JP2010098609A - 導波管−マイクロストリップ線路変換器、及び、その製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造工程を複雑化せずに製造可能な、気密構造を有する導波管−マイクロストリップ線路変換器を提供する。
【解決手段】誘電体基板１０４は、積層された複数の誘電体基板から成る。アンテナパターン１０１は、誘電体基板１０４の内層に形成される。マイクロストリップ線路１１８は、誘電体基板１０４の表層に形成される。接続ビア１０５は、誘電体基板１０４の表面から裏面までを貫通し、アンテナパターン１０１とマイクロストリップ線路１１８とを接続する。導体パターン１１９、１２２は、それぞれ、誘電体基板１０４を挟む上部筐体１１０及び下部筐体１１１に接続される。接続ビア１１３は、誘電体基板１０４の表面及び裏面の導体パターン１１９、１２２を相互に接続する。
【選択図】図１

Description

本発明は、導波管−マイクロストリップ線路変換器、及び、その製造方法に関し、更に詳しくは、導波管を伝搬した信号を基板内の伝送に変換する導波管−マイクロストリップ線路変換器、及び、その製造方法に関する。

導波管内の伝送を、マイクロストリップ線路の伝送に変換する導波管−マイクロストリップ線路変換器がある。導波管−マイクロストリップ線路変換器にて、誘電体基板上のアンテナのパターンが表層面にある場合、全ての導波管が閉空間にて電波伝搬されていなかった。このような場合、不要な電磁放射によって電磁干渉の問題が発生するだけでなく、送受信機を設計する際に、送受信間のアイソレーション特性の劣化が生じるという問題も発生した。また、空間の電波の回りこみによって帰還がかかり、増幅器の発振にもつながっていた。

上記問題に対し、特許文献１には、気密性確保が可能な導波管−マイクロストリップ線路変換器が記載されている。図７に、特許文献１に記載の導波管−マイクロストリップ線路変換器の断面を示す。導波管−マイクロストリップ線路変換器は、誘電体基板２０１ａ〜２０１ｆで構成される。誘電体基板２０１ｃ上には、マイクロストリップ線路２０２が形成され、誘電体基板２０１ｃの裏面には、接地導体２０５が形成される。導波管キャビティ２０３は、誘電体基板を刳り貫いて形成される。スルーホール２０４は、導波管キャビティ２０３の周囲に、複数配列して形成される。ショート板２０６は、導波管キャビティ２０３の短絡面を構成する。

高周波デバイスから出力された高周波信号は、誘電体基板２０１ｃ上に形成されたマイクロストリップ線路２０２に伝わる。ショート板２０６は、誘電体基板２０１ｂによって、マイクロストリップ線路２０２から導波管キャビティ２０３へ高周波信号が効率よく導波管モードに変換される距離に配置されている。導波管モードに変換された高周波信号は、導波管内部の誘電体基板２０１ｅにより反射が生じる。しかし、誘電体基板２０１ｅの厚みを、信号周波数における基板内伝搬波長のほぼ１／２となる厚みとすることで、定在波分布が誘電体基板２０１ｅの上面及び下面において位相が同層となり、良好な通過特性が得られる。特許文献１では、このような構成とすることで、導波管内部において気密性を確保し、かつ、広帯域な通過特性を持つ導波管−マイクロストリップ線路変換器を得ることができるとしている。

特開２００１−１９６８１５号公報

特許文献１では、多層誘電体基板内に形成した導波管キャビティ２０３の周囲に複数のスルーホール２０４の列を形成している。このスルーホール２０４は、誘電体基板２０１ａ〜２０１ｆまでを貫通する貫通ビアとなっておらず、ブラインドビアとなっている。また、特許文献１には明示の記載はないものの、マイクロストリップ線路２０２が形成された誘電体基板２０１ｃが導波管キャビティ２０３内に突き出していることや、誘電体基板２０１ｂの厚みが、導波管キャビティ２０３を挟んで左右で異なっていることから推測すると、特許文献１では、各誘電体基板に導波管キャビティ２０３部分及びスルーホール２０４を形成した上で、誘電体基板２０１ａ〜２０１ｆを貼り合わせているものと考えられる。この場合、誘電体基板を重ねる際の位置合わせに高い精度が要求され、導波管−マイクロストリップ線路変換器の製造工程が複雑化するという問題がある。

本発明は、製造工程を複雑化せずに製造可能な、気密構造を有する導波管−マイクロストリップ線路変換器、その製造方法、及び、マイクロ波集積回路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、本発明の導波管−マイクロストリップ線路変換器は、積層された複数の誘電体基板と、少なくとも一部が前記誘電体基板の内層に形成されたアンテナパターンと、前記誘電体基板の表層に形成されたマイクロストリップ線路と、前記誘電体基板の表面から裏面までを貫通し、前記誘電体基板の内層に形成されたアンテナパターンと前記マイクロストリップ線路とを接続する第１の接続ビアと、前記誘電体基板外で導波管を形成し、前記積層された複数の誘電体基板を挟む上部筐体及び下部筐体に、前記誘電体基板の表面及び裏面で接続された導体パターンと、前記表面及び裏面の導体パターンを接続する第２の接続ビアとを備えることを特徴とする。

本発明のマイクロ波集積回路は、積層された複数の誘電体基板と、少なくとも一部が前記誘電体基板の内層に形成されたアンテナパターンと、前記誘電体基板の表層に形成されたマイクロストリップ線路と、前記誘電体基板の表面から裏面までを貫通し、前記誘電体基板の内層に形成されたアンテナパターンと前記マイクロストリップ線路とを接続する第１の接続ビアと、前記誘電体基板外で導波管を形成し、前記積層された複数の誘電体基板を挟む上部筐体及び下部筐体に、前記誘電体基板の表面及び裏面で接続された導体パターンと、前記表面及び裏面の導体パターンを接続する第２の接続ビアと、前記誘電体基板の表層に配置され、前記マイクロストリップ線路に接続された表面実装素子とを備えることを特徴とする。

本発明の導波管−マイクロストリップ線路変換器の製造方法は、積層された複数の誘電体基板に、内層のアンテナパターンとなる導体パターンと、表層のマイクロストリップ線路となる導体パターンと、前記誘電体基板外で導波管を形成する上部筐体及び下部筐体のそれぞれに接続する誘電体基板の表面及び裏面の導体パターンとを形成する工程と、前記積層された複数の誘電体基板を貫通するスルーホールを形成し、前記内層のアンテナパターンとなる導体パターンと、表層のマイクロストリップ線路となる導体パターンとを第１の接続ビアで接続すると共に、前記表面及び裏面の導体パターンを第２の接続ビアで接続する工程と、前記上部筐体及び下部筐体を、前記表面の導体パターンと前記上部筐体とが接続し、前記裏面の導体パターンと前記下部筐体とが接続するように取り付ける工程とを有することを特徴とする。

本発明の導波管−マイクロストリップ線路変換器及びその製造方法は、製造工程を複雑化せずに、気密構造を有する導波管−マイクロストリップ線路変換器を得ることができる。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１に、本発明の一実施形態の導波管−マイクロストリップ線路変換器を含むマイクロ波集積回路を示す。誘電体基板１０４は、積層された複数の誘電体基板から成る。誘電体基板１０４は、１層目（表層）の第１層パターン１１４、２層目の第２層パターン１１５、３層目の第３層パターン１１６、及び、４層目（裏面）の第４層パターン１１７を有する。誘電体基板１０４は、上部筐体１１０と、下部筐体１１１とに挟み込まれる。上部筐体１１０及び下部筐体１１１は、金属筐体であり、誘電体基板１０４の外部における導波管の電界遮蔽壁を構成する。

表層の第１層パターン１１４は、ＳＭＤ（Surface Mount Device）１０６に接続されるマイクロストリップ線路１１８を含む。内層の第２層パターン１１５は、導波管とマイクロストリップ線路との変換アンテナパターンであるアンテナパターン１０１を含む。内層のアンテナパターン１０１と、表層のマイクロストリップ線路１１８とは、誘電体基板１０４を貫通する接続ビア（第１の接続ビア）１０５を介して接続される。導波管内をＴＥ１０モードで伝搬した信号は、アンテナパターンでマイクロストリップ線路（一部ストリップ線路）のＴＥＭモードへ変換される。その後、接続ビア１０５を通して第１層パターン１１４のマイクロストリップ線路に伝達され、ＳＭＤ１０６に伝えられる。導波管−マイクロストリップ線路変換回路と、ＳＭＤ１０６とで、マイクロ波集積回路が構成される。

図２（ａ）に上部筐体の横断面を示し、（ｂ）に誘電体基板１０４の各層を平面図で示し、（ｃ）に下部筐体の横断面を示す。なお、図２（ａ）及び（ｃ）に示す断面は、それぞれ、図１におけるＡ−Ｂ断面、及び、Ｃ−Ｄ断面に相当する。また、図１に示す断面は、図２（ｂ）におけるＥ−Ｆ断面に相当する。表層の第１層パターン１１４は、上部筐体１１０の足の部分に対応した形状に形成された、言い換えれば、導波管開口部を取り囲むように形成された導体パターン１１９を有する。裏面の第４層パターン１１７は、導波管開口部の形状に対応した導体パターン１２２を有する。表面の導体パターン１１９と、裏面の導体パターン１２２とは、誘電体基板１０４を貫通する接続ビア（第２の接続ビア）１１３で、相互に接続される。

内層の第２層パターン１１５及び第３層パターン１１６は、それぞれ、第１層パターン１１４における導体パターン１１９と同様な形状の導体パターン１２０、１２１を有する。ただし、第２層パターン１１５は、導波管開口部に突き出すアンテナパターン１０１を有するので、２層目の導体パターン１２０では、アンテナパターン１０１と干渉する位置の導体が省略されている。接続ビア１１３は、導波管開口部を取り囲むように、複数形成されている。第１層の導体パターン１１９から、第４層の導体パターン１２２までの各層の導体パターンは、接続ビア１１３により相互に接続される。第１層の導体パターン１１９から第４層の導体パターン１２２、及び、接続ビア１１３は、誘電体基板１０４内の電界遮蔽壁を構成する。

導波管−マイクロストリップ線路変換器の製造方法について説明する。はじめに、積層された複数の誘電体基板に、内層のアンテナパターン１０１となる導体パターンと、表層のマイクロストリップ線路１１８となる導体パターンと、それぞれ上部筐体１１０及び下部筐体１１１に接続する表面及び裏面の導体パターン１１９、１２２を形成する。次いで、積層された複数の誘電体基板を貫通するスルーホールを形成し、内層のアンテナパターン１０１となる導体パターンと、表層のマイクロストリップ線路となる導体パターンとを接続ビア１０５で接続する。また、表面及び裏面の導体パターン１１９、１２２を、接続ビア１１３で相互に接続する。

図３Ａ〜図３Ｄ及び図４Ａ〜図４Ｃに、誘電体基板１０４の製作過程を示す。図３Ａ〜図３Ｄは、誘電体基板１０４の断面図であり、図４Ａ〜図４Ｃは、誘電体基板１０４を上から見た上面図である。まず、誘電体基板１２３の表面に、アンテナパターン１０１となる導体パターンを形成すると共に、表面及び裏面に、電界遮蔽壁となる導体パターン１２０、１２１を形成する（図３Ａ）。この工程で、第２層パターン１１５と第３層パターン１１６とが形成される。第２層パターン１１５と第３層パターン１１６とを重ねた状態は、図４Ａに示すようになる。

次いで、誘電体基板１２３の両側から、誘電体基板１２３を、誘電体基板１２４、１２５で挟み込む（図３Ｂ）。図３Ｂで、誘電体基板１２４、１２５を、圧着等によりプレスすることで、第２層パターン１１５及び第３層パターン１１６の導体間にできた隙間が埋まる。積層された３つの誘電体基板１２３〜１２５は、図１における誘電体基板１０４に相当する。

続いて、誘電体基板１０４の表面に、上部筐体１１０に接続する導体パターン１１９と、マイクロストリップ線路１１８となる導体パターンとを形成する。また、誘電体基板１０４の裏面に、下部筐体１１１と接続する導体パターン１２２を形成する（図３Ｃ）。この工程で、第１層パターン１１４と、第４層パターン１１７とが形成される。第１層パターン１１４から第４層パターンまでを重ねた状態は、図４Ｂに示すようになる。

導体パターン形成後、第２層のアンテナパターン１０１と、第１層のマイクロストリップ線路１１８とがオーバラップする位置に、誘電体基板１０４を貫通するスルーホールを形成し、アンテナパターン１０１とマイクロストリップ線路１１８とを接続ビア１０５で接続する。また、誘電体基板１０４を貫通するスルーホールを形成し、第１層パターン１１４から第４層パターン１１７の導体パターン１１９〜１２２を、接続ビア１１３で相互に接続する（図３Ｄ）。接続ビア１１３は、図４Ｃに示すように、導波管開口を取り囲むように複数形成する。

上記で得られた誘電体基板１０４のマイクロストリップ線路１１８上にＳＭＤ１０６を実装し、誘電体基板１０４を上部筐体１１０と下部筐体１１１とで挟み込むように取り付ける。ＳＭＤ１０６は、例えば、抵抗、コンデンサ、コイル、ショットキーダイオードやＰＩＮダイオード（p-intrinsic-n Diode）などである。或いは、ＭＭＩＣアンプ（ＭＭＩＣ：モノリシックマイクロ波集積回路）などである。上部筐体１１０と誘電体基板１０４の表面の導体パターン１１９とを接続し、下部筐体１１１と裏面の導体パターン１２２とを接続することで、図１に示す導波管−マイクロストリップ線路変換器が得られる。第１層の導体パターン１１９と上部筐体１１０との間、及び、第４層の導体パターン１２２と下部筐体１１１との間には隙間が存在しないため、導波管の気密構造が保たれる。

図１において、誘電体基板１０４の下面をＨ面とする。下部筐体１１１で囲まれた導波管の電波伝搬ＴＥ１０モードにおける電界の向きは、電界方向１０９で示す向きとなる。誘電体基板１０４の裏面に形成された第４層パターン１１７は、Ｈ面の遮蔽導体の役割を果す。下部筐体１１１は、導波管内の電界を、誘電体基板１０４の下面から上面へと伝達するＥ面ベント１０３を有する。図１にて、紙面向かって右側から左側に伝搬してきた電波は、Ｅ面ベント１０３で基板上部へ９０°回転する。上部筐体１１０で囲まれた導波管における電界の向きは、電界方向１１２で示す向きとなる。導波管内の電波の位相が１８０°回転すると、電界方向１０９及び１１２の向きは、１８０°回転する。

上部筐体１１０は、導波管短絡面１０２を有する。導波管短絡面１０２は、アンテナパターン１０１が形成された位置から、管内波長でλ／４（λは波長）だけ離れた位置に設けられる。導波管内の電界の伝搬は、誘電体基板１０４内のアンテナパターン１０１により結合され、導波管の伝搬（ＴＥ１０モード）から基板内の伝搬（ＴＥＭモード）へと変換される。導波管短絡面１０２を、アンテナパターン１０１からλ／４だけ離れた位置に形成することで、アンテナパターン１０１におけるＴＥ１０モードからＴＥＭモードへの変換効率を向上できる。

本実施形態では、導波管−マイクロストリップ線路変換器は、積層された複数の誘電体基板（誘電体基板１０４）の内層にアンテナパターン１０１を有し、誘電体基板１０４の表層のマイクロストリップ線路１１８を有する。アンテナパターン１０１とマイクロストリップ線路１１８とは、誘電体基板の表面から裏面までを貫通する接続ビア１０５で接続される。また、導波管−マイクロストリップ線路変換器は、上部筐体１１０及び下部筐体１１１に、誘電体基板１０４の表面及び裏面で接続される導体パターン１１９、１２２を有する。表面の導体パターン１１９と裏面の導体パターン１２２とは、誘電体基板１０４の表面から裏面までを貫通する接続ビア１１３で接続される。

本実施形態では、アンテナパターン１０１を誘電体基板１０４の内層に設け、導波管の電界遮蔽壁である上部筐体１１０及び下部筐体１１１と、誘電体基板１０４の表面及び裏面の導体パターン１１９、１２２とをそれぞれ接続する。このようにすることで、導波管の気密構造が保たれ、不要な電磁放射が少なくなる。また、アンテナパターン１０１は、誘電体で囲まれているので、誘電体がない場合に比して導波管との結合が強く、変換効率が優れている。更には、アンテナパターン１０１を誘電体基板１０４内の導体パターンで構成しているので、アンテナプローブのような部品を削減することができ、製造コストの削減が可能で、他の回路の実装面積の自由度を増すことができる。なお、本実施形態においても、接続ビア１０５の箇所で回り込みの可能性はあるが、接続ビア１０５のギャップは狭いため、放射レベルは問題にならない。

本実施形態では、内層のアンテナパターン１０１と、表層のマイクロストリップ線路１１８とを、誘電体基板１０４を貫通する接続ビア１０５で接続する。また、誘電体基板１０４の表面及び裏面の導体パターン１１９、１２２を、誘電体基板１０４を貫通する接続ビア１１３で接続する。本実施形態では、貫通ビアを用いて、アンテナパターン１０１とマイクロストリップ線路１１８、及び、導体パターン１１９と導体パターン１２２を接続するため、誘電体基板を重ね合わせた状態で、接続ビア１０５、１１３を簡易に形成することができる。従って、各層について個別にビアを設け、ビアの位置が重なるように貼り合わせる特許文献１に比して、基板製作の上での工程を削減することができる。また、ビアを設けた各層を貼り合わせる際のずれによる不連続を避けることができる。本実施形態の誘電体基板１０４は、各層を形成している誘電体部分に不連続な部分がなく、単純な構成であるので、基板製作及び変換回路製作の歩留まりがよい。

なお、上記実施形態では、２層目にアンテナパターン１０１を配線する例について示したが、アンテナパターン１０１は、少なくとも一部が誘電体基板１０４の内層に形成されていればよく、アンテナパターン１０１は、図１に示すものには限定されない。図５に、アンテナパターンを、表面及び裏面の導体パターンと内層パターンとで形成する例を示す。導波管開口内の１層目から４層目までに、導体パターンを設け、１層目から４層目までを貫通する接続ビア１２６（第３の接続ビア）により、１層目から４層目までの導体パターンを相互に接続する。また、２層目及び３層目の導体パターンは、接続ビア１０５まで延び、接続ビア１０５を介して、表層のマイクロストリップ線路１１８と接続している。このような構成のアンテナパターン１０１ａを用いることで、変換効率の広帯域化が可能となる。

また、上記実施形態では、誘電体基板１０４と導波管短絡面１０２との間に空間が存在する例について示したが、この空間は、必ずしも必要ではない。図６に、誘電体基板１０４上に導波管短絡面１２７が形成される例を示す。使用する周波数において、基板の厚さとλ／４の長さとが近い場合には、導波管短絡面１２７を、誘電体基板１０４の１層目パターンのすぐ上に設けることができる。この場合も、図１と同様に、アンテナパターン１０１の変換効率を向上できる効果がある。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の導波管−マイクロストリップ線路変換器、その製造方法、及び、マイクロ波集積回路は、上記実施形態にのみ限定されるものではなく、上記実施形態の構成から種々の修正及び変更を施したものも、本発明の範囲に含まれる。

本発明の一実施形態の導波管−マイクロストリップ線路変換器を含むマイクロ波集積回路を示す断面図。 （ａ）は、上部筐体の横断面図、（ｂ）は、積層された誘電体基板の各層を示す上面図、（ｃ）は、下部筐体の横断面図。 積層された誘電体基板の製造過程を示す断面図。 積層された誘電体基板の製造過程を示す断面図。 積層された誘電体基板の製造過程を示す断面図。 積層された誘電体基板の製造過程を示す断面図。 誘電体基板の製造過程を示す上面図。 誘電体基板の製造過程を示す上面図。 誘電体基板の製造過程を示す上面図。 変形例の導波管−マイクロストリップ線路変換器を示す断面図。 別の変形例の導波管−マイクロストリップ線路変換器を示す断面図。 特許文献１に記載の導波管−マイクロストリップ線路変換器を示す断面図。

符号の説明

１０１：アンテナパターン
１０２、１２７：導波管短絡面
１０３：Ｅ面ベント
１０４：誘電体基板
１０５：接続ビア（第１の接続ビア）
１０６：ＳＭＤ
１０９、１１２：電界方向
１１０：上部筐体
１１１：下部筐体
１１３：接続ビア（第２の接続ビア）
１１４：第１層パターン
１１５：第２層パターン
１１６：第３層パターン
１１７：第４層パターン
１１８：マイクロストリップ線路
１１９〜１２２：導体パターン
１２３〜１２５：誘電体基板
１２６：接続ビア（第３の接続ビア）

Claims (8)

1. 積層された複数の誘電体基板と、
   少なくとも一部が前記誘電体基板の内層に形成されたアンテナパターンと、
   前記誘電体基板の表層に形成されたマイクロストリップ線路と、
   前記誘電体基板の表面から裏面までを貫通し、前記誘電体基板の内層に形成されたアンテナパターンと前記マイクロストリップ線路とを接続する第１の接続ビアと、
   前記誘電体基板外で導波管を形成し、前記積層された複数の誘電体基板を挟む上部筐体及び下部筐体に、前記誘電体基板の表面及び裏面で接続された導体パターンと、
   前記表面及び裏面の導体パターンを接続する第２の接続ビアとを備える導波管−マイクロストリップ線路変換器。
2. 前記第２の接続ビアが、前記導波管の開口部を取り囲むように形成されている、請求項１に記載の導波管−マイクロストリップ線路変換器。
3. 前記誘電体基板の内層に、前記表面及び裏面の導体パターンと同様な形状の導体パターンを有し、前記表面及び裏面の導体パターンと、前記内層の導体パターンとが、前記第２の接続ビアで接続されている、請求項１又は２に記載の導波管−マイクロストリップ線路変換器。
4. 前記アンテナパターンが、前記誘電体基板の表面及び裏面に形成されたパターン部分と、前記誘電体基板の少なくとも一層に形成された内層パターンとを含み、前記表面及び裏面のパターン部分と前記内層パターンとが、第３の接続ビアで接続されている、請求項１乃至３の何れか一に記載の導波管−マイクロストリップ線路変換器。
5. 前記下部筐体が、Ｅ面ベントを有する、請求項１乃至４の何れか一に記載の導波管−マイクロストリップ線路変換器。
6. 前記アンテナパターンから、管内波長をλとしてλ／４離れた位置に導波管短絡面を有する、請求項１乃至５の何れか一に記載の導波管−マイクロストリップ線路変換器。
7. 積層された複数の誘電体基板と、
   少なくとも一部が前記誘電体基板の内層に形成されたアンテナパターンと、
   前記誘電体基板の表層に形成されたマイクロストリップ線路と、
   前記誘電体基板の表面から裏面までを貫通し、前記誘電体基板の内層に形成されたアンテナパターンと前記マイクロストリップ線路とを接続する第１の接続ビアと、
   前記誘電体基板外で導波管を形成し、前記積層された複数の誘電体基板を挟む上部筐体及び下部筐体に、前記誘電体基板の表面及び裏面で接続された導体パターンと、
   前記表面及び裏面の導体パターンを接続する第２の接続ビアと、
   前記誘電体基板の表層に配置され、前記マイクロストリップ線路に接続された表面実装素子とを備えるマイクロ波集積回路。
8. 積層された複数の誘電体基板に、内層のアンテナパターンとなる導体パターンと、表層のマイクロストリップ線路となる導体パターンと、前記誘電体基板外で導波管を形成する上部筐体及び下部筐体のそれぞれに接続する誘電体基板の表面及び裏面の導体パターンとを形成する工程と、
   前記積層された複数の誘電体基板を貫通するスルーホールを形成し、前記内層のアンテナパターンとなる導体パターンと、表層のマイクロストリップ線路となる導体パターンとを第１の接続ビアで接続すると共に、前記表面及び裏面の導体パターンを第２の接続ビアで接続する工程と、
   前記上部筐体及び下部筐体を、前記表面の導体パターンと前記上部筐体とが接続し、前記裏面の導体パターンと前記下部筐体とが接続するように取り付ける工程とを有する導波管−マイクロストリップ線路変換器の製造方法。

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