JP5467851B2 - マイクロストリップ線路−導波管変換器 - Google Patents

Description

この発明は、主としてマイクロ波やミリ波帯の高周波信号を伝送する多層基板を用いたマイクロストリップ線路−導波管変換器に関する。

マイクロストリップ線路−導波管変換器として、マイクロストリップ線路で構成したマイクロ波回路を有する高周波基板と、その他の基板とを接着して形成した多層基板を、金属性の筐体で挟んだものが知られている。また、このようなマイクロストリップ線路−導波管変換器において、多層基板に多数のスルーホール（貫通孔）を形成し、多層基板のグランドと筐体とのアースを確実に行い、安定した特性を得られるようにする技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。さらに、図９に示すように、変換器の損失を低減するために、導波管形状部１０４とプローブ部１０５とに合わせて多層基板１０１を切り抜き、プローブ部１０５は、高周波基板のみを残し、その他の基板を切り抜いたものが知られている。

具体的には、多層基板１０１は、高周波基板とその他の基板とが、接着シートによって接着され、高周波基板には、低損失特性が要求されるため、フッ素樹脂基板などの高価な低損失基板が使用され、その他の基板には、ＦＲ４などの安価な基板が使用されている。多層基板１０１は、下側筐体１０３の導波管１１０の形状に合わせて切り抜かれ、切り抜かれた導波管形状部１０４の全周囲には、多数のスルーホール１０８が形成されている。このスルーホール１０８は、高周波信号の波長に対して十分に狭い間隔で形成され、導波管１１０内部のエネルギーがプローブ１１１に結合せずに、多層基板１０１内の誘電体部分に漏れ出るのを防ぐ役割を果たしている。

また、マイクロストリップ線路１１２の全周囲にも、同様なスルーホール１０８が多数形成されている。これにより、マイクロストリップ線路１１２を上側筐体１０２のシールド溝１１３とともに保護・シールドし、マイクロストリップ線路１１２から外部への不要な放射や、不要な共振を抑制するようになっている。

一方、上側筐体１０２には、導波管形状部１０４に対向する位置に空洞部１１４が形成され、上側筐体１０２を多層基板１０１に重ね合わせた際に、高周波基板のプローブ１１１と空洞部１１４の底面１１５との距離が、管内波長の約１／４となり、空洞部１１４の底面１１５が導波管１１０の短絡面として作用するようになっている。上側筐体１０２のシールド溝１１３の幅と高さとは、自由空間波長の１／２以下に設定され、マイクロストリップ線路１１２上で不要な共振が起こらず、また、外部への不要な放射が抑制されるようになっている。

さらに、図１０に示すように、マイクロストリップ線路１１２と導波管１１０との境界部１１６において、シールド溝１１３の幅Ｗｔ２と深さＨｔ２とを、マイクロストリップ線路１１２に対向する部位の幅Ｗｔ１と深さＨｔ１よりも小さくすることで、導波管１１０内のエネルギーをマイクロストリップ線路１１２のみに結合させるようにする、技術が知られている。

特開２００４−３２０４６０号公報

ところで、従来の変換器では、高周波信号の波長に対して十分に狭い間隔で、多数のスルーホール１０８を形成する必要があるが、スルーホール１０８の間隔を狭くすることには、限界がある。このため、ミリ波帯などの波長が短い高周波信号においては、電波が、多層基板１０１の導波管形状部１０４の壁面（側面）からスルーホール１０８間を通り抜けて、多層基板１０１内部に漏れ出てしまう場合がある。この結果、図１１に示すように、挿入損失が大きく、かつ、不要な共振が生じることになる。

また、高周波基板の導波管形状部１０４を切り抜かない場合には、高周波基板の誘電体部分の誘電体損失により、変換器の損失が大きくなる。さらに、導波管形状部１０４を切り抜いた場合（図９）であっても、導波管形状部１０４周辺のスルーホール１０８と導波管形状部１０４の壁面との間には、わずかながら誘電体が存在するため、その誘電体損失により、変換器の損失が大きくなる。

一方、境界部１１６におけるシールド溝１１３の幅Ｗｔ２を狭くすることで、導波管１１０内のエネルギーをマイクロストリップ線路１１２のみに結合させようとする場合（図１０）、加工費がかさむことになる。すなわち、ミーリングなどの機械加工によりシールド溝１１３を形成する場合、ミリ波帯などの高周波信号に対しては、極細いエンドミルなどを使用する必要があり、加工が困難で、時間と費用とを要する。

そこでこの発明は、損失や不要共振を抑制することが可能で、しかも、製作費用を低減することが可能なマイクロストリップ線路−導波管変換器を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、 高周波基板と別の基板とを接着シートによって接着して形成された多層基板と、この多層基板を挟む金属製の筐体とを備え、高周波信号を伝送するマイクロストリップ線路と導波管との変換を行うマイクロストリップ線路−導波管変換器であって、
一方の前記筐体に、開口した導波管が形成され、
他方の前記筐体に、前記導波管に対向する凹状の空洞部が形成され、
前記多層基板に、前記導波管に対向して開口された導波管形状部と、前記高周波基板に配設されたマイクロストリップ線路と、このマイクロストリップ線路から前記導波管形状部側に突出したプローブとを有し、
前記プローブの下に位置する前記接着シートの部分を除いて、前記導波管形状部の壁面に金属薄膜が形成され、
前記マイクロストリップ線路の前記導波管形状部に近い境界部において、前記マイクロストリップ線路の両側に、前記マイクロストリップ線路を挟んで対向する間隔が１／２λｇ（λｇ＝λ／√εｒ、λ：自由空間波長、εｒ：多層基板の接着シートの比誘電率）未満のスルーホールが形成され、
前記筐体の一方に、前記マイクロストリップ線路に対向し、幅と深さとが１／２λ以下で一定なシールド溝が形成されている、ことを特徴とする。

この発明によれば、プローブが配設された基板、すなわち高周波基板のプローブ部分のみを残して、多層基板が導波管の開口に沿って切り抜かれ（開口され）、導波管形状部が形成されている。そして、この導波管形状部の壁面に金属薄膜が形成されている（メタライズ等されている）。

また、シールド溝の幅と深さとが１／２λ以下に設定されているため、マイクロストリップ線路側には、導波管モードが伝搬されない（カットオフされる）。一方、高周波基板と別の基板とを接着している接着シートのプローブ部分では、金属薄膜が形成されないため、導波管モードが結合するが、境界部（プローブ部分の近辺）においてスルーホールの対向間隔が１／２λｇ未満に設定されているため、境界部で導波管モードがカットオフされる。この結果、境界部においてシールド溝の幅や深さを小さくする必要がなく、幅と深さとが一定なシールド溝が形成されている。

請求項１に記載の発明によれば、多層基板の導波管形状部の壁面に金属薄膜が形成されているため、導波管形状部の壁面から多層基板内部への電波の漏れがなくなり、導波管からのエネルギーがすべてプローブに結合する。この結果、高周波信号の波長に対して、十分に狭い間隔で多数のスルーホールを形成することが困難な場合であっても、変換器の損失や不要共振を低減、抑制することが可能となる。

また、シールド溝の幅と深さとが一定であり、境界部において幅や深さを小さくする必要がないため、形成・加工が容易で、製作費用を低減することが可能となる。

この発明の実施の形態に係るマイクロストリップ線路−導波管変換器を示す分解斜視図である。 図１のマイクロストリップ線路−導波管変換器の分解断面図である。 図１のマイクロストリップ線路−導波管変換器の第２の筐体の平面図（ａ）とそのＡ−Ａ断面図（ｂ）である。 図１のマイクロストリップ線路−導波管変換器の多層基板の平面図（ａ）とそのＡ−Ａ断面図（ｂ）と底面図（ｃ）である。 図１のマイクロストリップ線路−導波管変換器の製造工程の一部を示す平面図である。 図１のマイクロストリップ線路−導波管変換器の損失特性の一例を示す図である。 この発明の実施の形態に係る他のマイクロストリップ線路−導波管変換器を示す分解斜視図である。 図７のマイクロストリップ線路−導波管変換器の分解断面図である。 従来のマイクロストリップ線路−導波管変換器を示す分解斜視図である。 従来の筐体のシールド溝において、境界部で幅と深さとが狭く設定されている例を示す平面図（ａ）とそのＡ−Ａ断面図（ｂ）である。 従来のマイクロストリップ線路−導波管変換器の損失特性の一例を示す図である。

以下、この発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

図１は、この発明の実施の形態に係るマイクロストリップ線路−導波管変換器（以下、「変換器」という）を示す分解斜視図であり、図２は、この変換器の分解断面図である。この変換器は、高周波信号を伝送するマイクロストリップ線路と導波管との変換を行うものであり、主として、第１の筐体（一方の筐体）１と、第２の筐体（他方の筐体）２と、これらの筐体１、２によって挟持される多層基板３とを備えている。

第１の筐体１は、アルミニウム製（金属製）の略直方体で、貫通して開口した導波管１０が形成されている。この導波管１０は、断面が略四角形で、導波管１０の四隅に係合孔１ａが形成されている。

第２の筐体２は、アルミニウム製の略直方体で、多層基板３を第１の筐体１と挟持した際に導波管１０に対向する位置に、凹状の空洞部２０が形成されている。この空洞部２０は、断面が導波管１０の断面と同形状で、第２の筐体２を多層基板３の上に重ね合わせた際に、後述するプローブ４２と空洞部２０の底面２０ａとの距離が管内波長の約１／４になるように、空洞部２０の深さが設定されている。これにより、空洞部２０の底面２０ａが、導波管１０の短絡面として作用するようになっている。

また、この空洞部２０から第２の筐体２の端部に延びるように、シールド溝２１が形成されている。このシールド溝２１は、断面が矩形（四角形）で、第２の筐体２を多層基板３の上に重ね合わせた際に、後述するマイクロストリップ線路４１に対向して、マイクロストリップ線路４１を覆うように形成されている。また、図３に示すように、シールド溝２１の幅Ｗｔと深さＨｔとが１／２λ（λ：自由空間波長）以下に設定され、かつ、全長にわたって幅Ｗｔと深さＨｔとが一定に設定されている。これにより、後述するマイクロストリップ線路４１側には、導波管モードが伝搬されない（カットオフされる）ようになっている。また、多層基板３を第１の筐体１と挟持した際に、第１の筐体１の各係合孔１ａと同心上の位置に、係合孔２ａが形成されている。

多層基板３は、図４に示すように、フッ素樹脂製やセラミック製などの高周波基板４と、ＦＲ４（ガラス繊維の布にエポキシ樹脂を含浸させ、難燃性と低導電率とを有するもの）製などの別の基板５を接着シート６によって接着して、構成されている。この多層基板３は、第１の筐体１の導波管１０に対向し厚み方向に貫通して開口された導波管形状部３０と、高周波基板４に配設されたマイクロストリップ線路４１と、このマイクロストリップ線路４１から導波管形状部３０側に突出したプローブ４２とを有している。

具体的には、高周波基板４の上面に、一端から直線状に延びるマイクロストリップ線路（マイクロ波回路）４１が配設され、このマイクロストリップ線路４１から連続して、第２の筐体２の導波管１０側に延びるプローブ４２が配設されている。そして、プローブ４２と導波管１０とを重ね合わせたシルエット（輪郭）に沿って、高周波基板４に開口が形成されている。また、別の基板５と接着シート６には、導波管１０に対向しかつ導波管１０と同形状の開口が形成されている。これにより、プローブ４２が配設された高周波基板４のプローブ部４３が、導波管１０の断面形状に沿った開口から突出した状態となっている。すなわち、導波管１０の断面縁に沿った高周波基板４の開口（プローブ部４３を除く矩形の部分）と、導波管１０の断面縁に沿った別の基板５と接着シート６との開口とによって、導波管形状部３０が構成されている。

そして、このような導波管形状部３０の壁面（内周面）に金属薄膜３１が形成されている。具体的には、導波管１０と同形状である別の基板５の開口の壁面全周と、導波管１０と同形状である接着シート６の開口でプローブ部４３の下に位置する部分（メタライズ不可部）６１を除く壁面とに、銅メッキがメタライズされている。さらに、導波管１０の断面縁に沿った高周波基板４の開口（プローブ部４３を除く矩形の部分）の壁面に、銅メッキがメタライズされている。

また、多層基板３には、マイクロストリップ線路４１の長手方向に沿って、マイクロストリップ線路４１の両側に対向して、多層基板３を厚み方向に貫通するスルーホール３２が、多数形成されている。このスルーホール３２の隣接間隔は、高周波信号の波長に対して十分に狭い間隔に設定され、マイクロストリップ線路４１を第２の筐体２のシールド溝２１とともに保護・シールドし、マイクロストリップ線路４１から外部への不要な放射や、不要な共振を抑制するようになっている。

さらに、マイクロストリップ線路４１の導波管形状部３０（プローブ４２）に近い境界部３３においては、マイクロストリップ線路４１を挟んで対向するスルーホール３２の間隔（対向間隔）Ｗｇが次のように設定されている。これにより、メタライズ不可部６１において金属薄膜３１が形成されていなくても、境界部３３において導波管モードがカットオフされるようになっている。
Ｗｇ＜１／２λｇ
λｇ＝λ／√（εｒ）
λ：自由空間波長
εｒ：接着シート６の比誘電率
さらに、スルーホール３２は、メタライズ不可部６１の周縁にも形成されている。また、第１の筐体１に重ね合わせた際に、第１の筐体１の各係合孔１ａと同心上の位置に、係合孔３ａが形成されている。

次に、このような構成の多層基板３の製造方法について、説明する。

まず、別の基板５をパターニングし、別の基板５が複数ある場合には、これらの基板５同士を積層して、導波管形状部３０を構成する開口を別の基板５に形成（くり抜き加工）する。次に、高周波基板４をパターニングする。つまり、マイクロストリップ線路４１やプローブ４２などを配設する。続いて、高周波基板４と別の基板５とを接着シート６によって接着して積層し、図５に示すように、プローブ４２の根元部分を残して、導波管形状部３０の周縁（輪郭）に沿って高周波基板４にスリットを形成する。

次に、スルーホール３２を形成し、スルーホール３２および導波管形状部３０の壁面に、銅メッキをメタライズして金属薄膜３１を形成する。この際、メタライズは、ＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）やＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などで行ってもよい。続いて、多層基板３全体を金フラッシュメッキし、プローブ部４３および外形を加工するものである。

以上のように、この変換器によれば、多層基板３の導波管形状部３０の壁面に金属薄膜３１が形成されているため、導波管形状部３０の壁面から多層基板３内部への電波の漏れがなくなり、導波管１０からのエネルギーがすべてプローブ４２に結合する。この結果、高周波信号の波長に対して、十分に狭い間隔で多数のスルーホール３２を形成することが困難な場合であっても、変換器の損失や不要共振を低減、抑制することが可能となる。

例えば、周波数が３８ＧＨｚ帯（３７〜４０ＧＨｚ）の変換器の場合、導波管１０の断面寸法を７．１１２ｍｍ×３．５５６ｍｍとし、スルーホール３２の直径を０．３ｍｍ、ピッチを０．６ｍｍとする。また、シールド溝２１の幅Ｗｔを２．５５ｍｍ（＜１／２λ）、深さＨｔを２．０ｍｍ（＜１／２λ）とする。この場合、図６に示すような挿入損失計算結果が得られ、使用周波数帯域（３７〜４０ＧＨｚ）において、挿入損失が−０．０６ｄＢ以内で、かつ、不要共振がない良好な特性が得られる。すなわち、従来の変換器（図１１参照）に比べて、挿入損失が０．０８ｄＢ程度低減され、しかも不要共振も発生せず、特性が明らかに改善される。

また、シールド溝２１の幅Ｗｔと深さＨｔとが１／２λ以下に設定されているため、マイクロストリップ線路４１側には、導波管モードが伝搬されない。一方、接着シート６のメタライズ不可部６１では、金属薄膜３１が形成されないため、導波管モードが結合するが、境界部３３においてスルーホール３２の対向間隔Ｗｇが１／２λｇ未満に設定されているため、境界部３３で導波管モードがカットオフされる。この結果、境界部３３においてシールド溝２１の幅や深さを小さくする必要がなく、上記のように、幅Ｗｔと深さＨｔとが一定なシールド溝２１を形成すればよい。このように、シールド溝２１の幅Ｗｔと深さＨｔとが大きく、かつ一定であるため、ひとつの大径のエンドミルなどでシールド溝２１を切削加工することができ、形成・加工が容易で、製作費用を低減することが可能となる。

以上、この発明の実施の形態について説明したが、具体的な構成は、上記の実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。例えば、上記の実施の形態では、第１の筐体１に導波管１０を設け、第２の筐体２に空洞部２０を設けているが、図７、８に示すように、第１の筐体１に空洞部２０を設け、第２の筐体２に導波管１０を設けてもよい。また、メタライズ不可部６１を除く導波管形状部３０の壁面全周に金属薄膜３１を形成しているが、必要な部位のみに金属薄膜３１を形成してもよい。例えば、プローブ部４３に対向する壁面部位には、金属薄膜３１を形成しなくてもよい。さらに、金属薄膜３１は、銅メッキ以外のもの、例えば金メッキ、であってもよいことは勿論である。

１ 第１の筐体（一方の筐体）
１０ 導波管
２ 第２の筐体（他方の筐体）
２０ 空洞部
２０ａ 底面
２１ シールド溝
３ 多層基板
３０ 導波管形状部
３１ 金属薄膜
３２ スルーホール
３３ 境界部
４ 高周波基板
４１ マイクロストリップ線路
４２ プローブ
４３ プローブ部
５ 別の基板
６ 接着シート
６１ メタライズ不可部

Claims (1)

1. 高周波基板と別の基板とを接着シートによって接着して形成された多層基板と、この多層基板を挟む金属製の筐体とを備え、高周波信号を伝送するマイクロストリップ線路と導波管との変換を行うマイクロストリップ線路−導波管変換器であって、
   一方の前記筐体に、開口した導波管が形成され、
   他方の前記筐体に、前記導波管に対向する凹状の空洞部が形成され、
   前記多層基板に、前記導波管に対向して開口された導波管形状部と、前記高周波基板に配設されたマイクロストリップ線路と、このマイクロストリップ線路から前記導波管形状部側に突出したプローブとを有し、
   前記プローブの下に位置する前記接着シートの部分を除いて、前記導波管形状部の壁面に金属薄膜が形成され、
   前記マイクロストリップ線路の前記導波管形状部に近い境界部において、前記マイクロストリップ線路の両側に、前記マイクロストリップ線路を挟んで対向する間隔が１／２λｇ（λｇ＝λ／√εｒ、λ：自由空間波長、εｒ：多層基板の接着シートの比誘電率）未満のスルーホールが形成され、
   前記筐体の一方に、前記マイクロストリップ線路に対向し、幅と深さとが１／２λ以下で一定なシールド溝が形成されている、
   ことを特徴とするマイクロストリップ線路−導波管変換器。