(57)【要約】【課題】  基板の表面に形成された高周波回路と裏面に形成された高周波回路とが１０ＧＨｚ以上の準ミリ波〜ミリ波帯まで低損失で接続される高周波回路部材を提供する。【解決手段】  本発明の高周波回路部材は、アース導体２，５を備えた導電性基板１と、前記基板１の表面に設けられた第１誘電体層３および裏面に設けられた第２誘電体層６と、前記第１誘電体層３の上に設けられた第１高周波回路４および前記第２誘電体層６の上に設けられた第２高周波回路７とを備える。前記基板１は貫通孔８が内部空間とされた外導体を構成し、前記外導体と前記内部空間内に同心状に設けられた内導体９とからなる同軸接続回路を介して前記第１高周波回路４と前記第２高周波回路７とが電気的に接続される。【選択図】      図１
2005117203.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アース導体を備えた基板と、前記基板の一方の表面に設けられた第１誘電体層および他方の表面に設けられた第２誘電体層と、前記第１誘電体層の上に設けられた第１高周波回路および前記第２誘電体層の上に設けられた第２高周波回路とを備えた高周波回路部材であって、
前記第１高周波回路と前記第２高周波回路とが同軸接続回路を介して電気的に接続された高周波回路部材。
【請求項２】
アース導体からなる基板と、前記基板の一方の表面に設けられた第１誘電体層および他方の表面に設けられた第２誘電体層と、前記第１誘電体層の上に設けられた第１高周波回路および前記第２誘電体層の上に設けられた第２高周波回路とを備えた高周波回路部材であって、
前記第１高周波回路と前記第２高周波回路とが同軸接続回路を介して電気的に接続された高周波回路部材。
【請求項３】
前記同軸接続回路は、前記基板を貫通する内部空間を有し、前記アース導体に電気的に接続された外導体と、前記内部空間内に同心状に設けられ、前記第１高周波回路および第２高周波回路とを電気的に接続する内導体とを有する請求項１又は２に記載した高周波回路部材。
【請求項４】
前記外導体と内導体との間に誘電体が充填された請求項３に記載した高周波回路部材。
【請求項５】
前記誘電体は、シリカ、アルミナ、ジルコニアなどのセラミックスで形成されたセラミックス多孔体からなる請求項４に記載した高周波回路部材。
【請求項６】
前記セラミックス多孔体は、比誘電率が１．５以下、誘電正接が０．００１以下である請求項５に記載した高周波回路部材。
【請求項７】
前記基板は導電性金属によって形成され、厚さ方向に貫通する貫通孔を有し、前記同軸接続回路の外導体は前記基板によって構成され、前記貫通孔が前記外導体の内部空間とされた請求項３から６のいずれか１項に記載された高周波回路部材。
【請求項８】
前記基板は絶縁材によって形成され、厚さ方向に貫通する貫通孔を有し、前記同軸接続回路の外導体は前記貫通孔の内面を被覆する筒状導電性金属皮膜によって構成され、前記筒状導電性金属皮膜の内側に前記内部空間が形成された請求項３から６のいずれか１項に記載された高周波回路部材。
【請求項９】
前記同軸接続回路は、その特性インピーダンスが前記第１高周波回路および第２高周波回路のインピーダンスと整合している請求項１から８のいずれか１項に記載した高周波回路部材。
【請求項１０】
前記同軸接続回路は、前記第１高周波回路および／または第２高周波回路に設けられたインピーダンス整合回路を介して電気的に接続された請求項１から９のいずれか１項に記載した高周波回路部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は準ミリ波〜ミリ波帯の高周波回路部材に関し、詳しくは基板の両面に誘電体層を介して形成されたマイクロストリップ構成の高周波回路を備えた高周波回路部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から準ミリ波〜ミリ波帯のアンテナとして、開口面アンテナ（パラボラアンテナ、ホーンアンテナ）や平面アンテナ（パッチアンテナ、スロットアンテナ）が利用されている。とりわけプリント基板上にアンテナ回路をマイクロストリップ線路によって形成したパッチアレーアンテナは、小型、軽量、廉価で、かつ指向性制御が容易であることから、モバイル用途の準ミリ波〜ミリ波アンテナとして適している。
【０００３】
パッチアレーアンテナのアンテナゲインは、集積する単位パッチの数と、これを接続する給電線の損失によっておおよそ決定される。すなわち、高いアンテナゲインを得るためには、集積する単位パッチの数を多くするとともに、給電線の損失を極限まで小さくすることが必要となる。
【０００４】
パッチアレーアンテナでは、全ての単位パッチが所定の位相関係で励振されることが必要である。アンテナ面と鉛直方向に最大ゲインを有するパッチアレーアンテナでは、全ての単位パッチを同位相で励振する。そのため、給電線の分岐部から末端の単位パッチに至る給電線が等長になるよう接続回路が構成される。パッチアレーアンテナには、外部回路と電気的に接続するためのアンテナ端子が必要となる。
【０００５】
アンテナ端子で最大のアンテナゲインを得るためには、アンテナ端子はアンテナの中央付近に設けられる。その理由は、アンテナ端子をアンテナ表面すなわち放射面に設けるとアンテナ特性に重篤な影響を与えるために問題であり、またアンテナ端面に設けるとアンテナ中央部の最初の分岐点から端面まで給電線を延長する必要があり、給電線の損失によるアンテナゲインの低下が問題となるためである。
【０００６】
上記のような準ミリ波〜ミリ波帯パッチアレーアンテナを組み込んだモバイル無線機器を小型、低廉に実現するためには、アンテナ回路と周波数コンバータ回路を一体化して構成することが望ましい。前記周波数コンバータ回路はアンプ、ミキサ、フィルタから構成され、変復調回路を含んでもよい。上記のようにパッチアレーアンテナのアンテナ端子はアンテナの中央付近の裏面にあるため、アンテナ回路と周波数コンバータ回路とを一体的に設けた高周波回路部材では、アンテナ回路と周波数コンバータ回路を基板の表裏面に背中合わせに構成し、表面側の高周波回路と裏面側の高周波回路とが接続手段を介して電気的に接続される。
【０００７】
このような表裏接続手段として、スルーホール（「ビアホール」と呼ばれることがある。）や金属製の給電ピンが用いられる。例えば、特開平５−１６７３３２号公報（特許文献１）や特開２００１−３２６３１９号公報（特許文献２）には、図４に示すように、アース導体３１からなる基板の両面に誘電体層３２，３３が形成され、その表裏面にアンテナ回路３４と周波数コンバータ回路３５とが形成され、これらの回路３４，３５がメッキ皮膜によって内面が被覆されたスルーホール３６により表裏接続された高周波回路部材が記載されている。また、特開平５−１１０３２５号公報（特許文献３）には、図５に示すように、アース導体３１からなる基板およびその両面に積層形成された誘電体層３２，３３を貫通する貫通孔を設け、この貫通孔に挿し込んだ導電性金属で形成された給電ピン３７により表裏面に形成された高周波回路３４，３５を接続した高周波回路部材が記載されている。
【特許文献１】特開平５−１６７３３２号公報（特許請求の範囲、図１）
【特許文献１】特開２００１−３２６３１９号公報（特許請求の範囲、図１）
【特許文献１】特開平５−１１０３２５号公報（図１、図６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記従来技術は主に携帯電話、自動車電話、無線ＬＡＮ（IEEE801.11a/b/g）、ＧＰＳ（Global Posishoning System）、ＥＴＣ（有料道路自動料金システム）など、高々数ＧＨｚ程度までのマイクロ波帯を対象にしたものであり、１０ＧＨｚ以上の準ミリ波〜ミリ波帯で適用することは困難である。すなわち、上記スルーホール、給電気ピンなどの表裏接続手段は、高周波回路としてのインピーダンス設計が考慮されていない、もしくはアンテナ、周波数コンバータ回路とのインピーダンス整合を取ることが困難であるために、準ミリ波〜ミリ波帯では挿入損失が大きくなる。このため、準ミリ波〜ミリ波帯では、アンテナで受信した受信信号を効率的に周波数コンバータに伝えられなかったり、周波数コンバータで増幅した送信信号を効率的にアンテナに伝えられないという問題がある。
【０００９】
本発明はかかる問題に鑑みなされたものであり、基板の表面に形成された高周波回路と裏面に形成された高周波回路とが１０ＧＨｚ以上の準ミリ波〜ミリ波帯まで低損失で接続される高周波回路部材を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の高周波回路部材は、アース導体を備えた基板あるいはアース導体からなる基板と、前記基板の一方の表面に設けられた第１誘電体層および他方の表面に設けられた第２誘電体層と、前記第１誘電体層の上に設けられた第１高周波回路および前記第２誘電体層の上に設けられた第２高周波回路とを備え、前記第１高周波回路と前記第２高周波回路とが同軸接続回路を介して電気的に接続されたものである。
【００１１】
この高周波回路部材によると、第１高周波回路と第２高周波回路とは同軸接続回路によって電気的に接続されるので、第１、第２高周波回路と接続回路とのインピーダンス整合が取り易くなり、準ミリ波〜ミリ波帯の高周波信号の伝送損失を低減することができる。
【００１２】
前記同軸接続回路は、前記基板を貫通する内部空間を有し、前記アース導体に電気的に接続された外導体と、前記内部空間内に同心状に設けられ、前記第１高周波回路および第２高周波回路とを電気的に接続する内導体とを有する回路構造とすることができる。このような構造の同軸接続回路は基板の厚さ方向に簡単に設けることができ、また外導体と内導体とのサイズを調整することで特性インピーダンスを容易に調整することができる。前記外導体と内導体との間の内部空間は空気でもよいが、誘電体を充填することで、外導体に対する内導体の相対的な位置ずれによる接触（ショート）やインピーダンス不整合を防止することができる。前記誘電体としては、比誘電率が１．５以下、誘電正接が０．００１以下である、シリカ、アルミナ、ジルコニアなどのセラミックスで形成されたセラミックス多孔体が誘電損失が小さいので好適である。
【００１３】
前記基板は導電性金属、例えばアルミニウム、銅又はこれらを主成分とする合金によって形成してもよく、また絶縁材、例えば樹脂、プラスチック、セラミックス（多孔体を含む。）あるいはこれらの複合体で形成してもよい。基板を導電性金属で形成する場合、基板とアース導体とが導通接続されていると、基板自体もアース導体としての役目を果たす。また、アース導体を基板と別に設ける必要はなく、基板自体をアース導体からなる導電性金属で形成してもよい。
【００１４】
基板を導電性金属で形成する場合、基板に厚さ方向に貫通する貫通孔を設けることによって、基板自体を同軸接続回路の外導体として用いることができる。この場合、前記貫通孔が外部導体の内部空間とされる。一方、基板を絶縁材で形成する場合、基板に貫通孔を設け、この貫通孔の内面を被覆する筒状導電性金属皮膜を同軸接続回路の外導体として用いることができる。この場合、筒状導電性金属皮膜の内側が外部導体の内部空間とされる。
【００１５】
また、前記同軸接続回路は、その特性インピーダンスが前記第１高周波回路および第２高周波回路のインピーダンスと整合するように回路構成を設定することが好ましい。これによって、準ミリ波〜ミリ波帯まで信号の伝送損失を最小に低減することができる。このようなインピーダンス整合は、前記第１高周波回路および／または第２高周波回路にインピーダンス整合回路を設けることによって容易に実現することができる。また、インピーダンス整合回路を設けることによって、同軸接続回路を構成する外導体と内導体との寸法を比較的自由に設定することができるようになる。このため外導体と内導体との間隔を十分に取ることができるようになり、内外導体の相対位置ずれによる接触（ショート）やインピーダンス不整合を容易に回避することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の高周波回路部材によれば、基板の両面に設けた誘電体層の上に形成した第１高周波回路と第２高周波回路とが同軸接続回路により接続されるので、第１、第２高周波回路と接続回路とのインピーダンス整合が取り易くなる。インピーダンス整合を取ることにより、接続回路の挿入損失が低減し、準ミリ波〜ミリ波帯における高周波信号に対して伝送損失を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は第１実施形態にかかるアンテナ回路および周波数コンバータ回路を備えた高周波回路部材であり、アルミニウム合金で形成された基板１と、純銅あるいは銅を主成分とする高導電性銅合金で形成され、前記基板１の表面および裏面に基板１と導通状態で接合された第１アース導体層２および第２アース導体層５と、前記第１および第２アース導体層２，５の上にテフロン（登録商標）で形成された第１および第２誘電体層３，６と、前記第１誘電体層３の上にパッチアレーアンテナ回路を構成するマイクロストリップ線路４と、前記第２誘電体層６の上に同じくアンプ、ミキサ、フィルタを含む周波数コンバータ回路を構成するマイクロストリップ線路７を備えている。
【００１８】
前記第１、第２アース導体層２，５を有する基板１の中央部には第１貫通孔（内部空間）８が設けられ、この第１貫通孔８の上部、下部を被覆している第１、第２誘電体層３，６およびその上に形成されたマイクロストリップ線路４，７には前記第１貫通孔８と同心状に第２貫通孔が形成されている。前記第２貫通孔には第１貫通孔８内を貫通して銅線９が装着され、各線路の上部ではんだ付けされている。すなわち、パッチアレーアンテナ回路および周波数コンバータ回路は前記第１貫通孔８が形成された基板１およびアース導体２，５を外導体とし、前記銅線９を内導体とする同軸接続回路によって接続されている。
【００１９】
具体例として、前記パッチアレーアンテナ回路および周波数コンバータ回路を構成するマイクロストリップ線路４，７のインピーダンスを５０Ωとした場合、第１貫通孔（外導体の内部空間）８の内径を２．２mm、銅線（内導体）９の外径を０．８mmとすることで、第１貫通孔８内の空気の比誘電率＝１．０から、この同軸接続回路の特性インピーダンスは概略５０Ωとなり、マイクロストリップ線路（５０Ω）とインピーダンス整合される。
【００２０】
このような具体的回路構成を有する高周波回路部材に対して、ネットワークアナライザによって表裏接続部分（同軸接極回路）の挿入損失を測定したところ、２０ＧＨｚで０．４ｄＢ、３０ＧＨｚで０．９ｄＢであり、準ミリ波〜ミリ波帯において実用上十分に小さな挿入損失を実現していることが確認できた。
【００２１】
ここで、上記高周波回路部材の製作例について説明する。
第１アース導体層２と第１誘電体層３とパッチアレーアンテナ回路を構成するマイクロストリップ線路（信号線路）４を備えた第１プリント基板１１、および第２アース導体層５と第２誘電体層６と周波数コンバータ回路を構成するマイクロストリップ線路（信号線路）７を備えた第２プリント基板１２を準備する。第１、第２プリント基板１１，１２は、マイクロストリップ線路４，７の接続部を通るように第１、第２プリント基板１１，１２に第２貫通孔を形成するとともに、当該部分の周りのアース導体層２，５をエッチングにより除去しておく。一方、接続構造を形成する部分に予め第１貫通孔８を形成したアルミニウム合金基板１を準備し、この基板１の表面（主面）に第１アース導体層２が当接するように、第１プリント基板１１をネジ止めにより貼り付ける。同様の手法で、基板１の裏面（主面の反対側の面）に第２プリント基板１２を第２アース導体層５が当接するように貼り付ける。この際、第１、第２プリント基板１１，１２の信号線路に形成した第２貫通孔が、基板１の第１貫通孔８とほぼ同軸となるように位置合わせする。最後に、第１プリント基板１１のマイクロストリップ線路４から内導体となる銅線９を第２貫通孔に挿し込み、基板１の第１貫通孔８に通して第２プリント基板１２の第２貫通孔に挿し通して、マイクロストリップ線路４，７の上面にて銅線９の末端をハンダ付けする。
【００２２】
上記高周波回路部材では基板１として導電性金属基板を用いたが、材質は金属に限らず、ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）、テフロンなどの樹脂（多孔体を含む。）、セラミックス（多孔体を含む。）などの軽量絶縁材を用いることができる。これらの絶縁材は金属材に比して基板の重量を軽減することができ、高周波回路回路部材を軽量化することができる。
【００２３】
絶縁材の基板を用いる場合、基板表面（プリント基板を取り付ける表裏面、貫通孔の内面）を例えば銅合金のような導電性金属のメッキ皮膜を形成しておくことによって、第１、第２アース導体層およびこれらと電気的に導通したスルーホールを一体的に設けることができる。前記スルーホールは、内部空間を有する筒状導電性金属皮膜であり、同軸接続回路の外導体を構成する。
【００２４】
また、上記高周波回路部材の具体例では、マイクロストリップ線路のインピーダンスと整合を取るために、同軸接続回路の外導体の内径を２．２mm、内導体の外径を０．８mmにしたが、これらのサイズは特性インピーダンスが５０Ωとなるように適宜の寸法に設定することができる。また、上記製作例では、基板にプリント基板をネジ止めによって取り付けたが、取り付け手段は任意であり、例えば導電性接着剤により接着してもよい。
【００２５】
図２は第２実施形態にかかるアンテナ回路および周波数コンバータ回路を備えた高周波回路部材であり、前記第１実施形態と同じ構成は同符号を付して説明を省略する。第２実施形態の特徴は、第１実施形態における高周波回路部材において、第１貫通孔（外導体の内部空間）８にセラミックス多孔体２１が充填された点にある。
【００２６】
具体例として、前記セラミックス多孔体１０にはシリカエアロゲルを用いた。このシリカエアロゲルは以下のようにして形成された。まず、ＴＭＯＳ（テトラメトキシシラン）を加水分解、縮重合させた前駆体（ゾル液）を調合し、基板１の第１貫通孔８に流し込み、ウェットゲル化させた。この際、第１貫通孔８の中央に直径０．７mmの銅線（内導体）を挿し込み、固定しておいた。超臨界乾燥によりウェットゲルから溶媒を除去し、比誘電率１．５、誘電正接（ｔａｎ∂）＝２×１０-5の誘電特性をもつセラミックス多孔体（シリカエアロゲル）を形成した。その後、第１実施形態と同様に、アンテナ回路と周波数コンバータ回路を形成したプリント基板１１，１２を金属基板１の表裏に貼り付け、双方のプリント基板１１，１２のマイクロストリップ線路４，７と銅線９をハンダ付けにより固着した。
【００２７】
第２実施形態の具体例として、第１実施形態の具体例と同様、マイクロストリップ線路４，７のインピーダンスを５０Ωとし、同軸接続回路の外導体の内径を２．２mmとし、銅線の外径を０．７mmとし、外導体の内部空間に前記セラミックス多孔体からなる誘電体を充填した同軸接続回路を備えた高周波回路部材を製作し、これに対してネットワークアナライザを用いて同軸接続回路の挿入損失を測定したところ、２０ＧＨｚで０．５ｄＢ、３０ＧＨｚで１．０ｄＢであり、準ミリ波〜ミリ波帯において実用上十分に小さな挿入損失を実現していることが確認された。
【００２８】
この実施形態のように、同軸接続回路の外導体と内導体との間に誘電率の低い材料を充填しておくことによって、第１、第２プリント基板を基板に貼付するときに位置合わせが容易になるとともに、外導体と内導体の相対位置ずれによる接触（ショート）やインピーダンス不整合を軽減、防止することができる。
【００２９】
次に、第３実施形態の高周波回路部材について説明する。第３実施形態の高周波回路部材の基本構造は、前記第１、第２実施形態と同様であるが、アンテナ回路と周波数コンバータ回路のマイクロストリップ線路４，７の接続部において、インピーダンス変換用のマイクロストリップ線路２２を備える。
【００３０】
具体的には、第１実施形態の高周波回路部材の具体例において、中空同軸接続回路の内導体を外径０．２mmの銅線で形成し、外導体の内径を第１実施形態の具体例と同様、２．２mmとした。このとき、同軸接続回路の特性インピーダンスは約１４０Ωである。従って、インピーダンス変換回路は、アンテナ回路や周波数コンバータ回路のマイクロストリップ線路の５０Ωを１４０Ωに変換する回路が必要となる。かかるインピーダンス変換回路は、図３に示すように、特性インピーダンスが８０Ω、長さがλ／４のマイクロストリップ線路２２にて構成することができる。
【００３１】
この実施形態によれば、内導体の外径、外導体の内径を比較的自由に設定することができる。第１実施形態で示した具体例では、外導体内径２．２mm、内導体外径０．８mmであり、内外導体の隙間が０．７mmしかなく、内外導体の相対位置ずれによる接触（ショート）やインピーダンス不整合の危険が大きい。一方、本実施形態の具体例のように、外導体２．２mm、内導体０．２mmであれば、内外導体の隙間は１．０mmとなり、上記危険が大幅に改善される。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】中空同軸接続回路を備えた第１実施形態にかかる高周波回路部材の断面構成図を示す。
【図２】多孔質セラミックスが充填された同軸接続回路を備えた第２実施形態にかかる高周波回路部材の断面構成図を示す。
【図３】高周波回路のマイクロストリップ線路に設けられたインピーダンス整合回路の平面図を示す。
【図４】基板の両側に設けられた高周波回路をスルーホールによって接続した従来の高周波回路部材の断面構成図を示す。
【図５】基板の両側に設けられた高周波回路を給電ピンによって接続した従来の高周波回路部材の断面構成図を示す。
【符号の説明】
【００３３】
１  基板
２  第１アース導体
３  第１誘電体層
４  アンテナ回路のマイクロストリップ線路（第１高周波回路）
５  第１アース導体
６  第２誘電体層
７  周波数コンバータ回路のマイクロストリップ線路（第２高周波回路）
８  第１貫通孔（外導体の内部空間）
９  銅線（内導体）
２１  セラミックス多孔体（誘電体）
２２  インピーダンス整合回路
【図１】
2005117203.tif 000003
【図２】
2005117203.tif 000004
【図３】
2005117203.tif 000005
【図４】
2005117203.tif 000006
【図５】
2005117203.tif 000007