導波路構造体及び導波路
【課題】ミリ波領域以上の高周波領域の電磁波を低損失で伝送できる導波路構造体及び導波路を提供する。
【解決手段】導波路構造体１００は、断面が正方形の四角柱の形状を有する誘電体の線材１０１を組み合わせて構成されており、ウッドパイル構造となっている。このような周期構造の構造体は、ホトニック結晶構造となっており、ホトニックバンドギャップを形成することにより所定波数の電磁波透過させない。導波路構造体１００は、誘電体の線材１０１のみで形成され、導体損失のない導波路を形成するのに用いることができる。
【解決手段】導波路構造体１００は、断面が正方形の四角柱の形状を有する誘電体の線材１０１を組み合わせて構成されており、ウッドパイル構造となっている。このような周期構造の構造体は、ホトニック結晶構造となっており、ホトニックバンドギャップを形成することにより所定波数の電磁波透過させない。導波路構造体１００は、誘電体の線材１０１のみで形成され、導体損失のない導波路を形成するのに用いることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ミリ波帯の電磁波を伝送させる導波路構造体、及び該導波路構造体を用いて形成された導波路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、電磁波を伝送させるための導波路は、導体と誘電体とを組み合わせて構成されている。アンテナなどのように周辺の空間に電磁波を積極的に開放・漏洩させるものを除く密閉型の導波路の場合には、電磁波を導波路の内部に閉じ込めるために、導波路の外壁に導体が用いられている。
【０００３】
このような電磁波を密閉して伝送させる導波路として、例えば特許文献１に記載されているような同軸ケーブルが従来より用いられている。同軸ケーブルの一例を図１０に示す。同軸ケーブル９００は、中心導体９０１の周囲に誘電体層９０２が被覆されてコア９０３が形成されている。このコア９０３の周囲には、金属箔９０４及び外部導体層９０５からなる導体層９０６が形成され、さらにその外周を外被９０７で被覆した構成となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１７９９８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、導波路の外壁を導体を用いて形成すると、導体部分で大きな伝送損失が発生するといった問題がある。一般に、導波路で発生する主要な損失として、導体部分で発生する導体損失と、誘電体部分で発生する誘電体損失がある。導体表面を電磁波が伝播するときには、導体表面で表皮効果による渦電流が発生するが、導体損失はこの渦電流の発生によってもたらされるものである。導体損失は、高周波の電磁波ほど大きくなり、特にミリ波領域では導体損失の大きさが誘電体損失の大きさを上回るようになる。すなわち、高周波領域では、導体損失が導波路の支配的な伝送損失となる。
【０００６】
ミリ波領域以上の高周波領域において回路を構成する場合、発振器、混合器、増幅器等の各モジュール間を接続する導波路内で発生する損失は、総計すると回路設計において決して無視できない程度の大きさとなる。そして、この損失の多くが導体損失によるものである。このように、高周波領域では導波路で大きな導体損失が発生するといった問題があった。
【０００７】
そこで、本発明は上記問題を解決するためになされたものであり、ミリ波領域以上の高周波領域の電磁波を低損失で伝送できる導波路構造体及び導波路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の導波路構造体の第１の態様は、ミリ波領域以上の高周波領域の電磁波を伝送する導波路構造体であって、誘電体からなる線材が、該線材の幅に等しい間隔をおいて平行に配列されて形成された第１の層と、前記線材が、前記第１の層を形成する線材と直交する方向に該線材の幅に等しい間隔をおいて平行に配列されて形成された第２の層と、前記線材が、前記第１の層を形成する線材と平行な方向に該線材の幅に等しい間隔で配列され、かつ、前記第１の層の前記線材が配置されていない部分に対応する位置に配置されて形成された第３の層と、前記線材が、前記第２の層を形成する線材と平行な方向に該線材の幅に等しい間隔で配列され、かつ、前記第２の層の前記間隔に対応する位置に配置されて形成された第４の層とからなる積層構造を単位周期とする周期構造を１．５周期以上備えていることを特徴とする。
【０００９】
本発明の導波路構造体の第２の態様は、ミリ波領域以上の高周波領域の電磁波を伝送する導波路構造体であって、誘電体からなる２以上の線材を直交する方向に交互に編み組んだ編組構造の第１の層と、前記編組構造に形成され、かつ前記線材が前記第１の層を形成する線材と重ならない線材間に配置された第２の層と、からなる積層構造を単位周期とする周期構造を１．５周期以上備えていることを特徴とする。
【００１０】
本発明の導波路構造体の第３の態様は、前記積層構造が、線状導体の表面に円筒状に形成されていることを特徴とする。
【００１１】
本発明の導波路構造体の他の態様は、前記線材は、横断面形状が円、楕円、または多角形のいずれかからなることを特徴とする。
【００１２】
本発明の導波路の第１の態様は、円筒状の内壁部と、内径が前記内壁部の外径より大きい円筒状の外壁部と、を備えた同軸状の導波路であって、前記内壁部及び前記外壁部が第３の態様に記載の導波路構造体で形成されていることを特徴とする。
【００１３】
本発明の導波路の第２の態様は、断面が矩形で４つの壁面が伝送方向に平行な平面で取り囲まれた導波路であって、前記４つの壁面が第１または第２の態様に記載の導波路構造体で形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように本発明によれば、ミリ波領域以上の高周波領域の電磁波を低損失で伝送できる導波路構造体及び導波路を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る導波路構造体の概略構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施形態に係る導波路の斜視図である。
【図３】従来の導波路の断面図である。
【図４】従来の導波路の伝送損失の周波数依存性を示すグラフである。
【図５】第１の実施形態の導波路構造体の表面から内部に侵入する電磁波の電界エネルギー分布を示すグラフである。
【図６】第１の実施形態の導波路構造体の誘電正接ｔａｎδと１／ｅまで減衰する侵入長との関係を示すグラフである。
【図７】本発明の第２及び第３の実施形態に係る導波路構造体の概略構成を示す斜視図である。
【図８】本発明の第４の実施形態に係る導波路構造体の概略構成を示す平面図である。
【図９】第４の実施形態に係る導波路構造体の作製方法を示す説明図である。
【図１０】従来の同軸ケーブルを示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の好ましい実施の形態における導波路構造体について、図面を参照して詳細に説明する。同一機能を有する各構成部については、図示及び説明簡略化のため、同一符号を付して示す。
【００１７】
はじめに、導体で形成された導波路を用いると、ミリ波領域では導体損失が支配的な損失となることを以下に説明する。ミリ波領域で使用される導波路として、断面が図３（ａ）に示すような形状の代表的な同軸ケーブル１０（ＭＩＬ−Ｃ−１７／１５１準拠の同軸ケーブル)を用いたとき、同軸ケーブル１０における伝送損失の周波数依存性を図４に示す。伝送させる電磁波の周波数をｆとするとき、伝送損失は周波数ｆの平方根に略比例して増加する、といった特徴が図４から見られる。
【００１８】
一方、導体表面における表皮抵抗（Ｒｓとする）は、次式のように周波数ｆの平方根に比例する関係がある。
ここで、σは導体（銅）の導電率を表す。これより、図４に示した同軸ケーブルの伝送損失１１は、式（１）で与えられる表皮抵抗に依存した損失が支配的であることがわかる。
【００１９】
次に、図４に示した同軸ケーブル１０の伝送損失１１において、導体損失と誘電体損失のそれぞれの割合を以下に説明する。高周波信号として、ミリ波無線ＬＡＮで用いられる周波数６０ＧＨｚの信号を用い、これを同軸ケーブル１０に伝送させる場合を例に説明する。
【００２０】
同軸ケーブル１０の導体損失（Ｌｍ［ｍＷ／ｍ］とする）は、式（１）の表皮抵抗Ｒｓを用いて次式で与えられる。
また、同軸ケーブルの誘電体損失（Ｌｄ［ｍＷ／ｍ］とする）は次式で与えられる。
ここで、
Ｅ０：入力波の実効値［Ｖ／ｍ］
Ｚ０：特性インピーダンス［Ω］
ａ：同軸ケーブル１０の内部導体の外径［ｍｍ］
ｂ：同軸ケーブル１０の誘電体層の外径［ｍｍ］
εｒ：比誘電率
ｔａｎδ：誘電正接
【００２１】
同軸ケーブル１０に用いられている導体及び誘電体がそれぞれ銅及びＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）のとき、周波数ｆ＝６０ＧＨｚにおける上記のパラメータの値として、ＭＩＬ−Ｃ−１７／１５１の規格に従って以下の数値を用いることができる。
Ｅ０＝１［Ｖ／ｍ］
Ｚ０＝５０［Ω］
ａ＝０．２８８／２
ｂ＝０．９４０／２
εｒ＝２．０
ｔａｎδ＝２．０×１０−４
σ＝５．８×１０７
但し、真空誘電率ε０＝８．８５×１０−１２［Ｆ／ｍ］、真空透磁率μ０＝４π×１０−７とする。
【００２２】
上記の数値を式（２）、（３）に代入すると、導体損失Ｌｍ及び誘電体損失Ｌｄは下記のように与えられる。
Ｌｍ＝１４６０［ｍＷ／ｍ］
Ｌｄ＝１．５［ｍＷ／ｍ］
【００２３】
これより、動作周波数６０ＧＨｚにおける同軸ケーブル１０の導体損失１１は、全損失に占める比率が次式のようになる。
このように、動作周波数６０ＧＨｚでは導体損失が全損失のほとんどを占めていることがわかる。
【００２４】
上記のように、一般にミリ波領域では、導波路の損失のほとんどが導体損失となる。同軸ケーブルに代えて、図３（ｂ）に示すような断面が矩形の方形導波管２０を用いた場合には、ミリ波領域での全伝送損失に占める導体損失の比率は、さらに１００％に近づく。導波管を用いた場合は、同軸ケーブルのような電界集中がないため、図４に示すように、伝送損失２１はより低くなる。このように、金属を用いて構成される導波路の場合には、導体損失を回避することはできない。よって、ミリ波領域では導体損失の低い導波路を実現することで、低損失な導波路を提供することができる。
【００２５】
本発明の第１の実施形態に係る導波路構造体を、図１を用いて説明する。図１は、本実施形態の導波路構造体１００を示す斜視図である。本実施形態の導波路構造体１００は、断面が正方形の四角柱の形状を有する線材１０１を組み合わせて構成されており、ウッドパイル構造となっている。このようなウッドパイル構造を有する導波路構造体１００は、導体損失のない導波路を形成するのに用いることができる。導波路構造体１００を用いて形成した導波路の一例を図２に示す。図２は、本実施形態の導波路構造体１００を用いて形成された導波路１１０を示す斜視図である。
【００２６】
導波路構造体１００のウッドパイル構造は、以下のようにして形成することができる。まず、線材１０１を所定の方向（図１に示すＸ軸方向とする）に平行に配列して第１層目の層構造を形成する。このとき、隣接する線材１０１間は、線材１０１の幅と同じ幅の隙間を設けて配列する。次に、第１層目の層構造の上にこれと直交するＹ軸方向に線材１０１を平行に配列して第２層目の層構造を形成する。このときも、隣接する線材１０１間に線材１０１の幅と同じ幅の隙間を設ける。第３層目は、再び第１層目と同じＸ軸方向に配列していくが、第１層目の層構造に線材１０１が配置されていないＸ軸方向の位置、すなわち、第１層目の線材１０１が配置されていない部分に対応する位置に線材１０１を配置するようにする。同様に、第４層目の線材１０１も、第２層目の線材１０１間の隙間部に線材１０１を配置する。
【００２７】
上記の第４層までの層構造で、１単位のウッドパイル構造が形成されたことになる。以下では、この１単位のウッドパイル構造を単位周期構造と呼ぶこととする。この単位周期構造をＺ軸方向に繰り返し積み上げていくことで、周期構造の構造体を形成することができる。単位周期構造を積み上げる回数を、以下では周期構造積層数と呼ぶこととする。
【００２８】
上記のようにして形成された周期構造の構造体は、ホトニック結晶構造となっており、本実施形態の導波路構造体１００は、ホトニック結晶構造を有している。導波路構造体１００を構成する線材１０１は、所定の誘電率（比誘電率をεｂとする）を有する誘電体で形成されている。これにより、本実施形態の導波路構造体１００は、導体を用いないで誘電体のみで構成される。
【００２９】
図１に示すようなホトニック結晶構造を有する導波路構造体１００は、所定の周波数帯の電磁波を反射して透過させない。すなわち、線材１０１の断面の一辺の長さをｄとすると、
ｆ＝ｃ／（４×ｎｅ×ｄ） （４）
で与えられる周波数ｆ近傍の電磁波に対しては、あらゆる方向から入射するものをすべて反射して透過させない。これは、導波路構造体１００がホトニックバンドギャップを形成することによる効果である。ホトニックバンドギャップのバンド幅は、周波数ｆの１０％程度である。なお、式（４）において、ｎｅは実効屈折率を示し、ｃは光速を示している。
【００３０】
実効屈折率ｎｅは、次式で与えられる。
εｒ＝（１−α）・εａ＋α・εｂ （６）
ここで、εａは空気の比誘電率を示し、αは線材１０１の空間占有率を示している。図１に示すようなウッドパイル構造の本実施形態の導波路構造体１００では、空間占有率は０．５となる。
【００３１】
上記のように、ホトニック結晶構造に形成された本実施形態の導波路構造体１００は、ホトニックバンドギャップを形成して周波数ｆ近傍の電磁波を遮蔽することができることから、これを用いて図２に示すような導波路１１０を形成することで、周波数ｆ近傍の電磁波を閉じ込めることができる。但し、所定の電磁波に対して十分に高い遮蔽効果を実現するためには、線材１０１からなる単位周期構造を所定数以上積層する必要がある。
【００３２】
本実施形態の導波路構造体１００を用いることで、導体を用いない導波路１１０を形成することができることから、導体損失の極めて小さい導波路１１０を提供することができる。しかし、導波路構造体１００を用いて導波路１１０の壁を形成した場合、壁の表面から単位周期構造の１〜２個分程度まで、導波路構造体１００の内部に僅かな電界エネルギーの侵入が生じ、誘電体損失が発生する。但し、導波路構造体１００で生じる誘電体損失の大きさは、導体壁を用いたときの導体損失に比べて十分に小さい。
【００３３】
以下では、ホトニック結晶構造を有する導波路構造体１００で導波路１１０の壁を形成したとき、その内部に電磁波が侵入して発生する誘電体損失の大きさについて説明する。図１に示したウッドパイル型のホトニック結晶構造を有する本実施形態の導波路構造体１００に平面波が入射したとき、その表面から内部に向けて侵入する電磁波の電界エネルギー分布を図５に示す。
【００３４】
図５において、横軸は導波路構造体１００で形成された導波路１１０の壁からの距離を、周期構造積層数Ｌで示している。周期構造積層数Ｌから実距離ｘ[m]へは次式で換算できる。
ここで、ｃ0は真空中の光速度(＝2.99792×１０８[m/s])を表している。また、縦軸は電界エネルギー密度を表しており、導波路１１０の壁表面におけるエネルギー密度を１として規格化した値である。
【００３５】
図５より、エネルギー密度が１／ｅまで減衰する侵入長は、周期構造積層数Ｌが約１．６のときであることがわかる。このことから、周期構造積層数は、１．５周期以上とするのが好ましい。また、周期構造積層数Ｌから算出される実距離ｘは、式（７）より、実効屈折率ｎｅが大きいほど短くなる。従って、より高い誘電率をもつ誘電体の線材１０１を用いて導波路構造体１００を作製する方が、より少ない周期構造積層数Ｌで電磁波を遮蔽することができ、導波路構造体１００で形成される導波路１１０の壁の厚さを薄くすることができる。
【００３６】
ところで、実際の誘電体は、誘電正接ｔａｎδに依存した誘電損失を持っている。これにより、侵入長に対する電界エネルギー密度の変化は、図５に示した場合よりさらに減衰すると考えられ、１／ｅまで減衰する侵入長が短くなる。誘電正接ｔａｎδと１／ｅまで減衰する侵入長との関係を図６に示す。同図において、横軸は誘電正接ｔａｎδの値を対数目盛りで表しており、縦軸は、エネルギー密度が１／ｅまで減衰する侵入長を、図５の横軸と同じ周期構造積層数Ｌで表している。
【００３７】
図６において、誘電正接ｔａｎδが十分に小さい１０−６以下の場合には、誘電損失が無いとしたときと同程度の侵入長となっている。これに対し、誘電正接ｔａｎδが１０−５より大きい場合には、ｔａｎδが大きくなるのに伴って侵入長も徐々に短くなっていく。これは、誘電損失が大きくなるほど導波路構造体１００の壁の内部に侵入した電界エネルギーが失われやすくなるため、電磁波が壁の深い部分まで侵入できなくなることを示している。
【００３８】
通常の誘電体は、１０−４〜１０−２程度の範囲の誘電正接ｔａｎδを有している。従って、本実施形態の導波路構造体１００を用いて電磁波を十分に閉じ込めることができる導波路１１０を形成する場合には、線材１０１に用いる誘電体の比誘電率だけでなく、誘電正接ｔａｎδの大きさも考慮して導波路１１０の壁の厚さを決定する必要がある。図６より、誘電正接ｔａｎδの大きい線材１０１を用いて導波路構造体１００を形成し、これを用いて導波路１１０を形成することで、導波路１１０の壁の厚さを薄くすることが可能となる。よって、このような導波路構造体１００を用いることで、導波路１１０の小型化を実現することが可能となる。
【００３９】
一般に、同軸ケーブル等の導波路に用いられる誘電体は、誘電正接ｔａｎδが小さいものを用いるのが好ましいとされるが、本実施形態の導波路構造体１００では、必ずしも低損失の誘電体を用いる必要はなく、むしろ誘電損失の大きい誘電体を用いることで、導波路１１０を小型化できることが上記で示された。以下では、導波路構造体１００を用いて形成した導波路１１０の誘電損失の大きさについて説明する。
【００４０】
一例として、誘電損失の高いガラスエポキシ（ｔａｎδ＝０．０２、εｒ＝４．５)を線材１０１に用い、図１に示したウッドパイル構造の単位周期構造を２層（周期構造積層数Ｌ＝２）形成した導波路構造体１００（厚さ約６ｍｍ）で導波路１１０を形成する。この導波路１１０の表面に１［Ｖ／ｍ］の電界強度の平面波を入射させると、単位面積あたりの誘電損失Ｌｄ＝６．６×１０−５［Ｗ］となる。これは、導体壁によって遮蔽した場合の表皮効果による導体損失Ｌｍ＝７．８［Ｗ］に比べて、約１０万分の１の大きさである。このように、従来は高損失のためミリ波帯の導波路には使用されない傾向にあったガラスエポキシでも、本実施形態の導波路構造体１００に用いることができ、従来の導波路よりも損失が十分に低い導波路１１０を提供することができる。
【００４１】
ガラスエポキシよりも低損失なＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）等を用い、図１に示したウッドパイル構造の単位周期構造を２層（周期構造積層数Ｌ＝２）形成した導波路構造体１００（厚さ約８ｍｍ）で導波路１１０を形成した場合について説明する。この導波路１１０の表面に１［Ｖ／ｍ］の電界強度の平面波を入射させると、単位面積あたりの誘電損失Ｌｄ＝５．２×１０−７［Ｗ］となる。これより、ＰＴＦＥを用いて導波路構造体１００を形成した場合には、ガラスエポキシを用いた場合に比べてさらに低損失な導波路１１０を実現することができる。
【００４２】
ガラスエポキシで形成された断面が略正方形の線材１０１を用いて導波路構造体１００を作製し、その伝送損失を実測した結果を以下に説明する。この導波路構造体１００に、図２に示すような９ｍｍ×９ｍｍの断面を有する貫通孔を形成して導波路１１０に用いる。この導波路１１０に６０ＧＨｚの電磁波を伝送させたとき、実測された伝送損失は０．２［ｄＢ／ｍ］となった。一方、従来より６０ＧＨｚの電磁波の伝送に用いられている方形導波管（例えば、古河Ｃ＆Ｂ株式会社製、ＷＲJ−６２０）では、伝送損失が２［ｄＢ／ｍ］となることから、本実施形態の導波路１１０の伝送損失は、従来のものに比べて約１／１０に低減化されている。
【００４３】
なお、上記の伝送損失の見積もりでは、本実施形態の導波路１１０は従来の導波路に比べて約１０万分の１に低減されるとしたが、上記の実測では約１／１０の低減となっている。この差は、導波路構造体１００を作製するときのホトニック結晶構造の組み立て精度によるものと考えられる。本実施形態の導波路構造体１００を用いて形成された導波路１１０では、作製精度を含めても伝送損失を従来の導波路よりも約１／１０に低減することができ、作製精度を高めることで伝送損失をさらに低減することが可能となる。
【００４４】
本発明の別の実施形態に係る導波路構造体を、図７に示す。図７（ａ）に示す実施形態の導波路構造体２００は、断面が正方形の線材１０１に代えて、断面が円形の円柱状の線材２０１を用いて作製している。導波路構造体２００の作製方法は、導波路構造体１００を作製する場合と同様に、線材２０１を断面の直径と同じ幅の間隔を空けて配列していくことで１層当たりの層構造を作製する。そして、導波路構造体１００の作製方法と同様にして、１層当たりの層構造を順次積層していくことで単位周期構造を作製し、これを所定の周期構造積層数だけ積層することで導波路構造体２００を作製する。本実施形態の導波路構造体２００は、断面が円形の線材２０１を用いているが、これに限定されず、例えば断面が楕円形の線材を用いて作製することも可能である。
【００４５】
図７（ｂ）に示す実施形態の導波路構造体２１０は、柔軟性のある線材２１１を用い、これを略直交する２方向に交差させながら交互に編み上げ、さらにこれを２層分、線材２１１が上下で重ならないように位置を調整して積層することで、編組構造の単位周期構造を作製している。そして、この単位周期構造を所定の周期構造積層数だけ積層することで導波路構造体２１０を作製する。柔軟性のある線材２１１として、例えば二酸化チタン等の誘電体粉末とポリエチレンを混錬することによって作製したものを用いることができる。
【００４６】
上記のようにして作製された導波路構造体２００または２１０は、それぞれの周期構造に対応した周波数近傍で、ホトニックバンドギャップによる電磁波の遮蔽効果を実現することができる。よって、本実施形態の導波路構造体２００または２１０を用いて導波路を形成することにより、導体損失のない低損失な導波路を提供することが可能となる。
【００４７】
本発明のさらに別の実施形態に係る導波路構造体を、図８に示す。本実施形態の導波路構造体３００は、ウッドパイル構造を円筒形に形成して同軸構造としたものである。このような円筒形状のホトニック結晶構造を形成するには、柔軟性の高い誘電体からなる線材３０１を用いるのがよい。このような線材３０１として、例えば二酸化チタンの粉末とポリエチレンを体積比で１：３の比率で混錬し、これを断面が０．２５ｍｍ×０．２５ｍｍの角柱状に形成して作製することができる。
【００４８】
同軸構造の本実施形態の導波路構造体３００の作製方法を、図９を用いて以下に説明する。まず、図９（ａ）に示すように、芯線３０２の長手方向に対し約４５度だけ一方に傾けた線材３０１を、間隔が線材３０１の幅と等しくなるように芯線３０２に沿って巻きつけていく。これにより、第１層目の層構造が形成されると、次にその上から再び線材３０１を巻きつけて第２層目の層構造を形成する。第２層目では、線材３０１を芯線３０２の長手方向に対し第１層目とは反対側に約４５度だけ傾けて巻きつけていく。これにより、線材３０１が第１層目と第２層目で直交する方向に巻きつけられる。
【００４９】
さらに、第３層目と第４層目の層構造を上記と同様にして形成する。但し、第３層目の線材３０１は、第１層目の線材３０１間の隙間に位置するように巻きつけられ、第４層目の線材３０１は、第２層目の線材３０１間の隙間に位置するように巻きつけられる。これにより、４層の層構造からなる円筒形状のホトニック結晶構造を有する単位周期構造が形成される。本実施形態では、この単位周期構造を２つ（周期構造積層数Ｌが２）作製して内壁部３０３を形成している。
【００５０】
次に、図９（ｂ）に示すように、誘電体をチューブ状に形成した誘電体導波層３０４の内部に、上記で作製した内壁部３０３を挿入する。その後、図９（ｃ）に示すように、誘電体導波層３０４を中心に、その長手方向に対し約４５度だけ一方に傾けた線材３０１を、間隔が線材３０１の幅と等しくなるように巻きつけていく。以下、内壁部３０３の作製方法と同様にして第１層目から第４層目までの層構造を作製し、これを単位周期構造とする。本実施形態では、この単位周期構造を２つ（周期構造積層数Ｌが２）作製して外壁部３０５を形成する。
【００５１】
上記の本実施形態の導波路構造体３００は、周波数６０ＧＨｚの電磁波を伝送するための導波路の作製に用いることができる。一例として、直径１ｍｍのポリエチレンからなる芯線３０２と、周期構造積層数が２の内壁部３０３（厚さ２ｍｍ）と、ＰＴＦＥで形成された内径５ｍｍ、外径７ｍｍのチューブ状の誘電体導波層３０４と、周期構造積層数が２の外壁部３０５（厚さ２ｍｍ）とからなる外径が１１ｍｍの同軸構造の導波路構造体３００を作製することができる。この導波路構造体３００を用いると、比誘電率が４７．８、誘電正接ｔａｎδが２×１０−３の導波路が形成される。これに６０ＧＨｚの電磁波を伝送させると、伝送損失は０．４［ｄＢ／ｍ］となる。これは、同じ周波数帯域で用いられるＭＩＬ−Ｃ−１７／１５１準拠の同軸ケーブル（商品名ＭＷＸ２６１）の伝送損失５［ｄＢ／ｍ］に比べ略１／１０となっており、低損失の導波路が実現されている。
【００５２】
上記説明の通り本発明によれば、ミリ波領域以上の高周波領域の電磁波を低損失で伝送できる導波路構造体を提供することができる。このような低損失の導波路構造体を用いて導波路を形成することにより、伝送設備の省エネルギー化や効率化を実現することが可能となる。
【００５３】
なお、本実施の形態における記述は、本発明に係る導波路構造体及び導波路の一例を示すものであり、これに限定されるものではない。本実施の形態における導波路構造体及び導波路の細部構成及び詳細な動作等に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【符号の説明】
【００５４】
１００、２００、２１０、３００ 導波路構造体
１０、９００ 同軸ケーブル
１０１、２０１、２１１、３０１ 線材
１１０ 導波路
３０２ 芯線
３０３ 内壁部
３０４ 誘電体導波層
３０５ 外壁部
９０１ 中心導体
９０２ 誘電体層
９０３ コア
９０４ 金属箔
９０５ 外部導体層
９０６ 導体層 ９０７ 外被
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ミリ波帯の電磁波を伝送させる導波路構造体、及び該導波路構造体を用いて形成された導波路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、電磁波を伝送させるための導波路は、導体と誘電体とを組み合わせて構成されている。アンテナなどのように周辺の空間に電磁波を積極的に開放・漏洩させるものを除く密閉型の導波路の場合には、電磁波を導波路の内部に閉じ込めるために、導波路の外壁に導体が用いられている。
【０００３】
このような電磁波を密閉して伝送させる導波路として、例えば特許文献１に記載されているような同軸ケーブルが従来より用いられている。同軸ケーブルの一例を図１０に示す。同軸ケーブル９００は、中心導体９０１の周囲に誘電体層９０２が被覆されてコア９０３が形成されている。このコア９０３の周囲には、金属箔９０４及び外部導体層９０５からなる導体層９０６が形成され、さらにその外周を外被９０７で被覆した構成となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１７９９８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、導波路の外壁を導体を用いて形成すると、導体部分で大きな伝送損失が発生するといった問題がある。一般に、導波路で発生する主要な損失として、導体部分で発生する導体損失と、誘電体部分で発生する誘電体損失がある。導体表面を電磁波が伝播するときには、導体表面で表皮効果による渦電流が発生するが、導体損失はこの渦電流の発生によってもたらされるものである。導体損失は、高周波の電磁波ほど大きくなり、特にミリ波領域では導体損失の大きさが誘電体損失の大きさを上回るようになる。すなわち、高周波領域では、導体損失が導波路の支配的な伝送損失となる。
【０００６】
ミリ波領域以上の高周波領域において回路を構成する場合、発振器、混合器、増幅器等の各モジュール間を接続する導波路内で発生する損失は、総計すると回路設計において決して無視できない程度の大きさとなる。そして、この損失の多くが導体損失によるものである。このように、高周波領域では導波路で大きな導体損失が発生するといった問題があった。
【０００７】
そこで、本発明は上記問題を解決するためになされたものであり、ミリ波領域以上の高周波領域の電磁波を低損失で伝送できる導波路構造体及び導波路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の導波路構造体の第１の態様は、ミリ波領域以上の高周波領域の電磁波を伝送する導波路構造体であって、誘電体からなる線材が、該線材の幅に等しい間隔をおいて平行に配列されて形成された第１の層と、前記線材が、前記第１の層を形成する線材と直交する方向に該線材の幅に等しい間隔をおいて平行に配列されて形成された第２の層と、前記線材が、前記第１の層を形成する線材と平行な方向に該線材の幅に等しい間隔で配列され、かつ、前記第１の層の前記線材が配置されていない部分に対応する位置に配置されて形成された第３の層と、前記線材が、前記第２の層を形成する線材と平行な方向に該線材の幅に等しい間隔で配列され、かつ、前記第２の層の前記間隔に対応する位置に配置されて形成された第４の層とからなる積層構造を単位周期とする周期構造を１．５周期以上備えていることを特徴とする。
【０００９】
本発明の導波路構造体の第２の態様は、ミリ波領域以上の高周波領域の電磁波を伝送する導波路構造体であって、誘電体からなる２以上の線材を直交する方向に交互に編み組んだ編組構造の第１の層と、前記編組構造に形成され、かつ前記線材が前記第１の層を形成する線材と重ならない線材間に配置された第２の層と、からなる積層構造を単位周期とする周期構造を１．５周期以上備えていることを特徴とする。
【００１０】
本発明の導波路構造体の第３の態様は、前記積層構造が、線状導体の表面に円筒状に形成されていることを特徴とする。
【００１１】
本発明の導波路構造体の他の態様は、前記線材は、横断面形状が円、楕円、または多角形のいずれかからなることを特徴とする。
【００１２】
本発明の導波路の第１の態様は、円筒状の内壁部と、内径が前記内壁部の外径より大きい円筒状の外壁部と、を備えた同軸状の導波路であって、前記内壁部及び前記外壁部が第３の態様に記載の導波路構造体で形成されていることを特徴とする。
【００１３】
本発明の導波路の第２の態様は、断面が矩形で４つの壁面が伝送方向に平行な平面で取り囲まれた導波路であって、前記４つの壁面が第１または第２の態様に記載の導波路構造体で形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように本発明によれば、ミリ波領域以上の高周波領域の電磁波を低損失で伝送できる導波路構造体及び導波路を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る導波路構造体の概略構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施形態に係る導波路の斜視図である。
【図３】従来の導波路の断面図である。
【図４】従来の導波路の伝送損失の周波数依存性を示すグラフである。
【図５】第１の実施形態の導波路構造体の表面から内部に侵入する電磁波の電界エネルギー分布を示すグラフである。
【図６】第１の実施形態の導波路構造体の誘電正接ｔａｎδと１／ｅまで減衰する侵入長との関係を示すグラフである。
【図７】本発明の第２及び第３の実施形態に係る導波路構造体の概略構成を示す斜視図である。
【図８】本発明の第４の実施形態に係る導波路構造体の概略構成を示す平面図である。
【図９】第４の実施形態に係る導波路構造体の作製方法を示す説明図である。
【図１０】従来の同軸ケーブルを示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の好ましい実施の形態における導波路構造体について、図面を参照して詳細に説明する。同一機能を有する各構成部については、図示及び説明簡略化のため、同一符号を付して示す。
【００１７】
はじめに、導体で形成された導波路を用いると、ミリ波領域では導体損失が支配的な損失となることを以下に説明する。ミリ波領域で使用される導波路として、断面が図３（ａ）に示すような形状の代表的な同軸ケーブル１０（ＭＩＬ−Ｃ−１７／１５１準拠の同軸ケーブル)を用いたとき、同軸ケーブル１０における伝送損失の周波数依存性を図４に示す。伝送させる電磁波の周波数をｆとするとき、伝送損失は周波数ｆの平方根に略比例して増加する、といった特徴が図４から見られる。
【００１８】
一方、導体表面における表皮抵抗（Ｒｓとする）は、次式のように周波数ｆの平方根に比例する関係がある。
ここで、σは導体（銅）の導電率を表す。これより、図４に示した同軸ケーブルの伝送損失１１は、式（１）で与えられる表皮抵抗に依存した損失が支配的であることがわかる。
【００１９】
次に、図４に示した同軸ケーブル１０の伝送損失１１において、導体損失と誘電体損失のそれぞれの割合を以下に説明する。高周波信号として、ミリ波無線ＬＡＮで用いられる周波数６０ＧＨｚの信号を用い、これを同軸ケーブル１０に伝送させる場合を例に説明する。
【００２０】
同軸ケーブル１０の導体損失（Ｌｍ［ｍＷ／ｍ］とする）は、式（１）の表皮抵抗Ｒｓを用いて次式で与えられる。
また、同軸ケーブルの誘電体損失（Ｌｄ［ｍＷ／ｍ］とする）は次式で与えられる。
ここで、
Ｅ０：入力波の実効値［Ｖ／ｍ］
Ｚ０：特性インピーダンス［Ω］
ａ：同軸ケーブル１０の内部導体の外径［ｍｍ］
ｂ：同軸ケーブル１０の誘電体層の外径［ｍｍ］
εｒ：比誘電率
ｔａｎδ：誘電正接
【００２１】
同軸ケーブル１０に用いられている導体及び誘電体がそれぞれ銅及びＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）のとき、周波数ｆ＝６０ＧＨｚにおける上記のパラメータの値として、ＭＩＬ−Ｃ−１７／１５１の規格に従って以下の数値を用いることができる。
Ｅ０＝１［Ｖ／ｍ］
Ｚ０＝５０［Ω］
ａ＝０．２８８／２
ｂ＝０．９４０／２
εｒ＝２．０
ｔａｎδ＝２．０×１０−４
σ＝５．８×１０７
但し、真空誘電率ε０＝８．８５×１０−１２［Ｆ／ｍ］、真空透磁率μ０＝４π×１０−７とする。
【００２２】
上記の数値を式（２）、（３）に代入すると、導体損失Ｌｍ及び誘電体損失Ｌｄは下記のように与えられる。
Ｌｍ＝１４６０［ｍＷ／ｍ］
Ｌｄ＝１．５［ｍＷ／ｍ］
【００２３】
これより、動作周波数６０ＧＨｚにおける同軸ケーブル１０の導体損失１１は、全損失に占める比率が次式のようになる。
このように、動作周波数６０ＧＨｚでは導体損失が全損失のほとんどを占めていることがわかる。
【００２４】
上記のように、一般にミリ波領域では、導波路の損失のほとんどが導体損失となる。同軸ケーブルに代えて、図３（ｂ）に示すような断面が矩形の方形導波管２０を用いた場合には、ミリ波領域での全伝送損失に占める導体損失の比率は、さらに１００％に近づく。導波管を用いた場合は、同軸ケーブルのような電界集中がないため、図４に示すように、伝送損失２１はより低くなる。このように、金属を用いて構成される導波路の場合には、導体損失を回避することはできない。よって、ミリ波領域では導体損失の低い導波路を実現することで、低損失な導波路を提供することができる。
【００２５】
本発明の第１の実施形態に係る導波路構造体を、図１を用いて説明する。図１は、本実施形態の導波路構造体１００を示す斜視図である。本実施形態の導波路構造体１００は、断面が正方形の四角柱の形状を有する線材１０１を組み合わせて構成されており、ウッドパイル構造となっている。このようなウッドパイル構造を有する導波路構造体１００は、導体損失のない導波路を形成するのに用いることができる。導波路構造体１００を用いて形成した導波路の一例を図２に示す。図２は、本実施形態の導波路構造体１００を用いて形成された導波路１１０を示す斜視図である。
【００２６】
導波路構造体１００のウッドパイル構造は、以下のようにして形成することができる。まず、線材１０１を所定の方向（図１に示すＸ軸方向とする）に平行に配列して第１層目の層構造を形成する。このとき、隣接する線材１０１間は、線材１０１の幅と同じ幅の隙間を設けて配列する。次に、第１層目の層構造の上にこれと直交するＹ軸方向に線材１０１を平行に配列して第２層目の層構造を形成する。このときも、隣接する線材１０１間に線材１０１の幅と同じ幅の隙間を設ける。第３層目は、再び第１層目と同じＸ軸方向に配列していくが、第１層目の層構造に線材１０１が配置されていないＸ軸方向の位置、すなわち、第１層目の線材１０１が配置されていない部分に対応する位置に線材１０１を配置するようにする。同様に、第４層目の線材１０１も、第２層目の線材１０１間の隙間部に線材１０１を配置する。
【００２７】
上記の第４層までの層構造で、１単位のウッドパイル構造が形成されたことになる。以下では、この１単位のウッドパイル構造を単位周期構造と呼ぶこととする。この単位周期構造をＺ軸方向に繰り返し積み上げていくことで、周期構造の構造体を形成することができる。単位周期構造を積み上げる回数を、以下では周期構造積層数と呼ぶこととする。
【００２８】
上記のようにして形成された周期構造の構造体は、ホトニック結晶構造となっており、本実施形態の導波路構造体１００は、ホトニック結晶構造を有している。導波路構造体１００を構成する線材１０１は、所定の誘電率（比誘電率をεｂとする）を有する誘電体で形成されている。これにより、本実施形態の導波路構造体１００は、導体を用いないで誘電体のみで構成される。
【００２９】
図１に示すようなホトニック結晶構造を有する導波路構造体１００は、所定の周波数帯の電磁波を反射して透過させない。すなわち、線材１０１の断面の一辺の長さをｄとすると、
ｆ＝ｃ／（４×ｎｅ×ｄ） （４）
で与えられる周波数ｆ近傍の電磁波に対しては、あらゆる方向から入射するものをすべて反射して透過させない。これは、導波路構造体１００がホトニックバンドギャップを形成することによる効果である。ホトニックバンドギャップのバンド幅は、周波数ｆの１０％程度である。なお、式（４）において、ｎｅは実効屈折率を示し、ｃは光速を示している。
【００３０】
実効屈折率ｎｅは、次式で与えられる。
εｒ＝（１−α）・εａ＋α・εｂ （６）
ここで、εａは空気の比誘電率を示し、αは線材１０１の空間占有率を示している。図１に示すようなウッドパイル構造の本実施形態の導波路構造体１００では、空間占有率は０．５となる。
【００３１】
上記のように、ホトニック結晶構造に形成された本実施形態の導波路構造体１００は、ホトニックバンドギャップを形成して周波数ｆ近傍の電磁波を遮蔽することができることから、これを用いて図２に示すような導波路１１０を形成することで、周波数ｆ近傍の電磁波を閉じ込めることができる。但し、所定の電磁波に対して十分に高い遮蔽効果を実現するためには、線材１０１からなる単位周期構造を所定数以上積層する必要がある。
【００３２】
本実施形態の導波路構造体１００を用いることで、導体を用いない導波路１１０を形成することができることから、導体損失の極めて小さい導波路１１０を提供することができる。しかし、導波路構造体１００を用いて導波路１１０の壁を形成した場合、壁の表面から単位周期構造の１〜２個分程度まで、導波路構造体１００の内部に僅かな電界エネルギーの侵入が生じ、誘電体損失が発生する。但し、導波路構造体１００で生じる誘電体損失の大きさは、導体壁を用いたときの導体損失に比べて十分に小さい。
【００３３】
以下では、ホトニック結晶構造を有する導波路構造体１００で導波路１１０の壁を形成したとき、その内部に電磁波が侵入して発生する誘電体損失の大きさについて説明する。図１に示したウッドパイル型のホトニック結晶構造を有する本実施形態の導波路構造体１００に平面波が入射したとき、その表面から内部に向けて侵入する電磁波の電界エネルギー分布を図５に示す。
【００３４】
図５において、横軸は導波路構造体１００で形成された導波路１１０の壁からの距離を、周期構造積層数Ｌで示している。周期構造積層数Ｌから実距離ｘ[m]へは次式で換算できる。
ここで、ｃ0は真空中の光速度(＝2.99792×１０８[m/s])を表している。また、縦軸は電界エネルギー密度を表しており、導波路１１０の壁表面におけるエネルギー密度を１として規格化した値である。
【００３５】
図５より、エネルギー密度が１／ｅまで減衰する侵入長は、周期構造積層数Ｌが約１．６のときであることがわかる。このことから、周期構造積層数は、１．５周期以上とするのが好ましい。また、周期構造積層数Ｌから算出される実距離ｘは、式（７）より、実効屈折率ｎｅが大きいほど短くなる。従って、より高い誘電率をもつ誘電体の線材１０１を用いて導波路構造体１００を作製する方が、より少ない周期構造積層数Ｌで電磁波を遮蔽することができ、導波路構造体１００で形成される導波路１１０の壁の厚さを薄くすることができる。
【００３６】
ところで、実際の誘電体は、誘電正接ｔａｎδに依存した誘電損失を持っている。これにより、侵入長に対する電界エネルギー密度の変化は、図５に示した場合よりさらに減衰すると考えられ、１／ｅまで減衰する侵入長が短くなる。誘電正接ｔａｎδと１／ｅまで減衰する侵入長との関係を図６に示す。同図において、横軸は誘電正接ｔａｎδの値を対数目盛りで表しており、縦軸は、エネルギー密度が１／ｅまで減衰する侵入長を、図５の横軸と同じ周期構造積層数Ｌで表している。
【００３７】
図６において、誘電正接ｔａｎδが十分に小さい１０−６以下の場合には、誘電損失が無いとしたときと同程度の侵入長となっている。これに対し、誘電正接ｔａｎδが１０−５より大きい場合には、ｔａｎδが大きくなるのに伴って侵入長も徐々に短くなっていく。これは、誘電損失が大きくなるほど導波路構造体１００の壁の内部に侵入した電界エネルギーが失われやすくなるため、電磁波が壁の深い部分まで侵入できなくなることを示している。
【００３８】
通常の誘電体は、１０−４〜１０−２程度の範囲の誘電正接ｔａｎδを有している。従って、本実施形態の導波路構造体１００を用いて電磁波を十分に閉じ込めることができる導波路１１０を形成する場合には、線材１０１に用いる誘電体の比誘電率だけでなく、誘電正接ｔａｎδの大きさも考慮して導波路１１０の壁の厚さを決定する必要がある。図６より、誘電正接ｔａｎδの大きい線材１０１を用いて導波路構造体１００を形成し、これを用いて導波路１１０を形成することで、導波路１１０の壁の厚さを薄くすることが可能となる。よって、このような導波路構造体１００を用いることで、導波路１１０の小型化を実現することが可能となる。
【００３９】
一般に、同軸ケーブル等の導波路に用いられる誘電体は、誘電正接ｔａｎδが小さいものを用いるのが好ましいとされるが、本実施形態の導波路構造体１００では、必ずしも低損失の誘電体を用いる必要はなく、むしろ誘電損失の大きい誘電体を用いることで、導波路１１０を小型化できることが上記で示された。以下では、導波路構造体１００を用いて形成した導波路１１０の誘電損失の大きさについて説明する。
【００４０】
一例として、誘電損失の高いガラスエポキシ（ｔａｎδ＝０．０２、εｒ＝４．５)を線材１０１に用い、図１に示したウッドパイル構造の単位周期構造を２層（周期構造積層数Ｌ＝２）形成した導波路構造体１００（厚さ約６ｍｍ）で導波路１１０を形成する。この導波路１１０の表面に１［Ｖ／ｍ］の電界強度の平面波を入射させると、単位面積あたりの誘電損失Ｌｄ＝６．６×１０−５［Ｗ］となる。これは、導体壁によって遮蔽した場合の表皮効果による導体損失Ｌｍ＝７．８［Ｗ］に比べて、約１０万分の１の大きさである。このように、従来は高損失のためミリ波帯の導波路には使用されない傾向にあったガラスエポキシでも、本実施形態の導波路構造体１００に用いることができ、従来の導波路よりも損失が十分に低い導波路１１０を提供することができる。
【００４１】
ガラスエポキシよりも低損失なＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）等を用い、図１に示したウッドパイル構造の単位周期構造を２層（周期構造積層数Ｌ＝２）形成した導波路構造体１００（厚さ約８ｍｍ）で導波路１１０を形成した場合について説明する。この導波路１１０の表面に１［Ｖ／ｍ］の電界強度の平面波を入射させると、単位面積あたりの誘電損失Ｌｄ＝５．２×１０−７［Ｗ］となる。これより、ＰＴＦＥを用いて導波路構造体１００を形成した場合には、ガラスエポキシを用いた場合に比べてさらに低損失な導波路１１０を実現することができる。
【００４２】
ガラスエポキシで形成された断面が略正方形の線材１０１を用いて導波路構造体１００を作製し、その伝送損失を実測した結果を以下に説明する。この導波路構造体１００に、図２に示すような９ｍｍ×９ｍｍの断面を有する貫通孔を形成して導波路１１０に用いる。この導波路１１０に６０ＧＨｚの電磁波を伝送させたとき、実測された伝送損失は０．２［ｄＢ／ｍ］となった。一方、従来より６０ＧＨｚの電磁波の伝送に用いられている方形導波管（例えば、古河Ｃ＆Ｂ株式会社製、ＷＲJ−６２０）では、伝送損失が２［ｄＢ／ｍ］となることから、本実施形態の導波路１１０の伝送損失は、従来のものに比べて約１／１０に低減化されている。
【００４３】
なお、上記の伝送損失の見積もりでは、本実施形態の導波路１１０は従来の導波路に比べて約１０万分の１に低減されるとしたが、上記の実測では約１／１０の低減となっている。この差は、導波路構造体１００を作製するときのホトニック結晶構造の組み立て精度によるものと考えられる。本実施形態の導波路構造体１００を用いて形成された導波路１１０では、作製精度を含めても伝送損失を従来の導波路よりも約１／１０に低減することができ、作製精度を高めることで伝送損失をさらに低減することが可能となる。
【００４４】
本発明の別の実施形態に係る導波路構造体を、図７に示す。図７（ａ）に示す実施形態の導波路構造体２００は、断面が正方形の線材１０１に代えて、断面が円形の円柱状の線材２０１を用いて作製している。導波路構造体２００の作製方法は、導波路構造体１００を作製する場合と同様に、線材２０１を断面の直径と同じ幅の間隔を空けて配列していくことで１層当たりの層構造を作製する。そして、導波路構造体１００の作製方法と同様にして、１層当たりの層構造を順次積層していくことで単位周期構造を作製し、これを所定の周期構造積層数だけ積層することで導波路構造体２００を作製する。本実施形態の導波路構造体２００は、断面が円形の線材２０１を用いているが、これに限定されず、例えば断面が楕円形の線材を用いて作製することも可能である。
【００４５】
図７（ｂ）に示す実施形態の導波路構造体２１０は、柔軟性のある線材２１１を用い、これを略直交する２方向に交差させながら交互に編み上げ、さらにこれを２層分、線材２１１が上下で重ならないように位置を調整して積層することで、編組構造の単位周期構造を作製している。そして、この単位周期構造を所定の周期構造積層数だけ積層することで導波路構造体２１０を作製する。柔軟性のある線材２１１として、例えば二酸化チタン等の誘電体粉末とポリエチレンを混錬することによって作製したものを用いることができる。
【００４６】
上記のようにして作製された導波路構造体２００または２１０は、それぞれの周期構造に対応した周波数近傍で、ホトニックバンドギャップによる電磁波の遮蔽効果を実現することができる。よって、本実施形態の導波路構造体２００または２１０を用いて導波路を形成することにより、導体損失のない低損失な導波路を提供することが可能となる。
【００４７】
本発明のさらに別の実施形態に係る導波路構造体を、図８に示す。本実施形態の導波路構造体３００は、ウッドパイル構造を円筒形に形成して同軸構造としたものである。このような円筒形状のホトニック結晶構造を形成するには、柔軟性の高い誘電体からなる線材３０１を用いるのがよい。このような線材３０１として、例えば二酸化チタンの粉末とポリエチレンを体積比で１：３の比率で混錬し、これを断面が０．２５ｍｍ×０．２５ｍｍの角柱状に形成して作製することができる。
【００４８】
同軸構造の本実施形態の導波路構造体３００の作製方法を、図９を用いて以下に説明する。まず、図９（ａ）に示すように、芯線３０２の長手方向に対し約４５度だけ一方に傾けた線材３０１を、間隔が線材３０１の幅と等しくなるように芯線３０２に沿って巻きつけていく。これにより、第１層目の層構造が形成されると、次にその上から再び線材３０１を巻きつけて第２層目の層構造を形成する。第２層目では、線材３０１を芯線３０２の長手方向に対し第１層目とは反対側に約４５度だけ傾けて巻きつけていく。これにより、線材３０１が第１層目と第２層目で直交する方向に巻きつけられる。
【００４９】
さらに、第３層目と第４層目の層構造を上記と同様にして形成する。但し、第３層目の線材３０１は、第１層目の線材３０１間の隙間に位置するように巻きつけられ、第４層目の線材３０１は、第２層目の線材３０１間の隙間に位置するように巻きつけられる。これにより、４層の層構造からなる円筒形状のホトニック結晶構造を有する単位周期構造が形成される。本実施形態では、この単位周期構造を２つ（周期構造積層数Ｌが２）作製して内壁部３０３を形成している。
【００５０】
次に、図９（ｂ）に示すように、誘電体をチューブ状に形成した誘電体導波層３０４の内部に、上記で作製した内壁部３０３を挿入する。その後、図９（ｃ）に示すように、誘電体導波層３０４を中心に、その長手方向に対し約４５度だけ一方に傾けた線材３０１を、間隔が線材３０１の幅と等しくなるように巻きつけていく。以下、内壁部３０３の作製方法と同様にして第１層目から第４層目までの層構造を作製し、これを単位周期構造とする。本実施形態では、この単位周期構造を２つ（周期構造積層数Ｌが２）作製して外壁部３０５を形成する。
【００５１】
上記の本実施形態の導波路構造体３００は、周波数６０ＧＨｚの電磁波を伝送するための導波路の作製に用いることができる。一例として、直径１ｍｍのポリエチレンからなる芯線３０２と、周期構造積層数が２の内壁部３０３（厚さ２ｍｍ）と、ＰＴＦＥで形成された内径５ｍｍ、外径７ｍｍのチューブ状の誘電体導波層３０４と、周期構造積層数が２の外壁部３０５（厚さ２ｍｍ）とからなる外径が１１ｍｍの同軸構造の導波路構造体３００を作製することができる。この導波路構造体３００を用いると、比誘電率が４７．８、誘電正接ｔａｎδが２×１０−３の導波路が形成される。これに６０ＧＨｚの電磁波を伝送させると、伝送損失は０．４［ｄＢ／ｍ］となる。これは、同じ周波数帯域で用いられるＭＩＬ−Ｃ−１７／１５１準拠の同軸ケーブル（商品名ＭＷＸ２６１）の伝送損失５［ｄＢ／ｍ］に比べ略１／１０となっており、低損失の導波路が実現されている。
【００５２】
上記説明の通り本発明によれば、ミリ波領域以上の高周波領域の電磁波を低損失で伝送できる導波路構造体を提供することができる。このような低損失の導波路構造体を用いて導波路を形成することにより、伝送設備の省エネルギー化や効率化を実現することが可能となる。
【００５３】
なお、本実施の形態における記述は、本発明に係る導波路構造体及び導波路の一例を示すものであり、これに限定されるものではない。本実施の形態における導波路構造体及び導波路の細部構成及び詳細な動作等に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【符号の説明】
【００５４】
１００、２００、２１０、３００ 導波路構造体
１０、９００ 同軸ケーブル
１０１、２０１、２１１、３０１ 線材
１１０ 導波路
３０２ 芯線
３０３ 内壁部
３０４ 誘電体導波層
３０５ 外壁部
９０１ 中心導体
９０２ 誘電体層
９０３ コア
９０４ 金属箔
９０５ 外部導体層
９０６ 導体層 ９０７ 外被
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ミリ波領域以上の高周波領域の電磁波を伝送する導波路構造体であって、
誘電体からなる線材が、該線材の幅に等しい間隔をおいて平行に配列されて形成された第１の層と、
前記線材が、前記第１の層を形成する線材と直交する方向に該線材の幅に等しい間隔をおいて平行に配列されて形成された第２の層と、
前記線材が、前記第１の層を形成する線材と平行な方向に該線材の幅に等しい間隔で配列され、かつ、前記第１の層の前記線材が配置されていない部分に対応する位置に配置されて形成された第３の層と、
前記線材が、前記第２の層を形成する線材と平行な方向に該線材の幅に等しい間隔で配列され、かつ、前記第２の層の前記間隔に対応する位置に配置されて形成された第４の層とからなる積層構造を単位周期とする周期構造を１．５周期以上備えていることを特徴とする導波路構造体。
【請求項２】
ミリ波領域以上の高周波領域の電磁波を伝送する導波路構造体であって、
誘電体からなる２以上の線材を直交する方向に交互に編み組んだ編組構造の第１の層と、
前記編組構造に形成され、かつ前記線材が前記第１の層を形成する線材と重ならない線材間に配置された第２の層と、からなる積層構造を単位周期とする周期構造を１．５周期以上備えていることを特徴とする導波路構造体。
【請求項３】
前記積層構造が、線状導体の表面に円筒状に形成されている
ことを特徴とする請求項１または２に記載の導波路構造体。
【請求項４】
前記線材は、横断面形状が円、楕円、または多角形のいずれかからなる
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の導波路構造体。
【請求項５】
円筒状の内壁部と、内径が前記内壁部の外径より大きい円筒状の外壁部と、を備えた同軸状の導波路であって、
前記内壁部及び前記外壁部が請求項３に記載の導波路構造体で形成されている
ことを特徴とする導波路。
【請求項６】
断面が矩形で４つの壁面が伝送方向に平行な平面で取り囲まれた導波路であって、
前記４つの壁面が請求項１または２に記載の導波路構造体で形成されている
ことを特徴とする導波路。
【請求項１】
ミリ波領域以上の高周波領域の電磁波を伝送する導波路構造体であって、
誘電体からなる線材が、該線材の幅に等しい間隔をおいて平行に配列されて形成された第１の層と、
前記線材が、前記第１の層を形成する線材と直交する方向に該線材の幅に等しい間隔をおいて平行に配列されて形成された第２の層と、
前記線材が、前記第１の層を形成する線材と平行な方向に該線材の幅に等しい間隔で配列され、かつ、前記第１の層の前記線材が配置されていない部分に対応する位置に配置されて形成された第３の層と、
前記線材が、前記第２の層を形成する線材と平行な方向に該線材の幅に等しい間隔で配列され、かつ、前記第２の層の前記間隔に対応する位置に配置されて形成された第４の層とからなる積層構造を単位周期とする周期構造を１．５周期以上備えていることを特徴とする導波路構造体。
【請求項２】
ミリ波領域以上の高周波領域の電磁波を伝送する導波路構造体であって、
誘電体からなる２以上の線材を直交する方向に交互に編み組んだ編組構造の第１の層と、
前記編組構造に形成され、かつ前記線材が前記第１の層を形成する線材と重ならない線材間に配置された第２の層と、からなる積層構造を単位周期とする周期構造を１．５周期以上備えていることを特徴とする導波路構造体。
【請求項３】
前記積層構造が、線状導体の表面に円筒状に形成されている
ことを特徴とする請求項１または２に記載の導波路構造体。
【請求項４】
前記線材は、横断面形状が円、楕円、または多角形のいずれかからなる
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の導波路構造体。
【請求項５】
円筒状の内壁部と、内径が前記内壁部の外径より大きい円筒状の外壁部と、を備えた同軸状の導波路であって、
前記内壁部及び前記外壁部が請求項３に記載の導波路構造体で形成されている
ことを特徴とする導波路。
【請求項６】
断面が矩形で４つの壁面が伝送方向に平行な平面で取り囲まれた導波路であって、
前記４つの壁面が請求項１または２に記載の導波路構造体で形成されている
ことを特徴とする導波路。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１１−１５３３０（Ｐ２０１１−１５３３０Ａ）
【公開日】平成２３年１月２０日（２０１１．１．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１５９６６３（Ｐ２００９−１５９６６３）
【出願日】平成２１年７月６日（２００９．７．６）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１月２０日（２０１１．１．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年７月６日（２００９．７．６）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
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