JP6093743B2 - ミリ波帯伝送路変換構造 - Google Patents

Description

本発明は、ミリ波帯の信号を、マイクロストリップ線路と導波管との間で広帯域に渡って効率的に伝搬させるための伝送路変換構造に関する。

ミリ波帯のように周波数が高い信号の測定を行なう測定器では、ミリ波帯において損失が小さい導波管を入出力の伝送路として用いる場合が多く、このような測定器において、ＩＣ（集積回路）の特性評価を行なう場合、試験対象のＩＣをマウントするプリント基板に形成したストリップ線路（マイクロストリップ線路やコプレーナ線路）と測定器側の導波管との間を接続する必要があるが、ストリップ線路のインピーダンスは、一般的に５０〜１００Ω程度であるのに対し、導波管のインピーダンスは数百Ωに達するため、インピーダンスマッチングを取るのが容易ではない。

これを解決する技術としては、特許文献１のように、リッジ導波管の結合リッジ部をマイクロストリップラインと接触させる方法や、特許文献２のように、導波管の側面からマイクロストリップ線路を垂直に差込む方法が知られている。

特開平５−８３０１４号公報 特開２００８−７９０８５号公報

しかしながら、特許文献１の方法では、高周波になるとリッジ部が細くなり製造が困難になると共に、マイクロストリップ線路との接触させるために必要な精度が高くなり、組立の難易度が高くなる問題がある。

また、測定されるＩＣに多くの信号端子がある場合、必然的にそれら各ストリップ線路をマウント基板上に放射状に設けることになるが、特許文献２の方法では、ストリップ線路の先端を導波管の側面から挿入する構造であるから、各ストリップ線路の末端からそれと直交するように多くの導波管を配置しなければならず、非常に製造しにくくなる。また、これを避けるために導波管の中間部にベンドを設けると、システム全体が大型化する問題がある。また、導波管内部でのストリップ線路の位置によって特性にばらつきを生じる問題があることが知られている。

本発明は、これらの問題を解決し、製造が容易で、小型に構成でき、広帯域に渡って特性のばらつきが生じにくいミリ波帯伝送路変換構造を提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明の請求項１記載のミリ波帯伝送路変換構造は、
誘電体基板（１１）の一面側に形成された主導体（１２）とその反対面側に形成されたアース導体（１３）からなり、ミリ波帯の電磁波を主導体の長さ方向に伝搬させるマイクロストリップ線路（１０）と、ミリ波帯の電磁波の伝搬が可能な導波管（２０）との間を接続するミリ波帯伝送路変換構造において、
所定口径、所定長の導波路（３１）が金属壁（３２）で囲まれて形成された導波管構造を有し、比誘電率が異なる複数Ｍの誘電体層（１３３、１３４）が前記導波路の一端から他端まで連続するように形成され、該導波路の一方の端面を前記マイクロストリップ線路の主導体の一端側の誘電体基板の端面に接合させることで前記マイクロストリップ線路と前記導波路の一端側との間で前記ミリ波帯の電磁波を伝搬させ、前記導波路の他方の端面を前記導波管の一端側開口面に接合させることで、前記導波路の他端側と前記導波管の一端側との間で前記ミリ波帯の電磁波を伝搬させるように形成されていることを特徴とする。

また、本発明の請求項２のミリ波帯伝送路変換構造は、請求項１記載のミリ波帯伝送路変換構造において、
所望伝搬周波数帯域内の異なる複数Ｎ（≧Ｍ）の周波数ｆ_１、ｆ_２、……ｆ_Ｎの電磁波に対する前記導波路の合成インピーダンスをＺ_ｘ１、Ｚ_ｘ２、……Ｚ_ｘＮ、前記導波管のインピーダンスをＺ_ｗ１、Ｚ_ｗ２、……Ｚ_ｗＮと、前記マイクロストリップ線路のインピーダンスＺ１とするとき、
Ｚ_ｘ１＝√（Ｚ１×Ｚ_ｗ１）
Ｚ_ｘ２＝√（Ｚ１×Ｚ_ｗ２）
……
Ｚ_ｘＮ＝√（Ｚ１×Ｚ_ｗＮ）
の関係が満たされ、且つ、前記複数Ｎの周波数ｆ_１、ｆ_２、……ｆ_Ｎのうちの前記Ｍ個の周波数をｆ_ａ１〜ｆ_ａＭとし、
第１の周波数ｆ_ａ１の電磁波が前記複数の誘電体層のうちの第１の誘電体層を伝搬する際の管内波長をλ_ｇ１、
第２の周波数ｆ_ａ２の電磁波が前記複数の誘電体層のうちの第２の誘電体層を伝搬する際の管内波長をλ_ｇ２、
……
第Ｍの周波数ｆ_ａＭの電磁波が前記複数の誘電体層のうちの第Ｍの誘電体層を伝搬する際の管内波長をλ_ｇＭ
とするとき、前記導波路の長さＬが、
Ｌ＝λ_ｇ１／４＝λ_ｇ２／４＝…＝λ_ｇＭ／４
となるように、前記導波路の口径、前記各誘電層の比誘電率を設定したことを特徴とする。

また、本発明の請求項３のミリ波帯伝送路変換構造は、請求項１または請求項２記載のミリ波帯伝送路変換構造において、
前記複数Ｍが２であって、第１の誘電体層が、比誘電率が１より大きい誘電体からなり、第２の誘電体層が、比誘電率が１の空気層であることを特徴とする。

また、本発明の請求項４のミリ波帯伝送路変換構造は、請求項１〜３のいずれかに記載のミリ波帯伝送路変換構造において、
前記マイクロストリップ線路の前記主導体の一端側を金属壁（３５ａ〜３５ｃ）で所定長に渡って囲み、前記マイクロストリップ線路と前記複数の誘電体層が形成されている導波路との境界部から外部空間へ放射される放射波を前記主導体の他端側に案内する放射波案内路（３６）を形成する放射波ガイド（３５）と、
前記放射波ガイドの金属壁の内周に、前記放射波の漏出防止用に前記所望伝搬周波数の波長の１／４に相当する深さの溝（３７）を設けたことを特徴とする。

また、本発明の請求項５のミリ波帯伝送路変換構造は、請求項１〜４のいずれかに記載のミリ波帯伝送路変換構造において、
前記導波路を囲む金属壁の一部を、誘電体基板（４０）の両面に設けられたアース導体（４１、４２、４３）間をスルーホール加工により接続する金属ポスト（４５）を所定間隔で並べて形成したことを特徴とする。

また、本発明の請求項６のミリ波帯伝送路変換構造は、請求項１〜５のいずれかに記載のミリ波帯伝送路変換構造において、
前記複数の誘電体層の一つが、前記マイクロストリップ線路の誘電体基板を延長して形成されていることを特徴とする。

また、本発明の請求項７のミリ波帯伝送路変換構造は、請求項１〜６のいずれかに記載のミリ波帯伝送路変換構造において、
前記導波管の一端側の口径が、前記複数の誘電体層が形成されている導波路の口径に対応した大きさに設定され、他端側に向かって口径が大きくなることを特徴とする。

このように構成したため、本発明の請求項１のミリ波帯伝送路変換構造では、比誘電率が異なる複数の誘電体層が一端から他端に連続形成された導波路を有する導波管構造を用い、その一端側とマイクロストリップ線路との間および他端側と導波管との間で、ミリ波帯の電磁波を伝搬させる構造であるため、マイクロストリップ線路と導波管とを一直線上に連結でき、製造が容易で、小型に構成でき、特性のばらつきが生じにくい。

また、請求項２のように、所望伝搬周波数帯域の複数Ｎの異なる周波数について、複数の誘電体層からなる導波路の合成インピーダンスＺ_ｘｉが、マイクロストリップ線路のインピーダンスＺ１と導波管のインピーダンスＺ_ｗｉに対してＺ_ｘｉ＝√（Ｚ１×Ｚ_ｗｉ）（ｉ＝１〜Ｎ）となり、且つ、Ｍ個の周波数について各誘電体層を伝搬する際の管内波長の１／４が導波路の長さと等しくなるように、導波路の口径、誘電体層の比誘電率を設定しているので、種々のマイクロストリップ線路と導波管の間を広帯域に整合のとれた状態で効率的に伝搬させることができ、高い汎用性と広帯域性を有している。

また、本発明の請求項３のように、誘電体層の数Ｍを２とし、第１の誘電体層として比誘電率が１より大きい誘電体を用い、第２の誘電体層として比誘電率が１の空気層を用いたものでは、最も簡素に構成でき、二つの異なる周波数を選ぶことで広帯域な整合が可能である。

また、本発明の請求項４のように、金属壁で主導体の一端側を所定長に渡って囲み、マイクロストリップ線路と誘電体層が形成された導波路との境界部から外部空間へ放射される放射波を主導体の他端側に案内する放射波案内路を形成する放射波ガイドと、その放射波ガイドの金属壁の内周に、放射波の漏出防止用に前記所望伝搬周波数の波長の１／４に相当する深さの溝を設けているので、マイクロストリップ線路と誘電体層が形成されている導波路との境界部から外部空間へ放射された電磁波の漏出を防ぐことができる。

また、請求項５のように、誘電体層が形成されている導波路を囲む金属壁の一部を、誘電体基板の両面に設けられたアース導体間をスルーホール加工により接続する金属ポストを所定間隔で並べて形成すれば、狭い幅で簡単に導波路を形成することができ、さらに製造が容易となる。

また、請求項６のように、複数の誘電体層の一つを、マイクロストリップ線路の誘電体基板を延長して用いる構造とすれば、変換構造をマイクロストリップ線路の一端側に一体的に形成することができ、構造をより簡素化できる。

また、請求項７のように、導波管の一端側の口径が、誘電体層が形成されている導波路の他端側の口径に対応した大きさに設定され、他端側に向かって口径が大きくなるように形成されているため、誘電体層が形成された導波路と導波管との間の反射を抑制でき、ミリ波帯で標準的に使用される口径の導波管との接続が容易になる。

本発明の前提となる変換構造を示す図 本発明の基本構造を示す図 放射を低減した構造を示す図 図３の構造のシミュレーション結果を示す図 図３の構造でマイクロストリップ線路をＸ方向にずらしたときのシミュレーション結果を示す図 図３の構造でマイクロストリップ線路をＺ方向にずらしたときのシミュレーション結果を示す図 導波路を囲む金属壁を金属ポストで形成した例を示す図 図７の導波路を用いた構造を示す図 誘電体層の一つをマイクロストリップ線路の誘電体基板を延長して形成する構造例を示す図 誘電体層の一つをマイクロストリップ線路の誘電体基板を延長して形成する別の構造例を示す図

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明するが、始めに本発明のミリ波帯伝送路変換構造の前提技術について説明する。

図１は、その前提技術となる基本構造を示す図であり、図１の（ａ）は、ミリ波帯（例えば６０〜９０ＧＨｚ）の電磁波の伝送が可能なマイクロストリップ線路１０、導波管２０および伝送路変換器３０を別体として示した分解図、図１の（ｂ）は、接続状態を示す側断面図である。

マイクロストリップ線路１０は、誘電体基板１１の一面側に帯状の主導体１２が一端から他端までパターン形成され、その反対面側はアース導体１３で被われており、誘電体基板１１の誘電率ε_ｒ′、厚さｔ、主導体１２の幅等によって伝送路のインピーダンスが決定される。このインピーダンスは、高周波回路で一般的に用いる５０〜１００Ω程度となる。ミリ波帯で損失が小さい誘電体基板としては、例えば、比誘電率ε_ｒ′＝３．５５、厚さｔ＝０．３ｍｍのＲｏ４００３Ｃ（登録商標）等がある。

また、導波管２０は、汎用性を考慮して規格で定められた口径の方形導波管であって、上記周波数帯で一般的に用いられるＷＲ−１２（口径約３．１×１．５５ｍｍ）とし、この導波管２０のインピーダンスは周波数に依存して変化し、例えば７５ＧＨｚにおいて５５２Ωである。なお、前記したように、マイクロストリップ線路１０の誘電体基板１１の厚さｔが１／１０ミリオーダーであるのに対し、導波管２０の口径がミリオーダーであるので、導波路の口径差による反射が問題となるが、その反射の問題については後述する。

上記マイクロストリップ線路１０と導波管２０とを接続する伝送路変換器３０は、所定口径（ａ×ｂｍｍ）の導波路３１が金属壁３２で所定長にわたって囲まれて形成された導波管構造を有しており、この前提技術においては、導波路３１内には、１より大きい比誘電率ε_ｒをもつ誘電体３３が充填されている。なお、ここでは導波路３１の高さ（誘電体３３の厚さ）ｂが、マイクロストリップ線路１０の誘電体基板１１の厚さｔと等しいものとして説明するが、両者の厚さが相違していてもよい。

そして、導波路３１の一方の端面３１ａをマイクロストリップ線路１０の主導体１２の一端側の誘電体基板１１の端面１１ａに接合させ、導波路３１の一方側で互いに対向する金属壁３２ａ、３２ｂのうち上側の金属壁３２ａの端面をマイクロストリップ線路１０の主導体１２の一端１２ａに接続させ、下側の金属壁３２ｂの端面をアース導体１３に接続させ、導波路３１の他方の端面３１ｂを導波管２０の導波路２１の一端側開口面２１ａに接合させ、導波路３１の他方側で４つの金属壁３２ａ〜３２ｄの端面を、導波管２０の導波路２１を囲む金属壁２２（２２ａ〜２２ｄ）の一端側に全周にわたって接合させている。

このように、誘電体３３が充填された導波路３１を介して、マイクロストリップ線路１０と導波管２０との間を同軸状に接続する接続構造であれば、例えばマイクロストリップ線路１０の主導体１２の他端１２ｂ側から入力されて一端１２ａ側に伝搬されたミリ波帯の電磁波が導波路３１の一端側に入力され、その導波路３１を伝搬して他端側から導波管２０の導波路２１に出力されることになり、製造が容易で、小型に構成でき、特性のばらつきが生じにくい。

また、導波路３１の長さＬが、所望伝搬周波数ｆ１の電磁波の管内波長λｇの１／４となり、且つ、誘電体３３が充填された導波路３１のインピーダンスＺｘが、マイクロストリップ線路１０のインピーダンスＺ１（周波数に対して一定とみなすことができる）と導波管２０のインピーダンスＺ２に対してＺｘ＝√（Ｚ１×Ｚ２）となるように、導波路３１の口径ａ×ｂ、誘電体３３の比誘電率ε_ｒを設定する。

これによって、伝送路変換器３０は１／４波長変成器を構成することになり、マイクロストリップ線路１０と導波管２０との間を整合がとれた状態で接続することができる。

次に、上記前提となる変換構造の伝送路変換器３０のインピーダンスについて検討する。伝送路変換器３０の導波路３１内を伝送するＴＥ波のインピーダンスＺｘ′は、仮に導波路内が真空である場合、

ここで、μ₀ は真空の透磁率、ε₀ は真空の透磁率、λは自由空間波長、λ_c はカットオフ周波数である。

これに対し、導波路３１内に比誘電率ε_ｒの誘電体３３が充填されている場合のインピーダンスＺｘは、

となる。

また、ＴＥ１０モード（単一モード）のカットオフ周波数λ_c10 は、誘電体３３が充填されていることを考慮して、

となる。

式（３）を式（２）に代入すると、

となる。

以上より、誘電体３３が充填された導波路３１の幅ａと誘電体３３の比誘電率ε_ｒにより、伝送路変換器３０のインピーダンスを制御できることが分かる。なお、詳述しないが、導波路３１の高さｂ（誘電体３３の厚さ）については考慮しなくてよい。

また、伝送路変換器３０の管内波長λ_ｇは、

となり、導波路３１の長さＬをλ_ｇ／４に設定することで、この伝送路変換器３０を、１／４波長変成器として作用させることができる。

上記基本構造において、比誘電率ε_ｒ′＝３．５５、厚さ０．３ｍｍのＲｏ４００３Ｃ（登録商標）を誘電体基板１１として用いたインピーダンスＺ１＝１００Ωのマイクロストリップ線路１０と、ＷＲ−１２型の導波管（使用帯域６０〜９０ＧＨｚ）とを周波数７５ＧＨｚで整合させるための伝送路変換器３０の計算を行なった。ただし、誘電体３３の比誘電率ε_ｒと厚さｂは、マイクロストリップ線路１０の誘電体基板１１と同一としている。

マイクロストリップ線路１０のインピーダンスＺ１は１００Ω、導波管２０のインピーダンスＺ２は式（１）から５５２Ω（７５ＧＨｚ）となり、伝送路変換器３０として必要なインピーダンスＺｘは、Ｚｘ＝√（Ｚ１×Ｚ２）から２３５Ωとなる。

このインピーダンスＺｘ＝２３５Ωを満たす誘電体の幅ａは２．７ｍｍとなり、管内波長λｇの１／４は１．０８ｍｍとなる。つまり、７５ＧＨｚで整合させるためには、導波路３１の幅ａ（誘電体３３の幅）を２．７ｍｍ、長さＬを１．０８ｍｍとすればよいことがわかる。

このことから、上記したように誘電体３３が充填された導波路を用いることで、所望周波数（７５ＧＨｚ）およびその近傍において、マイクロストリップ線路１０と導波管２０との間の伝送路変換が効率的に行なうことができることがわかる。

しかし、伝送したい周波数の範囲がより広い場合、上記構造では対応が困難である。これを解決するために、本発明では、導波路内に比誘電体率が異なる複数Ｍの誘電体層を形成している。また、所望伝搬周波数帯域の複数Ｎ（≧Ｍ）の異なる周波数について、複数の誘電体層からなる導波路の合成インピーダンスＺ_ｘｉが、マイクロストリップ線路１０のインピーダンスＺ１と導波管２０のインピーダンスＺ_ｗｉに対してＺ_ｘｉ＝√（Ｚ１×Ｚ_ｗｉ）（ｉ＝１〜Ｍ）となり、且つ、Ｍ個の周波数について各誘電体層を電磁波が伝搬する際の管内波長の１／４が導波路の長さと等しくなるように、導波路３１の口径、誘電体層の比誘電率を設定している。これによって、種々のマイクロストリップ線路と導波管の間を広帯域に整合のとれた状態で効率的に伝搬させることができ、高い汎用性と広帯域性を実現できる。なお、ここでいう誘電体層には、比誘電体率１の空気も含むものとする（空気の誘電率は厳密には真空の誘電率より大きいがここではその比誘電率を１とする）。

図２は、その最も簡素化したＭ＝２の基本構造の例を示すものであり、伝送路変換器３０′の導波路３１の内部には、比誘電率ε_ｒ１が１より大きい誘電体からなる上層の第１の誘電体層１３３と、比誘電率ε_ｒ２が１に等しい空気からなる下層の第２の誘電体層１３４とが、一端から他端まで連続するように形成されている。

第１の誘電体層１３３は、例えばマイクロスプリット線路１０の誘電体基板１１と同材料で、同じ厚さを有しているものとする。また、第２の誘電体層１３４の厚さは、導波管２０の導波路２１の高さと第１の誘電体層１３３の厚さの差分に等しくなるように設定されており、この構造例では、誘電体層１３４の一端側はマイクロストリップ線路１０のアース導体１３の端面１３ａによって閉じられている。

この構造の場合、前記式（３）より、所望周波数帯域の周波数ｆ_１について、空気層である第２の誘電体層１３４を伝搬する電磁波の管内波長λ_ｇ１は、比誘電率ε_ｒ２が１であることから、

となる。

一方、所望周波数帯域の別の周波数ｆ_２（＞ｆ_１）について、第１の誘電体層１３３を伝搬する電磁波の管内波長λ_ｇ２は、

となる。

よって、周波数ｆ_１の電磁波が第２の誘電体層１３４を伝搬する際の管内波長λ_ｇ１の１／４と、周波数ｆ_２の電磁波が第１の誘電体層１３３を伝搬する際の管内波長λ_ｇ２の１／４とが、ともに導波路３１の長さＬ（第１の誘電体層１３３および第２の誘電体層１３４の長さ）に等しくなるようにするとともに、各周波数におけるインピーダンスの関係が、前記した関係を満たすように、導波路３１の幅ａと各誘電体層の誘電率を設定すれば、異なる二つの周波数領域で整合をとることができ、その周波数を所望帯域の低域側と高域側に選ぶことで、所望帯域全体にわたって整合をとることができ、広帯域化できる。

上記構造のように、Ｍ＝２の場合の具体的な数値例を示すと、４（Ｎ＝４）つの異なる周波数をｆ_１＝６０ＧＨｚ、ｆ_２＝７０ＧＨｚ、ｆ_３＝８０ＧＨｚ、ｆ_４＝９０ＧＨｚとし、マイクロストリップ線路１０のインピーダンスＺ１を１００Ωとしたとき、周波数ｆ_１＝６０ＧＨｚにおける導波管２０のインピーダンスＺ_ｗ１＝１０７８Ωとなり、マイクロストリップ線路１０との整合に必要なインピーダンスＺｘ＝３２８Ωとなる。ここで、導波路３１の幅ａ＝２．２ｍｍとした場合のインピーダンスは３１４Ωとなり、ほぼ整合条件を満たす。なお、このインピーダンス３１４Ωは、本来は第１の誘電体層１３３と第２の誘電体層１３４の合成インピーダンスであるが、空気層からなる第２の誘電体層１３４のインピーダンスは第１の誘電体層１３３のインピーダンスに比べて十分大きいため、第１の誘電体層１３３のインピーダンスの値を用いている（以下、同様）。

また、周波数ｆ_２＝７０ＧＨｚにおける導波管２０のインピーダンスＺ_ｗ２＝７２１Ωとなり、マイクロストリップ線路１０との整合に必要なインピーダンスＺｘ＝２６８Ωとなる。前記したように導波路３１の幅ａ＝２．２ｍｍとした場合のインピーダンスは２７３Ωとなり、ほぼ整合条件を満たす。

また、周波数ｆ_３＝８０ＧＨｚにおける導波管２０のインピーダンスＺ_ｗ３＝５９４Ωとなり、マイクロストリップ線路１０との整合に必要なインピーダンスＺｘ＝２４４Ωとなる。前記したように導波路３１の幅ａ＝２．２ｍｍとした場合のインピーダンスは２５２Ωとなり、ほぼ整合条件を満たす。

また、周波数ｆ_４＝９０ＧＨｚにおける導波管２０のインピーダンスＺ_ｗ４＝５３０Ωとなり、マイクロストリップ線路１０との整合に必要なインピーダンスＺｘ＝２３０Ωとなる。前記したように導波路３１の幅ａ＝２．２ｍｍとした場合のインピーダンスは２３８Ωとなり、ほぼ整合条件を満たす。

次に、導波路３１の長さＬについては、ｆ_２＝７０ＧＨｚにおける第１の誘電体層１３３の伝搬時の管内波長の１／４が１．２５２ｍｍ、ｆ_４＝９０ＧＨｚにおける第２の誘電体層１３４（空気層）の伝搬時の管内波長の１／４が１．２７７ｍｍとなり、導波路３１の長さＬとして、その間の１．２６ｍｍ程度とすることで、両周波数およびその近傍について整合させることができる。ここでは、２つの誘電体層に対してｆ_２＝７０ＧＨｚ、ｆ_４＝９０ＧＨｚの周波数についての管内波長を合わせていたが、これに限らず所望帯域をカバーするような複数の周波数を選択すればよく、６０、９０ＧＨｚの組合せでもよい。また、３層構造であれば、６０、７５、９０ＧＨｚ等を選べばよい。

上記の例は、導波路３１の内部に複数Ｍ＝２の誘電体層を設けた構造例であったが、これをＭ≧２に一般化して表現すれば、以下のようになる。

即ち、ミリ波帯の所望伝搬周波数帯域内の異なる複数Ｎ（≧Ｍ）の周波数ｆ_１、ｆ_２、……ｆ_Ｎの電磁波に対して、複数Ｍの誘電体層からなる導波路３１の合成インピーダンスをそれぞれＺ_ｘ１、Ｚ_ｘ２、……Ｚ_ｘＮ、導波管２０のインピーダンスをそれぞれＺ_ｗ１、Ｚ_ｗ２、……Ｚ_ｗＮ、前記マイクロストリップ線路１０のインピーダンスＺ１とするとき、
Ｚ_ｘ１＝√（Ｚ１×Ｚ_ｗ１）
Ｚ_ｘ２＝√（Ｚ１×Ｚ_ｗ２）
……
Ｚ_ｘＮ＝√（Ｚ１×Ｚ_ｗＮ）
の関係が満たされ、且つ、複数Ｎの周波数ｆ_１、ｆ_２、……ｆ_ＮのうちのＭ個の周波数をｆ_ａ１〜ｆ_ａＭとし、
第１の周波数ｆ_ａ１の電磁波が複数Ｍの誘電体層のうちの第１の誘電体層を伝搬する際の管内波長をλ_ｇ１、
第２の周波数ｆ_ａ２の電磁波が複数Ｍの誘電体層のうちの第２の誘電体層を伝搬する際の管内波長をλ_ｇ２、
……
第Ｍの周波数ｆ_ａＭの電磁波が複数Ｍの誘電体層のうちの第Ｍの誘電体層を伝搬する際の管内波長をλ_ｇＭ
とするとき、導波路３１の長さＬが、
Ｌ＝λ_ｇ１／４＝λ_ｇ２／４＝…＝λ_ｇＭ／４
となるように、導波路３１の口径、誘電体層の比誘電率を設定すればよい。

ただし、実際には誘電体の比誘電率は材質によって一義的に決まってしまい、任意の値をとることができないので、ミリ波帯において損失が少ない誘電体を選び、その比誘電率を用いて、上記条件を満たすように導波路３１の幅ａと長さＬだけを設定する必要がある。

上記した基本構造の場合、マイクロストリップ線路１０と伝送路変換器３０の境界部から外部空間への電磁波の放射や、伝送路変換器３０と導波管２０の境界部での反射を完全に無くすことはできず、この放射波や反射波による特性悪化が予想される。

図３は、この放射波と反射波の影響を低減したより実用的な伝送路変換構造の例を示している。この構造例の伝送路変換器３０″では、誘電体３３を囲む金属壁３２ａ〜３２ｄのうち、上側の金属壁３２ａのマイクロストリップ線路１０側の端面に、放射波ガイド３５を設けている。

放射波ガイド３５は、マイクロストリップ線路１０の誘電体基板１１と平行に対向し、主導体１２から所定距離離間する第１の金属壁３５ａと、主導体１２の一方の側方に所定距離離れて設けられた第２の金属壁３５ｂと、主導体１２の他方の側方に所定距離離れて設けられた第３の金属壁３５ｃとで下が開いたコの字状に形成され、誘電体基板１１との間で主導体１２の一端側を所定長に渡って囲み、マイクロストリップ線路１０と導波路３１の境界部から外部空間への電磁波の放射を抑制するとともに、その放射波を主導体１２の他端側に案内する放射波案内路３６を形成している。

そして、この放射波ガイド３５の第１の金属壁３５ａの内周に、放射波の漏出防止用に所望伝搬周波数の波長の１／４に相当する深さの溝３７を主導体１２の長さ方向と直交する向きに設けている。この溝３７に入射する成分と溝３７を往復して出てくる成分は、位相が反転して互いに相殺することになり、放射波の漏れが防止できる。

この放射波ガイド３５に設けた溝３７によって、マイクロストリップ線路１０と導波路３１との境界部から放射される電磁波の漏出を防ぐことができる。

なお、ここでは溝３７を一つ示しているが、深さが異なる複数の溝を第１の金属壁３５ａの長さ方向に並べて設けることで、外部空間へ放射される電磁波の漏れをより広帯域に防止することができる。また、この例では３つの金属壁３５ａ〜３５ｃからなる下にコの字状に開いた放射波ガイド３５を用いていたが、放射波ガイド３５は、金属壁で主導体１２の一端側を所定長に渡って囲み、マイクロストリップ線路１０と誘電体３３が充填された導波路３１の境界部から外部空間への電磁波の放射を抑制し、その外部空間に放射された放射波を主導体１２の他端側に案内する形状であればよく、内周の断面形状が台形状や半円状等であってもよい。また、その溝３７についても、マイクロストリップ線路１０の誘電体基板１１に対向する壁面だけでなく、内周全体に所定深さで設けてもよい。

一方、導波路３１の幅ａを上記数値例にしたがって２．２ｍｍとし、高さｂを導波管２０の導波路２１の高さと同じ（１．５５ｍｍ）にした場合、第２の誘電体層（空気層）１３４の厚さが、１．５５ｍｍから第１の誘電体層１３３の厚さ０．３ｍｍ分を減じた１．２５ｍｍとなり、この場合、導波路３１の口径２．２×１．５５ｍｍと、ミリ波帯用として標準的に用いられる導波管ＷＲ−１２の口径、約３．１×１．５５ｍｍとはそれほど大きな差がないので直結状態でも大きな反射は生じないと推測される。

しかし、上記数値例では、第１の誘電体層１３３の厚さに対して第２の誘電体層１３４の厚さが４倍以上あり、マイクロストリップ線路１０との境界部で線路の高さが大きく変化することになり、この影響で反射がおきる可能性がある。

そこで、この実施形態では、第２の誘電体層１３４の厚さを、例えば第１の誘電体層１３３の厚さと同じ程度にして、マイクロストリップ線路１０の厚さと導波路３１の高さ寸法との間に極端な差が生じないようにしている。

この結果、必然的に導波路３１の高さ寸法が、標準的な導波管ＷＲ−１２の導波路の高さ寸法より小さくなり、今度は導波管２０との口径差が問題となる。

そのため、図３に示しているように、導波管２０′の一端側開口２１ａの口径を、標準口径より小さく、導波路３１の他端側の口径に対応した大きさ（例えば２．２×０．６ｍｍ）に設定し、この開口から他端側に向かって口径が徐々に（図のような直線的でなく段階的でもよい）大きく（例えば標準口径まで）なるテーパー部２１ｂと、テーパー部２１ｂに続く標準口径部２１ｃとを形成して、導波路３１と導波管２２との間の口径差による反射を抑制している。

図３に示した伝送路変換構造で上記数値例を用いたときの伝達特性を求めたシミュレーション結果を図４に示す。

この図４において、周波数６０〜９０ＧＨｚの範囲で、挿入損失１ｄＢ以下、反射係数−１０ｄＢ以下となっており、ミリ波帯の広い周波数範囲で、マイクロストリップ線路１０と導波管２０との間の整合がとれていることが確認できる。

また、図５は、導波路３１に対して、マイクロストリップ線路１０の位置を、誘電体基板１１と平行な面（Ｘ−Ｚ平面）上で主導体１２の長さ方向（Ｚ方向）と直交する方向（Ｘ方向）にずらした（移動量ｄｘ）ときの伝達特性を求めたものであり、図６は、導波路３１に対して、マイクロストリップ線路１０の位置を誘電体基板１１と平行な面上で主導体１２の長さ方向（Ｚ方向）にずらした（移動量ｄｚ）ときの伝達特性を求めたものである。

図５、図６から、Ｘ方向に０．２ｍｍ程度ずれても反射係数Ｓ１１は−１０ｄＢ以下であり、同様にＺ方向に０．５ｍｍ程度ずれても、性能が確保されていることが判る。この程度の大きさの部品の一般的な製造誤差は±１０μｍ程度であり、その部品の組合せでも誤差は１００μｍ以下と考えられるため、上記変換構造は、部品や組立ての誤差に対しても所望の性能を維持することができる。

上記した伝送路変換構造では、金属壁３２ａ〜３２ｄで囲んで形成した導波路３１に、複数の誘電体層を設けていたが、導波路３１の構造については任意である。

例えば、図７に示すように、マイクロストリップ線路１０に用いている誘電体基板１１と同様の誘電体基板４０の上面全体を被うアース導体４１と、下面の両端を被うアース導体４２、４３の間を、スルーホール加工によって形成した金属ポスト４５で接続し、この金属ポスト４５の列を、所定間隔を開けて２列設けることで、導波路３１を形成する金属壁３２ｃ、３２ｄのうち、第１の誘電体層１３３の両側方を囲む部分を形成することができる。この場合、列内の金属ポスト４５の間隔は、第１の誘電体層１３３を伝搬する電磁波の波長に比べて十分小さくし、列の間隔は前記した幅ａに一致させる。図８は、この金属ポスト４５を用いて導波路３１を形成した伝送路変換構造を示しものであり、この場合、誘電体基板４０のアース導体４１が金属壁３２ａに接し、アース導体４２、４３が、金属壁３２ｃ、３２ｄに接する構造としている。

なお、一般的にアース導体４１の厚さは、基板厚に対して無視できる程小さいので、アース導体４１の中央部（金属ポスト４５の列の間の部分）を削除しても、その上に金属壁３２ａが接するので支障はない。

また、上記各実施形態では、複数の誘電体層が形成された導波路３１を有する伝送路変換器３０を、マイクロストリップ線路１０、導波管２０、２０′と別体としていたが、図９、図１０のように、第１の誘電体層１３３を、マイクロストリップ線路１０の誘電体基板１１の端部に延長して形成してもよい。なお、図９は、図２、図３に示した構造に対応する形態であり、図１０は、図７、図８の金属ポスト４５を用いた構造に対応する形態であり、図７、図８の上面側のアース導体４１を下面側と同様に二つのアース導体４１ａ、４１ｂに分けた構造とし、図７、図８のアース導体４２、４３をマイクロストリップ線路１０のアース導体１３を延長して兼用している。

また、図示していないが、導波路３１を形成する金属壁３２ａ〜３２ｄの少なくとも一部を、マイクロストリップ線路１０のアース導体１３や導波管２０、２０′の金属壁と一体的に形成することもでき、具体的な構造については種々の変形が可能である。一つの例を挙げれば、導波路３１を形成する金属壁３２ｂをマイクロストリップ線路１０側に延ばして、誘電体基板１１を支えるアース導体１３とし、導波管２０側に延ばして、導波管２０の下側の金属壁とする等、種々の構造が採用できる。

また、上記実施形態では、誘電体層の数Ｍが２でその一つが空気層の例を示したが、空気以外の誘電体層を用いてもよく、また誘電体層の数Ｍを３以上にしてもよい。また、上記例では、導波路に形成される複数の誘電体層の一つとしてマイクロストリップ線路１０の誘電体基板と同材料で同一厚のものを用いていたが、マイクロストリップ線路１０の誘電体基板と異なる誘電体で任意の厚さの誘電体層を用いて導波路を形成してもよい。

１０……マイクロストリップ線路、１１……誘電体基板、１２……主導体、１３……アース導体、２０、２０′……導波管、２１……導波路、３０、３０′、３０″……伝送路変換器、３１……導波路、３２……金属壁、３３……誘電体、３５……放射波ガイド、３５ａ……第１の壁、３５ｂ……第２の壁、３５ｃ……第３の壁、３６……放射波案内路、３７……溝、４０……誘電体基板、４１、４２、４３……アース導体、４５……金属ポスト、１３３……第１の誘電体層、１３４……第２の誘電体層

Claims (7)

1. 誘電体基板（１１）の一面側に形成された主導体（１２）とその反対面側に形成されたアース導体（１３）からなり、ミリ波帯の電磁波を主導体の長さ方向に伝搬させるマイクロストリップ線路（１０）と、ミリ波帯の電磁波の伝搬が可能な導波管（２０）との間を接続するミリ波帯伝送路変換構造において、
   所定口径、所定長の導波路（３１）が金属壁（３２）で囲まれて形成された導波管構造を有し、比誘電率が異なる複数Ｍの誘電体層（１３３、１３４）が前記導波路の一端から他端まで連続するように形成され、該導波路の一方の端面を前記マイクロストリップ線路の主導体の一端側の誘電体基板の端面に接合させることで前記マイクロストリップ線路と前記導波路の一端側との間で前記ミリ波帯の電磁波を伝搬させ、前記導波路の他方の端面を前記導波管の一端側開口面に接合させることで、前記導波路の他端側と前記導波管の一端側との間で前記ミリ波帯の電磁波を伝搬させるように形成されていることを特徴とするミリ波帯伝送路変換構造。
2. 所望伝搬周波数帯域内の異なる複数Ｎ（≧Ｍ）の周波数ｆ_１、ｆ_２、……ｆ_Ｎの電磁波に対する前記導波路の合成インピーダンスをＺ_ｘ１、Ｚ_ｘ２、……Ｚ_ｘＮ、前記導波管のインピーダンスをＺ_ｗ１、Ｚ_ｗ２、……Ｚ_ｗＮと、前記マイクロストリップ線路のインピーダンスＺ１とするとき、
   Ｚ_ｘ１＝√（Ｚ１×Ｚ_ｗ１）
   Ｚ_ｘ２＝√（Ｚ１×Ｚ_ｗ２）
   ……
   Ｚ_ｘＮ＝√（Ｚ１×Ｚ_ｗＮ）
   の関係が満たされ、且つ、前記複数Ｎの周波数ｆ_１、ｆ_２、……ｆ_Ｎのうちの前記Ｍ個の周波数をｆ_ａ１〜ｆ_ａＭとし、
   第１の周波数ｆ_ａ１の電磁波が前記複数の誘電体層のうちの第１の誘電体層を伝搬する際の管内波長をλ_ｇ１、
   第２の周波数ｆ_ａ２の電磁波が前記複数の誘電体層のうちの第２の誘電体層を伝搬する際の管内波長をλ_ｇ２、
   ……
   第Ｍの周波数ｆ_ａＭの電磁波が前記複数の誘電体層のうちの第Ｍの誘電体層を伝搬する際の管内波長をλ_ｇＭ
   とするとき、前記導波路の長さＬが、
   Ｌ＝λ_ｇ１／４＝λ_ｇ２／４＝…＝λ_ｇＭ／４
   となるように、前記導波路の口径、前記各誘電層の比誘電率を設定したことを特徴とする請求項１記載のミリ波帯伝送路変換構造。
3. 前記複数Ｍが２であって、第１の誘電体層が、比誘電率が１より大きい誘電体からなり、第２の誘電体層が、比誘電率が１の空気層であることを特徴とする請求項１または請求項２記載のミリ波帯伝送路変換構造。
4. 前記マイクロストリップ線路の前記主導体の一端側を金属壁（３５ａ〜３５ｃ）で所定長に渡って囲み、前記マイクロストリップ線路と前記複数の誘電体層が形成されている導波路との境界部から外部空間へ放射される放射波を前記主導体の他端側に案内する放射波案内路（３６）を形成する放射波ガイド（３５）と、
   前記放射波ガイドの金属壁の内周に、前記放射波の漏出防止用に前記所望伝搬周波数の波長の１／４に相当する深さの溝（３７）を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のミリ波帯伝送路変換構造。
5. 前記導波路を囲む金属壁の一部を、誘電体基板（４０）の両面に設けられたアース導体（４１、４２、４３）間をスルーホール加工により接続する金属ポスト（４５）を所定間隔で並べて形成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のミリ波帯伝送路変換構造。
6. 前記複数の誘電体層の一つが、前記マイクロストリップ線路の誘電体基板を延長して形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のミリ波帯伝送路変換構造。
7. 前記導波管の一端側の口径が、前記複数の誘電体層が形成されている導波路の口径に対応した大きさに設定され、他端側に向かって口径が大きくなることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のミリ波帯伝送路変換構造。

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