JP4271355B2

JP4271355B2 - 高周波線路の変換器

Info

Publication number: JP4271355B2
Application number: JP2000286550A
Authority: JP
Inventors: 有一朗沖; 康次郎南谷
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2000-09-21
Filing date: 2000-09-21
Publication date: 2009-06-03
Anticipated expiration: 2020-09-21
Also published as: JP2002100907A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、導波管回路と誘電体基板に形成された平面回路との間で高周波電波の伝送形態を変換する高周波線路の変換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６には、従来から用いられている高周波線路の変換器の構成が示されており、この変換器は、プローブ等を別途設けることなく構成でき、製造コストが低く抑えられるために広く用いられている。図６（Ａ）に示されるように、高周波伝送路である導波管１と短絡導波管２との間には誘電体基板３が挟まれており、この誘電体基板３に平面回路の一部となるマイクロストリップ線路が形成される。
【０００３】
即ち、図６（Ｂ），（Ｃ）にも示されるように、上記誘電体基板３の表面（短絡導波管２側）にストリップ導体４、裏面（導波管１側）に接地面（導体）５がパターニングされており、図６（Ｃ）に示されるように、この接地面５は導波管１内の伝送空間Ｓの部分を残して形成される。また、図６（Ｂ）に示されるように、上記ストリップ導体４の先端はプローブ６として短絡導波管２内の伝送空間Ｓへ突き出るように形成される。更に、このプローブ６が設けられた誘電体基板３表面には、短絡導波管２が接触する部分に接地導体７がパターニングされ、この接地導体７の部分には、図示のように裏面側接地面５と導通するための多数のスルーホール８が形成される。
【０００４】
このような構成によれば、上記スルーホール８によって接地面５と接地導体７が短絡され、導波管１と短絡導波管２が一体として導波管として機能し、この導波管中の電波は、誘電体基板３から外部に漏れることなくプローブ６及びストリップ導体４からなるマイクロストリップ線路へ伝送される。また、上記短絡導波管２はその先端が導体板で閉じられており、この導体板とプローブ６との間隔を適当に設定することで変換損失の小さい変換器が構成できる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記高周波線路の変換器では、上述のように誘電体基板３からの電波の漏洩を防ぐために上記スルーホール８を形成する必要があることから、製造コストの低減が図れないという問題があった。
【０００６】
一方、スルーホール８を形成しない変換器として、従来では、特開平２−２２３２０１号に開示されるものがあり、この変換器の構成を図７に示す。この図７の変換器では、円形導波管Ｒ１の端部に誘電体基体Ｒ２が挿入され、この誘電体基体Ｒ２の短絡端末Ｒ３側の面にアース面Ｒ４が形成され、この誘電体基体Ｒ２の反対側には、中心部にパッチＲ５が設けられると共に、２箇所にストリップ状部Ｒ６及びプローブＲ７が形成される。そして、上記導波管Ｒ１の壁厚ｔを動作周波数の１／４波長にすることにより、導波管Ｒ１の壁の内縁部Ｒ８が実効的な短絡となるように構成される。
【０００７】
しかし、この図７の構成では、上記内縁部Ｒ８が実効的な短絡となるように導波管Ｒ１の厚さｔを１／４波長の寸法に設定すると、この導波管Ｒ１と上記ストリップ状部Ｒ６との接触を避けるために浮き上がらせている部分Ｒ９の直下において、そこに配置されるストリップ状部Ｒ６の１／４波長部分の上端と下端ではインピーダンスが大きく変化し、変換器としてのマッチングをとることが困難となる。また、誘電体の材質によっては導波管Ｒ１を誘電体基体Ｒ２に直接接着することが難しいものも存在する。
【０００８】
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、誘電体基板にスルーホールを形成する必要がなく製造コストの低減を図ることができ、またマッチングを良好にとることが可能となる高周波線路の変換器を提供することにある。
【０００９】
【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、誘電体基板に電気伝導性材質でプローブをパターニングし、このプローブを導波管中に挿入して平面回路と導波管回路とを接続する高周波線路の変換器において、上記誘電体基板の短絡導波管接触部分に、この短絡導波管の壁の厚さよりも大きな幅で、導波管形状に沿った接地領域が設定されるように、電気伝導性材質の接地導体をパターニングし、かつこの接地導体とこれに接触させた上記短絡導波管とで占める全体の幅を、上記誘電体基板中における高周波の実効波長をλとすると、ｎ・λ／４（ｎ：奇数）近傍（ｎ・λ／４±λ／８の範囲）の幅にしたことを特徴とする。
請求項２に係る発明は、上記接地導体を、上記誘電体基板にｎ・λ／４近傍の幅でパターニングしたことを特徴とする。
請求項３に係る発明は、矩形の導波管を用いる場合、上記接地導体を上記矩形の長辺部分にのみパターニングしたことを特徴とする。
請求項４に係る発明は、上記接地導体の内側に、ｎ・λ／４近傍の幅の同一パターンの接地導体を複数形成したことを特徴とする。
【００１０】
上記の構成によれば、誘電体基板にプローブが形成されると共に、このプローブを伝送空間内に挿入する形で、例えばλ／４の幅で導波管形状に合せて矩形状又は円形状に接地導体がパターニングされ、この接地導体に導波管の端面が接触するように組み付けられる。これにより、導波管が接地導体パターンの内周位置で短絡されることになる。また、導波管壁の厚さをλ／４よりも小さくすることにより、導波管端面の直下に存在するストリップ線路にインピーダンスの大きな変化を生じさせることなく、良好なマッチングをとることが可能となる。なお、上記接地導体の幅をλ／４よりも長くして、（３／４）λ、（５／４）λ等とした場合は、導波管壁の厚さをマイクロストリップ線路中の高周波波長の１／２に設定すれば、インピーダンスの不連続をより良好にキャンセルすることができる。
【００１１】
更に、請求項３の発明によれば、矩形の導波管を用いる場合は、短辺方向からの高周波の漏洩がないので、上記接地導体を上記矩形の２つの長辺部分にのみ形成することができ、これによっても同様の効果が得られる。なお、上記接地導体と導波管端面とをその幅及び厚さ方向でずれるように接触・配置させることも可能であるが、この場合は接地導体幅と導波管壁厚の合計の接地領域の幅を、略ｎ・λ／４とすればよいことになる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１には、本願発明の第１例に係る高周波線路の変換器の構成が示されており、図１（Ｂ）は誘電体基板の表面、図１（Ｃ）は誘電体基板の裏面である。図１（Ａ）に示されるように、この変換器は、高周波伝送路である導波管１１と短絡導波管１２との間に、平面回路の一部となる誘電体基板１３を挟んで構成される。この誘電体基板１３の表面に、ストリップ導体１４及びプローブ１６がパターニングされると共に、裏面には図１（Ｃ）に示されるように、導波管１１の伝送空間Ｓの部分を残して接地面１５が形成されており、上記ストリップ導体１４の先端のプローブ１６は伝送空間Ｓに突出する位置に配置される。
【００１３】
そして、この誘電体基板１３の表面に、図１（Ｂ）に示されるように、先端にプローブ１６を持つストリップ導体１４を通すための隙間が空けられて矩形パターンの接地導体１７が上記矩形導波管１２（１１）の断面形状に合せてパターンニングされる。また、この接地導体１７の幅Ｗ_１は、誘電体基板１３中を通過する高周波の実効波長λの１／４の長さ（λ／４±λ／８の範囲の長さ）とされる。
【００１４】
この実効波長λは、誘電体基板１３の誘電率による波長短縮効果を考慮した動作周波数をｆ、光速をｃ、誘電体基板１３の比誘電率をεr とすると、
【数式１】

で求めることができる。例えば、動作周波数ｆが６０ＧＨｚで、誘電体基板１３を比誘電率εr ＝６．２のアルミナで製作した場合、実効波長λは約１．６５ｍｍとなる。従って、この場合の幅Ｗ_１は約０．４１ｍｍとなり、この幅で接地導体１７をパターニングすればよいことになる。
【００１５】
そうして、このような接地導体１７に、図１（Ｄ）に示されるように、短絡導波管１２の端面を接触させるが、この短絡導波管１２と導波管１１の厚さＴ_１は上記接地導体１７の幅Ｗ_１よりも小さく（Ｔ_１＜Ｗ_１）設定される。この第１例では、厚さＴ_１を０．２５ｍｍ程度とし、この短絡導波管１２の内壁位置と接地導体１７の内周位置Ｐ_２を一致させて接続する。これにより、短絡導波管１２の直下に存在するストリップ導体１４のインピーダンスが不連続になるのを防止することができる。
【００１６】
以上のような第１例の構成によれば、λ／４幅の接地導体１７の導波管から見て外側の端面（外周位置Ｐ_１）はオープン端であり、ここでのインピーダンスは略無限大となる。一方、このオープン端からλ／４の長さだけ内側の端面（内周位置Ｐ_２）は上述のインピーダンスの逆数、即ち略零（０）で短絡面となる。従って、導波管１１と短絡導波管１２が０のインピーダンスで短絡されることになり、これによって電波（高周波）の漏洩が防止される。
【００１７】
なお、上記接地導体１７の幅Ｗ_１はλ／４（又はこの奇数倍）で、λ／８の許容範囲に入る値、即ちｎ（ｎ＝１，３，５…）・λ／４±λ／８の長さであればよく、当該例の上記幅Ｗ_１は０．３１ｍｍ〜０．５１ｍｍの範囲で設定することができる。この範囲を外れると、導波管１２の端面で短絡とはみなせず、電波の漏洩が大きくなる。
【００１８】
図２には、第１例の変形例が示されている。この例では、接地導体１８に短絡導波管１９を接触させたときの誘電体基板１３の面上接地領域の合計幅がλ／４又はこの奇数倍となるようする。即ち、接地導体１８の幅Ｗ₁₂と短絡導波管１９の幅Ｔ₁₂ とで占める全体の幅が上記Ｗ _１となるようにする。これによっても、導波管１９を短絡させることができる。
【００１９】
図３には、実施形態の第２例に係る高周波線路の変換器の構成が示されており、この第２例は矩形の長辺にのみ接地導体を設けたものである。図３（Ａ）に示されるように、誘電体基板１３の表面にはストリップ導体１４及びプローブ１６、裏面には図３（Ｂ）のように接地面１５がパターニングされる。そして、上記プローブ１６が配置される伝送空間（Ｓ）の周囲の上下、即ち短絡導波管１２Ｂの矩形上下の長辺に接触する部分のみに、図示の接地導体２０がパターニングされる。
【００２０】
即ち、矩形導波管１１，１２では、その管端面と誘電体基板１３との間の隙間が管軸に垂直な方向、ここでは矩形の短辺側に存在する場合は、その隙間から電波が漏れることはない。また、この接地導体２０の幅Ｗ_２は、第１例と同様にλ／４の奇数倍に設定され、導波管１２Ｂ（１１Ｂ）の厚さＴ_２も接地導体２０の幅Ｗ_２よりも小さい値とされる。
【００２１】
このような第２例の構成でも、矩形導波管の長辺にのみ設けた接地導体２０の内周位置で導波管１１Ｂと短絡導波管１２Ｂを短絡することができ、電波の漏洩を防止することが可能となる。
【００２２】
図４には、実施形態の第３例の構成が示されており、この第３例は円形導波管に適用したものである。図４（Ａ）に示されるように、第３例の変換器は、円形導波管３１と円形短絡導波管３２との間に誘電体基板３３が挿入されており、この誘電体基板３３の表面に、図４（Ｂ）に示されるように、ストリップ導体３４と伝送空間に突出するプローブ３６がパターニングされ、裏面には図４（Ｃ）のように導波管３１の伝送空間Ｓの部分を残して接地面３５が形成される。
【００２３】
また、図４（Ｂ）のように、上記誘電体基板３３の表面にストリップ導体３４及びプローブ３６を通すための隙間が空けられて、円形の接地導体３７が上記矩形導波管３２（３１）の形状に合せてパターニングされる。そして、この接地導体３７の幅Ｗ_３は、誘電体基板３３中を通過する高周波の実効波長λの略１／４の奇数倍の長さとされる。一方、上記短絡導波管３２と導波管３１の厚さＴ_３は接地導体３７の幅Ｗ_３よりも小さく（Ｔ_３＜Ｗ_３）設定され、この短絡導波管３２の内壁位置が接地導体３７の内周位置に一致する状態で各部材が組み付けられる。
【００２４】
このような第３例によっても、円形導波管３１，３２の外周位置Ｐ_１がオープン端、内周位置Ｐ_２が短絡面となり、電波の漏洩を防止でき、また短絡導波管３２の直下に存在するストリップ導体３４部分のインピーダンスの変化をなくし、マッチングを良好にとることが可能となる。
【００２５】
図５には、実施形態の第４例の構成が示されており、この第４例は所定パターンの接地導体を二重に配置したものである。図５に示されるように、誘電体基板１３の表面に、ストリップ導体１４が設けられると共に、短絡導波管の断面形状に合せた矩形の第１接地導体４１と第２接地導体４２が二重にパターニングされる。そして、これら接地導体４１，４２の幅Ｗ_４，Ｗ_５を、例えばλ／４（又はこれの奇数倍）とし、また第１接地導体４１と第２接地導体４２との間隔もλ／４又はこれの奇数倍に設定する。
【００２６】
その他の構成は、第１例と同様であり、短絡導波管の端面を第２接地導体４２に接触させて変換器が組み立てられる。このような第４例の構成によれば、導波管の短絡の効果が高まり、電波の漏洩防止をより確実に促進することができる。
【００２７】
上記実施形態例において、接地導体１７，１８，２０，３７，４１，４２（又は接地領域）の幅をλ／４以外の（３／４）・λ、（５／４）・λ…に設定した場合、導波管１１，１２，１１Ｂ，１２Ｂ，３１，３２の壁厚をマイクロストリップ線路を伝送する高周波の波長の略２分の１に設定することが好ましい。即ち、導波管の壁厚をマイクロストリップ線路中の電波波長の２分の１とすれば、導波管（端面）直下のストリップ導体１４，３４のインピーダンスの不連続をキャンセルすることができ、マッチングが良好となり、電波が通り易くなる。
【００２８】
なお、上記実施形態例では、誘電体基板１３の表面（短絡導波管側）にストリップ導体１４，３４及び接地導体１７，１８，２０，３７，４１，４２を設けたが、表裏の配置を逆にし、これらを裏面側に配置してもよい。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、高周波線路の変換器において誘電体基板の短絡導波管接触部分に、この短絡導波管の壁の厚さよりも大きな幅で、導波管形状に沿った接地領域が設定されるように、電気伝導性材質の接地導体をパターニングし、かつこの接地導体とこれに接触させた上記短絡導波管とで占める全体の幅を、上記誘電体基板中における高周波の実効波長をλとすると、ｎ・λ／４近傍の幅としたので、誘電体基板にスルーホールを形成することなく導波管を短絡することができ、製造コストの低減を図ることが可能となる。また、導波管回路と平面回路のマッチングが良好となり、良好な特性の変換器を得ることができる。
【００３０】
また、矩形の導波管を用いる場合には、上記の接地導体を矩形の長辺部分にのみパターニングしてもよく、この場合はパターニングを簡略化することができる。また、所定パターンの接地導体の内側に、ｎ・λ／４近傍の幅で同一パターンの接地導体を複数形成することもでき、これによれば、短絡の効果を高め、電波の漏洩をより確実に防止できるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の第１例に係る高周波線路の変換器の構成を示し、図（Ａ）は斜視図、図（Ｂ）は誘電体基板の表面（短絡導波管側）の構成図、図（Ｃ）は誘電体基板の裏面（導波管側）の構成図、図（Ｄ）は接地導体と導波管端面の関係図である。
【図２】実施形態の第１例の接地導体と導波管端面の配置の他の例を示す図である。
【図３】実施形態の第２例の構成を示し、図（Ａ）は誘電体基板の表面の構成図、図（Ｂ）は誘電体基板の裏面の構成図である。
【図４】実施形態の第３例の構成を示し、図（Ａ）は斜視図、図（Ｂ）は誘電体基板の表面の構成図、図（Ｃ）は誘電体基板の裏面の構成図である。
【図５】実施形態の第４例の構成を示す誘電体基板の表面の構成図である。
【図６】従来の高周波線路の変換器の構成を示し、図（Ａ）は斜視図、図（Ｂ）は誘電体基板の表面の構成図、図（Ｃ）は誘電体基板の裏面の構成図である。
【図７】従来の高周波線路の変換器の他の例を示し、図（Ａ）は誘電体基体を導波管側から見た図、図（Ｂ）は図（Ａ）のＩ−Ｉ断面図である。
【符号の説明】
１，１１，３１ … 導波管、
２，１２，１９，３２ … 短絡導波管、
３，１３，３３ … 誘電体基板、
４，１４，３４ … ストリップ導体、
６，１６，３６ … プローブ、
７，１７，１８，２０，３７，４１，４２ … 接地導体、
８ … スルーホール。

Claims

誘電体基板に電気伝導性材質でプローブをパターニングし、このプローブを導波管中に挿入して平面回路と導波管回路とを接続する高周波線路の変換器において、
上記誘電体基板の短絡導波管接触部分に、この短絡導波管の壁の厚さよりも大きな幅で、導波管形状に沿った接地領域が設定されるように、電気伝導性材質の接地導体をパターニングし、かつこの接地導体とこれに接触させた上記短絡導波管とで占める全体の幅を、上記誘電体基板中における高周波の実効波長をλとすると、ｎ・λ／４（ｎ：奇数）近傍の幅にしたことを特徴とする高周波線路の変換器。
上記接地導体を、上記誘電体基板にｎ・λ／４近傍の幅でパターニングしたことを特徴とする請求項１記載の高周波線路の変換器。
矩形の導波管を用いる場合、上記接地導体を上記矩形の長辺部分にのみパターニングしたことを特徴とする請求項１又は２記載の高周波線路の変換器。
上記接地導体の内側に、ｎ・λ／４近傍の幅の同一パターンの接地導体を複数形成したことを特徴とする請求項１乃至３記載の高周波線路の変換器。