JP2008141760A

JP2008141760A - 高効率インタディジタルフィルタ

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Publication number: JP2008141760A
Application number: JP2007310371A
Authority: JP
Inventors: William Dean Killen; ディーンキレンウィリアム; Randy T Pike; テッドパイクランディー
Original assignee: Harris Corp
Current assignee: Harris Corp
Priority date: 2002-06-27
Filing date: 2007-11-30
Publication date: 2008-06-19
Also published as: EP1376741B1; DE60308599T2; US20040000972A1; DE60308599D1; CA2432467C; JP2004032777A; ATE341106T1; EP1376741A1; AU2003204878A1; US6750740B2; CA2432467A1

Abstract

【課題】ＲＦ回路に増加された設計の柔軟性を提供する方法と装置を提供する。
【解決手段】無線周波数信号を処理するプリント回路は、プリント回路が配置される基板領域を含む基板を含む。この回路は、複数の共振器構成要素１５〜２１を有するインタディジタルフィルタ１０である。複数の共振器線路要素１５〜２１は、各々が独立にカスタム化可能な基板特性を有するそれぞれの基板領域に、少なくとも部分的に結合される。この回路は更に、基板に結合された少なくとも１つのグランド又はグランド面を含む。
【選択図】図１

Description

本発明の配置は、一般的には、ＲＦ回路に増加された設計の柔軟性を提供する方法と装置に関連し、特に、２端子と結合共振線路を有するフィルタの改善された性能のための誘電体回路基板材料の最適化に関連する。

ＲＦ回路、伝送線路及び、アンテナ要素は、特別に設計された基板上に共通に製造される。これらの形式の回路のために、インピーダンス特性をわたり注意深い制御を維持することが重要である。回路の異なる部分のインピーダンスが整合しない場合には、これは、非効率な電力伝送、部品の不要な加熱及び、他の問題となる。これらの回路内の伝送線路とラジエータの電気長も、重要な設計要因である。

基板材料の性能に影響を及ぼす２つの重要なファクタは、比誘電率（しばしば誘電定数又はε_ｒと呼ばれる）と、誘電正接（しばしば消費係数と呼ばれる）である。比誘電率は信号の速度を、そして従って、基板上に配置される伝送線路と他の部品の電気長を決定する。誘電正接は、基板材料を横断する信号について発生する損失の量を特徴化する。損失は、周波数が増加すると増加する傾向にある。従って、低損失材料は、周波数が増加すると、特に受信機のフロントエンドと低雑音増幅器回路を設計するときに、更に重要となる。

ＲＦ回路で使用されるプリント伝送線路、受動回路及び、放射要素は、典型的には、３つのうちの１つの方法で形成される。マイクロストリップとして知られている１つの構成は、基板面上に信号線路を配置しそして、普通はグランド面と呼ばれる第２の導体層を設ける。埋め込みマイクロストリップとして知られる第２の形式の構成は、信号線路が誘電体基板材料で覆われている以外は、同様である。ストリップ線路として知られる第３の構成では、信号線路は２つの電気的な導体（グランド）面の間に挟まれている。損失を無視すると、ストリップ線路又は、マイクロストリップのような、伝送線路の特性インピーダンスは、
（外１）

に等しく、ここで、Ｌ_ｌは単位長当りのインダクタンスであり、Ｃ_ｌは単位長当りのキャパシタンスである。Ｌ_ｌとＣ_ｌの値は、一般的には、伝送線路構造を分離するのに使用される、誘電体材料の誘電率だけでなく、線路構造の物理的な外形や間隔により決定される。従来の基板材料は、典型的には、約１．０の比透磁率を有する。

従来のＲＦ設計では、設計に適する比誘電率値を有する基板材料が、選択される。一旦、基板材料が選択されると、線路の特性インピーダンス値は、排他的に、線路の外形と物理的な構造を制御することにより、調整される。

無線周波数（ＲＦ）回路は、典型的には、複数の能動及び受動回路部品が配置され且つ、セラミック基板のような電気的な絶縁基板面上で共に接続される、ハイブリッド回路で、実現される。種々の構成要素は、一般的には、ストリップ線路又は、マイクロストリップ又は、２線路構造のような伝送線路である、例えば、銅、金、又はタンタルのプリント金属導体により、相互に接続されている。

伝送線路、受動ＲＦ素子、又は、放射要素についての選択された基板材料の誘電率は、その線路構造について、所定の周波数で、ＲＦエネルギーの物理的な波長を決定する。マイクロ電子ＲＦ回路を設計するときに出くわす１つの問題は、基板上に形成される、種々の受動構成要素、放射構成要素及び、伝送線路回路の全てに最適な、誘電体板基板材料の選択である。特に、ある回路構成要素の外形は、そのような構成要素に要求される唯一の電気的な又はインピーダンス特性により、物理的に大きく又は小型化されうる。例えば、多くの回路構成要素又は調整された回路は、電気的４分の１波長である必要がある。同様に、例外的に高又は低特性インピーダンス値に要求される線路幅は、多くの場合に、所定の基板についての実際の実装でそれぞれ、狭すぎるか又は広すぎることになる。マイクロストリップ又はストリップ線路の物理的なサイズは、誘電体材料の比誘電率に逆に関連しているので、伝送線路の寸法は、基板材料の選択に大きく影響され得る。

更に、幾つかの構成要素についての最適な基板材料の設計選択は、アンテナ構成要素又はフィルタのような他の構成要素についての最適な基板材料と一致しない。更に、回路構成要素についての幾つかの設計目的は、他とは一致しない。例えば、アンテナ構成要素の大きさを減少させることが望ましい。これは、比較的高い誘電性を有する基板材料を選択することで達成され得る。しかしながら、高い比誘電率を有する誘電体の使用は、一般的には、アンテナの放射効率を減少させるという望ましくない効果を有する。従って、選択された比誘電率を有する回路基板の制約は、しばしば、全体回路の電気的性能及び／又は物理的な特性に悪影響を与える、設計的な妥協となる。

前述のアプローチの他の固有の問題は、少なくとも基板材料に関して、線路インピーダンスについての唯一の制御変数は、比誘電率ε_ｒであることである。この制限は、従来の基板材料の重要な問題を強調する、即ち、伝送線路の単位長当りのインダクタンスの特性インピーダンス、Ｌ_ｌ、を決定する他のファクタを利用することに失敗している。

更に、ＲＦ回路設計で出くわす他の問題は、異なるＲＦ周波数帯についての動作の回路構成要素の最適化である。第１のＲＦ周波数帯について最適化される線路インピーダンスと長さは、他の帯域に使用されたときに、インピーダンス変化及び／又は電気長の変化のいずれかにより、悪い性能を与える。そのような制限は、与えられえたＲＦシステムについての実効動作周波数範囲を制限し得る。

従来の回路基板は、一般的には、誘電率を含む均一な基板物理特性と一般的にはなる、鋳造又はスプレーコーティングのような処理により、一般的には、形成される。従って、ＲＦ回路についての従来の誘電体基板配置は、電気的及び物理的なサイズ特性の両方に関して最適である回路を設計することへの制限であることが分かった。

本発明の第１の実施例に従って、無線周波数信号を処理する回路は、その回路が配置される基板を有する。その基板は、第１の領域上の基板特性の第１の組と、第２の領域上の基板特性の少なくとも第２の組を有する少なくとも１つの誘電体層を有する。基板特性の第２の組は前記基板特性の第１の組と異なる。この回路は更に、基板に結合された少なくとも１つのグランド面と、少なくとも１つのグランド面に結合された複数の共振器構成要素の交互の隣接する端部の少なくとも一部分と、第２の領域に結合されたインタディジタルフィルタの少なくとも一部分とを有する、複数の共振器構成要素を有するインタディジタルフィルタを有する。

本発明の第２の実施例では、無線周波数信号を処理するプリント回路は、その回路が配置される基板を有する。その基板は、第１の領域上の第１の誘電率及び透磁率の組と、第２の領域上の少なくとも１つの第２の誘電率及び透磁率の組を有する少なくとも１つの誘電体層を有する。第２の誘電率及び透磁率の組は、第１の誘電率及び透磁率の組と比べて異なる誘電率と透磁率を提供する。プリント基板は更に、基板内又は上に配置された少なくとも１つのグランドとインタディジタルフィルタを含む。インタディジタルフィルタは、少なくとも１つのグランド面に結合された複数の共振器構成要素の交互の隣接する端部の少なくとも一部分と、第２の領域に結合されたインタディジタルフィルタの少なくとも一部分とを有する、複数の共振器構成要素を有する。

本発明の第３の実施例では、無線周波数信号を処理するプリント回路は、その回路が配置される基板領域を有する基板を有する。その回路は、複数の共振器線路構成要素と前記基板に結合された少なくとも１つのグランドを有するインタディジタルフィルタである。複数の共振器線路要素は、各々独立に特別製にできる基板特性を有するそれぞれの基板領域に、少なくとも部分的に結合される。

上述のように、本発明により、ＲＦ回路に増加された設計の柔軟性を提供する方法と装置を提供できる。

図１を参照し、インタディジタル帯域通過フィルタとして動作するインタディジタルフィルタ１０が、基板材料又は誘電体材料（誘電体層）１１上に配置されている。本発明とインタディジタル構造は、帯域通過フィルタに限定される必要はないことは理解されるべきである。図１では、インタディジタルフィルタ１０は、入力端子１３と出力端子１４及び、複数（１からｎ）の相互に結合された共振器構成要素１５，１６，１７，１８，１９，２０及び、２１を有するように構成される。共振器構成要素１５と２１は、終端線路であるとも考えられる。７つの共振器が示されているが、それ以上又はそれ以下の共振器が本発明に従って使用されうることは、理解されるべきである。インタディジタル帯域通過フィルタは、物理的に４分の１波長の長さよりも短くそして、（グランド点は２５，２６，２７，２８，２９，３０及び３１）一端でグランドに結合され、そして、共振器構成要素の反対の端で容量的に負荷が与えられる、相互に結合された共振器より構成されることが好ましい。グランド点は、典型的には、図２の断面図に示されているように、グランド面５０へ金属のビア（ｖｉａｓ）３５を通してグランドに接続されている。インタディジタル構造は、典型的なコムライン（ｃｏｍｂｌｉｎｅ）フィルタに見られるように、隣接の端部の反対側のように、交互の端部で共振器構成要素をグランドに接続することにより、形成される。本発明は、共振器構成要素に結合される異なる基板特性の基板材料を使用する。特に、異なる誘電率と透磁率を有する基板材料（１２と４０）が、複数の共振器１５−２１の各々の共振器の下及び間で結合される。図２は、線Ａ−Ａに沿ったインタディジタルフィルタ１０の断面図を示し、磁性材料４０は、フィルタの線路を狭め又は広げるために共振器（１５−２１）の下に配置される。線路とグランドの間の磁性材料は、線路の幅を制御する更なる手段を提供する。図２は、更に、高い結合（近い間隔）が望ましい場合に、結合が改善される（即ち、より良く整合された偶数及び奇数モードインピーダンス）ことを示す。

一般的には、インタディジタルフィルタ構造は、帯域中心周波数で４分の１波長の長さである複数の共振器を有し、そして、一端で短絡され、反対の端で開放である。結合は、隣接共振器構成要素の間のフィールドフリンジングにより達成される。図１の実施例では、構成要素１６−２０は、共振器として働き、そして、構成要素１５と２１は、インピーダンス変成部として動作する。図３は、本発明の代わりの実施例の線Ａ−Ａに沿った断面図を示し、図３は、共振器構成要素又は終端線路１５と２１が、グランド面５０への短絡されているのではなく開放されている点で図２と異なる。この実施例では、終端線路１５と２１を含む全ての共振器構成要素は、共振器として働く。従って、図３の実施例は、図２の実施例（終端構成要素１５と２１がグランドへ短絡されている）よりもより広帯域のインタディジタルフィルタを提供する。

共振器間の内部線路間隔は、どちらかと言うと帯域幅が広い場合でさえ、許容値の問題を避ける程度に大きくされても良い。帯域幅は、設計定数であり、製造上の制約に相反する。共振器長も、４分の１波長より小さくなければならないことを除いては、設計上の選択であり、４分の１波長の長さの場合には、磁気及び静電結合は完全に相殺する。４分の１波長より小さいところでは、磁気結合が優勢である。密結合は、どちらかと言うと間隔が広い場合であっても４分の１波長の共振器長で発生する。線路は、理想的には、共振器長であるので、負荷容量は、通常、必要とされない。インタディジタル構造は、同様なコムライン構造ほど小さくないが、共振器の無負荷Ｑはより高い。無負荷Ｑが高いと、低挿入損失が要求される場合に、特に、インタディジタル構造が適している。無負荷Ｑが高いと、負荷容量がないことで波長調整を目的としてきわめて厳しい許容範囲又は僅かの負荷のいずれかを指示することを除いては、非常に狭帯域のフィルタの設計でも優位である。良好な結合特性により、インタディジタルは、７０％以下の帯域幅適用に適合する。

図４は、他の代わりの実施例を示す線Ａ−Ａに沿った図１の断面図を示し、異なる基板材料１２と４０が基板１１の上面とグランド面５０の間に結合されている。特に、基板材料４０は、共振器線路又はトレースとグランド面５０の間に結合されている。しかしながら、本発明は、そのように限定されずそして、結合線路もそれに結合される基板材料の望ましい機能と性能に基づいて、異なる形状で構成されることが可能であることは、当業者は理解されよう。

前述のように、構成要素１５から２１は、共振線路である。共振線路は、典型的には、無線周波数（ＲＦ）回路で使用される、伝送線路である。共振線路は、有限長を有しそして、その特性インピーダンス（Ｚ_０）で終端されない。特性インピーダンス（Ｚ_０）と終端でのインピーダンス（負荷インピーダンスＺ_Ｌ）の間の不整合は、エネルギー反射を発生する。これらのエネルギー反射は、与えられた電圧の周波数と電圧が測定される線路上の位置に依存して、線路上の電圧を増加又は減少させる。従って、ある周波数で、所定の長さの共振線路は、共振での並列共振回路と同様に、高入力インピーダンスを有し、一方、共振での直列共振回路と同様に、他の周波数で共振線路は低入力インピーダンスを有しうる。他の周波数で、共振線路は、複素又は無効インピーダンスも有しうる。

プリント回路基板又は基板上に、入力で単一ポートを有しかつ終端で開放又はグランドへの短絡を有する線路を形成することにより、単一端子の共振線路が典型的には実装されている。単一ポート共振線路の電気長は、通常は、選択された周波数の４分の１波長の倍数である。１つの短絡線路上で、終端から４分の１波長の奇数個の各点は、高インピーダンスと相対的な電圧の極大値を有し、終端から４分の１波長の偶数個の各点は、低インピーダンスと相対的な電圧の極小値を有する。電圧の極大値と極小値の位置は、開放共振線路上では、逆になる。単一端子共振線路への入力インピーダンスは、典型的には、共振線路の長さが、動作周波数の４分の１波長の偶数倍又は奇数倍であるときに、抵抗性である。即ち、単一端子共振線路への入力は、電圧極大値又は極小値の位置である。

単一端子の共振線路への入力が、電圧の極大点と極小点の間の位置であるときには、入力インピーダンスは、入力インピーダンスは無効分を有し、これは有益な特徴である。例えば、共振線路が、ほぼ純粋なキャパシタンス又はインダクタンスとしても働き得る。例えば、開放線路は、８分の１波長で純粋なキャパシタンスとして動作し、４分の１波長で直列ＬＣインピーダンスとして動作し、８分の３波長で純粋なインダクタンスとして動作し、そして、２分の１波長で並列ＬＣ回路として動作する。この周期は、上述の点の各々の間の滑らかな変化を有し半波長毎に繰返す。このように、適切に選択された単一端子の共振線路部分は、並列共振、直列共振、誘導性又は、容量性回路として使用され得る。

短絡線路は、８分の１波長で純粋なインダクタンスとして動作し、４分の１波長で並列ＬＣインピーダンスとして動作し、８分の３波長で純粋なキャパシタンスとして動作し、そして、２分の１波長で直列ＬＣ回路として動作する。この周期は、上述の点の各々の間の滑らかな変化を有し半波長毎に繰返す。このように、適切に選択された単一端子の共振線路部分は、並列共振、直列共振、誘導性又は、容量性回路として使用され得る。

共振線路がキャパシタンスで終端されるときには、キャパシタはエネルギーを吸収しないが、しかし全てのエネルギーを回路へ戻す。線路インピーダンスと終端の間のインピーダンスの不連続は入力波に加算される定在波を発生する反射波を生じる。定在波電圧は、終端容量性リアクタンスが特性インピーダンス（Ｚ_０）と同じ絶対値を有する時の終端の場合には、端部から正確に８分の１は長の点で最小値である。容量性リアクタンスが特性インピーダンス（Ｚ_０）よりも大きい場合（小キャパシタンス）には、終端は更に開放回路のように見えそして、電圧最小値は、端部から遠くへ移動する。容量性リアクタンスが特性インピーダンス（Ｚ_０）よりも小さい場合には、電圧最小値は、端部へ近く移動する。

単一端子の共振線路は、一般的には、特別に設計されたプリント回路基板上に製造される。共振線路は、多くの異なる方法で形成できる。３つの一般的な構成を、次に説明する。マイクロストリップとして知られる１つの構成は、共振線路を基板面上に配置し、そして、基板に結合された第２の導体層を設ける。この第２の導体層は、一般的には、グランド面と呼ばれる。埋め込みマイクロストリップとして知られる第２の形式の構成は、共振線路が誘電体基板材料で覆われていることを除いては、同様である、ストリップ線路として知られる第３の構成では、共振線路は２つの電気的な導体（グランド）面の間に挟まれており、これは、基板の近くへ配置し又は、基板へ結合することが可能である。ここで定義するように、基板へ結合するとは、基板の面に取り付ける又は、基板内に含まれることを意味する。

低比誘電率プリント回路基板材料は、元来、ＲＦ回路設計のために選択される。例えば、
（外２）

（比誘電率２．９４、誘電正接０．００９）のようなそして、
（外３）

（比誘電率２．２、誘電正接０．０００７）のような、ポリテトラフルオロエチレン（ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ、ＰＴＦＥ）ベースの複合物は、両方ともに、ルーズベルト通り、チャンドラー、ＡＺ８５２２６の、ロジャーマイクロ波プロダクト、アドバンスド回路材料部門１００Ｓ（ＲｏｇｅｒＭｉｃｒｏｗａｖｅＰｒｏｄｕｃｔｓ，ＡｄｖａｎｃｅｄＣｉｒｃｕｉｔＭａｔｅｒｉａｌｓＤｉｖｉｓｉｏｎ１００Ｓ）から入手できる。これらの材料の両方は、一般的な基板材料の選択である。上述の基板材料は、低誘電正接を伴う比較的低い比誘電率を有する誘電体層を提供する。

しかしながら、従来の基板材料の使用は、回路要素の最小化を妥協することができそして、高比誘電率層から利益を受けることができる幾つかの回路の性能面も妥協しうる。通信回路内の典型的なトレードオフは、アンテナ要素の物理的な大きさ対効率の間である。比較により、本発明は、局部的に高い比誘電率の誘電体層部分と、局部的に低い比誘電率の誘電体層の使用を許すことにより、回路設計者に、追加のレベルの柔軟性を提供する。更に、局部化された基板部分は、局部化された磁性基板材料を選択する能力を通して、効率化のために最適化されることが可能である。この追加の柔軟性は、他では可能ではない、改善された性能と線路構成要素密度を可能とする。

局部化された且つ選択可能な透磁率及び誘電率を提供するメタマテリアル部分を有する誘電体基板は、以下の方法で準備される。ここで、規定するように、用語”メタマテリアル”は、オングストローム又はナノメートルのレベルのような、非常に微細なレベルで、２つ又はそれ以上の異なる材料を混合又は配置して構成される複合材料を指す。メタマテリアルは、複合物の電磁気特性の調整を可能とし、これは、実効誘電率及び実効透磁率を含む実効電磁気パラメータにより定義され得る。

適切なバルク誘電体基板材料は、デュポン（ＤｕＰｏｎｔ）及び、フェロ（Ｆｅｒｒｏ）のような、商業的な材料製造者から入手できる。一般的には、ＧｒｅｅｎＴａｐｅ^ＴＭ（グリーンテープ）と呼ばれる未処理の材料が、バルク誘電体テープから、６インチかける６インチ部分のような、同じ大きさの部分に切り取られる。例えば、デュポンマイクロサーキットマテリアルズは、例えば、９５１低温度コファイア誘電体テープ及び、フェロエレクトロニックマテリアルズＵＬＦ２８−３０ウルトラローファイアＣＯＧ誘電体形成のような、グリーンテープ材料システムを提供する。これらの基板材料は、一旦加熱されると、マイクロ波周波数での回路動作のための、比較的低い誘電正接を伴う比較的中程度の比誘電率を有する誘電体層を提供するために使用される。

複数の誘電体基板材料のシートを使用するマイクロ波回路を生成する処理では、ビア（ｖｉａｓ）、空隙、穴、又は、空洞のような特徴は、テープの１つ又はそれ以上の層を通して打ちぬく。空隙は、（例えば、パンチのような）機械的な手段又は、（例えば、レーザドリル、写真リソグラフィーのような）指向性エネルギー手段を使用して画定され得るが、しかし、空隙は他の適する方法を使用して画定もできる。いくつかのビアは、同じサイズの基板の全体の厚みに達し、一方、幾つかの空隙は基板厚みの変化する部分にのみ達する。

ビアは、埋め戻す材料の精密な位置決めのために、通常はステンシルを使用して、金属又は、他の誘電体又は磁性体材料又は、その混合物で満たされている。テープの個々の層は、完全な多層基板を製造するために、従来の処理で、共に積層されることが可能である。代わりに、テープの個々の層は、一般的には、サブ−スタックと呼ばれる不完全な多層基板を製造するために共に積層される。

空隙領域は、空隙を残すことも可能である。選択された材料で埋め戻された場合には、選択された材料はメタマテリアルを含むことが好ましい。メタマテリアル組成の選択は、２以下から少なくとも２６５０の比較的連続する範囲をわたり、制御可能な実効誘電率を提供できる。制御可能な透磁率は、あるメタマテリアルから入手できる。例えば、適する材料の選択を通して、実効透磁率は、一般的には、最も実際的なＲＦ応用については、約４から１１６の範囲である。しかし、実効透磁率は、約２の低さ又は、数１０００に達することが可能である。

ここで使用される、用語”異なるように修正された”は、誘電率及び透磁率の少なくとも１つが、基板の他の部分と比較して基板の１つの部分で異なる結果となる、誘電体基板層への、ドーパントを含む修正を指す。異なるように修正された基板は、１つ又はそれ以上のメタマテリアルを含む領域を含むことが好ましい。

例えば、修正は選択的な修正であり、ここで、ある特定の誘電体層部分は、第１の組の誘電率又は透磁率を生じるように修正され、一方他の誘電体層部分は、第１の組の特性と異なる誘電率及び／又は透磁率を提供するように、異なるように修正され又は未修正のまま残される。異なるように修正することは、種々の異なる方法で達成されることが可能である。

一実施例に従って、補足の誘電体層が、誘電体層に追加される。種々の噴霧技術、スピン−オン技術、種々の積層技術又は、スパッタリングのようなその技術で知られた技術が、補足の誘電体層を与えるのに使用される。補足の誘電体層は、空隙又は穴の内部又は全体の存在する誘電体層をわたることを含む、局部化された領域に、選択的に追加されることが可能である。例えば、補足の誘電体層は、増加された実効誘電率を有する基板部分を提供するために使用されることが可能である。

所定のエネルギー刺激への誘電体層の応答は、全体的に又は部分的に、実質的に不変である。不変的な応答は、適切な刺激が一度加えられると、１つ又はそれ以上の望ましい物理的な誘電体層特性を達成することを可能とする。また、物理的な特性は、例えば、誘電体層全体に亘って時間的に変化する電界の印加を可能にすることができる放電電極の使用により、変化させられる。例えば比誘電率のような誘電体層特性を変化させることは、例えば動作周波数の大きな変化のような、変化する信号特性に応答して、共振線路の特性を最適化するよう誘電体層の物理特性を再調整するために使用されうる。

異なるように修正するステップは、更に、誘電体層又は補足の誘電体層へ追加の材料を局部的に加えることを含む。材料の追加は、所定の設計目標を達成するために、誘電体層の実効誘電率又は透磁率を更に制御するのに使用される。

追加の材料は、複数の金属及び／又はセラミック粒子を含むことが可能である。金属粒子は、鉄、タングステン、コバルト、バナジウム、マンガン、ある希土類金属、ニッケル又は、ニオブ粒子を含むことが好ましい。粒子は、一般的には、サブミクロンの物理的な寸法を有し、以後ナノ粒子と呼ぶ、ナノメートルサイズの粒子であることが好ましい。

ナノ粒子のような粒子は、有機的に官能基化された複合粒子であることが好ましい。例えば、有機的に官能基化された複合粒子は、電気的絶縁コーティングを有する金属コア又は、金属コーティングを有する電気的絶縁コアを有する粒子を含むことができる。

ここで説明する種々の応用のための誘電体層の透磁率を制御するのに一般的に適する磁気メタマテリアル粒子は、フェライト有機セラミック（ＦｅｘＣｙＨｚ）−（Ｃａ／Ｓｒ／Ｂａ−セラミック）を含む。これらの粒子は、周波数範囲８−４０ＧＨｚの応用で良好に動作する。代わりに、又は、更にそれに加えて、ニオブ有機セラミック（ＮｂＣｙＨｚ）−（Ｃａ／Ｓｒ／Ｂａ−セラミック）は、周波数範囲１２−４０ＧＨｚで有益である。高周波数のために設計された材料は、低周波数の応用にも適用可能である。これらのそして他の形式の複合粒子は、商業上入手できる。

一般的には、コーティングされた粒子は、ポリママトリクス又は側鎖部分と結合するのを助けるので、本発明と供に使用するのが好ましい。誘電体の透磁率を制御するのに加えて、加えられた粒子は、材料の実効誘電率を制御するのにも使用されることが可能である。約１から７０％の複合粒子の充填比を使用して、基板誘電体層及び／又は補足の誘電体層の一部の比誘電率を、大きく増加及びあるいは減少させることができる。例えば、誘電体層へ有機的に官能基化されたナノ粒子を加えることを、修正された誘電体層の一部の比誘電率を増加させるのに使用することが可能である。

粒子は、ポリブレンディング、混合、及び、攪拌を有する充填を含む、種々の技術により与えられる。例えば、誘電体層がポリマーを有する場合には、比誘電率は、約７０％までの充填比を有する種々の粒子を使用して、２の公称値から１０へ増加されうる。

この目的に有益な金属酸化物は、酸化アルミニウム、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化ニッケル、酸化ジルコニウム及び、酸化ニオブ（ＩＩ、ＩＶ及び、Ｖ）を含むことができる。ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）と、ジルコン酸カルシウム（ｃａｌｃｉｕｍｚｉｒｃｏｎａｔｅ）及びジルコン酸マグネシウム（ｍａｇｎｅｓｉｕｍｚｉｒｃｏｎａｔｅ）のような、ジルコン酸塩（ｚｉｒｃｏｎａｔｅｓ）も使用され得る。

選択可能な誘電率は、１０ナノメートルほどの領域に局部化されることが可能であり又は、全体の基板面を含む大きな領域を覆うことが可能である。積層処理と共にリソグラフィー技術とエッチング技術のような、従来の技術は、局部化された誘電率及び透磁率の操作に使用することが可能である。

材料は、他の潜在的に望ましい基板特性と共に、２から約２６５０の実質的に連続する範囲内での実効誘電率を生じるために、他の材料と混合されて又は、空隙領域（一般的には、空気を入れる）の変化する密度を含み、準備される。例えば、低比誘電率（＜２から約４）を示す材料は、空隙領域の変化する密度を有するシリカを含む。空隙領域の変化する密度を有するアルミナは、約４から９の比誘電率を提供できる。シリカ又はアルミナの両方とも、大きな透磁率を有しない。しかしながら、これらの又は他の材料を大きく磁性にするために、２０ｗｔ．％までのような磁性粒子が加えられうる。例えば、透磁率は有機的に官能基化されて、調整され得る。磁性材料の添加からの比誘電率への影響は、一般的には、比誘電率の上昇となる。

中程度の比誘電率材料は、一般的には、７０から５００＋／−１０％の範囲の比誘電率を有する。前述のように、これらの材料は、望ましい実効誘電率値を提供するために、他の材料又は空隙と混合される。これらの材料は、フェライトドープチタン酸カルシウムを含む。ドーピング金属は、マグネシウム、ストロンチウム、及び、ニオブを含む。これらの材料は、４５から６００の範囲の比透磁率を有する。

高比誘電率の応用については、フェライト又はニオブドープのチタン酸ジルコン酸カルシウム又はバリウムが使用されることが可能である。これらの材料は、約２２００から２６５０の比誘電率を有する。これらの材料に対するドーピングの割合は、一般的には、約１から１０％である。他の材料に関して注意したように、これらの材料は、望ましい実効誘電率値を提供するために、他の材料又は空隙と混合されうる。

これらの材料は、一般的には、種々の分子修正処理を通して修正される。修正処理は、空隙形成に続き、ポリテトラフルオロエチレンＰＴＦＥのような、炭素及びフッ素ベースの有機的機能材料のような材料で充填される。

代わりに又は、有機的に官能基化された集積に加えて、処理は、固体自由形式製造（ＳＦＦ）、写真、紫外線、ｘ−線、電子−ビーム又は、イオン−ビーム照射を含む。リソグラフィーも、写真、紫外線、ｘ−線、電子−ビーム又は、イオン−ビーム放射を使用して実行することができる。

メタマテリアルを含む、異なる材料が、基板層（サブスタック）の異なる領域に与えられ、それにより、基板層（サブスタック）の複数の領域が、異なる誘電率及び／又は透磁率を有する。前述のような埋め戻し材料は、局部的に又はバルク基板部分をわたるいずれかで、望ましい誘電率及び／又は透磁率を達成するために、１つ又はそれ以上の追加の処理ステップと共に使用され得る。

最上層の導体プリントが、そして、一般的には、修正された基板層、サブ−スタック又は、完全なスタックへ与えられる。導体トレースは、薄膜技術、厚膜技術、電気メッキ又は、他の好ましい技術を使用して設けられる。導体パターンを画定するのに使用される処理は、限定はされないが、標準リソグラフィー及びステンシルを含む。

その場合に、一般的には、複数の修正された基板を順序正しくまとめ且つ整列させるためのベースプレートが用いられる。複数の基板の各々を通るアラインメント穴は、この目的のために使用される。

基板の複数の層、１つ又はそれ以上のサブ−スタック又は、層とサブ−スタックの結合は、全ての方向から材料に圧力を加える平衡の圧力又は、一方向のみから材料に圧力を加える一軸の圧力を使用して、（例えば、機械的にプレスされて）張り合わされる。貼り合わせ基板は、そして、上述のように更に処理され、又は、処理された基板について適する温度に（上述の材料について約８５０Ｃから９００Ｃ）、加熱するためにオーブンへ入れられる。

複数のセラミックテープ層と積層された基板のサブ−スタックは、そして、使用される基板材料について適する率で温度を上昇させるように制御され得る適切な炉を使用して、加熱される。温度の上昇率、最終温度、冷却プロフィール、及び、必要な保持のような、使用される処理条件は、基板材料及びそこに埋め戻される又は積層される材料に注意して選択される。加熱に続いて、積層された基板は、典型的には、光学顕微鏡を使用して欠陥について調査される。

積層されたセラミック基板は、オプションで、回路の機能的な要求に合わせるために、要求されるように小さい帯状の模様がある部分へ切断されることが可能である。最終検査の次に、帯状の模様がある基板の部分は、誘電、磁気及び／又は電気的特性が規定の限度内にあることを保証するために、種々の特性を評価するために、テスト取りつけ具に取り付けられる。

このように、誘電体基板材料は、帯域通過フィルタとして働く結合線路を有するそれらを有する回路の密度と性能を改善するために、局部化された調整可能な誘電率及び／又は透磁率が設けられることが可能である。誘電体の柔軟性は、線路インピーダンスと、インタディジタルフィルタを含む種々の構成要素の電磁的結合の独立した最適化を可能とする。

しかしながら、従来の基板材料は、回路要素の小型化を妥協し、そして、高比誘電率層からの利益を得ることが可能な回路の幾つかの性能面を妥協する。通信回路での典型的なトレードオフは、共振線路の物理的な大きさ対動作周波数の間である。比較により、本発明は、特定の周波数での動作のために、共振線路及び／又は変成器線路の大きさを減少させるのに最適化された透磁率を有する高い比誘電率の誘電体層部分の使用を許すことにより、回路設計者に、追加のレベルの柔軟性を提供すると共に、回路設計者が２端子線路の共振線路の面の品質ファクタ（Ｑ）を制御することを可能にする。この追加された柔軟性は、改善された性能と、共振線路密度と、無線周波数回路（ＲＦ）では他で可能ではない性能を可能とする。ここに規定されているように、無線周波数は、電磁波を伝播させるのに使用されることが可能である周波数である。

再び図１と２を参照すると、インタディジタルフィルタは、第１の比誘電率を含む第１の基板特性（例えば、誘電率）の組を有する少なくとも第１領域９と、第２の比誘電率を含む第２の基板特性の組を有する少なくとも第２領域１２を含む、誘電体材料の基板又は層（誘電体層）１１上に取り付けられている。第１の比誘電率は、第２の比誘電率と異なることが好ましい。この場合には、第２領域１２は、共振線路部分１５−２１の間に存在できる。基板は、さらに、他の組みの基板特性を有する、領域４０のような他の領域も有する。示されたように、領域４０は、それぞれの共振器要素とグランド面５０の間の領域を占める。本発明は、領域９，１２及び４０のそれぞれは、それら自身の誘電率を有することができるが、しかし、３つの領域のうちの２つは、本発明により考えられているのと等価な基板特性を有することも可能であると、考える。

領域１２及び／又は４０の比誘電率は、第１の領域９よりも高い誘電率と透磁率を有することが可能である。従って、共振器構成要素１５−２１（又は、図１の実施例の場合には、変成器要素１５と２１）は、それぞれの共振器構成要素とグランド面５０の間の選択されたキャパシタンスを実現するのに必要な他のものよりも小さい。従って、これは、インタディジタルフィルタを組み込む基板１１の領域について、従来の回路基板上で要求された領域よりも、小さい領域を可能とする。

共振線路上を伝わる信号の伝播速度は、
（外４）

へ約反比例する。従って、領域１２又は４０の誘電率及び／又は透磁率を増加させることは、共振線路上の信号の速度を、そして、信号波長を、減少させる。これゆえに、線路の４分の１波長（又は、その倍数）は、誘電率及び／又は透磁率の増加だけ、減少される。従って、インタディジタルフィルタを組み込む誘電体層又は基板１１の領域は、従来の回路基板で要求された領域よりも小さくできる。

領域１２と４０も、共振器線路の一部又は全部について、特定のキャパシタンスを達成するために選択された誘電率も有する。更に、透磁率は、同様に、特定の共振器要素について特定のインダクタンスとなるように、選択されることが可能である。誘電率と透磁率は、望ましい特性インピーダンス（Ｚ_０）又は、他のフィルタ特性となるように選択される。特性インピーダンス（Ｚ_０）は、共振線路部分状の特定の共振について望ましいＱを達成するために、フィルタの共振応答を整形するために、及び／又は電圧の極大と極小を調整するために選択される。更に、特性インピーダンス（Ｚ_０）は、より高い共振モードを抑圧するために、及び／又はインターディジタルフィルタのインピーダンスと自由空間のインピーダンスの間でインピーダンス不整合を生じさせるために、基板層内の領域の透磁率及び／又は誘電率を選択的に変化させることによって選択される。このインピーダンスの不整合は、インターディジタルフィルタからのＲＦ放射を最小化し且つ電磁妨害（ＥＭＩ）を減少させるのに役立つ。

これらの領域内で形成される電界と磁界はエネルギーを蓄積し且つ開放するので、インタディジタルフィルタ１０の共振特性は、基板の第１と第２の領域（又は、他の領域）を通して、分布される。電界と磁界により蓄積されそして開放されるエネルギーの量は、誘電体層の異なる領域に関連する誘電率と透磁率を制御することにより、調整されることが可能である。例えば、特定の領域のより高い誘電率は、その領域で形成された、電界に蓄積されたより大きなエネルギーとなる。同様に、特定の領域でのより高い透磁率は、その領域で形成された、磁界に蓄積されたより大きなエネルギーとなる。

共振構成要素又は線路の大きさは、従来の回路基板内のそれらと比べて、一般的には、小さいので、キャパシタンスは、インタディジタルフィルタの端から端までの望ましい位置で電圧の最大値及び最小値が測定されるように、更に簡単に調整され得る。更に、共振線路がインダクタンス又はキャパシタンスとして働く領域を、領域の誘電率及び／又は透磁率を選択的に変化させることによって、同様に更に容易に制御することが可能である。このように、本発明は、本発明が基板層内の領域の誘電率及び／又は透磁率を制御することができるので、共振線路の構成能力を向上させる。このことは、共振線路の特性の制御が線路の外形と物理的な構造とを変更することによって実現される従来技術とは対照的である。

本発明の一実施例では、基板誘電体層の透磁率を、インタディジタルフィルタの部分のインダクタンスを増加させるために、強磁性の、反磁性の、又は常磁性の材料を第２の領域へ加えることにより、制御することができる。強磁性の材料の導電率は、損失を最小化するために、そして、共振器部分を、誘電体層内又は上の他の線路へ又は、グランド面へ短絡しないようにするために、低いことが好ましい。

インタディジタルフィルタの構成は、示された例示の図に限定されないことは注意すべきである。例えば、インタディジタルフィルタは、変化する形状を有する共振器要素を有することができそして、共振器構成要素線路とグランド面又は、回路層面の間の変化する距離を有するように配置されることが可能である。更に、幾つかの、誘電性、強磁性、反磁性及び／又は常磁性材料が、基板の何れかの領域へ組み込まれることが可能である。一実施例では、特性インピーダンス（Ｚ_０）は、誘電性及び磁性を帯びた複数の混合物又は濃縮したものを使用して、線路の異なる領域に亘って特性インピーダンス（Ｚ_０）を変化させるように、インタディジタルフィルタの全長又はその一部に亘って制御され得る。例えば、特性インピーダンス（Ｚ_０）は、インタディジタルフィルタからのＲＦエネルギの放射又は電磁妨害（ＥＭＩ）を最小化するために、制御されることが可能である。更に、誘電率及び透磁率は、共振線路の性能を最適化するために、誘電体層の選択された部分で、異なるように修正されることが可能である。更に、他の配置では、全ての誘電体層部分は、誘電体層の全ての領域の誘電率と透磁率を異なるように修正することにより、修正されることが可能である。

ここで使用される、用語” 異なるように修正する”は、誘電率及び透磁率のうちの少なくとも１つが、基板の他の部分と比較して基板の１つの部分で異なる結果となる、誘電体層への、追加を含む、修正を指す。例えば、修正は、ある誘電体層部分は第１の誘電率又は透磁率の組を生じるように修正されるが、一方、他の誘電体層部分は、修正の結果からの第１の組の特性と異なる、誘電率及び透磁率を有するように、未修正のまま残される、選択的な修正でも可能である。

大きさと性能の最適化された共振線路を提供する方法の実施例は、以下の説明と図５に示されたフローチャートに関して説明する。図５を参照すると、ステップ５１０では、基板誘電体材料が修正のために準備される。基板材料は、
（外５）

又はポリマー材料又は、幾つかのそれらの結合から構成されるカスタム化された基板材料のような、商業的に入手できるいつでもすぐに買える基板材料を含む。準備処理は、選択された基板材料の形式に依存してなされ得る。

ステップ５２０では、第１領域９又は、第２領域１２のような、１つ又はそれ以上の誘電体層部分が、異なるように修正され、それにより、第２領域１２の誘電率と透磁率は、第１領域９の誘電率と透磁率と比較して異なる。ステップ５３０では、インタディジタルフィルタを形成するために、金属層が与えられる。ステップ５２０では、異なる修正は幾つかの異なる方法で達成される。

一実施例に従って、補足の誘電体層が、誘電体層１１へ追加される。種々の噴霧技術、スピン−オン技術、種々の積層技術又は、スパッタリングのようなその技術で知られた技術が、補足の誘電体層を与えるのに使用される。補足の層は、領域１２又は４０に又は、全体の存在する誘電体層１１をわたり、選択的に加えられる。

異なるように修正するステップ５２０は、さらに、誘電体層１１へ、追加の材料を加えることを含む。材料を加えることは、共振線路効率を改善し又は特定の共振線路の大きさを達成するために、誘電体層１１の誘電率又は透磁率を更に制御するために使用されうる。

誘電体層へ加えられることが可能な追加の材料は、複数の粒子を含むことが可能である。粒子は、金属及び／又はセラミック粒子であることが、好ましい。金属粒子は、鉄、タングステン、コバルト、バナジウム、マンガン、ある希土類金属、ニッケル又は、ニオブ粒子であることが、好ましい。粒子は、一般的には、サブ−ミクロンの物理な寸法を有する、以後、ナノ粒子と呼ぶ、ナノサイズの粒子であることが、好ましい。

ナノ粒子のような、粒子は、有機的に官能基化された複合粒子であることが好ましい。例えば、有機的に官能基化された複合粒子は、電気的絶縁コーティングを有する金属コア又は、金属コーティングを有する電気的絶縁コアを有する粒子を含むことができる。

ここで説明した共振線路応用のための誘電体層１１の透磁率を制御するために特に適する候補の磁気メタマテリアル粒子は、フェライト有機セラミック（Ｆｅｒｒｉｔｅｏｒｇａｎｏｃｅｒａｍｉｃｓ）（ＦｅｘＣｙＨｚ）−（Ｃａ／Ｓｒ／Ｂａ−セラミック）を含む。これらの粒子は、８−４０ＧＨｚの範囲の周波数で良好に動作する。代わりに、又は、更にそれに加えて、ニオブ有機セラミック（Ｎｉｏｂｉｕｍｏｒｇａｎｏｃｅｒａｍｉｃｓ）（ＮｂＣｙＨｚ）−（Ｃａ／Ｓｒ／Ｂａ−セラミック）は、周波数範囲１２−４０ＧＨｚで特に有益である。これらのそして他の形式の複合粒子は、商業上入手できる。

一般的には、コーティングされた粒子は、ポリママトリクス又は側鎖部分と結合するのを助けるので、本発明と供に使用するのが好ましい。誘電体層１１の透磁率を制御するのに加えて、加えられた粒子は、材料の誘電率を制御するのにも使用されることが可能である。約１から７０％の複合粒子の充填比を使用して、基板誘電体層及び／又は補足の誘電体層の部分の比誘電率を、大きく増加及びあるいは減少させることができる。例えば、誘電体層へ有機的に官能基化されたナノ粒子を加えることを、修正された誘電体層の部分の比誘電率を増加させるのに使用することが可能である。

本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明はそれに限定されないことは、は明らかである。多くの修正、変更、代用及び、等価物が、請求の範囲に記載された本発明の意図と範囲から離れることなしに、当業者には発生する。

本発明に従って、インタディジタルフィルタのサイズを減少させるために、基板上に形成されたインタディジタルフィルタの上面図である。線Ａ−Ａに沿った図１のインタディジタルフィルタの断面図である。本発明に従った、線Ａ−Ａに沿った図１のインタディジタルフィルタの代わりの実施例の断面図である。線Ａ−Ａに沿った図１のインタディジタルフィルタの他の代わりの実施例の断面図である。本発明に従って、減少された物理的なサイズのインタディジタルフィルタを製造する処理を示すのに役立つフローチャートである。

符号の説明

９第１領域
１０インタディジタルフィルタ
１１誘電体層
１２第２領域
１３入力端子
１４出力端子
１５，１６，１７，１８，１９，２０，２１共振器構成要素
２５，２６，２７，２８，２９，３０，３１グランド点
３５ビア
５０グランド面

Claims

無線周波数信号を処理する回路であって、
第１の領域と、異なる透磁率及び異なる誘電率のうちの少なくとも１つを有するよう、異なるよう修正された第２の領域とを有する少なくとも１つの誘電体層を有し、当該回路が配置されるところの基板と、
該基板上に配置された少なくとも１つのグランド面と、
複数の共振器構成要素を有するよう前記基板上に配置されたインタディジタルフィルタであって、前記複数の共振器構成要素の交互に隣り合って置かれた端部の少なくとも一部分は前記少なくとも１つのグランド面と接触し、前記基板の前記第１の領域は当該インタディジタルフィルタの前記共振器構成要素の少なくとも一部分の下にあり、前記基板の前記第２の領域は当該インタディジタルフィルタの前記共振器構成要素の少なくとも一部分の間にあるインタディジタルフィルタと、
を有し、
異なるように修正されることは、酸化アルミニウム、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化ニッケル、酸化ジルコニウム及び酸化ニオブ（ＩＩ、ＩＶ及びＶ）、ニオブ酸リチウムと、ジルコン酸カルシウム及びジルコン酸マグネシウムを含むジルコン酸塩と、ドーピング金属としてのマグネシウム、ストロンチウム又はニオブを含むフェライトドープチタン酸カルシウムと、フェライト又はニオブドープのチタン酸ジルコン酸カルシウム又はバリウムとを有するグループから選択される有機官能基化された複合セラミック粒子を有する少なくとも１つのメタマテリアルの選択的使用により達成され、
前記メタマテリアルは、分子又はナノメートルレベルにおける２又はそれ以上の異なる材料の混合又は配置から形成される複合材料である、ことを特徴とする回路。
前記複数の共振器構成要素は、各々が開放構成の終端線路を有することを特徴とする、請求項１記載の回路。
前記メタマテリアルは、フェライト有機セラミック及びニオブ有機セラミックを更に有するグループから選択されることを特徴とする、請求項１記載の回路。
前記メタマテリアルは、電気的絶縁コーティングを有する金属コアを有する粒子から成ることを特徴とする、請求項１記載の回路。