JP2016092551A - ミリ波帯伝送路変換構造 - Google Patents

Abstract

【課題】製造が容易で、小型に構成でき、特性のばらつきが生じにくいミリ波帯伝送路変換構造を提供する。
【解決手段】誘電体３３が導波路３１に充填された導波管構造を用い、その導波路３１の一端側とマイクロストリップ線路１０との間、および導波路３１の他端側と導波管２０との間で、ミリ波帯の電磁波を伝搬させる構造とし、導波路３１の長さが所望伝搬周波数の管内波長の１／４となり、且つ、導波路３１のインピーダンスＺｘが、マイクロストリップ線路１０のインピーダンスＺ１と導波管２０のインピーダンスＺ２に対してＺｘ＝√（Ｚ１×Ｚ２）となるように、導波路３１の口径、誘電体３３の比誘電率を設定している。
【選択図】図１

Description

本発明は、ミリ波帯の信号を、マイクロストリップ線路と導波管との間で効率的に伝搬させるための伝送路変換構造に関する。

ミリ波帯のように周波数が高い信号の測定を行なう測定器では、ミリ波帯において損失が小さい導波管を入出力の伝送路として用いる場合が多く、このような測定器において、ＩＣ（集積回路）の特性評価を行なう場合、試験対象のＩＣをマウントするプリント基板に形成したストリップ線路（マイクロストリップ線路やコプレーナ線路）と測定器側の導波管との間を接続する必要があるが、ストリップ線路のインピーダンスは、一般的に５０〜１００Ω程度であるのに対し、導波管のインピーダンスは数百Ωに達するため、インピーダンスマッチングを取るのが容易ではない。

これを解決する技術としては、特許文献１のように、リッジ導波管の結合リッジ部をマイクロストリップラインと接触させる方法や、特許文献２のように、導波管の側面からマイクロストリップ線路を垂直に差込む方法が知られている。

特開平５−８３０１４号公報 特開２００８−７９０８５号公報

しかしながら、特許文献１の方法では、高周波になるとリッジ部が細くなり製造が困難になると共に、マイクロストリップ線路との接触させるために必要な精度が高くなり、組立の難易度が高くなる問題がある。

また、測定されるＩＣに多くの信号端子がある場合、必然的にそれらの端子に接続する各ストリップ線路をマウント基板上に放射状に設けることになるが、特許文献２の方法では、ストリップ線路の先端を導波管の側面から挿入する構造であるから、各ストリップ線路の末端からそれと直交するように多くの導波管を配置しなければならず、非常に製造しにくくなる。また、これを避けるために導波管の中間部にベンドを設けると、システム全体が大型化する問題がある。また、導波管内部でのストリップ線路の位置によって特性にばらつきを生じる問題があることが知られている。

本発明は、これらの問題を解決し、製造が容易で、小型に構成でき、特性のばらつきが生じにくいミリ波帯伝送路変換構造を提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明のミリ波帯伝送路変換構造は、
誘電体基板（１１）の一面側に形成された主導体（１２）とその反対面側に形成されたアース導体（１３）からなり、ミリ波帯の電磁波を主導体の長さ方向に伝搬させるマイクロストリップ線路（１０）と、ミリ波帯の電磁波の伝搬が可能な導波管（２０）との間を接続するミリ波帯伝送路変換構造において、
所定口径、所定長の導波路（３１）が金属壁（３２）で囲まれて形成された導波管構造を有し、該導波路内に比誘電率が１より大きい誘電体（３３）が充填され、該誘電体が充填された導波路の一方の端面を前記マイクロストリップ線路の主導体の一端側の誘電体基板の端面に接合させることで前記マイクロストリップ線路と前記誘電体が充填された導波路の一端側との間で前記ミリ波帯の電磁波を伝搬させ、前記誘電体が充填された導波路の他方の端面を前記導波管の一端側開口面に接合させることで、前記誘電体が充填された導波路の他端側と前記導波管の一端側との間で前記ミリ波帯の電磁波を伝搬させるように形成され、
前記誘電体が充填された導波路の長さが所望伝搬周波数の管内波長の１／４となり、且つ、前記誘電体が充填された導波路のインピーダンスＺｘが、前記マイクロストリップ線路のインピーダンスＺ１と前記導波管のインピーダンスＺ２に対してＺｘ＝√（Ｚ１×Ｚ２）となるように、前記誘電体が充填された導波路の口径、該導波路に充填された前記誘電体の比誘電率を設定したことを特徴とする。

また、本発明の請求項２のミリ波帯伝送路変換構造は、請求項１記載のミリ波帯伝送路変換構造において、
前記マイクロストリップ線路の前記主導体の一端側を金属壁（３５ａ〜３５ｃ）で所定長に渡って囲み、前記マイクロストリップ線路と前記誘電体が充填された導波路との境界部から外部空間へ放射される放射波を前記主導体の他端側に案内する放射波案内路（３６）を形成する放射波ガイド（３５）と、
前記放射波ガイドの金属壁の内周に、前記放射波の漏出防止用に前記所望伝搬周波数の波長の１／４に相当する深さの溝（３７）を設けたことを特徴とする。

また、本発明の請求項３のミリ波帯伝送路変換構造は、請求項１または請求項２記載のミリ波帯伝送路変換構造において、
前記誘電体が充填された導波路を囲む金属壁の一部を、誘電体基板（４０）の両面に設けられたアース導体（４１、４２）間をスルーホール加工により接続する金属ポスト（４５）を所定間隔で並べて形成したことを特徴とする。

また、本発明の請求項４のミリ波帯伝送路変換構造は、請求項１〜３のいずれかに記載のミリ波帯伝送路変換構造において、
前記導波路に充填される前記誘電体は、前記マイクロストリップ線路の誘電体基板を延長して形成されていることを特徴とする。

また、本発明の請求項５のミリ波帯伝送路変換構造は、請求項１〜４のいずれかに記載のミリ波帯伝送路変換構造において、
前記導波管の一端側の口径が、前記誘電体が充填された導波路の口径に対応した大きさに設定され、他端側に向かって口径が大きくなることを特徴とする。

このように構成したため、本発明の請求項１のミリ波帯伝送路変換構造では、誘電体が導波路に充填された導波管構造を用い、誘電体が充填された導波路の一端側とマイクロストリップ線路との間、および誘電体が充填された導波路の他端側と導波管との間で、ミリ波帯の電磁波を伝搬させる構造であるため、マイクロストリップ線路と導波管とを一直線上に連結でき、製造が容易で、小型に構成でき、特性のばらつきが生じにくい。

また、誘電体が充填された導波路の長さが所望伝搬周波数の管内波長の１／４となり、且つ、その導波路のインピーダンスＺｘが、マイクロストリップ線路のインピーダンスＺ１と導波管のインピーダンスＺ２に対してＺｘ＝√（Ｚ１×Ｚ２）となるように、導波路の口径、導波路に充填される誘電体の比誘電率を設定しているので、種々のマイクロストリップ線路と導波管の間を整合のとれた状態で効率的に伝搬させることができ、高い汎用性を有している。

また、本発明の請求項２のように、金属壁で主導体の一端側を所定長に渡って囲み、マイクロストリップ線路と誘電体が充填された導波路との境界部から外部空間へ放射される放射波を主導体の他端側に案内する放射波案内路を形成する放射波ガイドと、その放射波ガイドの金属壁の内周に、放射波の漏出防止用に前記所望伝搬周波数の波長の１／４に相当する深さの溝を設けているので、マイクロストリップ線路と誘電体が充填された導波路との境界部で空間へ放射される電磁波の漏出を防ぐことができる。

また、請求項３のように、誘電体が充填された導波路を囲む金属壁の一部を、誘電体基板の両面に設けられたアース導体間をスルーホール加工により接続する金属ポストを所定間隔で並べて形成すれば、狭い幅で簡単に誘電体が充填された導波路を形成することができ、さらに製造が容易となる。

また、請求項４のように、誘電体が充填された導波路を、マイクロストリップ線路の誘電体基板を延長して用いる構造とすれば、変換構造をマイクロストリップ線路の一端側に一体的に形成することができ、構造をより簡素化できる。

また、請求項５のように、導波管の一端側の口径が、誘電体が充填された導波路の他端側の口径に対応した大きさに設定され、他端側に向かって口径が大きくなるように形成されているため、誘電体が充填された導波路と導波管との間の反射を抑制でき、ミリ波帯で標準的に使用される口径の導波管との接続が容易になる。

本発明の基本構造を示す図 空間への放射を抑圧できる構造を示す図 図２の構造のシミュレーション結果を示す図 導波路を囲む金属壁を金属ポストで形成した例を示す図 図４の導波路を用いた構造を示す図 導波路に充填する誘電体をマイクロストリップ線路の誘電体基板を延長して形成する構造例を示す図 導波路に充填する誘電体をマイクロストリップ線路の誘電体基板を延長して形成する別の構造例を示す図

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明のミリ波帯伝送路変換構造の基本構造を示す図であり、図１の（ａ）は、ミリ波帯（例えば６０〜９０ＧＨｚ）の電磁波の伝送が可能なマイクロストリップ線路１０、導波管２０および伝送路変換器３０を別体として示した分解図、図１の（ｂ）は、接続状態を示す側断面図である。

マイクロストリップ線路１０は、誘電体基板１１の一面側に帯状の主導体１２が一端から他端までパターン形成され、その反対面側はアース導体１３で被われており、誘電体基板１１の誘電率ε_ｒ′、厚さｔ、主導体１２の幅等によって伝送路のインピーダンスが決定される。このインピーダンスは、高周波回路で一般的に用いる５０〜１００Ω程度となる。ミリ波帯で損失が小さい誘電体基板としては、例えば、比誘電率ε_ｒ′＝３．５５、厚さｔ＝０．３ｍｍのＲｏ４００３Ｃ（登録商標）等がある。

また、導波管２０は、汎用性を考慮して規格で定められた口径の方形導波管であって、上記周波数帯で一般的に用いられるＷＲ−１２（口径約３．１×１．５５ｍｍ）とし、この導波管２０のインピーダンスは７５ＧＨｚにおいて５５２Ωである。なお、前記したように、マイクロストリップ線路１０の誘電体基板１１の厚さｔが１／１０ミリオーダーであるのに対し、導波管２０の口径がミリオーダーであるので、導波路の口径差による反射が問題となるが、その反射の問題については後述する。

上記マイクロストリップ線路１０と導波管２０とを接続する伝送路変換器３０は、所定口径（ａ×ｂｍｍ）の導波路３１が金属壁３２で所定長にわたって囲まれて形成された導波管構造を有しており、その導波路３１には、１より大きい比誘電率ε_ｒをもつ誘電体３３が充填されている。なお、ここでは導波路３１の高さ（誘電体３３の厚さ）ｂが、マイクロストリップ線路１０の誘電体基板１１の厚さｔと等しいものとして説明するが、両者の厚さが相違していてもよい。

そして、導波路３１の一方の端面３１ａをマイクロストリップ線路１０の主導体１２の一端側の誘電体基板１１の端面１１ａに接合させ、導波路３１の一方側で互いに対向する金属壁３２ａ、３２ｂのうち上側の金属壁３２ａの端面をマイクロストリップ線路１０の主導体１２の一端１２ａに接続させ、下側の金属壁３２ｂの端面をアース導体１３に接続させ、導波路３１の他方の端面３１ｂを導波管２０の導波路２１の一端側開口面２１ａに接合させ、導波路３１の他方側で４つの金属壁３２ａ〜３２ｄの端面を、導波管２０の導波路２１を囲む金属壁２２（２２ａ〜２２ｄ）の一端側に全周にわたって接合させている。

このように、誘電体３３が充填された導波路３１を介して、マイクロストリップ線路１０と導波管２０との間を同軸状に接続する接続構造であれば、例えばマイクロストリップ線路１０の主導体１２の他端１２ｂ側から入力されて一端１２ａ側に伝搬されたミリ波帯の電磁波が導波路３１の一端側に入力され、その導波路３１を伝搬して他端側から導波管２０の導波路２１に出力されることになり、製造が容易で、小型に構成でき、特性のばらつきが生じにくい。

また、導波路３１の長さＬが所望伝搬周波数の管内波長λｇの１／４となり、且つ、導波路３１のインピーダンスＺｘが、マイクロストリップ線路１０のインピーダンスＺ１と導波管２０のインピーダンスＺ２に対してＺｘ＝√（Ｚ１×Ｚ２）となるように、導波路３１の口径ａ×ｂ、誘電体３３の比誘電率ε_ｒを設定している。

これによって、伝送路変換器３０は１／４波長変成器を構成することになり、マイクロストリップ線路１０と導波管２０との間を整合がとれた状態で接続することができる。

次に、上記基本構造の伝送路変換器３０のインピーダンスについて検討する。
伝送路変換器３０の導波路３１内を伝送するＴＥ波のインピーダンスＺｘ′は、仮に導波路内が真空である場合、

となる。ここで、μ₀ は真空の透磁率、ε₀ は真空の透磁率、λは自由空間波長、λ_c はカットオフ周波数である。

これに対し、導波路３１内に比誘電率ε_ｒの誘電体３３が充填されている場合のインピーダンスＺｘは、

となる。

また、ＴＥ１０モード（単一モード）のカットオフ周波数λ_c10 は、誘電体３３が充填されていることを考慮して、

となる。

式（３）を式（２）に代入すると、

となる。

以上より、誘電体３３が充填された導波路３１の幅ａと誘電体３３の比誘電率ε_ｒにより、伝送路変換器３０のインピーダンスを制御できることが分かる。なお、詳述しないが、導波路３１の高さｂ（誘電体３３の厚さ）については考慮しなくてよい。

また、伝送路変換器３０の管内波長λgは、

となり、導波路３１の長さＬをλg／４に設定することで、この伝送路変換器３０を、１／４波長変成器として作用させることができる。

上記基本構造において、比誘電率ε_ｒ′＝３．５５、厚さ０．３ｍｍのＲｏ４００３Ｃ（登録商標）を誘電体基板１１として用いたインピーダンスＺ１＝１００Ωのマイクロストリップ線路１０と、ＷＲ−１２型の導波管（使用帯域６０〜９０ＧＨｚ）とを周波数７５ＧＨｚで整合させるための伝送路変換器３０の計算を行なった。ただし、誘電体３３の比誘電率ε_ｒと厚さｂは、マイクロストリップ線路１０の誘電体基板１１と同一としている。

マイクロストリップ線路１０のインピーダンスＺ１は１００Ω、導波管２０のインピーダンスＺ２は式（１）から５５２Ω（７５ＧＨｚ）となり、伝送路変換器３０として必要なインピーダンスＺｘは、Ｚｘ＝√（Ｚ１×Ｚ２）から２３５Ωとなる。

このインピーダンスＺｘ＝２３５Ωを満たす誘電体の幅ａは２．７ｍｍとなり、管内波長λｇの１／４は１．０８ｍｍとなる。つまり、７５ＧＨｚで整合させるためには、導波路３１の幅ａ（誘電体３３の幅）を２．７ｍｍ、長さＬを１．０８ｍｍとすればよいことがわかる。

ただし、上記基本構造の場合、マイクロストリップ線路１０と伝送路変換器３０の境界部の不整合による電磁波の外部空間への放射および伝送路変換器３０と導波管２０の境界部の不整合による反射を完全に無くすことはできず、この外部空間への放射波や反射波による特性悪化が予想される。

図２は、この放射波や反射波による影響を低減した伝送路変換構造の例を示している。
この構造例の伝送路変換器３０′では、誘電体３３を囲む金属壁３２ａ〜３２ｄのうち、上側の金属壁３２ａのマイクロストリップ線路１０側の端面に、放射波ガイド３５を設けている。

放射波ガイド３５は、マイクロストリップ線路１０の誘電体基板１１と平行に対向し、主導体１２から所定距離離間する第１の金属壁３５ａと、主導体１２の一方の側方に所定距離離れて設けられた第２の金属壁３５ｂと、主導体１２の他方の側方に所定距離離れて設けられた第３の金属壁３５ｃとで下が開いたコの字状に形成され、誘電体基板１１との間で主導体１２の一端側を所定長に渡って囲み、マイクロストリップ線路１０と誘電体３３が充填された導波路３１との境界部から外部空間への電磁波の放射を抑制し、空間に放射した電磁波を主導体１２の他端側に案内する放射波案内路３６を形成している。

そして、この放射波ガイド３５の第１の金属壁３５ａの内周に、空間へ放射した電磁波の漏出防止用に所望伝搬周波数の波長の１／４に相当する深さｄの溝３７を主導体１２の長さ方向と直交する向きに設けている。この溝３７に入射する成分と溝３７を往復して出てくる成分は、位相が反転して互いに相殺することになり、空間へ放射した電磁波の漏れが防止できる。

この放射波ガイド３５に設けた溝３７によって、マイクロストリップ線路１０と誘電体３３が充填された導波路３１との境界部の不整合により外部空間へ放射された電磁波の漏出を防ぐことができる。なお、ここでは溝３７を一つ示しているが、深さが異なる複数の溝を第１の金属壁３５ａの長さ方向に並べて設けることで、外部空間へ放射される電磁波の漏れをより広帯域に防止することができる。また、この例では３つの金属壁３５ａ〜３５ｃからなる下にコの字状に開いた放射波ガイド３５を用いていたが、放射波ガイド３５は、金属壁で主導体１２の一端側を所定長に渡って囲み、マイクロストリップ線路１０と誘電体３３が充填された導波路３１の境界部から外部空間への電磁波の放射を抑制し、その外部空間に放射された放射波を主導体１２の他端側に案内する形状であればよく、内周の断面形状が台形状や半円状等であってもよい。また、その溝３７についても、マイクロストリップ線路１０の誘電体基板１１に対向する壁面だけでなく、内周全体に所定深さで設けてもよい。

一方、誘電体３３が充填された導波路３１の口径は、前記数値例のように、２．７×０．３ｍｍであるのに対し、ミリ波帯用として標準的に用いられる導波管の口径は、ＷＲ−１２で約３．１×１．５５ｍｍであって、その幅方向の寸法は近いが、厚さ方向の寸法は５倍以上の差があり、この口径差による反射が問題となる場合もある。

そのため、図２に示しているように、導波管２０′の一端側開口２１ａの口径を、標準口径より小さく、誘電体３３が充填された導波路３１の他端側の口径に対応した大きさ（例えば２．７×０．３ｍｍ）に設定し、この開口から他端側に向かって口径が徐々に（図のような直線的でなく段階的でもよい）大きく（例えば標準口径まで）なるテーパー部２１ｂと、テーパー部２１ｂに続く標準口径部２１ｃとを形成して、誘電体３３が充填された導波路３１と導波管２２との間の口径差による反射を抑制している。

この伝送路変換構造において、前記同様に、誘電体３３が充填された導波路３１の幅ａを２．７ｍｍ、長さＬを１．０８ｍｍとしたときの伝達特性を求めたシミュレーション結果を図３に示す。

この図３において、周波数７０〜８０ＧＨｚの範囲で、挿入損失１ｄＢ以下、反射係数−１０ｄＢ以下となっており、所望伝搬周波数７５ＧＨｚを中心として整合がとれていることが確認できる。

上記した伝送路変換構造では、誘電体３３が充填された導波路３１を金属壁３２ａ〜３２ｄで囲んで形成しているが、その構造については任意である。

例えば、図４に示すように、マイクロストリップ線路１０に用いている誘電体基板１１と同様の誘電体基板４０の両面を被うアース導体４１、４２の間を、スルーホール加工によって形成した金属ポスト４５で接続し、この金属ポスト４５の列を、所定間隔を開けて２列設けることで、誘電体３３が充填された導波路３１の両側方の金属壁３２ｃ、３２ｄを形成することができる。この場合、列内の金属ポスト４５の間隔は、導波路を伝搬する電磁波の波長に比べて十分小さくし、列の間隔は前記した幅ａに一致させる。図５は、この金属ポスト４５を用いて誘電体３３が充填された導波路３１を形成した伝送路変換構造を示したものであり、この場合、誘電体基板４０の両面のアース導体４１、４２が金属壁３２ａ、３２ｂに接する構造としている。

なお、一般的にアース導体４１、４２の厚さは、基板厚に対して無視できる程小さいので、アース導体４１の中央部（金属ポスト４５の列の間の部分）を削除しても、その上に金属壁３２ａが接するので支障はない。

また、上記各実施形態では、誘電体３３が充填された導波路３１を有する伝送路変換器３０を、マイクロストリップ線路１０、導波管２０、２０′と別体としていたが、図６、図７のように、伝送路変換用の導波路３１に充填する誘電体３３を、マイクロストリップ線路１０の誘電体基板１１の端部を延長して形成してもよい。なお、図６は、図１、図２に示した構造に対応する形態である。また、図７は、図４、図５の金属ポスト４５を用いた構造に対応する形態であり、図４、図５のアース導体４１の中央部を削除して二つのアース導体４１ａ、４１ｂに分けた構造とし、図４、図５のアース導体４２をマイクロストリップ線路１０のアース導体１３で兼用している。

また、図示していないが、導波路３１を形成する金属壁３２ａ〜３２ｄの少なくとも一部を導波管２０、２０′と一体的に形成することもでき、具体的な構造については種々の変形が可能である。

１０……マイクロストリップ線路、１１……誘電体基板、１２……主導体、１３……アース導体、２０、２０′……導波管、２１……導波路、３０、３０′……伝送路変換器、３１……導波路、３２……金属壁、３３……誘電体、３５……放射波ガイド、３５ａ……第１の金属壁、３５ｂ……第２の金属壁、３５ｃ……第３の金属壁、３６……放射波案内路、３７……溝、４０……誘電体基板、４１、４２……アース導体、４５……金属ポスト

式（３）を式（２）に代入すると、

となる。

Claims (5)

1. 誘電体基板（１１）の一面側に形成された主導体（１２）とその反対面側に形成されたアース導体（１３）からなり、ミリ波帯の電磁波を主導体の長さ方向に伝搬させるマイクロストリップ線路（１０）と、ミリ波帯の電磁波の伝搬が可能な導波管（２０）との間を接続するミリ波帯伝送路変換構造において、
   所定口径、所定長の導波路（３１）が金属壁（３２）で囲まれて形成された導波管構造を有し、該導波路内に比誘電率が１より大きい誘電体（３３）が充填され、該誘電体が充填された導波路の一方の端面を前記マイクロストリップ線路の主導体の一端側の誘電体基板の端面に接合させることで前記マイクロストリップ線路と前記誘電体が充填された導波路の一端側との間で前記ミリ波帯の電磁波を伝搬させ、前記誘電体が充填された導波路の他方の端面を前記導波管の一端側開口面に接合させることで、前記誘電体が充填された導波路の他端側と前記導波管の一端側との間で前記ミリ波帯の電磁波を伝搬させるように形成され、
   前記誘電体が充填された導波路の長さが所望伝搬周波数の管内波長の１／４となり、且つ、前記誘電体が充填された導波路のインピーダンスＺｘが、前記マイクロストリップ線路のインピーダンスＺ１と前記導波管のインピーダンスＺ２に対してＺｘ＝√（Ｚ１×Ｚ２）となるように、前記誘電体が充填された導波路の口径、該導波路に充填された前記誘電体の比誘電率を設定したことを特徴とするミリ波帯伝送路変換構造。
2. 前記マイクロストリップ線路の前記主導体の一端側を金属壁（３５ａ〜３５ｃ）で所定長に渡って囲み、前記マイクロストリップ線路と前記誘電体が充填された導波路との境界部から外部空間へ放射される放射波を前記主導体の他端側に案内する放射波案内路（３６）を形成する放射波ガイド（３５）と、
   前記放射波ガイドの金属壁の内周に、前記放射波の漏出防止用に前記所望伝搬周波数の波長の１／４に相当する深さの溝（３７）を設けたことを特徴とする請求項１記載のミリ波帯伝送路変換構造。
3. 前記誘電体が充填された導波路を囲む金属壁の一部を、誘電体基板（４０）の両面に設けられたアース導体（４１、４２）間をスルーホール加工により接続する金属ポスト（４５）を所定間隔で並べて形成したことを特徴とする請求項１または請求項２記載のミリ波帯伝送路変換構造。
4. 前記導波路に充填される前記誘電体は、前記マイクロストリップ線路の誘電体基板を延長して形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のミリ波帯伝送路変換構造。
5. 前記導波管の一端側の口径が、前記誘電体が充填された導波路の口径に対応した大きさに設定され、他端側に向かって口径が大きくなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のミリ波帯伝送路変換構造。

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