JP2020145603A

JP2020145603A - 導波管変換器

Info

Publication number: JP2020145603A
Application number: JP2019041243A
Authority: JP
Inventors: 恭弥高野; Kyoya Takano; 藤島　実; Minoru Fujishima; 実藤島
Original assignee: Hiroshima University NUC
Current assignee: Hiroshima University NUC
Priority date: 2019-03-07
Filing date: 2019-03-07
Publication date: 2020-09-10

Abstract

【課題】入出力特性を向上させることができる導波管変換器を提供する。【解決手段】導波管変換器１は、信号を伝送する伝送線路１１と、伝送線路１１に接続されたプローブ部１３とを有する基板１０と、プローブ部１３を囲むように基板１０上に配置され、伝送線路１１と電磁的に結合された導波路１２ａを有する導波管１２と、を備える。また、プローブ部１３は、伝送線路１１と接続された基端部１３ａから、先端部１３ｂへ向けて広がる扇形である。【選択図】図１

Description

本発明は、導波管変換器に関する。

従来、誘電体基板上の伝送線路と導波管との間で信号を変換する導波管変換器が開発されており、無線通信端末等における情報の送受信に用いられている（例えば、非特許文献１）。

K.Takano, et al., "300-GHz CMOS transmitter module with built-in waveguide transition on a multilayered glass epoxy PCB", THE 2018 IEEE Radio and Wireless Symposium (RWS2018), p.154-156, Jan. 2018

通信機器の発達に伴い、より高い周波数帯域の信号が通信に用いられているが、高周波信号では、反射信号による影響等が大きくなるため、信号経路のインピーダンス整合が重要となる。

非特許文献１の導波管変換器では、誘電体基板上に設けられ、信号の送受信を行うプローブとして矩形状プローブが用いられている。プローブが矩形状である場合、導波管変換器へ信号を伝達する伝送線路と導波管との間でインピーダンス整合を取ることは難しいため、導波管変換器の入出力特性を高めることは難しい。

本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、入出力特性を向上させることができる導波管変換器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、この発明に係る導波管変換器は、
信号を伝送する伝送線路と、前記伝送線路に接続されたプローブ部とを有する基板と、
前記プローブ部を囲むように前記基板上に配置され、前記伝送線路と電磁的に結合された導波路を有する導波管と、を備え、
前記プローブ部は、前記伝送線路と接続された基端部から、先端部へ向けて広がる形状である。

また、前記プローブ部は、扇形であり、前記基端部から前記先端部までの距離が一定である、
こととしてもよい。

また、前記基板は、多層基板であり、前記導波路を終端するバックショート部を有する、
こととしてもよい。

本発明の導波管変換器によれば、プローブを基端部から先端部へ向けて広がる形状とすることにより、信号の反射特性を改善することができるので、導波管変換器の入出力特性を向上させることが可能である。

本発明の実施の形態に係る導波管変換器の斜視図である。図１のＡ−Ａ’断面図である。実施の形態に係るプローブ部の斜視図である。プローブ部が矩形である場合と扇形である場合のＳパラメータの例を示すグラフである。プローブ部の平面形状を示す概念図であり、（Ａ）が扇形のプローブ部、（Ｂ）が半円形のプローブ部、（Ｃ）が円形のプローブ部の図である。プローブ部が扇形である場合と半円形である場合と円形である場合のＳパラメータの例を示すグラフである。

以下、図を参照しつつ、本発明の実施の形態に係る導波管変換器について、３００ＧＨｚ帯の高周波信号を変換する導波管変換器を例として説明する。

本実施の形態に係る導波管変換器１は、図１の斜視図、図２の断面図に示すように、基板１０と、基板１０上に固定される導波管２０とを備える。導波管変換器１は、基板１０上の伝送線路１１と導波管２０との間で高周波信号を変換する変換器である。

基板１０は、図２に示すように、複数の導体層と誘電体層とを備える多層基板であり、伝送線路１１、プローブ部１３、バックショート部１２を備える。基板１０の種類は特に限定されず、例えば、高周波回路基板として一般的に用いられるフッ素樹脂基板、ガラスエポキシ基板等である。本実施の形態では、基板１０としてＦＲ４（Flame Retardant Type 4）を用いる。

基板１０は、図２に示すように、３つの導体層Ｌ１〜Ｌ３を備える。導体層Ｌ１〜Ｌ３は銅製であり、厚みは１５μｍである。各導体層間の距離、すなわち、誘電体層３１、３２の厚みは、約５０μｍである。基板全体の厚みは、約１４５μｍである。

図３に示すように、基板１０の一方の面の表層である導体層Ｌ１は、集積回路の入出力端子（不図示）と導波路２０ａとの間で信号を伝送する伝送線路１１と、伝送線路１１に沿ってクリアランス部を挟んで形成され、導体層Ｌ１の外形までの大部分を占めるグランド部とを備える。また、導体層Ｌ１には、高周波信号が放射される変換部１４が形成されている。変換部１４内に伝送線路１１と接続されたプローブ部１３が形成されており、変換部１４内の領域は、プローブ部１３を除いて導体のない領域となっている。

上述のように、伝送線路１１の幅方向の両側は、クリアランス部を挟んでグランド部が配置され、コプレーナ線路を構成している。伝送線路１１をコプレーナ線路とすることにより、伝送される高周波信号の損失を低減することができる。

また、導体層Ｌ１と中間層である導体層Ｌ２との間に配置された誘電体層３１の厚みを増減させることにより、導体層Ｌ１と導体層Ｌ２との距離を変化させ、伝送線路１１の特性インピーダンスを調整することができる。

伝送線路１１の一方の端部は、図１に示すように、パッド１１ａとなっており、図示しない集積回路に高周波信号を入力または出力する信号端子と電気的に接続される。他方の端部は、変換部１４の内部に配置されるプローブ部１３に接続されており、変換される高周波信号を伝送する。

プローブ部１３は、図３に示すように、伝送線路１１に接続された基端部１３ａから、円弧状の先端部１３ｂへ向かって広がる形状であり、本実施の形態に係るプローブ部１３は、基端部１３ａから先端部１３ｂへ向けて広がる扇形に形成されている。扇形の中心角の大きさ、弧の長さ等は特に限定されず、高周波信号の周波数、導波管変換器１の入出力のインピーダンス等に基づいて設定される。なお、プローブ部１３の形状は扇形に限定されず、例えば、基端部１３ａから先端部１３ｂへ向けて広がる三角形であってもよい。また、扇形の一種としての円形であってもよい。

本実施の形態では、基端部１３ａから先端部１３ｂまでの距離は一定となっている。これにより、導波管内への挿入長を一定とし、良好な整合を実現することができる。

基板１０のバックショート部１２は、図２に一点鎖線で示すように、変換部１４の外周部に配置され、導体層Ｌ１から導体層Ｌ３を接続する貫通ビアであるビア１５と導体層Ｌ３の終端部１６とを含み、内部が誘電体で満たされた領域である。より具体的には、バックショート部１２は、ビア１５と、導体層Ｌ１の変換部１４と、導体層Ｌ１の変換部１４に対応する導体層Ｌ３の平面視矩形状の終端部１６とで囲まれ、内部が誘電体で満たされた角柱状の領域である。また、変換部１４に対応する部分の導体層Ｌ２は開口されている。

プローブ部１３からバックショート部１２へと放射された高周波信号は、バックショート部１２内の終端部１６で反射され、変換部１４を通じて、導波管２０の導波路２０ａ内へと放射される。これにより、プローブ部１３から導波路２０ａへと向かう信号と、プローブ部１３からバックショート部１２へと向かい導体層Ｌ３の終端部１６で反射された信号とが、導波路２０ａ内で重ね合わされる。

本実施の形態に係るバックショート部１２の深さ、すなわち導体層Ｌ１−Ｌ３間の距離は、変換される高周波信号の実効波長の１／４に設定されている。これにより、プローブ部１３からバックショート部１２へと放射され、終端部１６で反射された高周波信号は、導波管側へ放射された高周波信号と合成され、導波路２０ａを通じて放射される高周波信号を強める。

導波管２０は、図１に示すように、貫通孔である導波路２０ａが形成された金属部材であり、基板１０の導体層Ｌ１上に取り付けられる。また、導波管２０は、プローブ部１３を囲むように基板１０上に配置される。導波管２０の材質は、例えばアルミニウム合金である。

導波管２０に形成された導波路２０ａの一方の端部は、基板１０の変換部１４に接続される。これにより、集積回路から出力された高周波信号は、伝送線路１１を通じてプローブ部１３へ伝送され、プローブ部１３で変換された高周波信号は、伝送線路１１と電磁的に結合された導波路２０ａへ放射される。また、導波管２０の導波路２０ａから導波管変換器１へ入力された高周波信号は、導波路２０ａを通じてプローブ部１３で変換される。そして、変換された高周波信号は、伝送線路１１を通じて集積回路へと入力される。

導波管２０は、図１に示すように、伝送線路１１を避けるための線路開口部２０ｂを備える。これにより、導波管２０と伝送線路１１とが接触することを防止できる。また、プローブ部１３から放射された電磁波が線路開口部２０ｂを介して導波管２０の外部に漏れることを抑制するため、線路開口部２０ｂの高さは、低く設定されることが好ましい。

本実施の形態に係る導波管変換器１は、上述のように構成されており、集積回路から出力された高周波信号が、コプレーナ線路である伝送線路１１を介してプローブ部１３から放射され、導波路２０ａへと出力される。また、導波路２０ａへ入力された高周波信号は、プローブ部１３で変換される。そして、変換された高周波信号は、伝送線路１１を通じて集積回路へと入力される。

図４は、本実施の形態に係る導波管変換器１のＳパラメータの例を示すグラフである。本例では、中心角４５度、半径０．１ｍｍの本発明に係る扇形のプローブ部１３を用いた場合と、従来の矩形状（０．１６５ｍｍ×０．４ｍｍ）のプローブ部１３を用いた場合とを比較している。また、本例の高周波信号の周波数は３１０ＧＨｚである。

Ｓパラメータの一方の測定基準面であるポート１は、集積回路のハンダバンプと接続される伝送線路１１のパッド１１ａとしている。また、他方の測定基準面であるポート２は、導波管２０の上端面、すなわち他の導波管との接続端としている。

図４に示されるように、反射損失を示すＳパラメータＳ１１、Ｓ２２は、扇形のプローブ部１３を用いた場合の方が、矩形状のプローブ部１３を用いた場合に比べて、３１０ＧＨｚ付近で小さくなっている。一方、挿入損失を示すＳパラメータＳ２１、Ｓ１２は、扇形のプローブ部１３を用いた場合と矩形状のプローブ部１３を用いた場合とで大きく異ならない。したがって、本発明に係る扇形のプローブ部１３を用いることにより、導波管変換器１における反射信号の影響を低減し、損失の小さい良好な特性を得られることがわかる。

また、図５（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、中心角の大きさを変化させた場合の導波管変換器１のＳパラメータの例を、図６のグラフに示す。本例では、図４の例と同じ中心角４５度の場合（図５（Ａ））、半円形すなわち中心角１８０度の場合（図５（Ｂ））、円形すなわち中心角３６０度の場合（図５（Ｃ））を比較している。

図６に示されるように、反射損失を示すＳパラメータＳ１１、Ｓ２２は、扇形、半円形、円形のいずれのプローブ部１３を用いた場合であっても、３１０ＧＨｚ付近で小さくなっている。ただし、円形のプローブ部１３を用いた場合、損失が小さくなる帯域の中心周波数は、高い周波数へずれている。また、扇形のプローブ部１３と半円形のプローブ部１３では、損失が小さくなる帯域の中心周波数は概ね等しく、帯域幅は扇形のプローブ部１３を用いた場合の方が広い。

一方、挿入損失を示すＳパラメータＳ２１、Ｓ１２は、いずれのプローブ部１３を用いた場合でも、大きく落ち込んでいない。したがって、プローブ部１３の中心角の大きさによらず、本発明に係る扇形のプローブ部１３を用いることにより、導波管変換器１における反射信号の影響を低減し、損失の小さい良好な特性を得られることがわかる。

以上説明したように、本実施の形態に係る導波管変換器１では、基端部から先端部へ向けて広がるプローブ部１３を用いることにより、信号の反射特性を改善し、入出力特性を向上させることができる。また、基板１０内にバックショート部１２が形成されているので、信号変換特性を向上させることができる。

本発明は、ノイズの影響を受けやすい高周波信号を伝送線路と導波管との間で変換する導波管変換器に好適である。特に、３００ＧＨｚ以上の高周波信号を変換する導波管変換器に好適である。

１導波管変換器、１０基板、１１伝送線路、１１ａパッド、１２バックショート部、１３プローブ部、１３ａ基端部、１３ｂ先端部、１４変換部、１５ビア、１６終端部、２０導波管、２０ａ導波路、２０ｂ線路開口部、３１，３２誘電体層、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３導体層

Claims

信号を伝送する伝送線路と、前記伝送線路に接続されたプローブ部とを有する基板と、
前記プローブ部を囲むように前記基板上に配置され、前記伝送線路と電磁的に結合された導波路を有する導波管と、を備え、
前記プローブ部は、前記伝送線路と接続された基端部から、先端部へ向けて広がる形状である、
ことを特徴とする導波管変換器。
前記プローブ部は、扇形であり、前記基端部から前記先端部までの距離が一定である、
ことを特徴とする請求項１に記載の導波管変換器。
前記基板は、多層基板であり、前記導波路を終端するバックショート部を有する、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の導波管変換器。