JP6121345B2 - 結合器および導波回路 - Google Patents

Description

本発明は、導波管と高周波回路とを結合する結合器、および導波管と高周波回路との結合構造に関する。

高周波回路が形成された半導体集積回路装置（以下、「高周波集積回路」と称する。）を導波管に接続する場合がある。従来から、高周波集積回路と導波管とを接続する結合器（以下、「導波管伝送線路結合器」と称する。）として、裏面に導体箔が形成された誘電体基板の表面上に薄膜線路を形成したマイクロストリップライン構造の伝送線路を備えるものがよく知られている。マイクロストリップライン構造の伝送線路の従来技術としては、例えば非特許文献１に開示がある。

A.Tessmann , et al., "A 300 GHz mHEMT Amplifier Module」", IEEE, Indium Phosphide & Related Materials, 2009. IPRM '09,PP.196-199.

従来のマイクロストリップライン構造の伝送線路を有する導波管伝送線路結合器では、特に１００ＧＨｚを超える高周波帯域において、導波管伝送線路結合器の導体損失が大きくなり、高周波信号の減衰が顕著になるという問題がある。前述したように、マイクロストリップライン構造の伝送線路は、誘電体基板を用いているため、導波管伝送線路結合器を構成する伝送線路の実効比誘電率は通常“１”より高くなる。そのため、高周波領域では、薄膜線路において発生する電界集中と電流集中によって誘電損失が大きくなり、結果として導波管伝送線路結合器の導体損失が増加する。また、導体損失を小さくするには抵抗損失（導電損失）を低減することも効果的であるが、従来から、薄膜線路として銅、金、および銀等の抵抗率の低い金属が用いられており、薄膜線路の抵抗値を低減することには限界があった。

このような問題を解決するために、従来から、薄膜線路を形成するための基板材料の探索が進められてきた。例えば、石英（基板）は、比較的低い比誘電率（３．５程度）を持ち、誘電損失も小さい優れた誘電体材料として知られている。しかしながら、石英は基板として用いるには加工が困難であるばかりでなく、導体損失を抑制するのに十分な比誘電率を持っているとは言い難い。また、テフロン（登録商標。以下同じ。）も基板材料の候補として挙げられるが、テフロンの比誘電率は２．０程度であり、また材料強度が弱いため薄膜線路の断線等の虞があり、良質な伝送線路を実現することは困難である。その他にも、比誘電率が比較的低い材料として、アクリル樹脂（比誘電率：２．７）や、ＡＢＳ樹脂（比誘電率：２．４）、エチレン樹脂（比誘電率：２．０）等が知られているが、誘電損失、熱安定性、および機械的強度の点で十分とは言えない。

以上述べたように、従来の導波管伝送線路結合器では、導体損失を低減することが困難であった。

本発明は、以上のような課題を解消するためになされたものであり、導波管と高周波回路とを結合する結合器において、導体損失を低減することを目的とする。

本発明に係る、導波管と高周波回路とを結合するための結合器は、金属から成る帯状部材と、前記帯状部材の一端に形成され、前記導波管と電磁的に結合するためのアンテナと、前記帯状部材の一部に接合され前記帯状部材を支持するための支持部材とを備え、前記支持部材は、平面視において前記帯状部材を挟んで配置され前記帯状部材の長手方向に延在する２つの脚部と、前記２つの脚部と前記帯状部材とを連結する連結部材とから構成され、前記２つの脚部は、前記連結部材との接合箇所において前記帯状部材の平面に対して垂直な方向に折り曲げ可能にされることを特徴とする。

上記結合器において、前記帯状部材と、前記アンテナと、前記支持部材とは、同一の金属材料で一体形成され、前記脚部は、前記連結部材との接合箇所から端部までの長さが、前記帯状部材を伝搬する電磁波の波長の略４分の１となるように形成されてもよい。

上記結合器において、前記帯状部材の他端は、複数に分岐されてもよい。

上記結合器において、前記帯状部材は、一部において他の部分より線路幅が広くされてもよい。

本発明に係る導波回路は、導波管と、導体から成る下部部材と、前記下部部材に載置された高周波回路と、前記下部部材に載置された結合器と、誘電体材料から成る構造体とを備え、前記結合器は、金属から成る帯状部材と、前記帯状部材の一端に形成され、前記導波管と電磁的に結合するためのアンテナと、前記帯状部材の一部に接合され、前記帯状部材を支持するための支持部材とを含み、前記アンテナは、平面視において前記導波管の内部に配置され、前記帯状部材の他端は、前記高周波回路の外部端子に接続され、前記構造体は、前記下部部材上に平面視において前記帯状部材を挟んで形成されることを特徴とする。

以上説明したことにより、本発明によれば、導波管と高周波回路とを結合する結合器において、導体損失を低減することが可能となる。

図１は、実施の形態１に係る導波管伝送線路結合器を含む導波回路を模式的に示す図である。 図２は、実施の形態１に係る導波管伝送線路結合器の金型の一例を示す図である。 図３は、実施の形態２に係る導波管伝送線路結合器を含む導波回路を模式的に示す図である。 図４は、実施の形態３に係る導波管伝送線路結合器を含む導波回路を模式的に示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図１は、実施の形態１に係る導波管伝送線路結合器３を含む導波回路１００を模式的に示す図である。同図の（Ａ）には、導波回路１００の平面構成が模式的に図示され、同図の（Ｂ）には、導波回路１００の断面構成が模式的に図示されている。

図１に示されるように、導波回路１００は、高周波回路２と導波管１とが導波管伝送線路結合器３を介して結合されることにより構成される。

導波管１は、例えば中空導波管であり、矩形状または円形状の断面を有する金属製の管から成る。なお、同図には、導波管１の断面が矩形状（方形導波管）の場合が例示されている。

高周波回路２は、例えば高周波信号に対する各種信号処理を行う回路である。特に制限されないが、高周波回路２は、一つの半導体集積回路から構成され、複数の外部端子を介して高周波信号や各種信号のやり取りを行う。なお、図１には、説明の便宜上、高周波信号を送信または受信するための外部端子２０が一つ図示されている。また、同図には、一例として、外部端子２０がパッドである場合が図示されているが、外部端子２０の形状等に特に制限はない。
高周波回路２は、導体から成る下部部材１１上に配置され、固定される。下部部材１１としては、金属材料（例えば、アルミ等を主成分とする金属材料）から成る支持基板や筐体等を例示することができる。

導波管伝送線路結合器３は、高周波回路２とともに下部部材１１上（筐体の場合は筐体内）に載置される。また、図１（Ｂ）に示されるように、導波管伝送線路結合器３の上面（後述する帯状部材３０の上面）は、例えば金属から成る板状の上部部材１０によって覆われる。すなわち、導波管伝送線路結合器３は、断面視において上部部材１０と下部部材１１とで挟まれるように配置される。

上部部材１０は、導波管伝送線路結合器３の上面と所定の間隔をあけて設置される。上記所定の間隔は、特に制限されないが、好ましくは、断面視における導波管伝送線路結合器３の下面（図１の（Ｂ）における帯状部材３０の下面）と下部部材１１との間隔と等しくされる。

なお、図示はしていないが、上部部材１０は、例えば下部部材１１に固定されている。また、図１の（Ａ）では、上部部材１０および下部部材１１の図示を省略している。

導波管伝送線路結合器３は、帯状部材３０と、アンテナ３１と、支持部材３２とから構成される。帯状部材３０、アンテナ３１、および支持部材３２は、導体から形成され、例えば同一の金属材料によって一体に形成される。

帯状部材３０は、高周波信号が伝搬する伝送線路として機能する。帯状部材３０は、その一端において高周波回路２の外部端子２０と接続される。例えば、帯状部材３０の一端は、高周波回路２の外部端子（パッド）２０に、はんだ付けされる。

アンテナ３１は、導波管１と電磁的に結合する。具体的に、アンテナ３１は、帯状部材３０の他端に形成され、導波管１内に配置される。なお、同図にはアンテナ３１が矩形状に形成された場合が例示されているが、導波管１との間で電磁波の送受信を行うことができれば、アンテナ３１の形状は特に制限されない。

上述したアンテナ３１と帯状部材３０とによれば、高周波回路２と導波管１との間で高周波信号をやり取りすることができる。例えば、高周波回路２の外部端子２０から出力された高周波信号は、帯状部材３０を介してアンテナ３１まで伝搬し、アンテナ３１から電磁波として導波管１内に送信される。また、アンテナ３１によって導波管１内の電磁波を受信すると、受信された電磁波が帯状部材３０を介して伝搬し、高周波信号として高周波回路２の外部端子２０に入力される。

支持部材３２は、帯状部材３０の一部に接合され、帯状部材３０を下部部材１１上に支持する。具体的に、支持部材３２は、２つの脚部（スタブ）３２０、３２１と、連結部材３２３とから構成される。

連結部材３２３は、２つの脚部３２０、３２１と帯状部材３０とを連結する。例えば、連結部材３２３は、帯状部材３０における平面視で下部部材１１と重なりを有する範囲の全部ではなく一部において、帯状部材３０と接合される。また、連結部材３２３は、帯状部材３０の一部に接合されることにより、インピーダンスを整合するための整合回路３３を形成する。

脚部３２０は、図１の（Ａ）に示されるように、平面視において帯状部材３０を挟んで配置され、帯状部材３０の長手方向に延在する。また、脚部３２０、３２１は、連結部材３２３との接合箇所において、帯状部材３０の平面に対して垂直な方向に折り曲げ可能にされる。例えば、図１の（Ｂ）に示されるように、連結部材３２３を中心として、脚部３２０の一端側３２０Ａと他端側３２０Ｂを帯状部材３０の平面に対して垂直な方向に折り曲げる。同様に、脚部３２１も折り曲げる。これにより、帯状部材３０を下部部材１１上に支持しつつ、帯状部材３０と支持基板との間の空間を広く取ることが可能となる。すなわち、伝送線路として機能する帯状部材３０と下部部材１１との間に誘電体材料の極めて少ない空間を広く取ることができるので、アンテナ３１や帯状部材３０の実効比誘電率を真空の値（＝１）に近づけることができ、従来よりも導体損失の少ない導波管伝送線路結合器を実現することができる。

更に好ましくは、脚部３２０，３２１の端部から連結部材３２３までの長さＸを、帯状部材３０を伝搬する電磁波の波長の略１／４の長さとする。例えば、電磁波の周波数をｆ（真空波長：１／ｆ）としたとき、長さＸを（１／４・ｆ）とする。これによれば、伝送線路の連結部材３２３における電磁波の反射を低減することができるので、帯状部材３０と同一の金属材料の脚部３２０、３２１を設けたことによる伝送線路の高周波特性への影響を小さくすることができる。

脚部３２０、３２１を折り曲げる角度Ｙは、高周波回路２の下部部材１１に対する高さに合わせて適宜調整可能である。例えば、帯状部材３０が水平（下部部材１１の平面と平行）になるように調整すればよい。

なお、連結部材３２３と帯状部材３０との接合位置（例えば帯状部材３０上の信号の伝搬方向における位置）、連結部材３２３の平面視における形状（高周波信号の進行方向と垂直方向の長さや高周波信号の進行方向と同一方向の長さ等）、脚部３２０、３２１の平面視における帯状部材３０との間隔、脚部３２０、３２１の形状等は、導波管伝送線路結合器３の支持基板１１上の安定性や、整合回路３３の回路定数の目標値等に合わせて適宜調整可能である。

次に、導波管伝送線路結合器３の作製方法について説明する。
図２は、実施の形態１に係る導波管伝送線路結合器３の金型の一例を示す図である。
上述したように、導波管伝送線路結合器３を構成する帯状部材３０、アンテナ３１、および支持部材３２は、同一の金属材料によって一体形成される。

先ず、図２に示すように、一枚の金属薄平板３００をレーザー等によって加工することによって帯状部材３０、アンテナ３１、および支持部材３２から成る金型を作製する。ここで、金属薄平板３００としては、弾性強度が強くレーザー加工が可能な金属材料であれば良く、例えば、ステンレス薄板、アルミニウム薄板、真鍮薄板、銅薄板、およびチタン薄板等を例示することができる。

次に、帯状部材３０、アンテナ３１、および支持部材３２から成る金型を、金属薄平板３００から切り離す。その後、切り離した金型における支持部材３２の脚部３２０、３２１をピンセット等により、上記のように所定の角度まで折り曲げる。これにより、導波管伝送線路結合器３が作製される。

なお、上記のレーザー加工の後に、電界めっき法または無電界めっき法によって高導電率の金属材料（例えば、金（Ａｕ）等）を金属薄平板３００に堆積させてプレーティング薄膜を形成してもよい。これによれば、導波管伝送線路結合器３の高周波損失（例えば抵抗損失）を更に低減することができる。

以上、実施の形態１に係る導波管伝送線路結合器３によれば、結合器全体の実効比誘電率を真空の値に近づけることができるので、従来の導波管伝送線路結合器に比べて、導体損失を小さくすることができる。

また、導波管伝送線路結合器３によれば、一枚の金属薄平板から容易に導波管伝送線路結合器を作製することができる。

≪実施の形態２≫
図３は、実施の形態２に係る導波管伝送線路結合器４を含む導波回路１０１を模式的に示す図である。同図の（Ａ）には、導波回路１０１の平面構成が模式的に図示され、同図の（Ｂ）には、導波回路１０１の断面構成が模式的に図示されている。

同図に示される導波管伝送線路結合器４は、帯状部材３０をスペーサ４０によって支持する点、および帯状部材３０に形成された幅広線路によって整合回路を形成する点において実施の形態１に係る導波管伝送線路結合器３と相違し、その他の構成は導波管伝送線路結合器３と同様である。なお、導波管伝送線路結合器４において、実施の形態１に係る導波管伝送線路結合器３と同一の機能部については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

具体的に、導波管伝送線路結合器４は、帯状部材３０、アンテナ３１、幅広線路３４、およびスペーサ４０から構成される。幅広線路３４は、例えば帯状部材３０と一体に形成される。具体的には、図３の（Ａ）に示されるように、平面視において、帯状部材３０から成る伝送線路の一部の線路幅を他の部分の線路幅よりも広くすることにより、幅広線路３４を形成する。これにより、幅広線路３４は容量素子として機能し、帯状部材３０の一部と幅広線路３４とによって整合回路３５を形成することができる。なお、幅広線路３４の配置（帯状部材３０上の信号の伝搬方向における位置）や幅広線路３４の平面視における形状（長さや幅等）は、目的とする整合回路３５の回路定数（容量値）に合わせて適宜調整可能である。

スペーサ４０は、例えば、比誘電率が比較的低い誘電体材料から構成される。上記誘電体材料としては、石英、アルミナ、およびポリイミド等を例示することができる。

スペーサ４０は、帯状部材３０の一方の面（図３の（Ｂ）における帯状部材３０の下面）の一部に接合される。例えば、帯状部材３０における平面視で下部部材１１と重なりを有する範囲の全部ではなく一部において、スペーサ４０は帯状部材３０に接合される。換言すれば、スペーサ４０の長さＬは、帯状部材３０を下部部材１１上に支持することができる程度の大きさを有し、高周波信号の伝搬方向の帯状部材３０の長さよりも十分短くされる。例えば、図３の（Ａ）に示されるように、スペーサ４０の長さＬは、帯状部材３０の最小幅（帯状部材３０における高周波信号の伝搬方向と垂直な方向の長さ）と同程度とされる。

なお、スペーサ４０の下部部材１１に対する高さは、図３の（Ｂ）に示されるように、高周波回路２の高さに合わせて、帯状部材３０が水平（下部部材１１の平面と平行）になるように調整すればよい。また、帯状部材３０を下部部材１１上に支持することができれば、配置（帯状部材３０上の信号の伝搬方向における位置）、幅Ｗ、および形状等に特に制限はない。

以上、実施の形態２に係る導波管伝送線路結合器４によれば、スペーサ４０が帯状部材３０の下面全体と接合するのではなく、一部に接合されるので、帯状部材３０と下部部材１１との間に誘電体材料の極めて少ない空間を広く取ることができる。これにより、実施の形態１に係る導波管伝送線路結合器３と同様に、導体損失を小さくすることができる。

≪実施の形態３≫
図４は、実施の形態３に係る導波管伝送線路結合器５を含む導波回路１０２を模式的に示す図である。同図の（Ａ）には、導波回路１０２の平面構成が模式的に図示され、同図の（Ｂ）には、導波回路１０２の断面構成が模式的に図示されている。

同図に示される導波管伝送線路結合器５は、伝送線路を構成する帯状部材の高周波回路と接続する端部が分岐される点、および支持基板上に配置された構造体によって帯状部材に容量成分を持たせる点において実施の形態２に係る導波管伝送線路結合器４と相違し、その他の構成は導波管伝送線路結合器４と同様である。なお、導波管伝送線路結合器５において、実施の形態１に係る導波管伝送線路３や実施の形態２に係る導波管伝送線路結合器４と同一の機能部については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

具体的に、導波管伝送線路結合器５は、帯状部材５０、アンテナ３１、およびスペーサ４０から構成される。

帯状部材５０は、図４の（Ａ）に示されるように、高周波回路２と接続される端部が複数に分岐される。例えば、帯状部材５０のアンテナ３１と反対側の端部が２つに分岐し、分岐した一方の端部５１Ａが高周波回路２の外部端子２０Ａに接続され、他方の端部５１Ｂが高周波回路２の外部端子２０Ｂに接続される。これにより、外部端子２０Ａおよび２０Ｂが出力端子から出力された高周波信号を合成する電力合成器としての機能と、アンテナ３１で受信した信号を外部端子２０Ａおよび２０Ｂに分配して供給する電力分配器としての機能を帯状部材５０に持たせることができる。

上述したように、導波回路１０２は、構造体４１Ａ、４１Ｂを更に備える。構造体４１Ａ、４１Ｂは、例えば誘電体材料から構成されたブロック状の部品である。誘電体材料としては、石英やアルミナ等を例示することができる。以下、構造体４１Ａ、４１Ｂを誘電体ブロック４１Ａ、４１Ｂと称する。

誘電体ブロック４１Ａ、４１Ｂは、図４の（Ａ）に示されるように、平面視において帯状部材５０を挟むように対向配置される。換言すれば、誘電体ブロック４１Ａ、４１Ｂは、平面視において、帯状部材５０を中心として線対称となるように配置される。これにより、誘電体ブロック４１Ａ、４１Ｂを配置したことによる誘電体ブロック４１Ａ、４１Ｂ周辺の磁界の乱れを抑えることができ、導波管伝送線路結合器５の高周波特性の劣化を抑えることが可能となる。

なお、誘電体ブロック４１Ａ、４１Ｂの下部部材１１に対する高さ、長さ、幅、および形状等は、帯状部材５０から成る伝送線路に付加したい容量値に応じて種々変更可能である。また、誘電体ブロック４１Ａ、４１Ｂの配置、すなわち、帯状部材５０上の信号の伝搬方向における位置や平面視における誘電体ブロック４１Ａ、４１Ｂの間隔等により、インピーダンスの整合条件を最適化することが可能である。

以上、実施の形態３に係る導波管伝送線路結合器５によれば、実施の形態２に係る導波管伝送線路結合器４と同様に、導体損失を小さくすることができる。

また、伝送線路を構成する帯状部材５０の端部が分岐され、高周波回路２の複数の外部端子に夫々接続されるので、導波管伝送線路結合器に電力合成機能および電力分配機能を持たせることができる。

更に、導波管伝送線路結合器の周辺に誘電体ブロックを適宜配置することにより、導波管伝送線路結合器に容量成分を付加することができる。これによれば、導波管伝送線路結合器の作製時に容量素子を形成しなくても、導波管伝送線路結合器の設置後に導波管伝送線路結合器のインピーダンスの整合条件を最適化することが可能となる。

以上、本発明者らによってなされた発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。

例えば、上記実施の形態１乃至３において、導波管伝送線路結合器３〜５が、断面視において上部部材１０と下部部材１１とで挟まれる場合を例示したが、導波管伝送線路結合器３〜５の側面も金属部材によって覆うようにしてもよい。この場合、上部部材１０を、側面の金属部材と一体形成した構成としてもよい。

実施の形態１において、帯状部材３０、アンテナ３１、および支持部材３２が同一の金属によって一体に形成される場合を例示したが、帯状部材３０、アンテナ３１、および支持部材３２を夫々別個の部品として作製し、夫々を結合させてもよい。

実施の形態１において、実施の形態２のように幅広線路３４を形成したり、実施の形態３のように誘電体ブロックを配置したりしてもよい。また、帯状部材３０の高周波回路２の外部端子と接続される端部を、実施の形態３の帯状部材５０のように分岐させることも可能である。

また、実施の形態２に係る導波回路１０１において、幅広線路３４の代わりに誘電体ブロック４１Ａ、４１Ｂを配置してもよいし、実施の形態３に係る導波回路１０２において、誘電体ブロック４１Ａ、４１Ｂの代わりに帯状部材５０に幅広線路３４を形成してもよい。また、導波回路１０１、１０２において、幅広線路３４と誘電体ブロック４１Ａ、４１Ｂの双方を配置してもよい。また、幅広線路３４の個数や誘電体ブロック対の個数に特に制限はなく、必要に応じて適宜設けることができる。なお、幅広線路３４や誘電体ブロック４１Ａ、４１Ｂがなくてもインピーダンス整合が可能な場合には、幅広線路３４および誘電体ブロック４１Ａ、４１Ｂを設けなくてもよい。

実施の形態３に係る導波回路１０２において、２つの誘電体ブロック４１Ａ、４１Ｂを配置する場合を例示したが、磁界の乱れが許容できる場合には、誘電体ブロック４１Ａ、４１Ｂの何れか一方のみを配置してもよい。

また、誘電体ブロック４１Ａ、４１Ｂを平面視において帯状部材５０を挟んで配置する場合を例示したが、平面視において帯状部材５０と重なりを有するように誘電体ブロックを配置してもよい。この場合、誘電体ブロックの下部部材１１に対する高さは、誘電体ブロックと帯状部材５０とが接触しない範囲で調整可能である。

１００、１０１、１０２…導波回路１、１…導波管、２…高周波回路、３、４、５…導
波管伝送線路結合器、１０…上部部材、１１…下部部材、２０…外部端子（パッド）、３
０、５０…帯状部材、３１…アンテナ、３２…支持部材、３２０、３２１…脚部、３２３
…連結部材、３３、３５…整合回路、４０…スペーサ、４１Ａ、４１Ｂ…構造体（誘電体ブロック）、５１Ａ、５１Ｂ…帯状部材の端部、３００…金属薄平板。

Claims (5)

1. 導波管と高周波回路とを結合するための結合器であって、
   金属から成る帯状部材と、
   前記帯状部材の一端に形成され、前記導波管と電磁的に結合するためのアンテナと、
   前記帯状部材の一部に接合され、前記帯状部材を支持するための支持部材とを備え、
   前記支持部材は、
   平面視において前記帯状部材を挟んで配置され、前記帯状部材の長手方向に延在する２つの脚部と、
   前記２つの脚部と前記帯状部材とを連結する連結部材と、から構成され、
   前記２つの脚部は、前記連結部材との接合箇所において、前記帯状部材の平面に対して垂直な方向に折り曲げ可能にされる
   ことを特徴とする結合器。
2. 請求項１に記載の結合器において、
   前記帯状部材と、前記アンテナと、前記支持部材とは、同一の金属材料で一体形成され、
   前記脚部は、前記連結部材との接合箇所から端部までの長さが、前記帯状部材を伝搬する電磁波の波長の略４分の１となるように形成される
   ことを特徴とする結合器。
3. 請求項１または２に記載の結合器において、
   前記帯状部材の他端は、複数に分岐される
   ことを特徴とする結合器。
4. 請求項１乃至３の何れかに記載の結合器において、
   前記帯状部材は、一部において他の部分より線路幅が広くされる
   ことを特徴とする結合器。
5. 導波管と、
   導体から成る下部部材と、
   前記下部部材に載置された高周波回路と、
   前記下部部材に載置された結合器と、
   誘電体材料から成る構造体と、を備え、
   前記結合器は、
   金属から成る帯状部材と、
   前記帯状部材の一端に形成され、前記導波管と電磁的に結合するためのアンテナと、
   前記帯状部材の一部に接合され、前記帯状部材を支持するための支持部材とを含み、
   前記アンテナは、平面視において前記導波管の内部に配置され、
   前記帯状部材の他端は、前記高周波回路の外部端子に接続され、
   前記構造体は、前記下部部材上に、平面視において前記帯状部材を挟んで形成される
   ことを特徴とする導波回路。