JP2010096500A - 高周波モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】
従来技術によれば、高周波回路を構成している誘電体基板と、金属プレートを接続している構造において、線膨張係数の異なる２つのものを接続していることになり、製造時や車載搭載等の過酷な環境下においての温度変化や振動による衝撃に対し、高周波回路を構成している誘電体基板が破損する恐れがある、という課題がある。
【解決手段】
本高周波モジュールは、誘電体基板の一方の面に、高周波信号の送受信を行う高周波回路を形成し、同一面に高周波信号の送受信を行う第１の端子を有する高周波回路基板と、金属板の一方の面に、第１の端子に接続される第２の端子を形成し、他方の面に高周波アンテナに接続される第３の端子を形成し、第２及び第３の端子に接続され高周波信号を通過させる導波路を有する金属ベースと、を備え、金属ベースは、金属板を一枚以上重ね合わせて構成され、当該金属ベースの四辺に突部分を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、ミリ波レーダ用の高周波モジュールに関する。

近年のＩＴＳ（高度道路情報システム）化に伴い、自動車の安全運転システムのセンサとしてミリ波レーダが開発されている。ミリ波は、周波数が３０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚ（真空中での波長は１mm〜１０mm程度）の電波で、車載ミリ波レーダとしては主に７６ＧＨｚ〜７７ＧＨｚを使い、小電力ミリ波レーダとして技術的条件が規定されている。

ミリ波レーダと同様の技術として、より波長の短い赤外線レーダがあり検出原理などは同じである。赤外線レーダは、ミリ波レーダより低価格の反面、赤外線レーダは激しい雨や霧といった気象条件下では、吸収されたり拡散されたりする。

これに対してミリ波レーダは、天候による性能劣化が非常に小さく前方を走る先行車を検知できるため、運転者の視覚を補助し衝突事故等の防止の一助となることが期待されており、安価で信頼性の高い車載用ミリ波レーダ用の高周波モジュールが望まれている。

この車載用ミリ波レーダに好適な高周波モジュールとして、多層誘電体基板に、高周波信号の生成及び送受信回路をなす高周波部品を複数個実装した高周波モジュールと導波路を有する金属素材のプレートを接続する実装形態をとる高周波モジュールが開示されている（特許文献１参照）。

特許第３４２８５７５５号公報

特許文献１によれば、高周波モジュールの構造は、アンテナ，金属プレート，高周波回路基板，フィルタで構成される（図８参照）。

この高周波回路を構成している誘電体基板と、金属プレートを接続している構造においては、線膨張係数の異なる２つのものを接続していることになり、製造時や車載搭載等の過酷な環境下においての温度変化や振動による衝撃に対し、高周波回路を構成している誘電体基板が破損する恐れがある、という課題がある。

又、一筐体内に多くの機能素子を有する場合、筐体内の機能素子を構成するモノリシックマイクロ波集積回路（Monolithic Microwave Integrated Circuit：以下、ＭＭＩＣと称する）等から筐体内に放射された電波エネルギーは容易に筐体内を伝播し、同じ筐体内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し、高周波信号の品質を劣化する恐れがある、という課題がある。

そこで、本発明の目的は、自動車等の過酷な環境下に搭載しても、十分耐えうる機械的強度を保持しつつ、生産性の高い実装構造の安価で信頼性の高い高周波モジュールを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の望ましい態様の一つは次の通りである。

本高周波モジュールは、誘電体基板の一方の面に、高周波信号の送受信を行う高周波回路を形成し、同一面に高周波信号の送受信を行う第１の端子を有する高周波回路基板と、金属板の一方の面に、第１の端子に接続される第２の端子を形成し、他方の面に高周波アンテナに接続される第３の端子を形成し、第２及び第３の端子に接続され高周波信号を通過させる導波路を有する金属ベースと、を備え、金属ベースは、金属板を一枚以上重ね合わせて構成され、当該金属ベースの四辺に突部分を備える。

本発明によれば、自動車等の過酷な環境下に搭載しても、十分耐えうる機械的強度を保持しつつ、生産性の高い実装構造の安価で信頼性の高い高周波モジュールを提供することができる。

以下、実施例について図面を用いて説明する。

図１は、ミリ波レーダを搭載した車両を含むシステムを示す図である。

ミリ波レーダ２を自車１の先頭部に装着し、自車１の前面からミリ波を出射することで先行車３から反射してきた電波を受信し、伝播時間やドップラ効果によって生じる周波数差を基に、先行車３の位置や自車１との相対速度を測定する。

図２は、ミリ波レーダ２の断面図を示す。

ミリ波レーダ２の内部は、電気的に大きく分けて３つの構成になる。高周波信号を扱う部分と中間周波数を処理する部分と電源部からなり、本実施例では、このうち高周波信号を扱う部分を高周波モジュール１３とする。

高周波モジュール１３の構成は、平面形状で高周波信号の送信及び反射波を受信する高周波アンテナ１２，プレス加工で打ち抜いた薄い金属板及びプレス成形した金属を重ね合わせて周期フィルタを形成し、その中に高周波信号を送受信する為の導波路を形成している金属ベース１１，誘電体基板に高周波回路を形成した高周波回路基板１０で構成され、ミリ波レーダ２で使用する電源を生成する電源回路基板８，高周波信号を中間周波数信号に周波数変換した信号を処理する信号処理基板９、でミリ波レーダ２の全体構成になる。

外観部品は、外部とのインターフェイスであるコネクタ４，電源回路基板８及び信号処理基板９が収まるリアカバー５，高周波回路基板１０と金属ベース１１が収めるハウジング６，高周波アンテナ１２のアンテナ面を保護するフロントカバー７からなる。

高周波アンテナ１２で受信した反射信号は、高周波回路基板１０で中間周波数に周波数変換され、信号処理基板９でＡＤ変換しＤＳＰ回路にて周波数分析を行い、距離，相対速度，角度情報を演算することにより、ターゲットの位置を演算する。演算結果は、外部とのインターフェイスであるコネクタ４を介して車両側の制御コンピュータへ出力する。

図３は、高周波モジュール１３の断面図を示す。

高周波モジュール１３に用いる、送受信回路があり各機能の高周波ＩＣチップが複数個実装された高周波回路基板１０について説明する。

高周波回路基板１０は、積層された誘電体基板に各機能の高周波ＩＣチップが実装されるが、この高周波ＩＣチップには、ＭＭＩＣを使用し、発信器，電力増幅器，信号混合器等からなり、各高周波ＩＣチップを接続するマイクロストリップ線路，トリプレート線路やコプレーナ線路等の高周波伝送線路が設けられている。高周波回路基板１０には、一方の面にＩＣチップの厚さにあわせたキャビティを形成し、その中に裏面の接合面をＧＮＤとしたマイクロストリップ線路で構成される高周波ＩＣチップを実装する。各高周波ＩＣチップは、互いに要求性能を十分に満足するアイソレーションをとることが出来るような配置になる。

又、各高周波ＩＣチップは、同一のキャビティ内に配置されたものについては、金属ワイヤや金属リボン等で接続され、アイソレーションの必要上、異なるキャビティ内に配置されたものについては、隣接するキャビティに、それぞれ配置された高周波ＩＣチップを高周波伝送線路で接続する。

高周波ＩＣチップのＧＮＤである裏面と誘電体基板のＧＮＤを電気的導通のために、ＩＣチップの実装には導電性のＡｇペースト，はんだペースト等の接合剤を用いる。上記のような実装状態の高周波回路基板１０を、金属ベース１１に設けられた金属ベース窓部２１にディスペンサ等によって導電性のＡｇペースト，はんだペースト等の接合材を塗布した面に実装し高周波アンテナ１２との接続は、ネジ等の締結部材によって接合する。

電気的には、高周波モジュールにおいて高周波回路基板１０の出力回路から出力された高周波信号は、金属ベース１１に設けられている導波管構造の導波路１４を通過し高周波アンテナ１２から高周波信号を出力する。反対にある物体から反射した高周波信号が高周波アンテナ１２から入力され、金属ベース１１に設けられた導波管構造の導波路１４を通過し高周波回路基板１０の受信回路に入力される。

次に、高周波モジュールについての実施形態を、詳細に図４〜図７を用いて説明する。図４は、高周波回路基板１０を実装する前の金属ベース１１の上面図である。

高周波回路基板１０を、金属ベース１１に設けられた高周波回路基板１０を載せるための金属ベース窓部２１に、ディスペンサ等によって導電性のＡｇペースト，はんだペースト等の接合材を塗布した面に実装することにより、高周波回路基板１０の送受信端子と金属ベース１１の送受信端子である導波路１４の位置が、正確に一致し接続される。

その際、多層誘電体基板である高周波回路基板１０と金属ベース１１のような組合せの場合、線膨張係数の異なるものを接続することになり、温度変化による膨張時又は収縮時に高周波回路基板１０にダメージがかからないように、高周波回路基板１０の搭載位置である金属ベース窓部２１の周囲四辺に、スリット１７−ｂを設け熱応力に対応するとともに、製造時における取り付け時には、ネジ等の締結部材を、ネジ穴１６を使用し固定する場合や車載時などの振動によりかかる、機械的な応力に対してもスリット１７−ａにより緩和させる構造である。

特に高周波回路基板１０の材料にセラミックを使用する場合、硬度は高いが割れやすいというセラミックの特徴があるので、ネジ穴１６の周囲二辺と高周波回路基板１０の周囲四辺のスリットは有効である。これにより特に温度的にも機械的にも厳しい応力のかかる自動車に搭載するための、ミリ波レーダ２において信頼性を向上させた高周波モジュールを提供することが可能になる。

高周波信号を送受信するユニット同士を接続する構造において中間に位置する金属ベース１１は、そこを通過する高周波信号の通り道である導波路１４の加工が必要になる。

金属ベース１１の機能として、破損から保護する効果も期待されるので板厚を厚くする方向により剛性は高められるが、その際厚みのある金属板に、高周波信号に必要なアスペクト比が極めて高い、細い径の穴加工を必要とすることになる。高周波信号の導波路１４は矩形導波管形状でアスペクト比が極めて高く、そのようなアスペクト比の高い微細な加工は非常に困難である。

加工費が安価であるプレス加工が出来ないという製造上の問題があり、例えばフォトエッチングなどの板厚方向に制約のあるものや、レーザ加工などの加工コストが高く端部における精度が落ちるものなどを採用する必要があった。

それらを回避する方法として、安価であるプレス加工にて薄い金属板を高周波信号が通過する導波路１４に必要な極めて細い径の穴加工をすることにより、アスペクト比を下げ安価なプレス加工での穴加工が可能になる。この穴加工を実施後、重ね合わせる事により加工時のコスト問題を回避し安価に製造出来る利点をもつ。

更にこの場合、薄い金属板の重ね合わせ構造の金属ベース１１のため、板厚方向の制約がなくなり、設計自由度も向上する。

本実施例による金属ベース１１は、高周波信号が通る導波路部は薄い金属板の導波路１４を重ね合わせて任意の線路長の導波路を形成するので、薄い金属板同士の接続時の正確な位置合わせが必要になる。その際、導波路部の方形状の穴の四辺と薄い金属板の四辺に突部１８を設け、凸凹を有することにより、金属ベース１１の製造時に凸部と凹部が重なりあうことにより、正確な位置での重ね合わせが可能であり、導波路１４の方形状の型も保たれる。

又、凸凹部を有する金属板を合わせることで、薄い金属板同士の密着度を増すことにより、導波路１４の高周波信号の信頼性を向上させる。この突加工の凸凹も、プレス加工で実施することにより、低コスト化になる。

次に、高周波モジュールの金属ベース１１を、図４〜図７を用いて説明する。

図４は、１枚以上の金属プレートを用いた金属ベース１１単体の上面図であり、高周波回路基板１０の部品搭載面との接合面になる。

図５は、図４の金属ベース１１の最下部に位置する金属プレートであり、周期的に突起を設けた上面用周期フィルタ２０が、高周波回路基板１０の部品搭載面から見た場合に上部に位置する。

図６は、金属ベース１１の最下部に位置する図５の金属プレートの上に重ねあう位置に配置され、周期的に突起を設けた側面用周期フィルタ１９が、高周波回路基板１０の部品搭載面から見た場合に側面部に位置する。

図７は、図４の金属ベース１１の最上部に位置する金属プレートであり、金属ベース１１に設けられた高周波回路基板１０を載せるための金属ベース窓部２１に、高周波回路基板１０を搭載することにより、高周波回路基板１０の送受信端子と金属ベース１１の送受信端子である導波路１４の位置が、正確に一致し接続される。

又、高周波回路基板１０に搭載されている送受信機能素子と上面及び側面に位置している上面用周期フィルタ２０及び側面用周期フィルタ１９の周期的突起の位置も正確な位置になることにより、２次元的にほぼ全面に配置される。

このように構成された周期的凸凹のある金属で周囲を覆われた、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高周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構造を形成し、周波数の関数として伝播周波数と非伝播周波数帯域を交互に持つ特性を示す。

従って、送受信回路の動作周波数帯域が非伝播周波数帯域に入るように、フィルタ機能を有する金属ベース１１を設計することにより、送受信回路の送信側より筐体内への不要放射が受信側に到達することを防ぎ、送受信間の干渉を低減できる。

又、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こしやすくなり、または逆に筐体外部より電波エネルギーの影響を受けやすくなり、ＥＭＩ（Electro Magnetic Interference），ＥＭＣ（Electro Magnetic Compliance）の問題の低減になる。

実施例３における形状は、実施例２と同一で、第二の形状として、表面を金属材料でコーティングした樹脂材を整形した成形体とする。

これは、金属で同形状を作る場合に較べ、樹脂材でつくるために安価に製造できるメリットがある。電気的にも、樹脂の表面を金属コーティングすることにより、金属で作った場合と同等性能を得ることが可能である。

以上の実施例によれば、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、ＥＭＩ，ＥＭＣの問題を大幅に低減でき、高機能多機能の高周波モジュールの全体特性を劣化させることなく低コストで実現することを可能にする。更に、周期構造によるフィルタ特性は、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、従ってミリ波レーダのような高周波モジュール用の筐体構造の量産ばらつき、経年変化を低減することができる。

ミリ波レーダを搭載した車両を含むシステムを示す図。 ミリ波レーダの断面図。 高周波モジュールの断面図。 金属ベースの重ね合わせの上面図。 導波路及び上面の周期フィルタを有する金属ベース単体の上面図。 導波路及び側面の周期フィルタを有する金属ベース単体の上面図。 金属ベースの最上部に位置する金属プレートを示す図。 従来の高周波モジュールの断面図。

符号の説明

１ 自車
２ ミリ波レーダ
３ 先行車
４ コネクタ
５ リアカバー
６ ハウジング
７ フロントカバー
８ 電源回路基板
９ 信号処理基板
１０ 高周波回路基板
１１ 金属ベース
１２ 高周波アンテナ
１３ 高周波モジュール
１４ 導波路
１５ フィルタ
１６ ネジ穴
１７−ａ，１７−ｂ スリット
１８ 突部
１９ 側面用周期フィルタ
２０ 上面用周期フィルタ
２１ 金属ベース窓部

Claims (4)

1. 誘電体基板の一方の面に、高周波信号の送受信を行う高周波回路を形成し、同一面に高周波信号の送受信を行う第１の端子を有する高周波回路基板と、
   金属板の一方の面に、前記第１の端子に接続される第２の端子を形成し、他方の面に高周波アンテナに接続される第３の端子を形成し、前記第２及び第３の端子に接続され高周波信号を通過させる導波路を有する金属ベースと、を備え、
   前記金属ベースは、前記金属板を一枚以上重ね合わせて構成され、当該金属ベースの四辺に突部分を備える、高周波モジュール。
2. 前記金属ベースは、前記導波路と前記高周波回路基板の搭載位置の四辺及び四隅の方形状もしくは長円形状の細長い穴を同一の金属板に有し、少なくとも一部に周期的に突起を設けた周期構造を有する、請求項１記載の高周波モジュール。
3. 前記金属ベースは、当該金属ベースの表面を金属材料でコーティングされた樹脂材が整形された成形体である、請求項２記載の高周波モジュール。
4. 前記金属ベースは、フィルタ機能を備える、請求項１乃至３何れか一に記載の高周波モジュール。

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