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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-07-16
(45)【発行日】2024-07-24
(54)【発明の名称】伝送線路マイクロ波装置
(51)【国際特許分類】
H01P 1/32 20060101AFI20240717BHJP
【ＦＩ】
H01P1/32
【請求項の数】
9
(21)【出願番号】P 2020165144
(22)【出願日】2020-09-30
(65)【公開番号】P2022057076
(43)【公開日】2022-04-11
【審査請求日】2023-07-21
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 １．ウェブサイトのアドレス ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｉｅｉｃｅ－ｔａｉｋａｉ．ｊｐ／２０２０ｇｅｎｅｒａｌ／ｊｐｎ／ ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｉｅｉｃｅ．ｏｒｇ／ｊｐｎ＿ｒ／ｅｖｅｎｔ／ｔａｉｋａｉ／２０２０／ｏｎｌｉｎｅ／ｉｎｄｅｘ．ｈｔｍｌ ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｉｅｉｃｅ．ｏｒｇ／ｊｐｎ＿ｒ／ｉｎｆｏｍａｔｉｏｎ／２０２００２２５．ｐｄｆ 山上航平、上田哲也、及び伊藤龍男が、上記アドレスのウェブサイトで公開された、２０２０年電子情報通信学会総合大会エレクトロニクス講演論文集１、Ｃ－２－４１、６４ページにて、上田哲也及び山上航平が発明した「フェライト基板上に構成された対称メタマテリアル結合線路」に関する研究について２０２０年３月３日に公開した。 ２．ウェブサイトのアドレスｈｔｔｐｓ：／／ｉｍｓ－ｉｅｅｅ．ｏｒｇ／ 上田哲也（Ｔｅｔｓｕｙａ Ｕｅｄａ）、山上航平（Ｋｏｈｅｉ Ｙａｍａｇａｍｉ）、及び伊藤龍男（Ｔａｔｓｕｏ Ｉｔｏｈ）が、上記アドレスのウェブサイトで公開された、２０２０年ＩＥＥＥ／ＭＴＴ－Ｓ 国際マイクロ波シンポジウム講演論文集、Ｔｕ１Ｅ－２（新規な素子、導波路、及び放射構造のための方法），５－８ページ（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ２０２０ ＩＥＥＥ／ＭＴＴ－Ｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ，Ｔｕ１Ｅ－２（Ｎｏｖｅｌ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ，Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ，ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｒａｄｉａｔｉｎｇ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ），ｐａｇｅｓ ５－８）にて、上田哲也及び山上航平が発明した、「反対称的な非相反左手／右手複合系メタマテリアル線路の結合ペア」（Ａ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐａｉｒ ｏｆ Ａｎｔｉ－Ｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌｌｙ Ｎｏｎｒｅｃｉｐｒｏｃａｌ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｒｉｇｈｔ／Ｌｅｆｔ－Ｈａｎｄｅｄ Ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌ Ｌｉｎｅｓ）に関する論文について２０２０年６月２１日に公開した。
(73)【特許権者】
【識別番号】504255685
【氏名又は名称】国立大学法人京都工芸繊維大学
(74)【代理人】
【識別番号】100101454
【弁理士】
【氏名又は名称】山田 卓二
(74)【代理人】
【識別番号】100132241
【弁理士】
【氏名又は名称】岡部 博史
(72)【発明者】
【氏名】上田 哲也
(72)【発明者】
【氏名】山上 航平
【審査官】白井 亮
(56)【参考文献】
【文献】特表２００９－５４３４８３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２００８－５０３１７９（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２００８／１１１４６０（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｐ １／３２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
容量性素子を等価的に含む直列枝の回路と、誘導性素子を等価的に含む並列枝の回路とを備え、マイクロ波の伝搬方向に対して異なる磁化方向に磁化されてジャイロ異方性を有し、前記伝搬方向と前記磁化方向とにより形成される面に対して非対称な構造を有し、かつ、順方向の伝搬定数と逆方向の伝搬定数とが互いに異なる非相反位相特性を有するように、伝搬定数と動作周波数との関係を示す分散曲線において所定の伝搬定数及び動作周波数を設定してなる少なくとも１つの非相反伝送線路部分を備え、前記少なくとも１つの非相反伝送線路部分を１対のポートの間で縦続接続してそれぞれ構成された第１と第２のマイクロ波伝送線路を備えた伝送線路マイクロ波装置であって、
前記第１と第２のマイクロ波伝送線路を互いに電磁的に結合するように近接して設け、
前記第１のマイクロ波伝送線路の非相反性Δβ １ と、前記第２のマイクロ波伝送線路の非相反性Δβ ２ との差の絶対値｜Δβ ２ －Δβ １ ｜が所定値以上に設定したことを特徴とする伝送線路マイクロ波装置。
【請求項2】
前記第１のマイクロ波伝送線路の非相反性Δβ１と、前記第２のマイクロ波伝送線路の非相反性Δβ２とは、（１）前記各非相反性Δβ１，Δβ２の符号を互いに反転させて、
（２）前記各非相反性Δβ１，Δβ２を所定値以下となるように設定し、かつ
（３）前記各非相反性の差の絶対値｜Δβ２－Δβ１｜を大きくするように設定した、
ことを特徴とする請求項１に記載の伝送線路マイクロ波装置。
【請求項3】
前記直列枝の回路の共振周波数と、前記並列枝の回路の共振周波数とが一致するように設定されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の伝送線路マイクロ波装置。
【請求項4】
前記第１と第２のマイクロ波伝送線路は、自発磁化もしくは外部磁界により磁化された基板上に形成されたことを特徴とする請求項１～３のうちのいずれか１つに記載の伝送線路マイクロ波装置。
【請求項5】
前記第１と第２のマイクロ波伝送線路は、４ポートサーキュレータ装置として動作することを特徴とする請求項１～４のうちのいずれか１つに記載の伝送線路マイクロ波装置。
【請求項6】
前記磁化の方向を反転することで、前記４ポートサーキュレータ装置における信号方向を反転させることを特徴とする請求項５に記載の伝送線路マイクロ波装置。
【請求項7】
前記第１のマイクロ波伝送線路の１対のポートは第１及び第２のポートであり、前記第２のマイクロ波伝送線路の１対のポートは第３及び第４のポートであり、
（１）前記第２のポートを所定の第１の抵抗で終端しかつ前記第４のポートを所定の第２の抵抗で終端することと、
（２）前記第１のポートを所定の第１の抵抗で終端しかつ前記第２のポートを所定の第２の抵抗で終端することと、
（３）前記第３のポートを所定の第１の抵抗で終端しかつ前記第４のポートを所定の第２の抵抗で終端することと、
（４）前記第１のポートを所定の第１の抵抗で終端しかつ前記第３のポートを所定の第２の抵抗で終端することと、
のいずれかであり、
これにより、前記第１と第２のマイクロ波伝送線路は、前記第１のポートと前記第３のポートとの間で２ポートアイソレータ装置として動作することを特徴とする請求項１～４のうちのいずれか１つに記載の伝送線路マイクロ波装置。
【請求項8】
前記伝送線路マイクロ波装置は、非対称マイクロストリップ線路又は非対称矩形導波管で構成されたことを特徴とする請求項１～６のうちのいずれか１つに記載の伝送線路マイクロ波装置。
【請求項9】
前記第１と第２のマイクロ波伝送線路において、前記直列枝の容量性素子は当該伝送線路を伝搬する電磁波モードの実効透磁率が負であるマイクロ波素子であり、前記並列枝の誘導性素子は当該伝送線路を伝搬する電磁波モードの実効誘電率が負であるマイクロ波素子であることを特徴とする請求項１～８のうちのいずれか１つに記載の伝送線路マイクロ波装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、順方向の伝搬定数と逆方向の伝搬定数とが互いに異なる非相反（非可逆）位相特性をそれぞれ有しかつ互いに電磁的に結合する１対の非相反伝送線路にてなる伝送線路マイクロ波回路を備えた伝送線路マイクロ波装置に関する。なお、本明細書において、マイクロ波とは、例えばＵＨＦ（Ultra High Frequency）バンドの周波数帯以上のマイクロ波、ミリ波，準ミリ波、テラヘルツ波をいう。以下、「非相反右手及び左手系伝送線路」を「非相反右手／左手系伝送線路」といい、「非相反ＣＲＬＨ線路」と略す。
【背景技術】
【0002】
最近、従来の分布定数線路のインダクタンスと容量の配置を入れ換えた左手系伝送（Left Handed Transmission（ＬＨＴ））線路の研究が活発化している。左手系伝送線路の回路には、後退波特性、レンズ作用などの特異性も現れるので、新しいマイクロ波回路素子への期待が大きい。
【0003】
例えば、順方向と逆方向のうち、一方が左手系伝送線路で，他方が右手系伝送線路となるような非相反伝送線路並びに、それを用いて小型化された伝送線路マイクロ波回路（例えば、移相器、アンテナ装置、共振器、フィルタ、電力分配器、発振器など）については、特許文献１において開示されており、具体的には、非相反メタマテリアル線路の構成法を開示している。さらに、従来技術に係る伝送線路マイクロ波回路が、例えば非特許文献１～４において開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特許第５２３４６６７号公報
【非特許文献】
【0005】
【文献】C. Caloz et al., "A novel composite right-/left-handed coupled-line directional coupler with arbitrary coupling level and broadband bandwidth," IEEE Transactions on Microwave Theory Techniques, Vol. 52, No. 3, pp. 980-992, March 2004.
【文献】A. Hirota et al., "A compact forward coupler using coupled composite right/left-handed transmission lines," IEEE Transactions on Microwave Theory Techniques, Vol. 57, No. 12, pp. 3127-3113, 2009.
【文献】K. Xie et al., "Non-reciprocity and the optimum operation offerrite coupled lines," IEEE Transactions on Microwave Theory Techniques, Vol. 48, No. 4, pp. 562-573, April 2000.
【文献】K. Yamagami et al., "Enhanced bandwidth of asymmetric backward-wave directional couplers by using dispersion of nonreciprocal CRLH transmission lines," Proceedings of 2019 Asia-Pacific Microwave Conference, T4-4-8, pp. 1111-1113, December 2019.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、非特許文献１及び２において開示された伝送線路マイクロ波回路は、１対の結合線路を用いて広帯域動作が可能であるが、相反回路で構成され、電力分配器として動作する。
【0007】
また、非特許文献３において開示された伝送線路マイクロ波回路は、１対の結合線路を用いてサーキュレータ又はアイソレータを構成することができるが、特許文献１において開示された伝送線路マイクロ波回路とは動作原理が異なり、装置サイズが波長程度以上ときわめて大きいという問題点があった。
【0008】
さらに、非特許文献４において開示された伝送線路マイクロ波回路は、非相反メタマテリアル線路を後進波結合線路に適用することにより、動作帯域の広域化を図る目的で構成され、サーキュレータ又はアイソレータの機能を有していない。
【0009】
本発明の目的は以上の問題点を解決し、従来技術に比較して大幅に小型化できかつサーキュレータ装置又はアイソレータ装置を構成可能な伝送線路マイクロ波装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明に係る伝送線路マイクロ波装置は、
容量性素子を等価的に含む直列枝の回路と、誘導性素子を等価的に含む並列枝の回路とを備え、マイクロ波の伝搬方向に対して異なる磁化方向に磁化されてジャイロ異方性を有し、前記伝搬方向と前記磁化方向とにより形成される面に対して非対称な構造を有し、かつ、順方向の伝搬定数と逆方向の伝搬定数とが互いに異なる非相反位相特性を有するように、伝搬定数と動作周波数との関係を示す分散曲線において所定の伝搬定数及び動作周波数を設定してなる少なくとも１つの非相反伝送線路部分を備え、
前記少なくとも１つの非相反伝送線路部分を１対のポートの間で縦続接続してそれぞれ構成された第１と第２のマイクロ波伝送線路を備えた伝送線路マイクロ波装置であって、
前記第１と第２のマイクロ波伝送線路を互いに電磁的に結合するように近接して設けたことを特徴とする。
容量性素子を等価的に含む直列枝の回路と、誘導性素子を等価的に含む並列枝の回路とを備え、マイクロ波の伝搬方向に対して異なる磁化方向に磁化されてジャイロ異方性を有し、前記伝搬方向と前記磁化方向とにより形成される面に対して非対称な構造を有し、かつ、順方向の伝搬定数と逆方向の伝搬定数とが互いに異なる非相反位相特性を有するように、伝搬定数と動作周波数との関係を示す分散曲線において所定の伝搬定数及び動作周波数を設定してなる少なくとも１つの非相反伝送線路部分を備え、
前記少なくとも１つの非相反伝送線路部分を１対のポートの間で縦続接続してそれぞれ構成された第１と第２のマイクロ波伝送線路を備えた伝送線路マイクロ波装置であって、
前記第１と第２のマイクロ波伝送線路を互いに電磁的に結合するように近接して設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【0011】
従って、本発明によれば、従来技術に比較して大幅に小型化できかつサーキュレータ装置又はアイソレータ装置を構成可能な伝送線路マイクロ波回路を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】実施形態に係る伝送線路マイクロ波装置において用いる非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１の単位セルの等価回路を示す回路図である。
【図2】実施形態に係る伝送線路マイクロ波装置において用いる非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ２の単位セルの等価回路を示す回路図である。
【図5】実施形態に係る伝送線路マイクロ波装置であって、互いに電磁的に結合された１対の非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１，Ｌ２の各単位セルの等価回路を示す回路図である。
【図12】実施形態に係る４ポートサーキュレータ装置を構成する伝送線路マイクロ波装置の外観を示す斜視図である。
【図15】従来例に係るＣＲＬＨ線路に沿って伝搬する電磁波の分散曲線の一例であって、直列枝の直列共振周波数ωｓｅとシャント枝の並列共振周波数ωｓｈが異なる場合の分散曲線を示すグラフである。
【図16】従来例に係るＣＲＬＨ線路に沿って伝搬する電磁波の分散曲線の別の一例であって、直列枝の直列共振周波数ωｓｅとシャント枝の並列共振周波数ωｓｈが互いに一致する場合の分散曲線を示すグラフである。
【図17】従来例に係る１対のＣＲＬＨ線路からなる対称結合線路装置の分散曲線を示すグラフである。
【図18】図１７の対称結合線路装置において、電磁的結合によって形成されたバンドギャップＢＧ内の周波数を動作点として選択し、線路Ｌ１のポートＰ１を入力端子とした場合の電磁波電力の流れを示す上面図である。
【図23】１対の非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１，Ｌ２からなる対称結合線路装置の分散曲線の概略を示すグラフである。
【図32】実施例に係る１本のＣＲＬＨ線路の分散曲線の一例を示すグラフである。
【図33】図３２の分散特性をそれぞれ有する１対のＣＲＬＨ線路を電磁的に結合するように近接配置させ結合線路装置を構成し、当該結合線路装置内の各ＣＲＬＨ線路部分の単位セル数を５個とした場合の散乱パラメータの周波数特性（伝送周波数特性）を示すスペクトル図である。
【図34】前記結合線路装置のフェライト基板に対して、垂直方向に直流磁界が印加された場合の１本のＣＲＬＨ線路の分散曲線の一例を示すグラフである。
【図37A】実施形態の変形例に係る非相反ＣＲＬＨ結合線路装置を用いたアイソレータ装置の構成例を示す上面図である。
【図37E】実施形態の別の変形例に係る非相反ＣＲＬＨ結合線路装置を用いたサーキュレータ装置の構成例を示す縦断面図である。
【図38A】変形例１に係る矩形導波管を用いて構成された、１本の非相反ＣＲＬＨ線路装置の外観を示す斜視図である。
【図39A】変形例２に係る矩形導波管を用いて構成された、1本の非相反ＣＲＬＨ結合線路装置の外観を示す斜視図である。
【図40A】変形例３に係る矩形導波管を用いて構成された、１本の非相反ＣＲＬＨ線路装置の外観を示す斜視図である。
【図41A】変形例１に係る２本の矩形導波管を用いて構成された、変形例４に係る非相反ＣＲＬＨ結合線路装置の外観を示す斜視図である。
【図42A】変形例２に係る２本の矩形導波管を用いて構成された、変形例５に係る非相反ＣＲＬＨ結合線路装置の外観を示す斜視図である。
【図43A】変形例３に係る矩形導波管を用いて構成された、変形例６に係る非相反ＣＲＬＨ結合線路装置の外観を示す斜視図である。
【図45A】実施形態に係る非相反ＣＲＬＨ結合線路装置で用いる非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１の単位セル６１を示すブロック図である。
【図45B】実施形態に係る非相反ＣＲＬＨ結合線路装置で用いる非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ２の単位セル６２を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、本発明にかかる実施形態及び変形例について図面を参照して説明する。なお、同一又は同様の構成要素については同一の符号を付している。
【0014】
（実施形態）
図１は実施形態に係る伝送線路マイクロ波装置において用いる非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１の単位セルの等価回路を示す回路図である。また、図２は実施形態に係る伝送線路マイクロ波装置において用いる非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ２の単位セルの等価回路を示す回路図である。
図１は実施形態に係る伝送線路マイクロ波装置において用いる非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１の単位セルの等価回路を示す回路図である。また、図２は実施形態に係る伝送線路マイクロ波装置において用いる非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ２の単位セルの等価回路を示す回路図である。
【0015】
本発明に係る実施形態で取り扱う伝送線路マイクロ波装置の結合線路を構成する１対の非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１及びＬ２は周期構造をなし、それぞれの単位構成要素である単位セルの等価回路を図１及び図２に示す。図１及び図２に示すように、非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１及びＬ２の単位セルを構成する回路素子には、それぞれ添え字１及び２を付けることにより区別している。
【0016】
図１の非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１において、端子Ｔ１と端子Ｔ２との間に、
（１）キャパシタンス２ＣＬ１を有する直列枝容量性素子（容量性回路網でもよい）であるキャパシタ８３と、
（２）線路長ｐ１／２を有する伝送線路部分８１と、
（３）線路長ｐ１／２を有する伝送線路部分８２と、
（４）キャパシタンス２ＣＬ１を有する直列枝容量性素子（容量性回路網でもよい）であるキャパシタ８４と、
の直列回路が接続される。伝送線路部分８１，８２の接続点８６と接地端子Ｔ２，Ｔ４との間に、
（５）インダクタンスＬＬ１を有するシャント枝（並列枝）誘導性素子（誘導性回路網でもよい）であるインダクタ８５が接続される。ここで、１対の端子Ｔ１，Ｔ２によりポートＰ１を構成し、１対の端子Ｔ３，Ｔ４によりポートＰ２を構成する。非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１の特性を表すパラメータとして、順方向（ポートＰ１からポートＰ２に向う方向をいう。）の伝搬定数及び特性インピーダンスをそれぞれβｐ１及びＺｐ１とし、逆方向（ポートＰ２からポートＰ１に向う方向をいう。）のそれらをそれぞれβｍ１及びＺｍ１としている。
（１）キャパシタンス２ＣＬ１を有する直列枝容量性素子（容量性回路網でもよい）であるキャパシタ８３と、
（２）線路長ｐ１／２を有する伝送線路部分８１と、
（３）線路長ｐ１／２を有する伝送線路部分８２と、
（４）キャパシタンス２ＣＬ１を有する直列枝容量性素子（容量性回路網でもよい）であるキャパシタ８４と、
の直列回路が接続される。伝送線路部分８１，８２の接続点８６と接地端子Ｔ２，Ｔ４との間に、
（５）インダクタンスＬＬ１を有するシャント枝（並列枝）誘導性素子（誘導性回路網でもよい）であるインダクタ８５が接続される。ここで、１対の端子Ｔ１，Ｔ２によりポートＰ１を構成し、１対の端子Ｔ３，Ｔ４によりポートＰ２を構成する。非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１の特性を表すパラメータとして、順方向（ポートＰ１からポートＰ２に向う方向をいう。）の伝搬定数及び特性インピーダンスをそれぞれβｐ１及びＺｐ１とし、逆方向（ポートＰ２からポートＰ１に向う方向をいう。）のそれらをそれぞれβｍ１及びＺｍ１としている。
【0017】
また、図２の非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ２において、端子Ｔ１１と端子Ｔ１２との間に、
（１）キャパシタンス２ＣＬ２を有する直列枝容量性素子（容量性回路網でもよい）であるキャパシタ９３と、
（２）線路長ｐ２／２を有する伝送線路９１と、
（３）線路長ｐ２／２を有する伝送線路９２と、
（４）キャパシタンス２ＣＬ２を有する直列枝容量性素子（容量性回路網でもよい）であるキャパシタ９４と、
の直列回路が接続される。伝送線路９１，９２の接続点９６と接地端子Ｔ１２，Ｔ１４との間に、
（５）インダクタンスＬＬ２を有するシャント枝（並列枝）誘導性素子（誘導性回路網でもよい）であるインダクタ９５が接続される。ここで、１対の端子Ｔ１１，Ｔ１２によりポートＰ３を構成し、１対の端子Ｔ１３，Ｔ１４によりポートＰ４を構成する。非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１の特性を表すパラメータとして、順方向（ポートＰ３からポートＰ４に向う方向をいう。）の伝搬定数及び特性インピーダンスをそれぞれβｐ２及びＺｐ２とし、逆方向（ポートＰ４からポートＰ３に向う方向をいう。）のそれらをそれぞれβｍ２及びＺｍ２としている。
（１）キャパシタンス２ＣＬ２を有する直列枝容量性素子（容量性回路網でもよい）であるキャパシタ９３と、
（２）線路長ｐ２／２を有する伝送線路９１と、
（３）線路長ｐ２／２を有する伝送線路９２と、
（４）キャパシタンス２ＣＬ２を有する直列枝容量性素子（容量性回路網でもよい）であるキャパシタ９４と、
の直列回路が接続される。伝送線路９１，９２の接続点９６と接地端子Ｔ１２，Ｔ１４との間に、
（５）インダクタンスＬＬ２を有するシャント枝（並列枝）誘導性素子（誘導性回路網でもよい）であるインダクタ９５が接続される。ここで、１対の端子Ｔ１１，Ｔ１２によりポートＰ３を構成し、１対の端子Ｔ１３，Ｔ１４によりポートＰ４を構成する。非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１の特性を表すパラメータとして、順方向（ポートＰ３からポートＰ４に向う方向をいう。）の伝搬定数及び特性インピーダンスをそれぞれβｐ２及びＺｐ２とし、逆方向（ポートＰ４からポートＰ３に向う方向をいう。）のそれらをそれぞれβｍ２及びＺｍ２としている。
【0018】
図３は図１の非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１の分散曲線（第１のブリルアン（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ）領域のみを示し、以下同様である。）の一例を示すグラフである。図３以降の分散曲線において、分散曲線の横軸は位相定数βであり、縦軸は角周波数ωである。また、電磁波電力が正となる伝搬モードは実線で示され、負となる伝搬モードは点線で示されている。図１に示すように、非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１において、非相反伝送線路部分が含まれており、順方向の位相定数、特性インピーダンスをそれぞれβｐ１，Ｚｐ１、逆方向の位相定数、特性インピーダンスをβｍ１，Ｚｍ１としている。この順方向と逆方向の位相定数が一致する場合、ＣＲＬＨ線路の非相反性は消失し、相反性を示す。
【0019】
ここで、ＣＲＬＨ線路が相反性を示す場合、ＣＲＬＨ線路の分散曲線は縦軸である角周波数ω軸に関して、線対称となる。一方、非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１の場合、分散曲線の対称軸は周波数軸に対して、位相定数βが、非相反性
だけ増加する方向にシフトする。図３においては、簡単のため、一例として非相反性Δβ１が正の値で周波数に依存せず一定の場合を示している。この場合、図３の分散曲線は、伝搬定数β＝Δβ１の直線に関して、線対称となっている。しかしながら、一般に、非相反性Δβ１は周波数に依存し、一定でないことから、図３のようにはならず、分散曲線は非対称となる。
【数1】
【0020】
図１の非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１の単位セルにおいて、一般に、直列枝の直列共振周波数ωｓｅと、シャント枝の並列共振周波数ωｓｈとは一致しないので、これら２つの周波数ωｓｅ，ωｓｈで挟まれる帯域において、電磁波伝搬が許されず、バンドギャップＢＧ１を生じる。図３の非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１の分散曲線においては、角周波数ωΔＬ１＝ｍｉｎ（ωｓｅ，ωｓｈ）と、角周波数ωΔＨ１＝ｍａｘ（ωｓｅ，ωｓｈ）に挟まれた帯域がこのバンドギャップＢＧ１に対応する。一方、直列枝の直列共振周波数ωｓｅとシャント枝の並列共振周波数ωｓｈとが一致する特別な場合には、このバンドギャップは消失し、より広帯域の電磁波伝搬帯域が形成される（後述の図１６参照）。
【0021】
図４は図２の非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ２の分散曲線の一例を示すグラフである。図２で示したように、非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ２の両端の入出力用端子をポートＰ３及びポートＰ４とし、非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ２の端子Ｐ３，Ｐ４のうち、非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１のポートＰ１に近い端子をポートＰ３とする。このとき、非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１の場合と同様に、ポートＰ３からポートＰ４に向う方向が正方向となる一方、ポートＰ４からポートＰ３に向う方法が逆方向となる。図４において、電磁波電力が正となる伝搬モードは一点鎖線、負となる伝搬モードは二点鎖線で示されている。
【0022】
図２の非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ２の非相反性
は一般に、非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１の非相反性Δβ１と異なる。図４においては、簡単のため、一例としてΔβ２が正の値で周波数に依存せず一定の場合を示しているが、一般に、非相反性Δβ２は周波数に依存し一定でないことから、図４のようにはならず、分散曲線は非対称となる。
【数2】
【0023】
図５は、実施形態に係る伝送線路マイクロ波装置であって、互いに電磁的に結合された１対の非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１，Ｌ２の各単位セルの等価回路を示す回路図である。ここで、簡単のため、結合線路を構成するＬ１及びＬ２の単位セルの線路長が同じでｐである場合を考え、非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１及びＬ２からなる本実施形態に係る結合線路装置の単位セルあたりの等価回路モデルを図５に示している。また、結合線路装置の単位セル当たりの結合キャパシタ８７のキャパシタスをＣＭ、相互インダクタンスをＬＭとしている。ここで、キャパシタ８７は接続点８６と接続点９６との間に接続され、伝送線路部分８１と９１とが相互インダクタンスをＬＭ／２で結合され、伝送線路部分８２と９２とが相互インダクタンスをＬＭ／２で結合される。なお、結合線路装置を構成する非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１及びＬ２の単位セル数は一般に、同一である必要はない、つまり、各線路の単位セルの線路長ｐ１及びｐ２は一致する必要はない(図４５、図４６、図４７参照)。
【0024】
図６は、図５の伝送線路マイクロ波装置において、電磁的結合が無く、０＜Δβ２＜Δβ１のときに１対の非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１，Ｌ２の分散曲線を重ねたときのグラフである。図６から明らかなように、非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１とＬ２の分散曲線は、それぞれバンドギャップＢＧ１，ＢＧ２を形成しており、２箇所の角周波数ωＣ１及びωＣ２で交差する。
【0025】
図７は、図５の伝送線路マイクロ波装置において、電磁的結合が有り、０＜Δβ２＜Δβ１のときに１対の非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１，Ｌ２の分散曲線を重ねたときのグラフである。図７から明らかなように、非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１とＬ２間の電磁的結合が無視できない場合、２種類の分散曲線が交差する図６の角周波数ωＣ１及びωＣ２の付近で、それぞれ結合が生じ、バンドギャップＢＧ３，ＢＧ４を形成する。
【0026】
図７において、２つの非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１及びＬ２間の電磁的結合により新たに形成された２つのバンドギャップＢＧ３，ＢＧ４のうち、低周波側の角周波数ωＣ１付近のバンドギャップＢＧ３において、下側カットオフ角周波数をωＧＬ１、上側カットオフ角周波数をωＧＨ１とする。高周波側の角周波数ωＣ２付近のバンドギャップＢＧ４においては、下側カットオフ角周波数をωＧＬ２、上側カットオフ角周波数をωＧＨ２とする。
【0027】
図８は、図５の伝送線路マイクロ波装置において、電磁的結合が無く、Δβ２＜０及び０＜Δβ１のときに１対の非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１，Ｌ２の分散曲線を重ねたときのグラフである。図８から明らかなように、非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１とＬ２の分散曲線は、それぞれバンドギャップＢＧ１，ＢＧ２を形成しており、異なる２つの角周波数ωＣ１及びωＣ２で交差する。
【0028】
図９は、図５の伝送線路マイクロ波装置において、電磁的結合が有り、Δβ２＜０及び０＜Δβ１のときに１対の非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１，Ｌ２の分散曲線を重ねたときのグラフである。図９から明らかなように、非相反ＣＲＬＨ線路間Ｌ１とＬ２間の電磁的結合が無視できない場合、２種類の分散曲線が交差する図８の角周波数ωＣ１及びωＣ２の付近で、それぞれ結合が生じ、バンドギャップＢＧ３，ＢＧ４を形成する。
【0029】
図９において、２つの非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１及びＬ２間の電磁的結合により新たに形成された２つのバンドギャップＢＧ３，ＢＧ４のうち、低周波側の角周波数ωＣ１付近のバンドギャップＢＧ３において、下側カットオフ角周波数をωＧＬ１、上側カットオフ角周波数をωＧＨ１とする。高周波側の角周波数ωＣ１付近のバンドギャップＢＧ４において、下側カットオフ角周波数をωＧＬ２、上側カットオフ角周波数をωＧＨ２とする。
【0030】
本発明に係る実施形態では、２つの非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１，Ｌ２間の電磁的結合により新たに形成される前記２つのバンドギャップ（ＢＧ３，ＢＧ４）帯域を利用して、サーキュレータ動作を実現する。２周波でサーキュレータ動作するためには、非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１とＬ２の分散曲線の交点での角周波数ωＣ１とωＣ２を大きく離して設計することが望ましい。また、そのためには、非相反性の差｜Δβ２－Δβ１｜を所定のしきい値以上になるように大きくする必要がある。
【0031】
サーキュレータ装置の広帯域動作のためには、より大きなバンドギャップを形成するような設計法が望ましい。典型的な例として、非相反性Δβ１，Δβ２が０＜Δβ２＜Δβ１を満たす図７の場合と、非相反性がΔβ１＞０及びΔβ２＜０を満たす図９の場合を示したが、どちらの場合であっても、電磁的結合によりバンドギャップが形成され、サーキュレータ動作を獲得することが可能である。ただし、同じ動作帯域、帯域幅のバンドギャップを獲得する上で、非相反性の差｜Δβ２－Δβ１｜が同じとなる条件で比較すると、図７の場合には、２つの非相反性がともに正であるので、図９の場合に比べて、より大きな非相反性を必要とし、設計条件がより厳しくなる。図９の場合のように、２本の非相反ＣＲＬＨ線路の非相反性の符号を反転させて、各線路の非相反性をできるだけ所定のしきい値以下に小さくし、かつ非相反性の差｜Δβ２－Δβ１｜を所定のしきい値以上に大きくすることが望ましい。
【0032】
具体的には、非相反性Δβ１，Δβ２の好ましい関係は以下の場合である。
（１）０＜Δβ２＜Δβ１を満たす場合と、
（２）Δβ１＞０及びΔβ２＜０を満たす場合と、
（３）０＜Δβ１＜Δβ２を満たす場合と、
（４）Δβ２＜Δβ１＜０を満たす場合と、
（５）Δβ１＜０及びΔβ２＞０を満たす場合と、
（６）Δβ１＜Δβ２＜０を満たす場合と、
のいずれかである。また、後者の好ましい場合は、具体的に以下の通りである。非相反性Δβ１と、非相反性Δβ２とは、
（１）各非相反性Δβ１，Δβ２の符号を互いに反転させて、
（２）各非相反性Δβ１，Δβ２を所定値以下となるように設定し、かつ
（３）各非相反性の差の絶対値｜Δβ２－Δβ１｜を大きくする、
ように設定する。
（１）０＜Δβ２＜Δβ１を満たす場合と、
（２）Δβ１＞０及びΔβ２＜０を満たす場合と、
（３）０＜Δβ１＜Δβ２を満たす場合と、
（４）Δβ２＜Δβ１＜０を満たす場合と、
（５）Δβ１＜０及びΔβ２＞０を満たす場合と、
（６）Δβ１＜Δβ２＜０を満たす場合と、
のいずれかである。また、後者の好ましい場合は、具体的に以下の通りである。非相反性Δβ１と、非相反性Δβ２とは、
（１）各非相反性Δβ１，Δβ２の符号を互いに反転させて、
（２）各非相反性Δβ１，Δβ２を所定値以下となるように設定し、かつ
（３）各非相反性の差の絶対値｜Δβ２－Δβ１｜を大きくする、
ように設定する。
【0033】
図１０は、電磁的結合が無い図８の分散曲線において、位相定数及び角周波数が所定の特別な場合における分散曲線を示すグラフである。また、図１１は、電磁的結合がある図９の分散曲線において、位相定数及び角周波数が所定の特別な場合における分散曲線を示すグラフである。
【0034】
すなわち、図８及び図９の特別な場合として、非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１及びＬ２の直列枝の直列共振周波数及びシャント枝の並列共振周波数が一致して、
を満たし、かつ、非相反性の大きさが同じで、符号が反転した
を満たす場合を、それぞれ図１０、図１１に示す。
【数3】
【数4】
【数5】
【0035】
サーキュレータ装置の広帯域動作のためには、より大きなバンドギャップを形成するように設計することが望ましいが、２周波のどちらのバンドギャップ帯域も、非相反ＣＲＬＨ線路の直列枝の直列共振周波数とシャント枝の並列共振周波数とが一致していないことによって生じる角周波数ωΔＬからωΔＨの間のバンドギャップの影響を受ける。ここで、サーキュレータ装置の広帯域動作のためには、このバンドギャップを消去しておくことが望ましい。各非相反ＣＲＬＨ線路において、直列枝の直列共振周波数とシャント枝の並列共振周波数を一致させることにより、バンドギャップを消失させ、分散曲線が１点で交わるような点を、「ディラク点Ｄｐ」を呼ぶ（後述の図１６参照）。
【0036】
以下、具体的な非相反ＣＲＬＨ結合線路を用いた伝送線路マイクロ波装置の構成例を示す。
【0037】
図１２は、実施形態に係る４ポートサーキュレータ装置を構成する伝送線路マイクロ波装置の外観を示す斜視図であり、図１３は図１２の上面図であり、図１４Ａは図１３のＡ－Ａ’線についての縦断面図である。図１２～図１４Ａに示すように、１対の非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１及びＬ２からなる結合線路により、４ポートサーキュレータ装置を構成する。ここで、非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１，Ｌ２は互いに電磁的に結合するように近接に配置されており、各非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１，Ｌ２には基板の一部として、垂直方向に磁化された直方体形状のフェライトロッド３０が埋め込まれている。
【0038】
図１２～図１４Ａにおいて、裏面に接地導体１１を有する誘電体基板１０およびフェライトロッド３０の上面において、ポートＰ１のストリップ導体１２Ｐ１と、複数個のストリップ導体１２と、ポートＰ２のストリップ導体１２Ｐ２とが、それらの長手方向がフェライトロッド３０の長手方向（線路方向）に実質的に平行になるように形成される。
（１）ストリップ導体１２Ｐ１とストリップ導体１２との間の間隙において、それらを接続する直列枝のチップキャパシタ１６Ｐが配置され、
（２）互いに隣接するストリップ導体１２，１２間の各間隙において、それらを接続する直列枝のチップキャパシタ１６が配置され、
（３）ストリップ導体１２Ｐ２とストリップ導体１２との間の間隙において、それらを接続する直列枝のチップキャパシタ１６Ｐが配置される。
ここで、ストリップ導体１２，１２Ｐ１，１２Ｐ２と、これらに対して、フェライトロッド３０又は誘電体基板１０を介して対向する接地導体１１とにより、マイクロストリップ線路を構成する。また、各ストリップ導体１２の外側縁端中央部には、各ストリップ導体１２の長手方向に対して実質的に直交する方向に延在するストリップ導体１３が接続され、当該ストリップ導体１３の他端は、誘電体基板１０を厚さ方向に貫通して形成されるビア導体１４を介して接地導体１１に接続される。ここで、ストリップ導体１３と、ビア導体１４とにより、シャント枝の誘導性素子として動作するスタブ導体１５を構成する。以上のように構成することで、非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１を形成する。
（１）ストリップ導体１２Ｐ１とストリップ導体１２との間の間隙において、それらを接続する直列枝のチップキャパシタ１６Ｐが配置され、
（２）互いに隣接するストリップ導体１２，１２間の各間隙において、それらを接続する直列枝のチップキャパシタ１６が配置され、
（３）ストリップ導体１２Ｐ２とストリップ導体１２との間の間隙において、それらを接続する直列枝のチップキャパシタ１６Ｐが配置される。
ここで、ストリップ導体１２，１２Ｐ１，１２Ｐ２と、これらに対して、フェライトロッド３０又は誘電体基板１０を介して対向する接地導体１１とにより、マイクロストリップ線路を構成する。また、各ストリップ導体１２の外側縁端中央部には、各ストリップ導体１２の長手方向に対して実質的に直交する方向に延在するストリップ導体１３が接続され、当該ストリップ導体１３の他端は、誘電体基板１０を厚さ方向に貫通して形成されるビア導体１４を介して接地導体１１に接続される。ここで、ストリップ導体１３と、ビア導体１４とにより、シャント枝の誘導性素子として動作するスタブ導体１５を構成する。以上のように構成することで、非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１を形成する。
【0039】
なお、「外側」とは、各非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１、Ｌ２の幅方向の中央部から見て、電磁的に結合する他方の伝送線路に向かう幅方向とは反対方向をいい、全体の結合線路装置の幅方向の中央部に向かう方向であって、電磁的に結合する他方の伝送線路に向かう幅方向を「内側」という。
【0040】
また、誘電体基板１０およびフェライトロッド３０の上面において、ポートＰ３のストリップ導体２２Ｐ３と、複数個のストリップ導体２２と、ポートＰ４のストリップ導体２２Ｐ２とが、それらの長手方向がフェライトロッド３０の長手方向（線路方向）に実質的に平行になるように形成される。
（１）ストリップ導体２２Ｐ１とストリップ導体２２との間の間隙において、それらを接続する直列枝のチップキャパシタ２６ｐが配置され、
（２）互いに隣接するストリップ導体２２，２２間の各間隙において、それらを接続する直列枝のチップキャパシタ２６が配置され、
（３）ストリップ導体２２Ｐ２とストリップ導体２２との間の間隙において、それらを接続する直列枝のチップキャパシタ２６ｐが配置される。
ここで、ストリップ導体２２，２２Ｐ１，２２Ｐ２と、これらに対して、フェライトロッド３０又は誘電体基板１０を介して対向する接地導体１１とにより、マイクロストリップ線路を構成する。また、各ストリップ導体２２の外側縁端中央部には、各ストリップ導体２２の長手方向に対して実質的に直交する方向に延在するストリップ導体２３が接続され、当該ストリップ導体２３の他端は、誘電体基板１０を厚さ方向に貫通して形成されるビア導体２４を介して接地導体１１に接続される。ここで、ストリップ導体２３と、ビア導体２４とにより、シャント枝の誘導性素子として動作するスタブ導体２５を構成する。以上のように構成することで、非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ２を形成する。
（１）ストリップ導体２２Ｐ１とストリップ導体２２との間の間隙において、それらを接続する直列枝のチップキャパシタ２６ｐが配置され、
（２）互いに隣接するストリップ導体２２，２２間の各間隙において、それらを接続する直列枝のチップキャパシタ２６が配置され、
（３）ストリップ導体２２Ｐ２とストリップ導体２２との間の間隙において、それらを接続する直列枝のチップキャパシタ２６ｐが配置される。
ここで、ストリップ導体２２，２２Ｐ１，２２Ｐ２と、これらに対して、フェライトロッド３０又は誘電体基板１０を介して対向する接地導体１１とにより、マイクロストリップ線路を構成する。また、各ストリップ導体２２の外側縁端中央部には、各ストリップ導体２２の長手方向に対して実質的に直交する方向に延在するストリップ導体２３が接続され、当該ストリップ導体２３の他端は、誘電体基板１０を厚さ方向に貫通して形成されるビア導体２４を介して接地導体１１に接続される。ここで、ストリップ導体２３と、ビア導体２４とにより、シャント枝の誘導性素子として動作するスタブ導体２５を構成する。以上のように構成することで、非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ２を形成する。
【0041】
図１３の上面図において、１つのブロックからなる垂直磁化フェライトロッド３０が埋め込まれた誘電体基板１０上に２本の非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１及びＬ２を近接させて配置し、結合線路装置を構成している。非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１は入出力端子としてポートＰ１及びポートＰ２を有し、非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ２はポートＰ３及びポートＰ４を有する。どちらの非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１，Ｌ２もマイクロストリップ線路を含むように構成されており、直列枝及びシャント枝に対して、それぞれ周期的にキャパシタ１６，１６Ｐ又は２６，２６Ｐ及び誘導性スタブ導体１５，２５が挿入されている。
【0042】
以上のように構成された図１２～図１４Ａの構成例では、接地導体１１からストリップ導体１２に向う垂直方向に内部磁化されたフェライトロッド３０を誘電体基板１０に埋め込んでいる。本発明はこれに限らず、変形例に係る図１４Ｂに示すように、フェライトロッド３０の例えば下側に載置された、電磁石３１（又は永久磁石）により外部磁界を、接地導体１１からストリップ導体１２に向う垂直方向に外部磁界を発生して各非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１，Ｌ２に対して印加してもよい。図１４Ｂにおいて、電磁石３１は、例えば、接地導体１１と対向する側においてＮ極を有し、その反対側（図１４Ｂにおいて下側）においてＳ極を有する。
【0043】
図１５は、従来例に係るＣＲＬＨ線路に沿って伝搬する電磁波の分散曲線の一例であって、直列枝の直列共振周波数ωｓｅとシャント枝の並列共振周波数ωｓｈが異なる場合の分散曲線を示すグラフである。図１５において、分散曲線の横軸は位相定数β、縦軸は角周波数ωである。図１５から明らかなように、後進波が伝搬する周波数帯ω≦ωΔＬと、前進波が伝搬する周波数帯ω≧ωΔＨの間の周波数帯域において、電磁波が伝搬不可のバンドギャップが生じる。この分散曲線のうち、微分係数∂ω／∂βが正となる部分を実線で、負となる部分を点線で区別している。この微分係数は線路に沿って伝搬する電磁波の群速度に対応し、伝送電力の方向を意味する。以下では、＋ｘ方向を正方向に選択するものとする。
【0044】
図１６は、従来例に係るＣＲＬＨ線路に沿って伝搬する電磁波の分散曲線の別の一例であって、直列枝の直列共振周波数ωｓｅとシャント枝の並列共振周波数ωｓｈが互いに一致する場合の分散曲線を示すグラフである。図１６の場合においては、後進波が伝搬する周波数帯域ω≦ωΔＬと、前進波が伝搬する周波数帯域ω≧ωΔＨとが連続的に接続されることから、バンドギャップは消失する。また、角周波数ω＝ωΔＬ＝ωΔＨ＝ωＤにおいて、２本の分散曲線がバンドギャップを形成することなく交差し、ディラク点Ｄｐと呼ばれる。
【0045】
図１７は、従来例に係る１対のＣＲＬＨ線路からなる対称結合線路装置の分散曲線を示すグラフである。図１６のような分散性を有する１対の等価なＣＲＬＨ線路Ｌ１，Ｌ２を互いに電磁的結合するように近接させて、図１２及び図１３のように配置して結合線路装置を構成すると、右手系伝送帯域及び左手系伝送帯域において、それぞれ偶モード及び奇モードが生じる。さらに、位相定数βがゼロとなるΓ点において形成されていた角周波数ωＤのディラク点Ｄｐ付近において、モード結合の結果、図１７に示すように、大きなバンドギャップＢＧが生じる。ここで、バンドギャップＢＧの下側カットオフ周波数をωＧＬ、上側カットオフ周波数をωＧＨとする。
【0046】
図１８は、図１７の対称結合線路装置において、電磁的結合によって形成されたバンドギャップＢＧ内の周波数を動作点として選択し、線路Ｌ１のポートＰ１を入力端子とした場合の電磁波電力の流れを示す上面図である。
【0047】
図１８において、ポートＰ１から入力したマイクロ波信号の電磁波は、伝送線路Ｌ１に沿ってポートＰ１からポートＰ２に向かって伝搬しようとするが、偶奇モードどちらも伝搬不可なので、逆戻りすることとなる。このとき、伝送線路Ｌ１に沿ったままポートＰ１に向かって戻るのではなく、伝送線路Ｌ１とＬ２とが互いに電磁的に結合している結果、伝送線路Ｌ１に沿って伝搬する電磁波のエネルギーは次第に減少し、伝送線路Ｌ２にエネルギーが移動し、ポートＰ３に向かって逆向きに伝搬する。結合線路装置の線路長が長いほど、伝送線路Ｌ１から伝送線路Ｌ２へのエネルギー変換効率は上昇する。以上の結果、ポートＰ１から入力したマイクロ波信号の電磁波電力の大部分はポートＰ３から出力される結果となる。同様に、線路構造の対称性から、伝送線路Ｌ２のポートＰ４から入力したマイクロ波信号の電磁波電力の大部分は、伝送線路Ｌ１のポートＰ２から出力される。
【0048】
図１９は、図１７の対称結合線路装置において、動作点としてバンドギャップＢＧ内の周波数を選択し、線路Ｌ２のポートＰ３を入力端子とした場合の電磁波電力の流れを示す上面図である。図１９において、ポートＰ３から入力したマイクロ波信号の電磁波は、伝送線路Ｌ２に沿って伝搬しようとするが、偶奇モードどちらも伝搬不可のため、逆戻りすることとなる。このとき、伝送線路Ｌ１とＬ２とが電磁的に結合しているため、そのままポートＰ３を逆戻りするのではなく、伝送線路Ｌ１のポートＰ１に向かって伝搬することとなる。以上の結果、ポートＰ３から入力したマイクロ波信号の電磁波電力の大部分はポートＰ１から出力される結果となる。線路構造の対称性から、伝送線路Ｌ１のポートＰ２から入力したマイクロ波信号の電磁波の大部分は、伝送線路Ｌ２のポートＰ４から出力される。
【0049】
図２０は、実施形態に係る図１３の非相反対称結合線路装置を構成する１本の非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１の分散曲線を示すグラフである。なお、隣接するもう１つの伝送線路Ｌ２の影響が小さい（つまり電磁的結合が小さい）場合を考えている。フェライトロッド３０を有する誘電体基板１０（又はフェライト基板）は＋ｚ方向（基板平面と直交する垂直方向）に磁化され、スタブ導体１５が図１３のように片側のみ非対称に挿入されている場合、位相定数βに現れる非相反性はΔβ＞０となり、２本の分散曲線の交点であるディラク点Ｄｐ１は縦軸の角周波数軸に対して右側にシフトする。
【0050】
図２１は、実施形態に係る図１３の非相反対称結合線路装置を構成するもう１本の非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ２の分散曲線を示すグラフである。なお、隣接する他方の伝送線路Ｌ１の影響が小さい（つまり電磁的結合が小さい）場合の分散特性を考えている。フェライトロッド３０を有する誘電体基板１０（又はフェライト基板）が＋ｚ方向（垂直方向）に磁化し、スタブ導体２５が図１３に示すように、伝送線路Ｌ１と逆方向側に片側のみ非対称に挿入されている場合、位相定数βに現れる非相反性はΔβ＜０となり、２本の分散曲線の交点であるディラク点Ｄｐ２は縦軸の角周波数軸に対して左側にシフトする。
【0051】
図２２は、図２０の分散曲線と図２１の分散曲線との重ね合わせた分散曲線を示すグラフである。図２２において、非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１の分散曲線を実線と点線で、非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ２の分散曲線を一点鎖線と二点鎖線で示している。非相反性Δβが大きくなると、２つのディラク点Ｄｐ１，Ｄｐ２は電磁的結合による影響を受けなくなる。一方で、非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１及びＬ２の分散曲線の間で２つの交点がΓ点（位相定数β＝０となるω軸）上に現れる。図２２では、この２つの交点角周波数を、低い交点角周波数から順に、下側交点角周波数ωＣ１、上側交点角周波数ωＣ２とおく。
【0052】
図２３は、１対の非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１，Ｌ２からなる対称結合線路装置の分散曲線の概略を示すグラフである。図２２の下側交点角周波数ωＣ１及び上側交点角周波数ωＣ２の近傍において、それぞれ異なる２種類のモード間で結合が生じ、バンドギャップが形成される。下側の交点角周波数ωＣ１付近では、非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１に沿って（電力の向きが）ポートＰ１からポートＰ２に向かって順方向に伝搬するモード（実線）と、線路Ｌ２に沿ってポートＰ４からポートＰ３に向かって逆方向に伝搬するモード（二点鎖線）とが結合し、角周波数ωＧＬ１≦ω≦ωＧＨ１の範囲に亘りバンドギャップが形成される。一方、上側交点角周波数ωＣ２付近では、非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ２に沿ってポートＰ３からポートＰ４に向かって順方向に伝搬するモード（一点鎖線）と、線路Ｌ１に沿ってポートＰ２からポートＰ１に向かって逆方向に伝搬するモード（点線）とが結合し、角周波数ωＧＬ２≦ω≦ωＧＨ２の範囲に亘りバンドギャップが形成される。
【0053】
図２４は、図２３の下側のバンドギャップＢＧ１２内（角周波数ωＧＬ１≦ω≦ωＧＨ１の範囲）での動作において、マイクロ波信号をポートＰ３から入力した場合の電磁波伝搬の様子を示す上面図である。図２３の分散曲線からわかるように、ωＧＬ１≦ω≦ωＧＨ１の角周波数範囲においては、非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ２に沿ってポートＰ３からポートＰ４に向かって伝搬するモード（一点鎖線）が存在するため、図２４に示すように、入力したマイクロ波信号の電磁波電力の大部分は、ポートＰ４から出力される。
【0054】
図２５は、図２３の下側のバンドギャップＢＧ１２内（角周波数ωＧＬ１≦ω≦ωＧＨ１の範囲）での動作において、マイクロ波信号をポートＰ２から入力した場合の電磁波伝搬の様子を示す上面図である。図２３の分散曲線からわかるように、ωＧＬ１≦ω≦ωＧＨ１の角周波数範囲においては、非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１に沿ってポートＰ２からポートＰ１に向かって伝搬するモード（点線）が存在するため、図２５に示すように、入力したマイクロ波信号の電磁波電力の大部分は、ポートＰ１から出力される。
【0055】
図２６は、図２３の下側のバンドギャップＢＧ１２内（角周波数ωＧＬ１≦ω≦ωＧＨ１の範囲）での動作において、マイクロ波信号をポートＰ１から入力した場合の電磁波伝搬の様子を示す上面図である。図２３の分散曲線からわかるように、該当周波数範囲においては、非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１に沿ってポートＰ１からポートＰ２に向かって伝搬するモード（実線）は存在しない。非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１に沿ってポートＰ１からポートＰ２に向かって伝搬するモードは、非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ２に沿って逆向きのポートＰ４からポートＰ３に向かって伝搬するモード（二点鎖線）と結合しているため、ポートＰ１から入力したマイクロ波信号の電磁波は非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１に沿って伝搬するにつれてエネルギーを失い、当該電磁波のエネルギーは非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ２側に移動し、ポートＰ４からポートＰ３に向かって伝搬する。結合線路装置の線路長が長くなると、非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１から非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ２へのエネルギー変換効率は高くなる。以上の結果、結合線路装置の線路長が十分確保されれば、ポートＰ１から入力された電磁波電力の大部分は、ポートＰ３から出力される。
【0056】
図２７は、図２３の下側のバンドギャップＢＧ１２内（角周波数ωＧＬ１≦ω≦ωＧＨ１の範囲）での動作において、マイクロ波信号をポートＰ４から入力した場合の電磁波伝搬の様子を示す上面図である。図２３の分散曲線からわかるように、当該周波数範囲においては、非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ２に沿って逆向きのポートＰ４からポートＰ３に向かって伝搬するモード（二点鎖線）は存在しない。非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ２に沿ってポートＰ４からポートＰ３に向かって伝搬するモードは、非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１に沿って順方向のポートＰ１からポートＰ２に向かって伝搬するモード（実線）と結合しているため、ポートＰ４から入力したマイクロ波信号の電磁波はＬ２に沿って伝搬するにつれてエネルギーを失い、当該電磁波のエネルギーは非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１側に移動するとともに、ポートＰ１からポートＰ２に向かって伝搬する。結合線路装置の線路長が長いほど、非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ２から非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１へのエネルギー変換効率は上昇する。以上の結果、結合線路装置の長さが十分確保されれば、ポートＰ４から入力されたマイクロ波信号の電磁波電力の大部分は、ポートＰ２から出力される。
【0057】
以上説明したように、図２４から図２７までの装置動作をまとめると、下側のバンドギャップ内（角周波数ωＧＬ１≦ω≦ωＧＨ１の範囲）での動作の場合、マイクロ波信号をポートＰ１から入力するとポートＰ３から出力し、マイクロ波信号をポートＰ３から入力するとポートＰ４から出力する。同様に、マイクロ波信号をポートＰ４から入力するとポートＰ２から出力し、マイクロ波信号をポートＰ２から入力するとポートＰ１から出力する。以上のことからわかるように、本発明に係る実施形態の１対の非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１，Ｌ２からなる対称結合線路装置は、上から見ると、順方向が時計回りとなる４ポートサーキュレータ装置として動作する。
【0058】
図２８は、図２３の上側のバンドギャップＢＧ１１内（角周波数ωＧＬ２≦ω≦ωＧＨ２の範囲）での動作において、マイクロ波信号をポートＰ１から入力した場合の電磁波伝搬の様子を示す上面図である。図２３の分散曲線からわかるように、ωＧＬ２≦ω≦ωＧＨ２の角周波数範囲においては、非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１に沿ってポートＰ１からポートＰ２に向かって伝搬するモード（実線）が存在するため、図２８に示すように、入力したマイクロ波信号の電磁波電力の大部分は、ポートＰ２から出力される。
【0059】
図２９は、図２３の上側のバンドギャップＢＧ１１内（角周波数ωＧＬ２≦ω≦ωＧＨ２の範囲）での動作において、マイクロ波信号をポートＰ４から入力した場合の電磁波伝搬の様子を示す上面図である。図２３の分散曲線からわかるように、ωＧＬ２≦ω≦ωＧＨ２の角周波数範囲においては、非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ２に沿ってポートＰ４からポートＰ３に向かって伝搬するモード（二点鎖線）が存在するため、入力したマイクロ波信号の電磁波電力の大部分は、ポートＰ３から出力される。
【0060】
図３０は、図２３の上側のバンドギャップＢＧ１１内（角周波数ωＧＬ２≦ω≦ωＧＨ２の範囲）での動作において、マイクロ波信号をポートＰ３から入力した場合の電磁波伝搬の様子を示す上面図である。図２３の分散曲線からわかるように、該当周波数範囲においては、非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ２に沿ってポートＰ３からポートＰ４に向かって伝搬するモード（一点鎖線）は存在しない。非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ２に沿ってポートＰ３からポートＰ４に向かって伝搬するモードは、非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１に沿って逆向きのポートＰ２からポートＰ１に向かって伝搬するモード（点線）と結合しているため、ポートＰ３から入力したマイクロ波信号は非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ２に沿って伝搬するにつれてエネルギーを失い、マイクロ波信号の電磁波のエネルギーは非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１側に移動し、ポートＰ２からポートＰ１に向かって伝搬する。結合線路装置の線路長が長いほど、非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ２から非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１へのエネルギー変換効率は高くなる。以上の結果、結合線路装置の長さが十分確保されれば、ポートＰ３から入力されたマイクロ波信号の電磁波電力の大部分は、ポートＰ１から出力される。
【0061】
図３１は、図２３の上側のバンドギャップＢＧ１１内（角周波数ωＧＬ２≦ω≦ωＧＨ２の範囲）での動作において、マイクロ波信号をポートＰ２から入力した場合の電磁波伝搬の様子を示す上面図である。図２３の分散曲線からわかるように、該当周波数範囲においては、非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１に沿って逆向きのポートＰ２からポートＰ１に向かって伝搬するモード（点線）は存在しない。非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１に沿ってポートＰ２からポートＰ１に向かって伝搬するモードは、非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ２に沿って順方向のポートＰ３からポートＰ４に向かって伝搬するモード（一点鎖線）と結合しているため、ポートＰ２から入力したマイクロ波信号は非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１に沿って伝搬するにつれてエネルギーを失い、当該マイクロ波信号の電磁波のエネルギーは非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ２側に移動し、ポートＰ３からポートＰ４に向かって伝搬する。結合線路装置の線路長が長いほど、非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１から非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ２へのエネルギー変換効率は高くなる。以上の結果、結合線路装置の線路長が十分確保されれば、ポートＰ２から入力されたマイクロ波信号の電磁波電力の大部分は、ポートＰ４から出力される。
【0062】
以上説明したように、図２８から図３１までの装置動作をまとめると、上側のバンドギャップ内（角周波数ωＧＬ２≦ω≦ωＧＨ２の範囲）での動作の場合、マイクロ波信号をポートＰ１から入力するとポートＰ２から出力し、マイクロ波信号をポートＰ２から入力するとポートＰ４から出力する。同様に、マイクロ波信号をポートＰ４から入力するとポートＰ３から出力し、マイクロ波信号をポートＰ３から入力するとポートＰ１から出力する。以上のことからわかるように、本発明に係る実施形態の１対の非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１，Ｌ２からなる対称結合線路装置は、下側のバンドギャップ内での動作とは逆に、上から見て、反時計回りを順方向とする４ポートサーキュレータ装置として動作する。
【0063】
以上説明したように、図２４から図３１までの装置動作をまとめると、２周波において、４ポートサーキュレータ装置として動作する。但し、下側と上側の動作帯域で、順方向となる回転方向、つまり入出力ポートの関係が入れ替わる。
【0064】
なお、実施形態に係る４ポート非相反結合線路装置において、外部磁界もしくはフェライトロッド３０の磁化方向を反転させると、２つの非相反線路Ｌ１及びＬ２の非相反性の符号が入れ替わる。その結果、サーキュレータ装置として動作する下側及び上側帯域において、順方向となる回転方向が入れ替わる。
【実施例】
【0065】
次に、本発明に係る実施形態に係る４ポート非相反結合線路装置の動作を可能とする線路構造及び構造パラメータの実施例を以下に示す。
【0066】
図１２～図１４Ａに示すように、裏面に接地導体１１を有する誘電体基板１０内に、誘電体基板１０の一部として厚さ０．８ｍｍ、幅４．０ｍｍ、長さ１８．５ｍｍのフェライトロッド（又はフェライトブロック）３０を配置し、その周りには厚さ０．８ｍｍの誘電体基板１０が存在する。フェライトロッド３０上には、その長手方向の辺に平行となるように幅１．８ｍｍの１対の金属ストリップ導体１２，２２を装荷して、接地導体１１とともにマイクロストリップ線路を構成する。各マイクロストリップ線路に対して、長手方向に周期的に容量０．４ｐＦの直列枝キャパシタ１６，２６を挿入する。また、フェライトロッド３０に隣接して置かれた誘電体基板１０上に、幅０．８ｍｍ、長さ０．２ｍｍの誘導性短絡スタブ導体１５，２５（ストリップ導体１３，２３と、ビア導体１４，２４とから構成される）を構成し、ここで、当該誘導性短絡スタブ導体１５，２５を前記の各マイクロストリップ線路に対して、周期ｐ＝３．６ｍｍで周期的に挿入することで、１対の非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１，Ｌ２を構成する。ここで、１対の非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１，Ｌ２は、線路間距離０．４ｍｍで互いに電磁的に結合するように近接して配置されており、結合線路装置として動作する。１対の非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１，Ｌ２の両端には、それぞれ線路幅が連続的に変化するテーパ状のストリップ導体１２Ｐ１，１２Ｐ２，１２Ｐ３，１２Ｐ４を含むインピーダンス整合用マイクロストリップ線路が接続され、特性インピーダンス５０Ωの線路で給電可能な４ポート回路となっている。
【0067】
結合線路装置の特性を示す前に、まず、１本の非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１又はＬ２の分散曲線の実施例の特性例を図３２に示す。ここで、図３２は電磁界シミュレーションによる数値計算結果を表している。透過係数の位相特性から単位セルあたりの位相変化に換算して、分散曲線を求めている。フェライトロッド３０は軟磁性体であるとし、外部から直流磁界が印加されていない場合、フェライト内部の実効磁化はゼロで誘電体として動作する。この場合、線路に沿って伝搬する電磁波は相反性を示す。図３２の結果からわかるように、周波数６．３ＧＨｚにおいてディラク点Ｄｐが形成されている。
【0068】
図３３は、図３２の分散特性をそれぞれ有する１対のＣＲＬＨ線路を電磁的に結合するように近接配置させ結合線路装置を構成し、当該結合線路装置内の各ＣＲＬＨ線路部分の単位セル数を５個とした場合の散乱パラメータの周波数特性（伝送周波数特性）を示すスペクトル図である。
【0069】
図３３から明らかなように、図３２のディラク点Ｄｐに対応する周波数６．３ＧＨｚを中心に、周波数ｆＧＬ＝５．５ＧＨｚから周波数ｆＧＨ＝７．０ＧＨｚまでの周波数領域において、散乱パラメータの透過係数Ｓ２１が大きく低下しており、一方で散乱パラメータＳ３１及びＳ１３の値が大きくなっていることが確認できる。このことは、非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１及びＬ２間の電磁的な結合によるバンドギャップＢＧが同帯域で形成されていることを意味している。動作周波数としてこのバンドギャップＢＧ内の周波数を選択する場合、非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１のポートＰ１から入力したマイクロ波信号は、非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１に沿って伝搬することができず、非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ２と結合し、マイクロ波信号の伝送電力は非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１から非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ２に移動し、ポートＰ３から出力される。同様に、非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ２のポートＰ３から入力したマイクロ波信号は、非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ２に沿って伝搬することができず、非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１と結合し、マイクロ波信号の伝送電力は非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ２から非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１に移動し、ポートＰ１から出力される。以上の結果、ＣＲＬＨ線路Ｌ１とＬ２間の電磁的結合を表す散乱結合透過係数Ｓ３１及びＳ１３は、バンドギャップＢＧ内において、－３ｄＢ以上の強結合となっている。
【0070】
図３４は、前記結合線路装置のフェライトロッド３０を有する誘電体基板１０に対して、垂直方向に直流磁界が印加された場合の１本のＣＲＬＨ線路Ｌ１の分散曲線の一例を示すグラフである。フェライトロッド３０内の磁化及び内部印加磁界は、誘電体基板１０に対して垂直方向で＋ｚ方向を向いている場合である。ここで、ＣＲＬＨ線路構造は例えば図１２～図１４Ａの非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１に対応し、ポートＰ１及びポートＰ２から入力した場合の分散曲線を、それぞれ実線及び点線で示している。ここで、図３４は直流磁化又は内部直流磁界の場合を示している。図３４からわかるように、直流磁界を＋ｚ方向に印加することにより、ディラク点Ｄｐの動作周波数は高周波側に移動して、周波数ｆＤ＝７ＧＨｚとなり、非相反性は正の値を示し、Δβ・ｐ／π＝０．２となっている。
【0071】
図３５は、図３４の分散曲線と、図１２～図１４Ａの非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ２の分散曲線とを重ねて示したグラフである。図３５から明らかなように、図２の非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１とＬ２の分散曲線の相違は、２本の線路構造の非対称性に起因しており、誘導性スタブ導体１５，２５の挿入されるストリップ導体エッジの側が左右入れ替わっている。このとき、非相反性の大きさは同じであるが、符号が反転する結果となる。図３５では、非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１の分散曲線を実線と点線で、非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ２の分散曲線を一点鎖線と二点鎖線で表している。非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１とＬ２の分散曲線はどちらも同じ周波数でディラク点Ｄｐ１，Ｄｐ２をもち、周波数ｆＤ＝７ＧＨｚとなっている。図３５からわかるように、非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１とＬ２の分散曲線は、位相定数がゼロとなるΓ点の２箇所で交差し、結合を生じる。非相反性のない場合、非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１とＬ２の分散曲線は全く同一であるのに対して、伝搬特性の異なる２本の非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１とＬ２からなる結合線路装置の場合、ディラク点Ｄｐ１，Ｄｐ２の上側及び下側の２周波で分散曲線が交差し、それぞれの点で結合が生じる。下側及び上側の交点周波数をｆＣ１及びｆＣ２とおくと、図３５より、交点周波数ｆＣ１＝５．８ＧＨｚ、交点周波数ｆＣ２＝８ＧＨｚとなることがわかる。
【0072】
【0073】
図３５の分散曲線の交点周波数ｆＣ１＝５．８ＧＨｚ及びｆＣ２＝８ＧＨｚの周波数付近で結合が生じ、図２３で説明したようなバンドギャップＢＧ１１，ＢＧ１２を生じる。その結果、交点周波数ｆＣ１＝５．８ＧＨｚを中心とする下側バンドギャップＢＧ１２の周波数帯域（周波数ｆＧＬ１＝５．３ＧＨｚから周波数ｆＧＨ１＝６．８ＧＨｚ）においては、非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１のポートＰ１から入力したマイクロ波信号は、非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１に沿って伝搬することができず、非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ２と結合し、マイクロ波信号の電磁波電力が非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１から非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ２に移動し、非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ２のポートＰ３から出力する。その結果、伝送線路間で結合して透過するマイクロ波信号の係数である結合透過係数Ｓ３１が広帯域に亘り強結合で－３ｄＢ以上となる。
【0074】
これに対して、逆向きの結合透過係数Ｓ１３は－１０ｄＢ以下となっている。一方、非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ２のポートＰ３からマイクロ波信号を入力した場合、ポートＰ３からポートＰ４に向かって伝搬するモードが存在し、低損失でポートＰ４から出力する。その結果、透過係数Ｓ４３も同周波数帯域において、マイクロ波信号が低損失で透過する値となっている。これに対して、逆向きの反射係数Ｓ３４は高周波側の一部を除いて、－１０ｄＢ以下となっている。このＣＲＬＨ結合線路装置の構造の対称性から、結合透過係数Ｓ３１は結合透過係数Ｓ２４と等しく、透過係数Ｓ４３は透過係数Ｓ１２と等しくなる。以上のことから、図３６の結果より、交点周波数ｆＣ１＝５．８ＧＨｚを含む下側バンドギャップ周波数帯域（周波数ｆＧＬ１＝５．３ＧＨｚから周波数ｆＧＨ１＝６．８ＧＨｚ）において、当該結合伝送線路装置が４ポートサーキュレータ装置として動作していることが分かる。
【0075】
次に、交点周波数ｆＣ２＝８ＧＨｚを含む上側バンドギャップ周波数帯域（周波数ｆＧＬ２＝７．５ＧＨｚから周波数ｆＧＨ２＝８．５ＧＨｚ）においては、非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ２のポートＰ３から入力したマイクロ波信号は、非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ２に沿って伝搬することができず、非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１と結合し、当該マイクロ波信号の電磁波電力が非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ２から非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１に移動し、非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１のポートＰ１から出力する。その結果、結合透過係数Ｓ１３が広帯域に亘り強結合で－３ｄＢ以上となる。これに対して、逆向きの結合透過係数Ｓ３１は－１０ｄＢ以下となっている。一方、マイクロ波信号を非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ２のポートＰ４から入力した場合、ポートＰ４からポートＰ３に向かって伝搬するモードが存在し、低損失でポートＰ４から出力する。その結果、透過係数Ｓ３４も同周波数帯域において、マイクロ波信号が低損失で透過する値となる。これに対して、逆向きの反射係数Ｓ４３は、－５ｄＢ以下となっている。このＣＲＬＨ結合線路の構造の対称性から、結合透過係数Ｓ１３は結合透過係数Ｓ４２と等しく、透過係数Ｓ３４は透過係数Ｓ２１と等しくなる。以上のことから、図３６の結果より、交点周波数ｆＣ２＝８．０ＧＨｚを含む周波数帯域（周波数ｆＧＬ２＝７．５ＧＨｚから周波数ｆＧＨ２＝８．５ＧＨｚ）において、当該結合伝送線路装置は、４ポートサーキュレータ装置として動作していることが分かる。
【0076】
以上説明したように、図３６の結果より、本発明に係る実施形態の結合伝送線路装置は、２周波において４ポートサーキュレータ装置として動作することが分かる。ただし、下側の動作帯域と上側の動作帯域で、順方向、逆方向の向きが入れ替わる。
【0077】
（実施形態の変形例）
図３７Ａは、実施形態の変形例に係る非相反ＣＲＬＨ結合線路装置を用いたアイソレータ装置の構成例を示す上面図である。公知のように、サーキュレータ装置の一部の終端にインピーダンス整合回路を介して接地し、２ポートにすることにより、アイソレータ装置として動作する。例えば、図１２～図１４Ａの非相反ＣＲＬＨ結合線路装置において、図３７Ａに示すように、ポートＰ２及びポートＰ４をそれぞれ、例えば５０Ωの終端抵抗８８，８９を介して接地することにより、ポートＰ１及びポートＰ３の間でアイソレータ装置として動作させることができる（図３６参照）。すなわち、下側のバンドギャップ内（角周波数ωＧＬ１≦ω≦ωＧＨ１の範囲）での動作の場合、マイクロ波信号をポートＰ１に入力するとき、実質的にほぼ全体の電磁波電力がポートＰ３から出力される。また、マイクロ波信号をポートＰ３に入力するとき、実質的にほぼ全体の電磁波電力が終端抵抗で消費され、ポート１からの出力はない。上側のバンドギャップ内（角周波数ωＧＬ２≦ω≦ωＧＨ２の範囲）での動作の場合、マイクロ波信号をポートＰ３に入力するとき、実質的にほぼ全体の電磁波電力がポートＰ１から出力される。また、マイクロ波信号をポートＰ１に入力するとき、実質的にほぼ全体の電磁波電力が終端抵抗で消費され、ポートＰ３からの出力はない。
図３７Ａは、実施形態の変形例に係る非相反ＣＲＬＨ結合線路装置を用いたアイソレータ装置の構成例を示す上面図である。公知のように、サーキュレータ装置の一部の終端にインピーダンス整合回路を介して接地し、２ポートにすることにより、アイソレータ装置として動作する。例えば、図１２～図１４Ａの非相反ＣＲＬＨ結合線路装置において、図３７Ａに示すように、ポートＰ２及びポートＰ４をそれぞれ、例えば５０Ωの終端抵抗８８，８９を介して接地することにより、ポートＰ１及びポートＰ３の間でアイソレータ装置として動作させることができる（図３６参照）。すなわち、下側のバンドギャップ内（角周波数ωＧＬ１≦ω≦ωＧＨ１の範囲）での動作の場合、マイクロ波信号をポートＰ１に入力するとき、実質的にほぼ全体の電磁波電力がポートＰ３から出力される。また、マイクロ波信号をポートＰ３に入力するとき、実質的にほぼ全体の電磁波電力が終端抵抗で消費され、ポート１からの出力はない。上側のバンドギャップ内（角周波数ωＧＬ２≦ω≦ωＧＨ２の範囲）での動作の場合、マイクロ波信号をポートＰ３に入力するとき、実質的にほぼ全体の電磁波電力がポートＰ１から出力される。また、マイクロ波信号をポートＰ１に入力するとき、実質的にほぼ全体の電磁波電力が終端抵抗で消費され、ポートＰ３からの出力はない。
【0078】
図３７Ｂは図３７Ａのアイソレータ装置の変形例１の構成例を示す上面図である。図３７Ｂに示すように、図３７Ａと異なる終端抵抗接続の組み合わせとして、伝送線路Ｌ２の両端であるポートＰ３及びポートＰ４をそれぞれ、例えば５０Ωの終端抵抗８８，８９を介して接地することにより、ポートＰ１及びポートＰ２の間でアイソレータ装置として動作させることもできる。すなわち、下側のバンドギャップ内（角周波数ωＧＬ１≦ω≦ωＧＨ１の範囲）での動作の場合、マイクロ波信号をポートＰ２に入力するとき、実質的にほぼ全体の電磁波電力がポートＰ１から出力される。また、マイクロ波信号をポートＰ１に入力するとき、実質的にほぼ全体の電磁波電力が終端抵抗で消費され、ポート２からの出力はない。上側のバンドギャップ内（角周波数ωＧＬ２≦ω≦ωＧＨ２の範囲）での動作の場合、マイクロ波信号をポートＰ１に入力するとき、実質的にほぼ全体の電磁波電力がポートＰ２から出力される。また、マイクロ波信号をポートＰ２に入力するとき、実質的にほぼ全体の電磁波電力が終端抵抗で消費され、ポートＰ１からの出力はない。
【0079】
図３７Ｃは３７Ａのアイソレータ装置の変形例２の構成例を示す上面図である。図３７Ｃに示すように、ポートＰ３，Ｐ４をそれぞれ終端抵抗８８．８９で終端してもよい。これにより、図３７Ａ及び図３７Ｂと同様に、ポートＰ１，Ｐ２間でマイクロ波信号を入出力するアイソレータ装置の動作をさせることができる。
【0080】
図３７Ｄは３７Ａのアイソレータ装置の変形例３の構成例を示す上面図である。図３７Ｄに示すように、ポートＰ１，Ｐ３をそれぞれ終端抵抗８８．８９で終端してもよい。これにより、図３７Ａ～図３７Ｃと同様に、ポートＰ２，Ｐ４間でマイクロ波信号を入出力するアイソレータ装置の動作をさせることができる。
【0081】
図３７Ｅは、実施形態の別の変形例に係る非相反ＣＲＬＨ結合線路装置を用いたサーキュレータ装置の構成例を示す縦断面図である。ここで、図３７Ｅは、接地導体１１Ａ，１１Ｂとフェライトロッド３０Ａ，３０Ｂを含む誘電体基板１０Ａ，１０Ｂ上にマイクロストリップ線路からなる非相反メタマテリアル線路をそれぞれ独立に２本構成し、信号線である金属ストリップ導体１２，２２が互いに対向するように配置させて構成した積層型非相反メタマテリアル結合線路の構成例を示す。当該結合線路装置は、２つの永久磁石３１Ａ，３１Ｂにより挟まれ、結合線路装置内のフェライトロッド３０Ａ，３０Ｂ（それぞれ、図３７Ｅにおいて、上方向の内部磁化を有する）に対して直流磁界が印加されている。図３７Ｅにおいて、永久磁石３１Ａは、例えば、接地導体１１Ａと対向する側においてＮ極を有し、その反対側（図３７Ｅにおいて下側）においてＳ極を有する。また、永久磁石３１Ｂは、例えば、接地導体１１Ｂと対向する側においてＳ極を有し、その反対側（図３７Ｅにおいて上側）においてＮ極を有する。
【0082】
なお、図３７Ｅでは、上下に配置された２つの接地導体１１Ａ，１１Ｂは分離しているが、左右両側壁に金属面を追加して接地導体１１Ａ，１１Ｂを一体化させ、導波管内に結合線路装置を構成することも可能である。
【0083】
（変形例）
次いで、ストリップ線路を用いて構成された図１２の非相反伝送線路装置を、矩形導波管を用いて構成してなる非相反伝送線路装置について以下に説明する。
次いで、ストリップ線路を用いて構成された図１２の非相反伝送線路装置を、矩形導波管を用いて構成してなる非相反伝送線路装置について以下に説明する。
【0084】
（変形例１）
図３８Ａは変形例１に係る矩形導波管を用いて構成された、１本の非相反ＣＲＬＨ線路装置の外観を示す斜視図であり、図３８Ｂは図３８Ａの非相反ＣＲＬＨ線路装置の上面導体を除去したときの破断上面図である。図３８Ａ及び図３８Ｂに示すように、金属コルゲーション構造とフェライトスラブとの組み合わせにより、非相反ＣＲＬＨ線路装置を構成することが可能である。
図３８Ａは変形例１に係る矩形導波管を用いて構成された、１本の非相反ＣＲＬＨ線路装置の外観を示す斜視図であり、図３８Ｂは図３８Ａの非相反ＣＲＬＨ線路装置の上面導体を除去したときの破断上面図である。図３８Ａ及び図３８Ｂに示すように、金属コルゲーション構造とフェライトスラブとの組み合わせにより、非相反ＣＲＬＨ線路装置を構成することが可能である。
【0085】
図３８Ａ及び図３８Ｂにおいて、矩形導波管は、上側導体板４１と、それに対向して配置される下側導体板４２と、上側導体板４１と下側導体板４２とを連結する１対で対向する側面導体板４３，４４とを含むように構成される。ここで、側面導体板４３と側面導体板４４との間に、矩形板形状のフェライトスラブ４５が配置される。また、側面導体板４４の内側面には、周期ｐで深さｄの水平方向の直方体凹部４４ｃが周期的に形成される。ここで、側面導体板４４の凹部深さｄが１／４波長よりも長く、半波長よりも短い場合、直列枝に容量素子が周期的に挿入されたのと同じ振る舞いを示し、負の透磁率構造となる。フェライトスラブ４５の幅方向に対して平行である垂直方向に直流磁界を印加するとき、同方向に直流磁化ＭＳ１が誘起している場合を考える。矩形導波管内の主偏波である交流電界ベクトルの向きは、直流磁界と同じ方向に設定されているとする。このとき、電界ベクトルに平行な位置関係にある矩形導波管の側面導体板４３，４４の対の間隔が半波長よりも狭い場合、帯域阻止となり、実効誘電率が負となる。非相反性の発現は、フェライトスラブ４５に対して、例えば右側にコルゲーション構造、左側に金属板構造が近接して置かれた非対称構造を採用することにより、非相反性が発現する。
【0086】
【0087】
（変形例２）
図３９Ａは変形例２に係る矩形導波管を用いて構成された、１本の非相反ＣＲＬＨ線路装置の外観を示す斜視図であり、図３９Ｂは図３９Ａの非相反ＣＲＬＨ線路装置の上面導体を除去したときの破断上面図である。図３９Ａ及び図３９Ｂにおいては、コルゲーションの溝内部に誘電体を挿入し、管内波長を短くすることにより、矩形導波管構造の小型化を図っている。
図３９Ａは変形例２に係る矩形導波管を用いて構成された、１本の非相反ＣＲＬＨ線路装置の外観を示す斜視図であり、図３９Ｂは図３９Ａの非相反ＣＲＬＨ線路装置の上面導体を除去したときの破断上面図である。図３９Ａ及び図３９Ｂにおいては、コルゲーションの溝内部に誘電体を挿入し、管内波長を短くすることにより、矩形導波管構造の小型化を図っている。
【0088】
【0089】
【0090】
（変形例３）
図４０Ａは、変形例３に係る矩形導波管を用いて構成された、１本の非相反ＣＲＬＨ線路装置の外観を示す斜視図であり、図４０Ｂは図３９Ａの非相反ＣＲＬＨ線路装置の上面導体を除去したときの破断上面図である。
図４０Ａは、変形例３に係る矩形導波管を用いて構成された、１本の非相反ＣＲＬＨ線路装置の外観を示す斜視図であり、図４０Ｂは図３９Ａの非相反ＣＲＬＨ線路装置の上面導体を除去したときの破断上面図である。
【0091】
図４０Ａ及び図４０Ｂにおいて、変形例１に係る図３８Ａ及び図３８Ｂの矩形導波管に比較して、以下の点が異なる。
（１）フェライトスラブ４５に代えて、複数の周期的な凸部４５ｐを有するフェライトスラブ４５Ａを備えた。
（２）側面導体板４４の各凹部４４ｃにそれぞれ、フェライトスラブ４５Ａの凸部４５ｐが嵌合挿入される。
（１）フェライトスラブ４５に代えて、複数の周期的な凸部４５ｐを有するフェライトスラブ４５Ａを備えた。
（２）側面導体板４４の各凹部４４ｃにそれぞれ、フェライトスラブ４５Ａの凸部４５ｐが嵌合挿入される。
【0092】
【0093】
【0094】
（変形例４）
図４１Ａは、変形例１に係る２本の矩形導波管を用いて構成された、変形例４に係る非相反ＣＲＬＨ結合線路装置の外観を示す斜視図であり、図４１Ｂは図４１Ａの非相反ＣＲＬＨ結合線路装置の上面導体を除去したときの破断上面図である。
図４１Ａは、変形例１に係る２本の矩形導波管を用いて構成された、変形例４に係る非相反ＣＲＬＨ結合線路装置の外観を示す斜視図であり、図４１Ｂは図４１Ａの非相反ＣＲＬＨ結合線路装置の上面導体を除去したときの破断上面図である。
【0095】
図４１Ａ及び図４１Ｂの矩形導波管は、図３８Ａ及び図３８Ｂの矩形導波管からなる２つの非相反ＣＲＬＨ伝送線路を互いに水平方向で電磁的に結合するように近接して配置し、電磁的結合を大きくするために非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１，Ｌ２間の複数の導体ロッド５５に挿入し、互いに隣接する導体ロッド５５間にスリット５５ｓを設けている。
【0096】
すなわち、矩形導波管は、上側導体板５１と、下側導体板５２と、それぞれ周期的な凹部５３ｃ，５４ｃを有する側面導体板５３，５４とを含むように構成される。側面導体板５３と、側面導体板５４との間には、フェライトスラブ５６と、複数の導体ロッド５５と、フェライトスラブ５７とが挿入される。複数の導体ロッド５５のうちの互いに隣接する導体ロッド５５間に周期的にスリット５５ｓが形成される。
【0097】
【0098】
（変形例５）
図４２Ａは、変形例２に係る２本の矩形導波管を用いて構成された、変形例５に係る非相反ＣＲＬＨ結合線路装置の外観を示す斜視図であり、図４２Ｂは図４２Ａの非相反ＣＲＬＨ結合線路装置の上面導体を除去したときの破断上面図である。図４２Ａ及び図４２Ｂの矩形導波管は、図３９Ａ及び図３９Ｂの矩形導波管からなる２つの非相反ＣＲＬＨ伝送線路を互いに水平方向で電磁的に結合するように近接して配置し、電磁的結合を大きくするために非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１，Ｌ２間の複数の導体ロッド５５に挿入し、互いに隣接する導体ロッド５５間にスリット５５ｓを設けている。複数の導体ロッド５５のスロットの幅及び／又は周期間隔を調整することにより、２本の矩形導波管の間の結合の大きさを調整可能となる。
図４２Ａは、変形例２に係る２本の矩形導波管を用いて構成された、変形例５に係る非相反ＣＲＬＨ結合線路装置の外観を示す斜視図であり、図４２Ｂは図４２Ａの非相反ＣＲＬＨ結合線路装置の上面導体を除去したときの破断上面図である。図４２Ａ及び図４２Ｂの矩形導波管は、図３９Ａ及び図３９Ｂの矩形導波管からなる２つの非相反ＣＲＬＨ伝送線路を互いに水平方向で電磁的に結合するように近接して配置し、電磁的結合を大きくするために非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１，Ｌ２間の複数の導体ロッド５５に挿入し、互いに隣接する導体ロッド５５間にスリット５５ｓを設けている。複数の導体ロッド５５のスロットの幅及び／又は周期間隔を調整することにより、２本の矩形導波管の間の結合の大きさを調整可能となる。
【0099】
言い換えれば、図４２Ａ及び図４２Ｂの矩形導波管は、図４１Ａ及び図４１Ｂの矩形導波管に比較して、以下の点が異なる。
（１）側面導体板５３，５４の各凹部５３ｃ，５４ｃにそれぞれ、誘電体ロッド５８，５９が挿入される。
（１）側面導体板５３，５４の各凹部５３ｃ，５４ｃにそれぞれ、誘電体ロッド５８，５９が挿入される。
【0100】
【0101】
（変形例６）
図４３Ａは、変形例３に係る２本の矩形導波管を用いて構成された、変形例６に係る非相反ＣＲＬＨ結合線路装置の外観を示す斜視図であり、図４３Ｂは図４３Ａの非相反ＣＲＬＨ結合線路装置の上面導体を除去したときの破断上面図である。図４３Ａ及び図４３Ｂにおいて、図４０Ａ及び図４０Ｂの矩形導波管からなる２つの非相反ＣＲＬＨ線路を互いに水平方向で電磁的に結合するように近接して配置し、電磁的結合を大きくするために非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１，Ｌ２間の複数の導体ロッド５５に挿入し、互いに隣接する導体ロッド５５間にスリット５５ｓを設けている。
図４３Ａは、変形例３に係る２本の矩形導波管を用いて構成された、変形例６に係る非相反ＣＲＬＨ結合線路装置の外観を示す斜視図であり、図４３Ｂは図４３Ａの非相反ＣＲＬＨ結合線路装置の上面導体を除去したときの破断上面図である。図４３Ａ及び図４３Ｂにおいて、図４０Ａ及び図４０Ｂの矩形導波管からなる２つの非相反ＣＲＬＨ線路を互いに水平方向で電磁的に結合するように近接して配置し、電磁的結合を大きくするために非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１，Ｌ２間の複数の導体ロッド５５に挿入し、互いに隣接する導体ロッド５５間にスリット５５ｓを設けている。
【0102】
言い換えれば、図４３Ａ及び図４３Ｂの矩形導波管は、図４１Ａ及び図４１Ｂの矩形導波管に比較して、以下の点が異なる。
（１）フェライトスラブ５６，５７に代えて、複数の周期的な凹部５６ｐ，５７ｐをそれぞれ有するフェライトスラブ５６Ａ，５７Ａを備えた。
（２）側面導体板５３，５４の各凹部５３ｃ，５４ｃにそれぞれ、フェライトスラブ５６Ａ，５７Ａの各凸部５６ｐ，５７ｐが嵌合挿入される。
（１）フェライトスラブ５６，５７に代えて、複数の周期的な凹部５６ｐ，５７ｐをそれぞれ有するフェライトスラブ５６Ａ，５７Ａを備えた。
（２）側面導体板５３，５４の各凹部５３ｃ，５４ｃにそれぞれ、フェライトスラブ５６Ａ，５７Ａの各凸部５６ｐ，５７ｐが嵌合挿入される。
【0103】
【0104】
図４４Ａは図４１Ａ～図４３Ｂの各非相反ＣＲＬＨ結合線路装置の導体ロッド５５間のスリット５５ｓの縦断面図である。図４４Ａ～図４４Ｃは、非相反ＣＲＬＨ結合線路装置の幅中央部であって、その長手方向に沿ったラインを含む縦断面に係る断面図である。
【0105】
図４４Ｂは、図４４Ａのスリット５５ｓに代えて、線路Ｌ１，Ｌ２間結合の強さを調整するための構成例であって、導体板５５Ａに複数の結合用円形貫通ホール５５ｈを形成した構成を示す縦断面図である。また、図４４Ｃは、図４４Ａのスリット５５ｓに代えて、線路Ｌ１，Ｌ２間結合の強さを調整するための構成例であって、導体板５５Ｂに複数の結合用矩形貫通ホール５５ｒを形成した構成を示す縦断面図である。
【0106】
すなわち、図４４Ａ～図４４Ｃには、導波管により構成される結合線路（図４１Ａ～図４３Ｂ）の線路間結合の強さを調整するための導体板５５，５５Ａ，５５Ｂ（金属遮蔽版）の構造に関する例を示している。前述の図４１Ａ～図４３Ｂにおいては、電磁的結合の大きさを調整するために、周期的に挿入されたスリット５５ｓを用いたスリット構造が採用されているが、それ以外の構造の例としては、円形、長方形、楕円形などのホールを周期的に配置した構造（図４４Ｂ）、メッシュ構造（図４４Ｃ）が考えられる。なお、金属遮蔽版である導体板５５，５５Ａ，５５Ｂのスリット５５ｓ又はホール５５ｈ，５５ｒには誘電体媒質で充填してもよい。
【0107】
（実施形態及び変形例の補足）
以上のように構成された結合長Ｌの非相反ＣＲＬＨ結合線路装置を構成する非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１及びＬ２のセル数Ｎ１，Ｎ２は、一般に、以下に示すように同じである必要はない。
以上のように構成された結合長Ｌの非相反ＣＲＬＨ結合線路装置を構成する非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１及びＬ２のセル数Ｎ１，Ｎ２は、一般に、以下に示すように同じである必要はない。
【0108】
【0109】
【0110】
図４６Ａは図４５Ａの非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１の単位セル６１をＮ１個備えて構成された長さＬの非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１の構成例を示すブロック図である。また、図４６Ｂは図４５Ｂの非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ２の単位セル６２をＮ２個備えて構成された長さＬの非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ２の構成例を示すブロック図である。図４６Ａ及び図４６Ｂは、長さＬの非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１及びＬ２を簡単化して表した図であって、非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１のセル数をＮ１、非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ２のセル数をＮ２としている。
【0111】
図４７Ａは図４６Ａの非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１を１つのブロックで簡単化して図示したブロック図である。また、図４７Ｂは図４６Ｂの非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ２を１つのブロックで簡単化して図示したブロック図である。図４７Ａ及び図４７Ｂは、長さＬの非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１及びＬ２の伝送線路モデルを示す図であって、非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１の入出力端子をポートＰ１及びポートＰ２とし、非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ２の入出力端子をポートＰ３及びポートＰ４とする。
【0112】
図４８は図４７Ａの非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１と、図４７Ｂの非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ２とを互いに電磁的に結合するように近接して配置されて構成された非相反ＣＲＬＨ結合線路装置の構成例を示す上面図である。図４８において、非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ１の入出力端子をポートＰ１及びポートＰ２とし、非相反ＣＲＬＨ線路Ｌ２の入出力端子をポートＰ３及びポートＰ４としており、当該非相反結合線路装置は４ポートＰ１～Ｐ４を有する。
【0113】
以上のように構成された本発明の実施形態に係る梯子型非相反ＣＲＬＨ線路において提案する構成は、例えば図４６Ａ及び図４６Ｂに示すように、例えば単位セル６１又は６１が少なくとも１つ以上からそれぞれ構成される梯子型伝送線路構成である。ここで、単位セルの構成は、順方向と逆方向の伝搬定数が異なる非相反位相推移現象を有する伝送線路部分を含み、直列枝の回路に容量性素子、並列枝の回路に誘導性素子が等価的に挿入された構成を有する（図１及び図２，図５等参照。）。前記伝送線路構成として対象となる回路又は装置は、ストリップ線路、マイクロストリップ線路、スロット線路、コプレーナ線路などマイクロ波、ミリ波、準ミリ波、テラヘルツ波において用いられるプリント基板回路、導波管、誘電体線路だけでなく、プラズモン、ポラリトン、マグノン等を含む導波モードあるいは減衰モードを支える構成全般、あるいはそれらの組み合わせ、さらに等価回路として記述可能な自由空間など全てが含まれる。
【0114】
前記非相反位相推移現象を有する伝送線路は、前記に示す伝送線路構成のうち、特にジャイロ異方性を有する材料を部分的もしくは全体的に含み、かつ電磁波の伝搬方向に対して異なる磁化方向（より好ましくは、伝搬方向に対して直交する方向）で磁化されて、前記伝搬方向と前記磁化方向とにより形成される面に対して非対称性を有する構造の伝送線路より構成される。前記非相反位相推移現象を有する伝送線路としては、前記伝送線路以外に、同等の非相反位相推移機能を有する、波長に比べて充分小さな集中定数素子も対象とする。前記ジャイロ異方性を有する材料としては、自発磁化もしくは外部より印加した直流もしくは低周波の磁界により誘起された磁化あるいは自由電荷の周回運動により、材料の特性を表す誘電率テンソルもしくは透磁率テンソルあるいはその両方が、ジャイロ異方性を持つ状態として表される場合全てを含む。具体的に対象となる例としては、マイクロ波、ミリ波などで用いられるフェライトなどのフェリ磁性体、強磁性体材料、固体プラズマ（半導体材料など）及び液体、気体プラズマ媒質、さらに微細加工などにより構成された磁性人工媒質などが挙げられる。
【0115】
前記直列枝の回路に挿入される容量性素子としては、電気回路でよく用いられるコンデンサ、マイクロ波、ミリ波などで用いられる分布定数型容量素子だけでなく、等価的には、伝送線路中を伝搬する電磁波モードの実効透磁率が負の値を持つような回路又は回路素子であってもよい。負の実効透磁率を示す具体的な例としては、金属からなるスプリットリング共振器、スパイラル構成などの磁気的共振器を少なくとも１つ含む空間的配置、あるいは磁気的共振状態にある誘電体共振器の空間的配置、あるいはフェライト基板マイクロストリップ線路に沿って伝搬するエッジモードのように、負の実効透磁率を持つ導波モードもしくは減衰モードで動作するマイクロ波回路全てを、等価回路として直列枝の回路が容量性素子として支配的に動作する線路として記述されることから用いることが可能である。さらに、前記直列枝の回路に挿入される容量性素子としては、前記以外に、容量性素子と誘導性素子の直列接続、並列接続あるいはそれらの組み合わせであってもよい。挿入されるべき部分の素子又は回路が全体として容量性を示すものであってもよい。
【0116】
前記並列枝の回路に挿入される誘導性素子として、電気回路で用いられるコイルなどの集中定数型素子や、マイクロ波、ミリ波などで用いられる短絡スタブなどの分布定数型誘導性素子だけでなく、伝送線路中を伝搬する電磁波モードの実効誘電率が負の値を持つ回路又は素子を用いることができる。具体的には、金属細線、金属球などの電気的共振器を少なくとも１つ含む空間的配置、あるいは金属だけでなく電気的共振状態にある誘電体共振器の空間的配置、あるいはＴＥモードが遮断領域にある導波管、平行平板線路など、負の実効誘電率を持つ導波モードもしくは減衰モードで動作するマイクロ波回路全てを、等価回路として並列枝が誘導性素子として支配的に動作する伝送線路として記述されることから用いることができる。また、前記並列枝の回路に挿入される誘導性素子としては、前記以外に、容量性素子と誘導性素子の直列接続、並列接続あるいはそれらの組み合わせであってもよい。挿入されるべき部分が全体として誘導性を示す回路又は素子であってもよい。
【0117】
前記非相反位相推移伝送線路において、伝送線路中を伝搬する電磁波モードの実効透磁率が負の場合、減衰モードとなりうるが、負の実効透磁率は、直列枝に容量性素子が挿入された場合に相当することから、同線路の等価回路は、非相反位相推移部分と直列容量素子部分の両方を含む。
【0118】
前記非相反位相推移現象を有する伝送線路において、伝送線路中を伝搬する電磁波モードの実効誘電率が負の場合、減衰モードとなりうるが、負の実効誘電率は、並列枝の回路に誘導性素子が挿入された場合に相当することから、同線路の等価回路は、非相反位相推移部分と並列誘導素子部分の両方を含む。
【産業上の利用可能性】
【0119】
以上詳述したように、従来技術に比較して大幅に小型化できかつサーキュレータ装置又はアイソレータ装置を構成可能な伝送線路マイクロ波装置、並びに伝送線路マイクロ波装置を用いたサーキュレータ装置及びアイソレータ装置を提供することができる。
【符号の説明】
【0120】
１０，１０Ａ，１０Ｂ 誘電体基板
１１，１１Ａ，１１Ｂ 接地導体
１２，１２Ｐ１，１２Ｐ２，２２，２２Ｐ３，２２Ｐ４，１３，２３ ストリップ導体
１４，２４ ビア導体
１６，１６Ｐ，２６，２６Ｐ キャパシタ
１５，２５ スタブ導体
２０ 誘電体基板
３０，３０Ａ，３０Ｂ フェライトロッド
３１ 電磁石
３１Ａ．３１Ｂ 永久磁石
４１ 上側導体板
４２ 下側導体板
４３，４４ 側面導体板
４４ｃ 凹部
４５，４５Ａ フェライトスラブ
４５ｐ 凸部
４６ 誘電体ロッド
５１ 上側導体板
５２ 下側導体板
５３，５４ 側面導体板
５３ｃ，５４ｃ 凹部
５５ 導体ロッド
５５Ａ，５５Ｂ 導体板
５５ｓ スリット
５５ｈ 結合用円形貫通ホール
５５ｒ 結合用矩形貫通ホール
５６，５７，５６Ａ，５７Ａ フェライトスラブ
５６ｐ，５７ｐ 凸部
５８，５９ 誘電体ロッド
６１，６２ 単位セル
１１，１１Ａ，１１Ｂ 接地導体
１２，１２Ｐ１，１２Ｐ２，２２，２２Ｐ３，２２Ｐ４，１３，２３ ストリップ導体
１４，２４ ビア導体
１６，１６Ｐ，２６，２６Ｐ キャパシタ
１５，２５ スタブ導体
２０ 誘電体基板
３０，３０Ａ，３０Ｂ フェライトロッド
３１ 電磁石
３１Ａ．３１Ｂ 永久磁石
４１ 上側導体板
４２ 下側導体板
４３，４４ 側面導体板
４４ｃ 凹部
４５，４５Ａ フェライトスラブ
４５ｐ 凸部
４６ 誘電体ロッド
５１ 上側導体板
５２ 下側導体板
５３，５４ 側面導体板
５３ｃ，５４ｃ 凹部
５５ 導体ロッド
５５Ａ，５５Ｂ 導体板
５５ｓ スリット
５５ｈ 結合用円形貫通ホール
５５ｒ 結合用矩形貫通ホール
５６，５７，５６Ａ，５７Ａ フェライトスラブ
５６ｐ，５７ｐ 凸部
５８，５９ 誘電体ロッド
６１，６２ 単位セル
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14A】
【図14B】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
【図32】
【図33】
【図34】
【図35】
【図36】
【図37A】
【図37B】
【図37C】
【図37D】
【図37E】
【図38A】
【図38B】
【図39A】
【図39B】
【図40A】
【図40B】
【図41A】
【図41B】
【図42A】
【図42B】
【図43A】
【図43B】
【図44A】
【図44B】
【図44C】
【図45A】
【図45B】
【図46A】
【図46B】
【図47A】
【図47B】
【図48】