JP2004015404A - ストリップ線路とポスト壁導波管との接続変換構造 - Google Patents

Abstract

【課題】３層以上の導体層を有する印刷配線基板等、誘電体ベースの基板に構成したストリップ線路と、貫通導体列を用いたポスト壁導波管とを、広帯域または所望の通過帯域幅で整合させて接続変換する。
【解決手段】両端をグランド導体層１ａまたは１ｂに接続され、使用周波数で共振する、ストリップ線路７を第１の共振器とし、ポスト壁導波管の一端を貫通導体列３ｃで短絡し、他端を貫通導体３で狭め、使用周波数で共振するようにした導波管形の共振器を第２の共振器とし、第１の共振器を第２の共振器内に配置して二つの共振器を結合させ、２セクションのバンドパスフィルタを構成し、広帯域または所望の通過帯域幅を得る。
【選択図】　　　　　　　図７

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、印刷配線基板等に形成したポスト壁導波管と、ストリップ線路とを広帯域または所望の通過帯域幅で整合させて接続変換するストリップ線路とポスト壁導波管との接続変換構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ミリ波・準ミリ波帯域の高周波回路では、マイクロストリップ線路よりも損失を低減させたり、有害な回路間の結合を避けるため、ストリップ線路が使われる他、更に損失の少ない線路としてポスト壁導波管が使われる。また、これらストリップ線路とポスト壁導波管を一つの回路基板内で使用することも考えられる。なお、ストリップ線路は、別名トリプレート線路と呼ばれることもある。
【０００３】
図３および図４はポスト壁導波管とストリップ線路とを一般的な技術で接続した場合の一例を示す図で、図３は側面断面図、図４は平面透視図である。
【０００４】
ストリップ線路とポスト壁導波管を一つの基板内で混在させるのは、半導体や抵抗、コンデンサ等の集中定数部品を接続するのにマイクロストリップ線路が都合が良く、マイクロストリップ線路からストリップ線路への変換は簡単なことから、線路の長さが短いなど、損失があまり問題にならない場合にストリップ線路が使われる。
【０００５】
一方、例えば無線機において、アンテナ端子に接続される入出力バンドパスフィルタや送受信切替え等に使われるサーキュレータ等は低損失であることが求められる。ところが、空洞共振器や誘電体共振器あるいは空洞導波管等、特別なものを使わずに低コスト化しようとするとき、ストリップ線路と同一基板内で実現でき、ストリップ線路より低損失なポスト壁導波管による導波管形バンドパスフィルタやサーキュレータを使うことが有利である。
【０００６】
ここで、ポスト壁導波管とストリップ線路を混在させることのできる最小の基板条件は、図３および図４に示すように、グランド導体層１ａ，１ｂをポスト壁導波管のＨ面導体として使用するとともに、これらをストリップ線路の上下グランド導体としても使用することのできる導体３層を有する誘電体基板である。
【０００７】
この場合、ポスト壁導波管の厚み、すなわち導波管のＥ面寸法は、不要モードが発生しないように、電気長で１／２波長未満とし、できるだけ厚くすることが誘電体損失を減らす意味で有効である。しかし、一般的に低損失の誘電体材料は高価であるため、損失の許す範囲で薄くしたく、例えば２６ＧＨｚ帯で比誘電率２．２のＰＴＦＥベースの基板を使用する場合でも１ｍｍ程度にしたいという事情がある。
【０００８】
これに対し、ストリップ線路としては、主にこれに接続されるマイクロストリップ線路の都合から、図３に示す誘電体板２ａの厚みをできるだけ薄くしたいという要望がある。
【０００９】
なお、上述する都合とは、マイクロストリップ線路の輻射損失や有害な結合を減らし、伝送モードを安定にすることや、図５に示すようにベース導体８上に乗せた薄い半導体チップ９を信号導体４に接続するとき、一般に１００μｍ以下の半導体チップ９の厚みに対して誘電体板２ａの厚みを近づけ、接続のための例えばボンディングワイヤ１０をできるだけ短くした場合等である。
【００１０】
これらの事情を踏まえ、例えばプローブ結合を使った空洞導波管と同軸線路の接続変換例（図示せず）から類推すると、図３の側面透視図および図４の平面透視図に示すように、ポスト壁導波管の一部を貫通導体列３ｃと貫通導体３を使って、導波管としてのＨ面を所定の間隔Ｓ１に狭めてなる導波管形の共振器を形成し、この共振器の中にＥ面と平行に貫通導体によるプローブ５を設け、このプローブ５を信号ライン導体４に接続する構造が考えられる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前述したようにポスト壁導波管は、厚みを可能な範囲で薄くしたいとともに、前述した比誘電率２．２の基板でも１ｍｍ程度の厚みに抑えたい。しかしながら、この厚みは電気長で約１／８波長であり、Ｅ面に平行に立てたプローブ５の長さは当然１／８波長以下となってしまう。
【００１２】
従って、ポスト壁導波管とプローブ５によるストリップ線路との結合が弱いため、貫通導体３による間隔Ｓ１を狭めて導波管共振器としてのＱを高め、共振周波数のポイントで整合させるしかない。このように、導波管共振器のＱを高めて整合させるため、例えば図８の曲線（Ａ）に示す狭い単峰の通過特性となり、帯域幅を広くすることができない。
【００１３】
なお、図３でプローブ５はグランド導体層１ｂに接続したが、これを例えばプローブ５の位置でグランド導体層１ｂの一部を削除して、開放形のプローブにしても、ポスト壁導波管との結合が弱いことには変わりない。
【００１４】
このため、ポスト壁導波管とストリップ線路とを広帯域に接続する構造が求められていた。
【００１５】
そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、印刷配線基板等、誘電体板の両面および内層に導体層を設けた誘電体基板に対し、ポスト壁導波管とストリップ線路とを構成し、これらを広帯域に整合させて接続するストリップ線路とポスト壁導波管との接続変換構造を提供することを目的としている。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、誘電体板２の両面にグランド導体層１ａ，１ｂを設け、前記両面のグランド導体層間を接続する柱状の貫通導体３を複数並べた貫通導体列３ａ，３ｂを２列配置し、前記両面のグランド導体層１ａ，１ｂを導波管のＨ面とし、前記貫通導体列３ａ，３ｂを導波管のＥ面とするポスト壁導波管と、
信号ライン導体４を二枚の誘電体板２ａ，２ｂで挟み、更に前記誘電体板の外側を二つのグランド導体層１ａ，１ｂで挟んだストリップ線路とを接続変換するストリップ線路とポスト壁導波管との接続変換構造において、
前記ポスト壁導波管内に設けられる共振器用ストリップ線路７の両端を、貫通導体６ａ，６ｂで前記二つのグランド導体層１ａ，１ｂのいずれか一方に接続してストリップ線路形の第一の共振器とし、この第一の共振器にストリップ線路の信号ライン導体４を接続し、
前記第一の共振器を含む前記ポスト壁導波管の一方の開口を貫通導体列３ｃで塞ぎ、この貫通導体列３ｃから所定の距離Ｌ１離れた位置でグランド導体層１ａ，１ｂ間を接続する貫通導体３によって前記ポスト壁導波管のＨ面を所定の寸法Ｓ１に狭めた導波管形の第二の共振器とすることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１はポスト壁導波管の構成を示している。例えば印刷配線基板にように、図１に示す誘電体板２の両面にグランド導体層１ａ，１ｂをつけたものに対し、例えば樹脂ベース印刷配線基板のスルーホール加工や、セラミック基板のピアホール埋めのように、誘電体板２を貫通し、両面のグランド導体層１ａ，１ｂに接続した貫通導体３にて２列の貫通導体列３ａ，３ｂが形成される。これにより、貫通導体列３ａ，３ｂを導波管のＥ面とし、両面のグランド導体層１ａ，１ｂをＨ面とするポスト壁導波管が構成される。
【００１８】
なお、貫通導体列３ａ，３ｂ（後述する貫通導体列３ｃも含む）の貫通導体３間のピッチは、十分な電気壁となるように、通常使用周波数で１／４波長、できれば１／８波長以下にするのが好ましい。
【００１９】
図２はストリップ線路の構成を示している。図２に示すように、ストリップ線路は、信号ライン導体４を二枚の誘電体板２ａ，２ｂで挟み、更に誘電体板２ａ，２ｂの外側を二つのグランド導体層１ａ，１ｂで挟んで構成される。
【００２０】
なお、理想的なストリップ線路としては、二枚の誘電体板２ａ，２ｂを同じ厚さとし、グランド導体層１ａ，１ｂ間による平行平板モードの漏れ出しを抑えたい。しかし、図３に示すように、誘電体板２ａ，２ｂの厚みを変える場合は、必要に応じて図７に示す貫通導体列３ｄ，３ｅでストリップ線路をシールドする方法や、図６（ｂ）に示すように導体層１ｄを追加する方法およびこれらを併用する方法などを採用すれば良い。
【００２１】
図６（ａ），（ｂ）および図７は本発明によるストリップ線路とポスト壁導波管との接続変換構造の実施の形態を示す図であり、図６は側面断面図、図７は平面透視図である。
【００２２】
本発明の接続変換構造は、図６および図７に示すように、ポスト壁導波管（図１）とストリップ線路（図２）とを広帯域に、または所望の帯域幅で接続変換する構造として用いられるものである。
【００２３】
図６（ａ）において、信号ライン導体４を２枚の誘電体板２ａ，２ｂで挟み、更にその外側をグランド導体層１ａ，１ｂで挟んでストリップ線路を形成するとともに、図７に示す貫通導体列３ａ，３ｂにてポスト壁導波管を形成する。なお、ストリップ線路は、図６（ｂ）に示すように、グランド用の導体層１ｄを追加して前述の理想的なストリップ線路に近づけてもよい。
【００２４】
図７において、前記ポスト壁導波管内に、所定の長さの共振器用ストリップ線路７を設け、この線路７の両端を貫通導体６ａ，６ｂで導体層１ａまたは１ｂに接続し、使用周波数で共振するストリップ線路形の第一の共振器を構成する。図６は共振器用ストリップ線路７を貫通導体６ａ，６ｂにて導体層１ａに接続した例である。
【００２５】
図７において、前記第一の共振器を含むポスト壁導波管の一方の開口を貫通導体列３ｃで塞ぎ、この貫通導体列３ｃから所定の距離Ｌ１離れた位置で２枚のグランド導体層１ａ，１ｂ間を接続する貫通導体３によって、ポスト壁導波管のＨ面を所定の寸法Ｓ１に狭め、使用周波数で共振する導波管形の第二の共振器を構成する。
【００２６】
そして、貫通導体列３ａ〜３ｃの何れかの一部の隙間を広げ（出来れば１／４波長以下で、局所的には差し支え無い範囲まで広げ）、ストリップ線路の信号ライン導体４を第二の共振器内に導き、信号ライン導体４を前述したストリップ線路形の第一の共振器に接続する。図７の例では、貫通導体列３ｃの一部を広げて信号ライン導体４を第二の共振器内に通している。
【００２７】
このように、二つの共振器は、第二の共振器内の空間を共有することによって結合し、第一の共振器にはストリップ線路が負荷として接続され、第二の共振器には貫通導体３による隙間Ｓ１を通じてポスト壁導波管が負荷として接続された２セクションのバンドパスフィルタとなる。
【００２８】
一般に共振器を二つ使った２セクションのバンドパスフィルタは、二つの共振器をそれぞれの負荷Ｑに依存する臨界結合付近で結合するとき、図８の曲線（Ｂ）に示すように通過特性の平坦部分、すなわち帯域幅を最大にすることができること、また二つの共振器の負荷Ｑが低いほど臨界結合時の帯域幅が広がること、および同じ負荷Ｑでも図８の曲線（Ａ）に示す一つの共振器による単峰特性よりも、平坦部がはるかに広がった図８の曲線（Ｂ）に示す通過特性になることは周知の通りである。
【００２９】
図９は第一の共振器の負荷Ｑの一般的な調整方法を示す平面図であり、図９（ａ），（ｂ），（ｃ）の順に負荷が重くなり負荷Ｑが下がる。
【００３０】
第二の共振器の負荷Ｑは貫通導体３の間隔Ｓ１を広げるほど負荷が重くなり、負荷Ｑが下がる。
【００３１】
また、二つの共振器の結合度は、第一の共振器の位置Ｌ２で調整でき、第二の共振器のほぼ中央に配置したときに最大の結合度が得られる。
【００３２】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明の接続変換方法によれば、ポスト壁導波管とストリップ線路とを広帯域に接続変換することができ、例えば２６ＧＨｚ帯での実施で、リタンロス−１５ｄＢ以下の比帯域を約２０％以上確保することができた。
【００３３】
また、以上は帯域幅をできるだけ広くすることに重点を置いて説明したが、例えば無線送受信には通常バンドパスフィルタが必要である。
【００３４】
すなわち、送信機としては規定周波数以外のスプリアス成分を除去する必要があり、受信機としてはスプリアス感度の抑制や、目的外周波数である他の通信成分を除去して、これによる受信特性の悪化を防止するなどである。
【００３５】
このために、本発明の接続変換構造がバンドパスフィルタの構成であることに注目し、これを所望の帯域幅になるように設計したり、必要に応じて３セクション以上のフィルタの一部とするなど、積極的に利用すれば、回路構成が縮小でき、低コスト化に寄与することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ポスト壁導波管の構造を示す図
【図２】ストリップ線路の構造を示す図
【図３】従来のストリップ線路とポスト壁導波管との接続変換構造を示す側面透視図
【図４】図３の平面透視図
【図５】半導体チップ搭載例を示す図
【図６】（ａ），（ｂ）　本発明のストリップ線路とポスト壁導波管との接続変換構造を示す側面透視図
【図７】図６（ａ）の平面透視図
【図８】通過特性の一例を示す図
【図９】（ａ）〜（ｃ）　ストリップ線路形共振器の負荷Ｑ調整方法の例を示す図
【符号の説明】
１ａ，１ｂ…グランド導体層、２，２ａ，２ｂ…誘電体板、３…貫通導体、３ａ，３ｂ，３ｃ…貫通導体列、４…信号ライン導体、５…プローブ、６ａ，６ｂ…ストリップ線路形共振器用貫通導体、７…共振器用ストリップ線路、８…ベース板、９…半導体チップ、１０…ボンディングワイヤ。

Claims (1)

1. 誘電体板（２）の両面にグランド導体層（１ａ，１ｂ）を設け、前記両面のグランド導体層間を接続する柱状の貫通導体（３）を複数並べた貫通導体列（３ａ，３ｂ）を２列配置し、前記両面のグランド導体層（１ａ，１ｂ）を導波管のＨ面とし、前記貫通導体列（３ａ，３ｂ）を導波管のＥ面とするポスト壁導波管と、
   信号ライン導体（４）を二枚の誘電体板（２ａ，２ｂ）で挟み、更に前記誘電体板の外側を二つのグランド導体層（１ａ，１ｂ）で挟んだストリップ線路とを接続変換するストリップ線路とポスト壁導波管との接続変換構造において、
   前記ポスト壁導波管内に設けられる共振器用ストリップ線路（７）の両端を、貫通導体（６ａ，６ｂ）で前記二つのグランド導体層（１ａ，１ｂ）のいずれか一方に接続してストリップ線路形の第一の共振器とし、この第一の共振器にストリップ線路の信号ライン導体（４）を接続し、
   前記第一の共振器を含む前記ポスト壁導波管の一方の開口を貫通導体列（３ｃ）で塞ぎ、この貫通導体列（３ｃ）から所定の距離（Ｌ１）離れた位置でグランド導体層（１ａ，１ｂ）間を接続する貫通導体（３）によって前記ポスト壁導波管のＨ面を所定の寸法（Ｓ１）に狭めた導波管形の第二の共振器とすることを特徴とするストリップ線路とポスト壁導波管との接続変換構造。

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