JP3838271B2 - 線路変換器、高周波モジュールおよび線路変換器の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、マイクロ波帯やミリ波帯で用いられる伝送線路の線路変換器およびその製造方法に関するものである。

従来、誘電体基板を用いて構成した平面回路と、立体的な空間内で電磁波を伝搬させる立体導波路との間で線路変換を行う線路変換器として特許文献１が開示されている。

特許文献１の線路変換器は、誘電体基板にマイクロストリップ線路を形成して平面回路を構成するとともに、終端短絡導波管内に、その終端短絡導波管をＨ面に垂直な面で２分割するように誘電体基板の一部を挿入したものである。

また、本願出願人は、誘電体基板を立体導波路のＥ面に平行で且つ立体導波路のほぼ中央に配置するとともに、誘電体基板の導体パターンとして、立体導波路の遮断領域を構成する導体部分と、遮断領域で生じる定在波に電磁界結合する結合線路部分とを備えた線路変換器を特願２００３−１９３１５６にて出願している。
特開昭６０−１９２４０１号公報

このような、マイクロストリップラインを導波管のＨ面に対して垂直に挿入した線路変換器においては、マイクロストリップラインと導波管との整合をとるために、挿入したマイクロストリップラインの先端部（この先端部は結合線路部分であり、結合線路部分はサスペンデッドラインである。）のマイクロストリップライン側からみたリアクタンスを０にする必要がある。この結合線路部分のリアクタンスを０にするためには、次の２つのインピーダンスを用いて整合の設計を行うことになる。

（１）導波管の一方の短絡（この短絡構造には、導波管のカットオフ特性を利用した構造を含む）によるインピーダンス
（２）導波管内のマイクロストリップラインを構成する誘電体基板の有無による不連続部（誘電体基板端部）のインピーダンス
上記（１）のインピーダンスは結合線路部分と短絡部分との位置関係によって決定され、（２）のインピーダンスは結合線路部分と基板端部との位置関係によって決定される。ところが結合線路部分と基板端部との位置関係については、次に述べるように、誘電体基板の製造方法に起因して充分な位置精度が得られないという問題があった。

上記結合線路部分を備えた誘電体基板は、セラミックグリーンシートによるマザー基板に複数組分の導体パターンを形成し、焼成した後に所定間隔でその焼成後のマザー基板を分断することによって得るようにしている。

焼成後のマザー基板を分断する際に、自動ダイシングでは、マザー基板上のある部分（たとえば端部）を基準点として、その基準点に対して予め定めた間隔で順次切断していく。マザー基板は、その焼成によって収縮するので、その収縮率を考慮して上記間隔を定める。

ところが、このマザー基板焼成時の収縮率のばらつきは大きく、上記ダイシングラインの間隔と、分断対象であるマザー基板上の導体パターンの配列ピッチとにずれが生じる。そのため、複数本のダイシングラインのうちマザー基板の基準点から離れたダイシングラインである程、マザー基板上の導体パターンとのずれが大きくなる。たとえばマザー基板の一方の端部を基準点として切断する場合、他方の端部付近のダイシングラインではマザー基板全体の収縮ばらつきの影響を最も大きく受けることになる。しかもマザー基板焼成時の収縮率の設定値からのずれが大きくなる程、そのずれが顕著に現れる。

上記ずれによって、分断後の各誘電体基板端部と結合線路部分との距離が設計値からずれると、伝送線路部分側から見た結合線路部分のリアクタンスが大きくなって、立体導波路と平面回路とのインピーダンス不整合が生じる。その結果、所定の線路変換特性が得られないことになる。

そこで、この発明の目的は、誘電体基板に形成した結合線路部分とその誘電体基板端部との位置関係のばらつきを抑えて、平面回路と立体導波路との線路変換特性を安定化させた線路変換器およびその製造方法を提供することにある。

この発明は、立体的な空間内で電磁波を伝搬させる立体導波路と、誘電体基板に所定の導体パターンを形成してなる平面回路とを備え、該平面回路と前記立体導波路との線路変換を行う線路変換器において、誘電体基板を立体導波路のＥ面に平行で且つ該立体導波路の略中央位置に配置するとともに、誘電体基板の導体パターンとして、立体導波路を伝搬する信号と電磁界結合する結合線路部分と、該結合線路部分から連続する伝送線路部分とを備え、前記結合線路部分に近接する前記誘電体基板の端部に、前記結合線路部分の信号伝搬方向に平行な辺を有し、当該辺の長さが前記立体導波路のＥ面の幅方向寸法以上である切欠き部を設けたことを特徴としている。

また、この発明は、上記の構造からなる線路変換器を備えた高周波モジュールを構成する。

また、この発明は、セラミックグリーンシートによるマザー基板に、複数組分の導体パターンと、結合線路部分から所定間隔を隔てた位置に貫通孔をそれぞれ形成し、このセラミックグリーンシートによるマザー基板を焼成し、焼成後のマザー基板をその貫通孔を通るラインで分断することによって、前記結合線路部分と誘電体基板端部との位置関係を定めることを特徴としている。

このように、誘電体基板に形成した結合線路部分に近接する誘電体基板の端部を切欠き部としたことにより、その切欠き部は誘電体基板を分断する前のマザー基板状態で貫通孔として設けておくことができ、しかもその貫通孔はマザー基板の焼成前に設けておくことができるので、自動ダイシングの際にダイシングラインが相対的にずれても、結合線路部分とそれに近接する誘電体基板端部の切欠き部との位置関係はダイシングラインのずれの影響を受けない。その結果、伝送線路部分から見た結合線路部分のリアクタンスがほぼ０になり、平面回路と立体導波路とがインピーダンス整合して線路変換特性の安定した線路変換器が得られる。

また、切欠き部の結合線路部分の信号伝搬方向に平行な辺の長さを立体導波路のＥ面の幅より大きくしておくことによって、切欠き部（マザー基板状態での貫通孔）が結合線路の信号伝搬方向へずれても結合線路部分と誘電体基板端部（切欠き部分）との位置関係は一定であるので安定した線路変換特性が得られる。

［図１］第１の実施形態に係る線路変換器に用いる誘電体基板の構成を示す図である。
［図２］同線路変換器の構成を示す図である。
［図３］同線路変換器の誘電体ストリップと誘電体基板との関係を示す部分斜視図である。
［図４］同線路変換器に用いる誘電体基板製造時のマザー基板状態を示す図である。
［図５］第２の実施形態に係る線路変換器の構成を示す分解斜視図である。
［図６］第１の実施形態に係る線路変換器を備えたミリ波レーダモジュールの構成を示す図である。

第１の実施形態に係る線路変換器およびその製造方法について図１〜図４を基に説明する。
図１は線路変換器の一部である誘電体基板の構成を示す図である。（Ａ）は上面図、（Ｂ）は下面図、（Ｃ）は（Ｂ）における破線で囲んだ部分の拡大図である。誘電体基板３の上面には接地導体２１、チップ部品接続電極２２〜２６、外部接続端子２７〜２９をそれぞれ形成している。チップ部品接続電極２２〜２６にはチップ部品８の端子を半田付けしている。

誘電体基板３の下面には（Ｂ）に示すように、接地導体１１、伝送線路用導体１４ａ，１５ａ、結合線路用導体１４ｋ，１５ｋ、伝送線路用導体１６，１７ａ，１７ｂをそれぞれ形成している。この結合線路用導体１４ｋ，１５ｋがこの発明に係る「結合線路部分」に相当する。

結合線路用導体１４ｋに近接する誘電体基板３の端部には切欠き部Ｎ１を形成している。同様にもう一方の結合線路用導体１５ｋに近接する誘電体基板３の端部に切欠き部Ｎ２を形成している。これらの切欠き部Ｎ１，Ｎ２は結合線路用導体１４ｋ，１５ｋの信号伝搬方向に平行な辺Ｅ１，Ｅ２を備えている。

結合線路用導体１４ｋの近傍には接地導体１１の端部を配置していて、この接地導体１１の端部には、誘電体基板３の上下面の接地導体間１１−２１間を電気的に導通させる複数のバイアホールＶを設けている。同様に、結合線路用導体１５ｋの近傍にも接地導体１１の端部を配置するとともに、その端部に上下の接地導体１１−２１間を導通させる複数のバイアホールを設けている。

図２は線路変換器の構成を示す図である。ここでは結合線路用導体の形成面を表すために上下を反転させた状態にしている。（Ａ）は下部導体板を取り除いた状態での上面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＢ−Ｂ部分の断面図、（Ｃ）は（Ａ）におけるＣ−Ｃ部分の断面図である。また、図３は上下２つの誘電体ストリップと誘電体基板との位置関係を示す部分斜視図である。

下部導体板１には下部誘電体ストリップ６を嵌め込む溝を形成している。同様に上部導体板２には上部誘電体ストリップ７を嵌め込む溝を形成している。この上下の導体板１，２の溝に上下の誘電体ストリップ６，７をそれぞれ嵌め込んだ状態で、下部導体板１と上部導体板２との間に誘電体基板３を挟み込むとともに、２つの誘電体ストリップ６，７を対向させることによって、誘電体充填導波路（ＤＦＷＧ）（以下単に「導波路」と言う。）を構成している。

この導波路の下部導体板１および上部導体板２に平行な面ＥＳがＥ面（伝搬する電磁波のモードであるＴＥ１０モードの電界に対して平行な面）である。このようにして誘電体基板３をＥ面に平行で且つ導波路の略中央位置に配置している。
図１に示した切欠き部Ｎ１，Ｎ２の結合線路部分１４ｋ，１５ｋに平行な辺Ｅ１，Ｅ２の長さは、上記Ｅ面ＥＳの幅方向寸法以上にしている。

図１に示したように、誘電体基板３の下部導体板１に面する側の結合線路用導体１４ｋの反対面側（誘電体基板３の上面）には接地電極２１を設けていない（開口している）ので、この部分はサスペンデッドラインとして作用する。このサスペンデッドラインは、誘電体ストリップ６，７と導体板１，２による導波路の伝搬モードと電磁界結合する。

下部導体板１には、図２の（Ｃ）に示すように誘電体基板３の結合線路用導体１４ｋおよび伝送線路用導体１４ａに沿って伝送線路用の溝Ｇ１２を形成している。この伝送線路用溝Ｇ１２によってマイクロストリップラインの信号線側に所定の空間を設けるとともに、高次モードなどの他のモードを遮蔽している。また、上部導体板２にはチョーク用の溝Ｇ２２を形成している。この構造により、導体板１，２を重ね合わせた状態で、その界面に生じる隙間からの放射損失を低減する。
結合線路用導体１５ｋによるサスペンデッドラインと結合する他の導波路についても同様に構成している。

次に、この発明の高周波モジュールの実施形態として、ミリ波レーダモジュールの例を図６を基に説明する。
図１に示した外部接続端子２７から入力された信号は伝送線路導体１６を経由して接続導体２４に伝搬される。この実施形態では、図１に示したチップ部品８は、２逓倍器ＭＬＴ、アンプＡＭＰａ，ＡＭＰｂ、方向性結合器ＣＰＬ、およびアンプＡＭＰｃを備えている。

図６において、電圧制御発振器ＶＣＯは３８ＧＨｚ帯の信号を発生するとともに、変調入力信号に応じて出力信号周波数の変調を行う。２逓倍器ＭＬＴは入力信号を２逓倍して７６ＧＨｚ帯の信号を出力する。アンプＡＭＰａ，ＡＭＰｂは２逓倍器ＭＬＴの出力信号を増幅する。方向性結合器ＣＰＬは、アンプＡＭＰｂの出力信号を所定の電力分配比で分配し、アンプＡＭＰｃとミキサーＭＩＸへ出力する。アンプＡＭＰｃは方向性結合器ＣＰＬからの信号を電力増幅して送信部ＴＸ−ＯＵＴへ出力する。ミキサーＭＩＸは受信部ＲＸ−ＩＮからの受信信号と方向性結合器ＣＰＬからの信号（ローカル信号）とをミキシングして、受信信号の中間周波信号をアンプＩＦ−ＡＭＰへ出力する。このアンプＩＦ−ＡＭＰは受信信号の中間周波信号を増幅して受信機回路へＩＦ出力信号として与える。

図外の信号処理回路は、電圧制御発振器ＶＣＯの変調信号と受信信号の中間周波信号との関係から、物標までの距離および相対速度を検知する。

図４は上記誘電体基板３を誘電体基板として切り出す前のマザー基板の状態を示している。図中の破線ＶＬ０〜ＶＬ４′，ＨＬ０〜ＨＬ４はマザー基板３０のダイシングラインである。この縦横のダイシングラインで分断される各区画に図１に示した各種導体パターンを形成している。また、ある区画とそれに隣接する区画との間に貫通孔Ｈ１，Ｈ２を形成している。図４において右上の誘電体基板区画３′とその左側に隣接する誘電体基板区画との間に形成した貫通孔Ｈ１にはダイシングラインＶＬ３が通り、誘電体基板区画３′とそれの下部に隣接する誘電体基板区画との間の貫通孔Ｈ２にはダイシングラインＨＬ１が通る。

マザー基板３０の焼成時の収縮率は多様なパラメータにより比較的大きくばらつくが、設計中心より収縮率が最も大きくても、または最も小さくても、各ダイシングラインが貫通孔Ｈ１，Ｈ２の形成範囲内を通るように貫通孔Ｈ１，Ｈ２の大きさを定めておく。このことにより、図１に示した切欠き部Ｎ１，Ｎ２と結合用線路１４ｋ，１５ｋとの間隔（図１の（Ｃ）に示したｄａ）を常に一定に保つことができる。もちろんマザー基板３０の収縮率によって上記間隔ｄａは変化するが、マザー基板３０に対するダイシングラインの相対的な位置ずれの影響を受けないので問題とはならない。

次に、前記線路変換器の製造方法について述べる。
まずセラミックグリーンシートによるマザー基板に、図４に示したように複数組分の導体パターンを厚膜印刷法により形成する。続いてパンチングマシーンによって貫通孔Ｈ１，Ｈ２を打ち抜き加工する。

その後、マザー基板３０を焼成し、セラミックのマザー基板を得る。
続いて、図４に示したように縦横のダイシングラインＶＬ０〜ＶＬ４′，ＨＬ０〜ＨＬ４でマザー基板３０を分断することによって個別の誘電体基板３を得る。

そして、各誘電体基板３に図１に示したチップ部品８を搭載する。
その後は図２，図３に示したように、上下の導体板１，２の溝に誘電体ストリップ６，７を嵌め込み、上下の導体板１，２の間に誘電体基板３を装着する。

伝送信号の周波数を７６ＧＨｚ帯とした場合、図１，図２の各部の寸法は例えば次の通りである。
ｗ−３．０
ｄｂ−０．５
ｄａ−０．６
Ｌ−０．２
ｔ−０．２
Ｈｄ−１．８
Ｗｇ−１．２
Ｗｄ−１．１
Ｒ−０．５Ｒ
但し、各寸法は［ｍｍ］である。

次に、第２の実施形態に係る線路変換器について図５を基に説明する。
図５において、誘電体基板３の上面には結合線路用導体１３ｋと伝送線路用導体１３ａを含む導体パターンを形成している。この誘電体基板３の下面には結合線路用導体１３ｋに対向する部分を除いて接地導体を形成している。

誘電体基板３の結合線路用導体１３ｋに近接する端部には切欠き部Ｎを形成している。この第２の実施形態でも、セラミックグリーンシートによるマザー基板の状態で打ち抜きによって貫通孔を形成し、セラミックグリーンシートの焼成後、ダイシングすることによって上記切欠き部Ｎを形成している。

上下の導波管９，１０は組み合わせた状態で短絡導波管として作用する。誘電体基板３には溝１２を形成していて、導波管９，１０の短絡部分がこの溝１２を貫通するように、誘電体基板３を導波管９，１０の間に挟み込む。誘電体基板３は支持金属板１８によって支持している。
このように立体導波路として空胴導波管を構成する場合にも同様に適用できる。

Claims (3)

1. 立体的な空間内で電磁波を伝搬させる立体導波路と、誘電体基板に所定の導体パターンを形成してなる平面回路とを備え、該平面回路と前記立体導波路との線路変換を行う線路変換器において、
   前記誘電体基板を、前記立体導波路のＥ面に平行で且つ該立体導波路の略中央位置に配置するとともに、
   前記誘電体基板の前記導体パターンとして、前記立体導波路を伝搬する信号と電磁界結合する結合線路部分と、該結合線路部分から連続する伝送線路部分とを備え、
   前記結合線路部分に近接する前記誘電体基板の端部に、前記結合線路部分の信号伝搬方向に平行な辺を有し、当該辺の長さが前記立体導波路のＥ面の幅方向寸法以上である切欠き部を設けたことを特徴とする線路変換器。
2. 請求項１に記載の線路変換器を備えた高周波モジュール。
3. 立体的な空間内で電磁波を伝搬させる立体導波路と、誘電体基板に所定の導体パターンを形成してなる平面回路とを備え、前記誘電体基板が前記立体導波路のＥ面に平行で且つ該立体導波路の略中央位置に配置されるとともに、前記誘電体基板の前記導体パターンとして、前記立体導波路を伝搬する信号と電磁界結合する結合線路部分と、該結合線路部分から連続する伝送線路部分とを備え、前記結合線路部分に近接する前記誘電体基板の端部に前記結合線路部分の信号伝搬方向に平行な辺を有し、当該辺の長さが前記立体導波路のＥ面の幅方向寸法以上である切欠き部を有して、前記平面回路と前記立体導波路との線路変換を行う線路変換器の製造方法であって、
   セラミックグリーンシートによるマザー基板に、複数組分の前記導体パターンと前記結合線路部分から所定間隔を隔てた位置に貫通孔を形成する工程と、
   前記マザー基板を焼成する工程と、
   焼成後のマザー基板の前記貫通孔が前記切欠き部となるように、該焼成後のマザー基板を、前記貫通孔を通るラインで分断する工程と、
   を含むことを特徴とする線路変換器の製造方法。

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