JP2010177618A

JP2010177618A - 高周波モジュール

Info

Publication number: JP2010177618A
Application number: JP2009021392A
Authority: JP
Inventors: Takao Morimoto; 卓男森本; Hiroshi Ikematsu; 寛池松
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-02-02
Filing date: 2009-02-02
Publication date: 2010-08-12
Anticipated expiration: 2029-02-02
Also published as: JP5093137B2

Abstract

【課題】高周波伝送損失や不要な輻射を除去すると共に熱放散の良い小型の高周波モジュールを提供する。
【解決手段】半導体１と、半導体１を載置する多層基板２と、多層基板２上に設置された金属枠体３と、金属枠体３の上部に設けた蓋４と、多層基板２のパターンの一部が露出するように開口部を設けた金属キャリア５と、金属キャリア５を一方の面で固定し、開口部に対向して設けた開口された第１の導波管端子６ａを有する第１のベースプレート６と、一方の面が第１のベースプレート６の他方の面と重ね合わせて固定され、他方の面に第１の導波管端子６ａと対向する位置から離間した位置に開口された第２の導波管端子７ｂを有する第２のベースプレート７と、第２の導波管端子７ｂを介して給電され、第２のベースプレート７の他方の面と重ね合わせて設置したアンテナパターン８ａを形成した基板８とを備えるようにした。
【選択図】図２

Description

この発明はマイクロ波帯域やミリ波帯域で用いられる高周波モジュールに関する。

従来、高周波モジュール構成は、導波管端子を有したメタルパッケージ、もしくはセラミックなどの多層基板で構成されたパッケージ、フィードスルー、導波管フィルタ、ホーンアンテナなどで構成されるのが一般的であった。

例えば、特開２００４−２５４０６８号公報図８（特許文献１参照）には、多層誘電体基板２に搭載された能動素子からアンテナ素子まで信号を伝送する方法として、樹脂基板５に導波管端子６を設け、導波管端子６に対応した樹脂基板５上にアンテナ素子２７を搭載した高周波送受信モジュールが開示されている。

また、特開２００６−２６１７６７号公報図５（特許文献２参照）には、半導体素子３２を載置した樹脂基材２６の裏面に高周波信号用バンプ３４、グランド用バンプ３５を形成し、アダプタ４０を介してアンテナモジュール４５に接続した高周波モジュールが開示されている。

特開２００４−２５４０６８号公報（第８図）特開２００６−２６１７６７号公報（第５図）

しかしながら特許文献１に記載のものでは、樹脂基板５上にアンテナ素子２７を搭載するのでアンテナ素子２７の取付け面積が小さくなるという課題があった。

特許文献２に記載のものでは、半導体素子３２の裏面に接続端子を多数配置し、半田バンプを介して樹脂基材接続するので、半導体素子３２の発熱により半導体素子３２から樹脂基材への熱伝導が十分ではなく、熱放散しにくいという課題があった。

ミリ波帯におけるＭＭＩＣなどの半導体が搭載された高周波パッケージでは、高周波パッケージから出力される不要な信号を除去するためのフィルタ回路や分配器・合成回路などをパッケージ内部に搭載すると、多層誘電体基板で構成されたパッケージの誘電体損の影響により、回路損失が増大するためパッケージ外部に設けた導波管回路で構成するのが一般的であるが導波管フィルタや、ホーンアンテナを使用するとモジュールが大型化しするという問題もあった。

この発明は上記のような課題を解消するためになされたものであり、高周波伝送損失や不要な輻射を除去すると共に熱放散の良い小型の高周波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モジュールは、半導体増幅器と、この半導体増幅器を載置し、少なくとも前記半導体増幅器に接続された入出力パターンを有する多層基板と、この多層基板上に設置され、前記半導体増幅器を包囲する立壁状の金属枠体と、この金属枠体の上部に設けた前記半導体増幅器を密閉する蓋と、前記多層基板のパターンの一部が露出するように開口部を設けた前記多層基板を支持する金属キャリアと、この金属キャリアを一方の面で固定し、前記開口部に対向して設けた開口された第１の導波管端子を有する第１のベースプレートと、一方の面が前記第１のベースプレートの他方の面と重ね合わせて固定され、他方の面に前記第１の導波管端子と対向する位置から離間した位置に開口された第２の導波管端子を有する第２のベースプレートと、前記第２の導波管端子を介して給電され、前記第２のベースプレートの他方の面と重ね合わせて設置したアンテナパターンを形成した基板とを備え、前記第１の導波管端子と前記第２の導波管端子との間に位置する前記第１のベースプレート及び前記第２のベースプレートのそれぞれに切り欠き部を設けて空間領域を形成し高周波が通過する導波路としたものである。

請求項２に係る発明の高周波モジュールは、前記切り欠き部には高周波が通過する方向に凹凸部を設け、前記導波路をフィルタ回路とした請求項１に記載のものである。

請求項３に係る発明の高周波モジュールは、前記第１のベースプレートと前記第２のベースプレートとの切り欠き部の厚みは均等である請求項１又は２に記載のものである。

請求項４に係る発明の高周波モジュールは、前記導波路は分岐端子を有する分配回路である請求項１乃至３のいずれか１項に記載のものである。

請求項１に記載の高周波モジュールによれば、金属製の第１のベースプレート及び第２のベースプレートの切り欠き部を重ね合わせることで導波管９は折り曲げられ、第２のベースプレートに重ねて基板による平面アンテナパターンを大面積で配置するので熱放散の良い、小型で高性能の高周波モジュールを得る効果がある。

請求項２に記載の高周波モジュールによれば、導波管内部の切り欠き部に凸凹を設けたので高インダクタンスのフィルタ回路を搭載することで、不要波の除去や伝送線路の低損失化が可能となる効果がある。

請求項３に記載の高周波モジュールによれば、第１のベースプレートと第２のベースプレートとの切り欠き部の厚みを均等にしたので重ね合わせ部に微小の隙間があっても損失の少ない安定した伝送経路を確保できる。

請求項４に記載の高周波モジュールによれば、導波路に複数の分岐端子を設けたので、各アレイアンテナが延在していても選択的に効率良く電力を配分できる効果がある。

この発明の実施の形態１による高周波モジュールの展開構成図である。この発明の実施の形態１による高周波モジュールの断面図である。この発明の実施の形態２による高周波モジュールの展開構成図である。アンテナパターンの説明図である。

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による高周波モジュールの展開構成図である。図１において、１はＷＢＧ（ＷｉｄｅＢａｎｄＧａｐ）素子などを用いた発熱を有する半導体（半導体増幅器）、２は半導体増幅器を載置する多層基板、３は多層基板２の金属枠体、４は内部を密閉空間とする金属又は絶縁性の蓋、５は開口部を有する金属キャリア、５ａは金属キャリア５に設けられた高周波信号（電力）を送受するための開口部、６は金属キャリア５を支持する金属製の第１のベースプレートであり、金属キャリア５との接合面の反対面（裏面）に切り欠き部を有する。６ａは第１のベースプレート６に設けられた貫通する導波管端子（第１の導波管端子）、７は一方の面で第１のベースプレート６と重ね合わせられる金属製の第２のベースプレートであり、第１のベースプレート６と重ね合わせる面に切り欠き部を有する。７ａは第２のベースプレート７に設けられた切り欠き部である。８は誘電体基板（基板）であり、８ａは誘電体基板８の全面に形成された平面アンテナパターン領域（アンテナパターン）を示す。

図２は、この発明の実施の形態１による高周波モジュールの断面図である。図２において、６ｂは第１のベースプレート６の裏面に形成した切り欠き部、７ｂは第２のベースプレート７の裏面に設けられた貫通する導波管端子（第２の導波管端子）である。９は重ね合わされた第１のベースプレート６と第２のベースプレート７との導波管端子を含む切り欠き部６ｂ、７ａで構成された導波路であり、９ａは導波路９に設けられた切り欠き部６ｂ、７ａで構成した凸凹部である。図中、図１と同一符号は、同一又は相当部分を示す。

次に構成の詳細について説明する。図１及び図２において、多層基板２、金属枠体３、蓋４及びキャリア５で高周波パッケージを構成し、高周波パッケージには半導体増幅器１や半導体増幅器１の入出力部に接続された入出力パターンを含む高周波回路が形成されている。また、高周波パッケージの内部は半導体増幅器１を包囲するように立壁状の金属枠体３が設置され、金属枠体３は多層基板２の表面と半田付けまたはロー付けなどにより固定される。金属枠体３上部には半導体増幅器１を密閉するように蓋４が設置される。

金属キャリア５の開口部５ａは一部多層基板２のパターンの一部が露出する位置にあり、対向する位置に設けられた導波管端子（第１の導波管端子）６ａで高周波パッケージの高周波回路の出力はカップリングし、導波管内伝送モードに移行する。第２のベースプレート７の導波管端子（第２の導波管端子）７ｂはアンテナパターン８ａの給電点となる。導波管端子６ａと導波管端子７ｂとの空間領域で形成された導波路９で導波管伝送線路を構成する。すなわち、第２のベースプレート７の第１の導波管端子６ａと対向する位置から離間した位置に開口された第２の導波管端子７ｂがあり、この間で導波管回路（導波路）９が形成される。導波路９には切り欠き部６ｂ、７ａで構成した空間領域の高周波が通過する方向に凸凹部が付加され、高周波パッケージ側から出力された高調波や通過帯域外の不要波を阻止するフィルタ回路（導波管フィルタ）９ａが構成されている。

次に動作について説明する。第１のベースプレート６にネジ止め、接着、もしくは半田付けなどで固定された高周波パッケージはパッケージ外部からの制御信号を受け、内部に搭載された半導体増幅器１を動作させ、送信時には高周波パッケージに入力された高周波信号を増幅し、金属キャリア５に形成された開口部５ａより高周波信号を出力し、第１のベースプレート６及び第２のベースプレート７で形成された導波管回路９へ入力する。高周波電力は回路が導波管構成となっているので高周波パッケージ内部に回路を形成する場合に比べて電力損失を低減して伝送する。

また、第１のベースプレート６及び第２のベースプレート７で分割されている導波路９は電界面で導波管の中心で分割することにより、重ね合わせ時に生じる微小な隙間の影響による伝送損失を低減する役目を担う。すなわち、第１のベースプレート６及び第２のベースプレート７のそれぞれの伝送方向と直交する厚み方向に均等な切り欠き部６ｂ及び７ａの厚みとし、これを高周波が通過する導波路９とすることで電力損失を軽減する。

第１のベースプレート６及び第２のベースプレート７の内部に配置された導波路９に入力された送信電力信号は第２の導波管端子７ｂより基板８のアンテナパターン８ａに給電され、アンテナパターン８ａから外部に放射される。

さらにフィルタ回路９ａを付加する場合には、高周波パッケージと導波管端子６ａとの間、導波管端子７ｂとアンテナパターン８ａとの間に生じる微小な隙間の影響による伝送損失を軽減する役目も果たす。すなわち、導波管端子６ａと導波管端子７ｂとの間に凸凹部を設けることでチョーク構造を形成し、不要波の阻止に加えて隙間によって生じる伝送損失を低減させる。

また、導波路９を分割した第１のベースプレート６と第２のベースプレート７の内部に折り曲げて配置することになるので導波路９は導波管構成であるにも係らず小型の構成となり、アンテナに誘電体基板８を用いた平面アンテナを配備することになるのでさらに小型の高周波モジュール構成となる。

以上からこの発明の実施の形態１によれば、第１のベースプレート６及び第２のベースプレート７の切り欠き部を重ね合わせることで導波管９は折り曲げられ、導波路９内部に凸凹部９ａを設けることにより高周波パッケージから出力される不要波を抑圧し、第２のベースプレート７に重ねて平面アンテナパターン８ａを大面積で配置することが可能になり、結果、小型で高性能の高周波モジュールを得る効果がある。

さらに金属製のキャリア５やベースプレート６、７を用いることで高周波パッケージ内部の半導体増幅器１が発する熱をベースプレート６，７側へ効率よく熱伝導させることが可能となる。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２について図３を用いて説明する。図３は、この発明の実施の形態２による高周波モジュールの展開構成図である。図３において、１０は実施の形態１で説明した高周波パッケージ、６０は第１のベースプレート、６０ａは第１の導波管端子(第１の導波管端子)、７０は第２のベースプレート、７０ａは切り欠き部、７０ｂは第１の導波管端子６０ａから入力された高周波信号が切り欠き部７０ａで分岐され分配電力となった分岐出力端子（第２の導波管端子）である。第１のベースプレート６０にも第２のベースプレート７０ａに対向してきり欠き部があり（図示せず）、ベースプレート６０、７０の内部には導波管回路による分配回路(可逆性があるので合成回路とも呼ぶ)を構成する。図中、図１と同一符号は、同一又は相当部分を示す。

図４はアンテナパターンを示したものであり、８ｂは基板８に設けた溝であり、第２のベースプレート７０の各分岐出力端子７０ｂと対応する基板８側の給電点を示す。８ｃは第２の導波管端子７０ｂ相互とアンテナパターン８ａとのインピーダンス整合用の抵抗器であり、アンテナパターン同様にプリント印刷されている。８ｄは基板８の裏面に設置された地導体（グランドプレーン）である。図中、図２と同一符号は、同一又は相当部分を示す。

次に動作について説明する。高周波パッケージ１０はパッケージ外部からの制御信号を受け、内部に搭載された半導体増幅器１を動作させ、高周波パッケージ１０に入力された高周波信号を増幅し、導波管端子６０ａより高周波信号を出力し、第１のベースプレート６０及び第２のベースプレート７０で形成された分配回路へ入力する。高周波信号は回路が導波管で形成されているため、高周波パッケージ１０内部に回路を形成することに比べて電力損失を低減して伝送する。分配回路で分岐された高周波信号は各分岐出力端子７０ｂから基板８の給電点８ｂを介してマイクロストリップライン構成の多数のアレイアンテナに高周波電力を送出する。

なお、実施の形態１〜２では、第１のベースプレートと第２のベースプレートは、金属を用いたが、分割するベースプレートを樹脂成形にて製造し、表面を金属メッキをすることで、その内部に樹脂導波管を形成することにより、ベースプレートを金属で構成するよりも軽量化を図ることも可能である。

１・・半導体増幅器（半導体）２・・多層基板３・・金属枠体４・・蓋
５・・金属キャリア５ａ・・開口部
６・・第１のベースプレート６ａ・・第１の導波管端子６ｂ・・切り欠き部
７・・第２のベースプレート７ａ・・切り欠き部７ｂ・・第２の導波管端子
８・・基板８ａ・・アンテナパターン８ｂ・・給電点８ｃ・・抵抗器
８ｄ・・地導体
９・・導波路９ａ・・フィルタ回路
１０・・高周波パッケージ
６０・・第１のベースプレート６０ａ・・第１の導波管端子
７０・・第２のベースプレート７０ａ・・切り欠き部
７０ｂ・・分岐出力端子（第２の導波管端子）

Claims

半導体増幅器と、この半導体増幅器を載置し、少なくとも前記半導体増幅器に接続された入出力パターンを有する多層基板と、この多層基板上に設置され、前記半導体増幅器を包囲する立壁状の金属枠体と、この金属枠体の上部に設けた前記半導体増幅器を密閉する蓋と、前記多層基板のパターンの一部が露出するように開口部を設けた前記多層基板を支持する金属キャリアと、この金属キャリアを一方の面で固定し、前記開口部に対向して設けた開口された第１の導波管端子を有する第１のベースプレートと、一方の面が前記第１のベースプレートの他方の面と重ね合わせて固定され、他方の面に前記第１の導波管端子と対向する位置から離間した位置に開口された第２の導波管端子を有する第２のベースプレートと、前記第２の導波管端子を介して給電され、前記第２のベースプレートの他方の面と重ね合わせて設置したアンテナパターンを形成した基板とを備え、前記第１の導波管端子と前記第２の導波管端子との間に位置する前記第１のベースプレート及び前記第２のベースプレートのそれぞれに切り欠き部を設けて空間領域を形成し高周波が通過する導波路とした高周波モジュール。
前記切り欠き部には高周波が通過する方向に凹凸部を設け、前記導波路をフィルタ回路とした請求項１に記載の高周波モジュール。
前記第１のベースプレートと前記第２のベースプレートとの切り欠き部の厚みは均等である請求項１又は２に記載の高周波モジュール。
前記導波路は分岐端子を有する分配回路である請求項１乃至３のいずれか１項に記載の高周波モジュール。