(57)【要約】【課題】低背な構成でバックショート機能を実現できる高周波回路及び高周波回路―導波管変換器の提供。【解決手段】実施形態にかかる高周波回路は、誘電体層と、前記誘電体層に設けられたストリップ導体と、前記ストリップ導体の先に設けられたアンテナと、前記誘電体層の一方側に形成された第１導体層と、前記誘電体層の他方側に形成され、電磁結合用の開口を有する第２導体層と、前記アンテナの周りにおいて、前記誘電体層を貫通して前記第１導体層と前記第２導体層を導通する導体壁と、を備え、前記導体壁は、前記アンテナに対して前記ストリップ導体と反対側に設けられ、前記誘電体層、第１導体層及び第２導体層の積層方向と交差する方向において、前記開口の中心との間の距離が１／８λg〜１／４λgに位置する短絡壁を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体層と、
前記誘電体層に設けられたストリップ導体と、
前記ストリップ導体の先に設けられたアンテナと、
前記誘電体層の一方側に形成された第１導体層と、
前記誘電体層の他方側に形成され、電磁結合用の開口を有する第２導体層と、
前記アンテナの周りにおいて、前記誘電体層を貫通して前記第１導体層と前記第２導体層を導通する導体壁と、
を備え、
前記導体壁は、前記アンテナに対して前記ストリップ導体と反対側に設けられ、前記誘電体層、第１導体層及び第２導体層の積層方向と交差する方向において、前記開口の中心との間の距離が１／８λg〜１／４λgに位置する短絡壁を備えることを特徴とする高周波回路。
【請求項２】
前記第１導体層、前記誘電体層及び前記第２導体層の積層方向において、前記第１導体層と前記アンテナとの間の距離は前記第２導体層と前記アンテナとの間の距離より大きいことを特徴とする請求項１記載の高周波回路。
【請求項３】
前記導体壁は、前記誘電体層を貫通して前記第１導体層と前記第２導体層を導体で接続する導体スルーホールを複数並列して備え、複数の導体スルーホールの間隔はλｇ／８以下であることを特徴とする請求項１または２記載の高周波回路。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか記載の高周波回路と、前記第２導体層の開口に連通する空間を形成する導波管と、を備えたことを特徴とする高周波回路―導波管変換器。
【請求項５】
前記導波管は、第１方向の長さが前記第１方向と交差する第２方向の長さの１／２倍よりも短いことを特徴とする請求項４記載の高周波回路―導波管変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、高周波回路及び高周波回路―導波管変換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ波やミリ波のＲＦのコンポーネントでは、アンテナとのインタフェースとして周波数に対応した開口をもつ導波管が使用される。セラミックあるいは樹脂基材上での高周波回路（高周波線路）としては、マイクロストリップ線路、コプレーナ線路が用いられる。この高周波回路と導波管への変換器として、導波管が形成された導波管ブロックと、バックショートと呼ばれる金属カバーとの間に、高周波回路であるマイクロストリップ線路やコプレーナ線路が形成された誘電体基板を挟み込んだ構造が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１９３１６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このバックショートの長さは、λｇ／４（λｇ：管内波長）程度に設定される。高周波回路から導波管に対して反対側に放射される電波は、バックショートにおいて位相が１８０°反転して反射される。バックショートの長さがλｇ／４に設定されることで、バックショートに反射されて戻ってくる電波は、高周波回路から直接導波管に放射される電波と同相となるため、低損失で導波管に給電される。この最適なバックショート長λｇ／４は、電波の波長で決まるため、周波数が低いほど長くなる。例えば、３ＧＨｚ帯でバックショートを構成した場合、長さは３０ｍｍ程度となり、基板上に大きな空間が必要となる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態にかかる高周波回路は、誘電体層と、前記誘電体層に設けられたストリップ導体と、前記ストリップ導体の先に設けられたアンテナと、前記誘電体層の一方側に形成された第１導体層と、前記誘電体層の他方側に形成され、電磁結合用の開口を有する第２導体層と、前記アンテナの周りにおいて、前記誘電体層を貫通して前記第１導体層と前記第２導体層を導通する導体壁と、を備え、前記導体壁は、前記アンテナに対して前記ストリップ導体と反対側に設けられ、前記誘電体層、第１導体層及び第２導体層の積層方向と交差する方向において、前記開口の中心との間の距離が１／８λg〜１／４λgに位置する短絡壁を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】第１実施形態に係る高周波回路―導波管変換器の斜視図。
【図２】同高周波回路―導波管変換器の下面図。
【図３】図２のIII―III断面図。
【図４】図３のIV―IV断面図。
【図５】同高周波回路―導波管変換器の電磁結合回路の等価回路イメージを示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、実施形態にかかる高周波回路１Ａ及び高周波回路―導波管変換器１について、図１乃至図５を参照して説明する。各図中矢印Ｘ，Ｙ，Ｚはそれぞれ互いに直交する３方向を示す。各図において説明のため、適宜構成を拡大、縮小または省略して示している。
【０００８】
高周波回路―導波管変換器１は、マイクロ波及びミリ波等の高周波信号を平面回路の高周波回路１Ａから導波管６０の伝搬モードに変換する変換器である。
【０００９】
図１乃至図４に示すように、高周波回路―導波管変換器１は、誘電体層１０と、誘電体層１０内に設けられストリップ導体２１及びアンテナ２２を有する配線２０と、誘電体層１０の上面に形成された第１導体層３０と、誘電体層１０の下面に形成された第２導体層４０と、アンテナ２２の周囲で誘電体層１０を貫通して第１導体層３０と第２導体層４０を導通する導体壁５０と、第２導体層４０の下方に設けられる導波管６０と、を備えている。
【００１０】
誘電体層１０は、誘電体材料から一定の厚みを有する所定形状の板状に形成されている。誘電体層１０を形成する誘電体材料としては、例えば酸化アルミニウム・窒化アルミニウム・窒化珪素・ムライト等を主成分とするセラミック材料・ガラス・あるいはガラスとセラミックフィラーとの混合物を焼成して形成されたガラスセラミック材料・エポキシ樹脂・ポリイミド樹脂・四フッ化エチレン樹脂を始めとするフッ素系樹脂等の有機樹脂系材料・有機樹脂−セラミック（ガラスも含む）複合系材料等が用いられる。
【００１１】
誘電体層１０、第１導体層３０、第２導体層４０を積層方向であるＺ方向に積層して構成した基板は数ｍｍ、本実施形態では２〜４ｍｍ程度に構成されている。
【００１２】
配線２０は、ストリップ線路１Ａを構成するストリップ導体２１と、ストリップ導体２１の先に設けられたアンテナ２２とを一体に有して構成されている。配線２０は導波管６０と垂直に交差する方向に配置され、誘電体層１０内の第１導体層３０と第２導体層４０の間に形成されている。
【００１３】
ストリップ導体２１は基板のＸ方向の中央でＹ方向端部からＹ方向に沿って誘電体層１０の内部に帯状に延びている。誘電体層１０、第１導体層３０、第２導体層４０及び配線２０の一部であるストリップ導体２１の積層構造によって、高周波回路であるストリップ線路１Ａが構成される。
【００１４】
アンテナ２２は高周波信号を放射し、スロット開口４１を介して導波管６０に電磁結合で給電する役割を果たす。アンテナ２２はストリップ導体２１より大きい所定幅を有し、ストリップ導体２１の先端に連続している。アンテナ２２はＸ方向の中央において、Ｙ方向に沿って誘電体層１０の内部で帯状に延びている。
【００１５】
なお、アンテナ２２と第１導体層３０である第１導体層３０の容量結合が小さい程整合の帯域が広く取れるため、第１導体層３０とアンテナ２２の間隔はできるだけ離した方がよい。第２導体層４０とアンテナ２２間の距離は、アンテナ２２のインピーダンスの変換比で決まるため、第１導体層３０と第２導体層４０の間で第２導体層４０側にオフセットした位置にアンテナ２２を配置する。すなわち、図３に示すように第１導体層３０からアンテナ２２までのＺ方向の距離Ｈ１と第２導体層４０からアンテナ２２までのＺ方向の距離Ｈ２は、Ｈ１＞Ｈ２を満たし、例えばＨ１がＨ２の２倍以上となるように設定する。
【００１６】
図１に示す第１導体層３０は、誘電体層１０の上面に形成されるＧＮＤ電位のパターンである。
【００１７】
図２に示す第２導体層４０は、誘電体層１０の下面に形成されるＧＮＤ電位のパターンである。第２導体層４０には、導波管６０の内部と連通して電磁的に結合するスロット開口４１が形成されている。すなわち、第２導体層４０はアンテナ２２の周辺の所定位置を除いた誘電体層１０の下面に形成されている。
【００１８】
スロット開口４１は配線２０の幅方向であるＸ方向に長い矩形状に開口しており、スロット開口４１の縁部分に導波管６０の端部が接続される。このスロット開口４１を垂直に交差する方向に、誘電体層１０内にアンテナ２２が形成されている。
【００１９】
第１導体層３０、第２導体層４０、配線２０を形成する材料としては、例えばタングステン・モリブデン・金・銀・銅等を主成分とするメタライズ、あるいは金・銀・銅・アルミニウム等を主成分とする金属箔等が用いられる。
【００２０】
図１、図３及び図４に示すように、導体壁５０は、誘電体層１０を貫通して第１及び第２導体層４０を繋ぐ導体スルーホール５１（貫通ビア）がアンテナ２２の周辺を囲むように複数並列して構成されている。この導体スルーホール５１の列と第１導体層３０及び第２導体層４０とでＳＩＷ（Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）と呼ばれる疑似導波管７０を形成している。
【００２１】
複数の導体スルーホール５１の間隔ｄ１はλｇ／８以下に設定する。この疑似導波管７０でアンテナ２２の周囲を囲むことによって、アンテナ２２から放射された電波が外部に漏れることを抑制する。
【００２２】
導体壁５０は、互いに対向するとともにそれぞれ導体スルーホール５１の列で構成される２組の面を有し、アンテナ２２の周囲を矩形の枠状に囲んでいる。導体壁５０の、ストリップ線路１Ａ反対側に配される面は、スロット開口４１の中心Ｃ１からの距離Ｌがバックショートを構成するバックショート長に基づく所定範囲内に位置する短絡壁５２を構成している。
【００２３】
バックショート長は、短絡壁５２がバックショートを構成する長さであって、アンテナ２２から放射された電波のうち、スロット開口４１から導波管６０に結合する電波以外の外部に向かって放射してゆく電波に対し、放射波を反射させてスロット開口４１に同相で戻すことのできる長さであり、本実施形態では例えばスロット開口４１の中心Ｃ１から約λｇ／４（λｇ：ＳＩＷの管内波長）の長さを基準として設定する。
【００２４】
なお、本実施形態では、後述するように誘導性を持たせて容量性を打ち消してインピーダンス整合を確保するために、Ｌをλｇ／４よりもわずかに短くし、スロット開口４０から短絡壁５２が設けられている面までの距離Ｌが１／８λg 〜 １／４λgの間となる範囲に設定した。
【００２５】
このように、疑似導波管７０を構成する導体壁５０の一部として短絡壁５２を設け、スロット開口４１から短絡壁５２が設けられている面までの距離をバックショート長に基づいて設定し、インピーダンスの反転回路として構成することで、短絡壁５２にバックショートの役割を持たせることができる。
【００２６】
アンテナ２２から放射される電波は、短絡壁５２において位相が１８０°反転して反射されるため、短絡壁５２までの長さＬを上記のように設定することで、反射されて戻ってくる電波は、高周波回路から直接導波管に放射される電波と同相となり、低損失で導波管に給電される。したがって、バックショートに相当する機能を基板に内蔵し、積層方向と直交する基板の平面方向に形成することが可能となる。
【００２７】
図２に示すように導波管６０は、アンテナ２２が延びる第１方向の寸法ｂよりもこれに直交する第２方向の寸法ａが長い断面形状の管状に構成され、スロット開口４１に連通する空間を形成している。導波管６０はアルミナ等の金属酸化物で管状に構成されており、管内壁を電流による導体損失低減や腐食防止のために好ましくは金・銀等の貴金属で被覆する。なお、本実施形態では金属酸化物で構成されているが、これに限られることはなく、樹脂を必要な導波管６０形状に成型し、金属の場合と同様に管内壁を金・銀等の貴金属で被覆したものであってもよい。
【００２８】
図５に高周波回路―導波管変換器１の等価回路イメージを示す。図５中のj、ε、μは、それぞれ虚数単位、誘電率、透磁率を示している。この回路は、ストリップ線路の特性インピーダンスＺ０と導波管６０の特性インピーダンスＺ１のインピーダンス変換器となる。インピーダンスの変換を実現するため、アンテナ２２、スロット開口４１で構成される回路をインピーダンス比ｎのトランスとして利用している。この等価的なトランスによるインピーダンス変換比ｎを導波管６０とストリップ線路１Ａの特性インピーダンスの比のＺ１／Ｚ０と等しくなるように、アンテナ２２と下面のスロット開口４１との距離、アンテナ２２のサイズ、スロット開口４１のサイズを調整することでインピーダンス変換を実現できる。
【００２９】
図５に示すように、導波管６０側の特性インピーダンスＺ１はストリップ線路の特性インピーダンスＺ０に近い程、インピーダンスの変換比が小さくなるため回路の広帯域化が可能となる。導波管の特性インピーダンスＺ０は下記で定義される。
【数１】
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【００３０】
上式より、導波管の特性インピーダンスは電界方向の長さｂに比例する。したがって、長さｂを短くすることで導波管の特性インピーダンスを下げることができる。なお、通常の標準導波管の設定ではａ＝２ｂ程度であり、電圧定義の場合(ｋ＝２)、約５００Ω程度となる。
【００３１】
本実施形態では導波管６０の第１方向の長さｂを第２方向の長さａの１／２倍よりも小さく、例えば１／４程度に設定した。このため、ストリップ線路１Ａの特性インピーダンスＺ０に近づけることで広帯域な変換回路を実現できる。
【００３２】
本実施形態にかかる高周波回路―導波管変換器１によれば、アンテナ２２の周囲を導体壁５０で囲み疑似導波管７０を構成することで、アンテナ２２から放射された電波が外部に漏れることを抑制できるとともに、疑似導波管７０を構成する導体壁５０の一部を、バックショート長に基づいて配置することで、バックショートに相当する機能を基板に内蔵して基板の平面方向であるＹ方向に形成することが可能となる。したがって、低背な構造の高周波回路―導波管変換器１でバックショート機能を持たせることができる。
【００３３】
一般的に積層方向にバックショートを形成する場合には外付けの金属ブロックが必要となり回路の高さ寸法が大きくなる。一方、金属ブロックなしで変換回路を構成すると、整合帯域、変換損失等の特性が劣化する。本実施形態では、平面方向にバックショート機能を持たせる疑似導波管を設けたことにより外付けの金属ブロックを不要としつつ良好な整合帯域、変換損失を確保でき、低背で高性能な変換回路を実現できる。
【００３４】
また、電気回路的に短絡スタブとして表わされる短絡壁５２までの長さＬをバックショート長であるλｇ／４よりも若干短くして誘導性を持たせることで容量性を打ち消してインピーダンス整合を確保することができる。
【００３５】
本実施形態では図３に示すように第１導体層３０と第２導体層４０の間で第２導体層４０側にオフセットした位置にアンテナ２２を配置することで、整合の帯域が広く取れる。
【００３６】
また、図２に示すように、導波管６０の形状を、配線２０の幅方向であるＸ方向に長く、Ｙ方向の長さｂをＸ方向の長さａに対して１／２よりも小さく設定してストリップ線路１Ａの特性インピーダンスに近づけることで、広帯域な変換回路を実現できる。
【００３７】
なお、上記実施形態ではバックショート長をλｇ／４としたが、これに限られるものではなく各種条件に基づいて位相を揃える作用が発生する長さに設定できる。  例えば、短絡壁５２が開放端の場合にはλｇ／２程度とすることで、バックショート機能を持たせることができる。
【００３８】
また上記実施形態では、所定の間隔で並列する複数の導体スルーホール５１で導体壁５０を構成する例を示したが、これに限られるものではない。例えば長穴のスルーホールなど、他の形状・構造を適用してもよい。
【００３９】
なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４０】
１…高周波回路―導波管変換器、１Ａ…高周波回路、１０…誘電体層、２０…アンテナ、３０…第１導体層、４０…第２導体層、４１…スロット開口、５０…導体壁、５１…導体スルーホール、５２…短絡壁、６０…導波管、７０…疑似導波管。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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