JP6964824B2 - 変換器およびアンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、ポスト壁導波路を有した変換器およびこれを備えたアンテナ装置に関する。

ポスト壁導波路は、誘電体の両面に設けられた導体同士が貫通導体であるポストというスルーホールによって電気的に接続された導波路である。ポスト壁導波路は、誘電体基板集積導波管（ＳＩＷ）とも呼ばれる。ポスト壁導波路を有した従来の変換器としては、例えば、非特許文献１に記載されるものがある。非特許文献１に記載された変換器は、互いに垂直に接続された２枚の基板から構成されており、これらの基板のうちの一方にポスト壁導波路が設けられる。

Ｂ． Ｙ． Ｅ． Ｋｈａｔｉｂ， ｅｔ．ａｌ．， "Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ−Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｓ ｆｏｒ ３−Ｄ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ"， ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． ｏｎ Ｃｏｍｐ．， Ｐａｃｋａｇｉｎｇ ａｎｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｔｅｃｈ．， Ｖｏｌ． ２， ｐｐ． １５２６−１５３５， Ｓｅｐｔ． ２０１２．

非特許文献１に記載された従来の変換器では、一方の基板に設けられた貫通穴に対して他方の基板の端部を挿入し、貫通穴に挿入された基板の端部を、はんだによって固定することで、２枚の基板を互いに垂直に接続している。この構造では、貫通穴に対して基板の端部が確実に挿入されるように貫通穴または基板に寸法上の余裕を持たせる必要がある。このため、貫通穴に挿入された基板の端部と当該貫通穴の内周面との間に隙間が発生する場合が多く、この場合、変換器の電気特性は大幅に劣化する。

一方、基板に設けられたスロットを用いた電磁結合を利用することで、基板に貫通穴を設けることなく、２枚の基板を互いに垂直に接続した変換器も存在する。しかしながら、基板にポスト壁導波路を設ける場合、製造上、基板の端部に導体を設けることができなくなる。このため、ポスト壁導波路を設けた基板と他方の基板とを電気的に接続することができず、ポスト壁導波路を設けた基板の端部から電波が漏洩するという課題があった。

本発明は上記課題を解決するものであって、電波の漏洩を防止することができる変換器およびこれを備えたアンテナ装置を得ることを目的とする。

本発明に係る変換器は、両面が導体で覆われている第１の誘電体基板と、第１の誘電体基板の両面の導体と、当該第１の誘電体基板を貫通して両面の導体を電気的に接続している複数のスルーホールから構成されている第１のポスト壁導波路と、接地導体で表面が覆われ、信号の入出力端子を有した導体パターンが裏面に設けられている第２の誘電体基板と、接地導体に設けられている１つまたは複数のスロットと、第１の誘電体基板を、第２の誘電体基板の表面上に固定している金属部材を備える。第２の誘電体基板の表面には、第１のポスト壁導波路の一方の端部が当該表面に向き、第１の誘電体基板の端部がスロットと対向した状態で、第１の誘電体基板が設けられている。金属部材は、第１のポスト壁導波路が電気的に短絡された位置から信号の伝搬波長の４分の１離れた位置において、信号の伝搬波長の４分の１の深さを有した溝を備えている。

本発明によれば、第２の誘電体基板の表面には、第１のポスト壁導波路の一方の端部が当該表面に向き、第１の誘電体基板の端部がスロットと対向した状態で第１の誘電体基板が設けられ、金属部材は、第１のポスト壁導波路が電気的に短絡された位置から信号の伝搬波長の４分の１離れた位置において、信号の伝搬波長の４分の１の深さを有した溝を備えている。この構成を有することにより、第１のポスト壁導波路を伝搬した信号の電波は、第２の誘電体基板でスロットに結合され、さらに導体パターンに結合されるので、電波の漏洩を防止することができる。

実施の形態１に係る変換器を示す斜視図である。 実施の形態１に係る変換器を図１のＡ−Ａ線で切った断面を示す断面矢示図である。 実施の形態１に係る変換器を示す上面図である。 図４Ａは、第１の誘電体基板を示す平面図である。図４Ｂは、第１の誘電体基板を図４ＡのＢ−Ｂ線で切った断面を示す断面矢示図である。 図５Ａは、第２の誘電体基板の裏面を示す平面図である。図５Ｂは、第２の誘電体基板を図５ＡのＣ−Ｃ線で切った断面を示す断面矢示図である。 ポスト壁導波路を示す部分拡大図である。 電磁界解析により求められた反射特性を示すグラフである。 図８Ａは、第１の誘電体基板に設けられたポスト壁導波路の変形例を示す平面図である。図８Ｂは、図８Ａの誘電体基板を、図８ＡのＤ−Ｄ線で切った断面を示す断面矢示図である。 ポスト壁導波路の変形例を示す部分拡大図である。 実施の形態１に係るアンテナ装置を示す斜視図である。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る変換器を示す斜視図である。図２は、実施の形態１に係る変換器を図１のＡ−Ａ線で切った断面を示す断面矢示図である。図３は、実施の形態１に係る変換器を示す上面図である。図４Ａは、第１の誘電体基板１１を示す平面図である。図４Ｂは、第１の誘電体基板１１を、図４ＡのＢ−Ｂ線で切った断面を示す断面矢示図である。図５Ａは、第２の誘電体基板１２の裏面を示す平面図である。図５Ｂは、第２の誘電体基板１２を、図５ＡのＣ−Ｃ線で切った断面を示す断面矢示図である。図６は、ポスト壁導波路１６を示す部分拡大図である。

図１から図６までにおいて、ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸は、互いに垂直な３軸である。ｘ軸に平行な方向をｘ軸方向とし、ｙ軸に平行な方向をｙ軸方向とし、ｚ軸に平行な方向をｚ軸方向とする。また、ｘ軸方向のうち、矢印で示す方向をプラスｘ方向とし、プラスｘ方向の逆の方向をマイナスｘ方向とする。同様に、ｙ軸方向のうち、矢印で示す方向をプラスｙ方向とし、プラスｙ方向の逆の方向をマイナスｙ方向とする。ｚ軸方向のうち、矢印で示す方向をプラスｚ方向とし、プラスｚ方向の逆の方向をマイナスｚ方向とする。

実施の形態１に係る変換器は、図１、図２および図３に示すように、第１の誘電体基板１１、第２の誘電体基板１２および一対の金属板１３ａ，１３ｂを備える。第１の誘電体基板１１および第２の誘電体基板１２は、樹脂材料で構成された平板部材である。なお、両基板１１，１２が単層基板である例を示したが、これらの基板１１，１２は多層基板であってもよい。多層基板とすることにより、誘電体基板に設ける配線の設計自由度が向上する。

また、第１の誘電体基板１１は、平板部材である誘電体１１ａの両面が導体で覆われている。誘電体１１ａの一方の面は、接地導体１１ｂで覆われており、誘電体１１ａの他方の面は、接地導体１１ｂで覆われている。第１の誘電体基板１１には、接地導体１１ｂと接地導体１１ｂとを電気的に接続する複数のスルーホール１５ａが形成されている。

ポスト壁導波路１５は、第１の誘電体基板１１の両面に設けられた接地導体１１ｂと、複数のスルーホール１５ａから構成された第１のポスト壁導波路である。実施の形態１に係る変換器は、ポスト壁導波路１５を伝搬する信号同士の伝搬方向を相互に垂直変換する変換器である。図４Ａに示すように、ポスト壁導波路１５は、例えば３列のスルーホール列から構成されたブロック（マイナスｘ方向側のブロック）と、同様に３列のスルーホール列から構成されたブロック（プラスｘ方向側のブロック）とを備えて構成されている。ただし、３列のスルーホール列は一例であり、１つのブロックにおけるスルーホール列は１列であってもよい。ブロック同士の間にある、符号Ｐが付与された破線の領域は、信号が伝搬する部分である。２つのブロック同士の間隔は、誘電率を考慮した伝搬波長の２分の１以上である。また、スルーホール１５ａの径は任意であり、スルーホール１５ａ同士の間隔は、信号の伝搬波長の４分の１以下である。

第２の誘電体基板１２は、図５Ａおよび図５Ｂに示すように、平板部材である誘電体１２ａの表面（プラスｚ方向の面）が接地導体１２ｂで覆われ、誘電体１２ａの裏面（マイナスｚ方向の面）には、信号の入出力端子を有した導体パターン１２ｃ，１２ｄが設けられている。

第２の誘電体基板１２の表面には、図１および図２に示すように、第１の誘電体基板１１が設けられている。このとき、ポスト壁導波路１５の一方の端部が誘電体１２ａの表面に向いた状態になっている。なお、ポスト壁導波路１５の一方の端部とは、図４Ａに示すように、第１の誘電体基板１１に形成されたスルーホール列のマイナスｚ方向の端部Ａである。

図５Ａおよび図６に破線で示すように、接地導体１２ｂにはスロット１７が設けられている。第１の誘電体基板１１における、図４Ａに示す端部Ａは、スロット１７と対向した状態になっている。スロット１７が１つである場合を示したが、複数のスロット１７を、第１の誘電体基板１１の端部Ａと対向している接地導体１２ｂの領域に設けてもよい。
なお、第１の誘電体基板１１の端部Ａは、導体が設けられていない部分である。変換器の製造において、例えば、刃物またはレーザ加工で誘電体基板が切断されると、基板端（端部Ａに相当する部分）の角が取れて丸くなる。このような端部の丸みは制御されて形成されたものではないため、仮に、丸みを帯びた端部に導体パターンが設けられると、変換器の電気特性に影響を与えて不安定にする可能性がある。そのため、第１の誘電体基板１１の端部Ａには、導体が設けられていない。

第２の誘電体基板１２における接地導体１２ｂは、例えば、導電性金属箔である銅箔を誘電体１２ａの表面に圧着することによって形成される。なお、接地導体１２ｂとして、金属箔よりも厚みがある金属板を用いることができる。この場合、金属材料から形成された金属板が、接地導体１２ｂとして誘電体１２ａの表面に取り付けられる。

第２の誘電体基板１２における導体パターン１２ｃ，１２ｄは、例えば、誘電体１２ａの裏面に設けられた導電性金属箔である銅箔をパターニングして形成される。また、導体パターン１２ｃ，１２ｄとして、金属箔よりも厚みがある金属板を用いてもよい。

また、第２の誘電体基板１２には、ポスト壁導波路１６が設けられている。ポスト壁導波路１６は、誘電体１２ａの表面の接地導体１２ｂと、誘電体１２ａの裏面の帯状の導体パターン１２ｃと、第２の誘電体基板１２を貫通して接地導体１２ｂと導体パターン１２ｃを電気的に接続している複数のスルーホール１６ａ，１６ｂとから構成されている第２のポスト壁導波路である。ポスト壁導波路１５とポスト壁導波路１６とは、図１に示したスルーホール１５ａの管軸に沿ったａ−ａ線と図５Ａに示したｂ−ｂ線が直交しており、さらに、ａ−ａ線と、図５Ａに示したＣ−Ｃ線とが平行になるように配置されている。

第２の誘電体基板１２において、表面に設けられた接地導体１２ｂと裏面に設けられた導体パターン１２ｄは、マイクロストリップ線路を構成している。なお、第２の誘電体基板１２に設けられた導体パターンは、前述したポスト壁導波路１６のみであってもよく、ストリップ線路またはコプレーナ線路であってもよい。さらに、コプレーナ線路は、接地導体が隣接しているものでもよい。

導体パターン１２ｄは、導体パターン幅に対応した特性インピーダンスを有している。なお、図５Ａに示した導体パターン１２ｄの形状は一例であり、その形状は反射整合条件に応じて変更される。

金属板１３ａおよび金属板１３ｂは、図１から図３までに示すように、第２の誘電体基板１２の表面上にはんだ付けなどで取り付けられて、第１の誘電体基板１１を、この第２の誘電体基板１２の表面上に固定している金属部材である。第１の誘電体基板１１は、第２の誘電体基板１２の表面上で、金属板１３ａおよび金属板１３ｂによって挟み込まれた状態になっている。なお、第１の誘電体基板１１を第２の誘電体基板１２の表面上に固定する金属部材は、２つの金属板１３ａ，１３ｂに限定されるものではなく、第１の誘電体基板１１を嵌合して固定するための隙間が形成された１枚の金属板であってもよい。

また、金属板１３ａおよび金属板１３ｂは、接地導体１２ｂに接触して接地されているので、第１の誘電体基板１１における金属板１３ａと金属板１３ｂに接触されている部分も接地されている。第１の誘電体基板１１における接地された部分には、図１および図２に示すように、ポスト壁導波路１５の一部が含まれる。従って、金属板１３ａまたは金属板１３ｂに接触されたポスト壁導波路１５の上記一部は、電気的に短絡されている。

図１および図２に示すように、金属板１３ａには溝１４ａが設けられ、金属板１３ｂには溝１４ｂが設けられている。溝１４ａおよび溝１４ｂは、図３に示すように、ポスト壁導波路１５が電気的に短絡された位置Ｐ１から信号の伝搬波長の４分の１の距離Ｌ１だけ離れている位置Ｐ２において、信号の伝搬波長の４分の１の深さ（プラスｚ方向の長さ）を有したＵ字状の溝である。なお、溝１４ａおよび溝１４ｂは底面がＵ字状に開放されており、その両端は正方形に開放されている。金属板１３ａ，１３ｂに設けられた溝１４ａ，１４ｂはその周囲が導体で囲われており、全方向の電波漏洩を防止することができる。金属板１３ａ，１３ｂをドリル加工して溝１４ａ，１４ｂが形成されると、溝１４ａ，１４ｂのコーナーにＲが生じてＵ字状になっている。ただし、溝１４ａ，１４ｂは、コーナーが残るように加工されたものであってもよい。電波漏洩を防止する効果は、溝１４ａ，１４ｂの底面と両端が開放されていても得られる。

ポスト壁導波路１５は、図４Ａに示すように、複数のスルーホール１５ａで構成された複数のスルーホール列を含んで構成されている。図４Ａでは、ポスト壁導波路１５の複数のスルーホール列がｚ軸方向に整列している。また、ポスト壁導波路１５は、ｘ軸方向に平行な長辺とｙ軸方向に平行な短辺とを有した長方形の端面部を有している。

なお、ポスト壁導波路１５の複数のスルーホール列は、一部のスルーホール列が乱れていてもよい。スルーホール列の乱れには、スルーホール列を構成する複数のスルーホールの一部が残りのスルーホールの並び方向とはずれた状態になっている場合があり、または隣り合ったスルーホール列の間隔がずれている場合がある。このように、ポスト壁導波路１５において一部のスルーホール列が乱れていることで、寄生インダクタンスが付加されて広帯域整合に寄与するという効果がある。

ポスト壁導波路１６は、図６に示すように、複数のスルーホール１６ａ，１６ｂで構成された複数のスルーホール列を含んで構成されている。ポスト壁導波路１６の複数のスルーホール列は、ｙ軸方向に整列している。なお、ポスト壁導波路１６を構成するスルーホールの数は、設計仕様に応じて変更される。

スロット１７は、第２の誘電体基板１２における、第１の誘電体基板１１の端部に対向し、かつポスト壁導波路１５の上記端面部に覆われたｘｙ領域に形成されている。図５Ａおよび図６には、スロット１７の形状が長方形（−字状）である場合を示したが、Ｈ字状であってもよい。スロット１７は、ポスト壁導波路１５の上記端面部に覆われたｘｙ領域に１つ設けてもよいし、複数設けてもよい。

次に、実施の形態１に係る変換器の動作について説明する。
ポスト壁導波路１５に基本モードの信号が入力されると、この信号は、ポスト壁導波路１５を伝搬してから、第２の誘電体基板１２の接地導体１２ｂに設けられたスロット１７に結合する。続いて、スロット１７に結合した信号は、第２の誘電体基板１２の導体パターン１２ｃと導体パターン１２ｄに結合して入出力端子側に伝搬し、入出力端子から出力される。なお、入出力端子は、帯状の導体パターン１２ｄにおける、導体パターン１２ｃに繋がっている側とは反対側の端部に設けられている。

図７は、電磁界解析により求められた反射特性を示すグラフであって、実施の形態１に係る変換器と比較対象の変換器とについて電磁界解析を施して得られた反射特性を示している。比較対象の変換器は、実施の形態１に係る変換器と基本的な構成は同じであるが、金属板１３ａ，１３ｂが、溝１４ａ，１４ｂを有していない点で異なる。図７において、符号Ｄ１を付したデータは、比較対象の変換器について電磁界解析を施して得られた反射特性データである。符号Ｄ２を付したデータは、実施の形態１に係る変換器について電磁界解析を施して得られた反射特性データである。

図７に示すように、実施の形態１に係る変換器は、金属板１３ａ，１３ｂに溝１４ａ，１４ｂを設けることで、電波の漏洩による反射が低減されており、所望の周波数で良好な反射特性を示す。これは、図４Ａおよび図４Ｂに示した第１の誘電体基板１１の端部Ａからの電波の漏洩がないことを意味している。なお、図８および図９を用いて後述する各構成の変換器においても、図７と同様の反射特性が得られる。

次に、実施の形態１に係る変換器の変形例について説明する。
図８Ａは、第１の誘電体基板１１Ａに設けられたポスト壁導波路の変形例を示す平面図であって、ポスト壁導波路１５の変形例であるポスト壁導波路１５Ａを示している。図８Ｂは、図８Ａの第１の誘電体基板１１Ａを、図８ＡのＤ−Ｄ線で切った断面を示す断面矢示図である。ポスト壁導波路１５Ａは、複数のスルーホール１５ａから構成された複数のスルーホール列を含んで構成されている。これらのスルーホール列は、ｚ軸方向に整列しているが、ポスト壁導波路１５Ａの一方の端部側で一部のスルーホール１５ａが除かれている。

ポスト壁導波路１５Ａの一方の端部側でスルーホール１５ａが除かれた部分は、図８Ａに示すように、ポスト壁導波路１５Ａの他方の端部側に残ったスルーホール１５ａおよび隣り合ったスルーホール列のスルーホール１５ａによって囲まれた部分２１である。この部分２１には、図８Ｂに示すように、第１の誘電体基板１１の誘電体１１ａが存在する。従って、部分２１は、周囲に複数のスルーホール１５ａが存在し、かつ第１の誘電体基板１１Ａの内部で誘電体１１ａが充填された溝部とみなすことができる。この部分２１は、いわゆるチョーク構造を実現するものであり、ｘ軸方向に沿った不要な電波の伝搬を防止する。

また、第２のポスト壁導波路は、下記のように構成されてもよい。
図９は、第２のポスト壁導波路の変形例を示す部分拡大図であり、ポスト壁導波路１６の変形例であるポスト壁導波路１６Ａを示している。ポスト壁導波路１６Ａは、複数のスルーホール１６ａ，１６ｂで構成された複数のスルーホール列を含んで構成されている。これらのスルーホール列はｙ軸方向に整列しているが、スロット１７側のスルーホール列が乱れている。例えば、スルーホール１６ａのｙ軸方向に沿った並びに対し、左側のポスト壁導波路１６Ａにおけるスルーホール１６ｂがマイナスｘ軸方向にずれて、当該スルーホール列の一部が乱れており、右側のポスト壁導波路１６Ａにおけるスルーホール１６ｂがプラスｘ軸方向にずれて、当該スルーホール列の一部が乱れている。スルーホール列の乱れは、寄生インダクタンスを付加することから、低周波数帯に存在する共振周波数を、所望の周波数帯に移動させることができる。これにより、周波数特性を広帯域にすることが可能である。

次に、これまで説明した変換器を備えるアンテナ装置について説明する。
図１０は、実施の形態１に係るアンテナ装置を示す斜視図である。図１０に示すアンテナ装置は、マイクロ波あるいはミリ波を送受信する平面アンテナが第１の誘電体基板１１の端部に接続された構造を有している。平面アンテナである基板には、図１０に示すように、マイクロストリップ線路１８および複数のアンテナ素子１９の導体パターンが設けられている。平面アンテナである基板を、第１の誘電体基板１１の端部に接続することで、平面アンテナを正面方向に屹立させることができ、ｚ軸方向に電波が放射される。

以上のように、実施の形態１に係る変換器において、第２の誘電体基板１２の表面には、ポスト壁導波路１５の一方の端部が当該表面に向き、第１の誘電体基板１１の端部Ａがスロット１７と対向した状態で第１の誘電体基板１１が設けられる。さらに、金属板１３ａ，１３ｂは、ポスト壁導波路１５が電気的に短絡された位置Ｐ１から信号の伝搬波長の４分の１離れた位置Ｐ２において、信号の伝搬波長の４分の１の深さを有した溝１４ａ，１４ｂを備えている。この構成を有することで、ポスト壁導波路１５を伝搬した信号の電波は、第２の誘電体基板１２でスロット１７に結合され、さらに、導体パターン１２ｃ，１２ｄに結合されるので、電波の漏洩を防止することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

本発明に係る変換器は、電波の漏洩を防止することができるので、マイクロ波帯またはミリ波帯の高周波信号を伝送させるアンテナ装置に利用可能である。

１１，１１Ａ 第１の誘電体基板、１１ａ，１２ａ 誘電体、１１ｂ 接地導体、１２ 第２の誘電体基板、１２ｂ 接地導体、１２ｃ，１２ｄ 導体パターン、１３ａ，１３ｂ 金属板、１４ａ，１４ｂ 溝、１５，１５Ａ，１６，１６Ａ ポスト壁導波路、１５ａ，１６ａ，１６ｂ スルーホール、１７ スロット、１８ マイクロストリップ線路、１９ アンテナ素子、２１ 部分。

Claims (7)

1. 両面が導体で覆われている第１の誘電体基板と、
   前記第１の誘電体基板の両面の導体と、当該第１の誘電体基板を貫通して両面の導体を電気的に接続している複数のスルーホールから構成されている第１のポスト壁導波路と、
   接地導体で表面が覆われ、信号の入出力端子を有した導体パターンが裏面に設けられている第２の誘電体基板と、
   前記接地導体に設けられている１つまたは複数のスロットと、
   前記第１の誘電体基板を、前記第２の誘電体基板の前記表面上に固定している金属部材と、
   を備え、
   前記第２の誘電体基板の前記表面には、前記第１のポスト壁導波路の一方の端部が当該表面に向き、前記第１の誘電体基板の端部が前記スロットと対向した状態で、前記第１の誘電体基板が設けられ、
   前記金属部材は、前記第１のポスト壁導波路が電気的に短絡された位置から前記信号の伝搬波長の４分の１離れた位置において、前記信号の伝搬波長の４分の１の深さを有した溝を備えていること
   を特徴とする変換器。
2. 前記接地導体と、前記導体パターンと、前記第２の誘電体基板を貫通して前記接地導体と前記導体パターンを電気的に接続している複数のスルーホールから構成されている第２のポスト壁導波路を備えていること
   を特徴とする請求項１記載の変換器。
3. 前記導体パターンは、マイクロストリップ線路、ストリップ線路またはコプレーナ線路のいずれかであること
   を特徴とする請求項１記載の変換器。
4. 前記第１のポスト壁導波路を構成する複数のスルーホールは、整列された複数のスルーホール列または一部のスルーホール列が乱れた複数のスルーホール列であること
   を特徴とする請求項１記載の変換器。
5. 前記第１のポスト壁導波路の一方の端部側で一部のスルーホールが除かれていること
   を特徴とする請求項１記載の変換器。
6. 前記第２のポスト壁導波路を構成する複数のスルーホールは、整列された複数のスルーホール列または一部のスルーホール列が乱れた複数のスルーホール列であること
   を特徴とする請求項２記載の変換器。
7. 請求項１から請求項６のいずれか１項記載の変換器を備えたアンテナ装置。

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