JPH0329401A - マイクロ波回路及び構成要素を作製するための構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はマイクロ波回路及び構成要素を作製するための
構造に係わる。

発明の目的 遠距離通信、医療応用物、レーダのような多様な分野に
おける電磁波ＩＩＩ用のますます増大する進展によって
、一方では電磁波の伝搬を制御するために、他方では電
磁彼の放射を制御するためにその実用技術が多様化され
ている。これらの両方の場合に、適用される手段は周波
数帯、出力必要条件、許容損失、相互接続の曳雄性、及
び広義の「任務」のような、それに必要とされる一般的
な無線工学的特性によってばかりではなく、更に質量、
回路体積、又はその使用技術が作動可能でなければなら
ない許容温度範囲のようなパラメタを含む、特に無線工
学だけに関連するばかりではない他の一群の判定基準に
よっても規定される。これらの付加的な判定基準も、前
記「広義の任務」によって規定される。選択される特定
の技術は、無線工学的判定基準と機械的な、構造的な、
及び熱的な判定基準との両方を満たさなければならない
。

例えば人工衛星、航空機、又は潜水艦のどれに設置され
るかに従ってマイクロ波装置の環境条件及び設置条件が
異なるということと、その装置を作るために必要な技術
が規定され且つ遺沢される仕方に、このことが影響を与
えるということとが容易に理解されるだろう。

電磁波を伝達する手段の中で最・も良く知られたものが
中空管であることは間違いない。この中空管は長方形断
面又は円形断面の単純な形状であってもよく、又は例え
ば横断而が六角形であるようなより？Ｕ　ｔｉｌｔな形
状であってもよい。使用可能な周波数範囲は非常に広範
囲であり、数ギガヘルツから数百ギガヘルツに亘る。即
ちセンチメートル波からサブミリメートル波に至る範囲
である。数メガヘルツを下回る場合には、導波管はその
大きさ及びＴ！Ｉｆｆｉの故に使用が困難である。その
場合には他のタイプの伝搬が使用される。

上記の伝搬は非網罹的に次のものを含む。

同軸伝送路及びその誘導物、 ３枚仮組伝送路、並びに、 マイクロストリップ伝送路及びその誘導物。

これらの様々な手段は、直流から数十ギガヘルンの信号
の伝搬のために幅広く使用されている。

簡単にごえば、無線工学的特性（インピーダンス、伝搬
定数等）は、支持物材料又は誘電スペーサによる、２つ
の導体の相関的な位置決めの結果として生しると言える
だろう。実際には一般的に使用される材料は、１〜１０
の範囲にある誘電率を有し、またこの誘電率はある種の
応用物では４Ｇにまで達することがあり得る。

放射に関する限り、その製造の単純性及びその軽量性と
成形可能性の両方において注目すべき放射要素が、最近
のｌＯ年間の間に出現している。これらの要素は、誘電
支持物上にエッチングされた共振要素の使用を基本とす
るプリントされたアンテナ（「パッチ」）であり、その
アセンブリは接地平面上に差し込まれている。ここでも
再びこれらの着想は、体積、コンパクト性及び質量にお
いて非常に競争力の強い解決策を提案することを可能に
する。

これらの２つの関心の中心（回路の作製及び放射要素の
作製）は、ますます拡大する応用分野を持つ絶えず広範
囲に広がる誘電材料を製造業者たちが提供するよう促進
してきた。

宇宙環境における使用に対する制約は公知のものであり
、一般に次のものが挙げられる。　装置質量、 温度範囲及び熱ストレス、 振動レベル、並びに、 真空中の物理的安定性（気体放出が無い）。

本発明の目的は、可変的な誘電率を持つ基体を提供する
ことである。

発明の要約 この目的のために本発明はマイクロ波回路及び構成要素
を作製するための構造を提供し、この構造では、その機
械的及び電気的機能は全体としては一体化されるが、局
所的には分離されている。

その機械的構造は誘４体の容積部がその中に配置される
囲いを形或する。誘電材料の層が、前記機械的構造及び
誘電体容積部とから成るアセ〉ブリの両０１リに配置さ
れ、その一方の側の層が誘電体容積部の上に配置された
伝導副素を支持し、他方の側のｊＩ′？ｉが金属接地平
面を支持し、更に接着剤層が両側の誘電体層の各々と機
械的構造との間に配置される。

従来の解決策に比較した場合に、本発明の利点は、その
多目的性及び重ｆｆｉの著しい軽減にある。

任αの誘電率を実現することが容易であることと及びそ
の′σ潰力く怪澁である，二と（こよって、この解決策
は宇宙での使用に非常に好適なものとなる。

以下では本発明の実施例が、添付の図面を参照してその
一例として説明されることとなる。

実　　施　　例 第↑図に示される構造（回路構造及び伝搬構造の両方）
を作製するためには、その主要な設計上の問題は、場合
に応じて、１つの接地平面ｌ１から又は２つの接地平面
から伝導要素１０を正確な距離に保持するということで
ある。

伝導要素１０によってこのように範囲を限定される媒質
１２と、接地平面１１（又は各接地平面＋１）と、電磁
場と前記媒質含有物質との間の相互作用現象に対するそ
の影響の関数として設計の際に選択される固有距離ｄと
は、その設計者によって選択される通りの電気的特性ε
ｒ（誘電率）及びｔａｎ　δ（損失率）を喪たなけばな
らない。

又、その装置全体としての性能は、その用途に適合し得
るものでなければならない。例えば宇宙での応用におい
ては、その主要な性能の必要条件は、 軽量性と、 高い剛性と、 温度（典型的には　１３０℃）に対する耐久性と、低い
気体放出性と、 寸法安定性（低い熱膨張係数、湿分脱着による低い膨張
係数、高い熱伝導率）とである。

無線工学の視点からの幾つかの解決策が一般的に使用さ
れる。

従って伝搬回路に対しては、第２図に示される仕方で大
きな剛性が接地平面ｌ７に与えられ、従って、前記接地
平面の間に導体１５及び誘電材料１６を保持することが
可能である。その場合２つの誘電材料層ｌ６の間に中心
導体１５が配置され、接地平面を形成する２つの構造ｌ
７がそのアセンブリの両側に配置されている。これらの
構造の各々は、例えば、外側炭素皮膜ｌ８と、アルミニ
ウム／％ニカム１９と、及び金属披覆２ｌを有する内側
炭素皮膜２０とから或る「サンドイッチ」構造によって
形成される。

誘電材料［６は、例えばノ＼ニカム、有機発泡材料、又
は誘電体スペーサから作られてよい。

誘電材料ｌ６は無線工学的性能に基づいて選択され、そ
れによって広範囲の選択を可能にする。従って、高性能
な解決策が無線工学の観点からはｌｉられることが可能
である。しかしその代償に、機械的要素（接地平面の高
剛性化、並びに中心導体及び誘電媒質の保持）の組合わ
せは、貧弱な機械的性能をもたらす。従ってこのタイプ
の解決策は、（典型的には０５一未満の面積を持つ）小
型の装置及び／又はその接地平面が付加的な機械的機能
を与えるように（例えば、螺旋状タイプの又はホーンタ
イプの放射要素を保持するように）使用される場合の装
置に特に適している。

（例えば大型のアンテナのために）高度の機械−的性能
が要求される時には、根本的に異なった解決策が一般的
に使用される。これらの解決策は、機械的機能と電気的
機能とを全体的に一体化することにある。第３図に示さ
れるように、特に接着によってアセンブリの機械的剛性
を得る際に、誘電材料２２を関与させることによってこ
の一体化が実現される。従って中心金属導体２５が２つ
の誘電層２２の間に配置され、２つの金属平面２３が接
地平面を形成し、接着剤層２４がその接触平面の間に配
置されている。従って、前記「サンドイツチ」の中立軸
から可能な限り離して（接地平面の頂部及び底部表面）
、高い比剛性を持つ材料（例えば複合材料）を使用する
ことと、接地平面の頂部及び底部表面の間に、良好な剪
断特性及び低密度の材料（例えばハニカム構造）を接着
することとが有利である。単位面積当たりの質量が著し
く低いことが望ましい大型の装置（アンテナ、スプレッ
ダ、典型的には　５ｋｇ／ｒｎ”）を作製する場合にこ
の技術は良く適合する。誘電材料が、無線工学的必要条
件と機械的必要条件と環境的必要条件とを満たさなけれ
ばならないが故に、誘電材料を選択する際に考慮に入れ
なければならない制約は非常に厳格である。普通は適切
な妥協が得られるが、電気的性能は常に満足できるとは
限らず（接着剤フィルムの存在に起因する過大な損失率
）、及び（例えば、２より大きな誘電率及び１帥より大
きな厚さとを有する誘電体を使用することが望ましい場
合には）機械的性能が大きく悪化する可能性がある。

本発明は、電気的機能と及び機械的機能とが全体的には
一体化されているか、しかし局所的には前記機能が分離
されている構造を提供する。

第４図及び第５図に示されるように、本発明の構造は、
誘電体容積部２７がその中に配置される囲い３３を形戊
する機械的構造２６から成る。誘電材料の層２８（２９
）が、このように形戊されるアセンブリの両側に配置さ
れる。その一方の層２８は、誘電体容積部２７の上に配
置される伝導要素３０を支持し、一方、他方の層２９は
金属接地平而３ｌを支持する。

接着剤の層３２が２つの誘電体層の各々と機械的構造２
６との間に配置される。

従って本発明の構造では、アセンブリの機械的剛性を与
える上では全く関与しない、主として電気的特性（εｒ
，ｔａｎ　δ）に関して選択される誘電体によって伝導
要素の付近の媒質が形成されている。この区域以外の場
所では、機械的構造は、上記誘電体を収容するように且
つその装置の全体的な機械的性能を保証するように働く
。この構造を形成する材料を遺択する判定基準は主に機
械的な基準であり（Ｅ＝ヤング率、及びＯ＝密度である
場合に、Ｅ／ｏｌ、またその機械的構造は非常に効率的
である。

本発明の利点は次の通りである。

高度の及び調整可能な無線工学的性能 （εｒ）．軽量であり且つその使用環境に耐久し得るも
のであれば、どんな誘電体も使用可能であり、更に接着
剤フィルムは使用されていない。

並びに、 高度な機械的性能　無線工学的視点から受け入れること
が可能ならば、伝導材料（例えばグラハイト強化複合材
料）さえも含むことが可能な機械的に最適の材料で、そ
の構造が作られる。

第ｌの実施例では、例えば厚さｈが３閣であり且つ次の
性能特性を有する誘電体の上にプリントされたアンテナ
が与えられることが望ましい。

εｒ＝２５ ｔａｎδ一可能な限り低い；及び Ｅ／ｏ　（比剛性）＝可能な限り高い。

従来技術を使用し、機械的及び電気的機能が完全に一体
化される時に、入手可能な最適材料は、ガラス強化ポリ
テトラフルオ口エチレン（ＰＴＦＥ）７１・リックスで
ある。エボキン又はポリイミドのマトリックスは更に良
好な機械的特性をもたらすことが可能であるが、それら
のεｒ及びｔｘｎδの値はあまり良好ではない。

次の表がこれを表している。

ガラス／ＰＴＦＥ　　　　　　　２．　５　　　　　　
　９　　　　　　　　　６石英／ポリイミド　　　３．
６　　　　　　４０　　　　　　　１００κｅ　ｖ　ｌ
　ａ　ｒ　／ｘボキシ　　　３．９　　　　　１３０　
　　　　　　１９３これは次の性能を与える。

高周波（ＲＦ）性能 ｌａロ　δ　＝　９．１０−’ 機械的性能 Ｙ　＝　６．　９９ｋｇ　／　ｒｎ’　（単位面積当た
りの総質量：コネクタ無し、熱制御無 し。） ｆ−”１３Ｈ＋（その縁部が簡単に支持された、辺が０
．５ｍの正方形平面の場合の 第↓共振周波数） 本発明・の装置の場合には、誘電体はその無線工学的特
性に関してだけ選択される。例えばアルミナフェルトを
使用して、（密度の関数としてεｒ及びＩｘｎ　δが線
型に変化すると仮定すれば）０７５０　ｋｇ／ｒｒ？、
εｒ＝２．５、及びｔａｎδ＝　２．　１０−４を得る
ことが可能である。

この構造を形成する材料が主にその機械的特性に関して
選択される。

この実施例で得られる性能は、 高周波性能 ａｎ　　δ＝２．ＩＯ’ 機械的性能（厚さ２Ｌｌ１ｌｎのＫｅｖｌａ＋／エポキ
シ構造を使用） ｆ＝１９．８Ｈ＋ ｙ　＝　２．　８３ｋｇ／　ｒｎ２ 本発明の装置を使用することによって、その改善はＲＦ
損失については係数４であり、質量については係数約２
５である。

第２の実施例では、１に可能な限り近い誘電率を持つ誘
電体の上にプリントアンテナが作られ、パッチ板と接地
平面との間の距離は６　ｍｍであり、及びその望ましい
性能は、εｒ″：１である第１の実施例と同一である。

従来技術の装置を使用して、機械的機能と電気的機能と
が一体化される時に、その最適な配置は、接着剤フィル
ム又は複合材料層を介して、放射要素を支持する基体と
接地平面との間に発虐した有機材料（発泡材料、ハニカ
ム）を接着することによって得られる。

次の性能が１４られる。

高周波（Ｒ　Ｆ）性能 εｒ　：ｌ．　０４ ｔａｎ　　６二６１０４ 機械的性能 ｙ　：　　０．　９２８ｋｇ／′ｒｎ’ｆ　　’：：　
　Ｉ０７Ｈ　ｒ これと対照的に、本発明の装置を使用して、放射要素の
下の容積が空隙のままである時に次の性能が得られる。

高周波（ＲＦ）性能 εｒ＝１ ｉａ口　δ　＝　０ 機械的性能（炭素繊維構造を使用） Ｙ：　ｌ．１２６ｋｇ／ｒｎ’ ｆ”　　Ｉ０７Ｈ！　　（共振周波数に変化なし）約２
０％の質量増加を代償として、実際的に損失ゼロの放射
要素が得られる。

本発明の放射要素の構成要素は次のような数多くの材料
を使用して作られてよい。

磯械的構造２６は、例えば次のようなものに基づく複合
材料で作られてよい。

κｅｖｌａ＋ 炭　　素 ガラス：又は、 その他の何れかの補強材。

使用される誘電材料は次のものであってよい。

セラミック（εｒ〉↓）：（発泡したセラミック、セラ
ミック繊維、又はセラ ミックフエルト）、又は、 有機又は複合材料（εｒ〉１） 前記容積部は次のちので充填されてよい。

気　　体　： 空　気．又・は、 真　　空。

当然のことながら、本発明は好ましい実施例としてのみ
説明されてきたのであり、その構成要素部品は、本発明
の範囲を逸脱しない限りにおいて同等の部品で置き換え
られることが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は従来技術の実施例を示す図、第４図及
び第５図はマイクロ波回路及び構成要宋に関する本発明
の構造の断面図と外部の一部を切り取った平面図とであ
る。 ２６・・・・・機械的構造、　　２７．２８・・・・・
誘電体容積部、３０・・・・・・伝導要素、　３１・・
・・・金属接地下面、３２・・・接着剤層、　３３・・
・・・囲い。 ＦＩＧ．１ Ｆ］Ｇ．３ ＦＩＧ，４

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. （１）マイクロ波回路及び構成要素を作製するための構
   造であって、その機械的機能及び電気的機能が全体とし
   ては一体化されるが局所的には分離されており、前記機
   械的機能は囲いを形成する機械的構造によって与えられ
   、誘電体容積部が前記囲いの中に配置され、更に伝導要
   素及び金属接地平面が、前記機械的構造及び誘電体容積
   部とから形成されるアセンブリの両側で且つ前記アセン
   ブリの外側に配置されているマイクロ波回路及び構成要
   素を作製するための構造。
2. （２）誘電材料の第１の層が、前記誘電体容積部の頂部
   上に配置されている前記伝導要素を支持する請求項１に
   記載のマイクロ波回路及び構成要素を作製するための構
   造。
3. （３）誘電材料の第２の層が前記金属接地平面を支持す
   る請求項１に記載のマイクロ波回路及び構成要素を作製
   するための構造。
4. （４）接着剤層が、前記２つの誘電材料層の各々と前記
   機械的構造との間に配置されている請求項３に記載のマ
   イクロ波回路及び構成要素を作製するための構造。
5. （５）前記機械的機能が、前記伝導要素の下で物体容積
   部の外側に位置する前記機械的構造によって与えられる
   請求項１に記載のマイクロ波回路及び構成要素を作製す
   るための構造。
6. （６）前記伝導要素の下で得られる容積部が電気的観点
   から必要とされる特性を有する請求項５に記載のマイク
   ロ波回路及び構成要素を作製するための構造。
7. （７）前記機械的構造が複合材料で作られる請求項１に
   記載のマイクロ波回路及び構成要素を作製するための構
   造。
8. （８）使用される前記複合材料がＫｅｖｌａｒ繊維を基
   礎とする請求項７に記載のマイクロ波回路及び構成要素
   を作製するための構造。
9. （９）使用される前記複合材料が炭素を基礎とする請求
   項７に記載のマイクロ波回路及び構成要素を作製するた
   めの構造。
10. （１０）使用される前記複合材料がガラスを基礎とする
    請求項７に記載のマイクロ波回路及び構成要素を作製す
    るための構造。
11. （１１）望ましい誘電率を得るために、前記囲いが気体
    で満たされている請求項１に記載のマイクロ波回路及び
    構成要素を作製するための構造。
12. （１２）前記気体が低圧力である請求項１１に記載のマ
    イクロ波回路及び構成要素を作製するための構造。
13. （１３）使用される前記誘電体がセラミックを含む請求
    項１に記載のマイクロ波回路及び構成要素を作製するた
    めの構造。
14. （１４）前記セラミックが発泡されている請求項１３に
    記載のマイクロ波回路及び構成要素を作製するための構
    造。
15. （１５）使用される前記誘電体が有機材料又は複合材料
    である請求項１に記載のマイクロ波回路及び構成要素を
    作製するための構造。