JP4557751B2

JP4557751B2 - 高周波回路基板および高周波モジュール

Info

Publication number: JP4557751B2
Application number: JP2005061932A
Authority: JP
Inventors: 智也田淵
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2005-03-07
Filing date: 2005-03-07
Publication date: 2010-10-06
Anticipated expiration: 2025-03-07
Also published as: JP2006245456A

Description

本発明は、放射素子で送受信される高周波信号を高周波回路に伝送する高周波回路基板およびそれを用いた高周波モジュールに関する。

従来の高周波回路基板21を図７，８に示す。図７は高周波回路基板21の平面図、図８は図７の高周波回路基板21の断面図である。ただし、図８は、放射素子基板23と電力分配線路基板27の位置関係のみを示している。これらの図に示すように、高周波回路基板21は、上面に複数の放射素子22を持つ放射素子基板23と、その下面に第２の接地導体25ａ、複数の放射素子22へ給電するために電力分配を行なうためのＴ分岐を有する電力分岐線路26が形成された電力分配線路基板27が順次積層されている。

放射素子基板23は、誘電体で構成された基板の上面に複数の放射素子22を装着して構成される。また、放射素子基板23の下面に第２の接地導体25ａが積層され、さらに第２の接地導体25ａの下面に電力分配線路基板27が積層される。電力分配線路基板27は誘電体で構成され、入力される高周波信号を複数の放射素子２へ同位相かつ同電力となるように分配するためのＴ分岐を具備する平面状の電力分岐線路26が形成され、複数の放射素子22へ高周波信号が伝送される。また、電力分配線路基板27の下面に銅箔等で構成された第１の接地導体25ｂが形成される。

また、第２の接地導体25ａには、電力分配線路基板27から伝送される高周波信号を複数の放射素子22へ接続するため、表裏に貫通する伝送導体24が形成される（下記の特許文献１参照）。

このような構成により、放射素子基板23と電力分配線路基板26とが伝送導体24を通じて直接的に接続できるため、放射素子基板23への給電部の位相誤差を低減し、送受信信号の高周波化が可能となり、電力分配線路26が、第２の接地導体25ａと第１の接地導体25ｂとの間に介在されるため、外部からのノイズに対する影響を低減することができる。
特公平８−１２９７３号公報

しかし、上記従来の高周波回路基板の場合、電力分配線路基板27の電力分配線路26のＴ分岐において、例えば、電波インピーダンスのミスマッチ等による不要な電磁波成分が発生した場合、その電磁波成分が水平方向へ伝播し、高周波回路基板21の外部空間へ漏洩し、その漏洩された電磁波成分による複数の放射素子22から放出される放射利得が低下するという問題点があった。

したがって、本発明では上記従来の問題点を鑑みて完成されたものであり、その目的は、不要な電磁波成分を高周波回路基板の外部空間に漏洩することを有効に抑制することで、放射素子から放出される放射利得の低下を抑制し、より高放射利得な高周波回路基板を提供することである。

本発明の高周波回路基板は、下面に電子部品が電気的に接続される信号線路が形成された誘電体から成る高周波線路基板と、該高周波線路基板の上面に第１の接地導体を介して積層されるとともに内部にＴ分岐を有する電力分配線路が形成された誘電体から成る電力分配線路基板と、該電力分配線路基板の上面に第２の接地導体を介して積層されるとともに上面に複数の放射素子が形成された誘電体から成る放射素子基板と、前記信号線路と前記電力分配線路とを電磁的に接続する第１の伝送部と、前記放射素子と前記電力分配線路とを電磁的に接続する第２の伝送部とを具備する高周波回路基板であって、前記Ｔ分岐は、第１の線路導体の先端が、この第１の線路導体にそれぞれ直交するとともに互いに反対方向に延びる第２の線路導体と第３の線路導体とに分岐したものであり、前記第２および第３の線路導体を挟んで前記第１の線路導体と反対側に、前記第１の線路導体の延長線の中心線から両側に配列し、前記第２および第３の線路導体に平行に並んだ複数の接続導体を、前記第１および第２の接地導体を電気的に接続するように形成し、断面視したときに
、前記第１および第２の接地導体と前記複数の接続導体とで前記Ｔ分岐を囲むようにしたことを特徴とする。

本発明の高周波回路基板において好ましくは、複数の前記接続導体群の長さを前記第１の線路導体の幅の５〜10倍としたことを特徴とする。

本発明の高周波モジュールは、上記本発明の高周波回路基板の高周波回路基板の前記信号線路に電子部品を電気的に接続したことを特徴とする。

本発明の高周波回路基板は、Ｔ分岐は、第１の線路導体の先端が、この第１の線路導体にそれぞれ直交するとともに互いに反対方向に延びる第２の線路導体と第３の線路導体とに分岐したものであり、第２および第３の線路導体を挟んで第１の線路導体と反対側に、第２および第３の線路導体に平行に並んだ複数の接続導体を、第１および第２の接地導体を電気的に接続するように形成したことから、第１の線路導体から入力された高周波信号を第２および第３の線路導体へ分配する際に、Ｔ分岐において不要な電磁波成分が発生しても接続導体により反射し、不要な電磁波成分と接続導体により反射された反射電磁波成分とが打ち消し合うことで不要な電磁波成分を高周波回路基板の外部空間へ漏洩するのを有効に抑制することが可能となる。よって、電力分配線路のＴ分岐において発生し水平方向へ伝播していた不要な電磁波成分の漏洩による放射利得の著しい低下を抑制でき、より放射利得の高い効率の良い高周波回路基板を提供することができる。

また、本発明の高周波回路基板は、複数の接続導体群の長さを第１の線路導体の幅の５〜10倍としたことから、電波インピーダンスのミスマッチを有効に抑制しながらＴ分岐で発生する不要な電磁波成分を有効に抑制でき、良好な伝送特性および良好な電磁波漏洩防止の両方を兼ね備えた非常に放射利得の優れたものとなる。

本発明の高周波モジュールは、上記本発明の高周波回路基板の信号線路に電子部品を電気的に接続したことから、従来、漏洩していた電磁波成分による電子部品への影響を抑制することができ、より長期安定な動作を可能とする高周波モジュールを提供できる。

本発明の高周波回路基板１について以下に詳細に説明する。図１は本発明の高周波回路基板１の実施の形態の一例を示す平面図、図２は図１のＸ−Ｘ’線における要部拡大断面図、図３は電力分配線路６の電力分配を行なうＴ分岐部の要部拡大平面図、図４は図３のＡ−Ａ’線における断面図を示す。

図１において、２は複数の放射素子、３は放射素子基板、４ａは第２の伝送部、４ｂは第１の伝送部、５ａは第２の接地導体、５ｂは第１の接地導体、６は電力分配線路、７は電力分配線路基板、８は第１の線路導体、９ａは第２の線路導体、９ｂは第３の線路導体、10は接続導体、11は高周波線路基板、12は信号線路であり、主としてこれらで高周波回路基板１が構成される。
放射素子２は、放射素子２の中心部より一方向に偏芯させた位置で電力分配線路６の放射素子側部位６ａを電磁的に接続するために第２の伝送部４ａ（図１〜４の例ではビア導体等から成る導電路により第２の伝送部４ａを形成している）が形成される。第２の伝送部４ａを放射素子２の中心部から偏芯させる距離は、第２の伝送部４ａを介して放射素子２に高周波信号を給電する際の放射素子２の入力インピーダンスと関係がある。この放射素子２の入力インピーダンスは、中心部では０オーム、外周部では約３００オーム程度であり、放射素子２の中心部より外周方向に漸次大きくなっており、第２の伝送部４ａは放射素子２とのインピーダンスと整合する位置に接合される。電力分配線路６を構成する線路のインピーダンスと、放射素子２の入力インピーダンスがほぼ同じとなるような位置に第２の伝送部４ａを配置することで、インピーダンスのミスマッチによる損失を抑制し電力分配線路６より伝送された高周波信号を放射素子２へ給電できる。

放射素子基板３の下面には第２の接地導体５ａが形成され、第２の伝送部４ａから放射素子２へ給電された電磁波は放射素子２と第２の接地導体５ａの内部で電磁界を形成する。放射素子２の偏芯方向の長さが誘電体内波長の２分の１程度としていることで、放射素子２の偏芯方向と対向する両端部の電磁界は位相が反転した関係になっており、空間へ放射する電磁界の向きが同一方向になることで効率良く放射されることになる。また、図１では放射素子２を正方形状の導体を例にとり記載しているが、偏芯方向の長さが誘電体内波長の２分の１の長さを具備する矩形状導体や、円形状の導体から形成されても良い。

第２の接地導体５ａの下面には電力分配線路基板７が積層形成される。電力分配線路基板７は内層に電力分配線路６が形成され、下面に第１の接地導体５ｂが形成される。これにより、電力分配線路６は第２の接地導体５ａと第１の接地導体５ｂとでいわゆるトリプレート線路が形成されることになり、電力分配線路６を損失の少ない伝送線路とすることができる。また、電力分配線路６は、複数配列された放射素子２に電力を分配するためのＴ分岐線路を具備しており、Ｔ分岐線路は線路インピーダンスＺ_０の導体を伝播してきた高周波信号を線路インピーダンスＺ_１及び線路インピーダンスＺ_２の接続されている導体へ分配する場合、Ｚ_ｓ＝Ｚ_０×（Ｚ_１Ｚ_２／（Ｚ_１＋Ｚ_２））となる幅を有し、長さが誘電体内波長の４分の１となる導体を設けることにより、このような電力分配線路６を有することで整合のとれた電力分配器として機能する。また、上記では２つの導体に分岐する場合を記載したが、３つ以上の導体に分岐する構成であっても良い。

第１の接地導体５ｂの下面に高周波線路基板８が積層形成され、高周波線路基板８の下面には信号線路９が形成される。そして、信号線路９の線路導体上に電子部品11が設置される。また、電力分配線路６の信号線路側部位６ｂと信号線路12とを電磁的に接続するために第１の伝送部４ｂ（図１〜４の例ではビア導体等から成る導電路により第１の伝送部４ａを形成している）が基板の厚み方向（垂直方向）に配置され、信号線路12で生成される高周波信号が電力分配線路６を介し、複数の放射素子２へ伝送することを可能としている。

本発明における放射素子基板３、電力分配線路基板７、高周波線路基板８は、酸化アルミニウム質焼結体（アルミナセラミックス）や窒化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、ガラスセラミックス等のセラミックスまたはエポキシ樹脂等の樹脂から成り、切削加工、金型成型、押し出し成型等により形成される。

また、本発明においては、第２および第３の線路導体９ａ，９ｂを挟んで第１の線路導体８と反対側に、第２および第３の線路導体９ａ，９ｂに平行に並んだ複数の接続導体10を、第１および第２の接地導体５ｂ，５ａを電気的に接続するように形成している。

このような構成により、第１の線路導体８から入力された高周波信号を第２および第３の線路導体９ａ，９ｂへ分配する際に、Ｔ分岐において不要な電磁波成分が発生しても接続導体10により反射し、不要な電磁波成分と接続導体10により反射された反射電磁波成分とが打ち消し合うことで不要な電磁波成分を高周波回路基板11の外部空間へ漏洩するのを有効に抑制することが可能となる。よって、電力分配線路６のＴ分岐において発生し水平方向へ伝播していた不要な電磁波成分の漏洩による放射利得の著しい低下を抑制でき、より放射利得の高い効率の良い高周波回路基板11を提供することができる。

また、好ましくは接続導体10は第２および第３の線路導体９ａ，９ｂを挟んで第１の線路導体８と反対側に形成され、第２および第３の線路導体９ａ，９ｂと接続導体10との離間距離を誘電体内波長の16分の１乃至８分の１以下とし、第１の線路導体８と第２の線路導体９ａとの交差部の内側や、第１の線路導体８と第３の線路導体９ｂとの交差部の内側に形成されないのがよい。これにより、第１の線路導体８と第２および第３の線路導体９ａ，９ｂの接続部で発生するインダクタンス成分を接続導体10で発生するキャパシタンス成分で打ち消し合うことが可能となり、また、第１の線路導体８と第２の線路導体９ａとの交差部の内側や、第１の線路導体８と第３の線路導体９ｂとの交差部の内側に形成しないことで不要なリアクタンス成分を発生させることが無いため、Ｔ分岐でリアクタンス成分が発生するのを有効に抑制でき、放射素子の放射特性をより良好にできる。

本発明における放射素子基板３、電力分配線路基板７、高周波線路基板11は、酸化アルミニウム質焼結体（アルミナセラミックス）や窒化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、ガラスセラミックス等のセラミックスまたはエポキシ樹脂等の樹脂から成り、切削加工、金型成型、押し出し成型等により形成される。

また、放射素子基板３、電力分配線路基板７、高周波線路基板11がセラミックスからなる場合、複数の放射素子２、第１および第２の伝送部４ｂ，４ａ、第１および第２の接地導体５ｂ，５ａ、電力分配線路６、第１の線路導体８、第２および第３の線路導体９ａ、９ｂ、接続導体10は、例えば、タングステン（Ｗ）、モリブテン（Ｍｏ）−マンガン（Ｍｎ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）等の金属粉末のメタライズ層により形成され、その形成された金属ペーストを高温で焼成して形成される。また、放射素子基板３、電力分配線路基板７、高周波線路基板11が樹脂からなる場合は、上下面に被覆された導体をエッチング加工により所望の形状を形成する。或いはディスペンサー等による導体の塗布を行うことで形成される。

なお、複数の放射素子２及び信号線路12の導体の露出する表面には、Ｎｉや金（Ａｕ）等の耐食性に優れる金属を１〜20μｍ程度の厚さで被着させておくのが良く、導体の酸化腐食を有効に防止し得る。例えば、厚さ１〜10μｍ程度のＮｉメッキ層と厚さ0.1〜３μｍ程度のＡｕメッキ層とが電解メッキ法や無電解メッキ法により順次被着されているのがより好ましい。

また、本発明の高周波回路基板１は、複数の接続導体10群の長さを第１の線路導体８の幅の５〜10倍とするのが好ましい。これにより、電波インピーダンスのミスマッチを有効に抑制しながらＴ分岐で発生する不要な電磁波成分を有効に抑制でき、良好な伝送特性および良好な電磁波漏洩防止の両方を兼ね備えた非常に放射利得の優れたものとなる。

接続導体10群の配列する長さが第１の線路導体８の幅の５倍未満の場合、Ｔ分岐で発生する不要な電磁波成分を有効に抑制するのが困難になりやすく、また、接続導体10が不要な電磁波成分により励振されやすくなるために不要な電磁波成分が高周波回路基板１の外部空間に漏洩して放射利得の低下を招きやすくなる。また、10倍を超えると、第１および第２の線路導体９ａ，９ｂの一側面に接続導体10が存在することによって実質的に電波インピーダンスが異なる伝送線路を挿入していることになり、電波インピーダンスのミスマッチにより伝送特性が劣化しやすくなる。

また、図５および図６（図６は図５のＹ−Ｙ’断面図）に示すように、電力分配線路６と放射素子２、および電力分配線路６と信号線路12とを各々、ビア導体のような導電路ではなく、電磁的に接続しても良い。この場合、第２の接地導体５ａの電力分配線路６の放射素子側部位６ａの直上部に長方形状の第１の非導体部（スロット）14ａを形成し、第１のスロット14ａの直上部には複数の放射素子２が形成することにより、電力分配線路６と放射素子２とを電磁的に接続することができる。また、第１の接地導体５ｂの電力分配線路６の信号線路側部位６ｂの直下部にも同様に第２のスロット14ｂを形成し、その直下部に信号線路12の一端部を形成することにより、電力分配線路６と信号線路６とを電磁的に接続することができる。

そして、上記本発明の高周波回路基板１の信号線路12に半導体素子等の電子部品13を電気的に接続することにより本発明の高周波モジュールとなる。これにより、従来、漏洩していた電磁波成分による電子部品13への影響を抑制することができ、より長期安定な動作を可能とする高周波モジュールを提供できる。

また、本発明の高周波回路基板１の信号線路12側に金属からなる枠体、或いはエポキシ樹脂等の樹脂からなる枠体の内周面に導電性ペースト等を具備する枠体を取着し、信号線路12に電子部品13を搭載し、枠体の下面に金属、樹脂、セラミックス等から成る蓋体を取着し、高周波モジュールとしてもよい。これにより、電子部品13を外部からのノイズに対し影響を受けにくくなる。また、枠体と蓋体は一体成型されたものでも良い。また、枠体は高周波線路基板11の信号線路12側に、例えば良く知られている多層積層技術による一体成型を行っても良い。

本発明の高周波回路基板１について以下に実施例を示す。図１の構成の高周波回路基板１を以下のようにして構成した。まず、比誘電率ε_ｒが8.7からなる24ｍｍ×24ｍｍの正方形で厚みが1.88ｍｍの高周波回路基板１を用意した。

厚み0.76ｍｍの放射素子基板３上面には、所望の周波数で共振させるための放射素子２がｘ方向に４素子、ｙ方向に４素子の計16素子でｘ方向、ｙ方向共に同じ間隔に配列し、その下面には第２の接地導体５ａを形成した。

また、第２の接地導体５ａの下面に厚み0.76ｍｍの電力分配線路基板７を積層形成した。電力分配線路基板７には内層に電力分配線路６を形成し、電力分配をするためのＴ分岐を有し、電波インピーダンスが50Ωとなる第１の線路導体８、第２の線路導体９ａおよび第３の線路導体９ｂから構成した。

また、第１の線路導体８の第２の線路導体９ａおよび第３の線路導体９ｂに接続する部位には電波インピーダンスの整合をとるために約36Ωで、誘電体内波長の４分の１の距離に相当する整合部を設けた。

電力分配線路基板７の下面には、第１の接地導体５ｂを形成した。また、第１の接地導体５ｂの下面に厚み0.38ｍｍの高周波線路基板11を積層形成し、下面に信号線路12を形成した。また、複数の放射素子２と電力分配線路６の放射素子側部位６ａとを電磁的に接続するために第２の伝送部４ａを、および電力分配線路６の信号線路側部位６ｂと信号線路12とを電磁的に接続するために第１の伝送部４ｂを高周波回路基板１の厚み方向（垂直方向）にそれぞれ配置し、信号線路12で生成される高周波信号を電力分配線路６を介し、複数の放射素子２へ伝送することを可能とした。

また、第１および第２の線路導体９ａ，９ｂを挟んで第１の線路導体８が無い側に第１および第２の線路導体９ａ，９ｂと平行で、第１および第２の線路導体９ａ，９ｂから1.0ｍｍの間隔を空けた位置に0.8ｍｍ間隔で第２の接地導体５ａと第１の接地導体５ｂとを電気的に接続する接続導体10を複数配列した。この接続導体10群は第１の線路導体８の延長線の中心線から両側にそれぞれ1.6ｍｍの長さまで配列し、合計の接続導体10群の長さが3.2ｍｍとなるようにした。

なお、、第１および第２の接地導体５ａ，５ｂには第１および第２の伝送導体４ａ，４ｂと電気的に接続しないように穴17を設けた。これにより、本発明の高周波回路基板１のサンプルを作製した。

また、比較例として、接続導体10を設けないこと以外は上記サンプルと同様にして比較サンプルを作製した。

そして、これらのサンプルについて、信号線路12から入力した信号の最大放射利得を求めた。本発明の高周波回路基板１のサンプルの最大放射利得は、比較サンプルの最大放射利得に対し約20％高い値を示し、本発明の高周波回路基板１の方が優れていることが分かった。

なお、本発明は以上の実施の形態の例および実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内であれば種々の変更を行なうことは何等支障ない。

本発明の高周波回路基板の実施の形態の一例を示す平面図である。図１の高周波回路基板のＸ−Ｘ’断面図である。図１の高周波回路基板におけるＴ分岐付近の要部拡大平面図である。図３のＴ分岐付近のＡ−Ａ’断面図である。本発明の高周波回路基板の実施の形態の他の例を示す平面図である。図５の高周波回路基板のＹ−Ｙ’断面図である。従来の高周波回路基板を示す平面図である。図７の高周波回路基板のＢ−Ｂ’断面図である。

符号の説明

１：高周波回路基板
２：放射素子
３：放射素子基板
４ａ：第２の伝送部
４ｂ：第１の伝送部
５ａ：第２の接地導体
５ｂ：第１の接地導体
６：電力分配線路
７：電力分配線路基板
８：第１の線路導体
９ａ：第２の線路導体９ａ
９ｂ：第３の線路導体９ｂ
10：接続導体
11：高周波線路基板
12：信号線路
13：電子部品

Claims

下面に電子部品が電気的に接続される信号線路が形成された誘電体から成る高周波線路基板と、該高周波線路基板の上面に第１の接地導体を介して積層されるとともに内部にＴ分岐を有する電力分配線路が形成された誘電体から成る電力分配線路基板と、該電力分配線路基板の上面に第２の接地導体を介して積層されるとともに上面に複数の放射素子が形成された誘電体から成る放射素子基板と、前記信号線路と前記電力分配線路とを電磁的に接続する第１の伝送部と、前記放射素子と前記電力分配線路とを電磁的に接続する第２の伝送部とを具備する高周波回路基板であって、前記Ｔ分岐は、第１の線路導体の先端が、この第１の線路導体にそれぞれ直交するとともに互いに反対方向に延びる第２の線路導体と第３の線路導体とに分岐したものであり、前記第２および第３の線路導体を挟んで前記第１の線路導体と反対側に、前記第１の線路導体の延長線の中心線から両側に配列し、前記第２および第３の線路導体に平行に並んだ複数の接続導体を、前記第１および第２の接地導体を電気的に接続するように形成し、断面視したときに、前記第１および第２の接地導体と前記複数の接続導体とで前記Ｔ分岐を囲むようにしたことを特徴とする高周波回路基板。
複数の前記接続導体群の長さを前記第１の線路導体の幅の５〜10倍としたことを特徴とする請求項１記載の高周波回路基板。
請求項１または請求項２記載の高周波回路基板の前記信号線路に電子部品を電気的に接続したことを特徴とする高周波モジュール。