JP4172791B2 - 伝送線路及び高周波モジュール - Google Patents

Description

本発明は、ミリ波帯で利用される伝送線路及びこの伝送線路を用いた高周波モジュールに関するものである。

従来、ミリ波帯において高周波信号を伝達するための伝送線路として、導波管、誘電体線路、ＮＲＤガイド、ストリップ線路、コプレーナ線路などが知られている。このうち導波管は、現在でも最も使用されいるが、他の線路に比べるとサイズが大きく、金属加工を必要とするため、コストがかかるという問題点がある。このため、誘電体基板を用いて伝送線路を形成する試みが成されてきた。

このような伝送線路として、図８に示すように、誘電体基板１１の上部及び下部に電極１２，１３が形成され、電極１２，１３には、誘電体１１が露出するようにスロットが設けられ、スロットの上下には導体１４，１５が配置された伝送線路が提案された（特許文献１参照）。
特許文献１では、この構造にした利点として、線路の特性及びＩＣなどの電子部品との接続が容易に可能となることを挙げている。

また、図９に示すように、誘電体１１の内部に複数の導体層１５，１６を挿入した積層型伝送線路が提案された（特許文献２参照）。
特許文献２では、この構造の利点として小型化の他に積層を用いた作製方法の容易さによる低コスト化を挙げている。
特許第２９９１０７６号公報 特開平１０−１９０３１８号公報

しかしながら、特許文献１では、誘電体基板１１の上下に空間があるため、伝送線路の構造が大きくなることが課題である。また、製造上も誘電体の上下にエッチングをする必要があり、工程が複雑となる。
また、特許文献２では、伝送特性の伝送損失が課題として残されている。
本発明は、前記の課題を解決できるものであり、良好な伝送特性を保持したまま、従来よりも構造的に簡易化できる伝送線路を提供することを目的とする。

図１に本発明の伝送線路の伝送方向ｚに垂直な断面構造を示す。
本発明の伝送線路は、誘電体基板１と、当該誘電体基板１の両面に、当該誘電体基板１に接触した状態でそれぞれ配置された電極板２，３と、そのいずれか片側の電極板３から所定の間隔を置いて導体板４を支持するために、当該片側の電極板３に取り付けられた側面支持部材５と、前記導体板４とを備え、前記片側の電極板３には、高周波信号の伝送方向に沿ったスロット部Ｗが形成され、前記誘電体基板１の厚みｔ及び比誘電率ε _r は、前記電極板２と電極板３とで挟まれた誘電体基板１で構成される導波領域において、前記高周波信号を減衰させる伝送モード（遮断伝送モード）となるような値に設定され、前記電極板３と導体板４とで形成される空間の厚み（ａ−ｔ）は、当該空間で構成される導波領域において、前記高周波信号を減衰させる伝送モード（遮断伝送モード）となるような値に設定されていることを特徴とする。

本発明の伝送線路が、ミリ波帯において有効である理由を説明する。
本発明の伝送線路の設計は、比誘電率ε _r を持つ誘電体を内部に挿入した導波管のＬＳＥモードをベースにして行うことができる。
この導波管の遮断周波数ｆ_ｃは、誘電体を含む導波管の全厚さａにより決定され、次式より求められることが知られている。ただし誘電体の厚さをｔとする。

ｋ_c1 ＝√（ε_rε₀μ₀）ω_c
ｋ_c2＝√（ε₀μ₀）ω_c
ω_c＝２πｆ_c
ｋ_c1 cotｋ_c1ｔ＝−ｋ_c2 cotｋ_c2（ａ−ｔ）
ただし、ｋ_c1 、ｋ_c2 は、それぞれ、誘電体の領域、空気の領域における波数である。これらの連立方程式を解くことより遮断周波数ｆ_ｃを決定できる。

図１に示す本発明の伝送線路において、誘電体を含む線路の全厚さａとし、前記の設計方法を使用すると概略のｆ_ｃを求めることができる。
次に本発明の伝送線路における、幅Ｗのスロット部を形成した電極板３の役割を説明する。
伝送線路を伝搬する高周波信号が、側面方向（図１の＋ｘ方向、−ｘ方向）に漏れ出すことになれば、伝送に大きなロスが発生するので、これを避けるための工夫が必要である。

伝送線路の側面を完全に金属で覆って方形導波管の構造にすることも一つの解法であるが、本発明では、スロット部Ｗを形成した電極板３を設けて、前記電極板２と電極板３とで挟まれた誘電体基板１で構成される導波領域において、前記高周波信号を減衰させる伝送モード（遮断モード）となるように設計する。すなわち、遮断モードになるように、誘電体基板１の厚みｔ及び比誘電率ε _r を設定する。また、前記電極板３と導体板４とで形成される空間で構成される導波領域においても、前記高周波信号を減衰させる伝送モードとなるように設計する。すなわち、当該空間の厚み（ａ−ｔ）と、当該空間が第２の誘電体基板で満たされるときはその第２の誘電体基板の誘電率ε2を、当該領域が遮断モードの導波路となるように設定する。

これにより、伝送線路を伝搬する高周波信号が、側面方向（図１の＋ｘ方向、−ｘ方向）に漏れ出すことを防止できるので、伝送線路の伝送特性を向上させることができる。
このような幅Ｗのスロット部を形成した電極板３を備えた本発明の構造は、側面支持部材５を金属でなく誘電体で構成する場合、あるいは、前記厚み（ａ−ｔ）の空間を第２の誘電体基板で置き換えて、第２の誘電体基板によって導体板４を支える構造とし、かつ側面にビアを設けない場合などにおいても、有効である。

前記スロット部の幅Ｗは、小さすぎると、側面方向（図１の＋ｘ方向、−ｘ方向）への信号の漏出防止には有効であるが、図１のｚ方向への信号の伝送が遮断条件あるいはそれに近い条件になって、信号の伝送が困難になる。幅Ｗが大きすぎると、図１のｚ方向への信号の伝送は容易になるが、側面方向への信号の漏出防止が困難になる。そこで、スロットの幅Ｗの値が重要になってくる。Ｗの値は、有限要素法などの電磁界解析を行い決定する必要がある。最適なＷの値を決定すると側面方向への放射が抑えられ、ほぼ導波管と同様な伝送特性が得られる。

本発明の伝送線路における伝送方向ｚに沿った高周波信号の伝送モードは、主電界が電極板及び導体板に平行となっているＬＳＥモードとすることが好ましい。ＬＳＥモードを伝送することができれば、導波管のＴＥ_１０モードやＮＲＤガイドのＬＳＥモードとの接続が容易である。
また、上部の領域（電極板３と導体板４の間）を空気で満たす場合、マイクロストリップ線路やコプレーナ線路との接続も容易となる。

前記側面支持部材を、遮蔽導体や、誘電体基板を貫通するビアホール導体で形成した構造とすれば、側面方向の放射を抑えることが容易にできるので、前記スロット幅Ｗの値を、大きな制約を受けずに決定することができる。
本発明の構造では、特に、前記厚み（ａ−ｔ）の空間を第２の誘電体基板で満たす場合、第１及び第２の誘電体基板、導体板、電極板が平行に積層可能なので、製造過程において、一体に形成することができる。したがって、製造工程を少なくすることができ、製造容易になり、さらなる低コスト化が可能となる。

また、本発明の伝送線路と高周波デバイスとを組み合わせて、高周波モジュールを形成することにより、小型で、製造容易、低コストな高周波モジュールを実現することができる。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
図２は、本発明の伝送線路の断面構造を示すための断面図である。
伝送線路は、平面状の下部電極２の上に一定厚みｔの誘電体基板１を、誘電体基板１が下部電極２の上面に接触した状態で配置し、誘電体基板１の上に、幅ＷのスロットＧが形成された上部電極３を、上部電極３が誘電体基板１の上面に接触した状態で設置している。スロットＧを隔てた上部電極３の両サイドをそれぞれ上部電極３ａ，３ｂという（３ａ，３ｂを総称して３とする）。

さらに、上部電極３ａ，３ｂにそれぞれ直方体状の側面支持部材５ａ，５ｂを取り付け、側面支持部材５ａ，５ｂの上面に平面状の導体板４を取り付けている。上部電極３、導体板４、側面支持部材５ａ，５ｂにより囲まれた空間をＳで表す。
これらの下部電極２、誘電体基板１、上部電極３，スロットＧ及び空間Ｓにより伝送線路を構成している。伝送線路内の高周波信号の伝送方向をｚで示す。

前記誘電体基板１には、例えば、ガラスエポキシ樹脂などの有機系誘電体基板、又は、セラミック材料などの無機系誘電体基板が用いられる。
特に、セラミック材料を用いれば、セラミック誘電体の比誘電率は通常５から２５と、樹脂基板に比べて高いので、誘電体層を薄くでき、素子の小型化に有効である。
前記導体材料は、金、銀、銅などである。

前記側面支持部材５ａ，５ｂは、導体でも誘電体でもよい。側面支持部材５ａ，５ｂが導体であれば、伝送線路を伝搬する高周波信号を側面から簡単にシールドできるので、好ましい。
側面支持部材５が誘電体である場合シールド効果がないので、空間Ｓの高さｈは、高周波信号の周波数において、導体３，４間の空間Ｓを電磁波が横方向ｘ（高周波信号の伝送方向ｚに垂直な方向）に伝搬する場合に、この横方向の伝搬モードが遮断領域となるような高さに選ぶことが好ましい。これは、導体３，４間の空間Ｓ内の電波が側面に漏れ出すのを防ぐためである。

また、誘電体基板１は、下部導体２と上部電極３とで挟み込まれた平行平板の構造となっているが、誘電体基板１の側面から横方向ｘに電波が漏れ出さないためには、平行平板の遮断周波数ｆc′を超えない周波数領域で設計を行う必要がある。従来のマイクロ波帯では、あまり考慮する必要がなかったが、ミリ波帯では波長が短いので、誘電体基板１の厚みｔが厚く、比誘電率ε _r が高い試料では、遮断周波数ｆc′を超える場合も生じる。平行平板の遮断周波数ｆc′は、次式で表される（μは透磁率、ε₀は真空の誘電率）。

ｆc′＝１／２ｔ√（με_rε₀）
したがって、誘電体基板１の厚みｔ、比誘電率ε _r は、使用する周波数が遮断周波数ｆc′を超えないように選ぶ必要がある。
さらに、高周波信号のｚ方向への伝送について考察する。高周波信号は、前述したように下部電極２、誘電体基板１、スロットＧ、空間Ｓにより構成される伝送線路内をｚ方向に伝送する。この伝送線路は、下部電極２と導体板４との間を、厚さｔの誘電体基板１と、高さｈの空気の充填された空間Ｓとで満たしたような構成になっている。

高周波信号がｚ方向に伝送する場合、高周波信号が減衰しない伝送モードとなるように、誘電体基板１の厚みｔ、比誘電率ε _r 、空間Ｓの高さｈを選択する必要がある。
この場合、伝送線路の遮断周波数ｆcは、誘電体基板１の厚みｔ、比誘電率ε _r 、誘電体を含む伝送線路の全厚さａ(ａ＝ｈ＋ｔ)を用いて、［課題を解決するための手段］で説明したように連立方程式を解くことによって決定される。

したがって、誘電体基板１の厚みｔ、比誘電率ε _r 、空間Ｓの高さｈは、使用する周波数が遮断周波数ｆｃを超えるように選ぶ必要がある。
この伝送線路の内部電界は、下部電極２、導体板４の表面でそれぞれゼロになり、それから離れるに従って増大する。このため、下部電極２に接して配置された誘電体基板１に蓄積される電界エネルギーは、誘電体基板１を下部電極２から離して設置している場合と比べて小さくなる。

このため、同じ条件（誘電体厚みｔ、比誘電率ε _r 、空間Ｓの高さｈ等）で設計した場合、本発明の伝送線路の伝送線路は、従来の伝送線路に比べて周波数を高く設計でき、ミリ波帯の伝送線路として適している。周波数が同じであれば、従来の伝送線路に比べて空間Ｓの高さｈを高くできる利点がある。
この結果、伝送線路製造時の加工誤差に対する要求が緩和され、伝送線路の製造が容易になる。

図３は、本発明の伝送線路の他の構造を示す断面図である。
伝送線路は、平面状の下部電極２の上に一定厚みｔ1の第１の誘電体基板１ａ（以下単に「誘電体基板１ａ」という）を、誘電体基板１ａが下部電極２の上面に接触した状態で配置し、誘電体基板１ａの上に、スロットＧが形成された上部電極３を、上部電極３が誘電体基板１ａの上面に接触した状態で設置している。スロットＧを隔てた上部電極３の両サイドをそれぞれ上部電極３ａ，３ｂという。

さらに、上部電極３の上面に一定厚みｔ2の第２の誘電体基板１ｂ（以下単に「誘電体基板１ｂ」という）を設置し、その上に平面状の導体板４を取り付けている。誘電体基板１ｂは、必ずしも誘電体基板１ａと比誘電率が同じである必要はない。
これらの下部電極２、誘電体基板１ａ，１ｂ、上部電極３，スロットＧ、導体板４により伝送線路を構成している。

この構造の伝送線路を製造するときは、例えば、ガラスエポキシ樹脂などの有機系誘電体基板に対して、銅箔などの導体によって導体パターンを形成し、積層して熱硬化させるか、又は、セラミック材料などの無機系誘電体基板に種々の導体パターンを形成し、これらを積層後同時に焼成したものが用いられる。
とりわけ、ガラスセラミックスなどの低温で焼成が可能なセラミック材料を用いると、導体パターンを低抵抗の銅、銀などによって形成することができるので望ましい。

また、後述するようにビアホール導体を埋め込むときは、誘電体基板に形成した貫通孔にメッキ処理するか、導体ペーストを充填するかして形成する。
この構造は、誘電体基板１ａ，１ｂを積層することで一体に成形できるという利点がある。
誘電体基板１ａは、下部導体２と上部電極３とで挟み込まれた平行平板の構造となっているが、誘電体基板１ａの側面方向に電波が漏れ出さないためには、平行平板の遮断周波数ｆc′を超えない周波数領域で設計を行う必要がある。従来のマイクロ波帯では、あまり考慮する必要がなかったが、ミリ波帯では波長が短いので、誘電体基板１ａの厚みｔ1が厚く、比誘電率ε _r が高い試料では、遮断周波数ｆc′を超える場合も生じる。平行平板の遮断周波数ｆc′は、次式で表される（μは透磁率）。

ｆc′＝１／２ｔ1√（με_rε₀）
したがって、誘電体基板１ａの厚みｔ1、比誘電率ε _r は、使用する周波数が遮断周波数ｆc′を超えないように選ぶ必要がある。
誘電体基板１ｂも、上部電極３と上部導体４とで挟み込まれた平行平板の構造となっているが、誘電体基板１ｂの側面方向ｘに電波が漏れ出さないためには、誘電体基板１ａの場合と同様、平行平板の遮断周波数ｆc′を超えない周波数領域で設計を行う必要がある。

さらに、高周波信号のｚ方向への伝送について考察する。高周波信号は、下部電極２、誘電体基板１ａ，１ｂ、スロットＧ、導体板４により構成される伝送線路内をｚ方向に伝送する。この伝送線路は、下部電極２と導体板４との間を、厚さｔ1の誘電体基板１ａと、厚さｔ2の誘電体基板１ｂとで満たしたような構成になっている。なお、スロットＧ内の空間の厚みは、誘電体基板１ａ，１ｂを同時焼成して形成する時に消滅するので、表示していない。

高周波信号がｚ方向に伝送する場合、高周波信号が減衰しない伝送モードとなるように、誘電体基板１ａの厚みｔ1、誘電体基板１ｂの厚みｔ2、比誘電率ε _r 1，ε _r 2を選択する必要がある。
この場合、伝送線路の遮断周波数ｆcは、誘電体基板１ａの厚みｔ1、誘電体基板１ｂの厚みｔ2、あるいは誘電体を含む伝送線路の全厚さａ(ａ＝ｔ1＋ｔ2）、比誘電率ε _r 1，ε _r 2を用いて、［課題を解決するための手段］で説明したように連立方程式を解くことによって決定される。

したがって、誘電体基板１ａの厚みｔ1、誘電体基板１ｂの厚みｔ2、比誘電率ε _r 1，ε _r 2は、使用する周波数が遮断周波数ｆｃを超えるように選ぶ必要がある。
図４は、本発明の伝送線路のさらに他の構造を示す断面図である。
この伝送線路は、図２の構造と基本的に同様であるが、異なるところは、伝送線路の側面に平板状の遮蔽導体６ａ、６ｂが設けられた構造となっている。このように遮蔽導体６ａ、６ｂを設けることで、遮蔽導体６ａ、６ｂがなければ誘電体基板１ａの側面から電磁波の放射が生ずる条件においても、電磁波の放射を防ぐことができる。

なお、平板状の遮蔽導体に代えて、金属柱である貫通ビアホール導体を一定間隔で誘電体基板に埋め込んでも、同じように放射を抑制することができる。このビアホール導体は、伝送線路の全体を一体に成形して製作するときに、同時に形成できる。
本発明の伝送線路は、特にミリ波帯において最も効果があり、低コストかつ小型化が期待できる。

つぎに、前記伝送線路と高周波デバイスとを組み合わせた高周波モジュールについて説明する。
図５は、高周波モジュールの構成の一例を示すブロック図である。高周波モジュールは、アンテナ端子ＡＮＴに接続され、送信系と受信系とを切り替えるフィルタからなるデュープレクサ２１と、デュープレクサ２１から出力される受信信号を増幅するための低雑音増幅器２２と、デュープレクサ２１に接続され、所定の送信通過帯域の送信信号を増幅する高周波増幅回路２３とを多層基板に実装してなるものである。

このようなモジュールの伝送線路に本発明の伝送線路を使用し、デュープレクサ２１、低雑音増幅器２２、高周波増幅回路２３などの各素子との信号伝送に用いることで、高周波モジュールの低コスト化や小型化に有効となる。
以上で、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の実施は、前記の形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変更を施すことが可能である。

図１に示した伝送線路を想定して、アンソフト社製有限要素法ソフトＨＦＳＳを用いて、電磁界解析を行った。
伝送モード解析は、ＬＳＥモードを想定し、さらに構造の左右対称性より中央に電気壁を設けた１／２モデルで計算を行った。
伝送線路の構造を図６に示す。伝送方向をｚとする。誘電体基板１の厚さｔを１．５mm，比誘電率を２．５とする。誘電体基板１の上には、中央の電気壁から距離Ｗ（Ｗ＝２．３mm）離れた位置及びその右側（ｘ方向）に上部電極３ｂを載せている。誘電体基板１の上部には厚さｈ（ｈ＝１mm）の空気があり、上部電極３ｂの厚さは、ｔやｈに比べて無視できるほど薄いものとする。したがって、伝送線路の全厚さは２．５ｍｍとなる。誘電体基板１の下面と、空気で満たされた誘電体基板１の上部空間の上面は、金属壁（図示せず）で閉じている。電極及び金属壁の導電率は銅の値、５８×１０^６Ｓ／ｍとした。伝送方向ｚの終端面は開放端として放射条件を設定している。

この構造における電界分布の計算結果を図６にＥ0で示す。これより、電界は、中央の伝送領域に集中しており、側面からは放射していないことが確認できた。
６０ＧＨｚを中心とし、５０ＧＨｚから７０ＧＨｚにかけて周波数掃引を行い、Ｓパラメータの伝送特性Ｓ２１及び反射特性Ｓ１１を算出した。この計算結果を図７に示す。この結果から、５０ＧＨｚから７０ＧＨｚにわたって損失の少ない良好な伝送特性Ｓ２１が得られることが分かった。６０ＧＨｚを超えたあたりでやや伝送特性Ｓ２１が乱れているが解析上の誤差の範囲であると考えている。

本発明の伝送線路の断面構造を示す断面図である。 本発明の伝送線路の構造を示す斜視図である。 本発明の伝送線路の他の構造を示す断面図である。 本発明の伝送線路のさらに他の構造を示す断面図である。 高周波モジュールの一例を示すブロック図である。 本発明の伝送線路に対して電磁界シミュレータにより求めた放射電界の説明図である。 周波数掃引を行い、Ｓパラメータの伝送特性Ｓ２１及び反射特性Ｓ１１を求めたグラフである。 従来の伝送線路の断面構造の一例を示す断面図である。 従来の積層型伝送線路の構造の一例を示す断面図である。

符号の説明

１ 誘電体基板
２ 下部電極
３、３ａ、３ｂ 上部電極
４ 導体板
５ａ、５ｂ 支持部材
６ａ、６ｂ 遮蔽導体
Ｇ スロット

Claims (8)

1. 誘電体基板と、当該誘電体基板の両面に、当該誘電体基板に接触した状態でそれぞれ配置された第一の電極板及び第二の電極板と、前記第一の電極板から所定の間隔を置いて導体板を支持するために設けられた側面支持部材と、前記導体板とを備え、
   前記第一の電極板には、高周波信号の伝送方向に沿ってスロット部が形成され、
   前記高周波信号の伝送方向に沿って前記高周波信号を伝搬させる伝送モードは、主電界が、前記第一の電極板が配置された前記誘電体基板の面に平行となるＬＳＥモードであり（これを「第一の伝送モード」という）、
   前記誘電体基板の厚み及び比誘電率は、前記第一の電極板と前記第二の電極板とで挟まれた前記誘電体基板で構成される導波領域において、前記高周波信号を減衰させる第二の伝送モードとなるような値に設定され、
   前記スロット部が形成された前記第一の電極板と前記導体板とで形成される空間の厚みは、当該空間で構成される導波領域において、前記高周波信号を減衰させる第三の伝送モードとなるような値に設定されていることを特徴とする伝送線路。
2. 前記スロット部が形成された前記第一の電極板と前記導体板とで形成される空間は、空気で満たされている請求項１記載の伝送線路。
3. 前記側面支持部材は、遮蔽導体で形成されている請求項１又は請求項２記載の伝送線路。
4. 第１の誘電体基板と、当該第１の誘電体基板の両面に、当該誘電体基板に接触した状態でそれぞれ配置された第一の電極板及び第二の電極板と、前記第一の電極板に接触した状態で配置された第２の誘電体基板と、当該第２の誘電体基板の他面に当該第２の誘電体基板に接触した状態で配置された導体板とを備え、
   前記第一の電極板には、高周波信号の伝送方向に沿ったスロット部が形成され、
   前記高周波信号の伝送方向に沿って前記高周波信号を伝搬させる伝送モードは、主電界が、前記第一の電極板が配置された前記誘電体基板の面に平行となるＬＳＥモードであり（これを「第一の伝送モード」という）、
   前記第１の誘電体基板の厚み及び比誘電率は、前記第一の電極板と前記第二の電極板とで挟まれた前記第１の誘電体基板で構成される導波領域において、前記高周波信号を減衰させる第二の伝送モードとなるような値に設定され、
   前記第２の誘電基板の厚み及び比誘電率は、前記第一の電極板と前記導体板とで挟まれた前記第２の誘電体基板で構成される導波領域において、前記高周波信号を減衰させる第三の伝送モードとなるような値に設定されていることを特徴とする伝送線路。
5. 前記スロット部の両側に、前記第１及び／又は第２の誘電体基板を貫通するビアホール導体を所定の間隔を置いて複数個設けた請求項４記載の伝送線路。
6. 前記第１及び第２の誘電体基板の側面は、遮蔽導体でシールドされている請求項４記載の伝送線路。
7. 前記誘電体基板、前記導体板、前記電極板が一体に形成されている請求項４又は請求項５記載の伝送線路。
8. 請求項１から請求項７のいずれかに記載の伝送線路と高周波デバイスとを組み合わせたことを特徴とする高周波モジュール。

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