JP4601573B2 - 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、高周波回路を形成するマイクロストリップ線路、トリプレート線路またはコプレーナ線路等の高周波線路を導波管に変換し、高周波回路とアンテナあるいは高周波回路間を導波管で接続することにより、システムの実装を容易に行なえる導波管変換器に関するものである。

情報通信技術の高度化に伴い高周波信号は、１〜３０ＧＨｚのマイクロ波領域から３０〜３００ＧＨｚのミリ波領域の周波数までを活用することが検討されており、例えば、車間レーダーのようなミリ波の高周波信号を用いた応用システムも提案されるようになっている。

高周波信号を用いたシステムにおいて、高周波伝送線路のグランド層にスロットが形成され、このグランド層に導波管が電気的に接続されて高周波伝送線路のグランド層が導波管の短絡終端として機能するとともに、このグランド層に形成されたスロットを用いて導波管を励振することにより、導波管の短絡終端と励振部の位置関係を固定して変換特性を安定化させた導波管変換器が提案されている。
特開平２００１−１７７３１２号公報 特開平１１−１１２２０９号公報

しかしながら、従来の導波管変換器においてはスロットと導波管との間に整合用誘電体があり、この整合用誘電体内で共振が発生しない範囲で変換特性を最適化する必要があり、たとえば導波管変換特性の広帯域化において不要共振による限界があった。

本発明は上記問題点に鑑み案出されたもので、その目的は、不要共振が起きにくく、広帯域な導波管変換器を提供することにある。

本発明の導波管変換器は、第１および第２の面を有し、複数の層からなる誘電体基板と、該誘電体基板の前記第１の面または該誘電体基板内に形成されており、信号導体およびグランド層からなる高周波線路と、前記誘電体基板の前記グランド層が形成された層に形成されており、前記高周波線路に電磁気的に結合されたスロットと、前記誘電体基板の前記スロットが形成された層と前記誘電体基板の前記第２の面との間に形成されているとともに、前記スロットと前記第２の面との間の領域を囲むシールド導体と、前記シールド導体により囲まれた前記スロットと前記第２の面との間の前記領域内に形成され、端部が前記第２の面に位置している導体とを備えていることを特徴とするものである。

また、本発明の導波管変換器は、前記内部導体の前記誘電体基板の厚み方向の高さが該導体の幅より大きいことを特徴とするものである。

また、本発明の導波管変換器は、前記内部導体が前記グランド層に電気的に接続されていることを特徴とするものである。

また、本発明の導波管変換器は、前記内部導体の高さが、前記スロットと前記第２の面との間の前記領域の厚さの１／２以上であることを特徴とするものである。

また、本発明の導波管変換器は、前記内部導体が複数形成されていることを特徴とするものである。

また、本発明の導波管変換器は、前記複数の内部導体が、並列に配置されているとともに、パターン導体で接続されていることを特徴とするものである。

また、本発明の導波管変換器は、前記複数の内部導体が、前記誘電体基板の異なる層に形成されているとともに、パターン導体で接続されていることを特徴とするものである。

また、本発明の導波管変換器は、前記信号導体と前記グランド層とが前記誘電体基板の異なる層に形成されており、前記高周波線路がマイクロストリップ線路またはトリプレート線路であることを特徴とするものである。

また、本発明の導波管変換器は、前記信号導体と前記グランド層とが前記誘電体基板の同じ層に形成されており、前記高周波線路がコプレーナ線路であることを特徴とするものである。

本発明の導波管変換器は、シールド導体により囲まれたスロットと第２の面との間の領域内に形成され、端部が前記第２の面に位置している内部導体を備えていることにより、スロットと第２の面との間の領域を大きくして、スロットと第２の面との間の領域のインピーダンスを大きくすることにより、導波管のインピーダンスに近くしても、スロットと第２の面との間の領域内に不要共振が発生しにくく、スロットと第２の面との間の領域と導波管とのインピーダンスの不整合が小さくなり広帯域な導波管変換器を提供することができる。

本発明の導波管変換器について図面を参照して詳述する。

図１は、本発明の導波管変換器の第１の実施の形態を示す概略図であり（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）に示した構成のＸ−Ｘ’線における断面図である。

本実施の形態における導波管変換器は、誘電体基板１と、誘電体基板１に形成された高周波線路２と、高周波線路２に電磁気的に結合されたスロット３と、シールド導体４と、シールド導体により囲まれた領域Ｒ内に形成された内部導体５とを備えている。

本実施の形態において、誘電体基板１は、複数の層からなり、第１の面（上面）１ａおよび第２の面（下面）１ｂを有する。誘電体層１は、セラミック材料、ガラス、ガラスセラミック材料、有機樹脂系材料、有機樹脂−セラミックまたは有機樹脂−ガラス等の複合系材料の誘電体材料からなる。

高周波線路２は、誘電体基板の上面１ａまたは誘電体基板１内に形成されている。高周波線路２は、信号導体６およびグランド層７からなる。本実施の形態において、信号導体６は、誘電体基板１の上面１ａに直線状に形成されている。グランド層７は、誘電体基板１の内層に形成されている。本実施の形態において、高周波線路２はマイクロストリップ線路である。高周波線路２は先端が開放され、高周波線路２とスロット３は先端開放により電磁気的に結合されている。グランド層７は導波管８の短絡終端として機能し、スロット３は導波管８の短絡終端面から導波管８を励振する。

スロット３は、誘電体基板１におけるグランド層７が設けられている層に形成されており、高周波線路２に電磁気的に結合されている。

シールド導体４は、誘電体基板１のスロット３が形成されている層と下面１ｂとの間に形成されており、スロット３と下面１ｂとの間の領域Ｒを囲むように配置されている。本実施の形態において、シールド導体４は複数のビア導体で構成されている。誘電体基板１の領域Ｒは、導波管８の励振源であるスロット３と導波管８との整合をとる整合器として機能する。導波管８の開放端を誘電体基板１の下面１ｂにおいてシールド導体４と電気的に接続することにより、高周波線路２が導波管８に変換される。

本発明の導波管変換器は、シールド導体４により囲まれたスロット３と第２の面１ｂとの間の領域Ｒ内に形成された内部導体５を備えている。本実施の形態において、内部導体５は、スロット３の直下（すなわち、平面視におけるスロット３の領域内）に形成されており、端部が誘電体基板１の下面１ｂに位置している。

本発明の導波管変換器は、このような構成により、導波管とのインピーダンス整合を図る場合にも、不要な共振の発生を低減させることができる。すなわち、本発明は、このような構成により、スロット３と誘電体基板１の下面１ｂとの間の領域Ｒを大きくして、スロットと下面１ｂとの間の領域Ｒのインピーダンスを導波管のインピーダンスに近づける場合にも、スロットと誘電体基板１の下面１ｂとの間の領域Ｒ内に不要共振が発生しにくい導波管変換器を提供することができる。

ここで、図２を参照して、スロット３と誘電体基板１の下面１ｂとの間の領域Ｒにおける不要な共振について説明する。

図２は、スロット３と誘電体基板１の下面１ｂとの間の領域Ｒにおける不要共振の電界、磁界を示す図である。図２には、グランド層７と誘電体基板１の下面１ｂとの間の層を示している。図２において、電気力線をＥとして実線矢印、磁力線をＨとして破線矢印で示している。

電界の方向は、領域Ｒの高さ方向で、その大きさは、図２のｘ方向およびｙ方向に関して１つの最大値を持っており、ｚ方向に関しては均一である。磁界は領域Ｒの高さ方向（ｚ方向）に垂直な面に沿って周回している。

本発明は、領域Ｒ内に内部導体５が形成されていることにより、このような領域Ｒの高さ方向に電界が発生する共振を低減させることができる。この作用により、共振を低減させた状態で領域Ｒのインピーダンスを大きくすることができるので、その周波数特性を導波管８のインピーダンスの周波数特性に近くすることができ、広帯域な導波管変換器を提供できる。

図３に示すように、本実施の形態において、内部導体５の誘電体基板１の厚み方向の高さＴは、内部導体５の幅Ｗより大きい。このような構成により、誘電体基板１の領域Ｒにおける不要な共振をさらに低減させることができる。

また、領域Rに発生する不要共振の１つに、たとえばスロット３付近の電位が最大のときに下面１ｂ付近の電位が０になるものがある。本実施の形態において、内部導体５の高さＴをスロット３と下面１ｂとの間の領域Ｒの厚さの１／２以上とすることにより、電位が最大の位置と電位が０の位置の間でその区間の１／２以上を導体により同一電位に保つことができ、不要な共振を効果的に抑制することができる。

また、内部導体５がグランド層７に電気的に接続されているとよい。導体５の電位を接地電位に固定することにより、導体５の電位の時間的変動を抑制することができる。

また、他の例では、図４に示すように、内部導体５が複数形成されており、複数の内部導体５が、並列に配置されているとともに、パターン導体９で接続されている。このような構成により、複数の導体５の電位を同一電位に保つことができ、導体５周辺のより広い領域を同一電位に保つことができる。

また、他の例では、図５に示すように、複数の内部導体５が、誘電体基板１の異なる層に形成されているとともに、パターン導体で接続されている。このような構成により、誘電体基板１の厚さ方向に長い領域に渡って電位を同一に保つことができ、また不要共振の電界が最も強い部分に導体５を配置することができる。またそれをグランド層７と電気的に接続すると接地電位に保つことができるので、より効果的に不要共振を抑制することができる。

また、図６を参照して、他の例について説明する。図６において、図１と同様の構成には図1と同じ記号を付けている。１１はパターン導体である。

図６に示した導波管変換器の例は、図1に示した例の導波管変換器の高周波線路２がマイクロストリップ線路であったのに対し、コプレーナ線路の場合である。この例では誘電体基板１と、信号導体６と、グランド層７で高周波線路２としてコプレーナ線路が形成されている。このコプレーナ線路とスロット３は先端短絡により電磁気的に結合している。すなわち信号導体６とスロット３との接続部において高周波線路２は短絡され、この部分で最大電流が流れる。この最大電流により最大磁界が発生し、高周波信号はスロット３に磁界として結合する。またこの例では複数の内部導体５をグランド層７に接続し、さらに他の複数の内部導体５を誘電体基板１の異なる層に形成してそれぞれをパターン導体１１で接続している。このように内部導体５をグランド層７に接続することにより内部導体５の電位をグランド電位に保つことにより不要共振を効果的に抑制できる。また誘電体基板１の異なる層にも内部導体５を形成しそれらをパターン導体１１で接続することにより、接続された内部導体５の全体が一定の電位に保たれて不要共振を効果的に抑制し、領域Ｒのインピーダンスを大きくして広帯域な導波管変換器を提供することができる。

（ａ）は本発明の導波管変換器の実施の形態を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）に示した導波管変換器のＸ−Ｘ’線における断面図である。 スロット３と誘電体基板１の下面１ｂとの間の領域Ｒにおける不要共振の電界および磁界を示す図である。 導体４が形成された領域Ｒの拡大図である。 導波管変換器の他の例の構成を示す断面図である。 導波管変換器の他の例の構成を示す断面図である。 導波管変換器の他の例の構成を示す断面図である。

符号の説明

１：誘電体基板
２：高周波線路
３：スロット
４：シールド導体
５：内部導体
６：信号導体
７：グランド層
Ｒ：領域

Claims (9)

1. 第１および第２の面を有し、複数の層からなる誘電体基板と、
   該誘電体基板の前記第１の面または該誘電体基板内に形成されており、信号導体およびグランド層からなる高周波線路と、
   前記誘電体基板の前記グランド層が形成された層に形成されており、前記高周波線路に電磁気的に結合されたスロットと、
   前記誘電体基板の前記スロットが形成された層と前記誘電体基板の前記第２の面との間に形成されているとともに、前記スロットと前記第２の面との間の領域を囲むシールド導体と、
   前記シールド導体により囲まれた前記スロットと前記第２の面との間の前記領域内に形成され、端部が前記第２の面に位置している内部導体とを備えていることを特徴とする導波管変換器。
2. 前記内部導体の前記誘電体基板の厚み方向の高さが幅より大きいことを特徴とする請求項１記載の導波管変換器。
3. 前記内部導体が前記グランド層に電気的に接続されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の導波管変換器。
4. 前記内部導体の高さが、前記スロットと前記第２の面との間の前記領域の厚さの１／２以上であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の導波管変換器。
5. 前記内部導体が複数形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の導波管変換器。
6. 前記複数の内部導体が、並列に配置されているとともに、パターン導体で接続されていることを特徴とする請求項５記載の導波管変換器。
7. 前記複数の内部導体が、前記誘電体基板の異なる層に形成されているとともに、パターン導体で接続されていることを特徴とする請求項５記載の導波管変換器。
8. 前記信号導体と前記グランド層とが前記誘電体基板の異なる層に形成されており、前記高周波線路がマイクロストリップ線路またはトリプレート線路であることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の導波管変換器。
9. 前記信号導体と前記グランド層とが前記誘電体基板の同じ層に形成されており、前記高周波線路がコプレーナ線路であることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の導波管変換器。

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