JP4827825B2 - 高周波モジュール - Google Patents

Description

本発明は、高周波信号の送受信に用いられる高周波モジュール及びそれを用いた送受信装置に関するものである。

自動車の安全への関心が年々高まる中、安全運転システムのセンサの一つとして、ミリ波レーダが製品化されている。ミリ波レーダの搭載率は年々増加傾向にあり、近年では、低価格設定の車種にまで普及しつつある。

車載用ミリ波レーダは、ミリ波を送受信するため送受信装置を備え、その送受信装置には高周波信号の送受信を行う高周波モジュールが実装される。高周波モジュールとしては、誘電体基板上に高周波信号の生成や高周波信号の送受信を行うための高周波回路部品（高周波チップ）が実装された高周波回路基板（高周波デバイス）と、高周波回路基板の高周波回路部品実装面側に設けられ導波路（導波管）が形成された金属プレートからなる導波管アダプタと、高周波デバイスを導波管アダプタに固定するためのキャリアと、高周波デバイスに導波管を介して接続される高周波アンテナとを備えたものがある（例えば、特許文献１参照）。

高周波モジュールでは、導波路アダプタによって、誘電体基板に形成されたキャビティ内のＭＩＣ（マイクロ波集積回路）やＭＭＩＣ（モノリシックマイクロ波集積回路）等の複数の高周波チップを互いに接続する高周波伝送線路（マイクロストリップ線路、トリプレート線路及びコプレーナ線路等）が気密パッケージ化されている。導波管アダプタは、溝や貫通孔が形成された２枚の金属プレート同士をネジで締め合わせることで形成された導波路を有し、高周波デバイスが導波路アダプタに嵌着されることで、導波管の一端が高周波デバイスの給電部（送信モジュール側端子，受信モジュール側端子）に、他端が高周波アンテナの給電部（送信端子，受信端子）に接続されている。

特開２００２−８４２０８号公報

高周波モジュールは、高周波アンテナと高周波デバイスを導波路接続するための手段として、高周波デバイスを導波管アダプタに固定するキャリアと、導波路を形成すべき溝や貫通孔を有する２枚の金属プレートを互いに接合してなる導波管アダプタを用いている。

その際、キャリアと導波管アダプタとは、互いに複数のネジにより固定される。また、導波管アダプタに関しては、導波管からの高周波信号のリークを無くすべく、各金属プレートの接合面を高精度で加工し、金属プレートの複数箇所をネジ締め或いは溶接するなどして密着性を高める必要がある。

よって、従来の高周波モジュールの構造によると、部品点数が多く、かつ組立工数も多いため、高周波モジュールの材料費及び加工費が高くなると共に、高精度の機械加工を要することで部品自体の加工費も高くなる等、製造コストが大きくなってしまう。

また、高周波デバイスに実装されているＭＭＩＣを保護するために、高周波回路を構成する箇所については、気密封止を行っており、そのための部品費、組立加工費もコストアップの要因になる。

本発明の目的は、上記課題を解決すべく、高周波アンテナと高周波回路基板とを導波管接続するための部材を、部品コストを抑え、生産性の高い実装構造とすることで、低コストを図り得る高周波モジュール及びそれを用いた送受信装置を提供することにある。

上記目的を達成すべく、本発明に係る高周波モジュールは、高周波信号を入出力するアンテナ側高周波接続端子を備える高周波アンテナと、高周波信号を送受信するための高周波回路とその高周波回路に接続され高周波信号を入出力する高周波回路側接続端子とを誘電体基板上に実装してなる高周波回路基板と、高周波アンテナと高周波回路基板との間に介在しアンテナ側高周波接続端子と高周波回路側接続端子とを接続するための導波路が内部に形成された金属ベースとを備え、金属ベースは、導波路を形成するための貫通穴を有する金属板を３枚以上積層して形成され、この積層された金属板の貫通穴だけで導波路がクランク状に形成されているものである。

本発明によれば、高周波アンテナと高周波回路基板とを導波管接続するための部材を、部品コストを抑え、生産性の高い実装構造とすることで低コストを図り得る。

以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。

図１は、本発明に係る好適な第１の実施形態の高周波モジュールを示す図であり、図１（ａ）はその平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の１Ｂ−１Ｂ線断面図である。

図１に示すように、高周波モジュールは、平面上で高周波信号を外部に送信（放射）し、且つその反射波を受信する高周波アンテナ１と、上記送信に用いる高周波信号（送信信号）を生成し、且つ上記受信された反射波信号（受信信号）を処理するための高周波回路７を誘電体基板５上に実装した高周波回路基板４と、高周波アンテナ１と高周波回路基板４の間に介在し、高周波アンテナ１と高周波回路部品７間で高周波の送信信号及び受信信号を導波させるための導波路（導波管）２が内部に形成された金属ベース３とを備える。

高周波アンテナ１は、一方の面（図１（ｂ）では上側）に、高周波信号（送信信号）を外部に放射する放射素子パターン１２ａ及びその反射波を受信する受信素子パターン１２ｂが設けられ、他方の面（図１（ｂ）では下側）に、高周波信号を高周波回路基板４側に入出力するためのアンテナ側高周波接続端子（給電部）１３が形成された平板アンテナである。アンテナ側高周波接続端子１３は、送信チャネルの端子１３ａとして１つ、受信チャネルの端子１３ｂとして２つ設けられ、それぞれアンテナの送信（放射）素子パターン１２ａ、受信素子パターン１２ｂに対応した位置に配置されている。素子パターン１２とアンテナ側高周波接続端子１３とは、アンテナ基板に形成されたビア（図示せず）を介して電気的に接続されている。

高周波回路基板４は、セラミックを積層して成る誘電体基板５上に、高周波回路部品７及び高周波信号の伝送を行うための高周波伝送線路（パターン）が実装されている。高周波回路部品７は、発信器、電力増幅器、信号混合器等のＭＭＩＣ（Monolithic Microwave Integrated Circuit）である。

高周波回路基板４に実装されたＭＭＩＣの表面回路は通常、Ａｕメッキが施されているため、湿度環境に対してはマイグレーションなどを生ずる可能性が高い。そのため、ＭＭＩＣの実装に際して、乾燥窒素等を封入した気密封止パッケージを採用するのが一般的である。ここで、気密封止パッケージの一例について説明する。まず、誘電体基板５とＦｅ−Ｎｉ合金などの金属で加工されたウォール６をＡｕ−Ｓｎなどの金属ロウ材により接合した後、ＭＭＩＣやコンデンサなどの電子部品をＡｇペースト等（導電性接着剤）により誘電体基板５に実装する。その後、乾燥窒素の雰囲気中で金属製のカバー８を装着し、レーザー溶接あるいは抵抗溶接により封着する。このような工程を経ることにより、露点の極めて低い窒素雰囲気中にＭＭＩＣをパッケージ（気密封止）することができる。

高周波回路基板４の、高周波回路部品７の実装面とは反対側の面（アンテナ側）には、高周波回路側接続端子１４が設けられている。高周波回路側接続端子１４も、アンテナ側高周波接続端子１３と同数、すなわち、送信チャネルの端子として一つ、受信チャネルの端子として２つ配置されている。ただし、高周波回路側接続端子１４における送信チャネルの端子１４ａと受信チャネルの端子１４ｂとの距離は、アンテナ側高周波接続端子１３における送信チャネルの端子１３ａと受信チャネルの端子１３ｂとの距離に比べて短い。これは、アンテナ側高周波接続端子１３（送信チャネル端子１３ａ，受信チャネル端子１３ｂ）は送信（放射）素子パターン１２ａと受信素子パターン１２ｂの応じて位置決めされるのに対し、高周波回路側接続端子１４（送信チャネル端子１４ａ，受信チャネル端子１４ｂ）は高周波回路基板４のコンパクト化、レイアウトの制約から位置決めされるためである。高周波回路部品７と高周波回路側接続端子１４とは、誘電体基板５に形成されたビア（スルーホール）を介して電気的に接続されている。また、高周波回路基板４の気密封止されていない箇所には外部の回路と電気的接続され、ＭＭＩＣの駆動電圧や出力信号を入出力するための入出力端子９が設けられている。

金属ベース３は、一方の面（高周波アンテナ１側の面）と他方側の面（高周波回路基板７側の面）とに通じるように貫通する断面矩形状の導波路２がチャネル数と同数本（本実施形態では３本）形成された金属直方体である。各導波路２はクランク状に形成され、導波路２の両開口端がそれぞれアンテナ側高周波接続端子１３（１３ａ，１３ｂ）と高周波回路側接続端子１４（１４ａ，１４ｂ）に位置する。クランク状の導波路２は、アンテナ側高周波接続端子１３から下方に垂直に延びる上部垂直導波路部２ａと、高周波回路側接続端子１４から上方に垂直に延びる下部垂直導波路部２ｂと、上部垂直導波路部２ａと下部垂直導波路部２ｂとを連通し、誘電体基板５の面に対して平行に延びる水平導波路部２ｃとからなる。すなわち、導波路２は、アンテナ側高周波接続端子１３と高周波回路側接続端子１４とを接続する。

図２に示すように、金属ベース３は、厚さ０．１ｍｍ程度の金属板１５を多層に重ね合わせて接合（本例では拡散接合）してなる。各金属板１５には導波路２に合わせた穴加工部１６が化学エッチングにより施されている。穴加工部１６のうち、上部垂直導波路部２ａと下部垂直導波路部２ｂを構成する穴１６ａ，１６ｂ及び水平導波路部２ｃを構成する穴１６ｃはそれぞれ矩形状の角穴であり、穴１６ｃの方が穴１６ａ，１６ｂよりも横方向の長さを長くしている。

金属ベース３は少なくとも３枚以上の薄板状の金属板を積層して形成され、好ましくは１０〜１００枚程度用いて形成されるのがよい。金属ベース３を構成する金属板１５を少なくとも３枚とすることで、導波路２をクランク状に形成するためには、金属板１５に穴１６を形成すればよい。なお、２枚以下の金属板を用いて金属ベースを構成する場合、金属板の少なくとも１枚には、貫通穴と、その貫通穴に連通する有底の溝を形成する必要があり、１枚あたりの金属板の加工が複雑となり加工工程数が増えてしまう。

本実施形態では、機械的な強度の点から適度な厚さを有する金属ベース３を構成するべく、金属板を１０枚以上とした。但し、金属板１５が１００枚を超えると、金属板１５が薄板であっても金属ベースが必要以上に厚くなり、導波路２の距離が長くなりすぎて、導波路の伝送損失が大きくなることが懸念され、或いは高周波モジュール１０のコンパクト化が図れなくなる。従って、厚さ０．１ｍｍ程度の金属板であれば１０〜１００枚程度が好ましい。

本実施形態の高周波モジュール１０は、積層された金属板１５を拡散接合することにより金属ベース３を構成している。

ここで、拡散接合により形成されるクランク形導波路付きの金属ベース３の利点について、その他の比較例と較べながら説明する。

金属ベースにストレートの貫通穴により導波路を形成した場合（比較例１）、高周波アンテナと高周波回路基板との給電位置（本実施形態のアンテナ側高周波接続端子１３と高周波回路側接続端子１４）は向かい合うように位置を合わす必要がある。よって、高周波モジュールの小型化に対する障害となる。

これに対し、本実施形態のようにクランク形導波路の場合には、誘電体基板５（高周波回路基板７）と高周波アンテナ１との給電部（送信端子、受信端子）の位置が一致しなくとも、互いの給電部を接続することができる。そのため、高周波アンテナ１に対し高周波回路基板４を小型化し、それにより高周波回路基板４側の給電部（送信端子、受信端子）間の距離を高周波アンテナ１の給電部（送信端子、受信端子）間の間隔よりも短くしても対応でき、高周波モジュールの設計の自由度の向上、小型化を図ることができる。

また、仮に導波路をクランク状に形成したとしても、導波路を構成する導波路要素が形成された２枚以上の板材をネジ止めにより接合した場合には（比較例２）、たとえ、板材の接合面を高精度の平坦度で機械加工したとしても、ネジの締結箇所付近と、締結箇所から離れた箇所とでは、板材同士の密着度が異なるので、複数の導波路を完全に隙間なく接合するのは困難である。したがって、ネジ接合方式では高周波信号の漏洩が懸念される。

これに対し、本実施形態では、積層された複数枚の金属板１５が拡散接合により密着して導波路付きの金属ベース３を構成しているので、上記のような高周波信号漏洩の問題が解消できる。拡散接合は、複数枚の金属板１５を互いに密着させて積層し、この積層体を高温下（ただし、積層金属板の融点以下）で、塑性変形をできるだけ生じない程度に加圧して、接合面間に生じる原子の拡散を利用して金属板同士を強固に接合する接合方法である。

金属ベース３を構成する金属板１５の厚さは０．１〜０．５ｍｍとするのがよい。金属板１５の厚さが０．１ｍｍ未満では、金属板１５の加工が難しく（取り扱いが難しく）なる、或いは、所定厚さの金属ベース２を構成するために必要な金属板１５の枚数が多くなり、逆にコスト高になってしまう。金属板１５の厚さが０．５ｍｍを超えると、拡散接合により互いに高密着度で接合させることが困難な傾向がある。

図１に戻り、金属ベース２と高周波回路基板４との接続、及び金属ベース２と高周波アンテナ１との接続は、金属ベース２の下面に導電性接着剤（例えばＡｇ含有接着剤）を塗布し、金属ベース２と高周波回路基板４とを接着硬化した後、金属ベース２と高周波アンテナ１とをネジ締め（図示省略）して接続される。

次に、高周波モジュール１０の高周波信号の経路について説明する。

高周波回路基板４の出力回路（高周波回路部品７）から出力された高周波信号は、誘電体基板５に形成した内装パターニングの導波路（図示省略）を介して、高周波回路側接続端子１４ａから導波路２を通過し、アンテナ側高周波接続端子１３ａを介して高周波アンテナ１に給電され、高周波信号を外部に出力（放射）する。放射された高周波信号は、外部の物体に当たると反射し、その反射された高周波信号は、高周波アンテナ１の受信素子パターン１２に入力され、アンテナ側高周波接続端子１３ｂ、導波路２、高周波回路側接続端子１４ｂの順に伝搬し、高周波回路基板４の受信回路（高周波回路部品７）に入力される。

本実施形態の高周波モジュール１０によれば、３枚以上の金属板１５にそれぞれ貫通穴１６のみを形成し、その金属板１５を互いに接合してクランク状の導波路２を容易に形成することができる構造を有するので、導波路付き金属ベースの加工コストを低減でき、ひいては高周波モジュールの低コスト化を図ることができる。

また、本高周波モジュールでは、金属ベース３内にクランク状に折り曲げられた導波路２を有するので、高周波アンテナ１の高周波接続端子１３の位置と高周波回路基板４の高周波接続端子の位置とが一致していなくとも（直上に位置しなくとも）、接続端子同士を接続することができる。

また、拡散接合により形成された金属ベース３は、バルク金属と同等レベルに（高い密着度で）結合しているため、導波路２内を伝搬する高周波信号の漏洩を防ぐことができる。それにより、分割された金属ベースをネジ止め締結により形成した従来の金属ベースに比して、導波路での高周波信号の漏洩を防止するための構造的な対策に要する部品を必要とせず、安価かつ高信頼性（電波の漏洩防止）の高周波モジュールを提供することができる。

以上、本実施形態では、部品コストを抑え、生産性の高い実装構造としているので、安価な高周波モジュールを提供することが可能となる。

次に、本発明の好適な第２の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

図３に示すように、本実施形態の高周波モジュール３０の基本的な構成部分は、上述した図１の高周波モジュール１０とほぼ同様であり、同一構成部分には、図１に場合と同一の符号を付してあるが、高周波回路基板３１の高周波回路７が金属ベース３２の内部で気密封止パッケージされている点において前実施形態と異なる。すなわち、本実施形態の高周波モジュール３０では、高周波回路部品７が誘電体基板５の金属ベース側の面上に配置されると共に、金属ベース３２に高周波回路部品７を配置するための収容孔（スペース）３３が形成されている。

具体的には、高周波回路基板３１は、誘電体基板５と、その高周波回路側接続端子１４が形成されている面（金属ベース側の面）上に実装される高周波回路部品７とで構成される。つまり、給電部である高周波回路側接続端子１４とＭＭＩＣである高周波回路部品７とが同一面上に配置される。その裏面には入出力端子９が設けられる。

また、金属ベース３１の内部に形成される収容孔３３は、段状に形成された貫通穴であり、導波路２を避けて形成されている。収容穴３３は、高周波回路基板３１側に開口し断面積の小さい回路収容部３４と、高周波アンテナ１側に開口し回路収容部３４よりも断面積の大きい側のカバー収容部３５とからなる。誘電体基板５上の高周波回路部品７は回路収容部３４内に収容されると共に、カバー収容部３５の段差面（カバー取付面）３６上にはカバー８が取り付けられて回路収容部３５は気密封止されている。

図３の高周波モジュールの製造方法について説明する。

まず、クランク形の導波路２と収容孔３３が形成された金属ベース３２を作製する。作製方法は、図２で説明した前実施形態の高周波モジュール１０の金属ベース３の作製方法と同じであるが、各金属板１５に導波路２を構成する貫通穴（切抜き）１６と共に収容穴３３を構成する貫通穴が形成される点において異なる。誘電体基板５と金属ベース３２とは、互いの給電位置（導波路の開口端と高周波回路側接続端子）が合致する位置で、Ａｕ−Ｓｎロウ材などにより接合する。その後、収容穴３３を通してＭＭＩＣ７などの電子部品を誘電体基板５上に実装し、窒素雰囲気中で収容穴のカバー取付面３６にカバー８を溶接する。これにより高周波回路部品７が気密封止パッケージされて金属ベース３２と高周波回路基板３１とが一体化される。最後に、金属ベース３２を高周波アンテナ１にネジで締結することにより高周波モジュール３０が得られる。

本実施形態の高周波モジュールは、前実施形態と同様に高周波アンテナ１と高周波回路基板３１を導波管接続するための金属ベース３２の部品加工コスト、組立加工コストを低減できるといった効果に加え、次のような効果もある。

金属ベース３の一部（回路収容部３４の壁）をウォールとして機能させて気密封止パッケージを行っているため、気密封止のためのウォールが不要となり、その分の部品費用が低減できる。

金属ベース３の内部で高周波回路部品７パッケージしているため、前実施形態の高周波モジュール１０と比較してウォール６の高さ及びカバー１１の厚さの分、高周波モジュールの厚みを低減できる。

以上、本実施形態の高周波モジュールは、部品コストを抑え、生産性の高い実装構造にできると共に、モジュールサイズの小型化を図ることができる。

次に、本発明に係る送受信装置の好適な一実施形態を説明する。

本実施形態の送受信装置４０は、上述した第１の実施形態の高周波モジュール１０を備える。そして、高周波モジュール１０の他に、本送受信装置４０は、入出力端子９に有線接続され、高周波モジュール１０の駆動・制御及び高周波信号を処理するための制御回路基板４１を備え、高周波モジュール１０と制御回路基板４１が筐体ケース４２に収容される。筐体ケース４２は、内壁に段状に形成された枡体であり、その段部に制御回路基板４１が固定され、開口部に高周波モジュール１０が固定されている。筐体ケース４２には、その高周波モジュール１０を覆い、外部との高周波信号の送受信を妨げずに高周波モジュール１０をパッケージ（気密封止）するためのレドーム４４とを備える。筐体ケース４２の底部には、制御回路基板４１に電気的接続され、外部の電気回路又は装置と接続するためのコネクタ４５が設けられている。

送受信装置は、例えば、高周波モジュール１０から送信された電波がターゲットから反射され、その反射波を受信し、受信した信号を制御回路基板４１で処理、出力することで、周囲の状況をセンシングする機能を有し、自動車の安全制御に用いられるレーダ装置などに適用されるものである。

本実施形態の送受信装置４０は、上述の高周波モジュール１０を備えることにより第１の実施形態と同様の作用効果を呈する。また、本実施形態では、高周波モジュールとして第１の実施形態の高周波モジュール１０を実装したが、代わりに第２の実施形態の高周波モジュール２０を実装してもよい。

以上、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、他にも種々のものが想定される。

本発明に係る好適な第１の実施形態の高周波モジュールを示す図であり、（ａ）はその平面図、（ｂ）は１Ｂ−１Ｂ線断面図である 金属ベースの構成を説明するための斜視図である 本発明に係る好適な第２の実施形態の高周波モジュールを示す図であり、（ａ）はその平面図、（ｂ）は３Ｂ−３Ｂ線断面図である。 本発明に係る好適な実施形態の送受信装置を示す断面図である。

符号の説明

１：高周波アンテナ
２：導波路
３：金属ベース
４：高周波回路基板
５：誘電体基板
７：高周波回路部品
１０：高周波モジュール
１３：アンテナ側高周波接続端子
１４：高周波回路側接続端子
１５：金属板
１６：貫通穴（穴加工部）

Claims (2)

1. 高周波信号を入出力するアンテナ側高周波接続端子を備える高周波アンテナと、前記高周波信号を送受信するための高周波回路と該高周波回路に接続され高周波信号を入出力する高周波回路側接続端子とを誘電体基板上に実装してなる高周波回路基板と、前記高周波アンテナと前記高周波回路基板との間に介在し前記アンテナ側高周波接続端子と前記高周波回路側接続端子とを接続するための導波路が内部に形成された金属ベースとを備えた高周波モジュールにおいて、
   前記金属ベースは、前記導波路を形成するための貫通穴を有する金属板を３枚以上積層して形成され、この積層された金属板の貫通穴のみによって前記金属ベース内部に前記導波路がクランク状に形成されるとともに前記高周波回路を配置するスペースが形成され、前記高周波回路は前記誘電体基板の前記金属ベースが積層されている側の面上に配置され、前記金属ベースの内部で気密封止パッケージされていることを特徴とする高周波モジュール。
2. 前記金属ベースは、前記導波路を形成するための貫通穴を有する複数の金属板を互いに拡散接合することにより積層してなる請求項１記載の高周波モジュール。

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