JP7303773B2 - 伝送線路変換構造 - Google Patents

Description

本開示は、平面伝送線路と同軸伝送線路との伝送線路変換構造に関する。

回路基板と外部との間で信号を伝搬するために、回路基板の平面伝送線路と外部接続に用いられる同軸伝送線路との間には伝送線路変換構造が用いられる。伝送線路変換構造に対しては、伝送損失を最小化する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１の構造は、変換部で信号が外部に放射されたり、反射されたりして透過率が劣化することを防止するものである。

再公表ＷＯ２００２/０８２５７８

発明者らは、平面伝送線路と同軸伝送線路とを接続した際に、同軸伝送線路から平面伝送線路の誘電体層に電磁波が侵入し、伝送特性に影響を及ぼすことを発見した。これは、侵入した電磁波が平面伝送線路の誘電体層で空間共振し、空間共振した電磁波が平面伝送線路を伝搬する信号と結合することで発生すると推測した。

そこで、本開示は、平面伝送線路と同軸伝送線路との伝送線路変換構造において、電磁波が平面伝送線路の誘電体層で空間共振しないよう、同軸伝送線路から平面伝送線路の誘電体層に電磁波が侵入することを防止することを目的とする。

平面伝送線路の誘電体層に電磁波が侵入しないよう、平面伝送線路の誘電体層と同軸伝送線路の同軸誘電体との間に金属板を設置することとした。

具体的には、本開示の伝送線路変換構造は、
複数の層からなる基板にマイクロストリップ伝送線路の信号線路（１１）、前記マイクロストリップ伝送線路の接地導体グランドである第１のグランド（１２）及び第２のグランド（１３）を順に備える平面伝送線路と中心導体（３１）及び外部導体（３２）を有する同軸伝送線路との伝送線路変換構造であって、
前記第２のグランド（１３）は、前記信号線路がある面と反対側の前記基板の裏面に設けられたグランド又は前記第１のグランド（１２）から前記基板の裏面側のいずれかの層に設けられたグランドであり、
前記マイクロストリップ伝送線路の信号線路（１１）と前記同軸伝送線路の中心導体（３１）とが接続され、
前記第１のグランド（１２）及び前記第２のグランド（１３）と前記同軸伝送線路の外部導体（３２）とが接続され、
前記第１のグランド（１２）及び前記第２のグランド（１３）の間の誘電体層（１５）と前記中心導体（３１）及び前記外部導体（３２）の間の同軸誘電体（３３）との間に前記第１のグランド（１２）に接続された金属板（１０）が設置されていることを特徴とする。

具体的には、本開示の伝送線路変換構造は、
複数の層からなる基板にコプレーナ伝送線路の信号線路（２１）及び前記コプレーナ伝送線路のグランドである第３のグランド（２２）、前記第３のグランド（２２）から前記基板の裏面側のいずれかの層に設けられたグランドである第４のグランド（２３）並びに第５のグランド（２４）を順に備える平面伝送線路と中心導体（３１）及び外部導体（３２）を有する同軸伝送線路との伝送線路変換構造であって、
前記第５のグランドは、前記信号線路がある一面とは反対側の前記基板の裏面に設けられたグランド又は前記第４のグランド（２３）から前記基板の裏面側のいずれかの層に設けられたグランドであり、
前記コプレーナ伝送線路の信号線路（２１）と前記同軸伝送線路の中心導体（３１）とが接続され、
前記コプレーナ伝送線路の第３のグランド（２２）、前記第４のグランド（２３）及び前記第５のグランド（２４）と前記同軸伝送線路の外部導体（３２）とが接続され、
前記第４のグランド（２３）及び前記第５のグランド（２４）の間の誘電体層（２６）と前記中心導体（３１）及び前記外部導体（３２）の間の同軸誘電体（３３）との間に前記第４のグランド（２３）に接続された金属板（１０）が設置されていることを特徴とする。

本開示によれば、平面伝送線路と同軸伝送線路との伝送線路変換構造において、電磁波が平面伝送線路の誘電体層で空間共振しないよう、同軸伝送線路から平面伝送線路の誘電体層に電磁波が侵入することを防止することができる。

本実施形態に係る伝送線路変換構造の斜視図である。 本実施形態に係る伝送線路変換構造の長軸方向の断面図である。 本実施形態に係る伝送線路変換構造の上面図である。 本実施形態に係る伝送線路変換構造の長軸方向に垂直な断面図である。 本実施形態に係る伝送線路変換構造の斜視図である。 本実施形態に係る伝送線路変換構造の斜視図である。 本実施形態に係る伝送線路変換構造の長軸方向の断面図である。 本実施形態に係る伝送線路変換構造の上面図である。 本実施形態に係る伝送線路変換構造の長軸方向に垂直な断面図である。 本実施形態に係る伝送線路変換構造の斜視図である。 本実施形態に係る伝送線路変換構造のシミュレーション結果である。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本開示は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。これらの実施の例は例示に過ぎず、本開示は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

本実施形態に係る伝送線路変換構造は、平面伝送線路と同軸伝送線路との伝送線路変換構造である。本実施形態に係る伝送線路変換構造の斜視図を図１に、伝送線路の長軸方向の断面図を図２に、上面図を図３に、平面伝送線路と同軸伝送線路とが繋がる部分での長軸方向に垂直な断面図を図４に示す。

図１から図４において、平面伝送線路は、複数の層からなる基板にマイクロストリップ伝送線路の信号線路１１、第１のグランド１２及び第２のグランド１３を順に備える。第１のグランド１２は、マイクロストリップ伝送線路の接地導体グランドである。第２のグランド１３は、基板の裏面に設けられたグランド又は第１のグランド１２から基板の裏面側のいずれかの層に設けられたグランドである。図１から図４において、第２のグランド１３は、基板の裏面に設けられている。マイクロストリップ伝送線路の信号線路１１とマイクロストリップ伝送線路の第１のグランド１２との間は誘電体層１４が配置され、マイクロストリップ伝送線路の第１のグランド１２と第２のグランド１３との間は誘電体層１５が配置されている。

第２のグランド１３が基板の裏面に設けられている場合は、回路基板内への電磁波侵入を阻止したり、回路へ電力供給したりする目的で利用される。第２のグランド１３が第１のグランド１２から基板の裏面側のいずれかの層に設けられている場合は、基板の層間の電磁誘導を阻止したり、回路へ電力供給したりする目的で利用される。

図１及び図４では、マイクロストリップ伝送線路の信号線路１１とマイクロストリップ伝送線路の第１のグランド１２との間の誘電体層１４及びマイクロストリップ伝送線路の第１のグランド１２と第２のグランド１３との間の誘電体層１５は、図示を省略している。

図１から図４において、同軸伝送線路は、中心導体３１、外部導体３２及び同軸誘電体３３を備える。マイクロストリップ伝送線路の信号線路１１と同軸伝送線路の中心導体３１とが接続されている。マイクロストリップ伝送線路の第１のグランド１２及び第２のグランド１３と同軸伝送線路の外部導体３２とが接続されている。ここで、「接続」という用語は、高周波的に接続されていればよく、必ずしも物理的な接触は要しないことを意味する。特に、断らない限り、以下の実施形態でも同様である。

図１から図４において、誘電体層１５と同軸誘電体３３との間に金属板１０が設置されている。金属板１０を設置することにより、同軸伝送線路の同軸誘電体３３を伝搬する電磁波が平面伝送線路の誘電体層１５に侵入することを防止できる。電磁波が平面伝送線路の誘電体層１５に侵入しなければ、空間共振が発生することなく、伝送特性に影響を及ぼすことがない。

金属板１０は、誘電体層１５の側面又は同軸誘電体３３の端面に導体となる金属の板を貼り付けたものでもよいし、誘電体層１５の側面又は同軸誘電体３３の端面に金属メッキを施したものでもよい。金属板の材料は、金、銀、銅、アルミニウム等の導電率の高い金属が望ましい。

金属板１０は、誘電体層１５の側面全体に設置しなくてもよい。例えば、図４に示すように、少なくとも、誘電体層１５と同軸誘電体３３が重なる部分に設置することでもよい。金属板１０は、誘電体層１５の側面又は同軸誘電体３３の端面に導体となる金属の板を貼り付けたものでもよいし、誘電体層１５の側面又は同軸誘電体３３の端面に金属メッキを施したものでもよい。少なくとも、誘電体層１５と同軸誘電体３３が重なる部分に設置すれば、同軸伝送線路の同軸誘電体３３を伝搬する電磁波が平面伝送線路の誘電体層１５に侵入することを防止できる。電磁波が平面伝送線路の誘電体層１５に侵入しなければ、空間共振が発生することなく、伝送特性に影響を及ぼすことがない。

平面伝送線路は、第１のグランド１２と第２のグランド１３との間を接続するビアをさらに備えてもよい。図１の伝送線路変換構造に対して、さらにビアを備える平面伝送線路と同軸伝送線路との伝送線路変換構造の斜視図を図５に示す。図５のビア１７は、第１のグランド１２と第２のグランド１３との間を接続し、第１のグランド１２と第２のグランド１３とで閉鎖された共振空間を形成する。図５において、第２のグランド１３は、基板の裏面に設けられているが、第１のグランド１２から基板の裏面側のいずれかの層に設けられていてもよい。閉鎖された共振空間では、侵入した電磁波が誘電体層で空間共振しやすく、空間共振した電磁波が平面伝送線路を伝搬する信号と結合する。このような平面伝送線路に対して金属板１０を設置することは、電磁波が同軸伝送線路から平面伝送線路の誘電体層１５に侵入することを防止するのに有効である。

図５では、同軸伝送線路から平面伝送線路に接続されているが、同軸伝送線路、平面伝送線路及び同軸伝送線路が従属接続された場合の通過特性をシミュレーションした。同軸伝送線路から平面伝送線路へ、及び平面伝送線路から同軸伝送線路へのそれぞれの伝送線路変換構造に従来の構造、即ち金属板１０のない伝送線路変換構造を適用した場合のシミュレーション結果を図１１（Ａ）に示す。同軸伝送線路から平面伝送線路へ、及び平面伝送線路から同軸伝送線路へのそれぞれの伝送線路変換構造に図５の構造、即ち、誘電体層１５の両側面に金属板１０を設置した構造を適用した場合のシミュレーション結果を図１１（Ｂ）に示す。

従来の伝送線路変換構造では、図１１（Ａ）に示すように、４０ＧＨｚ以上の周波数で共振現象による通過特性の落ち込みが現れている。しかし、本実施形態の伝送線路変換構造では、図１１（Ｂ）に示すように、４０ＧＨｚ以上の周波数でも平坦な通過特性を示している。この結果からも、本実施形態の平面伝送線路の誘電体層１５と同軸伝送線路の同軸誘電体３３との間に金属板１０設置することが有効であることが分かる。

本実施形態の平面伝送線路では、誘電体層１４上で、信号線路１１の片側又は両側に表面グランド（不図示）を備えていてもよい。

本実施形態において、同軸伝送線路は、同軸ケーブルとして記載されているが、金属シェルが外部導体を構成する同軸構造のコネクタであってもよい。以下の実施形態でも同様である。

本実施形態に係る伝送線路変換構造は、平面伝送線路と同軸伝送線路との伝送線路変換構造である。本実施形態に係る伝送線路変換構造の斜視図を図６に、伝送線路の長軸方向の断面図を図７に、上面図を図８に、平面伝送線路と同軸伝送線路とが繋がる部分での長軸方向に垂直な断面図を図９に示す。

図６から図９において、平面伝送線路は、複数の層からなる基板にコプレーナ伝送線路の信号線路２１及び第３のグランド２２、第４のグランド２３並びに第５のグランド２４を順に備える。第３のグランドは、コプレーナ伝送線路のグランドである。第４のグランドは、第３のグランドから基板の裏面側のいずれかの層に設けられたグランドである。第５のグランドは、基板の裏面に設けられたグランド又は第４のグランドから基板の裏面側のいずれかの層に設けられたグランドである。コプレーナ伝送線路と第４のグランド２３との間は誘電体層２５が配置され、第４のグランド２３と第５のグランド２４との間は誘電体層２６が配置されている。第３のグランド２２は、信号線路２１の片側に配置されていても、両側に配置されていてもよい。第４のグランド２３を備えると、伝送特性の設計が容易になり、また、伝送特性の向上が期待できる。

第５のグランド２４が基板の裏面に設けられている場合は、回路基板内への電磁波侵入を阻止したり、回路へ電力供給したりする目的で利用される。第５のグランド２４が第４のグランドから基板の裏面側のいずれかの層に設けられている場合は、基板の層間の電磁誘導を阻止したり、回路へ電力供給したりする目的で利用される。

図６及び図９では、コプレーナ伝送線路と第４のグランド２３との間の誘電体層２５及び第４のグランド２３と第５のグランド２４との間の誘電体層２６は、図示を省略している。

図６から図９において、同軸伝送線路は、中心導体３１、外部導体３２及び同軸誘電体３３を備える。コプレーナ伝送線路の信号線路２１と同軸伝送線路の中心導体３１とが接続されている。コプレーナ伝送線路の第３のグランド２２、第４のグランド２３及び第５のグランド２４と同軸伝送線路の外部導体３２とが接続されている。

図６から図９において、誘電体層２６と同軸誘電体３３との間に金属板１０が設置されている。金属板１０を設置することにより、同軸伝送線路の同軸誘電体３３を伝搬する電磁波が平面伝送線路の誘電体層２６に侵入することを防止できる。電磁波が平面伝送線路の誘電体層２６に侵入しなければ、空間共振が発生することなく、伝送特性に影響を及ぼすことがない。

金属板１０は、誘電体層２６の側面又は同軸誘電体３３の端面に導体となる金属の板を貼り付けたものでもよいし、誘電体層２６の側面又は同軸誘電体３３の端面に金属メッキを施したものでもよい。金属板の材料は、金、銀、銅、アルミニウム等の導電率の高い金属が望ましい。

金属板１０は、誘電体層２６の側面全体に設置しなくてもよい。例えば、図９に示すように、少なくとも、誘電体層２６と同軸誘電体３３が重なる部分に設置することでもよい。金属板１０は、誘電体層２６の側面又は同軸誘電体３３の端面に導体となる金属の板を貼り付けたものでもよいし、誘電体層２６の側面又は同軸誘電体３３の端面に金属メッキを施したものでもよい。少なくとも、誘電体層２６と同軸誘電体３３が重なる部分に設置すれば、同軸伝送線路の同軸誘電体３３を伝搬する電磁波が平面伝送線路の誘電体層２６に侵入することを防止できる。電磁波が平面伝送線路の誘電体層２６に侵入しなければ、空間共振が発生することなく、伝送特性に影響を及ぼすことがない。

平面伝送線路は、第４のグランド２３と第５のグランド２４との間を接続するビアをさらに備えてもよい。図６の伝送線路変換構造に対して、さらにビアを備える平面伝送線路と同軸伝送線路との伝送線路変換構造の斜視図を図１０に示す。図１０のビア２７は、第４のグランド２３と第５のグランド２４との間を接続し、第４のグランド２３と第５のグランド２４とで閉鎖された共振空間を形成する。図１０において、第５のグランド２４は、基板の裏面に設けられているが、第４のグランド２３から基板の裏面側のいずれかの層に設けられていてもよい。閉鎖された共振空間では、侵入した電磁波が誘電体層で空間共振しやすく、空間共振した電磁波が平面伝送線路を伝搬する信号と結合する。このような平面伝送線路に対して金属板１０を設置することは、電磁波が同軸伝送線路から平面伝送線路の誘電体層２６に侵入することを防止するのに有効である。

本開示は情報通信産業に適用することができる。

１０：金属板
１１：信号線路
１２：第１のグランド
１３：第２のグランド
１４：誘電体層
１５：誘電体層
１７：ビア
２１：信号線路
２２：第３のグランド
２３：第４のグランド
２４：第５のグランド
２５：誘電体層
２６：誘電体層
２７：ビア
３１：中心導体
３２：外部導体
３３：同軸誘電体

Claims (4)

1. 複数の層からなる基板にマイクロストリップ伝送線路の信号線路（１１）、前記マイクロストリップ伝送線路の接地導体グランドである第１のグランド（１２）及び第２のグランド（１３）を順に備える平面伝送線路と中心導体（３１）及び外部導体（３２）を有する同軸伝送線路との伝送線路変換構造であって、
   前記第２のグランド（１３）は、前記信号線路がある面と反対側の前記基板の裏面に設けられたグランド又は前記第１のグランド（１２）から前記基板の裏面側のいずれかの層に設けられたグランドであり、
   前記マイクロストリップ伝送線路の信号線路（１１）と前記同軸伝送線路の中心導体（３１）とが接続され、
   前記第１のグランド（１２）及び前記第２のグランド（１３）と前記同軸伝送線路の外部導体（３２）とが接続され、
   前記第１のグランド（１２）及び前記第２のグランド（１３）の間の誘電体層（１５）と前記中心導体（３１）及び前記外部導体（３２）の間の同軸誘電体（３３）との間の、前記誘電体層（１５）と前記同軸誘電体（３３）が重なる部分のみに前記第１のグランド（１２）に接続された金属板（１０）が設置されていることを特徴とする伝送線路変換構造。
2. 前記第１のグランド（１２）と前記第２のグランド（１３）との間を接続するビア（１７）をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の伝送線路変換構造。
3. 複数の層からなる基板にコプレーナ伝送線路の信号線路（２１）及び前記コプレーナ伝送線路のグランドである第３のグランド（２２）、前記第３のグランド（２２）から前記基板の裏面側のいずれかの層に設けられたグランドである第４のグランド（２３）並びに第５のグランド（２４）を順に備える平面伝送線路と中心導体（３１）及び外部導体（３２）を有する同軸伝送線路との伝送線路変換構造であって、
   前記第５のグランド（２４）は、前記信号線路がある一面とは反対側の前記基板の裏面に設けられたグランド又は前記第４のグランド（２３）から前記基板の裏面側のいずれかの層に設けられたグランドであり、
   前記コプレーナ伝送線路の信号線路（２１）と前記同軸伝送線路の中心導体（３１）とが接続され、
   前記コプレーナ伝送線路の前記第３のグランド（２２）、前記第４のグランド（２３）及び前記第５のグランド（２４）と前記同軸伝送線路の外部導体（３２）とが接続され、
   前記第４のグランド（２３）及び前記第５のグランド（２４）の間の誘電体層（２６）と前記中心導体（３１）及び前記外部導体（３２）の間の同軸誘電体（３３）との間の、前記誘電体層（２６）と前記同軸誘電体（３３）が重なる部分のみに前記第４のグランド（２３）に接続された金属板（１０）が設置されていることを特徴とする伝送線路変換構造。
4. 前記第４のグランド（２３）と前記第５のグランド（２４）との間を接続するビア（２７）をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載の伝送線路変換構造。

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