JP2015002491A - ２ポートトリプレート線路−導波管変換器 - Google Patents

２ポートトリプレート線路−導波管変換器 Download PDF

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Abstract

【課題】本発明は、矩形導波管内の電磁界に結合する２つのポートを有し、その電磁界をこれらのポートに連なるトリプレート線路に引き渡す２ポートトリプレート線路−導波管変換器に関し、構成が大幅に複雑化することなく安価に、トリプレート線路との結合が広帯域に亘って逆相で実現されることを目的とする。【解決手段】 矩形導波管と、前記矩形導波管の対向する２つの内壁に個別に形成され、かつ前記２つの内壁に直交する仮想的な直線上に開口部を有するスリットを介して、個別のトリプレート線路の中心導体に連なる２つのプローブとを備え、前記２つのプローブは、先端部が前記矩形導波管の内部で屈曲し、かつ前記内壁を接地板として機能するモノポールアンテナとして構成される。【選択図】図１

Description

本発明は、矩形導波管内の電磁界に結合する２つのポートを有し、その電磁界をこれらのポートに連なるトリプレート線路に引き渡す２ポートトリプレート線路−導波管変換器に関する。
１０ＧＨｚ帯以上のマイクロ波帯やミリ波帯において無線伝送が行われる衛星通信およびＦＷＡ(Fixed
Wireless Access System)では、多数のパッチアンテナのアレイからなる平面アンテナが多く採用されている。これらのパッチアンテナに対する給電路は、構造が単純であって低コストで精度よく並列給電の実現が可能であり、しかも、利得および効率が高く確保可能なトリプレート線路として形成される。
従来のトリプレート給電型平面アンテナは、例えば、図６に示すように、積層されたグランド板４１、発泡シート４２-1、フレキシブル基板４３、発泡シート４２-2およびスロット板４４から構成される。
また、このようにして積層される要素は、以下の通りに構成される。
(1) グランド板４１には、その上面にプレーンアースに相当するパターンが形成される。
(2) 発泡シート４２-1、４２-2は、フレキシブル基板４３をその両面から挟むクッション材、断熱材および誘電体として構成される。
(3) フレキシブル基板４３には、格子状に配置された矩形のパッチアンテナ４３Ａ１，１〜４３Ａｍ，ｎのアレイに併せて、これらのパッチアンテナに対するトーナメント給電を実現する給電路４３Ｆが回路パターンとして形成される。
(4) スロット板４４の頂面の内、上記パッチアンテナに個別に対応する部位には格子状のスロット開口４４Ｓ１，１〜４４Ｓｍ，ｎが形成され、これらの部位以外の全面にプレーンアースパターンが形成される。
このようなトリプレート給電型平面アンテナの給電系は、例えば、図７に示すように、以下の通りに構成される。
フレキシブル基板４３上において上記パッチアンテナ４３Ａ１，１〜４３Ａｍ，ｎで囲まれた所定の部位に、導波管−トリプレート線路変換器（以下、単に「変換器」という。）４３Ｃが配置される。
さらに、フレキシブル基板４３上には、上記変換器４３Ｃを構成する導波管４３ＣＷＣの側壁から管内に挿入されたプローブ４３ＣＰに一端が連なり、かつ既述のトーナメント給電を実現する給電路４３Ｆの母線４３ＦＭに他端が連なる幹線路４３Ｂが形成される。
変換器４３Ｃの構成要素の内、導波管４３ＣＷＣは、図８に示すように、以下の要素から構成される。
(1) 図示されない無線機に接続された矩形導波管の一端に該当し（連結され）、その矩形導波管の管内に連なる矩形の開口部を有すると共に、この開口部がグランド板４１の該当する部位に接触する状態で配置された導波管フランジ４３ＣＦ
(2) 積層された発泡シート４２-1、フレキシブル基板４３および発泡シート４２-2に形成され、かつ上記開口部の仮想的な延長部に相当する貫通孔に挿嵌されると共に、既述のプローブ４３ＣＰが貫通する貫通孔を有する導電性の筒体として形成された環状部材４３ＣＲ
(3) 上記環状部材４３ＣＲにスロット板４４を介して積み重ねられ、かつ導波管フランジ４３ＣＦの管内を環状部材４３ＣＲと共に、スロット板４４の外部に延長する環状部材４３Ｃｒ
(4) 環状部材４３Ｃｒの開口部を含む頂部に架設され、かつ後述する螺子４３Ｓ-1〜４３Ｓ-5が貫通する孔（図示されない。）が頂部に形成されたショート板４３Ｃｓ
(5) これらの孔に対応して上記導波管フランジ４３ＣＦに形成された螺子孔に螺合することにより、その導波管フランジ４３ＣＦとショート板４３Ｃｓとの間に、グランド板４１、環状部材４３ＣＲ、スロット板４４および環状部材４３Ｃｒを挟持する螺子４３Ｓ-1〜４３Ｓ-5
なお、グランド板４１、環状部材４３ＣＲ、スロット板４４および環状部材４３Ｃｒには、螺子４３Ｓ-1〜４３Ｓ-5が挿通し、これらの螺子４３Ｓ-1〜４３Ｓ-5の側壁に安定に接触する寸法および形状の内壁を有する孔（図示されない。）が予め形成される。
このような構成のトリプレート給電型平面アンテナでは、導波管４３ＣＷＣは、既述の導波管フランジ４３ＣＦとショート板４３Ｃｓとの間に、螺子４３Ｓ-1〜４３Ｓ-5によって挟持され、かつこれらの螺子４３Ｓ-1〜４３Ｓ-5によって電気的に接続されたグランド板４１、環状部材４３ＣＲ、スロット板４４および環状部材４３Ｃｒの内壁によって形成される。
さらに、図７において、プローブ４３ＣＰは、図示されない送信機によって出力され、かつ導波管４３ＣＷＣの管内を伝搬する基本モードの電磁界として引き渡された送信波を「トリプレート線路の電磁界」に変換する。
フレキシブル基板４３上では、この「トリプレート線路の電磁界」は、母線４３ＦＭの中央より（１／４）波長に相当する距離偏った点に導かれ、その母線４３ＦＭを介してパッチアンテナ４３Ａ１，１〜４３Ａｍ，ｎの半分と残りの半分とのそれぞれに１８０度の位相差でトーナメント給電される。
また、このようなトリプレート給電型平面アンテナでは、パッチアンテナ４３Ａ１，１〜４３Ａｍ，ｎの半分と残りの半分とで交差偏波成分が互いに逆相の２つの成分となって相殺されるために交差偏波識別度が向上する。
なお、本発明に関連性がある先行技術として、以下に列記する特許文献１ないし特許文献３があった。
(1) 「地導体１１と、誘電体１０と、複数の放射素子７と給電線路８を形成した給電基板９と、誘電体６と、各スロット１２が前記放射素子７の真上に位置するように設置した複数のスロット１２を有する地導体１と、誘電体２と、複数の放射素子３と給電線路４を形成した給電基板５と、誘電体１３と、各スロット１４が前記放射素子３の真上に位置するように設置した複数のスロット１４を有する地導体１５とを、この順に積み重ね、前記放射素子３と前記放射素子７を電磁結合させ、かつ前記給電線路４による放射素子３の励振方向と前記給電線路８による放射素子７の励振方向を直交させるように構成した偏波共用平面アンテナにおいて、前記給電基板５と前記給電基板９の配列素子の約半分の素子数に相当する放射素子及び給電線路、もしくはいずれかの一方の給電基板の配列素子数の約半分の素子数に相当する放射素子及び給電線路を基準励振方向に対して空間的に１８０度回転配置すると共に、電気的に給電位相を１８０度変えて励振する」ことによって、「平面アンテナ側で信号処理回路への負担をできるだけ軽減するために、交差偏波特性及びアイソレーションの広帯域特性を有する」点に特徴がある偏波共用平面アンテナ…特許文献１
(2) 「導波管の開口部に対向してアンテナプローブを位置するようにマイクロストリップラインを設けた基板を、前記導波管の開口部に対応するキャップとベース部材との間に挟持する導波管／マイクロストリップライン変換器において、前記アンテナプローブは、その両端に前記マイクロストリップラインが接続された構成で、前記基板に取り付けられている」ことによって、「基板上のアンテナ素子の取り除きをできるだけ少なくするために、アンテナプローブからの給電を分配する機能も兼ね備えた」点に特徴がある導波管／マイクロストリップライン変換器…特許文献２
(3) 「基板に形成したストリップラインを両側より空隙をおいて接地基板で挟んだトリプレート構成であって、上記接地基板の一方に放射素子を形成し、各放射素子へストリップラインの給電線により並列に給電する平面アンテナにおいて、最終の結電点のストリップラインが導波管の両側面から挿入され、且つ両ストリップラインから導波管に入力される電力の位相差を180゜としたストリップライン−導波管変換器を、縦横に等間隔に形成された放射素子の間の空きスペースに形成した」ことによって、「良好な電力合成（分岐）を図ることができる導波管による給電を可能にした」点に特徴がある平面アンテナ…特許文献３
特開平０９−３１２５１５号公報 特開平１１−３１２９０９号公報 特許第２５９５３３９号公報
ところで、上述した従来例では、既述の１８０度の位相差は、母線４３ＦＭの中央より（１／４）波長偏った点に幹線路４３Ｂが接続されることによって確保されていた。
したがって、送信や受信が行われるべき無線信号の周波数が広範な値をとり、あるいは、その無線信号の占有帯域が広い場合（例えば、１２ＧＨｚ帯において２ＧＨｚ）には、十分な精度では設定され難かった。
しかも、このような周波数に応じた位相差の誤差は、交差偏波識別度が劣化して主ローブの方向がシフトし、トリプレート給電型平面アンテナの適用に制約が課される要因となっていた。
なお、このような位相差の誤差は、例えば、図９に示すように、以下の通りに構成されることによって軽減され得る。
(1) フレキシブル基板４３上で導波管４３ＣＷＣの管内の中央部に該当する部位にプローブ４３ＣＰに代わるプローブ４３ＣＰ′が配置される。
(2) そのプローブ４３ＣＰ′は、幹線路４３Ｂの中央部に介装される。
(3) このような幹線路４３Ｂは、導波管４３ＣＷＣの対向する側壁に形成されたスリット（貫通孔）を介して、導波管４３ＣＷＣの外部に導かれる。
また、上記位相差の誤差は、例えば、図１０に示すように、以下の通りに構成されることによって、軽減され得る。
(1) プローブ４３ＣＰ′が備えられない。
(2) 幹線路４３Ｂが中央部で二分され、かつ導波管４３ＣＷＣの管内の中央部近傍で所定の距離隔たった状態で先端部が違いに対向する状態で形成される。
しかし、これらの図９や図１０に示す構成では、実際には、以下に列記する点でインピーダンス整合が容易には達成されず、しかも、リターンロス帯域幅も十分に確保することができない。
(1) プローブ４３ＣＰ′の周辺が空気であるため、比誘電率に基づく実効的な波長の短縮が困難である。
(2) 一般に、導波管４３ＣＷＣの対向する内壁間の距離ｂが、共振する長さ（＝λ／2）より大幅に小さい。
したがって、図９、図１０に示す構成は、実際には、周波数、導波管４３ＣＷＣその他の物理的な寸法、形状、配置等の制約に阻まれ、適用されない場合が多かった。
本発明は、構成が大幅に複雑化することなく安価に、トリプレート線路との結合が広帯域に亘って逆相で実現される２ポートトリプレート線路−導波管変換器を提供することを目的とする。
請求項１に記載の発明では、矩形導波管と、前記矩形導波管の対向する２つの内壁に個別に形成され、かつ前記２つの内壁に直交する仮想的な直線上に開口部を有するスリットを介して、個別のトリプレート線路の中心導体に連なる２つのプローブとを備え、前記２つのプローブは、先端部が前記矩形導波管の内部で屈曲し、かつ前記内壁を接地板として機能するモノポールアンテナとして構成される。
すなわち、２つのプローブは、矩形導波管内で屈曲することによって、相互間の無用な結合が軽減または抑圧され、しかも、上記モノポールアンテナとして機能することによって、管内の電磁界に広帯域に亘って結合する逆相の２つのポートを個別のトリプレート線路との間に形成する。
請求項２に記載の発明では、矩形導波管と、前記矩形導波管の対向する２つの内壁に個別に形成され、かつ前記２つの内壁に直交する仮想的な直線上に開口部を有するスリットを介して、個別のトリプレート線路の中心導体に連なる２つのプローブとを備え、前記２つのプローブは、先端部が前記矩形導波管の内部で複数方向に分岐し、かつ前記内壁を接地板として機能するモノポールアンテナとして構成される。
すなわち、２つのプローブは、矩形導波管内で複数方向に分岐することによって、相互間の無用な結合が軽減または抑圧され、しかも、上記モノポールアンテナとして機能することによって、管内の電磁界に広帯域に亘って結合する逆相の２つのポートを個別のトリプレート線路との間に形成する。
請求項３に記載の発明では、前記矩形導波管の対向する２つの内壁に個別に形成され、かつ前記２つの内壁に直交する仮想的な直線上に開口部を有するスリットを介して、個別のトリプレート線路の中心導体に連なる２つのプローブとを備え、前記２つのプローブは、先端部が前記矩形導波管の内部で互いに対向しない方向に屈曲し、かつ前記内壁を接地板として機能するモノポールアンテナとして構成される。
すなわち、２つのプローブは、矩形導波管内で先端部が互いに対向しない方向に屈曲することによって、相互間の無用な結合が軽減または抑圧され、しかも、上記モノポールアンテナとして機能することによって、管内の電磁界に広帯域に亘って結合する逆相の２つのポートを個別のトリプレート線路との間に形成する。
本発明によれば、従来例に比べて、構成の大幅な変更と、周波数に対する大きな依存性とを伴うことなく、矩形導波管と２つのトリプレート線路との間における位相が逆相の信号の引き渡しが並行して実現される。
本発明が適用された装置やシステムでは、コスト、実装、温度、消費電力等に大きな障害や制約が生じることなく、上記逆相の精度の不足、あるいは性能の変化に起因する技術的課題の発生が確度高く回避される。
本発明の一実施形態を示す図である。 本実施形態によって達成されるリターンロスを示す図である。 本実施形態の構成の他の態様を示す図（１／２）である。 本実施形態の構成の他の態様を示す図（２／２）である。 本発明が適用可能な偏波共用形のトリプレート給電型平面アンテナの構成を示す図である。
従来のトリプレート給電型平面アンテナの構成例を示す図である。 従来のトリプレート給電型平面アンテナの給電系の構成を示す図（１／２）である。 従来のトリプレート給電型平面アンテナの給電系の構成を示す図（２／２）である。 従来例の解決案を示す図（１／２）である。 従来例の解決案を示す図（２／２）である。
以下、図面に基づいて本発明の実施形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態を示す図である。
図において、図６ないし図８に示すものと構成が同じものについては、同じ符号を付与し、ここでは、その説明を省略する。
本実施形態と、図７に示す従来例との構成の相違は、以下の点にある。
(1) 幹線路４３Ｂが備えられない。
(2) 導波管４３ＣＷＣに代えて導波管１１が備えられ、その導波管１１の対向する２つの側壁の内、フレキシブル基板４３の一方の面に該当する部位には、個別に貫通孔が形成される。
(3) 母線４３ＦＭは、長手方向の中央部で二分され、これらの先端部が上記貫通孔のそれぞれを介して導波管１１の管内に導かれる。以下では、このようにして二分された母線４３ＦＭについては、それぞれ符号「４３ＦＭ-1」、「４３ＦＭ-2」を付加して示す。
(4) 下記の通りに構成された２つのプローブ１２-1、１２-2がプローブ４３ＣＰに代えて備えられる。
(4-1) フレキシブル基板４３上に回路パターンとして形成され、図１に示すように、母線４３ＦＭ-1、４３ＦＭ-2にそれぞれ連なる。
(4-2) 導波管１１の管内で互いに対向する面積が最少となる方向に、先端部がＬ字状に屈曲する。
(4-3) 導波管１１の内壁におけるこれらの先端部の個々の配置および寸法は、以下の通りに設定される。
(4-3-1) 導波管１１の管内における長さＬは、その導波管１１の内壁から屈曲部までの長さＬ１と、この屈曲部から先端部までの長さＬ２に対して下式で与えられる。
Ｌ＝Ｌ１＋Ｌ２
(4-3-2) 長さＬは、導波管１１の管内から母線４３ＦＭ-1、４３ＦＭ-2に引き渡されるべき信号の帯域における中心周波数ｆの波長λに対して下式で与えられる。
Ｌ＝λ／４
(4-3-3) 長さＬ１は、導波管１１の管内における電磁界とプローブ１２-1（１２-2）との間における結合度に併せて、プローブ１２-1、１２-2の間に確保されるべきアイソレーションとの兼ね合いの下で設定される。
このようにして構成された本実施形態では、プローブ１２-1、１２-2は、何れも、導波管１１の管内において、その導波管１１の側壁を接地板とするモノポールアンテナとして機能する。
また、プローブ１２-1、１２-2は、何れも、Ｌ字状に屈曲することによって、逆側のプローブと十分なアイソレーションがとられ、かつＬ＝（１／４）λで共振するため、個々の電流の分布が平坦となるために、広帯域化される。
しかも、導波管１１の管内においてプローブ１２-1、１２-2に結合する電磁界の位相は、互いに逆相の１８０度となる。
すなわち、パッチアンテナ４３Ａ１，１〜４３Ａｍ，ｎの半分と残りの半分とは、既述の通りに導波管１１およびプローブ１２-1、１２-2から構成される２ポートの導波管−トリプレート線路変換器によって並行して逆相で給電される。
したがって、本実施形態が適用されたトリプレート給電型平面アンテナでは、下記の点に軽微の変更が施されることによって、備えられたパッチアンテナの約半分ずつが逆相で安定に給電される。
(1) 導波管１１の構成
(2) フレキシブル基板４３上に形成される回路パターンの内、その導波管１１との結合にかかわる特定の回路パターン
さらに、このような給電は、図２に示すように、従来例に比べて広帯域に亘って効率的に行われる。
また、本実施形態では、上記のように広帯域に亘って逆相による給電が安定に実現されるため、従来例では０．３度程度であった主ローブのシフトが０．１度以内に抑えられる。
なお、本実施形態では、プローブ１２-1、１２-2は、これらのプローブ１２-1、１２-2の間におけるアイソレーションと、総合的な給電の効率とが所望の限度内で達成されるならば、図１に示す態様に限定されず、以下に列記する何れの形態で構成されてもよい。
(1) 図３に示すように、両者間におけるアイソレーションの低下が許容される限度内において、先端部が互いに対向して配置される。
(2) 図４に示すように、Ｔ型のモノポールアンテナとして機能するように、先端部がＬ字状ではなく、Ｔ字状に分岐する。
(3) 先端部が３つ以上に分岐する。
(4) 先端部が分岐する方向が、フレキシブル基板４３のパターン面上に限定されず、コストの制約や技術的な実現性の範囲でそのフレキシブル基板４３のパターン面に交差する方向に設定される。
(5) 導波管１１の外部でトリプレート線路の中心導体である母線４３ＦＭ-1、４３ＦＭ-2に接続される形態で、フレキシブル基板４３上で母線４３ＦＭ-1、４３ＦＭ-2と異なる面に形成される。
(6) 形状と寸法との双方もしくは何れか一方が異なる。
また、本実施形態では、導波管１１の対向する２つの側壁には、プローブ１２-1、１２-2が挿通する貫通孔が直線状に形成されている。
しかし、このような貫通孔の形状は、総合的な特性に支障が生じないならば、所望の形状および寸法で屈曲した形状であってもよい。
さらに、これらの貫通孔の形状や寸法は、必ずしも同じでなくてもよい。
また、本実施形態では、互いに逆相で給電されるべきパッチアンテナの数は、如何なる値であってもよい。
さらに、本発明は、トリプレート給電型の平面アンテナに限定されず、導波管と２つのトリプレート線路との間における結合が広帯域に亘って精度よく安定に逆相で実現されるべき装置やシステムであるならば、如何なるものにも適用可能である。
また、本発明は、上りのリンクと下りのリンクとで共通の偏波で無線伝送路を形成する偏波専用型の平面アンテナだけではなく、例えば、図５に示すように、これらのリンクを互いに直交する偏波で形成する偏波共用形の平面アンテナにも同様に適用可能である。
さらに、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の範囲において多様な実施形態の構成が可能であり、構成要素の全てまたは一部に如何なる改良が施されてもよい。
１１，４３ＣＷＣ 導波管
１２，４３ＣＰ プローブ
４１ グランド板
４２ 発泡シート
４３ フレキシブル基板
４３Ａ パッチアンテナ
４３Ｂ 幹線路
４３Ｃ 導波管−トリプレート線路変換器
４３ＣＦ 導波管フランジ
４３ＣＲ 環状部材
４３Ｃｒ 環状部材
４３Ｃｓ ショート板
４３Ｆ 給電路
４３ＦＭ 母線
４４ スロット板
４４Ｓ スロット開口

Claims (3)

  1. 矩形導波管と、
    前記矩形導波管の対向する２つの内壁に個別に形成され、かつ前記２つの内壁に直交する仮想的な直線上に開口部を有するスリットを介して、個別のトリプレート線路の中心導体に連なる２つのプローブとを備え、
    前記２つのプローブは、
    先端部が前記矩形導波管の内部で屈曲し、かつ前記内壁を接地板として機能するモノポールアンテナとして構成された
    ことを特徴とする２ポートトリプレート線路−導波管変換器。
  2. 矩形導波管と、
    前記矩形導波管の対向する２つの内壁に個別に形成され、かつ前記２つの内壁に直交する仮想的な直線上に開口部を有するスリットを介して、個別のトリプレート線路の中心導体に連なる２つのプローブとを備え、
    前記２つのプローブは、
    先端部が前記矩形導波管の内部で複数方向に分岐し、かつ前記内壁を接地板として機能するモノポールアンテナとして構成された
    ことを特徴とする２ポートトリプレート線路−導波管変換器。
  3. 前記矩形導波管の対向する２つの内壁に個別に形成され、かつ前記２つの内壁に直交する仮想的な直線上に開口部を有するスリットを介して、個別のトリプレート線路の中心導体に連なる２つのプローブとを備え、
    前記２つのプローブは、
    先端部が前記矩形導波管の内部で互いに対向しない方向に屈曲し、かつ前記内壁を接地板として機能するモノポールアンテナとして構成された
    ことを特徴とする２ポートトリプレート線路−導波管変換器。
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