CN113924692A - 模式转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明实现了能够使工作频带的中心频率时的反射系数比以往低的模式转换器。模式转换器(10)具备柱壁波导(PW)、微带线路(MS)、进行柱壁波导(PW)的波导模式和微带线路(MS)的波导模式的转换的盲孔(BV)。盲孔(BV)具有截面随着远离微带线路(MS)而逐渐变小的锥形，盲孔(BV)的侧面的倾斜度(θ)为5.5°以上。

Description

模式转换器
技术领域
本发明涉及进行柱壁波导(post-wall waveguide)的波导模式和微带线路的波导模式的相互转换的模式转换器。
背景技术
在非专利文献1中，记载有一种模式转换器，其具备柱壁波导和形成于柱壁波导的主面的微带线路，进行柱壁波导的波导模式和微带线路的波导模式的相互转换。非专利文献1所述的模式转换器使用在柱壁波导的内部形成的圆柱状的盲孔，实现了这样的波导模式的转换。
非专利文献1：Yusuke Uemichi,et al.“A ultra low-loss silica-basedtransformer between microstrip line and post-wall waveguide for millimeter-wave antenna-in-package applications,”IEEE MTT-S IMS,Jun.2014.
对于模式转换器，优选工作频带的中心频率时的反射系数为-20dB以下。然而，非专利文献1所述的模式转换器的情况下，有时工作频带的中心频率时的反射系数大于-20dB，这方面存在改进空间。
发明内容
本发明的一形态是鉴于上述问题而做成的，其目的在于实现能够使工作频带的中心频率时的反射系数比以往低的模式转换器。
为了解决上述课题，本发明的一形态的模式转换器采用下述结构：该模式转换器具备：柱壁波导；微带线路，其形成于所述柱壁波导的主面；以及盲孔，其形成在所述柱壁波导的内部，该盲孔进行所述柱壁波导的波导模式和所述微带线路的波导模式的相互转换，所述盲孔具有与所述主面平行的截面随着远离所述微带线路而逐渐变小的锥形，所述盲孔的侧面相对于所述主面的法线的倾斜度为5.5°以上。
根据本发明的一形态，能够实现能够使工作频带的中心频率时的反射系数比以往低的模式转换器。
附图说明
图1是表示本发明的一实施方式的模式转换器的结构的俯视图。
图2是表示本发明的一实施方式的模式转换器的结构的剖视图。
图3是表示图1及图2所示的模式转换器所具备的盲孔的形状的剖视图。
图4是表示具备图3所示的盲孔的模式转换器的反射系数的频率依存性的图表。
图5是表示图1及图2所示的模式转换器所具备的盲孔的变形例的剖视图。
图6是表示具备图5所示的盲孔的模式转换器的反射系数的频率依存性的图表。
具体实施方式
〔模式转换器的结构〕
参照图1及图2对本发明的第1实施方式的模式转换器10的结构进行说明。图1是表示模式转换器10的结构的俯视图。图2是表示模式转换器10的结构的剖视图。其中，图2所示的截面是将模式转换器10沿图1所示的AA’线剖开而露出的截面。
模式转换器10是将柱壁波导PW的波导模式向微带线路MS的波导模式转换的装置，如图2所示，由电介质基板11、第1导体层12、第2导体层13、电介质层14、第3导体层15构成。
电介质基板11是由电介质构成的板状部件。在本实施方式中，作为构成电介质基板11的电介质，使用了石英。但是，构成电介质基板11的电介质不局限于石英，可以是根据柱壁波导PW的动作频率等而适当选出的任意电介质。
第1导体层12以及第2导体层13是由导体构成的层状部件。第1导体层12形成于电介质基板11的一主面(图2中的上表面)。第2导体层13形成于电介质基板11的另一主面(图2中的下表面)，隔着电介质基板11地与第1导体层12对置。在本实施方式中，作为构成第1导体层12以及第2导体层13的导体，使用了铜。但是，构成第1导体层12以及第2导体层13的导体不局限于铜，可以是任意导体。另外，第1导体层12以及第2导体层13的厚度可以为任意厚度。第1导体层12以及第2导体层13可以薄到可称为导体膜的程度，也可以厚到可称为导体板的程度。
第1导体层12由形成有开口121a的面状导体121和形成在开口121a的内部的环状导体122构成。在本实施方式中，开口121a的俯视形状为圆形状，环状导体122的俯视形状为外缘的直径小于开口12a的直径的圆环形状。环状导体122的外缘与面状导体121分离开。因此，环状导体122与面状导体121电绝缘。
在电介质基板11的内部，以将特定的区域包围的方式形成有柱壁111。在本实施方式中，作为柱壁111，使用了排列成栅栏状的多个通孔TV1、TV2、…的集合。各通孔TVi(i＝1，2，…)由将在电介质基板11穿孔的贯通孔的侧壁覆盖的导体层构成。各通孔TVi的一端(图2中的上端)与第1导体层12相连接，各通孔TVi的另一端(图2中的下端)与第2导体层13相连接。因此，第1导体层12与第2导体层13之间因多个通孔TV1、TV2、…而电短路。电介质基板11、第1导体层12、第2导体层13以及柱壁111作为将被第1导体层12和第2导体层13夹着且被柱壁111围起的区域当作导波区域的柱壁波导PW发挥作用。此时，第1导体层12以及第2导体层13作为柱壁波导PW的宽壁发挥作用，柱壁111作为该柱壁波导PW的窄壁(侧壁以及短壁)发挥作用。上述第1导体层12的开口12a配置在柱壁波导PW的短壁附近。
电介质层14是由电介质构成的层状部件。电介质层14形成在第1导体层12的与电介质基板11侧相反的一侧的主面(图2中的上表面)。在本实施方式中，作为构成电介质层14的电介质，使用了聚酰亚胺树脂。但是，构成电介质层14的电介质不局限于聚酰亚胺树脂，可以是根据微带线路MS的动作频率等而适当选出的任意电介质。另外，电介质层14的厚度可以是任意厚度。电介质层14可以薄到可称为电介质膜的程度，也可以厚到可称为电介质板的程度。
在电介质层14形成有开口14a。在本实施方式中，开口14a的俯视形状为直径(1)大于环状导体122的内缘的直径且(2)小于环状导体122的外缘的直径的圆形状。在俯视时，开口14a被由环状导体122的外缘围起的区域所包含且包含由环状导体122的内缘围起的区域。
第3导体层15是由导体构成的层状部件。第3导体层15形成在电介质层14的与第1导体层12侧的主面相反的一侧的主面(图2中的上表面)。在本实施方式中，作为构成第3导体层15的导体，使用了铜。但是，构成第3导体层15的导体不局限于铜，可以是任意导体。另外，第3导体层15的厚度可以是任意厚度。第3导体层15可以薄到可称为导体膜的程度，也可以厚道可称为导体板的程度。
第3导体层15由俯视形状呈环状的环状导体151和俯视形状呈带状的带状导体152构成。在本实施方式中，环状导体151的俯视形状是内缘的直径等于开口14a的直径的圆环状。在俯视时，环状导体151的内缘围起的区域与开口14a重合。环状导体151的内缘经由形成在开口14a的侧壁的导体层而与环状导体122连接。带状导体152的一端与环状导体151相连接，带状导体152向与柱壁波导PW的延伸方向相反的方向延伸。带状导体152的宽度小于环状导体151的外缘的直径。带状导体151的宽度根据电介质层14的厚度来设定。电介质层14、第1导体层12以及第3导体层15作为将第1导体层12以及第3导体层13夹着的区域当作导波区域的微带线路MS发挥作用。此时，第1导体层12作为该微带线路MS的接地导体发挥作用，第3导体层15作为该微带线路MS的带状导体发挥作用。
在电介质基板11的内部，设有用于进行柱壁波导PW的波导模式和微带线路MS的波导模式的相互转换的盲孔BV。盲孔BV由覆盖对电介质基板11从其一主面(图2中的上表面)穿孔的非贯通孔的侧壁的导体层构成。在俯视时，盲孔BV与由环状导体122的内缘围起的区域重合。盲孔BV的一端(图2中的上端)与环状导体122的内缘相连接。因此，盲孔BV与作为微带线路MS的带状导体发挥作用的第3导体层15电短路，并且与作为柱壁波导PW的宽壁发挥作用的第1导体层12以及第2导体层13电绝缘。
如上所述，模式转换器10具备：柱壁波导PW；微带线路MS，其形成在柱壁波导PW的主面(具体而言，构成柱壁波导PW的第1导体层12的上表面)；以及盲孔BV，其形成在柱壁波导PW的内部(具体而言，构成柱壁波导PW的电介质基板11的内部)，该盲孔BV进行柱壁波导PW的波导模式和微带线路MS的波导模式的相互转换。该模式转换器10的特征在于盲孔BV的形状。以下，更换进行参照的附图并详述盲孔BV的形状。
另外，在本实施方式中，采用了通过覆盖非贯通孔的侧壁的导体层来实现盲孔BV的结构，但本发明不限于此。例如，也可以采用通过填充于非贯通孔的导体来实现盲孔BV的结构。
〔盲孔的形状〕
参照图3对模式转换器10所具备的盲孔BV的形状进行说明。图3是表示盲孔BV的形状的剖视图。
盲孔BV具有与柱壁波导PW的主面平行的截面随着远离微带线路MS而变小的锥形。特别是，在本实施方式中，对于盲孔BV的形状，如图3所示，采用了与微带线路MS侧相反的一侧的底面S1为平面状的圆台形状。盲孔BV的与微带线路MS侧相反的一侧的底面S1的直径D1小于盲孔BV的微带线路MS侧的底面S2的直径D2。作为一个例子，盲孔BV的与微带线路MS侧相反的一侧的底面S1的直径D1与构成柱壁111的各通孔TVi的直径(例如，100μm)相同，盲孔BV的微带线路MS侧的底面S2的直径D2为构成柱壁111的各通孔TVi的直径的2倍(例如，200μm)。
以下，关于具备图3所示的盲孔BV的模式转换器10，参照图4研究盲孔BV的与微带线路MS侧相反的一侧的底面S1的优选直径D1。盲孔BV的高度H为400μm(固定)，盲孔BV的微带线路MS侧的底面S2的直径D2为200μm(固定)。
图4是表示反射系数S11的频率依存性的图表，该反射系数S11是针对被设计为工作频带的中心频率为75GHz的模式转换器10、将盲孔BV的底面S1的直径D1以8μm增幅从25μm变化到153μm时得到的反射系数。
根据图4所示的图表可知，在盲孔BV的底面S1的直径D1为49μm以上且113μm以下时，实现了工作频带的中心频率75GHz时的反射系数S11低于-20dB这样的优选特征。在盲孔BV的底面S1的直径D1为49μm时，盲孔BV的侧面相对于电介质基板11的主面的法线的倾斜度θ(参照图3)大约为9.5°。另一方面，在盲孔BV的底面S1的直径D1为113μm时，盲孔BV的侧面相对于电介质基板11的主面的法线的倾斜度θ大约为5.5°。因此，上述结果意味着：在盲孔BV的侧面相对于电介质基板11的主面的法线的倾斜度θ为5.5°以上且9.5°以下时，实现了工作频带的中心频率75GHz时的反射系数S11低于-20dB这样的优选特征。
〔盲孔的变形例〕
参照图5对模式转换器10的盲孔BV的变形例进行说明。图5是表示本变形例的盲孔BV的形状的剖视图。
盲孔BV具有与电介质基板11的主面平行的截面随着远离微带线路MS而变小的锥形。特别是，在本变形例中，对于盲孔BV的形状，如图5所示，采用了与微带线路MS侧相反的一侧的底面S1为球面状的大致圆台形状。盲孔BV的与微带线路MS侧相反的一侧的底面S1的直径D1小于盲孔BV的微带线路MS侧的底面S2的直径D2。作为一个例子，盲孔BV的与微带线路MS侧相反的一侧的底面S1的直径D1与构成柱壁波导111的各通孔TVi的直径(例如，100μm)相同，盲孔BV的各微带线路MS侧的底面S2的直径D2为构成柱壁波导111的各通孔TVi的直径的2倍(例如，200μm)。盲孔BV的微带线路MS侧的底面S1的曲率半径R1为盲孔BV的与微带线路MS侧相反的一侧的底面S1的直径D1的1/2(例如，50μm)。
以下，关于具备图5所示的盲孔BV的模式转换器10，参照图6研究盲孔BV的与微带线路MS侧相反的一侧的底面S1的优选直径D1。盲孔BV的高度H为400μm(固定)，盲孔BV的微带线路MS侧的底面S2的直径D2为200μm(固定)。
图6是表示反射系数S11的频率依存性的图表，该反射系数S11是针对被设计为工作频带的中心频率为75GHz的模式转换器10、将盲孔BV的底面S1的直径D1以7μm的增幅从11μm变化到123μm时得到的反射系数。
根据图6所示的图表可知，在盲孔BV的底面S1的直径D1为74μm以上且116μm以下时，实现了工作频带的中心频率75GHz时的反射系数S11低于-20dB这样的优选特征。在盲孔BV的底面S1的直径D1为74μm时，盲孔BV的侧面相对于电介质基板11的主面的法线的倾斜度θ(参照图5)大约为8.0°。另一方面，在盲孔BV的底面S1的直径D1为116μm时，盲孔BV的侧面相对于电介质基板11的主面的法线的倾斜度θ大约为5.5°。因此，上述结果意味着：在盲孔BV的侧面相对于电介质基板11的主面的法线的倾斜度θ为5.5°以上且8.0°以下时，实现了工作频带的中心频率75GHz时的反射系数S11低于-20dB这样的优选特征。
(盲孔的侧面的优选倾斜度)
如上所述，盲孔BV的侧面的倾斜度θ优选为5.5°以上。由此，不管盲孔BV的底面S1是平面还是球面，都能够将工作频带的中心频率时的反射系数S11抑制为-20dB以下。其中，盲孔BV的侧面有时因制造上的原因而成为锥形。但是，因制造上的原因而成为具有锥形的盲孔BV的侧面的倾斜度θ极小，不会超过5.5°。
另外，在盲孔BV的底面S1为平面的情况下，盲孔BV的侧面的倾斜度θ优选为9.5°以下。由此，能够将工作频带的中心频率时的反射系数S11抑制为-20dB以下。
另外，在盲孔BV的底面S1为球面的情况下，盲孔BV的侧面的倾斜度θ优选为8.0°以下。由此，能够将工作频带的中心频率时的反射系数S11抑制为-20dB以下。
〔总结〕
本发明的第1形态的模式转换器采用了下述结构：该模式转换器具备：柱壁波导；微带线路，其形成于所述柱壁波导的主面；以及盲孔，其形成在所述柱壁波导的内部，该盲孔进行所述柱壁波导的波导模式和所述微带线路的波导模式的相互转换，所述盲孔具有与所述主面平行的截面随着远离所述微带线路而逐渐变小的锥形，所述盲孔的侧面相对于所述主面的法线的倾斜度为5.5°以上。
根据上述结构，能够使工作频带的中心频率时的反射系数比以往低。
另外，本发明的第2形态的模式转换器在上述第1形态的模式转换器的结构的基础上，还采用了下述结构：所述盲孔的与所述微带线路侧相反的一侧的底面为平面状，所述盲孔的侧面相对于所述主面的法线的倾斜度为9.5°以下。
根据上述结构，在所述盲孔的与所述微带线路侧相反的一侧的底面为平面状的情况下，能够使工作频带的中心频率时的反射系数比以往低。
本发明的第3形态的模式转换器在上述第1形态的模式转换器的结构的基础上，还采用了下述结构：所述盲孔的与所述微带线路侧相反的一侧的底面为球面状，所述盲孔的侧面相对于所述主面的法线的倾斜度为8.0°以下。
根据上述结构，在所述盲孔的与所述微带线路侧相反的一侧的底面为球面状的情况下，能够使工作频带的中心频率时的反射系数比以往低。
本发明的第4形态的模式转换器在上述第1形态、上述第2形态或者上述第3形态的模式转换器的结构的基础上，还采用了下述结构：工作频带的中心频率时的反射系数S11为-20dB以下。
根据上述结构，能够使工作频带的中心频率时的反射系数比以往低。
〔附记事项〕
本发明不局限于上述各实施方式，能够在权利要求所示的范围内进行各种变更，将在不同的实施方式中分别公开的技术手段适当组合而得到的实施方式也包含在本发明的保护范围内。
附图标记说明
10…模式转换器；PW…柱壁波导；MS…微带线路；11…基板；111…柱壁；12…第1导体层；13…第2导体层；14…电介质层；15…第3导体层；TVi…通孔；BV…盲孔；S1、S2…盲孔的底面；D1、D2…盲孔的底面的直径；θ…盲孔的倾斜度。

Claims (4)

1.一种模式转换器，其特征在于，具备：
柱壁波导；
微带线路，其形成于所述柱壁波导的主面；以及
盲孔，其形成在所述柱壁波导的内部，该盲孔进行所述柱壁波导的波导模式和所述微带线路的波导模式的相互转换，
所述盲孔具有与所述主面平行的截面随着远离所述微带线路而逐渐变小的锥形，
所述盲孔的侧面相对于所述主面的法线的倾斜度为5.5°以上。
2.根据权利要求1所述的模式转换器，其特征在于，
所述盲孔的与所述微带线路侧相反的一侧的底面为平面状，
所述盲孔的侧面相对于所述主面的法线的倾斜度为9.5°以下。
3.根据权利要求1所述的模式转换器，其特征在于，
所述盲孔的与所述微带线路侧相反的一侧的底面为球面状，
所述盲孔的侧面相对于所述主面的法线的倾斜度为8.0°以下。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的模式转换器，其特征在于，
工作频带的中心频率时的反射系数S11为-20dB以下。
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