JP2004032321A - 高周波線路−導波管変換器 - Google Patents

Abstract

【課題】変換効率が高く、変換特性のばらつきが小さい高周波線路−導波管変換器を提供する。
【解決手段】誘電体層２ならびにこの誘電体層２の上面に配された線路導体３およびこの線路導体３の一端部を取り囲むように同一面に配された接地導体層４から成る高周波線路１と、接地導体層４に線路導体３の一端部と略直交するように形成されて線路導体３と結合されたスロット５と、線路導体３の一端部およびスロット５を取り囲むように誘電体層２の側面または内部に配されたシールド導体部７と、誘電体層２の下面側に開口を線路導体３の一端部およびスロット５に対向させて配され、シールド導体部７と電気的に接続された導波管６とを具備する高周波線路−導波管変換器である。高周波線路１とスロット５との結合特性のばらつきを小さくでき、高周波線路―導波管変換器の変換効率を高め、変換特性のばらつきを小さく抑えることができる。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波やミリ波の領域において使用される、高周波回路を形成するコプレーナ線路またはグランド付きコプレーナ線路等の高周波線路を導波管に変換し、高周波回路とアンテナあるいは高周波回路間の接続を導波管を介して行なうことにより、システムの実装を容易に行なえる高周波線路−導波管変換器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高度情報化時代を迎え、情報伝達に用いられる高周波信号は１〜３０ＧＨｚのマイクロ波領域から、３０〜３００ＧＨｚのミリ波領域の周波数までを活用することが検討されており、例えば、車間レーダーのようなミリ波の高周波信号を用いた応用システムも提案されるようになっている。
【０００３】
このような高周波用のシステムにおいては、高周波信号の周波数が高いことにより、回路を構成する高周波線路における高周波信号の減衰が大きくなってしまうという問題点がある。例えば、高周波線路がマイクロストリップ線路構造である場合、誘電体基板における誘電体損は周波数に比例（誘電正接が周波数に独立のとき）して大きくなり、線路導体における導体損は周波数の平方根に比例して大きくなってしまうというものである。このことから、同じマイクロストリップ線路でも使用する周波数が１ＧＨｚから１０ＧＨｚに高くなると、誘電体損は１０倍に、導体損は約３．２倍に大きくなってしまい、この損失を補うために低雑音・高効率・高利得の高価な高周波部品を多用することが必要になり、システムが高価になってしまうという問題点があった。
【０００４】
このようなマイクロストリップ線路構造の高周波線路に比較して、導波管では高周波信号の伝送損失は小さいことが知られている。例えば、２６ＧＨｚ〜４０ＧＨｚ帯に用いられる導波管ＷＲ−２８の損失は４０ＧＨｚで約０．００５ｄＢ／ｃｍであり、これはアルミナ基板を用いたマイクロストリップ線路の損失約１ｄＢ／ｃｍよりも格段に小さい。これは、通常の高周波線路（一般にインピーダンスは５０Ωで設計される）に比較して導波管のインピーダンスが大きく（周波数によって変化するが概略５００Ωのオーダーで設計される）、伝送される信号エネルギーに対して誘電体中を伝送する電界エネルギーの寄与が大きいのに対してその誘電体として誘電正接がほぼ０の空気を用いていること、相対的に小さい磁気エネルギーのもととなる導波管の管壁を流れる電流が小さくて良いこと、かつその電流が導波管の管壁の比較的広い面積に流れるため電気抵抗が小さくなり導体損が小さくなる構造になっていることによるものである。
【０００５】
また、導波管同士は通常、ねじで接続される。そのため着脱を容易に行なうことができる。例えば、高周波回路モジュールとアンテナとの接続に導波管を用いれば、組み立て前にそれぞれの導波管ポートを用いてそれぞれの検査を行ない、良品同士を組み合わせて高周波フロントエンドを組み立てることができ、その製造の歩留まりを上げることができる。これらのことから従来、特に伝送距離が長くなることが多い高周波回路モジュールとアンテナとの間の伝送に導波管を用いたフロントエンドが多く採用されてきた。
【０００６】
図６は、そのような高周波フロントエンドの構造を説明するための断面図である。図６によれば、フロントエンド６０は、モジュール６１とアンテナ６２とが導波管部材６３で接続されて構成されている。モジュール６１は、導波管開口６４を有する金属シャーシ６５上に搭載されている。また、このフロントエンド６０には、高周波線路としてのマイクロストリップ線路が形成されたマイクロストリップ基板６６と、導波管開口部６４および短絡終端部材６７で構成される導波管とから成る高周波線路−導波管変換器６８が構成されている。マイクロストリップ基板６６のマイクロストリップ線路には、高周波部品が搭載された配線基板６９がワイヤボンディングで接続されている。
【０００７】
このフロントエンド６０における高周波線路−導波管変換器６８は、短絡終端部材６７の短絡終端面から高周波信号の信号波長の１／４の距離だけ離れた位置において、導波管の側面からマイクロストリップ基板６６上に形成されたプローブ（線路導体は延設されているが接地導体は形成されていない部分）を信号波長の略１／４の長さ分挿入したタイプのものである。このプローブは導波管内でアンテナとして機能し、高周波信号を電磁波として導波管内に放射する。導波管内に放射された電磁波の半分は下方の導波管部材６３に直接伝送し、もう半分は上方の短絡終端部材６７側に伝送する。短絡終端部材６７側に伝送した電磁波は短絡終端面で位相を反転させて全反射する。全反射した電磁波はプローブ部分まで戻ってきて、プローブから下方に直接放射される電磁波と合成される。このとき、短絡終端面で反射されてきた電磁波は、プローブ−短絡終端面間の距離を高周波信号の信号波長の１／４にしておけば、プローブ−短絡終端面−プローブの往復の光路長が１／２波長になり、プローブから直接放射される電磁波とは光路差により位相が逆になる。結局、短絡終端面で反射してきた電磁波は、短絡終端面で反射するときに位相が反転し、さらに光路差により位相が逆になって、プローブから直接下方に放射される電磁波と同位相になり、下方の導波管部材６３へと伝送されることになる。
【０００８】
このとき、プローブをアンテナとして機能させるには、その導波管内に挿入した長さを正確に信号波長の１／４にする必要があり、また、プローブから上方に放射されて短絡終端面で反射してきた電磁波の位相をプローブから下方に放射される電磁波の位相と同位相にするには、プローブ−短絡終端面間の距離を正確に信号波長の１／４にする必要がある。したがって、アンテナとして機能するマイクロストリップ基板６６の位置や短絡終端部材６７の高さによって特性が大きく変動することとなる。
【０００９】
この高周波線路−導波管変換器６８は、金属シャーシ６５上に配線基板６９とともに組み立てにより構成されるので、各部材の位置ずれにより高周波線路−導波管変換器の変換損失が大きくなった場合に、用いた部材のすべてが無駄になってしまい、組み立て歩留まりに問題があった。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
このような問題を解決するために、例えばＷＯ９６／２７９１３号公報には、誘電体基板の上面に形成されたマイクロストリップ線路および下面の接地導体層に形成されたアンテナとして機能するスロットを具備するマイクロストリップ−導波管変換が提案されている。このＷＯ９６／２７９１３号公報で提案されたマイクロストリップ−導波管変換においては、スロットから導波管までの誘電体の厚さを高周波信号の信号波長の１／４にしている。これはスロットと導波管とのインピーダンスの違いを誘電体による１／４波長整合器で整合したものである。
【００１１】
この構成によれば、スロットから放射され誘電体による整合器と導波管との境界で反射した電磁波は、スロットが形成されている接地導体層で反射し、再び整合器と導波管との境界に戻ってくる。このとき整合器の厚さを信号波長の１／４にしておけば、境界で反射して再び戻ってきた電磁波（反射波）と、スロットから直接境界まで伝送してきた電磁波（直接波）との光路差が信号波長の１／２になり、反射波が接地導体層で反射する際に位相が反転していることから、境界では直接波と反射波が同位相になって強め合い、導波管へ伝送することになる。
【００１２】
この変換構造によれば、変換特性は整合器の厚さによって大きく変化することになるが、この場合、整合器は誘電体基板内に一体に構成されるので、誘電体の厚さのばらつきを小さくすることが可能になり、変換特性のばらつきを小さくすることができる。また、誘電体基板のマイクロストリップ側をキャップで覆えば、導波管への変換と同時にマイクロストリップ側を気密封止することも可能になる。
【００１３】
この構成では高周波線路とスロットとの結合に異なる層間の電磁結合を用いている。この電磁結合は前述の整合器とともに変換作用の主要な役割を果たす。しかし、この電磁結合の特性はスロットの寸法とスタブ（高周波線路がスロットから突出している部分）の長さ、すなわち高周波線路とスロットとの相対的な位置関係により変化する。したがってこの構成では、変換特性はスロットの寸法とスタブの長さによって大きく変化することになり、高周波線路とスロットとが異なる層に配置されていることから、両者の相対的位置関係から決まるスタブの長さが変動しやすく、そのため変換特性が変化しやすいという問題点があった。
【００１４】
また、この構成ではスロットが誘電体基板の内部にあることから、スロットの長さ・スロットの幅・スタブの長さを外部から検査することが困難であり、検査によって特性の安定化を図ることも困難であるという問題点があった。
【００１５】
本発明は上記問題点に鑑み案出されたもので、その目的は、変換効率が高く、変換特性のばらつきが小さい高周波線路−導波管変換器を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明の高周波線路−導波管変換器は、誘電体層ならびにこの誘電体層の上面に配された線路導体およびこの線路導体の一端部を取り囲むように同一面に配された接地導体層から成る高周波線路と、前記接地導体層に前記線路導体の一端部と略直交するように形成されて前記線路導体と結合されたスロットと、前記線路導体の一端部および前記スロットを取り囲むように前記誘電体層の側面または内部に配されたシールド導体部と、前記誘電体層の下面側に開口を前記線路導体の一端部および前記スロットに対向させて配され、前記シールド導体部と電気的に接続された導波管とを具備することを特徴とするものである。
【００１７】
また、本発明の高周波線路−導波管変換器は、上記構成において、前記シールド導体部が前記誘電体層の内部に配された複数のシールド用貫通導体から成ることを特徴とするものである。
【００１８】
また、本発明の高周波線路−導波管変換器は、上記構成において、前記誘電体層の厚さが前記高周波線路により伝送される信号の波長の略（２ｎ−１）／４（ｎは自然数）であることを特徴とするものである。
【００１９】
また、本発明の高周波線路−導波管変換器は、上記構成において、前記線路導体の前記一端部の先端が開放されているとともに、この先端と前記スロットとの距離が前記高周波線路により伝送される信号の波長の略（２ｎ−１）／４（ｎは自然数）であることを特徴とするものである。
【００２０】
また、本発明の高周波線路−導波管変換器は、上記構成において、前記線路導体の前記一端部の先端が前記接地導体層に短絡されており、前記先端と前記スロットとの距離が前記高周波線路により伝送される信号の波長の略（ｎ−１）／２（ｎは自然数）であることを特徴とするものである。
【００２１】
本発明の高周波線路−導波管変換器によれば、誘電体層の上面に配された線路導体およびこの線路導体の一端部を取り囲むように同一面に配された接地導体層から成る高周波線路と、接地導体層に線路導体の一端部と略直交するように形成されたスロットとを結合させることから、高周波線路とスロットとが同一面内に形成されることとなり、その結果、両者の相対的な位置関係が変動しにくく、スロットに対する高周波線路の突出部分であるスタブの長さのばらつきを小さくすることができるため、電磁結合の特性のばらつきを小さくし、高周波線路−導波管変換の変換特性のばらつきを小さくすることができる。
【００２２】
また、本発明の高周波線路−導波管変換器によれば、シールド導体部が誘電体層の内部に配された複数のシールド用貫通導体から成るときには、高周波線路−導波管変換器の作製時にこれらシールド用貫通導体を線路導体および接地導体層と同時に形成することが可能となり、高周波線路−導波管変換器を容易に製造することができる。また、誘電体層のシールド用貫通導体で囲まれた領域の形状は任意に設計できるので、たとえば誘電体層のシールド用貫通導体で囲まれた領域に不要な共振が発生する場合に、シールド導体部の配置を調整して、不要共振を信号変換の帯域外にシフトさせることが可能となる。
【００２３】
また、本発明の高周波線路−導波管変換器によれば、誘電体層の厚さが高周波線路により伝送される信号の波長の略１／４であるときには、スロットから誘電体層と導波管との境界までの距離が信号波長の略１／４となり、スロットから放射され誘電体層と導波管との境界で反射し、スロットが形成されている接地導体層で再度反射して、再び境界に戻ってきた反射波と、スロットから直接境界まで伝送されてきた直接波との光路差が信号波長の１／２になり、反射波が接地導体層で反射する際に位相が反転していることから、境界では直接波と反射波が同位相になって強め合って信号が導波管に効率よく伝送されることとなる。このとき誘電体層の厚さを、ｎを自然数としたときに信号波長の（２ｎ−１）／４とすれば、反射波と直接波との光路差は信号波長の（ｎ−１）／２となり、信号波長のｎ倍の光路差は光路差がないのと等しいので実質的に信号波長の１／２になり、同様の効果をもつものとなる。
【００２４】
また、本発明の高周波線路−導波管変換器によれば、線路導体の一端部の先端が開放されているとともに、この先端とスロットとの距離が高周波線路により伝送される信号の波長の略１／４であるときには、高周波線路を伝送してきた信号（進行波）は開放端で全反射し、反対方向に伝送する後退波となる。このとき先端は開放なので先端部では電流が流れることができず、この部分で後退波の電流は進行波の電流を打ち消すように位相を反転させて反射する。この進行波の電流と位相が反転した後退波の電流との合成は、開放先端を節とし、節ピッチが信号波長の１／２の定在波となる。ここで、開放先端とスロットとの距離は信号波長の１／４なので、高周波線路のスロット直上の部分は定在波の腹となり電流は最大になって、電流に伴って発生する磁界が最大になる。この最大になった磁界がスロットに移行して、良好な電磁結合がなされ、最終的に信号が導波管に効率よく伝送されることとなる。このとき開放先端とスロットとの距離を、ｎを自然数としたときに信号波長の（２ｎ−１）／４とすれば、進行波と後退波との合成による定在波の腹の位置にスロットが位置することとなり、開放先端とスロットとの距離が信号波長の１／４の場合と同様の効果をもつものとなる。
【００２５】
また、本発明の高周波線路−導波管変換器によれば、線路導体の一端部の先端が接地導体層に短絡されており、その先端とスロットとの距離が高周波線路により伝送される信号の波長の略１／２であるときには、高周波線路を伝送してきた信号（進行波）は短絡端で全反射し、反対方向に伝送する後退波となる。このとき先端は短絡なので先端部では最大電流が流れることになり、この部分で後退波の電流は進行波の電流と同じ位相で反射する。この進行波の電流と位相転換しない後退波の電流との合成は、開放先端を腹とし、腹ピッチが信号波長の１／２の定在波となる。ここで、短絡先端とスロットとの距離は信号波長の１／２なので、高周波線路のスロット直上の部分は定在波の腹となり電流は最大になって、電流に伴って発生する磁界が最大になる。この最大になった磁界がスロットに移行して、良好な電磁結合がなされ、最終的に信号が導波管に効率よく伝送されることとなる。このとき短絡先端とスロットとの距離を、ｎを自然数としたときに信号波長の（ｎ−１）／２とすれば、進行波と後退波との合成による定在波の腹の位置にスロットがくることとなり、短絡先端とスロットとの距離が信号波長の１／２の場合と同様の効果をもつものとなる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を添付図面に基づき詳細に説明する。
【００２７】
図１は本発明の高周波線路−導波管変換器の実施の形態の一例を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はＡ−ＡＡ線断面図である。また、図２は本発明の高周波線路−導波管変換器の実施の形態の他の例を示す同様の図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はＢ−ＢＢ線断面図である。図１および図２において、１は高周波線路、２は誘電体層、３は線路導体、４は接地導体層、５は接地導体層４に形成されたスロット、６は導波管、７はシールド導体部である。
【００２８】
これら本発明の高周波線路−導波管変換器の例においては、誘電体層２と、誘電体層２の上面に配された線路導体３と、線路導体３の一端部を取り囲むように同一面（誘電体層２の上面）に配された接地導体層４とによって高周波線路１としてのコプレーナ線路が形成されている。また、誘電体層２の上面の接地導体層４には線路導体３の一端部と略直交するように形成されたスロット５が配されており、高周波線路１の一端と電磁気的に結合されている。これにより、高周波線路１に伝送された高周波信号は、スロット５から、誘電体層２の下面側に開口を線路導体３の一端部およびスロット５に対向させて配され、下方に延びるように配置された導波管６内に電磁波として放射される。
【００２９】
誘電体層２の側面方向は、線路導体３の一端部およびスロット５を取り囲むようにして、図１の例に示すように誘電体層２の側面に、または図２の例に示すように誘電体層２の内部に配されたシールド導体部７によりシールドされており、スロット５から誘電体層２に放射された電磁波および誘電体層２と導波管６との境界で反射した電磁波が漏れ出すことを防ぎ、変換効率が低下することを防止している。
【００３０】
このような構造とすることにより、高周波線路１であるコプレーナ線路を構成する線路導体３および接地導体層４とスロット５とを同一面に形成できるので、線路導体３および接地導体層４とスロット５とが異なる層に形成される場合と比較すると、積層ずれによる両者の相対位置のずれがなく、高周波線路１とスロット５との電磁結合特性の制御が容易になり、結果として高周波線路−導波管変換の変換効率を高めるように制御することができるものとなるとともに、変換特性のばらつきを小さく抑えることができるものとなる。
【００３１】
また、高周波線路１が誘電体層２の上面に配された線路導体３および接地導体層４から成り、この高周波線路１を構成する線路導体３・接地導体層４とスロット５とが誘電体層２の上面の同一面にあるので、これらを作製後、高周波線路１とスロット５との相対位置を外部から検査することが容易であり、その相対位置を高周波線路１とスロット５との電磁結合特性が良好になるように作製工程にフィードバックしたり、検査による不良品の選別を通して作製歩留まりを向上させ、不良品の流出を抑えることが容易にできる。
【００３２】
誘電体層２を形成する誘電体材料としては、酸化アルミニウム・窒化アルミニウム・窒化珪素・ムライト等を主成分とするセラミック材料・ガラス・あるいはガラスとセラミックフィラーとの混合物を焼成して形成されたガラスセラミック材料・エポキシ樹脂・ポリイミド樹脂・四フッ化エチレン樹脂を始めとするフッ素系樹脂等の有機樹脂系材料・有機樹脂−セラミック（ガラスも含む）複合系材料等が用いられる。
【００３３】
線路導体３・接地導体層４ならびに貫通導体等によるシールド導体部７を形成する導体材料としては、タングステン・モリブデン・金・銀・銅等を主成分とするメタライズ、あるいは金・銀・銅・アルミニウム等を主成分とする金属箔等が用いられる。
【００３４】
特に、高周波線路−導波管変換器を、高周波部品を搭載する配線基板に内蔵する場合は、誘電体層２を形成する誘電体材料としては、誘電正接が小さく、かつ気密封止が可能であることが望ましい。特に望ましい誘電体材料としては、酸化アルミニウム・窒化アルミニウム・ガラスセラミック材料の群から選ばれる少なくとも１種の無機材料が挙げられる。このような硬質系材料で構成すれば、誘電正接が小さく、かつ搭載した高周波部品を気密に封止することができるので、搭載した高周波部品の信頼性を高める上で好ましい。この場合、導体材料としては、誘電体材料との同時焼成が可能なメタライズ導体を用いることが、気密封止性と生産性の上で望ましい。
【００３５】
本発明の高周波線路−導波管変換器は以下のようにして作製される。例えば誘電体材料に酸化アルミニウム質焼結体を用いる場合であれば、まず酸化アルミニウム・酸化珪素・酸化マグネシウム・酸化カルシウム等の原料粉末に適当な有機溶剤・溶媒を添加混合してスラリー状にし、これを従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法によりシート状に成形してセラミックグリーンシートを作製する。また、タングステンやモリブデン等の高融点金属・酸化アルミニウム・酸化珪素・酸化マグネシウム・酸化カルシウム等の原料粉末に適当な有機溶剤・溶媒を添加混合してメタライズペーストを作製する。次に、セラミックグリーンシートに、例えば打ち抜き法によりシールド導体部７としての貫通導体を形成するための貫通孔を形成し、例えば印刷法により、その貫通孔にメタライズペーストを埋め込み、続いて線路導体３とスロット５を有する接地導体層４の形状にメタライズペーストを印刷する。誘電体層２が複数の誘電体層の積層構造からなる場合には、これら導体が埋め込み・印刷されたセラミックグリーンシートを積層し、加圧して圧着し、高温（約１６００℃）で焼成する。さらに、線路導体３や接地導体層４等の表面に露出する導体の表面には、ニッケルめっきおよび金めっきを被着させる。
【００３６】
シールド導体部７は線路導体３の一端部およびスロット５を取り囲むように誘電体層２の側面または内部に配され、接地導体層４に電気的に接続されて接地される。
【００３７】
図１に示す例はシールド導体部７が誘電体層２の側面に配された場合を示すものであり、導波管６の端部の管壁がシールド導体部７を兼ねているが、この場合のシールド導体部７は、誘電体層２の側面に形成したメタライズ層であってもよく、そのときの側面のメタライズ層は導波管６に電気的に接続されるように形成すればよい。この場合の側面のメタライズ層への導波管６の接続は、導波管６の開口を誘電体層２の下面に位置させて接続してもよいが、電磁波の漏れを極力抑えるためには、図１に示すように誘電体層２の下面が導波管６の開口より内側に位置するように導波管６を設置することが望ましい。また、誘電体層２の側面へのメタライズ層の形成は、前述の作製方法において、セラミックグリ−ンシートを圧着した後にこの積層体の側面の誘電体層２となる部分にメタライズペーストを印刷により塗布する方法や、焼成後に誘電体層２の側面を必要に応じて研磨したりした後、その側面にメタライズペーストを印刷により塗布して焼き付ける方法等を採用すればよい。
【００３８】
シールド導体部７は、図２に示すように、誘電体層２の内部に配された複数のシールド用貫通導体により構成するとよい。図２に示す例においては、複数のシールド用貫通導体は線路導体３の一端部およびスロット５を取り囲むように誘電体層２内に配列されてシールド導体部７を形成している。このときシールド用貫通導体は、不要な共振が発生しないように導波管６の開口に対してその内側に位置するように設置することが望ましい。このようにシールド導体部７を複数のシールド用貫通導体で形成すると、その作製時に誘電体層２内に上面の線路導体３および接地導体層４と同時に形成することが可能となるので、シールド導体部７を誘電体層２の側面に別途形成する工程を省くことが可能となり、図１に示す例の場合のように誘電体層２の外形形状を導波管６の開口内に入る形状に合わせる必要もなく、高周波線路−導波管変換器を容易に製造することができる。また、誘電体層２のシールド導体部７で囲まれた領域の形状を任意に設計することができるので、たとえば誘電体層２のシールド導体部７で囲まれた領域に不要な共振が発生する場合に、シールド導体部７の配置を調整して、不要共振を信号変換の帯域外にシフトさせることが可能となる。
【００３９】
シールド用貫通導体同士の隙間（図２にＧで示す）は、信号波長の１／４未満にすることが望ましい。これは、信号波長の１／４未満とすることにより電磁波がシールド用貫通導体間の隙間から漏れにくくなるので、シールド効果を高めることができるからである。
【００４０】
なお、シールド導体部７を構成するシールド用貫通導体は、貫通孔の内壁に導体層が被着されたいわゆるスルーホール導体であってもよく、貫通孔の内部が導体で充填されたいわゆるビア導体であってもよい。
【００４１】
誘電体層２は、高周波線路−導波管変換の変換効率を高めるために、その厚さ（図１中にＨで示す）を高周波線路１により伝送される信号波長の略１／４とすることが好ましい。誘電体層２の厚さを信号の波長の略１／４にすると、スロット５から誘電体層２と導波管６との境界までの距離が信号波長の略１／４となり、誘電体層２と導波管６との境界で反射された反射波が接地導体層４で全反射して境界まで戻ってくるまでの光路長が信号波長の略１／２になるので、戻ってきたときには位相が逆になり、接地導体層４での全反射による位相反転とあいまって、スロット５から境界に直接伝送された直接波と同位相になり、これらがお互いに合成されて信号が導波管６に効率よく伝送されることとなる。なお、誘電体層２の厚さを、ｎを自然数としたときに信号波長の（２ｎ−１）／４とすれば、反射波と直接波の光路差は実質的に信号波長の１／２となり、上記と同様の効果を発揮させることができる。それとともに、信号周波数が高くなり、信号波長が短くなって、誘電体層２の厚さを信号波長の１／４に設定すると誘電体層２の強度が低下する場合には、誘電体層２の厚さを信号波長の３／４や５／４等とすることにより、誘電体層２の強度が低下することを抑えることができる。
【００４２】
誘電体層２の厚さは、前述の作製方法において、焼成後に誘電体層２となるセラミックグリーンシートの厚さを調節することにより調整することができる。この場合、セラミックグリーンシート１枚の厚さでもって調整してもよいし、複数枚のセラミックグリーンシートを積層することにより調節してもよい。
【００４３】
次に、図３は本発明の高周波線路−導波管変換器の実施の形態の他の例を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はＣ−ＣＣ線断面図である。図３において、１は高周波線路としてのコプレーナ線路、２は誘電体層、３は線路導体、４は接地導体層、５は接地導体層４に形成されたスロット、６は導波管、７はシールド導体部である。
【００４４】
この本発明の高周波線路−導波管変換器の例においては、高周波線路１としてのコプレーナ線路の先端は開放され、開放された先端からスロット５の中心までの距離が、ｎを自然数としたときに信号波長の（２ｎ−１）／４に設定されている。これにより、コプレーナ線路を伝送してきた進行波と開放された先端で反射した後退波の合成による定在波は、スロット５の部分で磁界が最も強くなるので、コプレーナ線路からスロット５への磁界を介した電磁結合が最も良好に行なわれ、高周波線路−導波管変換の変換効率を高めることができる。
【００４５】
次に、図４は本発明の高周波線路−導波管変換器の実施の形態の他の例を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はＤ−ＤＤ線断面図である。図４において、１は高周波線路としてのコプレーナ線路、２は誘電体層、３は線路導体、４は接地導体層、５は接地導体層４に形成されたスロット、６は導波管、７はシールド導体部である。
【００４６】
この本発明の高周波線路−導波管変換器の例においては、高周波線路１としてのコプレーナ線路の先端は接地導体層４に短絡されており、短絡された先端からスロット５の中心までの距離が、ｎを自然数としたときに信号波長の（ｎ−１）／２に設定されている。これにより、コプレーナ線路を伝送してきた進行波と短絡された先端で反射した後退波の合成による定在波は、スロット５の部分で磁界が最も強くなり、コプレーナ線路からスロット５への磁界を介した電磁結合が最も良好に行なわれ、高周波線路−導波管変換の変換効率を高めることができる。なお、図１，２に示した例は、この例においてｎを１とした場合に対応している。
【００４７】
導波管６の形状は特に制約はなく、例えば方形導波管として規格化されているＷＲシリーズを用いると、測定用校正キットが充実しているので種々の特性評価が容易になるが、使用する高周波信号の周波数に応じてシステムの小型軽量化のために導波管のカットオフが発生しない範囲で小型化した方形導波管を用いてもよい。また、円形導波管を用いてもよい。
【００４８】
導波管６は、金属で構成し、管内壁を電流による導体損低減や腐食防止のために金・銀等の貴金属で被覆するとよい。また、樹脂を必要な導波管形状に成型し、金属の場合と同様に管内壁を金・銀等の貴金属で被覆したものであってもよい。導波管７の高周波線路−導波管変換器への取り付けは、ろう材による接合やねじによる締め付け等によって行なわれる。
【００４９】
ろう材による接合によって導波管６を高周波線路−導波管変換器へ取り付けるためには、接地導体層４およびシールド導体部７と電気的に接続された導波管接続用導体を、取り付けられる導波管６の開口に合わせて形成しておくとよい。例えば、図２に示したように、誘電体層２の下面にシールド用貫通導体から成るシールド導体部７と接続されたメタライズ層から成る導波管接続用導体８を形成しておくとよい。また、シールド導体部７が誘電体層２の側面に形成されたメタライズ層である場合も同様に、側面のシールド導体部７としてのメタライズ層と接続されるように誘電体層２の下面にメタライズ層から成る導波管接続用導体８を形成すればよい。このような導波管接続用導体８を形成しておくと、導波管６を高周波線路−導波管変換器へ取り付けた際の導波管６とシールド導体部７および接地導体層４との電気的接続がより確実なものとなるので、信頼性の高い高周波線路−導波管変換器を構成することができる点で好ましいものとなる。
【００５０】
導波管接続用導体８は、前述の作製方法において、線路導体３および接地導体層４の形成と同様に、導波管接続用導体８の形状にメタライズペーストを印刷することにより同時に形成すればよい。さらに、線路導体３や接地導体層４等の表面に露出する導体と同様に、その表面にニッケルめっきおよび金めっきを被着させると、ろう材による接合の場合のろう材の濡れ性が向上するので、より好ましいものとなる。
【００５１】
なお、本発明は以上の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば、種々の変更を行なっても差し支えない。
【００５２】
例えば、図１および図２では高周波線路がコプレーナ線路構造の場合の例を示したが、線路導体３と導波管６との間に下面接地層を設けてグランド付きコプレーナ線路構造とした場合であっても、あるいは誘電体層２の上にさらに誘電体層を積層し、この誘電体層の上面に線路導体３を覆うように上面接地導体層を設けたグランド付きコプレーナ線路構造としてもよく、いずれの場合であっても誘電体層２・線路導体３・接地導体層４・スロット５・導波管６およびシールド部７の位置関係を図１または図２に示す例と同様にすることにより、同様の効果を得ることができる。
【００５３】
また、上述の実施の形態の例では誘電体材料に酸化アルミニウム質焼結体を用いた場合の作製方法について説明したが、誘電体材料としてガラスセラミックス焼結体を用いる場合は、上述した作製方法においてセラミックグリーンシートの原料粉末としてガラスセラミックス成分の粉末を用い、メタライズペーストの原料粉末として銀・銅・金等の低融点金属を用いるだけでなく、ガラスセラミック材料が焼結する温度では実質的に焼結収縮しない無機成分、例えばアルミナのグリーンシートを積層体の両面に積層して焼成すると、Ｘ−Ｙ平面方向の焼成収縮を抑制できるので、焼成収縮バラツキによるセラミック配線基板の寸法バラツキを抑えることが可能となり、スロットの寸法とスタブの長さのバラツキをさらに抑えた高周波線路−導波管変換器を得ることができるのでよい。
【００５４】
【実施例】
次に、本発明の高周波線路−導波管変換器の効果を確認すべく、以下のような実験を行なった。
【００５５】
まず、焼成後に１０ＧＨｚにおける誘電正接が０．０００６になるアルミナセラミックスのセラミックグリーンシートと、タングステンメタライズ用のメタライズペーストとを用いて、通常のグリーンシート積層技術および同時焼成技術によって、図５に示すような評価基板を作製した。なお、図５（ａ）は評価基板の上面図、（ｂ）は（ａ）のＥ−ＥＥ線断面図、（ｃ）は下面図である。
【００５６】
焼成後、評価基板の上面および下面の各メタライズ層の表面にはニッケルおよび金によるめっき加工を施した。ここで、評価基板中の高周波線路−導波管変換器は、対応する導波管をＷ帯（７５ＧＨｚ〜１１０ＧＨｚ）用ＷＲ−１０に設定し、７６ＧＨｚを中心周波数として設計した。評価基板は、図２に示した誘電体層２・線路導体３・接地導体層４・スロット５・シールド用貫通導体から成るシールド導体部７および導波管接続用導体８で構成された本発明の高周波線路−導波管変換器を図中の左右に各々１つずつ２つ有しており、これら２つの変換器は両方の線路導体３と接地導体層４とをそれぞれ一体化した構造としている。一体化された線路導体３と接地導体層４は、誘電体層２とともに接続用コプレーナ線路９を構成している。左右の高周波線路−導波管変換器の間隔は、それぞれに測定用導波管を接続できるように２０ｍｍとした。これにより、この評価基板は、２つの高周波線路−導波管変換器を長さ２０ｍｍの接続用コプレーナ線路９で接続した構成となっている。
【００５７】
次に、この評価基板の各高周波線路−導波管変換器の導波管接続用導体８に測定用導波管の導波管開口を合わせて、ねじにより締め付けて接続し、一方の導波管から信号を入力し、他方の導波管から出力された信号を測定する方法で、７５ＧＨｚ〜１１０ＧＨｚの範囲における挿入損失を測定した。この結果と、別途測定した接続用コプレーナ線路９の損失とから、高周波線路−導波管変換器の変換損失を見積った。
【００５８】
その結果、７６ＧＨｚにおける変換損失は約０．７ｄＢであり、実用的な高周波モジュールを作製する上で十分に小さい変換損失であることが確認された。
【００５９】
【発明の効果】
本発明の高周波線路−導波管変換器によれば、誘電体層ならびにこの誘電体層の上面に配された線路導体およびこの線路導体の一端部を取り囲むように同一面に配された接地導体層から成る高周波線路と、前記接地導体層に前記線路導体の一端部と略直交するように形成されて前記線路導体と結合されたスロットとを具備することから、高周波線路を形成する線路導体および接地導体層とスロットとを同一面に形成することが可能となり、その結果、高周波線路とスロットとの相対位置を精度良く作製することができるため、高周波線路とスロットとの電磁結合特性のばらつきを小さくすることが可能となり、高周波線路―導波管変換器の変換効率を高めることができ、変換特性のばらつきを小さく抑えることができる。
【００６０】
また、本発明の高周波線路−導波管変換器によれば、シールド導体部が誘電体層の内部に配された複数のシールド用貫通導体から成るときには、高周波線路−導波管変換器の作製時にこれらシールド用貫通導体を線路導体および接地導体層と同時に形成することが可能となり、高周波線路−導波管変換器を容易に製造することができる。また、誘電体層のシールド用貫通導体で囲まれた領域の形状は任意に設計できるので、たとえば誘電体層のシールド用貫通導体で囲まれた領域に不要な共振が発生する場合に、シールド導体部の配置を調整して、不要共振を信号変換の帯域外にシフトさせることが可能となる。
【００６１】
また、本発明の高周波線路−導波管変換器によれば、誘電体層の厚さがｎを自然数としたときに高周波線路により伝送される信号の波長の略（２ｎ−１）／４であるときには、スロットから誘電体層と導波管との境界までの距離が信号波長の略（２ｎ−１）／４となり、誘電体層と導波管との境界で反射された反射波が接地導体層で全反射して境界まで戻ってくるまでの光路長が実質的に信号波長の略１／２になるので、戻ってきたときには位相が逆になり、接地導体層での全反射による位相反転とあいまって、スロットから境界に直接伝送された直接波と同位相になり、これらがお互いに合成されて信号が導波管に効率よく伝送されることとなる。またそれとともに、信号周波数が高くなり、信号波長が短くなって、誘電体層の厚さを信号波長の１／４に設定すると誘電体層の強度が低下する場合には、誘電体層の厚さを信号波長の３／４や５／４等とすることにより、誘電体層の強度が低下することを抑えることができる。
【００６２】
また、本発明の高周波線路−導波管変換器によれば、高周波線路の先端を開放し、開放された先端とスロットとの距離を、ｎを自然数としたときに信号波長の（２ｎ−１）／４に設定したときには、高周波線路を伝送してきた進行波と開放された先端で反射した後退波との合成による定在波は、スロットの部分で磁界が最も強くなり、高周波線路からスロットへの磁界を介した電磁結合が最も良好に行なわれるものとすることができるので、高周波線路−導波管変換の変換効率を高めることができる。
【００６３】
また、本発明の高周波線路−導波管変換器によれば、高周波線路の先端を接地導体層により短絡し、短絡された先端とスロットとの距離を、ｎを自然数としたときに信号波長の（ｎ−１）／２に設定したときには、高周波線路を伝送してきた進行波と短絡された先端で反射した後退波との合成による定在波は、スロットの部分で磁界が最も強くなり、高周波線路からスロットへの磁界を介した電磁結合が最も良好に行なわれるものとすることができるので、高周波線路−導波管変換の変換効率を高めることができる。
【００６４】
以上により、本発明によれば、変換効率が高く、変換特性のばらつきが小さい高周波線路−導波管変換器を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の高周波線路−導波管変換器の実施の形態の一例を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−ＡＡ線断面図である。
【図２】（ａ）は本発明の高周波線路−導波管変換器の実施の形態の他の例を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−ＢＢ線断面図である。
【図３】（ａ）は本発明の高周波線路−導波管変換器の実施の形態の他の例を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＣ−ＣＣ線断面図である。
【図４】（ａ）は本発明の高周波線路−導波管変換器の実施の形態の他の例を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＤ−ＤＤ線断面図である。
【図５】本発明の高周波線路−導波管変換器の評価基板を示す（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＥ−ＥＥ線断面図、（ｃ）は下面図である。
【図６】従来の高周波線路−導波管変換器の例を示す断面図である。
【符号の説明】
１・・・・・高周波線路
２・・・・・誘電体層
３・・・・・線路導体
４・・・・・接地導体層
５・・・・・スロット
６・・・・・導波管
７・・・・・シールド導体部
８・・・・・導波管接続用導体
９・・・・・接続用コプレーナ線路

Claims (5)

1. 誘電体層ならびに該誘電体層の上面に配された線路導体および該線路導体の一端部を取り囲むように同一面に配された接地導体層から成る高周波線路と、前記接地導体層に前記線路導体の前記一端部と略直交するように形成されて前記線路導体と結合されたスロットと、前記線路導体の前記一端部および前記スロットを取り囲むように前記誘電体層の側面または内部に配されたシールド導体部と、前記誘電体層の下面側に開口を前記線路導体の前記一端部および前記スロットに対向させて配され、前記シールド導体部と電気的に接続された導波管とを具備することを特徴とする高周波線路−導波管変換器。
2. 前記シールド導体部が前記誘電体層の内部に配された複数のシールド用貫通導体から成ることを特徴とする請求項１記載の高周波線路−導波管変換器。
3. 前記誘電体層の厚さが前記高周波線路により伝送される信号の波長の略（２ｎ−１）／４（ｎは自然数）であることを特徴とする請求項１記載の高周波線路−導波管変換器。
4. 前記線路導体の前記一端部の先端が開放されているとともに、該先端と前記スロットとの距離が前記高周波線路により伝送される信号の波長の略（２ｎ−１）／４（ｎは自然数）であることを特徴とする請求項１記載の高周波線路−導波管変換器。
5. 前記線路導体の前記一端部の先端が前記接地導体層に短絡されており、前記先端と前記スロットとの距離が前記高周波線路により伝送される信号の波長の略（ｎ−１）／２（ｎは自然数）であることを特徴とする請求項１記載の高周波線路−導波管変換器。

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