JP5616338B2 - 平行な伝導表面間のギャップにおける導波管と伝送ライン - Google Patents

Description

本願発明は、周波数が非常に高く、同軸ライン、円筒導波管、マイクロ・ストリップ・ラインおよび、他の基盤拘束伝送ライン等の既存の技術が、抵抗ロスおよび製造の問題のためによく働かない場合に有利であるような、電磁伝送ライン、導波管および回路を実現する新しい方法を示すものである。本願発明は、主に、３０ＧＨｚより高い周波数、すなわちミリメートル波領域、および、さらに３００ＧＨｚを超える、すなわち準ミリ波領域に関するものである。しかし、本願発明は３０ＧＨｚより低い周波数でも有利であり得る。

電子回路は、今日、ほとんどすべての製品、特に、情報の転送に関する製品の中で使われている。情報のそのような転送は、低周波数においてワイヤとケーブルに沿って（例えば有線電話）、あるいは、例えば放送された音声とＴＶの受信のため、および、例えば移動電話の双方向通信のため両方とも電波を使って、より高い周波数においては空気を通して無線で行うことができる。後者の高周波数のケースにおいて、高周波および低周波の両方の伝送ラインと回路が、必要とされるハードウェアを実現するのに用いられる。高周波部品は、電波を送受信するのに用いられ、それに対して、低周波回路は、電波の上の音声情報やビデオ情報を変調するために、また、対応する復調のために使われる。このように、低周波回路と高周波回路の両方が必要である。本願発明は、例えば、送信機回路、受信機回路、フィルタ、マッチング・ネットワーク、電力分割器およびコンバイナ、カプラ、アンテナその他の高周波部品を実現するための新技術に関するものである。

最初の無線送信は、１００ＭＨｚ以下のむしろ低周波数で行われたが、それに対して、今日では、電波スペクトル（電磁スペクトルとも呼ばれる）が、商業的に４０ＧＨｚまで、使われており、さらに高い周波数のいくつかのシステムが計画されており、既に、ある程度実用化されている。より高い周波数を探ることへの関心の理由は、利用できるバンド幅が大きいことである。無線通信がますます多くのユーザーに広まり、ますます多くのサービスのために利用可能となると、新しい周波数帯を、すべてのトラフィックの余地を与えるために割り当てなければならない。主な要求は、データ通信のため、すなわち、できるだけ短い時間に大量のデータを転送することである、

光波のための伝送ラインが、大きなバンド幅が必要であるときに、地下に埋めることができて、電波に代わるものとして光ファイバーの形ですでに存在する。しかしながら、そのような光ファイバーも、いずれかの端部に接続する電子回路を要求する。光伝送路の莫大な利用可能帯域幅の使用を可能にするために４０ＧＨｚ以上のバンド幅のための電子回路さえ、必要とされる。本願発明は、４０ＧＨｚ、一般的に上記の電子回路を理解するのに用いられることができる。現在、低損失のための良い選択肢解決と大量生産が、存在しない。

典型的には３００ＭＨｚ以下（すなわち１メートルより長い波長）の電子回路は、例えば、抵抗器、インダクタ、コンデンサおよびトランジスタ増幅器等の集中回路素子に基づく設計を用いて、プリント回路基板（ＰＣＢ）と集積回路で容易に実現される。そのような技術は、より高い周波数でも働くことができるが、ＰＣＢとＩＣパッケージのサイズが波長に相当するようになると、パフォーマンスは、徐々に低下する。このようなことが起こると、伝送ラインまたは導波管の部品をいろいろな方法で一緒に接続することによって回路を実現することが、望ましいものとなる。これは、マイクロ波技術と通常呼ばれ、３００ＭＨｚと３０ＧＨｚの間（すなわちマイクロ波領域）で通常使用されている。最も一般的な伝送ラインは、同軸ケーブルおよびライン、マイクロ・ストリップ・ラインそして、円筒導波管である。これらの３０ＧＨｚより高い周波数の技術に対して、増大する損失と製造上の問題（大きさがより小さいこととより厳しい許容範囲の要求）のために、問題が存在する。許容範囲の要求は、波長の数プロミル（１／１０００）であり得、波長が３０ＧＨｚにおいて１０ｍｍであることを考えると、これは非常に小さい。また、同軸線路と導波管は、要求された単一モードで働くためには、典型的には、０．５波長よりより細い必要がある。そのような中空線とガイドは、製造が非常に難しく、高周波においては、その代わりにマイクロ・ストリップ・ラインと他の基盤拘束伝送ラインを使うことが必要になる。しかしながら、基盤拘束伝送ラインは、周波数が増加するとともに、損失がより大きくなるので、パフォーマンスは低下する。トランジスタの出力電力は、そのような高周波ではより低くなり、損失の多い伝送ラインに搭載される場合には、電力発生はより大きな問題にさえなる。本願発明は、高周波において損失性と製造容易性に関して有利である新規の伝送ラインを用いて作られる電子回路に関するものである。

すでに、特に高周波での使用を目的とするいくつかの導波管が、存在する従来の空気を満たした円筒導波管より損失が少なく、より安価に製造できるからである。また、それらがマイクロ・ストリップ・ラインより低い損失を持つからである。そのような導波管は、［非特許文献１］に記載されているいわゆるサブストレート統合導波管（ＳＩＷ）である。ここで、導波管は、壁としての金属でおおわれたビア・ホールを用いてＰＣＢの基盤で作られる。この導波管は、基盤のために、依然として損失をうけ、金属化されたビア・ホールは、製造するのに高価な複雑なものとなる。本願発明が、高周波導波管を提供するために、ビア・ホールと基盤を必ずしも利用するというわけではないが、しかし、他の理由で必要な場合には利用することができる。

最近８〜１０年の間、世界中の研究者が、異常特性を有する人工電磁気材料を合成しようとしてきた。そのような材料は、メタ材料としばしば呼ばれ、電子工学において達成する最も望ましい異常特性の１つは、自然には存在しない磁気伝導性に同等なものである。科学文献に記載された磁気伝導性を実現使用とする最初の概念上の試みは、いわゆる柔らかくて固い表面であった。［非特許文献２］を参照のこと。理想的な柔らかくて固い表面は、今日、ＰＥＣ／ＰＭＣストリップ・グリッドと簡便に記述される。すなわち、平行したストリップのグリッドであって、１つおきにストリップが、交互に、電気的完全導体（ＰＥＣ）と磁気的完全導体（ＰＭＣ）であるものである。［非特許文献３］を参照のこと。ＰＭＣストリップは、事実上４分の１の波長の深さを有する金属グルーブ（ｇｒｏｏｖｅ）によって、あるいは、ストリップとビア・ホールの間の金属化されたビア・ホールを有するグランドされた基盤上の金属ストリップなどの等価な手段によって実現される。ＰＥＣ／ＰＭＣストリップ・グリッドの特性は、異方性境界条件が、任意の分極の波が、ストリップに沿って伝播する（固い表層の場合）のを可能とし、表面に沿って他の方向では、特に、ストリップに直交する方向では波の伝播を止めて（柔らかい表層の場合）、そのようなＰＥＣ／ＰＭＣストリップ・グリッドは、新しいアンテナ・タイプを実現するのに用いることができることである。［特許文献１］を参照のこと。本願発明は、［特許文献１］において予則されなかった高周波導波管を実現するために、柔らかくて固い表面とＰＥＣ／ＰＭＣストリップ・グリッドを用いている。

いわゆる電磁気バンド・ギャップ（ＥＢＧ）表面は、伝搬のすべての方向であること除けば柔らかい表面と同様の仕方で、波の伝播を止めるが、このことは、［非特許文献４］の論文中の科学文献に最初に現れた。Ｋｉｌｄａｌの柔らかい表面とＳｉｅｖｅｎｐｉｐｅｒのＥＢＧ表面の両方とも、表面に沿った波の伝播を止めて、それらは、重要な表面のコンポーネントとしてＰＭＣを含む。Ｓｉｅｖｅｎｐｉｐｅｒの発明は、多くの特許になったが、本願発明は、それらには記載されていない。

柔らかくて固い表面に沿った伝搬特性は、導波管で使われるとき、また、開表面として使われるときの両方において、きわめて良く知られている。例えば、［非特許文献５］および、［非特許文献６］を参照のこと。しかしながら、その研究は、円筒導波管と開表面のそれぞれに限られていた。本願発明は、それよりもローカル伝送ラインをつくり、平行した導体の間の導波管および回路コンポーネントまた、導体間の波の拡張を防ぐために、そして、望ましくない高次モードを隠すために、特別な技術を利用する。

高周波メタ材料導波管を作ろうとする他の試みが行われてきた。例えば、［特許文献２］などに見られる。しかしながら、これも他の関連したソリューションも、メタ材料の中におけるあるいは、その表面における波の伝播を利用するものであり、それらのどちらも、損失と大きな散乱を引き起こす。散乱は、バンド幅が狭くなることを意味する。本願発明は、平行した伝導プレートの間で波の伝播を制御し、［特許文献２］よりも損失を小さくし、非常に大きなバンド幅を持つことができる。

米国特許出願第10/495330号 米国特許第6859114号明細書

J. Hirokawa and M. Ando, "Single-layer feed waveguide consisting of posts for plane TEM wave excitation in parallel plates," IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 46, no. 5, pp. 625-630, May 1998 P. S. Kildal, "Artificially soft and hard surfaces in electromagnetics", IEEE Trans. Antennas Propagat., Vol. 38, No. 10, pp. 1537-1544, Oct. 1990 P. S. Kildal and A. Kishk, "EM Modelling of surfaces with STOP or GO characteristics - artificial magnetic conductors and soft and hard surfaces", Applied Computational Electromagnetics Society Journal, Vol. 18, No. 1, pp. 32-40, March 2003 D. Sievenpiper, L.J. Zhang, R.F.J Broas, N.G. Alexopolous, E. Yablonovitch, "High-impedance electromagnetic surfaces with a forbidden frequency band", IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 47, No.l 1, pp. 2059-2074, November 1999 S. P. Skobelev and P. S. Kildal, "Mode-matching modeling of a hard conical quasi-TEM horn realized by an EBG structure with strips and vias", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 53, no. 1, pp. 139-143, Jan 2005 Z. Sipus, H. Merkel and P. S. Kildal, "Green's functions for planar soft and hard surfaces derived by asymptotic boundary conditions", IEE Proceedings Part H, Vol. 144, No. 5, pp. 321-328, Oct., 1997

本願発明の目的は、例えば、伝送ライン、導波管、そして、伝送ライン、そして、一般的に３０ＧＨｚを越える周波数の導波回路のようなマイクロ波デバイスを設計するときに、抵抗損と製造容易性に関する問題を解消するか、少なくとも著しく減らすことである。しかし、それらに限られるわけではない。しかし、本願発明は、また、より低い周波数における使用においてもまた、有利であり得る。

本願において、「マイクロ波デバイス」という用語は、電磁波を送信し、伝送し、導波し、伝搬を制御することが可能なデバイスと構造のいずれかを意味するように用いられる。特に、デバイスまたはメカニカルの詳細が例えば導波管、伝送ライン、導波回路または伝送ライン回路の波長と同じ大きさであるような高周波におけるものである。以下では、本願発明を、例えば導波管、伝送ライン、導波回路または伝送ライン回路などの種々の実施形態に関連して論じる。しかしながら、当業者は、これらの実施形態のいずれかに関連して論じられる特定の有利な特徴および効果は、他の実施形態にも適用できることを理解する。

本願発明は、周波数があまりに高く、既存の伝送ラインと導波管の損失が大きすぎる、あるいは、要求された許容範囲で、コスト的に効率よく製造することができないときに有利である電磁伝送ライン、導波管及びそれらの回路を実現する新しい方法を提供する。したがって、新技術は、同軸線路、中空円筒導波管や、マイクロ・ストリップ・ライン、高周波における他の基盤拘束伝送ラインに代わることを意図するものである。新しい伝送ライン、導波管やそれらの回路は、表面のうちの１つのテクスチャーまたは多層構造を用いて、伝導材料の２つの平行表面の間の狭いギャップに実現される。電界は、主にギャップの中に存在し、テクスチャーまたはレイヤ構造そのものには存在せず、それで損失は小さい。導波管は、表面と金属リッジ（ｒｉｄｇｅ）（リッジ・ギャップ導波管）のうちのも１つ、または他の表面のグルーブ（グルーブ・ギャップ導波管）により規定される。また、伝送ラインは、表面のうちの１つと２つの表面（マイクロ・ストリップ・ギャップ線）の間のギャップに位置する金属ストリップによって定義される。波は、リッジ、グルーブとストリップのそれぞれに沿って伝播する。２つの金属面の金属接続は必要ではない。表面のうちの少なくとも１つは、波が例えば、金属面自体のテクスチャーまたは構造、もしくは多層構造の周期的な金属層を用いて、リッジ、グルーブとストリップに沿って以外の方向に伝播するのを禁ずる手段を備えている。テクスチャーまたは構造は、しばしば周期的であるか、準周期的であり、人工磁性導体（ＡＭＣ）、電磁気バンド・ギャップ（ＥＢＧ）表面または柔らかい表面として巨視的に動作するように波と相互に作用するようにできている。ソリッドな金属壁が、２つの金属面のうちの少なくとも１つの縁に沿って存在することができる。この壁を、表面をそれら間のはっきり規定された小さなギャップを有する互いに対して安定位置に保つために使うことができる。この壁は、パフォーマンスに影響を及ぼすことなく、回路の極めて近くに位置することができる。また、それは、アクティブ集積回路の集積化に対する良いパッケージ・ソリューションを提供する。非常に高い周波数において、ギャップ導波管とギャップ・ラインは、ＩＣパッケージの中、あるいは、チップ自体の中に実現することができる。

本願発明の基本的幾何形状は、２つの平行伝導表面を備える。これらの表面は、２つの金属バルクの表面であり得るが、それらは、金属被覆された表面を有する他のタイプの材料でできていることもあり得る。それらは、また、導電率が良い他の材料でできていることもあり得る。２つの表面は平面または曲面であるえるが、どちらの場合にのみ、それらは、非常に小さな距離、ギャップによって離されており、伝送ライン回路および導波回路は、その２つの表面の間のこのギャップの内部に形成される。そのギャップは、典型的には空気で満たされているが、それは、完全に、または、部分的に誘電体で満たされることもあり得る。そのサイズは、典型的には、実効的に０．２５波長未満である。特定のギャップ高さにある他の表面の上に想定する１つの表面の高さをギャップ・サイズと称する。

表面の１つ（少なくとも１つ）は、例えば、ＰＭＣ面、ＥＢＧ面またはＰＥＣ／ＰＭＣストリップ・グリッドなどを実現するために使用されるテクスチャーあるいは薄い多層構造を備えている。多層構造とは、例えば、金属グランド平面と誘電体基板のような少なくとも２層を意味する。このテクスチャーまたは多層構造によって、特定のパスをたどるように、ギャップの中の伝送ラインまたは導波管として、つまり、ギャップ伝送ラインとギャップ導波管として見えるように、２つの表面の間のギャップにおける波の伝播を制御することが可能である。異なる長さ、方向、特性インピーダンスのギャップ導波管を一緒に接続することにより、また、平行したギャップ導波管（または伝送ライン）の間でのカップリングを制御することによって、そのような回路が従来のマイクロ・ストリップ・ラインと円筒導波管で実現されるのと同様の方法で、２つの平行伝導表面の間の導波管（または伝送ライン）コンポーネントと完全な導波管（または伝送ライン）回路を実現することが可能である。

本願発明による伝送ラインまたは導波管には、主に３つの異なる形式があり得る。
ａ） リッジ・ギャップ導波管
ｂ） マイクロ・ストリップ・ギャップ・ライン
ｃ） グルーブ・ギャップ導波管
である。

ギャップ導波管またはギャップ・ラインの単純化した標準的な幾何形状は、特定のギャップ高さにおけるＰＭＣ面と平行なＰＥＣ表面である。ここで、
ａ） リッジ・ケースに対して、それ以外では完全に磁性伝導ＰＭＣ面におけるＰＥＣのトレースまたはラインが存在する。また、
ｂ） マイクロ・ストリップ・ケースに対して、ＰＥＣのラインが、２つの表面の間のギャップ内部に存在する。また、
ｃ） グルーブ・ケースに対して、ＰＥＣ面にグルーブが存在する。

最初の２つのケースのＰＥＣリッジとラインは、両方を通常のマイクロ・ストリップ・ラインと同様にする。すなわち、空気の領域が、ＰＭＣ面（マイクロ・ストリップ・ギャップ・ライン・ケース）に置き換わる。または、少なくとも、基盤と直接接している空気の領域の部分（リッジ・ケース）が置き換わる。基盤が、マイクロ・ストリップ・ギャップ・ラインにおいて、通常は空気で満たされるギャップを埋める。したがって、ＰＭＣ面は、リッジ・ギャップ導波管とマイクロ・ストリップ・ギャップ・ラインの両方で空気インタフェースの役割を演ずる。それによって、マイクロ・ストリップ・ラインに適用する伝送ライン方程式の多くが、また、良い近似としてリッジ・ギャップ導波管とマイクロ・ストリップ・ギャップ・ラインの両方に適用される。ギャップ導波管とラインの特性インピーダンスは、したがって、概略次式によって与えられる。

ここで、Ｚ０は、空気中（またはギャップ領域を満たしている誘電体中）の波動インピーダンスであり、ｗは幅であり、ｈは、ＰＥＣ表面からのＰＥＣトレースまたはラインの距離である。この単純化した理論は、ＰＭＣ表面の実現がＰＭＣとして動作するバンド幅に対して有効である。金属導体は、大部分ケースにおいて、広い周波数帯の上のＰＥＣへの良い近似である。

リッジ・ギャップ導波管とマイクロ・ストリップ・ギャップ・ラインは、いわゆるサスペンデッド・マイクロ・ストリップ・ラインあるいは逆マイクロ・ストリップ・ラインとより多くの共通点を持ち、マイクロ・ストリップ・ラインは、グランド面の片側からの距離ｈにおいて、マイクロ・ストリップ・ラインの反対側の誘電体基板を用いてサスペンドする。その基盤は、スペーサを囲むことによって金属ストリップと金属グランド面の間に空気ギャップが存在するように固定される。例えば、［非特許文献７］を参照。逆マイクロ・ストリップ・ラインにおいて、波は、ギャップ・マイクロ・ストリップ・ライン中と同じように伝導ストリップとグランド面との間の空気ギャップ中を伝播する。違いは、マイクロ・ストリップ・ギャップ・ラインは、伝導ストリップの反対側に、別のグランド面を持っており、この付加グランド面は、２つのグランド面の間および伝導ラインと特別にテクスチャーのある、あるいは層をなしたグランド面の間で伝播する、望ましくないモードを禁止するテクスチャーまたは多層構造を備えていることである。そのような波は、さもなければ共振と他の問題を生じさせる望ましくないモードのために、高周波回路を実現することを不可能にする。

リッジ・ギャップ導波管には、また、通常のリッジ導波管との類似点がある。これは、例えば、［非特許文献８］に記載されている。違いは、金属側壁は、ギャップ導波管において取り除かれ、電界は、開口部を通して漏れるのを禁じられることである。なぜなら、平行したＰＭＣとＰＥＣ表面の間で伝播している基本モードがカットオフを下回り、したがって、２つの表面の間のギャップの高さが、０．２５波長未満のであるときに伝播しないからである。

ギャップ導波管の基本理論は、非常に単純である。対向する表面がスムーズな導体であるならば、その表面に対して直角の電界を有するＴＥＭ波は、ギャップのどんなサイズに対しても、それらの間で伝播することができる。これらの波は、表面が広いならば、すべての方向に伝播することができる。そして、それらは表面の縁から反射され、表面は開放されていても壁で閉じていてもよい。ギャップの中をあちこちに跳ね返り、多くの制御できない共振をつくる。縁が開いているとき、望ましくない放射により電力の顕著な損失も存在する。そのような共振は、スムーズな平行導体を実際に高周波の伝送ラインとしての使用することを不可能にする。本発明の目的は、テクスチャーまたは多層構造による表面のうちの少なくとも１つを提供することである。その両方とも好適には、波がギャップ中を単一モードとして制御された望ましい方向に導かれるように設計されなければならない。

発明は、マクスウェルの方程式から導出できる以下の理論的な事実に基づく
ａ） 波は、ギャップ高さが０．２５波長未満であるならばＰＥＣとＰＭＣの間のギャップの中のどの方向にでも伝播することができない。
ｂ） 波は、ギャップ高さがバンド・ギャップ面の幾何形状に依存する特定の高さより小さいならばＰＥＣとＥＢＧ面の間でどの方向にでも伝播することができない。この高さは、同様に、０．２５波長より通常小さい。
ｃ） ＰＥＣ／ＰＭＣストリップ・グリッド面とＰＥＣ間のギャップ中の波は、ＰＥＣストリップの方向に従うことができるだけである。他の方向の波は、高さが０．２５波長より少ない場合、非常に減衰する。

本願発明による、表面の間の波の伝播を止めることができる他のタイプの表面もまた存在する。そして、それらもまた一般用語「波停止表面」と呼ぶ。

上記の理論的な事実を使って、ギャップ導波管とギャップ・ラインを設計することができ、それから、低周波数の円筒導波管やマイクロ・ストリップ・ラインの回路やコンポーネントを設計するときに一般に用いられる同様のアプローチと実行法を利用することによって導波管とラインを一緒にして回路とコンポーネントにすることができる。

ギャップ導波管／ラインの第３のタイプは、グルーブ・ギャップ導波管である。これは、伝導表面のうちの１つ上のテクスチャーまたは階層構造と対向する伝導表面のグルーブとの間に形成される。それは、１つの壁は、空気ギャップとテクスチャーまたは多層構造とに置き換わったことを除いて標準的な長方形の金属導波管に似ている。グルーブと対向する表面の壁の間には金属接触は無く、電界は、上でリッジ・ギャップ導波管とマイクロ・ストリップ・ギャップ・ラインに対して記述したのと同じように、テクスチャーまたは多層構造による２つの表面の間のギャップ領域にスロットを通して漏れるのを禁じられる。対向する上部表面は、それが導波管壁として動作するか、あるいは、そこのＰＥＣである領域においてテクスチャーも含むことができる。テクスチャーまたは多層構造は、グルーブが存在する同じ表面で代替的に提供することができる。そして、そのグルーブは、代替的に２つの表面のうちの１つではなく、その両方に広がることができる。

本願発明による２つの対向する表面は、その性能に影響を及ぼすことなく、ギャップ回路からある距離において互いに金属接続を持つもとができることは、重要な事実である。これは、表面のうちの１つは、ギャップ高さが、至る所で明確に規定されるように他の表面にサポート提供するそのまわりのソリッドな金属壁で作ることができるので、メカニカルな優位点である。それによって、ギャップ導波管／ライン回路全体が、金属によって完全にカプセル化されることができ、外部回路と環境に強いシールドを提供する。

本願発明による表面のうちの少なくとも１つの上のテクスチャーまたは多層構造は、２つの表面の間で望ましくない方向に伝播している波に対してカットオフ条件を実現するのに用いられる。このテクスチャーはＰＥＣ／ＰＭＣストリップ・グリッドまたは電磁気バンド・ギャップ（ＥＢＧ）表面をＰＭＣにできる限り近接して実現するのに使用することができる。ギャップ高さが０．２５波長未満であるならばＰＭＣは、平行した導体と共にカットオフ条件を提供することができる。ＥＢＧ面ＰＥＣ／ＰＭＣ表面は、場合によっては０．５の波長までのカットオフをつくることができるが、その条件は分極依存である（また、ＰＥＣ／ＰＭＣストリップ・ケースに対しては方向依存である）。上に挙げた科学文献は、これらのタイプの表面を実現する、上記した名前の下で述べた、あるいは他名前の多くの方法を記載する。そのような名前の例は、波形表面、ハイインピーダンス表面、人工磁性導体（ＡＭＣ）、電磁結晶（ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ）の表面、および、フォトニック・バンド・ギャップ表面である、しかしながら、この文献は、本願発明のギャップ導波管とギャップ・ラインを生成するためのそのような表面の使用を記載していない。したがって、そのような以前から知られている実施形態が、２つの表面の間の波の伝播を制御するために対向する表面と共に使われる場合には、すべて新規なものである。

ミリメートルおよびミリメートル未満の波領域において最も単純で有用であると期待される発明の実現は、金属ポスト表面と波形表面である。金属ポストは、釘のベッドのように見え、１つの周波数においてＰＭＣに近く動作する。金属ポストと波形は、ミリングまたはエッチングによって金属面に簡単に製造することができる。

もう一つの重要な実現は、本願発明による多層構造である。例えば、
Ａ．互いの上に位置する多くの回路基板、
Ｂ．互いの上に置かれる、異なる薄い物質層、
Ｃ．基盤にドーピングされる異なる層、
Ｄ．アクティブおよびパッシブな電子部品がすでに製造される方法に整合した他の方法、
である。

本願発明による波停止表面だけでなく金属面は、したがって、そのような多層構造の特定の層として実現することができる。

提供されたテクスチャーと多層構造は、２つの表面の間に形成されるキャビティ中の可能性がある共鳴を非常に減少する。そしてそれはさもなければ、例えばマイクロ・ストリップ回路を封入するとき、大きな問題である。これの理由は、そのテクスチャーまたは多層構造は、望ましくない波の伝播を禁止し、それによって望ましくないキャビティ・モードを禁止することである。これは、ギャップ導波回路の作動の周波数帯の範囲内のみで、真であるが、共鳴が問題を起こすことが予測できるような選択された他の周波数においてさえも波を止めるようにテクスチャーと多層構造を設計することによって他の周波数帯まで広げることができる。

上記から本願発明によるギャップ導波管回路とギャップ・ライン回路は、金属エンクロージャ内部に位置することができることが明らかである。底部または上部壁または両方が、ギャップ回路を実現するのに用いられるテクスチャーまたは多層構造を含む。この金属エンクロージャまたは多層構造自体は、例えば、電力発生（すなわち電力増幅器）のために、または、低ノイズ受信（すなわち低ノイズ増幅器、ＬＮＡとも呼ぶ）アクティブ集積回路（ＩＣ）を有するチップをも含むように容易に設計することができる。アクティブ集積部品とギャップ・ガイド／ライン回路の間の接続を確立する多くの方法が考えられる。
Ｉ．ＩＣまたはパッケージされていないチップさえもギャップ導波管の外側に搭載することができる。そして、ＩＣのリードは、例えば、金属層にスルーホールを通して貫通し、下にあるギャップ導波管へのプローブとして動作して、それによって、外部回路とギャップ導波管回路間の接続を提供する脚を備えたソケットにフィットすることができる。これは、ギャップ導波管のスムーズな導電層の外部側で最も容易に行うことができる。
II．ＩＣまたはパッケージされていないチップでさえも、ギャップ導波管の内部側に固定することができる。これは、テクスチャー表面が多層構造である場合、特に便利である。
III ．多層構造自体は、ギャップ導波回路の内部領域と外部領域を分離する金属層をも含むことができる。その場合、ＩＣは、金属層の内側または外側のいずれか、それによってギャップの内側または外側の多層構造に接着するか統合することができる。
IV．ＩＣパッケージ自体は、多層構造でもあり得る。そしてそれはＩＣパッケージ自体の中にギャップ導波回路を非常に高い周波数においてインプリメントすることを可能とする。
Ｖ．チップは一種の多層構造でもあり、あるいは、そのように作ることができる。したがって、サブミリ波周波数において、チップ自体にギャップ導波回路をインプリメントすることさえ可能である。

本願発明による、金属表面の間でリッジ・ギャップ導波管を用いて実現されるコンポーネントの実施例の概略図を示す。上部の金属表面は、下部表面上のテクスチャーを明らかにするために持ち上げられた位置で示される。 図１の実施例の上部表面が搭載されたときのプローブの位置における、断面図を示す。図は、断面図の近傍における幾何形状だけを示す。 別の位置における、本願発明によるミクロ・ストリップ・ギャップ・ラインを用いた別の実施形態に対する実施例の同じ断面図を示す。図は、断面図の近傍における幾何形状だけを示す。 本願発明によるギャップ・ラインと導波管の断面図を示す。ラインの極近傍だけを示す。 本願発明によるギャップ・ラインと導波管の断面図を示す。 本願発明によるギャップ・ラインと導波管の断面図を示す。 図１中の実施例に対応するが、テクスチャーの別の実現を有する本願発明による表面における可能なテクスチャーのレイアウトを示す。 本願発明によるギャップ・ラインと導波管の断面図を示す。 本願発明によるギャップ・ラインと導波管の断面図を示す。 本願発明によるリッジ・ギャップ導波管における９０度の曲がり角の入力ラインに沿った断面を示す。断面図（１０ａおよび１１ａ）中のものと、斜視図（１０ｂおよび１１ｂ）中のものの両方である。 本願発明によるリッジ・ギャップ導波管における９０度の曲がり角の入力ラインに沿った断面を示す。断面図（１０ａおよび１１ａ）中のものと、斜視図（１０ｂおよび１１ｂ）中のものの両方である。 図１中の実施例に対応するが、テクスチャーの別の実現を有する本願発明による表面における可能なテクスチャーのレイアウトを示す。 図１中の実施例に対応するが、テクスチャーの別の実現を有する本願発明による表面における可能なテクスチャーのレイアウトを示す。 本願発明によるギャップ・ラインと導波管の断面図を示す。 本願発明によるギャップ・ラインと導波管の断面図を示す。 本願発明によるギャップ・ラインと導波管の断面図を示す。

図１は、本願発明の実施形態であるコンポーネントの実施例として、２ウェイ電力分割器またはコンバイナを示す。上部２と下部１の導電表面を提供する２つの金属部分が存在する。上部表面はスムーズであるが、テクスチャーが現れるように、下部表面は機械加工される。テクスチャーは、上部表面を搭載することができる周囲の縁３および、縁より低いところの領域示す。それによって、上部表面が搭載されたときの上部面と下部面の間のギャップ４を提供する。金属リッジ５は、２つのアーム分岐を形成し、リッジのまわりに、リッジ５に沿った望ましい波を除いて下部表面と上部表面との間を伝播するすべての波に対してカットオフ条件を提供する金属ポスト６が存在する。ポストは、動作周波数帯域内でＰＭＣと同様に働く。下部の金属部分の金属縁３にそれを固定するのに用いられる上部の金属部分にネジ穴８が存在し、この縁にマッチング・ネジ穴７が存在する。

図２は、プローブ９の位置での断面図を示し、それは表面８の外側で同軸コネクタに接続している。したがって、そのプローブは、ギャップ領域の外側への接続を提供するが、これは、多くの異なる方法で行うこともできる。ギャップ４は、空気で満たされているが、それは、誘電性材料で、完全に、または、部分的に満たすこともできる。

図３と４は、図１と同じ電力分割器実施例を示すが、金属ポスト６が、全ギャップ４のもとで使用される。金属ストリップ５は、ミクロ・ストリップ・ギャップ・ラインを形成する。ポスト６の上に位置する薄い基板層１０でサポートされる。ポスト間のスペース１１は、空気で満たされる。金属ストリップは、それ自体と上部の金属表面の間の波をサポートすることができる。

図５は、ミクロ・ストリップ・ギャップ・ラインの図３と４のそれと同様の実施形態を示す。ただし、金属ポスト６は、金属パッチ１２の形でＥＢＧ表面と置き換えられている。図７で示すように、これらは下部表面に沿って２つの方向で周期パターンをつくり、各々のパッチは、グランド面１への金属接続を金属化されたビア・ホール１３（また単にビアと呼ばれる）の形で備えている。このビア・ホールは、ＥＢＧ表面をより広いバンド幅で動作するようにする。

図６と図７の実施形態は、図６はリッジ・ギャップ導波管を示すものであるが、図５のそれに、非常に似ている。ミクロ・ストリップ・ライン５は、近くに位置する金属化されたビア・ホール１３のラインによりグランド面１に、リッジ・ギャップ導波管のように動作するようにショートしている。

標準的なリッジ・ギャップ導波管が、図８と図９で示される。図８において、リッジ５は、リッジ・ガイド自体から発する波を本願発明による、カットオフ条件を波に提供することによって停止するテクスチャー表面１４によって囲まれている。この表面１４は、例えば、ＥＢＧ表面またはＰＭＣの実現であり得る。上部金属表面２とリッジ５間の概略の電界ラインが示される。図９において、波の伝播を止める表面が、ＰＭＣとして示されており、数学的波停止条件が示される。

図１０と図１１は、波停止表面１４は、まっすぐに前に伝播し続けることから波が９０度曲がり角に接近するのを止めるためにどのように位置するかを示す。この波は、伝搬方向を指す波形の矢印として示される。矢印の長さは、異なる波の振幅を示す。接近している波は、その代わりに反射されるか（望ましくない）か、左へ曲がる（望ましい）ことができる。波の望ましいターンは、示される曲がり角の角を適切にカットすることによって達成できる。

図１１は、ＰＥＣ／ＰＭＣストリップ・グリッドとして標準形式で停止面１４を示す。暗く模様をつけた領域はＰＭＣの実現であり、明るい領域は、ＰＥＣである。ＰＥＣ／ＰＭＣストリップは、まっすぐな順方向における波の伝播を非常に効率的に止める。

図１２は、図１における実施例の可能な異なる実施形態を示す。ここで、リッジ１５とグルーブ１６が、波は、リッジ・ガイド自体から、望ましくない方向に沿って伝播しないことを確かにするために、ポスト６に加えて用いられる。

図１３は、図１と同じ実施例を示すが、吸収物質１７の部分が２つの出力ポート１８、１９の間に存在する。これは、適切に設計された場合には、実施例を分離した出力もつように動作させる。

図１４、図１５と図１６は、異なるグルーブ・ギャップ導波管を示すが、それは、上部表面に存在することもできる。あるいは、２つの対向するグルーブが、両方の表面に存在できる。グルーブ２０は、下部表面に提供される。そのグルーブは、上部表面からグルーブの底までの距離が、典型的には図１４では０．５波長、図１５では０．２５波長より大きいものであるとして、図１４と図１５における水平偏波をサポートする。図１６の中のグルーブは、グルーブの幅が０．５波長より大きいとき垂直偏波をサポートする。図１４と図１５のグルーブの幅は、０．５波長より好ましくは狭くなければならず、図１６の中のグルーブの底から上部表面までの距離は、好適には０．５波長より小さくなければならない（ギャップ・サイズに依存してさらにより小さいかもしれない）。両方とも単一モード伝搬を確実にするためである。図１４と図１６の下部表面と、図１５の上部表面は、波停止面１４を備えている。波停止面は、波がグルーブ２０から漏れるのを防ぐどんな実現でも有することができる。

本発明は、ここで示される実施形態に限られていない。特に、本発明は、ＩＣのパッケージ内部に、または、ＩＣチップの複数の層に位置することができる。また、導電表面のうちの少なくとも１つが、貫通プローブ、アパーチャ、スロットまたは、それを通して波が放射され、外部回路に結合される同様の要素を備えることができる。

Claims (33)

1. 間に狭いギャップを形成するように配置された伝導材料の２つの対向する表面を備える導波管、伝送ライン、導波回路または伝送ライン回路等のマイクロ波デバイスであって、
   該表面のうちの少なくとも１つが、少なくとも１つの伝導要素を備えており、該少なくとも１つの伝導要素は、該表面に提供される伝導リッジ、該表面に提供される伝導壁を有するグルーブ、該表面の多層構造中に配置された伝導ストリップ、のうちの少なくとも１つであって、前記表面のうちの少なくとも１つに、少なくとも動作周波数において、前記リッジ、グルーブあるいはストリップに沿っている以外の前記ギャップ内の方向における波の伝播を止める手段が提供され、
   前記２つの表面が、導波を有する前記領域の外に、ある距離において前記ギャップの端部を規定する機械式構造による堅さのために一緒につながっている、マイクロ波デバイス。
2. 前記マイクロ波デバイスは、導波管または導波回路を形成し、
   前記少なくとも１つの伝導要素が、前記表面のうちの１つに提供される少なくとも１つの伝導リッジを含み、
   該伝導リッジの各々に沿って、単一モード波が前記ギャップ内でガイドされる、請求項１に記載のマイクロ波デバイス。
3. 前記マイクロ波デバイスは、導波管または導波回路を形成し、
   前記少なくとも１つの伝導要素は、前記表面のうちの少なくとも１つに提供される伝導壁を有する少なくとも１つのグルーブを含み、
   該グルーブの各々に沿って、単一モード波がガイドされる、請求項１に記載のマイクロ波デバイス。
4. 前記マイクロ波デバイスは、伝送ラインまたは伝送ライン回路を形成し、
   前記表面のうちの少なくとも１つは、多層構造を備えており、
   前記少なくとも１つの伝導要素は、前記多層構造上に配置された少なくとも１つの伝導ストリップを含み、
   該伝導ストリップの各々に沿って、単一モード波が前記ギャップ内でガイドされる、請求項１に記載のマイクロ波デバイス。
5. ２つの対立する表面のうちの１つの少なくとも一部は、少なくとも動作周波数において、前記グルーブとリッジによって規定されている以外の前記ギャップ内の方向における波の伝播を止めるように配置されている伝導要素を含む多層構造を備えている、請求項２ないし請求項４の１項に記載のマイクロ波デバイス。
6. 表面のうちの１つの少なくとも部分に、少なくとも動作周波数において、請求項１ないし５のいずれか１項において定義された前記リッジ、グルーブまたはストリップによって規定される望ましい方向以外で前記ギャップの内部で波の伝播を止めるように設計されているテクスチャーを備えている、請求項１ないし５のいずれか１項に記載のマイクロ波デバイス。
7. 伝導表面のうちの１つは、滑らかである、請求項１ないし６のいずれか１項に記載のマイクロ波デバイス。
8. 前記ギャップは、誘電性材料で少なくとも部分的に満たされる、請求項１ないし７のいずれか１項に記載のマイクロ波デバイス。
9. 前記ギャップは、空気、ガスまたは真空で満たされる、請求項１ないし８のいずれか１項に記載のマイクロ波デバイス。
10. 前記機械的構造は、前記表面のうちの１つを規定する前記伝導材料のうちの少なくとも１つの部分である、請求項１ないし９のいずれか１項に記載のマイクロ波デバイス。
11. 前記２つの表面の少なくとも部分は前記リッジ、グルーブおよびテクスチャーにより提供される微細構造を除いて平面である、請求項１ないし１０のいずれか１項に記載のマイクロ波デバイス。
12. 前記２つの表面の少なくとも部分は、それらの間のギャップが非常に小さく保たれるので前記ギャップ内部において好ましくない方向での波の伝播が止められ、それらが強くカーブしている場合には、細いワイヤ、鋭いエッジ、くさび、あるいは同様のものの制限において、内側表面は減少するように、同様にカーブしている、請求項１ないし１１のいずれか１項に記載のマイクロ波デバイス。
13. 前記表面のうちの少なくとも１つの少なくとも部分は、滑らかな伝導表面から立ち上がっている、伝導材料に近接して位置するポストを備えている、請求項１ないし１２のいずれか１項に記載のマイクロ波デバイス。
14. 前記表面のうちの少なくとも１つの少なくとも部分は、少なくとも動作周波数において、特定の方向において非常に強く波の伝播を止めるように設計されたグルーブ、リッジまたは、ひだ、の１つ以上を備えている、請求項１ないし１３のいずれか１項に記載のマイクロ波デバイス。
15. 前記多層構造の前記伝導要素の少なくともいくつかは、金属パッチまたは金属ストリップである請求項１ないし１４のいずれか１項に記載のマイクロ波デバイス。
16. １つの層の少なくとも部分は、アンテナとして働く、あるいは、前記内部のギャップ導波回路を前記２つの対向する材料表面の外側の回路に接続するための穴を提供する、可能な小さなアパーチャを除いて完全な金属層である、請求項１ないし１５のいずれか１項に記載のマイクロ波デバイス。
17. 前記多層構造の層のうちの２つ以上の間に、金属でおおわれたビアホールが存在する、請求項１ないし１６のいずれか１項に記載のマイクロ波デバイス。
18. 波の伝播を止めるように設計された前記多層構造における前記金属要素の少なくともいくつかは、少なくとも動作周波数において、電磁気バンド・ギャップ表面の実現である、請求項１ないし１７のいずれか１項に記載のマイクロ波デバイス。
19. 波の伝播を止めるように設計された前記多層構造における前記金属要素の少なくともいくつかは、ハイインピーダンス表面であり、また、人工磁性導体と呼ばれ、少なくとも動作周波数において、完全な磁性導体の実現を試みられたものである、請求項１ないし１８のいずれか１項に記載のマイクロ波デバイス。
20. 波の伝播を止める金属要素の少なくともいくつかは、ストリップ・グリッドであり、
    すべての第２のストリップは、完全な導体であり、
    完全な磁性導体の実現が、それぞれ、少なくとも動作周波数において、前記ストリップに対して直角の方向において非常に強く波の伝播を止める、請求項１ないし１９のいずれか１項に記載のマイクロ波デバイス。
21. 前記ギャップ領域は、集積回路を含む、請求項１ないし２０のいずれか１項に記載のマイクロ波デバイス。
22. 前記２つの対向する表面とその間のギャップは、ＩＣパッケージ内に位置する、請求項１ないし２１のいずれか１項に記載のマイクロ波デバイス。
23. 前記２つの対向する表面とその間のギャップは、ＩＣチップ上の多層構造に位置する、請求項１ないし２１のいずれか１項に記載のマイクロ波デバイス。
24. 間に狭いギャップを形成するように配置された伝導材料の２つの対向する表面を備える導波管、伝送ライン、導波回路または伝送ライン回路のようなマイクロ波デバイスであって、
    前記表面のうちの少なくとも１つに、少なくとも１つの伝導要素が提供され、
    該少なくとも１つの伝導要素は、伝導ストリップであり、前記２つの対向する表面の他方と電気接触しておらず、
    前記伝導要素の各々に沿って、単一モード波が、前記ギャップ内でガイドされ、
    前記表面のうちの少なくとも１つに、少なくとも動作周波数において、前記ギャップ内の他の方向において、波の伝播を止める手段が提供され、
    前記２つの表面のうちの少なくとも1つは、アンテナとして動作する、または、内部のギャップ導波回路を前記２つの対向する材料表面の外側の回路に接続するための穴を提供する、小さいアパーチャを備える、マイクロ波デバイス。
25. マイクロ波デバイスは、伝送ラインまたは伝送線回路を形成し、
    前記表面のうちの少なくとも1つに、多層構造が提供され、
    前記少なくとも1つの伝導要素は、該伝導ストリップの各々に沿って、単一モード波が前記ギャップ内でガイドされる、前記多層構造上に配置された少なくとも1つの伝導ストリップを含む、請求項２４に記載のマイクロ波デバイス。
26. 前記表面のうちの少なくとも1つの少なくとも部分は、前記対向する表面の少なくとも１つから立ち上がる、伝導材料の近接して位置するポストを備えている、請求項２４に記載のマイクロ波デバイス。
27. 間に狭いギャップを形成するように配置された伝導材料の2つの対向する表面と、
    前記2つの対向する表面の間に配置された薄い基板層であって、該基板層は少なくとも1つの伝導要素を備えており、該少なくとも1つの伝導要素は、伝導ストリップである、基板層と、
    前記表面のうちの少なくとも1つに、少なくとも動作周波数において、前記伝導要素に沿ってよりも、前記ギャップ内の他の方向では波の伝播を止める手段が提供される、を備える、導波管、伝送ライン、導波回路または伝送線回路などのマイクロ波デバイスであって、
    前記薄い基板層は、前記伝播を止める手段の上部に配置され、
    前記伝導ストリップは、前記薄い基板層の反対側に配置される、マイクロ波デバイス。
28. 前記ギャップ内において波の伝播を止める前記手段は、滑らかな伝導表面から立ち上がっている、伝導材料の近接して位置されるポストを備える、請求項２７に記載のマイクロ波装置。
29. 前記ギャップ内において波の伝播を止める前記手段は、前記ギャップの全体にわたって伸びている、請求項２７に記載のマイクロ波装置。
30. 間に狭いギャップを形成するように配置された伝導材料の2つの対向する表面を備える、導波管、伝送ライン、導波回路または伝送線回路などのマイクロ波デバイスであって、
    前記表面のうちの少なくとも1つに、少なくとも1つの伝導要素が提供され、
    前記少なくとも1つの伝導要素は、伝導尾根、伝導壁を有する溝、および、伝導ストリップのうちの少なくとも１つであり、
    複数の金属化されたビアホールが、前記対向する表面の少なくとも1つの上の層を通して配置され、
    前記金属化されたビアホールは、前記表面と金属接続しており、これにより、前記金属化されたビアホールは、少なくとも動作周波数において、前記伝導要素に沿ってよりも、前記ギャップ内の他の方向では波の伝播を止める、マイクロ波デバイス。
31. 前記金属化されたビアホールは、さらに、金属パッチに接続している、請求項３０に記載のマイクロ波装置。
32. 前記伝導要素は、伝導尾根であり、
    伝導ストリップによって実現された前記尾根は、前記金属化されたビアホールのいくつかを介して、前記対向する表面の１つに接続している、請求項30に記載のマイクロ波装置。
33. 前記伝導要素は、伝導ストリップであり、
    前記伝導要素は、前記2つの対向する表面の間であって、前記金属化されたビアホールの上部に配置される、薄い基板層上に提供される、請求項３０に記載のマイクロ波装置。

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