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平面伝送線路は、導体、あるいは場合によっては誘電体（絶縁体）ストリップで構成された、平らなリボン状の伝送線路です。平面型はマイクロ波周波数で動作するプリント回路や集積回路の製造方法によく適合するため、これらの回路はマイクロ波周波数で動作する回路の部品を相互接続するために使用されます。伝送線路は単なる相互接続以上のものです。単純な相互接続では、電磁波の伝搬はワイヤに沿って瞬時とみなせるほど速く、ワイヤの両端の電圧は同一とみなすことができます。ワイヤの長さが波長のかなりの割合（経験則として10分の1がよく使われます）よりも長い場合、これらの仮定はもはや成り立たなくなり、代わりに伝送線路理論を使用する必要があります。伝送線路では、線路の形状が精密に制御されているため（ほとんどの場合、断面積は長さに沿って一定に保たれます）、その電気的挙動は非常に予測可能です。低周波数では、これらの考慮事項は異なる機器を接続するケーブルにのみ必要ですが、マイクロ波周波数では、伝送線路理論が必要になる距離はミリメートル単位で測定されます。したがって、回路内には伝送線路が必要となる。
平面伝送線路の最も初期のタイプは、第二次世界大戦中にロバート・M・バレットによって考案されました。これはストリップラインとして知られており、マイクロストリップ、サスペンデッドストリップライン、コプレーナ導波路とともに、現代で使用されている4つの主要なタイプの1つです。これら4つのタイプはすべて、一対の導体で構成されています（ただし、そのうち3つでは、これらの導体の1つがグランドプレーンです）。したがって、これらの伝送線路は、一対のワイヤで見られるモードと同一、またはほぼ同一の支配的な伝送モード（モードとは電磁波の電界パターン）を持ちます。スロットライン、フィンライン、イメージラインなどの他の平面伝送線路は、誘電体ストリップに沿って伝送し、基板一体型導波路は、基板内にポスト列を持つ誘電体導波路を形成します。これらのタイプは、一対のワイヤと同じモードをサポートできないため、伝送特性が異なります。これらのタイプの多くは帯域幅が狭く、一般的に一対の導体よりも信号歪みが大きくなります。それらの利点は比較対象となる具体的な種類によって異なりますが、低損失やより広い範囲の特性インピーダンスなどが挙げられます。
平面伝送線路は、部品の構築と相互接続の両方に使用できます。マイクロ波周波数では、回路内の個々の部品自体が波長のかなりの割合よりも大きくなることがよくあります。これは、それらを集中定数部品、つまり一点に存在するかのように扱うことができなくなることを意味します。集中定数受動部品は、この理由、または必要な値が製造するには非現実的なほど小さいため、マイクロ波周波数では実用的ではないことがよくあります。伝送線路のパターンは、これらの部品と同じ機能に使用できます。分布素子回路と呼ばれる回路全体をこの方法で構築できます。この方法はフィルタによく使用されます。この方法は、プリント回路や集積回路での使用に特に魅力的です。これらの構造は、既存の基板にパターンを適用するだけで、アセンブリの他の部分と同じプロセスで製造できるためです。これにより、平面技術は、同軸線路などの他のタイプに比べて大きな経済的利点を得ます。
Some authors make a distinction between transmission line, a line that uses a pair of conductors, and waveguide, a line that either does not use conductors at all, or just uses one conductor to constrain the wave in the dielectric. Others use the terms synonymously. This article includes both kinds, so long as they are in a planar form. Names used are the common ones and do not necessarily indicate the number of conductors. The term waveguide when used unadorned, means the hollow, or dielectric filled, metal kind of waveguide, which is not a planar form.
Planar transmission lines are those transmission lines in which the conductors are essentially flat. The conductors consist of flat strips, and there are usually one or more ground planes parallel to the flat surface of the conductors. The conductors are separated from the ground planes, sometimes with air between them but more often with a solid dielectric material. Transmission lines can also be constructed in non-planar formats such as wires or coaxial line. As well as interconnections, there are a wide range of circuits that can be implemented in transmission lines. These include filters, power dividers, directional couplers, impedance matching networks, and choke circuits to deliver biasing to active components. The principal advantage of the planar types is that they can be manufactured using the same processes used to make printed circuits and integrated circuits, particularly through the photolithography process. The planar technologies are thus particularly well suited to mass production of such components.[1]
伝送線路で回路素子を作ることは、マイクロ波周波数で最も有用です。低周波数では、波長が長いため、これらの部品が大きくなりすぎます。マイクロ波の最高周波数では、平面伝送線路は一般的に損失が大きすぎるため、代わりに導波管が使用されます。ただし、導波管はより大きく、製造コストも高くなります。さらに高い周波数では、誘電体導波管（光ファイバなど）が選択される技術になりますが、平面型の誘電体導波管も利用可能です。[ 2 ] 最も広く使用されている平面伝送線路（種類を問わず）は、ストリップライン、マイクロストリップ、サスペンデッドストリップライン、およびコプレーナ導波管です。[ 3 ]
伝送線路にとって重要なパラメータは、採用されている伝送モードです。モードは、伝送構造の形状によって生じる電磁界パターンを表します。 [ 6 ] 同じ線路上に複数のモードが同時に存在することも可能です。通常、目的のモード以外のすべてのモードを抑制するための対策が講じられます。[ 7 ]しかし、デュアルモードフィルタ などの一部のデバイスは、複数のモードの伝送に依存しています。[ 8 ]
通常の導線やケーブルに見られるモードは、横電磁モード（TEMモード）です。これは、一部の平面伝送線路でも支配的なモードです。TEMモードでは、電界と磁界の電界強度ベクトルはどちらも波の進行方向に対して横方向であり、互いに直交しています。TEMモードの重要な特性は、ゼロ（つまりDC ）まで、低周波数で使用できることです。[ 9 ]
TEMモードのもう1つの特徴は、理想的な伝送線路（ヘヴィサイド条件を満たす もの）では、伝送周波数によって伝送線路の伝送パラメータ（特性インピーダンスと信号群速度）が変化しないことです。このため、理想的なTEM伝送線路は分散の影響を受けません。分散とは、異なる周波数成分が異なる速度で伝搬する一種の歪みです。分散は、伝送される情報を表す波形を線路の長さの方向に「ぼやけ」させます。他のすべてのモードは分散の影響を受け、達成可能な帯域幅に制限が生じます。[ 10 ]
平面型、特にマイクロストリップ線路は、誘電体が均一ではなく、線路の上と下で異なっています。このような形状では真のTEMモードをサポートできません。伝送はほぼTEMになるものの、電磁界の一部は線路の方向に平行です。このようなモードは準TEMと呼ばれます。TEM線路では、ギャップやポスト（フィルタやその他のデバイスを構成するために使用）などの不連続部は、純粋にリアクタンスのインピーダンスを持ちます。つまり、エネルギーを蓄積することはできますが、散逸させることはありません。ほとんどの準TEM線路では、これらの構造に加えてインピーダンスに抵抗成分があります。この抵抗は構造からの放射の結果であり、回路の損失を引き起こします。同じ問題が線路の曲がりや角でも発生します。これらの問題は、高誘電率材料を基板として使用することで軽減できます。これにより、波の大部分が誘電体内に閉じ込められ、より均一な伝送媒体となり、TEMに近いモードになります。[ 11 ]
中空金属導波路および光導波路では、無数の他の横モードが発生する可能性があります。ただし、TEM モードは伝搬に 2 つ以上の独立した導体を必要とするため、サポートできません。横モードは、電界のすべてが横方向であるか、磁界のすべてが横方向であるかに応じて、横電界(TE モードまたは H モード) または横磁界(TM モードまたは E モード) に分類されます。いずれかの電界には常に縦方向成分があります。正確なモードは、指定された横方向寸法に沿った波長または半波長の数を数える一対のインデックスによって識別されます。これらのインデックスは通常、区切り文字なしで記述されます。たとえば、TE 10です。正確な定義は、導波路が長方形、円形、または楕円形のいずれであるかによって異なります。導波路共振器の場合、縦方向の半波長に対して、モードに 3 番目のインデックスが導入されます。[ 12 ]
TEモードとTMモードの特徴は、伝送が行われない明確なカットオフ周波数が存在することです。カットオフ周波数はモードによって異なり、カットオフ周波数が最も低いモードを支配モードと呼びます。マルチモード伝搬は一般的に望ましくありません。そのため、回路は、次に高いモードのカットオフ周波数よりも低い周波数で支配モードで動作するように設計されることがよくあります。この帯域には、支配モードという1つのモードしか存在できません。[ 13 ]
TEM デバイスとして動作するように設計された一部の平面型デバイスは、TE モードと TM モードもサポートしますが、これらを抑制するための対策を講じる必要があります。グランド プレーンまたはシールド エンクロージャは中空導波管として機能し、これらのモードを伝搬します。抑制方法としては、グランド プレーン間にネジを短絡させるか、回路の動作周波数と同じくらい低い周波数をサポートできないほどエンクロージャを小さく設計することが挙げられます。同様に、同軸ケーブルは、中心導体を伝搬する必要のない円形の TE モードと TM モードをサポートすることがあり、これらのモードはケーブルの直径を小さくすることで抑制できます。[ 14 ]
伝送線路構造の中には、純粋な TE モードや TM モードをサポートできないものもありますが、 TE モードと TM モードの線形重ね合わせであるモードをサポートできます。言い換えれば、電界と磁界の両方の縦方向成分を持つモードです。このようなモードは、ハイブリッド電磁界 (HEM) モードと呼ばれます。HEM モードのサブセットとして、縦断面モードがあります。これには、縦断面電界 (LSE) モードと縦断面磁界 (LSM) モードの 2 種類があります。LSE モードは、横方向の 1 方向で電界がゼロであり、LSM モードは、横方向の 1 方向で磁界がゼロです。LSE モードと LSM モードは、非均質な伝送媒体を持つ平面伝送線路タイプで発生する可能性があります。純粋な TE モードや TM モードをサポートできない構造は、伝送をサポートできる場合でも、必然的にハイブリッドモードで伝送する必要があります。[ 15 ]
線路の特性インピーダンスは、線路に沿って伝搬する波が受けるインピーダンスであり、線路の形状と材料のみに依存し、線路の終端処理によって変化しません。平面線路の特性インピーダンスを、接続先のシステムのインピーダンスに整合させる必要があります。多くのフィルタ設計では、さまざまな特性インピーダンスを持つ線路が必要となるため、実現可能なインピーダンスの範囲が広いことが技術の利点となります。狭い線路は、広い線路よりもインピーダンスが高くなります。実現可能な最大インピーダンスは、製造プロセスの分解能によって制限され、線路の幅に制限が生じます。下限は、望ましくない横方向共振モードが発生する可能性のある線路の幅によって決まります。[ 16 ]
Q値（または単にQ）は、サイクルごとに蓄積されるエネルギーと消費されるエネルギーの比です。これは共振器の品質を特徴付ける主要なパラメータです。伝送線路回路では、フィルタやその他のデバイスを構築するために、共振器は伝送線路セクションから構成されることがよくあります。Q値はフィルタスカートの傾斜と選択性を制限します。平面型のQを決定する主な要因は、誘電体の誘電率（誘電率が高いほどQが増加します）と、 Qを減少させる誘電損失です。Qを低下させるその他の要因は、導体の抵抗と放射損失です。 [ 17 ]
・εrは基板の比誘電率である。
平面技術で使用される基板には幅広い種類があります。プリント回路には、ガラス強化エポキシ（FR-4グレード）が一般的に使用されます。高誘電率セラミック-PTFEラミネート（例：Rogers Corporation 6010ボード）は、マイクロ波用途向けに特別に設計されています。より高いマイクロ波周波数では、ハイブリッドマイクロ波集積回路（MIC）に酸化アルミニウム（アルミナ）などのセラミック材料が使用される場合があります。ミリ波帯の最も高いマイクロ波周波数では、サファイアや石英などの結晶基板が使用される場合があります。 モノリシックマイクロ波集積回路（MMIC）は、シリコンやガリウムヒ素などのチップを構成する半導体材料、または二酸化ケイ素などのチップ上に堆積された酸化物で構成された基板を持ちます。[ 24 ]
基板の電気的特性で最も重要なものは、比誘電率(ε r ) と誘電正接( δ ) です。比誘電率は、特定の線幅の特性インピーダンスと、その線幅上を伝搬する信号の群速度を決定します。誘電率が高いほど、プリント部品が小さくなり、小型化に役立ちます。準 TEM 型では、誘電率によって、電界のどれだけが基板内に閉じ込められ、どれだけが基板上の空気中に存在するかが決まります。誘電正接は、誘電損失の尺度です。特に高いQ 値を必要とする回路では、誘電正接はできるだけ小さい方が望ましいです。[ 25 ]
関心のある機械的特性には、基板に求められる厚さと機械的強度が含まれます。サスペンデッドストリップラインやフィンラインなどの一部のタイプでは、基板をできるだけ薄くすることが有利です。フレキシブル基板上に実装された繊細な半導体部品は損傷する可能性があります。この問題を回避するために、加工しやすい基板ではなく、石英などの硬くて剛性のある材料が基板として選択される場合があります。均質ストリップラインなどの他のタイプでは、基板ははるかに厚くすることができます。デバイスの形状に適合するプリントアンテナの場合、柔軟性があり、したがって非常に薄い基板が必要です。電気的性能に必要な厚さは、材料の誘電率に依存します。表面仕上げは問題です。金属化の密着性を確保するためにある程度の粗さが必要になる場合がありますが、粗すぎると導体損失が発生します（結果として生じる金属化の粗さが表皮深さに比べて大きくなるため）。熱特性は重要になる場合があります。 熱膨張はラインの電気的特性を変化させ、めっきスルーホールを破損する可能性があります。[ 26 ]
ストリップラインは、2 つのグランドプレーンの間に誘電体内に埋め込まれたストリップ導体です。通常、2 枚の誘電体シートをクランプして構成され、一方のシートの片面にストリップラインパターンが形成されます。ストリップラインの主な利点は、主な競合相手であるマイクロストリップと比較して、伝送が純粋に TEM モードであり、少なくともストリップラインの用途で遭遇する距離では分散がないことです。ストリップラインは TE モードと TM モードをサポートできますが、これらは一般的に使用されません。主な欠点は、マイクロストリップほど簡単に個別の部品を組み込むことができないことです。組み込む場合は、誘電体に切り欠きを設ける必要があり、組み立て後はアクセスできません。[ 28 ]
サスペンデッドストリップラインは、基板が上下にエアギャップを挟んでグランドプレーン間に吊り下げられたエアストリップラインの一種です。その目的は、波が空気中を伝搬することで誘電損失を最小限に抑えることです。誘電体の目的は、導体ストリップの機械的支持のみです。波は空気と誘電体の混合媒体を伝搬するため、伝送モードは厳密にはTEMではありませんが、薄い誘電体によってこの影響は無視できます。サスペンデッドストリップラインは、損失に関してマイクロストリップよりも優れているものの、導波管ほどかさばったり高価ではない中マイクロ波周波数で使用されます。[ 29 ]
2本の導体ストリップラインの考え方は、2つの基板間のエアギャップを補償することです。製造公差と導体の厚さにより、小さなエアギャップは避けられません。これらのギャップは、グランドプレーン間のラインから放射を促進する可能性があります。両方のボードに同じ導体を印刷することで、両方の基板で電界が等しくなり、2本のラインによるギャップ内の電界が相殺されます。通常、小さな位置ずれによってラインが実質的に広がり、結果として特性インピーダンスが低下するのを防ぐために、一方のラインはわずかに小さく作られています。[ 34 ]
双方向懸架ストリップラインは、標準的な懸架ストリップラインと比較して、電界の大部分が空気中にあり、基板中にはほとんど電界がないため、 Q値が高くなります。この方法の欠点は、2 つのラインを 1/4 波長未満の間隔でボンディングする必要があることです。双方向構造は、2 つの独立したラインをその広い側面で結合するためにも使用できます。これにより、並列結合よりもはるかに強力な結合が得られ、標準的なストリップラインでは不可能な結合線路フィルタや方向性結合器回路を実現できます。[ 35 ]
マイクロストリップは、誘電体層の上面にストリップ導体、誘電体の下面にグランドプレーンを備えています。電磁波は、一部は誘電体内を、一部は導体上の空気中を伝搬するため、準TEM伝送となります。準TEMモードには欠点がありますが、マイクロストリップはプリント回路との互換性が高いため、しばしば好まれます。いずれにせよ、これらの影響は小型化された回路ではそれほど深刻ではありません。[ 36 ]
マイクロストリップのもう1つの欠点は、達成できる特性インピーダンスの範囲が他のタイプよりも限られていることです。一部の回路設計では、150 Ω以上の特性インピーダンスが必要です。マイクロストリップは通常、そこまで高いインピーダンスを実現できないため、設計者はそのような回路を使用できないか、高インピーダンスを必要とするコンポーネントのために別のタイプへの移行を提供する必要があります。[ 37 ]
マイクロストリップの放射傾向は一般的にこのタイプの欠点ですが、アンテナを作成する際には利点となります。マイクロストリップでパッチアンテナを作るのは非常に簡単で、パッチアンテナの変形である平面逆Fアンテナは、モバイル機器で最も広く使用されているアンテナです。[ 38 ]
懸架型マイクロストリップは、懸架型ストリップラインと同じ目的で、電界を誘電体ではなく空気中に配置することで損失と分散を低減します。誘電率の低下によりプリント部品が大きくなり、小型化が制限されますが、部品の製造は容易になります。基板を懸架することで、このタイプの最大使用周波数が上昇します。[ 44 ]
反転マイクロストリップは、懸架マイクロストリップと同様の特性を持ち、導体とグランドプレーン間の空気中に電界の大部分が閉じ込められるという利点があります。基板上の迷走電界はごくわずかで、他のコンポーネントとリンクすることはありません。トラップされた反転マイクロストリップは、ラインを3方向からシールドし、より開放的な構造で発生する可能性のある高次モードを防止します。ラインをシールドボックス内に配置することで、迷走結合を完全に回避できますが、ボックスに合わせて基板を切断する必要があります。この構造を使用して、1枚の大きな基板上に完全なデバイスを製造することはできません。[ 45 ]
コプレーナ導波路（CPW）は、ストリップラインやマイクロストリップとは異なり、基板の上、メインラインと同じ平面上にリターン導体があります。ストリップラインやマイクロストリップでは、リターン導体は基板の上または下のグランドプレーンです。リターン導体はメインラインの両側に配置され、無限に伸びているとみなせるほど十分に幅が広くなっています。マイクロストリップと同様に、CPWは準TEM伝搬特性を持ちます。[ 46 ]
CPWは製造が容易です。金属化面は1つだけで、部品は直列接続（ラインの断線をまたぐ）でも並列接続（ラインとグランドの間）でも表面実装できます。ストリップラインやマイクロストリップの並列部品は、基板の底面まで接続する必要があります。CPWは小型化も容易です。特性インピーダンスは、ライン幅の絶対値ではなく、ライン幅とリターン導体間の距離の比に依存します。[ 47 ]
利点があるにもかかわらず、CPWは普及していません。欠点としては、リターン導体が基板面積の大部分を占め、部品の実装に使用できないことが挙げられますが、一部の設計ではマイクロストリップよりも部品密度を高めることが可能です。より深刻な問題として、CPWにはゼロ周波数カットオフを持つ第2のモード、スロットラインモードが存在します。このモードは、それ以下の周波数で動作させることで回避できず、複数のモードが存在することは望ましくないため、抑制する必要があります。これは奇数モードであり、 2つのリターン導体の電位が等しく逆方向であることを意味します。したがって、2つのリターン導体を結合することで抑制できます。これは、底面グランドプレーン（導体裏付けコプレーナ導波路、CBCPW）と周期的なめっきスルーホール、または基板上面の周期的なエアブリッジによって実現できます。これらの解決策はいずれも、CPWの基本的なシンプルさを損なっています。[ 48 ]
コプレーナストリップ（コプレーナストリップライン[ 53 ]または差動ライン[ 54 ]とも呼ばれる）は、通常、マイクロ波帯域以下のRFアプリケーションにのみ使用されます。グランドプレーンがないため、電界パターンが不明瞭になり、マイクロ波周波数では迷走電界による損失が大きくなりすぎます。一方、グランドプレーンがないということは、このタイプが多層構造への埋め込みに適していることを意味します。[ 55 ]
スロットラインは、基板上の金属化層に切り込まれたスロットです。マイクロストリップの双対であり、誘電体に囲まれた導体線ではなく、導体に囲まれた誘電体線です。[ 56 ] 主な伝搬モードはハイブリッド準TEで、電界の縦方向成分が小さいです。[ 57 ]
スロットラインは、ストリップラインやマイクロストリップとは異なり、基本的に平衡線です。ストリップラインやマイクロストリップは不平衡線です。このタイプでは、シャント接続で部品を線に接続するのが非常に簡単です。表面実装部品は、線を横切ってブリッジ接続できます。スロットラインのもう1つの利点は、高インピーダンス線を容易に実現できることです。特性インピーダンスは線幅とともに増加するため（マイクロストリップでは線幅とともに減少します）、高インピーダンス線では印刷解像度の問題は発生しません。[ 58 ]
スロットラインの欠点は、特性インピーダンスと群速度の両方が周波数によって大きく変化するため、マイクロストリップよりも分散性が高くなることです。スロットラインはQ値も比較的低いです。[ 59 ]
非常に低い特性インピーダンスが要求される場合、アンチポダルスロットラインが使用されます。誘電体ラインでは、低インピーダンスは細いラインを意味します（導体ラインの場合とは逆）。印刷解像度により、実現できるラインの細さには限界があります。アンチポダル構造では、導体を重ね合わせても短絡の危険はありません。バイラテラルスロットラインは、バイラテラルエアストリップラインと同様の利点があります。[ 63 ]
基板一体型導波路（SIW）は、積層導波路またはポストウォール導波路とも呼ばれ、基板誘電体内に形成された導波路で、基板の上下に2列のポストまたはめっきされた貫通穴とグランドプレーンで波を閉じ込めるものです。支配的なモードは準TEモードです。SIWは、中空金属導波路の多くの利点を維持しながら、より安価な代替品となることを意図しています。最大の利点は、実質的に密閉された導波路であるため、マイクロストリップよりも放射損失がかなり少ないことです。他の回路部品への不要な迷走電界の結合はありません。SIWはまた、高いQ値と高い電力処理能力を持ち、平面技術であるため、他の部品との統合が容易です。[ 64 ]
SIWはプリント基板上に実装することも、低温同時焼成セラミック（LTCC）として実装することもできます。後者は特にSIWの実装に適しています。アクティブ回路はSIWに直接実装されません。通常の手法は、ストリップライン-SIW遷移を介してアクティブ部分をストリップラインに実装することです。アンテナは、グランドプレーンにスロットをカットすることでSIWに直接作成できます。ホーンアンテナは、導波管の端にあるポスト列を広げることで作成できます。[ 65 ]
リッジ導波路にはSIWバージョンがあります。リッジ導波路は、E面を部分的に横切る内部縦壁を持つ長方形の中空金属導波路です。リッジ導波路の主な利点は、非常に広い帯域幅を持つことです。リッジSIWは、リッジに相当するものが基板を部分的にしか貫通しないポストの列であるため、プリント回路基板に実装するのはあまり簡単ではありません。しかし、LTCCではこの構造をより簡単に作成できます。[ 66 ]
フィンラインは、長方形金属導波管のE平面に挿入された金属化誘電体シートで構成されています。この混合形式は、準平面と呼ばれることもあります。[ 67 ] この設計は、長方形導波管内で導波管モードを生成することを目的としているのではなく、金属化層に線を切って誘電体を露出させ、これが伝送線路として機能します。したがって、フィンラインは誘電体導波管の一種であり、シールド付きスロットラインと見なすことができます。[ 68 ]
フィンラインはリッジ導波路と似ており、基板の金属化がリッジ（「フィン」）を表し、フィンラインがギャップを表します。リッジ導波路では、リッジの高さをパターン状に変化させることでフィルタを構築できます。これらのフィルタを製造する一般的な方法は、薄い金属板に切り抜き（通常は長方形の穴が複数）を施し、フィンラインとほぼ同じ方法で導波路に挿入することです。フィンラインフィルタは任意の複雑さのパターンを実現できますが、金属挿入フィルタは機械的な支持と完全性の必要性によって制限されます。[ 69 ]
フィンラインは、最大220 GHzの周波数で使用されており、少なくとも700 GHzまで実験的にテストされています。[ 70 ] これらの周波数では、損失が低いためマイクロストリップに比べてかなりの利点があり、同様の低コストのプリント回路技術で製造できます。また、矩形導波管内に完全に閉じられているため、放射もありません。金属挿入デバイスは空気誘電体であるため、さらに損失が低くなりますが、回路の複雑さは非常に限られています。複雑な設計のための完全な導波管ソリューションは、空気誘電体の低損失を維持しますが、フィンラインよりもはるかにかさばり、製造コストが大幅に高くなります。フィンラインのもう 1 つの利点は、特性インピーダンスの範囲が非常に広いことです。フィンラインは導体ではないため、ストリップラインやマイクロストリップで行われるように、主伝送線路にバイアス電流を供給することによってトランジスタやダイオードのバイアスをフィンラインで実現することはできません。フィンラインでバイアスを行うには、別の構成が必要です。[ 71 ]
片側フィンラインは最もシンプルな設計で製造も容易ですが、両側フィンラインは両側サスペンデッドストリップラインと同様に損失が低く、理由は同じです。両側フィンラインの高いQ値は、フィルタ用途でよく選ばれます。非常に低い特性インピーダンスが要求される場合は、アンチポダルフィンラインが使用されます。2つの平面間の結合が強いほど、インピーダンスは低くなります。絶縁フィンラインは、バイアスラインを必要とするアクティブコンポーネントを含む回路で使用されます。絶縁フィンラインのQ値は他のフィンラインタイプよりも低いため、通常は使用されません。[ 77 ]
Imageline, also image line or image guide, is a planar form of dielectric slab waveguide. It consists of a strip of dielectric, often alumina, on a metal sheet. In this type, there is no dielectric substrate extending in all horizontal directions, only the dielectric line. It is so called because the ground plane acts as a mirror resulting in a line that is equivalent to a dielectric slab without the ground plane of twice the height. It shows promise for use at the higher microwave frequencies, around 100 GHz, but it is still largely experimental. For instance Q factors in the thousands are theoretically possible but radiation from bends and losses in the dielectric-metal adhesive significantly reduce this figure. A disadvantage of imageline is that the characteristic impedance is fixed at a single value of about 26 Ω.[78]
Imageline supports TE and TM modes. The dominant TE and TM modes have a cutoff frequency of zero, unlike hollow metal waveguides whose TE and TM modes all have a finite frequency below which propagation cannot occur. As the frequency approaches zero, the longitudinal component of field diminishes and the mode asymptotically approaches the TEM mode. Imageline thus shares the property of being able to propagate waves at arbitrarily low frequencies with the TEM type lines, although it cannot actually support a TEM wave. Despite this, imageline is not a suitable technology at lower frequencies. A drawback of imageline is that it must be precisely machined as surface roughness increases radiation losses.[79]
In insular imageline a thin layer of low permittivity insulator is deposited over the metal ground plane and the higher permittivity imageline is set on top of this. The insulating layer has the effect of reducing conductor losses. This type also has lower radiation losses on straight sections, but like the standard imageline, radiation losses are high at bends and corners. Trapped imageline overcomes this drawback, but is more complex to manufacture since it detracts from the simplicity of the planar structure.[81]
Ribline is a dielectric line machined from the substrate as a single piece. It has similar properties to insular imageline. Like imageline, it must be precisely machined. Strip dielectric guide is a low permittivity strip (usually plastic) placed on a high permittivity substrate such as alumina. The field is largely contained in the substrate between the strip and the ground plane. Because of this, this type does not have the precise machining requirements of standard imageline and ribline. Inverted strip dielectric guide has lower conductor losses because the field in the substrate has been moved away from the conductor, but it has higher radiation losses.[82]
Multilayer circuits can be constructed in printed circuits or monolithic integrated circuits, but LTCC is the most amenable technology for implementing planar transmission lines as multilayers. In a multilayer circuit at least some of the lines will be buried, completely enclosed by dielectric. The losses will not, therefore, be as low as with a more open technology, but very compact circuits can be achieved with multilayer LTCC.[83]
Different parts of a system may be best implemented in different types. Transitions between the various types are therefore required. Transitions between types using unbalanced conductive lines are straightforward: this is mostly a matter of providing continuity of the conductor through the transition and ensuring a good impedance match. The same can be said for transitions to non-planar types such as coaxial. A transition between stripline and microstrip needs to ensure that both ground planes of the stripline are adequately electrically bonded to the microstrip ground plane. One of these groundplanes can be continuous through the transition, but the other ends at the transition. There is a similar issue with the microstrip to CPW transition shown at C in the diagram. There is only one ground plane in each type but it changes from one side of the substrate to the other at the transition. This can be avoided by printing the microstrip and CPW lines on opposite sides of the substrate. In this case, the ground plane is continuous on one side of the substrate but a via is required on the line at the transition.[88]
導電線と誘電体線または導波路間の遷移はより複雑です。このような場合、モードの変更が必要です。この種の遷移は、一方のタイプでアンテナを形成し、それを新しいタイプへのランチャーとして機能させることから成ります。その例としては、コプレーナ導波路（CPW）またはマイクロストリップをスロットラインまたは基板一体型導波路（SIW）に変換することが挙げられます。ワイヤレスデバイスの場合、外部アンテナへの遷移も必要です。[ 89 ]
フィンラインへの遷移とフィンラインからの遷移は、スロットラインと同様の方法で処理できます。ただし、フィンラインの遷移は導波管へ向かう方が自然です。導波管は既に存在しているからです。導波管への単純な遷移は、フィンラインを狭い線から導波管の全高まで滑らかに指数関数的にテーパー（ビバルディアンテナ）することで構成されます。フィンラインの最も初期の応用例は、円形導波管への入射でした。[ 90 ]
平衡線路から不平衡線路への遷移にはバラン回路が必要です。その一例として、CPWからスロット線路への遷移があります。図の例Dはこの種の遷移を示しており、誘電体ラジアルスタブからなるバランを備えています。この回路に示されているコンポーネントは
、2つのCPWグランドプレーンを結合するエアブリッジです。すべての遷移には挿入損失があり、設計の複雑さを増します。各コンポーネント回路にとって最適な妥協型ではない場合でも、遷移の数を最小限に抑えるために、デバイス全体に単一の集積型で設計することが有利な場合があります。[ 91 ]
平面技術の開発は当初、米軍のニーズによって推進されましたが、今日では携帯電話や衛星テレビ受信機などの大量生産された家庭用品にも見られます。[ 92 ] Thomas H. Lee によると、Harold A. Wheeler は1930 年代にはすでにコプレーナ線路の実験を行っていた可能性がありますが、最初に文書化された平面伝送線路はストリップラインであり、空軍ケンブリッジ研究センターの Robert M. Barrett によって発明され、1951 年に Barrett と Barnes によって発表されました。1950 年代まで出版されませんでしたが、ストリップラインは実際には第二次世界大戦中に使用されていました。Barrett によると、最初のストリップライン電力分配器はこの時期に VH Rumsey と HW Jamieson によって作られました。Barrett は契約を発行するだけでなく、Airborne Instruments Laboratory Inc. (AIL) を含む他の組織での研究も奨励しました。マイクロストリップは 1952 年にすぐに続き、Grieg と Engelmann によるものです。一般的な誘電体材料の品質は当初マイクロ波回路には十分ではなかったため、その使用は1960年代まで広く普及しなかった。ストリップラインとマイクロストリップは商業的に競合していた。 ストリップラインはエアストリップラインを製造していたAILのブランド名だった。マイクロストリップはITTによって製造された。その後、トリプレートというブランド名で誘電体充填ストリップラインがSanders Associatesによって製造された。 ストリップラインは誘電体充填ストリップラインの総称となり、エアストリップラインまたはサスペンデッドストリップラインは現在、元のタイプを区別するために使用されている。[ 93 ]
ストリップラインは、分散の問題から当初は競合製品よりも好まれていました。1960年代には、MICに小型の固体部品を組み込む必要性から、バランスはマイクロストリップに傾きました。小型化によってもマイクロストリップが好まれるようになりました。小型化された回路ではその欠点がそれほど深刻ではないからです。ストリップラインは、広い帯域での動作が必要な場合に今でも選択されます。[ 94 ] 最初の平面スラブ誘電体ラインであるイメージラインは、1952年にキングによって考案されました。 [ 95 ] キングは当初、半円形のイメージラインを使用しており、これはすでに十分に研究されている円形ロッド誘電体と同等です。[ 96 ] 最初の印刷された平面誘電体ラインタイプであるスロットラインは、1968 年にコーンによって考案されました。[ 97 ] コプレーナ導波路は、1969 年にウェンによって考案されました。 [ 98 ] 印刷技術としてのフィンラインは、1972 年にマイヤーによって考案されましたが、[ 99 ] ロバートソンは、金属インサートを使用してフィンラインのような構造をはるかに早く (1955 ～ 56 年) 作成しました。ロバートソンは、ダイプレクサとカプラ用の回路を製作し、フィンラインという用語を作り出しました。[ 100 ] SIW は、1998 年に廣川と安藤によって初めて記述されました。 [ 101 ]
当初、平面型で作られた部品は、通常同軸線とコネクタで接続された個別の部品として作られていました。同じ筐体内で平面線で部品を直接接続することで回路のサイズを大幅に縮小できることがすぐに認識されました。これがハイブリッドMICの概念につながりました。ハイブリッドとは、平面線で接続された設計に集中定数部品が含まれていることを意味します。 1970年代以降、小型化と大量生産を促進するために、基本的な平面型の新しいバリエーションが数多く登場しました。MMICの導入により、さらなる小型化が可能になりました。この技術では、平面伝送線が集積回路部品が製造された半導体スラブに直接組み込まれています。最初のMMICであるXバンドアンプは、 1976年にプレッシーのペンジェリーとターナーによって開発されました。[ 102 ]
図には、平面伝送線路で構成できる多数の回路のうち、ごく一部が示されています。このような回路は分布素子回路の一種です。マイクロストリップ型とスロットライン型の方向性結合器がそれぞれAとBに示されています。[ 103 ] 一般に、ストリップラインやマイクロストリップなどの導体線路における回路形式は、導体と絶縁体の役割が逆転した、スロットラインやフィンラインなどの誘電体線路における二重形式を持ちます。2種類の線路幅は反比例の関係にあり、狭い導体線路では高インピーダンスになりますが、誘電体線路では低インピーダンスになります。二重回路のもう1つの例は、導体形式でC、誘電体形式でDに示されている結合線路で構成されるバンドパスフィルタです。[ 104 ]
結合線路フィルタでは、各線路セクションが共振器として機能します。別の種類の共振器がSIWバンドパスフィルタのEに示されています。ここでは、導波管の中央に配置されたポストが共振器として機能します。[ 105 ] 項目Fは、CPWとスロットラインの両方がポートに供給されるスロットラインハイブリッドリングです。この回路のマイクロストリップバージョンでは、リングの1つのセクションが波長の4分の3の長さである必要があります。スロットライン/CPWバージョンでは、スロットライン接合部で180°の位相反転があるため、すべてのセクションが波長の4分の1になります。 [ 106 ]