JP4833026B2 - 導波管の接続構造 - Google Patents

Description

この発明は、多層誘電体基板の積層方向に形成した中空導波管と金属基板に形成した導波管の接続構造に関するものである。

従来の導波管の接続構造では、有機誘電体基板（接続部材）に設けられた電磁波の伝送する導波管（貫通孔）と金属導波管基板に設けられた導波管の接続構造において、接続部での電磁波の反射、通過損失、漏洩を防止するために、貫通孔の導体と金属導波管基板を電気的に接続し、同電位に保つようにしている（例えば特許文献１）。

このような特許文献１に示される従来の導波管の接続構造にあっては、有機誘電体基板の反りなどによって貫通孔の導体層と導波管基板の間に隙間が生じる。この結果、金属導体間に平行平板モードの漏洩波が発生し、接続部における、電磁波の反射、通過損失が劣化するという問題がある。

上記した接続特性劣化を改善するための従来のチョーク構造として、導波管Ｅ面端からλ／４離れた位置に、λ／４の深さの溝を形成し、チョーク溝の先端短絡点から定在波的に導波管Ｅ面を短絡する構造が多く採用されている（例えば、特許文献２）。

特開２００１−２６７８１４号公報（段落「００２８」、図１） 米国特許第３１５５９２３号明細書

しかし、特許文献２に示される従来のチョーク構造では、接続する導波管の位置ずれが発生した場合に、高次モードの共振が発生し、チョーク寸法の信号帯域中心で接続特性が劣化してしまう問題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、多層誘電体基板と金属基板に反りなどがあり、多層誘電体基板と金属基板に隙間が生じた場合でも、導波管の接続面において信号漏れの少ない、低損失な導波管接続特性が得られるとともに、導波管の位置ずれ時に発生する高次モード共振による接続特性劣化を防止することができる導波管の接続構造を得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に、本発明は、多層誘電体基板の積層方向に形成した中空の第１の導波管と金属基板に形成した第２の導波管とを接続する導波管の接続構造において、前記金属基板に対向する前記多層誘電体基板の誘電体表面であって前記第１の導波管の周囲に形成され、第１の導波管のＥ面端から略λ／４（λ：信号波の自由空間波長）の位置にパターンの端部を有する矩形の導体パターンと、該導体パターンの端部と前記第１の導波管のＥ面端の間の導体パターン上の所定位置に形成され、前記第１の導波管の長辺より長く、かつ略λ未満の長さを有する導体開口部と、前記導体開口部に接続され、多層誘電体基板の積層方向に形成された略λｇ／４（λｇ：信号波の基板内実効波長）の長さを有する先端短絡の誘電体伝送路とを有するチョーク構造を備えることを特徴とする。なお、本願発明でいうところの金属基板とは、基板全体が金属で構成されたものの他に、セラミックや有機基板などの非金属基材の一部表面（例えば導波管表面および導波管接続部の周囲表面）もしくは全表面を金属膜で覆って導電性の基板が形成されたものや、複数の基板が一体的に接合されて給電回路やスロットアンテナ等のＲＦ（Radio Frequency）回路を構成する板状の機能部品（例えば、導波管板、平面アンテナ、電力分配・合成器等）のものも含むものである。

この発明によれば、チョーク構造に加えて導体パターン端により形成する磁壁（定在波的にはオープン）によって多層誘電体基板と金属基板との間に伝う平行平板モードを抑圧して導波管のＥ面端を短絡する構成となっているため、導波管の接続面において信号漏れの少ない、低損失な導波管接続特性が得られ、導波管の位置ずれ時に従来発生していた高次モード共振による接続特性劣化を防止することができ、さらに導波管部分の接触、非接触の状態によらず、良好な接続特性が得られる。また、ミリ波帯などの高周波帯で比較的大きな寸法を要したチョーク構造に比べて小型化、軽量化が可能となり、従来、金属導波管側に形成していたチョーク溝などの高精度な機械加工が不要となる。

以下に、本発明にかかる導波管の接続構造の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

図１および図２に従って、この発明の実施の形態について説明する。図１は本実施の形態にかかる導波管接続構造を示す断面図である。図２は、導体パターン部（ランド部）を平面視した平面図である。図１は図２のA-A'部断面に対応している。この実施の形態の導波管接続構造は、例えば、ＦＭ／ＣＷレーダなどのミリ波あるいはマイクロ波レーダなどに適用される。

多層誘電体基板１の基板積層方向には、断面が略方形状の中空の導波管２が形成され、また金属基板３には、導波管２（導波管２の開口部）に対向するように断面が略方形状の中空の導波管４が形成されている。金属基板（導電性基板）３は１枚板でも良く、或いは他の１つもしくは複数の金属基板（導電性基板）が接合されて一体的に金属基板を構成しても良い。

これら導波管２および４によって多層誘電体基板１の表面層側から入力される電磁波あるいは金属基板３の表面層（図１の下側）から入力される電磁波を伝送する。図１では、多層誘電体基板１および金属基板３は離間しているように図示されているが、多層誘電体基板１は、図示しない位置決めピンによって金属基板３上に２箇所で位置決めされ、図示しないねじによって金属基板３上に当接固定されている。そして、この位置決め固定により、多層誘電体基板１の導波管２の中心軸と、金属基板３の導波管穴４の中心軸が一致するように、両基板１，３が固定される。また、ねじの締結力によって、両基板１，３が密着する。なお、導波管２と導波管４の穴寸法はほぼ同じである。また、位置決めピンは、導波管２および４間の位置ずれが０．２ｍｍ以下、例えば０．１ｍｍ程度に抑えられるように設けられている。

導波管２の内周壁には、導体層５が形成され、この導体層５は、多層誘電体基板１の表面側に形成された表層接地導体６および多層誘電体基板１の裏面側（金属基板３と当接する側である導波管接続端面側）に形成された導体パターン部（ランド部）７に接続されている。表層接地導体６は導体パターンで構成される。

多層誘電体基板１の金属基板３と対向する面すなわち導波管接続端面側には、図２にも示すように、導波管２（導波管２の開口部）の周囲に導体層である矩形形状のランド部７が形成されている。ランド部の周囲には、多層誘電体基板１の誘電体１２が露出している。この誘電体１２の露出部の表面は、ガラスコートやはんだレジスタで被覆されていても良い。また、ランド部７の周辺に、ランド部７とは所定の距離（ランド部７と高周波的に接続しない十分な距離、例えばλ／４より大きく）離間してランド部７とは非接続に導体パターンが形成され、多層誘電体基板１の内層回路および搭載電気部品や外部電気回路に接続されていても良い。

導波管２を伝搬する高周波信号の自由空間波長をλ、誘電体での実効波長すなわち基板内実効波長をλｇとすると、矩形のランド部７は、そのパターンの端部位置が、導波管２のＥ面端（長手側端部）から略λ／４、Ｈ面端（短手側端部）から略λ／４未満となる寸法（開口部８のＨ面側端から略λ／８未満）を有する。

矩形のランド部７において、導波管２のＥ面端（導波管２の開口部のＥ面端）から所定の距離ｔ離間した両側には、誘電体が露出された導体の開口部８が形成されている。開口部８の導波管Ｅ面端からの距離ｔとしては、信号周波数でちょうどチョーク寸法となるλ／４よりも短い、略λ／８以上でλ／４未満の範囲を選び、例えば、製造誤差や寸法公差を考慮してλ／６程度が好ましい。開口部８の幅としてはλｇ／４未満が好ましく、また開口部８の長さとしては、導波管２の長手方向の長さより長く、かつ略λ未満の長さが好ましい。

この開口部８には、多層誘電体基板１の積層方向に、略λｇ／４の長さを有する先端短絡誘電体導波管９が接続されている。この先端短絡誘電体導波管９は、多層誘電体基板１の内部において、開口部８の形成位置から積層方向に略λｇ／４の深さ位置にある内層接地導体１０と、開口部８の周囲に配設された複数のグランドビア（グランドスルーホール）１１と、これら内層接地導体１０および複数のグランドビア１１の内部に配される誘電体によって構成されており、先端（内層接地導体１０の導体表面）に短絡面を有する誘電体伝送路として機能する。各グランドビア１１間の間隔は、λｇ／４以下とする。

このように、この実施の形態においては、ランド部７、開口部８および先端短絡誘電体導波管９によってチョーク構造を構成している。

このようなチョーク構造において、導波管接続部位で多層誘電体基板１と金属基板３とが離間して隙間が発生している導体非接触時について考える。本チョーク構造によれば、先端短絡誘電体導波管９の先端で短絡であり、この先端部からλｇ／４だけ離れた開口部８では開放となる。また開口部８から導波管２のＥ面端までは略λ／８以上でλ／４未満だけ離れているため、導波管２のＥ面端は開放から短絡に向かう状態となる。したがって、導波管２のＥ面端は、信号周波数よりやや高めの周波数で理想短絡となる。また、本実施の形態のチョーク構造によれば、ランド部７の端部は、導波管隙間によって形成される導波管に対して磁壁を形成して定在波的には開放となるため、このランド端からλ／４離れた導波管Ｅ面端では短絡となって信号周波数帯で短絡になる。以上をまとめると、本実施形態のチョーク構造によれば、信号帯域からやや高めの周波数帯で良好な接続特性が得られる。

また、本実施の形態のチョーク構造では、従来のチョーク溝のように導波管のＥ面端からλ／４の位置ではなく、導波管２のＥ面端から略λ／８以上でλ／４未満だけ離れた位置に、開口部８および先端短絡誘電体導波管９によるチョーク溝が形成されているため、導波管位置ずれが発生した場合には、信号帯域よりやや高域で共振が発生するが、信号帯域付近は共振による特性劣化がないため、良好な接続特性が得られる。

また、本実施の形態のチョーク構造において、ランド部７の端部のみが金属基板３に接触した場合は、チョーク溝の効果により、信号帯域より高域で最良の特性が得られ、信号帯域付近もチョーク効果により概ね良好な特性が得られる。また、金属基板３とランド部７が接触し、導体開口８が塞がった場合は、導波管Ｅ面端からλ／８程度の位置で物理的に接触して、同電位が保たれるため、概ね良好な特性が得られる。

図３は本実施の形態のチョーク構造の代表的な反射特性を示すもので、図４は同通過特性を示すものである。図３および図４において、×印は２つの導波管の位置ズレがない場合の特性、○印が２つの導波管が位置ズレしている場合の特性を示している。図３および図４に示すように、本実施の形態のチョーク構造によれば、位置ズレが発生している場合は、高次モード共振によって、導波管を伝搬するミリ波帯高周波信号の基本周波数ｆ₀付近の信号帯域よりやや高域で反射、通過特性が劣化しているが、信号帯域付近は共振による特性劣化がないため、良好な反射、通過特性が得られている。

つぎに、比較例として、特許文献２に示されるような従来のチョーク溝について検討する。この種のチョーク構造では、対向すべき導波管が夫々形成された２つの導波管キャリアの一方の当たり面側に、導波管の長辺端面から略λ／４の位置に、短辺端面からごく近い位置に、略λ／４の深さを有するチョーク溝を形成する。特許文献２では、導波管周囲を囲む矩形形状のチョーク溝が記載されている。また、他の従来例として、導波管を中心とし、導波管の長辺端面からλ／４の位置に、略λ／４の深さを有する円形のチョーク溝を形成するものもある。

上記のような導波管チョーク構造により、信号周波数帯域において定在波的に導波管の長辺端面が短絡されることにより、２つの導波管キャリア間の隙間から漏洩波を抑え、良好な反射，通過特性が得られる。

しかしながら、上記のチョーク効果は、対向する２つの導波管が理想的に位置ズレのない場合にのみ得られるものである。一般に、不連続部を含む伝送線路においては、図５に示すように、基本モードで伝搬する信号が、不連続部において複数の高次モードに変換され、さらに基本モードに再変換されて、伝搬する。この際、不連続部（隙間）で高次モードに変換された信号は、その不連続部において、電力損失がなければ、そのほとんどが再変換されて、基本モードになり、再び伝送路を伝搬するが、不連続部での電力損失があった場合は、再変換された基本モードの信号は、高次モードでの電力損失分だけ損なわれ、伝送特性の劣化として現れる。上記の対向する２つの導波管が互いに、位置ズレを起こした場合は、位置ズレによる伝送線路の不連続部において、非対称の電磁界モードが発生し、さらに、チョーク寸法により信号帯域の２倍に近い周波数帯域で高次モードの共振が発生するため、ちょうど信号帯域付近で電力が損なわれ、急峻な反射、通過、アイソレーション特性の劣化が生じてしまう。

すなわち、図６および図７は、導波管２０の周囲であって、導波管２０の長辺端面から略λ／４の位置および導波管２０の短辺端面の極く近くに、略λ／４の深さを有するチョーク溝２１を形成したチョーク構造を示すものであるが、基本モードに対しては、長辺側のみ定在波が形成され、導波管長辺端面において仮想短絡となるチョークの動作をする（図６参照）が、同時に２倍の周波数帯に対しては、チョークを含めた隙間部分の導波路の寸法が導波管に比べてオーバーサイズとなるため、不連続が発生した場合は高次モードが伝搬する。特許文献２に示されるような信号周波数に対してλ/４の長さで構成した従来のチョーク溝の場合は、長辺側と短辺側の双方のチョークの短絡（電壁）によって、上記の定在波ができるため、高次モードの共振が発生する（図７参照）。上記隙間部分の導波路のサイズは、図７に示すように、長辺側チョーク間が５／４λ以上、短辺側のチョーク間がλ以上となっているため、ＴＥ20以上の高次モードでは共振が発生する。そして、高次モードの共振により電力損失（熱拡散、隣接する導波管への漏洩）分だけ、基本モードの伝送特性が劣化することになる。

このように特許文献２のような従来のチョーク構造では、辺および短辺側のチョーク溝端（短絡点）間の距離がそれぞれチョーク設計周波数帯付近で、λ〜５λ／４となっているため、信号帯域の２倍波に相当する共振が発生するため、信号帯域のごく近傍で必然的にＴＥ202モードの共振が起き、反射，電力損失が発生する。

図８および図９は上記従来のチョーク構造の代表的な反射特性および通過特性を示すものである。×印は２つの導波管が位置ズレがない場合の特性、○印が２つの導波管が位置ズレしている場合の特性を示している。図８および図９に示すように、位置ズレしている場合は、高次モード共振によって周波数ｆ₀付近の信号帯域付近で、通過、反射特性が急峻に劣化している。

また、特許文献２のチョーク構造で十分な電気特性を得るためには、当たり面の面粗度、平坦度の要求が厳しく、非常に精度の高い機械加工が必要となり、高価な加工費がかかってしまう。特に、伝送線路の通過損失を低減するために、ミリ波帯（３０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚ）では導波管が用いられるが、回路の小型化を図るために上記チョーク構造は機械加工の限界値となる数ｍｍ程度の寸法となり、より微細な加工精度が要求されることになる。

以上説明したように、特許文献２のような従来のチョーク構造に比し、本実施の形態によるチョーク構造は、導波管の位置ずれや導波管部分の接触、非接触の状態によらず、良好な接続特性が得られることがわかる。

このように本実施の形態では、チョーク効果に加えてランド部７の端部により形成する磁壁によって多層誘電体基板と金属基板との間に伝う平行平板モードを抑圧し、かつ信号帯域にごく近い周波数帯域で導波管のＥ面端を短絡する構成となっているため、導波管の接続面において信号漏れの少ない、低損失な導波管接続特性が得られ、導波管の位置ずれ時に従来発生していた高次モード共振による接続特性劣化を防止することができ、さらに導波管部分の接触、非接触の状態によらず、良好な接続特性が得られる。また、ミリ波帯などの高周波帯で比較的大きな寸法を要したチョーク構造に比べて小型化、軽量化が可能となり、従来、金属導波管側に形成していたチョーク溝などの高精度な機械加工が不要となる。

以上のように、本発明にかかる導波管の接続構造は、電磁波を伝送するために導波管を形成した誘電体基板と、導波管を形成した金属基板との接続構造に有用である。

本発明の実施の形態による導波管の接続構造を示す断面図である。 実施の形態によるランド形状を示す平面図である。 本実施の形態のチョーク構造によってシミュレーションを行った場合の反射特性を示す図である。 本実施の形態のチョーク構造によってシミュレーションを行った場合の通過特性を示す図である。 伝送線路の不連続部における高次モード変換を示す図である。 従来のチョーク構造を示す平面図である。 従来のチョーク構造における高次モードの共振を示す平面図である。 従来のチョーク構造によってシミュレーションを行った場合の反射特性を示す図である。 従来のチョーク構造によってシミュレーションを行った場合の通過特性を示す図である。

符号の説明

１ 多層誘電体基板
２ 導波管
３ 金属基板
４ 導波管
５ 導体層
６ 表層接地導体
７ 導体パターン（ランド部）
８ 開口部
９ 先端短絡誘電体導波管（誘電体伝送路）
１０ 内層接地導体
１１ グランドビア
１２ 誘電体

Claims (4)

1. 多層誘電体基板の積層方向に形成した中空の第１の導波管と金属基板に形成した第２の導波管とを接続する導波管の接続構造において、
   前記金属基板に対向する前記多層誘電体基板の誘電体表面であって前記第１の導波管の周囲に形成され、第１の導波管のＥ面端から略λ／４（λ：信号波の自由空間波長）の位置にパターンの端部を有する矩形の導体パターンと、
   該導体パターンの端部と前記第１の導波管のＥ面端の間の導体パターン上の所定位置に形成され、前記第１の導波管の長辺より長く、かつ略λ未満の長さを有する導体開口部と、
   前記導体開口部に接続され、多層誘電体基板の積層方向に形成された略λｇ／４（λｇ：信号波の基板内実効波長）の長さを有する先端短絡の誘電体伝送路と、
   を有するチョーク構造を備えることを特徴とする導波管の接続構造。
2. 前記導体開口部は、第１の導波管のＥ面端から略λ／８以上でλ／４未満の位置に形成され、第１の導波管の長辺より長く、かつ略λ未満の長さを有し、略λｇ／４未満の幅を有することを特徴とする請求項１に記載の導波管の接続構造。
3. 前記導体パターンは、第１の導波管のＨ面端から略λ／４未満の位置に導波管Ｈ面側のパターンの端部を有することを特徴とする請求項１または２に記載の導波管の接続構造。
4. 前記誘電体伝送路は、内層接地導体と、複数のグランドスルーホールと、これら内層接地導体および複数のグランドスルーホールの内部の誘電体とを有して構成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の導波管の接続構造。

Images