JP2006229568A - 高周波線路−導波管変換器および電子装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 変換効率が高く、変換特性のばらつきが小さい高周波線路−導波管変換器を提供すること。
【解決手段】 誘電体層２の上面に形成された線路導体３および誘電体層２の上面で線路導体３の一端部を取り囲むように形成された同一面接地導体層４から成る高周波線路１と、同一面接地導体層４に線路導体３の一端部と直交するように形成されて線路導体３と電磁的に結合されたスロット５と、平面透視して線路導体３の一端部およびスロット５を取り囲むように誘電体層２の側面または内部に配されたシールド導体部７とから成る基板を、電子素子１４の搭載部を有するとともに貫通孔が形成された金属製のベース材１３の上面に、貫通孔を塞ぎ、且つ貫通孔上に線路導体３の一端部およびスロット５が位置するようにしてろう付けし、ベース材１３の下面に貫通孔と連通するように導波管６を接続し、シールド導体部７と導波管６とをベース材１３を介して電気的にしている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、マイクロ波やミリ波の領域において使用される、高周波回路を形成するコプレーナ線路またはグランド付きコプレーナ線路等の高周波線路を導波管に変換し、高周波回路とアンテナあるいは高周波回路間の接続を導波管で行なうことにより、システムの実装、評価を容易に行なえる高周波線路−導波管変換器に関するものである。

近年、情報伝達に用いられる高周波信号は、マイクロ波領域からミリ波領域の周波数までを活用することが検討されている。例えば、ミリ波の高周波信号を用いた応用システムとして車間レーダーが提案されている。このような高周波用のシステムにおいては、高周波信号の周波数が高いことにより、回路を構成するマイクロストリップ線路構造等の高周波線路による高周波信号の減衰が大きくなるという問題点がある。

このようなマイクロストリップ線路構造等の高周波線路に比較して、導波管では高周波信号の伝送損失は小さいことが知られている。例えば、マイクロストリップ線路等による通常の高周波線路のインピーダンス（５０Ω）に比較して、導波管のインピーダンス（周波数によって変化するが概略５００Ωのオーダーで設計される）は大きく、通常の高周波線路では伝送される信号に対して誘電体中を伝送する電界の寄与が大きいのに対し、導波管ではその誘電体として誘電正接がほぼ０の空気を用いていること、相対的に小さい磁気エネルギーのもととなる導波管の管壁を流れる電流が小さくて良いこと、かつその電流が導波管の管壁の比較的広い面積に流れるため電気抵抗が小さくなり導体損が小さくなる構造になっていることによるものである。

また、導波管同士は通常、ねじで接続される。そのため着脱を容易に行なうことができるため、高周波回路モジュールとアンテナとの接続に導波管を用いれば、組み立て前にそれぞれの導波管ポートを用いてそれぞれの検査を行ない、良品同士を組み合わせて高周波フロントエンドを組み立てることができ、その製造の歩留まりを上げることができる。これらのことから従来、特に伝送距離が長くなることが多い高周波回路モジュールとアンテナとの間の伝送に導波管を用いたフロントエンドが多く採用されてきた。

このような高周波フロントエンドとしては、誘電体層と、その表面に形成した線路導体およびその両側に配置された同一面接地導体層から成るコプレーナ線路と、このコプレーナ線路の先端に形成したアンテナとして機能するスロットと、誘電体層の裏面のスロットと対向する位置に接続した導波管と、誘電体層の内部に導波管および同一面接地導体層を接続するように形成したシールド導体部とを具備する高周波線路−導波管変換器が提案されている（下記の特許文献１参照）。

この変換器によれば、スロットから誘電体層と導波管内部との界面までの距離を誘電体層を伝送する電磁波の波長の１／４に設定することにより、スロットから放射され、誘電体層と導波管内部との界面で反射して同一面接地導体層で再度反射して界面に到達した反射波と、スロットから直接界面まで伝送してきた電磁波（直接波）との行路差が電磁波の波長の１／２と等しくなり、反射波の磁界が誘電体層と導波管内部との界面で反射する際に位相が反転することから、界面では直接波と反射波が同位相になって強め合い、導波管へ伝播していくこととなる。

すなわち、スロットと導波管との間に介在する、厚さを電磁波の波長の１／４に設定した誘電体層は、インピーダンスが互いに異なるスロットと導波管との整合器として機能することになる。
特開２００４−３２３２１号公報

しかしながら、従来の高周波線路−導波管変換器は半導体素子等の電子素子を他の回路基板に搭載し、この電子素子と高周波線路−導波管変換器の線路導体とをワイヤ等で電気的に接続し、電子装置とした場合に、電子素子と高周波線路−導波管変換器の接地導体層との間に電位差が生じやすく、電気的特性が劣化して高周波線路と導波管との間における信号の変換効率が低くなったり、変換特性のばらつきが生じるという問題があった。

本発明は上記問題点に鑑み案出されたもので、その目的は、変換効率が高く、変換特性のばらつきが小さい高周波線路−導波管変換器を提供することにある。

本発明の高周波線路−導波管変換器は、誘電体層の上面に形成された線路導体および前記誘電体層の上面で前記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層から成る高周波線路と、前記同一面接地導体層に前記線路導体の前記一端部と直交するように形成されて前記線路導体と電磁的に結合されたスロットと、平面透視して前記線路導体の前記一端部および前記スロットを取り囲むように前記誘電体層の側面または内部に配されたシールド導体部とから成る基板を、電子素子の搭載部を有するとともに貫通孔が形成された金属製のベース材の上面に、前記貫通孔を塞ぎ、且つ前記貫通孔上に前記線路導体の前記一端部および前記スロットが位置するようにしてろう付けし、前記ベース材の下面に前記貫通孔と連通するように導波管を接続し、前記シールド導体部と前記導波管とを前記ベース材を介して電気的にしていることを特徴とする。

本発明の高周波線路−導波管変換器において、好ましくは、前記ベース材の上面に、前記基板の側面を囲繞するとともに上方に向かって前記基板の側面から遠ざかるように形成された傾斜部が設けられていることを特徴とする。

本発明の電子装置は、上記本発明の高周波線路−導波管変換器の前記搭載部に電子素子を搭載するとともに、該電子素子の電極と前記線路導体とを電気的に接続したことを特徴とする。

本発明の高周波線路−導波管変換器は、線路導体および同一面接地導体層から成る高周波線路と、線路導体の一端部と直交するように形成されて線路導体と電磁的に結合されたスロットと、平面透視して線路導体の一端部およびスロットを取り囲むシールド導体部とから成る基板を、電子素子の搭載部を有するとともに貫通孔が形成された金属製のベース材の上面に、貫通孔を塞ぎ、且つ貫通孔上に線路導体の一端部およびスロットが位置するようにしてろう付けし、ベース材の下面に貫通孔と連通するように導波管を接続し、シールド導体部と導波管とをベース材を介して電気的にしていることから、搭載部に搭載された電子素子と高周波線路−導波管変換器とが接地導体としてのベース材を共有するので電子素子と高周波線路−導波管変換器の接地導体との電位差を同じか、非常に小さくすることができ、電子素子と高周波線路−導波管変換器との間に生じる電気特性の劣化を有効に抑制することができる。その結果、高周波線路と導波管との間における信号の変換効率を高くすることができるとともに、変換特性のばらつきを非常に小さくすることができる。

本発明の高周波線路−導波管変換器は、ベース材の上面に、基板の側面を囲繞するとともに上方に向かって基板の側面から遠ざかるように形成された傾斜部が設けられていることから、電子素子と高周波線路−導波管変換器とを電気的に接続するワイヤとベース材との間の浮遊容量を漸次変化させることによってインピーダンスの急激な変化を有効に防止でき、ワイヤの誘導成分を減少させて反射損失を有効に防止することができる。その結果、電気特性をより向上させることができる。

本発明の電子装置は、上記本発明の高周波線路−導波管変換器の搭載部に電子素子を搭載するとともに、電子素子の電極と線路導体とを電気的に接続したことから、上記本発明の高周波線路−導波管変換器の特徴を有する、変換効率が高く、変換特性のばらつきが小さい電子装置となる。

次に、本発明の発明を添付資料に基づき詳細に説明する。図１は本発明の高周波線路−導波管変換器の実施の形態の一例を示す平面図であり、図２は図１の高周波線路−導波管変換器のＡ−Ａ’線断面図である。図１，２において、１は高周波線路、２は誘電体層、３は線路導体、４は同一面接地導体層、５は同一面接地導体層４に形成されたスロット、６は導波管、７はシールド導体部、１３はベース材である。そして、主に高周波線路１、誘電体層２、線路導体３、同一面接地導体層４、スロット５およびシールド導体部７で基板が構成され、この基板をベース材１３に接続することにより、高周波線路−導波管変換器が形成される。

高周波線路１は、誘電体層２の上面に形成された線路導体３と、線路導体３を取り囲むように形成された同一面接地導体層４とによってコプレーナ線路状に形成されている。また、誘電体層２の上面の同一面接地導体層４にはスロット５が設けられており、線路導体３の一端と電磁的に結合されている。これにより、高周波線路１に伝送された高周波信号は、スロット５から電磁波として、下方に延びるように配置された導波管６内に放射される。

また、誘電体層２は、その側面に形成された側面導体または図１のような誘電体層２の内部に配された貫通導体から成るシールド導体部７によりシールドされており、スロット５から誘電体層２中に放射された電磁波や誘電体層２の下面と導波管６内部との界面で反射した電磁波が漏れ出すことを防ぎ、変換効率が低下することを防止している。なお、シールド導体部７は、平面透視してスロット５を取り囲むように一定間隔（高周波線路１を伝送する信号の波長の１／４倍以下）を空けて形成されている。

また、誘電体層２の内層には平面透視してスロット５を取り囲むように形成された枠状の内部接地導体層８が配され、この内部接地導体層８と同一面接地導体層４とがシールド導体部７で接続されていてもよい。

このような多層構造とすることにより、誘電体層２に生じる共振モードであるＴＭモードの最も磁界が強い、導波管６の内部に接している下側の誘電体層２と、高周波線路１が形成された上側の誘電体層２とを内部接地導体層８によって分離することができるので、高周波線路１を伝送する電磁界モードであるＴＥモードとＴＭモードとが結合して高周波線路１を伝送する信号エネルギーがＴＭモードへ移行するのを有効に防止することができる。その結果、共振による信号反射を有効に防止して高周波線路１から導波管６への良好な信号変換を行なうことができる。

また、誘電体層２の下面に導波管６を接合するための下部接地導体層１１を形成してもよい。なお、下部接地導体層１１は平面透視してスロット５を取り囲むように形成された枠状とするのがよい。

誘電体層２を形成する誘電体材料としては、酸化アルミニウム，窒化アルミニウム，窒化珪素，ムライト等を主成分とするセラミック材料、ガラス、ガラスとセラミックフィラーとの混合物を焼成して形成されたガラスセラミック材料、エポキシ樹脂，ポリイミド樹脂，四フッ化エチレン樹脂を始めとするフッ素系樹脂等の有機樹脂系材料、有機樹脂−セラミック（ガラスも含む）複合系材料等が用いられる。

線路導体３，同一面接地導体層４，貫通導体等のシールド導体部７，下部接地導体層１１、ならびに内部接地導体層８を形成する導体材料としては、タングステン，モリブデン，金，銀，銅等を主成分とするメタライズ、あるいは金，銀，銅，アルミニウム等を主成分とする金属箔等が用いられる。

特に、高周波線路−導波管変換器を、高周波部品を搭載する配線基板に内蔵する場合は、誘電体層２を形成する誘電体材料として、誘電正接が小さく、かつ気密封止が可能であることが望ましい。このような誘電体材料としては、酸化アルミニウム質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体などのセラミックスやガラスセラミック材料が挙げられる。このような硬質系材料で構成すれば、誘電正接が小さく、かつ搭載した高周波部品を気密に封止することができるので、搭載した高周波部品の信頼性を高める上で好ましい。この場合、導体材料としては、誘電体材料との同時焼成が可能なメタライズ導体を用いることが、気密封止性と生産性を高める上で望ましい。

本発明の高周波線路−導波管変換器は以下のようにして作製される。例えば誘電体材料に酸化アルミニウム質焼結体を用いる場合であれば、まず酸化アルミニウム，酸化珪素，酸化マグネシウム，酸化カルシウム等の原料粉末に適当な有機溶剤，溶媒を添加混合してスラリー状にし、これを周知のドクターブレード法やカレンダーロール法によりシート状に成形してセラミックグリーンシートを作製する。また、タングステンやモリブデン等の高融点金属，酸化アルミニウム，酸化珪素，酸化マグネシウム，酸化カルシウム等の原料粉末に適当な溶剤，溶媒を添加混合してメタライズペーストを作製する。

次に、誘電体層２となるセラミックグリーンシートに、例えば打ち抜き法により貫通導体であるシールド導体部７を形成するための貫通孔を形成し、例えば印刷法によりその貫通孔にメタライズペーストを埋め込み、続いて線路導体３や同一面接地導体層４，内部接地導体層８の形状にメタライズペーストを印刷する。また、誘電体層２が複数の誘電体層の積層構造からなる場合には、同様にメタライズペーストが表面に印刷されるとともに貫通孔に埋め込まれたセラミックグリーンシートを積層し、加圧して圧着してもよい。

そして、これらの誘電体層２となるセラミックグリーンシートを高温（約１６００℃）で焼成する。さらに、必要に応じて、線路導体３や同一面接地導体層４，下部接地導体層１１等のように上下面に露出する導体の表面に、例えば、ニッケルめっきおよび金めっきを被着させ、下部接地導体層１１をベース材１３に接続し、ベース材１３の下面に導波管６を接続することにより高周波線路−導波管変換器が完成する。

本発明のシールド導体部７は、スロット５を取り囲むよう誘電体層２の側面または内部に配され、同一面接地導体層４と内部接地導体層８と下部接地導体層１１とを電気的に接続している。

なお、シールド導体部７は、同一面接地導体層４と内部接地導体層８と下部接地導体層１１とを電気的に接続できれば良く、側面導体や貫通導体等、種々の手段が用いられる。例えば、誘電体層２の側面に被着された導体や、誘電体層２の側面の切り欠き部の内壁に導体層が被着されたいわゆるキャスタレーション導体、貫通孔の内壁に導体層が被着されたいわゆるスルーホール導体、貫通孔の内部が導体で充填されたいわゆるビア導体などが挙げられる。

ベース材１３は、導電性であり、搭載部に搭載される電子素子１４や基板の接地導体と電気的に接続され、それらの接地電位を強化する機能を有するとともに、電子素子１４や基板の支持部材としても機能する。

このようなベース材１３の材料としては、基板の誘電体層２との熱膨張率差を小さくするため、誘電体層２の熱膨張率に近いものがよい。これらの熱膨張率差が大きいと誘電体層２にクラックが発生しやすくなる。

また、ベース材１３は、シールド導体部７に直接、あるいはシールド導体部７に電気的に接続された下部接地導体層１１にろう材等の導電性接合材を介して電気的に接続される。

ベース材１３の貫通孔は平面透視してスロット５や内部接地導体層８の開口を取り囲むように形成される。好ましくは、図２に示すように、ベース材１３の上面に基板を取り囲む導電性の壁部１３ａが形成されているのがよい。これにより、基板内部のシールド性をより強化できる。

このような壁部１３ａはベース材１３と一体化されていてもよく、別部材をベース材１３の上面に接合してもよい。

さらに好ましくは、上記壁部１３ａの内周面が傾斜しているのがよい。すなわち、ベース材１３の上面に、基板の側面を囲繞するとともに上方に向かって基板の側面から遠ざかるように形成された傾斜部１３ｂが設けられているのがよい。これにより、電子素子１４と高周波線路−導波管変換器とを電気的に接続するワイヤ１５とベース材１３との間の浮遊容量を漸次変化させることによってインピーダンスの急激な変化を有効に防止でき、ワイヤ１５の誘導成分を減少させて反射損失を有効に防止することができる。その結果、電気特性をより向上させることができる。

このような傾斜部１３ｂは、縦断面形状が直線状でも曲線状でもよい。また、傾斜部１３ｂは基板の厚さ方向の全体にわたって形成されていてもよく、図２のような上側部のみあるいは下側部のみ等の厚み方向の一部だけに形成されていてもよい。

導波管６の形状は特に制約はなく、例えば方形導波管として規格化されているＷＲシリーズを用いると、測定用校正キットが充実しているので種々の特性評価が容易になるが、使用する高周波信号の周波数に応じてシステムの小型軽量化のために導波管６のカットオフが発生しない範囲で小型化した方形導波管を用いてもよい。また、円形導波管を用いてもよい。

導波管６は、金属または内面に金属層が形成された誘電体等で構成することができ、例えば、金属を管状に成型したり、セラミックスや樹脂等の誘電体を必要な導波管形状に成型した後に内面を金属で被覆したものが用いられる。なお、電流による導体損低減や腐食防止のために導波管６の内面を金，銀等の貴金属で被覆するとよい。導波管６のベース材１３への取り付けは、ろう材による接合やねじによる締め付け等によって行なわれ、導波管６とベース材１３とが電気的に接続される。

また、スロット５の線路導体３に直交する方向の長さは、高周波線路１を伝送する信号の波長以下であるのがよい。また、スロット５の線路導体３に平行な方向の幅は、高周波線路１を伝送する信号の波長の１／２倍以下であるのがよい。これにより、高周波線路１から導波管６へ電磁波を良好に放射することができる。

また、誘電体層２の内部に内部接地導体層８がない場合、誘電体層２の厚み、すなわち、高周波線路１と下部接地導体層１１との間の間隔は、高周波線路１を伝送する信号の波長の１／２倍以下であるのがよい。また、誘電体層２の内部に内部接地導体層８が一層ある場合、下側の誘電体層２の厚み、すなわち、内部接地導体層８と下部接地導体層１１との間の間隔は、高周波線路１を伝送する信号の波長の１／２倍以下であるのがよい。これにより、スロット５から放射されて、誘電体層２の下面と導波管６内部との界面で反射し、誘電体層２上面や内部接地導体層８で再度反射して再び誘電体層２の下面と導波管６内部との界面に戻ってきた反射波と、スロット５から直接誘電体層２の下面と導波管６内部との界面まで伝送してきた直接波とを同位相にすることができ、反射波と直接波とが強め合うために高周波線路１から導波管６への変換効率をより高めることができる。

また、内部接地導体層８の開口形状は、スロット５と相似形であるのがよく、内部接地導体層８の開口面積はスロット５の開口面積の５〜３０倍であるのがよい。これにより、高周波線路１から導波管６へのインピーダンスの急激な変化を緩和して、電磁波を良好に伝送することができる。

そして、本発明の高周波線路−導波管変換器のベース材１３の搭載部に半導体素子等の電子素子１４をその接地電極がベース材１３と電気的に接続されるように導電性接合材を介して取着し、電子素子１４の電極と線路導体３とをワイヤ１５などで電気的に接続することにより本発明の電子装置となる。

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であれば、種々の変更を行なっても差し支えない。

例えば、図１，図２では高周波線路１がコプレーナ線路構造の場合の例を示したが、たとえば誘電体層２の上にさらに誘電体層を積層し、この誘電体層の上面に線路導体３を覆うように接地導体層を設けたグランド付きコプレーナ線路構造としてもよく、誘電体層２、線路導体３、同一面接地導体層４、スロット５、導波管６、シールド導体部７、内部接地導体層８、下部接地導体層１１の位置関係を図１や図２に示す例と同様にすることにより、同様の効果を得ることができる。

本発明の高周波線路−導波管変換器の実施の形態の例を示す平面図である。 図１の高周波線路−導波管変換器のＡ−Ａ’線における断面図である。

符号の説明

１・・・・・高周波線路
２・・・・・誘電体層
３・・・・・線路導体
４・・・・・同一面接地導体層
５・・・・・スロット
６・・・・・導波管
７・・・・・シールド導体部
１３・・・・ベース材
１３ｂ・・・傾斜部
１４・・・・電子素子

Claims (3)

1. 誘電体層の上面に形成された線路導体および前記誘電体層の上面で前記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層から成る高周波線路と、前記同一面接地導体層に前記線路導体の前記一端部と直交するように形成されて前記線路導体と電磁的に結合されたスロットと、平面透視して前記線路導体の前記一端部および前記スロットを取り囲むように前記誘電体層の側面または内部に配されたシールド導体部とから成る基板を、電子素子の搭載部を有するとともに貫通孔が形成された金属製のベース材の上面に、前記貫通孔を塞ぎ、且つ前記貫通孔上に前記線路導体の前記一端部および前記スロットが位置するようにしてろう付けし、前記ベース材の下面に前記貫通孔と連通するように導波管を接続し、前記シールド導体部と前記導波管とを前記ベース材を介して電気的にしていることを特徴とする高周波線路−導波管変換器。
2. 前記ベース材の上面に、前記基板の側面を囲繞するとともに上方に向かって前記基板の側面から遠ざかるように形成された傾斜部が設けられていることを特徴とする請求項１記載の高周波線路−導波管変換器。
3. 請求項１または請求項２記載の高周波線路−導波管変換器の前記搭載部に電子素子を搭載するとともに、該電子素子の電極と前記線路導体とを電気的に接続したことを特徴とする電子装置。

Images