JP5051062B2

JP5051062B2 - 薄膜バラン

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Publication number: JP5051062B2
Application number: JP2008211644A
Authority: JP
Inventors: 眞遠藤
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2008-08-20
Filing date: 2008-08-20
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2028-08-20
Also published as: US20100045396A1; JP2010050610A; US8085111B2

Description

本発明は、不平衡―平衡の信号変換を行なうバランであって、特に、小型薄型化に有利な薄膜プロセスにより形成された薄膜バランに関する。

無線通信機器は、アンテナ、フィルタ、ＲＦスイッチ、パワーアンプ、ＲＦ−ＩＣ、バラン等の各種高周波素子によって構成される。ここで、アンテナやフィルタ等の共振素子は、接地電位を基準とした不平衡型の信号を扱うが、高周波信号の生成や処理を行なうＲＦ−ＩＣは、平衡型の信号を扱うため、両者を接続する場合には、不平衡−平衡変換器として機能するバランが使用される。

ところで、携帯電話などの移動体通信機や無線ＬＡＮに用いられるバランに対してバイアスを印加して、平衡信号を増幅させることが求められることがある。この場合には、バランの平衡伝送線路とＧＮＤ端子との間に、目的の周波数の信号がＧＮＤへ流れるような容量をもつキャパシタを直列に挿入して、ＤＣ成分と目的の周波数成分とを分ける必要がある。

かかる機能を有するバランとして、特許文献１には、バランの平衡伝送線路とＧＮＤ端子との間にキャパシタを設けた積層型バランが開示されている。この積層型バランは、ＬＴＣＣ（Low Temperature Co-fired Ceramics）技術を用いて形成されたものであり、その全面にキャパシタが形成されている。
特許第３７８０４１４号公報

ところで、本願発明者が、近時の電子デバイスへの小型化、薄型化の要求に応えるべく、上記従来のようなバイアス供給用のキャパシタを備えるバランの特性について鋭意検討を行ったところ、薄膜プロセスで形成した薄膜バランにおいては、バイアス供給用のキャパシタがバランの平衡伝送特性に影響を与えることを見出した。これは、薄膜バランでは、キャパシタと平衡伝送線路との間の層間距離が積層型バランに比べて短いという、構造的な要因に起因するものと推定されるものの、従来の積層型バランの構成を用いる限りにおいては、場合によっては、薄膜バランに要求される種々の特性をこれまで以上に十分に高めることができないことが判明した。

そこで、本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、直流バイアス供給のためのキャパシタを内蔵させつつ、平衡伝送特性を改善することができる薄膜バランを提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明の薄膜バランは、一対の第１のコイル部を備える不平衡伝送線路と、一対の第２のコイル部を備え、不平衡伝送線路に磁気結合する平衡伝送線路と、平衡伝送線路に、一端が接続されたキャパシタと、キャパシタの他端に接続された接地端子と、を有し、キャパシタは、第１のコイル部及び第２のコイル部に重ならない領域に配置されたものである。

このような構成では、薄膜バランの平衡伝送特性（信号の位相及び強度の平衡度）が改善される作用機序の詳細については未だ不明な点があるものの、第１のコイル部及び第２のコイル部に重ならない領域にキャパシタが配置されていることにより、コイル部に重なるようにキャパシタが配置されている場合に比べて、不平衡伝送線路と平衡伝送線路の電磁気的結合に与える影響が低減され、これにより、平衡伝送特性が改善されるものと推定される。ここで、第１のコイル部及び第２のコイル部に重ならない領域とは、第１のコイル部及び第２のコイル部の対向方向から視認した場合に重なりが観察されるか否かを問題としている。なお、この領域には、コイル開口は含まれない。また、キャパシタの配置領域は、互いに対向配置された２つのキャパシタ電極によって規定され、当該キャパシタ電極を所望の端子に接続するための引き出し配線は含まれない。

好ましくは、キャパシタは、引き出し配線を介して平衡伝送線路又は接地端子に接続されており、引き出し配線が、第１のコイル部及び第２のコイル部に重ならない領域に配置されている。引き出し配線であっても、ＧＨｚ帯の周波数領域ではコイルとして作用し得ることから、このように配置することにより、引き出し配線による不平衡伝送線路と平衡伝送線路の電磁気的結合に与える影響が低減されるものと思われる。

さらに好ましくは、キャパシタは、接地端子に隣接して配置されている。これにより、引き出し配線がほとんどなくなることから、引き出し配線による不平衡伝送線路と平衡伝送線路の電磁気的結合に与える影響が低減される。

例えば、一対の第１のコイル部は同一面に並んで配置され、一対の第２のコイル部は一対の第１のコイル部に対向して配置されており、キャパシタは、一対のコイル部を各コイル部に分割する仮想線に対して対称となるように配置されている。左右のコイルを分割する仮想線に対して対称となるようなキャパシタの配置は、対称性が求められる平衡伝送特性に適しているものと予想される。

本発明によれば、不平衡伝送線路と平衡伝送線路の電磁気的結合に与える影響を低減すべく、第１のコイル部及び第２のコイル部に重ならない領域にキャパシタが配置されていることから、薄膜バランの平衡伝送特性が改善される。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、図面中、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、上下左右などの位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。さらに、図面の寸法比率は、図示の比率に限定されるものではない。また、以下の実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をその実施の形態のみに限定する趣旨ではない。さらに、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、さまざまな変形が可能である。

図１は、本実施形態に係る薄膜バラン１の等価回路図である。
図１に示すように、コイル４１と、コイル４２と、コイル４１及びコイル４２を接続する引き出し配線２３とにより不平衡伝送線路２が構成されている。不平衡伝送線路２の一端は不平衡信号端子７１に接続されており、不平衡伝送線路２の他端は開放されている。また、コイル３１と、コイル３２と、コイル３１及びコイル３２を接続する引き出し配線２２とにより平衡伝送線路３が構成される。２つのコイル３１，３２の一端は、引き出し配線２２及びキャパシタ４を介して接地端子７２に接続されている。２つのコイル３１，３２の他端は、平衡信号端子７４，７５に接続されている。

このように、薄膜バラン１は、隣接する一対のコイル４１，４２を備える不平衡伝送線路２と、不平衡伝送線路２の各コイル４１，４２に対向して配置された一対のコイル３１，３２を備え、不平衡伝送線路２に電磁気的に結合する平衡伝送線路３と、平衡伝送線路３に一端が接続されたキャパシタ４と、キャパシタ４の他端に接続された接地端子７２とを備える。また、薄膜バラン１は、その他の端子として、不平衡信号端子７１と、ＤＣ供給端子７３と、平衡信号端子７４，７５と、ＮＣ（Non-Connection）端子７６を備えている。

図１を参照して薄膜バラン１の基本的な動作について説明する。
上記の薄膜バラン１では、不平衡信号端子７１に不平衡信号が入力されると、不平衡信号はコイル４１、引き出し配線２３、及びコイル４２を伝播する。そして、コイル４１においてはコイル３１と電磁気的に結合し、コイル４２においてはコイル３２と電磁気的に結合することによって、不平衡信号は位相が１８０°異なる２つの平衡信号に変換され、この２つ平衡信号が平衡信号端子７４，７５から出力される。このとき、ＤＣ供給端子７３にバイアス電圧を印加しておくことにより、平衡信号が増幅されて出力される。なお、平衡信号から不平衡信号の変換動作は、上述した動作を逆にしたものである。

上述したバランの動作から明らかなように、バランの平衡伝送特性は重要な要素である。平衡伝送特性は、２つの平衡信号の位相のずれが１８０°に近く、また、２つの平衡信号の強度が近いほど、高く評価される。本願発明者らは、作用機序の詳細については未だ不明な点があるものの、バイアス供給用のキャパシタの配置により、バランの平衡伝送特性が影響を受けることを見出した。

図２〜図５は、薄膜バラン１の各配線層の平面図である。このうち、図２は第１配線層１０の平面図であり、図３は第２配線層２０の平面図であり、図４は第３配線層３０の平面図であり、図５は第４配線層４０の平面図である。第１配線層１０が最下層の配線層であり、第４配線層４０が最上層の配線層である。図６は、図２のＶＩ−ＶＩ線における薄膜バラン１の概略断面図である。

図２〜図５に示すように、第１配線層１０〜第４配線層４０の全ての層に、不平衡信号端子７１、接地端子７２、ＤＣ供給端子７３、平衡信号端子７４，７５、及びＮＣ端子７６が形成されている。各端子７１〜７６はスルーホールＰを介して異なる層間において電気的に接続されている。なお、図２〜図４に示す全てのスルーホールＰには上下層を電気的に導通させるよう金属めっきが施されている。以下、各配線層の構成について詳細に説明する。

図２に示すように、第１配線層１０には、キャパシタ４の下部電極１１が形成されている。下部電極１１は、引き出し配線１２を介して接地端子７２に接続されている。後述するように、下部電極１１は、不平衡伝送線路２を構成するコイル４１，４２および平衡伝送線路３を構成するコイル３１，３２に重ならない領域に配置されている。より詳細には、下部電極１１は、コイル３１，４１の周囲であって、ＤＣ供給端子７３及び不平衡信号端子７１の間の領域に配置されている。

図３に示すように、第２配線層２０には、下部電極１１に対向配置された上部電極２１が形成されている。上部電極２１は、ＤＣ供給端子７３に接続されている。下部電極１１と、上部電極２１と、下部電極１１及び上部電極２１の層間の誘電体膜とにより、キャパシタ４が構成される。また、第２配線層２０には、２つの引き出し配線２２，２３が形成されており、引き出し配線２２はＤＣ供給端子７３に接続されている。

図４に示すように、第３配線層３０には、平衡伝送線路３を構成する２つのコイル３１，３２（一対の第２のコイル部）が隣接して形成されている。各コイル３１，３２は、１／４波長共振器相当を構成する。コイル３１の外側の端部３１ａは平衡信号端子７４に接続されており、コイル３１の内側の端部３１ｂはスルーホールＰに接続されている。また、コイル３２の外側の端部３２ａは平衡信号端子７５に接続されており、コイル３２の内側の端部３２ｂはスルーホールＰに接続されている。コイル３１の端部３１ｂと、コイル３２の端部３２ｂとは、スルーホールＰ及び第２配線層２０の引き出し配線２２を介して互いに接続されている。

図５に示すように、第４配線層４０には、不平衡伝送線路２を構成する２つのコイル４１，４２（一対の第１のコイル部）が隣接して形成されている。各コイル４１，４２は、１／４波長共振器相当を構成する。コイル４１の外側の端部４１ａは不平衡信号端子７１に接続されており、コイル４１の内側の端部４１ｂはスルーホールＰに接続されている。コイル４２の内側の端部４２ｂはスルーホールＰに接続されており、コイル４２の外側の端部４２ａは開放されている。コイル４１の端部４１ｂと、コイル４２の端部４２ｂとは、スルーホールＰ及び引き出し配線２３を介して接続されている。不平衡伝送線路２の各コイル４１，４２は、平衡伝送線路３の各コイル３１，３２に対向配置されており、対向している部分で電磁気的に結合して結合器を構成する。

以上、図２〜５を用いて説明した内容を、図１に照らし言い換えると、本実施形態に係る薄膜バランは、不平衡回路を有し、その不平衡回路は、１対の１／４波長回路が連結した構成をもつ伝送線路（第１のコイル部）を備えている。不平衡回路を構成する一方の１／４波長回路は不平衡信号端子に接続され、他方の１／４波長回路は開放端に接続されている。
この薄膜バランは、さらに不平衡回路と電磁気的に結合する平衡回路を有し、その平衡回路は一対の１／４波長回路を構成する伝送線路（第２のコイル部）を備えている。平衡回路を構成する一方の１／４波長回路の一端は平衡信号端子に接続され、その他端は平衡回路を構成する他方の１／４波長回路の一端と接続される。また、平衡回路を構成する他方の１／４波長回路の他端は平衡信号端子に接続される。さらに、平衡回路を構成する一対の１／４波長回路間の一点はキャパシタの一端と直流供給端子に接続され、そしてキャパシタの他端は接地端子に接続される。
このような回路構成において、キャパシタが第１のコイル部及び第２のコイル部に重ならない領域に配置されている。

図６に示すように、上述した第１配線層１０〜第４配線層４０は、例えばアルミナからなる基板６０上に形成されている。各配線層１０〜４０の材料や製法に限定はないが、例えば、スパッタリング法、ＣＶＤ法、電気めっき法、又は無電解めっき法により形成されたＡｇ、Ｃｕ、Ａｌ等の材料からなる。各配線層１０〜４０間には、誘電体膜６１〜６５が形成されている。誘電体膜６１〜６５の材料に特に限定はないが、例えば、誘電体膜６１、６３、６５として、ポリイミド、感光性樹脂等が用いられる。また、キャパシタ４の下部電極１１が形成される第１配線層１０と、キャパシタ４の上部電極２１が形成される第２配線層２０との間の誘電体膜６２には、例えば窒化シリコン、酸化シリコン、アルミナ等が用いられる。また、平衡伝送線路３が形成される第３配線層３０と、不平衡伝送線路２が形成される第４配線層４０との間の電体膜６４には、例えば窒化シリコン、酸化シリコン、アルミナ等が用いられる。

本実施形態では、キャパシタ４が最下層、すなわち不平衡伝送線路２及び平衡伝送線路３を構成する層よりも下層に形成されている。このような構成にすることで、より小型で高集積化が可能な部品を容易に製造出来る点で、薄膜プロセス上好ましい。すなわち、キャパシタとコイルを隣り合わせて形成するとキャパシタ形成領域とコイル形成領域は限界まで近づけられないが、本実施形態では、コイル形成領域とキャパシタ形成領域を限界まで近づけられるという利点がある。

上述したように、本実施形態では、キャパシタ４が、不平衡伝送線路２及び平衡伝送線路３を構成するコイル３１，３２，４１，４２に重ならない領域に配置されている。本願発明者らは、作用機序の詳細については未だ不明な点があるものの、バイアス供給用のキャパシタの配置により、バランの特性が影響を受けることを見出した。

以下では、キャパシタ４の配置を変えた実施例１〜３及び比較例１，２について、薄膜バランの平衡伝送特性を求めた。図７及び図８は実施例２及び３におけるキャパシタの下部電極を示す平面図であり、図９及び図１０は比較例１及び２におけるキャパシタの下部電極を示す平面図である。なお、図７〜１０に示す下部電極の配置領域は、下部電極に対向して配置される上部電極の配置領域、ひいてはキャパシタの配置領域を意味する。以下、各実施例及び比較例のキャパシタの配置について説明する。

（実施例１）
実施例１の薄膜バラン１は、図２に示すように、コイルの周囲であって、ＤＣ供給端子７３及び不平衡信号端子７１の間の領域に下部電極１１が配置されている。下部電極１１と、接地端子７２とを接続する引き出し配線１２は、コイルに重なっている。

（実施例２）
実施例２では、図７に示すように、コイルの周囲であって、ＤＣ供給端子７３及び接地端子７２の間の領域に下部電極１１を配置した。この場合には、下部電極１１と接地端子７２は、長い引き出し配線を介さずに接続されている。

（実施例３）
実施例３では、図８に示すように、キャパシタ４の下部電極１４ａ，１４ｂが、左右のコイルを各コイルに分割する仮想線（ＮＣ端子７６とＤＣ供給端子７３とを結ぶ仮想線に等しい）に対して対称となるように配置した。下部電極１４ａ，１４ｂ同士は、引き出し配線１５を介して接続されており、下部電極１４ｂは接地端子７２に接続されている。

（比較例１）
比較例１では、図９に示すように、片側のコイル及びコイル開口に重なるようにキャパシタ４の下部電極１６を配置した。

（比較例２）
比較例２では、図１０に示すように、コイル開口には重ならないが、コイルに重なるようにキャパシタ４の下部電極１７ａ，１７ｂを配置した。また、キャパシタ４の下部電極１７ａ，１７ｂが、左右のコイルを各コイルに分割する仮想線（ＮＣ端子７６とＤＣ供給端子７３とを結ぶ仮想線に等しい）に対して対称となるように配置した。下部電極１７ａ，１７ｂ同士は、引き出し配線１８を介して接続されており、下部電極１７ｂは接地端子７２に接続されている。

（評価結果）
上記の実施例１〜３及び比較例１〜２の構造について、２つの平衡信号の出力バランスをシミュレーションにより求めた。目的の周波数は、２４００−２５００ＭＨｚとした。以下の評価では、出力バランスが−１．０ｄＢ以上１．０ｄＢ以下を合格基準とした。結果を図１１に示す。ここで、図１１に示す出力バランス特性は平衡信号端子７４と平衡信号端子７５から出力される振幅差であることから０ｄBがより理想的な出力バランスとなる。図１１では、Ｅ１は実施例１の結果、Ｅ２は実施例２の結果、Ｅ３は実施例３の結果、Ｃ１は比較例１の結果、Ｃ２は比較例２の結果を示す。

図１１に示すように、コイルに重ならないようにキャパシタを配置した実施例１〜３は、いずれも比較例１，２に比べて出力バランスが優れていることがわかる。作用機序の詳細については未だ不明な点があるが、コイルに重ならないようにキャパシタを配置することにより、平衡伝送特性への影響が少なくなるものと予想される。

実施例１〜３のうち、実施例２が最も出力バランスに優れていた。引き出し配線もＧＨｚ帯の周波数領域ではコイルとして作用し得ることから、コイルに重なる引き出し配線をなくすことにより、平衡伝送特性への影響がさらに少なくなるものと思われる。

また、実施例２には劣るものの実施例３も出力バランスに優れていることがわかる。この結果から、左右のコイルを分割する仮想線に対して対称となるようなキャパシタの配置は、対称性が求められる平衡伝送特性に適しているものと思われる。

なお、比較例１は基準に満たないが、比較例２は、実施例１に比べて出力バランスが劣るものの、基準は満たしていた。

以上の評価結果により、本実施形態で述べたキャパシタの配置が薄膜バラン１の特性を改善していることが示された。

なお、上述したとおり、本発明は、上記の各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない限度において様々な変形が可能である。例えば、各端子７１〜７６の配置に限定はなく、例えばＮＣ端子７６を接地端子として用いることも可能である。また、薄膜バラン１を構成する配線構造は、４層未満又は５層以上であってよい。また、キャパシタを最上層に形成し、不平衡電極を最下層に形成するよう、層構成が全く逆の構造でも同じ効果が得られる。さらに、コイル配置に限定はなく、例えば、不平衡伝送線路２及び平衡伝送線路３の４つのコイル３１，３２，４１，４２が全て積層され、１つのコイル開口のみが画成されているような構造の薄膜バランであってもよい。

本発明の薄膜バランは、バイアス供給用のキャパシタを備える薄膜バランの平衡伝送特性の改善を図ることができるため、特に小型化が要求される無線通信機器への適用が可能である。

本実施形態に係る薄膜バラン１の等価回路図である。薄膜バラン１の第１配線層１０を示す平面図である。薄膜バラン１の第２配線層２０を示す平面図である。薄膜バラン１の第３配線層３０を示す平面図である。薄膜バラン１の第４配線層４０を示す平面図である。薄膜バラン１の配線構造を示す概略断面図である。実施例２の薄膜バラン１におけるキャパシタ電極を示す平面図である。実施例３の薄膜バラン１におけるキャパシタ電極を示す平面図である。比較例１の薄膜バラン１におけるキャパシタ電極を示す平面図である。比較例２の薄膜バラン１におけるキャパシタ電極を示す平面図である。実施例１〜３と比較例１〜２の出力バランスの比較結果を示す図である。

符号の説明

１…薄膜バラン、２…不平衡伝送線路、３…平衡伝送線路、４…キャパシタ、１０…第１配線層、１１…下部電極、１２…引き出し配線、２０…第２配線層、２１…上部電極、２２，２３…引き出し配線、３０…第３配線層、３１…コイル、３１ａ，３１ｂ…端部、３２…コイル、３２ａ，３２ｂ…端部、４０…第４配線層、４１…コイル、４１ａ，４１ｂ…端部、４２…コイル、４２ａ，４２ｂ…端部、６０…基板、６１〜６５…誘電体膜、７１…不平衡信号端子、７２…接地端子、７３…ＤＣ供給端子、７４…平衡信号端子、７５…平衡信号端子、７６…ＮＣ端子、Ｐ…スルーホール。

Claims

同一面に並んで配置された一対の第１のコイル部を備える不平衡伝送線路と、
前記一対の第１のコイル部とは異なる面において前記一対の第１のコイル部に対向して配置された一対の第２のコイル部を備え、前記不平衡伝送線路に電磁気的に結合する平衡伝送線路と、
前記平衡伝送線路に接続される、直流バイアスを供給するためのＤＣ供給端子と、
前記平衡伝送線路及び前記ＤＣ供給端子に、一端が接続されたキャパシタと、
前記キャパシタの他端に接続された接地端子と、
を有し、
前記キャパシタは、前記第１のコイル部及び前記第２のコイル部に重ならない領域に配置された、
薄膜バラン。
前記キャパシタは、引き出し配線を介して前記平衡伝送線路又は前記接地端子に接続されており、
前記引き出し配線が、前記第１のコイル部及び前記第２のコイル部に重ならない領域に配置された、
請求項１記載の薄膜バラン。
前記キャパシタは、前記接地端子に隣接して配置された、
請求項１記載の薄膜バラン。
前記キャパシタは、前記一対のコイル部を各コイル部に分割する仮想線に対して対称となるように配置された、
請求項１記載の薄膜バラン。