JP2004328036A

JP2004328036A - 広帯域ｎｒｄガイド結合器

Info

Publication number: JP2004328036A
Application number: JP2003115706A
Authority: JP
Inventors: Hirokazu Sawada; 浩和沢田; Tsutomu Yoneyama; 米山　　務; Futoshi Kuroki; 太司黒木
Original assignee: Intelligent Cosmos Research Institute
Current assignee: Intelligent Cosmos Research Institute
Priority date: 2003-04-21
Filing date: 2003-04-21
Publication date: 2004-11-18
Anticipated expiration: 2023-04-21
Also published as: JP4119783B2

Abstract

【課題】広帯域化を確実に実現することができる広帯域ＮＲＤガイド結合器を提供すること。
【解決手段】平行導体板に挟まれ、その間隔が１／２波長未満とする誘電体線路１ａ，１ｂによって電磁波を伝搬する一対のＮＲＤガイド間で電磁波のカップリングを行うＮＲＤガイド結合器であって、カップリング部分である最近接部分Ｅｎを局所化する。例えば、間隔ｄを調整して所定のカップリングに設定し、半径Ｒ_１，Ｒ_２を小さくし、角度θ_１，θ_２を小さくする。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、超高速・大容量無線通信を実現する要素技術であるＮＲＤガイド（非放射性誘電体線路：ＮｏｎｒａｄｉａｔｉｖｅＤｉｅｌｅｃｔｒｉｃＷａｖｅＧｕｉｄｅ）を用いて電磁波のカップリングを広帯域に行う広帯域ＮＲＤガイド結合器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、超高速・大容量無線通信の実現が強く要望されており、この実現には、ミリ波帯の利用が有効である。特に免許の不要な５９〜６６ＧＨｚ帯をカバーする広帯域な回路素子の開発が重要である。これによって、超高速無線ＬＡＮ、ホームリンク、ケーブルテレビ無線伝送、車車間通信システムなどが、たとえば４００Ｍｂｐｓ以上の伝送速度で実現することができる。
【０００３】
このようなミリ波、マイクロ波の伝送回路として従来からＮＲＤガイドが用いられている。このＮＲＤガイドは、図１１（ａ）に示すように、平行な一対の導体板１０２ａ，１０２ｂ間に、たとえば比誘電率εｒ＝２．０４のテフロン（登録商標）などの誘電体線路１０１が設けられる。この導体板１０２ａ，１０２ｂの幅すなわち誘電体線路１０１の高さは、この誘電体線路１０１を伝搬する電磁波の周波数の１／２波長未満にし、誘電体線路１０１の幅を１／２波長程度にしている。たとえば、動作周波数が６０ＧＨｚである場合、誘電体線路１０１の高さを２．２５ｍｍとし、誘電体線路１０１の幅を２．５ｍｍとしている。この結果、誘電体線路１０１には、動作周波数の電磁波が伝搬することができるが、誘電体線路１０１外であって誘電体線路１０１の幅方向には、動作周波数の電磁波が伝搬することができず、いわば動作周波数の電磁波が誘電体線路１０１内に閉じ込められて伝搬することになる。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−３４１００３号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この誘電体線路を用いた回路において、図１に示すように、一対の誘電体線路１ａ，１ｂを近接させることによって、容易に結合器を構成することができるが、単に誘電体線路１ａ，１ｂを近づけても、この結合器の広帯域化を担保することができないという問題点があった。
【０００６】
この発明は上記に鑑みてなされたもので、広帯域化を確実に実現することができる広帯域ＮＲＤガイド結合器を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１にかかる広帯域ＮＲＤガイド結合器は、平行導体板に挟まれ、その間隔が１／２波長未満とする誘電体線路によって電磁波を伝搬する一対のＮＲＤガイド間で電磁波のカップリングを行うＮＲＤガイド結合器であって、前記カップリング部分を局所化したことを特徴とする。
【０００８】
この請求項１の発明によれば、平行導体板に挟まれ、その間隔が１／２波長未満とする誘電体線路によって電磁波を伝搬する一対のＮＲＤガイド間で電磁波のカップリングを行う際、前記カップリング部分を局所化し、これによってカップリングされて出力される電磁波の広帯域化を実現している。
【０００９】
また、請求項２にかかる広帯域ＮＲＤガイド結合器は、前記カップリング部分の近傍に導体を設けたことを特徴とする。
【００１０】
この請求項２の発明によれば、カップリング部分の近傍に導体を設け、局所化に伴う不要な寄生モードの発生を抑えるようにし、さらに局所化を柔軟かつ容易にしている。
【００１１】
また、請求項３にかかる広帯域ＮＲＤガイド結合器は、前記一対のＮＲＤガイドの一方のＮＲＤガイドの一端を入力端とし、他端を反射端とするとともに、他方のＮＲＤガイドの一端を出力端とし、他端を、前記カップリング部分を介し前記入力端から入力された電磁波を反射する反射端とすることを特徴とする。
【００１２】
この請求項３の発明によれば、一対のＮＲＤガイドの各他端にダイオードなどを付加することによって、簡易に３端子素子が実現可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる広帯域ＮＲＤガイド結合器の好適な実施の形態を詳細に説明する。
【００１４】
（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１であるＮＲＤガイド結合器の一部を破断した斜視図である。図１において、このＮＲＤガイド結合器は、平行な導体板２ａ，２ｂに挟まれた２つの誘電体線路１ａ，１ｂを有し、各誘電体線路１ａ，１ｂが近接することによって、誘電体線路１ａ，１ｂで電磁波の伝搬が結合される。誘電体線路１ａ，１ｂは、比誘電率εｒ＝２．０４、ｔａｎδ＝１．５×１０^−４程度のテフロン（登録商標）によって実現され、高さａは２．２５ｍｍ、幅ｂは２．５ｍｍである。誘電体線路１ａ，１ｂを伝搬する電磁波の動作周波数を６０ＧＨｚとすると、その波長λは約５ｍｍであり、高さａは、λ／２以下となり、誘電体線路１ａ，１ｂ以外の導体板２ａ，２ｂ間には動作周波数の電磁波は伝搬しない。これに対して、誘電体線路１ａ，１ｂ内は、波長λが短縮され、動作周波数の電磁波が伝搬することができる。この結果、動作周波数帯において電磁波が誘電体線路１ａ，１ｂ内のみを伝搬するＮＲＤガイドを形成する。そして、上述したように、各誘電体線路１ａ，１ｂが近接した部分において電磁波の伝搬が結合されることになる。
【００１５】
図２は、図１に示したＮＲＤガイド結合器の動作および誘電体線路１ａ，１ｂの近接状態を考察するための説明図である。誘電体線路１ａ，１ｂはそれぞれ半径Ｒ_１，Ｒ_２で近接し、最も近接した最近接部分Ｅｎにおいて間隔ｄを有し、３ｄＢ結合される。また、誘電体線路１ａ，１ｂはそれぞれ最近接部分ＥｎからそれぞれポートＰ２，Ｐ３側に角度θ_１，θ_２を有する。ここで、ポートＰ２，Ｐ３は反射端とされており、最近接部分ＥｎとポートＰ２との間の長さＲ_１θ_１と、最近接部分ＥｎとポートＰ３との間の長さＲ_２θ_２とは同じ長さに設定される。
【００１６】
ポートＰ１から入力された電磁波は、最近接部分Ｅｎ近傍においてポートＰ２，Ｐ３側にそれぞれ３ｄＢに分配され、ポートＰ２側には同位相で伝送され、ポートＰ３側には位相が９０°異なって伝送される。開放されたポートＰ２，Ｐ３では完全反射し、ポートＰ４に伝送される。ここで、ポートＰ２，Ｐ３はダイオードなどを付加することで、１つのポートとして取り扱うことができるため、３端子素子が実現されることになる。
【００１７】
ここで、図３内の挿入図に示すように、誘電体線路１ｂの半径Ｒ_２を無限大とし、誘電体線路１ａの半径Ｒ_１を変化させた場合について考察する。図３は、誘電体線路１ａの半径を変化させた場合におけるポートＰ１からポートＰ４への出力（｜Ｓ_４１｜）の３ｄＢ以内の帯域幅を示す図である。この場合、誘電体線路１ａ，１ｂは６０ＧＨｚで３ｄＢ結合させるために、間隔ｄを調整している。すなわち、誘電体線路１ａの半径Ｒ_１が２５ｍｍのとき、間隔ｄ＝１．０１ｍｍに調整され、誘電体線路１ａの半径Ｒ_１が５ｍｍのとき、間隔ｄ＝０ｍｍに調整される。図３において、半径Ｒ_１を小さくすると、実線で示すように、帯域幅が広くなる。すなわち、半径Ｒ_１＝２５ｍｍのときの３ｄＢ帯域は、５６．７ＧＨｚ〜６５．０ＧＨｚであったが、半径Ｒ_１＝５ｍｍのときの３ｄＢ帯域は、５６．５ＧＨｚ〜６８．０ＧＨｚに拡大している。
【００１８】
そこで、図４に示す対称型のＮＲＤガイド結合器と図５に示す非対称型のＮＲＤガイド結合器とについてさらに考察した。対称型のＮＲＤガイド結合器は、各誘電体線路１ａ，１ｂの半径が同一であり、非対称型のＮＲＤガイド結合器は、誘電体線路１ｂの半径が無限大である。
【００１９】
図６は、図４および図５に示したＮＲＤガイド結合器のそれぞれに対する間隔ｄの角度θ_１依存性を示す図である。図７は、図４および図５に示したＮＲＤガイド結合器のそれぞれに対する比帯域幅の角度θ_１依存性を示す図である。なお、図６および図７に示した半径Ｒ_１は２５ｍｍである。図６に示すように、角度θ_１が、ある程度の大きさ、たとえば２０°程度以上の大きさをもつと、３ｄＢ結合に必要な間隔ｄはほぼ一定となり、角度θ_１が２０°未満になると、角度θ_１が小さくなればなるほど、間隔ｄが小さくなる。これによって、誘電体線路１ａ，１ｂが近接する最近接部Ｅｎ近傍においてのみ電磁波の結合が行われることが示される。一方、図７に示すように、角度θ_１が、２０°程度以上の大きさをもつと、比帯域幅は、ほぼ一定となり、角度θ_１が２０°未満になると、角度θ_１が小さくなればなるほど、比帯域幅が大きくなる。すなわち、比帯域幅を大きくするためには、角度θ_１を小さくすればよいということが言える。
【００２０】
一方、図８は、図４および図５に示したＮＲＤガイド結合器のそれぞれに対する間隔ｄの半径Ｒ_１依存性を示す図である。図９は、図４および図５に示したＮＲＤガイド結合器のそれぞれに対する比帯域幅の半径Ｒ_１依存性を示す図である。図８に示すように、半径Ｒ_１が大きくなるにしたがって間隔ｄが大きくなる。これによって、誘電体線路１ａ，１ｂが近接する最近接部Ｅｎ近傍においてのみ電磁波の結合が行われることが示される。一方、図９に示すように、半径Ｒ_１が大きくなると、比帯域幅は小さくなる。すなわち、比帯域幅を大きくするためには、半径Ｒ_１を小さくすればよいということが言える。
【００２１】
また、図６および図８において、対称型のＮＲＤガイド結合器の方が非対称型のＮＲＤガイド結合器に比して結合領域が小さいことからも、最近接部分Ｅｎ近傍においてのみ電磁波の結合が行われることが分かる。
【００２２】
さらに、図７に示したように角度θ_１が小さい方が比帯域幅が大きく、図９に示したように半径Ｒ_１が小さい方が比帯域幅が大きく、図７および図９において、対称型のＮＲＤガイド結合器の方が非対称型のＮＲＤガイド結合器に比して大きな比帯域幅を有することから、誘電体結合線路１ａ，１ｂは、最近接部分Ｅｎを局所的に近接することによって、広帯域化されたＮＲＤガイド結合器が実現されることになる。
【００２３】
ここで、図１０に示すように、誘電体線路１ｂの半径が無限大である場合、θ_２を０に近づけ、誘電体線路１ａのθ_１を０に近づけ、半径Ｒ_１を小さくすることによって、広帯域化されたＮＲＤガイド結合器を実現することができる。
【００２４】
しかし、誘電体線路１ａ，１ｂは、曲げなどによって、図１１（ｂ）に示すように、不要な寄生モードであるＬＳＥモードが発生する。図１２は、このＬＳＥモードの発生が影響を及ぼさない半径Ｒと角度φとの関係を示す図である。図１２に示すように、半径Ｒを小さくすると大きな角度φをとる必要があり、逆に小さな角度φをとると半径Ｒを大きくしなければならない。このような制約のもとに、誘電体線路１ａ，１ｂは、上述したように半径Ｒ_１，Ｒ_２を極力小さくする必要がある。
【００２５】
図１３は、ＬＳＥモードが非発生条件下において広帯域化を実現したＮＲＤガイド結合器の一例を示す図である。図１３において、誘電体線路１ａは、半径Ｒ_１＝２５ｍｍ、角度θ_１＝０、ベント角φ＝９０°とし、誘電体線路１ｂは、半径Ｒ_２が無限大、角度θ_２＝０としている。また、誘電体線路１ａ，１ｂ間の間隔ｄは、０．８ｍｍによって３ｄＢ結合を実現している。
【００２６】
図１４は、図１３に示した構成のＮＲＤガイド結合器における出力｜Ｓ_４１｜の周波数特性の計算値と測定値とを示す図である。図１４に示すように、計算値は、５８ＧＨｚ〜６６ＧＨｚの範囲内において３ｄＢ結合器が実現されており、測定値においても、同様な３ｄＢ結合器が得られている。なお、免許不要周波数帯である５９ＧＨｚ〜６６ＧＨｚの範囲は３ｄＢ結合内に確実にカバーされている。
【００２７】
なお、上述した実施の形態１では、ポートＳ２，Ｓ３を短絡した３端子回路を一例として示したが、これに限らず、各ポートＰ１〜Ｐ４を任意の入出力端子とした結合器を実現してもよいし、３ｄＢ結合に限らず、任意の結合量をもつ結合器として実現してもよい。要は、最近接部分Ｅｎを局所化することによって、簡易かつ帯域の広い結合器を実現することができる。
【００２８】
（実施の形態２）
上述した実施の形態１では、図１２に示すような非ＬＳＥモード化で結合させなければならないという制約があったが、この実施の形態２では、この制約を無くしたＮＲＤガイド結合器を得るようにしている。
【００２９】
図１５は、ＬＳＥモードを抑制することができるＮＲＤガイドの概要構成を示す図である。また、図１６は、図１５に示したＮＲＤガイドのＡ−Ａ線断面図である。図１５および図１６において、誘電体線路１は、半径Ｒで屈曲した構造を有しており、この場合、動作モードであるＬＳＭモード以外に、寄生モードであるＬＳＥモードの電磁波が発生する。ここで、誘電体線路１の近傍に、導体である金属体３を設けるとＬＳＥモードが抑制される。この金属体３と誘電体線路１との間の距離ｄｄは、０であってもよく、動作周波数が６０ＧＨｚ帯のときに、０．５ｍｍ程度であると、ＬＳＥモードの電磁波が効果的に抑制される。なお、金属体３の形状は任意であり、たとえば、円盤、楕円盤、角柱状の各種の形状であっても、ＬＳＥモードの抑制効果を得ることができる。
【００３０】
したがって、上述した金属体３を誘電体線路１ａ，１ｂの近傍に配置することによって、任意の屈曲をもったＮＲＤガイド結合器が実現される。この場合、誘電体線路１ａ，１ｂの半径を非常に小さくすることができる。このため、柔軟かつ簡易なＮＲＤガイド結合器を実現することができる。
【００３１】
なお、金属体３を用いてＬＳＥモードを抑制する各種構成については、本出願人によって提出された特願２００３−０４９９５３号に記載されている。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、平行導体板に挟まれ、その間隔が１／２波長未満とする誘電体線路によって電磁波を伝搬する一対のＮＲＤガイド間で電磁波のカップリングを行う際、前記カップリング部分を局所化し、これによってカップリング出力される電磁波の広帯域化を実現した広帯域ＮＲＤガイド結合器が得られるという効果を奏する。
【００３３】
また、この発明によれば、前記カップリング部分の近傍に導体を設け、局所化に伴う不要な寄生モードの発生を抑えるようにしているので、さらに局所化を柔軟かつ容易に行うことができる広帯域ＮＲＤガイド結合器を実現できるという効果を奏する。
【００３４】
また、この発明によれば、一対のＮＲＤガイドの各他端をダイオードなどを付加することによって、簡易に３端子素子が実現できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１であるＮＲＤガイド結合器の概要構成を示す図である。
【図２】図１に示したＮＲＤガイド結合器の動作および誘電体線路の近接状態を考察するための説明図である。
【図３】誘電体線路の半径を変化させた場合におけるポートＰ１からポートＰ４への出力（｜Ｓ_４１｜）の３ｄＢ以内の帯域幅を示す図である。
【図４】対称型のＮＲＤガイド結合器の概要構成を示す図である。
【図５】非対称型のＮＲＤガイド結合器の概要構成を示す図である。
【図６】図４および図５に示したＮＲＤガイド結合器のそれぞれに対する間隔ｄの角度θ_１依存性を示す図である。
【図７】図４および図５に示したＮＲＤガイド結合器のそれぞれに対する比帯域幅の角度θ_１依存性を示す図である。
【図８】図４および図５に示したＮＲＤガイド結合器のそれぞれに対する間隔ｄの半径Ｒ_１依存性を示す図である。
【図９】図４および図５に示したＮＲＤガイド結合器のそれぞれに対する比帯域幅の半径Ｒ_１依存性を示す図である。
【図１０】カップリング部分を局所化した一例を示す図である。
【図１１】ＬＳＭモードとＬＳＥモードとを説明する説明図である。
【図１２】ＬＳＥモードの発生が影響を及ぼさない半径Ｒと角度φとの関係を示す図である。
【図１３】ＬＳＥモードが非発生条件下において広帯域化を実現したＮＲＤガイド結合器の一例を示す図である。
【図１４】図１３に示した構成のＮＲＤガイド結合器における出力｜Ｓ_４１｜の周波数特性の計算値と測定値とを示す図である。
【図１５】ＬＳＥモードを抑制することができるＮＲＤガイドの概要構成を示す図である。
【図１６】図１５に示したＮＲＤガイドのＡ−Ａ線断面図である。
【符号の説明】
１，１ａ，１ｂ誘電体線路
２ａ，２ｂ導体板
３金属体
Ｐ１〜Ｐ４ポート

Claims

平行導体板に挟まれ、その間隔が１／２波長未満とする誘電体線路によって電磁波を伝搬する一対のＮＲＤガイド間で電磁波のカップリングを行う広帯域ＮＲＤガイド結合器であって、
前記カップリング部分を局所化したことを特徴とする広帯域ＮＲＤガイド結合器。
前記カップリング部分の近傍に導体を設けたことを特徴とする請求項１に記載の広帯域ＮＲＤガイド結合器。
前記一対のＮＲＤガイドの一方のＮＲＤガイドの一端を入力端とし、他端を反射端とするとともに、他方のＮＲＤガイドの一端を出力端とし、他端を、前記カップリング部分を介し前記入力端から入力された電磁波を反射する反射端とすることを特徴とする請求項１または２に記載の広帯域ＮＲＤガイド結合器。