JP7230089B2 - コプレーナ線路とコネクタとの接続構造及び接続方法、並びにそれを用いたサンプリングオシロスコープ - Google Patents

Description

本発明は、コプレーナ線路とコネクタとの接続構造及び接続方法、並びにそれを用いたサンプリングオシロスコープに関する。

広帯域サンプリングオシロスコープは、サンプリング時点をずらしながら複数回のサンプリングを行うことにより被測定信号の波形を測定するものであり、被測定信号をサンプリングするサンプラ回路を備えている。サンプラ回路の周波数応答特性は、直流から数十ＧＨｚ（例えば８０ＧＨｚ）までの広帯域でフラットで良好なことが要求されてきている。このため、例えばコプレーナ線路基板にサンプラ回路が設けられる場合には、コプレーナ線路基板と入出力コネクタとの接続部においても、数十ＧＨｚ（例えば４０ＧＨｚ）以上の高周波帯域で良好な伝送特性が求められる。

サンプラ回路に限らず、一般に、コプレーナ線路基板と同軸型の入出力コネクタとの接続部において、基板のコプレーナ線路とコネクタの中心導体線路を結ぶ信号経路に対してグランド経路が遠回りする構成になっていると、この部分がインダクタンス性となり、高周波ほどリターンロスが悪化することになる（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１には、多層配線基板と小型のコネクタとの接続部分において、多層配線基板のグランド層が露出され、露出部分とコネクタの外部導体とを半田や銀ペースト等によって電気的に接続する接続構造が記載されている。

特開２０１４－７３９０号公報

しかしながら、特許文献１に記載の接続構造は、コプレーナ線路基板を金属ケースに収納し、金属ケースに同軸型の入出力コネクタを取り付け、該基板上のグランド導体の端面を導電性接着剤や金リボン等により金属ケースと接触させるような構造には採用することができず、数十ＧＨｚ等の高周波帯域まで良好な伝送特性を伸ばせない問題があった。

図７は、従来例として、中心導体線路１０１３とその両側のグランド導体１０１４を有するコプレーナ線路基板１０１０が金属ケース１０２０に収容され、金属ケース１０２０に同軸型の入出力コネクタ１０３０が取り付けられた接続構造を示す図である。図７の従来例では、基板１０１０の中心導体線路１０１３とコネクタ１０３０の内部導体１０３１を結ぶ信号経路に対してグランド経路が遠回りする構成になっており、この部分がインダクタンス性となり、高周波ほどリターンロスが悪化する問題があった。基板１０１０のグランド導体１０１４の長手方向の端面を、導電性接着剤や金リボン等の導電材により金属ケース１０２０と接触させる構造にしても、中心の信号経路に対してグランド経路が遠回りする構成は変わらず、高周波伝送特性が悪化する問題は解消しない。

本発明は、上記の従来の課題を解決するためになされたものであり、コプレーナ線路とコネクタとの接続部における高周波伝送特性に優れた接続構造及び接続方法、並びにそれを用いたサンプリングオシロスコープを提供することを目的とする。

本発明のコプレーナ線路とコネクタとの接続構造（以下、単に接続構造ともいう）は、板状の誘電体からなる基材（１１）の一方の表面に中心導体線路（１３）と前記中心導体線路の長手方向全体にわたって該中心導体線路の両側に該中心導体線路からそれぞれ間隔をおいて配置された一対のグランド導体（１４）とからなるコプレーナ線路（１２）が形成された基板（１０）と、前記基板を収容する金属ケース（２０）と、前記コプレーナ線路の前記中心導体線路に電気的に接続された内部導体（３１）と、絶縁材を介して前記内部導体を包囲すると共に前記グランド導体に電気的に接続された外部導体（３２）とを同軸上に有し、前記金属ケースに取り付けられたコネクタ（３０）と、を備え、前記グランド導体同士の内側の間隔が前記コネクタの前記外部導体の内径φに等しく、前記一対のグランド導体の一方のグランド導体と他方のグランド導体との内側の間隔は、前記中心導体線路の幅Ｗと、前記中心導体線路と前記一方又は他方のグランド導体との間隔Ｇを２倍した２Ｇとの和に等しく、Ｗ＋２Ｇ＝φの関係を満たしており、前記コプレーナ線路の前記中心導体線路に沿った方向における前記グランド導体の端部と、前記コネクタの前記外部導体の端部とが、電気的に接続されていることを特徴とする。

上述のように、本発明の接続構造は、グランド導体同士の内側の間隔がコネクタの外部導体の内径に等しいので、基板の中心導体とコネクタの内部導体を結ぶ信号経路に対してグランド経路が遠回りせず最短で接続する構成となっている。この構成により、コプレーナ線路とコネクタとの接続部において、インピーダンスの不連続点が無く、高周波帯域でのリターンロスも抑制され、優れた高周波伝送特性を得ることができる。

本発明のコプレーナ線路とコネクタとの接続構造において、前記金属ケースは、前記金属ケースの内部で前記基板を前記金属ケースの底から浮かせて保持する保持部（２４）を含む構成であってもよい。

この構成により、本発明の接続構造は、コプレーナ線路が金属ケースの底面から一定の距離をあけて配置されているので、金属の底面の存在がコプレーナ線路の電界分布に影響を与えることなく、高周波帯域においても狙い通りのコプレーナ線路として有効に機能することができる。

本発明のコプレーナ線路とコネクタとの接続構造は、前記コプレーナ線路が延在する方向における前記グランド導体の端部と、前記コネクタの前記外部導体の端部とが、導電材（４０）を介して電気的に接続された構成であってもよい。

この構成により、本発明の接続構造は、基板のグランド導体の長手方向の端部とコネクタの外部導体の端部とが電気的に確実に接続されるので、基板の中心導体とコネクタの内部導体とを結ぶ信号経路に対してグランド経路が遠回りせずより確実に最短で接続する構成となっている。この構成により、高周波帯域でのリターンロスも抑制され、優れた高周波伝送特性を得ることができる。

本発明のサンプリングオシロスコープは、被測定信号をサンプリングするサンプラ回路を備えたサンプリングオシロスコープであって、前記基板に形成された前記コプレーナ線路と前記金属ケースに取り付けられた前記コネクタとの上記いずれかに記載の接続構造と、前記基板にフリップチップ実装されたベアチップと、を備え、前記ベアチップに前記サンプラ回路が形成されていることを特徴とする。

この構成により、本発明のサンプリングオシロスコープは、コプレーナ線路とコネクタとの接続部において優れた高周波伝送特性を得ることができる接続構造の基板に、ベアチップがフリップチップ実装され、そのベアチップにサンプラ回路が形成されているので、接続部での高周波伝送特性の悪化に起因してサンプラ回路の高周波応答特性を悪化させることがなく、直流から数十ＧＨｚまでの広帯域で良好な周波数応答特性を有するサンプリングオシロスコープを実現できる。

本発明のコプレーナ線路とコネクタとの接続方法は、板状の誘電体からなる基材（１１）の一方の表面に中心導体線路（１３）と前記中心導体線路の長手方向全体にわたって該中心導体線路の両側に該中心導体線路からそれぞれ間隔をおいて配置されたグランド導体（１４、１４）とからなるコプレーナ線路（１２）が形成された基板（１０）を用意し、前記基板を金属ケース（２０）に収容し、内部導体（３１）と、絶縁材を介して該内部導体を包囲する外部導体（３２）とを同軸上に有するコネクタを、前記金属ケースに取り付け、前記コネクタの前記内部導体を前記コプレーナ線路の前記中心導体線路に電気的に接続させ、前記外部導体を前記グランド導体に電気的に接続させることを含み、前記グランド導体同士の内側の間隔が前記コネクタの前記外部導体の内径φに等しく、前記一対のグランド導体の一方のグランド導体と他方のグランド導体との内側の間隔は、前記中心導体線路の幅Ｗと、前記中心導体線路と前記一方又は他方のグランド導体との間隔Ｇを２倍した２Ｇとの和に等しく、Ｗ＋２Ｇ＝φの関係を満たしており、前記コプレーナ線路の前記中心導体線路に沿った方向における前記グランド導体の端部と、前記コネクタの前記外部導体の端部とが、電気的に接続されていることを特徴とする。

上述のように、本発明の接続方法は、コネクタを金属ケースに取り付けるステップにおいて、基板のグランド導体同士の内側の間隔が同軸型のコネクタの外部導体の内径に等しいので、基板の中心導体とコネクタの内部導体を結ぶ信号経路に対してグランド経路が遠回りせず最短で接続する構成となっている。この構成により、コプレーナ線路とコネクタとの接続部において、インピーダンスの不連続点が無く、高周波帯域でのリターンロスも抑制され、優れた高周波伝送特性を得ることができる。

本発明によれば、コプレーナ線路とコネクタとの接続部における高周波伝送特性に優れた接続構造及び接続方法、並びにそれを用いたサンプリングオシロスコープを提供することができる。

（ａ）は本発明の一実施形態に係るコプレーナ線路が形成された基板の平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ－Ａ断面図である。 図１の基板が金属ケースに収容された状態を示す断面図である。 図２のＢ－Ｂ断面図である。 本発明の一実施形態に係るコプレーナ線路とコネクタとの接続方法のフローチャートである。 本発明の一実施形態に係るサンプリングオシロスコープの概略構成を示す図である。 本発明の一実施形態に係る接続構造の基板にフリップチップ実装されたベアチップを示す断面図である。 従来のコプレーナ線路とコネクタとの接続構造の概略構成を示す図である。

本発明の実施形態に係るコプレーナ線路１２と同軸型のコネクタ３０との接続構造１について図面を参照して説明する。

（基板）
図１（ａ）は、本実施形態に係る接続構造１において、コプレーナ線路１２が形成された基板１０の平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ－Ａ断面図である。図１に示すように、基板１０は、板状の誘電体からなる基材１１と、基材１１の一方の表面１１ａに形成されたコプレーナ線路１２とを備えている。コプレーナ線路１２は、中心導体線路１３と一対のグランド導体１４，１４とから構成されている。中心導体線路１３は、Ｘ軸方向（長手方向）に延在する幅Ｗの導体パターンであり、一対のグランド導体１４、１４は、中心導体線路１３の両側に中心導体線路１３からそれぞれ間隔Ｇ、Ｇをおいて形成されている。基板１０は、基材１１の表面１１ａに、コプレーナ線路１２の他に種々の高周波用の回路が形成されていてもよく、ベアチップなどの半導体ＩＣが実装されていてもよい。

コプレーナ線路１２のインピーダンスは、主に中心導体線路１３の幅Ｗ、中心導体線路１３と両側のグランド導体１４とのギャップ幅Ｇ、基材１１の厚さｔ、基材１１の比誘電率εにより定まる。これらのパラメータ（すなわちＷ、Ｇ、ｔ、ε）を適切に設定することにより、コプレーナ線路１２のインピーダンスを、コネクタ３０のインピーダンスと同じ例えば５０Ωとなるように設定することができる。

本実施形態では、基板１０の裏面１１ｂには導体パターンが形成されていないが、裏面１１ｂにもグランド導体層が形成された、いわゆるグランデッドコプレーナ線路を採用してもよい。この場合は、基板１０の表面１１ａのグランド導体１４と裏面１１ｂのグランド導体層とが複数のビアホールにより電気的に接続されるようにする。

（金属ケース）
図２は、金属ケース２０に基板１０が収容された状態を示す断面図である。図２に示すように、金属ケース２０は、中空部を有する金属製のケース本体２１と、ケース本体２１の開口を覆う金属製の蓋２２とを備えている。金属ケース２０内に基板１０が収容されるので、外部からのノイズに強く、外部に不要なノイズを出すこともない。また、金属ケース２０は、金属ケース２０の内部で基板１０を金属ケース２０の底から浮かせて保持する保持部２４を有している。具体的には、ケース本体２１の対向する内壁に、ケース本体２１の高さの中間高さにて保持部２４としての段部または凸部がそれぞれ形成されている。基板１０は、ケース本体２１の対向する内壁に形成された保持部２４としての段部に載置され保持されるようになっている。

この構成により、コプレーナ線路１２が金属ケース２０の金属の底面から一定の距離をあけて配置されているので、金属の底面の存在がコプレーナ線路の電界分布に影響を与えることなく、高周波帯域においても狙い通りのコプレーナ線路として有効に機能することができる。コプレーナ線路１２として、グランデッドコプレーナ線路が用いられる場合には、基板１０を金属ケース２０の底面、あるいはその近くに配置してもよい。

金属ケース２０の外形は、直方体形状であるが、これに限定されず、基板１０を収容し、コネクタ３０を取り付け可能な限り、任意の形状を採用してもよい。また、金属ケース２０は、２分割できる構成であるが、これに限定されず、３以上のパーツに分割できる構成であってもよく、例えば底板を取り外しできるようにしてもよい。

（コネクタ）
コネクタ３０は、コプレーナ線路１２の中心導体線路１３に電気的に接続された内部導体３１と、絶縁体のビーズ３３を介して内部導体３１を包囲すると共にグランド導体１４に電気的に接続された外部導体３２とを同軸上に有する同軸構造のコネクタである。コネクタ３０は、金属ケース２０に気密性を持たせて、あるいは気密性を持たせずに金属ケース２０の孔部２３にねじ込んで取り付けられている。コネクタ３０は、コプレーナ線路１２に接続されている側とは反対の側に、同軸ケーブルが接続できるようになっている。

同軸構造のコネクタ３０のインピーダンスは、内部導体３１の外径Ｄ、外部導体３２の内径φ、内部導体３１と外部導体３２の間に設けられた絶縁体のビーズ３３の比誘電率εによって定まる。よって、これらのパラメータＤ、φ、εを適切に設定することにより、コネクタ３０のインピーダンスを、コプレーナ線路１２のインピーダンスと同じ例えば５０Ωに設定することができる。

コネクタ３０は、取り扱う周波数帯域に応じて、例えば、外部導体３２の内径が１．８５ｍｍである所謂「１．８５ｍｍコネクタ」や、外部導体３２の内径が１．０ｍｍである所謂「１．０ｍｍコネクタ」であってもよい。

図３に示すように、グランド導体１４、１４同士の内側の間隔（ギャップ幅ともいう）は、コネクタ３０の外部導体３２の内径φに等しくなっている。一方のグランド導体１４と他方のグランド導体１４との内側の間隔は、中心導体線路１３の幅Ｗと、中心導体線路１３とグランド導体１４との間隔Ｇを２倍した２Ｇとの和である。すなわち、Ｗ＋２Ｇ＝φを満たしている。グランド導体１４、１４同士の内側の間隔がコネクタ３０の外部導体３２の内径φに等しいので、基板１０の中心導体線路１３とコネクタ３０の内部導体３１を結ぶ信号経路に対してグランド経路が遠回りせず最短で接続される構成となっている。この構成により、コプレーナ線路１２と同軸構造のコネクタ３０との接続部において、インピーダンスの不連続点が無く、高周波帯域でのリターンロスも抑制され、優れた高周波伝送特性を得ることができる。

コプレーナ線路１２の中心導体線路１３に沿った方向（長手方向ともいう）におけるグランド導体１４の端部と、コネクタ３０の外部導体３２の端部とは、好ましくは導電性接着剤や金リボンなどの導電材４０を介して接続されている。

これにより、基板１０のグランド導体１４の長手方向の端部とコネクタ３０の外部導体３２の端部とが電気的に確実に接続されるので、基板１０の中心導体線路１３とコネクタ３０の内部導体３１とを結ぶ信号経路に対してグランド経路が遠回りせずより確実に最短で接続する構成となっている。この構成により、高周波帯域でのリターンロスも抑制され、優れた高周波伝送特性を得ることができる。

なお、図３では、２つのコネクタ３０が金属ケース２０に取り付けられているが、個数は２に限定されず、１又は３以上のコネクタ３０を取り付けた構成であってもよい。

（コプレーナ線路とコネクタとの接続方法）
次に、本実施形態に係るコプレーナ線路１２とコネクタ３０との接続方法について説明する。

図４は、コプレーナ線路１２とコネクタ３０との接続方法の概略を示すフローチャートである。図４に示すように、コプレーナ線路１２の中心導体線路１３の幅Ｗと、両側のグランド導体１４の各々と中心導体線路１３との間隔（ギャップ幅）Ｇが、コネクタ３０の外部導体３２の内径φと、φ＝Ｗ＋２Ｇの関係を満たすようなコプレーナ線路１２の基板１０を用意する（ステップＳ１）。

次いで、金属ケース２０の内部に保持部２４として設けられた段部の上に、コプレーナ線路１２の基板１０を配置する（ステップＳ２）。基板１０は、金属ケース２０の底面から浮いた状態で保持される。

次いで、金属ケース２０の壁部に形成された孔部２３に、同軸型のコネクタ３０を例えばねじ込んで取り付ける（ステップＳ３）。

次いで、コプレーナ線路１２の中心導体線路１３とコネクタ３０の内部導体３１を半田等により接続する（ステップＳ４）。

次いで、基板１０のグランド導体１４の長手方向の端部とコネクタ３０の外部導体３２の端部との間に隙間があれば、その隙間を導電性接着剤や金リボン等の導電材４０で埋めて両者を電気的に確実に接続するようにする（ステップＳ５）。隙間がない場合であっても、グランド導体１４の長手方向の端部とコネクタ３０の外部導体３２の端部との接触部分に導電性接着剤や金リボン等の導電材を付与し、両者の電気的な接続を補強してもよい。

最後に金属ケース２０の蓋２２を閉める（ステップＳ６）。以上で、金属ケース２０に基板１０を収容した構成の、コプレーナ線路１２と同軸型のコネクタ３０との接続構造が完成する。

（サンプリングオシロスコープ）
次に、サンプリングオシロスコープ１００について説明する。

サンプリングオシロスコープ１００は、広帯域・低雑音の特徴を有し、測定対象物（ＤＵＴ（Device Under Test））２００から送信された被測定信号の波形表示を行うものである。図５に示すように、サンプリングオシロスコープ１００は、トリガ生成部１１０、サンプラ回路１２０、Ａ／Ｄ変換部１３０、表示部１４０、及び制御部１５０を備えている。

トリガ生成部１１０は、サンプラ回路１２０を駆動するサンプラ駆動パルス（ストローブ信号）を生成するようになっている。トリガ生成部１１０は、例えばステップリカバリダイオードや高速動作するトランジスタ回路が使用され、高速パルスのストローブ信号を生成する。

サンプラ回路１２０は、例えばダイオードを含んで構成され、トリガ生成部１１０にて数百ｋＨｚから数十ＭＨｚ程度で生成されるストローブ信号をサンプリングタイミングとして、外部から入力される被測定信号をサンプリングする。サンプリングは、例えばランダムサンプリングやシーケンシャルサンプリング等の等価時間サンプリングが採用される。

Ａ／Ｄ変換部１３０は、サンプラ回路１２０にてサンプリングされたアナログ出力によるデータをデジタルのデータに変換する。

表示部１４０は、例えば液晶表示器などで構成され、制御部１５０の制御により、被測定信号の波形や統計処理された測定結果などを表示する。

制御部１５０は、高い周波数で繰り返す波形を観測するため、トリガ生成部１１０、サンプラ回路１２０、Ａ／Ｄ変換部１３０、表示部１４０を統括制御する。

本実施形態のサンプリングオシロスコープ１００では、金属ケース２０に収容されたコプレーナ線路１２の基板１０と同軸型のコネクタ３０との接続構造１が用いられ、図６に示すように、基板１０にベアチップ１６０がフリップチップ実装されている。フリップチップ実装では、ベアチップ１６０を基板１０に押し付け、ベアチップ１６０側の電極パッド１６１に設けられたバンプ１６２を、基板１０側の電極パッド１７１と接合させる。このベアチップ１６０にサンプラ回路１２０が形成されている。

この構成により、本実施形態のサンプリングオシロスコープ１００は、コプレーナ線路１２とコネクタ３０との接続部において優れた高周波伝送特性を得ることができる接続構造１の基板１０に、ベアチップ１６０がフリップチップ実装され、そのベアチップ１６０にサンプラ回路１２０が形成されているので、接続部での高周波伝送特性の悪化に起因してサンプラ回路１２０の高周波応答特性を悪化させることがなく、直流から数十ＧＨｚまでの広帯域で良好な周波数応答特性を有するサンプリングオシロスコープを実現できる。

（作用・効果）
以上のように、本実施形態に係る接続構造１は、グランド導体１４、１４同士の内側の間隔（Ｗ＋２Ｇ）がコネクタ３０の外部導体３２の内径φに等しいので、基板１０の中心導体線路１３とコネクタ３０の内部導体３１を結ぶ信号経路に対してグランド経路が遠回りせず最短で接続する構成となっている。この構成により、コプレーナ線路１２とコネクタ３０との接続部において、インピーダンスの不連続点が無く、高周波帯域でのリターンロスも抑制され、優れた高周波伝送特性を得ることができる。

また、本実施形態に係る接続構造１がサンプリングオシロスコープ１００のサンプラ回路１２０に用いられると、コプレーナ線路１２とコネクタ３０との接続部において高周波伝送特性の悪化が抑制できるので、広帯域で周波数応答特性が良好な広帯域サンプリングオシロスコープの実現に資することができる。

以上説明したように、本発明は、コプレーナ線路とコネクタとの接続部における高周波伝送特性が優れているという効果を有し、コプレーナ線路とコネクタとの接続構造及び接続方法、並びにそれを用いたサンプリングオシロスコープの全体に有用である。

１ 接続構造
１０ 基板
１１ 基材
１１ａ 表面
１１ｂ 裏面
１２ コプレーナ線路
１３ 中心導体線路
１４ グランド導体
２０ 金属ケース
２１ ケース本体
２２ 蓋
２３ 孔部
２４ 保持部
３０ コネクタ
３１ 内部導体
３２ 外部導体
３３ ビーズ（絶縁材）
４０ 導電材
１００ サンプリングオシロスコープ
１１０ トリガ生成部
１２０ サンプラ回路
１３０ Ａ／Ｄ変換部
１４０ 表示部
１５０ 制御部
１６０ ベアチップ
１６１、１７１ 電極パッド
１６２ バンプ
２００ ＤＵＴ

Claims (2)

1. 被測定信号をサンプリングするサンプラ回路を備えたサンプリングオシロスコープであって、
   板状の誘電体からなる基材（１１）の一方の表面に中心導体線路（１３）と前記中心導体線路の長手方向全体にわたって該中心導体線路の両側に該中心導体線路からそれぞれ間隔をおいて配置された一対のグランド導体（１４）とからなるコプレーナ線路（１２）が形成された基板（１０）と、
   前記基板を収容する金属ケース（２０）と、
   前記コプレーナ線路の前記中心導体線路に電気的に接続された内部導体（３１）と、絶縁材を介して前記内部導体を包囲すると共に前記グランド導体に電気的に接続された外部導体（３２）とを同軸上に有し、前記金属ケースに取り付けられたコネクタ（３０）と、を備えた、前記基板に形成された前記コプレーナ線路と前記金属ケースに取り付けられた前記コネクタとの接続構造であって、
   前記グランド導体同士の内側の間隔が前記コネクタの前記外部導体の内径φに等しく、
   前記一対のグランド導体の一方のグランド導体と他方のグランド導体との内側の間隔は、前記中心導体線路の幅Ｗと、前記中心導体線路と前記一方又は他方のグランド導体との間隔Ｇを２倍した２Ｇとの和に等しく、Ｗ＋２Ｇ＝φの関係を満たしており、
   前記コプレーナ線路の前記中心導体線路に沿った方向における前記グランド導体の端部と、前記コネクタの前記外部導体の平面状の端部とが、電気的に接続された前記接続構造と、
   ベアチップであって、前記ベアチップ側の電極パッドに設けられたバンプが前記基板側の電極パッドと接合するように前記基板にフリップチップ実装された前記ベアチップと、
   を備え、
   前記ベアチップに前記サンプラ回路が形成されており、
   前記金属ケースは、前記金属ケースの内部で前記基板を前記金属ケースの底から浮かせて保持する、前記金属ケースの対向する内壁に形成された保持部（２４）を含む、サンプリングオシロスコープ。
2. 前記コプレーナ線路の前記中心導体線路に沿った方向における前記グランド導体の端部と、前記コネクタの前記外部導体の端部とが、導電材（４０）を介して電気的に接続されている、請求項１に記載のサンプリングオシロスコープ。

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