JP3346721B2

JP3346721B2 - 非放射性誘電体線路

Info

Publication number: JP3346721B2
Application number: JP16863797A
Authority: JP
Inventors: 哲也岸野; 健岡村
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1997-06-25
Filing date: 1997-06-25
Publication date: 2002-11-18
Anticipated expiration: 2017-06-25
Also published as: JPH1117412A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、非放射性誘電体線
路に関し、例えば、ミリ波集積回路等に好適に使用され
る非放射性誘電体線路に関するものである。

【０００２】

【従来技術】図１は従来の非放射性誘電体線路の構成を
示す図である。図１の非放射性誘電体線路は、使用周波
数の波長λに対して、間隔がλ／２以下である一対の平
行平板導体１の間に直線状の誘電体ストリップ２を介装
して構成されている。

【０００３】このような非放射性誘電体線路では、平行
平板導体１の間隔が使用周波数の波長λの１／２以下の
とき電磁波は遮断されて進入できないが、平行平板導体
１の間に誘電体ストリップ２を介装すると、その誘電体
ストリップ２に沿っては電磁波が伝搬でき、放射波は平
行平板導体１の遮断効果によって抑制される。

【０００４】この非放射性誘電体線路の電磁波伝搬モー
ドとしてはＬＳＭモード、ＬＳＥモードの２種類がある
ことが知られているが、損失の小さいＬＳＭモードが一
般的に使用されている。

【０００５】このような非放射性誘電体線路では、図２
に示すような曲線状の誘電体ストリップ２を使用するこ
とにより、電磁波を容易に曲げることができ、回路の小
型化や自由度の高い回路設計ができるという利点を持っ
ている。尚、図１および図２において、上側の平行平板
導体１は説明上一部を切り欠いて示している。

【０００６】従来、非放射性誘電体線路の誘電体ストリ
ップの材料としては、加工の容易性などの理由で、テフ
ロン、ポリスチレンなど比誘電率２〜４の樹脂材料が使
われてきた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来用
いられてきたテフロン、ポリスチレンなど比誘電率２〜
４の誘電体を用いた誘電体ストリップで非放射性誘電体
線路を構成すると、曲線部での曲げ損失や、導波路の接
合部での損失が大きいという欠点を持っていた。

【０００８】このため、急峻な曲線部を採用することが
できなかった。

【０００９】また、ゆるやかな曲線部を採用した際も、
その曲がり半径を精密に決定する必要があった。

【００１０】さらに、小さい曲げ損失で使用できる周波
数範囲が、例えば６０ＧＨｚ付近では１〜２ＧＨｚと十
分ではなかった。これは比誘電率が２〜４の誘電体を用
いて非放射性誘電体線路を構成した場合、図３のよう
に、上記のＬＳＭモードとＬＳＥモードの分散曲線が、
β／β₀＝０のとき３ＧＨｚ程度と非常に近いため、Ｌ
ＳＭモードの電磁波の１部がＬＳＥモードに変換されて
しまうためであった。

【００１１】また、誘電体ストリップの材料としてアル
ミナなど比誘電率が１０程度のセラミックを用いたもの
も存在しているが、５０ＧＨｚ以上の高周波で使用する
ためには、誘電体ストリップの幅を非常に細くしなけれ
ばならず、加工、実装上現実的ではない。

【００１２】本発明は、ＬＳＭモードの電磁波のＬＳＥ
モードへの変換が少なく、従って小さい半径で、使用周
波数範囲が広い曲線部を作製することができ、回路を小
型化でき、しかも加工が容易で自由度の高い非放射性誘
電体線路を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の非放射性誘電体
線路は、使用周波数の波長λに対して、間隔がλ／２以
下である平行平板導体の間に誘電体ストリップを介装し
てなる非放射性誘電体線路において、前記誘電体ストリ
ップが、コージェライト質セラミックからなるものであ
る。誘電体ストリップが、測定周波数６０ＧＨｚでのＱ
値が１０００以上のコージェライト質セラミックスから
なることが望ましい。

【００１４】さらに、誘電体ストリップは、金属元素と
してＭｇ、Ａｌ、Ｓｉからなる複合酸化物であって、各
金属元素の酸化物によるモル比組成式を、ｘＭｇＯ・ｙ
Ａｌ₂Ｏ₃・ｚＳｉＯ₂と表したとき、前記ｘ、ｙ、ｚ
が、１０≦ｘ≦４０、１０≦ｙ≦４０、２０≦ｚ≦８
０、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００を満足する主成分中に、Ｙｂを
Ｙｂ₂Ｏ₃換算で０．１〜１５重量％含有することが望
ましい。

【００１５】

【作用】本発明の非放射性誘電体導波路は、誘電体スト
リップを、コージェライト質セラミックスにより構成し
たので、比誘電率が、テフロンなどの樹脂材料よりも高
く、アルミナよりも低い、４．５〜８程度となり、ＬＳ
Ｍモードの電磁波のＬＳＥモードへの変換を少なくする
ことができる。

【００１６】また、使用周波数（６０ＧＨｚ）でのＱ値
が１０００以上のコージェライト質セラミックスを用い
ることにより、伝送損失が少なく、かつ安価で高精度に
誘電体ストリップを作製することができる。

【００１７】さらに、誘電体ストリップの比誘電率がテ
フロンなどの樹脂材料と比して高いので、これらの樹脂
材料を用いて、例えば、誘電体ストリップの支持用治具
や回路基板などを作製し、誘電体ストリップ近傍に配置
しても、その影響を受けにくくなる。このようにして、
より自由度が高く、小型で安価な非放射性誘電体線路を
構成することができる。

【００１８】そして、誘電体ストリップのコージェライ
ト質セラミックスとして、上記した組成物を用いること
により、焼成温度等の焼成条件を厳密に制御して得られ
た特性を大きく劣化させることなく、焼成条件を改善す
ることができる。即ち、比誘電率が４．５〜６、測定周
波数６０ＧＨｚでのＱ値が１０００以上の低誘電率の特
性を得ることができるとともに、例えば、焼成温度幅が
１０℃程度であったものを１００℃程度まで向上するこ
とができ、製造を容易にし、量産性を向上することがで
きる。

【００１９】本発明の非放射性誘電体線路は、５０ＧＨ
ｚ以上の高周波で使用される場合に好適に用いられる。

【００２０】

【発明の実施の形態】本発明の非放射性誘電体線路は、
図１で示したように、使用周波数の波長λに対して、間
隔がλ／２以下である一対の平行平板導体１の間に誘電
体ストリップ２を介装して構成されている。

【００２１】誘電体ストリップとして、コージェライト
質セラミックスを用いる。このコージェライト質セラミ
ックスは、比誘電率が４．５〜８程度である。このよう
な比誘電率を有するコージェライト質セラミックスを用
いたのは、比誘電率が４．５以下だと、上記したような
ＬＳＭモードの電磁波のＬＳＥモードへの変換が大きく
なるからであり、比誘電率が８よりも大きくなると、５
０ＧＨｚ以上の周波数で使用する際、誘電体ストリップ
の幅を細くしなければならず、加工精度や強度の点で問
題が生じるからである。

【００２２】また、誘電体ストリップとしては、周波数
６０ＧＨｚでのＱ値が１０００以上が望ましいが、これ
は、近年におけるマイクロ波、ミリ波帯で使用される伝
送線路として十分対応することができる低損失性を有す
るからである。

【００２３】そして、誘電体ストリップとしては、上記
したように、ｘＭｇＯ・ｙＡｌ₂Ｏ₃・ｚＳｉＯ₂で表
される主成分中にＹｂをＹｂ₂Ｏ₃換算で０．１〜１５
重量％含有したコージェライト質セラミックスを用いる
ことが望ましい。

【００２４】具体的には、誘電体ストリップは、金属元
素としてＭｇ、Ａｌ、Ｓｉからなる複合酸化物であっ
て、各金属元素の酸化物によるモル比組成式を、ｘＭｇ
Ｏ・ｙＡｌ₂Ｏ₃・ｚＳｉＯ₂と表したとき、前記ｘ、
ｙ、ｚが、１０≦ｘ≦４０、１０≦ｙ≦４０、２０≦ｚ
≦８０、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００を満足する主成分中に、Ｙ
ｂをＹｂ₂Ｏ₃換算で０．１〜１５重量％含有するもの
である。

【００２５】本発明の線路用コージェライト質セラミッ
クスは、モル比の組成式をｘＭｇＯ・ｙＡｌ₂Ｏ₃・ｚ
ＳｉＯ₂と表した時に、ｘ、ｙ、ｚが、１０≦ｘ≦４
０、１０≦ｙ≦４０、２０≦ｚ≦８０、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１
００を満足するものを主成分とする。このように主成分
組成を限定したのは、次の理由による。即ち、ＭｇＯの
モル百分率を示すｘを１０〜４０モル％としたのは１０
モル％未満では良好な焼結体が得られずＱ値が低く、ま
た４０モル％を越えると比誘電率が高くなるからであ
る。特にＭｇＯ量を示すｘは、６０ＧＨｚでのＱ値を２
０００以上とするという点から１５〜３５モル％が望ま
しい。

【００２６】また、Ａｌ₂Ｏ₃のモル百分率を示すｙを
１０〜４０モル％としたのはＡｌ₂Ｏ₃量ｙが１０モル
％よりも小さい場合には、良好な焼結体が得られず、ま
たＱ値が低くなり、４０モル％を越えると比誘電率が高
くなるからである。Ａｌ₂Ｏ₃量を示すｙは、６０ＧＨ
ｚでのＱ値をＱ値を２０００以上とするという点から１
７〜３５モル％が望ましい。

【００２７】ＳｉＯ₂のモル百分率ｚを２０〜８０モル
％としたのは、ｚが２０モル％よりも小さい場合には比
誘電率が大きくなり、８０モル％を越えると良好な焼結
体が得られずＱ値が低くなる。ＳｉＯ₂量を示すｚは、
６０ＧＨｚでのＱ値を２０００以上とするという点から
３０〜６５モル％が望ましい。

【００２８】本発明によれば、上記主成分に対してＹｂ
をＹｂ₂Ｏ₃換算で０．１〜１５重量％含有するもので
ある。ＹｂをＹｂ₂Ｏ₃換算で０．１〜１５重量％含有
したのは、Ｙｂの含有量が０．１重量％より少ない場
合、緻密化焼成温度は広くならないため量産が困難であ
り、１５重量％より多い場合は、誘電損失が大きくな
り、Ｑ値が低くなるためである。Ｙｂの含有量を増加さ
せるほど緻密化焼成温度は広くなるが、一方比誘電率が
増加し、またＱ値が低下していくため、これらの特性と
緻密化焼成温度との兼ね合いでＹｂの含有量を決定する
ことが望ましい。

【００２９】コージェライト質セラミックスの６０ＧＨ
ｚでのＱ値を２０００以上とするためには１５≦ｘ≦３
５、１７≦ｙ≦３５、３０≦ｚ≦６５を満足することが
望ましく、さらに、Ｑ値を２５００以上とするためには
２０≦ｘ≦３０、１７≦ｙ≦３０、４０≦ｚ≦６０を満
足することが望ましい。本発明では、特に、コージェラ
イトの組成、即ちｘ＝２２．２、ｙ＝２２．２、ｚ＝５
５．６でＹｂをＹｂ₂Ｏ₃換算で０．１〜１０重量％含
有することが望ましい。

【００３０】上記のコージェライト質セラミックスで
は、主結晶相がコージェライトであり、他に結晶相とし
て、ムライト、スピネル、プロトエンスタタイト、クリ
ノエンスタタイト、クリストバライト、フォルステライ
ト、トリジマイト、サファリン、Ｙｂ₂Ｓｉ₂Ｏ₇等が
析出する場合があるが、組成によってその析出相が異な
る。

【００３１】このようなコージェライト質セラミックス
は、原料粉末として、例えば、ＭｇＣＯ₃粉末，Ａｌ₂
Ｏ₃粉末，ＳｉＯ₂粉末、Ｙｂ₂Ｏ₃粉末を用い、所定
の割合で秤量し、湿式混合した後乾燥し、この混合物を
大気中１１００〜１３００℃で仮焼した後、粉砕する。
得られた粉末に適量のバインダを加えて成形し、この成
形体を大気中１２００〜１５５０℃で焼成することによ
り得られる。

【００３２】Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｙｂの金属元素からな
る原料粉末は、それぞれ酸化物、炭酸塩、酢酸塩等の無
機化合物、もしくは有機金属等の有機化合物のいずれで
あっても、焼成により酸化物として形成されるものであ
れば良い。

【００３３】尚、本発明の誘電体ストリップは、金属元
素として、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｙｂからなるものが望ま
しいが、例えば、粉砕ボールや原料粉末の不純物として
Ｃａ、Ｂａ、Ｚｒ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｐ、Ｎａ、Ｔｉ
等が混入する場合がある。

【００３４】

【実施例】先ず、誘電体ストリップとして用いるコージ
ェライト質セラミックスを作製した。

【００３５】原料粉末として純度９９％のＭｇＣＯ₃、
純度９９．７％のＡｌ₂Ｏ₃、純度９９．４％のＳｉＯ
₂粉末、純度９９．９％のＹｂ₂Ｏ₃を用い、これらを
焼結体が表１に示す組成となるように秤量し、１５時間
湿式混合した後、乾燥し、この混合物を大気中で１２０
０℃２時間仮焼した後、粉砕した。得られた粉末に適量
のバインダを加えて造粒し、これを１０００ｋｇ／ｃｍ
²の圧力の下で成形して直径１２ｍｍ厚さ８ｍｍの成形
体を得た。この成形体を大気中１２００〜１５５０℃で
２時間焼成して磁器を作製し、これらを研摩し、直径５
ｍｍ厚さ２．２５ｍｍの誘電体磁器試料を得た。

【００３６】これらの試料を用いて誘電体円柱共振器法
にて周波数６０ＧＨｚにおける比誘電率とＱ値を測定
し、その結果を表１に示す。

【００３７】また、セラミック板からの削り出しで半径
３．９ｍｍの９０°の曲線部を有する誘電体ストリップ
を作製し、これらの誘電体ストリップと、平行平板導体
として表面を鏡面加工した銅板を用いて図２に示すよう
な非放射性誘電体線路を形成し、比誘電率と誘電体スト
リップの形状により決定されるＬＳＭモードとＬＳＥモ
ードの分散特性において２つのモードの分散曲線がβ／
β₀＝０でどの程度離れているかについて求めた（βは
誘電体ストリップ中での伝搬定数、β₀は真空中での伝
搬定数）。その結果も表１に記載する。

【００３８】

【表１】

【００３９】表１によれば、本発明のコージェライト質
セラミックスは、比誘電率が４．７〜７．９であり、し
かも測定周波数６０ＧＨｚでのＱ値が、５１０以上、特
には、１０００以上と高い値を示すことがわかる。ま
た、焼成温度の範囲もＹｂ含有量が増加するに従って拡
大していることが判る。

【００４０】さらに、ＬＳＭモードとＬＳＥモードの分
散特性において、２つのモードの分散曲線がβ／β₀＝
０で１３ＧＨｚ以上離れていることが判る。

【００４１】次に、表１の試料Ｎo.１２の試料を用いた
非放射性誘電体線路の伝送損失の周波数依存性を図４に
示す。半径３．９ｍｍという急峻な曲線部で、数ＧＨｚ
の周波数範囲にわたって挿入損失が１ｄＢ以下となって
いる。また、図５に、この誘電体ストリップを使用した
ときのＬＳＭモードとＬＳＥモードの分散特性を示す。
テフロンを用いた場合（図３）と比べて、２つのモード
の分散曲線が、β／β₀＝０で１３ＧＨｚと大きく離れ
ていることが判る。このため、ＬＳＭモードとＬＳＥモ
ードの結合が起きにくく、このような急峻な曲線部を作
製することができるのである。

【００４２】

【発明の効果】本発明の非放射性誘電体線路では、ＬＳ
Ｍモードの電磁波のＬＳＥモードへの変換を少なくする
ことができ、急峻な曲線部やその他の部品を小型化でき
る。また、伝送損失が少なく、かつ安価で高精度な誘電
体ストリップを用いた非放射性誘電体線路を作製するこ
とができる。さらに、例えば、樹脂材料で誘電体ストリ
ップの支持用治具や回路基板などを作製し、誘電体スト
リップ近傍に配置しても、その影響を受けにくくなる。
このようにして、より自由度が高く、小型で安価な非放
射性誘電体線路を構成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】一般的な非放射性誘電体線路の構成を示す斜視
図である。

【図２】一般的な非放射性誘電体線路の曲線部の構成
を示す斜視図である。

【図３】比誘電率２．１の誘電体を誘電体ストリップ
とした非放射性誘電体線路の分散関係を表す図である。

【図４】試料Ｎo.１２のコーディライト質セラミック
スを誘電体ストリップとした非放射性誘電体線路の曲線
部の伝送損失の周波数依存性を示す図である。

【図５】試料Ｎo.１２のコーディライト質セラミック
スを誘電体ストリップとした非放射性誘電体線路の分散
関係を表す図である。

【符号の説明】

１・・・平行平板導体２・・・誘電体ストリップ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01P 3/16 C04B 35/195 H01P 5/02 607 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】使用周波数の波長λに対して、間隔がλ／
２以下である一対の平行平板導体の間に誘電体ストリッ
プを介装してなる非放射性誘電体線路において、前記誘
電体ストリップが、コージェライト質セラミックスから
なることを特徴とする非放射性誘電体線路。
【請求項２】誘電体ストリップが、測定周波数６０ＧＨ
ｚでのＱ値が１０００以上のコージェライト質セラミッ
クスからなることを特徴とする請求項１記載の非放射性
誘電体線路。
【請求項３】誘電体ストリップが、金属元素としてＭ
ｇ、Ａｌ、Ｓｉからなる複合酸化物であって、各金属元
素の酸化物によるモル比組成式をｘＭｇＯ・ｙＡｌ₂Ｏ₃・ｚＳｉＯ₂ と表したとき、前記ｘ、ｙ、ｚが１０≦ｘ≦４０１０≦ｙ≦４０２０≦ｚ≦８０ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００を満足する主成分中に、ＹｂをＹｂ₂Ｏ₃換算で０．１
〜１５重量％含有することを特徴とする請求項１または
２記載の非放射性誘電体線路。