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は、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多い。これらのデバイスを通して、信号電力を最小限の損失で効率的にある地点から別の地点へ伝送できることが期待される。

車両レーダーシステム全体において、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達、フィーダーからアンテナ本体へのエネルギー伝達、そしてアンテナによる効率的なエネルギー放射から構成されます。このエネルギー伝達プロセス全体において、コンバータの設計は重要な要素です。ミリ波システムにおけるコンバータには、主にマイクロストリップ線路から基板集積導波路（SIW）への変換、マイクロストリップ線路から導波路への変換、SIWから導波路への変換、同軸ケーブルから導波路への変換、導波路から導波路への変換、および各種導波路変換が含まれます。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物

マイクロストリップマイクロストリップ線路は、比較的低いマイクロ波周波数で最も広く使用されている導波管構造の 1 つです。主な利点は、シンプルな構造、低コスト、表面実装部品との高い統合性です。典型的なマイクロストリップ線路は、誘電体層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、その上に空気層を設けることで形成されます。上部の導体は基本的に、細いワイヤ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、基板の誘電損失正接は重要なパラメータです。さらに、導体の厚さ (すなわち、金属化層の厚さ) と導体の導電率も、高周波では重要になります。これらのパラメータを慎重に考慮し、マイクロストリップ線路を他のデバイスの基本単位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、周波数が高くなるにつれて (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) ことから、矩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材料を充填することで、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。ただし、中空管導波管はかさばり、特に低周波数では重くなりがちで、製造要件が高く、コストもかさみ、平面プリント構造との統合もできません。

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路の中間的なハイブリッド導波構造である基板集積導波路（SIW）です。SIWは、誘電体材料上に作製された集積導波路のような構造で、上下に導体があり、2つの金属ビアの直線アレイが側壁を形成しています。マイクロストリップ構造や導波路構造と比較して、SIWはコスト効率が高く、製造プロセスが比較的容易で、平面デバイスと集積できます。さらに、高周波での性能はマイクロストリップ構造よりも優れており、導波路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中に埋め込まれた2列の金属ビアを使用して作製される、集積導波路のような構造です。金属スルーホール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。SIW構造の設計には、幅（すなわち、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）が使用されます。最も重要な幾何学的パラメータ（図2.1に示す）については、次のセクションで説明します。矩形導波路と同様に、支配的なモードは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 は自由空間における光速、m と n はモード、a は長い方の導波路のサイズ、b は短い方の導波路のサイズです。導波路が TE10 モードで動作する場合、fc=c/2a に簡略化できます。導波路が誘電体で満たされている場合、ブロードサイドの長さ a は ad=a/Sqrt(εr) で計算されます。ここで、εr は媒質の誘電率です。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、およびワイドサイド as が下図の右上の式を満たす必要があり、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のサイズ設計には影響しませんが、構造の損失には影響するため、厚膜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、テーパー付きマイクロストリップ遷移は、最も好ましい遷移方法の1つであり、テーパー付き遷移は通常、他のプリント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少なく、挿入損失は主に誘電体損失と導体損失によって引き起こされます。基板と導体材料の選択が、遷移の損失を主に決定します。基板の厚さはマイクロストリップ線の幅を制限するため、基板の厚さが変わると、テーパー付き遷移のパラメータを調整する必要があります。もう1つ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方導体も接地として機能します。主フィーダーの幅と側方接地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線路からSIW、およびGCPWからSIW

下図は、マイクロストリップからSIWへの設計例です。使用されている媒体はRogers3003で、誘電率は3.0、実効損失値は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。スルーホールの直径はd=0.4mm、間隔は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（幅広側の間隔を最適化することでさらに低減できます）。