JP2013187839A - マイクロ波終端器 - Google Patents

Abstract

【課題】高耐電力化、広帯域化、小型化を同時に実現することが可能なマイクロ波終端器を得ること。
【解決手段】一辺が誘電体基板２の裏面の地導体６に短絡され、当該短絡端の対辺から短絡端側を見た伝送信号の中心周波数における規格化インピーダンスの実部が１Ω以下、虚部が略０Ωの矩形状の膜抵抗１と、一端が膜抵抗１の短絡端の対辺の全幅に接して形成され、他端から膜抵抗１側を見た伝送信号の中心周波数における規格化アドミッタンスが略１Ｓとなる伝送線路４と、伝送線路４の他端に接続され、伝送線路４との接続点から膜抵抗１側を見た伝送信号の中心周波数における規格化インピーダンスの実部および虚部が共に略１Ωとなる先端開放スタブ５とを誘電体基板２の表面に形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロ波終端器に関する。

マイクロ波回路においては、アイソレータやカップラ、ハイブリッド回路等の一端をマイクロ波終端器で終端しているが、しばしば大電力マイクロ波信号を終端することのできる高耐電力終端器が要求される場合がある。多くの場合、高耐電力終端器には小型化、広帯域化が要求される。平面回路で構成されるマイクロ波終端器は、終端抵抗として基板上に形成された膜抵抗を用いる場合が多い。このような構成の場合、高耐電力化の手段としては、膜抵抗の大型化、基板の薄型化、および高熱伝導基板の使用が挙げられる。しかしながら、膜抵抗の大型化、基板の薄型化は膜抵抗の寄生キャパシタンスを増加させるため、高周波帯域においては反射特性が劣化するという問題がある。

例えば、小型で大電力の無反射終端を可能とする技術として、基板上に構成された膜抵抗に先端開放スタブおよび整合回路を設ける構成が開示されている（例えば、特許文献１）。

また、例えば、反射特性の広帯域化を実現する技術として、基板上に構成された膜抵抗をテーパー状に形成して線路導体に接続する構成が開示されている（例えば、特許文献２）。

また、例えば、膜抵抗の入力インピーダンスが所定の抵抗値かつリアクタンス成分がほぼ零となるように誘電体基板厚を任意に選択することにより反射特性の広帯域特性を実現する技術が開示されている（例えば、特許文献３）。

特開平７−７３０７号公報 特開２００５−２６０４５４号公報 特開平５−１２９８０５号公報

しかしながら、特許文献１に示された技術では、反射特性の広帯域化のためには整合回路を多段構成にする必要があるため、広帯域化と小型化とを同時に実現することが難しい、という問題があった。

また、特許文献２に示された技術では、膜抵抗と導体パターンの接続部は膜抵抗の一部分のみであり、マイクロ波電力は膜抵抗の一部で局所的に消費されることから高耐電力化の効果が小さい、という問題があった。

また、特許文献３に示された技術では、高耐電力を得るためには膜抵抗を大きくする必要があるため、反射特性の広帯域化のためには基板厚を厚くする必要がある。しかしながら基板厚を厚くすると基板の熱抵抗が増加し耐電力が低下するため、高耐電力化と広帯域化を同時に実現することは困難である、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、高耐電力化、広帯域化、小型化を同時に実現することが可能なマイクロ波終端器を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかるマイクロ波終端器は、裏面に地導体を具備した誘電体基板の表面に形成されるマイクロ波終端器であって、一辺が前記地導体に短絡され、当該短絡端の対辺から前記短絡端側を見た伝送信号の中心周波数における規格化インピーダンスの実部が１Ω以下、虚部が略０Ωの矩形状の膜抵抗と、一端が前記膜抵抗の前記短絡端の対辺の全幅に接して形成され、他端から前記膜抵抗側を見た前記中心周波数における規格化アドミッタンスが略１Ｓとなる伝送線路と、前記伝送線路の他端に接続され、前記伝送線路との接続点から前記膜抵抗側を見た前記中心周波数における規格化インピーダンスの実部および虚部が共に略１Ωとなる先端開放スタブと、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、高耐電力化、広帯域化、小型化を同時に実現することが可能なマイクロ波終端器を得ることができる、という効果を奏する。

図１は、実施の形態１にかかるマイクロ波終端器の一例を示す図である。 図２は、実施の形態１にかかるマイクロ波終端器の各部から膜抵抗側を見込んだインピーダンスおよびアドミッタンスの周波数特性の一例を示すスミスチャートである。 図３は、実施の形態１にかかるマイクロ波終端器の反射特性の一例を示す図である。 図４は、マイクロ波終端器の従来例を示す図である。 図５は、図４に示す従来のマイクロ波終端器の反射特性の一例を示す図である。 図６は、実施の形態２にかかるマイクロ波終端器の一例を示す図である。 図７は、実施の形態３にかかるマイクロ波終端器の一例を示す図である。

以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態にかかるマイクロ波終端器について説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１にかかるマイクロ波終端器の一例を示す図である。図１（ａ）は、実施の形態１にかかるマイクロ波終端器の平面図を示し、図１（ｂ）は、図１（ａ）中のＡ−Ａ’線に沿う断面図である。

図１に示すように、実施の形態１にかかるマイクロ波終端器は、裏面に地導体６を具備した誘電体基板２の表面に形成され、一辺が地導体６にスルーホール（ビア）３を介して短絡された矩形状の膜抵抗１と、一端が膜抵抗１の短絡端の対辺の全幅に接した高インピーダンス線路で形成された伝送線路４と、伝送線路４の他端に接続された矩形状の低インピーダンス線路で形成された先端開放スタブ５とを備えている。実施の形態１にかかるマイクロ波終端器が適用されるマイクロ波伝送回路の伝送信号であるマイクロ波信号は、伝送線路４と先端開放スタブ５とが接続された入力端子７から入力される。

このように形成された実施の形態１にかかるマイクロ波終端器の動作について説明する。入力端子７から入力されたマイクロ波信号は、先端開放スタブ５および伝送線路４によりインピーダンス整合された膜抵抗１に入力され、膜抵抗１で熱エネルギーに変換されることで終端される。この膜抵抗１で発生する熱エネルギーは、主に誘電体基板２の誘電体層を介して裏面の地導体６に放熱される。地導体６の温度をＴ１、誘電体基板２の膜抵抗１から地導体６までの誘電体層の熱抵抗をＲｔｈ、膜抵抗１での発熱量をＱとすると、膜抵抗１の温度Ｔ２は、下記の式（１）により表される。

Ｔ２＝Ｔ１＋Ｒｔｈ×Ｑ ・・・（１）

所望の電力を実施の形態１にかかるマイクロ波終端器に入力した際に、上記の（１）式において膜抵抗１の温度Ｔ２が膜抵抗１の許容温度の範囲内であれば、その電力に対する耐電力を満足することができる。

誘電体基板２の膜抵抗１から地導体６までの誘電体層の熱抵抗Ｒｔｈは、誘電体基板２の熱伝導率、厚さ、および発熱面積により決定される。耐電力を大きくするためには、誘電体基板２の誘電体層に高熱伝導率材料を使用することや、誘電体基板２の誘電体層の薄型化、膜抵抗１の面積の大型化により発熱面積を増加させること等が効果的である。また、マイクロ波信号の終端による発熱は、とりわけ膜抵抗１と伝送線路４との接続部に集中する性質がある。このため、本実施の形態では、膜抵抗１と伝送線路４との接続幅を膜抵抗１の一辺の幅まで広げることにより、発熱面積を拡げている。これにより、マイクロ波信号の終端による発熱を効率よく放熱することができる。

つぎに、実施の形態１にかかるマイクロ波終端器の反射特性の広帯域整合手法について、図１および図２を参照して説明する。図２は、実施の形態１にかかるマイクロ波終端器の各部から膜抵抗側を見込んだインピーダンスおよびアドミッタンスの周波数特性の一例を示すスミスチャートである。図２（ａ）は、図１（ａ）中のａから膜抵抗側を見込んだインピーダンスの周波数特性の一例を示すスミスチャート（インピーダンスチャート）であり、図２（ｂ）は、図１（ａ）中のｂから膜抵抗側を見込んだアドミッタンスの周波数特性の一例を示すスミスチャート（アドミッタンスチャート）であり、図２（ｃ）は、図１（ａ）中のｃから膜抵抗側を見込んだインピーダンスの周波数特性の一例を示すスミスチャート（インピーダンスチャート）である。

まず、図１（ａ）中のａ、つまり、膜抵抗１と伝送線路４との接続部から膜抵抗１側を見たマイクロ波信号の中心周波数ｆｃにおける規格化インピーダンスの実部が１Ω以下、虚部が０Ω程度になるように、膜抵抗１の面積抵抗率、幅、および長さを選択する。このとき、図１（ａ）中のａから膜抵抗１側を見たインピーダンスは、図２（ａ）に示すように、低周波ではほぼ直流抵抗値であり、周波数が上がるにつれて実軸を時計回りに回るような軌跡となる。このときの条件式は、規格化インピーダンスの実部をＲｅａｌ（Ｚ１）、規格化インピーダンスの虚部をＩｍａｇ（Ｚ１）とすると、マイクロ波信号の中心周波数ｆｃにおいては下記の式（２）で表すことができる。

Ｒｅａｌ（Ｚ１）≦１Ω、Ｉｍａｇ（Ｚ１）≒０Ω ・・・（２）

つぎに、図１（ａ）中のｂ、つまり、伝送線路４を介して膜抵抗１側を見たマイクロ波信号の中心周波数ｆｃにおける規格化アドミッタンスの実部が１Ｓ程度となるように、伝送線路４の幅および長さを選択する。このとき、図１（ａ）中のｂから伝送線路４を介して膜抵抗１側を見たインピーダンスは、図２（ｂ）に示すような周波数特性となる。このときの条件式は、規格化アドミッタンスの実部をＲｅａｌ（Ｙ２）とすると、マイクロ波信号の中心周波数ｆｃにおいては下記の式（３）で表すことができる。

Ｒｅａｌ（Ｙ２）≒１Ｓ ・・・（３）

さらに、図１（ａ）中のｃ、つまり、伝送線路４と先端開放スタブ５との接続点から膜抵抗１側を見たマイクロ波信号の中心周波数ｆｃにおける規格化インピーダンスの実部が１Ω程度、虚部が０Ω程度となるように、先端開放スタブ５の幅および長さを選択する。このとき、図１（ａ）中のｃから先端開放スタブ５および伝送線路４を介して膜抵抗１側を見たインピーダンスは、図２に示すような周波数特性となる。このときの条件式は、規格化インピーダンスの実部をＲｅａｌ（Ｚ３）、規格化インピーダンスの虚部をＩｍａｇ（Ｚ３）とすると、マイクロ波信号の中心周波数ｆｃにおいては下記の式（４）で表すことができる。

Ｒｅａｌ（Ｚ３）≒１Ω、Ｉｍａｇ（Ｚ３）≒０Ω ・・・（４）

このように、膜抵抗１の周波数特性を伝送線路４と先端開放スタブ５とで打ち消すことで、実施の形態１にかかるマイクロ波終端器の反射特性の広帯域整合が可能となる。図３は、実施の形態１にかかるマイクロ波終端器の反射特性の一例を示す図である。図３に示すように、実施の形態１にかかるマイクロ波終端器の反射特性が−２５ｄＢ以下となる帯域は、マイクロ波信号の中心周波数に対して約４０％となり、広帯域に渡り良好な反射特性が得られることが分かる。

図４は、マイクロ波終端器の従来例を示す図である。図４（ａ）は、従来型マイクロ波終端器の平面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）中のＡ−Ａ’線に沿う断面図である。

図４に示す例では、膜抵抗１の抵抗値が規格化インピーダンス１Ωと等しくなるように、膜抵抗１の面積抵抗率、幅、および長さを選択した例を示している。このため、広帯域整合を行うためには、伝送線路４と先端開放スタブ５とによる整合回路を多段接続する必要があり、図４に示す例では、伝送線路４と先端開放スタブ５とによる整合回路を２段接続した例を示している。このため、本実施の形態にかかるマイクロ波終端器よりも回路サイズが大きくなる。

図５は、図４に示す従来のマイクロ波終端器の反射特性の一例を示す図である。図５に示すように、図４に示す従来のマイクロ波終端器の反射特性が−２５ｄＢ以下となる帯域は、マイクロ波信号の中心周波数に対して約２０％となり、本実施の形態にかかるマイクロ波終端器よりも狭帯域であることが分かる。

以上説明したように、実施の形態１のマイクロ波終端器によれば、裏面に地導体を具備した誘電体基板の表面に、一辺が地導体にスルーホール（ビア）を介して短絡された矩形状の膜抵抗と、一端が膜抵抗の短絡端の対辺の全幅に接して形成された伝送線路と、伝送線路の他端に接続された先端開放スタブとを形成し、膜抵抗と伝送線路との接続部から膜抵抗側を見たマイクロ波信号の中心周波数における規格化インピーダンスの実部が１Ω以下、虚部が０Ω程度になるように、膜抵抗１の面積抵抗率、幅、および長さを選択し、伝送線路を介して膜抵抗側を見たマイクロ波信号の中心周波数における規格化アドミッタンスの実部が１Ｓ程度となるように、伝送線路４の幅および長さを選択し、伝送線路と先端開放スタブとの接続点から膜抵抗側を見たマイクロ波信号の中心周波数における規格化インピーダンスの実部が１Ω程度、虚部が０Ω程度となるように、先端開放スタブの幅および長さを選択するようにしたので、膜抵抗の周波数特性が伝送線路と先端開放スタブとにより打ち消され、反射特性の広帯域整合が可能となる。

また、一組の伝送線路と先端開放スタブとにより構成される１段の整合回路により実現できるので、従来の多段整合回路が必要となる構成よりも小型化することができる。

また、膜抵抗の短絡端の対辺の全幅に伝送線路が接するようにしたので、マイクロ波信号の終端による発熱を効率よく放熱することができ、高耐電力化を図ることができる。

このように、高耐電力化、広帯域化、小型化を同時に実現することが可能となり、実施の形態１にかかるマイクロ波終端器を適用したマイクロ波伝送回路の小型化・高性能化が可能となる。

なお、上述した実施の形態１では、膜抵抗の短絡端は、スルーホールあるいはビアにより地導体に接続する構成例について説明したが、膜抵抗の短絡端を基板側面メタライズにより地導体に接続する構成であってもよく、上述した構成と同様の効果が得られることは言うまでもない。

また、先端開放スタブを矩形状の低インピーダンス線路に代えてラジアルスタブにより形成する構成であってもよく、上述した構成と同様の効果が得られることは言うまでもない。

実施の形態２．
図６は、実施の形態２にかかるマイクロ波終端器の一例を示す図である。なお、実施の形態１と同一または同等の構成部には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。

図６に示す実施の形態２にかかるマイクロ波終端器では、実施の形態１にかかるマイクロ波終端器とは異なり、膜抵抗１の短絡端は、マイクロ波信号の中心周波数の略４分の１波長の長さの先端開放スタブで構成されている。

このように構成することにより、スルーホールやビア、あるいは基板側面メタライズにより膜抵抗１を地導体６に電気的に接続することが不可能な場合であっても対応可能となる。

なお、本実施の形態にかかるマイクロ波終端器の構成では、実施の形態１において説明した構成よりも大型化するものの、図４に示す従来の構成において膜抵抗１の短絡端をマイクロ波信号の中心周波数の略４分の１波長の長さの先端開放スタブで構成する場合よりも小型化することができる。

以上説明したように、実施の形態２のマイクロ波終端器によれば、膜抵抗の短絡端をマイクロ波信号の中心周波数の略４分の１波長の長さの先端開放スタブで構成するようにしたので、スルーホールやビア、あるいは基板側面メタライズにより膜抵抗を地導体に電気的に接続することが不可能な場合であっても、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

実施の形態３．
図７は、実施の形態３にかかるマイクロ波終端器の一例を示す図である。なお、実施の形態１と同一または同等の構成部には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。

図７に示す実施の形態３にかかるマイクロ波終端器では、実施の形態１にかかるマイクロ波終端器とは異なり、図１に示した実施の形態１の構成において低インピーダンス線路やラジアルスタブにより構成される先端開放スタブ５に代えて、平行平板コンデンサ上地電極９、平行平板コンデンサ誘電体１１、および平行平板コンデンサ下地電極１２からなるコンデンサを備える構成としている。

平行平板コンデンサ下地電極１２は、スルーホール（ビア）３を介して地導体６に短絡されている。

また、入力端子７と平行平板コンデンサ誘電体１１との間、および平行平板コンデンサ誘電体１１と伝送線路４との間は、エアブリッジ１０により電気的に接続されている。

このように構成することにより、実施の形態１において説明した先端開放スタブ５を備える構成よりも構造は複雑化するものの、整合回路をより小型化することができる。

以上説明したように、実施の形態３のマイクロ波終端器によれば、実施の形態１の構成において低インピーダンス線路やラジアルスタブにより構成される先端開放スタブ５に代えて、一端が短絡されたコンデンサを備える構成としたので、実施の形態１において説明した先端開放スタブ５を備える構成よりも整合回路をより小型化することができ、実施の形態３にかかるマイクロ波終端器を適用したマイクロ波伝送回路のさらなる小型化が可能となる。

なお、上述した実施の形態３では、膜抵抗の短絡端は、スルーホールあるいはビアにより地導体に接続する構成例について説明したが、実施の形態１において説明したように、膜抵抗の短絡端を基板側面メタライズにより地導体に接続する構成であってもよいし、実施の形態２において説明したように、マイクロ波信号の中心周波数の略４分の１波長の長さの先端開放スタブで構成してもよく、上述した構成と同様の効果が得られることは言うまでもない。

なお、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の構成の一例であり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。

１ 膜抵抗
２ 誘電体基板
３ スルーホール（ビア）
４ 伝送線路
５ 先端開放スタブ
６ 地導体
７ 入力端子
９ 平行平板コンデンサ上地電極
１０ エアブリッジ
１１ 平行平板コンデンサ誘電体
１２ 平行平板コンデンサ下地電極

Claims (7)

1. 裏面に地導体を具備した誘電体基板の表面に形成されるマイクロ波終端器であって、
   一辺が前記地導体に短絡され、当該短絡端の対辺から前記短絡端側を見た伝送信号の中心周波数における規格化インピーダンスの実部が１Ω以下、虚部が略０Ωの矩形状の膜抵抗と、
   一端が前記膜抵抗の前記短絡端の対辺の全幅に接して形成され、他端から前記膜抵抗側を見た前記中心周波数における規格化アドミッタンスが略１Ｓとなる伝送線路と、
   前記伝送線路の他端に接続され、前記伝送線路との接続点から前記膜抵抗側を見た前記中心周波数における規格化インピーダンスの実部および虚部が共に略１Ωとなる先端開放スタブと、
   を備えることを特徴とするマイクロ波終端器。
2. 前記先端開放スタブは、低インピーダンス線路あるいはラジアルスタブにより形成されたことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波終端器。
3. 裏面に地導体を具備した誘電体基板の表面に形成されるマイクロ波終端器であって、
   一辺が前記地導体に短絡され、当該短絡端の対辺から前記地導体との接続辺側を見た伝送信号の中心周波数における規格化インピーダンスの実部が１Ω以下、虚部が略０Ωの矩形状の膜抵抗と、
   一端が前記膜抵抗の短絡端の対辺の全幅に接して形成され、他端から前記膜抵抗側を見た前記中心周波数における規格化アドミッタンスが略１Ｓとなる伝送線路と、
   一端が前記地導体に短絡され、他端が前記伝送線路の他端に接続され、前記伝送線路との接続点から前記膜抵抗側を見た前記中心周波数における規格化インピーダンスの実部および虚部が共に略１Ωとなるコンデンサと、
   を備えることを特徴とするマイクロ波終端器。
4. 前記伝送線路は、高インピーダンス線路により形成されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のマイクロ波終端器。
5. 前記膜抵抗の短絡端は、スルーホールあるいはビアにより構成されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のマイクロ波終端器。
6. 前記膜抵抗の短絡端は、基板側面メタライズにより構成されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のマイクロ波終端器。
7. 前記膜抵抗の短絡端は、前記中心周波数の略４分の１波長の長さの先端開放スタブで構成されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のマイクロ波終端器。

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