(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および線路導体３の中央部側の一端部を取り囲む同一面接地導体層４から成る高周波線路１と、線路導体３と電磁的に結合されたスロット５と、誘電体層２の下面に形成された枠状の下部接地導体層１０と、平面透視してスロット５を取り囲むように形成された複数のシールド導体７とを具備する高周波線路−導波管変換器において、誘電体層２の端面の線路導体３の両側に下部接地導体層１０に電気的に接続されたキャスタレーション導体１２を設けるとともに、誘電体層２の上面で同一面接地導体層４の外側に位置する線路導体３の両側に独立したインピーダンス整合用パッド１３を設けた。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体層の上面の外周部から中央部にかけて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前記中央部側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、前記誘電体層の下面に、平面透視して前記スロットを取り囲むように形成された枠状の下部接地導体層と、平面透視して前記スロットを取り囲むとともに前記同一面接地導体層と前記下部接地導体層とを電気的に接続するように形成された複数のシールド導体とを具備する高周波線路−導波管変換器において、前記誘電体層の端面の前記線路導体の両側に前記下部接地導体層に電気的に接続されたキャスタレーション導体を設けるとともに、前記誘電体層の上面で前記同一面接地導体層の外側に位置する前記線路導体の両側に独立したインピーダンス整合用パッドを設け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またはグランド付き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複数のシールド導体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、このような従来の構成では、高周波線路−導波管変換器の変換特性を測定しようとすると、デバイスを線路導体に電気的に接続してモジュール化してからでないと良否を判定することができず、高周波線路−導波管変換器の変換特性が低い不良品があった場合、高周波線路−導波管変換器とデバイスとを具備したモジュール全体が無駄になり、組立て歩留まりが悪くなるという問題点があった。
【０００９】
また、デバイスを搭載する際に、高周波−導波管変換器とデバイスとのインピ−ダンスが不整合となって変換特性が悪くなり、歩留まりが悪化するという問題点も有していた。
【００１０】
本発明は上記問題点に鑑み案出されたもので、その目的は、変換特性が良好で歩留まりの高い高周波線路−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】
【００１１】
本発明の高周波線路−導波管変換器は、誘電体層の上面の外周部から中央部にかけて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前記中央部側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、前記誘電体層の下面に、平面透視して前記スロットを取り囲むように形成された枠状の下部接地導体層と、平面透視して前記スロットを取り囲むとともに前記同一面接地導体層と前記下部接地導体層とを電気的に接続するように形成された複数のシールド導体とを具備する高周波線路−導波管変換器において、前記誘電体層の端面の前記線路導体の両側に前記下部接地導体層に電気的に接続されたキャスタレーション導体を設けるとともに、前記誘電体層の上面で前記同一面接地導体層の外側に位置する前記線路導体の両側に独立したインピーダンス整合用パッドを設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の高周波線路−導波管変換器は、誘電体層の端面の線路導体の両側に下部接地導体層に電気的に接続されたキャスタレーション導体を設けるとともに、誘電体層の上面で同一面接地導体層の外側に位置する線路導体の両側に独立したインピーダンス整合用パッドを設けたことから、高周波線路−導波管変換器の線路導体にデバイスを電気的に接続する前において、プローブをキャスタレーション導体の上端および線路導体に接続させることによって容易かつ精度良く変換特性の評価を行なうことができる。よって、デバイスが無駄になるのを有効に防止し、組立て歩留まりを向上させることができる。
【００１３】
また、高周波線路−導波管変換器の線路導体にデバイスを電気的に接続した際に、高周波−導波管変換器とデバイスとのインピ−ダンスが不整合となったとしても、インピーダンス整合用パッドと線路導体とをワイヤやリボンなどで電気的に接続することにより、インピーダンスの整合を行なって特性改善が可能となり、製造歩留まりを向上させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
次に、本発明を添付資料に基づき詳細に説明する。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、図１（ｂ）は図１（ａ）の高周波線路−導波管変換器のＡ−Ａ’線断面図である。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、１０は下部接地導体層、１２はキャスタレーション導体、１３はインピーダンス整合用パッドであり、主にこれらにより高周波線路−導波管変換器が形成される。
【００１５】
線路導体３は誘電体層２の上面の外周部から中央部にかけて形成されているとともに、誘電体層２の下面に下部接地導体層１０が形成されており、この線路導体３と、下部接地導体層１０とによってマイクロストリップ線路から成る高周波線路１が形成されている。また、同一面接地導体層４は誘電体層２の上面で線路導体３の中央部側の一端部を取り囲むように形成され、この同一面接地導体層４にはスロット５が設けられており、線路導体３の一端と電磁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から電磁波として、下方に延びるように配置された導波管６内に放射される。
【００１６】
また、誘電体層２は、その側面に形成された側面導体または図１のような誘電体層２の内部に配された貫通導体から成る複数のシールド導体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中に放射された電磁波や下部接地導体層の下側主面と導波管６内部との界面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。なお、複数のシールド導体７は、平面視でスロット５を取り囲むように一定間隔（高周波線路１を伝送する信号の波長の１／４倍以下）を空けて形成されている。
【００１７】
また、誘電体層２の内層には平面透視してスロット５を取り囲むように形成された枠状の内部設置導体層８が配され、この同一面接地導体層４と内部接地導体層８がシールド導体７で接続されていてもよい。
【００１８】
このような多層構造とすることにより、誘電体層２に生じる共振モードであるＴＭモードの最も磁界が強い、導波管６の内部に接している下側の誘電体層２と、高周波線路１が形成された上側の誘電体層２とを内部接地導体層８によって分離することができるので、高周波線路１を伝送する電磁界モードであるＴＥモードとＴＭモードとが結合して高周波線路１を伝送する信号エネルギーがＴＭモードへ移行するのを有効に防止することができる。その結果、共振による信号反射を有効に防止して高周波線路１から導波管６への良好な信号変換を行なうことができる。
【００１９】
また、本発明の高周波線路−導波管変換器は、誘電体層２の端面の線路導体３の両側に下部接地導体層１０に電気的に接続されたキャスタレーション導体１２が設けられている。これにより、高周波線路−導波管変換器の線路導体３にデバイスを電気的に接続する前において、プローブをキャスタレーション導体１２の上端に形成されたパッド１４および線路導体３に接続させることによって容易かつ精度良く変換特性の評価を行なうことができる。よって、デバイスが無駄になるのを有効に防止し、組立て歩留まりを向上させることができる。
【００２０】
なお、キャスタレーション導体１２は、下部接地導体層１０を誘電体層２の上面に導出できればよく、誘電体層２の側面に設けた溝の内面に導体を被着させたものや誘電体層２の側面に導体を被着させた側面導体、誘電体層２を貫通して成る貫通導体等、種々の手段が用いられる。
【００２１】
さらに、本発明の高周波線路−導波管変換器は、誘電体層２の上面で同一面接地導体層４の外側に位置する線路導体３の両側に独立したインピーダンス整合用パッド１３が設けられている。これにより、高周波線路−導波管変換器の線路導体３にデバイスを電気的に接続した際に、高周波−導波管変換器とデバイスとのインピ−ダンスが不整合となったとしても、インピーダンス整合用パッド１３と線路導体３とをワイヤやリボンなどで電気的に接続することにより、インピーダンスの整合を行なって特性改善が可能となり、製造歩留まりを向上させることが可能となる。
【００２２】
インピーダンス整合用パッド１３は独立した導体であり、１つでもよく、複数形成されていてもよい。このインピーダンス整合用パッド１３は他の導体とは接続されておらず、単独で誘電体層２上に独立して形成されており、電気的な接続を行なわない場合は高周波線路１のインピーダンスに影響はないものであるが、ワイヤやリボン等で線路導体３と電気的な接続を行なうことにより高周波線路１のインピーダンスを変化させることができる。そして、複数個のインピーダンス整合用パッド１３を形成しておけば、高周波線路１のインピーダンスを種々変化させることが可能となる。
【００２３】
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、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。
【００２４】
線路導体３，同一面接地導体層４，貫通導体等のシールド導体７，内部接地導体層８，下部接地導体層１０，キャスタレーション導体１２，インピーダンス整合用パッド１３など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。
【００２５】
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、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。このような誘電体材料としては、酸化アルミニウム質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体などのセラミックスやガラスセラミック材料が挙げられる。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を高める上で望ましい。
【００２６】
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。
【００２７】
次に、誘電体層２となる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７やキャスタレーション１２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や同一面接地導体層４，内部接地導体層８，下部接地導体層１０，インピーダンス整合用パッド１３の形状にメタライズペーストを印刷する。また、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、同様にメタライズペーストが印刷されたり貫通孔に埋め込まれたセラミックグリーンシートを積層し、加圧して圧着してもよい。
【００２８】
そして、この誘電体層２となるセラミックグリーンシートをそれぞれ高温（約１６００℃）で焼成する。さらに、必要に応じて、線路導体３や同一面接地導体層４，下部接地導体層１０，キャスタレーション１２，インピーダンス整合用パッド１３等のように上下面に露出する導体の表面に、例えば、ニッケルめっきおよび金めっきを被着させる。
【００２９】
本発明のシールド導体７は、スロット５を取り囲むよう誘電体層２の側面または内部に配され、同一面接地導体層４と内部接地導体層８と下部接地導体層１０とを電気的に接続している。
【００３０】
なお、シールド導体７は、同一面接地導体層４と内部接地導体層８と下部接地導体層１１とを電気的に接続できれば良く、側面導体や貫通導体等、種々の手段が用いられる。例えば、誘電体層２の側面に被着された導体や、誘電体層２の側面の切り欠き部の内壁に導体層が被着された導体、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、貫通孔の内部が導体で充填されたいわゆるビア導体などが挙げられる。
【００３１】
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。
【００３２】
導波管６は、金属または内面に金属層が形成された誘電体等で構成することができ、例えば、金属を管状に成型したり、セラミックスや樹脂等の誘電体を必要な導波管形状に成型した後に内面を金属で被覆したものが用いられる。なお、電流による導体損低減や腐食防止のために導波管６の内面を金，銀等の貴金属で被覆するとよい。導波管６の下部接地導体層１０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、導波管６と下部接地導体層１０とが電気的に接続される。
【００３３】
本発明のスロット５の線路導体３に直交する方向の長さは、高周波線路１を伝送する信号の波長以下であるのがよい。また、スロット５の線路導体３に平行な方向の幅は、高周波線路１を伝送する信号の波長の１／２倍以下であるのがよい。これにより、高周波線路１から導波管６へ電磁波を良好に放射することができる。
【００３４】
また、内部接地導体層８の開口形状は、スロット５と相似形であるのがよく、内部接地導体層８の開口面積はスロット５の開口面積の５〜３０倍であるのがよい。これにより、高周波線路１から導波管６へのインピーダンスの急激な変化を緩和して、電磁波を良好に伝送することができる。
【００３５】
また、誘電体層２の内部に内部接地導体層８がない場合、誘電体層２の厚み、すなわち、高周波線路１と下部接地導体層１０との間の間隔は、高周波線路１を伝送する信号の波長の１／２倍以下であるのがよい。また、誘電体層２の内部に内部接地導体層８がある場合、最下層の誘電体層２の厚み、すなわち、内部接地導体層８と下部接地導体層１０との間の間隔は、高周波線路１を伝送する信号の波長の１／２倍以下であるのがよい。これにより、スロット５から放射されて、誘電体層２の下面と導波管６内部との界面で反射し、誘電体層２上面や内部接地導体層８で再度反射して再び誘電体層２の下面と導波管６内部との界面に戻ってきた反射波と、スロット５から直接誘電体層２の下面と導波管６内部との界面まで伝送してきた直接波とを同位相にすることができ、反射波と直接波とが強め合うために高周波線路１から導波管６への変換効率をより高めることができる。
【００３６】
また、線路導体３の両側に形成されたキャスタレーション導体１２同士の間隔は０．３５ｍｍ〜０．６ｍｍであるのがよい。これにより、設計の段階で、キャスタレーション導体１２のエッジ効果を考慮した設計が可能となり、かつ高周波プローブが、直接コンタクトできることにより、デバイス搭載後に評価しなくとも事前に特性を確認できるので、製造歩留まりを向上させることができる。
【００３７】
また、図２に本発明の高周波線路−導波管変換器の実施の形態の他の例の断面図を示す。このように本発明の高周波線路−導波管変換器は、誘電体層２の下面の導波管６の内側に位置する部位に誘電体板１５を設けてもよい。
【００３８】
これにより、誘電体層２に生じる共振モードであるＴＭモードの最も磁界が強い、導波管６の内部に接している誘電体板１５と、高周波線路１が形成された誘電体層２とを下部接地導体層１０によって分離することができるので、高周波線路１を伝送する電磁界モードであるＴＥモードとＴＭモードとが結合して高周波線路１を伝送する信号エネルギーがＴＭモードへ移行するのを有効に防止することができる。その結果、共振による信号反射を有効に防止して高周波線路１から導波管６への良好な信号変換を行なうことができる。
【００３９】
さらに、誘電体板１５の周囲を導波管６で隙間無く覆っているので、導波管６により接地性をより良好にすることができ、誘電体板１５中を伝送する電磁波の伝送性をより良好にすることができる。
【００４０】
誘電体板１５は誘電体層２と一体化していてもよく、図２のように別の誘電体板１５を接合してもよい。このように別の誘電体板１５を接合する場合、誘電体板１５の上面に枠状の上側接地導体層１６を形成し、誘電体板１５の下面に枠状の下側接地導体層１７を形成し、上側接地導体層１６と下部接地導体層１０とをＡｕ−Ｓｎろう材等でろう付けすることにより接合できる。
【００４１】
このように別の誘電体板１５を誘電体層２に接合する場合、これらを一体に作製したものに比べ、所望の厚みに調整した誘電体板１５を接合させるだけでよく、誘電体板１５の厚みばらつきが生じて不良となるのを有効に防止して製造歩留まりを向上させることができるとともに、誘電体板１５の厚みを非常に精度のよいものとすることができる。その結果、スロット５から放射されて誘電体板１５の下面と導波管６内部との界面で反射し、下部接地導体層１０で再度反射して再び誘電体板１５の下面と導波管６内部との界面に戻ってきた反射波と、スロット５から誘電体板１５の下面と導波管６内部との界面まで伝送してきた直接波との行路差がばらつくのを有効に防止し、直接波と反射波とが重なって導波管６に導波される電磁波の伝送性のばらつきをきわめて小さくすることができる。
【００４２】
なお、本発明は以上の実施の形態の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。
【００４３】
例えば、図１，図２では高周波線路１がマイクロストリップ線路構造の場合の例を示したが、たとえば第一の誘電体層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を覆うように接地導体層を設けたグランド付きコプレーナ線路、もしくはコプレーナ構造としてもよく、誘電体層２，１０、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７、下部接地導体層８、上部接地導体層９、キャスタレーション１２の位置関係を図１や図２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。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【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例を示す平面図、（ｂ）は、（ａ）の高周波線路−導波管変換器のＡ−Ａ’線における断面図である。
【図２】本発明の高周波線路−導波管変換器の実施の形態の他の例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４５】
１・・・・・高周波線路
２・・・・・誘電体層
３・・・・・線路導体
４・・・・・同一面接地導体
５・・・・・スロット
６・・・・・導波管
７・・・・・シールド導体
１２・・・・キャスタレーション
１３・・・・インピーダンス整合用パッド
【図１】
2006279473.tif 000003
【図２】
2006279473.tif 000004