JP5981466B2 - 平面伝送線路導波管変換器 - Google Patents

Description

本発明は、平面伝送線路を伝搬する電磁波の伝搬モードと、導波管内部を伝搬する電磁波の伝搬モードとを相互に変換する平面伝送線路導波管変換器に関するものである。

従来から、例えばミリ波レーダ用アンテナ等の導波管給電方式の平面アンテナを実現するため、平面伝送線路を伝搬する電磁波の伝搬モードを、導波管内部を伝搬する電磁波の伝搬モードに変換する平面伝送線路導波管変換器が用いられている。平面伝送線路導波管変換器の具体例として、特許文献１には、多層基板表面に設けられた導波管プローブパターンと、導波管空洞部の周辺に十分に狭い間隔で形成されたスルーホールと、を有するマイクロストリップ線路−導波管変換器が記載されている。

特許文献１に記載されたマイクロストリップ線路−導波管変換器では、導波管プローブパターン周辺の導波管の管壁に相当する位置に、貫通スルーホールを多数形成している。具体的に、スルーホールは、高周波信号の波長に対して十分に狭い間隔で形成され、導波管内部から、高周波基板以外の多層基板へ、電磁波が漏えいすることを抑制している。

また、特許文献１に記載されたマイクロストリップ線路−導波管変換器では、マイクロストリップ線路の周囲にも、同様なスルーホール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を上側筐体のシールド溝とともに保護・シールドし、マイクロストリップ線路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（特許文献２の段落０００４参照）。

また、特許文献３には、導波管のＨ面の中央の位置でＨ面に垂直な面により２分割された第１及び第２の導波管本体部が、プリント基板を保持した状態で接合されている導波管マイクロストリップ変換器が記載されている。

特開２００４−３２０４６０号公報 特開２０１１−１２０１５５号公報 特開２００３−３１８６１３号公報

特許文献１に記載されたマイクロストリップ線路−導波管変換器では、波長に対して十分に狭い間隔でスルーホールを設置しても、加工の制約上、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では、電波がスルーホール間を通り抜けて多層基板内部に漏れだしてしまうという問題がある。また、特許文献３に記載された導波管マイクロストリップ変換器では、多層基板をプリント基板として用いた場合、導波管と基板側面の隙間を通じて、電磁波が多層基板内部に周りこんでしまうという問題がある。つまり、従来の平面伝送線路導波管変換器では、多層基板内部に漏洩する電磁波の影響によって不要な共振や損失が起きてしてしまうという問題がある。

本発明の目的は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、多層基板内部に漏洩する電磁波の影響を受けることなく、低損失で平面線路を伝搬する信号を導波管に出力することが可能な平面伝送線路導波管変換器を提供することを目的とする。

（第１の態様）
本発明の第１の態様に係る平面伝送線路導波管変換器は、高周波信号を伝搬する平面伝送線路が作製された多層基板と、金属筺体を加工して作製された前記導波管と、を備え、前記平面伝送線路には、前記導波管内部に突出して該導波管内部の電磁界と結合するプローブが形成され、前記多層基板には、前記プローブが突出する方向に沿った側面において、前記プローブから離間して金属薄膜が形成されるとともに、複数のグラウンド層が形成されており、前記金属薄膜は、前記多層基板の前記プローブが突出する方向に沿った側面から該プローブを囲むように前記高周波用基板の表面に亘って一体形成され、該高周波用基板の表面に設けられたスルーホールを介して前記グラウンド層と電気的に接続されていることを特徴とする。

上記第１の態様によれば、例えば、多層基板を導波管に組み付けた時に、金属筐体と多層基板との間に形成される隙間から漏洩する電磁波が、プローブに沿った多層基板の側面に形成された金属薄膜で反射または遮断され、多層基板内部へ漏えいすることがないため、低損失で平面線路を伝搬する信号を導波管に出力することができる。
また、上記第１の態様によれば、多層基板両側面から高周波用基板に亘って形成された金属薄膜が、スルーホールを介して、多層基板に形成されている複数のグラウンド層に物理的につながっているため、スルーホールのグラウンド効果をより強固にし、金属薄膜と複数のグラウンド層により形成される疑似導波管の遮断効果をより強固にすることができる。これにより、多層基板内部に漏えいする信号をより効果的に抑制することができ、低損失で平面線路を伝搬する信号を導波管に出力することができる。

（第２の態様）
本発明の第２の態様に係る平面伝送線路導波管変換器は、前記プローブが、前記導波管のＨ面に対して垂直なＥ面と平行に挿入されていることを特徴とする。

上記第２の態様によれば、プローブがＥ面と平行に挿入されるので、多層基板の基板面と平行に導波管を形成することができる。したがって、上記第２の態様によれば、多層基板の基板面に対して垂直に導波管を形成した場合に比べて、多層基板に実装する回路設計の自由度を高めることができ、結果として、当該変換器の簡易化、小型化を図ることができる。さらに、多層基板の基板面と平行に導波管を形成するため、金属筺体の削りだしの観点から、容易に導波管の形状を加工することができる。

本発明によれば、低損失で平面線路を伝搬する信号を導波管に出力することができる。

本発明が適用された平面伝送線路導波管変換器について説明するための図である。 多層基板の積層構造について説明するための図である 本発明が適用された平面伝送線路導波管変換器の多層基板と、比較例に係る平面伝送線路導波管変換器の多層基板とについて説明するための図である。 本発明が適用された平面伝送線路導波管変換器の断面図について説明するための図である。 本発明が適用された平面伝送線路導波管変換器の電界強度と、比較例に係る平面伝送線路導波管変換器の電界強度とを示す図である。 本実施形態に係るフィルタと比較例に係るフィルタとの周波数特性について説明するための図である。

本発明を実施するための形態（以下、本実施形態という。）について具体例を示して説明する。本実施形態は、平面伝送線路を伝搬する電磁波の伝搬モードと、導波管内部を伝搬する電磁波の伝搬モードとを相互に変換する平面伝送線路導波管変換器に関する。このような平面伝送線路導波管変換器の具体例として、図１に示すような、平面伝送線路導波管変換器１の構成について説明する。

（１）全体構成
図１（Ａ）は平面伝送線路導波管変換器１の概略を示す斜視図である。平面伝送線路導波管変換器１は、図１（Ａ）に示すように、高周波信号を伝搬する平面伝送線路２１が作製された高周波用基板２０と、多層基板２と、金属筺体１０を加工して作製された導波管３とを備える。

図１（Ｂ）及び図１（Ｃ）は、平面伝送線路導波管変換器１を、多層基板２と同一の平面で切断したときに現れる断面形状を示す図である。

導波管３は、図１（Ｂ）に示すように、金属筐体１０の側面１１を削り出すことにより形成された空洞である。具体的には、導波管３は、当該導波管３に発生する電界と平行なＥ面３Ｅと、電界に対して垂直なＨ面３Ｈによって決まる方形形状の導波管である。このような形状からなる導波管３は、後述する平面伝送線路２１を伝搬する高周波信号の伝搬モードを変換して開口３Ｃから外部に放出する送信用アンテナまでの導波路として機能する。あるいは、導波管３は、開口３Ｃから導入した電磁波の伝搬モードを変換して平面伝送線路２１に伝搬する受信用アンテナからの導波路として機能する。

また、金属筐体１０には、例えば図１（Ａ）に示すように、導波管３と平行した位置に多層基板２を設置する基板設置面１２が形成されている。また、金属筐体１０には、基板設置面１２に対して垂直な側面１３の一部に、導波管３内部へ突出した空孔１３ｃが形成されている。

多層基板２は、図１に示すように基板設置面１２に設置される基板である。また、多層基板２は、図２（Ａ）に示すような、誘電体層２ａがグラウンド層２ｂ、２ｃに挟まれたような多層構造を有する。なお、多層基板２は、例えば図２（Ｂ）に示すように、金属層２０１、誘電体層２０２、金属層２０３、誘電体層２０４、金属層２０５、誘電体層２０６、金属層２０７の順に各層を積層した構造、あるいは図２（Ｃ）に示すように、金属層２１１、誘電体層２１２、金属層２１３、誘電体層２１４、金属層２１５の順に各層を積層した構造であってもよい。

また、高周波用基板２０は、図２（Ａ）乃至図２（Ｃ）に示すように多層基板２の表面に配置され、当該高周波用基板２０の表面２０ａに積層された金属層からなる平面伝送線路２１とから構成される。また、平面伝送線路２１には、図１（Ｂ）及び図１（Ｃ）に示すように、金属筐体１０に形成された空孔１３Ｃを介して導波管３内部に突出した位置に配置されるプローブ２２が形成されている。

このような空孔１３ｃを介して導波管３内部に突出した位置にプローブ２２が配置される。このような配置により、プローブ２２は、導波管３への平面伝送線路２１の挿入向きが、Ｈ面に対して垂直かつＥ面と平行に挿入され、導波管３内部の電磁界と結合する。

以上のような構成からなる平面伝送線路導波管変換器１において、空孔１３ｃを介して導波管３内部に平面伝送線路２１を挿入した時、つまり多層基板２を導波管３に組み付けた時に、図１（Ｃ）に示すように空孔１３ｃの側面１３ｃ１と、プローブ２２に沿った多層基板２の側面２３との間に隙間１４が生じるため、当該隙間１４から電磁波が漏洩することとなる。

本実施形態に係る平面伝送線路導波管変換器１では、漏洩した電磁波が多層基板２の内部に入り込まないようにするため、図３（Ａ）に示すように、多層基板２におけるプローブ２２に沿った側面２３に金属薄膜２４が形成される。具体的に、金属薄膜２４は、図３（Ａ）に示すように平面伝送線路２１に対して垂直な側面２３から、プローブ２２を囲むようにして高周波用基板２０の表面２０ａに亘ってメッキ処理を施すことで一体形成された薄膜である。また、金属薄膜２４は、高周波用基板２０に例えば４つ設けられたスルーホール２５を介して、図２（Ａ）に示した多層基板２のグラウンド層２ｂ及びグラウンド層２ｂの少なくとも一方に電気的に接続されている。なお、図３（Ａ）では、多層基板２および高周波用基板２０の両方の側面に金属薄膜２４が設けられているが、金属薄膜２４は少なくとも多層基板２の側面２３に設けられていればよい。

このようにしてプローブ２２に沿った側面２３に金属薄膜２４を形成することにより、多層基板２を導波管３に組み付けた時に金属筐体１０の側面１３ｃ１とプローブ２２に沿った側面２３との間に形成される隙間１４から漏洩する電磁波が、金属薄膜２４に反射または遮断される。つまり、隙間１４から漏洩する電磁波が、多層基板２へ漏えいするのを防ぐことによって、低損失で平面線路を伝搬する信号を導波管３に出力することができる。

また、多層基板２の側面２３から高周波用基板２０の表面２０ａに亘って形成された金属薄膜２４が、スルーホール２５を介して、多層基板２に形成されているグラウンド層２ｂ、２ｃに物理的につながっていることにより、スルーホール２５のグラウンド効果をより強固にし、多層基板２とスルーホール２５、グラウンド層２ｂ、２ｃとで形成される疑似導波管の遮断効果をより強固にすることができる。このため、効果的に多層基板２への当該信号の漏洩を抑制することができ、低損失で平面伝送線路２１を伝搬する信号を導波管に出力することができる。なお、図３（Ａ）に示すように、プローブ２２の導波管３内に配置される部分２６には、金属薄膜２４を設けないことが、結合効率を低下させない観点から望ましい。

（２）本実施形態に係る平面伝送線路導波管変換器の評価
本実施形態に係る平面伝送線路導波管変換器１の伝送特性を評価する比較対象として、金属薄膜２４が形成された多層基板２に代えて、図３（Ｂ）に示すような、側面４１に金属薄膜が形成されていない多層基板４を備える平面伝送線路導波管変換器４０を用いる。

まず、図４のような断面図から見たときの本実施形態の平面伝送線路導波管変換器１及び比較例に係る平面伝送線路導波管変換器４０の電界強度分布について評価する。図４は、導波管３の電磁波進行方向に対して垂直な方向に、多層基板２を切断したときに現れる断面図を示し、図５（Ａ）は本実施形態の平面伝送線路導波管変換器１の電界強度分布を模式的に示し、図５（Ｂ）は比較例に係る平面伝送線路導波管変換器４０の電界強度分布を模式的に示している。なお、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）では、電界の強い部分を密度の高いドットで表現し、電界の弱い部分を密度の低いドットで表現している。

図５（Ａ）と図５（Ｂ）とから明らかなように、比較例に係る平面伝送線路導波管変換器４０では図５（Ｂ）に示すように誘電体層２ａの内部に電界が存在、つまり、電磁波が漏えいしているのに対して、本実施形態に係る平面伝送線路導波管変換器１は、誘電体層２ａの内部への電磁波の漏えいを抑制している。このような電界強度の違いから明らかなように、本実施形態の平面伝送線路導波管変換器１は、多層基板２を導波管３に組み付けた時に、金属筐体１０の側面１３ｃ１とプローブ２２に沿った側面２３との間に形成される隙間１４から漏洩する電磁波が、金属薄膜２４に反射または遮断されるため、誘電体層２ａの内部に漏えいすることがない。

次に、本実施形態の平面伝送線路導波管変換器及び比較例に係る平面伝送線路導波管変換器の通過特性について図６を参照して評価する。

図６（Ａ）は、横軸を信号の伝送周波数とし、縦軸に平面伝送線路２１と導波管３との間の通過利得を示したシミュレーション結果である。また、図６（Ｂ）は、横軸を信号の伝送周波数とし、縦軸に平面伝送線路２１と導波管３との間の通過利得を示した実測結果である。ここで、図６（Ａ）及び図６（Ｂ）では、本実施形態に係る平面伝送線路導波管変換器の周波数特性を実線で示し、比較例に係る平面伝送線路導波管変換器の周波数特性を破線で示している。

図６（Ａ）及び図６（Ｂ）とから明らかなように、本実施形態に係る平面伝送線路導波管変換器は、全周波数帯域に亘って、比較例に係る平面伝送線路導波管変換器に比べて通過利得が高い結果となっている。これは、図５の結果から明らかなように、本実施形態の平面伝送線路導波管変換器１において、多層基板２を導波管３に組み付けた時に、上述した図１（Ｃ）に示したような、側面１３ｃ１と側面２３との間に形成される隙間１４から誘電体層２ａへ漏洩する電磁波が金属薄膜２４に反射または遮断されるため、誘電体層２ａへ漏洩する電磁波が消え、その分通過利得が上がっているからである。

（３）効果
以上のように、本実施形態に係る平面伝送線路導波管変換器１は、多層基板２を導波管３に組み付けた時に、上述した図１（Ｃ）に示したような、側面１３ｃ１と側面２３との間に形成される隙間１４から漏洩する電磁波が、プローブ２２に沿った側面２３に形成された金属薄膜２４に反射または遮断され、誘電体層２ａに漏えいすることがないため、低損失で平面伝送線路２１を伝搬する信号を導波管３に出力することができる。

また、好ましくは、本実施形態に係る平面伝送線路導波管変換器１は、プローブ２２がＥ面３Ｅと平行に挿入されるので、多層基板２の基板面と平行に導波管３を形成することができる。したがって、平面伝送線路導波管変換器１は、多層基板２の基板面に対して垂直に導波管３を形成する場合に比べて、多層基板２に実装する回路設計の自由度を高めることができ、結果として、当該変換器の簡易化、小型化を図ることができる。さらに、多層基板２の基板面と平行に導波管３を形成するため、金属筺体１０の削りだしの観点から、容易に導波管３の形状を加工することができる。

また、好ましくは、多層基板２の両側面２３からプローブ２２を囲むように高周波用基板２０の表面２０ａに亘って形成された金属薄膜２４が、スルーホール２５を介して、多層基板２に形成されているグラウンド層２ｂ、２ｃに物理的につながっているため、スルーホール２５のグラウンド効果をより強固にし、多層基板２とスルーホール２５、グラウンド層２ｂ、２ｃとで形成される疑似導波管の遮断効果をより強固にすることができる。これにより、効果的に誘電体層２ａへの当該電磁波の漏洩を抑制することができ、低損失で平面伝送線路２１を伝搬する信号を導波管３に出力することができる。

なお、本実施形態に係る平面伝送線路導波管変換器１は、通過帯域が図６に示すような周波数帯に限定されることなく、適用例に応じて各部材の寸法を調整すればよい。

１ 平面伝送線路導波管変換器
２ 多層基板
３ 導波管
２０ 高周波用基板
２１ 平面伝送線路
２２ プローブ
２４ 金属薄膜

Claims (2)

1. 多層基板と、
   前記多層基板上に配置され、高周波信号を伝搬する平面伝送線路が作製された高周波用基板と、
   金属筺体を加工して作製された導波管と、を備え、
   前記平面伝送線路には、前記導波管内部に突出して該導波管内部の電磁界と結合するプローブが形成され、
   前記多層基板には、前記プローブが突出する方向に沿った側面において、前記プローブから離間して金属薄膜が形成されるとともに、複数のグラウンド層が形成されており、
   前記金属薄膜は、前記多層基板の前記プローブが突出する方向に沿った側面から該プローブを囲むように前記高周波用基板の表面に亘って一体形成され、該高周波用基板の表面に設けられたスルーホールを介して前記グラウンド層と電気的に接続されていることを特徴とする平面伝送線路導波管変換器。
2. 前記プローブは、前記導波管への平面伝送線路の挿入向きがＨ面に対して垂直かつＥ面と平行に挿入されていることを特徴とする請求項１記載の平面伝送線路導波管変換器。