JP2010166126A - 高周波送受信モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 雑音指数の劣化や送信電力の低下を生ずることのない高周波送受信モジュールを提供する。
【解決手段】 高周波を増幅する２系統の単位増幅器と、２系統の単位増幅器の入力側に高周波を入力する第１のハイブリッド回路と、単位増幅器で増幅された高周波を電力合成する第２のハイブリッド回路と、第２のハイブリッド回路の出力を送信時に送信信号として外部に送出する外部端子と、２系統の単位スイッチ回路を有し、この２系統の単位スイッチ回路の入力側に電力分配した受信信号を入力する第３のハイブリッド回路を設置し、単位スイッチ回路を通過した受信信号を電力合成する第４のハイブリッド回路を設置した送受信切替回路と、第１のハイブリッド回路及び第２のハイブリッド回路を基台を介して第３のハイブリッド回路及び第４のハイブリッド回路と対向配置させるようにした。
【選択図】 図２

Description

この発明は、レーダ装置やＥＣＭ装置のアクティブフェーズドアレー型のアンテナ装置などに用いられる高周波送受信モジュールに関するものである。

送受信モジュールの構成としては、特表２００２−５２７９７１号公報図１に記載されているような、半導体チップの実装キャビティを備え、一方の面に高周波半導体回路を、他方の面に論理回路／電源回路等の半導体を実装し、小型化を図ったものが開示されている。

また、シールド効果や放熱性を高めるために、特開２００４−１２８２８８号公報図２に記載されているような、半導体チップの直下に金属部材を設け、高周波のモジュールの部材へ半導体素子が発生する熱を伝導させる構造の半導体装置が開示されている。

特表２００２−５２７９７１号公報（第１図） 特開２００４−１２８２８８号公報（第２図）

ところで、ＥＣＭ装置用アクティブフェーズドアレーアンテナ用送受信モジュールに代表される広帯域な送受信モジュールでは、高出力増幅回路や送受信切替回路等の大電力を扱うデバイスを、ランゲカプラのような広帯域な９０°ハイブリッド回路によって挟まれたバランス型とする必要があり、９０°ハイブリッド回路の物理的寸法は、使用される最低周波数で決定されるため、幅の広いデバイスとなる。また、アクティブフェーズドアレーアンテナでは、使用される最高周波数によって放射素子の物理的な間隔が決定されるため、放射素子の後方に接続される送受信モジュールに対しても、小型で細長い形状のモジュールが要求される。

しかし、特許文献１に記載の送受信モジュールのでは、表面に高周波回路部品を実装することを前提としており、送受信共に、９０°ハイブリッド回路で挟んだ回路で構成した場合、両者を素子アンテナに接近して配置することは困難である。したがって、送信用の高出力増幅器を素子アンテナに接近して配置し、受信部入力に設ける送受信切替回路を増幅器の後ろに配置する、又はその逆に配置するなどの実装上の工夫が必要となり、送信電力や受信の雑音指数劣化の原因となるという課題があった。

また、特許文献２に記載のものでは、電磁シールド対策や放熱を高めることに対して言及されているが、９０°ハイブリッド回路などの詳細については言及されていない。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、雑音指数の劣化や送信電力の低下を生ずることのない高周波送受信モジュールを提供することを目的とする。

請求項１に係る発明の高周波送受信モジュールは、基台を有する筐体と、高周波信号を増幅する２系統の単位増幅器と、この２系統の単位増幅器の入力側に電力分配した高周波信号を入力する第１のハイブリッド回路と、前記単位増幅器で増幅された高周波信号を電力合成する第２のハイブリッド回路と、この第２のハイブリッド回路の出力を送信時に送信信号として外部に送出する外部端子と、伝送線路を介して両側にダイオードスイッチを設けた２系統の単位スイッチ回路を有し、この２系統の単位スイッチ回路の入力側に電力分配した受信時の受信信号を入力する第３のハイブリッド回路を設置すると共に前記単位スイッチ回路のスイッチング動作により通過した受信信号を電力合成する第４のハイブリッド回路を設置した送受信切替回路と、この送受信切替回路の出力側に接続され、受信信号を増幅する受信信号増幅器とを備え、前記第１のハイブリッド回路及び前記第２のハイブリッド回路を前記基台を介して前記第３のハイブリッド回路及び前記第４のハイブリッド回路と対向配置したものである。

請求項２に係る高周波送受信モジュールは、前記伝送線路の一端側に設けられたダイオードスイッチと他端側に設けられたダイオードスイッチとは、前記筐体の立壁により仕切られている請求項１に記載のものである。

請求項３に係る発明の高周波送受信モジュールは、前記基台は積層されたセラミック部材からなり、前記基台の内層に電源配線パターンが施されている請求項１又は２に記載のものである。

請求項１に記載の発明によれば、高出力増幅回路を基台の表面に設置し、送受信切替回路を基台の裏面に設置し、それぞれに使用される９０°ハイブリッド回路を基台を介して表裏に対向配置させたので、外部端子からの距離をそれぞれ等距離に配置することが可能となり、雑音指数の劣化や送信電力の低下を生ずることのない安定した高周波送受信モジュールを得る効果がある。

請求項２に記載の発明によれば、伝送線路に対して入力側に設けたダイオードスイッチと出力側に設けたダイオードスイッチとをパッケージの立壁で仕切り（間仕切り）することで２つの分離したキャビティ構造となり、送受信切替回路のスイッチィングなどによるスパイク雑音やクロストークに対する相互干渉を防止できる効果がある。

請求項３に記載の発明によれば、パッケージの部材として積層されたセラミック部材を用いるので、セラミック部材の内層に各回路を駆動させるバイアス線路や制御線路などのパターンを配線するので集積化された小型で細長の高周波送受信モジュールを得る効果がある。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１について、図１を用いて説明する。図１は、この発明の実施の形態１による高周波送受信モジュールの構造図である。図１において、１は単位高出力増幅器（高出力増幅回路）であり、１ａ、１ｂは個々の単位高出力増幅器を示す。２は９０°ハイブリッド回路（ハイブリッド回路）であり、２ａは入力側ハイブリッド回路（第１のハイブリッド回路）、２ｂは出力側ハイブリッド回路（第２のハイブリッド回路）を示す。

３は単位高出力増幅器１及び９０°ハイブリッド回路２を収納するベース（基台）を有するパッケージ（筐体）、４は送受信信号の伝送方向を非可逆的に切り替えるサーキュレータ、５はアンテナと接続するアンテナ接続コネクタ（外部端子）、６は受信信号を増幅する低雑音増幅器（受信信号増幅器）、７は送信信号を増幅する前置増幅器、８は低雑音増幅器６で増幅された受信信号をさらに増幅する受信用後段増幅器、９は送受信信号を切り替える移相器スイッチモジュール、１０は電源制御基板、１１は給電回路接続コネクタ、１２は電源制御コネクタ、１３は高周波送受信モジュール内の送受信信号を２回路に分岐させて伝送させる電力分配器である。したがって、送受信部を対とした高周波線路を細長のケース内に２回路収納した構成としている。図中、同一符号は、同一又は相当部分を示す。

図２は、この発明の実施の形態１による高周波送受信モジュールのブロック構成図である。図２において、１４は送受信信号に対応してサーキュレータ４を通過した信号を切り替える大電力切り替え用の送受信切替回路（大電力スイッチ回路）である。図中、図１と同一符号は、同一又は相当部分を示す。

図３は、この発明の実施の形態１による高周波送受信モジュールの単位高出力増幅器を収納するパッケージ内の回路構成図である。図３において、１５は前置増幅器７の出力を入力する入力端子、１６は単位高出力増幅器１で増幅された信号を出力する出力端子、１７は終端器であり、１７ａは入力側ハイブリッド２ａ用の終端器、１７ｂは出力側ハイブリッド２ｂ用の終端器である。終端器１７は、回路インピーダンスに応じて設定され、通常は５０Ωの抵抗値で設定する。図中、図１と同一符号は、同一又は相当部分を示す。

なお、動作最低周波数と最高周波数の比が２〜３倍、例えば２〜４ＧＨｚあるいは、２〜６ＧＨｚといった広帯域の動作周波数で使用可能な高出力の増幅器を構成するには、９０°ハイブリッド回路２を用いたバランス型増幅器とすることが効果的であり、増幅する信号周波数の最低周波数により、９０°ハイブリッド回路２ａ、２ｂの物理的サイズが決まる。

図４は、この発明の実施の形態１による高周波送受信モジュールの大電力スイッチ回路の構成を説明する図である。図４において、１８はスイッチング素子として動作するダイオード回路であり、１８ａ〜１８ｄは個々のダイオード回路である。一般的にはシャント接続されたＰＩＮダイオードが用いられ、送受信指示信号（図示せず）に基づいてスイッチング動作をする。１９はスイッチング動作するダイオード間の定在波を相殺するため、９０°に線路長を設定された９０°伝送線路（伝送線路）であり、１９ａ、１９ｂは個々の９０°伝送線路を示す。

２０は受信信号を入力する入力端子、２１は受信信号を出力する出力端子、２２は終端器であり、２２ａ、２２ｂは個々の終端器を示す。２３は９０°ハイブリッド回路（ハイブリッド回路）であり、２３ａは入力側ハイブリッド回路（第３のハイブリッド回路）、２３ｂは出力側ハイブリッド回路（第４のハイブリッド回路）を示す。なお、伝送線路１９を介して両側にダイオードスイッチ１８を設けた２系統の回路を単位スイッチ回路と称する。

また、図４では、入力端子２０を入力側とし、出力端子２１を出力側として説明したが、大電力スイッチ回路（送受信切替回路）１４は可逆性があるので、逆方向の端子から受信信号を入力して説明する場合には、入力側ハイブリッド回路２３ａが出力側となり、出力側ハイブリッド回路２３がは入力側とすることは自明である。

図５は、この発明の実施の形態１による高周波送受信モジュールの単位高出力増幅器を収納するパッケージ内の回路構成を説明する平面図である。図５において、１０１は単位高出力増幅器１の電力増幅を行うＷＢＧ（Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄ Ｇａｐ）やＦＥＴトランジスタなどの半導体チップで構成した能動素子であり、１０１ａ、１０１ｂは個々の能動素子である。１０２は能動素子１０１の出力インピーダンスを整合する出力整合回路基板（出力整合回路）であり、１０２ａ、１０２ｂは個々の出力整合基板を示す。１０３は能動素子１０１の入力側インピーダンスを整合する入力整合回路基板（入力整合回路）であり、１０３ａ、１０３ｂは個々の入力整合回路を示す。図中、図３と同一符号は、同一又は相当部分を示す。なお、能動素子１０１、出力整合回路１０２及び入力整合回路１０３を含めて高出力増幅回路とも呼ぶ。

図６は、この発明の実施の形態１による高周波送受信モジュールの大電力スイッチ回路の単位高出力増幅器１を収納するパッケージ側から見た回路構成を説明する透視平面図である。大電力スイッチ回路１４は高出力増幅回路を収納するパッケージ内３の反対面（裏面）に対向して設けられる。図中、図４と同一符号は、同一又は相当部分を示す。

大電力スイッチ回路１４においても、単位高出力増幅器１と同様に、広帯域の動作特性を実現するには、バランス型のスイッチ回路とすることが効果的であり、通過する信号周波数の最低周波数により、９０°ハイブリッド回路２３ａ、２３ｂの物理的サイズが決まる。

図７は、この発明の実施の形態１による高周波送受信モジュールの図５及び図６に示すパッケージ領域のＡ−Ａ断面図である。図７において、３０はパッケージ３のベース部（基台）、３１はパッケージ３の立壁、３２はパッケージ３の蓋、３３はパッケージ３の大電力スイッチ回路１４側の立壁であり、いずれも金属で構成される。半導体チップで構成される能動素子１０１ａはパッケージ３のベース（基台）３０と固定され、パッケージ３は増幅時の能動素子１０１ａから発生するジュール熱を放散する役目を担う。図中、図５及び図６と同一符号は、同一又は相当部分を示す。

単位高出力増幅器１及び９０°ハイブリッド回路２と、大電力スイッチ回路１４はパッケージ３のベース部３０を介して隔離される。９０°ハイブリッド２ａはハイブリッド回路２３ａと対向して配置される。また、９０°ハイブリッド２ｂはハイブリッド回路２３ｂと対向して配置される。

したがって、この発明の高周波送受信モジュールにおいては、発熱体である、能動素子１０１ａ、１０１ｂの裏面に、高出力増幅器１を収納するパッケージ３のベース部３０を残し、かつ、９０°ハイブリッド回路２ａ、２ｂと９０°ハイブリッド回路２３ａ、２３ｂの相似性に着目し、高出力増幅回路の裏面に９０°ハイブリッド回路２３ａ、２３ｂを有する大電力スイッチを配置したことを特徴としている。

すなわち、第１のハイブリッド回路及び第２のハイブリッド回路を基台３０を介して第３のハイブリッド回路及び第４のハイブリッド回路と対向配置している。

能動素子１０１ａ、１０１ｂは、パッケージ３の立壁３１とパッケージ３の蓋３２による密閉空間に設置されるので外部と電磁的に遮蔽されるのでスプリアスによる雑音指数は改善される。また、大電力スイッチ用の９０°ハイブリッド回路２３ａ、２３ｂおよびダイオード回路１８ａ〜１８ｄはパッケージ３の裏面に設けられた立壁３３により形成された２つの開口領域に収納されるので、大電力スイッチ用の９０°ハイブリッド回路２３ａ、２３ｂ及びダイオード回路１８ａ〜１８ｄがケース部材と干渉することを防止し、スイッチングによるクロストークやスパイクノイズによる雑音指数に対する影響も軽減される。

次に大電力スイッチ回路の配置について説明する。例えば、図８に示すように片面側で高周波回路部分をすべて配置したモジュールの構造では、送受信モジュールの幅方向の制約から、高出力増幅回路１と大電力スイッチ１４０とを対向して配置することは困難である。例えば、パッケージ３をアンテナ接続コネクタ５側に、大電力スイッチ１４０を給電回路接続コネクタ１１側に接続せざるを得ない。そのため、大電力スイッチ１４０自体の損失に加え、大電力スイッチ１４０までの配線損失による送受信モジュールとしての雑音指数の劣化が生ずる。図８では、大電力スイッチ１４０を給電回路接続コネクタ１１側に配置した形態で示したが、図８の構成とは逆に、大電力スイッチ１４０をアンテナ接続コネクタ５側に、高出力増幅器１を給電回路接続コネクタ１１側に配置した場合には、雑音指数の劣化を生じることは少ない代わりに高出力増幅回路１からアンテナ接続コネクタ５までの配線損失による送信電力の低下が生じる。

これに対して、この発明の実施の形態１では大電力スイッチ回路１４と高出力増幅回路１とをアンテナ接続コネクタ５と等距離に接近して配置することで雑音指数の劣化や送信電力の低下を防ぐ高周波送受信モジュールを構成することが可能となる。

実施の形態２．
実施の形態１では、パッケージに金属を用いて説明したが、実施の形態２では、パッケージに誘電体を用いた場合について図９を用いて説明する。図９は、この発明の実施の形態２による高周波送受信モジュールの断面図である。図９において３００はセラミック積層部材を用いたセラミックパッケージ（パッケージ）である。図中、図７と同一符号は、同一又は相当部分を示す。また、動作などは実施の形態１で説明したものと同一であるため説明を省略する。

以上から蓋３２を除き積層されたパッケージ３００のベース部が能動素子１０１ａ、１０１ｂの直下に配置され、積層部分の内部にバイアス配線（電源配線）パターンや制御回路のパターンを配置することにより、実施の形態１と比較してさらに小型のパッケージにすることが可能となる。セラミックス部材でパッケージを構成することにより他のガラス材や、プラスチック材に比べて熱伝導率が大きいので放熱性も確保できる。また、アルミや鉄材を用い周囲を絶縁塗布した積層基板や熱伝導率の高いプリプレグを積層した積層基板であってもパッケージとして相応の効果を奏する。

以上のように、この発明によれば、とりわけ、最低周波数と最高周波数の比が２以上となるような広帯域周波数領域における安定動作を要求されるレーダやＥＣＭ装置などのアクティブフェーズドアレー型のアンテナ装置に用いられ、細長形状で小型でありながら高い送信電力でも低雑音指数を達成可能にした高周波送受信モジュールであり、アンテナ装置としての性能も大幅に向上する。

この発明の実施の形態１による高周波送受信モジュールの構造図である。 この発明の実施の形態１による高周波送受信モジュールのブロック構成図である。 この発明の実施の形態１による高周波送受信モジュールの単位高出力増幅器を収納するパッケージ内の回路構成図である。 この発明の実施の形態１による高周波送受信モジュールの大電力スイッチ回路の構成を説明する図である。 この発明の実施の形態１による高周波送受信モジュールの単位高出力増幅器を収納するパッケージ内の回路構成を説明する平面図である。 この発明の実施の形態１による高周波送受信モジュールの大電力スイッチ回路の単位高出力増幅器１を収納するパッケージ側から見た回路構成を説明する平面図である。 この発明の実施の形態１による高周波送受信モジュールの図５及び図６に示すパッケージ領域のＡ−Ａ断面図である。 比較する送受信モジュールの構成図である。 この発明の実施の形態２による高周波送受信モジュールの断面図である。

１・・単位高出力増幅器（高出力増幅回路）
１ａ・・個々の高出力増幅器 １ｂ・・個々の高出力増幅器
１ａ、ｂ 単位高出力増幅器
２・・９０°ハイブリット回路（ハイブリッド回路）
２ａ・・入力側ハイブリッド ２ｂ・・出力側ハイブリッド
３・・パッケージ ４・・サーキュレータ ５・・アンテナ接続コネクタ(外部端子)
６・・低雑音増幅器（受信信号増幅器） ７・・前置増幅器 ８・・受信用後段増幅器
９・・移相器スイッチモジュール １０・・電源制御御基板
１１・・給電回路接続コネクタ １２・・電源制御コネクタ １３・・電力分配器
１４・・送受切り替え用の大電力スイッチ（大電力スイッチ回路）
１５・・入力端子
１６・・出力端子
１７・・終端器 １７ａ・・個々の終端器 １７ｂ・・個々の終端器
１８・・ダイオード回路
１８ａ・・個々のダイオード回路 １８ｂ・・個々のダイオード回路
１８ｃ・・個々のダイオード回路 １８ｄ・・個々のダイオード回路
１９・・９０°伝送線路
１９ａ・・個々の９０°伝送線路 １９ｂ・・個々の９０°伝送線路
２０・・大電力スイッチ回路の入力端子
２１・・大電力スイッチ回路の出力端子
２２ａ、ｂ 終端器
２３・・９０°ハイブリッド回路（ハイブリッド回路）
２３ａ・・個々のハイブリッド回路 ２３ｂ・・個々のハイブリッド回路
３０・・ベース部(基台) ３１・・立壁 ３２・・蓋
３３・・大電力スイッチ回路側の立壁
１０１・・能動素子（半導体チップ）
１０１ａ・・個々の能動素子 １０１ｂ・・個々の能動素子
１０２・・出力整合回路（出力整合基板）
１０２ａ・・個々の出力整合回路 １０２ｂ・・個々の出力整合回路
１０３・・入力整合回路（入力整合基板）
１０３ａ・・個々の入力整合回路 １０３ｂ・・個々の入力整合回路
３００・・セラミックパッケージ

Claims (3)

1. 基台を有する筐体と、高周波信号を増幅する２系統の単位増幅器と、この２系統の単位増幅器の入力側に電力分配した高周波信号を入力する第１のハイブリッド回路と、前記単位増幅器で増幅された高周波信号を電力合成する第２のハイブリッド回路と、この第２のハイブリッド回路の出力を送信時に送信信号として外部に送出する外部端子と、伝送線路を介して両側にダイオードスイッチを設けた２系統の単位スイッチ回路を有し、この２系統の単位スイッチ回路の入力側に電力分配した受信時の受信信号を入力する第３のハイブリッド回路を設置すると共に前記単位スイッチ回路のスイッチング動作により通過した受信信号を電力合成する第４のハイブリッド回路を設置した送受信切替回路と、この送受信切替回路の出力側に接続され、受信信号を増幅する受信信号増幅器とを備え、前記第１のハイブリッド回路及び前記第２のハイブリッド回路を前記基台を介して前記第３のハイブリッド回路及び前記第４のハイブリッド回路と対向配置した高周波送受信モジュール。
2. 前記伝送線路の一端側に設けられたダイオードスイッチと他端側に設けられたダイオードスイッチとは、前記筐体の立壁により仕切られている請求項１に記載の高周波送受信モジュール。
3. 前記基台は積層されたセラミック部材からなり、前記基台の内層に電源配線パターンが施されている請求項１又は２に記載の高周波送受信モジュール。

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