JP2011199692A - 非導波管線路−導波管変換器 - Google Patents

Abstract

【課題】ワッフルアイアン型等の高次モード抑制機能のあるフィルタを用いることなく、小さな占有体積規模で低価格化が可能となり、また挿入損失を最小に抑えながら、広い周波数帯域の高調波を十分な減衰の下に抑圧できるようにする。
【解決手段】誘電体基板１２上にマイクロ波ストリップ線路１３の先端を延長してプローブ１４が形成され、このプローブ１４が導波管１のＨ面から内部へ挿入された非導波管線路−導波管変換器において、プローブ１４の導波管Ｈ面の近傍位置に、所定の抑圧周波数を接地条件とする長さλ／４の開放スタブ１６ａ，１６ｂを設ける。また、上記誘電体基板では、プローブ１４及び開放スタブ１６ａ，１６ｂが形成されている部分の以外をカットしてもよい。更に、同軸線路を用いる場合は、中心導体の先端プローブに対し同様の開放スタブを設けることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は非導波管線路−導波管変換器、特にマイクロ波回路に使用される分布定数線路又は同軸線路等の非導波管線路と導波管との間の変換器で、所望の不要周波数成分を抑圧するフィルタ機能を有する非導波管線路−導波管変換器の構成に関する。

従来から、マイクロ波帯の周波数を扱う機器（送受信機等）のインターフェースとして、導波管を利用することが多く、また機器内部の電気部品等で構成される回路間に、マイクロストリップ線路等の分布定数線路や同軸線路を用いることが一般的であることから、機器のインターフェース部分等には、分布定数線路や同軸線路を含めた非導波管線路と導波管との間の変換器が必要となる。

図６（Ａ），（Ｂ）には、上記非導波管線路−導波管変換器の構成が示されており、この変換器では、矩形状空洞を形成した金属製導波管１内に、誘電体基板２上に形成されたマイクロストリップ線路３の先端部をプローブ４として挿入する。即ち、導波管１のＨ面（上面）からプローブ４を内部に突出させる構成とされる。なお、図番５はスルーホールである。

このような非導波管線路−導波管変換器を搭載する機器において、使用周波数に対して略２倍程度の周波数を抑制する必要がある場合には、変換部の前後にフィルタが挿入される。このフィルタとしては、例えば分布定数回路には、ＢＲＦ（バンドリジェクションフィルタ）、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）、ＢＰＦ（バンドパスフィルタ）等が用いられ、また導波管部分には、ワッフルアイアン型フィルタ等のように、導波管高次モードの抑圧機能を有するフィルタが用いられる。

特許第４２６２１９２号公報

ところで、マイクロ波帯通信に使う送受信機等は、特殊なものを除き、信号の生成／処理／扱いの容易さから入力信号の周波数として低い周波数を用いており、また送受信機には、局部発振器と混合器を内蔵し、入力信号と局部発振器信号との混合により周波数変換を行うことが一般的であり、このような周波数を扱う関係から、本来の目的周波数成分以外の不要信号が発生する。

また、多くの非線形素子を内蔵する機器では、混合器以外の回路で目的周波数の２倍、３倍等の高調波が発生することも避けられず、これらの不要周波数成分の除去のためのフィルタが適当な箇所に設置される。特に、送信の最終出力回路で発生した高調波が問題となる場合や、この最終出力回路までの信号の抑圧量が不足する場合は、最終出力回路と導波管回路の間にフィルタを設けることになる。

そして、上記最終出力回路に設置するフィルタは、機器の必要な電力を得るため、或いは高電力効率を確保するため、挿入損失がより小さいことが望まれる。
しかし、一般的に、誘電体基板上に形成された分布定数回路で構成されるフィルタは、基板材である誘電体の損失に起因した挿入損失が発生する。

一方、挿入損失で有利となる導波管回路で構成されるフィルタは、高次伝送モードも伝送可能となるため、目的送信周波数の高調波、例えば略２倍の周波数の抑圧を図る場合は、ワッフルアイアン型等の高次モード抑制機能のあるフィルタでなければ、必要な特性を得ることが困難である。
しかし、このワッフルアイアン型フィルタ等を用いる場合は、占有体積の規模が大きくなり、機器の小型化や低価格化の妨げとなるという不都合がある。

上記不都合を解決するものとして、上記特許文献１があり、この特許文献１は、図６（Ａ）に示されるように、プローブ４からλ／２（λ：抑圧周波数の波長）だけ離れた位置に金属片６を設けている。また、この金属片６は、その長手方向（プローブ４の挿入方向）の長さもλ／２とし、目的の周波数においてプローブ４の先端が疑似接地となるように構成することで、例えば２倍の高調波を抑圧することができる。

しかしながら、この抑圧回路においては、回路構成上、Ｑ値が高いため、抑圧周波数帯域が広い場合は十分な減衰を確保することが困難であった。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ワッフルアイアン型等の高次モード抑制機能のあるフィルタを用いることなく、小さな占有体積規模で低価格化が可能となり、また挿入損失を最小に抑えながら、広い周波数帯域の高調波を十分な減衰の下に抑圧することのできる非導波管線路−導波管変換器を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、非導波管線路の先端に形成されたプローブが、導波管内部へそのＨ面（磁界に平行な面）から挿入された非導波管線路−導波管変換器において、上記プローブの上記導波管Ｈ面の近傍位置に、所定（抑圧）の周波数を接地条件とする開放スタブを設けたことを特徴とする。
請求項２の発明は、上記プローブは、誘電体基板上に形成された分布定数線路の先端部からなり、この分布定数線路先端プローブに開放スタブを設けたことを特徴とする。
請求項３の発明は、上記分布定数線路先端プローブ及び開放スタブは、これらプローブ及び開放スタブが形成されている部分の誘電体基板のみを残すように形成したことを特徴とする。
請求項４の発明は、上記プローブは、同軸線路の中心導体の先端部からなり、この中心導体先端プローブに開放スタブを設けたことを特徴とする。

上記構成によれば、プローブにおける開放スタブの接続点が所定の抑圧周波数において接地と等価となることで、所定の周波数帯が良好な減衰特性の下で抑圧される。また、プローブがＨ面近傍に配置されるので、所定の周波数帯の伝送波を導波管モードに切り換わる前に効率よく減衰させることができる。

本発明の非導波管線路−導波管変換器によれば、基板上に形成した回路でありながら導波管内のプローブ部分でフィルタ機能を実現することから、実質的な誘電体損失を減少させることができ、またフィルタ回路（開放スタブ）がプローブに直接接続されていることから、導波管内に形成した回路でありながら適度にＱ値の低下を図ることができ、広い周波数帯域の高調波を十分な減衰量で抑圧することが可能となる。
また、請求項３の発明によれば、誘電体基板に起因する挿入損失の減少を更に図ることができるという効果がある。

更に、非導波管線路−導波管変換器のプローブ面でフィルタ回路を形成するため、ワッフルアイアン型フィルタ等を必要とせず、追加の占有面積或いは体積もなく、従って価格の上昇を伴わずに、所望の広帯域特性を得ることができるという効果がある。

本発明の第１実施例に係る非導波管線路−導波管変換器の構成を示し、図（Ａ）は正面図、図（Ｂ）は図（Ａ）の中央部分の断面図である。 第２実施例の非導波管線路−導波管変換器の構成を示し、図（Ａ）は正面図、図（Ｂ）は図（Ａ）の中央部分の断面図である。 第３実施例の非導波管線路−導波管変換器の構成を示し、図（Ａ）は正面図、図（Ｂ）は図（Ａ）の中央部分の断面図、図（Ｃ）は導波管の底面側からプローブ方向を見た図である。 第１実施例の非導波管線路−導波管変換器で得られた抑圧特性を示すグラフである。 従来の非導波管線路−導波管変換器で得られる抑圧特性を示すグラフである。 従来の非導波管線路−導波管変換器の構成を示し、図（Ａ）は正面図、図（Ｂ）は図（Ａ）の中央部分の断面図である。

図１（Ａ）,（Ｂ）には、本発明の第１実施例に係る非導波管線路−導波管変換器が示されており、図１に示されるように、導波管１は第１導波管１Ａとショート面Ｓが設けられた第２導波管１Ｂからなり、この第１導波管１Ａと第２導波管１Ｂとから挟まれる形で、誘電体基板１２が設けられる。この誘電体基板１２には、マイクロストリップ線路（分布定数回路）１３の先端を延長する形のプローブ１４が導波管１の上側のＨ面（磁界に平行な面）から突出する状態で形成され、また第１導波管１Ａと第２導波管１Ｂとが合せられる部分のそれぞれの壁面に接触するように、接地のためのスルーホール５が設けられる。

そして、実施例では、上記導波管１内のＨ面の近傍位置において、このＨ面に略平行に、上記プローブ１４に接続する開放スタブ１６ａ，１６ｂが形成される。この開放スタブ１６ａ，１６ｂは、プローブ１４の中心からＤ≒λ／４（λ：所定の抑圧周波数の波長）の長さを持ち、先端が開放されたものであり、これによって、プローブ１４における開放スタブ１６ａ，１６ｂとの接続点が接地と等価となる。

第１実施例は以上の構成からなり、略λ／４の長さの開放スタブ１６ａ，１６ｂを設けたことで、この開放スタブ１６ａ，１６ｂが接続されるプローブ１４の接続点が接地と等価となり、所望の周波数帯域において良好な減衰特性を得ることができる。即ち、開放スタブ１６ａ，１６ｂを導波管１内の中心位置ではなく、Ｈ面の近傍に配置することで、目的の周波数帯の伝送波を導波管モードに切り換わる前に効率よく減衰させることができる。

図２（Ａ）,（Ｂ）には、導波管内の誘電体基板の領域削減を図った第２実施例の構成が示されている。この第２実施例のプローブ１４、開放スタブ１６ａ，１６ｂ等の構成は、第１実施例と同様であるが、誘電体基板１７において、プローブ１４と開放スタブ１６ａ，１６ｂが形成されている部分とスルーホール５が形成された部分のみを残し、導波管１の内部空間に合わせて、その他の領域５０の誘電体基板をカットして抜いたものである。

このような第２実施例の構成によれば、領域５０の誘電体基板が抜かれているので、誘電体基板１７が存在することに起因する挿入損失を更に減少させることができるという効果がある。

図３（Ａ）〜（Ｃ）には、同軸線路に適用した第３実施例の構成が示されている。この第３実施例では、ショート面Ｓが設けられた導波管２０の上面のＨ面（磁界に平行な面）から導波管２０内に、同軸線路２１の先端のプローブ２２が突出・配置される。このプローブ２２は、同軸線路２１内の誘電体の中心に存在する中心導体２１ａからなり、このプローブ２２に対して、導波管２０内のＨ面の近傍位置でかつこのＨ面に略平行に、開放スタブ２３ａ，２３ｂが接続、形成される。

この開放スタブ２３ａ，２３ｂも、第１実施例と同様に、プローブ２２の中心から約λ／４（λ：所定の抑圧周波数の波長）の長さとされる。このような第３実施例によれば、開放スタブ２３ａ，２３ｂを設けたことで、プローブ２２と開放スタブ２３ａ，２３ｂの接続点を接地と等価にすることができ、この結果、目的の抑圧周波数帯域において良好な減衰特性を得ることが可能になる。

上記第１〜第３実施例では、プローブ１４，２２から両側に２個の開放スタブ１６ａ，１６ｂ，２３ａ，２３ｂを設けたが、この開放スタブは１個でもよいし、またこの開放スタブ１６ａ，１６ｂ，２３ａ，２３ｂは、磁界方向［図１（Ａ）の左右方向］へ向けて配置したが、Ｈ面に平行な面内の他の方向（全方位方向）、例えば図１（Ａ）の開放スタブ１６ａ，１６ｂの方向と垂直な方向に配置してもよい。更には、開放スタブを全方位方向において３個以上設けることも可能である。

上記実施例において、上記開放スタブ１６ａ，１６ｂ，２３ａ，２３ｂを設置することによる効果は、下記のようになる。即ち、
ａ．開放スタブ（１６ａ，１６ｂ）部分の誘電体基板（１２，１７）の裏面にはＧＮＤがなく、電磁界分布が分散するため、誘電体基板の影響が減少し、分布定数線路部分より損失が少なくて済む。
ｂ．開放スタブ（１６ａ，１６ｂ，２３ａ，２３ｂ）は、導波管Ｈ壁面近傍のプローブ（１４，２２）に設けられており、この部分の伝送モードは未だ導波管モードに変換されていないため、導波管内で発生する高次モードの影響を受け難く、従って導波管側負荷条件の影響による、抑圧量の大幅減少といった問題を避けることができる。
ｃ．開放スタブは、導波管回路内に形成された回路であるが、誘電体基板上に形成されていること、プローブに直接接続されていることより、必要以上にＱ値が高くなく、図６で説明した特許文献１の変換器に比して広帯域な抑圧特性を得ることができる。
ｄ．開放スタブは、通過周波数において線路途中に容量性スタブが付加される場合と等価であるから、これを見込んだ回路設計を行えば、通過周波数での特性も所望のものを実現することが可能である。

図４には、第１実施例の非導波管線路（マイクロストリップ線路）−導波管変換器において、通過周波数帯が１３．７５〜１４．５ＧＨｚで、抑圧周波数を通過周波数の第２高調波帯である、２７．５〜２９ＧＨｚとしたときに得られた特性例が示されている。開放スタブがない場合は、殆ど抑圧がない特性であるのに対して、第１実施例では、図４のように、上記２７．５〜２９ＧＨｚの抑圧周波数帯域で４３ｄＢ程度の減衰が得られており、また３０ｄＢの抑圧を得ている帯域幅は５ＧＨｚと帯域も広いことが判る。

図５には、従来の特許文献１の変換器の特性が示されており、従来と第１実施例の特性を減衰量２０ｄＢにおける比帯域で比較すると、図５の従来は、１．３５／５７（ＧＨｚ）で約２．４％であるのに対し、図４の第１実施例は、６．１／２９（ＧＨｚ）で約２１％以上となり、第１実施例の方が顕著に広帯域になる結果となっている。

マイクロストリップ線路、同軸線路等の非導波管線路と導波管との間の変換器、そして非導波管線路−導波管変換器を搭載する機器に適用することができる。

１（１Ａ，１Ｂ），２０…導波管、
２，１２，１７…誘電体基板、
３，１３…マイクロストリップ線路、
４，１４，２２ …プローブ、
１６ａ，１６ｂ，２３ａ，２３ｂ…開放スタブ、
２１…同軸線路。

Claims (4)

1. 非導波管線路の先端に形成されたプローブが、導波管内部へそのＨ面から挿入された非導波管線路−導波管変換器において、
   上記プローブの上記導波管Ｈ面の近傍位置に、所定の周波数を接地条件とする開放スタブを設けたことを特徴とする非導波管線路−導波管変換器。
2. 上記プローブは、誘電体基板上に形成された分布定数線路の先端部からなり、この分布定数線路先端プローブに開放スタブを設けたことを特徴とする請求項１記載の非導波管線路−導波管変換器。
3. 上記分布定数線路先端プローブ及び開放スタブは、これらプローブ及び開放スタブが形成されている部分の誘電体基板のみを残すように形成したことを特徴とする請求項１又は２記載の非導波管線路−導波管変換器。
4. 上記プローブは、同軸線路の中心導体の先端部からなり、この中心導体先端プローブに開放スタブを設けたことを特徴とする請求項１記載の非導波管線路−導波管変換器。

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