JP2009111837A - 基板貫通導波管 - Google Patents

Abstract

【課題】基板開口端面やその周囲にメッキを施すことなく、反射特性を改善した基板貫通導波管を提供すること。
【解決手段】導波管開口２１，３１を設けた２個の導波管２０，３０により、基板開口１１の周囲に波長に比べ十分に小さい間隔でＶＩＡホール１４を複数形成した回路基板１０の表裏両面を挟持して構成した基板貫通導波管を構成する。そして、導波管開口２１，３１の端面２１ａ，３１ａとＶＩＡホール１４の端面１４ａとの距離Ｌ１と、導波管開口２１，３１の端面２１ａ，３１ａと基板開口１１の端面１１ａとの距離Ｌ２を、０．４＜Ｌ２／Ｌ１＜１．７の関係を満たすように設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、主としてマイクロ波帯およびミリ波帯で用いる基板貫通導波管に関するものである。

マイクロ波帯およびミリ波帯の高周波回路においては、アンテナと回路間に導波管フィルタや導波管分配器を挿入するために、マイクロストリップ線路が構成された回路基板を貫通する基板貫通導波管が用いられることがある（例えば、特許文献１参照）。

この基板貫通導波管は、図３に示すように、金属導体からなるカバーシャーシ２０とベースシャーシ３０に形成された導波管開口２１，３１と形状および大きさがほぼ等しい基板開口１１を形成した高周波用の回路基板１０の表裏両面に、導波管開口２１，３１と基板開口１１が合致するように、カバーシャーシ２０とベースシャーシ３０で回路基板１０を挟持して構成したものである。回路基板１０は誘電体基板１２の表裏両面に導電パターン１３が形成され、そこには、基板開口１１の周囲に沿ってＶＩＡホール１４，１５が２重リング状に形成されている。このＶＩＡホール１４，１５は、導波管開口２１，３１および基板開口１１内を伝送する信号の回路基板１０への漏洩を防ぐために、伝送波長に比べて十分小さい間隔で配置されている。２２，３２はカバーシャーシ２０とベースシャーシ３０の取付穴、１６は回路基板１０の取付穴である。

ところが、導波管開口２１，３１の端面２１ａ，３１ａに基板開口１１の端面１１ａを合致させると、図４に示すように、回路基板１０は、そのレイアウトルールにより、ＶＩＡホール１４，１５を基板開口１１の端面１１ａの近くに設けることは難しいため、特に内側のＶＩＡホール１４については、基板開口１１の端面１１ａとＶＩＡホール１４の端面１４ａとの間の距離Ｌ３に制約を受け、この距離Ｌ３を十分に小さくすることができない。

このため、ＶＩＡホール１４の端面１４ａと導波管開口２１，３１の端面２１ａ，３１ａとの間の距離Ｌ１が大きくなり、このため電磁界が乱れ、この部分で反射が生じる。

図５は、２２ＧＨｚの周波数帯で使用するＷＲＪ−２２０導波管での反射係数を示す周波数特性図である。現状の基板レイアウトルールでは、回路基板１０の基板開口１１の端面１１ａから導体パターン１３までの距離はＬ４＝０．５ｍｍであり、ＶＩＡホール１４が直径ｄ１＝０．３ｍｍと細い場合でも、ＶＩＡホール１４の中心は、回路基板１０の上下の導体パターン１３のエッジからさらにＬ５＝０．３ｍｍだけ離す必要がある。このため、導波管開口２１、３１の端面２１ａ，３１ａとＶＩＡホール１４の端面１４ａまでの距離Ｌ１は、
Ｌ１＝Ｌ４＋Ｌ５−ｄ１／２
＝０．５＋０．３−０．３／２
＝０．６５ｍｍ
となる。この距離は、２２ＧＨｚの周波数の波長に対して、１／１６以下の小さい距離ではある。
特開２００４−３２０４６０号公報

しかし、導波管開口２１，３１および基板開口１１からなる導波管通路の反射特性には影響を与え、図５に示すように、この２２ＧＨｚの周波数帯では−２０数ｄＢの反射係数となる。装置を構成するために回路を縦続接続した場合は、個々の回路の反射特性が重畳され、予想以上の反射特性の劣化を生じるため、基板貫通導波管の反射係数は−３０ｄＢ以下の小さい値が望まれる。

そこで、この反射特性の劣化を改善するため、回路基板１０に形成した基板開口１１の端面１１ａをメッキで覆うという手法が知られている。これは、回路基板１０の上下の導体パターン１３までその回路基板１０をルータで削り、上下の導体パターン１３が電気的に接続されるように、端面１１ａやその周面にメッキを施す方法である。しかし、この方法では、基板貫通導波管の反射特性は改善できるが、基板加工工程が増えるためにコスト増となる問題点があった。

本発明の目的は、基板開口端面やその周囲にメッキを施すことなく、反射特性を改善した基板貫通導波管を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明は、２個の導波管と、該各導波管の導波管開口の形状および大きさにほぼ等しい基板開口を形成し、該基板開口の周囲に、波長に比べ十分に小さい間隔でＶＩＡホールを複数形成した回路基板とを備え、前記導波管開口が前記基板開口とほぼ合致するように前記２個の導波管で前記回路基板の表裏両面を挟持して構成した基板貫通導波管において、前記ＶＩＡホールの前記基板開口側の端面と前記導波管開口の直近の端面との距離Ｌ１と、前記基板開口の端面と前記導波管開口の直近の端面との距離Ｌ２を、０．４＜Ｌ２／Ｌ１＜１．７の関係を満たすように設定したことを特徴とする。

本発明の基板貫通導波管によれば、ＶＩＡホールの基板開口側の端面と導波管開口の直近の端面との距離Ｌ１と、基板開口の端面と導波管開口の直近の端面との距離Ｌ２の比Ｌ２／Ｌ１を、０．４〜１．７の範囲内に設定することにより、Ｌ１＋Ｌ２＝０．６５ｍｍのときに、２２ＧＨｚの周波数帯において、導波管通路内における回路基板による反射の影響を低減することができ、良好な反射特性の基板貫通導波管を実現することができる。

ここで、基板貫通導波管の反射係数の劣化原因を明らかにする。図６(a)は導波管４０の内壁面の一部に、全週に亘って外側へ突出する内側凹部４１を形成したもの、図６(b)はその導波管４０のインピーダンス軌跡、図４(c)はその導波管４０の簡易等価回路を示す図である。図３および図５で説明した基板貫通導波管は、回路基板１０への電波の漏洩を防ぐために、ＶＩＡホール１４，１５を細かい間隔で複数配置することで、基板開口１１のの全周に等価的な金属壁面を形成している。

しかし、基板レイアウトルールにより、導波管開口２１，３１の端面２１ａ，３１ａとＶＩＡホール１４の端面１４ａを一致させることができないため、電磁波に及ぼす影響は、図６(a)に示すように、内壁面の一部に外側へ突出する内側凹部４１を形成した導波管４０と同等な特性を持つと考えられる。

この導波管４０の回路を３次元電磁界解析し、両端のポートから見たインピーダンスを求め、さらにディエンベディング法により、測定基準面を導波管４０の両端のポートから、内側凹部４１の中央部分に移すと、インピーダンスチャートの軌跡は、図６(b)に示すようになる（ただし、導波管４０は使用帯域が限定されるため、図６(b)の軌跡は、周波数および凹部４１の深さを変えたときの軌跡を表現したものである）。図６(b)のインピーダンス軌跡は等レジスタンス円上を動くため、導波管４０の内側凹部４１は直列インダクタンスの働きをすると理解できる。従って、簡易等価回路は図６(c)のように表現できる。

図４で説明した基板貫通導波管では、導波管通路の壁面の広がり部分（内側凹部４１に相当する部分）には回路基板１０あり、その部分は比誘電率εｒ（通常は３〜４）の誘電体１２で充填されている。しかし、この影響は、壁面の広がり部分（内側凹部４１に相当する部分）の深さと幅が√（εｒ）だけ大きくなったと見なして良いため、簡易等価回路は同一である。

一方、内壁に誘電体が配置された図７(a)に示す導波管の場合も、図６と同様な方法で等価回路を求めることができる。図７(a)は導波管５０の内壁全周に亘ってリング状で幅の狭い誘電体枠５１を図６(a)の内側凹部４１に相当する部分に貼り付けた構造を示す。

これを３次元電磁界解析し、誘電体５１の中央の基準測定面にディエンべディングしたときのインピーダンス軌跡を図７(b)に示す。図７(b)のインピーダンス軌跡は、等コンダクタンス円上を動くため、壁面に沿って配置された幅の狭い誘電体枠５１は並列キャパシタンスの働きをすると理解できる。従って、簡易等価回路は図７(c)のように表現できる。

これらの基本特性に基づき、図６と図７の導波管回路が同時に組み合わさった場合の等価回路を予測すると、図８(a)、(b)の２つの等価回路の何れかで表現できる。図８(a)の等価回路の場合、入力インビーダンスＺinは、次のように求められる。

ωＣ＜＜１、ωＬ＜＜１の場合は、

となる。

図８(b)の等価回路の場合、入力インビーダンスＺinは、次のように求められる。

ωＣ＜＜１、ωＬ＜＜１の場合は、

となる。

図８(a)、(b)の何れの等価回路であっても、ωＬ、ωＣが１よりも十分に小さい場合は、入力インピーダンスＺinは、式(2)、(4)にあるように、同じ式で表すことができ、さらに、ＬとＣを調整する（Ｌ＝Ｃ）ことで、整合（Ｚin≒１）が取れることを表している。

上記の検討により、基板貫通導波管においては、回路基板１０に形成した基板開口１１を、導波管開口２１，３１の端面２１ａ，３１ａと一致させずに、回路基板１０が導波管開口２１，３１の内部に少しに入り込む様に、導波管通路を狭めることにより、所望周波数で整合がとれ反射特性を改善できることが予想される。

本発明は、このことを活用し、ＶＩＡホール１４，１５を配置した回路基板１０に形成する基板開口１１の大きさを調節することにより、基板貫通導波管の反射特性を改善するものである。

以下に、本発明の実施例の基板貫通導波管を説明する。図４で説明した従来例の２２ＧＨｚの周波数帯の基板貫通導波管の断面構造においては、内側のＶＩＡホール１４の中心位置は、導波管開口２１，３１の端面２１ａ，３１ａから０．８ｍｍの位置にある（Ｌ４＋Ｌ５＝０．５ｍｍ＋０．３ｍｍ＝０．８ｍｍ）。このとき、回路基板１０の基板開口１１の端面１１ａは、導波管開口２１，３１の端面２１ａ，３１ａと一致している。

ここで、ＶＩＡホール１４の中心位置を導波管開口２１，３１の端面２１ａ，３１ａに近づけると、基板レイアウトルールに従って設計される回路基板１０の基板開口１１の端面１１ａは、導波管通路の内部に入り込む。これを(2)式、(4)式のＬ，Ｃを用いて表現すると、ＶＩＡホール１４と導波管開口２１，３１の端面２１ａ，３１ａの間の距離が小さくなることは、Ｌが小さくなることを意味し、回路基板１０の誘電体１２が内部に入り込むことは、Ｃが０から大きくなり、ある値を持つこと意味する。従って、基板レイアウトルールを守りながら、ＶＩＡホール１４の位置を調整すると、前記式(2)、(4)のＬ−Ｃ＝０を充たす条件を探し出すことができる。

図９は、この方法によって、図４における距離Ｌ１（ＶＩＡホール１４の端面１４ａと導波管開口２１，３１の端面２１ａ，３１ａとの間の距離）を０．６５ｍｍから０．１５ｍｍまでの範囲で変化させたときの、２２ＧＨｚの周波数帯での反射特性を示す図である。距離Ｌ１を０．３５ｍｍとした場合、反射係数は大幅に低下し、完全整合に近い状態（反射係数が−５０ｄＢ）となる。

このときの２２ＧＨｚの周波数帯の基板貫通導波管の断面構造を図１に示す。この図１が発明の実施例を示す同である。このとき、基板のレイアウトルールから、Ｌ１＋Ｌ２＝０．６５ｍｍであり、Ｌ１＝０．３５ｍｍであるので、Ｌ２＝０．３ｍｍとなり、このＬ２の長さだけ回路基板１０の誘電体１２が導波管通路内に入り込む。

さらに、距離Ｌ１を小さくする（Ｌ２を大きくする）と、反射係数は再び増加し、Ｌ１＝０．１５ｍｍでは回路基板１０の上下の導電パターン１３のエッジが導波管開口２１，３１の内壁２１ａ，３１ａと一致し、このとき、回路基板１０の誘電体１２が０．５ｍｍ（＝Ｌ２）だけ導波管通路内に入り込んだ状態となる。この場合は、誘電体１２からの反射が主となり、反射特性は図４の従来例と同程度の反射係数（−２５ｄＢ）となる。

図１の本発明の実施例の基板貫通導波管の断面構造（Ｌ１＝０．３５ｍｍ，Ｌ２＝０．３ｍｍ）での周波数特性を図２に示す。−３０ｄＢ以下の反射係数となる周波数帯域幅は８ＧＨｚ以上が得られ、ＷＲＪ−２２０導波管の使用周波数範囲（１７．６ＧＨｚ〜２６．７ＧＨｚ）をカバーすることができる。

図９において、２２ＨＧｚの周波数帯においては、−３０ｄＢ以下の反射係数が得られる距離Ｌ１の範囲は、０．２４ｍｍ＜Ｌ１＜０．４８ｍｍである。そして、基板レイアウトルールから、Ｌ１＋Ｌ２＝０．６５ｍｍであるので、−３０ｄＢ以下の反射係数が得られる距離Ｌ１とＬ２の比率は、

から、

となる。

すなわち、Ｌ１＋Ｌ２＝０．６５ｍｍの条件において、式(7)の関係が満足されるように、距離Ｌ１とＬ２を設定することにより、２２ＧＨｚの周波数帯において、反射係数を−３０ｄＢ以下に抑えることができ、導波管通路における反射の影響を小さくすることができる。

本発明の実施例の基板貫通導波管の断面図である。 図１の実施例の基板貫通導波管の反射係数の周波数特性図である。 従来の基板貫通導波管に分解平面図である。 従来の基板貫通導波管の断面図である。 図４の基板貫通導波管の反射係数の周波数特性図である。 (a)は途中に内側凹部を設けた導波管の斜視図、(b)は(a)の導波管のインピーダンスチャート、(c)は(a)の導波管の等価回路の回路図である。 (a)は途中に内壁に誘電体枠を設けた導波管の斜視図、(b)は(a)の導波管のインピーダンスチャート、(c)は(a)の導波管の等価回路の回路図である。 (a)、(b)は図６(a)と図７(b)の導波管を組み合わせたときの等価回路の回路図である。 図４における距離Ｌ１を変化させたときの反射係数の周波数特性図である。

符号の説明

１０：回路基板、１１：基板開口、１１ａ：端面、１２：誘電体、１３：導体パターン、１４：ＶＩＡホール（内側）、１５：ＶＩＡホール（外側）、１６：取付穴
２０：カバーシャーシ、２１：導波管開口、２１ａ：端面、２２：取付穴
３０：ベースシャーシ、３１：導波管開口、３１ａ：端面、３２：取付穴
４０：導波管、４１：内側凹部
５０：導波管、５１：誘電体枠

Claims (1)

1. ２個の導波管と、該各導波管の導波管開口の形状および大きさにほぼ等しい基板開口を形成し、該基板開口の周囲に、波長に比べ十分に小さい間隔でＶＩＡホールを複数形成した回路基板とを備え、前記導波管開口が前記基板開口とほぼ合致するように前記２個の導波管で前記回路基板の表裏両面を挟持して構成した基板貫通導波管において、
   前記ＶＩＡホールの前記基板開口側の端面と前記導波管開口の直近の端面との距離Ｌ１と、前記基板開口の端面と前記導波管開口の直近の端面との距離Ｌ２を、
   ０．４＜Ｌ２／Ｌ１＜１．７
   の関係を満たすように設定したことを特徴とする基板貫通導波管。

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