JP6506265B2

JP6506265B2 - 導波路およびそれを用いた装置

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Publication number: JP6506265B2
Application number: JP2016517923A
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Inventors: 桐野　秀樹; 秀樹桐野
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Filing date: 2015-05-07
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Description

本発明は、マイクロ波ミリ波帯で用いられる導波路およびそれを用いた装置に関するもので、特に導波路上の波長を変化させることを可能とし、よって移相器やフェーズドアレーアンテナ等の装置を従来に比べて小型化できる技術に関する発明である。

本発明に類似する導波路が特許文献１と特許文献２で説明されている。
特許文献１は、高周波エネルギーを閉じ込めて導波路を実現する基本構造については特許文献２および本発明と共通である。また特許文献２は、特許文献１の導波路を用いた通称トロンボーン型の移相器を実現し、さらに複数のトロンボーン型移相器を用いてフェーズドアレーアンテナを実現した発明である。

以下に図を用いて従来の導波路と移相器について説明する。
図１２は従来の導波路の構造を示している。１２００は従来の導波路、１２０１は第１の導体板、１２０２は第２の導体板、１２０３はリッジ状導体、１２０４は柱状導体である。また図１２に示すように第１の導体板１２０１と第２の導体板１２０２は互いの表面を対向させて配置され、さらに第１の導体板１２０１の上にはリッジ状導体１２０３と、該リッジ状導体を挟む両側の領域に複数の柱状導体１２０４が周期的に設けられている。ここで高周波エネルギーを効率的に閉じ込められるように柱状導体１２０４の高さは１／４波長に、柱状導体１２０４の先端と第２の導体板１２０２との間の距離は１／８波長に選ばれている。また柱状導体１２０４の断面形状は一辺が１／８波長の正方形に、柱状導体１２０４の配置周期は１／４波長に設定されている。

以上のように構成された従来の導波路１２００により高周波エネルギーが伝送される原理を説明する。互いの表面を対向させて配置された第１の導体板１２０１および第２の導体板１２０２により平行平板導波路が形成されるが、第１の導体板１２０１の表面には高さが１／４波長の柱状導体１２０４が波長に比べて十分に短い１／４波長の周期で二次元方向に配置されているので柱状導体１２０４の先端をつないだ面は磁気壁となって電流は流れることができず、よって前記平行平板導波路の伝播モードである平行平板モードによる高周波エネルギーの伝送は抑圧される。一方、リッジ状導体１２０３の表面だけは電気壁である導体がつながった状態にあるので電流が流れ、よってリッジ状導体１２０３に添って高周波エネルギーが伝送する導波路が実現されている。

次に従来の移相器について図１３を用いて説明する。図１３は図１２に示した従来の導波路を２つ用いた移相器の断面形状を示している。図１３において、１３００は従来の移相器、１３０１と１３０２は従来の導波路、１３０３と１３０４は第１の導体板、１３０５と１３０６は第２の導体板、１３０７は入力ポート、１３０８は出力ポート、１３０９は貫通孔、１３１０は高周波エネルギーの伝送路、１３１１は中間層、１３１２は中間層のスライド方向をそれぞれ示している。また図１３に示すように、２つの従来の導波路１３０１と１３０２はそれぞれのリッジ状導体の位置が重なるように、且つ互いの第１の導体板を背中合わせに張り合わせられている。つまり図１３はリッジ状導体の中心における断面形状を示している。

さらに図１３に示すように従来の移相器１３００には、一方の従来の導波路１３０１の第２の導体板１３０５に入力ポート１３０７を、他方の従来の導波路１３０２の第２の導体板１３０６に出力ポート１３０８を設け、２つの従来の導波路１３０１と１３０２の第１の導体板１３０３と１３０４の同じ位置に貫通孔１３０９を設けている。また入力ポート１３０７および出力ポート１３０８には導波路波長の１／４だけ離れた位置に深さが導波路波長の１／４の先端短絡孔１３１３および１３１４によるチョーク構造が、さらに貫通孔１３０９には導波路波長の１／４だけ離れた位置でリッジ状導体１３１５および１３１６が切られ、その外側に高さが１／４波長の柱状導体１３１７および１３１８によるチョーク構造が設けられることで、高周波エネルギーの伝送路１３１０が形成されている。以上のように構成された従来の移相器１３００は、中間層１３１１を１３１２のスライド方向に動かすことによりトロンボーン形状をした高周波エネルギーの伝送路１３１０の長さが変わり、よって入力ポート１３０７から入って出力ポート１３０８に出る高周波エネルギーの位相を変化させるものであった。

米国２０１１／０１８１３７３号公報国際公開２０１０／０５０１２２号公報

ここで上記従来の導波路およびそれを用いた移相器は以下の課題を有していた。
つまり上記従来の移相器は導波路の物理的な長さを変えるという原理を用いていたことから、入力ポートと出力ポートの位置が固定された移相器を実現するためには、導波路を図１３に示したようなトロンボーン形状に配置する必要があり、これにより移相器の小型化が制限され、特に複数の移相器を有するフェーズドアレーアンテナを実現する場合には移相器の構造が複雑になり、且つ移相器全体が大きくなってしまうという問題点があった。

前記従来の導波路と移相器が有する問題点を解決するために本発明の導波路およびそれを用いた装置は、互いの表面を対向させて配置した第１および第２の導体板を備え、前記第１の導体板上にリッジ状導体と該リッジ状導体を挟む両側の領域に複数の柱状導体を周期的に設け、さらに前記第２の導体板の表面の一部を複数の凸形状もしくは複数の凹形状としたことを特徴とする。

さらに本発明の導波路およびそれを用いた装置は、前記第１の導体板に対して前記第２の導体板を、前記第１の導体板上に設けた前記リッジ状導体と直交する方向にスライドすることを特徴とする。

さらに本発明の導波路およびそれを用いた装置は、隣接する導波路間で前記複数の凸形状もしくは前記複数の凹形状が一定の数だけ変化するように構成した複数の導波路を平行に配置し、前記平行に配置した複数の導波路における全ての前記第１の導体板および全ての前記第２の導体板をそれぞれ一体に構成し、前記一体に構成した前記第１の導体板に対して前記一体に構成した第２の導体板を前記平行に配置した複数の導波路の前記リッジ状導体に対して直交する方向にスライドすることを特徴とする。

上記の特徴を有することにより本発明の導波路およびそれを用いた装置は、従来の導波路とそれを用いた移相器が有する課題を解決できるものである。つまり第２の導体板上に複数の凸形状もしくは凹形状を設けた上で第２の導体板をリッジ状導体と直交する方向にスライドすることにより、第２の導体板上を流れる高周波エネルギーの電流経路の長さを変化させ、これにより入出力ポートの位置が固定された単一の導波路のみで移相機能を実現する。さらに隣接する複数の移相器間で凸形状もしくは凹形状が一定数だけ変化するように構成した上で複数の移相器の第２の導体板を同時にスライドさせ、これにより隣接する移相器間での位相差を同じに保った状態で移相量を変え、よってフェーズドアレーアンテナ用の移相器を実現する。

つまり本発明による以上の構成によれば、入出力ポートが固定された移相器を小型化でき、よって特に複数の移相器を有するフェーズドアレーアンテナのような高周波装置を小型化することが可能となる。

本発明の実施の形態１における導波路の斜視図本発明の実施の形態１における導波路の断面図本発明の実施の形態１における導波路の移相特性図本発明の実施の形態１の導波路を用いた移相器の斜視図本発明の実施の形態１の導波路を用いた移相器の断面図本発明の実施の形態１の導波路を複数用いたフェーズドアレーアンテナ用移相器の斜視図本発明の実施の形態２における導波路の斜視図本発明の実施の形態２における導波路の断面図本発明の実施の形態２の導波路を用いた移相器の斜視図本発明の実施の形態２の導波路を用いた移相器の断面図本発明の実施の形態２の導波路を複数用いたフェーズドアレーアンテナ用移相器の斜視図従来の導波路の斜視図従来の導波路を２つ用いた移相器の断面図

以下、本発明の一実施形態について説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明における導波路の実施の形態を示している。図１において、１００は導波路、１０１は第１の導体板、１０２は第２の導体板、１０３はリッジ状導体、１０４は柱状導体、１０５は第２の導体板１０１の表面の一部に設けた複数の凸形状、１０６は第１の導体板１０１に対して第２の導体板１０２をスライドさせる方向をそれぞれ示している。尚、図１において第２の導体板１０２は下部の形状が見えるように透明視にて示している。
また図１に示すように第１の導体板１０１と第２の導体板１０２は互いの表面を対向させて配置され、さらに第１の導体板１０１の上にはリッジ状導体１０３と、該リッジ状導体を挟む両側の領域に複数の柱状導体１０４が周期的に設けられている。またリッジ状導体１０３および柱状導体１０４は第１の導体板１０１と同じ導体材料で、且つ第１の導体板と一体に作られている。さらに複数の凸形状１０５は第２の導体板１０２と同じ導体材料で、且つ第２の導体板１０２と一体に作られている。

また図１に示した導波路１００では高周波エネルギーを効率的に閉じ込められるように柱状導体１０４の高さは１／４波長に、柱状導体１０４の先端と第２の導体板１０２との間の距離は１／８波長に選ばれている。尚、高周波エネルギーを効率的に閉じ込めるためには、柱状導体１０４の先端と第２の導体板１０２との間の距離は図１に示した１／８波長に限らずとも１／４波長未満であれば良い。また高周波エネルギーを効率的に閉じ込めるためには柱状導体１０４の配置周期は１／２波長未満であることが望ましい。よって図１に示したように、柱状導体１０４の断面形状は一辺が１／８波長の正方形に、柱状導体１０４の配置周期は１／４波長に設定されている。

以上のように構成された導波路１００により高周波エネルギーが伝送される原理を説明する。互いの表面を対向させて配置された第１の導体板１０１および第２の導体板１０２により平行平板導波路が形成されるが、第１の導体板１０１の表面には高さが１／４波長の柱状導体１０４が１／２波長に比べて十分に短い１／４波長の周期で二次元方向に配置されているので柱状導体１０４の先端をつないだ面は磁気壁となって電流は流れることができず、よって平行平板導波路の伝播モードである平行平板モードは抑圧され、高周波エネルギーは伝送できない。一方、リッジ状導体１０３の表面だけは電気壁である導体がつながった状態にあるので電流が流れ、よってリッジ状導体１０３に添って高周波エネルギーが伝送する。

次に図１に示した導波路が有する波長可変機能について図２を用いて説明する。図２は、図１に示す第２の導体板１０２をスライド方向１０６に動かしたときの導波路の断面図を示している。また図２において２０１、２０２、２０３は図１中に示した座標系で表されるｚ＝０におけるｘｙ断面図を、また２０４、２０５、２０６はｙ＝０におけるｚｘ断面図をそれぞれ示している。ここで図２の各断面図を２０１→２０２→２０３もしくは２０４→２０５→２０６の順番で見ることは第２の導体板１０２を−ｙ方向にスライドした場合に対応し、逆に２０３→２０２→２０１もしくは２０６→２０５→２０４の順番で見ることは第の導体板１０２を＋ｙ方向にスライドした場合に対応している。また図２の各断面図において２０７、２０８、２０９は導波路上の高周波エネルギーの電界形状を、２１０、２１１、２１２は導波路上を流れる高周波エネルギーの電流経路をそれぞれ示している。

図２の各断面図を用いて本実施の形態の導波路が有する波長可変機能について説明する。第２の導体板１０２が断面図２０１および２０４に示した位置にあるときは第２の導体板１０２上の設けた凸形状１０５がリッジ状導体１０３の真上にあることから、導波路上の電界形状は２０７に示したように凸形状１０５とリッジ状導体１０３の間に集中している。よって導波路上を流れる電流は経路２１０に示すように複数の凸形状１０５の表面に添って流れている。次に第２の導体板１０２がスライドして断面図２０２および２０５に示した位置に動いたときは、凸形状１０５がリッジ状導体１０３から少し離れることから、導波路上の電界形状は２０８に示したように凸形状１０５と第２の導体板１０２の表面の両方からリッジ状導体１０３に入る分布となる。よって導波路上を流れる電流は経路２１１に示したように電流経路２１０に比べて少し直線的で短くなる。また第２の導体板１０２がさらにスライドして断面図２０３および２０６に示した位置に動いたときは、凸形状１０５がリッジ状導体１０３からさらに離れることから、導波路上の電界形状は２０９に示したように第２の導体板１０２からリッジ状導体１０３に入る成分が支配的となる。よって導波路上を流れる電流は経路２１２に示したように電流経路２１１に比べてさらに直線的で短くなる。

以上のことから、凸形状１０５がリッジ状導体１０３の真上にある場合を起点として凸形状１０５がリッジ状導体１０３から離れる方向に第２の導体板１０２をスライドさせると、スライド量が多くなるに従って導波路上を流れる電流経路が短くなる。ここで電流経路が短くなるということは等価的な導波路長が短くなることに相当し、よって導波路上の波長が長くなるという現象をもたらすこととなる。つまり第１の導体板１０１に対して第２の導体板１０２をリッジ状導体１０３と直交する方向にスライドさせると、凸形状１０５とリッジ状導体１０３の距離が変わり、よって本実施の形態の導波路が波長可変機能を有することとなる。

図３は図１に示した導波路の移相特性を示したものであり、横軸は第２の導体板１０２のスライド量を１／８波長で正規化した値で、縦軸は導波路を通過する高周波エネルギーの移相量を図１に示したｐ＝１／４波長で正規化した値でそれぞれ示している。図３に示すように第２の導体板１０２をスライドしたとき、導波路を通過する高周波エネルギーを効率良く移相できることが分かる。尚、図３に示すように第２の導体板１０２のスライド量に対する移相量が直線的でないが、その理由は本実施の形態では第２の導体板上に設けた凸形状１０５の断面形状を単純な直方体としているからであり、よって直線的な変化特性を必要とする場合は、第２の導体板をスライドさせたときの導波路上を流れる電流経路の等価長がスライド量に比例するよう、電磁界シミュレーションによる移相特性を計算しながら第２の導体板上に設ける凸形状１０５の断面形状を最適化すれば良い。

次に本実施の形態の導波路を用いた移相器について説明する。図４は移相器の構造を示しており、４００は移相器、４０１は図１に示した本実施の形態の導波路を用いた移相部、４０２は整合部、４０３は入力ポート、４０４は出力ポートをそれぞれ示している。尚、図４では第１の導体板の背面に隠れて見えないが、移相部４０１と整合部４０２にはそれらが対応する領域におけるリッジ状導体や柱状導体による導波路部も含まれている。また図５は図４に示した移相器のリッジ状導体１０３の中心における断面図を示している。

図４および図５において移相部４０１では、前述したように第２の導体板１０２をリッジ状導体１０３と直交する方向にスライドするとき、移相部４０１を通過する高周波エネルギーに対する導波路波長を変化させることができる。一方整合部４０２は、移相部４０１側で高く入出力ポート側で低くなるように少しずつ高さを変化させた第２の導体板１０２上に設けた複数の凸形状となっている。これにより入出力ポートの電界形状と移相部４０１の電界形状とをなだらかに変換でき、よって第２の導体板１０２のスライド量に係わらず常に入出力ポート４０３、４０４と移相器４０１との整合を良好に保つことができる。

さらに図５に示すように入力ポート４０３と出力ポート４０４には、導波路波長の１／４だけ離れた位置でリッジ状導体１０３が切られ、その外側に高さが１／４波長の柱状導体５０１が設けられたチョーク構造を有している。よって高周波エネルギーが入力ポート４０３と出力ポート４０４の外側に漏れることなく伝送路５０２が形成されることとなる。以上のように本実施の形態の導波路を用いた移相器４００によれば、第２の導体板１０２をリッジ状導体１０３と直交する方向にスライドさせたときに入力ポート４０３と出力ポート４０４と移相器４０１とが常に整合した状態で高周波エネルギーの伝送路５０２が形成され、さらに第２の導体板１０２をスライドさせることで移相部４０１内での導波路波長が変化し、よって単一の導波路だけで移相器を実現することが可能となる。これにより図１３に示した従来の移相器に比べて移相器の小型化が可能となる。

次に本実施の形態の導波路を用いたフェーズドアレーアンテナ用の移相器について説明する。図６は本実施の形態の導波路を複数用いたフェーズドアレーアンテナ用の移相器を示している。図６において、６００はフェーズドアレーアンテナ用の移相器、６０１は第１の移相器、６０２は第２の移相器、６０３は第３の移相器、６０４は第４の移相器、６０５は移相部、６０６は整合部、６０７は入力ポート、６０８は出力ポート、６０９は信号源、６１０は放射器、６１１は放射ビーム、６１２はビーム方向をそれぞれ示している。尚、図６では第１の導体板の背面に隠れて見えないが、第１から第４の移相器６０１〜６０４および移相部６０５と整合部６０６には、それらが対応する領域におけるリッジ状導体や柱状導体による導波路部も含まれている。

図６に示したように本実施の形態の導波路を用いたフェーズドアレーアンテナ用の移相器では、第１から第４の移相器６０１〜６０４が平行に配置され、全ての移相器の第１の導体板１０１と全ての移相器の第２の導体板はそれぞれ一体に構成され、さらに全移相器の入力ポート６０７と出力ポート６０８も一体に構成された第１の導体板１０１に設けられている。よって第１の導体板１０１に対して第２の導体板１０２を、全ての移相器のリッジ状導体と直交する方向に、且つ同時にスライドさせることが可能となっている。さらに図６に示すように、平行に配置された第１から第４の移相器６０１〜６０４に共通する移相部６０５に注目すると、平行に配置された隣接する導波路間で複数の凸形状が一つずつ変化するように構成されている。よって隣接する移相器間で常に凸形状一つ分の移相量、つまり位相差が付加されることとなる。

一方、図６に示したように入力ポート６０７には、信号源６０９から等振幅で且つ等位相で分配された高周波エネルギーが入力されている。よって出力ポート６０８には隣接する全ての移相器間で常に凸形状一つ分の位相差が付加された高周波エネルギーが出力されて放射器６１０に供給されることとなる。そして放射器６１０において隣接する全ての放射素子間に凸形状一つ分の位相差が付加されるとき、各放射素子から放射された高周波エネルギーは付加された位相差に相当する伝播経路差が生じる一方向で同相合成され、その結果として放射ビーム６１１は凸形状一つ分の位相差を反映した方向に向くこととなる。つまり第２の導体板１０２をスライドさせることで放射ビーム６１１のビーム方向６１２を変えられるフェーズドアレーアンテナを実現することが可能となる。

尚、図６に示した本実施の形態では、隣接する導波路間で凸形状が一つずつ変化する例を示したが、二つ以上であっても良い。また前述したように電磁界シミュレーションにより移相特性を計算して凸形状の断面形状を最適化することにより、第２の導体板１０２のスライド量に対して移相量を直線的にも任意の曲線に添うようにも設計できるので、第２の導体板１０２のスライド量に対してフェーズドアレーアンテナのビーム方向の変化特性を任意に設計することも可能である。

そして図６に示したように本実施の形態の導波路を用いれば、複数の移相器を備えたフェーズドアレーアンテナ用の移相器において各移相器を１つの導波路のみで実現できるので、従来に比べてフェーズドアレーアンテナ用の移相器の小型化が可能となり、結果的にフェーズドアレーアンテナ自体の小型化が可能となる。

（実施の形態２）
図７は本発明における導波路の他の実施の形態を示している。図７において、７００は導波路、１０１は第１の導体板、１０２は第２の導体板、１０３はリッジ状導体、１０４は柱状導体、７０１は第２の導体板１０１の表面の一部に設けた複数の凹形状、１０６は第１の導体板１０１に対して第２の導体板１０２をスライドさせる方向をそれぞれ示している。尚、図７において第２の導体板１０２は内部の形状が見えるように透明視にて示している。

また図７に示すように第１の導体板１０１と第２の導体板１０２は互いの表面を対向させて配置され、さらに第１の導体板１０１の上にはリッジ状導体１０３と、該リッジ状導体を挟む両側の領域に複数の柱状導体１０４が周期的に設けられている。またリッジ状導体１０３および柱状導体１０４は第１の導体板１０１と同じ導体材料で、且つ第１の導体板と一体に作られている。さらに複数の凹形状７０１は第２の導体板１０２の下面の一部を切削等の加工を行うことで作られている。ここで図７に示した導波路７００では、柱状導体１０４の高さ、柱状導体１０４の先端と第２の導体板１０２との間の距離、柱状導体１０４の断面形状、柱状導体１０４の配置周期は、全て図１に示した導波路と同じに設定されており、よって導波路７００により高周波エネルギーが伝送できる原理についても同様であるので説明を省略する。

次に図７に示した導波路が有する導波路上の波長可変機能について図８を用いて説明する。図８は、図７に示す第２の導体板１０２をスライド方向１０６に動かしたときの導波路の断面図を示している。また図８において８０１、８０２、８０３は図７中に示した座標系で表されるｚ＝０におけるｘｙ断面図を、また８０４、８０５、８０６はｙ＝０におけるｚｘ断面図をそれぞれ示している。ここで図８の各断面図を８０１→８０２→８０３もしくは８０４→８０５→８０６の順番で見ることは第２の導体板１０２を−ｙ方向にスライドした場合に対応し、逆に８０３→８０２→８０１もしくは８０６→８０５→８０４の順番で見ることは第の導体板１０２を＋ｙ方向にスライドした場合に対応している。また図８の各断面図において８０７、８０８、８０９は導波路上の高周波エネルギーの電界形状を、８１０、８１１、８１２は導波路上を流れる高周波エネルギーの電流経路をそれぞれ示している。

図８の各断面図を用いて本実施の形態の導波路が有する波長可変機能について説明する。第２の導体板１０２が断面図８０１および８０４に示した位置にあるときは第２の導体板１０２上の設けた凹形状７０１がリッジ状導体１０３の真上にあることから、導波路上の電界形状は８０７に示したように凹形状７０１とリッジ状導体１０３の間に集中している。よって導波路上を流れる電流は経路８１０に示したように複数の凹形状７０１の表面に添って流れている。次に第２の導体板１０２がスライドして断面図８０２および８０５に示した位置に動いたときは、凹形状７０１がリッジ状導体１０３から少し離れることから、導波路上の電界形状は８０８に示したように凹形状７０１と第２の導体板１０２の表面の両方からリッジ状導体１０３に入る分布となる。よって導波路上を流れる電流は経路８１１に示したように電流経路８１０に比べて少し直線的で短くなる。また第２の導体板１０２がさらにスライドして断面図８０３および８０６に示した位置に動いたときは、凹形状７０１がリッジ状導体１０３からさらに離れることから、導波路上の電界形状は８０９に示したように第２の導体板１０２からリッジ状導体１０３に入る成分が支配的となる。よって導波路上を流れる電流は経路８１２に示したように電流経路８１１に比べてさらに直線的で短くなる。

以上のことから、凹形状７０１がリッジ状導体１０３の真上にある場合を起点として凹形状７０１がリッジ状導体１０３から離れる方向に第２の導体板１０２をスライドさせると、スライド量が多くなるに従って導波路上を流れる電流経路が短くなる。ここで電流経路が短くなるということは等価的な導波路長が短くなることに相当し、よって導波路上の波長が長くなるという現象をもたらすこととなる。つまり第１の導体板１０１に対して第２の導体板１０２をリッジ状導体１０３と直交する方向にスライドさせると、凹形状７０１とリッジ状導体１０３の距離が変わり、よって本実施の形態の導波路が波長可変機能を有することとなる。

次に本実施の形態の導波路を用いた移相器について説明する。図９は移相器の構造を示しており、９００は移相器、９０１は図７に示した本実施の形態の導波路を用いた移相部、９０２は整合部、９０３は入力ポート、９０４は出力ポートをそれぞれ示している。尚、図９では第１の導体板の背面に隠れて見えないが、移相部９０１と整合部９０２にはそれらが対応する領域におけるリッジ状導体や柱状導体による導波路部も含まれている。また図１０は図９に示した移相器のリッジ状導体１０３の中心における断面図を示している。図９および図１０において移相部９０１では、前述したように第２の導体板１０２をリッジ状導体１０３と直交する方向にスライドするとき、移相部９０１を通過する高周波エネルギーに対する導波路波長を変化させることができる。一方整合部９０２における凹形状は、移相部９０１側で深く入出力ポート側で浅くなるように少しずつ深さを変化させるよう第２の導体板１０２上に設けられている。これにより入出力ポートの電界形状と移相部９０１の電界形状とをなだらかに変換でき、よって第２の導体板１０２のスライド量に係わらず常に入出力ポート９０３、９０４と移相器９０１との整合を良好に保つことができる。

さらに図１０に示すように入力ポート９０３と出力ポート９０４には、導波路波長の１／４だけ離れた位置でリッジ状導体１０３が切られ、その外側に高さが１／４波長の柱状導体１００１が設けられたチョーク構造を有している。よって高周波エネルギーが入力ポート９０３と出力ポート９０４の外側に漏れることなく伝送路１００２が形成されることとなる。以上のように本実施の形態の導波路を用いた移相器９００によれば、第２の導体板１０２をリッジ状導体１０３と直交する方向にスライドさせたときに入力ポート９０３と出力ポート９０４と移相器９０１とが常に整合した状態で高周波エネルギーの伝送路１００２が形成され、さらに第２の導体板１０２をスライドさせることで移相部９０１内での導波路波長が変化し、よって単一の導波路だけで移相器を実現することが可能となる。これにより図１３に示した従来の移相器に比べて移相器の小型化が可能となる。

次に本実施の形態の導波路を用いたフェーズドアレーアンテナ用の移相器について説明する。図１１は本実施の形態の導波路を複数用いたフェーズドアレーアンテナ用の移相器を示している。図１１において、１１００はフェーズドアレーアンテナ用の移相器、１１０１は第１の移相器、１１０２は第２の移相器、１１０３は第３の移相器、１１０４は第４の移相器、１１０５は移相部、１１０６は整合部、１１０７は入力ポート、１１０８は出力ポート、１１０９は信号源、１１１０は放射器、１１１１は放射ビーム、１１１２はビーム方向をそれぞれ示している。尚、図１１では第１の導体板の背面に隠れて見えないが、第１から第４の移相器１１０１〜１１０４および移相部１１０５と整合部１１０６には、それらが対応する領域におけるリッジ状導体や柱状導体による導波路部も含まれている。図１１に示したように本実施の形態の導波路を用いたフェーズドアレーアンテナ用の移相器では、第１から第４の移相器１１０１〜１１０４が平行に配置され、全ての移相器の第１の導体板１０１と全ての移相器の第２の導体板はそれぞれ一体に構成され、さらに全移相器の入力ポート１１０７と出力ポート１１０８も一体に構成された第１の導体板１０１に設けられている。よって第１の導体板１０１に対して第２の導体板１０２を、全ての移相器のリッジ状導体と直交する方向に、且つ同時にスライドさせることが可能となっている。

さらに図１１に示すように、平行に配置された第１から第４の移相器１１０１〜１１０４に共通する移相部１１０５に注目すると、平行に配置された隣接する導波路間で複数の凹形状が一つずつ変化するように構成されている。よって隣接する移相器間で常に凹形状一つ分の移相量、つまり位相差が付加されることとなる。一方、図１１に示したように入力ポート１１０７には、信号源１１０９から等振幅で且つ等位相で分配された高周波エネルギーが入力されている。よって出力ポート１１０８には隣接する全ての移相器間で常に凹形状一つ分の位相差が付加された高周波エネルギーが出力されて放射器１１１０に供給されることとなる。そして放射器１１１０において隣接する全ての放射素子間に凹形状一つ分の位相差が付加されるとき、各放射素子から放射された高周波エネルギーは付加された位相差に相当する伝播経路差が生じる一方向で同相合成され、その結果として放射ビーム１１１１は凹形状一つ分の位相差を反映した方向に向くこととなる。つまり第２の導体板１０２をスライドさせることで放射ビーム１１１１のビーム方向１１１２を変えられるフェーズドアレーアンテナを実現することが可能となる。

尚、図１１に示した本実施の形態では、隣接する導波路間で凹形状が一つずつ変化する例を示したが、二つ以上であっても良い。また実施の形態１で述べたように電磁界シミュレーションにより移相特性を計算して凹形状の断面形状を最適化することにより、第２の導体板１０２のスライド量に対して移相量を直線的にも任意の曲線に添うようにも設計できるので、第２の導体板１０２のスライド量に対してフェーズドアレーアンテナのビーム方向の変化特性を任意に設計することも可能である。

そして図１１に示したように本実施の形態の導波路を用いれば、複数の移相器を備えたフェーズドアレーアンテナ用の移相器において各移相器を１つの導波路のみで実現できるので、従来に比べてフェーズドアレーアンテナ用の移相器の小型化が可能となり、結果的にフェーズドアレーアンテナ自体の小型化が可能となる。

（異なる名称と表現を用いる場合の説明）
本発明の実施の形態は、上記とは異なる名称と表現を用いて説明することも可能である。以下、本発明の理解をより容易にするため、そのような名称と表現を、本発明の他の変形例と併せて紹介する。なお、名称と表現が異なっても、本発明の本質には影響しない事はいうまでもない。

第１の導体板１０１は、第１の導波部材１０１と呼んでも良い。第２の導体板１０２は、第２の導波部材１０２と呼んでも良い。実際、第１の導体板１０１及び第２の導体板１０２は、板形状の部材に限られない。例えば、第１の導波部材１０１が第２の導波部材１０２に向けて伸びる複数の柱状導体１０４を備えていれば、第１の導体板１０１と同じ機能を果たせる事は自明である。ただし、この場合、複数の柱状導体１０４の先端は、第２の導波部材とは接触せず、間に間隙が保たれていなければならない。なお、柱状導体１０４は、先端とは逆側の基部で導体に接続していなければならない。この導体は板形状の部材であっても良いが、これに限られない。形状は限定されないが、柱状導体間の導通を保証する基盤部１０１１に接続していれば良い。また、柱状導体１０４は、単に柱状体１０４と呼んでも良い。柱状体は内部まで導体である必要はなく、例えば、樹脂性の部材の表面に導体がメッキされた部材でも良いからである。同様に、基盤部も内部まで導体である必要はなく、樹脂性の部材の表面に、銅やニッケルなどの良導体がメッキされた部材であっても良い。

第２の導体板１０２、すなわち第２の導波部材１０２は、板形状に限られない。しかし、複数の柱状導体１０４、あるいは柱状体１０４に対して間隙を介して対向する遮蔽面１０２１を有する必要がある。そして、この遮蔽面１０２１に囲まれた、凸部１０５を第２の導波部材１０２は備える必要がある。凸部１０５に代えて、凹部７０１を配置しても良い。また、凸部と凹部の両方を配置しても良い。第２の導体板１０２、または第２の導波部材１０２は、内部まで導体である必要はない。例えば、絶縁材料製の部材の表面に、銅やニッケルなどの良導体がメッキされた部材であっても良い。凸部１０５も同様に、内部まで導体である必要はない。樹脂性の凸形状の表面が、良導体がメッキされた構造を有し、周囲の遮蔽面１０２１と導通していれば良い。凹部７０１は、少なくとも内面の表面が導体製であり、かつ周囲の遮蔽面１０２１と導通していれば良い。

リッジ状導体１０３は、梁１０３と呼ぶ事が出来る。この場合梁１０３は、図１に描かれているように、第１の導波部材と繋がっていても良いが、離れていても良い。後者の場合は、より梁という名称が似合う。このリッジ状導体１０３、若しくは、梁１０３は、内部まで導体である必要はない。樹脂製のリッジ形状の部位、若しくは梁の表面が、良導体でメッキされたものであっても良い。

図２は、図１に示す導波路１００において、第１の導波部材１０１及び第２の導波部材１０２の相対位置の異なる、３つの状況における断面２０１、２０２、２０３を示す。導波路１００は、図示されていない駆動機構を備える。駆動機構は、導波路１００の状態を、図２に示される３つの状態の間で相互に変化させることができる。この例で、駆動機構は、第１の導波部材１０１に対する第２の導波部材の相対的な位置を連続的に変化させることができるが、これに限らない。断面図２０２は、断面図２０１の第１の相対位置の状体から、断面図２０３の第２の相対位置に遷移する途中の状態を示す。

駆動機構は、図２の３つの相対位置の間を、不連続に遷移させるものであってもよい。また、この例で駆動機構は、第２の導波部材１０２の遮蔽面１０２１と柱状体１０４の先端との間の間隙の大きさを一定に保ったまま、相対位置を変化させるがこれに限らない。駆動機構は、移動の途中において間隙の大きさを変化させるものであってもよい。これらは、何れも本発明の請求項の範囲に含まれる。

図２の断面図２０１において、凸部１０５はリッジ状導体１０３、若しくは梁１０３の直上に位置する。この位置を、第１の導波部材１０１の第２の導波部材１０２に対する、第１の相対位置と呼ぶ。第１の相対位置において、遮蔽面１０２１に垂直な方向に沿って見通した場合の、凸部１０５と梁１０３の重なる範囲は、最大の面積をとる。この面積を第１の面積と呼ぶ。断面図２０３においては、凸部１０５は、梁１０３から最も離れた位置にある。これを、第１の導波部材１０１の第２の導波部材１０２に対する、第２の相対位置と呼ぶ。第２の相対位置において、遮蔽面１０２１に垂直な方向に沿って見通した場合の、凸部１０５と梁１０３の重なる範囲は、最小の面積をとる。断面図２０３の例では、その面積はゼロである。

柱状体１０４は梁１０３の側面を囲んで並ぶ。そして、柱状体１０４の先端側を覆って遮蔽面１０２１が広がる。これら、柱状体１０４、梁１０３、及び遮蔽面１０２１を有する第２の導波部材１０２により、１つの移相器が構成される。また、第１の導波部材１０１と第２の導波部材１０２とが相対位置を変化させた際に、少なくとも何れかの相対位置において、梁１０３の上方に遮蔽面１０２１に囲まれた凸部１０５が位置しなければならない。そのような凸部も、移相器の必須の構成要素である。凸部に代えて、図７〜１１に示される凹部７０１、９０１、１１０５、１１０６を配置しても良い。
また、一つの第１の導波部材１０１の上に、複数の移相器を構成されても良い。その場合、第１の導波部材１０１は、複数の梁を備える必要があるが、図示されていない駆動機構は第１の導波部材１０１と第２の導波部材１０２との間に介在する一つがあれば、本発明は成り立つ。複数個の駆動機構が介在してもよい。また、凸部も各々の梁の上方に複数個配置される。但し、複数の梁で一つの凸部を共有する構成を採ってもよい。

図６は、一対の第１の導波部材１０１及び第２の導波部材１０２によって、複数個の移相器６０１、６０２、６０３、６０４が構成される例である。第２の導波部材１０２は、遮蔽面１０２１に囲まれる凸部１０５を複数個有する。凸部１０５は４つの列を成す。凸部１０５の内、中央付近の大きさが同じ凸部からなる部位を移相部６０５と呼ぶ。第１の導波部材１０１の４つの列に対向する部位には、図では隠れて見えないが、４つの梁１０３が並ぶ。また、４つの梁１０３の各々は、柱状体１０４で囲まれる。

図６の例では、第２の導波部材１０２が第１の導波部材１０１に対して相対位置を変化させる際の移動方向１０６に対して、梁１０３及び柱状体１０４の列は垂直に伸びる。移相部６０５を構成して梁１０３に対向する凸部１０５の数が、凸部の列によって異なるため、相対位置が変化した際に移相器を通る高周波エネルギーに付与される位相差も、凸部１０５の列、すなわち移相器毎に異なる。各々の梁１０３に対向する凸部の数を同じにする一方で、凸部１０５の列を僅かに傾斜させ、その傾斜角度を移相器毎に異ならせても良い。或いは、複数個存在する梁１０３を各々僅かに傾斜させ、その傾斜角を互いに異ならせても良い。

以上、本発明の実施の形態においては導波路を用いた移相器とフェーズドアレーアンテナを示したが、これら本発明の導波路を用いた装置が本発明の及ぼす範囲であることは言うまでもなく、さらに本発明の実施の形態に示した移相器とフェーズドアレーアンテナを備えた他の装置が本発明の及ぼす範囲であることは言うまでもない。

本発明は以上のようにフェーズドアレーアンテナが小型にできることに加え、フェーズドアレーアンテナ用の移相器に高価な半導体を用いないことから、車載ミリ波レーダ、多数の基地局を有する地上航空機間の通信システム、分散型気象レーダシステム、降雪地域での壁面貼付タイプ衛星放送受信アンテナなどへの展開が大いに期待できる。

１００導波路
１０１第１の導体板（第１の導電部材）
１０１１基盤部
１０２１遮蔽面
１０２第２の導体板（第２の導電部材）
１０３リッジ状導体（梁）
１０４柱状導体（柱状体）
１０５第２の導体板の表面の一部に設けた複数の凸形状（凸部）
１０６第２の導体板のスライド方向
２０１，２０２，２０３ｚ＝０におけるｘｙ断面図
２０４，２０５，２０６ｙ＝０におけるｚｘ断面図
２０７，２０８，２０９導波路上の電界形状
２１０，２１１，２１２導波路上を流れる電流経路
３００導波路の移相特性
４００移相器
４０１移相部
４０２整合部
４０３入力ポート
４０４出力ポート
５０１柱状導体
５０２高周波エネルギーの伝送路
６００フェーズドアレーアンテナ用の移相器
６０１第１の移相器
６０２第２の移相器
６０３第３の移相器
６０４第４の移相器
６０５移相部
６０６整合部
６０７入力ポート
６０８出力ポート
６０９信号源
６１０放射器
６１１放射ビーム
６１２ビーム方向
７００導波路
７０１第２の導体板の表面の一部に設けた複数の凹形状（凹部）
８０１，８０２，８０３ｚ＝０におけるｘｙ断面図
８０４，８０５，８０６ｙ＝０におけるｚｘ断面図
８０７，８０８，８０９導波路上の電界形状
８１０，８１１，８１２導波路上を流れる電流経路
９００移相器
９０１移相部
９０２整合部
９０３入力ポート
９０４出力ポート
１００１柱状導体
１００２高周波エネルギーの伝送路
１１００フェーズドアレーアンテナ用の移相器
１１０１第１の移相器
１１０２第２の移相器
１１０３第３の移相器
１１０４第４の移相器
１１０５移相部
１１０６整合部
１１０７入力ポート
１１０８出力ポート
１１０９信号源
１１１０放射器
１１１１放射ビーム
１１１２ビーム方向
１２００従来の導波路
１２０１第１の導体板
１２０２第２の導体板
１２０３リッジ状導体
１２０４柱状導体
１３００従来の移相器
１３０１，１３０２従来の導波路
１３０３，１３０４第１の導体板
１３０５，１３０６第２の導体板
１３０７入力ポート
１３０８出力ポート
１３０９貫通孔
１３１０高周波信号の伝送路
１３１１中間層
１３１２中間層のスライド方向
１３１３，１３１４深さが導波路波長の１／４の先端短絡孔
１３１５，１３１６リッジ状導体
１３１７，１３１８高さが１／４波長の柱状導体

Claims

互いの表面を対向させて配置した第１および第２の導体板を備え、
前記第１の導体板上にリッジ状導体と該リッジ状導体を挟む両側の領域に複数の柱状導体を有し、
前記第２の導体板の表面の一部に複数の凸形状もしくは複数の凹形状を有する、
ことを特徴とする導波路。
前記第１の導体板に対して前記第２の導体板が、前記第１の導体板上に設けた前記リッジ状導体と交差する方向に移動可能である、
ことを特徴とする請求項１の導波路。
互いに平行に配置され、隣接する前記導波路間で前記複数の凸形状もしくは前記複数の凹形状が一定の数だけ変化する複数の請求項１記載の導波路を備え、
前記平行に配置された複数の前記導波路における全ての前記第１の導体板は単一の部材の各一部分であり、
前記平行に配置された複数の前記導波路における全ての前記第２の導体板は前記単一の部材とは別の単一の部材の各一部分であり、
前記第１の導体板に対して前記第２の導体板が前記平行に配置した複数の前記導波路の前記リッジ状導体と交差する方向に移動可能である、
ことを特徴とする導波路。
前記第１の導体板、及び前記第２の導体板、及び前記リッジ状導体の内の少なくとも一つは、表面が導体の膜で覆われた絶縁体製の部材である、
請求項１から３の何れかの導波路。
請求項１から請求項４のいずれか一つの導波路を用いた装置。
所定の周波数帯の高周波を発信又は受信する装置に接続して用いられる導波路であって、
第１の導波部材と、
第２の導波部材と、
を備え、
前記第２の導波部材は前記第１の導波部材に間隙を介して対向する平面である遮蔽面を有し、
前記第１の導波部材は前記遮蔽面に沿って伸びる梁、及び前記遮蔽面に向けて伸びる複数の柱状体を有し、
前記第１の導波部材は前記複数の柱状体の前記遮蔽面側の先端とは逆側である基部を接続する基盤部を有し、
前記複数の柱状体は前記梁の側面を囲み、
前記複数の柱状体の先端は前記遮蔽面と非接触の状態にあり、
前記第２の導波部材は前記遮蔽面に囲まれた凸部又は凹部の何れか一方あるいは両方を有し、
前記凸部又は凹部は、少なくとも一部分が前記梁に対向し、
少なくとも、前記凸部表面又は前記凹部内面並びに前記遮蔽面及び前記梁の表面及び前記複数の柱状体の先端及び側面及び前記基盤部の表面は、導体製である、
導波路。
前記基部から測った場合の前記複数の柱状体の高さと、前記柱状体の先端と前記遮蔽面との間の間隙との和は、前記周波数帯における最高周波数の電磁波の自由空間波長の２分の１よりも小さい、
請求項６の導波路。
前記第２の導波部材は前記凸部又は凹部を複数個有し、
前記複数個の前記凸部又は凹部の内の二つ以上が前記梁に対向する、
請求項６又は７の導波路。
所定の周波数帯の高周波を発信又は受信する装置に接続して用いられる導波路であって、
第１の導波部材と、
第２の導波部材と、
前記第１の導波部材と前記第２の導波部材の相対位置を変更可能な駆動機構と、
を備え、
前記第２の導波部材は前記第１の導波部材に間隙を介して対向する平面である遮蔽面を有し、
前記第１の導波部材は前記遮蔽面に沿って伸びる梁、及び前記遮蔽面に向けて伸びる複数の柱状体を有し、
前記第１の導波部材は前記複数の柱状体の前記遮蔽面側の先端とは逆側である基部を接続する基盤部を有し、
前記第２の導波部材は前記遮蔽面に囲まれた凸部又は凹部の何れか一方あるいは両方を有し、
前記複数の柱状体の先端は前記遮蔽面と非接触の状態にあり、
前記凸部表面又は前記凹部内面並びに前記遮蔽面及び前記梁の表面及び前記複数の柱状体の先端及び側面及び前記基盤部の、少なくとも表面は導体製であり、
前記第２の導波部材は前記第１の導波部材に対して少なくとも第１の相対位置及び第２の相対位置をとることができ、
前記第１の相対位置及び前記第２の相対位置は、前記梁の伸びる方向に対して交差する方向において相対位置が異なり、
前記複数の柱状体は前記梁の側面を囲み、
少なくとも前記第１の相対位置において、前記凸部又は凹部の少なくとも一部分は、前記梁の前記遮蔽面側の面に対して第１の面積に亘って対向し、
前記凸部又は凹部が前記第２の相対位置において前記凸部又は凹部は前記梁の上側の面と対向する面積を第２の面積とするとき、前記第１の面積は前記第２の面積の間よりも大きい、
導波路。
前記基部から測った場合の前記複数の柱状体の高さと、前記柱状体の先端と前記遮蔽面との間の間隙との和は、前記周波数帯における最高周波数の電磁波の自由空間波長の２分の１よりも小さい、
請求項９の導波路。
前記第１の導波部材は前記凸部又は凹部を複数個有し、
前記複数個の前記凸部又は凹部の内の二つ以上が前記梁に対向する、
請求項９又は１０の導波路。
前記梁、及び該梁の側面を囲む前記複数の柱状体、及び前記梁の前記遮蔽面側の面に少なくとも一部分が対向可能な前記凸部又は凹部の組み合わせを、移相器と呼ぶとき、
前記導波路は前記移相器を複数個有し、
前記複数個の前記移相器の内の少なくとも二つについて、前記第１の面積と前記第２の面積との差の値が異なる、
請求項９から１１の何れかの導波路。
前記複数の前記導波構造が含む各々の梁は互いに平行である、
請求項１２の導波路。
前記駆動機構は、前記第１の導波部材及び第２の導波部材の相対位置を、前記第１の相対位置と前記第２の相対位置との間で相対位置を連続的に変更可能である、
請求項９から１３の何れかの導波路。
前記梁及び前記複数の柱状体は、前記第１の導波部材の一部であり、
前記梁及び前記複数の柱状体の基部は、各々前記基盤部に接続し、
前記凹部又は凸部は、前記第２の導波部材の一部である、
請求項９から１４の何れかの導波路。