JP5279424B2 - 高周波伝送装置 - Google Patents

Description

本発明は高周波伝送装置、特にマイクロ波帯からミリ波帯の高周波の信号処理に用いられる各種の高周波モジュール基板等を実装基板に取り付ける構成で、高周波信号を伝送するための高周波伝送装置の構造に関する。

従来から、マイクロ波帯からミリ波帯の信号を取り扱う高周波伝送装置では、各種の高周波モジュール（デバイス）を搭載した回路基板を、もう一つの実装回路基板に実装することが行われ、高周波信号はモジュールと実装回路基板との間で伝送される。

図１０には、従来の伝送装置の１つの構成例が示されており、モジュールは、キャビティ２１を有するシールド筐体２２、表面（上面）に伝送線路２３が形成され、かつ裏面にこの伝送線路２３がスルーホール２４を介して接続される接続用電極２５及び接地パターン（接地電極）２６が形成されたモジュール基板２７を有し、実装部は、表面に伝送線路２９及び接地パターン３０が形成され、かつ裏面にこの接地パターン３０がスルーホール３１を介して接続される接地パターン３２を形成した実装基板３３、この実装基板３３の裏面側の金属筐体３４を有している。そして、上記のモジュール基板２７と実装基板３３を半田３５等で接着することで、モジュールと実装部の接地パターン２６と接地パターン３０が接続されると共に、伝送線路２３の接続用電極２５と伝送線路２９が接続される。なお、３６はモジュール基板２７上面の接地パターンである。

図１１には、従来の伝送装置の他の構成例（タブリードを用いた例）が示されており、この場合は、モジュール基板２７の裏面に、タブリード３８を設け、このタブリード３８と伝送線路２９やタブリード３８とスルーホール３１等を半田３５で接続している。
そして、このような伝送装置では、接続部全体として不整合が生じないように、その寸法を最適化したり、インピーダンス補正用の回路を追加したりすることが行われる。
特開２００４−２１４５８４号公報

しかしながら、従来の高周波伝送装置では、取扱う周波数が高くなり、使用される基板（２７，３３）が薄くなると、モジュール基板２７と実装基板３３の伝送線路２３，２９同士を接続するための電極の幅は細くなり、接続電極同士の位置合わせが困難になるという問題があった。

例えば、ＦＥＴ、ＭＭＩＣ等のデバイスを内蔵したパッケージの場合には、図１０のような構造でも、半田リフロー実装等により高精度で安定した実装が可能なため、上記のような電極の小型化に対応できるが、内部に複数の回路を含む高周波モジュールとして構成する場合は、半田リフローによる実装は困難な場合が多く、一般的には高価な高周波コネクタや同軸ケーブルを介して接続する方法が採られている。

また、モジュール自体をネジで固定し、電極接続部のみ、半田こてやレーザによるスポット半田接続を行う方法もあるが、この場合でも、図１１に示すようなタブリード（金属板）やスルーホールを半分にカットした半田付け用電極を用い、接合部に直接熱を与え、半田フィレットが形成できる構造としなければ、実装が困難である。

また、高周波回路をモジュール化する目的の一つは、周波数特性が広帯域な回路を共通化し、発振器等を含む狭帯域な回路部分をモジュール化回路として交換可能にすることであり、このモジュールの交換により異なった周波数の製品が製作できるが、このような場合も、モジュールと実装部との接続が高価な高周波コネクタや同軸ケーブルで行われることが多い。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、各種の高周波モジュール基板を実装高周波回路基板に接続する際の伝送線路の接続電極同士の位置合わせが容易となり、また半田付けや高価なコネクタ等を用いずに、各基板の伝送線路同士を接続し、安定した伝送を行うことができる高周波伝送装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１の発明に係る発明は、高周波伝送線路及び接地電極が形成された複数の基板を積層配置する高周波伝送装置において、表面に、接地電極の空領域が形成され、かつこの空領域内に上記伝送線路の先端開放パターンが形成され、裏面に、上記表面空領域と略一致する位置に接地電極の空領域が形成された高周波モジュール基板と、表面に、接地電極の空領域が形成され、かつこの空領域内に上記伝送線路の先端開放パターンが形成され、裏面に、接地電極が形成された実装高周波回路基板と、上記高周波モジュール基板の裏面接地電極と上記実装高周波回路基板の表面接地電極を接続し、かつそれぞれの空領域が合わせられる状態で上記高周波モジュール基板と実装高周波回路基板を直接重ねることにより、それぞれの伝送線路の先端開放パターンを直流的に絶縁しながら容量性結合する容量結合部が形成された直列共振回路と、この直列共振回路に設けられたインピーダンス整合部と、を含み、上記直列共振回路により高周波を伝送することを特徴とする。
請求項２の発明は、上記容量結合部として、上記実装高周波回路基板の裏面にも、その表面空領域と略一致する位置に接地電極の空領域を設けると共に、この実装高周波回路基板の裏面側に配置される金属筐体には、上記裏面空領域と略同一の面積の掘り込み穴を設け、上記高周波モジュール基板の裏面空領域に、この裏面の接地電極の厚さと同一か又はそれ以上の厚さの誘電体シートを設けたことを特徴とする

請求項３の発明は、上記高周波モジュール基板の表面側に配置されるシールド筐体には、上記表面空領域と略同一の面積のキャビティが設けられていることを特徴とする。

本発明の構成によれば、高周波モジュール基板−実装高周波回路基板間のそれぞれの接地電極が直接接続され、またそれぞれの伝送線路については、その先端開放パターン間の結合容量と、伝送線路と先端開放パターン間のインピーダンス整合部により、直列共振回路が形成されることになり、この直列共振回路によって、高周波モジュール基板及び実装高周波回路基板に配置されている伝送線路間で高周波の伝送が行われる。

本発明の高周波伝送装置によれば、伝送線路が容量性結合で接続されるので、複数基板の伝送線路の接続電極同士の位置合わせが容易となり、また半田付けや高価なコネクタ等を用いることなく、複数基板の伝送線路同士を接続し、安定した伝送を行うことができ、接続の容易化、低コスト化を図ることも可能になるという効果がある。

請求項２の発明によれば、実装高周波回路基板の裏面側に配置される金属筐体に掘り込み穴を設けたので、先端開放パターンの接地容量による特性の劣化を防ぎ、広帯域な伝送特性が得られるという効果を奏する。
また、高周波モジュール基板の裏面における接地パターンが形成されていない容量結合部の空領域に、誘電体シートを設けたので、容量結合部における高周波モジュール基板と実装高周波回路基板との間に存在する空隙による伝送特性の劣化を改善することができるという効果を奏する。

図１乃至図４には、本発明の実施例に係る高周波伝送装置の構成が示されており、図１は上部のシールド筐体を透視した状態の図、図２及び図３は分解図、図４は断面図である。各図に示されるように、実施例の伝送装置は、各種のモジュールを実装部に接続するものであり、モジュールは、結合部キャビティ１を有する金属製のシールド筐体２、表面（上面）に伝送線路３、その先端開放パターン３ａ及び接地パターン（接地電極）４が形成され、かつ裏面（下面）に接地パターン５が形成されたモジュール基板７を有し、実装部は、表面に伝送線路９、その先端開放パターン９ａ及び接地パターン１０が形成され、かつ裏面にこの接地パターン１０がスルーホール１１を介して接続される接地パターン１２を形成した実装基板１３、そして金属筐体１４を有している。

上記モジュール基板７及び実装基板１３の伝送線路３，９は、マイクロストリップ線路又はグラウンデッドコプレナーウェーブガイド等による伝送線路パターンで構成される。また、モジュール基板７では、その上面の接地パターン４が、高周波回路部を囲むように設けられると共に、伝送線路３の先端開放パターン３ａを配置した容量性結合部を構成するための接地パターン空領域（即ち、先端開放パターン３ａを囲む接地パターンが設けられない矩形の欠損部）４Ｃを残して形成され、裏面の接地パターン５においても、容量性結合部を構成するための空領域（上記４Ｃと略一致する領域）５Ｃを残して形成される。上記シールド筐体２は、高周波回路部をカバーする形状とされ、モジュール基板７の上面の接地パターン４と電気的に接触するように配置され、高周波回路を電気的に遮蔽して保護する役目をする。

また、実装基板１３では、その上面の伝送線路９の先端開放パターン９ａが上記モジュール基板７の先端開放パターン３ａに基板基材を挟んで対向する位置に形成されると共に、接地パターン１０は、上記空領域４Ｃ，５Ｃと略一致する空領域１０Ｃを残して形成され、裏面の接地パターン１２においても、上記空領域１０Ｃと略同一の大きさで、容量性結合部を構成するための空領域（上記４Ｃと略一致する領域）１２Ｃを残して形成される。

更に、実装基板１３の下側の金属筐体１４には、上記空領域１２Ｃと略同一の面積の掘り込み穴１４Ｄが設けられており、この掘り込み穴１４Ｄは、上記空領域１０Ｃと協働して先端開放パターン３ａ，９ａの接地容量による特性の劣化を防ぐ役目をする。

また、実施例では、上記モジュール基板７の裏面の接地パターン空領域５Ｃに、この接地パターン５に重ならないように、空領域５Ｃより少し小さい形状で、接地パターン５の厚さと同一か又はそれ以上の厚さの誘電体シート１６が設けられている。この誘電体シート１６は、例えばソルダーレジスト等を用いて形成することができ、空領域５Ｃに存在する空隙で生じる伝送特性の劣化を改善する役目をする。

このような構成のモジュール基板７と実装基板１３は、各図に示されるように、先端開放パターン３ａと９ａがモジュール基板７及び誘電体シート１６を挟んで対向し、空領域４Ｃ，５Ｃ，１０Ｃ，１２Ｃ及び掘り込み部１４Ｄが縦方向に並べられる状態で、各部材２，７，１３，１４が重ねて配置され、シールド筐体２の下面とモジュール基板７の上面の接地パターン４との間、モジュール基板７の裏面の接地パターン５と実装基板１３の上面の接地パターン１０との間、及び実装基板１３の裏面の接地パターン１２と金属筐体１４との間は、機械的接触又は半田や導電性の接着剤等により電気的に接続される。従って、伝送線路３と９は、先端開放パターン３ａと９ａがモジュール基板７及び誘電体シート１６を挟んで重なることで、直流的に絶縁された状態で容量性結合にて接続される。

更に、上記伝送線路３と先端開放パターン３ａとの間、上記伝送線路９と先端開放パターン９ａとの間には、線路幅を変えた（小さくした）構成のマッチング素子（整合素子）ＭＰ1とＭＰ2が設けられている。

実施例は以上の構成からなり、実施例の高周波伝送装置では、モジュール基板７の上面の伝送線路３の先端開放パターン３ａと実装基板１３の上面の伝送線路９の先端開放パターン９ａとの間の容量成分と各々のパターン３ａ，９ａのインダクタンス成分及びマッチング素子ＭＰ1とＭＰ2により、直列共振回路が形成され、この直列共振回路によって信号が伝送される。

図５には、実施例の伝送装置の等価回路が示されており、図５において、Ｃ1，C2は、モジュール基板７の上面の先端開放パターン３ａの接地容量、Ｃ3，Ｃ4は、先端開放パターン３ａ，９ａ間の容量成分、Ｃ5，Ｃ6は、実装基板１３の上面の先端開放パターン９ａの接地容量、Ｌ1，Ｌ2は、先端開放パターン３ａ，９ａの誘導性（インダクタンス）成分、ＭＰ1は、モジュール基板７上面の先端開放パターン３ａと伝送線路３間のマッチング素子、即ち幅を小さくした部分、ＭＰ2は、実装基板１３上面の先端開放パターン９ａと伝送線路９間のマッチング素子を表している。

この図５の等価回路から分かるように、モジュール基板７上面と実装基板１３上面の対向した先端開放パターン３ａ，９ａ間の容量Ｃ3，Ｃ4と各パターン３ａ，９ａの誘導性成分Ｌ1，Ｌ2により、直列共振回路を構成している。この直列共振回路において、他の寄生成分の影響が無い場合、この共振周波数が伝送したい所望の周波数であれば、低損失で伝送可能となるが、実際にはＣ1，Ｃ2，Ｃ5，Ｃ6のような接地容量や、この等価回路には記載していないが、レイアウトに起因するその他の寄生成分が存在しており、その影響を受けることになる。また、小型化の要求等により、先端開放パターンの結合部共振周波数を所望の周波数に合わせられない場合もある。そのため、実施例では、上記のように、マッチング素子ＭＰ1，ＭＰ2を設けており、先端開放パターン結合部とこのマッチング素子ＭＰ1，ＭＰ2によって、共振周波数の最適化とインピーダンス整合をとることで、上記接地容量や寄生成分による影響をなくすことが可能となる。

しかし、一般的に寄生成分が大きい場合は、上述のインピーダンス整合の結果、非常に帯域が狭くなり、実際には所望の帯域が得られず、使用できない場合が多い。そこで、実施例では、実装基板１３の先端開放パターン９ａの対向面（裏面）の接地パターン１２（の容量性結合部）に、接地パターン空領域１２Ｃを設け、更にその下の金属筐体１４の上面に、掘り込み穴１４Ｄを設けることで、接地容量Ｃ5，Ｃ6の影響を低減するようにしている。

また、空領域１２Ｃ及び掘り込み穴１４Ｄにより、先端開放パターン９ａの幅を広くした場合でも、接地容量Ｃ5，Ｃ6による高周波側での特性劣化を防ぐことができ、実装基板１３を厚くしても、結合容量Ｃ3，Ｃ4を大きくすることができるため、広帯域な伝送特性が得られる。更に、このような構成により、モジュール基板７と実装基板１３との取付けにおいて、位置ずれがあった場合でも結合容量の変化は小さくなり、伝送特性の劣化も小さくなるという利点がある。

図６（Ａ），（Ｂ）には、モジュールを実装部に取り付ける際の構成が示されており、図６（Ａ）は、モジュールＭと実装部Ｓの接地パターン部（４，５，１０，１２）にネジ１６を配置して止め、接地パターン４，５，１０，１２等を機械的な接触により接続する構造としている。また、図６（Ｂ）は、接地パターン部を半田３５や導電性接着剤で接続するようにしたものである。このような取付け構造でも、本発明では、取付け位置のバラツキによる特性の変動を抑えることができ、高周波コネクタ等を用いることなく、各種のモジュールＭの交換を容易に行うことが可能になる。

図７には、実施例の構成による伝送特性が示されており、挿入損失は１０１、反射損失は２０１のようになっており、挿入損失、反射損失共に、良好な特性となった。なお、本発明の伝送装置は、導波管モードの伝送ではないため、容量性結合部周辺の接地パターン空領域４Ｃ，５Ｃ，１０Ｃ，１２Ｃの幅やシールド筐体２或いは金属筐体１４の掘り込み穴１４Ｄの幅が、使用帯域の周波数で導波管としてのカットオフ以下となるような寸法であっても、帯域は狭くなるものの使用可能である。

また、モジュール基板７の上面の先端開放パターン３ａと実装基板１３の上面の先端開放パターン７ａの重なる長さは、約１／４波長のときに最も広帯域となるが、それより短い場合でも、先端開放パターン３ａ，７ａの誘導性成分と前後のマッチング素子ＭＰ1，ＭＰ2の補正により所望の周波数で使用することが可能である。この場合も、小型化と帯域幅のトレードオフとなる。

更に、実施例では、上記モジュール基板７の先端開放パターン３ａの裏面の接地パターン５の空領域５Ｃに、この接地パターン５の厚さと同じか若干厚い誘電体シート１６を形成することで、空領域５Ｃの空隙で生じる伝送特性の劣化が改善できる。即ち、モジュール基板７の銅箔からなる接地パターン５は、通常３０μｍ程度の厚みを持っているため、導電体シート１６がない場合は、上記のモジュール基板７を実装基板１３に取り付けたとき、上記の接地パターン５の厚みに起因する空隙が、実装基板１３上面の先端開放パターン９ａとモジュール基板７の基材との間に存在することになる。ここで、先端開放パターン３ａ，９ａ間の容量成分において、モジュール基板７の基材の厚さ分に関しては一定と考えてよいが、上記空隙が存在する場合は、基材による容量成分とこれに直列の空気層（誘電率１）で形成される容量成分となり、その合成容量が小さいため、伝送特性が悪化する。

図８には、誘電体シート１６を用いた場合と用いない場合の伝送特性が示されており、誘電体シート１６を設けず、３０μｍの間隙が存在した場合には、点線の挿入損失１０２、反射損失２０２の特性となる。即ち、間隙が存在する場合は、容量成分が小さくなるため、共振周波数が高周波側に移動し、整合状態も変化するため、伝送特性が劣化する。これに対し、誘電体シート１６を設けた場合は、空隙に比べると合成容量が大きくなるので、図７で示したように、実線の挿入損失１０１、反射損失２０１の特性が得られ、安定した伝送特性を得ることができる。なお、周囲温度の変化により、空領域５Ｃの空隙幅が変化することがあるが、実施例では、誘電体シート１６の厚みを接地パターン５の厚み、即ち空領域５Ｃの空隙幅よりも少し大きくしており、これによって、周囲温度の変化により僅かな隙間ができた場合でも、特性に変動が起きないようにすることができる。

図９には、モジュール基板が多層基板となる場合の伝送装置の構成が示されており、図９に示されるように、モジュール基板７が上部基板７Ａと下部基板７Ｂを有し、この上部基板７Ａと下部基板７Ｂの間に、内層パターン１７が形成されている。そして、上記上部基板７Ａの上面に、伝送線路３及び先端開放パターン３ａが形成され、下部基板７Ｂの裏面に、接地パターン５が形成されており、その他の構成は、上記実施例と同様となっている。このような構成でも、上記実施例と同様の効果を得ることができる。

本発明は、マイクロ波帯からミリ波帯の高周波モジュールに適用でき、またＭＭＩＣ等のパッケージ等にも応用することが可能である。

本発明の実施例に係る高周波伝送装置の構成を示す斜視図である。 実施例の高周波伝送装置の各部材を上斜め方向から見た分解斜視図である。 実施例の高周波伝送装置の各部材を下斜め方向から見た分解斜視図である。 実施例の高周波伝送装置の構成を示す断面図である。 実施例の高周波伝送装置の結合部の簡易等価回路を示す図である。 実施例の高周波伝送装置の組立て、取付けの状態を示す斜視図である。 実施例の伝送特性を示すグラフ図である。 実施例において誘電体シートを用いた場合と用いない場合の伝送特性を示すグラフ図である。 実施例において多層基板からなる高周波モジュールを用いた場合の構成を示す断面図である。 従来の高周波伝送装置の１つの構成例を示し、図（Ａ）は上面図、図（Ｂ）は断面図である。 従来の高周波伝送装置の他の構成例を示し、図（Ａ）は上面図、図（Ｂ）は断面図である。

符号の説明

２，２２…シールド筐体、 ３，９，１９，２３，２９…伝送線路、
３ａ，９ａ，１９ａ，１９ｂ，１９ｃ…先端開放パターン、
４，５，１０，１２，２０ａ〜２０ｅ，３０，３２，３６…接地パターン（接地電極）、
４Ｃ，５Ｃ，１０Ｃ，１２Ｃ…接地パターン空領域、
７，２７…モジュール基板、 １３，３３…実装基板、
１４，３４…金属筐体、 １４Ｄ…掘り込み穴、
１６…誘電体シート。

Claims (3)

1. 高周波伝送線路及び接地電極が形成された複数の基板を積層配置する高周波伝送装置において、
   表面に、接地電極の空領域が形成され、かつこの空領域内に上記伝送線路の先端開放パターンが形成され、裏面に、上記表面空領域と略一致する位置に接地電極の空領域が形成された高周波モジュール基板と、
   表面に、接地電極の空領域が形成され、かつこの空領域内に上記伝送線路の先端開放パターンが形成され、裏面に、接地電極が形成された実装高周波回路基板と、
   上記高周波モジュール基板の裏面接地電極と上記実装高周波回路基板の表面接地電極を接続し、かつそれぞれの空領域が合わせられる状態で上記高周波モジュール基板と実装高周波回路基板を直接重ねることにより、それぞれの伝送線路の先端開放パターンを直流的に絶縁しながら容量性結合する容量結合部が形成された直列共振回路と、
   この直列共振回路に設けられたインピーダンス整合部と、を含み、
   上記直列共振回路により高周波を伝送することを特徴とする高周波伝送装置。
2. 上記容量結合部として、上記実装高周波回路基板の裏面にも、その表面空領域と略一致する位置に接地電極の空領域を設けると共に、この実装高周波回路基板の裏面側に配置される金属筐体には、上記裏面空領域と略同一の面積の掘り込み穴を設け、
   上記高周波モジュール基板の裏面空領域に、この裏面の接地電極の厚さと同一か又はそれ以上の厚さの誘電体シートを設けたことを特徴とする請求項１記載の高周波伝送装置。
3. 上記高周波モジュール基板の表面側に配置されるシールド筐体には、上記表面空領域と略同一の面積のキャビティが設けられていることを特徴とする請求項２記載の高周波伝送装置。

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