JP3583337B2 - 高周波回路ユニット - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波帯やミリ波帯で動作する複数の高周波回路を実装して成る高周波回路ユニットに係り、より詳しくは、高周波回路同士の電磁界結合を簡易に防止する構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロ波帯やミリ波帯では、送信回路や受信回路等の複数の高周波回路をユニット化してコンパクト化を図ることが一般的になっている。回路同士は、同一基板上に形成されたマイクロストリップ線路等の伝送線路で接続されるが、これらの高周波回路は、伝送線路上の電磁界を不連続にすることから、この不連続点における電磁界の漏れが他の高周波回路に結合（電磁界結合）する。
例えば送信回路は、ゲイン・ブロック・アンプ、ドライバ・アンプ、パワー・アンプ等の他に、フィルタや電力モニタを含んで構成されているが、これらの回路の接続点は、電磁界的に見れば全て不連続点であり、電磁界結合による相互干渉を引き起こす要因となっている。
そのため、従来の高周波回路ユニットは、図９に示されるように、複数の回路の各々を金属ケースＫに収容して電磁的に遮へいし、回路同士は、この金属ケースＫに実装されたコネクタＣＮで接続するようにしている。このようにすれば、回路同士の電磁界結合を確実に回避することができる。
【０００３】
図１０の外観図に示されるように、それぞれ遮へい壁３２で複数の小部屋３１に区切られた金属ケース本体３０の各々の小部屋３１に高周波回路を実装し、その上部を金属カバー４０で覆う構造の高周波回路ユニットも知られている。この構造の高周波回路ユニットの場合、電磁界結合を防止するための遮へいは、図１１の断面図に示されるように、基板１１に実装された複数の高周波回路のうち、各々の小部屋３１の高周波回路を遮へい壁３２と金属カバー４０で包囲することにより行われる。ここで重要なことは、遮へいを万全にするために高周波回路同士を接続する伝送線路Ｌの接地電位と、金属カバー４０及び遮へい壁３２の電位とを等しく接地電位にすることである。なお、図１１において、点線で囲われた部分は磁界成分であり、実線の矢印で示した部分は電界成分である。
【０００４】
【発明が解決しようとしている課題】
図９に示した金属ケースを有する高周波回路ユニットは、回路の数が増えると金属ケースＫの数もその分増える。そのため、ユニットが大型化する。
また、図１０に示した高周波回路ユニットでは、金属ケース本体が複雑な形状となるため、その加工が難しく、製造コストを低減させることができない。また、金属カバー及び遮へい壁の電位を接地電位にするために十分な機械的接触を保証する必要があることから、高い加工精度が要求される。そのため、従来の高周波回路ユニットは、量産性及び小型化の点で著しく不利であった。
本発明は、電磁界結合を確実に抑制するとともに、そのための構造を簡易に実現して製造コストの削減及び小型化を図ることができる高周波回路ユニットを提供することを、主たる課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の高周波回路ユニットは、伝送線路で接続された複数種類の高周波回路を導電性のシールドケース内に収容したものである。この複数種類の高周波回路のうち、電磁界の遮へい対象となる少なくとも２つの高周波回路の間には、その先端部が接地部位を指向する接地電位の導電性遮へい壁が介在しており、この導電性遮へい壁の高さが、伝送波長の１／２の整数倍であることを特徴とする。このように導電性遮へい壁の高さを定めると、接地部位との間が機械的には非接触であっても、電磁気的には短絡している状態と等価になり、電磁界の遮へいが万全となる。
【０００６】
シールドケースは、通常は、ケース本体と導電性のケースカバーとで構成する。ケース本体には電磁的に分離させる高周波回路の実装状況に応じたパターンで前記接地部位を設ける。そして、この接地部位のパターンに対応した形状の導電性遮へい壁が前記ケースカバーと一体に形成されるようにする。好ましい実施の形態では、遮へい対象となる複数種類の高周波回路及びこれらを接続するための伝送線路が、同一平面上に実装されるようにする。このようにすれば、ケース本体の加工が容易になり、製造コストの低減化が可能になる。
【０００７】
同一平面上に実装されるようにするためには、例えば複数種類の高周波回路及びこれらを接続するための伝送線路を一枚の基板上に実装するようにすれば良い。この場合、好ましくは、接地部位のパターンに沿って当該基板にスルーホール（ｔｈｒｏｕｇｈ ｈｏｌｅ）を形成しておく。
【０００８】
伝送線路は、マイクロストリップ線路であっても良く、あるいは、コプレーナ線路（共平面伝送線路）であっても良い。さらに、遮へい壁は、導電性を担保できれば良いので、金属等のほか、ケースカバーと一体に形成されその表面がメタライズ処理された高分子材料から成るようにしても良い。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を３０ＧＨｚ〜４０ＧＨｚ帯で動作する高周波回路ユニットに適用した場合の実施の形態を説明する。
この高周波回路ユニットは、ケース本体と、このケース本体に接合されるケースカバーとを含んで構成される。ケース本体には従来のこの種のものと同様、基板が収容されており、基板上には、高周波回路がこれらを接続するための伝送線路と共に実装されている。これらの高周波回路が、伝送回路上の不連続点となって電磁界結合を起こす要因となることは前述のとおりである。
【００１０】
ここで、以後に説明する本発明の特徴を明確にするため、導電性のケース本体とケースカバーとを有する従来型の高周波回路ユニットについて説明する。
従来型の高周波回路ユニットは、図４の断面図に示されるように、複数種類の高周波回路、例えば送信回路と受信回路とをケース本体２１０の基板２１１上に実装し、各回路同士を伝送線路Ｌ１，Ｌ２で接続するとともに、このケース本体２１０をケースカバー２２０で覆う構造を有している。基板２１１の下部あるいは基板２１１の周辺には接地パターン２１４が形成されている。
【００１１】
伝送線路Ｌ１，Ｌ２は、通常は基板１１上に形成されたマイクロストリップ線路である。また、図４中、点線は磁界成分、実線矢線は電界成分である。
図４に示される構造の高周波回路ユニットの場合、一方の高周波回路（例えば送信回路）の伝送線路Ｌ１と他方の高周波回路（例えば受信回路）の伝送線路Ｌ２との間には、電磁界Ｍ１の結合を阻止し得る構造物がない。そのため、各伝送線路Ｌ１，Ｌ２の間隔と、不連続点の電磁界Ｍ１の分布に従って互いに電磁界結合が生じる。この結果、例えば送信回路からの送信波が受信回路における受信波に対して雑音として影響し、受信回路の雑音指数の劣化を招く。送信波が、高いレベルで受信回路と電磁的結合した場合は、受信回路の前段側に配されるロー・ノイズ・アンプが飽和して感度抑圧を起こす。周波数変換部（ミクサ）を介してループが形成されている場合は、ループ発振の可能性がある。従って、図４のような構造では、動作周波数によっては、必ずしも実用化に適するとはいえない。
【００１２】
このような構造の高周波回路ユニットの問題は、ケース本体側の構造を改善することで、ある程度解決することができる。すなわち、図５の断面図に示されるように、スルーホール１４及び接地パターン１５をケース本体１０側の基板１１に形成する。このようにすれば、基板１１上の伝送線路Ｌ１，Ｌ２の電界成分がスルーホール１４の接地パターン１５で吸収されるので、電磁界Ｍ２のうちその基本モードの放射が抑圧され、電磁界結合が低減する。
【００１３】
なお、スルーホール１４及び接地パターン１５の形成手法自体は、公知であるので詳しい説明は省略する。
【００１４】
この実施形態では、電磁的結合をより低減させるため、図５のようなケース本体側の特徴的な構造と共に、ケースカバーの構造にも特徴をもたせた高周波回路ユニットとする。
【００１５】
図１は、本実施形態に係る高周波回路ユニットの分解組立図であり、（ａ）はケースカバー２０の背面図、（ｂ）はケース本体１０の上面図である。図２は、この高周波ユニットのＡ−Ａ方向の断面図である。
【００１６】
ケース本体１０側の構造は、基本的には図５に示したものと同じである。すなわち、ケース本体１０に基板１１が載置されており、基板１１には、遮へい対象となる送信回路１２及び受信回路１３を含む高周波回路が実装されている。
回路間はマイクロストリップ線路である伝送線路Ｌで接続されている。送信回路１２側の伝送線路がＬ１、受信回路１３の伝送線路がＬ２である。基板１１上の送信回路１２と受信回路１３との間には、スルーホール１４及び接地パターン１５が形成されている。接地パターン１５は、導電性のケース本体端部１０ａと導通しており、共に接地電位となっている。
【００１８】
ケースカバー２０は導電性部材から成るフランジ状のもので、その端部２０ａがケース本体端部１０ａを指向している。そして、その端部２０ａがケース本体端部１０ａと接合したときに、シールドケース全体が接地電位となって内部の高周波回路群を外部の電磁波から遮へいできるようになっている。
【００１９】
ケースカバー２０の背面側のうち、接地パターン１５に対応する部位からは、導電性の遮へい壁２１が突出している。この遮へい壁２１の高さは、端部２０ａの高さよりも短く、ケース本体端部１０ａとケースカバー２０の端部２０ａとが接合したときに、接地パターン１５との間に隙間Ｇ１が形成される高さである。しかし、機械的には隙間Ｇ１ができても電気的には接地パターン１５と接触しているのと等価な条件を満たす高さになっている。
以下、この原理を図６及び図７を参照して説明する。
【００２０】
図６は、２つの高周波回路を伝送線路で接続した一般的な伝送モデルの等価回路である。伝送線路の特性インピーダンスがＺであり、伝送電気角がθで表現されるものである。この伝送モデルにおいて、一方の高周波回路の端子をｃ−ｃ’、他方の高周波回路の端子をｄ−ｄ’として４端子回路で表現すると、伝送マトリクスＦは、下記式で定義される。
【００２１】
【数１】

【００２２】
この伝送モデルの端子ｄ−ｄ’を短絡し、端子ｃ−ｃ’の途中から別の高周波回路の端子ａ−ａ’、ｂ−ｂ’に分岐接続した状態を示したのが図７である。この図７は、結局のところ、２つの高周波回路間において電磁界結合による相互干渉が生じているモデルとなっている。つまり、端子ａ−ａ’、ｂ−ｂ’の途中で、電磁界結合が生じている。この場合、端子ｃ−ｃ’からｄ−ｄ’方向を見たインピーダンスＺｃｃ’は、上記（１）式から「ｊＺｔａｎθ」で定義される。伝送電気角θは、伝送線路長をｌ、伝送波長（自由空間波長）をλｇとすると、下記式で定義される。
θ＝２πｌ／λｇ・・・（２）
【００２３】
（２）式において、伝送線路長ｌをλｇの１／２の整数倍に選ぶと、伝送電気角θはｎπ（ｎ：整数）となり、インピーダンスＺｃｃ’はゼロとなる。Ｚｃｃ’がゼロということの電気回路的意味は、「接続端ｃ−ｃ’の短絡」である。つまり、電磁界結合を想定した伝送モデル（端子ａ−ａ’、ｂ−ｂ’）は、その途中の端子ｃ−ｃ’において短絡されることになり、２つの高周波回路の干渉は理論上は完全に抑制される。
【００２４】
図１の構造の高周波回路ユニットの場合、ケースカバー２０から突出する遮へい壁２１の表面には、進行方向の電磁界成分のない電磁波（ＴＥＭ波：Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ＥｌｅｃｔｒｏＭａｇｎｅｔｉｃ ｗａｖｅ）が伝送する。このＴＥＭ波は、図７の端子ｃ−ｃ’に接続された分岐回路を伝送する電磁波と等価である。つまり、送信回路１２と受信回路１３の電磁界結合を想定した伝送モデルが、図７の伝送モデルと等価となる。
【００２５】
従って、遮へい壁２１の高さがｌ、伝送波長がλｇであるとすると、ｌをλｇの１／２の整数倍にすれば、接地パターン１５と遮へい壁２１とが機械的には非接触であったとしても、電磁気的には短絡している状態となり、両者を導体で完全に接触させた場合と等価の条件が成立する。従って、送信回路１２及び受信回路１３の２つの高周波回路の電磁的結合を確実に回避することができる。
【００２６】
但し、本発明は、接地パターン１５と遮へい壁２１とを常に機械的に非接触状態にしなければならないというものではない。非接触状態であっても良いというだけのことである。つまり、従来の高周波回路ユニットのようにシールドケースを精密に加工しなくとも、ケース内の高周波回路同士の電磁界結合を回避することができる、ということを意味する。これにより、製造コストの低減が可能になる。これは、ミリ波帯で使用するユニットを製造する上で極めて重要な意味をもつ。
【００２７】
なお、非接触時の隙間Ｇ１は動作周波数に依存するが、遮へい壁２１の高さが、機械的には隙間Ｇ１ができても電気的には接地パターン１５と接触しているのと等価な条件を満たす高さであれば問題はない。
【００２８】
以上の説明は、伝送線路Ｌ１，Ｌ２がマイクロストリップ線路であることを前提として説明したが、伝送線路は、コプレーナ線路であっても良い。図３は、コプレーナ線路を伝送線路とした場合の高周波回路ユニットの断面構造図である。接地パターン１４が基板１１に形成されている点以外は、マイクロストリップ線路を伝送線路に用いた場合と同様となる。基本的な動作原理も、マイクロストリップ線路の場合と同様となる。
【００２９】
また、遮へい壁２１は、導電性のケースカバー２０と一体に形成されたものであることを前提として説明したが、プラスチック等の堅牢な高分子材料を成形又は加工した後、その表面をメタライズしたもので遮へい壁２１として用いても良い。但し、この場合は、メタライズの厚さを、動作周波数のスキンディプスに対して５倍以上の十分な厚さにする必要がある。
【００３０】
図８は、高周波回路ユニットの電磁界結合度合いを実測した結果を示した特性図である。図中、縦軸は送信回路１２からの送信波が受信回路に作用する度合い（送信波結合度：ｄＢ）、横軸は回路動作周波数（ＧＨｚ）である。送信回路１２から出力される送信波が受信回路１３の受信端に結合する度合は、スルーホール１４及び接地パターン１５のみの場合をＡ、遮へい壁２１を併用した場合をＢで示してある。この図から、遮へい壁２１を併用することにより、スルーホール１４を含む接地パターンのみの場合よりも約−２７ｄＢの電磁的結合を低減できることがわかる。
【００３１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、シールドケース内の遮へい壁と接地部位との間に部分的に機械的な非接触があっても、電磁気的には両者が短絡と等価になっているので、高周波回路相互の電磁界結合を確実に低減させつつ、機械的な加工精度のムラを吸収できるようになるという、特有の効果が得られる。これにより、製造コストの低減化とユニットの小型化という要請を同時に満足できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る高周波回路ユニットの分解組立図で、（ａ）はシールドケースのケースカバーの背面図、（ｂ）はケース本体の上面図。
【図２】本実施形態の高周波回路ユニットのＡ−Ａ方向の断面図。
【図３】伝送線路をコプレーナ線路とした場合の高周波回路ユニットの断面図。
【図４】電磁界結合を自由にした高周波回路ユニットの断面図。
【図５】スルーホール及び接地パターンを有する高周波回路ユニットの断面図。
【図６】本発明の原理を示す伝送モデルの等価回路（一般的なモデル）。
【図７】第発明の原理を示す伝送モデルの等価回路（電磁的結合が生じているモデル）。
【図８】本発明の電磁界結合比率を実測した特性図。
【図９】従来の一般的な高周波回路ユニットの外観斜視図。
【図１０】従来の他の高周波回路ユニットの外観斜視図。
【図１１】図１０の高周波回路ユニットの断面図。
【符号の説明】
１０、３０、２１０ シールドケースのケース本体
１０ａ ケース本体端部
１１ ケース本体に収容される基板
１２ 高周波回路の一例となる送信回路
１３ 高周波回路の一例となる受信回路
１４ スルーホール
１５ 接地パターン
２０、４０、２２０ シールドケースのケースカバー
２０ａ ケースカバーの端部
２１、３２ 遮へい壁
ＣＮ コネクタ
Ｋ 回路毎の金属ケース

Claims (6)

1. 伝送線路で接続された複数種類の高周波回路が導電性のシールドケース内に収容されており、少なくとも２つの高周波回路の間には、その先端部が接地部位を指向する接地電位の導電性遮へい壁が介在し、該導電性遮へい壁の高さが、伝送波長の１／２の整数倍であり、
   前記シールドケースがケース本体と導電性のケースカバーとから成り、ケース本体には電磁的に分離させる高周波回路の実装状況に応じたパターンで前記接地部位が存在しており、この接地部位のパターンに対応した形状の導電性遮へい壁が前記ケースカバーと一体に形成されており、
   更に、前記遮へい壁の高さは、ケース本体とケースカバーとが接合したときに、当該遮へい壁と接地パターンとの間に隙間ができても電気的には当該遮へい壁と接地パターンとが接触しているのと等価な条件を満たす高さになっている、高周波回路ユニット。
2. 遮へい対象となる複数種類の高周波回路及びこれらを接続するための伝送線路が同一平面上に実装されていることを特徴とする、請求項１記載の高周波回路ユニット。
3. 前記複数種類の高周波回路及びこれらを接続するための伝送線路が一枚の基板上に実装されており、前記接地部位のパターンに沿って当該基板にスルーホールが形成されていることを特徴とする、請求項２記載の高周波回路ユニット。
4. 前記伝送線路が、前記基板上に形成されたマイクロストリップ線路である、請求項３記載の高周波回路ユニット。
5. 前記伝送線路が、前記基板上に形成されたコプレーナ線路である、請求項３記載の高周波回路ユニット。
6. 前記導電性遮へい壁が、前記ケースカバーと一体に形成されその表面がメタライズ処理された高分子材料から成ることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれかの項記載の高周波回路ユニット。

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