JP6167008B2 - 導波管との接続構造 - Google Patents

Description

本発明は、平面回路からなる伝送線路に対して、導波管を平行に連結することが可能な、導波管との接続構造に関する。

近年、ミリ波帯を利用した数Ｇｂｐｓの高速大容量通信が提案され、その一部が実現されつつある。特に、６０ＧＨｚ帯で動作する無線通信機器は、より重要性を増している。国内においては、５９〜６６ＧＨｚの広い周波数帯域を、無免許で利用可能であることから、民生分野への普及が期待されており、安価で小型のミリ波通信モジュールの実現が急務となっている。

平面回路による伝送線路（マイクロストリップ線路やコプレーナ線路等）を中空の導波管と接続するため、平面回路の基板に対して直交する方向に導波管を配置した数々の構造が提案されている（特許文献１〜４、非特許文献１参照）。

また、基板加工技術に基づく導波路形成技術として、ポスト壁導波路（ＰＷＷ：Ｐｏｓｔ−ｗａｌｌ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）が知られている（特許文献５参照）。ポスト壁導波路は、従来の方形導波管の広壁と狭壁を、それぞれ基板両面の接地導体層と基板を貫通するスルーホール群（ポスト群）で置き換えたものと理解することができる。

特開２０１１−６１２９０号公報 特開平６−１４０８１５号公報 特許第２９２８１５４号公報 特許第４４５３６９６号公報 特許第３６７２２４１号公報

榊原久二男、"多層基板を用いたミリ波帯平面アンテナに関する研究"、［ｏｎｌｉｎｅ］、電気通信普及財団、研究調査報告書Ｎｏ．２３（２００８年）、２８６−２９６頁、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｔａｆ．ｏｒ．ｊｐ／ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ／ｋｊｏｓｅｉ＿２３／ｉｎｄｅｘ−１／ｐａｇｅ／ｐ２８６．ｐｄｆ＞

しかしながら、従来の伝送線路と導波管との接続構造は、構造が複雑で、かつ、平面回路と導波管が直交する（すなわち信号の伝搬方向が直交する）形態でしか実現できないという制約があった。また、伝送線路と導波管との間で信号を変換するとき、一般的な変換損失が１ｄＢ程度と大きいという問題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、平面回路からなる伝送線路に対して、導波管を平行に連結することが可能な、導波管との接続構造を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、平面回路からなる伝送線路と導波管との接続構造であって、平面回路からなる伝送線路が設けられた誘電体基板にポスト壁導波路が形成され、前記ポスト壁導波路は、前記誘電体基板の対向する両面に形成された一対の接地導体層と、前記一対の接地導体層を接続するように前記誘電体基板を貫通するポストからなる一対のポスト壁とから構成され、前記伝送線路と前記ポスト壁導波路との間は、前記誘電体基板に形成されたモード変換器により接続され、導波管の中空部が前記ポスト壁導波路の端部に対向して、前記ポスト壁導波路と前記導波管とが伝搬方向を互いに平行にして連結され、前記ポスト壁導波路と前記導波管との隙間が導体により閉鎖されていることを特徴とする、導波管との接続構造を提供する。

前記一対のポスト壁の間隔は、前記導波管の狭壁の間隔よりも狭く、前記誘電体基板の内部又は前記ポスト壁と平行な外面には、前記一対のポスト壁の間隔と前記導波管の狭壁の間隔との間を埋める導体が設けられていてもよい。
前記誘電体基板は、前記ポスト壁導波路の伝搬方向においては前記導波管の中空部に対向する前記ポスト壁導波路の端部と前記モード変換器との間であって、前記ポスト壁導波路における前記一対の接地導体層と前記一対のポスト壁で囲まれる内部に、ポストを有してもよい。
前記誘電体基板の上には、前記伝送線路に接続された半導体素子が実装されていてもよい。
前記ポスト壁導波路の周囲には、少なくとも前記ポスト壁導波路の底面と両側面を覆う金属製の治具が設けられ、前記金属製の治具と前記導波管が連結されていることが好ましい。

前記モード変換器は、前記伝送線路から前記誘電体基板の内部に向けて形成されたピン構造を有してもよい。
前記伝送線路と前記誘電体基板との間に、前記一対の接地導体層に対して前記伝送線路を電気的に絶縁する誘電体層が設けられていてもよい。
前記一対の接地導体層のうち一方の接地導体層は、前記誘電体基板において前記伝送線路と同一の面に形成され、他方の接地導体層は、前記誘電体基板において前記伝送線路と反対の面に形成され、前記モード変換器は、前記伝送線路と前記一方の接地導体層とが連続した導体パターンとして形成されることにより構成されていてもよい。

本発明によれば、平面回路からなる伝送線路と導波管との間にポスト壁導波路を配置し、伝送線路とポスト壁導波路を同一の誘電体基板に形成したので、伝送線路に対して導波管を平行に連結することが可能である。誘電体基板と導波管との隙間を導体で閉鎖することにより、ポスト壁導波路と導波管との間の損失を抑制することができる。

本発明の接続構造の一例を示す斜視図である。 本発明の接続構造の一例を示すＥ面における断面図である。 本発明の接続構造の一例を示す伝搬方向に垂直な面における断面図である。 本発明の接続構造の一例を示すＨ面における断面図である。 筐体を用いた接続構造の一例を示すＥ面における断面図である。 筐体を用いた接続構造の一例を示す伝搬方向に垂直な面における断面図である。 導波路を狭くした接続構造の一例を示すＨ面における断面図である。 支持部を高くした接続構造の一例を示すＥ面における断面図である。 反射係数の電磁界シミュレーションの結果の一例を示すグラフである。 透過係数の電磁界シミュレーションの結果の一例を示すグラフである。

以下、好適な実施形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。
図１は、伝送線路と導波管との接続構造の一例を示す概念的な斜視図である。図２はＥ面における断面図、図３は伝搬方向に垂直な面における断面図、図４はＨ面における断面図である。図１に示すように、導波管３０は、誘電体基板２４の片面に形成された伝送線路１１に対し、それぞれの伝搬方向と平行な軸方向（Ｘ軸方向）に沿って対向している。伝送線路１１は、平面回路により、例えばマイクロストリップ線路、コプレーナ線路、ストリップ線路等から構成されている。導波管３０のＥ面は狭壁３１，３１に平行であり、Ｈ面は広壁３２，３３に平行である。

ポスト壁導波路基板２６は、誘電体基板２４にポスト壁導波路２０が形成された基板である。ポスト壁導波路２０は、誘電体基板２４の対向する両面に形成された一対の接地導体層２２，２３と、一対の接地導体層２２，２３を接続するように誘電体基板２４を貫通する多数のポスト２１ａ，２１ａ，・・からなる一対のポスト壁２１，２１を備える。接地導体層２２，２３は、図示しないが、接地（グランド）電位となるように外部に接続されている。ポスト壁導波路２０は、導波管３０に対向する端部とは反対の側に、ポスト壁２１に直交するショート壁を有する。ショート壁は、接地導体層２２，２３を接続するように誘電体基板２４を貫通する１又は２以上のポスト２１ｂから構成されている。

誘電体基板２４は、特に限定されないが、樹脂、ガラス、セラミックスやこれらの複合体等の誘電体から構成することができる。誘電体基板２４と接地導体層２２，２３は、特に限定されないが、プリント回路基板用の両面銅張積層板を加工して作製することもできる。各ポスト２１ａは、誘電体基板２４に形成した貫通孔の内面に導体を積層したり、貫通孔に導体を充填したりして柱状の導体となるように形成される。貫通孔の断面形状は円形に限らず、四角形、多角形、その他の形状であってもよい。隣接するポスト２１ａ，２１ａの配列や間隔は、高周波信号がポスト壁導波路２０の外部に漏洩しないように設定される。例えば、隣接するポスト２１ａ，２１ａ間の中心間距離をポスト２１ａの直径の２倍以下とすることが挙げられる。

図２に示すように、伝送線路１１とポスト壁導波路２０との間は、誘電体基板２４に形成されたモード変換器１２により接続されている。図２のモード変換器１２は、伝送線路１１から誘電体基板２４の内部に向けて挿入されたピン構造の導体により構成されている。接地導体層２２には開口部２２ａが設けられ、ピン構造の導体と接地導体層２２との間は誘電体で絶縁される。伝送線路１１と誘電体基板２４との間には、接地導体層２２，２３に対して伝送線路１１を電気的に絶縁する誘電体層１３が設けられていてもよい。伝送線路１１を構成する平面回路が、ＧＳＧ（接地−信号−接地）構造のグランド（ＧＮＤ）端子のように接地を要する部分を要する場合は、誘電体基板２４に対して伝送線路１１と同じ側に設けられた接地導体層２２に接続するため、誘電体層１３を貫通するグランド（ＧＮＤ）ビア（図示せず）を設けることができる。

ピン構造は、誘電体基板２４に形成される下部導体１２ｂと、誘電体層１３を貫通する上部導体１２ａの二体から構成してもよい。ピンが１種類の導体で形成されてもよく、２種類以上の導体を積層した構成でもよい。ピンの内部は空洞でもよく、導体が充填されてもよく、誘電体が充填されてもよい。ピンの先端形状は丸みを帯びた形状でも尖った形状でもよい。

図３に示すように、導波管３０は、一対の狭壁３１，３１と一対の広壁３２，３３を有する方形導波管である。広壁は、上部広壁３２と下部広壁３３からなる。広壁の幅は狭壁の幅より広い。すなわち、一対の狭壁３１，３１が対向する方向の間隔は、一対の広壁３２，３３が対向する方向の間隔よりも広い。図２及び図４に示すように、狭壁３１，３１と広壁３２，３３で囲まれる内部は中空部３４となっている。

ポスト壁導波路２０と導波管３０は、伝播モードにおける互いのＨ面を共有するように、伝搬方向に垂直な面で接続されている。ポスト壁２１，２１と接地導体層２２，２３の配置は、それぞれ導波管３０の狭壁３１，３１と広壁３２，３３の位置に対応している。図３では、導波管３０の内面３０ａ（図２及び図４参照）の概略の位置を、方形の二点鎖線で表している。ポスト壁導波路２０の伝搬方向に沿った誘電体基板２４の端部は、導波管３０の中空部３４に対向している。これにより、信号が伝搬可能な領域である、ポスト壁導波路２０の内部と導波管３０の内部が整合する。ポスト壁導波路２０における信号の伝搬方向は、導波管３０における信号の伝搬方向に平行である。

ポスト壁導波路２０の内部は、誘電体基板２４を構成する誘電体で形成されているため、導波管３０の内部空間である中空部３４と比べると誘電率が大きく、内部を伝搬する信号の波長が短縮される。このため、ポスト壁導波路２０の広壁に相当する接地導体層２２，２３の間隔は、導波管３０の広壁３２，３３の間隔より狭い。つまり、ポスト壁導波路２０は、伝搬方向に垂直な面における断面形状が、導波管３０より小型である。そこで、この面の方向（Ｚ軸方向）に生じる隙間を埋めるためのシャッターとして、接地導体層２２と上部広壁３２の間に、金属等の導体２５（以下「閉鎖導体２５」という。）が配置されている。これにより、隙間からの信号の漏洩を抑制し、損失を低減することができる。閉鎖導体２５は、金属の加工物でもよく、金属箔であってもよい。閉鎖導体２５は、接地導体層２２及び上部広壁３２に対して、隙間なく接触していることが好ましい。また、閉鎖導体２５が、両方の狭壁３１，３１に対しても隙間なく接触していることが好ましい。隙間からの信号の漏洩を防止（遮蔽・シールド）できれば、閉鎖導体２５が接地導体層２２や導波管３０との間に隙間を有していても構わない。

図４に示すように、ポスト壁導波路基板２６の幅は、導波管３０の狭壁３１，３１の間隔と同程度である。ここで、ポスト壁導波路基板２６の幅は、誘電体基板２４の幅であり、ポスト壁２１，２１の外側を含む。ポスト壁導波路２０の幅（ポスト壁２１，２１の間隔に相当し、ポスト壁２１，２１の外側を含まない。）が導波管３０の狭壁３１，３１の間隔よりも狭い場合、ポスト壁２１の外側に導体を設けて、ポスト壁２１と導波管３０の狭壁３１との隙間を埋めてもよい。図４の場合、ポスト壁２１から外側に向けて１又は２以上のポスト２１ｃが配置されている。金属などの導体からなるポスト２１ｃを配置することにより、隙間からの信号の漏洩を抑制し、損失を低減することができる。

図１及び図４の場合、ポスト壁導波路２０の伝搬方向（Ｘ軸方向）における、導波管３０の中空部３４に対向するポスト壁導波路２０の端部とモード変換器１２との間の区間においては、一対の接地導体層２２，２３と一対のポスト壁２１，２１で囲まれる内部に、他のポストがなく、誘電体基板２４の誘電体のみが配されている。

伝送線路１１からモード変換器１２に信号を伝搬させると、信号がポスト壁導波路２０を伝搬し、ポスト壁導波路２０の端部から導波管３０に向けて放射される。このように、伝送線路１１の信号をモード変換器１２によりポスト壁導波路２０のＴＥモードに変換し、その後、ポスト壁導波路２０のＴＥモードと導波管３０のＴＥモードとを変換する。２回モードを変換することで、ポスト壁導波路２０と導波管３０の間の伝送をＴＥモード同士の変換により行うことができるため、信号中心周波数で損失を少なくことができる。

ピン構造のモード変換器１２の場合、ピンの長さを自在に調節することが可能となり、他の回路要素等による調節を行うことなく反射損を抑制することができる。ピン構造は銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）等の導体から形成することができる。ピン導体と誘電体基板の密着性を高めるため、間に密着層としてチタン（Ｔｉ）やクロム（Ｃｒ）等の膜を設けることが好ましい。密着層は、ピン導体と誘電体基板との密着が損なわれない範囲において、薄いほど望ましい。例えば、Ｃｕの膜が３００ｎｍ以上である場合には、ＴｉまたはＣｒの膜は４０ｎｍ程度であることが望ましい。

ミリ波のように、周波数の高い高周波信号を伝送する場合、スルーホールが長いとリアクタンスが増大し、安定的な接続が難しい。伝送線路１１と接地導体層２２の間の誘電体層１３の厚さは、電気的絶縁が確保できる限り薄いことが好ましい。その厚さとしては、例えば１０〜２０μｍ程度が挙げられる。半導体素子のＧＮＤ端子とＰＷＷの接地導体層２２の間をビアで接続する際に、リアクタンスを低く抑えることができ、半導体素子のＧＮＤ端子を電気的に安定な状態で外部基板と接続できる。

ポスト壁導波路基板２６と導波管３０との位置合わせのため、ポスト壁導波路基板２６の周囲には、ポスト壁導波路基板２６を支持する支持部材４０を設けることができる。図２及び図４の場合、ポスト壁２１，２１に沿った壁面（側面）と、伝送線路１１の反対側の接地導体層２３に沿った壁面（底面）を覆うように支持部材４０が配されている。支持部材４０としては、例えば、ポスト壁導波路基板２６の幅と厚さに合わせて溝を形成した金属製の治具を用いることができる。溝の幅と深さはポスト壁導波路の幅と厚さと同じにしてもよい。

以上、本発明を好適な実施形態に基づいて説明してきたが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。
高周波信号としては、ミリ波が挙げられるが、導波管構造による伝搬が可能であれば、テラヘルツ波（サブミリ波）等の更に高い周波数を有する信号でもよい。

伝送線路１１の設けられた側では、図５に示すように、誘電体基板２４の上に半導体素子１６が実装されていてもよい。半導体素子１６は、例えば集積回路（ＩＣ）であり、バンプ１５を介して伝送線路１１の端部１４に接続されている。ポスト壁導波路２０の支持部材が、導波管３０の狭壁３１，３１及び広壁３２，３３と同様に、四方に壁部４２を有する筐体４１（図６参照）であってもよい。この筐体４１も、ポスト壁導波路２０の底面と両側面を覆う金属製治具の一例である。導波管３０と筐体４１との継ぎ目では、それぞれの端部にフランジ３５，４３を設け、フランジ３５，４３同士を対向させて連結することが好ましい。これにより、導波管３０とポスト壁導波路２０の伝搬方向のずれを低減して、両者を連結することができる。フランジ３５，４３の連結手段は特に限定されないが、ねじ３６、リベット、クリップ等が挙げられる。

ポスト壁導波路２０の端部においては、導波管３０に対する整合のため、ポスト等の導体を設けることもできる。ポスト壁導波路２０の伝搬方向（Ｘ軸方向）における、導波管３０の中空部３４に対向するポスト壁導波路２０の端部とモード変換器１２との間の区間において、一対の接地導体層２２，２３と一対のポスト壁２１，２１で囲まれる内部に、１又は２以上のポスト（図示せず）を設けることにより、ポスト壁導波路２０と導波管３０の間で反射損を低減することができる。

図７に示すように、ポスト壁導波路基板２６の幅は、導波管３０の狭壁３１，３１の間隔より狭くすることができる。この場合、ポスト壁導波路２０の幅と導波管３０の狭壁３１，３１の間隔との差（幅方向におけるポスト壁２１と狭壁３１の間）を埋める導体として、ポスト壁導波路基板２６におけるポスト壁２１と平行な外面には、金属などの導体からなる部材４０を設けてもよい。これにより、隙間からの信号の漏洩を抑制し、損失を低減することができる。部材４０は、ポスト壁導波路基板２６を支持する支持部材であると同時に、上述の閉鎖導体２５と同様の機能を有してもよい。

図８に示すように、ポスト壁導波路２０の底面は、導波管３０の下部広壁３３と接触しておらず、導波管３０の中空部３４に対し、ポスト壁導波路２０がＺ軸方向の中間程度に位置してもよい。この場合、ポスト壁導波路２０の下部の接地導体層２２と導波管３０の下部広壁３３との隙間は、金属などの導体からなる部材４０を設けてもよい。これにより、隙間からの信号の漏洩を抑制し、損失を低減することができる。

閉鎖導体の全体が導波管の外側に配されてもよい。閉鎖導体の全体が導波管の内側に配されてもよい。閉鎖導体の一部が導波管の外側に配されて、閉鎖導体の一部が導波管の内側に配されてもよい。

導波管に対するポスト壁導波路の固定は、ポスト壁導波路を支持する治具を導波管に対して固定する方法に限らず、導波管に対し、ポスト壁導波路を直接固定してもよい。固定手段は、溶接、接着、半田、ねじ、リベット、クリップ等が挙げられる。固定箇所に応じて、異なる固定手段を使い分けてもよい。
ポスト壁導波路の全部が導波管の外にあっても、一部が導波管の中にあってもよい。ポスト壁導波路の外面と導波管の内面との間に、金属などの導体からなる治具や閉鎖導体を介在させることもできる。

伝送線路とポスト壁導波路の間でモードを変換するモード変換部としては、図示したピン構造に限らず、任意の構造を採用可能である。例えば、特許文献５に開示されるように、一対の接地導体層のうち一方の接地導体層は、誘電体基板において伝送線路と同一の面に形成され、他方の接地導体層は、誘電体基板において伝送線路と反対の面に形成され、伝送線路と前記一方の接地導体層とが連続した導体パターンとして形成されることにより、モード変換器が構成されていてもよい。

導波管は、少なくともポスト壁導波路に連結される部分の近傍がポスト壁導波路の伝搬方向と平行であればよい。ポスト壁導波路から離れた箇所では、導波管が９０°ベンド構造など曲がった構造であってもよい。

（実施例１）
導波管としてＷＲ−１５（内側寸法が広壁側で３．７６ｍｍ、狭壁側で１．８８ｍｍの方形導波管）を想定し、ポスト壁導波路の誘電体基板として厚さ０．８５ｍｍ、幅３．７６ｍｍの石英を想定し、ポスト壁導波路の幅を２．０ｍｍと想定して、ポスト壁導波路と導波管の間のモード変換に関し、電磁界シミュレーションを行った。ポスト壁導波路と導波管の隙間（約０．８５ｍｍと１．８８ｍｍとの差で、Ｚ軸方向に約１ｍｍ）は、金属の部材で閉鎖した。

周波数（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）に対する反射係数Ｓ１１のシミュレーション結果を図９に示す。また、周波数に対する透過係数Ｓ２１のシミュレーション結果を図１０に示す。図９より、おおよそ５ＧＨｚの帯域にわたって、−１０ｄＢより小さい反射損が実現できる。また、図１０より、設計中心（６０ＧＨｚ）で透過係数Ｓ２１が０となることが確認できる。

１１…伝送線路、１２…モード変換器、１３…誘電体層、１６…半導体素子、２０…ポスト壁導波路、２１…ポスト壁、２１ａ，２１ｂ，２１ｃ…ポスト、２２，２３…接地導体層、２４…誘電体基板、２５…閉鎖導体、２６…ポスト壁導波路基板、３０…導波管、３１…狭壁、３４…中空部、３５，４３…フランジ、４０…支持部材、４１…筐体。

Claims (8)

1. 平面回路からなる伝送線路と導波管との接続構造であって、
   平面回路からなる伝送線路が設けられた誘電体基板にポスト壁導波路が形成され、
   前記ポスト壁導波路は、前記誘電体基板の対向する両面に形成された一対の接地導体層と、前記一対の接地導体層を接続するように前記誘電体基板を貫通するポストからなる一対のポスト壁とから構成され、
   前記伝送線路と前記ポスト壁導波路との間は、前記誘電体基板に形成されたモード変換器により接続され、
   導波管の中空部が前記ポスト壁導波路の端部に対向して、前記ポスト壁導波路と前記導波管とが伝搬方向を互いに平行にして連結され、
   前記ポスト壁導波路と前記導波管との隙間が導体により閉鎖されていることを特徴とする、導波管との接続構造。
2. 前記一対のポスト壁の間隔は、前記導波管の狭壁の間隔よりも狭く、前記誘電体基板の内部又は前記ポスト壁と平行な外面には、前記一対のポスト壁の間隔と前記導波管の狭壁の間隔との間を埋める導体が設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の導波管との接続構造。
3. 前記誘電体基板は、前記ポスト壁導波路の伝搬方向においては前記導波管の中空部に対向する前記ポスト壁導波路の端部と前記モード変換器との間であって、前記ポスト壁導波路における前記一対の接地導体層と前記一対のポスト壁で囲まれる内部に、ポストを有することを特徴とする、請求項１又は２に記載の導波管との接続構造。
4. 前記誘電体基板の上には、前記伝送線路に接続された半導体素子が実装されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の導波管との接続構造。
5. 前記ポスト壁導波路の周囲には、少なくとも前記ポスト壁導波路の底面と両側面を覆う金属製の治具が設けられ、前記金属製の治具と前記導波管が連結されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の導波管との接続構造。
6. 前記モード変換器は、前記伝送線路から前記誘電体基板の内部に向けて形成されたピン構造を有することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の導波管との接続構造。
7. 前記伝送線路と前記誘電体基板との間に、前記一対の接地導体層に対して前記伝送線路を電気的に絶縁する誘電体層が設けられていることを特徴とする、請求項６に記載の導波管との接続構造。
8. 前記一対の接地導体層のうち一方の接地導体層は、前記誘電体基板において前記伝送線路と同一の面に形成され、他方の接地導体層は、前記誘電体基板において前記伝送線路と反対の面に形成され、
   前記モード変換器は、前記伝送線路と前記一方の接地導体層とが連続した導体パターンとして形成されることにより構成されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の導波管との接続構造。

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