JP2006270759A

JP2006270759A - 高周波回路基板

Info

Publication number: JP2006270759A
Application number: JP2005088395A
Authority: JP
Inventors: Tomoya Tabuchi; 智也田淵
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2005-03-25
Filing date: 2005-03-25
Publication date: 2006-10-05

Abstract

【課題】高周波回路基板の面積を大きくすること無く、従来の高周波回路基板よりも高利得を得る高周波回路基板を提供すること。
【解決手段】上面に複数の放射素子２が形成された放射素子基板３と、放射素子基板３の下面に第１の接地導体５ａを介して積層されるとともに内部に電力分配線路６が形成された電力分配線路基板７と、電力分配線路基板７の下面に第２の接地導体５ｂを介して積層されるとともに下面に電子部品11が電気的に接続される高周波線路９が形成された高周波線路基板８と、放射素子２と電力分配線路６とを電気的に接続する第１の伝送導体４ａと、高周波線路と電力分配線路６とを電気的に接続する第２の伝送導体４ｂとを具備する高周波回路基板１であって、放射素子２における第１の伝送導体４ｂと電気的に接続された給電点を放射素子２の重心より一方向に偏芯させるとともに、放射素子基板３の上面の偏芯方向上の辺部に突出部材10を設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、放射素子で送受信される高周波信号を高周波回路に伝送する高周波回路基板に関する。

従来の高周波回路基板21を図７に示す。図７は高周波回路基板21の平面図、図８は図７のＡ−Ａ’線における断面図である。これらの図に示すように、高周波回路基板21は、上面に複数の放射素子22を持つ放射素子基板23と、その下面に第１の接地導体25ａ、複数の放射素子22へ給電するために分配部を有する内部配線導体26を持つ電力分配線路基板27が順次積層され、これらを主として高周波回路基板21が構成される。

放射素子基板23は、誘電体で構成された基板の上面に複数の放射素子22を装着して構成される。また、放射素子基板23の下面に第１の接地導体25ａが積層され、さらに第１の接地導体25ａの下面に電力分配線路基板27が積層される。電力分配線路基板27は誘電体で構成された基板の上面に平面状の内部配線導体26が形成され、複数の放射素子22へ高周波信号が伝送される。また、電力分配線路基板27の下面に銅箔等で構成された第２の接地導体25ｂが形成される。また、第１の接地導体25ａには、電力分配線路基板27から伝送される高周波信号を複数の放射素子22へ接続するため、表裏に貫通する伝送導体24が形成される。
特開2004-304443号公報特公平8-12973号公報

上記従来の高周波回路基板の場合、一般的に放射利得を高くする方法の一例として、放射素子基板23を大きくすることが知られている。放射利得の大きさは、放射素子基板23の面積に比例し、自由空間波長の２乗に反比例する関係を持っている。使用周波数が同一の場合は、放射素子基板23の面積を大きくすることで放射利得を大きくすることが可能である。しかし、放射素子基板23を大きくすると、高周波回路基板も大きくなるという問題点がある。

したがって、本発明では上記従来の問題点を鑑みて完成されたものであり、その目的は、高周波回路基板の面積を大きくすること無く、従来の高周波回路基板よりも高利得を得る高周波回路基板を提供することである。

本発明の高周波回路基板は、上面に複数の放射素子が形成された誘電体から成る放射素子基板と、該放射素子基板の下面に第１の接地導体を介して積層されるとともに内部に電力分配線路が形成された誘電体から成る電力分配線路基板と、該電力分配線路基板の下面に第２の接地導体を介して積層されるとともに下面に電子部品が電気的に接続される高周波線路が形成された誘電体からなる高周波線路基板と、前記放射素子と前記電力分配線路とを電気的に接続する第１の伝送導体と、前記高周波線路と前記電力分配線路とを電気的に接続する第２の伝送導体とを具備する高周波回路基板であって、前記放射素子における前記第１の伝送導体と電気的に接続された給電点を前記放射素子の重心より一方向に偏芯させるとともに、前記放射素子基板の上面の前記偏芯方向上の辺部に突出部材を設けたことを特徴とする。

本発明の高周波回路基板において、好ましくは、前記突出部材の誘電率を前記放射素子基板の誘電率よりも低くしたことを特徴とする。

本発明の高周波回路基板において、好ましくは、前記突出部材の内側面を上側ほど外側に広がるように傾斜させたことを特徴とする。

本発明の高周波回路基板は、放射素子における第１の伝送導体と電気的に接続された給電点を放射素子の重心より一方向に偏芯させるとともに、放射素子基板の上面の偏芯方向上の辺部に突出部材を設けたことから、放射素子から放出される電磁波を偏芯方向と平行な方向で共振させることで、電磁波の広がりをこの共振方向に集中させて共振方向に直交する方向における電磁波の広がりを抑制し、指向性を高めることができる。また、共振方向においては横方向に広がって伝播する電磁波を空気よりも誘電率の高い突出部材の内部に進行させ、突出部材の外側面と空気との界面における屈折率差によって電磁波を反射させることにより、高周波回路基板の裏面方向への電磁波の周り込みによる損失を有効に抑制することが可能となる。以上の結果、より放射利得の高い効率の良い高周波回路基板を提供することができる。

本発明の高周波回路基板は、突出部材の誘電率を放射素子基板の誘電率よりも低くしたことから、突出部材内部へ伝播された電磁波をより誘電率の高い放射素子基板に良好に進行させた後、この電磁波を第１の接地導体へ効率良く伝播させて放射素子との間で電磁界を形成させ、再び放射素子から放射させることが可能となり、電磁波の損失をより有効に抑制できる。

本発明の高周波回路基板は、突出部材の内側面を上側ほど外側に広がるように傾斜させたことから、放射素子で放出され突出部材の方向へ伝播した電磁波を突出部材の内側面の傾斜面で反射させて効率良く上側方向へ取り出すことが可能となり、より放射利得を高くすることが可能となる。

本発明の高周波回路基板について以下に詳細に説明する。図１は本発明の高周波回路基板の実施の形態の一例を示す平面図、図２は図１の高周波回路基板のＸ−Ｘ’断面図である。図１において、２は放射素子、３は放射素子基板、４ａは第１の伝送導体，４ｂは第２の伝送導体、５ａは第１の接地導体、５ｂは第２の接地導体、６は電力分配線路、７は電力分配線路基板、８は高周波線路基板、９は高周波線路、10は突出部材であり、主としてこれらで高周波回路基板１が構成される。
放射素子２は、例えば、一辺が所望の周波数の誘電体内波長の２分の１の長さを有する正方形状の導体により形成されており、この一辺が誘電体内波長の２分の１の長さの場合、導体が共振素子として利用できることは周知である。さらに、放射素子２が左右方向及び上下方向に一定の間隔を設けて複数個同一形状で配置されている。各々の放射素子２に同電力かつ同位相で電力を給電した場合、放射電力の最大値を放射素子２の天頂方向にすることが可能である。また、各々の放射素子２へ給電する電力比率を異なるようにすることで放射電力の最大値の方向を調節することが可能である。また、図１では放射素子２を左右方向及び上下方向に一定の間隔を設けている例を記載しているが、放射電力の指向性を制御するために左右方向のみ複数個配列したり、上下方向のみ複数個配列したり、左右方向と上下方向で異なる個数を配列させても良い。

放射素子２は、放射素子２の重心より一方向に偏芯させた位置に第１の伝送導体４ａの一方の端部が接続された給電点を有する。そして、この第１の伝送導体４ａの他方の端部には、放射素子２の直下に配された電力分配線路６の端部が電気的に接続される。給電点を放射素子２の重心から偏芯させる距離は、第１の伝送導体４ａを介して放射素子２に高周波信号を給電する際の放射素子２の入力インピーダンスと関係がある。この放射素子２の入力インピーダンスは、重心部では０オーム、外周部では約３００オーム程度であり、放射素子２の重心部より外周方向に漸次大きくなっており、第１の伝送導体４ａは放射素子２のインピーダンスと整合する位置に接合される。電力分配線路６を構成する線路のインピーダンスと、放射素子２の入力インピーダンスがほぼ同じとなるような位置に第１の伝送導体４ａを配置することで、インピーダンスのミスマッチによる損失を抑制し電力分配線路６より伝送された高周波信号を放射素子２へ給電できる。

放射素子基板３の下面には第１の接地導体５ａが形成され、第１の伝送導体４ａから放射素子２へ給電された電磁波は放射素子２と第１の接地導体５ａとの間の放射素子基板３内部で電磁界を形成する。放射素子２の偏芯方向の長さが誘電体内波長の２分の１程度としていることで、放射素子２の偏芯方向において対向する両端部の電磁界は位相が反転した関係になっており、空間へ放射する電磁界の向きが同一方向になることで効率良く放射されることになる。また、図１では放射素子２を正方形状の導体を例にとり記載しているが、偏芯方向の長さが誘電体内波長の２分の１の長さを具備する矩形状導体や、円形状の導体から形成されても良い。

第１の接地導体５ａの下面には電力分配線路基板７が積層形成される。電力分配線路基板７は内層に内部配線導体から成る電力分配線路６が形成され、下面に第２の接地導体５ｂが形成される。これにより、電力分配線路６と第１の接地導体５ａと第２の接地導体５ｂとでいわゆるトリプレート線路が形成されることになり、電力分配線路６を損失の少ない伝送線路とすることができる。また、電力分配線路６は、複数配列された放射素子２のそれぞれに電力を分配するためにＴ字型に分岐したＴ分岐線路を具備しており、Ｔ分岐線路は線路インピーダンスＺ_０の導体を伝播してきた高周波信号を線路インピーダンスＺ_１及び線路インピーダンスＺ_２の接続されている導体へ分配する場合、Ｚ_ｓ＝Ｚ_０×（Ｚ_１Ｚ_２／（Ｚ_１＋Ｚ_２））となる幅を有し、長さが誘電体内波長の４分の１となる導体を設けることにより、このような電力分配線路６を有することで整合のとれた電力分配器として機能する。また、上記では２つの導体に分岐する場合を記載したが、３つ以上の導体に分岐する構成であっても良い。

第２の接地導体５ｂの下面に高周波線路基板８が積層形成され、高周波線路基板８の下面には高周波線路９が形成される。そして、この高周波線路９上に電子部品11が電気的に接続される。また、電力分配線路６と高周波線路９とを電気的に接続するために第２の伝送導体４ｂが基板の厚み方向（垂直方向）に配置され、高周波線路９で生成される高周波信号が電力分配線路６を介し、複数の放射素子２へ伝送することを可能としている。

本発明における放射素子基板３、電力分配線路基板７、高周波線路基板８は、酸化アルミニウム質焼結体（アルミナセラミックス）や窒化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、ガラスセラミックス等のセラミックスまたはエポキシ樹脂等の樹脂から成り、切削加工、金型成型、押し出し成型等により形成される。

また、放射素子基板３、電力分配線路基板７、高周波線路基板８がセラミックスからなる場合、複数の放射素子２、第１および第２の伝送導体４ａ，４ｂ、第１および第２の接地導体５ａ，５ｂ、電力分配線路６は、タングステン（Ｗ）、モリブテン（Ｍｏ）−マンガン（Ｍｎ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）等の金属粉末のメタライズ層により形成され、その形成された金属ペーストを高温で焼成して形成される。また、放射素子基板３、電力分配線路基板７、高周波線路基板８が樹脂からなる場合は、上下面に被覆された導体をエッチング加工することにより所望の形状に形成される。或いはディスペンサー等による導体の塗布を行うことで形成される。

なお、複数の放射素子２及び高周波線路９の導体の露出する表面には、Ｎｉや金（Ａｕ）等の耐食性に優れる金属を１〜20μｍ程度の厚さで被着させておくのが良く、導体の酸化腐食を有効に防止し得る。したがって、複数の放射素子２、第１および第２の接地導体５ａ，５ｂの露出表面には、例えば、厚さ１〜10μｍ程度のＮｉメッキ層と厚さ0.1〜３μｍ程度のＡｕメッキ層とが電解メッキ法や無電解メッキ法により順次被着されているのがより好ましい。

本発明の突出部材10は、酸化アルミニウム質焼結体（アルミナセラミックス）や窒化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、ガラスセラミックス等のセラミックスまたはエポキシ樹脂等の樹脂から成り、例えば、切削加工、金型成型、押し出し成型等により形成され、エポキシ等の接着剤で接合される。また、放射素子基板３及び突出部材10がセラミックスからなる場合、放射素子基板３の上面に突出部材10の載置部となる位置に金属導体を設け、突出部材10の下面にも金属導体を設け、互いの金属導体を銀（Ａｇ）−銅（Ｃｕ）ロウやＡｕ−錫（Ｓｎ）ロウ等を介して接合しても良い。また、突出部材10と放射素子基板３が同一材料の場合は、一体成型により構成されても良い。

突出部材10は、放射素子基板３の上面の偏芯方向（放射素子２において給電点が偏芯した方向、すなわち放射素子２から放射される電磁波の共振方向）上の辺部に配置されている。これにより、放射素子２から放出される電磁波を偏芯方向と平行な方向で共振させることで、電磁波の広がりをこの共振方向に集中させて共振方向に直交する方向における電磁波の広がりを抑制し、指向性を高めることができる。また、共振方向においては横方向に広がって伝播する電磁波を空気よりも誘電率の高い突出部材10の内部に進行させ、突出部材10の外側面と空気との界面における屈折率差によって電磁波を反射させることにより、高周波回路基板１の裏面方向への電磁波の周り込みによる損失を有効に抑制することが可能となる。以上の結果、より放射利得の高い効率の良い高周波回路基板１を提供することができる。

突出部材10は好ましくは、図１に示すように放射素子基板３上面の偏芯方向において互いに対向する辺部にそれぞれ設けられているのがよい。これにより、放射素子２から偏芯方向に共振した電磁波の共振方向への広がりを有効に抑制し、高周波回路基板１の下面への周り込みによる損失をより抑制できる。

さらに、放射素子基板３上面の偏芯方向において互いに対向する辺部にそれぞれ設けられた突出部材10は、互いに同一形状であり、高周波回路基板１の中心線を基準として対称であることが好ましい。これにより、放射素子２から放射された電磁波の突出部材10に到達する時間を同じにして放射素子２から放射された電磁波の突出部材10内部へ伝播する電磁波や、突出部材10と空気層との界面において反射する電磁波の位相を同じにすることができ、放射電力の指向性をより高めることができる。

また、突出部材10は複数個配列された放射素子２の配置部よりも外側に配置されることが好ましい。これにより、放射素子２で励振された電磁波を誘電体から成る突出部材10を介すること空間へ放射することができるので、電力の低下や放射利得の低下、放射形状の乱れ等を抑制し、良好なアンテナ特性を得ることができる。

より好ましくは、図１に示すように、放射素子基板３上面の偏芯方向と直交する方向における辺部においては突出部材を設けず、放射素子基板３の上面が露出しているのがよい。これにより、電力の低下や放射利得の低下、放射形状の乱れ等を抑制し、良好なアンテナ特性を得ることができる。

また、突出部材10は、誘電率を放射素子基板３より低くすることが好ましい。即ち、突出部材10内部へ伝播された突出部材10の側面方向へ進行した電波は、突出部材10よって誘電率の高い放射素子基板３を通り、第１の接地導体５ａへ効率良く伝播させることが可能となり、高周波回路基板１からの放射電波の放射形状への影響をさらに有効に抑制できる。

また、突出部材10は、その内側面が上側ほど外側に広がるように傾斜されているのがよい。これにより、放射素子２で放出され突出部材10の方向へ伝播した電磁波を突出部材10の内側面の傾斜面10ａで反射させて効率良く上側方向へ取り出すことが可能となり、より放射利得を高くすることが可能となる。

また、突出部材10の傾斜面10ａと放射素子基板３とのなす角度を45度乃至90度とすることが好ましい。これにより、突出部材10は、放射素子２から放射された電磁波の側面方向に向かう成分をさらに効率良く上方に取り出すことが可能となり、放射利得の高い高周波回路基板１を構成できる。なお、傾斜面10ａと放射素子基板３とのなす角度が45度未満の場合、放射素子２から放射された電磁波を突出部材10の傾斜面10ａで良好に上方に反射させることが困難となり高周波回路基板１の外側へ進行する成分が多くなって損失が発生し、放射利得が低下しやすくなる。

本発明の高周波回路基板１においては、電力分配線路６と高周波線路９とを、図５および図６（図６は図５のＹ−Ｙ’断面図）に示すように、電磁的に接続してもよい。例えば図６に示すように、第１の接地導体５ａには、放射素子２と放射素子２の直下に配される電力分配線路６の端部との間の部位に長方形状の第１の導体非形成部（第１のスロット）12ａを具備することにより、放射素子２と電力分配線路６とが電磁的に接続される。また、第２の接地導体５ｂには、放射素子２と電磁的に接続される電力分配線路６の端部ではない他端部と高周波線路９との間の部位に第２のスロット12ｂを具備することにより、電力分配線路６の他端部と高周波線路９とが電磁的に接続される。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を行うことは何等支障ない。例えば、本発明の高周波回路基板１は、高周波線路９側に金属からなる枠体（図示せず）、或いはエポキシ樹脂等の樹脂から成り、内周面に導電性ペースト等を具備する枠体を取着するとともに、高周波線路９に電子部品11を搭載し、枠体の下面に金属、樹脂、セラミックス等から成る蓋体（図示せず）を取着し、電子部品11を外部からのノイズに対し影響を受けないようにできる。また、枠体と蓋体は一体成型されたものでも良い。また、枠体は高周波線路基板８の高周波線路９側に、例えば良く知られている多層積層技術による一体成型を行っても良い。

本発明の高周波回路基板１について以下に実施例を示す。

図１の構成の高周波回路基板１を以下のようにして構成した。まず、比誘電率ε_ｒが8.7からなる50ｍｍ×50ｍｍの正方形で厚みが1.88ｍｍの高周波回路基板１を用意した。厚み0.76ｍｍの放射素子基板３上面には、所望の周波数で共振させるための放射素子２がｘ方向に８素子、ｙ方向に８素子の計64素子でｘ方向、ｙ方向共に同じ間隔に配列し、その下面には第１の接地導体５ａが形成される。

また、第１の接地導体５ａの下面に厚み0.76ｍｍの電力分配線路基板７が積層形成される。電力分配線路基板７には内層に電力分配線路６が形成される。この電力分配線路６は、電力分配をするためのＴ分岐配線導体を有し、電波インピーダンスが50Ωとなる配線導体から構成される。また、Ｔ分岐配線導体による等電力分配を行うため、約36Ωで、誘電体内波長の４分の１の距離に相当する整合部を設けている。

電力分配線路基板７の下面には、第２の接地導体５ｂが形成される。また、第２の接地導体５ｂの下面に厚み0.38ｍｍの高周波線路基板８が積層形成され、下面に高周波線路９が形成されている。

また、複数の放射素子２と電力分配線路６の一方を電気的に接続するために第１の伝送導体４ａが、電力分配線路６の他方と高周波線路９とを電気的に接続するために第２の伝送導体４ｂが基板の厚み方向（垂直方向）に配置され、高周波線路９で生成される高周波信号が電力分配線路６を介し、複数の放射素子２へ伝送することを可能としている。

また、第１および第２の接地導体５ａ，５ｂには第１および第２の伝送導体４ａ，４ｂと電気的に接続しないように穴を設けた。また、突出部材10にはアクリルから成る12ｍｍ×２ｍｍの長方形で厚みが２ｍｍのものを２個用意し、突出部材10の長辺部の一方を放射素子基板３の放射素子２の共振方向と対向する辺の側面と面一になるように放射素子基板３の上面にそれぞれ搭載した。これにより、本発明の高周波回路基板１のサンプルを作製した。

また、比較例として、突出部材10を設けないこと以外は上記サンプルと同様にして比較サンプルを作製した。

そして、これらのサンプルについて、高周波線路９から入力した信号の最大放射利得を求めた。本発明の高周波回路基板のサンプルの最大放射利得は、比較サンプルの最大放射利得に対し約10％高い値を示し、本発明の高周波回路基板１の方が優れていることが分かった。

本発明の高周波回路基板の実施の形態の一例を示す平面図である。図１の高周波回路基板のＸ−Ｘ’断面図である。本発明の高周波回路基板の実施の形態の他の例を示す平面図である。図３の高周波回路基板の矢印方向から見た側面図である。本発明の高周波回路基板の実施の形態の他の例を示す平面図である。図５の高周波回路基板のＹ−Ｙ’断面図である。従来の高周波回路基板を示す平面図である。図７の高周波回路基板のＡ−Ａ’断面図である。

符号の説明

１：高周波回路基板
２：放射素子
３：放射素子基板
４ａ：第１の伝送導体
４ｂ：第２の伝送導体
５ａ：第１の接地導体
５ｂ：第２の接地導体
６：電力分配線路
７：電力分配線路基板
８：高周波線路基板
９：高周波線路
10：突出部材
11：電子部品

Claims

上面に複数の放射素子が形成された誘電体から成る放射素子基板と、該放射素子基板の下面に第１の接地導体を介して積層されるとともに内部に電力分配線路が形成された誘電体から成る電力分配線路基板と、該電力分配線路基板の下面に第２の接地導体を介して積層されるとともに下面に電子部品が電気的に接続される高周波線路が形成された誘電体からなる高周波線路基板と、前記放射素子と前記電力分配線路とを電気的に接続する第１の伝送導体と、前記高周波線路と前記電力分配線路とを電気的に接続する第２の伝送導体とを具備する高周波回路基板であって、前記放射素子における前記第１の伝送導体と電気的に接続された給電点を前記放射素子の重心より一方向に偏芯させるとともに、前記放射素子基板の上面の前記偏芯方向上の辺部に突出部材を設けたことを特徴とする高周波回路基板。
前記突出部材の誘電率を前記放射素子基板の誘電率よりも低くしたことを特徴とする請求項１記載の高周波回路基板。
前記突出部材の内側面を上側ほど外側に広がるように傾斜させたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の高周波回路基板。