JP3996880B2

JP3996880B2 - 導波管分岐構造

Info

Publication number: JP3996880B2
Application number: JP2003203404A
Authority: JP
Inventors: 弘志内村; 直行志野
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-07-29
Filing date: 2003-07-29
Publication date: 2007-10-24
Anticipated expiration: 2023-07-29
Also published as: JP2005051332A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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導波管または誘電体導波管の分岐構造に関し、特に導波管または誘電体導波管を平行な２本の導波管に分岐し、しかも分岐後の電力比を任意に設定しうる導波管または誘電体導波管の分岐構造に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
導波管分岐構造としては、従来から図１１に示すような構造が知られている（例えば、特許文献１参照）。図１１において、１は第１の導波管、２は第２の導波管、３は第３の導波管である。第２導波管と第３導波管とは、Ｅ面導体壁５を共有し、他の共有しないＥ面導体壁の延長により第４の導波管４が形成されている。また、第１の導波管１と第４の導波管４とは結合部４１で接続されている。
【０００３】
また、図１２に示すようなパワーデバイダも知られている。構造的には図１１とほぼ同じであるが、第１の導波管１の中心軸と、共通Ｅ面導体壁５の位置がｅだけずれた構造となっている。このずれを調整することにより、ポートｐ１から入力された高周波信号のエネルギーが不等分配されポートｐ２およびポートｐ３から異なる比率の高周波エネルギーを取り出す事ができる。
【０００４】
一方、本出願人は、図１３に示すような、構造の積層型導波管を先に提案した（特許文献２参照）。この構造は、誘電体基板中に誘電体導波管を作りこんだ構造で、誘電体シートに加工されたビアホール６−１から６−３群と誘電体シートに印刷された導体層７−１から７−４とで囲まれた空間を伝送線路とするものである。この構造を用いることにより、回路基板内に導波管を形成することができ、また複雑な導波管回路も容易に形成することができる。したがって、上述した、図１１および図１２の導波管分岐構造も容易に回路基板に形成することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図１１に示す導波管分岐および、図１２に示す導波管パワーデバイダは、構造が非常に簡単であるため容易に製造でき、しかも非常に広い周波数特性を持っている。しかし、これらの導波管分岐構造には次の様な問題点がある。
【０００６】
図１４に図１２に示した導波管分岐構造の周波数特性を示す。導波管のカットオフ周波数が３７ＧＨｚに見られ、周波数帯域の基準をＳ１１＜−１５ｄＢと見ると、３７ＧＨｚから６２ＧＨｚの広い周波数で良好な伝送特性が得られている。従って、システムで用いる中心周波数を５０ＧＨｚ程度にすれば良い。
【０００７】
しかし、カットオフ周波数近くで用いる事は望ましくない。これは、導体損失が大きい場合、カットオフ周波数近くでは伝送損失が大きく、また、周波数変動に対して、管内波長が大きく変わるため、位相の制御がしにくいためである。逆に、カットオフ周波数の２倍の周波数以上では、他の伝送モードが存在するため、好ましくない。従って、伝送特性の観点から言えば、カットオフ周波数の１．５倍から１．８倍程度をシステムの中心周波数として用いることが望ましい。
【０００８】
従って、上記の構造では、導波管単体の伝送特性の良好な周波数領域と、導波管分岐構造の伝送特性の良好な周波数特性とが一致していないという問題があった。
【０００９】
また、図１２の導波管パワーデバイダも図１４に示すのと同様な周波数特性を示し、同様な問題を含むが、その他に、設計上の問題もある。パワーデバイダの分配比率が、予め確定されているときには問題無いが、その比が設計中流動的な場合、その比を変える毎に、ポートｐ１の位置が変動するので、その近くの設計をやり直す必要があるという問題があった。
【００１０】
本発明は、かかる従来の問題点を解決すべく案出されたものであり、その目的は、導波管の伝送特性の良好な周波数領域と、導波管分岐の伝送特性の良好な周波数特性を一致させることにより、導波管回路全体から見て良好な特性を示す導波管分岐構造を提供することにある。また、パワーデバイダの分配比率が設計中に変動しても、一部のみの変更で容易に設計変更できる導波管分岐構造を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記の問題点に対して検討を重ねた結果、第１導波管と第４導波管との結合部において、第１導波管の間幅より狭い結合窓を設けることにより、導波管回路全体から見て良好な特性を示す導波管分岐構造ができることを見出した。また、その結合窓の中心位置をずらす事により、パワーデバイダとなることを見出した。またさらに、第４導波管の管幅を小さくすることにより、反射損失のピーク位置を高周波側にずらし、広帯域特性が実現できることを見出した。
【００１２】
即ち、本発明の導波管分岐構造は、第１の導波管から第２の導波管および第３の導波管に分岐するための構造であって、前記第２の導波管および第３の導波管のＥ面導体壁を共有させて前記第１の導波管の中心線の延長上に配置するとともに、該第２の導波管および第３の導波管の端部と、前記第１の導波管の端部との間に第４の整合用導波管を配置し、第１乃至第３の導波管の高周波信号の伝送方向がすべて平行となるように接続させ、前記第１の導波管と前記第４の導波管との結合窓の幅を前記第１の導波管幅より小さくし、前記結合窓の中心位置を前記第１の導波管の中心線よりずらしたことを特徴とするものである。これによって、パワーデバイダとして機能させることができる。
【００１３】
また、本発明は、前記第４の導波管の線路幅を前記第１の導波管の線路幅より大きくかつ前記第２の導波管および第３の導波管の線路幅の和より小さくしたことを特徴とするものである。このとき、前記第１の導波管と第４の導波管との導波管接続部の結合窓の幅と、前記第２の導波管と第４の導波管との導波管接続部の結合窓の幅と、前記第３の導波管と第４の導波管との導波管接続部の結合窓の幅とを全て等しくしたことを特徴とするものである。
【００１５】
またさらに、上記の第１乃至第４の導波管は、誘電体層を挟持する一対の導体層と、高周波信号の伝送方向に前記高周波信号の遮断波長の２分の１以下の繰り返し間隔で、かつ前記伝送方向と直交する方向に一定の幅で前記導体層間を電気的に接続するよう形成された２列の貫通導体群とを具備し、前記導体層および前記貫通導体群に囲まれた領域によって形成された誘電体導波管からなり、前記第２および第３の導波管の共通Ｅ面導体壁が、１列の共有する貫通導体群により形成されていることを特徴とするものである。
【００１６】
上記本発明の導波管分岐構造によれば、第１導波管と第４導波管との結合部において、第１導波管の間幅より狭い結合窓を設けたので、導波管の伝送特性の良好な周波数領域と、導波管分岐の伝送特性の良好な周波数特性を一致させることができる。
【００１７】
また、その結合窓のサイズが第１導波管の管幅より小さいので、その中心位置をずらすことにより、パワーデバイダとして機能させることができる。また、パワーデバイダの分配比率は、上記結合窓の位置のみで調整できるので、設計上の変更が非常に容易にできるようになる。またさらに、第４導波管の間幅を小さくすることにより、反射損失のピーク位置を高周波側にずらし、広帯域特性が実現できた。
【００１８】
さらに、導波管を上記のように、一対の導体層と、貫通導群による誘電体導波管によって形成することによって、従来の多層配線技術と同様にして形成することができるために、上記の分岐構造を回路基板などのあらゆる多層基板に形成することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の導波管分岐構造について、図を参照して説明する。
【００２０】
図１は、参考例としての導波管分岐構造の実施の形態を示すＨ面カット断面図である。１は第１導波管、２は第２導波管、３は第３導波管、４は第４導波管、４１は第１導波管と第４導波管との結合窓、５は共通Ｅ面導体壁である。また、ｐ１は本分岐構造のポート１、ｐ２は本分岐構造のポート２、ｐ３は本分岐構造のポート３である。ポートｐ１から入力された高周波信号は、第１導波管１通り、結合窓４１を介して第４導波管４に入り、共通Ｅ面導体壁５で２つに分割され、ポートｐ２およびポートｐ３から出力される。
【００２１】
かかる構造の場合、前述したように、結合窓４１の幅ｂが、第１導波管１の導波管サイズａ１と同じ場合は、分岐構造の伝送特性の良好な周波数領域が低めで導波管のカットオフ周波数に近くなっているが、結合窓４１の幅ｂを小さくすることで、分岐構造の周波数特性を高くし、導波管単体での伝送特性の良好な周波数領域と一致させることができる。この結合窓４１の幅ｂは導波管幅ａ１より小さいことが一般的な条件となるが、具体的なサイズはシミュレーション等により決定される。
【００２２】
また、第１導波管１と第４導波管４との結合窓４１から共通Ｅ面導体壁５の先端までの距離ｇを変えることにより周波数帯域や反射特性を調整することができる。
【００２３】
図２は、本発明の導波管分岐構造の実施の形態を示すＨ面カット断面図である。この形態では、第１導波管１と共通Ｅ面導体壁５の中心軸は一致しているが、結合窓４１の中心位置は第２導波管２側へｅだけずれている。ポートｐ１から入力された高周波信号は、第１導波管１を通り、結合窓４１を介して第４導波管４に入り、共通Ｅ面導体壁５で２つに分割される。このとき、結合窓４１の中心位置がずれているため、第２導波管２との結合量が第３導波管３との結合量より大きくなり、結果的に、不等分配となってポートｐ２およびポートｐ３から出力される。このときの分配比率は、結合窓４１の中心位置のずれ量ｅにより制御することができる。
【００２４】
図３は、参考例としての導波管分岐構造のさらに他の実施の形態を示すＨ面カット断面図である。この形態においては、ポートｐ１から入力された高周波信号は、第１導波管１を通り、結合窓４１を介して第４導波管４に入る。さらに、結合窓２１および結合窓３１で第２導波管２および第３導波管３と結合し、ポートｐ２およびポートｐ３から出力される。そして、第４導波管４の導波管幅ｆを第１導波管幅ａ１より大きくし、かつ第２導波管幅ａ２と第３導波管幅ａ３との和より小さく設定している。
【００２５】
図１及び図２に示した実施の形態では、分岐構造の周波数特性を高くし、導波管単体での伝送特性の良好な周波数領域と一致させることができるが、図１４に示す７６ＧＨｚ付近にあるＳ２１の落ち込みは変化しない。このため、結果的に周波数帯域が狭くなる。
【００２６】
これに対して、図３に示す形態で、第４導波管幅ｆを上記の様に小さくすることにより、前記のＳ２１の落ち込む周波数が高周波側にずれ、結果として、利用できる周波数帯域が広くなる。なお、結合窓４１の幅ｂと結合窓２１および結合窓３１の幅ｃ２とは必ずしも一致する必要は無いが、ｂ＝ｃ１＝ｃ２のときより良好な特性が得られる。
【００２７】
図４は、本発明の導波管分岐構造の他の実施の形態を示すＨ面カット断面図である。この実施形態では、第１導波管１と共通Ｅ面導体壁５の中心軸は一致しているが、結合窓４１の中心位置は第２導波管２側へｅだけずれている。ポートｐ１から入力された高周波信号は、第１導波管１を通り、結合窓４１を介して第４導波管４に入る。さらに、結合窓２１および結合窓３１で第２導波管２および第３導波管３と結合する。このとき、結合窓４１の中心位置がずれているため、第２導波管２との結合量が第３導波管３との結合量より大きくなり、結果的に、不等分配となってポートｐ２およびポートｐ３から出力される。
【００２８】
図５は、参考例としての図３に示した導波管分岐構造を図１３に示す誘電体導波管構造で形成した実施の形態を示すＨ面カット断面図である。図５において、６は誘電体導波管の側壁を形成するビアホール、７はビアホール同士を接続する導体層である。ビアホール６群のピッチは高周波信号の遮断波長の２分の１以下の繰り返し間隔に設定される。ポートｐ１から入力された高周波信号は、第１導波管１を通り、結合窓４１を介して第４導波管４に入る。さらに、結合窓２１および結合窓３１で第２導波管２および第３導波管３と結合し、ポートｐ２およびポートｐ３から出力される。
【００２９】
図６は、本発明の図４に示した導波管分岐構造を図１３に示す誘電体導波管構造で形成した実施の形態を示すＨ面カット断面図である。この図６では、第１導波管１と共通Ｅ面導体壁５の中心軸は一致しているが、結合窓４１の中心位置は第２導波管２側へｅだけすれている。ポートｐ１から入力された高周波信号は、第１導波管１を通り、結合窓４１を介して第４導波管４に入る。さらに、結合窓２１および結合窓３１で第２導波管２および第３導波管３と結合する。このとき、結合窓４１の中心位置がずれているため、第２導波管２との結合量が第３導波管３との結合量より大きくなり、結果的に、不等分配となってポートｐ２およびポートｐ３から出力される。
【００３０】
上記の図５および図６に示す実施の形態の例における誘電体基板（図示せず）は適当な厚みのシート体の積層体によって形成でき、図１３に示したようなメタライズ層７−１から７−４等の導体層と、ビアホール６−１〜６−３を各シートに形成し、それを積層する通常の多層回路形成技術によって容易に作り込むことができる。特に、導体層、ビアホールは、高周波用途において導体損を低減するために、銅、銀、金の群から選ばれる少なくとも１種の低抵抗体によって形成することができる。また、多層化技術に基づき、誘電体基板は、これらの金属と同時焼成によって形成するために、１０００℃以下で焼成可能なガラスセラミックスなどの低温焼成セラミックスによって形成するのが好適である。それによって、伝送損失が小さくなりアンテナ基板などへの適用によってアンテナ特性が向上する。
【００３１】
【実施例】
次に、導波管分岐構造の具体例について説明する。
【００３２】
図７は図５に示す実施形態の分岐構造のシミュレーションによる反射特性を示す結果である。ビアホール径は０．２ｍｍ、ビアピッチｐは０．６６ｍｍ、ａ１＝ａ２＝ａ３＝１．６９ｍｍ、ｂ＝ｃ１＝ｃ２＝１．４３ｍｍ、ｄ＝１．０８ｍｍとした。また誘電体基板の比誘電率は５とした。図７中の実線、破線および点線は、第１導波管と第４導波管との結合窓から共通Ｅ面導体壁の先端までの距離ｇを０．９６、１．０１、１．０６と変えたときの結果を示している。図７から分るように、６０〜６５ＧＨｚを中心に良好な伝送特性を示すことがわかる。なお、この距離ｇを変化させることにより、周波数帯域や反射特性を調整できることがわかる。
【００３３】
図８乃至図９は図６に示す実施形態のシミュレーションによる反射特性を示す結果である。サイズは図５のシミュレーションと同じであるが、結合窓４１の中心位置からのずれ量ｅを図８では０．０５ｍｍ、図９では０．２ｍｍ、図１０では０．３ｍｍとした。これらの図８〜図１０からわかるように、結合窓のずれ量ｅを変化させることにより、分配比率を自在に変化できることがわかる。またＳ１１の反射特性も良好であり、非常に広い周波数帯域を示すことがわかる。
【００３４】
【発明の効果】
以上詳述した通り、第１導波管から第２導波管および第３導波管への分岐構造において、第２の導波管および第３の導波管のＥ面導体壁を共有させて第１の導波管の中心線の延長上に配置し、第１導波管と第２、第３導波管との間に第４導波管を設け、第１乃至第３の導波管の高周波信号の伝送方向がすべて平行となるように接続させ、第１導波管と第４導波管との結合部において、第１導波管の線路幅より狭い結合窓を設け、結合窓の中心位置を第１の導波管の中心線よりずらすことによって、導波管の伝送特性の良好な周波数領域と、導波管分岐の伝送特性の良好な周波数特性を一致させることができ、パワーデバイダとして機能させることができる。また、パワーデバイダの分配比率は、上記結合窓の位置のみで調整できるので、設計上の変更が非常に容易にできる。またさらに、第４導波管の管幅を小さくすることにより、反射損失のピーク位置を高周波側にずらし、広帯域特性が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】参考例としての導波管分岐構造の実施の形態を示すＨ面カット断面図である。
【図２】本発明の導波管分岐構造の他の実施の形態を示すＨ面カット断面図である。
【図３】参考例としての導波管分岐構造のさらに他の実施の形態を示すＨ面カット断面図である。
【図４】本発明の導波管分岐構造のさらに他の実施の形態を示すＨ面カット断面図である。
【図５】図３の導波管分岐構造を誘電体導波管によって形成した場合の実施の形態を示すＨ面カット断面図である。
【図６】図４の導波管分岐構造を誘電体導波管によって形成した場合の実施の形態を示すＨ面カット断面図である。
【図７】図５に示す分岐構造のシミュレーションによる反射特性を示す図である。
【図８】図６に示す分岐構造におけるずれ量ｅ＝０．０５ｍｍのシミュレーションによる反射特性を示す図である。
【図９】図６に示す分岐構造におけるずれ量ｅ＝０．２ｍｍのシミュレーションによる反射特性を示す図である。
【図１０】図６に示す分岐構造におけるずれ量ｅ＝０．３ｍｍのシミュレーションによる反射特性を示す図である。
【図１１】従来の導波管分岐構造のＨ面カット断面図である。
【図１２】さらに、従来の導波管分岐構造のＨ面カット断面図である。
【図１３】誘電体導波管の構造を説明するための透過斜視図である。
【図１４】図１２の分岐構造の反射特性を示す図である。
【符号の説明】
１第１導波管
２第２導波管
３第３導波管
４第４導波管
５共通Ｅ面導体壁
６、６−１〜６−３ビアホール
７、７−１〜７−４導体層
２１、３１、４１結合窓

Claims

第１の導波管から第２の導波管および第３の導波管に分岐するための構造であって、前記第２の導波管および第３の導波管のＥ面導体壁を共有させて前記第１の導波管の中心線の延長上に配置するとともに、該第２の導波管および第３の導波管の端部と、前記第１の導波管の端部との間に第４の整合用導波管を配置し、第１乃至第３の導波管の高周波信号の伝送方向がすべて平行となるように接続させ、前記第１の導波管と前記第４の導波管との結合窓の幅を前記第１の導波管幅より小さくし、前記結合窓の中心位置を前記第１の導波管の中心線よりずらしたことを特徴とする導波管分岐構造。
前記第４の導波管の線路幅を前記第１の導波管の線路幅より大きくかつ前記第２および第３の導波管の線路幅の和より小さくしたことを特徴とする請求項１に記載の導波管分岐構造。
前記第１の導波管と第４の導波管との導波管接続部の結合窓の幅と、前記第２の導波管と第４の導波管との導波管接続部の結合窓の幅と、前記第３の導波管と第４の導波管との導波管接続部の結合窓の幅とが全て等しいことを特徴とする請求項１または請求項２記載の導波管分岐構造。
前記第１乃至第４の導波管が、誘電体層を挟持する一対の導体層と、高周波信号の伝送方向に前記高周波信号の遮断波長の２分の１以下の繰り返し間隔で、かつ前記伝送方向と直交する方向に一定の幅で前記導体層間を電気的に接続するよう形成された２列の貫通導体群とを具備し、前記導体層および前記貫通導体群に囲まれた領域によって形成された誘電体導波管からなり、前記第２および第３の導波管の共通Ｅ面導体壁が、１列の共有された貫通導体群により形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか記載の導波管分岐構造。