JP2005159768A - Branch structure of waveguide structural body and antenna substrate - Google Patents
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Abstract
Description
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導波管構造体の分岐構造に関するものである。 The present invention relates to a branched structure of a waveguide structure for transmitting a high frequency signal such as a microwave band or a millimeter wave band.
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およ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、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。 In recent years, researches on mobile communication and inter-vehicle radar using high-frequency signals such as microwave band and millimeter wave band have been actively promoted. In these high-frequency circuits, transmission lines for transmitting high-frequency signals are required to be small and have low transmission loss. In particular, since it is advantageous in terms of miniaturization if it can be formed on or in a substrate constituting a high-frequency circuit, conventionally, such transmission lines include strip lines, microstrip lines, coplanar lines, and dielectric waveguides. Tracks and the like have been used.
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および誘電体基板中を高周波信号の電磁波が伝播するものである。これらの線路は例えば30GHz帯域までの信号伝送に対しては問題ないが、30GHz以上では伝送損失が生じやすいという問題点がある。 Of these, the strip line, microstrip line, and coplanar line are composed of a dielectric substrate, a line conductor layer, and a ground (ground) conductor layer. The space around the line conductor layer and the ground conductor layer and in the dielectric substrate The electromagnetic wave of the high-frequency signal propagates through. These lines have no problem for signal transmission up to, for example, 30 GHz band, but there is a problem that transmission loss tends to occur at 30 GHz or more.
これに対して特許文献1に記載されるような、平面導体と、ビアホール導体によって形成される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く、しかも多層基板内に自由に形成することができる点で有利である。
On the other hand, a waveguide type transmission line formed by a planar conductor and a via-hole conductor as described in
また、導波管線路を用いた構造において、特許文献2、3には、同一平面内で導波管線路を2つの導波管線路に分岐する構造が、また、特許文献4には、z方向に分岐可能な構造が提案されている。
一般に、伝送線路を用いて高周波回路を構成する場合、特にアレイアンテナの給電線等を形成する場合等には、伝送線路の配線回路において伝送線路同士を接続し、あるいは分岐を設け、その電力分配比率を制御する必要がある。 Generally, when configuring a high-frequency circuit using a transmission line, especially when forming a feeder line of an array antenna, etc., the transmission lines are connected to each other in the wiring circuit of the transmission line, or branches are provided to distribute the power. It is necessary to control the ratio.
しかしながら、ストリップ線路やマイクロストリップ線路・コプレーナ線路は線路導体層がグランド導体層で完全に覆われていないため、伝送線路の途中に分岐を設けるとその分岐から電磁波の放射が起こり、伝送損失が大きくなるのに対して、誘電体導波管線路の場合には、伝送損失が低減できる点で有利であるが、この誘電体導波管線路を用いて、電力を分配するための構造については、これまで提案されていない。 However, the strip conductor, microstrip line, and coplanar line do not completely cover the line conductor layer with the ground conductor layer, so if a branch is provided in the middle of the transmission line, radiation of electromagnetic waves occurs from that branch, resulting in a large transmission loss. On the other hand, in the case of a dielectric waveguide line, it is advantageous in that transmission loss can be reduced, but a structure for distributing power using this dielectric waveguide line is as follows. So far it has not been proposed.
したがって、本発明は上記事情に鑑みて案出されたものであり、その目的は、コンパクトで優れた伝送特性を有する導波管電力分配機能を有する導波管構造体における分岐構造を提供することを目的とするものである。 Therefore, the present invention has been devised in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a branch structure in a waveguide structure having a waveguide power distribution function that is compact and has excellent transmission characteristics. It is intended.
また、本発明の他の目的は、従来の多層化技術によって容易に作製することのできる導波管構造体における分岐構造を提供することを目的とするものである。 Another object of the present invention is to provide a branched structure in a waveguide structure that can be easily manufactured by a conventional multilayer technology.
さらに、本発明のさらに他の目的は、誘電体導波管構造体における分岐構造を具備したアンテナ基板を提供することを目的とするものである。 Still another object of the present invention is to provide an antenna substrate having a branch structure in a dielectric waveguide structure.
本発明の導波管構造体における分岐構造は、第1の導波管構造体の終端部に第二の導波管構造体を高周波信号の伝送方向が直交するように重ねて配置し、この重ねた部位の導波管壁にそれぞれ結合窓を形成してなるとともに、前記第1および第2の導波管の重ねた部位付近に前記結合窓を形成した壁面とこれと対向する壁面との間隔を他の部位における間隔よりも狭くした薄肉部をそれぞれ設けてなり、前記第2の導波管における前記薄肉部の伝送方向の中心を前記結合窓の中心からずらして配置したことを特徴とする。 The branching structure in the waveguide structure of the present invention is arranged such that the second waveguide structure is overlapped at the terminal portion of the first waveguide structure so that the transmission direction of the high-frequency signal is orthogonal, A coupling window is formed on each of the overlapped waveguide walls, and a wall surface formed with the coupling window in the vicinity of the overlapped portion of the first and second waveguides and a wall surface facing the wall. The thin-walled portion is provided with a space narrower than the space at the other part, and the center of the thin-walled portion in the second waveguide is shifted from the center of the coupling window. To do.
また、本発明の他の誘電体導波管構造体における分岐構造は、第1の導波管構造体の終端部に第二の導波管構造体を高周波信号の伝送方向が平行になるように重ねて配置し、この重ねた部位の導波管壁にそれぞれ結合窓を形成してなるとともに、前記第1および第2の導波管の重ねた部位付近に前記結合窓を形成した壁面とこれと対向する壁面との間隔を他の部位における間隔よりも狭くした薄肉部をそれぞれ設けてなり、前記第2の導波管における前記薄肉部の伝送方向の中心を前記結合窓の中心からずらして配置したことを特徴とするものである。 Further, the branching structure in another dielectric waveguide structure of the present invention is such that the transmission direction of the high-frequency signal is parallel to the second waveguide structure at the terminal end of the first waveguide structure. And a wall surface in which the coupling window is formed in the vicinity of the overlapped portion of the first and second waveguides. Each of the thin-walled portions is provided with a space between the opposing wall surfaces that is narrower than that of the other portion, and the center of the thin-walled portion in the second waveguide is shifted from the center of the coupling window. It is characterized by having been arranged.
本発明の導波管構造体分岐構造によれば、上記いずれの構成によっても薄肉部の中心位置の調整で、分岐のインピーダンスを変更することにより所望の電力比率で電力分配できる。すなわち、薄肉部の中心を前記結合窓の中心からずらして配置することにより、各分岐構造のインピーダンスを調整することが可能となり、また薄肉部の存在によって分岐過程における導波管の厚み変化が小さく信号伝送がスムーズに進むため、効率よく信号を伝送できる。またインピーダンス整合をするに際して、2つの導波管の重なり部の幅変更や結合窓によっても調整可能であるが、薄肉部を用いることにより、より柔軟に整合可能となる。また薄肉部の大きさを結合窓の大きさよりも大きくすることにより、薄肉部の配置位置の変位に対する電力分配比の変化が小さくなり、層間ズレなどの製造ズレに対する許容量を広げることができる。また薄肉部を片方の導波管に設けるだけでなく、もう一方の導波管に設けることにより、一方の薄肉部の変位によりずれるインピーダンスをもう一方の導波管の薄肉部で整合可能となり、伝送損失の低減を図ることができる。また導波管厚みが大きいとき、導波管重なり部でのZ方向の厚みが厚くなり、通常の導波管と導波管重なり部の厚み変化が大きいことから反射が発生しやすくなるが、両導波管部に薄肉部を設けることにより、厚みの不連続性を抑制でき伝送損失を低減できる。また、以下に示すように誘電体導波管を用いて分岐構造を形成するとき、薄肉部を用いることで側面貫通導体の数を減らすことができ加工数が減り低コストにつながる。 According to the waveguide structure branching structure of the present invention, power can be distributed at a desired power ratio by changing the impedance of the branch by adjusting the center position of the thin portion in any of the above-described configurations. That is, by disposing the center of the thin portion from the center of the coupling window, it becomes possible to adjust the impedance of each branch structure, and the thickness change of the waveguide in the branching process is small due to the presence of the thin portion. Since signal transmission proceeds smoothly, signals can be transmitted efficiently. Further, when impedance matching can be performed by changing the width of the overlapping portion of the two waveguides or by a coupling window, matching can be made more flexibly by using a thin portion. Further, by making the size of the thin portion larger than the size of the coupling window, the change in the power distribution ratio with respect to the displacement of the arrangement position of the thin portion is reduced, and the allowable amount for manufacturing deviation such as interlayer deviation can be widened. Moreover, by providing not only the thin wall portion in one waveguide but also in the other waveguide, the impedance shifted by the displacement of one thin wall portion can be matched in the thin wall portion of the other waveguide, Transmission loss can be reduced. In addition, when the waveguide thickness is large, the thickness in the Z direction at the waveguide overlap portion becomes large, and the change in thickness between the normal waveguide and the waveguide overlap portion is large, so reflection tends to occur. By providing thin portions in both waveguide portions, discontinuity in thickness can be suppressed and transmission loss can be reduced. Moreover, when forming a branch structure using a dielectric waveguide as shown below, the number of side surface through conductors can be reduced by using a thin portion, resulting in a reduction in the number of processing and a reduction in cost.
また、薄肉部を片方の導波管に設けるだけでなく、もう一方の導波管に設けることにより、導波管の厚み変化が小さくなり信号伝送の損失を低減することができる。 Further, by providing the thin portion not only in one waveguide but also in the other waveguide, a change in the thickness of the waveguide is reduced, and loss of signal transmission can be reduced.
なお、上記導波管線路は、誘電体基板を挟持する一対の主導体層と、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主導体層間を電気的に接続して形成された2列の側壁用貫通導体群と、前記主導体層間に主導体層と平行に形成され、前記側壁用貫通導体群と電気的に接続された副導体層とを具備してなることによって、従来の多層化技術を用いてあらゆる多層基板内に小さなサイズで容易に形成することができる。 The waveguide line includes a pair of main conductor layers sandwiching the dielectric substrate, a repetition interval of less than one half of the signal wavelength in the transmission direction of the high frequency signal, and a direction orthogonal to the transmission direction. Two rows of through-hole conductor groups for side walls formed by electrically connecting the main conductor layers with a predetermined width, and formed in parallel with the main conductor layer between the main conductor layers, The sub-conductor layers connected to each other can be easily formed in a small size in any multilayer substrate using a conventional multilayer technology.
また、前記誘電体基板が、低温焼成セラミックスからなることによって、導体材料として、銀、銅などの低抵抗導体を用いて同時焼成によってできることから、高周波特性の向上および製造の点で有利である。また、有機基板に比べて誘電率が高く小型化が可能なこと、フッ素樹脂などと異なり曲がらず形状を保持しやすいこと、耐水性が高いので高信頼性が得られる。 Further, since the dielectric substrate is made of low-temperature fired ceramics, it can be fired simultaneously using a low-resistance conductor such as silver or copper as a conductor material, which is advantageous in terms of improving high-frequency characteristics and manufacturing. In addition, the dielectric constant is higher than that of the organic substrate, the size can be reduced, the shape is not bent unlike the fluororesin, and the shape is easily maintained.
また、上記の分岐構造を具備することによって、容易にかつ簡便な構造でZ方向への配線ができかつ効率の高い分岐構造を得られるために、それをアンテナ基板に用いることにより、小型化が可能で高効率のアンテナ基板を容易に得ることができる。 In addition, by providing the above branch structure, it is possible to easily and easily wire in the Z direction and to obtain a highly efficient branch structure. A possible and highly efficient antenna substrate can be easily obtained.
以下、本発明の導波管線路の分岐構造について図面を参照しながら説明する。図1は、導波管を高周波信号の伝送方向が直交するように重ねて配置した場合の本発明の分岐構造である。図2(a)は、図1の分岐構造におけるA−A断面図,図2(b)は、図1の分岐構造におけるB−B断面図である。 The waveguide line branching structure of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows a branching structure of the present invention in the case where waveguides are arranged so that the transmission directions of high-frequency signals are orthogonal to each other. 2A is a cross-sectional view taken along line AA in the branched structure of FIG. 1, and FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line BB in the branched structure of FIG.
図1、図2によれば、導波管2の終端部に、導波管1が、互いに直交するように導波管の側壁同士を重ねて配置されており、その重ねた部位の導波管壁には、それぞれ結合窓3が形成され、互いの結合窓が一致するように配置されている。この結合窓3の中心は導波管1、2の重なり部の中心とほぼ同じ位置に設けられている。また、この結合窓3の形状は、導波管1の伝送方向に平行な辺を長辺とする長方形となり、その大きさは、強度等の問題がない限り、導波管1,2の重なり部分と同じ大きさで形成されることが望ましい。
According to FIGS. 1 and 2, the
なお、図1、2の分岐構造は、導波管2からの信号が導波管1内で方向1aと方向1bに電力分配する、あるいは導波管1における方向1a、方向1bからの信号を電力合成し導波管2に信号伝送する分岐構造である。
1 and 2, the signal from the
導波管1と導波管2とが重なる部位付近には、結合窓3を形成した壁面とこれと対向する反対側の導波管壁面との間隔a’を他の部位における間隔aよりも狭くした伝送方向の長さLの薄肉部5a、5bがそれぞれ形成されている。
In the vicinity of the portion where the
そして、この第2の導波管における薄肉部5bの伝送方向に対する中心Xと、結合窓3の中心Yは、mだけずれて形成されている。このずれ幅mによって薄肉部5bにおける導波管2の壁面2aから、薄肉部5bの両端までのそれぞれの長さb1,b2が変化するが、本発明によれば、このずれ幅mおよび導波管2の壁面2aによる長さb1、b2を変更することで、結合窓3から見たときの1a方向と1b方向のインピーダンスを変更でき、結果的に導波管2から導波管1の1a方向、1b方向に伝送する信号の電力比率を制御可能となるのである。
And the center X with respect to the transmission direction of the
なお、かかる分岐構造においては、図4のように、導波管2における導波管1と重なる部位における導波管の幅L3を、導波管2の他の部位の導波管幅L2と異なるように形成することが望ましい。このように、L、L1、L2、L3を制御することによって結合部分での共振を発生させ、効果的に信号伝送することが可能となる。図4の例では、導波管2の結合部分の幅L3を他の部位の幅L2よりも広くした幅広部2aを形成したものである。
In this branching structure, as shown in FIG. 4, the waveguide width L3 in the portion overlapping the
同様な理由で、導波管1と導波管2とが重なる部位の入り口においてもその径を変更することも可能である。たとえば、図5に示すように、重なる部位の入り口において、その幅が小さい幅狭部2bを形成してインピーダンスを制御することも可能である。
For the same reason, it is possible to change the diameter at the entrance of the portion where the
また図2に示す薄肉部5bの長さLは、導波管1と2の重なり部の幅L2よりも大きく図示しているが、これは小さくても特性上電力分配可能な分岐構造となるが、L>L3であることが望ましい。これは、L>L3の場合、薄肉部5のシフト量に対し電力分配比が緩やかなため、製造上のずれなどに対する許容性が大きいのに対して、L<L3の場合、電力分配比のシフト量に対する変化が大きくなるために、ずれなどによる特性の変化も大きくなりやすく、特性が不安定になる可能性がある。
The length L of the
一方、第1の導波管2において薄肉部5aを設けることによって、導波管1の薄層部5bの中心位置を変えたときにずれるインピーダンスをもう一方の導波管の薄肉部5aで整合可能となり、伝送損失の低減を図ることができる。また導波管1の厚み、導波管1、2の重なり部分の厚み、および導波管2の厚みを近似させることが可能となり、より電磁界の流れがスムーズになり反射が低減でき伝送特性が向上する。
On the other hand, by providing the
また、薄肉部5bの幅L1は、導波管1と導波管2の重なり部分で、導波管2の厚みを薄くした部位の長さL2aに比べ長いことが好ましい。これはL2aがL1より長いと、図3の導波管1の上部導体端部1cと重なり部分の下部導体端部2bの間隔が狭くなり電磁界の流れがスムーズでなくなり、その箇所が信号の反射を引き起こしやすくなるためである。
Further, the width L1 of the
さて、電力分配比率制御のために薄肉部5bを結合窓3に対しシフトさせることを述べてきたが、さらに導波管2の薄肉部5aを導波管2の信号伝送方向に対してシフトさせても良い。このとき薄肉部5aと5bの中心が同じである必要性は無い。
Now, it has been described that the
(第2の実施態様)
次に、図6,7は、本発明の第2の分岐構造を示す図であり、2つの導波管を高周波信号の伝送方向が平行するように重ねて配置した分岐構造であり、図6は、その概略斜視図、図7は図6のC−C線断面図である。
(Second Embodiment)
Next, FIGS. 6 and 7 are views showing a second branching structure of the present invention, which is a branching structure in which two waveguides are arranged so that the transmission directions of high-frequency signals are parallel to each other. Is a schematic perspective view thereof, and FIG. 7 is a cross-sectional view taken along the line CC of FIG.
図6、図7によれば、導波管12と導波管13の伝送方向が平行になるように、導波管13の終端部の上部に、導波管12が、導波管13の終端の距離Sが、λ/8以上となる長さ位置に各導波管12、13の導波管壁に結合窓14が形成され、互いの結合窓14が一致するように配置されている。この結合窓14の形状は、信号伝送方向の幅L5が、信号伝送方向に対して直交する方向の幅L4よりも短いことが望ましい。
According to FIGS. 6 and 7, the
この図6、7の分岐構造は、導波管13からの信号が導波管12内で方向12aと方向12bに電力分配する、あるいは導波管12における方向12a、方向12bからの信号を電力合成し導波管13に信号伝送する分岐構造である。
6 and 7, the signal from the
導波管12と導波管13の重なり部分における導波管12側には、結合窓14を形成した壁面とこれと対向する導波管12の反対側の壁面との間隔b’が他の部位における間隔bよりも狭くした薄肉部15bが形成されている。
On the
この薄肉部15bの伝送方向に対する中心Xと、結合窓14の中心Yは、n1だけずれて形成されている。このずれ幅n1によって、導波管12の12a方向と12b方向に分配される電力比率を制御できる。つまり、電力分配の原理は図1、2に示した構造と同様に、結合窓からみたインピーダンスが異ならしめることによって電力を分配するものであって、結合窓14に対して薄肉部15bをずらすことで、導波管13から見たときの方向12aと方向12bのインピーダンスが変わり、これにより方向12aと方向12bへの電力分配比率を制御することができる。
The center X of the
一方、第12の導波管13において薄肉部15aを設けることによって、導波管12の薄肉部15b中心位置を変化させたときずれるインピーダンスをもう一方の導波管の薄肉部15aで整合可能となり、伝送損失の低減を図ることができる。また導波管12の厚み、導波管12、13の重なり部分の厚み、および導波管13の厚みを近似させることが可能となり、より電磁界の流れがスムーズになり反射が低減でき伝送特性が向上する。
On the other hand, the provision of the
なお、薄肉部15aの中心Zは、結合窓14の中心Yや薄肉部15bの中心Xと同じである必要はなく、結合窓14の中心Yからn2ずれていてもよい。
The center Z of the
本発明の分岐構造における導波管としては、誘電体基板を挟持する一対の主導体層と、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主導体層間を電気的に接続して形成された2列の側壁用貫通導体群と、前記主導体層間に主導体層と平行に形成され、前記側壁用貫通導体群と電気的に接続された副導体層とを具備して構成される導波管構造体を用い、本発明の導波管分岐構造を得ることができる。この場合、従来の導波管に比べ回路を小型化可能であり、また複雑な金属加工が不必要なため作製容易となり量産に適する。また本発明ではZ方向への信号伝播をしながら、かつ電力分配可能なため、従来の誘電体導波管で構成した回路に対しても小型化できる。 The waveguide in the branch structure of the present invention includes a pair of main conductor layers sandwiching a dielectric substrate, a repetition interval of less than half of the signal wavelength in the transmission direction of the high-frequency signal, and orthogonal to the transmission direction. Two side wall through conductor groups formed by electrically connecting the main conductor layers with a predetermined width in a direction to be formed, and the side wall through conductors formed in parallel to the main conductor layer between the main conductor layers. The waveguide branch structure of the present invention can be obtained by using a waveguide structure configured to include a sub-conductor layer electrically connected to the group. In this case, the circuit can be reduced in size as compared with the conventional waveguide, and since complicated metal processing is unnecessary, it is easy to manufacture and suitable for mass production. Further, in the present invention, since power can be distributed while propagating signals in the Z direction, it is possible to reduce the size of a circuit constituted by a conventional dielectric waveguide.
以下に本発明の分岐構造を誘電体導波管を用いて形成した場合について述べる。 The case where the branch structure of the present invention is formed using a dielectric waveguide will be described below.
図8は本発明に用いる誘電体導波管線路の構成例を説明するための概略斜視図である。図8において、16は誘電体層、17および18は誘電体層16を挟持する一対の導体層、19は信号伝送方向に信号波長の2分の1未満の繰り返し間隔cで、かつ信号伝送方向と直交する方向に所定の幅dで一対の導体層17、18間を電気的に接続するように形成された2列の貫通導体群である。また、20は貫通導体群19の各列を形成する貫通導体同士を電気的に接続する、導体層17、18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。21はこれら一対の導体層17、18と貫通導体群19および補助導体層20により形成される誘電体導波管線路である。このように一対の導体層17、18と貫通導体群19とで囲まれた領域に対してさらに補助導体層20を形成することにより、誘電体導波管線路21の内部から見るとその側壁は貫通導体群19と補助導体層20とによって細かな格子状になり、様々な方向の電磁波が遮蔽される。
FIG. 8 is a schematic perspective view for explaining a configuration example of a dielectric waveguide line used in the present invention. In FIG. 8, 16 is a dielectric layer, 17 and 18 are a pair of conductor layers sandwiching the
図8に示すように、所定の厚みeの誘電体層16を挟持する位置に一対の導体層17、18が形成されており、導体層17、18は誘電体層16の少なくとも伝送線路形成位置を挟む上下面に形成されている。また、導体層17、18間には両者を電気的に接続するスルーホール導体やビアホール導体等の貫通導体が多数設けられ、これら多数の貫通導体により2列の貫通導体群19を形成している。
As shown in FIG. 8, a pair of conductor layers 17 and 18 are formed at a position sandwiching the
2列の貫通導体群19は、図示するように、高周波信号の伝送方向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、かつ伝送方向と直交する方向に所定の一定の間隔(幅)d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21における電気的な側壁を形成している。
As shown in the figure, the two rows of through
ここで、誘電体層1の厚みe、すなわち一対の導体層17、18間の間隔に対する制限は特にないが、シングルモードで用いる場合には間隔dに対して2分の1程度または2倍程度とすることがよく、図8の例では誘電体導波管線路21のH面に当たる部分が導体層17、18で、E面に当たる部分が貫通導体群19および補助導体層20でそれぞれ形成される。また、間隔dに対して厚みeを2倍程度とすれば、誘電体導波管線路21のE面に当たる部分が導体層17、18で、H面に当たる部分が貫通導体群19および補助導体層20でそれぞれ形成されることとなる。
Here, there is no particular limitation on the thickness e of the
また、間隔dが信号波長の2分の1未満の間隔に設定されることで貫通導体群19により電気的な壁が形成できる。この間隔cは、電磁波のもれを防止するうえで信号波長の4分の1未満であることが望ましい。平行に配置された一対の導体層17、18間にはTEM波が伝播できるため、貫通導体群19の各列における貫通導体の間隔cが信号波長λの2分の1(λ/2)よりも大きいと、この誘電体導波管線路21に電磁波を給電しても電磁波は貫通導体群19の間から漏れてしまい、ここで作られる疑似的な導波管線路に沿って伝播しない。しかし、貫通導体群19の間隔cがλ/2よりも小さいと、電気的な側壁を形成することとなって電磁波は誘電体導波管線路21に対して垂直方向に伝播することができず、反射しながら誘電体導波管線路21の信号伝送方向に伝播される。
In addition, an electrical wall can be formed by the through
その結果、図8のような構成によれば、一対の導体層17、18と2列の貫通導体群19および補助導体層20とによって囲まれる断面積がd×eのサイズの領域が誘電体導波管線路21となる。
As a result, according to the configuration shown in FIG. 8, the region having a cross-sectional area of d × e surrounded by the pair of conductor layers 17 and 18 and the two rows of through
図8に示した態様では、貫通導体群19は導波管の片側1列づつに形成したが、この貫通導体群19を片側2列以上に配設して、貫通導体群19による疑似的な導体壁を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。
In the embodiment shown in FIG. 8, the through
このような誘電体導波管線路21によれば、誘電体導波管による伝送線路となるので、誘電体基板16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)1/2の大きさになる。従って、誘電体基板16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。
According to the
なお、貫通導体群19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。
Note that the through conductors constituting the through
このような誘電体導波管線路21を構成する誘電体基板16としては、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するものではないが、伝送線路を形成する際の精度および製造の容易性の点からは、誘電体基板16はセラミックスから成ることが望ましい。
The
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伝送損失が大きくなるためである。従って、誘電体基板1の比誘電率εrは4〜100程度が適当である。
As such ceramics, ceramics having various relative dielectric constants have been known so far, but in order to transmit a high frequency signal by the dielectric waveguide line according to the present invention, it is desirable to be a paraelectric material. . This is because ferroelectric ceramics generally have a large dielectric loss and a large transmission loss in the high frequency region. Accordingly, the relative dielectric constant εr of the
また、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程度であることから、比誘電率が100の材料を用い、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、用いることのできる最小の周波数は15GHzと算出され、マイクロ波帯の領域でも利用可能となる。 In general, since the line width of a wiring layer formed in a multilayer wiring board, a semiconductor element storage package, or an inter-vehicle radar is at most about 1 mm, a material having a relative dielectric constant of 100 is used, and the upper part is an H plane, that is, a magnetic field. Is used so as to have an electromagnetic field distribution that wraps parallel to the upper surface, the minimum frequency that can be used is calculated as 15 GHz, and can also be used in the microwave band region.
誘電体基板16としては、例えば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等がある。これらによる誘電体基板16は、例えば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て、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1500〜1700℃、低温焼成セラミックスの場合は850〜1000℃、窒化アルミニウムセラミックスの場合は1600〜1900℃の温度で焼成することによって製作される。
Examples of the
これらの中でも誘電体基板16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、導体として、導電率の高い銅、あるいは銀を用いることができるため導体損を低減できる利点があり、また一般的な有機基板に比べて誘電率が高く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。低温焼成セラミックスの例として例えばホウ珪酸系ガラスやアルカリ土類含有ガラスなどのガラス成分とAl2O3、SiO2、ZnO、MgOなどのセラミックス粉末を混合焼成して得られる。
Among these, it is desirable that the
また、一対の導体層17、18は、例えば誘電体基板16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、モリブデ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し、しかる後、約1600℃の高温で焼成し、厚み10〜15μm以上となるようにして形成する。
Further, the pair of conductor layers 17 and 18 are, for example, when the
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、銀、金が、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17、18の厚みは一般的に5〜50μm程度とされる。 As the metal powder, copper, silver and gold are suitable for low-temperature fired ceramics, and tungsten and molybdenum are suitable for aluminum nitride ceramics. The thickness of the conductor layers 17 and 18 is generally about 5 to 50 μm.
また、貫通導体群19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17、18と同様の金属ペーストを埋め込み、しかる後、誘電体基板16と同時に焼成して形成する。なお、貫通導体は直径50〜300μmが適当である。
The through conductors constituting the through
次に、このような誘電体導波管線路を用いた図1の本発明の導波管分岐構造の実施の形態の一例を図9に示す。 Next, FIG. 9 shows an example of an embodiment of the waveguide branching structure of the present invention of FIG. 1 using such a dielectric waveguide line.
ここで導波管1’及び導波管2’は、貫通導体群19と副導体層20および導体層17、18より構成されており、その接合部において結合窓3’を有し、その結合部付近に薄肉部5’が形成されている。図9の基本的な導波管配置や薄肉部の構成は図1と同様であり、薄肉部5’の中心は結合窓3’の中心と異なり、これにより一定の比率での電力分配を実現している。なお、ここで導波管1の上部主導体層4’は薄肉部5b’において切り欠きを設けている。しかし、薄肉部5b’における上部は導体層4’’で封じられているために、導体層4’は、薄肉部5b’の部分で切り欠く必要はない。
Here, the
また、二つの誘電体導波管を高周波信号の伝送方向が平行するように重ねて配置した図6の本発明の導波管分岐構造もここには図示しないが、図9と同様に実現できる。 Further, the waveguide branching structure of the present invention of FIG. 6 in which two dielectric waveguides are arranged so as to be parallel to each other in the transmission direction of the high-frequency signal is not shown here, but can be realized as in FIG. .
また、上で詳述した本発明の2つの導波管線路の接続構造を図10に示すように、多層配線基板からなるアンテナ基板22内に内蔵してもよい。アンテナ基板22では、ビーム形状を所望の形状にするために、例えばサイドローブを低減するために、各アンテナ素子23の放射比率を変化させる必要があり、そのために、各アンテナ素子23への給電線路24として導波管を用いた場合、本発明の電力分配構造を利用することによって容易にビーム形状を設計できる。なお、この図10では誘電体導波管の片側の導体層に切り欠きを設けてなるスロットアンテナ25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。
Further, as shown in FIG. 10, the connection structure of the two waveguide lines of the present invention described in detail above may be incorporated in an
本発明の導波管分岐構造について、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。用いたのは図4,9に示す二つの導波管構造体を高周波信号の伝送方向が直交するように重ねて配置したタイプのものであり、導波管を誘電体導波管で形成した形状である。誘電体基板16には比誘電率εrが4.9の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19の間隔幅つまり導波管幅L1、L2は、ビア中心間距離で、導波管1ではL1=1.6mm、導波管2ではL2=1.79mmとした。ただし導波管1、2の重なり部においては、導波管2の幅L3を2.21mmとしている。導波管1、2の厚みはともに0.6mmであり、導波管1内の薄肉部は厚み0.3mm、導波管2の薄肉部も同様に0.3mmとした。導波管1側の薄肉部5bの大きさLは1.369mm、導波管2側の薄肉部5aの大きさL2aは1.38mmである。薄肉部5bの開口窓3に対するズレmは0.14mmとした。開口窓3の大きさは導波管1と平行側が2.006mm、直交側が1.386mmとした。結果を図11、12に示す。図において実線がS11、破線がS21、点線がS31である。図11、12の結果から反射を抑えつつ、S21が約−4.8dB、S31が約−1.8dBと電力分配できていることがわかる。
In order to evaluate the high frequency characteristics of the waveguide branch structure of the present invention, S parameters were simulated. The type used was a type in which the two waveguide structures shown in FIGS. 4 and 9 are stacked so that the transmission directions of the high-frequency signals are orthogonal to each other, and the waveguide is formed of a dielectric waveguide. Shape. The
1・・・・・第2の導波管
1a・・・・導波管1のひとつのport
1b・・・・導波管1のもうひとつのport
2・・・・・第1の導波管
3・・・・・結合窓
4・・・・・上部主導体
5・・・・・薄肉部
6・・・・・下部主導体
12・・・・導波管
13・・・・導波管
14・・・・結合窓
15・・・・薄肉部
16・・・・誘電体基板
17,18・・主導体
19・・・・・貫通導体
20・・・・副導体層
21・・・・誘電体導波管
DESCRIPTION OF
1b... Another port of the
2...
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