JP6687303B2 - 変換器およびアンテナ装置 - Google Patents

Description

この発明は、導波管を伝搬する信号と平面回路を伝搬する信号とを相互に変換する変換器およびこれを備えたアンテナ装置に関する。

従来から、導波管を伝搬する信号と平面回路を伝搬する信号とを相互に変換する変換器が知られている。例えば、導波管とマイクロストリップ線路とを接続した変換器が、導波管からマイクロストリップ線路へ信号を伝搬させ、または、マイクロストリップ線路から導波管へ信号を伝搬させる。このような変換器は、マイクロ波帯またはミリ波帯の高周波信号を伝送させるアンテナ装置に広く用いられている。

例えば、特許文献１には、導波管と、誘電体基板および導体基板からなる多層基板とを備えた変換器が記載されている。多層基板における導波管が接続される側の面には接地板が設けられ、接地板とは反対側の面に導体パターンが形成されている。接地板の一部は開口しており、この開口部分を取り囲むように多層基板の内層に環状の導体パターンが形成されている。環状の導体パターンを、上記開口部分の端部から管内波長の４分の１波長の奇数倍のパターン幅とすることで、電波漏洩を防止するためのチョークとして機能する。

従来の変換器は、一般に、誘電体基板の正面に設けた導体パターンと背面に設けた接地導体との間を電気的に接続する多数のスルーホールを形成して電波漏洩を防止していた。これに対して、特許文献１に記載された変換器では、チョークとして機能する環状の導体パターンを形成することで、スルーホールを形成することなく、電波漏洩を防止することができる。

特開２０１７−８５４２０号公報

特許文献１に記載された変換器では、接地板の開口部分を取り囲むように、開口部分の端部から管内波長の４分の１波長の奇数倍のパターン幅の導体パターンを形成するため、小型化が制限されるという課題があった。
また、特許文献１に記載された変換器において、小型化を優先して環状の導体パターンを削除すると、導波管の直上から管内波長の４分の１波長の長さの導体パターンが残る。この導体パターンは先端が開放されているため、開放された先端部から不要な電波が放射される。

この発明は上記課題を解決するものであり、小型かつ電波の不要放射を抑圧することができる変換器およびこれを備えたアンテナ装置を得ることを目的とする。

この発明に係る変換器は、導波管、誘電体基板、導体パターン、接地導体、および１つまたは複数のスロットを備える。誘電体基板は、背面側に導波管の一方の端部が接続されている。導体パターンは、誘電体基板の正面に設けられ、一方の端部に信号の入出力端子を有し、他方の端部に電気的に開放された電気的開放部を有する。接地導体は、誘電体基板の背面に設けられる。スロットは、接地導体における導波管の一方の端部に覆われた領域に設けられる。この構成において、導体パターンの一部は、誘電体基板を介した導波管の一方の端部の直上に位置し、電気的開放部は、環状のパターンである。

この発明によれば、誘電体基板を介した導波管の一方の端部の直上に位置する導体パターンの一方の端部に環状のパターンの電気的開放部を有することで、特許文献１に記載されたチョーク構造を設ける必要がなく、より小型の変換器を実現できる。さらに、電気的開放部が環状のパターンであることから、チョークがなくても電波漏洩を防止することができる。これにより、小型かつ電波の不要放射を抑圧することができる。

この発明の実施の形態１に係る変換器の構成を示す上面図である。 実施の形態１に係る変換器を、図１のＡ−Ａ線で切った断面を示す断面矢示図である。 実施の形態１における導波管を示す斜視図である。 実施の形態１における導体パターンを示す平面図である。 実施の形態１における矩形状のスロットを有した接地導体を示す平面図である。 実施の形態１におけるＨ字形状のスロットを有した接地導体を示す平面図である。 変換器の不要放射特性の電磁界解析結果を示すグラフである。 この発明の実施の形態２に係る変換器の構成を示す上面図である。 実施の形態２に係る変換器の正面を示す平面図である。 この発明の実施の形態３に係る変換器の構成を示す上面図である。 実施の形態３に係る変換器の正面を示す平面図である。 実施の形態３に係る変換器の変形例の正面を示す平面図である。 実施の形態３に係る変換器の別の変形例の正面を示す平面図である。 実施の形態２に係る変換器と実施の形態３に係る変換器の不要放射特性の電磁界解析結果を示すグラフである。

以下、この発明をより詳細に説明するため、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る変換器１の構成を示す上面図である。図２は、変換器１を、図１のＡ−Ａ線で切った断面を示す断面矢示図である。図に示すｘ軸、ｙ軸およびｚ軸は、互いに直交する３軸であり、ｘ軸に平行な方向をｘ軸方向、ｙ軸に平行な方向をｙ軸方向、ｚ軸に平行な方向をｚ軸方向とする。ｘ軸方向のうち、矢印方向をプラスｘ方向と呼び、プラスｘ方向とは逆の方向をマイナスｘ方向と呼ぶ。ｙ軸方向のうち、矢印方向をプラスｙ方向と呼び、プラスｙ方向とは逆の方向をマイナスｙ方向と呼ぶ。ｚ軸方向のうち、矢印方向をプラスｚ方向と呼び、プラスｚ方向とは逆の方向をマイナスｚ方向と呼ぶ。ｘｙ平面において、ｚ軸を中心としたｘ軸からｙ軸への回転角度をΦとし、ｚｘ平面において、ｙ軸を中心としたｚ軸からｘ軸への回転角度をθとする。

変換器１は、導波管２を伝搬する信号と、導体パターン４を含んだ平面回路を伝搬する信号と、を相互に変換する。変換器１は、図１および図２に示すように、導波管２、誘電体基板３、導体パターン４、スロット５および接地導体６を備えて構成される。

導波管２は、一方の端部が誘電体基板３に接続されている中空導波管である。誘電体基板３は、導波管２が背面に接続され、導体パターン４が正面に形成されている。誘電体基板３は、樹脂材料で構成された平板状の部材である。誘電体基板３は単層基板であってもよいが、複数の誘電体基板と導体基板とが積層された多層誘電体基板であってもよい。

導体パターン４は、一方の端部に入出力端子４ｂが設けられ、他方の端部に電気的開放部４ａが設けられた帯状のパターンである。導体パターン４は、例えば、導電性の金属箔（銅箔など）を誘電体基板３の正面に圧着し、金属箔をパターニングすることにより形成される。導体パターン４は、パターニングされた金属板を誘電体基板３の正面に取り付けて形成してもよい。また、入出力端子４ｂには、信号が入出力される。電気的開放部４ａは、環状の導体パターンであり、電気的に開放されている。

導体パターン４の一部は、図１に示すように、誘電体基板３を介した導波管２の一方の端部の直上に位置している。誘電体基板３の背面には、図２に示すように、接地導体６が全面に形成されている。接地導体６における導波管２の一方の端部に覆われた領域には、スロット５が設けられる。

導体パターン４の一部は、誘電体基板３を介したスロット５の直上に位置している。
なお、図１および図２では、誘電体基板３の正面に設けられた導体パターン４が、接地導体６とともに、マイクロストリップ線路を構成している。ただし、導体パターン４は、接地導体６とともに、ストリップ線路、コプレーナ線路および接地導体付きのコプレーナ線路のうちのいずれかを構成してもよい。

図３は、導波管２を示す斜視図である。図３に示すように、導波管２は、金属製の管壁を有した中空の金属管である。また、導波管２のｘｙ断面は、図１に破線で示すように、ｙ軸に平行な長辺とｘ軸に平行な短辺とを有した長方形である。導波管２は、図２に示す開口縁部ｂで接地導体６に接合され、電気的に短絡されている。

なお、導波管２は任意の構成であるものとする。例えば、導波管２は、管内に誘電体が充填したものであってもよい。また、導波管２は、金属製の管壁に代えて、複数のスルーホールが形成された管壁を有し、管内に誘電体が充填したものであってもよい。導波管２は、ｘｙ断面である長方形の角部に曲率を持たせた形状であってもよく、リッジ型の導波管であってもよい。

電気的開放部４ａが形成される位置は、誘電体基板３を介した導波管２の直上の位置ａから、マイナスｘ方向に管内波長の２分の１波長の０倍または１以上の整数倍だけ離れた位置である。なお、位置ａは、誘電体基板３を介した導波管２の開口中心の直上の位置である。図１の例では、誘電体基板３を介した導波管２の直上の位置ａからマイナスｘ方向（入出力端子４ｂと対向する側）に管内波長の２分の１波長のゼロ倍だけ離れた位置、すなわち電気的開放部４ａが位置ａから形成されている。

電気的開放部４ａは、管内波長の２分の１波長の１以上の自然数倍の全周長さを有する環状のパターンである。電気的開放部４ａは、環状のパターンであって、先端開放部分が存在しないため、不要な電波の放射を抑圧することができる。

また、特許文献１に記載された変換器では、多数のスルーホールを形成することなく、不要な電波の漏洩を抑圧するために、スロット端部から管内波長の４分の１波長の奇数倍のパターン幅を有した環状の導体パターンをチョークとして設けていた。
これに対し、実施の形態１に係る変換器１は、電気的開放部４ａを有することにより、チョークとして機能する環状の導体パターンが不要である。例えば、導体パターン４は、スロット５を取り囲む部分がなく、特許文献１に記載された変換器に比べて、ｙ軸方向の寸法が削減される。これにより、変換器１は、上記従来の変換器に比べて小型化することができる。

図１の例では、電気的開放部４ａが、折り曲げ部４ａ−１および折り曲げ部４ａ−２を有した正三角形の環状のパターンである。三角形は、全周が管内波長の２分の３波長の環状、すなわち、一辺が管内波長の２分の１波長の長さである。折り曲げ部４ａ−１および折り曲げ部４ａ−２は、管内波長の２分の１波長の長さの位置で導体パターンを折り曲げて形成されている。これにより、折り曲げ部４ａ−１および折り曲げ部４ａ−２のそれぞれが電界の節となって原理的にはエネルギーが存在しないため、不要な電波の放射が発生しにくい。

なお、三角形の環状のパターンとした電気的開放部４ａは一例であり、四角以上の多角形状の環状パターンであってもよく、滑らかな曲線状の環状パターンであってもよい。
さらに、図１では、電気的開放部４ａのパターン幅の一部が、位置ａから折り曲げ部４ａ−１，４ａ−２へ向けてパターン幅が小さくなる、いわゆるテーパ状になっているが、電気的開放部４ａのパターン幅は任意であるものとする。

図４は、導体パターン４を示す平面図である。図４に示すように、導体パターン４は、電気的開放部４ａと入出力端子４ｂとに加え、スタブ４ｃ、変換部４ｄおよびインピーダンス変成部４ｅ〜４ｇを有する。スタブ４ｃおよびインピーダンス変成部４ｅ〜４ｇは、スタブ４ｃが有するインピーダンスと、導波管２が有するインピーダンスとを調整する、すなわち、反射整合をとる整合素子として機能する。

スタブ４ｃは、変換部４ｄのプラスｙ方向とマイナスｙ方向とにそれぞれ延びた導体のパターンであり、図１に示すように、誘電体基板３を介したスロット５の直上に設けられている。スタブ４ｃにおけるプラスｙ方向とマイナスｙ方向とに変換部４ｄから直線上に延びた長さは、管内波長の４分の１波長の長さに相当する。なお、スタブ４ｃは、先端が開放されている。

変換部４ｄとインピーダンス変成部４ｅ〜４ｇとは、パターン幅に対応した特性インピーダンスを有する。変換部４ｄは、パターン幅に対応した特性インピーダンスＺ_４ｄを有し、インピーダンス変成部４ｅは、パターン幅に対応した特性インピーダンスＺ_４ｅを有する。インピーダンス変成部４ｆは、パターン幅に対応した特性インピーダンスＺ_４ｆを有し、インピーダンス変成部４ｇは、パターン幅に対応した特性インピーダンスＺ_４ｇを有する。入出力端子４ｂは、パターン幅に対応した特性インピーダンスＺ_４ｂを有する。

仮に、入出力端子４ｂと変換部４ｄが隣り合わせで設けられた場合、入出力端子４ｂの特性インピーダンスＺ_４ｂと変換部４ｄの特性インピーダンスＺ_４ｄとの不整合に起因して不要な電波の放射が増大して電力の損失が大きくなる。そこで、実施の形態１における導体パターン４では、インピーダンス変成部４ｅ〜４ｇが変換部４ｄと入出力端子４ｂとの間のインピーダンス整合を行う。

インピーダンス変成部４ｅの特性インピーダンスＺ_４ｅは、入出力端子４ｂの特性インピーダンスＺ_４ｂよりも小さくかつ変換部４ｄの特性インピーダンスＺ_４ｄよりも大きい。すなわち、Ｚ_４ｄ＜Ｚ_４ｅ＜Ｚ_４ｂの関係が成り立つ。
インピーダンス変成部４ｆの特性インピーダンスＺ_４ｆは、入出力端子４ｂの特性インピーダンスＺ_４ｂと等しくかつインピーダンス変成部４ｅの特性インピーダンスＺ_４ｅよりも大きく、Ｚ_４ｅ＜Ｚ_４ｆ＝Ｚ_４ｂの関係が成り立つ。
インピーダンス変成部４ｇの特性インピーダンスＺ_４ｇは、インピーダンス変成部４ｆの特性インピーダンスＺ_４ｆと入出力端子４ｂの特性インピーダンスＺ_４ｂのいずれよりも小さくかつインピーダンス変成部４ｅの特性インピーダンスＺ_４ｅよりも大きい。Ｚ_４ｅ＜Ｚ_４ｇ＜Ｚ_４ｆ＝Ｚ_４ｂの関係が成り立つ。

実施の形態１に係る変換器１は、入出力端子４ｂよりも拡大されたパターン幅を有するインピーダンス変成部４ｅおよびインピーダンス変成部４ｇを備える。この構成を有することで、変換部４ｄと入出力端子４ｂとの間がインピーダンス整合されて電力の損失が低減される。なお、図４に示したスタブ４ｃ、変換部４ｄおよびインピーダンス変成部４ｅ〜４ｇは一例であり、反射整合条件に応じてスタブ４ｃの数およびインピーダンス変成部の段数は変更される。

図５は、矩形状のスロット５を有した接地導体６を示す平面図である。スロット５は、接地導体６における導波管２の一方の端部に覆われた領域、すなわち、開口縁部ｂに囲まれた領域に設けられる。図１から図５では、スロット５が、開口縁部ｂに囲まれた領域に１つだけ形成された場合を示したが、複数のスロット５を、開口縁部ｂに囲まれた領域に設けてもよい。接地導体６は、導電性の金属箔（銅箔など）を、誘電体基板３の背面側に圧着することで形成される。また、接地導体６は、誘電体基板３の背面に金属板を取り付けて形成してもよい。

図６は、Ｈ字形状のスロット５Ａを有した接地導体６を示す平面図である。これまで、矩形状のスロット５を示したが、図６に示すように、スロット５の代わりに、Ｈ字形状のスロット５Ａを接地導体６に設けてもよい。この場合においても、スロット５Ａは、接地導体６における導波管２の一方の端部に覆われた領域、すなわち、開口縁部ｂに囲まれた領域に設けられる。

次に動作について説明する。
例えば、導波管２から基本モードの信号が入力されると、入力された信号は、接地導体６に設けられたスロット５に結合する。スロット５と結合した信号は、導体パターン４と結合する。電気的開放部４ａは、管内波長の２分の１波長の１以上の自然数倍の全周長さを有した環状のパターン（図２では、管内波長の２分の３波長の全周長さ）である。このため、導体パターン４と結合した信号は、電気的開放部４ａで全反射されて、入出力端子４ｂへ伝搬される。

次に、実施の形態１に係る変換器１の構造の有効性について説明する。
図７は、変換器１および従来の変換器の不要放射特性の電磁界解析結果を示すグラフである。図７において、横軸は、ｚｘ平面におけるｙ軸を中心としたｚ軸からｘ軸への回転角度θであり、縦軸は、ｘｙ平面におけるｚ軸を中心としたｘ軸からｙ軸への回転角度Φに応じた不要な電波の放射量（ゲイン）である。図７は、Φ＝０（ｄｅｇ．）に対する、θ＝−９０（ｄｅｇ．）から＋９０（ｄｅｇ．）の間の不要電波の放射量を示している。

実線で示すデータＤ１は、図１および図２に示した変換器１の構造を電磁界解析して得られた不要放射特性を示すデータである。破線で示すデータＤ２は、変換器１の構成要素のうち、電気的開放部４ａおよびスタブ４ｃを有さない従来の変換器の構造を電磁界解析して得られた不要放射特性を示すデータである。図７に示すように、従来の変換器では、Φ＝０（ｄｅｇ．）における不要電波の最大放射量が、θ＝−６０（ｄｅｇ．）で−２（ｄＢ）である。一方、変換器１では、Φ＝０（ｄｅｇ．）における不要電波の最大放射量が、θ＝−６０（ｄｅｇ．）で−６．５４（ｄＢ）である。不要電波の放射量は、ΔＧ＝４．５４（ｄＢ）だけ改善している。なお、この有効性は、後述する実施の形態２および実施の形態３に係る変換器においても同様である。

以上のように、実施の形態１に係る変換器１において、誘電体基板３を介した導波管２の一方の端部の直上に位置する導体パターン４の一方の端部に環状のパターンの電気的開放部４ａを有している。このため、変換器１は、特許文献１に記載されたチョーク構造が不要であり、小型化を実現することができる。電気的開放部４ａが環状のパターンであることから、チョークがなくても、電波漏洩を防止することができる。これにより、変換器１は、小型かつ電波の不要放射を抑圧することができる。

実施の形態１に係る変換器１において、導体パターン４は、電気的開放部４ａから入出力端子４ｂに向けて延びた帯状のパターンである。帯状のパターンは、異なる特性インピーダンスとなる複数のパターン幅をそれぞれ有する。これにより、帯状のパターンにおけるインピーダンスが整合されて、電力損失が低減される。

実施の形態１に係る変換器１において、電気的開放部４ａは、管内波長の２分の１波長の１以上の自然数倍の全周長さを有した環状のパターンである。例えば、電気的開放部４ａは、１辺が管内波長の２分の１波長の長さである正三角形の環状のパターンであり、同じパターン幅の環状のパターンまたは一部のパターン幅が異なる環状のパターンである。電気的開放部４ａには、先端開放部分が存在しないことから、不要な電波の放射を抑圧することができる。また、管内波長の４分の１波長の奇数倍の長さを有したチョークが不要であるため、変換器１の小型化を実現できる。

実施の形態２．
図８は、この発明の実施の形態２に係る変換器１Ａの構成を示す上面図である。また、図９は、実施の形態２に係る変換器１Ａの正面を示す平面図である。変換器１Ａは、導波管２を伝搬する信号と、導体パターン７を含む平面回路を伝搬する信号とを相互に変換する。変換器１Ａは、図８および図９に示すように、導波管２、誘電体基板３、スロット５、導体パターン７、浮遊導体８ａおよび浮遊導体８ｂを備え、図２と同様に、誘電体基板３の背面側には、接地導体６が設けられている。図８に示すように、位置ａは誘電体基板３を介した導波管２の開口中心の直上の位置である。図９に示すように、ｃは変換部７ｃのパターン幅である。浮遊導体８ａおよび浮遊導体８ｂは、ｙ軸方向の長さがＬ２、ｘ軸方向の長さがＬ３の矩形状の導体パターンである。

導体パターン７は、電気的開放部７ａと入出力端子７ｂとに加えて、変換部７ｃおよびインピーダンス変成部７ｄを有する。浮遊導体８ａおよび浮遊導体８ｂの一部は、誘電体基板３を介した導波管２の一方の端部の直上に位置し、誘電体基板３を介したスロット５の直上にも位置している。浮遊導体８ａおよび浮遊導体８ｂのそれぞれと変換部７ｃとの間は、図９に示すように間隔Ｌ１だけ離れている。浮遊導体８ａと浮遊導体８ｂとは、位置ａを通るｘ軸対称の位置関係にある。また、Ｌ３はＬ２よりも長く、Ｌ２はＬ１よりも長い。

電気的開放部７ａは、管内波長の２分の１波長の１以上の自然数倍の全周長さを有する環状のパターンである。また、電気的開放部７ａは、環状のパターンであって、先端開放部分が存在しないため、不要な電波の放射を抑圧することができる。電気的開放部７ａを設けることで、特許文献１に記載された管内波長の４分の１波長の奇数倍のパターン幅を有するチョークが不要になる。このため、変換器１Ａは、従来の変換器に比べて小型化することができる。

図８および図９では、電気的開放部７ａが、折り曲げ部７ａ−１および折り曲げ部７ａ−２を有した正三角形の環状のパターンである。この三角形は、一辺が管内波長の２分の１波長分の長さであり、全周が管内波長の２分の３波長の長さである。折り曲げ部７ａ−１および折り曲げ部７ａ−２は、管内波長の２分の１波長の長さの位置で導体パターンを折り曲げて形成されている。これにより、折り曲げ部７ａ−１および折り曲げ部７ａ−２のそれぞれが電界の節となって原理的にはエネルギーが存在しないため、不要な電波の放射が発生しにくい。

なお、三角形の環状のパターンとした電気的開放部７ａは一例であり、四角以上の多角形状の環状パターンであってもよく、滑らかな曲線状の環状パターンであってもよい。
電気的開放部７ａのパターン幅の一部がテーパ状になっているパターンを例示したが、電気的開放部７ａのパターン幅は任意であるものとする。

実施の形態１に係る変換器１では、電気的開放部４ａの位置が、誘電体基板３を介した導波管２の直上の位置ａから管内波長の２分の１波長のゼロ倍だけ離れた位置であった。これに対し、実施の形態２に係る変換器１Ａでは、電気的開放部７ａが、誘電体基板３を介した導波管２の直上の位置ａから管内波長の２分の１波長だけ離れた位置に形成されている。

また、実施の形態１に係る変換器１では、スタブ４ｃおよびインピーダンス変成部４ｅ〜４ｇによって、変換部４ｄが有する特性インピーダンスＺ_４ｄと入出力端子４ｂが有する特性インピーダンスＺ_４ｂとを調整していた。これに対して、実施の形態２に係る変換器１Ａでは、インピーダンス変成部７ｄ、浮遊導体８ａおよび浮遊導体８ｂによって、変換部７ｃが有する特性インピーダンスと入出力端子７ｂが有する特性インピーダンスとを調整している。

浮遊導体８ａおよび浮遊導体８ｂのそれぞれと変換部７ｃとは間隔Ｌ１だけ離れているので、変換部７ｃにおいて寄生キャパシタンスまたは寄生インダクタ成分が付加される。これによって、変換部７ｃと入出力端子７ｂとの間のインピーダンスの急激な変化を緩和することが可能であり、変換器１Ａは、電力の損失を効果的に低減できる。
なお、実施の形態２に係る変換器１Ａは、変換部７ｃと入出力端子７ｂとの間のインピーダンスの急激な変化を緩和できるので、広帯域の信号を扱うことが可能となる。
図８および図９に示す浮遊導体８ａおよび浮遊導体８ｂの形状は一例であり、五角以上の多角形状または滑らかな曲線状の形状であってもよい。

以上のように、実施の形態２に係る変換器１Ａは、誘電体基板３の正面上に設けられた浮遊導体８ａおよび浮遊導体８ｂを備えている。浮遊導体８ａおよび浮遊導体８ｂのそれぞれの一部は、誘電体基板３を介した導波管２の一方の端部の直上に位置している。このように構成することにより、実施の形態１と同様の効果が得られ、さらに導体パターン７における変換部７ｃと入出力端子７ｂとの間のインピーダンスの急激な変化が緩和されるので、広帯域の信号を扱うことが可能となる。

実施の形態３．
図１０は、この発明の実施の形態３に係る変換器１Ｂの構成を示す上面図である。また、図１１は、実施の形態３に係る変換器１Ｂの正面を示す平面図である。変換器１Ｂは、導波管２を伝搬する信号と導体パターン７を含む平面回路を伝搬する信号とを相互に変換する。変換器１Ｂは、図１０および図１１に示すように、導波管２、誘電体基板３、スロット５、導体パターン７、浮遊導体８ａおよび浮遊導体８ｂを備えており、図２に示した変換器１と同様に、誘電体基板３の背面側には接地導体６が設けられている。図１０に示すように、位置ａは、誘電体基板３を介した導波管２の開口中心の直上の位置である。図１１において、ｃは、変換部７ｃのパターン幅である。浮遊導体８ａおよび浮遊導体８ｂは、ｙ軸方向の長さがＬ２、ｘ軸方向の長さがＬ３の矩形状の導体パターンである。

実施の形態２に係る変換器１Ａにおいて、浮遊導体８ａおよび浮遊導体８ｂは、図９に示したように、ｙ軸方向の長さがＬ２、ｘ軸方向の長さがＬ３の矩形状の導体パターンであった。これに対して、実施の形態３に係る変換器１Ｂが備える浮遊導体８ａおよび浮遊導体８ｂは、図１１に示すように、浮遊導体の一部に四角形の切り欠き部９ａおよび切り欠き部９ｂを備えている。２つの切り欠き部９ａおよび２つの切り欠き部９ｂのそれぞれは、誘電体基板３を介して、スロット５の長手方向（ｙ軸方向）に沿った同一の直線上に配置されている。

導体パターン７は、電気的開放部７ａと入出力端子７ｂとに加えて、変換部７ｃおよびインピーダンス変成部７ｄを有する。浮遊導体８ａおよび浮遊導体８ｂの一部は、誘電体基板３を介した導波管２の一方の端部の直上に位置し、誘電体基板３を介したスロット５の直上にも位置している。浮遊導体８ａおよび浮遊導体８ｂのそれぞれと変換部７ｃとの間は、図１１に示すように間隔Ｌ１だけ離れている。浮遊導体８ａと浮遊導体８ｂとは、位置ａを通るｘ軸対称の位置関係にある。また、Ｌ３は、Ｌ２よりも長く、Ｌ２は、Ｌ１よりも長い。

電気的開放部７ａは、管内波長の２分の１波長の１以上の自然数倍の全周長さを有する環状のパターンである。また、電気的開放部７ａは、環状のパターンであって、先端開放部分が存在しないため、不要な電波の放射を抑圧することができる。電気的開放部７ａを設けることで、特許文献１に記載された管内波長の４分の１波長の奇数倍のパターン幅を揺するチョークが不要になる。このため、変換器１Ａは、従来の変換器に比べて小型化することができる。

図１０および図１１では、電気的開放部７ａが、折り曲げ部７ａ−１および折り曲げ部７ａ−２を有した正三角形の環状のパターンである。この三角形は、一辺が管内波長の２分の１波長分の長さであり、全周が管内波長の２分の３波長の長さである。折り曲げ部７ａ−１および折り曲げ部７ａ−２は、管内波長の２分の１波長の長さの位置で導体パターンを折り曲げて形成されている。これにより、折り曲げ部７ａ−１および折り曲げ部７ａ−２のそれぞれが電界の節となって原理的にはエネルギーが存在しないため、不要な電波の放射が発生しにくい。

なお、電気的開放部７ａが三角形の環状パターンである構成を示したが、これは、一例であり、四角以上の多角形の環状パターンであってもよいし、滑らかな曲線状の環状パターンであってもよい。また、電気的開放部７ａのパターン幅の一部がテーパ状になっているパターンを例示したが、電気的開放部７ａのパターン幅は任意であるものとする。

実施の形態１に係る変換器１では、電気的開放部４ａの位置が、誘電体基板３を介した導波管２の直上の位置ａから管内波長の２分の１波長のゼロ倍だけ離れた位置であった。これに対して、実施の形態３に係る変換器１Ｂでは、電気的開放部７ａが、誘電体基板３を介した導波管２の直上の位置ａから管内波長の２分の１波長だけ離れた位置に形成されている。

また、実施の形態１に係る変換器１では、スタブ４ｃおよびインピーダンス変成部４ｅ〜４ｇによって、変換部４ｄが有する特性インピーダンスＺ_４ｄと入出力端子４ｂが有する特性インピーダンスＺ_４ｂとを調整していた。これに対して、実施の形態３に係る変換器１Ｂでは、インピーダンス変成部７ｄ、浮遊導体８ａおよび浮遊導体８ｂによって、変換部７ｃが有する特性インピーダンスと入出力端子７ｂが有する特性インピーダンスとを調整している。

浮遊導体８ａが備える切り欠き部９ａと浮遊導体８ｂが備える切り欠き部９ｂは、浮遊導体上で電界が節となる位置に配置されている。切り欠き部９ａおよび切り欠き部９ｂによって、浮遊導体８ａおよび浮遊導体８ｂの端部を中心として広く分布していた電流が、切り欠き部９ａおよび切り欠き部９ｂに集中する。四角形である切り欠き部９ａおよび切り欠き部９ｂのｙ軸方向の２辺に電流がそれぞれに対して反対方向に流れ、２辺の間隔が波長に対して短いため、電流による放射のほとんどが打ち消される。また、四角形である切り欠き部９ａおよび切り欠き部９ｂのｘ軸方向の１辺に流れる電流は、１辺が波長に対して短いため、効率よく空間へ放射されない。以上の原理によって、浮遊導体８ａおよび浮遊導体８ｂが備える切り欠き部９ａおよび切り欠き部９ｂによって、不要放射を抑圧することが可能である。

図１０および図１１に示す浮遊導体８ａおよび浮遊導体８ｂの形状は、矩形状の導体の一部に四角形の切り欠きを設けた浮遊導体の一例である。図１２および図１３は、実施の形態３に係る変換器１Ｂの変形例の正面を示す平面図である。図１２に示すように、浮遊導体８ａおよび浮遊導体８ｂは、五角以上の多角形状であってもよいし、図１３に示すように、滑らかな曲線形状の輪郭線を一部に有した形状であってもよい。また、図１０から図１３までに示した切り欠き部９ａおよび切り欠き部９ｂの形状も一例であって、三角形以上の多角形状または滑らかな曲線状の輪郭線を有した形状であってもよい。

次に、実施の形態３に係る変換器１Ｂの構造の有効性について説明する。
図１４は、実施の形態２に係る変換器１Ａと実施の形態３に係る変換器１Ｂの不要放射特性の電磁界解析結果を示すグラフである。図１４において、横軸は、ｚｘ平面におけるｙ軸を中心としたｚ軸からｘ軸への回転角度θであり、縦軸は、ｘｙ平面におけるｚ軸を中心としたｘ軸からｙ軸への回転角度Φに応じた不要な電波の放射量（ゲイン）である。図１４は、Φ＝０（ｄｅｇ．）に対する、θ＝−９０（ｄｅｇ．）の間の不要電波の放射量を示している。

図１４において、実線で示すデータＤ４は、図１０および図１１に示した変換器１Ｂの構造を電磁界解析して得られた不要放射特性を示すデータである。破線で示すデータＤ３は、図８および図９に示した変換器１Ａの構造を電磁界解析して得られた不要放射特性を示すデータである。変換器１Ａでは、Φ＝０（ｄｅｇ．）における不要電波の最大放射量が、θ＝０（ｄｅｇ．）で−５．１３（ｄＢ）である。一方、変換器１Ｂでは、Φ＝０（ｄｅｇ．）における不要電波の最大放射量が、θ＝０（ｄｅｇ．）で−８．１０（ｄＢ）である。不要電波の放射量は、変換器１Ｂにおいて、ΔＧ１＝２．９７（ｄＢ）だけ改善している。

以上のように、実施の形態３に係る変換器１Ｂは、誘電体基板３の正面上に設けられた浮遊導体８ａおよび浮遊導体８ｂの一部に設けられた四角形の切り欠き部９ａおよび切り欠き部９ｂを備える。切り欠き部９ａおよび切り欠き部９ｂは、誘電体基板３を介して、スロット５の長手方向（ｙ軸方向）に沿った同一の直線上に配置されている。この構成を有することにより、実施の形態１と同様の効果が得られ、さらに浮遊導体８ａおよび浮遊導体８ｂからの放射が低減される。

実施の形態１に係る変換器１、実施の形態２に係る変換器１Ａおよび実施の形態３に係る変換器１Ｂは、アンテナ装置に搭載してもよい。この場合、変換器１、変換器１Ａおよび変換器１Ｂのそれぞれが小型化できるので、これらのいずれかを備えたアンテナ装置についても小型化することが可能である。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内において、実施の形態のそれぞれの自由な組み合わせまたは実施の形態のそれぞれの任意の構成要素の変形もしくは実施の形態のそれぞれにおいて任意の構成要素の省略が可能である。

この発明に係る変換器は、小型かつ電波の不要放射を抑圧することができるので、例えば、車載用のアンテナ装置に利用することが可能である。

１，１Ａ，１Ｂ 変換器、２ 導波管、３ 誘電体基板、４，７ 導体パターン、４ａ，７ａ 電気的開放部、４ａ−１，４ａ−２，７ａ−１，７ａ−２ 折り曲げ部、４ｂ，７ｂ 入出力端子、４ｃ スタブ、４ｄ，７ｃ 変換部、４ｅ〜４ｇ，７ｄ インピーダンス変成部、５，５Ａ スロット、６ 接地導体、８ａ，８ｂ 浮遊導体、９ａ，９ｂ 切り欠き部。

Claims (15)

1. 導波管と、
   前記導波管の一方の端部が背面側に接続された誘電体基板と、
   前記誘電体基板の正面に設けられ、一方の端部に信号の入出力端子を有し、他方の端部に電気的に開放された電気的開放部を有した導体パターンと、
   前記誘電体基板の背面に設けられた接地導体と、
   前記接地導体における前記導波管の一方の端部に覆われた領域に設けられた１つまたは複数のスロットとを備え、
   前記導体パターンの一部は、前記誘電体基板を介した前記導波管の一方の端部の直上に位置し、
   前記電気的開放部は、環状のパターンであること
   を特徴とする変換器。
2. 前記導体パターンは、前記電気的開放部から前記入出力端子に向けて延びた帯状のパターンであり、
   前記帯状のパターンは、異なる特性インピーダンスとなる複数のパターン幅をそれぞれ有すること
   を特徴とする請求項１記載の変換器。
3. 前記誘電体基板の正面に設けられた浮遊導体を備え、
   前記浮遊導体の一部は、前記誘電体基板を介した前記導波管の一方の端部の直上に位置すること
   を特徴とする請求項１記載の変換器。
4. 前記導体パターンは、マイクロストリップ線路、ストリップ線路、コプレーナ線路および前記接地導体を有するコプレーナ線路のうちのいずれかを構成すること
   を特徴とする請求項１記載の変換器。
5. 前記電気的開放部は、前記誘電体基板を介した前記導波管の一方の端部の直上の位置から、前記入出力端子と対向する側に管内波長の２分の１波長の０倍または１以上の整数倍だけ離れた位置にあること
   を特徴とする請求項１記載の変換器。
6. 前記電気的開放部は、管内波長の２分の１波長の１以上の自然数倍の全周長さの環状のパターンであること
   を特徴とする請求項１記載の変換器。
7. 前記電気的開放部は、１辺が管内波長の２分の１波長の長さである三角形の環状のパターンであること
   を特徴とする請求項１記載の変換器。
8. 前記電気的開放部は、同じパターン幅の環状のパターンまたは一部のパターン幅が異なる環状のパターンであること
   を特徴とする請求項１記載の変換器。
9. 前記浮遊導体は、矩形状または多角形状のパターンであること
   を特徴とする請求項３記載の変換器。
10. 前記浮遊導体は、少なくとも一つ以上の切り欠き部を有し、
    前記切り欠き部は、前記誘電体基板を介して前記スロットの長手方向に沿った直線上に配置されること
    を特徴とする請求項３または請求項９記載の変換器。
11. 前記スロットは、矩形状またはＨ字形状であること
    を特徴とする請求項１記載の変換器。
12. 前記誘電体基板は、複数の基板で構成された多層誘電体基板であること
    を特徴とする請求項１記載の変換器。
13. 前記導波管は、金属製の管壁を有した中空導波管であること
    を特徴とする請求項１記載の変換器。
14. 前記導波管は、金属製の管壁を有し、一部に誘電体が充填されている、または、管壁に複数のスルーホールが形成され、一部に誘電体が充填されていること
    を特徴とする請求項１記載の変換器。
15. 請求項１から請求項１４のいずれか１項記載の変換器を備えたアンテナ装置。

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