JP3895716B2

JP3895716B2 - 高周波伝送基板および高周波伝送基板接続構造

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Publication number: JP3895716B2
Application number: JP2003332285A
Authority: JP
Inventors: 雄二酒井; 晴彦稗田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-09-24
Filing date: 2003-09-24
Publication date: 2007-03-22
Anticipated expiration: 2023-09-24
Also published as: JP2005101856A

Description

本発明は、高周波の信号を伝送する伝送線路を含む高周波伝送基板、および、この高周波伝送基板を接続する高周波伝送基板接続構造に関する。

一般に、高周波伝送基板において高周波の信号を伝送させた場合（以下、高周波伝送基板を単に伝送基板ともいい、当該伝送基板によって伝送される信号を単に伝送信号ともいう。）、当該伝送基板の裏面においても前記伝送信号が伝送される（以下、伝送基板の裏面を流れる信号をグランド信号ともいう。）。このとき、前記伝送信号と前記グランド信号との間に位相差が生じてしまうと、反射電力が大きくなる。通常、伝送基板を接続した場合、当該伝送基板の接続部においては前記位相差が発生してしまうため、電圧定在波比ＶＳＷＲ（ＶｏｌｔａｇｅＳｔａｎｄｉｎｇＷａｖｅＲａｔｉｏ）が大きく劣化するという問題があった。なお、以下の説明では電圧定在波比を単に、ＶＳＷＲという。

そこで、従来の伝送基板においては、当該伝送基板の裏面グランド接続を行なうことができるように、伝送線路の入出力端の両側にスルーホールを設けている（例えば、特許文献１）。

そして、従来、高周波伝送基板を接続する際には、第１の貫通孔（前記スルーホールと同義。）によって第１のグランド層と導通されたグランド端子を当該高周波伝送基板に設け、第２のＲＦ（ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙ）ラインとグランドラインとが形成された導電体フィルムにより基板間のＲＦラインおよびグランド端子間を接続することによってＶＳＷＲの改善を行なっている（例えば特許文献１。）。

また、高周波伝送基板の接続部において、バイアホール（前記スルーホールと同義。）を介して接地する接地端を前記高周波伝送基板上のマイクロストリップ信号線路の長手方向の両端に対称に設け、前記高周波伝送基板の厚さを伝送波長の約１／４以下とし、前記接地端を共平面型線路の接地線路にそれぞれ接続するとともに、前記接地線路を互いにワイヤストラップ接続することにより高周波伝送基板間を接続することでＶＳＷＲの改善を行なっている（例えば特許文献２。）。

特開平０６−１８８６０３号公報（第３頁、第１図）特開平０９−２２３９０６号公報（第４−５頁、第１図）

しかしながら、従来の高周波伝送基板（以下、単に伝送基板ともいう。）においては、前記スルーホールを設ける際の加工精度等の影響により、当該伝送基板と他の伝送基板との間を接続した場合に、ＶＳＷＲの改善を十分に行なうことができない。特に、セラミック基板等を用いる場合には、当該セラミックが難加工性材料であることから、スルーホールの加工によりクラックが発生してしまう場合があった。

また、従来の高周波伝送基板接続構造（以下、単に接続構造ともいう。）によってもＶＳＷＲの改善はできるが、仮に精度よく所定の位置にスルーホールを形成できたとしても、当該スルーホールの径の長さが影響して、伝送信号の伝送経路とグランド信号の伝送経路との間に位相差の違いが生じてしまうため、十分に前記ＶＳＷＲの改善を図ることができない。

そこで本発明では、加工精度、加工性等の影響を受けることなく、容易に製造可能な高周波伝送基板を得ることを目的とする。

また、ＶＳＷＲを十分に改善することができる高周波伝送基板接続構造を得ることを目的とする。

この発明にかかる高周波伝送基板は、基板の表面に形成された高周波信号を伝送する伝送線路と、該伝送線路の延在方向に沿う当該伝送線路の中心軸上において前記伝送線路を配置する面と垂直をなす面に対して面対称の関係にあって、前記伝送線路と離間すると共に互いに離間して配置される１対の導電部とを有し、前記導電部はいずれも、他の基板と接続される接続端を有し、該接続端を始点として延長する当該導電部の終点が前記高周波信号の波長の略１／４の長さであり、且つ前記基板の裏面との間が絶縁されてなるものである。

また、この発明にかかる高周波伝送基板接続構造は、共に高周波信号を伝送する伝送線路を有して導電体上に配置され、少なくともいずれか一方が、基板の表面に形成された高周波信号を伝送する伝送線路と、該伝送線路の延在方向に沿う当該伝送線路の中心軸上において前記伝送線路を配置する面と垂直をなす面に対して面対称の関係にあって、前記伝送線路と離間すると共に互いに離間して配置される１対の導電部とを有し、前記導電部はいずれも、他の基板と接続される接続端を有し、該接続端を始点として延長する当該導電部の終点が前記高周波信号の波長の略１／４の長さであり、且つ前記基板の裏面との間が絶縁された高周波伝送基板である２枚の高周波伝送基板と、前記２枚の高周波伝送基板の各伝送線路間を電気的に接続する第１の接続手段と、前記２枚の高周波伝送基板のうち、一方の高周波伝送基板上の各導電部における接続端と、他方の高周波伝送基板上の所定の部位とを電気的に接続する第２の接続手段とを含んで構成される。

この発明にかかる高周波伝送基板は、上記のように構成することにより加工精度、加工性等を問題とせずにＶＳＷＲを十分に改善することができる。

また、この発明にかかる高周波伝送基板接続構造は、上記のように構成することにより、伝送される高周波信号の周波数近傍におけるＶＳＷＲを十分に改善することができる。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１における高周波伝送基板１の主要部を示す図である。図１（ａ）において、高周波信号を伝送する伝送線路２は、例えばセラミック基板上に形成される。また、前記伝送線路２の両側には導電部３が形成される。なお、前記導電部３は、前記伝送線路２と接触することなく形成する。また、前記伝送線路２等を形成する基板はセラミック基板に限られることはないが、以下の説明においてはセラミック基板を使用する場合について説明する。

また、前記導電部３どうしは、前記伝送線路２の中心軸上において前記伝送線路２を配置する面と垂直をなす面に対して面対称の関係となるように配置する。

なお、当該伝送基板１の導電部３は、図１（ａ）のように伝送線路２と垂直に形成してもよいし、図１（ｂ）のように前記導電部３と前記伝送線路２との間に適当な角度を有していてもよい。

すなわち、当該導電部３は以下の条件を満足するように設ければよい。
条件１．前記伝送線路２と接触することなく形成する。
条件２．導電部３どうしは、前記伝送線路２の中心軸上において前記伝送線路２を配置する面と垂直をなす面に対して面対称の関係となるように配置する。

前記導電部３は、後述する接続手段によって他の基板と接続される接続端４と、当該接続端４を始点として延長する当該導電部３の終点５との間の距離が、前記伝送線路２を伝送する高周波信号の波長（以下、伝送線路２を伝送する高周波信号の波長を伝送波長ともいい、単にλともいう。）の略１／４となるように形成される。このように前記導電部３の接続端４と終点５との間の距離を略１／４となるように形成することにより、当該伝送基板１を接続した際に、当該接続端４が形成された基板の、表面の電位と裏面の電位とを同電位とすることができる。

例えば、伝送信号の周波数（以下、伝送周波数ともいう。）をｆ＝１５［ＧＨｚ］とした場合、光速がｃ＝３．０×１０^８［ｍ／ｓ］であるから、伝送波長は、

λ＝（３．０×１０^８）／（１５×１０^９）＝０．０２［ｍ］（１）

となる。なお、（１）は真空時の波長の長さである。

導電部３の長さＬは上述のようにλ／４であるが、実際には高周波伝送基板１の実効誘電率εｒ＿ｅｆｆを考慮するため、前記導電部３の長さＬは、

Ｌ＝λ／（４＊√（εｒ＿ｅｆｆ））＝０．００５／√（εｒ＿ｅｆｆ）［ｍ］
＝５／√（εｒ＿ｅｆｆ）［ｍｍ］（２）

となる。
なお、実効誘電率εｒ＿ｅｆｆは伝送基板１の材質や当該伝送基板１を配置する空間の誘電率等を考慮して決定する。

たとえば、実効誘電率εｒ＿ｅｆｆ＝７のアルミナ系の基板を使用した場合、前記導電部３の長さＬは、
Ｌ＝５／√７［ｍｍ］
≒１．８９［ｍｍ］
となる。なお、前記実効誘電率εｒ＿ｅｆｆは、使用環境の温度、伝送周波数、基板厚さ等によって変化するため、各々の条件に応じて決定する必要があり、簡易的には、下記（３）式に示すＭ．Ｖ．Ｓｃｈｎｅｉｄｅｒの式によって求められることが一般に知られている。
εｒ＿ｅｆｆ＝（εｒ＋１）／２
＋（（εｒ−１）／２）＊（１＋１０ｈ／Ｗ）＾（−０．５）（３）
なお、式（３）中のεｒは基板の比誘電率、ｈは基板の厚さ、Ｗは伝送線路２の幅である。

以上のように構成された伝送基板１は、図２のように接続される。なお、当該図２は、接続される両伝送基板が図１（ａ）に記載の伝送基板１とした場合を高周波伝送基板接続構造の一例として示した図である。

両伝送基板１は、プレート６上のキャリア７に配置される。なお、前記プレート６およびキャリア７は、ともに導電体である。また、通常、前記キャリア７の材料としては、伝送線路２等を形成する基板と線膨張係数の値が近い導電体が使用される。例えば、セラミック基板の場合には、銅タングステン合金、コバール等が使用される。また、加工性や材料費を考慮してアルミ等が用いられる場合もある。

前記伝送基板１は、前記キャリア７上に半田付け等によって固定される。そして、前記伝送基板１を固定された前記キャリア７は、プレート６上に固定される。なお、通常、前記キャリア７を前記プレート６に固定する際には半田付けのように固着するような固定方法ではなく、ネジによる固定等の取り外し可能な固定方法によって固定される。

取り外し可能な固定方法とすることで、性能試験等の際に、前記キャリア７と前記伝送基板１とをモジュールとして取り扱うことを可能とし、効率良く作業が行なえるからである。

また、加工性が良く材料費も安価であるアルミなどを前記キャリア７として用いた場合に、当該アルミ等とセラミック基板との線膨張係数の値が大きく異なることに起因して発生するクラック等を抑制するためでもある。

キャリア７上に固定された前記伝送基板１は、図２に示す接続構造のように、一方の伝送線路２と他方の伝送線路２とが、リボンやワイヤといった接続手段８によって電気的に接続され、伝送信号は前記一方の伝送線路２から前記他方の伝送線路２へと接続手段８を介して伝送される。また、一方の導電部３と、当該一方の導電部３に対応する他方の導電部３との間も同様に接続手段８によって電気的に接続される。

なお、接続構造によって両基板間の接続を行なうに際には、伝送線路２の特性インピーダンスＺｏと、接続手段８において、伝送信号が伝送される部分および前記グランド信号が伝送する部分の特性インピーダンスＺｏ２とが略一致するように、前記伝送基板１における伝送線路２と導電部３との間の離間間隔ｄ、接続手段８として使用するリボン等の幅、および隣接するリボンとリボンとの間の離間間隔ｗを設定することが望ましい（図３）。

一方、前記グランド信号は、図２（ｂ）に図示するように、一方の前記伝送基板裏面から当該伝送基板裏面と同電位となる前記導電部３の接続端４、接続手段８、他方の伝送基板１における前記導電部３の接続端４、当該他方の伝送基板裏面へと流れる。

図４は、本実施の形態１における接続構造において高周波信号を伝送させた場合についてシミュレーションして得られた、本実施の形態１における接続構造の反射特性を示す図である。なお、シミュレーションには３次元電磁界シミュレータを使用し、伝送周波数を１４．５ＧＨｚとした。

また、比較のために図５（ａ）および図５（ｂ）に記載した接続構造についてシミュレーションした結果も示す。なお、図５中の９はスルーホールである。

図４に示すように、本実施の形態１の接続構造を用いた場合には、伝送周波数（ここでは１４．５ＧＨｚ。）近傍の反射特性が著しく改善されている。
スルーホール９を有するものの場合、反射特性が全体的に若干改善されてはいるが、反射特性の改善を目的とする周波数、すなわち伝送信号の周波数近傍においては本実施の形態１における接続構造による効果のほうが明らかに大きい。

以上のように、本実施の形態１における高周波伝送基板１および高周波伝送基板接続構造によれば、前記導電部３の長さを伝送波長の略１／４の長さとすることで、接続端４の電位と、当該接続端４が配置されている伝送基板１の部位の電位とを同電位とすることができるため、伝送信号とグランド電流との間に位相差が生じない。したがって、各伝送基板１における伝送線路２の接続部において前記高周波信号が反射することを抑制できるため、ＶＳＷＲを著しく改善することができる。

一般に、高周波信号の反射特性は周波数が高くなるにつれて劣化する傾向にある。そのため、伝送周波数が高い場合には反射特性の改善を図ることが困難である。しかし、本実施の形態１に記載の接続構造によれば、伝送周波数が高いものであっても、当該伝送周波数近傍での反射特性を確実に改善することができる。

また、本実施の形態１の伝送基板においては、前記導電部３を蒸着やめっき等を使用して形成することができ、従来の伝送基板ように位置公差の大きいスルーホール９を設ける必要がないため、加工精度の影響を受けにくい。したがって、当該基板を用いることでＶＳＷＲ改善を確実かつ十分に行なうことができる。

さらにまた、本実施の形態１の基板においては、スルーホール９を設けることがないため、難加工材からなる基板を用いる場合でも、加工の際に発生するクラック等を考慮しなくてもよい。したがって、難加工材であるセラミック基板、フェライト基板、ＧａＡｓ基板の適用が容易となる。したがって、量産性、生産コスト等の面でのメリットが大きい。

実施の形態２．
図６は、実施の形態２における高周波伝送基板接続構造を示す図である。本実施の形態２の接続構造における一方の伝送基板は、前記実施の形態１において説明した図１に記載の高周波伝送基板１である。また、他方の高周波伝送基板１０は、当該伝送基板１０の表面と裏面とが導通するようにスルーホール９が設けられたものである。なお、以下の説明では前記図１と同様の構成である伝送基板を第１の伝送基板１といい、スルーホール９が設けられている伝送基板１０を第２の伝送基板１０という。

両伝送基板１、１０における伝送線路２、２は、前記実施の形態１と同様にリボン等の接続手段８によって接続される。また、前記第１の伝送基板１における導電部３は、当該第１の伝送基板１と対向する第２の伝送基板１０上のスルーホール９と接続される（図６（ｂ））。

図７は、本実施の形態２における接続構造の反射特性についてシミュレーションした結果を示す図である。シミュレーションの諸条件は、前記実施の形態１において説明した図４の場合と同様である。なお、当該図７には、前記図４と同様、図５に記載の接続構造の反射特性および前記実施の形態１における接続構造の反射特性も示してある。

図７のように、本実施の形態２における接続構造によっても、前記実施の形態１の接続構造と同様に、伝送周波数における反射特性が著しく改善されている。また、他の周波数における反射特性も改善されており、その範囲は前記実施の形態１の接続構造よりも広く、改善の程度も大きい。

以上のように、本実施の形態２における高周波伝送基板接続構造によれば、所望の周波数における反射特性を著しく改善することができる。

また、伝送周波数を含む、より広い周波数帯域での反射特性を改善することができる。

実施の形態３．
図８は実施の形態３における高周波伝送基板接続構造を示す図である。なお、本実施の形態３では、接続される２つの伝送基板が、ともに図１に記載の伝送基板１である場合について説明する。

本実施の形態３において、一方の伝送基板１上の伝送線路２は他方の伝送基板１上の伝送線路２とリボン等の接続手段８によって接続される。そして、一方の伝送基板１上の導電部３は対応する、他方の伝送基板１上の導電部３と導電体ケース１１における凸部１２によって接続される（図８（ｃ））。

以上のように、本実施の形態３における高周波伝送基板接続構造によれば、各伝送基板１の導電部間を接続手段８によって電気的に接続するとともに、伝送線路２を少なくとも覆うような導電体ケース１１を用いることで、リボン等によって接続するよりも簡単に導電部間の接続を行なうことができ、さらに、前記実施の形態１または前記実施の形態２に記載の接続構造と同様の効果を得ることができる。

また、導電体ケース１１で覆うことにより、伝送基板１からの電磁輻射（ＥｌｅｃｔｒｏＭａｇｎｅｔｉｃＩｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ：ＥＭＩ）を抑制するとともに、伝送基板間の空間アイソレーションを確保することができる。

また、本実施の形態３においては、前記導電体ケース１１によって両伝送基板を覆う場合について説明したが、いずれか一方の伝送基板１における伝送線路２を前記導電体ケース１１によって覆う場合であっても同様の効果が得られる。また、前記凸部１２は伝送基板を接続するそれぞれの態様に応じて適当に設ければよい。

また、前記実施の形態１ないし前記実施の形態３においては、導電部３の形状が矩形のものについて説明したが、前記導電部３の形状はこれに限られるものではなく、前記実施の形態１において説明した条件を満して導電部３を形成すれば、当該導電部３はどのような形状でもよい。例えば、図９に示すような形状で当該導電部３を形成してもよい。

すなわち、図９（ａ）、（ｂ）のように、接続端４から複数の方向に当該導電部３が延在するようにしてもよいし同図（ｃ）のように扇形にしてもよい。なお、図９（ａ）においては、隣り合う導電部３の間の角度が９０度の場合、同図（ｂ）においては前記角度が４５度の場合について図示しているが、前記角度は任意に定めることができる。したがって、前記角度が鋭角となるように導電部３を設けてもよいし、鈍角となるように設けてもよい。このことは図９（ｃ）の扇形の中心角についても同様である。また、前記接続端４から前記導電部３が延在する方向は図９（ａ）においては２方向、同図（ｂ）においては３方向となっているが、前記方向は何方向あってもよい。

また、前記実施の形態１および前記実施の形態２においては高周波信号の一例として１４.５ＧＨｚの周波数を有する高周波信号についてシミュレーション結果を示したが、前記実施の形態１および前記実施の形態２に記載の接続構造が適用できる伝送周波数はこれに限られることはない。

特に、マイクロ波以上では反射特性の改善が困難となる傾向があるため、伝送周波数がどのような周波数であっても、当該伝送周波数での反射特性を著しく改善することができる、前記実施の形態１ないし３に記載の接続構造を当該マイクロ波以上の高周波数帯域において適用した場合の効果は大きい。なかでも、Ｋｕ帯（１２ＧＨｚ〜１８ＧＨｚ近傍）では、前記条件１および条件２を満足する導電部３の作成、伝送基板間の接続等を容易に行なうことが可能であるので適用しやすい。

また、導電部３は、伝送信号が入力される側の伝送基板、または前記伝送信号が出力される側の伝送基板のいずれに設けてもよい。

また、前記実施の形態１ないし前記実施の形態３においては、伝送基板１の材質がセラミックである場合について説明したが、当該材質は、フェライト基板、ＧａＡｓ基板等の難加工性のものであっても、樹脂等の加工が容易なものであってもよい。

また、前記接続構造によって、当該伝送基板１と接続される他方の伝送基板１の材質もまたセラミックでなく、上述した、フェライト基板、ＧａＡｓ基板等の難加工性のものや樹脂等の加工が容易なものであってもよい。

特に、他方の伝送基板１の材質が樹脂等である場合には、スルーホール９を設けることが容易であることから前記実施の形態２における接続構造や図１０に記載のようなスルーホール９を利用した接続構造を用いることが容易にできる。

もちろん、難加工性の材料を用いる場合であっても、当該難加工性材料の加工条件の最適化等によりクラック等を考慮することなくスルーホール９を設けることができる場合には、難加工性材料からなる伝送基板どうしを接続する際にも前記図１０に記載のようなスルーホール９を利用した接続構造等を採用することもできる。

この発明の実施の形態１における高周波伝送基板の要部を示す図である。この発明の実施の形態１における高周波伝送基板接続構造を示す図である。この発明の実施の形態１における高周波伝送基板上の伝送線路と導電部との間隔を説明する図である。この発明の実施の形態１における高周波伝送基板接続構造の反射特性を示す図である。各種の高周波伝送基板接続構造を示す図である。この発明の実施の形態２における高周波伝送基板接続構造を示す図である。この発明の実施の形態２における高周波伝送基板接続構造の反射特性を示す図である。この発明の実施の形態３における高周波伝送基板接続構造を示す図である。この発明における導電部の形状の一例を示す図である。この発明における高周波伝送基板接続構造の他の例を示す図である。

符号の説明

１高周波伝送基板、２伝送線路、３導電部、４接続端、５接続端の終点、６プレート、７キャリア、８接続手段、９スルーホール、１０第２の伝送基板、１１導電体ケース、１２凸部。

Claims

基板の表面に形成された高周波信号を伝送する伝送線路と、
該伝送線路の延在方向に沿う当該伝送線路の中心軸上において前記伝送線路を配置する面と垂直をなす面に対して面対称の関係にあって、前記伝送線路と離間すると共に互いに離間して配置される１対の導電部とを有し、
前記導電部はいずれも、他の基板と接続される接続端を有し、該接続端を始点として延長する当該導電部の終点が前記高周波信号の波長の略１／４の長さであり、且つ前記基板の裏面との間が絶縁されてなることを特徴とする高周波伝送基板。
共に高周波信号を伝送する伝送線路を有して導電体上に配置され、少なくともいずれか一方が請求項１に記載の高周波伝送基板である２枚の高周波伝送基板と、
前記２枚の高周波伝送基板の各伝送線路間を電気的に接続する第１の接続手段と、
前記２枚の高周波伝送基板のうち、請求項１に記載の高周波伝送基板上の各導電部における接続端と、他方の高周波伝送基板上の所定の部位とを電気的に接続する第２の接続手段とを含んで構成される高周波伝送基板接続構造。
前記２枚の高周波伝送基板の両方を請求項１に記載の高周波伝送基板とし、前記第２の接続手段は、一方の高周波伝送基板上の各導電部における接続端と、他方の高周波伝送基板上の各導電部における接続端とを電気的に接続するようしたことを特徴とする請求項２に記載の高周波伝送基板接続構造。
前記他方の高周波伝送基板は、基板の表面と裏面とが導通するように設けられたスルーホールを有した高周波伝送基板とし、前記第２の接続手段は、一方の高周波伝送基板上の各導電部における接続端と他方の高周波伝送基板のスルーホールとを電気的に接続するようにしたことを特徴とする請求項２に記載の高周波伝送基板接続構造。
第１の接続手段の特性インピーダンスおよび第２の接続手段の特性インピーダンスが、伝送線路の特性インピーダンスと略同一となるように、導電部と伝送線路との離間間隔、第１の接続手段の幅および第２の接続手段の幅を設定したことを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１つに記載の高周波伝送基板接続構造。
第２の接続手段は、２枚の高周波伝送基板上の各伝送線路のうち、少なくとも一方の伝送線路を覆う導電体を含んで構成されることを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１つに記載の高周波伝送基板接続構造。