JP2000183233A

JP2000183233A - 高周波用基板

Info

Publication number: JP2000183233A
Application number: JP10355089A
Authority: JP
Inventors: Eitoku Murase; 永徳村瀬; Toshishige Yamamoto; 利重山本
Original assignee: Sumitomo Metal SMI Electronics Device Inc
Current assignee: Sumitomo Metal SMI Electronics Device Inc
Priority date: 1998-12-14
Filing date: 1998-12-14
Publication date: 2000-06-30

Abstract

(57)【要約】【課題】小型化を図ることが可能で製造が容易な高周
波用基板を提供する。【解決手段】複数層のグランドプレーン２０は、互い
に重なり合うように形成されるスロット孔４０を有して
おり、スロット孔４０内には誘電体基板５０を構成する
アルミナが詰まっている。各層のグランドプレーン２０
を電気的に接続する複数個のビアホール３０は、スロッ
ト孔４０の周囲に配置されている。ビアホール３０群と
スロット孔４０の内壁に囲まれた領域は誘電体導波管と
見なすことができ、高周波信号を高周波用基板１００に
対して垂直方向に伝送する良好な伝送路を得ることがで
きる。さらに、スロット孔４０の内径寸法を比較的小さ
くすることができるので、高周波用基板１００の小型化
を容易に図ることができる。さらにまた、積層化技術に
より高周波用基板１００内部に擬似的導波管を簡便に一
体形成することができるので、高周波用基板１００を容
易に製造することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロ波、ミリ
波等の高周波信号を伝達するための高周波用基板に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、高周波用基板に構成される高周波
用伝送線路として、マイクロストリップライン、ストリ
ップライン、コプレナライン等が知られている。また、
このような伝送線路の複数本を異なる誘電体層に配置し
て伝送線路同士を接続する場合には、各伝送線路間の誘
電体層を貫通するようにビアホールもしくはスルーホー
ル等を形成し、これらビアホール等の両端部を各伝送線
路にそれぞれ接続することにより、各伝送線路を電気的
および物理的に接続していた。これらのマイクロストリ
ップライン等の伝送線路は伝送する電気信号が高周波に
なるにつれて伝送損失が大きくなり、伝送特性が劣化す
るという問題はある。しかし、最も劣化が大きいマイク
ロストリップラインにおいても３０ＧＨｚ程度までは伝
送可能であり、その他のストリップラインやコプレナラ
インにおいては、周囲がグランド用導体で囲まれている
ことにより、さらにそれ以上の高周波域でもある程度伝
送が可能である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
伝送線路は、基板に対して水平方向に電気信号を伝搬さ
せるものであり、異なる誘電体層間に形成される複数本
の伝送線路を接続する、すなわち基板に対して垂直方向
に電気信号を伝搬させる手段としては、上述の通りビア
ホールやスルーホール等で物理的に伝送線路を接続する
方法が取られている。この従来の方法は、積層数が比較
的多い場合、ビアホールが比較的長くなり、伝送特性の
劣化が著しいという問題があった。

【０００４】一般に、ビアホールやスルーホールは構造
上、近傍にグランドが存在しないことから電気信号がビ
アホール等を伝搬する際のインピーダンスのミスマッチ
による信号の反射、ならびに電磁波の輻射による損失が
大きい。このため、１０ＧＨｚ程度の周波数帯以上でそ
の伝送特性が極端に劣化するという問題があり、マイク
ロ波やミリ波といった高周波帯域において従来の伝送線
路の構造を用いることは困難である。また、マイクロ波
やミリ波等の高周波信号を伝送するのに優れた導波管を
用いることが考えられるが、しかし金属を筒状に加工し
て製造される導波管を誘電体基板内に形成することは極
めて困難である。

【０００５】そこで、特開平１０−１９０３１７号公報
に開示される伝送線路の構造においては、例えば図８に
示すように、誘電体基体５の積層方向にａ×ｂの矩形状
の貫通孔１０を形成するとともに、この貫通孔１０の内
壁に導体膜１１を被着させてこの導体膜１１に囲まれた
領域を導波管として電気信号を伝送させるものが提案さ
れている。しかし、導体膜１１に囲まれる領域は空洞、
すなわち空気となっているため、貫通孔１０の寸法が比
較的大きくなるという欠点がある。以下にその理由を説
明する。

【０００６】導波管は、断面形状によって形成されるカ
ットオフ周波数以下の周波数の電磁波を通さないという
性質をもっている。このため、例えば６０ＧＨｚ用の標
準的な矩形導波管の内径寸法は３．７６ｍｍ×１．８８
ｍｍであり、これ以下の寸法に設定することは不可能で
ある。したがって、特開平１０−１９０３１７号公報に
開示される伝送線路の構造においては、６０ＧＨｚの電
気信号が伝送されるためには、図８に示す貫通孔１０の
寸法をａ＝３．７６ｍｍ、ｂ＝１．８８ｍｍに設定する
必要がある。

【０００７】しかしながら、マイクロ波やミリ波といっ
た周波数帯に用いる高周波用基板に上記の構造を適用す
るには体格が大きすぎ、搭載スペースを確保するのが困
難であるという問題があった。また、上記の構造を誘電
体基板内に一体形成により製造することは困難であり、
製造コストが上昇するという問題があった。

【０００８】本発明は、このような問題を解決するため
になされたものであり、小型化を図ることが可能で製造
が容易な高周波用基板を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１記載の
高周波用基板によると、誘電体基板の表層あるいは内層
に設けられる複数層のグランドパターンに互いに重なり
合うようにスロット孔を形成し、このスロット孔の周囲
にグランドパターン間を電気的に接続する複数個のビア
ホールを配設し、スロット孔の内壁とビアホール群とで
囲まれた領域を通して電気信号を伝送する。スロット孔
の内壁とビアホール群とで囲まれた領域は擬似的な導波
管を構成するので、上記の擬似的な導波管によって高周
波信号を高周波用基板に対して垂直方向に伝送する良好
な伝送路を得ることができる。さらに、上記の擬似的な
導波管は、積層化技術により高周波用基板内部に簡便に
一体形成することができるので、製造が容易になる。

【００１０】また、上記の擬似的な導波管は誘電体内部
に形成されることから、導波管内部に誘電体が詰まった
誘電体導波管と見なすことができる。この場合の誘電体
基板の比誘電率をεｒとすると、導波管の寸法はその内
部が真空（あるいは空気）の場合と比べて１／εｒ^1/2
となる。このため、例えば誘電体材料にアルミナを用い
た場合、６０ＧＨｚの電気信号を伝送させるとき、スロ
ット孔の内径寸法を１ｍｍ×１ｍｍ程度にすることがで
きる。したがって、スロット孔の内径寸法を比較的小さ
くすることができるので、高周波用基板の小型化を容易
に図ることができる。

【００１１】本発明の請求項２記載の高周波用基板によ
ると、スロット孔の形状を矩形（四角形）にすることに
より、擬似的な導波管を疑似矩形導波管と見なすことが
できる。したがって、高周波用基板の設計を簡便に行う
ことができ、製造がさらに容易になる。

【００１２】本発明の請求項３記載の高周波用基板によ
ると、スロット孔の形状を円形にすることにより、擬似
的な導波管を疑似円形導波管と見なすことができる。こ
のため、高周波用基板の設計を簡便に行うことができ、
製造がさらに容易になる。さらに円形導波管は、基本モ
ードであるＴＥ₁₁モードに加えて、比較的励起し易いＴ
Ｍ₀₁モードやＴＥ₀₁モード等の基本伝送モードがあり、
使用状況および励起方法についての選択の幅が多く、使
用および励起端子の配置が容易であるという利点があ
る。

【００１３】本発明の請求項４記載の高周波用基板によ
ると、グランドパターン間の距離（グランドパターン間
の誘電体厚み）ならびにビアホール間の距離は伝送され
る電気信号の波長の１／２以下であるので、伝送される
電気信号が高周波用基板から外部に漏洩するのを防止す
るとともに、外部から高周波用基板内にノイズが侵入す
るのを防止することができる。

【００１４】本発明の請求項５記載の高周波用基板によ
ると、スロット孔を有するグランドプレーンにコプレナ
ラインまたはグランドデッド−コプレナラインを形成す
るか、あるいはグランドプレーン間にストリップライン
を形成し、これらのラインの一部を疑似導波管内部に突
出させておき、この突出部に通常の導波管における励起
ピンの役割をさせることにより、疑似伝波管に電気信号
の伝送あるいは取出しを行う。これにより、多種の伝送
線路からの変換が可能となる。この場合、励起用のコプ
レナライン、グランデッド−コプレナラインあるいはス
トリップラインを高周波用基板の形成と同時に積層化技
術により形成することができる。したがって、励起用ラ
インを精度よくかつ簡便に形成することができ、製造歩
留りが向上するとともに製造がさらに容易になる。

【００１５】ここで、コプレナラインは、例えば図９
（Ａ）に示すように、誘電体２２の上面に設けられる励
起用ライン２１の両側にグランドパターン２３を設けた
構造であり、グランデッド−コプレナラインは、例えば
図９（Ｂ）に示すように、誘電体２２の上面に設けられ
る励起用ライン２１の両側にグランドパターン２３を設
け、誘電体２２の下面にグランドパターン２４を設けた
構造であり、ストリップラインは、例えば図９（Ｃ）に
示すように、励起用ライン２１とグランドパターン２３
および２４とが誘電体２２によって隔てられている構造
である。

【００１６】本発明の請求項６記載の高周波用基板によ
ると、励起ピンの役割をビアホールを用いて行う。この
ため、特に疑似円形導波管において有効であり、円形導
波管の基本伝送モードであるＴＭ₀₁モードにおける励起
が容易となり、励起端子の配置が容易となるという利点
がある。

【００１７】本発明の請求項７記載の高周波用基板によ
ると、上方および下方の少なくともいずれか一方のグラ
ンドパターンにスロット孔を形成せず、その他のグラン
ドパターンに互いに重なり合うように形成されるスロッ
ト孔の内壁とビアホール群とで囲まれた領域により導波
管空洞共振器を形成している。このため、導波管空洞共
振器を内蔵した高周波用基板を簡便に製造することが可
能となり、別に導波管空洞共振器を高周波用基板に搭載
する必要がなくなる。したがって、高周波用基板の小型
化を容易に図ることができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を示す
複数の実施例を図面に基づいて説明する。（第１実施例）本発明の第１実施例による高周波用基板
を図１（Ａ）および（Ｂ）に示す。

【００１９】図１（Ａ）および（Ｂ）に示すように、高
周波用基板１００は、誘電体基板５０とグランドパター
ンとしてのグランドプレーン２０とビアホール３０とか
ら構成される。誘電体基板５０の内層に設けられる複数
層のグランドプレーン２０はスロット孔４０を有してお
り、図１（Ａ）の上方から見てスロット孔４０が互いに
重なり合うように形成されている。そして、各層のグラ
ンドプレーン２０を電気的に接続する複数個のビアホー
ル３０がスロット孔４０を取り囲むように、スロット孔
４０の周囲に太鼓状に配置されている。これらビアホー
ル３０群とスロット孔４０の内壁に囲まれた領域は擬似
的な導波管として機能し、高周波信号に対して良好な伝
送特性を得ることができる。

【００２０】高周波用基板１００において、誘電体基板
５０を構成する誘電体材料はアルミナからなり、アルミ
ナの比誘電率をεｒとすると、εｒ＝９．３である。ス
ロット孔４０の形状は１．０ｍｍ×０．６ｍｍの矩形
（四角形）であり、スロット孔４０内にはアルミナが詰
まっている。このため、ビアホール３０群とスロット孔
４０の内壁に囲まれた領域は、導波管内部に比誘電率が
９．３の誘電体材料が詰まった誘電体矩形導波管と見な
すことができる。したがって、スロット孔４０の内径寸
法を比較的小さくすることができるので、高周波用基板
１００の小型化を容易に図ることができるとともに、高
周波用基板１００の設計を簡便に行うことができ、高周
波用基板１００を容易に製造することができる。

【００２１】グランドプレーン２０およびビアホール３
０は、ＣｕやＭｏ−Ｍｎ、Ｃｕ−Ｗ、Ａｕなどを用いて
厚膜印刷あるいは薄膜形成、メッキ処理などの方法によ
り形成することができる。また、グランドプレーン２０
間の距離、すなわち各層の誘電体基板５０の厚みは２０
０μｍであり、ビアホール３０の間隔は２００μｍであ
るので、上記の誘電体導波管のカットオフ周波数は４
９．２ＧＨｚとなる。

【００２２】次に、上記の構成をもつ高周波用基板１０
０の伝送特性のシミュレーション結果を図２に示す。図
２においては、高周波用基板１００に基本モードである
ＴＥ ₀₁モードを励起したときの透過特性（Ｓ₂₁）のシミ
ュレーション結果である。図２に示すように、５０ＧＨ
ｚ以上で良好な伝送特性を示しており、また、カットオ
フ周波数以下の電磁波を通さないという導波管特有の現
象がよく現れている。

【００２３】以上説明した本発明の第１実施例において
は、ビアホール３０群とスロット孔４０の内壁に囲まれ
た領域は擬似的な導波管を構成し、この擬似的な導波管
によって高周波信号を高周波用基板１００に対して垂直
方向に伝送する良好な伝送路を得ることができる。さら
に、上記の擬似的な導波管は、積層化技術により高周波
用基板１００内部に簡便に一体形成することができるの
で、高周波用基板１００を容易に製造することができ
る。

【００２４】さらに第１実施例においては、グランドパ
ターン２０間の距離ならびにビアホール３０間の距離を
伝送される高周波信号の波長の１／２以下とすることに
より、高周波信号が高周波用基板１００から外部に漏洩
するのを防止するとともに、外部から高周波用基板１０
０内にノイズが侵入するのを防止することができる。

【００２５】（第２実施例）本発明の第２実施例による
高周波用基板を図３に示す。第２実施例においては、図
１（Ｂ）に示す第１実施例のスロット孔４０の形状を円
形にしたものであり、第１実施例と実質的に同一構成部
分に同一符号を付す。

【００２６】図３に示すように、スロット孔４１の形状
は円形をしており、ビアホール３０がスロット孔４１を
取り囲むように、スロット孔４１の周囲に円形状に配置
されている。ビアホール３０群とスロット孔４１の内壁
に囲まれた領域は擬似的な円形導波管として機能する。
円形導波管は基本モードのＴＥ₁₁モード以外のＴＭ₀₁モ
ードやＴＥ₀₁モードを励起し易く、目的や状況に応じた
利用が容易となり、高周波信号に対して良好な伝送特性
を得ることができる。

【００２７】図３において、スロット孔４１の直径は
１．２ｍｍであり、グランドプレーン２０間の距離、す
なわち各層の誘電体基板５０の厚みは２００μｍであ
り、ビアホール３０の間隔は２００μｍであるので、上
記の誘電体円形導波管のカットオフ周波数は４９．４Ｇ
Ｈｚとなる。

【００２８】次に、第２実施例の高周波用基板の伝送特
性のシミュレーション結果を図４に示す。図４において
は、高周波用基板に基本モードであるＴＥ₁₁モードを励
起したときの透過特性（Ｓ₂₁）のシミュレーション結果
である。図４に示すように、５０ＧＨｚ以上で良好な伝
送特性を示しており、また、カットオフ周波数以下の電
磁波を通さないという導波管特有の現象がよく現れてい
る。

【００２９】以上説明した本発明の第２実施例において
は、ビアホール３０群とスロット孔４１の内壁に囲まれ
た領域は擬似的な円形導波管を構成し、この擬似的な円
形導波管によって高周波信号を高周波用基板に対して垂
直方向に伝送する良好な伝送路を得ることができる。さ
らに、上記の擬似的な円形導波管は、積層化技術により
高周波用基板内部に簡便に一体形成することができるの
で、高周波用基板を容易に製造することができる。さら
にまた、円形導波管は、基本モードであるＴＥ ₁₁モード
に加えて、比較的励起し易いＴＭ₀₁モードやＴＥ₀₁モー
ド等の基本伝送モードがあり、使用状況および励起方法
についての選択の幅が多く、使用および励起端子の配置
が容易である。

【００３０】さらに第２実施例においては、グランドパ
ターン２０間の距離ならびにビアホール３０間の距離を
伝送される高周波信号の波長の１／２以下とすることに
より、高周波信号が高周波用基板から外部に漏洩するの
を防止するとともに、外部から高周波用基板内にノイズ
が侵入するのを防止することができる。

【００３１】上記第２実施例では、スロット孔４１の形
状を円形としたが、本発明では、スロット孔の形状を楕
円形としてもよい。（第３実施例）本発明の第３実施例による高周波用基板
を図５に示す。

【００３２】第３実施例においては、図１（Ｂ）に示す
第１実施例の疑似的導波管に高周波信号を励起するため
のものであり、第１実施例と実質的に同一構成部分に同
一符号を付す。

【００３３】図５に示すように、スロット孔４２の形状
は矩形をしており、スロット孔４２が形成されるグラン
ドプレーン２０の層に励起用ライン６０が形成されてい
る。励起用ライン６０の一部は疑似的導波管内部に突出
しており、この突出部６１が疑似的導波管における励起
ピンの機能を果たしている。そして、グランドプレーン
２０を利用してコプレナラインまたはグランデッド−コ
プレナラインを構成している。

【００３４】通常、励起ラインのスロット孔に突出する
突出部の長さの精度は異なった伝送線路の結合に対する
整合に影響を与える。しかしながら第３実施例において
は、励起用ライン６０はグランドプレーン２０と同時に
形成して積層されるため、励起ライン６０の突出部６１
を精度よくかつ簡便に形成することができる。したがっ
て、製造歩留りを向上することができるとともに、高周
波用基板を容易に製造することができる。

【００３５】上記第３実施例では、スロット孔４２の形
状を矩形としたが、本発明では、スロット孔の形状を円
形としてもよい。また第３実施例では、スロット孔４２
の長辺方向から励起ライン６０を突出させているが、本
発明では、スロット孔の短辺方向から励起ラインを突出
させてもよい。

【００３６】（第４実施例）本発明の第４実施例による
高周波用基板を図６に示す。第４実施例においては、図
１（Ａ）に示す第１実施例の疑似的導波管に高周波信号
を励起するためのものであり、第１実施例と実質的に同
一構成部分に同一符号を付す。

【００３７】図６に示すように、２層のグランドプレー
ン２０の間に励起ライン７０が形成され、グランドプレ
ーン２０と励起ライン７０とでストリップラインを構成
している。励起用ライン７０の一部は疑似的導波管内部
に突出しており、この突出部７１が疑似的導波管におけ
る励起ピンの機能を果たしている。

【００３８】第４実施例においては、励起ライン７０の
突出部７１を精度よくかつ簡便に形成することができ
る。したがって、製造歩留りを向上することができると
ともに、高周波用基板を容易に製造することができる。

【００３９】（第５実施例）本発明の第５実施例による
高周波用基板を図７に示す。第５実施例においては、図
６に示す第４実施例の励起ライン７０の替りに励起用ビ
アホールを用いたものであり、第４実施例と実質的に同
一構成部分に同一符号を付す。

【００４０】図７に示すように、励起用ビアホール９０
の一部は疑似的導波管内部に突出しており、この突出部
９１が疑似的導波管における励起ピンの機能を果たして
いる。最上層のグランドプレーン８０は、整合をとるた
めのバックショートを得るため、励起用ビアホール９０
の周りを除いて閉じている。

【００４１】第５実施例においては、特に円形導波管に
おける伝送モードの１つであるＴＭ ₀₁モードを励起する
のに適している。さらに、励起用ビアホール９０を容易
に配置することができ、製造歩留りが向上するとともに
高周波用基板の製造が容易になる。

【００４２】以上説明した本発明の複数の実施例におい
ては、ビアホール３０群とスロット孔の内壁に囲まれた
領域は擬似的導波管を構成し、この擬似的導波管によっ
て高周波信号を高周波用基板に対して垂直方向に伝送す
る良好な伝送路を得ることができる。さらに、擬似的導
波管は、積層化技術により高周波用基板内部に簡便に一
体形成することができるので、高周波用基板の製造が容
易になる。

【００４３】上記複数の実施例においては、上方および
下方のグランドプレーン２０にスロット孔を形成した
が、本発明においては、上方および下方の少なくともい
ずれか一方のグランドプレーンにスロット孔を形成せず
閉じることにより、導波管空洞共振器を内臓した高周波
用基板を簡便に製造することが可能となり、別に導波管
空洞共振器を高周波用基板に搭載する必要がなくなる。
したがって、高周波用基板の小型化を容易に図ることが
できる。

【００４４】上記複数の実施例では、誘電体基板５０を
構成する誘電体材料にアルミナを用いたが、本発明で
は、誘電体材料にムライト等のセラミックスやガラスセ
ラミックス、あるいはテフロン−ガラスエポキシ−ポリ
イミド等の樹脂系材料などを用いることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例による高周波用基板を示す
ものであって、（Ａ）は縦断面図であり、（Ｂ）は
（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。

【図２】本発明第１実施例による高周波用基板の周波数
に対する伝送特性を示す特性図である。

【図３】本発明の第２実施例による高周波用基板を示す
横断面図である。

【図４】本発明の第２実施例による高周波用基板の周波
数に対する伝送特性を示す特性図である。

【図５】本発明の第３実施例による高周波用基板を示す
横断面図である。

【図６】本発明の第４実施例による高周波用基板を示す
縦断面図である。

【図７】本発明の第５実施例による高周波用基板を示す
縦断面図である。

【図８】従来の高周波用基板を示す斜視図である。

【図９】励起用ラインの構造を説明するための模式的断
面図であって、（Ａ）はコプレナラインを示し、（Ｂ）
はグランデッド−コプレナラインを示し、（Ｃ）はスト
リップラインを示すものである。

【符号の説明】

２０グランドプレーン（グランドパターン）３０ビアホール４０、４１、４２スロット孔５０誘電体基板６０、７０励起用ライン６１、７１突出部８０グランドプレーン（グランドパターン）９０励起用ビアホール９１突出部１００高周波用基板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】誘電体基板と、前記誘電体基板の表層あるいは内層に設けられ、互いに
重なり合うように形成されるスロット孔を有する複数層
のグランドパターンと、前記スロット孔の周囲に設けられ、前記グランドパター
ン間を電気的に接続する複数個のビアホールとを備え、前記スロット孔の内壁と前記ビアホール群とで囲まれた
領域を通して電気信号を伝送することを特徴とする高周
波用基板。
【請求項２】前記スロット孔は、形状が矩形であるこ
とを特徴とする請求項１記載の高周波用基板。
【請求項３】前記スロット孔は、形状が円形であるこ
とを特徴とする請求項１記載の高周波用基板。
【請求項４】前記グランドパターン間および前記ビア
ホール間の距離は、伝送される電気信号の波長の１／２
以下であることを特徴とする請求項１、２または３記載
の高周波用基板。
【請求項５】伝送される電気信号は、コプレナライ
ン、グランデッド−コプレナラインあるいはストリップ
ラインを通して励起および取出しが行われることを特徴
とする請求項１〜４のいずれか一項記載の高周波用基
板。
【請求項６】伝送される電気信号は、前記ビアホール
を通して励起および取出しが行われることを特徴とする
請求項１〜４のいずれか一項記載の高周波用基板。
【請求項７】誘電体基板と、前記誘電体基板の表層あるいは内層に設けられ、上方お
よび下方の少なくともいずれか一方を除いて互いに重な
り合うように形成されるスロット孔を有する複数層のグ
ランドパターンと、前記スロット孔の周囲に設けられ、前記グランドパター
ン間を電気的に接続する複数個のビアホールと、前記スロット孔の内壁と前記ビアホール群とで囲まれた
領域により形成される導波管空洞共振器と、を備えることを特徴とする高周波用基板。