JP2011061290A - マイクロストリップ線路−導波管変換器 - Google Patents

Abstract

【課題】薄型かつ量産性に優れたマイクロストリップ線路−導波管変換器を提供する。
【解決手段】マイクロストリップ線路と導波管の伝送モードの変換を行うマイクロストリップ線路−導波管変換器において、導波管１と、金属スペーサ２と、終端にパッチパターン３を形成したマイクロストリップ線路４と前記パッチパターンの周囲を囲む地導体パターン５からなる第１の導体層６と、誘電体基板７と、地導体層８とを、導波管１の開口部の中心と前記パッチパターンの中心とが重なる位置に上から順に積層してなるマイクロストリップ線路−導波管変換器であり、第１の導体層に形成した地導体パターンと地導体層間とを接続するビアホール９を導波管１の開口部周辺を取り囲むように複数個形成した、マイクロストリップ線路−導波管変換器。
【選択図】図１

Description

本発明はマイクロストリップ線路と導波管の伝送モードの変換を行うマイクロストリップ線路−導波管変換器に関する。

マイクロストリップ線路−導波管変換器としては、例えば特許文献１に記載される構造が一般に知られている。特許文献１に従来技術として記載されているマイクロストリップ線路−導波管変換器１００を図４に示す。マイクロストリップ線路−導波管変換器１００は、誘電体基板１０１と、導波管１０２と、短絡導波管ブロック１０３とから構成される。誘電体基板１０１は、その一方の面にマイクロストリップ線路１０４が形成されると共に、導波管１０２と短絡導波管ブロック１０３の間に挟みこまれるようにして固定される。

なお、短絡導波管ブロック１０３の短絡面とマイクロストリップ線路１０４との距離は、マイクロストリップ線路１０４の伝送モード（準ＴＥＭモード）と導波管１０２の伝送モード（ＴＥモード）を高効率で変換するため、約λ／４に設定される（λは導波管１０２内を伝送する信号の波長）。

また、特許文献１に記載されているマイクロストリップ線路−導波管変換器２００を図５に示す。マイクロストリップ線路−導波管変換器２００は、誘電体基板２０１と、誘電体基板２０１に積層される誘電体基板２０２，２０３と、誘電体基板２０１と誘電体基板２０２，２０３の間の層に形成されるマイクロストリップ線路２０４とを備え、誘電体基板２０１と誘電体基板２０２，２０３とから誘電体充填導波管２０５ａ、２０５ｂ、２０５ｃを形成し、誘電体充填導波管２０５ａ、２０５ｂ、２０５ｃからなるバックショートを形成する構造である。

特開２００８−１９３１６２号公報

図４に示した特許文献１に従来技術として記載された短絡導波管ブロック１０３の短絡距離（深さ方向）の寸法は、導波管１０２の断面寸法と上記した波長λによって定まる。即ち、短絡導波管ブロック１０３は、その断面寸法が導波管１０２の断面寸法と同一となり、長さが約λ／４となる。この短絡導波管ブロック１０３は、高周波回路を構成する他の部材と比べて比較的大きな体積を占めるため、高周波回路の小型化を困難にする一つの要因となっていた。

また、図４に示した構造は、誘電体基板１０１と短絡導波管ブロック１０３を個別に作製した後、それらを接合する作業が必要となるため、組立工数の増加に繋がっていた。さらに、この接合作業は、特にミリ波帯等の高周波帯では高い精度が要求されるため、量産時の特性ばらつきに繋がるおそれがあり、量産性の点で改善の余地があった。

また、図５に示した特許文献１によるマイクロストリップ線路−導波管変換構造は、誘電体充填導波管での誘電体の波長短縮効果を利用したものであり、特許文献１に記載の金属製の短絡導波管ブロックからなるバックショート長さよりも短くできるが、用いる誘電体の比誘電率をεｒとした場合、下記式（１）に示した短縮効果までしか期待できず、変換部の薄型化には限界があった。

本発明の目的は、上記課題を解決し、薄型かつ量産性に優れたマイクロストリップ線路−導波管変換器を提供することにある。

本発明に係るマイクロストリップ線路−導波管変換器は、マイクロストリップ線路と導波管の伝送モードの変換を行うマイクロストリップ線路−導波管変換器において、導波管１と、金属スペーサ２と、終端にパッチパターン３を形成したマイクロストリップ線路４と前記パッチパターンの周囲を囲む地導体パターン５からなる第１の導体層６と、誘電体基板７と、地導体層８とを、導波管１の開口部の中心と前記パッチパターンの中心とが重なる位置に上から順に積層してなるマイクロストリップ線路−導波管変換器であり、第１の導体層に形成した地導体パターンと地導体層間とを接続するビアホール９を導波管１の開口部周辺を取り囲むように複数個形成したことを特徴とする。

さらに、前記マイクロストリップ線路−導波管変換器において、前記パッチパターン３のマイクロストリップ線路方向の寸法Ｌ１を、変換する周波数の実効波長λｇの０．３〜０．５倍としたことを特徴とする。

さらに、前記マイクロストリップ線路−導波管変換器において、第１の導体層に形成した地導体パターンと地導体層間とを接続するビアホール９を導波管１の開口部周辺に取り囲むように形成する際、隣接する前記ビアホール間の間隔を、使用する周波数の実効波長λｇの４分の１以下にして、配列したことを特徴とする。

本発明により、薄型かつ量産性に優れたマイクロストリップ線路−導波管変換器を提供することが可能となった。

本発明の一実施例であるマイクロストリップ線路−導波管変換器の分解斜視図である。 本発明の一実施例であるマイクロストリップ線路−導波管変換器の動作原理（励振モード）の変換状況を説明する断面図である。 本発明の一実施例の周波数と反射損失、伝送損失の関係を示す特性図である。 従来技術に係るマイクロストリップ線路−導波管変換器の分解斜視図である。 他の従来技術に係るマイクロストリップ線路−導波管変換器の断面図である。 変換部のパッチパターンの形状を示した模式図である。

本発明に係るマイクロストリップ線路−導波管変換器は、導波管１と、金属スペーサ２と、終端にパッチパターン３を形成したマイクロストリップ線路４と前記パッチパターンの周囲を囲む地導体パターン５からなる第１の導体層６と、誘電体基板７と、地導体層８とを、導波管１の開口部の中心と前記パッチパターン中心とが重なる位置に上から順に積層してなるマイクロストリップ線路−導波管変換器であり、マイクロストリップ線路４の終端に形成したパッチパターン３の存在により、導波管内を伝播するモード（ＴＥ１０）からパッチパターンを伝播するモード（ＴＭ０１）に変換され、そしてマイクロストリップ線路を伝播するモード（準ＴＥＭ）へのモード変換が可能になる。本発明の変換器の動作原理を図２に示す。本発明はパッチパタ−ンによるＴＭ０１モード変換を利用するため、バックショートの長さを、特許文献１に記載の誘電体充填導波管内の誘電体による波長短縮効果よりも、さらに短いサイズとしても、変換部（導体層、誘電体基板、地導体層）を薄くできる。そのため、短絡導波管ブロックの接合工程等の必要がないことから量産性に優れる。
本発明に係るマイクロストリップ線路−導波管変換器において、金属スペーサ２は地導体パターン５の内周部（図１の斜線部）に合わせたくり抜き部を有する。前記地導体パターン５の内周部は、導波管１の開口に接続するパッチパターン変換領域とマイクロストリップ線路の線路幅より一回り大きな幅をもつ領域である。具体的には、パッチパターン変換領域は導波管１の開口寸法と同じであり、マイクロストリップ線路の線路幅より一回り大きな幅をもつ領域は、マイクロストリップ線路の両側に、通常、０．３ｍｍ〜０．６５ｍｍの幅を有する領域である。また、地導体パターン５の幅は、ビアホール９が１列に配置される程度の幅で、例えばビアホール径より０．０５〜０．２ｍｍ大きく、または０．１ｍｍ大きいことが好ましい。また、金属スペーサ２は地導体パターン５より大きくてもよい。

さらに、本発明に係るマイクロストリップ線路−導波管変換器は、パッチパターン３のマイクロストリップ線路方向の寸法Ｌ１を変換する周波数の実効波長λｇの０．３〜０．５倍とすることで、所望の周波数におけるＴＭ０１モード変換を効率良く実現でき、結果として変換ロスを小さくすることができる。
例えば、使用する周波数が７６．５ＧＨｚの場合、変換する周波数の実効波長λｇは、約２．５ｍｍであり、よって、パッチパターン３のマイクロストリップ線路方向の寸法Ｌ１は、０．７５〜１．２５ｍｍであることが好ましい。
なお、変換部のパッチパターンは方形（四角形）が好ましいが、ＴＭ０１モードに変換できる形状であれば何でもよく、楕円形、円形、多角形構造としても構わない（図６参照）。

さらに、本発明に係るマイクロストリップ線路−導波管変換器は、前記第１の導体層に形成した地導体パターンと地導体層間とを接続するビアホール９を導波管１の開口部周辺に取り囲むように形成する際、隣接する前記ビアホール間の間隔を、使用する周波数の実効波長λｇの４分の１以下にして、配列することで所望の周波数における変換ロスを小さくすることができる。
例えば、使用する周波数が７６．５ＧＨｚの場合、実効波長λｇは、２．５ｍｍであり、よって、隣接する前記ビアホール間の間隔は、０．６３ｍｍ以下であることが好ましい。

以下、本発明を、実施例を用いて具体的に説明する。
本発明の実施例を図１に示す。本構成において導波管１としてＥＩＡ（米国電子工業会）規格で定められているＷＲ−１０（管内開口寸法：２．５４ｍｍ×１．２７ｍｍ）を用いた。
金属スペーサ２として厚み０．３ｍｍのアルミニウム板を用い、導波管ＷＲ−１０の開口に接続するパッチパターン変換領域および相当するマイクロストリップ線路の線路幅より一回り大きな幅をもつ領域の前記アルミニウム板を除去した。第１の導体層６と誘電体基板７と地導体層８として、厚み０．１ｍｍの銅張積層板ＭＣＬ−ＦＸ−２（日立化成工業株式会社製、商品名）を用い、パッチパターン３、マイクロストリップ線路４、地導体パターン５を形成し、また、地導体パターン５と地導体層８とを接続するビアホール９を導波管ＷＲ−１０の周囲を取り囲むように形成した（パッチパターンＬ１寸法：１．０ｍｍ、マイクロストリップ線路幅：０．２ｍｍ、ビアホール径：直径０．３ｍｍ）。また、隣接するビアホール間の間隔は、０．６ｍｍであった。
また、使用周波数は７６から７７ＧＨｚであり、よって、変換する周波数の実効波長λｇは、２．５２〜２．４９ｍｍであった。

実施例に示す変換器の伝送特性と反射特性を図３に示す。図３は３次元電磁界シミュレータ（アンソフト社製、ＨＦＳＳ）によるシミュレーション結果であり、使用周波数を７６．５ＧＨｚ（実効波長λｇ：２．５ｍｍ）として設計したときの特性図である。このように、使用する周波数帯での反射損失は−２０ｄＢ以下となり、伝送損失は−１ｄＢ未満と良好な特性を示した。
よって、反射損失が極小の時、パッチパターンのＬ１寸法（マイクロストリップ線路の幅の方向）は、実効波長λｇの０．４倍であり、またビアホール間の間隔は、実効波長λｇの４．１７分の１であった。

以上のように、従来技術では導波管のバックショート距離が０．８ｍｍと導波管内波長λの約１／４程度必要であったのに対し、本発明ではパッチパターンによるモード変換を利用することにより、厚み０．１ｍｍの銅張積層板ＭＣＬ−ＦＸ−２（日立化成工業株式会社製、商品名）を用いるなどして、導波管のバックショートを０．１ｍｍと導波管内波長λの１／３０以下と従来技術よりも大幅に短くでき、このことからマイクロストリップ線路−導波管変換構造を薄くできる構造であることを確認した。

１．導波管
２．金属スペーサ
３．パッチパターン
４．マイクロストリップ線路
５．地導体パターン
６．導体層
７．誘電体基板
８．地導体層
９．ビアホール
１００．従来技術によるマイクロストリップ線路−導波管変換器
１０１．誘電体基板
１０２．導波管
１０３．短絡導波管ブロック
１０４．マイクロストリップ線路
２００．他の従来技術によるマイクロストリップ線路−導波管変換器
２０１．２０２．２０３．誘電体基板
２０４．マイクロストリップ線路
２０５ａ．２０５ｂ．２０５ｃ．誘電体充填導波管
２０６．導波管
２０７．ビアホール
Ｌ１．パッチパターンのマイクロストリップ線路方向の寸法

Claims (3)

1. マイクロストリップ線路と導波管の伝送モードの変換を行うマイクロストリップ線路−導波管変換器において、導波管（１）と、金属スペーサ（２）と、終端にパッチパターン（３）を形成したマイクロストリップ線路（４）と前記パッチパターンの周囲を囲む地導体パターン（５）からなる第１の導体層（６）と、誘電体基板（７）と、地導体層（８）とを、導波管（１）の開口部の中心と前記パッチパターン中心とが重なる位置に上から順に積層してなるマイクロストリップ線路−導波管変換器であり、第１の導体層（６）に形成した地導体パターン（５）と地導体層（８）とを接続するビアホール（９）を導波管（１）の開口部周辺を取り囲むように複数個形成したことを特徴とするマイクロストリップ線路−導波管変換器。
2. パッチパターン（３）のマイクロストリップ線路方向の寸法（Ｌ１）を、変換する周波数の実効波長λｇの０．３〜０．５倍としたことを特徴とする請求項１に記載のマイクロストリップ線路−導波管変換器。
3. 第１の導体層に形成した地導体パターンと地導体層間とを接続するビアホール（９）を、導波管（１）の開口部周辺に取り囲むように形成する際、隣接する前記ビアホール間の間隔を、使用する周波数の実効波長λｇの４分の１以下にして、配列したことを特徴とする請求項１または２に記載のマイクロストリップ線路−導波管変換器。

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