JP3513081B2

JP3513081B2 - 接続構造及びその接続構造における周波数調整方法

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Publication number: JP3513081B2
Application number: JP2000153801A
Authority: JP
Inventors: 尚田村; 尚己渥美; 宏之新井; 源泉
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 2000-05-24
Filing date: 2000-05-24
Publication date: 2004-03-31
Anticipated expiration: 2020-05-24
Also published as: US20020000902A1; JP2001339208A; US6515561B2

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、接続構造及びその
接続構造における周波数調整方法に関するもので、より
具体的には、マイクロ波やミリ波帯の回路の接続構造の
改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、一つの電気機器にあっては、各
種の回路やデバイスを組み合わせることにより構成され
る。実際に機器内に回路を実装する一つの手段として
は、上記各種回路ごとにプリント基板を形成し、その各
プリント基板をスペーサ等を介してマザーボード上に配
置し、各プリント基板とマザーボード上の回路とを接続
するようにしていたものがある。

【０００３】各プリント基板とマザーボード（プリント
基板）との接続や、デバイスとの接続をする場合、従来
は、ワイヤーやリボン等の金属性の接続部材を用い、接
続する回路等の端子間に、それぞれ接続部材の両端を半
田や超音波などにより電気・機械的に接続することによ
り、端子間の導通をとるようにしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た接続部材を用いた従来の接続構造では、以下に示す問
題を有している。すなわち、波長の短いマイクロ波やミ
リ波の領域で上記した接続部材を用いて接続すると、接
続部材の長さや形状さらにはその接続部材を端子に密着
する際の半田量や、接続位置などによっても回路定数が
変化し、伝送状態を不安定にする要因となる。

【０００５】さらに、上記した原因にともない所望の回
路特性が得られなかった場合には、接続部材や半田の一
部を除去したり、補助部材をつけるなどの各種の特性調
整処理を行う必要があるが、この特性調整処理は経験に
頼るものが多く、煩雑である。従って、均一な製品を多
量に製造するものには適さない。

【０００６】さらに、端子と接続部材を密着させている
ため、例えば、製造後に回路構成やデバイスの変更をす
る必要が生じた場合には、接続部材を一旦切断して個々
のプリント基板等に分離し、交換するプリント基板等を
接続部材で接続することになる。このように切断処理を
するため、交換作業が容易に行えない。

【０００７】また、切断した接続部材の切断片を綺麗に
除去しないと、その残った切断片が回路特性に悪影響を
与えるおそれがある。さらに、接続部材を密着する際
や、切断片の除去の際の加熱等により回路パターンの形
状・寸法変化や、回路パターンの剥離などを生じるおそ
れがある。

【０００８】本発明は、上記した背景に鑑みてなされた
もので、その目的とするところは、上記した問題を解決
し、マイクロ波／ミリ波等の高周波用の回路において、
組み立て精度や寸法精度がさほど要求されず、容易に回
路要素間の接続を採ることができ、また、接続後の部品
交換を容易に行えるとともに、交換時に起こりうる接続
状態の変動を抑制し、温度変化に対しても安定で、回路
上のデバイスを保護することのできる非接触の接続構造
及びその接続構造における周波数調整方法を提供するこ
とにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ため、本発明に係る接続構造は、上面に導体膜からなる
伝送線路（実施の形態では、「ストリップライン４ａ，
４ｂ」に対応）が形成された誘電体基板を備えた第１，
第２の高周波回路要素（実施の形態では、「第１，第２
回路基板２，３」に対応）同士の接続構造を前提とす
る。前記第１，第２の高周波回路要素は、一定の間隔を
おいて配置され、前記上面には、前記伝送線路に連続し
て共振器を構成する接続端子パターン（実施の形態で
は、「パッチ部５ａ，５ｂ」に対応）が形成され、前記
第１の高周波回路要素に形成した前記接続端子パターン
の上面には、支持部材を設置する。その支持部材により
誘電体からなる寄生素子を片持ち支持させるとともに、
前記寄生素子の自由端側は前記第２の高周波回路素子に
形成した前記接続端子パターンの上方に所定の空間をお
いて配置されるように構成した（請求項１）。

【００１０】ここで、高周波回路要素は、文字通り高周
波回路に使用する要素であり、具体的に例示すると、プ
リント基板などの回路基板や、デバイスなどがある。ま
た、本発明で言う高周波は、例えばマイクロ波やミリ波
等であり、さらにそれ以上の高周波であっても良い。

【００１１】実験した結果、上記のように寄生素子を支
持部材で片持ち支持させ、寄生素子の両端が接続対象の
両接続パターンの情報に重なるように配置すると、広帯
域でインピーダンスマッチングがとれ、高周波領域での
良好な接続状態を発揮することができる。これは、接続
端子パターン（共振器）と、寄生素子が電磁的に結合す
ることにより、高周波信号が伝播されると言える。

【００１２】回路要素を構成する回路間及び回路とデバ
イス間を接続する場合、各々の加工公差と組み付け公差
から設計時に設定した隙間で全てを組み付けることは困
難である。よって、要素間の隙間は、ばらつく。本発明
では、寄生素子を用いることにより、結合が強くなり、
通過帯域も広帯域になるので、多少の隙間間隔の変動が
あっても安定した伝送状態を確保できる。

【００１３】さらに、寄生素子は、少なくとも自由端側
は、接続端子パターンとの間で空間が形成されるので、
両者間にキャパシタが構成されることになる。よって、
回路上に静電気，サージ等の異常電位が伝搬されて来て
も、本発明の接続構造の部分で遮断され、それよりも後
段へ伝播することはない。さらに、第２高周波回路要素
と、寄生素子とが固定されていないことから、特に、第
２高周波回路要素側の交換が簡単に行える。

【００１４】さらにまた、寄生素子は、片持ち支持され
第２の高周波回路要素とは直接固定されていないので、
例えば、温度変化にともなう熱収縮時に発生する応力に
よって導体膜からなる伝送線路（回路パターン）が剥離
することもない。

【００１５】支持部材の誘電率は高いものでも良いが、
好ましくは、前記支持部材は、低誘電率材料で構成する
ことである（請求項２）。ここで低誘電率材料は、ま
ず、誘電体基板の誘電率よりも低いことを意味する。さ
らに、一般的に低誘電率材料と称されるものも含み、誘
電率が１より大きく３以下程度のものが良い。

【００１６】低誘電率材料にすることにより、その支持
部材における損失を減少することができる。寄生素子の
片側が低誘電率材料で固定しているとともに、寄生素子
と接続端子パターンとが電磁的に強結合状態にあること
から回路及びデバイスの組み替え時に起こり得る接続部
の位置ズレに対しても特性変動を抑える効果がさらに高
まる。

【００１７】また、低誘電率材料としては、ガラスその
他各種の材料があるが、例えば発泡材（実施の形態では
「発泡ウレタン」）とすると好ましい（請求項３）。発
泡材は、弾力性があるので、緩衝材としての機能も発揮
する。つまり、寄生素子と高周波回路要素の熱膨張係数
が異なっていたとしても、温度変化にともなう熱膨張，
収縮の相違が支持部材で吸収され、相手側に伝達されな
い。その結果、温度変化に基づく接続部分での応力も発
生せず、伝送線路が剥離することを可及的に抑制でき
る。

【００１８】さらに、前記共振器の長さは、実効波長
（λ_ｇ）の１／４にするとよい（請求項４）。すなわ
ち、寄生素子を片持ち支持させることにより、接続端子
パターンからなる共振器の長さを、λ_ｇ／２ではなく、
λ_ｇ／４にすることができる。これにより、回路基板全
体の小型化が図れる。もちろん、１／４といっても、厳
密にその１点のみというものではなく、所望の伝送特性
が得られる範囲であれば、若干１／４からずれても良
い。つまり、実質的に同一になる約１／４を含む概念で
ある。

【００１９】前記寄生素子としては、樹脂その他の各種
の材料を用いることができるが、セラミック基板から構
成すると好ましい（請求項５）。すなわち、セラミック
とすると、寸法形状のばらつきがほとんど無く、伝送状
態が安定し、各製品間での伝送状態のばらつきも抑制で
きる。さらに、誘電体基板は、通常アルミナ系で構成さ
れることが多いので、セラミック基板（例えば、アルミ
ナ）とすることにより、寄生素子と回路基板の熱膨張係
数をほぼ等しくすることができるという効果も期待でき
る。

【００２０】また、好ましくは、前記寄生素子と前記誘
電体基板の熱膨張係数をほぼ一致させることである。熱
膨張係数が等しいと、製造時や使用時において温度変化
が生じたとしても、支持部材を介した接続部分において
応力が発生することが可及的に抑制できる。その結果、
伝送線路の剥離も効果的に抑制できる。従って、「ほぼ
一致」とは、上記効果が期待できる範囲で、両者の熱膨
張係数が異なっていても良いことを含む概念である。

【００２１】さらに、前記寄生素子と前記接続端子パタ
ーンの共振周波数がほぼ同じに設定するとよい（請求項
７）。このように同じにすることにより、使用周波数に
とって電磁的な結合強度が強くなるので、伝送特性も向
上する。また、前記寄生素子の長さが、前記接続端子パ
ターンの長さの１．４倍〜１．５倍とするとよい（請求
項８）。

【００２２】すなわち、例えば誘電体基板と寄生素子を
ともにアルミナで構成するというように同一材料や、ほ
ぼ同一の誘電率の材料で構成した場合、上記のように
１．４倍〜１．５倍にすると、電磁的な結合が強くなる
ので好ましい。そして、本発明品は、回路及びデバイス
の接続に用いるので、この接続部でのインピーダンスの
劣化を小さくする必要があり、上記の範囲とすると反射
損失が−２０ｄＢ程度確保できるので好ましい。なお、
要求される特性の仕様が緩やかであれば、上記の範囲
（１．４倍〜１．５倍）外でも実用上問題がなく、その
範囲外としても良い。

【００２３】また、本発明に係る周波数調整方法として
は、請求項１から７のいずれか１項に記載の接続構造に
おける周波数調整方法であり、使用する前記寄生素子の
長さを変えることにより、使用周波数を調整するように
した（請求項９）。

【００２４】すなわち、実験結果によれば、寄生素子の
長さを変えることにより、中心周波数がずれることがわ
かった。本発明の接続構造によれば、使用可能な周波数
帯域は広帯域であるものの、最も良好な特性の元で使用
したいという要求がある。また、何らかの要因で、広帯
域の領域からさらにはずれてしまうおそれもある。係る
場合に、寄生素子の長さを変えることにより、中心周波
数をずらし、所望の伝送特性を得ることができる。

【００２５】なお、長さの変更は、異なる長さのものを
用意し、所定のものを使用するようにしても良いし、取
り付けた後で一部を除去，切除する等、各種の手法が採
れる。そして、異なる長さのものを用意した場合、寄生
素子を仮止めし、特性を測定し、所望の特性が得られな
い場合には、異なる長さの寄生素子を仮止めする。この
ようにして、所望の特性が得られたならば、その寄生素
子を用いて正規の取り付けを行うことにより実現でき
る。特に、高周波回路要素等を製造した際のロット単位
で特性のばらつきが起こるので、新たなロットを用いた
組み立てを行うに先立ち、上記の仮止めによるチェック
を行い、所望の長さが決定したならば、そのロットに対
しては、上記のようにして決定した長さの寄生素子を用
いて組み立てることもできる。

【００２６】

【発明の実施の形態】図１，図２は本発明の好適な一実
施の形態を示している。同図に示すように、ベースプレ
ート（金属板）１上に第１，第２回路基板２，３が、一
定のギャップＧをおいて設置されている。これら第１，
第２回路基板２，３は、アルミナ等の誘電体材料で構成
され、その表面に導体膜で構成される伝送線路、つま
り、所定の回路パータンからなるストリップライン４
ａ，４ｂが形成される。図では、接続部分のみを示して
いるが、実際には第１，第２回路基板２，３は、その図
外の領域にも形成されている。また、別途用意したベー
スプレート１の上に、第１，第２回路基板２，３をそれ
ぞれ固定配置するものでも良いし、元々一方の回路基板
とベースプレート１が一体になっており、そこに他方の
回路基板を設置するものでも良い。

【００２７】そして、第１，第２回路基板２，３には、
ストリップライン４ａ，４ｂに連続して接続部となるパ
ッチ部５ａ，５ｂが形成されている。このパッチ部５
ａ，５ｂは、矩形状からなり、その幅Ｗは、５０Ω線路
を構成するストリップライン４ａ，４ｂの幅Ｗ０の３倍
にし、長さＬｒは、使用周波数の約λ_ｇ／４に設定する
ことにより、共振器を構成している。なお、λ_ｇは、回
路基板２，３を構成する誘電体材料の誘電率を考慮した
実効波長である。さらに、パッチ部５ａ，５ｂの先端
は、共に第１，第２回路基板２，３の対向側縁２ａ，３
ａに接しており、両パッチ部５ａ，５ｂは同一直線上に
配置される。

【００２８】ここで本発明では、上記した２つのパッチ
部５ａ，５ｂ間の接続をとるもので、具体的には、ま
ず、第１回路基板２側のパッチ部５ａの上に支持部材７
を固着し、その支持部材７を介して帯板状の寄生素子８
を片持ち支持している。つまり、寄生素子８の一端８ａ
を支持部材７の上面に固定して保持し、寄生素子８の他
端８ｂはフリー状態としている。そして、寄生素子８
は、両パッチ部５ａ，５ｂの上方に重なるようにして配
置する。

【００２９】従って、寄生素子８の長さを適宜に設定す
ることにより、寄生素子８の自由端となる他端８ｂは、
第２回路基板３側のパッチ部５ｂの上方に位置し、しか
も、寄生素子８とパッチ部５ｂの間には、空間が形成さ
れる。よって、寄生素子８とパッチ部５ｂひいてはスト
リップライン４ｂは絶縁され、直流電流の伝達が遮断さ
れる。なお、寄生素子８の長さＬ_ｐは、パッチ部５ａ，
５ｂの長さＬ_ｒの約１．５倍になるように設定してい
る。

【００３０】また、支持部材７は、パッチ部５ａの一部
と接触するように形成したが、パッチ部５ａの全面に接
触するように形成しても良い。さらに、全面に接触する
場合に、支持部材７をパッチ部５ａと同一形状としても
良いし、パッチ部５ａよりも大きい寸法形状にしても良
い。

【００３１】上記した実施の形態では、パッチ部５ａ，
５ｂと、支持部材７と寄生素子８の幅をいずれも同じに
し、しかも、各部材が重なるように配置したが、本発明
はこれに限ることは無く、一部が重なるようにずらして
も良い。実験によると、幅方向にずらした場合、パッチ
部５ａ，５ｂの半分と寄生素子８が重なるようになって
いれば、所望の特性が得られた。さらに、パッチ部５
ａ，５ｂ同士も、必ずしも同一直線上に位置する必要も
無い。

【００３２】次に、本発明の要部となる支持部材７と寄
生素子８の材料について説明する。支持部材７は、発泡
ウレタン等の発泡材（ε_ｒ＝１．０４から１．１）から
構成する。発泡材は低誘電率材料でもあり、そこでの損
失も少なく、パッチ部５ａ，５ｂと寄生素子８間での電
磁的な結合が強くなる。

【００３３】また、寄生素子８は、セラミック基板、よ
り具体的にはアルミナで形成している。これにより、回
路基板２，３を構成する誘電体基板もアルミナで形成し
ているので、同一部材となり、当然のことながら両者の
誘電率も等しくなる。また、アルミナに替えて、テフロ
ン（登録商標）その他の材質を用いても良い。

【００３４】上記のように構成すると、パッチ部（共振
器）５ａ，５ｂと寄生素子８が電磁的に結合することに
より、高周波信号が伝播され、非接触型の電磁結合型コ
ネクタが形成される。換言すると、例えば第１回路基板
２側から信号が伝播された場合は、Ｐｏｒｔ１から給電
され、パッチ部５ａがアンテナとして機能して高周波信
号（マイクロ波／ミリ波）が放射される。この放射され
た高周波が寄生素子８に伝播され、さらにパッチ部５ｂ
が受信アンテナとして機能するため受信することにより
信号の伝送が行われるとも言える。

【００３５】図３は、上記した構成の伝送状態の一例を
示している。同図に示すように、パッチ部５ａ，５ｂと
寄生素子８間は電磁的に強く結合していることから、通
過損失Ｓ２１が０ｄＢとなる伝送可能な周波数帯域が広
帯域となる。また、通過損失Ｓ２１が０ｄＢのときのリ
ターンロスもほとんどの領域で−２０ｄＢ以上となる。
よって、中心周波数が変動しても回路の伝送状態の変動
は小さくなる。このことは、接続する回路基板２，３の
隙間Ｇが変動したり、その他の相対位置関係や、寸法形
状に多少ばらつきがあっても、回路の伝送状態の変動は
小さく抑えることができる。

【００３６】図４は、第１，第２回路基板２，３間のギ
ャップＧを変動させた場合の伝送特性の変化を求めたも
のである。このとき、第１，第２回路基板２，３の誘電
率ε _ｒ１，支持部材７の誘電率ε_ｒ２，第１，第２パッ
チ部５ａ，５ｂの長さＬ_ｒ，支持部材７の長さＬ_ｓ，寄
生素子８の長さＬ_ｐ，第１，第２パッチ部５ａ，５ｂ，
支持部材７並びに寄生素子８の幅Ｗ，第１，第２回路基
板２，３の厚さｈ１並びに支持部材７の厚さｈ２を、下
記のようにする。なお、第１，第２回路基板２，３並び
に寄生素子８は、テフロン（登録商標）を用いて形成し
た。

【００３７】

【表１】

【００３８】図４に示すように、６．４ｍｍ、つまり約
λ_ｇ／１０程度の間隔までは安定した伝送状態を確保で
きることがわかる。

【００３９】図５は、支持部材７の誘電率ε_ｒ２を変化
させた時の伝送特性を示している。誘電率ε_ｒ２以外の
パラメータは、表１に示す通りである。ここからわかる
ように、誘電率ε_ｒ２が２．６程度まで変動しても大き
な変動はなく良好な特性が維持されている。これは周囲
温度の変化による寄生素子８を支持する支持部材７の誘
電率の温度変化があった場合にもこの影響を吸収するこ
とが可能であることを示す。但し、誘電率ε_ｒ２が小さ
い程、良好な特性が得られることも確認できる。

【００４０】また、具体的な実験結果の図示は省略する
が、例えばギャップが８ｍｍと広くなり、伝送特性が劣
化した場合でも、寄生素子８の長さを変えることによ
り、所望の特性が得られることが確認できた。従って、
予め異なる長さの寄生素子を複数種用意しておき、仮止
めなどしながら伝送特性を図り、所望の特性が得られる
ものを用いて正式に設置することにより、周波数の調整
ができ、高精度な接続構造が得られる。また、このよう
に複数種用意するのではなく、長めの寄生素子を用意
し、その一部を除去することにより周波数の調整をする
こともできる。

【００４１】図６，図７は、第１，第２パッチ部５ａ，
５ｂに対する寄生素子８の長さを変化させたときの伝送
特性を示している（設計中心周波数は、５ＧＨｚ）。そ
の他の基本パラメータは、表２に示した通りとした。

【００４２】

【表２】

【００４３】図からわかるように、１．４倍にすると最
も良好な特性が得られた。また、反射損失を−２０ｄＢ
程度確保することを考慮すると、１．４〜１．５倍の範
囲内にすると良好な特性が得られると言える。

【００４４】

【発明の効果】以上のように、本発明に係る接続構造及
びその接続構造における周波数調整方法では、マイクロ
波／ミリ波等の高周波用の回路において、容易な部品交
換を実現するとともに、デバイスの交換時に起こりうる
接続状態の変動を抑制できる。さらに、寄生素子が片持
ち支持されることから、直流的に遮断され、回路上のデ
バイスを保護することができる。また、支持部材に発泡
材を用いると、温度変化に対しても特に安定にすること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の好適な一実施の形態を示す正面図であ
る。

【図２】本発明の好適な一実施の形態を示す平面図であ
る。

【図３】伝送特性の一例を示す図である。

【図４】回路基板間のギャップ間隔の伝送特性への影響
を示す図である。

【図５】支持部材の誘電率の伝送特性への影響を示す図
である。

【図６】寄生素子の長さの伝送特性への影響を示す図で
ある。

【図７】寄生素子の長さの伝送特性への影響を示す図で
ある。

【符号の説明】

１ベースプレート２第１回路基板３第２回路基板４ａ，４ｂストリップライン（伝送線路）５ａ，５ｂパッチ部（接続端子パターン）７支持部材８寄生素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者新井宏之神奈川県横浜市旭区今宿東町615−11 (72)発明者泉源千葉県木更津市東太田１−９−33東陽ハイツＡ−201 (56)参考文献特開平９−321505（ＪＰ，Ａ) 特開平４−234203（ＪＰ，Ａ) 特開平11−308039（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01P 5/02 603 H01P 7/10

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】上面に導体膜からなる伝送線路が形成さ
れた誘電体基板を備えた第１，第２の高周波回路要素同
士の接続構造であって、前記第１，第２の高周波回路要素は、一定の間隔をおい
て配置され、前記上面には、前記伝送線路に連続して共振器を構成す
る接続端子パターンが形成され、前記第１の高周波回路要素に形成した前記接続端子パタ
ーンの上面には、支持部材を設置し、その支持部材により誘電体からなる寄生素子を片持ち支
持させ、前記寄生素子の自由端側は前記第２の高周波回路素子に
形成した前記接続端子パターンの上方に所定の空間をお
いて配置されるようにしたことを特徴する接続構造。
【請求項２】前記支持部材は、低誘電率材料で構成さ
れることを特徴とする請求項１に記載の接続構造。
【請求項３】前記低誘電率材料は、発泡材であること
を特徴とする請求項２に記載の接続構造。
【請求項４】前記共振器の長さが、実効波長の１／４
にしたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項
に記載の接続構造。
【請求項５】前記寄生素子は、セラミック基板から構
成されたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１
項に記載の接続構造。
【請求項６】前記寄生素子と前記誘電体基板の熱膨張
係数をほぼ一致させたことを特徴とする請求項１から５
のいずれか１項に記載の接続構造。
【請求項７】前記寄生素子と前記接続端子パターンの
共振周波数がほぼ同じに設定したことを特徴とする請求
項１から６のいずれか１項に記載の接続構造。
【請求項８】前記寄生素子の長さが、前記接続端子パ
ターンの長さの１．４倍以上１．５倍以下としたことを
特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の接続
構造。
【請求項９】請求項１から７のいずれか１項に記載の
接続構造における周波数調整方法であって、使用する前記寄生素子の長さを変えることにより、使用
周波数を調整するようにしたことを特徴とする周波数調
整方法。