JP5519328B2

JP5519328B2 - 高周波用伝送線路基板

Info

Publication number: JP5519328B2
Application number: JP2010041911A
Authority: JP
Inventors: 正人石▲崎▼
Original assignee: 日鉄住金エレクトロデバイス株式会社
Priority date: 2010-02-26
Filing date: 2010-02-26
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2030-02-26
Also published as: JP2011182039A

Description

本発明は、数十ＧＨｚの周波数帯域で使用される高周波用伝送線路基板に係り、特に、マイクロストリップ線路とグランデッドコプレナ線路の変換部において伝送特性の低下を抑えることが可能な高周波用伝送線路基板に関する。

数十ＧＨｚの高周波信号を伝送するための線路として、マイクロストリップ線路やグランデッドコプレナ線路が知られている。これらの伝送線路を絶縁基板上に形成する際に、いずれを選択するかは、絶縁基板の外部条件によって左右される。例えば、絶縁基板の外部が同軸コネクタである場合にはマイクロストリップ線路が選択され、絶縁基板の外部がＩＣである場合にはグランデッドコプレナ線路が選択される場合が多い。

マイクロストリップ線路は、誘電体基材の表面と裏面に導体箔等が被着された構造となっており、表面の導体箔が信号線導体を構成し、裏面の導体箔がグランド層を構成している。なお、信号線導体の幅が広いほど、マイクロストリップ線路の特性インピーダンスは小さい。また、マイクロストリップ線路を前述の同軸コネクタに接続する場合、信号線導体とグランド層がそれぞれ同軸の芯線とグランドに対して接続される。

これに対し、信号線導体と、この信号線導体の両側に配置される接地導体が誘電体基材の表面に導体箔等を用いて形成されたものをコプレナ線路という。さらに、誘電体基材の裏面にグランド層が形成されているものを、特に、グランデッドコプレナ線路という。なお、前述の絶縁基板の外部がＩＣである場合、ＩＣ上面の接地パッドと基板の接地導体をワイヤボンディング等で接続する必要があるため、接地導体が信号線導体と同一面に形成されているグランデッドコプレナ線路が伝送線路として使用される場合が多い。

マイクロストリップ線路とグランデッドコプレナ線路を接続する場合、伝送損失を低減させるために、両者の間に変換部を設け、変換部で滑らかに構造を変化させる手法がとられる。しかし、幅広い周波数帯で伝送損失を低減させることは非常に困難で、この目的のために様々な発明や考案が提案されてきた。

例えば、特許文献１には、「変換線路」という名称で、ミリ波領域で用いられるグランデッドコプレナ線路あるいはコプレナ線路形式の端子を有する部品とマイクロストリップ線路形式の端子を有する部品とを接続するための変換線路の改良に関する発明が開示されている。
特許文献１に開示された発明は、マイクロストリップ線路のストリップ導体の線幅をグランデッドコプレナ線路の中心導体よりも大きくし、中心導体とストリップ導体とを線幅が徐々に変化するようなテーパ状の導体部を介して接続するとともに、テーパ状の導体部の両側のグランド層（前述の接地導体に相当）との間隔も同様に変化させ、このテーパ状のグランド層の拡がり起点が、テーパ状の導体部の拡がり起点よりもグランデッドコプレナ線路側にずれた構造となっている。
このような構造によれば、テーパ状の導体部における特性インピーダンスの変化を小さく抑えながらコプレナ線路としての性質を徐々に小さくすることができるため、ミリ波の高周波領域でも信号の反射及び挿入損失を小さくすることができる。

特許文献２には、高周波特性の悪化を防止して高周波信号を通過させることができる「高周波信号伝送基板」に関する発明が開示されている。
特許文献２に開示された発明は、グランドデッドコプレナ線路とマイクロストリップ線路を有する高周波信号伝送基板において、ビアの複数個を信号導体線路から遠ざかる方向に配列するとともに、基板の稜線部から延設する第１のグランド導体膜の信号導体線路の近接部、ビアを含むビア周辺部及びこれと近接部を接続する繋ぎ部を残して第１のグランド導体膜に稜線部から延設する切り欠き部を形成した構造となっている。
このような構造の高周波信号伝送基板においては、第１のグランド導体膜のうち基板の稜線部近傍においてスタブが発生するおそれのある箇所に切り欠き部が設けられていることから、透過係数Ｓ２１の特性の低下やエネルギー放射の割合の増加等の特性の悪化を防止することが可能である。

特許第３５８０６６７号公報特開２００８−１４７７５７号公報

しかしながら、上述の従来技術である特許文献１に開示された発明では、グランド層（前述の接地導体に相当）に電流が流れにくい領域のスタブが存在するため、高周波の領域において、このスタブが後述する透過係数Ｓ２１の特性の低下や、エネルギー放射の割合を増加させるという課題があった。

また、特許文献２に開示された発明においては、マイクロストリップ線路とグランデッドコプレナ線路の変換部近傍のビアを介して、リターン電流が接地導体とグランド層の間を移動する際に発生する伝送損失を、十分に低下させることができないという課題があった。

本発明は、このような従来の事情に対処してなされたものであり、マイクロストリップ線路とグランデッドコプレナ線路の変換部近傍のビアを介して、接地導体とグランド層の間をリターン電流が移動する際に発生する伝送損失を抑え、伝送特性の低下を防ぐことが可能な高周波用伝送線路基板を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、誘電体からなる基材の一方の面に形成される第１の信号線導体と，この第１の信号線導体を挟んで対称に設けられる１対の第１の接地導体と，第１の信号線導体から離れる向きに１対の第１の接地導体からそれぞれ延設される第２の接地導体と、基材の他方の面に形成されるグランド層と、このグランド層と第１の接地導体及び第２の接地導体をそれぞれ導通させる複数の第１のビア及び第２のビアとを有するグランデッドコプレナ線路と、第１の信号線導体に変換部を介して接続される第２の信号線導体と、グランド層とを有するマイクロストリップ線路と、を備え、第１の接地導体は、第１の信号線導体に沿って設けられ、第２の接地導体は、外郭線が円弧状をなし，変換部に最も近い第１のビア，及び第２のビアの開口部を所定の幅で囲むように形成されるビアランドと、このビアランド同士を導通させる接続線路とからなり、この接続線路は，ビアランドの外郭線の直径よりも幅が狭くなるように形成されることを特徴とするものである。
このような構造の高周波用伝送線路基板においては、ビアランドや接続線路の縁部に沿って流れるリターン電流と、第２のビアとの距離が短いため、リターン電流が第２のビアへ流れ易いという作用を有する。この場合、リターン電流のエネルギーの一部が空間へ放射されるという現象が発生し難い。また、基材の稜線部近傍に第１の接地導体が設けられていないため、スタブが発生するおそれがない。

また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の高周波用伝送線路基板において、接続線路の幅が、ビアランドの幅の２倍であることを特徴とするものである。なお、本願明細書において、「接続線路の幅がビアランドの幅の２倍」という場合には、「略２倍」の場合も含まれるものとする。
このような構造の高周波用伝送線路基板においては、ビアランド間を導通させるという接続線路の機能を維持しつつ、請求項１記載の発明よりもさらに、第２の接地導体を流れるリターン電流のエネルギーの一部が空間へ放射され難いという作用を有する。

本発明の請求項１記載の高周波用伝送線路基板によれば、マイクロストリップ線路とグランデッドコプレナ線路の変換部における伝送損失を小さくして、伝送特性の低下を抑えることが可能である。

また、本発明の請求項２記載の高周波用伝送線路基板によれば、請求項１記載の発明の効果がより一層発揮される。

（ａ）は本発明の実施の形態に係る高周波用伝送線路基板の実施例の主要部の平面図であり、（ｂ）は同図（ａ）のＸ−Ｘ線矢視断面図である。（ａ）及び（ｂ）は図１（ａ）の部分拡大図である。（ａ）及び（ｂ）は本実施例の変形例を示す図である。（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ従来技術及び本実施例の高周波用伝送線路基板におけるリターン電流の挙動を模式的に示した図である。（ａ）及び（ｂ）は従来技術に係る高周波用伝送線路基板の主要部の平面図である。（ａ）及び（ｂ）は従来技術の高周波用伝送線路基板について透過係数Ｓ２１を数値解析により求めた結果である。（ａ）及び（ｂ）は本実施例の高周波用伝送線路基板について透過係数Ｓ２１を数値解析により求めた結果である。

本発明の実施の形態に係る高周波用伝送線路基板の実施例について従来技術と比較しながら具体的に説明する。

本発明及び従来技術に係る高周波用伝送線路基板の構造について図１及び図２を用いて説明する。
図１（ａ）は本発明の実施の形態に係る高周波用伝送線路基板の実施例の主要部の平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＸ−Ｘ線矢視断面図である。なお、図１（ｂ）にはＧＮＤビア９ａのみが示され、ＧＮＤビア９ｂは示されていないが、ＧＮＤビア９ｂはＧＮＤビア９ａと同一の断面構造を有している。また、図２（ａ）及び図２（ｂ）は図１（ａ）の部分拡大図であり、図３（ａ）及び図３（ｂ）は本実施例の変形例を示す図である。

図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、本実施例の高周波用伝送線路基板１ａでは、セラミックやプラスチック等の誘電体を一枚又は複数枚積層して形成される基材２の表面２ａに、変換部８を介して接続されるストリップ導体３ａと中心導体３ｂとからなる信号線導体３と、接地導体４ａ，４ｂが形成され、基材２の裏面２ｂに、グランド層５が島状あるいは略全面にべたパターンとして形成されている。すなわち、高周波用伝送線路基板１は、中心導体３ｂと，この中心導体３ｂを挟んで対称にそれぞれ形成される接地導体４ａ，４ａ及び接地導体４ｂ，４ｂと，グランド層５によって構成されるグランデッドコプレナ線路７と、ストリップ導体３ａと，グランド層５によって構成されるマイクロストリップ線路６とを有している。

基材２には、接地導体４ａ，４ａ及び接地導体４ｂ，４ｂからグランド層５に向かって複数の貫通孔２ｃが穿設されており、貫通孔２ｃの内壁面には金属導体１０が接合されてＧＮＤビア９ａ，９ｂが形成されている。すなわち、接地導体４ａ，４ａ及び接地導体４ｂ，４ｂとグランド層５はそれぞれＧＮＤビア９ａ，９ｂを介して電気的に接続されている。
また、接地導体４ｂ，４ｂは、変換部８の近傍において中心導体３ｂから離れる向きに接地導体４ａ，４ａから延設されており、ＧＮＤビア９ａは中心導体３ｂに沿って略等間隔に配列されている。

図２（ａ）に示すように、ストリップ導体３ａは中心導体３ｂよりも幅が広く、変換部８は中心導体３ｂからストリップ導体３ａに向かって拡幅するように形成されている。また、接地導体４ａ，４ａは、変換部８に対する間隔Ｗ_２が中心導体３ｂに対する間隔Ｗ_１と略等しくなるように形成されている。一方、接地導体４ｂ，４ｂは、外郭線が円弧状をなし，変換部８に最も近いＧＮＤビア９ａ（以下、必要に応じてＧＮＤビア１４という。）及びＧＮＤビア９ｂの開口部を幅Ｄ_２で囲むように形成されるビアランド１２と、隣接するビアランド１２同士を互いに導通させる接続線路１３とからなり、ビアランド１２の幅Ｄ_２は接地導体４ａの幅Ｄ_１と略等しく、接続線路１３の幅Ｄ_３はビアランド１２の幅Ｄ_２の略２倍となっている。また、図２（ｂ）に示すように、基材２を平面視してＧＮＤビア９ａ，９ｂの中心軸を通る直線（以下、配列線１１ａ，１１ｂという。）のなす角度αは９０度となっている。なお、本発明の高周波用伝送線路基板は、図１又は図２に示す構造に限定されるものではなく、例えば、図３に示す高周波用伝送線路基板１ｂのように、ＧＮＤビア９ｂが４個設置された構造とすることもできる。なお、図３（ａ）及び図３（ｂ）はそれぞれ図１（ａ）及び図２（ａ）に対応するものであるため、その詳細な説明は省略する。また、ＧＮＤビア９ｂは、６個以上設置されていても良く、また、１列に限らず、２列以上設置されていても良い。

次に、高周波用伝送線路基板１ａの作用について図４を用いて説明する。
図４（ａ）及び図４（ｂ）はそれぞれ従来技術及び本実施例の高周波用伝送線路基板におけるリターン電流の挙動を模式的に示した図である。なお、図２に示した構成要素については同一の符号を付して、その説明を省略する。また、図４（ａ）に示した従来技術の高周波用伝送線路基板５１ａは本実施例の高周波用伝送線路基板１ａ（図２（ａ））において接続線路１３の幅Ｄ_３がビアランド１２の円弧状の外郭線の直径Ｄ_４（図２（ａ））と等しく、ＧＮＤビア９ｂのビアランド１２の外郭線が矩形状をなすように形成された構造となっている。
図４（ａ）に示すように、高周波用伝送線路基板５１ａにおいては、矢印Ａで示すように接地導体４ａの縁部に沿って接地導体４ｂへ流れたリターン電流の一部は矢印Ｂで示すようにＧＮＤビア１４，９ｂへ流れる。ところが、ＧＮＤビア１４とＧＮＤビア９ｂの間では、接地導体４ｂの縁部に沿って流れるリターン電流とＧＮＤビア１４，９ｂとの距離が長くなり、リターン電流がＧＮＤビア１４，９ｂのいずれにも流れ難くなる。そのため、リターン電流のエネルギーの一部が矢印Ｃで示すように空間へ放射されてしまう。その結果、変換部８における伝送損失が増加する。

一方、本実施例の高周波用伝送線路基板１ａでは、接続線路１３の幅Ｄ_３がビアランド１２の円弧状の外郭線の直径Ｄ_４（図２（ａ））よりも狭く、ＧＮＤビア９ｂのビアランド１２の外郭線が円弧状をなすように形成されているため、図４（ｂ）に矢印Ｅで示すように、ＧＮＤビア１４とＧＮＤビア９ｂの間でも、ビアランド１２や接続線路１３の縁部に沿って流れるリターン電流とＧＮＤビア１４，９ｂとの距離が短く、リターン電流がＧＮＤビア１４，９ｂに流れ易くなる。従って、リターン電流のエネルギーの一部が空間へ放射されるという現象が発生し難い。また、特許文献１に記載された発明とは異なり、基材２の稜線部２ｄ（図２（ａ））の近傍にスタブが発生するおそれがない。
従って、このような構造の高周波用伝送線路基板１ａによれば、マイクロストリップ線路６とグランデッドコプレナ線路７の変換部８における伝送損失を小さくすることができる。

本発明の高周波用伝送線路基板の変換部における伝送特性について、散乱行列（Ｓ行列）の要素（Ｓパラメータ）の一つである透過係数Ｓ２１の数値解析結果を用いて従来技術と比較しながら説明する。
図５（ａ）及び図５（ｂ）は従来技術に係る高周波用伝送線路基板の主要部の平面図である。また、図６及び図７はそれぞれ従来技術及び本実施例の高周波用伝送線路基板の伝送特性（透過係数Ｓ２１）を数値解析によって求めた結果を示している。なお、図１乃至図４に示した構成要素については同一の符号を付して、その説明を省略する。

図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、従来技術の高周波用伝送線路基板５０は本実施例の高周波用伝送線路基板１ａ（図２（ａ））においてＧＮＤビア９ｂ，ビアランド１２及び接続線路１３が無く、接地導体４ａの外郭線が変換部８の近傍を除いて略矩形状に形成された構造となっており、従来技術の高周波用伝送線路基板５１ｂは本実施例の変形例である高周波用伝送線路基板１ｂ（図３（ｂ））において接続線路１３の幅Ｄ_３がビアランド１２の円弧状の外郭線の直径Ｄ_４（図２（ａ））と等しく、ＧＮＤビア９ｂのビアランド１２の外郭線が矩形状をなすように形成された構造となっている。なお、以下の数値解析において、高周波用伝送線路基板５０，５１ａ，５１ｂにおけるストリップ線路３ａ及び中心導体３ｂの幅をそれぞれ０．２５ｍｍ及び０．１ｍｍとし、長さをそれぞれ１．３ｍｍ及び１．５ｍｍとした。また、接地導体４ａと中心導体３ｂとの間隔Ｗ_１を０．０５５ｍｍとし、接地導体４ａの幅Ｄ_１とビアランド１２の幅Ｄ_２をそれぞれ０．１２５ｍｍ及び０．１ｍｍとした。そして、ストリップ線路３ａ，中心導体３ｂ，接地導体４ａ及びビアランド１２の厚さを５５μｍとするとともに、基材２を比誘電率が９．０のアルミナ基板（縦３ｍｍ×横６ｍｍ×厚さ０．３ｍｍ）とした。なお、ＧＮＤビア９ａ，９ｂについては、径を０．２ｍｍとし、３次元形状のモデル化を行って解析条件の中に盛り込んだ。

図６及び図７において、縦軸は透過係数Ｓ２１の計算値であり、横軸は伝送される信号の周波数（ＧＨｚ）である。なお、図６（ａ）の実線及び破線はそれぞれ高周波用伝送線路基板５０，５１ａの透過係数Ｓ２１（計算値）を表し、図６（ｂ）の実線及び破線はそれぞれ高周波用伝送線路基板５０，５１ｂの透過係数Ｓ２１（計算値）を表している。また、図７（ａ）の実線及び破線はそれぞれ高周波用伝送線路基板５１ａ，１ａの透過係数Ｓ２１（計算値）を表し、図７（ｂ）の実線及び破線はそれぞれ高周波用伝送線路基板５１ｂ，１ｂの透過係数Ｓ２１（計算値）を表している。

図６に示すように、ほぼ全周波数帯域にわたって高周波用伝送線路基板５１ａ，５１ｂの透過係数Ｓ２１が高周波用伝送線路基板５０の透過係数Ｓ２１を上回っている。これは、高周波用伝送線路基板５１ａ，５１ｂではＧＮＤビア１４へ流れなかったリターン電流の一部が接地導体４ｂを経由してＧＮＤビア９ｂへ流れることで、変換部８における伝送損失が高周波用伝送線路基板５０に比べて抑制されたことを示している。
一方、図７では、４５ＧＨｚ以上の周波数帯域において、高周波用伝送線路基板１ａ，１ｂの透過係数Ｓ２１がそれぞれ高周波用伝送線路基板５１ａ，５１ｂの透過係数Ｓ２１を上回っている。これは、高周波用伝送線路基板１ａ，１ｂにおいては、ＧＮＤビア１４とＧＮＤビア９ｂの間でもビアランド１２や接続線路１３の縁部に沿って流れるリターン電流とＧＮＤビア１４，９ｂとの距離が短く、高周波用伝送線路基板５１ａ，５１ｂの場合に比べて、リターン電流がＧＮＤビア１４，９ｂに流れ易いため、リターン電流のエネルギーの一部が空間へ放射されるという現象が発生し難く、変換部８における伝送損失が小さいことを示している。

本実施例では配列線１１ａ，１１ｂが直交するようにＧＮＤビア９ａ，９ｂが配列されているが、配列線１１ａ，１１ｂのなす角度αは必ずしも９０度でなくとも良い。ただし、ＧＮＤビア９ａ，９ｂは角度αが９０度±３０度の範囲内となるように配列されることが望ましい。さらに、接続線路１３の幅Ｄ_３は本実施例に示した場合に限定されるものではなく、適宜変更可能である。なお、前述のビアランド１２の作用が発揮されるためには、接続線路１３の幅Ｄ_３がビアランド１２の円弧状の外郭線の直径Ｄ_４に比べて狭いほど良いが、接続線路１３の幅Ｄ_３があまり狭すぎると、ビアランド１２同士を導通させるという接続線路１３の本来の機能が発揮されない。従って、接続線路１３の幅Ｄ_３はビアランド１２の幅Ｄ_２の２倍程度とすることが望ましい。
また、マイクロストリップ線路６、グランデッドコプレナ線路７及び接地導体４ａ，４ｂの寸法や基材２の材質は、本実施例に示すものに限定されるものではなく、適宜変更可能である。

請求項１及び請求項２に記載された発明は、マイクロストリップ線路とグランデッドコプレナ線路を有する各種の伝送線路基板に対して適用可能である。

１ａ，１ｂ…高周波用伝送線路基板２…基材２ａ…表面２ｂ…裏面２ｃ…貫通孔２ｄ…稜線部３…信号線導体３ａ…ストリップ導体３ｂ…中心導体４ａ，４ｂ…接地導体５…グランド層６…マイクロストリップ線路７…グランデッドコプレナ線路８…変換部９ａ，９ｂ…ＧＮＤビア１０…金属導体１１ａ，１１ｂ…配列線１２…ビアランド１３…接続線路１４…ＧＮＤビア５０…高周波用伝送線路基板５１ａ，５１ｂ…高周波用伝送線路基板

Claims

誘電体からなる基材の一方の面に形成される第１の信号線導体と，この第１の信号線導体を挟んで対称に設けられる１対の第１の接地導体と，前記第１の信号線導体から離れる向きに前記１対の第１の接地導体からそれぞれ延設される第２の接地導体と、前記基材の他方の面に形成されるグランド層と、このグランド層と前記第１の接地導体及び前記第２の接地導体をそれぞれ導通させる複数の第１のビア及び第２のビアとを有するグランデッドコプレナ線路と、
前記第１の信号線導体に変換部を介して接続される第２の信号線導体と、前記グランド層とを有するマイクロストリップ線路と、
を備え、
前記第１の接地導体は、前記第１の信号線導体に沿って設けられ、
前記第２の接地導体は、外郭線が円弧状をなし，前記変換部に最も近い前記第１のビア，及び前記第２のビアの開口部を所定の幅で囲むように形成されるビアランドと、このビアランド同士を導通させる接続線路とからなり、
この接続線路は，前記ビアランドの前記外郭線の直径よりも幅が狭くなるように形成されることを特徴とする高周波用伝送線路基板。
前記接続線路の幅は、前記ビアランドの幅の２倍であることを特徴とする請求項１記載の高周波用伝送線路基板。