線路轉換器,高頻模塊,以及通信設備的製作方法
2023-11-12 00:45:37 2
專利名稱：線路轉換器,高頻模塊,以及通信設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於微波段和毫米波段至少之一的傳輸線路的線路轉換器，包括該線路轉換器的高頻模塊，以及通信設備。
背景技術：
過去，用於在平面電路和三維波導器之間進行線路轉換的線路轉換器已經被專利文獻1(日本未審專利申請公開No.60-192401)和專利文獻2(日本未審專利申請公開No.2001-111310)所公開，其中平面電路通過利用電介質襯底形成，三維波導器用於在三維空間傳播電磁波。
在專利文獻1的線路轉換器中，形成為一部分平面電路的微波傳輸帶線路的一端插入到被波導管平面E分成為兩部分的終端短路波導管中。該終端短路波導管的兩部分穿過形成在該電介質襯底中的凹槽並夾住期間的電介質襯底。
在專利文獻2的線路轉換器中，電介質襯底以與預定距離差不多的距離且正交於電磁波傳播方向的預定方向設置在遠離終端短路波導管的短路平面的位置。
在專利文獻1的線路轉換器的情況下，需要在電介質襯底上形成穿透槽，以穿透被分成兩部分的部分波導管。因此，在電介質襯底由包括鋁或類似的陶瓷襯底形成的情況下，電介質襯底難以使用機器加工。此外，微波傳輸帶線路在由波導管的終端產生的駐波所產生的電場強度高的位置進行耦合。其耦合特性取決於包括有微波傳輸帶線路的電介質襯底與波導管之間的位置關係。因此，耦合特性受電介質襯底與波導管的組裝精度的影響，這使得難以沒有偏差地得到預定設計的線路變換特性。
在專利文獻2的線路轉換器中，電介質襯底以正交于波導管的電磁波傳播方向的預定方向設置。因此，以較低的靈活性確定由波導管形成的三維波導器與由電介質襯底形成的平面電路之間的位置關係。從而，平面電路不能以平行于波導管的電磁波傳播方向的預定方向設置。
本發明的目的在於提供一種線路轉換器，包括該線路轉換器的高頻模塊，以及通信設備，該線路轉換器中平面電路能夠以平行於電磁波穿透三維波導管的方向的預定方向設置，電介質襯底能夠很容易地機器加工，並且防止形成在電介質襯底上的平面電路與三維波導管之間的耦合特性受平面電路與三維波導管組裝精度的影響，使得很容易實現預定設計的線路轉換特性。
發明的公開為實現上述目的，本發明具備線路轉換器，其包括用於在三維空間傳播電磁波的三維波導器和具有形成在電介質襯底上的預定導電分布圖的平面電路，以便在該平面電路和三維波導器之間進行線路轉換。
該線路轉換器的特徵在於，設置有電介質襯底，使得與三維波導器的平面E平行並且位於該三維波導器的接近中心部分，並且電介質襯底的導電分布圖包括形成三維波導器屏蔽區的導體部分，電磁耦合到該屏蔽區中出現的駐波的耦合線路部分，以及從該耦合線路部分延續的傳輸線路部分。
因此，用於將三維波導器電磁耦合到平面電路上的傳輸線路上的駐波由設置在電介質襯底上的導電分布圖形成的屏蔽區產生。從而，形成三維波導器的屏蔽區的電介質襯底側上的導體部分與電磁耦合到屏蔽區產生的駐波的耦合線路部分之間的位置關係僅僅取決於在電介質襯底上形成導電分布圖的精度。因此，能夠得到穩定的耦合特性而不受三維波導器與平面電路的組裝精度的影響，並且能夠得到預定設計的線路轉換特性。
此外，本發明的特徵在於，形成屏蔽區的導體部分形成為形成在電介質襯底的兩個面上的接地導體。
此外，本發明的特徵在於，具有多個穿透電介質襯底並且排列在兩側的至少一側上的導電通路，從而以與預定距離差不多的距離遠離傳輸線路，這樣實現形成在電介質襯底的兩個面上的接地導體之間的導電性。
此外，本發明的特徵在於三維波導器的導體被平行於平面E的平面分成為包括上部和下部的兩部分並且在三維波導器的導體中設置空間，使得通過該空間形成閉塞部分，其中空間設置在遠離三維波導器與預定距離差不多距離的位置，使得與三維波導器的電磁波傳播方向平行。
此外，本發明的特徵在於，包括線路轉換器和連接到線路轉換器的每個平面電路和三維波導器的高頻電路。
此外，本發明的特徵在於在用於傳輸和接收電磁波的單元中形成有包括高頻模塊的通信設備。
附圖的簡要描述
圖1示出了本發明第一實施例的線路轉換器的截面圖和平面圖。
圖2示出了所示線路轉換器的分解平面圖。
圖3示出了三維波導器的電場強度分布實例的截面圖，其描述了線路轉換器的三維磁場解析仿真結果。
圖4示出了線路轉換器的三維磁場解析仿真結果的平面圖。
圖5示出了線路轉換器的三維磁場解析仿真結果的另一平面圖。
圖6示出了本發明第二實施例的線路轉換器。
圖7示出了線路轉換器的分解平面圖。
圖8是示出本發明第三實施例的高頻模塊的結構圖。
圖9是示出本發明第四實施例的通信設備的結構圖。
實現發明的優選實施例現在將參考圖1到5對本發明第一實施例的線路轉換器的結構進行描述。
圖1示出了線路轉換器的結構。圖1(C)示出了移除上部導電板2和上部絕緣帶7之後的線路轉換器的平面圖。圖1(A)是圖1(C)所示的線路轉換器的A-A′截面圖，其上安裝有上部導電板2。圖1(B)是圖1(C)所示的線路轉換器的B-B′截面圖，其上安裝有上部導電板2，與圖1(A)中的情形相同。
這裡，附圖標記1表示下部導電板，附圖標記2表示上部導電板，附圖標記3表示電介質襯底，以及附圖標記6和7表示絕緣帶。設置電介質襯底3，使得其夾在下部導電板1和上部導電板2，以及絕緣帶6和7之間。
圖2示出了圖1所示線路轉換器每個部分的結構分解平面圖。圖2(A)示出的是上部導電板2的頂面。圖2(B)示出的是電介質襯底3的頂面，圖2(C)示出的是電介質襯底3的底面上的導電分布圖，圖2(D)是下部導電板1的平面圖。
三維波導槽G11設置在下部導電板1上並且三維波導槽G21設置在上部導電板2上。下部絕緣帶6插入在三維波導槽G11中。上部絕緣帶7插入在三維波導槽G21中。通過將兩個導電板1和2相互重疊，兩個絕緣帶6和7彼此相對。從而，形成絕緣填充的波導器(DFWG)(下文簡稱「波導器」)。
波導器的預定平面設定為平面E(與電磁波的傳播模式的TE10模式的電場平行的導電平面)，其中平面E與下部導電板1和上部導電板2平行。從而，電介質襯底3設置在與波導器的平面E平行並且與接近波導器的中心部分對應(下部導電板1和上部導電板2之間的部分)的位置。
導電板1和2由包括例如鋁或類似的金屬板加工而形成。此外，絕緣帶6和7通過注模法或者加工氟塑料樹脂而形成。電介質襯底3通過利用包括鋁或類似的陶瓷襯底而形成。
傳輸線路導體4a以及從其延續的耦合線路導體4k形成在電介質襯底3的底面上(面向下部導電板1的側面)。接地導體5g形成在電介質襯底3的頂面上(面向上部導電板2的側面)。形成在電介質襯底3上的傳輸線路導體4a和形成在面向傳輸線路導體4a的表面上的接地導體5g形成微波傳輸帶線路。
在電介質襯底3的頂面上的接地導體5g上形成有凹槽部分，如圖2(B)所示的參考符號N所標記。面向凹槽部分N的耦合線路導體4k，電介質襯底3，下部導電板1和上部導電板2形成暫停線路。傳輸線路導體4a和耦合線路導體4k形成在電介質襯底3的底面側並且接地導體4g以與預定距離差不多的距離形成在遠離傳輸線路的預定區域內。
如圖2(D)所示，下部導電板1具有形成於其上並且沿傳輸線路4a的傳輸線路槽G12。傳輸線路槽G12具有在上述微波傳輸帶線路的火線側的預定空間並且充當屏蔽罩。
此外，用於實現電介質襯底3的頂面和底面上的接地導體4g和5g之間連續性的多個導電通路(通孔)V排列在傳輸線路導體4a和耦合線路導體4k的兩側，使得以與預定距離差不多的距離遠離。從而，平行平板，即，其間夾住電介質襯底3的上部和下部接地導體4g和5g之間所形成的象平行平板模式這樣的偽模式與由傳輸線路導體4a和接地導體5g所形成的微波傳輸帶線路模式之間的不必要耦合得以屏蔽。此外，由耦合線路導體4k，電介質襯底3以及導電板1和2所形成的暫停線路模式和上述偽模式之間的不必要耦合得以屏蔽。此外，導電通路(通孔)V可以排列在傳輸線路導體4a和耦合線路導體4k的一個側面，使得以與預定距離差不多的距離遠離。
由於將具有其上形成有各種導電分布圖的電介質襯底3以上述方式夾在兩個導電板1和2之間，所以電介質襯底3位於導電板1和2的預定位置使得耦合線路導體4k以正交于波導器的電磁傳播方向的預定方向插入在波導器中。接地導體4g和5g形成在電介質襯底3上使得每個接地導體4g和5g部分插入在波導器中。如圖1所示，部分接地導體4g和5g由參考符號S表示。該部分形成波導器的屏蔽區。就是說，通過在接近波導器中心部分形成平行於平面E的接地導體，波導器被平行於平面E的平面分割開，其中波導器的屏蔽波長減小並且屏蔽區形成在波導器中。尤其是，參考符號S所指的部分作為形成為本發明屏蔽區的導體部分。
如圖2(A)所示，上部導電板2具有扼流槽G22，該扼流槽G22平行于波導器的電磁波傳播方向並且以與預定距離差不多的距離遠離波導器(三維波導槽G21)。因此，在導電板1放置在上部導電板2上的地方，接合面處出現的間隙形成為非連續部分。但是，可能從該間隙洩漏的電磁波在扼流槽G22的空間中釋放。在參考符號Co所指的部分和參考符號Cs所指的部分之間的距離相當於圖1(B)中傳播波長的基部四分之一的地方，Co部分作為開口端。因此，Cs部分等效充當短路端。因此，幾乎不會發生由相互疊放的兩個導電板1和2形成的間隙產生輻射損耗的情況。
形成上述屏蔽區的導體部分S與耦合線路導體4k之間的位置關係取決於電介質襯底3的導電分布圖的尺寸精度。電介質襯底的導電分布圖的形成精度明顯高於導體1和2的電介質襯底3的組裝精度。因此，三維波導器的駐波的相對位置相對於耦合線路導體4k總是根據預定設計進行維持，該相對位置是屏蔽區出現駐波的地方。因此，波導器與平面電路之間的線路變換特性總是能夠根據預定設計得到。
接下來，將根據圖3到5對實現實例設計的仿真的結果進行描述。設計詳情如下。
頻率76-GHz波段三維波導槽G11和G21的寬度Wg＝1.2mm
三維波導槽G11和G21的深度Hg＝0.9mm絕緣帶6和7的介電常數2絕緣帶6和7的寬度Wd＝1.1mm絕緣帶6和7的高度Hd＝0.9mm電介質襯底3的介電常數10電介質襯底3的厚度t＝0.2mm傳輸線路導體4a和耦合線路導體4k的線路寬度Wc＝0.2mm圖3示出了波導器和平面電路之間的線路轉換的三維電磁場分析仿真結果。圖4示出了波導器部分的橫截面圖。圖3中，白色和間歇示出的圖案表示電場強度分布。圖4中，環形圖案表示電場強度分布。當相互比較圖3，4，1(A)和1(C)時，顯然駐波由波導屏蔽區產生在駐波的電場強度增加到最大值的位置，該波導屏蔽區由導體部分S形成並且電磁耦合到由耦合線路導體4k形成的暫停線路。就是說，形成為屏蔽區的導體部分S與耦合線路導體4k之間的距離Ld這樣確定使得耦合線路導體4k位於駐波的電場強度分布顯示為最大值的預定位置。
上述駐波的出現受絕緣帶6和7的端部位置的影響。因此，絕緣帶6和7的端部與耦合線路導體4k之間的距離這樣確定使得耦合線路導體4k位於駐波的電場強度分布顯示為最大值的位置。但是，絕緣帶6和7的端部，與耦合線路導體4k之間的距離變化對於駐波的出現影響較小。從而，導電板1和2的絕緣帶6和7，與電介質襯底3的組裝精度可能很低。
將上述暫停線路模式變換為由傳輸線路導體4a形成的微波傳輸帶線路模式使得電磁波依次傳播。
圖5示出了線路轉換部分中反射特性S11的結果。如圖所示，在76-GHz波段得到-40dB以下的低反射特性。因此，可以得到具有高線路轉換效率的線路轉換器。
接下來，參考圖6和7對本發明第二實施例的線路轉換器進行描述。
第二實施例的線路轉換器執行空心矩形波導管與平面電路之間的線路轉換。圖6(C)是移除上部導電板之後的線路轉換器的平面圖。圖6(A)是線路轉換器的右側正視圖，其上安裝有上部導電板，圖6(B)是圖6(C)所示的線路轉換器的B-B′部分剖視圖，其中線路轉換器上安裝有上部導電板，與圖6(A)的情況相同。
這裡，附圖標記1表示下部導電板，附圖標記2表示上部導電板，附圖標記3表示電介質襯底。將電介質襯底3設置為夾在下部導電板1和上部導電板2之間。
圖7示出了線路轉換器每個部分結構的分解平面圖。圖7(A)示出的是上部導電板2的頂面，圖7(B)示出的是電介質襯底3的頂面，圖7(C)示出的是電介質襯底3的底面側上的導電分布圖，圖7(D)是下部導電板1的平面圖。
三維波導槽G11設置在下部導電板1上並且三維波導槽G21設置在上部導電板2上。通過兩個導電板1和2相互交疊，兩個三維波導槽彼此相對。從而，形成了空心矩形波導管(下文簡稱「波導管」)。
與第一實施例不同，波導管具有如圖6和7所示的預定區域上的貫通結構使得其中沒有絕緣材料填充。
波導管的預定平面規定為平面E(與傳播電磁波模式的TE10模式的電場方向平行的導體平面)，其中平面E平行於下部導電板1和上部導電板2。從而，電介質襯底3位於這樣的位置，該位置與波導管的平面E平行並且與在波導管的接近中心部分對應(下部導電板1和上部導電板2之間的部分)。
傳輸線路導體4a和從其延續的耦合線路導體4k形成在電介質襯底3的底面上(面向下部導電板1的側面)。接地導體5g形成在電介質襯底3的頂面上(面向上部導電板2的側面)。形成在電介質襯底3上的傳輸線路導體4a和形成在面向傳輸線路導體4a的平面上的接地導體5g形成了微波傳輸帶線路。本實施例中，接地導體5g僅僅形成在電介質襯底3的頂面側上。
接地導體5g上形成有凹槽部分，如圖2(B)所示的參考符號N所指。面向凹槽部分N的耦合線路導體4k，電介質襯底3，下部導電板1和上部導電板2形成了暫停(suspended)線路。
其中電介質襯底3夾在兩個導電板1和2之間，如第一實施例的情況，電介質襯底3設置在導電板1和2的預定位置使得耦合線路導體4k以正交于波導管的電磁波傳播方向的預定方向插入到波導器中。同時，電介質襯底3設置在預定位置使得接地導體5g插入在波導管的接近中心部分，從而與平面E平行。波導器的波導屏蔽區由接地導體5g的圖6所示的參考符號S所表示的預定部分形成。參考符號S所表示的部分是形成屏蔽區的導體部分。
根據上述結構，能夠實現中空波導管與平面電路之間的線路轉換。
此外，根據第一和第二實施例，耦合線路導體，傳輸線路導體，以及接地導體形成在電介質襯底3的表面上。但是，這些導體的部分或全部也可以形成在電介質襯底的內部(內層)。
此外，第一實施例中採用絕緣填充的波導器作為三維波導器，而第二實施例中採用中空波導管作為三維波導器。但是，也可以形成包括夾在平行導體平面之間的絕緣帶的絕緣線路。尤其是，可以形成非輻射絕緣線路。
接下來，參考圖8對第三實施例的高頻模塊的結構進行描述。
圖8是示出高頻模塊的結構的結構圖。
圖8中，參考符號ANT表示發射/接收天線，參考符號Cir表示循環器，每個參考符號BPFa和BPFb表示帶通濾波器，每個參考符號AMPa和AMPb表示放大器電路，每個參考符號MIXa和MIXb表示混頻器，參考符號OSC表示振蕩器，參考符號SYN表示合成器，參考符號IF表示中頻信號。
MIXa將輸入IF信號和來自SYN的信號輸出混合，BPFa只允許從MIXa發射的混合輸出信號中的預定信號通過，其中預定信號對應於發射頻率波段。AMpa放大信號的電功率並且通過Cir輸送來自ANT的信號。AMPb放大取自Cir的接收信號。BPFb只允許從AMPb發射的接收信號中的預定信號通過，其中預定信號對應於接收頻率波段。MIXb將從SYN發射的頻率信號與接收信號混合，並且輸出中頻信號IF。
可以採用包括第一實施例，或者第二實施例的線路轉換器的預定高頻元件作為圖8所示的放大器電路AMPa和AMPb。就是說，採用絕緣填充的波導器或中空的波導器作為傳輸線路，並且採用包括有設置在電介質襯底上的放大器電路的平面電路。由於採用了包括有放大器電路和線路轉換器的高頻元件，所以得到具有低損耗和良好通信性能的高頻模塊。
接下來，參考圖9對本發明第四實施例的通信設備的結構進行描述。
圖9是示出第四實施例的通信設備的結構的結構圖。通信設備包括圖8所示的高頻模塊和預定信號處理電路。圖9所示的信號處理電路包括編碼和解碼電路，合成控制電路，調製器，解調器，CPU，等等，並進一步包括用於輸入和輸出發送和接收信號到信號處理電路並且從信號處理電路輸入和輸出發送和接收信號的電路。從而，形成了包括高頻模塊的通信設備，其中採用高頻模塊作為發送和接收電磁波的單元。
因此，通過採用進行三維波導器和平面電路之間的線路轉換的上述線路轉換器，以及利用該線路轉換器的高頻模塊，形成了具有低損耗和良好通信性能的通信設備。
如所述，本發明通過利用電介質襯底的導電分布圖形成三維波導器的屏蔽區。從而，電介質襯底側面上的導體部分與電磁耦合到屏蔽區產生的駐波的耦合線路部分之間的位置關係可以只取決於電介質襯底的導電分布圖的形成精度，其中導體部分形成為三維波導器的屏蔽區。因此，根據預定設計能夠得到穩定的耦合特性和線路轉換特性，而不受三維波導器和平面電路組裝精度的影響。
此外，根據本發明，形成了產生屏蔽區的導體部分，作為形成在電介質襯底的兩個表面上的接地導體。因此，三維波導器的屏蔽效果增強並且線路轉換器的尺寸減小。
此外，根據本發明，通過利用導電通路在接地導體之間建立導電性。導電通路形成在傳輸線路的兩個側面的至少一個側面上，從而以與預定距離差不多的距離遠離傳輸線路，並且位於電介質襯底的兩個表面上，從而沿著傳輸線路設置。因此，耦合線路和傳輸線路幾乎不以偽模式耦合，使得能夠得到良好的偽特性。
此外，根據本發明，在三維波導器的導體中設置空間，從而形成閉塞部分，其中空間設置為以預定的距離遠離三維波導器，從而與三維波導器的電磁波傳播方向平行。因此，在兩個導電板結合在一起並且形成三維波導器的地方，使得三維波導器的輻射電功率損耗降低。
此外，本發明提供一種低損耗高頻模塊，其包括線路轉換器和連接到平面電路和線路轉換器的三維波導器的高頻電路。
此外，本發明提供一種通信設備，其因線路轉換而使得損耗降低並且具有穩定的通信特性。
工業實用性如所述，根據本發明的線路轉換器，形成在電介質襯底上的平面電路和三維波導器之間的耦合特性不受平面電路和三維波導器的組裝精度的影響使得很容易得到預定設計的線路轉換特性。因此，線路轉換器能夠用於例如，高頻模塊以及採用微波段和毫米波段至少之一的通信設備。
權利要求
1.一種線路轉換器，包括用於在三維空間傳播電磁波的三維波導器和具有形成在電介質襯底上的預定導體圖案的平面電路，該線路轉換器的特徵在於電介質襯底設置為與三維波導器的平面E平行並且位於三維波導器的接近中心部分，而且電介質襯底的導體圖案包括形成為三維波導器的屏蔽區的導體部分、電磁耦合到在屏蔽區發生的駐波的耦合線路部分以及從耦合線路部分延續的傳輸線路部分。
2.根據權利要求1的線路轉換器，線路轉換器的特徵在於導體部分形成為形成在電介質襯底的兩個面上的接地導體。
3.根據權利要求2的線路轉換器，線路轉換器的特徵在於具有多個導電通路，該導電通路穿透電介質襯底並且排列在傳輸線路兩側的至少一側上，以與預定距離差不多的距離遠離傳輸線路，使得在形成在電介質襯底的兩個面上的接地導體之間建立導電性。
4.根據權利要求1，2或3的線路轉換器，線路轉換器的特徵在於三維波導器的導體被平行於平面E的平面分成為包括上部和下部的兩個部分並且在三位波導器的導體中設置空間，以由該空間形成閉塞部分，其中該空間以與預定距離差不多的距離設置在遠離三維波導器的位置，以便與三維波導器的電磁波傳播方向平行。
5.根據權利要求1，2或3的線路轉換器，線路轉換器的特徵在於傳輸線路部分形成為微波傳輸帶線路，該微波傳輸帶線路包括形成在電介質襯底的一個面上的接地導體和形成在其相對面上的線路導體，而且耦合線路部分形成為暫停(suspended)線路，該暫停(suspended)線路包括形成在電介質襯底的一個面上的線路導體和三維波導器的導體。
6.一種高頻模塊，包括權利要求1，2或3的線路轉換器和連接到該線路轉換器的每個平面電路和三維波導器的高頻電路。
7.一種高頻模塊，包括權利要求4的線路轉換器和連接到該線路轉換器的每個平面電路和三維波導器的高頻電路。
8.一種高頻模塊，包括權利要求5的線路轉換器和連接到該線路轉換器的每個平面電路和三維波導器的高頻電路。
9.一種通信設備，包括用於發送和接收電磁波的單元中的根據權利要求6的高頻模塊。
10.一種通信設備，包括用於發送和接收電磁波的單元中的根據權利要求7的高頻模塊。
11.一種通信設備，包括用於發送和接收電磁波的單元中的根據權利要求8的高頻模塊。
全文摘要
接地導體4g和5g，傳輸線路導體4a和耦合線路導體4k形成在電介質襯底3上。絕緣填充的波導器包括下部導電板1，上部導電板2，下部絕緣帶6和上部絕緣帶7，其中電介質襯底3夾在下部導電板1和下部絕緣帶6之間，以及上部導電板2和上部絕緣帶7之間，使得作為電介質襯底的接地導體一部分的導體部分S形成絕緣填充的波導器的屏蔽區。耦合線路導體4k在駐波的電場強度很高的位置耦合到由屏蔽區所產生的駐波。因此，能夠將平面電路設置為平行於電磁波通過三維波導器傳播的方向。此外，電介質襯底能夠很容易地機器加工並且防止平面電路與設置在電介質襯底上的三維波導器之間的耦合特性受平面電路與三維波導器的組裝精度的影響，從而容易得到預定設計的線路轉換器特性。
文檔編號H01P5/10GK1701462SQ03820340
公開日2005年11月23日 申請日期2003年7月25日 優先權日2002年8月27日
發明者斉藤篤 申請人:株式會社村田製作所