JPH05251906A - リッジ−トラフ導波管 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 反射または減衰が殆どなくコプラナ導波管へ
の接続を効率良く行う広帯域信号伝送の可能な導波管構
体を提供する。 【構成】 導波管構体には内部細長トラフ１４に直接対
向する内部細長リッジ１２を有する導電性管状導波管部
を具える。前記管状導波管部はその横断面を長方形とす
る。前記細長リッジ１２はその横方向幅を前記細長トラ
フ１４の横方向幅よりも狭くするとともに前記細長トラ
フ内に延在させて水平電界配置を発生させるようにす
る。このリッジによって広帯域信号伝送特性を得るよう
にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はマイクロ波信号伝送用導
波管、特に、断面で見てトラフに直接対向するリッジを
有する導波管構体に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】代表的な中空管状導波管はマイクロ波周
波数の信号を伝送するために用いる。しかし、かかる導
波管はコプラナ導波管に接続するのが容易ではない。ま
た、かかる導波管は充分な帯域幅を有していない。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来、リッジ導波管は
大きな帯域幅の伝送容量を必要とする際に用いられてい
た。また、リッジ導波管は導波管に関連する高インピー
ダンスを代表的にはマイクロストリップのような誘電体
に基づく伝送ライン構体に関連する比較的低いインピー
ダンスに変換するに便利な手段である。このリッジ導波
管によってマイクロストリップ伝送ラインの電磁界配置
を密に複製する準ＴＥＭ電磁界配置を発生する。しか
し、リッジ導波管の準ＴＥＭ電磁界配置はコプラナ導波
管の電磁界配置とは著しく相違する。従って、リッジ導
波管とコプラナ導波管とを電気的に接続することにより
信号反射および関連する挿入損を発生する。

【０００４】従って、リッジ導波管の広帯域伝送の可能
性を保持し、しかも、コプラナ導波管に有効にかつ電気
的に接続するための水平電界配置を提供する導波管構体
が必要となる。本発明の目的は広帯域信号伝送をおこな
い得る導波管構体を提供せんとするにある。本発明の他
の目的は反射または減衰が殆どなくコプラナ導波管への
接続を効率良く行う導波管構体を提供せんとするにあ
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明リッジ−トラフ導
波管は内部細長トラフに直接対向する内部細長リッジを
有する導電性管状導波管部を具えることを特徴とする。
前記管状導波管部はその横断面を長方形とする。前記細
長リッジはその横方向幅を前記細長トラフの横方向幅よ
りも狭くするようにする。前記細長リッジは前記細長ト
ラフ内に延在させるようにする。

【０００６】

【作用】本発明によれば、細長トラフに直接対向する細
長リッジを有する導波管を提供する。細長リッジは、こ
れによってリッジ導波管の広帯域信号伝送特性を呈する
とともに細長トラフ内に延在させて水平電界配置を得る
ようにする。

【０００７】

【実施例】図面につき本発明の実施例を説明する。図１
および図２において、同一部分には同一符号を付して示
す。本発明リッジ−トラフ導波管１０は内部細長リッジ
１２とこれに直接対向するする内部細長トラフ１４とを
具える。３つの異なるリッジ−トラフ導波管構体はその
リッジおよびトラフの相対的な寸法および位置を相違さ
せる。図１に示す第１の導波管構体ではリッジの横方向
の幅ａ2 をトラフの横方向の幅ａ3 よりも広くする。図
２に示す第２の導波管構体では、リッジの横方向の幅ａ
2 をトラフの横方向の幅ａ3よりも狭くし、リッジをト
ラフ内に延在させる、即ち、測定値ｂ2 を測定値ｂ3よ
りも短くする。第３の導波管構体（図示せず）では、リ
ッジをトラフよりも狭くするもトラフ内には延在させな
い。

【０００８】図１および図２に示すリッジ−トラフ導波
管は長方形導波管を基として示す。この際、適宜に機能
し、リッジ−トラフ導波管構体の利点が得られるもので
あれば、本発明は長方形導波管に限定されるものではな
い。更に、図１および図２に示すリッジ−トラフ導波管
構体では、種々のリッジ−トラフ構体の幾何学的な関係
を示すためにその寸法を拡大して示す。

【０００９】導波管の２つの重要なパラメータは、 カッ
トオフ周波数ｆC および特性インピーダンスＺ0 であ
る。 リッジ導波管およびリッジ−トラフ導波管の双方の
単位長さ当たりの電気的特性は図３に示す回路によって
モデル化することができる。各インダクタＬによってリ
ッジ１２からリッジに直接対向する導波管の部分までの
インダクタンスをモデル化する。リッジ−トラフ導波管
では、リッジをトラフ１４に直接対向させるようにす
る。これら２つのインダクタは電流が流れる２つの通路
を示す。キャパシタＣは導波管のリッジとその他の部分
との間のキャパシタンスを示す。

【００１０】カット周波数ｆCリッジまたはリッジ−ト
ラフ導波管の下側のカット周波数ｆC は次式で示すよう
に図示の並列ＲＣ回路の共振周波数である。

【数１】 リッジ導波管のインダクタンスおよびキャパシタンスは
従来既知で刊行物に記載されている。図４に示すモデル
および記号を用いてこれらの値を次式のように示す。

【数２】

【数３】

【００１１】式（３）の右側の第１項は導波管のリッジ
１２およびフロア１５間の静電並列プレートキャパシタ
ンスを示す。ここにＣｄ（Ｘ）はリッジの底部コーナに
存在する不連続キャパシタンスである。ＩＲＥトランザ
クションズ オン マイクロウエーブ セオリ アンド
テクニクス、第５巻、第１号、１９５７年１月、第１
２〜１７頁にツン−シャン チェンが発表した論文「リ
ッジ導波管のパラメータの計算」に記載されているよう
に、この不連続キャパシタンスは、プロシーディングス
オブ ザ ＩＲＥ、第３２巻、１９４４年２月、第９
８〜１１６頁にジェイ アール ウイニーおよびエッチ
ダブリュウ ジャミソンが発表した論文「伝送ライン
の不連続の等価回路」に記載され、彼らが考察したフリ
ンギングキャパシタンスの公式の１つにより近似するこ
とができる。図５に示すステップ付き導波管の幾何学的
形状において、Ｃｄ（Ｘ）は次式で示すようになる。

【数４】 ここにＸは比ａ／ｂに等しい。これがため式（３）に対
する比Ｘは式（３）ではｂ2 ／ｂ1 となる。

【００１２】同様の解析を行ってリッジ−トラフ導波管
に対し使用可能な結果を得ることができる。リッジ−ト
ラフ導波管はリッジ導波管と同様のインダクタンスＬを
有するものと見なすことができる。従って、図１および
２に示すリッジ−トラフ導波管構体のインダクタンスは
式（２）によりモデル化することができる。

【００１３】リッジ導波管と比較するに、リッジ−トラ
フ導波管は一層複雑な幾何学的形状を有する。これがた
めリッジ−トラフ導波管のキャパシタンスを示す式も一
層複雑となる。図１および２に示すリッジ−トラフ導波
管に対する式（１）のキャパシタンスＣは次式で示すこ
とができる。 Ｃ＝Ｃ1 ＋２（Ｃ2 ＋Ｃ3 ＋Ｃ4 ） （５）

【００１４】キャパシタンスＣ1 はリッジおよびトラフ
の中心間の静電キャパシタンスであり、図１のリッジ−
トラフ導波管構体に対し次式に示すようにモデル化する
ことができ、

【数５】 また、図２のリッジ−トラフ導波管構体に対し次式に示
すようにモデル化することができる。

【数６】

【００１５】同様に、キャパシタンスＣ2 は図１に示す
リッジ−トラフ導波管のリッジおよびフロア間の追加の
静電キャパシタンス、または図２に示すリッジ−トラフ
導波管のリッジおよびトラフの側部間の追加の静電キャ
パシタンスを示す。これがため、Ｃ2 は図１および２に
対しそれぞれ次式に示すようにモデル化することができ
る。

【数７】 および

【数８】

【００１６】キャパシタンスＣ3 はリッジの底部コーナ
からのフリンギングキャパシタンスを表わし、次式によ
りモデル化することができる。 Ｃ3 ＝Ｃｄ（Ｘ） （10） ここにＣｄ（Ｘ）は式（４）において与えられる関数で
あり、Ｘはそれぞれ図１および２に対する比（ｂ2 −ｂ
3 ）／ｂ1 および比（ａ3 −ａ2 ）／２ａ3 である。ウ
イニーおよびジャミソンのモデルは、リッジ１２がトラ
フ１４のいずれかの側に接触せず、このモデルの目的に
対しては、リッジの幅ａ2 に対しリッジとトラフとの近
似値によるも何ら誤差を減少しないと云う点で、図２の
構体とは一致しないが、この推定を導入する。

【００１７】キャパシタンスＣ4 はトラフ１４の上部コ
ーナとリッジ１２との間のフリンギングキャパシタンス
を表わす。このキャパシタンスＣ4 も次式によりモデル
化することができる。 Ｃ4 ＝Ｃｄ（Ｘ） （11） ここにＣｄ（Ｘ）は式（４）から与えられ、Ｘはそれぞ
れ図１および２に対する比（ｂ2 −ｂ3 ）／ｂ2 および
比（ａ3 −ａ2 ）／（ａ1 −ａ2 ）である。

【００１８】特性インピーダンスＺ0リッジおよびリッ
ジ−トラフ導波管の特性インピーダンスは上述したチェ
ン等による論文に記載されているように電圧−電流比を
決めることによって導出することができる。この特性イ
ンピーダンスＺ0 は次式により表わすことができる。

【数９】 ここにＩ21およびＩ22は電流の２つの成分である。電流
Ｉ21は導波管の主電界を励起する頂部プレートおよび底
部プレートにおける長手方向電流成分であり、電流Ｉ22
は導波管の高さが変化する際に局部電界を発生する長手
方向電流成分である。

【００１９】無限周波数におけるリッジ導波管の特性イ
ンピーダンス

【外１】 は前記チェン等による論文に示され、次式で表わすこと
ができる。

【数１０】 ここにλC ＝１／( ｆ_c ｃ) はカットオフ周波数に対応
する信号の波長であり、Ｃｄ（Ｘ）は式（４）につき上
述したようにリッジ導波管に対するフリンギングキャパ
シタンスである。

【００２０】同様の解析を用いて、図１に示すようにリ
ッジ−トラフ導波管に対する無限周波数での特性インピ
ーダンス

【外２】 は次式で示すことができる。

【数１１】 ここにθ1 、θ2 およびθ3 はリッジの中央で最大値で
出発し、側壁で零に減少する導波管の電圧の位相角変化
を表わす。角度θ1 は導波管の側壁および中央リッジの
縁部間の水平方向の距離における位相角変化であり、従
って次式で表わすことができる。

【数１２】 角度θ2 は中央リッジの縁部およびトラフの縁部間の水
平方向の距離、即ち、リッジ１２およびフロア１５間の
オーバーラップする距離における位相角変化であり、従
って次式で表わすことができる。

【数１３】 角度θ3 はトラフの縁部およびトラフの中央間の水平方
向の距離における位相角変化であり、従って次式で表わ
すことができる。

【数１４】

【００２１】図２に示す導波管構体に対しかかる解析を
繰返すことにより次式で示す特性インピーダンス

【外３】 を得ることができる。

【数１５】 ここにθ1 、θ2 およびθ3 は導波管の電圧の位相角変
化を表わす。角度θ1 は導波管の側壁および中央リッジ
の縁部間の水平方向の距離内の位相角変化であり、従っ
て上記式（１５）に示す所と同様である。角度θ2 はリ
ッジ１２がトラフ１４の縁部とオーバーラップする垂直
方向内の位相角変化であり、従って次式で表わすことが
できる。

【数１６】 角度θ3 はリッジの縁部およびリッジの中央間の水平方
向の距離内の位相角変化であり、従って次式で表わすこ
とができる。

【数１７】

【００２２】無限周波数における前記特性インピーダン
ス

【外４】 を一旦決めると、任意に選択された信号周波数ｆにおけ
る特性インピーダンスZ₀は次式を用いて計算することが
できる。

【数１８】

【００２３】上述した特性インピーダンスの式を用いる
ことにより、リッジ−トラフ導波管の種々の寸法を計算
することができる。図６に示すように、ライン１６、１
８および２０は特性インピーダンスが一定となるリッジ
１２の底部コーナの軌跡を示す。これがため、リッジ１
２ａおよび１２ｂは同一の特性インピーダンスを発生す
る。その理由は底部コーナがライン１８上にあるからで
ある。

【００２４】上述した式を用いることにより、リッジ１
２がトラフよりも広いかまたはトラフ内に延在するた
め、リッジがトラフよりも狭いかまたはトラフ内に延在
しないこれらの箇所に対し図６の軌跡を推定する。これ
ら他のリッジ−トラフ導波管構体に対しては有限素子の
ようにリッジ−トラフ導波管の特性インピーダンスを決
める他の手段を有利に用いることができること明らかで
ある。

【００２５】本発明リッジ−トラフ導波管を有するコプ
ラナマイクロストリップ伝送ライン遷移部３０に対する
長方形導波管の１例を図７に示す。このコプラナマイク
ロストリップ伝送ライン遷移部３０によって長方形導波
管３２をマルチ導体コプラナプローブ３４に結合する。
コプラナマイクロストリップ伝送ライン遷移部３０によ
って導体３２のＴＥモード信号を準ＴＥＭモード信号に
変換する。準ＴＥＭモード信号のこの電界配置はＴＥＭ
信号の電界配置に密に一致し、前記コプラナマイクロス
トリップ伝送ライン遷移部３０を前記コプラナプローブ
に効率よく接続する。このコプラナプローブはウエファ
４２への電気的な接触を行うように配列された接地信号
導体を有する。

【００２６】図８は前記プローブ３４の底面図であり、
接地信号導体の配列を一層明瞭に示す。２つの外側接地
導体３６および内側信号導体３８をピッチ４０で離間し
て示す。これら導体３６および３８は絶縁基板上の金属
−メッキ通路とする。このピッチ４０はウエファ４２
（図７）上の信号導体（図示せず）のピッチと一致す
る。

【００２７】図７の遷移部３０を図９に分解して示す。
図９には長方形導波管部分Ａからリッジ導波管部分Ｂへ
の遷移部の移行状態を示す。トラフ１４を導波管の低壁
部Ｃまたは“フロア”１５内に導入し遷移部の終端部ま
で継続し、従ってリッジ−トラフ構体となる。コプラナ
伝送ラインプローブ３４に隣接してリッジ１２をトラフ
内に延在させＥ電界を主として水平方向に配置させ、後
述するようにコプラナプローブの電界と整合させるよう
にする。コプラナプローブは凹所３５内に嵌合しリッジ
−トラフ導波管と電気的に接触させるようにする。内部
信号導体３８はリッジ１２に接続し、２つの外部接地導
体３６は導波管のフロア１５に接続する。また、ＲＦチ
ョークとして作動する２つの長方形導波管を図９に示
す。

【００２８】図１０は遷移部３０のリッジ１２およびト
ラフ１４の導入状態を示す断面図である。リッジはチェ
ビシェフ関数に近似するステップ状に導入して信号反射
を最小にし、しかも、導波管の特性インピーダンスを変
換する。或はまた、コサイン平方テーパのような他の遷
移部を用いることもできる。好適にはこれらステップは
１／４波長に近似させ、如何なる信号反射も破壊的に干
渉せしめないようにする。

【００２９】トラフ１４は導波管部Ｃのフロア５０に導
入して、リッジ−トラフ導波管構体を形成し得るように
する。図１５−１７に示すように、リッジ１２は、これ
がトラフ内に延在するようになるまでトラフ１４に徐々
に近づけるようにする。電界は図１５に示す一次垂直電
界配置から図１７に示す一次水平電界配置に変換する。
リッジは水平電界配置の利点を得るためにトラフ内に延
在させる必要はない。即ち、リッジが導波管のフロアに
近づく際に一次水平電界配置は発生する。

【００３０】図１０に断面に直角な遷移部の断面は電界
配置の変化を示す。図１１は遷移部の長方形導波管断面
の箇所を示す。垂直ラインは伝送モードＴＥ01に関連す
る電界の強度を表わす。図１２−１４はリッジ１２の徐
々に増大する延長部およびリッジ１２およびトラフ１４
間の電界の関連する濃度を示す。

【００３１】上記ステップは遷移部３０の適宜の機能に
必要ではないこと明らかである。即ち、図６に示すよう
にコーナ箇所の軌跡に沿う平滑なプログレスは製造を一
層困難にする機能である。また、図示の遷移部ではトラ
フ１４はその幅ａ3 が一定であるが、リッジ１２はその
幅ａ2 が変化する。カットオフ周波数ｆC および特性イ
ンピーダンスＺ0 の所要の規準を満足するものであれ
ば、遷移部の任意または全部を変化させることができ
る。

【００３２】本発明は上述した例にのみ限定されるもの
ではなく、要旨を変更しない範囲内で種々の変形または
変更が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】種々の位置間のキャパシタンスを表わす実際の
キャパシタを有する本発明リッジ−トラフ導波管の１例
の構成を示す横断面図である。

【図２】種々の位置間のキャパシタンスを表わす実際の
キャパシタを有する本発明リッジ−トラフ導波管の他の
例の構成を示す横断面図である。

【図３】リッジおよびリッジ−トラフ導波管の特性をモ
デル化するために使用する回路を示す回路図である。

【図４】種々の位置間のキャパシタンスを表わす実際の
キャパシタを有するリッジ導波管の１例の構成を示す横
断面図である。

【図５】ステップ付き導波管部分を示す断面図である。

【図６】特性インピーダンスを一定とするリッジコーナ
部の軌跡を示すリッジ−トラフ導波管の縦断面図であ
る。

【図７】コプラナプローブを長方形導波管に結合するコ
プラナマイクロストリップ遷移部の構成を示す側面図で
ある。

【図８】コプラナプローブの図７の８−８線上の部分平
面図である。

【図９】図７の遷移部の分解斜視図である。

【図１０】前記遷移部の図８の１０−１０線上の縦断面
図である。

【図１１】長方形導波管構体及びその関連するＴＥ10電
界配置を示す図１０の１１−１１線上の横断面図電界で
ある。

【図１２】リッジ導波管構体およびその電界配置を示す
遷移部の図１０の１２−１２線上の横断面図である。

【図１３】リッジ導波管構体およびその電界配置を示す
遷移部の図１０の１３−１３線上の横断面図である。

【図１４】リッジ導波管構体およびその電界配置を示す
遷移部の図１０の１４−１４線上の横断面図である。

【図１５】リッジ−トラフ導波管構体およびその電界配
置を示す遷移部の図１０の１５−１５線上の拡大横断面
図である。

【図１６】リッジ−トラフ導波管構体およびその電界配
置を示す遷移部の図１０の１６−１６線上の拡大横断面
図である。

【図１７】リッジ−トラフ導波管構体およびその電界配
置を示す遷移部の図１０の１７−１７線上の拡大横断面
図である。

【符号の説明】

10 リッジ−トラフ導波管 12 内部細長リッジ 14 内部細長トラフ 15 フロア 16〜20 ライン 30 コプラナマイクロストリップ伝送ライン遷移部 32 長方形導波管 34 マルチ導体コプラナプローブ 35 凹所 36 外部接地導体 37 条溝 38 内部信号導体 40 ピッチ 42 ウエファ 50 フロア

フロントページの続き (72)発明者 キース イー ジョーンズ アメリカ合衆国 オレゴン州 97007 ア ロハサウスウエスト ワンハンドレッドシ ィックスティセブンス プレース 7255

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内部細長トラフに直接対向する内部細長
   リッジを有する導電性管状導波管部を具えることを特徴
   とするリッジ−トラフ導波管。
2. 【請求項２】 前記管状導波管部はその横断面を長方形
   としたことを特徴とする請求項１に記載のリッジ−トラ
   フ導波管。
3. 【請求項３】 前記細長リッジはその横方向幅を前記細
   長トラフの横方向幅よりも狭くするようにしたことを特
   徴とする請求項１に記載のリッジ−トラフ導波管。
4. 【請求項４】 前記細長リッジは前記細長トラフ内に延
   在させるようにしたことを特徴とする請求項３に記載の
   リッジ−トラフ導波管。