(57)【要約】  高周波モジュールのパッケージと導波管接続用の金属部材の熱膨張係数の違いによって起こる温度上昇時の誘電体基板への応力集中の発生を回避し、気密性を損なうことなく低損失で広帯域の高周波信号を導波管に取り出すことが可能な高周波回路装置を提供する。  本発明の高周波回路装置１は、高周波通信可能な導波管−マイクロストリップ線路変換器において、アルミ製のシャーシ２０１とシャーシ２０１上部に当接された高周波モジュール１０を構成するメタル又はセラミック製のパッケージ１１とを有し、シャーシ２０１及びパッケージ１１内部底面を貫通するように導波管部が設けられ、パッケージ１１の気密性を保持するために、パッケージ１１の導波管部１１ａを遮断するように設けた誘電体基板１４を有し、誘電体基板１４は、シャーシ２０１とパッケージ１１の熱膨張率の違いによる応力で破損しない強度を有する厚さとする。
2014156223.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波モジュールと、当該高周波モジュールを取り付ける導波管接続用の金属部材とで構成される高周波回路装置であって、
前記高周波モジュールは、
表面にマイクロストリップ線路が形成された第１の誘電体基板と、
前記第１の誘電体基板を内部底面に半田接合にて実装する共に、前記第１の誘電体基板が実装された前記内部底面に第１の導波管部を設け、前記第１の導波管部下方に前記第１の導波管部と連通する誘電体基板取付部を有するパッケージと、
前記誘電体基板取付部に半田接合にて気密に取り付ける第２の誘電体基板と、
前記パッケージを封止するパッケージ蓋体と、
を含んで構成され、
前記導波管接続用の金属部材は、
前記パッケージの前記第１の導波管部と接続するために、前記パッケージの前記第１の導波管部と同じ形状及び大きさで形成された第２の導波管部を有し、
前記第１の導波管部の位置が前記第２の導波管部の位置と一致するようにして、前記高周波モジュールを前記金属部材に取り付けることにより、前記第１の導波管部と前記第２の導波管部が導波管として機能する一方、前記第２の誘電体基板によって、前記パッケージの気密性が保たれると共に、温度上昇時の前記パッケージの熱膨張による前記第１の誘電体基板への応力集中が軽減されることを特徴とする高周波回路装置。
【請求項２】
請求項１記載の高周波回路装置において、前記第２の誘電体基板の厚みは、前記第２の誘電体基板の誘電率、前記第１の導波管部の径、及び高周波信号の波長に基づいて決定されることを特徴とする高周波回路装置。
【請求項３】
請求項２記載の高周波回路装置において、前記第２の誘電体基板は、０．３ｍｍ超の厚さを有する誘電体基板であることを特徴とする高周波回路装置。
【請求項４】
請求項３記載の高周波回路装置において、前記第２の誘電体基板は、前記誘電体基板取付部との間に間隙を設けて半田接合することを特徴とする高周波回路装置。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波帯およびミリ波帯で用いられる高周波信号（３ＧＨｚ〜３００ＧＨｚ）を、導波管を用いて送受信する高周波回路装置に係り、特に、高周波モジュールにおいて、導波管−マイクロストリップ変換の高周波特性に影響を与えず、パッケージ内部を外気から遮断することが可能な高周波回路装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ波帯およびミリ波帯において、低損失な伝送線路である導波管は、送受信アンテナとの間の入出力インターフェースとして広く用いられている。例えば、準ミリ波帯以上の移動無線端末や映像伝送等に用いられる高周波回路装置の低損失化と広帯域化と小型化とを実現する構造に関する技術が、下記の特許文献１に開示されている。
特許文献１に開示されている技術は、接地用の金属筐体の中に、高周波回路を形成する半導体と誘電体基板と金属電極と接地用金属電極の伝送線路を設け、金属筐体に設けた導波管と同一寸法の角穴から導波管に高周波信号を取り出すものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７-００６１９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１における半導体と誘電体基板等は、大量生産が可能な高周波モジュールとして、セラミック材料をパッケージ母材に使用したセラミックパッケージ等に封入することができる。このようなセラミックパッケージ等で形成した高周波モジュールの入出力インターフェースに導波管を用いる場合、従来、図５及び図６に示すような、高周波モジュールを導波管接続用の金属部材にネジ締結する構造が採用されていた。【０００５】
従来の高周波モジュールを導波管接続用の金属部材にネジ締結した構造を有する高周波回路装置について、図５及び図６を参照して説明する。
図５は、従来の高周波回路装置の外観を示す斜視図であり、図６は、図５に示すＡ−Ａ面で切断した場合の断面図である。ただし、図５は、高周波モジュール１００の内部構成が分かるように、高周波モジュール１００の構成部品の一つであるパッケージ蓋体１０２、並びに、取付用のネジを外した状態で示している。
図５及び図６において、１００は送信回路機能および受信回路機能を有する高周波モジュールであり、また、２０１は導波管接続用の金属部材であるシャーシである。つまり、本例の高周波回路装置５０は、高周波モジュール１００と、シャーシ２０１とから構成されている。シャーシ２０１には、例えば、送受信アンテナとの間の入出力インターフェースとしての導波管（図示せず）が取り付けられ接続される。高周波モジュール１００は、図５に示すように、高周波モジュール１００に設けた四隅の貫通穴を使って、図示しないネジでシャーシ２０１に締結する構造となっている。【０００６】
高周波モジュール１００の筐体は、図５及び図６に示すように、セラミック材料等を使用したパッケージ１０１と、パッケージ蓋体１０２とから構成されている。パッケージ１０１内には、マイクロストリップ線路を形成した誘電体基板１０３、金属製バックショート１０４、及び複数の高周波モノリシックＩＣ１０５が実装される。また、パッケージ１０１内に所定の部品が実装された後、パッケージ１０１はパッケージ蓋体１０２によって封止される。更に、このパッケージ１０１は、パッケージ１０１の導波管部１０１ａとシャーシ２０１の導波管部２０１ａの穴位置を合わせるようにして、四隅に設けた貫通穴を使って、シャーシ２０１の図示しないネジ穴にネジ締結される。
従来のパッケージ１０１では、パッケージ１０１の内部を外気と遮断するため、パッケージ１０１の導波管部１０１ａの上方開口部を塞ぐように、誘電体基板１０３の裏面に設けた金属電極をパッケージ１０１内部底面に半田付けして気密性を確保していた。また、高周波モジュール１００は、高周波特性を確保するために、マイクロストリップ線路を形成した誘電体基板１０３を０．１ｍｍ程度まで薄くする必要があった。
しかし、パッケージ１０１がシャーシ２０１にネジ締結された状態で、幅広い外気温に晒された場合、材質の異なるパッケージ１０１とシャーシ２０１の熱膨張係数の違いによって、パッケージ１０１の導波管部１０１ａの上方開口部に応力負荷が集中し、マイクロストリップ線路を形成した誘電体基板１０３が破損し、高周波特性が損なわれるという問題があった。【０００７】
本発明は、この様な問題を解決するためになされたもので、高周波モジュールのパッケージと導波管接続用の金属部材の熱膨張係数の違いによって起こる温度上昇時の誘電体基板への応力集中の発生を回避し、気密性を損なうことなく低損失で広帯域の高周波信号を導波管に取り出すことが可能な高周波回路装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するための本発明に係る高周波回路装置は、高周波モジュールと、当該高周波モジュールを取り付ける導波管接続用の金属部材とで構成される高周波回路装置であって、前記高周波モジュールは、表面にマイクロストリップ線路が形成された第１の誘電体基板と、前記第１の誘電体基板を内部底面に半田接合にて実装する共に、前記第１の誘電体基板が実装された前記内部底面に第１の導波管部を設け、前記第１の導波管部下方に前記第１の導波管部と連通する誘電体基板取付部を有するパッケージと、前記誘電体基板取付部に半田接合にて気密に取り付ける第２の誘電体基板と、前記パッケージを封止するパッケージ蓋体と、を含んで構成され、前記導波管接続用の金属部材は、前記パッケージの前記第１の導波管部と接続するために、前記パッケージの前記第１の導波管部と同じ形状及び大きさで形成された第２の導波管部を有し、前記第１の導波管部の位置が前記第２の導波管部の位置と一致するようにして、前記高周波モジュールを前記金属部材に取り付けることにより、前記第１の導波管部と前記第２の導波管部が導波管として機能する一方、前記第２の誘電体基板によって、前記パッケージの気密性が保たれると共に、温度上昇時の前記パッケージの熱膨張による前記第１の誘電体基板への応力集中が軽減されることを特徴とする。【０００９】
上記目的を達成するための本発明に係る高周波回路装置は、上記の高周波回路装置において、前記第２の誘電体基板の厚みは、前記第２の誘電体基板の誘電率、前記第１の導波管部の径、及び高周波信号の波長に基づいて決定されることを特徴とする。【００１０】
上記目的を達成するための本発明に係る高周波回路装置は、上記の高周波回路装置において、前記第２の誘電体基板は、０．３ｍｍ超の厚さを有する誘電体基板であることを特徴とする。【００１１】
上記目的を達成するための本発明に係る高周波回路装置は、上記の高周波回路装置において、前記第２の誘電体基板は、前記誘電体基板取付部との間に間隙を設けて半田接合することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
以上説明したように、本発明によれば、高周波モジュールのパッケージと導波管接続用の金属部材の熱膨張係数の違いによって起こる温度上昇時の誘電体基板への応力集中の発生を回避し、気密性を損なうことなく低損失で広帯域の高周波信号を導波管に取り出すことが可能な高周波回路装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態１に係る高周波回路装置の構成の一例を示す斜視図である。
【図２】図１に示すＢ−Ｂ面で切断した場合の断面図である。
【図３】図２の誘電体基板１４を中心とした構造の拡大図であり、分布定数回路として表現した図である。
【図４】誘電体基板の比誘電率に対する誘電体基板の厚さの特性を表す。
【図５】従来の高周波回路装置の外観を示す斜視図である。
【図６】図５に示すＡ−Ａ面で切断した場合の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
＜実施形態１＞
［高周波回路装置１の構成］
以下、本発明の実施形態１に係る高周波回路装置について、図１及び図２を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態１に係る高周波回路装置の構成の一例を示す斜視図であり、また、図２は、図１に示すＢ−Ｂ面で切断した場合の断面図である。ただし、図１は、高周波モジュール１０の内部構成が分かるように、高周波モジュール１０の構成部品の一つであるパッケージ蓋体１０２、並びに、取付用のネジを外した状態で示している。なお、図１及び図２中、図５及び図６と同一構成部分には同一符号を付している。
本発明の実施形態１に係る高周波回路装置１は、高周波通信可能な導波管−マイクロストリップ線路変換器において、アルミ製のシャーシ２０１とシャーシ２０１上部に当接された高周波モジュール１０を構成するメタル又はセラミック製のパッケージ１１とを有し、シャーシ２０１及びパッケージ１１内部底面を貫通するように導波管部が設けられ、パッケージ１１の気密性を保持するために、パッケージ１１の導波管部１１ａを遮断するように設けた誘電体基板１４を有し、誘電体基板１４は、シャーシ２０１とパッケージ１１の熱膨張率の違いによる応力で破損しない強度を有する厚さとする。また、パッケージ１１に取り付けた誘電基板１４とは別に、パッケージ１１内部でマイクロストリップ線路を形成する別の誘電体基板１２を有し、別の誘電体基板１２は主に高周波特性に特化し、誘電体基板１４は気密性に特化している。
図１及び図２において、１０は送信回路機能および受信回路機能を有する高周波モジュールであり、また、２０１は導波管接続用の金属部材であるシャーシである。つまり、本例の高周波回路装置１は、高周波モジュール１０と、シャーシ２０１とから構成されている。シャーシ２０１には、例えば、送受信アンテナとの間の入出力インターフェースとしての導波管（図示せず）が取り付けられ接続される。高周波モジュール１０は、図１に示すように、高周波モジュール１０に設けた四隅の貫通穴を使って、図示しないネジでシャーシ２０１に締結する構造となっている。
【００１５】
高周波モジュール１０の筐体は、図１及び図２に示すように、セラミック材料等を使用したパッケージ１１と、パッケージ蓋体１０２とから構成されている。パッケージ１１内には、マイクロストリップ線路を形成した誘電体基板１２、金属製バックショート１３、及び複数の高周波モノリシックＩＣ１０５が実装され、パッケージ１１内部の底面に半田接合される。なお、誘電体基板１２は、高周波特性を確保するために厚さ０．１ｍｍ程度の基板であり、裏面に設けた金属電極をパッケージ１１内部底面に半田付け固定するが、図５及び図６で示した従来の誘電体基板１０３とは異なり、パッケージ１１の導波管部１１ａの上方開口部を塞がない大きさである。また、金属製バックショート１３は、誘電体基板１２の先端部のみを覆うように配置され、誘電体基板１２と同様、パッケージ１１内部底面に半田接合される。
【００１６】
また、パッケージ１１は、導波管として機能する導波管部１１ａと、導波管部１１ａ下部のシャーシ２０１の導波管部２０１ａに対向する位置に誘電体基板１４を収容する誘電体基板取付部１１ｂとを有し、誘電体基板取付部１１ｂに０．３ｍｍ超の厚さを有する誘電体基板１４を半田１５で接合することによって、パッケージ１１底面の気密性が確保される。
なお、誘電体基板１４は、パッケージ１１内部ではなく、パッケージ１１の外部に取り付けることができるため、誘電体基板１２とは異なり、基板の厚みを０．１ｍｍより厚く設計することが可能である。誘電体基板１４の厚みは、具体的には、誘電体基板１４の誘電率、導波管部１１ａの内径、及び高周波信号の波長、の３つのパラメータを含む計算式に基づいて決定されるが、その詳細は後述する。
また、誘電体基板１４は、熱膨張係数を考慮すると、例えば、誘電率の低いガラスとセラミックの混合物（ガラセラ）が最適である。
また、誘電体基板１４の熱膨張による破損を考慮し、図２に示すように、誘電体基板取付部１１ｂと誘電体基板１４との間、並びに、シャーシ２０１と誘電体基板１４との間に隙間を設けるようにする。
また、誘電体基板１４をパッケージ１１の誘電体基板取付部１１ｂに接合する際に使用する半田１５を高融点半田にすることにより、通常の共晶半田に比べ強固で剥がれ難くなる。
なお、誘電体基板１４を上述したように配置することにより、マイクロストリップ線路を形成した誘電体基板１２と１／４波長の金属性バックショート１３による変換器の高周波特性に影響を与えないこととなる。
【００１７】
また、パッケージ１１に所定の部品が実装された後、パッケージ１１はパッケージ蓋体１０２によって封止され、パッケージ１１内部が外気と遮断される。更に、このパッケージ１１は、パッケージ１１の導波管部１１ａとシャーシ２０１の導波管部２０１ａの穴位置を合わせるようにして、四隅に設けた貫通穴を使って、シャーシ２０１の図示しないネジ穴にネジ締結される。
【００１８】
ここで、誘電体基板１４の最適な厚さＬの求め方について、図３を参照して説明する。
図３は、図２の誘電体基板１４を中心とした構造の拡大図であり、分布定数回路として表現した図である。
比誘電率を有し、Ｚａのインピーダンスを有する誘電体基板１４側からインピーダンスＺＬをみたインピーダンスＺｂは、次のように、数式１で与えられる。
【数１】
2014156223.tif 000003
伝搬定数であるγは、減衰定数αと位相定数βにより、次のように数式２で与えられる。
【数２】
2014156223.tif 000004
【００１９】
無損失回路を考えた場合のそれぞれの定数は、α＝０、β＝２π／λとなり、これを数式１及び数式２へ代入すると、数式１は次の数式３で与えられる。
ここで、λは比誘電率εrを有する誘電体基板１４内の波長である。
【数３】
2014156223.tif 000005
Ｌ＝λ／２を数式３へ代入すると、数式３は次の数式４で与えられる。
【数４】
2014156223.tif 000006
【００２０】
数式４から、比誘電率εrを有し誘電体基板１４の厚さを半波長（λ／２）とすることで、インピーダンスＺａはＺｂに影響を与えないことが分かる。
λは、比誘電率εrと自由空間波長λ０と導波管部１１ａの長辺の長さａを用いると、次のように数式５で与えられる。
【数５】
2014156223.tif 000007
数式５に下記の表１のパラメータ（λ０、ａ）を代入し、εrを変数としてλを導出する。このλを２で除算した値（誘電体基板の厚さＬ）を図４に示す。図４は、誘電体基板の比誘電率に対する誘電体基板の厚さの特性を表す。
【表１】
2014156223.tif 000008
【００２１】
誘電体基板１４を形成する材料の比誘電率の一例を表２に示す。
【表２】
2014156223.tif 000009
【００２２】
誘電体基板１４をアルミナ（比誘電率１０．５）で実現した場合における、各周波数で最適にする誘電体基板１４の厚さＬは次の表３で与えられる。
【表３】
2014156223.tif 000010
【００２３】
以上説明したように、本発明によれば、高周波モジュールのパッケージと導波管接続用の金属部材の熱膨張係数の違いによって起こる温度上昇時の誘電体基板への応力集中の発生を回避し、気密性を損なうことなく低損失で広帯域の高周波信号を導波管に取り出すことが可能な高周波回路装置を提供することができる。
【００２４】
なお、本発明は、上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、各実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明は、マイクロ波帯やミリ波帯などで用いられる高周波信号を、導波管を用いて送受信する高周波回路装置に広く適用することができる。
【符号の説明】
【００２６】
１：高周波回路装置、１０：高周波モジュール、１１：パッケージ、１１ａ：導波管部、１１ｂ：誘電体基板取付部、１２：誘電体基板、１３：金属製バックショート、１４：誘電体基板、１５：半田、５０：高周波回路装置、１００：高周波モジュール、１０１：パッケージ、１０１ａ：導波管部、１０２：パッケージ蓋体、１０３：誘電体基板、１０４：金属製バックショート、１０５：高周波モノリシックＩＣ、２０１：シャーシ、２０１ａ：導波管部。 
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
2014156223.tif 000017
2014156223.tif 000018
2014156223.tif 000019
2014156223.tif 000020