JP5721458B2 - 高周波回路とスロットとの接続構造 - Google Patents

Description

本発明は、ミリ波等の高周波帯で多く用いられるスロットと高周波回路との接続構造に関するものであり、特にボンディングワイヤー等の導線を用いた差動端子との接続構造に関するものである。

従来、スロットを介した差動線路と導波管との接続構造が知られている。例えば、差動線路が形成された基板の下に導波管を配置して、差動線路の端部とスロット中央部の両側とをビアホールで接続する構造が提案されている（例えば、特許文献１を参照。）。

特開２００９−３３５２６号公報

近年、ＭＭＩＣ（monolithic microwave integrated circuit）においても、差動信号
を入出力するための差動端子が用いられるようになった。しかしながら、上面に差動端子を有するＭＭＩＣとスロットとを、特許文献１にて提案された構造を用いて接続するときには、差動線路と差動端子とをボンディングワイヤーで接続する必要があり、構造が複雑になるという問題があった。

本発明はこのような従来の技術における問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的は、単純な構造を備えるとともに差動信号を伝送可能な高周波回路とスロットとの接続構造を提供することにある。

本発明の高周波回路とスロットとの接続構造は、面状導体に形成された、両端が短絡されたスロットと、第１および第２の端子からなる一対の端子を有する高周波回路と、差動信号が伝送されて、前記スロットおよび前記高周波回路を接続する第１および第２の導線とを備え、前記一対の端子は、前記スロットの長さ方向において前記スロットと間隔を開けて配置されおり、前記第１の導線の一方端が前記第１の端子に接続されているとともに、前記第２の導線の一方端が前記第２の端子に接続されており、前記第１および第２の導線の他方端は、前記スロットの長さ方向の中央に対して前記一対の端子と反対側であり、且つ前記スロットの幅方向で前記スロットを挟む位置において、前記面状導体に接続されていることを特徴とするものである。

また、本発明の高周波回路とスロットとの接続構造は、上述した高周波回路とスロットとの接続構造において、前記第１および前記第２の導線は、前記スロット上を横断しないように配置されていることを特徴とするものである。

なお、スロット上を横断するとは、スロット上をスロットの幅方向に横切る（幅方向に斜めに横切ることも含む）ことであり、スロットが矩形状の場合には、スロットの重心における法線方向から見たときに、スロットの２つの長辺の両方と交わることを意味している。また、面状導体とは、平面状の導体および曲面状の導体の両方を含むものである。

本発明によれば、差動信号を良好に伝送可能な高周波回路とスロットとの接続構造を得ることができる。

（ａ）は本発明の実施の形態の第１の例の高周波回路とスロットとの接続構造を模式的に示す斜視図であり、（ｂ）は（ａ）に示す高周波回路とスロットとの接続構造を模式的に示す平面図である。 （ａ）は本発明の実施の形態の第２の例の高周波回路とスロットとの接続構造を模式的に示す斜視図であり、（ｂ）は（ａ）に示す高周波回路とスロットとの接続構造を模式的に示す平面図である。 （ａ）は本発明の実施の形態の第３の例の高周波回路とスロットとの接続構造を模式的に示す斜視図であり、（ｂ）は（ａ）に示す高周波回路とスロットとの接続構造を模式的に示す平面図である。 本発明の実施の形態の第２の例の高周波回路とスロットとの接続構造の電気特性を示すグラフである。 本発明の実施の形態の第３の例の高周波回路とスロットとの接続構造の電気特性を示すグラフである。

以下、本発明の高周波回路とスロットとの接続構造を添付の図面を参照しつつ詳細に説明する。

（実施の形態の第１の例）
図１（ａ）は本発明の実施の形態の第１の例の高周波回路とスロットとの接続構造を模式的に示す斜視図であり、（ｂ）は（ａ）に示す高周波回路とスロットとの接続構造を模式的に示す平面図である。

本例の高周波回路とスロットとの接続構造は、図１に示すように、面状導体11と、スロット12と、第１の導線31と、第２の導線32と、高周波部品20とを備えている。スロット12は、平面状である面状導体11に形成されている。

高周波部品20は、面状導体11の上に配置されており、高周波回路が内蔵されている。高周波部品20に内蔵された高周波回路は、第１の端子21および第２の端子22からなる一対の端子を有している。第１の端子21および第２の端子22は、差動信号の入力および出力の少なくとも一方を行うためのものであり、高周波部品20の上面に配置されている。なお、高周波部品20は、スロット12の長さ方向においてスロット12と間隔を開けて配置されている。よって、前記一対の端子は、スロット12の長さ方向においてスロット12と間隔を開けて配置されている。

第１の導線31および第２の導線32は、差動信号が伝送されて、スロット12および高周波部品20に内蔵された高周波回路を接続する。第１の導線31の一方端は、第１の端子21に接続されており、第２の導線32の一方端は、第２の端子22に接続されている。第１の導線31および第２の導線32の他方端は、スロット12の長さ方向（図のｘ方向）の中央に対して前記一対の端子と反対側（図の＋ｘ側）であり、且つスロット12の幅方向（図のｙ方向）でスロット12を挟む位置において、面状導体11に接続されている。なお、第１の導体31および第２の導体32の長さは、伝送する信号の波長の概ね１／２に設定されており、またスロット12の長さも、伝送する信号の波長の概ね１／２に設定されている。これによって、良好なインピーダンスマッチングを実現している。

このような構成を備える本例の高周波回路とスロットとの接続構造によれば、高周波部
品20に内蔵された高周波回路とスロット12とを良好に接続することができる。このメカニズムについては、次のように推測できる。すなわち、第１の導体31と第２の導体32との間の電界の向きは、第１および第２の端子21，22の近傍では、ほぼ水平（図のｙ方向）である。その後、スロット12に近づくにつれて、垂直方向（図のｚ軸方向）の成分が徐々に増加して、スロット12との結合が強くなって行く。このとき、第１の導線31および第２の導線32の他方端が、スロット12の長さ方向（図のｘ方向）の中央に対して前記一対の端子と反対側で面状導体11に接続されていることによって、スロット12との結合を充分に確保できるとともに、スロット12が形成されていない領域で面状導体11と結合するのを防止することができるためであると考えられる。

なお、第１の導線31および第２の導線32の他方端が、スロット12の長さ方向の中央で面状導体11に接続される場合には、高周波部品20に内蔵された高周波回路とスロット12とを良好に接続できないことが、本発明者の検討によって判明した。この原因は、第１及び第２の導線31，32が面状導体11に近づくにつれ、スロット12との結合よりも先に、面状導体11との結合が強くなるためであると考えられる。

また、本例の高周波回路とスロットとの接続構造によれば、第１および第２の導線31，32が、スロット12を横断しないように配置されていることから、高周波回路とスロット12との接続をさらに良好なものにすることができる。これは、第１および第２の導線31，32が、スロット12の両側において面状導体11と結合することが防止されるためであると考えられる。

本例の高周波回路とスロットとの接続構造によれば、高周波部品20に内蔵された高周波回路とスロット12とを良好に接続することができる。よって、図１に示した構造は、スロット12から電磁波を放射するスロットアンテナとして機能することができる。

（実施の形態の第２の例）
図２（ａ）は本発明の実施の形態の第２の例の高周波回路とスロットとの接続構造を模式的に示す斜視図であり、（ｂ）は（ａ）に示す高周波回路とスロットとの接続構造を模式的に示す平面図である。なお、本例においては前述した実施の形態の第１の例と異なる点のみについて説明し、同様の構成要素については同一の参照符号を用いて重複する説明を省略する。

本例の高周波回路とスロットとの接続構造は、図２に示すように、面状導体11の下部に誘電体41と裏面導体42とを備えており、面状導体11，誘電体41および裏面導体42により誘電体基板40が形成されている。

このような構成を備える本例の高周波回路とスロットとの接続構造においては、スロット12に結合された差動信号は、面状導体11と裏面導体42とで挟まれた平行平板線路に入り、スロット12の幅方向（図の±ｙ方向）に放射上に広がる。このような構造を、誘電体基板40上に複数形成することにより、２次元的な通信が可能となる。

（実施の形態の第３の例）
図３（ａ）は本発明の実施の形態の第３の例の高周波回路とスロットとの接続構造を模式的に示す斜視図であり、（ｂ）は（ａ）に示す高周波回路とスロットとの接続構造を模式的に示す平面図である。なお、本例においては前述した実施の形態の第１の例と異なる点のみについて説明し、同様の構成要素については同一の参照符号を用いて重複する説明を省略する。

本例の高周波回路とスロットとの接続構造においては、図３に示すように、面状導体11
が上側の管壁となる導波管線路50が形成されている。導波管線路50の一方端は短絡されており、導波管線路50の内部には誘電体51が充填されている。また、高周波部品20は基板61上に搭載されている。

このような構成を備える本例の高周波回路とスロットとの接続構造においては、高周波部品20に内蔵された高周波回路の差動信号を、スロット12を介して導波管線路に良好に接続することができる。

（変形例）
本発明は前述した実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更，改良が可能である。

例えば、前述した実施の形態の第１〜第３の例においては、スロット12の形状を長方形としたが、スロットとして機能すればどのような形状でもよく、多角形、長楕円、蝶ネクタイ型、ダンベル型等でも良い。

また、面状導体11が平面状の導体である例を示したが、曲面状の導体であっても構わない。例えば球面の一部や鞍状をした曲面状の導体であっても良い。

さらに、スロット12の中心が、一対の端子21，22の中央から図のｙ方向に離れた場所に位置する例を示したが、スロット12の中心が、さらに図のｘ方向に多少シフトしても構わない。

またさらに、端子21，22が一対の差動型の場合を示したが、これに限定されるものではない。例えば、ＧＳＧＳＧ（Ｇ：接地導体、Ｓ：信号線路）と並んでいるような端子でも構わない。なお、このような構造の場合には、接地端子を放射抑制のために利用することもできる。

さらにまた、前述した実施の形態の第１〜第２の例においては、高周波部品20は面状導体11上に形成されているが、必ずしもその必要は無い。例えば、高周波部品20の下に面状導体11が無く、絶縁体上に形成されるようにしてもよい。また、実施の形態の第３の例のように、高周波部品20が搭載された基板と、スロット12が形成された基板とが、別々になっていても良い。

またさらに、前述した実施の形態の第２の例においては、スロット12をアンテナとして作用させ、面状導体11と裏面導体42とで形成された平行平板導波路内に電磁波を放射させる例を示したが、これに限定されるものではない。例えば、スロット12をアンテナとしてでなく、他のアンテナへの給電構造として利用することもできる。他のアンテナとは、例えば、パッチアンテナ、ダイポールアンテナ、モノポールアンテナ、逆Ｆアンテナ、誘電体共振器アンテナ、ループアンテナ、ホーンアンテナ、アレーアンテナ等である。

さらにまた、前述した実施の形態の第３の例においては、スロット12を介して導波管線路50に接続する例を示したが、これに限定されるものではない。例えば、マイクロストリップ線路、コプレーナ線路、スロット線路、積層型導波管線路等に接続するようにしても構わない。

本発明の高周波回路とスロットとの接続構造の具体例について説明する。

（実施例１）
図２に示した本発明の実施の形態の第２の例の高周波回路とスロットとの接続構造における電気特性を電磁場解析によるシミュレーションによって算出した。

算出条件としては、スロット12のサイズを1.5ｍｍ×0.3ｍｍ、第１および第２の端子21，22のサイズを1.0ｍｍ×0.8ｍｍ、高周波回路が内蔵された高周波部品20のサイズを0.5
ｍｍ×1.0ｍｍとし、その厚みを0.2ｍｍとした。また面状導体11および裏面導体42の厚みを0.01ｍｍとした。誘電体41は、厚みを0.8ｍｍとすると共に、その誘電率を4.4、誘電正接を0.02とした。第１および第２の端子21，22とスロット12の中心間のｘ方向の距離は2.15ｍｍとし、第１および第２の導線31，32は、直径を25μｍ、ｘ方向の長さを2.7ｍｍと
した。第１および第２の導線31，32が面状導体11に接続される位置は、スロット12の長さ方向の中央から図のｘ方向へ0.55ｍｍ移動した位置とした。

第１および第２の端子21，22を差動ポートに設定し、シミュレーションにてその反射特性（Ｓ11）を計算した。図４にその計算結果を示す。図４に示すグラフにおいて、横軸は周波数であり、縦軸は減衰量である。また、実線はＳ21を、破線はＳ22を、点線はＳ11を示している。図４に示すグラフによれば、59ＧＨｚ付近において-30ｄＢ以下の良好な反
射特性を示している。また、反射量が-10ｄＢ以下の周波数は、53.5ＧＨｚ〜66.0ＧＨｚ
であり、比帯域（帯域幅／中心周波数）が20.9％という広帯域な特性を示している。これにより本発明の有効性が確認できた。

表１は、図２（ａ），（ｂ）に示す本発明の実施の形態第２の例の高周波回路とスロットとの接続構造における、導線31，32が面状導体11に接続される位置とスロット12との位置関係を変化させたときの比帯域の変化を示すものである。なお、第１および第２の導線31，32の位置を固定して、スロット12をｘ方向に動かすことによって、導線31，32が面状導体11に接続される位置とスロット12との位置関係を変化させた。表の接続位置は、スロット12の長手方向中心位置を原点として、図の＋ｘ方向を正としている。従って、接続位置が０ｍｍのときはスロット12の長手方向中央部の両側で、第１および第２の導線31，32が面状導体11に接続されていることを意味している。また、本実施例では、スロット12の長手方向の長さは1.5ｍｍなので、接続位置が0.75ｍｍのときには、スロット12の長さ方
向の端部（＋ｘ方向の端部）において、第１および第２の導線31，32が面状導体11に接続していることを意味する。なお、接続位置のみを変更し、その他は前述した条件と同一条件である。

表１によれば、接続位置が-0.25ｍｍおよび0.95ｍｍのときはＳ11＜-10ｄＢの領域は得られていない。また接続位置をｐとすると、0.15≦ｐ≦0.75の範囲で良好な特性が得られていることが分る。

表２は、図２（ａ），（ｂ）に示す本発明の実施の形態第２の例の高周波回路とスロットとの接続構造における、導線31，32に対してスロット12を回転させて、その回転角度を
変化させたときの比帯域（帯域幅／中心周波数）を示すものである。第１および第２の導線31，32は固定して、第１および第２の導線31，32と面状導体11との２つの接続点を結ぶ線分と、スロット12の幅方向（図のｙ軸方向）の中心を結ぶ線分との交点を中心とし、図のｚ軸方向を回転軸として、スロット12を回転させたときの特性を示している。

表２によれば、回転するに従って中心周波数は低周波側にずれると共に、徐々に比帯域が狭くなる傾向にある。回転角度が10°までは広帯域な特性を示しているが、10°〜15°にかけて急激に帯域が狭くなっている。なお、ｚ方向から見たときに、10°までは、第１または第２の導線31，32の一方または両方がスロット12の長辺および短辺と交わっているが、15°の場合は、第１または第２の導線31，32の一方または両方がスロット12の２つの長辺と交わっており、スロット12を横断している。このことから、良好な電気特性を得るためには、第１および第２の導線31，32が、スロット12を横断しないように配置する必要があることが分かる。

（実施例２）
図３に示した本発明の実施の形態の第３の例の高周波回路とスロットとの接続構造における電気特性を電磁場解析によるシミュレーションによって算出した。

算出条件としては、スロット12のサイズを1.5ｍｍ×0.3ｍｍ、第１および第２の端子21，22のサイズを1.0ｍｍ×0.8ｍｍ、高周波回路が内蔵された高周波部品20のサイズを0.5
ｍｍ×1.0ｍｍとし、その厚みを0.2ｍｍとした。また、面状導体11を含む導波管線路50の管壁の厚みを0.01ｍｍとした。誘電体51は、厚みを0.8ｍｍとすると共に、その誘電率を4.4、誘電正接を0.02とした。第１および第２の端子21，22とスロット12の中心との間のｘ方向の距離は2.15ｍｍとした。第１および第２の導線31，32は、直径を25μｍ、ｘ方向の長さを2.8ｍｍとした。導波管線路50は、幅を1.8ｍｍ、ｙ方向の長さを3.0ｍｍとした。
スロット12の中心と導波管線路50の短絡端との距離は0.35ｍｍとした。また、高周波部品20を搭載した基板61の面と面状導体11の面のｚ方向の高さを一致させた。

第１および第２の端子21，22を差動ポート１、導波管線路50の開放面をポート２に設定し、シミュレーションにてその電気特性を計算した。図５にその計算結果を示す。図５に示すグラフによれば、反射量Ｓ11が-10ｄＢ以下の周波数は58.3ＧＨｚ〜71.3ＧＨｚであ
り、反射量Ｓ22が-10ｄＢ以下の周波数は56.4ＧＨｚ〜73.9ＧＨｚである。従って、Ｓ11
およびＳ22が共に-10ｄＢ以下となる比帯域は20.0％となり本発明の有効性が確認できた
。

なお、上記周波数帯域において挿入損失Ｓ21は-2.3ｄＢ程度、即ち40％程度の損失があるが、その約半分は誘電体や導体による損失であり、残りの半分が放射損失である。この放射損失は、両端が面状導体11に接続され、スロット12を空中でまたぐような導線を形成することにより抑制できると考えられる。

11：面状導体
12：スロット
21：第１の端子
22：第２の端子
31：第１の導線
32：第２の導線

Claims (2)

1. 面状導体に形成された、両端が短絡されたスロットと、
   第１および第２の端子からなる一対の端子を有する高周波回路と、
   差動信号が伝送されて、前記スロットおよび前記高周波回路を接続する第１および第２の導線とを備え、
   前記一対の端子は、前記スロットの長さ方向において前記スロットと間隔を開けて配置されおり、
   前記第１の導線の一方端が前記第１の端子に接続されているとともに、前記第２の導線の一方端が前記第２の端子に接続されており、
   前記第１および第２の導線の他方端は、前記スロットの長さ方向の中央に対して前記一対の端子と反対側であり、且つ前記スロットの幅方向で前記スロットを挟む位置において、前記面状導体に接続されていることを特徴とする高周波回路とスロットとの接続構造。
2. 前記第１および前記第２の導線は、前記スロット上を横断しないように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の高周波回路とスロットとの接続構造。

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