JP3975978B2 - 線路変換器、高周波モジュールおよび通信装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、マイクロ波帯またはミリ波帯で用いられる伝送線路の線路変換器、それを備えた高周波モジュールおよび通信装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、誘電体基板を用いて構成した平面回路と、立体的な空間内で電磁波を伝搬させる立体導波路との間で線路変換を行う線路変換器として、特許文献１、特許文献２が開示されている。
【０００３】
特許文献１の線路変換器は、導波管のＥ面で２分割された終端短絡導波管内に平面回路の一部として構成されているマイクロストリップ線路の端部を挿入し、２分割された終端短絡導波管で、誘電体基板に形成された溝を貫通して、その誘電体基板を挟み込んだ構造としている。
特許文献２の線路変換器は、終端短絡導波管の短絡面から所定距離だけ戻った位置で、電磁波伝搬方向に垂直な向きに誘電体基板を配置した構造としている。
【０００４】
【特許文献１】
特開昭６０−１９２４０１号公報
【特許文献２】
特開２００１−１１１３１０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、特許文献１の線路変換器では、誘電体基板に２分割した導波管の一部を貫通させるための貫通溝を形成する必要があり、アルミナなどのセラミック基板の場合に、その加工が困難となる。また、導波管の終端で生じる定在波による電界の集中した位置でマイクロストリップラインを結合させるが、その結合特性は、マイクロストリップラインを構成した誘電体基板と導波管との位置関係により決まる。そのため、結合特性は両者の組立精度に左右され、設計どおりの線路変換特性をバラツキなく得ることが困難であった。
【０００６】
特許文献２の線路変換器では、導波管の電磁波伝搬方向に対して垂直な向きに誘電体基板を配置するものであるため、導波管による立体導波路と誘電体基板による平面回路との位置関係の自由度が低く、導波管の電磁波伝搬方向に平行な向きに平面回路を配置することができないという問題があった。
【０００７】
この発明の目的は、立体導波路を伝搬する電磁波伝搬方向に平行な向きに平面回路を配置できるようにし、誘電体基板の加工を容易とし、誘電体基板に構成した平面回路と立体導波路との結合特性が，両者の組立精度に影響されぬようにし、設計どおりの線路変換特性を容易に得られるようにした線路変換器、それを備えた高周波モジュールおよび通信装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明は、立体的な空間内で電磁波を伝搬させる立体導波路と、平面が前記立体導波路のＥ面に平行であり、誘電体基板に所定の導体パターンを形成してなる平面回路とを備え、該平面回路と前記立体導波路との線路変換を行う線路変換器において、
前記立体導波路は、重ね合わさる上部導体板および下部導体板を備え、
前記下部導体板は立体導波路用溝と伝送線路用溝を有し、
前記上部導体板は前記下部導体板の立体導波路用溝に対向する位置に立体導波路用溝を有し、
前記上部導体板は、前記立体導体用溝から所定距離離れた位置で前記立体導波路の電磁波伝搬方向に対して平行に延びる空隙部によるチョークを有し、
前記誘電体基板は、該誘電体基板の上面と前記上部導体板との間に隙間を有して、前記上部導体板と下部導体板との間に配置され、
前記導体パターンは、前記誘電体基板の上面に形成された、前記立体導波路の遮断領域を構成する導体部分と、前記誘電体基板の下面に形成された、前記遮断領域で生じる定在波に電磁界結合する結合線路部分および該結合線路部分から連続して前記伝送線路用溝に沿った伝送線路部分と、を備えたことを特徴としている。
【０００９】
このように、立体導波路と平面回路上の伝送線路とを電磁界結合させるために必要な定在波を、誘電体基板に設けた導体部分により形成される遮断領域により発生させる構成としたため、立体導波路の遮断領域を構成する誘電体基板側の導体部分と、その遮断領域で生じる定在波に電磁界結合する結合線路部分との位置関係は、誘電体基板に対する導体パターンの形成精度のみによって定めることができる。そのため、立体導波路と平面回路との組立精度に左右されずに、安定した結合特性が得られ、設計どおりの線路変換特性が得られる。
【００１０】
また、この発明は、前記遮断領域を構成する導体部分を前記誘電体基板の両面に形成した接地導体としたことを特徴としている。
【００１１】
また、この発明は、前記伝送線路から所定距離離れた両脇または片脇に前記伝送線路に沿って配列した、誘電体基板を貫通する複数の導電路で、前記誘電体基板の両面に形成した接地導体間を導通させたことを特徴としている。
【００１３】
また、この発明は、前記線路変換器と、その線路変換器の平面回路および立体導波路にそれぞれつながる高周波回路とを備えたことを特徴としている。
【００１４】
また、この発明は、前記高周波モジュールを電磁波の送受信部に備えて通信装置を構成したことを特徴としている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
第１の実施形態に係る線路変換器の構成を図１〜図５を参照して説明する。
図１は、線路変換器の構成を示す図であり、（Ｃ）は上部導体板２および上部誘電体ストリップ７を取り除いた状態での平面図である。（Ａ）は上部導体板２を取り付けた状態での（Ｃ）におけるＡ−Ａ’部分の断面図、（Ｂ）は、同じく上部導体板２を取り付けた状態での（Ｃ）におけるＢ−Ｂ’部分の断面図である。
【００１６】
ここで、１は下部導体板、２は上部導体板、３は誘電体基板、６，７は誘電体ストリップである。この誘電体基板３を下部導体板１と上部導体板２との間、および誘電体ストリップ６，７の間に挟み込むように配置している。
【００１７】
図２は、図１に示した線路変換器の各部の構成を示す分解平面図である。（Ａ）は上部導体板２の上面図、（Ｂ）は誘電体基板３の上面図、（Ｃ）は誘電体基板３の下面側の導体パターンを示す図、（Ｄ）は下部導体板１の平面図である。
【００１８】
下部導体板１には立体導波路用溝Ｇ１１、上部導体板２には立体導波路用溝Ｇ２１をそれぞれ形成している。立体導波路用溝Ｇ１１には下部誘電体ストリップ６を嵌め込んでいる。立体導波路用溝Ｇ２１には上部誘電体ストリップ７を嵌め込んでいる。２つの導体板１，２を重ね合わせることによって、この２つの誘電体ストリップ６，７同士を対向させ、誘電体充填導波路（ＤＦＷＧ）（以下、単に「導波路」という。）を構成している。
【００１９】
この導波路の下部導体板１および上部導体板２に平行な面がＥ面（伝搬する電磁波のモードであるＴＥ１０モードの電界に対して平行な導体面）である。したがって、誘電体基板３は導波路のＥ面に平行で且つ導波路（下部導体板１と上部導体板２との間）の略中央位置に配置している。
【００２０】
導体板１，２はアルミニウムなどの金属板の切削加工により構成している。また、誘電体ストリップ６，７はフッ素樹脂の射出成形または切削加工により構成している。誘電体基板３はアルミナなどのセラミック基板から構成している。
【００２１】
誘電体基板３の下面（下部導体板１に面する側）には、伝送線路用導体用４ａおよびそれに続く結合線路用導体４ｋを形成している。誘電体基板３の上面（上部導体板２に面する側）には、接地導体５ｇを形成している。この誘電体基板３に形成した伝送線路用導体４ａと、それに対向する面の接地導体５ｇとによってマイクロストリップラインを構成している。
【００２２】
誘電体基板３の上面の接地導体５ｇには、図２（Ｂ）のＮで示すように切欠形状部を設けている。この切欠形状部Ｎに対向する結合線路用導体４ｋは、誘電体基板３、下部導体板１および上部導体板２によってサスペンデッドラインを構成している。誘電体基板３の下面側には、伝送線路用導体４ａおよび結合線路用導体４ｋを形成するとともに、これらの伝送線路から所定距離以上離れた領域に接地導体４ｇを形成している。
【００２３】
図２の（Ｄ）に示すように、下部導体板１には伝送線路用導体４ａに沿って伝送線路用溝Ｇ１２を形成している。この伝送線路用溝Ｇ１２によって上記マイクロストリップラインの開放面側に所定の空間を設けるとともに遮蔽している。
【００２４】
また、伝送線路用導体４ａおよび結合線路用導体４ｋから所定距離離れた両脇に、誘電体基板３の上下面の接地導体４ｇ−５ｇ間を導通させる複数の導通路（ビアホール）Ｖを配列している。このことにより、誘電体基板３を挟む上下の接地導体４ｇ，５ｇとによる平行平板間に生じる平行平板モードなどのスプリアスモードと伝送線路用導体４ａと接地導体５ｇとによるマイクロストリップラインのモードとの不要な結合を遮断する。また、結合線路用導体４ｋ、誘電体基板３および導体板１，２によるサスペンデッドラインのモードと上記スプリアスモードとの不要結合を遮断する。なお、この導通路（ビアホール）Ｖは、伝送線路用導体４ａおよび結合線路用導体４ｋから所定距離離れた片脇に配列してもよい。
【００２５】
さて、上述したように各種導体パターンを形成した誘電体基板３を２つの導体板１，２の間に挟み込んだ際、上記導波路の内部に、その導波路の電磁波伝搬方向に垂直な向きに結合線路用導体４ｋが挿入されるように、導体板１，２に対して誘電体基板３を配置する。この誘電体基板３には接地導体４ｇ，５ｇを形成していて、導波路内に接地導体４ｇ，５ｇの一部を挿入する。図１においてＳで示す部分の接地導体４ｇ，５ｇの存在により、導波路の遮断領域を構成している。すなわち、導波路の略中央位置にＥ面に平行な接地導体を形成することによって導波路をＥ面に平行な面で分割し、そのことによって導波路の遮断波長を短くし、導波路内部に遮断領域を形成している。具体的には、Ｓで示す部分がこの発明に係る遮断領域を構成する導体部分である。
【００２６】
上部導体板２には、図２の（Ａ）に示すように、立体導波路用溝Ｇ２１から導波路の電磁波伝搬方向に平行で且つ導波路から（立体導波路用溝Ｇ２１から）電磁波伝搬方向に対して左右の所定距離離れた位置にチョーク用溝Ｇ２２を形成している。そのため、導体板１，２を重ね合わせた状態で、その界面に生じる隙間が不連続部を構成するが、隙間から漏れようとする電磁波がこのチョーク用溝Ｇ２２の空間で開放される。図１の（Ｂ）において立体導波路の電磁波伝搬方向の左右についてそれぞれ、Ｃｏで示す部分とＣｓで示す部分との間隔を伝搬波長の略１／４波長としておけば、Ｃｏで示す部分が開放端であるので、Ｃｓで示す部分が等価的に短絡端となる。これにより、２つの導体板１，２を重ねたときに生じる隙間からの放射損失はほとんど生じない。
【００２７】
上記遮断領域を構成する導体部分Ｓと結合線路用導体４ｋとの位置関係は、誘電体基板３に対する導体パターンの寸法精度に依存している。誘電体基板に対する導体パターンの形成精度は、導体１，２に対する誘電体基板３の組立精度に比べてはるかに高精度である。したがって、遮断領域によって生じる立体導波路の定在波と結合線路用導体４ｋとの相対位置が常に設計通りに保たれる。その結果、導波路と平面回路との線路変換特性を常に設計通りに得ることができる。
【００２８】
次に、１つの設計例についてシミュレーションした結果を図３〜図５を基に説明する。
設計条件は次のとおりである。
周波数 ７６ＧＨｚ帯
立体導波路用溝Ｇ１１，Ｇ２１の幅 Ｗｇ＝１．２ｍｍ
立体導波路用溝Ｇ１１，Ｇ２１の深さ Ｈｇ＝０．９ｍｍ
誘電体ストリップ６，７の比誘電率 ２
誘電体ストリップ６，７の幅 Ｗｄ＝１．１ｍｍ
誘電体ストリップ６，７の高さ Ｈｄ＝０．９ｍｍ
誘電体基板３の比誘電率 １０
誘電体基板３の厚み ｔ＝０．２ｍｍ
伝送線路用導体４ａおよび結合線路用導体４ｋの線路幅 Ｗｃ＝０．２ｍｍ
図３は、導波路と平面回路との線路変換の様子を示す３次元電磁界解析シミュレーションの結果を示している。また、図４はその導波路部分の縦断面である。図３において、白く周期的に現れているパターンが電界強度分布を示している。図４において、リング状に示すパターンは電界強度の分布を示している。この図３・図４と図１の（Ａ），（Ｃ）とを対比すれば明らかなように、導体部分Ｓによる導波路の遮断領域によって定在波が生じ、その電界強度の最も高い位置で、結合接続用導体４ｋによるサスペンデッドラインを電磁界結合させている。すなわち、遮断領域を構成する導体部分Ｓと結合線路用導体４ｋとの間隔Ｌｄは、定在波による電界強度分布の最も電界強度の高い位置に結合線路用導体４ｋが配置されるように定める。
なお、上記定在波のたち方は、誘電体ストリップ６，７の端部の位置にも影響されるので、誘電体ストリップ６，７の端部と結合線路用導体４ｋとの間隔は、定在波による電界強度分布の最も電界強度の高い位置に結合線路用導体４ｋが配置されるように定める。しかし、誘電体ストリップ６，７の端部と結合線路用導体４ｋとの間隔のばらつきが定在波のたち方に与える影響は相対的に小さいので、導体板１，２に対する誘電体ストリップ６，７および誘電体基板３の組み立て精度は低くてもよい。
【００２９】
上記サスペンデッドラインのモードは、伝送線路用導体４ａによるマイクロストリップラインのモードに変換されて電磁波が伝搬されることになる。
【００３０】
図５は、線路変換部における反射特性Ｓ１１の結果を示している。このように、７６ＧＨｚ帯において−４０ｄＢを下回る低反射特性が得られる。したがって、線路変換効率の高い線路変換器が構成できる。
【００３１】
次に、第２の実施形態に係る線路変換器について、図６および図７を参照して説明する。
この第２の実施形態に係る線路変換器は、空胴矩形導波管と平面回路との線路変換を行う。図６の（Ｃ）は、上部導体板を取り除いた状態での平面図である。（Ａ）は上部導体板を取り付けた状態での右側面図、（Ｂ）は同じく上部導体板を取り付けた状態での（Ｃ）におけるＢ−Ｂ’部分の断面図である。
【００３２】
ここで、１は下部導体板、２は上部導体板、３は誘電体基板である。この誘電体基板３を下部導体板１と上部導体板２との間に挟み込むように配置している。
【００３３】
図７は、この線路変換器の各部の構成を示す分解平面図である。図７の（Ａ）は上部導体板２の上面図、（Ｂ）は誘電体基板３の上面図、（Ｃ）は誘電体基板３の下面側の導体パターンを示す図、（Ｄ）は下部導体板１の平面図である。
【００３４】
下部導体板１には立体導波路用溝Ｇ１１、上部導体板２には立体導波路用溝Ｇ２１をそれぞれ形成している。２つの導体板１，２を重ね合わせることによって、この２つの立体導波路用溝同士を対向させ、空胴矩形導波管（以下、単に導波管という。）を構成している。
【００３５】
第１の実施形態と異なり、図６・図７に示した範囲で導波管は通り抜けの構造となっている。
【００３６】
この導波管は、下部導体板１および上部導体板２に平行な面がＥ面（伝搬する電磁波のモードであるＴＥ１０モードの電界に対して平行な導体面）である。したがって、誘電体基板３は導波管のＥ面に平行で且つ導波管（下部導体板１と上部導体板２との間）の略中央位置に配置している。
【００３７】
誘電体基板３の下面（下部導体板１に面する側）には、伝送線路用導体用４ａおよびそれに続く結合線路用導体４ｋを形成している。誘電体基板３の上面（上部導体板２に面する側）には、接地導体５ｇを形成している。この誘電体基板３に形成した伝送線路用導体４ａと、それに対向する面の接地導体５ｇとによってマイクロストリップラインを構成している。この例では、誘電体基板３の上面側にのみ接地導体５ｇを形成している。
【００３８】
この接地導体５ｇには、図２（Ｂ）のＮで示すように切欠形状部を設けている。この切欠形状部Ｎに対向する結合線路用導体４ｋは、誘電体基板３、下部導体板１および上部導体板２によってサスペンデッドラインを構成している。
【００３９】
第１の実施形態の場合と同様に、誘電体基板３を２つの導体板１，２の間に挟み込んだ際、上記導波管の内部に、その導波管の電磁波伝搬方向に垂直な向きに結合線路用導体４ｋが挿入されるように、導体板１，２に対して誘電体基板３を配置する。それと同時に、導波管の略中央位置にＥ面に対して平行に接地導体５ｇが挿入されるように誘電体基板３を配置する。図６においてＳで示す部分の接地導体５ｇの存在により、導波路の遮断領域を構成している。このＳで示す部分が遮断領域を構成する導体部分である。
【００４０】
このような構造により、空胴導波管と平面回路との線路変換を行うことができる。
【００４１】
なお、第１・第２の実施形態では、誘電体基板３の表面に結合線路用導体、伝送線路用導体、接地導体のそれぞれを形成したが、これらの一部または全部を誘電体基板の内部（内層）に形成してもよい。
【００４２】
また、立体導波路として第１の実施形態では、誘電体充填導波路、第２の実施形態では、空胴導波管としたが、平行な導体平面間に誘電体ストリップを挟み込んだ構造をとる誘電体線路、特に非放射性誘電体線路を構成してもよい。
【００４３】
次に、第３の実施形態に係る高周波モジュールの構成について、図８を参照して説明する。
図８は高周波モジュールの構成を示すブロック図である。
図８において、ＡＮＴは送受信アンテナ、Ｃｉｒはサーキュレータ、ＢＰＦａ，ＢＰＦｂはそれぞれ帯域通過フィルタ、ＡＭＰａ，ＡＭＰｂはそれぞれ増幅回路、ＭＩＸａ，ＭＩＸｂはそれぞれミキサ、ＯＳＣはオシレータ、ＳＹＮはシンセサイザ、ＩＦは中間周波信号である。
【００４４】
ＭＩＸａは入力されたＩＦ信号と、ＳＹＮから出力された信号とを混合し、ＢＰＦａはＭＩＸａからの混合出力信号のうち送信周波数帯域のみを通過させ、ＡＭＰａは、これを電力増幅してＣｉｒを介しＡＮＴより送信する。ＡＭＰｂはＣｉｒから取り出した受信信号を増幅する。ＢＰＦｂはＡＭＰｂから出力される受信信号のうち受信周波数帯域のみを通過させる。ＭＩＸｂはＳＹＮから出力された周波数信号と受信信号とをミキシングして中間周波信号ＩＦを出力する。
【００４５】
図８に示した増幅回路ＡＭＰａ，ＡＭＰｂ部分には、第１・第２の実施形態で示した構造の線路変換器を備えた高周波部品を用いることができる。すなわち、伝送線路として誘電体充填導波路や空胴導波管を用い、誘電体基板に増幅回路を構成した平面回路を用いる。このように増幅回路と線路変換器を含む高周波部品を使用することにより、低損失で通信性能に優れた高周波モジュールを構成する。
【００４６】
次に、第４の実施形態に係る通信装置の構成について、図９を参照して説明する。
図９は、第４の実施形態に係る通信装置の構成を示すブロック図である。この通信装置は、図８に示した高周波モジュールと信号処理回路とから構成している。図９に示す信号処理回路は、符号化・復号化回路、同期制御回路、変調器、復調器、およびＣＰＵなどから成り、この信号処理回路に送受信信号を入出力する回路を更に設けている。このように、高周波モジュールを電磁波の送受信部に備えた通信装置を構成する。
【００４７】
このように、立体導波路と平面回路との線路変換を行う前記構成の線路変換器および、それを備えた高周波モジュールを使用することにより、低損失で通信性能に優れた通信装置を構成する。
【００４８】
【発明の効果】
この発明によれば、誘電体基板の導体パターンによって、立体導波路の遮断領域を構成したので、この立体導波路の遮断領域を構成する誘電体基板側の導体部分と、その遮断領域で生じる定在波に電磁界結合する結合線路部分との位置関係は、誘電体基板に対する導体パターンの形成精度のみによって定めることができる。そのため、立体導波路と平面回路との組立精度に左右されずに、安定した結合特性が得られ、設計どおりの線路変換特性が得られる。
【００４９】
また、この発明によれば、遮断領域を構成する導体部分を誘電体基板の両面に形成した接地導体としたことにより、立体導波路の遮断効果が高まり、線路変換部が小型化できる。
【００５０】
また、この発明によれば、伝送線路から所定距離離れた両脇または片脇に、前記伝送線路に沿って誘電体基板の両面に形成した導電路で接地導体間を導通させたことにより、結合線路および伝送線路がスプリアスモードと結合し難くなり、良好なスプリアス特性が得られる。
【００５１】
また、この発明によれば、立体導波路から所定距離離れた位置で立体導波路の電磁波伝搬方向に平行に立体導波路の導体による空間部を設け、該空間部でチョークを構成したことにより、２つの導体板を接合して立体導波路を構成する場合の放射電力損失が低減できる。
【００５２】
また、この発明によれば、線路変換器と、その線路変換器の平面回路および立体導波路にそれぞれつながる高周波回路とを備えた、低損失な高周波モジュールが構成できる。
【００５３】
また、この発明によれば、線路変換による損失が低減され、優れた通信特性を有する通信装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係る線路変換器の構成を示す平面図および断面図
【図２】同線路変換器の構成を示す分解平面図
【図３】同線路変換器の３次元電磁界解析シミュレーションの結果を示す立体導波路部分の電界強度分布の例を示す断面図
【図４】同線路変換器の３次元電磁界解析シミュレーションの結果を示す平面図
【図５】同線路変換器の反射特性を示す図
【図６】第２の実施形態に係る線路変換器の構成を示す図
【図７】同線路変換器の構成を分解平面図
【図８】第３の実施形態に係る高周波モジュールの構成を示すブロック図
【図９】第４の実施形態に係る通信装置の構成を示すブロック図
【符号の説明】
１−下部導体板
２−上部導体板
３−誘電体基板
４ａ−伝送線路用導体
４ｋ−結合線路用導体
４ｇ，５ｇ−接地導体
６−下部誘電体ストリップ
７−上部誘電体ストリップ
Ｇ１１、Ｇ２１−立体導波路用溝
Ｇ１２−伝送線路用溝
Ｇ２２−チョーク用溝
Ｎ−切欠形状部
Ｓ−遮断領域を構成する導体部分
Ｖ−導通路
【発明の属する技術分野】
この発明は、マイクロ波帯またはミリ波帯で用いられる伝送線路の線路変換器、それを備えた高周波モジュールおよび通信装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、誘電体基板を用いて構成した平面回路と、立体的な空間内で電磁波を伝搬させる立体導波路との間で線路変換を行う線路変換器として、特許文献１、特許文献２が開示されている。
【０００３】
特許文献１の線路変換器は、導波管のＥ面で２分割された終端短絡導波管内に平面回路の一部として構成されているマイクロストリップ線路の端部を挿入し、２分割された終端短絡導波管で、誘電体基板に形成された溝を貫通して、その誘電体基板を挟み込んだ構造としている。
特許文献２の線路変換器は、終端短絡導波管の短絡面から所定距離だけ戻った位置で、電磁波伝搬方向に垂直な向きに誘電体基板を配置した構造としている。
【０００４】
【特許文献１】
特開昭６０−１９２４０１号公報
【特許文献２】
特開２００１−１１１３１０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、特許文献１の線路変換器では、誘電体基板に２分割した導波管の一部を貫通させるための貫通溝を形成する必要があり、アルミナなどのセラミック基板の場合に、その加工が困難となる。また、導波管の終端で生じる定在波による電界の集中した位置でマイクロストリップラインを結合させるが、その結合特性は、マイクロストリップラインを構成した誘電体基板と導波管との位置関係により決まる。そのため、結合特性は両者の組立精度に左右され、設計どおりの線路変換特性をバラツキなく得ることが困難であった。
【０００６】
特許文献２の線路変換器では、導波管の電磁波伝搬方向に対して垂直な向きに誘電体基板を配置するものであるため、導波管による立体導波路と誘電体基板による平面回路との位置関係の自由度が低く、導波管の電磁波伝搬方向に平行な向きに平面回路を配置することができないという問題があった。
【０００７】
この発明の目的は、立体導波路を伝搬する電磁波伝搬方向に平行な向きに平面回路を配置できるようにし、誘電体基板の加工を容易とし、誘電体基板に構成した平面回路と立体導波路との結合特性が，両者の組立精度に影響されぬようにし、設計どおりの線路変換特性を容易に得られるようにした線路変換器、それを備えた高周波モジュールおよび通信装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明は、立体的な空間内で電磁波を伝搬させる立体導波路と、平面が前記立体導波路のＥ面に平行であり、誘電体基板に所定の導体パターンを形成してなる平面回路とを備え、該平面回路と前記立体導波路との線路変換を行う線路変換器において、
前記立体導波路は、重ね合わさる上部導体板および下部導体板を備え、
前記下部導体板は立体導波路用溝と伝送線路用溝を有し、
前記上部導体板は前記下部導体板の立体導波路用溝に対向する位置に立体導波路用溝を有し、
前記上部導体板は、前記立体導体用溝から所定距離離れた位置で前記立体導波路の電磁波伝搬方向に対して平行に延びる空隙部によるチョークを有し、
前記誘電体基板は、該誘電体基板の上面と前記上部導体板との間に隙間を有して、前記上部導体板と下部導体板との間に配置され、
前記導体パターンは、前記誘電体基板の上面に形成された、前記立体導波路の遮断領域を構成する導体部分と、前記誘電体基板の下面に形成された、前記遮断領域で生じる定在波に電磁界結合する結合線路部分および該結合線路部分から連続して前記伝送線路用溝に沿った伝送線路部分と、を備えたことを特徴としている。
【０００９】
このように、立体導波路と平面回路上の伝送線路とを電磁界結合させるために必要な定在波を、誘電体基板に設けた導体部分により形成される遮断領域により発生させる構成としたため、立体導波路の遮断領域を構成する誘電体基板側の導体部分と、その遮断領域で生じる定在波に電磁界結合する結合線路部分との位置関係は、誘電体基板に対する導体パターンの形成精度のみによって定めることができる。そのため、立体導波路と平面回路との組立精度に左右されずに、安定した結合特性が得られ、設計どおりの線路変換特性が得られる。
【００１０】
また、この発明は、前記遮断領域を構成する導体部分を前記誘電体基板の両面に形成した接地導体としたことを特徴としている。
【００１１】
また、この発明は、前記伝送線路から所定距離離れた両脇または片脇に前記伝送線路に沿って配列した、誘電体基板を貫通する複数の導電路で、前記誘電体基板の両面に形成した接地導体間を導通させたことを特徴としている。
【００１３】
また、この発明は、前記線路変換器と、その線路変換器の平面回路および立体導波路にそれぞれつながる高周波回路とを備えたことを特徴としている。
【００１４】
また、この発明は、前記高周波モジュールを電磁波の送受信部に備えて通信装置を構成したことを特徴としている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
第１の実施形態に係る線路変換器の構成を図１〜図５を参照して説明する。
図１は、線路変換器の構成を示す図であり、（Ｃ）は上部導体板２および上部誘電体ストリップ７を取り除いた状態での平面図である。（Ａ）は上部導体板２を取り付けた状態での（Ｃ）におけるＡ−Ａ’部分の断面図、（Ｂ）は、同じく上部導体板２を取り付けた状態での（Ｃ）におけるＢ−Ｂ’部分の断面図である。
【００１６】
ここで、１は下部導体板、２は上部導体板、３は誘電体基板、６，７は誘電体ストリップである。この誘電体基板３を下部導体板１と上部導体板２との間、および誘電体ストリップ６，７の間に挟み込むように配置している。
【００１７】
図２は、図１に示した線路変換器の各部の構成を示す分解平面図である。（Ａ）は上部導体板２の上面図、（Ｂ）は誘電体基板３の上面図、（Ｃ）は誘電体基板３の下面側の導体パターンを示す図、（Ｄ）は下部導体板１の平面図である。
【００１８】
下部導体板１には立体導波路用溝Ｇ１１、上部導体板２には立体導波路用溝Ｇ２１をそれぞれ形成している。立体導波路用溝Ｇ１１には下部誘電体ストリップ６を嵌め込んでいる。立体導波路用溝Ｇ２１には上部誘電体ストリップ７を嵌め込んでいる。２つの導体板１，２を重ね合わせることによって、この２つの誘電体ストリップ６，７同士を対向させ、誘電体充填導波路（ＤＦＷＧ）（以下、単に「導波路」という。）を構成している。
【００１９】
この導波路の下部導体板１および上部導体板２に平行な面がＥ面（伝搬する電磁波のモードであるＴＥ１０モードの電界に対して平行な導体面）である。したがって、誘電体基板３は導波路のＥ面に平行で且つ導波路（下部導体板１と上部導体板２との間）の略中央位置に配置している。
【００２０】
導体板１，２はアルミニウムなどの金属板の切削加工により構成している。また、誘電体ストリップ６，７はフッ素樹脂の射出成形または切削加工により構成している。誘電体基板３はアルミナなどのセラミック基板から構成している。
【００２１】
誘電体基板３の下面（下部導体板１に面する側）には、伝送線路用導体用４ａおよびそれに続く結合線路用導体４ｋを形成している。誘電体基板３の上面（上部導体板２に面する側）には、接地導体５ｇを形成している。この誘電体基板３に形成した伝送線路用導体４ａと、それに対向する面の接地導体５ｇとによってマイクロストリップラインを構成している。
【００２２】
誘電体基板３の上面の接地導体５ｇには、図２（Ｂ）のＮで示すように切欠形状部を設けている。この切欠形状部Ｎに対向する結合線路用導体４ｋは、誘電体基板３、下部導体板１および上部導体板２によってサスペンデッドラインを構成している。誘電体基板３の下面側には、伝送線路用導体４ａおよび結合線路用導体４ｋを形成するとともに、これらの伝送線路から所定距離以上離れた領域に接地導体４ｇを形成している。
【００２３】
図２の（Ｄ）に示すように、下部導体板１には伝送線路用導体４ａに沿って伝送線路用溝Ｇ１２を形成している。この伝送線路用溝Ｇ１２によって上記マイクロストリップラインの開放面側に所定の空間を設けるとともに遮蔽している。
【００２４】
また、伝送線路用導体４ａおよび結合線路用導体４ｋから所定距離離れた両脇に、誘電体基板３の上下面の接地導体４ｇ−５ｇ間を導通させる複数の導通路（ビアホール）Ｖを配列している。このことにより、誘電体基板３を挟む上下の接地導体４ｇ，５ｇとによる平行平板間に生じる平行平板モードなどのスプリアスモードと伝送線路用導体４ａと接地導体５ｇとによるマイクロストリップラインのモードとの不要な結合を遮断する。また、結合線路用導体４ｋ、誘電体基板３および導体板１，２によるサスペンデッドラインのモードと上記スプリアスモードとの不要結合を遮断する。なお、この導通路（ビアホール）Ｖは、伝送線路用導体４ａおよび結合線路用導体４ｋから所定距離離れた片脇に配列してもよい。
【００２５】
さて、上述したように各種導体パターンを形成した誘電体基板３を２つの導体板１，２の間に挟み込んだ際、上記導波路の内部に、その導波路の電磁波伝搬方向に垂直な向きに結合線路用導体４ｋが挿入されるように、導体板１，２に対して誘電体基板３を配置する。この誘電体基板３には接地導体４ｇ，５ｇを形成していて、導波路内に接地導体４ｇ，５ｇの一部を挿入する。図１においてＳで示す部分の接地導体４ｇ，５ｇの存在により、導波路の遮断領域を構成している。すなわち、導波路の略中央位置にＥ面に平行な接地導体を形成することによって導波路をＥ面に平行な面で分割し、そのことによって導波路の遮断波長を短くし、導波路内部に遮断領域を形成している。具体的には、Ｓで示す部分がこの発明に係る遮断領域を構成する導体部分である。
【００２６】
上部導体板２には、図２の（Ａ）に示すように、立体導波路用溝Ｇ２１から導波路の電磁波伝搬方向に平行で且つ導波路から（立体導波路用溝Ｇ２１から）電磁波伝搬方向に対して左右の所定距離離れた位置にチョーク用溝Ｇ２２を形成している。そのため、導体板１，２を重ね合わせた状態で、その界面に生じる隙間が不連続部を構成するが、隙間から漏れようとする電磁波がこのチョーク用溝Ｇ２２の空間で開放される。図１の（Ｂ）において立体導波路の電磁波伝搬方向の左右についてそれぞれ、Ｃｏで示す部分とＣｓで示す部分との間隔を伝搬波長の略１／４波長としておけば、Ｃｏで示す部分が開放端であるので、Ｃｓで示す部分が等価的に短絡端となる。これにより、２つの導体板１，２を重ねたときに生じる隙間からの放射損失はほとんど生じない。
【００２７】
上記遮断領域を構成する導体部分Ｓと結合線路用導体４ｋとの位置関係は、誘電体基板３に対する導体パターンの寸法精度に依存している。誘電体基板に対する導体パターンの形成精度は、導体１，２に対する誘電体基板３の組立精度に比べてはるかに高精度である。したがって、遮断領域によって生じる立体導波路の定在波と結合線路用導体４ｋとの相対位置が常に設計通りに保たれる。その結果、導波路と平面回路との線路変換特性を常に設計通りに得ることができる。
【００２８】
次に、１つの設計例についてシミュレーションした結果を図３〜図５を基に説明する。
設計条件は次のとおりである。
周波数 ７６ＧＨｚ帯
立体導波路用溝Ｇ１１，Ｇ２１の幅 Ｗｇ＝１．２ｍｍ
立体導波路用溝Ｇ１１，Ｇ２１の深さ Ｈｇ＝０．９ｍｍ
誘電体ストリップ６，７の比誘電率 ２
誘電体ストリップ６，７の幅 Ｗｄ＝１．１ｍｍ
誘電体ストリップ６，７の高さ Ｈｄ＝０．９ｍｍ
誘電体基板３の比誘電率 １０
誘電体基板３の厚み ｔ＝０．２ｍｍ
伝送線路用導体４ａおよび結合線路用導体４ｋの線路幅 Ｗｃ＝０．２ｍｍ
図３は、導波路と平面回路との線路変換の様子を示す３次元電磁界解析シミュレーションの結果を示している。また、図４はその導波路部分の縦断面である。図３において、白く周期的に現れているパターンが電界強度分布を示している。図４において、リング状に示すパターンは電界強度の分布を示している。この図３・図４と図１の（Ａ），（Ｃ）とを対比すれば明らかなように、導体部分Ｓによる導波路の遮断領域によって定在波が生じ、その電界強度の最も高い位置で、結合接続用導体４ｋによるサスペンデッドラインを電磁界結合させている。すなわち、遮断領域を構成する導体部分Ｓと結合線路用導体４ｋとの間隔Ｌｄは、定在波による電界強度分布の最も電界強度の高い位置に結合線路用導体４ｋが配置されるように定める。
なお、上記定在波のたち方は、誘電体ストリップ６，７の端部の位置にも影響されるので、誘電体ストリップ６，７の端部と結合線路用導体４ｋとの間隔は、定在波による電界強度分布の最も電界強度の高い位置に結合線路用導体４ｋが配置されるように定める。しかし、誘電体ストリップ６，７の端部と結合線路用導体４ｋとの間隔のばらつきが定在波のたち方に与える影響は相対的に小さいので、導体板１，２に対する誘電体ストリップ６，７および誘電体基板３の組み立て精度は低くてもよい。
【００２９】
上記サスペンデッドラインのモードは、伝送線路用導体４ａによるマイクロストリップラインのモードに変換されて電磁波が伝搬されることになる。
【００３０】
図５は、線路変換部における反射特性Ｓ１１の結果を示している。このように、７６ＧＨｚ帯において−４０ｄＢを下回る低反射特性が得られる。したがって、線路変換効率の高い線路変換器が構成できる。
【００３１】
次に、第２の実施形態に係る線路変換器について、図６および図７を参照して説明する。
この第２の実施形態に係る線路変換器は、空胴矩形導波管と平面回路との線路変換を行う。図６の（Ｃ）は、上部導体板を取り除いた状態での平面図である。（Ａ）は上部導体板を取り付けた状態での右側面図、（Ｂ）は同じく上部導体板を取り付けた状態での（Ｃ）におけるＢ−Ｂ’部分の断面図である。
【００３２】
ここで、１は下部導体板、２は上部導体板、３は誘電体基板である。この誘電体基板３を下部導体板１と上部導体板２との間に挟み込むように配置している。
【００３３】
図７は、この線路変換器の各部の構成を示す分解平面図である。図７の（Ａ）は上部導体板２の上面図、（Ｂ）は誘電体基板３の上面図、（Ｃ）は誘電体基板３の下面側の導体パターンを示す図、（Ｄ）は下部導体板１の平面図である。
【００３４】
下部導体板１には立体導波路用溝Ｇ１１、上部導体板２には立体導波路用溝Ｇ２１をそれぞれ形成している。２つの導体板１，２を重ね合わせることによって、この２つの立体導波路用溝同士を対向させ、空胴矩形導波管（以下、単に導波管という。）を構成している。
【００３５】
第１の実施形態と異なり、図６・図７に示した範囲で導波管は通り抜けの構造となっている。
【００３６】
この導波管は、下部導体板１および上部導体板２に平行な面がＥ面（伝搬する電磁波のモードであるＴＥ１０モードの電界に対して平行な導体面）である。したがって、誘電体基板３は導波管のＥ面に平行で且つ導波管（下部導体板１と上部導体板２との間）の略中央位置に配置している。
【００３７】
誘電体基板３の下面（下部導体板１に面する側）には、伝送線路用導体用４ａおよびそれに続く結合線路用導体４ｋを形成している。誘電体基板３の上面（上部導体板２に面する側）には、接地導体５ｇを形成している。この誘電体基板３に形成した伝送線路用導体４ａと、それに対向する面の接地導体５ｇとによってマイクロストリップラインを構成している。この例では、誘電体基板３の上面側にのみ接地導体５ｇを形成している。
【００３８】
この接地導体５ｇには、図２（Ｂ）のＮで示すように切欠形状部を設けている。この切欠形状部Ｎに対向する結合線路用導体４ｋは、誘電体基板３、下部導体板１および上部導体板２によってサスペンデッドラインを構成している。
【００３９】
第１の実施形態の場合と同様に、誘電体基板３を２つの導体板１，２の間に挟み込んだ際、上記導波管の内部に、その導波管の電磁波伝搬方向に垂直な向きに結合線路用導体４ｋが挿入されるように、導体板１，２に対して誘電体基板３を配置する。それと同時に、導波管の略中央位置にＥ面に対して平行に接地導体５ｇが挿入されるように誘電体基板３を配置する。図６においてＳで示す部分の接地導体５ｇの存在により、導波路の遮断領域を構成している。このＳで示す部分が遮断領域を構成する導体部分である。
【００４０】
このような構造により、空胴導波管と平面回路との線路変換を行うことができる。
【００４１】
なお、第１・第２の実施形態では、誘電体基板３の表面に結合線路用導体、伝送線路用導体、接地導体のそれぞれを形成したが、これらの一部または全部を誘電体基板の内部（内層）に形成してもよい。
【００４２】
また、立体導波路として第１の実施形態では、誘電体充填導波路、第２の実施形態では、空胴導波管としたが、平行な導体平面間に誘電体ストリップを挟み込んだ構造をとる誘電体線路、特に非放射性誘電体線路を構成してもよい。
【００４３】
次に、第３の実施形態に係る高周波モジュールの構成について、図８を参照して説明する。
図８は高周波モジュールの構成を示すブロック図である。
図８において、ＡＮＴは送受信アンテナ、Ｃｉｒはサーキュレータ、ＢＰＦａ，ＢＰＦｂはそれぞれ帯域通過フィルタ、ＡＭＰａ，ＡＭＰｂはそれぞれ増幅回路、ＭＩＸａ，ＭＩＸｂはそれぞれミキサ、ＯＳＣはオシレータ、ＳＹＮはシンセサイザ、ＩＦは中間周波信号である。
【００４４】
ＭＩＸａは入力されたＩＦ信号と、ＳＹＮから出力された信号とを混合し、ＢＰＦａはＭＩＸａからの混合出力信号のうち送信周波数帯域のみを通過させ、ＡＭＰａは、これを電力増幅してＣｉｒを介しＡＮＴより送信する。ＡＭＰｂはＣｉｒから取り出した受信信号を増幅する。ＢＰＦｂはＡＭＰｂから出力される受信信号のうち受信周波数帯域のみを通過させる。ＭＩＸｂはＳＹＮから出力された周波数信号と受信信号とをミキシングして中間周波信号ＩＦを出力する。
【００４５】
図８に示した増幅回路ＡＭＰａ，ＡＭＰｂ部分には、第１・第２の実施形態で示した構造の線路変換器を備えた高周波部品を用いることができる。すなわち、伝送線路として誘電体充填導波路や空胴導波管を用い、誘電体基板に増幅回路を構成した平面回路を用いる。このように増幅回路と線路変換器を含む高周波部品を使用することにより、低損失で通信性能に優れた高周波モジュールを構成する。
【００４６】
次に、第４の実施形態に係る通信装置の構成について、図９を参照して説明する。
図９は、第４の実施形態に係る通信装置の構成を示すブロック図である。この通信装置は、図８に示した高周波モジュールと信号処理回路とから構成している。図９に示す信号処理回路は、符号化・復号化回路、同期制御回路、変調器、復調器、およびＣＰＵなどから成り、この信号処理回路に送受信信号を入出力する回路を更に設けている。このように、高周波モジュールを電磁波の送受信部に備えた通信装置を構成する。
【００４７】
このように、立体導波路と平面回路との線路変換を行う前記構成の線路変換器および、それを備えた高周波モジュールを使用することにより、低損失で通信性能に優れた通信装置を構成する。
【００４８】
【発明の効果】
この発明によれば、誘電体基板の導体パターンによって、立体導波路の遮断領域を構成したので、この立体導波路の遮断領域を構成する誘電体基板側の導体部分と、その遮断領域で生じる定在波に電磁界結合する結合線路部分との位置関係は、誘電体基板に対する導体パターンの形成精度のみによって定めることができる。そのため、立体導波路と平面回路との組立精度に左右されずに、安定した結合特性が得られ、設計どおりの線路変換特性が得られる。
【００４９】
また、この発明によれば、遮断領域を構成する導体部分を誘電体基板の両面に形成した接地導体としたことにより、立体導波路の遮断効果が高まり、線路変換部が小型化できる。
【００５０】
また、この発明によれば、伝送線路から所定距離離れた両脇または片脇に、前記伝送線路に沿って誘電体基板の両面に形成した導電路で接地導体間を導通させたことにより、結合線路および伝送線路がスプリアスモードと結合し難くなり、良好なスプリアス特性が得られる。
【００５１】
また、この発明によれば、立体導波路から所定距離離れた位置で立体導波路の電磁波伝搬方向に平行に立体導波路の導体による空間部を設け、該空間部でチョークを構成したことにより、２つの導体板を接合して立体導波路を構成する場合の放射電力損失が低減できる。
【００５２】
また、この発明によれば、線路変換器と、その線路変換器の平面回路および立体導波路にそれぞれつながる高周波回路とを備えた、低損失な高周波モジュールが構成できる。
【００５３】
また、この発明によれば、線路変換による損失が低減され、優れた通信特性を有する通信装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係る線路変換器の構成を示す平面図および断面図
【図２】同線路変換器の構成を示す分解平面図
【図３】同線路変換器の３次元電磁界解析シミュレーションの結果を示す立体導波路部分の電界強度分布の例を示す断面図
【図４】同線路変換器の３次元電磁界解析シミュレーションの結果を示す平面図
【図５】同線路変換器の反射特性を示す図
【図６】第２の実施形態に係る線路変換器の構成を示す図
【図７】同線路変換器の構成を分解平面図
【図８】第３の実施形態に係る高周波モジュールの構成を示すブロック図
【図９】第４の実施形態に係る通信装置の構成を示すブロック図
【符号の説明】
１−下部導体板
２−上部導体板
３−誘電体基板
４ａ−伝送線路用導体
４ｋ−結合線路用導体
４ｇ，５ｇ−接地導体
６−下部誘電体ストリップ
７−上部誘電体ストリップ
Ｇ１１、Ｇ２１−立体導波路用溝
Ｇ１２−伝送線路用溝
Ｇ２２−チョーク用溝
Ｎ−切欠形状部
Ｓ−遮断領域を構成する導体部分
Ｖ−導通路
Claims (6)
- 立体的な空間内で電磁波を伝搬させる立体導波路と、平面が前記立体導波路のＥ面に平行であり、誘電体基板に所定の導体パターンを形成してなる平面回路とを備え、該平面回路と前記立体導波路との線路変換を行う線路変換器において、
前記立体導波路は、重ね合わさる上部導体板および下部導体板を備え、
前記下部導体板は立体導波路用溝と伝送線路用溝を有し、
前記上部導体板は前記下部導体板の立体導波路用溝に対向する位置に立体導波路用溝を有し、
前記上部導体板は、前記立体導体用溝から所定距離離れた位置で前記立体導波路の電磁波伝搬方向に対して平行に延びる空隙部によるチョークを有し、
前記誘電体基板は、該誘電体基板の上面と前記上部導体板との間に隙間を有して、前記上部導体板と下部導体板との間に配置され、
前記導体パターンは、前記誘電体基板の上面に形成された、前記立体導波路の遮断領域を構成する導体部分と、前記誘電体基板の下面に形成された、前記遮断領域で生じる定在波に電磁界結合する結合線路部分および該結合線路部分から連続して前記伝送線路用溝に沿った伝送線路部分と、を備えたことを特徴とする線路変換器。 - 前記導体部分を前記誘電体基板の両面に形成した接地導体としたことを特徴とする請求項１に記載の線路変換器。
- 前記伝送線路から所定距離離れた両脇または片脇に前記伝送線路に沿って配列した、誘電体基板を貫通する複数の導電路で、前記誘電体基板の両面に形成した接地導体間を導通させたことを特徴とする請求項２に記載の線路変換器。
- 前記伝送線路部分を、前記誘電体基板の一方の面に形成した接地導体とそれに対向する面に形成した線路導体とからなるマイクロストリップラインとし、前記結合線路部分を、前記誘電体基板の一方の面に形成した線路導体と前記上部導体板と前記下部導体板とからなるサスペンデッドラインとしたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の線路変換器。
- 請求項１〜４に記載の線路変換器と、該線路変換器の前記平面回路および前記立体導波路にそれぞれつながる高周波回路とを備えた高周波モジュール。
- 請求項５に記載の高周波モジュールを電磁波の送受信部に備えた通信装置。
Priority Applications (9)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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