JP2000101311A - 信号線対ウエ―ブガイド用トランスフォ―マ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 構造が簡単で既存の技術で安価に製造できる
信号線（マイクロストリップライン）をウエーブガイド
に変換するトランスフォーマ（変換装置）を提供するこ
と。 【解決手段】 略矩形平板状のサブストレート１の第２
主面３に導電接地層を形成し、第１主面２に準ＴＥＭ部
８を成す入力信号ライン１１、変換部９を成す少なくと
も１対のフィン１５を有する導電（変換）トレース１４
及び矩形ウエーブガイド部１０を成す導電層を形成す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、信号変換器、特に
信号線（シグナルライン）対ウエーブガイド（導波器）
用トランスフォーマに関する。

【０００２】

【従来の技術】多くの無線通信システムは、集積回路
（ＩＣ）を使用して送信された及び受信された通信信号
を発生及び処理する。従って、ＩＣ内及びプリント基板
（サブストレート）上で発生された電気信号を空中伝送
に適する信号に変換する必要がある。また同時に、アン
テナが受信した信号を取出し、それらをＩＣや他の回路
にて処理及び解釈される信号に変換することも必要であ
る。小型化及び通信信号の忠実度を維持する為に、ＩＣ
とウエーブガイドとを集積化し、ウエーブガイド信号を
ウエーブガイドへ又はそれから直接発射及び受信するの
が好ましい。従って、導電性金属ストリップ又はワイヤ
（電線）中を流れる信号から直接ウエーブガイドに変換
する必要がある。

【０００３】公知の変換は、Ｅフィールドプローブ法で
あり、同軸ケーブル又はコプラナラインの導体をウエー
ブガイド空洞（キャビティ）内部に配置する。このウエ
ーブガイド空洞の一端は短絡されている。このウエーブ
内の信号は、電界を生じさせ且つウエーブガイド内に信
号に直接関連する電界を励起する。従って、ある量の直
接結合が実現できる。しかし乍ら、このトランスフォー
メーションのＥフィールドプローブ法は、帯域が制限さ
れ且つ組立が複雑であり、最大カップリング（結合）を
得る為に空洞内でのプローブ位置が重要であるので、製
造公差に比較的厳しいという問題がある。

【０００４】他の公知の変換は、米国特許第２，８２
５，８７６号、同第３,９６９,６９１号及び同第４，７
５４，２３９号に開示され「リッジトランジション」と
呼ばれている。この「リッジトランジション」は、誘電
体サブストレートで支持され且つ誘電体の反対側のグラ
ンドプレーン（接地面）に平行にマイクロストリップ状
に配置された信号線より成る。このマイクロストリップ
の一端は、ウエーブガイド空洞と当接し且つ導電性リッ
ジがマイクロストリップの一端且つウエーブガイド空洞
内に配置される。この方法はマイクロストリップからウ
エーブガイドへの希望する変換を生じるが、製造、配
置、アライメント（位置合せ）及び導電性リッジの公差
が、部品の製造及び組立を複雑にするので、量産には不
向きである。

【０００５】他の変換は、ＭＴＴ―Ｓ１９９８国際マイ
クロウエーブシンポジウムダイジェスト誌にシモン、ワ
ーゼン及びウォルフ著の「矩形ウエーブガイドへの新規
なコプラナ伝送線」のタイトルで開示されている。この
トランスフォーマは、誘電体サブストレートで支持され
たマイクロストリップラインより成る。このサブストレ
ートの反対側には、ウエーブガイド空洞内に配置された
２個のプリント導電性パッチがある。このマイクロスト
リップ内を進む信号は、パッチ内に電流を誘導し、他の
パッチに結合される。パッチの分離を適当に選ぶことに
より、ＲＦ（無線周波数）信号の建設的な干渉がウエー
ブガイド内で達成される。これにより、ウエーブガイド
中に電磁波を発射する。しかし、ここに開示する構成
は、高周波で大きな挿入損失があり、且つ動作帯域は比
較的狭い。ここに開示する設計は他の従来トランスフォ
ーマより簡単な構成であるが、製造公差や動作環境に比
較的敏感である。更に、トランジションがより高い放射
を行い、従来のアイソレーションを低下させ且つ損失を
増加する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来技術は、
高周波ＩＣ用の広帯域のマイクロストリップ対ウエーブ
ガイド用トランスフォーマには不適であった。

【０００７】従って、本発明の目的は、比較的簡単に製
造でき且つ現在周知の製法の製造公差に比較的鈍感であ
るトランスフォーマを提供することである。

【０００８】本発明の他の目的は、従来技術に比して低
損失且つ広帯域高周波トランスフォーマを提供すること
である。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明による信号線対ウ
エーブガイド用トランスフォーマは、高周波数で動作す
るよう最適化され、第１及び第２主面及び第１、第２、
第３及び第４副面を有するサアブストレートにより構成
される。第３及び第４副面は、導電性材料を有し且つ第
２主面は導電性材料を有する。このトランスフォーマ
は、更に所定長の導電トレースを有し、電気信号を流す
と共にサブストレートの第１主面に設けられた導電トレ
ースでの信号伝播方向を決定する。第２主面の導電性材
料は、基準電位に電気的に接続される。少なくとも１本
の伝送線がサブストレートの第１主面に設けられ且つ導
電トレースに電気的に接続される。この伝送線は、信号
伝播方向と直交する。導電トレースに電気的にカップリ
ングされたウエーブガイドがある。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の信号線対ウエーブ
ガイド用トランスフォーマの好適実施形態の構成及び動
作を添付図を参照して詳細に説明する。

【００１１】先ず、図１及び図２を参照して本発明のト
ランスフォーマの第１実施形態を説明する。図示のトラ
ンスフォーマ１００は、第１、第２、第３及び第４副面
４、５、６、７で囲まれた第１及び第２主面２、３を有
する平板状の誘電体サブストレート１より構成される。
サブストレート１の好適材料は、実効誘電率２．２の１
２５μｍのデュロイド（Ｄｕｒｏｉｄ）である。これに
代るサブストレートとして、ガラス、テフロン及び水晶
を含むが、これら以外の材料であってもよい。トランス
フォーマ１００は、論理的に隣接する３つの部分の集合
体である。即ち，準ＴＥＭモード部８、変換部９及び矩
形モード部１０である。図１及び図２に示す実施形態で
は、入力信号ラインは、サブストレート１の第１主面２
上に印刷（プリント）され且つ第１副面４から延出する
短い導電マイクロストリップ１１より成る。この入力信
号ラインは、この代りに、接地面付き又は接地面なしの
コプラナ伝送線又はストリップラインであってもよい。
本発明の目的では、入力信号ラインは「マイクロストリ
ップ１１」と呼ぶこととするが、コプラナ伝送線、スト
リップライン又はこれらと等価な他の周知の伝送線を用
いて変形変更可能であること当業者には明らかであろ
う。

【００１２】実用的な実施形態では、入力信号ライン
は、外部回路をトランスフォーマ１００に接続又は結合
する。従って、短い導電性マイクロストリップ１１は、
通信信号を外部回路へ又はそれから伝送する伝送線の延
長である。入力信号ライン１１は、トランスフォーマサ
ブストレート１から延び、トランスフォーマの「ポート
１」１２と呼ぶことができる。第３及び第４副面６、７
は、第１副面４ｂと直交し且つ完全に金属でめっきされ
ている。一例として、デュロイド上の適切なめっきは銅
であるが、他の導電性材料を使用してもよい。全ての副
面上のめっき材料は、第２主面３上にめっきされた導体
の基準電位に電気的に短絡される。当業者には明らかな
如く、１個以上のビアホール等の他の手段により達成可
能である。ビアホールを使用する例にあっては、これら
ビアホールは所定間隔で形成され、副面４、５、６及び
７に図示する如く連続めっきにより、動作周波数で等価
的に短絡として作用するようにする。第２副面５は、第
１副面４と平行且つ反対側であり、図１及び図２に示す
第１実施形態では、金属めっきされていない。後述から
明らかな如く、第２副面５は、矩形ウエーブガイド空洞
の断面であり、この空洞の内部で矩形ＴＥ１０モードが
マイクロストリップ１１に対して準ＴＥＭモードから変
換され且つ「ポート２」１３と呼ぶことができる。サブ
ストレート１の第２主面３は、金属めっきされ且つマイ
クロストリップ１１の接地面を提供し且つ変換部９及び
矩形ＴＥ１０モード部１０用ウエーブガイド空洞境界を
提供する。

【００１３】トランスフォーマ１００の準ＴＥＭ部８
は、サブストレート１の一端にあり且つ第１主面２に印
刷されたマイクロストリップ１１より成る。この実施形
態において、トランスフォーマ１００は、７７ＧＨzの
中心動作周波数用に最適化されている。誘電率２．２を
有するデュロイド上のマイクロストリップの準ＴＥＭモ
ードの１／４波長は約０．７７ｍｍである。第１副面４
は、非めっき領域４ａを有し、めっき領域４ｂ、４ｃに
て両側が固められている。非めっき領域４ａは、マイク
ロストリップ１１と同心に位置し且つマイクロストリッ
プ１１の幅より長い。非めっき又は絶縁領域４ａは、マ
イクロストリップ１１の各側に延びマイクロストリップ
１１を第１副面４の金属化且つ接地された部分４ｂ，４
ｃから絶縁する。本発明の正常動作には必須でないが、
図示する第１副面４は非線形であり、準ＴＥＭモード部
８は、２つの異なる幅を有する。準ＴＥＭモード部８の
変形例は、部分４ｂはめっき且つ部分４ａは非めっきさ
れている線形第１副面４を有する。非めっきのサブスト
レート１の第１主面側には絶縁ランド２１がある。これ
ら絶縁ランド２１は、準ＴＥＭ部８のマイクロストリッ
プ１１の幅を決める。第１副面４ｂから隣接する変換部
９への準ＴＥＭ部８の長さは、トランスフォーマ１００
の中心動作周波数の約１／４波長であるが、１／４波長
乃至１／２波長未満の範囲で変化してもよい。サブスト
レート１の第２主面３は、めっきされ且つ接地され、準
ＴＥＭ部８のマイクロストリップ１１に平行な接地面を
与える。

【００１４】マイクロストリップ１１は、変換部９で導
電性変換トレース１４に急に幅が広がる。複数対の導電
性変換フィン１５が第１主面２に印刷されている。各フ
ィン１５は、電磁波伝播方向に対して直角方向に配置さ
れる。各フィン１５は、対をなすフィン１５の１つと直
接対向して配置される。図１の実施形態では、各フィン
１５は変換トレース１４の反対側にフィン対１５が直線
上になるよう配置される。この実施形態において、４対
の変換フィン１５が設けられている。各フィン１５は、
長さが動作周波数の１／４波長以上であり、これらフィ
ン１５の長さは、変換トレース１４の中心から始まり且
つ第３及び第４副面６又は７と第１主面２間の対応する
エッジ（端縁）で終端するものとする。

【００１５】動作を説明すると、フィン１５は電気的に
は伝送線として動作する。動作周波数で、伝送線の適当
な長さは、１／４波長である為に変換トレース１４の中
心近傍で電気的に開回路のように見える。しかし、伝送
線は例えば動作周波数で適当な値を有する並列インダク
タ及びキャパシタ（コンデンサ）の如き集中定数素子を
フィン１５の代わりに使用してもよい。変更実施形態で
は、各フィン対１５が相互に一直線状に配置されたり、
変換トレース１４の各側に等しい数のフィン１５がある
ことが必須ではない。しかし、これら特性を変更する
と、動作性能が変化する。従って、これら特性は、特定
用途のトランスフォーマの動作を最適化して使用する。
この実施形態では、中心動作周波数は７７ＧＨzであ
る。従って、７７ＧＨzの中心動作周波数で誘電率２．
２のディロイドのマイクロストリップの１／４波長は、
約０．７０mmであるので、変換トレース１４の両側にフ
ィン１５を使用する変換部９の幅は合計約１．４mm以上
であり且つ７２．２ＧＨzのＴＥ１０モードカットオフ
周波数を有する。また、別の実施形態は、希望する電気
的性能に応じて変換部９をなす少数対のフィン１５、付
加対のフィン１５又は伝送線を含む。また、当業者には
明らかな如く、矩形ウエーブガイドを説明したが、断面
が矩形以外の形状のウエーブガイドにも適用できる。

【００１６】導電性変換トレース１４及びフィン１５
は、トランスフォーマ１００の矩形モード部１０の近傍
に配置される。この矩形モード部１０は、矩形断面を有
する誘電体サブストレート１より成る。このサブストレ
ート１は、矩形断面の全ての側が金属めっきされて、矩
形ＴＥ１０モードが伝播できるウエーブガイド空洞を形
成する。プリント基板では、副面６、７はビアホールを
介してめっきして等価的に実現可能である。隣接フィン
１５又は伝送線は電気的に隣接するので、フィン１５を
流れる電流は略同相である。これらフィン１５を流れる
電流は、空中で破壊的に干渉する電界と磁界を誘起する
が、誘電体中では建設的に干渉する。従って、エネルギ
ーの大半は、サブストレート１内に伝達される。サブス
トレート１の断面は、接地された金属化面で囲まれ、伝
達された矩形波状のエネルギーが伝播可能なウエーブガ
イド空洞を形成する。

【００１７】マイクロストリップ１１内の準ＴＥＭモー
ドの伝播方向は、サブストレート１の誘電体ウエーブガ
イド空洞内のＴＥ１０モードの伝播方向と同じであるの
が有効である。信号伝播方向は、ウエーブガイド内の適
当なベンドにより変更可能である。例えば、変形例はウ
エーブガイド部に隣接する第２主面に開口を有し、第２
副面をめっきしてウエーブガイド内の伝播波（ウエー
ブ）を９０°曲げる。更に、スロット、ウエーブガイド
カプラ及び他のウエーブガイド素子は、伝播する信号を
空中に正しく伝達するのに使用できる。

【００１８】また、電界はトランスフォーマ１００の準
ＴＥＭモード部８、変換部９及び矩形モード部１０を包
囲する接地された金属化による空洞内に主として含まれ
るようにし、これによりエネルギーをサブストレート１
からアイソレートする。銅めっきされたデュロイドサブ
ストレートを使用する本発明のトランスフォーマ１００
の特定寸法は、第１及び第２副面４、５の寸法が２．１
mm且つ第３及び第４副面６、７の寸法が２．８７mmであ
る。第３及び第４副面６、７の長さは、トランスフォー
マ１００の動作に影響を及ぼすことなく相当大幅に変え
られる。準ＴＥＭ部８のマイクロストリップ１１は、第
３及び第４副面６、７から０．８５ｍｍの距離だけさし
込まれ、マイクロストリップ１１用に０．３８ｍｍの幅
寸法となる。変換フィン１５の幅は０．０５ｍｍであ
り、各フィンは相互に０．０５ｍｍ離間している。各フ
ィン１５は長さ０．６６ｍｍであり、変換トレース１４
用の幅は０．７６ｍｍとなる。本発明の実施形態のトラ
ンスフォーマ１００は、ガラスサブストレートを使用し
且つ金による金属化は第１及び第２側で１４００μｍで
あり且つ中央のマイクロストリップ幅は２５０μｍであ
る。このガラスと金によるトランスフォーマは、更に５
０μｍのフィン幅とファン間の空隙を有し且つ６５９μ
ｍのフィン長である。デュロイド及びガラスのサブスト
レート厚さは共に１２７μｍである。

【００１９】次に、図３乃至図５を参照すると、図１及
び図２に示したトランスフォーマを伝播する電界パター
ンを示す。これらの図は、時間的に異なる３つの点を示
し、マイクロストリップ１１中を伝播する準ＴＥＭモー
ドをウエーブガイド部１０中を伝播する矩形ＴＥ１０モ
ードへの変換を示す。特に、図３は０°位相の電界を示
し、図４及び図５は、夫々６０°及び１２０°の電界を
示す。１８０°で、電界線は０°位相と同じ大きさで電
界の向き（極性）が反転していることに注目されたい。
大きさが同じであるので、図３は１８０°位相をも示
す。同様に、６０°は２４０°を、また１２０°は３０
０°をも表わす。実線は電界が異なる範囲である領域の
輪郭を示す。最大電界の領域は、参照符号２２で示し且
つ最小電界の領域は、参照符号２３で示す。最大及び最
小電界の中間輪郭は、電界が最大と最小領域間の滑らか
な傾斜を示す。

【００２０】特に、図６のグラフを参照すると、トラン
スフォーマ１００の挿入損失を表わすＳ２１と、リター
ンロスを表わすスキャタリングパラメータＳ１１を図示
する。当業者には明らかな如く、７７ＧＨzの動作周波
数近傍の広い周波数範囲にわたり極めて低い。更に、リ
ターンロスパラメータも問題の周波数では十分許容可能
である。ここで説明したトランスフォーマ１００は、従
来のめっき技法を採用し且つ安価に量産するのに適して
いる。また、設計は従来の製造公差を許容する。加え
て、このトランスフォーマ１００は、広い周波数帯域に
わたり低損失であり且つ良好なアイソレーションを行
う。

【００２１】次に図７を参照すると、本発明のトランス
フォーマの他の実施形態の第１主面２の平面図を示し、
突起部を形成する４対のフィン１５を有する。第２主面
３は、図２と同じである。各フィン１５は同様の幅を有
し且つ同じ対のフィン１５は同じ長さ２０を有する。準
ＴＥＭモード部８に近い対のフィン１５は、他の対のフ
ィンよりも長い。また、各対のフィン１５は、準ＴＥＭ
モード部８側の最長値からウエーブガイドモード部１０
の最短値まで順次テーパ状に長さが変化する。図示する
実施形態では、各フィン１５の幅は等しい。しかし、フ
ィン１５の幅は、本発明の要旨を逸脱することなく変更
可能である。各対のフィン１５は、共直線状（ｃｏ−ｌ
ｉｎｅａｒ）で示すが、フィンを非共直線状とする他の
実施形態も可能である。

【００２２】次に、図８を参照すると、本発明のトラン
スフォーマの更に他の実施形態を示す。この実施形態で
は、各対のフィン１５の幅１９は異なる。各対のフィン
１５の幅１９は、準ＴＥＭモード部８近傍で変換部９中
の残りの対のフィン１５より小さい。この実施形態にお
いて、フィン１５の幅１９は、準ＴＥＭモード部８近傍
の最も狭い値から矩形モード部１０近傍の最も広い値ま
でテーパ状に順次変化する。上述した全ての実施形態と
同様に、対をなすフィン１５は必ずしも共直線状である
必要はなく、また同じ長さ２０を有する必要もなく且つ
変換トレース１４の両側に同数のフィン１５を有する必
要もない。更に、変換部９をなすフィン１５の数は、設
計の希望する特性に応じて変更可能であり、従来例によ
りシミュレーション可能である。

【００２３】図９には、本発明のトランスフォーマの更
に他の実施形態を示す。この実施形態にあっては、３対
のフィン１５を有し、各対のフィン幅１９と長さ２０は
等しいが、隣接するフィン１５間の間隔が準ＴＥＭモー
ド部８近傍で最も広く、矩形モード部１０近傍で最も狭
い。この実施形態では、各対のフィン１５が相互に同一
寸法であり又は共直線状である必要はない。更に、変換
部９をなすフィン１５の数は、設計上の希望特性により
変更可能であり、従来例によりシミュレーション可能で
ある。

【００２４】図１０は、本発明によるトランスフォーマ
の更に他の実施形態を示す。この実施形態にあっては、
ウエーブガイド部１０近傍の第２主面３の金属化部に開
口３０が形成され且つ第２副面５はめっきされてバック
ショートを形成する。この実施形態において、伝播信号
は９０°曲げられてトランスフォーマ１００のウエーブ
ガイド部１０を出て空中に放射される。

【００２５】以上、本発明の信号線対ウエーブガイド用
トランスフォーマのいくつかの実施形態の構成及び動作
を詳述した。しかし、これらの実施形態は単なる例示に
すぎず、何ら本発明を限定するものではないことに留意
されたい。本発明の要旨を逸脱することなく、種々の変
形変更が可能であることが当業者には上述の説明から容
易に理解できよう。

【００２６】

【発明の効果】上述の説明から理解される如く、本発明
の信号線対ウエーブガイド用トランスフォーマによる
と、次の如き種々の顕著な効果を有する。

【００２７】第１に、構造が簡単であるので、従来技術
を用いて比較的安価に量産することが可能である。

【００２８】第２に、本発明のトランスフォーマは、挿
入損失が比較的小さく且つ広い動作帯域を有するので、
高周波用途に好適である。

【００２９】第３に、本発明のトランスフォーマは、従
来技術に比して優れたアイソレーションを有する。

【００３０】第４に、本発明のトランスフォーマは、Ｉ
Ｃパッケージ内に直接集積可能であるので、デジタル携
帯電話装置等の小型軽量化に貢献できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の信号線対ウエーブガイド用トランス
フォーマの第１実施形態の正面側から見た斜視図であ
る。

【図２】 図１のトランスフォーマのサブストレートと
金属層とを分離した分解斜視図である。

【図３】 図１のトランスフォーマのある時点での電界
の輪郭線を加えた正面図である。

【図４】 図１のトランスフォーマの図３と異なる時点
での電界輪郭線を加えた図３と同様の正面図である。

【図５】 図１のトランスフォーマの図３及び図４と異
なる時点の電界輪郭線を加えた図３及び図４と同様の正
面図である。

【図６】 図１のトランスフォーマのスキャタリングパ
ラメータの周波数特性曲線を示す図である。

【図７】 本発明のトランスフォーマの第２実施形態の
正面図である。

【図８】 本発明のトランスフォーマの第３実施形態の
正面図である。

【図９】 本発明のトランスフォーマの第４実施形態の
正面図である。

【図１０】 ウエーブガイドモード伝播方向を９０°曲
げるよう動作する本発明のトランスフォーマの第５実施
形態の背面側から見た斜視図である。

【符号の説明】

１ サブストレート ２ 第１主面 ３ 第２主面 ４ 第１副面 ５ 第２副面 ６ 第３副面 ７ 第４副面 ８ 準ＴＥＭモード部 ９ 変換部 １０ 矩形モード部（ウエーブガイドモード部） １１ 入力ライン（マイクロストリップ） １２ ポート１ １３ ポート２ １４ 導電トレース（変換トレース） １５ フィン １００ 信号線対ウエーブガイド用トランスフォーマ
（トランスフォーマ）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１及び第２主面並びに第１乃至第４副
   面を有し、前記第２主面、第３及び第４副面が金属化さ
   れている略矩形状のサブストレートと、 該サブストレートの前記第１面の前記第１副面側から前
   記第２副面側に向けて形成された短い入力信号ライン、
   該入力信号ラインに続き両側に少なくとも１対のフィン
   が形成された導電トレースとを備えることを特徴とする
   信号線対ウエーブガイド用トランスフォーマ。
2. 【請求項２】 第１及び第２主面を有する誘電体の略矩
   形平板状のサブストレートの前記第２主面を金属化し、
   前記第１主面の一端側から他端側に向けて順次形成され
   た準ＴＥＭ部と、少なくとも１対のフィンを有する変換
   部と、矩形モード部とが形成されていることを特徴とす
   る信号線対ウエーブガイド用トランスフォーマ。
3. 【請求項３】 第１及び第２主面を有する誘電体の略矩
   形状のサブストレートの前記第１主面に一端側から他端
   側に向け形成された入力信号ラインと、該入力信号ライ
   ンに続く導電トレース及び該トレースの両側に略直交し
   て延びる複数対のフィンと、前記導電トレースに続き前
   記第１主面の全面を覆う導電層とを有し、前記第２主面
   には略矩形状開口が形成された導電層を有することを特
   徴とする信号線対ウエーブガイド用トランスフォーマ。