JP2005020415A - 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 - Google Patents
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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、低損失で接続することができる接続構造を提供する。
【解決手段】誘電体導波管線路の一端部９に、結合用窓７を有する共振器１１を形成し、共振器１１の外周に、高周波信号の共振を抑制して漏れ放射を防止するための平面コの字状の放射防止構造１０を設け、この共振器１１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導波管８を接続している。方形導波管８の外枠導体壁８１の底面が、前記放射防止構造１０に対向している。
【効果】当該接続部からの電磁波の漏れ放射が少なくなり、結合損失を低く抑えることができる。
【選択図】 図２
【解決手段】誘電体導波管線路の一端部９に、結合用窓７を有する共振器１１を形成し、共振器１１の外周に、高周波信号の共振を抑制して漏れ放射を防止するための平面コの字状の放射防止構造１０を設け、この共振器１１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導波管８を接続している。方形導波管８の外枠導体壁８１の底面が、前記放射防止構造１０に対向している。
【効果】当該接続部からの電磁波の漏れ放射が少なくなり、結合損失を低く抑えることができる。
【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、電磁波の漏れが少なく、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側壁からの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、その構造では導体が表層に露出しており表層導体の腐食や貫通導体の腐食、及び貫通導体を介した内層導体の腐食など信頼性上問題がある。また表層導体部の信頼性向上のために金メッキを行うことがあったが、それは高価でありコスト上昇の大きな要因となっていた。またさらに、その構造では、方形導波管と誘電体導波管線路との接続部からの、電磁波の漏れが発生し、このため接続部の信号伝送特性が低下するという問題があった。
【００１１】
本発明の目的は、簡単な構造で、接続部での透過特性を向上させ、低損失で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を提供することにある。
【００１２】
【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所定の繰り返し間隔で、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る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、当該共振器上の一方の導体層に結合用窓を設け、当該共振器の外周の少なくとも一部に、高周波信号の共振を抑制して漏れ放射を防止するための放射防止構造を設け、この共振器の前記結合用窓を設けた基板側に、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していること特徴とするものである。
【００１３】
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。
【００１４】
そして、共振器の外周に、高周波信号の共振を抑制して漏れ放射を防止するための放射防止構造を設けているので、当該接続部からの電磁波の漏れ放射が少なくなり、結合損失をさらに低く抑えることができる。
前記導波管の外枠導体壁のＨ面をなす端面が、前記共振器の外周に設けられた放射防止構造に対向していることが好ましい。これにより、当該接続部からの電磁波の漏れ放射を最小に抑えることができる。
【００１５】
前記放射防止構造の具体的な形状としては、結合用窓が設けられている導体層を、凹状に形成してもよく、結合用窓が設けられている導体層を凸状に形成してもよく、結合用窓が設けられている導体層に、スリットを形成してもよい。
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設けることとすれば、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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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、この誘電体導波管線路に、窓放射防止構造を有する共振器を設け、この共振器の結合用窓に、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、この誘電体導波管線路に、窓放射防止構造を有する共振器を設け、この共振器の結合用窓に、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。
【００１９】
【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に延びる誘電体基板である。２は、誘電体基板１に形成された上側の導体層であり、３は、誘電体基板１に形成された下側の導体層である。導体層２，３の間の厚みをａとする。４は誘電体基板１の内部の、導体層２，３の間に形成され、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。上側の導体層２の上には、誘電体基板１の一部を構成する誘電体層１６が積層されている。
【００２０】
なお下側の導体層３の下面は露出しているが、ここにも誘電体層を形成することにより、上下の導体層２，３を、誘電体基板１の内部に完全に閉じ込めてもよい。
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。
【００２１】
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をそれぞれ薄い複数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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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１００ ＧＨｚ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。
【００３２】
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−１００ ｄＢ／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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
なお、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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
低温焼成セラミックスとしては、ＳｉＯ２を必須成分とし、Ａｌ２Ｏ３、アルカリ土類酸化物（ＢａＯ，ＣａＯ，ＳｒＯ，ＭｇＯなど）、アルカリ金属酸化物（Ｌｉ２Ｏ，Ｎａ２Ｏ，Ｋ２Ｏなど）、Ｆｅ２Ｏ３，Ｂ２Ｏ３，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（ＳｉＯ２）、Ａｌ２Ｏ３、アルカリ土類酸化物（ＢａＯ，ＣａＯ，ＳｒＯ，ＭｇＯなど）、アルカリ金属酸化物（Ｌｉ２Ｏ，Ｎａ２Ｏ，Ｋ２Ｏなど）、Ｆｅ２Ｏ３，Ｂ２Ｏ３，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。
【００３９】
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〜図５に示す。図２は、本発明の誘電体導波管線路と導波管との接続構造の一例を示す分解、透視斜視図である。図３は、同接続構造を示すＶ−Ｖ線側断面図である。図４は、図３をＵ−Ｕ線で切った、上から見た断面図、図５は、図２をＷ−Ｗ線で切った側断面図である。
なお、図２では、表示を簡単にするために誘電体導波管線路６は、誘電体層１６、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。
【００４０】
図２の誘電体導波管線路６の終端部において、一対の導体層２，３の幅を一定の長さにわたって広げ、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。この上側導体層２の、結合用窓７を含む部分の上には、誘電体層１６を介して、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。この誘電体層１６により上側導体層２を保護できるので、メッキが不要で信頼性が高く製造コストの低い接続構造を得ることができる。
【００４１】
本発明によれば、図２〜図４を参照して、誘電体共振器１１の上側導体層２の周囲の一部は、誘電体層１６を介した高周波信号の漏れ放射を防止するため、上側導体層２の欠落した部分（共振抑制部という）１０を設けている。
共振抑制部１０は、特に図２、図４に示すように、誘電体共振器１１の誘電体導波管線路６と接続する側と反対側のＨ面（ｘ方向に平行な辺）と、それにつながるＥ面（ｙ方向に平行な２辺）との合計３辺に設けられている。
【００４２】
誘電体共振器１１は、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の厚みは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。
【００４３】
共振抑制部１０は、図４によれば、誘電体共振器１１の３辺を取り巻くようにコの字の溝を形成している。共振抑制部１０の溝の上には、上側導体層２は形成されておらず、溝の中は、図３に示すように誘電体基板１を形成する誘電体で満たされている。溝を規定する２列のビア導体４ａ，４ｂのうち、内側のビア導体４ａは、誘電体共振器１１の周囲を規定するビア導体を兼ねている。外側のビア導体４ｂが共振抑制部１０を作るために布設されたビア導体である。共振抑制部１０の幅を、ビア導体４ａ，４ｂ同士の幅ｗ２とする。また、共振抑制部１０の深さは、誘電体層１６の表面から補助導体層５までの距離であり、ｔ２とする（図３参照）。なお誘電体層１６の厚みはｔ１とする。
【００４４】
この共振抑制部１０を作製するには、一番上の補助導体層５の上に載せるセラミックグリーンシートに対して、誘電体共振器１１の周囲を規定するビアホールを形成するとともに、その外側に共振抑制部１０の溝を規定する外列のビアホールを形成して、それぞれに金属ペーストを埋め込む。その上に上側導体層２を構成する金属ペーストを、結合用窓７の部分や共振抑制部１０の溝の部分を除いて印刷塗布し、積層する。しかる後、誘電体層１６となるセラミックグリーンシートを載せて、全体を同時に焼成すればよい。
【００４５】
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、誘電体層１６を介して当接して配置する。そのときの位置関係を説明すると、図３に示すように、方形導波管８の、誘電体導波管線路６に当接する部分を除く三方の外枠導体壁８１（その厚みをｗ１とする）の端面が、前記コの字形の共振抑制部１０と対向するように配置する。したがって、方形導波管８が共振抑制部１０と対向する部分において、方形導波管８の外枠導体壁８１の端面と補助導体層５との間隔はｔ２となる。
【００４６】
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。
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５（ｂ）に示すように、方形導波管８内では、断面の短手方向に平行な電界ベクトル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。
【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。
本発明によれば、前述したように、誘電体共振器１１の周りに、共振抑制部１０が構成されており、方形導波管８の外枠導体壁８１の端面がこの真上に対向して配置されているので、誘電体層１６を介して高周波信号が外部に漏れることを抑制している。誘電体層１６を介して外部に放射される放射量は、方形導波管８の外枠導体壁８１の厚みｗ１、共振抑制部１０の幅ｗ２、および誘電体層１６の厚みｔ１に依存する。
【００４８】
この構造では、方形導波管８の外枠導体壁８１の端面と上側導体層２との間で、信号周波数と誘電体層１６の厚みｔ１との兼ね合いにより、高周波信号の共振が発生しそれが放射源になる場合がある。
本発明では、このような共振に対して、誘電体共振器１１の周囲において、外枠導体壁８１の端面と補助導体層５との間隔ｔ２が、誘電体層１６の厚みｔ１よりも大きい共振抑制部１０を設けることによって、アンテナ共振を抑制することができる。この結果、外部への放射を抑制することができる。
【００４９】
なお、この共振抑制部１０の幅ｗ２は、方形導波管の外枠導体壁８１の厚みｗ１に対して、ｗ２／ｗ１が０．１以上であれば、十分効果を発揮する。
以下、共振抑制部１０の構造の変形例を説明する。
図６は、誘電体導波管線路と導波管との接続構造の変形例を示す側断面図である。この構造では、共振抑制部１０ａは、図４と同様、平面図示で、誘電体共振器１１の３辺を取り巻くようにコの字を形成している。共振抑制部１０ａの断面形状は、図６に示すように、誘電体層を介して導体層２ａが形成され、導体層２ａの両側辺と、上側導体層２との間を２列のビア導体４ｃ，４ｄが導通している。前記導体層２ａの形状は、平面図示で細長いリボン状であり、これが２箇所で折れ曲がって、図４に示したようなコの字状を形成する。
【００５０】
２列のビア導体４ｃ，４ｄのうち、内側のビア導体４ｃは、誘電体共振器１１の周囲を規定するビア導体４の延長上にある。外側のビア導体４ｄが内側のビア導体４ｃを取り囲む。ビア導体４ｃ，４ｄの外側面同士の最も広い部分の幅をｗ３とする。これが共振抑制部１０ａの幅となる。また、誘電体層１６の厚みはｔ１とし、この誘電体層１６に当接する方形導波管８の外枠導体壁８１の端面から導体層２ａまでの距離をｔ３とする。
【００５１】
この共振抑制部１０ａの製法を説明する。この製法において、誘電体層１６を２層の誘電体層１６ａ１６ｂで構成する。一番上の補助導体層５の上のセラミックグリーンシートに、誘電体共振器１１の周囲を規定するビアホールを形成し金属ペーストを埋め込む。その上に上側導体層２を構成する金属ペーストを、結合用窓７の部分や平面コの字状のスリット１２の部分を除いて印刷塗布する。また、誘電体層１６ａになるセラミックグリーンシートに、スリット１２の部分の両側に前記ビア導体４ｃ，４ｄを作るための２列のビアホールを形成し、金属ペーストを埋め込む。さらにグリーンシート上のこれら２列のビアホールの間に、導体層２ａとなる金属ペーストを塗布する。そして、誘電体層１６となるグリーンシートとともに、前記グリーンシートを積層後、全体を同時に焼成する。
【００５２】
この構造においても、誘電体共振器１１の周囲に、外枠導体壁８１の端面と導体層２ａまでの距離が、誘電体層１６の厚みｔ１よりも短く、かつ幅ｗ２を有する共振抑制部１０ａを設けることによって、外枠導体壁８１の端面と上側導体層２との間に発生するアンテナ共振を抑制することができる。
図７は、さらに他の、誘電体導波管線路と導波管との接続構造の変形例を示す側断面図である。この構造では、共振抑制部１０ｂは、図４と同様、平面図示で、誘電体共振器１１の３辺を取り巻くようにコの字を形成している。共振抑制部１０ｂの断面形状は、図７に示すように、上側導体層２が切り欠かれたスリット１２を形成し、そのスリット１２の上に、誘電体層１６を形成している。 共振抑制部１０ｂの幅はスリット１２の幅ｗ４となる。また、誘電体層１６の厚みはｔ１である。
【００５３】
この共振抑制部１０ｂを作製するには、一番上の補助導体層５の上のセラミックグリーンシートに、誘電体共振器１１の周囲を規定するビアホールを形成して、金属ペーストを埋め込む。その上に上側導体層２を構成する金属ペーストを、結合用窓７の部分やスリット１２の部分を除いて印刷塗布し、しかる後、誘電体層１６になるグリーンシートとともに積層して、全体を同時に焼成すればよい。
なお、図２から図７の例では、共振抑制部１０を誘電体共振器１１の３辺に形成したが、この共振抑制部１０は、図８に示すように、電界が最も強い空洞共振器８のＨ面（ｘ方向と平行な辺）と対向する辺のみに形成しても効果は発揮される。
【００５４】
いままで説明した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、誘電体導波管線路６に電磁界整合部を備えることが好ましい。
以下の図において、方形導波管８、誘電体層１６、共振抑制部１０の図示は省略している。
【００５５】
図９は、誘電体導波管線路６と方形導波管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の本来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。
【００５６】
誘電体導波管線路６の高さの変更は、例えば誘電体基板を形成する２枚のセラミックスグリーンシートを用意し、電磁界整合部２０以外の部分は２枚のグリーンシートを重ね合わせて構成し、電磁界整合部２０の形成部分のみ下側の１枚のグリーンシート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、用いるグリーンシートの厚さや積層数を選定することにより、任意に設定することができる。
【００５７】
この図９の電磁界整合部２０は、共振抑制部としても機能する。例えば図４に適用した場合には、いわば共振器１１の全周囲に共振抑制部を設けた構造になる。図８に適用した場合には、共振器１１のＨ面の２辺に共振抑制部を設けた構造になる。
電磁界整合部の他の例として、図９に示す誘電体導波管線路６の高さを変えた構造の他に、図１０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２１の構造を採用してもよい。図１０の例では、電磁界整合部２１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。
【００５８】
また、図１１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１２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。
【００５９】
また、図１３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１３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、誘電体基板を形成する２枚のセラミックスグリーンシートを用意し、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。
【００６０】
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１４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１３、図１４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。
【００６１】
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１５は、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１５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。
【００６２】
また、図１６は、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１６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。
【００６３】
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、たとえば、共振抑制部における放射防止構造は、今までに示した凹構造、凸形状、グランド導体層の切り欠きだけでなく、導体層を断面三角形状や半円形状に盛り上げたり、導体層を断面逆三角形状、逆半円形状に掘り下げたりすることも可能であり、いずれも放射を抑制する効果がある。その他本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更・改良を施すことが可能である。
【００６４】
【実施例】
図３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、高周波特性を評価するために、Ｓパラメータのシミュレーションを行った。方形導波管８にはＷＲ−１５、つまり高周波信号の伝送方向に垂直な断面の寸法が３．７６ｍｍ×１．８８ｍｍのものを用いた。また、方形導波管の外枠導体壁８１の厚みは１．０２ｍｍとした。
【００６５】
誘電体導波管線路６を作製するための誘電体基板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。２列の貫通導体群４の間隔ｂはビアの中心間距離で１．８９ｍｍ、一対の導体層２，３の間隔ａは０．６ｍｍとした。また、誘電体共振器は幅ｂ′が３．４ｍｍ、長さｄが１．５９ｍｍ（いずれも貫通導体の中心間距離）のものを形成した。導体層２には結合用窓７として１．１２ｍｍ×１．６２ｍｍの開口を設けた。誘電体共振器の周囲の共振抑制部１０の溝の幅ｗ２を０．７６ｍｍ、幅ｗ２′を０．６９５ｍｍ、深さｔ２を０．３ｍｍとした。誘電体層１６の厚みｔ１は０．１ｍｍとした。
【００６６】
また、比較例として、共振抑制部１０を設けない誘電体導波管線路と導波管との接続構造も作製した。
これら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１７〜図２０に示す。
図１７〜図２０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。
【００６７】
図１７は、共振抑制部１０を設けなかった比較例の接続構造について、Ｓパラメータを計算した結果を示す。図１８は、共振抑制部１０を設けた実施例の接続構造について、Ｓパラメータを計算した結果を示す。これらの図からわかるように、図１７の構造では約５９ＧＨｚに反射係数（Ｓ１１）の極小があるが、そのときの透過係数（Ｓ２１）は約−１ｄＢであり放射がみられ、特に６０．３ＧＨｚで少なからぬ放射漏れが存在している。それに対し、図１８ではほとんど放射が無く、また透過特性の広帯域化が図れていることがわかる。
【００６８】
またさらに、電磁界整合部として図９に示したような高さの異なる誘電体導波管線路部を設けた場合のＳパラメータの周波数特性を図１９に示す。電磁波整合部２０の長さは１．１１ｍｍ、電磁波整合部２０における上下の導体層の間隔が０．３ｍｍ、電磁波整合部２０の中心位置は結合用窓中心部から１．５４５ｍｍである。この電磁波整合部２０により、図１９に示されるように、図１８と比べて反射係数（Ｓ１１）がさらに減少し、信号透過特性が向上していることがわかる。
【００６９】
さらに、図２０、誘電体導波管線路の高さを変えて構成した電磁界整合部２０に、さらにピン導体１５で構成した電磁界整合部２３を備えた誘電体導波管線路６を作製した。ここでピン導体１５は、その高さが０．３ｍｍであり、高さの異なる電磁界整合部２０の端面から１．６６５ｍｍ、貫通導体４から０．３６５ｍｍの箇所に２本設置した。この場合のＳパラメータの周波数特性を図２０に示す。この構造は図１９に比べてさらに高周波特性が向上していることがわかる。
【００７０】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、構造が単純で、信頼性が高く製造コストが低いとともに、共振器外周に放射防止構造を備えることにより、電磁波放射を抑制できるので、高周波結合特性に優れた、誘電体導波管線路と導波管との接続構造を提供できる。
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。
【００７１】
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基板及びフィルター基板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】本発明の誘電体導波管線路と導波管との接続構造の一例を示す分解、透視斜視図である。
【図３】同接続構造を示すＶ−Ｖ線側断面図である。
【図４】同接続構造を示す水平断面図である。
【図５】同接続構造を示すＷ−Ｗ線側断面図である。
【図６】本発明の誘電体導波管線路と導波管との接続構造の変形例を示す断面図である。
【図７】本発明の誘電体導波管線路と導波管との接続構造のさらに他の変形例を示す断面図である。
【図８】本発明の誘電体導波管線路と導波管との接続構造のさらに他の変形例を示す水平断面図である。
【図９】誘電体導波管線路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１０】誘電体導波管線路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１１】誘電体導波管線路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１２】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１３】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１４】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１５】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１６】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１７】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。
【図１８】誘電体導波管線路と導波管との接続構造に共振抑制部を設けた場合のＳパラメータの周波数特性を示す線図である。
【図１９】誘電体導波管線路と導波管との接続構造に電磁界整合部とを設けた場合のパラメータの周波数特性を示す線図である。
【図２０】誘電体導波管線路と導波管との接続構造に２種類の電磁界整合部を設けた場合の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
２ａ 導体層
４，４ａ〜４ｄ 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
１０ 共振抑制部（放射防止構造）
１１ 誘電体共振器
１２ スリット
１５ ピン導体
１６，１６ａ，１６ｂ 誘電体層
２０〜２３ 電磁界整合部
２４ スロットアンテナ
２５ フィルター
８１ 外枠導体壁
【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、電磁波の漏れが少なく、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側壁からの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、その構造では導体が表層に露出しており表層導体の腐食や貫通導体の腐食、及び貫通導体を介した内層導体の腐食など信頼性上問題がある。また表層導体部の信頼性向上のために金メッキを行うことがあったが、それは高価でありコスト上昇の大きな要因となっていた。またさらに、その構造では、方形導波管と誘電体導波管線路との接続部からの、電磁波の漏れが発生し、このため接続部の信号伝送特性が低下するという問題があった。
【００１１】
本発明の目的は、簡単な構造で、接続部での透過特性を向上させ、低損失で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を提供することにある。
【００１２】
【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所定の繰り返し間隔で、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る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、当該共振器上の一方の導体層に結合用窓を設け、当該共振器の外周の少なくとも一部に、高周波信号の共振を抑制して漏れ放射を防止するための放射防止構造を設け、この共振器の前記結合用窓を設けた基板側に、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していること特徴とするものである。
【００１３】
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。
【００１４】
そして、共振器の外周に、高周波信号の共振を抑制して漏れ放射を防止するための放射防止構造を設けているので、当該接続部からの電磁波の漏れ放射が少なくなり、結合損失をさらに低く抑えることができる。
前記導波管の外枠導体壁のＨ面をなす端面が、前記共振器の外周に設けられた放射防止構造に対向していることが好ましい。これにより、当該接続部からの電磁波の漏れ放射を最小に抑えることができる。
【００１５】
前記放射防止構造の具体的な形状としては、結合用窓が設けられている導体層を、凹状に形成してもよく、結合用窓が設けられている導体層を凸状に形成してもよく、結合用窓が設けられている導体層に、スリットを形成してもよい。
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設けることとすれば、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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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、この誘電体導波管線路に、窓放射防止構造を有する共振器を設け、この共振器の結合用窓に、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、この誘電体導波管線路に、窓放射防止構造を有する共振器を設け、この共振器の結合用窓に、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。
【００１９】
【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に延びる誘電体基板である。２は、誘電体基板１に形成された上側の導体層であり、３は、誘電体基板１に形成された下側の導体層である。導体層２，３の間の厚みをａとする。４は誘電体基板１の内部の、導体層２，３の間に形成され、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。上側の導体層２の上には、誘電体基板１の一部を構成する誘電体層１６が積層されている。
【００２０】
なお下側の導体層３の下面は露出しているが、ここにも誘電体層を形成することにより、上下の導体層２，３を、誘電体基板１の内部に完全に閉じ込めてもよい。
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。
【００２１】
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をそれぞれ薄い複数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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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１００ ＧＨｚ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。
【００３２】
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−１００ ｄＢ／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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
なお、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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
低温焼成セラミックスとしては、ＳｉＯ２を必須成分とし、Ａｌ２Ｏ３、アルカリ土類酸化物（ＢａＯ，ＣａＯ，ＳｒＯ，ＭｇＯなど）、アルカリ金属酸化物（Ｌｉ２Ｏ，Ｎａ２Ｏ，Ｋ２Ｏなど）、Ｆｅ２Ｏ３，Ｂ２Ｏ３，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（ＳｉＯ２）、Ａｌ２Ｏ３、アルカリ土類酸化物（ＢａＯ，ＣａＯ，ＳｒＯ，ＭｇＯなど）、アルカリ金属酸化物（Ｌｉ２Ｏ，Ｎａ２Ｏ，Ｋ２Ｏなど）、Ｆｅ２Ｏ３，Ｂ２Ｏ３，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。
【００３９】
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〜図５に示す。図２は、本発明の誘電体導波管線路と導波管との接続構造の一例を示す分解、透視斜視図である。図３は、同接続構造を示すＶ−Ｖ線側断面図である。図４は、図３をＵ−Ｕ線で切った、上から見た断面図、図５は、図２をＷ−Ｗ線で切った側断面図である。
なお、図２では、表示を簡単にするために誘電体導波管線路６は、誘電体層１６、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。
【００４０】
図２の誘電体導波管線路６の終端部において、一対の導体層２，３の幅を一定の長さにわたって広げ、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。この上側導体層２の、結合用窓７を含む部分の上には、誘電体層１６を介して、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。この誘電体層１６により上側導体層２を保護できるので、メッキが不要で信頼性が高く製造コストの低い接続構造を得ることができる。
【００４１】
本発明によれば、図２〜図４を参照して、誘電体共振器１１の上側導体層２の周囲の一部は、誘電体層１６を介した高周波信号の漏れ放射を防止するため、上側導体層２の欠落した部分（共振抑制部という）１０を設けている。
共振抑制部１０は、特に図２、図４に示すように、誘電体共振器１１の誘電体導波管線路６と接続する側と反対側のＨ面（ｘ方向に平行な辺）と、それにつながるＥ面（ｙ方向に平行な２辺）との合計３辺に設けられている。
【００４２】
誘電体共振器１１は、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の厚みは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。
【００４３】
共振抑制部１０は、図４によれば、誘電体共振器１１の３辺を取り巻くようにコの字の溝を形成している。共振抑制部１０の溝の上には、上側導体層２は形成されておらず、溝の中は、図３に示すように誘電体基板１を形成する誘電体で満たされている。溝を規定する２列のビア導体４ａ，４ｂのうち、内側のビア導体４ａは、誘電体共振器１１の周囲を規定するビア導体を兼ねている。外側のビア導体４ｂが共振抑制部１０を作るために布設されたビア導体である。共振抑制部１０の幅を、ビア導体４ａ，４ｂ同士の幅ｗ２とする。また、共振抑制部１０の深さは、誘電体層１６の表面から補助導体層５までの距離であり、ｔ２とする（図３参照）。なお誘電体層１６の厚みはｔ１とする。
【００４４】
この共振抑制部１０を作製するには、一番上の補助導体層５の上に載せるセラミックグリーンシートに対して、誘電体共振器１１の周囲を規定するビアホールを形成するとともに、その外側に共振抑制部１０の溝を規定する外列のビアホールを形成して、それぞれに金属ペーストを埋め込む。その上に上側導体層２を構成する金属ペーストを、結合用窓７の部分や共振抑制部１０の溝の部分を除いて印刷塗布し、積層する。しかる後、誘電体層１６となるセラミックグリーンシートを載せて、全体を同時に焼成すればよい。
【００４５】
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、誘電体層１６を介して当接して配置する。そのときの位置関係を説明すると、図３に示すように、方形導波管８の、誘電体導波管線路６に当接する部分を除く三方の外枠導体壁８１（その厚みをｗ１とする）の端面が、前記コの字形の共振抑制部１０と対向するように配置する。したがって、方形導波管８が共振抑制部１０と対向する部分において、方形導波管８の外枠導体壁８１の端面と補助導体層５との間隔はｔ２となる。
【００４６】
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。
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５（ｂ）に示すように、方形導波管８内では、断面の短手方向に平行な電界ベクトル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。
【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。
本発明によれば、前述したように、誘電体共振器１１の周りに、共振抑制部１０が構成されており、方形導波管８の外枠導体壁８１の端面がこの真上に対向して配置されているので、誘電体層１６を介して高周波信号が外部に漏れることを抑制している。誘電体層１６を介して外部に放射される放射量は、方形導波管８の外枠導体壁８１の厚みｗ１、共振抑制部１０の幅ｗ２、および誘電体層１６の厚みｔ１に依存する。
【００４８】
この構造では、方形導波管８の外枠導体壁８１の端面と上側導体層２との間で、信号周波数と誘電体層１６の厚みｔ１との兼ね合いにより、高周波信号の共振が発生しそれが放射源になる場合がある。
本発明では、このような共振に対して、誘電体共振器１１の周囲において、外枠導体壁８１の端面と補助導体層５との間隔ｔ２が、誘電体層１６の厚みｔ１よりも大きい共振抑制部１０を設けることによって、アンテナ共振を抑制することができる。この結果、外部への放射を抑制することができる。
【００４９】
なお、この共振抑制部１０の幅ｗ２は、方形導波管の外枠導体壁８１の厚みｗ１に対して、ｗ２／ｗ１が０．１以上であれば、十分効果を発揮する。
以下、共振抑制部１０の構造の変形例を説明する。
図６は、誘電体導波管線路と導波管との接続構造の変形例を示す側断面図である。この構造では、共振抑制部１０ａは、図４と同様、平面図示で、誘電体共振器１１の３辺を取り巻くようにコの字を形成している。共振抑制部１０ａの断面形状は、図６に示すように、誘電体層を介して導体層２ａが形成され、導体層２ａの両側辺と、上側導体層２との間を２列のビア導体４ｃ，４ｄが導通している。前記導体層２ａの形状は、平面図示で細長いリボン状であり、これが２箇所で折れ曲がって、図４に示したようなコの字状を形成する。
【００５０】
２列のビア導体４ｃ，４ｄのうち、内側のビア導体４ｃは、誘電体共振器１１の周囲を規定するビア導体４の延長上にある。外側のビア導体４ｄが内側のビア導体４ｃを取り囲む。ビア導体４ｃ，４ｄの外側面同士の最も広い部分の幅をｗ３とする。これが共振抑制部１０ａの幅となる。また、誘電体層１６の厚みはｔ１とし、この誘電体層１６に当接する方形導波管８の外枠導体壁８１の端面から導体層２ａまでの距離をｔ３とする。
【００５１】
この共振抑制部１０ａの製法を説明する。この製法において、誘電体層１６を２層の誘電体層１６ａ１６ｂで構成する。一番上の補助導体層５の上のセラミックグリーンシートに、誘電体共振器１１の周囲を規定するビアホールを形成し金属ペーストを埋め込む。その上に上側導体層２を構成する金属ペーストを、結合用窓７の部分や平面コの字状のスリット１２の部分を除いて印刷塗布する。また、誘電体層１６ａになるセラミックグリーンシートに、スリット１２の部分の両側に前記ビア導体４ｃ，４ｄを作るための２列のビアホールを形成し、金属ペーストを埋め込む。さらにグリーンシート上のこれら２列のビアホールの間に、導体層２ａとなる金属ペーストを塗布する。そして、誘電体層１６となるグリーンシートとともに、前記グリーンシートを積層後、全体を同時に焼成する。
【００５２】
この構造においても、誘電体共振器１１の周囲に、外枠導体壁８１の端面と導体層２ａまでの距離が、誘電体層１６の厚みｔ１よりも短く、かつ幅ｗ２を有する共振抑制部１０ａを設けることによって、外枠導体壁８１の端面と上側導体層２との間に発生するアンテナ共振を抑制することができる。
図７は、さらに他の、誘電体導波管線路と導波管との接続構造の変形例を示す側断面図である。この構造では、共振抑制部１０ｂは、図４と同様、平面図示で、誘電体共振器１１の３辺を取り巻くようにコの字を形成している。共振抑制部１０ｂの断面形状は、図７に示すように、上側導体層２が切り欠かれたスリット１２を形成し、そのスリット１２の上に、誘電体層１６を形成している。 共振抑制部１０ｂの幅はスリット１２の幅ｗ４となる。また、誘電体層１６の厚みはｔ１である。
【００５３】
この共振抑制部１０ｂを作製するには、一番上の補助導体層５の上のセラミックグリーンシートに、誘電体共振器１１の周囲を規定するビアホールを形成して、金属ペーストを埋め込む。その上に上側導体層２を構成する金属ペーストを、結合用窓７の部分やスリット１２の部分を除いて印刷塗布し、しかる後、誘電体層１６になるグリーンシートとともに積層して、全体を同時に焼成すればよい。
なお、図２から図７の例では、共振抑制部１０を誘電体共振器１１の３辺に形成したが、この共振抑制部１０は、図８に示すように、電界が最も強い空洞共振器８のＨ面（ｘ方向と平行な辺）と対向する辺のみに形成しても効果は発揮される。
【００５４】
いままで説明した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、誘電体導波管線路６に電磁界整合部を備えることが好ましい。
以下の図において、方形導波管８、誘電体層１６、共振抑制部１０の図示は省略している。
【００５５】
図９は、誘電体導波管線路６と方形導波管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の本来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。
【００５６】
誘電体導波管線路６の高さの変更は、例えば誘電体基板を形成する２枚のセラミックスグリーンシートを用意し、電磁界整合部２０以外の部分は２枚のグリーンシートを重ね合わせて構成し、電磁界整合部２０の形成部分のみ下側の１枚のグリーンシート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、用いるグリーンシートの厚さや積層数を選定することにより、任意に設定することができる。
【００５７】
この図９の電磁界整合部２０は、共振抑制部としても機能する。例えば図４に適用した場合には、いわば共振器１１の全周囲に共振抑制部を設けた構造になる。図８に適用した場合には、共振器１１のＨ面の２辺に共振抑制部を設けた構造になる。
電磁界整合部の他の例として、図９に示す誘電体導波管線路６の高さを変えた構造の他に、図１０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２１の構造を採用してもよい。図１０の例では、電磁界整合部２１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。
【００５８】
また、図１１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１２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。
【００５９】
また、図１３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１３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、誘電体基板を形成する２枚のセラミックスグリーンシートを用意し、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。
【００６０】
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１４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１３、図１４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。
【００６１】
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１５は、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１５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。
【００６２】
また、図１６は、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１６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。
【００６３】
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、たとえば、共振抑制部における放射防止構造は、今までに示した凹構造、凸形状、グランド導体層の切り欠きだけでなく、導体層を断面三角形状や半円形状に盛り上げたり、導体層を断面逆三角形状、逆半円形状に掘り下げたりすることも可能であり、いずれも放射を抑制する効果がある。その他本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更・改良を施すことが可能である。
【００６４】
【実施例】
図３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、高周波特性を評価するために、Ｓパラメータのシミュレーションを行った。方形導波管８にはＷＲ−１５、つまり高周波信号の伝送方向に垂直な断面の寸法が３．７６ｍｍ×１．８８ｍｍのものを用いた。また、方形導波管の外枠導体壁８１の厚みは１．０２ｍｍとした。
【００６５】
誘電体導波管線路６を作製するための誘電体基板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。２列の貫通導体群４の間隔ｂはビアの中心間距離で１．８９ｍｍ、一対の導体層２，３の間隔ａは０．６ｍｍとした。また、誘電体共振器は幅ｂ′が３．４ｍｍ、長さｄが１．５９ｍｍ（いずれも貫通導体の中心間距離）のものを形成した。導体層２には結合用窓７として１．１２ｍｍ×１．６２ｍｍの開口を設けた。誘電体共振器の周囲の共振抑制部１０の溝の幅ｗ２を０．７６ｍｍ、幅ｗ２′を０．６９５ｍｍ、深さｔ２を０．３ｍｍとした。誘電体層１６の厚みｔ１は０．１ｍｍとした。
【００６６】
また、比較例として、共振抑制部１０を設けない誘電体導波管線路と導波管との接続構造も作製した。
これら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１７〜図２０に示す。
図１７〜図２０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。
【００６７】
図１７は、共振抑制部１０を設けなかった比較例の接続構造について、Ｓパラメータを計算した結果を示す。図１８は、共振抑制部１０を設けた実施例の接続構造について、Ｓパラメータを計算した結果を示す。これらの図からわかるように、図１７の構造では約５９ＧＨｚに反射係数（Ｓ１１）の極小があるが、そのときの透過係数（Ｓ２１）は約−１ｄＢであり放射がみられ、特に６０．３ＧＨｚで少なからぬ放射漏れが存在している。それに対し、図１８ではほとんど放射が無く、また透過特性の広帯域化が図れていることがわかる。
【００６８】
またさらに、電磁界整合部として図９に示したような高さの異なる誘電体導波管線路部を設けた場合のＳパラメータの周波数特性を図１９に示す。電磁波整合部２０の長さは１．１１ｍｍ、電磁波整合部２０における上下の導体層の間隔が０．３ｍｍ、電磁波整合部２０の中心位置は結合用窓中心部から１．５４５ｍｍである。この電磁波整合部２０により、図１９に示されるように、図１８と比べて反射係数（Ｓ１１）がさらに減少し、信号透過特性が向上していることがわかる。
【００６９】
さらに、図２０、誘電体導波管線路の高さを変えて構成した電磁界整合部２０に、さらにピン導体１５で構成した電磁界整合部２３を備えた誘電体導波管線路６を作製した。ここでピン導体１５は、その高さが０．３ｍｍであり、高さの異なる電磁界整合部２０の端面から１．６６５ｍｍ、貫通導体４から０．３６５ｍｍの箇所に２本設置した。この場合のＳパラメータの周波数特性を図２０に示す。この構造は図１９に比べてさらに高周波特性が向上していることがわかる。
【００７０】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、構造が単純で、信頼性が高く製造コストが低いとともに、共振器外周に放射防止構造を備えることにより、電磁波放射を抑制できるので、高周波結合特性に優れた、誘電体導波管線路と導波管との接続構造を提供できる。
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。
【００７１】
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基板及びフィルター基板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】本発明の誘電体導波管線路と導波管との接続構造の一例を示す分解、透視斜視図である。
【図３】同接続構造を示すＶ−Ｖ線側断面図である。
【図４】同接続構造を示す水平断面図である。
【図５】同接続構造を示すＷ−Ｗ線側断面図である。
【図６】本発明の誘電体導波管線路と導波管との接続構造の変形例を示す断面図である。
【図７】本発明の誘電体導波管線路と導波管との接続構造のさらに他の変形例を示す断面図である。
【図８】本発明の誘電体導波管線路と導波管との接続構造のさらに他の変形例を示す水平断面図である。
【図９】誘電体導波管線路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１０】誘電体導波管線路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１１】誘電体導波管線路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１２】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１３】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１４】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１５】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１６】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１７】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。
【図１８】誘電体導波管線路と導波管との接続構造に共振抑制部を設けた場合のＳパラメータの周波数特性を示す線図である。
【図１９】誘電体導波管線路と導波管との接続構造に電磁界整合部とを設けた場合のパラメータの周波数特性を示す線図である。
【図２０】誘電体導波管線路と導波管との接続構造に２種類の電磁界整合部を設けた場合の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
２ａ 導体層
４，４ａ〜４ｄ 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
１０ 共振抑制部（放射防止構造）
１１ 誘電体共振器
１２ スリット
１５ ピン導体
１６，１６ａ，１６ｂ 誘電体層
２０〜２３ 電磁界整合部
２４ スロットアンテナ
２５ フィルター
８１ 外枠導体壁
Claims (12)
- 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所定の繰り返し間隔で、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、
当該共振器上の、一方の導体層に結合用窓を設け、
当該共振器の外周の少なくとも一部に、高周波信号の共振を抑制して漏れ放射を防止するための放射防止構造を設け、
この共振器の前記結合用窓を設けた基板側に、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。 - 前記導波管の外枠導体壁のＨ面をなす端面が、前記共振器の外周に設けられた放射防止構造に対向してい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。
- 前記放射防止構造は、結合用窓が設けられている導体層を、凹状に形成することにより作製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。
- 前記放射防止構造は、結合用窓が設けられている導体層を凸状に形成することにより作製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。
- 前記放射防止構造は、結合用窓が設けられている導体層に、スリットを形成することにより作製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５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６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。
- 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。
- 請求項１〜請求項１０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１０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。
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