JP6138410B2 - 高周波モジュール - Google Patents

Description

この発明は、シールド構造を有する高周波モジュールに関するものである。

高周波モジュールは、例えば通信装置やレーダシステムに用いられており、送信系で使用する高出力増幅器や受信系で使用する低雑音増幅器として機能する各素子が複数搭載されているものである。このような高周波モジュールにおいては、高出力増幅器で増幅された信号が隣接する高出力増幅器や低雑音増幅器にリークして誤動作を起こさないように、モジュール内で高出力増幅器と低雑音増幅器の間や、隣接する他の高出力増幅器の間に十分なシールド性能を確保する必要がある。また、素子毎の空間をできるだけ小さくし、その空間のカットオフ周波数を高くして空間アイソレーションを確保する必要がある。

例えば、特許文献１には、高周波モジュールのモジュールケース（筺体）内に、回路基板上の接地面と電気的に接続する導電性のカットオフブロックを設け、カットオフブロックが高周波回路部を間仕切りするシールド構造が開示されている。
また、特許文献２（特に図８）には、複数の素子を一体化して形成した高周波モジュールにおいて、素子毎にカットオフブロックとして電磁シールド用のカバーを設けるシールド構造が開示されている。

特開２００９−１７０８４３号公報 特開２００４−１２０３２５号公報

しかしながら、特許文献１の高周波モジュールは、別途カットオフブロックを設けているため小型化、低コスト化することが困難であり、かつ、そのカットオフブロックが間仕切りした一空間には複数の素子が含まれているため、素子毎に小さな空間を作ることができず高いシールド性能が得られないという課題があった。特許文献２の高周波モジュールは、素子の数だけカットオフブロックが必要であり、その組み付け作業時間も長時間を要するという問題があった。その結果、高周波モジュールを小型化、低コスト化することが困難であるという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、素子毎の高いシールド性を確保しつつ小型化かつ低コスト化した高周波モジュールを提供することを目的とする。

この発明に係る高周波モジュールは、複数の素子で構成される高周波回路部品が表面に実装され、前記高周波回路部品からの高周波信号を外部に通す高周波信号用コネクタと前記高周波回路部品とを電気的に接続するトリプレート線路を内層に有し、両面にスルーホールを介して電気的に接続する接地導体がプリントされた誘電体基板と、前記高周波回路部品の各素子間に配置され、前記誘電体基板の表面の接地導体と電気的に接続し、前記素子毎に独立した複数の密閉空間を形成する、直下に前記スルーホールが位置する立壁を有する導体蓋と、前記導体蓋が取り付けられて内部に前記誘電体基板を格納する金属導体ベースとを備え、前記誘電体基板は、前記高周波回路部品が実装された表面に対応する裏面全面に接地導体がプリントされ、当該裏面の接地導体の全面で前記金属導体ベースと電気的に接続されて、前記素子毎に独立した複数の密閉空間では、前記高周波信号の進行方向に対する垂直方向の幅で決まるカットオフ周波数による電磁遮蔽が行われ、前記素子毎に独立した複数の密閉空間と前記高周波信号用コネクタとの間に形成された高周波線路は、前記トリプレート線路で形成されて前記高周波信号の放射・結合が抑制されることを特徴とするものである。

この発明に係る高周波モジュールによれば、上記のような立壁を備えた導体蓋を有するよう構成したことにより、モジュールカバーとしての導体蓋で素子毎に電磁遮蔽を行い、隣接する素子との干渉を抑制するとともに密閉空間内のカットオフ周波数を高くすることができる。その結果、高周波モジュールを小型化かつ低コスト化しつつ素子毎の高いシールド性を確保することができる。

この発明の実施の形態１に係る高周波モジュールの構成を示す分解斜視図（ａ）と、その高周波モジュールの組み付け後を示す図（ｂ）である。 図１の高周波モジュールの導体蓋を示す図である。 図１（ｂ）の高周波モジュールのＡ−Ａ´線における断面を示す図である。 図３の高周波モジュールのＢ−Ｂ´線から見た図である。 高周波モジュールにおける樹脂基板の断面を示す図である。 この発明の実施の形態２に係る高周波モジュールの構成を示す分解斜視図である。 図５の高周波モジュールの導体蓋を示す図である。 この発明の実施の形態３に係る高周波モジュールの構成を示す図である。 実施の形態３の高周波モジュールの構成の他の一例を示す図である。 実施の形態３の高周波モジュールの構成の別の一例を示す図である。

以下、この発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１（ａ）は実施の形態１に係る高周波モジュール１を分解した構成を示しており、図１（ｂ）は組み立て後の高周波モジュール１を示している。
高周波モジュール１は、図１（ａ）に示すように、導体蓋１０（立壁付き導体蓋）、導体蓋１１、樹脂基板２１、サーキュレータ２２、高周波回路部品２４、セラミック基板２５、電源・制御回路部品２６（電源、制御回路部品）、高周波信号用コネクタ２７、樹脂基板２８（誘電体基板）、接地導体２９、金属導体ベース３０、多極コネクタ３１、高周波信号用コネクタ３２で構成されている。なお、図１（ａ）においては、接地導体２９の配置を分かりやすくするため、樹脂基板２８上の高周波回路部品２４と電源・制御回路部品２６の詳細な構成を省略している。
導体蓋１０と導体蓋１１と金属導体ベース３０は、図１（ｂ）に示すように組み合わされ、取り付けネジ３３で固定されることでモジュールケース（筺体）として機能し、その内部に樹脂基板２１、サーキュレータ２２、高周波回路部品２４、セラミック基板２５、電源・制御回路部品２６、高周波信号用コネクタ２７、樹脂基板２８、接地導体２９を覆うように格納する。このとき、高周波回路部品２４は導体蓋１０に覆われ、電源・制御回路部品２６は導体蓋１１に覆われる。導体蓋１０の詳細な形状については後述する。なお、各構成が格納される際、樹脂基板２１、サーキュレータ２２、高周波回路部品２４、電源・制御回路部品２６は、それぞれ金属リボンや金ワイヤによりそれぞれ電気的に接続される。

樹脂基板２１は、裏面全面に接地導体が形成され、表面にサーキュレータ２２と高周波信号用コネクタ３２を電気的に接続する回路と、導体蓋１０と導通させるための接地導体２９が形成されている。
サーキュレータ２２は、既知の通信機器に用いられる電子回路であり、例えば３つ以上の端子を有し、高周波信号用コネクタ３２を介してある一端子に入力した信号を一定の他の端子から出力するよう機能する。サーキュレータ２２は、高周波回路部品２４を構成する複数の高周波回路毎に設けられており、金属導体ベース３０に組み付けられた際、各サーキュレータ２２間に導体蓋１０の立壁１０ａが挿入できる程度の隙間が設けられるよう構成されている。
高周波回路部品２４は、図示しない金属導体の上にセラミック基板２５とともに実装されてなる部品と、樹脂基板２８の表面上略半分に実装される部品とで構成されている。高周波回路部品２４は、複数の素子（高周波回路素子）を有しており、素子毎に機能を実行する複数の高周波回路からなるユニットである。この高周波回路は、例えば高出力増幅器や低雑音増幅器として機能する。
セラミック基板２５は、高周波回路部品２４の複数の高周波回路毎に設けられる回路基板として機能し、図示しない金属導体の上に高周波回路部品２４とともに実装されて一つの部品となり、金属導体ベース３０にネジ止めされて固定される。セラミック基板２５は、金属導体ベース３０に組み付けられた際、各セラミック基板２５間に導体蓋１０の立壁１０ａが挿入できる程度の隙間が設けられる。
電源・制御回路部品２６は、高周波回路部品２４を制御する制御回路としての機能と、高周波回路部品２４に電流を供給する電源回路としての機能を有しており、樹脂基板２８表面上略半分に実装されている。
高周波信号用コネクタ２７は、樹脂基板２８上に取り付けられた同軸ケーブルを有するコネクタであり、樹脂基板２８の高周波回路部品２４からの高周波信号を外部に通すよう機能し、高周波回路部品２４と樹脂基板２８内に形成されたマイクロストリップラインで電気的に接続されている。
樹脂基板２８（誘電体基板）は、樹脂で構成された基板表面に高周波回路部品２４と電源・制御回路部品２６を実装する回路基板として機能し、その両面には接地導体２９がプリントされている。
接地導体２９は、樹脂基板２１、樹脂基板２８のそれぞれ裏面全面と、表面上の導体蓋１０と接触するような位置にプリントされている。各面の接地導体２９は、後述する図３に示すように樹脂基板２８のスルーホール２８ａを介して電気的に接続されている。接地導体２９は、例えば樹脂基板２８表面上の高周波回路部品２４の複数の高周波回路（素子）間に配置され、高周波モジュール１が組み立てられた際に導体蓋１０の立壁１０ａ（図２で後述する）と接触して導通する。また、接地導体２９は、例えば樹脂基板２８の裏面全面に設けられており、金属導体ベース３０と接触して導通する。

なお、実施の形態１においては、樹脂基板２１、サーキュレータ２２、セラミック基板２５、樹脂基板２８を組み合わせる構成を説明しているが、一枚の基板上にサーキュレータ２２と高周波回路部品２４と電源・制御回路部品２６を実装する構成であってもよい。

金属導体ベース３０は、導体蓋１０、導体蓋１１、樹脂基板２１、サーキュレータ２２、高周波回路部品２４、セラミック基板２５、樹脂基板２８を取り付けネジにより固定するモジュールケースを構成している。また、金属導体ベース３０には外側一方から多極コネクタ３１が取り付けられ、外側他方から高周波信号用コネクタ３２が取り付けられ、多極コネクタ３１と高周波信号用コネクタ３２が内部のサーキュレータ２２、高周波回路部品２４と電気的に接続される。

導体蓋１０について詳細に説明する。図２は高周波モジュール１の導体蓋１０の内面の構造を示している。導体蓋１０の内面には、図２に示すように、所定の間隔で複数並行に配置された立壁１０ａと、導体蓋１０を金属導体ベース３０に取り付けるためのネジ取り付け穴１０ｂが設けられている。複数の立壁１０ａの間隔は、高周波回路部品２４を構成する複数の高周波回路毎の回路幅に対応し、その回路毎に間仕切りする幅であり、かつ、可能な限り小さい幅である。立壁１０ａは、高周波回路部品２４の各回路間に配置され、樹脂基板２８表面の接地導体２９と電気的に接続し、素子毎に独立した密閉空間を形成する。また、立壁１０ａは、サーキュレータ２２間の隙間及びセラミック基板２５間の隙間に挿入され、金属導体ベース３０と接触して電気的に接続する。なお、導体蓋１０と導体蓋１１は、樹脂の表面に金属メッキを施して形成されているものであってもよい。

次に、高周波モジュール１において電磁遮蔽を行うシールド構造について説明する。
図３は、図１（ｂ）の高周波モジュール１におけるＡ−Ａ´線断面を示している。なお、図３においては、樹脂基板２８上に実装された高周波回路部品２４の図示を省略している。高周波モジュール１において、図３に示すように、樹脂基板２８にはスルーホール２８ａを介して電気的に接続する接地導体２９が両面にプリントされている。導体蓋１０の立壁１０ａは、樹脂基板２８上の高周波回路部品２４の各素子間に配置され、樹脂基板２８の表面の接地導体２９と接触して電気的に導通状態になるよう接続している。また、導体蓋１０は、その外縁で金属導体ベース３０と接触して電気的に導通状態になるよう接続している。

図４は、図３の高周波モジュール１をＢ−Ｂ´線で切り取ったときの上面から見た構成を示している。高周波モジュール１は、図４に示すように、樹脂基板２１、サーキュレータ２２、セラミック基板２５、樹脂基板２８が組み付けられて構成されている。ここで、高周波回路部品２４は、セラミック基板２５側の部品２４ａと樹脂基板２８側の部品２４ｂとして実装されている。そのため、樹脂基板２８上における高周波回路間の電磁遮蔽を行う必要がある。そこで、高周波モジュール１は導体蓋１０の立壁１０ａと樹脂基板２８上の接地導体２９により高周波回路部品２４の素子毎に独立した図３に示す密閉空間４０を形成し電磁遮蔽している。
また、高周波モジュール１は、空間アイソレーションを改善するために、導体蓋１０の立壁１０ａにより形成される密閉空間４０のカットオフ周波数を高くしている。ここで、空間アイソレーションについて説明する。一般的にモジュールケース内の空間アイソレーション量は次式（１）で簡易表現されている。

ただし、αは単位長さあたりの空間アイソレーション量［ｄＢ／ｍｍ］であり、λｃはカットオフ周波数の波長［ｍｍ］であり、λは通過周波数の波長［ｍｍ］である。

式（１）において、モジュールケース内のカットオフ周波数の波長λｃは、高周波信号の進行方向に対して図４に示す垂直方向の幅ａで決まるので、既知の技術からカットオフ周波数の波長はλｃ＝２ａで表される。ここでカットオフ周波数はｆｃ＝ｃ／λｃで求められる。ただし、ｃは光速を示している。よって、単位長さあたりの空間アイソレーション量をできるだけ大きくするためには、モジュールケース内の幅ａを小さくすることは重要であり、カットオフ周波数の波長λｃを大きくする上での大きな要素となる。したがって、図４に示す高周波モジュール１における密閉空間４０の幅ａを小さくすることで空間アイソレーション量を大きくするよう改善することができる。

以上のように、実施の形態１の高周波モジュール１は、樹脂基板２８の表面に実装された高周波回路部品２４を構成する素子毎に独立した密閉空間４０を形成する立壁１０ａを備えた導体蓋１０を備え、その導体蓋１０と金属導体ベース３０を組み合わせ、素子毎に構成される高周波回路をそれぞれ覆って格納することにより、モジュールカバーとしての導体蓋１０ａで高周波回路部品２４の素子毎に電磁遮蔽を行い、隣接する素子間の干渉を抑制するとともに密閉空間４０内のカットオフ周波数を高くすることができる。その結果、高周波モジュールを小型化かつ低コスト化しつつ素子毎の高いシールド性を確保することができるという効果が得られる。

なお、本実施の形態１では、送受信系の高周波モジュール１について説明したが、多系統の送受信モジュールについて適用してもよく、また、受信系のみ及び送信系のみの高周波モジュールに適用してもよい。

なお、図５に示すように、樹脂基板２８内層のトリプレート線路２８ｂを通して高周波回路部品２４から直接、高周波信号用コネクタ２７に給電するよう構成することで、樹脂基板２８上に高周波線路をパターン形成するよりも、高周波信号の放射・結合が抑制されるという効果と、高周波信号の損失を低減することができるという効果が得られる。

実施の形態２．
実施の形態１においては、立壁１０ａを備えた導体蓋１０と導体蓋１１を別の構成として説明したが、導体蓋１０，１１が分離していることによりモジュールのそり、ひずみなどに対する強度は金属導体ベース３０で維持していた。実施の形態２は、高周波モジュールの強度を向上させる構成について説明する。
図６は実施の形態２に係る高周波モジュール２を分解した構成を示している。図６において、実施の形態１の高周波モジュール１と同様の構成については図１と同一の符号を付し、その説明を省略する。
高周波モジュール２は、図６に示すように、導体蓋１１０（立壁付き導体蓋）、樹脂基板２１、サーキュレータ２２、高周波回路部品２４、セラミック基板２５、電源・制御回路部品２６、高周波信号用コネクタ２７、樹脂基板２８（誘電体基板）、接地導体２９、金属導体ベース３０、多極コネクタ３１、高周波信号用コネクタ３２で構成されている。ここで、導体蓋１１０以外の構成は、実施の形態１と同様であるため説明を省略する。なお、図６においては、接地導体２９の配置を分かりやすくするため、樹脂基板２８上の高周波回路部品２４と電源・制御回路部品２６の詳細な構成を省略している。

導体蓋１１０について説明する。図７は高周波モジュール２の導体蓋１１０の内面の構造を示している。導体蓋１１０は、実施の形態１の導体蓋１０と導体蓋１１を一体化した構造であり、導体蓋１１０の内面略半分には、図７に示すように、樹脂基板２８上の高周波回路部品２４に対応する位置に所定の間隔で複数並行に配置された立壁１１０ａと、導体蓋１１０を金属導体ベース３０に取り付けるためのネジ取り付け穴１１０ｂが設けられている。複数の立壁１１０ａの間隔は、高周波回路部品２４の回路幅に対応し、その回路毎に間仕切りする幅であり、かつ、可能な限り小さい幅である。
高周波モジュール１は、立壁１１０ａを具備する導体蓋１１０と金属導体ベース３０が組み合わさることでモジュールケースとして機能し、その内部に樹脂基板２１、サーキュレータ２２、高周波回路部品２４、セラミック基板２５、電源・制御回路部品２６、高周波信号用コネクタ２７、樹脂基板２８、接地導体２９を覆って格納するよう構成されている。

高周波モジュール２において電磁遮蔽を行うシールド構造は、実施の形態１と同様であるため説明を省略する。

以上のように、実施の形態２の高周波モジュール２は、実施の形態１の効果に加え、高周波回路部品２４を構成する複数の素子毎に密閉空間を形成する立壁１１０ａを備え、高周波回路部品２４と電源・制御回路部品２６を覆って格納する導体蓋１１０を有する構成にしたことにより、高周波モジュール２の剛性を導体蓋１１０と金属導体ベース３０とで維持することができる。その結果、高周波モジュール２のそり、ひずみなどに対する強度が向上するという効果が得られる。

なお、実施の形態１の導体蓋１０と導体蓋１１、実施の形態２の導体蓋１１０は、樹脂の表面に金属メッキを施して形成されているものであってもよい。

実施の形態３．
実施の形態３では、実施の形態１，２に比べてよりシールド性を高める構成について説明する。
図８は、実施の形態３の高周波モジュールの一部断面を示している。図８（ａ）は導体蓋１０の立壁１０ａで形成された空間部分における断面であり、図８（ｂ）は導体１０の立壁１０ａ部分における断面である。図８（ｃ）は、図８（ａ）、図８（ｂ）のＣ−Ｃ´線における断面を示している。

図８（ａ）、図８（ｂ）、図８（ｃ）に示すように、導体蓋１０の天板部と金属導体ベース３０の側壁の頂部（外縁）とは接触して接続しており、導体蓋１０の天板部と金属導体ベース３０の側壁の頂部との間に導電性パッキン５０が設けられている。導電性パッキン５０は、例えば太陽金網株式会社製のコ・フォームが用いられ、金属導体ベース３０の側壁の頂部に設けられた溝に配置されている。導電性パッキン５０は、金属導体ベース３０と導体蓋１０が組み付け接続される際に、導体蓋１０の天板部と金属導体ベース３０の側壁の頂部に挟持されることで導体蓋１０と金属導体ベース３０との導通を確実にして、高周波モジュール１のシールド性を向上させるようにしている。

また、図９に示すように、導体蓋１０の外壁部と金属導体ベース３０の外縁との接触部分に導電性パッキン５０を設けるよう構成しても、高周波モジュール１のシールド性を向上させることができる。

以上のように、実施の形態３の高周波モジュール１は、樹脂基板２１，２８（誘電体基板）を格納する金属導体ベース３０と導体蓋１０との接触部分に導電性パッキン５０を挟持させるので、導体蓋１０と金属導体ベース３０との導通を確実にして、高周波モジュール１のシールド性を向上させることができるという効果が得られる。

なお、図１０に示すように、導体蓋１０の外壁部と金属導体ベース３０の外縁が、樹脂基板２８を挟み込むような構成にしても良い。その場合、樹脂基板２８は、幅が金属導体ベース３０及び導体蓋１０の幅と同一であり、樹脂基板２８の両端部分にも接地導体２９を設けるよう構成される。導体蓋１０の外壁部と金属導体ベース３０の外縁は、樹脂基板２８の接地導体２９を介して電気的に接続される。このように構成しても、高周波モジュール１のシールド性を向上させることができる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１，２ 高周波モジュール、１０，１１０ 導体蓋（立壁付き導体蓋）、１０ａ，１１０ａ 立壁、１０ｂ，３３，１１０ｂ 取り付けネジ、１１ 導体蓋、２１，２８ 樹脂基板（誘電体基板）、２２ サーキュレータ、２４ 高周波回路部品、２５ セラミック基板、２６ 電源・制御回路部品（電源、制御回路部品）、２７ 高周波信号用コネクタ、２８ａ スルーホール、２８ｂ トリプレート線路、２９ 接地導体，３０ 金属導体ベース、３１ 多極コネクタ、３２ 高周波信号用コネクタ、４０ 密閉空間、５０ 導電性パッキン。

Claims (3)

1. 複数の素子で構成される高周波回路部品が表面に実装され、前記高周波回路部品からの高周波信号を外部に通す高周波信号用コネクタと前記高周波回路部品とを電気的に接続するトリプレート線路を内層に有し、両面にスルーホールを介して電気的に接続する接地導体がプリントされた誘電体基板と、
   前記高周波回路部品の各素子間に配置され、前記誘電体基板の表面の接地導体と電気的に接続し、前記素子毎に独立した複数の密閉空間を形成する、直下に前記スルーホールが位置する立壁を有する導体蓋と、
   前記導体蓋が取り付けられて内部に前記誘電体基板を格納する金属導体ベースとを備え、
   前記誘電体基板は、前記高周波回路部品が実装された表面に対応する裏面全面に接地導体がプリントされ、当該裏面の接地導体の全面で前記金属導体ベースと電気的に接続されて、前記素子毎に独立した複数の密閉空間では、前記高周波信号の進行方向に対する垂直方向の幅で決まるカットオフ周波数による電磁遮蔽が行われ、前記素子毎に独立した複数の密閉空間と前記高周波信号用コネクタとの間に形成された高周波線路は、前記トリプレート線路で形成されて前記高周波信号の放射・結合が抑制されることを特徴とする高周波モジュール。
2. 前記導体蓋は、樹脂の表面に金属メッキを施して形成されていることを特徴とする請求項１記載の高周波モジュール。
3. 前記金属導体ベースと前記導体蓋との接触部分に導電性パッキンを挟持させることを特徴とする請求項１または請求項２記載の高周波モジュール。

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