JP4658535B2 - 高周波モジュール - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ波やミリ波を使ったレーダーや通信に用いる高周波モジュールに関するもので、アンテナコストとアンテナとの接続にかかるコストを削減できる高周波モジュールに関するものである。

マイクロ波やミリ波を使ったレーダーや通信に用いる高周波モジュールは、システムに必要な利得をもつパラボラアンテナや平面アレイアンテナと接続されて送受信装置になる。たとえば車間レーダーの場合、気密に封止された高周波素子を接続して高周波モジュールを構成し、この高周波モジュールと別途用意したアンテナとを導波管で接続してレーダー装置にする場合がある。この場合、レーダー装置を構成するために別途アンテナが必要になり、装置コストが上がる要因になる。

この問題を解決するために高周波基板の裏面にアンテナを構成し、高周波基板とアンテナを一体化すれば、別途アンテナを用意する必要がなくかつ高周波モジュールとアンテナを組立てで接続する必要がなくなるので、アンテナコストと、高周波モジュールとアンテナとの接続にかかるコストを削減することができる。
特開２００１−９９９１５号公報 特開２００４−１３４５４１号公報

しかしながら、車間レーダーの場合、自動車前方の先行車や障害物の位置を精度よく検知するにはレーダー装置から送信されるレーダービームを細く絞る必要があり、そのためには開口面積が大きなアンテナが必要になる。開口面積が大きなアンテナを高周波基板の裏面に構成するには、パッチ等のアンテナ素子をアレイ状に並べる必要があり、高周波基板にアレイ状のアンテナ素子を作製したり、各アンテナ素子と電気的な接続を行なうための配線導体を引き回したりするのに非常に工程が多くなる。この場合、別途アンテナを用意する必要はないが、高周波基板のコストが上昇して装置トータルとしてのコストが下がらないという問題があった。

従って、本発明は、マイクロ波やミリ波を使ったレーダーや通信に用いる高周波モジュールにおいて、レーダー装置や通信装置を構成する際に、アンテナコストと、アンテナとの接続にかかるコストを削減できる高周波モジュールを提供することにある。

本発明の高周波モジュールは、誘電体基板と、該誘電体基板の上面に形成された高周波線路と、前記誘電体基板の下面の前記高周波線路の一端部の直下の部位に形成された枠状の接続電極と、貫通孔の内面に導体層が形成されて成るとともに該導体層の上端が前記接続電極に全周にわたって接続された導波管部を有するアンテナを備えた配線基板と、前記
誘電体基板に設けられ、前記高周波線路を伝送する伝送モードを前記導波管部を伝送する導波管モードに変換する変換部とを具備し、前記貫通孔は、前記変換部の下部に位置し、前記配線基板を成す積層された複数の誘電体層にそれぞれ形成された貫通穴が重なることによって形成されており、複数の前記貫通穴は、それらの内寸法が下側の前記誘電体層に向かうに伴って漸次大きくなっていて、前記貫通孔の前記内面は、内側の段差部に樹脂層が被着されることによって滑らかな面とされていることを特徴とする。

本発明の高周波モジュールにおいて、好ましくは、前記高周波線路は、線路導体および該線路導体の一端部を取り囲むように形成された同一面接地導体から成る。

本発明の高周波モジュールにおいて、好ましくは、前記貫通孔は、レーザ光の照射によって形成されていることを特徴とする。

本発明の高周波モジュールにおいて、好ましくは、前記貫通孔は、砥粒の噴射によって形成されていることを特徴とする。

本発明の高周波モジュールによれば、誘電体基板の上面に形成された高周波線路と、誘電体基板の下面の高周波線路の一端部の直下の部位に形成された枠状の接続電極と、貫通孔の内面に導体層が形成されて成るとともに導体層の上端が接続電極に全周にわたって電気的に接続された導波管部を有する配線基板と、高周波線路を伝送する伝送モードを導波管部を伝送する導波管モードに変換するための変換部とを具備していることから、導波管部をアンテナとして機能させることができ、レーダー装置や通信装置を構成する際に別途アンテナを準備する必要がないとともに、誘電体基板にアレイ状のアンテナ素子を作製したり、各アンテナ素子と電気的な接続を行なうための配線導体を引き回したりする必要もなく、アンテナコストと、アンテナとの接続にかかるコストとを削減することができる。

本発明の高周波モジュールにおいて、好ましくは、高周波線路は、線路導体および線路導体の一端部を取り囲むように形成された同一面接地導体から成ることから、この同一面接地導体により誘電体基板内に形成された変換部と誘電体基板の上部空間とをシールドすることが可能になり、誘電体基板の上部空間における不要共振の発生を抑制することができる。

本発明の高周波モジュールによれば、導波管部は、下側に向かうに伴って内寸法が漸次大きくなっていることから、導波管部から空間に信号が放射される部分の開口面積が空間に近づくほど漸次大きくなり、導波管部のインピーダンスが空間のインピーダンスに近くなって信号の反射が低減するとともに、放射される信号の指向性が鋭くなり、誘電体レンズ等によるビーム成形が容易になる。

本発明の高周波モジュールによれば、配線基板の貫通孔は、配線基板を成す積層された複数の誘電体層にそれぞれ形成された貫通穴が重なることによって形成されており、複数の貫通穴は、それらの内寸法が下側の誘電体層に向かうに伴って漸次大きくなっていることから、配線基板のテーパー状の貫通孔を、開口寸法が異なる貫通穴を有する複数の誘電体層を積層した積層技術で容易に作製することができ、配線基板のコストを低減することができる。

本発明の高周波モジュールによれば、配線基板の貫通孔は、内面に樹脂層が被着されることによって滑らかな面とされていることから、テーパー状の貫通孔における開口寸法の変化に伴うインピーダンスの変化が滑らかになり、インピーダンスミスマッチによる信号の反射が低減される。

本発明の高周波モジュールにおいて、好ましくは、配線基板の貫通孔は、レーザ光の照射によって形成されていることから、配線基板に貫通孔を極めて容易に形成することができるとともに、レーザ光の条件や照射角度を調整して内寸法が上側開口から下側開口にかけて一定の貫通孔、あるいは下側に向かうに伴って内寸法が大きくなっているテーパー状の貫通孔を容易に形成することができ、配線基板をより低コスト化することができる。

本発明の高周波モジュールにおいて、好ましくは、配線基板の貫通孔は、砥粒の噴射によって形成されていることから、配線基板に貫通孔を極めて容易に形成することができるとともに、砥粒噴射の条件や噴射角度を調整して内寸法が上側開口から下側開口にかけて一定の貫通孔、あるいは下側に向かうに伴って内寸法が大きくなっているテーパー状の貫通孔を容易に形成することができ、配線基板をより低コスト化することができる。

本発明の高周波モジュールを図面に基づき詳述する。図１は、本発明の高周波モジュールの実施の形態の一例を示す断面図である。また、図２（ａ）は図１の高周波モジュールから空間に信号を放射する際の高周波特性をシミュレーションするためのシミュレーションモデル、図２（ｂ）は図２（ａ）の反射特性のシミュレーション結果、図２（ｃ）は図２（ａ）の放射パターンのシミュレーション結果である。

図１において、Ａは高周波基板、１は誘電体基板、２は高周波線路、３は変換部、４は接続電極、Ｂは配線基板、５は貫通孔、６は導体層、７は導波管部である。

誘電体基板１の表面に高周波線路２が形成されている。高周波線路２は、例えば、線路導体とこの線路導体の一端部を取り囲むように形成された同一面接地導体とから成る。この線路導体の一端部には高周波線路２を伝送する信号の伝送モードを配線基板Ｂの導波管部７の導波管モードに変換する変換部３が形成され、誘電体基板１の裏面の上記線路導体の一端部の直下の部位には導波管部７の断面形状と同じ形状の接続電極４が形成されている。また、高周波線路２の線路導体の他の一端部には高周波素子がワイヤーボンディング等で接続されている。そして、高周波素子が誘電体基板１と蓋体とから成る容器内に気密に封止されることによって高周波基板Ａが構成されている。

変換部３は、高周波線路２の端部と導波管部７とを電磁的に結合し、高周波線路２を伝送する信号の伝送モードを導波管部７の導波管モードに変換する作用をなす。このような変換部３としては、例えば、誘電体基板１の内部や表面に平面視で高周波線路２の端部を取り囲むような接地導体を設けた構成、誘電体基板１の表面に高周波線路２の端部を取り囲むような同一面接地導体を設けるとともに同一面接地導体に高周波線路２の端部に直交するスロットを設けた構成、誘電体基板１の内部に平面視で高周波線路２の端部を取り囲むように一定間隔で並んだビアを形成した構成、誘電体基板１の上面に高周波線路２の端部を覆うように導電性の蓋体で覆った構成、あるいはこれらの構成の組合せにより形成することができる。

また、配線基板Ｂには貫通孔５が形成され、貫通孔５の内面に導体層６が形成されることによって導波管部７が構成されている。そして、高周波基板Ａの接続電極４と配線基板Ｂの導波管部７の上端とを半田等で電気的に接続して、配線基板Ｂの導波管部７をアンテナとして機能させることのできる高周波モジュールと成る。これにより、レーダー装置や通信装置を構成する際に別途アンテナを準備する必要がないとともに、誘電体基板１にアレイ状のアンテナ素子を作製したり、各アンテナ素子と電気的な接続を行なうための配線導体を引き回したりする必要もなく、アンテナコストと、アンテナとの接続にかかるコストとを削減することができる。

また、レーダー装置のように送信されるレーダービームを細く絞る必要がある場合には、導波管部７の先に誘電体レンズを設置すればよく、そのとき高周波信号は導波管部７から誘電体レンズに電波として伝送されるため、高周波基板Ａあるいは配線基板Ｂと誘電体レンズとを電気的に接続する必要はない。

誘電体基板１および配線基板Ｂは、酸化アルミニウム質焼結体等のセラミック材料や、ガラスセラミックス、エポキシ樹脂等の樹脂材料等から成る。また、高周波線路２や接続電極４、導体層６は、例えばタングステンを主成分とするメタライズ等で形成される。また、それらの露出した表面にはさらにニッケル、金等を主成分とするめっきが施されていてもよい。

図２（ａ）は高周波モジュールの導波管部７から空間に信号を放射する際の高周波特性をシミュレーションするためのシミュレーションモデルである。下方の直方体が導波管部７であり、この直方体の上下面が導波管部７の開口、側面が導体層６である。このモデルでは導波管部７はＷＲ12規格であり導波管部７の開口の長辺が３．０９８ｍｍ、短辺が１．５４９ｍｍである。導波管部７の高周波線路２側の開口に相当する直方体の下面から高周波信号を入力し、導波管部７の高周波線路２側とは反対側の開口に相当する直方体の上面から電波として空間に放射される場合をシミュレーションしている。また、上方の円柱は空間をモデル化したものである。円柱の上面と側面は、遠方における放射パターンをシミュレーションするために吸収境界が設定されている。シミュレーションは有限要素法による電磁界シミュレーションである。

図２（ｂ）は図２（ａ）のモデルを用いたときの反射特性のシミュレーション結果である。６０ＧＨｚから９０ＧＨｚにかけて反射は−１２ｄＢから−１５ｄＢの範囲にあり良好な特性である。７６．５ＧＨｚにおける反射は−１２．８ｄＢである。

図２（ｃ）は図２（ａ）のモデルを用いたときの高周波モジュールから放射される周波数７６．５ＧＨｚの電波の放射パターンのシミュレーション結果である。この図において、実線（Phi=0°）はｘｚ平面内の放射パターンを示し、破線（Phi=90°）はｙｚ平面内の放射パターンを示す。そして、指向性利得は６．５ｄＢｉであり、開口面積から期待される指向性利得と一致しているので一般的な開口面アンテナとして機能していると言える。

図３は、本発明の高周波モジュールの実施の形態の他の一例を説明するための概略断面図である。図３において、図１と同じ部位には同じ記号を付し、８は下側に向かうに伴って内寸法が大きくなっている貫通孔（以下、テーパー状貫通孔という）、９は導体層、１０は下側に向かうに伴って内寸法が大きくなっている導波管部（以下テーパー状導波管部）である。本発明の高周波モジュールは導波管部１０は、図３に示すように下側に向かうに伴って内寸法が大きくなっていることが好ましい。これにより、テーパー状導波管部１０から空間に信号が放射される部分の開口面積が空間に近づくほど漸次大きくなり、テーパー状導波管部１０のインピーダンスが空間のインピーダンスに近くなって信号の反射が低減するとともに、放射される信号の指向性が鋭くなり、誘電体レンズ等によるビーム成形が容易になる。

テーパー状導波管部１０の内面と配線基板Ｂの下面との成す角度は、９０〜１３５度であるのがよい。これにより、導波管部１０と空間との間のインピーダンス変化をより低減して信号の損失をより有効に抑制することができるとともに、信号の回折をより有効に抑制することができ、放射される信号の指向性をより鋭くすることができる。

図４は、本発明の高周波モジュールの実施の形態の他の一例を説明するための概略断面図である。図４の例は、図３の例のテーパー状貫通孔８が、開口寸法が異なる貫通穴を有する複数の誘電体層１１を積層することにより形成されたものである。このようにすることによりテーパー状貫通孔８を通常の積層技術で実現することができ、配線基板Ｂのコストを低減することができる。

図５は、本発明の高周波モジュールの実施の形態の他の一例を説明するための概略断面図である。図５の例は、図４の例の複数の誘電体層１１を積層して形成されたテーパー状貫通孔８の内側の段差部にエポキシ樹脂等の樹脂層１２を被着して、テーパー状貫通孔８の内面を滑らかにしたものである。このようにすることにより、導体層９をより容易に滑らかな面とすることができ、テーパー状導波管部１０における開口寸法の変化に伴うインピーダンスの変化が滑らかになり、インピーダンスミスマッチによる信号の反射が低減される。

図６は、本発明の高周波モジュールの実施の形態の他の一例を説明するための概略断面図である。図６において、図１と同じ部位には同じ記号を付し、１３は導波管部、１４は金属板、１５は貫通孔、１６は金属導波管部である。高周波基板Ａの接続電極４と配線基板Ｂの導波管部１３の上端とを電気的に接続し、配線基板Ｂの導波管部１３の下端と金属板１４の貫通孔１５の上側の開口縁部とを電気的に接続することによって接続電極４、導波管部１３、および金属導波管部１６を連通した導波管とすることができる。これにより、金属導波管部１６をアンテナとして機能させることができ、レーダー装置や通信装置を構成する際に別途アンテナを準備する必要がないとともに、誘電体基板１にアレイ状のアンテナ素子を作製したり、各アンテナ素子と電気的な接続を行なうための配線導体を引き回したりする必要もなく、アンテナコストと、アンテナとの接続にかかるコストとを削減することができる。また、金属板１４が高周波モジュールを収納する金属容器の一部の場合、金属板１４によって、放射した信号や空間の電磁ノイズから高周波モジュールを良好にシールドすることができる。

図７は、本発明の高周波モジュールの実施の形態の他の一例を説明するための概略断面図である。図７の例は、図６の例の金属導波管部１６を下側に向かうに伴って内寸法が大きくなるようにしたものである。このようにすることにより、金属導波管部１６から空間に信号が放射される部分の導波管の面積が大きくなり、金属導波管部１６と空間との間のインピーダンス差が小さくなって信号の反射が低減するとともに、放射される信号の指向性が鋭くなり、誘電体レンズ等によるビーム成形が容易になる。

なお、本発明は、以上の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内であれば種々の変更は可能である。

本発明の高周波モジュールの実施の形態の一例を示す概略断面図である。 （ａ）は図１の高周波モジュールの高周波特性の配線基板内導波管から空間に信号を放射する際の高周波特性をシミュレーションするためのシミュレーションモデル、（ｂ）は（ａ）の反射特性のシミュレーション結果、（ｃ）は（ａ）の放射パターンのシミュレーション結果である。 本発明の高周波モジュールの実施の形態の他の一例を説明するための概略断面図である。 本発明の高周波モジュールの実施の形態の他の一例を説明するための概略断面図である。 本発明の高周波モジュールの実施の形態の他の一例を説明するための概略断面図である。 本発明の高周波モジュールの実施の形態の他の一例を説明するための概略断面図である。 本発明の高周波モジュールの実施の形態の他の一例を説明するための概略断面図である。

符号の説明

１：誘電体基板
２：高周波線路
３：変換部
４：接続電極
５，８：貫通孔
６，９：導体層
７，１０，１３：導波管部
１１：誘電体層
１２：樹脂層
１４：金属板
１５：貫通孔
１６：金属導波管部
Ｂ：配線基板

Claims (4)

1. 誘電体基板と、
   該誘電体基板の上面に形成された高周波線路と、
   前記誘電体基板の下面の前記高周波線路の一端部の直下の部位に形成された枠状の接続電極と、
   貫通孔の内面に導体層が形成されて成るとともに該導体層の上端が前記接続電極に全周にわたって接続された導波管部を有するアンテナを備えた配線基板と、
   前記誘電体基板に設けられ、前記高周波線路を伝送する伝送モードを前記導波管部を伝送する導波管モードに変換する変換部とを具備し、
   前記貫通孔は、前記変換部の下部に位置し、前記配線基板を成す積層された複数の誘電体層にそれぞれ形成された貫通穴が重なることによって形成されており、複数の前記貫通穴は、それらの内寸法が下側の前記誘電体層に向かうに伴って漸次大きくなっていて、前記貫通孔の前記内面は、内側の段差部に樹脂層が被着されることによって滑らかな面とされていることを特徴とする高周波モジュール。
2. 前記高周波線路は、線路導体および該線路導体の一端部を取り囲むように形成された同一面接地導体から成ることを特徴とする請求項１記載の高周波モジュール。
3. 前記貫通孔は、レーザ光の照射によって形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の高周波モジュール。
4. 前記貫通孔は、砥粒の噴射によって形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の高周波モジュール。

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