(57)【要約】  【課題】  優れた伝送特性を有する高周波モジュールを提供する。  【解決手段】  配線基板５０と、配線基板５０上に設けられた直流回路５１と、配線基板５０上に設けられ、高周波信号の信号端子３１、基準電位に接続される基準電位端子３２ａ，３２ｂ、直流信号の入力および出力の少なくとも一方に用いる直流端子３３を有する高周波素子３０と、スロット２０ａを有する導体２０ｂが上面に配置されたスロット構造体２０と、信号端子３１に接続された、一部がスロット２０ａの上方を横切る第１導線４１と、基準電位端子３２ａ，３２ｂに接続された、少なくとも一部が第１導線４１に沿って配置され、且つスロット２０ａの上方を横切らないように設けられている第２導線４２，４３と、直流端子３３に接続された接続体４５とを備えており、第１導線４１と第２導線４２，４３とが対をなしてスロット２０ａに電磁的に結合している高周波モジュール１０である。【選択図】  図１
2012142693.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
配線基板と、
前記配線基板上に設けられた直流回路と、
前記配線基板上に設けられた、高周波信号の入力および出力の少なくとも一方に用いる信号端子、基準電位に接続される少なくとも１つの基準電位端子、ならびに直流信号の入力および出力の少なくとも一方に用いる少なくとも１つの直流端子を有する高周波素子と、
スロットを有する導体を上面に有するスロット構造体と、
前記信号端子に接続された、一部が前記スロットの上方を横切る第１導線と、
前記基準電位端子に接続された、少なくとも一部が前記第１導線に沿って配置され、且つ前記スロットの上方を横切らないように設けられている第２導線と、
前記直流端子に接続された接続体とを備えており、
前記第１導線と前記第２導線とが対をなして前記スロットに電磁的に結合している高周波モジュール。
【請求項２】
前記配線基板は、有機基板であり、
前記スロット構造体は、セラミック誘電体層を積層した積層体と、前記積層体の上面に配置された前記導体とを備える、請求項１記載の高周波モジュール。
【請求項３】
前記配線基板は、基体部と、前記基体部上に設けられた実装部とを有し、前記高周波素子は、前記実装部に配置される、請求項１または２記載の高周波モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主としてマイクロ波帯およびミリ波帯で用いる高周波素子を実装する高周波モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＭＩＣ（Momolithic Microwave Integrated Circuit）などの半導体素子を、高周波回路基板上に設けられたバイアス回路等の直流回路や高周波伝送線路等の高周波回路にフリップチップで実装したり、ボンドワイヤ等の導線で実装したりする高周波モジュールが知られている（例えば、特許文献１参照）。このような高周波モジュールは、バイアス回路により与えられる信号を元に半導体素子の特性を制御して、高周波回路を介して高周波信号を伝送している。
【０００３】
ここで、バイアス回路等の直流回路の多くは、外部電源に接続されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２６７８４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の高周波モジュールは、バイアス回路等に接続された外部電源由来のノイズが高周波回路に混入し、高周波信号の伝送特性が劣化する問題があった。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、外部からのノイズの混入を抑制し、優れた高周波信号の伝送特性を有する高周波モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の高周波モジュールは、配線基板と、前記配線基板上に設けられた直流回路と、前記配線基板上に設けられた、高周波信号の入力および出力の少なくとも一方に用いる信号端子、基準電位に接続される少なくとも１つの基準電位端子、ならびに直流信号の入力および出力の少なくとも一方に用いる少なくとも１つの直流端子を有する高周波素子と、スロットを有する導体を上面に有するスロット構造体と、前記信号端子に接続された、一部が前記スロットの上方を横切る第１導線と、前記基準電位端子に接続された、少なくとも一部が前記第１導線に沿って配置され、且つ前記スロットの上方を横切らないように設けられている第２導線と、前記直流端子に接続された接続体とを備えており、前記第１導線と前記第２導線とが対をなして前記スロットに電磁的に結合しているものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、バイアス回路等の直流回路にインピーダンス整合のとれた状態で接続しつつ、直流回路に接続される高周波素子を高周波信号が伝送されるスロットとは異なる構造体に配置することができるので、伝送特性の優れた高周波モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の高周波モジュールの実施の形態の一例を示す上面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線で切断したときの断面図である。
【図３】図１の高周波モジュールの伝送特性のシミュレーション結果である。
【図４】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、図１の高周波モジュールの変形例を示す平面図および断面図である。
【図５】本発明の高周波モジュールの変形例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照しつつ、本発明について詳述する。なお、以下の図面において、同様の箇所には同一の符号を付し、重複する記載を省略する。
【００１１】
図１は本発明の高周波モジュールの実施の形態の一例を示す上面図であり、図２は図１のＡ−Ａ線における矢視断面図である。
【００１２】
図１および図２に示した実施の形態の例に係る高周波モジュール１０は、スロット構造体２０，高周波素子３０，導線４０，配線基板５０，直流回路５１を備えている。
【００１３】
本例では、配線基板５０の上面にスロット構造体２０，高周波素子３０，直流回路５１が配置されている。高周波素子３０は、高周波信号の入力または出力の少なくとも一方に用いる信号端子３１と、基準電位に接続される基準電位端子３２と直流回路５１に接続される直流端子３３とを有する。信号端子３１は、２つの基準電位端子３２ａ，３２ｂに挟まれるように両者の間に配置されている。直流回路５１は、少なくとも、高周波素子３０に接続される端子５１ａと、外部電源等に接続される端子５１ｂと、端子５１ａ，５１ｂ間を電気的に接続する導体線路５１ｃとを含む。そして、信号端子３１，基準電位端子３２ａ，３２ｂとスロット構造体２０とは、導線４０により電磁的に結合され、直流端子３３と直流回路５１とは、導体４５により電気的に接続されている。
【００１４】
このように、高周波モジュール１０では、直流信号が伝送される直流回路５１および直流信号が入出力される高周波素子３０を、高周波信号が伝送されるスロット構造体２０とは異なる別体に設けている。すなわち、直流信号が関与する部分と関与しない部分（高周波信号のみが伝送される部分）とを、それぞれ異なる構造体にまとめている。これにより、外部電源等に由来するノイズが高周波信号に混入することを防ぎ、伝送特性の優れた高周波モジュール１０を提供することができる。
【００１５】
高周波領域では、高周波素子と高周波回路とを接続する接続部分の長さに応じて発生するインダクタンス成分により伝送特性が劣化するため、両者を極力近接配置し、接続部分の長さを短くするのが技術常識である。ここで、直流信号が入出力される高周波素子を、高周波信号が伝送される構造体とは異なる構造体（別体）に設けると、両者の間隔が長くなる。このため、従来の高周波モジュールでは、高周波素子３０を、高周波信号を伝送するスロット構造体２０以外の別体に設けることは困難であった。さらに、高周波素子と高周波回路とを導線で接続する場合には、高周波信号は導線と導線の直下に位置する基板との間に生じる電界を介して伝送されるため、導線の直下に位置する構造体（基板）の影響が大きくなり、高周波素子と高周波回路とを同一構造体（基板）に設けられることが必要であった。
【００１６】
本発明では、高周波素子３０をスロット構造体２０とは異なる別体に設けたことによって生じる導体４０のインダクタンス成分および導体４０の直下に位置する構造体の影響等の問題点を、以下の導体４０とスロット構造体２０との結合構造によって解決した。以下、導体４０とスロット構造体２０との結合方法について詳述する。
【００１７】
本例のスロット構造体２０は、積層体６０とスロット導体６１とを有する。積層体６０は複数の誘電体層６１１が積層されて構成されており、この誘電体層６１１間に上側導体
層６３と下側導体層６４と中間導体層６５とを、誘電体層６１１を貫通して、第１貫通導体群６６と第２貫通導体群６７とを備えている。そして、この上側導体層６３と下側導体層６４と中間導体層６５と第１貫通導体群６６とで、積層型導波管６０ａとして機能する。この積層型導波管６０ａの構造については後述する。
【００１８】
スロット導体６１（スロット２０の導体２０ｂ）は、積層体６０の上面に形成されており、貫通孔６２を有している。この貫通孔６２は、導線４０と電磁的に結合し、高周波信号を伝送するスロット２０ａとして機能する。貫通孔６２は、積層体６０の一主面上において１つの方向に長く延びている矩形状となっている。ここで、貫通孔６２が長く延びている方向を第１方向とし、相対的に短い方の方向を第２方向とする。貫通孔６２の第１方向における長さは、スロット２０ａを通過する高周波信号の波長の概ね１／２の長さに設定される。
【００１９】
導線４０は、高周波素子３０とスロット構造体２０とを電磁的に結合している。ここで「電磁的に結合する」とは、電磁波を介して高周波信号が伝送されることであり、物理的に接触している場合もしていない場合も含まれるが、本例においては物理的に接触させた状態としている。
【００２０】
導線４０は、第１導線４１および第２導線４２，４３を含んでおり、例えば金やアルミニウムなどの金属材料によって構成される。そして、第１導線４１は、第１端部が信号端子３１に接続され、第２端部４１ａがスロット導体６１に接続されている。第２端部４１ａは、高周波素子３０から見て貫通孔６２の向こう側に位置し、第１導線４１は貫通孔６２の上方を横切って配置されている。すなわち、第１導線４１は、厚み方向から見たときにスロット２０ａ（貫通孔６２）と離れており、且つ平面視したときにスロット２０ａと交差している。このように、第１導線４１をスロット２０ａの上方を横切らせることで、第１導線４１とスロット２０ａとの間で生じる磁界によって両者を結合させることができる。
【００２１】
この第１導線４１は信号端子３１から第２方向に延びるように（第１方向に直交するように）配置すると、スロット２０ａの第２方向に平行な電界成分を大きくすることができるので、第１導線４１とスロット２０ａとの電磁的な結合を強くすることができる点で好ましい。
【００２２】
第２導線４２，４３は、第１端部が基準電位端子３２ａ，３２ｂに接続され、第２端部４２ａ，４３ａがスロット導体６２に接続されている。第２端部４２ａ，４３ａは高周波素子３０から見て貫通孔６２の手前に位置し、第２導線４２，４３は貫通孔６２を横切らないように配置されている。そして、平面視したときに第２導線４２，４３の第２端部４２ａ，４３ａと第１導線４１の第２端部４１ａとを結ぶ線分が貫通孔６２を横切っている。
【００２３】
また、この第２導線４２，４３は、平面視において、第１導線４１に沿っている。このように、第２導線４２，４３を第１導線４１に沿わせることにより、第１導線４１との電磁的な結合を強めることができる。そして、第１導線４１と第２導線４２，４３とを対とする伝送線路を形成することができるので、第１導線４１の長さに起因するインダクタンス成分を抑えることができる。また、導線４０により伝送線路を形成することにより、高周波信号の漏れを抑制することができる。
【００２４】
また、導線４１〜４３はキャパシタンス成分を有するスロット２０ａと接続しているため、インダクタンス成分をキャパシタンス成分で相殺することができる。スロット２０ａのキャパシタンス成分は、第２方向における幅を調整することで容易に制御することがで
きる。このため、導線４１〜４３の第２端部４１ａ〜４３ａにおけるインピーダンスにスロット２０ａを整合させることができる。
【００２５】
本例では、第２導線４２，４３と第１導線４１とは、スロット２０ａに近付くにつれて互いの間隔が狭まるように配置されている。このように構成することで、第２方向の電界強度を強めることができる。なお、必ずしも両者の間隔を狭める必要はなく、第１導線４１と平行としてもよいし、スロット２０ａに近付くにつれて互いの間隔を広げてもよい。
【００２６】
そして、このように導線４１〜４３を配置することにより、高周波素子３０からスロット２０ａまで、第１導線４１と第２導線４２，４３との間の電界の向きを徐々に変化させることができるので、高周波信号の伝送特性を向上させることができる。
【００２７】
上述のような構成で導体４０とスロット構造体２０とを結合させることにより、高周波モジュール１０は、伝送特性を悪化させることなく導線４０の長さを調節することができるものとなる。また、高周波素子３０とスロット２０ａとの相対位置にずれが生じても導線４０とスロット２０ａとの強い電磁的な結合を維持できるため、良好な伝送特性を実現することができる。さらに、第１導線４１は、第１導線４１直下の構造体とではなく、第２導線４２，４３と結合して伝送線路を形成するため、第１導線４１直下の構造体の距離や誘電率、電位等に影響されず、良好に高周波信号を伝送することができる。以上により、高周波素子３０をスロット構造体２０と別体に設けても、良好な伝送特性を維持することができる。
【００２８】
図３に、高周波モジュール１０の伝送特性を確認したシミュレーション結果の線図を示す。図３において、横軸は周波数（単位：ＧＨｚ）、縦軸は損失（単位：ｄＢ）を示すものである。図３に示すように、いずれの方向からの反射特性（Ｓ１１，Ｓ２２）も広い帯域で−１０ｄＢ以下の値をとっており、透過特性（Ｓ２１）も良好な値となっている。つまり、広い帯域でインピーダンス整合を取れていることが分かる。このように、導線４０の長さが長く、且つ高周波素子３０をスロット構造体２０と別体に設けることで、導線４０の直下に位置する構造物が一定でない場合においても、非常に良好な伝送特性を有することが確認できた。
【００２９】
次に、各構成要素について詳述する。
【００３０】
高周波素子３０には、例えばＭＭＩＣを用いることができる。
【００３１】
スロット導体６２は、少なくとも貫通孔６２を囲う形状であれば特に大きさや形状に限定はされないが、本例では、第１方向の辺が長い六角形状としている。すなわち、第１方向に長辺を有するような長方形状の四隅を切り欠いた形状としている。これは、積層型導波管６０ａとスロット２０ａとを接続するために、後述するように、スロット２０ａおよび積層型導波管６０ａに設けられた貫通孔６３ａの外周を囲むように配置された貫通導体を二重に配置し、その外郭に沿うようにしたものである。また、スロット導体６２を構成する材料は、導電性を有する材料であれば特に限定されない。
【００３２】
配線基板５０は、例えば高周波素子３０や直流回路５１を保持し、スロット構造体２０との接続を可能とするものであれば特に限定されず、セラミック基板や有機基板を用いることができる。有機基板としては、ガラスエポキシ基板や液晶基板，４フッ化エチレン基板，樹脂基板等がある。特に、スロット構造体２０をセラミック積層体６０とし、配線基板５０を有機基板とすることにより、高周波信号を伝送する部分を高い誘電率を有するセラミックスで構成し、高周波素子３０および直流回路５１を取り扱いの容易な有機材料で構成するなど、直流成分や高周波成分等といった伝送する信号の特性に合わせて、それぞ
れに適した材料を選択して組み合わせることができる。
【００３３】
直流回路５１は、配線基板５０上に導電材料を印刷技術等で端子５１ａ，５１ｂおよび導体線路５１ｃを形成して構成すればよい。
【００３４】
そして、高周波素子３０の直流端子３３と端子５１ａとは接続体４５で接続される。接続体４５は、直流端子３３と端子５１ａとを電気的に接続できれば特に限定はなく、高周波素子３０の下面に端子３３がある場合には半田ボール等で接続してもよいが、この例では、導体４０と同様の金属材料の導線で構成されている。
【００３５】
積層体６０は、セラミック多層体で構成される。特に、誘電率の高い材料で構成すれば積層体６０の小型化が可能となり、高周波モジュール１０の小型化および低コスト化を実現できる。
【００３６】
積層型導波管６０ａは、スロット２０ａに接続されて高周波信号を伝搬するものである。上側導体層６３は積層型導波管６０ａの上側の管壁として機能し、スロット導体６２の貫通孔６２と対向するように配置されている。そして、上側導体層６３は、貫通孔６２と対向する位置において貫通孔６３ａを有している。この貫通孔６３ａは積層型導波管６０ａのスロットとして機能し、このスロット２０ａと結合させることで、積層型導波管６０ａから高周波信号の入出力を行なう。
【００３７】
下側導体層６４は、積層型導波管６０ａの下側の管壁として機能し、上側導体層６３と対向して配置されている。
【００３８】
中間導体層６５は、積層型導波管６０ａの側壁の一部として機能し、上側導体層６３と下側導体層６４との間に位置している。
【００３９】
貫通導体群６６は、積層型導波管６０ａの側壁として機能し、誘電体層６１１の間に形成され、上側導体層６３と下側導体層６４とを電気的に接続している。また、貫通導体群６６は中間導体層６５に電気的に接続されている。このような貫通導体群６６の個々の貫通導体は、積層型導波管６０ａを伝送する高周波信号の波長の１／２未満の繰り返し間隔で配置されている。
【００４０】
そして、上側導体層６３の貫通孔６３ａの周囲に貫通導体を配置し、上側導体層６３とスロット導体６２とを電気的に接続し、貫通孔６３ａと貫通孔６２との間に導波管を設ける。このような構成とすることで、スロット導体６２と積層型導波管６０ａとの間で高周波信号を伝搬させることができる。
【００４１】
誘電体層６１１としては、高周波信号の伝送を妨げることがない特性を有するものであればとりわけ限定するものではないが、伝送線路を形成する際の精度および製造の容易性の点から、セラミックスからなるものが望ましい。
【００４２】
たとえば、ガラスセラミックス、アルミナ質セラミックスや窒化アルミニウム質セラミックス等のセラミック原料粉末に適当な有機溶剤・溶媒を添加混合して泥漿状になすとともに、これを従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等を採用してシート状となすことによって複数枚のセラミックグリーンシートを得る。しかる後、これらセラミックグリーンシートの各々に適当な打ち抜き加工を施すとともに、導体ペーストを貫通孔へ充填し、配線パターンあるいはいわゆるベタパターンとして印刷したものを積層して、ガラスセラミックスの場合は８５０〜１０００℃、アルミナ質セラミックスの場合は１５００〜１７００℃、窒化アルミニウム質セラミックスの場合は１６００〜１９００℃の温
度で焼成することによって製作される。
【００４３】
また、スロット導体６２，導体層６３，６４，６５などの金属導体層としては、例えば誘電体層がアルミナ質セラミックスからなる場合には、タングステン，モリブデンなどの金属粉末に適当なアルミナ，シリカ，マグネシア等の酸化物や有機溶剤，溶媒等を添加混合した導体ペーストを厚膜印刷法によってセラミックグリーンシート上に印刷し、しかる後、約１６００℃の高温で同時焼成して、厚みが１０〜１５μｍ以上となるようにして形成する。なお、金属粉末としては、ガラスセラミックスの場合は銅，金，銀が、アルミナ質セラミックス，窒化アルミニウム質セラミックスの場合はタングステン，モリブデンが好適である。また、このような導体層の厚みは一般的に５〜５０μｍ程度とされる。
【００４４】
誘電体層６１１としては、上記のようなセラミックスからなることが好ましいが、伝送信号の周波数や製造コストなどの観点から、樹脂材料を用いることもできる。誘電体層として使用可能な樹脂材料としては、例えば、ＰＴＥＴ、液晶ポリマー、ＦＲ４、フッ素樹脂、フッ素ガラス樹脂などが挙げられる。この場合の金属導体としては、たとえば銅箔の貼り付け、銅めっき膜をエッチングなどによりパターン形成したものを使用することができる。
【００４５】
なお、本例では、スロット２０ａは概ね矩形状としているが、例えば長円状等でもよい。また、第１導線４１の両側を挟むように第２導線４２，４３を２つ設けたが、第２導線は１つでもよい。さらに、導波管６０ａは、誘電体層６１１の主面と平行に延びる形状としたが、適宜屈折あるいは分岐等してもよい。
【００４６】
（変形例１：スロット構造体の変形例）
高周波モジュール１０では、スロット構造体２０として積層体６０を用い、内部に積層型導波管６０ａを形成した例を用いて説明したが、高周波信号を伝送できる伝送路であれば積層型導波管に限定されず、例えば、貫通孔６２と対向する位置にマイクロストリップ線路等の伝送線路を設けてもよい。さらに、スロット構造体２０は、スロット導体とスロット孔を有していれば特に限定はされず、多層体６０に代えて、金属導波管等を用いてもよい。
【００４７】
（変形例２：高周波素子実装部の変形例）
高周波モジュール１０では、配線基板５０上の同一平面に直流回路５１と高周波素子３０とを配置しているが、図４に示すように、配線基板５０を、基体部５０ａと基体部５０ａ上に設けられる実装部５０ｂとを設け、基体部５０ａ上に直流回路５１を、実装部５０ｂ上に高周波素子３０をそれぞれ設け、直流回路５１と高周波素子３０とを異なる平面に配置してもよい。
【００４８】
例えば、実装部５０ｂを高周波素子３０の放熱構造体を兼ねる構成とすることで、温度特性に優れた高周波素子とすることができる。このような実装部５０ｂとしては、例えば熱伝導率の高い材料からなる放熱層を用いることができる。
【００４９】
また、導線４１〜４３を用いて良好に接続を確立するためには、高周波素子３０の上面がスロット構造体２０の上面と同一かそれ以上の高さに位置するように構成することが好ましい。このため、実装部５０ｂを、高さを調整するスペーサとして用いてもよい。
【００５０】
また、配線基板５０に凹部を設け、凹部に半導体部品３０を配置してもよい。
【００５１】
（変形例３：配線基板の変形例）
高周波モジュール１０では、スロット構造体２０は配線基板５０上に配置されているが
、異なる基板等に配置してもよい。例えば、図５に示すように、積層体６０の下面に導波管線路６０ａの開口部６８を設けるような構成とし、積層体６０を直接アンテナ基板１００に実装してもよい。この場合には、配線基板５０も同様にアンテナ基板１００に実装してもよい。このようなアンテナ基板１００としては、例えばアンテナ基板１００の開口部から徐々に開口径を大きくするような多層基板を用いればよい。この例では、積層型導波管６０ａの開口部６８に合わせて、アンテナ基板１００の上面に給電口１００ｂを設け、この給電口１００ｂに合わせて、給電口１００ｂよりも開口の大きい、アンテナ用開口部１００ａを設けている。
【符号の説明】
【００５２】
１０  高周波モジュール
２０  スロット構造体
２０ａ  スロット
２０ｂ  スロット導体
３０  高周波素子
３１  信号端子
３２ａ，３２ｂ  基準電位端子
３３  直流端子
４１  第１導線
４２，４３  第２導線
４５  接続体
５０  配線基板
５１  直流回路
【図１】
2012142693.tif 000003
【図２】
2012142693.tif 000004
【図３】
2012142693.tif 000005
【図４】
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【図５】
2012142693.tif 000007