JP5115026B2 - トリプレート線路−導波管変換器 - Google Patents
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Description
本発明は、ミリ波帯におけるトリプレート線路−導波管変換器の構造に関する。
近年、マイクロ波・ミリ波帯の平面アンテナでは、高効率な特性を実現するため、給電系をトリプレート線路構成とする方式が主流となっている。このトリプレート線路給電方式の平面アンテナにおいて、各アンテナ素子の給電電力は、トリプレート線路により合成されるが、この合成電力の最終出力部とＲＦ信号処理回路との接続部には、組立が容易で接続信頼性の高いトリプレート線路−導波管変換器が用いられることが多い。
ここで、このトリプレート線路−導波管変換器の従来構成を図５に示す。この従来構成では、低損失で導波管系との変換を容易とするため、地導体１の面上に誘電体２ａを介してストリップ線路導体３を形成したフィルム基板４を積層配置し、さらにその面上に誘電体２ｂを介して上部地導体５を配置してトリプレート線路を構成している。
また、導波管６の入力部に対する回路系の接続に際して、地導体１に導波管６の内寸法と略同寸法の貫通孔を設け、さらにフィルム基板４を保持する為に誘電体２ａと同等の厚みの金属スペーサ部７ａを設け、この金属スペーサ部７ａと略同寸法の金属スペーサ部７ｂとによりフィルム基板を挟み込み、さらにこの金属スペーサ部７ｂの上部に上部地導体５を配置し、かつフィルム基板４に形成したストリップ線路導体３の、導波管６の変換部先端に対応する部分に、方形共振パッチパターン８を形成し、前記方形共振パッチパターン８の中心位置と導波管６の内寸法の中心位置とが一致するように配置して、トリプレート線路−導波管変換器が構成されている。
図５（ａ）に示す、前記方形共振パッチパターン８の線路接続方向の寸法Ｌ１と、線路接続方向と直交する方向の寸法Ｌ２を所定の寸法とすることで、所望の周波数帯において広帯域で低損失の特性を有するトリプレート線路−導波管変換器を実現できる。
実開平０６−０７０３０５号公報
特開２００４−２１５０５０号公報
図５に示す従来のトリプレート線路−導波管変換器において、金属スペーサ７ａ、７ｂの内壁の寸法によって、前記方形共振パッチパターン８の寸法が制限され、それに伴い下限共振周波数も制限されるという問題点があった。
本発明は、従来の広帯域で低損失な特性を損なうことなく、従来構造よりも下限共振周波数を下げることができ、組立てが容易で接続信頼性の高い安価なトリプレート線路−導波管変換器を提供するものである。
本発明のトリプレート線路−導波管変換器は、図１に示すように、地導体１の面上に誘電体２ａを介して、ストリップ線路導体３を形成したフィルム基板４を積層配置し、さらにその面上に誘電体２ｂを介して上部地導体５を配置して成るトリプレート線路と導波管６の変換部構造において、前記地導体１の導波管との接続位置に、導波管６の内寸法と略同寸法の貫通孔を設け、さらにフィルム基板４の保持部に誘電体２ａと同等の厚みの金属スペーサ部７ａを設け、この金属スペーサ部７ａと略同寸法の金属スペーサ部７ｂとでフィルム基板４を挟み込み、さらにこの金属スペーサ部７ｂの上部に上部地導体５を配置し、かつフィルム基板４に形成したストリップ線路導体３の先端の、導波管６の変換部先端に対応する部分に方形共振パッチパターン８を形成し、前記方形共振パッチパターン８の中心位置と導波管６の内寸法の中心位置とが一致するように前記方形共振パッチパターン（８）及び導波管（６）を配置したことを特徴とする。
また、本発明のトリプレート線路−導波管変換器は、図１に示すように、前記方形共振パッチパターン８の線路接続方向の寸法Ｌ１を所望の周波数の自由空間波長λＯの略０．３２倍とし、かつ前記方形共振パッチパターン８の線路接続方向と直交する方向の寸法Ｌ２を所望の周波数の自由空間波長λＯの略０．３８倍としたことを特徴とする。
また、本発明のトリプレート線路−導波管変換器は、図１に示すように、前記前記金属スペーサ７ａ、７ｂの図２（ｂ）に示す内壁の寸法Ｅ１、Ｅ２を所望の周波数の自由空間波長λＯの略０．５９倍としたことを特徴とする。
本発明によれば、金属スペーサ部７ａ、７ｂ、上部地導体５、地導体１等の構成部品は、所望の厚みを有する金属板等の打ち抜き加工で安価に形成できる為、従来の広帯域で低損失な特性を損なうことなく、従来構造よりも下限共振周波数を下げることができ、組立てが容易で接続信頼性の高い安価なトリプレート線路−導波管変換器が実現できる。
以下、図面に基づいて、本発明におけるトリプレート線路−導波管変換器の実施の形態を詳細に説明する。
図１に示すトリプレート線路−導波管変換器においては、低損失で導波管系との変換を容易とするため、地導体１の面上に誘電体２ａを介してストリップ線路導体３を形成したフィルム基板４を積層配置し、さらにその面上に誘電体２ｂを介して上部地導体５を配置してトリプレート線路を構成している。
また、導波管６の入力部に対する回路系の接続に際して、地導体１に導波管６の内寸法ａ×ｂ（図２（ａ））と略同寸法の貫通孔、または長円形貫通孔を設け、さらにフィルム基板４を保持する為に誘電体２ａと同等の厚みの金属スペーサ部７ａを設け、この金属スペーサ部７ａと略同寸法の金属スペーサ部７ｂとによりフィルム基板を挟み込み、さらにこの金属スペーサ部７ｂの上部に上部地導体５を配置し、かつフィルム基板４に形成したストリップ線路導体３の、導波管６の変換部先端に対応する部分に、方形共振パッチパターン８を形成し、前記方形共振パッチパターン８の中心位置と導波管６の内寸法の中心位置とが一致するように配置して、トリプレート線路−導波管変換器が構成されている。
なお、図１に示す本発明のトリプレート線路−導波管変換器において、図２（ｂ）に示す金属スペーサ部７ａ、７ｂ等は、所望の厚みの金属板の打抜き加工品で形成できる。
本発明において、例えば、フィルム基板４の面上に形成した方形共振パッチパターン８には、上部地導体５との間で、図３に示すように、ＴＭ０１モードの励振モードが励起される。従って、フィルム基板４の面上に形成されたストリップ線路導体３と地導体１、５で形成されたトリプレート線路の励振モードＴＥＭモードは、方形共振パッチパターン８と地導体５との間で、ＴＭ０１モードに変換され、さらに方形導波管の励振モードＴＥ１０モードにモード変換を行うことができる。
また、各構成部材の組立に際して、方形共振パッチパターン８の中心位置、導波管６の内寸法の中心位置、地導体１の貫通孔の中心位置、及び金属スペーサ部７ａ、７ｂの寸法Ｅ１、寸法Ｅ２（図２（ｂ）に示す）で示される内壁部の中心位置が一致するように、各構成部品の位置精度をガイドピン等によって組立て、ネジ止め等で固定することが望ましい。
本発明において、方形共振パッチパターン８の線路接続方向の寸法Ｌ１（図２（ｃ）に示す）を所望の周波数の自由空間波長λＯの略０．３２倍とし、かつ前記方形共振パッチパターン８の線路接続方向と直交する方向の寸法Ｌ２（図２（ｃ）に示す）を所望の周波数の自由空間波長λＯの略０．３８倍とすることが好ましい。
Ｌ１を所望の周波数の自由空間波長λＯの略０．３２倍とするのは、導波管の内寸法ａの略０．９８倍程度として異なる電磁界モードをスムーズに変換可能とするためである。好ましくは、自由空間波長λＯの０．３０〜０．３４倍である。Ｌ２を所望の周波数の自由空間波長λＯの略０．３８倍とするのは、リターンロスの確保できる帯域を、より広帯域に確保するためである。好ましくは、自由空間波長λＯの０．３２〜０．４倍である。
本発明において、金属スペーサ部７ａ、７ｂの図２（ｂ）に示す内壁の寸法Ｅ１とＥ２を所望の周波数の自由空間波長λＯの略０．５９倍とすることが好ましい。寸法Ｅ１とＥ２を所望の周波数の自由空間波長λＯの略０．５９倍とするのは、前記方形共振パッチパターン８の寸法制限を緩和し下限共振周波数を下げるためである。好ましくは自由空間波長λＯの０．５６〜０．６２倍である。
フィルム基板４は、フィルムを基材とし、例えば、その上に銅箔等の金属箔を張り合わせたフレキシブル基板の不要な銅箔（金属箔）をエッチング除去することにより複数の放射素子やそれらを接続するストリップ導体線路が形成される。また、フィルム基板は、ガラスクロスに樹脂を含浸させた薄い樹脂板に銅箔を張り合わせた銅張り積層板でも構成できる。フィルムとして、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、フッ化エチレンポリプロピレンコポリマー、エチレンテトラフルオロエチレンコポリマー、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリアリレート、熱可塑ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリスチレン、ポリサルフォン、ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンサルファイド、ポリメチルペンテンなどのフィルムが挙げられ、フィルムと金属箔との積層には接着剤を用いても良い。耐熱性、誘電特性と汎用性からポリイミドフィルムに銅箔を積層したフレキシブル基板が好ましい。誘電特性からフッ素系フィルムが好ましく用いられる。
地導体１及び上部地導体５は、どのような金属板あるいはプラスチックにメッキした板でも用いることができるが、特にアルミニウム板を用いれば、軽量で安価に製造でき好ましい。また、それらは、フィルムを基材とし、その上に銅箔を張り合わせたフレキシブル基板、さらにガラスクロスに樹脂を含浸させた薄い樹脂板に銅箔を張り合わせた銅張り積層板でも構成することができる。
また、導波管６及び地導体１に設けた、内寸法が略同寸法の貫通孔は、方形、もしくは方形と同等の周波数伝送が可能な長円形が好ましい。また、誘電体２ａ，２ｂとしては、対空気比誘電率の小さい発泡体などを用いるのが好ましい。発泡体としては、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン系発泡体、ポリスチレン系発泡体、ポリウレタン系発泡体、ポリシリコーン系発泡体、ゴム系発泡体が挙げられ、ポリオレフィン系発泡体の対空気比誘電率がより小さいので好ましい。
以下、本発明を実施例を用いて具体的に説明する。
本発明の一実施例を図１に示す。本構成において地導体１として厚さ３ｍｍのアルミニウム板を、誘電体２ａ、２ｂとして厚さ０．３ｍｍで比誘電率約１．１の発泡ポリプロピレンシートを、フィルム基板４として厚さ２５μｍのポリイミドフィルムに厚さ１８μｍの銅箔を貼り合わせたフィルム基板を用い、地導体５として厚さ２．０ｍｍのアルミニウム板を用いた。また、金属スペーサ部７ａ、７ｂには、厚さ０．３ｍｍのアルミニウム板を用いた。
ここで地導体１には、図２（ａ）に示す如く、接続導波管の内寸法に等しいａ＝１．２７ｍｍ、ｂ＝２．５４ｍｍの貫通孔を打ち抜き加工により形成した。また図２（ｂ）に示す金属スペーサ部７ａ、７ｂの各寸法は、Ｅ１＝２．３ｍｍ，Ｅ２＝２．３ｍｍ，ｃ＝１．０ｍｍ，ｄ＝０．８５ｍｍとして打ち抜き加工により形成した。また、フィルム基板４には、図２（ｃ）に示すごとく線路幅０．３ｍｍの直線線路のストリップ線路導体３とその先端の導波管の位置する部分に、線路接続方向の寸法Ｌ１を所望の周波数の自由空間波長λＯの略０．３２倍、すなわち、Ｌ１＝１．２５ｍｍ、線路接続方向と直交する方向の寸法Ｌ２を所望の周波数の自由空間波長λＯの略０．３８倍、すなわちＬ２＝１．５ｍｍとした方形共振パッチパターン８をエッチングにより形成した。
さらに、図１の構成において、地導体１の貫通孔の中心位置、金属スペーサ部７ａ、７ｂのＥ１寸法，Ｅ２寸法で示される内壁部の中心位置、及び方形共振パッチパターン８の中心位置が精度良く一致するように、各部材料を貫通させたガイドピン等によって積層配置し、上部地導体５の上面から各部材を貫通して地導体１にネジ止め固定して構成した。
以上説明した図１の構成により入力部と出力部を左右対称に形成し、一方の出力部に導波管終端を接続し、入力部に導波管を接続して反射特性を測定した結果を図４に実線で示した。所望の７６．５ＧＨｚ帯で反射損失は−２０ｄＢ以下の特性を有しており、かつ従来より低い周波数帯域においても、−２０ｄＢ以下の低反射損失特性が得られた。
本発明によれば、金属スペーサ部７ａ、７ｂ、上部地導体５、地導体１等の構成部品は、所望の厚みを有する金属板等の打ち抜き加工で安価に形成できる為、従来の広帯域で低損失な特性を損なうことなく、従来構造よりも下限共振周波数を下げることができ、組立てが容易で接続信頼性の高い安価なトリプレート線路−導波管変換器が実現できる。
１ 地導体
２ａ 誘電体
２ｂ 誘電体
３ ストリップ線路導体
４ フィルム基板
５ 上部地導体
６ 導波管（回路系導波管部）
７ａ 金属スペーサ部
７ｂ 金属スペーサ部
８ 方形共振パッチパターン
ａ 貫通孔の内寸法
ｂ 貫通孔の内寸法
ｃ 金属スペーサ部の寸法
ｄ 金属スペーサ部の寸法
Ｌ１ 線路接続方向の寸法
Ｌ２ 線路接続方向と直交する方向の寸法
Ｅ１ 金属スペーサ部の内壁の寸法
Ｅ２ 金属スペーサ部の内壁の寸法
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ｂ 貫通孔の内寸法
ｃ 金属スペーサ部の寸法
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Ｌ１ 線路接続方向の寸法
Ｌ２ 線路接続方向と直交する方向の寸法
Ｅ１ 金属スペーサ部の内壁の寸法
Ｅ２ 金属スペーサ部の内壁の寸法
Claims (3)
- 地導体（１）の面上に誘電体（２ａ）を介して、ストリップ線路導体（３）を形成したフィルム基板（４）を積層配置し、さらにその面上に誘電体（２ｂ）を介して上部地導体（５）を配置して成るトリプレート線路と導波管（６）の変換部構造を有するトリプレート線路−導波管変換器であって、
前記地導体（１）の導波管との接続位置に、導波管（６）の内寸法と略同寸法の貫通孔を設け、さらにフィルム基板（４）の保持部に誘電体（２ａ）と同等の厚みと、導波管（６）の内寸法よりも大きい内壁寸法の開口を有する金属スペーサ部（７ａ）を設け、この金属スペーサ部（７ａ）と略同寸法の金属スペーサ部（７ｂ）とでフィルム基板（４）を挟み込み、さらにこの金属スペーサ部（７ｂ）の上部に上部地導体（５）を配置し、かつフィルム基板（４）に形成したストリップ線路導体（３）の先端の、導波管（６）の変換部先端に対応する部分に方形共振パッチパターン（８）を形成し、前記方形共振パッチパターン（８）の中心位置と導波管（６）の内寸法の中心位置とが一致するように前記方形共振パッチパターン（８）及び導波管（６）を配置したことを特徴とするトリプレート線路−導波管変換器。 - 前記方形共振パッチパターン（８）の線路接続方向の寸法（Ｌ１）を所望の周波数の自由空間波長λＯの０．３０から０．３４倍とし、かつ前記方形共振パッチパターン（８）の線路接続方向と直交する方向の寸法（Ｌ２）を所望の周波数の自由空間波長λＯの０．３２から０．４倍としたことを特徴とする請求項１に記載のトリプレート線路−導波管変換器。
- 前記金属スペーサ部（７ａ、７ｂ）の内壁の寸法（Ｅ１、Ｅ２）を所望の周波数の自由空間波長λＯの０．５６から０．６２倍としたことを特徴とする請求項１または２に記載のトリプレート線路−導波管変換器。
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