JP2000307305A - 高周波通信装置 - Google Patents

高周波通信装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】送受信回路を構成する回路素子等を筐体内に実
装する通信装置の筐体内、外の電磁波の不当な電磁結合
を低減する。 【解決手段】筐体(1、4、5)を構成する壁の少なくとも
一部に、周期構造(6)を付帯し、この周期構造(6)を含
む筐体部分を筐体内で問題となる不要放射電波の周波数
を含む周波数帯を非伝播周波数帯域とするフィルターと
して設計する。不要電波放射源よりの放射エネルギーを
局所的に閉じ込め他への干渉を防止する構造とした。 【効果】簡単な周期構造体を筐体の一部に付加するのみ
で筐体内での不要放射電波エネルギーを局所的に閉じ込
め他への干渉を防止し、干渉、EMC,EMIの問題を低減で
きる。受信装置の特性を劣化させること無く、量産バラ
ツキ、経時変化の低減、製造コストの低減を実現する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は高周波通信装置、更
に詳しく言えば、マイクロ波又はミリ波等の帯域の信号
を処理する高周波回路素子を内部に実装した筐体をもつ
高周波通信装置に関する。
【0002】
【従来の技術】ミリ波を使用する自動車用レーダや30
0MHz以上の周波数帯の電波を用いる高周波無線通信
装置及び無線端末機は、装置の小型化、低コスト化のた
め、また使用する回路素子の多機能化に伴い、単一の多
機能半導体素子又、半導体集積回路(IC)、これらを
実装したパッケージ、または複数のICとこれらを相互
接続し、あるいはフィルター機能等を含む高周波回路素
子を一つの筐体内に実装する。
【0003】このような構造の通信装置の一例とし
て、、1997年電子情報通信学会総合大会C−2−1
21「60GHz帯ミリ波レーダユニット」に記載され
た自動車用レーダに用いられる送受信装置がある。この
装置はミリ波(60GHz帯)送受信回路を平面表面で
囲まれた筐体内に収めた構造となっている。他の一例と
して、1996年米国M/A-COM社のカタログ「RF, Micro
wave and Millimeter Wave, Single and Multi-Functio
n Components and Subassemblies」の表紙写真下部に示
すRFサブシステムがある。このRFサブシステムは高周
波(RF)複数機能の回路素子が一筐体内に実装され、
機能素子間の干渉を低減するため上記筐体をその中に設
けた金属壁によって複数個の部分に分割した構造となっ
ている。
【0004】更に他の例として、1998年APMC98 Confer
ence TU1A-3「An Integrated Millimeterwave MMIC T
ransceiver for 38GHz Band」に記載された通信用送受
信機がある。この通信用送受信機は、複数個の送受信用
MMICとこれらを接続するための受動回路を含む誘電
体基板を一筐体内に収め、筐体のカバーに設けた溝に沿
って信号が伝播する構造となっている。また、更に他の
例として、1998年 APMC98 Conference TU1A-1「A Co
st-Effective RF-Module for Millimeter-wave System
s」に記載された通信機がある。この通信機は、通信用
MMIC、そのMMICを接続する受動回路を含む基板
と平面アンテナが一つの筐体内に実装された構造となっ
ている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】一筐体構造の内部に多
くの機能素子を収納する場合、筐体の大きさが一定で、
機能素子の数が多くなれば、それだけ機能素子間の物理
的距離が短くなり、あるいは筐体の大きさが信号周波数
の自由空間波長の半分(例えば、77GHzで約1.95mm)
に比べ大きくなる。いずれの場合においても、筐体内の
ある機能素子を構成するIC等の一点より筐体内に放射
された信号周波数の電波エネルギーは容易に筐体内を伝
播し、同じ筐体内の他の機能素子に結合することにより
様々な機能障害を起こす。例えば、通信用送受信器、ミ
リ波自動車レーダ用送受信モジュールでは送信機能素子
より筐体内に放射された信号の一部が受信機能素子に結
合することにより受信器の飽和、受信雑音の上昇等の障
害を起こす。殊に、筐体の大きさが信号周波数の自由空
間波長の半分に比べ充分に大きい場合には、筐体内に多
数の共振周波数の信号成分の存在を有し上記障害をさら
に強調し易くなる。
【0006】同様の現象により、一旦筐体内に不要に放
射されたエネルギーは筐体をアンテナとして筐体外部に
不要に放射を起し易くなり、または逆に筐体外部よりの
電波エネルギーの影響を受け易くなり、EMI(Electro-M
agnetic Interference)、EMC(Electro-Magnetic Compl
iance)の問題を増大する。
【0007】上記技術を含む従来の通信装置は、これら
の問題、特に筐体内の干渉問題を解決するために、筐体
構造を細分化して金属隔壁で複数の小さな部屋に分割し
たり、本来の信号通路に沿って不要放射に対しては局所
的にカットオフ(Cut-off)導波管構造となるような金
属構造を設けていた。これらの従来技術はその筐体の構
造に複雑な金属構造を必要とし、また受動回路の高周波
基板の複数分割を必要とし、さらにこれらの構造や基板
の複数分割のために半導体IC、受動回路部品の実装を
より困難にして、通信装置の量産化及び低コスト化を阻
害していた。
【0008】従って、本発明の目的は、装置の量産化及
び低コスト化を阻害することなく、筐体内、外の電磁波
の干渉、即ち筐体内の回路素子間あるいは筐体内の回路
素子と筐体外の電磁波との間の不当な電磁結合を低減す
る高周波通信装置を提供することである。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するため、マイクロ波又はミリ波等の高周波帯域の信
号で動作する高周波回路素子及びアンテナを有し、少な
くとも上記高周回路素子を内部に実装した筐体をもつ通
信装置において、上記筐体を構成する壁の少なくとも一
部に材質又は機械的形状を周期的に変えた周期構造体を
設けた。上記周期構造体は、周期構造体を含む筐体部分
が筐体内で問題となる不要放射電波の周波数を含む周波
数帯を非伝播周波数帯域とするフィルターとして構成す
る。
【0010】ここで、通信装置は受信装置、送信装置、
送受信装置のいずれも含む。回路素子は受動素子、I
C、LSI、これらがパッケージ化されたもの、またこ
れらを結合する線路を含む。アンテナは上記筐体の内
部、あるいは外部、筐体の壁面のいずれに設けられても
よい。上記筐体の壁の少なくとも一部は、その側壁、天
井部、半導体IC等の機能素子の実装表面の少なくとも
その一部を意味する。
【0011】本発明の高周波通信装置によれば、筐体内
の不要電波放射源よりの放射エネルギーを局所的に閉じ
込め他への干渉を防止できる。また、外部の不要電波放
射源よりの放射エネルギーを減衰して干渉を押さえるこ
とができる。筐体内に問題となる周波数が複数存在する
場合、筐体内必要部位の各々に異なる周期構造を付帯す
ることにより複数の干渉問題に対応することができる。
さらにこれら周期構造を例えば筐体構造の天井部に付帯
した場合、この天井部を筐体の蓋として設計すればその
他の筐体部分は波長に比べて遥かに大きな単純な形状
(例えば直方体)にすることができ、高周波基板も大き
な一枚基板を用いることが可能となって筐体内への半導
体ICなどの実装が容易になり筐体を含むモジュールが低
コストで実現できる。
【0012】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
詳細に説明する。
【0013】<実施形態1>図1は、本発明による高周
波通信装置の一実施例形態であるマイクロ波又はミリ波
送受信装置の断面図である。送受信用MMICなどの半
導体IC2とこれらを接続する平面回路基板3−1及び
3−2は、筐体底部である金属性ベースプレート1の表
面に実装されて送受信回路を構成し、上記送受信回路へ
の入出力信号は同軸線7を介してアンテナ(図示せず)
に接続される。金属性の蓋5は、筐体の側壁4−1及び
4−2によってベースプレート1から分離され筐体の天
井部を構成する。筐体の側壁は、金属でもガラス、アル
ミナ等の非金属のいずれでもよい。蓋5の筐体内部に面
する天井部には直方体の金属突起物6が周期的に配置さ
れている。
【0014】ベースプレート1は、プラスチック又はア
ルミナなどの非金属で作成され、少なくともMMICと
平面回路基板を実装する表面をメッキや蒸着により金属
で覆ったものでも良い。金属突起物6は、蓋5と一体構
造として機械切削、鋳造又は金属プレスなどによって作
成されたものでもよく、又は分離して作成後に蓋底部に
導電性接着剤などにより接着してもよい。また、金属突
起物6を含む天井部を金属薄板のプレスで作製し、これ
を別の金属板又は非金属板により裏打ちして機械的強度
を持たせてもよい。またベースプレート1と同様に、金
属突起物6と蓋5を一体構造としてプラスチックなどの
非金属で作成し、少なくとも筐体内部の天井部となる突
起部を含む表面をメッキなどによって金属皮膜で覆った
ものでもよい。
【0015】このようにして構成される周期的凹凸のあ
る金属表面で覆われた天井部は、送受信回路を実装する
金属表面と共に、その両者間の筐体内空間を伝播しよう
とするマイクロ波又はミリ波に対して波動インピーダン
スを周期的に変化させたフィルター構造を構成し、周波
数の関数として伝播周波数帯域と非伝播周波数帯域を交
互に持つ特性を示す。従って例えば送受信回路の動作周
波数帯が非伝播周波数帯域内に入る様に本フィルター構
造を設計することにより、送受信回路の送信側よりの筐
体内への不要放射が受信側に到達することを防ぎ送受信
干渉を低減できる。
【0016】図2は、図1の高周波通信装置の筐体内部
にもうけられる送受信回路の構成の一例を示すブロック
図である。
【0017】受信アンテナ端子21からの受信信号は低
雑音増幅器25を介してミクサ26に加えられる。ミク
サ26は周波数シンセサイザ等の高周波信号源29の信
号をローカル増幅器30を介した高周波信号と上記受信
信号とを混合し中間周波信号として端子23に出力す
る。端子24からの送信すべき情報信号は変調器27
で、高周波信号源29の信号をローカル増幅器31を介
した高周波信号で変調される。変調された信号は電力増
幅器28で増幅され、送信高周波信号として送信アンテ
ナ端子22に加えられる。回路構成は従来知られている
高周波送受信回路と同じである。32は筐体を示す。図
中2重矢印線は、本発明が適用されない場合に生じる電
磁波の干渉を示す。即ち、高周波信号源29の信号が、
筐体の影響によって、直接に高周波受信信号、高周波送
信信号と干渉を起こす。また、高周波受信信号と高周波
送信信号との間で干渉が生じる。本発明では、筐体32
に周期構造体からなる、上記高周波送信信号を阻止する
フィルタを構成することによって、上記電磁波の干渉を
低減する。
【0018】図3は、図1に示す筐体天井部を筐体内部
より見上げた蓋5の平面図である。金属突起物6が2次
元に一定の周期的で、ほぼ全面に配列されている。
【0019】図4及び図5は、本発明の主要部の動作原
理を説明するため、それぞれ図1のA部及び図3のB部
の拡大図である。説明の簡明のため、図4では平面回路
基板3−2を除いたベースプレート1と天井部5、6の
みを示す。図4及び図5で示される金属突起物6は、幅
が各々W1、W2であり高さがDの直方体である。金属
突起物6は、図5に示す如く、横方向ギャップG1、縦
方向ギャップG2を持ち、横周期P1、縦周期P2の周
期で二次元的に配列されている。図4において、金属蓋
5とベースプレート1の間隔Hは、H方向に電磁界高次
モードが立つことを避けフィルター構造の高特性を保つ
ために、設計周波数に対する自由空間波長をλとすると
き、H<λ/2を満足することが望ましい。
【0020】図6は、図4及び図5に示す周期構造体の
効果を定性的に説明するための簡易等価回路である。図
5の横方向ギャップのG1、金属突起物6の幅W1をい
ずれもλ/4とし、図4の突起6の高さD方向の電磁界
分布を無視すれば、周期構造体は、横周期P1方向の基
本伝播モードの電磁波に対して高波動インピーダンス1
7の領域ZHと低波動インピーダンス18の領域ZLから
なる連続したλ/4インピーダンス変成器を構成する。
このとき、中心周波数(=c/λ ここでcは光速)に
おいて、ポート1よりポート2側をみたインピーダンス
は、ポート2に接続される負荷インピーダンスの値如何
によらずほぼ開放又は短絡状態になり、ポート1に入射
する高周波成分はポート2に伝播しない。
【0021】実際の設計では、高さD方向の電磁界分
布、高次伝播モードの効果を含める必要があり、また図
4に示す金属突起物6の形状変更による自由空間波長λ
からの実用的な波長伸長率または波長圧縮率を考慮する
ことにより、図5の横周期P1、縦周期P2のの各々
は、(2N+1)λ/5≦周期(P1、P2)≦(2N
+1)5λ/9の範囲(ここでNは0又は整数)で、D
<Hとなる様に設計して、設定周波数をフィルタの非伝
播周波数帯域に入れることができる。図5に示す突起物
6はそのいくつか(例えば横方向3個、縦方向2個)を
グループとし、そのグループを周期的に並べて構成して
もよい。この場合グループ内の突起物を異なる大きさに
設計することにより非伝播周波数帯域を広くすることが
できる。
【0022】図7は実施形態1の構成による実施例の効
果を示す送受信間のアイソレーションの実測値を示す図
である。同図において、実測値8は上述の実施形態で、
77GHz帯送受信機用に設計した筐体構造における送
受信間のアイソレーションを、実測値9は筐体天井部に
周期的突起物を持たない平面な蓋の場合のアイソレーシ
ョンを、実測値10は蓋を取り去り開放した場合のアイ
ソレーションをそれぞれ示す。なお、本発明の実施例で
設計された構造設定値は、H=1.9mm、D=0.8
mm、G1=G2=W1=W2=0.5mmである。本
発明を採用した構造の実施形態による実測値8は、平面
蓋の場合の実測値9、蓋開放の場合の実測値10のいず
れに比べても最低30dB以上高いアイソレーションを
76GHz帯で実現している。
【0023】<実施形態2>図8は本発明による高周波
通信装置の他の実施形態における突起物の形態を示す部
分平面図である。本実施形態では金属突起物6を市松模
様に配置したものである。本実施形態における金属突起
物6の幅W1、W2、高さD、横方向ギャップG1、縦
方向ギャップG2及び横周期P1、縦周期P2を、図示
のように設定した場合、第1の実施形態で述べたことが
全く同様に適用できる。
【0024】<実施形態3>図9は、本発明による高周
波通信装置の更に他の実施形態における突起物の形態を
示す部分断面図である。図4と同様な断面図であるが、
周期構造体は、金属性の蓋5の表面に高誘電率の誘電体
11と低誘電率の誘電体12を交互に周期的に配列する
ことにより周期的な波動インピーダンスを実現した構造
である。
【0025】<実施形態4>図10は、本発明による高
周波通信装置の第4の実施形態における突起物の形態を
示す部分断面図である。図4と同様な断面図であるが、
周期構造は、金属性の蓋5の表面に高誘電率の誘電体1
3と高透磁率の磁性体14を交互に周期的に配列するこ
とにより周期的な波動インピーダンスを実現した構造で
ある。
【0026】<実施形態5>図11は、本発明による高
周波通信装置の第5の実施形態における突起物の形態を
示す部分断面図である。図4と同様な断面図であるが、
周期構造体は、誘電体基板15の表面に金属の周期パタ
ーン16をエッチングなどにより作製し、これを金属性
の蓋5の表面に接着した構造である。誘電体基板15と
金属性の蓋5との間には空気層などのギャップが有って
もよい。図11中の金属の周期パターン16は、周期的
波動インピーダンスを実現し設計周波数帯域で必要な特
性を得るために様々な形状を取りうる。
【0027】<実施形態6>図12は、本発明による高
周波通信装置の第6の実施形態における金属性の蓋の構
成を示す平面図である。本実施形態では筐体の内部に3
種類の異なる主要な周波数で動作する機能が存在すると
き、蓋の表面に3つの異なる設計周波数に対応した金属
突起物6−1、6−2及び6−3の周期構造体をそれぞ
れの領域に配置することにより各機能間の干渉を効果的
に低減する。すなわち、上記3個所の各個所における周
期構造体の周期Pが、各個所の設計周波数に対する自由
空間波長をλとするとき、(2N+1)λ/5≦P≦(2
N+1)5λ/9の範囲(ここでNは0又は整数)に設
定する。
【0028】<実施形態7>図13は、本発明による高
周波通信装置の第7の実施形態の構成を示す断面図であ
る。本実施形態は、図1に示した第1の実施形態と比較
し、アンテナ19が、金属筐体内部、即ちMMICの基
板上に形成されている点で異なる。そのため金属筐体を
構成する壁の一部で、アンテナ19近傍の部分に窓20
が設けられている。本実施形態では、アンテナ19を筐
体内に設けることによって通信装置の小型化を実現する
際に、アンテナ近傍の電磁界、送受信回路、窓20を介
しての筐体外の電磁界の相互間の干渉の問題を解決する
ことができる。
【0029】以上、本発明の実施形態について説明した
が、本発明は、上記実施形態に限定されるものではな
い。例えば、アンテナは金属性ベースプレート1の裏面
に形成してもよい。また、突起6の断面形状は説明の簡
明上四辺形の場合について説明したが、製造上、フィル
タ特性等の観点より種々変更してもよい。例えば、曲率
をつけた面取り直方体でも良く、また円柱でもよい。あ
るいは、図3における天井部断面形状が余弦関数のよう
な波型形状でもよい。また、直方体の各面に溝を掘り込
んだ複雑な形状としてもよい。また、高周波回路素子
は、図2のように、送信回路、受信回路の両方をもつ場
合のみならず、一方のみの回路をもつ場合でもよい。
【0030】
【発明の効果】本発明によれば、簡単な周期構造を高周
波筐体構造の一部に付加するのみで筐体内での不要放射
電波エネルギーによる干渉、EMC、EMIの問題を大
幅に低減でき、高機能多機能の高周波システムをその全
体特性を劣化させること無く低コストで実現することを
可能にする。さらに、周期構造によるフィルター特性
は、確実な金属接触に依存しない設計とすることがほと
んどの場合可能であり、従ってミリ波自動車用レーダの
様な高周波送受信機用筐体特性の量産バラツキ、経時変
化を低減する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による高周波通信装置の一実施例形態で
あるマイクロ波又はミリ波送受信装置の断面図である。
【図2】図1の高周波通信装置の筐体内部にもうけられ
る送受信回路の構成の一例を示すブロック図である。
【図3】図1に示す筐体天井部を筐体内部より見上げた
蓋5の平面図である。
【図4】本発明の主要部の動作原理を説明するための図
1のA部の拡大図である。
【図5】本発明の主要部の動作原理を説明するための図
3のB部の拡大図である。
【図6】図4及び図5に示す周期構造の効果を定性的に
説明するための簡易等価回路である。
【図7】実施形態1の構成による実施例の効果を示す送
受信間のアイソレーションの実測値を示す図である。
【図8】本発明による高周波通信装置の他の実施形態に
おける突起物の形態を示す部分平面図である。
【図9】本発明による高周波通信装置の更に他の実施形
態における突起物の形態を示す部分断面図である。
【図10】本発明による高周波通信装置の第4の実施形
態における突起物の形態を示す部分断面図である。
【図11】図11は、本発明による高周波通信装置の第
5の実施形態における突起物の形態を示す部分断面図で
ある。
【図12】本発明による高周波通信装置の第6の実施形
態における金属性の蓋の構成を示す平面図である。
【図13】本発明による高周波通信装置の第7の実施形
態の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
1…金属性ベースプレート、2…半導体IC、3…平面回
路基板、4…筐体の側壁,5…金属性の蓋、6…金属突
起物、7…同軸線、8…送受信アイソレーション(本発
明)、9…送受信アイソレーション(平面蓋)、10…
送受信アイソレーション(開放)、11…高誘電率誘電
体、12…低誘電率誘電体、13…誘電体、14…高透
磁率磁性体、15…誘電体基板、16…金属周期パター
ン、17…高波動インピーダンス、18…低波動インピ
ーダンス、19…アンテナ、20…窓、21…受信アン
テナ端子、22…送信アンテナ端子、23…端子、24
…端子、25低雑音増幅器、26…ミクサ、27…変調
器、28…電力増幅器、29…高周波信号源、30…ロ
ーカル増幅器、31…ローカル増幅器、32…筐体。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H05K 9/00 H05K 9/00 M (72)発明者 関根 健治 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 Fターム(参考) 5E321 AA02 GG05 GG07 GG11 5J006 HD06 HD07 JA02 JA31 JA34 LA12 PA01 PA03 PB04 5J045 AA27 AB05 DA09 EA07 HA03 NA07 5K011 AA01 AA06 AA15 BA04 JA01 KA08

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】高周波回路素子及びアンテナを有し、少な
    くとも上記高周波回路素子を内部に実装した筐体をもつ
    通信装置であって、上記筐体の壁の少なくとも一部に材
    質又は機械的形状を周期的に変えた周期構造体が設けら
    れたことを特徴とする高周波通信装置。
  2. 【請求項2】上記周期構造体が上記筐体の壁の内壁に形
    成された請求項1記載の高周波通信装置。
  3. 【請求項3】上記周期的に変えた周期構造体の周期P
    が、設計周波数に対する自由空間波長をλとするとき、
    (2N+1)λ/5≦P≦(2N+1)5λ/9の範囲
    (ここでNは0又は整数)に設定されたことを特徴とす
    る請求項1又は2記載の高周波通信装置。
  4. 【請求項4】上記周期的に変えた周期構造体が上記筐体
    内の複数個所に設けられ、上記複数個所の各個所におけ
    る周期構造体の周期Pが、上記各個所の設計周波数に対
    する自由空間波長をλとするとき、(2N+1)λ/5
    ≦P≦(2N+1)5λ/9の範囲(ここでNは0又は整
    数)に設定されたことを特徴とする請求項1又は2記載
    の高周波通信装置。
  5. 【請求項5】上記アンテナが上記筐体の外部に形成さ
    れ、上記高周波回路素子が上記アンテナに接続するため
    の入出力端子を有することを特徴とする請求項1ないし
    4のいずれかの一に記載された高周波通信装置。
  6. 【請求項6】上記アンテナが上記筐体の内部に形成さ
    れ、上記筐体の壁で上記アンテナの近くに電波が通過す
    る窓が設けられたことを特徴とする請求項1ないし4の
    いずれかの一に記載された高周波通信装置。
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