JP5484452B2 - マイクロストリップ線路から方形導波管への角度をなす変換 - Google Patents

Description

本発明は、高周波技術の分野における、ストリップ線路から導波管への変換のための変換エレメントに関する。

プレナー回路から導波管への変換エレメントは、ここ数年の間に発展を遂げ、典型的には、マイクロ波およびミリ波の領域におけるレーダおよび通信技術に適用されている。それらは、例えば、ＭＭＩＣのようなプレナー型の組み込み可能なコンポーネントを、低損失の導波管および／または導波管給電型アンテナに結合するために使用される。

変換エレメントは、従来技術においてよく知られている。変換エレメントは、一般に、特別に構成された放射素子（英語ではパッチと呼ばれる）を有し、この放射素子は約１００μｍの厚さの基板層上に配置される。

基板層内のスルーコンタクトは、基板上に配置された導波管の拡張部を形成する。基板層の下側の穴の領域には、導電材料から形成されたキャップが空洞（英語ではキャビティまたはバックショートと呼ばれる）を形成する。放射素子は、導波管内に突出していて、放射素子およびキャップ間の間隔がλ／４またはその奇数倍の大きさになるように設定される。それによって、開回路が、空洞（バックショート）内の、放射素子の面内に形成され、ストリップ線路中の電磁場が導波管内に供給される。

従来のプレナー回路から導波管への変換エレメントの製造は、スルーコンタクトが原因で、問題のあることが判明している。従来の支持材料のスルーコンタクトのために、穴が金属被覆されなければならない。しかしながら、テフロン（登録商標）ベースの基板を金属被覆するには、これまで、コストのかかる製造方法が必要とされ、簡単で低コストのプリント基板製造技術を使用することができなかった。さらには、従来の変換エレメントは、これまで、２層のプリント基板構造を必要としていた。

したがって、この従来の技術から出発して、本発明の課題は、ストリップ線路内の電磁波の導波管内への変換のための変換エレメントを自由に使用可能とし、この変換エレメントが、簡単な製造工程に基づいて製造され得るようにすることにある。

この課題は、請求項１に係る変換エレメント並びに請求項１に従属する各従属項に係る好ましい実施形態によって解決される。

本発明による変換エレメントの典型的な適用が、請求項２０に記載される。本発明による変換エレメントはさらに、請求項２１に係るマイクロ波発生方法において使用される。

本発明によれば、ストリップ線路から導波管への波の変換のための変換エレメントは、平坦な基板と、少なくとも１つのストリップ線路と、導波管とを備えている。少なくとも１つのストリップ線路は、平坦な基板の第１の面上に配置され、少なくとも１つのストリップ線路端を有している。導波管は、その第１の開口のまわりに環状のリップを形成する。本発明の変換エレメントは、導波管が、ストリップ線路端の領域で、環状のリップにおいて、基板の第１の面上に適用され、ストリップ線路と導波管が、リップの少なくとも１つの点において、互いに接触しまたは電気的に結合されるように構成される。この場合、ストリップ線路と導波管との接触または電気的結合は、リップの領域においてのみ生じ得ることに留意されたい。なぜなら、ストリップ線路は、残りのすべての場所／面において導波管から分離されるからである。ストリップ線路端および導波管の接触または電気的結合によって、導波管の開口内、または当該開口によって形成されるスリット内に、電場が発生する。この電場は導波管内に波を励起し、この波は、導波管を通って漏れることなく案内される。

本発明によれば、平坦な基板の第１の面に、ストリップ線路端から短い間隙を隔てて、ストリップ線路の残りの部分が配置される。このストリップ線路の残りの部分は、また、リップを通じて導波管に接触しまたは電気的に結合され、仮想的なまたは現実の短絡を形成する。好ましくは、ストリップ線路の残りの部分とリップとの間の接触または結合点が、ストリップ線路および導波管の間の接触または結合点に対置され、および／またはリップの縁が２つの結合点の間にのびるように配置される。ストリップ線路端およびストリップ線路の残りの部分の間の間隙は、導波管の断面の寸法、すなわち当該断面の直径または側長に対応する。リップの幅に応じて、間隙は、リップの幅の２倍＋開口の寸法の長さを有する。

ストリップ線路の残りの部分は、好ましくは、λ／４、好ましくはλ／４±３０％、特にλ／４±１５％またはその奇数倍の長さを有する。かかる長さのストリップ線路は、開口端とともに、仮想的な短絡として作用する。この実施例では、λの値は、電磁波の波長として規定され、この電磁場は対応する発生器からストリップ線路に供給される。ストリップ線路の残りの部分の長さは、とりわけ、導波管のリップの幅に依存する。

あるいは、ストリップ線路の残りの部分によって現実の短絡が形成される。この短絡は、リップの下側において、リップのすぐ近傍に、またはλ／２±３０％、特にλ／２±１５％またはその整数倍の距離を隔てて、スルーコンタクトを通って主要部に向かって生じる。コプレナーストリップ線路技術を用いて、中身の詰まった金属製の支持体または支持板上に２層のプリント基板構造が形成されるか、あるいは単層のプリント基板構造が形成されるかどうかにかかわらず、ストリップ線路の残りの部分の接触が異なる方法で生じる。２層のまたは単層のプリント基板技術が用いられる場合、単層構造の支持材料が中身の詰まった金属製の支持体上に存在し、ストリップ線路の残りの部分と主要部との間の接触がスルーコンタクトを通じて生じる。コプレナー技術を用いた構造は、それ故、主要部とストリップ線路の残りの部分との間の直接接触のみで十分である。

本発明による変換エレメントの導波管は、種々のデザインのプリント基板に問題なく適用され得る。唯一の差異は、プリント基板技術に応じて基板の第２の面が全体的にまたは部分的に、および／または基板の第１の面が全体的に金属被覆されるという点にある。この場合、基板の第１の面上の金属層は、基板の第１の面上のストリップ線路から分離されることに留意されたい。

基板の第２の面上の金属被覆は、５μｍ〜１０ｍｍの厚さを有し得る。２層のプリント基板構造の場合、金属層は１７μｍ〜５０μｍの厚さを有する。単層のプリント基板構造の場合、金属層は中身の詰まった金属製支持板からなっている。この支持板は、１０μｍ〜１０ｍｍ、特に、５００μｍへ１ｍｍの厚さを有する。

本発明による変換エレメントの導波管として、異なる断面を有する導波管が問題となる。好ましくは、導波管は、方形導波管または円形導波管または楕円形断面の導波管からなっている。

導波管の断面形状とは無関係に、第１の導波管の第１の開口またはリップは、λ、特にλ±３０％、特にλ±１５％またはその整数倍の外周長を有している。それによって、導波管のスリットまたは開口内の波が電磁場を形成することが保証される。これは、λ／２またはその整数倍の長さのスリットは共鳴器を形成することによって可能である。

本発明による変換エレメントの導波管は方形導波管であり、その第１の開口の短辺は、λ／２０〜λ／５の長さを有する一方、その長辺は、λ／２、特にλ／２±３０％、特にλ／２±１５％またはその整数倍の長さを有している。円形導波管が使用される場合、その半径はｒ＝λ／（２π）が成立するように選択される。

しかしながら、導波管の開口の短辺および長辺の長さは、長さと幅の和の２倍が、λ、特にλ／２±３０％、特にλ／２±１５％またはその整数倍の値をとるように変更可能である。しかしながら、良好な結合を達成するため、好ましくは、短辺の長さは無視し得るほど小さくなっていて、リップ上の接触または結合点が、リップの長辺上にあるように設定されなければならない。

適用されたプリント基板技術に応じて、ストリップ線路は、マイクロストリップ線路、および／またはコプレナー線路からなっている。マイクロ波領域における波に関して、ストリップ線路は１００μｍ〜８００μｍの幅を有する。高周波数の場合、幅は、数ｍｍ、好ましくは４ｍｍ以下となり得る。

その第１の面上にストリップ線路が配置された基板は、好ましくは、高分子材料、特に、ポリテトラフルオロエチレンを含み、またはそれらの物質から形成される。そのため、テフロンベースの材料がまた選ばれる。しかしながら、基板材料として、セラミック材料またはガラスまたは複合材料が使用可能である。

導波管のリップは、導波管の幅＋５０％、特に導波管の幅＋３０％に等しいかまたはそれより小さい幅を有している。リップの幅は、この場合、結合点での基板に平行な面内におけるリップの周方向を横切る幅として規定される。

本発明による変換エレメントの導波管は、好ましくは、ストリップ線路端が、リップの下側において、隣接する導波管内壁とリップ外面との間に同心的に位置するように、基板の第１の面上に配置される。これは同時に、ストリップ線路端がリップの幅の真ん中に配置されることを意味する。また、ストリップ線路の残りの部分は、その一端が、リップの下側において、リップの幅の真ん中に位置するように配置される。

本発明による変換エレメントを基板の第１の面上に容易に配置することができるようにするため、導波管の壁をできるだけ厚くし、それによって、導波管のできるだけ大きな面積が第１の開口の周囲に保持されるようにすることが好都合である。好ましくは、導波管の壁厚は、ストリップ線路の幅に等しいかまたはそれより大きい値、好ましくは５ｍｍ以上の値、特に好ましくは２０ｍｍ以上の値、特に好ましくは、個々の波長に対応する標準導波管フランジの大きさの値をとる。導波管のリップは、上述のように、おおよそストリップ線路の幅に等しいかまたはそれより小さい幅を有し、導波管の前面における第１の開口を取り囲む溝によって形成される。溝は一方においてリップを形成するために使用され、他方において平坦な面上に置かれた構造の本来の交差からの電気的な結合の解除のために用いられる。特に、それによって、平面的な構造と後面の金属被覆との間にいわゆる平行平面波が励起されることが防止される。リップの面は機械的安定性のため、基板上に完全に置かれる。上述の導波管の前面は、少なくとも１つの別の溝を有し、この溝内にストリップ線路が案内される。この場合、溝はストリップ線路を導波管から分離するために用いられる。リップを取り囲む溝は、例えば、λ／２０〜λ／５の幅と、λ／４、特にλ／４±３０％、特にλ／４±１５％またはその整数倍の深さとを有している。これを一般化すれば、溝の幅と２倍の深さとの和は、λ／２±３０％、特にλ／２±１５％またはその奇数倍の大きさの値をとる。それによって、溝の幅および深さは、互いに直接的に関係し、それ故、変更され得る。好ましくは、本発明による変換エレメントの導波管は、従来の導波管の標準的なサイズに対応していない。それ故、導波管は、その基板と反対側の第２の開口において、導波管の外周を拡張または縮小するための整合素子に接続する。整合素子は、導波管の断面形状を変更するために用いられ得る。この整合素子によって、導波管内に発生した波は、標準的なサイズを有する別の導波管へと変換される。一般に、整合素子はλ／４変成器からなっている。λ／４変成器は、実質上λ／４の長さを有する導波管部分からなっており、第１の導波管の断面の大きさと第２の導波管の断面の大きさとの間の大きさの断面を有する。λ／４変成器の導波管部分は、方形、円形、楕円形などの任意の断面形状を有し得る。整合素子として、導波管の断面を別の導波管の断面と連続的に整合させることができる、いわゆるテーパ型整合器が挿入され得る。このテーパ型整合器はいずれにせよフライス加工技術で実現することは難しい。

本発明による変換エレメントの導波管および整合素子は、好ましくは、一体形成される。好ましくは、本発明による変換エレメントの導波管、整合素子および別の導波管がまた、一体形成される。通常、導波管および整合素子は、高分子材料を含み、または高分子材料からなっている。好ましくは、導波管および／または整合素子は、射出成形技術を用いて製造され、導波管および／または整合素子を形成する面が金属被覆される。射出成形技術を用いた導波管および整合素子の製造は、本実施例による変換エレメントの製造コストを実質上低減する。

さらに、リップに隣接して、またはリップまたは溝の下側において、リップまたは溝に沿って、基板に穴を設け、穴の側壁を金属被覆し、それによって形成したスルーコンタクトを基板の第２の面上の金属層と電気的に結合することができる。スルーコンタクトは、隣接する回路部分に対するオーバーカップリングが生じた場合、好都合なものとなるだけである。このことは、本発明の特徴ではない。

本発明による変換エレメントは、例えば、マイクロ波照射源内に含まれる。この場合、発生器は波長λの放射を発生し、この放射が変換エレメントのストリップ線路に供給され、そこから導波管に転送される。

本発明による変換エレメントは、特に、マイクロ波からミリ波に至る波長領域（１０〜９０ＧＨz）のレーダおよび通信技術に特に適用される。本発明による変換エレメントのレーダ技術への適用例として、距離測定のための自動車搭載レーダや、高度測定のためのヘリリコプターおよび／または航空機搭載レーダや、飛行場に配備される滑走路監視のためのレーダが知られている。

レーダ技術はさらに、特に、反応物質のレベル測定に適用される。通信技術の分野においては、既に述べたように、７０〜９０ＧＨｚの周波数の範囲での使用が好都合である。なぜなら、この周波数範囲において、非常に大きなデータ伝送速度が得られるからである。

マイクロ波放射の発生のために、まず対応する発生器からマイクロ波またはミリ波領域の波が発生し、本発明による変換エレメントのストリップ線路内に供給される。導波管の開口内、いわゆるスリット内に、供給された放射によって電場が発生し、この電場は導波管内にマイクロ波またはミリ波を励起する。それによって、波がストリップ線路から導波管に転送される。

以下に、本発明による変換エレメントの実施例が説明される。

本発明による変換エレメントのストリップ線路に沿った横断面図である。 本発明による変換エレメントと、ストリップ線路に沿って２分割された本発明による変換エレメントとを示す立体図である。 本発明による変換エレメントと、ストリップ線路に沿って２分割された本発明による変換エレメントとを示す平面図である。 プリント基板技術がコプレナー技術に基づく場合の、本発明による変換エレメントの平面図である。 変換および反射の測定結果を示すグラフである。

図１は、第１の面３および第２の面４を備えた基板１を示した図である。図１において、第１の面３上には、ストリップ線路２ａと、ストリップ線路の残りの部分２ｂが配置される。基板１の第１の面３上にエレメント５が配置される。エレメント５は、導波管６、λ／４変成器７、および標準サイズの別の導波管８を有している。エレメント５は、基板１の第１の面３上に、ストリップ線路の幅の大きさのリップ幅１０を有するリップ９が基板１の第１の面３の直ぐ上に位置するように置かれる。リップ９は、環状の溝１２によって縁取られている。ストリップ２ａおよびストリップ線路の残りの部分２ｂは、２つの接触または結合点１１ａ、１１ｂにおいて、導波管６のリップ９に接触しまたは電気的に結合される。

既に使用された参照番号は、以下の図面中の同一または類似の構成要素に対して用いられる。

図２には、図１に示されたものと類似した構成が示されている。基板１の第１の面３上に、２つのエレメント５が、ストリップ線路２ａに被さった状態で存在する。これらのエレメント５は、それぞれ、導波管６、λ／４変成器７、および標準サイズの別の導波管８、例えば、３．１ｍｍ×１．５５ｍｍのサイズを有するＷＲ１２型導波管を有している。一方のエレメント５は２つの部分５ａ、５ｂに分割されている。この場合、部分５ｂは位置をずらされ、ストリップ線路１３およびストリップ線路の残りの部分２ｂが現れている。さらに、リップ９およびリップ９を取り囲む溝１２が明示されている。

図３は、図２に示された構成の平面図である。基板１の面３の上には、ストリップ線路端１３を備えたストリップ線路２ａと、ストリップ線路の残りの部分２ｂとが配置される。さらに、エレメント５およびエレメント部分５ａが、基板１の第１の面３上に存在する。エレメント部分５ｂは、基板１から位置をずらされている。エレメント５は、導波管６、λ／４変成器７、および標準サイズの別の導波管８の異なる断面を明示している。

図４には、本発明による変換エレメントのストリップ線路２ａを備えた基板１の第１の面３が示されている。図４において、プリント基板技術としてコプレナー技術が選択される。コプレナー線路２ａのストリップ線路端１３は、基板１の第１の面３上に刻印された縁１６の領域に存在する。縁１６は、導波管６のリップ９がどこに置かれるかを示している。縁１６によって開口１５が形成され、この開口１５内には、導波管６が置かれた後、電場が発生する。コプレナー線路から一定の距離を隔てた位置に、金属層１４が（図示されない）基板１の第１の面３上に適用され、そして、これは主要部をなす。本発明によるストリップ線路から導波管への変換の機能は、現場シミュレーション（ＣＳＴマイクロ波スタジオ）およびプロトタイプによる測定を通じて実証される。結果が図５に示されている。一方において、広帯域伝送特性（ｓ_２１）が、他方において、入力での低反射（ｓ_１１）が認められる。特に、シミュレーション（実線）および測定（鎖線）の伝送特性が良好に一致していることがわかる。これとは対照的に、反射は、とりわけ、７０ＧＨｚ以下の周波数帯域において比較的大きくなっている。これは使用された測定装置が、一般に７０ＧＨｚより大きな周波数に対してのみ適合し、７０ＧＨｚ以下の周波数に対して機能しないという理由による。測定（鎖線）の間に、得られた反射は、シミュレーション（点線）によって得られた反射よりも実質上高くなっている。測定によって得られた結果の起伏は、測定法（バックツーバック配置によるスカラー測定、ＨＬ−ＭＳＬ−ＨＬ）に基づく。

Claims (21)

1. ストリップ線路から導波管への変換エレメントであって、
   平面状の基板を備え、前記基板は第１の面上に少なくとも１つのストリップ線路を有し、前記ストリップ線路は少なくとも１つのストリップ線路端を有しており、さらに、
   導波管を備え、前記導波管は、当該導波管の一方の端面に設けられた第１の開口の周りを取り囲む環状のリップと、前記導波管の一方の端面に形成されて前記環状のリップの周りを取り囲む溝とを有する変換エレメントにおいて、
   前記導波管は、前記基板の第１の面上に、前記環状のリップが前記ストリップ線路端の領域内に位置するように置かれ、
   前記ストリップ線路は、前記環状のリップの少なくとも１つの点において、前記導波管に接触しまたは電気的に結合されることを特徴とする変換エレメント。
2. 前記平面状の基板上に、少なくとも１つのストリップ線路の残りの部分が配置され、前記ストリップ線路の残りの部分が、前記リップの領域において、特に、前記リップの、前記導波管および前記ストリップ線路間の前記接触または結合点に対向する位置において、前記導波管に接触しまたは電気的に結合することによって、現実のまたは仮想的な短絡を形成することを特徴とする請求項１に記載の変換エレメント。
3. 前記ストリップ線路の残りの部分が、λ／４±３０％またはその奇数倍の長さを有すること、または前記ストリップ線路の残りの部分が主要部の上に置かれることを特徴とする請求項２に記載の変換エレメント。
4. 前記基板の第２の面が全体的または部分的に金属被覆され、および／または前記基板の前記第１の面が部分的に金属被覆されることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の変換エレメント。
5. 前記基板の第２の面上の金属被覆は、１μｍ〜１０ｍｍの厚さ、特に１０μｍ〜５０μｍまたは５００μｍ〜１ｍｍの厚さ、特に１７μｍ〜５０μｍの厚さを有していることを特徴とする請求項４に記載の変換エレメント。
6. 前記導波管は、方形導波管または円形導波管または楕円形断面の導波管であることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の変換エレメント。
7. 前記第１の導波管の前記第１の開口の外周は、λ±３０％またはその整数倍の長さを有していることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の変換エレメント。
8. 前記方形導波管の第１の開口は、λ／２０〜λ／５の長さの短辺と、λ／２±３０％またはその整数倍の長さの長辺とを有していることを特徴とする請求項６に記載の変換エレメント。
9. 前記ストリップ線路は、マイクロストリップ線路および／またはコプレナー線路であることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれかに記載の変換エレメント。
10. 前記ストリップ線路が適用される前記基板は、高分子材料、特に、ポリテトラフルオロエチレン、および／またはセラミック材料、および／またはガラス、および／または複合材料を含み、またはそれらからなっていることを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれかに記載の変換エレメント。
11. 前記リップは、少なくとも１つの前記結合点における前記基板に平行な面内において、前記リップの周方向を横切る、前記ストリップ線路の幅＋５０％に等しいかまたはそれより小さい幅を有していることを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれかに記載の変換エレメント。
12. 前記ストリップ線路端は、前記リップの幅の領域内、特に、前記リップの厚みのほぼ、またはちょうど真ん中に位置することを特徴とする請求項１１に記載の変換エレメント。
13. 前記導波管の壁が、前記ストリップ線路の幅に等しいかまたはそれより大きい厚さ、特に、５ｍｍに等しいかまたはそれより大きい厚さ、特に、２０ｍｍに等しいかまたはそれより大きい厚さ、特に、波長に対応する標準導波管フランジの領域の厚さを有していることにより、前記リップが、前記第１の開口を有する前記導波管の前面における、前記第１の開口を取り囲む溝によって形成されることを特徴とする請求項１〜請求項１２のいずれかに記載の変換エレメント。
14. 前記溝の幅と２倍の深さとの和は、λ／２±３０％またはその整数倍の値をとることを特徴とする請求項１３に記載の変換エレメント。
15. 前記導波管は、前記基板と反対側において、前記導波管の外周を増大または縮小、および／または変更するための整合素子に接続することを特徴とする請求項１〜請求項１４のいずれかに記載の変換エレメント。
16. 前記導波管および前記整合素子が一体形成されることを特徴とする請求項１５に記載の変換エレメント。
17. 前記導波管および／または前記整合素子が射出成形技術を用いて製造され、前記導波管および／または前記整合素子を形成する面が金属被覆されることを特徴とする請求項１５に記載の変換エレメント。
18. 前記基板の第２の面上の金属層に電気的に接続されるスルーコンタクトが、前記基板内において、前記リップに隣接して、または前記リップまたは前記溝の下側において、前記リップまたは前記溝に沿って配置されることを特徴とする請求項１〜請求項１７のいずれかに記載の変換エレメント。
19. 請求項１〜請求項１８のいずれかに記載の変換エレメントと、波長λの放射を生成し、前記放射を前記ストリップ線路に供給するための発生器と、を備えたことを特徴とするマイクロ波発生器。
20. マイクロ波およびミリ波の領域におけるレーダまたは通信への適用のための、特に、自動車搭載レーダのための、または高度および／または距離測定、またはレベル測定のための、請求項１〜請求項１９のいずれかに記載の変換エレメントの使用法。
21. 請求項１〜請求項２０のいずれかに記載の変換エレメントのストリップ線路内にマイクロ波を供給することを特徴とするマイクロ波放射の発生法。

Images