JP2007074422A - 導波管・ストリップ線路変換器 - Google Patents

Abstract

【課題】 誘電体多層基板で構成される導波管・ストリップ線路変換器の特性劣化を抑制する。
【解決手段】 接地金属パタン４の設けられた第２層から下層側の第３層、及び第４層の開口部の大きさを第２層に形成された開口部よりも大きくする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、マイクロ波、ミリ波帯の電力を変換する導波管・ストリップ線路変換器に関するものである。

従来、例えば、特許文献１に記載の導波管・ストリップ線路変換器によれば、導波管の開口部に位置する切り込みを入れた短絡板（金属板）と、導波管内にこの短絡板より一定距離離して略平行に設けられた整合素子と、短絡板と整合素子との間に位置する誘電体基板とを備え、短絡板の切り込みに配置されたストリップ線路と整合素子とを、互いに接近して配置することにより互いに電磁的に結合させる。この両者の電磁的結合により、電力の変換が行われるため、短絡導波管ブロックを設ける必要がなくなる。
特開２０００−２４４２１２号公報

上記の従来技術では、ストリップ線路が形成される基板面に高周波回路を配置するが、この高周波回路を駆動するための電源線路をストリップ線路と同じ基板面に形成すると、この電源線路を流れる電流がストリップ線路へ影響を与えることがある。このような場合、例えば、多層基板で変換器を構成し、ストリップ線路が形成される基板面と異なる基板面に高周波回路を駆動するための電源線路を形成することで、ストリップ線路への影響を抑制することができる。

ところで、多層基板で変換器を構成する場合、ストリップ線路と整合素子との間に、電波の通り道である導波路を形成するが、例えば、多層基板の製造時などに各基板間の位置ずれが発生すると、その位置ずれによって、ストリップ線路の接地金属パタンから下層側の導波路が接地金属パタンに形成された導波路の内側に突出し、これによって、整合素子の共振特性、すなわち、変換器の特性が劣化することになる。

本発明は、上記の問題を鑑みてなされたもので、多層基板で構成される変換器の特性劣化を抑制することができる導波管・ストリップ線路変換器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１記載の導波管・ストリップ線路変換器は、
導波管と、導波管の開口部に固定された３層以上の基板面を備える誘電体多層基板と、によって構成されるものであって、
誘電体多層基板は、
導波管の開口部に固定された基板面を最下層の基板面とし、最下層の基板面にストリップ線路と電磁的に結合される整合素子を設け、
最上層の基板面にストリップ線路と短絡金属パタンとを設け、
最上層の下層に位置する中間層の基板面にストリップ線路の接地金属パタンを設け、
ストリップ線路と整合素子との間に導波路を形成し、
中間層から下層側の導波路の大きさは、中間層に形成された導波路よりも大きいことを特徴とする。

このように、本発明は、誘電体多層基板構造で導波管・ストリップ線路変換器を構成する場合、接地金属パタンの設けられた中間層から下層側の導波路は、中間層に形成された導波路よりも大きくする（言い換えれば、中間層に形成された導波路を包含する大きさにする）。

これにより、誘電体多層基板の製造時において、各基板間の位置ずれが生じても、接地金属パタンから下層側の導波路が接地金属パタンに形成された導波路の内側に突出しないようにすることができるため、整合素子の共振特性（変換器の特性）の劣化を抑制することが可能になる。

請求項２に記載の導波管・ストリップ線路変換器は、
導波管と、当該導波管の開口部に固定された４層以上の基板面を備える誘電体多層基板と、によって構成されるものであって、
誘電体多層基板は、
導波管の開口部に固定された基板面を最下層の基板面とし、
最上層の基板面にストリップ線路と短絡金属パタンとを設け、
最上層の下層に位置する中間層の基板面にストリップ線路の接地金属パタンを設け、
中間層の基板面と最下層の基板面との間の基板面にストリップ線路と電磁的に結合される整合素子を設け、
ストリップ線路と整合素子との間に導波路を形成し、
中間層から下層側の導波路の大きさは、中間層に形成された導波路よりも大きいことを特徴とする。

このように、接地金属パタンの設けられた中間層の基板面と最下層の基板面との間の基板面に整合素子が設けられる場合であっても、中間層から下層側の導波路の大きさを中間層に形成された導波路よりも大きくすることで、整合素子の共振特性（変換器の特性）の劣化を抑制することが可能になる。

請求項３に記載の導波管・ストリップ線路変換器によれば、中間層から下層側の導波路の大きさは、下層側に向かうほど、より大きいことを特徴とする。これにより、下層側に向かうほど、導波路をより広く確保することができる。

請求項４に記載の導波管・ストリップ線路変換器によれば、誘電体多層基板において、中間層の基板面と最下層の基板面との間の基板面に、高周波回路を駆動するための例えば電源線路を設けることを特徴とする。これにより、電源線路とストリップ線路が高周波的に結合してストリップ線路の信号が劣化するのを抑制することが出来る。

請求項５に記載の導波管・ストリップ線路変換器によれば、誘電体多層基板において、
接地金属パタンに導波路としての開口部を形成し、
中間層から下層側の基板面には、短絡金属パタン、接地金属パタン、及び導波管と電気的に接続された下層側短絡金属パタンが設けられ、当該下層側短絡金属パタンに導波路としての開口部を形成することを特徴とする。

これにより、中間層の接地金属パタンや下層側短絡金属パタンに導波路としての開口部を形成することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。図１に、導波管・ストリップ線路変換器１００の斜視図を示す。図１に示すように、本実施形態の導波管・ストリップ線路変換器１００は、誘電体多層基板構造の変換器であり、導波管９の一端（図１では下端）からマイクロ波やミリ波帯の電波を入射又は／及び出射し、その他端（図１では上端）の開口部に多層基板が配置される。

図２に誘電体多層基板の構成を示す。この誘電体多層基板は、複数の誘電体基板を積層することで構成される。図２（ａ）は、導波管・ストリップ線路変換器１００の断面図であり、（ｂ）は、誘電体多層基板の第１層の平面図であり、図２（ｃ）は、誘電体多層基板の第２層の平面図である。また、図２（ｄ）は、誘電体多層基板の第３層の平面図であり、（ｅ）は、誘電体多層基板の第４層の平面図である。

図２（ｂ）に示すように、誘電体基板２の第１層（最上層）の基板面には、マイクロストリップ線路（以下、ＭＳＬ）１が設けられ、一定距離離れた位置に短絡金属パタン３が設けられている。

図２（ｃ）に示すように、第２層（中間層）の基板面には、ＭＳＬ１の接地金属パタン４が設けられ、その内側には、導波路としての開口部が形成される。図２（ｄ）に示すように、第３層（バイアス層）の基板面には、短絡金属パタン５が設けられ、接地金属パタン４と同様に、その内側には、導波路としての開口部が形成される。

なお、第３層の基板面には、例えばストリップ線路や高周波回路を駆動するための例えば電源線路（何れも図示せず）が設けられる。これにより、電源線路とＭＳＬ１とが高周波的に結合して、ＭＳＬ１の信号が劣化するのを抑制することができる。

図２（ｅ）に示すように、第４層（最下層）の基板面には、短絡金属パタン６と整合素子７が設けられ、短絡金属パタン６の内側には、導波路としての開口部が形成される。この短絡金属パタン６は、溶接又は半田付け等によって導波管９の上端の開口部と電気的に接続・固定される。これにより、誘電体多層基板は、導波管９の他端の開口部に固定される。

また、図２（ａ）に示すように、第１層の短絡金属パタン３、第２層の接地金属パタン４、第３層の短絡金属パタン５、及び第４層の短絡金属パタン６の各々は、ｖｉａ８によって電気的に接続され、導波管９を含め、全て同電位に保たれる。また、これらの導体（ＭＳＬ１、第１層の短絡金属パタン３、第２層の接地金属パタン４、第３層の短絡金属パタン５や電源線路、及び第４層の短絡金属パタン６）は、フォトエッチング等の製法により形成される。

図２（ａ）に示すように、整合素子７と異なる層に接地金属パタン４を配置することで、ＭＳＬ１は、最小の基板厚で構成することができ、また、ＭＳＬ１の幅が狭くできるので、小型化が可能となる。

次に、導波管・ストリップ線路変換器１００の特徴部分について説明する。本実施形態のように、誘電体多層基板で導波管・ストリップ線路変換器１００を構成する場合、ＭＳＬ１と整合素子７との間に、電波の通り道である導波路（上述した開口部）を形成するが、例えば、誘電体多層基板の製造時などに各基板間の位置ずれが発生すると、その位置ずれによって、接地金属パタン４から下層側の開口部が接地金属パタン４に形成された開口部の内側に突出し、これによって、整合素子７の共振特性（すなわち、変換器の特性）が劣化することになる。

すなわち、ＭＳＬ１と整合素子７との間の電磁結合が強いために、短絡金属パタン５、６の配置が整合素子７の共振特性に大きく影響し、特に、短絡金属パタン５、６に形成された開口部が接地金属パタン４に形成された開口部の内側に突出すると電磁損失が大きくなる。従って、多層基板を製造する際、各層の位置ずれが無いようにすることが理想的であるが、実際には、各層の位置ずれは必ず生じる。

そこで、本願発明者は、接地金属パタン４から下層側の開口部が接地金属パタン４に形成された開口部の内側に突出する場合には特性劣化が大きくなるものの、接地金属パタン４に形成された開口部の外側であれば特性劣化が皆無であることに着目し、誘電体多層基板を製造する際の各層の位置ずれを許容することができる構成を採用した。

例えば、誘電体多層基板を製造する際の各層の位置ずれとして、例えば±Ｓの公差を見込んだ場合、短絡金属パタン５、６の開口部を接地金属パタン４の開口部よりも２Ｓ（＝２×ｓ）大きくすれば、各層の位置ずれの影響をほとんど受けず損失を小さくすることができる。

そのため、図２（ａ）〜（ｅ）に示すように、接地金属パタン４の設けられた第２層から下層側の第３層、及び第４層の開口部は、第２層に形成された開口部よりも大きくする（言い換えれば、第２層に形成された開口部を包含する大きさにする）。

これにより、誘電体多層基板の製造時において、各基板間の位置ずれが生じても、接地金属パタン４から下層側の開口部が接地金属パタン４に形成された開口部の内側に突出しないようにすることができるため、整合素子７の共振特性（変換器の特性）の劣化を抑制することが可能になる。

なお、図２（ａ）から明らかなように、第２層から下層側の開口部の大きさを下層側に向かうほど、より大きく（すなわち、第３層の開口部よりも第４の開口部を大きく）する。これにより、下層側に向かうほど、開口部をより広く確保することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に何ら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することができる。

（変形例１）
上記実施形態において説明したように、ＭＳＬ１と整合素子７との間の電磁結合が強いために、短絡金属パタン５、６の配置が整合素子７の共振特性に大きく影響するが、ＭＳＬ１により近い短絡金属パタン５の配置の方が短絡金属パタン６の配置よりもさらに影響が大きい。そこで、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、第４層の開口部については、±Ｓの公差を見込まない大きさ（すなわち、第２層の開口部と同じ大きさ）としてもよい。

（変形例２）
図４に、本変形例における誘電体多層基板の構成を示す。図４（ａ）は、導波管・ストリップ線路変換器１００の断面図であり、図４（ｂ）は、誘電体多層基板の第ｎ−１層の平面図であり、図４（ｃ）は、誘電体多層基板の第ｎ層の平面図である。

図４（ｂ）に示すように、第ｎ−１層には、短絡金属パタン１０と整合素子７が設けられ、短絡金属パタン１０の内側には、導波路としての開口部が形成される。また、図４（ｃ）に示すように、第ｎ−１層には、短絡金属パタン１１が設けられ、短絡金属パタン１１の内側には、導波路としての開口部が形成される。

このように、第２層（中間層）の基板面と第ｎ層（最下層）の基板面との間の基板面に整合素子７が設けられる場合であっても、この第２層から第ｎ−１層に形成される開口部が第２層に形成される開口部よりも大きければよい。従って、第２層から下層側の導波路の大きさを第２層に形成された導波路よりも大きくすることで、整合素子７の共振特性（変換器の特性）の劣化を抑制することが可能になる。

（変形例３）
上記実施形態において、整合素子７は四角形であったが、整合素子７の形状には特に制約はなく、円形、リング形状などであっても良い。また、上記実施形態においては、特に言及しなかったが、導波管９の内部に誘電体等が充填されたものであっても良い。

実施形態に係わる導波管・ストリップ線路変換器１００の斜視図である。 （ａ）は、導波管・ストリップ線路変換器１００の断面図であり、（ｂ）は、第１層の平面図であり、（ｃ）は、第２層の平面図であり、（ｄ）は、第３層の平面図であり、（ｅ）は、第４層の平面図である。 （ａ）は、実施形態の変形例１に係わる導波管・ストリップ線路変換器１００の断面図であり、（ｂ）は、実施形態の変形例１に係わる第４層の平面図である。 （ａ）は、実施形態の変形例２に係わる導波管・ストリップ線路変換器１００の断面図であり、（ｂ）は、実施形態の変形例２に係わる第ｎ−１層の平面図であり、（ｃ）は、実施形態の変形例２に係わる第ｎ層の平面図である。

符号の説明

１ マイクロストリップ線路（ＭＳＬ）
２ 誘電体基板
３、５、６、１０、１１ 短絡金属パタン
４ 接地金属パタン
７ 整合素子
８ Ｖｉａ
９ 導波管
１００ 導波管・ストリップ線路変換器

Claims (5)

1. 導波管と、当該導波管の開口部に固定された３層以上の基板面を備える誘電体多層基板と、によって構成される導波管・ストリップ線路変換器であって、
   前記誘電体多層基板は、
   前記導波管の開口部に固定された基板面を最下層の基板面とし、当該最下層の基板面にストリップ線路と電磁的に結合される整合素子を設け、
   最上層の基板面にストリップ線路と短絡金属パタンとを設け、
   前記最上層の下層に位置する中間層の基板面に前記ストリップ線路の接地金属パタンを設け、
   前記ストリップ線路と前記整合素子との間に導波路を形成し、
   前記中間層から下層側の導波路の大きさは、前記中間層に形成された導波路よりも大きいことを特徴とする導波管・ストリップ線路変換器。
2. 導波管と、当該導波管の開口部に固定された４層以上の基板面を備える誘電体多層基板と、によって構成される導波管・ストリップ線路変換器であって、
   前記誘電体多層基板は、
   前記導波管の開口部に固定された基板面を最下層の基板面とし、
   最上層の基板面にストリップ線路と短絡金属パタンとを設け、
   前記最上層の下層に位置する中間層の基板面に前記ストリップ線路の接地金属パタンを設け、
   前記中間層の基板面と前記最下層の基板面との間の基板面に前記ストリップ線路と電磁的に結合される整合素子を設け、
   前記ストリップ線路と前記整合素子との間に導波路を形成し、
   前記中間層から下層側の導波路の大きさは、前記中間層に形成された導波路よりも大きいことを特徴とする導波管・ストリップ線路変換器。
3. 前記中間層から下層側の導波路の大きさは、下層側に向かうほど、より大きいことを特徴とする請求項１又は２記載の導波管・ストリップ線路変換器。
4. 前記誘電体多層基板において、前記中間層の基板面と前記最下層の基板面との間の基板面に、高周波回路を駆動するための電源線路を設けることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の導波管・ストリップ線路変換器。
5. 前記誘電体多層基板において、
   前記接地金属パタンに前記導波路としての開口部を形成し、
   前記中間層から下層側の基板面には、前記短絡金属パタン、前記接地金属パタン、及び前記導波管と電気的に接続された下層側短絡金属パタンが設けられ、当該下層側短絡金属パタンに前記導波路としての開口部を形成することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の導波管・ストリップ線路変換器。

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