JP7162540B2 - 導波管－伝送線路変換器、導波管スロットアンテナ、および導波管スロットアレーアンテナ - Google Patents

Description

本発明は、伝送線路と導波管とを備えた導波管－伝送線路変換器と、導波管－伝送線路変換器を備えて構成された導波管スロットアンテナおよび導波管スロットアレーアンテナに関する。

導波管－伝送線路変換器は、導波管と伝送線路との間で高周波信号を伝送するために広く用いられている。導波管の端部で伝送線路に変換するエンドラウンチ型の変換器では、以下のような方法により変換を行うことが一般的である。すなわち、導波管の広壁面が伝送線路の延伸方向と垂直になるように、導波管と伝送線路とが配置される。そして、導波管端部に広壁面と長手方向が平行になるスロットが設けられ、スロットを介して導波管と伝送線路との変換が行われる（例えば、特許文献１参照）。

また、別の方法で変換する従来例では、以下のような構成のものもある。すなわち、導波管の端部に誘電体基板とビアとからなる誘電体導波管が設けられている。導波管の中心からオフセットした位置には、スロットが設けられている。導波管の広壁面に対してスロットの長手方向は、垂直になっている。さらに、伝送線路の信号線の延伸方向が導波管の広壁面と平行になるように、導波管と伝送線路とが配置されている。このような構成により、スロットと誘電体導波管を介して、導波管と伝送線路との変換が行われる（例えば、特許文献２参照）。

国際公開第２０１１／１０２３００号 特許第５３７７０７０号公報

特許文献１では、導波管の端部において、導波管の広壁面と伝送線路の延伸方向とが垂直になるように、導波管と伝送線路が配置されている。従って、特許文献１に係る変換器は、導波管の広壁面の大きさに依存して、伝送線路の幅方向に大きい形状となる。この結果、伝送線路の延伸方向が平行になるように複数の変換器を配列する場合には、その最小間隔は、導波管の広壁の長さによって制限される。

従って、特許文献１に係る変換器は、密な配置ができない構造となってしまい、装置の大型化を招いてしまう課題がある。さらに、変換器を備えたアレーアンテナを製作する場合には、装置の大型化に伴い、グレーティングローブという不要放射が発生し、放射特性が劣化する要因となる。

特許文献２に係る変換器では、導波管の広壁面と伝送線路の延伸方向とが平行になるように配置されている。このため、特許文献２に係る変換器は、特許文献１に係る変換器よりも密な配置が可能である。しかしながら、特許文献２に係る変換器では、変換のために形成されている誘電体導波管の広壁面が、伝送線路の延伸方向に対して垂直に配置されている。従って、特許文献２に係る変換器では、誘電体導波管のカットオフ周波数が高周波信号の周波数以下の範囲までしか、広壁面の大きさを小型化できない。

本発明は、これらの課題を解決するためになされたものであり、装置サイズが大型化することを抑制することのできる導波管－伝送線路変換器、導波管スロットアンテナ、および導波管スロットアレーアンテナを得ることを目的とする。

本発明に係る導波管－伝送線路変換器は、信号線と地導体を有する伝送線路、および狭壁面および広壁面を有し、端部である短絡面が地導体の一部と接続される導波管を備え、導波管は、広壁面および短絡面が信号線の延伸方向に平行であり、短絡面において信号線の延伸方向と交差する交差部分を有し、両端が信号線の延伸方向に対し、互いに逆向きに延びたスロットが設けられているものである。

また、本発明に係る導波管スロットアンテナは、本発明に係る導波管－伝送線路変換器を備え、第２の導波管の１対の狭壁面のうち導波管と接続されていない狭壁面に、第２の導波管を流れる電流を遮るように放射スロットが設けられているものである。

さらに、本発明に係る導波管スロットアレーアンテナは、本発明に係る導波管スロットアンテナを複数備え、複数の導波管スロットアンテナが、それぞれの伝送線路の延伸方向が平行になるように配列されることで構成されたものである。

本発明によれば、導波管の広壁面が伝送線路の延伸方向と平行になる構成を備えている。この結果、装置サイズが大型化することを抑制することのできる導波管－伝送線路変換器、導波管スロットアンテナ、および導波管スロットアレーアンテナを得ることができる。

本発明の実施の形態１における導波管－伝送線路変換器の透視図である。 本発明の実施の形態１における導波管－伝送線路変換器の上面図である。 本発明の実施の形態１における導波管－伝送線路変換器の、図２に示したａ－ａ断面図である。 本発明の実施の形態１におけるマイクロストリップ線路の磁界分布を示した図である。 本発明の実施の形態１におけるスロットの磁流を示した図である。 本発明の実施の形態１における方形導波管の基本モードの磁界分布を示した図である。 本発明の実施の形態１における信号線に、インピーダンス変成器を備えた場合のパターン図である。 本発明の実施の形態１における導波管－伝送線路変換器に適用されるスロットであり、図１とは異なるスロット形状を示した図である。 本発明の実施の形態２における導波管－伝送線路変換器の透視図である。 本発明の実施の形態３における導波管スロットアンテナの透視図である。 本発明の実施の形態４における導波管スロットアレーアンテナの斜視図である。

以下、本発明の導波管－伝送線路変換器、導波管スロットアンテナ、および導波管スロットアレーアンテナの好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。なお、以下の説明では、導波管における端部の短絡面で伝送線路に変換するエンドラウンチ型の変換器のことを、単に「導波管－伝送線路変換器」と称して説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における導波管－伝送線路変換器の透視図である。図２は、本発明の実施の形態１における導波管－伝送線路変換器の上面図である。さらに、図３は、本発明の実施の形態１における導波管－伝送線路変換器の、図２に示したａ－ａ断面図である。実施の形態１に係る導波管－伝送線路変換器は、金属シャーシ１、信号線２、地導体３、スロット４、および誘電体基板５を含んで構成されている。

金属シャーシ１および地導体３により、導波管としての方形導波管１１が構成されている。また、信号線２、地導体３、および誘電体基板５を含んで、伝送線路としてのマイクロストリップ線路２１が構成されている。

ここで、方形導波管１１における広壁面１１ａとは、ｙ－ｚ平面に延びた壁面のことである。また、方形導波管１１における狭壁面１１ｂとは、ｘ－ｚ平面に延びた壁面のことである。さらに、方形導波管１１における短絡面１１ｃとは、図３に示したように、方形導波管１１の端部であり、地導体３と接続される面のことである。

信号線２は、方形導波管１１の広壁面１１ａに平行、かつ方形導波管１１の短絡面１１ｃと平行な方向に延びている。信号線２の先端は、開放されている。図１～図３では、詳細な図示を省略しているが、方形導波管１１は、＋ｚ方向に十分に長く、マイクロストリップ線路２１は、－ｙ方向に十分に長いものとする。

方形導波管１１の短絡面１１ｃは、地導体３の一部によって構成されている。方形導波管１１の短絡面１１ｃには、スロット４が設けられている。スロット４は、マイクロストリップ線路２１の延伸方向に対して垂直に交差する第１スロット部４１を有する。ここで、マイクロストリップ線路２１の延伸方向とは、信号線２の延伸方向、すなわち信号線２の長手方向に相当する。また、スロット４は、第１スロット部４１からマイクロストリップ線路２１の延伸方向に平行かつ互いに逆向きに延びた第２スロット部４２および第３スロット部４３を有している。

そして、図２に示すように、ｘ軸方向に延びた第１スロット部４１の一端には、－ｙ方向に延びた第２スロット部４２が接続され、第１スロット部４１の他端には、＋ｙ方向に延びた第３スロット部４３が接続されている。

さらに、第１スロット部４１は、誘電体基板５を挟んで信号線２と交差する交差部分を有するように配置されている。図２においては、この交差部分を黒で塗りつぶした領域として示している。すなわち、図１および図２に示したスロット４は、短絡面１１ｃにおいて信号線２の延伸方向と交差する交差部分を有するとともに、両端が信号線２の延伸方向に対し、互いに逆向きに延びて構成されている。

次に、本実施の形態１における導波管－伝送線路変換器の動作について、詳細に説明する。図４は、本発明の実施の形態１におけるマイクロストリップ線路２１の磁界分布を示した図である。この図４は、先の図２におけるｂ－ｂ断面でのマイクロストリップ線路２１の磁界分布に相当する。

また、図５は、本発明の実施の形態１におけるスロット４の磁流を示した図である。さらに、図６は、本発明の実施の形態１における方形導波管１１の基本モードの磁界分布を示した図である。マイクロストリップ線路２１に高周波信号が給電されると、図２に矢印で示した進行方向に高周波信号が伝搬する。この結果、図４に点線矢印として示すように、信号線２の周囲において回転した磁界が生じる。一方、スロット４は、方形導波管１１の短絡面１１ｃの電流を切る向きに配置されている。このため、スロット４においては、図５に矢印として示すような磁流が生じる。

方形導波管１１の基本モードにおける磁界分布は、図６に示す通りであり、図５に示したスロット４の磁流と同じ成分を持つ。このため、方形導波管１１は、スロット４を介して、マイクロストリップ線路２１と結合する。従って、マイクロストリップ線路２１を伝搬してきた高周波信号を、大きな反射を生じることなく、方形導波管１１に伝搬させることが可能となる。

方形導波管１１の広壁面１１ａは、マイクロストリップ線路２１の延伸方向と平行である。このため、方形導波管１１の広壁面１１ａのサイズによって、信号線２の幅方向が大型化することがない。また、方形導波管１１の短絡面１１ｃに設けられたスロット４に関する、信号線２の幅方向の長さは、方形導波管１１の狭壁面１１ｂよりも短い。

従って、本実施の形態１に係る導波管－伝送線路変換器は、信号線２の延伸方向が平行となる方向に、互いに密に配列させることが可能であり、小型なエンドラウンチ型の導波管－伝送線路変換器を得ることができる。また、本実施の形態１に係る導波管－伝送線路変換器は、信号線２の延伸方向が平行となる方向に互いに密に配列可能であることから、アレーアンテナの給電回路として用いられた場合にも、グレーティングローブの発生しない放射パターンを得ることができる。

実施の形態１において、マイクロストリップ線路２１は、先端が開放されており、オープンスタブとして動作している。ここで、マイクロストリップ線路２１において、誘電体基板５の波長短縮効果を考慮した波長をλｇとする。この場合、マイクロストリップ線路２１に関して、スロット４の中心位置から見て、０からλｇ／４の長さであれば、高周波信号に対して容量性を付加させることができ、λｇ／４からλｇ／２の長さであれば、高周波信号に対して誘導性を付加させることができる。この結果、導波管と伝送線路との整合を図ることが容易となる。

なお、以上の説明では、マイクロストリップ線路２１をオープンスタブとして動作させているが、信号線２の先端を地導体３と短絡させて、マイクロストリップ線路２１をショートスタブとしても動作させてもよい。

図７は、本発明の実施の形態１における信号線２に、インピーダンス変成器を備えた場合のパターン図である。信号線２に１／４λｇの長さのインピーダンス変成器６を備えることで、インピーダンスの実部を変換することができる。このような構成によっても、導波管と伝送線路との整合を図ることが容易となる。

本実施の形態１では、伝送線路をマイクロストリップ線路２１としているが、マイクロストリップ線路２１の代わりに、伝送線路をサスペンデッド線路あるいは同軸線路としてもよい。サスペンデッド線路あるいは同軸線路を伝送線路として用いることにより、伝送線路における高周波信号の漏洩を防止することができる。また、誘電体基板５を排除した伝送線路を用いることで、変換に伴う電力損失を低減させることができる。

また、スロット形状は、図１に示したような形状には限定されない。図８は、本発明の実施の形態１における導波管－伝送線路変換器に適用されるスロット４であり、図１とは異なるスロット形状を示した図である。図１では、第１スロット部４１に対して、第２スロット部４２および第３スロット部４３を直角に組合せることで、方形導波管１１とマイクロストリップ線路２１とが結合しやすい形状のスロット４を構成していた。

これに対して、図８に示すように、信号線２の延伸方向に対して１本のスロット４を斜めに交差させることによっても、方形導波管１１とマイクロストリップ線路２１を結合させやすくすることができる。また、図１において、スロット４は、直角でない角度で曲がるように形成されてもよく、Ｓ字のような曲線を描いていてもよい。

すなわち、スロット４は、短絡面１１ｃにおいて信号線２の延伸方向と交差する交差部分を有するとともに、両端が信号線２の延伸方向に対し、互いに逆向きに延びて構成されていればよい。

なお、実施の形態１では、信号線２、地導体３、および誘電体基板５によって構成されたマイクロストリップ線路２１を介して給電し、方形導波管１１に変換される例を示した。しかしながら、相反定理より、方形導波管１１から給電し、マイクロストリップ線路２１に変換されるようにすることもできる。

実施の形態２．
上述した実施の形態１では、マイクロストリップ線路２１から方形導波管１１に変換するエンドラウンチ型の導波管－伝送線路変換器について説明した。これに対して、本実施の形態２では、方形導波管１１に対して、第２の導波管に相当する方形導波管１２をさらに接続し、高周波信号を、マイクロストリップ線路２１から方形導波管１１を介して、方形導波管１２によって２分配する場合について説明する。

図９は、本発明の実施の形態２における導波管－伝送線路変換器の透視図である。ここで、方形導波管１１における接続面１１ｄとは、短絡面１１ｃと対向し、ｘ－ｙ平面に延びた面のことである。また、方形導波管１２における広壁面１２ａとは、ｙ－ｚ平面に延びた壁面のことである。また、方形導波管１２における狭壁面１２ｂとは、ｘ－ｙ平面に延びた壁面のことである。なお、以下では、方形導波管１２における一対の狭壁面１２ｂのうち、方形導波管１１と接続される側の面を接続面１２ｂ１と称し、接続面１２ｂ１と対向する側の面を対向面１２ｂ２と称して説明する。

本実施の形態２に係る導波管－伝送線路変換器は、方形導波管１１の接続面１１ｄに、方形導波管１２が、一対の狭壁面１２ｂのうちの接続面１２ｂ１側によって接続されている。従って、方形導波管１１における１対の広壁面１１ａのそれぞれは、方形導波管１２における１対の広壁面１２ａのそれぞれと面一となっている。

方形導波管１１には、方形導波管１２との接続面１１ｄに、１対の障壁１１ｅが設けられている。より具体的には、１対の障壁１１ｅは、方形導波管１１を構成する１対の広壁面１１ａのそれぞれにおいて、方形導波管１２と接続する接続面１１ｄを跨ぐ位置に１つずつ設けられている。ここで、１対の障壁１１ｅは、方形導波管１１の内部に向かって凸形状となっている。

一方、方形導波管１２には、障壁１２ｅが設けられている。より具体的には、障壁１２ｅは、方形導波管１２を構成する１対の狭壁面１２ｂのうち、方形導波管１１と接続されていない狭壁面に相当する対向面１２ｂ２に設けられている。ここで、障壁１２ｅは、方形導波管１２の内部に向かって凸形状となっている。

次に、実施の形態２における導波管－伝送線路変換器の動作について詳細に説明する。高周波信号がマイクロストリップ線路２１に給電され、方形導波管１１に伝搬されるまでの動作は、先の実施の形態１と同様である。方形導波管１１は、方形導波管１２における１対の狭壁面１２ｂのうちの接続面１２ｂ１に接続されている。このため、方形導波管１１を伝搬した高周波信号が、方形導波管１１の電界成分に平行な方向で２分配され、方形導波管１２に伝搬される。

障壁１１ｅは、方形導波管１１の電界強度が強い箇所に設けられている。このため、障壁１１ｅは、高周波信号に対して容量性を付加する整合素子として動作する。また、障壁１２ｅは、方形導波管１２の磁界強度が強い箇所に設けられている。このため、障壁１２ｅは、高周波信号に対して誘導性を付加する整合素子として動作する。

これら障壁１１ｅおよび障壁１２ｅの大きさにより、高周波信号の整合調整を容易に行うことができる。この結果、方形導波管１１を伝搬した高周波信号は、反射を生じることなく、方形導波管１２に伝搬することが可能となる。

また、本実施の形態２において、方形導波管１２は、狭壁面１２ｂである接続面１２ｂ１で方形導波管１１に接続されている。このため、方形導波管１２の広壁面１２ａの大きさに依存して、信号線２の幅方向へサイズが大型化してしまうことがない。したがって、方形導波管１１の先端である接続面１１ｄに方形導波管１２の接続面１２ｂ１を接続した構成においても、信号線２の幅方向に密に配列可能であり、小型なエンドラウンチ型の導波管－伝送線路変換器を得ることができる。

実施の形態３．
先の実施の形態２では、方形導波管１１に方形導波管１２を接続し、高周波信号を２分配する形態について説明した。これに対して、本実施の形態３に係るエンドラウンチ型の導波管－伝送線路変換器では、放射スロットをさらに備えることで導波管スロットアンテナとして機能させる場合について説明する。

図１０は、本発明の実施の形態３における導波管スロットアンテナ３１の透視図である。図１０に示した導波管スロットアンテナ３１は、先の図９に示した構成の導波管－伝送線路変換器において、方形導波管１２に放射スロット９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄをさらに設けた構成となっている。すなわち、方形導波管１２は、障壁１２ｅが設けられている狭壁面１２ｂに相当する対向面１２ｂ２に、複数の放射スロット９ａ～９ｄを有している。

複数の放射スロット９ａ～９ｄは、方形導波管１２の管内波長の約１／２の長さで形成されている。また、放射スロット９ｂ、９ｃは、同一の方向に傾き、それぞれ、方形導波管１２の中心から管内波長の約１／４の距離に配置されている。

一方、放射スロット９ａは、放射スロット９ｂから管内波長の約１／２の距離に配置され、同様に、放射スロット９ｄは、放射スロット９ｃから管内波長の約１／２の距離に配置されている。方形導波管１２の一方の端部は、放射スロット９ａから管内波長の約１／４離れた位置で短絡され、同様に、方形導波管１２の他方の端部は、放射スロット９ｄから管内波長の約１／４離れた位置で短絡されている。

次に、本実施の形態３における導波管スロットアンテナの動作について、詳細に説明する。高周波信号がマイクロストリップ線路２１に給電され、方形導波管１１および方形導波管１２に伝搬されるまでの動作は、上述した実施の形態２と同様である。方形導波管１２に伝搬された高周波信号は、方形導波管１２内で定在波を発生させる。

複数の放射スロット９ａ～９ｄは、約１／２λ間隔で定在波の腹となる部分に位置し、方形導波管１２を流れる高周波電流を遮るように備えられている。このため、複数の放射スロット９ａ～９ｄは、アンテナ利得の高い電波を放射することが可能である。このような構成を備えることで、マイクロストリップ線路２１の幅方向において、小型な導波管スロットアンテナを得ることができる。

実施の形態４．
上述した実施の形態３では、導波管スロットアンテナ３１の基本構成を示した。これに対して、本実施の形態４では、導波管スロットアンテナ３１を、複数配列し、導波管スロットアレーアンテナを構成する場合について説明する。

図１１は、本発明の実施の形態４における導波管スロットアレーアンテナの斜視図である。本実施の形態４では、上述した実施の形態３の導波管スロットアンテナ３１を複数備え、マイクロストリップ線路２１の延伸方向が平行となるように並列に配置された構成を備えている。より具体的には、図１１に示した導波管スロットアレーアンテナは、５個の導波管スロットアンテナ３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ、３１ｅを、マイクロストリップ線路２１の延伸方向が平行となる向きに、０．５波長間隔で並べて構成されている。

次に、本実施の形態４における導波管スロットアレーアンテナの動作について、詳細に説明する。高周波信号がマイクロストリップ線路２１に給電され、方形導波管１１および方形導波管１２に伝搬されて、放射スロット９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄから電波が放射されるまでは、上述した実施の形態３と同様である。このとき、導波管スロットアンテナ３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ、３１ｅの各マイクロストリップ線路２１に高周波信号が給電される。

導波管スロットアンテナ３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ、３１ｅから放射されたそれぞれの電波は、空間で合成される。導波管スロットアンテナ３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ、３１ｅを同相で励振する場合、θ：０度、φ：０度で利得の高い放射パターンを得ることができる。位相差を持って励振する場合、φ：０度のカット面内でチルトしたパターンを得ることができる。

ここで、本実施の形態４における導波管スロットアンテナ３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ、３１ｅは、０．５波長の間隔で配置されている。このため、グレーティングローブと呼ばれる不要放射を発生せずに、電波を効率よく放射する導波管スロットアレーアンテナを実現することができる。

１ 金属シャーシ、２ 信号線、３ 地導体、４ スロット、５ 誘電体基板、６ インピーダンス変成器、９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ 放射スロット、１１ 方形導波管、１１ａ 広壁面、１１ｂ 狭壁面、１１ｃ 短絡面、１１ｄ 接続面、１２ 方形導波管、１２ａ 広壁面、１２ｂ 狭壁面、１２ｂ１ 接続面、１２ｂ２ 対向面、２１ マイクロストリップ線路、３１、３１ａ～３１ｅ 導波管スロットアンテナ、４１ 第１スロット部、４２ 第２スロット部、４３ 第３スロット部。

Claims (15)

1. 信号線と地導体とを有する伝送線路、および
   狭壁面および広壁面を有し、端部である短絡面が前記地導体の一部と接続される導波管
   を備え、
   前記導波管は、
   前記広壁面および前記短絡面が前記信号線の延伸方向に平行であり、
   前記短絡面において前記信号線の前記延伸方向と交差する交差部分を有し、両端が前記信号線の前記延伸方向に対し、互いに逆向きに延びたスロットが設けられている
   導波管－伝送線路変換器。
2. 前記交差部分は、前記信号線の前記延伸方向に対し垂直である
   請求項１に記載の導波管－伝送線路変換器。
3. 前記スロットの両端は、前記信号線の前記延伸方向に対し平行である
   請求項１または２に記載の導波管－伝送線路変換器。
4. 前記伝送線路は、一端が開放されている
   請求項１から３のいずれか１項に記載の導波管－伝送線路変換器。
5. 前記伝送線路は、一端が短絡されている
   請求項１から３のいずれか１項に記載の導波管－伝送線路変換器。
6. 前記伝送線路は、マイクロストリップ線路である
   請求項１から５のいずれか１項に記載の導波管－伝送線路変換器。
7. 前記伝送線路は、サスペンデッド線路である
   請求項１から５のいずれか１項に記載の導波管－伝送線路変換器。
8. 前記伝送線路は、同軸線路である
   請求項１から５のいずれか１項に記載の導波管－伝送線路変換器。
9. 前記伝送線路は、前記信号線のインピーダンスの実部を変換するインピーダンス変成器をさらに有する
   請求項１から８のいずれか１項に記載の導波管－伝送線路変換器。
10. 前記導波管における前記短絡面と対向する面に対して狭壁面が接続された第２の導波管をさらに備える
    請求項１から９のいずれか１項に記載の導波管－伝送線路変換器。
11. 前記導波管は、１対の広壁面のそれぞれに設けられ、前記導波管の内部に向かって凸形状となる障壁を有する
    請求項１０に記載の導波管－伝送線路変換器。
12. 前記第２の導波管は、１対の狭壁面のうち前記導波管と接続されていない狭壁面に設けられ、前記第２の導波管の内部に向かって凸形状となる障壁を有する
    請求項１０または１１に記載の導波管－伝送線路変換器。
13. 請求項１０から１２のいずれか１項に記載の導波管－伝送線路変換器を備え、
    前記第２の導波管の１対の狭壁面のうち前記導波管と接続されていない狭壁面に、前記第２の導波管を流れる電流を遮るように放射スロットが設けられている
    導波管スロットアンテナ。
14. 前記第２の導波管は、前記放射スロットを複数有する
    請求項１３に記載の導波管スロットアンテナ。
15. 請求項１３または１４に記載の導波管スロットアンテナを複数備え、複数の前記導波管スロットアンテナが、それぞれの前記伝送線路の延伸方向が平行になるように配列されることで構成された導波管スロットアレーアンテナ。

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