JP6020054B2 - 高周波モジュール - Google Patents

Description

本発明は、ミリ波またはマイクロ波レーダなどに用いられる高周波モジュールに関する。

近年、車両前方などの状況をレーダにより監視し、その状況に応じたスロットル制御およびブレーキ制御を行う車間自動制御システム（ＡＣＣ：アダプティブクルーズコントロール）または衝突防止システムが知られている。これらのシステムに用いられるレーダには、ミリ波またはマイクロ波などの高周波信号を送信および受信可能な高周波モジュールが用いられる。
高周波モジュールは、送信回路で生成した信号をアンテナから発信し、ターゲットに反射して戻ってきた信号をアンテナを通じて受信回路により受信する。受信回路は、送信回路から基板の配線を通じて供給された信号と、アンテナを通じて受信した信号とを比較し、ターゲットの位置、距離などを検出する。

ところで、送信回路で作られた信号が基板の配線を経由することなく、基板上の空間を経由して受信回路に伝わると、アイソレーションが悪化し、ターゲットの位置及び距離等の検出精度低下、またはゴーストの発生などの問題が生じる。
特許文献１に記載の高周波モジュールは、送信回路及び受信回路が実装された基板がケース内に収容され、そのケースの開口を金属製のシールド枠が塞いでいる。送信回路は、シールド枠とそのシールド枠から基板側に延びる金属製の隔壁によって周囲を囲まれている。基板を挟んで隔壁の反対側には、基板とケースとの間に弾性体が設けられている。弾性体が基板を隔壁側へ押圧することで、基板に設けられたグランド配線と隔壁とが確実に当接する。シールド枠と隔壁は、送信回路で作られた高周波信号がシールド枠および隔壁の外側へ漏れることを防いでいる。

特開平１０−１０７４７６号公報

しかしながら、特許文献１では、次の問題を生じる。
（１）高周波モジュールは、その構成に弾性体を追加することで、部品点数が増加し、製造コストが高くなる。
（２）基板と弾性体が当接することで、基板に電子部品を実装可能なスペースが制約される。
（３）弾性体、基板およびケースの線膨張係数の差により、基板が熱変形すると、基板にストレスがかかり、基板に実装された電子部品の剥離、脱落、断線のおそれがある。
（４）高周波モジュールが取り付けられた車両の振動などにより、基板のグランド配線と隔壁とが摺動すると、導体くずが発生し、回路がショートするおそれがある。
したがって、特許文献１では、高周波モジュールの製造コストの増加と共に、その出力信号の信頼性が懸念される。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、信頼性を高めることの可能な高周波モジュールを提供することを目的とする。

本発明は、基板に実装された集積回路の周囲を囲う筒状のシールドを備えた高周波モジュールにおいて、シールドに向き合うケースの内壁に設けられたチョーク部が、集積回路が基板上の空間に放出した所定周波数の電波を逆位相にする。
このチョーク部は、ケースのシールドに対向する端面からシールドと反対側に凹む溝部である。その溝部は、ケースの内壁から基板側へ突出する筒状の内枠体と筒状の外枠体とで構成される。
これにより、チョーク部によって逆位相にされた電波と、集積回路が放出した電波とが打ち消し合い、シールドの外側への電波の漏れが抑制される。そのため、集積回路で作られた信号が基板上の空間を経由し、シールドの外側に実装された受信回路に意図しない電波信号が伝わることが防がれる。したがって、受信回路の受信する信号のアイソレーションが良好になるので、高周波モジュールの出力信号の信頼性を高めることができる。

本発明の第１実施形態による高周波モジュールの断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線の断面図である。 高周波モジュールの解析モデルである。 図３において、チョーク部及びシールドを備えない場合の解析モデルである。 図４の解析モデルにおける周波数と通過損失との関係を示すグラフである。 図３において、チョーク部及びシールドを備えた場合の解析モデルである。 図６の解析モデルにおける周波数と通過損失との関係を示すグラフである。 本発明の第２実施形態による高周波モジュールの断面図である。 図８のＩＸ−ＩＸ線の断面図である。 図８のＸ部分の拡大図である。 本発明の第３実施形態による高周波モジュールの断面図である。 図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ線の断面図である。 第１比較例の高周波モジュールの断面図である。 第２比較例の高周波モジュールの断面図である。 第３比較例の高周波モジュールの断面図である。 第４比較例の高周波モジュールの断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、第１及び第３実施形態が、特許請求の範囲に記載の発明を実施する形態に相当する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態を図１〜図７に示す。本実施形態の高周波モジュール１は、ミリ波またはマイクロ波などの高周波信号を送受信するレーダに用いられる。

図１及び図２に示すように、高周波モジュール１は、基板２に実装された電子回路、ケース３、シールド４及びチョーク部５を備えている。
基板２は、例えばＦＲ−４またはＦＲ−５等の多層基板であり、送信回路６、受信回路７、信号処理回路８および図示しないアンテナなどからなる電子回路が実装される。
送信回路６及び受信回路７は、例えばモノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）、またはトランジスタやダイオード等を基板２に実装することで構成される。
本実施形態の送信回路６、受信回路７及び信号処理回路８は、特許請求の範囲に記載の「集積回路」に相当する。

送信回路６は、ミリ波またはマイクロ波などの高周波信号を生成し、例えば基板２の送信回路６と反対側の面に設けたアンテナからターゲットに向けて発信される。なお、アンテナは、送信回路６とは別個の基板に設けてもよい。
また、送信回路６のつくる高周波信号は、その一部が基板２の配線を通じて受信回路７に供給される。
受信回路７は、ターゲットに反射して戻ってきた信号を再びアンテナを通じて受信する。信号処理回路８は、送信回路６から基板２の配線を通じて供給された信号と、アンテナを通じて受信した信号とを比較し、ターゲットの位置、距離などを検出する。

ケース３は、例えば金属などの導電体から皿状に形成され、その端部に基板２が取り付けられる。ケース３は、基板２の送信回路６及び受信回路７側を覆っている。ケース３は、送信回路６から基板上の空間に放出された電波がセンサの外に放射されるのを防止する。
ケース３の基板２と反対側には樹脂製のカバー９が取り付けられる。カバー９は、アンテナから発信される電波、及びアンテナが受信する電波を透過する。

シールド４は、例えば金属などの導電体から筒状に形成され、送信回路６の周囲を囲う。シールド４は、基板２に設けられたグランド配線４１にはんだ４２によって接続される。
シールド４の基板２の反対側の端面と、ケース３の基板側の端面との距離Ａは、０よりも大きく設定される。また、その距離Ａは、後述するチョーク部５の作用により、目標とする漏出電波の低減量に応じて設定される。

チョーク部５は、シールド４に向き合うケース３の内壁に設けられ、ケース３のシールド４に対向する端面５９からシールド４と反対側に凹む溝部５１である。図２では、ケース３の内壁にチョーク部５が設けられる位置を、一点鎖線Ｂ、Ｂ´で示している。
ここで、送信回路６によって生成され、基板上の空間へ放出される所定周波数の電波の波長をλとする。チョーク部５の深さＣは、λ／４の長さに設定されている。
これにより、送信回路６から発せられて溝部５１に入り再び溝部５１から出る電波（以下「反射波」という）は、溝部５１に入る前の電波（以下「入射波」という）に対し、溝部５１の入口から終端までに１／４波長分位相が遅れ、終端から入口までに１／４波長分位相が遅れる。そのため、入射波と反射波とは、１／２波長分位相が遅れた、いわゆる逆位相になり、互いに打ち消し合う。したがって、チョーク部５は、波長λの周波数の電波がシールド４の外側へ漏れることを抑制可能である。

次に、高周波モジュール１の解析モデルを使用し、周波数と通過損失との関係を説明する。
図３は、第１実施形態の高周波モジュール１において、解析モデルとした領域を直方体Ｄ、Ｄ´で示したものである。なお、図３の斜線部分は、シールド４が設けられる箇所である。

図４は、図３で示した領域において、チョーク部５及びシールド４を備えない場合の解析モデルを示している。図４（ｂ）は図４（ａ）をｂ方向から見た図であり、図４（ｃ）は図４（ａ）をｃ方向から見た図である。モデルの内部は空気、基板はその物性値としている。
図４においてＰｅｒｆｅｃｔＨは領域の側面の境界条件を示し、ＰｅｒｆｅｃｔＥは領域の上面の境界条件（ケース３の内壁面の境界条件）をあらわす。ＷａｖｅＰＯＲＴ１は送信回路側の解析領域端面を示し、ＷａｖｅＰＯＲＴ２は受信回路側の解析領域端面を示す。

図４の解析モデルで、ＷａｖｅＰＯＲＴ１から信号を入力し、ＷａｖｅＰＯＲＴ２から出力された信号の通過損失を計算した。
図５のグラフの実線αに示すように、図４の解析モデルでは、全ての周波数で通過損失は僅かなものであった。これは、基板材に現実的な誘電率、誘電損失を設定しているためであり、また、基板以外の構造（パラメータ）が理想的なモデルであるためと考えられる。

図６は、図３で示した領域において、シールドおよびチョーク部を備えた場合の解析モデルを示している。図６（ａ）においてシールドを符号４で示し、チョーク部を符号５で示す。
図６（ｂ）は図６（ａ）をｂ方向から見た図であり、図６（ｃ）は図６（ａ）をｃ方向から見た図である。モデルの内部は空気、基板はその物性値としている。
図６の解析モデルでは、シールドの幅Ｗ１：０．４ｍｍ、シールドの高さＨ１：２．７５ｍｍ、シールドとチョーク部との隙間Ｓ１：０．１５ｍｍ、チョーク部の幅Ｗ２：２ｍｍ、チョーク部の深さＨ２：３．１６ｍｍに設定した。

図６の解析モデルで、ＷａｖｅＰＯＲＴ１から信号を入力し、ＷａｖｅＰＯＲＴ２から出力された信号の通過損失を計算した。
図７のグラフの実線βに示すように、図６の解析モデルでは、２４ＧＨｚ付近の周波数で通過損失−５０〜−６０（ｄＢ）となった。これは、チョーク部５によって反射した電波により、チョーク部５とシールド４との隙間を通る２４ＧＨｚ付近の電波が打ち消されたことによるものである。
なお、チョーク部５とシールド４との隙間Ｓ１、およびチョーク部５の幅Ｗ２等は、目標とする漏出電波の低減量に応じて設定可能である。
上記の結果から、チョーク部５により、チョーク部５とシールド４との隙間からの所定周波数の電波の漏出を低減可能であることが明らかになった。

ここで、複数の比較例による高周波モジュールを図１３〜図１６に示す。
図１３に示すように、第１比較例では、送信回路６０の外側を有底筒状のシールドキャップ４０によって覆っている。シールドキャップ４０は、導電体から形成され、基板２０のグランド配線４１にはんだ４２によって接合されている。なお、シールドキャップ４０の内側に図示しない電波吸収体を設けてもよい。
第１比較例では、基板２０にシールドキャップ４０を実装した後、送信回路６０を外観検査することが困難になる。

図１４に示すように、第２比較例では、基板２０のグランド配線４１に複数のクリップ２１を実装し、そのクリップ２１にシールドキャップ４０を取り付けている。
第２比較例では、クリップ２１を用いることで部品点数が増加し、製造コストが高くなる。また、漏出を防ぐ周波数が高くなると複数のクリップ２１の間隔を狭くしなければならず、クリップ２１の個数が増えるので、さらに製造コストが高くなる。

図１５に示すように、第３比較例では、送信回路６０の周囲の基板２０のグランド配線４１に筒状のシールド４７をはんだ４２によって接合し、そのシールド４７の基板２０と反対側の端部を導電性接着剤４９によってケース３０に接続している。
第３比較例では、振動や熱により導電性接着剤４９が剥がれると、その隙間から高周波が漏れるおそれがある。

図１６に示すように、第４比較例では、ケース３０と一体に形成したシールド４８によって送信回路６０の周囲を囲い、そのシールド４８のケース３０と反対側の端部を導電性接着剤４９によって基板２０のグランド配線４１に接続している。
第４比較例においても、第３比較例と同様の問題が生じるおそれがある。

上述した第１〜第４比較例に対し、第１実施形態では、次の作用効果を奏する。
（１）第１実施形態では、筒状のシールド４とチョーク部５により送信回路６が発した所定周波数の電波の漏れを抑制する。そのため、送信回路６から基板上の空間を経由して受信回路７に意図しない電波信号が供給されることが防がれるので、受信回路７の受信する信号のアイソレーションが良好になる。したがって、高周波モジュール１の出力信号の信頼性を高めることができる。

（２）第１実施形態では、シールド４を筒状にしているので、シールド４を基板２に実装した後、送信回路６を外観検査することができる。
（３）第１実施形態では、ケース３に溝部５１を設けることでチョーク部５とするので、高周波モジュール１を構成する部品点数が増加することなく、製造コストを低減することができる。

（４）第１実施形態では、ケース３とシールド４との間に隙間が設けられる。これにより、ケース３と基板２の振動または熱変形によって基板２に応力が作用することが防がれる。したがって、基板２のストレスがかからず、基板２に実装された電子部品の剥離、脱落、断線を防ぐことができる。

（５）第１実施形態では、チョーク部５をなす溝部５１の深さは、所定周波数の波長λの１／４の長さである。これにより、チョーク部５は、入射波に対して反射波を逆位相とし、入射波と反射波とが互いに打ち消し合ようにすることができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を図８〜図１０に基づいて説明する。以下複数の実施形態において、上述した第１実施形態と実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
第２実施形態の高周波モジュール１０では、シールド４４がケース３と一体に筒状に形成され、送信回路６の周囲を囲む。シールド４４と基板２との間には僅かな隙間が設けられている。この隙間の距離Ｆは、０より大きく設定される。また、その距離Ｆは、基板２に設けたチョーク部５０の作用により、目標とする漏出電波の低減量に応じて設定される。

第２実施形態では、チョーク部５０が基板２に設けられている。チョーク部５０は、基板２を形成する誘電体５５と、基板２に設けられたビアホール５６およびグランド配線５７によって構成される。
誘電体５５は、基板２を形成する材料と同一のものであり、基板２の一部分である。誘電体５５は、基板２のシールド４４に対向する端面から板厚方向に延び、一定の深さで基板２の平面方向に延びている。このため、誘電体５５は、基板２の断面視においてＬ形に設けられる。図１０では、そのＬ形を破線Ｌによって概念的に現している。

ここで、基板２を形成する誘電体５５の比誘電率は空気の比誘電率に対して大きい。そのため、誘電体５５を通過する電波の波長は、基板上の空気を伝わる波長よりも短くなる。第２実施形態では、送信回路６から基板上の空間に放出された所定周波数の電波が誘電体５５を通過するときの波長をλ´とする。Ｌ形の誘電体５５は、基板２の板厚方向に延びる長さＬ１と、平面方向に延びる長さＬ２との合計が、波長λ´の１／４に設定されている。
これにより、送信回路６から発せられてチョーク部５０の誘電体５５に入り、再び誘電体５５から出る電波（以下「反射波」という）は、誘電体５５に入る前の電波（以下「入射波」という）に対し、逆位相になり、且つ、元の長さの波長λに戻って、送信回路６が発した電波を打ち消す。したがって、チョーク部５０により、シールド４４の外側への電波の漏れが抑制される。

複数のビアホール５６は、Ｌ形の誘電体５５の外側に所定の間隙Ｇで並べられる。この所定の間隙Ｇは、波長λ´の１／４以下に設定される。これにより、誘電体５５を通る波長λ´の電波は、複数のビアホール５６の隙間から外側へ漏れることが防がれる。

第２実施形態では、次の作用効果を奏する。
（１）第２実施形態では、シールド４４は、ケース３と一体に形成される。これにより、部品点数を少なくし、製造コストを低減することができる。
（２）第２実施形態では、チョーク部５０は、基板２を形成する誘電体５５、その誘電体５５の外側に並ぶ複数のビアホール５６およびグランド配線５７により構成される。これにより、簡素な構成で基板２にチョーク部５０を構成することが可能になる。

（３）第２実施形態では、複数のビアホール５６の間隙は、送信回路６から放出された電波が誘電体５５を通過するときの波長λ´の１／４以下の間隙で設けられる。これにより、ビアホール５６の隙間をその波長λ´の電波が通過することを防ぐことができる。
（４）第２実施形態では、チョーク部５０は、基板２の断面視において、Ｌ形としている。これにより、基板２の厚さが薄い場合でも、チョーク部５０の深さをλ´／４にすることができる。
また、チョーク部５０を形成するグランド配線５７およびビアホール５６のよりも下層に位置する基板に、電子回路の配線を形成することが可能である。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態を図１１及び図１２に基づいて説明する。
第３実施形態の高周波モジュール１１では、チョーク部５を構成する溝部５１は、ケース３の内壁５８から基板側へ互いに平行に突出する筒状の内枠体５２と筒状の外枠体５３によって形成されている。この内枠体５２と外枠体５３の間に溝部５１が設けられる。
ケース３と内枠体５２と外枠体５３とは、一体で形成してもよし、別体で形成した後、溶接などにより接合してもよい。
なお、第３実施形態において、内枠体５２と外枠体５３の基板側の端面５９が、特許請求の範囲に記載の「前記ケースの前記シールドに対向する端面」に相当する。

第３実施形態においても、チョーク部５の深さＣは、λ／４の長さに設定されている。
これにより、チョーク部５は、波長λの周波数の電波がシールド４の外側へ漏れることを抑制可能である。
第３実施形態では、使用する周波数λによらず、ケース３の肉厚を薄くすることができる。したがって、高周波モジュール１１を軽量化するとともに、その製造コストを低減することができる。

（他の実施形態）
上述した実施形態では、レーダに用いられる高周波モジュールについて説明した。これに対し、他の実施形態では、高周波モジュールは、例えば携帯電話など、高周波を発振する種々の装置に適用することが可能である。
上述した実施形態では、送信回路の周囲にシールド及びチョーク部を設けた。これに対し、他の実施形態では、受信回路７または他の信号処理回路８の周囲にシールド及びチョーク部を設けてもよい。
上述した実施形態では、シールド及びチョーク部は、平面視において四角形とした。これに対し、他の実施形態では、シールド及びチョーク部は、平面視において円形または多角形であってもよい。
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、上記複数の実施形態および比較例を組み合わせることに加え、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の形態で実施することができる。

１、１０、１１・・・高周波モジュール
２ ・・・基板
３ ・・・ケース
４、４４・・・シールド
５、５０・・・チョーク部
６ ・・・送信回路（集積回路）
７ ・・・受信回路（集積回路）
８ ・・・信号処理回路（集積回路）

Claims (4)

1. 基板（２）と、
   前記基板に実装された集積回路（６、７、８）と、
   前記集積回路の周囲を囲い、電波を遮断する筒状のシールド（４）と、
   前記シールドの前記基板と反対側に設けられ、電波を遮断するケース（３）と、
   前記シールドに向き合う前記ケースの内壁に前記シールドと所定の隙間を開けて設けられ、前記集積回路が基板上の空間に放出した所定周波数の電波を逆位相にするチョーク部（５）と、を備え、
   前記チョーク部は、前記ケースの前記シールドに対向する端面から前記シールドと反対側に凹む溝部（５１）であり、
   前記チョーク部を構成する前記溝部は、前記ケースの内壁（５８）から前記基板側へ突出する筒状の内枠体（５２）と筒状の外枠体（５３）とで構成されることを特徴とする高周波モジュール。
2. 前記チョーク部は、逆位相にした電波により、前記チョーク部と前記シールドとの隙間からの電波の漏出を抑制することを特徴とする請求項１に記載の高周波モジュール。
3. 前記チョーク部の深さは、前記集積回路が基板上の空間に放出した所定周波数の電波が前記チョーク部を通過するときの波長の１／４の長さであることを特徴とする請求項１または２に記載の高周波モジュール。
4. 前記シールドは、前記チョーク部と反対側の端部が前記基板のグランド配線（４１）に接続されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の高周波モジュール。

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