JP2011061290A - Microstrip line-waveguide converter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は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−導波管変換器に関する。 The present invention relates to a microstrip line-waveguide converter for converting a transmission mode between a microstrip line and a waveguide.
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に記載される構造が一般に知られている。特許文献1に従来技術として記載されているマイクロストリップ線路−導波管変換器100を図4に示す。マイクロストリップ線路−導波管変換器100は、誘電体基板101と、導波管102と、短絡導波管ブロック103とから構成される。誘電体基板101は、その一方の面にマイクロストリップ線路104が形成されると共に、導波管102と短絡導波管ブロック103の間に挟みこまれるようにして固定される。
As a microstrip line-waveguide converter, for example, a structure described in
なお、短絡導波管ブロック103の短絡面とマイクロストリップ線路104との距離は、マイクロストリップ線路104の伝送モード(準TEMモード)と導波管102の伝送モード(TEモード)を高効率で変換するため、約λ/4に設定される(λは導波管102内を伝送する信号の波長)。 The distance between the shorted surface of the shorted waveguide block 103 and the microstrip line 104 is a highly efficient conversion between the transmission mode (quasi-TEM mode) of the microstrip line 104 and the transmission mode (TE mode) of the waveguide 102. Therefore, it is set to about λ / 4 (λ is the wavelength of the signal transmitted through the waveguide 102).
また、特許文献1に記載されているマイクロストリップ線路−導波管変換器200を図5に示す。マイクロストリップ線路−導波管変換器200は、誘電体基板201と、誘電体基板201に積層される誘電体基板202,203と、誘電体基板201と誘電体基板202,203の間の層に形成されるマイクロストリップ線路204とを備え、誘電体基板201と誘電体基板202,203とから誘電体充填導波管205a、205b、205cを形成し、誘電体充填導波管205a、205b、205cからなるバックショートを形成する構造である。
FIG. 5 shows a microstrip line-waveguide converter 200 described in
図4に示した特許文献1に従来技術として記載された短絡導波管ブロック103の短絡距離(深さ方向)の寸法は、導波管102の断面寸法と上記した波長λによって定まる。即ち、短絡導波管ブロック103は、その断面寸法が導波管102の断面寸法と同一となり、長さが約λ/4となる。この短絡導波管ブロック103は、高周波回路を構成する他の部材と比べて比較的大きな体積を占めるため、高周波回路の小型化を困難にする一つの要因となっていた。
The size of the short-circuit distance (depth direction) of the short-circuited waveguide block 103 described as the prior art in
また、図4に示した構造は、誘電体基板101と短絡導波管ブロック103を個別に作製した後、それらを接合する作業が必要となるため、組立工数の増加に繋がっていた。さらに、この接合作業は、特にミリ波帯等の高周波帯では高い精度が要求されるため、量産時の特性ばらつきに繋がるおそれがあり、量産性の点で改善の余地があった。
Further, the structure shown in FIG. 4 leads to an increase in the number of assembling steps because the
また、図5に示した特許文献1によるマイクロストリップ線路−導波管変換構造は、誘電体充填導波管での誘電体の波長短縮効果を利用したものであり、特許文献1に記載の金属製の短絡導波管ブロックからなるバックショート長さよりも短くできるが、用いる誘電体の比誘電率をεrとした場合、下記式(1)に示した短縮効果までしか期待できず、変換部の薄型化には限界があった。
Moreover, the microstrip line-waveguide conversion structure according to
本発明の目的は、上記課題を解決し、薄型かつ量産性に優れたマイクロストリップ線路−導波管変換器を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a microstrip line-waveguide converter that solves the above-described problems and is thin and excellent in mass productivity.
本発明に係るマイクロストリップ線路−導波管変換器は、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−導波管変換器において、導波管1と、金属スペーサ2と、終端にパッチパターン3を形成したマイクロストリップ線路4と前記パッチパターンの周囲を囲む地導体パターン5からなる第1の導体層6と、誘電体基板7と、地導体層8とを、導波管1の開口部の中心と前記パッチパターンの中心とが重なる位置に上から順に積層してなるマイクロストリップ線路−導波管変換器であり、第1の導体層に形成した地導体パターンと地導体層間とを接続するビアホール9を導波管1の開口部周辺を取り囲むように複数個形成したことを特徴とする。
The microstrip line-waveguide converter according to the present invention is a microstrip line-waveguide converter that performs transmission mode conversion between a microstrip line and a waveguide. The
さらに、前記マイクロストリップ線路−導波管変換器において、前記パッチパターン3のマイクロストリップ線路方向の寸法L1を、変換する周波数の実効波長λgの0.3〜0.5倍としたことを特徴とする。
Furthermore, in the microstrip line-waveguide converter, the dimension L1 of the
さらに、前記マイクロストリップ線路−導波管変換器において、第1の導体層に形成した地導体パターンと地導体層間とを接続するビアホール9を導波管1の開口部周辺に取り囲むように形成する際、隣接する前記ビアホール間の間隔を、使用する周波数の実効波長λgの4分の1以下にして、配列したことを特徴とする。
Further, in the microstrip line-waveguide converter, a
本発明により、薄型かつ量産性に優れたマイクロストリップ線路−導波管変換器を提供することが可能となった。 According to the present invention, it is possible to provide a microstrip line-waveguide converter that is thin and excellent in mass productivity.
本発明に係るマイクロストリップ線路−導波管変換器は、導波管1と、金属スペーサ2と、終端にパッチパターン3を形成したマイクロストリップ線路4と前記パッチパターンの周囲を囲む地導体パターン5からなる第1の導体層6と、誘電体基板7と、地導体層8とを、導波管1の開口部の中心と前記パッチパターン中心とが重なる位置に上から順に積層してなるマイクロストリップ線路−導波管変換器であり、マイクロストリップ線路4の終端に形成したパッチパターン3の存在により、導波管内を伝播するモード(TE10)からパッチパターンを伝播するモード(TM01)に変換され、そしてマイクロストリップ線路を伝播するモード(準TEM)へのモード変換が可能になる。本発明の変換器の動作原理を図2に示す。本発明はパッチパタ−ンによるTM01モード変換を利用するため、バックショートの長さを、特許文献1に記載の誘電体充填導波管内の誘電体による波長短縮効果よりも、さらに短いサイズとしても、変換部(導体層、誘電体基板、地導体層)を薄くできる。そのため、短絡導波管ブロックの接合工程等の必要がないことから量産性に優れる。
本発明に係るマイクロストリップ線路−導波管変換器において、金属スペーサ2は地導体パターン5の内周部(図1の斜線部)に合わせたくり抜き部を有する。前記地導体パターン5の内周部は、導波管1の開口に接続するパッチパターン変換領域とマイクロストリップ線路の線路幅より一回り大きな幅をもつ領域である。具体的には、パッチパターン変換領域は導波管1の開口寸法と同じであり、マイクロストリップ線路の線路幅より一回り大きな幅をもつ領域は、マイクロストリップ線路の両側に、通常、0.3mm〜0.65mmの幅を有する領域である。また、地導体パターン5の幅は、ビアホール9が1列に配置される程度の幅で、例えばビアホール径より0.05〜0.2mm大きく、または0.1mm大きいことが好ましい。また、金属スペーサ2は地導体パターン5より大きくてもよい。
A microstrip line-waveguide converter according to the present invention includes a
In the microstrip line-waveguide converter according to the present invention, the
さらに、本発明に係るマイクロストリップ線路−導波管変換器は、パッチパターン3のマイクロストリップ線路方向の寸法L1を変換する周波数の実効波長λgの0.3〜0.5倍とすることで、所望の周波数におけるTM01モード変換を効率良く実現でき、結果として変換ロスを小さくすることができる。
例えば、使用する周波数が76.5GHzの場合、変換する周波数の実効波長λgは、約2.5mmであり、よって、パッチパターン3のマイクロストリップ線路方向の寸法L1は、0.75〜1.25mmであることが好ましい。
なお、変換部のパッチパターンは方形(四角形)が好ましいが、TM01モードに変換できる形状であれば何でもよく、楕円形、円形、多角形構造としても構わない(図6参照)。
Further, in the microstrip line-waveguide converter according to the present invention, the dimension L1 in the microstrip line direction of the
For example, when the frequency to be used is 76.5 GHz, the effective wavelength λg of the frequency to be converted is about 2.5 mm. Therefore, the dimension L1 of the
The patch pattern of the conversion unit is preferably a square (rectangular), but may be any shape that can be converted into the TM01 mode, and may have an elliptical, circular, or polygonal structure (see FIG. 6).
さらに、本発明に係るマイクロストリップ線路−導波管変換器は、前記第1の導体層に形成した地導体パターンと地導体層間とを接続するビアホール9を導波管1の開口部周辺に取り囲むように形成する際、隣接する前記ビアホール間の間隔を、使用する周波数の実効波長λgの4分の1以下にして、配列することで所望の周波数における変換ロスを小さくすることができる。
例えば、使用する周波数が76.5GHzの場合、実効波長λgは、2.5mmであり、よって、隣接する前記ビアホール間の間隔は、0.63mm以下であることが好ましい。
Furthermore, the microstrip line-waveguide converter according to the present invention surrounds the
For example, when the frequency to be used is 76.5 GHz, the effective wavelength λg is 2.5 mm. Therefore, the interval between the adjacent via holes is preferably 0.63 mm or less.
以下、本発明を、実施例を用いて具体的に説明する。
本発明の実施例を図1に示す。本構成において導波管1としてEIA(米国電子工業会)規格で定められているWR−10(管内開口寸法:2.54mm×1.27mm)を用いた。
金属スペーサ2として厚み0.3mmのアルミニウム板を用い、導波管WR−10の開口に接続するパッチパターン変換領域および相当するマイクロストリップ線路の線路幅より一回り大きな幅をもつ領域の前記アルミニウム板を除去した。第1の導体層6と誘電体基板7と地導体層8として、厚み0.1mmの銅張積層板MCL−FX−2(日立化成工業株式会社製、商品名)を用い、パッチパターン3、マイクロストリップ線路4、地導体パターン5を形成し、また、地導体パターン5と地導体層8とを接続するビアホール9を導波管WR−10の周囲を取り囲むように形成した(パッチパターンL1寸法:1.0mm、マイクロストリップ線路幅:0.2mm、ビアホール径:直径0.3mm)。また、隣接するビアホール間の間隔は、0.6mmであった。
また、使用周波数は76から77GHzであり、よって、変換する周波数の実効波長λgは、2.52〜2.49mmであった。
Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to examples.
An embodiment of the present invention is shown in FIG. In this configuration, WR-10 (inside tube size: 2.54 mm × 1.27 mm) defined by EIA (American Electronics Industry Association) standard was used as the
An aluminum plate having a thickness of 0.3 mm is used as the
The operating frequency was 76 to 77 GHz. Therefore, the effective wavelength λg of the frequency to be converted was 2.52 to 2.49 mm.
実施例に示す変換器の伝送特性と反射特性を図3に示す。図3は3次元電磁界シミュレータ(アンソフト社製、HFSS)によるシミュレーション結果であり、使用周波数を76.5GHz(実効波長λg:2.5mm)として設計したときの特性図である。このように、使用する周波数帯での反射損失は−20dB以下となり、伝送損失は−1dB未満と良好な特性を示した。
よって、反射損失が極小の時、パッチパターンのL1寸法(マイクロストリップ線路の幅の方向)は、実効波長λgの0.4倍であり、またビアホール間の間隔は、実効波長λgの4.17分の1であった。
FIG. 3 shows transmission characteristics and reflection characteristics of the converter shown in the embodiment. FIG. 3 is a simulation result by a three-dimensional electromagnetic field simulator (manufactured by Ansoft, HFSS), and is a characteristic diagram when designed to be used at a frequency of 76.5 GHz (effective wavelength λg: 2.5 mm). Thus, the reflection loss in the frequency band to be used was -20 dB or less, and the transmission loss was less than -1 dB, showing good characteristics.
Therefore, when the reflection loss is minimal, the L1 dimension (direction of the width of the microstrip line) of the patch pattern is 0.4 times the effective wavelength λg, and the interval between via holes is 4.17 of the effective wavelength λg. A fraction of a minute.
以上のように、従来技術では導波管のバックショート距離が0.8mmと導波管内波長λの約1/4程度必要であったのに対し、本発明ではパッチパターンによるモード変換を利用することにより、厚み0.1mmの銅張積層板MCL−FX−2(日立化成工業株式会社製、商品名)を用いるなどして、導波管のバックショートを0.1mmと導波管内波長λの1/30以下と従来技術よりも大幅に短くでき、このことからマイクロストリップ線路−導波管変換構造を薄くできる構造であることを確認した。 As described above, in the prior art, the back-short distance of the waveguide is 0.8 mm and about 1/4 of the wavelength λ in the waveguide, whereas in the present invention, mode conversion using a patch pattern is used. By using a copper clad laminate MCL-FX-2 (trade name, manufactured by Hitachi Chemical Co., Ltd.) having a thickness of 0.1 mm, the waveguide back-short is set to 0.1 mm and the wavelength λ within the waveguide. Therefore, it was confirmed that the microstrip line-waveguide conversion structure can be thinned.
1.導波管
2.金属スペーサ
3.パッチパターン
4.マイクロストリップ線路
5.地導体パターン
6.導体層
7.誘電体基板
8.地導体層
9.ビアホール
100.従来技術によるマイクロストリップ線路−導波管変換器
101.誘電体基板
102.導波管
103.短絡導波管ブロック
104.マイクロストリップ線路
200.他の従来技術によるマイクロストリップ線路−導波管変換器
201.202.203.誘電体基板
204.マイクロストリップ線路
205a.205b.205c.誘電体充填導波管
206.導波管
207.ビアホール
L1.パッチパターンのマイクロストリップ線路方向の寸法
1. 1.
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JP2009205837A JP2011061290A (en) | 2009-09-07 | 2009-09-07 | Microstrip line-waveguide converter |
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