JP6460941B2 - 伝送線路変換器 - Google Patents
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Description
本発明は、主として高周波帯で用いられる伝送線路変換器に関する。
高周波回路では、基板内の配線にマイクロストリップ線路、ストリップ線路などがよく用いられる。また、高周波回路同士あるいは他の機器との接続には同軸線路がよく用いられる。そのため、これらの伝送線路間の変換を行う伝送線路変換器が必要となる。
このような伝送線路変換器では、信号の反射が少なく、効率よく信号を伝送することが求められる。また、用途によっては、基板上の線路と同軸線路の接続にはんだ付け等を用いず、繰り返し脱着が可能であることが求められる。
このような伝送線路変換器では、信号の反射が少なく、効率よく信号を伝送することが求められる。また、用途によっては、基板上の線路と同軸線路の接続にはんだ付け等を用いず、繰り返し脱着が可能であることが求められる。
従来の高周波回路において、上記の要求を満たす伝送線路変換器として、圧縮性の中心導体を用いた同軸線路構造（下記特許文献１参照）が提案されている。
特許文献１で示されるような構造では、基板のそりや組立時のばらつきなどにより基板が金属筐体から離れた場合に中心導体が伸長することで導通は保たれる。しかし、中心導体が伸長した分だけ微小な伝送線路が追加されるため、高周波帯では不整合が起き、反射特性が劣化するといった問題がある。
本発明は、上述したような従来の技術が有する問題点に鑑みてなされたものであって、基板が金属筐体から離れた場合でも低反射特性を実現する伝送線路変換器を提供することを目的とする。
本発明は、上述したような従来の技術が有する問題点に鑑みてなされたものであって、基板が金属筐体から離れた場合でも低反射特性を実現する伝送線路変換器を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本願発明に係る伝送線路変換器は、板状の誘電体、前記誘電体の一面に設けられた地導体、前記誘電体の前記地導体と反対の面に設けられた信号導体、前記地導体の第１の開口部内に前記地導体と同一面に設けられスルーホールを介して前記信号導体と電気的に接続する電極端子、前記地導体に設けられた第２の開口部、を有する基板と、前記電極端子と接続する伸縮可能な導体構造と、前記基板の地導体の面と隣接し、前記導体構造が貫通する孔が設けられた筐体とを有し、前記第２の開口部は、前記基板と前記筐体が離れた場合に前記導体構造が伸縮することによるインピーダンスの不整合を減少させ、前記筐体を、金属としたことを特徴とする。
上記目的を達成するために、本願発明に係る伝送線路変換器は、板状の誘電体、前記誘電体の一面に設けられた地導体、前記誘電体の前記地導体と反対の面に設けられた信号導体、前記地導体の第１の開口部内に前記地導体と同一面に設けられスルーホールを介して前記信号導体と電気的に接続する電極端子、前記地導体に設けられた第２の開口部、を有する基板と、前記電極端子と接続する伸縮可能な導体構造と、前記基板の地導体の面と隣接し、前記導体構造が貫通する孔が設けられた筐体とを有し、前記第２の開口部は、前記基板と前記筐体が離れた場合に前記導体構造が伸縮することによるインピーダンスの不整合を減少させ前記筐体を、表面に導体が形成された誘電体としたことを特徴とする。
上記目的を達成するために、本願発明に係る伝送線路変換器は、板状の誘電体、前記誘電体の一面に設けられた地導体、前記誘電体の前記地導体と反対の面に設けられた信号導体、前記地導体の第１の開口部内に前記地導体と同一面に設けられスルーホールを介して前記信号導体と電気的に接続する電極端子、前記地導体に設けられた第２の開口部、を有する基板と、前記電極端子と接続する伸縮可能な導体構造と、前記基板の地導体の面と隣接し、前記導体構造が貫通する孔が設けられた筐体とを有し、前記第２の開口部は、前記基板と前記筐体が離れた場合に前記導体構造が伸縮することによるインピーダンスの不整合を減少させ前記筐体を、表面に導体が形成された誘電体としたことを特徴とする。
本発明によれば、基板が筐体より離れた場合に発生する反射特性の劣化を抑圧することができる。これにより、基板を筐体に固定するためのネジなどの部品を削減することができ、装置の低コスト化、軽量化および組立時間の短縮が可能となる。
実施の形態１．
本発明の実施の形態１による、伝送線路変換器１００の分解斜視図および断面図をそれぞれ図１、図２に示す。なお、本実施の形態では、基板内の配線にマイクロストリップ線路を用い、同軸線路との変換を行う伝送線路変換器１００について説明する。
本実施の形態１による伝送線路変換器１００は、基板１、導体構造２、絶縁体３および金属筐体（筐体）４からなる。また、基板１の裏面を示す斜視図を図３に示す。
基板１は、図１に示すように板状の誘電体１１と、誘電体１１の上面に信号導体１２、ランド１７、誘電体１１の底面に地導体１３とを有する。また、基板１は、図３に示すように、地導体１３の一部を取り去った第１の開口部２１と第２の開口部２２が設けられており、第１の開口部２１に電極端子１４を有する。
第１の開口部２１は、ランド１７に対向する地導体１３の一部を取り去った開口であり、第２の開口部２２は、信号導体１２と対向する地導体１３の一部を取り去った開口である。
信号導体１２は、ランド１７と接続されており、さらに、スルーホール１６によって電極端子１４と電気的に接続されている。ここでは、ランド１７の形状を円形としているが、ランド１７はスルーホール１６の径をもとに製造上の観点から決定される最少寸法を満たす形状であれば、いかなる形状でもよい。
第２の開口部２２は、後述する設計指針に則り設計される。
第１の開口部２１は、ランド１７に対向する地導体１３の一部を取り去った開口であり、第２の開口部２２は、信号導体１２と対向する地導体１３の一部を取り去った開口である。
信号導体１２は、ランド１７と接続されており、さらに、スルーホール１６によって電極端子１４と電気的に接続されている。ここでは、ランド１７の形状を円形としているが、ランド１７はスルーホール１６の径をもとに製造上の観点から決定される最少寸法を満たす形状であれば、いかなる形状でもよい。
第２の開口部２２は、後述する設計指針に則り設計される。
導体構造２は、外力により構造の一部、あるいは、全体が可動な導体からなり、外力を与えた際に外力と反対方向に反発力を持つ構造となっている。その一例として、スプリングプローブやファズボタンが挙げられる。ここで、スプリングプローブとは筒状の導体内部にばねを有し、そのばねによりプローブの片端、あるいは、両端が可動なプローブを指す。また、ファズボタンとは、めっき処理されたワイヤからなり、外力に応じて伸縮する構造体である。
絶縁体３は、導体構造２を支持するために用いられる。
また、金属筐体４は、導体構造２および絶縁体３を挿入するための孔４１を有する。
導体構造２は、その先端部が孔４１を突出する様に配置される。なお、基板１が金属筐体４に装着された際、導体構造２は電極端子１４と接触し、それらの電気的接続がなされる。
次に図４と図５を用いて動作について説明する。なお、本実施の形態では、電源の内部抵抗および負荷インピーダンスを５０Ωとし、マイクロストリップ線路の特性インピーダンスが５０Ωとなるようにその線路幅が設計されている場合について説明する。
また、基板１のそりや組立時のばらつきなどにより基板１が金属筐体４から離れた場合の移動距離は０．５ｍｍとなる場合について説明する。
また、基板１のそりや組立時のばらつきなどにより基板１が金属筐体４から離れた場合の移動距離は０．５ｍｍとなる場合について説明する。
図４は、本実施の形態に係る伝送線路変換器１００において基板１が金属筐体４から離れた場合の断面図である。
図５は、本実施の形態に係る伝送線路変換器１００において基板１が金属筐体４から離れた場合の入力インピーダンスを示すスミスチャートである。図中の地点Ａはランド１７と５０Ω線路の接続部を示し、地点ＢおよびＣは、それぞれ、地導体１３に第２の開口部２２が設けられた箇所で電極端子に近い辺、遠い辺を示す。
なお、本発明の実施の形態に係る伝送線路変換器１００では、信号導体１２へ高周波信号を入力すると、高周波信号はスルーホール１６、電極端子１４および導体構造２を通して伝送される場合について説明する。なお、回路の相反性により、導体構造２へ高周波信号を入力し、電極端子１４、スルーホール１６を通して信号導体１２へ伝送しても同様の特性が得られる。
最初に、図５を用いて本実施の形態に係る伝送線路変換器１００のインピーダンス整合の原理について説明する。なお、図５では基板１が金属筐体４から離れた場合の各地点Ａ、ＢおよびＣにおける入力インピーダンスの軌跡について説明する。また、ここでは、基板１と金属筐体４が接触している場合の地点Ａから見た入力インピーダンスＺｉｎ１は５０Ωに設計されているものとする。
本実施の形態に係る変換器のインピーダンス整合の原理について説明する。ここでは、基板１と金属筐体４が接触している場合の地点Ａから見た入力インピーダンスＺｉｎ１は５０Ωに設計されており、かつ、信号導体１２はその特性インピーダンスが５０Ωとなるようその線路幅が設計されているものとする。
本実施の形態に係る変換器のインピーダンス整合の原理について説明する。ここでは、基板１と金属筐体４が接触している場合の地点Ａから見た入力インピーダンスＺｉｎ１は５０Ωに設計されており、かつ、信号導体１２はその特性インピーダンスが５０Ωとなるようその線路幅が設計されているものとする。
最初に、基板１が金属筐体４と接触している場合について述べる。基板１と金属筐体４が接触している場合には、第２の開口部２２が設けられた箇所において地導体１３を流れる電流が金属筐体４を経由して流れるため、信号導体１２は近似的に５０Ωの特性インピーダンスのマイクロストリップ線路みなせる。そのため、地点Ａから見た入力インピーダンスが５０Ωとなっていれば、地点Ａではインピーダンスの不連続がないため反射波は発生しない。また、地点Ｂ、Ｃにおいても同様に反射波は発生しないため、インピーダンス整合がなされている状態となる。
次に、図４を用いて、基板１が金属筐体４から離れた場合の各地点Ａ，ＢおよびＣにおける入力インピーダンスの軌跡について説明する。
基板１が金属筐体４から離れた場合、導体構造２は反発力より電極端子１４と接続を維持したまま伸長する。この際、導体構造２が伸長した分だけ回路内に誘導性の伝送線路が追加されるため、入力インピーダンスは誘導性に変化する。そのため、基板が浮いた際の地点Ａでの入力インピーダンスＺｉｎ１’は図５に示されるように誘導性となる。
次に、地点Ｂから見た入力インピーダンスＺｉｎ２は、特性インピーダンスが５０Ωのマイクロストリップ線路により、図５に示されるように地点Ａから見た入力インピーダンスＺｉｎ１’と大きさは変わらず、位相のみが変化する。
基板１が金属筐体４から離れた場合、導体構造２は反発力より電極端子１４と接続を維持したまま伸長する。この際、導体構造２が伸長した分だけ回路内に誘導性の伝送線路が追加されるため、入力インピーダンスは誘導性に変化する。そのため、基板が浮いた際の地点Ａでの入力インピーダンスＺｉｎ１’は図５に示されるように誘導性となる。
次に、地点Ｂから見た入力インピーダンスＺｉｎ２は、特性インピーダンスが５０Ωのマイクロストリップ線路により、図５に示されるように地点Ａから見た入力インピーダンスＺｉｎ１’と大きさは変わらず、位相のみが変化する。
この際、入力インピーダンスＺｉｎ２が容量性となるように第２の開口部２２までの線路長を設計する必要がある。設計する方法として、例えば、第２の開口部２２までの線路長（点Ａ−Ｂ間の距離）を変化させ、入力インピーダンスＺｉｎ２の解析を行ってもよい。
また、第２の開口部２２と対向する箇所の信号導体１２は基板１が金属筐体４から離れるに伴い、電界が疎になるため、高インピーダンスな伝送線路となる。したがって、基板１が金属筐体４から離れた場合において、第２の開口部２２の幅を調整することで、５０Ω以上であれば任意の特性インピーダンスの伝送線路を設計することができる。また、その電気長は第２の開口部２２の長さ（点Ｂ−Ｃ間の距離）によって決定される。
また、第２の開口部２２と対向する箇所の信号導体１２は基板１が金属筐体４から離れるに伴い、電界が疎になるため、高インピーダンスな伝送線路となる。したがって、基板１が金属筐体４から離れた場合において、第２の開口部２２の幅を調整することで、５０Ω以上であれば任意の特性インピーダンスの伝送線路を設計することができる。また、その電気長は第２の開口部２２の長さ（点Ｂ−Ｃ間の距離）によって決定される。
本実施の形態では、この特性を利用して、以下に述べるように第２の開口部２２を設計する。まず、電磁界解析などにより、基板１が金属筐体４から離れた場合の電気特性の解析を行う。そして、入力インピーダンスＺｉｎ２が容量性となるように地点Ａ−Ｂ間の長さを決定する。最後に、入力インピーダンスＺｉｎ３が５０Ωとなるように第２の開口部２２の幅および長さを決定する。
以上に述べたように、第２の開口部２２を設計することで、基板１が金属筐体４から離れた際にもインピーダンス整合ができ、反射特性の劣化を抑制することができる。
なお、第２の開口部２２は、複数あっても良く、例えばスリット状の開口で構成しても良い。
以上に述べたように、第２の開口部２２を設計することで、基板１が金属筐体４から離れた際にもインピーダンス整合ができ、反射特性の劣化を抑制することができる。
なお、第２の開口部２２は、複数あっても良く、例えばスリット状の開口で構成しても良い。
このように本実施の形態による伝送線路変換器１００は、基板１に第２の開口部２２を設けたことにより、基板が金属筐体から離れた場合でもインピーダンスの不整合を減少させることを可能とする。そのため、基板の位置ずれに強い伝送線路変換器が実現できる。これにより、基板および筐体を固定するための部品数や工数が削減でき、低コスト化、軽量化および組立時間の短縮が可能となる。
本実施の形態では、伝送線路としてマイクロストリップ線路を用いた場合について説明したが、ストリップ線路などのように信号導体と対向して地導体が配置され、かつ、少なくとも誘電体の表面に地導体を有する他の伝送線路であってもよい。
また、金属筐体４は、金属筐体４と導体構造２とで同軸線路を構成できればよく、本実施の形態１とは異なる他の形状であってもよい。
なお、本実施の形態では、電源の内部抵抗および負荷インピーダンスを５０Ωとしたが、５０Ω以外であってもよい。また、基板が金属筐体から離れた場合の移動距離も０．５ｍｍ以外であってもよい。
なお、本実施の形態では、電源の内部抵抗および負荷インピーダンスを５０Ωとしたが、５０Ω以外であってもよい。また、基板が金属筐体から離れた場合の移動距離も０．５ｍｍ以外であってもよい。
実施の形態２．
実施の形態１では、金属筐体４を用いた伝送線路変換器１００について説明した。本実施の形態では、金属筐体４よりも軽量でコストがかからない誘電体筐体５を用いることによって装置の重量を軽減するとともに、コストを削減した場合について説明する。
実施の形態１では、金属筐体４を用いた伝送線路変換器１００について説明した。本実施の形態では、金属筐体４よりも軽量でコストがかからない誘電体筐体５を用いることによって装置の重量を軽減するとともに、コストを削減した場合について説明する。
図６、図７は、本実施の形態に係る、伝送線路変換器１００の分解斜視図および断面図である。
本実施の形態による伝送線路変換器１００は、基板１、導体構造２、絶縁体３および誘電体筐体５からなる。なお、構成要素１〜３については実施の形態１と同一である。
誘電体筐体５は、導体構造２および絶縁体３を具備するための孔５１を有する誘電体５２と、その表面に形成された導体面５３からなる。
たとえば、孔５１が設けられた誘電体５２に対してめっき処理を施すことで、表面に導体面５３が形成され、誘電体筐体５が得られる。孔５１は実施の形態１の孔４１と構造は同一である。
表面に導体面５２を有する誘電体筐体５が実施の形態１における金属筐体４の役割を果たすため、金属筐体４を使用せずとも、基板１が誘電体筐体５から離れた際にもインピーダンス整合ができ、反射特性の劣化を抑制することができる。
たとえば、孔５１が設けられた誘電体５２に対してめっき処理を施すことで、表面に導体面５３が形成され、誘電体筐体５が得られる。孔５１は実施の形態１の孔４１と構造は同一である。
表面に導体面５２を有する誘電体筐体５が実施の形態１における金属筐体４の役割を果たすため、金属筐体４を使用せずとも、基板１が誘電体筐体５から離れた際にもインピーダンス整合ができ、反射特性の劣化を抑制することができる。
このように本実施の形態における伝送線路変換器１００は、実施の形態１の時と同様に第２の開口部２２を設計することにより、基板１が誘電体筐体５から離れた際にもインピーダンスの不整合を減少させることができ、反射特性の劣化を抑制することができる。
このように本実施の形態による伝送線路変換器１００は、金属筐体を用いていないため、実施の形態１よりも、さらなる軽量化が可能となる。また、誘電体筐体５は安価なプリント基板などを用いることでも実現が可能であり、さらなる低コスト化も可能となる。
本実施の形態では、伝送線路としてマイクロストリップ線路を用いた場合について説明したが、ストリップ線路などのように信号導体と対向して地導体が配置され、かつ、少なくとも誘電体の表面に地導体を有する他の伝送線路であれば、どのような伝送線路であってよい。
１ 基板、２ 導体構造、３ 絶縁体、４ 金属筐体、５ 誘電体筐体、１１ 誘電体、１２ 信号導体、１３ 地導体、１４ 電極端子、１６ スルーホール、１７ ランド、２１ 第１の開口部、２２ 第２の開口部、４１ 孔、５１ 孔、５２ 誘電体、５３ 導体面、１００ 伝送線路変換器。
Claims (3)
- 板状の誘電体、前記誘電体の一面に設けられた地導体、前記誘電体の前記地導体と反対の面に設けられた信号導体、前記地導体の第１の開口部内に前記地導体と同一面に設けられスルーホールを介して前記信号導体と電気的に接続する電極端子、前記地導体に設けられた第２の開口部、を有する基板と、
前記電極端子と接続する伸縮可能な導体構造と、
前記基板の地導体の面と隣接し、前記導体構造が貫通する孔が設けられた筐体とを有し、
前記第２の開口部は、前記基板と前記筐体が離れた場合に前記導体構造が伸縮することによるインピーダンスの不整合を減少させ、
前記筐体を、金属とした
ことを特徴とする伝送線路変換器。 - 板状の誘電体、前記誘電体の一面に設けられた地導体、前記誘電体の前記地導体と反対の面に設けられた信号導体、前記地導体の第１の開口部内に前記地導体と同一面に設けられスルーホールを介して前記信号導体と電気的に接続する電極端子、前記地導体に設けられた第２の開口部、を有する基板と、
前記電極端子と接続する伸縮可能な導体構造と、
前記基板の地導体の面と隣接し、前記導体構造が貫通する孔が設けられた筐体とを有し、
前記第２の開口部は、前記基板と前記筐体が離れた場合に前記導体構造が伸縮することによるインピーダンスの不整合を減少させ
前記筐体を、表面に導体が形成された誘電体とした
ことを特徴とする伝送線路変換器。 - 前記第２の開口部は、前記地導体の前記信号導体に対向する位置に設けられたことを特徴とする請求項１又は２に記載の伝送線路変換器。
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