JP2018182422A - Substrate integrated waveguide - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To mitigate a tradeoff between an upper limit of a frequency of an electromagnetic wave being able to propagate and mechanical strength of a substrate in a substrate integrated waveguide.SOLUTION: A substrate integrated waveguide comprises: a substrate 100; metal layers 101a, 102; a substrate penetrating via 103 that connects between the metal layer 101a and the metal layer 102; and a plurality of stubs 104 that are formed on the metal layer 101a to be extended in a direction being different from a propagating direction, from a place between adjacent substrate penetrating vias 103 toward outside in each column of substrate penetrating vias 103. Each stub 104, the substrate 100 and the metal layer 102 constitutes a line in which an electromagnetic wave leaking through the place between the substrate penetrating vias 103 from the substrate 100 propagates. When a wavelength of a desired electromagnetic wave to be desired to transmit in the substrate 100 is defined as λ, the length of the line is λ/4+n×λ/2 (n is a non-negative integer).SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、高周波電気信号を扱う回路技術、特に、基板集積導波管に関するものである。   The present invention relates to circuit technology dealing with high frequency electrical signals, and in particular to substrate integrated waveguides.

高周波電気信号の伝送媒体には、主として同軸線路もしくは金属導波管が用いられる。一般に、同軸線路は、低域通過特性を有するため、高周波帯では伝搬損失が大きく、100GHzを超えるような超高周波電気信号の伝送には不向きである。これとは反対に、金属導波管は、高域通過特性を有し、高周波帯の伝搬損失が小さいため、100GHzを超えるような超高周波電気信号の伝送媒体に適している。   A coaxial line or a metal waveguide is mainly used as a transmission medium for high frequency electrical signals. In general, coaxial lines have low-pass characteristics, so the propagation loss is large in a high frequency band, and they are not suitable for transmission of an ultrahigh frequency electrical signal exceeding 100 GHz. On the contrary, metal waveguides have high-pass characteristics and small propagation loss in the high frequency band, so they are suitable for transmission media of ultra high frequency electrical signals exceeding 100 GHz.

基板集積導波管(Substrate Integrated Waveguide:SIW)は、誘電体もしくは半導体から成る基板上に集積回路プロセスを用いて形成される導波管様の伝送線路である。SIWは、金属導波管同様に高周波帯での伝搬損失が小さく、また、集積回路プロセスにより他の機能回路と集積が容易であるという特徴があるため、100GHz以上の超高周波電気信号を用いる集積回路内の高周波配線に好適である(非特許文献1)。   A substrate integrated waveguide (SIW) is a waveguide-like transmission line formed on a dielectric or semiconductor substrate using an integrated circuit process. Like metal waveguides, SIW is characterized by small propagation loss in the high frequency band and is easy to integrate with other functional circuits by an integrated circuit process, so integration using ultra high frequency electrical signals of 100 GHz or more It is suitable for high frequency wiring in a circuit (non-patent document 1).

SIWは、図11に示すように、基板100の上面および下面に形成された金属層101,102により電磁波の上下方向の閉じ込めを行い、基板貫通ビア(Through Substrate Via:TSV)103により電磁波の横方向の閉じ込めを行うことで、金属導波管と同一の伝搬モード(TE10モード等)を基板100内に形成することを可能としている。 As shown in FIG. 11, the SIW confines the electromagnetic wave in the vertical direction by the metal layers 101 and 102 formed on the upper and lower surfaces of the substrate 100, and passes through the electromagnetic wave by the through substrate via (TSV) 103. By confining the direction, it is possible to form in the substrate 100 the same propagation mode (TE 10 mode etc.) as the metal waveguide.

電磁波の伝搬方向と垂直な方向のTSV103の配置間隔(図11のWa)は、金属導波管における導波管の幅に相当するパラメータである。配置間隔Waの値は、所望の周波数でのTE10モードが伝搬可能になるように設定される。また、電磁波の伝搬方向のTSV103の配置間隔(図11のWb)の値は、基板100の面内方向の電磁波の閉じ込めが十分強くなるように設定する必要がある。配置間隔Wbが電磁波の波長よりも十分に小さくない場合、電磁波をSIW内に閉じ込めることができず、SIWを伝送線路として用いることができない。 The arrangement interval of the TSVs 103 in the direction perpendicular to the propagation direction of the electromagnetic wave (Wa in FIG. 11) is a parameter corresponding to the width of the waveguide in the metal waveguide. The value of the arrangement interval Wa is set to allow propagation of the TE 10 mode at a desired frequency. Further, the value of the arrangement interval (Wb in FIG. 11) of the TSVs 103 in the propagation direction of the electromagnetic wave needs to be set so that the confinement of the electromagnetic wave in the in-plane direction of the substrate 100 is sufficiently strong. If the arrangement interval Wb is not sufficiently smaller than the wavelength of the electromagnetic wave, the electromagnetic wave can not be confined in the SIW, and the SIW can not be used as a transmission line.

このように、SIWにおいて電磁波を伝搬させるためには、電磁波の伝搬方向のTSV103の間隔Wbを、取り扱う電磁波の波長よりも小さい値にする必要がある。伝搬方向のTSV103の間隔WbがSIWを伝搬するTE10モードの伝送線路内波長λgの四分の一以上になると、伝搬方向のTSV103の間隙が漏れ波アンテナのスリットと同様の働きを持ち始め、電磁波がSIWの外部に漏洩すると考えられる。SIWを設計するためには、電磁波の漏洩の少ない、伝搬方向のTSV103の間隔Wbを決定する必要がある。そのためには、前述のように、SIWを伝搬するTE10モードの伝送線路内波長λgの値を把握し、伝搬方向のTSV103の間隔Wbをその四分の一以下の値に設定すればよい。伝送線路内波長λgは、TE10モードの各周波数における実効誘電率をεとすれば、下記の式で計算される
λg=c/(ε1/2f) ・・・(1)
As described above, in order to propagate an electromagnetic wave in SIW, it is necessary to set the interval Wb of the TSV 103 in the propagation direction of the electromagnetic wave to a value smaller than the wavelength of the electromagnetic wave to be handled. When the spacing Wb of the TSVs 103 in the propagation direction becomes more than one-quarter of the wavelength λg in the transmission line of TE 10 mode that propagates SIWs, the gap of the TSVs 103 in the propagation direction starts to have the same function as the slit of the leaky wave antenna It is thought that electromagnetic waves leak to the outside of SIW. In order to design an SIW, it is necessary to determine the interval Wb of the TSVs 103 in the propagation direction with less electromagnetic wave leakage. For that purpose, as described above, the value of the wavelength λg in the TE 10 mode transmission line propagating the SIW may be grasped, and the interval Wb of the TSVs 103 in the propagation direction may be set to a value equal to or smaller than one quarter. The wavelength λg in the transmission line is calculated by the following equation, assuming that the effective dielectric constant at each frequency of the TE 10 mode is ε: λg = c / (ε 1/2 f) (1)

ここで、cは光速、fは周波数を表す。図12に、SIWを伝搬するTE10モードの伝送線路内波長の四分の一(λg/4)の計算結果を示す。本計算では、簡単のために、基板上面、下面の金属層101,102を理想導体とし、SIWの側壁はTSV103ではなく理想導体からなる金属平面とした。また、基板100の材料としてはInP(誘電率12.3)を仮定し、基板100の厚さは50μmとした。SIWの幅は180μmとした。 Here, c represents the speed of light and f represents the frequency. FIG. 12 shows a calculation result of a quarter (λg / 4) of the wavelength in the transmission line of the TE 10 mode propagating the SIW. In this calculation, for the sake of simplicity, the metal layers 101 and 102 on the upper surface and the lower surface of the substrate are ideal conductors, and the sidewall of the SIW is a metal plane made of an ideal conductor instead of the TSV 103. Further, it is assumed that InP (dielectric constant 12.3) is used as the material of the substrate 100, and the thickness of the substrate 100 is 50 μm. The width of the SIW was 180 μm.

式(1)からも明らかなように、扱う電磁波の周波数が高いほど、λg/4は小さくなる。図12から分かるように、290GHz以上ではλg/4は100μm以下ときわめて小さな値をとる。しかしながら、TSV103の間隔Wbを小さくすると、基板100に稠密にTSV103を配置することになるため、基板100の機械的な強度が低下してしまうという問題が生じる。そのため、TSV103の間隔Wbには、基板100の機械的な強度を担保するためのプロセス上の下限値が存在する。   As is clear from the equation (1), λg / 4 is smaller as the frequency of the electromagnetic wave to be handled is higher. As can be seen from FIG. 12, λg / 4 takes an extremely small value of 100 μm or less at 290 GHz or more. However, if the space Wb of the TSVs 103 is reduced, the TSVs 103 are densely arranged on the substrate 100, which causes a problem that the mechanical strength of the substrate 100 is reduced. Therefore, in the interval Wb of the TSVs 103, there is a process lower limit value for securing the mechanical strength of the substrate 100.

特に、InPやGaAsなどの化合物半導体基板は割れ易いため、TSV103の間隔Wbの下限値は、Si等の他の半導体基板の場合よりも2倍以上程度大きい値に設定する必要がある。したがって、図12の計算に用いたような厚さ50μmのInPを用いてSIWを製作する場合、現実的には電磁波伝搬方向のTSV103の間隔Wbは100μm以上にする必要がある。そのため、周波数が290GHz以上の電磁波を伝搬可能なSIWを製作することは難しいことが想定される。   In particular, since compound semiconductor substrates such as InP and GaAs are easily broken, the lower limit value of the distance Wb between the TSVs 103 needs to be set to a value about twice or more larger than that of other semiconductor substrates such as Si. Therefore, when manufacturing SIW using 50 μm thick InP used in the calculation of FIG. 12, it is practically necessary to set the interval Wb of the TSV 103 in the electromagnetic wave propagation direction to 100 μm or more. Therefore, it is assumed that it is difficult to produce an SIW capable of propagating an electromagnetic wave having a frequency of 290 GHz or more.

図13に、図11に示したSIWにおいて、電磁波伝搬方向のTSV103の間隔Wbをパラメータとしたときの通過特性S21の計算結果を示す。なお、TSV103の直径は40μmとし、電磁波伝搬方向と垂直な方向のTSV103の配置間隔Waは180μmとした。図13から、電磁波伝搬方向のTSV103の間隔Wbが大きくなると、SIWの通過特性が劣化していくことが分かる。間隔Wbの増加に伴い、290GHz付近の高域から通過特性が劣化し始める。290GHzでの通過特性が顕著に劣化する間隔Wb=110μmは、図12で計算したλg/4の290GHzにおける値100μmにほぼ一致している。前述のとおり、SIWにおいて電磁波の漏洩を防止するためには、間隔Wbをλg/4以下にする必要があることが分かる。 13, in SIW shown in FIG. 11 shows the calculation results of the pass characteristic S 21 when the spacing Wb of the electromagnetic wave propagation direction TSV103 a parameter. The diameter of the TSVs 103 was 40 μm, and the arrangement interval Wa of the TSVs 103 in the direction perpendicular to the electromagnetic wave propagation direction was 180 μm. From FIG. 13, it can be understood that when the interval Wb of the TSVs 103 in the electromagnetic wave propagation direction becomes large, the passing characteristic of the SIW is degraded. With the increase of the interval Wb, the pass characteristic starts to deteriorate from the high region around 290 GHz. The interval Wb = 110 μm at which the transmission characteristics at 290 GHz significantly deteriorate substantially matches the value 100 μm at 290 GHz of λg / 4 calculated in FIG. As described above, it can be understood that in order to prevent the leakage of electromagnetic waves in SIW, the interval Wb needs to be set to λg / 4 or less.

また、Wb=110μmの場合の300GHzにおける電磁波の伝搬の様子を図14に示す。図14は、電界強度[V/m]の分布を示しており、明るい部分が電磁強度の高い位置を示している。図14から、SIWの通過特性劣化の原因が、伝搬方向のTSV103の間隙からの電磁波漏洩であることは明らかである。前述のように、厚さ50μmのInP基板を用いる場合、TSV103の間隔Wbの最小値を100μm程度であるとすれば、結果として、厚さ50μmのInP基板を用いて、290GHz以上の電磁波を低損失に伝搬可能なSIWを作製することは不可能であると言える。また、仮にTSV103の間隔Wbの最小値を基板厚さの2倍以上にとる必要がある場合には、SIWで漏洩なく伝搬可能な電磁波の周波数は更に低下することになる。   Moreover, the mode of propagation of the electromagnetic wave in 300 GHz in the case of Wb = 110 micrometers is shown in FIG. FIG. 14 shows the distribution of the electric field intensity [V / m], and the bright part shows the position where the electromagnetic intensity is high. It is clear from FIG. 14 that the cause of the deterioration in the passing characteristic of the SIW is the electromagnetic wave leakage from the gap of the TSV 103 in the propagation direction. As described above, in the case of using an InP substrate with a thickness of 50 μm, if the minimum value of the spacing Wb of the TSV 103 is about 100 μm, as a result, using an InP substrate with a thickness of 50 μm It can be said that it is impossible to make SIWs that can propagate to loss. In addition, if it is necessary to set the minimum value of the interval Wb of the TSV 103 to be twice or more the thickness of the substrate, the frequency of the electromagnetic wave that can be propagated without leakage by SIW is further reduced.

以上の議論から、高周波帯でSIWを作製する際の課題が明らかになった。つまり、従来のSIWには、伝搬可能な電磁波の周波数の上限と基板の機械的な強度(すなわち伝搬方向のTSV103の間隔Wb)にトレードオフが存在する、という課題があった。   From the above discussion, the problem in making SIW in high frequency band became clear. That is, in the conventional SIW, there is a problem that there is a tradeoff between the upper limit of the frequency of the propagating electromagnetic wave and the mechanical strength of the substrate (that is, the interval Wb of the TSVs 103 in the propagation direction).

D.Deslandes,et al.,“Integrated microstrip and rectangular waveguide in planar form”,IEEE MICROWAVE AND WIRELESS COMPONENTS LETTERS,Vol.11,No.2,2001D. Deslandes, et al., "Integrated microstrip and rectangular waveguide in planar form", IEEE MICROWAVE AND WIRELESS COMPONENTS LETTERS, Vol. 11, No. 2, 2001

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、SIWの伝搬可能な電磁波の周波数の上限と基板の機械的な強度とのトレードオフを緩和することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to alleviate the trade-off between the upper limit of the frequency of an electromagnetic wave that can be propagated by SIW and the mechanical strength of the substrate.

本発明の基板集積導波管は、誘電体もしくは半導体からなる基板と、この基板の第1の面に形成された第1の金属層と、前記第1の面の反対側の、前記基板の第2の面に形成された第2の金属層と、電磁波の伝搬方向に沿って2列に並ぶように前記基板に周期的に形成され、前記第1の金属層と前記第2の金属層とを接続する複数の第1の基板貫通ビアと、前記第1の基板貫通ビアの各列において隣接する第1の基板貫通ビアの間の箇所から外側に向かって前記伝搬方向と異なる方向に延伸するように前記第1の金属層に形成された複数のスタブとを備え、各スタブと前記基板と前記第2の金属層とは、前記第1、第2の金属層と2列の前記第1の基板貫通ビアとによって囲まれた前記基板から前記第1の基板貫通ビアの間の箇所を通って漏洩した電磁波が伝搬する線路を構成し、前記基板で伝送したい所望の電磁波の波長をλとしたとき、前記線路の長さはλ/4+n×λ/2(nは非負整数)であることを特徴とするものである。   The substrate integrated waveguide according to the present invention comprises a substrate made of a dielectric or a semiconductor, a first metal layer formed on the first surface of the substrate, and the substrate opposite to the first surface. A second metal layer formed on the second surface and the first metal layer and the second metal layer are periodically formed on the substrate so as to be arranged in two lines along the propagation direction of the electromagnetic wave. Extending in the direction different from the propagation direction from the locations between the plurality of first substrate through vias connecting the first substrate through vias adjacent in each row of the plurality of first substrate through vias. And a plurality of stubs formed in the first metal layer, each stub, the substrate, and the second metal layer are formed of the first and second metal layers and the second row of the first metal layer. Leakage from the substrate, surrounded by one through-substrate via, through the location between the first through-substrate via When the wavelength of the desired electromagnetic wave to be transmitted by the substrate is λ, the length of the line is λ / 4 + n × λ / 2 (n is a non-negative integer). It is said that.

また、本発明の基板集積導波管の1構成例において、前記複数のスタブは、それぞれ前記第1の金属層から外側に向かって突出するように形成され、前記線路は、各スタブと前記基板と前記第2の金属層とからなるマイクロストリップ型の線路であることを特徴とするものである。
また、本発明の基板集積導波管の1構成例において、前記複数のスタブは、それぞれ周囲に形成された溝によって前記第1の金属層との接続部を除く箇所が前記第1の金属層と隔てられ、前記線路は、各スタブと前記基板と前記第1の金属層と前記第2の金属層とからなるコプレーナ型の線路であることを特徴とするものである。
In one configuration example of the substrate integrated waveguide according to the present invention, the plurality of stubs are formed so as to protrude outward from the first metal layer, and the line is formed of each stub and the substrate. And a second metal layer.
Further, in one configuration example of the substrate integrated waveguide according to the present invention, the plurality of stubs are separated from the connection portion with the first metal layer by the grooves formed around the first metal layer, respectively. The line is a coplanar line consisting of stubs, the substrate, the first metal layer, and the second metal layer.

また、本発明の基板集積導波管の1構成例において、前記線路は、先端が接地されていることを特徴とするものである。
また、本発明の基板集積導波管の1構成例において、前記複数のスタブは、それぞれ前記第1の金属層から外側に向かって突出するように形成され、前記複数のスタブのそれぞれの先端と前記第2の金属層とを接続する複数の第2の基板貫通ビアをさらに備え、前記線路は、各スタブと前記基板と前記第2の金属層とからなるマイクロストリップ型の線路であり、先端が接地されていることを特徴とするものである。
また、本発明の基板集積導波管の1構成例において、前記複数のスタブは、それぞれ周囲に形成された溝によって前記第1の金属層との接続部および前記接続部と反対側の先端部とを除く箇所が前記第1の金属層と隔てられ、前記線路は、各スタブと前記基板と前記第1の金属層と前記第2の金属層とからなるコプレーナ型の線路であり、先端が接地されていることを特徴とするものである。
In one configuration example of the substrate integrated waveguide according to the present invention, the tip of the line is grounded.
Further, in one configuration example of the substrate integrated waveguide according to the present invention, the plurality of stubs are formed to protrude outward from the first metal layer, and the respective tips of the plurality of stubs and The semiconductor device further comprises a plurality of second through-substrate vias connecting the second metal layer, and the line is a microstrip line consisting of each stub, the substrate, and the second metal layer, Is characterized in that it is grounded.
Further, in one configuration example of the substrate integrated waveguide according to the present invention, the plurality of stubs are connected to the first metal layer by a groove formed in the periphery and a tip portion on the opposite side to the connection portion. And the line is a coplanar line consisting of stubs, the substrate, the first metal layer, and the second metal layer, and the tip of the line is separated from the first metal layer. It is characterized in that it is grounded.

本発明によれば、第1の基板貫通ビアの各列において隣接する第1の基板貫通ビアの間の箇所から外側に向かって伝搬方向と異なる方向に延伸するように複数のスタブを第1の金属層に形成し、基板で伝送したい所望の電磁波の波長λに対して、各スタブと基板と第2の金属層とからなる線路の長さをλ/4+n×λ/2とすることにより、従来の基板集積導波管よりも高い周波数の電磁波を漏洩なく伝搬させることが可能となる。その結果、本発明では、基板集積導波管の伝搬可能な電磁波の周波数の上限と基板の機械的な強度とのトレードオフを緩和することができる。   According to the present invention, in each row of the first through substrate vias, the plurality of stubs are extended outward in a direction different from the propagation direction from the location between the adjacent first through substrate vias. By forming the metal layer and setting the length of the line consisting of each stub, the substrate and the second metal layer to λ / 4 + n × λ / 2 for the wavelength λ of the desired electromagnetic wave to be transmitted by the substrate, It becomes possible to propagate an electromagnetic wave of a frequency higher than that of the conventional substrate integrated waveguide without leakage. As a result, in the present invention, it is possible to ease the tradeoff between the upper limit of the frequency of the propagating electromagnetic wave of the substrate integrated waveguide and the mechanical strength of the substrate.

図1は、本発明の第1の実施例に係る基板集積導波管の構成を示す平面図および断面図である。FIG. 1 is a plan view and a sectional view showing the structure of a substrate integrated waveguide according to a first embodiment of the present invention. 図2は、本発明の第1の実施例に係る基板集積導波管の等価的な構成を示す平面図である。FIG. 2 is a plan view showing an equivalent configuration of a substrate integrated waveguide according to a first embodiment of the present invention. 図3は、本発明の第2の実施例に係る基板集積導波管の構成を示す平面図および断面図である。FIG. 3 is a plan view and a sectional view showing the structure of a substrate integrated waveguide according to a second embodiment of the present invention. 図4は、本発明の第3の実施例に係る基板集積導波管の構成を示す平面図および断面図である。FIG. 4 is a plan view and a sectional view showing the structure of a substrate integrated waveguide according to a third embodiment of the present invention. 図5は、本発明の第4の実施例に係る基板集積導波管の構成を示す平面図および断面図である。FIG. 5 is a plan view and a sectional view showing the structure of a substrate integrated waveguide according to a fourth embodiment of the present invention. 図6は、本発明の第5の実施例に係る基板集積導波管の計算モデルを示す斜視図である。FIG. 6 is a perspective view showing a calculation model of a substrate integrated waveguide according to a fifth embodiment of the present invention. 図7は、本発明の第5の実施例に係る基板集積導波管の通過特性を示す図である。FIG. 7 is a view showing the pass characteristic of the substrate integrated waveguide according to the fifth embodiment of the present invention. 図8は、本発明の第6の実施例に係る基板集積導波管の計算モデルを示す斜視図である。FIG. 8 is a perspective view showing a calculation model of a substrate integrated waveguide according to a sixth embodiment of the present invention. 図9は、本発明の第6の実施例に係る基板集積導波管の通過特性を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing the pass characteristic of the substrate integrated waveguide according to the sixth embodiment of the present invention. 図10は、本発明の第7の実施例に係る基板集積導波管の構成を示す平面図である。FIG. 10 is a plan view showing the configuration of a substrate integrated waveguide according to a seventh embodiment of the present invention. 図11は、従来の基板集積導波管の構成を示す斜視図である。FIG. 11 is a perspective view showing the configuration of a conventional substrate integrated waveguide. 図12は、従来の基板集積導波管を伝搬するTE10モードの伝送線路内波長の四分の一波長の大きさの周波数依存性を示す図である。FIG. 12 is a diagram showing the frequency dependency of the size of a quarter wavelength of the wavelength in the transmission line of TE 10 mode propagating in the conventional substrate integrated waveguide. 図13は、電磁波伝搬方向の基板貫通ビアの間隔をパラメータとしたときの基板集積導波管の通過特性を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing the pass characteristic of the substrate integrated waveguide when the distance between the through-substrate vias in the electromagnetic wave propagation direction is used as a parameter. 図14は、従来の基板集積導波管における電磁波の伝搬の様子を示す図である。FIG. 14 is a view showing propagation of electromagnetic waves in a conventional substrate integrated waveguide.

[第1の実施例]
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。図1(A)は本発明の第1の実施例に係るSIWの構成を示す平面図、図1(B)は図1(A)のA−A線断面図、図1(C)は図1(A)のB−B線断面図である。本実施例のSIWは、誘電体もしくは半導体から成る基板100と、基板100の第1の面に形成された基板上面金属層101aと、基板100の第1の面と反対側の第2の面全面に形成された基板下面金属層102と、電磁波伝搬方向(図1(A)左右方向)に沿って2列に並ぶように周期的に配置され、基板上面金属層101aと基板下面金属層102とを接続する複数のTSV103とから構成される。以下、基板100の第1の面および第2の面をそれぞれ「上面」および「下面」という。
First Embodiment
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. 1 (A) is a plan view showing the configuration of the SIW according to the first embodiment of the present invention, FIG. 1 (B) is a sectional view taken along the line A-A of FIG. 1 (A), and FIG. It is a BB sectional drawing of 1 (A). The SIW of this embodiment includes a substrate 100 made of dielectric or semiconductor, a substrate upper surface metal layer 101 a formed on the first surface of the substrate 100, and a second surface opposite to the first surface of the substrate 100. The substrate lower surface metal layer 102 formed on the entire surface and the substrate upper surface metal layer 101a and the substrate lower surface metal layer 102 are periodically arranged in two lines along the electromagnetic wave propagation direction (left and right direction in FIG. 1A). And a plurality of TSVs 103 connecting the Hereinafter, the first surface and the second surface of the substrate 100 are referred to as “upper surface” and “lower surface”, respectively.

従来と同様に、基板上面金属層101aと基板下面金属層102と2列のTSV103とによって囲まれた基板100の領域を電磁波が伝搬する。従来と本実施例との違いは、電磁波伝搬方向に沿って周期的に配置される複数のTSV103のそれぞれの間の箇所からSIWの外側に向かって電磁波伝搬方向と異なる方向(通常は電磁波伝搬方向と垂直な方向)に延伸する複数のスタブ104を、2列のTSV103のそれぞれの外側の基板上面金属層101aに形成した点である。各スタブ104の延伸方向の長さは、SIWで伝搬させたい所望の電磁波の波長λの四分の一の長さ(λ/4)に設定される。このようなスタブ104を有する基板上面金属層101aの平面形状は、基板100の上面に形成した金属層を加工することによって実現できる。   As in the prior art, the electromagnetic wave propagates through the region of the substrate 100 surrounded by the substrate upper surface metal layer 101a, the substrate lower surface metal layer 102, and the two rows of TSVs 103. The difference between the conventional example and the present embodiment is that the direction from the electromagnetic wave propagation direction toward the outside of the SIW from the location between each of the plurality of TSVs 103 periodically arranged along the electromagnetic wave propagation direction (usually the electromagnetic wave propagation direction And a plurality of stubs 104 extending in a direction perpendicular to the above are formed on the outer surface of the substrate upper surface metal layer 101 a of each of the two rows of TSVs 103. The length in the extension direction of each stub 104 is set to a quarter length (λ / 4) of the wavelength λ of the desired electromagnetic wave to be propagated by the SIW. The planar shape of the substrate upper surface metal layer 101 a having such stubs 104 can be realized by processing the metal layer formed on the upper surface of the substrate 100.

本実施例により、SIWからの電磁波の漏洩が減少することは、以下のように説明できる。各スタブ104の部分(図1(C)の破線105の部分)について見ると、スタブ104と基板100と基板下面金属層102とは、マイクロストリップ型伝送線路を構成していることになる。したがって、各TSV103の間の箇所から延伸する伝送線路を設けることにより、各TSV103の間の箇所から漏洩した電磁波が伝送線路の伝搬モードに結合する。結合した電磁波は、伝送線路の開放端(スタブ104の先端)により反射され、SIWに戻ってくる。このとき、伝送線路の長さがλ/4に設定されていることから、各TSV103の間の箇所から伝送線路側を見たときのインピーダンスは波長λにおいて短絡となる。   The reduction of electromagnetic wave leakage from SIW according to this embodiment can be described as follows. Looking at the portions of the stubs 104 (portions of the broken line 105 in FIG. 1C), the stubs 104, the substrate 100 and the substrate lower surface metal layer 102 constitute a microstrip transmission line. Therefore, by providing the transmission lines extending from the points between the TSVs 103, the electromagnetic waves leaked from the points between the TSVs 103 are coupled to the propagation mode of the transmission line. The coupled electromagnetic waves are reflected by the open end of the transmission line (the tip of the stub 104) and return to the SIW. At this time, since the length of the transmission line is set to λ / 4, the impedance when the transmission line side is viewed from the location between each TSV 103 is a short circuit at the wavelength λ.

すなわち、本実施例では、図2に示すように、従来のSIWにおいて、各TSV103の間にTSV106を配置したのと等価な効果を得ることができる。これにより、本実施例では、等価的にSIW側壁のTSV103の密度が向上し、より高周波でも電磁波の漏洩を防ぐことができる。その結果、本実施例では、SIWの伝搬可能な電磁波の周波数の上限と基板の機械的な強度(すなわち電磁波伝搬方向のTSV103の間隔)とのトレードオフを緩和することができる。   That is, in the present embodiment, as shown in FIG. 2, in the conventional SIW, an effect equivalent to arranging the TSV 106 between each TSV 103 can be obtained. As a result, in the present embodiment, the density of the TSVs 103 on the side walls of the SIW is equivalently improved, and the leakage of the electromagnetic wave can be prevented even at a higher frequency. As a result, in the present embodiment, the trade-off between the upper limit of the frequency of the electromagnetic wave capable of propagating SIW and the mechanical strength of the substrate (that is, the interval of the TSV 103 in the electromagnetic wave propagation direction) can be relaxed.

[第2の実施例]
次に、本発明の第2の実施例について説明する。図3(A)は本発明の第2の実施例に係るSIWの構成を示す平面図、図3(B)は図3(A)のA−A線断面図、図3(C)は図3(A)のB−B線断面図であり、図1(A)〜図1(C)と同一の構成には同一の符号を付してある。第1の実施例では、各スタブ104の周囲の基板上面金属層101aを除去しているが、本実施例では、各スタブ104の周りを基板上面金属層101bで囲むようにしている。基板上面金属層101bとの接続部を除くスタブ104の周囲には、基板上面金属層101bを除去した溝107が形成されている。これにより、スタブ104の基板上面金属層101bとの接続部を除く箇所が溝107によって基板上面金属層101bと隔てられた構造となっている。
Second Embodiment
Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 3 (A) is a plan view showing the configuration of the SIW according to the second embodiment of the present invention, FIG. 3 (B) is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG. 3 (A), and FIG. It is a BB sectional drawing of 3 (A), and the same code | symbol is attached | subjected to the structure same as FIG. 1 (A)-FIG.1 (C). In the first embodiment, the substrate upper surface metal layer 101a around each stub 104 is removed, but in this embodiment, each stub 104 is surrounded by the substrate upper surface metal layer 101b. A groove 107 from which the substrate upper surface metal layer 101b is removed is formed around the stub 104 except for the connection portion with the substrate upper surface metal layer 101b. As a result, the location excluding the connection portion between the stub 104 and the substrate upper surface metal layer 101 b is separated from the substrate upper surface metal layer 101 b by the groove 107.

各スタブ104の部分(図3(C)の破線108の部分)について見ると、スタブ104とこのスタブ104の周囲の基板上面金属層101bと基板100と基板下面金属層102とは、コプレーナ型伝送線路を構成していることになる。このような構成により、本実施例においても、第1の実施例と同様の効果を得ることができる。   Looking at the portion of each stub 104 (the portion of the broken line 108 in FIG. 3C), the stub 104, the substrate upper surface metal layer 101b around the stub 104, the substrate 100, and the substrate lower surface metal layer 102 are coplanar type transmissions. It constitutes a track. With such a configuration, also in this embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained.

[第3の実施例]
次に、本発明の第3の実施例について説明する。図4(A)は本発明の第3の実施例に係るSIWの構成を示す平面図、図4(B)は図4(A)のA−A線断面図、図4(C)は図4(A)のB−B線断面図であり、図1(A)〜図1(C)と同一の構成には同一の符号を付してある。
Third Embodiment
Next, a third embodiment of the present invention will be described. 4 (A) is a plan view showing the configuration of the SIW according to the third embodiment of the present invention, FIG. 4 (B) is a sectional view taken along the line A-A of FIG. 4 (A), and FIG. It is a BB sectional view of 4 (A), and the same numerals are given to the same composition as Drawing 1 (A)-Drawing 1 (C).

本実施例のSIWでは、第1の実施例と同様に、電磁波伝搬方向に沿って周期的に配置される複数のTSV103のそれぞれの間の箇所からSIWの外側に向かって電磁波伝搬方向と異なる方向(通常は電磁波伝搬方向と垂直な方向)に延伸する複数のスタブ104を基板上面金属層101cに形成しているが、第1の実施例と異なり、各スタブ104の先端をTSV109を介して基板下面金属層102と短絡している。   In the SIW of this embodiment, as in the first embodiment, a direction different from the electromagnetic wave propagation direction from the location between each of the plurality of TSVs 103 periodically arranged along the electromagnetic wave propagation direction. Although a plurality of stubs 104 extending in the direction perpendicular to the electromagnetic wave propagation direction are formed on the substrate upper surface metal layer 101c, unlike the first embodiment, the tip of each stub 104 is a substrate via the TSV 109 It is short-circuited with the lower surface metal layer 102.

本実施例の原理は以下のとおりである。各TSV103の間の箇所から漏洩し、スタブ104と基板100と基板下面金属層102とからなる伝送線路の伝搬モードに結合した電磁波は、この伝送線路の短絡端(スタブ104の先端)で反射されてSIW側に戻る。このとき、伝送線路の長さがλ/4に設定されていることから、各TSV103の間の箇所から伝送線路側を見たときのインピーダンスは波長λにおいて開放となる。したがって、電磁波は基板内に漏洩することができず、結果としてSIW内に閉じこもり、SIWを伝搬する。   The principle of this embodiment is as follows. An electromagnetic wave leaked from a point between each TSV 103 and coupled to the propagation mode of the transmission line consisting of the stub 104, the substrate 100, and the substrate lower surface metal layer 102 is reflected at the short end (the tip of the stub 104) of this transmission line. Then return to the SIW side. At this time, since the length of the transmission line is set to λ / 4, the impedance when the transmission line side is viewed from the location between each TSV 103 is open at the wavelength λ. Therefore, the electromagnetic waves can not leak into the substrate, and as a result, they are confined within the SIW and propagate the SIW.

本実施例の場合、TSV109により基板下面金属層102(グランドメタル)とスタブ104の先端とを接続することによって短絡端を形成することになる。したがって、本実施例では、TSV109により基板100の機械的な強度が低下するのではないかという懸念が生じる。しかし、一部の例外を除いて、本実施例により基板100の機械的強度が低下することは無い。   In the case of the present embodiment, the short circuit end is formed by connecting the substrate lower surface metal layer 102 (ground metal) and the end of the stub 104 by the TSV 109. Therefore, in the present embodiment, there is a concern that the mechanical strength of the substrate 100 may be reduced by the TSV 109. However, with some exceptions, this embodiment does not reduce the mechanical strength of the substrate 100.

前述のように、電磁波伝搬方向のTSV103の間隔Wbは、基板100の機械的な強度を保つ値に設定する必要がある。しかしながら、間隔Wbを、SIWを伝搬するモードの伝送線路内波長λgの四分の一以上に設定すると、SIWからの電磁波の漏洩が顕著になり、SIWを良好な伝送線路として使用できなくなる問題があった。したがって、基板100の機械的強度から決まる、電磁波伝搬方向のTSV103の最小配置間隔をWminとすると、次式を満たすようにすれば、電磁波の漏洩の無い良好なSIWが通常の設計手法で製作可能である。
λg/4≧Wb≧Wmin ・・・(2)
As described above, the interval Wb between the TSVs 103 in the electromagnetic wave propagation direction needs to be set to a value that maintains the mechanical strength of the substrate 100. However, if the distance Wb is set to one-quarter or more of the wavelength λg in the transmission line of the mode in which the SIW is propagated, leakage of the electromagnetic wave from the SIW becomes remarkable and the SIW can not be used as a good transmission line. there were. Therefore, assuming that the minimum arrangement interval of the TSVs 103 in the electromagnetic wave propagation direction determined by the mechanical strength of the substrate 100 is Wmin, a good SIW without electromagnetic wave leakage can be manufactured by the usual design method if the following equation is satisfied. It is.
λg / 4 ≧ Wb ≧ Wmin (2)

本発明が対象とするのは、伝搬させたい電磁波の周波数が極めて高いために、間隔Wbを最小配置間隔をWminと等しくとっても、以下の式(3)が成立してしまい、基板100の機械的強度とSIWの特性を両立できない場合である。
Wb=Wmin≧λg/4 ・・・(3)
The object of the present invention is that, since the frequency of the electromagnetic wave to be propagated is extremely high, the following equation (3) is satisfied even if the minimum arrangement interval is equal to Wmin when the interval Wb is equal to It is a case where strength and SIW characteristics can not be compatible.
Wb = Wmin ≧ λg / 4 (3)

本実施例では、スタブ104と基板100と基板下面金属層102とからなる伝送線路(マイクロストリップ線路)の短絡端に配置するTSV109と、SIWの側壁に配置するTSV103との間隔(図4(A)のa)が、式(3)と同様に、次式を満たすようにしないと、基板100の機械的な強度が低下してしまう。
a≧Wb=Wmin ・・・(4)
In this embodiment, the distance between the TSV 109 disposed at the short-circuit end of the transmission line (microstrip line) consisting of the stub 104, the substrate 100 and the substrate lower surface metal layer 102 and the TSV 103 disposed at the sidewall of the SIW (FIG. The mechanical strength of the substrate 100 is reduced if a) in the above a) does not satisfy the following equation as in the equation (3).
a W Wb = Wmin (4)

しかし、一部の例外を除いた場合において、TSV109とTSV103との間隔aは式(4)を満足することが、以下のように説明できる。図4(A)において、三平方の定理から、次式が成立する。
a=((λ/4)2+(Wb/2)21/2 ・・・(5)
However, it can be explained as follows that the interval a between the TSV 109 and the TSV 103 satisfies the equation (4) with some exceptions. In FIG. 4 (A), the following equation is established from the theorem of three squares.
a = ((λ / 4) 2 + (Wb / 2) 2 ) 1/2 (5)

すなわち、TSV109とTSV103との間隔aは、電磁波伝搬方向のTSV103の間隔Wbに対して単調増加な関数となる。いま、式(3)から、Wb≧λg/4であるから、この関係と式(5)から次式が成立する。
a≧((λ/4)2+(λg/8)21/2 ・・・(6)
That is, the interval a between the TSV 109 and the TSV 103 is a monotonically increasing function with respect to the interval Wb of the TSV 103 in the electromagnetic wave propagation direction. Now, from the equation (3), since Wbλλg / 4, the following equation is established from this relationship and the equation (5).
a (((λ / 4) 2 + (λg / 8) 2 ) 1/2 (6)

ここで、次の式(7)が成り立つことが証明できれば、式(6)から式(8)が成立し、この式(8)と式(3)、式(4)から、間隔aは、最小でも間隔Wbと同じ値を選ぶことができ、基板100の機械的強度から決まるTSV103の最小配置間隔Wminよりも大きな値をとることができる。
λ≧λg ・・・(7)
a≧51/2λg/8=0.2795λg≧λg/4 ・・・(8)
Here, if it can be proved that the following equation (7) holds, the equations (6) to (8) hold, and from this equation (8), the equation (3) and the equation (4), the interval a is The minimum value can be selected to be the same value as the interval Wb, and can be larger than the minimum arrangement interval Wmin of the TSVs 103 determined by the mechanical strength of the substrate 100.
λ ≧ λg (7)
a 5 5 1/2 λg / 8 = 0.2795 λg λ λg / 4 (8)

式(7)が通常成り立つことは以下のように説明される。SIWを伝搬する電磁波の周波数をfとしたとき、SIWおよびマイクロストリップ線路を伝搬する電磁波の伝送線路内波長は次のように書ける。
λg=c/(εs 1/2f) ・・・(9)
λ=c/(εm 1/2f) ・・・(10)
That equation (7) usually holds is explained as follows. Assuming that the frequency of the electromagnetic wave propagating through the SIW is f, the wavelength within the transmission line of the electromagnetic wave propagating through the SIW and the microstrip line can be written as follows.
λg = c / (ε s 1/2 f) (9)
λ = c / (ε m 1/2 f) (10)

ここで、cは真空における光速度、εsはSIWを伝搬するTE10モードの実効比誘電率、εmはマイクロストリップ線路を伝搬するモードの実効比誘電率である。実効比誘電率は、電磁波の伝搬モードが存在する空間に含まれる平均的な比誘電率で表される。SIWの場合は、伝搬モードは基板100を伝搬するから、その伝搬モードの実効誘電率εsは、ほぼ基板100の比誘電率εsubと一致する。マイクロストリップ線路の場合、その伝搬モードは、基板100と基板上の誘電体からなる上部クラッド(通常は空気)の両方の比誘電率の影響を受けながら伝搬する。したがって、上部クラッドの比誘電率をεcladとすれば、マイクロストリップ線路を伝搬するモードの実効比誘電率εmは、比誘電率εsubとεcladとの間の平均的な値をとる。 Here, c is the speed of light in vacuum, ε s is the effective relative permittivity of TE 10 mode propagating SIW, and ε m is the effective relative permittivity of the mode propagating microstrip line. The effective relative permittivity is represented by the average relative permittivity contained in the space where the propagation mode of the electromagnetic wave is present. In the case of SIW, since the propagation mode propagates through the substrate 100, the effective permittivity ε s of the propagation mode substantially matches the relative permittivity ε sub of the substrate 100. In the case of a microstrip line, the propagation mode propagates under the influence of the relative permittivity of both the substrate 100 and the upper cladding (usually air) made of a dielectric on the substrate. Therefore, assuming that the relative permittivity of the upper cladding is ε clad , the effective relative permittivity ε m of the mode propagating through the microstrip line takes an average value between the relative permittivity ε sub and ε clad .

SIWの基板100としては、ほとんどの場合において、アルミナ等の誘電体や、Si,InP等の半導体が使用されるが、これらの誘電体や半導体の比誘電率は9〜12と非常に大きい。一方で、上部クラッドはほとんどの場合、空気(比誘電率1)である。ごくまれに空気以外の樹脂等を上部クラッドとして用いる場合もあるが、樹脂の比誘電率は2〜3程度と、SIWの基板100の比誘電率よりも小さい。このような場合においては、平均的な比誘電率εmは、基板100の比誘電率εsubよりも必ず小さくなる。前記のように、SIWを伝搬するTE10モードの実効比誘電率εsは、ほぼ基板100の比誘電率εsubと等しいから、結果として以下の式(11)が成立し、この式(11)と式(9)、式(10)とから式(7)が成立する。
εs>εm ・・・(11)
In most cases, dielectrics such as alumina and semiconductors such as Si and InP are used as the substrate 100 of SIW. However, the dielectric constants of these dielectrics and semiconductors are as high as 9-12. On the other hand, the upper cladding is most often air (dielectric constant 1). Although the resin or the like other than air may be used as the upper clad in very rare cases, the relative dielectric constant of the resin is about 2-3, which is smaller than the relative dielectric constant of the substrate 100 of SIW. In such a case, the average relative dielectric constant ε m is always smaller than the relative dielectric constant ε sub of the substrate 100. As described above, since the effective relative permittivity ε s of the TE 10 mode propagating SIW is substantially equal to the relative permittivity ε sub of the substrate 100, the following equation (11) is established as a result, and this equation (11) The equation (7) is established from the equation (9) and the equation (10).
ε s > ε m (11)

式(7)が成立しない唯一の例外は、上部クラッドに、基板100よりも高い比誘電率の物質を用いる場合のみであるが、このような場合は実用上ほとんど存在しない。
以上の議論から、本実施例によれば、基板100の機械的な強度を損なうことなくSIWからの電磁波の漏洩を防ぐことができることが説明された。
The only exception in which the equation (7) does not hold is only in the case of using a material with a relative dielectric constant higher than that of the substrate 100 in the upper cladding, but such a case hardly exists practically.
From the above discussion, according to the present embodiment, it is described that the leakage of the electromagnetic wave from the SIW can be prevented without impairing the mechanical strength of the substrate 100.

第1、第2の実施例では、SIWに付加される伝送線路の端部は開放されるが、高周波回路においては、理想的な開放端を製作することが難しい場合が存在する。例えば、回路素子を密集して配置する場合、SIWに付加される伝送線路の近傍に回路素子が配置されることが考えられる。このような場合、扱う電磁波の周波数によっては、近傍の回路素子との間の寄生容量が無視できなくなり、SIWに付加される伝送線路の端部が理想的な開放とは異なる特性になってしまう場合も考えられる。そのような場合には、本実施例を使用すればよい。   In the first and second embodiments, the end of the transmission line added to the SIW is open, but there are cases where it is difficult to produce an ideal open end in a high frequency circuit. For example, when the circuit elements are densely arranged, it is conceivable that the circuit elements are arranged in the vicinity of the transmission line added to the SIW. In such a case, depending on the frequency of the electromagnetic wave to be handled, the parasitic capacitance between the adjacent circuit elements can not be ignored, and the end of the transmission line added to the SIW has characteristics different from the ideal opening. The case is also conceivable. In such a case, this embodiment may be used.

[第4の実施例]
次に、本発明の第4の実施例について説明する。図5(A)は本発明の第4の実施例に係るSIWの構成を示す平面図、図5(B)は図5(A)のA−A線断面図、図5(C)は図5(A)のB−B線断面図であり、図3(A)〜図3(C)と同一の構成には同一の符号を付してある。
Fourth Embodiment
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. FIG. 5 (A) is a plan view showing the configuration of an SIW according to a fourth embodiment of the present invention, FIG. 5 (B) is a cross-sectional view taken along the line A-A of FIG. 5 (A), and FIG. It is a BB sectional view of 5 (A), and the same numerals are given to the same composition as Drawing 3 (A)-Drawing 3 (C).

第2の実施例では、各スタブ104の先端と基板上面金属層101dとが溝107によって隔てられた構造となっているが、本実施例では、各スタブ104の先端と基板上面金属層101dとを隔てる溝を無くしている。すなわち、電磁波伝搬方向と異なる方向(通常は電磁波伝搬方向と垂直な方向)に延伸する各スタブ104の両脇の基板上面金属層101dに溝110を形成し、SIWの内側(接続部)と外側(先端)のそれぞれで各スタブ104が基板上面金属層101dと接続され、各スタブ104の両脇が溝110によって基板上面金属層101dと隔てられた構造となっている。   In the second embodiment, the tip of each stub 104 and the substrate upper surface metal layer 101d are separated by the groove 107, but in this embodiment, the tip of each stub 104 and the substrate upper surface metal layer 101d are separated. The groove separating the That is, the grooves 110 are formed in the substrate upper surface metal layer 101d on both sides of each stub 104 extending in a direction different from the electromagnetic wave propagation direction (normally, the direction perpendicular to the electromagnetic wave propagation direction). Each stub 104 is connected to the substrate upper surface metal layer 101 d at each (tip), and both sides of each stub 104 are separated from the substrate upper surface metal layer 101 d by the grooves 110.

各スタブ104の部分について見ると、スタブ104とこのスタブ104の周囲の基板上面金属層101dと基板100と基板下面金属層102とが、コプレーナ型伝送線路を構成し、このコプレーナ型伝送線路の先端が短絡端となっている。このような構成により、本実施例においても、第3の実施例と同様の効果を得ることができる。   Looking at each stub 104, the stub 104, the substrate upper surface metal layer 101d around the stub 104, the substrate 100 and the substrate lower surface metal layer 102 constitute a coplanar transmission line, and the tip of the coplanar transmission line Is the short circuit end. With such a configuration, the same effect as that of the third embodiment can be obtained also in this embodiment.

なお、第1〜第4実施例のいずれにおいても、SIWに付加される伝送線路における電磁波の位相回転量が、90°+180°×n(nは0,1,2,・・・の非負整数)を満たすようにすれば、SIWからの電磁波の漏洩を防ぐことができる。すなわち、伝送線路の長さ(スタブ104の長さ)は、λ/4のみに限定されるものではなく、λ/4+n×λ/2を満たすようにすればよい。このような伝送線路の長さの規定は、一般の四分の一波長線路の性質から明らかである。   In any of the first to fourth embodiments, the phase rotation amount of the electromagnetic wave in the transmission line added to the SIW is 90 ° + 180 ° × n (n is a non-negative integer of 0, 1, 2,... ) Can prevent the leakage of electromagnetic waves from SIW. That is, the length of the transmission line (the length of the stub 104) is not limited to λ / 4, and may be λ / 4 + n × λ / 2. The definition of the length of such a transmission line is apparent from the nature of a general quarter-wave line.

[第5の実施例]
次に、本発明の第5の実施例について説明する。本実施例は、第1の実施例の具体例を示し、InP基板上のSIWに適用した例を示している。SIWの基本的な構成は第1の実施例で説明したとおりであるので、図1(A)〜図1(C)の符号を用いて説明する。本実施例で用いた計算モデルを図6に示す。図13の計算例と同様に、InPからなる基板100の厚さTを50μmとし、InPの誘電率を12.3とした。SIWの幅Wcを180μmとし、TSV103の直径Dを40μmとした。また、電磁波伝搬方向のTSV103の間隔Wbは、図13においてSIWの通過特性が顕著に劣化し始める110μmとした。
Fifth Embodiment
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described. This embodiment shows a specific example of the first embodiment and shows an example applied to SIW on an InP substrate. Since the basic configuration of the SIW is as described in the first embodiment, it will be described using the symbols of FIG. 1 (A) to FIG. 1 (C). The calculation model used in this example is shown in FIG. As in the calculation example of FIG. 13, the thickness T of the substrate 100 made of InP is 50 μm, and the dielectric constant of InP is 12.3. The width Wc of the SIW was 180 μm, and the diameter D of the TSV 103 was 40 μm. In addition, the interval Wb between the TSVs 103 in the electromagnetic wave propagation direction is set to 110 μm in which the passing characteristic of the SIW begins to deteriorate remarkably in FIG.

なお、図6では、基板上面金属層101aを覆うように形成される上部クラッド111を記載している。しかし、実際には、基板上面金属層101aを覆う上部クラッド111がない状態でSIWの特性を計算している。言い換えると、基板上面金属層101aの上には、比誘電率1の空気が上部クラッド111として存在するものとしてSIWの特性を計算している。先に示した図13についても、同様の設定で計算を行っている。一般には、上部クラッド111として、その誘電率がSIWを構成する基板100の誘電率よりも低いものを使用しても、本発明の効果が失われることはない。   In FIG. 6, the upper clad 111 formed so as to cover the substrate upper surface metal layer 101a is described. However, in practice, the characteristics of the SIW are calculated without the upper cladding 111 covering the substrate upper surface metal layer 101a. In other words, the characteristics of the SIW are calculated on the assumption that air of relative dielectric constant 1 is present as the upper cladding 111 on the substrate upper surface metal layer 101a. The calculation is performed with the same setting also for FIG. 13 shown above. In general, even if the upper cladding 111 has a dielectric constant lower than the dielectric constant of the substrate 100 constituting the SIW, the effects of the present invention are not lost.

本実施例では、延伸方向の長さLが80μm、この延伸方向と垂直な方向の幅Wdが35μmのスタブ104を基板上面金属層101aに付加した。すなわち、第1の実施例で説明したとおり、スタブ104と基板100と基板下面金属層102とからなる、先端が開放されたマイクロストリップ型伝送線路を付加したことになる。長さL=80μmは、300GHzにおける、マイクロストリップ型伝送線路の四分の一波長に等しい長さである。   In the present example, a stub 104 having a length L in the stretching direction of 80 μm and a width Wd in the direction perpendicular to the stretching direction of 35 μm was added to the substrate upper surface metal layer 101a. That is, as described in the first embodiment, a microstrip transmission line with an open tip, which comprises the stub 104, the substrate 100, and the substrate lower surface metal layer 102, is added. The length L = 80 μm is equal to a quarter wavelength of the microstrip transmission line at 300 GHz.

図6に示したモデルを用いてSIWの通過特性S21を計算した結果を図7に示す。比較のために、図11に示した従来のSIWにおいて、電磁波伝搬方向のTSV103の間隔Wb=110μmとした場合の通過特性S21を併記している。図7の70が従来のSIWの通過特性S21を示し、71が本実施例のSIWの通過特性S21を示している。 The results of calculating the pass characteristics S 21 of SIW using the model shown in FIG. 6 is shown in FIG. For comparison, in the conventional SIW shown in FIG. 11, it is also shown passing characteristic S 21 in the case where the distance Wb = 110 [mu] m of electromagnetic wave propagation direction TSV103. 70 in Figure 7 indicates the pass characteristic S 21 of a conventional SIW, 71 indicates a pass characteristic S 21 of SIW in this embodiment.

図7から明らかなように、従来のSIWにおいて290GHz以上でみられた顕著な通過特性の劣化が、本実施例では改善されていることが分かる。また、220GHz〜300GHzの全ての周波数において、本実施例の方が従来のSIWよりも通過特性が良好であることが分かる。このように通過特性が良好な理由は、前述のように、先端が開放されたマイクロストリップ型伝送線路によってSIWからの電磁波の漏洩が防止されるためである。   As apparent from FIG. 7, it can be seen that the remarkable deterioration of the passage characteristic observed at 290 GHz or more in the conventional SIW is improved in the present embodiment. In addition, it can be seen that the pass characteristic of this embodiment is better than that of the conventional SIW at all frequencies of 220 GHz to 300 GHz. As described above, the reason why the pass characteristic is good is that the microstrip transmission line whose tip is opened can prevent the leakage of the electromagnetic wave from the SIW.

本実施例により得られる効果を以下に述べる。まず、本実施例によって、SIWで伝搬可能な電磁波の周波数の上限と、基板100の機械的な強度(すなわち電磁波伝搬方向のTSV103の間隔Wb)とのトレードオフを緩和できる。基板100の機械的な強度を保ったまま高周波化できるため、機械的な強度不足による歩留まりの低下なく超高周波部品が製造可能である。したがって、本実施例によれば、超高周波部品の低コスト化を実現することができる。   The effects obtained by the present embodiment will be described below. First, according to this embodiment, the tradeoff between the upper limit of the frequency of the electromagnetic wave that can be propagated by SIW and the mechanical strength of the substrate 100 (that is, the interval Wb of the TSVs 103 in the electromagnetic wave propagation direction) can be relaxed. Since the frequency can be increased while maintaining the mechanical strength of the substrate 100, an ultrahigh frequency component can be manufactured without a decrease in yield due to mechanical strength shortage. Therefore, according to the present embodiment, the cost reduction of the ultrahigh frequency components can be realized.

また、本実施例では、電磁波伝搬方向のTSV103の間隔Wbを、SIWを伝搬する電磁波の四分の一波長よりも大きくできるため、より低周波のSIWにおいても、従来必要であったTSV103の個数を削減することができる。そのため、機械的強度が向上するのみならず、TSV103の偶発的な不良による製品歩留まりの低下も防ぐことができる。したがって、低周波のSIWを用いた製品においても低コスト化が期待される。   Further, in the present embodiment, since the interval Wb of the TSVs 103 in the electromagnetic wave propagation direction can be made larger than a quarter wavelength of the electromagnetic wave propagating through the SIW, the number of TSVs 103 conventionally required for SIWs of lower frequencies. Can be reduced. Therefore, not only the mechanical strength is improved, but also the reduction of the product yield due to the accidental failure of the TSV 103 can be prevented. Therefore, cost reduction is expected also for products using low frequency SIW.

なお、本実施例では、スタブ104によって構成される伝送線路がマイクロストリップ型伝送線路の場合について説明しているが、第2の実施例に示したようにコプレーナ型伝送線路の場合でも同様の結果が得られることは明らかである。   In the present embodiment, the transmission line formed of the stubs 104 is a microstrip transmission line, but the same result is obtained in the case of the coplanar transmission line as shown in the second embodiment. It is clear that

[第6の実施例]
次に、本発明の第6の実施例について説明する。本実施例は、第3の実施例の具体例を示し、InP基板上のSIWに適用した例を示している。SIWの基本的な構成は第3の実施例で説明したとおりであるので、図4(A)〜図4(C)の符号を用いて説明する。本実施例で用いた計算モデルを図8に示す。図13の計算例と同様に、InPからなる基板100の厚さTを50μmとし、InPの誘電率を12.3とした。SIWの幅Wcを180μmとし、TSV103,109の直径Dを40μmとした。また、電磁波伝搬方向のTSV103の間隔Wbは、図13においてSIWの通過特性が顕著に劣化し始める110μmとした。第5の実施例と同様に、基板上面金属層101cの上には、比誘電率1の空気が上部クラッド111として存在するものとしてSIWの特性を計算している。
Sixth Embodiment
Next, a sixth embodiment of the present invention will be described. This embodiment shows a specific example of the third embodiment and shows an example applied to SIW on an InP substrate. Since the basic configuration of the SIW is as described in the third embodiment, it will be described using the reference numerals of FIGS. 4 (A) to 4 (C). The calculation model used in the present embodiment is shown in FIG. As in the calculation example of FIG. 13, the thickness T of the substrate 100 made of InP is 50 μm, and the dielectric constant of InP is 12.3. The width Wc of the SIW is 180 μm, and the diameter D of the TSVs 103 and 109 is 40 μm. In addition, the interval Wb between the TSVs 103 in the electromagnetic wave propagation direction is set to 110 μm in which the passing characteristic of the SIW begins to deteriorate remarkably in FIG. Similar to the fifth embodiment, the characteristics of SIW are calculated on the assumption that air of relative dielectric constant 1 is present as the upper cladding 111 on the substrate upper surface metal layer 101c.

本実施例では、延伸方向の長さLが80μm、この延伸方向と垂直な方向の幅Wdが35μmのスタブ104を基板上面金属層101cに付加した。すなわち、第3の実施例で説明したとおり、スタブ104と基板100と基板下面金属層102とからなり、先端がTSV109により接地されたマイクロストリップ型伝送線路を付加したことになる。長さL=80μmは、300GHzにおける、マイクロストリップ型伝送線路の四分の一波長に等しい長さである。   In the present example, a stub 104 having a length L in the stretching direction of 80 μm and a width Wd in the direction perpendicular to the stretching direction of 35 μm was added to the substrate upper surface metal layer 101c. That is, as described in the third embodiment, the microstrip type transmission line including the stub 104, the substrate 100, and the substrate lower surface metal layer 102 and having the tip grounded by the TSV 109 is added. The length L = 80 μm is equal to a quarter wavelength of the microstrip transmission line at 300 GHz.

図8に示したモデルを用いてSIWの通過特性S21を計算した結果を図9に示す。比較のために、図11に示した従来のSIWにおいて、電磁波伝搬方向のTSV103の間隔Wb=110μmとした場合の通過特性S21を併記している。図9の70が従来のSIWの通過特性S21を示し、72が本実施例のSIWの通過特性S21を示している。第5の実施例と同様に、本実施例によって通過特性が顕著に改善されていることが分かる。 The results of calculating the pass characteristics S 21 of SIW using the model shown in FIG. 8 is shown in FIG. For comparison, in the conventional SIW shown in FIG. 11, it is also shown passing characteristic S 21 in the case where the distance Wb = 110 [mu] m of electromagnetic wave propagation direction TSV103. 70 in Figure 9 indicates the pass characteristic S 21 of a conventional SIW, 72 indicates a pass characteristic S 21 of SIW in this embodiment. As in the fifth embodiment, it can be seen that the passage characteristics are significantly improved by the present embodiment.

本実施例により得られる効果を以下に述べる。本実施例によって、SIWで伝搬可能な電磁波の周波数の上限と、基板100の機械的な強度(すなわち電磁波伝搬方向のTSV103の間隔Wb)とのトレードオフを緩和できる。そのため、第5の実施例同様、SIWを用いた超高周波部品を安価に製作することができる。本実施例では、スタブ104によって構成される伝送線路がマイクロストリップ型伝送線路の場合について説明しているが、第4の実施例に示したようにコプレーナ型伝送線路の場合でも同様の結果が得られることは明らかである。   The effects obtained by the present embodiment will be described below. According to this embodiment, the trade-off between the upper limit of the frequency of electromagnetic waves that can be propagated by SIW and the mechanical strength of the substrate 100 (that is, the interval Wb of the TSVs 103 in the electromagnetic wave propagation direction) can be relaxed. Therefore, as in the fifth embodiment, an ultra high frequency component using SIW can be manufactured inexpensively. In this embodiment, the transmission line formed by the stubs 104 is a microstrip transmission line. However, as shown in the fourth embodiment, similar results are obtained in the case of the coplanar transmission line. It is clear that

また、マイクロストリップ型伝送線路の場合、伝送線路の先端を短絡端とするために、TSV109が必要となる。これに対して、コプレーナ型伝送線路を用いる場合、スタブ104の先端を基板上面金属層101dと接続するだけでコプレーナ型伝送線路の先端を短絡端とすることができ、第3の実施例のTSV109が不要となるので、第5の実施例同様に、低周波伝搬用のSIWにおいてTSV103の個数を削減できる。そのため、機械的強度が向上するのみならず、TSV103の偶発的な不良による製品歩留まりの低下も防ぐことができる。したがって、低周波のSIWを用いた製品においても低コスト化が期待される。   Further, in the case of the microstrip transmission line, the TSV 109 is required to make the tip of the transmission line a short circuit end. On the other hand, when the coplanar transmission line is used, the front end of the coplanar transmission line can be made as a shorted end simply by connecting the front end of the stub 104 to the substrate upper surface metal layer 101d. Is unnecessary, so the number of TSVs 103 can be reduced in SIW for low frequency propagation as in the fifth embodiment. Therefore, not only the mechanical strength is improved, but also the reduction of the product yield due to the accidental failure of the TSV 103 can be prevented. Therefore, cost reduction is expected also for products using low frequency SIW.

[第7の実施例]
次に、本発明の第7の実施例について説明する。図10は本発明の第7の実施例に係るSIWの構成を示す平面図であり、図1(A)〜図1(C)と同一の構成には同一の符号を付してある。第1、第5の実施例では、幅が一定のスタブ104を基板上面金属層に形成した。これに対して、本実施例では、SIWの外側に向かって徐々に幅が大きくなるスタブ104eを基板上面金属層101eに形成した。つまり、本実施例のスタブ104eと基板100とその下の基板下面金属層とは、開放端に向かって徐々に線路幅が大きくなるマイクロストリップ型伝送線路(ラディアルスタブ)を構成している。
Seventh Embodiment
Next, a seventh embodiment of the present invention will be described. FIG. 10 is a plan view showing the configuration of the SIW according to the seventh embodiment of the present invention, and the same reference numerals as in FIGS. 1A to 1C denote the same components. In the first and fifth embodiments, stubs 104 having a constant width are formed in the upper surface metal layer of the substrate. On the other hand, in the present embodiment, the stubs 104e whose width gradually increases toward the outside of the SIW are formed on the substrate upper surface metal layer 101e. That is, the stub 104e of the present embodiment, the substrate 100 and the lower surface metal layer below it constitute a microstrip transmission line (radial stub) whose line width gradually increases toward the open end.

ラディアルスタブは、通常のオープンスタブと比較して、広帯域な特性が得られることで知られる。したがって、本実施例によって、第1、第5の実施例において得られる低損失な通過特性を、より広帯域化することができる。本実施例によって得られる効果は第5の実施例と同様である。   The radial stub is known to be able to obtain broadband characteristics as compared to a conventional open stub. Therefore, according to this embodiment, the low loss pass characteristics obtained in the first and fifth embodiments can be broadened more. The effects obtained by the present embodiment are the same as those of the fifth embodiment.

なお、第1〜第7の実施例では、スタブ104,104eの延伸方向の1例として、電磁波伝搬方向と垂直な方向を例に挙げて説明しているが、これに限るものではない。また、各々のスタブ104,104eで延伸方向が異なっていても、本発明の効果が失われることはない。ただし、電磁波伝搬方向に沿って周期的に複数のスタブ104,104eを配置するため、各スタブ104,104eの延伸方向を、電磁波伝搬方向と垂直な方向にするのがレイアウト上最も容易である。   In the first to seventh embodiments, as an example of the extending direction of the stubs 104 and 104e, a direction perpendicular to the electromagnetic wave propagation direction is described as an example, but the present invention is not limited to this. In addition, even if the extending directions of the stubs 104 and 104 e are different, the effect of the present invention is not lost. However, in order to arrange the plurality of stubs 104 and 104 e periodically along the electromagnetic wave propagation direction, it is easiest in terms of layout to make the extension direction of each stub 104 and 104 e perpendicular to the electromagnetic wave propagation direction.

また、第5、第6の実施例では、スタブ104の幅を35μmに設定する例を示しているが、第1〜第7の実施例においてスタブ104,104eの幅は任意に設定して構わない。   In the fifth and sixth embodiments, the width of the stub 104 is set to 35 μm. However, in the first to seventh embodiments, the widths of the stubs 104 and 104e may be set arbitrarily. Absent.

また、第1〜第7の実施例において、TSV103,109は基板上面金属層101a〜101eおよびスタブ104,104eと基板下面金属層102との間を電気的に接続できればよく、ビア側壁に金属膜があれば電気的接続を実現できるので、ビア内全てが金属で充填されていてもよいし充填されていなくてもよい。   In the first to seventh embodiments, the TSVs 103 and 109 only need to be able to electrically connect between the substrate upper surface metal layers 101a to 101e and the stubs 104 and 104e and the substrate lower surface metal layer 102, and metal films on the via sidewalls Because all electrical connections can be realized, the inside of the via may or may not be filled with metal.

本発明は、高周波電気信号を扱う回路技術に適用することができる。   The present invention can be applied to circuit technology that handles high frequency electrical signals.

100…基板、101a〜101e…基板上面金属層、102…基板下面金属層、103,109…基板貫通ビア、104,104e…スタブ、107,110…溝、111…上部クラッド。   100 ... substrate, 101a to 101e ... substrate upper surface metal layer, 102 ... substrate lower surface metal layer, 103, 109 ... substrate penetrating via, 104, 104e ... stub, 107, 110 ... groove, 111 ... upper clad.

Claims (6)

誘電体もしくは半導体からなる基板と、
この基板の第1の面に形成された第1の金属層と、
前記第1の面の反対側の、前記基板の第2の面に形成された第2の金属層と、
電磁波の伝搬方向に沿って2列に並ぶように前記基板に周期的に形成され、前記第1の金属層と前記第2の金属層とを接続する複数の第1の基板貫通ビアと、
前記第1の基板貫通ビアの各列において隣接する第1の基板貫通ビアの間の箇所から外側に向かって前記伝搬方向と異なる方向に延伸するように前記第1の金属層に形成された複数のスタブとを備え、
各スタブと前記基板と前記第2の金属層とは、前記第1、第2の金属層と2列の前記第1の基板貫通ビアとによって囲まれた前記基板から前記第1の基板貫通ビアの間の箇所を通って漏洩した電磁波が伝搬する線路を構成し、前記基板で伝送したい所望の電磁波の波長をλとしたとき、前記線路の長さはλ/4+n×λ/2(nは非負整数)であることを特徴とする基板集積導波管。
A substrate made of dielectric or semiconductor,
A first metal layer formed on the first surface of the substrate;
A second metal layer formed on the second side of the substrate opposite the first side;
A plurality of first through substrate vias formed periodically on the substrate so as to be arranged in two lines along the propagation direction of the electromagnetic wave, and connecting the first metal layer and the second metal layer;
A plurality of layers formed on the first metal layer so as to extend outward in a direction different from the propagation direction from locations between adjacent first substrate through vias in each row of the first substrate through vias Equipped with stubs,
The first substrate through via from the substrate surrounded by the stubs and the substrate and the second metal layer is the first and second metal layers and the first row of through substrate vias. Where the length of the line is λ / 4 + n × λ / 2, where n is the wavelength of the desired electromagnetic wave to be transmitted by the substrate. Substrate integrated waveguide characterized by being nonnegative integer).
請求項1記載の基板集積導波管において、
前記複数のスタブは、それぞれ前記第1の金属層から外側に向かって突出するように形成され、
前記線路は、各スタブと前記基板と前記第2の金属層とからなるマイクロストリップ型の線路であることを特徴とする基板集積導波管。
In the substrate integrated waveguide according to claim 1,
The plurality of stubs are respectively formed to protrude outward from the first metal layer,
The substrate integrated waveguide according to claim 1, wherein the line is a microstrip line consisting of each stub, the substrate and the second metal layer.
請求項1記載の基板集積導波管において、
前記複数のスタブは、それぞれ周囲に形成された溝によって前記第1の金属層との接続部を除く箇所が前記第1の金属層と隔てられ、
前記線路は、各スタブと前記基板と前記第1の金属層と前記第2の金属層とからなるコプレーナ型の線路であることを特徴とする基板集積導波管。
In the substrate integrated waveguide according to claim 1,
The plurality of stubs are separated from the first metal layer at locations excluding the connection with the first metal layer by grooves formed in the periphery, respectively.
A substrate integrated waveguide according to claim 1, wherein the line is a coplanar line consisting of stubs, the substrate, the first metal layer, and the second metal layer.
請求項1記載の基板集積導波管において、
前記線路は、先端が接地されていることを特徴とする基板集積導波管。
In the substrate integrated waveguide according to claim 1,
The said board | substrate is a board | substrate integrated waveguide characterized by the point being earth | grounded.
請求項1記載の基板集積導波管において、
前記複数のスタブは、それぞれ前記第1の金属層から外側に向かって突出するように形成され、
前記複数のスタブのそれぞれの先端と前記第2の金属層とを接続する複数の第2の基板貫通ビアをさらに備え、
前記線路は、各スタブと前記基板と前記第2の金属層とからなるマイクロストリップ型の線路であり、先端が接地されていることを特徴とする基板集積導波管。
In the substrate integrated waveguide according to claim 1,
The plurality of stubs are respectively formed to protrude outward from the first metal layer,
And a plurality of second through substrate vias connecting tips of the plurality of stubs and the second metal layer,
The said line is a microstrip type line which consists of each stub, the said board | substrate, and the said 2nd metal layer, and the front-end | tip is earth | grounded, The board | substrate integrated waveguide characterized by the above-mentioned.
請求項1記載の基板集積導波管において、
前記複数のスタブは、それぞれ周囲に形成された溝によって前記第1の金属層との接続部および前記接続部と反対側の先端部とを除く箇所が前記第1の金属層と隔てられ、
前記線路は、各スタブと前記基板と前記第1の金属層と前記第2の金属層とからなるコプレーナ型の線路であり、先端が接地されていることを特徴とする基板集積導波管。
In the substrate integrated waveguide according to claim 1,
The plurality of stubs are separated from the first metal layer in locations other than the connection portion with the first metal layer and the tip end opposite to the connection portion by a groove formed around each of the plurality of stubs.
The said line is a coplanar type line which consists of each stub, the said board | substrate, the said 1st metal layer, and the said 2nd metal layer, and the front-end | tip is earth | grounded, The board | substrate integrated waveguide characterized by the above-mentioned.
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