特許 7397872 同軸マイクロストリップ線路変換回路

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-12-05

(45)【発行日】2023-12-13

(54)【発明の名称】同軸マイクロストリップ線路変換回路

(51)【国際特許分類】

   H01P 5/08 20060101AFI20231206BHJP

   H01P 3/08 20060101ALI20231206BHJP

【ＦＩ】

H01P5/08 B

H01P3/08 100

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2021529893

(86)(22)【出願日】2020-04-10

(86)【国際出願番号】 JP2020016086

(87)【国際公開番号】W WO2021002077

(87)【国際公開日】2021-01-07

【審査請求日】2023-03-16

(31)【優先権主張番号】P 2019124371

(32)【優先日】2019-07-03

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【識別番号】598076591

【氏名又は名称】東芝インフラシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110004026

【氏名又は名称】弁理士法人ｉＸ

(72)【発明者】

【氏名】旭 保彰

【審査官】白井 亮

(56)【参考文献】

【文献】特開平０５－２３５６１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０１－２４１２０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０５－１０９４５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－０６８９０５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｐ ５／０８

Ｈ０１Ｐ ３／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

開口部が設けられた第１の側面および底面を有する筐体部であって、前記底面は上方に向かう突出部を含む、筐体部と、
前記筐体部の前記底面上に配置されたマイクロストリップ線路基板であって、誘電体と、前記誘電体の上面に設けられたマイクロストリップ線路と、前記誘電体の下面に設けられた接地導電部と、を有し、前記誘電体の前記下面側に、前記筐体部の前記突出部と嵌合した凹部を有し、前記接地導電部は、前記凹部の内面に沿って、前記突出部と前記誘電体との間に延在した、マイクロストリップ線路基板と、
前記第１の側面に隣接して設けられ、一方の端部が前記開口部から前記筐体部の内部に向かって水平方向に延在する中心導体部と、前記中心導体部に対向する内側面を有する接地導体部と、を有する同軸線路であって、前記中心導体部は、前記筐体部の前記突出部の上方に延在し、前記マイクロストリップ線路基板は、前記突出部と前記中心導体部との間に位置する部分を含み、前記マイクロストリップ線路の一方の端部は、前記突出部と前記中心導体部との間に位置する、同軸線路と、
前記筐体部の前記突出部と前記同軸線路の前記中心導体部との間において、前記中心導体部の前記一方の端部と前記マイクロストリップ線路の前記一方の端部とを接合する半田層と、
を備え、
前記同軸線路の前記中心導体部の中心線を含む垂直断面内において、前記同軸線路の前記接地導体部の前記内側面のうちの最低位置と、前記マイクロストリップ線路基板の前記誘電体の前記凹部に設けられた前記接地導電部と、の間の垂直距離は、前記同軸線路の前記接地導体部の前記内側面のうちの前記最低位置と、前記マイクロストリップ線路基板の前記誘電体の前記下面のうちの前記凹部が設けられない領域に設けられた前記接地導電部と、の間の垂直距離よりも小さい、同軸マイクロストリップ線路変換回路。

【請求項2】

前記中心導体部と前記接地導体部との距離は、前記誘電体の前記凹部が設けられない前記領域の厚さよりも小さい、請求項１記載の同軸マイクロストリップ線路変換回路。

【請求項3】

前記凹部とは反対の側の前記マイクロストリップ線路の線路幅は、前記凹部が設けられない前記領域の前記マイクロストリップ線路の線路幅よりも狭い、請求項１または２に記載の同軸マイクロストリップ線路変換回路。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、同軸マイクロストリップ線路変換回路に関する。

【背景技術】

【0002】

同軸線路とマイクロストリップ線路とを接続する場合、伝搬モードが不連続となるために高周波信号が反射する。

【0003】

伝搬モードは、たとえば、同軸線路の接地外導体部とマイクロストリップ線路基板の裏面接地導電部との垂直面内の高さの差が大きくなるとその不連続性が増す。また、信号周波数が高くなるほどその影響が大きくなる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１０－１９２９８７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

数ＧＨｚ以上において、高周波信号の反射を低減可能な同軸マイクロストリップ線路変換回路を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

実施形態の同軸マイクロストリップ線路変換回路は、筐体部と、マイクロストリップ線路基板と、同軸線路と、半田層と、を有する。前記筐体部は、開口部が設けられた第１の側面および底面を有する。前記底面は、上方に向かう突出部を有する。前記マイクロストリップ線路基板は、誘電体と、前記誘電体の上面に設けられたマイクロストリップ線路と、前記誘電体の下面に設けられた接地導電部と、を有する。前記同軸線路は、前記第１の側面に取り付けられ、一方の端部が前記開口部から前記筐体の内部に向かって水平方向に延在する中心導体部と、前記中心導体部に対向する内側面を有する接地導体部と、を有する。前記半田層は、前記中心導体部の前記一方の端部と前記マイクロストリップ線路の一方の端部とを接合する。前記誘電体の前記下面には前記突出部に隣接する側の所定領域が切削された凹部が設けられ、かつ切削面には前記接地導電部が折れ曲がって設けられる。前記接地導電部を挟んで前記凹部と前記突出部とが嵌合するように、前記マイクロストリップ線路基板は前記筐体部の前記底面に取り付けられる。前記中心導体部の中心線を含む垂直断面内において、前記接地導体部の前記内側面のうちの最低位置と前記切削面に隣接する前記接地導電部の接地面との間の垂直距離は、前記誘電体の前記下面のうち前記凹部が設けられない領域に隣接する前記接地導電部の接地面と前記最低位置との間の垂直距離よりも小さい。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】第１の実施形態にかかる同軸マイクロストリップ線路変換回路の部分模式斜視図である。

【図2】第１の実施形態にかかる同軸マイクロストリップ線路変換回路の筐体部の部分模式図である。

【図3】第１の実施形態にかかる同軸マイクロストリップ線路変換回路のマイクロストリップ線路基板の模式図である。

【図4】第１の実施形態のＡ－Ａ線に沿った模式断面図である。

【図5】第１の実施形態にかかる同軸マイクロストリップ線路変換回路の電圧定在波比の電磁界シミュレーションによる周波数特性を表すグラフ図である。

【図6】図６（ａ）は比較例にかかる同軸マイクロストリップ線路変換回路の部分模式斜視図、図６（ｂ）はその筐体部の部分模式斜視図、図６（ｃ）はそのマイクロストリップ線路基板の模式斜視図、である。

【図7】比較例のＡ－Ａ線に沿った模式断面図である。

【図8】比較例にかかる同軸マイクロストリップ線路変換回路の電圧定在波比の電磁界シミュレーションによる周波数特性のグラフ図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。

【0009】

図１は、第１の実施形態にかかる同軸マイクロストリップ線路変換回路の部分模式斜視図である。図２（ａ）および（ｂ）はその筐体部の部分模式斜視図および模式平面図である。図３（ａ）および（ｂ）はそのマイクロストリップ線路基板の模式斜視図および模式平面図である。

【0010】

図１に表すように、同軸マイクロストリップ線路変換回路５は、筐体部１０と、マイクロストリップ線路基板２０と、同軸線路３０と、半田層４０と、を有する。

【0011】

図２（ａ）に表すように、筐体部１０は、底面１８と開口部１２が設けられた第１の側面１４とを有する。底面１８は、筐体部１０の上方に向かって突出しマイクロストリップ線路基板２０の裏面に接触する突出部１６を有する。突出部１６の厚さをＴ１とする。筐体部１０は、たとえば、アルミ合金などとすることができる。

【0012】

図２（ｂ）は、突出部１６の上面を示す模式平面図である。突出部１６の上面は、略台形の形状を有し、突出部１６は、第１の側面１４に平行な側面１６ｔと側面１６ｓとを有する。側面１６ｓは、第１の側面１４と側面１６ｔとをつなぐ。側面１６ｓは、例えば、Ｒ０．５ｍｍを有する曲面である。第１の側面１４から側面１６ｔまでの距離は、例えば、０．６ｍｍである。また、第１の側面１４に沿った方向における側面１６ｔの長さは、例えば、０．８ｍｍである。

【0013】

図１および図２（ａ）に示すように、同軸線路３０は、第１の側面１４に取り付けられ、円柱状の中心導体部３２と、中心導体部３２に対向する内側面を有しかつ同心円状に配置された接地導体部３４と、を有する。中心導体部３２の一方の端部３２ａは、開口部１２から筐体部１０の内部に向かって延在する。中心導体部３２と接地導体部３４との間には、誘電体（比誘電率：ε_ｒ）が充填される。本図において、誘電体を空気であるものとする（ε_ｒ＝１）が、本発明はこれに限定されない。

【0014】

図３（ａ）に表すように、マイクロストリップ線路基板２０は、誘電体２２と、誘電体２２の上面に設けられたマイクロストリップ線路２４と、誘電体２２の下面に設けられた接地導電部２６と、を有する。誘電体２２の厚さをＴ２とする。誘電体２２の材料は、たとえば、低誘電率ガラスクロスなどとすることができる。また、マイクロストリップ線路２４および接地導電部２６は、たとえば、それぞれ厚さが２０μｍのＣｕ箔などとすることができる。

【0015】

半田層４０は、中心導体部３２の一方の端部３２ａとマイクロストリップ線路２４の一方の端部とを接合する。

【0016】

誘電体２２の下面には突出部１６に隣接する側の所定領域が切削された凹部２８が設けられ、かつ切削面には接地導電部２６の一部が折れ曲がって設けられる。薄層化された領域の誘電体２２の厚さをＴ３とする。凹部２８と突出部１６とが嵌合するように、マイクロストリップ線路基板２０は筐体部１０の底面１８に、たとえば、ねじなどで固定される。

【0017】

なお、凹部２８とは反対の側のマイクロストリップ線路２４の線路幅Ｗ１は、凹部２８が設けられない誘電体２２の領域のマイクロストリップ線路２４の線路幅Ｗ２よりも狭くする。線路幅Ｗ１、Ｗ２は、所定の特性インピーダンス（たとえば、５０Ω）となる様に決めることができる。

【0018】

図３（ｂ）は、凹部２８を示す模式平面図である。図３（ｂ）は、誘電体２２の上面に平行な断面を表している。

【0019】

図３（ｂ）に示すように、凹部２８は、側面２８ｓと側面２８ｔとを有する。側面２８ｔは、誘電体２２の外側面に平行であり、側面２８ｓは、誘電体２２の外側面と側面２８ｔをつなぐ。側面２８ｓは、例えば、Ｒ０．５ｍｍを有する曲面である。

【0020】

凹部２８は、例えば、誘電体２２の外側面に平行な方向において、１．４ｍｍの開口幅を有する。また、凹部２８は、例えば、誘電体２２の外側面に垂直な方向において、０．６ｍｍの深さを有する。

【0021】

図４は、第１の実施形態のＡ－Ａ線に沿った模式断面図である。

【0022】

中心導体部３２の中心線３２ｃを含む垂直断面内において、中心導体部３２に対向する接地導体部３４の内側面のうちの最低位置３４ａと切削面に隣接する接地導電部２６の接地面２６ａとの間の垂直距離ＴＧ１は、誘電体２２の下面のうち凹部２８が設けられない領域に隣接する接地導電導部２６の接地面２６ｂと最低位置３４ａとの間の垂直距離ＴＧ２よりも小さくされる。

【0023】

同軸線路３０において、中心導体部３２の直径をｄ（ｍｍ）、接地導体部３４の内側面の直径をＤ（ｍｍ）とする。比誘電率をε_ｒとするとき、同軸線路３０の特性インピーダンスＺ_０は、式（１）で表される。

【数1】

比誘電率ε_ｒ＝１とする中空同軸線路において、その特性インピーダンスＺ_０は５０Ωとなる。

【0024】

また、光速をｃ（＝３×１０^１１ｍｍ／ｓ）、円周率をπとすると、同軸線路３０のカットオフ周波数ｆ_ｃは、式（２）で表される。

【数2】

Ｄ＝０．９２ｍｍ、ｄ＝０．４ｍｍ、かつ比誘電率ε_ｒ＝１とすると、カットオフ周波数ｆ_ｃは約１４５ＧＨｚと十分高くできる。他方、たとえば、Ｄ＝３ｍｍ、ｄ＝１．０７ｍｍ、ε_ｒ＝１．５２とするとカットオフ周波数ｆ_ｃは約３８．１ＧＨｚと低下するので高周波伝搬特性が低下する。

【0025】

第１の実施形態では、同軸線路３０の接地導体部３４の垂直断面内の最低位置３４ａと、凹部２８に設けられたマイクロストリップ線路基板２０の接地導電部２６の接地面２６ａと、の垂直距離ＴＧ１を近づけることにより伝搬モードの不連続を低減する。

【0026】

カットオフ周波数ｆ_ｃを高めるために、たとえば、Ｄ＝０．９２ｍｍ、ｄ＝０．４ｍｍなどとすると、同軸線路３０の中心導体部３２と接地導体部３４との距離（間隔）は、０．２６ｍｍと小さくなる。これに対応するために誘電体２０を薄くすると、筐体部１０の底面１８に固定したときに、マイクロストリップ線路基板２０に反りが発生しやすくなる。第１の実施形態では、マイクロストリップ線路基板２０の厚さＴ２を同軸線路３０とマイクロストリップ線路基板２０との接続位置近傍でのみ薄層化して誘電体２２の反りを抑制する。すなわち、中心導体部３２と接地導体部３４との距離を誘電体２２の凹部２８が設けられない領域の厚さ（０．４ｍｍ）よりも小さくすることが容易となる。

【0027】

また、接地導電部２６の厚さ、およびマイクロストリップ線路２４の厚さを、それぞれαとする。さらに、中心導体部３２の下端とストライプ状導電部２４との間の垂直距離をβとする。接地導電部２６およびマイクロストリップ線路２４は、たとえば、Ｃｕ箔を含むことができる。

【0028】

ここで、第１の実施形態の第１具体例について説明する。Ｔ３＝０．２ｍｍ、α＝０．０２ｍｍとする。垂直距離ＴＧ１＝０とするには、Ｔ１＝０．２ｍｍ、β＝０．０４ｍｍとすればよい。また、第２具体例として、Ｔ１＝０．２ｍｍ、β＝０．０８ｍｍとし、筐体部１０の底面１８を切削してマイクロストリップ線路基板２０を下方に設けると、垂直距離ＴＧ１＝０．０４ｍｍとなる。

【0029】

第２具体例の場合、同軸線路３０の端部の接地導体部３４の内側面の最低位置３４ａの端部の接地点ＰＶとマイクロストリップ線路２０の接地導電部２６の接地面２６ａ端部（接地点ＰＶの側）の接地点ＰＨとの間において、垂直下方にに０．０６ｍｍ、水平方向に０．２ｍｍ、垂直上方に０．０２ｍｍ合計０．２８ｍｍの距離だけ離間していることになる。すなわち、垂直距離ＴＧ１がゼロでなく、たとえば、プラスマイナス０．０５ｍｍの範囲程度であれば、同軸線路３０の接地導体部３４の最低位置３４ａとマイクロストリップ線路基板２０の接地導体部２６の接地面２６ａとの垂直距離ＴＧ１を低減し、かつ接地点ＰＨと接地点ＰＶの間の距離０．２８ｍｍなどと小さくできる。このため、同軸マイクロストリップ線路変換回路における伝搬モードの不連続が抑制できる。

【0030】

図５は、第１の実施形態の第２具体例にかかる同軸マイクロストリップ変換回路の電圧定在波比の電磁界シミュレーションによる周波数特性特性を表すグラフ図である。

【0031】

縦軸は電圧定在波比（ＶＳＷＲ：Voltage Standing Wave Ratio）、横軸は周波数（ＧＨｚ）である。たとえば、マイクロストリップ線路２４を５０Ω負荷で終端して、同軸回路３０からみた負荷インピーダンスを測定する。周波数が４０ＧＨｚまで、電圧定在波比ＶＳＷＲが約１．０８まで低く保たれている。

【0032】

図６（ａ）は比較例にかかる同軸マイクロストリップ線路変換回路の模式斜視図、図６（ｂ）はその筐体部の模式斜視図、図６（ｃ）はそのマイクロストリップ線路基板の模式斜視図、である。

【0033】

同軸線路１３０のサイズおよび構造は、第１の実施形態と同様であるものとする。マイクロストリップ線路１２０には、裏面側に凹部が設けられず、誘電体１１２の厚さを０．４ｍｍとする。また、マイクロストリップ線路基板１２０は平坦な筐体部１１０の底面１１８の表面に取り付けられる。

【0034】

図７は、比較例のＡ－Ａ線に沿った模式断面図である。

【0035】

接地導電部１２６の厚さおよびマイクロストリップ線路１２４の厚さをαで表し、その値を０．０２ｍｍとする、また、中心導体部１３２の下端とマイクロストリップ線路１２４との間の垂直距離をβで表し、その値を０．０６ｍｍとする。同軸線路１３０の接地導体部１３４の最低位置１３４ａとマイクロストリップ線路基板１２０の接地導体部１２６の接地面１２６ｃとの垂直距離ＴＴＧは０．２２ｍｍとなる。

【0036】

この場合、同軸線路１３０の接地導体部１３４の内側面の最低位置１３４ａの端部の接地点ＰＶとマイクロストリップ線路基板の接地導電部１２６の端部（接地点ＰＶの側）の接地点ＰＨとの間において、垂直下方に０．２４ｍｍ、水平方向に０．２ｍｍ、垂直上方に０．０２ｍｍ、合計０．４６ｍｍの距離だけ大きく離間していることになる。すなわち、中心導体部１３２と接地導体部１３４との距離は０．２６ｍｍであるのに対して、誘電体基板１２０の厚さが０．４ｍｍと大きいので、垂直距離ＴＴＧをゼロに近づけることが困難であり、接地点ＰＶとＰＨとの間の距離が０．４６ｍｍと大きくなる。このため、接続領域の近傍において、伝搬モードの不連続が大きくなり、高周波信号の反射が増加する。

【0037】

図８は、比較例にかかる同軸マイクロストリップ線路変換回路の電圧定在波比の電磁界シミュレーションにうよる周波数特性のグラフ図である。
電圧定在波比ＶＳＷＲは、２４ＧＨｚで約１．２となり、４０ＧＨｚで約１．４３と悪化している。

【0038】

これに対して、第１の実施形態では、厚さＴ１の突出部１６を設け、凹部２８が設けられたマイクロストリップ線路２０と嵌合される。この結果、同軸線路３０の接地導体部３４の最低位置３４ａとマイクロストリップ線路２０の接地導体部２６の接地面２６ａとの垂直距離ＴＧ１をゼロに近づけることができる。

【0039】

次に第１の実施形態の第３具体例について説明する。マイクロストリップ線路基板２０のマイクロストリップ線路２４および接地導電部２６の表面に銅メッキ層やＡｕフラッシュ層を数十μｍ設ける場合、接地面２６ａが同軸線路３０の接地導体部３４の最低位置３４ａよりも下方に移動する。この場合、たとえば、誘電体２２の厚さＴ２または薄層化された厚さＴ３を低減すると、導電層の厚さの増加部をキャンセルして垂直距離ＴＧ１を小さく保つことができる。

【0040】

なお、同軸線路３０の一部は、筐体部１０の第１の側面１４に取り付けられたＳＭＰ互換コネクタを有しても良い。

【0041】

本実施形態によれば、数ＧＨｚ以上において、高周波信号の反射を低減可能な同軸マイクロストリップ線路変換回路が提供される。この同軸マイクロストリップ線路変換回路は、マイクロ波帯からミリ波帯の通信機器に広く使用可能である。

【0042】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0043】

１０ 筐体部、１２ 開口部、１４ 第１の側面、 １６ 突出部、１８ 底面、２０ マイクロストリップ線路基板、２２ 誘電体、２４ マイクロストリップ線路、２６ 接地導電部、２８ 凹部、３０ 同軸線路、３２ 中心導体部、３２ａ 一方の端部、３２ｃ 中心線、３４ 接地導体部、３４ａ 接地導体部の最低位置、４０ 半田層、Ｔ１ 突出部の厚さ、Ｔ２ 誘電体の厚さ、Ｔ３ 切削後の誘電体基板の厚さ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】