JP6778431B2 - 導波管マイクロストリップ線路変換器 - Google Patents

Description

本発明は、導波管とマイクロストリップ線路との間で信号の伝送モードを変換する、導波管マイクロストリップ線路変換器に関する。

近年、ミリ波信号を利用した技術開発が活発に行われている。ミリ波信号を効率よく伝送する媒体として導波管が知られているが、導波管は、基板に搭載された集積回路に直接接続することができない。そのため、集積回路と導波管との間に、マイクロストリップ線路を介在させる構成が広く用いられている。このような構成においては、導波管とマイクロストリップ線路とを、低損失で接続する変換器が必要となる。

導波管で伝送されたミリ波信号を、マイクロストリップ線路用にモード変換するには、進行波状の電場ベクトルを緩やかに変える必要がある。例えば、特許文献１には、導波管内部にマイクロストリップ線路を挿入し、伝送モード変換を図る方法が開示されている。ただし、この方法では、インピーダンスの整合の為にバックショートを設け、かつバックショートの距離を調整する必要があり、複雑な作業が発生し、コストを低く抑えることが難しい。

一方、非特許文献１には、マイクロストリップ線路が搭載されたプリント基板を、２つのブロックで挟み込む構造（フィンライン構造）を有する変換器が開示されている。フィンライン構造では、長手方向において断面形状が一定である導波管が用いられている。ところが、本発明者の解析により、このような構造においては、マイクロストリップ線路の特定の個所で共振現象が発生し、その分、伝送損失が大きくなってしまうことが確認されている。

特開２００２−１００９０７号公報

鈴木俊達他、「ミリ波帯導波管/マイクロストリップライン変換器の広帯域化」、電子情報通信学会 信学技報 ＥＤ２０１１−１２３ ＭＷ２０１１−１４６

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、低コストでかつ容易に、ミリ波帯の広範囲にわたって共振が発生するのを抑えることが可能な、導波管マイクロストリップ線路変換器を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。

（１）本発明の一態様に係る導波管マイクロストリップ線路変換器は、導波管とプリント基板との間で伝送モードを変換する変換器であって、両方の主面にマイクロストリップ線路部が設けられたプリント基板と、前記プリント基板の一方の主面を覆う第一部材と、前記プリント基板の他方の主面を覆う第二部材と、を備え、前記第一部材、前記第二部材が、それぞれ、前記プリント基板側に前記導波管として機能する凹部を有し、前記第一部材の凹部の底壁が段差を有している。

（２）上記（１）に記載の導波管マイクロストリップ線路変換器において、前記底壁が、前記マイクロストリップ線路部で共振が発生する領域と重なる第一底面と、前記マイクロストリップ線路部で共振が発生しない領域と重なる第二底面と、を有し、前記底壁の段差が、前記第一底面と前記第二底面との間に形成されていてもよい。

（３）上記（２）に記載の導波管マイクロストリップ線路変換器において、前記第一底面と前記プリント基板との距離が、前記第二底面と前記プリント基板との距離より短くてもよい。

（４）上記（１）〜（３）のいずれか一つに記載の導波管マイクロストリップ線路変換器において、前記段差は、０．４７ｍｍ以上０．９８ｍｍ以下であってもよい。

（５）上記（１）〜（４）のいずれか一つに記載の導波管マイクロストリップ線路変換器において、前記段差は、前記凹部の最大深さの３０％以上６０％以下であってもよい。

（６）上記（１）〜（５）のいずれか一つに記載の導波管マイクロストリップ線路変換器において、前記共振が発生する領域に、前記マイクロストリップ線路部の幅が局所的に狭くなっている部分が含まれていてもよい。

本発明の導波管マイクロストリップ線路変換器は、導波管として機能する凹部の底壁に段差が設けられており、段差の前後で凹部（導波管）の容積が変化するように構成されている。本発明者が鋭意検討した結果、この段差の位置、大きさ等を変えることによって、マイクロストリップ線路部で発生する共振の周波数をシフトさせ得ることが分かっている。したがって、この段差に関して調整を行い、共振周波数を高周波数側のバンド外にシフトさせることにより、ミリ波帯の広範囲にわたって、共振の発生を抑えることができる。

さらに、本発明の導波管マイクロストリップ線路変換器は、導波管をＨ面で分割し、伝送モード変換用のプリント基板を挟み込んだだけの単純な構造で実現可能であり、動作させるときの調整箇所がないため、得られる伝送特性の再現性が高く、また、低コストでかつ容易に製造することができる。

本発明の一実施形態に係る導波管マイクロストリップ線路変換器の斜視図である。 （ａ）図１に示す導波管マイクロストリップ線路変換器の側面図である。（ｂ）（ａ）に示す導波管マイクロストリップ線路変換器の分解図である。（ｃ）図１に示す導波管マイクロストリップ線路変換器の断面図である。 （ａ）、（ｂ）図１の導波管マイクロストリップ線路変換器の断面の一部を拡大した図である。 （ａ）、（ｂ）本発明の実施例１、比較例１に係る導波管マイクロストリップ線路変換器で行ったシミュレーション結果を示す図である。 本発明の実施例１に係る導波管マイクロストリップ線路変換器と比較例１に係る導波管マイクロストリップ線路変換器とで、伝送損失のシミュレーション結果を比較するグラフである。 （ａ）〜（ｃ）本発明の実施例１に係る導波管マイクロストリップ線路変換器の伝送損失に関して、実測結果とシミュレーション結果とを比較するグラフである。 （ａ）本発明の実施例２に係る周波数変換器の写真である。（ｂ）（ａ）の変換器で構成した、ミリ波周波数変換器の周波数変換損失の実測結果を示すグラフである。

以下、本発明について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴を分かりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率等は実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。

図１は、本発明の一実施形態に係る導波管マイクロストリップ線路変換器（以下、変換器と呼ぶ）１００の構成を、模式的に示す斜視図である。図２（ａ）は、図１において、変換器１００を一端Ａ側から見た側面図である。

変換器１００は、導波管とプリント基板との間で伝送モードを変換するデバイスである。図１に示すように、変換器１００は、両方の主面にマイクロストリップ線路（部）が設けられたプリント基板１０１と、プリント基板の一方の主面１０１ａを覆う第一部材（第一ブロック）１０２と、プリント基板の他方の主面１０１ｂを覆う第二部材（第二ブロック）１０３と、を備えている。内部の構成を見やすくするため、図１では、第一部材１０２と第二部材１０３を透明化して示している。

動作時の変換器１００は、プリント基板１０１を第一部材１０２と第二部材１０３とで挟み込み、ネジ等で固定されているが、必要に応じてこれらを分離（分解）することができる。図２（ｂ）は、分離した状態の変換器１００を示す図である。

第一部材１０２、第二部材１０３は、いずれもアルミニウム、真鍮等の公知の材料で構成されている。

第二部材１０３には、第一部材１０２と対向する側に、プリント基板１０１を収容する凹部１０３Ａが設けられている。この凹部は、第一部材１０２に設けられていてもよいし、第一部材１０２と第二部材１０３とに跨って設けられていてもよい。

プリント基板１０１は、支持基板１０１Ａの一方の主面、他方の主面に、それぞれ、所定の形状を有するマイクロストリップ線路部１０１Ｂ、１０１Ｃが形成されてなる。ここでは、マイクロストリップ線路部１０１Ｂ、１０１Ｃの表面が、プリント基板１０１のそれぞれの主面１０１ａ、１０１ｂに相当する。また、ここでは、マイクロストリップ線路部１０１Ｂが直線形状である場合を例示しているが、直線以外の形状であってもよい。

支持基板１０１Ａは、テフロン（登録商標）、アルミナ、シリコン、セラミック等の材料からなり、特に、割れにくくてエッチング等の加工を行うことが可能なテフロンからなることが好ましい。

マイクロストリップ線路部１０１Ｂ、１０１Ｃには、信号を伝送した際に共振が発生しやすい部分（共振発生部）が存在する。共振発生部は、主に、マイクロストリップ線路部１０１Ｂ、１０１Ｃを構成するパターンの幅が局所的に狭くなっている部分（絞り部分）（０．２５ｍｍ以上０．４ｍｍ以下）、複数のパターンが０．２５ｍｍ以内の範囲で近接している部分である場合が多い。共振発生部の形状については、後述する。

第一部材１０２、第二部材１０３は、それぞれ、プリント基板１０１側に、導波管として機能する凹部１０２Ａ、１０３Ｂを有している。凹部１０２Ａ、１０３Ｂの幅Ｗは、導波管の規格に応じて決定される。例えば、Ｖバンド用の導波管（ＷＲ−１５導波管）においては１．８８ｍｍ程度、Ｅバンド用の導波管（ＷＲ−１２導波管）においては１．５４９ｍｍ程度、Ｗバンド用の導波管（ＷＲ−１０導波管）においては１．２７ｍｍ程度となる。

図２（ｃ）は、図１において、変換器１００をＢ−Ｂ’線を含む面で切断した際の断面図である。図２（ｃ）に示すように、第一部材の凹部１０２Ａの底壁は、階段状の段差（深さ方向における高低差）Ｄ_１を有している。Ｖ、Ｅ、Ｗバンドでの伝送を行う場合の段差Ｄ_１は、０．４７ｍｍ以上０．９８ｍｍ以下であることが好ましい。また、段差Ｄ_１は、凹部１０２Ａの最大深さの３０％以上６０％以下であることが好ましい。第二部材の凹部１０３Ａの深さは、第一部材の凹部１０２Ａの深さと同程度とすることが好ましい。

また、長手方向における凹部１０２Ａの長さ（全長）Ｌ１のうち、共振発生部と重なる部分（導波管内を狭くする部分）の長さは、概ね半分以上であることが好ましい。

凹部１０２Ａの底壁は、マイクロストリップ線路部で共振が発生する領域（共振発生部を含む領域）１０１Ｄと重なる第一底面１０２ａと、マイクロストリップ線路部で共振が発生しない領域１０１Ｅと重なる第二底面１０２ｂとを有している。凹部１０２Ａの底壁の段差Ｄ_１は、第一底面１０２と第二底面１０２ｂとの間に形成されている。

第一底面１０２ａとプリント基板１０１との距離Ｄ_２は、第二底面１０２ｂとプリント基板１０１との距離Ｄ_３（Ｄ_２＋Ｄ_１）より短い。

本実施形態に係る変換器１００は、導波管として機能する凹部１０２Ａの底壁に段差Ｄ_１が設けられており、段差Ｄ_１の前後で凹部（導波管）の容積が変化するように構成されている。本発明者が鋭意検討した結果、この段差の位置、大きさ等を変えることによって、マイクロストリップ線路部で発生する共振の周波数をシフトさせ得ることが分かっている。したがって、この段差に関して調整を行い、共振周波数を高周波数側のバンド外にシフトさせることにより、ミリ波帯の広範囲にわたって、共振の発生を抑えることができる。

さらに、本実施形態に係る変換器１００は、導波管をＨ面で分割し、伝送モード変換用のプリント基板を挟み込んだだけの単純な構造で実現可能であり、動作させるときの調整箇所がないため、得られる伝送特性の再現性が高く、また、低コストでかつ容易に製造することができる。

以下、実施例により本発明の効果をより明らかなものとする。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することができる。

（実施例１）
長手方向において断面形状が断続的に変化する導波管を用いた、本発明の変換器１００に対し、１０４．４ＧＨｚの信号を伝送したときに、導波管内に発生する電場の分布、伝送損失についてのシミュレーションを行った。

導波管の凹部１０２Ａの形状については、幅Ｗを１．２７ｍｍ、長さＬを４．０ｍｍ、最大深さＤ_３を１．２７ｍｍ、最大深さに対する段差Ｄ_１を０．４７ｍｍとした。凹部１０２Ａの長手方向における一端から他端までの長さＬ_１を１８．０ｍｍ、このうち、最大深さに対して段差Ｄ_１を有する部分（凸状部分）の長さＬ_２を１０．０ｍｍとした。

図３（ａ）、（ｂ）は、図２（ｃ）において、変換器１００をＦ−Ｆ’線が含む面で切断した際の断面のうち、共振が発生する領域１０１Ｄの一端側が形成されている部分を拡大した図である。同図において、他方の主面１０１ｂ側のマイクロストリップ線路部１０１Ｃも見えるように、支持基板１０１Ａを透明化している。マイクロストリップ線路部１０１Ｂ、１０１Ｃの他端側（不図示）については、一端側と対称的な形状を有しているとした。

マイクロストリップ線路部１０１Ｂは、略直線状のパターン１０１αと、その両端部に接続された略三角形状のパターン１０１βとで構成されているとした。直線状のパターン１０１αの幅は０．３５ｍｍとした。一方、マイクロストリップ線路部１０１Ｃについては、導波管内一杯に広がる略矩形状のパターン１０１γと、その両端に接続された略三角形状のパターン１０１δとで構成されているとした。略三角形状のパターン同士は、直線状のパターンとの接続部分の近傍のみが重なるように配置した。導波管の長手方向に沿って延在するプリント基板１０１の両端部１０１Ｆは、いずれも、各主面１０１ａ、１０１ｂから突出しており、第一部材１０２、第二部材１０３を重ねた際に、これらと接触する部分となる。

図３（ａ）に示すように、共振発生部となる、マイクロストリップ線路部１０１Ｂ、１０１Ｃを構成するパターンの幅が局所的に狭くなっている部分Ｐ_１（０．２５ｍｍ以上０．４ｍｍ以下）、複数のパターンが０．２５ｍｍ以内の範囲で近接している部分Ｐ_２を設けた。

図３（ｂ）に示すように、パターン１０１α、１０１γと重なる領域が、共振が発生する領域１０１Ｄに相当し、パターン１０１β、１０１δと重なる領域が、共振が発生しない領域１０１Ｅに相当する。図２に示す段差Ｄ_１は、領域１０１Ｄ、１０１Ｅの境界に設けた。

支持基板１０１Ａの厚さは０．１２７ｍｍ、マイクロストリップ線路部１０１Ｂ、１０１Ｃの厚さは、いずれも０．０２ｍｍとした。

導波管１０２Ａ、１０３Ｂ内の電場分布についてのシミュレーション結果を、図４（ａ）に示す。図４（ａ）は、本発明の変換器１００のうち、第一部材１０２および第二部材１０３を除いた部分の概略構成と、信号を伝送した際に導波管内に発生する電場分布を示すものであり、その全ての構成要素を透明化している。導波管として機能する空間のうち、狭く形成されている中央部分１０１Ｄにおいて、共振現象に伴う電場分布の乱れが抑制され、マイクロストリップ伝送に伴う正常な電場分布１０１ｄが生じていることが分かる。

（比較例１）
長手方向において断面形状が一定である導波管を用いた、従来技術の変換器に対し、１０４．４ＧＨｚの信号を伝送したときに、導波管内に発生する電場の分布についてのシミュレーションを行った。導波管の断面形状以外のパラメータについては、実施例１のシミュレーションと同様に設定した。

導波管２０２Ａ、２０３Ｂ内の電場分布についてのシミュレーション結果を、図４（ｂ）に示す。図４（ｂ）は、実施例１と同様に、従来の変換器の概略構成と電場分布を示すものであり、実施例１（図４（ａ））の領域Ｇに対応している。導波管として機能する空間のうち、実施例１の中央の部分１０１Ｄに対応する部分２０１Ｄにおいて、共振現象に伴う電場分布の乱れ２０１ｄが、大きく発生していることが分かる。

実施例１、比較例１における伝送損失に関するシミュレーション結果を、図５のグラフに示す。グラフの横軸は周波数［ＧＨｚ］を示し、縦軸は伝送損失［ｄＢ］を示している。グラフの実線が実施例１（図４（ａ））に対応し、破線が比較例１（図４（ｂ））に対応している。

比較例１では、１０４．４ＧＨｚの高周波領域に、共振に伴う伝送損失の著しい低下を確認することができる。これに対し、実施例１では、高周波領域において伝送損失の低下がないことから、共振が抑えられていることが分かる。

図６（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、Ｖバンド（５０〜７５ＧＨｚ）、Ｅバンド（６０〜９０ＧＨｚ）、Ｗバンド（７５〜１１０ＧＨｚ）における伝送損失についての実測結果およびシミュレーション結果を示すグラフである。グラフの横軸は周波数［ＧＨｚ］を示し、縦軸は伝送損失［ｄＢ］を示している。実線がシミュレーション結果に対応し、破線が実測結果に対応している。

実測結果は、複数回の中心周波数における実測値の標準偏差を求めると、いずれのバンドにおいても０．０４ｄＢとなり、再現性が十分高いといえる。

実測結果のグラフから、いずれのバンドにおいても、高周波領域で、従来構造の変換器（図４（ｂ））で見られたような大きい共振が抑えられており、各バンド内での広帯域化が実現していることが分かる。なお、図６（ａ）のＶバンドのグラフに示したシミュレーション結果では、７５ＧＨｚ付近のグラフ形状の変化が、伝送損失の急激な増加をしているように見えるが、この変化はシミュレーション特有の誤差によるものであり、実質的なデータとして捉えるべきではない。

なお、図５、６の各グラフは、導波管からマイクロストリップ線路へ変換し、またマイクロストリップから導波管へモード変換した結果を示している。したがって、導波管マイクロストリップ変換器単体の損失は、プロットした結果の半分になる。例えば、プロットで損失が１ｄＢである場合、変換器単体の損失は０．５ｄＢになる。このような構造とした理由は、測定時に導波管エクステンダを用いる必要があったためである。

つまり、Ｖバンドにおいては、中心周波数６２．５ＧＨｚに対応する伝送損失が、実測では０．６８ｄＢ、シミュレーションでは０．２８ｄＢであった。また、Ｅバンドにおいては、中心周波数７５ＧＨｚに対応する伝送損失が、実測では０．８６ｄＢ、シミュレーションでは０．３５ｄＢであった。また、Ｗバンドにおいては、中心周波数９２．５ＧＨｚに対応する伝送損失が、実測では０．７７ｄＢ、シミュレーションでは０．２１ｄＢであった。このように、いずれのバンドにおいても、伝送損失が１ｄＢ以内に抑えられていることから、本発明の変換器が、ミリ波製品を構成するデバイスとして高い機能を備えていることが分かる。

（実施例２）
本発明の変換器を実装して組み込んだ、９０ＧＨｚ帯のハーモニックミキサ方式の周波数変換器の動作を検証した。図７（ａ）は、９０ＧＨｚ帯の周波数変換器の写真である。図７（ｂ）は、高周波数帯における、この周波数変換器の周波数変換利得の実測値を示すグラフである。グラフの横軸は周波数［ＧＨｚ］を示し、縦軸は周波数変換利得［ｄＢ］を示している。黒色のプロットは高い周波数を低い周波数に変換した際の損失に対応し、白色のプロットは低い周波数を高い周波数に変換した際の損失に対応している。いずれの損失も、９０ＧＨｚにおいて２０ｄＢ程度に抑えられており、本発明の変換器が十分に機能していることが分かる。

本発明の変換器は、ミリ波デバイス計測評価、５Ｇ携帯電話、超広帯域（Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄ）レーダ、ミリ波非破壊検査装置等のミリ波製品を構成するデバイスとして、広く利用することができる。

１００・・・変換器
１０１・・・プリント基板
１０１ａ・・・プリント基板の一方の主面
１０１ｂ・・・プリント基板の他方の主面
１０１ｄ・・・電場分布の乱れ
１０１Ａ・・・支持基板
１０１Ｂ・・・マイクロストリップ線路部
１０１Ｃ・・・マイクロストリップ線路部
１０１Ｄ・・・共振が発生する領域
１０１Ｅ・・・共振が発生しない領域
１０１Ｆ・・・プリント基板の端部
１０１α・・・略直線状のパターン
１０１β・・・略三角形状のパターン
１０１γ・・・略矩形状のパターン
１０１δ・・・略三角形状のパターン
１０２・・・第一部材
１０２ａ・・・第一底面
１０２ｂ・・・第二底面
１０２Ａ・・・凹部
１０３・・・第二部材
１０３Ａ・・・凹部
１０３Ｂ・・・凹部
２０１ｄ・・・電場分布の乱れ
２０１Ｄ・・・共振が発生する領域
２０１Ｅ・・・共振が発生しない領域
２０２Ａ・・・凹部
２０３Ｂ・・・凹部

Claims (5)

1. 導波管とプリント基板との間で伝送モードを変換する導波管マイクロストリップ線路変換器であって、
   両方の主面にマイクロストリップ線路部が設けられたプリント基板と、
   前記プリント基板の一方の主面を覆う第一部材と、
   前記プリント基板の他方の主面を覆う第二部材と、を備え、
   前記第一部材、前記第二部材が、それぞれ、前記プリント基板側に前記導波管として機能する凹部を有し、
   前記第一部材の凹部の底壁が段差を有し、
   前記底壁が、前記マイクロストリップ線路部で共振が発生する領域と重なる第一底面と、前記マイクロストリップ線路部で共振が発生しない領域と重なる第二底面と、を有し、前記底壁の段差が、前記第一底面と前記第二底面との間に形成されていることを特徴とする導波管マイクロストリップ線路変換器。
2. 前記第一底面と前記プリント基板との距離が、前記第二底面と前記プリント基板との距離より短いことを特徴とする請求項１に記載の導波管マイクロストリップ線路変換器。
3. 前記段差は、０．４７ｍｍ以上０．９８ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の導波管マイクロストリップ線路変換器。
4. 前記段差は、前記凹部の最大深さの３０％以上６０％以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の導波管マイクロストリップ線路変換器。
5. 前記共振が発生する領域に、前記マイクロストリップ線路部の幅が局所的に狭くなっている部分が含まれていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の導波管マイクロストリップ線路変換器。