JP2016208076A - 高周波回路基板 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の課題は、不要波を特定の方向に放射させシールド対策の範囲を限定することによりコンパクトで設計自由度の高い、高周波回路基板を提供することである。【解決手段】本発明に係る高周波回路基板１は、誘電体基板２の表面に形成された伝送線路３と、伝送線路３の端部に形成されたビアホール５と、誘電体基板２の表面に形成された、伝送線路３の端部をＣ形状で囲うＣ型導体部９１を有する導体パターン９と、誘電体基板２の裏面に形成されたグランドパターン１１と、伝送線路３の線路方向の先に共振器を構成するように導体パターン９とグランドパターン１１との間に形成されたスルーホール７（７ａ、７ｂ、７ｃ）と、Ｃ型導体部９１のＣ形状の開放側に設けられた不要波の放射を遮断するシールド１３と、を具備することを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、伝送線路を有する高周波回路基板に関するものであり、特に、不要波対策を施した高周波回路基板に関する。

従来より、ノッチフィルタを構成して、不要波を伝送線路上で減衰・反射させているものがある。例えば特許文献１では、ノッチフィルタとローパスフィルタを用いて、不要波の周波数帯を大きく減衰させ、通過帯域を低損失に通過させる高周波フィルタが開示されている。

特許第５２０３３８９号

しかしながら、特許文献１では、基板から不要波が放射されることについては考慮していない。例えば基板のグランド等が不完全な場合、スタブ等のノッチフィルタの共振特性によって不要波を反射させると、反射成分の一部がコモンモード化してしまう。このコモンモード波は、基板のグランドパターンではシールドできないため、基板から不要波が放出されることになる。

このため、基板から放出される不要波を遮断することが重要となるが、不要波の放射方向の予測、および制御は困難であった為、任意の方向への放射に対処可能な様に基板の多くをシールドケースで覆う必要があり、基板のサイズが大きくなるとともに基板の設計の自由度が低下する問題があった。

本発明は上記した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、不要波を特定の方向に放射させシールド対策の範囲を限定することによりコンパクトで設計自由度の高い、高周波回路基板を提供することである。

課題を解決するための本発明は、誘電体基板の第１の面に形成された信号波を伝送する伝送線路と、前記伝送線路の端部に形成されたビアホールと、前記第１の面に形成された、前記端部をＣ形状で囲うＣ型導体部を有する導体パターンと、前記第１の面と前記誘電体基板を介して対向する第２の面に形成されたグランドパターンと、前記伝送線路の線路方向の先に共振器を構成するように前記導体パターンと前記グランドパターンとの間に形成されたスルーホールと、前記Ｃ型導体部のＣ形状の開放側に設けられた不要波の放射を遮断する電波遮断部と、を具備し、前記共振器によって共振させた不要波を前記Ｃ型導体部のＣ形状の開放側に放射させることを特徴とする高周波回路基板である。

また、前記伝送線路は、第１伝送線路と第２伝送線路とからなる差動伝送線路であり、前記Ｃ型導体部は、前記前記第１伝送線路の端部および前記第２伝送線路の端部の双方をＣ形状で囲うようにしてもよい。

また、前記共振器が、前記伝送線路の線路方向の先に一定の間隔で複数段配置されたスルーホールによって構成されてもよい。

また、前記共振器が、前記伝送線路の線路方向の先に異なる間隔で複数段配置されたスルーホールによって構成されてもよい。

また、前記共振器の共振器長が不要波の波長の１／２となるように前記スルーホールが形成されることが望ましい。

また、前記誘電体基板の不要波の周波数に対する誘電体損が、信号波の周波数よりも大きいことが望ましい。

また、所望とする不要波の除去特性に応じて前記Ｃ型導体部のＣ形状が前記伝送線路の端部を囲う深さ、幅が調整されていることが望ましい。

本発明によれば、不要波を特定の方向に放射させシールド対策の範囲を限定することによりコンパクトで設計自由度の高い、高周波回路基板が提供される。

第１実施形態に係る高周波回路基板１を示す図 第１実施形態に係る高周波回路基板１を示す図 第１実施形態に係る高周波回路基板に設けるシールドを示す概念図 誘電体基板２の裏面に伝わる信号の強度を示す図 第１実施形態に係る高周波回路基板１の変形例を示す図 第２実施形態に係る高周波回路基板１ｂを示す図 第３実施形態に係る高周波回路基板１ｃを示す図 第４実施形態に係る高周波回路基板１ｄを示す図 従来構成の高周波回路基板１０を示す図 不要波の放射特性の解析結果を示す図

以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について説明する。尚、以下の説明及び添付図面において、略同一の機能を有する構成については、同一の符号を付す場合がある。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る高周波回路基板１を示す斜視図であり、図２はその上面図である。図１および図２に示すように、高周波回路基板１は主に、誘電体基板２と、誘電体基板２の表面（−Ｚ側の面）に形成された伝送線路３と、伝送線路３の端部に形成されたビアホール５と、誘電体基板２の表面に形成された導体パターン９と、誘電体基板２の裏面（＋Ｚ側の面）に形成されたグランドパターン１１と、導体パターン９とグランドパターン１１の間に形成されたスルーホール７（７ａ、７ｂ、７ｃ）と、を備える。また図３に示すようにシールド１３が設けられる。

誘電体基板２は、例えば誘電体としてのアルミナ、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ＢＴ樹脂、ＰＰＥ樹脂、テフロン（登録商標）、ＬＴＣＣなどの素材からなる。特に不要波の周波数に対する誘電体基板２の誘電体損が、所望波の周波数に対する誘電体基板２の誘電体損よりも大きい素材であることが望ましい。

伝送線路３は、例えば銅めっき或いは銅箔からなり、誘電体基板２の表面（＋Ｚ側の面）の右端中央から＋Ｘ軸方向に延びるように形成される。この伝送線路３の右端は任意のデバイス（不図示）と電気的に接続されており、このデバイスから伝送線路３へ信号が入力される。

ビアホール５は、伝送線路３の端部に形成される。ビアホール５は、誘電体基板２を垂直方向（Ｚ軸方向）に貫通しており、誘電体基板２の裏面に設けられた任意のデバイス（不図示）と電気的に繋がる。

導体パターン９は、例えば銅めっき或いは銅箔からなり、誘電体基板２の表面（-Ｚ側の面）に形成される。特に本発明の導体パターン９は、伝送線路３の端部をＣ形状で囲うように形成されている。この導体パターン９の特徴部位を特に本発明ではＣ型導体部９１と呼ぶ。
導体パターン９は、スルーホール７（７ａ、７ｂ、７ｃ）を介して、誘電体基板２の裏面に形成されたグランドパターン１１に接続されている。

グランドパターン１１は、誘電体基板２の裏面（＋Ｚ側の面）に形成されている。このグランドパターン１１は、例えば銅又は銅箔からなり、ビアホール５部を除く誘電体基板２の裏面全体を覆っている。

スルーホール７（７ａ、７ｂ、７ｃ）は、図２に示すように、各々が複数のスルーホールから構成される。これらのスルーホール７ａ、７ｂ、７ｃは、導体パターン９とグランドパターン１１との間（誘電体基板２内）に形成される。本発明ではスルーホール７ａ、７ｂ、７ｃによって、伝送線路３の線路方向（＋Ｘ軸方向）の先に共振器を構成する。

スルーホール７ａは、伝送線路３の線路方向（＋Ｘ軸方向）の先に、線路方向と直交する方向（Ｙ軸方向）に配置される。
スルーホール７ｂは、伝送線路３の線路方向（＋Ｘ軸方向）に沿って伝送線路３の両側に２つ配置される。また、不要波がスルーホール７ａよりも左側（＋Ｘ側）に漏れないようにするため、２つのスルーホール７ｂは伝送線路３の線路方向の先でスルーホール７ａを挟むような状態とする。
ここで、スルーホール７ａ、７ｂによってビアホール５から漏入する不要波を良好に閉じ込めるため、スルーホール７ａ、７ｂに含まれる各スルーホール同士の間隔は密な間隔にすることが望ましい。

スルーホール７ｃは、スルーホール７ａよりも伝送線路３側（−Ｘ側）にスルーホール間隔Ｌだけ離れた位置に配置される。ここでスルーホール間隔Ｌ（共振器長）は、不要波に対して基本モードで共振するよう波長の１／２とすることが望ましい。

また、スルーホール７ｃに含まれるスルーホール同士の間隔は、少なくともスルーホール７ａ、７ｂに含まれるスルーホール同士の間隔より疎な間隔にすることが望ましい。これにより、密な間隔で配置されたスルーホール７ａ、７ｂによって閉じ込められた不要波を疎な間隔で配置されたスルーホール７ｃ側に抜け出るようにする。特に本発明では前述したＣ型導体部９１を設けることによって、不要波をＣ型導体部９１のＣ形状の開放側に誘導し、不要波をＣ形状の開放側の方向へ放射させることができる。

図３は、高周波回路基板１に設けるシールド１３（電波遮断部）の配置方向を示す概念図である。図に示すようにＣ型導体部９１の開放側にシールド１３を設ける。なおシールド１３を基板へ固定する手段は任意である。

以上のように構成された高周波回路基板１の作用効果について具体的に述べる。まず、誘電体基板２の表面に形成された伝送線路３に信号が入力され、伝送線路３上を伝送する。そして、当該信号は伝送線路３の端部に形成されたビアホール５を介して電気的に結合された誘電体基板２の裏面の任意のデバイスに伝送される。

このとき、伝送線路３で伝送される信号には所望波とともに不要波が含まれるが、不要波はビアホール５と電磁結合したＣ型導体部９１および裏面のグランドパターン１１とスルーホール７（７ａ、７ｂ、７ｃ）から成る共振器と強く結合する為、誘電体基板２の裏面に繋がるデバイスには伝送されない。すなわち、所望波はビアホール５を介してそのまま誘電体基板２の裏面に繋がるデバイスに伝送される一方、不要波は共振器で共振し伝送線路３側に戻される。これにより、高周波回路基板１の裏面に繋がるデバイスへの伝送を防ぎ、さらに裏面側から不要波が放出されることを防ぐ。

図４は、ビアホール５を介して誘電体基板２の裏面に伝わった信号強度を周波数軸上で示した図である。図４の横軸は周波数（単位：ＧＨｚ）を示し、縦軸は各周波数の信号強度（単位：ｄＢ）を示す。ここで伝送線路３への入力信号の信号強度を０ｄＢとしている（したがって０ｄＢの場合は入力した信号が減衰することなく全て誘電体基板２の裏面に伝わったことを表す）。図４に示すように、不要波の周波数の信号が大きく抑圧されており、不要波を誘電体基板２の裏面にほとんど伝搬させない共振器が形成されていることが分かる。

共振器によって共振した不要波の一部は、誘電体基板２の誘電体損や、共振器を形成する金属の導体損により熱として消費され、残りは伝送線路３に反射される。熱に変換された成分は不要放射に寄与しない為、所望波では誘電体損失が小さく、不要波の周波数で誘電体損が大きい基板材料を選択する事が望ましい。また、反射させた不要波の一部はコモンモード波となり誘電体基板２の表面（−Ｚ側の面）から放射されることになる。このコモンモード波はＣ型導体部９１のＣ形状の開放側に導かれ放射される。すなわちコモンモード波（不要波）は図３に示すように伝送線路３の斜め上方向に放射される。

そして、このコモンモード波（不要波）は、Ｃ型導体部９１のＣ形状の開放側に設けられたシールド１３によってその放射が遮断される。このため、同一基板上の素子や他の外部機器等に影響を与えることを防ぐことができる。

以上、本発明では基板から放射される不要波の放射方向を特定（限定）することができるため、対策が必要な範囲にだけシールドを設ければよい。このため、高周波回路基板の設計の自由度が高まるとともに、高周波回路基板の小型化を実現することが可能となる。

なお、Ｃ型導体部９１は、厳密なＣ形状である必要はなく伝送線路３の端部を囲うような形状であれば何れの形状でもよい。例えばＵ形状で伝送線路３の端部を囲うように形成してもよいし、任意の凹形状で伝送線路３の端部を囲うように形成してもよい。

（変形例）
図５は、第１実施形態に係る高周波回路基板１の変形例を示す図である。符号は図２と同様であるため省略する。図５では、伝送線路３とＣ型導体部９１との電磁結合を、Ｃ型導体部９が伝送線路３の端部を囲う深さＡ、幅Ｂによって適切に調整することにより、不要波の反射特性、放射特性などの不要波の除去特性を所望な状態とすることができる。

深さＡを大きくすると、伝送路３と共振器との結合が強くなり、より効率的にコモンモード波を伝送線路３に戻すことが出来るので、図５の右側への放射の指向性を強くすることができる。また、逆に浅くすると紙面に垂直方向への放射が強くなる。このような深さＡの調整によって、デザイン上の都合によるシールドの配置位置や形状の制約、または不要波に対して敏感なデバイスへの結合を避けるよう指向性を調節する事が出来る。
幅Ｂもまた、伝送路３と共振器の結合強度を変える事ができる。伝送路３の特性インピーダンスと共振器のインピーダンスを幅Ｂでマッチングさせたときに両者の結合は最大となり、良好に不要波除去可能になる。

但しこのとき、深さＡ、幅Ｂの調整によって所望波のインピーダンスがずれる場合がある。このインピーダンスのずれを伝送線路３の線路幅Ｃ、Ｄを調整することによって解消させ、所望波のインピーダンスを整合させる。すなわち、図５の各諸元Ａ〜Ｄを調整することにより、所望波に対する良好な伝達特性と不要波に対する良好な除去特性を同時に得ることができる。

所望波において、深さＡ、幅Ｂは伝送線路３とＧＮＤ間の容量の増大として作用し、伝送線路３のインピーダンス特性をずらしてしまう。この容量の増大によるインピーダンスずれをキャンセルするために、伝送線路３の一部を図中の幅Ｃの様に細くすることで、伝送線路の誘導成分を増している。誘導成分はＣが小さい、またはＤが大きいほど増大する。さらに所望波と不要波は波長が異なる為、長さによる誘導成分の変化は異なる。長さＤを適切な値に調整することで、所望波において容量の増大をキャンセルしかつ、不要波において伝送線路３と共振器を強く結合する様、調節する事が出来る。

［第２実施形態］
図６は、本発明の第２実施形態に係る高周波回路基板１ｂを示す図である。第１実施形態の高周波回路基板１と異なり、伝送線路３が差動伝送線路で構成される。

図６に示すように、差動伝送線路を構成する第１伝送線路３１と第２伝送線路３２が誘電体基板２上に並列して形成される。第１伝送線路３１、第２伝送線路３２は、互いに逆位相の信号１、信号２をそれぞれ伝送する。また、第１伝送線路３１の端部にはビアホール５−１が形成され、第２伝送線路３２の端部にはビアホール５−２が形成される。さらに、Ｃ型導体部９１は、第１伝送線路３１の端部および第２伝送線路３２の端部の双方をＣ形状で囲うように形成される。その他の構成は第１実施形態の高周波回路基板１と略同様である。

第２実施形態では、差動伝送線路を構成する第１伝送線路３１および第２伝送線路を２本束ねてＣ型導体部９１が囲うことにより、例えば２つの伝送線路を別々の導体パターンで囲む場合に比べ、基板スペースを節約することができるとともに不要波対策を行うためのシールド機構等を小型化することができる。

［第３実施形態］
図７は、本発明の第３実施形態に係る高周波回路基板１ｃを示す図である。第１実施形態の高周波回路基板１と異なり、共振器を構成するスルーホール７ａが伝送線路３の線路方向（＋Ｘ軸方向）の先に一定の間隔で複数段並んで配置される。

図７の例では、スルーホール７ａ―１、７ａ―２、７ａ―３が、Ｘ軸方向に一定の間隔（スルーホール間隔Ｌ）で３段配置される。なお、図７の例に限らず、Ｘ軸方向に配置するスルーホール７ａは２段であってもよいし、４段以上であってもよい。

また、スルーホール７ａ―１、７ａ―２に含まれるスルーホールのＹ軸方向の配置間隔は、不要波の波長に対し疎な密度とすることが望ましい。これにより、ビアホール５から漏入した不要波がスルーホール７ａ―１で形成される共振器だけに閉じ込められることを防ぎ、スルーホール７ａ―２、７ａ―３で形成される共振器にも不要波が適度に漏入されるようにする。

第３実施形態によれば、複数の共振器によって不要波を除去するため、誘電体基板２の裏面に伝わる不要波の強度（図４参照）を更に低減させることができる（図４の周波数特性のディップを更に深くできる）。すなわち第３実施形態によれば特定の周波数の不要波の除去性能を最大限に高めることができる。

［第４実施形態］
図８は、本発明の第４実施形態に係る高周波回路基板１ｄを示す図である。第３実施形態の高周波回路基板１ｃと異なり、共振器を構成するスルーホール７ａが伝送線路３の線路方向（＋Ｘ軸方向）の先に異なる間隔で複数段並んで配置される。

図８の例では、スルーホール７ａ―１、７ａ―２、７ａ―３が、それぞれＸ軸方向に異なる間隔（スルーホール間隔）Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３で配置される。このように異なるスルーホール間隔で共振器を形成することによって、複数の周波数に
対して不要波の除去を行うことができる。

＜実施例＞
本発明の高周波回路基板１と、従来構成の高周波回路基板１０と、の不要波の放射特性の比較解析を行った。
図９は、従来構成の高周波回路基板１０を示す図である。図に示すように、従来構成の高周波回路基板１０は、本発明の高周波回路基板１と異なり、伝送線路３ｅの途中にスタブ４０（オープンスタブ）を設けることで不要波の除去を行う。一方、スルーホール７０ａは本発明とは異なり共振器を形成しないような配置となっている。

図１０は従来構成と本発明の構成での不要波の放射特性の違いが分りやすい様、不要波を遮断するシールドを除いた場合の解析結果を示す図である。図１０（ａ）は、図９の従来構成の高周波回路基板１０における放射特性の解析結果であり、不要波のＺＸ面での指向性（放射方向とその強さ）を表す。図１０の中心が、図９の誘電体基板２０の表面（−Ｚ側の面）におけるビアホール５０の中心に相当する。図に示すように、不要波が伝送線路３０より上方（−Ｚ軸方向）の全方位に向かって略一様な強さで放射されている。このように従来構成の高周波回路基板１０においてはあらゆる方向に不要波が放射されるため、基板上の広範囲に亘ってシールドを設ける必要がある。

一方、図１０（ｂ）は、本発明の高周波回路基板１における放射特性の解析結果である。図１０（ａ）の場合と同様にＺＸ面での指向性（放射方向とその強さ）を解析している。図に示すように、不要波が主に伝送線路３の−Ｘ方向（図の右方向）に向かって放射されていることが分かる。すなわち、Ｃ型導体部９１のＣ形状の開放側に向かって不要波が放射される。このように本発明に係る高周波回路基板１においては、従来構成の高周波回路基板１０と異なり、不要波を特定の放射方向（範囲）に放射させることが可能である。このため、前述したように、不要波が放射する特定の方向（範囲）にだけシールドを設けるだけで済み、従来の高周波回路基板と比べて高周波回路基板の設計の自由度が高まるとともに、高周波回路基板の小型化を実現することが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら、本発明に係る高周波回路基板の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、本願で開示した技術的思想の範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１、１ｂ〜１ｄ；本発明の高周波回路基板
１０；従来構成の高周波回路基板
２；誘電体基板
３；伝送線路
５、５−１、５−２；ビアホール
７、７ａ、７ａ−１〜７ａ−３、
７ｂ、７ｃ；スルーホール
９；導体パターン
９１；Ｃ型導体部
１１；グランドパターン
１３；シールド（電波遮断部）
Ｌ、Ｌ１〜Ｌ３；スルーホール間隔

Claims (8)

1. 誘電体基板の第１の面に形成された信号波を伝送する伝送線路と、
   前記伝送線路の端部に形成されたビアホールと、
   前記第１の面に形成された、前記端部をＣ形状で囲うＣ型導体部を有する導体パターンと、
   前記第１の面と前記誘電体基板を介して対向する第２の面に形成されたグランドパターンと、
   前記伝送線路の線路方向の先に共振器を構成するように前記導体パターンと前記グランドパターンとの間に形成されたスルーホールと、
   前記Ｃ型導体部のＣ形状の開放側に設けられた不要波の放射を遮断する電波遮断部と、
   を具備することを特徴とする高周波回路基板。
2. 前記伝送線路は、第１伝送線路と第２伝送線路とからなる差動伝送線路であり、
   前記Ｃ型導体部は、前記前記第１伝送線路の端部および前記第２伝送線路の端部の双方を一つのＣ形状で囲う
   ことを特徴とする請求項１に記載の高周波回路基板。
3. 前記共振器が、前記伝送線路の線路方向の先に一定の間隔で複数段配置されたスルーホールによって構成される
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の高周波回路基板。
4. 前記共振器が、前記伝送線路の線路方向の先に異なる間隔で複数段配置されたスルーホールによって構成される
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の高周波回路基板。
5. 前記共振器の共振器長が不要波の波長の１／２となるように前記スルーホールが形成される
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の高周波回路基板。
6. 前記誘電体基板の不要波の周波数に対する誘電体損が、信号波の周波数に対する誘電体損よりも大きい
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の高周波回路基板。
7. 所望とする不要波の除去特性に応じて前記Ｃ型導体部のＣ形状が前記伝送線路の端部を囲う深さ、幅が調整されている
   ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の高周波回路基板。
8. 所望波のインピーダンスが整合するように前記伝送線路の線路幅が調整されている
   ことを特徴とする請求項７に記載の高周波回路基板。
   
   

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