JP2015056722A - 変換器 - Google Patents

Abstract

【課題】 スプリアスを抑制して使用帯域を広帯域化し、更に設計及び製造コストを低減できる変換器を提供する。
【解決手段】 導波管１１と短絡導波管１２とでマイクロストリップ線路１４及びプローブ１５が形成された誘電体基板１３を挟んで保持し、平面伝送路と導波管伝送路とを接続する変換器であって、短絡導波管１２が、平面線路の信号の伝送方向に直交する方向を長辺とする矩形の上面部１２１と、上面部１２１の一方の長辺に接続し、マイクロストリップ線路１４が挿入される挿入口１２４を備えた長辺側フランジ部１２２と、上面部１２１の他方の長辺に接続する長辺側フランジ部１２３とを備えた略Ｕ字溝形状に形成されている変換器としている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、導波管回路と誘電体基板に形成された平面回路との間で高周波信号の伝送形態を変換する変換器に係り、特にスプリアスを抑制して、使用帯域を広帯域化することができ、更に設計及び製造コストを低減できる変換器に関する。

［先行技術の説明：図９］
従来の変換器について図９を用いて説明する。図９は、従来の変換器の構成図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）はｚ軸方向から見た図、（ｃ）はｘ軸方向から見た図、（ｄ）はｙ軸方向から見た図である。
図９（ａ）に示すように、従来の変換器は、矩形の導波管５１と、矩形の短絡導波管５２と、誘電体基板５３とを備え、導波管５１と短絡導波管５２とで誘電体基板５３を挟むように配置されている。

誘電体基板５３の表面（短絡導波管５２が形成されている面）側には、平面回路であるマイクロストリップ線路５４及びプローブ５５が形成されている。プローブ５５の先端は、短絡導波管５２の伝送空間に突出する位置に配置されている。
また、図では省略しているが、誘電体基板５３の表面側には、短絡導波管５２の開口部端面に接続する接地導体パターンが形成されている。
誘電体基板５３の裏面側（導波管５１側）には、導波管５１の伝送面を除いて全体に接地パターンが形成されており、接地パターンは導波管５１の開口部端面に接続している。

そして、短絡導波管５２は、導波管５１の信号の伝送方向に垂直な断面における管内寸法が、導波管５１の管内寸法と同一の寸法となっており、短絡導波管５２の、伝送方向に垂直な壁面が短絡面となっている。
これにより、導波管５１と短絡導波管５２とが一体の導波管として機能し、高周波の漏洩を防止するようになっている。

［従来の変換器の短絡導波管の構成：図１０］
従来の変換器における短絡導波管５２の構成について図１０を用いて説明する。図１０は、従来の変換器における短絡導波管５２の鳥瞰図であり、（ａ）は誘電体基板５３の表面側から見た図、（ｂ）は誘電体基板５３の裏面側から見た図である。
図１０（ａ）（ｂ）に示すように、従来の短絡導波管５２は、誘電体基板５３に対向する上面部５２１と、上面部５２１の周囲を取り囲む側面部（フランジ部）とを備え、略箱型の形状となっている。
側面部は、長辺側に形成された長辺側フランジ部５２２，５２３と、短辺側に形成された短辺側フランジ部５２４，５２５とを備えている。

そして、従来の短絡導波管５２は、一方の長辺側フランジ部（ここでは長辺側フランジ部５２２）の中央部分に、マイクロストリップ線路５４を通す挿入口５２６が形成されている。
また、長辺側フランジ部５２２，５２３の内壁面は、導波管伝送路の短絡面となっている。
そして、短絡導波管５２は、箱型を伏せた状態で、開口部端面が誘電体基板５３の表面側に接するように搭載される。

［従来の変換器の特性：図１１］
次に、図９に示した従来の変換器の変換特性についてシミュレーションを行った結果について図１１を用いて説明する。図１１は、従来の変換器の変換特性を示す特性図であり、（ａ）は変換特性、（ｂ）は通過特性を詳細に示したものである。尚、図１１では、実線は通過特性、破線はリターンロスを示している。

シミュレーションの条件について説明する。
図９の変換器において、誘電体基板５３として、比誘電率（er）が８．６、厚さ０．１mmの誘電体基板を用い、マイクロストリップ線路１４は、５０Ω（オーム）、導波管１１の寸法は、１．５５mm×３．１mmとしている。使用帯域は、６０GHz〜９０GHzとした。
短絡導波管５２のフランジ寸法（フランジ部の厚さ）は０．５mm、内壁高さ（フランジ部の内側の高さ）は０．５mmとしている。

図１１（ａ）（ｂ）に示すように、従来の変換器では、スプリアスが生じているものの、６０GHz及び７０〜７５GHz付近においてマイクロストリップ−導波管変換器として使用できる特性が得られた。
しかし、図１１に示すように、不要な共振が使用帯域のすぐ近くにあり、通過損失を著しく悪化させている。

そのため、広帯域の変調波を扱う場合には、不要共振によって特性が劣化してしまうことになる。そこで、スプリアスを避けるために、使用する帯域が決まると、その都度寸法を変更して設計を行い、特性を確認してから製造を行うようにしていた。

［関連技術］
尚、変換器の従来技術としては、特開２００２−１００９０７号公報「高周波線路の変換器」（新日本無線株式会社、特許文献１）、特開２００６−０１３８６８号公報「導波管−平面伝送線路変換器の製造方法」（新日本無線株式会社、特許文献２）がある。

特許文献１には、変換器において、誘電体基板１３中の高周波の実効波長がλの場合に、表面側の接地導体パターンの幅を、ｎ・λ／４（ｎ：奇数）近傍の幅とし、短絡導波管１２の壁の厚さを接地導体の幅より小さくするように形成し、誘電体基板の両面に形成された接地パターンを導通するスルーホールを不要とすることが記載されている。

また、特許文献２には、短絡導波管終端を形成する基材上に、凹部を形成する開口パターニングを備えたマスク材を形成し、マスク材の開口内に露出する基材表面に、微細砥粒を噴霧させて凹部を形成し、当該凹部の底面を短絡面とする短絡導波管終端を形成することが記載されている。

特開２００２−１００９０７号公報 特開２００６−０１３８６８号公報

しかしながら、上記従来の変換器では、スプリアスが発生するため使用可能な帯域が狭く、製品の適用範囲が限定され、更に設計に要する時間とコストも増大するという問題点があった。
また、従来の変換器では、短絡導波管の形状が複雑で且つ微細であるため、製造が困難で、切削加工の加工費用が高くなって製造コストが増大するという問題点があった。

尚、特許文献１及び特許文献２には、短絡導波管において短辺側のフランジ（側面）を設けずに、短絡導波管をＵ字溝形状に形成することは記載されていない。

本発明は上記実状に鑑みて為されたもので、スプリアスを抑制して、広い帯域で使用することができると共に、製造及び設計に要するコストを低減できる変換器を提供することを目的とする。

上記従来例の問題点を解決するための本発明は、平面線路が形成された誘電体基板を、導波管と短絡導波管とで挟んで保持し、平面線路と導波管とを接続する変換器であって、短絡導波管が、平面線路の信号伝送方向に直交する方向を長辺とする矩形形状で、前記誘電体基板に対向する上面部と、前記上面部の一方の長辺に接続し前記平面線路が導入される挿入口を有する第１の長辺側フランジ部と、前記上面部の他方の長辺に接続する第２の長辺側フランジ部とを備えた略Ｕ字溝形状に形成されていることを特徴としている。

また、本発明は、上記変換器において第１の長辺側フランジ部は、平面線路の信号伝送方向に平行に形成された複数のスリットを備え、前記複数のスリットによって複数のブロックに分割されていることを特徴としている。

また、本発明は、上記変換器において、第２の長辺側フランジ部は、平面線路の信号伝送方向に平行に形成された複数のスリットを備え、複数のスリットによって複数のブロックに分割されていることを特徴としている。

また、本発明は、上記変換器において、スリットの幅は、導波管の伝送信号の波長の１／８以下であることを特徴としている。

また、本発明は、上記変換器において、ブロックの幅は、導波管の伝送信号の波長の１／４以下であることを特徴としている。

また、本発明は、上記変換器において、第１の長辺側フランジ部及び第２の長辺側フランジ部は、それぞれ平面線路の信号伝送方向に平行に形成された複数のスリットを備え、複数のスリットによって複数のブロックに分割されており、各スリットの幅は、導波管の伝送信号の波長の１／８以下であり、各ブロックの幅は、導波管の伝送信号の波長の１／４以下であることを特徴としている。

本発明の変換器によれば、平面線路が形成された誘電体基板を、導波管と短絡導波管とで挟んで保持し、平面線路と導波管とを接続する変換器であって、短絡導波管が、平面線路の信号伝送方向に直交する方向を長辺とする矩形形状で、前記誘電体基板に対向する上面部と、前記上面部の一方の長辺に接続し前記平面線路が導入される挿入口を有する第１の長辺側フランジ部と、前記上面部の他方の長辺に接続する第２の長辺側フランジ部とを備えた略Ｕ字溝形状に形成されている変換器としているので、従来の箱型に比べて構成を簡略化し、設計及び製造のコストを低減でき、更にスプリアスを抑制し、使用帯域を広帯域化することができる効果がある。

また、本発明によれば、第１の長辺側フランジ部及び第２の長辺側フランジ部は、それぞれ平面線路の信号伝送方向に平行に形成された複数のスリットを備え、複数のスリットによって複数のブロックに分割されており、各スリットの幅は、導波管の伝送信号の波長の１／８以下であり、各ブロックの幅は、導波管の伝送信号の波長の１／４以下である上記変換器としているので、スプリアスを更に低減して、一層の広帯域化を図ることができる効果がある。

本発明の第１の実施の形態に係る変換器の構成図である。 第１の変換器の短絡導波管１２の構成を示す鳥瞰図である。 第１の変換器の変換特性を示す特性図である。 第１の変換器と従来の変換器の通過特性を比較した特性図である。 本発明の第２の実施の形態に係る変換器の構成図である。 第２の変換器における短絡導波管２２の構成を示す鳥瞰図である。 第２の変換器の変換特性を示す特性図である。 第２の変換器と従来の変換器の通過特性を比較した特性図である。 従来の変換器の構成図である。 従来の変換器における短絡導波管５２の鳥瞰図である。 従来の変換器の変換特性を示す特性図である。

本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
［実施の形態の概要］
本発明の実施の形態に係る変換器は、平面線路が形成された誘電体基板を、導波管と短絡導波管とで挟んで保持し、平面伝送路と導波管伝送路とを接続する変換器であって、短絡導波管が、誘電体基板に対向し、平面線路の信号伝送方向に直交する方向を長辺とする矩形の上面部と、上面部の一方の長辺に接続し、平面線路が導入される挿入口を有する第１の長辺側フランジ部と、上面部の他方の長辺に接続する第２の長辺側フランジ部とを備えた略Ｕ字溝形状としているものであり、短絡導波管の短辺側のフランジ部をなくして、箱型に比べて構成を簡略化して製造コスト及び設計コストを低減すると共に、スプリアスを抑制し、広帯域での使用を可能とすることができるものである。

また、本発明の実施の形態に係る変換器は、上記Ｕ字溝形状の短絡導波管の長辺側フランジ部に複数のスリットを備え、スリットによって長辺側フランジ部を複数のブロックに分割し、導波管の伝送信号の波長をλとすると、スリットの幅をλ／８以下とし、各ブロックの幅をλ／４以下としたものであり、スプリアスを更に抑制して、一層広帯域で用いることができ、特性を向上させることができるものである。

［第１の実施の形態：図１］
本発明の第１の実施の形態に係る変換器について図１を用いて説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係る変換器の構成図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）はｚ軸方向から見た図、（ｃ）はｘ軸方向から見た図、（ｄ）はｙ軸方向から見た図である。
図１（ａ）〜（ｄ）に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る変換器（第１の変換器）は、図９に示した従来の変換器と同様に、矩形の導波管１１と、短絡導波管１２と、誘電体基板１３とを備え、導波管１１と短絡導波管１２とで誘電体基板１３を挟むように配置されている。

誘電体基板１３の表面側（短絡導波管１２側）には、マイクロストリップ線路１４及びプローブ１５が形成されている。プローブ１５は、短絡導波管１２の伝送空間に突出している。また、誘電体基板１３には、従来と同様に、接地導体及び接地パターンが形成されている。
第１の変換器では、導波管１１及び誘電体基板１３の構成は従来と同様であるが、短絡導波管１２の構成が従来と異なっている。

［第１の変換器における短絡導波管１２の構成：図２］
第１の変換器における短絡導波管１２の構成について図２を用いて具体的に説明する。図２は、第１の変換器の短絡導波管１２の構成を示す鳥瞰図であり、（ａ）は誘電体基板１３の表面側から見た図、（ｂ）は誘電体基板１３の裏面側から見た図である。
図２（ａ）（ｂ）に示すように、第１の変換器の短絡導波管１２（第１の短絡導波管１２）は、第１の変換器の特徴部分であり、２つの長辺及び２つの短辺から成る矩形の上面部１２１と、上面部１２１の一方の長辺に接続する長辺側フランジ部１２２と、他方の長辺に接続する長辺側フランジ部１２３とを備えている。

上面部１２１の長辺は、信号の伝送方向に直交する方向に一致している。
そして、一方の長辺側フランジ部（ここでは長辺側フランジ部１２２）の中央部には、マイクロストリップ線路を導入する挿入口１２４が設けられている。
長辺側フランジ部１２２は、請求項に記載した第１の長辺側フランジ部に相当し、長辺側面部１２３は、第２の長辺側フランジ部に相当している。

第１の変換器は、基本モード（TE01）の変換器であるため、短絡導波管の短辺側の内壁は、本来不要である。
そこで、第１の変換器では、短絡導波管１２を、上面部１２１、長辺側フランジ部１２２、長辺側フランジ部１２３のみで構成し、上面部１２１の短辺側に接続するフランジ部を備えないものとしている。
これにより、第１の短絡導波管１２は、短辺側が開口した略Ｕ字溝形状に形成されている。
略Ｕ字溝形状とすることにより、第１の導波管では、従来の箱型の短絡導波管に比べて製造及び設計を容易にして製造コストを低減することができるものである。

［第１の変換器の変換特性：図３］
第１の変換器について変換特性のシミュレーションを行った結果を示す。
シミュレーションの条件は従来と同様であり、誘電体基板１３は比誘電率（er）が８．６、厚さ０．１mmとし、マイクロストリップ線路１４は、５０Ω（オーム）、導波管１１の寸法は、１．５５mm×３．１mmとしている。使用帯域は、６０GHz〜９０GHzとした。
短絡導波管１２の長辺側面部１２２，１２３の厚さは０．５mm、内壁高さ（側面部の内側の高さ）は０．５mmとしている。

第１の変換器の変換特性について図３を用いて説明する。図３は、第１の変換器の変換特性を示す特性図であり、（ａ）は変換特性、（ｂ）は通過特性を詳細に示したものである。尚、図３では、実線は通過特性、破線はリターンロスを示す。
図３に示すように、第１の変換器の変換特性は、図１１に示した従来の変換器の変換特性と遜色なく、輻射の少ない電磁波の閉じ込めができており、良好な特性が得られている。
また、長辺の長さにて起こる不要な共振も無くなっている。

［通過特性の比較（１）：図４］
図３（ｂ）に示した第１の変換器の通過特性と、図１１に示した従来の変換器の通過特性とを図４を用いて比較する。図４は、第１の変換器と従来の変換器の通過特性を比較した特性図である。
図４では、第１の変換器の通過特性を実線で示し、従来の変換器の通過特性を破線で示している。
図４に示すように、第１の変換器の通過特性では、６０〜７５GHzの帯域全体での使用が可能となり、従来よりも広帯域に対応できるものとなっている。

［第１の実施の形態の効果］
本発明の第１の実施の形態に係る変換器によれば、導波管１１と短絡導波管１２とでマイクロストリップ線路１４及びプローブ１５が形成された誘電体基板１３を挟んで保持し、平面伝送路と導波管伝送路とを接続する変換器であって、短絡導波管１２が、平面線路の信号の伝送方向に直交する方向を長辺とする矩形の上面部１２１と、上面部１２１の一方の長辺に接続し、マイクロストリップ線路１４が挿入される挿入口１２４を備えた長辺側フランジ部１２２と、上面部１２１の他方の長辺に接続する長辺側フランジ部１２３を備えた略Ｕ字溝形状として構成されているので、従来の箱型に比べて短絡導波管１２の構成を簡略化し、製造及び設計に要するコストを低減することができ、更に、スプリアスを抑制し、使用帯域を広帯域化できるという効果がある。

［第２の実施の形態：図５］
本発明の第２の実施の形態に係る変換器について図５を用いて説明する。図５は、本発明の第２の実施の形態に係る変換器の構成図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）はｚ軸方向から見た図、（ｃ）はｘ軸方向から見た図、（ｄ）はｙ軸方向から見た図である。
図５（ａ）〜（ｄ）に示すように、本発明の第２の実施の形態に係る変換器（第２の変換器）は、第１の変換器と同様に、導波管２１と、短絡導波管２２と、誘電体基板２３とを備えた構成である。
第２の変換器では、短絡導波管２２の構成が第１の変換器とは異なっており、第２の変換器の特徴部分となっている。

［第２の変換器における短絡導波管２２の構成：図６］
第２の変換器における短絡導波管２２の構成について図６を用いて具体的に説明する。図６は、第２の変換器における短絡導波管２２の構成を示す鳥瞰図であり、（ａ）は誘電体基板２３の表面側から見た図、（ｂ）は誘電体基板２３の裏面側から見た図である。
図６（ａ）（ｂ）に示すように、第２の変換器の短絡導波管２２は、基本的な構成部分としては、信号の伝送方向に直交する２つの長辺と、長辺に直交する２つの短辺を備えた矩形の上面部２２１と、上面部２２１の一方の長辺に接続する長辺側フランジ部２２２と、他方の長辺に接続する長辺側フランジ部２２３とを備え、第１の短絡導波管と同様に、これらの３つの部分のみから構成されている。

長辺側フランジ部２２２には、マイクロストリップライン１４が挿入される挿入口２２４が設けられている。
そして、第２の短絡導波管２２の特徴として、長辺側フランジ部２２２及び長辺側フランジ部２２３には、平面線路の信号の伝送方向と平行なスリット２２５が複数形成されており、それによって長辺側フランジ部２２２，２２３は複数のブロック２２５に分割されている。
このような形状とすることによって、スプリアスの低減を図るものである。

特に、第２の短絡導波管２２では、任意のスリット２２５の幅（ｄ1）を導波管の伝送信号の波長（λ）の１／８以下（ｄ1≦λ／８）とし、任意のブロック２２６の幅（ｄ2）を波長の１／４以下（ｄ2≦λ／４）としている。ここで「幅」とは、上面部２２１の長辺方向の長さとする。
図６の例では、ブロック２２６の幅は、場所によってそれぞれ異なっているが、いずれも波長の１／４以下に形成されている。
スリット２２５の寸法及びブロック２２６の寸法を限定することにより、スプリアスを効果的に低減できるものである。

また、スリット２２５及びブロック２２６の数は、それぞれの幅が上述した範囲内となり、最適な特性が得られるように決定される。
尚、ここでは長辺側フランジ部２２２，２２３の両方にスリット２２５及びブロック２２６を形成した構成を示したが、長辺側フランジ部２２２，２２３のいずれか一方のみにスリット２２５及びブロック２２６を形成してもよい。

［第２の変換器の変換特性：図７］
第２の変換器について変換特性のシミュレーション結果を図７に示す。図７は、第２の変換器の変換特性を示す特性図であり、（ａ）は変換特性、（ｂ）は通過特性を詳細に示したものである。図７では、実線は通過特性、破線はリターンロスを示す。
また、シミュレーションの条件は、図３,４に示した第１の変換器のシミュレーションと同じとしている。
図７（ａ）（ｂ）に示すように、第２の変換器の変換特性は良好であり、特に（ｂ）ではスプリアスが無いことがわかる。

［通過特性の比較（２）：図８］
図７（ｂ）に示した第２の変換器の通過特性と、図１１に示した従来の変換器の通過特性とを図８を用いて比較する。図８は、第２の変換器と従来の変換器の通過特性を比較した特性図である。図８では、第２の変換器の通過特性を実線で示し、従来の変換器の通過特性を破線で示している。
図８に示すように、第２の変換器の通過特性は、従来の通過特性と比較して、スプリアスが無く、広帯域に利用可能な特性が得られている。
更に、図３（ｂ）及び図４に示した第１の変換器の通過特性と比べても、第２の変換器スプリアスが抑圧され、一層良好な特性となっていることがわかる。

［第２の実施の形態の効果］
本発明の第２の実施の形態に係る変換器によれば、短絡導波管２２が、平面線路の信号の伝送方向に直交する方向を長辺とする矩形の上面部２２１と、上面部２２１の一方の長辺に接続し、マイクロストリップ線路１４が挿入される挿入口２２４を備えた長辺側フランジ部２２２と、上面部２２１の他方の長辺に接続する第２の長辺側フランジ部２２３のみから構成され、更に長辺側フランジ部２２２及び２２３は、複数のスリット２２５によって、複数のブロック２２６に分割されて形成されているので、スプリアスを抑制して、使用帯域を広帯域化することができる効果がある。

本発明は、スプリアスを抑制して使用帯域を広帯域化することができ、更に設計及び製造コストを低減できる変換器に適している。

１１，２１，５１...導波管、 １２，２２，５２...短絡導波管、 １３，２３，５３...誘電体基板、 １４，５４...マイクロストリップ線路、 １５，５５...プローブ、 １２１，２２１，５２１...上面部、 １２２，１２３，２２２，２２３，５２２，５２３...長辺側フランジ部、 １２４，２２４...挿入口、 ２２５...スリット、 ２２６...ブロック、 ５２４，５２５...短辺側フランジ部

Claims (6)

1. 平面線路が形成された誘電体基板を、導波管と短絡導波管とで挟んで保持し、前記平面線路と前記導波管とを接続する変換器であって、
   前記短絡導波管が、前記平面線路の信号伝送方向に直交する方向を長辺とする矩形形状で、前記誘電体基板に対向する上面部と、前記上面部の一方の長辺に接続し前記平面線路が導入される挿入口を有する第１の長辺側フランジ部と、前記上面部の他方の長辺に接続する第２の長辺側フランジ部とを備えた略Ｕ字溝形状に形成されていることを特徴とする変換器。
2. 第１の長辺側フランジ部は、平面線路の信号伝送方向に平行に形成された複数のスリットを備え、前記複数のスリットによって複数のブロックに分割されていることを特徴とする請求項１記載の変換器。
3. 第２の長辺側フランジ部は、平面線路の信号伝送方向に平行に形成された複数のスリットを備え、前記複数のスリットによって複数のブロックに分割されていることを特徴とする請求項１記載の変換器。
4. スリットの幅は、導波管の伝送信号の波長の１／８以下であることを特徴とする請求項２又は３記載の変換器。
5. ブロックの幅は、導波管の伝送信号の波長の１／４以下であることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか記載の変換器。
6. 第１の長辺側フランジ部及び第２の長辺側フランジ部は、それぞれ平面線路の信号伝送方向に平行に形成された複数のスリットを備え、前記複数のスリットによって複数のブロックに分割されており、
   前記各スリットの幅は、導波管の伝送信号の波長の１／８以下であり、
   前記各ブロックの幅は、前記導波管の伝送信号の波長の１／４以下であることを特徴とする請求項１記載の変換器。

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