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公開番号2025115713
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-08-07
出願番号2024010312
出願日2024-01-26
発明の名称モード変換器、モード変換構造、伝送線路
出願人株式会社NTTドコモ
代理人個人,個人,個人
主分類H01P 5/08 20060101AFI20250731BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】通過損失を低減しつつ小型化に適応するモード変換構造を開示する。
【解決手段】モード変換構造100は、第1の誘電体で形成されており、テーパ状の一端と、テーパ状の他端と、胴体、を有する第1の導波路110と、第2の誘電体で形成されており、逆テーパ状の凹部を有する一端を有するケーブル状の第2の導波路120と、開口している一端と開口している他端を有する管状の導波管130を含む。第1の導波路110の一端が導波管130の内部に位置している。第1の導波路110の胴体が導波管130の一端を塞いでいる。第1の導波路110の他端が第2の導波路120の凹部に嵌っている。
【選択図】図5
特許請求の範囲【請求項１】
モード変換器であって、
誘電体で形成されており、テーパ状の一端とテーパ状の他端と前記一端と前記他端の間の胴体を有する棒状の導波路と、
開口している一端と開口している他端を有する管状の導波管
を含み、
前記導波路の前記一端が前記導波管の内部に位置しており、
前記導波路の前記胴体が前記導波管の前記一端を塞いでおり、
前記導波路の前記他端が前記導波管の外部に位置する
モード変換器。
続きを表示（約 1,100 文字）【請求項２】
モード変換構造であって、
第１の誘電体で形成されており、テーパ状の一端とテーパ状の他端と前記一端と前記他端の間の胴体を有する棒状の第１の導波路と、
第２の誘電体で形成されており、逆テーパ状の凹部を有する一端を有するケーブル状の第２の導波路と、
開口している一端と開口している他端を有する管状の導波管
を含み、
前記第１の導波路の前記一端が前記導波管の内部に位置しており、
前記第１の導波路の前記胴体が前記導波管の前記一端を塞いでおり、
前記第１の導波路の前記他端が前記第２の導波路の前記凹部に嵌っている
モード変換構造。
【請求項３】
請求項２に記載のモード変換構造において、
前記第１の誘電体の比誘電率は、前記第２の誘電体の比誘電率よりも大きい
ことを特徴とするモード変換構造。
【請求項４】
伝送線路であって、
第１のモード変換器と、
第２のモード変換器と、
第１の誘電体で形成されており、逆テーパ状の凹部を有する一端と逆テーパ状の凹部を有する他端を有するケーブル状の第１の導波路
を含み、
前記第１のモード変換器は、
第２の誘電体で形成されており、テーパ状の一端とテーパ状の他端と前記一端と前記他端の間の胴体を有する棒状の第２の導波路と、
開口している一端と開口している他端を有する管状の第１の導波管
を含み、
前記第２のモード変換器は、
第３の誘電体で形成されており、テーパ状の一端とテーパ状の他端と前記一端と前記他端の間の胴体を有する棒状の第３の導波路と、
開口している一端と開口している他端を有する管状の第２の導波管
を含み、
前記第２の導波路の前記一端が前記第１の導波管の内部に位置しており、
前記第２の導波路の前記胴体が前記第１の導波管の前記一端を塞いでおり、
前記第３の導波路の前記一端が前記第２の導波管の内部に位置しており、
前記第３の導波路の前記胴体が前記第２の導波管の前記一端を塞いでおり、
前記第２の導波路の前記他端が前記第１の導波路の前記一端の前記凹部に嵌っており、
前記第３の導波路の前記他端が前記第１の導波路の前記他端の前記凹部に嵌っている
伝送線路。
【請求項５】
請求項４に記載の伝送線路において、
前記第２の誘電体の比誘電率は、前記第１の誘電体の比誘電率よりも大きく、
前記第３の誘電体の比誘電率は、前記第１の誘電体の比誘電率よりも大きい
ことを特徴とする伝送線路。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本開示は、誘電体導波路と導波管の間で電磁波の伝播モードを変換するモード変換技術に関する。
続きを表示（約 3,600 文字）【背景技術】
【０００２】
マイクロ波（ミリ波と準ミリ波を含む）と呼ばれる高い周波数を持つ電磁波の伝送媒体として、金属導波管が知られている。金属導波管は、周囲を金属で囲まれた空洞によって電磁波の伝播を実現する。したがって、金属導波管の外部への電磁波の漏洩が極めて少なく、伝播損失が小さい。特に、ミリ波（３０ＧＨｚ～３００ＧＨｚ）の周波数帯において、伝送媒体である同軸線路と比較して伝播損失が非常に小さいので、金属導波管はミリ波帯の主要な伝送媒体として用いられている。しかし、金属導波管に特有の扱い難さも知られている。金属導波管では空洞が金属で囲まれているので、金属導波管を自由に曲げることが難しく、したがって、屋内のような狭隘環境において金属導波管を曲げて設置することが難しい。また、金属導波管は単位長さあたりの重量が大きく、したがって、金属導波管は長距離伝送に不向きである。
【０００３】
金属を用いない有線伝送媒体として、誘電体導波路がある。誘電体導波路は誘電体で形成されており、コアおよびクラッドで構成される。コアはケーブルの如く、幅に比べて長さが著しく大きい外観形状を有している有体物である。クラッドは有体物であるとは限らず、例えば空気がクラッドとして機能する場合、誘電体導波路は有体物としてのクラッドを持たない。誘電体導波路ではコアの比誘電率がクラッドの比誘電率よりも大きい。したがって、全反射現象によってコアとコア近傍に電磁波を閉じ込め、これによって誘電体導波路の長手方向に電磁波が伝播するモード、つまり電磁波の伝播モードを形成することができる。クラッドとして、空気（比誘電率１）が用いられることが多い。
【０００４】
誘電体導波路の断面（つまり、電磁波の伝播方向と直交する断面）のサイズは、伝播する電磁波の波長に依存する。ミリ波では誘電体導波路の断面サイズが小さいので、誘電体導波路は取り扱い易い伝送媒体である。例えば、２８ＧＨｚの電磁波を伝播する誘電体導波路を比誘電率２．３のコアと空気のクラッドで構成する場合、誘電体導波路の断面（簡単のために長方形とする）は、３ｍｍ×６ｍｍ程度のサイズを持つまでに小型化される。誘電体導波路は金属よりも可撓性に優れた誘電体を用いているので、誘電体導波路は金属導波管よりも曲げやすく、また、単位長さあたりの重量も金属導波管に比べて小さい。したがって、金属導波管が持つ上述の問題を解消できる可能性がある。
【０００５】
特許文献１の図１に、２個の誘電体導波路を互いに接続するための接続構造が開示されている。図１に、特許文献１の図１に開示された接続構造８００を示す。接続構造８００は、２個のモード変換構造８００Ａ，８００Ｂを含み、２個のモード変換構造８００Ａ，８００Ｂを接続した構造を持っている。モード変換構造８００Ｘ（Ｘ∈{Ａ，Ｂ}）は、一端にフランジ８１０Ｘａが形成された角パイプ状の金属導波管８１０Ｘと、一端を除き矩形の断面を持つケーブル状の誘電体導波路８５０Ｘを含む。誘電体導波路８５０Ｘの一端は、テーパ状に加工されており、四角直錐の形状を持っている。誘電体導波路８５０Ｘの一端と当該一端の近傍部分（つまり、誘電体導波路８５０Ｘの、誘電体導波路８５０Ｘの一端に連続し且つ矩形の断面を持つ近傍部分）が金属導波管８１０Ｘの他端に取り付けられており、誘電体導波路８５０Ｘの一端である四角直錐と誘電体導波路８５０Ｘの一端の近傍部分が金属導波管８１０Ｘで覆われている。誘電体導波路８５０Ｘの一端の近傍部分は金属導波管８１０Ｘの他端に隙間無く嵌っている。一方の金属導波管８１０Ａのフランジ８１０Ａａと他方の金属導波管８１０Ｂのフランジ８１０Ｂａが互いにネジ８３０によってネジ止めされ、この結果、空隙も軸ずれも無く２個のモード変換構造８００Ａ，８００Ｂが互いに接続される。誘電体導波路８５０Ｘと金属導波管８１０Ｘとの間の電磁波の伝播モードの変換は、誘電体導波路８５０Ｘの一端の四角直錐形状によって達成される（非特許文献１参照）。このモード変換による電磁波の電力損失は一般に小さい。したがって、接続構造８００は、２個の誘電体導波路８５０Ａ，８５０Ｂを低損失に互いに接続することできる。
【０００６】
しかし、接続構造８００によると、誘電体導波路８５０Ｘと金属導波管８１０Ｘとの間の損失が大きい。図２に、モード変換構造８００Ｘの通過特性（Ｓ
21
パラメータ）を示す。このシミュレーションでは、簡単のために、フランジ８１０Ｘａを持たない角パイプ状の金属導波管８１０Ｘを採用した。設計パラメータは次のとおりである。金属導波管８１０ＸはEIA（Electronic Industries Alliance）規格導波管WR 34に相当し、金属導波管８１０Ｘの内寸（つまり開口のサイズ）は高さ4.318mm×幅8.636mmであり、金属導波管８１０Ｘの長さは60mmである。誘電体導波路８５０Ｘの一端の四角直錐の高さは32.1mmであり、誘電体導波路８５０Ｘの、金属導波管８１０Ｘで覆われていない部分の長さは500mmであり、誘電体導波路８５０Ｘの、金属導波管８１０Ｘで覆われている部分の長さは42.1mmである。図２から、例えば電磁波の周波数が28GHzである場合、4.6dBの通過損失が発生することが分かる。
【０００７】
このような通過損失を低減するために、図３に示すモード変換構造９００が知られている。モード変換構造９００は、一端を除き矩形の断面を持つケーブル状の誘電体導波路９５０と、角パイプ９１１を中空四角直錐台状パイプ９１３の一方の開口底（ただし、大小２個の開口底のうち小さい面積を持つ開口底）に接続した形状を持つ金属導波管９１０を含む。誘電体導波路９５０の一端は、テーパ状に加工されており、四角直錐の形状を持っている。誘電体導波路９５０の一端と当該一端の近傍部分（つまり、誘電体導波路９５０の、誘電体導波路９５０の一端に連続し且つ矩形の断面を持つ近傍部分）が金属導波管９１０の角パイプ９１１の、角パイプ９１１と中空四角直錐台状パイプ９１３との境界および当該境界の近傍に位置する端部に取り付けられており、誘電体導波路９５０の一端である四角直錐と誘電体導波路９５０の一端の近傍部分が金属導波管９１０の角パイプ９１１で覆われている。誘電体導波路９５０の一端の近傍部分は金属導波管９１０の角パイプ９１１に隙間無く嵌っている。誘電体導波路９５０と金属導波管９１０との間の電磁波の伝播モードの変換は、誘電体導波路９５０の一端のテーパ形状によって達成される。誘電体導波路９５０の、誘電体導波路９５０の前記近傍部分に連続し、且つ、前記近傍部分の近傍に位置し、且つ、矩形の断面を持つ部分は、中空四角直錐台状パイプ９１３で囲まれている。
【０００８】
図４に、モード変換構造９００の通過特性（Ｓ
21
パラメータ）を示す。設計パラメータは次のとおりである。角パイプ９１１はEIA規格導波管WR 34に相当し、角パイプ９１１の内寸は高さ4.318mm×幅8.636mmであり、角パイプ９１１の長さは60mmである。中空四角直錐台状パイプ９１３の他方の開口底の内寸（つまり開口のサイズ）は高さ21.4mm×幅42.8mmであり、中空四角直錐台状パイプ９１３の高さは40mmである。誘電体導波路９５０の一端の四角直錐の高さは32.1mmであり、誘電体導波路９５０の、角パイプ９１１で覆われていない部分の長さは500mmであり、誘電体導波路９５０の、角パイプ９１１で覆われている部分の長さは42.1mmである。図４から、例えば電磁波の周波数が28GHzである場合、通過損失が0.2dB程度に低減していることが分かる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
日本国特開2023-102939号公報
【非特許文献】
【００１０】
G. E. Ponchak et al., “Design and Analysis of Transitions from Rectangular Waveguide to Layered Ridge Dielectric Waveguide,” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques (T-MTT), vol. 44, no. 7, pp. 1032 - 1040, Jul. 1996.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
（【００１１】以降は省略されています）

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