JP4365852B2

JP4365852B2 - 導波管構造

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Inventors: 英幸永石; 博史篠田
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Description

本発明は、マイクロストリップ線路と導波管との線路変換器としての導波管構造に関する。

マイクロストリップ線路と導波管との線路変換器として、特許文献１や特許文献２に記載された例がある。特許文献１の第１の実施例を図１４に、第２の実施例を図１５に示す。この従来例では、誘電体リッジ導波管２１１を介してマイクロストリップ線路２１０と外部導波管２１２を接続する構造を採用している。図１４の線路変換器は、外部導波管２１２の上部に積層された多層誘電体基板２０１ｂと、その上側に積層された誘電体基板２０１ａと、この誘電体基板２０１ａの下面に積層された地導体パターン２０２と、誘電体基板２０１ａの表層に積層されたストリップ導体パターン２０３と、多層誘電体基板２０１ｂの各層に設けられた導波管形成用導体パターン２０４ａ、２０４ｂと、リッジ形成用導体パターン２０５ａ、２０５ｂと、地導体パターン２０２に設けられた地導体パターン抜き部２０６と、導波管形成用導体パターン２０４ｂに設けた導体パターン抜き部２０７、及び、導波管形成用ビア２０８、リッジ形成用ビア２０９を備えている。誘電体基板２０１ａの上下に配した、ストリップ導体パターン２０３と地導体パターン２０２は、マイクロストリップ線路２１０を構成する。誘電体基板２０１ａ、多層誘電体基板２０１ｂ、地導体パターン２０２、導波管形成用導体パターン２０４ａ,２０４ｂ、リッジ形成用導体パターン２０５ａ,２０５ｂ、及び導波管形成用ビア２０８とリッジ形成用ビア２０９は、誘電体リッジ導波管２１１を構成する。

図１５の線路変換器は、リッジ形成用ビア２０９ａ、２０９ｂを備えており、このリッジ形成用ビア２０９ａ、２０９ｂは、誘電体リッジ導波管２１１を構成し、２段のインピーダンス変成器として動作する。

特許文献２に記載された例は、マイクロストリップ線路（高周波用線路導体）と導波管との線路変換器として、接続用線路導体がマイクロストリップ線路と同じ伝送方向で平行に配設され、接続部分の導波管線路において上下の主導体層間の間隔を狭くしたいわゆるリッジ導波管を階段状に構成したものである。

特開２００２-２０８８０７号公報特開２０００-２１６６０５号公報

導体損失抑制の観点で設計された標準導波管は、特性インピーダンスが数百Ωである。標準導波管と直接接続するには、反射損失が低損失になるよう、外部導波管（例えば図１４の外部導波管２１２）の特性インピーダンスを標準導波管の特性インピーダンスと同程度とする。一方、マイクロストリップ線路の特性インピーダンスは、計測システムやＲＦ回路のＩＣとのマッチングを考慮して５０Ωで設計する場合が多い。このような特性インピーダンスが異なる伝送線路の接続には、λ/４変換器を用いる。

特性インピーダンスＺ_１の伝送線路と、特性インピーダンスＺ_２の伝送線路を接続する場合、λ/４変換器は特性インピーダンス値がＺ_３(：Ｚ_３=√(Ｚ_１＊Ｚ_２))となるλ/４長さの線路である。各々の特性インピーダンスの大小関係は式（１）の通りである。

Ｚ_２＜Ｚ_３＜Ｚ_１ ………（１）
特許文献１の例では、外部導波管２１２の特性インピーダンスをＺ_１、マイクロストリップ線路２１０の特性インピーダンスをＺ_２とした場合、誘電体リッジ導波管２１１の特性インピーダンスはＺ_３となり、Ｚ_１とＺ_２の中間値であることがわかる。誘電体リッジ導波管２１１の特性インピーダンスを外部導波管よりも低インピーダンス化する手段として、導波管断面の矩形短手距離を単純に短くすることも可能であるが、マイクロストリップ線路と伝播モードが近似するリッジ形導波管が理想的であり、従来例でもこのような構成を採用している。

ただ、外部導波管２１２とマイクロストリップ線路２１０のインピーダンス比が大きい場合は、反射損失が増え、線路変換器の損失を最小限に抑制することが難しい。特許文献１の例では、この問題を解決するため、図１５に示すように、誘電体リッジ導波管２１１を形成するリッジ形成用ビア２０９ａ、２０９ｂそれぞれの長さをλ/４とし、誘電体リッジ導波管２１１を分割している。すなわち、外部導波管２１２とマイクロストリップ線路２１０の間に、特性インピーダンスの異なる誘電体リッジ導波管を複数縦列接続し、特性インピーダンス比を抑えることで、線路変換部の損失抑制を図っている。

このような導波管構造の課題として、マイクロストリップ線路と導波管各々の伝送線路の特性インピーダンスと伝送モードの変換による損失低減対策があげられる。

従来は、インピーダンス整合手段であるλ/４整合器を用いて、各々の線路の特性インピーダンスのマッチングを図り、実装損失を低減していた。特性インピーダンス差の大きい伝送線路の接続には、図１５に示したように、複数のλ/４変換器を用いて線路変換器を形成し、反射損失の低減を図ることも知られている。

図９に、一般的なλ/４変換器を用いた線路変換器の反射特性を示す。低インピーダンスの導波管と３８０Ωの標準導波管をλ/４変換器を用いて接続すること想定しており、低インピーダンス導波管は、特性インピーダンスが４０Ω、１０８Ω、１５８Ω、２０３Ωの４種を用いてシミュレーションを行った結果である。特性インピーダンス比が約２倍の２０３Ω導波管との接続では、反射損失が-３４ｄＢであるが、特性インピーダンス比が約９倍の４０Ωでは-１１ｄＢまで反射損失が悪化することがわかる。

例えば、５０Ωのマイクロストリップ線路と３８０Ωの標準導波管を想定した場合、特性インピーダンス比は約８倍と大きいため、反射損失を-２０ｄＢ以下を維持するには、特性インピーダンス比が３程度≒３８０/１０８のλ/４変換器を２個以上用いる必要がある。Ｚ_１=３＊Ｚ_２とすると、λ/４変換器の特性インピーダンスＺ_３は式（２）の通りとなる。

よって、マイクロストリップ線路と最初に接続されるλ/４変換器の特性インピーダンスは、５０Ωの√(３)倍の８６Ωの導波管となる。

しかしながら、マイクロストリップ線路と導波管の接続に、線路の特性インピーダンスマッチングのみで損失低減を図る導波管構造では不十分であった。

本発明の主たる解決課題は、マイクロストリップ線路と導波管の線路変換器としての導波管構造において、マイクロストリップ線路のＴＥＭ波と導波管の伝播モードＴＭ０１波の伝播モード変換で生じる線路変換損失を低減することにある。

本発明の代表的なものの一例を示せば以下の通りである。即ち、本発明の導波管構造は、マイクロストリップ線路と、標準導波管と、これらの間に接続された伝播モード変換部とを有して成り、前記伝播モード変換部は変換用導波管を含んで構成されており、前記伝播モード変換部と前記標準導波管の間に、λ/４整合器が接続されて成り、前記変換用導波管の特性インピーダンスは前記マイクロストリップ線路の特性インピーダンスと同じもしくはそれ以下であり、該λ/４整合器の特性インピーダンスは、前記伝播モード変換部及び前記マイクロストリップ線路の特性インピーダンスよりも高インピーダンスでかつ前記標準導波管の特性インピーダンスよりも低インピーダンスであることを特徴とする導波管構造。

本発明によれば、マイクロストリップ線路と導波管の線路変換において、マイクロストリップ線路よりも低インピーダンスのリッジ形導波管部を有する伝播モード変換部を介することにより、マイクロストリップ線路のＴＥＭ波と導波管の伝播モードＴＭ０１波の伝播モード変換で生じる損失を低減する。

我々は、マイクロストリップ線路のＴＥＭ波と導波管のＴＥ０１の伝播モード線路変換において、断面形状がほぼ同サイズの時、マイクロストリップ線路のＴＥＭ波の電磁波分布と、リッジ形導波管のリッジ回りのＴＥ０１電磁波分布が等価になり、最も線路変換損失が小さくなることを見出した。マイクロストリップ線路は主線路側上面が空間開放である。リッジ形導波管は周囲が金属でシールドされているため、導波管カットオフ周波数の低周波化を施す際のリッジ回りを除いた導波管断面の矩形部での容量成分が導波管の低インピーダンス化を招くと考える。５０Ωのマイクロストリップ線路の場合、導波管の特性インピーダンスとしては８割程度の４０Ωの時、線路変換損失の最適化が実現できる。よって、マイクロストリップ線路と導波管を接続には、λ/１６以下の長さの低インピーダンスのリッジ形導波管を介して、λ/４整合器を用いて接続することにより、伝播モードの線路変換損失が低減されることになる。

以下、本発明の好適な実施形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。

本発明になる導波管構造の１実施形態を、図１及び図２に示す。
まず、本発明の特徴である伝播モード変換部６の構成、作用について説明する。図１Ａは、導波管構造におけるマイクロストリップ線路と導波管の線路変換部の構成例を示す縦断面図である。図１Ｂは図１Ａの上面図である。図２は図１Ａの線路変換部を示す俯瞰図である。３１はマイクロストリップ線路の主線路であり、３２は標準導波管、３３はマイクロストリップ線路を形成するための誘電体基板である。伝播モード変換部６は、マイクロストリップ線路の主線路３１とλ/４整合器７の間に変換用導波管を有する線路変換部である。マイクロストリップ線路と標準導波管の間に接続された伝播モード変換部６は、変換用導波管すなわちリッジ形導波管部を含んで構成されており、本実施例において、変換用導波管の特性インピーダンス（Ｚ２）はマイクロストリップ線路の特性インピーダンス（Ｚ１）と同等以下である。

伝播モード変換部６は、導電性導体３４、主線路３１と導電性導体３４を電気的に接続するビア３５、及び低インピーダンス化したリッジ形導波管部３６を備えている。３６ａはビア３５と接続するリッジ形導波管部のリッジ、３６ｂはマイクロストリップ線路３１のＧＮＤ導体を兼ねるリッジ形導波管部のリッジある。伝播モード変換部６により、マイクロストリップ線路３１とリッジ形導波管３６を直角に接続する構造となっている。リッジ形導波管部３６とλ/４整合器７は、導電性導体と同一の材料で形成されており、直流的には同電位となるよう加工されている。

次に、変換用導波管の特性インピーダンス（Ｚ２）をマイクロストリップ線路の特性インピーダンス（Ｚ１）と同等以下にするための構成及び効果について述べる。図１、図２において、リッジ形状の間隔をＷR、誘電体厚みをＭSLtｓとし、マイクロストリップ線路の幅をＷSとする。リッジ形導波管３６は、断面の矩形短手長さがマイクロストリップ線路の誘電体３３の厚みＭSLtｓの２倍以上である。また、リッジ形導波管断面の長手の一辺もしくは両辺の中央部付近に、最近接部の距離を誘電体厚みＭSLtｓの２倍以下とする突起（リッジ）を矩形中心に向かって設け、導波管の特性インピーダンスをマイクロストリップ線路の同等以下で接続している。
リッジ形導波管部３６の長さはλ／１６以下とする。

マイクロストリップ線路３１のインピーダンスをＺ_１、リッジ形導波管部３６のインピーダンスをＺ_２、λ/４整合器７のインピーダンスをＺ_３、標準導波管３２のインピーダンスをＺ_４と、特性インピーダンスを定義する。マイクロストリップ線路３１と標準導波管３２を接続しようとする場合、線路マッチングのみを考慮して、特性インピーダンスを接続順に増加(減少)するとき、反射係数が最も小さくなる。すなわち、線路マッチングのみを考慮した場合、インピーダンスは式（３）に示す大小関係となる。

Ｚ_１＜Ｚ_２＜Ｚ_３＜Ｚ_４ ………（３）
これに対し、我々は、マイクロストリップ線路のＴＥＭ波と導波管のＴＥ０１の伝播モード線路変換において、断面形状がほぼ同サイズの時、マイクロストリップ線路のＴＥＭ波の電磁波分布と、リッジ形導波管のリッジ回りのＴＥ０１電磁波分布が等価になり、最も線路変換損失が小さくなることを見出した。

この知見に基づく、リッジ形導波管部とマイクロストリップ線路を直角に接続した伝播モード変換部６の構成例を図２に示す。

マイクロストリップ線路は、主線路側上面が空間開放である。マイクロストリップ線路とリッジ形導波管のリッジ部の断面形状がほぼ同サイズの時、リッジ形導波管は周囲が金属でシールドされているため、導波管カットオフ周波数の低周波化を施す際のリッジ回りを除いた導波管断面の矩形部での容量成分が導波管の低インピーダンス化を招き、マイクロストリップ線路よりも低い特性インピーダンス値になる。

本発明による伝播モード変換部の周波数特性の計算結果を図３で説明する。図３は、上記伝播モード変換部６の周波数特性を示す図である。マイクロストリップ線路の特性インピーダンスは、他の回路等とのマッチングを考慮して５０Ωで設計するものと仮定する。図３に示したとおり、マイクロストリップ線路３１とリッジ形導波管３６を直角に接続した構造において、マイクロストリップ線路とリッジ形導波管のリッジ部の断面形状がほぼ同サイズの時、即ち、リッジ導波管の特性インピーダンスが４０Ωの場合に極小値となる。すなわち、リッジ形導波管部３６とマイクロストリップ線路３１の線路変換は、図３の計算結果から、マイクロストリップ線路が５０Ωの場合、リッジ形導波管部３６の特性インピーダンス値が４０Ωの時、反射特性が極小値となることがわかる。

よって、導波管のＴＥ０１伝播モードからマイクロストリップ線路のＴＥＭ伝播モードに変換する場合、マイクロストリップ線路よりも低インピーダンスの導波管を介することで線路損失の最小化が期待される。

従って、マイクロストリップ線路との接続点である導波管導入部は、導波管の特性インピーダンスをマイクロストリップ線路よりも低インピーダンス化したほうが良く、最適値は８割前後(７割〜９割)の間が望ましいことを我々は見出した。この傾向は、導波管とマイクロストリップ線路が直角に接する場合(図２)にも同様な結果を得ており、本発明の伝播モード変換部６に適用している。よって、垂直変換部６内のリッジ形導波管３６のインピーダンスＺ_２は、マイクロストリップ線路３１よりも低インピーダンスであり、式（４）に示す大小関係となる。

Ｚ_２≦Ｚ_１＜Ｚ_３＜Ｚ_４ ………（４）
式(４)を満足するため、図１のリッジ形導波管３６は、リッジ３６ａ、３６ｂのサイズを規定する。マイクロストリップ線路３１とビア３５を介して接続するリッジ３６ａはマイクロストリップ線路幅Ｗsの２倍以下とし、マイクロストリップ線路のＧＮＤ電極として機能する導電性導体３４のリッジ３６ｂはマイクロストリップ線路幅の３倍以上、リッジ形状の間隔ＷRをマイクロストリップ線路を形成する誘電体３３の厚みＭSLtｓの２倍以下とする。リッジ形導波管部３６の長さをλ/１６以下にする。リッジ形導波管部３６でのミリ波伝播による位相回転が小さくなると、λ/４整合器７からみたインピーダンス値がマイクロストリップ線路の値により接するため、λ/４整合器７との整合性が改善される。

図３の結果から、特性インピーダンスの低インピーダンス化を図るため、垂直変換部６内のリッジ形導波管３６の構造として、マイクロストリップ線路３１とビア３５を介して接続するリッジ３６ａは、リッジ形導波管断面の長手方向の長さＷｈがマイクロストリップ線路幅ＷSの２倍以下とし、マイクロストリップ線路のＧＮＤ電極として機能するリッジ３６ｂはリッジ形導波管断面の長手方向の長さＷLがマイクロストリップ線路幅ＷSの３倍以上、リッジ形状の間隔ＷRをマイクロストリップ線路を形成する誘電体３３（ビア３５）の厚みＭSLtｓの２倍以下とするのが望ましい。

本実施例によれば、マイクロストリップ線路と導波管の線路変換において、マイクロストリップ線路よりも低インピーダンスのリッジ形導波管部を有する伝播モード変換部を介することにより、マイクロストリップ線路のＴＥＭ波と導波管の伝播モードＴＭ０１波の伝播モード変換で生じる損失を低減することができる。

リッジ形導波管部とマイクロストリップ線路を水平に接続した、本発明の導波管構造の第２の実施形態を図４に示す。図４に示した５０Ωのマイクロストリップ線路と導波管を水平に接続した導波管構造の周波数特性を図５に示す。

図４は、導波管とマイクロストリップ線路を接続した導波管構造を示す。３１はマイクロストリップ線路、３３はマイクロストリップ線路を形成するための誘電体基板、３６はリッジ形導波管である。この実施例の伝播モード変換部６は、リッジ導波管３６のＴＥ０１伝播モードからマイクロストリップ線路３３のＴＥＭ伝播モードに変換するために、リッジ導波管３６のリッジ先端とマイクロストリップ線路３１の主線路を接続する。式(４)の関係を満足するために、変換用導波管（リッジ形導波管３６）の特性インピーダンス（Ｚ２）はマイクロストリップ線路３１の特性インピーダンス（Ｚ１）と同等以下である。

図５は、図４に示した５０Ωのマイクロストリップ線路と導波管を接続した伝播モード変換部６の周波数特性を示す。横軸に導波管の特性インピーダンス、縦軸に損失を示す。マイクロストリップ線路のＴＥＭ波と導波管のＴＥ０１の伝播モード線路変換において、断面形状がほぼ同サイズの時、マイクロストリップ線路のＴＥＭ波の電磁波分布と、リッジ形導波管のリッジ回りのＴＥ０１電磁波分布が等価になり、最も線路変換損失が小さくなることを我々は見出した。マイクロストリップ線路は主線路側上面が空間開放である。マイクロストリップ線路とリッジ形導波管のリッジ部の断面形状がほぼ同サイズの時、リッジ形導波管は周囲が金属でシールドされているため、導波管カットオフ周波数の低周波化を施す際のリッジ回りを除いた導波管断面の矩形部での容量成分が導波管の低インピーダンス化を招き、マイクロストリップ線路よりも低い特性インピーダンス値になる。従って、導波管の特性インピーダンスは、図５から、５０Ωよりも低インピダンスの４０Ω程度が極小値となることがわかる。

そのため、水平接続された伝播モード変換部のリッジ形導波管３６の断面の長手方向の長さはマイクロストリップ線路３１の幅の２倍以下とし、リッジ形状の間隔はマイクロストリップ線路を形成する誘電体３３の厚みの２倍以下とするのが望ましい。

本実施例によれば、マイクロストリップ線路と導波管の線路変換において、マイクロストリップ線路よりも低インピーダンスのリッジ形導波管部を有する水平接続された伝播モード変換部を介することにより、マイクロストリップ線路のＴＥＭ波と導波管の伝播モードＴＭ０１波の伝播モード変換で生じる損失を低減することができる。

本発明の導波管構造の第３の実施形態を、図６で説明する。図６は、導波管構造の斜視図である。

この実施例において、多層基板に作製された伝播モード変換部６とλ/４整合器７ａは、誘電体膜と金属導体膜を交互に積層し、金属導体膜に凹型やＩ型の抜きのパターン加工を施し、ビア３５、３８を介して金属導体膜間の電気的接続を図ることにより、多層基板裏面まで貫通するよう導波管形状に形成されている。この例では、多層基板は９層の誘電体を重ねた構成としている。６は多層基板１に作り込んだ伝播モード変換部であり、７ａは多層基板１に作り込んだ擬似導波管によるλ/４整合器である。７ｂは伝熱プレート４に設けたλ/４整合器である。３１は多層基板１表層に作製したマイクロストリップ線路の主線路、３２は標準導波管、３４は多層基板１内に金属パターンとビアにより作製した導電性導体、３５は導電性導体３４のリッジ形擬似導波管３６のリッジ部３６ａとマイクロストリップ線路３１を接続するビア、３６は擬似的にリッジ形導波管を模した導電性導体の一部である擬似リッジ形導波管部を示す。リッジ形導波管部のリッジ３６ａはマイクロストリップ線路３１とビア３５を介して接続され、リッジ３６ｂはマイクロストリップ線路３１のＧＮＤ導体として機能する。金属パターン３７は、導電性導体を構成するほぼ矩形でかつ凹型やＩ型の抜きパターンを施したものである。多層基板１内に作り込むビア３５は、リッジ形導波管の伝播モードＴＥ０１の強電界部に沿って流れる電流を妨げないよう配置した１個または奇数個のビアによって構成されている。λ/４整合器７（７ａ，７ｂ）は、伝播モード変換部６のリッジ形導波管部３６の特性インピーダンスを標準導波管３２と整合させるために用いる。

本実施例によれば、マイクロストリップ線路と導波管の線路変換において、マイクロストリップ線路よりも低インピーダンスのリッジ形導波管部を有する伝播モード変換部を介することにより、マイクロストリップ線路のＴＥＭ波と導波管の伝播モードＴＭ０１波の伝播モード変換で生じる損失を低減できる。

本発明の導波管構造になるマイクロストリップ線路と導波管の伝播モード変換部の第４の実施形態を、図７で説明する。図７は図６に示した導波管構造の上面図に相当する。

ビア３８は、多層基板１の各層の金属パターン３７の電位を共通化するため、層間に配置されている。リッジ部３６ａ、３６ｂは、リッジに定在波が成立しないよう突起先端から矩形の擬似導波管の仮想ＧＮＤ面までの距離ａをλ/４以下に抑える。また、リッジ形導波管部３６でのビア３８は、導電性導体３４を構成する一部であるが、リッジ突起方向に複数のビアを設ける。リッジ形導波管部３６やλ/４整合器は、多層基板１の金属パターン３７において凹型やＩ型の抜きのパターン加工を施し、金属層間を接続するビア３８により構成する。

本実施形態の導波管構造は、図１に示したマイクロストリップ線路３１、誘電体基板３３、導電性導体３４を多層基板１により作り込んだ構造である。リッジ形導波管部３６やλ/４整合器は、多層基板１の金属パターン３７において凹型やＩ型の抜きのパターン加工を施し、金属層間を接続するビア３８により構成する。

本発明の第５の実施形態を、図８ないし図９で説明する。

図８は、本実施例の導波管構造の縦断面図を示す。この実施形態の導波管構造は、多層基板１、伝熱プレート４、伝播モード変換部６、λ/４整合器７ａ、７ｂ、標準導波管３２、低インピーダンスのリッジ形導波管部３６などから構成されている。多層基板１には、低インピーダンスのリッジ形導波管部３６を有する伝播モード変換部６と、λ/４整合器７ａが設けられている。伝熱プレート４には、入出力端である標準導波管３２より低インピーダンスで、多層基板１内のλ/４整合器７ａより高インピーダンスの導電性導体によるλ/４整合器７ｂが設けられている。

本実施例の特徴の１つは、導波管構造が、多層基板１に作り込んだマイクロストリップ線路よりも低インピーダンスのリッジ形導波管部を有する伝播モード変換部６と、多層基板１に作り込んだ擬似導波管によるλ/４整合器７ａとで構成されていることにある。

図９に示すように、４０Ωのリッジ形導波管部３６から３百数十Ωの標準導波管３２へ、単一のλ/４変換器を用いてインピーダンス変換を行った(λ/４変換器入力端のインピーダンスが４０Ω)場合、反射損失が-１２ｄＢ程度である。λ/４整合器の入出力端のインピーダンス比を４ (≒３百数十Ω／１００Ω) 以下としたλ/４変換器入力端のインピーダンスが１００Ωの場合、良好な反射損失を得られるλ/４整合器が実現する。本実施例によれば、所望の反射損失を得るための整合器長さは、１．２mm程度である。多層基板1に作り込んだλ/４整合器７ａの長さは、１．２mm／√(多層基板の誘電率)である。

リッジ形導波管部３６と標準導波管３２のインピーダンス比が９ (≒３百数十Ω／４０Ω)程度であるため、入出力端のインピーダンス比が３程度のλ/４整合器７ａ、７ｂを２段直列に接続することで、リッジ形導波管部３６と標準導波管３２のインピーダンス変換を低損失で実現できる。

５０Ωマイクロストリップ線路と直接接続する場合のλ/４整合器７ａの特性インピーダンスは設計上７０Ω（≒√(１００＊５０) である。λ/４整合器７ａの入力端に、本発明の特徴とする伝播モード変換部６を構成する低インピーダンスのリッジ形導波管部を挿入した場合、図３の結果から、マイクロストリップ線路から導波管へ伝播モード変換に伴う通過損失は、１.２ｄＢ＠７０Ωから０.４ｄＢ＠４０Ωまで約０.６ｄＢの改善が見込める。また、λ/４整合器７ａ入出力端のインピーダンス比は、２倍から２.５倍へと変動するが、λ/４整合器の設計仕様の３倍以下と準拠しており、反射損失の増加分は軽微である。従って、伝播モード変換部６を構成する低インピーダンスのリッジ形導波管部を挿入した効果は大きく、導波管構造全体での実装損失を容易に低損失化できることとなる。この効果は、単一のλ/４整合器の場合でも同様の効果を得ることが可能であり、マイクロストリップ線路から導波管へ接続するための重要技術となると考える。

次に、本発明の導波管構造の第６の実施形態を図１０乃至図１２で説明する。

この実施形態は、λ／４整合器にテーパ型インピーダンス整合器を組み合わせることで、通過帯域の広帯域化を図ったものである。

図１０に、金属導波管のテーパ型インピーダンス変換器による反射損失を示す。横軸はテーパ型インピーダンス変換器の線路長さを、縦軸はインピーダンス変換器の反射損失を示す。テーパ型インピーダンス変換器入力端開口部断面の特性インピーダンスは４０Ωから２８０Ωまで掃引した。出力端開口部断面の特性インピーダンスは標準導波管の３８０Ωを仮定した。

図９に示したλ/４変換器を用いた反射特性と比較すると、所望の反射損失を得るための整合器長さは、テーパ型変換器の方がかなり長くなることがわかる。また、テーパ型変換器を採用する場合、入力端開口部の特性インピーダンスを大きく、変換器線路長を６ｍｍ程度に長くすることにより、反射損失を抑制できることがわかる。

図１１に、インピーダンス変換器のテーパ傾きで規格化した図１０の反射特性を示す。横軸のテーパ傾きは、テーパ型インピーダンス変換器の入出力導波管断面の短手長さ差分／変換器長さである。傾きが０.１( 角度５.７度＝ tａn^-１(０.１))の場合、反射損失が-２０ｄＢ以下と良好であるが、０.３までテーパ角度を変化させた場合、反射損失は-１０ｄＢまで悪化することが見出せる。傾きを０.１以下でインピーダンス変換器を設計 (インピーダンス変換器の入出力端インピーダンス比は約１.５)すると反射損失は-１５ｄＢ程度以下で、傾きを０.３以下(インピーダンス変換器の入出力端インピーダンス比は約２)ならば反射損失を-１１ｄＢ程度以下で利用可能であることを見出せる。

図１２は、テーパ型インピーダンス変換器を採用した、導波管構造の第６の実施形態の縦断面図である。この実施形態によれば、導波管構造は、少なくとも多層基板、λ/４整合器、伝播モード変換部から構成され、多層基板に、入出力端での特性インピーダンス比が３以下のλ/４整合器などのインピーダンス整合器を設ける。この実施形態では、多層基板内のλ/４整合器に代わるものとして、反射特性が-１０ｄＢ以下となる、tａn(θ)/(√(Er))＜０.３を満足する傾斜角度θによりテーパを設けた長さλ/４以下のテーパ型の擬似導波管によるインピーダンス整合器を用いる。

すなわち、多層基板１には、低インピーダンスのリッジ形導波管部３６を有する伝播モード変換部６と、テーパ型インピーダンス整合器７ｃを設ける。伝熱プレート４には、標準導波管３２より低インピーダンスでテーパ型インピーダンス整合器７ｃより高インピーダンスのλ/４整合器７ｂを設ける。３９は多層基板１に用いた誘電率と異なる誘電体でλ/４整合器７ｂを充填したλ/４整合器である。誘電率がＥｒの多層基板１内に設けたテーパ型インピーダンス整合器７ｃは、線路長さが√Ｅｒで圧縮され、テーパの傾きは√Ｅｒ倍に拡大できる。

よって、図１２に示すように、リッジ形導波管部３６から導波管３９に至る、多層基板内に配置したビア位置を、誘電体単層厚みｈ*√(Ｅｒ)*０.１以下の範囲でビア位置をシフトすることにより、反射損失が-１５ｄＢ以下で広帯域のテーパ型インピーダンス整合器７ｃを実現できる。また、テーパ型インピーダンス整合器は、長さを厳密にλ/４としなくても良好な電気的特性を有することが出来、多層基板の誘電率変動や厚み誤差が発生しても、電気的特性変動が小さいことが期待できる。

本実施例によれば、マイクロストリップ線路と導波管の線路変換において、マイクロストリップ線路よりも低インピーダンスのリッジ形導波管部を有する伝播モード変換部を介することにより、マイクロストリップ線路のＴＥＭ波と導波管の伝播モードＴＭ０１波の伝播モード変換で生じる損失を低減でき、かつ、通過帯域の広帯域化を図ることができる。

図１３は、テーパ型インピーダンス変換器を採用した、導波管構造の第７の実施形態の縦断面図である。多層基板１には、低インピーダンスのリッジ形導波管部３６を有する伝播モード変換部６と、テーパ型インピーダンス整合器７ｃを設ける。伝熱プレート４には、標準導波管３２より低インピーダンスで、テーパ型インピーダンス整合器７ｃより高インピーダンスのλ/４整合器７ｂを設ける。３９は多層基板１に用いた誘電率と異なる誘電体でλ/４整合器７ｂを充填したλ/４整合器である。

４２は、空気と異なる誘電体で内部を満たしたλ/４整合器７ｂの導波管である。４３は入出力端である導波管であり、空気と異なる誘電体で充填した構造である。導波管４２、４３の内部を誘電体で満たすことにより、導波管４２，４３の特性インピーダンスを低インピーダンス化する。導波管４３のインピーダンスを小さくすると、マイクロストリップ線路３１とのインピーダンス比を抑えられ、インピーダンス比が３以下であればλ/４整合器７を１個で仕様を満足する導波管構造が実現可能となる。

本発明の第１の実施形態の導波管構造におけるマイクロストリップ線路と導波管の伝播モード変換部の構成例を示す縦断面図である。図１Ａの上面図である。図１Ａの伝播モード変換部を示す俯瞰図である。本発明による伝播モード変換部の周波数特性を示す図である。本発明の第２の実施形態の導波管構造を示す図である。図４に示した導波管構造の周波数特性を示す図である。本発明の第３の実施形態になる導波管構造を示す斜視図である。本発明の第４の実施形態の導波管構造を示す上面図である。本発明の第５の実施形態の導波管構造を縦断面図である。 λ/４変換器を用いた線路変換器の反射特性を示す図である。金属導波管のテーパ型インピーダンス変換器による反射損失を示す図である。インピーダンス変換器のテーパ傾きで規格化した図１０の反射特性を示す図である。テーパ型インピーダンス変換器を採用した導波管構造の第６の実施形態の縦断面図である。テーパ型インピーダンス変換器を採用した導波管構造の第７の実施形態の縦断面図である。従来例になる導波管／マイクロストリップ線路変換器の第１の構成例を示す図である。従来例になる導波管／マイクロストリップ線路変換器の第２の構成例を示す図である。

符号の説明

１…多層基板、６…伝播モード変換部、７、７ａ、７ｂ…λ/４整合器、３１…マイクロストリップ線路、３２…標準導波管、３３…誘電体基板、３４…導電性導体、３５、３８…導体層間接続ビア、３６…リッジ形導波管、リッジ形導波管部、３７…金属パターン、３９…伝熱プレートに設けた導波管、４０…導波管開口部。

Claims

マイクロストリップ線路と、標準導波管と、これらの間に接続された伝播モード変換部とを有して成り、
前記伝播モード変換部は変換用導波管を含んで構成されており、
前記伝播モード変換部と前記標準導波管の間に、λ/４整合器が接続されて成り、
前記変換用導波管の特性インピーダンスは前記マイクロストリップ線路の特性インピーダンスと同じもしくはそれ以下であり、
該λ/４整合器の特性インピーダンスは、前記伝播モード変換部及び前記マイクロストリップ線路の特性インピーダンスよりも高インピーダンスでかつ前記標準導波管の特性インピーダンスよりも低インピーダンスである
ことを特徴とする導波管構造。
多層基板と該多層基板に積層された伝熱プレートとを有して成り、
前記多層基板に、マイクロストリップ線路、前記マイクロストリップ線路と標準導波管の間に接続された伝播モード変換部と、第１のλ/４整合器が設けられて成り、
該伝播モード変換部の変換用導波管の特性インピーダンスは前記マイクロストリップ線路の特性インピーダンスと同等以下であり、
該第１のλ/４整合器の特性インピーダンスは、前記伝播モード変換部及び前記マイクロストリップ線路の特性インピーダンスよりも高インピーダンスでかつ前記標準導波管の特性インピーダンスよりも低インピーダンスであり、
前記伝熱プレートには、前記標準導波管の特性インピーダンスよりも低インピーダンスで、前記第１のλ/４整合器の特性インピーダンスよりも高インピーダンスの導電性導体による第２のλ/４整合器が形成されて成る
ことを特徴とする導波管構造。
請求項２において、
前記第１のλ/４整合器が前記多層基板内に設けられたテーパ型インピーダンス整合器である
ことを特徴とする導波管構造。
ＲＦ回路と、外部との入出力端である標準導波管と、前記ＲＦ回路のミリ波信号線路であるマイクロストリップ線路と、これらの間に接続された伝播モード変換部と、前記標準導波管と変換用導波管の間に接続されたλ/４整合器を備えて成り、
前記伝播モード変換部は前記変換用導波管を含んで構成されており、
前記変換用導波管の特性インピーダンスは前記マイクロストリップ線路の特性インピーダンスと同じもしくはそれ以下であり、
前記λ/４整合器の特性インピーダンスは、前記マイクロストリップ線路の特性インピーダンスと前記標準導波管の特性インピーダンスの中間値である
ことを特徴とする導波管構造。
請求項４において、
多層基板と、
ＲＦ回路制御基板と、
該ＲＦ回路制御基板及び前記多層基板の表層に設けられた前記ＲＦ回路と、
該多層基板の内層に設けられた前記伝播モード変換部の変換用導波管及び前記λ/４整合器とを備えて成り、
前記伝播モード変換部は前記マイクロストリップ線路と前記変換用導波管が直角に接続された前記伝播モード変換部で構成されて成る
ことを特徴とする導波管構造。
マイクロストリップ線路と、標準導波管と、これらの間に接続された伝播モード変換部とを有して成り、
前記伝播モード変換部は変換用導波管を含んで構成されており、
多層基板と、
ＲＦ回路制御基板と、
該ＲＦ回路制御基板及び前記多層基板の表層に設けられたＲＦ回路と、
該多層基板の内層に設けられた前記伝播モード変換部の前記変換用導波管及びλ/４整合器とを備えて成り、
該変換用導波管及びλ/４整合器の導波管は、誘電体膜と金属導体膜が交互に積層され、前記金属導体膜に抜きパターンが形成され、ビアを介して前記金属導体膜間の電気的接続を図ることにより、前記多層基板裏面まで貫通するよう導波管形状に形成されて成り、
前記変換用導波管の特性インピーダンスは前記マイクロストリップ線路の特性インピーダンスと同じもしくはそれ以下である
ことを特徴とする導波管構造。
マイクロストリップ線路と、標準導波管と、これらの間に接続された伝播モード変換部とを有して成り、
前記伝播モード変換部は変換用導波管を含んで構成されており、
前記変換用導波管の特性インピーダンスは前記マイクロストリップ線路の特性インピーダンスと同じもしくはそれ以下であり、
前記伝播モード変換部は、前記マイクロストリップ線路と前記変換用導波管を直角に接続した線路変換器であり、
前記伝播モード変換部は、導波管断面の長手の辺の一辺もしくは両辺の中央部付近に突出したリッジを有して成り、前記マイクロストリップ線路よりも特性インピーダンス値が小さいリッジ導波管を備えて成り、
該リッジ導波管は、誘電体膜と金属導体膜を交互に積層した多層基板内に形成されて成り、
前記リッジ部の長さは、該リッジ導波管の開口部の矩形長手辺端面からλ/４以下であり、
前記多層基板内には、導電用のビアを前記突出方向に複数個配置した
ことを特徴とする導波管構造。
請求項６において、
前記多層基板に、前記λ／4整合器は、接続端の開口部断面形状による特性インピーダンスの比率が３以下のテーパ型インピーダンス整合器が形成されて成り、
該λ／４整合器の開口部断面の低インピーダンス側に前記伝播モード変換部の変換用導波管を接続し、
前記多層基板に、反射特性が-１０ｄＢ以下となる、tａn(θ)/(√(Er))＜０.３を満足する傾斜角度θによりテーパを設けた、長さλ/４以下のテーパ型の擬似導波管によるインピーダンス整合器である
ことを特徴とする導波管構造
マイクロストリップ線路と、標準導波管と、これらの間に接続された伝播モード変換部とを有して成り、
前記伝播モード変換部は変換用導波管を含んで構成されており、
前記マイクロストリップ線路のインピーダンスをＺ１、前記変換用導波管のインピーダンスをＺ２、前記標準導波管のインピーダンスをＺ４としたとき、各インピーダンスが
Ｚ２≦Ｚ１＜Ｚ４
の関係になるように構成して成り、
前記伝播モード変換部と前記標準導波管との間に接続されたλ/４整合器を有して成り、
前記λ/４整合器のインピーダンスをＺ３としたとき、各インピーダンスが
Ｚ２≦Ｚ１＜Ｚ３＜Ｚ４
の関係になるように構成して成る
ことを特徴とする導波管構造。
請求項９において、
前記変換用導波管はリッジ形導波管を有し、
該リッジ形導波管の長さはλ/１６以下である
ことを特徴とする導波管構造。
請求項１０において、
前記マイクロストリップ線路の幅をＷS、該マイクロストリップ線路を構成する誘電体厚みをＭSLtｓとしたとき、
前記リッジ形導波管は、断面の短手長さが前記マイクロストリップ線路の誘電体の厚みＭSLtｓの２倍以上である
ことを特徴とする導波管構造。
請求項１１において、
前記リッジ形導波管断面の長手の一辺もしくは両辺の中央部付近に、最近接部の距離を誘電体厚みＭSLtｓの２倍以下とする突起（リッジ）を矩形中心に向かって設けて成る
ことを特徴とする導波管構造。
請求項１２において、
前記リッジ形導波管断面の長手方向の長さＷｈは前記マイクロストリップ線路幅ＷSの２倍以下であり、
前記マイクロストリップ線路のＧＮＤ電極として機能するリッジはリッジ形導波管断面の長手方向の長さＷLが前記マイクロストリップ線路幅ＷSの３倍以上であり、
前記リッジ形状の間隔ＷRをマイクロストリップ線路を形成する誘電体の厚みの２倍以下として成る
ことを特徴とする導波管構造。