JP2004153367A

JP2004153367A - 高周波モジュール、ならびにモード変換構造および方法

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Publication number: JP2004153367A
Application number: JP2002313853A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Fukunaga; 達也福永
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2002-10-29
Filing date: 2002-10-29
Publication date: 2004-05-27
Also published as: US7199680B2; US20040085153A1; EP1416576A1; CN1499668A

Abstract

【課題】複数の導波路間において、ＴＥＭモードとその他のモードとのモード変換を良好に行うことができるようにする。
【解決手段】ＴＥＭモードの電磁波を伝搬する第１の導波路としてのＴＥＭ導波路１０と、この第１の導波路に結合され、ＴＥＭモードとは異なる他のモードの電磁波を伝搬する第２の導波路としての多層構造の導波管型導波路２０とを備えている。第１の導波路の端部は、グランド電極の積層方向側から、直接的に第２の導波路のグランド電極のひとつに導通されている。第１の導波路と第２の導波路との磁界の方向を、Ｈ面内において一致させて磁界結合するようにしたので、各導波路間において、ＴＥＭモードとその他のモードとのモード変換を良好に行うことができる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波またはミリ波などの高周波帯域の信号の伝搬に用いられる高周波モジュール、ならびに異なる導波路間でのモード変換を行うためのモード変換構造および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、マイクロ波帯やミリ波帯等の高周波信号を伝送するための伝送路としては、ストリップ線路、マイクロストリップ線路、同軸線路、導波管、および誘電体導波管などが知られている。これらはまた、高周波用の共振器およびフィルタを構成するものとして知られている。また、これら高周波用の構成要素をモジュール化したものとしては、ＭＭＩＣ（モノリシックマイクロ波集積回路）などがある。以下、高周波用の伝送路およびフィルタなどを構成するマイクロストリップ線路、および導波管などを総称して、導波路と呼ぶ。
【０００３】
ここで、導波路における電磁波の伝搬モードについて説明する。図１８（Ａ），（Ｂ）は、矩形導波管におけるＴＥモード（ＴＥ_１０モード）と呼ばれる状態での電界分布（同図（Ａ））と磁界分布（同図（Ｂ））とを示している。図１８（Ａ），（Ｂ）において、断面Ｓ１〜Ｓ５の位置はそれぞれ対応している。また図１９には、断面Ｓ１における電磁界分布を示す。これらの図に示したように、断面方向にのみ電界成分があり、電磁波の進行方向（管軸方向）Ｚには電界成分が存在しないような状態を「ＴＥモード」と呼ぶ。
【０００４】
また、図２０（Ａ），（Ｂ）は、ＴＭモード（ＴＭ_１１モード）と呼ばれる状態での電磁界分布を示している。図２０（Ａ）は、管軸方向Ｚに直交するＸＹ断面内での電磁界分布を示し、図２０（Ｂ）は、側面のＹＺ断面内での電磁界分布を示している。これらの図に示したように、断面方向にのみ磁界成分があり、電磁波の進行方向Ｚには磁界成分が存在しないような状態を「ＴＭモード」と呼ぶ。
【０００５】
なお、これら各モードにおいて、電界Ｅに平行な面は「Ｅ面」、磁界Ｈに平行な面は「Ｈ面」と呼ばれる。図１８（Ａ），（Ｂ）のＴＥモードの例では、ＸＹ平面に平行な面がＥ面、ＸＺ平面に平行な面がＨ面となる。
【０００６】
一方、図２１（Ａ），（Ｂ）に示したマイクロストリップ線路および同軸線路などにおいては、ＴＥＭモードと呼ばれる状態が存在する。ここで、マイクロストリップ線路とは、図２１（Ａ）に示したように、誘電体１０２を挟んでグランド（接地）導体１０１と、線路状の導体よりなる線路パターン１０３とを対向配置したものである。同軸線路は、図２１（Ｂ）に示したように、中心導体１１１の周囲を円筒状のグランド導体１１２によって取り囲んだものである。
【０００７】
図２２（Ａ），（Ｂ）は、それぞれマイクロストリップ線路および同軸線路におけるＴＥＭモードでの電磁界分布を示している。これらの図に示したように、電界成分と磁界成分の双方が断面内にのみ存在し、電磁波の進行方向Ｚにはそれらの成分が存在しないような状態を「ＴＥＭモード」と呼ぶ。
【０００８】
ところで、複数の導波路を有する高周波モジュールにおいては、各導波路を相互接続する構造が必要となる。特に、異なるモードの導波路を接続する場合には、各導波路間でモード変換を行うための構造が必要とされる。
【０００９】
従来、マイクロストリップ線路と導波管とを接続する構造としては、例えば、図２３に示したように、管路中央にリッジ部１２１を設けたいわゆるリッジ導波管の構成にする方法が知られている。マイクロストリップ線路の線路パターン１０３は、リッジ部１２１が設けられている部分に挿入される。この場合、マイクロストリップ線路がＴＥＭモード、リッジ導波管がＴＥモードであるものとすると、マイクロストリップ線路における電界分布は、図２４（Ａ）、リッジ部１２１における電界分布は、図２４（Ｂ）に示したようになる。接続部分において、双方の電界分布を合わせることにより、マイクロストリップ線路とリッジ導波管との間で、モード変換が行われる。
【００１０】
ところで最近では、多層構造の配線基板内に、積層技術によって誘電体導波管線路を形成したものが知られている。これは、誘電体を挟んで積層された複数のグランド導体と、内面がメタライズされ、グランド導体間を導通するようになされたスルーホールとを備え、これらグランド導体とスルーホールとで囲まれた領域内で電磁波を伝搬するようにしたものである。この多層構造の導波管をマイクロストリップ線路に接続する構造としては、例えば以下の特許文献１に記載されたものがある。この特許文献１に記載された構造は、基本的にリッジ導波管を用いた構造と同様であり、導波路の中央部にスルーホールを用いて階段状に擬似的なリッジ部を形成している。
【００１１】
そのほか、異なる種類の導波路を接続する構造としては、誘電体共振器における底辺の端部に入出力端子電極を備え、この入出力端子電極をプリント基板上の線路パターンに結合する例もある（特許文献２）。
【００１２】
【特許文献１】
特開２０００−２１６６０５号公報
【特許文献２】
特開２００２−１３５００３号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
このように、異なる導波路を接続する構造は従来よりいくつか知られているが、その一方で、多層構造の導波管については比較的最近の技術であり、異種導波路との接続構造に関して、まだ開発が不十分なところがある。特に、ＴＥＭモードの導波路と多層構造の導波管とを接続する場合において、それらの間のモード変換を適切に行うための変換構造については、改善の余地がある。
【００１４】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、複数の導波路間において、ＴＥＭモードとその他のモードとのモード変換を良好に行うことができる高周波モジュール、ならびにモード変換構造および方法を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明による高周波モジュールは、ＴＥＭモードの電磁波を伝搬する第１の導波路と、この第１の導波路に結合され、ＴＥＭモードとは異なる他のモードの電磁波を伝搬する第２の導波路とを備えている。第２の導波路は、互いに対向する少なくとも２層のグランド電極と、少なくとも２層のグランド電極間を導通する導通体とにより囲まれた領域を有し、その領域内を電磁波が伝搬するようになされている。第１の導波路は、グランド電極の積層方向に延在し、その端部が、積層方向側から、第２の導波路のグランド電極のひとつに直接導通されている。また、第１の導波路と第２の導波路とが、第１の導波路に伝搬される電磁波の磁界の方向と第２の導波路に伝搬される電磁波の磁界の方向とが一致するように、第２の導波路のＨ面において磁界結合されている。
【００１６】
本発明によるモード変換構造は、ＴＥＭモードの電磁波を伝搬する第１の導波路と、この第１の導波路に結合され、ＴＥＭモードとは異なる他のモードの電磁波を伝搬する第２の導波路との異なる導波路間におけるモード変換を行うためのモード変換構造であって、第２の導波路は、互いに対向する少なくとも２層のグランド電極と、少なくとも２層のグランド電極間を導通する導通体とにより囲まれた領域を有し、その領域内を電磁波が伝搬するようになされており、第１の導波路が、グランド電極の積層方向に延在し、その端部が、積層方向側から、第２の導波路のグランド電極のひとつに直接導通され、かつ、第１の導波路と第２の導波路とが、第１の導波路に伝搬される電磁波の磁界の方向と第２の導波路に伝搬される電磁波の磁界の方向とが一致するように、第２の導波路のＨ面において磁界結合されていることにより、モード変換がなされているものである。
【００１７】
本発明によるモード変換方法は、ＴＥＭモードの電磁波を伝搬する第１の導波路と、この第１の導波路に結合され、ＴＥＭモードとは異なる他のモードの電磁波を伝搬する第２の導波路とを備え、第２の導波路が、互いに対向する少なくとも２層のグランド電極と、少なくとも２層のグランド電極間を導通する導通体とにより囲まれた領域を有し、その領域内を電磁波が伝搬するように構成されている構造物におけるモード変換方法であって、第１の導波路を、グランド電極の積層方向に延在し、その端部を、積層方向側から、第２の導波路のグランド電極のひとつに直接導通し、かつ、第１の導波路と第２の導波路とを、第１の導波路に伝搬される電磁波の磁界の方向と第２の導波路に伝搬される電磁波の磁界の方向とが一致するように、第２の導波路のＨ面において磁界結合することにより、モード変換を行うようにしたものである。
【００１８】
本発明による高周波モジュール、ならびにモード変換構造および方法では、第１の導波路にＴＥＭモードの電磁波が伝搬される。第２の導波路では、互いに対向する少なくとも２層のグランド電極と、少なくとも２層のグランド電極間を導通する導通体とにより囲まれた領域内を、ＴＥＭモードとは異なる他のモードの電磁波が伝搬される。第１の導波路の端部は、グランド電極の積層方向側から、第２の導波路のグランド電極のひとつに直接導通される。そして、第１の導波路と第２の導波路とが、第１の導波路に伝搬される電磁波の磁界の方向と第２の導波路に伝搬される電磁波の磁界の方向とが一致するように、第２の導波路のＨ面において磁界結合される。これにより、第１の導波路と第２の導波路との接続部分において、ＴＥＭモードと他のモードとのモード変換が行われる。
【００１９】
本発明による高周波モジュールにおいて、第１の導波路と第２の導波路との結合部分において、グランド電極に部分的に電極を切り欠いた窓を設けるような構成にしても良い。
【００２０】
また本発明による高周波モジュールにおいて、第２の導波路が、電磁波を異なる方向に伝搬する複数の伝搬領域を有した構造となっており、第１の導波路の端部が、第２の導波路における複数の伝搬領域の境界部分において磁界結合されている構成にすることもできる。
【００２１】
この場合、第１の導波路を伝搬した電磁波が、第２の導波路における複数の伝搬領域に分岐して伝搬されるように、第１の導波路の端部が、第２の導波路における複数の伝搬領域の境界部分において磁界結合されている構成にすることもできる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００２３】
図１〜図３は、本発明の一実施の形態に係る高周波モジュールの第１の構成例を示している。図１は、図２および図３のＡＡ線部分の断面に対応する。図３では、図面の簡略化のため、最上層の厚みを省略し、ハッチングを施している。この高周波モジュールは、ＴＥＭモードと他のモードとの変換構造を有しており、例えば高周波信号用の伝送路およびフィルタなどに使用することができる。この高周波モジュールは、ＴＥＭモードの電磁波を伝搬可能な導波路（以下、ＴＥＭ導波路という。）１０と、このＴＥＭ導波路１０に結合され、ＴＥＭモードとは異なる他のモードの電磁波を伝搬する多層構造の導波管型導波路２０とを備えている。この構成例において、ＴＥＭ導波路１０は、本発明における「第２の導波路」の一具体例に対応し、導波管型導波路２０は、本発明における「第２の導波路」の一具体例に対応する。
【００２４】
導波管型導波路２０は、誘電体基板１２を挟んで互いに対向するグランド電極２１，２３と、これらグランド電極２１，２３間を導通する導通体としての複数のスルーホール２２とを有している。導波管型導波路２０では、それらグランド電極２１，２３とスルーホール２２とにより囲まれた領域内を、例えば図のＳ方向に電磁波が伝搬するようになっている。なお、導波管型導波路２０は、その電磁波の伝搬領域が誘電体で満たされた誘電体導波管の構成であっても良いし、内部を空洞にしたキャビティ導波管の構成であっても良い。スルーホール２２は、伝搬される電磁波が漏れ出さないよう、所定値以下（例えば信号波長の１／４以下）の間隔で設けられている。スルーホール２２の内面は、メタライズされている。スルーホール２２の断面形状は、円形に限らず、多角形または楕円等、他の形状であっても良い。
【００２５】
導波管型導波路２０において、ＴＥＭ導波路１０との接続位置Ｐ１付近には、ＴＥＭ導波路１０との結合調整用の結合窓１１が設けられている。図の例では、上側のグランド電極２３に結合窓１１を設け、ＴＥＭ導波路１０をその周辺に結合するようにしている。結合窓１１は、グランド電極２３を部分的に、例えば矩形状に切り欠いて形成されている。なお、結合窓１１を下側のグランド電極２１に設け、ＴＥＭ導波路１０を下側のグランド電極２１側に結合するようにしても良い。また、接続位置Ｐ１を、結合窓１１に対し図示した位置とは反対側（対称位置側）に設けるようにしても良い。すなわち、図の例では、結合窓１１から見て接続位置Ｐ１が導波管型導波路２０の内側寄りに設けられているが、結合窓１１から見て外側（周辺側）寄りに設けられていても良い。
【００２６】
ＴＥＭ導波路１０は、例えばマイクロストリップ線路、または同軸線路などの導波路であり、ＴＥＭモードの電磁波を伝搬可能であれば、特に限定されるものではない。ＴＥＭ導波路１０は、導波管型導波路２０のグランド電極２１，２３の積層方向（Ｙ方向）に延在し、その端部が、積層方向側から、ひとつのグランド電極２３に直接的に接続され、導通されている。また、ＴＥＭ導波路１０は、導波管型導波路２０のＨ面（磁界に平行な面）において磁界結合されている。なお、導波管型導波路２０がＴＥモードで、電磁波の進行方向Ｓが図１のＺ方向のとき、導波管型導波路２０のＨ面は図のＸＺ平面に平行な面となる。
【００２７】
この高周波モジュールにおいて、ＴＥＭ導波路１０と導波管型導波路２０との接続部およびその近傍におけるＨ面内での磁界分布は、概略図３に示したようになる。ＴＥＭ導波路１０は、ＴＥＭモードであるからその磁界分布は、ＴＥＭ導波路１０の周囲に環状に分布している。しかし、接続部近傍においては、端部がグランド電極２３に導通されているので、ＴＥＭ導波路１０の磁界Ｈ１は、主に接続部周辺に設けられた結合窓１１付近に分布している。一方、導波管型導波路２０の磁界Ｈ２は、例えば最低次のＴＥモード（ＴＥ_１０モード）であるものとすると、Ｈ面内においては管壁に沿って渦状に分布している。従って、導波管型導波路２０のＨ面内において図示したように、ＴＥＭ導波路１０の結合窓１１内での磁界Ｈ１の方向と、導波管型導波路２０の磁界Ｈ２の方向とを一致させることにより、結合窓１１の近傍で磁界結合がなされ、ＴＥＭモードからＴＥモードへの変換がなされる。
【００２８】
図６〜図８は、本発明の一実施の形態に係る高周波モジュールの第２の構成例を示している。図６は、図７および図８のＢＢ線部分の断面に対応する。図７では、図面の簡略化のため、中間層の厚みを省略し、ハッチングを施している。この高周波モジュールは、図１〜図３に示した高周波モジュールと同様、ＴＥＭモードと他のモードとの変換構造を有している。この高周波モジュールが、図１〜図３に示した高周波モジュールと異なるのは、導波管型導波路３０の部分である。この構成例では、導波管型導波路３０が、本発明における「第２の導波路」の一具体例に対応する。
【００２９】
導波管型導波路３０は、２つの誘電体基板４２，４３と、これら誘電体基板４２，４３上に設けられた互いに対向する３層のグランド電極３１，３３，３４と、これらグランド電極３１，３３，３４の少なくとも２層間を導通する導通体としての複数のスルーホール３２，４５とを有している。下側グランド電極３１は、下側の誘電体基板４２の底面に一様に設けられている。上側グランド電極３３は、上側の誘電体基板４３の上面に一様に設けられている。中間グランド電極３４は、誘電体基板４２，４３の間に設けられている。
【００３０】
スルーホール３２，４５は、伝搬される電磁波が漏れ出さないよう、所定値以下（例えば信号波長の１／４以下）の間隔で設けられている。スルーホール３２，４５の内面は、メタライズされている。スルーホール３２，４５の断面形状は、円形に限らず、多角形または楕円等、他の形状であっても良い。スルーホール４５は、上側グランド電極３３と中間グランド電極３４とを導通している。スルーホール３２は、下側グランド電極３１と中間グランド電極３４とを導通している。スルーホール４５は、ＴＥＭ導波路１０との接続位置Ｐ１の周囲を取り囲むように配置されている。
【００３１】
この導波管型導波路３０では、下側グランド電極３１、中間グランド電極３４およびスルーホール３２により囲まれた領域内を、例えば図のＳ方向に電磁波が伝搬するようになっている。なお、導波管型導波路３０は、その電磁波の伝搬領域が誘電体で満たされた誘電体導波管の構成であっても良いし、内部を空洞にしたキャビティ導波管の構成であっても良い。
【００３２】
この構成例では、ＴＥＭ導波路１０は、導波管型導波路３０のグランド電極３１，３３，３４の積層方向（Ｙ方向）に延在し、その端部が、上側グランド電極３３を介して積層方向側から、中間グランド電極３４に直接的に接続され、導通されるようになっている。このため、上側グランド電極３３には、ＴＥＭ導波路１０が挿通される挿通孔４４が設けられている。また、中間グランド電極３４には、ＴＥＭ導波路１０との接続位置Ｐ１付近に結合調整用の結合窓４１が設けられている。結合窓４１は、中間グランド電極３４を部分的に、例えば矩形状に切り欠いて形成されている。挿通孔４４および結合窓４１は、図８などから分かるようにスルーホール４５に囲まれた領域内に設けられている。
【００３３】
この構成例においても、ＴＥＭ導波路１０は、導波管型導波路３０のＨ面において磁界結合されている。この高周波モジュールにおいて、ＴＥＭ導波路１０と導波管型導波路３０との接続部およびその近傍におけるＨ面内での磁界分布は、概略図８に示したようになる。接続部近傍におけるＴＥＭ導波路１０の磁界Ｈ１は、上述の第１の構成例と同様、主に接続部周辺に設けられた結合窓４１付近に分布している。一方、導波管型導波路３０の磁界Ｈ２は、例えば最低次のＴＥモード（ＴＥ_１０モード）であるものとすると、Ｈ面内においては管壁に沿って渦状に分布している。従って、導波管型導波路３０のＨ面内において図示したように、ＴＥＭ導波路１０の結合窓４１内での磁界Ｈ１の方向と、導波管型導波路３０の磁界Ｈ２の方向とを一致させることにより、結合窓４１の近傍で磁界結合がなされ、ＴＥＭモードからＴＥモードへの変換がなされる。
【００３４】
このように、以上の各構成の高周波モジュールでは、第１の導波路としてのＴＥＭ導波路１０に、ＴＥＭモードの電磁波が伝搬される。ＴＥＭモードの電磁波は、ＴＥＭモード以外のモードを伝搬する第２の導波路（導波管型導波路２０，３０）へと伝搬される。第１の導波路と第２の導波路との接続部分においては、図３および図８に示したように、第２の導波路のＨ面内において、第１の導波路に伝搬される電磁波の磁界Ｈ１の方向と第２の導波路に伝搬される電磁波の磁界Ｈ２の方向とが一致するように、磁界結合がなされ、これにより、ＴＥＭモードから他のモードへと変換がなされる。
【００３５】
ここで、図１〜図３の第１の構成例を例に、磁界結合の度合いを調整する方法について説明する。
【００３６】
まず、第１の調整方法として、結合窓１１の幅Ｗ（図３）によって調整する方法がある。この場合、幅Ｗを短くすると、結合の度合いが弱くなるように作用する。
【００３７】
次に、第２の調整方法として、導波管型導波路２０における磁界の強度分布を考慮し、ＴＥＭ導波路１０を接続する位置自体で調整する方法がある。図９（Ａ），（Ｂ）に示したように、一般に多角形状の導波管（キャビティ共振器）では、多角形状の各辺の中央付近で磁界強度が最大になる。なお図９（Ａ），（Ｂ）は、それぞれＨ面方向の断面形状が四角形状および三角形状の導波管における、Ｈ面内での磁界分布を示している。図中、ハッチングを施した領域が磁界強度が強い領域である。
【００３８】
従って、図３に示したように、ＴＥＭ導波路１０を導波管型導波路２０の辺（スルーホールによって２２によって形成された側壁面）の中央付近で接続し、結合窓１１もその周辺に設ければ、そこは磁界強度が強いので、結合の度合いが強くなる。一方、接続位置Ｐ１および結合窓１１を、例えば図４（Ａ），（Ｂ）における矢印方向へ移動させ、辺の中央から離れた位置で結合すれば、それだけ結合の度合いが弱くなる。図４（Ａ）は、接続位置Ｐ１および結合窓１１を、辺の端部に配置した例であり、（Ｂ）は、管路の中心部に配置した例である。
【００３９】
次に、第３の調整方法として、図５に示したように、結合窓１１とは異なる位置に別途結合調整用の調整窓１３を設ける方法がある。調整窓１３は、結合窓１１と同様、グランド電極２３を部分的に例えば矩形状に切り欠いて形成されている。調整窓１３は、例えば接続位置Ｐ１を挟んで結合窓１１とは反対側の位置に配置される。
【００４０】
この場合、接続位置Ｐ１周辺においては、ＴＥＭ導波路１０による磁界は、主に結合窓１１と調整窓１３との付近に分布する。そして、それらの磁界Ｈ１１，Ｈ１２は、逆向きになる。従って、結合窓１１における磁界Ｈ１１の方向は、導波管型導波路２０の磁界Ｈ２の方向と一致する。一方、調整窓１３における磁界Ｈ１２の方向は、磁界Ｈ２の方向と逆向きになり、結合が打ち消される方向に働く。このため、結合窓１１の幅Ｗ１と調整窓１３の幅Ｗ２とを調節することにより、結合調整を行うことができる。例えば、結合窓１１の幅Ｗ１を一定のまま、調整窓１３の幅Ｗ２を大きくしていくと、結合はしだいに弱くなる。
【００４１】
なお、以上の説明では、電磁波が第１の導波路から第２の導波路側へと伝搬されるものとしていたが、これとは逆に、電磁波が第２の導波路から第１の導波路側へと伝搬されるようにしても良い。
【００４２】
以上説明したように、本実施の形態によれば、第１の導波路の端部を、グランド電極の積層方向側から、直接的に第２の導波路のグランド電極のひとつに導通させ、かつ、第１の導波路と第２の導波路との磁界の方向を、Ｈ面内において一致させて磁界結合するようにしたので、各導波路間において、ＴＥＭモードとその他のモードとのモード変換を良好に行うことができる。
【００４３】
また、本実施の形態によれぱ、第１の導波路を、グランド電極に直接または間接的に第２の導波路のグランド電極に導通させているので、その接続位置を変化させることなく、広い周波数帯域において最大効率での結合を行うことが可能である。
【００４４】
このことを図１０（Ａ），（Ｂ）に示した比較例のモード変換構造を参照して説明する。図１０（Ａ）は、このモード変換構造の平面図、図１０（Ｂ）は側面方向の構成を示している。このモード変換構造では、第２の導波路３２０におけるグランド電極３２１の一部に結合窓３２２が形成されている。この第２の導波路３２０に、端部が開放（オープン）端となっているマイクロストリップ線路などの第１の導波路３１０を最大効率で結合させることを考える。この場合、図に示したように、第１の導波路３１０の開放端からλ／４（λ；信号波長）の長さの所に結合窓３２２を位置させることで、結合の度合いが最大になる。しかし、このようなモード変換構造の場合、最大効率で結合させようとすると、信号周波数に応じて、第１の導波路３１０と結合窓３２２との位置関係を修正する必要がある。
【００４５】
これに対し、本実施の形態のモード変換構造の場合、接続部分において、第１の導波路と第２の導波路とが直接導通されているので、信号周波数が変わったとしても、接続位置の調整をすることなく、常に最大効率で結合（モード変換）させることができる。すなわち、広帯域において最大効率での結合を行うことが可能となる。
【００４６】
［変形例］
次に、以上の高周波モジュール、ならびにモード変換構造および方法の変形例について説明する。
【００４７】
＜第１の変形例＞
図１１は、本変形例における高周波モジュールの構成を示している。図１２には、この高周波モジュールの平面図を示す。図１１では、図面の簡略化のため、最上層の厚みを省略し、ハッチングを施している。本変形例は、第２の導波路を多重モード（２重モード）の導波管型導波路９０とした構成例である。この構成例では、２重モードの導波管型導波路９０の信号の入出力部に、ＴＥＭ導波路１０が接続されるようになっている。
【００４８】
導波管型導波路９０は、誘電体基板７２と、互いに対向するグランド電極９１，９３と、これらグランド電極９１，９３間を導通する導通体としての複数のスルーホール９２とを有し、それらグランド電極９１，９３とスルーホール９２とにより囲まれた領域内を、例えば図のＳ１，Ｓ２方向に電磁波が２つのモードで伝搬するようになっている。スルーホール９２は、全体として例えば略正方形状に配列されている。
【００４９】
ＴＥＭ導波路１０と導波管型導波路９０との接続構造は、基本的に、図１〜図３に示した第１の構成例と同様であり、導波管型導波路９０において、ＴＥＭ導波路１０との接続位置Ｐ１１，Ｐ１２付近には、ＴＥＭ導波路１０との結合調整用の結合窓７１，８１が設けられている。図の例では、上側のグランド電極９３に結合窓７１，８１を設け、ＴＥＭ導波路１０をその周辺に結合するようにしている。なお、結合窓７１，８１を下側のグランド電極９１に設け、ＴＥＭ導波路１０を下側のグランド電極９１側に結合するようにしても良い。
【００５０】
本変形例においても、ＴＥＭ導波路１０は、導波管型導波路９０のグランド電極９１，９３の積層方向（Ｙ方向）に延在し、その端部が、積層方向側から、ひとつのグランド電極９３に直接的に接続され、導通される。また、ＴＥＭ導波路１０は、導波管型導波路９０のＨ面において磁界結合されている。本変形例では、例えば接続位置Ｐ１１側に信号が入力され、接続位置Ｐ１２側から信号が出力される。
【００５１】
図１３（Ａ），（Ｂ）に、この導波管型導波路９０の２つのモードにおける磁界分布を示す。この導波管型導波路９０では、構造的な対称面９６に対して平行に磁界分布が生じる第１のモード（図１３（Ａ））と、対称面９６に対して垂直に磁界分布が生じる第２のモード（図１３（Ｂ））とが存在する。また、この導波管型導波路９０では、対称面９６とは反対側の対角位置９４，９５において、電磁波の伝搬領域の形状を変えることにより、信号周波数の帯域を調整することができる。例えば、伝搬領域の形状を、図示したように角を削り取ったような形状にすることにより、帯域を広げることができる。
【００５２】
なお、２重モードの導波路は、以上の構成以外にも種々のものがある。例えば、図１４（Ａ），（Ｂ）に示したような２つの磁界分布モードで励振するような導波路がある。この導波路においても、構造的な対称面９７に対して平行に磁界分布が生じる第１のモード（図１４（Ｂ））と、対称面９６に対して垂直に磁界分布が生じる第２のモード（図１４（Ａ））とが存在する。このように他の構成の２重モードの導波路に対しても、本実施の形態のモード変換構造を適用することが可能である。
【００５３】
このように、本変形例によれば、２重モードの導波管型導波路９０に対してもＴＥＭモードの導波路を接続し、ＴＥＭモードと他のモード間との変換を行うことができる。
【００５４】
＜第２の変形例＞
図１５〜図１７は、本変形例における高周波モジュールの構成を示している。図１５では、図面の簡略化のため、中間層の厚みを省略し、ハッチングを施している。図１７は、図１５におけるＣＣ線部分の断面に対応する。
【００５５】
これまでの各構成例の高周波モジュールでは、第２の導波路側における電磁波の伝搬領域はひとつだけであったが、本変形例では、第２の導波路としての多層構造の導波管型導波路６０が、電磁波の伝搬領域を複数有している。
【００５６】
導波管型導波路６０は、２つの誘電体基板５２，５３と、これら誘電体基板５２，５３上に設けられた互いに対向する３層のグランド電極６１，６３，６４と、これらグランド電極６１，６３，６４の少なくとも２層間を導通する導通体としての複数のスルーホール５５，６２とを有している。下側グランド電極６１は、下側の誘電体基板５２の底面に一様に設けられている。上側グランド電極６３は、上側の誘電体基板５３の上面に一様に設けられている。中間グランド電極６４は、誘電体基板５２，５３の間に一様に設けられている。これら下側グランド電極６１、中間グランド電極６４、および上側グランド電極６３の各層の平面構成を、それぞれ図１６（Ａ）〜（Ｃ）に示す。
【００５７】
スルーホール５５，６２は、伝搬される電磁波が漏れ出さないよう、所定値以下（例えば信号波長の１／４以下）の間隔で設けられている。スルーホール５５，６２の内面は、メタライズされている。スルーホール５５，６２の断面形状は、円形に限らず、多角形または楕円等、他の形状であっても良い。スルーホール６２は、上側グランド電極６３と中間グランド電極６４とを導通している。スルーホール５５は、下側グランド電極６１と中間グランド電極６４とを導通している。スルーホール６２は、上側グランド電極６３と中間グランド電極６４との間で、例えばＨ字状に配置されている。スルーホール５５は、例えば、ＴＥＭ導波路１０との接続位置Ｐ２１の周囲を取り囲むように配置されている。
【００５８】
この導波管型導波路６０では、上側グランド電極６３、中間グランド電極６４およびスルーホール６２により囲まれた２つの伝搬領域５０Ａ，５０Ｂ内を、異なる方向Ｓ１１，Ｓ１２に電磁波が伝搬するようになっている。なお、この導波管型導波路６０は、その電磁波の伝搬領域５０Ａ，５０Ｂが誘電体で満たされた誘電体導波管の構成であっても良いし、内部を空洞にしたキャビティ導波管の構成であっても良い。
【００５９】
この構成例では、ＴＥＭ導波路１０は、導波管型導波路６０のグランド電極６１，６３，６４の積層方向（Ｙ方向）に延在し、その端部が、下側グランド電極６１を介して積層方向側から、中間グランド電極６４に直接的に接続され、導通されるようになっている。このため、下側グランド電極６１には、ＴＥＭ導波路１０が挿通される挿通孔５４が設けられている。また、中間グランド電極６４には、ＴＥＭ導波路１０との接続位置Ｐ２１付近に結合調整用の結合窓５１Ａ，５１Ｂが設けられている。結合窓５１Ａ，５１Ｂは、中間グランド電極６４を部分的に、例えば矩形状に切り欠いて形成されている。挿通孔５４および結合窓５１Ａ，５１Ｂは、スルーホール５５に囲まれた領域内に設けられている。
【００６０】
本変形例では、接続位置Ｐ２１が、中間グランド電極６４における２つの伝搬領域５０Ａ，５０Ｂの境界部分に設定されている。また、結合窓５１Ａが、第１の伝搬領域５０Ａに対応する位置に設けられ、結合窓５１Ｂが、第２の伝搬領域５０Ｂに対応する位置に設けられている。これらの構造により、ＴＥＭ導波路１０が、２つの伝搬領域５０Ａ，５０ＢのそれぞれのＨ面において磁界結合され、ＴＥＭ導波路１０を伝搬した電磁波が、２つの伝搬領域５０Ａ，５０Ｂに分岐して伝搬されるようになっている。
【００６１】
すなわち、図１６（Ｂ）に示したように、接続位置Ｐ２１周辺においては、ＴＥＭ導波路１０による磁界は、主に結合窓５１Ａ，５１Ｂの付近に分布する。そして、それらの磁界Ｈ１１，Ｈ１２は、逆向きになる。ここで、接続部分において、導波管型導波路６０の各伝搬領域５０Ａ，５０Ｂにおける磁界Ｈ２１，２２の方向を、ＴＥＭ導波路１０の磁界Ｈ１１，Ｈ１２の方向と同じになるように設定すれば、各伝搬領域５０Ａ，５０ＢのそれぞれのＨ面内において、良好に磁界結合がなされ、ＴＥＭモードから他のモードへの変換がなされる。
【００６２】
本変形例によれば、ＴＥＭモードで伝搬されたひとつの高周波信号を、他のモードで複数に分岐して伝搬することができる。この変形例のモード変換構造は、デュプレクサなどに好適に用いることができる。
【００６３】
なお、本発明は、以上の実施の形態に限定されず種々の変形実施が可能である。例えば、上記実施の形態では、第２の導波路（導波管型導波路）におけるグランド電極間を導通する構造として、スルーホールを用いた例を挙げたが、スルーホールとは異なる構造の導通体を用いるようにしても良い。例えば、スルーホールに代えて溝状の構造部分を設け、その内面をメタライズして金属壁とするような構成にしても良い。このような金属壁は、例えばマイクロマシン工法により作成することができる。
【００６４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の高周波モジュール、モード変換構造、または、モード変換方法によれば、第１の導波路の端部を、グランド電極の積層方向側から、直接的に第２の導波路のグランド電極のひとつに導通させ、かつ、第１の導波路と第２の導波路とを、第１の導波路に伝搬される電磁波の磁界の方向と第２の導波路に伝搬される電磁波の磁界の方向とが一致するように、第２の導波路のＨ面において磁界結合させるようにしたので、各導波路間において、ＴＥＭモードとその他のモードとのモード変換を良好に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る高周波モジュールの一構成例を示す断面図である。
【図２】図１に示した高周波モジュールの斜視図である。
【図３】図１に示した高周波モジュールの平面図である。
【図４】図１に示した高周波モジュールにおける結合調整の説明図である。
【図５】図１に示した高周波モジュールにおける結合調整の他の説明図である。
【図６】本発明の一実施の形態に係る高周波モジュールの他の構成例を示す断面図である。
【図７】図６に示した高周波モジュールの斜視図である。
【図８】図６に示した高周波モジュールにおける中間層の平面図である。
【図９】多角形状の導波管における磁界分布の例を示す説明図である。
【図１０】本発明の一実施の形態に係る高周波モジュールに対する比較例を示す説明図である。
【図１１】第１の変形例の高周波モジュールの構成を示す斜視図である。
【図１２】図１１に示した高周波モジュールの平面図である。
【図１３】図１１に示した高周波モジュールにおける磁界分布のモードを示す説明図である。
【図１４】２重モードの他の例を示す説明図である。
【図１５】第２の変形例の高周波モジュールの構成を示す斜視図である。
【図１６】図１５に示した高周波モジュールにおける各層の構成を示す平面図である。
【図１７】図１５に示した高周波モジュールの断面図である。
【図１８】ＴＥモードの導波管における電磁界分布の説明図である。
【図１９】ＴＥモードの導波管におけるＥ面内での電磁界分布を示す説明図である。
【図２０】ＴＭモードの導波管における電磁界分布の説明図である。
【図２１】マイクロストリップ線路および同軸線路の構成図である。
【図２２】マイクロストリップ線路および同軸線路におけるＴＥＭモードの電磁界分布を示す説明図である。
【図２３】従来のマイクロストリップ線路と導波管との接続構造の例を示す斜視図である。
【図２４】図２３に示した接続構造における電界分布を示す説明図である。
【符号の説明】
１０…ＴＥＭ導波路、１１，４１，５１Ａ，５１Ｂ，７１，８１…結合窓、２０，３０，６０，９０…導波管型導波路、１５，２２，４２…スルーホール。

Claims

ＴＥＭモードの電磁波を伝搬する第１の導波路と、
この第１の導波路に結合され、ＴＥＭモードとは異なる他のモードの電磁波を伝搬する第２の導波路と
を備え、
前記第２の導波路は、互いに対向する少なくとも２層のグランド電極と、少なくとも２層のグランド電極間を導通する導通体とにより囲まれた領域を有し、その領域内を電磁波が伝搬するようになされており、
前記第１の導波路が、前記グランド電極の積層方向に延在し、その端部が、前記積層方向側から、前記第２の導波路のグランド電極のひとつに直接導通され、かつ、前記第１の導波路と前記第２の導波路とが、前記第１の導波路に伝搬される電磁波の磁界の方向と前記第２の導波路に伝搬される電磁波の磁界の方向とが一致するように、前記第２の導波路のＨ面において磁界結合されている
ことを特徴とする高周波モジュール。
前記第２の導波路は、ＴＥモードの電磁波を伝搬するものである
ことを特徴とする請求項１記載の高周波モジュール。
前記第１の導波路と前記第２の導波路との結合部分において、前記グランド電極に部分的に電極を切り欠いた窓が設けられている
ことを特徴とする請求項１記載の高周波モジュール。
前記第２の導波路は、電磁波を異なる方向に伝搬する複数の伝搬領域を有した構造となっており、
前記第１の導波路の端部が、前記第２の導波路における複数の伝搬領域の境界部分において磁界結合されている
ことを特徴とする請求項１記載の高周波モジュール。
前記第１の導波路を伝搬した電磁波が、前記第２の導波路における複数の伝搬領域に分岐して伝搬されるように、前記第１の導波路の端部が、前記第２の導波路における複数の伝搬領域の境界部分において磁界結合されている
ことを特徴とする請求項４記載の高周波モジュール。
前記第２の導波路は、多重モードで電磁波を伝搬するものである
ことを特徴とする請求項１記載の高周波モジュール。
ＴＥＭモードの電磁波を伝搬する第１の導波路と、この第１の導波路に結合され、ＴＥＭモードとは異なる他のモードの電磁波を伝搬する第２の導波路との異なる導波路間におけるモード変換を行うためのモード変換構造であって、
前記第２の導波路は、互いに対向する少なくとも２層のグランド電極と、少なくとも２層のグランド電極間を導通する導通体とにより囲まれた領域を有し、その領域内を電磁波が伝搬するようになされており、
前記第１の導波路が、前記グランド電極の積層方向に延在し、その端部が、前記積層方向側から、前記第２の導波路のグランド電極のひとつに直接導通され、かつ、前記第１の導波路と前記第２の導波路とが、前記第１の導波路に伝搬される電磁波の磁界の方向と前記第２の導波路に伝搬される電磁波の磁界の方向とが一致するように、前記第２の導波路のＨ面において磁界結合されていることにより、モード変換がなされている
ことを特徴とするモード変換構造。
ＴＥＭモードの電磁波を伝搬する第１の導波路と、この第１の導波路に結合され、ＴＥＭモードとは異なる他のモードの電磁波を伝搬する第２の導波路とを備え、前記第２の導波路が、互いに対向する少なくとも２層のグランド電極と、少なくとも２層のグランド電極間を導通する導通体とにより囲まれた領域を有し、その領域内を電磁波が伝搬するように構成されている構造物におけるモード変換方法であって、
前記第１の導波路を、前記グランド電極の積層方向に延在し、その端部を、前記積層方向側から、前記第２の導波路のグランド電極のひとつに直接導通し、
かつ、前記第１の導波路と前記第２の導波路とを、前記第１の導波路に伝搬される電磁波の磁界の方向と前記第２の導波路に伝搬される電磁波の磁界の方向とが一致するように、前記第２の導波路のＨ面において磁界結合することにより、モード変換を行う
ことを特徴とするモード変換方法。