JP5383796B2 - 導波路変換部の接続構造、その作製方法、及びこの接続構造を用いたアンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、中空管路と伝送線路とが形成されて、高周波信号を中空管路から伝送線路へと伝搬する、或いは伝送線路から中空管路へと伝搬する導波路変換部の接続構造、その作製方法、及びこの接続構造を用いたアンテナ装置に関するものである。

マイクロ波やミリ波のレーダーや通信機器で使用される小型のアンテナ装置において、従来、金属材で管路を形成して管路内の空気を媒体として高周波信号を伝搬する導波管スロット型や、樹脂基板と金属プレートで構成され、基板と金属プレートとの間にある空気を媒体として高周波信号を伝搬するトリプレート型のものが知られている。

図６は、トリプレート型アンテナを搭載したレーダーの構成の一例を示す横断面図である。図６において、レーダー装置２０１は、トリプレート型アンテナ３と回路基板２とが、両者間に挟まれた導波管プレート１０にそれぞれ固定ねじ１４により固定された構造を成している。

トリプレート型アンテナ３は、２枚の金属プレート７が所定の間隔を空けて対向して配置され、一方の金属プレート７に樹脂製のアンテナ基板４が重ねられた構成となっている。アンテナ基板４の表面には、複数のアンテナ素子５とこのアンテナ素子５に高周波信号を伝搬するアンテナ線路６が設けられている。また、アンテナ基板４が設けられてない側の金属プレート７には、中空管路１１に対向する位置の対向面に導波管変換部８が形成され、また、アンテナ素子５に対向する位置にそれぞれ開口部９が開口している。

回路基板２には、中空管路１１が貫通して設けられ、回路基板２の両主面には所定の導体パターン１３が形成されている。また、中空管路１１の内壁は導体パターン１３にて覆われている。中空管路１１の一方の開口部に対向する位置に高周波モジュール１が配設されている。中空管路１１は、導波管プレート１０を貫通してアンテナ基板４まで延びている。さらに、中空管路１１を囲むようにしてチョーク溝１２が形成されている。

このような構成のレーダー２０１においては、高周波モジュール１とアンテナ基板４とは、図中波線矢印Ａで示すように双方向に高周波信号を伝搬可能な導波路変換部構造となっており、高周波モジュール１とアンテナ基板４との間は中空管路１１を通じて接続され、さらに、中空管路１１を囲むようにしてチョーク溝１２が形成されているので、高周波モジュール１とアンテナ基板４間の伝送損失を低減できる。

また、このような対向する２枚の金属プレート７を用いたアンテナ構造においては、形状が異なる導波路の接続箇所（金属プレート７とアンテナ基板４の接続点）や、導波路が分岐または結合する箇所等で生じる、伝送特性（損失や反射）の劣化を抑える整合用の導波管変換部８を、金属プレート７に溝や突起を設けることで形成できるという利点もある（例えば、特許文献１参照）。

国際公開第２００６／０９８０５４号

しかしながら、上記導波路の接続構造にあっては、金属プレート７のような金属部品を使用するために、部品数が増加して重量やコストが増加するといった問題や、装置の厚さが増大するという問題を有していた。

図７は、マイクロストリップアレー型アンテナ基板を、回路基板と一体で構成したレーダーの構成を想定した場合の横断面図である。上記の問題を解決する方法として、金属プレートを不要とした、図７に示すアンテナ装置２０２が想定される。図７に示すアンテナ装置２０２においては、アンテナ基板４を、給電線路が設けられた回路基板２と一体化することで、伝送経路の最短化と、部品の削減を図ることが可能となる。

しかし、アンテナ基板４と回路基板を１つの積層基板として形成するためには、アンテナ基板４と回路基板２のパターンおよびビアの配置（導波路を形成するビア１８，アンテナ基板４と回路基板２の接続ビア１９）が重要となる。両基板とも導波管との接続部の付近には、多数のビア１８，１９が必要となるが、ビアの配置位置が互いに重なり所望の位置に形成できない場合が多く、配置干渉を回避する措置が必要となる。そのため、積層基板の加工方法としては、導体層を１層ずつ積層して形成するビルドアップ工法を用いることが必要となる。

ところが、７７ＧＨｚ帯のような高周波のアンテナの場合には、アンテナに求められる寸法や厚みの必要精度はμｍオーダのレベルとなるため、ビルドアップ工法ではアンテナ基板４の厚み精度を得ることができないという問題がある。なお、ビルドアップ工法を用いずに、コア材（両面板）を用いてアンテナ基板４を予め加工した上で、回路基板に積層する場合には、アンテナ基板４と回路基板２とを接続するビア１８を形成できないため、両基板の積層界面から高周波信号が漏洩するといった問題が発生する。

また、上記のようにしてアンテナ基板４と回路基板２とを一体積層する場合には、回路基板２に形成する導波路は、中空管路とすることができず、誘電体導波路１７とする必要があり、通過損失が増加するという問題が発生する。これは、中空管路を設けた基板に、管路のない基板を積層すると、積層した樹脂材（プリプレグ）が、基板の積層工程において管路内に流れ込んだり、仕上げ工程のメッキ処理においては、片方が塞がった状態の導波管穴（座）の内部にメッキ液や洗浄液が滞留したりするために、管路の内壁に対して品質を維持したメッキを行うことができないためである。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、高周波信号を伝搬する中空管路が設けられた基板と、この基板に重ねて配設され、高周波信号が伝搬する伝送線路が設けられた基板とを備えた導波路変換部において、２枚の基板の接合界面からの高周波信号の漏洩を抑制できるとともに中空管路を容易に形成でき、これにより低損失とすることができる導波路変換部の接続構造、及びその作製方法を提供することを目的とする。さらに、この導波路変換部の接続構造を用いたアンテナ装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の導波路変換部の接続構造は、高周波信号を伝搬する中空管路が貫通して形成された第１の基板と、第１の基板に重ねて配設され、中空管路との接続箇所に設けられた変換器、及びこの変換器から延び高周波信号が伝搬する伝送線路が設けられた第２の基板とを備え、第１の基板の第２の基板と対向する面の中空管路の周囲に、この中空管路から所定間隔離れて囲むように高周波信号の漏洩を遮蔽するチョーク構造が設けられ、第１の基板と第２の基板とは、両基板間のチョーク構造より外側の位置に設けられた固定手段により相互に固定されていることを特徴とする。

また、本発明のアンテナ装置は、高周波信号を入力或いは出力する高周波モジュールと、高周波信号を伝搬する中空管路が貫通して形成された回路基板と、回路基板に重ねて配設され、中空管路との接続箇所に設けられた変換器、この変換器から延び高周波信号が伝搬する伝送線路、及びこの伝送線路に接続されたアンテナ素子とを有するアンテナ基板とを備え、回路基板のアンテナ基板と対向する面の中空管路の周囲に、この中空管路から所定間隔離れて囲むように高周波信号の漏洩を遮蔽するチョーク構造が設けられ、回路基板とアンテナ基板とは、両基板間のチョーク構造より外側の位置に設けられた固定手段により相互に固定されていることを特徴とする。

さらにまた、本発明の導波路変換部の作製方法は、高周波信号を伝搬する中空管路、及びこの中空管路の周囲に中空管路から所定間隔離れて囲むチョーク構造を有する第１の基板と、変換器、及びこの変換器から延び高周波信号が伝搬する伝送線路が設けられた第２の基板とをそれぞれ別に作製し、中空管路と変換器とが対応した位置となるように第１の基板と第２の基板とを重ね合わせ、第１の基板と第２の基板とを両基板間のチョーク構造より外側の位置に挟んだ接着剤により相互に固定することを特徴とする。

本発明によれば、高周波信号を伝搬する中空管路が設けられた基板と、この基板に重ねて配設され、高周波信号が伝搬する伝送線路が設けられた基板とを備えた導波路変換部において、２枚の基板の接合界面からの高周波信号の漏洩を抑制できるとともに中空管路を容易に形成でき、これにより低損失とすることができるという効果を奏する。

図１は、本発明にかかる導波路変換部の接続構造、及びこの接続構造を用いたアンテナ装置の実施の形態１を示す横断面図である。 図２は、図１のアンテナ基板を、アンテナ面側から見た上面図である。 図３は、図１の回路基板を、アンテナ面側（アンテナ基板は省略）から見た図である。 図４は、チョーク回路の詳細を示す図３のＢ−Ｂ線に沿う矢視断面図である。 図５は、本発明にかかる導波路変換部の接続構造、及びこの接続構造を用いたアンテナ装置の実施の形態２を示すアンテナ面側（アンテナ基板は省略）から見た図である。 図６は、トリプレート型アンテナを搭載したレーダーの構成の一例を示す横断面図である。 図７は、マイクロストリップアレー型アンテナ基板を、回路基板と一体で構成したレーダーの構成を想定した場合の横断面図である。

以下に、本発明にかかる導波路変換部の接続構造、その作製方法、及びこの接続構造を用いたアンテナ装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明にかかる導波路変換部の接続構造、及びこの接続構造を用いたアンテナ装置の実施の形態１を示す横断面図である。図２は、図１のアンテナ基板を、アンテナ面側から見た上面図である。図３は、図１の回路基板を、アンテナ面側（アンテナ基板は省略）から見た図である。図４は、チョーク回路の詳細を示す図３のＢ−Ｂ線に沿う矢視断面図である。アンテナ装置１０１、ＦＭ／ＣＷレーダーなどのミリ波あるいはマイクロ波レーダーなどに適用される。

アンテナ装置１０１は、マイクロ波やミリ波帯の高周波信号を入出力する高周波モジュール１と、高周波信号を伝搬する中空管路１１が形成された回路基板（第１の基板）２と、回路基板２に重ねて配設され、アンテナ素子５を搭載するマイクロストリップアレー型のアンテナ基板（第１の基板）４とを有している。中空管路１１及びマイクロストリップ線路１６は、高周波モジュール１とアンテナ素子５との間で、高周波モジュール１からアンテナ素子５に出力される送信の電磁波信号、あるいはアンテナ素子５から高周波モジュール１に入力される受信の電磁波信号を伝送する。これら送信および受信の電磁波信号をまとめて高周波信号という。アンテナ装置２０１の構成のうち、高周波モジュール１とアンテナ素子５とを除く部分は、図中波線矢印Ａで示すように双方向に高周波信号を伝搬可能な導波路変換部構造となっている。

回路基板２は、例えば樹脂等の基板材料で作製され、表裏両主面に所定の導体パターン１３が形成され、種々の電子部品（図示せず）が搭載されている。回路基板２には、中空管路１１が貫通して形成されている。中空管路１１の内壁は導体パターン１３にて覆われている。回路基板２のアンテナ基板４と対向しない（図１の下側の）第２の主面には、中空管路１１の開口部に対向する位置に高周波モジュール１が配設されている。中空管路１１は、高周波モジュール１の発生するマイクロ波やミリ波の高周波信号をアンテナ基板４に伝搬するように、回路基板２を貫通してアンテナ基板４まで延びている。回路基板２の（図１の上側の）第１の主面には、中空管路１１を囲むようにしてチョーク回路（チョーク構造）２１が設けられている。なお、図１において、チョーク回路２１は簡略して記載しており、詳細は後述する。

回路基板２の第１の主面に重ねてアンテナ基板４が設けられている。アンテナ基板４は、例えば厚みが管理されたコア基板（樹脂材の両面に予め導体が接合されている基板材料）を使用する。図２に示されるように、回路基板２の中空管路１１と対向する部分には、回路基板２を貫通する複数のビア１８が、矩形の中空管路１１の開口部を囲むように矩形にならんで形成されている。そして、アンテナ基板４の回路基板２と反対側の第１の主面の中空管路１１と対応した位置にアンテナ用変換器（変換器）２２が設けられている。

さらに、アンテナ基板４の第１の主面には、アンテナ用変換器２２から延びるマイクロストリップ線路（伝送線路）１６が直線状に形成されている。そして、このマイクロストリップ線路１６に沿って複数のアンテナ素子５が併設されており、各々のアンテナ素子５は、それぞれマイクロストリップ線路１６から枝分かれするストリップ線路に接続されている。

回路基板２とアンテナ基板４とは、基板完成までの全工程（例えば、基板の積層から、パターン加工を経てメッキ処理完了に至るまで）をそれぞれ別にして作製され、その後、両基板間に挟まれるように塗布された接着剤（固定手段）２０により相互に固着される。接着剤２０は、チョーク回路２１の外側の位置で、回路基板２とアンテナ基板４との間に挟まれて設けられている。接着剤２０としては、例えば塗布時に流れ出ない程度の粘性を有し、アンテナ基板４や回路基板２の厚みよりも薄い所定の厚みを有した形状であり、非導電性のシート接着剤を用いるとより良い。回路基板２とアンテナ基板４の間にシート接着剤による接着剤２０を挟み、所定温度及び所定圧力で加圧することにより、回路基板２とアンテナ基板４の間隔を所定距離範囲に設定することができる。これによって、チョーク回路２１の周辺で回路基板２とアンテナ基板４の間に所定距離の隙間を設けることができる。また、この加圧時に、接着剤２０の端部がチョーク回路２１に到達しないように、加圧前に、チョーク回路２１から所定距離だけ離間した位置に、接着剤２０の端部が配設される。

チョーク回路２１の詳細を説明する。チョーク回路２１は、第１の主面の中空管路１１の周囲に形成される内側表面導体パターン２１ａと、この内側表面導体パターン２１ａの周囲に間隔をおいて形成される外側表面導体パターン２１ｂと、内側表面導体パターン２１ａと外側表面導体パターン２１ｂの間に形成され、誘電体の露出された導体開口部２１ｃと、この導体開口部２１ｃから回路基板２の厚さ方向（深さ方向）に所定の距離だけ離れた位置に形成された内層導体２１ｄと、この内層導体２１ｄと内側表面導体パターン２１ａ及び外側表面導体パターン２１ｂとを接続する複数のビア（貫通導体）２１ｅとによって形成された先端短絡の誘電体伝送路２１ｆとを有している。

このような構成の導波路変換部の接続構造、及びこの接続構造を用いたアンテナ装置１０１においては、回路基板２は、高周波モジュール１から延びる伝送経路として中空管路１１を形成し、中空管路１１から所定の間隔で離れた位置には、高周波信号を遮蔽するためのチョーク回路２１を有している。このチョーク回路２１は、回路基板２とアンテナ基板４の接合界面からの高周波信号の漏れを遮蔽する。なお、上記構造のチョーク回路２１の場合、回路基板２、アンテナ基板４間が電気的に接続していない状態や、所定の隙間がある場合でも、高周波信号の漏れを抑制することが可能である。

また、アンテナ基板４の構成は、上記のように回路基板２と分離して作製することにより、厚みが管理されたコア基板を使用することができるため、基板製作前に材料厚みの良否を選別できることから、不良品が発生せず無駄なく製作することが可能である。

さらに、接着剤２０を、回路基板２のチョーク回路２１を塞がない位置に配置し、回路基板２とアンテナ基板４を、この接着剤２０にて接着固定することによって、それぞれ中空管路１１、及びストリップ線路１６とを設けた基板同士を接続した導波路変換部の接続構造を実現することができる。

なお、本実施の形態の導波路変換部の接続構造においては、回路基板２とアンテナ基板４との電気的導通を必要としないので、接着剤２０は安価な非導電性接着剤を用いることが可能となる。なお、回路基板２とアンテナ基板４とを固着する固着材料としては、接着剤２０に限定されず、両面テープ、はんだ付け、溶着（樹脂を溶かして固着する）などの方法を用いてもよい。

実施の形態２．
図５は、本発明にかかる導波路変換部の接続構造、及びこの接続構造を用いたアンテナ装置の実施の形態２を示すアンテナ面側（アンテナ基板は省略）から見た図である。本実施の形態においては、回路基板２に３つの中空管路１１及びチョーク回路２１が併設されている。このように中空管路１１を複数設ける構成は、レーダーの送信または受信チャネルが複数ある場合にとられる。このような構成においては、一般に隣接する中空管路１１との間の距離が短いために、チョーク回路２１を個々に取り囲むように接着剤で固定することは難しい。そこで、本実施の形態においては、複数のチョーク回路２１をまとめて取り囲むように接着剤２０が配置されている。そのため、中空管路１１が併設されている場合においても回路基板２とアンテナ基板との安定した接続構造を実現できる。

以上のように、本発明にかかる導波路変換部の接続構造、及びこの接続構造を用いたアンテナ装置は、マイクロ波やミリ波のレーダーや通信機器で使用される小型のアンテナに適している。

１ 高周波モジュール、２ 回路基板（第１の基板）、３ トリプレート型アンテナ、４ アンテナ基板（第２の基板）、５ アンテナ素子、６ アンテナ線路、７ 金属プレート、８ 導波管変換部、９ 開口部、１０ 導波管プレート、１１ 中空管路、１２ チョーク溝、１３ 導体パターン、１４ 固定ねじ、１６ マイクロストリップ線路（伝送線路）、１７ 誘電体導波路、１８ ビア、１９ アンテナ基板と回路基板の接続ビア、２０ 接着剤（固着材）、２１ チョーク回路（チョーク構造）、２１ａ 内側表面導体パターン、２１ｂ 外側表面導体パターン、２１ｃ 導体開口部、２１ｄ 内層導体、２１ｅ ビア（貫通導体）、２１ｆ 誘電体伝送路、２２ アンテナ用変換器（変換器）、１０１ アンテナ装置。

Claims (13)

1. 高周波信号を伝搬する中空管路が貫通して形成された第１の基板と、
   前記第１の基板に重ねて配設され、前記中空管路との接続箇所に設けられた変換器、及び該変換器から延び高周波信号が伝搬する伝送線路が設けられた第２の基板とを備え、
   前記第１の基板の前記第２の基板と対向する面の前記中空管路の周囲に、該中空管路から所定間隔離れて囲むように前記高周波信号の漏洩を遮蔽するチョーク構造が設けられ、
   前記第１の基板と前記第２の基板とは、両基板間の前記チョーク構造より外側の位置に設けられ、前記チョーク構造を連続的に取り囲み且つべた状態として設けられた接着剤により相互に固定されている
   ことを特徴とする導波路変換部の接続構造。
2. 前記べた状態は、前記チョーク構造より外側である前記第１の基板と前記第２の基板との間の領域に前記接着剤が全面的に設けられている状態である
   ことを特徴とする請求項１に記載の導波路変換部の接続構造。
3. 前記接着剤は、シート接着剤である
   ことを特徴とする請求項２に記載の導波路変換部の接続構造。
4. 前記チョーク構造は、
   前記第１の基板の前記第２の基板に対向する表面であって前記中空管路の周囲に形成される内側表面導体パターンと、
   前記内側表面導体パターンの周囲に間隔をおいて形成される外側表面導体パターンと、
   前記内側表面導体パターンと前記外側表面導体パターンの間に形成され、誘電体の露出された導体開口部と、
   前記導体開口部から第１の基板の積層方向に所定の距離だけ離れた位置に形成された内層導体と、この内層導体と前記内側表面導体パターンおよび外側表面導体パターンとを接続する複数の貫通導体とによって形成された先端短絡の誘電体伝送路とを有している
   ことを特徴とする請求項１に記載の導波路変換部の接続構造。
5. 前記第１の基板と前記第２の基板は、それぞれ別な工程にて作製され、前記接着剤により固定される
   ことを特徴とする請求項１に記載の導波路変換部の接続構造。
6. 前記中空管路、及び前記チョーク構造は、複数組が併設され、前記接着剤は、複数組の前記中空管路、及び前記チョーク構造をまとめて囲むように設けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載の導波路変換部の接続構造。
7. 前記接着剤は、前記チョーク構造より外側の位置で、前記第１の基板と前記第２の基板との間に挟まれて設けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載の導波路変換部の接続構造。
8. 前記接着剤は、非導電性接着剤である
   ことを特徴とする請求項７に記載の導波路変換部の接続構造。
9. 前記第２の基板は、厚みが管理されたコア基板が使用されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の導波路変換部の接続構造。
10. 高周波信号を入力或いは出力する高周波モジュールと、
    高周波信号を伝搬する中空管路が貫通して形成された回路基板と、
    前記回路基板に重ねて配設され、前記中空管路との接続箇所に設けられた変換器、該変換器から延び高周波信号が伝搬する伝送線路、及び該伝送線路に接続されたアンテナ素子とを有するアンテナ基板とを備え、
    前記回路基板の前記アンテナ基板と対向する面の前記中空管路の周囲に、該中空管路から所定間隔離れて囲むように前記高周波信号の漏洩を遮蔽するチョーク構造が設けられ、
    前記回路基板と前記アンテナ基板とは、両基板間の前記チョーク構造より外側の位置に設けられ、前記チョーク構造を連続的に取り囲み且つべた状態として設けられた接着剤により相互に固定されている
    ことを特徴とするアンテナ装置。
11. 前記中空管路、及び前記チョーク構造は、複数組が併設され、前記接着剤は、複数組の前記中空管路、及び前記チョーク構造をまとめて囲むように設けられている
    ことを特徴とする請求項１０に記載のアンテナ装置。
12. 高周波信号を伝搬する中空管路及び該中空管路の周囲に前記中空管路から所定間隔離れて囲むチョーク構造を有する第１の基板と、変換器、及び該変換器から延び高周波信号が伝搬する伝送線路が設けられた第２の基板とをそれぞれ別に作製し、
    前記中空管路と前記変換器とが対応した位置となるように前記第１の基板と前記第２の基板とを重ね合わせ、 前記第１の基板と前記第２の基板とを両基板間の前記チョーク構造より外側の位置に挟んだ接着剤により相互に固定する
    ことを特徴とする導波路変換部の作製方法。
13. 前記第２の基板として、厚みが管理されたコア基板を使用する
    ことを特徴とする請求項１２に記載の導波路変換部の作製方法。

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