JP7202825B2 - 導波管 - Google Patents

Description

本発明は、誘電体基板を用いて構成され、上下の導体層及び側面の１対の側壁部により誘電体基板の周囲を取り囲んだ構造を有する導波管に関するものである。

従来から、マイクロ波帯やミリ波帯の高周波信号を用いた無線通信において、高周波信号を管軸方向に伝送させる導波管が広く知られている。近年では、導波管の小型軽量化や加工の容易性に鑑み、誘電体基板を用いて構成した導波管が利用されている。この種の導波管において、導波管の両側に設けた側壁部と、導波管の一端に設けた短絡面となる短絡壁部とのそれぞれを複数のビア導体で構成した構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。一般に、導波管に管軸方向に直交する短絡面を形成すると、そこを基点に一定の管内波長λｇに応じて周期的に繰り返す定在波が発生する。この場合、特許文献１の導波管においては、複数の短絡用ビア導体からなる短絡壁部（短絡面）を備えているので、導波管を伝送する信号が短絡壁部で全反射し、短絡壁部の位置では電界がゼロとなる。そのため、導波管の短絡壁部の位置を基点とし、そこからの距離がλｇ／２の周期に従って電界が最大値と最小値を繰り返すことになる。

特開２０１４－２３６２９１号公報

しかしながら、特許文献１の導波管に対し、短絡壁部となる複数の短絡用ビア導体を形成する際、例えば、適切な間隔で配列されなかったり、一部が欠損するなどにより、不完全な短絡用ビア導体が形成される場合がある。その結果、導波管を伝送する信号の一部が短絡壁部から漏れ、それが誘電体基板の基板端面で反射して導波管を逆方向に伝送することになるため、定在波に影響を与えて導波管の伝送特性を劣化させるという問題がある。

本発明はこれらの問題を解決するためになされたものであり、複数の短絡用ビア導体からなる短絡壁部を設ける構造であっても、短絡壁部から信号の一部が漏れることによる伝送特性の劣化を防止し得る導波管を提供するものである。

上記課題を解決するために、本発明は、誘電体基板（１０）を用いて構成され、管軸方向である第１の方向（Ｘ）に信号を伝送する導波管であって、前記誘電体基板の一方の主面及び他方の主面に形成され、前記誘電体基板の高さ方向である第２の方向（Ｚ）に対向する第１導体層（１１）及び第２導体層（１２）と、前記第１導体層と前記第２導体層との間を電気的に接続し、前記第１の方向に沿って延在する前記導波管の両側の側面となる１対の側壁部（１３）と、前記第１導体層と前記第２導体層との間をそれぞれ接続する複数の短絡用ビア導体（２１）からなり、前記導波管のうち前記第１の方向に直交する少なくとも一方の短絡面となる短絡壁部（１４）とを備えている。前記誘電体基板は、前記第１の方向に直交する少なくとも一方の基板端面（１０ａ）を有し、前記短絡壁部と前記基板端面との間の距離は、前記第１の方向に沿って管内波長（λｇ）の１／４の自然数倍に相当することを特徴としている。

本発明の導波管によれば、誘電体基板を用いて構成される導波管は、上下の第１及び第２導体層と両側の１対の側壁部とにより取り囲まれ、かつ、複数の短絡用ビア導体からなる短絡壁部が一方の短絡面として形成され、短絡壁部から基板端面までの距離が管内波長の１／４の自然数倍に設定されている。よって、導波管から第１の方向に沿って信号が短絡壁部に向かって伝送する際、複数の短絡用ビア導体の不完全性により信号の一部が漏れたとしても、その漏れ成分が基板端面で反射されて再び短絡壁部に戻るまでの往復の経路長が管内波長の半分の自然数倍に合致する。そのため、定在波の電界がゼロとなる節である短絡壁部を基点として、信号の漏れ成分の経路長は隣接する節に合致することになるので、信号の漏れ成分による定在波への影響を抑制することができる。

本発明において、短絡壁部と基板端面との間の距離は、第１の方向に沿って管内波長の１／４に相当することが望ましい。すなわち、導波管のサイズは、前述の距離を管内波長の１／４の自然数倍のうちの最小値である管内波長の１／４に設定することで最も小さくできるため、導波管の小型化に有利な寸法条件となる。

本発明において、１対の側壁部を、第１導体層と前記第２導体層との間をそれぞれ接続する複数の側壁用ビア導体で構成してもよい。これにより、複数の側壁用ビア導体と複数の短絡用ビア導体とを、同一構造のビア導体を用いて容易に形成することができる。この場合、複数の側壁用ビア導体は、第１の方向に遮断波長の１／２以下の間隔で配列し、かつ、複数の短絡用ビア導体を、第１及び第２の方向に直交する第３の方向に遮断波長の１／２以下の間隔で配列することが望ましい。また、複数の側壁用ビア導体及び複数の短絡用ビア導体は、いずれも同一の径及び同一の高さのビア導体により構成してもよい。

本発明において、導波管への入力信号を供給する給電部を更に設けることができる。この場合、給電部は導波管のうち、短絡壁部の近傍に設けてもよいし、第１の方向に沿って短絡壁部と反対側の端部の近傍に設けてもよい。給電部を短絡壁部の近傍に設ける場合は、例えば、給電部と短絡壁部の間の距離を管内波長の１／４に設定することで、導波管の定在波に適合させることができる。

本発明によれば、誘電体基板を用いた導波管に複数の短絡用ビア導体からなる短絡壁部を形成し、この短絡壁部から基板端面までの距離を管内波長の１／４の自然数倍に設定したので、複数の短絡用ビア導体の不完全性により導波管を伝送する信号の一部が短絡壁部から漏れたとしても、それが基板端面で反射して短絡壁部に戻ってくるまでの経路長が管内波長の半分の自然数倍となるため、信号の漏れ成分により定在波の周期性へ及ぼす影響を抑制でき、簡単な構造で伝送特性の劣化を防止し得る導波管を実現することができる。

本発明を適用した導波管の構造と機能を説明する図であり、図１（Ａ）は導波管を上方から見た上面図であり、図１（Ｂ）は図１（Ａ）の導波管のＡ－Ａ断面における断面図であり、図１（Ｃ）は導波管におけるＸ方向に沿った電界強度分布を示す図である。 従来の構造の導波管の構造と機能を説明する図であり、図２（Ａ）は図１（Ａ）に対応する上面図であり、図２（Ｂ）は図１（Ｂ）に対応する断面図であり、図２（Ｃ）は図１（Ｃ）に対応する電界強度分布を示す図である。 本実施形態の導波管において、短絡壁部１４の近傍に給電部３０を設けた構造の変形例を示す図である。 本実施形態の導波管の作製方法の概要を説明する図である。

以下、本発明を適用した導波管の好適な実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。ただし、以下に述べる実施形態は本発明の技術思想を具体化した形態の一例であって、本発明が本実施形態の内容により限定されることはない。

まず、図１を用いて、本発明を適用した導波管の構造と機能について説明する。図１（Ａ）は本実施形態の導波管を上方から見た上面図であり、図１（Ｂ）は図１（Ａ）の導波管のＡ－Ａ断面における断面図である。また、図１（Ｃ）は図１の導波管におけるＸ方向に沿った電界強度分布を示す図である。なお、図１（Ａ）、（Ｂ）においては、説明の便宜のため、互いに直交するＸ方向（導波管の管軸方向）、Ｙ方向、Ｚ方向をそれぞれ矢印にて示している。

図１に示す導波管は、セラミック等の誘電体材料からなる誘電体基板１０と、誘電体基板１０の下面に形成された導電材料からなる導体層１１（本発明の第１導体層）と、誘電体基板１０の上面に形成された導電材料からなる導体層１２（本発明の第２導体層）と、上下の導体層１１、１２の間を接続する複数の側壁用ビア導体２０からなり、導波管の両側の側面となる１対の側壁部１３と、上下の導体層１１、１２の間を接続する複数の短絡用ビア導体２１からなり、導波管の一方の短絡面となる短絡壁部１４とを備えている。なお、図１では、本発明の説明の便宜上、導波管のうちＸ方向の左側の範囲のみを示しているが、導波管のうちＸ方向の右側の範囲の長さや構造については、導波管の用途に応じて適切に定めることができる。例えば、導波管のＸ方向に右側には、図示されない給電部やアンテナ、あるいはＸ方向に直交する短絡面又は開放面を形成することができる。

誘電体基板１０は、例えば、複数の誘電体層を積層して形成され、Ｘ方向を長尺方向とする直方体の外形形状を有する。誘電体基板１０の周囲は、上下（Ｚ方向の両側）の前述の１対の導体層１１、１２と、側面（Ｙ方向の両側）の１対の側壁部１３とにより構成される導体壁で取り囲まれている。そして、導波管は、管軸方向であるＸ方向に信号を伝送し、図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、Ｚ方向に高さａ及びＹ方向に幅ｂの矩形断面（ＹＺ断面）を有している。一般には、ｂ≒２ａの関係に設定されるが、このような設定により導波管の上下面をＨ面とするＴＥ１０を主モードとして伝搬させることができる。

誘電体基板１０の一端には、Ｘ方向に直交する基板端面１０ａが形成されている。また、誘電体基板１０の所定位置には、Ｘ方向に直交する前述の短絡壁部１４が形成されている。なお、図１の例では、上下の導体層１１、１２及び１対の側壁部１３のそれぞれのＸ方向の左端が、短絡壁部１４の位置を超えて概ね基板端面１０ａの位置まで達している。そして、誘電体基板１０の基板端面１０ａとその内側の短絡壁部１４は互いに平行であり、導波管の管内波長λｇに対し、Ｘ方向に沿って距離λｇ／４だけ離れている。本実施形態において、基板端面１０ａと短絡壁部１４との距離をλｇ／４に設定する理由については後述する。

１対の側壁部１３を構成する複数の側壁用ビア導体２０と、短絡壁部１４を構成する複数の短絡用ビア導体２１とは、それぞれ誘電体基板１０を貫く複数の貫通孔に導電材料を充填した柱状導体である。複数の側壁用ビア導体２０と複数の短絡用ビア導体２１は、いずれも隣接するビア導体同士の間隔が、導波管の遮断波長の１／２以下になるように設定されている。これにより、複数の側壁用ビア導体２０は、Ｘ方向に沿って２列に延在する導波管の側壁として機能し、複数の短絡用ビア導体２１は、Ｙ方向に沿って延在する導波管の少なくとも一方の短絡面として機能する。図１（Ａ）に示すように、複数の側壁用ビア導体２０及び複数の短絡用ビア導体２１は、外部に露出することなく、その外周が誘電体基板１０で覆われている。なお、本実施形態において、１対の側壁部１３に関しては、複数の側壁用ビア導体２０を用いずに、導電材料からなるベタ状の側壁部で置き換えてもよい。

以下、図１（Ｃ）を用いて、図１（Ａ）、（Ｂ）の構造を有する導波管において短絡壁部１４を設けることによる作用効果について説明する。図１（Ｃ）の横軸は、導波管のＸ方向に沿って基板端面１０ａの位置を０に設定し、前述したようにλｇ／４となる短絡壁部１４の位置を含めて、管内波長λｇを用いて基板端面１０ａからのＸ方向の距離を表記している。また、図１（Ｃ）の縦軸は電界強度を表し、その変化は導波管を伝送する信号により発生する定在波の波形に合致する。よって、管内波長λｇに関し、定在波のＸ方向に沿って電界が最小となる節は、間隔λｇ／２で周期的に表れる波形となる。なお、導波管内の管内波長λｇは、自由空間の波長よりも長くなる。

一般に、前述の矩形断面を有する導波管のＴＥ１０モードはＺ方向（矩形断面の短辺方向）の電界成分を伝送するので、ＹＺ平面の短絡面である短絡壁部１４の位置ではＺ方向の電界成分が消失することになる。よって、図１（Ｃ）の横軸λｇ／４の位置では概ね電界強度がゼロとなる。そして、短絡壁部１４の位置を基点として、前述のλｇ／２の周期性により、電界が最小となる定在波の節は、図１（Ｃ）に示すように距離λｇ／４、３λｇ／４の位置に現れる。一方、電界が最大となる定在波のピークは、距離０、λｇ／２、λｇの位置に現れる。

ここで、Ｘ方向に沿って図１（Ａ）、（Ｂ）の右側から短絡壁部１４に向かって伝送する信号を考える。この場合、短絡壁部１４が短絡面として完全な状態であれば信号が短絡壁部１４の左側に伝送することはない。しかし、実際には短絡壁部１４を構成する複数の短絡用ビア導体２１を形成する際、一部の欠損や充填不良などにより不完全な状態の短絡面となることがあり、このような状態ではＸ方向に沿って短絡壁部１４に達した信号の一部が図１（Ａ）、（Ｂ）の短絡壁部１４の左側に漏れる恐れがある。図１（Ｃ）においては、横軸の距離０において信号の漏れ成分による所定の電界が現れる状況を示している。

一方、このように短絡壁部１４を介して伝送する信号の漏れ成分は、基板端面１０ａまで達すると、そこからＸ方向の右側に反射して、再び短絡壁部１４に到達する。この場合、本実施形態では、信号の漏れ成分が短絡壁部１４から基板端面１０ａを経て短絡壁部１４に戻るので、この際の往復の経路長は基板端面１０ａと短絡壁部１４の間の距離λｇ／４の２倍の距離λｇ／２となる。よって、この経路長λｇ／２を経て漏れ成分が短絡壁部１４まで戻る際の位相は前述の定在波の周期性による隣接する節に合致するため、漏れ成分による短絡壁部１４の位置での電界もゼロとなり、本実施形態の導波管の構造により短絡壁部１４からの信号の漏れの影響を抑制することができる。

ここで、図２を用いて、従来の一般的な構造を有する導波管を本実施形態の導波管と対比しながら説明する。従来の構造の導波管に関し、図２（Ａ）は図１（Ａ）に対応する上面図であり、図２（Ｂ）は図１（Ｂ）に対応する断面図であり、図２（Ｃ）は図１（Ｃ）に対応する電界強度分布を示す図である。図２に示す導波管の構造のうち、本実施形態の導波管と異なるのは、複数の短絡用ビア導体２１からなる短絡壁部１４ａが、Ｘ方向に沿って基板端面１０ａの近傍に位置する点である。図２（Ａ）、（Ｂ）において、短絡壁部１４ａの位置以外の構造については図１と共通であるため、説明を省略する。

図２（Ａ）、（Ｂ）において、短絡壁部１４ａの外周は、１対の側壁部１３と同様、誘電体基板１０で覆われているため、基板端面１０ａと短絡壁部１４ａとは、Ｘ方向に沿って若干の距離だけ離れている。図２（Ｃ）に示すように、導波管の定在波の波形は、短絡壁部１４ａの位置は電界が最小となる節に合致し、管内波長λｇ／２で周期的に節が現れる点は、図１（Ｃ）と共通である。一方、Ｘ方向に沿って図２（Ａ）、（Ｂ）の右側から短絡壁部１４ａに向かって信号が伝送する場合、複数の短絡用ビア導体２１の不完全性により信号の一部が短絡壁部１４ａの左側に漏れる点は前述した通りであるが、漏れ成分の経路長については図１（Ｃ）と異なっている。

すなわち、図１の場合は漏れ成分の経路長がλｇ／２となるが、図２の場合は漏れ成分の経路長がλｇ／２よりも十分に小さい値になる。そのため、図２において、短絡壁部１４ａを介した漏れ成分が基板端面１０ａで反射して再び短絡壁部１４ａに戻ったとしても、定在波の節の周期性には合致しないため、それが定在波の電界に影響を与えることになり、導波管の伝送特性を劣化させる要因となる。この場合、短絡壁部１４ａからの漏れ成分が大きくなるほど、その分だけ導波管の伝送特性に与える悪影響も増加することになる。以上のように、本実施形態の導波管の構造を採用することにより、従来の構造の導波管に比べて、複数の短絡用ビア導体２１の不完全性に起因する伝送特性の劣化を確実に抑制することが可能となる。

本実施形態の導波管においては、図１（Ａ）、（Ｂ）の構造には限定されず、本発明の効果を奏することを前提に、多様な変形例がある。図３は、本実施形態の導波管において、短絡壁部１４の近傍に給電部３０を設けた構造の変形例を示しており、図１（Ｂ）に対応する断面図を示している。図３に示すように、給電部３０は、誘電体基板１０の下側の領域のうち短絡壁部１４の近傍の所定位置に形成され、下面の導体層１１と同一平面内に形成されて周囲の導体パターンから分離した給電端子３０ａと、誘電体基板１０の内層に形成された接続パッド３０ｂと、給電端子３０ａと接続パッド３０ｂとを電気的に接続する給電用ビア導体３０ｃとにより構成される。なお、図３において、給電部３０以外の構造については図１（Ｂ）と共通であるため、説明を省略する。

給電部３０は、外部からの入力信号を導波管に給電する役割がある。給電端子３０ａは、Ｘ方向に長尺形状の導体パターンであり、例えば、外部からの入力信号を伝送する線路の一端が給電端子３０ａに接続される。よって、外部からの入力信号は、給電端子３０ａ、給電用ビア導体３０ｃ、接続パッド３０ｂの順に経由して、導波管の内部に伝送される。なお、給電部３０の位置は制約されないが、例えば、管内波長λｇに対し、Ｘ方向に沿って短絡壁部１４から距離λｇ／４だけ離れて配置することができる。これにより、導波管の定在波の周期性から、短絡壁部１４の位置が節となるので、給電部３０の位置を電界のピークに合致させることができる。

また、図１（Ａ）、（Ｂ）の構造においては、管内波長λｇに対し、短絡壁部１４と基板端面１０ａとの間の距離がλｇ／４に設定されるが、本発明は、短絡壁部１４と基板端面１０ａとの間の距離がλｇ／４の自然数倍である構造に対しても適用可能である。この場合であっても、短絡壁部１４から基板端面１０ａで反射して短絡壁部１４に戻るまでの経路長が定在波の節に合致するので、本実施形態と同様の作用効果を得ることができる。ただし、前述の距離が最も短いのはλｇ／４であるため、図１（Ａ）、（Ｂ）の構造を採用することが、導波管の誘電体基板１０を小型化するために有利である。

次に、本実施形態の導波管の作製方法の概要について、図４を参照しつつ説明する。図４では、給電部３０を備える図３の変形例の断面構造を例に取って説明する。まず、誘電体基板１０を構成する複数の誘電体層として、例えば、ドクターブレード法により形成した低温焼成用の複数のセラミックグリーンシート４０を用意する。ここでは、８枚のセラミックグリーンシート４０を用いるものとする。そして、図４（Ａ）に示すように、それぞれのセラミックグリーンシート４０の所定位置に打ち抜き加工を施して、複数の側壁用ビア導体２０に対応するビアホール（不図示）と、複数の短絡用ビア導体２１に対応するビアホール４１と、給電用ビア導体３０ｃに対応するビアホール４２とを開口する。

次いで、図４（Ｂ）に示すように、それぞれのセラミックグリーンシート４０に開口された複数のビアホール４１、４２のそれぞれに、Ｃｕを含む導電性ペーストをスクリーン印刷により充填することで、複数の側壁用ビア導体２０（図１参照）と、複数の短絡用ビア導体２１と、給電用ビア導体３０ｃをそれぞれ形成する。続いて、図４（Ｃ）に示すように、最上層のセラミックグリーンシート４０の上面と、最下層のセラミックグリーンシート４０の下面と、所定位置のセラミックグリーンシート４０の上面とに、それぞれ前述の導電性ペーストをスクリーン印刷により塗布することで、上下の導体層１１、１２、給電端子３０ａ、接続パッド３０ｂのそれぞれを形成する。

そして、前述の加工を施した複数のセラミックグリーンシート４０を順に積層した上で、加熱加圧することにより積層体を形成する。その後、得られた積層体を脱脂、焼成することにより、図３に示す構造の導波管が完成する。

以上、本実施形態に基づき本発明の内容を具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で多様な変更を施すことができる。すなわち、本実施形態の導波管の構造については、図１及び図３で説明した構造例には限定されず、本発明の作用効果を得られる限り、他の構造や材料を用いた多様な導波管に対して広く本発明を適用することができる。さらに、その他の点についても上記実施形態により本発明の内容が限定されるものではなく、本発明の作用効果を得られる限り、上記実施形態に開示した内容には限定されることなく適宜に変更可能である。

１０…誘電体基板
１０ａ…基板端面
１１、１２…導体層
１３…側壁部
１４…短絡壁部
２０…側壁用ビア導体
２１…短絡用ビア導体
３０…給電部
３０ａ…給電端子
３０ｂ…接続パッド
３０ｃ…給電用ビア導体
４０…セラミックグリーンシート
４１、４２…ビアホール

Claims (6)

1. 誘電体基板を用いて構成され、管軸方向である第１の方向に信号を伝送する導波管であって、
   前記誘電体基板の一方の主面及び他方の主面に形成され、前記誘電体基板の高さ方向である第２の方向に対向する第１導体層及び第２導体層と、
   前記第１導体層と前記第２導体層との間を電気的に接続し、前記第１の方向に沿って延在する前記導波管の両側の側面となる１対の側壁部と、
   前記第１導体層と前記第２導体層との間をそれぞれ接続する複数の短絡用ビア導体からなり、前記導波管のうち前記第１の方向に直交する少なくとも一方の短絡面となる短絡壁部と、
   を備え、
   前記誘電体基板は、前記第１の方向に直交する少なくとも一方の基板端面を有し、
   前記短絡壁部と前記基板端面との間の距離は、前記第１の方向に沿って管内波長の１／４の自然数倍に相当することを特徴とする導波管。
2. 前記距離は、前記第１の方向に沿って前記管内波長の１／４に相当することを特徴とする請求項１に記載の導波管。
3. 前記１対の側壁部は、前記第１導体層と前記第２導体層との間をそれぞれ接続する複数の側壁用ビア導体からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の導波管。
4. 前記複数の側壁用ビア導体は、前記第１の方向に遮断波長の１／２以下の間隔で配列され、
   前記複数の短絡用ビア導体は、前記第１及び第２の方向に直交する第３の方向に前記遮断波長の１／２以下の間隔で配列される、
   ことを特徴とする請求項３に記載の導波管。
5. 前記複数の側壁用ビア導体及び前記複数の短絡用ビア導体は、いずれも同一の径及び同一の高さのビア導体であることを特徴とする請求項３又は４に記載の導波管。
6. 前記導波管への入力信号を供給する給電部を更に備えることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の導波管。
   

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