特開 2023-69893 導波管変換装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023069893

(43)【公開日】2023-05-18

(54)【発明の名称】導波管変換装置

(51)【国際特許分類】

   H01P 5/107 20060101AFI20230511BHJP

【ＦＩ】

H01P5/107 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021182083

(22)【出願日】2021-11-08

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）電波資源拡大のための研究開発（ＪＰＪ０００２５４）委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】304021277

【氏名又は名称】国立大学法人 名古屋工業大学

(74)【代理人】

【識別番号】110000291

【氏名又は名称】弁理士法人コスモス国際特許商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】榊原 久二男

(72)【発明者】

【氏名】山崎 誠

(57)【要約】

【課題】積層基板と導波管との間での送受信の効率のよい導波管変換装置を提供すること。
【解決手段】本開示技術に係る導波管変換装置１は、積層基板２により構成され導波管の端部に取り付けられる装置であって、導電層４として、アンテナパターン７を有するアンテナ層と、入出力線パターンを有する入出力線層とを有し、アンテナパターン７は、導波管側から見て、導波路の領域内での最初の導体パターンであるとともに、中央部と、中央部に繋がり、中央部から導波路の断面形状の矩形における４つの頂点のそれぞれに接近する方向に形成された第１～第４ブランチとを有し、入出力線パターンは、第１ブランチに接続された第１線路と、第２ブランチに接続された第２線路とを有し、導波路の短辺側に設けられている差動線路であるものである。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

絶縁層と導電層とを積層してなる積層基板により構成され、矩形断面の導波路を有する導波管の端部に取り付けられて導波管内の電磁波と入出力信号との変換を行う導波管変換装置であって、
前記導電層として、
導波路との間で電磁波の送信または受信を行うアンテナパターンを有するアンテナ層と、
前記アンテナパターンにアクセスする入出力線パターンを有し、導波管側から見て前記アンテナ層よりも遠い側に位置する入出力線層とを有し、
前記アンテナパターンは、
導波管側から見て、導波路の領域内での最初の導体パターンであるとともに、
導波路の断面形状の矩形における長辺と短辺とのいずれの方向に対しても中程に位置する中央部と
前記中央部に繋がり、前記中央部から前記矩形における第１の頂点に接近する方向に形成された第１ブランチと、
前記中央部に繋がり、前記中央部から前記矩形における前記第１の頂点に隣接する第２の頂点に接近する方向に形成された第２ブランチと、
前記中央部に繋がり、前記中央部から前記矩形における前記第１の頂点の対角に位置する第３の頂点に接近する方向に形成された第３ブランチと、
前記中央部に繋がり、前記中央部から前記矩形における前記第２の頂点の対角に位置する第４の頂点に接近する方向に形成された第４ブランチとを有し、
前記入出力線パターンは、
前記第１ブランチに接続された第１線路と、
前記第２ブランチに接続された第２線路とを有し、
導波路の断面形状の矩形における同一の短辺の側に設けられている差動線路である導波管変換装置。

【請求項2】

請求項１に記載の導波管変換装置であって、
前記入出力線層と前記アンテナ層とが、間に他の前記導電層を挟むことなく隣接して配置されている導波管変換装置。

【請求項3】

請求項１または請求項２に記載の導波管変換装置であって、
前記導電層として、前記アンテナパターンを包含する大きさの矩形形状のウィンドウが
形成されている外郭パターンを有するフロント層を、前記アンテナ層よりも導波管側に有
する導波管変換装置。

【請求項4】

請求項１から請求項３までのいずれか１つに記載の導波管変換装置であって、
前記入出力線層が、前記導電層のうち導波管側から見て最も遠い位置のものである導波管変換装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示技術は，導波管変換装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、電磁波の送信に中空導波管が使用されている。中空導波管においては、その両端における入出力装置との接続が問題となる。この点に関わる先行技術として、特許文献１に記載されているものを挙げることができる。同技術では、中空導波管の開口部を塞ぐように基板を配置している。ＩＣチップから基板の線路導体へワイヤを介して給電するようにしている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開2008-244877号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、前記した従来の技術には次のような問題点があった。積層基板と導波管との間での信号の変換効率がよくないのである。積層基板と導波管とでは構造が大きく異なるためである。このことは送受信のいずれの場合でも同様に問題となる。

【0005】

本開示技術は、前記した従来の技術が有する問題点を解決するためのものである。すなわちその課題とするところは、積層基板と導波管との間での送受信の効率のよい導波管変換装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示技術の一態様における導波管変換装置は、絶縁層と導電層とを積層してなる積層基板により構成され、矩形断面の導波路を有する導波管の端部に取り付けられて導波管内の電磁波と入出力信号との変換を行う装置であって、導電層として、導波路との間で電磁波の送信または受信を行うアンテナパターンを有するアンテナ層と、アンテナパターンにアクセスする入出力線パターンを有し、導波管側から見てアンテナ層よりも遠い側に位置する入出力線層とを有し、アンテナパターンは、導波管側から見て、導波路の領域内での最初の導体パターンであるとともに、導波路の断面形状の矩形における長辺と短辺とのいずれの方向に対しても中程に位置する中央部と、中央部に繋がり、中央部から当該矩形における第１の頂点に接近する方向に形成された第１ブランチと、中央部に繋がり、中央部から当該矩形における第１の頂点に隣接する第２の頂点に接近する方向に形成された第２ブランチと、中央部に繋がり、中央部から当該矩形における第１の頂点の対角に位置する第３の頂点に接近する方向に形成された第３ブランチと、中央部に繋がり、中央部から当該矩形における第２の頂点の対角に位置する第４の頂点に接近する方向に形成された第４ブランチとを有し、入出力線パターンは、第１ブランチに接続された第１線路と、第２ブランチに接続された第２線路とを有し、導波路の断面形状の矩形における同一の短辺の側に設けられている差動線路であるものである。

【0007】

上記態様における導波管変換装置では、導波路の領域内で最も導波管寄りに位置する導体パターンであるアンテナパターンにより、入出力線パターンの電気信号と導波路内の電磁波との変換が行われる。ここでアンテナパターンに含まれる各ブランチが導波路の断面形状の矩形における長辺および短辺に対して傾斜した方向に形成されているため、各ブランチ内での電荷移動も傾斜した方向に起こる。このため、積層基板と導波管との間での送受信の効率がよい。

【0008】

上記態様における導波管変換装置では、入出力線層とアンテナ層とが、間に他の導電層を挟むことなく隣接して配置されていることが好ましい。アンテナパターンと入出力線パターンとの間の電磁結合が確実だからである。また、導電層としてさらに、アンテナパターンを包含する大きさの矩形形状のウィンドウが形成されている外郭パターンを有するフロント層を、アンテナ層よりも導波管側に有することが好ましい。また、入出力線層が、導電層のうち導波管側から見て最も遠い位置のものであることが好ましい。

【発明の効果】

【0009】

本構成によれば、積層基板と導波管との間での送受信の効率のよい導波管変換装置が提供されている。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施の形態に係る導波管変換装置の斜視図である。

【図2】導電層の１つであるアンテナ層を示す平面図である。

【図3】導電層の１つである入出力線層を示す平面図である。

【図4】導電層の１つであるフロント層を示す平面図である。

【図5】実施の形態に係る導波管変換装置の伝送特性を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本開示技術を具体化した実施の形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。図１に、本形態に係る導波管変換装置１を示す。導波管変換装置１は、積層基板２により構成されている。積層基板２は、絶縁層３と導電層４とを積層してなるものである。導波管変換装置１は、導波管５に取り付けられるものである。導波管５の内部には導波路６が形成されている。導波路６は、断面形状が矩形とされており、本形態では中空とされている。導波管変換装置１を構成する積層基板２には、導電層４のうちの１つにおける導体パターンとして、アンテナパターン７が含まれている。導波管変換装置１では、アンテナパターン７により、導波路６への電磁波の送信および導波路６からの電磁波の受信を行うことができる。本明細書で「導波管変換装置」とは、導波管５の導波路６内の電磁波と、積層基板２への入出力信号との変換を行う装置をいう。

【0012】

積層基板２に含まれる導電層４について説明する。導電層４にはいくつかの種類がある。図２に示すのは、導電層４のうち、アンテナパターン７を含むものであるアンテナ層４０である。アンテナ層４０には、アンテナパターン７の他に、外郭パターン８が設けられている。アンテナパターン７と外郭パターン８とは、導通していない。外郭パターン８は、アンテナ層４０の外周の全体にわたって設けられている。外郭パターン８には、その内部をくり抜く形でウィンドウ９が形成されている。アンテナパターン７はウィンドウ９の中に配置されている。ウィンドウ９は、アンテナパターン７を包含する大きさの矩形形状の領域である。ウィンドウ９の内部のうちアンテナパターン７以外の領域は、絶縁物で占められている。

【0013】

図３に示すのは、導電層４の１つである入出力線層４１である。入出力線層４１は、導波管５の側から見て、アンテナ層４０よりも遠い側に位置する導電層４である。入出力線層４１は、入出力線パターン１０を有している。入出力線パターン１０以外の部分にはベタパターン１１が設けられている。入出力線パターン１０とベタパターン１１とは、導通していない。入出力線パターン１０は、アンテナパターン７にアクセスするパターンである。その詳細は、アンテナパターン７の詳細とともに後述する。

【0014】

図４に示すのは、アンテナ層４０、入出力線層４１以外の導電層４であるフロント層４２である。フロント層４２は、アンテナ層４０からアンテナパターン７を除去した層である。フロント層４２は、アンテナ層４０におけるものと同様の外郭パターン８を有している。フロント層４２の外郭パターン８におけるウィンドウ９の内部は、全域が絶縁物で占められている。フロント層４２は、導波管５とアンテナ層４０との間に位置する導電層４である。積層基板２中に複数層のフロント層４２が積層されていてもよい。

【0015】

アンテナ層４０のウィンドウ９およびフロント層４２のウィンドウ９はいずれも、長方形の形状であり、導波管５の端面と重ねて見れば導波路６の範囲内に包含される。つまり、ウィンドウ９の横辺長をＬ１、縦辺長をＷ１とし、導波路６の横辺（短辺）長をＬ２、縦辺（長辺）長をＷ２とすると、次の２つの式がいずれも成り立つ。
Ｌ１ ＜ Ｌ２ Ｗ１ ＜ Ｗ２

【0016】

積層基板２のうちアンテナ層４０よりも導波管５側の部分、すなわちフロント層４２が絶縁層３とともに積層されている部分においては、各フロント層４２のウィンドウ９の内部の部分は、実質的に導波路を構成している。絶縁物で充填されつつ、外郭パターン８の導電体により四方を囲まれているからである。この導波路の部分と導波管５の導波路６とが繋がって全体として１つの導波路を構成していると見ることができる。また、電磁波を多重反射させて共振を起こし、後述する広帯域での良好な伝送特性に寄与するものである。導波管５の側から見ると、アンテナ層４０は、導波路の領域内での最初の導体パターンである。

【0017】

ウィンドウ９の横辺長Ｌ１、縦辺長Ｗ１については、アンテナ層４０における値とフロント層４２における値とで同じである必要はない。フロント層４２同士でも違っていてもよい。アンテナ層４０および複数のフロント層４２におけるウィンドウ９の縦横サイズを種々調整することにより、多様な広帯域伝送特性を実現することができる。

【0018】

アンテナ層４０、入出力線層４１、フロント層４２のいずれにも、スルーホール１２が形成されている。スルーホール１２は、各導電層４における同じ位置に形成されており、各外郭パターン８およびベタパターン１１を導通させる部位である。図１では入出力線層４１とその下のアンテナ層４０との間に間隔を開けて描いているが、これはアンテナパターン７を見せるためである。実際の導波管変換装置１では入出力線層４１とアンテナ層４０とは、絶縁層３を間に挟んで密着した状態とされる。積層基板２と導波管５とも、実際には密着される。図１では入出力線層４１が積層基板２における最表の導電層４、つまり導波管５側から見て最も遠い位置の導電層４である。このため、積層基板２の上に搭載するＩＣチップとの接続が容易である。入出力線層４１よりさらに上層の全面絶縁層があってもよいが、その場合にはＩＣチップとの接続のための構造が必要となる。

【0019】

アンテナパターン７および入出力線パターン１０について説明する。アンテナパターン７は図２に示されるように全体として「Ｘ」字状の形状を有している。すなわちアンテナパターン７は、中央部１３と、第１ブランチ１４と、第２ブランチ１５と、第３ブランチ１６と、第４ブランチ１７とを有している。中央部１３は、導波路６の断面形状の矩形における縦辺と横辺とのいずれの方向に対しても中程に位置する部位である。中央部１３の位置の当該矩形の中心からのずれ量が、縦辺と横辺とのいずれの方向に対しても、その辺のサイズの１５％以内であればよい。

【0020】

第１ブランチ１４～第４ブランチ１７はいずれも、中央部１３に繋がっており、そこから導波路６の断面形状の矩形におけるいずれかの頂点に接近する方向に形成された部位である。第１ブランチ１４は当該矩形の第１の頂点１８に接近する方向に、第２ブランチ１５は当該矩形の第２の頂点１９に接近する方向に、第３ブランチ１６は当該矩形の第３の頂点２０に接近する方向に、第４ブランチ１７は当該矩形の第４の頂点２１に接近する方向に、それぞれ形成されている。ここでは、第１の頂点１８に隣接する２つの頂点の一方を第２の頂点１９と呼び、第１の頂点１８の対角に位置する頂点を第３の頂点２０と呼び、第２の頂点１９の対角に位置する頂点を第４の頂点２１と呼んでいる。当該矩形の４つの頂点のどれを第１の頂点１８とするかは任意である。

【0021】

上の段落では各ブランチの方向を導波路６の断面形状の矩形との関係で説明したが、ウィンドウ９の矩形との関係で同様に説明することもできる。第１ブランチ１４と第３ブランチ１６とはほぼ平行である。第２ブランチ１５と第４ブランチ１７ともほぼ平行である。第１ブランチ１４および第３ブランチ１６と、第２ブランチ１５および第４ブランチ１７とは、交差している。図２中で第１ブランチ１４および第２ブランチ１５の先端付近に示している黒丸２２、２３は、入出力線パターン１０との接続ポイントである。

【0022】

入出力線パターン１０は図３に示すように、第１線路２４、第２線路２５の２本の線路により構成されている。第１線路２４と第２線路２５とは、平行に設けられており、導波路６の断面形状の矩形における同一の短辺の側に向かって引き出されている。第１線路２４と第２線路２５とは、入出力線層４１の層内では互いに接続されていない。

【0023】

図３中で第１線路２４および第２線路２５の先端付近に示している黒丸２２、２３は、アンテナパターン７との接続ポイントである。積層基板２においては、アンテナ層４０の第１ブランチ１４の接続ポイント２２の真上に入出力線層４１の第１線路２４の接続ポイント２２が位置している。接続ポイント２２では電磁結合により第１ブランチ１４と第１線路２４が接続されている。同様に、第２ブランチ１５の接続ポイント２３の真上に第２線路２５の接続ポイント２３が位置している。接続ポイント２３では電磁結合により第２ブランチ１５と第２線路２５が接続されている。このため積層基板２において、アンテナ層４０と入出力線層４１とは、間に他の導電層４を挟むことなく隣接して配置されていることが好ましい。第１線路２４と第２線路２５とは差動線路を構成している。

【0024】

上記のように構成された導波管変換装置１は、積層基板２のフロント層４２側の面を導波管５に取り付け、入出力線パターン１０の第１線路２４および第２線路２５を適当な信号処理回路に接続した状態で使用される。この状態では、入出力線パターン１０を介してアンテナパターン７に電気信号を印加することで、導波路６に電磁波を起こさせることができる。これにより、導波管５における先方の機器に対して電磁波を送信することができる。また、導波管５における先方の機器から送信されてきた導波路６の電磁波に基づきアンテナパターン７に誘起された電気信号を、入出力線パターン１０を介して受信することができる。

【0025】

本形態の導波管変換装置１では、アンテナパターン７が前述のように傾斜した方向のブランチで構成されている。このため入出力線パターン１０からの信号入力によるアンテナパターン７内での電荷移動が、導波路６の矩形断面の長辺方向に対しても短辺方向に対しても傾斜した方向に起こる。これによりアンテナパターン７は、導波路６の偏波方向（短辺と平行な方向）に対して傾斜した方向の電界を発生させる。このため、入出力線パターン１０とアンテナパターン７とが電磁結合するとともに、アンテナパターン７と導波路６の電磁波とも電磁結合するので、このため短辺側からの入出力であっても電磁波の送信特性が優れている。受信特性も同様に優れている。特に、４つのブランチを持つＸ字状のアンテナパターン７であるため、長辺、短辺いずれの方向に対しても左右対称であり、４５°ずつ電界を回転させていくような信号操作が可能である。

【0026】

図５に、本形態の導波管変換装置１の伝送特性のグラフを示す。図５には、透過特性と反射特性との２通りの伝送特性が示されている。透過特性とは、アンテナパターン７と導波路６との間での信号の透過のしやすさに関する指標である。送信時でいえば、入出力線パターン１０からアンテナパターン７に入力した信号に対する、導波路６へ放射された信号の比率である。受信時でいえば、導波路６内の信号に対する、アンテナパターン７が取得した信号の比率である。反射特性とは、フロント層４２のウィンドウ９の部分と導波路６との間での反射により信号が失われる程度を示す指標である。透過特性と相補的な関係となる。

【0027】

図５のグラフの横軸は、電磁波の周波数である。縦軸は、透過特性および反射特性である。透過特性はグラフ中の上方ほど、反射特性は下方ほど、損失が少なく優れていることを意味する。図５中の実線が反射特性のグラフで破線が透過特性のグラフである。実線の反射特性のグラフを見ると、約６４．６ＧＨｚという広い帯域幅（およそ２４８～３１２．６ＧＨｚ）にわたって損失成分が－１０ｄＢ以下であることが分かる。この領域内では透過特性も－１ｄＢ程度と良好である。このように本形態では，前述の構造により優れた伝送特性を有している。

【0028】

以上詳細に説明したように本実施の形態の導波管変換装置１では、積層基板２により構成された導波管変換装置１のアンテナパターン７を、中央部１３とそれに繋がる各ブランチ１４～１７とによる「Ｘ」字状の形状のものとし、差動線路による入出力を行うこととしている。このため、アンテナパターン７内に斜め方向の電荷移動が生じるようになっている。これにより、積層基板と導波管との間での送受信の効率のよい導波管変換装置が実現されている。

【0029】

本実施の形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能である。例えば、アンテナ層４０およびフロント層４２におけるウィンドウ９の矩形形状は、短辺長辺ともに導波路６の矩形形状のサイズより小さいこととしたが、このことは必須ではない。ウィンドウ９の矩形形状と導波路６の矩形形状との大小関係は任意である。また、フロント層４２を有しない構成であってもよい。すなわち、アンテナ層４０が積層基板２中において最も導波管５側の導電層４である構成であってもよい。

【符号の説明】

【0030】

１ 導波管変換装置 １６ 第３ブランチ
２ 積層基板 １７ 第４ブランチ
３ 絶縁層 １８ 第１の頂点
４ 導電層 １９ 第２の頂点
５ 導波管 ２０ 第３の頂点
６ 導波路 ２１ 第４の頂点
７ アンテナパターン ２４ 第１線路
１０ 入出力線パターン ２５ 第２線路
１３ 中央部 ４０ アンテナ層
１４ 第１ブランチ ４１ 入出力線層
１５ 第２ブランチ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】