JP3264214B2 - 非放射性平面誘電体線路およびその集積回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ミリ波帯やマイ
クロ波帯で用いられる非放射性の平面誘電体線路および
その集積回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】マイクロ波・ミリ波は、３００ＭＨｚか
ら３００ＧＨｚの非常に広範囲の電磁波であり、種々の
レーダをはじめ、地上の長距離電話やテレビ放送波など
の中継、衛星通信などに広く用いられる他、衛星放送や
移動体通信などの分野においても広く用いられている。
一方、ＭＭＩＣなどのＩＣ化の研究開発も活発に行われ
マイクロ波・ミリ波帯の電磁波を使用した機器の小型化
も急速に進み、その利用範囲は益々広がりつつある。

【０００３】従来、マイクロ波帯やミリ波帯では、導波
管や同軸線路、またはマイクロストリップライン、コプ
レーナライン、スロットラインなどの誘電体基板上に所
定の電極を形成して構成された伝送線路が多く用いられ
てきた。導波管は低伝送損失が必要とされる部分に使用
され、同軸線路は機器間の接続用ケーブルとして使用さ
れている。また、マイクロストリップラインやスロット
ラインなどは、ＩＣなどの電子部品との接続が容易であ
るために、主として電子部品間の接続に使用されてい
る。

【０００４】スロットラインは図１５に示すように、所
定の厚さｈ４００を有する誘電体基板４２３の上面に互
いに所定の間隔を隔てて電極４２１ａ，４２１ｂが形成
されている。これによって、所定の幅Ｗ４００を有する
スロット４２４が電極４２１ａと電極４２１ｂとの間で
挟設されている。以上のように構成されたスロットライ
ンにおいて、電磁波は図１５に示すようにスロット４２
４の幅方向に平行な電界Ｅ４００とスロット４２４の長
手方向に平行な磁界Ｈ４００を有するモードを形成し
て、スロット４２４の長手方向に伝搬する。

【０００５】更に、上記以外の伝送線路として、非放射
性誘電体線路（ＮＲＤガイド）も使用されている。ＮＲ
Ｄガイドは、方形柱形状の誘電体ストリップを２つの導
電体板の間に設けて構成され、伝送損失が小さいという
特徴を有する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、導波管
はその形状が大きく、機器の小型軽量化が図れないとい
う問題や、ＩＣなどの電子部品との接続が容易でないと
いう問題があった。また、同軸線路は、その断面形状に
よって決まる特定の周波数より高い周波数では、不要な
高次モードが発生し、伝送損失が増大して使用できない
という問題があった。そのため、同軸線路を周波数が６
０ＧＨｚ程度のミリ波帯の周波数で使用しようとする
と、同軸線路の直径を１ｍｍ程度まで小さくする必要が
あり、製造が困難になる。更に、マイクロストリップラ
インやコプレーナライン、スロットラインなどでは、伝
送損失が大きいため、低伝送損失の要求される箇所には
適さない。更に、従来のＮＲＤガイドは、ＩＣなどの電
子部品との接続が容易ではないという問題があった。

【０００７】そこで、本願出願人は特願平０７−０６９
８６７号にてこれらの課題を解決した平面誘電体線路お
よび集積回路に関する発明を出願している。

【０００８】本願発明はこの先の出願と同様に、上述し
た従来の各課題を解決するとともに、更により低損失な
伝送線路およびそれを用いた集積回路を提供することを
目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明に係る請求項１
および２に記載の非放射性平面誘電体線路は、誘電体板
の第１主面に、第１の電極と第２の電極との間で挟設さ
れ、且つ所定の幅を有する第１のスロットを備え、前記
誘電体板の第２主面に、第３の電極と第４の電極との間
で挟設され、前記第１のスロットと略等しい幅を有し、
且つ第１のスロットに対向する第２のスロットを備えて
なり、前記誘電体板の前記第１のスロットと第２のスロ
ットとで挟設される領域を電磁波の伝搬領域とする伝送
基板と、前記第１のスロットに沿った形状の溝を備え、
溝の形成面が前記伝送基板に対向して、前記第１の電極
と第２の電極とに導通し、且つ前記第１のスロットを覆
う第１の導電体板と、前記第２のスロットに沿った形状
の溝を備え、溝の形成面が前記伝送基板に対向して、前
記第３の電極と第４の電極とに導通し、且つ前記第２の
スロットを覆う第２の導電体板とから構成する。そし
て、請求項１に記載の非放射性誘電体線路は、比誘電率
が１０以上で厚みが０．３ｍｍ以上の誘電体板を用い、
請求項２に記載の非放射性誘電体線路は、比誘電率が１
８以上で厚みが０．３ｍｍ以上の誘電体板を用いる。

【００１０】請求項３に記載の非放射性平面誘電体線路
は、請求項１または２に記載のものにおいて、前記第１
・第２の導電体板と前記伝送基板との間に前記誘電体板
より低誘電率の誘電体を介在させる。

【００１１】

【００１２】また、この発明に係る請求項４に記載の非
放射性平面誘電体線路集積回路は、請求項１〜３のうち
いずれかに記載の伝送基板に回路素子を設けて、該回路
素子を含む伝送基板と前記第１・第２の導電体板とによ
って集積回路を構成する。

【００１３】請求項１および２に記載の非放射性平面誘
電体線路では、誘電体板の第１主面に第１・第２の電極
から成る第１のスロットが構成され、誘電体板の第２主
面に第３・第４の電極から成る第２のスロットが第１の
スロットに対向して設けられることによって、この第１
と第２のスロットで挟まれる領域が電磁波の伝搬領域と
なる。すなわちこの伝搬域を伝搬する所定の周波数を有
する電磁波が、第１のスロットにおける誘電体板の第１
主面と第２のスロットにおける誘電体板の第２主面とに
よって全反射しながら伝搬する。そして、第１のスロッ
トに対向する位置に溝を形成した第１の導電体板が第１
の電極と第２の電極とに導通し且つ第１のスロットを覆
うため、また第２のスロットに対向する位置に溝を形成
した第２の導電体板が第３の電極と第４の電極とに導通
し且つ第２のスロットを覆うため、仮に第１のスロット
と第２のスロットが完全な対称性を有さなくても、その
非対称性によって生じる放射波は第１・第２の導電体板
によって遮断されるため、放射損失が抑えられ、伝送損
失が抑えられる。また、スロットに対向する位置に溝を
形成した導電体板を用いることにより、複数の伝搬領域
を設ける場合にも伝送基板との組み立て構造が単純化さ
れ、製造コストを容易に削減できるようになる。

【００１４】特に請求項１に記載の非放射性誘電体線路
では、比誘電率が１０以上で厚みが０．３ｍｍ以上の誘
電体板を用いるため、後述するように、スロットの幅と
波長の０．４倍を加えた幅をもつ領域内にエネルギが約
８０％以上閉じ込められる。そのため近接して線路を設
置でき、回路の高集積化・小型化が可能となる。

【００１５】また、請求項２に記載の非放射性誘電体線
路では、比誘電率が１８以上で厚みが０．３ｍｍ以上の
誘電体板を用いるため、後述するように、スロットの幅
と波長の０．４倍を加えた幅をもつ領域内にエネルギが
約９０％以上閉じ込められる。そのため近接して線路を
設置でき、回路の高集積化・小型化が可能となる。

【００１６】請求項３に記載の非放射性平面誘電体線路
では、第１・第２の導電体板と伝送基板との間に前記誘
電体板より低誘電率の誘電体が介在しているため、同一
周波数で比較した場合に、第１・第２の導電体板の寸法
を小さくしても伝搬領域に電磁波を伝搬させることがで
きるため、非放射性平面誘電体線路全体を小型化するこ
とができる。

【００１７】

【００１８】請求項４に記載の非放射性平面誘電体線路
集積回路では、前記伝送基板に発振ダイオードやミキサ
ダイオードなどの回路素子を設けて、その回路素子を含
む伝送基板と第１・第２の導電体板とによって集積回路
を構成することによって、平面回路を有する非放射性平
面誘電体線路集積回路を容易に構成できるようになる。

【００１９】

【発明の実施の形態】本願発明に含まれる実施形態は、
以下に説明する第５の実施形態である。第１の実施形態
に係る非放射性平面誘電体線路の構成を図１および図２
を参照して説明する。

【００２０】図１は非放射性平面誘電体線路の部分斜視
図であり、図における手前の面は切断面として表してい
る。同図において２３は誘電体板であり、その第１主面
（図における上面）に第１，第２の電極２１ａ，２１ｂ
を形成して、２４で示す部分を第１のスロットとして構
成している。また誘電体板２３の第２主面（図における
下面）に第３，第４の電極２２ａ，２２ｂを形成して、
２５で示す部分を第２のスロットとして構成している。
この誘電体板２３と第１・第２のスロット２４，２５と
によって伝送基板３０を構成している。また同図におい
て２８，２９はそれぞれ導電体であり、導電体２８は第
１の電極２１ａと第２の電極２１ｂとに導通し、且つ第
１のスロット２４を覆う。同様に導電体２９は第３の電
極２２ａと第４の電極２２ｂとに導通し、且つ第２のス
ロット２５を覆う。

【００２１】図１に示すように、誘電体板２３は、ｘ軸
方向に所定の厚さｔ２３、ｙ軸方向に所定の幅Ｗ３、ｚ
軸方向に幅Ｗ３に比べて充分に長い長さを有する。スロ
ット２４，２５は所定の幅Ｗ１を有し、誘電体板２３の
幅方向（ｙ軸方向）の中央部に誘電体板２３の長手方向
（ｚ軸方向）と平行になるように形成している。誘電体
板２３の上面にはスロット２４と中心を同じくし、所望
の厚さｔ２６、所望の幅Ｗ２を有する誘電体２６を重ね
て形成している。そして、誘電体２６の外側面には電極
２１ａと電気的に接続されるように外部電極２８ａを形
成し、この外部電極２８ａに対向し、電極２１ｂに電気
的に接続されるように外部電極２８ｂを形成し、更に誘
電体２６の上面に外部電極２８ｃを形成している。この
外部電極２８ａ，２８ｂ，２８ｃによる外部電極２８
が、電極２１ａと２１ｂとに導通し、且つスロット２４
を覆うことになる。同様に、誘電体板２３の下面には、
スロット２５と中心を同じくし、所望の厚さｔ２７、所
望の幅Ｗ２を有する誘電体２７を重ねて形成している。
そして、誘電体２７の外側面には電極２２ａと電気的に
接続されるように外部電極２９ａを形成し、この外部電
極２９ａに対向し、電極２２ｂに電気的に接続されるよ
うに外部電極２９ｂを形成し、更に誘電体２７の下面に
外部電極２９ｃを形成している。この外部電極２９ａ，
２９ｂ，２９ｃによる外部電極２９が、電極２２ａと２
２ｂとに導通し、且つスロット２５を覆うことになる。

【００２２】図１に示した、対向するスロット２４と２
５の間の誘電体板２３に設けられる２３ｃで示す部分が
所望の伝搬周波数ｆｂを有する高周波信号を伝搬させる
伝搬領域となる。また、この伝搬領域２３ｃを挟む両側
の２３ａ，２３ｂで示す部分が遮断領域となる。

【００２３】ここで誘電体２３の比誘電率εｒ２３、誘
電体２６の比誘電率εｒ２６、誘電体２７の比誘電率ε
ｒ２７のうち、εｒ２６とεｒ２７とは互いに等しい値
に設定し、またεｒ２３はεｒ２６およびεｒ２７より
高い所定の値に設定する。

【００２４】図２は図１に示した非放射性平面誘電体線
路の伝搬領域部分を伝搬方向に通る面における断面図で
ある。図２に示すように、電磁波ｐｗ２３は、スロット
２４における誘電体板２３の上面の１点に所定の入射角
θで入射して、入射角θと等しい反射角θで反射され
る。ここでスロット２４における誘電体板２３の伝搬領
域２３ｃの上面は、誘電体２６ｃとの境界面である。ま
た、スロット２４における誘電体板２３の上面の１点で
反射された電磁波ｐｗ２３はスロット２５における誘電
体板２３の下面の１点に入射角θで入射して、入射型θ
と等しい反射角θで反射される。ここでスロット２５に
おける誘電体板の伝搬領域２３ｃの下面は、誘電体２７
ｃとの境界面である。以降、電磁波ｐｗ２３は上記２つ
の境界面で交互に繰り返し反射されて、誘電体板の伝搬
領域２３ｃの内部をＴＥモードで伝搬する。以下ＴＥモ
ードで伝搬する電磁波をＴＥ波と言う。

【００２５】ここでスロット２４における誘電体板２３
の上面の１点とスロット２５における誘電体板２３の下
面の１点とに入射するときの入射角θは、電磁波ｐｗ２
３の進行方向とスロット２４または２５の入射点に立て
た法線との成す角度であって、電磁波ｐｗ２３の伝搬定
数ｋと、誘電体板２３の長手方向を伝搬方向とするＴＥ
波の位相定数βとを用いて次の〔数１〕で表される。そ
して、入射角θが次の〔数２〕に示す臨界角θdcより大
きくなると、電磁波ｐｗ２３はスロット２４における誘
電体板２３の上面とスロット２５における誘電体板２３
の下面とで全反射を起こして、誘電体板２３の伝搬領域
２３ｃの内部を減衰することなく伝搬する。入射角θが
臨界角θdcより小さくなると、電磁波ｐｗ２３の一部は
誘電体２６または２７に透過して、伝搬領域２３ｃの内
部を伝搬する電磁波ｐｗ２３は減衰する。

【００２６】

【数１】θ＝ sin^-1（β／ｋ１）

【００２７】

【数２】 θdc ＝ sin^-1｛√（εｒ２６／εｒ２３）｝ ＝ sin^-1｛√（εｒ２７／εｒ２３）｝ ここで、伝搬定数ｋは、電磁波ｐｗ２３の周波数と誘電
体板２３の比誘電率εｒ２３とによって決定され、位相
定数βは電磁波ｐｗ２３の周波数と誘電体板２３の比誘
電率εｒ２３および誘電体板２３の厚さｔ２３によって
決定される。ここで、ｘ，ｙ，ｚの各軸を図２に示した
ようにとって、ｚ軸方向に進行し、且つ電界のｙ成分Ｅ
ｙが均一であるＴＥ波を考える。誘電体板２３を伝搬す
る電磁波の伝搬定数ｋ１は誘電体板２３の比誘電率εｒ
２３を用いて次の〔数３〕で表される。ここでｋ０は真
空中の電磁波の伝搬定数である。また、誘電体２６，２
７の中を伝搬する電磁波の伝搬定数ｋ２は同様にして次
の〔数４〕で表される。更に誘電体板２３と誘電体２６
の中を伝搬する電磁波の位相定数βは等しくなるので、
次の〔数５〕が成り立つ。〔数５〕における伝搬定数ｋ
ｘ₁ とｋｘ₂ はそれぞれ誘電体板２３と誘電体２６，２
７の中を伝搬する電磁波の伝搬定数ｋ１，ｋ２のｘ成分
を表す。またｋｘ₁ とｋｘ₂ の間には、次の〔数６〕の
関係が成り立つ。そして〔数５〕と〔数６〕を解くこと
によって、伝搬定数ｋｘ₁ ，ｋｘ₂ および位相定数βを
求めることができる。

【００２８】

【数３】ｋ１＝ｋ０√（εｒ２３）

【００２９】

【数４】 ｋ２＝ｋ０√（εｒ２６）＝ｋ０√（εｒ２７）

【００３０】

【数５】β² ＝ｋ１² −ｋｘ₁ ²＝ｋ２² −ｋｘ₂ ²

【００３１】

【数６】（１／ｋｘ₁)tan （ｋｘ₁ ・ｔ２３／２)−
（１／ｋｘ₂)tan （ｋｘ₂ ・ｔ２６) ＝０ また、入射角θは平面電磁波ｐｗ２３の周波数が低くな
ると小さくなり、電磁波ｐｗ２３の周波数が高くなると
大きくなる。従って、入射角θが臨界角θdcに等しくな
る臨界周波数ｆda以上の周波数を有する平面電磁波ｐｗ
２３は、スロット２４における誘電体板２３の上面とス
ロット２５における誘電体板２３の下面とで全反射を繰
り返しながら伝搬する。すなわち、誘電体板２３の比誘
電率εｒ２３とその厚さｔ２３および誘電体２６の比誘
電率εｒ２６と誘電体２７の比誘電率εｒ２７とは、所
望の伝搬周波数ｆｂが臨界周波数ｆda以上になるように
設定する。言い換えれば、εｒ２３，ｔ２３，εｒ２
６，εｒ２７が、所望の伝搬周波数ｆｂを有する平面波
がスロット２４における誘電体板２３の上面とスロット
２５における誘電体板２３の下面とによって全反射され
るように設定する。

【００３２】また、図１に示した誘電体板２３を挟設す
るように互いに対向して形成する電極２１ａ，２２ａ
は、ＴＥ波に対して所望の伝搬周波数ｆｂに比べて充分
高い遮断周波数を有する平行平板導波管を構成する。こ
れによって、電極２１ａと２２ａとによって挟設された
誘電体板２３の幅方向の一方の側に、電極２１ａ，２２
ａに平行な電界成分を有するＴＥ波に対する遮断領域２
３ａを構成する。同様に、誘電体板２３を挟設するよう
に互いに対向して形成する電極２１ｂ，２２ｂは、ＴＥ
波に対して所望の伝搬周波数ｆｂに比べて充分高い遮断
周波数を有する平行平板導波管を構成する。これによっ
て、電極２１ｂと２２ｂとによって挟設された誘電体板
２３の幅方向の一方の側にＴＥ波に対する遮断領域２３
ｂを構成する。

【００３３】また、外部電極２８ｃと電極２１ａとが誘
電体２６を挟設して平行平板導波管を構成する。そして
誘電体２６の厚さｔ２６は、当該平行平板導波管のＴＥ
波に対する遮断周波数が所望の伝搬周波数ｆｂより充分
高くなるように設定する。これによって、外部電極２８
ｃと電極２１ａとによって挟設された誘電体２６の一方
の側にＴＥ波に対する遮断領域２６ａを構成する。同様
に外部電極２８ｃと電極２１ｂとによって挟設される誘
電体２６の他方の側にＴＥ波に対する遮断領域２６ｂを
構成する。また、同様に外部電極２９ｃと電極２２ａと
によって挟設される誘電体２７の一方の側にＴＥ波に対
する遮断領域２７ａを構成し、外部電極２９ｃと電極２
２ｂとによって挟設される誘電体２７の他方の側にＴＥ
波に対する遮断領域２７ｂを構成する。

【００３４】また、外部電極２８ａとそれに対向する外
部電極２８ｂとは、誘電体２６を挟設して平行平板導波
管を構成する。そして、誘電体２６の幅Ｗ２は当該平行
平板導波管のＴＥ波に対する遮断周波数が所望の伝搬周
波数ｆｂより充分に高くなるように設定する。これによ
って外部電極２８ａと２８ｂとによって挟設された誘電
体２６部分が誘電体板２３に垂直な電界成分を有するＴ
Ｅ波に対する遮断領域２６ｄを構成する。同様に、外部
電極２９ａとそれに対向する外部電極２９ｂとは、誘電
体２７を挟設して平行平板導波管を構成する。そして、
誘電体２７の幅Ｗ２は当該平行平板導波管のＴＥ波に対
する遮断周波数が所望の伝搬周波数ｆｂより充分に高く
なるように設定する。これによって外部電極２９ａと２
９ｂとによって挟設された誘電体２７部分がＴＥ波に対
する遮断領域２７ｄを構成する。

【００３５】また、図１における幅Ｗ４を誘電体板２３
の誘電率での平面波の波長の約１／４の長さで図中のＧ
面で開放にして、外部導体のＦ面を等価的に短絡状態と
すれば、電極２１ａ，２２ａ、および電極２１ｂ，２２
ｂに垂直な電界成分をもつ平面波は閉じ込められる。従
って、ここで外部導体の幅Ｗ２をＷ１＜Ｗ２の範囲内で
誘電体板２３の誘電率での平面波の波長の１／２以下に
した時、電極２１ａ，２２ａ、および２１ｂ，２２ｂに
垂直な電界成分を持つ平面波は発生しなくなる。

【００３６】以上のように構成された第１の実施形態に
係る非放射性平面誘電体線路は、臨界周波数ｆda以上の
周波数を有する高周波信号をスロット２４における誘電
体板２３の上面とスロット２５における誘電体板２３の
下面とによって交互に繰り返し全反射して当該高周波信
号を伝搬する伝搬領域２３ｃを構成し、当該高周波信号
を減衰させる遮断領域２３ａ，２３ｂ，２６ａ，２６
ｂ，２６ｄ，２７ａ，２７ｂ，２７ｄを構成する。これ
によって、臨界周波数ｆda以上の周波数を有する高周波
信号の電磁界エネルギを伝搬領域２３ｃの内部とその近
傍に集中させて、平面波を誘電体板２３の長手方向に伝
搬させる。

【００３７】第１の実施形態に係る非放射性平面誘電体
線路では、誘電体板２３と誘電体２６，２７を用いて構
成したため、誘電体板２３と誘電体２６，２７の内部で
は、伝搬する電磁波の波長が自由空間に比べると短くな
る。従って、非放射性平面誘電体線路の幅と厚さを小さ
くでき、方形導波管に比べると小型化且つ軽量化が図れ
る。

【００３８】また第１の実施形態に係る非放射性平面誘
電体線路では、従来のスロットラインの場合と同様に、
電極２１ａ，２１ｂまたは電極２２ａ，２２ｂに直接Ｉ
Ｃなどの他の電子部品を接続することができるので、こ
れらの電子部品との接続が容易になる。

【００３９】次に、第２の実施形態に係る非放射性平面
誘電体線路の構成を図３〜図９を参照して説明する。

【００４０】図３の（Ａ）は伝搬方向に垂直な面で切っ
た非放射性平面誘電体線路の断面図である。この第２の
実施形態に係る非放射性平面誘電体線路が第１の実施形
態に係る非放射性平面誘電体線路に比べて異なるところ
は、外部電極２８，２９を備えた誘電体２６，２７に代
えて、外部導体４１，４４を用いて構成している点であ
る。

【００４１】図３の（Ａ）において、誘電体板２３の上
面には、図１に示したものと同様に、電極２１ａ，２１
ｂが互いに所定の間隔Ｗ１を隔てて形成して、スロット
２４を構成している。また、誘電体板２３の下面には、
電極２２ａ，２２ｂが互いにＷ１の間隔を隔てて形成し
て、スロット２５を構成している。図中４２，４３で示
す領域は空間であり、上部の外部導体の一部である４１
ｃと下部の外部導体の一部である４４ｃとは、所定の間
隔ｈ４１を隔てて、互いに平行に設けている。そして、
スロット２４，２５を形成した誘電体板２３を、外部導
体４１ｃ，４４ｃの間にそれぞれ平行になるように設け
ている。ここで、外部導体４１ｃと誘電体板２３の上面
との距離ｔ４２と、外部導体４４ｃと誘電体板２３の下
面との距離ｔ４３は、互いに等しくなるように設定して
いる。

【００４２】また、上部の外部導体の一部である４１ａ
とこれに対向する４１ｂとは所定の間隔Ｗ２を隔てて形
成し、その間隔の中心をスロット２４の中心と同一と
し、且つ外部導体４１ａ，４１ｂが電極２１ａ，２１ｂ
にそれぞれ電気的に導通するように設けている。同様に
下部の外導体４４の一部である４４ａとこれに対向する
４４ｂとはＷ２の間隔を隔てて形成し、その間隔の中心
をスロット２５の中心と同一とし、且つ外部導体４４
ａ，４４ｂが電極２２ａ，２２ｂにそれぞれ電気的に導
通するように設けている。

【００４３】この第２の実施形態に係る非放射性平面誘
電体線路において誘電体板２３の比誘電率εｒ２３は以
下のように設定する。すなわちスロット２４における誘
電体板２３の上面とスロット２５における誘電体板２３
の下面での電磁波の反射は、第１の実施形態の場合とは
異なり、誘電体板２３と自由空間との境界での反射であ
る。従って、臨界角θｃは、自由空間の比誘電率εｒ＝
１として、次の〔数７〕で表すことができる。

【００４４】

【数７】θｃ＝ sin^-1｛√（１／εｒ２３）｝ 従って、この第２の実施形態に係る非放射性平面誘電体
線路においては、反射角θが臨界角θｃに等しくなる臨
界周波数ｆａ以上の周波数を有する平面電磁波ｐｗ２３
は、スロット２４における誘電体板２３の上面とスロッ
ト２５における誘電体板２３の下面とで全反射を繰り返
しながら伝搬する。すなわち、誘電体板２３の比誘電率
εｒ２３とその厚さｔ２３は、所望の伝搬周波数ｆｂが
臨界周波数ｆａ以上となるように設定する。

【００４５】ここで、外部導体４１ｃと４４ｃとの間隔
ｈ４１は、外部導体４１ｃと電極２１ａとによって構成
される平行平板導波管のＴＥ波に対する遮断周波数が所
望の伝搬周波数ｆｂより充分高くなるように設定する。
これによって、誘電体板２３と外部導体４１ｃとによっ
て挟設された自由空間の内の一方の側に外部導体４１ｃ
と電極２１ａとによって挟設されたＴＥ波に対する遮断
領域４２ａを構成する。同様に、誘電体板２３と外部導
体４１ｃとによって挟設された自由空間のうち他方の側
に、外部導体４１ｃとこれに対向する電極２１ｂとによ
って挟設されたＴＥ波に対する遮断領域４２ｂを構成す
る。

【００４６】また、外部導体４１ｃと誘電体板２３の上
面との距離と、外部導体４４ｃと誘電体板２３の下面と
の距離は、互いに等しくなるように設定しているので、
外部導体４４ｃとこれに対向する電極２２ａとによって
挟設された自由空間の内の一方の側に外部導体４４ｃと
電極２２ａとによって挟設されたＴＥ波に対する遮断領
域４３ａを構成する。同様に、誘電体板２３と外部導体
４４ｃとによって挟設された自由空間のうち他方の側
に、外部導体４４ｃとこれに対向する電極２２ｂとによ
って挟設されたＴＥ波に対する遮断領域４３ｂを構成す
る。

【００４７】また、外部導体４１ａとそれに対向する外
部導体４１ｂとは平行平板導波管を構成する。そしてそ
の幅Ｗ２は、当該平行平板導波管のＴＥ波に対する遮断
周波数が所望の伝搬周波数ｆｂより充分に高くなるよう
に設定する。これによって、外部導体４１ａと４１ｂと
によって挟設された自由空間をＴＥ波に対する遮断領域
４２ｄとして構成する。また、外部導体４４ａとそれに
対向する外部導体４４ｂとは平行平板導波管を構成す
る。そしてその幅Ｗ２は、当該平行平板導波管のＴＥ波
に対する遮断周波数が所望の伝搬周波数ｆｂより充分に
高くなるように設定する。これによって、外部導体４４
ａと４４ｂとによって挟設された自由空間をＴＥ波に対
する遮断領域４３ｄとして構成する。

【００４８】以上のように構成したことによって、この
第２の実施形態に係る非放射性平面誘電体線路は、臨界
周波数ｆａ以上の周波数を有する高周波信号をスロット
２４における誘電体板２３の上面とスロット２５におけ
る誘電体板２３の下面とによって交互に繰り返し全反射
して当該高周波信号を伝搬する伝搬領域２３ｃを構成
し、当該高周波信号を減衰させる遮断領域２３ａ，２３
ｂ，４２ａ，４２ｂ，４２ｄ，４３ａ，４３ｂ，４３ｄ
を構成する。これによって、臨界周波数ｆａ以上の周波
数を有する高周波信号の電磁界エネルギを伝搬領域２３
ｃの内部とその近傍に集中させて、平面波を誘電体板２
３の長手方向に伝搬させる。

【００４９】このように本願発明の非放射性平面誘電体
線路では、電磁界エネルギが伝搬領域２３ｃに集中する
ため、遮断領域を構成する外部導体４１，４４の影響が
少なく、外部導体の寸法精度をゆるくすることができ
る。ここで、６０ＧＨｚにおける外部導体の寸法と位相
定数βの関係を２次元の有限要素法計算（無損失系）を
用いて求めた結果を図４および図５に示す。

【００５０】計算に用いたモデルの構造寸法および材料
定数は次のとおりである。

【００５１】図４は、ｔ２３＝０．３ｍｍ、Ｗ１＝１．
０ｍｍ、ｔ４２＝ｔ４３＝１．０ｍｍ、誘電体板２３の
比誘電率εｒ２３＝２４として、外部導体４１，４４の
内側の幅Ｗ２を変化させた時の位相定数の変化を示す。

【００５２】図５はｔ２３＝０．３ｍｍ、Ｗ１＝１．０
ｍｍ、Ｗ２＝２．０ｍｍ、誘電体板２３の比誘電率εｒ
２３＝２４として、ｔ４２，ｔ４３を変化させた時の位
相定数βの変化を示す。

【００５３】図４に示した結果から、外部導体の内側の
幅Ｗ２の変化は位相定数βに殆ど影響を与えないことが
わかる。また、図５に示した結果から、外部導体４１，
４４の内側の高さｔ４２，ｔ４３の変化は位相定数βに
あまり影響を与えないことがわかる。例えば６０ＧＨｚ
で、２枚の平行な電極に挟まれ、電極に平行な偏波面を
持つ平面波を遮断する電極間距離は２．５ｍｍであり、
それ以下であれば、その平面波は伝搬しない。従って、
外部導体４１，４４の寸法Ｗ２，ｔ４２，ｔ４３を、所
望の伝搬周波数を遮断するように設計しさえすればよ
く、外部導体４１，４４の寸法精度をある程度ラフに設
計しても、伝搬領域２３ｃの内部とその近傍に電磁界エ
ネルギを集中させて所望の周波数を有する高周波信号を
伝搬させることができる。

【００５４】上述したことは第１の実施形態で示した構
造の非放射性平面誘電体線路の場合にも当てはまり、図
１に示した外部電極２８，２９を形成する誘電体２６，
２７の寸法ｔ２６，ｔ２７，Ｗ２の寸法精度をある程度
ラフに設計しても、伝搬領域２３ｃの内部とその近傍に
電磁界エネルギを集中させて所望の周波数を有する高周
波信号を伝搬させることができる。

【００５５】ところで、高周波回路の高集積化・小型化
を実現するために、隣接する線路の間隔を波長の０．２
〜０．３倍程度にすることが望まれる。隣接する２線路
を考えた場合、この程度の線路の間隔でも線路間が干渉
しないためには、線路を伝搬する電磁界エネルギの８０
％以上が閉じ込められることが１つの条件となる。すな
わち、線路を伝搬する電磁界エネルギの８０％以上が閉
じ込められた領域に他の線路を近づけても、寄生カップ
リングは殆ど行われない。そして、線路を伝搬する電磁
界エネルギの９０％以上が閉じ込められれば、線路間の
干渉は更に緩和される。

【００５６】上記第２の実施形態において、伝搬領域２
３ｃと、遮断領域２３ａと２３ｂの両側へ誘電体中の波
長の０．２倍の距離を加えた領域内にエネルギを８０％
以上閉じ込めるために必要な誘電体板２３の比誘電率ε
ｒ２３と厚さｔ２３について示す。

【００５７】先ず、有限要素法により断面内の電磁界分
布を求め、これに摂動法を適用することによって、誘電
体板２３へのエネルギの集中度（以下「閉じ込め量」と
いう。）が８０％となる領域の遮断領域２３ａ，２３ｂ
側のそれぞれに漏れ出ている距離Ｌを誘電体板中の波長
λｇで規格化した値と比誘電率との関係を求める。図３
の（Ｂ）はエネルギの閉じ込められる領域とＬとの関係
を示す図であり、クロスハッチング部分に８０％のエネ
ルギが閉じ込められるときの遮断領域２３ａ，２３ｂ側
へエネルギが漏れ出る距離をそれぞれＬとする。

【００５８】図６は、図３の（Ａ）においてｔ４２＝ｔ
４３＝１．０ｍｍとし、Ｗ１を線路の特性インピーダン
スが５０Ωとなる幅に選び、誘電体板２３の厚さｔ２３
を０．５ｍｍとし、周波数をパラメータとして、Ｌ／λ
ｇと比誘電率εｒ２３の関係を示す図であり、誘電体板
２３の比誘電率εｒ２３を横軸にとっている。周波数と
しては１５ＧＨｚ，３０ＧＨｚ，４５ＧＨｚ，６０ＧＨ
ｚを選んでいる。この図６から明らかなように、λｇの
値が０．２以下の値でエネルギの閉じ込め量を８０％以
上とするためには、周波数に関係なく、誘電体板の比誘
電率を１０以上とすればよい。

【００５９】図７は、図３においてｔ４２＝ｔ４３＝
０．７ｍｍとし、Ｗ１を線路の特性インピーダンスが５
０Ωとなる幅に選び、周波数を３０ＧＨｚとし、誘電体
板の厚さｔ２３をパラメータとして、エネルギの閉じ込
め量が８０％となるためのＬ／λｇと比誘電率εｒ２３
の関係を示す図であり、Ｌ／λｇを縦軸にとり、誘電体
板２３の比誘電率εｒ２３を横軸にとっている。誘電体
板２３の厚さｔ２３としては０．３ｍｍ，０．５ｍｍ，
０．７ｍｍ，１．０ｍｍを選んでいる。この図７から明
らかなように、Ｌ／λｇが０．２以下の値でエネルギの
閉じ込め量を８０％以上とするためには、誘電体板２３
の厚さｔ２３を０．３ｍｍ以上で、且つ比誘電率を１０
以上とすればよい。

【００６０】但し、非放射性平面誘電体線路の構造上の
制約条件として、誘電体板の厚さｔ２３と外部導体内の
厚さｔ４２，ｔ４３は、不要モードとの結合を抑圧する
ために次の条件を満足させる。

【００６１】 ｔ２３≦λｇ／２ （λｇ：誘電体板内での波長） ｔ４２，ｔ４３≦λｏ／２ （λｏ：自由空間での波長） 図６および図７より、誘電体板２３の比誘電率εｒ２３
を１０以上とし、厚さｔ２３を０．３ｍｍ以上にすれ
ば、図３に示した伝搬領域２３ｃと遮断領域２３ａ，２
３ｂのＬの領域内にエネルギが約８０％以上閉じ込めら
れることが判る。

【００６２】次に、上記第２の実施形態において、Ｌ／
λｇが０．２以下の範囲内にエネルギを９０％以上閉じ
込めるために必要な誘電体板２３の比誘電率εｒ２３と
厚さｔ２３について示す。

【００６３】図８は、図３においてｔ４２＝ｔ４３＝
１．０ｍｍとし、Ｗ１を線路の特性インピーダンスが５
０Ωとなる幅に選び、誘電体板２３の厚さｔ２３を０．
５ｍｍとし、周波数をパラメータとして、エネルギの閉
じ込め量が９０％となるための幅Ｗ２と比誘電率εｒ２
３の関係を示す図であり、図３における幅Ｗ２を、誘電
体中を伝搬する電磁波の波長で正規化した値を縦軸にと
り、誘電体板２３の比誘電率εｒ２３を横軸にとってい
る。周波数としては１５ＧＨｚ，３０ＧＨｚ，４５ＧＨ
ｚ，６０ＧＨｚを選んでいる。この図８から明らかなよ
うに、Ｌ／λｇが０．２以下の値でエネルギの閉じ込め
量を９０％以上とするためには、周波数に関係なく、誘
電体板の比誘電率を１５以上とすればよい。

【００６４】図９は、図３においてｔ４２＝ｔ４３＝
０．７ｍｍとし、Ｗ１を線路の特性インピーダンスが５
０Ωとなる幅に選び、周波数を３０ＧＨｚとし、誘電体
板の厚さｔ２３をパラメータとして、エネルギの閉じ込
め量が９０％となるためのＬ／λｇと比誘電率εｒ２３
の関係を示す図であり、Ｌ／λｇの値を縦軸にとり、誘
電体板２３の比誘電率εｒ２３を横軸にとっている。誘
電体板２３の厚さｔ２３としては０．３ｍｍ，０．５ｍ
ｍ，０．７ｍｍ，１．０ｍｍを選んでいる。この図９か
ら明らかなように、Ｌ／λｇが０．２以下の値でエネル
ギの閉じ込め量を９０％以上とするためには、誘電体板
２３の厚さｔ２３を０．３ｍｍ以上で、且つ比誘電率を
１８以上とすればよい。

【００６５】但し、上述したように、誘電体板の厚さｔ
２３と外部導体内の厚さｔ４２，ｔ４３は、不要モード
との結合を抑圧するために次の条件を満足させる。

【００６６】 ｔ２３≦λｇ／２ （λｇ：誘電体板内での波長） ｔ４２，ｔ４３≦λｏ／２ （λｏ：自由空間での波長） 図８および図９より、誘電体板２３の比誘電率εｒ２３
を１８以上とし、厚さｔ２３を０．３ｍｍ以上にすれ
ば、図３に示した伝搬領域２３ｃと遮断領域２３ａ，２
３ｂのＬの領域内にエネルギが約９０％以上閉じ込めら
れることが判る。

【００６７】上述した関係は第１の実施形態で示した構
造の非放射性平面誘電体線路の場合にも当てはまり、図
１の誘電体板２３の比誘電率εｒ２３を１０以上とし、
厚さｔ２３を０．３ｍｍ以上にすれば、伝搬領域２３ｃ
と遮断領域２３ａ，２３ｂの一部（図３（Ｂ）において
Ｌ／λｇ＜０．２となるＬで示した部分に相当する領域
内）にエネルギが約８０％以上閉じ込められ、誘電体板
２３の比誘電率εｒ２３を１８以上とし、厚さｔ２３を
０．３ｍｍ以上にすれば、上記領域内にエネルギが約９
０％以上閉じ込められる。

【００６８】図１０は第３の実施形態に係る非放射性平
面誘電体線路の構成を示す断面図である。第１・第２の
実施形態では、断面矩形の外部電極または外部導体を形
成したが、この部分の形状は断面矩形である必要はな
く、図１０の（Ａ）に示すように半円形または（Ｂ）に
示すように多角形であってもよい。ただし、外部導体４
１，４４で囲まれた空間が主要周波数に対して遮断領域
となるように外部導体４１，４４の寸法を定める。

【００６９】図１１は第４の実施形態に係る非放射性平
面誘電体線路の部分斜視図である。第１〜第３の実施形
態では、スロットを構成する２つの電極間を跨ぐ連続し
た外部電極または外部導体を設けたが、図１１に示すよ
うにその一部に棒状の電極を用いてもよい。図１１にお
いて５１ａ，５１ｂ．５２ａ．５２ｂはそれぞれ棒状電
極であり、それらの間隔Ｌが、自由空間を伝搬する電磁
波の波長の半波長以下になるように各棒状電極を配置
し、電極２１ａ，２１ｂおよび２２ａ，２２ｂにそれぞ
れ平行に対向する導電体板５１ｃ，５２ｃを設けてい
る。これによって棒状電極５１ａ，５１ｂ，５２ａ，５
２ｂおよび導電体板５１ｃ，５２ｃによって、先に示し
た実施形態の場合と同様の遮断領域を構成することがで
きる。

【００７０】次に、第５の実施形態に係る非放射性平面
誘電体線路集積回路の構成を図１２〜図１４を参照して
説明する。

【００７１】図１２は表面実装型平面誘電体線路集積回
路の分解斜視図である。同図において６１，６２は導電
体板であり、この２つの導電体板の間に伝送基板３２３
を挟み込むようにして集積回路を構成する。伝送基板３
２３の図における上面には３２１で示す各種電極パター
ンを形成することによって３０１，３０２，３０３で示
すスロットを設けている。また、これとともに共振器形
成領域６６，６９を設けている。またスロット３０２を
跨ぐように回路部品モジュール（ＩＣなどの電子部品）
３０５を実装している。またスロット３０１の近傍に他
の回路部品モジュール３０６を実装している。これらの
回路部品モジュール３０５，３０６に対してバイアス電
圧を印加するためのバイアス線路３０８，３０７を伝送
基板３２３の上に形成している。伝送基板３２３の図に
おける下面側には上面の電極に対向して同一パターンの
電極を形成している。導電体板６２にはｇ１〜ｇ８で示
す溝を設けていて、導電体板６１にもこれと鏡対称の溝
を設けている。

【００７２】図１３は図１２に示した下部の導電体板６
２の上部に伝送基板３２３を載置した状態を示す斜視図
であり、図１４はその上部に更に導電体板６１を載置し
て構成した非放射性平面誘電体線路集積回路の一端面
（図１２で示せば右後方の端面）を示す図である。この
ように伝送基板３２３の上面にスロット３０１，３０２
を形成し、伝送基板３２３の下面にスロット３０１，３
０２に対向してスロット３１１，３１２を形成するとと
もに、このスロット部分を覆うように溝ｇ１，ｇ２を介
して導電体板６１，６２を配置することになる。このよ
うにして２枚の導電体板と伝送基板のサンドイッチ構造
によって、複数の非放射性平面誘電体線路とともに電子
部品を集積化できるようになる。

【００７３】なお図１４に示した構造では、伝送基板３
２３の上面における電極３２１，３２１，３２１が導電
体板６１によってそれぞれ電気的に接続されるため、ま
た伝送基板３２３の下面の電極３２２，３２２，３２２
が導電体板６２によってそれぞれ電気的に接続されるた
め、各電極が同電位となって、各電極間に不要な共振モ
ードが生じないという効果を奏する。

【００７４】

【発明の効果】請求項１，２に係る発明によれば、第１
と第２のスロットで挟まれる領域が電磁波の伝搬領域と
なり、第１のスロットに対向する位置に溝を形成した第
１の導電体板が第１の電極と第２の電極とに導通し且つ
第１のスロットを覆うため、また第２のスロットに対向
する位置に溝を形成した第２の導電体板が第３の電極と
第４の電極とに導通し且つ第２のスロットを覆うため、
平面波は各電極によって遮断され、また仮に第１のスロ
ットと第２のスロットが完全な対称性を有さなくても、
その非対称性によって生じる放射波は第１・第２の導電
体板によって遮断されるため、放射損失が抑えられ、伝
送損失が抑えられる。特に請求項１に記載の非放射性誘
電体線路では、比誘電率が１０以上で厚みが０．３ｍｍ
以上の誘電体板を用いるため、前述したように、スロッ
トの幅と波長の０．４倍を加えた幅をもつ領域内にエネ
ルギが約８０％以上閉じ込められる。そのため近接して
線路を設置でき、回路の高集積化・小型化が可能とな
る。また、請求項２に記載の非放射性誘電体線路では、
比誘電率が１８以上で厚みが０．３ｍｍ以上の誘電体板
を用いるため、前述したように、スロットの幅と波長の
０．４倍を加えた幅をもつ領域内にエネルギが約９０％
以上閉じ込められる。そのため近接して線路を設置で
き、回路の高集積化・小型化が可能となる。また、スロ
ットに対向する位置に溝を形成した導電体板を用いるこ
とにより、複数の伝搬領域を設ける場合にも伝送基板と
の組み立て構造が単純化され、製造コストを容易に削減
できるようになる。

【００７５】請求項３に係る発明によれば、第１・第２
の導電体と伝送基板との間に前記誘電体板より低誘電率
の誘電体が介在しているため、同一周波数で比較した場
合に、誘電体板の厚み寸法を薄くしても伝搬領域に平面
波を伝搬させることができるため、非放射性平面誘電体
線路全体を小型化することができる。

【００７６】

【００７７】請求項４に係る発明によれば、伝送基板に
発振ダイオードやミキサダイオードなどの回路素子を設
けて、その回路素子を含む伝送基板と第１・第２の導電
体板とによって集積回路を構成することによって、平面
回路を有する非放射性平面誘電体線路集積回路を容易に
構成できるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施形態に係る非放射性平面誘電体線路
の一部破断斜視図である。

【図２】同非放射性平面誘電体線路の伝搬領域部分の断
面図である。

【図３】第２の実施形態に係る非放射性平面誘電体線路
の断面図である。

【図４】図３に示したＷ２に対する位相定数βの変化を
示す図である。

【図５】図３に示したｔ３２，ｔ４３に対する位相定数
βの変化を示す図である。

【図６】周波数をパラメータとする、誘電体板の比誘電
率と所定箇所の寸法との関係を示す図である。

【図７】誘電体板の厚さをパラメータとする、誘電体板
の比誘電率と所定箇所の寸法との関係を示す図である。

【図８】周波数をパラメータとする、誘電体板の比誘電
率と所定箇所の寸法との関係を示す図である。

【図９】誘電体板の厚さをパラメータとする、誘電体板
の比誘電率と所定箇所の寸法との関係を示す図である。

【図１０】第３の実施形態に係る非放射性平面誘電体線
路の断面図である。

【図１１】第４の実施形態に係る非放射性平面誘電体線
路の一部破断斜視図である。

【図１２】第５の実施形態に係る非放射性平面誘電体線
路集積回路の分解斜視図である。

【図１３】同集積回路の組み立て途中の構造を示す斜視
図である。

【図１４】同集積回路の端面の構造を表す図である。

【図１５】従来のスロットラインの構造を示す斜視図で
ある。

【符号の説明】

２１ａ．２１ｂ−電極 ２２ａ，２２ｂ−電極 ２３−誘電体板 ２３ａ，２３ｂ−遮断領域 ２３ｃ−伝搬領域 ２４−第１のスロット ２５−第２のスロット ２６，２７−誘電体 ２８，２９−外部電極 ３０−伝送基板 ４１，４４−外部導体 ４２，４３−空間 ５１ｃ，５２ｃ−導電体板 ５１ａ，５１ｂ，５２ａ，５２ｂ−棒状電極 ６１，６２−導電体板 ６６，６９−共振器形成領域 ３０１，３０２，３０３−スロット ３０５，３０６−回路部品モジュール ３０７，３０８−バイアス線路 ３２１，３２２−電極 ３２３−伝送基板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 飯尾 憲一 京都府長岡京市天神二丁目26番10号 株 式会社村田製作所内 (56)参考文献 特開 平８−265007（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−64608（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−242717（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01P 3/16 H01L 27/01 301

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 比誘電率が１０以上で厚みが０．３ｍｍ
   以上の誘電体板の第１主面に、第１の電極と第２の電極
   との間で挟設され、且つ所定の幅を有する第１のスロッ
   トを備え、前記誘電体板の第２主面に、第３の電極と第
   ４の電極との間で挟設され、前記第１のスロットと略等
   しい幅を有し、且つ第１のスロットに対向する第２のス
   ロットを備えてなり、前記誘電体板の前記第１のスロッ
   トと第２のスロットとで挟設される領域を電磁波の伝搬
   領域とする伝送基板と、前記第１のスロットに沿った形状の溝を備え、該溝の形
   成面が前記伝送基板に対向して、前記第１の電極と第２
   の電極とに導通し、且つ前記第１のスロットを覆う第１
   の導電体板と、 前記第２のスロットに沿った形状の溝を備え、該溝の形
   成面が前記伝送基板に対向して、前記第３の電極と第４
   の電極とに導通し、且つ前記第２のスロットを覆う第２
   の導電体板と から構成したことを特徴とする非放射性平
   面誘電体線路。
2. 【請求項２】 比誘電率が１８以上で厚みが０．３ｍｍ
   以上の誘電体板の第１主面に、第１の電極と第２の電極
   との間で挟設され、且つ所定の幅を有する第１のスロッ
   トを備え、前記誘電体板の第２主面に、第３の電極と第
   ４の電極との間で挟設され、前記第１のスロットと略等
   しい幅を有し、且つ第１のスロットに対向する第２のス
   ロットを備えてなり、前記誘電体板の前記第１のスロッ
   トと第２のスロットとで挟設される領域を電磁波の伝搬
   領域とする伝送基板と、前記第１のスロットに沿った形状の溝を備え、該溝の形
   成面が前記伝送基板に対向して、前記第１の電極と第２
   の電極とに導通し、且つ前記第１のスロットを覆う第１
   の導電体板と、 前記第２のスロットに沿った形状の溝を表面に設け、該
   溝の形成面が前記伝送基板に対向して、前記第３の電極
   と第４の電極とに導通し、且つ前記第２のスロットを覆
   う第２の導電体板 とから構成したことを特徴とする非放
   射性平面誘電体線路。
3. 【請求項３】 前記第１・第２の導電体板と前記伝送基
   板との間に前記誘電体板より低誘電率の誘電体を介在さ
   せたことを特徴とする請求項１または２に記載の非放射
   性平面誘電体線路。
4. 【請求項４】 請求項１〜３のうちいずれかに記載の伝
   送基板に回路素子を設けて、該回路素子を含む伝送基板
   と前記第１・第２の導電体板とによって集積回路を構成
   したことを特徴とする非放射性平面誘電体線路集積回
   路。