JP6144456B2

JP6144456B2 - 高周波モジュール

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Publication number: JP6144456B2
Application number: JP2012025225A
Authority: JP
Inventors: 慎一江口; 和則菅谷; 稲見　和喜; 和喜稲見
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-02-08
Filing date: 2012-02-08
Publication date: 2017-06-07
Anticipated expiration: 2032-02-08
Also published as: JP2013162469A

Description

本発明は、高周波モジュールに関する。

一般的に、マイクロ波増幅器は、増幅処理の対象となる基本波以外にも高調波を発生する。このため、マイクロ波増幅器を含む回路とその増幅された基本波の信号を使用する回路との間を接続するには、不要な高調波を抑制するフィルタが必要となる。

特許文献１には、高周波回路において、半導体素子の入力端子に入力整合回路を接続し、半導体素子の出力端子に出力整合回路及び基本波の波長の１／４の長さのラインの一端を接続し、そのラインの他端をキャパシタを介して接地することが記載されている。これにより、特許文献１によれば、半導体素子の出力端子から見て、ラインの一端が、基本波に対してはオープン状態となり、基本波の２倍の波長を持つ２倍波に対してはショート状態となるので、基本波に対して影響を与えることなく、２倍波（高調波）抑圧することができるとされている。

特許文献２には、電力増幅器において、増幅器の出力の伝送線路に沿って一定間隔を保ち平行に、一端が接地され２倍波の波長の１／４の長さを持つ２倍波共振器と、一端が接地され３倍波の波長の１／４の長さを持つ３倍波共振器とをぞれぞれ設けることが記載されている。これにより、特許文献２によれば、２倍波共振器の短絡状態のインピーダンスと３倍波共振器の短絡状態のインピーダンスとにより、それぞれ、２倍波と３倍波の高調波を増幅器に反射させるので、増幅器の出力の基本波に対し無影響な高調波処理回路が得られるとされている。

特許文献３には、高周波モジュールにおいて、同軸コネクタの誘電体及び内導体の一端が外導体から突出して金属板及びモジュール筐体を貫通し、金属板とモジュール筐体外壁との間に内導体を中心とし高調波（例えば、２倍波）の１／４の半径を持つ円盤形状の掘り込みを形成することが記載されている。これにより、特許文献３によれば、マイクロ波増幅器の出力端から筐体空間内に放射され筐体空間内を導波管モードとして伝播する高調波信号をモジュール筐体内へと反射させ、高周波モジュールの外部へ漏洩する高調波信号を抑圧することができるとされている。

特開２００１−５３５１０号公報特開平８−１３９５３５号公報特開２００９−２５２７９４号公報

特許文献１及び２には、ともに、伝送線路を介して伝播する高調波を抑圧することについてしか記載されておらず、筺体空間内を伝播する高調波をどのように抑制するのかについて一切記載がない。

しかし、増幅器を金属筺体内に設置した場合、高調波の一部は、筺体空間内に放射され、導波管モードで伝播すると考えられる。筺体空間内を伝播してきた高調波は、モジュールの出力コネクタに結合し、コネクタを介して筺体外に漏洩する可能性がある。

一方、特許文献３には、筺体空間内を伝播する高調波を抑制するための構成として、モジュール筐体における掘り込み（空洞共振器）が記載されている。

しかし、特許文献３に記載の技術は、円盤形状の掘り込み（空洞共振器）を形成するものであるため、空洞共振器の寸法関係が決めにくい。すなわち、特許文献３に記載の空洞共振器の干渉原理は空洞内における導波管モードでの電磁波による共鳴であるが、高調波の１／４の半径を持つ空洞共振器を設計しても、期待する周波数で共振しにくい傾向にある。このため、空洞共振器の設計が困難である。

また、特許文献３に記載の空洞共振器は、狭帯域であるために、加工精度のマージンが小さくなってしまう可能性がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、空洞共振器の設計を容易にできる高周波モジュールを得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の１つの側面にかかる高周波モジュールは、モジュール筐体と、前記モジュール筐体を貫通し、内導体及び誘電体を有する同軸線路と、前記モジュール筐体に収容され、増幅器で増幅された高周波信号を伝送する基板と、前記同軸線路と前記基板とを接続する金リボンと、前記モジュール筐体内の前記同軸線路の周囲の部分における前記同軸線路に沿った方向の一部に、前記同軸線路に沿って並んで配されるとともに、前記同軸線路を介して互いに接続され、かつ互いに異なる共振周波数を有する複数の空洞共振器と、を備え、前記複数の空洞共振器は、前記同軸線路に垂直な断面で見た場合に各々が略矩形状であり、さらに、それぞれの共振波長が前記高周波信号に含まれる抑圧すべき高調波の異なる波長に合わせられており、前記複数の空洞共振器それぞれの空洞内には、前記同軸線路の前記内導体及び前記誘電体が含まれるとともに、前記誘電体はそれぞれの前記空洞の底面と接し、前記共振波長は、数式１で定まることを特徴とする。
λ_ｃは共振波長、ａは空洞共振器が有する空洞の長辺及び短辺の一方の長さ、ｂは空洞共振器が有する空洞の長辺及び短辺の他方の長さ。
λ_ｃ＝１／√（（１／（２ａ））^２＋（１／（２ｂ））^２）・・・数式１

本発明によれば、空洞共振器が、同軸線路に垂直な断面で見た場合に略矩形状であるので、空洞共振器の寸法関係を一意的に決めることができる。これにより、空洞共振器の設計を容易にできる。

図１は、実施の形態１にかかる高周波モジュールの構成を示す図である。図２は、実施の形態１における空洞共振器の構成を示す図である。図３は、実施の形態１における空洞共振器の構成を示す図である。図４は、実施の形態１における空洞共振器の動作を示す図である。図５は、実施の形態１の変形例における空洞共振器の構成を示す図である。

以下に、本発明にかかる高周波モジュールの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
実施の形態１にかかる高周波モジュール１００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１００の構成を示す断面図である。

高周波モジュール１００は、モジュール筺体１、増幅器９、金リボン４２、基板２、キャリア３、金リボン４１、同軸線路５、及び複数の空洞共振器１３、１４を備える。

モジュール筺体１は、例えば、誘電体多層基板を積層し表面に金属めっきを施して箱型に構成した誘電体パッケージや、金属を箱型に構成した金属筐体により構成されたパッケージの形態で構成される。モジュール筺体１は、その内側に筐体空間１ａを有する。モジュール筺体１は、その筐体空間１ａ内に、主として、増幅器９、基板２、及びキャリア３を収容する。また、モジュール筺体１における同軸線路５側の外壁面１ｂには、空洞１１となるべき凹構造が形成されている。また、モジュール筺体１内には、空洞１２が形成されている。

増幅器９は、例えば、電界効果トランジスタや高電子移動度トランジスタ等の半導体素子により構成された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）の形態で構成される。増幅器９は、高周波信号を受けて、その高周波信号を増幅し、増幅された高周波信号を出力端子９ｂから出力する。高周波信号は、例えば、マイクロ波帯もしくはミリ波帯の信号である。増幅器９で増幅された高周波信号は、所望の周波数から成る基本波の成分と、基本波に対する高調波（例えば、２倍波）の成分とを含む。

金リボン４２は、増幅器９の出力端子９ｂと基板２の入力端子２１ａとを電気的に接続する。

基板２は、金リボン４２を介して、増幅器９から出力された高周波信号を受ける。基板２は、高周波信号を伝送して出力する。

具体的には、基板２は、伝送線路２１を有する。伝送線路２１は、例えば、一端２１ａ及び他端２１ｂが基板２の表面２ａに露出され、一端２１ａ及び他端２１ｂの間の主要部２１ｃが基板２内を延びている。伝送線路２１は、一端２１ａを入力端子として受けた高周波信号を主要部２１ｃ経由で伝送し他端２１ｂを出力端子として出力する。

キャリア３は、基板２とモジュール筐体１との間に配されている。キャリア３は、基板２を支持し、基板２をモジュール筐体１に固定する。

金リボン４１は、基板２の出力端子２１ｂと同軸線路５の入力端子５１ａとを電気的に接続する。

同軸線路５は、モジュール筺体１の外側から筐体空間１ａ内へ向かうように、モジュール筺体１を貫通する。同軸線路５は、金リボン４１を介して、基板２から出力された高周波信号を受ける。同軸線路５は、高周波信号を伝送して出力する。

具体的には、同軸線路５は、内導体５１、誘電体５２、外導体５３、及び導体板５４を有する。内導体５１は、モジュール筺体１の外側から筐体空間１ａ内へ向かい、その一端５１ａが筐体空間１ａ内に位置するように、モジュール筺体１を貫通して延びている。内導体５１は、一端５１ａを入力端子として受けた高周波信号を伝送し他端５１ｂを出力端子として出力する。

誘電体５２は、モジュール筺体１の外側から筐体空間１ａ内へ向かい、その一端が内導体５１の一端５１ａの手前で且つ筐体空間１ａに面する位置まで、モジュール筺体１を貫通して延びている。誘電体５２は、例えば、内導体５１に対して同軸となる略円筒形状を有している。誘電体５２は、例えば、内導体５１に垂直な断面で見た場合に内導体５１を囲うように覆っている（図３参照）。

外導体５３は、モジュール筺体１の外側から筐体空間１ａ内へ向かい、導体板５４に接続される位置まで延びている。外導体５３は、例えば、内導体５１及び誘電体５２に対して同軸となる略円筒形状を有している。外導体５３は、例えば、内導体５１に垂直な断面で見た場合に内導体５１及び誘電体５２を囲うように覆っている。

導体板５４は、空洞１１を塞ぐように、モジュール筺体１における同軸線路５側の外壁面１ｂを覆っている。導体板５４は、外導体５３に接続されているとともに外導体５３の反対側で外壁面１ｂに接続されている。導体板５４は、その内側に貫通孔５４ａを有し、貫通孔５４ａを介して内導体５１及び誘電体５２により貫通されている。

複数の空洞共振器１３、１４は、それぞれ、モジュール筐体１内の同軸線路５の周囲の部分１０における同軸線路５に沿った方向の一部に配されている。例えば、空洞共振器１３は、外壁面１ｂの凹構造が導体板５４により塞がれて形成された空洞１１を含む。空洞共振器１４は、モジュール筐体１内に形成された空洞１２を含む。各空洞共振器１３、１４は、例えば、同軸線路５に垂直な断面で見た場合に略矩形状の空洞１１、１２を含む（図３参照）。

複数の空洞共振器１３、１４は、モジュール筐体１内の同軸線路５の周囲の部分１０にそれぞれ配され、同軸線路５を介して互に接続されている。複数の空洞共振器１３、１４は、モジュール筐体１内の同軸線路５の周囲の部分１０において、同軸線路５に沿った方向に互に離間するように、同軸線路５に沿って並んでいる。これにより、複数の空洞共振器１３、１４は、同軸線路５の内導体５１内を高周波信号が伝送する際に、高周波信号に含まれる高調波（例えば、２倍波）の成分を増幅器９側へ反射し、高周波信号に含まれる基本波の成分を選択的に内導体５１内で透過させる。また、複数の空洞共振器１３、１４は、増幅器９の出力端子９ｂから筐体空間１ａへ放射され導波管モードで伝播する高周波信号を受けた際に、高周波信号に含まれる高調波（例えば、２倍波）の成分を増幅器９側へ反射し、高周波信号に含まれる基本波の成分を選択的に内導体５１内へ導く。

また、複数の空洞共振器１３、１４は、互いに異なる共振周波数を有する。具体的には、複数の空洞共振器１３、１４は、図２及び図３に示すような構成を有している。図２は、空洞共振器１３、１４の構成を示す斜視透視図である。図３は、モジュール筺体１における同軸線路５側の外壁面１ｂに沿って切った断面図であり、空洞共振器１３、１４の構成を示す断面図である。

空洞共振器１３は、同軸線路５に垂直な断面で見た場合に略矩形状の空洞１１を含む。同軸線路５に垂直な断面で見た場合に、空洞１１内には、同軸線路５の内導体５１及び誘電体５２が含まれている。例えば、空洞１１の底面１１ｂには、誘電体５２が接している。このとき、例えば、空洞１１の長辺及び短辺の一方の長さをａ_１とし、他方の長さをｂ_１とすると、空洞共振器１３の共振周波数に対応した共振波長λ_ｃ１は、下記の数式１を満たすように設計される。
λ_ｃ１＝１／√（（１／（２ａ_１））^２＋（１／（２ｂ_１））^２）・・・数式１

例えば、空洞共振器１３の共振波長λ_ｃ１が基本波の波長の２倍近傍になるように空洞共振器１３を設計した場合、空洞共振器１３は、図４に示すような透過／反射特性を示す。図４では、基本波の波長に対応した周波数を１０ＧＨｚとし２倍波の周波数２０ＧＨｚとした場合について、透過特性を実線で示し、反射特性を破線で示している。図４に示されるように、内導体５１内で伝送される高周波信号や筐体空間１ａを介して伝播された高周波信号に対して、高調波（２倍波）の成分は、ほぼ全反射されモジュール外へ出力されにくくなっており、基本波の成分は、非常に良い透過特性を維持したままモジュール外へ出力されやすくなっていることが分かる。

空洞共振器１４は、同軸線路５に垂直な断面で見た場合に略矩形状の空洞１２を含む。同軸線路５に垂直な断面で見た場合に、空洞１２内には、同軸線路５の内導体５１及び誘電体５２が含まれている。例えば、空洞１２の底面１２ｂには、誘電体５２が接している。このとき、例えば、空洞１２の長辺及び短辺の一方の長さをａ_２とし、他方の長さをｂ_２とすると、空洞共振器１４の共振周波数に対応した共振波長λ_ｃ２は、下記の数式２を満たすように設計される。
λ_ｃ２＝１／√（（１／（２ａ_２））^２＋（１／（２ｂ_２））^２）・・・数式２

例えば、空洞共振器１４の共振波長λ_ｃ２が基本波の波長の３倍近傍になるように空洞共振器１４を設計した場合、空洞共振器１４は、図４に示すものと同様な透過／反射特性を示す。すなわち、内導体５１内で伝送される高周波信号や筐体空間１ａを介して伝播された高周波信号に対して、高調波（３倍波）の成分は、ほぼ全反射されモジュール外へ出力されにくくなっており、基本波の成分は、非常に良い透過特性を維持したままモジュール外へ出力されやすくなっている。

ここで、下記の数式３及び数式４の少なくとも一方が成り立つように設計することで、下記の数式５を満たすように複数の空洞共振器１３、１４を構成できる。
ａ_１≠ａ_２・・・数式３
ｂ_１≠ｂ_２・・・数式４
λ_ｃ１≠λ_ｃ２・・・数式５
なお、図３には、上記の数式３及び数式４の両方を満たす場合の複数の空洞共振器１３、１４の構成が例示的に示されている。

ここで、仮に、平面回路にオープンスタブやショートスタブを電気的に接続した高調波抑圧回路により、高調波の抑圧を図る場合について考える。この場合、高調波抑圧回路は、増幅器９の出力端子９ｂから筐体空間１ａへ放射され導波管モードで伝播する高周波信号を受けた際に、その高周波信号に対して高調波の抑圧機能を発揮できない。これにより、モジュール外へ高調波が出力されてしまう傾向にある。

それに対して、実施の形態１では、複数の空洞共振器１３、１４が、増幅器９の出力端子９ｂから筐体空間１ａへ放射され導波管モードで伝播する高周波信号を受けた際に、高周波信号に含まれる高調波の成分を増幅器９側へ反射し、高周波信号に含まれる基本波の成分を選択的に内導体５１内へ導く。これにより、伝送線路を介して伝送された高周波信号だけでなく、導波管モードで伝播する高周波信号に対しても、高調波を抑圧できる。

あるいは、仮に、各空洞共振器１３、１４が、同軸線路５に垂直な断面視において、内導体５１及び誘電体５２を囲む円盤形状である場合について考える。この場合、空洞共振器１３、１４の寸法関係が決めにくい。すなわち、内導体５１を中心として、抑圧すべき高調波の波長の１／４の半径を持つように各空洞共振器１３、１４を設計しても、期待する周波数で共振しにくい傾向にある。このため、空洞共振器１３、１４の設計が困難である。

それに対して、実施の形態１では、各空洞共振器１３、１４が、同軸線路５に垂直な断面で見た場合に略矩形状である。これにより、空洞共振器１３、１４の寸法関係を一意的に決めることができる。すなわち、上記の数式１、２を満たすように空洞共振器１３、１４を設計することで、期待する周波数で共振させることができる（図４参照）。例えば、略矩形状の空洞共振器によれば、円盤形状の空洞共振器に比べて、共振のピークを鋭くでき、不要な高調波成分を確実に遮断することができる一方、共振周波数以外、特に基本波では非常に良い透過特性を維持することができる。このため、空洞共振器１３、１４の設計を容易にできる。

また、実施の形態１では、複数の空洞共振器１３、１４が、互いに異なる共振周波数を有するとともに、同軸線路５を介して互に接続されている。これにより、複数の空洞共振器１３、１４の全体として、内導体５１内で伝送される高周波信号や筐体空間１ａを介して伝播された高周波信号に対して、広帯域に高調波を抑圧することができる。さらに、遮断周波数を広帯域化できるため、電気特性の個体差が発生した場合でも、不要な高調波を抑圧可能である。

また、実施の形態１では、各空洞共振器１３、１４が、モジュール筐体１内の同軸線路５の周囲の部分１０における同軸線路５に沿った方向の一部に配されている。また、複数の空洞共振器１３、１４は、同軸線路５に沿って並んでいる。これにより、新たな部品等を搭載することなくモジュール筐体１を加工することで上記の機能を達成できることから、高周波モジュール１００を大型化することなく、高周波モジュール１００の機能向上を図ることができる。

なお、実施の形態１では、高周波モジュール１００が複数の空洞共振器１３、１４を備える場合について例示的に説明しているが、高周波モジュール１００は１つの空洞共振器を備えるものであってもよい。この場合でも、空洞共振器が同軸線路５に垂直な断面で見た場合に略矩形状であれば、空洞共振器の設計を容易にできる。

あるいは、高周波モジュール１００ｉにおいて、図５に示すように、各空洞共振器１３ｉ、１４ｉに含まれる空洞１１ｉ、１２ｉの底面１１ｂには、誘電体５２が接していなくてもよい。すなわち、同軸線路５に垂直な断面で見た場合に、空洞１１ｉ、１２ｉの内側に誘電体５２が含まれていてもよい。この場合でも、複数の空洞共振器１３ｉ、１４ｉは、互いに異なる共振周波数を有するように設計できる。

例えば、空洞１１ｉの長辺及び短辺の一方の長さをｃ_１とし、他方の長さをｄ_１とすると、空洞共振器１３ｉの共振周波数に対応した共振波長λ_ｃ１ｉは、下記の数式６を満たすように設計される。
λ_ｃ１ｉ＝１／√（（１／（２ｃ_１））^２＋（１／（２ｄ_１））^２）・・・数式６

例えば、空洞１２ｉの長辺及び短辺の一方の長さをｃ_２とし、他方の長さをｄ_２とすると、空洞共振器１４ｉの共振周波数に対応した共振波長λ_ｃ２ｉは、下記の数式７を満たすように設計される。
λ_ｃ２ｉ＝１／√（（１／（２ｃ_２））^２＋（１／（２ｄ_２））^２）・・・数式７

ここで、下記の数式８及び数式９の少なくとも一方が成り立つように設計することで、下記の数式１０を満たすように複数の空洞共振器１３ｉ、１４ｉを構成できる。
ｃ_１≠ｃ_２・・・数式８
ｄ_１≠ｄ_２・・・数式９
λ_ｃ１ｉ≠λ_ｃ２ｉ・・・数式１０

以上のように、本発明にかかる高周波モジュールは、高周波信号の伝送に有用である。

１モジュール筐体
２基板
３キャリア
５同軸線路
９増幅器
１０周囲の部分
１１、１１ｉ空洞
１２、１２ｉ空洞
１３、１３ｉ空洞共振器
１４、１４ｉ空洞共振器
２１伝送線路
４１金リボン
４２金リボン
５１内導体
５２誘電体
５３外導体
５４導体板
１００、１００ｉ高周波モジュール
２００高周波モジュール
２０２多層基板
２１０周囲の部分
２１１空洞
２１２空洞
２１３空洞共振器
２１４空洞共振器
２２１トリプレート線路

Claims

モジュール筐体と、
前記モジュール筐体を貫通し、内導体及び誘電体を有する同軸線路と、
前記モジュール筐体に収容され、増幅器で増幅された高周波信号を伝送する基板と、
前記同軸線路と前記基板とを接続する金リボンと、
前記モジュール筐体内の前記同軸線路の周囲の部分における前記同軸線路に沿った方向の一部に、前記同軸線路に沿って並んで配されるとともに、前記同軸線路を介して互いに接続され、かつ互いに異なる共振周波数を有する複数の空洞共振器と、を備え、
前記複数の空洞共振器は、前記同軸線路に垂直な断面で見た場合に各々が略矩形状であり、さらに、それぞれの共振波長が前記高周波信号に含まれる抑圧すべき高調波の異なる波長に合わせられており、前記複数の空洞共振器それぞれの空洞内には、前記同軸線路の前記内導体及び前記誘電体が含まれるとともに、前記誘電体はそれぞれの前記空洞の底面と接し、前記共振波長は、数式１で定まることを特徴とする高周波モジュール。
λ_ｃは共振波長、ａは空洞共振器が有する空洞の長辺及び短辺の一方の長さ、ｂは空洞共振器が有する空洞の長辺及び短辺の他方の長さ。
λ_ｃ＝１／√（（１／（２ａ））^２＋（１／（２ｂ））^２）・・・数式１