JP4606351B2 - 高周波線路−導波管変換器 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ波やミリ波の領域において使用される高周波線路−導波管変換器に関するものである。

高周波フロントエンドとして、誘電体層と、その表面に形成された線路導体およびその両側に配置された同一面接地導体層から成るコプレーナ線路と、このコプレーナ線路の先端に形成されたアンテナとして機能するスロットと、誘電体層の裏面のスロットと対向する位置に接続された導波管と、誘電体層の内部に形成されており導波管および同一面接地導体層を接続するシールド導体部とを備えた高周波線路−導波管変換器が提案されている（下記の特許文献１参照）。
特開２００４−３２３２１号公報

しかしながら、従来の高周波線路−導波管変換器は、高周波線路を伝送される信号の伝送モードと、スロットおよび導波管を伝送される信号の伝送モードが異なるため、特性インピーダンスが急激に変化してインピーダンスの不整合が生じやすく、その結果、高周波線路−導波管変換器内での反射損失が増加し、高周波線路と導波管との間における伝送の変換効率が低いという問題があった。

本発明は上記問題点を鑑み案出されたもので、その目的は、高周波線路と導波管との間における伝送の変換効率の高い高周波線路−導波管変換器を提供することにある。

本発明の高周波線路−導波管変換器は、第１および第２の面を有する誘電体層と、該誘電体層の前記第１の面に形成されており、線路導体と該線路導体を取り囲む第１の接地導体層とから成る高周波線路と、前記誘電体層の前記第１の面に、前記線路導体の端部と交差して形成されたスロットと、前記誘電体層の内部または前記第２の面に形成された第２の接地導体層と、平面透視において前記線路導体の前記端部および前記スロットを取り囲むとともに、前記第１の接地導体層および前記第２の接地導体層を電気的に接続するシールド導体とを備え、前記第２の接地導体は、前記スロットに対向する第１および第２の開口を有するとともに、該第１および第２の開口間の領域が前記線路導体の直下に位置していることを特徴とするものである。

また、本発明の高周波線路−導波管変換器は、誘電体層の第２の面において導波管が接合される領域の内側に、誘電体板が設けられていることを特徴とするものである。

本発明の高周波線路−導波管変換器は、誘電体層の内部または第２の面に形成された第２の接地導体層が、スロットに対向する第１および第２の開口を有するとともに、第１および第２の開口間の領域が線路導体の直下に位置している構成であることにより、第２の接地導体層の第１および第２の開口間の領域と線路導体との間、および、第２の接地導体層の第１および第２の開口間の領域とスロットとの間において容量成分を形成させるとともに誘導成分を減少させることができ、線路導体と第１および第２の開口との間におけるインピーダンスの変化を段階的に整合させることが可能となる。よって、高周波線路−導波管変換器内での反射損失を減少させ、高周波線路と導波管との間における伝送性を向上させるとともに使用可能な帯域を広げて、高周波線路と導波管との間における伝送の変換効率を高めることができる。

また、本発明の高周波線路−導波管変換器は、誘電体層の第２の面において導波管が接合される領域の内側に、誘電体板が設けられていることにより、高周波線路を伝送される電磁界モードであるＴＥモードと導波管を伝送される電磁界モードであるＴＭモードとが結合して高周波線路を伝送される信号エネルギーがＴＭモードへ移行する可能性を低減させることができる。

本発明の高周波線路−導波管変換器について図面を参照して詳細に説明する。

図１（ａ）は本発明の高周波線路−導波管変換器の実施の形態の一例を示す平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）の高周波線路−導波管変換器のＡ−Ａ’線における断面図である。また、図２は、第２の第２の接地導体層４の平面図である。

本発明の高周波線路−導波管変換器は、誘電体層１と、誘電体層１の第１の面（上面１ａ）に形成された高周波線路２およびスロット３と、誘電体層１の内部または第２の面（下面１ｂ）に形成された第２の接地導体層４と、シールド導体５とを備えている。

誘電体層１の誘電体材料としては、酸化アルミニウム，窒化アルミニウム，窒化珪素，ムライト等を主成分とするセラミック材料、ガラス、ガラスとセラミックフィラーとの混合物を焼成して形成されたガラスセラミック材料、エポキシ樹脂，ポリイミド樹脂，四フッ化エチレン樹脂等のフッ素系樹脂等の有機樹脂系材料、有機樹脂−セラミック（ガラスも含む）複合系材料等が用いられる。

高周波線路２は、誘電体層１の上面１ａに形成された線路導体６と、線路導体６を取り囲む第１の接地導体層（同一面接地導体層）７とからなる。図１に示した実施の形態において、高周波線路２は、コプレーナ線路状に形成されている。図１に示した実施の形態において、線路導体６の先端は、同一面接地導体層７に短絡されており、短絡端となっている。線路導体６は、誘電体層１の上面１ａの縁部と中央部との間に直線状に形成されている。

スロット３は、誘電体層１の上面１ａに線路導体６と交差して設けられており、線路導体６の端部６ａと電磁的に結合されている。この構成により、高周波線路２を伝送された高周波信号は、スロット３から電磁波として、下方に配置された導波管８内に放射される。図１に示した実施の形態において、スロット３は、線路導体６と直交している。

第２の接地導体層４は、スロット３に対向する第１および第２の開口４ａ，４ｂを有する。図１に示した実施の形態において、第１および第２の開口４ａ，４ｂはスロット３の両端部に対応して設けられている。すなわち、第１および第２の開口４ａ，４ｂは、誘電体層１の上面１ａまたは下面１ｂからの平面透視において、スロット３の両端部を取り囲むように形成されている。

図１（ｃ）に示すように、本実施の形態において、第２の接地導体層４の第１の開口４ａおよび第２の開口４ｂ間の領域（短絡部）４ｃが線路導体６の端部６ａの直下に位置している。

本発明の高周波線路−導波管変換器は、このような構成により、第２の接地導体層４の第１の開口４ａおよび第２の開口４ｂ間の領域（短絡部）４ｃと線路導体６との間、および、第２の接地導体層４の第１の開口４ａおよび第２の開口４ｂ間の領域（短絡部）４ｃとスロット３との間において容量成分を形成させるとともに誘導成分を減少させることができ、線路導体６から第１および第２の開口４ａ，４ｂにかけて、インピーダンスを段階的に整合させることが可能となる。

短絡部４ｃの幅（第１および第２の開口４ａ，４ｂの距離）、が線路導体６の幅の０．５〜３倍であるのがよい。０．５倍未満であると、短絡部４ｃと線路導体６との間、および短絡部４ｃとスロット３と間における容量成分によるインピーダンスの段階的な整合が困難となる可能性がある。また、３倍を超えるとスロット３と導波管８との間の伝送性が低下しやすくなる。

本実施の形態において、誘電体層１は、その側面に形成された側面導体、または、図１に示すように、誘電体層１の内部に配された貫通導体から成るシールド導体５によりシールドされており、スロット３から誘電体層１中に放射された電磁波が漏れ出すこと低減させ、変換効率が低下することを防止している。なお、シールド導体５は、平面透視してスロット３を取り囲むように一定間隔（高周波線路２を伝送する信号の波長の１／４倍以下）を空けて形成されている。本実施の形態において、同一面接地導体層７と第２の接地導体層４とがシールド導体５を介して接続されている。

本発明の高周波線路−導波管変換器において、好ましくは、図１（ｂ）（ｃ）に示すように、誘電体層１の下面１ｂにおける導波管８が接合される領域の内側に、誘電体板９が設けられていると良い。

この構成の一例としては、誘電体板９は、誘電体層１の下面１ｂにさらに、誘電体層が積層されたものがある。また、この構成の他の例としては、図１（ｂ）（ｃ）に示すように、誘電体層１の下面１ｂに形成された第２の接地導体層４と、誘電体板９の上面に形成された導体層１０とが、Ａｕ−Ｓｎろう材等で接合されているものがある。

このように誘電体板９が設けられていることにより、導波管８内部に設けられた誘電体板９と、高周波線路２が形成された誘電体層１とが、第２の接地導体層４によって分離され、高周波線路２を伝送される電磁界モードであるＴＥモードと導波管８を伝送される電磁界モードであるＴＭモードとが結合して高周波線路２を伝送される信号エネルギーがＴＭモードへ移行する可能性を低減させることができる。その結果、共振による信号反射を低減させて、高周波線路２から導波管８への信号変換を良好に行なうことができる。

また、所望の厚みに精度良く調整された誘電体板９で非常に精度のよい整合器を構成することができ、スロット３から放射されて誘電体板９の下面と導波管８内部との界面で反射し、第２の接地導体層４で再度反射して再び誘電体板９の下面と導波管８内部との界面に戻ってきた反射波と、スロット３から直接誘電体板９の下面と導波管８内部との界面まで伝送してきた直接波との重なりによる増幅を良好に行なうことができる。

さらに、誘電体板９の周囲を導波管８で隙間無く覆い、導波管８により接地性をより良好にすることができ、誘電体板９中を伝送する電磁波の伝送性をより良好にすることができる。

誘電体板９の誘電体材料としては、酸化アルミニウム，窒化アルミニウム，窒化珪素，ムライト等を主成分とするセラミック材料、ガラス、ガラスとセラミックフィラーとの混合物を焼成して形成されたガラスセラミック材料、エポキシ樹脂，ポリイミド樹脂，四フッ化エチレン樹脂を始めとするフッ素系樹脂等の有機樹脂系材料、有機樹脂−セラミック（ガラスも含む）複合系材料等が用いられる。

本発明の高周波線路−導波管変換器において、好ましくは、誘電体層１の誘電率より誘電体板９の誘電率が低いことがよい。この構成により、電磁波がスロット３から導波管８に伝送される際、容量成分を漸次変化させることができ、インピーダンスの急激な変化を緩和することができる。よって、高周波線路２と導波管８との間における伝送性を有効に向上させ、かつ帯域を広げることができる。

線路導体６，同一面接地導体層７，シールド導体５，第２の接地導体層４ならびに導体層１０の導体材料としては、タングステン，モリブデン，金，銀，銅等を主成分とするメタライズ、あるいは金，銀，銅，アルミニウム等を主成分とする金属箔等が用いられる。

高周波線路−導波管変換器を、高周波部品を搭載する配線基板に内蔵する場合は、誘電体層１や誘電体板９の誘電体材料として、誘電正接が小さく、かつ気密封止が可能であることが望ましい。このような誘電体材料としては、酸化アルミニウム質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体などのセラミックスやガラスセラミック材料が挙げられる。このような硬質系材料で構成すれば、誘電正接が小さく、かつ搭載した高周波部品を気密に封止することができるので、搭載した高周波部品の信頼性を高める上で好ましい。この場合、導体材料としては、誘電体材料との同時焼成が可能なメタライズ導体を用いることが、気密封止性と生産性を高める上で望ましい。

本発明の高周波線路−導波管変換器の製造方法について説明する。

例えば誘電体材料に酸化アルミニウム質焼結体を用いる場合であれば、まず酸化アルミニウム，酸化珪素，酸化マグネシウム，酸化カルシウム等の原料粉末に適当な有機溶剤，溶媒を添加混合してスラリー状にし、これを周知のドクターブレード法やカレンダーロール法によりシート状に成形してセラミックグリーンシートを作製する。また、タングステンやモリブデン等の高融点金属，酸化アルミニウム，酸化珪素，酸化マグネシウム，酸化カルシウム等の原料粉末に適当な溶剤，溶媒を添加混合してメタライズペーストを作製する。

次に、誘電体層１，誘電体板９となるセラミックグリーンシートに、例えば打ち抜き法により貫通導体であるシールド導体５を形成するための貫通孔を形成し、例えば印刷法によりその貫通孔にメタライズペーストを埋め込み、続いて線路導体６や同一面接地導体層７，第２の接地導体層４，導体層１０の形状にメタライズペーストを印刷する。また、誘電体層１，誘電体板９が複数の誘電体層の積層構造からなる場合には、同様にメタライズペーストが印刷されたり貫通孔に埋め込まれたセラミックグリーンシートを積層し、加圧して圧着してもよい。

そして、これらの誘電体層１，誘電体板９となるセラミックグリーンシートをそれぞれ高温（約１６００℃）で焼成する。さらに、必要に応じて、線路導体６や同一面接地導体層７，第２の接地導体層４，導体層１０等のように上下面に露出する導体の表面に、例えば、ニッケルめっきおよび金めっきを被着させる。

しかる後、誘電体層１の第２の接地導体層４と誘電体板９の導体層１０とをろう付けし、第２の接地導体層４の外周部に誘電体板９を取り囲むようにして導波管８を接続することにより高周波線路−導波管変換器が完成する。

本発明のシールド導体５は、スロット３を取り囲むよう誘電体層１の側面または内部に配され、同一面接地導体層７と第２の接地導体層４とを電気的に接続している。

なお、シールド導体５は、同一面接地導体層７と第２の接地導体層４とを電気的に接続できれば良く、側面導体や貫通導体等、種々の手段が用いられる。例えば、誘電体層１の側面に被着された導体や、誘電体層１の側面の切り欠き部の内壁に導体層が被着されたいわゆるキャスタレーション導体、貫通孔の内壁に導体層が被着されたいわゆるスルーホール導体、貫通孔の内部が導体で充填されたいわゆるビア導体などが挙げられる。

導波管８の形状は特に制約はなく、例えば方形導波管として規格化されているＷＲシリーズを用いると、測定用校正キットが充実しているので種々の特性評価が容易になるが、使用する高周波信号の周波数に応じてシステムの小型軽量化のために導波管のカットオフが発生しない範囲で小型化した方形導波管を用いてもよい。また、円形導波管を用いてもよい。

導波管８は、金属または内面に金属層が形成された誘電体等で構成することができ、例えば、金属を管状に成型したり、セラミックスや樹脂等の誘電体を必要な導波管形状に成型した後に内面を金属で被覆したものが用いられる。なお、電流による導体損低減や腐食防止のために導波管８の内面を金，銀等の貴金属で被覆するとよい。導波管８の第２の接地導体層４への取り付けは、ろう材による接合やねじによる締め付け等によって行なわれ、導波管８と第２の接地導体層４とが電気的に接続される。

ろう材によって導波管８を第２の接地導体層４へ取り付けるためには、同一面接地導体層７およびシールド導体５と電気的に接続された接続用導体層８を、取り付けられる導波管８の開口に合わせて形成しておくとよい。例えば、図１に示したように、誘電体層１の下面に、シールド用貫通導体から成るシールド導体５と接続されたメタライズ層から成る第２の接地導体層４を形成しておくとよい。このような第２の接地導体層４を形成しておくと、導波管８を高周波線路−導波管変換器へ取り付けた際の導波管８とシールド導体５および同一面接地導体層７との電気的接続がより確実なものとなるので、信頼性の高い高周波線路−導波管変換器を構成することができる点で好ましいものとなる。

また、誘電体板９の厚みは高周波線路２を伝送する信号の波長の１／２倍以下であるのがよい。これにより、スロット３から放射されて誘電体板９の下側主面と導波管８内部との界面で反射し、第２の接地導体層４で再度反射して再び誘電体板９の下側主面と導波管８内部との界面に戻ってきた反射波と、スロット３から直接誘電体板９の下側主面と導波管８内部との界面まで伝送してきた直接波とを同位相にすることができ、反射波と直接波とが強め合うために高周波線路２から導波管８への変換効率をより高めることができる。

なお、本発明は以上の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば、種々の変更を行なっても差し支えない。

例えば、図１では高周波線路２がコプレーナ線路構造の場合の例を示したが、たとえば誘電体層１の上にさらに誘電体層を積層し、この誘電体層の上面に線路導体６を覆うように接地導体層を設けたグランド付きコプレーナ線路構造としてもよく、誘電体層１、線路導体６、同一面接地導体層７、スロット３、導波管８、シールド導体５、第２の接地導体層４の位置関係を図１に示す例と同様にすることにより、同様の効果を得ることができる。

（ａ）は本発明の高周波線路−導波管変換器の実施の形態の例を示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）の高周波線路−導波管変換器のＡ−Ａ’線における断面図であり、（ｃ）は、（ａ）の高周波線路−導波管変換器のＢ−Ｂ’線における断面図である。 図１の高周波線路−導波管変換器における第２の接地導体層４の平面図である。

符号の説明

１・・・・・誘電体層
２・・・・・高周波線路
３・・・・・スロット
４・・・・・第２の接地導体層
４ａ，４ｂ・・第１および第２の開口
４ｃ・・・・第１および第２の開口間の領域（短絡部）
５・・・・・シールド導体
６・・・・・線路導体
７・・・・・第１の接地導体層（同一面接地導体層）
８・・・・・導波管
９・・・・・誘電体板
１０・・・・導体層

Claims (2)

1. 第１および第２の面を有する誘電体層と、
   該誘電体層の前記第１の面に形成されており、線路導体と該線路導体を取り囲む第１の接地導体層とから成る高周波線路と、
   前記誘電体層の前記第１の面に、前記線路導体の端部と交差して形成されたスロットと、
   前記誘電体層の内部または前記第２の面に形成された第２の接地導体層と、
   平面透視において前記線路導体の前記端部および前記スロットを取り囲むとともに、前記第１の接地導体層および前記第２の接地導体層を電気的に接続するシールド導体とを備え、
   前記第２の接地導体層は、前記スロットに対向する第１および第２の開口を有するとともに、該第１および第２の開口間の領域が前記線路導体の直下に位置していることを特徴とする高周波線路−導波管変換器。
2. 前記誘電体層の第２の面において導波管が接合される領域の内側に、誘電体板が設けられていることを特徴とする請求項１記載の高周波線路−導波管変換器。

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