JP7466474B2

JP7466474B2 - 送受信モジュール

Info

Publication number: JP7466474B2
Application number: JP2021013314A
Authority: JP
Inventors: 知大水谷
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2021-01-29
Filing date: 2021-01-29
Publication date: 2024-04-12
Anticipated expiration: 2041-01-29
Also published as: JP2022116896A

Description

本開示は、レーダシステムに使用される送受信モジュールに関する。

通信、レーダシステムに使用される送受信モジュールにおいては、小型化のためにＬＴＣＣ（Low Temperature Co-fired Ceramics）基板、またはＨＴＣＣ（High Temperature Co-fired Ceramics)基板を使って、多層での高密度配線を実現している。

特許文献１では、アンテナと、サーキュレータと、送信信号用の高出力増幅器と、受信信号用の低雑音増幅器と、方向性可変サーキュレータと、終端器と、送受切り替えスイッチと、移相器とを備える送受信モジュールが示されている。特許文献１では、方向性可変サーキュレータを、ＬＴＣＣ基板によって構成している。

特開２０１１－１７１８０５号公報

ＬＴＣＣ基板、ＨＴＣＣ基板は、配線導体とセラミックス基材を同時焼成するためにアルミナにガラス系の成分を混ぜているので、純度の高いアルミナに比べて誘電体損失が大きく、高周波信号の伝搬損失が大きい。特許文献１では、高周波信号が通過する方向性可変サーキュレータをＬＴＣＣ基板によって構成しているので、誘電体損失が大きく、高周波信号の伝搬損失が大きいという問題があった。

本開示は、上記に鑑みてなされたものであり、小型化を実現しつつ高周波信号の伝搬損失を抑制できる送受信モジュールを得ることを目的としている。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、高周波信号を増幅する第１の増幅器と、第１の増幅器の出力をアンテナ端子に伝送し、アンテナ端子から入力された受信信号を受信する第１の切替部と、受信信号を増幅する第２の増幅器と、第１の増幅器と第１の切替部とに接続されて、高周波信号が伝送される第１の高周波信号線と、第１の切替部と第２の増幅器とに接続されて、受信信号が伝送される第２の高周波信号線と、第１の増幅器にバイアス電圧を付与する第１の制御信号線と、第２の増幅器にバイアス電圧を付与する第２の制御信号線と、を備える。第１の制御信号線および第２の制御信号線は、アルミナにガラス系の成分が混合された積層セラミック基板に配される。第１の高周波信号線および第２の高周波信号線は、積層セラミック基板上に積層され、アルミナにガラス系の成分が混合されていない第１のアルミナ基板に配される。

本開示における送受信モジュールによれば、小型化を実現しつつ高周波信号の伝搬損失を抑制できるという効果を奏する。

実施の形態にかかる送受信モジュールの回路構成例を示す図実施の形態にかかる送受信モジュールの内部構成を示す平面図実施の形態にかかる送受信モジュールの一部の内部構成を示す断面図実施の形態にかかる送受信モジュールの一部の内部構成を示す断面図であり、図３の一部の拡大図

以下に、実施の形態にかかる送受信モジュールを図面に基づいて詳細に説明する。

実施の形態．
図１は実施の形態にかかる送受信モジュール１００の回路構成例を示す図である。この送受信モジュール１００は、例えば、ＳＡＲ（合成開口レーダ：Synthetic Aperture Radar）に適用される。ＳＡＲでは、地上に向けて電波を放射し、地上の物体からの散乱波を受信し画像化する。送受信モジュール１００は、高周波信号入出力端子１０と、送信受信切り替えスイッチ１１と、送信ドライバアンプ１２と、第１の増幅器としての送信ハイパワーアンプ（ＨＰＡ）１３と、第１の切替部としてのサーキュレータ１４と、アンテナ入出力端子１５と、終端器１９を有する第２の切替部としてのＬＮＡ保護スイッチ１６と、第２の増幅器としての受信ローノイズアンプ（ＬＮＡ）１７と、受信ドライバアンプ１８とを有する。

高周波信号入出力端子１０は、図示しない外部制御装置に接続されている。高周波信号入出力端子１０は、送信信号を入力し、受信信号を出力する。送信信号および受信信号は、ＲＦ(Radio Frequency)信号である。ＲＦ信号を高周波信号という。アンテナ入出力端子１５は、図示しないアンテナに接続される。

送信受信切り替えスイッチ１１は、制御信号印加用バイアス端子１ａおよび制御信号線１ｂを経由して入力される、図示しない外部制御装置からの制御信号によって、送信時には、高周波信号入出力端子１０が送信ドライバアンプ１２に接続されるように切り替えられる。送信受信切り替えスイッチ１１は、外部制御装置からの制御信号によって、受信時には、高周波信号入出力端子１０が受信ドライバアンプ１８に接続されるように切り替えられる。

ＬＮＡ保護スイッチ１６は、制御信号印加用バイアス端子２ａおよび制御信号線２ｂを経由して入力される、図示しない外部制御装置からの制御信号によって、送信時には、サーキュレータ１４が終端器１９に接続されるように切り替えられる。ＬＮＡ保護スイッチ１６は、図示しない外部制御装置からの制御信号によって、受信時には、サーキュレータ１４が受信ローノイズアンプ１７に接続されるように切り替えられる。

送信ハイパワーアンプ１３は、送信信号を増幅する。受信ローノイズアンプ１７は、受信信号の信号増幅、波形整形を行う。高周波信号線Ｌ１は、送信受信切り替えスイッチ１１と送信ドライバアンプ１２とを接続する。高周波信号線Ｌ２は、送信ドライバアンプ１２と送信ハイパワーアンプ１３とを接続する。第１の高周波信号線としての高周波信号線Ｌ３は、送信ハイパワーアンプ１３とサーキュレータ１４とを接続する。高周波信号線Ｌ４は、サーキュレータ１４とアンテナ入出力端子１５とを接続する。第２の高周波信号線としての高周波信号線Ｌ５は、サーキュレータ１４とＬＮＡ保護スイッチ１６とを接続する。第２の高周波信号線としての高周波信号線Ｌ６は、ＬＮＡ保護スイッチ１６と受信ローノイズアンプ１７とを接続する。高周波信号線Ｌ７は、受信ローノイズアンプ１７と受信ドライバアンプ１８とを接続する。高周波信号線Ｌ８は、受信ドライバアンプ１８と送信受信切り替えスイッチ１１とを接続する。高周波信号線Ｌ９は、送信受信切り替えスイッチ１１と高周波信号入出力端子１０とを接続する。

送信時には、高周波信号入出力端子１０から入力された送信信号は、送信受信切り替えスイッチ１１、高周波信号線Ｌ１、送信ドライバアンプ１２、高周波信号線Ｌ２を通過して送信ハイパワーアンプ１３に入力される。送信ハイパワーアンプ１３は、送信信号を増幅し、高周波信号線Ｌ３を経由してサーキュレータ１４に送る。サーキュレータ１４に送られた送信信号は、高周波信号線Ｌ４、アンテナ入出力端子１５を経由して図示しないアンテナに送られる。アンテナは空中に向けて送信電波を放射する。送信時には、アンテナに入力される送信信号の一部は、アンテナにて反射されて、アンテナ入出力端子１５、高周波信号線Ｌ４、サーキュレータ１４、高周波信号線Ｌ５を通過してＬＮＡ保護スイッチ１６に入力され、終端器１９で吸収され、受信ローノイズアンプ１７には入力されない。

受信時には、アンテナから入力された受信信号は、アンテナ入出力端子１５、高周波信号線Ｌ４、サーキュレータ１４、高周波信号線Ｌ５、ＬＮＡ保護スイッチ１６、高周波信号線Ｌ６を通過して、受信ローノイズアンプ１７に入力される。受信信号は、受信ローノイズアンプ１７にて信号増幅または波形整形などの処理が施される。受信ローノイズアンプ１７から出力される受信信号は、高周波信号線Ｌ７、受信ドライバアンプ１８、高周波信号線Ｌ８、送信受信切り替えスイッチ１１を通過して高周波信号入出力端子１０から出力される。

図１において、一般的な送受信モジュールに搭載されるアッテネータ、位相器等は、便宜上、図示および説明を省略している。また、サーキュレータ１４を同等の機能を有するスイッチで構成してもよいし、ＬＮＡ保護スイッチ１６を無くしてもよい。

送受信モジュール１００は第１の高周波多層基板１、第２の高周波多層基板２、および第３の高周波多層基板３を有する。第１の高周波多層基板１は送受信モジュール１００のバックエンド回路を構成し、第２の高周波多層基板２および第３の高周波多層基板３は送受信モジュール１００のフロントエンド回路を構成する。フロントエンド回路を構成する第２の高周波多層基板２および第３の高周波多層基板３は、送受信モジュール１００の主要性能である送信尖頭電力および雑音指数の性能を決定付ける部分であり、この部分の高周波における損失を、極力減らす必要がある。

第１の高周波多層基板１は、高周波信号入出力端子１０と、送信受信切り替えスイッチ１１と、送信ドライバアンプ１２と、受信ドライバアンプ１８とを搭載する。第１の高周波多層基板１には、高周波信号線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ７，Ｌ８が形成されている。第１の高周波多層基板１は、複数の制御信号印加用バイアス端子１ａを有している。制御信号印加用バイアス端子１ａは、破線で示される複数の制御信号線１ｂに接続されている。制御信号線１ｂは、送信受信切り替えスイッチ１１、送信ドライバアンプ１２、および受信ドライバアンプ１８にバイアス電圧を印加する。制御信号線１ｂを通過する制御信号によって送信受信切り替えスイッチ１１、送信ドライバアンプ１２、および受信ドライバアンプ１８が駆動制御される。

第２の高周波多層基板２は、ＬＮＡ保護スイッチ１６を搭載する。第２の高周波多層基板２には、高周波信号線Ｌ３，Ｌ５，Ｌ６が形成されている。第２の高周波多層基板２は、複数の制御信号印加用バイアス端子２ａを有している。制御信号印加用バイアス端子２ａは、破線で示される複数の制御信号線２ｂに接続されている。各制御信号線２ｂは、ＬＮＡ保護スイッチ１６、送信ハイパワーアンプ１３、受信ローノイズアンプ１７にバイアス電圧を印加する。制御信号線２ｂを通過する制御信号によってＬＮＡ保護スイッチ１６、送信ハイパワーアンプ１３、および受信ローノイズアンプ１７が駆動制御される。送信ハイパワーアンプ１３に接続される制御信号線２ｂが、特許請求の範囲の第１の制御信号線に対応し、受信ローノイズアンプ１７に接続される制御信号線２ｂが、特許請求の範囲の第２の制御信号線に対応し、ＬＮＡ保護スイッチ１６に接続される制御信号線２ｂが、特許請求の範囲の第３の制御信号線に対応する。

第３の高周波多層基板３は、サーキュレータ１４を搭載する。第３の高周波多層基板３には、高周波信号線Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５が形成されている。

送受信モジュール１００に搭載されている複数の高周波信号線Ｌ１～Ｌ９のうち、高周波信号線Ｌ３～Ｌ６は、図面上、太線としている。これら太線の高周波信号線Ｌ３～Ｌ６は、低損失であることを要求される信号線である。一方、太線でない高周波信号線Ｌ１～Ｌ２，Ｌ７～Ｌ９は、低損失であることを特に要求されていない信号線である。

図２は、実施の形態にかかる送受信モジュール１００の内部構成を示す平面図である。図２では、部品搭載パッケージ９０の蓋体９２（図３参照）が外された状態が示されている。送受信モジュール１００は、部品搭載パッケージ９０の底面９１上に、第１の高周波多層基板１、第２の高周波多層基板２、第３の高周波多層基板３、送信ハイパワーアンプ１３および受信ローノイズアンプ１７が搭載されることで、構成される。部品搭載パッケージ９０は、制御信号印加用バイアス端子１ａ，２ａを有する。

図３は、実施の形態にかかる送受信モジュール１００の一部の内部構成を示す断面図である。図３には、第２の高周波多層基板２、第３の高周波多層基板３、送信ハイパワーアンプ１３および受信ローノイズアンプ１７が示されている。図４は、実施の形態にかかる送受信モジュール１００の一部の内部構成を示す断面図であり、図３の一部の拡大図である。図４では、第２の高周波多層基板２が拡大されている。図３および図４では、第２の高周波多層基板２に搭載されるＬＮＡ保護スイッチ１６と、第３の高周波多層基板３に搭載されるサーキュレータ１４の図示を省略する。前述したように、高周波信号線Ｌ１～Ｌ２，Ｌ７～Ｌ９は、低損失であることを特に要求されていないので、図１および図２に示した第１の高周波多層基板１は、積層セラミック基板で構成されている。積層セラミック基板は、ＬＴＣＣ基板およびＨＴＣＣ基板を含む。

一方、高周波信号線Ｌ３～Ｌ６は、低損失であることを要求されているので、第２の高周波多層基板２は、図４に示されるように、第１のアルミナ基板としてのアルミナ基板３０と積層セラミック基板４０とのハイブリッド基板とする。また、第３の高周波多層基板３はアルミナ基板とする。第２の高周波多層基板２のアルミナ基板３０および第３の高周波多層基板３のアルミナ基板は、単層基板であり、ガラス系の成分が混合されておらず、純粋なアルミナの重量パーセントが９９パーセント以上である。

図３および図４に示されるように、第２の高周波多層基板２においては、部品搭載パッケージ９０の底面９１上に多層の積層セラミック基板４０が搭載され、積層セラミック基板４０上にアルミナ基板３０が搭載されている。積層セラミック基板４０とアルミナ基板３０とは、導電性の接着材、またははんだなどの接合剤で接合されている。

アルミナ基板３０は、アルミナ３１と、表面に形成される配線パターンとを有する。アルミナ基板３０に形成される配線パターンには、高周波信号線Ｌ３，Ｌ６が含まれる。アルミナ基板３０に用いられる配線パターンは、薄膜パターンであり、パターン精度が良く、高周波においてインピーダンス不整合が生じ難いため、損失が抑えられる。アルミナ基板３０の裏面には、グランドパターン３５が形成されている。グランドパターン３５によって、アルミナ基板３０の高周波信号線Ｌ３，Ｌ６と、積層セラミック基板４０の制御信号線２ｂとのアイソレーションを確保する。

積層セラミック基板４０は、多層基板であり、アルミナにガラス系の成分が混合されたセラミック材料４１と、制御信号線２ｂを有する。各制御信号線２ｂは、前述したように、ＬＮＡ保護スイッチ１６、送信ハイパワーアンプ１３、受信ローノイズアンプ１７に接続されている。

第３の高周波多層基板３は、第２のアルミナ基板としてのアルミナ基板によって構成され、アルミナ３１と、表面に形成される配線パターンとを有する。第３の高周波多層基板３に形成される配線パターンには、高周波信号線Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５が含まれる。

このように実施の形態では、第２の高周波多層基板２を、アルミナにガラス系の成分が混合されていないアルミナ基板３０とアルミナにガラス系の成分が混合されている積層セラミック基板４０とが積層されるハイブリッド基板としている。また、送信ハイパワーアンプ１３とサーキュレータ１４との間の高周波信号線Ｌ３と、サーキュレータ１４と受信ローノイズアンプ１７との間の高周波信号線Ｌ５，Ｌ６とをアルミナ基板３０に配している。また、送信ハイパワーアンプ１３、受信ローノイズアンプ１７、およびＬＮＡ保護スイッチ１６にバイアス電圧を印加する制御信号線２ｂを積層セラミック基板４０に配するようにした。アルミナ基板３０は、積層セラミック基板４０より誘電体損失が小さい。このため、実施の形態では、小型化を実現しつつ高周波信号の伝搬損失が抑制される。これにより、送受信モジュールの主要性能である送信出力、および受信信号の低雑音指数を向上させることができる。

また、アルミナ基板３０に用いられる配線パターンは、薄膜パターンであり、積層セラミック基板４０に用いられる厚膜パターンよりパターン精度が良く、高周波においてインピーダンス不整合が生じ難い。このため、さらに損失が抑えられ、送受信モジュールの主要性能を向上させることができる。

また、アルミナ基板３０と積層セラミック基板４０とは、同じアルミナを主成分とする。このため、お互いを上下に配置した場合でも、周囲環境の温度変動による線膨張の差の影響が受けにくく、過酷な地上環境、宇宙といった過酷な環境においても、安定的に動作する高周波回路が得られる。

以上の実施の形態に示した構成は、本開示の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本開示の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１第１の高周波多層基板、１ａ，２ａ制御信号印加用バイアス端子、１ｂ，２ｂ制御信号線、２第２の高周波多層基板、３第３の高周波多層基板、１０高周波信号入出力端子、１１送信受信切り替えスイッチ、１２送信ドライバアンプ、１３送信ハイパワーアンプ、１４サーキュレータ、１５アンテナ入出力端子、１６ＬＮＡ保護スイッチ、１７受信ローノイズアンプ、１８受信ドライバアンプ、１９終端器、３０アルミナ基板、３１アルミナ、３５グランドパターン、４０積層セラミック基板、４１セラミック材料、９０部品搭載パッケージ、９１底面、９２蓋体、１００送受信モジュール、Ｌ１～Ｌ９高周波信号線。

Claims

高周波信号を増幅する第１の増幅器と、
前記第１の増幅器の出力をアンテナ端子に伝送し、前記アンテナ端子から入力された受信信号を受信する第１の切替部と、
前記受信信号を増幅する第２の増幅器と、
前記第１の増幅器と前記第１の切替部とに接続されて、前記高周波信号が伝送される第１の高周波信号線と、
前記第１の切替部と前記第２の増幅器とに接続されて、前記受信信号が伝送される第２の高周波信号線と、
前記第１の増幅器にバイアス電圧を付与する第１の制御信号線と、
前記第２の増幅器にバイアス電圧を付与する第２の制御信号線と、
を備え、
前記第１の制御信号線および前記第２の制御信号線は、アルミナにガラス系の成分が混合された積層セラミック基板に配され、
前記第１の高周波信号線および前記第２の高周波信号線は、前記積層セラミック基板上に積層され、アルミナにガラス系の成分が混合されていない第１のアルミナ基板に配される
ことを特徴とする送受信モジュール。
前記積層セラミック基板と前記第１のアルミナ基板との間に、前記第１の制御信号線および前記第２の高周波信号線と前記第１の制御信号線および前記第２の制御信号線とのアイソレーションのためのグランドパターンが配置されることを特徴とする請求項１に記載の送受信モジュール。
前記第１の切替部から受信された前記受信信号を終端する終端器を有し、前記高周波信号の送信時に前記第１の切替部を前記終端器に接続し、前記受信信号の受信時に前記第１の切替部を前記第２の増幅器に接続する第２の切替部と、
前記第２の切替部にバイアス電圧を付与する第３の制御信号線と、
を更に備え、
前記第２の切替部は、前記第１のアルミナ基板上に搭載され、
前記第３の制御信号線は、前記積層セラミック基板に配されることを特徴とする請求項１または２に記載の送受信モジュール。
前記第１の高周波信号線および前記第２の高周波信号線の一部は、前記第１のアルミナ基板に配され、前記第１の切替部と、前記第１の高周波信号線および前記第２の高周波信号線の残りの部分とは、前記第１のアルミナ基板と異なる第２のアルミナ基板に配されることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一つに記載の送受信モジュール。