JP5269902B2 - 高周波基板および高周波モジュール - Google Patents

Description

本発明は、高周波基板および高周波モジュールに関するものである。特に、マイクロ波・ミリ波等の高周波回路において、複数のポートを持つ高周波半導体素子と誘電体導波路を用いた高周波基板および高周波モジュールに関する。

近年、情報伝達に用いられる信号の周波数は１〜３０ＧＨｚのマイクロ波領域から３０〜３００ＧＨｚのミリ波領域まで活用することが検討されており、例えば、車間レーダーのようなミリ波を用いた応用システムも提案されている。

車間レーダーのようなミリ波を用いた応用システムに用いる高周波半導体素子として、ＧａＡｓを用いたＭＭＩＣ（Microwave Monolithic Integrated Circuit）やＳｉＧｅを用いたＭＭＩＣが開発されている。

ＳｉＧｅを用いたＭＭＩＣとして差動出力ポートを持つものがある。差動出力ポートを持つ高周波半導体素子から高周波回路基板に信号を取り出す際、差動出力ポートからの出力の位相が互いに１８０°反転しているため、１８０°ハイブリッド回路を用いることによって位相が反転した２つの差動出力信号の一方の信号の位相を反転させて同相の信号とし、これらを結合することで取り出し効率を増大させる事ができる。

ここで、差動出力信号を合成するための１８０°ハイブリッド回路を高周波回路基板に構成する場合、例えば、マイクロストリップ線路でラットレースやマジックＴを構成する。そのため、１８０°ハイブリッド回路の大きさは伝送信号の波長によるので、マイクロストリップ線路で構成した１８０°ハイブリッド回路の基板表面における占有面積は大きくなり、高周波回路基板が大型化する。また、マイクロストリップ線路で構成した１８０°ハイブリッド回路は、不要な放射が生じやすいという問題がある。

本発明の目的の一つは、高周波回路基板を小型化するとともに、不要な放射を抑制することができる高周波基板および高周波モジュールを提供することである。

本発明の第１の態様の高周波基板は、第１の導波路と、第２の導波路と、第１の変換部と、第２の変換部とを備える。

第１の導波路は、第１の誘電体層と、前記第１の誘電体層を挟む第１の一対の導体層と、前記第１の誘電体層を貫通し前記第１の一対の導体層の間を電気的に接続する複数のビアホール導体を備える第１の側壁導体群とを備える。第２の導波路は、前記第１の一対の導体層の一方はその厚み方向に貫通する開口を備え、前記開口を介して前記第１の導波路と電磁的に接続されてハイブリッド回路を構成する。第１の変換部は、第１の端子と第２の端子とを備える高周波素子の前記第１の端子に電気的に接続され、前記第１の導波路の一方端部に電磁的または電気的に接続され、信号伝送モードを変換する。第２の変換部は、前記第２の端子に電気的に接続され、前記第１の導波路の他方端部に電磁的または電気的に接続され、信号伝送モードを変換する。

また本発明の第２の態様の高周波モジュールは、上記の高周波基板と、前記高周波基板上に位置し、複数の端子を有する高周波素子と、を備える。

本発明の第１および第２の態様によれば、ハイブリッド回路を基板内部に形成した積層型導波管で構成することによって、高周波基板を小型化することができるとともにハイブリッド回路からの不要輻射を抑えることができる。

本発明の目的、特色、および利点は、下記の詳細な説明と図面とからより明確になるであろう。
本発明の第１の実施形態に係る高周波基板を示す平面図である。 図１Ａの高周波基板を示す断面図である。 図１Ａの高周波基板のハイブリッド回路を示す斜視図である。 図１Ａの高周波基板のハイブリッド回路を示す斜視図である。 図２Ａのハイブリッド回路を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る高周波基板のハイブリッド回路を示す斜視図である。 図２Ｃのハイブリッド回路を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る高周波基板のハイブリッド回路を示す斜視図である。 図２Ｅのハイブリッド回路を示す断面図である。 図１Ａの高周波基板の変換部を説明するための平面図である。 図３Ａの変換部を説明するための断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る高周波基板の変換部を示す斜視図である。 図３Ｃの高周波基板の変換部を示す断面図である。 図１Ａの高周波基板の変換部を含む接続構造を構成する一の誘電体層を示す分解平面図である。 図１Ａの高周波基板の変換部を含む接続構造を構成する他の誘電体層を示す分解平面図である。 図１Ａの高周波基板の変換部を含む接続構造を構成する他の誘電体層を示す分解平面図である。 図１Ａの高周波基板の変換部を含む接続構造を構成する他の誘電体層を示す分解平面図である。 図１Ａの高周波基板の変換部を含む接続構造を構成する他の誘電体層を示す分解平面図である。 本発明の第５の実施形態に係る高周波基板を示す平面図である。 図５Ａの高周波基板を示す断面図である。

以下図面を参考にして本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。
≪第１の実施形態にかかる高周波基板≫
図１Ａおよび図１Ｂは、本発明の第１の実施形態である高周波基板１の構成を示す図である。図１Ａは平面図を示し、図１Ｂは断面図を示す。

なお、図１Ａの平面図では、基板の内部およびキャップ（カバー部材）の内部の構造がわかるように、内層配線、ＭＭＩＣ、ボンディングワイヤなどを実線で示した。

ここで、高周波基板１の表面にＭＭＩＣ２が実装されることによって高周波モジュールが構成される。ＭＭＩＣ２は、たとえばＳｉＧｅなどの化合物半導体で構成される高周波半導体素子であり、高周波信号の送信用に差動出力ポートを有する送受信機能一体型のＭＭＩＣである。

差動出力ポートから出力される出力信号は、位相が互いに１８０°反転しているため、ＭＭＩＣ２から高周波基板１に信号を取り出す際、１８０°ハイブリッド回路を用いる。１８０°ハイブリッド回路は、ラットレース、マジックＴなどで実現することができ、１つの入力ポートに入力された信号を、位相が反転した２つの信号に分離して２つの出力ポートから出力する分配回路である。この２つの出力ポートを、２つの入力ポートとし、１つの入力ポートを１つの出力ポートとして用いた場合、結合回路として機能する。

位相が反転した２つの差動出力信号を２つの入力ポートそれぞれに入力すると、入力された差動出力信号の一方の信号の位相を１８０°反転させ、入力されたもう一方の信号の位相はそのまま出力する。このとき、２つの出力信号は同相となるので結合した１つの出力信号として１つの出力ポートから出力される。

なお、ハイブリッド回路は、１８０°ハイブリッド回路に限定されない。ハイブリッド回路は、複数のポートから出力される異なる位相の信号を、同相の信号に変換するとともに結合して出力するか、または、外部から入力された信号を、異なる位相の信号に分離するとともに、複数のポートに入力させるものであればよい。

本実施形態の高周波基板１は、結合回路として１８０°ハイブリッド回路等のハイブリッド回路３を備えており、さらにハイブリッド回路３を、積層型導波管線路で構成する。これにより、ハイブリッド回路をマイクロストリップ線路で構成した場合に比べ、不要な放射を抑制できる。さらに、ハイブリッド回路を表層に設けずに、内層して設けることができ、高周波基板を小型化することができる。本実施形態では、ハイブリッド回路３を、導波管分岐回路であるマジックＴ回路によって実現している。以下、ハイブリッド回路３を、マジックＴ回路３と表記する。マジックＴ回路３は、分枝線路４〜６，２００の４つの積層型導波管線路で構成される。

分枝線路４，５は、ＭＭＩＣ２の差動出力ポートにそれぞれ接続され、逆相の差動出力信号がそれぞれ分枝線路４，５によって伝送される。分枝線路４，５によって伝送された２つの差動出力信号は、分枝線路６および分枝線路２００との接続部分において、同相の２つの出力信号が結合された１つの出力信号として分枝線路６を伝送する。分枝線路６を伝送する出力信号は、ＭＭＩＣ２が実装された面とは反対側の面に設けられた出力部７から取り出し可能に構成され、出力部７は、たとえばスロットアンテナ、パッチアンテナなどで構成される。

分枝線路４〜６，２００は、いずれも積層型導波管線路であり、その基本的構成は同様である。分枝線路４，５は、第一誘電体基板８の厚み方向と長さが一致するように形成された二列のビアホール導体群９と、前記二列のビアホール導体群９を挟みこむように前記第一誘電体基板８の両主面に設けられた一対の導体層１０を有する。

ビアホール導体群９は、積層型導波管線路を伝送する伝送信号の遮断波長の１／２以下の間隔で信号伝送方向に沿って配列し、積層型導波管線路における電気的な側壁を形成し、この側壁と一対の導体層１０によって導波管が構成される。

分枝線路４，５は、それぞれ略円弧状の積層型導波管線路で構成され、互いに円弧が外方に向って凸となるように配置される。分枝線路４の一方端部４ａは、ボンディングワイヤ１１、マイクロストリップ線路１２およびマイクロストリップ線路から積層型導波管線路への伝送変換部（以下、単に「変換部」という）１３を介してＭＭＩＣ２の差動出力ポートの１つに接続される。分枝線路４の他方端部４ｂは、分枝線路５の他方端部５ｂに接続される。

分枝線路５の一方端部５ａは、ボンディングワイヤ１４、マイクロストリップ線路１５および変換部１６を介してＭＭＩＣ２の差動出力ポートのもう１つに接続される。分枝線路５の他方端部５ｂは、分枝線路４の他方端部４ｂに接続される。

変換部１３は、ボンディングワイヤ１１やマイクロストリップ線路１２を伝送するＴＥＭモードと、積層型導波管線路を伝送するＴＥモードまたはＴＭモードとの伝送モードの変換を行う部分である。

変換部１３の構成については後述する。分枝線路４とＭＭＩＣ２とを接続するにあたって、ボンディングワイヤ１１と変換部１３とは、直接的に接続してもよいし、本実施形態のように、マイクロストリップ線路１２を介して接続してもよい。また、マイクロストリップ線路１２には、インピーダンス整合用のスタブなどを設けてもよい。

分枝線路５とＭＭＩＣ２との接続も同様に、ボンディングワイヤ１４および変換部１６を介して行われる。

ボンディングワイヤ１４と変換部１６とは、直接的に接続してもよいし、マイクロストリップ線路１５を介して接続してもよく、マイクロストリップ線路１５には、インピーダンス整合用のスタブなどを設けてもよい。

分枝線路６は、第二誘電体基板１７の厚み方向と長さが一致するように形成された二列のビアホール導体群１８と、前記二列のビアホール導体群１８を挟みこむように前記第二誘電体基板１７の両主面に設けられた一対の導体層１９を有する。

第二誘電体基板１７は、第一誘電体基板８に、ＭＭＩＣ２の実装面とは反対側の面に積層され、高周波基板１を平面視したときに分枝線路４，５の一部と、分枝線路６の一部とが、重複するように配置される。分枝線路４，５と分枝線路６との重複部分は、分枝線路４，５の他方端部４ｂと分枝線路５の他方端部５ｂとの接続部分と、分枝線路６の一方端部６ａとの重複部分である。なお分枝線路６の他方端部６ｂは、出力部７に接続される。

このような重複部分において、たとえば、分枝線路６の上面側の導体層１９に設けたスロット６ｃを介することで、分枝線路４，５を伝送した２つの差動出力信号が結合されて分枝線路６を伝送することができる。

分枝線路２００は、分枝線路４，５と同様、第一誘電体基板８の厚み方向と長さが一致するように形成された二列のビアホール導体群９と、前記二列のビアホール導体群９を挟みこむように前記第一誘電体基板８の両主面に設けられた一対の導体層１０を有する。分枝線路２００の一方端部２００ａは分枝線路４，５と接続されてＴ字型の分岐路を形成している。また、分枝線路２００の他方端部２００ｂは終端回路によって終端されている。終端回路は、例えば、マイクロストリップ線路２０２と、開放端を有するマイクロストリップ線路２０４と、これらを接続する終端抵抗２０３とを備える。分岐線路２００とマイクロストリップ線路２０２との接続は変換部２０１により行われる。変換部２０１も変換部１３および変換部１６と同様の機能を有するものが用いられる。

また、ＭＭＩＣ２は、送受信機能を備えており、上記のように送信用の出力信号は、差動出力ポートから出力される逆相の差動出力信号であり、受信信号は、差動信号でなくともよい。

受信信号は、外部から受信した信号を、受信信号用の伝送線路で伝送してＭＭＩＣ２に入力する。本実施形態では、受信信号用の伝送線路を、ハイブリッド回路３と同様に積層型導波管線路（以下、受信用導波管という）２０で構成する。

受信用導波管２０は、第１の受信用導波管２１と第２の受信用導波管２２とで構成される。第１の受信用導波管２１は、分枝線路４，５と同様に、第一誘電体基板８の厚み方向と長さが一致するように形成された二列のビアホール導体群２３と、前記二列のビアホール導体群２３を挟みこむように前記第一誘電体基板８の両主面に設けられた一対の導体層２４を有する。第２の受信用導波管２２は、分枝線路６と同様に、第二誘電体基板１７の厚み方向と長さが一致するように形成された二列のビアホール導体群２５と、前記二列のビアホール導体群２５を挟みこむように前記第二誘電体基板１７の両主面に設けられた一対の導体層２６を有する。

第１の受信用導波管２１の一方端部２１ａは、ボンディングワイヤ２７、マイクロストリップ線路２８および変換部２９を介してＭＭＩＣ２の入力ポートの１つに接続される。第１の受信用導波管２１の他方端部２１ｂは、第２の受信用導波管２２の一方端部２２ａに接続される。第２の受信用導波管２２の他方端部２２ｂは、ＭＭＩＣ２が実装された面とは反対側の面に設けられた入力部３０から取り出し可能に構成され、入力部３０は、たとえばスロットアンテナ、パッチアンテナなどで構成される。

第１の受信用導波管２１とＭＭＩＣ２とを接続するにあたって、ボンディングワイヤ２７と変換部２９とは、直接的に接続してもよいし、本実施形態のように、マイクロストリップ線路２８を介して接続してもよい。また、マイクロストリップ線路２８には、インピーダンス整合用のスタブなどを設けてもよい。

高周波基板１を平面視したときに第１の受信用導波管２１の他方端部２１ｂと、第２の受信用導波管２２の一方端部２２ａとが、重複するように配置される。このような重複部分において、たとえば、階段状にビアホール導体を配し、階段状に接続される積層型導波管構造を用いた接続構造を介することで、第２の受信用導波管２２を伝送された入力信号が第１の受信用導波管２１を伝送することができる。

以上のように、ハイブリッド回路３を構成する分枝線路４，５はいずれも積層型導波管線路で構成されるため、ハイブリッド回路を表層に設けずに、内層して設けることが可能になる。その結果、ＭＭＩＣ２を保護するためのキャップ１３０のサイズを小さくすることができる。キャップ１３０は、ＭＭＩＣ２を収納するキャビティを有しており、高周波基板表面に接合されることにより、キャビティ内を気密に封止することができる。キャップ１３０はアルミニウムなどの金属からなる金属筐体によって形成するのが好ましい。キャップ１３０を金属筐体とすることによって、電磁波の遮蔽性が高く、放熱性がよくなる。また、金属筐体に限らず、樹脂筐体やセラミックス筐体の内面に金属めっきや金属メタライズを施したものでもよい。また、キャップは樹脂筐体やセラミックス筐体のように絶縁体のみで形成してもよい。

基板表面に露出し、キャップ１３０によって保護するべき箇所は、ＭＭＩＣ２、ボンディングワイヤ１１，１４，２７、変換部１３，１６，２９、マイクロストリップ線路１２，１５，２８のみである。

このように、キャップ１３０は、半導体デバイスと変換部、およびこれらを接続する接続体とをその収容空間内に収めるようにすれば十分に保護機能を実現することができる。そして、これらを収容するための収容空間は、面積が、高周波基板１表面のうち、半導体デバイスと、この半導体デバイスに接続する変換部と、これらを接続するための接続体とが設けられた最小限の領域であり、高さが、キャップ１３０の高さとなるような空間である。

さらに、キャップ１３０の大きさ、すなわちキャップ１３０の収容空間の体積を従来に比べて大幅に小さくすることができる。これにより、高周波デバイスから放射された電磁波の収容空間内における不要な共振の発生を防止することができる。

キャップ１３０の収容空間内で生じる共振は、矩形共振器による共振と同様に考えることができる。不要な共振の発生を防止するためには、収容空間内部には１／４誘電体導波管共振器の共振モード（ＴＥ１０１モード）と類似したモードが発生するため、そのモードの最低次のモードの共振周波数を動作周波数範囲外に設定する。

ＴＥ１０１モードに類似したモードの最低次のモードの共振周波数は式（１）で与えられる。

ここで、ｆは共振周波数（ＧＨｚ）を示し、ａは矩形共振器の長手方向の寸法（ｍｍ）を示し、ｃは矩形共振器の高さ方向の寸法（ｍｍ）を示し、εｒは、共振器内の誘電体の比誘電率を示す。

式（１）からわかるように、長手方向のサイズａおよび高さ方向のサイズｃが小さければ小さいほど共振周波数は高くなる。

矩形共振器のサイズは、すなわちキャップ１３０の収容空間の大きさと同じと考えられるので、キャップ１３０の収容空間を小さくすることで、共振周波数を、使用動作周波数の最大周波数よりも高い周波数側に設定することもできる。

キャップ１３０を小さくするために、変換部１３，１６，２９は、全てを収容空間内に収める必要はなく、変換部２９上に接触するようにキャップ１３０を設けることも可能である。

これにより、キャップ１３０の収容空間を小さくするとともに、変換部２９とキャップとの間での熱移動を容易にし、ＭＭＩＣ２の冷却効率を向上させることができる。ＭＭＩＣ２で発生した熱は、実装される基板の誘電体層への移動、ボンディングワイヤを介した伝送線路への移動、空気中への放散により冷却される。ボンディングワイヤを介した伝送線路への移動において、変換部２９がキャップ１３０と接触することで、キャップ１３０への熱移動が生じ、キャップ１３０から空気中へ熱が放散される。

以下、高周波基板１に設けられる複数の変換部のうち、ハイブリッド回路３について説明する。

ハイブリッド回路３は、積層型導波管線路から成る第１の導波路を有するとともに、この第１の導波路を構成する一対の導体層の一方に形成した開口を介して第１の導波路と電磁的に接続された第２の導波路を有する。

このようなハイブリッド回路３の一例を図２、図２Ａおよび図２Ｂに示す。図２はハイブリッド回路３の主要部の構成を示す斜視図である。図２では、ハイブリッド回路３の構成がわかりやすいように、導体層を表示せず、ビアホール導体群のみを表示している。また、図２Ａはハイブリッド回路３の斜視図であり、図２Ｂはその平面透視図である。

図２、図２Ａおよび図２Ｂにおいて、ハイブリッド回路３は、分岐線路４、５、６を含んで構成されており、これらの分岐線路４，５，６はすべて積層型導波管線路で構成されている。分岐線路４と分岐線路５とが接続されて第１の導波路を構成している。この第１の導波路に分岐線路６（第２の導波路）が積層されている。そして、分岐線路４と分岐線路５との接続部における導体層１０に開口（スリット）６ｃが形成されており、この開口６ｃを介して第１の導波路と第２の導波路が電磁的に接続されてハイブリッド回路３を構成している。

このような構成により、ハイブリッド回路３を構成する導波路をすべて積層型導波管で構成しているので、伝送特性が良好となる。さらに、積層型導波管をすべて層方向に構成できるので、ハイブリッド回路３を薄型化できる。よって、伝送特性と薄型化を両立することができる。

次に、高周波基板１に設けられる複数の変換部のうち、変換部１３について説明するが、他の変換部１６，２９，２０１も同様に構成することができる。

図３Ａおよび図３Ｂは、変換部１３の構成を説明するための図である。図３Ａは、変換部１３の平面図であり、図３Ｂは、変換部１３の断面図である。

高周波基板１は、複数の誘電体層が積層され、これらの誘電体層間に導体層が設けられ内層配線が形成される。たとえば、複数の誘電体層３１，３２，３３，３４が、高周波基板１のＭＭＩＣ２が実装された表面側からこの順に積層され、誘電体層のうち、基板表面を含む誘電体層３１上にマイクロストリップ線路１２が形成される。また、複数の誘電体層（本実施形態では誘電体層３２，３３，３４）を含み、マイクロストリップ線路１２に変換部１３を介して接続する分岐線路４が形成される。

マイクロストリップ線路１２は、誘電体層３１を厚み方向に挟んで対向するストリップ導体１２ｂとグランド（接地）導体１２ｃとで構成されている。

変換部１３は、マイクロストリップ線路１２と分岐線路４との接続部分を構成する。変換部１３はマイクロストリップ線路１２と分岐線路４とを直接接続したものであってもよいが、伝送損失を少なくするという観点からは、インピーダンスが漸次あるいは段階的に変化するものであるのがよい。このような変換部としては、例えば、図３Ａ、図３Ｂに示すような、積層型導波管の断面積を段階的に変えた構造がある。

変換部１３は、好ましくは図３Ａ、図３Ｂに示すような積層型導波管の断面積を段階的に変えた構造がよい。このような構造とすることで、インピーダンスの急激な変換を抑制することができるとともに、高周波信号の漏れを有効に抑制でき、伝送損失を非常に小さくすることができる。

図３Ａ、図３Ｂに示す変換部１３は、第１の積層型導波管線路部２１０、第２の積層型導波管線路部２２０、積層型導波管線路部２３０を有する。第１の積層型導波管線路部２１０、第２の積層型導波管線路部２２０、積層型導波管線路部２３０のそれぞれの一対の導体層（導体板）のうち、高周波基板１の表面に設けられる上側導体層２１１，２２１，２３１は、平面状に構成され、これら上側導体層２１１，２２１，２３１が一体的に形成されたものである。第１の積層型導波管線路部２１０、第２の積層型導波管線路部２２０、積層型導波管線路部２３０のそれぞれの一対の導体層（導体板）のうち、上側導体層２１１，２２１、２３１に対向する下側導体層２１２，２２２，２３２は、一部が互いに平面視で重畳するように異なる平面上に配置されている。そして、これらの下側導体層同士は、上記重畳領域において、ビアホール導体４１で互いに接続されている。

変換部１３の信号伝送方向に対する幅方向寸法Ｗは、分岐線路４の幅方向寸法と同一であり、伝送信号の周波数などによって適宜設定すればよく、また、幅寸法は伝送させる高周波信号の遮断周波数を考慮して設定される。たとえば、伝送信号の周波数が７６．５ＧＨｚのときはＷ＝１．１５ｍｍであり、遮断周波数は約４３ＧＨｚで設定される。

また、下側導体層２１２，２２２，２３２の信号伝送方向端部は、伝送信号の波長λの１／４ずつ信号伝送方向にずれて設けられる。変換部１３の信号伝送方向に平行な長さ方向寸法Ｌは、平面視したときに下側導体層２１２，２２２，２３２を覆うように３λ／４に設定される。たとえば、伝送信号の周波数が７０〜８５ＧＨｚのときはＬ＝０．９ｍｍである。

なお、変換部１３の上記幅方向寸法Ｗおよび長さ方向寸法Ｌは、変換部として最小限必要な寸法であって、変換部１３は、幅方向寸法が両側に大きくなるように形成されてもよい。

変換部１３を構成する積層型導波管線路は、上記のような一対の導体層（上側導体層および下側導体層）とともにビアホール導体群４１，４２を含んで構成される。

ビアホール導体群４１，４２は、積層型導波管を伝送する伝送信号の遮断波長の１／２以下の間隔で信号伝送方向に沿って配列し、積層型導波管線路における電気的な側壁を形成し、この側壁と一対の導体層によって導波管が構成される。

側壁形成用のビアホール導体群４１，４２において、側壁形成用ビアホール導体群４１，４２において、隣り合うビアホール導体の間隔が遮断波長の１／２以下であると、電磁波はビアホール導体とビアホール導体との隙間から漏れることを抑制し、反射しながら積層型導波管線路の信号伝送方向に伝播される。

なお、側壁形成用ビアホール導体群４１，４２を構成するビアホール導体は、隣り合うビアホール導体の間隔が、一定間隔に設けられることが好ましいが、少なくとも伝送する信号の遮断波長の１／２以下の間隔であれば良く、その範囲内で適宜設定することができる。

また、積層型導波管線路を形成する２列の側壁形成用ビアホール導体群４１，４２の外側にさらに別の側壁形成用ビアホール導体群を設けて、側壁形成用ビアホール導体群による疑似的な側壁を、伝送方向に対する幅方向に２重、３重に形成することにより、電磁波の漏れをより効果的に防止することができる。

図４Ａ〜図４Ｅを参照して誘電体層毎に具体的に説明する。図４Ａ〜図４Ｄは、誘電体層３１，３２，３３，３４を層ごとに展開し、高周波基板１の一表面側から見た平面図である。図４Ｅは、誘電体層３４を他表面側から見た平面図である。

図４Ａに示すように、誘電体層３１の表面には、ストリップ導体１２ｂと、これに接続される変換部１３の上側導体層２１１，２２１，２３１が形成される。上側導体層５１は、一端が上側導体層２３１の端部に接続して形成される。また、誘電体層３１の内部には、２列の側壁形成用ビアホール導体群４１，４２が形成される。

さらに、上側導体層５１と分枝線路４の端部とは上から見て重なっていて、図４Ａには、この上側導体層５１と分枝線路４の上側導体層６１の端部とを電気的に接続するビアホール導体からなる境界壁形成用ビアホール導体群４３が、信号伝送方向とは垂直な方向に伝送信号の遮断波長の１／２以下の間隔で誘電体層３１内部に配列され、この境界からの高周波信号の漏れを防止する。なお、境界壁形成用ビアホール導体群４３における両端の２本のビアホール導体は、側壁形成用ビアホール導体群４１，４２と共有される。

図４Ｂに示すように、誘電体層３２の表面には、マイクロストリップ線路１２を構成するグランド導体１２ｃ、副導体層５３、分枝線路４を構成する上側導体層６１が一体的に形成される。また、誘電体層３２の内部には、２列の側壁形成用ビアホール導体群４１，４２およびグランド導体１２ｃと下側導体層２１２とを電気的に接続する境界壁形成用ビアホール導体群４３が形成される。

図４Ｃに示すように、誘電体層３３の表面には、下側導体層２１２、副導体層５４、分枝線路４を構成する副導体層５６が電気的に接続されて一体的に形成されている。また、誘電体層３３の内部には、２列の側壁形成用ビアホール導体群４１，４２および下側導体層２１２と下側導体層２２２とを電気的に接続する境界壁形成用ビアホール導体群４３が形成される。

図４Ｄに示すように、誘電体層３４の表面には、下側導体層２２２、副導体層５５、分枝線路４を構成する副導体層５７が形成される。また、誘電体層３４の内部には、２列の側壁形成用ビアホール導体群４１，４２および下側導体層２２２と下側導体層２３２とを電気的に接続する境界壁形成用ビアホール導体群４３が形成される。

図４Ｅに示すように、誘電体層３４の裏面には、下側導体層２３２、分枝線路４を構成する下側導体層６２が形成される。

積層型導波管を構成する誘電体層が複数層からなる場合は、誘電体層間に主導体層と平行に副導体層を設けることが好ましい。副導体層は、同じ列に属し、同じ誘電体層を貫通する各ビアホール導体群を、列ごとにそれぞれ個別に電気的に接続し、ビアホール導体群の配列方向に延びる帯状の導体層である。

このような副導体層は、図４Ａ〜図４Ｅにおける副導体層５３〜５７が、これに相当し、ビアホール導体群と副導体層とによって、格子状に形成された側壁が得られ、様々な方向の電磁波漏れを遮蔽することができる。また、副導体層は、ビアホール導体の大きなランドとしても機能し、積層ずれによって生じるビアホール導体の厚み方向の接続不良を抑制することができる。ビアホール導体の厚み方向の接続不良が生じると、接続不良部分で電磁波の漏れが発生しやすくなり、伝送損失が大きくなってしまうが、副導体層を設けることでこれを防止することができる。

さらに、積層型導波管によってハイブリッド回路を構成する場合は、本実施形態のように、円弧のような湾曲構造の線路部分を設ける場合が多くなる。高周波信号の伝搬においては湾曲構造で放射が起こるが、副導体層を設けることで、電磁遮蔽の役目を担うため、湾曲構造での放射を抑え低損失な伝送線路を実現することができる。

≪第２の実施形態にかかる高周波基板≫
本実施形態では、第１の実施形態にかかる高周波基板のハイブリッド回路３に代えて、図２Ｃおよび図２Ｄに示すようなハイブリッド回路３’を備える。図２Ｃはハイブリッド回路３’の斜視図であり、図２Ｄはその平面透視図である。

図２Ｃおよび図２Ｄにおいて、ハイブリッド回路３’は、分岐線路４、５、６’を含んで構成されており、分岐線路４，５は積層型導波管線路で構成されている。一方、分岐線路６’は誘電体層の一部を筒状に取り囲むビアホール導体群を備えたものであり、分岐線路６’の伝送方向は誘電体層の積層方向である。分岐線路４と分岐線路５とが接続されて第１の導波路を構成している。この第１の導波路に分岐線路６’（第２の導波路）が直交するように接続されている。そして、分岐線路４と分岐線路５との接続部における導体層１０に開口６ｃが形成されており、この開口６ｃを介して前記第１の導波路と第２の導波路が電磁的に接続されてハイブリッド回路３’を構成している。

≪第３の実施形態にかかる高周波基板≫
本実施形態では、第１の実施形態にかかる高周波基板のハイブリッド回路３に代えて、図２Ｅおよび図２Ｆに示すようなハイブリッド回路３’’を備える。図２Ｅはハイブリッド回路３’’の斜視図であり、図２Ｆはその平面透視図である。

図２Ｅおよび図２Ｆにおいて、ハイブリッド回路３’’は、分岐線路４、５、６’’を含んで構成されており、分岐線路４，５は積層型導波管線路で構成されている。一方、分岐線路６’’はストリップ線路導体である。分岐線路４と分岐線路５とが接続されて第１の導波路を構成している。この第１の導波路に誘電体層を介して分岐線路６''（第２の導波路）が積層されている。そして、分岐線路４と分岐線路５との接続部における導体層１０に開口（スリット）６ｃが形成されており、この開口６ｃを介して前記第１の導波路と第２の導波路が電磁的に接続されてハイブリッド回路３’’を構成している。

≪第４の実施形態にかかる高周波基板≫
本実施形態では、第１の実施形態にかかる高周波基板の変換部１３に代えて、図３Ｃおよび図３Ｄに示すような変換部１３’を備える。図３Ｃは、変換部１３’の斜視図であり、図３Ｄは、変換部１３’の断面図である。図３Ｃ、３Ｄに示す変換部１３’では、分岐線路４の一端部の導体層にスリットＳを設け、このスリットＳに対向するようにストリップ導体１２ｂを設け、ストリップ導体１２ｂと分岐線路４とをスリットＳを介して電磁結合させている。

≪第５の実施形態にかかる高周波基板≫
次に、本発明の第５の実施形態である高周波基板５０について説明する。図１に示した第１の実施形態では、ハイブリッド回路を送信信号用に設けていたが、本実施形態では、受信信号用にもハイブリッド回路を設けている。なお、図１に示した第１の実施形態と同じ部位については、同じ参照符号を付して説明を省略する。

図５Ａおよび図５Ｂは、本発明の第５の実施形態である高周波基板５０の構成を示す図である。図５Ａは平面図を示し、図５Ｂは断面図を示す。

本実施形態では、受信信号用にハイブリッド回路１５１を設けている。本実施形態では、ハイブリッド回路１５１を、導波管分岐回路であるマジックＴ回路によって実現している。以下、ハイブリッド回路１５１を、マジックＴ回路１５１と表記する。マジックＴ回路１５１は、分枝線路１５２〜１５４，２０５の４つの積層型導波管線路で構成される。

分枝線路１５４を伝送する入力信号は、ＭＭＩＣ２が実装された面とは反対側の面に設けられた入力部７０から取り込まれ、入力部７０は、たとえばスロットアンテナ、パッチアンテナなどで構成される。分枝線路１５４を伝送する入力信号は、分枝線路１５２，１５３との接続部分である分岐点において、逆相の２つの入力信号として分離される。分枝線路１５２，１５３は、ＭＭＩＣ２の差動入力ポートにそれぞれ接続され、逆相の差動入力信号がそれぞれ分枝線路１５２，１５３によって伝送される。

分枝線路１５２〜１５４，２０５は、いずれも積層型導波管線路である。分枝線路１５２，１５３は、第一誘電体基板８の厚み方向と長さが一致するように形成された二列のビアホール導体群１６１と、前記二列のビアホール導体群１６１を挟みこむように前記第一誘電体基板８の両主面に設けられた一対の導体層１６２を有する。

分枝線路１５２，１５３は、それぞれ略円弧状の積層型体導波管線路で構成され、互いに円弧が外方に向って凸となるように配置される。分枝線路１５２の一方端部１５２ａは、ボンディングワイヤ１５５、マイクロストリップ線路１５６および変換部５７を介してＭＭＩＣ２の差動入力ポートの１つに接続される。分枝線路１５２の他方端部１５２ｂは、分枝線路１５３の他方端部１５３ｂに接続される。

分枝線路１５３の一方端部１５３ａは、ボンディングワイヤ１５８、マイクロストリップ線路１５９および変換部１６０を介してＭＭＩＣ２の差動入力ポートのもう１つに接続される。分枝線路１５３の他方端部１５３ｂは、分枝線路１５２の他方端部１５２ｂに接続される。

分枝線路１５２とＭＭＩＣ２とを接続するにあたって、ボンディングワイヤ１５５と変換部１５７とは、直接的に接続してもよいし、本実施形態のように、マイクロストリップ線路１５６を介して接続してもよい。また、マイクロストリップ線路１５６には、インピーダンス整合用のスタブなどを設けてもよい。

分枝線路１５３とＭＭＩＣ２との接続も同様に、ボンディングワイヤ１５８および変換部１６０を介して行われる。

ボンディングワイヤ１５８と変換部１６０とは、直接的に接続してもよいし、マイクロストリップ線路１５９を介して接続してもよく、マイクロストリップ線路１５９には、インピーダンス整合用のスタブなどを設けてもよい。

分枝線路１５４は、第二誘電体基板１７の厚み方向と長さが一致するように形成された二列のビアホール導体群１６３と、前記二列のビアホール導体群１６３を挟みこむように前記第二誘電体基板１７の両主面に設けられた一対の導体層１６４を有する。

高周波基板５０を平面視したときに分枝線路１５２，１５３の一部と、分枝線路１５４の一部とが、重複するように配置される。分枝線路１５２，１５３と分枝線路１５４との重複部分は、分枝線路１５２の他方端部１５２ｂと分枝線路１５３の他方端部１５３ｂとの接続部分と、分枝線路１５４の一方端部１５４ａとの重複部分である。

このような重複部分において、たとえば、積層型導波管線路で構成されたマジックＴ回路や、ラットレース回路などのハイブリッド回路を挿入することで、分枝線路１５４を伝送した２つの差動入力信号が分離されて分枝線路１５２，１５３を伝送することができる。

分枝線路２０５は、分枝線路１５２，１５３と同様、第一誘電体基板８の厚み方向と長さが一致するように形成された二列のビアホール導体群１６１と、前記二列のビアホール導体群１６１を挟みこむように前記第一誘電体基板８の両主面に設けられた一対の導体層１６２を有する。分枝線路２０５の一方端部２０５ａは分枝線路１５２，１５３と接続されてＴ字型の分岐路を形成している。また、分枝線路２０５の他方端部２０５ｂは終端回路によって終端されている。終端回路は、例えば、マイクロストリップ線路２０７と、開放端を有するマイクロストリップ線路２０９と、これらを接続する終端抵抗２０８とを備える。分岐線路２０５とマイクロストリップ線路２０７との接続は変換部２０６により行われる。

上記のような構成を有する高周波基板の誘電体層としては、高周波信号の伝送を妨げることがない特性を有するものであればとりわけ限定するものではないが、伝送線路を形成する際の精度および製造の容易性の点からセラミックスからなることが望ましい。

また、ストリップ導体、グランド導体および一対の導体層などの金属導体層としては、たとえば誘電体層がアルミナ質セラミックスからなる場合には、タングステン・モリブデンなどの金属粉末に適当なアルミナ・シリカ・マグネシア等の酸化物や有機溶剤・溶媒等を添加混合した導体ペーストを厚膜印刷法によりセラミックグリーンシート上に印刷し、しかる後、約１６００℃の高温で同時焼成し、厚み１０〜１５μｍ以上となるようにして形成する。なお、金属粉末としては、ガラスセラミックスの場合は銅・金・銀が、アルミナ質セラミックス、窒化アルミニウム質セラミックスの場合はタングステン・モリブデンが好適である。また、主導体層の厚みは一般的に５〜５０μｍ程度とされる。

配線基板の誘電体層としては、上記のようなセラミックスからなることが好ましいが、伝送信号の周波数や製造コストなどの観点から、樹脂材料を用いることもできる。誘電体層として使用可能な樹脂材料としては、たとえば、ＰＴＦＥ、液晶ポリマー、ＦＲ４、フッ素樹脂、フッ素ガラス樹脂などが挙げられる。この場合の金属導体としては、たとえば銅箔の貼り付け、銅めっき膜をエッチングなどによりパターン形成したものを使用することができる。

本発明は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形態で実施できる。したがって、前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、本発明の範囲は特許請求の範囲に示すものであって、明細書本文には何ら拘束されない。さらに、特許請求の範囲に属する変形や変更は全て本発明の範囲内のものである。

１，５０ 高周波基板
２ ＭＭＩＣ
３ マジックＴ回路
４，５，６ 分枝線路
１１，１４ ボンディングワイヤ
１２，１５ マイクロストリップ線路
１３，１６ 変換部

Claims (9)

1. 第１の誘電体層と、前記第１の誘電体層を挟む第１の一対の導体層と、前記第１の誘電体層を貫通し前記第１の一対の導体層の間を電気的に接続する複数のビアホール導体を備える第１の側壁導体群と、を備える第１の導波路と、
   前記第１の一対の導体層の一方はその厚み方向に貫通する開口を備え、前記開口を介して前記第１の導波路と電磁的に接続されてハイブリッド回路を構成する第２の導波路と、
   第１の端子と第２の端子とを備える高周波素子の前記第１の端子に電気的に接続され、前記第１の導波路の一方端部に電磁的または電気的に接続され、信号伝送モードを変換する第１の変換部と、
   前記第２の端子に電気的に接続され、前記第１の導波路の他方端部に電磁的または電気的に接続され、信号伝送モードを変換する第２の変換部と、
   を備える高周波基板。
2. 前記第２の導波路は、第２の誘電体層と、前記第２の誘電体層を挟む第２の一対の導体層と、前記第２の一対の導体層の間を電気的に接続する複数のビアホール導体を備える第２の側壁導体群と、を備える、請求項１記載の高周波基板。
3. 前記第２の導波路は、複数のビアホール導体によって、前記第２の誘電体層の一部を筒状に取り囲むビアホール導体群を備える、請求項２記載の高周波基板。
4. 前記第２の導波路は線状導体を備える、請求項１記載の高周波基板。
5. 前記第１の側壁導体群は一対の列として配列し、
   前記第１の導波路は、前記第１の一対の導体層の間に前記第１の一対の導体層と略平行に位置し且つ前記一対の列のぞれぞれと電気的に接続する一対の副導体層をさらに備える、請求項１記載の高周波基板。
6. 前記高周波素子、前記第１の変換部および前記第２の変換部を気密封止するカバー部材をさらに備える、請求項１記載の高周波基板。
7. 前記ハイブリッド回路を複数備える、請求項１記載の高周波基板。
8. 前記第１の変換部は、第３の誘電体層を挟んで対向する一対の導体板を含み、
   前記第１の一対の導体板の一方は、平面状であり、
   前記第１の一対の導体板の他方は、異なる平面上に配置され且つ平面視で互い一部重畳する一対の副導体板と、前記一対の副導体板同士を前記重畳領域で接続する変換用ビアホール導体とを備える、請求項１記載の高周波基板。
9. 請求項１に記載の高周波基板と、
   前記高周波基板上に位置し、複数の端子を有する高周波素子と、
   を備える高周波モジュール。

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