(57)【要約】【課題】  高周波信号の導波管通過に伴う伝送損失を抑制して高速大容量の情報伝達が可能であると同時に低歩留まりと安価な量産に適した回路基板を提供する。【解決手段】  一方の面に素子２とこの素子２に接続されるマイクロストリップ線路３が配線され他方の面に第１のスロット孔６を形成するグランドパターン５を備える誘電体基板４と、この誘電体基板４の他の面に接続される導波管７とを有する回路基板１ａであって、第１のスロット孔６と空洞９を介して符合する位置に第２のスロット孔１０を形成する金属板８を導波管７の内部に設けることを特徴とする回路基板。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の面に素子とこの素子に接続されるマイクロストリップ線路が配線され他方の面に第１のスロット孔を形成するグランドパターンを備える誘電体基板と、この誘電体基板の前記他の面に接続される導波管とを有する回路基板であって、前記第１のスロット孔と空洞を介して符合する位置に第２のスロット孔を形成する金属板を前記導波管の内部に設けることを特徴とする回路基板。
【請求項２】
前記導波管内部に段差を形成して前記金属板を保持することを特徴とする請求項１記載の回路基板。
【請求項３】
一方の面に素子とこの素子に接続されるマイクロストリップ線路が配線され他方の面に第１のスロット孔を形成するグランドパターンを備える第１の誘電体基板と、この第１の誘電体基板の前記他の面に接続される導波管とを有する回路基板であって、前記第１の誘導体基板に備えられたグランドパターン上に空洞を形成する金属層を設け、前記第１のスロット孔と符合する位置に前記空洞を介して第２のスロット孔を形成する金属板を前記金属層上に設け、この金属層上に前記導波管を接続することを特徴とする回路基板。
【請求項４】
前記金属層に代えて、空洞を形成しこの空洞の内周面に側面グランドパターンを備えると同時に前記グランドパターンに接続されるグランドビアを備える第２の誘電体基板を設け、この第２の誘電体基板上に前記導波管を接続することを特徴とする請求項３記載の回路基板。
【請求項５】
一方の面に素子とこの素子に接続されるマイクロストリップ線路が配線され他方の面に第１のスロット孔を形成するグランドパターンを備える第１の誘電体基板と、この第１の誘電体基板の前記他の面に接続される導波管とを有する回路基板であって、内部に空洞を形成しこの空洞を介して前記第１のスロット孔と符合する位置に第２のスロット孔を形成する金属キャップを前記導波管内部に設けることを特徴とする回路基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波の半導体素子を搭載し、その伝送線路に接続される導波管を備える回路基板に係わり、特に、高周波信号の、マイクロストリップ線路から導波管への伝送損失の抑制が可能であると同時に高歩留まりと安価な量産に適した回路基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
高速大容量の情報伝達を行う加入者系無線アクセスシステム（ＦＷＡ）、衛星通信、ホームリンク、超高速無線ＬＡＮや、衝突防止等に応用が考えられている車載レーダは、数〜１００ＧＨｚの高周波信号をアンテナで送受信する。中でも４０ＧＨｚ以上の周波数帯域で使用されるアンテナは伝送損失の小さい導波管を給電部の構造にしているものが多い。
一方で４０ＧＨｚ以上の高周波信号を生成あるいは増幅する半導体デバイスは、通常マイクロストリップ線路のような平面線路の回路基板に実装されて用いられる。そこで如何に平面線路を導波管に損失を抑制して接続するかが重要である。
【０００３】
まず、図９を参照しながら、従来から使用されている回路基板について説明する。図９（ａ）は、回路基板の従来技術を示す断面図であり、図９（ｂ）は（ａ）において符号Ｂで示される方向から見た矢視図である。図９において、回路基板２１は誘電体基板２４上に半導体素子２２を実装し、この半導体素子２２に接続されるマイクロストリップ線路２３は誘電体基板２４上に配線されている。
一方、誘電体基板２４のマイクロストリップ線路２３が配線されている側とは反対側には、スロット２６が形成されるグランドパターン２５が設けられており、このグランドパターン２５に導波管２７が接続されている。スロット２６は、この導波管２７の内部に収まるように形成されている。
このような従来の回路基板２１においては、マイクロストリップ線路２３と導波管２７の間において、高周波信号を伝送する際にスロット２６のみを介して変換が可能で、このスロット２６のみで励振されている。また、このスロット２６の寸法によってインピーダンスを調整することができる。しかしながら、１つのスロット２６の寸法で可能なインピーダンスの調整には限界があり、不整合による高周波信号の反射が原因で、伝送損失が大きくなり回路基板特性が不十分となる場合もあった。
そこで、従来からこのような接続構造においては伝送損失を低減するための技術改良がなされている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、発明の名称を「配線基板およびその導波管との接続構造」として、「誘電体基板と、該誘電体基板の一方の表面に形成された信号伝送線路と、該信号伝送線路と導波管を接続するための接続部を具備する配線基板であって、前記接続部が、前記誘導体基板の他方の表面に形成され、前記信号伝送線路の終端と対峙する位置に第１のスロット孔を有する第１のグランド層と、該第１のグランド層の少なくとも前記第１のスロット孔形成表面に形成された誘電体部と、該誘電体部の表面に設けられ、前記第１のスロット孔と対峙する位置に第２のスロット孔を有し、且つ導波管との接続時に前記第１のグランド層と同電位に保たれる第２のグランド層と、を具備することを特徴とする配線基板」が開示されている。
【０００５】
以下、図１０を参照しながら特許文献１に開示された従来技術について説明する。図１０において、配線基板は、高周波用パッケージ３１に導波管３２を接続するものであり、誘電体基板３０上に高周波素子３３を実装し、誘電体基板３０の下面には第１のスロット孔３４を形成する第１のグランド層３５が設けられている。また、この第１のグランド層３５に接続される導波管３２の内部には誘電体部３６を設け、第２のスロット部３７を形成する第２のグランド層３８を導波管３２の内壁サイズと同じあるいはそれよりも小さいサイズとして備えている。
このように第１のスロット孔に加えて、第２のスロット孔を設けることによって、第１のスロット孔を通過した高周波信号を第２のスロット孔によってさらに励振することができ、もって信号伝送線路と導波管の接続性を高めることができる。また、第２のスロット部３７と導波管３２の界面において磁場分布を水平とすることが可能となり、さらに、接続部における空気中への電磁場の分布を抑制し放射による変換損失を抑えることができ、その結果、高周波信号の伝送損失の小さい接続構造を実現できる。
【０００６】
また、特許文献１以前の技術としては、特許文献２に特許文献１と同一の出願人から「高周波用パッケージおよびその接続構造」という名称で、高周波パッケージのキャビティ内部に収納される高周波素子に接続される高周波伝送線路を形成した面とは反対の誘電体基板表面に開口部を有するグランド層を形成し、このグランド層を接続する導波管の終端壁として機能させるとともに、高周波伝送線路を電磁結合により開口部に結合させ、この開口部を用いて接続した導波管を励振させることによって開放端を有する導波管と直接的に接続することができるとともに、高周波素子のキャビティ内での封止を確実に行うことができる発明が開示されている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−２１７６１８号公報
【特許文献２】特開平１１−１１２２０９号公報
【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、まず特許文献２に記載された従来の技術は、高周波信号を励振するスロット孔が１つのみ設けられているのみであるため、信号伝送線路と導波管の接続性を高めるには限界があった。
また、特許文献１に記載された従来の技術では、導波管内にスロット孔を追加して第１と第２のスロット孔を設けており、より効果的に伝送損失の低減を図っているものの、第１のスロット孔と第２のスロット孔の間には誘電体が備えられている。この誘電体は、スロット孔のインピーダンスと導波管のインピーダンスの整合を図るものであるが、これは特許文献２に開示される従来の技術にも記載がある。
しかし、この誘電体は導波管の内部に収容する必要があり、誘電体部材が必要であることはもちろんのこと、その加工や収容の工程などが必要であることからコストや歩留まりに影響を与え、量産性という点では課題があった。
しかも、誘電体を加工する際には、その材料の誘電率の変動により誘電体内の実効波長が変動し、また誘電体の厚み変動により第１スロット孔と第２のスロット孔の距離が変動するなどの理由で、インピーダンスを調整するためには材料と形状要素の両方を調整する必要があり、大量に製造するには大きな課題となっていた。
【０００９】
本発明はかかる従来の事情に対処してなされたものであり、高周波信号の導波管通過に伴う伝送損失を抑制して高速大容量の情報伝達が可能であると同時に高い歩留まりと安価な量産に適した回路基板を提供するものでもある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明である回路基板は、一方の面に素子とこの素子に接続されるマイクロストリップ線路が配線され他方の面に第１のスロット孔を形成するグランドパターンを備える誘電体基板と、この誘電体基板の他の面に接続される導波管とを有する回路基板であって、第１のスロット孔と空洞を介して符合する位置に第２のスロット孔を形成する金属板を導波管の内部に設けるものである。
上記構成の回路基板は、第１のスロット孔と第２のスロット孔を備えて２つのスロット孔で高周波信号を励振し、インピーダンスの不整合を調整する作用を有する。さらに、第１のスロット孔と第２のスロット孔は空洞を介して符合する位置に形成されており、誘電体が適切なキャパシタンスを備えるように加工したり、さらに導波管内部にその誘電体を収容する必要がないという作用を有する。さらに、空洞内部は空気が存在しており、その比誘電率は１であり、インピーダンスの調整に対しては寸法形状さえ決定すればよく、インピーダンスを安定化させる作用を有する。
【００１１】
また、請求項２に記載の発明である回路基板は、請求項１に記載の回路基板において、導波管内部に段差を形成して前記金属板を保持するものである。
上記構成の回路基板においては、請求項１に記載の発明の作用に加えて、より堅固に金属板を導波管内部に保持するという作用を有する。
【００１２】
そして、請求項３の発明である回路基板は、一方の面に素子とこの素子に接続されるマイクロストリップ線路が配線され他方の面に第１のスロット孔を形成するグランドパターンを備える第１の誘電体基板と、この第１の誘電体基板の他の面に接続される導波管とを有する回路基板であって、第１の誘導体基板に備えられたグランドパターン上に空洞を形成する金属層を設け、第１のスロット孔と符合する位置に空洞を介して第２のスロット孔を形成する金属板を金属層上に設け、この金属層上に導波管を接続するものである。
【００１３】
さらに、請求項４の発明である回路基板は、請求項３に記載された回路基板において、金属層に代えて、空洞を形成しこの空洞の内周面に側面グランドパターンを備えると同時にグランドパターンに接続されるグランドビアを備える第２の誘電体基板を設け、この第２の誘電体基板上に導波管を接続するものである。
【００１４】
請求項５の発明である回路基板は、一方の面に素子とこの素子に接続されるマイクロストリップ線路が配線され他方の面に第１のスロット孔を形成するグランドパターンを備える第１の誘電体基板と、この第１の誘電体基板の他の面に接続される導波管とを有する回路基板であって、内部に空洞を形成しこの空洞を介して第１のスロット孔と符合する位置に第２のスロット孔を形成する金属キャップを導波管内部に設けるものである。
上記の請求項３乃至請求項５に記載の発明においても請求項１と同様の作用を有する。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１乃至請求項５に記載された回路基板においては、第１のスロット孔と空洞を介して、第１のスロット孔に符合する位置に第２のスロット孔を備える金属板や金属キャップを設けているため、導波管を通過する高周波信号は、第１のスロット孔に加えて第２のスロット孔によっても励振され、インピーダンスの不整合を減少させることができるため伝送損失を低減可能である。しかも、第１のスロット孔と第２のスロット孔は、空洞を介して符合する位置に形成されているため、誘電体材料が不要であり、また、誘電体を収容して製造するよりも工程数が少なく、安価な生産性と高い量産性を発揮することができる。
【００１６】
また、導波管内部に誘電体を収容する際には、その誘電体の誘電率とその形状要素を考慮してインピーダンスを整合させる必要があるが、請求項１乃至請求項５に記載された回路基板では、形成された空洞には比誘電率が１である空気が存在しており、別途誘電体を導波管の内部に収容することに比較して、安定した誘電率を確保することができる。したがってインピーダンスの調整に対しては形状要素のみを考慮すればよく、しかも、空洞であることから形状は容易に加工することが可能である。
【００１７】
さらに、特に請求項２に記載された発明においては、導波管内部に段差を設置して金属板を保持するため、より堅固に金属板を固定することができ、回路基板の耐久性を向上させることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に、本発明に係る回路基板の第１の実施の形態を図１に基づき説明する。（特に、請求項１に対応）
図１（ａ）は第１の実施の形態に係る回路基板の断面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）において示される符号Ａの方向から見た矢視図である。
図１において、回路基板１ａは、誘電体基板４の上に半導体素子２を実装し、半導体素子２にはマイクロストリップ線路３が接続されている。誘電体基板４の下面にはグランドパターン５が設けられており、このグランドパターン５にはスロット６が形成されている。なお、マイクロストリップ線路３の端部３ａは、このスロット６の中央部から、符号Ｌで示される高周波信号周波数の１／４波長ほど距離を離していわゆるオープンスタブの状態で設けられており、これによってマイクロストリップ線路３とスロット６が電磁結合されている。
グランドパターン５には、導波管７が接続されており、導波管７の内部には追加スロット１０を形成した金属板８が収容されている。追加スロット１０は、導波管７内部に形成される空洞９を介してスロット６と符合するように形成されている。
【００１９】
このように形成される本実施の形態に係る回路基板１ａでは、例えば半導体素子２によって生成される高周波信号は、マイクロストリップ線路３から電磁結合によりスロット６に励振され、伝送される。さらに、追加スロット１０によっても励振され、導波管７内へ伝送される。
この高周波信号の伝送の際には、マイクロストリップ線路３と導波管７のインピーダンスの不整合に伴う高周波信号の反射によって、伝送損失が生ずるが、そのインピーダンスの不整合をスロット６のみならず、追加スロット１０によってより低減が可能である。しかも、追加スロット１０は空洞９を介してスロット６と符合する位置に、すなわち、導波管７内でスロット６の直下に設けられている。空洞９は空気層であるため、比誘電率が１と安定しており、安定したインピーダンス整合を追加スロットにより実施する事ができ、高周波信号の伝送損失を安定して低減することができる。
【００２０】
次に、本発明に係る回路基板の第２の実施の形態を図２に基づき説明する。（特に、請求項２に対応）
図２は第２の実施の形態に係る回路基板の断面図である。第１の実施の形態の説明時に用いた矢視図は、本実施の形態においても第１の実施の形態と略同一であることから省略した。
図２において、図１に示される構成と同一の構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。本実施の形態に係る回路基板１ｂにおいては、導波管７ａ内部に段差１１ａ，１１ｂを形成し、この段差１１ａ，１１ｂに追加スロット１０を形成した金属板８を設置するようにしたものである。
本実施の形態では、第１の実施の形態が奏する効果に加え、第１の実施の形態が金属板８を導波管７の内周面に設置するようにしたのに対して、段差１１ａ，１１ｂに設置面積をより大きく取って設置することができるためより堅固に固定することができる。また、金属板８の組み込みも導波管７ａの開放端部から内部に挿入して、段差１１ａ，１１ｂまで収容すればよいので容易に位置決めすることができる。
【００２１】
本発明に係る回路基板の第３の実施の形態を図３に基づき説明する。（特に、請求項３に対応）
図３は第３の実施の形態に係る回路基板の断面図である。第１の実施の形態の説明時に用いた矢視図は、本実施の形態においても第１の実施の形態と略同一であることから省略した。
図３において、図１に示される構成と同一の構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。本実施の形態に係る回路基板１ｃにおいては、グランドパターン５の下面に、空洞９が形成された金属板１２をさらに設けて、その金属板１２の下面にグランドパターン５のスロット６と符号するように追加スロット１０を備えた金属板８を設置している。そして、この金属板８の下面に導波管７を接続するものである。
本実施の形態においては、金属板８は導波管７内部に収容されることなく、導波管７の端面に設けられているが、金属板８とグランドパターン５の間には、第１及び第２の実施の形態と同様に空洞９が形成されている。
本実施の形態においても、第１及び第２の実施の形態と同様に、インピーダンスの不整合をスロット６のみならず、追加スロット１０によってもより低減可能である。また、数１０ＧＨｚ、例えば車載レーダに用いられるような７７ＧＨｚを伝送させる誘電体基板は非常に薄く、割れやすく、取扱いに注意が必要である。しかしながら、金属板を用いることにより強度が非常に大きくなり、耐震性にも優れる。
【００２２】
さらに、本発明に係る回路基板の第４の実施の形態を図４に基づき説明する。（特に、請求項４に対応）
図４は第４の実施の形態に係る回路基板の断面図である。第１の実施の形態の説明時に用いた矢視図は、本実施の形態においても省略した。
図４において、図１に示される構成と同一の構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。本実施の形態に係る回路基板１ｄにおいては、第３の実施の形態において設けられた金属板１２に代えて、グランドパターン５の下面に誘電体１３を設け、その誘電体１３の下面に金属板８を設置するものである。この金属板８は、グランドビア１４及び側面グランドパターン１６によって、グランドパターン５と接続されている。そして、第３の実施の形態と同様に金属板８に導波管７を接続するものである。
このように構成される回路基板１ｄにおいても、前述の第１乃至第３の実施の形態と同様な効果を奏することができる。
【００２３】
最後に、本発明に係る回路基板の第５の実施の形態を図５に基づき説明する。（特に、請求項５に対応）
図５は第５の実施の形態に係る回路基板の断面図である。矢視図は、本実施の形態においても省略した。
図５において、図１に示される構成と同一の構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。本実施の形態に係る回路基板１ｅにおいては、第１乃至第４の実施の形態において設けられていた金属板８に代えて、追加スロット１０が形成された金属キャップ１８を設けるものである。また、導波管７の内周面とこの金属キャップ１８の外周面の隙間には導体１７を介挿している。
このように構成される本実施の形態においては、金属キャップ１８をグランドパターン５に接続するように設けるため、予め設定されるスロット６と追加スロット１０間の距離と形成される空洞９の寸法を容易に調整することができ、インピーダンスの調整をより容易に実施することができる。
また、導体１７の介挿は必要であるものの、金属キャップ１８自体の挿入はその端面をグランドパターン５に設置するため比較的容易に行うことができ、組立の工程にはあまり大きな負荷はかかることがない。
このほか、第１乃至第２の実施の形態に係る回路基板が発揮する効果を同様に奏することができる。
【００２４】
次に、第１の実施の形態に係る回路基板１ａについて、有限要素法を使用してシミュレーションを実施した。その結果について図６乃至図８を参照しながら説明する。
図６は、入力側をマイクロストリップ線路としたＳ１１（反射）解析結果を示すものであり、図７は同じく、Ｓ２１（通過）解析結果を示すものであり、図８は放射の割合解析結果を示すものである。いずれの図も従来構造として、図９に示した回路基板２１の解析結果を付記している。
図６において、横軸はマイクロストリップ線路から伝送される高周波信号の周波数であり、縦軸は高周波信号の反射レベルの絶対値を示すものである。今回の発明構造として記載した第１の実施の形態に係る回路基板１ａの反射解析結果は、従来構造として記載した回路基板２１の反射解析結果に比較していずれの周波数においても低い反射レベルを示している。特に、７６．５ＧＨｚ近傍では、従来構造に比較して飛躍的に低いレベルを示している。さらに、例えば−１５ｄＢ以下となる周波数幅は、従来の３ＧＨｚから６ＧＨｚへと倍程度になっている。したがって、生成される高周波信号に合致するように調整することによって、高周波信号の反射はかなりのレベルで改善することが可能であることが理解される。
【００２５】
また、図７では横軸は図６と同様であり、縦軸は高周波信号の通過レベルの絶対値を示すものである。図７においても第１の実施の形態に係る回路基板１ａの通過解析結果は、従来技術に係る回路基板２１の通過解析結果に比較して、すべての周波数で優れた結果を示している。特に、従来構造が高周波帯域で通過特性が劣化する特性を示すのに対し、本発明の実施の形態では、その劣化の程度が小さく高周波帯域でも特性が持ちこたえており、全体的にも特性の変化が少ないことが理解できる。
【００２６】
図８は、横軸は図６と同様であり、縦軸は放射損失の割合を百分率にて示すものである。本解析結果においてもすべての周波数で第１の実施の形態に係る回路基板１ａが従来技術に係る回路基板２１に比較して放射損失は少なく優れた特性を示している。回路基板１ａの方が、回路基板２１に比べて特性の変化が少なくその点でも優れていることが理解できる。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明に係る回路基板は、高周波信号を高速大容量で伝送する携帯電話や携帯情報端末、さらに高速無線ＬＡＮや車間レーダ、パーソナルコンピュータなどの電子機器の電子部品として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】（ａ）は本発明の第１の実施の形態に係る回路基板の断面図であり、（ｂ）は（ａ）において示される符号Ａの方向から見た矢視図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る回路基板の断面図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態に係る回路基板の断面図である。
【図４】本発明の第４の実施の形態に係る回路基板の断面図である。
【図５】本発明の第５の実施の形態に係る回路基板の断面図である。
【図６】第１の実施の形態に係る回路基板と従来の回路基板を比較しながらシミュレーション解析した（反射）解析結果を示すものである。
【図７】第１の実施の形態に係る回路基板と従来の回路基板を比較しながらシミュレーション解析した（通過）解析結果を示すものである。
【図８】第１の実施の形態に係る回路基板と従来の回路基板を比較しながらシミュレーション解析した放射割合解析結果を示すものである。
【図９】（ａ）は回路基板の従来技術を示す断面図であり、（ｂ）は（ａ）において示される符号Ａの方向から見た矢視図である。
【図１０】回路基板の従来技術を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２９】
１ａ〜１ｅ…回路基板  ２…半導体素子  ３…マイクロストリップ線路  ３ａ…端部  ４…誘電体基板  ５…グランドパターン  ６…スロット  ７，７ａ…導波管  ８…金属板  ９…空洞  １０…追加スロット  １１ａ，１１ｂ…段差  １２…金属板  １３…誘電体  １４…グランドビア  １５…誘電体  １６…側面グランドパターン  １７…導体  １８…金属キャップ  ２１…回路基板  ２２…半導体素子  ２３…マイクロストリップ線路  ２４…誘電体基板  ２５…グランドパターン  ２６…スロット  ２７…導波管  ３０…誘電体基板  ３１…高周波用パッケージ  ３２…導波管  ３３…高周波素子  ３４…第１のスロット孔  ３５…第１のグランド層  ３６…誘電体部  ３７…第２のスロット部  ３８…第２のグランド層
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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