JP4217899B2 - Dielectric waveguide switch and switching module - Google Patents
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Description
本発明は、誘電体導波管スイッチとこれを組み合わせたスイッチングモジュールに関する。 The present invention relates to a dielectric waveguide switch and a switching module combining the same.
広い通信可能エリアを確保しつつ、電力を効率良く送信するために、1つの指向性の高いアンテナを機械的に走査する方法や、複数の指向性の高いアンテナを電気的に切り替える方法が採られる。非特許文献1(1997 Topical Symposium on Millimeter Waves Proceedings, pp. 115-118)には、4つのアンテナをスイッチにより電気的に切り替える構成が記載されている。 In order to efficiently transmit power while ensuring a wide communicable area, a method of mechanically scanning one highly directional antenna or a method of electrically switching a plurality of highly directional antennas is employed. . Non-Patent Document 1 (1997 Topical Symposium on Millimeter Waves Proceedings, pp. 115-118) describes a configuration in which four antennas are electrically switched by a switch.
非特許文献1に開示される構成では、給電ポートから入力された信号は分配され、マイクロストリップ線路を介して4つのアンテナまで伝送される。各アンテナの近傍のマイクロストリップ線路内には、スイッチが設けられ、信号を空間に放射するアンテナを切り替えている。この際、各アンテナまでのマイクロストリップ線路の長さは、レイアウト上、どうしても大きくなってしまう(上記例の場合にはおよそ10cm)。このように、伝送線路としてマイクロストリップ線路等の平面線路を使用すると、例えば、0.15mm厚のアルミナ基板上に形成した50Ωのマイクロストリップ線路の場合、給電損失は、60GHzでは0.06dB/mm(10cmの場合、6dB)にもなる。このため、損失を補償するために付加的な増幅器が必要になるといった課題や、受信系の場合には、損失を補償できても最小受信感度は低下するため、通信可能距離が短くなるといった課題があった。 In the configuration disclosed in Non-Patent Document 1, the signal input from the power feeding port is distributed and transmitted to four antennas via the microstrip line. A switch is provided in the microstrip line in the vicinity of each antenna to switch the antenna that radiates a signal to space. At this time, the length of the microstrip line to each antenna is inevitably increased in layout (approximately 10 cm in the case of the above example). Thus, when a planar line such as a microstrip line is used as the transmission line, for example, in the case of a 50Ω microstrip line formed on an alumina substrate having a thickness of 0.15 mm, the feeding loss is 0.06 dB / mm at 60 GHz. (6 dB for 10 cm). For this reason, there is a problem that an additional amplifier is required to compensate for the loss, and in the case of a reception system, the minimum reception sensitivity is lowered even if the loss can be compensated, and thus the communicable distance is shortened. was there.
一方、ミリ波帯等の高周波においても低損失な伝送線路には、特許文献1(特開平6−53711号公報)に開示されるような、回路基板内に形成できる誘電体導波管がある。従来から使用されている矩形金属導波管の場合には、特許文献2(実開昭63−044501号公報)に開示されるように、上下H面を電気的に接続するスイッチング素子を内蔵し、オン/オフを切り替えることで、導波管スイッチを構成することができる。しかしながら、誘電体導波管の場合には、金属導波管の場合と異なり、加工の点からスイッチング素子を内蔵することが難しいという課題があった。
上述した従来技術のうち、非特許文献1に開示される技術では、寸法が大きくなり、給電損失も大きくなる。このため、損失を補償するために付加的な増幅器が必要になるといった課題や、受信系の場合には、損失を補償できても最小受信感度は低下するため、通信可能距離が短くなるという問題点がある。 Among the above-described conventional techniques, the technique disclosed in Non-Patent Document 1 has a large size and a large power supply loss. For this reason, there is a problem that an additional amplifier is required to compensate for the loss, and in the case of a reception system, the minimum reception sensitivity is lowered even if the loss can be compensated for, so that the communication range becomes short There is a point.
特許文献1に開示されるような、回路基板内に形成できる誘電体導波管の場合には、特許文献2に開示されるような金属導波管の場合と異なり、加工の点からスイッチング素子を内蔵することが難しく製造が困難であるという問題点がある。
In the case of a dielectric waveguide that can be formed in a circuit board as disclosed in Patent Document 1, unlike the case of a metal waveguide as disclosed in
本発明は上述したような従来の技術が有する問題点に鑑みてなされたものであって、低損失であり製造が容易な誘電体導波管スイッチとこれを用いたスイッチングモジュールを実現することを目的とする。 The present invention has been made in view of the problems of the prior art as described above, and realizes a dielectric waveguide switch that is low loss and easy to manufacture and a switching module using the same. Objective.
本発明の誘電体導波管型スイッチは、誘電体基板の表面に、該誘電体基板を挟んで対向するように形成された第1の導体層と第2の導体層と、
前記第1の導体層と第2の導体層とを電気的に接続する導体により構成された誘電体導波管構造と、
前記誘電体導波管構造の内部に、前記第1の導体層と第2の導体層とを電気的に接続するビアホールと、
前記第1の導体層と第2の導体層のいずれかの前記ビアホールの周囲に形成され、前記ビアホールと形成されている導体層とを隔てるスリットと、
前記ビアホールと、前記スリットが形成されている導体層との電気的な接続を切替えるスイッチ素子とを有することを特徴とする。
この場合、前記ビアホールの周囲に形成された前記スリットに囲まれた導体が、前記スリットが形成された前記第1の導体層と第2の導体層のいずれかと分離されているとしてもよい。
The dielectric waveguide switch of the present invention includes a first conductor layer and a second conductor layer formed on a surface of a dielectric substrate so as to face each other with the dielectric substrate interposed therebetween,
A dielectric waveguide structure constituted by a conductor that electrically connects the first conductor layer and the second conductor layer;
A via hole electrically connecting the first conductor layer and the second conductor layer inside the dielectric waveguide structure;
A slit that is formed around the via hole in either of the first conductor layer and the second conductor layer, and separates the via hole and the formed conductor layer;
It has a switch element for switching electrical connection between the via hole and the conductor layer in which the slit is formed.
In this case, the conductor surrounded by the slit formed around the via hole may be separated from either the first conductor layer or the second conductor layer in which the slit is formed .
また、前記ビアホールと、前記スリットが形成されている導体層との間に設けられた導体片を有することとしてもよい。
また、前記ビアホールを囲む導体を含む共振器構造と、
前記誘電体導波管構造との結合度を調整する、前記スリットを囲むように形成された、前記第1の導体層と第2の導体層とを接続する第2のビアホールを有することとしてもよい。 Moreover, it is good also as having a conductor piece provided between the said via hole and the conductor layer in which the said slit is formed.
A resonator structure including a conductor surrounding the via hole;
The second via hole connecting the first conductor layer and the second conductor layer, which is formed so as to surround the slit, adjusts the degree of coupling with the dielectric waveguide structure. Good.
また、前記スイッチ素子が、ダイオードであるとしてもよい。 The switch element may be a diode.
また、前記スイッチ素子が、MEMSであるとしてもよい。 The switch element may be a MEMS.
また、前記スイッチ素子が、フリップチップ実装されているとしてもよい。 The switch element may be flip-chip mounted.
本発明によるスイッチングモジュールは、上記のいずれかに記載の誘電体導波管スイッチが複数個組み合わされている。 A switching module according to the present invention includes a combination of a plurality of dielectric waveguide switches described above.
上記のように構成される本発明において、スリットにより周囲の導体層と隔てられたビアホールは、スイッチ素子による電気的な接続状態により共振周波数が変化する共振器として作用するものとなる。共振周波数を変化させ、所望の周波数帯において、信号の通過と反射を切り替えることが可能となる。このように、低損失な伝送線路である誘電体導波管構造と共振器を用いたスイッチ構造が組み合わされるため、極めて低損失なスイッチ素子となる。また、スイッチングを行なうためのスイッチ素子を表面実装によるものとすることにより製造も容易なものとなる。 In the present invention configured as described above, the via hole separated from the surrounding conductor layer by the slit acts as a resonator whose resonance frequency changes depending on the electrical connection state by the switch element. By changing the resonance frequency, it is possible to switch between signal passing and reflection in a desired frequency band. Since the dielectric waveguide structure, which is a low-loss transmission line, and the switch structure using the resonator are combined in this way, the switch element has an extremely low loss. In addition, manufacturing is facilitated by using a surface-mounted switch element for performing switching.
本発明によれば、誘電体導波管スイッチにおいて、誘電体導波管の内部に形成したビアホールと導体パッドとから成る共振器に、電気的に切り替えられる素子を誘電体導波管の外部で接続することにより、低損失であり製造が容易な誘電体導波管スイッチとこれを用いたスイッチングモジュールを実現すること可能となる。 According to the present invention, in a dielectric waveguide switch, an element that can be electrically switched to a resonator composed of a via hole and a conductor pad formed inside the dielectric waveguide is provided outside the dielectric waveguide. By connecting, it is possible to realize a dielectric waveguide switch that is low loss and easy to manufacture and a switching module using the dielectric waveguide switch.
次に、本発の実施例について図面を参照して説明する。 Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1に本発明による誘電体導波管スイッチの一実施例の構造を示す図であり、図1(a)は斜視図、図1(b)は上面図、図1(c)は、図1(a)中の一点鎖線A−A'における断面図である。 FIG. 1 is a diagram showing the structure of an embodiment of a dielectric waveguide switch according to the present invention, FIG. 1 (a) is a perspective view, FIG. 1 (b) is a top view, and FIG. 1 (c) is a diagram. It is sectional drawing in the dashed-dotted line AA 'in 1 (a).
図1に示される誘電体導波管スイッチは、誘電体基板1の両面にグランド導体層2a、2bが形成され、グランド導体層2a、2b間がビアホール列3aで接続されることで、誘電体導波管構造4が構成されている。
The dielectric waveguide switch shown in FIG. 1 is formed by forming
誘電体導波管構造4の中央部のグランド導体層2aにスリット5を形成することにより、グランド導体層2aから分離された導体パッド6が形成されている。導体パッド6と裏面グランド導体層2bとはビアホール3bにより接続され、これにより、共振器7が構成されている。
By forming a
共振器7の共振周波数は、主に、導体パッド6の大きさとビアホール3bの大きさ(径、長さ)によって決定される。また、共振器7と誘電体導波管4との結合は、誘電体導波管構造4内に形成されたビアホール3cによって調整される。さらに、導体パッド6とグランド導体層2aとをダイオード8で電気的に接続する。ダイオード8は外部からのスイッチングによりその導通状態を制御可能なものであり、パッド6とグランド導体層2aと、それぞれバンプ9を介して接続される。これにより、誘電体導波管スイッチ10が構成される。
The resonance frequency of the
通過を制御する信号の周波数をfとし、ダイオード8がオフのときに誘電体導波管スイッチ10がオンとなる(信号が通過する状態)構成とする場合、ダイオード8がオフとされている場合には、誘電体導波管スイッチ10の共振周波数がfとなり、周波数fの信号が通過するものとすればよい。この場合、ダイオード8がオンの場合には、共振周波数fが高周波側にシフトすることにより、周波数fの信号は反射され、誘電体導波管スイッチ10はオフとなる。
When the frequency of the signal for controlling the passage is f and the
ダイオード8がオンのときに誘電体導波管スイッチ10もオンとなる構成とする場合、ダイオード8がオンとされている場合には、誘電体導波管スイッチ10の共振周波数がfとなり、周波数fの信号が通過するものとすればよい。この場合、ダイオード8がオフの場合には、共振周波数fが低周波側にシフトすることにより、周波数fの信号は反射され、誘電体導波管スイッチ10はオフとなる。
When the
ダイオード8がオンのときに誘電体導波管スイッチ10もオンとなる構成とする場合には、誘電体導波管スイッチ10がオンのときの共振周波数をより高い周波数で得ることができる。どちらを選択するかは、両者の性能を比較し、所望の性能が得られるように決めればよい。
When the
また、図1に示した形態の誘電体導波管スイッチ10では、ダイオードのオフがスイッチのオンとなる構成とする場合に、製造上の制約(導体パッド6とビアホール3bの大きさの制限)により、スイッチがオンとなる周波数を所望の周波数まで高くできない場合がある。その場合に、より高い周波数においてスイッチがオンとなる構成として、図2に示すように、導体パッド6とグランド導体層2aとを、ストリップ導体11で接続する構成がある。このような構成とした場合には、ストリップ導体11により、共振器7の共振周波数は、スイッチがオフ時の共振周波数に近づくため、スイッチのオン/オフ比が小さくなるが、より高い周波数において、スイッチをオンとすることができる。
Further, in the
図6は、60GHz帯で動作する図1に示した誘電体導波管スイッチ10の挿入損失を計算した結果を示す(ダイオードのオフをスイッチのオンとした場合)。誘電体導波管スイッチ10がオンの時に、60GHzで共振が起きており、信号が通過していることが分かる。ここでは、誘電体導波管スイッチ10が1個の共振器7により、構成されている場合を示したが、所望の帯域が得られるように、複数個の共振器7により構成しても良い。
FIG. 6 shows the result of calculating the insertion loss of the
また、ダイオード8の代わりに、図3に示すように、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 12を電気的に切り替えることにより、MEMS12を介して物理的に導体パッド6とグランド導体層2aとを接続する構成としてもよい。
Further, instead of the
本実施例において、共振器7の表面にダイオード8やMEMS12などのスイッチ素子が実装される構成とされている。ダイオードやMEMSについては共振器を形成した後にフリップチップ実装することができるため、共振器を作成する工程とは独立に行なうことができ、この点から歩留まりのよいものとなっている。スイッチ素子としてダイオードを使用する場合には、様々な特性のものが存在するため、共振器の特性に合ったものを選択することが可能となる。MEMSを用いる場合には、機械的な要素を含むスイッチングチングが可能となり、この点から共振器の特性に合ったものを選択することが可能となる。
In the present embodiment, a switch element such as a
図4は、誘電体導波管スイッチを4個用いて構成した1入力4出力の切り替え器の構成を示すブロック図である。 FIG. 4 is a block diagram showing a configuration of a 1-input 4-output switch configured by using four dielectric waveguide switches.
入力は2分配され、それぞれ、2個向かい合わせに接続された誘電体導波管スイッチ10aと10b、並びに、誘電体導波管スイッチ10cと10dの2組のスイッチ群に接続される。それぞれの組は、2個ともオフの組が、オンのスイッチを含む組に影響を与えないように、1/2波長の誘電体導波管4を介して接続されている。例えば、出力1に信号を伝送する場合には、誘電体導波管スイッチ10aをオン、誘電体導波管スイッチ10b、10c、10dをオフにすれば良い。また、1入力4出力切り替え器は、図5に示すように、誘電体導波管スイッチを10a、10b、10c、10d、10e、10fの6個用いても構成できる。例えば、出力1に信号を伝送する場合には、誘電体導波管スイッチ10a、10eをオン、スイッチ10b、10c、10d、10fをオフにすれば良い。この場合には、出力1に信号が伝送されるまでに、信号は2個のスイッチ(10a、10e)を通過する。そのため、先述の構成に比べて、損失は大きくなるが、1/2波長の誘電体導波管4を含まないため、帯域が広くなる利点がある。
The input is divided into two, and connected to two sets of switch groups:
1 誘電体基板
2a、2b グランド導体層
3a、3b、3c ビアホール
4 誘電体導波管
5 スリット
6 導体パッド
7 共振器
8 ダイオード
9 バンプ
10、10a、10b、10c、
10d、10e、10f 誘電体導波管スイッチ
11 ストリップ導体
12 MEMS
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Dielectric board |
10d, 10e, 10f
Claims (8)
前記第1の導体層と第2の導体層とを電気的に接続する導体により構成された誘電体導波管構造と、
前記誘電体導波管構造の内部に、前記第1の導体層と第2の導体層とを電気的に接続するように設けられたビアホールと、
前記第1の導体層と第2の導体層のいずれかの前記ビアホールの周囲に形成され、前記ビアホールと形成されている導体層とを隔てるスリットと、
前記ビアホールと、前記スリットが形成されている導体層との電気的な接続を切替えるスイッチ素子とを有することを特徴とする誘電体導波管型スイッチ。 A first conductor layer and a second conductor layer formed on the surface of the dielectric substrate so as to face each other with the dielectric substrate interposed therebetween;
A dielectric waveguide structure constituted by a conductor that electrically connects the first conductor layer and the second conductor layer;
A via hole provided in the dielectric waveguide structure so as to electrically connect the first conductor layer and the second conductor layer;
A slit that is formed around the via hole in either of the first conductor layer and the second conductor layer, and separates the via hole and the formed conductor layer;
A dielectric waveguide switch having a switch element for switching electrical connection between the via hole and the conductor layer in which the slit is formed.
前記ビアホールの周囲に形成された前記スリットに囲まれた導体が、前記スリットが形成された前記第1の導体層と第2の導体層のいずれかと分離されていることを特徴とする誘電体導波管型スイッチ。 The dielectric waveguide switch according to claim 1, wherein
A dielectric conductor characterized in that a conductor surrounded by the slit formed around the via hole is separated from either the first conductor layer or the second conductor layer in which the slit is formed. Wave tube type switch.
前記ビアホールと、前記スリットが形成されている導体層との間に設けられた導体片を有することを特徴とする誘電体導波管型スイッチ。 The dielectric waveguide switch according to claim 1 or 2 , wherein
A dielectric waveguide switch comprising a conductor piece provided between the via hole and a conductor layer in which the slit is formed.
前記ビアホールを囲む導体を含む共振器構造と、A resonator structure including a conductor surrounding the via hole;
前記誘電体導波管構造との結合度を調整する、前記スリットを囲むように形成された、前記第1の導体層と第2の導体層とを接続する第2のビアホールを有することを特徴とする誘電体導波管型スイッチ。A second via hole that adjusts the degree of coupling with the dielectric waveguide structure and that surrounds the slit and connects the first conductor layer and the second conductor layer is provided. A dielectric waveguide switch.
前記スイッチ素子が、ダイオードであることを特徴とする誘電体導波管型スイッチ。 The dielectric waveguide switch according to any one of claims 1 to 4 , wherein
The dielectric waveguide switch, wherein the switch element is a diode.
前記スイッチ素子が、MEMSであることを特徴とする誘電体導波管型スイッチ。 The dielectric waveguide switch according to any one of claims 1 to 4 , wherein
The dielectric waveguide switch, wherein the switch element is a MEMS.
前記スイッチ素子が、フリップチップ実装されていることを特徴とする誘電体導波管型スイッチ。 The dielectric waveguide switch according to any one of claims 1 to 6 ,
A dielectric waveguide switch characterized in that the switch element is flip-chip mounted.
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