JP2005057696A - 高周波装置および無線装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 実装基板に非可逆回路素子を実装した高周波装置において、接続部分でのインピーダンス不整合、特性ばらつき、断線などが生じない高周波装置を提供する。
【解決手段】 実装基板のおもて面と非可逆回路素子の素子基板のおもて面を対向させ、実装基板の伝送線路と非可逆回路素子の入出力線路とを、λｇ／４の長さにわたって重ね合わせる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ミリ波帯、マイクロ波帯などの高周波帯で使用される高周波装置に関し、より詳しくはサーキュレータやアイソレータなどの非可逆回路素子を備える高周波装置に関する。

ミリ波帯やマイクロ波帯で使用される非可逆回路素子は、磁性体基板上に形成された共振パターンと、共振パターンから放射状に形成された複数の入出力線路と、入出力線路の交点上に実装された磁石とからなっている。そのため、誘電体などの非磁性体材料からなる実装基板上に構成された回路に非可逆回路素子を組み込む場合には、磁性体基板に構成された非可逆回路素子を実装基板上に載置することになり、２枚の基板が重なった状態となって装置の低背化を妨げる要因となっていた。

そこで、実装基板に孔を設け、孔に磁性体基板を嵌めこむように実装する、いわゆるドロップイン構造の非可逆回路素子が考案された（特許文献１参照）。
特開平４−２７２０２号公報（第４図、第５図）

この技術は、実装基板に孔を設け、孔に磁性体基板を嵌めこむようにして実装するため、装置の低背化に有利であり上述の問題点は解消されている。しかし、非可逆回路素子を実装基板上の回路と一体に構成できないため、非可逆回路素子の入出力線路と実装基板上の伝送線路とをボンディングワイヤや金属リボンなどの接続部材によって接続する必要があった。そのため、接続部材の部分でインピーダンスの不整合が生じて挿入損失が大きくなってしまうという問題があった。また、接続部材長のばらつきによる特性のばらつきが生じやすいという問題もあった。さらに、接続部材として用いられるボンディングワイヤなどは径が細く、断線してしまうこともあり、装置の信頼性の低下につながっていた。

よって本発明は、非可逆回路素子を実装基板に実装してなる高周波装置であって、装置の低背化が可能であり、且つ実装基板上の伝送線路と非可逆回路素子の入出力線路との接続部分でのインピーダンス不整合、特性ばらつき、断線が生じない高周波装置を提供することを目的としている。

上記問題点を解決するために本発明の高周波装置は、少なくとも一部が磁性体からなる素子基板と、該素子基板の一方の主面に形成された共振パターンと、該共振パターンから放射状に形成された入出力線路と、磁石とを備える非可逆回路素子を、実装基板に実装してなる高周波装置であって、前記実装基板上には伝送線路が形成されており、前記実装基板の前記伝送線路が形成されている面と前記素子基板の前記入出力線路が形成されている面とが対向し、前記伝送線路と前記入出力線路とが重ね合わされていることを特徴とする。

これによって、実装基板上の伝送線路と非可逆回路素子の入出力線路とは、ボンディングワイヤや金属リボンなどの接続部材を介することなく直接的に接続されるので、接続部材長のばらつきに起因する特性ばらつきや、接続部材の断線などが生じることはなく、信頼性の高い高周波装置を得ることができる。

また、本発明の高周波装置は、前記実装基板には孔が設けられていて、前記非可逆回路素子の磁石が前記孔に挿入されていることを特徴とする。

磁石は素子基板の上方から磁性体に直流磁界を印加しているため、素子基板の表面（入出力線路が形成されている面）を実装基板の表面（導載線路が形成されている面）に対向させる本願発明の構成では、磁石が素子基板から下方（実装基板に対向する方向）に突出することになる。そのため、実装基板に孔を設けて、孔に磁石を挿入するように実装することによって、装置の低背化を実現できる。なお、実装基板に設ける孔は、実装基板の裏面にまで貫通している貫通孔であっても、裏面にまで貫通していない凹部であってもよい。

さらに本発明の前記非可逆回路素子は、前記磁石によって発生する直流磁界を遮蔽するヨークを備えていることを特徴とする。

これによって、比較的小さな磁石で所望の磁界強度を達成できるようになり、用いる磁石を小さくできるので非可逆回路素子の小型化、低背化を実現できる。また、外部からの磁界侵入を抑制できるので、非可逆回路素子内の磁気回路が外部磁界からの影響を受けにくくなり、特性が安定する。特に本発明の場合、磁石が実装基板の孔に挿入されているために、実装基板の裏面に接地電極があると非可逆回路素子の磁気回路が実装基板の接地電極の影響を受けることがあるので、これを抑制するためにヨークを設けることが好ましい。

さらにまた、本発明の高周波装置は、前記伝送線路と前記入出力線路とは、実効誘電率におけるλｇ／４の長さにわたって重ね合わされていることを特徴とする。

これにより、伝送線路と入出力線路との接合部分にインピーダンスの不連続部分が存在しなくなり、挿入損失を低減することができる。

また、本発明の高周波装置は、前記入出力線路と前記伝送線路とがともにコプレーナ線路であることを特徴とする。

コプレーナ線路は、線路導体と接地電極とが同一の面に形成されているので、素子基板の表面と実装基板の表面とを対向させて実装することによって、線路導体同士と接地電極同士とをともに接続することができる。

また本発明の無線装置は、上記の高周波装置を備えてなることを特徴とする。これによって、低背且つ信頼性の高い無線装置を構成することができる。

以上のように本発明によれば、素子基板のおもて面と実装基板のおもて面を対向させ、入出力線路接続部と伝送線路接続部を重ね合わせて接続することにより、入出力線路と伝送線路とがボンディングワイヤ等の部材を介することなく直接的に接続されるので、接続部分での断線が発生する虞がなく、接続が安定化する。

また、入出力線路接続部と伝送線路接続部とをλｇ／４にわたって重ね合わせることによって、接続部分でのインピーダンス不整合がなく、挿入損失を低減させることができる。

さらに、入出力線路と伝送線路をコプレーナ線路とすれば、線路導体と接地導体とを共に素子基板と実装基板の接触部分で導通させることができるので、接地導体同士を接続するための構成を別途設ける必要がない。

以下において本発明に係る高周波装置の第１の実施例について説明する。図１は本発明の高周波装置に実装される非可逆回路素子の一例を示す図である。図１（ａ）にはこの非可逆回路素子１０の素子基板１１を示し、図１（ｂ）には非可逆回路素子１０全体の斜視図を示す。

素子基板１１は磁性体からなり、略円形の共振パターン１２から放射状に３本の入出力線路１３ａ，１３ｂ，１３ｃが延びている。本実施の形態では入出力線路１３ａ，１３ｂ，１３ｃはコプレーナ線路である。入出力線路１３ａ，１３ｂの端部には、線路幅が狭くされた入出力線路接続部１４ａ，１４ｂが設けられている。入出力線路接続部はすべての入出力線路の端部に設けられていてもよく、あるいは、入出力線路のうちの１つの端部にのみ設けられていてもよい。

また、素子基板１１のおもて面には接地導体１５が形成されている。なお、本明細書においては入出力線路が形成されている面を素子基板１１のおもて面とみなす。

素子基板１１は、必ずしも全体が磁性体である必要はなく、共振パターン１２に対応する部分のみが磁性体からなる構造であってもよい。

素子基板１１には、それぞれ磁性体からなる上ヨーク１６ａと下ヨーク１６ｂが取りつけられている。下ヨーク１６ｂは素子基板１１の裏面の全面に設けられているが、裏面の一部に設けられていてもよい。あるいは下ヨーク１６ｂを設けず、上ヨーク１６ａのみを有する構成としてもよい。上ヨーク１６ａは一面開口の箱状であり、素子基板１１と上ヨーク１６ａとによって囲まれる空間には図示していないが直流磁界を印加するための磁石１７（図３を参照）が備えられている。入出力線路接続部１４ａ，１４ｂは上ヨーク１６ａの開口部１８から突出している。上ヨーク１６ａと下ヨーク１６ｂとが、磁石１７によって発生した直流磁界を遮蔽しているため、比較的小さな磁石で所望の直流磁界を得ることができる。また、上ヨーク１６ａと下ヨーク１６ｂとによって、外部からの磁界が共振空間に侵入することを防止できるので、外部環境によって非可逆回路素子１０の動作が妨げられる虞が少ない。

なお本実施例では磁石１７は上ヨーク１６ａに取りつけられていて、素子基板１１のおもて面からは一定の間隔を隔てて固定されているが、素子基板１１のおもて面に磁石１７を直接載置するようにしてもよい。また、磁石１７を素子基板１１の裏面側に配置したり、おもて面側と裏面側の両方に配置してもよい。

入出力線路１３ｃと接地導体１５との間には終端抵抗１９が接続されており、この非可逆回路素子１０はアイソレータとして機能する。すなわち、直流磁界が共振パターン１２の上方から下方に向けて印加されている場合、入出力線路１３ａに入射した高周波信号は入出力線路１３ｃに現れて終端抵抗１９によって無反射終端される。また入出力線路１３ｂに入射した信号は入出力線路１３ａに現れる。よって、入出力線路１３ａから入射した信号は非可逆回路素子１０から出力されず、入出力線路１３ｂから入射した信号は入出力線路１３ａに出力されるアイソレータとして機能している。なお、入出力線路１３ｃに終端抵抗１９を接続せずにこの非可逆回路素子１０をサーキュレータとして用いてもよいことは言うまでもない。

図２（ａ）は本発明の高周波装置に係る実装基板を示す。実装基板２１は例えばアルミナなどの誘電体材料で形成されており、おもて面に伝送線路２３ａ，２３ｂが形成されている。本実施の形態では伝送線路２３ａはコプレーナ線路である。また、実装基板２１のおもて面には接地導体２５が形成されている。

実装基板２１の裏面にはベース２２が接合されている。また実装基板２１には貫通孔２６があり、伝送線路２３ａ，２３ｂは貫通孔２６の周縁まで延びている。伝送線路２３ａ，２３ｂの貫通孔２６側の端部は、線路幅が狭められた伝送線路接続部２４ａ，２４ｂとなっている。伝送線路接続部２４ａ，２４ｂは、後述の非可逆回路素子１０実装状態での実効誘電率におけるλｇ／４となっている。

図２（ｂ）は実装基板２１に非可逆回路素子１０を実装してなる高周波装置を示し、図３は図２（ｂ）におけるＡ−Ａ断面を示す図である。素子基板１１のおもて面を下方に向けて、すなわち素子基板１１のおもて面と実装基板２１のおもて面とを対向させて、素子基板１１上の入出力線路接続部１４ａ，１４ｂと、実装基板２１上の伝送線路接続部２４ａ，２４ｂとが重なるように非可逆回路素子１０が実装されている。また、実装基板２１に設けられた貫通孔２６に非可逆回路素子１０の上ヨーク１６ａと磁石１７が挿入された状態となっている。これにより、上ヨーク１６ａ分の高さを貫通孔２６によって逃がすことができるので高周波装置の低背化を実現できる。上ヨーク１６ａの高さが実装基板２１の厚みよりも十分小さい場合には、貫通孔２６の替わりに凹部が設けられていてもよい。なおここでは貫通孔２６は実装基板２１にのみ設けられており、ベース２２には設けられていないが、ベース２２にも貫通孔あるいは凹部を設けてもよい。

前述のように磁石１７は素子基板１１の裏面側に設けてもよいが、高周波装置を低背化する観点からは、本実施例のように磁石１７を素子基板１１のおもて面側に配置することが好ましい。

図４（ａ）は、入出力線路と伝送線路の接続部分の接続状態を模式的に示した図である。また図４（ｂ）は入出力線路と伝送線路の接続部分の断面図である（図４（ａ）のＢ−Ｂ線断面にあたる）。

入出力線路接続部１４ａと伝送線路接続部２４ａの長さはともに、非可逆回路素子１０の実装状態、すなわち実装基板２１と素子基板１１が重なった状態での実効誘電率におけるλｇ／４とされていて、入出力線路接続部１４ａと伝送線路接続部２４ａとが長手方向に平行に重ね合わされ、ハンダや導電性接着剤によって接合される。重ね合わされている部分の線路長がλｇ／４とされていることによって、接続部分でのインピーダンス不整合が発生しないので、挿入損失が低減される。

なお入出力線路接続部１４ａと伝送線路接続部２４ａは、それぞれ入出力線路１３ａと伝送線路２３ａよりも線幅が狭くなっているが、これは実装状態において入出力線路接続部１４ａと伝送線路接続部２４ａは素子基板１１と実装基板２１に挟まれた状態となって、入出力線路１３ａや伝送線路２３ａよりも実効誘電率が高くなるためである。

本実施例では入出力線路１３ａと伝送線路２３ａはともにコプレーナ線路であるため、コプレーナ線路は線路導体と接地電極がともに基板のおもて面に形成されるから、素子基板１１のおもて面と実装基板２１のおもて面が対向するように実装することによって、線路導体と接地電極とをともに直接に接続することができ、簡単な構成で線路間の接続を行うことができる。

（変形例）以下において、本発明の様々な変形例について説明する。なお、以下の変形例の説明においては、実施例１と共通する部分には同一の符号を付しているので、適宜説明を省略している。

図５は本発明の第１の変形例の線路間接続構造を模式的に示す図である。非可逆回路素子１０の素子基板１１に形成された入出力線路１３ａはコプレーナ線路であり、実装基板に形成された伝送線路２３ａはマイクロストリップ線路である。

入出力線路接続部１４ａと伝送線路接続部２４ａとは線路長が実効誘電率におけるλｇ／４であって、長手方向に平行になるように重ね合わされてハンダや導電性接着剤などによって接合される。

マイクロストリップ線路では接地導体が基板の裏面に形成されるので、実施例１のように単に実装基板２１と素子基板１１のおもて面を対向させて実装したのみでは接地導体同士の電気的接続ができない。よって、接地電極同士を電気的に接続するための何らかの構造を設ける必要がある。ここでは、実装基板２１のおもて面に、スルーホール３１によって実装基板２１裏面の接地電極と接続されている導体ランド３２を形成し、導体ランド３２と素子基板１１おもて面の接地電極１５とをハンダや導電性接着剤で接合することによって、素子基板１１の接地電極１５と実装基板２１の接地電極とを電気的に接続する。

接地電極同士を接続する構造はこれに限られるものではなく、例えば図示しないが高周波装置を覆う導電性のカバーを設け、導電性のカバーに実装基板２１の接地電極と素子基板１１の接地電極１５とをそれぞれ導通させることによって、カバーを介して接地電極同士を電気的に接続する方法であってもよい。

なお、図５では入出力線路１３ａがコプレーナ線路で伝送線路２３ａがマイクロストリップ線路であるが、これとは逆に入出力線路１３ａがマイクロストリップ線路であって伝送線路２３ａがコプレーナ線路である場合にも、図５と同様の方法で接続することができる。

図６は本発明の第２の変形例の線路間接続構造を模式的に示す図である。入出力線路１３ａと伝送線路２３ａはともにマイクロストリップ線路である。入出力線路１３ａと伝送線路２３ａの端部にはそれぞれ長さがλｇ／４である入出力線路接続部１４ａと伝送線路接続部２４ａが設けられており、長手方向に平行に重ね合わされて接続される。

また、素子基板１１と実装基板２１のおもて面には、スルーホール３１によって裏面の接地導体と接続されている導体ランド３２が設けられており、導体ランド３２同士をハンダや導電性接着剤で接合することによって、素子基板１１の接地電極と実装基板２１の接地電極とが電気的に接続される。

図７は本発明の第３の変形例の線路間接続構造を模式的に示す図である。入出力線路３３と伝送線路３６はともにスロット線路である。入出力線路３３と伝送線路３６の端部にはそれぞれ長さがλｇ／４である入出力線路接続部３４と伝送線路接続部３７が設けられており、長手方向に平行に重ね合わされて接続される。素子基板１１上の電極３５と実装基板２１上の電極３８とは、ハンダや導電性接着剤などによって接合され、電気的に接続されている。

図８は本発明の第４の変形例の線路間接続構造を模式的に示す図である。入出力線路１３ａはマイクロストリップ線路であり、伝送線路３６はスロット線路である。入出力線路１３ａの端部には長さλｇ／４にわたって線路幅が狭くされた入出力線路接続部１４ａが設けられている。伝送線路３６の端部からλｇ／４だけ離れた位置には、伝送線路（スロット線路）３６と直交する導体からなる伝送線路接続部３７が設けられている。伝送線路接続部３７の線路長もλｇ／４である。入出力線路接続部１４ａと伝送線路接続部３７とが長手方向に平行になるように重ね合わされ、ハンダや導電性接着剤などで接合される。このとき、入出力線路１３ａと伝送線路３６とは直交する関係となる。また、素子基板１１のおもて面には、裏面の接地電極とスルーホール３１によって接続されている導体ランド３２が設けられ、導体ランド３２と実装基板２１上の電極３８がハンダや導電性接着剤などによって接続される。

なお、図８では入出力線路１３ａがマイクロストリップ線路で伝送線路３６がスロット線路であるが、これとは逆に入出力線路がスロット線路であって伝送線路がマイクロストリップ線路である場合にも、図７と同様の方法で接続することができる。

図９は本発明の第４の変形例の線路間接続構造を模式的に示す図である。入出力線路１３ａはコプレーナ線路であり、伝送線路３６はスロット線路である。入出力線路１３ａの端部には長さλｇ／４にわたって線路幅が狭くされた入出力線路接続部１４ａが設けられている。伝送線路３６の端部からλｇ／４だけ離れた位置には、伝送線路（スロット線路）３６と直交する導体からなる伝送線路接続部３７が設けられている。伝送線路接続部３７の線路長もλｇ／４である。入出力線路接続部１４ａと伝送線路接続部３７とが長手方向に平行になるように重ね合わされ、ハンダや導電性接着剤などで接合される。このとき、入出力線路１３ａと伝送線路３６は直交する関係となる。また、素子基板１１おもて面の接地導体１５は実装基板２１上の電極３８と接続されている。

なお、図９では入出力線路１３ａがコプレーナ線路で伝送線路３６がスロット線路であるが、これとは逆に入出力線路がスロット線路であって伝送線路がコプレーナ線路である場合にも、図９と同様の方法で接続することができる。

本発明に係る高周波装置に実装される非可逆回路素子を示す斜視図である。 本発明に係る高周波装置の実装基板と、実装基板に非可逆回路素子を実装した状態を示す斜視図である。 本発明に係る高周波装置を示す断面図である。 本発明に係る高周波装置の、入出力線路と伝送線路の線路間接続部分を模式的に示す図である。 本発明の第１の変形例に係る高周波装置の、入出力線路と伝送線路の線路間接続部分を模式的に示す図である。 本発明の第２の変形例に係る高周波装置の、入出力線路と伝送線路の線路間接続部分を模式的に示す図である。 本発明の第３の変形例に係る高周波装置の、入出力線路と伝送線路の線路間接続部分を模式的に示す図である。 本発明の第４の変形例に係る高周波装置の、入出力線路と伝送線路の線路間接続部分を模式的に示す図である。 本発明の第５の変形例に係る高周波装置の、入出力線路と伝送線路の線路間接続部分を模式的に示す図である。

符号の説明

１０ 非可逆回路素子
１１ 素子基板
１２ 共振パターン
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ 入出力線路
１４ａ，１４ｂ 入出力線路接続部
１５ 接地導体
１６ａ 上ヨーク
１６ｂ 下ヨーク
１７ 磁石
１８ 開口部
１９ 終端抵抗
２１ 実装基板
２２ ベース
２３ａ，２３ｂ 伝送線路（線路導体）
２４ａ，２４ｂ 伝送線路接続部
２５ 接地導体
２６ 貫通孔
３１ スルーホール
３２ 導体ランド
３３ 入出力線路（スロット線路）
３４ 入出力線路接続部
３５，３８ 電極
３６ 伝送線路（スロット線路）
３７ 伝送線路接続部

Claims (6)

1. 少なくとも一部が磁性体からなる素子基板と、該素子基板の一方の主面に形成された共振パターンと、該共振パターンから放射状に形成された入出力線路と、磁石とを備える非可逆回路素子を、実装基板に実装してなる高周波装置であって、
   前記実装基板上には伝送線路が形成されており、前記実装基板の前記伝送線路が形成されている面と前記素子基板の前記入出力線路が形成されている面とが対向し、前記伝送線路と前記入出力線路とが重ね合わされていることを特徴とする高周波装置。
2. 前記実装基板には孔が設けられていて、前記非可逆回路素子の磁石が前記孔に挿入されていることを特徴とする、請求項１に記載の高周波装置。
3. 前記非可逆回路素子は、前記磁石によって発生する直流磁界を遮蔽するヨークを備えていることを特徴とする、請求項１あるいは２に記載の高周波装置。
4. 前記伝送線路と前記入出力線路とは、実効誘電率におけるλｇ／４の長さにわたって重ね合わされていることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれかに記載の高周波装置。
5. 前記入出力線路と前記伝送線路とがともにコプレーナ線路であることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれかに記載の高周波装置。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の高周波装置を備えてなることを特徴とする無線装置。

Images