JP4519099B2

JP4519099B2 - 高周波モジュール

Info

Publication number: JP4519099B2
Application number: JP2006094522A
Authority: JP
Inventors: 晃一重永
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-03-30
Filing date: 2006-03-30
Publication date: 2010-08-04
Anticipated expiration: 2026-03-30
Also published as: JP2007274106A

Description

この発明は、高周波に属するマイクロ波帯およびミリ波帯の通信装置、レーダ装置等の高周波モジュールに関するものである。

従来の受信装置では、ＩＦアンプおよび回路基板の出力端子取付部の上方に金属製のシールド板を取り付けることで、アースの不安定な裏蓋による悪影響を軽減して安定したアース状況を作り出し、さらに空間的な信号反射状況を変えることによってアイソレーション特性を改善している（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００３−３７５１０号公報

上記特開２００３−３７５１０号公報による受信装置は、金属製のシールド板をシャーシと比較的広い面で接触させているため、そのシャーシとの接触面積の分だけ実装面積が狭くなり、高密度実装に不利という問題があった。

この発明は、上述のような問題点を解消するためになされたもので、高密度実装が可能な高周波モジュールを提供することを目的とする。

この発明に係わる高周波モジュールは、送信系または受信系の増幅器が搭載された高周波回路基板、上記高周波回路基板を収納・実装し、所定の幅を有し、上記増幅器が送受信する電波の伝搬方向に沿って伸びる所定の長さの内部底面部と、上記内部底面部の幅方向両端部からそれぞれ立ち上がる内壁部を有するケース、上記ケースの上部を覆う外カバー、上記ケース内の上記内壁部中間高さに固定支持される機能回路基板を備え、上記機能回路基板と上記高周波回路基板とで階層基板構造を構成し、上記機能回路基板は、電源・制御回路の機能を有するとともに、内層全面に地導体ベタパターン、表層に上記地導体ベタパターンに繋がるグランドパターンを有し、上記グランドパターンを介して上記地導体ベタパターンと上記ケースとが導通状態となるものである。

この発明の高周波モジュールによれば、機能回路基板と高周波回路基板とを階層基板構造としたため、高密度実装化が可能になり、機能回路基板の内層の地導体ベタパターンをカットオフ構造に利用することが可能になるという効果がある。

実施の形態１．
図１および図２を用いて、この発明の実施の形態１による高周波モジュールについて説明する。図１は、高周波モジュールの分解平面図であり、本発明の高周波モジュールは、高周波回路基板６、９等を収納・実装するケース２と、そのケース２の上部に接触し、これを覆う金属製の外カバー１と、ケース２内の高周波回路基板６、９上に階層基板構造となるように配置される内カバー（機能回路基板に相当する。構成の詳細については後述する。）１０、１１とにより主に構成されている。

ケース２は、例えばアルミニウムの削り出し加工によって成形されるものであり、図示するように、平面形状が長方形となり、側壁部高さが一定となるように成形され、内部空間に高周波回路基板６、９等を実装できるようになっており、ケース２内部の中央部には、ケース２の長辺方向に沿って平行な状態に実装する二つの高周波回路基板６、９の実装スペースを分離する壁面部が、底面部から突出するように設けられている。ケース２の内部には、高周波回路基板６、９を収納・実装し、所定の幅を有し、増幅器（後述する。）が送受信する電波の伝搬方向に沿って伸びる所定の長さの内部底面部と、内部底面部の幅方向両端部からそれぞれ立ち上がる内壁部を有している。

このケース２の一側壁部（ケース２の平面形状を長方形とすると、その一短辺に相当する。）には、送信入力／受信出力コネクタ３が付設されており、また、別の側壁部（別の短辺に相当する。）には受信入力／送信出力コネクタ４が付設されている。ケース２内には、送信入力／受信出力コネクタ３とケース２内に配置される高周波伝送線路（図１には図示せず。後述の図３に示される高周波伝送線路１５と同様の構成である。）によって接続された送受信切替スイッチ５ａ、送受信切替スイッチ５ａを搭載した切替スイッチ搭載基板５が配置される。ケース２内の中央内壁部と、ケース２の一長辺側壁部（ケース２の平面形状を長方形とみた場合。）とで囲まれたケース２の内部底面部には送信系増幅器６ａを搭載した高周波回路基板６が収納・実装され、ケース２の中央内壁部と、ケース２の別の長辺側壁部とで囲まれたケース２の内部には受信系増幅器９ａを搭載した高周波回路基板９が収納・実装される。
受信入力／送信出力コネクタ４が付設される側のケース２内部には、高周波回路基板６に隣接してサーキュレータ７が配置され、サーキュレータ７と高周波回路基板９との間に受信ＲＦ中継基板８が配置される。

ケース２内部の高周波回路基板６、９が収納・実装される内壁部（中央内壁部を含む。）の中間高さには、内カバー１０、１１を保持するための内カバー保持平面部（機能回路基板保持平面部に相当する。）２ａが設けられている。この内カバー保持平面部２ａは、図２に、図１中におけるＡ−Ａ断面図（送信系増幅器６ａと受信系増幅器９ａを通る、電波の伝搬経路に対して垂直な方向に沿う断面図。）を示すように、内カバー１０、１１の載置面以下の位置でのケース２内壁部の厚さが、内カバー１０、１１の載置面より上の位置でのケース２内壁部の厚さよりも厚くなるように構成されており、その内壁部の厚さの相違によって生じる段差の平面部を内カバー保持平面部２ａとして用い、内カバー１０、１１をケース２内壁部の中間高さに保持している。内カバー１０、１１は、送受信切替スイッチ５、送信系増幅器６、受信系増幅器９への電源回路・制御回路などの機能を有する機能回路基板である。内カバー１０、１１と高周波回路基板６、９とがそれぞれ階層基板構造を構成しているため、限られた実装面積において、２階建ての基板構造を実現でき、高密度実装が可能となっている。

この内カバー１０（１１）は、図２の断面図に示すように、内カバー上層基板１０ａ（１１ａ）、内カバー下層基板１０ｂ（１１ｂ）、内カバー上層基板１０ａ（１１ａ）と内カバー下層基板１０ｂ（１１ｂ）との間に介在し、内カバー１０（１１）の全面に広がって形成される地導体ベタパターン１２、内カバー下層配線１０ｂ（１１ｂ）の表層（高周波回路基板６、９側）に設けられるグランドパターン１３によって構成される。内カバー１０（１１）内層の地導体ベタパターン１２と、裏面表層に設けられるグランドパターン１３は、内カバー下層配線１０ｂ（１１ｂ）内を貫通する導電配線であるスルーホール１３ａによって電気的に接続された状態（導通状態）となっている。なお、内カバー１０、１１は、例えば、固定ネジ、接着剤を用いるか、溶接によって固定することが可能である。

次に、この高周波モジュール内を伝搬する電波（ＲＦ信号）の流れについて説明する。また、図１中に、電波の伝搬経路を矢印によって示す。まず、送信ＲＦ信号は、送信入力／受信出力コネクタ３から入力され、送受信切替スイッチ５で送信系経路を選択し、送信系増幅器６によって増幅され、サーキュレータ７を通過後、受信入力／送信出力コネクタ４から出力される。一方、受信ＲＦ信号は、受信入力／送信出力コネクタ４から入力され、サーキュレータ７、受信ＲＦ中継基板８を通過し、受信系増幅器９によって増幅され、送受信切替スイッチ５で受信系経路を選択後、送信入力／受信出力コネクタ３から出力される。

図２に、図１のＡ―Ａ断面図を示すように、この高周波モジュールを構成するケース２は、その内部に高周波回路基板６（９）を配置する構造である。この実施の形態１では、ケース２は、高周波回路基板６（９）を収納・実装するための空間として、高周波回路基板６（９）を収納できる所定の幅を有し、増幅器（６ａ（９ａ））が送受信する電波の伝搬方向に沿って伸びる所定の長さの内部底面部と、内部底面部の幅方向両端部からそれぞれ立ち上がる内壁部（上述した中央内壁部と、長辺側壁部に相当する。）を持つ構造である。なお、図２では、ケース２の対向する２面の内壁部間の距離に相当する寸法ａと、高周波回路基板６（９）の幅とが同じである場合を示しているが、実装時の裕度を確保するため、高周波回路基板６（９）の幅方向の寸法が、ａよりも小さく形成される場合がある。

次に、この高周波モジュールのカットオフ構造について説明する。実施の形態１の高周波モジュールを、方形導波管モデル（電波の伝搬経路に対して垂直な断面の形状が方形（ａ×ｂ、ａ＞ｂ）である場合）に当てはめると、カットオフ構造を得るためには、ケース２の対向する２面の内壁部間の距離に相当する寸法ａ（増幅器６（９）が送受信する電波の伝搬経路幅方向の寸法に相当する。）と、伝搬可能な電波の周波数ｆとの関係が、ｃ／２ａ＜ｆ＜ｃ／ａ（ｃ：光速度）を満たすような構成である必要がある。上記の関係式を満たすａ寸法をカットオフ寸法という。方形導波管モデルに当てはめた場合のｂ寸法は、図２で言うところのケース２の高周波回路基板６（９）を実装する内部底面部表面から、内カバー１０（１１）内の地導体ベタパターン１２底面までの距離に相当する寸法となる（なお、図２は、断面構造を理解しやすいように、縮尺を変えて描いている部分がある。）。ａ寸法と周波数との関係式については、一般の教科書等に記載されている事項であるため、その説明を省略する。

具体的には、この発明による高周波モジュールが用いる電波の周波数ｆが、マイクロ波帯またはミリ波帯に属する高周波であり、例えば１．５ＧＨｚであるとすると（光速度ｃ≒３．０×１０^８ｍ／ｓ）、上記関係式を解いて、１００ｍｍ＜ａ＜２００ｍｍの関係となるようにａ寸法を設定することで、カットオフ構造を得ることができる。カットオフ構造を得ることで、送受信対象となる高周波以外の波長の信号を伝搬しない（遮断する）構造とすることができる。

このように、内カバー１０、１１と、高周波回路基板６、９との階層基板構造とすることで高密度実装を図ることができ、さらに、内カバー１０、１１の内層に地導体ベタパターン１２を設けておくことで、地導体ベタパターン１２と、高周波回路基板６、９を収納・実装する部分のケース２の内壁面（内壁部の表面がシールド壁となる。）および内部底面部とにより、カットオフ構造を実現でき、送受信対象ではない電波を伝搬しない構造が得られ、高性能化が可能となる。

実施の形態２.
次に、この発明の実施の形態２について、図３〜図５を用いて説明する。
先述の実施の形態１では、ケース２の内壁部に内カバー保持平面部２ａを形成し、内カバー１０、１１を保持する場合について示したが、この実施の形態２では、図３に示すように、ケース２内の内カバー１０（１１）を配置する部分で、ケース２の内壁部に近接する位置に複数本の円柱状の金属ポスト１４を配置し、その金属ポスト１４の上面において内カバー１０、１１との固定を図り、内カバー１０、１１を支持する構造となっている。また、高周波モジュール内の高周波伝送線路を符号１５にて示す。

図３のＢ−Ｂ線に沿う断面図を図４に示す。複数本の金属ポスト１４は、ケース２内の内部底面部に、その底面が接する状態で、上下方向に伸びるように配置され（全ての金属ポスト１４の形状は同一形状であり、高さ等、統一されている。）、金属ポスト１４の上面で内カバー１０（１１）を構成するグランドパターン１３と接し、ケース２と内カバー１０（１１）とが金属ポストを介して導通状態となり、ＧＮＤ電位に保たれている。高周波回路基板６（９）の形状は、金属ポスト１４の配置スペースを切り欠いた、切り欠き部を持つ形状であるが、全体的な形状として捉えると、所定の幅（実施の形態１と比較すると、内カバー保持平面部２ａを形成しない点で相違する。）を有し、電波の伝搬方向に沿って伸びる所定の長さであるケース２内の内部底面部に収まる長方形の基板形状となる。

この実施の形態２による高周波モジュールの場合は、金属ポスト４が導電性物質であり、シールド壁の一部を構成するため、図４に示すように、送受信対象となる高周波が伝搬する伝搬経路の最も狭い幅となる箇所、つまり、対向するケース２の内壁部に近接して配置される二つの金属ポスト１４間の距離によって寸法ａが決まる。このａの寸法が、実施の形態１において示した関係式を満たすように、金属ポスト１４を配置することで、地導体ベタパターン１２、金属ポスト１４、ケース２内壁部および内部底面部によって、この実施の形態２の高周波モジュールにおいてもカットオフ構造を得ることが可能である。

また、図５に、図３のＢ−Ｂ断面図の、図４とは異なる断面構造を示す。図４では、金属ポスト１４が、ケース２の内部底面部（高周波回路基板６、９の底面に同じ。）から、内カバー１０、１１の底面（グランドパターン１３の裏面側表面）までの高さにかけて設けられた例を示したが、図５では、一定の幅を持つ高周波回路基板６、９がケース２の内部底面に配置され、その高周波回路基板６、９上に金属ポスト１４が配置された場合を示す。図５の場合、例えば、金属ポスト１４は、その底部がネジの形状となっており、高周波回路基板６、９の固定ネジの役割を果たすように構成することも可能である（図５中への金属ポスト１４の底部ネジ形状については記載を省略する。）。なお、図５の場合にあっても、方形導波管モデルに当てはめた場合のａ寸法は、金属ポスト１４間の距離に相当している。

実施の形態３.
次に、この発明の実施の形態３による高周波モジュールについて説明する。先述の実施の形態２では、図４、図５の断面図にて、内カバー１０、１１がケース２内の内壁部に内カバー１０、１１の端面が密着する状態を例示していた。しかし、実際に製品を製造する場合には、実装時の裕度を鑑み、ケース２内の空間よりも小さな寸法の基板（内カバー１０、１１）となるように製造することがある。その場合、金属ポスト１４上に内カバー１０、１１を載置・固定すると、ケース２の内壁面と内カバー１０、１１とが密着せず、隙間部が生じてしまう。この実施の形態３による高周波モジュールでは、図６の分解平面図に示す金属テープ１６を、ケース２の内壁面と内カバー１０、１１との間に生じる隙間部を塞ぐ要領で、図７に図６のＣ−Ｃ断面図に示すように貼り付けて用いる。

金属テープ１６は、一定の幅を持つ帯状のテープで、例えば半幅となるように、長さ方向に沿って９０度の角度に折り曲げられる（金属テープ１６の接着面となる裏面側は、２７０度の角度で折れ曲がった状態となる。）。金属テープ１６を折り曲げる箇所については本構造を適応するモジュールによって、隙間部の幅に合わせるなどして変化させることができる。金属テープ１６の接着面が、ケース２の内壁と内カバー１０、１１の上面に接着させる状態となるが、一定面積以上の接着面を確保できるよう、金属テープ１６の幅、折り曲げ箇所を決定する。

このような、ケース２内における内カバー１０、１１とケース２の内壁部との隙間を塞ぐように金属テープ１６を取り付けたことで、高周波回路基板のシールド性、すなわち空間アイソレーションを改善することが可能である。
なお、図６および図７の構造を実現することにより、実施の形態１および２の場合と同様に、高密度実装化、カットオフ構造の実現可能となることは言うまでもない。

この発明の実施の形態１による高周波モジュールの分解平面図である。図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。この発明の実施の形態２による高周波モジュールの分解平面図である。図３のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。図３のＢ−Ｂ線に沿う別の断面図である。この発明の実施の形態３による高周波モジュールの分解平面図である。図６のＣ−Ｃ線に沿う断面図である。

符号の説明

１外カバー２ケース
２ａ内カバー保持平面部３送信入力／受信出力コネクタ
４受信入力／送信出力コネクタ５切替スイッチ搭載基板
５ａ送受信切替スイッチ６、９高周波回路基板
６ａ送信系増幅器７サーキュレータ
８受信ＲＦ中継基板１０、１１内カバー（機能回路基板）
１２地導体ベタパターン１３グランドパターン
１３ａスルーホール１４金属ポスト
１５高周波伝送線路１６金属テープ。

Claims

送信系または受信系の増幅器が搭載された高周波回路基板、上記高周波回路基板を収納・実装し、所定の幅を有し、上記増幅器が送受信する電波の伝搬方向に沿って伸びる所定の長さの内部底面部と、上記内部底面部の幅方向両端部からそれぞれ立ち上がる内壁部を有するケース、上記ケースの上部を覆う外カバー、上記ケース内の上記内壁部中間高さに固定支持される機能回路基板を備え、上記機能回路基板と上記高周波回路基板とで階層基板構造を構成し、上記機能回路基板は、電源・制御回路の機能を有するとともに、内層に地導体ベタパターン、表層に上記地導体ベタパターンに繋がるグランドパターンを有し、上記グランドパターンを介して上記地導体ベタパターンと上記ケースとが導通状態となることを特徴とする高周波モジュール。
上記機能回路基板は、上記ケースの壁面部の中間高さに設けられた機能回路基板保持平面部上に載置・固定され、上記機能回路基板内の上記地導体ベタパターンと上記ケースの内壁部および内部底面部によってカットオフ構造を構成することを特徴とする請求項１記載の高周波モジュール。
上記ケースの内部に配置される複数本の金属ポストを有し、上記金属ポストの上部に上記機能回路基板を載置・固定し、上記グランドパターンが上記金属ポストを介して上記ケースと導通状態となり、上記機能回路基板内の上記地導体ベタパターン、上記金属ポスト、上記ケースの内壁部および内部底面部によってカットオフ構造を構成することを特徴とする請求項１記載の高周波モジュール。
上記機能回路基板と上記ケースの内壁部との間に隙間部がある場合、金属テープを取り付けてその隙間部を塞ぐように構成したことを特徴とする請求項２又は請求項３記載の高周波モジュール。