JP3891918B2

JP3891918B2 - 高周波モジュール

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Publication number: JP3891918B2
Application number: JP2002313854A
Authority: JP
Inventors: 達也福永
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Priority date: 2002-10-29
Filing date: 2002-10-29
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波またはミリ波などの高周波帯域の信号の伝搬に用いられる高周波モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、マイクロ波帯やミリ波帯等の高周波信号を伝送するための伝送路としては、ストリップ線路、マイクロストリップ線路、同軸線路、導波管、および誘電体導波管などが知られている。これらはまた、高周波用の共振器およびフィルタを構成するものとして知られている。また、これら高周波用の構成要素をモジュール化したものとしては、ＭＭＩＣ（モノリシックマイクロ波集積回路）などがある。以下、高周波用の伝送路およびフィルタなどを構成するマイクロストリップ線路、および導波管などを総称して、導波路と呼ぶ。
【０００３】
ここで、導波路における電磁波の伝搬モードについて説明する。図１９（Ａ），（Ｂ）は、矩形導波管におけるＴＥモード（ＴＥ₁₀モード）と呼ばれる状態での電界分布（同図（Ａ））と磁界分布（同図（Ｂ））とを示している。図１９（Ａ），（Ｂ）において、断面Ｓ１〜Ｓ５の位置はそれぞれ対応している。また図２０には、断面Ｓ１における電磁界分布を示す。これらの図に示したように、断面方向にのみ電界成分があり、電磁波の進行方向（管軸方向）Ｚには電界成分が存在しないような状態を「ＴＥモード」と呼ぶ。
【０００４】
また、図２１（Ａ），（Ｂ）は、ＴＭモード（ＴＭ₁₁モード）と呼ばれる状態での電磁界分布を示している。図２１（Ａ）は、管軸方向Ｚに直交するＸＹ断面内での電磁界分布を示し、図２１（Ｂ）は、側面のＹＺ断面内での電磁界分布を示している。これらの図に示したように、断面方向にのみ磁界成分があり、電磁波の進行方向Ｚには磁界成分が存在しないような状態を「ＴＭモード」と呼ぶ。
【０００５】
なお、これら各モードにおいて、電界Ｅに平行な面は「Ｅ面」、磁界Ｈに平行な面は「Ｈ面」と呼ばれる。図１９（Ａ），（Ｂ）のＴＥモードの例では、ＸＹ平面に平行な面がＥ面、ＸＺ平面に平行な面がＨ面となる。
【０００６】
一方、図２２（Ａ），（Ｂ）に示したマイクロストリップ線路および同軸線路などにおいては、ＴＥＭモードと呼ばれる状態が存在する。ここで、マイクロストリップ線路とは、図２２（Ａ）に示したように、誘電体１０２を挟んでグランド（接地）導体１０１と、線路状の導体よりなる線路パターン１０３とを対向配置したものである。同軸線路は、図２２（Ｂ）に示したように、中心導体１１１の周囲を円筒状のグランド導体１１２によって取り囲んだものである。
【０００７】
図２３（Ａ），（Ｂ）は、それぞれマイクロストリップ線路および同軸線路におけるＴＥＭモードでの電磁界分布を示している。これらの図に示したように、電界成分と磁界成分の双方が断面内にのみ存在し、電磁波の進行方向Ｚにはそれらの成分が存在しないような状態を「ＴＥＭモード」と呼ぶ。
【０００８】
ところで、複数の導波路を有する高周波モジュールにおいては、各導波路を相互接続する構造が必要となる。特に、異なるモードの導波路を接続する場合には、各導波路間でモード変換を行うための構造が必要とされる。
【０００９】
従来、マイクロストリップ線路と導波管とを接続する構造としては、例えば、図２４に示したように、管路中央にリッジ部１２１を設けたいわゆるリッジ導波管の構成にする方法が知られている。マイクロストリップ線路の線路パターン１０３は、リッジ部１２１が設けられている部分に挿入される。この場合、マイクロストリップ線路がＴＥＭモード、リッジ導波管がＴＥモードであるものとすると、マイクロストリップ線路における電界分布は、図２５（Ａ）、リッジ部１２１における電界分布は、図２５（Ｂ）に示したようになる。接続部分において、双方の電界分布を合わせることにより、マイクロストリップ線路とリッジ導波管との間で、モード変換が行われる。
【００１０】
ところで最近では、多層構造の配線基板内に、積層技術によって誘電体導波管線路を形成したものが知られている。これは、誘電体を挟んで積層された複数のグランド導体と、内面がメタライズされ、グランド導体間を導通するようになされたスルーホールとを備え、これらグランド導体とスルーホールとで囲まれた領域内で電磁波を伝搬するようにしたものである。この多層構造の導波管をマイクロストリップ線路に接続する構造としては、例えば以下の特許文献１に記載されたものがある。この特許文献１に記載された構造は、基本的にリッジ導波管を用いた構造と同様であり、導波路の中央部にスルーホールを用いて階段状に擬似的なリッジ部を形成している。
【００１１】
そのほか、異なる種類の導波路を接続する構造としては、誘電体共振器における底辺の端部に入出力端子電極を備え、この入出力端子電極をプリント基板上の線路パターンに結合する例もある（特許文献２）。
【００１２】
【特許文献１】
特開２０００−２１６６０５号公報
【特許文献２】
特開２００２−１３５００３号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
このように、異なる導波路を接続する構造は従来よりいくつか知られているが、その一方で、多層構造の導波管については比較的最近の技術であり、異種導波路との接続構造に関して、まだ開発が不十分なところがある。特に、ＴＥＭモードの導波路と多層構造の導波管とを接続する場合において、それらの間のモード変換を適切に行うための変換構造については、改善の余地がある。
【００１４】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、複数の導波路間において、ＴＥＭモードとその他のモードとのモード変換を良好に行うことができる高周波モジュールを提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の観点に係る高周波モジュールは、ＴＥＭモードの電磁波を伝搬する第１の導波路と、この第１の導波路に結合され、ＴＥＭモードとは異なる他のモードの電磁波を伝搬する第２の導波路とを備えている。第２の導波路は、互いに対向する少なくとも２層のグランド電極と、少なくとも２層のグランド電極間を導通する導通体とにより囲まれた領域を有し、その領域内を電磁波が伝搬するようになされている。第１の導波路は、第２の導波路における対向するグランド電極の間に位置すると共に、グランド電極の積層方向に直交する方向に延在し、その端部が、積層方向に直交する方向側から、導通体を介して間接的に第２の導波路のグランド電極のひとつに導通されている。また、第１の導波路と第２の導波路とが、第１の導波路に伝搬される電磁波の磁界の方向と第２の導波路に伝搬される電磁波の磁界の方向とが一致するように、第２の導波路のＥ面において磁界結合されている。
なお、第１の導波路の結合部分において、第１の導波路が導通されたグランド電極側、またはその反対側の少なくとも一方に窓を設けるようにしても良い。
【００１６】
本発明の第２の観点に係る高周波モジュールは、ＴＥＭモードの電磁波を伝搬する第１の導波路と、この第１の導波路に結合され、ＴＥＭモードとは異なる他のモードの電磁波を伝搬する第２の導波路とを備えている。第２の導波路は、互いに対向する少なくとも２層のグランド電極と、少なくとも２層のグランド電極間を導通する導通体とにより囲まれた領域を有し、その領域内を電磁波が伝搬するようになされている。第１の導波路は、グランド電極の積層方向に直交する方向に延在し、その端部が、積層方向に直交する方向側から、直接または間接的に第２の導波路のグランド電極のひとつに導通されている。また、第１の導波路と第２の導波路とが、第１の導波路に伝搬される電磁波の磁界の方向と第２の導波路に伝搬される電磁波の磁界の方向とが一致するように、第２の導波路のＥ面において磁界結合され、第１の導波路と第２の導波路との結合部分に、結合調整用の貫通導体が設けられている。
【００１７】
本発明の第３の観点に係る高周波モジュールは、ＴＥＭモードの電磁波を伝搬する第１の導波路と、この第１の導波路に結合され、ＴＥＭモードとは異なる他のモードの電磁波を伝搬する第２の導波路とを備えている。第２の導波路は、互いに対向するように積層された３層以上のグランド電極と、各グランド電極間を導通する導通体とを有すると共に、各グランド電極と導通体とにより囲まれた電磁波の伝搬領域を積層方向に複数有している。第１の導波路は、グランド電極の積層方向に直交する方向に延在し、その端部が、積層方向に直交する方向側から、第２の導波路における隣接する伝搬領域間のグランド電極に導通されている。また、第１の導波路と第２の導波路とが、第１の導波路に伝搬される電磁波の磁界の方向と第２の導波路に伝搬される電磁波の磁界の方向とが一致するように、第２の導波路のＥ面において磁界結合されている。
この場合、第１の導波路を伝搬した電磁波が、第２の導波路における複数の伝搬領域に分岐して伝搬されるように、第１の導波路の端部が、第２の導波路における隣接する伝搬領域間のグランド電極に導通されている構成にすることもできる。
【００１８】
本発明による高周波モジュールでは、第１の導波路にＴＥＭモードの電磁波が伝搬される。第２の導波路では、互いに対向する少なくとも２層のグランド電極と、少なくとも２層のグランド電極間を導通する導通体とにより囲まれた領域内を、ＴＥＭモードとは異なる他のモードの電磁波が伝搬される。第１の導波路の端部は、グランド電極の積層方向に直交する方向側から、直接または間接的に第２の導波路のグランド電極のひとつに導通される。そして、第１の導波路と第２の導波路とが、第１の導波路に伝搬される電磁波の磁界の方向と第２の導波路に伝搬される電磁波の磁界の方向とが一致するように、第２の導波路のＥ面において磁界結合される。これにより、第１の導波路と第２の導波路との接続部分において、ＴＥＭモードと他のモードとのモード変換が行われる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００２７】
図１〜図３は、それぞれ本発明の一実施の形態に係る高周波モジュールの構成例を示している。図１〜図３のいずれの構成例も、ＴＥＭモードの電磁波を伝搬する第１の導波路と、この第１の導波路に結合され、ＴＥＭモードとは異なる他のモードの電磁波を伝搬する第２の導波路とを備えた高周波モジュールであり、ＴＥＭモードと他のモードとの変換構造を有している。これらの高周波モジュールは、例えば高周波信号用の伝送路およびフィルタなどに使用することができる。なお、図１および図２では、図面の簡略化のため、最上層の厚みを省略し、ハッチングを施している。図３では、中間層の厚みを省略し、ハッチングを施している。
【００２８】
図１に示した高周波モジュールは、第１の導波路をマイクロストリップ線路１０とし、第２の導波路を多層構造の導波管型導波路２０とした構成例である。マイクロストリップ線路１０と導波管型導波路２０は、１つの誘電体基板１２を共有し、一体的に構成されている。
【００２９】
導波管型導波路２０は、誘電体基板１２を挟んで互いに対向するグランド電極２１，２３と、これらグランド電極２１，２３間を導通する導通体としての複数のスルーホール２２とを有している。導波管型導波路２０では、それらグランド電極２１，２３とスルーホール２２とにより囲まれた領域内を、例えば図のＳ方向に電磁波が伝搬するようになっている。なお、導波管型導波路２０は、その電磁波の伝搬領域が誘電体で満たされた誘電体導波管の構成であっても良いし、内部を空洞にしたキャビティ導波管の構成であっても良い。スルーホール２２は、伝搬される電磁波が漏れ出さないよう、所定値以下（例えば信号波長の１／４以下）の間隔で設けられている。スルーホール２２の内面は、メタライズされている。スルーホール２２の断面形状は、円形に限らず、多角形または楕円等、他の形状であっても良い。
【００３０】
マイクロストリップ線路１０は、誘電体基板１２を挟んで、導体のグランド電極１１と線路パターン１３とを対向配置した構成となっている。グランド電極１１は、誘電体基板１２の底面に一様に設けられている。線路パターン１３は、誘電体基板１２の上面に部分的に線路状に設けられている。
【００３１】
マイクロストリップ線路１０は、導波管型導波路２０のグランド電極２１，２３の積層方向に直交する方向（Ｚ方向）に延在し、その端部が、積層方向に直交する方向側から、ひとつのグランド電極２３に直接的に接続され、導通されている。また、マイクロストリップ線路１０は、導波管型導波路２０のＥ面（電界に平行な面）において磁界結合されている。なお、導波管型導波路２０がＴＥモードで、電磁波の進行方向Ｓが図１のＺ方向のとき、導波管型導波路２０のＥ面は図のＸＹ平面に平行な面となる。
【００３２】
図４（Ａ）〜（Ｃ）は、マイクロストリップ線路１０と導波管型導波路２０との接続部およびその近傍における、ＸＹ断面内での磁界分布を示している。接続部近傍におけるマイクロストリップ線路１０の磁界Ｈ１は、ＴＥＭモードであるから、例えば図４（Ａ）に示したように、線路パターン１３の周囲に環状に分布している。一方、導波管型導波路２０の磁界Ｈ２は、例えば最低次のＴＥモード（ＴＥ₁₀モード）であるものとすると、図４（Ｂ）に示したように、その断面内においては一方向に分布している。従って、導波管型導波路２０のＥ面内において図４（Ｃ）に示したように、導波管型導波路２０とマイクロストリップ線路１０との磁界Ｈ１，Ｈ２の方向を一致させることにより、磁界結合がなされ、ＴＥＭモードからＴＥモードへの変換がなされる。
【００３３】
一方、図２に示した高周波モジュールは、第１の導波路をコプレーナ線路３０とし、第２の導波路を多層構造の導波管型導波路４０とした構成例である。コプレーナ線路３０と導波管型導波路４０は、１つの誘電体基板３２を共有し、一体的に構成されている。図５には、この高周波モジュールの平面図を示す。
【００３４】
導波管型導波路４０の構成は、基本的に図１における導波管型導波路２０と同様であり、互いに対向するグランド電極４１，４３と、これらグランド電極４１，４３間を導通する導通体としての複数のスルーホール４２とを有し、それらグランド電極４１，４３とスルーホール４２とにより囲まれた領域内を、例えば図のＳ方向に電磁波が伝搬するようになっている。
【００３５】
コプレーナ線路３０は、誘電体基板３２の底面に一様に設けられたグランド電極３１と、誘電体基板３２の上面に線路状に形成された導体の線路パターン３３と、この線路パターン３３の幅方向に形成されたグランド電極３４Ａ，３４Ｂとを有している。線路パターン３３の幅方向において、グランド電極３４Ａ，３４Ｂとの間には、導体が設けられていない領域３６Ａ，３６Ｂが形成されている。
【００３６】
このコプレーナ線路３０において、その線路パターン３３の周囲には、線路パターン３３に沿って、貫通導体としてのスルーホール３５が複数設けられている。スルーホール３５の内面は、メタライズされている。スルーホール３５は、誘電体基板３２を貫通し、上面のグランド電極３４Ａ，３４Ｂと底面のグランド電極３１とを導通している。スルーホール３５の断面形状は、円形に限らず、多角形または楕円等、他の形状であっても良い。スルーホール３５は、このコプレーナ線路３０においてＴＥＭモード以外のモード（ＴＥ，ＴＭモード）の電磁波が伝搬しないようにするためのものであり、線路パターン３３を挟んで幅方向の間隔Ｗ（図５参照）が、コプレーナ線路３０を伝搬する電磁波の遮断周波数以下の間隔で設けられている。
【００３７】
このコプレーナ線路３０も、図１におけるマイクロストリップ線路１０と同様、導波管型導波路４０のグランド電極４１，４３の積層方向に直交する方向（Ｚ方向）に延在し、その端部が、積層方向に直交する方向側から、ひとつのグランド電極４３に直接的に接続され、導通されている。また、このコプレーナ線路３０も、導波管型導波路４０のＥ面において磁界結合されている。
【００３８】
すなわち、このコプレーナ線路３０の磁界分布は、ＴＥＭモードであるから、図４（Ａ）に示したマイクロストリップ線路１０の場合と同様、線路パターン３３の周囲に環状に分布している。一方、導波管型導波路４０の磁界分布は、例えば最低次のＴＥモード（ＴＥ₁₀モード）であるものとすると、図４（Ｂ）に示した導波管型導波路２０と同様、その断面内においては一方向に分布している。従って、導波管型導波路４０のＥ面内において、導波管型導波路４０とコプレーナ線路３０との磁界分布の方向を一致させることにより、磁界結合がなされ、ＴＥＭモードからＴＥモードへの変換がなされる。
【００３９】
図３に示した高周波モジュールは、第１の導波路をストリップ線路５０とし、第２の導波路を多層構造の導波管型導波路６０とした構成例である。ストリップ線路５０と導波管型導波路６０は、積層された２つの誘電体基板５２Ａ，５２Ｂを共有し、一体的に構成されている。図１０（Ａ）には、この高周波モジュールの中間層部分の平面図を示す。また図９（Ａ）には、ストリップ線路５０と導波管型導波路６０との接続部分の断面を示す。図９（Ａ）は、図１０（Ａ）のＢＢ線部分の断面に相当する。
【００４０】
導波管型導波路６０は、互いに対向する３層のグランド電極６１，６３，６４と、これらグランド電極６１，６３，６４間を導通する導通体としての複数のスルーホール６２とを有している。下側グランド電極６１は、下側の誘電体基板５２Ａの底面に一様に設けられている。上側グランド電極６３は、上側の誘電体基板５２Ｂの上面に一様に設けられている。中間グランド電極６４は、誘電体基板５２Ａ，５２Ｂの間で、電磁波の伝搬領域の側方に設けられている。なお、中間グランド電極６４を設けない構成にすることも可能である。導波管型導波路６０では、上下のグランド電極６１，６３とスルーホール６２とにより囲まれた領域内を、例えば図のＳ方向に電磁波が伝搬するようになっている。
【００４１】
なお、導波管型導波路６０は、その電磁波の伝搬領域が誘電体で満たされた誘電体導波管の構成であっても良いし、内部を空洞にしたキャビティ導波管の構成であっても良い。スルーホール６２の断面形状は、円形に限らず、多角形または楕円等、他の形状であっても良い。
【００４２】
ストリップ線路５０は、下側の誘電体基板５２Ａの底面に一様に設けられた下側グランド電極５１と、上側の誘電体基板５２Ｂの上面に一様に設けられた上側グランド電極５９と、誘電体基板５２Ａ，５２Ｂの間に設けられた導体の線路パターン５３と、線路パターン５３の幅方向に形成された中間グランド電極５４Ａ，５４Ｂとを有している。線路パターン５３の幅方向において、中間グランド電極５４Ａ，５４Ｂとの間には、導体が設けられていない領域５６Ａ，５６Ｂが形成されている。なお、中間グランド電極５４Ａ，５４Ｂを設けない構成にすることも可能である。
【００４３】
このストリップ線路５０において、その線路パターン５３の周囲には、図２におけるコプレーナ線路３０と同様、線路パターン５３に沿って、貫通導体としてのスルーホール５５が複数設けられている。スルーホール５５は、誘電体基板５２Ａ，５２Ｂを貫通し、各グランド電極５１，５９，５４Ａ，５４Ｂ間を導通している。スルーホール５５は、図２におけるコプレーナ線路３０と同様、このストリップ線路５０においてＴＥＭモード以外のモード（ＴＥ，ＴＭモード）の電磁波が伝搬しないようにするために設けられている。
【００４４】
このストリップ線路５０の線路パターン５３は、導波管型導波路６０の各グランド電極５１，５９，５４Ａ，５４Ｂの積層方向に直交する方向（Ｚ方向）に延在し、その端部が、積層方向に直交する方向側から、下側グランド電極６１に間接的に接続され、導通されている。
【００４５】
より詳しくは、図９（Ａ）および図１０（Ａ）にも示したように、ストリップ線路５０と導波管型導波路６０との接続部分５８において、線路パターン５３の端部近傍にスルーホール５７が設けられ、このスルーホール５７によって間接的に、線路パターン５３が、導波管型導波路６０における下側グランド電極６１に導通されている。なお、スルーホール５７を上側に設け、上側グランド電極６３に導通するようにしても良い。
【００４６】
ストリップ線路５０は、導波管型導波路６０のＥ面において磁界結合されている。なお、導波管型導波路６０がＴＥモードで、電磁波の進行方向Ｓが図３のＺ方向のとき、導波管型導波路６０のＥ面は図のＸＹ平面に平行な面となる。
【００４７】
すなわち、このストリップ線路５０の磁界分布は、ＴＥＭモードであるから、線路パターン５３の周囲に環状に分布している。一方、導波管型導波路６０の磁界分布は、例えば最低次のＴＥモード（ＴＥ₁₀モード）であるものとすると、その断面内においては一方向に分布している。ここで、接続部分５８において、導波路を上側と下側の領域に分けて考える。すると、図９（Ａ）に示したように、スルーホール５７が下側の領域に設けられていることにより、ストリップ線路５０の磁界Ｈ１は、接続部分５８においては、主として上側の領域にのみ分布する。この上側の領域を導波管型導波路６０との結合窓として、導波管型導波路６０の磁界Ｈ２の方向とストリップ線路５０の磁界Ｈ１の方向とを一致させることにより、Ｅ面内において磁界結合がなされ、ＴＥＭモードからＴＥモードへの変換がなされる。
【００４８】
ここで、図９（Ｂ）および図１０（Ｂ）に示したように、接続部分５８に設けるスルーホール５７の数を減らし、上側のみならず、下側の領域にも結合窓を設けることも可能である。なお、図９（Ｂ）は、図１０（Ｂ）のＣＣ線部分の断面に相当する。この場合、下側の領域においては、導波管型導波路６０の磁界Ｈ２の方向とストリップ線路５０の磁界Ｈ１の方向とが逆向きになるので、磁界結合の度合いが弱まることになる。一方、図９（Ａ）のように上側の領域にのみ結合窓を設けた場合には、磁界結合の度合いが最も強くなる。従って、下側の領域に設ける結合窓の大きさを調節することにより、結合調整を行うことができる。
【００４９】
次に、以上の各構成の高周波モジュールの作用を説明する。
【００５０】
以上の各構成の高周波モジュールでは、第１の導波路（マイクロストリップ線路１０、コプレーナ線路３０およびストリップ線路５０）に、ＴＥＭモードの電磁波が伝搬される。例えば図２のコプレーナ線路３０においては、線路パターン３３の幅方向に、遮断周波数以下の間隔Ｗ（図５）でスルーホール３５が設けられていることにより、ＴＥＭモード以外のモード（ＴＥ，ＴＭモード）の電磁波は伝搬されない。
【００５１】
ＴＥＭモードの電磁波は、ＴＥＭモード以外のモードを伝搬する第２の導波路（導波管型導波路２０，４０，６０）へと伝搬される。第１の導波路と第２の導波路との接続部分においては、図４（Ａ）〜（Ｃ）などに示したように、第２の導波路のＥ面内において、第１の導波路に伝搬される電磁波の磁界Ｈ１の方向と第２の導波路に伝搬される電磁波の磁界Ｈ２の方向とが一致するように、磁界結合がなされ、これにより、ＴＥＭモードから他のモードへと変換がなされる。
【００５２】
ここで、第１の導波路がコプレーナ線路３０である場合を例に、磁界結合の度合いを調整する方法について説明する。
【００５３】
まず、第１の調整方法として、線路パターン３３の周囲に設けられたスルーホール３５の間隔Ｗ（図５）によって調整する方法がある。この場合、間隔Ｗを短くすると、結合の度合いが小さくなるように作用する。
【００５４】
次に、第２の調整方法として、図６に示したように、線路パターン３３が接続されている部分の近傍に、結合調整用のスルーホール３７を設ける方法がある。結合調整用スルーホール３７の内面は、メタライズされ、上下のグランド電極４１，４３を導通する。結合調整用スルーホール３７の断面形状は、円形に限らず、多角形または楕円等、他の形状であっても良い。
【００５５】
図１１（Ａ），（Ｂ）に示したように、一般に多角形状の導波管（キャビティ共振器）では、多角形状の各辺の中央付近で磁界強度が最大になる。なお図１１（Ａ），（Ｂ）は、それぞれＨ面方向の断面形状が四角形状および三角形状の導波管における、Ｈ面内での磁界分布を示している。図中、ハッチングを施した領域が磁界強度が強い領域である。
【００５６】
従って、図６に示した第２の調整方法において、磁界の強度分布を考慮し、結合調整用スルーホール３７を設ける位置により、結合の度合いを調整することができる。すなわち、導波管型導波路４０側において、例えば磁界強度の強くなる場所（多角形状の場合には各辺の中央）に結合調整用スルーホール３７を設けることにより、結合の度合いを弱くすることができる。また、結合調整用スルーホール３７を設ける数を多くすれば、それだけ結合の度合いが弱くなる。
【００５７】
次に、第３の調整方法として、磁界の強度分布を考慮し、線路パターン３３を接続する位置自体で調整する方法がある。図５に示したように、線路パターン３３が導波管型導波路４０の辺の中央付近で接続されていれば、そこは磁界強度が強いので、結合の度合いが強くなる。逆に、図７に示したように、辺の中央から離れた位置で接続すれば、それだけ結合の度合いが弱くなる。
【００５８】
また、第４の調整方法として、接続部において、線路パターン３３の端部の位置を調整する方法もある。例えば図８（Ａ）に示したように、線路パターン３３を延長し、その端部を導波管型導波路４０の内部にまで延在させるようにすることも可能である。この場合、信号波長λの１／４の長さの範囲内で線路パターン３３を延長する。線路パターン３３の端部が、導波管型導波路４０の内部に行くに従い、結合の度合いは弱くなる。また逆に、図８（Ｂ）に示したように、線路パターン３３を短くし、その端部を導波管型導波路４０から遠ざけるようにすることも可能である。この場合、信号波長λの１／４の長さの範囲内で線路パターン３３を短くする。線路パターン３３の端部が、導波管型導波路４０から遠ざかるほど、結合の度合いは弱くなる。
【００５９】
なお、既に図９（Ａ），（Ｂ）を用いて説明したように、図３に示した高周波モジュールの場合には、接続部分５８において、上下に設ける結合窓の大きさにより、結合調整を行う方法がある。
【００６０】
なお、以上の説明では、電磁波が第１の導波路から第２の導波路側へと伝搬されるものとしていたが、これとは逆に、電磁波が第２の導波路から第１の導波路側へと伝搬されるようにしても良い。
【００６１】
以上説明したように、本実施の形態によれば、第１の導波路の端部を、グランド電極の積層方向に直交する方向側から、直接または間接的に第２の導波路のグランド電極のひとつに導通させ、第１の導波路と第２の導波路との磁界の方向を、Ｅ面内において一致させて磁界結合するようにしたので、各導波路間において、ＴＥＭモードとその他のモードとのモード変換を良好に行うことができる。
【００６２】
また、本実施の形態によれば、第１の導波路と第２の導波路とを、同一基板を用いて一体的に製造できるので、製造が容易である。また、平面構造で第１の導波路と第２の導波路とを接続でき、全体の構造を単純化できる。また、平面構造であることから、例えば、高周波モジュールをチップ化して他の基板に搭載することなども容易に行うことができる。
【００６３】
また、本実施の形態によれぱ、第１の導波路を、グランド電極に直接または間接的に第２の導波路のグランド電極に導通させているので、その接続位置を変化させることなく、広い周波数帯域において最大効率での結合を行うことが可能である。
【００６４】
このことを図１２（Ａ），（Ｂ）に示した比較例のモード変換構造を参照して説明する。図１２（Ａ）は、このモード変換構造の平面図、図１２（Ｂ）は側面方向の構成を示している。このモード変換構造では、第２の導波路３２０におけるグランド電極３２１の一部に結合窓３２２が形成されている。この第２の導波路３２０に、端部が開放（オープン）端となっているマイクロストリップ線路などの第１の導波路３１０を最大効率で結合させることを考える。この場合、図に示したように、第１の導波路３１０の開放端からλ／４（λ；信号波長）の長さの所に結合窓３２２を位置させることで、結合の度合いが最大になる。しかし、このようなモード変換構造の場合、最大効率で結合させようとすると、信号周波数に応じて、第１の導波路３１０と結合窓３２２との位置関係を修正する必要がある。
【００６５】
これに対し、本実施の形態のモード変換構造の場合、接続部分において、第１の導波路と第２の導波路とが直接導通されているので、信号周波数が変わったとしても、接続位置の調整をすることなく、常に最大効率で結合（モード変換）させることができる。すなわち、広帯域において最大効率での結合を行うことが可能となる。
【００６６】
［変形例］
次に、以上の高周波モジュール、ならびにモード変換構造および方法の変形例について説明する。
【００６７】
＜第１の変形例＞
図１３は、本変形例における高周波モジュールの構成を示している。図１４には、この高周波モジュールの平面図を示す。図１３では、図面の簡略化のため、最上層の厚みを省略し、ハッチングを施している。本変形例は、第２の導波路を多重モード（２重モード）の導波管型導波路９０とした構成例である。この構成例では、２重モードの導波管型導波路９０の信号の入出力部に、第１の導波路としてのコプレーナ線路７０，８０が接続されている。コプレーナ線路７０，８０と導波管型導波路９０は、１つの誘電体基板７２を共有し、一体的に構成されている。この高周波モジュールでは、導波管型導波路９０に、例えば、コプレーナ線路７０側から入力信号Ｓ１が入力され、コプレーナ線路８０側から出力信号Ｓ２が出力される。
【００６８】
導波管型導波路９０は、互いに対向するグランド電極９１，９３と、これらグランド電極９１，９３間を導通する導通体としての複数のスルーホール９２とを有し、それらグランド電極９１，９３とスルーホール９２とにより囲まれた領域内を電磁波が２つのモードで伝搬するようになっている。スルーホール９２は、全体として例えば略正方形状に配列されている。
【００６９】
コプレーナ線路７０，８０の構成は、基本的に、図２におけるコプレーナ線路３０と同様であり、それぞれ、誘電体基板７２の上面に線路状に形成された導体の線路パターン７３，８３を有している。線路パターン７３，８３の周囲には、コプレーナ線路７０，８０においてＴＥＭモード以外のモードの電磁波が伝搬しないよう、線路パターン７３，８３に沿って、貫通導体としてのスルーホール７５，８５が複数設けられている。線路パターン７３，８２の幅方向において、スルーホール７５，８５と線路パターン７３，８２との間には、導体が設けられていない領域７６Ａ，７６Ｂ，８６Ａ，８６Ｂが形成されている。
【００７０】
コプレーナ線路７０，８０も、それぞれ、他の構成例と同様、線路パターン７３，８３がグランド電極９１，９３の積層方向に直交する方向に延在し、その出力端または入力端が、積層方向に直交する方向側から、ひとつのグランド電極９３に直接的に接続され、導通されている。また、コプレーナ線路７０，８０は、導波管型導波路９０のＥ面において磁界結合されている。
【００７１】
図１５（Ａ），（Ｂ）に、この導波管型導波路９０の２つのモードにおける磁界分布を示す。この導波管型導波路９０では、構造的な対称面９６に対して平行に磁界分布が生じる第１のモード（図１５（Ａ））と、対称面９６に対して垂直に磁界分布が生じる第２のモード（図１５（Ｂ））とが存在する。また、この導波管型導波路９０では、対称面９６とは反対側の対角位置９４，９５において、電磁波の伝搬領域の形状を変えることにより、信号周波数の帯域を調整することができる。例えば、伝搬領域の形状を、図示したように角を削り取ったような形状にすることにより、帯域を広げることができる。
【００７２】
なお、２重モードの導波路は、以上の構成以外にも種々のものがある。例えば、図１６（Ａ），（Ｂ）に示したような２つの磁界分布モードで励振するような導波路がある。この導波路においても、構造的な対称面９７に対して平行に磁界分布が生じる第１のモード（図１６（Ｂ））と、対称面９７に対して垂直に磁界分布が生じる第２のモード（図１６（Ａ））とが存在する。このように他の構成の２重モードの導波路に対しても、本実施の形態のモード変換構造を適用することが可能である。
【００７３】
このように、本変形例によれば、２重モードの導波管型導波路９０に対してもＴＥＭモードの導波路を接続し、ＴＥＭモードと他のモード間との変換を行うことができる。
【００７４】
＜第２の変形例＞
図１７は、本変形例における高周波モジュールの構成を示している。図１８には、この高周波モジュールにおける第１の導波路と第２の導波路との接続部分の構成を示す。図１７では、図面の簡略化のため、中間層の厚みを省略し、ハッチングを施している。本変形例は、図３の高周波モジュールに対する変形例であり、図３と同様の構成部分には、同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００７５】
図３の高周波モジュールでは、導波管型導波路６０において電磁波の伝搬領域はひとつだけであったが、本変形例では、多層構造の導波管型導波路２００において、伝搬領域が複数設けられている。すなわち、中間層に一様にグランド電極２０４を設け、積層方向に伝搬領域を複数有している。より詳しくは、中間グランド電極２０４、上側グランド電極６３およびスルーホール６２によって囲まれた領域を第１の伝搬領域２１０とし、中間グランド電極２０４、下側グランド電極６１およびスルーホール６２によって囲まれた領域を第２の伝搬領域２２０としている。このように、積層方向に隣接して２つの伝搬領域２１０，２２０が形成されている。そして、それらの伝搬領域２１０，２２０のそれぞれにおいて、例えば図１７のＳ１１，Ｓ１２方向に、電磁波が伝搬されるようになっている。
【００７６】
また図３の高周波モジュールでは、導波管型導波路６０との接続部分５８において、ストリップ線路５０の線路パターン５３を、スルーホール５７を介して間接的に下側グランド電極６１に接続するようにしたが、本変形例では、ストリップ線路５０を伝搬した電磁波が、２つの伝搬領域２１０，２２０に分岐して伝搬されるよう、線路パターン５３の端部が中間グランド電極２０４に直接接続され、導通されている。
【００７７】
本変形例では、ストリップ線路５０が、２つの伝搬領域２１０，２２０のそれぞれのＥ面において磁界結合されている。すなわち、図１８に示したように、ストリップ線路５０の磁界分布は、ＴＥＭモードであるから、線路パターン５３の周囲に環状に分布している。一方、導波管型導波路２００の磁界分布は、例えば最低次のＴＥモード（ＴＥ₁₀モード）であるものとすると、各伝搬領域２１０，２２０において、その断面内においては一方向に分布している。ここで、接続部分において、各伝搬領域２１０，２２０における磁界Ｈ２１，２２の方向を互いに逆向きに設定することで、各磁界Ｈ２１，２２の方向をストリップ線路５０の磁界Ｈ１の方向と一致させることができる。これにより、各伝搬領域２１０，２２０のそれぞれのＥ面内において、良好に磁界結合がなされ、ＴＥＭモードからＴＥモードへの変換がなされる。
【００７８】
本変形例によれば、ＴＥＭモードで伝搬されたひとつの高周波信号を、他のモードで複数に分岐して伝搬することができる。この変形例のモード変換構造は、デュプレクサなどに好適に用いることができる。
【００７９】
なお、本発明は、以上の実施の形態に限定されず種々の変形実施が可能である。例えば、上記実施の形態では、第２の導波路（導波管型導波路）におけるグランド電極間を導通する構造として、スルーホールを用いた例を挙げたが、スルーホールとは異なる構造の導通体を用いるようにしても良い。例えば、スルーホールに代えて溝状の構造部分を設け、その内面をメタライズして金属壁とするような構成にしても良い。このような金属壁は、例えばマイクロマシン工法により作成することができる。
【００８０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の高周波モジュールによれば、第１の導波路の端部を、グランド電極の積層方向に直交する方向側から、直接または間接的に第２の導波路のグランド電極のひとつに導通させ、かつ、第１の導波路と第２の導波路とを、第１の導波路に伝搬される電磁波の磁界の方向と第２の導波路に伝搬される電磁波の磁界の方向とが一致するように、第２の導波路のＥ面において磁界結合させるようにしたので、各導波路間において、ＴＥＭモードとその他のモードとのモード変換を良好に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る高周波モジュールの一構成例を示す斜視図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係る高周波モジュールの他の構成例を示す斜視図である。
【図３】本発明の一実施の形態に係る高周波モジュールのさらに他の構成例を、一部破断して示す斜視図である。
【図４】図１に示した高周波モジュールにおける磁界結合部分についての説明図である。
【図５】図２に示した高周波モジュールの平面図である。
【図６】図２に示した高周波モジュールにおける結合調整の説明図である。
【図７】図２に示した高周波モジュールにおける結合調整の他の説明図である。
【図８】図２に示した高周波モジュールにおける結合調整のさらに他の説明図である。
【図９】図３に示した高周波モジュールにおける磁界結合部分についての説明図である。
【図１０】図３に示した高周波モジュールにおける中間層の平面図である。
【図１１】多角形状の導波管における磁界分布の例を示す説明図である。
【図１２】本発明の一実施の形態に係る高周波モジュールに対する比較例を示す説明図である。
【図１３】第１の変形例の高周波モジュールの構成を示す斜視図である。
【図１４】図１３に示した高周波モジュールの平面図である。
【図１５】図１３に示した高周波モジュールにおける磁界分布のモードを示す説明図である。
【図１６】２重モードの他の例を示す説明図である。
【図１７】第２の変形例の高周波モジュールの構成を、一部破断して示す斜視図である。
【図１８】図１７に示した高周波モジュールにおける磁界結合部分についての説明図である。
【図１９】ＴＥモードの導波管における電磁界分布の説明図である。
【図２０】ＴＥモードの導波管におけるＥ面内での電磁界分布を示す説明図である。
【図２１】ＴＭモードの導波管における電磁界分布の説明図である。
【図２２】マイクロストリップ線路および同軸線路の構成図である。
【図２３】マイクロストリップ線路および同軸線路におけるＴＥＭモードの電磁界分布を示す説明図である。
【図２４】従来のマイクロストリップ線路と導波管との接続構造の例を示す斜視図である。
【図２５】図２４に示した接続構造における電界分布を示す説明図である。
【符号の説明】
１０…マイクロストリップ線路、２０，４０，６０…導波管型導波路、２２，３５，４２，５５，５７，６２…スルーホール、３０…コプレーナ線路、３７…結合調整用スルーホール、５０…ストリップ線路。

Claims

ＴＥＭモードの電磁波を伝搬する第１の導波路と、
この第１の導波路に結合され、ＴＥＭモードとは異なる他のモードの電磁波を伝搬する第２の導波路と
を備え、
前記第２の導波路は、互いに対向する少なくとも２層のグランド電極と、少なくとも２層のグランド電極間を導通する導通体とにより囲まれた領域を有し、その領域内を電磁波が伝搬するようになされており、
前記第１の導波路が、前記第２の導波路における対向するグランド電極の間に位置すると共に、前記グランド電極の積層方向に直交する方向に延在し、その端部が、前記積層方向に直交する方向側から、導通体を介して間接的に前記第２の導波路のグランド電極のひとつに導通され、
かつ、前記第１の導波路と前記第２の導波路とが、前記第１の導波路に伝搬される電磁波の磁界の方向と前記第２の導波路に伝搬される電磁波の磁界の方向とが一致するように、前記第２の導波路のＥ面において磁界結合されている
ことを特徴とする高周波モジュール。
前記第２の導波路は、ＴＥモードの電磁波を伝搬するものである
ことを特徴とする請求項１記載の高周波モジュール。
前記第１の導波路の結合部分において、前記第１の導波路が導通されたグランド電極側、またはその反対側の少なくとも一方に窓が設けられている
ことを特徴とする請求項１記載の高周波モジュール。
前記第１の導波路は、ストリップ線路、マイクロストリップ線路、またはコプレーナ線路である
ことを特徴とする請求項１記載の高周波モジュール。
前記第２の導波路は、多重モードで電磁波を伝搬するものである
ことを特徴とする請求項１記載の高周波モジュール。
ＴＥＭモードの電磁波を伝搬する第１の導波路と、
この第１の導波路に結合され、ＴＥＭモードとは異なる他のモードの電磁波を伝搬する第２の導波路と
を備え、
前記第２の導波路は、互いに対向する少なくとも２層のグランド電極と、少なくとも２層のグランド電極間を導通する導通体とにより囲まれた領域を有し、その領域内を電磁波が伝搬するようになされており、
前記第１の導波路が、前記グランド電極の積層方向に直交する方向に延在し、その端部が、前記積層方向に直交する方向側から、直接または間接的に前記第２の導波路のグランド電極のひとつに導通され、
かつ、前記第１の導波路と前記第２の導波路とが、前記第１の導波路に伝搬される電磁波の磁界の方向と前記第２の導波路に伝搬される電磁波の磁界の方向とが一致するように、前記第２の導波路のＥ面において磁界結合され、
前記第１の導波路と前記第２の導波路との結合部分に、結合調整用の貫通導体が設けられている
ことを特徴とする高周波モジュール。
ＴＥＭモードの電磁波を伝搬する第１の導波路と、
この第１の導波路に結合され、ＴＥＭモードとは異なる他のモードの電磁波を伝搬する第２の導波路と
を備え、
前記第２の導波路は、互いに対向するように積層された３層以上のグランド電極と、前記各グランド電極間を導通する導通体とを有すると共に、前記各グランド電極と前記導通体とにより囲まれた電磁波の伝搬領域を積層方向に複数有し、
前記第１の導波路が、前記グランド電極の積層方向に直交する方向に延在し、その端部が、前記積層方向に直交する方向側から、前記第２の導波路における隣接する伝搬領域間のグランド電極に導通され、
かつ、前記第１の導波路と前記第２の導波路とが、前記第１の導波路に伝搬される電磁波の磁界の方向と前記第２の導波路に伝搬される電磁波の磁界の方向とが一致するように、前記第２の導波路のＥ面において磁界結合されている
ことを特徴とする高周波モジュール。
前記第１の導波路を伝搬した電磁波が、前記第２の導波路における複数の伝搬領域に分岐して伝搬されるように、前記第１の導波路の端部が、前記第２の導波路における隣接する伝搬領域間のグランド電極に導通されている
ことを特徴とする請求項７記載の高周波モジュール。