JP4386070B2

JP4386070B2 - 高周波モジュール

Info

Publication number: JP4386070B2
Application number: JP2006353845A
Authority: JP
Inventors: 啓輔藤原; 俊介宇崎; 善朗礒部
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-12-28
Filing date: 2006-12-28
Publication date: 2009-12-16
Anticipated expiration: 2026-12-28
Also published as: JP2008167113A

Description

この発明は、高周波を伝送する高周波モジュールに関するものであり、特にプリント配線板のストリップ線路と高周波を入出力するコネクタとのインピーダンス整合に関する。

導体シャーシ（筐体）に固定された同軸コネクタの内導体と誘電体基板（絶縁性基板）に形成された伝送線路とを接続する高周波モジュールでは筐体と絶縁性基板との熱膨張率の差異による歪(ストレス)を軽減するため、はんだ付け等による直接接続は行わないで柔軟性のある薄膜の金属リボンやワイヤによる熱圧着法又はワイヤボンディング法が用いられる。

例えば、特開昭６３−６９０３号公報図１（特許文献１参照）には、マッチング回路のストリップライン端部２４と同軸コネクタ２のコネクタ内導体６とは金リボン３で接続した高周波回路装置が開示されている。

また、実開昭６１−７７５６７号公報図１（特許文献２参照）には、同軸コネクタの導体と回路基板の導体パターンとをフッ素樹脂シートを介在させて金リボンで電気接続したものが記載されている。

特開昭６３-６９０３号公報（第１図）

実開昭６１−７７５６７号公報（第１図）

しかしながら、特許文献１に記載のものは、柔軟性のある金リボン３を介しているので比較的簡易な構造でストレスを回避しているもののコネクタ内導体６からストリップライン端部２４に向けて金リボン３を信号の伝送方向に垂らすことから反射特性が劣化し、特に出力回路側では出力電力が十分に取り出せないという問題点があった。

特許文献２に記載のものは、同軸コネクタ４の導体５の周りに金リボン７を巻いた構造なので広帯域で反射特性の劣化は少ないものの、金リボン７を導体５に巻きつける作業に加えてボンディング作業が必要であるため、工作上の利便性が損なわれるという問題点があった。

この発明は上記のような課題を解消するためになされたものであり、導体シャーシ(筐体)と基板との熱膨張率の差異によるコネクタとストリップラインとの間の接続部のストレス集中を回避するとともに簡単な構造で伝送線路の反射特性を改善する高周波モジュールを提供することを目的とする。

請求項１の発明に係る高周波モジュールは、多層基板の一方の表面に設置した高周波回路の導体パターンと、この導体パターンと電界分布結合を形成する前記多層基板の他方の表面に設置した外層地導体と、伝送線路端部に近接し、前記導体パターン側に突設させた同軸コネクタの内導体と、この内導体と前記導体パターンとを接続する接続導体と、水平部と側壁部とを有し、前記多層基板の他方の表面を前記水平部で固定し、前記同軸コネクタの外導体を前記側壁部で固定する導電性の筐体と、前記多層基板の内層において、前記伝送線路端部に配置され、前記内導体側と接続された前記接続導体と電界分布結合を形成する幅広の地導体パターンと、前記伝送線路端部に配置され、前記地導体パターンと前記導電性の筐体とを前記外層地導体を介して電気接続する前記多層基板に設置したスルーホール部とを備えたものである。

以上のようにこの発明に係る高周波モジュールによれば、周囲が空間となっている接続導体に対応する地導体を接続導体側に接近させたので接続導体の電界分布は多層基板の内層側の幅広地導体パターンとで結合形成するので、接続導体部分の特性インピーダンスは低下し、同軸コネクタの特性インピーダンスとの整合を図ることが可能となり、接続導体以外の導体パターンの電界分布は導電性の筐体とで結合形成するので、反射電力特性を改善できる効果がある。

実施例１．
以下、この発明の実施例１について図１を用いて説明する。図１は、高周波モジュールの入出力端子部周辺の側面図である。図１において、１はＢＴレジン材などで構成した両面銅張り板を積層し多層構造とした０．３ｍｍ厚の多層基板、２は多層基板１の表面にパターン形成した導体パターン（ストリップライン）、３はストリップライン２の地導体であり、３ａは多層基板１の内層に設置した地導体（内層地導体）、３ｂは多層基板１の裏面外層に設置した地導体（外層地導体）である。なお、多層基板１の絶縁性領域を誘電体基板（絶縁性基板）と呼称する。

４は多層基板１を水平部で載置するとともに地導体３ａ、３ｂと電気的に接続する表面が導電性を有する導体シャーシ（導電性筐体）、５は導体シャーシ４の側壁部に固定されたコネクタ（同軸コネクタ）、６は同軸コネクタ５の芯線（内導体）、７は同軸コネクタ５の外導体であり、導体シャーシ４と電気接続される。８はストリップライン２と同軸コネクタ５の内導体６とを熱圧着法で接続する金材などで構成した金属リボン（接続導体）、９は多層基板１の内層を含む表裏を貫通する内壁が導電性を有するスルーホール部である。

次に多層基板１の製造方法について説明する。ＢＴレジン材で構成した両面銅張り板の一方の表面をエッチング加工し、選択的に地導体３ａを設けた後、基材のエッチング加工面にさらにＢＴレジン材を積層し多層構造とした後、穴あけ加工し、貫通穴を設け、めっき後スルーホール部９とした多層基板１の表面にさらにエッチング加工してストリップライン２を設ける。

図２は、高周波モジュールの入出力端子部周辺の平面図である。図２において、Ｓは多層基板１と導体シャーシ４との間に設けられた０．５ｍｍ〜１．０ｍｍまでの隙間であり、高周波モジュールに搭載する発熱部品（図示せず）や周囲の環境温度変化に伴ない、多層基板１端部と導体シャーシ４との側壁とが接触することによる歪を生じさせないように離隔させている。Ｗはストリップライン２の伝送線路幅を示す。スルーホール部９は、ストリップライン２の端部近傍両側に金属リボン７側に向かって設置され、多層基板１の端部から０．５ｍｍ内側に設置し、ストリップライン２の伝送方向と直角方向に対してはストリップライン２のパターン幅方向エッジからスルホール外周縁までの距離を０．２５ｍｍ離間させている。図１及び図２中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

図３は、導体シャーシ４に載置された多層基板１の層構成説明する部分断面図であり、地導体３ａ、３ｂはストリップライン２のパターン幅に対して幅広となっている。図４は高周波モジュールの入出力端子部周辺を部分拡大した側面図である。図４において、１０は多層基板１と導体シャーシ４との間に介在させた導電性の接着剤である。金属リボン８は長さ２ｍｍ、厚さ０．０２５ｍｍとし、幅はストリップライン２の幅より、幾分小さい金箔を使用する。なお、多層基板１の実効比誘電率（εｒ）は各層とも同じとする。図３及び図４中、図１と同一符号は同一又は相当部分を示す。

次に動作について図１〜図４を用いて説明する。マイクロ波帯域の高周波信号は同軸コネクタ５から入力され、導体リボン８を経由してストリップライン２に伝搬する。同軸コネクタ５の特性インピーダンスは５０Ω、その周波数範囲は０〜２０ＧＨｚの市販のコネクタを使用するので多層基板１に安価な汎用の０．３ｍｍ厚のＢＴレジン基板を使用する場合はＢＴレジンの実効比誘電率（εｒ）は３．４であり、波長短縮率は０．６１であるのでストリップライン幅（Ｗ）は０．６８ｍｍとすることで特性インピーダンスの整合が行われる。

また、誘電体損失の少ないフッ素樹脂基板を使用する場合はフッ素樹脂のεｒは２．６であり、波長短縮率は０．６８となるから汎用の０．６ｍｍ厚のフッ素樹脂基板ではストリップライン幅（Ｗ）は１．５４ｍｍとすることで特性インピーダンスの整合を行っても良い。

一般に同軸コネクタから入力された高周波信号の電力は、金属リボン８を介してストリップライン２に伝搬するが、同軸コネクタ５の内導体６と多層基板１の表面とは高さ方向の段差があり、金属リボン８は内導体６の先端上側に平行に固定された後、図４の部分拡大図に示すように段差（ｈ）の中空部分を垂れながらストリップライン２と接続される。従って、中空領域に位置する金属リボン８の地導体に対する電界分布は、ストリップライン２の伝送線路に対する電界分布よりも対地距離が長く導体シャーシ４側面（側壁）からも離間されるので、伝送線路のインピーダンスは大きくなる傾向にある。

対して、図５は高周波モジュールの入出力端子部周辺の斜視図あり、金属リボン８の中空領域の電界分布結合は多層基板１内層の幅広の地導体３ａと結合され、金属リボン８から延びたストリップライン２の電界分布結合は多層基板１の裏面の地導体３ｂと結合する。従って、中空領域に位置する金属リボン８を通過する領域の高周波回路の特性インピーダンスは地導体３ａが介在することにより低下する。なお、高周波モジュールの発熱や環境温度変化により導体シャーシ４と多層基板１との熱膨張率の差によるストレス（歪）は中空に位置する導体リボン８が一部変形することで吸収する。

図６はＢＴレジン材を用いた多層基板１を導体シャーシ４の側壁から１．０ｍｍ隔離し、ストリップライン２の端部近傍両側にスルーホール部９を設けてコネクタ５の内導体６とストリップライン２とを金属リボン８で接続した高周波モジュールと、スルーホール部９を設けないでコネクタ５の内導体６とストリップ線路２とを金属リボン８で接続した高周波モジュール（試供ＭＤ）との各周波数における反射電力を示したものである。図６では広帯域に亘り反射電力の改善が見込まれる。また、図７に示すように反射電力の規格が−２０ｄＢ以下とした場合には、本実施例１では２ＧＨｚまでのマイクロ波周波数まで適用できるのに対してスルーホール部９を設置しないものは１．５ＧＨｚ程度のマイクロ波周波数までしか適用できないことが解かる。

以上から反射電力に関しては、金属リボン８を空中から垂らしてストリップライン２と接続することで同軸コネクタ５との変換領域において反射電力の不整合が生じるものの実施例１によれば同軸コネクタ５の内導体６から伝送された高周波電力は金属リボン８領域では多層基板１の地導体３ａと結合し、ストリップライン２領域では地導体３ｂと結合するので同軸コネクタ５との変換領域における伝送損失は改善される。

実施例２．
実施例１では多層基板１のスルーホール部９はストリップライン２の端部近傍両側に金属リボン７側に向かって設置したが、実施例２ではスルーホールを金属リボン１の直下に設置する場合について述べる。

以下、この発明の実施例２について図８を用いて説明する。図８は高周波モジュールの入出力端子部周辺の部分拡大側面図である。図８において、１０は多層基板１と導体シャーシ４との間に介在させた導電性の接着剤、９０はストリップライン２端部近傍のストリップライン２の延長線上に金属リボン８側に向かって設置したスルーホール部であり、ＩＶＨ（ＩｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌＶｉａＨｏｌｅ）とも呼ぶ。なお、多層基板１と導体シャーシ４との接着は、導電性の接着剤１０に限らず、ねじ止めによる押さえで固定しても良い。

次に多層基板１の製造方法について説明する。ＢＴレジン材で構成した両面銅張り板の一方の表面をエッチング加工し、選択的に地導体３ａを設けた後、穴あけ加工し、貫通穴を設け、めっき後スルーホール部９０とした基材のエッチング加工面にさらにＢＴレジン材を積層し多層構造とした多層基板１の表面にストリップライン２を設ける。

さらに多層基板１裏面と導体シャーシ４とを導電性の接着剤１０で接着し、その後コネクタ５の内導体６とストリップライン２とを金属リボン８を介して接続する。ＩＶＨ９０は金属リボンの直下の内層に配置され、多層基板１の地導体３ａ、３ｂは導体シャーシ４と電気的に接続される。

図９はＢＴレジン材を用いた多層基板１を導体シャーシ４の側壁から１．０ｍｍ隔離し、ストリップライン２端部近傍の金属リボン８の直下にＩＶＨ９０を設けてコネクタ５の内導体６とストリップライン２とを金属リボン８で接続した高周波モジュールと、スルーホール部９を設けないでコネクタ５の内導体６とストリップライン２とを金属リボン８で接続した高周波モジュールとの各周波数における反射電力を示したものである。図９では広帯域に亘り反射電力の改善が見込まれる。また、図１０に示すように反射電力の規格が−２０ｄＢ以下とした場合には、本実施例２では実施例１同様２ＧＨｚまでのマイクロ波周波数まで適用できるのに対してスルーホール部９を設置しないものは実施例１同様１．５ＧＨｚ程度マイクロ波周波数までしか適用できないことが解かる。

以上から反射電力に関しては、金属リボン８を空中から垂らしてストリップライン２と接続することで同軸コネクタ５との変換領域において反射電力の不整合が生じるものの実施例２によれば同軸コネクタ５の内導体６から伝送された高周波電力は金属リボン８領域では多層基板１の地導体３ａと結合し、ストリップライン２領域では地導体３ｂと結合するので同軸コネクタ５との変換領域における伝送損失は改善される。また、実施例１に比べてストリップライン２の入力側端部表面にスルーホールがないので、同軸コネクタ５を出力側に用いる場合であっても出力インピーダンス改善のためのマッチングスタブの形成が容易となる。

なお、実施例１及び実施例２では、多層基板１の裏面に地導体３ｂを設けたが、地導体３ｂは導体シャーシ４と電気接続されるので、高周波回路の低周波側で使用する場合には無くても良い。また、入出力端子部のコネクタは同軸コネクタ５を用いて説明したが探針などの内導体を備えた導波管型の高周波変換部を備えたコネクタであっても相応の効果を奏する。

さらに実施例１及び実施例２では、比較的低いマイクロ波周波数領域の反射電力特性を主体に述べたが、ストリップラインは多層基板１と上部空気層を跨って電界や磁界が生じるので周波数が高くなるにつれて電界はストリップ線路幅（Ｗ）のエッジに集中し、結果、特性インピーダンスが高くなる傾向があるためストリップライン幅を細くすることで対処する。また、周波数が高い場合には多層基板１の厚みを薄くし、高誘電率の基板を用いることで高周波側の反射電力特性の改善が可能である。

この発明の実施例１による高周波モジュールの部分側面図である。この発明の実施例１による高周波モジュールの部分平面図である。この発明の実施例１による高周波モジュールの部分断面図である。この発明の実施例１による高周波モジュールの部分拡大側面図である。この発明の実施例１による高周波モジュールの電界分布を説明する斜視図である。この発明の実施例１による高周波モジュールの反射電力特性図である。この発明の実施例１による高周波モジュールの低周波側反射電力特性図である。この発明の実施例２による高周波モジュールの部分拡大側面図である。この発明の実施例２による高周波モジュールの反射電力特性図である。この発明の実施例２による高周波モジュールの低周波側反射電力特性図である。

符号の説明

１多層基板、２導体パターン（ストリップライン）、３地導体、３ａ内層地導体、３ｂ外層地導体、４導電性筐体（導体シャーシ）、５コネクタ（同軸コネクタ）、６内導体、７外導体、８接続導体（金属リボン）、９スルーホール部、１０接着剤、９０スルーホール部（ＩＶＨ）。

Claims

多層基板の一方の表面に設置した高周波回路の導体パターンと、この導体パターンとの電界分布結合を形成する前記多層基板の他方の表面に設置した外層地導体と、伝送線路端部に近接し、前記導体パターン側に突設させた同軸コネクタの内導体と、この内導体と前記導体パターンとを接続する接続導体と、水平部と側壁部とを有し、前記多層基板の他方の表面を前記水平部で固定し、前記同軸コネクタの外導体を前記側壁部で固定する導電性の筐体と、前記多層基板の内層において、前記伝送線路端部に配置され、前記内導体側と接続された前記接続導体との電界分布結合を形成する幅広の地導体パターンと、前記伝送線路端部に配置され、前記地導体パターンと前記導電性の筐体とを前記外層地導体を介して電気接続する前記多層基板に設置したスルーホール部とを備えた高周波モジュール。