JP3739230B2 - 高周波通信装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高周波通信装置、更に詳しく言えば、マイクロ波又はミリ波等の帯域の信号を処理する高周波回路素子を内部に実装した筐体をもつ高周波通信装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ミリ波を使用する自動車用レーダや３００ＭＨｚ以上の周波数帯の電波を用いる高周波無線通信装置及び無線端末機は、装置の小型化、低コスト化のため、また使用する回路素子の多機能化に伴い、単一の多機能半導体素子又、半導体集積回路（ＩＣ）、これらを実装したパッケージ、または複数のＩＣとこれらを相互接続し、あるいはフィルター機能等を含む高周波回路素子を一つの筐体内に実装する。
【０００３】
このような構造の通信装置の一例として、、１９９７年電子情報通信学会総合大会Ｃ−２−１２１「６０ＧＨｚ帯ミリ波レーダユニット」に記載された自動車用レーダに用いられる送受信装置がある。この装置はミリ波（６０ＧＨｚ帯）送受信回路を平面表面で囲まれた筐体内に収めた構造となっている。他の一例として、１９９６年米国M/A-COM社のカタログ「RF, Microwave and Millimeter Wave, Single and Multi-Function Components and Subassemblies」の表紙写真下部に示すRFサブシステムがある。このＲＦサブシステムは高周波（ＲＦ）複数機能の回路素子が一筐体内に実装され、機能素子間の干渉を低減するため上記筐体をその中に設けた金属壁によって複数個の部分に分割した構造となっている。
【０００４】
更に他の例として、1998年APMC98 Conference TU1A-3「An Integrated Millimeterwave MMIC Transceiver for 38GHz Band」に記載された通信用送受信機がある。この通信用送受信機は、複数個の送受信用ＭＭＩＣとこれらを接続するための受動回路を含む誘電体基板を一筐体内に収め、筐体のカバーに設けた溝に沿って信号が伝播する構造となっている。また、更に他の例として、1998年 APMC98 Conference TU1A-1「A Cost-Effective RF-Module for Millimeter-wave Systems」に記載された通信機がある。この通信機は、通信用ＭＭＩＣ、そのＭＭＩＣを接続する受動回路を含む基板と平面アンテナが一つの筐体内に実装された構造となっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
一筐体構造の内部に多くの機能素子を収納する場合、筐体の大きさが一定で、機能素子の数が多くなれば、それだけ機能素子間の物理的距離が短くなり、あるいは筐体の大きさが信号周波数の自由空間波長の半分（例えば、７７GHｚで約1.95mm）に比べ大きくなる。いずれの場合においても、筐体内のある機能素子を構成するＩＣ等の一点より筐体内に放射された信号周波数の電波エネルギーは容易に筐体内を伝播し、同じ筐体内の他の機能素子に結合することにより様々な機能障害を起こす。例えば、通信用送受信器、ミリ波自動車レーダ用送受信モジュールでは送信機能素子より筐体内に放射された信号の一部が受信機能素子に結合することにより受信器の飽和、受信雑音の上昇等の障害を起こす。殊に、筐体の大きさが信号周波数の自由空間波長の半分に比べ充分に大きい場合には、筐体内に多数の共振周波数の信号成分の存在を有し上記障害をさらに強調し易くなる。
【０００６】
同様の現象により、一旦筐体内に不要に放射されたエネルギーは筐体をアンテナとして筐体外部に不要に放射を起し易くなり、または逆に筐体外部よりの電波エネルギーの影響を受け易くなり、EMI（Electro-Magnetic Interference）、EMC(Electro-Magnetic Compliance)の問題を増大する。
【０００７】
上記技術を含む従来の通信装置は、これらの問題、特に筐体内の干渉問題を解決するために、筐体構造を細分化して金属隔壁で複数の小さな部屋に分割したり、本来の信号通路に沿って不要放射に対しては局所的にカットオフ（Cut-off）導波管構造となるような金属構造を設けていた。これらの従来技術はその筐体の構造に複雑な金属構造を必要とし、また受動回路の高周波基板の複数分割を必要とし、さらにこれらの構造や基板の複数分割のために半導体ＩＣ、受動回路部品の実装をより困難にして、通信装置の量産化及び低コスト化を阻害していた。
【０００８】
従って、本発明の目的は、装置の量産化及び低コスト化を阻害することなく、筐体内、外の電磁波の干渉、即ち筐体内の回路素子間あるいは筐体内の回路素子と筐体外の電磁波との間の不当な電磁結合を低減する高周波通信装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するため、マイクロ波又はミリ波等の高周波帯域の信号で動作する高周波回路素子及びアンテナを有し、少なくとも上記高周回路素子を内部に実装した筐体をもつ通信装置において、上記筐体を構成する壁の少なくとも一部に材質又は機械的形状を周期的に変えた周期構造体を設けた。上記周期構造体は、周期構造体を含む筐体部分が筐体内で問題となる不要放射電波の周波数を含む周波数帯を非伝播周波数帯域とするフィルターとして構成する。
【００１０】
ここで、通信装置は受信装置、送信装置、送受信装置のいずれも含む。回路素子は受動素子、ＩＣ、ＬＳＩ、これらがパッケージ化されたもの、またこれらを結合する線路を含む。アンテナは上記筐体の内部、あるいは外部、筐体の壁面のいずれに設けられてもよい。上記筐体の壁の少なくとも一部は、その側壁、天井部、半導体ＩＣ等の機能素子の実装表面の少なくともその一部を意味する。
【００１１】
本発明の高周波通信装置によれば、筐体内の不要電波放射源よりの放射エネルギーを局所的に閉じ込め他への干渉を防止できる。また、外部の不要電波放射源よりの放射エネルギーを減衰して干渉を押さえることができる。筐体内に問題となる周波数が複数存在する場合、筐体内必要部位の各々に異なる周期構造を付帯することにより複数の干渉問題に対応することができる。さらにこれら周期構造を例えば筐体構造の天井部に付帯した場合、この天井部を筐体の蓋として設計すればその他の筐体部分は波長に比べて遥かに大きな単純な形状（例えば直方体）にすることができ、高周波基板も大きな一枚基板を用いることが可能となって筐体内への半導体ICなどの実装が容易になり筐体を含むモジュールが低コストで実現できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００１３】
＜実施形態１＞
図１は、本発明による高周波通信装置の一実施例形態であるマイクロ波又はミリ波送受信装置の断面図である。送受信用ＭＭＩＣなどの半導体ＩＣ２とこれらを接続する平面回路基板３−１及び３−２は、筐体底部である金属性ベースプレート１の表面に実装されて送受信回路を構成し、上記送受信回路への入出力信号は同軸線７を介してアンテナ（図示せず）に接続される。金属性の蓋５は、筐体の側壁４−１及び４−２によってベースプレート１から分離され筐体の天井部を構成する。筐体の側壁は、金属でもガラス、アルミナ等の非金属のいずれでもよい。蓋５の筐体内部に面する天井部には直方体の金属突起物６が周期的に配置されている。
【００１４】
ベースプレート１は、プラスチック又はアルミナなどの非金属で作成され、少なくともＭＭＩＣと平面回路基板を実装する表面をメッキや蒸着により金属で覆ったものでも良い。金属突起物６は、蓋５と一体構造として機械切削、鋳造又は金属プレスなどによって作成されたものでもよく、又は分離して作成後に蓋底部に導電性接着剤などにより接着してもよい。また、金属突起物６を含む天井部を金属薄板のプレスで作製し、これを別の金属板又は非金属板により裏打ちして機械的強度を持たせてもよい。またベースプレート１と同様に、金属突起物６と蓋５を一体構造としてプラスチックなどの非金属で作成し、少なくとも筐体内部の天井部となる突起部を含む表面をメッキなどによって金属皮膜で覆ったものでもよい。
【００１５】
このようにして構成される周期的凹凸のある金属表面で覆われた天井部は、送受信回路を実装する金属表面と共に、その両者間の筐体内空間を伝播しようとするマイクロ波又はミリ波に対して波動インピーダンスを周期的に変化させたフィルター構造を構成し、周波数の関数として伝播周波数帯域と非伝播周波数帯域を交互に持つ特性を示す。従って例えば送受信回路の動作周波数帯が非伝播周波数帯域内に入る様に本フィルター構造を設計することにより、送受信回路の送信側よりの筐体内への不要放射が受信側に到達することを防ぎ送受信干渉を低減できる。
【００１６】
図２は、図１の高周波通信装置の筐体内部にもうけられる送受信回路の構成の一例を示すブロック図である。
【００１７】
受信アンテナ端子２１からの受信信号は低雑音増幅器２５を介してミクサ２６に加えられる。ミクサ２６は周波数シンセサイザ等の高周波信号源２９の信号をローカル増幅器３０を介した高周波信号と上記受信信号とを混合し中間周波信号として端子２３に出力する。端子２４からの送信すべき情報信号は変調器２７で、高周波信号源２９の信号をローカル増幅器３１を介した高周波信号で変調される。変調された信号は電力増幅器２８で増幅され、送信高周波信号として送信アンテナ端子２２に加えられる。回路構成は従来知られている高周波送受信回路と同じである。３２は筐体を示す。図中２重矢印線は、本発明が適用されない場合に生じる電磁波の干渉を示す。即ち、高周波信号源２９の信号が、筐体の影響によって、直接に高周波受信信号、高周波送信信号と干渉を起こす。また、高周波受信信号と高周波送信信号との間で干渉が生じる。本発明では、筐体３２に周期構造体からなる、上記高周波送信信号を阻止するフィルタを構成することによって、上記電磁波の干渉を低減する。
【００１８】
図３は、図１に示す筐体天井部を筐体内部より見上げた蓋５の平面図である。金属突起物６が２次元に一定の周期的で、ほぼ全面に配列されている。
【００１９】
図４及び図５は、本発明の主要部の動作原理を説明するため、それぞれ図１のＡ部及び図３のＢ部の拡大図である。説明の簡明のため、図４では平面回路基板３−２を除いたベースプレート１と天井部５、６のみを示す。図４及び図５で示される金属突起物６は、幅が各々Ｗ１、Ｗ２であり高さがＤの直方体である。金属突起物６は、図５に示す如く、横方向ギャップＧ１、縦方向ギャップＧ２を持ち、横周期Ｐ１、縦周期Ｐ２の周期で二次元的に配列されている。図４において、金属蓋５とベースプレート１の間隔Ｈは、Ｈ方向に電磁界高次モードが立つことを避けフィルター構造の高特性を保つために、設計周波数に対する自由空間波長をλとするとき、Ｈ＜λ／２を満足することが望ましい。
【００２０】
図６は、図４及び図５に示す周期構造体の効果を定性的に説明するための簡易等価回路である。
図５の横方向ギャップのＧ１、金属突起物６の幅Ｗ１をいずれもλ／４とし、図４の突起６の高さＤ方向の電磁界分布を無視すれば、周期構造体は、横周期Ｐ１方向の
基本伝播モードの電磁波に対して高波動インピーダンス１７の領域Ｚ_Hと低波動インピーダンス１８の領域Ｚ_Lからなる連続したλ／４インピーダンス変成器を構成する。このとき、中心周波数（＝ｃ／λ ここでｃは光速）において、ポート１よりポート２側をみたインピーダンスは、ポート２に接続される負荷インピーダンスの値如何によらずほぼ開放又は短絡状態になり、ポート１に入射する高周波成分はポート２に伝播しない。
【００２１】
実際の設計では、高さＤ方向の電磁界分布、高次伝播モードの効果を含める必要があり、また図４に示す金属突起物６の形状変更による自由空間波長λからの実用的な波長伸長率または波長圧縮率を考慮することにより、図５の横周期Ｐ１、縦周期Ｐ２のの各々は、（２Ｎ＋１）λ／５≦周期（Ｐ１、Ｐ２）≦（２Ｎ＋１）５λ／９の範囲（ここでＮは０又は整数）で、Ｄ＜Ｈとなる様に設計して、設定周波数をフィルタの非伝播周波数帯域に入れることができる。図５に示す突起物６はそのいくつか（例えば横方向３個、縦方向２個）をグループとし、そのグループを周期的に並べて構成してもよい。この場合グループ内の突起物を異なる大きさに設計することにより非伝播周波数帯域を広くすることができる。
【００２２】
図７は実施形態１の構成による実施例の効果を示す送受信間のアイソレーションの実測値を示す図である。同図において、実測値８は上述の実施形態で、７７ＧＨｚ帯送受信機用に設計した筐体構造における送受信間のアイソレーションを、実測値９は筐体天井部に周期的突起物を持たない平面な蓋の場合のアイソレーションを、実測値１０は蓋を取り去り開放した場合のアイソレーションをそれぞれ示す。なお、本発明の実施例で設計された構造設定値は、Ｈ＝１．９ｍｍ、Ｄ＝０．８ｍｍ、Ｇ１＝Ｇ２＝Ｗ１＝Ｗ２＝０．５ｍｍである。本発明を採用した構造の実施形態による実測値８は、平面蓋の場合の実測値９、蓋開放の場合の実測値１０のいずれに比べても最低３０ｄＢ以上高いアイソレーションを７６ＧＨｚ帯で実現している。
【００２３】
＜実施形態２＞
図８は本発明による高周波通信装置の他の実施形態における突起物の形態を示す部分平面図である。本実施形態では金属突起物６を市松模様に配置したものである。本実施形態における金属突起物６の幅Ｗ１、Ｗ２、高さＤ、横方向ギャップＧ１、縦方向ギャップＧ２及び横周期Ｐ１、縦周期Ｐ２を、図示のように設定した場合、第１の実施形態で述べたことが全く同様に適用できる。
【００２４】
＜実施形態３＞
図９は、本発明による高周波通信装置の更に他の実施形態における突起物の形態を示す部分断面図である。図４と同様な断面図であるが、周期構造体は、金属性の蓋５の表面に高誘電率の誘電体１１と低誘電率の誘電体１２を交互に周期的に配列することにより周期的な波動インピーダンスを実現した構造である。
【００２５】
＜実施形態４＞
図１０は、本発明による高周波通信装置の第４の実施形態における突起物の形態を示す部分断面図である。図４と同様な断面図であるが、周期構造は、金属性の蓋５の表面に高誘電率の誘電体１３と高透磁率の磁性体１４を交互に周期的に配列することにより周期的な波動インピーダンスを実現した構造である。
【００２６】
＜実施形態５＞
図１１は、本発明による高周波通信装置の第５の実施形態における突起物の形態を示す部分断面図である。図４と同様な断面図であるが、周期構造体は、誘電体基板１５の表面に金属の周期パターン１６をエッチングなどにより作製し、これを金属性の蓋５の表面に接着した構造である。誘電体基板１５と金属性の蓋５との間には空気層などのギャップが有ってもよい。図１１中の金属の周期パターン１６は、周期的波動インピーダンスを実現し設計周波数帯域で必要な特性を得るために様々な形状を取りうる。
【００２７】
＜実施形態６＞
図１２は、本発明による高周波通信装置の第６の実施形態における金属性の蓋の構成を示す平面図である。本実施形態では筐体の内部に３種類の異なる主要な周波数で動作する機能が存在するとき、蓋の表面に３つの異なる設計周波数に対応した金属突起物６−１、６−２及び６−３の周期構造体をそれぞれの領域に配置することにより各機能間の干渉を効果的に低減する。すなわち、上記３個所の各個所における周期構造体の周期Ｐが、各個所の設計周波数に対する自由空間波長をλとするとき、（２Ｎ＋１）λ/５≦P≦（２Ｎ＋１）５λ/９の範囲（ここでＮは０又は整数）に設定する。
【００２８】
＜実施形態７＞
図１３は、本発明による高周波通信装置の第７の実施形態の構成を示す断面図である。本実施形態は、図１に示した第１の実施形態と比較し、アンテナ１９が、金属筐体内部、即ちＭＭＩＣの基板上に形成されている点で異なる。そのため金属筐体を構成する壁の一部で、アンテナ１９近傍の部分に窓２０が設けられている。本実施形態では、アンテナ１９を筐体内に設けることによって通信装置の小型化を実現する際に、アンテナ近傍の電磁界、送受信回路、窓２０を介しての筐体外の電磁界の相互間の干渉の問題を解決することができる。
【００２９】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、アンテナは金属性ベースプレート１の裏面に形成してもよい。また、突起６の断面形状は説明の簡明上四辺形の場合について説明したが、製造上、フィルタ特性等の観点より種々変更してもよい。例えば、曲率をつけた面取り直方体でも良く、また円柱でもよい。あるいは、図３における天井部断面形状が余弦関数のような波型形状でもよい。また、直方体の各面に溝を掘り込んだ複雑な形状としてもよい。また、高周波回路素子は、図２のように、送信回路、受信回路の両方をもつ場合のみならず、一方のみの回路をもつ場合でもよい。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、簡単な周期構造を高周波筐体構造の一部に付加するのみで筐体内での不要放射電波エネルギーによる干渉、ＥＭＣ、ＥＭＩの問題を大幅に低減でき、高機能多機能の高周波システムをその全体特性を劣化させること無く低コストで実現することを可能にする。さらに、周期構造によるフィルター特性は、確実な金属接触に依存しない設計とすることがほとんどの場合可能であり、従ってミリ波自動車用レーダの様な高周波送受信機用筐体特性の量産バラツキ、経時変化を低減する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による高周波通信装置の一実施例形態であるマイクロ波又はミリ波送受信装置の断面図である。
【図２】図１の高周波通信装置の筐体内部にもうけられる送受信回路の構成の一例を示すブロック図である。
【図３】図１に示す筐体天井部を筐体内部より見上げた蓋５の平面図である。
【図４】本発明の主要部の動作原理を説明するための図１のＡ部の拡大図である。
【図５】本発明の主要部の動作原理を説明するための図３のＢ部の拡大図である。
【図６】図４及び図５に示す周期構造の効果を定性的に説明するための簡易等価回路である。
【図７】実施形態１の構成による実施例の効果を示す送受信間のアイソレーションの実測値を示す図である。
【図８】本発明による高周波通信装置の他の実施形態における突起物の形態を示す部分平面図である。
【図９】本発明による高周波通信装置の更に他の実施形態における突起物の形態を示す部分断面図である。
【図１０】本発明による高周波通信装置の第４の実施形態における突起物の形態を示す部分断面図である。
【図１１】図１１は、本発明による高周波通信装置の第５の実施形態における突起物の形態を示す部分断面図である。
【図１２】本発明による高周波通信装置の第６の実施形態における金属性の蓋の構成を示す平面図である。
【図１３】本発明による高周波通信装置の第７の実施形態の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１…金属性ベースプレート、２…半導体IC、３…平面回路基板、４…筐体の側壁，
５…金属性の蓋、６…金属突起物、７…同軸線、
８…送受信アイソレーション（本発明）、９…送受信アイソレーション（平面蓋）、１０…送受信アイソレーション（開放）、１１…高誘電率誘電体、
１２…低誘電率誘電体、１３…誘電体、１４…高透磁率磁性体、１５…誘電体基板、１６…金属周期パターン、１７…高波動インピーダンス、１８…低波動インピーダンス、１９…アンテナ、２０…窓、２１…受信アンテナ端子、２２…送信アンテナ端子、２３…端子、２４…端子、２５低雑音増幅器、２６…ミクサ、２７…変調器、２８…電力増幅器、２９…高周波信号源、３０…ローカル増幅器、３１…ローカル増幅器、３２…筐体。

Claims (7)

1. 高周波回路素子により構成される送受信回路とアンテナを有する高周波通信装置のうち少なくとも上記送受信回路を内部に実装する筐体構造において、上記筐体の底壁面を構成する金属表面上に上記送受信回路を実装し、上記底壁面と上記底壁面に対向する上壁面即ち天井面とのを天井面に沿って進む電波伝搬に対する波動インピーダンスが周期的に変動するように上記天井面に金属または非損失性誘電体または非損失性磁性体からなる周期構造を設け、上記周期構造が上記送受信回路の周波数で伝播阻止帯域となるフィルタとして構成されたことを特徴とする高周波通信装置。
2. 上記周期的に変えた周期構造体の周期Ｐが、設計周波数に対する自由空間波長をλとするとき、λ／２を中心にλ／５≦ P ≦５λ／９の範囲に設定されたことを特徴とする請求項１記載の高周波通信装置。
3. 上記送受信回路の各部の動作周波数に応じて上記天井面に構成する上記周期構造の周期が異なる複数種の周期構造を持つこと
   を特徴とする請求項１又は２記載の高周波通信装置。
4. 上記アンテナが上記筐体の外部に形成され、上記高周波回路素子が上記アンテナに接続するための入出力端子を有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかの一に記載された高周波通信装置。
5. 上記アンテナが上記筐体の内部に形成され、上記筐体の壁で上記アンテナの近くに電波が通過する窓が設けられたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかの一に記載された高周波通信装置。
6. 請求項１ないし５のいずれか一つに記載され高周波通信装置であって、
   上記天井面に設けられた周期構造が円柱または角柱形状の金属突起であることを特徴とする高周波通信装置。
7. 請求項１ないし５のいずれか一つに記載され高周波通信装置であって、
   上記底壁面と天井面保持する側壁が非金属で構成されたことを特徴とする高周波通信装置。

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