JPH0151202B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、ミリ波帯の集積回路用線路等として
適した誘電体線路に関するものである。 ミリ波集積回路にはマイクロストリツプ線路や
誘電体線路等が使用されている。このうち、マイ
クロストリツプ線路は、ミリ波帯で伝送損が急増
する欠点がある。一方、イメージ線路やインシユ
ラー線路等の誘電体線路は、直線部分での伝送損
は小さいが、線路の曲りや不連続部において放射
が起り、損失の異常な増加のみならず、近接線路
への漏話などの問題点を有している。 このような従来の誘電体線路の欠点を解消し、
放射をほぼ完全に抑制しうる「非放射性誘電体線
路（Nonradiative Dielectric Waveguide）」と
称してよい誘電体線路が本発明者等によつて提案
されている。この非放射性誘電体線路では、２枚
の導体平板を平行配置し、これら導体平板間に存
在する誘電媒質中にその誘電媒質よりも大なる誘
電率の誘電体ストリツプを挿入し、その誘電体ス
トリツプに沿つて電磁波の電界を主としてそれら
導体平板に平行に偏波させて伝送せしめ、それら
導体平板の間隔を電磁波の誘電媒質内波長の２分
の１以下とすることにより、そのしや断効果で放
射を抑制するようにしている。 一般に、誘電体線路でミリ波集積回路を構成す
る場合、その回路を小形化するという観点から
は、その誘電体ストリツプとしてε_r≧10程度の高
誘電率の材料を使用するのが有利である。このこ
とは、前述の非放射性誘電体線路においても言え
るが、高誘電率のストリツプを使用するとき、こ
の非放射性誘電体線路は、次のような問題点を有
している。第１に、誘電体ストリツプを極度に偏
平にしなければならないので、これは、そのスト
リツプの強度あるいは製作精度の観点からは望ま
しくないことである。第２に、高次モードの影響
により、伝送路の単一モード動作帯域が狭くなつ
てしまう。 本発明の目的は、前述したような誘電体線路の
問題点を解消し前述した非放射性誘電体線路を更
に改善した誘電体線路を提供することである。 また、本発明の目的は、前述したような誘電体
線路の問題点を解消すると共に線路の低損失化を
も可能にした誘電体線路を提供することである。 本発明によれば、２枚の導体平板を平行配置
し、該導体平板間に存在する誘電媒質中に該誘電
媒質よりも大なる誘電率の誘電体ストリツプを挿
入してなる誘電体線路において、前記各導体平板
と前記誘電媒質及び誘電体ストリツプとの間に誘
電体層を介在させ、前記誘電体層の前記誘電媒質
に対する比誘電率をε_r1、前記導体平板の間隔を
ａ、前記誘電媒質の厚さをｃ、前記誘電媒質内の
電磁波の波長をλ_pとするとき、次の不等式 tan（πc／λ_p）＜√_r1cot（√_r1πａ−ｃ／λ_p
） を満足するように設定し、電磁波の電界を主とし
て前記導体平板に平行に偏波させて伝送せしめる
ことを特徴とする誘電体線路によつて、前述の目
的は達成される。 次に、添付図面に基づいて本発明の実施例につ
いて本発明をより詳細に説明する。 第１図は、本発明の一実施例としての誘電体線
路の部分斜視図を示しており、この実施例の誘電
体線路は、２枚の導体平板１及び２を平行配置
し、これら導体平板１及び２の間に存在する誘電
媒質５中にその誘電媒質５よりも大なる誘電率の
誘電体ストリツプ６を挿入し、更に、各導体平板
１又は２と前記誘電媒質５及び誘電体ストリツプ
６との間に誘電体層３又は４を介在させてなつて
いる。この誘電体線路は、電磁波を導体平板１及
び２と平行に偏波させて伝送する。誘電体層３及
び４間の媒質５は、誘電体ストリツプ６より誘電
率が小さいという制限以外任意であるが、以下の
考察では簡単のため、誘電媒質５は空気であると
している。これは、実用上、それが空気の場合が
最も多いからであるが、一方、これは誘電体スト
リツプ６や誘電体層３及び４の比誘電率をこの誘
電媒質５の誘電率を基にして定義することに相当
し、この仮定により議論の一般性が失なわれるこ
とがないからでもある。誘電体層３及び４として
は、低損失なテフロン（登録商標）やポリエチレ
ンが適しているが、発泡スチレン（比誘電率ε_r
1.0）のような空気と同程度に低誘電率、低損失
の誘電体も有効である。また、誘電体層３及び４
は、このような固体の誘電体物質で形成してもよ
いが、空気層にて形成してもよい。誘電体層３及
び４を固体の誘電体物質で形成する場合には、各
導体平板１及び２の内面に誘電体膜３及び４を接
着して、その間に誘電体ストリツプ６を挾持させ
るようにすればよいのであるが、誘電体層３及び
４を空気層にて形成する場合には、第２図の側面
図に略示されように、導体平板１Ａ及び２Ａの間
に適当な支持部材７を用いて誘電体ストリツプ６
Ａと各導体平板１Ａ及び２Ａとの間に誘電体層３
Ａ及び４Ａとしての空気層が介在するようにして
誘電体ストリツプ６Ａを空間に浮かすようにす
る。これら支持部材７は、誘電率の比較的小さい
材料で形成されるのがよい。 本発明の前述したような構造の誘電体線路は、
導体平板１及び２の内面に絶縁層として働く誘電
体層３及び４が設けられていることからして、
「絶縁形非放射性誘電体線路」と称されてよい。
このような絶縁形非放射性誘電体線路の動作原理
について、以下説明する。第１図の構造におい
て、導体平板１及び２の間隔をａ、誘電体ストリ
ツプ６の巾をｂ、厚さをｃとし、誘電体ストリツ
プ６の誘電媒質５に対する比誘電率をε_r2、誘電
体層３及び４の誘電媒質５に対する比誘電率を
ε_r1とし、誘電媒質５中の電磁波の波長をλ_pとす
る。先ず、誘電体ストリツプ６がなくてそこが誘
電媒質５で満たされている場合の導体平板１及び
２に平行に偏波した電磁波の伝搬について考える
と、導体平板１及び２の間隔ａを、次の不等式 tan（πc／λ_p）＜√_r1cot（√_r1πａ−ｃ／λ_p
） を満足するように設定すれば、導体平板１及び２
に平行に偏波した電磁波は全て遮断され伝搬でき
ない。これは、誘電体ストリツプの曲りや不連続
部で発生する放射波が導体平板１及び２の間を通
りぬけることができずに抑制されることを意味
し、この条件は、この絶縁形非放射性誘電体線路
における最も重要な条件の１つである。次に、こ
のような条件のもとで、誘電体層３及び４の間に
適当な断面寸法と誘電率の誘電体ストリツプ６を
挿入すれば、前述の遮断が解け、電磁波は、誘電
体ストリツプ６に沿つて伝搬できるようになる。
これが、この絶縁形非放射性誘電体線路の定性的
な動作原理である。 また、実用上、絶縁形非放射性誘電体線路は、
唯一つのモードが伝搬可能な単一モード状態で動
作しなければならない。次に、このことについ
て、種々な誘電体線路の構成におけるａ／λ_pと√
ε_r-1ｂ／λ_pとの関係を示す第３図から第７図の曲
線を参照して説明する。絶縁形非放射性誘電体線
路で利用するモードは、通常、E₁₁ ^xモードと呼ば
れるものであるが、関連するE₂₁ ^xモード、E₁₂ ^xモ
ード等の高次モードも含めて、その遮断曲線を、
第３図から第７図に示している。これらの曲線
は、誘電体ストリツプを誘電率ε_r2＝12のスタイ
キヤスト（Stycast）（米国、エマーソンカミング
社の商品名）にて形成したと仮定し、誘電体層
を、第３図及び第４図では空気、第５図及び第６
図ではポリエチレン（ε_r1＝2.25）にて形成したと
して求められたものである。また、第３図及び第
５図の曲線は、ｃ／ａ＝0.4、第４図及び第６図
の曲線は、ｃ／ａ＝0.6、第７図の曲線は、ｃ／
ａ＝1.0（前述の非放射性誘電体線路に相当する）
として、求められたものである。すなわち、これ
らの各遮断曲線は、等価誘電率法と呼ばれる解析
法で算出でき、各曲線を境にその上部領域では対
応するモードは伝搬モードとなり、下部領域では
遮断モードとなる。従つて、絶縁形非放射性誘電
体線路が単一モード動作となるためには、E₁₁ ^xモ
ードのみが伝送され、その他のE₂₁ ^xモード、E₁₂ ^x
モードが遮断されるように、これらの遮断曲線で
囲まれた領域に設計定数を定めればよい。因に、
E₁₁ ^xモードの遮断曲線より下の領域では電磁波は
全く伝搬できず、逆にE₂₁ ^xモードあるいはE₁₂ ^xモ
ードの遮断曲線より上の領域では２つ以上のモー
ドが伝搬する、いわゆる多モード伝送となる。 第５図及び第６図の曲線より明らかなように、
誘電体層にポリエチレンを用いた場合は、放射波
遮断点が前述の非放射性誘電体線路のａ／λ_p＝
0.5より小さくなるが、これは回路が小形化でき
ることを意味し、実用上有利である。特に、良質
のポリエチレンのように損失正接（tanδ＝10^-5）
の小さな誘電体膜を用いれば伝送損の増加なしに
回路の小形化が計れる。更に、ここで注目すべき
ことは、ｃ／ａ＝0.4の場合（第３図及び第５図
参照）には、E₁₂ ^xモードの影響が表われないこと
である。これは極めて重要であり、前述の非放射
性誘電体線路（第７図参照）に比べて、絶縁形非
放射性誘電体線路の動作領域がそれだけ広くな
り、伝送帯域幅が拡大されるという実用上の利点
を得ることができる。 このように動作する絶縁形非放射性誘電体線路
の低損失化について考察するに、誘電体層中で電
磁界が導体平板に向つて指数関数的に減少するよ
うにすれば、導体平板上の電磁界がそれだけ小さ
くなり、導体損が軽減できる。等価誘電率法での
計算によれば、この条件を満す低損失領域は、第
３図、第４図、第５図及び第６図で斜線を施した
領域である。この領域内に動作点をとれば導体損
が小さくなるが、さらに絶縁形非放射性誘電体線
路では、前述の非放射性誘電体線路に比較して誘
電体ストリツプの断面寸法が小さいため、誘電体
損も小さくなる。すなわち、絶縁形非放射性誘電
体線路では、導体損、誘電体損とも小さくなるの
で、それらの和である伝送損もかなり減少する。
このことを実際に示すため、誘電体層を空気にし
た場合とポリエチレンにした場合における絶縁形
非放射性誘電体線路（ｃ／ａ＝0.4）の伝送損の
理論値を、前述の非放射性誘電体線路（ｃ／ａ＝
1.0）の伝送損の理論値と比較して、それぞれ第
８図及び第９図に示している。計算では導体平板
に銅（δ＝5.8×10⁷s／ｍ）を仮定し、誘電体ス
トリツプ（ε_r2＝12）の損失正接をtanδ＝10^-4と
仮定した。第８図及び第９図の曲線から明らかな
ように、絶縁形非放射性誘電体線路の伝送損は、
前述の単なる非放射性誘電体線路の約半分にな
る。しかも、絶縁形非放射性誘電体線路の導体損
は、誘電体損に比べて極めて小さく、伝送損はほ
とんど誘電体損によつて決まる。このことは高純
度アルミナ（ε_r2＝10、tanδ＝0.5×10^-4）のよう
な良質の誘電体ストリツプを使用すれば、絶縁形
非放射性誘電体線路の伝送損は、さらに減少する
ことを意味し、マイクロストリツプ線路に比べて
１桁程度小さな伝送損とすることができる。 次に、本発明の絶縁形非放射性誘電体線路の寸
法上の利点について説明する。本発明の絶縁形非
放射性誘電体線路の具体的な設計例及び前述の単
なる非放射性誘電体線路の設計例を次の表にまと
めて示している。

【表】 この表において、誘電体層は、空気、誘電体ス
トリツプはスタイキヤスト（ε_r2＝12、tanδ＝
10^-4）とし、周波数は50GHzを仮定している。ま
ず、誘電体ストリツプの断面寸法（ｂ×ｃ）を比
較すれば、単なる非放射性誘電体線路例（ｃ／ａ
＝1.0）では、0.96mm×2.7mmと偏長方形であつて、
強度的に弱くなり製作精度も高くしにくいのに対
し、特に絶縁形非放射性誘電体線路例（ｃ／ａ
＝0.4）では、断面寸法が1.27mm×1.08mmと小形で
且つ正方形に近い取扱い易い形状となる。また、
管内波長も、絶縁形非放射性誘電体線路例では
λ_g＝2.85mm、単なる非放射性誘電体線路例ではλ_g
＝3.68mmとなり、本発明による絶縁形非放射性誘
電体線路の方が小さく、回路の小形化にとつて有
利である。 第１０図は、本発明の絶縁形非放射性誘電体線
路の横断面内での電磁界の概略図であり、電界は
実線、磁界は破線で示している。この図から明ら
かなように、電磁界は部分的に誘電体を満たした
金属導波管の電磁界に似ていて、減衰性の界がわ
ずかに周囲媒質中に漏れているにすぎない。従つ
て、本発明の絶縁形非放射性誘電体線路を用いれ
ば、金属導波管回路素子と同様な回路素子をほと
んど全て実現することができる。第１１図Ａから
Ｅは、本発明の絶縁形非放射性誘電体線路のその
ような代表的な応用例を平面的に示している。第
１１図Ａは、90゜ベンドへの適用例を示し、第１
１図Ｂは、方向性結合器への適用例を示し、第１
１図Ｃは無反射終端器への適用例を示し、第１１
図Ｄはサーキユレータへの適用例を示し、第１１
図Ｅはアイソレータへの適用例を示しており、参
照符号１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ及び１Ｆは導体平
板を示し、６Ｂ，６Ｃ，６Ｄ，６Ｅ，６Ｆ及び６
Ｇは、誘電体ストリツプを示している。第１１図
Ｃの無反射終端器では、吸収膜８を装荷し、第１
１図Ｄのサーキユレータ、第１１図Ｅのアイソレ
ータでは、直流磁界印加フエライト９及び９Ａを
それぞれ装荷している。特に、これらの無反射終
端器、サーキユレータ、アイソレータ等では、吸
収膜やフエライトを電界に平行な面に装荷すると
特性が改善され、その点、導体平板と誘電体スト
リツプとの間に空隙のある絶縁形非放射性誘電体
線路は便利である。詳述するに、ミリ波集積回路
では、伝送路に半導体素子、フエライト、吸収膜
等を装荷する場合が多いが、特に、電界に平行な
側面、すなわち、導体面に平行な誘電体ストリツ
プの側面にフエライト、吸収膜等の素子を装荷で
きることは有利で、サーキユレータや無反射終端
等で反射を大幅に軽減できる。しかし、従来の非
放射性誘電体線路では誘電体ストリツプの導体平
板と平行な２つの側面は導体平板の内面に接して
しまつているため、その導体面に平行な誘電体ス
トリツプを側面に素子を装荷できない。これに対
し、本発明による導体平板と誘電体ストリツプと
の間に空隙のある絶縁形非放射性誘電体線路で
は、その空隙部分、すなわち、電界に平行な誘電
体ストリツプの側面に素子を配設できるので有利
である。 尚、誘電体ストリツプの横断面形状は、前述の
実施例の如く矩形に限らず、円形、楕円形等、導
体平板間の中央面に対して対称な形状であれば、
任意の形状であつてもよい。 前述したように、本発明による絶縁形非放射性
誘電体線路は、従来の単なる非放射性誘電体線路
と同様に線路の曲りや不連続に起因する放射を抑
制できると共に、以下に列挙する如き効果を得る
ことのできるものである。 (1) マイクロストリツプ線路に比べて約１桁程
度、また、従来の単なる非放射性誘電体線路に
比べても約50％も伝送損を軽減できる。 (2) E₁₂ ^xモードの影響がないため伝送帯域幅を広
くとれる。 (3) 誘電体ストリツプの横断面形状を50GHzで１
辺約１mm程度の正方形に近いものとすることが
でき、従来の単なる非放射性誘電体線路におけ
る極端な偏長方形断面の誘電体ストリツプと比
べて、取扱い易くなると共に、マイクロストリ
ツプ線路と比べても遜色がない程度の回路の小
形化ができる。 (4) 半導体素子、フエライト、吸収体等を装荷す
る場合、誘電体ストリツプの全側面、特に、導
体平板の内面と平行な側面を利用できるので、
回路構成上有利である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例としての誘電体線
路の部分斜視図、第２図は本発明の別の実施例と
しての誘電体線路の側面図、第３図、第４図、第
５図、第６図及び第７図は種々な誘電体線路の構
成における各種モードに対する遮断曲線をそれぞ
れ示す図、第８図及び第９図は本発明による絶縁
形非放射性誘電体線路の伝送損の理論値と従来の
単なる非放射性誘電体線路の伝送損の理論値とを
比較して示す図、第１０図は本発明の絶縁形非放
射性誘電体線路の横断面内での電磁界の概略図、
第１１図ＡからＥは、本発明の絶縁形非放射性誘
電体線路の代表的な応用例をそれぞれ示す概略平
面図である。 １，２……導体平板、３，４……誘電体層、５
……誘電媒質、６……誘電体ストリツプ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ２枚の導体平板を平行配置し、該導体平板間
   に存在する誘電媒質中に該誘電媒質よりも大なる
   誘電率の誘電体ストリツプを挿入してなる誘電体
   線路において、前記各導体平板と前記誘電媒質及
   び誘電体ストリツプとの間に誘電体層を介在さ
   せ、前記誘電体層の前記誘電媒質に対する比誘電
   率をε_r1、前記導体平板の間隔をａ、前記誘電媒
   質の厚さをｃ、前記誘電媒質内の電磁波の波長を
   λ₀とするとき、次の不等式 tan（πc／λ₀）＜√_r1cot（√_r1πａ−ｃ／λ₀
   ） を満足するように設定し、電磁波の電界を主とし
   て前記導体平板に平行に偏波させて伝送せしめる
   ことを特徴とする誘電体線路。 ２ 前記誘電体層は、前記各導体平板に接着した
   固体の誘電体膜からなる特許請求の範囲第１項記
   載の誘電体線路。 ３ 前記誘電媒質及び前記誘電体層は、空気から
   なり、前記誘電体ストリツプは、支持部材によつ
   て前記導体平板間の空間中に支持されている特許
   請求の範囲第１項記載の誘電体線路。 ４ 前記導体平板の間隔ａと前記誘電媒質の厚さ
   ｃとの比ｃ／ａが、ほゞ0.4である特許請求の範
   囲第１項又は第２項又は第３項記載の誘電体線
   路。 ５ 前記誘電体ストリツプの横断面形状は、ほゞ
   正方形である特許請求の範囲第１項又は第２項又
   は第３項又は第４項記載の誘電体線路。