(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
導波管の末端部の内部に配置される基板角部を有する基板に設けられる変換カプラーであって、
前記基板角部を構成する２つの基板外縁部の一方は前記導波管を伝搬する信号の前記末端部での進行方向に垂直であり、当該一方の基板外縁部の一方端は前記基板角部を構成する基板頂部であり、
前記変換カプラーは、
前記基板に搭載される回路に接続される信号パターンにより前記基板角部に形成されるカプラーと、
前記基板を貫通し且つ前記一方の基板外縁部の他方端から前記進行方向に対して平行に延びる線に沿って並ぶ複数の基板貫通ビアとを備え、前記基板貫通ビアは前記回路のグランドパターンに導通し、
前記基板貫通ビアの位置において、前記導波管を構成する金属ブロックは壁部を有し、前記壁部と前記基板との間には隙間が形成され、
前記基板は、シリコン、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＳｉＣ、サファイアのいずれかを材料とする
ことを特徴とする変換カプラー。
【請求項２】
他方の前記基板外縁部の一方端は前記基板角部を構成する前記基板頂部であり、
前記変換カプラーは、前記基板を貫通し且つ前記他方の基板外縁部の他方端から前記進行方向に対して垂直に延びる線に沿って並ぶ複数の基板貫通ビアを備え、当該基板貫通ビアは前記回路のグランドパターンに導通する
ことを特徴とする請求項１記載の変換カプラー。
【請求項３】
請求項１ないし２のいずれかに記載の変換カプラーを同一の基板に２つ設け、一方の前記変換カプラーで２つの導波管の一方から信号を入力し、他方の前記変換カプラーで前記２つの導波管の他方に信号に出力するように構成される
ことを特徴とする信号入出力装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導波管の寸法に制約されない変換カプラーおよびこれを用いた信号入出力装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、MMIC（モノリシックマイクロ波集積回路）と導波管の間で信号の変換を行う変換カプラーはMMICとは別の低誘電率基板上に設けられ、変換カプラーは導波管のポートとMMICの間に配置される。そして、変換カプラーとMMICは、ワイヤボンディングやフリップチップボンディングにより接続される。この構成では、周波数が増加するにつれてワイヤボンディング等による大きな信号損失が発生し、出力、利得、雑音指数の性能が低下する。
【０００３】
そこで、近年においては、ワイヤボンディング等による信号損失を抑えるため、変換カプラーをMMICと同一基板上に構成するようになってきた。すなわち、図７に示すように、MMICと変換カプラー２００を搭載した基板３が導波管に直接結合する。この構成では、基板３に設けた変換カプラー２００により適切にモードカップリングすべく、変換カプラー２００の部分での基板３の幅Ｗを導波管の幅より短くする必要がある。
【０００４】
例えば、図７では、導波管の幅は５００μｍであり、幅Ｗはこれより短くしなければならない。また、図８に示すように、幅Ｗを短くすべく、場合によっては、基板角部３０を切り落とす必要がある。
【０００５】
仮に、幅Ｗが導波管の幅より長いと、信号のカップリング（結合）特性の劣化が生じ、また、不要な共振の発生によりMMICやモジュールの動作の不安定化につながる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】K. M. K. H. Leong, IEEE MWCL (2009), Fig 4(a)
【非特許文献２】V. Radisic, IEEE TMTT (2012), Fig 4(b)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
また、高周波帯では導波管の幅自体を短くする必要があり、幅Ｗをそれより短くするのは、MMICチップ（３）をレイアウトする上で制限となる。例えばWR3.4導波管では、幅Ｗを0.864ミリメートル程度にする必要がある。
【０００８】
また、図８のように、基板角部３０を切り落とす場合、その工程が追加となり、しかも高度な加工技術が必要となるため、コストやMMICチップの故障率が増加したり、歩留りが低下したりする可能性がある。
【０００９】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、導波管の寸法に制約されない変換カプラーおよび信号入出力装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するために、本発明の変換カプラーは、導波管の末端部の内部に配置される基板角部を有する基板に設けられる変換カプラーであって、前記基板角部を構成する２つの基板外縁部の一方は前記導波管を伝搬する信号の前記末端部での進行方向に垂直であり、当該一方の基板外縁部の一方端は前記基板角部を構成する基板頂部であり、前記変換カプラーは、前記基板に搭載される回路に接続される信号パターンにより前記基板角部に形成されるカプラーと、前記基板を貫通し且つ前記一方の基板外縁部の他方端から前記進行方向に対して平行に延びる線に沿って並ぶ複数の基板貫通ビアとを備え、前記基板貫通ビアは前記回路のグランドパターンに導通し、前記基板貫通ビアの位置において、前記導波管を構成する金属ブロックは壁部を有し、前記壁部と前記基板との間には隙間が形成され、前記基板は、シリコン、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＳｉＣ、サファイアのいずれかを材料とすることを特徴とする。
【００１１】
例えば、他方の前記基板外縁部の一方端は前記基板角部を構成する前記基板頂部であり、前記変換カプラーは、前記基板を貫通し且つ前記他方の基板外縁部の他方端から前記進行方向に対して垂直に延びる線に沿って並ぶ複数の基板貫通ビアを備え、当該基板貫通ビアは前記回路のグランドパターンに導通する。
【００１２】
本発明の信号入出力装置は、上記変換カプラーを同一の基板に２つ設け、一方の変換カプラーで２つの導波管の一方から信号を入力し、他方の変換カプラーで２つの導波管の他方に信号に出力するように構成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、導波管の寸法に制約されない変換カプラーおよび信号入出力装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本実施の形態に係る変換カプラーとこれを使用した信号入出力装置の内部を示す図である。
【図２】図１の部分Ａの基板拡大図である。
【図３】図１のＢＢ線矢視図である。
【図４】本実施の形態の変形例に係る変換カプラーを示す図である。
【図５】他の変形例に係る基板３を示す図である。
【図６】他の変形例に係る信号入出力装置を示す図である。
【図７】非特許文献１に記載の変換カプラーの説明図である。
【図８】非特許文献２に記載の変換カプラーの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は、本実施の形態に係る変換カプラーとこれを使用した信号入出力装置の内部を示す図である。図２は、図１の部分Ａの基板拡大図である。図３は、図１のＢＢ線矢視図である。図１は、図３のＣＣ線矢視図である。
【００１６】
信号入出力装置は、金属ブロック１、２と、金属ブロック２に搭載された基板３と、基板３に搭載されたMMIC（モノリシックマイクロ波集積回路）のコア４とを備える。コア４を搭載した基板３をMMICチップともいう。金属ブロック１、２により、導波管５、６が形成される。導波管内部の断面形状は、例えば、四角形である。基板３は、例えば、シリコン、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＳｉＣ、サファイアなどの材料で製造される。
【００１７】
基板３は、各基板角部３Ａ、３Ｂに設けられる変換カプラー２０Ａ、２０Ｂを備える。図２は、変換カプラー２０Ａが設けられた基板角部３Ａを示す。
例えば、変換カプラー２０Ａは導波管５から信号（電磁波）を入力し、変換カプラー２０Ｂは信号（電磁波）を導波管６に出力する。
【００１８】
基板角部３Ａは、導波管５の末端部５Ａの内部に配置され、変換カプラー２０Ａは、基板角部３Ａに設けられる。基板角部３Ｂは、導波管６の末端部６Ａの内部に配置され、変換カプラー２０Ｂは基板角部３Ｂに設けられる。符号ＥＰは、各導波管のＥ面の幅方向を示す。
【００１９】
基板角部が存在する末端部の長さｄは、導波管内を進む電磁波の波長の約四分の一波長（λｆ０／ｓｑｒｔ（εｗｇ）／４）またはそれ以上が好ましい。λｆ０
は電磁波の波長、εｗｇは導波管の有効誘電率、ｓｑｒｔ（εｗｇ）はεｗｇの平方根である。
【００２０】
図２に示す変換カプラー２０Ａにおいて、基板角部３Ａを構成する２つの基板外縁部１１、１２の一方である基板外縁部１１は、導波管５を伝搬する信号の末端部５Ａでの進行方向５Ｂに対して垂直であり、当該一方の基板外縁部１１の一方端は基板角部３Ａを構成する基板頂部１３である。
【００２１】
変換カプラー２０Ａは、基板３に搭載されるコア４内部の回路に接続される信号パターン３１により基板角部３Ａに形成されるカプラー２１と、基板３を貫通し且つ一方の基板外縁部１１の他方端１４から進行方向５Ｂに対して平行に延びる線１４Ａに沿って並ぶ複数の基板貫通ビア２２とを備え、基板貫通ビア２２はコア４内部の回路のグランドパターン３２に導通する。基板貫通ビア２２は、基板３を貫通するものであり、サブストレートビア、貫通基板ビアなどと称される。
【００２２】
カプラー２１は、例えば、ダイポールアンテナであり、信号パターン３１とエアブリッジ３３によって接続される。
【００２３】
図２において、長さＬＰＯＬＥは動作周波数を決定し、ＬＨＥＡＤ、  ＬＦＥＥＤ、ＷＰＯＬＥは、アンテナのインピーダンスを決定する。ダイポールアンテナの周りで基板モードへの変換を回避するため、基板３の厚さは十分に薄いのが好ましい。
説明を省略するが、変換カプラー２０Ｂも同様の構成である。
【００２４】
図２において、カプラー２１（ダイポールアンテナ）のＥ面は、図の左右方向であり、基板外縁部１２と基板貫通ビア２２の列により電気的に制限されている。
【００２５】
電気的な制限の幅ＷＡＮＴは、基板外縁部１２と基板貫通ビア２２の列の間の距離であり、導波管５のＥ面の幅ＥＰ（例えばWR3.4導波管の場合は0.432ミリメートル）と同程度（0.7〜1.3倍）である。
【００２６】
カプラー２１（ダイポールアンテナ）と導波管５との間の信号を効果的にカップリング（結合）するためには、基板貫通ビア２２を密に形成するのが好ましい。
【００２７】
基板貫通ビア２２の端から端までの距離は、導波管内の電磁波から変換されて基板３内を進む信号の波長の四分の一波長（λｆ０／ｓｑｒｔ（εｓｕｂ）／４）またはそれ以下とするのが好ましい。εｓｕｂは基板３の材料の誘電率、ｓｑｒｔ（εｓｕｂ）はεｓｕｂの平方根である。
【００２８】
図１に示すように、変換カプラー２０Ａに延びる信号パターンは、コア４から右方向に延び、途中で上方向に曲げられる。変換カプラー２０Ｂに延びる信号パターンは、コア４から左方向に延び、途中で上方向に曲げられる。これにより、各カプラーは、基板３の同じ端面３５を向く。
【００２９】
また、図３に示すように、基板貫通ビア２２の位置において、金属ブロック１は、壁部５１、６１を有する。壁部は、導波管からコア側への電磁波の漏れを防ぐものである。これらの壁部５１、６１と基板３との間には隙間ｇが形成される。隙間ｇは基板３の厚さの３倍よりも短くすることが好ましい。
【００３０】
図４は、本実施の形態の変形例に係る変換カプラーを示す図である。図４は、図１の部分Ａの変形例である。
図４に示すように、基板外縁部１１でない他方の基板外縁部１２の一方端は基板頂部１３である。変形例の変換カプラー２０Ａは、基板３を貫通し且つ他方の基板外縁部１２の他方端１５から進行方向５Ｂに対して垂直に延びる線１５Ａに沿って並ぶ複数の基板貫通ビア２２を備え、基板貫通ビア２２はコア４内部の回路のグランドパターン３５に導通する。
【００３１】
つまり、カプラー２１（ダイポールアンテナ）の後ろ側にも基板貫通ビア２２を設けることで、これが背面反射面を形成し、特性を向上させることができる。なお、他方の変換カプラー２０Ｂにもこのような構成を採用するのが好ましい。
【００３２】
図５は、他の変形例に係る基板３を示す図である。図１等に示す基板３に代えて、図５に示す基板３を用いることができる。
【００３３】
図５（ａ）は、例えば、左から入力した信号を右に出力する構成である。
図５（ｂ）は、例えば、上から入力した信号を下に出力する構成である。
図５（ｃ）は、カプラーをスロットアンテナとし、例えば、上から入力した信号を上に出力する構成である。
図５（ｄ）は、カプラーをダイポールアンテナとし、バラン４１を使用し、例えば、上から入力した信号を上に出力する構成である。
【００３４】
図６は、他の変形例に係る信号入出力装置を示す図である。
この信号入出力装置では、基板３とともにバイアス供給基板３６が使用される。
また、導波管５は、導波管５Ｌ、５Ｒに分岐する。変換カプラー２０Ａは、導波管５から導波管５Ｌに分岐した信号（電磁波）を入力し、変換カプラー２０Ｂは、導波管５から導波管５Ｒに分岐した信号（電磁波）を入力する。変換カプラー２０Ａ、２０Ｂは、基板３に搭載されたMMICのコア４Ａ、４Ｂにそれぞれ信号を送信する。変換カプラー２０Ｃは、コア４Ａからの信号を導波管６Ｌに出力し、変換カプラー２０Ｄは、コア４Ｂからの信号を導波管６Ｒに出力する。導波管６Ｌ、６Ｒは合流し、合波された信号（電磁波）が導波管６から出力される。
【００３５】
図６の構成によれば、１つの基板３で実質的に２つの信号入出力装置を構成したことになるので、組み立ての作業を削減できる。つまり、２つの信号入出力装置をパッケージ化できる。また、導波管５の分岐箇所と、導波管６Ｌ、６Ｒの合流箇所にパワーアンプを設けてもよい。
【００３６】
以上のように、本実施の形態によれば、基板角部を構成する２つの基板外縁部の一方は導波管を伝搬する信号の末端部での進行方向に垂直であり、当該一方の基板外縁部の一方端は基板角部を構成する基板頂部であり、変換カプラーは、基板に搭載される回路に接続される信号パターンにより基板角部に形成されるカプラーと、
基板を貫通し且つ一方の基板外縁部の他方端から進行方向に対して平行に延びる線に沿って並ぶ複数の基板貫通ビアとを備え、基板貫通ビアは回路のグランドパターンに導通するので、基板における変換カプラーの部分の幅を導波管の幅より短くするための加工が必要がなく、よって、導波管の寸法に制約されない変換カプラーおよび信号入出力装置を提供することができる。また、加工が不要なので製造コストを低減できる。
【符号の説明】
【００３７】
１、２  金属ブロック
３  基板
３Ａ、３Ｂ、３０  基板角部
４、４Ａ、４Ｂ  MMICのコア
５、６、５Ｌ、５Ｒ、６Ｌ、６Ｒ  導波管
５Ａ、６Ａ  導波管の末端部
５Ｂ  末端部５Ａでの信号の進行方向
１１、１２  基板外縁部
１３  基板頂部
１４  基板外縁部１１の他方端
１５  基板外縁部１２の他方端
２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ、２００  変換カプラー
２１  カプラー
２２  基板貫通ビア
３１  信号パターン
３２、３６  グランドパターン
３５  基板の端面
ｄ  末端部の長さ
ｇ  隙間
Ｗ  変換カプラーの部分での基板の幅
ＥＰ  導波管のＥ面の幅方向
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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