专利名称：线路转换器,高频模块,以及通信设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于微波段和毫米波段至少之一的传输线路的线路转换器，包括该线路转换器的高频模块，以及通信设备。
背景技术：
过去，用于在平面电路和三维波导器之间进行线路转换的线路转换器已经被专利文献1(日本未审专利申请公开No.60-192401)和专利文献2(日本未审专利申请公开No.2001-111310)所公开，其中平面电路通过利用电介质衬底形成，三维波导器用于在三维空间传播电磁波。
在专利文献1的线路转换器中，形成为一部分平面电路的微波传输带线路的一端插入到被波导管平面E分成为两部分的终端短路波导管中。该终端短路波导管的两部分穿过形成在该电介质衬底中的凹槽并夹住期间的电介质衬底。
在专利文献2的线路转换器中，电介质衬底以与预定距离差不多的距离且正交于电磁波传播方向的预定方向设置在远离终端短路波导管的短路平面的位置。
在专利文献1的线路转换器的情况下，需要在电介质衬底上形成穿透槽，以穿透被分成两部分的部分波导管。因此，在电介质衬底由包括铝或类似的陶瓷衬底形成的情况下，电介质衬底难以使用机器加工。此外，微波传输带线路在由波导管的终端产生的驻波所产生的电场强度高的位置进行耦合。其耦合特性取决于包括有微波传输带线路的电介质衬底与波导管之间的位置关系。因此，耦合特性受电介质衬底与波导管的组装精度的影响，这使得难以没有偏差地得到预定设计的线路变换特性。
在专利文献2的线路转换器中，电介质衬底以正交于波导管的电磁波传播方向的预定方向设置。因此，以较低的灵活性确定由波导管形成的三维波导器与由电介质衬底形成的平面电路之间的位置关系。从而，平面电路不能以平行于波导管的电磁波传播方向的预定方向设置。
本发明的目的在于提供一种线路转换器，包括该线路转换器的高频模块，以及通信设备，该线路转换器中平面电路能够以平行于电磁波穿透三维波导管的方向的预定方向设置，电介质衬底能够很容易地机器加工，并且防止形成在电介质衬底上的平面电路与三维波导管之间的耦合特性受平面电路与三维波导管组装精度的影响，使得很容易实现预定设计的线路转换特性。
发明的公开为实现上述目的，本发明具备线路转换器，其包括用于在三维空间传播电磁波的三维波导器和具有形成在电介质衬底上的预定导电分布图的平面电路，以便在该平面电路和三维波导器之间进行线路转换。
该线路转换器的特征在于，设置有电介质衬底，使得与三维波导器的平面E平行并且位于该三维波导器的接近中心部分，并且电介质衬底的导电分布图包括形成三维波导器屏蔽区的导体部分，电磁耦合到该屏蔽区中出现的驻波的耦合线路部分，以及从该耦合线路部分延续的传输线路部分。
因此，用于将三维波导器电磁耦合到平面电路上的传输线路上的驻波由设置在电介质衬底上的导电分布图形成的屏蔽区产生。从而，形成三维波导器的屏蔽区的电介质衬底侧上的导体部分与电磁耦合到屏蔽区产生的驻波的耦合线路部分之间的位置关系仅仅取决于在电介质衬底上形成导电分布图的精度。因此，能够得到稳定的耦合特性而不受三维波导器与平面电路的组装精度的影响，并且能够得到预定设计的线路转换特性。
此外，本发明的特征在于，形成屏蔽区的导体部分形成为形成在电介质衬底的两个面上的接地导体。
此外，本发明的特征在于，具有多个穿透电介质衬底并且排列在两侧的至少一侧上的导电通路，从而以与预定距离差不多的距离远离传输线路，这样实现形成在电介质衬底的两个面上的接地导体之间的导电性。
此外，本发明的特征在于三维波导器的导体被平行于平面E的平面分成为包括上部和下部的两部分并且在三维波导器的导体中设置空间，使得通过该空间形成闭塞部分，其中空间设置在远离三维波导器与预定距离差不多距离的位置，使得与三维波导器的电磁波传播方向平行。
此外，本发明的特征在于，包括线路转换器和连接到线路转换器的每个平面电路和三维波导器的高频电路。
此外，本发明的特征在于在用于传输和接收电磁波的单元中形成有包括高频模块的通信设备。
附图的简要描述
图1示出了本发明第一实施例的线路转换器的截面图和平面图。
图2示出了所示线路转换器的分解平面图。
图3示出了三维波导器的电场强度分布实例的截面图，其描述了线路转换器的三维磁场解析仿真结果。
图4示出了线路转换器的三维磁场解析仿真结果的平面图。
图5示出了线路转换器的三维磁场解析仿真结果的另一平面图。
图6示出了本发明第二实施例的线路转换器。
图7示出了线路转换器的分解平面图。
图8是示出本发明第三实施例的高频模块的结构图。
图9是示出本发明第四实施例的通信设备的结构图。
实现发明的优选实施例现在将参考图1到5对本发明第一实施例的线路转换器的结构进行描述。
图1示出了线路转换器的结构。图1(C)示出了移除上部导电板2和上部绝缘带7之后的线路转换器的平面图。图1(A)是图1(C)所示的线路转换器的A-A′截面图，其上安装有上部导电板2。图1(B)是图1(C)所示的线路转换器的B-B′截面图，其上安装有上部导电板2，与图1(A)中的情形相同。
这里，附图标记1表示下部导电板，附图标记2表示上部导电板，附图标记3表示电介质衬底，以及附图标记6和7表示绝缘带。设置电介质衬底3，使得其夹在下部导电板1和上部导电板2，以及绝缘带6和7之间。
图2示出了图1所示线路转换器每个部分的结构分解平面图。图2(A)示出的是上部导电板2的顶面。图2(B)示出的是电介质衬底3的顶面，图2(C)示出的是电介质衬底3的底面上的导电分布图，图2(D)是下部导电板1的平面图。
三维波导槽G11设置在下部导电板1上并且三维波导槽G21设置在上部导电板2上。下部绝缘带6插入在三维波导槽G11中。上部绝缘带7插入在三维波导槽G21中。通过将两个导电板1和2相互重叠，两个绝缘带6和7彼此相对。从而，形成绝缘填充的波导器(DFWG)(下文简称“波导器”)。
波导器的预定平面设定为平面E(与电磁波的传播模式的TE10模式的电场平行的导电平面)，其中平面E与下部导电板1和上部导电板2平行。从而，电介质衬底3设置在与波导器的平面E平行并且与接近波导器的中心部分对应(下部导电板1和上部导电板2之间的部分)的位置。
导电板1和2由包括例如铝或类似的金属板加工而形成。此外，绝缘带6和7通过注模法或者加工氟塑料树脂而形成。电介质衬底3通过利用包括铝或类似的陶瓷衬底而形成。
传输线路导体4a以及从其延续的耦合线路导体4k形成在电介质衬底3的底面上(面向下部导电板1的侧面)。接地导体5g形成在电介质衬底3的顶面上(面向上部导电板2的侧面)。形成在电介质衬底3上的传输线路导体4a和形成在面向传输线路导体4a的表面上的接地导体5g形成微波传输带线路。
在电介质衬底3的顶面上的接地导体5g上形成有凹槽部分，如图2(B)所示的参考符号N所标记。面向凹槽部分N的耦合线路导体4k，电介质衬底3，下部导电板1和上部导电板2形成暂停线路。传输线路导体4a和耦合线路导体4k形成在电介质衬底3的底面侧并且接地导体4g以与预定距离差不多的距离形成在远离传输线路的预定区域内。
如图2(D)所示，下部导电板1具有形成于其上并且沿传输线路4a的传输线路槽G12。传输线路槽G12具有在上述微波传输带线路的火线侧的预定空间并且充当屏蔽罩。
此外，用于实现电介质衬底3的顶面和底面上的接地导体4g和5g之间连续性的多个导电通路(通孔)V排列在传输线路导体4a和耦合线路导体4k的两侧，使得以与预定距离差不多的距离远离。从而，平行平板，即，其间夹住电介质衬底3的上部和下部接地导体4g和5g之间所形成的象平行平板模式这样的伪模式与由传输线路导体4a和接地导体5g所形成的微波传输带线路模式之间的不必要耦合得以屏蔽。此外，由耦合线路导体4k，电介质衬底3以及导电板1和2所形成的暂停线路模式和上述伪模式之间的不必要耦合得以屏蔽。此外，导电通路(通孔)V可以排列在传输线路导体4a和耦合线路导体4k的一个侧面，使得以与预定距离差不多的距离远离。
由于将具有其上形成有各种导电分布图的电介质衬底3以上述方式夹在两个导电板1和2之间，所以电介质衬底3位于导电板1和2的预定位置使得耦合线路导体4k以正交于波导器的电磁传播方向的预定方向插入在波导器中。接地导体4g和5g形成在电介质衬底3上使得每个接地导体4g和5g部分插入在波导器中。如图1所示，部分接地导体4g和5g由参考符号S表示。该部分形成波导器的屏蔽区。就是说，通过在接近波导器中心部分形成平行于平面E的接地导体，波导器被平行于平面E的平面分割开，其中波导器的屏蔽波长减小并且屏蔽区形成在波导器中。尤其是，参考符号S所指的部分作为形成为本发明屏蔽区的导体部分。
如图2(A)所示，上部导电板2具有扼流槽G22，该扼流槽G22平行于波导器的电磁波传播方向并且以与预定距离差不多的距离远离波导器(三维波导槽G21)。因此，在导电板1放置在上部导电板2上的地方，接合面处出现的间隙形成为非连续部分。但是，可能从该间隙泄漏的电磁波在扼流槽G22的空间中释放。在参考符号Co所指的部分和参考符号Cs所指的部分之间的距离相当于图1(B)中传播波长的基部四分之一的地方，Co部分作为开口端。因此，Cs部分等效充当短路端。因此，几乎不会发生由相互叠放的两个导电板1和2形成的间隙产生辐射损耗的情况。
形成上述屏蔽区的导体部分S与耦合线路导体4k之间的位置关系取决于电介质衬底3的导电分布图的尺寸精度。电介质衬底的导电分布图的形成精度明显高于导体1和2的电介质衬底3的组装精度。因此，三维波导器的驻波的相对位置相对于耦合线路导体4k总是根据预定设计进行维持，该相对位置是屏蔽区出现驻波的地方。因此，波导器与平面电路之间的线路变换特性总是能够根据预定设计得到。
接下来，将根据图3到5对实现实例设计的仿真的结果进行描述。设计详情如下。
频率76-GHz波段三维波导槽G11和G21的宽度Wg＝1.2mm
三维波导槽G11和G21的深度Hg＝0.9mm绝缘带6和7的介电常数2绝缘带6和7的宽度Wd＝1.1mm绝缘带6和7的高度Hd＝0.9mm电介质衬底3的介电常数10电介质衬底3的厚度t＝0.2mm传输线路导体4a和耦合线路导体4k的线路宽度Wc＝0.2mm图3示出了波导器和平面电路之间的线路转换的三维电磁场分析仿真结果。图4示出了波导器部分的横截面图。图3中，白色和间歇示出的图案表示电场强度分布。图4中，环形图案表示电场强度分布。当相互比较图3，4，1(A)和1(C)时，显然驻波由波导屏蔽区产生在驻波的电场强度增加到最大值的位置，该波导屏蔽区由导体部分S形成并且电磁耦合到由耦合线路导体4k形成的暂停线路。就是说，形成为屏蔽区的导体部分S与耦合线路导体4k之间的距离Ld这样确定使得耦合线路导体4k位于驻波的电场强度分布显示为最大值的预定位置。
上述驻波的出现受绝缘带6和7的端部位置的影响。因此，绝缘带6和7的端部与耦合线路导体4k之间的距离这样确定使得耦合线路导体4k位于驻波的电场强度分布显示为最大值的位置。但是，绝缘带6和7的端部，与耦合线路导体4k之间的距离变化对于驻波的出现影响较小。从而，导电板1和2的绝缘带6和7，与电介质衬底3的组装精度可能很低。
将上述暂停线路模式变换为由传输线路导体4a形成的微波传输带线路模式使得电磁波依次传播。
图5示出了线路转换部分中反射特性S11的结果。如图所示，在76-GHz波段得到-40dB以下的低反射特性。因此，可以得到具有高线路转换效率的线路转换器。
接下来，参考图6和7对本发明第二实施例的线路转换器进行描述。
第二实施例的线路转换器执行空心矩形波导管与平面电路之间的线路转换。图6(C)是移除上部导电板之后的线路转换器的平面图。图6(A)是线路转换器的右侧正视图，其上安装有上部导电板，图6(B)是图6(C)所示的线路转换器的B-B′部分剖视图，其中线路转换器上安装有上部导电板，与图6(A)的情况相同。
这里，附图标记1表示下部导电板，附图标记2表示上部导电板，附图标记3表示电介质衬底。将电介质衬底3设置为夹在下部导电板1和上部导电板2之间。
图7示出了线路转换器每个部分结构的分解平面图。图7(A)示出的是上部导电板2的顶面，图7(B)示出的是电介质衬底3的顶面，图7(C)示出的是电介质衬底3的底面侧上的导电分布图，图7(D)是下部导电板1的平面图。
三维波导槽G11设置在下部导电板1上并且三维波导槽G21设置在上部导电板2上。通过两个导电板1和2相互交叠，两个三维波导槽彼此相对。从而，形成了空心矩形波导管(下文简称“波导管”)。
与第一实施例不同，波导管具有如图6和7所示的预定区域上的贯通结构使得其中没有绝缘材料填充。
波导管的预定平面规定为平面E(与传播电磁波模式的TE10模式的电场方向平行的导体平面)，其中平面E平行于下部导电板1和上部导电板2。从而，电介质衬底3位于这样的位置，该位置与波导管的平面E平行并且与在波导管的接近中心部分对应(下部导电板1和上部导电板2之间的部分)。
传输线路导体4a和从其延续的耦合线路导体4k形成在电介质衬底3的底面上(面向下部导电板1的侧面)。接地导体5g形成在电介质衬底3的顶面上(面向上部导电板2的侧面)。形成在电介质衬底3上的传输线路导体4a和形成在面向传输线路导体4a的平面上的接地导体5g形成了微波传输带线路。本实施例中，接地导体5g仅仅形成在电介质衬底3的顶面侧上。
接地导体5g上形成有凹槽部分，如图2(B)所示的参考符号N所指。面向凹槽部分N的耦合线路导体4k，电介质衬底3，下部导电板1和上部导电板2形成了暂停(suspended)线路。
其中电介质衬底3夹在两个导电板1和2之间，如第一实施例的情况，电介质衬底3设置在导电板1和2的预定位置使得耦合线路导体4k以正交于波导管的电磁波传播方向的预定方向插入到波导器中。同时，电介质衬底3设置在预定位置使得接地导体5g插入在波导管的接近中心部分，从而与平面E平行。波导器的波导屏蔽区由接地导体5g的图6所示的参考符号S所表示的预定部分形成。参考符号S所表示的部分是形成屏蔽区的导体部分。
根据上述结构，能够实现中空波导管与平面电路之间的线路转换。
此外，根据第一和第二实施例，耦合线路导体，传输线路导体，以及接地导体形成在电介质衬底3的表面上。但是，这些导体的部分或全部也可以形成在电介质衬底的内部(内层)。
此外，第一实施例中采用绝缘填充的波导器作为三维波导器，而第二实施例中采用中空波导管作为三维波导器。但是，也可以形成包括夹在平行导体平面之间的绝缘带的绝缘线路。尤其是，可以形成非辐射绝缘线路。
接下来，参考图8对第三实施例的高频模块的结构进行描述。
图8是示出高频模块的结构的结构图。
图8中，参考符号ANT表示发射/接收天线，参考符号Cir表示循环器，每个参考符号BPFa和BPFb表示带通滤波器，每个参考符号AMPa和AMPb表示放大器电路，每个参考符号MIXa和MIXb表示混频器，参考符号OSC表示振荡器，参考符号SYN表示合成器，参考符号IF表示中频信号。
MIXa将输入IF信号和来自SYN的信号输出混合，BPFa只允许从MIXa发射的混合输出信号中的预定信号通过，其中预定信号对应于发射频率波段。AMpa放大信号的电功率并且通过Cir输送来自ANT的信号。AMPb放大取自Cir的接收信号。BPFb只允许从AMPb发射的接收信号中的预定信号通过，其中预定信号对应于接收频率波段。MIXb将从SYN发射的频率信号与接收信号混合，并且输出中频信号IF。
可以采用包括第一实施例，或者第二实施例的线路转换器的预定高频元件作为图8所示的放大器电路AMPa和AMPb。就是说，采用绝缘填充的波导器或中空的波导器作为传输线路，并且采用包括有设置在电介质衬底上的放大器电路的平面电路。由于采用了包括有放大器电路和线路转换器的高频元件，所以得到具有低损耗和良好通信性能的高频模块。
接下来，参考图9对本发明第四实施例的通信设备的结构进行描述。
图9是示出第四实施例的通信设备的结构的结构图。通信设备包括图8所示的高频模块和预定信号处理电路。图9所示的信号处理电路包括编码和解码电路，合成控制电路，调制器，解调器，CPU，等等，并进一步包括用于输入和输出发送和接收信号到信号处理电路并且从信号处理电路输入和输出发送和接收信号的电路。从而，形成了包括高频模块的通信设备，其中采用高频模块作为发送和接收电磁波的单元。
因此，通过采用进行三维波导器和平面电路之间的线路转换的上述线路转换器，以及利用该线路转换器的高频模块，形成了具有低损耗和良好通信性能的通信设备。
如所述，本发明通过利用电介质衬底的导电分布图形成三维波导器的屏蔽区。从而，电介质衬底侧面上的导体部分与电磁耦合到屏蔽区产生的驻波的耦合线路部分之间的位置关系可以只取决于电介质衬底的导电分布图的形成精度，其中导体部分形成为三维波导器的屏蔽区。因此，根据预定设计能够得到稳定的耦合特性和线路转换特性，而不受三维波导器和平面电路组装精度的影响。
此外，根据本发明，形成了产生屏蔽区的导体部分，作为形成在电介质衬底的两个表面上的接地导体。因此，三维波导器的屏蔽效果增强并且线路转换器的尺寸减小。
此外，根据本发明，通过利用导电通路在接地导体之间建立导电性。导电通路形成在传输线路的两个侧面的至少一个侧面上，从而以与预定距离差不多的距离远离传输线路，并且位于电介质衬底的两个表面上，从而沿着传输线路设置。因此，耦合线路和传输线路几乎不以伪模式耦合，使得能够得到良好的伪特性。
此外，根据本发明，在三维波导器的导体中设置空间，从而形成闭塞部分，其中空间设置为以预定的距离远离三维波导器，从而与三维波导器的电磁波传播方向平行。因此，在两个导电板结合在一起并且形成三维波导器的地方，使得三维波导器的辐射电功率损耗降低。
此外，本发明提供一种低损耗高频模块，其包括线路转换器和连接到平面电路和线路转换器的三维波导器的高频电路。
此外，本发明提供一种通信设备，其因线路转换而使得损耗降低并且具有稳定的通信特性。
工业实用性如所述，根据本发明的线路转换器，形成在电介质衬底上的平面电路和三维波导器之间的耦合特性不受平面电路和三维波导器的组装精度的影响使得很容易得到预定设计的线路转换特性。因此，线路转换器能够用于例如，高频模块以及采用微波段和毫米波段至少之一的通信设备。
权利要求
1.一种线路转换器，包括用于在三维空间传播电磁波的三维波导器和具有形成在电介质衬底上的预定导体图案的平面电路，该线路转换器的特征在于电介质衬底设置为与三维波导器的平面E平行并且位于三维波导器的接近中心部分，而且电介质衬底的导体图案包括形成为三维波导器的屏蔽区的导体部分、电磁耦合到在屏蔽区发生的驻波的耦合线路部分以及从耦合线路部分延续的传输线路部分。
2.根据权利要求1的线路转换器，线路转换器的特征在于导体部分形成为形成在电介质衬底的两个面上的接地导体。
3.根据权利要求2的线路转换器，线路转换器的特征在于具有多个导电通路，该导电通路穿透电介质衬底并且排列在传输线路两侧的至少一侧上，以与预定距离差不多的距离远离传输线路，使得在形成在电介质衬底的两个面上的接地导体之间建立导电性。
4.根据权利要求1，2或3的线路转换器，线路转换器的特征在于三维波导器的导体被平行于平面E的平面分成为包括上部和下部的两个部分并且在三位波导器的导体中设置空间，以由该空间形成闭塞部分，其中该空间以与预定距离差不多的距离设置在远离三维波导器的位置，以便与三维波导器的电磁波传播方向平行。
5.根据权利要求1，2或3的线路转换器，线路转换器的特征在于传输线路部分形成为微波传输带线路，该微波传输带线路包括形成在电介质衬底的一个面上的接地导体和形成在其相对面上的线路导体，而且耦合线路部分形成为暂停(suspended)线路，该暂停(suspended)线路包括形成在电介质衬底的一个面上的线路导体和三维波导器的导体。
6.一种高频模块，包括权利要求1，2或3的线路转换器和连接到该线路转换器的每个平面电路和三维波导器的高频电路。
7.一种高频模块，包括权利要求4的线路转换器和连接到该线路转换器的每个平面电路和三维波导器的高频电路。
8.一种高频模块，包括权利要求5的线路转换器和连接到该线路转换器的每个平面电路和三维波导器的高频电路。
9.一种通信设备，包括用于发送和接收电磁波的单元中的根据权利要求6的高频模块。
10.一种通信设备，包括用于发送和接收电磁波的单元中的根据权利要求7的高频模块。
11.一种通信设备，包括用于发送和接收电磁波的单元中的根据权利要求8的高频模块。
全文摘要
接地导体4g和5g，传输线路导体4a和耦合线路导体4k形成在电介质衬底3上。绝缘填充的波导器包括下部导电板1，上部导电板2，下部绝缘带6和上部绝缘带7，其中电介质衬底3夹在下部导电板1和下部绝缘带6之间，以及上部导电板2和上部绝缘带7之间，使得作为电介质衬底的接地导体一部分的导体部分S形成绝缘填充的波导器的屏蔽区。耦合线路导体4k在驻波的电场强度很高的位置耦合到由屏蔽区所产生的驻波。因此，能够将平面电路设置为平行于电磁波通过三维波导器传播的方向。此外，电介质衬底能够很容易地机器加工并且防止平面电路与设置在电介质衬底上的三维波导器之间的耦合特性受平面电路与三维波导器的组装精度的影响，从而容易得到预定设计的线路转换器特性。
文档编号H01P5/10GK1701462SQ03820340
公开日2005年11月23日 申请日期2003年7月25日 优先权日2002年8月27日
发明者斉藤篤 申请人:株式会社村田制作所