(57)【要約】【目的】  誘電体導波管スイッチを、電気的に切り替えられる素子を用いて、容易に実現できる構造を提供する。【構成】誘電体基板の表面に、該誘電体基板を挟んで対向するように形成された第１の導体層と第２の導体層と、前記第１の導体層と第２の導体層とを接続する導体により構成された誘電体導波管構造と、前記誘電体導波管構造の内部に、前記第１の導体層と第２の導体層とを結ぶように設けられたビアホールと、前記第１の導体層と第２の導体層のいずれかの前記ビアホールの周囲に形成され、前記ビアホールと形成されている導体層とを隔てるスリットと、前記ビアホールと、前記スリットが形成されている導体層との電気的な接続を切替えるスイッチ素子とを有する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体基板の表面に、該誘電体基板を挟んで対向するように形成された第１の導体層と第２の導体層と、
前記第１の導体層と第２の導体層とを接続する導体により構成された誘電体導波管構造と、
前記誘電体導波管構造の内部に、前記第１の導体層と第２の導体層とを結ぶように設けられたビアホールと、
前記第１の導体層と第２の導体層のいずれかの前記ビアホールの周囲に形成され、前記ビアホールと形成されている導体層とを隔てるスリットと、
前記ビアホールと、前記スリットが形成されている導体層との電気的な接続を切替えるスイッチ素子とを有することを特徴とする誘電体導波管型スイッチ。
【請求項２】
請求項１に記載の誘電体導波管型スイッチにおいて、
前記ビアホールと、前記スリットが形成されている導体層との間に設けられた導体片を有することを特徴とする記載の誘電体導波管型スイッチ。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の誘電体導波管型スイッチにおいて、
前記スイッチ素子が、ダイオードであることを特徴とする誘電体導波管型スイッチ。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載の誘電体導波管型スイッチにおいて、
前記スイッチ素子が、ＭＥＭＳであることを特徴とする誘電体導波管型スイッチ。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の誘電体導波管型スイッチにおいて、
前記スイッチ素子が、フリップチップ実装されていることを特徴とする誘電体導波管型スイッチ。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の誘電体導波管スイッチが複数個組み合わされたスイッチングモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘電体導波管スイッチとこれを組み合わせたスイッチングモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
広い通信可能エリアを確保しつつ、電力を効率良く送信するために、１つの指向性の高いアンテナを機械的に走査する方法や、複数の指向性の高いアンテナを電気的に切り替える方法が採られる。非特許文献１（1997 Topical Symposium on Millimeter Waves Proceedings, pp. 115-118）には、４つのアンテナをスイッチにより電気的に切り替える構成が記載されている。
【０００３】
非特許文献１に開示される構成では、給電ポートから入力された信号は分配され、マイクロストリップ線路を介して４つのアンテナまで伝送される。各アンテナの近傍のマイクロストリップ線路内には、スイッチが設けられ、信号を空間に放射するアンテナを切り替えている。この際、各アンテナまでのマイクロストリップ線路の長さは、レイアウト上、どうしても大きくなってしまう（上記例の場合にはおよそ１０ｃｍ）。このように、伝送線路としてマイクロストリップ線路等の平面線路を使用すると、例えば、０．１５ｍｍ厚のアルミナ基板上に形成した５０Ωのマイクロストリップ線路の場合、給電損失は、６０ＧＨｚでは０．０６ｄＢ／ｍｍ（１０ｃｍの場合、６ｄＢ）にもなる。このため、損失を補償するために付加的な増幅器が必要になるといった課題や、受信系の場合には、損失を補償できても最小受信感度は低下するため、通信可能距離が短くなるといった課題があった。
【０００４】
一方、ミリ波帯等の高周波においても低損失な伝送線路には、特許文献１（特開平６−５３７１１号公報）に開示されるような、回路基板内に形成できる誘電体導波管がある。従来から使用されている矩形金属導波管の場合には、特許文献２（実開昭６３−０４４５０１号公報）に開示されるように、上下Ｈ面を電気的に接続するスイッチング素子を内蔵し、オン／オフを切り替えることで、導波管スイッチを構成することができる。しかしながら、誘電体導波管の場合には、金属導波管の場合と異なり、加工の点からスイッチング素子を内蔵することが難しいという課題があった。
【特許文献１】特開平６−５３７１１号公報
【特許文献２】実開昭６３−０４４５０１号公報
【非特許文献１】1997 Topical Symposium on Millimeter Waves Proceedings, pp. 115-118
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した従来技術のうち、非特許文献１に開示される技術では、寸法が大きくなり、給電損失も大きくなる。このため、損失を補償するために付加的な増幅器が必要になるといった課題や、受信系の場合には、損失を補償できても最小受信感度は低下するため、通信可能距離が短くなるという問題点がある。
【０００６】
特許文献１に開示されるような、回路基板内に形成できる誘電体導波管の場合には、特許文献２に開示されるような金属導波管の場合と異なり、加工の点からスイッチング素子を内蔵することが難しく製造が困難であるという問題点がある。
【０００７】
本発明は上述したような従来の技術が有する問題点に鑑みてなされたものであって、低損失であり製造が容易な誘電体導波管スイッチとこれを用いたスイッチングモジュールを実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の誘電体導波管型スイッチは、誘電体基板の表面に、該誘電体基板を挟んで対向するように形成された第１の導体層と第２の導体層と、
前記第１の導体層と第２の導体層とを接続する導体により構成された誘電体導波管構造と、
前記誘電体導波管構造の内部に、前記第１の導体層と第２の導体層とを結ぶように設けられたビアホールと、
前記第１の導体層と第２の導体層のいずれかの前記ビアホールの周囲に形成され、前記ビアホールと形成されている導体層とを隔てるスリットと、
前記ビアホールと、前記スリットが形成されている導体層との電気的な接続を切替えるスイッチ素子とを有することを特徴とする。
【０００９】
この場合、前記ビアホールと、前記スリットが形成されている導体層との間に設けられた導体片を有することとしてもよい。
【００１０】
また、前記スイッチ素子が、ダイオードであるとしてもよい。
【００１１】
また、前記スイッチ素子が、ＭＥＭＳであるとしてもよい。
【００１２】
また、前記スイッチ素子が、フリップチップ実装されているとしてもよい。
【００１３】
本発明によるスイッチングモジュールは、上記のいずれかに記載の誘電体導波管スイッチが複数個組み合わされている。
【００１４】
上記のように構成される本発明において、スリットにより周囲の導体層と隔てられたビアホールは、スイッチ素子による電気的な接続状態により共振周波数が変化する共振器として作用するものとなる。共振周波数を変化させ、所望の周波数帯において、信号の通過と反射を切り替えることが可能となる。このように、低損失な伝送線路である誘電体導波管構造と共振器を用いたスイッチ構造が組み合わされるため、極めて低損失なスイッチ素子となる。また、スイッチングを行なうためのスイッチ素子を表面実装によるものとすることにより製造も容易なものとなる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、誘電体導波管スイッチにおいて、誘電体導波管の内部に形成したビアホールと導体パッドとから成る共振器に、電気的に切り替えられる素子を誘電体導波管の外部で接続することにより、低損失であり製造が容易な誘電体導波管スイッチとこれを用いたスイッチングモジュールを実現すること可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
次に、本発の実施例について図面を参照して説明する。
【００１７】
図１に本発明による誘電体導波管スイッチの一実施例の構造を示す図であり、図１（ａ）は斜視図、図１（ｂ）は上面図、図１（ｃ）は、図１（ａ）中の一点鎖線Ａ−Ａ'における断面図である。
【００１８】
図１に示される誘電体導波管スイッチは、誘電体基板１の両面にグランド導体層２ａ、２ｂが形成され、グランド導体層２ａ、２ｂ間がビアホール列３ａで接続されることで、誘電体導波管構造４が構成されている。
【００１９】
誘電体導波管構造４の中央部のグランド導体層２ａにスリット５を形成することにより、グランド導体層２ａから分離された導体パッド６が形成されている。導体パッド６と裏面グランド導体層２ｂとはビアホール３ｂにより接続され、これにより、共振器７が構成されている。
【００２０】
共振器７の共振周波数は、主に、導体パッド６の大きさとビアホール３ｂの大きさ（径、長さ）によって決定される。また、共振器７と誘電体導波管４との結合は、誘電体導波管構造４内に形成されたビアホール３ｃによって調整される。さらに、導体パッド６とグランド導体層２ａとをダイオード８で電気的に接続する。ダイオード８は外部からのスイッチングによりその導通状態を制御可能なものであり、パッド６とグランド導体層２ａと、それぞれバンプ９を介して接続される。これにより、誘電体導波管スイッチ１０が構成される。
【００２１】
通過を制御する信号の周波数をｆとし、ダイオード８がオフのときに誘電体導波管スイッチ１０がオンとなる（信号が通過する状態）構成とする場合、ダイオード８がオフとされている場合には、誘電体導波管スイッチ１０の共振周波数がｆとなり、周波数ｆの信号が通過するものとすればよい。この場合、ダイオード８がオンの場合には、共振周波数ｆが高周波側にシフトすることにより、周波数ｆの信号は反射され、誘電体導波管スイッチ１０はオフとなる。
【００２２】
ダイオード８がオンのときに誘電体導波管スイッチ１０もオンとなる構成とする場合、ダイオード８がオンとされている場合には、誘電体導波管スイッチ１０の共振周波数がｆとなり、周波数ｆの信号が通過するものとすればよい。この場合、ダイオード８がオフの場合には、共振周波数ｆが低周波側にシフトすることにより、周波数ｆの信号は反射され、誘電体導波管スイッチ１０はオフとなる。
【００２３】
ダイオード８がオンのときに誘電体導波管スイッチ１０もオンとなる構成とする場合には、誘電体導波管スイッチ１０がオンのときの共振周波数をより高い周波数で得ることができる。どちらを選択するかは、両者の性能を比較し、所望の性能が得られるように決めればよい。
【００２４】
また、図１に示した形態の誘電体導波管スイッチ１０では、ダイオードのオフがスイッチのオンとなる構成とする場合に、製造上の制約（導体パッド６とビアホール３ｂの大きさの制限）により、スイッチがオンとなる周波数を所望の周波数まで高くできない場合がある。その場合に、より高い周波数においてスイッチがオンとなる構成として、図２に示すように、導体パッド６とグランド導体層２ａとを、ストリップ導体１１で接続する構成がある。このような構成とした場合には、ストリップ導体１１により、共振器７の共振周波数は、スイッチがオフ時の共振周波数に近づくため、スイッチのオン／オフ比が小さくなるが、より高い周波数において、スイッチをオンとすることができる。
【００２５】
図６は、６０ＧＨｚ帯で動作する図１に示した誘電体導波管スイッチ１０の挿入損失を計算した結果を示す（ダイオードのオフをスイッチのオンとした場合）。誘電体導波管スイッチ１０がオンの時に、６０ＧＨｚで共振が起きており、信号が通過していることが分かる。ここでは、誘電体導波管スイッチ１０が１個の共振器７により、構成されている場合を示したが、所望の帯域が得られるように、複数個の共振器７により構成しても良い。
【００２６】
また、ダイオード８の代わりに、図３に示すように、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems） １２を電気的に切り替えることにより、ＭＥＭＳ１２を介して物理的に導体パッド６とグランド導体層２ａとを接続する構成としてもよい。
【００２７】
本実施例において、共振器７の表面にダイオード８やＭＥＭＳ１２などのスイッチ素子が実装される構成とされている。ダイオードやＭＥＭＳについては共振器を形成した後にフリップチップ実装することができるため、共振器を作成する工程とは独立に行なうことができ、この点から歩留まりのよいものとなっている。スイッチ素子としてダイオードを使用する場合には、様々な特性のものが存在するため、共振器の特性に合ったものを選択することが可能となる。ＭＥＭＳを用いる場合には、機械的な要素を含むスイッチングチングが可能となり、この点から共振器の特性に合ったものを選択することが可能となる。
【００２８】
図４は、誘電体導波管スイッチを４個用いて構成した１入力４出力の切り替え器の構成を示すブロック図である。
【００２９】
入力は２分配され、それぞれ、２個向かい合わせに接続された誘電体導波管スイッチ１０ａと１０ｂ、並びに、誘電体導波管スイッチ１０ｃと１０ｄの２組のスイッチ群に接続される。それぞれの組は、２個ともオフの組が、オンのスイッチを含む組に影響を与えないように、１／２波長の誘電体導波管４を介して接続されている。例えば、出力１に信号を伝送する場合には、誘電体導波管スイッチ１０ａをオン、誘電体導波管スイッチ１０ｂ、１０ｃ、１０ｄをオフにすれば良い。また、１入力４出力切り替え器は、図５に示すように、誘電体導波管スイッチを１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆの６個用いても構成できる。例えば、出力１に信号を伝送する場合には、誘電体導波管スイッチ１０ａ、１０ｅをオン、スイッチ１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｆをオフにすれば良い。この場合には、出力１に信号が伝送されるまでに、信号は２個のスイッチ（１０ａ、１０ｅ）を通過する。そのため、先述の構成に比べて、損失は大きくなるが、１／２波長の誘電体導波管４を含まないため、帯域が広くなる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明による実施の形態１を示す誘電体導波管スイッチの構成図であり、（ａ）はスイッチの斜視図、（ｂ）は上面図、（ｃ）は一点鎖線Ａ−Ａ'における断面図である。
【図２】本発明における共振器の第２の構成図である。
【図３】本発明における電気的に切り替える素子の第２の構成図である。
【図４】本発明による誘電体導波管スイッチを用いて構成した、第１の１入力４出力の切り替え器である。
【図５】本発明による誘電体導波管スイッチを用いて構成した、第２の１入力４出力の切り替え器である。
【図６】本発明による誘電体導波管スイッチの通過特性の計算結果である。
【符号の説明】
【００３１】
１  誘電体基板
２ａ、２ｂ  グランド導体層
３ａ、３ｂ、３ｃ  ビアホール
４  誘電体導波管
５  スリット
６  導体パッド
７  共振器
８  ダイオード
９  バンプ
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、
１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ  誘電体導波管スイッチ
１１  ストリップ導体
１２  ＭＥＭＳ
【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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