JP2005012699A

JP2005012699A - 誘電体共振器が形成された誘電体導波管線路と導波管との接続構造並びにその構造を用いたアンテナ装置及びフィルター装置

Info

Publication number: JP2005012699A
Application number: JP2003177080A
Authority: JP
Inventors: Naoyuki Shino; 直行志野; Hiroshi Uchimura; 弘志内村
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-06-20
Filing date: 2003-06-20
Publication date: 2005-01-13

Abstract

【課題】誘電体基板内に形成される積層型の誘電体導波管線路と方形導波管とを、ほぼ直角に接続することができる接続構造を提供する。
【解決手段】誘電体基板の両面に形成された一対の導体層２，３と、高周波信号の伝送方向に、前記導体層２，３間を電気的に接続して形成された２列の貫通導体群４とを具備する誘電体導波管線路６を設け、前記誘電体導波管線路６の一端部に、前記一対の導体層２，３と貫通導体群６とで囲まれるキャビティ共振器１１を形成し、共振器１１上の導体層２に結合用窓７を設け、この結合用窓７に、高周波信号の伝送方向が異なるように開口端面を対向させた方形金属導波管８を接続している。
【効果】低損失で、広帯域の信号透過特性が得られる。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はマイクロ波帯やミリ波帯等の高周波信号を伝達するための誘電体導波管線路と導波管との接続構造に関し、特に高周波信号の伝送方向がほぼ直交する場合に、信頼性が高く、低損失に接続することができる誘電体導波管線路と導波管との接続構造、並びにその構造を用いたアンテナ装置及びフィルター装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、マイクロ波帯やミリ波帯等の高周波信号を用いた移動体通信及び車間レーダ等の研究が盛んに進められている。これらの通信を扱う高周波回路において、高周波信号を伝送するための伝送線路には小型で伝送損失が小さいことが求められている。特に、伝送線路を、高周波回路を構成する基板上または基板内に形成できると小型化の面で有利となることから、従来、そのような伝送線路として、ストリップ線路やマイクロストリップ線路、コプレーナ線路、誘電体導波管線路等が用いられてきた。
【０００３】
これらのうちストリップ線路・マイクロストリップ線路・コプレーナ線路は誘電体基板と線路導体層とグランド（接地）導体層とで構成されており、線路導体層とグランド導体層の周囲の空間又は誘電体基板中を高周波信号の電磁波が伝搬するものである。これらの線路は３０ＧＨｚ帯域までの信号伝送に対しては良好に伝送できるが、３０ＧＨｚ以上では伝送損失が生じやすいという問題点がある。
これに対して導波管型の伝送線路は３０ＧＨｚ以上のミリ波帯域においても伝送損失が小さい点で有利である。
【０００４】
このうち方形導波管は、断面が方形の金属壁で囲まれた空気中を電磁波が伝搬する構造となっており、誘電体による損失がないため３０ＧＨｚ以上のミリ波帯域においても伝送損失が非常に小さいものである。
しかし、線路断面の長手方向の長さを、伝搬する信号波長の２分の１以上とする必要があるため、寸法が大きく高密度での配線が困難であるという問題点がある。また、金属壁で構成されるため、高精度な加工が困難であり加工コストが高いという問題点もある。
【０００５】
これに対し、導波管の優れた伝送特性を活かした、誘電体多層基板内に形成可能な伝送線路である誘電体導波管線路は、導体壁あるいは擬似的な導体壁で囲まれた領域の内部に誘電体が満たされた構造となっているため、誘電体による伝送損失があるものの、損失の小さい誘電体を用いれば伝送損失を実用上問題ない程度に小さくすることができる。方形導波管と同じ周波数範囲で信号を伝搬させようとすると、誘電体の比誘電率をεｒとしたときに線路の断面のサイズを１／√εｒと小型にできるメリットがある。
【０００６】
例えば、特開平６−５３７１１号公報において、誘電体基板を一対の主導体層で挟み、さらに主導体層間を接続する２列に配設された複数のビアホールによって側壁を形成した誘電体導波管線路が提案されている。この誘電体導波管線路は誘電体材料の四方を一対の主導体層とビアホールによる疑似的な導体壁で囲むことによって導体壁内の領域を信号伝送用の線路としたものである。このような構成によれば、構成がいたって簡単となって装置全体の小型化も図ることができる。
【０００７】
さらに、特開平１０−７５１０８号公報において、誘電体基板中に形成した多層構造による誘電体導波管線路が提案されている。これは積層型導波管と呼ばれるものであり、前述のような誘電体導波管線路を、誘電体層と一対の主導体層と貫通導体群とで形成し、さらに貫通導体群に加えて副導体層を形成することにより、電気的な壁としての側壁を強化したものである。前述の誘電体導波管線路では導波管内に貫通導体に平行でない電界が存在すると側壁から電界の漏れが発生するおそれがあるが、この積層型導波管では副導体層があるためにこのような電界の漏れが発生しにくい、優れたものとなる。
【０００８】
【特許文献１】特開平６−５３７１１号公報
【特許文献２】特開平１０−７５１０８号公報
【特許文献３】特開２０００−１９６３０１号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、誘電体導波管線路を用いて構成された高周波回路について、例えば高周波特性を測定・評価するためにネットワークアナライザ等の測定装置へ接続するためには、誘電体導波管線路を直接接続することが困難であり、方形導波管を介すると容易に接続することができてより正確な測定が可能になる。
また、ＭＭＩＣ（マイクロ波モノリシック集積回路）等の能動回路に誘電体導波管線路を接続する場合にも、方形導波管を介することによって接続が容易となり、回路全体の小型化が可能となる。
【００１０】
そのため、良好な伝送特性を有する、方形導波管と誘電体導波管線路との接続構造が求められていた。
これを解決する手法として特開２０００−１９６３０１号において方形導波管と誘電体導波管線路との接続構造が提案されているが、その構造では、接続部における信号の方向変換のために反射損失が発生しやすく、このため広い帯域において十分な信号透過特性が得られなかった。
【００１１】
また、前記構造では、方形導波管が接続される誘電体導波管構造の厚みがλｂ／（４・√εｒ）（ただし、λｂ：方形導波管の管内波長、εｒ：誘電体基板の比誘電率）と規定されており、このため設計自由度が小さく、特に基板の厚みをこれ以上薄くすることが難しくなる。
本発明の目的は、信号透過特性が広帯域にわたって優れた、誘電体導波管線路と導波管との接続構造を提供することにある。
【００１２】
また、本発明の他の目的は、誘電体基板の厚みを薄くすることができ、接続構造の設計自由度を上げることのできる、誘電体導波管線路と導波管との接続構造、並びにその構造を用いたアンテナ装置及びフィルター装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の誘電体導波管線路と導波管との接続構造は、誘電体基板と、誘電体基板の両面に形成された一対の導体層と、高周波信号の伝送方向に信号波長の２分の１未満の繰り返し間隔で、かつ前記伝送方向と直交する方向に所定の幅で、前記導体層間を電気的に接続して形成された２列の貫通導体群とを具備する誘電体導波管線路を設け、前記誘電体導波管線路の一端部に、前記一対の導体層と貫通導体群とにより共振器を形成し、共振器上の一方の導体層に結合用窓を設け、この結合用窓に、高周波信号の伝送方向が異なるように開口端面を対向させた導波管を接続していること特徴とするものである。
【００１４】
この誘電体導波管線路は、前記一対の導体層及び前記貫通導体群で囲まれた伝送領域によって高周波信号を伝送するが、誘電体導波管線路の終端部に、共振器を形成することにより、一方の導体層に設けられた結合用窓を介して、導波管に高周波信号を受け渡しことができる。このような構造によって、広帯域にわたって結合効率に優れた、信頼性の高い、しかも簡単な構造の誘電体導波管線路と導波管との接続を実現することができる。
【００１５】
前記共振器を、前記一対の導体層と貫通導体群とで囲まれる１つのキャビティで形成することにより、シンプルな構造の共振器を作成できるので、信頼性を一層高くすることができ、製造コストもより下げることができる。
前記誘電体基板の比誘電率をεｒとすると、前記共振器構造の厚み（単位ｍｍ）は、３００／（ｆ・√εｒ）の１／５以上１／２以下（ｆは信号周波数、単位はＧＨｚ）とすることができる。このように、共振器構造の厚みを広範囲にわたって設定できるので、設計の自由度が向上する。従来よりも薄い誘電体基板を用いることもできる。
【００１６】
また、前記共振器構造の長手方向の長さ（単位ｍｍ）が３００／（ｆ・√εｒ）の１．１５倍以上２．８５倍以下（ｆは信号周波数、単位はＧＨｚ）、かつ前記共振器構造の短手方向の長さ（単位ｍｍ）が３００／（ｆ・√εｒ）の０．６倍以上１．２１倍以下（ｆは信号周波数、単位はＧＨｚ）の広い範囲で良好な透過特性を満足することができる。したがって、これにより設計の自由度が向上する。
またさらに、前記誘電体導波管線路に、高周波信号の伝送時の反射を低減する電磁界整合部を含むこととすれば、共振器および誘電体導波管で発生する電磁界の中間に相当する電磁界分布を発生させることができるために、接続部における反射をさらに低減でき、高周波伝送特性のさらなる向上を図ることができる。
【００１７】
電磁界整合部の具体的な形状として、誘電体導波管線路の断面の高さが異なる構造、誘電体導波管線路の断面の幅が異なる構造、誘電体導波管線路の断面の幅をテーパ状に変えた構造、誘電体導波管線路とは異なる誘電率材料を含む構造、又は誘電体導波管線路内にピン導体を配置した構造があげられる。いずれかの構造又はこれらの２種以上を組み合わせた構造を設けることにより、接続部における反射を抑制し、他の回路や素子への悪影響を低減し、さらに高周波特性を向上できる。
【００１８】
なお、前記誘電体基板は、低温焼成セラミックスとすることによって、銅や銀など低抵抗の金属を用いて各種導体層を形成することができるために、高周波信号の伝送に対して低損失にでき、好適である。
前記導波管はどのような構造の導波管であっても、本発明は適用できるが、例えば方形導波管であってもよい。
前記誘電体導波管線路と導波管との高周波信号の伝送方向は、任意の角度で交差させることができるが、この角度は例えばほぼ９０°としてもよい。
【００１９】
また本発明のアンテナ装置は、アンテナ基板に、前記誘電体導波管線路を設け、誘電体導波管線路の上下に形成された一対の導体層のうち、一方の導体層に結合用窓を設け、この結合用窓に、誘電体層を介して、高周波信号の伝送方向が異なるように開口端面を対向させた給電用導波管を接続しているものである。
また、本発明のフィルター装置は、フィルター基板に、前記誘電体導波管線路を設け、誘電体導波管線路の上下に形成された一対の導体層のうち、一方の導体層に結合用窓を設け、この結合用窓に、誘電体層を介して、高周波信号の伝送方向が異なるように開口端面を対向させた給電用導波管を接続しているものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の誘電体導波管線路と導波管との接続構造について図面を参照しながら説明する。
図１は本発明に用いる誘電体導波管線路の構造例を説明するための概略斜視図である。
図１において、１は高周波信号の伝送方向Ａに延びる所定の厚みａを有する誘電体基板である。２及び３は、誘電体基板１の上下面に形成された一対の導体層であり、４は誘電体基板１の中に形成され、高周波信号の伝送方向Ａに沿って配列された２列の貫通導体群である。
【００２１】
貫通導体群４は、一対の導体層２，３間を電気的に接続するものであり、１本１本の貫通導体は、スルーホール導体やビアホール導体等により形成される。これら多数の貫通導体により２列の貫通導体群４を形成している。貫通導体群４は、図示するように、高周波信号の伝送方向Ａすなわち線路形成方向に信号波長の２分の１未満の所定の繰り返し間隔ｃで、かつ同伝送方向Ａと直交する方向に所定の一定の間隔（幅）ｂをもって形成されている。これにより、この誘電体導波管線路６に対する電気的な側壁を形成している。
【００２２】
これら、一対の導体層２，３、及び貫通導体群４によって、誘電体基板１の一部に高さａ、幅ｂを有する誘電体導波管線路６が形成される。
また、５は貫通導体群４の各列を形成する貫通導体同士を電気的に接続するため、誘電体基板１の中に導体層２，３と平行に形成された補助導体層であり、必要に応じて適宜設けられる。なお、補助導体層５を設ける場合は、例えば誘電体基板１をそれぞれ半分の厚さの２枚の誘電体基板で構成し、それらの誘電体基板の間に、かつ誘電体導波管線路６の非形成部分に金属層を形成して両者を貼り合わせることにより、補助導体層５を形成することができる。
【００２３】
このように誘電体導波管線路６を、一対の導体層２，３と貫通導体群４と（補助導体層５があればそれも含めて）で囲まれた領域において形成することにより、誘電体導波管線路６の内部から見ると、その上下壁は一対の導体層２，３によって囲まれ、その側壁は貫通導体群４によって囲まれる。この構造により、様々な方向の電磁波が遮蔽される。さらに補助導体層５を形成していれば、その側壁は補助導体層５によってさらに細かな格子状に区切られて、電磁波の遮蔽効果は増大する。
【００２４】
なお、前記導体層２，３は、図１に示したように誘電体基板１の上下全面にわたって形成されているが、必ずしも誘電体基板１の上下全面にわたって形成されている必要はなく、少なくとも誘電体導波管線路６の形成部を挟む上下面に形成されていればよい。また、この誘電体導波管線路６は、多層誘電体基板の中に部分的に設けられていてもよい。
なお、図示していないが、誘電体導波管線路６の終端面には、側壁と同様の貫通導体群４が終端面を取り囲むように同じピッチｃで配列されている。これによって、誘電体導波管線路６の終端面が電気的に閉じられた構造を作ることができる。
【００２５】
誘電体基板１の厚みａ、すなわち一対の導体層２，３間の間隔に対する制限は特にないが、厚みａは、誘電体導波管線路６をシングルモードで用いる場合には間隔ｂに対して２分の１程度または２倍程度とすることがよい。図１の例では間隔ｂに対して厚みａが２分の１程度となっており、誘電体導波管線路６のＨ面に当たる部分が導体層２，３で、Ｅ面に当たる部分が貫通導体群４及び補助導体層５でそれぞれ形成される。また、間隔ｂに対して厚みａを２倍程度とすれば、誘電体導波管線路６のＥ面に当たる部分が導体層２，３で、Ｈ面に当たる部分が貫通導体群４及び補助導体層５でそれぞれ形成されることになる。
【００２６】
また、貫通導体群４の各列における貫通導体の間隔ｃは、信号波長の２分の１未満の間隔に設定されることで貫通導体群４により電気的な壁が形成できる。この間隔ｃは、望ましくは信号波長の４分の１未満であればよい。
間隔ｃが信号波長λの２分の１（λ／２）よりも大きいと、平行に配置された一対の導体層２，３間にはＴＥＭ波が伝搬できるため、この誘電体導波管線路６に電磁波を給電しても電磁波は貫通導体群４の間から漏れて、ここで作られる誘電体導波管線路に沿って伝搬してしまう。貫通導体群４の間隔ｃがλ／２よりも小さければ、電気的な側壁を形成することができ、電磁波は誘電体導波管線路６に対して垂直方向に漏洩することがなく、反射しながら誘電体導波管線路６の信号伝送方向に伝搬される。
【００２７】
その結果、図１のような構成によれば、一対の導体層２，３と２列の貫通導体群４及び補助導体層５とによって囲まれる断面積ａ×ｂのサイズの誘電体領域が誘電体導波管線路６を規定する。
なお、図１に示した態様では貫通導体群４は２列に形成したが、この貫通導体群４を４列あるいは６列に配設して、貫通導体群４による導体壁を２重・３重に形成することにより導体壁からの電磁波の漏れをより効果的に防止することもできる。
【００２８】
このような誘電体導波管線路６は、誘電体による伝送線路となるので、誘電体基板１の比誘電率をεｒとすると、その導波管サイズは通常の導波管の１／√εｒの大きさになる。従って、誘電体基板１を構成する材料の比誘電率εｒを大きいものとするほど、導波管サイズを小さくすることができて、高周波回路の小型化を図ることができる。したがって、高密度に配線が形成される多層配線基板、半導体素子収納用パッケージ又は車間レーダの伝送線路としても好適に利用できる。
【００２９】
なお、貫通導体群４を構成する貫通導体は、前述のように信号波長の２分の１未満の繰り返し間隔ｃで配設されており、この間隔ｃは良好な伝送特性を実現するためには一定の繰り返し間隔とすることが望ましいが、信号波長の２分の１未満の間隔であれば、適宜変化させたりいくつかの値を組み合わせたりしてもよい。
このような誘電体導波管線路６を構成する誘電体基板１の材質は、誘電体として機能し高周波信号の伝送を妨げることのない特性を有するものであればとりわけ限定されるものではないが、伝送線路を形成する際の精度及び製造の容易性の点からは、誘電体基板１はセラミックスから成ることが望ましい。
【００３０】
このようなセラミックスとしては、これまで様々な比誘電率を持つセラミックスが知られているが、本発明に係る誘電体導波管線路によって高周波信号を伝送するためには、常誘電体であることが望ましい。これは、一般に強誘電体セラミックスは高周波領域では誘電損失が大きく、したがって導波管線路の伝送損失が大きくなるためである。
誘電体基板１を構成する常誘電体の比誘電率εｒは４〜１００程度が適当である。
【００３１】
一般に多層配線基板や半導体素子収納用パッケージ、あるいは車間レーダに形成される配線層の線幅は最大でも１ｍｍ程度である。このことから、誘電体導波管線路６の幅ｂを１ｍｍとし、比誘電率εｒが１００の常誘電体を用い、上部がＨ面、すなわち磁界が上側の面に平行に巻く電磁界分布になるように用いた場合は、使用することのできる最小の周波数は１５ＧＨｚと算出される。したがって、マイクロ波帯の領域で十分利用可能となる。
【００３２】
一方、誘電体基板として一般的に用いられる樹脂からなる誘電体は、比誘電率εｒが２程度であるため、線幅が１ｍｍの場合は約１００ＧＨｚ以上でないと利用することができないものとなる。
また、全ての常誘電体セラミックスが利用可能であるわけではない。誘電体導波管線路の場合は導体による損失はほとんどなく、信号伝送時の損失のほとんどは誘電体による損失で決まる。その誘電体による損失α（ｄＢ／ｍ）は次のように表わされる。
【００３３】
α＝２７．３×ｔａｎδ／〔λ／｛１−（λ／λｃ）^２｝^１／２〕（１）
式（１）中、ｔａｎδは誘電体の誘電正接、λは誘電体内の波長、λｃは遮断波長である。規格化された矩形導波管（ＷＲＪシリーズ）形状に準ずると、上式中の｛１−（λ／λｃ）^２｝^１／２は０．７５程度である。
従って、実用に供し得る伝送損失である−１００ｄＢ／ｍ又はそれ以下を実現するには、次の関係が成立するように誘電体を選択することが必要である。
【００３４】
ｆ×√εｒ ×ｔａｎδ≦０．８（２）
式（２）中、ｆは使用する高周波信号の周波数（ＧＨｚ）である。
例えば、使用する高周波信号の周波数を１０〜１００ＧＨｚとした場合、前記の不等式を満たす常誘電体材料としては、アルミナセラミックスや窒化アルミニウムセラミックス、ガラスセラミックスなどの低温焼成セラミックス（後述）から選ばれる少なくとも１種であることが望ましい。
【００３５】
これらの常誘電体材料により誘電体基板１を形成するには、例えば常誘電体材料のセラミックス原料粉末に適当な有機溶剤・溶媒を添加混合して泥漿状になすとともに、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等を採用してシート状となすことによって複数枚のセラミックグリーンシートを得る。しかる後、これらセラミックグリーンシートの各々に適当な打ち抜き加工を施すとともにこれらを積層し、アルミナセラミックスの場合は１３００〜１７００℃、低温焼成セラミックスの場合は８５０〜１０５０℃、窒化アルミニウムセラミックスの場合は１５００〜１９００℃の温度で焼成することによって、誘電体基板１を製作する。
【００３６】
また、一対の導体層２，３は、例えば誘電体基板１がアルミナセラミックスから成る場合には、タングステン等の金属粉末に適当なアルミナ、シリカ、マグネシア等の酸化物や有機溶剤・溶媒等を添加混合してペースト状にしたものを用いて厚膜印刷法により、少なくとも伝送線路部分を完全に覆うようにセラミックグリーンシート上に印刷する。しかる後、グリーンシートとともに約１６００℃の高温で焼成して形成する。なお、金属粉末としては、低温焼成セラミックスの場合は銅、金、銀が、窒化アルミニウムセラミックスの場合はタングステン、モリブデンが好適である。また、導体層２，３の厚みは５〜５０μｍ程度とする。
【００３７】
また、貫通導体群４を構成する貫通導体は、例えばビアホール導体やスルーホール導体等により形成すればよい。その断面形状は製作が容易な円形の他、矩形や菱形等の多角形であってもよい。これら貫通導体は、例えばセラミックグリーンシートに打ち抜き加工を施して作製した貫通孔に導体層２，３と同様の金属ペーストを埋め込み、しかる後、誘電体基板１と同時に焼成して形成する。なお、貫通導体の直径は５０〜３００ μｍが適当である。
【００３８】
特に誘電体基板１は、低温焼成セラミックスを用いて作製されることが望ましい。低温焼成セラミックスは、焼成温度が低いため、導電率の高い銅、あるいは銀を導体に用いることができる。このため導体損を低減できる利点があり、接続部のメッキが不要なためコストを低減できる。また低温焼成セラミックスは、一般的な有機基板に比べて誘電率を高く調整できるため、構造をコンパクトにできるメリットもある。さらに、信頼性の観点から有機基板と異なり耐水蒸気性が高いため高信頼性が得られる。
【００３９】
低温焼成セラミックスとしては、ＳｉＯ_２を必須成分とし、Ａｌ_２Ｏ_３、アルカリ土類酸化物（ＢａＯ，ＣａＯ，ＳｒＯ，ＭｇＯなど）、アルカリ金属酸化物（Ｌｉ_２Ｏ，Ｎａ_２Ｏ，Ｋ_２Ｏなど）、Ｆｅ_２Ｏ_３，Ｂ_２Ｏ_３，ＣｕＯの群から選ばれる少なくとも一種を組み合わせた酸化物混合系、また、酸化物の混合物を溶融後、急冷して作成されたガラス系、又はこのガラスに、石英（ＳｉＯ_２）、Ａｌ_２Ｏ_３、アルカリ土類酸化物（ＢａＯ，ＣａＯ，ＳｒＯ，ＭｇＯなど）、アルカリ金属酸化物（Ｌｉ_２Ｏ，Ｎａ_２Ｏ，Ｋ_２Ｏなど）、Ｆｅ_２Ｏ_３，Ｂ_２Ｏ_３，ＣｕＯなどの単独酸化物、又は２種以上の複合酸化物、ＡｌＮ、窒化珪素、炭化珪素の群から選ばれる少なくとも１種のセラミックフィラーを添加混合した、いわゆるガラスセラミックスなどがあげられる。なお、前記ガラスとしては、焼成後も非晶質のままである非晶質ガラス、または焼成後に結晶化する結晶化ガラスのいずれでもよい。
【００４０】
次に、このような誘電体導波管線路を用いた、本発明の誘電体導波管線路と導波管との接続構造の形態例を図２及び図３に示す。
図２では、誘電体導波管線路６の終端部において、一対の導体層２，３の幅を広げ、それら一対の導体層２，３の周囲を貫通導体群４によって電気的に終端させてなる誘電体共振器１１を設けている。さらに、誘電体共振器１１の上側導体層２に、高周波信号の結合用の開口として結合用窓７を設けている。上側導体層２の、結合用窓７を含む部分の上に、高周波信号の伝送方向が直交するように、内部が中空の金属壁で構成された方形導波管８の開口端面９を当接させている。また図３（ａ）は、同接続構造を示すＷ−Ｗ線側断面図である。
【００４１】
なお、表示を簡単にするために誘電体導波管線路６は、上下一対の導体層２，３及び貫通導体群４から構成される輪郭で表示し、この輪郭外部に存在する誘電体基板１の図示は省略している。なお誘電体導波管線路６の終端面も、前述したように貫通導体群４が配置されているが、これも輪郭で表示している。また方向を説明するためにｘｙｚ座標を付した。
この構造では、誘電体導波管線路６において導体層２，３がＨ面となり、貫通導体群４による疑似的な導体壁がＥ面となる。
【００４２】
また、図２に示される番号８は内部が中空の金属壁で構成された方形導波管であり、その開口端面９が、高周波信号の伝送方向が直交するように誘電体共振器１１の導体層２に隙間なく密着するように当接させて配置されている。
方形導波管８より電磁波が入射した時を考える。シングルモードの場合、図３（ｂ）に示すように、方形導波管８内では、電界は断面の短手方向に平行なベクトルＶ１が発生しているが、それが結合用窓７を介し誘電体導波管線路６内に入射した後は、誘電体導波管線路６の短手方向に平行なベクトルＶ２に方向変換される。この際、誘電体共振器１１で共振が作用し、電界方向が変わることによって乱れた位相が共振器１１内で調整され、そろった位相で誘電体導波管線路６へ伝送することができる。このため、方向変換時の反射が減り、信号透過特性が向上する。
【００４３】
図４は、誘電体共振器１１を示す平面図である。誘電体共振器１１は、同図に示すように、誘電体導波管線路６の終端部近くで、一定の長さｄにわたって貫通導体群４の幅ｂをｂ′（ｂ′＞ｂ）に広げて配置し、終端を閉じることによって形成される。この誘電体共振器１１の厚みａ、長辺の幅ｂ′、短辺の幅ｄとし、結合用窓７の長辺の長さをｅ、短辺の長さをｇとしている。この誘電体共振器１１の共振特性は、厚みａ、幅ｂ′及び幅ｄを調整することによって制御できる。
【００４４】
自由空間の信号波長λは、
λ＝ｃ／ｆ（ｆ：信号周波数ＧＨｚ，ｃ：光の速度）
で計算される。これに１／√εｒをかけて誘電体内の波長に換算した波長λは、
λ＝ｃ／（ｆ・√εｒ）
となり、波長の単位をｍｍ、周波数ｆの単位をＧＨｚとすると、ｃ＝３×１０^８ｍ／ｓなので、
λ＝３００／（ｆ・√εｒ）
で表わされる。
【００４５】
誘電体共振器１１の厚みａは、この誘電体内の波長λの１／５以上１／２以下であることが好ましい。
この理由は、次のとおりである。誘電体共振器１１ではＹ方向の電界は、図３（ｂ）に示すように、導体層３で０となり結合用窓７で最大に近くなるという共振モードが発生する。そのため誘電体共振器１１の厚みａは、一般にはλ／４以上であることが求められる。しかし、実際にはＹ方向の電界最大部は結合用窓７の位置よりもＺ方向に沿って上にシフトする。そのため誘電体共振器１１の厚みａはλ／４よりも、一定量薄くても問題はない。厚みａはλ／５以上であればよい。また、厚みａがλ／２よりも厚いと誘電体導波管線路６に接続する際に、誘電体導波管線路６にＴＥ１０以外のモードを励起し伝送効率が低下するため、厚みａはλ／２以下であることが好ましい。
【００４６】
また誘電体共振器１１内において、効率よく共振を発生させ電界の方向と位相をそろえるには、誘電体共振器１１の長手方向の長さｂ′が１．１５λ以上２．８５λ以下、短手方向の長さｄが０．６λ以上１．２１λ以下であることが好ましい。
以上のように、この接続構造では、誘電体導波管線路６の厚みａ、長さｂ′、長さｄのとりうる範囲が広いので、接続構造の寸法設計の自由度が増えるという利点がある。
【００４７】
結合用窓７の位置、形状及び大きさについては、接続構造に要求される周波数特性、結合量及び反射量が複雑に関与する。このため、要求される周波数特性を満足するように電磁界解析により繰り返し計算することによって、所望の接続特性を有する結合用窓７の位置、形状及び大きさ等が決定されることとなる。
なお、以上では誘電体共振器１１として、１つのキャビティを有するタイプを示したが、これ以外に複数のキャビティを有するタイプを採用してもよい。ただし、接続構造を簡便、小形化するためには、１つのキャビティで共振器を構成することが最も好ましい。
【００４８】
さらに、本発明の誘電体導波管線路と導波管との接続構造の他の形態例をいくつか説明する。
本発明の誘電体導波管線路６と方形導波管８との接続構造においては、接続構造で発生した反射が、誘電体導波管線路６の先に接続される回路部分、あるいは方形導波管８の先に接続される回路部分に悪い影響を与える可能性がある。そこで、以下の例では、本接続構造では、誘電体導波管線路６に電磁界整合部を備えている。
【００４９】
図５は、誘電体導波管線路６と方形導波管８との他の接続構造を示す斜視図であり、図２と同様の箇所には同じ符号を付してある。
この実施形態によれば、共振器１１の後段側に電磁界整合部２０が設けられている。誘電体導波管線路６の高さを誘電体導波管線路６の高さから変更した部分（この例では、高さを低くしている。）が、電磁界整合部２０に相当する。この電磁界整合部２０は、誘電体共振器１１からの電磁界モードを、誘電体導波管線路６で伝送する電磁界モードにあわせることにより、誘電体導波管線路と方形導波管との接続部における反射を低減するために機能する部分である。
【００５０】
誘電体導波管線路６の高さの変更は、例えば図１に示した誘電体基板１として、２枚の誘電体基板を用意し、電磁界整合部２０以外の部分は２枚の誘電体基板を重ね合わせて構成し、電磁界整合部２０の形成部分のみ１枚の誘電体基板で構成することにより、実現することができる。電磁界整合部２０の高さは、用いる誘電体基板の厚さを選定することにより、任意に設定することができる。
電磁界整合部の例として、図５に示すような誘電体導波管線路６の高さを変えた構造の他に、図６に示すような誘電体導波管線路６の幅を変えた電磁界整合部２６の構造を採用してもよい。図６の例では、電磁界整合部２６の幅を、誘電体共振器１１の幅よりも狭く、かつ誘電体導波管線路６の幅よりも大きくしている。幅の変更は、貫通導体４のスルーホールやビアホールの形成位置を変更することにより、簡単に実現できる。
【００５１】
また、図７のように誘電体導波管線路６の一部分に、幅がテーパ状に変化する電磁界整合部２７を形成してもよい。このテーパは、貫通導体４のスルーホールやビアホールの形成位置を斜め線上に設定することにより、簡単に実現できる。また、図８のように誘電体導波管線路６の一部分２２を、誘電体導波管線路６で用いている誘電体とは異なる誘電率をもつ材質で構成してもよい。この構造は、例えば、誘電体基板の電磁界整合部分を除去し、代わりに異なる誘電率の誘電体を接合したり、誘電体基板を形成するセラミックスグリーンシートの電磁界整合部分に所定の孔を設け、その中に異種誘電体ペーストを埋め込み、積層し、同時焼成することによって製造することができる。
【００５２】
また、図９のようにピン導体１５を誘電体導波管線路６の中に配置した構造の電磁界整合部２３を採用しても、電磁界整合効果が得られる。なお、図９でピン導体１５の高さは誘電体導波管線路６と同じ高さであってもよいが、必ずしも同じ高さである必要は無く、たとえば誘電体導波管線路６の高さの半分でもよい。半分の高さのピン導体を形成するには、例えば図１に示した誘電体基板１として、２枚の誘電体基板を用意し、そのうち１枚の誘電体基板のみに対してスルーホールやビアホールを形成し、その中に金属ペーストで埋めて、その上から２枚目の誘電体基板を重ね合わせることにより実現することができる。
【００５３】
さらに、以上の異なる構造の複数の電磁界整合部を組み合わせた構造も効果があり、例えば図１０に示すように、誘電体導波管線路の高さを変えて構成される電磁界整合部２０と、ピン導体１５をもって構成される電磁界整合部２３とを両方有する構造なども、反射防止と高周波特性向上に効果がみられる。
図９、図１０に示した誘電体導波管線路６に設けたピン導体１５は、信号が誘電体導波管線路６から伝搬してきた場合、方形導波管８との接続構造で発生した反射波を打ち消す働きを担っている。つまり、方形導波管８との接続構造で反射された波と１８０度位相の異なる反射波をピン導体１５で発生させ、反射波を抑える構造となっている。そのため基本的には、ピン導体１５は、結合用窓７の中心から１波長内に設ければ機能する。ただし、その箇所から波長の整数倍離れた箇所に設置しても同様の働きが期待でき、必ずしも設置場所を一波長内に特定する必要はない。
【００５４】
以上の電磁界整合部２０，２１，２２，２３，２６，２７は、放射を伴わない受動素子として機能するため、上記に示した反射低減効果は、電磁波が誘電体導波管線路６から方形導波管８に伝搬するときのみならず、電磁波が方形導波管８から誘電体導波管線路６に伝搬するときも成立する。
次に、本発明の誘電体導波管線路と導波管との接続構造の応用例を説明する。
図１１は、アンテナ基板１ａと、方形導波管からなる給電線とを具備したアンテナ装置に関するもので、誘電体導波管線路６をアンテナ基板１ａ内に内蔵し、方形導波管８からアンテナへの給電を行う場合の、誘電体導波管線路６と方形導波管８の接続構造を示す透視斜視図である。この接続構造により信頼性が高く反射損失の少ないアンテナ装置を作成できる。なお、この図１１では誘電体導波管線路６の片側の導体層に切り欠き２４ａを設けたスロットアンテナ２４を示したが、スロットあるいはビア導体を介して給電するパッチアンテナを用いても問題は無く、アンテナ形態には依存しない。
【００５５】
また、図１２は、フィルター基板１ｂと方形導波管８とを具備したフィルター装置に関するもので、フィルター基板１ｂに本発明の誘電体導波管線路６と方形導波管８の接続構造を適用した例を示す透視斜視図である。この構成においても、本発明の誘電体導波管線路６と方形導波管８の接続構造により、高信頼性が得られフィルター反射損失を低減できる。フィルター基板１ｂに形成されるフィルター２５の形態は、図１２に示した誘電体を用いるものには限らず、ストリップラインなどを用いたフィルターでもよい。
【００５６】
以上で、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の実施は、前記の形態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種々の変更・改良を施すことは何ら差し支えない。
【００５７】
【実施例】
図２に示した構成の誘電体導波管線路と導波管との接続構造を作製し、以下のように電磁界シミュレーションを行い、本発明品の高周波特性を評価した。
高周波信号の伝送方向に垂直な断面の寸法が２．５４×１．２７ｍｍである方形導波管ＷＲ−１０を、誘電体基板に設けた本発明の接続部につなげる構造とした。誘電体基板１には比誘電率εｒが４．９の銅導体同時焼成ガラスセラミックスを用い、貫通導体はφ０．２ｍｍのビアで形成した。
【００５８】
接続部の結合用窓７の大きさｅ、ｇはそれぞれ１．５４ｍｍ×１．００ｍｍ、誘電体共振器と誘電体導波管線路の高さａは０．５ｍｍとし、高さ０．２５ｍｍの箇所に補助導体層５を設けた。誘電体共振器の大きさｂ′、ｄはそれぞれ２．７４ｍｍ、１．５ｍｍ（貫通導体の中心間距離）であり、誘電体導波管線路の幅ｂは１．５ｍｍ（貫通導体の中心間距離）、貫通導体にはφ０．２ｍｍのものを用いた。
このような誘電体導波管線路６の結合用窓７を覆うように、方形導波管８の開口端面９を導体層２に当接させた。
【００５９】
［例１］
この接続構造について、方形導波管８から誘電体導波管線路６へ高周波信号を伝送したときの高周波信号の伝送特性を図１３に示す。
図１３はＳパラメータの周波数特性を示す線図であり、横軸は周波数（ＧＨｚ）を、縦軸はＳパラメータの値（ｄＢ）を表わしている。図中の特性曲線は、Ｓパラメータのうち反射係数（Ｓ１１）及び透過係数（Ｓ２１）の周波数特性を示している。破線が反射係数（Ｓ１１）、実線が透過係数（Ｓ２１）である。
【００６０】
これからわかるように反射係数（Ｓ１１）において７３ＧＨｚと７６ＧＨｚに二つの極小値があり、反射係数（Ｓ１１）が−１５ｄＢ以下となる帯域が約１０ＧＨｚと、広帯域での信号透過がみられる。７６．５ＧＨｚにおける方形導波管の管内波長λｂは６．１７ｍｍであリ、その１／４√εｒ倍は０．７ｍｍである。誘電体導波管線路の高さａは０．５ｍｍであるので、０．７ｍｍよりもさらに高さを低くできていることがわかる。
［例２］
さらに誘電体共振器寸法の影響を見るために、共振器寸法を変化させたシミュレーションを行った。
【００６１】
【表１】

【００６２】
表１に共振器寸法と７６．５ＧＨｚにおけるＳ２１の結果を示す。表１では、共振器寸法ｂ′、ｄをｍｍ単位で表わすとともに、誘電体内の波長λで割って規格化した値を示した。波長λは
λ＝３００／（ｆ・√εｒ）
で表わされ、信号の周波数ｆは７６．５（ＧＨｚ）、εｒ＝４．９であるので、λ＝１．７７ｍｍとなる。
【００６３】
この表１に示すように、サンプル１が、透過係数（Ｓ２１）が−０．０１ｄＢと０ｄＢに近く、最適な例である。
透過係数（Ｓ２１）が−２ｄＢ以上であることを許容範囲として、シミュレーション結果の検討を行った。
サンプル２，３，４は、共振器短辺の寸法ｄ／λをサンプル１と同じ値にして、共振器短辺の寸法ｂ′／λを１．３０まで変化させている。サンプル３と４を比べると、透過係数（Ｓ２１）が−１．９１ｄＢから −４．１７ｄＢに大きく落ちているので、長辺の寸法ｂ′は１．２１λ以下であることが好ましいことが分かる。
【００６４】
サンプル５，６，７，８は、共振器長辺の寸法ｂ′／λを一定にして、共振器短辺の寸法ｄ／λを２．１１から２．９０まで変化させている。サンプル７と８を比べると、透過係数（Ｓ２１）が−１．９９ｄＢから−２．１４ｄＢに落ちているので、短辺の寸法ｄは２．８５λ以下であることが好ましいことが分かる。
サンプル９と１０は、共振器短辺の寸法ｄ／λを一定にして、共振器長辺の寸法ｂ′／λを０．６０から０．５６まで変化させている。サンプル９と１０を比べると、透過係数（Ｓ２１）が−０．８９ｄＢから−６．６６ｄＢと大きく落ちているので、長辺の寸法ｂ′は０．６λ以上であることが好ましいことがわかる。
【００６５】
またサンプル１１と１２は、共振器長辺の寸法ｂ′／λを一定にして、共振器短辺の寸法ｄ／λを１．１５から１．１０まで変化させている。サンプル１１と１２とを比べると、透過係数（Ｓ２１）が−１．９１ｄＢから−２．１８ｄＢと落ちているので、短辺の寸法ｄは１．１５λ以上であることが好ましいとわかる。
以上の結果より、透過係数（Ｓ２１）が−２ｄＢ以上であるためには、長辺の寸法ｂ′は０．６λ以上、１．２１λ以下であることが好ましく、短辺の寸法ｄは１．１５λ以上、２．８５λ以下であることが好ましい。したがって、＊の付いたサンプルは本発明の請求項４の範囲外となる。
【００６６】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、誘電体導波管線路の端部に、誘電体導波管線路の貫通導体とそれを挟む一対の導体層を用いて共振器を形成し、その導体層に設けた結合用窓に、誘電体層を介して高周波信号の伝送方向が異なるように開口端面を対向させた導波管を接続することにより、電界の方向変換および位相調整が共振器で行えるので、反射を低減でき、信号透過特性の優れた誘電体導波管線路と方形導波管との接続構造を得ることができる。
【００６７】
また、前記共振器構造をひとつのキャビティからなる構造とすることにより、高周波特性を維持しかつコンパクトで構成の簡単な接続構造が得られる。
前記共振器構造の厚みを、３００／（ｆ・√εｒ）の１／５以上１／２以下とすることができるので、設計自由度が高くなり、誘電体基板及び共振器の厚みを従来より薄くすることもできる。
また前記共振器構造の長手方向の長さが３００／（ｆ・√εｒ）の１．１５倍以上２．８５倍以下であり、かつ前記共振器構造の短手方向の長さが３００／（ｆ・√εｒ）の０．６倍以上１．２倍以下とすることができるので、設計自由度が高くなる。
【００６８】
また、前記誘電体導波管線路に、高周波信号の伝送時の反射を低減するための電磁界整合部を形成することにより、信号伝送損失が低減可能となり、高周波伝送特性がさらに向上した接続構造を実現することができる。
また誘電体基板に低温焼成セラミックスを用いることにより、導電率の高い銀や銅導体層を用いることができるため電気特性の向上が図れる。
また、本発明の誘電体導波管線路と導波管との接続構造をアンテナ装置及びフィルター装置に用いることにより、信頼性が高く、かつ製造コストの低いアンテナ装置及びフィルター装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に用いる誘電体導波管線路の内部構造を説明するための概略斜視図である。
【図２】本発明の、誘電体共振器が形成された誘電体導波管線路と導波管との接続構造の一例を示す透視斜視図である。
【図３】同接続構造を示すＷ−Ｗ線側断面図（ａ）及び電界ベクトルを示す図（ｂ）である。
【図４】誘電体導波管線路に形成される誘電体共振器を示す平面図である。
【図５】誘電体導波管線路の断面の高さを変えた電磁界整合部が形成された、誘電体導波管線路と、導波管との接続構造を示す斜視図である。
【図６】誘電体導波管線路の断面の幅を変えた電磁界整合部が形成された、誘電体導波管線路と導波管との接続構造を示す斜視図である。
【図７】誘電体導波管線路の断面の幅をテーパ状に変えた電磁界整合部が形成された、誘電体導波管線路と導波管との接続構造を示す斜視図である。
【図８】誘電体導波管線路の誘電体材料を変えた電磁界整合部が形成された、誘電体導波管線路と導波管との接続構造を示す斜視図である。
【図９】誘電体導波管線路内にピン導体を配置した電磁界整合部が形成された、誘電体導波管線路と導波管との接続構造を示す斜視図である。
【図１０】誘電体導波管線路の断面の高さを変えた電磁界整合部と、誘電体導波管線路内にピン導体を配置した電磁界整合部とが形成された、誘電体導波管線路と導波管との接続構造を示す斜視図である。
【図１１】本発明の誘電体導波管線路と導波管との接続構造を内蔵するアンテナ装置の例を示す斜視図である。
【図１２】本発明の誘電体導波管線路と導波管との接続構造を内蔵するフィルター装置の例を示す斜視図である。
【図１３】本発明の誘電体導波管線路と導波管との接続構造におけるＳパラメータの周波数特性を示す線図である。
【符号の説明】
１誘電体基板
１ａアンテナ基板
１ｂフィルター基板
２、３導体層
４貫通導体群
５補助導体層
６誘電体導波管線路
７結合用窓
８方形導波管
９開口端面
１１誘電体共振器
１５ピン導体
２０〜２３電磁界整合部
２４スロットアンテナ
２５フィルター
２６，２７電磁界整合部

Claims

誘電体導波管線路と導波管とを接続する構造において、
前記誘電体導波管線路は、誘電体基板と、誘電体基板の両面に形成された一対の導体層と、高周波信号の伝送方向に信号波長の２分の１未満の繰り返し間隔で、かつ前記伝送方向と直交する方向に所定の幅で、前記導体層間を電気的に接続して形成された２列の貫通導体群とを具備してなリ、
前記誘電体導波管線路の一端部に、前記一対の導体層と貫通導体群とにより共振器を形成し、
共振器上の、一方の導体層に結合用窓を設け、
この結合用窓に、高周波信号の伝送方向が異なるように開口端面を対向させた導波管を接続していること特徴とする誘電体導波管線路と導波管との接続構造。
前記共振器は、前記一対の導体層と貫通導体群とで囲まれる１つのキャビティにより形成されることを特徴とする請求項１記載の誘電体導波管線路と導波管との接続構造。
前記誘電体基板の比誘電率がεｒであり、前記共振器構造の厚み（単位ｍｍ）が、３００／（ｆ・√εｒ）の１／５以上１／２以下（ｆは信号周波数、単位はＧＨｚ）であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の誘電体導波管線路と方形導波管との接続構造。
前記誘電体基板の比誘電率がεｒであり、前記共振器構造の長手方向の長さ（単位ｍｍ）が３００／（ｆ・√εｒ）の１．１５倍以上２．８５倍以下（ｆは信号周波数、単位はＧＨｚ）であり、かつ前記共振器構造の短手方向の長さ（単位ｍｍ）が３００／（ｆ・√εｒ）の０．６倍以上１．２１倍以下（ｆは信号周波数、単位はＧＨｚ）であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の誘電体導波管線路と方形導波管との接続構造。
前記誘電体導波管線路に、高周波信号の伝送時の反射を低減する電磁界整合部を形成していることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の誘電体導波管線路と導波管との接続構造。
前記電磁界整合部が、次の（ａ）から（ｅ）までのいずれかの構造、又はこれらの構造の２種以上の組合せで形成されていることを特徴とする請求項５記載の誘電体導波管線路と導波管との接続構造。
（ａ）誘電体導波管線路の断面の高さが異なる構造、
（ｂ）誘電体導波管線路の断面の幅が異なる構造、
（ｃ）誘電体導波管線路の断面の幅をテーパ状に変えた構造
（ｄ）誘電体導波管線路とは異なる誘電率材料を含む構造、
（ｅ）誘電体導波管線路内にピン導体を配置した構造。
前記誘電体基板が、低温焼成セラミックスからなることを特徴とする、請求項１〜請求項６のいずれかに記載の誘電体導波管線路と導波管との接続構造。
前記導波管が方形導波管であることを特徴とする、請求項１〜請求項７のいずれかに記載の誘電体導波管線路と導波管との接続構造。
前記誘電体導波管線路と前記導波管との高周波信号の伝送方向が、ほぼ直交していることを特徴とする、請求項１〜請求項８のいずれかに記載の誘電体導波管線路と導波管との接続構造。
請求項１〜請求項９のいずれかに記載の誘電体導波管線路と導波管との接続構造を有するアンテナ装置。
請求項１〜請求項９のいずれかに記載の誘電体導波管線路と導波管との接続構造を有するフィルター装置。