JP2015088967A

JP2015088967A - テーパ形状設計装置および方法

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Publication number: JP2015088967A
Application number: JP2013226602A
Authority: JP
Inventors: 裕史濱田; Yasushi Hamada; 秀之野坂; Hideyuki Nosaka; 小杉　敏彦; Toshihiko Kosugi; 敏彦小杉
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2013-10-31
Filing date: 2013-10-31
Publication date: 2015-05-07
Anticipated expiration: 2033-10-31
Also published as: JP6133194B2

Abstract

【課題】テーパ線路のテーパ形状として、比較的短い線路長で高い結合特性を有するテーパ形状を算出する。【解決手段】演算処理部１６が、テーパ線路３０に対して、個別のテーパ傾きを有する線形テーパ形状をなすテーパ区間を、電磁波伝搬方向に沿って順に割り当てることにより、前記テーパ線路全体としてこれら線形テーパ形状が連結されてなる折線テーパ形状を構成し、これらテーパ区間ごとに、当該テーパ区間における特性インピーダンスの変化率が、一定の基準変化率以下となるテーパ形状を算出する。【選択図】図１

Description

本発明は、高周波伝送線路の設計技術に関し、特に特性インピーダンスの異なる２つの高周波伝送線路間を結合するテーパ線路のテーパ形状を設計するためのテーパ形状設計技術に関する。

高周波回路において、テーパ構造は、導波管・伝送線路間の変換カプラなどのインピーダンス変換部に用いられる基本構造である。テーパ部分は、電磁波伝搬方向に対して緩やかに導波路パラメータを変化させることにより、インピーダンスを緩やかに変化させることで、インピーダンス変換に伴う反射損失、放射損失を低減させる作用を持つ。

最も一般的に用いられるテーパ形状として、デバイスのあるパラメータ（例えば伝送線路の幅）を、伝搬方向に対して線形に変化させる、線形テーパが知られる。テーパ形状では、一般に、テーパの傾きが緩やかであるほどインピーダンス変換損失は低下するが、線路長が長くなり、デバイスサイズの増大につながる。

そのため、線形形状以外のテーパを用いる構成も知られている。例えば、放物線、フェルミ分布関数などの関数曲線などでテーパ形状を表現し、これらの関数に含まれるパラメータを調整することで、直線よりも短い線路長でインピーダンス変換を行う技術が存在する。非特許文献１では、導波管−コプレーナ線路変換カプラのテーパ形状として、ｃｏｓｉｎｅ関数が用いられている（例えば、非特許文献１など参照）。

Ville S. Mottonen, "Wideband Coplanar Waveguide-to-Rectangular Waveguide Transition Using Fin-Line Taper," IEEE Microwave and Wireless Components Letters, Vol. 15, No. 2, February 2005 G.C . Dalman, "A Simple mm-Wave Transition from Waveguide to Coplanar Waveguide," Microwave J., Vol. 35, No. 10, pp. 109-112, Oct. 1992 Hooman Tehrani, Ming-Yi Li, and Kai Chang, ‘Broadband Microstrip to Dielectric Image Line Transitions,' IEEE Microwave and Guided Wave Letters Vol. 10, No. 10, Oct. 2000

テーパ形状としては、伝搬方向に対して導波路パラメータを線形に変化させる、線形テーパがよく用いられるが、より短い線路長で良好な結合特性を得るために、曲線のテーパを用いる手法が存在する。しかしながら、これらの手法では、得られるインピーダンス変換器の特性は、最初に設定する関数に依存するため、与える関数によっては、線形テーパよりも特性が悪くなる場合も考えられる。また、テーパ形状を曲線で記述して機械的に最適化するのみであり、与える関数に関しては特に物理的な意味があるわけでもなかった。したがって、所望の特性が得られるまで、様々な関数を用いた最適化が必要となり、処理・作業負担が増大するという問題があった。

本発明はこのような課題を解決するためのものであり、テーパ線路のテーパ形状として、比較的短い線路長で高い結合特性を有するテーパ形状を算出できるテーパ形状設計技術を提供することを目的としている。

このような目的を達成するために、本発明にかかるテーパ形状設計装置は、特性インピーダンスの異なる２つの高周波伝送線路間を結合するテーパ線路で用いられるテーパ形状を示すテーパ形状データを算出して出力するテーパ形状設計装置であって、前記テーパ線路に対して、個別のテーパ傾きを有する線形テーパ形状をなすテーパ区間を、電磁波伝搬方向に沿って順に割り当てることにより、前記テーパ線路全体としてこれら線形テーパ形状が連結されてなる折線テーパ形状を構成し、これらテーパ区間ごとに、当該テーパ区間における特性インピーダンスの変化率が、一定の基準変化率以下となるテーパ形状を算出する演算処理部を備える。

また、本発明にかかる他のテーパ形状設計装置は、特性インピーダンスの異なる２つの高周波伝送線路間を結合するテーパ線路に対して、個別のテーパ傾きを有する線形テーパ形状をなすテーパ区間を、電磁波伝搬方向に沿って順に割り当てることにより、前記テーパ線路全体としてこれら線形テーパ形状が連結されてなる折線テーパ形状を示すテーパ形状データを算出して出力するテーパ形状設計装置であって、テーパ形状を設計するための設計パラメータを記憶する記憶部と、線路のギャップ幅と特性インピーダンスの変化率との関係を示す特性インピーダンス変化率特性を、テーパ傾きごとに記憶する特性インピーダンス変化率特性ＤＢと、前記テーパ線路のうちテーパ形状が確定していない未確定区間におけるギャップ幅の最大値を示すギャップ幅最大値と、当該未確定区間に適用するテーパ傾きとを特定する区間パラメータ特定部と、前記特性インピーダンス変化率特性ＤＢから前記テーパ傾きに対応する特性インピーダンス変化率特性を取得する区間変化率特性取得部と、前記特性インピーダンス変化率特性のうちから、特性インピーダンス変化率が前記設計パラメータで指定された基準変化率以下となるギャップ幅区間を選択し、当該ギャップ幅区間におけるギャップ幅最小値を選択する区間ギャップ幅選択部と、前記ギャップ幅最小値および前記ギャップ幅最大値と前記テーパ傾きとから、前記テーパ線路に対して新たに割り当てるテーパ区間の区間長を算出する区間長算出部と、前記テーパ線路に対して割り当てられた前記各テーパ区間に関する、前記ギャップ幅最小値、前記ギャップ幅最大値、前記区間長を、前記テーパ線路のテーパ形状データとして出力するテーパ形状出力部とを備える。

また、本発明にかかるテーパ形状設計方法は、特性インピーダンスの異なる２つの高周波伝送線路間を結合するテーパ線路で用いられるテーパ形状を示すテーパ形状データを算出して出力するテーパ形状設計装置で用いられるテーパ形状設計方法であって、演算処理部が、前記テーパ線路に対して、個別のテーパ傾きを有する線形テーパ形状をなすテーパ区間を、電磁波伝搬方向に沿って順に割り当てることにより、前記テーパ線路全体としてこれら線形テーパ形状が連結されてなる折線テーパ形状を構成し、これらテーパ区間ごとに、当該テーパ区間における特性インピーダンスの変化率が、一定の基準変化率以下となるテーパ形状を算出するステップを備える。

また、本発明にかかる他のテーパ形状設計方法は、特性インピーダンスの異なる２つの高周波伝送線路間を結合するテーパ線路に対して、個別のテーパ傾きを有する線形テーパ形状をなすテーパ区間を、電磁波伝搬方向に沿って順に割り当てることにより、前記テーパ線路全体としてこれら線形テーパ形状が連結されてなる折線テーパ形状を示すテーパ形状データを算出して出力するテーパ形状設計装置で用いられるテーパ形状設計方法であって、記憶部が、テーパ形状を設計するための設計パラメータを記憶する記憶ステップと、特性インピーダンス変化率特性ＤＢが、線路のギャップ幅と特性インピーダンスの変化率との関係を示す特性インピーダンス変化率特性を、テーパ傾きごとに記憶する記憶ステップと、区間パラメータ特定部が、前記テーパ線路のうちテーパ形状が確定していない未確定区間におけるギャップ幅の最大値を示すギャップ幅最大値と、当該未確定区間に適用するテーパ傾きとを特定する区間パラメータ特定ステップと、変化率特性取得部が、前記特性インピーダンス変化率特性ＤＢから前記テーパ傾きに対応する特性インピーダンス変化率特性を取得する変化率特性取得ステップと、区間ギャップ幅選択部が、前記特性インピーダンス変化率特性のうちから、特性インピーダンス変化率が前記設計パラメータで指定された基準変化率以下となるギャップ幅区間を選択し、当該ギャップ幅区間におけるギャップ幅最小値を選択する区間ギャップ幅選択ステップと、区間長算出部が、前記ギャップ幅最小値および前記ギャップ幅最大値と前記テーパ傾きとから、前記テーパ線路に対して新たに割り当てるテーパ区間の区間長を算出する区間長算出ステップと、テーパ形状出力部が、前記テーパ線路に対して割り当てられた前記各テーパ区間に関する、前記ギャップ幅最小値、前記ギャップ幅最大値、前記区間長を、前記テーパ線路のテーパ形状データとして出力するテーパ形状出力ステップとを備える。

本発明によれば、損失に応じた基準変化率を予め指定しておくことにより、テーパ線路全体において、一定の損失以下を満足する折線テーパ形状が算出される。したがって、テーパ線路のテーパ形状として、比較的短い線路長で高い結合特性を有するテーパ形状を得ることが可能となる。

第１の実施の形態にかかるテーパ形状設計装置の構成を示すブロック図である。伝送線路幅に対する特性インピーダンスの変化を示す説明図である。テーパ部分の階段状近似例を示す説明図である。設計対象となるテーパ線路を示す外観図である。図４の平面図である。図５のＷ−Ｗ断面図である。ギャップ幅に対する特性インピーダンスの変化を示すグラフである。ギャップ幅に対する特性インピーダンス変化率の変化を示す特性インピーダンス変化率特性のグラフである。曲線形状のテーパ線路を示す説明図である。線形テーパ形状を連結したテーパ線路の近似例を示す説明図である。テーパ形状設計処理を示すフローチャートである。本発明のカプラの導波管からスロット線路への結合特性を示すグラフである。本発明のカプラの導波管側から見た場合の反射特性を示すグラフである。従来カプラの導波管からスロット線路への結合特性を示すグラフである。従来カプラの導波管側から見た場合の反射特性を示すグラフである。第２の実施の形態にかかる導波管と誘電体導波路を結合させるカプラを示す説明図である。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
［第１の実施の形態］
まず、図１を参照して、本発明の第１の実施の形態にかかるテーパ形状設計装置１０について説明する。図１は、第１の実施の形態にかかるテーパ形状設計装置の構成を示すブロック図である。

このテーパ形状設計装置１０は、全体としてサーバ装置やパーソナルコンピュータなどの情報処理装置からなり、カプラなどのテーパ線路を設計者が設計する際に、テーパ線路のテーパ形状を設計支援する装置として用いられ、特性インピーダンスの異なる２つの高周波伝送線路間を結合するテーパ線路に対して、個別のテーパ傾きを有する線形テーパ形状をなすテーパ区間を、電磁波伝搬方向に沿って順に割り当てることにより、テーパ線路全体としてこれら線形テーパ形状が連結されてなる折線テーパ形状を示すテーパ形状データを算出して出力する機能を有している。

本発明は、特性インピーダンスの異なる２つの高周波伝送線路間を結合するテーパ線路において、伝送線路幅が徐々に変化するテーパ部におけるインピーダンス変化率が小さくなるような形状をテーパに与えることで、テーパ部でのインピーダンス変換に伴う反射損失・放射損失を低減することを原理とする。

具体的な本発明によるテーパ形状の設計手法は次の通りである。
まず、テーパ部分で変化させるパラメータを決定する。例えば、伝送線路の幅を、伝搬方向に対して徐々に変化させる場合を考える。このとき、伝搬する電磁波のモードが持つ特性インピーダンスは伝搬方向に対して変化する。このとき、一般には、伝送線路幅に対して特性インピーダンスは線形に変化せず、曲線状に変化する。図２は、伝送線路幅に対する特性インピーダンスの変化を示す説明図である。

この際、テーパ部分は、近似的には幅が異なる線路長よりも十分短い線路を階段状に従属接続したものであると考えられる。図３は、テーパ部分の階段状近似例を示す説明図である。したがって、テーパ部分で特性インピーダンス変化が大きな個所では、特性インピーダンスが異なる線路を従属接続した場合と同様に電磁波の反射が生じ、テーパ部分での損失の原因となる。

本発明は、このような観点から、できるだけテーパ内部での反射を抑えるためには、特性インピーダンス変化が大きな個所ではテーパ傾きを緩やかにして、逆に、特性インピーダンスがほとんど変化しない個所では、テーパの傾きを急峻にすることにより、最も効率的なインピーダンス変換が得られ、より短い線路長で低反射損失な特性が得られることに着目したものである。
そして、具体的には、テーパ形状設計装置の演算処理部により、特性インピーダンスの異なる２つの高周波伝送線路間を結合するテーパ線路に、当該テーパ線路の電磁波伝搬方向に沿って複数のテーパ区間を割り当て、これらテーパ区間のうちからテーパ線路のギャップ幅が大きい順に選択した選択テーパ区間ごとにテーパ形状を示すテーパ形状データを算出して出力するようにしたものである。

図４は、設計対象となるテーパ線路を示す外観図である。図５は、図４の平面図である。図６は、図５のＷ−Ｗ断面図である。
本実施の形態では、図４−図６に示すように、特性インピーダンスの異なる２つの高周波伝送線路、ここでは、導波管２１とスロット線路２２の間を結合するためのカプラ（フィンラインカプラ）２０に適用した場合を例として説明する。なお、スロット線路２２に代えて、マイクロストリップ線路、コプレーナ線路、コプレーナストリップ線路等、他の高周波伝送線路にも適用可能である。

カプラ２０は、導体板３１とスロット部３２とからなり、スロット部３２のギャップ幅が電磁波伝搬方向に沿って徐々に小さくなる、いわゆるフィンライン形状のテーパ線路３０により、導波管２１を伝搬するＴＥモードを、スロット線路２２を伝搬するスロットモードへと変換するものである。
本実施の形態では、一例としてＦ帯（９０−１４０ＧＨｚ）用の導波管２１を用いて計算を行う。導波管２１の断面サイズは、長辺（厚さ）が２０３２μｍ，短辺（幅）が１０１６μｍとなっている。スロット線路２２は、ギャップ幅３０μｍのものとし、導波管２１側から見た時に、電磁波伝搬方向に対してスロット部３２のギャップ幅が導波管幅１０１６μｍから３０μｍまでテーパを介して変化する構造であるものとする。

本発明は、テーパ線路を伝搬するモードの特性インピーダンスの変化が少なくなるようなテーパ形状を与えることを特徴とするものである。
カプラ２０のテーパ線路３０で変化するパラメータはスロット部３２のギャップ幅Ｇである。ギャップ幅Ｇを変化させた場合のテーパ線路各断面における特性インピーダンスＺをシミュレーションで計算すると、ギャップ幅Ｇが大きくなるにしたがって特性インピーダンスＺが単調増加する特性が得られる。図７は、ギャップ幅に対する特性インピーダンスの変化を示すグラフである。

図７の計算結果をさらにギャップ幅Ｇで微分すると、ギャップ幅Ｇに対する特性インピーダンスの変化率ｄＺ／ｄＧの特性が得られる。図８は、ギャップ幅に対する特性インピーダンス変化率の変化を示す特性インピーダンス変化率特性のグラフである。

この図８よれば、ギャップ幅Ｇが小さくなるにしたがって特性インピーダンス変化率が指数関数的に増加していることがわかる。例えば、ギャップ幅Ｇが２００μｍより大きい範囲では、特性インピーダンスの変化率は０．２以下の小さな値を取るが、ギャップ幅Ｇが３０〜２００μｍの範囲では、特性インピーダンスの変化率が０．２〜１程度と大きくなる。インピーダンス変換に伴う損失は、この特性インピーダンスの変化率に依存しており、変化率をある程度緩やかにすることにより、インピーダンス変換に伴う損失を小さくすることができる。

したがって、図８によれば、テーパ線路３０のテーパ部３２に線形なテーパを用いて低損失なインピーダンス変換を得るには、ギャップ幅Ｇが３０〜２００μｍのテーパ区間に対してインピーダンス変化が十分に緩やかとなるようにテーパ傾きを緩やかにする必要があることがわかる。

このとき、ギャップ幅Ｇが２００μｍより大きな値をとるテーパ区間に対しては不必要にテーパ傾きを緩やかにとっていることになり、結果としてテーパ線路３０全体の線路長が大きくなってしまう。従来の線形テーパが一般には最適なテーパ形状でない理由はこの点にある。したがって、ギャップ幅Ｇに応じたテーパ傾きを用いることにより、テーパ線路３０全体の線路長を短くできることがわかる。

本発明は、この特性インピーダンスに基準変化率を設け、テーパ線路の電磁波伝搬方向に沿って割り当てた各テーパ区間における特性インピーダンス変化率が基準変化率以下となるよう、各テーパ区間のテーパ形状を設計するようにしたものである。
したがって、例えば、特性インピーダンスｄＺ／ｄＧの基準変化率Ｐｓｔ＝０．２［Ω／ｍ］とした場合になるようにテーパ上の各点の傾きを決定することで、テーパ曲線を設計することができる。

図９は、曲線形状のテーパ線路を示す説明図である。図９のように、スロット線路２２とテーパ線路３０の境界を原点として電磁波伝搬方向に伝搬距離Ｌを取り、ギャップ幅ＧをＬの関数として表現した理想的なテーパ曲線式は、次の式（１）で表される。
Ｇ＝Ｘ（Ｌ） …（１）
また、図７に示した、特性インピーダンスのギャップ幅依存性を表す式は、次の式（２）で表される。
Ｚ＝Γ（Ｇ） …（２）
したがって、次の式（３）に示す束縛条件を満たすようなＸ（Ｌ）を求めればよいことになる。
ｄＺ／ｄＧ（＝Ｐ）≦Ｐｔｈ …（３）

本発明は、より簡易で実践的な実現手法としては、一定の傾きを有する線形テーパ形状を持つテーパ区間をいくつか組み合わせることにより、折線テーパ形状で上記のアルゴリズムから得られる曲線式を近似するようにしたものである。

図１０は、線形テーパ形状を連結したテーパ線路の近似例を示す説明図である。ここでは、例えば、図８に示したように、特性インピーダンスＺの変化率が基準変化率Ｐｔｈとなるギャップ幅Ｇ＝２００μｍに着目し、このＧ＝２００μｍとなる伝搬距離Ｌ１の位置を境界として、Ｇ≧２００μｍのテーパ区間Ａにおけるテーパ傾きに比較して、より緩やかな傾きがＧ＜２００μｍのテーパ区間Ｂに採用されている。

すなわち、変化率が大きく変化するギャップ幅Ｇが３０〜２００μｍのテーパ区間Ｂを緩やかな線形テーパとし、ギャップ幅Ｇが２００μｍ以上のテーパ区間Ａに関してはこれよりも急な傾きを持つ線形テーパとすることにより、折線テーパ形状が得られる。

図１０の設計例では、ギャップ幅Ｇが導波管幅である１０１６μｍから２００μｍまでの区間Ａの長さが２０００μｍとなり、ギャップ幅Ｇが２００μｍから３０μｍまでの区間Ｂの長さが１０００μｍとなり、折線テーパ全体の長さが３０００μｍとなった。結果として、区間Ａのテーパ傾きは区間Ｂのテーパ傾きの約２．５倍分だけ急峻となった。

［テーパ形状設計装置］
次に、図１に示した本実施の形態にかかるテーパ形状設計装置１０について詳細に説明する。
本実施の形態にかかるテーパ形状設計装置１０には、主な機能部として、通信Ｉ／Ｆ部１１、操作入力部１２、画面表示部１３、インピーダンス変化率特性ＤＢ１４、記憶部１５、および演算処理部１６が設けられている。

通信Ｉ／Ｆ部１１は、通信回線を介して接続された外部装置（図示せず）とデータ通信を行うことにより、テーパ形状の設計に用いる設計パラメータや、設計結果であるテーパ形状データをやり取りする機能を有している。
操作入力部１２は、キーボード、マウス、タッチパネルなどの操作入力装置からなり、オペレータの操作を検出して演算処理部１６へ出力する機能を有している。

画面表示部１３は、ＬＣＤなどの画面表示装置からなり、演算処理部１６から出力された操作メニュー画面、設計パラメータ入力画面、設計結果出力画面などの各種画面データを画面表示する機能を有している。
インピーダンス変化率特性ＤＢ１４は、線路のギャップ幅と特性インピーダンスの変化率との関係を示す特性インピーダンス変化率特性を、テーパ傾きごとに記憶するデータベースである。

記憶部１５は、ハードディスクや半導体メモリなどの記憶装置からなり、演算処理部１６でのテーパ設計処理に用いる各種処理情報やプログラム１５Ｐを記憶する機能を有している。
プログラム１５Ｐは、演算処理部１６のＣＰＵにより読み出されて実行されることにより、テーパ設計に用いる各種処理部を実現するプログラムであり、通信Ｉ／Ｆ部１１を介して外部装置や記録媒体（共に図示せず）から読み出されて記憶部１５に格納される。

記憶部１５で記憶する主な処理情報として、設計パラメータ１５Ａとテーパ形状データ１５Ｂがある。
設計パラメータ１５Ａは、テーパ形状の設計に用いるパラメータであり、導波管２１やスロット線路２２のギャップ幅（伝送線路幅）、特性インピーダンスの基準変化率Ｐｔｈ、信号周波数ｆｒｅｑなどがある。
テーパ形状データ１５Ｂは、各テーパ区間に関する、ギャップ幅最小値、ギャップ幅最大値、区間長、テーパ傾きなどの形状パラメータからなり、演算処理部１６で算出されて記憶部１５に保存される。

演算処理部１６は、ＣＰＵおよびその周辺回路を有し、記憶部１５からプログラム１５Ｐを読み出して実行することにより、テーパ設計に用いる各種処理部を実現する機能を有している。
演算処理部１６で実現される主な処理部として、設計パラメータ取得部１６Ａ、区間パラメータ特定部１６Ｂ、区間変化率特性取得部１６Ｃ、区間ギャップ幅選択部１６Ｄ、区間長算出部１６Ｅ、およびテーパ形状出力部１６Ｆがある。

設計パラメータ取得部１６Ａは、操作入力部１２で検出されたオペレータ操作または通信Ｉ／Ｆ部１１で受信したデータに基づいて、テーパ形状を設計するための設計パラメータ１５Ａを取得し、記憶部１５へ保存する機能を有している。

区間パラメータ特定部１６Ｂは、テーパ線路３０のうち、テーパ形状が確定していない未確定区間を、電磁波伝搬方向に沿ってスロット線路２２との境界まで選択する機能と、この未確定区間におけるギャップ幅最大値Ｇｍａｘを特定する機能と、操作入力部１２で検出されたオペレータ操作に基づいて、未確定区間に適用するテーパ傾きＲを特定する機能を有している。

区間変化率特性取得部１６Ｃは、特性インピーダンス変化率特性ＤＢ１４から、区間パラメータ特定部１６Ｂで特定されたテーパ傾きＲと、設定パラメータ１４Ａの信号周波数ｆｒｅｑとに対応する特性インピーダンス変化率特性を取得する機能を有している。

区間ギャップ幅選択部１６Ｄは、区間変化率特性取得部１６Ｃで取得した特性インピーダンス変化率特性のうちから、特性インピーダンス変化率Ｐが設計パラメータ１５Ａで指定された基準変化率Ｐｔｈ以下となるギャップ幅Ｇのギャップ幅範囲を選択する機能と、当該ギャップ幅範囲からギャップ幅Ｇの最小値をギャップ幅最小値Ｇｍｉｎとして選択する機能とを有している。

区間長算出部１６Ｅは、未確定区間に対応するギャップ幅最小値Ｇｍｉｎおよびギャップ幅最大値Ｇｍａｘとテーパ傾きＲとに基づいて、これらテーパ形状が適用される区間長Ｌを算出する機能と、未確定区間のうち、ギャップ幅Ｇの広いほうからこの区間長Ｌ分を新たなテーパ区間として確定する機能とを有している。

テーパ形状出力部１６Ｆは、テーパ線路３０に対して割り当てた各テーパ区間に関する、ギャップ幅最小値、ギャップ幅最大値、区間長、テーパ傾きなどの形状パラメータを、当該テーパ線路３０のテーパ形状データ１５Ｂとして、記憶部１５や画面表示部１３に出力する機能を有している。

［第１の実施の形態の動作］
次に、図１１を参照して、本実施の形態にかかるテーパ形状設計装置１０の動作について説明する。図１１は、テーパ形状設計処理を示すフローチャートである。
テーパ形状設計装置１０の演算処理部１６は、操作入力部１２で検出されたオペレータ操作に応じて、図１１のテーパ設計処理を実行する。ここでは、テーパ線路３０のうち、電磁波伝搬方向に沿ってギャップ幅の広い導波管２１との境界端から、ギャップ幅の狭いスロット線路２２との境界端に向けて、順にテーパ形状を確定していくものとする。

まず、操作入力部１２で検出されたオペレータ操作または通信Ｉ／Ｆ部１１で受信したデータに基づいて、テーパ形状を設計するための設計パラメータ１５Ａを取得し、記憶部１５へ保存する（ステップ１００）。

続いて、区間パラメータ特定部１６Ｂは、テーパ線路３０のうち、テーパ形状が確定していない未確定区間を、電磁波伝搬方向に沿ってスロット線路２２との境界まで選択し（ステップ１０１）、未確定区間のギャップ幅最大値Ｇｍａｘを特定するとともに（ステップ１０２）操作入力部１２で検出されたオペレータ操作に基づいて、未確定区間に適用するテーパ傾きＲを特定する（ステップ１０３）。

テーパ形状設計処理の開始状態においては、導波管２１との境界端からスロット線路２２との境界端までのすべての区間が未確定区間となり、導波路２１の伝送線路幅がＧｍａｘとして選択される。また、テーパ形状が確定した確定区間が存在する場合には、確定区間の終端からスロット線路２２との境界端までのすべての区間が未確定区間となり、確定区間の終端における区間ギャップ幅最小値ＧｍｉｎがＧｍａｘとして選択される。なお、テーパ傾きＲについては、ギャップ幅の広い方から徐々に緩やかになる傾向があるため、設計パラメータ１５Ａで設定した初期値から一定の割合で徐々に緩やかになるよう、自動選択するようにしてもよく、これにより操作入力を省くことができる。

次に、区間変化率特性取得部１６Ｃは、特性インピーダンス変化率特性ＤＢ１４から、区間パラメータ特定部１６Ｂで特定されたテーパ傾きＲに対応する特性インピーダンス変化率特性を取得する（ステップ１０４）。

この後、区間ギャップ幅選択部１６Ｄは、区間変化率特性取得部１６Ｃで取得した特性インピーダンス変化率特性のうちから、特性インピーダンス変化率Ｐが設計パラメータ１５Ａで指定された基準変化率Ｐｔｈ以下となるギャップ幅Ｇのギャップ幅範囲を選択する（ステップ１０５）。

ここで、入力されたテーパ傾きＲが適切ではなく、Ｐ≦Ｐｔｈとなるギャップ幅範囲を選択できなかった場合（ステップ１０６：ＮＯ）、ステップ１０３に戻って、操作入力部１２で検出されたオペレータ操作に基づいて、新たなテーパ傾きＲを再度特定する。この際、テーパ傾きＲが大きいほど特性インピーダンスの変化率が大きくなる傾向があるため、新たなテーパ傾きＲとして、前回用いたテーパ傾きより緩やかな傾きを入力する必要がある。

一方、Ｐ≦Ｐｔｈとなるギャップ幅範囲を選択できた場合（ステップ１０６：ＹＥＳ）、区間ギャップ幅選択部１６Ｄは、当該ギャップ幅範囲からギャップ幅Ｇの最小値をギャップ幅最小値Ｇｍｉｎとして選択する（ステップ１０７）。

続いて、区間長算出部１６Ｅは、ギャップ幅最小値Ｇｍｉｎおよびギャップ幅最大値Ｇｍａｘとテーパ傾きＲとに基づいて、これらテーパ形状が適用される区間長Ｌを算出し（ステップ１０８）、未確定区間のうち、ギャップ幅の広いほうからこの区間長Ｌ分を新たなテーパ区間として確定する（ステップ１０９）。

この後、区間長算出部１６Ｅは、新たなテーパ区間の確定により、テーパ線路３０の全てが確定されたかどうか確認し、未確定区間がまだ存在する場合には（ステップ１１０：ＮＯ）、ステップ１０１戻る。
一方、未確定区間が存在しない場合（ステップ１１０：ＹＥＳ）、テーパ形状出力部１６Ｆは、確定した各テーパ区間に関する、ギャップ幅最小値Ｇｍｉｎ、ギャップ幅最大値Ｇｍａｘ、および区間長Ｌを、テーパ線路３０のテーパ形状データ１５Ｂとして、記憶部１５や画面表示部１２へ出力し（ステップ１１１）、一連のテーパ形状設計処理を終了する。

したがって、例えば、前述した図１０の例では、まず、テーパ線路３０のうち区間Ａ，Ｂの両方が未確定区間として選択され、オペレータに指定されたテーパ傾きＲＡに基づき、図６に示すような特性インピーダンス変化率特性が特性インピーダンス変化率特性ＤＢ１４から取得され、この特性インピーダンス変化率特性のうち、特性インピーダンス変化率Ｐが基準変化率Ｐｔｈ以下となるギャップ幅範囲からギャップ幅最小値Ｇｍｉｎとして２００μｍが選択され、テーパ線路３０のうちギャップ幅ＧがＧｍｉｎとなるまでの区間Ａが新たなテーパ区間として確定される。

次に、テーパ線路３０のうち残りの区間Ｂが未確定区間として選択され、オペレータに指定されたテーパ傾きＲＢに基づき、図６とは異なる特性インピーダンス変化率特性が特性インピーダンス変化率特性ＤＢ１４から取得され、この特性インピーダンス変化率特性のうち、特性インピーダンス変化率Ｐが基準変化率Ｐｔｈ以下となるギャップ幅範囲からギャップ幅最小値Ｇｍｉｎとして３０μｍが選択され、テーパ線路３０のうちギャップ幅ＧがＧｍｉｎとなるまでの区間Ｂが新たなテーパ区間として確定される。

［第１の実施の形態の効果］
このように、本実施の形態は、テーパ線路３０に対して、個別のテーパ傾きを有する線形テーパ形状をなすテーパ区間を、電磁波伝搬方向に沿って順に割り当てることにより、テーパ線路３０全体としてこれら線形テーパ形状が連結されてなる折線テーパ形状を構成し、これらテーパ区間ごとに、当該テーパ区間における特性インピーダンスの変化率が、一定の基準変化率以下となるテーパ形状を算出するようにしたものである。

したがって、テーパ線路３０のうち、電磁波伝搬方向に沿ってギャップ幅の広い導波管２１との境界端から、ギャップ幅の狭いスロット線路２２との境界端に向けて、指定されたテーパ傾きＲにおいて、基準変化率Ｐｔｈ以下の特性インピーダンス変化率Ｐが保証されるテーパ区間が順に確保されることになる。

この際、インピーダンス変換に伴う損失は、テーパ線路３０の特性インピーダンス変化率に依存している。このため、損失に応じた基準変化率を予め指定しておくことにより、テーパ線路３０全体において、一定の損失以下を満足する折線テーパ形状を算出することができる。したがって、テーパ線路３０のテーパ形状として、比較的短い線路長で高い結合特性を有するテーパ形状を得ることが可能となる。

［第１の実施の形態の解析例］
次に、図１２〜図１５を参照して、本実施の形態を適用して設計したテーパ線路３０についての解析例について説明する。
本解析では、前述の図１０に示したテーパ線路３０の近似例に基づいて、テーパ線路３０を用いたカプラ２０のインピーダンス変換に伴う損失の周波数特性について解析を行った。ここでは、ギャップ幅Ｇが導波管幅である１０１６μｍから２００μｍまでの区間Ａの長さを２０００μｍとし、ギャップ幅Ｇが２００μｍから３０μｍまでの区間Ｂの長さを１０００μｍとし、折線テーパ全体の長さを３０００μｍとした。また、区間Ａのテーパ傾きは区間Ｂのテーパ傾きの約２．５倍分だけ急峻とした。

図１２は、本発明のカプラの導波管からスロット線路への結合特性を示すグラフである。Ｆバンド内において、結合損失は最大でも０．２ｄＢ程度に収まっていることが分かる。また、図１３は、本発明のカプラの導波管側から見た場合の反射特性を示すグラフである。Ｆバンド内において、反射損失は１５ｄＢ以上確保できていることが分かる。

従来の線形テーパ形状を用いたカプラの解析結果について、テーパ線路長Ｌｔをパラメータとして、本発明のカプラの解析結果と比較する。図１４は、従来カプラの導波管からスロット線路への結合特性を示すグラフである。図１５は、従来カプラの導波管側から見た場合の反射特性を示すグラフである。

図１４に示されているように、従来の線形テーパ形状を用いた場合、図１２に示した本発明の結合損失と同程度の特性を得るためには、５０００μｍものテーパ線路長Ｌｔが必要となることが分かる。同様に、本発明と同程度の反射特性を得るためには、図１５より、５０００μｍものテーパ線路長Ｌｔが必要であることがわかる。

このように、従来の線形テーパ形状を用いる場合、良好な結合特性を得るためにはテーパ線路長を大きくとる必要があることがわかる。テーパ線路長の増大は、カプラサイズの増大、すなわちモジュールサイズの増大を引き起こす。また、実際にはテーパを構成する導体は有限の導電率を持つため、テーパ線路長を大きくすると、テーパ部分での導体損失が大きくなり、結果として良好な結合特性は得られない場合が多い。

本発明によれば、特性インピーダンスの変化が大きい区間のみ緩やかなテーパ傾きが用いられるため、テーパ線路のテーパ形状として、比較的短い線路長で高い結合特性を得ることができるため、前述した２つの課題を同時に解決することができる。

また、本実施の形態では、導波管−スロット線路変換カプラについて、ギャップ幅を変数とした場合を例に説明したが、本発明の手法は、テーパ部分で変化させるパラメータがギャップ幅以外のパラメータであっても適用可能である。例えば、導波管から、マイクロストリップ線路またはコプレーナ線路に接続するためのカプラとして、リッジを用いたカプラ（非特許文献２）が知られているが、この場合はリッジ高さがテーパ部分で変化するため、テーパ部分で変化させるパラメータをギャップ幅からリッジ高さに置き換えれば、まったく同様の議論が成り立ち、同様にテーパでの結合特性を向上させることができる。

［第２の実施の形態］
次に、図１６を参照して、本発明の第２の実施の形態にかかるテーパ形状設計装置１０について説明する。図１６は、第２の実施の形態にかかる導波管と誘電体導波路を結合させるカプラを示す説明図である。
本実施の形態では、導波管と誘電体導波路を結合させるためのカプラに適用する場合について説明する。

誘電体導波路は、１００ＧＨｚを超える周波数帯では金属線路よりも低損失であるため、チップ間やボード間のインタコネクション等に有望視されている。しかしながら、トランジスタ、ダイオード等のアクティブデバイス周辺では、マイクロストリップ線路、コプレーナ線路等の金属伝送線路が用いられるため、誘電体線路と金属伝送線路との間にカプラが必要であり、また、誘電体線路と導波管との間にもカプラが必要となる。このようなカプラにおいて、特性インピーダンスを緩やかに変化させるためにテーパ形状を用いることは非常に多く、ここでも本発明を適用することが可能となる。

本実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、誘電体導波路の、テーパ伝搬方向に対して変化させるパラメータ、ここでは誘電体導波路の伝送線路幅を選び、パラメータが変化する場合の、伝搬モードの特性インピーダンスの変化を解析し、特性インピーダンスの変化率が常に一定となるテーパ形状を与えることにより、透過損失の少ないテーパを形成することができる。

この場合においても、変化させるパラメータは、誘電体導波路高さ、誘電体導波路材料の屈折率等、他のパラメータであってもよい。また、誘電体導波路高さ、幅等、複数のパラメータを変化させてもよい。また、導波管側をテーパ形状にしてもよい。
また、誘電体導波路と、金属伝送線路のカプラに関しては、非特許文献３で述べられているような、テーパ線路を用いたカプラが存在する。非特許文献３では、線形なテーパが用いられており、テーパ形状に関しては特に言及されていないが、本発明のカプラのテーパ部分の形状にも、本発明の設計手法を適用することができる。

［実施の形態の拡張］
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。また、各実施形態については、矛盾しない範囲で任意に組み合わせて実施することができる。

１０…テーパ形状設計装置、１１…通信Ｉ／Ｆ部、１２…操作入力部、１３…画面表示部、１４…特性インピーダンス変化率特性ＤＢ、１５…記憶部、１５Ａ…設計パラメータ、１５Ｂ…テーパ形状データ、１６…演算処理部、１６Ａ…設計パラメータ取得部、１６Ｂ…区間パラメータ特定部、１６Ｃ…区間変化率特性取得部、１６Ｄ…区間ギャップ幅選択部、１６Ｅ…区間長算出部、１６Ｆ…テーパ形状出力部、２０…カプラ、２１…導波管、２２…スロット線路、３０…テーパ線路、３１…導体板、３２…スロット部。

Claims

特性インピーダンスの異なる２つの高周波伝送線路間を結合するテーパ線路で用いられるテーパ形状を示すテーパ形状データを算出して出力するテーパ形状設計装置であって、
前記テーパ線路に対して、個別のテーパ傾きを有する線形テーパ形状をなすテーパ区間を、電磁波伝搬方向に沿って順に割り当てることにより、前記テーパ線路全体としてこれら線形テーパ形状が連結されてなる折線テーパ形状を構成し、これらテーパ区間ごとに、当該テーパ区間における特性インピーダンスの変化率が、一定の基準変化率以下となるテーパ形状を算出する演算処理部を備えることを特徴とするテーパ形状設計装置。
特性インピーダンスの異なる２つの高周波伝送線路間を結合するテーパ線路に対して、個別のテーパ傾きを有する線形テーパ形状をなすテーパ区間を、電磁波伝搬方向に沿って順に割り当てることにより、前記テーパ線路全体としてこれら線形テーパ形状が連結されてなる折線テーパ形状を示すテーパ形状データを算出して出力するテーパ形状設計装置であって、
テーパ形状を設計するための設計パラメータを記憶する記憶部と、
線路のギャップ幅と特性インピーダンスの変化率との関係を示す特性インピーダンス変化率特性を、テーパ傾きごとに記憶する特性インピーダンス変化率特性ＤＢと、
前記テーパ線路のうちテーパ形状が確定していない未確定区間におけるギャップ幅の最大値を示すギャップ幅最大値と、当該未確定区間に適用するテーパ傾きとを特定する区間パラメータ特定部と、
前記特性インピーダンス変化率特性ＤＢから前記テーパ傾きに対応する特性インピーダンス変化率特性を取得する区間変化率特性取得部と、
前記特性インピーダンス変化率特性のうちから、特性インピーダンス変化率が前記設計パラメータで指定された基準変化率以下となるギャップ幅区間を選択し、当該ギャップ幅区間におけるギャップ幅最小値を選択する区間ギャップ幅選択部と、
前記ギャップ幅最小値および前記ギャップ幅最大値と前記テーパ傾きとから、前記テーパ線路に対して新たに割り当てるテーパ区間の区間長を算出する区間長算出部と、
前記テーパ線路に対して割り当てられた前記各テーパ区間に関する、前記ギャップ幅最小値、前記ギャップ幅最大値、前記区間長を、前記テーパ線路のテーパ形状データとして出力するテーパ形状出力部と
を備えることを特徴とするテーパ形状設計装置。
特性インピーダンスの異なる２つの高周波伝送線路間を結合するテーパ線路で用いられるテーパ形状を示すテーパ形状データを算出して出力するテーパ形状設計装置で用いられるテーパ形状設計方法であって、
演算処理部が、前記テーパ線路に対して、個別のテーパ傾きを有する線形テーパ形状をなすテーパ区間を、電磁波伝搬方向に沿って順に割り当てることにより、前記テーパ線路全体としてこれら線形テーパ形状が連結されてなる折線テーパ形状を構成し、これらテーパ区間ごとに、当該テーパ区間における特性インピーダンスの変化率が、一定の基準変化率以下となるテーパ形状を算出するステップを備えることを特徴とするテーパ形状設計方法。
特性インピーダンスの異なる２つの高周波伝送線路間を結合するテーパ線路に対して、個別のテーパ傾きを有する線形テーパ形状をなすテーパ区間を、電磁波伝搬方向に沿って順に割り当てることにより、前記テーパ線路全体としてこれら線形テーパ形状が連結されてなる折線テーパ形状を示すテーパ形状データを算出して出力するテーパ形状設計装置で用いられるテーパ形状設計方法であって、
記憶部が、テーパ形状を設計するための設計パラメータを記憶する記憶ステップと、
特性インピーダンス変化率特性ＤＢが、線路のギャップ幅と特性インピーダンスの変化率との関係を示す特性インピーダンス変化率特性を、テーパ傾きごとに記憶する記憶ステップと、
区間パラメータ特定部が、前記テーパ線路のうちテーパ形状が確定していない未確定区間におけるギャップ幅の最大値を示すギャップ幅最大値と、当該未確定区間に適用するテーパ傾きとを特定する区間パラメータ特定ステップと、
変化率特性取得部が、前記特性インピーダンス変化率特性ＤＢから前記テーパ傾きに対応する特性インピーダンス変化率特性を取得する変化率特性取得ステップと、
区間ギャップ幅選択部が、前記特性インピーダンス変化率特性のうちから、特性インピーダンス変化率が前記設計パラメータで指定された基準変化率以下となるギャップ幅区間を選択し、当該ギャップ幅区間におけるギャップ幅最小値を選択する区間ギャップ幅選択ステップと、
区間長算出部が、前記ギャップ幅最小値および前記ギャップ幅最大値と前記テーパ傾きとから、前記テーパ線路に対して新たに割り当てるテーパ区間の区間長を算出する区間長算出ステップと、
テーパ形状出力部が、前記テーパ線路に対して割り当てられた前記各テーパ区間に関する、前記ギャップ幅最小値、前記ギャップ幅最大値、前記区間長を、前記テーパ線路のテーパ形状データとして出力するテーパ形状出力ステップと
を備えることを特徴とするテーパ形状設計方法。