JP2006101286A

JP2006101286A - マイクロストリップ線路結合器

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Publication number: JP2006101286A
Application number: JP2004286045A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Sugano; 真行菅野; Yuzo Shibuya; 裕三渋谷
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2004-09-30
Filing date: 2004-09-30
Publication date: 2006-04-13
Anticipated expiration: 2024-09-30
Also published as: JP4468779B2

Abstract

【課題】放射による挿入損失の増大を回避し、更には反射損失を低減したマイクロストリップ線路結合器を提供する。
【解決手段】入力マイクロストリップ線路１０を伝搬する電磁波は、接地導体層２０に設けられた結合用スロット２４を介して、出力マイクロストリップ線路１２へと導かれる。入力側導体筐体１４および出力側導体筐体１６は、結合用スロットから放射される電磁波を遮蔽する。出力側導体筐体１６は、放射された電磁波を筐体内部へ反射して入力端に電磁波を励振し、当該電磁波とマイクロストリップ結合器１に入射された電磁波との位相関係を調整し、入力反射損失を低減するようその構成が決定される。入力側導体筐体１４は、出力側導体筐体１６と同様にして、出力反射損失を低減するようその構成が決定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、両面基板において互いに異なる面に構成されたマイクロストリップ線路間の電磁界の結合を図るマイクロストリップ線路結合器に関する。

近年の無線通信機器においては、高密度実装を実現するため、接地導体基板の両面に誘電体層を設けて基板の両面にマイクロストリップ線路を構成することが多い。このような両面基板では、片方の面に構成された励振源側のマイクロストリップ線路（以下、入力マイクロストリップ線路とする。）を伝搬する電磁波を、その反対側の面に構成された負荷側のマイクロストリップ線路（以下、出力マイクロストリップ線路とする。）へ導くため、接地導体基板に穴を開け、入力マイクロストリップ線路と出力マイクロストリップ線路とを接続する導体ピンを設けたマイクロストリップ線路結合器が用いられる。この構成では、導体ピンが線路導体に半田付けなどの手作業によって接続されるため、製品によって挿入損失、反射損失などの電気的特性がばらついてしまうという問題がある。

そこで、入力マイクロストリップ線路を伝搬する電磁波を、接地導体基板に設けられた結合用スロットによって出力マイクロストリップ線路へと導く構成が考えられる。この構成では、製造工程に手作業が介入しないため、製品によって電気的特性がばらつくという問題は回避される。

このように、マイクロストリップ線路に伝搬する電磁波を、結合用スロット等の結合手段によってその裏面側に設けられた導波路へ導く構成については、次の文献に開示されている。

特開２００３−０３７４０６号公報

上述の、接地導体基板に結合用スロットを設けたマイクロストリップ線路結合器では、結合用スロットから電磁波が放射され、入力マイクロストリップ線路から出力マイクロストリップ線路に到るまでの間の挿入損失が増大してしまうという問題がある。そこで、線路導体と結合用スロットとが交叉する部分を、接地された導体筐体で覆ってしまう構成が考えられる。しかしながら、このような構成では、結合用スロットから放射された電磁波が導体筐体内部へ反射され、その反射された電磁波が入力マイクロストリップ線路に電磁波を励振し、マイクロストリップ線路結合器から離れる方向に入力マイクロストリップ線路を伝搬する反射波を生ぜしめ、反射損失が増大してしまうという問題が生じる。

本発明はこのような課題に対してなされたものであり、放射による挿入損失の増大を回避し、更には反射損失を低減したマイクロストリップ線路結合器を提供することを目的とする。

本発明は、第１のマイクロストリップ線路と、第１のマイクロストリップ線路の接地導体面を挟んで、第１のマイクロストリップ線路が形成されている面の反対面側に形成された第２のマイクロストリップ線路と、第１のマイクロストリップ線路を伝搬する電磁波によって第２のマイクロストリップ線路を伝搬する電磁波を励振するための、前記接地導体面に設けられた結合穴と、を含むマイクロストリップ線路結合器において、結合穴の存在に起因して放射される放射電磁波を遮蔽する遮蔽筐体を含み、遮蔽筐体は、前記放射電磁波を遮蔽筐体内部へ反射して第１のマイクロストリップ線路に遮蔽筐体内部反射による電磁波を励振し、遮蔽筐体は、遮蔽筐体内部反射による電磁波と、第１のマイクロストリップ線路を結合穴へ向かう方向に伝搬する入射電磁波との位相関係を調整して、第１のマイクロストリップ線路を結合穴から離れる方向に伝搬する反射波を低減するよう構造が決定されることを特徴とする。

また、本発明に係るマイクロストリップ線路結合器においては、遮蔽筐体は、遮蔽筐体内部反射による電磁波によって生じる第１のマイクロストリップ線路を構成する線路導体表面の接線方向の磁界と、第１のマイクロストリップ線路を結合穴へ向かう方向に伝搬する入射電磁波によって生じる第１のマイクロストリップ線路を構成する線路導体表面の接線方向の磁界との位相関係を調整して、第１のマイクロストリップ線路を結合穴から離れる方向に伝搬する反射波を低減するよう構造が決定される構成とすることが好適である。

また、本発明に係るマイクロストリップ線路結合器においては、遮蔽筐体は、前記接地導体面の法線方向を伝搬方向とする導波管と、導波管端面を短絡する導体板と、によって構成され、第２のマイクロストリップ線路を構成する線路導体を覆い、前記導体板と、第１のマイクロストリップ線路を構成する線路導体が設けられている面との間の距離は、前記導波管の管内波長の半分の長さに基づいて決定される構成とすることが好適である。

本発明によれば、結合穴から放射する電磁波が遮蔽筐体内部へ反射されるため、マイクロストリップ線路結合器の挿入損失の増大を回避することができる。また、筐体内部へ反射された放射電磁波は、マイクロストリップ線路結合器入出力における反射損失を低減するよう振る舞うため、インピーダンス整合を容易に行うことができる。

図１は、本発明の実施形態であるマイクロストリップ線路結合器１の構成を層毎に分解して示したものである。多層基板５０は、入力側パターン層３２、入力側誘電体層３４、接地導体層２０、出力側誘電体層４４、および出力側パターン層４２から構成される。入力側パターン層３２には入力線路導体３０が設けられており、これと接地導体層２０によって入力マイクロストリップ線路１０が構成される。同様に、出力側パターン層４２に設けられた出力線路導体４０と接地導体層２０によって出力マイクロストリップ線路１２が構成される。

また、接地導体層２０には結合用スロット２４が設けられており、この結合用スロット２４を介して、入力マイクロストリップ線路１０と出力マイクロストリップ線路１２との電磁界の結合が図られる。入力線路導体３０の結合部３８および出力線路導体４０の結合部４８では、入力マイクロストリップ線路１０と出力マイクロストリップ線路１２との結合を高め、入力インピーダンスおよび出力インピーダンスを整合インピーダンスに近づけるため、伝搬部分よりも幅を広くしている。ここで、入力インピーダンスとは、入力マイクロストリップ線路１０において定義された入力端Ｉからマイクロストリップ線路結合器１の側を見たインピーダンスをいい、出力インピーダンスとは、出力マイクロストリップ線路１２において定義された出力端Ｏからマイクロストリップ線路結合器１の側を見たインピーダンスをいう。

入力側パターン層３２には、入力線路導体３０の結合部３８を取り囲むように接地パターン３６が設けられている。結合部３８を取り囲む形状および大きさは、接地導体層２０に設けられている結合用スロット２４の形状および大きさと同一にすることが好適である。この接地パターン３６は入力側誘電体層３４を貫く複数のスルーホール２２を介して接地導体層２０に電気的に接続されており、接地導体層２０との同電位化が図られている。また、これら複数のスルーホール２２は、接地パターン３６が結合部３８を取り囲んでいる境界線に沿って、マイクロストリップ線路結合器１に入射される電磁波の波長よりも十分短い間隔で配置されることが好適である。

入力側導体筐体１４は、入力線路導体３０の結合部３８を覆うように入力側パターン層３２の上に配置され、結合用スロット２４から放射される電磁波を遮蔽する。入力側導体筐体１４を入力側パターン層３２と平行な平面で切断した場合の断面における内壁の形状および大きさは、接地導体層２０に設けられている結合用スロット２４の形状および大きさと同一にすることが好適である。入力側導体筐体１４は、入力側パターン層３２の接地パターン３６と電気的に接触し、接地パターン３６および接地導体層２０との同電位化が図られている。また、出力側導体筐体１６も入力側導体筐体１４と同様の構成となっており、接地パターン４６および接地導体層２０との同電位化が図られている。ここで、入力側導体筐体１４、接地パターン３６、入力側誘電体層３４を貫く複数のスルーホール２２、結合用スロット２４、出力側誘電体層４４を貫く複数のスルーホール２２、接地パターン４６、および出力側導体筐体１６から構成される管は、電磁波を基板の法線方向に伝搬させる導波管とみなすことができる。

また、入力側導体筐体１４は入力線路導体３０を引き出すためのスリット１８を、出力側導体筐体１６は出力線路導体４０を引き出すためのスリット１８をそれぞれ有する。このスリット１８の高さｈは、マイクロストリップ線路結合器１に入射される電磁波の波長よりも十分小さくしておくことが好適である。

図１に示すマイクロストリップ線路結合器１の直線ＡＡ’および直線ＢＢ’を含む面における断面図を図２に示す。また、直線ＤＤ’および直線ＦＦ’を含む面における断面図を図３に示す。入力端Ｉからマイクロストリップ線路結合器１に電磁波が入射されると、入力線路導体３０には、図２に示すようにそれに流れる電流と鎖交する磁界Ｈ₁およびＨ₂が現れる。磁界Ｈ₂は入力線路導体３０のみならず、出力線路導体４０をも取り囲んでいるので、出力線路導体４０を取り囲む磁界Ｈ₃を生ぜしめる。磁界Ｈ₃は、図３に示すように接地導体層２０と出力線路導体４０との間に電界Ｅ₃を生ぜしめ、出力マイクロストリップ線路１２に伝搬電磁波を励振する。また、入力マイクロストリップ線路１０から入射された電磁波によって、入力線路導体３０を始点とし、出力線路導体４０を終点とする電界Ｅ₁が発せられ、これも出力マイクロストリップ線路１２に伝搬電磁波を励振する。このようにして励振された伝搬電磁波は、出力マイクロストリップ線路１２を結合用スロット２４から離れる方向に伝搬していくため、入力マイクロストリップ線路１０から入射された電磁波は出力マイクロストリップ線路１２へと導かれたこととなる。

さて、入力マイクロストリップ線路１０から電磁波が入射されると、その電磁波は出力マイクロストリップ線路１２に導かれる他、そのエネルギーの一部が、結合用スロット２４から放射電磁波として放射される。この放射電磁波は、入力側導体筐体１４および出力側導体筐体１６が設けられていない場合には、反射することなく無限遠まで伝搬するため、入力マイクロストリップ線路１０に放射電磁波に起因する反射波を生ぜしめることはなく、反射損失を増加させることはない。しかしながら、入力側導体筐体１４または出力側導体筐体１６が設けられている場合には、放射電磁波は入力側導体筐体１４の内部または出力側導体筐体１６の内部へ反射され、入力マイクロストリップ線路１０に筐体内部反射に基づく電磁波が励振される。

筐体内部反射によって励振された電磁波が、入力端Ｉにおける反射波、すなわち入力マイクロストリップ線路１０を結合用スロット２４を離れる方向に伝搬する反射波を生ぜしめるように寄与すると反射損失が増加してしまう。入力端Ｉにおける反射波を低減するためには、筐体内部反射によって励振された電磁波が入力マイクロストリップ線路１０に伝搬電磁波を励振しないよう、入力側導体筐体１４または出力側導体筐体１６を構成すればよい。また、入力端Ｉにおける反射波を低減することは、筐体内部反射に係る電磁波を、出力マイクロストリップ線路１２に導かれる電磁波を増大させるように寄与させることに他ならない。

そこで、本実施形態では、出力側導体筐体１６が放射電磁波を出力側導体筐体１６の内部へ反射し、この筐体内部反射による電磁波と、入力マイクロストリップ線路１０から結合用スロット２４を介して放射される電磁波との位相関係を調整することで、入力端Ｉにおける反射波を低減することとしている。

本実施形態のマイクロストリップ線路結合器１の動作を説明するため、入力マイクロストリップ線路１０の伝搬断面内において入力線路導体３０の表面に平行な軸をｘ軸とし、同伝搬断面内においてｘ方向に垂直な軸をｙ軸として座標系を定義する。出力側導体筐体１６は図２および図３に示すように、その導体蓋６４の内側表面が、入力側誘電体層３４の入力側パターン層３２が設けられている面（以下、入力側誘電体層面７２とする。）からｙ方向に管内波長の半分の距離を隔てた位置に設けられるよう構成される。ここで管内波長とは、出力側導体筐体１６の壁部６０をｙ方向を伝搬方向とする導波管であるとみなした場合の、導波管基本モードの管内波長をいう。結合用スロット２４から放射される電磁波は、導波管内にｚ方向に電界成分を有する導波管基本モードを励振する。

このような構成においては、導波管基本モード磁界のｘ方向成分のｙ方向への分布は、図２に示すように、導体蓋６４の内側表面の接線方向および入力側誘電体層面７２で磁界振幅が最大値を有するものとなる。このような分布となるのは、導波管基本モードの電磁波が次のように振る舞うことによる。

入力端Ｉから入射された電磁波によって、結合用スロット２４を介して励振された導波管基本モードは、出力側導体筐体１６によって形成される導波管を伝搬し、導波管を短絡する導体蓋６４において反射し、再び導波管を伝搬して入力側誘電体層面７２に到来する。その間の電気長は２πであり、かつ電磁波は導体蓋６４において磁界を同相に保ちつつ反射するので、導体蓋６４で反射して入力側誘電体層面７２に到来する導波管基本モードの磁界のｘ方向成分は、そこから放射される導波管基本モードの磁界のｘ方向成分と同相で加わり、その振幅を増大せしめる。磁界の振幅が最大となっている、入力側誘電体層面７２に平行な磁界は、入力線路導体３０の両面に同一方向の磁界を発生させているので、入力マイクロストリップ線路１０には電磁波を励振することはない。すなわち、入力線路導体３０のそれぞれの面に、互いに異なる方向の磁界が発生している場合には、入力マイクロストリップ線路１０には電磁波が励振され、入力端Ｉにおける反射波を生ずることになるが、図２の構成では、筐体内部反射による電磁波が、入力線路導体３０の両面に同一方向の磁界を発生させているので、入力端Ｉにおける反射波を生じないのである。このような電磁波の振る舞いは、出力側導体筐体１６が、入力端Ｉから入射された電磁波と筐体内部反射による電磁波との位相関係を調整するよう構成されていることによってなされる。

次に、このときの電界のｚ方向成分の分布と、そのマイクロストリップ線路結合器１の動作への寄与について図３を参照して説明する。導波管基本モード電界のｚ方向成分の分布は、図３に示すように導体蓋６４の内側表面および入力側誘電体層面７２で電界振幅が零となったものとなる。このような分布となるのは、導波管基本モードの電磁波の次のような振る舞いによる。

入力端Ｉから入射された電磁波によって、結合用スロット２４を介して励振された導波管基本モードは、出力側導体筐体１６によって形成される導波管を伝搬し、導波管を短絡する導体蓋６４において反射し、再び導波管を伝搬して入力側誘電体層面７２に到来する。その間の電気長は２πであり、かつ電磁波は導体蓋６４において電界を逆相にして反射するので、導体蓋６４で反射して入力側誘電体層面７２に到来する導波管基本モードの電界のｚ方向成分は、そこから放射される導波管基本モードの電界のｚ方向成分と逆相で加わり、振幅を相殺する。これは、入力側誘電体層面７２において、いわゆる電気壁が形成されていることに他ならない。このような状態においては、導波管基本モードの電界は入力マイクロストリップ線路１０に電磁波を励振し得ず、入力端Ｉにおける反射波を生じない。

ここで説明した、出力側導体筐体１６の壁部６０を導波管であるとみなした場合の、導波管基本モードの振る舞いの観点から、出力側導体筐体１６は、入力側誘電体層面７２からｙ方向に導波管基本モードの管内波長の半分の距離を隔てた位置に、その導体蓋６４の内側表面が設けられるよう構成されることが好適であるといえる。

次に、入力側導体筐体１４の構成について説明する。入力側導体筐体１４は、出力端Ｏからマイクロストリップ線路結合器１の側を見た反射損失を低減するよう構成される。出力マイクロストリップ線路１２にはアンテナやフィルタなどの負荷が接続されるが、マイクロストリップ線路結合器１の出力インピーダンスと出力端Ｏから負荷側を見たインピーダンスとの整合がとれていない場合には、出力端Ｏにおいて不整合が生じ、負荷に供給される電磁波の電力が減少してしまう。そこで、マイクロストリップ線路結合器１の出力インピーダンスが、負荷に対する整合インピーダンスとなるようマイクロストリップ線路結合器１を構成する必要がある。ここで、負荷のインピーダンスが出力マイクロストリップ線路１２の特性インピーダンスと同一値に設計されるものとすれば、マイクロストリップ線路結合器１の出力インピーダンスを負荷に対する整合インピーダンスに近づけることは、出力端Ｏからマイクロストリップ線路結合器１の側を見た反射損失を低減することに他ならない。

出力端Ｏからマイクロストリップ線路結合器１の側を見た反射損失を低減するためには、入力側導体筐体１４の構成を、先述の出力側導体筐体１６の構成と同様にすればよい。すなわち、入力側導体筐体１４は、出力側誘電体層４４の出力側パターン層４２が設けられている面（以下、出力側誘電体層面８２とする。）からｙ方向に管内波長の半分の距離を隔てた位置に、その導体蓋６２の内側表面が設けられるよう構成することが好適である。ここで管内波長とは、入力側導体筐体１４の壁部６０を、ｙ方向を伝搬方向とする導波管であるとみなした場合の、導波管基本モードの管内波長をいう。

以上の説明に従って出力側導体筐体１６および入力側導体筐体１４の構成を決定すると、入力端Ｉでの反射損失特性は入力側導体筐体１４の存在によって、出力端Ｏでの反射損失特性は出力側導体筐体１６の存在によって、若干の影響を受ける。その理由は、入力側誘電体層面７２から入力側導体筐体１４の導体蓋６２の内側表面までの距離と、出力側誘電体層面８２から出力側導体筐体１６の導体蓋６４の内側表面までの距離は、管内波長の半分の長さとはなっておらず、基板の厚みｔだけ短くなっているからである。

しかしながら、この問題については、入力マイクロストリップ線路１０および出力マイクロストリップ線路１２に整合回路を設けることで対処可能である。この整合回路としてはオープンスタブ回路などが好適である。基板の厚みｔは、通常、マイクロストリップ線路結合器１に入射される電磁波の波長よりも十分小さいため、反射損失特性に与える影響は極わずかであり、オープンスタブ回路は線路導体の導体幅をわずかに変化させたものとして構成することができる。

また、入力側誘電体層面７２と導体蓋６４の内側表面との間の距離、および出力側誘電体層面８２と導体蓋６２の内側表面との間の距離を、管内波長の半分の長さを初期パラメータとして最適化設計すれば整合回路を除去することができる。最適化設計は次のようにして行うことが好適である。

まず初めに、入力側誘電体層面７２と導体蓋６４の内側表面との間の距離、および出力側誘電体層面８２と導体蓋６２の内側表面との間の距離を、管内波長の半分の長さに設定し、電磁界シミュレータや実測などによりマイクロストリップ線路結合器１の散乱パラメータを求める。

次に、入力側誘電体層面７２と導体蓋６４の内側表面との間の距離、および出力側誘電体層面８２と導体蓋６２の内側表面との間の距離を設計パラメータとして微小変化させ、再びシミュレータなどにより散乱パラメータを再度求める。

次に、散乱パラメータの反射係数絶対値が設計目標値となるまで、設計パラメータの微小変化と散乱パラメータの算出若しくは実測を繰り返す。

上述のように、基板の厚みｔは、通常、マイクロストリップ線路結合器１に入射される電磁波の波長よりも十分小さいため、管内波長の半分の長さは、最適化設計の収束を迅速ならしめる有効な初期パラメータとなることは明らかである。

以上、本発明の実施形態について説明した。本発明は、この実施形態になんら限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に属する限りにおいて様々な実施形態が可能であることはいうまでもない。

マイクロストリップ線路結合器の構成を示す図である。マイクロストリップ線路結合器の伝搬軸断面を示す図である。マイクロストリップ線路結合器の伝搬軸に垂直な断面を示す図である。

符号の説明

１マイクロストリップ線路結合器、１０入力マイクロストリップ線路、１２出力マイクロストリップ線路、１４入力側導体筐体、１６出力側導体筐体、１８スリット、２０接地導体層、２２スルーホール、２４結合用スロット、３０入力線路導体、３２入力側パターン層、３４入力側誘電体層、３６，４６接地パターン、３８，４８結合部、４０出力線路導体、４２出力側パターン層、４４出力側誘電体層、５０多層基板、６０壁部、６２，６４導体蓋、７２入力側誘電体層面、８２出力側誘電体層面。

Claims

第１のマイクロストリップ線路と、
第１のマイクロストリップ線路の接地導体面を挟んで、第１のマイクロストリップ線路が形成されている面の反対面側に形成された第２のマイクロストリップ線路と、
第１のマイクロストリップ線路を伝搬する電磁波によって第２のマイクロストリップ線路を伝搬する電磁波を励振するための、前記接地導体面に設けられた結合穴と、
を含むマイクロストリップ線路結合器において、
結合穴の存在に起因して放射される放射電磁波を遮蔽する遮蔽筐体を含み、
遮蔽筐体は、前記放射電磁波を遮蔽筐体内部へ反射して第１のマイクロストリップ線路に遮蔽筐体内部反射による電磁波を励振し、
遮蔽筐体は、遮蔽筐体内部反射による電磁波と、第１のマイクロストリップ線路を結合穴へ向かう方向に伝搬する入射電磁波との位相関係を調整して、第１のマイクロストリップ線路を結合穴から離れる方向に伝搬する反射波を低減するよう構造が決定されることを特徴とするマイクロストリップ線路結合器。
請求項１に記載のマイクロストリップ線路結合器において、
遮蔽筐体は、遮蔽筐体内部反射による電磁波によって生じる第１のマイクロストリップ線路を構成する線路導体表面の接線方向の磁界と、第１のマイクロストリップ線路を結合穴へ向かう方向に伝搬する入射電磁波によって生じる第１のマイクロストリップ線路を構成する線路導体表面の接線方向の磁界との位相関係を調整して、第１のマイクロストリップ線路を結合穴から離れる方向に伝搬する反射波を低減するよう構造が決定されることを特徴とするマイクロストリップ線路結合器。
請求項１または請求項２に記載のマイクロストリップ線路結合器において、
遮蔽筐体は、前記接地導体面の法線方向を伝搬方向とする導波管と、
導波管端面を短絡する導体板と、によって構成され、
第２のマイクロストリップ線路を構成する線路導体を覆い、
前記導体板と、第１のマイクロストリップ線路を構成する線路導体が設けられている面との間の距離は、前記導波管の管内波長の半分の長さに基づいて決定されることを特徴とするマイクロストリップ線路結合器。