JP2005102024A - 高周波回路 - Google Patents

Abstract

【課題】 高周波回路の小型化を図る方法として、多層回路基板上に高周波回路素子を搭載したり、多層回路基板内にマイクロストリップ線路の長手方向を多層回路基板の厚さ方向にしてマイクロストリップ型フィルタを埋め込み形成したりする技術が開発されている。しかし、基板の焼成後や、樹脂基板の成型後にマイクロストリップ線路が多層基板の面方向に歪み、所望のフィルタ特性が得られないという問題があった。
【解決手段】 上記課題を解決するために、多層回路基板の多層面を利用して多層回路基板内に立体的な平行平板導波管線路や平行平板導波管型フィルタを形成する。また、多層回路基板の表面に実装された高周波回路素子と平行平板導波管線路や平行平板導波管型フィルタとの間は、棒状導体で囲まれた導波路で結合する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、マイクロ波やミリ波などの高周波帯域の信号伝搬や信号処理に用いられる高周波回路に関するものである。

近年のマイクロ波やミリ波などの高周波帯域を使用する送受信機の普及に伴い、高周波回路の高性能化を図りながら小型化を目指す方向が顕著になってきた。従来の高周波回路では、ミキサやフィルタなどの高周波回路素子を回路基板上に搭載したり、回路基板にマイクロストリップ線路などの導体パターンでフィルタなどの高周波回路素子を構成したりして、これらの高周波回路素子をマイクロストリップ線路などの導体パターンで電気的に接続していた。

しかし、このように高周波回路素子を回路基板上に実装し、これらを電気的に接続しただけでは、高周波回路の小型化に限界があった。また、回路基板上に形成したマイクロストリップ線路は開放型のため、周囲の高周波回路素子との接続により、電気的干渉が生じるなどの問題があった。

高周波回路の小型化を図る方法として、多層回路基板上に高周波回路素子を搭載するだけではなく、多層回路基板の内部にマイクロストリップ線路の長手方向を多層回路基板の厚さ方向にしてマイクロストリップ型フィルタを埋め込み形成する技術も開発されている（例えば、特許文献１参照。）。

しかし、特許文献１に記載されている方法では、多層回路基板の複数の層にまたがるようにマイクロストリップ線路を形成しているので、多層回路基板であるＬＴＣＣ（Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｆｉｒｅｄ Ｃｅｒａｍｉｃｓ）基板の焼成後や、樹脂基板の成型後にマイクロストリップ線路が多層基板の面方向に歪み、所望のフィルタ特性が得られないという問題があった。また、マイクロストリップ線路は開放型のため、多層回路基板上の高周波回路素子との電気的干渉が避けられない。

一方、閉鎖型のフィルタとして直方体の誘電体を導体膜で覆った導波管型フィルタの開発が進んでいる（例えば、特許文献２参照。）。このようなフィルタは閉鎖型のため、高密度実装しても電気的な干渉が少なく、高周波回路として所望の特性を実現することが容易になる。

しかし、このような導波管型フィルタは導波管内を誘電体で充填した構造となっており、個別部品として製造した後に多層回路基板上に実装したり、多層回路基板に孔を穿って接続したりする方法では、高周波回路の小型化には限界があった。
特開平１０−１９０３０７号公報 特開２００２−１３５００３号公報

マイクロストリップ線路のように、平面型の導波路を多層回路基板の内部に形成することはできても、導波管線路のように立体的な導波路を形成することが困難であった。そこで、発明者らは、多層回路基板の複数の面を利用して多層回路基板の内部に立体的な平行平板導波管線路を形成すること、さらには、平行平板導波管型フィルタを形成することを試みた。

一方、平行平板導波管線路や平行平板導波管型フィルタを多層基板内に形成すると、アンテナ素子を含め、多層回路基板の表面に実装された高周波回路素子と平行平板導波管線路や平行平板導波管型フィルタを接続する方法も課題となる。また、アンテナ素子を導波する電磁波から空中波への変換、又は空中波からアンテナ素子を導波する電磁波への変換の向上も課題となる。

本願第一発明は、多層回路基板と、導波方向が該多層回路基板の面と同じ方向で、該多層回路基板の内部に埋め込み形成された平行平板導波管線路と、該多層回路基板の表面に実装され、接続線路を介して該平行平板導波管線路と接続される高周波回路素子と、を備える高周波回路である。

本願第二発明は、多層回路基板と、導波方向が該多層回路基板の面と同じ方向で、該多層回路基板の内部に埋め込み形成された平行平板導波管型フィルタと、該多層回路基板の表面に実装され、接続線路を介して該平行平板導波管型フィルタと接続される高周波回路素子と、を備える高周波回路である。

本願第一発明には、前記平行平板導波管線路が、前記多層回路基板の内部の異なる面に対向して設けられた２つの導体パターンを導体により接続した導波管からなることも含まれる。

本願第二発明には、前記平行平板導波管型フィルタが、前記多層回路基板の内部の異なる面に対向して設けられた２つの導体パターンを導体により接続した少なくとも１つ以上の平行平板導波管型共振器を含み、該平行平板導波管型共振器が結合窓を介して電磁結合されることも含まれる。

本願第一発明及び第二発明には、前記接続線路が、前記多層回路基板を構成する誘電体が棒状導体で囲まれた導波路であることも含まれる。該接続線路のＴＭモードと前記平行平板導波管線路又は前記平行平板導波管型フィルタのＴＥモードとが互いにモード変換される例である。

本願第一発明及び第二発明には、前記接続線路が、中心に配置された中心導体と該中心導体の周囲の前記多層回路基板を構成する誘電体とが棒状導体で囲まれた導波路であることも含まれる。該接続線路のＴＥＭモードと前記平行平板導波管線路又は前記平行平板導波管型フィルタのＴＥモードとが互いにモード変換される例である。

本願第一発明及び第二発明には、前記多層回路基板の表面に配置された高周波回路素子の少なくとも１は前記多層回路基板の表面に設けられたアンテナ素子であることも含まれる。

本願第一発明及び第二発明には、前記多層回路基板のうち少なくとも前記アンテナ素子の設けられた層は、前記多層回路基板の他の層よりも誘電率の低い低誘電率樹脂材料で構成されていることも含まれる。

本願第一発明及び第二発明には、前記低誘電率樹脂材料が熱可塑性樹脂であることも含まれる。

本願第一発明及び第二発明には、前記低誘電率樹脂材料が熱硬化性樹脂であることも含まれる。

本願第一発明及び第二発明には、前記熱可塑性樹脂の材料がグラフト重合樹脂であることも含まれる。

なお、これらは可能な限り、組み合わせることができる。

本発明によれば、高周波回路の小型、高密度実装が可能になる。また、高周波回路の製造工程を簡易にすることができる。

以下、添付図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は、本願発明である高周波回路の構成を説明する図であって、高周波回路を鳥瞰する透視図である。図１において、１１−１、１１−２は多層回路基板を構成する層と層との間の面、１１−３は多層回路基板の表面、１２は高周波回路素子、１３は高周波回路素子の１であるアンテナ素子、１４は平行平板導波管線路、１５は接続線路としての導波路である。

多層回路基板は誘電体からなる複数の層から構成されている。多層回路基板の誘電体材料としては、ＬＴＣＣ（Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｆｉｒｅｄ Ｃｅｒａｍｉｃｓ）、ＨＴＣＣ（Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｆｉｒｅｄ Ｃｅｒａｍｉｃｓ）、ＢａＴｉＯ_３、ＳｒＴｉＯ_３、コーディライト、フォルステライト、酸化チタン系セラミックス等のセラミックスや、エポキシ、ポリオレフィン（ＰＯ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリイミド、ポリビニルベンジル、ビスマレイミドトリアジン（ＢＴ）、液晶ポリマー等の樹脂や、セラミックスと樹脂のコンポジット材料などが挙げられる。

多層回路基板の表面１１−３には高周波回路素子１２や、高周波回路素子の１つであるアンテナ素子１３が配置されている。アンテナ素子１３には、マイクロストリップアンテナ、導波管型アレイアンテナ、パッチアンテナ、モノポールアンテナ、ダイポールアンテナや各種の表面実装型アンテナを含む。多層回路基板を構成する層と層との間の面１１−１、１１−２には、２枚の平行な平板電極（第一グランドと第二グランド）が対向して埋め込まれ、導体によって２枚の平行な平板電極同士が接続されて管状の平行平板導波管線路１４が形成されている。なお、図１では、平行平板導波管線路１４の両端部は開放状態になっているが、側面部と同様に、両端部は導体によって接続されていることが望ましい。高周波回路素子１２と平行平板導波管線路１４との間、アンテナ素子１３と平行平板導波管線路１４との間は、導波路１５により接続される。平行平板導波管線路１４又はその一部が平行平板導波管型フィルタ（図示せず）を構成する場合は、高周波回路素子１２と平行平板導波管型フィルタとの間、アンテナ素子１３と平行平板導波管型フィルタ（図示せず）との間も、導波路１５により接続される。

平行平板導波管線路１４の構成を図２に示す。図２は平行平板導波管線路１４を鳥瞰する透視図である。図２において、２１、２２は２枚の平行な平板電極（第一グランドと第二グランド）、２３は導体、２５は電磁波の導波方向を簡略して示す矢印である。平行平板導波管線路１４は多層回路基板の内部の異なる面に導体パターンである２枚の平行な平板電極２１、２２が対向して設けられ、２枚の平行な平板電極２１、２２の両側部は導体２３によって接続されている。導体２３は、内面を金、銀、銅、パラジウム、ニッケル等の金属でメタライズした空洞のスルーホールでもよく、または、金、銀、銅、パラジウム、ニッケル等の金属性の柱でもよい。導体２３の断面形状は、円形に限らず、多角形、楕円等の他の形状でもよい。２枚の平行な平板電極２１、２２は導体２３で電気的に接続される。

２枚の平行な平板電極２１、２２の間の空間は誘電体である多層回路基板の材料で充填されている。導体２３の導波方向に対する間隔は実効波長の４分の１以下とすることが望ましい。実効波長とは、電磁波が導波する媒体内での波長をいう。平行平板導波管線路１４の導波部分である平行平板電極２１、２２の間の空間は多層回路基板の材料で充填されているため、実効波長は多層回路基板の材料の誘電率によって決定される。導波媒体の材料の誘電率が高いほど平行平板導波管線路を小型にすることができる。例えば、誘電率が７．３の誘電体材料を使用して周波数２４ＧＨｚの電磁波を導波させるには、導波方向に対して垂直な断面の形状として平板電極の幅が５ｍｍ、平板電極の間隔が０．４５ｍｍの平行平板導波管線路とすることができる。

平行平板導波管線路１４の電磁界分布を図３（１）、図３（２）に示す。図３（１）は平行平板導波管線路の平行な平板電極２１に垂直な方向から見た磁界分布であり、図３（２）は平行平板導波管線路の平行な平板電極２１に水平な方向から見た電界分布である。平行平板導波管線路の位置関係は図３（１）と図３（２）とで対応している。図３（１）、図３（２）において、２１、２２は２枚の平行な平板電極（第一グランドと第二グランド）、２３は導体、２５は電磁波の導波方向を簡略して示す矢印である。図３（１）、図３（２）から分かるように、電磁波の導波方向２５に垂直な方向にのみ電界成分が存在し、電磁波の導波方向２５には電界成分がないため、ＴＥモードで導波する。

高周波回路がこのように形成されているので、多層回路基板上の複数の高周波回路素子を立体的に接続することができ、高周波回路の小型、高密度実装が可能となる。また、平行平板導波管線路は閉鎖型のため、他の高周波回路素子からの電磁的影響を受け難く、他の高周波回路素子への電磁的影響も少ない。例えば、送信回路のアンテナからの電磁的影響や受信回路のフロントエンドへの電磁的影響を軽減することができる。また、平行平板導波管線路同士を隣接させても、その特性への影響は少ない。従って、高周波回路の小型、高密度実装を一層容易にする。

さらに、平行平板導波管線路を埋め込んだ多層回路基板を焼成したり、成形したりすると、多層回路基板の面方向に焼成収縮や成形収縮が発生する。しかし、２枚の平行な平板電極同士は多層回路基板の面方向に形成されているため、多層回路基板の面方向に焼成収縮や成形収縮があってもその特性に影響は少ない。また、２枚の平行な平板電極同士を接続する導体は２枚の平行な平板電極同士を電気的に接続できればよく、収縮によって導体の形状に多少の歪みが生じても、また多層回路基板の面方向で収縮があってもその特性に影響は少ない。

平行平板導波管線路を平行平板導波管型フィルタとすることもできる。図４は平行平板導波管線路を平行平板導波管型フィルタとした構成を示す図であって、平行平板導波管型フィルタの平板電極２１に垂直な方向から見た図である。１９は平行平板導波管型フィルタ、２１は平板電極（第一グランド）、２３は導体、２４は結合窓２６ｃ、２６ｄ、２６ｅを形成するための導体、２５は電磁波の導波方向を簡略して示す矢印、２６ａ、２６ｂは平行平板導波管型共振器、２６ｃ、２６ｄ、２６ｅは平行平板導波管型共振器２６ａ、２６ｂ同士又は平行平板導波管型共振器２６ａ、２６ｂと平行平板導波管線路部２６ｆ、２６ｇとを電磁結合する結合窓、２８は導体２４の間隔、即ち結合窓２６ｃ、２６ｄ、２６ｅの窓の幅、２９は電磁波の導波方向２５に対する導体２４の間隔、即ち平行平板導波管型共振器２６ａ、２６ｂの長さである。

図４に示す平行平板導波管型フィルタは、多層回路基板の内部の異なる面に対向して設けられた２つの導体パターンを導体により接続した平行平板導波管型共振器２６ａ、２６ｂであって、結合窓２６ｄを介して当該２つの平行平板導波管型共振器２６ａ、２６ｂを電磁結合した多段共振器を含んでおり、この多段共振器の部分で帯域通過フィルタ機能を実現している。なお、共振器は１段であってもよい。

平行平板導波管型フィルタ１９は多層回路基板の内部の異なる面に導体パターンである２枚の平行な平板電極２１、２２（平板電極２２は図示せず）が対向して設けられ、２枚の平行な平板電極２１、２２は導体２３及び導体２４によって接続され、平行平板導波管型共振器２６ａ、２６ｂ及び平行平板導波管線路部２６ｆ、２６ｇが形成されている。図４では、２枚の平行な平板電極のうち、１枚の平板電極２１のみが図示されている。２枚の平行な平板電極２１、２２の間の空間は誘電体である多層回路基板の材料で充填されている。導体２４は、導体２３と同様に内面を金、銀、銅、パラジウム、ニッケル等の金属でメタライズした空洞のスルーホールでもよく、または、金、銀、銅、パラジウム、ニッケル等の金属性の柱でもよい。導体２４の断面形状は、導体２３と同様に円形に限らず、多角形、楕円等の他の形状でもよい。２枚の平行な平板電極２１、２２は導体２３、導体２４で電気的に接続される。

電磁波の導波方向２５に対する導体２４の間隔２９は、導波する電磁波の中心波長の実効波長の約２分の１に設定される。電磁波の実効波長の２分の１に設定することにより、実効波長の２分の１に相当する周波数で共振する共振器を構成する。共振器のＱは、平板電極２１の面であって電磁波の導波方向２５と垂直な方向に対する導体２４の間隔２８や平板電極２１と平板電極２２との間隔で調整することができる。

上記実施の形態では平行平板導波管型フィルタとして帯域通過フィルタの場合について説明したが、本願発明の高周波回路に適用する平行平板導波管型フィルタは、高域通過フィルタ、帯域阻止フィルタ、超広帯域通過フィルタであってもよい。

次に、このような高周波回路の作製方法を説明する。図５（１）から図５（５）までは高周波回路の製造工程を説明する図である。図５（１）から図５（５）において、１２は高周波回路素子、１３は高周波回路素子の１であるアンテナ素子、２１、２２は２枚の平行な平板電極（第一グランドと第二グランド）、２３は導体、２７は棒状導体、３１、３２、３３は多層回路基板の層である。

多層回路基板の層３１の上面に平行平板導波管線路の平板電極２２となる導波パターンを形成する（図５（１））。平板電極２２は金、銀、銅、パラジウム、ニッケル等の金属をメッキ、印刷、スパッタ及びその後のエッチング等の手法で形成することができる。次に、多層回路基板の層３２を積層し、その上面に平行平板導波管線路の平板電極２１となる導体パターンを形成する（図５（２））。平板電極２１も金、銀、銅、パラジウム、ニッケル等の金属をメッキ、印刷、スパッタ及びその後のエッチング等の手法で形成することができる。平板電極２１と平板電極２２とを接続するスルーホールを貫通させ、スルーホールの内面を金、銀、銅、パラジウム、ニッケル等の金属でメタライズして導体２３とする（図５（３））。スルーホールの内面は、空洞にしてもよいし、金、銀、銅、パラジウム、ニッケル等の金属を充填してもよい。さらに、多層回路基板の層３３を積層し、表面から平板電極２１まで届くスルーホールを貫通させ、スルーホールの内面を金、銀、銅、パラジウム、ニッケル等の金属等でメタライズして棒状導体２７とする（図５（４））。スルーホールの内面は、空洞にしてもよいし、金、銀、銅、パラジウム、ニッケル等の金属を充填してもよい。

次に、多層回路基板を焼成または成形する。多層回路基板の材料がセラミックスであれば焼成し、樹脂であれば成形することになる。焼成または成形の段階で、多層回路基板は面方向に焼成収縮又は成型収縮が発生するが、面方向に収縮して寸法誤差が生じても平行平板導波管線路の特性に大きな変化はない。即ち、導体２３の間隔は、概略実効波長の４分の１以下であればよく、また、導体２３の形状も平板電極２１と平板電極２２を電気的に接続できていればよいため、焼成または成形によって平行平板導波管線路の特性が設計値から大きく狂うことがない。焼成または成形した多層回路基板に高周波回路素子１２を搭載したり、アンテナ素子１３の導体パターンを形成したりして高周波回路を完成させる（図５（５））。多層回路基板に平行平板導波管線路のみならず、平行平板導波管型フィルタを形成する場合であっても同様である。図５（１）から図５（５）では、多層回路基板の層数を３層としているが、本願発明の高周波回路に適用する多層回路基板の層数は３層に限定されるものではない。

多層回路基板上に搭載した高周波回路素子と多層回路基板の内部の導波路との接続方法を図６、図７、図８、図９に示す。図６、図７、図８、図９は高周波回路素子と多層回路基板の内部の導波路を鳥瞰する透視図である。図６、図７、図８、図９において、１２は高周波回路素子、１５は接続線路としての導波路、１６は中心導体、３５はランド、３５ａは信号線路、３６はグランド、３６ａは第二のグランド、３６ｂは結合窓、３７はランドである。導波路１５はグランド３６と接続されている。

接続線路を介して高周波回路素子と平行平板導波管線路や平行平板導波管型フィルタとを接続することもできる。接続線路は、多層回路基板を構成する誘電体が複数の棒状導体で囲まれた導波路である。図６に示すように、高周波回路素子１２と平行平板導波管線路１４との間、アンテナ素子１３と平行平板導波管線路１４との間は、導波路１５によって接続することができる。導波路１５を構成する棒状導体２７は、内面を金、銀、銅、パラジウム、ニッケル等の金属でメタライズした空洞のスルーホールでもよく、または、金、銀、銅、パラジウム、ニッケル等の金属性の柱でもよい。金属性の柱は、スルーホールの内部を金、銀、銅、パラジウム、ニッケル等の金属で充填したものでもよい。棒状導体２７の断面形状は、円形に限らず、多角形、楕円等の他の形状でもよい。

図６において、高周波回路素子１２からの電磁波は、高周波回路素子１２を搭載しているランド３５から延長された信号線路３５ａと両側にあるグランド３６又は棒状導体２７との間で電磁界を形成しながら導波する。つまり、信号線路３５ａとグランド３６又は棒状導体２７とはＴＥＭモードで導波するコプレーナ型の導波路を構成する。一方、棒状導体２７で囲まれた導波路１５では電磁波は複数の棒状導体２７によって囲まれた誘電体内で電磁界を形成しながら導波する。従って、ＴＭモードで導波する導波路である。そのため、信号線路３５ａとグランド３６又は棒状導体２７との間で形成されたＴＥＭモードの電磁波は、第二のグランド３６ａに形成された結合窓３６ｂを介してＴＭモードに変換されて導波路１５を導波することになる。なお、信号線路３５ａのうち、グランド３６に垂直方向に延長された部分は、棒状導体２７と同様にメタライズされたスルーホール等で構成してもよい。

逆に、導波路１５からＴＭモードで導波してきた電磁波は、第二のグランド３６ａに形成された結合窓３６ｂを介してＴＥＭモードに変換されて、信号線路３５ａと棒状導体２７又はグランド３６とで形成するコプレーナ型の導波路を導波して高周波回路素子１２に到達する。

導波路１５は閉鎖型のため、外来雑音の影響を受け難く、かつ、外部へ電磁波が漏出する割合も少なくなる。従って、送信回路のアンテナからの電磁的影響や受信回路のフロンドエンドへの電磁的影響を軽減することができる。

図７に示すように、グランド３６に囲まれたランド３７上に高周波回路素子１２が搭載されている場合は、高周波回路素子１２が直接、導波路１５のＴＭモードを励起することになる。

他の接続線路を介して高周波回路素子１２と平行平板導波管線路や平行平板導波管型フィルタとを接続することもできる。この接続線路は、中心に配置された中心導体と該中心導体の周囲の多層回路基板を構成する誘電体とが棒状導体で囲まれた導波路、即ち、多層回路基板を構成する誘電体が棒状導体で囲まれた導波路の中心に中心導体を配置した導波路である。図８示すように、棒状導体２７で囲まれた導波路の中心に中心導体１６を配置した導波路１５はＴＥＭモードで導波する導波路となる。ランド３５と中心導体１６とは電気的に接続しておく。高周波回路素子１２からの電磁波は、ランド３５とグランド３６で形成するコプレーナ型の導波路をＴＥＭモードで導波し、中心導体１６を有する導波路１５をそのままＴＥＭモードで導波することになる。

逆に、導波路１５からＴＥＭモードで導波してきた電磁波は、そのままランド３５とグランド３６で形成するコプレーナ型の導波路をＴＥＭモードで導波して高周波回路素子１２に到達する。

多層回路基板を構成する誘電体が棒状導体２７で囲まれた導波路１５の中心部に中心導体１６を配置しても、導波路１５は閉鎖型のため、外来雑音の影響を受け難く、かつ、外部へ電磁波が漏出する割合も少なくなる。従って、送信回路のアンテナからの電磁的影響や受信回路のフロントエンドへの電磁的影響を軽減することができる。また、モード変換が不要なため、モード変換に伴う損失やインピーダンスミスマッチを軽減することができる。

図９に示すように、グランド３６に囲まれたランド３７上に高周波回路素子１２が搭載されている場合は、高周波回路素子１２が直接、中心導体１６を有する導波路１５のＴＥＭモードを励起することになる。逆に、中心導体１６を有する導波路１５からＴＥＭモードで導波してきた電磁波は、直接、高周波回路素子１２を駆動することになる。

図６から図９に示すような、高周波回路素子と平行平板導波管線路との間を多層回路基板の内部の導波路で接続すると、高周波回路素子と導波路との間の接続部を設計性良く微細な構造でモード変換したり、導波したりできるため、接続部をハンダ付けや溶接により接続する方法に比較してモードミスマッチやインピーダンスミスマッチを少なくすることができる。

図１０、図１１に多層回路基板の内部に導波路を構成する棒状導体及び中心導体の配置を示す。図１０、図１１は多層回路基板の面に垂直な方向から見た上面図である。図１０、図１１において、１５は接続線路としての導波路、１６は中心導体、２７は棒状導体、３６はグランド、３７はランドである。図１０に示すように、導波路１５を構成する棒状導体２７は方形に配置され、グランド３６と電気的に接続されている。中心導体１６は方形に配置された棒状導体２７の中心にあり、ランド３７と電気的に接続されている。棒状導体２７と中心導体１６との間にＴＥＭモードで導波する電磁界を形成する。棒状導体２７は図１１に示すように、円形に配置されてもよい。図１０、図１１では、導波路１５は中心導体１６を有しているが、中心導体１６がない導波路の場合でも同様に、棒状導体２７の配置は方形でも、円形でもよい。

次に、多層回路基板の内部の導波路と平行平板導波管線路との接続方法を図１２で説明する。図１２は、多層回路基板の内部の導波路と平行平板導波管線路との接続部を鳥瞰する透視図である。図１２において、１４は平行平板導波管線路、１５は接続線路としての導波路、１７は結合窓、２１、２２は２枚の平行な平板電極（第一グランドと第二グランド）、２３は導体、２７は棒状導体である。

棒状導体２７で囲まれた導波路１５に中心導体がない場合、ＴＭモードで導波してきた電磁波は、結合窓１７から平行平板導波管線路１４に結合して、平行平板導波管線路１４を導波するＴＥモードにモード変換される。棒状導体２７で囲まれた導波路に中心導体が配置されている場合は、ＴＥＭモードで導波してきた電磁波は、結合窓１７から平行平板導波管線路１４に結合して、平行平板導波管線路１４を導波するＴＥモードにモード変換される。平行平板導波管線路１４を導波してきた電磁波が導波路１５に結合する場合は、逆のモード変換が行われる。

多層回路基板の内部の導波路から平行平板導波管線路へのモード結合方法を図１３、図１４、図１５で説明する。図１３、図１４、図１５は多層回路基板の内部の導波路から平行平板導波管線路への接続部分の断面図である。図１３、図１４、図１５において、１４は平行平板導波管線路、１５は接続線路としての導波路、１６は中心導体、１７は結合窓、１８は放射板、２１、２２は２枚の平行な平板電極（第一グランドと第二グランド）、２３は導体、２７は棒状導体である。

図１３において、棒状導体２７で囲まれた導波路１５を導波してきたＴＭモードの電磁波は結合窓１７で平行平板導波管線路１４に結合し、ＴＥモードにモード変換されて、平行平板導波管線路１４を導波する。平行平板導波管線路１４又はその一部に平行平板導波管型フィルタが形成されていても同様である。

図１４において、棒状導体２７で囲まれた導波路１５が中心導体１６を有する場合も同様である。ここで、図１５に示すように、中心導体１６の先端に放射板１８が配置されていると、放射板１８から平板電極２１、２２への電界分布が生じ、モード変換が効率的に行われることになる。

図１２から図１５に示すような、高周波回路素子と平行平板導波管線路や平行平板導波管型フィルタとの間を多層回路基板の内部の接続線路で接続すると、導波路と平行平板導波管線路や平行平板導波管型フィルタとの間の接続部を設計性良く微細な構造でモード変換できるため、接続部をハンダ付けや溶接により接続する方法に比較してモードミスマッチやインピーダンスミスマッチを少なくすることができる。

多層回路基板上にアンテナ素子を設けた高周波回路の例を図１６に示す。図１６は高周波回路素子と多層回路基板の内部の導波路の断面図である。図１６において、１２は高周波回路素子、１３は高周波回路素子の１であるアンテナ素子、２１、２２は２枚の平行な平板電極（第一グランドと第二グランド）、２３は導体、２７は棒状導体、３０は棒状導体、３１、３２、３４は多層回路基板の層である。アンテナ素子１３は多層回路基板の高周波回路素子１２とは反対の面に実装されている。平板電極２１、２２及び導体２３で形成される平行平板導波管線路と高周波回路素子１２とは棒状導体２７で結合され、平板電極２１、２２及び導体２３で形成される平行平板導波管線路とアンテナ素子１３とは棒状導体３０で結合されている。

アンテナ素子１３の設けられた多層回路基板の層３４を多層回路基板の他の層よりも誘電率の低い低誘電率樹脂材料で構成する。アンテナ素子１３の設けられた多層回路基板の層３４の誘電率は出来る限り空気に近いことが望ましい。平行平板導波管線路や平行平板導波管型フィルタの設けられた多層基板の層の誘電率は大きい方が、平行平板導波管線路や平行平板導波管型フィルタを小型化できる。しかし、アンテナ素子１３の設けられた多層回路基板の層３４は多層回路基板の他の層よりも誘電率の低い方が、つまり、多層回路基板の層３４の誘電率が空気に近い方がアンテナ素子を導波する電磁波から空中波への変換効率、又は空中波からアンテナ素子を導波する電磁波への変換効率は向上する。また、アンテナ素子１３の設けられた多層回路基板の層３４の誘電率が低い方が、例えばパッチアンテナではアンテナ素子や接続ラインを大きくできるため、導体抵抗を小さくすることができ、アンテナの効率を向上させることができる。

例えば、図１６に示す高周波回路において、多層回路基板の層３１、３２をセラミックス材料で構成し、多層回路基板の層３４を樹脂材料で構成すると、多層回路基板の層３４の誘電率を多層回路基板の他の層よりも低くすることができる。なお、図１６では、多層回路基板の層数を３層としているが、本願発明の高周波回路に適用する多層回路基板の層数は３層に限定されるものではない。また、図１６では、多層回路基板の層３４を全面的に多層回路基板の他の層３１、３２よりも誘電率の低い樹脂材料で構成しているが、必ずしも全面的に誘電率の低い樹脂材料で構成する必要はなく、少なくとも、アンテナ素子１３の設けられている部分だけでもよい。

次に、このような高周波回路の作製方法について説明する。図１７（１）から図１７（５）までは高周波回路の製造工程を説明する図である。図１７（１）から図１７（５）において、１２は高周波回路素子、１３は高周波回路素子の１であるアンテナ素子、２１、２２は２枚の平行な平板電極（第一グランドと第二グランド）、２３は導体、２７は棒状導体、３０は棒状導体、３０ａはスルーホール、３１、３２、３４は多層回路基板の層、３４ａは熱可塑性樹脂材料、３９は銅箔である。

多層回路基板の層３１にスルーホールを穿孔し、内面を金、銀、銅、パラジウム、ニッケル等の金属でメタライズして棒状導体２７とする。スルーホールの内面は、空洞にしてもよいし、金、銀、銅、パラジウム、ニッケル等の金属を充填してもよい（図１７（１））。この棒状導体２７は、高周波回路素子１２を接続するためのものである。次に、多層回路基板の層３１の上面に平行平板導波管線路の平板電極２２となる導波パターンを形成する（図１７（１））。平板電極２２は金、銀、銅、パラジウム、ニッケル等の金属をメッキ、印刷、スパッタ及びその後のエッチング等の手法で形成することができる。次に、多層回路基板の層３２を積層し、その上面に平行平板導波管線路の平板電極２１となる導体パターンを形成する（図１７（２））。平板電極２１も金、銀、銅、パラジウム、ニッケル等の金属をメッキ、印刷、スパッタ及びその後のエッチング等の手法で形成することができる。平板電極２１と平板電極２２とを接続するスルーホールを貫通させ、スルーホールの内面を金、銀、銅、パラジウム、ニッケル等の金属でメタライズして導体２３とする（図１７（３））。スルーホールの内面は、空洞にしてもよいし、金、銀、銅、パラジウム、ニッケル等の金属を充填してもよい。次に、多層回路基板を焼成または成形する。多層回路基板の材料がセラミックスであれば焼成し、樹脂であれば成形することになる。

さらに、スルーホール３０ａを穿孔した熱可塑性樹脂材料３４ａを、位置合わせをしながら積層する（図１７（４））。熱可塑性樹脂材料３４ａの表面には銅箔３９が張り合わされており、熱可塑性樹脂材料３４ａを張り合わせる際には、銅箔３９が外面になるように積層する。積層した後に加熱して溶融接着し、多層回路基板の他の層よりも誘電率の低い多層回路基板の層３４とする。スルーホール３０ａの内面は、金、銀、銅、パラジウム、ニッケル等の金属でメタライズして棒状導体３０とする（図１７（５））。スルーホールの内面は、空洞にしてもよいし、金、銀、銅、パラジウム、ニッケル等の金属を充填してもよい。

次に、銅箔３９をパターニングして、多層回路基板にアンテナ素子１３の導体パターンを形成したりして高周波回路を完成させる（図１７（５））。多層回路基板に平行平板導波管線路のみならず、平行平板導波管型フィルタを形成する場合であっても同様である。図１７（１）から図１７（５）では、多層回路基板の層数を３層としているが、本願発明の高周波回路に適用する多層回路基板の層数は３層に限定されるものではない。

このように、アンテナ素子の設けられた層を熱可塑性樹脂材料で構成すると、熱プレスで多層回路基板の層を形成することができるため製造工程が簡単になる。また、複数の層を一度に熱プレスすることもできるため製造工程を短縮することができる。

ここで説明した熱可塑性樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリイミド（ＰＩ）等が適用できる。多層回路基板の他の層をセラミックスで構成したときに、これらの熱可塑性樹脂を利用すると、セラミックスよりも誘電率を低くすることができる。

特に、熱可塑性樹脂材料として、国際出願（国際公開番号ＷＯ９９／５４８８８）に記載の低誘電率グラフト重合樹脂など、種々のグラフト重合樹脂を用いることができる。低誘電率グラフト重合樹脂材料を熱可塑性樹脂材料として利用すると誘導正接が低く、耐熱性に優れ、かつ金属等との接着性に優れるという効果を奏することになる。

このような高周波回路の他の作製方法について説明する。図１８（１）から図１８（５）までは高周波回路の製造工程を説明する図である。図１８（１）から図１８（５）において、１２は高周波回路素子、１３は高周波回路素子の１であるアンテナ素子、２１、２２は２枚の平行な平板電極（第一グランドと第二グランド）、２３は導体、２７は棒状導体、３０は棒状導体、３１、３２、３４は多層回路基板の層、３４ｂは熱硬化性樹脂材料である。

多層回路基板を焼成または成形する工程（図１８（１）から図１８（３））までは図１７（１）から図１７（３）までと同様である。多層回路基板の層３２の上に熱硬化性樹脂材料３４ｂが液状の場合は熱硬化性樹脂材料３４ｂを塗布する（図１８（４））。熱硬化性樹脂材料がフィルム材料の場合は多層回路基板の層３２の上にフィルム材料を貼り付ける（図１８（４））。さらに、熱硬化性樹脂材料を熱硬化させて、多層回路基板の他の層よりも誘電率の低い多層回路基板の層３４とする（図１８（４））。

次に、ドリル又はレーザによってスルーホールを穿孔した後、熱硬化させた熱硬化性樹脂材料の表面を粗化平坦化して多層回路基板の層３４とする。多層回路基板の層３４の穿孔されたスルーホールの内面は、金、銀、銅、パラジウム、ニッケル等の金属でメタライズして棒状導体３０とする（図１８（５））。スルーホールの内面は、空洞にしてもよいし、金、銀、銅、パラジウム、ニッケル等の金属を充填してもよい。

次に、多層回路基板の層３４の表面をパターニングして、多層回路基板にアンテナ素子１３の導体パターンを形成したりして高周波回路を完成させる（図１８（５））。多層回路基板に平行平板導波管線路のみならず、平行平板導波管型フィルタを形成する場合であっても同様である。図１８（１）から図１８（５）では、多層回路基板の層数を３層としているが、本願発明の高周波回路に適用する多層回路基板の層数は３層に限定されるものではない。

このように、アンテナ素子の設けられた層を熱硬化性樹脂材料で構成すると、セラミックスに比較して比較的低温で多層回路基板の層を形成することができるため製造工程が簡単になる。

ここで説明した熱硬化性樹脂としては、熱硬化型のポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）、フェノール、エポキシ（ＥＰ）、ポリウレタン（ＰＵＬ）、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）、ポリフェニレンエーテルオキサイド（ＰＰＯ）等が適用できる。特に、多層回路基板の他の層をセラミックスで構成したときに、これらの熱硬化性樹脂を利用すると、セラミックスよりも誘電率を低くすることができる。

本発明の高周波回路は、マイクロ波やミリ波などの高周波帯域のレーダ用送受信機や通信機用送受信機に適用することができる。

本願発明である高周波回路の構成を説明する図であって、高周波回路を鳥瞰する透視図である。 平行平板導波管線路を鳥瞰する透視図である。 平行平板導波管線路の電磁界分布を説明する図である。 平行平板導波管型フィルタの構成を説明する図であって、平行平板導波管型フィルタの平板電極に垂直な方向から見た図である。 高周波回路の製造工程を説明する図である。 多層回路基板上に搭載した高周波回路素子と多層回路基板の内部の導波路との接続方法を説明する図であって、高周波回路素子と多層回路基板の内部の導波路を鳥瞰する透視図である。 多層回路基板上に搭載した高周波回路素子と多層回路基板の内部の導波路との接続方法を説明する図であって、高周波回路素子と多層回路基板の内部の導波路を鳥瞰する透視図である。 多層回路基板上に搭載した高周波回路素子と多層回路基板の内部の導波路との接続方法を説明する図であって、高周波回路素子と多層回路基板の内部の導波路を鳥瞰する透視図である。 多層回路基板上に搭載した高周波回路素子と多層回路基板の内部の導波路との接続方法を説明する図であって、高周波回路素子と多層回路基板の内部の導波路を鳥瞰する透視図である。 多層回路基板の内部の導波路を形成するスルーホールの配置を示す図であって、多層回路基板の面に垂直な方向から見た上面図である。 多層回路基板の内部の導波路を形成するスルーホールの配置を示す図であって、多層回路基板の面に垂直な方向から見た上面図である。 多層回路基板の内部の導波路と平行平板導波管線路との接続方法を説明する図であって、多層回路基板の内部の導波路と平行平板導波管線路との接続部を鳥瞰する透視図である。 多層回路基板の内部の導波路から平行平板導波管線路へのモード結合方法を説明する図であって、多層回路基板の内部の導波路から平行平板導波管線路への接続部分の断面図である。 多層回路基板の内部の導波路から平行平板導波管線路へのモード結合方法を説明する図であって、多層回路基板の内部の導波路から平行平板導波管線路への接続部分の断面図である。 多層回路基板の内部の導波路から平行平板導波管線路へのモード結合方法を説明する図であって、多層回路基板の内部の導波路から平行平板導波管線路への接続部分の断面図である。 多層回路基板上にアンテナ素子を設けた高周波回路を説明する図であって、高周波回路素子と多層回路基板の内部の導波路の断面図である。 高周波回路の製造工程を説明する図である。 高周波回路の製造工程を説明する図である。

符号の説明

１１−１、１１−２ 多層回路基板を構成する層と層との間の面
１１−３ 多層回路基板を構成する表面
１２ 高周波回路素子
１３ 高周波回路素子の１であるアンテナ素子
１４ 平行平板導波管線路
１５ 導波路
１６ 中心導体
１７ 結合窓
１８ 放射板
１９ 平行平板導波管型フィルタ
２１ 平板電極（第一グランド）
２２ 平板電極（第二グランド）
２３ 導体
２４ 導体
２５ 電磁波の導波方向
２６ａ、２６ｂ 平行平板導波管型共振器
２６ｃ、２６ｄ、２６ｅ 結合窓
２６ｆ、２６ｇ 平行平板導波管線路部
２７ 棒状導体
２８ 結合窓２６ｃ、２６ｄ、２６ｅの窓の幅であって導体２４の間隔
２９ 電磁波の導波方向２５に対する導体２４の間隔
３０ 棒状導体
３０ａ スルーホール
３１、３２、３３ 多層回路基板の層
３４ 多層回路基板の層
３４ａ 熱可塑性樹脂材料
３４ｂ 熱硬化性樹脂材料
３５ ランド
３５ａ 信号線路
３６ グランド
３６ａ 第二のグランド
３６ｂ 結合窓
３７ ランド
３９ 銅箔

Claims (11)

1. 多層回路基板と、
   導波方向が該多層回路基板の面と同じ方向で、該多層回路基板の内部に埋め込み形成された平行平板導波管線路と、
   該多層回路基板の表面に実装され、接続線路を介して該平行平板導波管線路と接続される高周波回路素子と、
   を備える高周波回路。
2. 多層回路基板と、
   導波方向が該多層回路基板の面と同じ方向で、該多層回路基板の内部に埋め込み形成された平行平板導波管型フィルタと、
   該多層回路基板の表面に実装され、接続線路を介して該平行平板導波管型フィルタと接続される高周波回路素子と、
   を備える高周波回路。
3. 前記平行平板導波管線路が、前記多層回路基板の内部の異なる面に対向して設けられた２つの導体パターンを導体により接続した導波管からなることを特徴とする請求項１に記載の高周波回路。
4. 前記平行平板導波管型フィルタが、前記多層回路基板の内部の異なる面に対向して設けられた２つの導体パターンを導体により接続した少なくとも１つ以上の平行平板導波管型共振器を含み、該平行平板導波管型共振器が結合窓を介して電磁結合されることを特徴とする請求項２に記載の高周波回路。
5. 前記接続線路が、前記多層回路基板を構成する誘電体が棒状導体で囲まれた導波路であることを特徴とする請求項１から４に記載のいずれかの高周波回路。
6. 前記接続線路が、中心に配置された中心導体と該中心導体の周囲の前記多層回路基板を構成する誘電体とが棒状導体で囲まれた導波路であることを特徴とする請求項１から４に記載のいずれかの高周波回路。
7. 前記多層回路基板の表面に配置された高周波回路素子の少なくとも１は前記多層回路基板の表面に設けられたアンテナ素子であることを特徴とする請求項１から６に記載のいずれかの高周波回路。
8. 前記多層回路基板のうち少なくとも前記アンテナ素子の設けられた層は、前記多層回路基板の他の層よりも誘電率の低い低誘電率樹脂材料で構成されていることを特徴とする請求項７に記載の高周波回路。
9. 前記低誘電率樹脂材料が熱可塑性樹脂であることを特徴とする請求項８に記載の高周波回路。
10. 前記低誘電率樹脂材料が熱硬化性樹脂であることを特徴とする請求項８に記載の高周波回路。
11. 前記熱可塑性樹脂の材料がグラフト重合樹脂であることを特徴とする請求項９に記載の高周波回路。

Images