JP3943759B2

JP3943759B2 - 非放射性誘電体ガイド及びその製造方法

Info

Publication number: JP3943759B2
Application number: JP13251599A
Authority: JP
Inventors: 康次郎南谷; 潔吉敷
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 1999-05-13
Filing date: 1999-05-13
Publication date: 2007-07-11
Anticipated expiration: 2019-05-13
Also published as: JP2000323906A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は非放射性誘電体ガイド、特にミリ波レーダなどに用いられ、伝送線路の最適化、或いは線路に接続される回路との良好な整合を図ることができる高周波伝送ガイドの構成及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、６０ＧＨｚ、７６ＧＨｚ等のミリ波帯の高周波伝送線路では、低損失特性、広帯域特性、小型軽量化、低コスト化、量産性などが求められているが、従来のマイクロストリップ線路や方形導波管ではこれらの要求を十分に満たすことができない。即ち、上記マイクロストリップ線路では小型軽量化が可能であるが、十分な低損失特性を得ることができないし、上記方形導波管では、低損失特性が得られるが、発振器とアンテナとの間に変換器（例えば同軸導波管変換器）を介在させる必要があり、小型軽量化、低コスト化を実現することが困難である。
【０００３】
このようなことから、従来では、図５に示すような非放射性誘電体ガイド（ＮＲＤガイド−Non Radiative Dielectric Wave Guide）がミリ波帯の伝送線路として注目されている。図５において、ＮＲＤガイドは２枚の金属板（平行平板）１Ａと１Ｂとの間に、高周波を伝送する誘電体（線路）２が接触配置されており、発振器等の能動回路４から供給された高周波は上記誘電体２を介してアンテナ等の受動回路５へ伝送される。
【０００４】
しかし、従来のＮＲＤガイドでは、主要伝送波に図６（Ａ）に示すＬＳＭ₀₁モードを使用し、上記誘電体２としてテフロンやポリスチレン等の低誘電率材料を用いていたことから、上記の方形導波管と比較すると、低損失特性で劣り、不要伝送モードが発生したり、モード結合を起こしたりするなど、定在波分布が乱れるという問題があった。なお、図６（Ａ）に示されるように、上記ＬＳＭ₀₁モードは誘電体２において電界が実線のように水平方向、磁界が点線のように垂直方向に形成されるものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、最近では、主要伝送波に図６（Ｂ）に示すＬＳＥ₀₁モードを使用し、上記誘電体２にリチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ3 ：比誘電率εr＝３５）、セラミックス（比誘電率εr＝２４）等の高誘電率材料を適用したＮＲＤガイドが注目されている。これによれば、良好な伝送特性を呈し、上記誘電体２の比誘電率が高くなる程、広帯域な伝送線路になり得るということが明らかになり、更には能動回路４をチップ化してＮＲＤガイドにフリップチップ実装することにより小型軽量化が容易に実現できるという利点がある。なお、上記ＬＳＥ₀₁モードでは、図６（Ｂ）に示されるように電界が実線のように誘電体２の中心から上下方向、磁界が点線のように円を描くように形成されるものである。
【０００６】
しかしながら、上記のＮＲＤガイドでは、金属やプラスチック等の製造プロセスと比較すると、高誘電率の誘電体における素地の微細構造的要因、例えばセラミック等を構成している結晶、ガラスの種類、気孔等の量比又は分布状態等が線路の特性にどのように影響するか等について不明な点が多い。そのため、伝送線路としての最適化、或いは線路に接続される回路との良好な整合をとれない場合があり、量産時には部品レベルでの誘電率測定検査や選別が必要となり、また部品の歩留まりの悪化、コスト高を招いていた。
【０００７】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、部品レベルでのバラツキをなくした安定した品質の下に高い伝送性能を得ることができ、ひいては低コスト化が可能となる非放射性誘電体ガイド及びその製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、二枚の金属板間に高誘電率の誘電体が配置され、ＬＳＥ _０１モードで信号の伝送する非放射性誘電体ガイドにおいて、上記金属板の上記誘電体が接触する部分に、貫通孔であってその直径が上記誘電体の横幅よりも小さい寸法となる調整孔を多数形成し、高周波の伝送特性が最適となるように、上記多数の調整孔を選択的に導電性部材で塞いだことを特徴とする。
請求項２に係る発明は、上記誘電体にも上記調整孔に連通する調整凹部を形成し、この調整凹部を上記導電性部材で塞いだことを特徴とする。
請求項３に係る発明は、二枚の金属板間に高誘電率の誘電体が配置され、ＬＳＥ _０１モードの信号を伝送する非放射性誘電体ガイドの製造方法において、上記金属板の上記誘電体が接触する部分に、貫通孔であってその直径が上記誘電体の横幅よりも小さい寸法となる調整孔を多数形成し、又はこれに加えて上記調整孔に連通する調整凹部を上記誘電体に形成する加工ステップと、この加工ステップで得られた加工部品の特性を解析し、高周波の所定の伝送特性を得るために、導電性部材で塞ぐべき調整孔又は調整凹部を判別する解析・演算ステップと、この解析・演算ステップの指令により、選択された上記調整孔又は調整凹部を導電性部材で塞ぐための導電性部材付与ステップと、を設けたことを特徴とする。
【０００９】
上記の構成によれば、ＬＳＥ₀₁モードで高周波が伝送されるとき、等価回路で表すと、金属板の調整孔の存在によりインダクタンスＬが形成されると共に、４分の１波長離れた所から見ると容量Ｃが形成される。一方、この調整孔を導電性部材で塞げば、上記インダクタンスＬ及び容量Ｃが与えられない（調整孔がない）ことになる。従って、例えば４分の１波長（又はこれの整数倍）の長さ毎に多数の調整孔を設け、この調整孔の何れかを選択的に導電性部材で塞ぎ、部分的にインダクタンスＬ及び容量Ｃを調整することにより、線路自体、或いは接続される回路との間のインピーダンスマッチングが図られ、挿入損失、リターンロス（電圧定在波比VSWR）等を最適化することができる。
【００１０】
上記請求項２の構成によれば、誘電体に調整凹部を設けた場合には、この凹部を導電性部材で塞げばその深さに応じた容量Ｃが部分的に形成される。従って、この調整凹部を上記調整孔と組み合わせれば、伝送特性調整のためのバリエーションが増え、インピーダンスマッチング等の最適化が更に促進できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１及び図２には、実施形態例に係る第１例の非放射性誘電体ガイドの構造が示されており、図１に示されるように、このＮＲＤガイドは平行平板である２枚の金属板（銅板、黄銅板、アルミニウム板等）１０Ａと１０Ｂとの間に、高誘電率の誘電体（線路）１２を挟んで接合され、この誘電体１２に、発振器、増幅器等の能動回路４及びアンテナ、共振器等の受動回路５が接続される。また、このＮＲＤガイドの伝送では、図６（Ｂ）に示したＬＳＥ₀₁モードの励振高周波信号が用いられる。
【００１３】
更に、このＮＲＤガイドを、例えば６０ＧＨｚのミリ波帯の高周波信号の伝送に使用する場合、厚さ約０．３ｍｍの金属板１０Ａ,１０Ｂを間隔ａ（例えば約１．６ｍｍ）だけ離して配置し、また上記誘電体１２として、比誘電率εr＝２４の高誘電率で誘電正接ｔａｎδ＝２．５×１０^-4となる横幅ｂ（例えば約０．３ｍｍ）のセラミックを用いる。そして、この誘電体１２の上側にある金属板１０Ａ（もちろん下側金属板１０Ｂでもよい）に、ピッチｎ・λｇ／４（λｇ：伝送波の波長、ｎ：整数）の間隔（当該例では、約０．４５ｍｍ）で直径約０．２ｍｍ（これは上記横幅ｂよりも小さく設定される）の調整孔１３をドリル等で多数穿設する。
【００１４】
この調整孔１３は、図２（Ａ）に示されるように、貫通孔であり、誘電体１２の横幅方向の中央位置上側に設けられる。更に、図２（Ｂ）に示されるように、この調整孔１３内には例えば導電性シリコンゴム又は導電性エポキシ系接着剤からなる導電性ペースト１４が塗布により埋め込まれる。なお、当該例では、この導電性ペースト１４としては、これに混入される例えばカーボンや金属粉等の導電フィラーと金属板との電位差が０．５ボルト以下になるようなものを選択しており、これによって電食を防止するようになっている。
【００１５】
図３には、上記導電性ペースト１４の塗布、埋め込みのための自動微調整装置の構成が示されており、この装置は、ＮＲＤガイドの試料１６に対しＳパラメータ（散乱パラメータ）等のデータを収集するネットワークアナライザー１７、このアナライザー１７からのデータを入力し、試料１６において導電性ぺースト１４で塞ぐ調整孔１３と各種の特性との関係を予め演算すると共に、この演算データに基づいて塗布すべき調整孔１３を判定し指令する演算処理コンピュータ１８、このコンピュータ１８の指令に基づき、導電性ペースト１４を必要な調整孔１３に自動塗布するための自動塗布機１９からなる。
【００１６】
上記演算処理コンピュータ１８では、ＮＲＤガイド試料１６のどの調整孔１３に導電性ぺースト１４を注入すれば、例えばＳ11，Ｓ21，Ｓ12，Ｓ22の項を持つ２×２の行列からなるＳパラメータのどの項が変化するかを予め判定し、そのデータをテンプレートファイル化する。即ち、このＳパラメータのＳ11は入射端からみた反射係数、Ｓ22は出力端からみた反射係数、Ｓ21，Ｓ12は挿入損失に対応した係数を表しており、これらの項の変化と塗布すべき調整孔１３の関係がテンプレートファイルで把握されることになる。
【００１７】
当該第１例は以上の構成からなり、このＮＲＤガイドは、まず図１に示されるように調整孔１３がλｇ／４の間隔で多数形成されて組み立てられる。そして、このＮＲＤガイドが伝送線路自体の部品として、或いは能動回路４、受動回路５が接続されたフリップチップ実装品として、図３の自動微調整装置による導電性ペーストの塗布が実行される。ここでは、上述したように、ネットワークアナライザー１７の特性解析によりＳパラメータが求められ、このＳパラメータに基づき所定の規格を具備するように、演算処理コンピュータ１８で選択された調整孔１３に導電性ペースト１４が塗布され、図２（Ｂ）の状態となる。
【００１８】
このようなＮＲＤガイドによれば、ＬＳＥ₀₁モードにおいて、図６（Ｂ）に示されるように金属板１０Ａ，１０Ｂに対し高周波電界が垂直、高周波磁界が平行に接しているので、上記調整孔１３がカットオフとなり、この調整孔１３から電磁波が殆ど逃げない大きさであっても、その高周波磁界は調整孔１３に多少入り込み、この高周波磁界及び電界が通常の伝送モードから乱されることになる。そのため、等価回路で考えると、調整孔１３によりインダクタンスＬが形成され、また４分の１波長離れたところから見ると容量Ｃが形成される。このインダクタンスＬと容量Ｃは、導電性ペースト１４で塞がれない調整孔１３によって生じ、導電ペースト１４で埋められた調整孔１３では形成されないことになる。
【００１９】
このような部分的な調整によって、ＮＲＤガイドはその部品レベルでの製造誤差をなくすことができ、高周波の挿入損失、リターンロス（電圧定在波比）の最適化、即ち伝送線路としての最適化が図られる。また、図１のように、能動回路４と受動回路５を接続したフリップチップ実装した製品において、他の回路の接続に伴うインピーダンス不整合をキャンセルすることが可能となる。
【００２０】
なお、上記調整孔１３は上述のようにｎ・λｇ／４のピッチで配置することにより、またその孔径を誘電体１２の横幅ｂよりも小さくすることにより、上記の等価的なインダクタンスＬと容量Ｃを良好に付与できることになる。
また、当該例では、上記導電性ペースト１４がその内部の導電フィラーと金属板１０Ａとの電位差が０．５ボルト以下になるような材料となっているので、電食が良好に防止される。
【００２１】
図４には、第２例の構成が示されており、この第２例は第１例と同様の構成のＮＲＤガイドにおいて誘電体にも調整凹部を精密電動研削工具等で設けたものである。図４（Ａ）の調整孔１３は、上側金属板１０Ａにピッチｎ・λｇ／４の間隔で多数穿設されると共に、その調整孔１３の下側で、誘電体２１の上面に調整凹部２２が設けられる。そして、図４（Ｂ）に示されるように、この調整凹部２２に導電性ペースト１４が選択的に埋め込まれることにより、この導電性ペースト１４は上記調整孔１３にも接触させた状態とする方法、一方調整凹部２２を深くする等により接触させずこの凹部２２のみに入れる方法の両方が可能である。
【００２２】
このようにして調整凹部２２に導電ペースト１４を入れた場合は、そこに容量Ｃが形成され、この容量Ｃは凹部が深くなる程大きくなる。そして、この導電ペースト１４を調整孔１３にも接触させる場合は調整凹部２２による容量Ｃが与えられ、導電ペースト１４を調整孔１３に接触させずに調整凹部２２にのみ注入する場合は、調整孔１３によるインダクタンスＬと容量Ｃ₍₁₃₎と調整凹部２２による容量Ｃ₍₂₂₎が与えられることになる。従って、この第２例の場合も、図３の自動微調整装置を利用して、上記の調整孔１３と調整凹部２２を選択的に導電ペースト１４で塞ぐことにより、ＮＲＤガイドの挿入損失、リターンロス等の特性を最適化することが可能となり、更に詳細な調整が可能となる。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、二枚の金属板間に高誘電率の誘電体が配置され、ＬＳＥ _０１モードの信号を伝送する非放射性誘電体ガイドにおいて、上記誘電体が接触する上記金属板部分に、貫通孔であってその直径が上記誘電体の横幅よりも小さい寸法となる調整孔を多数形成し、この多数の調整孔の何れかを選択的に導電性部材で塞ぐようにしたので、高周波の挿入損失、リターンロス等の伝送特性を最適化し、部品レベルでのバラツキをなくした安定した品質の下に高い伝送性能を得ることができ、ひいては低コスト化を図ることが可能となる。
【００２４】
請求項２の発明によれば、誘電体にも上記調整孔に連通する調整凹部を形成したので、容量付与のバリエーションが増え、伝送特性の調整が更に促進される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の第１例に係る非放射性誘電体ガイドの構成を示す斜視図である。
【図２】図１の非放射性誘電体ガイドの調整孔［図（Ａ）］及びこの調整孔に導電性ペーストを入れた状態［図（Ｂ）］を示す図である。
【図３】実施形態のＮＲＤガイドに対し導電性ペーストを塗布する自動微調整装置の構成を示すブロック図である。
【図４】実施形態の第２例に係る非放射性誘電体ガイドの調整孔及び調整凹部［図（Ａ）］とこの調整孔及び調整凹部に導電性ペーストを入れた状態［図（Ｂ）］を示す図である。
【図５】従来の非放射性誘電体ガイドの構成を示す斜視図である。
【図６】従来又は実施形態例の非放射性誘電体ガイドで用いられる伝送モードを示し、図（Ａ）はＬＳＭ₀₁モードの説明図、ＬＳＥ₀₁モードの説明図である。
【符号の説明】
１Ａ，１Ｂ，１０Ａ，１０Ｂ … 金属板、
２，１２，２１ … 誘電体、
４ … 能動回路、５ … 受動回路、
１３ … 調整孔、１４ … 導電性ペースト、
２２ … 調整凹部。

Claims

二枚の金属板間に高誘電率の誘電体が配置され、ＬＳＥ _０１モードの信号を伝送する非放射性誘電体ガイドにおいて、
上記金属板の上記誘電体が接触する部分に、貫通孔であってその直径が上記誘電体の横幅よりも小さい寸法となる調整孔を多数形成し、
高周波の伝送特性が最適となるように、上記多数の調整孔を選択的に導電性部材で塞いだことを特徴とする非放射性誘電体ガイド。
上記誘電体にも上記調整孔に連通する調整凹部を形成し、この調整凹部を上記導電性部材で塞いだことを特徴とする請求項１記載の非放射性誘電体ガイド。
二枚の金属板間に高誘電率の誘電体が配置され、ＬＳＥ _０１モードの信号を伝送する非放射性誘電体ガイドの製造方法において、
上記金属板の上記誘電体が接触する部分に、貫通孔であってその直径が上記誘電体の横幅よりも小さい寸法となる調整孔を多数形成し、又はこれに加えて上記調整孔に連通する調整凹部を上記誘電体に形成する加工ステップと、
この加工ステップで得られた加工部品の特性を解析し、高周波の所定の伝送特性を得るために、導電性部材で塞ぐべき調整孔又は調整凹部を判別する解析・演算ステップと、
この解析・演算ステップの指令により、選択された上記調整孔又は調整凹部を導電性部材で塞ぐための導電性部材付与ステップと、を設けたことを特徴とする非放射性誘電体ガイドの製造方法。