JP2007258886A - 回路基板の接続構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 高周波信号を伝送する高周波デバイス５、６を、マイクロストリップ線路を用いて接続する際に、接続部で発生する不要な電波放射や伝送信号の損失を抑制する。
【解決手段】 高周波デバイス５に接続されたマイクロストリップ線路と、高周波デバイス６に接続され、高周波デバイス５に接続されたマイクロストリップ線路から離間したマイクロストリップ線路とを、導波管９のＨ面に設けた開口穴を通じて導波管内部に挿入し、両マイクロストリップ線路を導波管９のＥ面に平行に配置したことを特徴としている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、主としてマイクロ波帯、及びミリ波帯の高周波信号を伝送する回路基板の接続構造に関するものである。

従来、キャリア上に配置された２つの多層高周波回路基板を接続するために、基板上のマイクロストリップ線路をボンディングワイヤによって電気的に接続していた。このような多層高周波回路基板の接続部では、一方の多層高周波回路基板のマイクロストリップ線路を流れる信号電流が、ボンディングワイヤを介して他方の多層高周波回路基板のマイクロストリップ線路に流れる。また、一方の多層高周波回路基板の接地導体を流れるグラウンド電流が、基板側面に設けた接地導体膜や接地用スルーホールを通ってキャリアに流れ、キャリアや接地導体膜、接地用スルーホールを介して、他方の多層高周波回路基板の接地導体に流れる。（例えば、特許文献１参照）。

特開平９−３２１５０１（図９、１０）

しかし、従来の接続構造では、接続される基板間に僅かな隙間を生じるので、マイクロストリップ線路間を伝送される信号電流（ホット）と、接地導体間を伝送されるグランド電流（リターン）との間に、経路長の差（経路差）を生じることが避けられない。この経路差が生じることで不要な電波が放射されるとともに、伝送信号の損失が増大するという問題があった。
なお、この不要な放射電波は、第１、第２の誘電体基板の他端部が接続された半導体素子に対して、電磁干渉を引き起こす。

この発明は、係る課題を解決するために成されたものであり、高周波信号を伝送する回路基板間の接続部において、不要な電波放射や伝送信号の損失を抑制することのできる、接続構造を得ることを目的とする。

この発明に係る回路基板の接続構造は、回路基板に接続される第１のマイクロストリップ線路を有した第１の誘電体基板と、上記第１のマイクロストリップ線路から離間し、上記第１のマイクロストリップ線路と平行に配置されて、他の回路基板に接続される第２のマイクロストリップ線路を有した第２の誘電体基板と、管内に上記第１、第２の誘電体基板の一端部が配置され、管外に上記第１、第２の誘電体基板の他端部が配置されるとともに、両端部に短絡面を有した導波管を有した接続部と、を備え、上記第１、第２の誘電体基板の基板面が上記導波管のＥ面に平行に配置されたものである。

また、上記導波管内壁の幅広面に垂直な方向に貫通した第１、第２の開口穴を有し、上記第１、第２の誘電体基板の一端部は、上記第１、第２の開口穴を通じて上記導波管内に突出しても良い。

さらに、上記第１、第２の誘電体基板の基板面は、上記導波管の電界最大面もしくはその周辺に配置されても良い。

この発明によれば、第１、第２の誘電体基板の接続部から放射される不要放射を抑制し、回路基板間の接続損失を低減することができる。

実施の形態１．
この発明に係る実施の形態１は、高周波デバイス間の接続部において、相互接続されるマイクロストリップ線路の端部を導波管内に配置し、マイクロストリップ線路と導波管のモード変換を利用して、ＲＦ（Radio Frequency）信号の接続を行うことを特徴としている。以下、これについて図を用いて説明する。

図１は、実施の形態１による高周波デバイスの接続構造を示すものであり、図１（ａ）は、２つの高周波デバイスが接続部で接続された状態を示す斜視図、図１（ｂ）は接続部を外した状態を示す斜視図、図１（ｃ）は金属カバーを下面方向から見た斜視図である。
ここでの高周波デバイスとは、半導体素子や、ＭＩＣ（monolithic microwave circuit）基板やＭＭＩＣ（monolithic microwave integrated circuit）等のマイクロ波帯やミリ波帯の高周波信号を処理する高周波回路が、誘電体基板上に設けられた回路基板を指し示す。

図において、高周波デバイス５は高周波回路５０が構成されている。また、高周波デバイス６は高周波回路６０が構成されている。高周波デバイス５は金属のキャリア２に載置され、高周波デバイス６は金属のキャリア３に載置されている。高周波デバイス５を構成する誘電体基板は、裏面のキャリア２に接する部分がメタライズされており、はんだや導電性接着剤でキャリア２にダイボンディングされている。高周波デバイス６を構成する誘電体基板は、裏面のキャリア３に接する部分がメタライズされており、はんだや導電性接着剤でキャリア３にダイボンディングされている。キャリア２は上面に溝が形成されて開口穴２２を構成し、キャリア３は上面に溝が形成されて開口穴３２を構成している。
なお、キャリア２、３は、誘電体基板の表面に金属導体がメタライズされたものであっても良い。

キャリア２は、誘電体基板上にマイクロストリップ線路（以下、ＭＳＬ）を構成した第１の誘電体基板として接続基板７が載置される。キャリア３は、誘電体基板上にＭＳＬを構成した第２の誘電体基板としての接続基板８が載置される。接続基板７、８は、それぞれ裏面のキャリア２に接する部分がメタライズされており、はんだや導電性接着剤で、キャリア２、３にそれぞれダイボンディングされている。接続基板７は、キャリア２に設けられた開口穴２２内に嵌合して配置され、一端部が開口穴２２を通過してキャリア２の外側に突き出している。接続基板８は、一端部がキャリア３に設けられた開口穴３２内に嵌合して配置され、一端部が開口穴３２を通過してキャリア３の外側に突き出している。また、高周波デバイス５と接続基板７の他端部とは、ボンディングワイヤや金リボンによって接続される。高周波デバイス６と接続基板８の他端部とは、ボンディングワイヤや金リボンによって接続される。これら各接続部分では、各高周波デバイス５、６と接続基板７、８とが正確に位置決めされて、互いに密着して接続される。
なお、高周波デバイス５及び６は、金属筐体内に収容されて気密封入されても良い。この場合、接続基板７、８は、金属筐体の内外を、気密を保持したまま貫通するフィードスルーを構成する。

図１（ｂ）に示すように、キャリア２、３は、金属シャーシ１上に載置される。この際、接続基板７、８の一端部は、互いに所定の位置関係をなして離間して配置される。接続基板７、８の一端部は、ＭＳＬにおける高周波信号の伝送方向（線路方向）に対し直交する方向（線路直交方向）に所定の距離ずれたところか、もしくは同じところに位置する。また、接続基板７、８の一端部は、線路方向には各先端が同じ位置で重なるかもしくは僅かに離れたところに配置される。図１（ｂ）では、接続基板７、８の一端部は、ＭＳＬにおける線路直交方向に所定の距離離間し、線路方向には各先端が僅かに離れた状態の図を例示している。
なお、金属シャーシ１は外部回路のグランドに接続され、接地されている。また、キャリア２、３は、金属シャーシ１に接地されている。

図１（ｃ）に示すように、金属カバー４は、１対の対向した壁面４０と、１対の対向した壁面４１とが、底面４６に対して立設して構成される。各壁面と底面とで、凹部４４を構成している。金属カバー４は、金属シャーシ１、キャリア２、及びキャリア３上に配置されて、ねじ止めや半田付けやろう付けによって接合されている。具体的には、キャリア２とキャリア３の間に壁面４０が嵌合して、キャリア２とキャリア３の間で接合面４２が金属シャーシ１の上面に接合され、接合面４３がキャリア２、３の上面に接合される。また、接合面４７がキャリア２、３の側面２５、３５に接合される。金属カバー４が金属シャーシ１、キャリア２及びキャリア３に接合されると、凹部４４と金属シャーシ１の面１１とキャリア２の側面２５及びキャリア３の側面３５とで、導波管９が構成される（凹部４４を含む一点鎖線と点線で囲まれた直方体の領域が、金属シャーシ１、キャリア２、キャリア３に囲まれて導波管９を構成する）。この際、金属カバー４が金属シャーシ１に接地されることより、導波管の短絡面４５ａ、４５ｂが形成される。金属カバー４、金属シャーシ１、キャリア２、及びキャリア３で囲まれて導波管９を構成する部分は、接続基板７、８の一端部を相互接続する接続部１００を構成する。
なお、導波管９は内部が中空であることを前提としている。この導波管内部に誘電体を設けることもできるが、この場合は誘電損失が発生し、通過損失が増加してしまうので、導波管９の内部は中空であることが好ましい。
また、導波管９の開口穴２２、３２を除いた部分には、導波管内を伝搬する電波が外部に漏れ出る隙間がないように、半田付けやろう付け、もしくは導電性接着剤の塗布や充填によって、接合面を電気的に密接に接合させておく。

図２は、導波管９と接続基板７、８との接続部における接続構造を示す断面図であり、図２（ａ）は図１のＡＡ線部分断面を示す。また、図２（ｂ）は図２（ａ）のＢＢ断面図、図２（ｃ）は図２（ｂ）の矢視Ｃから導波管９のＨ面を見た図を示す。なお、図２（ｂ）の矢視Ｃと反対方向の導波管９のＨ面を見た図は、図２（ｃ）と同様の図であるので省略する。
図において、接続基板７は、誘電体基板７ｂの上面にマイクロストリップ線路導体７ａが設けられ、誘電体基板７ｂの下面に接地導体７ｃが設けられている。接続基板８は、誘電体基板８ｂの上面にマイクロストリップ線路導体８ａが設けられ、誘電体基板８ｂの下面に接地導体８ｃが設けられている。導波管９における左右両側の幅広面は、導波管のＨ面を構成し、上下両側の幅狭面は導波管のＥ面を構成している。

導波管９における両側の幅広面では、開口穴２２、３２が導体壁面に開口窓を形成している。この開口窓（開口穴２２、３２）から、それぞれ接続基板７、８が導波管９に挿入される。接続基板７における導波管９内部に突き出した先端部分は、誘電体基板７ｂの裏面部分７ｄはメタライズされていない。同様に、接続基板８における導波管９内部に突き出した先端部分は、誘電体基板８ｂの裏面部分８ｄはメタライズされていない。この先端部分において、マイクロストリップ線路モードから導波管モードに移行する場合のインピーダンス変換が行われる。

上掲したように、導波管９は金属シャーシ１と金属カバー４とキャリア２、３とが接合されて構成される。ここで、金属カバー４の接合面４３とキャリア２、３の上面とが接触した接合面は、導波管９の幅広面のほぼ中央に位置し、導波管９のＥ面と平行に配置されている。また、接続基板７、８の基板面（下面７ｄ、８ｄ）は、Ｅ面と平行になるように配置されている。

一般に、導波管を分割する場合、接合面の間隙から電波が漏れる。
しかし、この分割位置をＨ面における導波管のＥ面に平行な電界最大面となるＥ面分割とすると、漏れが最も少ないことが知られている。
そこで、図２に示した導波管９は、分割位置を幅広面（Ｈ面）のＥ面に平行な中央部、すなわち導波管の電界最大面もしくはその周辺にすることにより、漏れが最も少ない構成となっている。そのため、接続部１００での損失を低減することができる。この際、接続基板７、８の基板面（下面７ｄ、８ｄ）は、導波管の電界最大面もしくはその周辺に配置されている。
また、接続部１００が金属で囲まれているため、放射を低減でき、接続部前後のデバイス間の電波干渉を抑えることが可能である。
なお、開口穴２２、２３は、使用周波数での空間波長をλとした場合、それぞれ導波管のカットオフ周波数を与えるλ／２よりも開口長を小さくする。

接続部１００は、接続基板７、８のＭＳＬと導波管９との間で信号伝送を行うマイクロストリップ線路−導波管変換器を構成し、接続基板７、８を相互接続する接続インターフェースとして機能する。図２（ａ）において、導波管９の内部で、接続基板７のマイクロストリップ線路導体７aと短絡面４５ａとの間は、距離Ｌ１だけ離れて配置されている。
また、接続基板８のマイクロストリップ線路導体８ａと短絡面４５ｂとの間の距離は、距離Ｌ２だけ離れて配置されている。
さらに、接続基板７のマイクロストリップ線路導体７aと接続基板８のマイクロストリップ線路導体８aとは、線路直交方向に所定の距離Ｌ３だけ離れて配置される。ここで、変換器の変換特性は、接続基板７、８の導波管９内部への挿入長の他、上記距離Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３によって決定される。

次に動作について説明する。
高周波デバイス５は接続基板７との間で高周波信号を伝搬する。また、高周波デバイス６は接続基板８との間で高周波信号を伝搬する。接続基板７、８は、導波管９を構成する接続部１００によって接続される。この際、接続基板７のＭＳＬを通じて高周波デバイス５から伝送される高周波信号は、導波管９の内部でマイクロストリップ線路モードから導波管モードにモード変換され、導波管９の内部を導波管モードに変換された電波が伝搬される。さらに、導波管９の内部を伝搬される電波は、接続基板８のＭＳＬに結合して導波管モードからマイクロストリップ線路モードにモード変換され、接続基板８のＭＳＬを通じて高周波デバイス６に伝送される。すなわち、接続部１００の導波管９は、マイクロストリップ線路−導波管変換器と、導波管−マイクロストリップ線路変換器として機能する。このように動作することで、接続基板７、８の接続部１００において、低損失かつ低放射となる接続方法が実現される。

上記実施例として、使用周波数での導波管９の管内波長をλgとした場合、Ｌ１とＬ２の電気長をおよそλg／４とし、Ｌ３の電気長をλg／２とした場合の反射特性の計算結果を図３に示す。図中、縦軸は反射損失、横軸は周波数を示す。
図３において、周波数３３Ｈｚ〜３９Ｈｚの帯域で、反射損失が−２０ｄＢ以下となっており、広帯域に良好な反射特性が得られている。これは、Ｌ１とＬ２の電気長をおよそλg／４、Ｌ３の電気長をλg／２とした場合、導波管９内部の短絡面４５ａと４５ｂの間で、ＴＥ１０２モードの共振波形が生成されることによる。すなわち、この共振波形における電界振幅の最大となる位置に、接続基板７、８のマイクロストリップ線路導体７ａ、８ａが配置されるので、マイクロストリップ線路導体７ａとマイクロストリップ線路導体８ａとが、導波管９を介して効率的に結合することとなる。

このようにして、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の値を最適化し、導波管９内部への接続基板７、８の挿入長を適宜調整することにより、導波管９の遮断周波数以上の周波数で、所望の反射特性を得ることができる。また、この場合、L３はおよそλg／２とすれば良く、導波管の短絡面４５ａと４５ｂ間の距離をλg程度にすればいいので、導波管としても小型な構成が可能である。

なお、ＭＳＬ（接続基板７、８）が載置された異なるキャリア２、３を、金属キャリア１上に接合する際、金属シャーシ１、キャリア２、３の各加工誤差と接合時の組立誤差により、ＭＳＬの一端部同士を正確に位置決めすることはできない。このため、特許文献１のようにＭＳＬ間をワイヤボンディングで接続する方法では、異なるキャリア上のＭＳＬ同士を設計上の規定寸法通りに近接配置させることは難しく、ＭＳＬ間を伝搬する信号電流と接地導体間を伝搬するグランド電流との間で経路差を生じ、接続部で電波放射を生じることは避けられない。加えて、放射された電波が外部回路に結合してしまうという問題も生じてしまう。

しかし、この実施の形態１によれば、接続部１００における導波管９の幅広面に開口穴２２、２３を設け、ＭＳＬを構成した接続基板７、８をこの開口穴２２、２３に挿入することで、ＭＳＬ間を低損失で接続することができる。したがって、ＭＳＬ間の接続において厳しい位置決め精度は必要なく、組立が容易になる。さらに、導波管を構成する閉じられた導体空間の内部でＭＳＬが接続されることから、ＭＳＬ間の信号接続時に放射される電波が、外部に放射されることはなく、況してや高周波デバイス５、６に再結合することもない。

さらに、従来のマイクロストリップ線路−導波管変換器との違いについても述べる。
マイクロストリップ線路と導波管のインターフェース変換については、様々な方法が考えられており、例えば導波管にマイクロストリップ線路を挿入する方法が知られている（例えば、特開平6-140816号公報参照）。この方法では、導波管の管軸を垂直に立てて、導波管の管軸に直交する水平面にＭＳＬを挿入している。
しかし、この方法は、導波管を用いてＭＳＬ同士を電気的に接続することを前提としたものではない。仮に、同方法を使って２つのＭＳＬを接続した場合は、ＭＳＬの接続された２つの導波管同士を、垂直方向に接続する必要がある。これによって、各導波管に接続される各ＭＳＬが異なる面に設置され、接続部が立体的に構成されるので、ＭＳＬに接続された高周波デバイスは同一平面上に配置できなくなる。したがって、この方法では接続部及び回路基板を含めた回路全体を小型化することはできない。

これに対し、この実施の形態１の接続部１００は、同一のシャーシに配置された接続基板７、８を、同一のシャーシに配置された導波管９の開口穴に挿入することで、接続基板７、８を平面的に直接接続することができるので、接続部の小型化を図ることができる。さらに、接続部を含めたシャーシ上の回路全体を小型化することができる。

以上説明したとおり、この実施の形態１に係る回路基板の接続構造によれば、高周波デバイス５に接続されるＭＳＬを有した接続基板７と、接続基板７から離間し、接続基板７のＭＳＬと平行に配置されて高周波デバイス６に接続されるＭＳＬを有した接続基板８と、管内に接続基板７、８の一端部が配置され管外に配置された高周波デバイス５、６側に接続基板７、８の他端部が配置されるとともに両端部が閉口して短絡面を構成する導波管９を構成する接続部１００とを備えて、接続基板７、８の基板面が導波管９のＥ面に平行に配置されたことを特徴としている。
また、導波管９の内壁の幅広面（Ｈ面）に垂直な方向に貫通した開口穴２２、３２を有し、接続基板７、８の一端部は、開口穴２２、３２を通じて導波管９内に突出させている。
また、接続基板７、８の基板面は、導波管９の電界最大面もしくはその周辺に配置している。

このように、金属シャーシ１と金属キャリア２、３と金属カバー４とで構成した導波管９について、導波管部分の幅広面から接続基板７、８のＭＳＬを挿入し、金属キャリア２、３と金属カバー４との分割面を損失の少ないＥ面分割としているので、導波管部分の損失と放射を低減することができる。
また、従来では放射源となっていた、接続基板７、８におけるＭＳＬの接続部分周辺を、導波管を構成する金属で囲っているため、高周波デバイス５、６間の電波干渉を抑制することができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、図２に示したように、接続基板７、８がＭＳＬの線路直交方向に所定の距離離間した例を説明した。この実施の形態２では、図４に示すように、接続基板７、８がＭＳＬの線路直交方向に同じ位置に配置され（すなわち、Ｌ３＝０となり）、接続基板７、８が線路方向に対し僅かに位置ずれして配置した例を示している。

この実施の形態２では、接続基板７と接続基板８を対向させて配置することによって、接続部１００の小型化を図っている。図４において、接続基板７と接続基板８が対向配置される以外は、実施の形態１の図２と同じ構成である。

上記実施例として、Ｌ１とＬ２の電気長をおよそλg／４とした場合の、反射特性の計算結果を図５に示す。図中、縦軸は反射損失、横軸は周波数を示す。
図において、周波数３３．８Ｈｚ〜３４．７Ｈｚの間の約１ＧＨｚ帯域では、反射損失が−２０ｄＢ以下となっており、良好な反射特性が得られている。実施の形態１と比べると、反射特性の良好な帯域が狭くなっているが、比較的狭帯域で利用されるレーダ装置においては、十分な反射特性を得ることができる。

これは、Ｌ１とＬ２の電気長をおよそλg／４としているので、導波管９内部の短絡面４５ａと４５ｂ間で、ＴＥ１０１モードの共振波形が生成されることによる。すなわち、この共振波形における電界振幅の最大となる位置に接続基板７、８のマイクロストリップ線路導体７ａ、８ａが配置されるので、マイクロストリップ線路導体７ａとマイクロストリップ線路導体８ａとが、導波管９を介して効率的に結合することとなる。

この実施の形態２では、導波管９の短絡面４５ａ、４５ｂ間の距離をλg／２に設定できるので、実施の形態１に比べて導波管９を半分の長さに構成でき、接続部の大きさをより小型化することが可能となる。

この発明の実施の形態１による回路基板の接続構造を示す斜視図である。 この発明の実施の形態１による回路基板の接続構造を示す断面図である。 この発明の実施の形態１による接続部の反射特性を示す図である。 この発明の実施の形態２による回路基板の接続構造を示す断面図である。 この発明の実施の形態２による接続部の反射特性を示す図である。

符号の説明

１ 金属シャーシ、２ キャリア、３ キャリア、４ 金属カバー、５ 高周波デバイス（回路基板）、６ 高周波デバイス（回路基板）、７ 接続基板（マイクロストリップ線路を有した第１の誘電体基板）、８ 接続基板（マイクロストリップ線路を有した第２の誘電体基板）、９ 導波管、２２ 開口穴（第１の開口穴）、３２ 開口穴（第２の開口穴）、４５ａ、４５ｂ 短絡面、１００ 接続部。

Claims (5)

1. 回路基板に接続される第１のマイクロストリップ線路を有した第１の誘電体基板と、
   上記第１のマイクロストリップ線路から離間し、上記第１のマイクロストリップ線路と平行に配置されて、他の回路基板に接続される第２のマイクロストリップ線路を有した第２の誘電体基板と、
   管内に上記第１、第２の誘電体基板の一端部が配置され、管外に上記第１、第２の誘電体基板の他端部が配置されるとともに、両端部に短絡面を有した導波管を構成する接続部と、
   を備え、
   上記第１、第２の誘電体基板の基板面が上記導波管のＥ面に平行に配置されたことを特徴とする回路基板の接続構造。
2. 上記導波管内壁の幅広面に垂直な方向に貫通した第１、第２の開口穴を有し、
   上記第１、第２の誘電体基板の一端部は、上記第１、第２の開口穴を通じて上記導波管内に突出したことを特徴とする請求項１記載の回路基板の接続構造。
3. 上記第１、第２の誘電体基板の基板面は、上記導波管の電界最大面もしくはその周辺に配置されたことを特徴とする請求項１もしくは請求項２記載の回路基板の接続構造。
4. 上記第１、第２のマイクロストリップ線路は、線路の垂直方向に互いに離間配置され、この離間した距離が上記導波管の管内波長の２分の１であって、
   上記第１、第２のマイクロストリップ線路は、上記導波管の両端の短絡面からそれぞれ上記導波管の管内波長の４分の１の距離に配置されたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項記載の回路基板の接続構造。
5. 上記第１、第２のマイクロストリップ線路は、一端部が相互に対向して配置されるとともに、
   上記第１、第２のマイクロストリップ線路は、上記導波管の両端の短絡面からそれぞれ上記導波管の管内波長の４分の１の距離に配置されたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項記載の回路基板の接続構造。

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