(57)【要約】【課題】  変換効率の高い高周波線路−導波管変換器を提供すること。【解決手段】  誘電体層２の上面に形成された線路導体３および同一面接地導体層４から成る高周波線路１と、同一面接地導体層４に線路導体３の一端部と直交するように形成されたスロット５と、平面透視してスロット５を取り囲む貫通穴９’を有する枠状の内部接地導体層９と、平面透視して貫通穴９’を取り囲むように配されたシールド導体部７と、シールド導体部７と電気的に接続された導波管６とを具備する高周波線路−導波管変換器であって、平面透視して線路導体３とスロット５との結合部側におけるスロット５と貫通穴９’との距離をＬ１およびスロット５とシールド導体部７との距離をＬ２とし、さらに高周波線路１により伝送される高周波信号の実効波長をλとしたときに、Ｌ１≦λ／４、かつ（Ｌ２−Ｌ１）≦λ／４とした。【選択図】  図１
2006295306.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体層の上面に形成された線路導体および前記誘電体層の上面で前記線路導体の一端部を取り囲むように形成された同一面接地導体層から成る高周波線路と、前記同一面接地導体層に前記線路導体の前記一端部と直交するように形成されて前記線路導体と電磁的に結合されたスロットと、前記誘電体層の内層に形成され、平面透視して前記スロットを取り囲む貫通穴を有する枠状の内部接地導体層と、平面透視して前記貫通穴を取り囲むように前記誘電体層の内部または側面に配されたシールド導体部と、前記誘電体層の下面側に開口を前記貫通穴に対向させて配され、前記シールド導体部と電気的に接続された導波管とを具備する高周波線路−導波管変換器であって、平面透視して前記線路導体と前記スロットとの結合部側における前記スロットと前記貫通穴との距離をＬ１および前記スロットと前記シールド導体部との距離をＬ２とし、さらに前記高周波線路により伝送される高周波信号の実効波長をλとしたときに、Ｌ１≦λ／４、かつ（Ｌ２−Ｌ１）≦λ／４としたことを特徴とする高周波線路−導波管変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波やミリ波の領域において使用される、高周波回路を形成するコプレーナ線路等の高周波線路を導波管に変換し、高周波回路とアンテナあるいは高周波回路間の接続を導波管で行なうことにより、システムの実装、評価を容易に行なえる高周波線路−導波管変換器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、情報伝達に用いられる高周波信号は、マイクロ波領域からミリ波領域の周波数までを活用することが検討されている。例えば、ミリ波の高周波信号を用いた応用システムとして車間レーダーが提案されている。このような高周波用のシステムにおいては、高周波信号の周波数が高いことにより、回路を構成するマイクロストリップ線路構造等の高周波線路による高周波信号の減衰が大きくなるという問題点がある。
【０００３】
このようなマイクロストリップ線路構造等の高周波線路に比較して、導波管では高周波信号の伝送損失は小さいことが知られている。例えば、マイクロストリップ線路等による通常の高周波線路のインピーダンス（５０Ω）に比較して、導波管のインピーダンス（周波数によって変化するが概略５００Ωのオーダーで設計される）は大きく、通常の高周波線路では伝送される信号に対して誘電体中を伝送する電界の寄与が大きいのに対し、導波管ではその誘電体として誘電正接がほぼ０の空気を用いていること、相対的に小さい磁気エネルギーのもととなる導波管の管壁を流れる電流が小さくて良いこと、かつその電流が導波管の管壁の比較的広い面積に流れるため電気抵抗が小さくなり導体損が小さくなる構造になっていることによるものである。
【０００４】
また、導波管同士は通常、ねじで接続される。そのため着脱を容易に行なうことができるため、高周波回路モジュールとアンテナとの接続に導波管を用いれば、組み立て前にそれぞれの導波管ポートを用いてそれぞれの検査を行ない、良品同士を組み合わせて高周波フロントエンドを組み立てることができ、その製造の歩留まりを上げることができる。これらのことから従来、特に伝送距離が長くなることが多い高周波回路モジュールとアンテナとの間の伝送に導波管を用いたフロントエンドが多く採用されてきた。
【０００５】
このような高周波フロントエンドとしては、誘電体層と、その表面に形成した線路導体およびその両側に配置された同一面接地導体層から成るコプレーナ線路と、このコプレーナ線路の先端に形成したアンテナとして機能するスロットと、誘電体層の裏面のスロットと対向する位置に接続した導波管と、誘電体層の内部に導波管および同一面接地導体層を接続するように形成したシールド導体部とを具備する高周波線路−導波管変換器が提案されている（下記の特許文献１参照）。
【０００６】
この変換器によれば、スロットから誘電体層と導波管内部との界面までの距離を誘電体層を伝送する電磁波の波長の１／４に設定することにより、スロットから放射され、誘電体層と導波管内部との界面で反射して同一面接地導体層で再度反射して界面に到達した反射波と、スロットから直接界面まで伝送してきた電磁波（直接波）との行路差が電磁波の波長の１／２と等しくなり、反射波の磁界が誘電体層と導波管内部との界面で反射する際に位相が反転することから、界面では直接波と反射波が同位相になって強め合い、導波管へ伝播していくこととなる。
【０００７】
すなわち、スロットと導波管との間に介在する、厚さを電磁波の波長の１／４に設定した誘電体層は、インピーダンスが互いに異なるスロットと導波管との整合器として機能することになる。
【特許文献１】特開２００４−３２３２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記従来の高周波線路−導波管変換器は、高周波線路からスロットを介して導波管へ電磁波が透過する以外に、高周波線路からスロットを介さず、直接導波管側へ電磁波が漏れ、それが共振現象を発生させることによって、高周波線路における伝送モードと導波管における伝送モードとの間の変換効率が低下するという問題点を有していた。
【０００９】
本発明は上記問題点を鑑み案出されたもので、その目的は変換効率の高い高周波線路−導波管変換器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の高周波線路−導波管変換器は、誘電体層の上面に形成された線路導体および前記誘電体層の上面で前記線路導体の一端部を取り囲むように形成された同一面接地導体層から成る高周波線路と、前記同一面接地導体層に前記線路導体の前記一端部と直交するように形成されて前記線路導体と電磁的に結合されたスロットと、前記誘電体層の内層に形成され、平面透視して前記スロットを取り囲む貫通穴を有する枠状の内部接地導体層と、平面透視して前記貫通穴を取り囲むように前記誘電体層の内部または側面に配されたシールド導体部と、前記誘電体層の下面側に開口を前記貫通穴に対向させて配され、前記シールド導体部と電気的に接続された導波管とを具備する高周波線路−導波管変換器であって、平面透視して前記線路導体と前記スロットとの結合部側における前記スロットと前記貫通穴との距離をＬ１および前記スロットと前記シールド導体部との距離をＬ２とし、さらに前記高周波線路により伝送される高周波信号の実効波長をλとしたときに、Ｌ１≦λ／４、かつ（Ｌ２−Ｌ１）≦λ／４としたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の高周波線路−導波管変換器は、平面透視して線路導体とスロットとの結合部側におけるスロットと貫通穴との距離をＬ１およびスロットとシールド導体部との距離をＬ２とし、さらに高周波線路により伝送される高周波信号の実効波長をλとしたときに、Ｌ１≦λ／４、かつ（Ｌ２−Ｌ１）≦λ／４としたことから、スロットと貫通穴との間、および貫通穴と導波管との間において電磁波が漏れるのを有効に抑制することができる。その結果、その漏れた電磁波が共振現象を発生させるのを有効に抑制し、高周波線路と導波管との間における反射損失を抑えることにより高周波線路−導波管変換器の変換効率を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明を添付図面に基づき詳細に説明する。
【００１３】
図１は本発明の高周波線路−導波管変換器の実施の形態の一例を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）の高周波線路−導波管変換器のＡ−ＡＡ線における断面図である。図１において、１は高周波線路、２は誘電体層、３は線路導体、４は同一面接地導体層、５は同一面接地導体層４に形成されたスロット、６は導波管、７はシールド導体部、９は内部接地導体層、９’は内部接地導体層９に形成された貫通穴である。
【００１４】
これら本発明の高周波線路−導波管変換器の例においては、誘電体層２と、誘電体層２の上面に配された線路導体３と、線路導体３の一端部を取り囲むように同一面（誘電体層２の上面）に配された同一面接地導体層４とによって高周波線路１としてのコプレーナ線路が形成されている。また、誘電体層２の上面の同一面接地導体層４には線路導体３の一端部と直交するように形成されたスロット５が配されており、高周波線路１の一端と電磁気的に結合されている。これにより、高周波線路１に伝送された高周波信号は、スロット５から、誘電体層２の下面側に開口を線路導体３の一端部およびスロット５に対向させて配され、下方に延びるように配置された導波管６内に電磁波として放射される。
【００１５】
また誘電体層２には、線路導体３の一端部およびスロット５を取り囲むようにして、図１の例に示すように誘電体層２の内部または側面に配されたシールド導体部７によりシールドされており、スロット５から誘電体層２に放射された電磁波および誘電体層２と導波管６との境界で反射した電磁波が漏れ出すことを防ぎ、変換効率が低下することを防止している。
【００１６】
また、高周波線路とスロットとが同一面内に形成されることとなり、その結果、両者の相対的な位置関係が変動しにくく、スロットに対する高周波線路の突出部分であるスタブの長さのばらつきを小さくすることができるため、電磁結合の特性のばらつきを小さくすることができる。
【００１７】
本発明の高周波線路−導波管変換器は、平面透視して線路導体３とスロットとの結合部側におけるスロット５と貫通穴９’との距離をＬ１およびスロット５とシールド導体部７との距離をＬ２とし、さらに高周波線路１により伝送される高周波信号の実効波長をλとしたときに、Ｌ１≦λ／４、かつ（Ｌ２−Ｌ１）≦λ／４としている。これにより、スロット５と貫通穴９’との間、および貫通穴９’と導波管６との間において電磁波が漏れるのを有効に抑制することができる。その結果、その漏れた電磁波が共振現象を発生させるのを有効に抑制し、高周波線路１と導波管６との間における反射損失を抑えることにより高周波線路−導波管変換器の変換効率を高めることができる。
【００１８】
誘電体層２を形成する誘電体材料としては、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。
【００１９】
線路導体３，同一面接地導体層４，貫通導体等から成るシールド導体部７，内部接地導体層９を形成する導体材料としては、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】
特に、高周波線路−導波管変換器を、高周波部品を搭載する配線基板に内蔵する場合は、誘電体層２を形成する誘電体材料としては、誘電正接が小さく、かつ気密封止が可能であることが望ましい。特に望ましい誘電体材料としては、酸化アルミニウム，窒化アルミニウム，ガラスセラミック材料の群から選ばれる少なくとも１種の無機材料が挙げられる。このような硬質系材料で構成すれば、誘電正接が小さく、かつ搭載した高周波部品を気密に封止することができるので、搭載した高周波部品の信頼性を高める上で好ましい。この場合、導体材料としては、誘電体材料との同時焼成が可能なメタライズ導体を用いることが、気密封止性と生産性の上で望ましい。
【００２１】
本発明の高周波線路−導波管変換器は以下のようにして作製される。例えば誘電体材料に酸化アルミニウム質焼結体を用いる場合であれば、まず酸化アルミニウム，酸化珪素，酸化マグネシウム，酸化カルシウム等の原料粉末に適当な有機溶剤，溶媒を添加混合してスラリー状にし、これを従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法によりシート状に成形してセラミックグリーンシートを作製する。また、タングステンやモリブデン等の高融点金属，酸化アルミニウム，酸化珪素，酸化マグネシウム，酸化カルシウム等の原料粉末に適当な有機溶剤，溶媒を添加混合してメタライズペーストを作製する。
【００２２】
次に、セラミックグリーンシートに、例えば打ち抜き法によりシールド導体部７としての貫通導体を形成するための貫通孔を形成し、例えば印刷法により、その貫通孔にメタライズペーストを埋め込み、続いて線路導体３、スロット５を有する同一面接地導体層４の形状にメタライズペーストを印刷する。誘電体層２が複数の誘電体層の積層構造からなる場合には、これら導体が埋め込み，印刷されたセラミックグリーンシートを積層し、加圧して圧着し、高温（約１６００℃）で焼成する。さらに、線路導体３、同一面接地導体層４等の表面に露出する導体の表面には、ニッケルめっきおよび金めっきを被着させる。
【００２３】
シールド導体部７は線路導体３の一端部およびスロット５を取り囲むように誘電体層２の側面または内部に配され、同一面接地導体層４に電気的に接続されて接地される。
【００２４】
なお、シールド導体部７を構成するシールド用貫通導体は、貫通孔の内壁に導体層が被着されたいわゆるスルーホール導体であってもよく、貫通孔の内部が導体で充填されたいわゆるビア導体であってもよい。また、シールド導体部７は誘電体層２の側面に形成された側面導体やキャスタレーション導体でもよい。
【００２５】
導波管６の形状は特に制約はなく、例えば方形導波管として規格化されているＷＲシリーズを用いると、測定用校正キットが充実しているので種々の特性評価が容易になるが、使用する高周波信号の周波数に応じてシステムの小型軽量化のために導波管のカットオフが発生しない範囲で小型化した方形導波管を用いてもよい。また、円形導波管を用いてもよい。
【００２６】
導波管６は、金属で構成し、管内壁を電流による導体損低減や腐食防止のために金，銀等の貴金属で被覆するとよい。また、樹脂を必要な導波管形状に成型し、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。導波管６の高周波線路−導波管変換器への取り付けは、ろう材による接合やねじによる締め付け等によって行なわれる。
【００２７】
ろう材による接合によって導波管６を高周波線路−導波管変換器へ取り付けるためには、同一面接地導体層４およびシールド導体部７と電気的に接続された導波管接続用導体を、取り付けられる導波管６の開口に合わせて形成しておくとよい。例えば、図１に示したように、誘電体層２の下面にシールド用貫通導体から成るシールド導体部７と接続されたメタライズ層から成る導波管接続用導体１０を形成しておくとよい。このような導波管接続用導体１０を形成しておくと、導波管６を高周波線路−導波管変換器へ取り付けた際の導波管６とシールド導体部７および同一面接地導体層４との電気的接続がより確実なものとなるので、信頼性の高い高周波線路−導波管変換器を構成することができる点で好ましいものとなる。
【００２８】
導波管接続用導体１０は、前述の作製方法において、線路導体３および同一面接地導体層４の形成と同様に、導波管接続用導体１０の形状にメタライズペーストを印刷することにより同時に形成すればよい。さらに、線路導体３や同一面接地導体層４等の表面に露出する導体と同様に、その表面にニッケルめっきおよび金めっきを被着させると、ろう材による接合の場合のろう材の濡れ性が向上するので、より好ましいものとなる。
【実施例】
【００２９】
本発明の高周波線路−導波管変換器の実施例を以下に説明する。
【００３０】
まず、比誘電率が８．６からなるアルミナセラミックスから成り、厚みが１．９ｍｍの誘電体層２の内部に高周波線路１として特性インピーダンスが５０Ωとなるような線路導体３および同一面接地導体層４を形成した。さらに、同一面接地導体層４に線路導体３に直交するように、線路導体３の線路方向の長さが０．１ｍｍ、線路導体３に直交する方向の長さが３．１ｍｍのスロット５を形成した。
【００３１】
また、平面透視したときの線路導体３とスロットとの結合部側におけるスロット５と貫通穴９’との距離Ｌ１、およびスロット５とシールド導体部７との距離Ｌ２を、（Ｌ１、Ｌ２）＝（２．１３ｍｍ、２．１３ｍｍ）、（１．０６ｍｍ、２．１３ｍｍ）、（１．０６ｍｍ、１．０６ｍｍ）と変化させた。
【００３２】
ここで、接続する導波管６をＷＲ−４２（１８ＧＨｚ〜２６．５ＧＨｚ）に設定し、高周波３次元構造シミュレータ（Ａｎｓｏｆｔ社製ＨＦＳＳ）を用いてλ＝２４ＧＨｚを中心周波数として設計した。
【００３３】
その結果、Ｌ１≦λ／４、かつ（Ｌ２−Ｌ１）≦λ／４に相当する、（Ｌ１、Ｌ２）＝（１．０６ｍｍ、１．０６ｍｍ）の組合せの場合のみにおいては、反射損失Ｓ１１≦−１５ｄＢと高周波モジュールを製作する上で実用的な反射損失が得られることが確認された。
【００３４】
なお、本発明は以上の実施の形態の例および実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば、種々の変更を行なっても差し支えない。
【００３５】
例えば、図１では高周波線路１がコプレーナ線路構造の場合の例を示したが、誘電体層２の上にさらに誘電体層を積層し、この誘電体層の上面に線路導体３を覆うように上面接地導体層を設けたグランド付きコプレーナ線路構造としてもよく、いずれの場合であっても誘電体層２、線路導体３、同一面接地導体層４、スロット５、導波管６、シールド導体部７の位置関係を図１に示す例と同様にすることにより、同様の効果を得ることができる。
【００３６】
また、図１ではシールド導体部７は複数の貫通導体の場合の例を示したが、誘電体層２を小さくし側面に導体層を形成したり、導波管６を高周波線路−導波管変換器側に延長することにより導波管６をシールド導体部としても構わない。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】（ａ）は本発明の高周波線路−導波管変換器の実施の形態の一例を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）の高周波線路−導波管変換器のＡ−ＡＡ線における断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１：高周波線路
２：誘電体層
３：線路導体
４：同一面接地導体層
５：スロット
６：導波管
７：シールド導体部
９：内部接地導体層
９’：貫通穴
【図１】
2006295306.tif 000003