非輻射介質線及其集成電路的製作方法
2023-05-26 17:34:41 3
專利名稱：非輻射介質線及其集成電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種適用於毫米波頻帶和微波頻帶中的傳輸線或電路的非輻射介質線及其集成電路。
背景技術：
迄今，已經將一種介質線用作毫米波頻帶或微波頻帶中的介質線，這種介質線如圖26所示，將介質帶設置在兩個大致上相互平行的導電板1和2之間。特別地，已經研製了一種非輻射介質線(稱為NRD波導)，其中，通過減小導電板之間的間隔使之不大於電磁波傳播波長的半波長，而將傳播區域僅安排在介質帶部分。
當形成這種NDR波導時，將PTFE主要地用於介質帶，而將硬質鋁主要地用於導電板。但是，由於這些材料的線性膨脹係數大大不同，故產生一個問題，即在溫度循環過程中介質帶相對於導電板滑動。因此，從對抗氣候性觀點，一種用於將介質帶固定到導電板的結構是重要的。
在通過使用NDR波導組合幾個元件形成毫米波電路模塊時，當在元件之間使NDR波導相互連接時，需要對要相互連接的NDR波導定位。
由此，如圖27所示，在第08-8617號日本未審查專利公告中揭示了一種傳統的介質帶固定結構，其中在介質帶的預定位置處形成一突出部分，而在導電板中形成一與之關聯的凹部，從而兩個部分相互匹配。
另一方面，在第09-102706號日本未審查專利公告中揭示了一種NRD波導，其中在導電板相對的各個表面上形成縫隙，並將介質帶設置在縫隙之間，從而只有LSM01的一種模式可以被傳輸。
在具有如圖27所示的結構的NRD波導中，有利的是，通過諸如噴射注模法直接將介質帶設置在導電板之間，但是，當通過諸如切割之類的方法製造介質帶時，該工藝是困難的。介質帶3的突出部分的尺寸越大，則它更牢靠地與導電板匹配，但是，當它太大時，電磁場的分布受到擾亂，產生反射，從而作為傳輸線的特性可能導致問題。
在具有其上帶有縫隙的導電板的上述NRD波導中，通過沿垂直於電磁波的傳播方向的方向，與導電板的縫隙匹配而給介質帶定位。但是，介質帶無法沿電磁波的傳播方向固定，這可能導致介質帶由於周圍溫度的變化而沿電磁波的傳播方向滑動。
發明揭示相應地，本發明的一個目的是通過解決上述問題，提供一種非輻射介質線和使用它的集成電路。
根據本發明的非輻射介質線包含兩個導電板，大致上相互平行，在兩個導電板上分別形成相對的縫隙；和設置在縫隙之間的介質帶，其中，在介質帶的預定位置上形成沿電磁波傳播方向橫向方向突出的凸部，和沿電磁波傳播方向橫向方向凹下的凹部，同時，分別與凸部或凹部匹配的介質帶的凹部或凸部形成在兩個導電板的縫隙的內表面上。
由於這種結構，通過介質帶的凸部或凹部與導電板的縫隙的內表面之間的匹配，介質帶沿電磁波傳播方向固定，同時，通過與導電板的縫隙的匹配，沿電磁波的傳播方向的垂直方向固定。
在如權利要求2所述的非輻射介質線中，介質帶中的凹部或凸部或兩個導電板的縫隙中的角部分可以具有彎曲的表面形狀。例如，在使介質帶的凹部或者凸部，或者導電板的縫隙中的角部分形成為相同於圓柱表面的部分的彎曲的表面形狀時，當使用立銑刀從PTFE板切割介質帶時，可以容易地形成其角部分具有對應於立銑刀的半徑的圓柱表面的凹部或凸部的介質帶。同樣地，當用立銑刀形成導電板的縫隙時，可以在導電板的縫隙的內表面上容易地形成其角部分具有對應於立銑刀的半徑的圓柱表面的角部分的凹部或凸部。
在根據權利要求3的非輻射介質線中，沿平行於電磁波傳播方向的表面將介質帶分為兩個帶，其中兩個分開的介質帶的端部表面之間的間隙的長度大致上是通過介質帶傳播的電磁波的波導波長的四分之一的奇數倍，而兩個分開的介質帶通過凸部或凹部分別與兩個導電板匹配。
由於這種結構，在非輻射介質線的連接部分，介質帶之間的每一個連接表面內的反射波通過相互不同相位的疊加而相互抵消，從而減小了反射效應。即使當兩個分開的介質帶由於溫度的變化而相對於導電板移動，由於其中產生的每一個間隙的長度是相同的，故不論周圍溫度的變化，反射效應都大大減小。
如權利要求4所述的非輻射介質線的集成電路包含多個上述非輻射介質線，其中多個非輻射介質線相互連接。由於這種結構，由於多個非輻射介質線之間的位置關係可以保持穩定，可以得到一種集成電路，它的由於裝配精確度的不同以及由於在裝配後周圍溫度的變化引起的特性的變化較小。
附圖概述
圖1是根據本發明的一個實施例的NRD波導的截面結構的示圖；圖2是根據本發明的第一實施例的NRD波導的結構的示圖；圖3是示出圖2所示的NRD波導的反射特性的曲線圖；圖4是示出圖2所示的NRD波導的反射特性的曲線圖；圖5是示出圖2所示的NRD波導的反射特性的曲線圖；圖6是示出圖2所示的NRD波導的反射特性的曲線圖；圖7是截面圖，示出根據第二實施例的NRD波導的結構；圖8是示出根據第二實施例的NRD波導的反射特性的曲線圖；圖9A和9B是根據第三實施例的NRD波導的結構的示示圖；圖10是示出根據第三實施例的NRD波導的反射特性的曲線圖；圖11A和11B是示出根據第四實施例的NRD波導的結構的示圖；圖12是示出根據第四實施例的NRD波導的反射特性的示圖；圖13A和13B是根據第五實施例的NRD波導的結構的示圖；圖14是示出根據第五實施例的NRD波導的反射特性的示圖；圖15A和15B是根據第六實施例的NRD波導的結構的示圖；圖16A和16B是根據第七實施例的NRD波導的結構的示圖；圖17是示出根據第七實施例的NRD波導的反射特性曲線圖；圖18A和18B是根據第八實施例的NRD波導的結構的示圖；圖19是示出根據第八實施例的NRD波導的反射特性的曲線圖；圖20是根據本發明的第九實施例的NRD波導的結構的示圖；圖21是根據本發明的第十實施例的NRD波導的結構的示圖；圖22是根據本發明的第十一實施例的介質帶的部分結構的透視圖；圖23A和23B是根據第十一實施例的介質帶的部分結構的示圖；
圖24A到24C是根據第十一實施例的介質帶的連接表面內產生的間隙的狀態的示圖；圖25是毫米波雷達的集成電路的結構示圖；圖26是傳統的NRD波導的截面圖；圖27是傳統的NRD波導的截面圖。
實施本發明的最佳模式圖1是根據本發明的實施例的NRD波導的截面結構示圖。在該附圖中，標號1和2表示導電板，其中在相對的表面上分別形成縫隙，而介質帶3設置在兩個縫隙之間。當在60GHz的頻帶中設計時，NRD波導的每一個部分的尺寸如下a=2.2mm；b=1.8mm；g=0.5mm。
圖2包含MRD波導的截面圖，以及當將上部導電板去掉的狀態下的平面圖。圖2A是在圖2B的線A-A的截面圖。在介質帶3的預定位置上形成沿橫向朝兩側突出，並且曲率半徑為「R」的凸部「P」。在導電板1的內表面上，和凸部相關聯地形成凹部「H」。上部導電板2的縫隙的形狀與導電板1的形狀相同。
圖1和2所示的NRD波導在介質帶3的介電常數為2.04，並且當介質帶的凸部的曲率半徑「R」分別變化為0.5mm，0.7mm和0.8mm的條件下的傳播特性(反射特性)的結果(通過三維有限元法分析得到)示於圖3到6中。通過這種方法，當介質帶的凸部的尺寸較小時，凸部在其上的效應小，從而應該知道可以在制定的60GHz的頻帶中得到極好的反射特性。還應該知道，曲率半徑「R」能夠改變具有很少反射的低損耗傳輸的頻帶。即，介質帶中形成的凸部的曲率半徑「R」越大，包含最小反射的頻帶越小。但是，即使象這個例子，當曲率半徑「R」增加到0.8mm時，NRD波導仍然可以用於60GHz的頻帶中。
然後，將參照圖7和8描述根據第二實施例的NRD波導的結構。
上文中以用於毫米波的傳輸線描述了第一實施例(其中，將介質帶設置在兩個導電板中間)，在第二實施例中，基片和介質帶一起設置在兩個導電板中間，以形成毫米波電路。圖7是其截面圖。在該附圖中，標號4表示介質基片，而標號31和32表示各個介質帶，其中將介質基片4設置得通過介質帶31和32，夾在兩個導電板1和2之間。在這個例子中，為了將介質基片4設置在中間位置，上部和下部介質帶31和32具有相同的形狀。
圖8中示在圖7中尺寸為a2=2.2mm，b2=1.8mm，g2=0.5mm，t=0.1mm，介質帶31和32的介電常數是2.04，介質基片4的介電常數是3.5，形成在介質帶31和32中的凸部具有和圖2所示的相同的形狀，其中其曲率半徑「R1」是0.55mm的情況下，三維有限元法分析的結果。從這個結果可以知道，在其中設置了基片的NRD波導中，不使反射特性惡化，也可以將介質帶固定在預定頻帶。
然後，參照圖9和10，描述根據第三實施例的NRD波導的結構。
在第一和第二實施例中形成從介質帶突出的凸部，並具有半圓形狀，在第三實施例中，介質帶中的凸部和導電板的縫隙的內表面上的凹部的角部分具有平滑的彎曲表面形狀。在圖9中，介質帶3的凸部「P」具有彎曲部分(圓柱表面)，它連接兩個曲率半徑為「R1」和「R2」的弧。當用立銑刀從PTFE板切割介質帶3時，可以通過使曲率半徑「R2」與立銑刀的半徑大致上相等，或使其大於立銑刀的半徑而進行研磨。通過使「R2」和立銑刀的半徑相等，可以減小工藝時間，導致減小工藝成本。另一方面，至於導電板的縫隙的切割，可以通過使凹部「H」的角部分形成得具有部分的圓柱表面，而使用立銑刀容易地研磨。這可以通過使曲率半徑「R1」和立銑刀的半徑相等，或使其大於其半徑而實現。
圖10中示出三維的有限元法分析的結果，其中圖9所示的尺寸的條件是a=2.2mm，b=1.8mm，g=0.5mm，介質帶3的介電常數是2.04，曲率半徑「R1」是0.8mm，並且「R2」是1.0mm。按照這種方法，當分別形成在介質帶中以及導電板的縫隙中的凸起和凹部的角部分具有彎曲的表面時，也可以得到理想的反射特性。
然後，將參照圖11到14描述根據第四和第五實施例的NRD波導的結構。
在第一到第三實施例中，介質帶的凸部和導電板的縫隙的內表面上的凹部具有彎曲的表面，可以具有矩形形狀的凸部「P」，並且相應的凹部「H」可以形成在導電板的縫隙的內表面上，如圖11所示。如圖13所示，可以具有三角形形狀的凹部「P」，並且相應的凹部「H」可以形成在導電板的縫隙的內表面上。
圖12中示出三維有限元法分析的結果，其中圖11和13中所示的尺寸的條件是a=2.2mm，b=1.8mm，g=0.5mm，介質帶3的介電常數是2.04，圖11所示的介質帶的凸部的尺寸是c=0.6mm；d=0.8mm。圖14中示出三維有限元法分析的結果，其中圖13所示的介質帶的凸部的尺寸的條件是e=2.0mm，f=0.8mm。按照這種方法，在任一例子中，可以在預定的頻帶中得到極好的反射特性。
圖15是根據本發明的第六實施例的NRD波導的結構。在這個實施例中，在形成在介質帶的凸部「P」和形成在導電板1和2的縫隙的內表面上的「H」之間沿介質帶3的橫向產生間距。即使波導具有這樣的結構，介質帶3仍然可以固定到導電板1和2。
圖16是根據第七實施例的NRD波導的結構的附圖。在第一到第六實施例中，其中形成沿介質帶3的橫向突出的凸部，在第七實施例中，其中形成沿介質帶3的橫向反向地凹下的凹部「H」，並在導電板1和2的縫隙的內表面上形成相應的凸部「P」。即使波導具有這種結構，通過將介質帶3的凹部「H」的尺寸(曲率半徑)確定在預定範圍內，可以有效地保持反射特性。
圖17中示出三維有限元法分析的結果，其中圖16所示的尺寸的條件是a=2.2mm，b=1.8mm，g=0.5mm，I=3.0mm，j=1.4mm，並且介質帶的介電常數是2.04。按照這種方法，可以在預定頻帶中得到極好的反射特性。
圖18是根據第八實施例的NRD波導的結構的示圖。在這個實施例中，圖16所示的介質帶的凹部具有三角形形狀。圖19示出三維有限元法分析結果，其中圖18所示的尺寸的條件是a=2.2mm，b=1.8mm，g=0.5mm，I=3.0mm，j=1.4mm，並且介質帶3的介電常數是2.04。在這種情況下，也可以在預定頻帶中得到極好的反射特性。
圖20和21是根據第九和第十實施例的NRD波導的示圖，並分別示出當將上部導電板去掉時的平面圖。在第一到第八實施例中，凹部或凸部相應於形成在介質帶中的凸部或凹部，形成在導電板的縫隙的內表面上，兩個形狀不必是相同或類似的輪廓，並且，如圖20和21所示，他們可以相互不同。在圖20所示的情況下，具有矩形形狀的凸部「P」形成在介質帶3中，而具有大致上為半圓形的凹下一部分「H」形成在導電板的縫隙的內表面上，從而介質帶3的凸部的部分與導電板中的凹部匹配。在圖21所示的情況下，在介質帶3中形成具有半圓形狀的凸部「P」，在導電板的縫隙的內部表面上形成矩形的截面形狀的凹部「H」。在這種情況下，介質帶3中的凸部「P」的根部與形成在導電板的縫隙中的凹部「H」匹配。
然後，參照圖22到24描述第十一實施例的NRD波導的結構。
在這個實施例中，介質帶之間的連接部分中的反射效應被減小了。圖23包含介質帶的一部分的透視圖，和其側視圖。如圖所示，沿平行於電磁波的傳播方向將介質帶範圍兩個部分，並且介質帶31a和32a的端部表面和介質帶31b和32b的端部表面之間的各自的每一個間隙的長度設計為波導波長的1/4或其奇數倍的長度，從而反射玻可以相互抵償。
圖22是透視圖，示出介質帶固定到導電板的部分的結構。在上部和下部介質帶31b和32b的預定部分沿橫向形成凸部「P」，並在上部和下部導電板的縫隙內表面上分別形成相應的凹部「H」。由於這種安排，將上部和下部兩個介質帶固定到導電板的預定位置。
圖24包含當將圖22所示的這種介質帶對的多重組合連接到一起時，位置滑動狀態的示圖。圖24(A)示出介質帶31a和32a的端部表面與介質帶31b和32b的端部表面之間的每一個間距的長度在標準溫度下是零的情況。當每一個介質帶不固定時，介質帶在連接的端部表面處之間的每一個間隙是不相同的，如圖24(B)所示，故產生反射程度的差別，從而上述的通過使反射不同相位的相互重疊而使反射抵消並不總是有效地起作用。然後，如圖24(C)所示，當將每一個介質帶在其大致中間位置處固定到導電板時，當溫度改變，介質帶之間在連接端部表面處的每一個間隙長度「△L」是相同的，從而通過使它們不同相位地重疊而抵消反射有效地起作用。另外，圖22示出在圖中所示的固定參考線中，介質帶固定到導電板的結構，作為範例。
然後，參照圖13描述毫米波雷達的集成電路的結構。
圖25是其將上部導電板去掉情況下的平面圖。這個用於毫米波雷達的集成電路包含各種元件，諸如振蕩器單元、隔離器單元、耦合器單元、循環器單元、混合器單元和主輻射器單元以及天線的介質透鏡。在振蕩器單元中，標號51表示耿氏二極體塊，並且耿氏二極體的一個電極連接到形成在基片上的線。在振蕩器單元中，介質帶53和介質帶54分別形成子線和主線。標號52表示與兩根線連接的介質諧振器。雖然在附圖中省略，但是，將變抗器二極體連接到介質帶53，作為輔助線，從而使耿氏二極體的振蕩頻率是可以控制的。在隔離器中，設置介質帶55、56和57以及終端長插條59。在三個介質帶55、56和57的中心部分，設置諧振器70(ferite resonator)以形成循環器。循環器和終端長插條59形成隔離器。在耦合器單元中，介質帶60和61形成耦合器。在循環器單元中，介質帶62、63和66以及鐵氧體諧振器71(feriteresonator)形成循環器。循環器和終端長插條59形成隔離器。在耦合器單元中，介質帶60和61形成耦合器。在循環器單元中，介質帶62、63和66以及鐵氧體諧振器71形成循環器。在主輻射器單元中，設置介質帶64和介質諧振器65，作為主輻射器。
另外，在混合器單元中，設置介質帶67、68和72，並在基片上設置導電圖案，該圖案通過將RF信號(接收頻率信號)和Lo信號(本地信號)混合在一起，產生IF信號(中頻信號)，還在基片上設置了混合器二極體。由耿氏二極體塊52產生的振蕩信號通過介質帶54→隔離器單元→介質帶60→循環器單元→主輻射器單元的路徑發送，以便通過介質透鏡輻射。接收頻率信號通過介質透鏡→主輻射器單元→循環器單元→混合器單元的路徑發送，而Lo信號通過耦合器單元→混合器單元的路徑發送。
如圖25所示，在每一個介質帶和每一個終端長插條中，在預定位置處形成與導電板的縫隙的內表面匹配的匹配部分(凸部)，並在上部和下部導電板的縫隙的內表面上形成相應的凹部。由此，這些介質帶和終端長插條被定位。並沿電磁波的傳播方向固定。當介質帶和終端長插條根據周圍的溫度變化而膨脹和收縮時，在元件之間的連接部分處的介質帶之間所產生的間隙需要直接而具體地確定。相應地，可以容易地將裝配精確度不同和溫度的變化引起的特性的變化保持在一預定範圍內。
另外，可以考慮介質帶的生產率和由於溫度的變化引起的特性的變化來設計每一個介質帶中匹配位置。在沿介質帶的橫向形成凸起還是凹部也取決於生產率和特性的變化。例如，當在彎曲部分中形成沿橫向突出的凸部時，這部分成為LSE01模式中的傳播區域。為了防止從LSM01模式轉換到LSE01模式的模式轉換中的損失，可以形成沿介質帶橫向凹下的凹部，如在圖25中示出為「A」的那樣。當在除了彎曲部分以外的其它部分形成匹配部分時，可以在其中形成沿介質帶的橫向突出的凸部，從而導電板縫隙的處理是容易的，並且可以保持介質帶的強度。
根據在權利要求1中所述的本發明，由於通過使介質帶的凸部和凹部與導電板的縫隙的內表面匹配而使介質帶沿電磁波的傳播方向固定，即使當通過機械加工等方式而生產介質帶和導電板的縫隙，工藝仍然是容易的。由於沿介質帶3的橫向形成凸部或凹部，故幾乎不會擾亂要傳播的模式的電磁場分布。
根據如權利要求2所述的本發明，例如，當使用立銑刀從介質板上切割介質帶時，相應於立銑刀的半徑，可以容易地形成其角部分具有彎曲的表面形狀的凹部和凸部的介質帶。同樣地，當使用立銑刀形成導電板的縫隙時，可以相應於立銑刀的半徑，在導電板的縫隙的內表面上容易地形成具有彎曲表面形狀的凹部或凸部。
根據如權利要求3所述的本發明，在非輻射介質線的連接部分，介質帶之間的每一個連接表面內的反射波通過相互不同相位地重疊而相互抵消，從而減小了反射的影響。即使當兩個分開的介質帶由於溫度的變化而相對於導電板移動時，由於其中產生的每一個間隙的長度是相同的，故不論周圍的溫度變化，都減小反射的影響。
根據如權利要求4所述本發明，由於多個非輻射介質線之間的位置關係可以保持穩定，可以得到由於裝配的精確度的不同和裝配後周圍溫度的不同引起的特性的變化較小的集成電路。
工業應用性如通過上述內容可知道的，根據本發明的非輻射介質線及其集成電路應用於生產寬頻帶電子設備，諸如毫米波頻帶無線電通信設備和微波頻帶無線電通信設備。
權利要求
1．一種非輻射介質線，其特徵在於包含兩個大致上相互平行的導電板，在所述兩個導電板上分別形成相對的縫隙，和設置在所述縫隙之間的介質帶，其中，在所述介質帶的預定位置處形成沿電磁波的傳播方向的橫向突出的凸部或沿電磁波的傳播方向的橫向凹陷的凹部，同時，在所述兩個導電板中的縫隙的內表面上分別形成與所述介質帶的所述凸部或所述凹部匹配的凹部或凸部。
2．如權利要求1所述的非輻射介質線，其特徵在於所述介質帶中，或所述兩個導電板的縫隙中的凹部或凸部的角部分具有彎曲的表面形狀。
3．如權利要求1和2任一條所述的非輻射介質線，其特徵在於將所述介質帶沿平行於電磁波的傳播方向的表面分為兩個介質帶，其中兩個分開的介質帶的端部表面之間的間隙的長度是通過所述介質帶傳播的電磁波的波導波長的1/4的奇數倍，而兩個分開的介質帶通過凸部或凹部與所述兩個導電板匹配。
4．一種非輻射介質線的集成電路，其特徵在於包含一個或多個如權利要求1到3的任一條所述的非輻射介質線，其中，所述多個非輻射介質線相互連接。
全文摘要
在非輻射介質線中,在兩個介質板中形成相對的縫隙,在兩個縫隙中都設置介質帶,以構成NRD波導,沿相對於電磁波傳播方向的寬度方向突出的;突出部分(P)形成在介質帶(3)的預定位置,而在介質板(1)和(2)的縫隙內表面中形成凹部(H)。配防止了由於介質帶的移動引起的特性的變化,介質帶通過機械加工製造。另外,保持了傳輸線的特性,而不擾亂要傳播的模式的電磁場的分布。
文檔編號H01P3/00GK1282450SQ98812268
公開日2001年1月31日 申請日期1998年12月15日 優先權日1997年12月17日
發明者齊藤篤, 西田浩, 谷崎透, 高桑鬱夫 申請人:株式會社村田製作所