JP2011066695A - 高周波回路装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回路基板の一方の面に高周波モジュールを実装し、回路基板の他方の面に金属導波管を接続する高周波回路装置において、高周波信号を伝送する際に、回路基板の持つ誘電率と誘電損失の影響を受けないようにした高周波回路装置を提供する。
【解決手段】回路基板の一方の面に高周波モジュールが実装され、回路基板の他方の面に導波管接続用の金属部材が取り付けられた高周波回路装置を、前記導波管接続用の金属部材には第１の貫通穴が設けられており、該貫通穴は、金属部材の導波管と接続される側の面に、接続される導波管の断面形状及び大きさと同一の形状及び大きさの第１の開口を有し、前記金属部材の回路基板と接続される側の面に第２の開口を有し、前記回路基板には、前記金属部材の第２の開口と同一の形状及び大きさの第２の貫通穴が設けられており、前記回路基板の第２の貫通穴が、高周波モジュールの送受信部に対応して設けられるよう構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロ波帯およびミリ波帯で用いられる高周波信号（３ＧＨｚ〜３００ＧＨｚ）を、導波管を用いて送受信する高周波回路装置に関するものである

マイクロ波帯およびミリ波帯において、低損失な伝送線路である導波管は、送受信アンテナとの間の入出力インターフェースとして広く用いられている。例えば、準ミリ波帯以上の移動無線端末や映像伝送等に用いられる高周波回路装置の低損失化と広帯域化と小型化とを実現する構造に関する技術が、下記の特許文献１（特開２００７-００６１９８公報）に開示されている。特許文献１に開示されている技術は、接地用の金属筐体の中に、高周波回路を形成する半導体と誘電体基板と金属電極と接地用金属電極の伝送線路を設け、金属筐体に設けた導波管と同一寸法の角穴から導波管に高周波信号を取り出すものである。

特開２００７-００６１９８公報

上記特許文献１における半導体と誘電体基板等は、大量生産が可能な高周波モジュールとして、セラミック材料をパッケージ母材に使用したセラミックパッケージに封入することができる。このようなセラミックパッケージ等で形成した表面実装型の高周波モジュールの入出力インターフェースに金属導波管を用いる場合において、回路基板の一方の面に高周波モジュールを実装し、回路基板の他方の面に金属導波管を接続することが考えられる。この場合、高周波モジュールと回路基板と金属導波管の間で高周波信号を伝送することになるので、回路基板の持つ誘電率と誘電損失の影響を受けることになる。
本発明の目的は、回路基板の一方の面に高周波モジュールを実装し、回路基板の他方の面に金属導波管を接続する高周波回路装置において、高周波信号を伝送する際に、回路基板の持つ誘電率と誘電損失の影響を受けないようにした高周波回路装置を提供することにある。

前記課題を解決するため、本発明においては、回路基板の一方の面に高周波モジュールを実装し、回路基板の他方の面に金属導波管を接続する高周波回路装置において、回路基板に、高周波信号を伝送するための貫通穴を設け、回路基板の持つ誘電率と誘電損失の影響を受けないようにするものである。
本発明の代表的な構成は、次のとおりである。
回路基板の一方の面に高周波モジュールが実装され、回路基板の他方の面に導波管接続用の金属部材が取り付けられた高周波回路装置であって、
前記導波管接続用の金属部材には第１の貫通穴が設けられており、該貫通穴は、金属部材の導波管と接続される側の面に第１の開口を有し、前記金属部材の回路基板と接続される側の面に第２の開口を有し、
前記回路基板には、前記金属部材の第２の開口と同一の形状及び大きさの第２の貫通穴が設けられており、
前記回路基板の第２の貫通穴が、高周波モジュールの送受信部に対応して設けられていることを特徴とする高周波回路装置。

本発明の構成によれば、前記第１の開口に金属導波管を接続して、高周波モジュールと回路基板と金属導波管の間で高周波信号を伝送する際、回路基板の持つ誘電率と誘電損失の影響を受けないようにすることができる。

なお、上記の本発明の構成において、前記金属部材の第１の開口と第２の開口の形状及び大きさを同一とすることも可能である。このようにすると、前記金属部材を加工することが容易となる。
また、上記の本発明の構成において、前記金属部材の第１の開口と第２の開口の形状及び大きさを異なったものとすることが可能である。このようにすると、前記金属部材に接続する導波管として標準規格の導波管を使用することが容易となる。
また、上記の本発明の構成において、前記金属部材の第１の貫通穴の形状を階段状とすることも可能である。このようにすると、前記金属部材の厚さを小さくすることが容易となる。

本発明の高周波回路装置の構成例を示す図である。 本発明の高周波モジュールの実装面の例を示す図である。 本発明の高周波回路装置の導波管接続面の例を示す図である。 本発明の第１実施例における高周波回路装置の断面構造を示す図である。 本発明の第１実施例における高周波回路装置の断面構造を示す図である。 本発明の第２実施例における高周波回路装置の断面構造を示す図である。 本発明の第２実施例における高周波回路装置の断面構造を示す図である。 本発明の第３実施例における高周波回路装置の断面構造を示す図である。 本発明の第３実施例における高周波回路装置の断面構造を示す図である。 本発明の第３実施例における高周波回路装置の断面構造を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。
図１は、本発明の高周波回路装置１００の構成例を示す図であり、また、実装方法を示す図である。図１において、１は、送信回路機能および受信回路機能を有する高周波モジュール、２は回路基板である。３は金属部材であり、本実施の形態では金属性の装置筐体である。本実施の形態の高周波回路装置１００は、高周波モジュール１、回路基板２、装置筐体３から構成されている。装置筐体３には、例えば、送受信アンテナとの間の入出力インターフェースとしての導波管（図示せず）が取り付けられ接続される。高周波モジュール１は、表面実装技術により、回路基板２上に実装される。高周波モジュール１が実装された回路基板２は、装置筐体３に取り付けられ固定される。

高周波モジュール１において、５は、１種類の半導体基板の上に、トランジスタ等の能動素子や、抵抗、容量、インダクタンス等の受動素子を集積しているＭＭＩＣ（モノリシック マイクロ波集積回路）チップである。６は、ＭＭＩＣチップ５と後述する導波管との間で高周波信号を受け渡す送受信部である誘電体基板である。４は、ＭＭＩＣチップ５や誘電体基板６等を、その内部に収容するセラミック製のモジュールパッケージである。７は、ＭＭＩＣチップ５と回路基板２との間で信号や電力を受け渡すための、モジュールパッケージ４の電極パッドである。ＭＭＩＣチップ５上の電極（図示せず）は、モジュールパッケージ４の電極パッド７に、ワイヤボンディングされている。この電極パッド７のそれぞれは、後述する図２のモジュールパッケージ４の裏面（実装面）の端子８のそれぞれと導通する。このように、高周波モジュール１には、モジュールパッケージ４の内部に、ＭＭＩＣチップ５や誘電体基板６等が実装されている。９は、ＭＭＩＣチップ５等の各種部品を実装したモジュールパッケージ４を封止するための封止蓋である。

回路基板２において、１１は、前記モジュールパッケージ４の実装面の端子８と接続するための接続パターンであり、高周波モジュール１内の回路素子と、回路基板２内の回路素子（図示せず）との間で、信号や電力を受け渡すためのものである。図１の回路基板２には、高周波モジュール１の実装部分近傍だけを示している。１２は、接地（ＧＮＤ）面である。１３は、高周波モジュール１の送受信部である誘電体基板６の位置に対応して設けられている貫通穴であり、スルーホールとして形成され、貫通穴１３の内側は導体であり、ＧＮＤ面１２と導通している。したがって、貫通穴１３は、導波管として機能し、高周波モジュール１と金属部材３に取り付けられる導波管との間で送受される高周波信号を通過させるものである。貫通穴１３は、後述するモジュールパッケージ４の裏面（実装面）の導波管接続パターン１０と接続される。すなわち、貫通穴１３の外郭と導波管接続パターン１０の外郭が一致するように、回路基板２に高周波モジュール１が実装される。

装置筐体３において、１４は、前記回路基板２の貫通穴１３と接続される貫通穴であり、高周波モジュール１と導波管との間で送受される高周波信号を通過させるものである。貫通穴１４における回路基板２側の開口の形状及び大きさは、貫通穴１３の形状及び大きさと同じであり、貫通穴１４における回路基板２側の開口の長辺１４ａと短辺１４ｂの寸法は、それぞれ、貫通穴１３の長辺１３ａと短辺１３ｂの寸法と同じである。貫通穴１４における回路基板２側の開口の長辺１４ａと短辺１４ｂが、それぞれ、貫通穴１３の長辺１３ａと短辺１３ｂに一致するように、回路基板２は、装置筐体３に固定される。以上により、貫通穴１３と貫通穴１４は、導波管として機能する。

図２は、高周波モジュール１の実装面の例を示す図であり、図１の高周波モジュール１の裏面を示している。図２において、８は、前記モジュールパッケージ４の電極パッド７と導通する端子である。１０は、前記回路基板２の貫通穴１３と接続される導波管接続パターンである。導波管接続パターン１０の形状及び大きさは、貫通穴１３の形状及び大きさと同じであり、導波管接続パターン１０の長辺１０ａと短辺１０ｂの寸法は、それぞれ、貫通穴１３の長辺１３ａと短辺１３ｂの寸法と同じである。導波管接続パターン１０の長辺１０ａと短辺１０ｂが、それぞれ、貫通穴１３の長辺１３ａと短辺１３ｂに一致するように、高周波モジュール１は、回路基板２に実装される。２２は、ＧＮＤ面である。導波管接続パターン１０は、ＧＮＤ面２２の一部を切り欠くようにして形成されている。

なお、導波管の伝送モードと、モジュールパッケージ４内部のＭＭＩＣチップ５等の平面回路の伝送モードは異なるため、それぞれの構造の伝送モードを効率良く変換するためのモード変換構造が必要である。このモード変換構造の例としては、特開２００８−１９３１６１“マイクロストリップ線路−導波管変換器”、特開２００８−１９３１６２“マイクロストリップ線路-導波管変換器”等がある。図１の高周波モジュールも、このような変換構造が内蔵されており、モジュールパッケージ４の裏面には図２のような導波管接続パターン１０が施されている。

図３は、図１の高周波モジュール１、回路基板２、装置筐体３の実装後に、装置筐体３を裏面から見た図である。装置筐体３には、標準規格の導波管断面寸法を採用した導波管フランジ１５が設けられ、外部から標準規格の導波管寸法を持つ汎用の導波管付きアンテナ等を接続することができる。つまり、導波管フランジ１５は、接続される導波管の断面形状及び大きさと同一の形状及び大きさである。導波管フランジ１５の周囲の黒丸は、導波管を取り付ける際に用いる螺子穴や位置合わせピンである。標準規格の矩形導波管は、導波管断面の長辺と短辺の比は約２：１とされている。
装置筐体３には、標準規格の導波管が直接接続可能なことが望ましいが、回路基板２の貫通穴１３及び高周波モジュール１の導波管接続パターン１０は、必ずしも標準規格（断面寸法比２：１）である必要はない。種々の導波管寸法を持った高周波モジュール１、回路基板２、装置筐体３を接続する方法について、以下に説明する。
なお、以下の実施例では、使用する導波管は矩形導波管を想定しているが、本発明は、矩形導波管に限定されるものではなく、円形導波管等にも適用できる。

（第１実施例）
第１実施例は、高周波モジュール１の導波管接続パターン１０が、標準規格の導波管寸法（断面寸法比２：１）となるように設けられている場合である。回路基板２には、標準規格の導波管寸法になるように、矩形のスルーホールにより貫通穴１３が形成される。
第１実施例を、図４（ａ）、図４（ｂ）を用いて説明する。図４（ａ）、（ｂ）は、第１実施例における高周波回路装置１００の断面構造を示す図であり、高周波モジュール１の導波管接続パターン１０、回路基板２の貫通穴１３、および装置筐体３の貫通穴１４の形状及び大きさは同一である。図４（ａ）は、図３のＡ−Ａから見た、切断断面図である。図４（ｂ）は、図３のＢ−Ｂから見た、切断断面図である。高周波モジュール１及び回路基板２内には、それぞれ複数個のスルーホール１７、１８が存在している。図４（ａ）、図４（ｂ）における１９は、貫通穴１３のスルーホールを構成する導体を示す。

第１実施例の場合は、高周波モジュール１の導波管接続パターン１０、回路基板２の貫通穴１３、および装置筐体３の貫通穴１４の断面形状及び大きさが同一であり、高周波モジュール１の導波管接続パターン１０の開口と回路基板２の貫通穴１３の開口、及び回路基板２の貫通穴１３の開口と装置筐体３の貫通穴１４における回路基板２側の開口が、それぞれ一致するように取り付けられ接続される。

このように、回路基板２に貫通穴１３を開けているので、導波管伝送モードにおいて、回路基板２の誘電体の影響を受けることがない。これにより、導波管伝送モードを乱さず、かつ誘電体損失を発生させずに高周波モジュール１と装置筐体３を接続することができる。また、高周波モジュール１の導波管接続パターン１０は、標準規格の導波管寸法（断面寸法比２：１）となるように設けられているので、装置筐体３の加工が容易となり、標準規格の導波管を使用することが容易となる。

（第２実施例）
第２実施例は、高周波モジュール１の導波管接続パターン１０が、標準規格（断面寸法比２：１）とは異なり、標準規格の導波管寸法に比べ、長辺の長さは同じだが、短辺の長さを短くした形であり、その断面寸法比は、長辺：短辺=６：１程度である場合である。
第２実施例を、図５（ａ）、図５（ｂ）を用いて説明する。図５（ａ）、図５（ｂ）は、第２実施例における高周波回路装置１００の断面構造を示す図である。図５（ａ）は、図３のＡ−Ａから見た、切断断面図である。図５（ｂ）は、図３のＢ−Ｂから見た、切断断面図である。

第２実施例の場合は、高周波モジュール１の導波管接続パターン１０と、回路基板２の貫通穴１３の形状及び大きさが同一となるように、回路基板２には、寸法比が長辺：短辺=６：１程度になるように、矩形の貫通スルーホールにより貫通穴１３が形成されている。また、高周波モジュール１の導波管接続パターン１０の開口と回路基板２の貫通穴１３の開口が一致するように接続される。
また、回路基板２の貫通穴１３（断面寸法比６：１）を、装置筐体３の貫通穴１４により、装置筐体３に形成される標準規格の導波管フランジ１５（断面寸法比２：１）に接続する。回路基板２の貫通穴１３と、装置筐体３の貫通穴１４は、いずれも導波管として機能する。
ところで、断面寸法比の異なる導波管は特性インピーダンスが異なるため、直接接続するとインピーダンスの不整合を招き、伝送特性の劣化が顕著となる。そのため、適切なインピーダンス変換構造が必要となる。そこで、回路基板２の貫通穴１３を、装置筐体３の標準規格の導波管フランジ１５につなぐために、装置筐体３の貫通穴１４を、図５（ｂ）に示すように、貫通穴１４の長辺の長さは変わらないが、短辺の長さが次第に大きくなるようなテーパ状の貫通穴１６となるよう形成する。これにより、断面寸法比の異なる導波管を接続することが可能となる。図５（ａ）、図５（ｂ）に示すように、貫通穴１６の長辺は、装置筐体３の両面において同一寸法であり、貫通穴１６の短辺は、装置筐体３における回路基板２側の面の長さよりも、装置筐体３における導波管フランジ１５側の面の長さが、長くなっている。

このように、第２実施例においても、回路基板２に貫通穴１３を開けるので、導波管伝送モードにおいて、回路基板２の誘電体の影響を受けることがない。これにより、導波管伝送モードを乱さず、かつ誘電体損失を発生させずに高周波モジュール１と装置筐体３をつなぐことができる。

（第３実施例）
第２実施例で用いたテーパ状の貫通穴１６のような、テーパ導波管によるインピーダンス変換構造は、伝送方向に数波長分の導波管長さを必要とするため、装置筐体３が厚くなる傾向にある。そこで、インピーダンス変換構造に４分の１波長インピーダンス変換器を用いた構造を、第３実施例として図６（ａ）、図６（ｂ）、図６（ｃ）に示す。
まず、図６（ａ）、図６（ｂ）を用いて説明する。第３実施例は、第２実施例と同様に、高周波モジュール１の導波管接続パターン１０が、標準規格（断面寸法比２：１）とは異なり、標準規格の導波管寸法に比べ、長辺の長さは同じだが、短辺の長さを短くした形であり、その断面寸法比は、長辺：短辺=６：１程度である場合である。図６（ａ）、図６（ｂ）は、第３実施例における高周波回路装置１００の断面構造を示す図である。図６（ａ）は、図３のＡ−Ａから見た、切断断面図である。図６（ｂ）は、図３のＢ−Ｂから見た、切断断面図である。

第３実施例の場合も、第２実施例と同様に、高周波モジュール１の導波管接続パターン１０と、回路基板２の貫通穴１３の形状及び大きさが同一となるように、回路基板２には、寸法比が長辺：短辺=６：１程度になるように、矩形の貫通スルーホールにより貫通穴１３が形成されている。また、高周波モジュール１の導波管接続パターン１０の開口と回路基板２の貫通穴１３の開口が一致するように接続される。

図６（ｂ）に示すように、装置筐体３の貫通穴１４の短辺の長さは、回路基板２側から順に、回路基板２の貫通穴１３の短辺の長さと同じｂ２、ｂ２よりも長いｂ３、ｂ３よりも長いｂ１の３段階で変化している。ｂ１は、標準規格導波管の短辺の長さである。このとき、４分の１波長インピーダンス変換構造の短辺の長さｂ３は、次式で求められる。
ｂ３＝（ｂ１×ｂ２）^１／２
また、４分の１波長インピーダンス変換構造の伝送方向の長さＬ１は、次式で求められる
Ｌ１＝λｇ／４(λgは管内波長)
このように、高周波モジュール1の導波管接続パターン１０が、標準規格（断面寸法比２：１）とは異なる場合であっても、装置筐体３を厚くせず標準規格の導波管へインピーダンス変換し接続することが可能となる。
なお、図６（ｂ）における長さＬ２の導波管部分を省略し、図６（ｃ）のように長さＬ１の４分の１波長インピーダンス変換構造を、直接、回路基板２に接続すれば、更に装置筐体３を薄くすることも可能である。図６（ｃ）に示すように、装置筐体３の貫通穴１４の短辺の長さは、回路基板２側から順に、回路基板２の貫通穴１３の短辺の長さであるｂ２よりも長いｂ３、ｂ３よりも長いｂ１の２段階で変化している。ｂ１は、標準規格導波管の短辺の長さである。

このように、第３実施例においても、回路基板２に貫通穴１３を開けるので、導波管伝送モードにおいて、回路基板２の誘電体の影響を受けることがない。これにより、導波管伝送モードを乱さず、かつ誘電体損失を発生させずに高周波モジュール１と装置筐体３をつなぐことができる。

１：高周波モジュール、２：回路基板、３：装置筐体、４：モジュールパッケージ、５：ＭＭＩＣチップ、６：誘電体基板、７：電極パッド、８：端子、９：封止蓋、１０：導波管接続パターン、１１：接続パターン、１２：ＧＮＤ面、１３：貫通穴、１４：貫通穴、１５：導波管フランジ、１６：貫通穴、１７：スルーホール、１８：スルーホール、２２：ＧＮＤ面。

Claims (1)

1. 回路基板の一方の面に高周波モジュールが実装され、回路基板の他方の面に導波管接続用の金属部材が取り付けられた高周波回路装置であって、
   前記導波管接続用の金属部材には第１の貫通穴が設けられており、該貫通穴は、金属部材の導波管と接続される側の面に第１の開口を有し、前記金属部材の回路基板と接続される側の面に第２の開口を有し、
   前記回路基板には、前記金属部材の第２の開口と同一の形状及び大きさの第２の貫通穴が設けられており、
   前記回路基板の第２の貫通穴が、高周波モジュールの送受信部に対応して設けられていることを特徴とする高周波回路装置。

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