JPWO2011102300A1

JPWO2011102300A1 - 導波管・平面線路変換器

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Publication number: JPWO2011102300A1
Application number: JP2012500577A
Authority: JP
Inventors: 明宮田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2010-02-17
Filing date: 2011-02-10
Publication date: 2013-06-17
Anticipated expiration: 2031-02-10
Also published as: US9048522B2; JP5720667B2; WO2011102300A1; US20120319796A1

Abstract

本発明の導波管・平面線路変換器は、開口部を通じて電磁波を伝送する導波管と、複数の導電層を有する多層基板とを備える。前記多層基板は、前記導波管の前記開口部と密着され、前記多層基板の板厚方向に見たときに前記導波管の開口部に重なる位置に設けられた第一結合孔を有する第一の導電層と、前記第一の導電層に電磁的に結合され、前記板厚方向において前記第一の導電層と反対側に配置されるとともに前記多層基板の面方向の一方に延びるストリップ電極と、前記板厚方向において前記第一の導電層と前記ストリップ電極との間に配置され、前記ストリップ電極が延びる方向のうちの少なくともいずれかに向けられた凸部を有する第二結合孔を有する第二の導電層とを備える。

Description

本発明は、導波管と平面線路との間で線路を変換する導波管・平面線路変換器に関する。

従来、導波管と平面線路とを電磁的に結合させて線路を変換するインターフェース部として、導波管・平面線路変換器が用いられている。導波管・平面線路変換器は、たとえば、導波管を伝送されるマイクロ波やミリ波を増幅及び周波数変換する平面線路を有する回路基板に取り付けられて使用される。

導波管・平面線路変換器を備える回路基板の例として、特許文献１には平面線路（ストリップ線路）から導波管へ高周波信号を伝送する回路基板が記載されている。特許文献１に記載の回路基板は、導波管と平面線路との間に、空洞を挟んで対向配置されるとともに互いに電磁的に結合された２つの結合孔を有している。
特許文献１に記載の回路基板によれば、２つの結合孔によって高周波信号を伝送する線路のインピーダンスの不整合を減少させることができるため、高周波信号の通過損失を低減することができる。

日本国特許第４２３６６０７号公報（図４）

しかしながら、特許文献１に開示された回路基板は、中空構造が形成された多層基板が必要となる。さらに導波管が面する部分に結合孔を形成するための電極を別に配置しなくてはならない。このため、安価な樹脂基板のみで平面線路を構成することは困難である。このように、特許文献１に開示された構造では低コストの材料や工法を適用できないという問題がある。

また、特許文献１に開示された回路基板では、多層基板に設けられた側面グランドパターンとグランドビアとはともに埋め込みビアとなっている。
この埋め込みビアに代えて貫通ビアを採用して回路基板をさらに低コストに形成することも考えられる。しかしながら、この場合、導波管と平面線路との間で線路を変換する電磁波の電界の一部が、ストリップ電極と結合孔との間で互いに平行な電極層の間に入り込んでしまう。
互いに平行な電極層は平行平板線路として作用する。このため、この電極層間に入り込んだ電界は、多層基板の電極層間を進行してしまい、導波管と平面線路との間において通過損失となるおそれがある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、その目的の一例は、安価で通過損失が小さい導波管・平面線路変換器を提供することにある。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の導波管・平面線路変換器は、開口部を通じて電磁波を伝送する導波管と、複数の導電層を有する多層基板とを備える。前記多層基板は、前記導波管の前記開口部と密着され、前記多層基板の板厚方向に見たときに前記導波管の開口部に重なる位置に設けられた第一結合孔を有する第一の導電層と、前記第一の導電層に電磁的に結合され、前記板厚方向において前記第一の導電層と反対側に配置されるとともに前記多層基板の面方向の一方に延びるストリップ電極と、前記板厚方向において前記第一の導電層と前記ストリップ電極との間に配置され、前記ストリップ電極が延びる方向のうちの少なくともいずれかに向けられた凸部を有する第二結合孔を有する第二の導電層とを備える。

本発明の導波管・平面線路変換器によれば、第一の導電層を通過した電磁波が第二の導電層に遮られることによる電磁波の通過損失を低減することができる。その結果、安価で通過損失が小さい導波管・平面線路変換器を提供することができる。

本発明の第１実施形態の導波管・平面線路変換器を示す斜視図である。図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。図１に示す導波管・平面線路変換器の下面図である。図２のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。図１に示す導波管・平面線路変換器の平面図である。比較例の導波管・平面線路変換器における電界の分布の瞬時値を示す模式図である。本実施形態の導波管・平面線路変換器における電界の分布の瞬時値を示す模式図である。本発明の第２実施形態の導波管・平面線路変換器の構成を示す図で、図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。図７のＥ−Ｅ線に沿った断面図である。本発明の第３実施形態の導波管・平面線路変換器の構成を示す図で、図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。本発明の各実施形態の導波管・平面線路変換器の変形例の構成を示す図で、図１のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。本発明の各実施形態の導波管・平面線路変換器の変形例の構成を示す図で、図１のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態の導波管・平面線路変換器１０について、図面を参照して説明する。図１は、導波管・平面線路変換器１０を示す斜視図である。また、図２は、図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。図３は、導波管・平面線路変換器１０の下面図である。図４は、図２のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。図５は、導波管・平面線路変換器１０の平面図である。

図１及び図２に示すように、導波管・平面線路変換器１０は、多層基板１と、導波管２とを備えている。多層基板１は、板状であり、導波管２が板厚方向の一方の面に接続されている。
以下では、多層基板１の板厚方向において導波管２が接続された側を下側とし、多層基板１の板厚方向において導波管２が接続された側と反対側を上側として説明する。

図２及び図３に示すように、導波管２は、電磁波Ｗを伝送する。本実施形態では、導波管２はマイクロ波を伝送する筒状の中空導波管である。また、導波管２は、軸方向に直交する断面形状が矩形形状に形成された方形導波管である。

図２に示すように、導波管２の軸方向の一端には、多層基板１に接続される開口を有するフランジ状の開口部２ａが形成されている。導波管２の軸方向の他端には、電磁波Ｗが入射あるいは出射される入出射部２ｂが形成されている。導波管２の材質としては、たとえば銅やアルミニウムなどの金属材料を採用することができる。導波管２の内部形状は、導波管２によって伝送する電磁波Ｗの周波数に応じて、たとえば軸方向に直交する断面における縦寸法と横寸法とが適宜定められている。

多層基板１は、誘電体層７ａ、７ｂが積層された誘電体多層基板である。多層基板１は、下層電極（第一の導電層）６、誘電体層７ａ、内層電極（第二の導電層）５、誘電体層７ｂ、及び上層電極４がこの順に下側から上側へ積層されている。さらに、多層基板１は、下層電極６、内層電極５、及び上層電極４にそれぞれ電気的に接続されたスルーホールビア８を複数有している。本実施形態では、多層基板１は、矩形形状に形成されている（図１参照）。

図２及び図３に示すように、下層電極６は、多層基板１の面方向に延ばして形成された導電層である。本実施形態では、下層電極６は銅によって形成されている。下層電極６には、下層電極６を厚さ方向に貫通する第一結合孔９が形成されている。

第一結合孔９は、導波管２と電磁的に結合された孔であり、導波管２から誘電体層７ａへ電磁波Ｗを伝送するために下層電極６に形成された孔である。第一結合孔９の形状は、第一結合孔９を通過する電磁波Ｗを励振させることができる形状になっている。本実施形態では、第一結合孔９の形状は、多層基板１の厚さ方向に見て輪郭形状が長方形状になっている。

下層電極６は、導波管２の開口部２ａと密着して固定されている。下層電極６に導波管２の開口部２ａが密着される位置は、多層基板１の板厚方向に見たときに導波管２の開口部２ａの内側に第一結合孔９が収まる位置である。

本実施形態では、下層電極６と導波管２とは、図示しないネジによって多層基板１に固定されている。下層電極６と導波管２との取り付けはネジ止めに限られない。たとえば、下層電極６と導波管２とは接着剤によって接着されていてもよい。また、基板（マザーボード）に形成された貫通孔の内面にスルーホールメッキを施すことで導波管２を形成してもよい。この場合には、導波管２が形成されたマザーボードと下層電極６とをハンダによる表面実装で接続してもよい。

図２に示すように、誘電体層７ａは、下層電極６と内層電極５との間に設けられた誘電体の層である。本実施形態では、誘電体層７ａの材質はガラスエポキシなどの有機材料、あるいはセラミックスである。誘電体層７ａの材質はガラスエポキシあるいはセラミックスに限られない。

図２及び図４に示すように、内層電極５は、多層基板１の面方向に延ばして形成された導電層である。内層電極５は、厚さ方向に貫通して形成された第二結合孔１１を有している。
第二結合孔１１は、第一結合孔９と電磁的に結合された孔である。第二結合孔１１の形状については後述する。

図２に示すように、誘電体層７ｂは、内層電極５と上層電極４との間に設けられた誘電体の層である。誘電体層７ｂの材質は、誘電体層７ａと同様にガラスエポキシなどの有機材料、あるいはセラミックスである。誘電体層７ｂの材質はガラスエポキシあるいはセラミックスに限られない。誘電体層７ａと誘電体層７ｂとは異なる材料によって形成されていてもよい。

図５に示すように、上層電極４は、ストリップ電極（平面線路）３と、グランド電極４ａとを有している。ストリップ電極３は、多層基板１の板厚方向に見たときに第一結合孔９の長辺Ｌ２の方向と直交する方向に延びて形成されている。グランド電極４ａは、多層基板１の面方向でストリップ電極３の外周に沿って隙間を開けて設けられている。

ストリップ電極３は、第二結合孔１１（図２参照）と電磁的に結合された電極である。
図５に示すように、ストリップ電極３の形状は、多層基板１の板厚方向に見たときに、ストリップ電極３の長辺Ｌ１と第一結合孔９の長辺Ｌ２とが直交する長方形状である。ストリップ電極３は、多層基板１の板厚方向に見たときに先端３ａと基端３ｂとの間に第一結合孔９及び第二結合孔１１が位置するように配置されている。ストリップ電極３の基端３ｂには、図示しない信号線を接続できるようになっている。ストリップ電極３によって上層電極４には平面線路が形成されている。

図２及び図５に示すように、グランド電極４ａは、スルーホールビア８に電気的に接続されている。グランド電極４ａは、下層電極６の面と平行に形成されている。

図２に示すように、スルーホールビア８は、上層電極４のグランド電極４ａ、内層電極５、及び下層電極６のグランド電位を等しくするために設けられている。スルーホールビア８は、多層基板１の板厚方向に見たときに、ストリップ電極３、第二結合孔１１、及び第一結合孔９に重ならない位置に格子状に配列されている（図３ないし図５参照）。スルーホールビア８の材質は、上層電極４、内層電極５、及び下層電極６と同じで銅である。これは、スルーホールビア８を、多層基板１の製造時における上層電極４、内層電極５、及び下層電極６の形成過程で形成できるようにするためである。

次に、内層電極５に形成された第二結合孔１１の形状について説明する。
図４に示すように、第二結合孔１１は、矩形部１１ａと、凸部１２とを有する。矩形部１１ａは、多層基板１の板厚方向に見たときに、第一結合孔９の長辺Ｌ２（図３参照）方向と平行に延びる形状を有する。凸部１２は、多層基板１の板厚方向に見たときに、ストリップ電極３の長辺Ｌ１（図５参照）方向でストリップ電極３の基端３ｂ側へ突出する形状を有する。本実施形態では、凸部１２の形状は、多層基板１の厚さ方向に見たときに長方形状である。また、第二結合孔１１は、多層基板１の厚さ方向に見たときに略Ｔ字形状である。
第二結合孔１１は、多層基板１の板厚方向に見たときに、第一結合孔９の外周に隙間を開けて輪郭線が位置するように配置されている。

以上に説明した構成の導波管・平面線路変換器１０の作用について、図６Ａ及び図６Ｂを参照して説明する。
図６Ａは、凸部１２を有しない導波管・平面線路変換器（比較例）における電界の分布の瞬時値を示す模式図である。図６Ｂは、導波管・平面線路変換器１０の使用時における電界の分布の瞬時値を示す模式図である。図６Ａ及び図６Ｂにおいて、矢印の大きさは電界強度の大きさを示し、矢印の向きは電界の向きを示している。

本実施形態では、以下の条件で電磁界シミュレーションを行った。電磁波Ｗとして、周波数７７ＧＨｚの電磁波を用いた。導波管２としては、Ｗバンド帯（７５ＧＨｚから１１０ＧＨｚ）の電磁波を伝送する導波管を用いた。多層基板１の基板厚は１３０μｍである。誘電体層７ａ、７ｂの誘電率は３．５に設定した。導波管２の入出射部２ｂに電磁波Ｗを入射させた。
比較例の構成は、内層電極５に凸部１２が形成されておらず、導電層５ａを有し、矩形部１１ｂのみが形成されている点で本実施形態の構成と異なっている。

図６Ｂに示すように、導波管２に電磁波Ｗが入射されると、電磁波Ｗは導波管２の内部を通じて第一結合孔９へ伝搬する。すると、導波管２と電磁的に結合された第一結合孔９によって電磁波Ｗは励振され、第一結合孔９を通じて誘電体層７ａへ伝送される。誘電体層７ａでは、電磁波Ｗはストリップ電極３側へ向かって伝搬し、第二結合孔１１によって励振されて誘電体層７ｂへ伝送される。誘電体層７ｂへ伝送された電磁波Ｗは、誘電体層７ｂからストリップ電極３まで伝搬する。

凸部１２と下層電極６との間（図６Ｂに示す領域Ｘ）には、第一結合孔９を通じて伝送された電磁波Ｗが存在する。この電磁波Ｗは、凸部１２を通じて上層電極４側へと伝送される。

従来、たとえば図６Ａに示すように、下層電極６と上層電極４との間に上述の領域Ｘと上層電極４との間を遮る導電層（図６Ａに示す導電層５ａ）が配置されていた。この場合、ストリップ電極３と第一結合孔９との間において、互いに平行な下層電極６と上層電極４との間に、ストリップ電極３へ伝送する電界の一部が入り込んだ状態となる。下層電極６と上層電極４に挟まれた電界は、平行平板線路のように多層基板１の誘電体層７ａに沿って進行してしまう。このため、導波管２とストリップ電極３との間の線路の変換に用いられることなく通過損失となる。

これに対して、図６Ｂに示すように、本実施形態においては、凸部１２が、ストリップ電極３の長辺Ｌ１（図５参照）方向へ長く内層電極５が切り取られた形状に形成されている。このため、下層電極６からストリップ電極３へ伝送される電磁波Ｗの電界強度は凸部１２が形成されていない場合に比べて大きい。すなわち、導波管２へ入射された電磁波Ｗのうちの、ストリップ電極３へ到達する成分が増加している。このように、導波管２からストリップ電極３へ線路変換するときの電磁波Ｗの通過損失は、凸部１２が形成されていることによって低減されている。

以上説明したように、本実施形態の導波管・平面線路変換器１０によれば、ストリップ電極３の長辺Ｌ１方向で基端３ｂ側へ向かって凸となる凸部１２を有する第二結合孔１１が内層電極５に形成されている。この構成により、導波管・平面線路変換器１０における電磁波の通過損失を低減することができる。したがって、誘電体多層基板を用いて安価に製造でき、電磁波の通過損失が小さい導波管・平面線路変換器を提供することができる。

さらに、本構成によれば、内層電極５の結合孔電極端とスルーホールビアの間隔が埋め込みビアを用いた場合よりも広くなってしまう貫通スルーホールビア８を用いた安価な基板工法を用いても、上層電極４と下層電極６との間に挟まれる電界の成分を減少させることができる。これにより、樹脂基板など安価な材質や工法を用いて低コストな導波管・平面線路変換器を提供することが可能となる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態の導波管・平面線路変換器２０について図７及び図８を参照して説明する。
図７は本実施形態の導波管・平面線路変換器２０を示す図で、図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。図８は、図７のＥ−Ｅ線に沿った断面図である。

図７及び図８に示すように、本実施形態の導波管・平面線路変換器２０は、内層電極５に、第１実施形態で説明した第二結合孔１１に代えて第二結合孔１４が形成されている点が第１実施形態と異なっている。

第二結合孔１４は、ストリップ電極３の長辺Ｌ１方向に沿う方向へそれぞれ向けられた凸部１５、１６を有する孔である。本実施形態では、凸部１５はストリップ電極３の基端３ｂ側へ向けられている。また、凸部１６はストリップ電極３の基端３ｂ側から先端３ａ側へ向かう方向に向けられている。すなわち、第二結合孔１４は、上層電極４（図５参照）におけるストリップ電極３の長辺Ｌ１方向に沿った軸と、下層電極６（図３参照）における第一結合孔９の長辺Ｌ２に沿った軸とが直交する十字形状となっている。
また、第二結合孔１４は、多層基板１を板厚方向に見たときに、ストリップ電極３の先端３ａと基端３ｂとの間に凸部１５、１６が位置するように配置されている。

本実施形態の導波管・平面線路変換器２０でも、第１実施形態の導波管・平面線路変換器１０と同様の効果を奏することができる。さらに、本実施形態では、ストリップ電極３の基端３ｂ側に向けられた凸部１５に加えて、電磁波Ｗの伝搬を阻害する内層電極５がストリップ電極３の先端３ａ側において切り取られた凸部１６を有している。この構成により、電磁波Ｗの通過損失をさらに低減できる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態の導波管・平面線路変換器３０について図９を参照して説明する。図９は、本実施形態の導波管・平面線路変換器３０を示す図で、図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。

図９に示すように、第３実施形態の導波管・平面線路変換器３０は、多層基板１が、内層電極５をさらに２つ備え、内層電極５のそれぞれの間に誘電体層７ｃをさらに備える点で第１実施形態の導波管・平面線路変換器１０と構成が異なっている。
複数の内層電極５のいずれにも、第１実施形態と同様の第二結合孔１１が形成されている。これにより、本実施形態では、第二結合孔１１は３つ設けられている。３つの第二結合孔１１は、多層基板１を板厚方向に見たときに互いに重なる位置に設けられている。

本実施形態の導波管・平面線路変換器３０によれば、多層基板１に複数の内層電極５を備えることができる。その結果、より複雑な回路を持った多層基板１においても第１実施形態と同様に電磁波Ｗの通過損失を低減できる。

（変形例）
以下では、上述の各実施形態の導波管・平面線路変換器１０、２０、３０の変形例について説明する。図１０Ａ及び図１０Ｂは、第１実施形態ないし第３実施形態の導波管・平面線路変換器の変形例の構成を示す図である。図１０Ａ及び図１０Ｂは、図１のＢ−Ｂ線、あるいは図９のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。

図１０Ａに示すように、凸部１２は内層電極５の厚さ方向に見たときの輪郭形状が三角形状を有していてもよい。また、図１０Ｂに示すように、凸部１２の輪郭形状は円弧状を有していてもよい。
その他、凸部１２の形状は、電磁波Ｗによる電界の強さの分布に合わせた形状とすることができる。強い電界が生じる箇所まで延びる形状に凸部１２を形成することで、導波管・平面線路変換器における電磁波Ｗの通過損失を低減することができる。これら凸部１２の形状は、第２実施形態における凸部１５、１６でも同様の構成とすることができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
たとえば、上述の各実施形態では、導波管２は方形導波管である例を説明したが、導波管２は方形導波管に限られない。たとえば、導波管２は円形導波管であってもよい。また、導波管２として、ミリ波を好適に伝送できる導波管を採用することもできる。また、導波管２の内部に誘電体が配置されていてもよい。

また、上述の実施形態では、下層電極６、内層電極５、上層電極４、ストリップ電極３、及びスルーホールビア８はすべて銅で形成されている例を示したが、これに限られない。下層電極６、内層電極５、上層電極４、ストリップ電極３、及びスルーホールビア８は銅以外の材料で形成されていてもよい。また、下層電極６、内層電極５、上層電極４、ストリップ電極３、及びスルーホールビア８の材質がそれぞれ異なっていてもよい。

また、上述の第３実施形態における複数の内層電極５は第１実施形態と同様の第二結合孔１１が形成された例を示したが、これに限られない。第３実施形態における複数の内層電極５に、第２実施形態で説明した第二結合孔１４が複数の内層電極５に形成されていても構わない。

また、上述の第３実施形態で説明した内層電極５は、各電極の形状が厳密に同一である必要はない。
また、上述の第３実施形態では内層電極５が３層である構成を例示しているが、内層電極が２層あるいは４層以上であってもよい。

この出願は、２０１０年２月１７日に出願された日本出願特願２０１０−０３２６５５を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

本発明は、導波管・平面線路変換器に適用することができる。この導波管・平面線路変換器によれば、安価で通過損失が小さい。

１０、２０、３０導波管・平面線路変換器
１多層基板
２導波管
３ストリップ電極
４上層電極
５内層電極（第二の導電層）
６下層電極（第一の導電層）
７ａ、７ｂ、７ｃ誘電体層
８スルーホールビア
９第一結合孔
１１、１４第二結合孔
１２、１５、１６凸部

Claims

開口部を通じて電磁波を伝送する導波管と、複数の導電層を有する多層基板と、を備える導波管・平面線路変換器であって、
前記多層基板は、
前記導波管の前記開口部と密着され、前記多層基板の板厚方向に見たときに前記導波管の開口部に重なる位置に設けられた第一結合孔を有する第一の導電層と、
前記第一の導電層に電磁的に結合され、前記板厚方向において前記第一の導電層と反対側に配置されるとともに前記多層基板の面方向の一方に延びるストリップ電極と、
前記板厚方向において前記第一の導電層と前記ストリップ電極との間に配置され、前記ストリップ電極が延びる方向のうちの少なくともいずれかに向けられた凸部を有する第二結合孔を有する第二の導電層と、
を備える導波管・平面線路変換器。
前記第二結合孔は、前記ストリップ電極が延びる方向で互いに離れる方向へ向けられた２つの凸部を有する請求項１に記載の導波管・平面線路変換器。
前記多層基板は、３層以上の前記導電層を有する請求項１または２に記載の導波管・平面線路変換器。