JP4671458B2 - 信号線対ウエーブガイド用トランスフォーマ - Google Patents

Description

【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２，８２５，８７６号、同第３,９６９,６９１号及び同第４，７５４，２３９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１２５μｍ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，４ｃ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２．１mm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５０μｍのフィン幅とファン間の空隙を有し且つ６５９μｍ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３００°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−ｌｉｎｅａｒ）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、ＩＣ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 (2)

1. 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副面を有するサブストレートにより構成され、前記第３及び第４副面は導電性材料を有し、且つ前記第２主面は導電性材料を有するトランスフォーマであって、電気信号を流すと共に前記サブストレートの前記第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し、前記第２主面の導電性材料は、基準電位に電気的に接続され、前記伝送線は信号伝播方向と直交し、前記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を有する信号線対ウエーブガイド用トランスフォーマにおいて、
   前記サブストレートは平板状の誘電体であり、
   前記サブストレートの断面は、基準電位に電気的に接続された導電性材料で囲まれ、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し、
   前記サブストレートは、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を有する準ＴＥＭ部と、該入力信号ラインに続く、該入力信号ラインより幅広の導電トレース及び該トレースの両側に延びる少なくとも１本の伝送線を有する変換部と、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を有する矩形モード部とを有し、
   前記少なくとも１本の伝送線は、前記第１主面上に直接対向して配置された対をなすフィンであり、
   該フィンは、前記導電トレースの中心から、前記第３副面と前記第１主面の間、及び前記第４副面と前記第１主面の間のエッジまで延び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。
2. 前記導電トレースの各側に、等しい数の前記フィンが配置されていることを特徴とする請求項１記載の信号線対ウエーブガイド用トランスフォーマ。

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