JP2016111459A - Millimeter wave band transmission path conversion structure - Google Patents
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Abstract
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広帯域に渡って効率的に伝搬させるための伝送路変換構造に関する。 The present invention relates to a transmission line conversion structure for efficiently transmitting a millimeter-wave band signal between a microstrip line and a waveguide over a wide band.
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。 In a measuring instrument that measures a signal having a high frequency such as a millimeter wave band, a waveguide with a small loss in the millimeter wave band is often used as an input / output transmission line. Circuit), it is necessary to connect between the strip line (microstrip line or coplanar line) formed on the printed circuit board on which the IC to be tested is mounted and the waveguide on the measuring instrument side. While the impedance of the strip line is generally about 50 to 100Ω, the impedance of the waveguide reaches several hundreds of Ω, so it is not easy to take impedance matching.
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。
As a technique for solving this, a method of bringing a coupling ridge portion of a ridge waveguide into contact with a microstrip line as in
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。
However, the method of
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。
Further, when the IC to be measured has many signal terminals, these strip lines are necessarily provided radially on the mount substrate. However, in the method of
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、広帯域に渡って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。 An object of the present invention is to provide a millimeter-wave band transmission line conversion structure that solves these problems, is easy to manufacture, can be configured in a small size, and does not easily vary in characteristics over a wide band.
前記目的を達成するために、本発明の請求項1記載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、比誘電率が異なる複数Mの誘電体層(133、134)が前記導波路の一端から他端まで連続するように形成され、該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ていることを特徴とする。
In order to achieve the above object, a millimeter-wave band transmission line conversion structure according to
It consists of a main conductor (12) formed on one side of the dielectric substrate (11) and an earth conductor (13) formed on the opposite side, and propagates an electromagnetic wave in the millimeter wave band in the length direction of the main conductor. In the millimeter waveband transmission line conversion structure for connecting the microstrip line (10) and the waveguide (20) capable of propagating millimeter wave electromagnetic waves,
A plurality of M dielectric layers (133, 134) having a waveguide structure in which a waveguide (31) having a predetermined diameter and a predetermined length is surrounded by a metal wall (32) and having different relative dielectric constants The microstrip line is formed so as to be continuous from one end to the other end of the waveguide, and one end face of the waveguide is joined to the end face of the dielectric substrate on one end side of the main conductor of the microstrip line. Propagating the electromagnetic wave in the millimeter wave band with one end side of the waveguide, and joining the other end face of the waveguide to the one end side opening face of the waveguide, The electromagnetic wave of the millimeter wave band is formed to propagate between one end side of the waveguide.
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、
所望伝搬周波数帯域内の異なる複数N(≧M)の周波数f1、f2、……fNの電磁波に対する前記導波路の合成インピーダンスをZx1、Zx2、……ZxN、前記導波管のインピーダンスをZw1、Zw2、……ZwNと、前記マイクロストリップ線路のインピーダンスZ1とするとき、
Zx1=√(Z1×Zw1)
Zx2=√(Z1×Zw2)
……
ZxN=√(Z1×ZwN)
の関係が満たされ、且つ、前記複数Nの周波数f1、f2、……fNのうちの前記M個の周波数をfa1〜faMとし、
第1の周波数fa1の電磁波が前記複数の誘電体層のうちの第1の誘電体層を伝搬する際の管内波長をλg1、
第2の周波数fa2の電磁波が前記複数の誘電体層のうちの第2の誘電体層を伝搬する際の管内波長をλg2、
……
第Mの周波数faMの電磁波が前記複数の誘電体層のうちの第Mの誘電体層を伝搬する際の管内波長をλgM
とするとき、前記導波路の長さLが、
L=λg1/4=λg2/4=…=λgM/4
となるように、前記導波路の口径、前記各誘電層の比誘電率を設定したことを特徴とする。
The millimeter waveband transmission line conversion structure according to
Desired propagation frequency f 1, f 2 of a plurality N (≧ M) having different within the frequency band, ...... f the combined impedance of the waveguide for electromagnetic waves N Z x1, Z x2, ...... Z xN, the waveguide Are the impedances Z w1 , Z w2 ,... Z wN and the impedance Z1 of the microstrip line,
Z x1 = √ (Z1 × Z w1 )
Z x2 = √ (Z1 × Z w2 )
......
Z xN = √ (Z1 × Z wN )
And the M frequencies of the plurality N of frequencies f 1 , f 2 ,... F N are denoted by f a1 to f aM ,
An in-tube wavelength when an electromagnetic wave having a first frequency f a1 propagates through the first dielectric layer of the plurality of dielectric layers is λ g1 ,
An in-tube wavelength when an electromagnetic wave having a second frequency f a2 propagates through the second dielectric layer of the plurality of dielectric layers is λ g2 ,
......
An in-tube wavelength when an electromagnetic wave having an Mth frequency faM propagates through the Mth dielectric layer of the plurality of dielectric layers is λ gM.
When the length L of the waveguide is
L = λ g1 / 4 = λ g2 /4=...=λ gM / 4
Thus, the diameter of the waveguide and the relative dielectric constant of each dielectric layer are set.
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、
前記複数Mが2であって、第1の誘電体層が、比誘電率が1より大きい誘電体からなり、第2の誘電体層が、比誘電率が1の空気層であることを特徴とする。
Further, the millimeter waveband transmission line conversion structure according to
The plurality M is 2, the first dielectric layer is made of a dielectric having a relative dielectric constant greater than 1, and the second dielectric layer is an air layer having a relative dielectric constant of 1. And
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複数の誘電体層が形成されている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。
Moreover, the millimeter wave band transmission line conversion structure of
One end side of the main conductor of the microstrip line is surrounded by a metal wall (35a to 35c) for a predetermined length, and from a boundary part between the microstrip line and the waveguide in which the plurality of dielectric layers are formed. A radiation wave guide (35) forming a radiation wave guide path (36) for guiding the radiation wave radiated to the external space to the other end of the main conductor;
A groove (37) having a depth corresponding to ¼ of the wavelength of the desired propagation frequency is provided on the inner periphery of the metal wall of the radiation wave guide for preventing leakage of the radiation wave.
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、43)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。
Further, the millimeter waveband transmission line conversion structure according to
Metal posts (45) for connecting a part of the metal wall surrounding the waveguide to the ground conductors (41, 42, 43) provided on both surfaces of the dielectric substrate (40) by through-hole processing at a predetermined interval. It is characterized by being formed side by side.
また、本発明の請求項6のミリ波帯伝送路変換構造は、請求項1〜5のいずれかに記載のミリ波帯伝送路変換構造において、
前記複数の誘電体層の一つが、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。
The millimeter waveband transmission line conversion structure according to
One of the plurality of dielectric layers is formed by extending a dielectric substrate of the microstrip line.
また、本発明の請求項7のミリ波帯伝送路変換構造は、請求項1〜6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、前記複数の誘電体層が形成されている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。
Further, the millimeter waveband transmission line conversion structure according to
The diameter of one end of the waveguide is set to a size corresponding to the diameter of the waveguide in which the plurality of dielectric layers are formed, and the diameter increases toward the other end. .
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、比誘電率が異なる複数の誘電体層が一端から他端に連続形成された導波路を有する導波管構造を用い、その一端側とマイクロストリップ線路との間および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。
With this configuration, in the millimeter waveband transmission line conversion structure according to
また、請求項2のように、所望伝搬周波数帯域の複数Nの異なる周波数について、複数の誘電体層からなる導波路の合成インピーダンスZxi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Zwiに対してZxi=√(Z1×Zwi)(i=1〜N)となり、且つ、M個の周波数について各誘電体層を伝搬する際の管内波長の1/4が導波路の長さと等しくなるように、導波路の口径、誘電体層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広帯域に整合のとれた状態で効率的に伝搬させることができ、高い汎用性と広帯域性を有している。
Further, as in
また、本発明の請求項3のように、誘電体層の数Mを2とし、第1の誘電体層として比誘電率が1より大きい誘電体を用い、第2の誘電体層として比誘電率が1の空気層を用いたものでは、最も簡素に構成でき、二つの異なる周波数を選ぶことで広帯域な整合が可能である。
Further, as in
また、本発明の請求項4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層が形成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層が形成されている導波路との境界部から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。
In addition, as in
また、請求項5のように、誘電体層が形成されている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、狭い幅で簡単に導波路を形成することができ、さらに製造が容易となる。 According to another aspect of the present invention, there is provided a metal post for connecting a part of the metal wall surrounding the waveguide in which the dielectric layer is formed between the ground conductors provided on both surfaces of the dielectric substrate by through-hole processing. If they are formed side by side at a predetermined interval, a waveguide can be easily formed with a narrow width, and manufacturing is further facilitated.
また、請求項6のように、複数の誘電体層の一つを、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。 Further, if one of the plurality of dielectric layers has a structure in which the dielectric substrate of the microstrip line is extended and used, the conversion structure is integrally formed on one end side of the microstrip line. And the structure can be further simplified.
また、請求項7のように、導波管の一端側の口径が、誘電体層が形成されている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、誘電体層が形成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。
Further, as described in
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明するが、始めに本発明のミリ波帯伝送路変換構造の前提技術について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. First, a prerequisite technology of the millimeter waveband transmission line conversion structure of the present invention will be described.
図1は、その前提技術となる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。
FIG. 1 is a diagram showing a basic structure as a prerequisite technology. FIG. 1A shows a
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εr′、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εr′=3.55、厚さt=0.3mmのRo4003C(登録商標)等がある。
In the
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周波数に依存して変化し、例えば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。
The
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、この前提技術においては、導波路31内には、1より大きい比誘電率εr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。
The
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。
Then, one end face 31 a of the
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。
In this way, if the connection structure connects the
また、導波路31の長さLが、所望伝搬周波数f1の電磁波の管内波長λgの1/4となり、且つ、誘電体33が充填された導波路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(周波数に対して一定とみなすことができる)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εrを設定する。
The length L of the
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。
As a result, the
次に、上記前提となる変換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、
これに対し、導波路31内に比誘電率εr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、
また、TE10モード(単一モード)のカットオフ周波数λc10 は、誘電体33が充填されていることを考慮して、
式(3)を式(2)に代入すると、
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εr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。
From the above, it can be seen that the impedance of the
また、伝送路変換器30の管内波長λgは、
上記基本構造において、比誘電率εr′=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εr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。
In the above basic structure, a
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。
The impedance Z1 of the
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。 The width a of the dielectric satisfying the impedance Zx = 235Ω is 2.7 mm, and ¼ of the guide wavelength λg is 1.08 mm. That is, in order to match at 75 GHz, it can be understood that the width a of the waveguide 31 (the width of the dielectric 33) is 2.7 mm and the length L is 1.08 mm.
このことから、上記したように誘電体33が充填された導波路を用いることで、所望周波数(75GHz)およびその近傍において、マイクロストリップ線路10と導波管20との間の伝送路変換が効率的に行なうことができることがわかる。
From this, by using the waveguide filled with the dielectric 33 as described above, transmission path conversion between the
しかし、伝送したい周波数の範囲がより広い場合、上記構造では対応が困難である。これを解決するために、本発明では、導波路内に比誘電体率が異なる複数Mの誘電体層を形成している。また、所望伝搬周波数帯域の複数N(≧M)の異なる周波数について、複数の誘電体層からなる導波路の合成インピーダンスZxi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Zwiに対してZxi=√(Z1×Zwi)(i=1〜M)となり、且つ、M個の周波数について各誘電体層を電磁波が伝搬する際の管内波長の1/4が導波路の長さと等しくなるように、導波路31の口径、誘電体層の比誘電率を設定している。これによって、種々のマイクロストリップ線路と導波管の間を広帯域に整合のとれた状態で効率的に伝搬させることができ、高い汎用性と広帯域性を実現できる。なお、ここでいう誘電体層には、比誘電体率1の空気も含むものとする(空気の誘電率は厳密には真空の誘電率より大きいがここではその比誘電率を1とする)。
However, when the frequency range to be transmitted is wider, it is difficult to cope with the above structure. In order to solve this, in the present invention, a plurality of M dielectric layers having different relative dielectric constants are formed in the waveguide. In addition, for a plurality of N (≧ M) different frequencies in the desired propagation frequency band, the combined impedance Z xi of the waveguide composed of a plurality of dielectric layers is the
図2は、その最も簡素化したM=2の基本構造の例を示すものであり、伝送路変換器30′の導波路31の内部には、比誘電率εr1が1より大きい誘電体からなる上層の第1の誘電体層133と、比誘電率εr2が1に等しい空気からなる下層の第2の誘電体層134とが、一端から他端まで連続するように形成されている。
FIG. 2 shows an example of the most simplified basic structure of M = 2. A dielectric material having a relative dielectric constant ε r1 larger than 1 is formed inside the
第1の誘電体層133は、例えばマイクロスプリット線路10の誘電体基板11と同材料で、同じ厚さを有しているものとする。また、第2の誘電体層134の厚さは、導波管20の導波路21の高さと第1の誘電体層133の厚さの差分に等しくなるように設定されており、この構造例では、誘電体層134の一端側はマイクロストリップ線路10のアース導体13の端面13aによって閉じられている。
For example, the first dielectric layer 133 is made of the same material as the
この構造の場合、前記式(3)より、所望周波数帯域の周波数f1について、空気層である第2の誘電体層134を伝搬する電磁波の管内波長λg1は、比誘電率εr2が1であることから、
一方、所望周波数帯域の別の周波数f2(>f1)について、第1の誘電体層133を伝搬する電磁波の管内波長λg2は、
よって、周波数f1の電磁波が第2の誘電体層134を伝搬する際の管内波長λg1の1/4と、周波数f2の電磁波が第1の誘電体層133を伝搬する際の管内波長λg2の1/4とが、ともに導波路31の長さL(第1の誘電体層133および第2の誘電体層134の長さ)に等しくなるようにするとともに、各周波数におけるインピーダンスの関係が、前記した関係を満たすように、導波路31の幅aと各誘電体層の誘電率を設定すれば、異なる二つの周波数領域で整合をとることができ、その周波数を所望帯域の低域側と高域側に選ぶことで、所望帯域全体にわたって整合をとることができ、広帯域化できる。
Therefore, 1/4 of the guide wavelength λ g1 when the electromagnetic wave of frequency f 1 propagates through the
上記構造のように、M=2の場合の具体的な数値例を示すと、4(N=4)つの異なる周波数をf1=60GHz、f2=70GHz、f3=80GHz、f4=90GHzとし、マイクロストリップ線路10のインピーダンスZ1を100Ωとしたとき、周波数f1=60GHzにおける導波管20のインピーダンスZw1=1078Ωとなり、マイクロストリップ線路10との整合に必要なインピーダンスZx=328Ωとなる。ここで、導波路31の幅a=2.2mmとした場合のインピーダンスは314Ωとなり、ほぼ整合条件を満たす。なお、このインピーダンス314Ωは、本来は第1の誘電体層133と第2の誘電体層134の合成インピーダンスであるが、空気層からなる第2の誘電体層134のインピーダンスは第1の誘電体層133のインピーダンスに比べて十分大きいため、第1の誘電体層133のインピーダンスの値を用いている(以下、同様)。
As shown in the above structure, a specific numerical example in the case of M = 2 is shown. Four (N = 4) different frequencies are f 1 = 60 GHz, f 2 = 70 GHz, f 3 = 80 GHz, and f 4 = 90 GHz. When the impedance Z1 of the
また、周波数f2=70GHzにおける導波管20のインピーダンスZw2=721Ωとなり、マイクロストリップ線路10との整合に必要なインピーダンスZx=268Ωとなる。前記したように導波路31の幅a=2.2mmとした場合のインピーダンスは273Ωとなり、ほぼ整合条件を満たす。
Further, the impedance Z w2 of the
また、周波数f3=80GHzにおける導波管20のインピーダンスZw3=594Ωとなり、マイクロストリップ線路10との整合に必要なインピーダンスZx=244Ωとなる。前記したように導波路31の幅a=2.2mmとした場合のインピーダンスは252Ωとなり、ほぼ整合条件を満たす。
Further, the impedance Z w3 of the
また、周波数f4=90GHzにおける導波管20のインピーダンスZw4=530Ωとなり、マイクロストリップ線路10との整合に必要なインピーダンスZx=230Ωとなる。前記したように導波路31の幅a=2.2mmとした場合のインピーダンスは238Ωとなり、ほぼ整合条件を満たす。
Further, the impedance Z w4 of the
次に、導波路31の長さLについては、f2=70GHzにおける第1の誘電体層133の伝搬時の管内波長の1/4が1.252mm、f4=90GHzにおける第2の誘電体層134(空気層)の伝搬時の管内波長の1/4が1.277mmとなり、導波路31の長さLとして、その間の1.26mm程度とすることで、両周波数およびその近傍について整合させることができる。ここでは、2つの誘電体層に対してf2=70GHz、f4=90GHzの周波数についての管内波長を合わせていたが、これに限らず所望帯域をカバーするような複数の周波数を選択すればよく、60、90GHzの組合せでもよい。また、3層構造であれば、60、75、90GHz等を選べばよい。
Next, for the length L of the
上記の例は、導波路31の内部に複数M=2の誘電体層を設けた構造例であったが、これをM≧2に一般化して表現すれば、以下のようになる。
The above example is a structural example in which a plurality of M = 2 dielectric layers are provided inside the
即ち、ミリ波帯の所望伝搬周波数帯域内の異なる複数N(≧M)の周波数f1、f2、……fNの電磁波に対して、複数Mの誘電体層からなる導波路31の合成インピーダンスをそれぞれZx1、Zx2、……ZxN、導波管20のインピーダンスをそれぞれZw1、Zw2、……ZwN、前記マイクロストリップ線路10のインピーダンスZ1とするとき、
Zx1=√(Z1×Zw1)
Zx2=√(Z1×Zw2)
……
ZxN=√(Z1×ZwN)
の関係が満たされ、且つ、複数Nの周波数f1、f2、……fNのうちのM個の周波数をfa1〜faMとし、
第1の周波数fa1の電磁波が複数Mの誘電体層のうちの第1の誘電体層を伝搬する際の管内波長をλg1、
第2の周波数fa2の電磁波が複数Mの誘電体層のうちの第2の誘電体層を伝搬する際の管内波長をλg2、
……
第Mの周波数faMの電磁波が複数Mの誘電体層のうちの第Mの誘電体層を伝搬する際の管内波長をλgM
とするとき、導波路31の長さLが、
L=λg1/4=λg2/4=…=λgM/4
となるように、導波路31の口径、誘電体層の比誘電率を設定すればよい。
In other words, for a plurality of N (≧ M) frequencies f 1 , f 2 ,... F N electromagnetic waves in the desired propagation frequency band of the millimeter wave band, the synthesis of the
Z x1 = √ (Z1 × Z w1 )
Z x2 = √ (Z1 × Z w2 )
......
Z xN = √ (Z1 × Z wN )
And the M frequencies of the plurality of N frequencies f 1 , f 2 ,... F N are denoted by f a1 to f aM ,
The in-tube wavelength when the electromagnetic wave having the first frequency f a1 propagates through the first dielectric layer among the plurality of M dielectric layers is λ g1 ,
An in-tube wavelength when the electromagnetic wave having the second frequency f a2 propagates through the second dielectric layer among the plurality of M dielectric layers is λ g2 ,
......
An in-tube wavelength when an electromagnetic wave having the M-th frequency faM propagates through the M-th dielectric layer among the plurality of M dielectric layers is λ gM.
When the length L of the
L = λ g1 / 4 = λ g2 /4=...=λ gM / 4
The diameter of the
ただし、実際には誘電体の比誘電率は材質によって一義的に決まってしまい、任意の値をとることができないので、ミリ波帯において損失が少ない誘電体を選び、その比誘電率を用いて、上記条件を満たすように導波路31の幅aと長さLだけを設定する必要がある。
However, in practice, the dielectric constant of the dielectric is uniquely determined by the material and cannot be set to an arbitrary value. Therefore, select a dielectric with low loss in the millimeter wave band and use the relative dielectric constant. Only the width a and the length L of the
上記した基本構造の場合、マイクロストリップ線路10と伝送路変換器30の境界部から外部空間への電磁波の放射や、伝送路変換器30と導波管20の境界部での反射を完全に無くすことはできず、この放射波や反射波による特性悪化が予想される。
In the case of the basic structure described above, the emission of electromagnetic waves from the boundary between the
図3は、この放射波と反射波の影響を低減したより実用的な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。
FIG. 3 shows an example of a more practical transmission path conversion structure in which the influence of the radiated wave and the reflected wave is reduced. In the
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するとともに、その放射波を主導体12の他端側に案内する放射波案内路36を形成している。
The radiated
そして、この放射波ガイド35の第1の金属壁35aの内周に、放射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、放射波の漏れが防止できる。
A
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と導波路31との境界部から放射される電磁波の漏出を防ぐことができる。
The
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。
Although only one
一方、導波路31の幅aを上記数値例にしたがって2.2mmとし、高さbを導波管20の導波路21の高さと同じ(1.55mm)にした場合、第2の誘電体層(空気層)134の厚さが、1.55mmから第1の誘電体層133の厚さ0.3mm分を減じた1.25mmとなり、この場合、導波路31の口径2.2×1.55mmと、ミリ波帯用として標準的に用いられる導波管WR−12の口径、約3.1×1.55mmとはそれほど大きな差がないので直結状態でも大きな反射は生じないと推測される。
On the other hand, when the width a of the
しかし、上記数値例では、第1の誘電体層133の厚さに対して第2の誘電体層134の厚さが4倍以上あり、マイクロストリップ線路10との境界部で線路の高さが大きく変化することになり、この影響で反射がおきる可能性がある。
However, in the above numerical example, the thickness of the
そこで、この実施形態では、第2の誘電体層134の厚さを、例えば第1の誘電体層133の厚さと同じ程度にして、マイクロストリップ線路10の厚さと導波路31の高さ寸法との間に極端な差が生じないようにしている。
Therefore, in this embodiment, the thickness of the
この結果、必然的に導波路31の高さ寸法が、標準的な導波管WR−12の導波路の高さ寸法より小さくなり、今度は導波管20との口径差が問題となる。
As a result, the height dimension of the
そのため、図3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、導波路31の他端側の口径に対応した大きさ(例えば2.2×0.6mm)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、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。
Therefore, as shown in FIG. 3, the diameter of the one end side opening 21a of the
図3に示した伝送路変換構造で上記数値例を用いたときの伝達特性を求めたシミュレーション結果を図4に示す。 FIG. 4 shows a simulation result of obtaining transfer characteristics when the above numerical example is used in the transmission path conversion structure shown in FIG.
この図4において、周波数60〜90GHzの範囲で、挿入損失1dB以下、反射係数−10dB以下となっており、ミリ波帯の広い周波数範囲で、マイクロストリップ線路10と導波管20との間の整合がとれていることが確認できる。
In FIG. 4, the insertion loss is 1 dB or less and the reflection coefficient is −10 dB or less in the frequency range of 60 to 90 GHz, and between the
また、図5は、導波路31に対して、マイクロストリップ線路10の位置を、誘電体基板11と平行な面(X−Z平面)上で主導体12の長さ方向(Z方向)と直交する方向(X方向)にずらした(移動量dx)ときの伝達特性を求めたものであり、図6は、導波路31に対して、マイクロストリップ線路10の位置を誘電体基板11と平行な面上で主導体12の長さ方向(Z方向)にずらした(移動量dz)ときの伝達特性を求めたものである。
Further, FIG. 5 shows that the position of the
図5、図6から、X方向に0.2mm程度ずれても反射係数S11は−10dB以下であり、同様にZ方向に0.5mm程度ずれても、性能が確保されていることが判る。この程度の大きさの部品の一般的な製造誤差は±10μm程度であり、その部品の組合せでも誤差は100μm以下と考えられるため、上記変換構造は、部品や組立ての誤差に対しても所望の性能を維持することができる。 5 and 6, it can be seen that the reflection coefficient S11 is -10 dB or less even if it is deviated by about 0.2 mm in the X direction, and that the performance is secured even if it is deviated by about 0.5 mm in the Z direction. A general manufacturing error of a component of this size is about ± 10 μm, and the error is considered to be 100 μm or less even in the combination of the components. Therefore, the above conversion structure is also desired for a component and an assembly error. The performance can be maintained.
上記した伝送路変換構造では、金属壁32a〜32dで囲んで形成した導波路31に、複数の誘電体層を設けていたが、導波路31の構造については任意である。
In the transmission line conversion structure described above, a plurality of dielectric layers are provided in the
例えば、図7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の上面全体を被うアース導体41と、下面の両端を被うアース導体42、43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、導波路31を形成する金属壁32c、32dのうち、第1の誘電体層133の両側方を囲む部分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、第1の誘電体層133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8は、この金属ポスト45を用いて導波路31を形成した伝送路変換構造を示しものであり、この場合、誘電体基板40のアース導体41が金属壁32aに接し、アース導体42、43が、金属壁32c、32dに接する構造としている。
For example, as shown in FIG. 7, a ground conductor 41 covering the entire top surface of a
なお、一般的にアース導体41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。 In general, since the thickness of the ground conductor 41 is negligibly small with respect to the substrate thickness, even if the central portion of the ground conductor 41 (the portion between the rows of the metal posts 45) is deleted, Since the metal wall 32a contacts, there is no problem.
また、上記各実施形態では、複数の誘電体層が形成された導波路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9、図10のように、第1の誘電体層133を、マイクロストリップ線路10の誘電体基板11の端部に延長して形成してもよい。なお、図9は、図2、図3に示した構造に対応する形態であり、図10は、図7、図8の金属ポスト45を用いた構造に対応する形態であり、図7、図8の上面側のアース導体41を下面側と同様に二つのアース導体41a、41bに分けた構造とし、図7、図8のアース導体42、43をマイクロストリップ線路10のアース導体13を延長して兼用している。
In each of the above embodiments, the
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、マイクロストリップ線路10のアース導体13や導波管20、20′の金属壁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。一つの例を挙げれば、導波路31を形成する金属壁32bをマイクロストリップ線路10側に延ばして、誘電体基板11を支えるアース導体13とし、導波管20側に延ばして、導波管20の下側の金属壁とする等、種々の構造が採用できる。
Although not shown, at least a part of the metal walls 32a to 32d forming the
また、上記実施形態では、誘電体層の数Mが2でその一つが空気層の例を示したが、空気以外の誘電体層を用いてもよく、また誘電体層の数Mを3以上にしてもよい。また、上記例では、導波路に形成される複数の誘電体層の一つとしてマイクロストリップ線路10の誘電体基板と同材料で同一厚のものを用いていたが、マイクロストリップ線路10の誘電体基板と異なる誘電体で任意の厚さの誘電体層を用いて導波路を形成してもよい。
In the above embodiment, the number M of dielectric layers is 2 and one of them is an air layer. However, a dielectric layer other than air may be used, and the number M of dielectric layers is 3 or more. It may be. In the above example, one of the plurality of dielectric layers formed in the waveguide is the same material and the same thickness as the dielectric substrate of the
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′、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の壁、35b……第2の壁、35c……第3の壁、36……放射波案内路、37……溝、40……誘電体基板、41、42、43……アース導体、45……金属ポスト、133……第1の誘電体層、134……第2の誘電体層
DESCRIPTION OF
Claims (7)
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、比誘電率が異なる複数Mの誘電体層(133、134)が前記導波路の一端から他端まで連続するように形成され、該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ていることを特徴とするミリ波帯伝送路変換構造。 It consists of a main conductor (12) formed on one side of the dielectric substrate (11) and an earth conductor (13) formed on the opposite side, and propagates an electromagnetic wave in the millimeter wave band in the length direction of the main conductor. In the millimeter waveband transmission line conversion structure for connecting the microstrip line (10) and the waveguide (20) capable of propagating millimeter wave electromagnetic waves,
A plurality of M dielectric layers (133, 134) having a waveguide structure in which a waveguide (31) having a predetermined diameter and a predetermined length is surrounded by a metal wall (32) and having different relative dielectric constants The microstrip line is formed so as to be continuous from one end to the other end of the waveguide, and one end face of the waveguide is joined to the end face of the dielectric substrate on one end side of the main conductor of the microstrip line. Propagating the electromagnetic wave in the millimeter wave band with one end side of the waveguide, and joining the other end face of the waveguide to the one end side opening face of the waveguide, A millimeter-wave band transmission line conversion structure characterized in that the millimeter-wave band electromagnetic wave is propagated between one end side of the waveguide.
Zx1=√(Z1×Zw1)
Zx2=√(Z1×Zw2)
……
ZxN=√(Z1×ZwN)
の関係が満たされ、且つ、前記複数Nの周波数f1、f2、……fNのうちの前記M個の周波数をfa1〜faMとし、
第1の周波数fa1の電磁波が前記複数の誘電体層のうちの第1の誘電体層を伝搬する際の管内波長をλg1、
第2の周波数fa2の電磁波が前記複数の誘電体層のうちの第2の誘電体層を伝搬する際の管内波長をλg2、
……
第Mの周波数faMの電磁波が前記複数の誘電体層のうちの第Mの誘電体層を伝搬する際の管内波長をλgM
とするとき、前記導波路の長さLが、
L=λg1/4=λg2/4=…=λgM/4
となるように、前記導波路の口径、前記各誘電層の比誘電率を設定し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。 Desired propagation frequency f 1, f 2 of a plurality N (≧ M) having different within the frequency band, ...... f the combined impedance of the waveguide for electromagnetic waves N Z x1, Z x2, ...... Z xN, the waveguide Are the impedances Z w1 , Z w2 ,... Z wN and the impedance Z1 of the microstrip line,
Z x1 = √ (Z1 × Z w1 )
Z x2 = √ (Z1 × Z w2 )
......
Z xN = √ (Z1 × Z wN )
And the M frequencies of the plurality N of frequencies f 1 , f 2 ,... F N are denoted by f a1 to f aM ,
An in-tube wavelength when an electromagnetic wave having a first frequency f a1 propagates through the first dielectric layer of the plurality of dielectric layers is λ g1 ,
An in-tube wavelength when an electromagnetic wave having a second frequency f a2 propagates through the second dielectric layer of the plurality of dielectric layers is λ g2 ,
......
An in-tube wavelength when an electromagnetic wave having an Mth frequency faM propagates through the Mth dielectric layer of the plurality of dielectric layers is λ gM.
When the length L of the waveguide is
L = λ g1 / 4 = λ g2 /4=...=λ gM / 4
The millimeter-wave band transmission line conversion structure according to claim 1, wherein the diameter of the waveguide and the relative dielectric constant of each dielectric layer are set so that
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1〜3のいずれかに記載のミリ波帯伝送路変換構造。 One end side of the main conductor of the microstrip line is surrounded by a metal wall (35a to 35c) for a predetermined length, and from a boundary part between the microstrip line and the waveguide in which the plurality of dielectric layers are formed. A radiation wave guide (35) forming a radiation wave guide path (36) for guiding the radiation wave radiated to the external space to the other end of the main conductor;
The groove (37) having a depth corresponding to ¼ of the wavelength of the desired propagation frequency is provided on the inner periphery of the metal wall of the radiation wave guide for preventing leakage of the radiation wave. The millimeter-wave band transmission path conversion structure according to any one of 1 to 3.
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