JP2020198595A

JP2020198595A - モード変換器

Info

Publication number: JP2020198595A
Application number: JP2019105418A
Authority: JP
Inventors: 雄介上道; Yusuke Uemichi
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2019-06-05
Filing date: 2019-06-05
Publication date: 2020-12-10
Also published as: US20220255209A1; WO2020246374A1; CN113924692A

Abstract

【課題】動作帯域の中心周波数における反射係数を従来よりも低下させることが可能なモード変換器を実現する。【解決手段】モード変換器（１０）は、ポスト壁導波路（ＰＷ）と、マイクロストリップ線路（ＭＳ）と、ポスト壁導波路（ＰＷ）の導波モードとマイクロストリップ線路（ＭＳ）の導波モードとを変換するブラインドビア（ＢＶ）と、を備えている。ブラインドビア（ＢＶ）は、断面がマイクロストリップ線路（ＭＳ）から遠ざかるに従って次第に小さくなるテーパ形状を有しており、ブラインドビア（ＢＶ）の側面の傾き（θ）は、５．５°以上である。【選択図】図２

Description

本発明は、ポスト壁導波路の導波モードとマイクロストリップ線路の導波モードとを相互に変換するモード変換器に関する。

非特許文献１には、ポスト壁導波路と、ポスト壁導波路の主面に形成されたマイクロストリップ線路とを備え、ポスト壁導波路の導波モードとマイクロストリップ線路の導波モードとを相互に変換するモード変換器が記載されている。非特許文献１に記載のモード変換器においては、ポスト壁導波路の内部に形成された円柱状のブラインドビアを用いて、このような導波モードの変換を実現している。

Yusuke Uemichi, et al. "A ultra low-loss silica-based transformer between microstrip line and post-wall waveguide for millimeter-wave antenna-in-package applications," IEEE MTT-S IMS, Jun. 2014.

モード変換器においては、動作帯域の中心周波数における反射係数が−２０ｄＢ以下であることが好ましい。しかしながら、非特許文献１に記載のモード変換器においては、動作帯域の中心周波数における反射係数が−２０ｄＢよりも大きくなる場合があり、この点において改善の余地が残されていた。

本発明の一態様は、上記の問題に鑑みなされたものであり、動作帯域の中心周波数における反射係数を従来よりも低下させることが可能なモード変換器を実現することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の第１の態様に係るモード変換器は、ポスト壁導波路と、前記ポスト壁導波路の主面に形成されたマイクロストリップ線路と、前記ポスト壁導波路の内部に形成されたブラインドビアであって、前記ポスト壁導波路の導波モードと前記マイクロストリップ線路の導波モードとを相互に変換するブラインドビアと、を備えており、前記ブラインドビアは、前記主面に平行な断面が前記マイクロストリップ線路から遠ざかるに従って次第に小さくなるテーパ形状を有しており、前記ブラインドビアの側面の前記主面の法線に対する傾きは、５．５°以上である構成が採用されている。

上記の構成によれば、動作帯域の中心周波数における反射係数を従来よりも低下させることができる。

また、本発明の第２の態様に係るモード変換器は、上記第１の態様に係るモード変換器の構成に加えて、前記ブラインドビアの前記マイクロストリップ線路側と反対側の底面は、平面状であり、前記ブラインドビアの側面の前記主面の法線に対する傾きは、９．５°以下である構成が採用されている。

上記の構成によれば、前記ブラインドビアの前記マイクロストリップ線路側と反対側の底面が平面状である場合に、動作帯域の中心周波数における反射係数を従来よりも低下させることができる。

本発明の第３の態様に係るモード変換器は、上記第１の態様に係るモード変換器の構成に加えて、前記ブラインドビアの前記マイクロストリップ線路側と反対側の底面は、球面状であり、前記ブラインドビアの側面の前記主面の法線に対する傾きは、８．０°以下である構成が採用されている。

上記の構成によれば、前記ブラインドビアの前記マイクロストリップ線路側と反対側の底面が球面状である場合に、動作帯域の中心周波数における反射係数を従来よりも低下させることができる。

本発明の第４の態様に係るモード変換器は、上記第１の態様、上記第２の態様、又は上記第３の態様に係るモード変換器の構成に加えて、動作帯域の中心周波数における反射係数Ｓ１１は、−２０ｄＢ以下である構成が採用されている。

本発明の一態様によれば、動作帯域の中心周波数における反射係数を従来よりも低下させることが可能なモード変換器を実現することができる。

本発明の一実施形態に係るモード変換器の構成を示す平面図である。本発明の一実施形態に係るモード変換器の構成を示す断面図である。図１及び図２に示すモード変換器が備えるブラインドビアの形状を示す断面図である。図３に示すブラインドビアを備えるモード変換器の反射係数の周波数依存性を示すグラフである。図１及び図２に示すモード変換器が備えるブラインドビアの変形例を示す断面図である。図５に示すブラインドビアを備えるモード変換器の反射係数の周波数依存性を示すグラフである。

〔モード変換器の構成〕
本発明の第１の実施形態に係るモード変換器１０の構成について、図１及び図２を参照して説明する。図１は、モード変換器１０の構成を示す平面図である。図２は、モード変換器１０の構成を示す断面図である。なお、図２に示す断面は、モード変換器１０を図１に示すＡＡ’線において切断することにより現れる断面である。

モード変換器１０は、ポスト壁導波路ＰＷの導波モードをマイクロストリップ線路ＭＳの導波モードに変換する装置であり、図２に示すように、誘電体基板１１、第１導体層１２、第２導体層１３、誘電体層１４、第３導体層１５により構成されている。

誘電体基板１１は、誘電体により構成された板状部材である。本実施形態においては、誘電体基板１１を構成する誘電体として、石英を用いている。ただし、誘電体基板１１を構成する誘電体は、石英に限定されるものではなく、ポスト壁導波路ＰＷの動作周波数等に応じて適宜選択された任意の誘電体であり得る。

第１導体層１２及び第２導体層１３は、導体により構成された層状部材である。第１導体層１２は、誘電体基板１１の一方の主面（図２における上面）に形成されている。第２導体層１３は、誘電体基板１１の他方の主面（図２における下面）に形成されており、誘電体基板１１を介して第１導体層１２と対向している。本実施形態においては、第１導体層１２及び第２導体層１３を構成する導体として、銅を用いている。ただし、第１導体層１２及び第２導体層１３を構成する導体は、銅に限定されるものではなく、任意の導体であり得る。また、第１導体層１２及び第２導体層１３の厚みは、任意である。第１導体層１２及び第２導体層１３は、導体膜と呼び得る程度に薄いものであってもよいし、導体板と呼び得る程度に厚いものであってもよい。

第１導体層１２は、開口１２１ａが形成された面状導体１２１と、開口１２１ａの内部に形成された環状導体１２２と、により構成されている。本実施形態において、開口１２１ａの平面視形状は、円形状であり、環状導体１２２の平面視形状は、外縁の直径が開口１２ａの直径よりも小さい円環形状である。環状導体１２２の外縁は、面状導体１２１から離間している。このため、環状導体１２２は、面状導体１２１から電気的に絶縁されている。

誘電体基板１１の内部には、特定の領域を取り囲むようにポスト壁１１１が形成されている。本実施形態においては、ポスト壁１１１として、柵状に配列された複数のスルービアＴＶ１，ＴＶ２，…の集合を用いている。各スルービアＴＶｉ（ｉ＝１，２，…）は、誘電体基板１１に穿孔された貫通孔の側壁を覆う導体層により構成されている。各スルービアＴＶｉの一端（図２における上端）は、第１導体層１２に接続されており、各スルービアＴＶｉの他端（図２おける下端）は、第２導体層１３に接続されている。このため、第１導体層１２と第２導体層１３とは、複数のスルービアＴＶ１，ＴＶ２，…により電気的に短絡されている。誘電体基板１１、第１導体層１２、第２導体層１３、及びポスト壁１１１は、第１導体層１２と第２導体層１３とに挟まれ、且つ、ポスト壁１１１に囲まれた領域を導波領域とするポスト壁導波路ＰＷとして機能する。この際、第１導体層１２及び第２導体層１３は、ポスト壁導波路ＰＷの広壁として機能し、ポスト壁１１１は、このポスト壁導波路ＰＷの狭壁（側壁及びショート壁）として機能する。上述した第１導体層１２の開口１２ａは、ポスト壁導波路ＰＷのショート壁近傍に配置されている。

誘電体層１４は、誘電体により構成された層状部材である。誘電体層１４は、第１導体層１２の誘電体基板１１側と反対側の主面（図２における上面）に形成されている。本実施形態においては、誘電体層１４を構成する誘電体として、ポリイミド樹脂を用いている。ただし、誘電体層１４を構成する誘電体は、ポリイミド樹脂に限定されるものではなく、マイクロストリップ線路ＭＳの動作周波数等に応じて適宜選択された任意の誘電体であり得る。また、誘電体層１４の厚みは、任意である。誘電体層１４は、誘電体膜と呼び得る程度に薄いものであってもよいし、誘電体板と呼び得る程度に厚いものであってもよい。

誘電体層１４には、開口１４ａが形成されている。本実施形態において、開口１４ａの平面視形状は、直径が（１）環状導体１２２の内縁の直径よりも大きく、且つ、（２）環状導体１２２の外縁の直径よりも小さい円形状である。平面視において、開口１４ａは、環状導体１２２の外縁に囲まれた領域に包含され、且つ、環状導体１２２の内縁に囲まれる領域を包含する。

第３導体層１５は、導体により構成された層状部材である。第３導体層１５は、誘電体層１４の第１導体層１２側の主面と反対側の主面（図２における上面）に形成されている。本実施形態においては、第３導体層１５を構成する導体として、銅を用いている。ただし、第３導体層１５を構成する導体は、銅に限定されるものではなく、任意の導体であり得る。また、第３導体層１５の厚みは、任意である。第３導体層１５は、導体膜と呼び得る程度に薄いものであってもよいし、導体板と呼び得る程度に厚いものであってもよい。

第３導体層１５は、平面視形状が環状の環状導体１５１と、平面視形状が帯状の帯状導体１５２と、により構成されている。本実施形態において、環状導体１５１の平面視形状は、内縁の直径が開口１４ａの直径と等しい円環状である。平面視において、環状導体１５１の内縁に囲まれた領域は、開口１４ａと重なる。環状導体１５１の内縁は、開口１４ａの側壁に形成された導体層を介して環状導体１２２と接続されている。帯状導体１５２は、その一端が環状導体１５１に接続されており、ポスト壁導波路ＰＷの延伸方向と反対方向に延伸している。帯状導体１５２の幅は、環状導体１５１の外縁の直径よりも小さくなっている。帯状導体１５１の幅は、誘電体層１４の厚みに応じて設定される。誘電体層１４、第１導体層１２、及び第３導体層１５は、第１導体層１２及び第３導体層１３に挟まれた領域を導波領域とするマイクロストリップ線路ＭＳとして機能する。この際、第１導体層１２は、このマイクロストリップ線路ＭＳの接地導体として機能し、第３導体層１５は、このマイクロストリップ線路ＭＳのストリップ導体として機能する。

誘電体基板１１の内部には、ポスト壁導波路ＰＷの導波モードとマイクロストリップ線路ＭＳの導波モードとを相互に変換するためのブラインドビアＢＶが設けられている。ブラインドビアＢＶは、誘電体基板１１に一方の主面（図２における上面）から穿孔された非貫通孔の側壁を覆う導体層により構成されている。平面視において、ブラインドビアＢＶは、環状導体１２２の内縁に囲まれた領域と重なる。ブラインドビアＢＶの一端（図２における上端）は、環状導体１２２の内縁に接続されている。このため、ブラインドビアＢＶは、マイクロストリップ線路ＭＳのストリップ導体として機能する第３導体層１５と電気的に短絡されると共に、ポスト壁導波路ＰＷの広壁として機能する第１導体層１２及び第２導体層１３から電気的に絶縁される。

以上のように、モード変換器１０は、ポスト壁導波路ＰＷと、ポスト壁導波路ＰＷの主面（具体的には、ポスト壁導波路ＰＷを構成する第１導体層１２の上面）に形成されたマイクロストリップ線路ＭＳと、ポスト壁導波路ＰＷの内部（具体的には、ポスト壁導波路ＰＷを構成する誘電体基板１１の内部）に形成されたブラインドビアＢＶであって、ポスト壁導波路ＰＷの導波モードとマイクロストリップ線路ＭＳの導波モードとを相互に変換するブラインドビアＢＶと、を備えている。このモード変換器１０の特徴は、ブラインドビアＢＶの形状にある。以下、ブラインドビアＢＶの形状について、参照する図面を代えて詳述する。

なお、本実施形態においては、ブラインドビアＢＶを、非貫通孔の側壁を覆う導体層により実現する構成を採用しているが、本発明はこれに限定されない。例えば、ブラインドビアＢＶを、非貫通孔に充填された導体により実現する構成を採用してもよい。

〔ブラインドビアの形状〕
モード変換器１０が備えるブラインドビアＢＶの形状について、図３を参照して説明する。図３は、ブラインドビアＢＶの形状を示す断面図である。

ブラインドビアＢＶは、ポスト壁導波路ＰＷの主面に平行な断面がマイクロストリップ線路ＭＳから遠ざかるに従って小さくなるテーパ形状を有している。特に、本実施形態においては、ブラインドビアＢＶの形状として、図３に示すように、マイクロストリップ線路ＭＳ側と反対側の底面Ｓ１が平面状である円錐台形状を採用している。ブラインドビアＢＶのマイクロストリップ線路ＭＳ側と反対側の底面Ｓ１の直径Ｄ１は、ブラインドビアＢＶのマイクロストリップ線路ＭＳ側の底面Ｓ２の直径Ｄ２よりも小さくなっている。一例として、ブラインドビアＢＶのマイクロストリップ線路ＭＳ側と反対側の底面Ｓ１の直径Ｄ１は、ポスト壁１１１を構成する各スルービアＴＶｉの直径（例えば、１００μｍ）と同一であり、ブラインドビアＢＶのマイクロストリップ線路ＭＳ側の底面Ｓ２の直径Ｄ２は、ポスト壁１１１を構成する各スルービアＴＶｉの直径の２倍（例えば、２００μｍ）である。

以下、図３に示すブラインドビアＢＶを備えたモード変換器１０に関して、ブラインドビアＢＶのマイクロストリップ線路ＭＳ側と反対側の底面Ｓ１の好ましい直径Ｄ１について、図４を参照して検討する。ブラインドビアＢＶの高さＨは、４００μｍ（固定）とし、ブラインドビアＢＶのマイクロストリップ線路ＭＳ側の底面Ｓ２の直径Ｄ２は、２００μｍ（固定）とする。

図４は、動作帯域の中心周波数が７５ＧＨｚとなるように設計されたモード変換器１０において、ブラインドビアＢＶの底面Ｓ１の直径Ｄ１を８μｍステップで２５μｍから１５３μｍまで変化させたときに得られる、反射係数Ｓ１１の周波数依存性を示すグラフである。

図４に示すグラフによれば、ブラインドビアＢＶの底面Ｓ１の直径Ｄ１が４９μｍ以上１１３μｍ以下であるときに、動作帯域の中心周波数７５ＧＨｚにおいて反射係数Ｓ１１が−２０ｄＢを下回るという好ましい特性が実現されることが分かる。ブラインドビアＢＶの底面Ｓ１の直径Ｄ１が４９μｍであるとき、誘電体基板１１の主面の法線に対するブラインドビアＢＶの側面の傾きθ（図３参照）は、約９．５°となる。一方、ブラインドビアＢＶの底面Ｓ１の直径Ｄ１が１１３μｍであるとき、誘電体基板１１の主面の法線に対するブラインドビアＢＶの側面の傾きθは、約５．５°になる。したがって、上記の結果は、誘電体基板１１の主面の法線に対するブラインドビアＢＶの側面の傾きθが５．５°以上９．５°以下であるときに、動作帯域の中心周波数７５ＧＨｚにおいて反射係数Ｓ１１が−２０ｄＢを下回るという好ましい特性が実現されることを意味する。

〔ブラインドビアの変形例〕
モード変換器１０がブラインドビアＢＶの変形例について、図５を参照して説明する。図５は、本変形例に係るブラインドビアＢＶの形状を示す断面図である。

ブラインドビアＢＶは、誘電体基板１１の主面に平行な断面がマイクロストリップ線路ＭＳから遠ざかるに従って小さくなるテーパ形状を有している。特に、本変形例においては、ブラインドビアＢＶの形状として、図５に示すように、マイクロストリップ線路ＭＳ側と反対側の底面Ｓ１が球面状である略円錐台形状を採用している。ブラインドビアＢＶのマイクロストリップ線路ＭＳ側と反対側の底面Ｓ１の直径Ｄ１は、ブラインドビアＢＶのマイクロストリップ線路ＭＳ側の底面Ｓ２の直径Ｄ２よりも小さくなっている。一例として、ブラインドビアＢＶのマイクロストリップ線路ＭＳ側と反対側の底面Ｓ１の直径Ｄ１は、ポスト壁導波路１１１を構成する各スルービアＴＶｉの直径（例えば、１００μｍ）と同一であり、ブラインドビアＢＶの各マイクロストリップ線路ＭＳ側の底面Ｓ２の直径Ｄ２は、ポスト壁導波路１１１を構成する各スルービアＴＶｉの直径の２倍（例えば、２００μｍ）である。ブラインドビアＢＶのマイクロストリップ線路ＭＳ側の底面Ｓ１の曲率半径Ｒ１は、ブラインドビアＢＶのマイクロストリップ線路ＭＳ側と反対側の底面Ｓ１の直径Ｄ１の１／２（例えば、５０μｍ）である。

以下、図５に示すブラインドビアＢＶを備えたモード変換器１０に関して、ブラインドビアＢＶのマイクロストリップ線路ＭＳ側と反対側の底面Ｓ１の好ましい直径Ｄ１について、図６を参照して検討する。ブラインドビアＢＶの高さＨは、４００μｍ（固定）とし、ブラインドビアＢＶのマイクロストリップ線路ＭＳ側の底面Ｓ２の直径Ｄ２は、２００μｍ（固定）とする。

図６は、動作帯域の中心周波数が７５ＧＨｚとなるように設計されたモード変換器１０において、ブラインドビアＢＶの底面Ｓ１の直径Ｄ１を７μｍステップで１１μｍから１２３μｍまで変化させたときに得られる、反射係数Ｓ１１の周波数依存性を示すグラフである。

図６に示すグラフによれば、ブラインドビアＢＶの底面Ｓ１の直径Ｄ１が７４μｍ以上１１６μｍ以下であるときに、動作帯域の中心周波数７５ＧＨｚにおいて反射係数Ｓ１１が−２０ｄＢを下回るという好ましい特性が実現されることが分かる。ブラインドビアＢＶの底面Ｓ１の直径Ｄ１が７４μｍであるとき、誘電体基板１１の主面の法線に対するブラインドビアＢＶの側面の傾きθ（図５参照）は、約８．０°となる。一方、ブラインドビアＢＶの底面Ｓ１の直径Ｄ１が１１６μｍであるとき、誘電体基板１１の主面の法線に対するブラインドビアＢＶの側面の傾きθは、約５．５°になる。したがって、上記の結果は、誘電体基板１１の主面の法線に対するブラインドビアＢＶの側面の傾きθが５．５°以上８．０°以下であるときに、動作帯域の中心周波数７５ＧＨｚにおいて反射係数Ｓ１１が−２０ｄＢを下回るという好ましい特性が実現されることを意味する。

（ブラインドビアの側面の好ましい傾き）
以上のように、ブラインドビアＢＶの側面の傾きθは、５．５°以上であることが好ましい。これにより、ブラインドビアＢＶの底面Ｓ１が平面であるか球面であるかに依らず、動作帯域の中心周波数における反射係数Ｓ１１を−２０ｄＢ以下に抑えることが可能になる。なお、ブラインドビアＢＶの側面は、製造上の理由によりテーパ形状になることがある。しかし、製造上の理由によりテーパ形状を有するに至ったブラインドビアＢＶの側面の傾きθは、極めて小さく、５．５°を超えることはない。

また、ブラインドビアＢＶの底面Ｓ１が平面の場合、ブラインドビアＢＶの側面の傾きθは、９．５°以下であることが好ましい。これにより、動作帯域の中心周波数における反射係数Ｓ１１を−２０ｄＢ以下に抑えることが可能になる。

また、ブラインドビアＢＶの底面Ｓ１が球面の場合、ブラインドビアＢＶの側面の傾きθは、８．０°以下であることが好ましい。これにより、動作帯域の中心周波数における反射係数Ｓ１１を−２０ｄＢ以下に抑えることが可能になる。

〔付記事項〕
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

１０モード変換器
ＰＷポスト壁導波路
ＭＳマイクロストリップ線路
１１基板
１１１ポスト壁
１２第１導体層
１３第２導体層
１４誘電体層
１５第３導体層
ＴＶｉスルービア
ＢＶブラインドビア
Ｓ１，Ｓ２ブラインドビアの底面
Ｄ１，Ｄ２ブラインドビアの底面の直径
θ ブラインドビアの傾き

Claims

ポスト壁導波路と、
前記ポスト壁導波路の主面に形成されたマイクロストリップ線路と、
前記ポスト壁導波路の内部に形成されたブラインドビアであって、前記ポスト壁導波路の導波モードと前記マイクロストリップ線路の導波モードとを相互に変換するブラインドビアと、を備えており、
前記ブラインドビアは、前記主面に平行な断面が前記マイクロストリップ線路から遠ざかるに従って次第に小さくなるテーパ形状を有しており、
前記ブラインドビアの側面の前記主面の法線に対する傾きは、５．５°以上である、
ことを特徴とするモード変換器。
前記ブラインドビアの前記マイクロストリップ線路側と反対側の底面は、平面状であり、
前記ブラインドビアの側面の前記主面の法線に対する傾きは、９．５°以下である、
ことを特徴とする請求項１に記載のモード変換器。
前記ブラインドビアの前記マイクロストリップ線路側と反対側の底面は、球面状であり、
前記ブラインドビアの側面の前記主面の法線に対する傾きは、８．０°以下である、
ことを特徴とする請求項１に記載のモード変換器。
動作帯域の中心周波数における反射係数Ｓ１１は、−２０ｄＢ以下である、
ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のモード変換器。