特開 2025-15088 金属導波管と基板内導波管との間で高効率に電磁波を変換する電磁波変換器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2025015088

(43)【公開日】2025-01-30

(54)【発明の名称】金属導波管と基板内導波管との間で高効率に電磁波を変換する電磁波変換器

(51)【国際特許分類】

   H01P 5/08 20060101AFI20250123BHJP

【ＦＩ】

H01P5/08 D

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023118211

(22)【出願日】2023-07-20

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和３年度、国立研究開発法人情報通信研究機構「革新的情報通信技術研究開発委託研究／（Ｂｅｙｏｎｄ５Ｇに向けたテラヘルツ帯を活用した端末拡張型無線通信システム実現のための研究開発）（Ｂｅｙｏｎｄ５Ｇに向けたテラヘルツ帯を活用するユーザセントリックアーキテクチャ実現に関する研究開発）」、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】304021277

【氏名又は名称】国立大学法人 名古屋工業大学

(74)【代理人】

【識別番号】110000291

【氏名又は名称】弁理士法人コスモス国際特許商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】榊原 久二男

(72)【発明者】

【氏名】杉本 義喜

(72)【発明者】

【氏名】岸 峻平

(57)【要約】

【課題】周波数帯に関する自由度の高い電磁波変換器を提供すること。
【解決手段】本開示技術に係る電磁波変換器は、複数の導電層と複数の誘電体層とが積層されており内部に基板内導波管７を有する積層基板３と、一端が積層基板３の一面に接触している金属導波管４とを有し、金属導波管４と基板内導波管７との間で電磁波を変換する電磁波変換器であって、基板内導波管７は、積層基板３における２つの導体層の間に、金属導波管４と交差する変換位置６０と入出力ポート７１とを含んで形成されており、金属導波管４から見て基板内導波管７より遠い位置に、複数の導電層の１つである閉鎖層５４が存在し、複数の導電層のうち閉鎖層５４よりも金属導波管４側のものにはいずれも、変換位置６０に開口５１０、５２０、５３０が設けられており、入出力ポート７１から見て変換位置６０よりも先方の位置に先方バックショート構造が形成されているものである。
【選択図】図７

【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の導電層と複数の誘電体層とが積層されており内部に基板内導波管を有する積層基板と、一端が前記積層基板の一面に接触している金属導波管とを有し、前記金属導波管と前記基板内導波管との間で電磁波を変換する電磁波変換器であって、
前記基板内導波管は、前記積層基板における２つの導体層の間に、前記金属導波管と交差する変換位置と入出力ポートとを含んで形成されており、
前記金属導波管から見て前記積層基板の厚さ方向に前記基板内導波管より遠い位置に、前記複数の導電層の１つであって前記変換位置が閉鎖されている閉鎖層が存在し、
前記複数の導電層のうち前記閉鎖層よりも前記金属導波管側のものにはいずれも、前記変換位置に開口が設けられており、
前記入出力ポートから見て前記変換位置よりも先方の位置に、前記複数の導電層のうち最も前記金属導波管側のものである前面層から前記閉鎖層に至るすべての前記導電層を短絡する先方バックショート構造が形成されている電磁波変換器。

【請求項2】

請求項１に記載の電磁波変換器であって、
前記変換位置を挟んで前記先方バックショート構造と反対側の位置に、前記前面層から前記閉鎖層に至る範囲のうち前記基板内導波管に相当する厚さ範囲以外の厚さ部分にて前記導電層同士を短絡する後方バックショート構造が形成されている電磁波変換器。

【請求項3】

請求項２に記載の電磁波変換器であって、
前記基板内導波管と前記閉鎖層との間に少なくとも１層の前記導電層である下側層が存在し、
前記下側層は、前記変換位置の開口に対して、他の前記導電層よりも延長している延長部を有する電磁波変換器。

【請求項4】

請求項２または請求項３に記載の電磁波変換器であって、
前記後方バックショート構造は、前記基板内導波管の幅方向に分散して配置された複数の層間接続ビアで構成されており、
前記基板内導波管の長手方向における前記複数の層間接続ビアの位置が少なくとも２水準ある電磁波変換器。

【請求項5】

請求項１から請求項３までのいずれか１つに記載の電磁波変換器であって、
前記先方バックショート構造は、前記入出力ポートから見て、前記金属導波管における前記入出力ポートから遠い側の壁面よりさらに先方の位置に配置されている電磁波変換器。

【請求項6】

請求項２または請求項３に記載の電磁波変換器であって、
前記後方バックショート構造は、前記入出力ポートから見て、前記金属導波管における前記入出力ポートに近い側の壁面よりさらに近い位置に配置されている電磁波変換器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示技術は、金属導波管と基板内導波管との間で高効率に電磁波を変換する電磁波変換器に関する。

【背景技術】

【0002】

金属導波管と積層基板の基板内導波管との間で電磁波を変換する従来の電磁波変換器として、特許文献１に記載されているものを挙げることができる。同文献の変換器は、金属導波管に対して複数層の誘電体基板を接続して構成されている。誘電体基板における金属導波管側の外層導体層には、金属導波管に対向する開口が形成されている。内層導体層には、マイクロストリップ線路が形成されている。金属導波管と反対側の外層導体層は、全面導体層とされている。この反対側の外層導体層が短絡面となりバックショートが構成されるようになっている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開2008-193162号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記従来の電磁波変換器では、変換対象周波数についての自由度が低いという問題があった。上記従来の電磁波変換器では、バックショート長が基本的に、積層基板の厚さにより決まってしまうからである。このため、高い変換効率が得られる周波数帯が限られる。

【0005】

本開示技術の課題とするところは、周波数帯に関する自由度の高い電磁波変換器を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示技術の一態様における電磁波変換器は、複数の導電層と複数の誘電体層とが積層されており内部に基板内導波管を有する積層基板と、一端が積層基板の一面に接触している金属導波管とを有し、金属導波管と基板内導波管との間で電磁波を変換する電磁波変換器であって、基板内導波管は、積層基板における２つの導体層の間に、金属導波管と交差する変換位置と入出力ポートとを含んで形成されており、金属導波管から見て積層基板の厚さ方向に基板内導波管より遠い位置に、複数の導電層の１つであって変換位置が閉鎖されている閉鎖層が存在し、複数の導電層のうち閉鎖層よりも金属導波管側のものにはいずれも、変換位置に開口が設けられており、入出力ポートから見て変換位置よりも先方の位置に、複数の導電層のうち最も金属導波管側のものである前面層から閉鎖層に至るすべての導電層を短絡する先方バックショート構造が形成されているものである。

【0007】

上記態様における電磁波変換器では、金属導波管と、積層基板の内部の基板内導波管との間で電磁波の変換を行うことができる。すなわち、入出力ポートから基板内導波管に電磁波を入力すると、金属導波管に電磁波が生成し出力される。あるいは、金属導波管に電磁波を入力すると、基板内導波管に電磁波が生成し入出力ポートから出力される。金属導波管から見て基板内導波管より遠い位置の導電層の１つが閉鎖層となっており、それより金属導波管側の各導体層にはいずれも開口が設けられている。この開口により誘電体が繋がっている領域で電磁波の変換が行われる。ここで、入出力ポートから見て変換位置よりも先方の位置に、各導電層を短絡する先方バックショート構造が形成されているので、電磁波の共振により高効率に変換が行われる。設計上、変換位置から先方バックショート構造までの距離により共振周波数を調整することができる。

【0008】

上記態様における電磁波変換器では、変換位置を挟んで先方バックショート構造と反対側の位置に、前面層から閉鎖層に至る範囲のうち基板内導波管に相当する厚さ範囲以外の厚さ部分にて導電層同士を短絡する後方バックショート構造が形成されていることが望ましい。このようになっていると、電磁波の共振周波数が、先方バックショート構造によるものと後方バックショート構造によるものとの２水準存在する。このため、２水準の共振周波数にわたる広い帯域で高効率な電磁波変換を行うことができる。

【0009】

後方バックショート構造を有する態様の電磁波変換器では、基板内導波管と閉鎖層との間に少なくとも１層の導電層である下側層が存在し、下側層は、変換位置の開口に対して、他の導電層よりも延長している延長部を有することが望ましい。このようになっていると、後方バックショート構造への電磁波の進入が促進され、変換効率がより高い。

【0010】

後方バックショート構造を有するいずれかの態様の電磁波変換器ではさらに、後方バックショート構造は、基板内導波管の幅方向に分散して配置された複数の層間接続ビアで構成されており、基板内導波管の長手方向における複数の層間接続ビアの位置が少なくとも２水準あることとすることができる。これにより、設計上、後方バックショート構造による電磁波の共振をコントロールすることができる。

【0011】

上記のいずれかの態様における電磁波変換器では、先方バックショート構造は、入出力ポートから見て、金属導波管における入出力ポートから遠い側の壁面よりさらに先方の位置に配置されていることが望ましい。この場合、設計上、先方バックショート構造の位置により、共振周波数を調整できる。

【0012】

後方バックショート構造を有するいずれかの態様の電磁波変換器では同様に、後方バックショート構造は、入出力ポートから見て、金属導波管における入出力ポートに近い側の壁面よりさらに近い位置に配置されていることが望ましい。これにより設計上、後方バックショート構造の位置により、共振周波数を調整できる。

【発明の効果】

【0013】

本開示技術構成によれば、周波数帯に関する自由度の高い電磁波変換器が提供されている。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】実施の形態に係る電磁波変換器の斜視図である。

【図2】図１の電磁波変換器の分解斜視図である。

【図3】第１の導電層のパターンを示す平面図である。

【図4】第２の導電層のパターンを示す平面図である。

【図5】第３の導電層のパターンを示す平面図である。

【図6】第４の導電層のパターンを示す平面図である。

【図7】実施の形態に係る電磁波変換器の断面図である。

【図8】図７の一部を拡大して示す拡大断面図（その１）である。

【図9】実施の形態に係る電磁波変換器の拡大断面図（その２）である。

【図10】実施の形態に係る電磁波変換器の周波数特性を示すグラフである。

【図11】先方バックショート長と周波数特性との関係を示すグラフである。

【図12】誘電体層の厚さと周波数特性との関係を示すグラフ（その１）である。

【図13】後方バックショート長と周波数特性との関係を示すグラフである。

【図14】誘電体層の厚さと周波数特性との関係を示すグラフ（その２）である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

本実施の形態は、図１に示す金属導波管－積層基板内導波管電磁波変換器１として本開示技術を具体化したものである。以下の説明では金属導波管－積層基板内導波管電磁波変換器１を単に、「電磁波変換器１」という。図１の電磁波変換器１は、管状部材２と、積層基板３とを組み合わせたものである。管状部材２は、内部が空洞である金属製の部材である。管状部材２の内部の空洞の領域が、金属導波管４である。積層基板３は、複数の導電層５およびそれらの間の複数の誘電体層６を積層したものである。

【0016】

図２に、電磁波変換器１における管状部材２および積層基板３を分解して示す。図２では、積層基板３をさらに各導電層５および各誘電体層６に分解して示している。図２に示されるように、本形態の例では、積層基板３における導電層５の層数を４層としている。以下の説明では、４層の導電層５を区別して言及する場合には、管状部材２に近い方のものから順に導電層５１、５２、５３、５４、とする。図２中では、管状部材２から最も遠い導電層５４を除いた３層の導電層５のすぐ下に誘電体層６を描いている。

【0017】

管状部材２は、全体として中空の略直方体の部材である。金属導波管４は、管状部材２を貫通して形成されている貫通孔である。金属導波管４は、管状部材２の内部の伝送線路である。管状部材２は、金属導波管４が、積層基板３の板面に対して垂直な方向となるように配置されている。積層基板３の板面と平行な面内における管状部材２の断面形状は長方形である。この面内における金属導波管４の断面形状も長方形である。管状部材２の４つの外面と金属導波管４の４つの壁面とはそれぞれ平行である。

【0018】

積層基板３の各導電層５のそれぞれのパターンを図３～図６に示す。これらの図のそれぞれにおいて、導体の存在する範囲には、後述する層間ビアの箇所を除いてハッチングを付して示している。さらに、金属導波管４と重なる部位を破線の長方形で示している。ただし実際に管状部材２に直に接するのは図３の第１の導電層５１のみである。これらの図では、図中の上下方向が金属導波管４の短辺方向であり、図中の左右方向が金属導波管４の長辺方向である。

【0019】

図３に示す第１の導電層５１には、ウィンドウ５１０が形成されている。ウィンドウ５１０の形状は長方形である。金属導波管４の短辺方向がウィンドウ５１０の短辺方向でもあり、金属導波管４の長辺方向がウィンドウ５１０の長辺方向でもある。ウィンドウ５１０の短辺方向サイズは金属導波管４の短辺方向サイズに等しい。ウィンドウ５１０の長辺方向サイズは金属導波管４の長辺方向サイズより小さい。ウィンドウ５１０は、短辺方向には金属導波管４と重なって位置している。ウィンドウ５１０は、長辺方向には金属導波管４の範囲内に包含されて位置している。導電層５１は、複数の導電層５のうち最も管状部材２側に位置する前面層である。

【0020】

図４に示す第２の導電層５２には、ウィンドウ５２０が形成されている。ウィンドウ５２０の形状も長方形である。ウィンドウ５２０の短辺方向および長辺方向については、導電層５１のウィンドウ５１０の場合と同様である。ウィンドウ５２０の短辺方向サイズは金属導波管４の短辺方向サイズより大きい。ウィンドウ５２０の長辺方向サイズは図３のウィンドウ５１０の長辺方向サイズに等しい。ウィンドウ５２０は、短辺方向には金属導波管４の範囲に対して上下両方にはみ出して位置している。ウィンドウ５２０は、長辺方向にはウィンドウ５１０と同じ位置に配置されている。

【0021】

図５に示す第３の導電層５３には、ウィンドウ５３０が形成されている。ウィンドウ５３０の形状も長方形である。ウィンドウ５３０の短辺方向および長辺方向については、ウィンドウ５１０およびウィンドウ５２０の場合と同様である。ウィンドウ５３０の短辺方向サイズは金属導波管４の短辺方向サイズより小さい。ウィンドウ５３０の長辺方向サイズはウィンドウ５１０およびウィンドウ５２０の長辺方向サイズに等しい。ウィンドウ５３０は、短辺方向には金属導波管４の範囲に対して上方にのみ、ややはみ出して位置している。ウィンドウ５３０は、長辺方向にはウィンドウ５１０およびウィンドウ５２０と同じ位置に配置されている。

【0022】

図６に示す第４の導電層５４には、上の３層の導電層５の場合のようなウィンドウは形成されていない。導電層５４では、金属導波管４の範囲の部分も含めて全面に導体が存在している。導電層５４は閉鎖層である。ウィンドウ５１０、５２０、５３０は、閉鎖層である導電層５４より管状部材２側の導電層５１、５２、５３に設けられている開口である。

【0023】

図３～図６にはさらに、導電層５同士を接続する層間ビアの位置も示されている。ここに示される層間ビアには、先方ビア６１、後方ビア６２、６３、第１側方ビア６４、第２側方ビア６５がある。ウィンドウ５１０、５２０、５３０のいずれも、これらの層間ビアの位置には掛かっていない。

【0024】

先方ビア６１は、図中で金属導波管４の上辺の上側に位置する層間ビアである。先方ビア６１は、導電層５１～導電層５４の４層の導電層５のすべてを接続するものである。このため、図３～図６のすべてに先方ビア６１の位置が示されている。金属導波管４の範囲の図中水平方向の中心線Ｃ１と先方ビア６１の中心との距離Ｄ１はすべて同じである。

【0025】

後方ビア６２、６３は、図中で金属導波管４の下辺の下側に位置する層間ビアである。後方ビア６２は、導電層５１～導電層５４の４層の導電層５のすべてを接続するものである。後方ビア６３は、導電層５２～導電層５４の３層の導電層５を接続するが導電層５１には接続されないものである。このため、後方ビア６２の位置は図３～図６のすべてに示されているが、後方ビア６３の位置は図３には示されておらず図４～図６に示されている。中心線Ｃ１からの後方ビア６３の中心との距離Ｄ３は、中心線Ｃ１からの後方ビア６２の中心との距離Ｄ２よりやや大きい。

【0026】

第１側方ビア６４は、図中で金属導波管４の右辺および左辺の辺りに位置する層間ビアである。第１側方ビア６４は、導電層５１～導電層５４の４層の導電層５のすべてを接続するものである。このため、図３～図６のすべてに第１側方ビア６４の位置が示されている。第１側方ビア６４は、図３～図５ではウィンドウ５１０、５２０、５３０の右辺および左辺の外側に位置している。

【0027】

第２側方ビア６５は、図中で金属導波管４より下方にて、金属導波管４の範囲の図中上下方向の中心線Ｃ２の両側に列状に配置されている層間ビアである。第２側方ビア６５は、導電層５１と導電層５２との２層の導電層５のみを接続するものである。このため第２側方ビア６５の位置は、図３、図４にのみ示されており、図５、図６には示されていない。図３、図４において、右側の第２側方ビア６５と左側の第２側方ビア６５との間隔Ｄ４は、最も金属導波管４に近いもの同士を除いて、ウィンドウ５１０、５２０の長辺方向サイズよりやや小さい程度である。最も金属導波管４に近い第２側方ビア６５同士の間隔はそれよりやや大きい。

【0028】

電磁波変換器１の断面構造を説明する。図７に示すのは、電磁波変換器１を図３中の中心線Ｃ１の位置で切断した断面図である。図７における左右方向が図３中の中心線Ｃ２の方向に相当する。図７における左方が図３中の下方であり、図７における右方が図３中の上方である。図７中では、金属導波管４が、縦方向の空洞として現れている。その上端が第１ポート４１である。図７中の金属導波管４の中心線Ｃ３は、中心線Ｃ１、中心線Ｃ２のいずれとも直交する方向の中止線である。

【0029】

図７中の積層基板３では、金属導波管４の直下に、導電層５１のウィンドウ５１０が位置している。これにより、金属導波管４と、積層基板３の内部の誘電体の部分との間で電磁波が相互に伝搬できるようになっている。ウィンドウ５１０の直下には導電層５２のウィンドウ５２０、導電層５３のウィンドウ５３０も位置している。これにより、金属導波管４の直下の位置で、積層基板３の３層の誘電体層６の誘電体のすべてが、導電体によって遮断されることなく繋がっている。

【0030】

金属導波管４の直下位置に対して図７中で右方の位置では、先方ビア６１により導電層５１～導電層５４のすべての導電層５が短絡されている。このため、先方ビア６１よりさらに右方には、金属導波管４からの電磁波または金属導波管４への電磁波が伝搬されることはない。

【0031】

金属導波管４の直下位置に対して図７中で左方の位置では、後方ビア６３により導電層５２～導電層５４の下３層の導電層５が短絡されている。しかし導電層５１と導電層５２との間は後方ビア６３により短絡されてはいない。さらに、図４～図６で説明したように、後方ビア６２も導電層５２～導電層５４を短絡している。後方ビア６２が導電層５２～導電層５４を短絡している位置は、図７中の左右方向（図４等における上下方向）に関しては後方ビア６３よりやや金属導波管４寄りの位置であり、図７における紙面と垂直な方向（図４等における左右方向）に関しては中心線Ｃ２の両側であって間隔Ｄ４よりやや狭い間隔となる位置である。このため、導電層５２～導電層５４の範囲内では、後方ビア６２、６３よりさらに左方には、金属導波管４からの電磁波または金属導波管４への電磁波が伝搬されることはない。

【0032】

しかしながら導電層５１と導電層５２との間の上層の誘電体層６においては、金属導波管４の直下位置と図７中で左方の位置との間で電磁波の伝搬が可能である。導電層５１と導電層５２との間では、後方ビア６３による短絡がなく、電磁波が透過できるからである。後方ビア６３が下層に存在する位置より図７中で左方（図３、図４中では下方）における上層の誘電体層６は、積層基板３の内部の伝送線路である基板内導波管７として機能する。基板内導波管７として機能するのは、導電層５１、導電層５２、中心線Ｃ２の両側の第２側方ビア６５の列、により区画される範囲内の誘電体である。基板内導波管７の図７中の左端が第２ポート７１である。以下、基板内導波管７というときは、後方ビア６２、６３が下層に存在する位置より図７中で右方で、先方ビア６１より左方の部分をも含むものとする。

【0033】

上記のように構成されている本形態の電磁波変換器１では、金属導波管４と基板内導波管７との間で相互に電磁波のやりとりが可能である。図７中で下向きに進行する電磁波を第１ポート４１から金属導波管４に入力すると、図７中で左向きに進行する電磁波が基板内導波管７の中に発生して第２ポート７１から出力される。図７中で右向きに進行する電磁波を第２ポート７１から基板内導波管７に入力すると、図７中で上向きに進行する電磁波が金属導波管４の中に発生して第１ポート４１から出力される。

【0034】

第１ポート４１および第２ポート７１は、電磁波変換器１において電磁波の入力および出力が行われる入出力ポートである。積層基板３の誘電体のうち金属導波管４の直下の部分は、金属導波管４の電磁波と基板内導波管７の電磁波との相互の変換が行われる変換位置６０である。基板内導波管７、というときには第２ポート７１および変換位置６０を含んでいる。

【0035】

電磁波変換器１の変換位置６０について、図８、図９によりさらに説明する。図８は、図７の一部を拡大したものであり、基板内導波管７の幅方向の中央における断面を示している。図８には前述の後方ビア６３が現れている。図９は、図８と平行な断面の同一縮尺の断面図であり、基板内導波管７の範囲内における幅方向の中央から少し外れた箇所、すなわち図６中の縦線Ｃ４の箇所における断面を示している。図９には前述の後方ビア６２が現れている。

【0036】

図８、図９に示される位置では前述のように、導電層５１～導電層５３の３層の導電層５にウィンドウが形成されている。しかしながら最下層の導電層５４には、ウィンドウが形成されていない。つまり導電層５４は、変換位置６０の下方を閉鎖する閉鎖層である。閉鎖層である導電層５４は、金属導波管４から見て、積層基板３の厚さ方向に基板内導波管７より遠い位置に配置されている。

【0037】

積層基板３において、図８、図９中における変換位置６０の右方には、前述の複数の先方ビア６１が配置されている。これにより、第２ポート７１から見て変換位置６０よりも先方の位置に、導電層５のうち最も金属導波管４寄りの導電層５１から、閉鎖層である導電層５４に至るすべての導電層５を短絡する先方バックショート構造８が構成されている。金属導波管４の中心位置Ｃ１から先方ビア６１の中心までの距離は、図８でも図９でも同じであり、図３に示した距離Ｄ１である。

【0038】

積層基板３において、図８、図９中における変換位置６０の左方には、前述の後方ビア６２、６３が配置されている。これにより、変換位置６０を挟んで先方バックショート構造８と反対側の位置に、前面層である導電層５１から閉鎖層である導電層５４に至る範囲のうち基板内導波管７に相当する厚さ範囲以外の厚さ部分にて導電層５同士を短絡するスタブ構造が構成されている。本開示ではこれを「後方バックショート構造９」と称する。金属導波管４の中心位置Ｃ１から後方ビア６２、６３の中心までの距離は２水準あり、後方ビア６３については図４に示した距離Ｄ３であり、後方ビア６２については距離Ｄ２である。

【0039】

図８、図９中では、先方バックショート構造８を構成する先方ビア６１が、第２ポート７１の方から見て、金属導波管４における第２ポート７１から遠い側の壁面４２よりさらに先方の位置に配置されている。また、後方バックショート構造９を構成する後方ビア６２、６３が、第２ポート７１の方から見て、金属導波管４における第２ポート７１からに近い側の壁面４３よりさらに近い位置に配置されている。これらのことは、図４の説明で述べたウィンドウ５２０および金属導波管４の短辺方向サイズの関係から導き出されることである。このため、変換位置６０の誘電体が、金属導波管４の直下の部分を越えて管状部材２の下側にも存在している。積層基板３の設計上、先方ビア６１の位置の壁面４２の位置からの超過量Ｅ１の設定により、距離Ｄ１を定めることができる。同様に、後方ビア６２、６３の位置の壁面４３の位置からの超過量Ｅ２、Ｅ３の設定により、距離Ｄ２、Ｄ３を定めることができる。

【0040】

上記のように構成されている電磁波変換器１では前述のように、金属導波管４と基板内導波管７との間で相互に電磁波を変換することができる。この電磁波変換において、先方バックショート構造８から金属導波管４の中心（図８中のＣ３）までの距離Ｄ１（バックショート長）が、基板内導波管７における管内波長の２分の１に相当するとき、基板内導波管７と金属導波管４との間での磁界結合により共振が起こり、電磁波の伝搬効率がよい。本形態の電磁波変換器１では、前述のように距離Ｄ１を設計上自由に設定できるので、伝搬対象とする電磁波の周波数についての設計上の自由度が大きい。

【0041】

電磁波変換器１ではさらに、後方バックショート構造９も電磁波の伝搬効率に貢献する。後方側のバックショート長が管内波長の２分の１に相当するときでも共振が起こるからである。また、後方側のバックショート長も設計上自由に設定できるからである。

【0042】

電磁波変換器１ではまた、金属導波管４の軸方向に対してもバックショート構造が存在する。図７中で金属導波管４がある上方から見ると、金属導波管４と基板内導波管７とが交差する変換位置６０よりさらに先方（下方）が、導電層５４により閉鎖されているからである。このバックショート構造におけるバックショート長は、設計上、積層基板３の厚さによって設定できる。

【0043】

電磁波変換器１の周波数特性を図１０により説明する。図１０のグラフでは、横軸は伝搬対象とする電磁波の周波数を示し、縦軸は電磁波の透過レベルおよび反射レベルを示している。透過レベルおよび反射レベルは、入力強度を基準としての透過強度および反射強度を示している。透過強度については、グラフ中で上方ほど、入力強度に近い透過強度つまり出力強度が得られ、特性として優れていることを意味する。反射強度については、グラフ中で上方ほど、伝搬されずに入力側に反射されてしまう成分が多く、特性として劣っていることを意味する。

【0044】

図１０のグラフの例は、積層基板３の各部のサイズを次のように設定した場合のものである。
図３中の距離Ｄ１：３５０μｍ
図４中の距離Ｄ２：３１０μｍ
図４中の距離Ｄ３：３６０μｍ
誘電体層６の厚さ：いずれも３０μｍ

【0045】

図１０の例では、反射強度に２箇所のボトムＢ１、Ｂ２がある。ボトムＢ１の周波数（約２４５ＧＨｚ）は、先方バックショート構造８による共振が起こる周波数である。ボトムＢ２の周波数（約３００ＧＨｚ）は、後方バックショート構造９による共振が起こる周波数である。これらの周波数では、共振による高い伝搬効率により、反射強度が大きく低下しているのである。

【0046】

図１０で透過強度に着目すると、ボトムＢ１の周波数からボトムＢ２の周波数にわたる広い帯域で高い透過強度が得られていることが分かる。これは、反射強度が低下する周波数が２水準あることにより、それらの周波数の間で優れた透過特性が得られているものである。電磁波変換器１に先方バックショート構造８と後方バックショート構造９とを設けていることによる効果である。

【0047】

電磁波変換器１では設計上、図１０中におけるボトムＢ１、Ｂ２を独立に設定することができる。まず、ボトムＢ１の設定例について説明する。図１１のグラフは、先方バックショート構造８のバックショート長を変化させることによる周波数特性への影響を示すグラフである。図１１では、図３中の距離Ｄ１を、３４０μｍ、３５０μｍ、３６０μｍの３水準に振ったときのそれぞれの透過強度および反射強度を示している。距離Ｄ１以外の各部のサイズは前述の通りである。横軸および縦軸の意味は図１０と同じである（図１２～図１４においても同じ）。

【0048】

図１１のグラフで反射強度に着目すると、いずれの水準でも、周波数約３００ＧＨｚの辺りに図１０中のボトムＢ２に相当するボトムＢ２１をなしている。図１１の例では距離Ｄ３は変化させていないので、ボトムＢ２１の位置はいずれの水準でもほぼ同様である。

【0049】

これに対して、図１０中のボトムＢ１に相当するボトムは、図１１中では、距離Ｄ１によりボトムＢ１１１、Ｂ１１２、Ｂ１１３、と分かれている。距離Ｄ１が３４０μｍと最も短い場合のボトムＢ１１１は、非常に急峻であるが、ボトムＢ２１の位置に比較的近い。距離Ｄ１が３６０μｍと最も長い場合のボトムＢ１１３は、ボトムＢ２１の位置からは比較的遠いが、落ち込みが緩やかである。距離Ｄ１が中間の３５０μｍの場合のボトムＢ１１２は、それらの中間の状態にある。これは、先方バックショート構造８のバックショート長を調整することにより、低周波側の共振周波数を制御できることを示している。

【0050】

このため図１１中の透過特性では、ほぼ一定の高い透過強度が得られる透過帯域に関して、距離Ｄ１に応じて次の傾向が見られる。距離Ｄ１が最短の場合の透過特性の透過帯域Ｐ１１は、領域内での平坦性は高いが帯域幅がやや狭い。距離Ｄ１が最長の場合の透過帯域Ｐ３１は、帯域幅は広いが領域内での平坦性ではやや劣る。距離Ｄ１が中間の場合の透過帯域Ｐ２１は、それらの中間の状態にある。これより、距離Ｄ１が中間の場合に帯域幅と平坦性とのバランスが最も優れているということができる。

【0051】

ボトムＢ１の状況を左右するのは距離Ｄ１だけではない。積層基板３における誘電体の厚さもボトムＢ１に影響する。ボトムＢ１に影響するのは特に、金属導波管４から遠い方の誘電体層である。具体的には主として、導電層５３と導電層５４との間の誘電体層６の厚さ（図８中のＴ３）が先方バックショート構造８の特性に影響する。

【0052】

図１２のグラフは、厚さＴ３を変化させることによる周波数特性への影響を示すグラフである。図１２では、図８中の厚さＴ３を、２０μｍ、３０μｍ、４０μｍの３水準に振ったときのそれぞれの透過強度および反射強度を示している。厚さＴ３以外の各部のサイズは前述の通りである。図１２のグラフにおける反射強度でも、図１０中のボトムＢ２に相当するボトムＢ２２はいずれの水準でもほぼ同様である。

【0053】

これに対して、図１０中のボトムＢ１に相当するボトムは、図１２中では、厚さＴ３によりボトムＢ１２１、Ｂ１２２、Ｂ１２３、と分かれている。これらの３つのボトムの状況は、図１１中のボトムＢ１１１、Ｂ１１２、Ｂ１１３の状況とほぼ同じである。厚さＴ３が薄いことが距離Ｄ１が短いことと同様に、急峻であるがボトムＢ２２の位置に近い状況とさせている。逆に、厚さＴ３が厚いことが距離Ｄ１が長いことと同様に、ボトムＢ２２の位置から遠いが落ち込みが緩やかな状況とさせている。これは、誘電体の厚さＴ３を調整することにより、低周波側の共振周波数を制御できることを示している。

【0054】

これに応じて、図１２中の透過特性にも、図１１中の透過特性と同様の傾向が見られる。厚さＴ３が最薄の場合の透過帯域Ｐ１２は、領域内での平坦性は高いが帯域幅がやや狭い。厚さＴ３が最厚の場合の透過帯域Ｐ３２は、帯域幅は広いが領域内での平坦性ではやや劣る。厚さＴ３が中間の場合の透過帯域Ｐ２２は、それらの中間の状態にある。これより、厚さＴ３が中間の場合に帯域幅と平坦性とのバランスが最も優れているということができる。

【0055】

次に、ボトムＢ２の設定例について説明する。図１３のグラフは、後方バックショート構造９のバックショート長を変化させることによる周波数特性への影響を示すグラフである。図１３では、図４中の距離Ｄ３を、３５０μｍ、３６０μｍ、３７０μｍの３水準に振ったときのそれぞれの透過強度および反射強度を示している。距離Ｄ３以外の各部のサイズは、距離Ｄ２を含めて前述の通りである。

【0056】

図１３のグラフで反射強度に着目すると、いずれの水準でも、周波数約２４５ＧＨｚの辺りに図１０中のボトムＢ１に相当するボトムＢ１３をなしている。図１３の例では距離Ｄ１は変化させていないので、ボトムＢ１３の位置はいずれの水準でもほぼ同様である。

【0057】

これに対して、図１０中のボトムＢ２に相当するボトムは、図１３中では、距離Ｄ３によりボトムＢ２３１、Ｂ２３２、Ｂ２３３、と分かれている。距離Ｄ３が３５０μｍと最も短い場合のボトムＢ２３１は、ボトムＢ１３の位置からは比較的遠いが、落ち込みが緩やかである。距離Ｄ３が３７０μｍと最も長い場合のボトムＢ２３３は、急峻ではあるが、ボトムＢ１３の位置に比較的近い。距離Ｄ３が中間の３６０μｍの場合のボトムＢ２３２の位置は、それらの中間の状態にある。これは、後方バックショート構造９のバックショート長を調整することにより、高周波側の共振周波数を制御できることを示している。

【0058】

このため、図１３中の透過特性でも、透過帯域に関して距離Ｄ３に応じた傾向が見られる。帯域幅については、前述のボトムＢ２３１、Ｂ２３２、Ｂ２３３の位置に応じて、距離Ｄ３が最短の場合の透過帯域Ｐ３１が最も広く、距離Ｄ３が最長の場合の透過帯域Ｐ３３が最も狭い。距離Ｄ３が中間の場合の透過帯域Ｐ３２はそれらの中間の帯域幅を有する。ただし、最も広い透過帯域Ｐ３１は、グラフ上ではわかりにくいが、ボトムＢ２３１が緩やかであることから、平坦性ではやや劣る。このため、帯域幅と平坦性とのバランスでは、距離Ｄ３が中間の３６０μｍの場合が最も優れているということができる。

【0059】

ボトムＢ２の状況を左右するのは距離Ｄ３だけではない。積層基板３における誘電体の厚さもボトムＢ２に影響する。ボトムＢ２に影響するのは特に、積層基板３のうち基板内導波管７に相当する部分を除いた範囲内で金属導波管４寄りの誘電体層である。具体的には主として、導電層５２と導電層５３との間の誘電体層６の厚さ（図８中のＴ２）が後方バックショート構造９の特性に影響する。

【0060】

図１４のグラフは、厚さＴ２を変化させることによる周波数特性への影響を示すグラフである。図１４では図８中の厚さＴ２を、２５μｍ、３０μｍ、３５μｍの３水準に振ったときのそれぞれの透過強度および反射強度を示している。この例では、厚さＴ２と厚さＴ３との合計が６０μｍで一定となるように、厚さＴ３も調整している。厚さＴ２、厚さＴ３以外の各部のサイズは、前述の通りである。図１４のグラフにおける反射強度でも、図１０中のボトムＢ１に相当するボトムＢ１４はいずれの水準でもほぼ同様である。

【0061】

これに対して、図１０中のボトムＢ２に相当するボトムは、図１４中では、厚さＴ２によりボトムＢ２４１、Ｂ２４２、Ｂ２４３、と分かれている。厚さＴ２が２５μｍと最も薄い場合のボトムＢ２４１は、ボトムＢ１４の位置からは比較的遠いが、落ち込みが緩やかである。厚さＴ２が３５μｍと最も厚い場合のボトムＢ２４は、ボトムＢ１４の位置比較的近く、なおかつ落ち込みも緩やかである。厚さＴ２が中間の３０μｍの場合のボトムＢ２４２は、ボトムＢ１４からの距離ではそれらの中間であり、落ち込みは最も急峻である。これは、誘電体の厚さＴ２を調整することにより、低周波側の共振周波数を制御できることを示している。

【0062】

このため、図１４中の透過特性でも、透過帯域に関して厚さＴ２に応じた傾向が見られる。帯域幅については、前述のボトムＢ２４１、Ｂ２４２、Ｂ２４３の位置に応じて、厚さＴ２が最薄の場合の透過帯域Ｐ４１が最も広く、厚さＴ２が最厚の場合の透過帯域Ｐ４３が最も狭い。厚さＴ２が中間の場合の透過帯域Ｐ３２はそれらの中間の帯域幅を有する。ただし、最も広い透過帯域Ｐ４１は、グラフ上ではわかりにくいが、ボトムＢ２４１が緩やかであることから、平坦性ではやや劣る。平坦性では、厚さＴ２が中間の場合の透過帯域Ｐ３２が最も優れている。ボトムＢ２４２が急峻だからである。このため、帯域幅と平坦性との両者を考慮すると、厚さＴ２が中間の３０μｍの場合が最も優れているということができる。

【0063】

先に示した図１０のグラフの例は、図１１～図１４のグラフに基づき、距離Ｄ１、距離Ｄ２、厚さＴ２、厚さＴ３について最良の設定例としたものである。このため、広い帯域で高い透過強度が得られているのである。

【0064】

図８に示した構造におけるさらなる特徴点を説明する。ここでは、導電層５３に着目する。導電層５３は、基板内導波管７と、閉鎖層である導電層５４との間に存在する下側層の１つである。前述のように、金属導波管４の下部の変換位置６０では、導電層５３にもウィンドウ５３０が形成されている。しかしながら図８中でウィンドウ５３０は、金属導波管４の中心Ｃ３に対して左右対称な位置ではなく右（先方バックショート構造８側）に寄って配置されている。

【0065】

この配置により、図８中で左側（後方バックショート構造９側）の導電層５３の一部が延長部５３１となっている。延長部５３１は、導電層５３のうち、ウィンドウ５３０に対して、他の導電層５１、５２よりも延長している部位である。延長部５３１は、先方バックショート構造８および後方バックショート構造９への電磁波の進入のしやすさに影響する。

【0066】

延長部５３１があることにより、次のような効果がある。まず、図８中の中心Ｃ３より左側において、導電層５２と導電層５３との間の部分の後方バックショート構造９の効果が強調される。当該部分に電磁波が進入しやすいからである。このため、延長部５３１があると、延長部５３１がない場合と比較して、後方バックショート構造９の効果がより強く発揮される。また、金属導波管４に電磁波を入力して第２ポート７１から電磁波を出力させる場合において、先方バックショート構造８への電磁波の伝搬が促進される。このため、先方バックショート構造８の効果も、延長部５３１により強調される。

【0067】

むろん、延長部５３１が長い場合には短い場合と比較してこれらの効果がより顕著である。したがって、積層基板３の設計上、延長部５３１の長さにより、先方バックショート構造８の効果および後方バックショート構造９の効果を調節することができる。

【0068】

図８では、先方バックショート構造８側でも、導電層５２および導電層５３に、変換位置６０へ向けての突出部分が見られる。これらは意図的なものではなく、先方ビア６１を、導電層５１～５４を確実に短絡できる位置に配置する必要があることによる不可避的なものである。よって、積層基板３の製造上の寸法精度および位置精度の範囲内で、導電層５２および導電層５３の当該突出量は小さいほどよい。

【0069】

以上詳細に説明したように本実施の形態に係る電磁波変換器１では、金属導波管４と組み合わせられる積層基板３の内部に基板内導波管７を設けており、金属導波管４と基板内導波管７とで電磁波の変換がなされるものである。積層基板３では、変換位置６０よりも先方の位置に先方バックショート構造８が設けられており、効率よく電磁波が変換されるとともに、先方ビア６１の位置により共振周波数を設定できるようになっている。さらに積層基板３内に、先方バックショート構造８と反対側の位置に後方バックショート構造９を設けることで、幅広い帯域の電磁波に対して効率よい変換ができるようになっている。

【0070】

本実施の形態は単なる例示にすぎず、本開示技術を何ら限定するものではない。したがって本開示技術は当然に、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能である。例えば、積層基板３の構成には、前述のものの他に種々の変形が考えられる。

【0071】

前述の説明での積層基板３は、導電層５が４層で誘電体層６が３層のものであったが、層数はこれに限らない。最低、導電層５が４層で誘電体層６が３層のものであっても本開示技術は成立しうる。むろん、逆に層数が多くてもよい。層数が多い場合には、基板内導波管７が、複数層分の誘電体層６の厚みを有するものであってもよい。あるいは逆に、後方バックショート構造９が、図示したものよりもっと多くの層数にわたるものであってもよい。閉鎖層である導電層５４より下にもさらに誘電体層６および導電層５が積層されていてもよい。

【0072】

前述の説明での積層基板３では、その全厚のうち最も金属導波管４寄りの位置に基板内導波管７を設けていたが、このことは必須ではない。積層基板３の全厚のうち金属導波管４から遠い位置、例えば図８中における導電層５３と導電層５４との間に基板内導波管７を設けることもできる。積層基板３の全厚のうち中間の位置、例えば図８中における導電層５２と導電層５３との間に基板内導波管７を設けることもできる。

【0073】

先方バックショート構造８および後方バックショート構造９を構成する層間ビアの配置についても変形が可能である。後方バックショート構造９を構成する層間ビアについては、図４等に示した後方ビア６２、６３のように、基板内導波管７の長手方向における位置に複数水準がある例を開示した。これは、図１０中のボトムＢ２の急峻性をある程度緩和させているものである。ただしこのことは必須ではなく、後方ビア６２、６３を一直線上に配置することもできる。あるいは逆に、基板内導波管７の長手方向における後方ビア６２、６３の位置を３水準以上とすることもできる。

【0074】

先方バックショート構造８を構成する層間ビアについては、図４等に示した先方ビア６１のように、一直線上に配置されている例を開示した。ただしこれも必須ではなく、複数の先方ビア６１を、後方ビア６２、６３のようにジグザグ状に配置することもできる。

【0075】

［予備請求項１］
請求項４に記載の電磁波変換器であって、
前記先方バックショート構造は、前記入出力ポートから見て、前記金属導波管における前記入出力ポートから遠い側の壁面よりさらに先方の位置に配置されている電磁波変換器。

【0076】

［予備請求項２］
請求項４または予備請求項１に記載の電磁波変換器、もしくは請求項５に記載の電磁波変換器のうち請求項２の発明特定事項を有するものであって、
前記後方バックショート構造は、前記入出力ポートから見て、前記金属導波管における前記入出力ポートから近い側の壁面よりさらに近い位置に配置されている電磁波変換器。

【符号の説明】

【0077】

１ 電磁波変換器 ５３ 導電層
２ 管状部材 ５４ 導電層
３ 積層基板 ６０ 変換位置
４ 金属導波管 ６１ 先方ビア
５ 導電層 ６２ 後方ビア
６ 誘電体層 ６３ 後方ビア
７ 基板内導波管 ６４ 第１側方ビア
８ 先方バックショート構造 ６５ 第２側方ビア
９ 後方バックショート構造 ７１ 第２ポート
４２ 壁面 ５１０ ウィンドウ
４３ 壁面 ５２０ ウィンドウ
５１ 導電層 ５３０ ウィンドウ
５２ 導電層 ５３１ 延長部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】