JP5431433B2 - 高周波線路−導波管変換器 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、マイクロ波及びミリ波等の高周波信号を平面回路の高周波線路から導波管の伝搬モードに変換する高周波線路−導波管変換器に関する。

近年、情報伝達のために、１〜３０ＧＨｚのマイクロ波や、３０〜３００ＧＨｚのミリ波を用いており、例えば、６０ＧＨｚの大容量通信システムや、７６ＧＨｚ帯での車載レーダシステムというように、高周波信号を用いたシステムが注目を集めている。この高周波を用いたシステムに用いられる高周波回路では、高周波ICとアンテナとの間の接続を低損失で行うことが重要となる。また、特にミリ波を用いたシステムでは、アンテナのインターフェースが導波管となることが多く、低損失で広帯域の高周波線路−導波管変換器が必要となる。

従来の高周波線路−導波管変換器は、導波管が形成された導波管ブロックと、金属の短絡ブロックとの間に、高周波線路であるマイクロストリップ線路やコプレーナ線路が形成された誘電体基板を挟み込んだ構造を有している。この短絡ブロックを用いた構造では、高周波線路から導波管へのモード変換回路において電波が外部に漏洩するのを短絡ブロックで防いでいる。

しかし、短絡ブロックを設けた場合、短絡を構成するための部品が別途必要となる点と短絡ブロックを実装するための実装スペースが必要となる点の２点の問題点がある。そのため短絡ブロックを用いない構造の高周波線路−導波管変換器の技術が出てきたが、外部に電波が漏れやすいあるいは空気に比べて損失、誘電率の大きい基板内で短絡構造を構成するため変換損失が大きくなり、さらに整合範囲が狭帯域となる。

特開２０１０−１３０４３３号公報

そこで、本実施形態では、より変換損失が低く、広帯域な高周波線路−導波管変換器の提供を目的とする。

上記目的を達成するために、実施形態の高周波線路−導波管変換器は、第１の誘電体層と、第１の誘電体層の上面に設けられた第１の導体層と、第１の誘電体層の上面に設けられ、第１の導体層と間隔を設けて囲むように形成されている導体パターンと、第１の誘電体層の下面に形成された第２の導体層と、を有する第１の基板と、第１の誘電体層の下面に設けられ、第２の導体層と一定の間隔を設けて形成されたアンテナと、第２の導体層側に設けられ、第２の誘電体層と、第２の誘電体層の上面に設けられた第３の導体層と、第２の誘電体層の下面に形成された第４の導体層と、を有する第２の基板と、第１の基板と第２の基板との間に設けられている接着層と、導体パターンと第４の導体層との間を複数貫通して設けられているシールド導体部と、を有し、アンテナと第４の導体層が設けられている面までの距離はλｇ／４となるように形成されていることを特徴としている。

本発明の実施形態に係る高周波線路−導波管変換器を示す図で、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図。

以下、本発明の実施形態に係る高周波線路−導波管変換器を、図面を参照して詳細に説明する。

図１（ａ），（ｂ）に示すように、本発明の実施形態に係る高周波線路−導波管変換器１は、第１の基板２と、ブラインドビアホールＢと、アンテナＮと、第２の基板３と、接着層４と、シールド導体部５と、導波管６とから構成されている。

第１の基板２は、第１の誘電体層２ａと、第１の誘電体層２ａの上面に設けられた第１の導体２ｂ及び導体パターンＤと、第１の誘電体層２ａの下面に配置された第２の導体層２ｃが形成されている。導体パターンＤおよび第２の導体層２ｃは、高周波的にＧＮＤ電位のパターンである。また、第１の基板２には、第１の誘電体層２ａの下面に設けられ、第２の導体層２ｃと一定の間隔を設けてアンテナＮが形成されている。

第１の導体２ｂは、本実施形態では高周波線路であるコプレーナ線路を形成している。なお、本実施形態ではコプレーナ線路であるが、これに限られることはなく、マイクロストリップ線路であってもよい。また、第１の導体２ｂは、図示しない半導体チップと接続している。また、導体パターンＤは、第１の導体２ｂと０．１mm程度の間隔を設けて囲むように形成されている。そして、アンテナＮは、第１の導体２ｂとブラインドビアホールＢを介して接続している。

このような構成にすることにより、第１の導体２ｂの高周波信号を上面の空気層への放射を抑えつつ、直接アンテナＮに給電することができる。すなわち短絡ブロックを用いない本構成でも放射による損失を抑えることが可能となる。

第２の基板３は、接着層４を介して第１の基板２の第２の導体層２ｃと接して設けられている。すなわち、第２の導体層２ｃ側に設けられている。

また、第２の基板３は、第２の誘電体層３ａと、第２の誘電体層３ａの上面に設けられた第３の導体３ｂと、第２の誘電体層３ａの下面に配置された第４の導体層３ｃが形成されている。第３の導体３ｂと第４の導体層３ｃは、高周波的にＧＮＤ電位のパターンである。また、第３，第４の導体層３ａ，３ｃは、アンテナＮに対して一定の間隔を設けて形成されている第２の導体層２ｃの間隔Ｋと同じ間隔となるように形成されている。これにより、誘電体導波路の管幅を均一にすることが可能となり、良好な電波伝搬を行うことができる。

接着層４は、第１の基板２と第２の基板３との間に設けられており、第１，第２の誘電体層２ａ，３ａの一部と、第２，第３の導体層２ｃ，３ａと、アンテナＮとを覆うように設けられている。また、接着層は非導電性の材料から形成されている。

シールド導体部５は、導体パターンＤと第４の導体３ｃとの間を貫通して設けられた貫通スルーホールであり、アンテナNを囲むように設けられている。このように設けることにより、誘電体導波管を形成し、特にアンテナＮから放射される電波の漏洩を抑制することが可能となる。

また、導体パターンＤ、第２，第３，第４の導体層２ｃ，３ａ，３ｃは、ともにＧＮＤ電位のパターンであり、シールド導体部５の貫通スルーホールにより高周波的にＧＮＤ電位に接続される。

導波管６は、第２の基板３の第４の導体層３ｃに接するように設けられ電気的に接続している。また、導波管６は、アンテナＮに対して一定の間隔を設けて形成されている第２の導体層２ｃの間隔Ｋよりも広い開口部Ｈが形成されている。

第１，第２の誘電体層２ａ，３ａを形成する誘電体材料としては、酸化アルミニウム・窒化アルミニウム・窒化珪素・ムライト等を主成分とするセラミック材料・ガラス・あるいはガラスとセラミックフィラーとの混合物を焼成して形成されたガラスセラミック材料・エポキシ樹脂・ポリイミド樹脂・四フッ化エチレン樹脂を始めとするフッ素系樹脂等の有機樹脂系材料・有機樹脂−セラミック（ガラスも含む）複合系材料等が用いられる。

第１〜第４の導体層２ａ，２ｃ，３ａ，３ｃ、アンテナＮ、ブラインドビアホールＢ、接着層４、シールド導体部５を形成する材料としては、例えばタングステン・モリブデン・金・銀・銅等を主成分とするメタライズ、あるいは金・銀・銅・アルミニウム等を主成分とする金属箔等が用いられる。

第２の基板３と接着層４は、アンテナＮから第２の誘電体層２ａの第４の導体層３ｃが設けられている面までの距離が、λｇ／４となるように形成されており、インピーダンスの反転回路となる。なお、λｇはシールド導体部５により形成された誘電体導波管の管内波長である。

このように、アンテナＮから第２の誘電体層２ａの第４の導体層３ｃが設けられている面までの距離が、λｇ／４となるように形成することで、アンテナＮ側のインピーダンスをＺｐ（Ω）、誘電体導波管の特性インピーダンスをＺｅ（Ω）、導波管６の特性インピーダンスをＺｗ（Ω）としたとき、Ｚｅ＝（Ｚｐ×Ｚｗ）^１／２を満たすようにインピーダンスを設定することで整合をとることができる。

また、アンテナＮは、第１の導体２ｂとブラインドビアホールＢを介して接続するが、第１の導体２ｂで構成される高周波線路側のインピーダンスとアンテナN側のインピーダンスＺｐをある変換比で変換するインピーダンス変換の機能をもつ。

アンテナNとビアホールBの接続位置を調整することで高周波線路側のインピーダンスに整合させることができる。

例えば、本実施形態の第１の導体２ｂの特性インピーダンス約５０Ω、アンテナＮ側のインピーダンスを約１００〜２００Ω、導波管６（ＷＲ−１０，７５〜１１０ＧＨｚ）の特性インピーダンスを約３００〜６００Ωとする場合、誘電体導波管の特性インピーダンスが約２００〜３５０Ωとなる。

第１の導体２ｂの特性インピーダンス約５０ΩとアンテナＮ側のインピーダンス約１００〜２００Ωは、ブラインドビアホールＢの接続位置を調整することで整合を確保できる。

このようにアンテナNと導波管６の間にインピーダンス反転回路を配置することでアンテナ側のインピーダンスに対して柔軟に整合がとれる。また、高周波線路とアンテナＮの間、アンテナＮと導波管６の間の２つの変換回路でインピーダンス変換を行うため、整合範囲の広帯域化が可能となる。従来の構造では−２０ｄＢ以下の帯域が約２．５ＧＨｚであったものが、約４ＧＨｚとなり、より広帯域化を実現することができる。

導波管６の材質としては、金属で構成されており、管内壁を電流による導体損失低減や腐食防止のために金・銀等の貴金属で被覆するとよい。なお、本実施形態では金属で構成されているが、これに限られることはなく、樹脂を必要な導波管形状に成型し、金属の場合と同様に管内壁を金・銀等の貴金属で被覆したものであってもよい。

以上、本実施形態によれば、高周波線路−導波管変換器１は、第１の基板２の第１の誘電体層２ａの上面に設けられた第１の導体２ｂと、第１の誘電体層２ａの下面に配置されたアンテナＮがブラインドビアホールＢを介して接続して形成されている。そして、第１の誘電体層２ａの上面に設けられた導体パターンＤにより第１の導体２ｂをとり囲んでいる。第２の基板３の第４の導体３ｃとの間を貫通しアンテナNを囲むように設けられたスルーホール列で構成されるシールド導体部５が、誘電体導波管を形成しており、アンテナＮと第４の導体層３ｃが設けられている面までの距離が、λｇ／４となるように形成されている。

第１の導体２ｂで構成される高周波線路とアンテナＮをブラインドビアホールＢで接続し高周波線路を導体パターンＤで囲むことにより、電波の空気層への放射を抑え変換損失を低減している。また、アンテナNを囲むように設けられたスルーホール列で構成されるシールド導体部５により、アンテナＮから放射される電波の誘電体導波管外部への漏洩を抑え変換損失を低減している。

また、λｇ／４の長さをもつ誘電体導波管によるインピーダンス変換回路、および高周波線路とアンテナＮへのブラインドビアホールＢによる接続で構成されるインピーダンス変換回路のこれら２つのインピーダンス変換回路により、整合範囲の広帯域化を実現することが可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他のさまざまな形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…高周波線路−導波管変換器
２…第１の基板
２ａ…第１の誘電体層
２ｂ…第１の導体層
２ｃ…第２の導体層
３…第２の基板
３ａ…第２の誘電体層
３ｂ…第３の導体層
３ｃ…第４の導体層
４…導電部材層
５…シールド導体部
６…導波管
Ｋ…間隔
Ｄ…導体パターン
Ｎ…アンテナ
Ｂ…ブラインドビアホール
Ｈ…開口部

Claims (7)

1. 第１の誘電体層と、前記第１の誘電体層の上面に設けられた第１の導体層と、前記第１の誘電体層の上面に設けられ、前記第１の導体層と間隔を設けて囲むように形成されている導体パターンと、
   前記第１の誘電体層の下面に形成された第２の導体層と、を有する第１の基板と、
   前記第１の誘電体層の下面に設けられ、前記第２の導体層と一定の間隔を設けて形成されたアンテナと、
   前記第２の導体層側に設けられ、第２の誘電体層と、前記第２の誘電体層の上面に設けられた第３の導体層と、前記第２の誘電体層の下面に形成された第４の導体層と、を有する第２の基板と、
   前記第１の基板と前記第２の基板との間に設けられている接着層と、
   前記導体パターンと前記第４の導体層との間を複数貫通して設けられているシールド導体部と、
   を有し、
   前記アンテナと前記第４の導体層が設けられている面までの距離はλｇ／４となるように形成されていることを特徴とする高周波線路−導波管変換器。
2. 前記第３の導体層は間隔を有しており、前記第２の導体層と前記アンテナとの間隔とほぼ同じ間隔を有していることを特徴とする請求項１に記載の高周波線路−導波管変換器。
3. 前記第４の導体層は間隔を有しており、前記第２の導体層と前記アンテナとの間隔とほぼ同じ間隔を有していることを特徴とする請求項１および請求項２に記載の高周波線路−導波管変換器。
4. 前記第１の導体層と前記アンテナとをブラインドビアホールで接続していることを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の高周波線路−導波管変換器。
5. 前記第４の導体層に接するように設けられている導波管を有していることを特徴とする請求項１乃至請求項４に記載の高周波線路−導波管変換器。
6. 前記導波管は開口部を有しており、
   前記開口部の間隔は前記第２の導体層と前記アンテナとの間隔より広い間隔であることを特徴とする請求項５に記載の高周波線路−導波管変換器。
7. 前記アンテナは前記接着層により覆われていることを特徴とする請求項１乃至請求項６に記載の高周波線路−導波管変換器。

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