換装置１では、導波路として、上記ポスト壁導波路５からなるものに限らず、方形状の導波路の内側に誘電体を充填したものを用いてもよい。

第２の導体層８には、少なくとも１対（２つ）以上のスロット１１ａ，１１ｂが伝送信号の伝搬方向（−Ｘ軸方向）に並んで設けられている。各スロット１１ａ，１１ｂは、第２の導体層８の一部を除去することによって、一定の幅でポスト壁導波路５の幅方向（Ｙ軸方向）に延在する矩形状の開口部を形成している。これらのスロット１１ａ，１１ｂは、一対の第２のポスト壁１０ｂ，１０ｂと一対の第４のポスト壁１０ｄ，１０ｄと第５のポスト壁１０ｅとで囲まれる領域に配置されている。なお、本実施形態では、特性調整のため、２対（４つ）のスロット１１ａ，１１ｂ，１１ａ，１１ｂが交互に並んで設けられた構成となっている。また、２対並んで設けられたスロット１１ａ，１１ｂとスロット１１ａ，１１ｂとの間の距離は、導波管２内を伝搬する伝送信号の管内波長の１／２程度となるように設定されている。

また、互いに一対を為すスロット１１ａ，１１ｂの間隔（中心間距離）は、ポスト壁導波路５内を伝搬する伝送信号の波長（以下、管内波長という。）の１／４程度であるため、一対のスロット１１ａ，１１ｂ間の給電位相差はおよそ９０°（正確には７２°〜８６°）に設定されている。これにより、一対のスロット１１ａ，１１ｂから放出された電波は、伝送信号の伝搬方向（−Ｘ軸方向）において互いに強調し合い、伝送信号の伝搬方向とは逆方向（Ｘ軸方向）において互いに打ち消し合うことで、いわゆるエンドファイアアレイとして、伝送信号の伝搬方向（−Ｘ軸方向）と同じ方向に向けて伝搬することになる。

ここで、伝送モード変換装置１において伝送される信号（電波）の強度分布を図４に示す。上述したエンドファイアアレイによる電波放射方向は、図１中の−Ｘ軸方向であるが、導波管２を構成する上部広壁２ｂのうち、スロット１１ｂよりも−Ｘ軸方向側の上部広壁２ｂがリフレクタとして作用する。このため、本実施形態において、一対のスロット１１ａ，１１ｂからの電波放射方向は、−Ｘ軸方向よりも上方（＋Ｚ方向）側に傾いた状態（斜め上方）となる。したがって、一対のスロット１１ａ，１１ｂから放射された電波は、後述するポスト壁導波路５の上部広壁（第２の導体層８）上に接続された導波管２に対して斜め上方に向けて入射することになる。この場合、導波管２に入射した電波は、上方向（＋Ｚ軸方向）成分を持つため、導波管モード（ＴＥ_１０モード）を励起することが可能である。さらに、ポスト壁導波路基板５Ａは、伝送線路３やモード変換器４などのＴＥＭ(Transverse Electromagnetic mode)線路を備えることで、後述する半導体素子１７との接続が可能となり、結果として半導体素子１７からの高周波信号（伝送信号）を導波管２へと導くことが可能となる。

また、導波管２の特性インピーダンスを伝送線路３の特性インピーダンスと整合させるため、ポスト壁導波路５は、ポスト壁１０で囲まれた導波路構造の内側に、インピーダンス整合用の導体ポスト９ａを少なくとも１つ以上配置した構成とすることも可能である。本実施形態では、モード変換器４に最も近い側のスロット１１ａ付近において、２つの導体ポスト９ａがポスト壁導波路５の幅方向に並んで配置されている。なお、インピーダンス整合用の導体ポスト９ａは、必ずしも必要なものではなく、場合によって省略することも可能である。

導波管２は、上下一対の広壁２ａ，２ｂと、前後一対の狭壁２ｃ，２ｄ及び左右一対の狭壁２ｅ，２ｆとを有して、全体として方形筒状に形成されている。導波管２の幅は、ポスト壁導波路基板５Ａ（誘電体基板６）の幅と一致している。導波管２は、ポスト壁導波路５の第２の導体層８側の面上に設けられている。また、導波管２は、ポスト壁導波路５の第２のポスト壁１０ｂ，１０ｂが並ぶ間の領域と、第１のポスト壁１０ａ，１０ａが並ぶ間の領域の一部とに亘って平面視で重なるように配置されている。

なお、導波管２については、上述した方形筒状のものに限らず、モード変換器４とは反対側において、導波管２の長さ方向（Ｘ軸方向）に対して例えば９０°で曲げられたベンド構造とすることも可能である。

導波管２は、スロット１１ａ，１１ｂと対向する位置に開口部１２ａを有している。開口部１２ａは、上述した導波管２のポスト壁導波路５と平面視で重なる領域に矩形状に開口している。また、後方の狭壁２ｄには、電波を放射する矩形状の開口部１２ｂ（図７を参照。）が設けられている。

ここで、開口部１２ａのモード変換器４側の端部からモード変換器４に最も近い側のスロット１１ａに至るまでの距離Ｍは、導波管２の管内波長の１／３以上１／２以下であることが好ましい。距離Ｍが１／３未満になると、使用可能な周波数範囲が高周波側にシフトすると共に、反射損失が使用可能な周波数範囲内で大きくなる傾向にある。一方、距離Ｍが１／２を超えると、大部分の周波数範囲に亘って反射損失が大きくなる傾向にある。

また、開口部１２ａのモード変換器４とは反対側の端部からモード変換器４に最も遠い側のスロット１１ｂに至るまでの距離Ｌは、ポスト壁導波路５の管内波長の１／１５以上であることが好ましい。距離Ｌが１／１５未満になると、反射損失が大きくなると共に、使用周波数範囲（帯域）が狭くなる傾向にある。なお、距離Ｌの下限値については特に規定しないものの、５ＧＨｚ以上の周波数帯域を確保するためには、１／１５以上の距離Ｌを確保することが望ましい。

伝送線路３は、例えば、マイクロストリップ線路（ＭＳＬ：Micro-Strip Line）や、コンプレーナ線路（ＣＰＷ：CoPlanar Waveguide）、ストリップ線路等の平面回路により構成されている。なお、本実施形態では、伝送線路３としてＭＳＬが形成されているが、ＣＰＷ等の他のＴＥＭ線路であってもよい。伝送線路３は、第２の導体層８の面上に誘電体層１３を介して設けられている。また、伝送線路３は、上述したポスト壁導波路５の導波管２が重なる位置とは反対側に位置して、第３のポスト壁１０ｃの上を跨ぐように配置されている。

モード変換器４は、伝送線路３の一端（先端）側と接続された導体ピン１４を有している。導体ピン１４は、ポスト壁１０で囲まれた導波路構造の内側（下方）に向かって突出して設けられている。導体ピン１４は、一対の第１のポスト壁１０ａ，１０ａと第３のポスト壁１０ｃとで囲まれる領域のうち、第３のポスト壁１０ｃ側の幅方向の中心に位置している。導体ピン１４は、誘電体基板６の深さ方向（−Ｚ軸方向）の中途部まで埋め込まれた下部導体１４ａと、誘電体層１３を貫通する上部導体１４ｂとを有して、全体として円柱状に形成されている。導体ピン１４（上部導体１４ｂ）は、第２の導体層８に形成された孔部８ａの内側を通ることによって、第２の導体層８とは誘電体層１３を介して非接触とされている。

なお、導体ピン１４としては、例えば銅、銀、金等の金属、又はこれらの合金等の導電体からなるものを用いることができるが、これらに必ずしも限定されるものではない。また、導体ピン１４は、下部導体１４ａと上部導体１４ｂとの２層構造に限らず、１層の導体により形成してもよい。また、導体ピン１４は、円柱状に形成されたものに限らず、円筒状に形成されたものであってもよい。円筒状に形成された場合、その内側に誘電体が充填されていてもよい。

また、導体ピン１４は、誘電体基板６を貫通していてもよい。導体ピン１４が誘電体基板６を貫通する場合、第１の導体層７に形成された孔部（図示せず。）の内側を導体ピン１４が通るようにする。これにより、導体ピン１４と第１の導体層７との間を電気的に絶縁することができる。また、導体ピン１４と第１の導体層７との間には、必要に応じて絶縁体を設けることも可能である。

伝送線路３の他端（基端）側には、図５に示すように、いわゆる接地−信号−接地（ＧＳＧ）構造が設けられている。なお、図５は、伝送モード変換装置１の要部を拡大して示す透視斜視図である。ＧＳＧ構造は、誘電体層１３の面上に、信号パッド１５と、一対の接地パッド１６ａ，１６ｂとを有している。信号パッド１５は、伝送線路３の他端側の面上に形成されている。一対の接地パッド１６ａ，１６ｂは、信号パッド１５を挟んだ幅方向の両側に位置している。一対の接地パッド１６ａ，１６ｂは、誘電体層１３を貫通するビア１６ａ，１６ｂを介して第２の導体層８と接続されている。

伝送モード変換装置１は、図６に示すように、半導体素子１７を備えている。なお、図６は、ポスト壁導波路基板５Ａの上に半導体素子１７が実装された状態を示す断面図である。半導体素子１７は、例えば、高周波回路を構成する半導体集積回路（ＩＣチップ）等からなる。半導体素子１７は、誘電体基板６の第２の導体層８側の面上にフリップチップ実装されている。具体的に、誘電体層１３の面上には、複数のパッド１８が並んで設けられている。半導体素子１７は、上述した信号パッド１５、一対の接地パッド１６ａ，１６ｂ及び、複数のパッド１８の上に形成されたバンプ１９を介して各パッド１５，１６ａ，１６ｂ，１８と接続されている。これにより、半導体素子１７は、伝送線路３と電気的に接続されると共に、この伝送線路３を介して高周波信号（伝送信号）を送受することが可能となっている。

なお、高周波信号としては、ミリ波を挙げることができるが、伝送信号として伝搬可能な信号であれば、例えばテラヘルツ波（サブミリ波）等の更に高い周波数を有する信号であってもよい。

以上のような構成を有する伝送モード変換装置１では、半導体素子１７から伝送線路３を介してモード変換器４へと送られた高周波信号（伝送信号）がモード変換器４によりＴＥモードに変換された後、ポスト壁導波路５の内部を伝搬しながら、スロット１１ａ，１１ｂから開口部１２ａを通して導波管２の内側へと放射される。そして、導波管２に入射した電波は、導波管２の内部を伝搬することになる。

以上のように、本実施形態の伝送モード変換装置１では、中空方形状の導波管２と平面回路からなる伝送線路３とを、上述した接続構造により接続することによって、これら伝送線路３と導波管２との間で伝送モードの変換を行うときの伝送損失の低減を図ることが可能である。

なお、本発明は、上記実施形態のものに必ずしも限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
具体的に、上記伝送モード変換装置１は、例えば図７及び図８に示すような固定機構２０を備えた構成であってもよい。なお、図７は、固定機構２０を備えた伝送モード変換装置１を示す透視斜視図である。図８は、固定機構２０を備えた伝送モード変換装置１を示す断面図である。

固定機構２０は、ポスト壁導波路５を形成するポスト壁導波路基板５Ａ（誘電体基板６）に対して導波管２を固定するためのものであり、導波管２に設けられた一対のフランジ部２ｇ，２ｈと、一対のフランジ部２ｇ，２ｈと対向する支持板２１と、一対のフランジ部２ｇ，２ｈと支持板２１との間でポスト壁導波路基板５Ａを挟み込んだ状態でフランジ部２ｇ，２ｈと支持板２１とを固定する固定具２２とを有している。

一対のフランジ部２ｇ，２ｈは、一対の狭壁２ｃ，２ｄのポスト壁導波路基板５Ａと対向する側の端縁部（下端部）に沿った位置から幅方向（Ｙ軸方向）に突出して設けられている。また、ポスト壁導波路基板５Ａは、一対の第２のポスト壁１０ｂ，１０ｂよりも外側に、一対のフランジ部２ｇ，２ｈと支持板２１との間で挟み込まれる一対の余白部分５Ｂ，５Ｂを有している。一対の余白部分５Ｂ，５Ｂは、一対のフランジ部２ｇ，２ｈに一致した幅及び長さを有している。なお、上記図１及び図３に示すポスト壁導波路基板５Ａでは、一対の余白部分５Ｂ，５Ｂの図示を省略している。支持板２１は、ポスト壁導波路基板５Ａに一致した幅及び長さを有して平行平板状に形成されている。

一対のフランジ部２ｇ，２ｈと支持板２１との間でポスト壁導波路基板５Ａを挟み込んだ部分（固定部分という。）は、例えばリベットやネジ、ボルト及びナット等の固定具２２を用いて固定される。本実施形態では、このような固定具２２が固定部分の四隅に４つ配置されている。なお、固定具２２の種類や配置、数等については、上述した構成に限らず、適宜変更して実施することが可能である。また、固定機構２０についても、上述した構成に必ずしも限定されるものではなく、ポスト壁導波路基板５Ａ（誘電体基板６）に対して導波管２を固定可能な構造であればよい。

（平面アンテナ装置）
次に、本発明の別の実施形態として、図９に示す平面アンテナ装置５０について説明する。なお、図９は、平面アンテナ装置５０の透視斜視図である。また、上記伝送モード変換装置１と同等の部位については、説明を省略すると共に、図面において同じ符号を付すものとする。

平面アンテナ装置５０は、図９に示すように、一対のポスト壁導波路５ａ，５ｂが設けられたポスト壁導波路基板５１を備えている。一対のポスト壁導波路５ａ，５ｂは、上記ポスト壁導波路５と同じ導波路構造を有し、ポスト壁導波路基板５１の長さ方向（Ｘ軸方向）の中央部を挟んで対称に配置されている。すなわち、一対のポスト壁導波路５ａ，５ｂは、第５のポスト壁１０ｅを省略し、一対の第１のポスト壁１０ａ，１０ａを互いに一致させた状態で互いに逆向きに接続した導波路構造を有している。

また、平面アンテナ装置５０は、上記伝送モード変換装置１の構成のうち、伝送線路３及び半導体素子１７を含むＧＳＧ構造を省略した構成となっている。さらに、平面アンテナ装置５０は、一方のポスト壁導波路５ａの上部広壁（第２の導体層８）上にのみ導波管２が配置された構成となっている。逆に、他方のポスト壁導波路５ｂの上部広壁（第２の導体層８）上には、導波管２が配置されておらず、スロット１１ａ，１１ｂが外部に露出している。

以上のような構成を有する平面アンテナ装置５０について、スロット１１ａ，１１ｂから放出される電波の強度分布（電界ベクトル）を図１０に示す。本実施形態の平面アンテナ装置５０では、ポスト壁導波路５の第１の導体層７に設けられた一対のスロット１１ａ，１１ｂが、いわゆるエンドファイアアレイとして機能する。すなわち、一対のスロット１１ａ，１１ｂの間隔（中心間距離）は、ポスト壁導波路５内を伝搬する伝送信号の波長（以下、管内波長という。）の１／４程度であるため、一対のスロット１１ａ，１１ｂ間の給電位相差はおよそ９０°である。スロット１１ａ，１１ｂの長さ（以下、スロット長という。）は、少なくとも管内波長の１／２以上であることが望ましい。また、スロット長が給電側から遠ざかるほど短くなる構成としてもよい。

エンドファイアアレイによる電波放射方向は、図９中の−Ｘ軸方向であるが、ポスト壁導波路５ｂを構成する上部広壁（第２の導体層８）がリフレクタとして作用する。このため、本実施形態において、一対のスロット１１ａ，１１ｂからの電波放射方向は、−Ｘ軸方向よりも上方（＋Ｚ方向）側に傾いた状態（斜め上方）となる。したがって、スロット１１ａ，１１ｂから放射された電波は、空間に対して斜め上方に向けて放射されることになる。

以下、実施例により本発明の効果をより明らかなものとする。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することができる。

（実施例１）
実施例１において、上記伝送モード変換装置１を構成する導波管２の各部の寸法を図１１に示し、ポスト壁導波路基板５Ａの各部の寸法を図１２に示す。実施例１では、導波管２としてＷＲ−１５（内側寸法が広壁側で３．７６ｍｍ、狭壁側で１．８８ｍｍの方形導波管）を用い、ポスト壁導波路５の誘電体基板６として厚さ０．８５ｍｍ、幅３．７６ｍｍの石英を用いた。なお、図１１に示す導波管２には、円形状のフランジ部が図示されているが、上記伝送モード変換装置１の構成に特に影響を与えるものではない。

そして、実施例１の伝送モード変換装置１について、周波数［ＧＨｚ］の変化に対する反射係数（Ｓ１１）［ｄＢ］をシミュレーションにより計算した結果を図１３に示す。また、周波数［ＧＨｚ］の変化に対する透過係数（Ｓ２１）［ｄＢ］をシミュレーションにより計算した結果を図１４に示す。

図１３に示すシミュレーション結果から、９ＧＨｚ程度の広い帯域に亘って、−１０ｄＢより小さい反射損失が実現できることがわかった。一方、図１４に示すシミュレーション結果から、９ＧＨｚ程度の広い帯域に亘って、−１ｄＢより小さい透過損失が実現できることがわかった。さらに、図１４に示す周波数の範囲のうち、多くの範囲で−０．５ｄＢより小さい透過損失が実現された。これは、伝送線路と導波管との間で伝送信号を変換するときの変換損失が従来よりも小さいことを示している。

１…伝送モード変換装置 ２…導波管 ３…伝送線路 ４…モード変換器 ５，５ａ，５ｂ…ポスト壁導波路（導波路） ５Ａ…ポスト壁導波路基板 ５Ｂ…余白部分 ６…誘電体基板 ７…第１の導体層 ８…第２の導体層 ９…導体ポスト １０…ポスト壁 １０ａ…第１のポスト壁 １０ｂ…第２のポスト壁 １０ｃ…第３のポスト壁 １０ｄ…第４のポスト壁 １０ｅ…第５のポスト壁 １１ａ，１１ｂ…スロット １２ａ…開口部 １３…誘電体層 １４…導体ピン １５ａ…信号パッド １５ｂ，１５ｃ…接地パッド １５…パッド １６ａ，１６ｂ…ビア １７…半導体素子 １８…パッド １９…バンプ ２０…固定機構 ２１…支持板 ２２…固定具 ５０…平面アンテナ装置 ５１…ポスト壁導波路基板

Claims (13)

1. 中空方形状の導波管と、
   平面回路からなる伝送線路と、
   前記伝送線路と前記導波管との間に設けられたモード変換器と、
   前記モード変換器と前記導波管との間に設けられた導波路と、を備え、
   前記導波路は、伝送信号の伝搬方向に並んで形成された少なくとも１対以上のスロットと、を有し、
   前記導波管は、前記スロットと対向する位置に開口部を有して、前記導波路と接続されていることを特徴とする伝送モード変換装置。
2. 中空方形状の導波管と、
   前記導波管と接続された導波路と、を備え、
   前記導波路は、伝送信号の伝搬方向に並んで形成された少なくとも１対以上のスロットを有し、
   前記導波管は、前記スロットと対向する位置に開口部を有して、前記導波路と接続されていることを特徴とする伝送モード変換装置。
3. 前記導波路は、誘電体基板の両面に互いに対向した状態で形成された第１の導体層及び第２の導体層と、前記誘電体基板を貫通する複数の導体ポストにより前記第１の導体層と前記第２の導体層との間を接続し、これら複数の導体ポストを並べることによって形成されたポスト壁と、を有するポスト壁導波路であり、
   前記スロットは、前記第１の導体層と前記第２の導体層とのうち、前記導波管と接続される側の導体層に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の伝送モード変換装置。
4. 前記スロットは、前記導波路内を伝搬する伝送信号の伝搬方向に２対並んで設けられていることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の伝送モード変換装置。
5. 前記２対並んで設けられたスロット間の距離が、前記導波管内を伝搬する伝送信号の波長の１／２であることを特徴とする請求項４に記載の伝送モード変換装置。
6. 前記開口部は、前記導波管の前記導波路と平面視で重なる領域に開口しており、
   前記開口部の前記モード変換器側の端部から前記モード変換器に最も近い側のスロットに至るまでの距離が、前記導波管内を伝搬する伝送信号の波長の１／３以上１／２以下であり、
   前記開口部の前記モード変換器とは反対側の端部から前記モード変換器に最も遠い側のスロットに至るまでの距離が、前記導波路内を伝搬する伝送信号の波長の１／１５以上であることを特徴とする請求項１に記載の伝送モード変換装置。
7. 前記ポスト壁導波路は、前記ポスト壁で囲まれた導波路構造の内側に、少なくとも１つ以上の導体ポストを有することを特徴とする請求項３に記載の伝送モード変換装置。
8. 前記伝送線路は、前記導波管と接続される側の導体層の面上に誘電体層を介して設けられ、
   前記モード変換器は、前記伝送線路の一端側と接続された導体ピンを有し、
   前記導体ピンは、前記導体層とは非接触な状態で、前記ポスト壁で囲まれた導波路構造の内側に向かって突出して設けられていることを特徴とする請求項３又は７に記載の伝送モード変換装置。
9. 前記誘電体層の面上に、前記伝送線路の他端側と接続された信号パッドと、前記誘電体層を貫通するビアを介して前記第２の導体層と接続された一対の接地パッドとを有することを特徴とする請求項８に記載の伝送モード変換装置。
10. 前記ポスト壁導波路は、前記モード変換器側から前記導波管側に向かって、複数の導体ポストが第１の幅で互いに平行に並ぶ一対の第１のポスト壁と、複数の導体ポストが前記第１の幅よりも大きい第２の幅で互いに平行に並ぶ一対の第２のポスト壁とが順次並んで配置されると共に、前記一対の第１のポスト壁の前記モード変換器側の端部の間に複数の導体ポストが並ぶ第３のポスト壁と、前記一対の第１のポスト壁の前記導波管側の端部と前記一対の第２のポスト壁の前記モード変換器側の端部との間に複数の導体ポストが並ぶ一対の第４のポスト壁と、前記一対の第２のポスト壁の前記導波管側の端部の間に複数の導体ポストが並ぶ第５のポスト壁とが配置された導波路構造を有していることを特徴とする請求項３，７〜９の何れか一項に記載の伝送モード変換装置。
11. 前記モード変換器は、前記一対の第１のポスト壁と前記第３のポスト壁とで囲まれる領域に配置され、
    前記スロットは、前記一対の第２のポスト壁と前記一対の第４のポスト壁と前記第５のポスト壁とで囲まれる領域に配置されていることを特徴とする請求項１０に記載の伝送モード変換装置。
12. 前記誘電体基板の前記伝送線路が設けられた側の面上に実装されると共に、前記伝送線路と電気的に接続された半導体素子を備えることを特徴とする請求項３，７〜１１の何れか一項に記載の伝送モード変換装置。
13. 前記導波路に対して前記導波管を固定する固定機構を備えることを特徴とする請求項１〜１２の何れか一項に記載の伝送モード変換装置。