JP5377070B2 - 導波管／マイクロストリップ線路変換器 - Google Patents

Description

本発明は、方形導波管とマイクロストリップ線路とを接続する導波管／マイクロストリップ線路変換器に関するものである。

マイクロ波帯やミリ波帯などの高周波帯で用いる導波管／マイクロストリップ線路変換器として、例えば特許文献１では、誘電体基板の一方の面全体を被覆する地導体パターンに、結合孔の位置に合わせて方形導波管の端部開口端を接続し、誘電体基板の他方の面において、該方形導波管の接続位置に対応する領域に、該方形導波管の端部開口端を塞ぐ形状の幅広導体パターンを形成し、前記方形導波管の接続位置に対応しない領域に、マイクロストリップ線路を構成するストリップ導体パターンを該幅広導体パターンの片側から引き出して形成したものが開示されている。

そして、特許文献１に示される導波管／マイクロストリップ線路変換器では、マイクロストリップ線路の延在方向と方形導波管の電界方向とを一致させるために、ストリップ導体パターンを方形導波管の広壁面と直交する方向に引き出した構成になっている。

ところで、マイクロストリップ線路を給電路に使用するアレーアンテナは、多数のアンテナ素子が取り付けられたマイクロストリップ線路を平面上に隣接して並置した構成である。このアレーアンテナの給電部に導波管／マイクロストリップ線路変換器を使用する場合、方形導波管がマイクロストリップ線路毎に配置される。

一方、アレーアンテナの指向性パターンで問題になるグレーディングローブは、アレー間隔が狭いほど小さくなり、完全に抑圧できるアレー間隔としては、１／２波長以下が必要であるとされている。この場合のアレー間隔は、マイクロストリップ線路の配置間隔、つまり、方形導波管の配置間隔である。

特開２００３−２７３６１２号公報（図１）

そうすると、上記従来の導波管／マイクロストリップ線路変換器をアレーアンテナの給電部で使用する場合、アレー間隔である各マイクロストリップ線路の間隔は、方形導波管の広壁寸法に規定された間隔となるので、グレーディングローブを抑圧できる間隔からかけ離れた約０．９波長となり、グレーディングローブの発生が避けられず、ビーム走査範囲が制限されるという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、接続する方形導波管の端部がマイクロストリップ線路の幅方向へはみ出すのをできるだけ小さくできるコンパクトな構成の導波管／マイクロストリップ線路変換器を得ることを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明にかかる導波管／マイクロストリップ線路変換器は、誘電体基板の一方の面全体を被覆する地導体パターンに、接続される方形導波管の端部開口端の長手辺に沿った概ね長方形の結合スロットが設けられ、前記誘電体基板の他方の面において、前記結合スロットの形成位置に合わせて接続される前記方形導波管の端部開口端の接続位置に対応する領域に、該端部開口端の形状と概ね相似な長方形形状の幅広導体パターンが形成され、前記方形導波管の端部開口端の接続位置に対応しない領域に、ストリップ導体パターンが前記幅広導体パターンの対向する２つの短手辺の一方の中央から前記幅広導体パターンの対向する２つの長手辺と並行に引き出して形成され、前記幅広導体パターンは、外周のうち前記ストリップ導体パターンが引き出される近傍を除いた少なくとも３つ辺が接続導体を用いて前記地導体パターンに接続され、前記結合スロットは、前記ストリップ導体パターンの引き出し方向のラインから前記２つの長手辺の一方側にオフセットした状態で、該２つの長手辺と並行に形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、マイクロストリップ線路を構成するストリップ導体パターンを方形導波管の広壁と並行な方向に引き出すようにしたので、接続する方形導波管の端部がマイクロストリップ線路の幅方向へはみ出すのをできるだけ小さくすることができるという効果を奏する。

図１は、この発明の一実施の形態による導波管／マイクロストリップ線路変換器の外観構成を示す斜視図である。 図２は、図１に示す導波管／マイクロストリップ線路変換器の内部構成を示す断面図である。 図３は、図１に示す導波管／マイクロストリップ線路変換器における誘電体基板のストリップ導体パターンおよび幅広導体パターンの形成面を示す平面図である。 図４は、図１に示す導波管／マイクロストリップ線路変換器における誘電体基板の地導体パターン形成面を示す平面図である。 図５は、従来の導波管／マイクロストリップ線路変換器を給電部に使用したアレーアンテナの構成例を示す平面図である。 図６は、図１に示す導波管／マイクロストリップ線路変換器を給電部に使用したアレーアンテナの構成例を示す平面図である。

以下に、本発明にかかる導波管／マイクロストリップ線路変換器の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の一実施の形態による導波管／マイクロストリップ線路変換器の外観構成を示す斜視図である。図２は、図１に示す導波管／マイクロストリップ線路変換器の内部構成を示す断面図である。図３は、図１に示す導波管／マイクロストリップ線路変換器における誘電体基板のストリップ導体パターンおよび幅広導体パターン形成面を示す平面図である。図４は、図１に示す導波管／マイクロストリップ線路変換器における誘電体基板の地導体パターン形成面を示す平面図である。なお、図２は、図３および図４に示すＡ−Ａ’線での断面図である。

図１と図２において、誘電体基板１は、理解を容易にするため、長方形形状であるとしている。この誘電体基板１の一方の面（図示例では下面）は、全面に地導体パターン２が形成されている。また、誘電体基板１の他方の面（図示例では上面）には、誘電体基板１の長手方向の一端側にストリップ導体パターン３が形成され、該長手方向の他端側に長方形形状の幅広導体パターン４が形成されている。図示例では、誘電体基板１の短手辺と幅広導体パターン４の短手辺とは、同じ長さであるとしている。

ストリップ導体パターン３は、幅広導体パターン４の対向する２つの短手辺の一方から引き出される形で該幅広導体パターン４の長手方向に沿って形成されている。つまり、誘電体基板１の長手方向の一端側には、ストリップ導体パターン３と地導体パターン２と誘電体基板１との全体によるマイクロストリップ線路が、該誘電体基板１の長手方向に沿って形成されている。

また、幅広導体パターン４は、その外周のうちストリップ導体パターン３が引き出される一方の短手辺を除く都合３つの辺（他方の短手辺と対向する２つの長手辺）が、多数の接続用ビア５によって地導体パターン２と接続されている。接続用ビア５は、導体壁（ビア壁）を形成するように、例えば導電剤が充填されている。

つまり、誘電体基板１の長手方向の他端側には、幅広導体パターン４と接続用ビア５によるビア壁と地導体パターン２との全体による誘電体導波管が形成されている。この誘電体導波管は、幅広導体パターン４の他方の短手辺側がビア壁によって短絡され、幅広導体パターン４の一方の短手辺側が開口している。この開口端からマイクロストリップ線路が引き出されている構造である。

そして、地導体パターン２の幅広導体パターン４と対面する側に、概ね長方形の結合スロット６が後述する条件で幅広導体パターン４の長手方向に沿って形成されている。結合スロット６の長さは、約１／２波長である。方形導波管７は、その端部開口端の長手辺がこの結合スロット６の長手方法と並行するように位置合わせして地導体パターン２に接続される。

なお、幅広導体パターン４の大きさは、図示例では、接続する方形導波管７の開口形状よりも大きめに示してある。しかし、幅広導体パターン４の大きさは、誘電体基板１の誘電率に依存するので、方形導波管７の開口形状よりも小さくなる場合もある。つまり、幅広導体パターン４の大きさは、一般には、方形導波管７の開口形状と相似である。

ここで、図３に示すように、ストリップ導体パターン３は、幅広導体パターン４の対向する２つの短手辺の中央を通るＡ−Ａ’線上に、幅広導体パターン４の一方の短手辺から引き出されている。

また、図４に示すように、結合スロット６は、ストリップ導体パターン３の引き出し方向であるＡ−Ａ’線を基準に幅広導体パターン４の対向する２つの長手辺の一方側にオフセットした状態で、該２つの長手辺と並行に形成されている。

要するに、ストリップ導体パターン３、結合スロット６、および方形導波管７は、それぞれ、ストリップ導体パターン３の引き出し方向と、結合スロット６の長手辺と、方形導波管７の広壁とが並行するように配置されている。

なお、上記のように形成される誘電体導波管との関係で説明すると、図２は、図１に示す導波管／マクロストリップ線路変換器を図３と図４に示すＡ−Ａ’線で切断した断面を示すが、図３と図４に示すＡ−Ａ’線は、誘電体導波管の中心線（いわゆる管軸）と並行している。したがって、ストリップ導体パターン３は、誘電体導波管の中心線に沿って引き出されており、結合スロット６は、誘電体導波管の中心線からオフセットした位置に形成されている。そして、接続する方形導波管７は、その広壁を誘電体導波管の中心線に並行させて配置されることになる。

次に、動作について説明する。結合スロット６は、方形導波管７の端部開口端に流れる電流を切る向きに配置されている。そのため、結合スロット６には、方形導波管７を伝搬してきた電磁波によって磁流が発生する。また、結合スロット６は、誘電体導波管の中心線からオフセットした位置に配置されている。そのため、誘電体導波管には、結合スロット６に発生する磁流によって基本モードの電磁波が励振される。このように、方形導波管７と誘電体導波管とは、磁流を介して結合されるので、従来例のように両者の電界の方向を一致させる必要はない。

誘電体導波管は、長手方向の一端が接続用ビア５によるビア壁で短絡されている。そのため、誘電体導波管に励起された基本モードの電磁波は、長手方向の他端に接続されたストリップ導体パターン３の方向に進行する。誘電体導波管に励起された基本モードの電磁波は、その電界分布がマイクロストリップ線路の電界分布と近いことから、大きな反射を生じることなくマイクロストリップ線路を伝搬することができる。

このように、マイクロストリップ線路を方形導波管の広壁と並行な方向に引き出す構成としても、大きな反射を生じることなく、方形導波管とマイクロストリップ線路とを接続することができる。

次に、図５と図６を参照して、導波管／マイクロストリップ線路変換器をアレーアンテナの給電部に使用した場合について説明する。なお、図５は、従来の導波管／マイクロストリップ線路変換器を給電部に使用したアレーアンテナの構成例を示す平面図である。図６は、図１に示す導波管／マイクロストリップ線路変換器を給電部に使用したアレーアンテナの構成例を示す平面図である。

マイクロストリップ線路を給電路に用いるアレーアンテナは、プリント配線板に、多数のアンテナ素子が取り付けられたマイクロストリップ線路が隣接して並置された構成である。図５と図６では、４つのマイクロストリップ線路を隣接して並置した場合が示されている。なお、説明の便宜から、ストリップ導体パターンの符号をマイクロストリップ線路の符号として用いる。

図５に示すように、従来の導波管／マイクロストリップ線路変換器は、マイクロストリップ線路２１の延在方向と方形導波管の電界方向とを一致させるために、マイクロストリップ線路２１は、幅広導体パターン２０の長手辺と直交する方向、つまり、方形導波管の広壁と直交する方向に引き出されていた。そのため、プリント配線板に、多数のアンテナ素子２２を取り付けたマイクロストリップ線路２１を隣接して並置したアレーアンテナでは、マイクロストリップ線路２１の配置間隔が方形導波管の広壁寸法で規定された間隔となり、アレー間隔を約０．９波長よりも狭くできない。そのため、従来では、グレーディングローブの発生が避けられず、ビーム走査範囲が制限されていた。

これに対して、本実施の形態による導波管／マイクロストリップ線路変換器では、ストリップ導体パターン３は、幅広導体パターン４の長手辺と並行する方向、つまり、方形導波管の広壁と並行する方向に引き出すようにした。そのため、プリント配線板に、多数のアンテナ素子１０を取り付けたストリップ導体パターン３を隣接して並置したアレーアンテナでは、ストリップ導体パターン３の配置間隔が方形導波管の広壁寸法で規定された間隔以下に狭くなる。具体的には、アレー間隔をグレーディングローブの抑圧に必要な約０．５波長の間隔に近い約０．６波長まで狭くすることができる。これによって、従来困難であったグレーティングローブの抑圧を行って、ビーム走査範囲を拡大することが実現できる。

以上のように、本実施の形態によれば、マイクロストリップ線路を方形導波管の広壁と並行な方向に引き出すようにしたので、接続する方形導波管の端部がマイクロストリップ線路の幅方向へはみ出すのをできるだけ小さくすることができる。したがって、アレーアンテナの給電部で使用する場合に、アレー間隔をグレーティングローブの抑圧ができる程度にまで狭くすることを可能にする導波管／マイクロストリップ線路変換器が得られる。

以上のように、本発明にかかる導波管／マイクロストリップ線路変換器は、接続する方形導波管の端部がマイクロストリップ線路の幅方向へはみ出すのをできるだけ小さくできるコンパクトな構成の導波管／マイクロストリップ線路変換器として有用であり、特に、アレーアンテナの給電部に使用して、アレー間隔をグレーティングローブの抑圧ができる程度にまで狭くするのに適している。

１ 誘電体基板
２ 地導体パターン
３ ストリップ導体パターン
４ 幅広導体パターン
５ 接続用ビア
６ 結合スロット
７ 方形導波管

Claims (1)

1. 誘電体基板の一方の面全体を被覆する地導体パターンに、接続される方形導波管の端部開口端の長手辺に沿った概ね長方形の結合スロットが設けられ、
   前記誘電体基板の他方の面において、
   前記結合スロットの形成位置に合わせて接続される前記方形導波管の端部開口端の接続位置に対応する領域に、該端部開口端の形状と概ね相似な長方形形状の幅広導体パターンが形成され、前記方形導波管の端部開口端の接続位置に対応しない領域に、ストリップ導体パターンが前記幅広導体パターンの対向する２つの短手辺の一方の中央から前記幅広導体パターンの対向する２つの長手辺と並行に引き出して形成され、
   前記幅広導体パターンは、外周のうち前記ストリップ導体パターンが引き出される近傍を除いた少なくとも３つ辺が接続導体を用いて前記地導体パターンに接続され、
   前記結合スロットの長手辺と、前記ストリップ導体パターンの引き出し方向と、前記方形導波管の広壁とが平行するように配置され、前記結合スロットは、前記幅広導体パターンの前記２つの長手辺の中心線から一方側にオフセットされている
   ことを特徴とする導波管／マイクロストリップ線路変換器。

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