JP5766972B2 - 導波管伝送線路変換器 - Google Patents

Description

本発明は、導波管伝送線路変換器に関する。

導波管から入力された電磁波を伝送線路で伝送する電気信号に変換する、若しくはその逆方向の変換をするためには、導波管伝送線路変換器が用いられている（例えば、非特許文献１）。ここでの伝送線路とは、マイクロストリップ線路又は同軸線路等を意味する。
図４は、導波管伝送線路変換器９の構成例を示す概略図である。図４（ａ）は導波管伝送線路変換器９の透視斜視図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）において導波管伝送線路変換器９を方向Ａ４から見たときの透視図である。

同図に示すように、導波管伝送線路変換器９は、不図示の導波管と接続する開口部９１ａを有する直方体形状の筐体９１と、筐体９１において開口部９１ａと対向する面(バックショート板)９１ｂに取り付けられているコネクタ９２と、一端がコネクタ９２に接続され他端が開口部９１ａ及びバックショート板９１ｂに対して垂直な２つの面（広壁面）のいずれかに接続されているプローブ導体９３とを備えている。ここで、広壁面とは、開口部９１ａが設けられている面に対して垂直な４つの面のうち、開口部９１ａが設けられている面の長い辺を共通にする面である。

コネクタ９２は、同軸ケーブルと接続され、同軸ケーブルの内導体をプローブ導体９３に接続して導通させ、同軸ケーブルの外導体を筐体９１に接続して導通させる。コネクタ９２において、同軸ケーブルの内導体と、外導体とは絶縁されている。
プローブ導体９３は、コネクタ９２に接続されている部分からバックショート板９１ｂに対して垂直な接続部９３ａと、管内波長λｇの１／４の距離を隔ててバックショート板９１ｂに対して平行な終端部９３ｃとを有し、接続部９３ａと終端部９３ｃとが垂直に接することによってＬ字形状をなしている。ここで、接続部９３ａ及び終端部９３ｃは、針金状、あるいは棒状の導体である。換言すると、プローブ導体９３は、屈曲部９３ｂにおいて直角に曲がっており、屈曲部９３ｂにより接続部９３ａと終端部９３ｃとに分けられている。ここで、管内波長λｇは、導波管を用いて伝送する電磁波の導波管内における波長、すなわち導波管管内波長である。

上記の構成を有する導波管伝送線路変換器９は、同軸ケーブルを介してコネクタ９２に入力された電気信号を電磁波に変換して筐体９１の開口部９１ａから出力する。また、導波管伝送線路変換器９は、開口部９１ａから入力された電磁波を電気信号に変換してコネクタ９２に接続された同軸ケーブルに出力する。図４において、同軸ケーブルにより電気信号が供給される構成を示したが、マイクロストリップ線路により給電される導波管伝送線路変換器もある（例えば、特許文献１）。

特開２００４−３２０４６０号公報

平田仁著、「マイクロ波工学の基礎」、日本理工出版会、２００４年２月、ｐ．９５−９６

しかしながら、製造工程において、低い加工精度で製造されると、導波管伝送線路変換器の周波数特性にずれが生じて、要求される周波数特性を満たすことができないことがある。例えば、図４に示した導波管伝送線路変換器９において、プローブ導体９３の他端と、筐体９１との接続などの加工の精度が悪いと、特性インピーダンスに誤差が生じ、周波数特性にばらつきが生じてしまうことがある。

本発明は、上記問題を解決すべくなされたもので、その目的は、製造工程における加工精度に基づく周波数特性のばらつきを低減させることができる導波管伝送線路変換器を提供することにある。

上記問題を解決するために、本発明は、一端に開口部が形成されかつ他端がバックショート板で閉塞された筒形状の金属筐体と、プローブ導体とを備える導波管伝送線路変換器であって、前記プローブ導体は、前記金属筐体において前記開口部が形成された面以外の面を貫通し、一端が前記金属筐体の外部にある伝送線路に接続され、他端が前記金属筐体内にある第１導体部と、前記伝送線路を通じて入力される信号の波長の１／４の距離を前記開口部が設けられている面と対抗する面から隔てて配置され、一端が前記第１導体部の他端に接している第２導体部と、前記開口部が設けられている面に対して垂直な前記金属筐体の延在方向と平行に配置され、一端が前記第２導体部の他端に接し、他端が前記金属筐体内で開放端になっている第３導体部とを有していることを特徴とする導波管伝送線路変換器である。

また、本発明は、上記に記載の発明において、前記第３導体部は、前記第１導体部が貫通している面と他端との距離が、当該面と一端との距離より短くなるように配置されていることを特徴とする。

この発明によれば、プローブ導体の他端と筐体との接続を不要にすることで、プローブ導体と筐体とを接続する加工精度に基づく周波数特性のばらつきを低減させることができる。

第１実施形態における導波管伝送線路変換器１の構成を示す概略図である。 第２実施形態における導波管伝送線路変換器２の構成を示す概略図である。 第３実施形態における導波管伝送線路変換器３の構成を示す概略図である。 導波管伝送線路変換器９の構成例を示す概略図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る各実施形態における導波管伝送線路変換器を説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態における導波管伝送線路変換器１の構成を示す概略図である。図１(ａ)は導波管伝送線路変換器１の透視斜視図であり、図１(ｂ)は図１(ａ)において方向Ａ１から見たときの透視図である。
同図に示すように、導波管伝送線路変換器１は、中空の直方体形状であり、いずれかの面に不図示の導波管と接続する開口部１１ａが設けられている金属製の筐体１１と、筐体１１において開口部１１ａと対抗する面（バックショート板）１１ｂに取り付けられているコネクタ１２と、筐体１１の内部に設置されている基板１３とを備えている。バックショート板１１ｂと対向する面は、面全体が開口部１１ａになっている。

また、筐体１１には狭壁面１１ｃと平行なスリット１１ｄが形成されており、基板１３がスリット１１ｄに差し込まれて固定されている。ここで、狭壁面１１ｃは、バックショート板１１ｂに対して垂直な４つの面のうち、バックショート板１１ｂの短い辺を共通にする２つの面のいずれかである。
コネクタ１２は、同軸ケーブルと接続され、同軸ケーブルの内導体を基板１３上に配置されるプローブ導体１４と接続して導通させ、同軸ケーブルの外導体を筐体１１に接続して導通させる。

基板１３は、誘電体からなり、一方の主面にプローブ導体１４としての配線１４ａ、１４ｂ、１４ｃが形成されている。また、基板１３は、上述のように筐体１１に固定され、筐体１１のバックショート板１１ｂと垂直に接するとともに、狭壁面１１ｃと平行になっており、バックショート板１１ｂから開口部１１ａへの方向と平行になるように固定されている。ここで、図１に示されているプローブ導体１４の配置は、開口部１１ａから入力又は出力される電磁波の電界が発生する方向が広壁面に垂直な方向である場合の配置である。

プローブ導体１４は、コネクタ１２を介して、コネクタ１２に接続される同軸ケーブルの内導体に接続される。また、プローブ導体１４は、管内波長λｇの１／４の距離を隔ててバックショート板１１ｂと平行、かつ狭壁面１１ｃと平行な配線１４ｂと、配線１４ｂの一端と直角に接するとともにコネクタ１２に接続されている配線１４ａと、配線１４ｂの他端と直角に接し長さが約（λｇ／４）の配線１４ｃとを有している。配線１４ｃは、その長手方向の長さが（λｇ／４）よりわずかに短く、バックショート板１１ｂと接しないようになっている。

プローブ導体１４は、配線１４ａ、配線１４ｂ、及び配線１４ｃによって、Ｕ字形状をなしている。ここで、λｇは、外部よりコネクタ１２を介して入力される信号の導波管内における波長、すなわち導波管管内波長（以下、管内波長という）である。
また、プローブ導体１４は、一端がコネクタ１２に接続され、他端が筐体１１に接続されることなくオープン（開放端）になっている。しかし、プローブ導体１４は、筐体１１の狭壁面１１ｃに沿って配置されている長さが約（λｇ／４）の配線１４ｃを有しているので、筐体１１と接続されていないが、筐体１１に接続（短絡）されているのと同じ特性を得ることができる。

このように、導波管伝送線路変換器１においてプローブ導体１４の形状をＵ字形状にして、プローブ導体１４と筐体１１との接続を不要にしたことにより、プローブ導体１４と筐体１１とを接続する加工を省くことができ、プローブ導体と筐体とを接続する加工精度に基づく周波数特性のばらつきを低減させることができる。

なお、基板１３を固定する方向は、図１に示されている方向に限らず、プローブ導体１４の配線１４ｂが、バックショート板１１ｂから（λｇ／４）の距離を隔てて、バックショート板１１ｂと平行に配置され、かつ開口部１１ａから入力又は出力される電磁波の電界が発生する方向と平行な（一致する）方向であれば、基板１３をいずれの方向で固定してもよい。
また、配線１４ｃを配線１４ｂの一端からバックショート板１１ｂに向かって伸びるように配置する構成について説明したが、開口部１１ａに向かって伸びるように配置してもよい。このとき、配線１４ｃの長さを（λｇ／４）よりわずかに短くせずに、（λｇ／４）としてもよい。

（第２実施形態）
第２実施形態の導波管伝送線路変換器は、プローブ導体を針金状、あるいは棒状の導体により形成して、基板を用いていない点が第１実施形態の導波管伝送線路変換器１と異なる。

図２は、第２実施形態における導波管伝送線路変換器２の構成を示す概略図である。図２（ａ）は導波管伝送線路変換器２の透視斜視図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）において方向Ａ２で見たときの透視図である。
同図に示すように、導波管伝送線路変換器２は、中空の直方体形状であり、いずれかの面に不図示の導波管と接続する開口部２１ａが設けられている金属製の筐体２１と、筐体２１において開口部２１ａと対向する面（バックショート板）２１ｂに取り付けられているコネクタ２２と、一端がコネクタ２２に接続され他端が開放端になっているプローブ導体２４とを備えている。バックショート板２１ｂと対向する面は、面全体が開口部２１ａになっている。

コネクタ２２は、第１実施形態のコネクタ１２と同様に、同軸ケーブルと接続され、同軸ケーブルの内導体をプローブ導体２４と接続して導通させ、同軸ケーブルの外導体を筐体２１に接続して導通させる。また、コネクタ２２において、同軸ケーブルの内導体と、外導体とは絶縁されている。
プローブ導体２４は、一端がコネクタ２２と接続されバックショート板２１ｂから開口部２１ａへの方向に伸びる接続部２４ａと、一端が接続部２４ａの他端に直角に接しバックショート板２１ｂに対して垂直な広壁面に向かって伸びる中間部２４ｂと、一端が中間部２４ｂの他端に接し筐体２１の広壁面と平行にバックショート板２１ｂに向かって伸びる終端部２４ｃとを有している。

また、プローブ導体２４は、接続部２４ａと中間部２４ｂとが直角に接し、中間部２４ｂと終端部２４ｃとが直角に接することによってＵ字形状をなしている。ここで、筐体２１の狭壁面は、第１実施形態と同様に、バックショート板２１ｂと垂直な面のうち、バックショート板２１ｂの短い辺を共通にする２つの面である。また、筐体２１の広壁面は、バックショート板２１ｂと垂直な面のうち、バックショート板２１ｂの長い辺を共通にする２つの面である。

プローブ導体２４の中間部２４ｂは、バックショート板２１ｂから管内波長λｇの１／４の距離を隔てて、バックショート板２１ｂ及び狭壁面と平行に配置されている。また、終端部２４ｃは、広壁面と所定の距離を隔てて平行に配置されている。ここで、図２に示されているプローブ導体２４の配置は、開口部２１ａから入力又は出力される電磁波の電界が発生する方向が広壁面に垂直な方向である場合の配置である。

接続部２４ａは長さが（λｇ／４）であり、終端部２４ｃは長さが約（λｇ／４）であり、バックショート板２１ｂに接しないようになっている。すなわち、プローブ導体２４は、一端がコネクタ２２に接続され、他端が筐体２１に接続されることなくオープン（開放端）になっており、筐体２１と接続されていない。しかし、プローブ導体２４は、第１実施形態と同様に、終端部２４ｃが筐体２１の広壁面から所定の距離を隔てて、当該広壁面と平行に配置され、その長さが約（λｇ／４）であるので、筐体２１の広壁面に接続（短絡）されているのと同じ特性を得ることができる。
また、プローブ導体２４は、例えば、上述のようにＵ字形状に加工された後に、筐体２１の内部において、コネクタ２２と接続されるとともに固定される。

上述のように、導波管伝送線路変換器２においてプローブ導体２４の形状をＵ字形状にして、プローブ導体２４と筐体２１との接続を不要にしたことにより、プローブ導体２４と筐体２１とを接続した場合と同様の特性を維持しつつ、プローブ導体２４と筐体２１とを接続する加工を省くことができ、プローブ導体と筐体とを接続する加工精度に基づく周波数特性のばらつきを低減させることができる。

なお、プローブ導体２４が有する中間部２４ｂが配置される方向は、図２に示した向きに限らず、電磁波を伝送線路で伝送する電気信号に変換する効率が高くなるように、開口部２１ａから入力される電磁波の電界が発生する方向と平行な方向に中間部２４ｂが配置されていればよい。あるいは、開口部２１ａから出力する電磁波の電界が発生する方向が予め定められた方向になるように、当該方向と平行な方向に中間部２４ｂが配置されていればよい。
また、終端部２４ｃを中間部２４ｂの他端からバックショート板２１ｂに向かって伸びるように配置する構成について説明したが、開口部２１ａに向かって伸びるように配置してもよい。この場合、終端部２４ｃの長さを（λｇ／４）よりわずかに短くせずに、（λｇ／４）としてもよい。

（第３実施形態）
第３実施形態の導波管伝送線路変換器は、マイクロストリップ線路を用いて給電する点と、マイクロストリップ線路とプローブ導体とを接続するために筐体の狭壁面を貫通している点とが第１実施形態の導波管伝送線路変換器１と異なる。

図３は、第３実施形態における導波管伝送線路変換器３の構成を示す概略図である。図３（ａ）は、導波管伝送線路変換器３の透視斜視図であり、図３（ｂ）はマイクロストリップ線路を構成する基板３３を方向Ａ３で平面視した図である。
同図に示すように、導波管伝送線路変換器３は、中空の直方体形状であり、いずれかの面に不図示の導波管と接続する開口部３１ａが設けられている金属製の筐体３１と、開口部３１ａと平行に筐体３１内部に設けられた基板３３とを備えている。筐体３１において、開口部３１ａが設けられている面は、全面が開口部３１ａになっている。また、筐体３１は、開口部３１ａを含む開口部側筐体３０ａと、開口部３１ａと対向する面（バックショート板）３１ｂを含むバックショート側筐体３０ｂとからなる。開口部側筐体３０ａとバックショート側筐体３０ｂとが基板３３を挟むことにより、基板３３を固定している。

基板３３は、第１実施形態の基板１３と同様に、誘電体からなり、バックショート板３１ｂと対向する一方の主面に、マイクロストリップ線路に接続されたプローブ導体３４としての配線３４ａ、３４ｂ、３４ｃが形成されている。
また、基板３３は、筐体３１のバックショート板３１ｂから管内波長λｇの１／４の距離を隔てて、バックショート板３１ｂと平行に配置されているとともに、筐体３１の開口部３１ａ及びバックショート板３１ｂと垂直な４つの面に接し固定されている。

プローブ導体３４は、筐体３１のバックショート板３１ｂに対して垂直な２つの狭壁面のいずれかに設けられている貫通孔３１ｃを通じて、筐体３１外部のマイクロストリップ線路と接続される。
また、プローブ導体３４は、一端がマイクロストリップ線路に接続され筐体３１の外部から貫通孔３１ｃを通って筐体３１の内部に直線状に伸びる配線３４ａと、筐体３１の内部において一端が配線３４ａの他端に接続され貫通孔３１ｃが設けられている面と平行に形成された配線３４ｂと、一端が配線３４ｂの他端に接続され筐体３１の広壁面３１ｄに平行に形成され他端がオープン（開放端）になっている配線３４ｃとからなる。

また、プローブ導体３４は、配線３４ａ、配線３４ｂ、及び配線３４ｃによって、Ｕ字形状をなしている。配線３４ｃは、長さが約（λｇ／４）である。また、プローブ導体３４は、筐体３１に接続されていないが、配線３４ｃが筐体３１の広壁面３１ｄから所定の距離を隔てて広壁面３１ｄに対して平行に形成され、その長さが約（λｇ／４）であるので、筐体３１に接続されている場合と同じ特性を得ることができる。
ここで、図３に示されているプローブ導体３４の配置は、開口部３１ａから入力又は出力される電磁波の電界が発生する方向が広壁面に垂直な方向である場合の配置である。配線３４ｂは、開口部３１ａから入力又は出力される電磁波の電界が生じる方向と平行な方向に配置される。

このように、導波管伝送線路変換器３においてプローブ導体３４の形状をＵ字形状にして、プローブ導体３４と筐体３１との接続を不要にしたことにより、プローブ導体３４と筐体３１とを接続する加工を省くことができ、プローブ導体と筐体とを接続する加工精度に基づく周波数特性のばらつきを低減させることができる。
また、配線３４ｃを配線３４ｂの他端から貫通孔３１ｃが設けられている狭壁面に向かって伸びるように配置する構成について説明したが、貫通孔３１ｃが設けられている狭壁面に対抗している面に向かって伸びるように配置してもよい。

上記の各実施形態において説明したように、プローブ導体（１４、２４、３４）をＵ字形状にして、プローブ導体（１４、２４、３４）と筐体（１１、２１、３１）とを接続する加工を省くことにより、当該加工の精度のばらつきにより生じる導波管伝送線路変換器（１、２、３）の周波数特性のばらつきを低減させることができる。

なお、上記の各実施形態において、プローブ導体（１４、２４、３４）の長さ、幅、太さなどは、導波管伝送線路変換器（１、２、３）において入出力される信号の周波数に応じて定められる。また、プローブ導体（１４、２４、３４）の長さ、幅、太さなどを定める際、計算機シミュレーションや、実測値なども用いられる。
また、第１及び第２実施形態では、コネクタ（１２、２２）がバックショート板（１１ｂ、２１ｂ）に取り付けられている構成を説明したが、これに限ることなく、筐体（１１、１２）の他の面にコネクタを取り付けるようにしてもよい。このとき、プローブ導体は、バックショート板から（λｇ／４）の距離を隔てて、バックショート板と平行な部分を有するように形成する。

また、上記の各実施形態において、筐体（１１、２１、３１）が中空の直方体形状である場合について説明したが、これに限ることなく、筐体は、一端に開口部が形成されかつ他端がバックショート板で閉塞された筒形状の金属筐体であって、延在方向の断面が円形、方形、又は矩形のいずれかである金属筐体でもよい。このとき、バックショート板は、金属筐体が延在する方向と垂直であればよい。また、プローブ導体１４は、開口部が形成された面以外の面を貫通して、一端が外部の伝送線路に接続され、他端が金属筐体内で開放端となっていればよい。また、プローブ導体１４の配線１４ｃ、プローブ導体２４の終端部２４ｃ、及びプローブ配線３４の配線３４ｃは、開口部が設けられている面に対して垂直な金属筐体の筒形状の側面（延在方向）と平行に所定の距離を隔てて配置されていればよい。

１，２，３，９…導波管伝送線路変換器、１１，２１，３１，９１…筐体、１１ａ，２１ａ，３１ａ，９１ａ…開口部、１１ｂ，２１ｂ，３１ｂ，９１ｂ…バックショート板、１１ｃ…狭壁面、１１ｄ…スリット、１２，２２，９２…コネクタ、１３，３３…基板、１４，２４，３４，９３…プローブ導体、１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，３４ａ，３４ｂ，３４ｃ…配線、２４ｃ，９３ｃ…終端部、３０ａ…開口部側筐体、３０ｂ…バックショート側筐体、３１ｃ…貫通孔、３１ｄ…広壁面、９３ｂ…屈曲部

Claims (3)

1. 一端に開口部が形成されかつ他端がバックショート板で閉塞された筒形状の金属筐体と、プローブ導体とを備える導波管伝送線路変換器であって、
   前記プローブ導体は、
   前記金属筐体において前記開口部が形成された面以外の面を貫通し、一端が前記金属筐体の外部にある伝送線路に接続され、他端が前記金属筐体内にある第１導体部と、
   前記伝送線路を通じて入力される信号の波長の１／４の距離を前記開口部が設けられている面と対抗する面から隔てて配置され、一端が前記第１導体部の他端に接している第２導体部と、
   前記開口部が設けられている面に対して垂直な前記金属筐体の延在方向と平行に配置され、一端が前記第２導体部の他端に接し、他端が前記金属筐体内で開放端になっている第３導体部と
   を有し、
   前記第３導体部の長さは、前記波長の約１／４であり、前記波長の１／４よりわずかに短く前記バックショート板に接しない長さであり、
   前記第３導体部は、前記第１導体部が貫通している面と他端との距離が、当該面と一端との距離より短くなるように配置されている
   ことを特徴とする導波管伝送線路変換器。
2. 前記プローブ導体は、前記金属筐体内に設けられ前記バックショート板と垂直に接する基板の主面に形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の導波管伝送線路変換器。
3. 前記プローブ導体は、前記金属筐体内に設けられ前記バックショート板と平行な基板の主面に形成され、
   前記金属筐体は、前記開口部側の第１筐体と前記バックショート板側の第２筐体とからなり、
   前記基板は、前記第１筐体と前記第２筐体とで挟まれることにより固定されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の導波管伝送線路変換器。

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