JP5342995B2

JP5342995B2 - 高周波モジュール

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Publication number: JP5342995B2
Application number: JP2009297343A
Authority: JP
Inventors: 和樹早田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2009-12-28
Filing date: 2009-12-28
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2029-12-28
Also published as: JP2011139244A

Description

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ための高周波モジュールに関する。

近年、携帯電話や無線ＬＡＮに代表される無線通信技術の研究開発が盛んに行われている。現在市販されている無線通信機器は、マイクロ波が搬送波として利用されているが、マイクロ波ではデータ伝送速度が遅く、例えば、ハイビジョン映像の画質劣化を抑えた、大容量非圧縮映像データの転送には向いていない。

そこで、マイクロ波よりも高い周波数の電磁波、例えば２０ＧＨｚ以上の準ミリ波およびミリ波を利用する無線通信が大容量のデータを伝送するための手段として注目され、研究開発が進められている。特に６０ＧＨｚ帯では、世界共通で、広い帯域が通信向けに割り当てられており、このような６０ＧＨｚ帯の電磁波を利用する無線通信技術の開発が望まれる。

これらの通信システムで使用される高周波基板には、より広帯域化、小型、多機能、耐不要ノイズ、かつ安価であることの要求が高く、これらの要求に応えるべく、基板の多層化で対応してきた。特に小型化が可能な高誘電率材料であるセラミックスを誘電体層とする多層配線基板は、配線金属との同時焼成技術を用いることで基板の多層化を実現してきた。このような高周波基板には、複数の高周波デバイスが実装され、それらが高周波デバイスと変換部を介して伝送線路と接続されることにより高周波回路として動作する。

ここで、高周波基板に要求される性能の一つに使用環境下での安定した送信性能が挙げられる。高周波デバイスには温度特性があるため、ＴＣＸＯ（温度補償コンデンサ）等を用いて高周波デバイスの周波数を安定化させていた。

特開２００１−３５１９２８号公報

しかしながら、従来の技術では、充分な低コスト化が図れておらず、安価で実現可能な周波数安定化技術が求められていた。

そこで、本発明は、高周波素子の温度による周波数変動を抑制した高周波モジュールを提供することを目的とする。

本発明の高周波モジュールは、基板と、前記基板上に配置される高周波素子と、前記基板の前記高周波素子が実装される領域の直下に形成され、前記高周波素子をグランド電位に接続する接地用ビアホール導体群と、前記基板の内部に配置され、誘電体層と、前記誘電体層を挟む一対の主導体層と、前記第１の誘電体層を貫通し前記一対の主導体層の間を電気的に接続する複数のビアホール導体が伝送する高周波信号の波長の１／２未満の間隔で配置された側壁導体群と、を備える積層型導波管と、前記積層型導波管を前記基板上に前記高周波信号を導出するための変換部と、前記前記高周波素子と前記積層型導波管とを前記変換部を介して接続する接続体と、前記高周波素子と前記接続体と前記変換部とを内部に収容する収容空間を形成する保護部材と、感温型抵抗器から得る温度に応じた抵抗値により前記高周波素子の温度による周波数変動を補正する温度補償回路と、を有し、前記感温型抵抗器は、前記基板上に配置され、前記基板の内部において前記接地用ビアホール導体群に接続されるものである。

本発明の高周波モジュールによれば、簡易な構成の温度補償回路により高周波素子の周波数変動を補償することができる。また、高周波素子の直下に形成された接地用ビアホール導体群により、高周波素子で発生する熱を放熱するとともに、感温型抵抗器を接地電位に接続することができるので、高周波素子自体の放熱性を高め周波数を安定化させる構成と、温度補償回路の一部の構成を共有させることができ、簡易な構成で高周波素子の周波数変動を補償することができる。

本発明の高周波モジュールの実施の形態の一例を示す断面図である。温度補償回路を示す回路図である。本発明の高周波モジュールの温度特性を示す線図である。（ａ），（ｂ）はそれぞれ変換部および積層型導波管の構成を示す平面図および断面図である。（ａ）〜（ｅ）は、それぞれ変換部および積層型導波管の構成を示す誘電体層毎の平面図である。

以下、本発明の高周波モジュールについて、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、図面において同様の箇所には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

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断面図である。

１は基板、２は高周波素子、３は接地用ビアホール導体群、４は積層型導波管、１３は変換部、６は接続体、７は保護部材、８は感温型抵抗器、９は接地用ビアホール導体群３と感温型抵抗器８とを基板１の内部で接続する伝送線路である。

基板１は、複数の誘電体層が積層され、これらの誘電体層間に導体層が設けられ内層配線が形成されて構成される。そして、この基板１の第１主面１ａ上には、高周波素子２が配置されている。高周波素子２は、例えばＳｉＧｅなどの化合物半導体で構成されるＭＭＩＣ等を用いることができる。このような高周波素子２は送受信機能一体型、送信機能型、受信機能型等を適宜選択すればよい。

そして、この第１主面１ａの高周波素子２が実装された領域の直下には、基板１の第２主面１ｂまで貫通する接地用ビアホール導体群３が形成されている。この接地用ビアホール導体群３は、グランド電位に接続され高周波素子２を接地するとともに、高周波素子２からの熱を効果的に放熱するものである。

そして、高周波素子２の１つのポートは、接続体６，変換部１３を介して積層型導波管４に接続される。この例では、接続体６は、ボンディングワイヤ１１とこれに接続されるマイクロストリップ線路１２とで構成される。

変換部１３は、ボンディングワイヤ１１，マイクロストリップ線路１２を伝送するＴＥＭモードと、積層型導波管４を伝送するＴＥモードまたはＴＭモードとの伝送モードの変換を行なう部分であり、その構成については後述する。積層型導波管４と高周波素子２とを接続するにあたって、ボンディングワイヤ１１と変換部５とは直接接続してもよいし、本実施例のようにマイクロストリップ線路１２を介して接続してもよい。また、マイクロストリップ線路１２にはインピーダンス整合用のスタブを設けてもよい。

積層型導波管４は、基板１の第１主面１ａから第２主面１ｂ側に離間した、基板１内部に配置されている。その構成については後述するが、誘電体層とこの誘電体層を厚み方向に挟む１対の主導体層と、誘電体層を貫通し一対の主導体層の間を電気的に接続する複数のビアホール導体が伝送する高周波信号の遮断波長の１／２未満の間隔で配置された側壁導体群とで構成される。この積層型導波管４の第２主面１ｂ側の管壁には入出力部１０が形成されている。この入出力部１０はスロットアンテナ、パッチアンテナ等で構成される。

このように構成することで、高周波素子２と入出力部１０との間に高周波信号を伝送することができる。

そして、第１主面１ａには保護部材７が配置されている。保護部材７は、内部に高周波素子２を収容するキャビティを有しており、第１主面１ａに接合されることにより、高周波素子２を気密封止することができる。保護部材７はアルミニウムなどの金属からなる金属筐体によって形成することが好ましい。金属筐体とすることで、電磁波の遮蔽性が高く、放熱性がよくなる。また、金属筐体に限らず、樹脂製やセラミック製等の絶縁材料からなる筐体を用いてもよい。このような保護部材７は、高周波素子２と、接続体６と、基板１の第１主面１ａに露出する変換部５の一部のみを収容空間内に収めるように配置されている。これにより、収容空間のサイズを小さくすることができるので、収容空間内部での共振周波数を高周波素子２の動作周波数範囲外の高い領域に設定することができる。

高周波素子２には温度補償回路が接続されている。温度補償回路は、例えば、図２の回路図に示すように、外部バイアス端子Ｖｃｃから、接地電位までに抵抗器Ｒ，感温型抵抗器Ｒｔｈを直列に接続し、抵抗器Ｒと感温型抵抗器Ｒｔｈとの間に中間電圧を出力するための出力部Ｖｔが接続されている。

外部バイアス端子Ｖｃｃは、例えば、基板１の第１主面１ａのうち、保護部材７が配置された領域外に形成される導電層（不図示）で構成される。抵抗器Ｒは、例えば、基板１の第１主面１ａのうち、保護部材７が配置された領域外に配置されるチップ抵抗器（不図示）により構成される。

感温型抵抗器Ｒｔｈは、基板１の第１主面１ａのうち、保護部材７が配置された領域外に配置される感温型抵抗器８により構成される。そして、これらは基板１の第１主面１ａ上に形成された導電層により接続され、チップ抵抗器と感温型抵抗器８とを接続する導電層に、これと高周波素子２とを接続する出力部が接続されている。感温型抵抗器８は温度によって抵抗値が変化するものであり、例えばリニア正温度抵抗器を用いればよい。そして、この感温型抵抗器８は、基板１の内部に形成される伝送線路９により、接地用ビアホール導体群３に接続され、高周波素子２とともに接地電位に接続される。

このような温度によって抵抗値が変化する感温型抵抗器８と抵抗器Ｒからなる直列回路の中間電圧を高周波素子２の周波数制御用電圧端子に接続させる温度補償回路により、温度変化に追随して変化する中間電圧によって高周波素子２の動作周波数を制御する。これにより、温度による周波数変動を抑えた温度特性のよい高周波モジュールを提供することができる。また、このような簡易な構成の温度補償回路であり、かつ、その一部の構成を接地用ビアホール導体群３と共有させていることから、低コスト化することができる。

さらに、感温型抵抗器８の接地を基板１の内部に形成される伝送線路９および同じく基板１内部に形成される接地用ビアホール導体群３により実現する構成となっている。このような構成により、感温型抵抗器８を接地するための経路が全て基板１の内部に収容されていることとなり、接地するための経路が基板１の表面（１ａ）に露出している場合に比べて、外部環境に接することがないので外部環境の温度による影響を抑制し、安定して感温型抵抗器８を動作させることができる。すなわち、感温型抵抗器８は、高周波素子２と同様の環境下での温度補正を実現させるために、高周波素子２と同様に基板１の第１主面１ａに露出させて配置させる一方で、接地するための経路を構成する線路部分を基板１内部に形成することで、温度補正をすることのできない伝送線路の外部環境温度による影響を抑制し、より精密に温度補償を行なうことができるものとなる。

上述のようにして、高周波モジュールが構成される。この高周波モジュールの環境温度に対する動作周波数変動量を測定した結果を図３に示す。図３において、横軸は環境温度（単位：℃）、縦軸は周波数変動量（単位：ＧＨｚ）であり、本発明の高周波モジュールによる値を菱形の符号で、温度補償回路を有さない構成の高周波モジュールによる値を正方形の符号でプロットしている。図３からも明らかなように、本発明の高周波モジュールにより、大幅に温度による周波数変動量を抑制することができることを確認した。

次に、本発明の高周波モジュールを構成する積層型導波管４および変換部１３の構成について詳述する。

図４（ａ），（ｂ）は、それぞれ変換部および積層型導波管の構成を示す平面図および断面図である。

高周波用の基板１は複数の誘電体層が積層されて構成されるが、例えば、第１主面１ａ側から順に、誘電体層３１，３２，３３，３４が積層され、誘電体層のうち、第１主面１ａを含む誘電体層３１上にマイクロストリップ線路１２が形成される。

マイクロストリップ線路１２は、誘電体層３１を挟んで対向するストリップ導体１２ｂとグランド導体１２ｃとで構成されている。

変換部１３は、マイクロストリップ線路１２と積層型導波管４との間のインピーダンスを漸次あるいは段階的に変化するものであることが、伝送損失を少なくする観点から好ましい。このような変換部としては、図３に示すような、積層型導波管の断面積を段階的に変えた構成がある。

変換部１３は、第１の積層型導波管線路部２１０，第２の積層型導波管線路部２２０，積層型導波管線路部２３０を有する。第１の積層型導波管線路部２１０，第２の積層型導波管線路部２２０，積層型導波管線路部２３０のそれぞれの一対の導体層のうち、基板１の第１主面１ａに設けられる上側導体層２１１，２２１，２３１は平面状に構成され、これら上側導体層２１１，２２１，２３１は一体的に形成されている。第１の積層型導波管線路部２１０，第２の積層型導波管線路部２２０，積層型導波管線路部２３０のそれぞれの一対の導体層のうち、基板１の第１主面１ａに設けられる上側導体層２１１，２２１，２３１に対向する下側導体層２１２，２２２，２３２は、互いに一部が平面視で重畳するように異なる平面上に配置されている。そして、これらの下側導体層同士は、上記重畳領域においてビアホール導体群４１で互いに接続されている。

変換部１３の信号伝送方向に対する幅方向寸法Ｗは積層型導波管４の幅方向寸法と同じであり、伝送信号の周波数などによって適宜設定すればよい。例えば、伝送信号の周波数が７６．５ＧＨｚの場合にはＷ＝１．１５ｍｍであり、遮断周波数は約４３ＧＨｚで設定される。

また、下側導体層２１２，２２２，２３２の信号伝送方向端部は、伝送信号の波長λの１／４ずつ信号伝送方向にずれて設けられる。変換部１３の信号伝送方向に平行な長さ寸法Ｌは、平面視したときに下側導体層２１２，２２２，２３２を覆うように３λ／４に設定される。例えば、伝送信号の周波数が７０〜８５ＧＨｚのときにはＬ＝０．９ｍｍである。

変換部１３を構成する積層型導波管線路は、上述の通り一対の導体層とともにビアホール導体群４１，４２を含んで構成される。

ビアホール導体群４１，４２は、伝送信号の遮断周波数の１／２未満の間隔で信号伝送方向に沿って配列し、積層型導波管線路の電気的な側壁を形成し、この側壁と一対の導体層とによって導波管が構成せれる。

図５（ａ）〜（ｅ）を参照して、誘電体層毎に具体的に説明する。

図５（ａ）〜（ｄ）は誘電体層３１，３２，３３，３４を層毎に展開し、第１主面１ａ側からみた平面図である。図５（ｅ）は、誘電体層３４を第２主面１ｂ側からみた平面図である。

図５（ａ）に示すように、誘電体層３１の表面にはストリップ導体１２ｂと、これに接続される変換部１３の上側導体層２１１，２２１，２３１が形成される。上側導体層５１は、一端が上側導体層２３１の端部に接続して形成される。また、誘電体層３１の内部には、２列の側壁用ビアホール導体群４１，４２が形成される。

さらに、上側導体層５１と積層型導波管４の端部とは、上から見て重なっていて、この上側導体層５１と積層型導波管４を形成する一対の主導体層の上側に位置する上側導体層６１の端部を電気的に接続する境界壁形成用のビアホール導体群４３が信号伝送方向とは直交する方向に伝送信号の遮断波長の半分未満の間隔で誘電体層３１の内部に配置される。

図５（ｂ）に示すように、誘電体層３２の表面には、マイクロストリップ線路１２を構成する、グランド導体１２ｃ、副導体層５３が一体的に形成さえる。また、誘電体層３２の内部には、２列の側壁用ビアホール導体群４１，４２およびグランド導体１２ｃと下側導体層２１２とを接続する境界壁形成用ビアホール導体群４３が形成される。

図５（ｃ）に示すように、誘電体層３３の表面には、下側導体層２１２，副導体層５４，積層型導波管４を構成する一対の主導体層の一方である上側導体層６１が電気的に接続されて一体的に形成されている。また、誘電体層３３の内部には、２列の側壁用ビアホール導体群４１，４２および下側導体層２１２，２２２を電気的に接続する境界壁形成用のビアホール導体群４３が形成される。

図５（ｄ）に示すように、誘電体層３４の表面には、下側導体層２２２，副導体層５４、積層型導波管４を構成する副導体層５３が一体的に形成される。また、誘電体層３４の内部には、２列の側壁用ビアホール導体群４１，４２および下側導体層２２２，２３２を電気的に接続する境界壁形成用のビアホール導体群４３が形成される。

図５（ｅ）に示すように、誘電体層３４の下側の面には、下側導体層２３２と積層型導波管４の主導体層のうち下側に位置する下側導体層６２が一体的に形成される。

ここで、側壁用ビアホール導体群４１，４２を、積層型導波管４の上側導体層６１と下側導体層６２との間にも配列することで、積層型導波管４の側壁を形成する側壁導体群としても機能するものとなる。

そして、積層型導波管４および積層型導波管線路を複数層の誘電体層により構成する場合には、誘電体層間に主導体層と平行に副導体層を設けることが好ましい。副導体層は、同じ誘電体層内に存在する各ビアホール導体群を列ごとにそれぞれ電気的に接続するように、ビアホール導体群の配列方向に沿って延びる帯状の導体層である。

このような副導体層により、伝送信号の漏れを抑制するとともに、複数の誘電体層の間で積層ズレが生じた場合でも貫通導体の層間の接続不良を抑制することができる。

以上のような、積層型導波管４，変換部１３により、伝送損失が少ない高周波モジュールを提供することができる。

本発明の高周波モジュールは以上の実施の形態に限定されることなく、要旨を変更しない範囲で種々の改良・変形が可能である。

例えば、本発明の高周波モジュールは、保護部材７が変換部１３上に接触するように配置することが好ましい。これにより、収容空間のサイズをさらに小さくすることができるとともに、変換部１３と保護部材７との間で熱交換を容易にして、さらに高周波素子２の冷却効果が向上する。高周波素子２の熱が、これに電気的に接続された変換部１３を介して金属筐体からなる保護部材７に伝わり、空気中に放熱させることができるからである。

１基板
１ａ第１主面
１ｂ第２主面
２高周波素子
３接地用ビアホール導体群
４積層型導波管
６接続体
７保護部材
８感温型抵抗器
９伝送線路
１０入出力部
１１ボンディングワイヤ
１２マイクロストリップ線路
１２ｂストリップ導体
１２ｃグランド導体
１３変換部

Claims

基板と、
前記基板上に配置される高周波素子と、
前記基板の前記高周波素子が実装される領域の直下に形成され、前記高周波素子をグランド電位に接続する接地用ビアホール導体群と、前記基板の内部に配置され、誘電体層と、前記誘電体層を挟む一対の主導体層と、前記誘電体層を貫通し前記一対の主導体層の間を電気的に接続する複数のビアホール導体が伝送する高周波信号の遮断波長の１／２未満の間隔で配置された側壁導体群と、を備える積層型導波管と、
前記積層型導波管から前記基板上に前記高周波信号を導出するための変換部と、
前記高周波素子と前記積層型導波管とを前記変換部を介して接続する接続体と、
前記高周波素子と前記接続体と前記変換部とを内部に収容する収容空間を形成する保護部材と、
感温型抵抗器を有し、この感温型抵抗器から得る温度に応じた抵抗値により前記高周波素子の温度に対する周波数変動を補正する温度補償回路と、を有し、
前記感温型抵抗器は、前記基板上に配置され、前記基板の内部において前記接地用ビアホール導体群に接続される高周波モジュール。
前記温度補償回路は、
抵抗器と、
前記抵抗器に直列に接続された前記感温型抵抗器と、
前記抵抗器と前記感温型抵抗器との間に接続された中間電圧を出力する出力部と、を含む請求項１記載の高周波モジュール。