ニュース - レーダーアンテナにおけるエネルギー変換

マイクロ波回路またはシステムでは、回路またはシステム全体が、フィルタ、カプラ、電力分配器などの多くの基本的なマイクロ波デバイスで構成されることがよくあります。これらのデバイスを通じて、信号電力をあるポイントから別のポイントに最小限の損失で効率的に伝送できることが期待されます。

車載レーダーシステム全体におけるエネルギー変換は、主にチップからPCB基板上のフィーダーへのエネルギー伝送、フィーダーからアンテナ本体への伝送、そしてアンテナによる効率的なエネルギー放射に関わっています。エネルギー伝送プロセス全体において、コンバータの設計は重要な部分を占めています。ミリ波システムのコンバータには、主にマイクロストリップ線路から基板集積導波管（SIW）への変換、マイクロストリップ線路から導波管への変換、SIWから導波管への変換、同軸線路から導波管への変換、導波管から導波管への変換、そして様々なタイプの導波管変換が含まれます。本稿では、マイクロバンドSIW変換の設計に焦点を当てます。

さまざまな種類の輸送構造

マイクロストリップ比較的低いマイクロ波周波数において、最も広く使用されている導波路構造の一つです。主な利点は、シンプルな構造、低コスト、そして表面実装部品との高集積化です。典型的なマイクロストリップ線路は、誘電体基板の片面に導体を配置し、反対側に単一のグランドプレーンを形成し、その上に空気層を形成します。上面導体は、基本的に細い線状に成形された導電性材料（通常は銅）です。線路幅、厚さ、比誘電率、基板の誘電正接は重要なパラメータです。さらに、導体の厚さ（つまり、メタライゼーションの厚さ）と導体の導電性も、高周波においては重要です。これらのパラメータを慎重に検討し、マイクロストリップ線路を他のデバイスの基本ユニットとして使用することで、フィルタ、カプラ、電力分配器／合成器、ミキサーなど、多くのプリントマイクロ波デバイスやコンポーネントを設計できます。しかし、周波数が高くなると（比較的高いマイクロ波周波数に移行すると）、伝送損失が増加し、放射が発生します。そのため、高周波での損失が小さい（放射がない）方形導波管などの中空管導波管が好まれます。導波管の内部は通常、空気です。しかし、必要に応じて誘電体を充填することで、ガス充填導波管よりも断面積を小さくすることができます。しかし、中空管導波管はかさばり、特に低周波では重くなりやすく、製造要件が高く、コストも高く、平面プリント構造と統合することができません。

RFMISOマイクロストリップアンテナ製品：

RM-MA25527-22,25.5-27GHz

RM-MA425435-22、4.25～4.35GHz

もう1つは、マイクロストリップ構造と導波管を融合したハイブリッド導波構造で、基板集積導波管（SIW）と呼ばれます。SIWは、誘電体上に形成された導波管のような集積構造で、上下に導体が、側壁を形成する2つの金属ビアの直線状アレイで構成されています。マイクロストリップ構造や導波管構造と比較して、SIWはコスト効率が高く、製造プロセスが比較的容易で、平面デバイスとの統合が可能です。さらに、高周波特性はマイクロストリップ構造よりも優れており、導波管分散特性を備えています。図1に示すように、

SIW設計ガイドライン

基板集積導波路（SIW）は、2枚の平行な金属板を接続する誘電体に埋め込まれた2列の金属ビアを使用して製造される、集積導波路のような構造です。金属貫通孔の列が側壁を形成します。この構造は、マイクロストリップ線路と導波路の特性を備えています。製造プロセスも他の印刷された平面構造と同様です。典型的なSIWの形状を図2.1に示します。ここでは、その幅（つまり、横方向のビア間の間隔（as））、ビアの直径（d）、およびピッチ長（p）を使用してSIW構造を設計します。最も重要な形状パラメータ（図2.1に示されています）については、次のセクションで説明します。支配的なモードは、長方形導波路と同様にTE10であることに注意してください。空気充填導波路（AFWG）と誘電体充填導波路（DFWG）のカットオフ周波数fcと寸法aおよびbの関係は、SIW設計の最初のポイントです。空気充填導波路の場合、カットオフ周波数は以下の式で示されます。

SIWの基本構造と計算式[1]

ここで、c は自由空間での光速、m と n はモード、a は長い方の導波管サイズ、b は短い方の導波管サイズです。導波管が TE10 モードで動作する場合、fc = c / 2a と簡略化できます。導波管が誘電体で満たされている場合、ブロードサイド長 a は ad = a / Sqrt（εr）で計算されます。ここで、εr は媒体の誘電率です。SIW を TE10 モードで動作させるには、スルーホール間隔 p、直径 d、および広い側面 as が下の図の右上の式を満たす必要があります。また、d <λg および p < 2d の経験式もあります [2]。

ここで、λg は導波波長です。同時に、基板の厚さは SIW サイズの設計には影響しませんが、構造の損失には影響するため、厚い基板の低損失の利点を考慮する必要があります。

マイクロストリップからSIWへの変換
マイクロストリップ構造を SIW に接続する必要がある場合、テーパーマイクロストリップ遷移が主な推奨遷移方法の 1 つであり、テーパー遷移は通常、他の印刷遷移と比較して広帯域整合を提供します。適切に設計された遷移構造は反射が非常に低く、挿入損失は主に誘電体損失と導体損失によって発生します。基板と導体材料の選択が主に遷移の損失を決定します。基板の厚さはマイクロストリップ線路の幅を妨げるため、基板の厚さが変わる場合はテーパー遷移のパラメータを調整する必要があります。別のタイプの接地コプレーナ導波路 (GCPW) も、高周波システムで広く使用されている伝送線路構造です。中間伝送線路に近い側部導体はグランドとしても機能します。メインフィーダーの幅とサイドグランドまでのギャップを調整することで、必要な特性インピーダンスを得ることができます。

マイクロストリップからSIWへ、GCPWからSIWへ

下図はマイクロストリップ線路からSIWへの設計例です。媒体はRogers3003、誘電率は3.0、真の損失値は0.001、厚さは0.127mmです。両端のフィーダー幅は0.28mmで、アンテナフィーダーの幅と一致しています。貫通孔径はd=0.4mm、間隔p=0.6mmです。シミュレーションサイズは50mm×12mm×0.127mmです。通過帯域全体の損失は約1.5dBです（長辺間隔を最適化することでさらに低減できます）。