JP5522055B2

JP5522055B2 - 導波管・平面線路変換器

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Publication number: JP5522055B2
Application number: JP2010546680A
Authority: JP
Inventors: 明宮田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2009-01-19
Filing date: 2010-01-19
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2030-01-19
Also published as: US20110267249A1; WO2010082668A1; US8970440B2; JPWO2010082668A1

Description

本発明は、導波管・平面線路変換器に関する。より詳しくは、マイクロ波ないしミリ波が電送される導波管と、これらの波の増幅および周波数変換のための平面線路基板とを備える導波管・平面線路変換器に関する。

導波管で電送されるマイクロ波ないしミリ波を増幅するため、あるいは、その周波数を変換するため、導波管と平面線路回路とを結合するインターフェース部に、導波管・平面線路変換器が設けられる。

特許文献１は、筒状の導波管とこの導波管に取り付けられる平面線路基板とを備えた導波管・平面線路変換器を開示する。

平面線路基板は、上下方向の積層構造を有する。平面回路基板の上層は、導波管の開口縁部に適合した枠状に形成されて、この導波管の開口縁部が密着して固定される第１の接地導体と、この接地導体の枠内に配置されて、λ／２型共振アンテナを構成するアンテナパターンとを有する。

また、平面線路基板の下層は、先端部がアンテナパターンに対向する位置にまで伸びるストリップ導体と、このストリップ導体の周囲に配置される第２の接地導体とを有する。

特開平０８−１３９５０４号公報

特許文献１に記載の導波管・平面線路変換器では、導波管を介した電送の際、導波管内部に電界が発生する。このとき、導波管結合部での最大電界の位置は、導波管の幅方向の中央線上にあり、この最大電界の向きは、前記中央線における一方側から他方側に向かう方向であり、平面線路基板が積層される方向と直交する。一方、このとき、平面線路基板では、アンテナパターンの端部近傍に、平面線路基板が積層される方向の電界が発生する。この電界は上述の導波管内部で発生する最大電界とは向きが異なるため、アンテナパターンによる電磁界分布と導波管による電磁界分布との結合が抑制される。これにより、導波管・平面線路変換器の変換特性が劣化し得る。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、優れた変換特性を有する導波管・平面線路変換器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第１の観点に係る導波管・平面線路変換器は、導波管と前記導波管の開口縁部が密着して固定される平面線路基板とを有し、前記平面線路基板は、上下方向の積層構造を具備し、前記平面線路基板の最上層を構成する第１の層は、前記導波管の開口縁部内側の範囲において間隙をおいて配置される一対のアンテナパターンと、該一対のアンテナパターンの周囲に配置されて、前記導波管の開口縁部に密着して固定される第１接地導体とを有し、前記平面線路基板の最上層の下に配置される第２の層は、前記一対のアンテナパターンが相対する方向に延びて前記一対のアンテナパターンと対向して、前記アンテナパターンに接続されるストリップ導体と、該ストリップ導体の周囲に配置されて、前記第１接地導体に接続される第２接地導体とを有し、前記一対のアンテナパターンは、前記導波管の開口縁部に密着して固定される前記第１接地導体の部分のうち、前記ストリップ導体の直上に位置する範囲に接触し、前記一対のアンテナパターンの間に生じる電界の位置および向きが、前記導波管内部における最大電界の位置および向きと一致するように、前記導波管と前記一対のアンテナパターンとが配置されている、ことを特徴とする。
上記目的を達成するため、本発明の第２の観点に係る導波管・平面線路変換器は、導波管と前記導波管の開口縁部が密着して固定される平面線路基板とを有し、前記平面線路基板は、上下方向の積層構造を具備し、前記平面線路基板の最上層を構成する第１の層は、前記導波管の開口縁部内側の範囲において間隙をおいて配置される一対のアンテナパターンと、該一対のアンテナパターンの周囲に配置されて、前記導波管の開口縁部に密着して固定される第１接地導体とを有し、前記平面線路基板の最上層の下に配置される第２の層は、前記一対のアンテナパターンが相対する方向に延びて前記一対のアンテナパターンと対向して、前記アンテナパターンに接続されるストリップ導体を有し、前記一対のアンテナパターンは、前記導波管の開口縁部に密着して固定される前記第１接地導体の部分のうち、前記ストリップ導体の直上に位置する範囲に接触する、ことを特徴とする。

本発明によれば、一対のアンテナパターンの間に生じる電界の位置および向きは、導波管内部に生じる電界の位置および向きと一致することから、アンテナパターンによる電磁界分布と導波管による電磁界分布との結合が容易になる。これにより、優れた変換特性が得られる。

第１の実施形態における導波管・平面線路変換器の分解斜視図である。第１の実施形態における第１導体層の平面図である。第１の実施形態における第２導体層の平面図である。第２の実施形態における導波管・平面線路変換器の分解斜視図である。第２の実施形態における第２導体層の変形例を示す平面図である。第３の実施形態における導波管・平面線路変換器の分解斜視図である。第３の実施形態における第１導体層の平面図である。第４の実施形態における導波管・平面線路変換器の分解斜視図である。第４の実施形態における第１導体層の平面図である。第５の実施形態における導波管・平面線路変換器の分解斜視図である。第６の実施形態における導波管・平面線路変換器の分解斜視図である。第７の実施形態における導波管・平面線路変換器の分解斜視図である。

以下、この発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付す。

図１は、本発明の第１の実施形態における導波管・平面線路変換器１の分解斜視図である。なお、図１において、第１導体層９と第２導体層１１とにおいて、実在部分と空間（刳り抜かれた部分など）を区別するため、実在部分をハッチングで示す。以下の図面でも同様とする。

導波管・平面線路変換器１は、マイクロ波ないしミリ波が電送される四角筒状の導波管３と、導波管３の開口縁部５に取り付けられて、これらの波の増幅および周波数変換を行う平面線路基板７とを有する。このとき、導波管３の開口縁部５の長軸と平行な方向を幅方向、短軸と平行な方向を高さ方向、導波管３の伸びる方向を上下方向とする。

平面線路基板７は、導波管３が接続される第１導体層９と、第２導体層１１と、両者の間に配置される中間層としての誘電体１３とから構成される薄板である。このとき、各層は上下方向に積層し、一体に結合されている。第１導体層９と第２導体層１１とは、後述する一対のアンテナパターンと該アンテナパターンに接続された平面線路とを構成する。

図２は、第１の実施形態における第１導体層の平面図である。

第１導体層９は、導体薄膜、例えば、銅の薄膜から構成され、コンダクターバックト・コプレーナ線路として機能する。第１導体層９は、一対のアンテナパターン１５と、第１接地導体１７とを有する。一対のアンテナパターン１５は、導波管３の開口縁部５内側に配置され、所定幅の間隙ＧＡだけ離間して線対称をなす２つの長方形の導体から構成される。第１接地導体１７は、一対のアンテナパターン１５の周囲に配置され、導波管３の開口縁部５に密着して固定される。

図３は、第１の実施形態における第２導体層１１の平面図である。

第２導体層１１は、導体薄膜、例えば、銅の薄膜から構成され、コプレーナ線路として機能する。第２導体層１１は、ストリップ導体１９と、第２接地導体２１とを有する。ストリップ導体１９は、一対のアンテナパターン１５が相対する方向に延び、アンテナパターン１５の各々と対向している。また、誘電体１３を厚さ方向に貫通する内部に導体が充填されたビアホール２３を介して、ストリップ導体１９はアンテナパターン１５と電気的に接続される。第２接地導体２１は、ストリップ導体１９の周囲に配置され、ビアホール２３と同様、誘電体１３を厚さ方向に貫通する内部に導体が充填されたビアホール２５を介して、第１接地導体１７と電気的に接続される。

図１，２に示すように、一対のアンテナパターン１５は、導波管３の開口縁部５と第１接地導体１７との接合部のうち、ストリップ導体１９に重なる部分２９に接触し、互いの開放端３１は間隙ＧＡを挟んで対向する。この一対のアンテナパターン１５は、それぞれλ／４型共振アンテナを構成する。このとき、これらの共振周波数は異なる。

ここで、導波管３を介して電送する際、導波管３内の電界が最大となる位置は、導波管３内部の幅方向の中央線Ｂ上にあり、その最大電界の向きは中央線Ｂにおける一方側から他方側に向かう方向となる。また平面線路基板７では、一対のアンテナパターン１５の間（すなわち間隙ＧＡ）において、アンテナ結合により一方のアンテナパターン１５から他方のアンテナパターン１５に向かう電界が生じる。本実施形態では、導波管３の中央線Ｂと間隙ＧＡとが重なるようにアンテナパターン１５が配置される。この結果、一対のアンテナパターン１５の間（間隙ＧＡ）に生じる電界の位置および向きは、導波管３内部に生じる最大電界の位置および向きと一致する。

本実施形態によれば、上述のように一対のアンテナパターン１５の間に生じる電界の位置および向きが導波管３内部に生じる電界の位置および向きと一致することから、アンテナパターン１５による電磁界分布と導波管３による電磁界分布との結合がしやすくなる。これにより、高い変換効率が得られて、変換特性に優れる。

また、アンテナパターン１５は、λ／４型共振アンテナを構成するため、交差偏波が原理的に発生しない。同様の理由で、エッチングなどの製造バラツキにより、アンテナパターン１５の形状の対称性が失われた場合にも、交差偏波の発生は抑制される。このように、アンテナパターン１５からの導波管３あるいはストリップ導体１９に結合されない電力の発生が抑制されるため、導波管・平面線路変換器１は、交差偏波による特性劣化が抑えられて高周波特性に優れる。

また、一対のアンテナパターン１５は、これらが共振周波数の異なる共振アンテナを構成することから、これら共振アンテナの通過帯域を隣接した２共振とさせることができる。これにより、１共振の場合に比して、導波管・平面線路変換器１の帯域幅は大きい。

以上説明したように、本実施形態では、図１〜図３に示すように、一対のアンテナパターン１５は、導波管３の長方形の開口４の縁部５の内側に、間隙ＧＡをおいて、互いに対向して配置されている。一対のアンテナパターン１５の開放端は、間隙ＧＡを挟んで対向する。間隙ＧＡは、導波管３の高さ方向の中央線Ｃに、その高さ方向の中央線Ｄが重なる位置に形成されている。また、一対のアンテナパターン１５は、中央線Ｄを中心に線対称の形状に形成されている。さらに、一対のアンテナパターン１５は、中央線Ｂに重なる位置に形成されている。

次に、第１の実施形態とは異なる態様の第２から第７の実施形態について説明する。なお以下では、実施の形態１との相違点を中心に説明し、同一の構成については同一の符号を図に付す。

図４は、第２の実施形態における導波管・平面線路変換器３５の分解斜視図である。

本実施形態では、第１の実施形態で示したビアホール２３は省略される。ストリップ導体１９の先端部は開放端であり、ストリップ導体１９先端付近とアンテナパターン１５の１つは容量結合によって電気的に接続される。なお、容量結合を避けたい部分については、例えば、ストリップ導体１９の線幅を細くする、誘電体の誘電率を周囲よりも低くする等してもよい。

本実施形態によれば、ビアホールを要することなく、アンテナパターン１５とストリップ導体１９とを電気的に接続することができる。これにより、アンテナパターン１５とストリップ導体１９とビアホール２５との位置合わせが不要となるため、製造上のバラツキを低減する上で有利になる。

なお本実施形態では、第２導体層１１に代えて、図５に示す第２導体層１２を使用することができる。この第２導体層１２では、ストリップ導体２０は、その先端が第２接地導体２１と誘導性結合で接続されるとともに、アンテナパターン１５と容量結合によって接続されている。この第２導体層１２を用いた場合にも、上述と同様の効果が発揮され得る。

図６は、第３の実施形態における導波管・平面線路変換器３７の分解斜視図であり、図７は、第３の実施形態における第１導体層３９の平面図である。

本実施形態では、第１導体層３９には、一対のアンテナパターン１５の代わりに、他方に向けて凸となる半円状の一対のアンテナパターン４１が設けられる。このようにすれば、アンテナパターン４１の外縁に角部がなくなるため、アンテナにおける損失を低減することができる。

図８は、第４の実施形態における導波管・平面線路変換器４３の分解斜視図であり、図９は、第４の実施形態における第１導体層４５の平面図である。

本実施形態では、第１導体層４５に、一対のアンテナパターン１５の代わりに、他方から離れるに連れて漸次細くなる形状、例えば台形、を呈する一対のアンテナパターン４７が設けられる。これらアンテナパターン４７における開放端部４９の幅は、第１接地導体１７に接触する部分５０の幅に比して長くなっている。このようにすれば、アンテナパターン４７が構成する共振型アンテナの共振周波数は低くなる。なお、共振周波数を高くするためには、上記とは反対に、第１接地導体１７に接触させる部分５０の幅を開放端部４９の幅に比較して長くすればよい。また、第１接地導体１７に接触させる部分５０の幅を調整することで、導波管・平面線路変換器の動作周波数を変更することも可能である。

図１０は、第５の実施形態における導波管・平面線路変換器５３の分解斜視図である。

本実施形態の導波管・平面線路変換器５３は、図１に示す構成に、シールドキャップ５５が追加される。シールドキャップ５５は、第２導体層１１の下に配置されて、第２接地導体２１に接続される。本実施の形態によれば、第２導体層１１の下面から電力が放射することがシールドキャップ５５によって防止されるため、前記電力による平面回路基板の他の素子に対する干渉を回避することができる。

図１１は、第６の実施形態における導波管・平面線路変換器５７の分解斜視図である。

本実施形態の導波管・平面線路変換器５７は、図１に示す構成から、第２接地導体２１とビアホール２５とが省略されたものである。このとき、ストリップ導体１９における伝送線路は、マイクロストリップ線路として構成され、ビアホール２３を介して、アンテナパターン１５と接続される。本実施形態によれば、導波管・平面線路変換器の構造の簡易化が図られる。

図１２は、第７の実施形態における導波管・平面線路変換器５９の分解斜視図である。

本実施形態の導波管・平面線路変換器５９は、図１に示す構成に、第２導体層１１の下に配置される誘電体６１と、誘電体６１の下に配置される第３導体層６３とが追加されたものである。すなわち、平面線路基板７は、最上層が第１導体層９によって構成され、最下層が第３導体層６３によって構成され、これらの間の中間層が誘電体１３・第２導体層１１・誘電体６１によって構成された１つの薄板をなす。

第３導体層６３には第３接地導体６５が形成される。第１導体層９の第１接地導体１７は、誘電体１３，６１を厚さ方向に貫通する内部に導体が充填されたビアホール６７により第３接地導体６５と接続されて、ストリップ導体１９に対してトリプレート線路として構成される。

本実施形態によれば、ストリップ導体１９が第１接地導体１７と第３接地導体６５とによって挟み込まれることで、漏洩が小さく抑えられた伝送線路が平面線路基板７に構成される。また、平面線路基板７によって導波管３の開口部が密封されるために、導波管・平面線路変換器５９は、気密機能を備えるものとなる。

本発明に係る導波管・平面線路変換器について、好ましくは、前記平面線路基板は、上下方向の積層構造を具備し、前記平面線路基板の最上層を構成する第１の層は、前記導波管の開口縁部内側の範囲において間隙をおいて配置される一対のアンテナパターンと、該一対のアンテナパターンの周囲に配置されて、前記導波管の開口縁部に密着して固定される第１接地導体とを有し、前記平面線路基板の最上層の下に配置される第２の層には、前記一対のアンテナパターンが相対する方向に延びて前記一対のアンテナパターンと対向して、前記アンテナパターンに接続されるストリップ導体と、該ストリップ導体の周囲に配置されて、前記第１接地導体に接続される第２接地導体とを有し、前記一対のアンテナパターンは、前記導波管の開口縁部に密着して固定される前記第１接地導体の部分のうち、前記ストリップ導体の直上に位置する部分に接触することを特徴とする。

また好ましくは、前記一対のアンテナパターンは、これらの開放端が前記間隙を介して対向し、前記間隙は、前記導波管内部の幅方向中央線の直下に位置することを特徴とする。

また好ましくは、前記ストリップ導体は、前記アンテナパターンと容量結合を介して接続されることを特徴とする。

また好ましくは、前記第１の層と前記第２の層との間には、誘電体が配置されることを特徴とする。

また好ましくは、前記一対のアンテナパターンは、それぞれλ／４型共振アンテナを構成することを特徴とする。

また好ましくは、前記一対のアンテナパターンは、異なる共振周波数を有する共振アンテナを構成することを特徴とする。

本出願は、２００９年１月１９日に出願された、日本国特許出願特願２００９―８８６８号に基づく。本明細書中に、その明細書、特許請求の範囲、図面全体を参照して取り込むものとする。

本発明によれば、優れた変換特性を有する導波管・平面線路変換器を実現することが可能となる。

１、３５、３７、４３、５３、５７、５９導波管・平面線路変換器
３導波管
４開口
５開口縁部
７平面線路基板
９、３９、４５第１導体層
１１、１２第２導体層
１３、６１誘電体
１５、４１、４７アンテナパターン
１７、５１第１接地導体
１９、２０ストリップ導体
２１第２接地導体
２３、２５、６７ビアホール
２７接合部
３１開放端
４９開放端部
５５シールドキャップ
６３第３導体層
６５第３接地導体

Claims

導波管と、
前記導波管の開口縁部が密着して固定される平面線路基板と、
を有し、
前記平面線路基板は、上下方向の積層構造を具備し、
前記平面線路基板の最上層を構成する第１の層は、前記導波管の開口縁部内側の範囲において間隙をおいて配置される一対のアンテナパターンと、該一対のアンテナパターンの周囲に配置されて、前記導波管の開口縁部に密着して固定される第１接地導体とを有し、
前記平面線路基板の最上層の下に配置される第２の層は、前記一対のアンテナパターンが相対する方向に延びて前記一対のアンテナパターンと対向して、前記アンテナパターンに接続されるストリップ導体と、該ストリップ導体の周囲に配置されて、前記第１接地導体に接続される第２接地導体とを有し、
前記一対のアンテナパターンは、前記導波管の開口縁部に密着して固定される前記第１接地導体の部分のうち、前記ストリップ導体の直上に位置する範囲に接触し、
前記一対のアンテナパターンの間に生じる電界の位置および向きが、前記導波管内部における最大電界の位置および向きと一致するように、前記導波管と前記一対のアンテナパターンとが配置されている、
ことを特徴とする導波管・平面線路変換器。
前記一対のアンテナパターンは、これらの開放端が前記間隙を介して対向し、
前記間隙は、前記導波管内部の幅方向中央線の直下に位置することを特徴とする請求項１に記載の導波管・平面線路変換器。
前記ストリップ導体は、前記アンテナパターンと容量結合を介して接続されることを特徴とする請求項１に記載の導波管・平面線路変換器。
前記第１の層と前記第２の層との間には、誘電体が配置されることを特徴とする請求項１に記載の導波管・平面線路変換器。
前記一対のアンテナパターンは、それぞれλ／４型共振アンテナを構成することを特徴とする請求項１に記載の導波管・平面線路変換器。
前記一対のアンテナパターンは、異なる共振周波数を有する共振アンテナを構成することを特徴とする請求項１に記載の導波管・平面線路変換器。
導波管と、
前記導波管の開口縁部が密着して固定される平面線路基板と、
を有し、
前記平面線路基板は、上下方向の積層構造を具備し、
前記平面線路基板の最上層を構成する第１の層は、前記導波管の開口縁部内側の範囲において間隙をおいて配置される一対のアンテナパターンと、該一対のアンテナパターンの周囲に配置されて、前記導波管の開口縁部に密着して固定される第１接地導体とを有し、
前記平面線路基板の最上層の下に配置される第２の層は、前記一対のアンテナパターンが相対する方向に延びて前記一対のアンテナパターンと対向して、前記アンテナパターンに接続されるストリップ導体を有し、
前記一対のアンテナパターンは、前記導波管の開口縁部に密着して固定される前記第１接地導体の部分のうち、前記ストリップ導体の直上に位置する範囲に接触する、
ことを特徴とする導波管・平面線路変換器。
前記開口縁部は長方形であり、
前記一対のアンテナパターンは、これらの開放端が前記間隙を介して対向し、
前記間隙は、前記開口縁部の短辺の中点を結ぶ線に重なる位置に位置する、ことを特徴とする請求項７に記載の導波管・平面線路変換器。
前記一対のアンテナパターンは、前記中点を結ぶ線を中心に線対称の形状に形成されている、ことを特徴とする請求項８に記載の導波管・平面線路変換器。
前記一対のアンテナパターンは、前記開口縁部の長辺の中点を結ぶ線に重なる位置に形成されている、ことを特徴とする請求項８に記載の導波管・平面線路変換器。