JP2008193161A - マイクロストリップ線路−導波管変換器 - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロストリップ線路導波管変換器において、広い周波数帯域に渡り伝送損失が小さく、かつ平坦な周波数特性を持ったマイクロストリップ線路-導波管変換器を提供する。
【解決手段】高周波信号を伝送するマイクロストリップ線路４と導波管２の伝送モードの変換を行うマイクロストリップ線路導波管変換器であって、第１の誘電体基板１ａと、第１の誘電体基板１ａの上側に積層される第２の誘電体基板１ｂを有し、第１の誘電体基板１ａの下側に導波管２を接続し、第１の誘電体基板１ａには導波管２の開口径より外側に第１の誘電体基板１ａを貫通するようにスルーホール５ａが設けられ、第２の誘電体基板１ｂには、第１の誘電体基板１ａに接続される導波管２の開口径より内側にスルーホール５ｂが設けられるマイクロストリップ線路導波管変換器。
【選択図】図３

Description

本発明は、高周波回路を形成するマイクロストリップ線路と導波管の相互の伝送モード変換を行うマイクロストリップ線路-導波管変換器に関するものである。

従来のマイクロストリップ線路-導波管変換器について図面を参照しながら説明する。図４に従来のマイクロストリップ線路-導波管変換器の構造を示す。マイクロストリップ線路１２を形成した変換器基板９には金属導波管１０が接続され、立体伝送回路である金属導波管と平面伝送線路であるマイクロストリップ線路間の相互の伝送モード変換が行われる。

図５(a)は、図４に示した変換器基板９の第１の基板面１５aにおける平面パターンである。（図４の金属導波管１０と接続される面の平面パターン）
この第１の基板面１５aには、金属導波管１０が接続され、変換器基板９には、接続する金属導波管１０の開口径に合わせて複数のスルーホール１３が形成される。このスルーホール１３で囲まれた基板内誘電体部１４には、平面共振器として動作するパッチアンテナ１１が設けられる。

図５(b)は、図４に示した変換器基板９の第２の基板面１５bにおける平面パターンである。（図４の金属導波管１０と接続されている面と対象の面の平面パターン）
マイクロストリップ線路１２は、第２の基板面１５bにおける接地導体パターン１６bの一部分を切り取り、スルーホール13で囲まれた部分の内側までマイクロストリップ線路が配設される。

図６(a)は図４のa-a’を横切る断面図であり、図６(b)は図４のb-b’を横切る断面図である。
図６(a)と図６(b)に示すように、金属導波管１０が接続される変換器基板９の第１の基板面１５aには、図５(a)に示した第１の基板面１５aにおける接地導体パターン１６aが形成される。
この変換器基板９には、接続される金属導波管１０の導波管開口径に合わせて、図５(a)に示した位置にスルーホール１３が形成される。また、この変換器基板９の第１の基板面１５aには平面共振器として動作するパッチアンテナ１１が設けられる。
変換器基板９の第２の基板面１５bには、図５(b)で示した第２の基板面１５bにおける導体パターン１６bとマイクロストリップ線路１２が形成される。
このマイクロストリップ線路１２からの高周波信号は、金属導波管１０が接続される第1の基板面１５aに形成した平面共振器として動作するパッチアンテナ１１により金属導波管１０の伝送モード変換される。これにより、平面伝送線路であるマイクロストリップ線路から立体伝送回路である金属導波管へと伝送モードが変換される。

従来のマイクロストリップ線路-導波管変換器としては、例えば特許文献１がある。

特開２００２−３５９５０８

図４に示した従来のマイクロストリップ−導波管変換器の構造において、マイクロストリップ線路−導波管変換器の変換周波数帯域はパッチアンテナ１１で構成する平面共振器のQ値（共振器の特性を示す値。）に依存し、このQ値が低いほど変換周波数帯域は広帯域化する。この平面共振器のQ値は変換器基板9の比誘電率および基板厚みに依存する。変換器基板９の比誘電率が高いほどＱ値も高くなるので、変換器基板９を構成する材料の比誘電率が高くなるにつれ、変換周波数帯域は狭帯域化する。
また、変換器基板９の厚さ、すなわち第１の基板面１５aに配設されているパッチアンテナ１１と第２の基板面１５ｂにおける接地導体パターン１６a間の距離が離れている（距離が長い）ほどQ値は低くなる。

この図4に示した従来構造において、有限要素法による電磁界解析を用いて算出した変換特性の一例を図７(a)に示す。
図７(a)の曲線１７は、使用周波数帯域が６０GHzの場合のマイクロストリップ線路１２と金属導波管１０間の伝送特性を示し、曲線１８はマイクロストリップ線路１２と金属導波管１０間の反射特性を示す。図７(a)の曲線１７から分かるように、その変換特性には単峰性の周波数特性となり、変換周波数帯域は狭い。

一方、変換器基板9を構成する基板材料の比誘電率が高い場合でも、その変換器基板の厚みを厚くすることで平面共振器のQ値を低下させることが出来る。しかしこの場合、スルーホール１３で囲まれた基板内誘電体部１４の体積が、変換器基板の厚みを厚くした分だけ増加するため、基板内誘電体部１４内には高周波信号の伝送特性に影響を与える高次共振モードが発生する。この高次共振モードが発生した周波数において、マイクロストリップ線路-導波管変換器の伝送損失は増加し、伝送特性を劣化させる。

図７(b)に、変換器基板の厚みを図７(a)の場合の２倍にし、使用周波数帯域が６０GHzの場合の計算結果を示す。
曲線１９は、マイクロストリップ線路１２と金属導波管１０間の伝送特性、曲線２０はマイクロストリップ線路１２と金属導波管１０間の反射特性を示す。図７(b)の曲線１９の伝送特性から分かるように、変換器基板の厚みを厚くしたことによって生じた高次共振モードの影響により、60GHz付近の伝送損失が増加している。

以上のことから、従来のマイクロストリップ線路−導波管変換器において、変換周波数を広帯域化させる場合に、平面共振器のＱ値を低下させるために変換器基板の厚さを厚くしてＱ値を低下させても、基板内誘電体部内には高周波信号の伝送特性に影響を与える高次共振モードが発生し、変換周波数を広帯域化することは非常に難しく課題となっている。

本発明の目的は、広い周波数帯域に渡り伝送損失が小さく、かつ平坦な周波数特性を持ったマイクロストリップ線路-導波管変換器を実現すること、および、マイクロストリップ線路−導波管変換器構造を積層誘電体基板内に形成し、小型かつ量産性に優れた変換器構造を実現することである。

図４に示す従来のマイクロストリップ線路-導波管変換器において、広い周波数帯域に渡り伝送損失が小さくかつ平坦な周波数特性を得る為には、変換器基板9の厚みを厚くし、且つ変換器基板内誘電体部１４の体積を減少させる必要がある。

しかしながら、図４に示す従来構造では、平面共振器のQ値を低下させるため変換器基板9を厚くすると、変換器基板9においてスルーホール13で囲まれた基板内誘電体部14の体積が増加し、基板内誘電体部14内に高次共振モードが発生する。その結果、高次共振モードの発生周波数において、マイクロストリップ線路-導波管変換器の伝送損失は増加する。

そこで本発明では、変換器基板の厚みを厚くし、且つ変換器基板内誘電体部の体積を減少させる構造を考案した。
本発明では、少なくとも２層以上の誘電体基板でマイクロストリップ線路-導波管変換器を構成する。このような構成とすることで、基板全体の厚さが増し、接地導体パターンから平面共振器として動作するパッチアンテナまでの距離は大きくなり、平面共振器のQ値を低下させることができる。

このとき、少なくとも２層以上ある誘電体基板のうち、金属導波管に直接接続される側の誘電体基板の体積は、その金属導波管の開口径に合わせて形成されるスルーホールで囲まれた基板内誘電体部の体積により決まる。しかし、金属導波管に直接接続されないその他の積層された誘電体基板においては、そのスルーホールで囲まれる基板内誘電体部の体積を小さくすることができる。

このため、本発明のマイクロストリップ線路-導波管変換器は、変換器基板の厚みが図4に示した従来構造の変換器基板9と等しい場合でも、スルーホールで囲まれた誘電体部の体積を従来構造よりも減少させることができ、基板内誘電体部における高次共振モードの発生を抑えることができる。

以上説明したように、高周波信号を伝送するマイクロストリップ線路と導波管の伝送モードの変換を行うマイクロストリップ線路導波管変換器であって、第１の誘電体基板と、前記第１の誘電体基板の上側に積層される第２の誘電体基板を有し、前記第１の誘電体基板の下側に導波管を接続し、前記第１の誘電体基板には前記導波管の開口径より外側に第１の誘電体基板を貫通するようにスルーホールが設けられ、前記第２の誘電体基板には、前記第１の誘電体基板に接続される導波管の開口径より内側にスルーホールが設けられる構成とすることにより、広帯域化し、高次共振モードの発生を抑えられるようにしている。

本発明は、少なくとも２枚以上の誘電体基板を積層させてマイクロストリップ-導波管変換器を構成する。これにより、接地導体パターンから平面共振器として動作するパッチアンテナまでの距離が長くなるので、平面共振器のQ値を低下させ、変換周波数帯域を広くさせることができる。
また、積層した複数の誘電体基板のうち、金属導波管に直接接続されない誘電体基板には、金属導波管の開口径よりも内側にスルーホールを階段状若しくはテーパー状に形成する。これにより、スルーホールで囲まれる基板内誘電体部の体積を減少させ、基板内誘電体部における高次共振モードの発生を抑えることができる。
このような本構造のマイクロストリップ線路-導波管変換器では、基板材料の比誘電率が高くなった場合でも、共振器のQ値の低下と基板内誘電体部の体積の減少を同時に実現することが可能であり、広帯域に渡り伝送損失が低く、平坦な周波数特性を実現することができる。

本発明のマイクロストリップ線路−導波管変換器について図面を参照しながら説明する。図1は本発明のマイクロストリップ線路-導波管変換器の斜視図である。
本実施例では、誘電体基板を２枚積層して形成した構成を例として説明するが、積層の枚数としては２枚以上であればよく、２枚に限定されるものではない。

図１に示すマイクロストリップ線路−導波管変換器の変換器基板１は、第１の層(第１の誘電体基板、以下第１の層と呼ぶ。)１aと、第２の層（第２の誘電体基板、以下第２の層と呼ぶ。）１bから構成されている。また、これらの各層には、複数のスルーホールが貫通するように設けられている。
第１の層１aの一方には、金属導波管２が接続される第１の基板面７aと、他方には、第２の層との接続面（積層面）である第２の基板面７bを備えている。また、第２の層の一方には、マイクロストリップ線路等が配設されている第３の基板面７cを備えている。

図２(a)は、上述した第１の基板面７aの平面パターン図である。第１の層１aにおけるスルーホール５aは接続される金属導波管２の開口径に合わせて形成されている。また、この金属導波管２の開口径に合わせて、第１の基板面７aには接地導体パターン8aが形成される。
このスルーホール５aで囲まれた基板内誘電体部６aには、平面共振器として動作するパッチアンテナ3が設けられる。

図２(b)は、上述した第１の層１aと第２の層１bとの接続面である第２の基板面７bの平面パターン図である。
第２の層１bにおけるスルーホール５bは、金属導波管２の開口径に合わせて形成された第１の層１aにおけるスルーホール５aよりも内側にまで形成されている。
第２の基板面７bにおける接地導体パターン８bはこのスルーホール５bの位置及び基板内誘電体部６bに合わせて形成される。

図２(c)は、第３の基板面7cにおける平面パターン図である。
第２の層１bにおけるスルーホール５bは、金属導波管２の開口径に合わせて形成された第１の層１aにおけるスルーホール５aより内側にまで形成されている。
マイクロストリップ線路4は、接地導体パターン８cの一部分を切り取り、スルーホール５bで囲まれた部分の内部にまで配設される。
これにより、マイクロストリップ線路4からの高周波信号は、平面共振器として動作するパッチアンテナ３により金属導波管10へ伝送され、伝送モードが平面伝送線路であるマイクロストリップ線路から立体伝送回路である金属導波管へと変換される。

図３(a)は図１のa-a’を横切る断面図であり、図3(b)は図１のb-b’を横切る断面図である。このように変換器基板１は第１の層１aと第２の層１bを積層して形成される。
第１の層１aの第１の基板面７aには金属導波管2が接続される。その接続面である第１の基板面７aには、図２(a)に示すような平面パターンが形成される。
この第１の層１aの第１の基板面７aには、接続される金属導波管２の導波管の開口径に合わせて、図2（a）に示した位置にスルーホール５aが第１の層を貫通するように形成される。

また、この第１の基板面７aには平面共振器として動作するパッチアンテナ3が設けられる。第１の層１aと第２の層１bの接続面である第２の基板面７bには、図2(b)で示した平面パターンが形成される。また、第3の基板面７cには、図２(c)で示した平面パターンが形成される。
この第２の層１bには、図２(b)で示した位置にスルーホール５bが形成される。このスルーホール５bは、接続される金属導波管２の開口径よりも内側にまで形成される。

本発明の特徴的な点は、このように変換器基板１を少なくとも２層以上積層した多層で構成し、金属導波管２に直接接続しない層の基板面７b、７cにおいては、接続金属導波管２の開口径よりも内側にまでスルーホールを形成することで、その基板内誘電体部６a、６bの体積を減少させていることにある。
これにより、変換器基板の厚みを厚くすることと、基板内誘電体部６a、６bの体積の増加を抑えることを同時に実現している。

図３(a)、及び図３(b)に示す２層構造の場合、第２の層１bにおけるスルーホール５bは、接続金属導波管２の開口径よりも内側にまで形成され、第１の層１aと第２の層１bは階段状若しくはテーパー状にスルーホールが設けられた形状となっている。したがって、第２の層１ｂにおけるスルーホール５bで囲まれた基板内誘電体部６bの体積は、第１の誘電体基板1aにおけるスルーホール5aで囲まれた基板内誘電体部6aの体積よりも小さくなる。
したがって、図１に示す本構造の変換器基板１の厚みと図４に示す従来構造の変換器基板９の厚みが等しく、かつ接続する金属導波管の口径が等しい場合、本構造の基板内誘電体部の体積は、従来構造よりも減少している。これにより、基板内誘電体部における高次共振モードの発生を抑えることができる。

このように本構造によるマイクロストリップ線路-導波管変換器では、誘電体基板を少なくとも２枚以上積層することで、接地導体パターンからパッチアンテナまでの距離を長くすることができると同時に、金属導波管に直接接続されない誘電体基板における基板内誘電体部の体積を減少させることができる。これにより平面共振器のQ値を低下させ、基板内誘電体部における高次共振モード発生の抑制を同時に実現する。

図７(c)に、図１に示す本構造による変換特性で、使用周波数帯域が６０GHzの場合の算出結果を示す。曲線２１は、マイクロストリップ線路４と金属導波管２間での伝送特性を示し、曲線２２はマイクロストリップ線路４と金属導波管２間の反射特性を示す。
図７(c)の場合の変換器基板の厚さは、誘電体基板を２枚積層したことによって、図７(a)の場合の変換器基板の２倍になっている。
これにより、平面共振器のQ値が低下し、従来構造の結果のである図７(a)に比べて広帯域な伝送特性が実現できている。

また、図７(c)の場合と図７(b)の場合では変換器基板の厚さは等しいが、図７(c)の場合ではスルーホール５bで囲まれた基板内誘電体部６bの体積が小さくなった分だけ、図７(b)の場合よりも基板内誘電体部全体の体積が小さくなっている。したがって、図７(c)の場合は図７(b)の場合に比べて、基板内誘電体部における高次共振モードの発生が抑制される。図７(c)内の伝送特性の曲線２１から分かるように、本発明によるマイクロストリップ線路-導波管変換器は、広い周波数帯域に渡り平坦で伝送損失の小さい特性が実現できている。
尚、図７(a)、図７(b)、図７(c)は、使用周波数６０GHzで設計された変換器の伝送特性、反射特性を算出したものであるが、本発明は６０GHz帯に特化したものではなく、使用する周波数において適した誘電体基板寸法、基板誘電率、導体パターン寸法を選ぶことで、任意の周波数帯に対応したマイクロストリップ線路−導波管変換器を実現することができる。

以上述べたように本発明は、少なくとも２枚以上の誘電体基板を積層させてマイクロストリップ-導波管変換器を構成する。これにより、接地導体パターンから平面共振器として動作するパッチアンテナまでの距離が長くなるので、平面共振器のQ値を低下させ、変換周波数帯域を広くさせることができる。
また、積層した複数の誘電体基板（層）のうち、金属導波管に直接接続されない誘電体基板には、金属導波管の開口径よりも内側にスルーホールを階段状若しくはテーパー状に形成する。これにより、スルーホールで囲まれる基板内誘電体部の体積を減少させ、基板内誘電体部における高次共振モードの発生を抑えることができる。
このような本構造のマイクロストリップ線路-導波管変換器では、基板材料の比誘電率が高くなった場合でも、共振器のQ値の低下と基板内誘電体部の体積の減少を同時に実現することが可能であり、広帯域に渡り伝送損失が低く、平坦な周波数特性を実現することができる。

本発明のマイクロストリップ線路−導波管変換器の構成図 (a)金属導波管が接続される第１の層の基板面、(b)第１の層と第２の層が接続される基板面、(c)マイクロストリップ線路が形成される第２の層の基板面 (a)図１のa-a’の断面図、(b)図１のb-b’の断面図 従来のマイクロストリップ線路−導波管変換器の構成図 (a)従来の金属導波管が接続される変換器基板の基板面、(b)従来のマイクロストリップ線路が形成される変換器基板の基板面 (a)図４のa-a’の断面図、(b)図４のb-b’の断面図 (a)従来のマイクロストリップ線路−導波管変換器の伝送特性、反射特性を示す図、(b)従来のマイクロストリップ線路−導波管変換器の変換基板の厚さを２倍にした場合の伝送特性、反射特性を示す図、(c)本発明のマイクロストリップ線路−導波管変換器の伝送特性、反射特性を示す図

符号の説明

１ 変換器基板、１a 第１の層（第１の誘電体基板）、１b 第２の層（第２の誘電体基板）、２ 金属導波管、３ パッチアンテナ、４ マイクロストリップ線路、５a 第１の層におけるスルーホール、５b 第２の層におけるスルーホール、６a 第１の層におけるスルーホールで囲まれた基板内誘電体部、６b 第２の層におけるスルーホールで囲まれた基板内誘電体部、７a 第１の基板面、７b 第２の基板面、７c 第３の基板面、８a 第１の基板面７aにおける接地導体パターン、８b 第２の基板面７bにおける接地導体パターン、８c 第３の基板面７cにおける接地導体パターン、９ 変換器基板、１０ 金属導波管、１１ パッチアンテナ、１２ マイクロストリップ線路、１３ スルーホール、１４ スルーホール１３で囲まれた基板内誘電体部、１５a 第１の基板面、１５b 第２の基板面、１６a 第１の基板面１５aにおける接地導体パターン、１６b 第２の基板面１５bにおける接地導体パターン、１７ 図４に示す従来のマイクロストリップ線路−導波管の伝送特性、１８ 図４に示す従来のマイクロストリップ線路−導波管変換器の反射特性、１９ 図４に示す従来のマイクロストリップ線路−導波管変換器の変換基板の厚さを２倍にした時の伝送特性、２０ 図４に示す従来のマイクロストリップ線路−導波管変換器の変換基板の厚さを２倍にした時の反射特性、２１ 本発明のマイクロストリップ線路−導波管変換器の伝送特性、２２ 本発明のマイクロストリップ線路−導波管変換器の反射特性

Claims (1)

1. 高周波信号を伝送するマイクロストリップ線路と導波管の伝送モードの変換を行うマイクロストリップ線路導波管変換器であって、
   第１の誘電体基板と、前記第１の誘電体基板の上側に積層される第２の誘電体基板を有し、
   前記第１の誘電体基板の下側に導波管を接続し、前記第１の誘電体基板には前記導波管の開口径より外側に第１の誘電体基板を貫通するようにスルーホールが設けられ、
   前記第２の誘電体基板には、前記第１の誘電体基板に接続される導波管の開口径より内側にスルーホールが設けられることを特徴とするマイクロストリップ線路導波管変換器。

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