CN1128906A - 非辐射性电介质波导部件 - Google Patents

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Abstract

一种提高了批量生产能力的非辐射性电介质波导部件。在振荡器1中，振荡器1固有的一对导体10、11以相互之间的间隔为指定的间隔平行配置，以指定模式传播高频电磁波的该部件固有的电介质条12配置在两导体10、11之间，在导体11上形成平面状的安装面，在两导体10、11的端部形成与从电介质条12的端部12a输出的电磁波的行进方向垂直、且包含电介质条12的端部12a附近区域的垂直端面19b。

Description

非辐射性电介质波导部件
本发明涉及非辐射性电介质波导部件，特别是涉及利用非辐射性电介质波导来承担工作在微波频段或毫米波频段的集成电路的部分功能的非辐射性电介质波导部件。
过去曾经有这样的非辐射性电介质波导，平行设置一对导体板使其相互之间的间隔为指定的间隔，使LSM 01模式或LSE 01模式的电磁波沿着配置在两导体板之间的电介质条传播。当将该电介质条设计成传播60GHz的电磁波时，例如，用聚四氟乙烯等的电介质材料(相对介电常数εr＝2)形成宽为b(例如2.5mm)、高为a(例如2.25mm)的电介质条。当用导体板将电介质条夹住时，波长为其高度a的2倍以上的电磁波在没有电介质条的部分内大体上能被截止掉。另一方面，在电介质条的部分则没有这种截止效果。因此，LSM 01模式或LSE 01模式的电磁波便沿着电介质条以没有辐射和低损耗的方式进行传播。因而，非辐射性电介质波导适用于微波和毫米波的传送线路。
该非辐射性电介质波导由于通过在其一对导体板之间配置电介质条的同时还配置磁性体和半导体等可以形成环行器和振荡器等，所以适用于微波频段和毫米波频段的集成电路。
这样的集成电路，在例如形成FM-CW方式的雷达的高频部分时，过去是通过在可以连接测试用端子的一对测试用导体板之间配置电介质条、磁性体和半导体等，首先分别做成承担集成电路部分功能的环行器、振荡器等，然后对环行器、振荡器等的特性进行测试。再其次，将在形成集成电路时构成环行器、振荡器等的电介质条、磁性体、半导体等重新配置在与测试用有别的另外的一对集成电路用的导体板之间以合并为各自的电路结构。
但是，当用这样的方法形成集成电路时，由于再现集成电路各部即环行器、振荡器等的特性是困难的，而且不可能对集成电路的某一部分即环行器、振荡器等单独进行特性测试，从而不能进一步进行单独调整，所以作为电路进行工作是困难的。其结果，存在缺乏集成电路可批量生产性这样的问题。此外，当集成电路出现故障，有必要替换部分部件、例如环行器和振荡器等时，存在着当替换一部分部件时会给其他部分带来影响的问题。
本发明的目的是解决上述技术课题，提供可提高批量生产能力的非辐射性电介质波导部件。
本发明是一种利用非辐射性电介质波导来承担工作在微波频段和毫米波频段的集成电路的部分功能的非辐射性电介质波导部件，
该非辐射性电介质波导部件具有：
以相互之间的间隔为指定的间隔而平行配置的、该部件所固有的一对导体；
配置在两导体之间以指定模式传播高频电磁波的该部件所固有的电介质条；
在两导体的至少一侧上形成的平面状的安装面；和
在两导体的端部形成的、与从电介质条的端部输入或输出的电磁波行进方向垂直的、而且包含电介质条附近区域的垂直端面。
本发明中，使该部件所固有的一对导体平行地配置，从而该一对导体相互之间的间隔为指定的间隔，在两导体之间配置使高频电磁波以指定模式传播的该部件所固有的电介质条，在两导体的至少一侧上形成平面状的安装面，在两导体的端部形成垂直端面使其与从电介质条的端部输入或输出的电磁波的行进方向垂直并且包含电介质条的端部附近区域。其结果是，可以个别地做成部件，可以用测试夹具对部件的特性单独进行测试，可以将部件在原有的测试状态下在集成电路内装入或取出，因而提高了非辐射性电介质波导部件和使用该部件的集成电路的作业性能和批量生产性能。
还有，非辐射性电介质波导的传送模式(LSM 01模式)没有与电磁波传播方向平行的电流成份、而且几乎没有电场成份，所以，在部件之间的连接等方面不需要象波导管那样用法兰盘来牢固地固定，而且也不需要电介质条的端部对接连接等。因而，垂直端面的结构可以简单，能够构成安装简单、廉价的集成电路。
图1是本发明的一个实施例的振荡器的结构的图。
图2是图1的A-A′线的剖面图。
图3是示出在取出了导体10的状态下图1的振荡器1的电介质条12的端部12附近的结构例子的平面图。
图4是表示图1的振荡器1的特性的图。
图5是表示经过波导管传播的TE 10模式的电磁波的图。
图6是表示经过非辐射性电介质波导传播的LSM 01模式的电磁波的图。
图7是表示当导体和电介质条之间的间隙d为“0”时的特性的图。
图8是表示当导体和电介质条之间存在d为0.1mm的间隙时的特性的图。
图9是表示当导体和电介质条之间的间隙d为“0”时的特性的图。
图10是表示只在导体之间存在d为0.1mm的间隙时的特性的图。
图11是表示只在导体之间存在d为0.2mm的间隙时的特性的图。
图12是示出本发明的其他实施例的环行器的结构的图。
图13是表示图12的环行器2的特性的图。
1……振荡器
2……环行器
10、11、20、21……导体
12、22、23、24……电介质条
12a、22a……端部
19a、29a……安装面
19b、29b……垂直端面
下面，根据附图说明本发明的实施例。图1是表示本发明的一个实施例的振荡器的结构的图。图1a是俯视立体图，图1b是将图1a的一部分切去后的图。这样的振荡器1承担工作于毫米波频段的集成电路、例如FM-CW方式雷达的高频部分的部分功能。
图1中的振荡器1具有：一对平板状导体10、11；放置在导体10、11之间的电介质条12；耿氏振荡器13和变容二极管15等；用于向耿氏振荡器13供给直流电的电源端16和用于向变容二极管15供给调制信号的调制端17。
导体10、11由铝、铜等导电性材料形成。此外，用来使导体10、11相互之间的间隔保持一定的高度a的衬垫11b与导体11一体地形成。例如由聚四氟乙烯等电介质材料(相对介电常数εr＝2)形成高度为a(例如，2.25mm)、宽度为b(例如，2.5mm)的电介质条12。还有，在导体10、11的四角上形成螺丝孔18a。通过在该螺丝孔18a上分别拧上带十字孔的盆头螺钉18b可以使电介质条12、耿氏振荡器13、变容二极管15与导体10、11形成一体，使之不能移动。
图2是图1的A-A′线剖面图。在图2(a)～(d)中分别示出导体10、11和介质条12的结构例子。在图2(a)中，通过用导体10、11将介质条12夹持住使介质条12不能移动。再有，也可以通过用粘接剂将电介质条贴在导体11上使电介质条12不能移动。在图2(b)中，在导体10、11上分别形成沟槽10a、10b，通过将电介质条镶在沟槽10a、11b内使其不能移动。
在图2(c)中，通过在电介质条12的上下两侧分别形成凸缘12b使电介质条12不能移动。在图2(d)中，通过在电介质条12的上下两侧分别形成凸缘12b、同时在导体10上形成凸缘12b使电介质条12不能移动。可以使用图2(a)～(d)等任何一种结构。
在图1中，在导体11的底面形成平面状的安装面19。此外，在导体10、11的一个端部上形成与从电介质条12的端部12a输出的高频电磁波的行进方向垂直的、且包含端部12a附近区域的垂直端面19b。
图3是表示在取出了导体10的状态下图1的振荡器1的电介质条12的端部12a附近的结构例子的图。在图3(a)～(c)中，分别示出例如在与其他的非辐射性电介质波导部件的电介质条12的端部12a彼此对接状态的例子。在图3(a)中，使电介质条12的端部12与电磁波的行进方向垂直且与垂直端面19b形成共平面、与端部12a彼此对接。
在图3(b)中，端部12a彼此间分别形成可以对接的楔形。为此，一个端部12a从垂直端面19b稍微突出一些。在图3(c)中，端部12a彼此间分别形成可以对接的圆弧状。为此，(c)中的一个端部12a也从垂直面19b稍微突出一些。如图3(b)、(c)所示那样，如果电介质条12的端部12a之间可以对接，可不一定形成与电磁波的行进方向垂直的端部12a。此外，即使端部12a与电磁波行进方向垂直，也可以让端部12a分别从垂直端面19b稍微突出一些，端部12a彼此对接。
下面，说明其工作情况。在向电源端16供给直流电的同时向调制端17供给调制信号的情况下，从耿氏振荡器13向电介质条12输入高频电磁波。当导体10、11间的间隔设为a、需传送的毫米波电磁波的波长设为λ时，若a＜λ/2，在没有电介质条12的部分平行于导体部10、11的电磁波的传播就会被截止。另一方面，在插入了电介质条12的部分，截止状态被解除，电磁波沿电介质条12传播，从端部12a输出该电磁波。再有，非辐射性电介质波导的传送模式大致区分为LSE模式和LSM模式。在最低阶模式的LSE 01模式和LSM 01模式中，从低损耗这一点出发，通常使用LSM01模式。
本发明的申请人使用振荡器1的专用夹具和频谱分析仪对该振荡器进行了测试。图4为表示图1的振荡器的振荡特性的图。由图4可知，从介质条12的端部12a中输出以60GHz为中心的特性良好的振荡信号。
这里对经过波导管传播的电磁波和经过非辐射性电介质波导传播的电磁波的差别进行了研究。图5为表示波导管传播的TE10模式的电磁波的图，图6为表示经过非辐射性电介质波导传播的LSM 01模式的电磁波的图。图5(a)示出电场分量E和磁场分量H，图5(b)示出表面电流I。此外，图6(a)示出电场分量E和磁场分量H，图6(b)示出表面电流I，图6(c)示出沿B-B′线切断后的状态。
如图5(b)所示，在波导管中的表面电流I具有和电磁波的传播方向同方向的成分。为此，为了使波导管彼此连接，要消除间隙，为了使表面电流I流过两波导管，有必要用法兰盘来进行牢固地固定。
另一方面，如图6(b)所示，在非辐射性电介质波导中，LSM01模式的表面电流I只具有与电磁波的传播方向垂直的成分。为此，可以认为即使在导体10、11沿电磁波传播方向分别被垂直切断、各导体10、11之间存在间隙的情况下也不会影响电磁波的传播。
为了确认这一点，本发明人将导体10、11和电介质条12沿与电磁波的传播方向垂直的方向切断，对这种情况下的特性进行了测试。图7为表示导体10、11和电介质条12的间隙d为“0”时的特性。即是示出了在图3(a)中垂直端面19b和端部12a与对应的另一垂直端面19b和端部12a分别对接时的特性的图。图8为示出导体10、11和电介质条12之间存在的间隙d为0.1mm时的特性的图。即是示出了在图3(a)中垂直端面19b和端部12a与对应的另一垂直端面19b和端部12a之间离开0.1mm的情况下的特性的图。从图7、图8可以确认：即使导体10、11和电介质条12之间存在间隙d，其反射损耗、插入损耗只增加一点点。
为此，在部件间的连接等中，不需要象波导管那样用法兰盘来牢固地固定，而且不需要端部12a的对接连接等。从而，可以使垂直面的构造简单、小型化。而且可以构成安装简单、价格低廉的集成电路。
这样，在按照图1的振荡器1中，振荡器1固有的一对导体10、11以相互之间的间隔为指定的间隔平行配置，以指定的模式传播高频电磁波的该部件固有的电介质条12配置在两导体10、11之间，在导体11上形成平面状的安装面19a，在两导体10、11的端部形成与从电介质条12的端部12a输出的电磁波的行进方向垂直的、且包含电介质条12的端部12a附近区域的垂直端面19b。结果可以个别地做成振荡器1、可以用振荡器1专用的夹具单独对振荡器1进行特性测试、可以在原有的测试状态下将其向集成电路安装或取出，因而提高了作业性能和批量生产能力。
为了对使端部12a分别从垂直端面19b稍微突出一些的、使端部12a彼此对接情况下的特性进行测试，本发明申请人对在与电磁波的传播方向垂直地将导体10、11和电介质条12切断情况下和在对接情况下的特性进行了测试。图9是表示导体10、11和电介质条12之间的间隙d为“0”时的特性的图。即，是表示在图3(a)中，垂直端面19b和端部12a与对应的垂直端面19a和端部12a分别对接时的特性的图。图10是表示只在导体10、11之间存在d为0.1mm的间隙时的特性的图。即，是表示让端部12a从垂直端面各突出0.05mm、端部12a彼此对接、垂直端面19b和对应的垂直端面19b之间离开0.1mm时的特性的图。从图9、图10和图11可以确认即使导体10、11和对应的导体10、11之间存在间隙，只要端部12a对接在一起、就几乎不会出现反射损耗和插入损耗的性能变坏。
图12是表示本发明的另一实施例的环行器的结构的图。图12(a)是俯视立体图，图12(b)是将图12(a)的一部分切去后从另一角度观察的视图。这样的环行器2承担工作于毫米波段的集成电路(例如FM-CW方式雷达的高频部分)的部分功能。
图12中的环行器具有：一对平板状导体20、21；放置在导体部20、21之间的3根电介质条22、23、24；二块铁氧体圆片25和用于将直流磁场加于铁氧体圆片25上的磁铁(末图示)。
导体20、21由铝、铜等导电性材料形成。在导体20、21之间的三个角上设有衬垫26用来使其相互之间的间隔保持一定的高度a。分别用例如聚四氟乙烯等电介质材料(相对介电系数εr＝2)形成高为a(例如2.25mm)、宽为b(例如2.5mm)的电介质条22、23、24。另外，在铁氧体圆片25附近的电介质条22、23、24的端部形成模式抑制器28。在导体20、21的三个角上还形成与衬垫28连通的螺丝孔(未图示)。通过在该螺丝孔上分别拧上带十字的盆头螺钉27，可以将电介质条22、23、24；铁氧体圆片25和磁铁与导体20、21形成一体，使其不能移动。
在导体20的底面形成平面状的安装面29a。此外，在导体20、21的3个端部分别形成与分别从电介质条22、23、24的端部22a输入或输出的高频电磁波的行进方向垂直且包含端部22a附近区域的垂直端面29b。
导体20、21和电介质条22、23、24也可以如图2(a)～(d)等的任何一个所示那样来构成。此外，各电介质条22、23、24的端部22a如图3(a)～(c)等的任何一个所示那样来构成，例如，也可以构成为与其他的非辐射性电介质波导部件的电介质条12的端部12a彼此对接的形式。
下面说明其工作情况。例如，当把电介质条22的端部22a作为高频电磁波的输入口时，由于在加上了直流磁场的铁氧体圆片25上电磁波向一个方向旋转，所以电磁波向电介质条24的端部22a传送，而不向电介质条23的端部22a传送。对于把电介质条23、24的端部22a作为输入12的情况也是一样的。
为此，本发明申请人使用专用的夹具和网络分析仪，让1个端部22a成为无反射终端的状态，使环行器2作为隔离器来工作的情况下对环行器2进行了测试。图13示出了图12的环行器2的特性。图13(a)示出了隔离性能和插入损耗，图13(b)示出了反射损耗。从图13可知环行器2具有良好的隔离性、插入损耗、反射损耗特性。
这样，在按照图12所示的环行器2中，环行器2固有的一对导体20、21以相互之间的间隔为指定的间隔平行配置，以指定的模式传播高频电磁波的环行器2固有的电介质条22、23、24配置在两导体20、21之间，在导体21上形成平面状的安装面29a，在两导体20、21的端部形成与从电介质条22、23、24的端部22a输入或输出的电磁波的行进方向垂直、且包含电介质条22、23、24的端部22a附近区域的垂直端面29b。其结果，可以个别地做成环行器2，可以使用环行器2专用的夹具对环行器2的特性单独进行测试，可以在原有的测试状态下进行向集成电路的安装或取出，因此提高了作业性能和批量生产能力。
虽然把非辐射性电介质波导部件作为振荡器1和环行器2进行了说明，但是也可以在耦合器、混频器、无反射终端器等其他非辐射性电介质波导部件中实施。另外，虽然把集成电路作为FM-CW方式雷达的高频部分进行了说明，但是也可以对其他用途的集成电路进行实施。进而，虽然对毫米波进行了说明，但是也可以适用于微波。
作为本发明的非辐射性电介质波导部件，该部件固有的一对导体以相互之间的间隔为指定的间隔平行配置，按指定模式传播高频电磁波的该部件固有的电介质条配置在两导体之间，在两导体和至少一侧上形成平面状的安装面，在两导体的端部形成与从电介质条的端部输入或输出的电磁波的行进方向垂直、且包含电介质条的端部附近区域的垂直端面，所以，可以个别地做成部件、可以使用测试夹具对部件单独进行特性测试，可以在原有的测试状态下进行向集成电路的安装或取出，因此提高了作业性能和批量生产能力。

Claims (1)

1.一种非辐射性电介质波导部件，利用非辐射性电介质波导承担工作于微波段或毫米波段的集成电路的部分功能，其特征在于，
上述非辐射电介质波导部件具有：
以相互之间的间隔为指定间隔而平行配置的、该部件所固有的一对导体；
配置在两导体之间以指定模式传播高频电磁波的该部件所固有的电介质条；
在两导体的至少一侧上形成的平面状的安装面；和
在两导体的端部形成的、与从电介质条的端部输入或输出的电磁波行进方向垂直、而且包含电介质条附近区域的垂直端面。
CN95116913A 1994-08-30 1995-08-30 非辐射性电介质波导部件 Expired - Lifetime CN1038966C (zh)

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