JP4066931B2 - GHz帯用バンドパスフィルタの製造方法 - Google Patents

GHz帯用バンドパスフィルタの製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、GHz帯、とくに数百MHz〜十数GHzの周波数領域で使用する、バンドパスフィルタの製造方法に関する。(以下「バンドパスフィルタ」を「BPF」と略記する。)
今日、身近にある無線通信手段には、数百MHz〜十数GHzの周波数領域の電波が好んで使用されている。たとえば、携帯電話には800MHz(0.8GHz)帯または1.5GHz帯、PHSには1.9GHz帯、高速道路のETC(料金自動収受)装置には5.8GHz帯、無線PANには2.4GHz帯または5.2GHz帯、そしてDSRC(狭域通信)には5.8GHz帯というような帯域配分である。
これら周波数領域の電波は、いずれも自動車の運行に関連して利用されるか、またはその可能性が高いものであるから、同一のアンテナで受信し、デジタル処理をしてひとまとめに利用しようということが企てられている。そのような場合も、またそれぞれの周波数帯域の電波を単独に使用する場合も、高調波や反射波がもたらすノイズをカットしてデータを処理するためには、それぞれの帯域における所定の帯域幅の信号だけを通過させ、それ以外の信号をカットするBPFが必要である。
一方、搬送波にのせない短パルス(数nm以下)を使用した超広帯域通信が試みられており、その使用周波数として、アメリカのFCC(連邦通信委員会)は、3.1〜10,6GHzを割り当てる決定をした。この超広帯域のバンドパスが可能なBPF、とくに小型で低損失のものができれば、上記の超広帯域通信を実現する装置にとって有用である。
出願人は、軟磁性物質の粉末をゴムまたはプラスチックのマトリクス中に分散させた電磁波シールド材を種々開発し、実用に供している。発明者は、この電磁波吸収シールド材を利用したローパス(ハイカット)フィルタを発明し、すでに開示した(特許文献1)。そのフィルタはチップ型であって、長方形の誘電体の表面に密着した状態で、導体からなる1本の信号ラインと少なくとも1本のGNDラインとが、ひとつの表面上に、または表裏に平行して走る構造を有し、その誘電体として、軟磁性物質の粉末を合成樹脂のマトリクス中に分散させてなる電磁波吸収体を使用したことを特徴とする。実施例の製品は、1GHz以上の高周波に対して、−5dBの挿入ロスを示す。
発明者らのひとりは、出願人が開示した上記のローパスフィルタに関する知見を利用し、数百MHz〜十数GHzの周波数領域で使用するGHz帯用BPFを発明して、すでに提案した(特許文献2)。そのGHz帯用BPFは、原理的にいえば、軟磁性金属の粉末をシート状のポリマー・マトリクス中に分散させてなるシートの表面に、導体のストリップからなり、直列方向に走る入力信号ラインおよび出力信号ラインを、間隙を置いて配置し、両ラインの相対向する端部を、キャパシタンス手段を介して接続し、上記シートの裏面にGNDラインを設けた構成を有する。
より具体的な構造の例を示せば、図1に見るような、軟磁性金属の粉末をシート状のポリマー・マトリクス中に分散させてなるシート(1)の表面に、導体のストリップからなり、直列方向に走る入力信号ライン(2)および出力信号ライン(3)を、間隙を置いて配置し、両ラインの相対向する端部を、キャパシタンス手段を介して接続し、上記シート(1)の裏面にGNDライン(4)を設けた構成を有するGHz帯用BPFであって、キャパシタンス手段を、入力信号ライン(2)および出力信号ライン(3)の上に、絶縁体のフィルム(5)を介して、いまひとつの導体のストリップからなる中間ライン(6)を、入力信号ラインおよび出力信号ラインの両方にまたがって重なり合うように設けて、入力信号ラインと中間ラインとの間、および出力信号ラインと中間ラインとの間で、それぞれ静電容量を生じさせたものである。このBPFの通過帯域は、それら静電容量の値を選択するとともに、入力信号ライン(2)および出力信号ライン(3)の、線路の長さ、幅、厚さおよび形状等によって決定されるインピーダンスを選択し、かつ、上記シートを構成する軟磁性金属粉末の粒子形状およびマトリクス中の充填率、ならびにシートの形状および厚さ等の条件を組み合わせることにより決定される。
上記のGHz帯用BPFは、たとえば図2に示すような透過係数の周波数特性を有する。このBPFは、構造が簡単で、したがって小型に製造することができるという点が有利であるが、製作の自動化が容易でなく、コストを低く抑えるという要求を満たすことが困難である。また、静電容量やインピーダンスの値が正確でないと、所望の周波数特性が得られないという点で、良品歩留まりに問題がある。
特開2002−171104 特願2003−008811
本発明の目的は、上述した構造のGHz帯用BPFを、自動化が容易な方法で、したがって低コストで製造することができ、しかも所望の周波数特性が得やすく、良品歩留まりが高い製造方法を提供することにある。
本発明のGHz帯用BPFの製造方法は、図1に構造を示したような、軟磁性金属の粉末がシート状のポリマー・マトリクス中に分散したシート(1)の表面に、導体のストリップからなり、直列方向に走る入力信号ライン(2)および出力信号ライン(3)を、間隙を置いて配置し、入力信号ライン(2)および出力信号ライン(3)の上に、両方にまたがって重なり合うように、絶縁体のフィルム(5)を介して、いまひとつの導体のストリップからなる中間ライン(6)を設け、上記シート(1)の裏面にGNDライン(4)を設けたGHz帯用BPFを製造する方法であって、絶縁体のフィルム(5)の両面に入力信号ライン(2)、出力信号ライン(3)および中間ライン(6)を設けたものを成形金型キャビティの一方の面にインサートし、他方の面にGNDライン(4)となる金属片をインサートし、軟磁性金属の粉末を分散させたポリマーを成形金型内に射出成形して一体となった成形品を得ることからなる。
本発明の製造方法によれば、フィルムに貼り付けた銅箔のエッチングに続いてインサート射出成形を行なうという工程の採用により、一挙にGHz帯用BPFが製造できる。生産能率が格段に高くなれば、コストは画期的に低減される。射出成形はまた、一定の規格に合った製品を量産するのに適した製造法であるから、本発明の方法で製造したGHz帯用バンドパスフィルタは一定の周波数特性が保証され、良品歩留まりが高い。従来は、軟磁性金属の粉末を分散させたポリマーをいったんシート状に成形したものを使用し、エッチング製品を接着剤で貼り付けていたので、能率が悪いだけでなく、特性にバラツキが出やすかったが、本発明によりその問題は解消した。
絶縁体のフィルム(5)の両面に入力信号ライン(2)、出力信号ライン(3)および中間ライン(6)を設けたものを製造するには、厚さが10〜500μm、代表的には25μm程度のポリイミド樹脂のフィルムや、100〜200μmのガラス・エポキシ樹脂フィルムを使用し、その両面に、厚さが10〜40μm、代表的には20μm程度の銅箔を、エポキシ樹脂などの接着剤で接着したものをエッチングすることが、簡便で推奨できる方法である。
軟磁性金属の粉末としては、たとえば前掲の特許文献1に開示された粉末から適当なものを選択使用すればよいが、代表的にはFe−13Cr合金の、平均粒径が3〜20μmの粉末が好適である。そのほか、パーマロイやセンダストの粉末、フェライト粉末なども有用である。
軟磁性金属の粉末を分散させるポリマーとしては、熱可塑性で射出成形可能なものは任意に使用できるが、例を挙げれば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ABS樹脂、ポリアセタール、ポリフェニレンエーテル、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリスルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルイミドといった樹脂が有用であって、とくにポリフェニレンサルファイドは最適である。ポリマーには無機質物の粉末、たとえば炭酸カルシウムの粉末のような充填剤を適量添加すると、成形品に強度が与えられて好ましい。
GNDライン(4)となる金属片としては、リン青銅の板が、適切な強度を有していて、好都合に使用できる。金属片の材料が何であれ、軟磁性金属の粉末を分散させたポリマーの成型金型内への射出成形を、金属片に設けた孔を通じて行なうことが有利である。この場合、図5Aに示すように、金属片に、ポリマー混合物の入る射出成形用の孔(41)とは別の、逆テーパを有する孔(42)を設けておき、金型内に射出されたポリマー混合物がこの孔(42)の中に進入するようにすれば、得られる成型品の一体化が確保されて好ましい。
本発明の製造方法を実施するに当たっては、前掲の特許文献2に開示した指針が有用である。すなわち、図1に示した、もっとも単純な形態のGHz帯用BPFにおいて、透過率S21(dB)が急に低下する「ノッチ周波数」f(GHz)に対する、入力信号ライン(2)および出力信号ライン(3)と中間ライン(6)との重ね長さL(mm)との関係は、BPFの各部分のディメンションがその実施例2で試作したものの場合、
f(GHz)=75×1/K・L(mm)
となること、などが参考になる。
本発明には、さまざまな変更態様が可能である。たとえば、GNDラインとなる金属片に相当するものとして、回路基板そのものが使用できることがある。その場合は、回路基板を射出成形金型の一方の成分として利用し、前記した、絶縁体のフィルム(5)の両面に入力信号ライン(2)、出力信号ライン(3)および中間ライン(6)を設けたものを成形金型キャビティの一方の面にインサートしたものと向かい合わせて、両者の間にポリマー混合物を射出すればよい。
図3に示す断面構造のGHz帯用BPFを、本発明の方法により製造した。このBPFは、両端の入力信号ライン(2)および出力信号ライン(3)の間に、中間ライン(6)が複数個あり、入力信号ライン(2)と中間ライン(6A)、中間ライン(6C)と出力信号ライン(3)との間だけでなく、中間ライン相互間(6Aと6B,6Bと6C)でも、キャパシタンスが生じる構造である。この構造は、帯域カットの曲線が急峻になり、シャープなバンドパス特性を与える。
厚さ25μmポリイミドフィルムの両面に、厚さ20μmの銅箔をエポキシ樹脂の接着剤を用いて貼り付け、エッチングにより、表面が図4Aに示すパターンであり、裏面が図4Bに示すパターンである回路(入力信号ライン、中間ライン、出力信号ライン)を形成した。この図において、フィルムの両側に2個ずつある切り欠き(51)は、射出成形金型にGNDライン(4)となる金属片をインサートするときに、その位置を保つために金型に設けてあるセパレータに適合するものである。
他方、厚さ0.5mmのリン青銅の板を、図5Aおよび図5Bに示した形状に加工して、孔を開けた。軟磁性金属の粉末としては、Fe−13Cr合金の粉末であって、平均粒径が8μmのものを使用した。
マトリクス材料としては、ポリフェニレンサルファイド樹脂に、炭酸カルシウムを添加したものを使用し、軟磁性金属粉末の充填率が容積にして10%となるように配合した。上記の回路パターンを成形金型の一方に、その表面を金型に接してのせ、リン青銅の板を成形金型の他方にのせ、上記のポリマー混合物を押出し機で溶融したものを、それらの間に射出することにより一体化し、本発明のGHz帯域用BPFを得た。
このようにして製造したGHz帯域用BPFについて、「ネットワークアナライザー」(日本HP社製)を使用して、0.1GHz(100MHz)から10GHzに至る周波数領域にわたり、透過率S21(dB)を測定した。その測定値をプロットしたグラフを、図6に示す。このグラフによれば、製作したBPFは、おおよそ3GHz以下および11GHz以上の信号に対して−20dB以上の減衰を与えるという特性であるから、ほぼ3.1〜10.6GHzの帯域を通過させることを目的とする超広帯域BPFとして有用である。
本発明の製造方法によって製造されるGHz帯域用BPFは、数百MHz〜十数GHzの周波数領域で使用するBPFとして、携帯電話、PHS、ETC、無線PAN、DSRC(狭域通信)そのほか、広範な技術分野において、任意の周波数帯域の電磁波を通過させ、それ以外をカットするフィルタとして、広い用途を有する。とくに、FCCが定めたUWB通信の周波数帯域3.1〜10.6GHzを通過させ、それ以外をカットするBPFとして好適である。
特許文献2に開示されたGHz帯域用BPFの構造を示す平面図。 図1のBPFの縦断面図。 図1に構造を示したGHz帯域用BPFの、透過係数の周波数特性を示すグラフ。 本発明の実施例で製造したGHz帯域用BPFの構造を示す縦断面図。 図3のGHz帯域用BPFを製造するために用いた回路のパターンを示す、フィルム表面の平面図。 図4−Aのフィルム裏面の平面図。 図3のGHz帯域用BPFを製造するために用いた、GNDラインとなる金属片の形状を示す、表面の平面図。 図5−Aの金属片裏面の平面図。 本発明の実施例で製造したGHz帯域用BPFのS21特性を示すグラフ。
符号の説明
1 シート
2 入力信号ライン
3 出力信号ライン
4 GNDライン
41 射出成形用の孔
42 逆テーパをもつ孔
5絶縁体のフィルム
51 セパレータのための切り欠き
6,6A,6B,6C 中間ライン

Claims (6)

  1. 軟磁性金属の粉末がシート状のポリマー・マトリクス中に分散したシート(1)の表面に、導体のストリップからなり、直列方向に走る入力信号ライン(2)および出力信号ライン(3)を、間隙を置いて配置し、入力信号ライン(2)および出力信号ライン(3)の上に、両方にまたがって重なり合うように、絶縁体のフィルム(5)を介して、いまひとつの導体のストリップからなる中間ライン(6)を設け、上記シート(1)の裏面にGNDライン(4)を設けた構成を有するGHz帯用バンドパスフィルタを製造する方法であって、絶縁体のフィルム(5)の両面に入力信号ライン(2)、出力信号ライン(3)および中間ライン(6)を設けたものを成型金型キャビティの一方の面にインサートし、他方の面にGNDライン(4)となる金属片をインサートし、軟磁性金属の粉末を分散させたポリマーを成型金型内に射出成形して一体となった成型品を得ることからなるGHz帯用バンドパスフィルタの製造方法。
  2. 絶縁体のフィルム(5)の両面に入力信号ライン(2)、出力信号ライン(3)および中間ライン(6)を設けたものを、ポリイミド樹脂のフィルムの両面に銅箔を接着したものをエッチングすることによって製造する請求項1の製造方法。
  3. GNDライン(4)となる金属片として、リン青銅の板を使用する請求項1の製造方法。
  4. 軟磁性金属の粉末を分散させたポリマーが、軟磁性金属の粉末を、無機質物の粉末とともにポリフェニレンサルファイド樹脂に分散させたものである請求項1の製造方法。
  5. 軟磁性金属の粉末として、Fe−13Cr合金、パーマロイ、センダストおよびフェライトから選択したものの粉末を使用し、無機質物の粉末として炭酸カルシウムの粉末を使用した請求項1の製造方法。
  6. 軟磁性金属の粉末を分散させたポリマーの成型金型内への射出成形を、GNDライン(4)となる金属片に設けた射出成形用の孔(41)を通じて行ない、この金属片に設けた別の逆テーパを有する孔(42)の中にポリマーを進入させることによって、得られる成型品の一体化を確保する請求項1の製造方法。
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