JP2000269708A

JP2000269708A - 電磁界結合構造およびそれを用いた電気回路装置

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Publication number: JP2000269708A
Application number: JP11067641A
Authority: JP
Inventors: Yoshihisa Amano; 義久天野; Hiroya Sato; 浩哉佐藤
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1999-03-15
Filing date: 1999-03-15
Publication date: 2000-09-29
Anticipated expiration: 2019-03-15
Also published as: JP3512668B2

Abstract

(57)【要約】【課題】スロット結合の挿入損失を低減する。特に、
通常のスロット結合が想定する２積層の多層基板よりも
層数が多い、３積層以上の多層基板に於いて挿入損失を
改善する。【解決手段】スロットの形状として、周囲長が波長λ
の整数倍になるような大きさの、リング形状のスロット
を採用した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、多層電気回路基板
における層間の電気的接続の構造、特にマイクロ波帯〜
ミリ波帯の高い周波数帯で使用されるスロット結合と呼
ばれる電磁界結合構造に関する。また、それを用いた電
気回路装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】多層電気回路基板の層間の電気的接続方
法としては、低い周波数帯ではＶＩＡホールが用いられ
るのが普通である。これに対し、マイクロ波帯〜ミリ波
帯の高い周波数帯では、新しい層間接続方法として、電
磁界結合を用いた方式が提案されている。電磁界結合を
用いた具体的な構造としては様々な構造の可能性がある
が、その中でも特に、いわゆる「スロット結合」と呼ば
れる構造が実用性が高いことで知られている。一般的な
スロット結合に関しては、例えば文献ＩＥＥＥ１９９３
ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＭｉｃｒｏｗａｖｅ
Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ、ｐｐ．１３２１−１３２４、”Ｓ
ｌｏｔ−ＣｏｕｐｌｅｄＤｏｕｂｌｅ−Ｓｉｄｅｄ
ＭｉｃｒｏｓｔｒｉｐＩｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｓ
ＡｎｄＣｏｕｐｌｅｒｓ”等で述べられている。

【０００３】図６は、従来技術によるスロット結合の、
典型的な構造の模式図である。図６（ａ）は、多層基板
を横から見た断面図、図６（ｂ）は、多層基板の各層上
のメタルパターンを別々に取り出して並べた平面図であ
る。図に於いて、１ａと１ｂは、セラミックなどの絶縁
材料から成る基板である。１ａと１ｂが計２層積層され
て、多層基板が構成されている。２ａと２ｂは、電気的
に接続されるべき高周波伝送線路である。３ａは、多層
基板の内部のベタパターンであり、グランド層として働
く。４は、グランド層３ａの中に開けられたスロット状
の開口部であり、この開口部を通じて、高周波伝送線路
２ａと２ｂが電磁界結合する。５ａと５ｂは、高周波伝
送線路２ａと２ｂの先端の、開放端である。スロット４
から開放端５ａと５ｂまでの距離は、おおむねλ／４程
度である。

【０００４】本明細書に於いては、実際にミリ波帯（６
０ＧＨｚ帯）で試作したスロット結合の測定結果のグラ
フを幾つか示す。その際、測定方法としては、文献ＩＥ
ＥＥ１９９８ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＭｉｃｒ
ｏｗａｖｅＳｙｍｐｏｓｉｕｍ、ｐｐ．１０８７−１
０９０、”ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＯｆＡＰａｃ
ｋａｇｅＵｔｉｌｉｚｉｎｇＡｎＥｌｅｃｔｒｏ
ｍａｇｎｅｔｉｃＣｏｕｐｌｉｎｇＳｔｒｕｃｔｕｒ
ｅ”に示された方法を用いた。即ち、スロット結合は基
板のおもてと裏の両面に配線が別れているために、その
ままではウェハープローバ等を使って高周波測定をする
ことが困難である。そのため、図９の模式図に示すよう
に、２個のスロット結合を直列に２個接続することで、
プロービングによる測定を可能にした。そのため、後出
のグラフに示す特性はすべて、スロット結合２個分の特
性であることに留意しなければならない。本来のスロッ
ト結合１個分の挿入損失は、後出のグラフの挿入損失
の、おおむね半分である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来技
術のスロット結合構造では、挿入損失にまだまだ更なる
改善が望まれていた。

【０００６】特に、層数が多い多層基板でスロット結合
を設計する場合、従来技術のスロット結合では、挿入損
失の悪化が顕著であった。特にミリ波帯のような高い周
波数帯の場合、以下のような理由から、層数が多い多層
基板が使用されることが珍しくない。即ち、基板の１層
当たりの厚みは、高次モードや放射等の好ましくない現
象を避けるためには波長λに対して十分に小さくする必
要があり、そのためミリ波帯では０．１ｍｍ程度まで薄
くなることが珍しくない。その一方で、多層基板全体の
厚みとしては、薄くても０．３ｍｍ程度の厚みが無い
と、機械的強度が弱いために破損し易くなってしまう。
そのため、例えば、０．１ｍｍの厚みの基板を３層積層
して全体の厚みを０．３ｍｍにするような方法が取られ
る。その結果、スロット結合もまた、３層以上の積層基
板に於いても挿入損失が十分に低減できることが求めら
れている。

【０００７】図７は、従来技術によるスロット結合を、
前記説明のように、３層積層構造の多層基板に適用した
場合の、典型的な構造の模式図である。図７（ａ）は、
多層基板を横から見た断面図、図７（ｂ）は、多層基板
の各層上のメタルパターンを別々に取り出して並べた平
面図である。図に於いて、３ａと３ｂは、多層基板内部
に隠れたグランド層であり、４ａと４ｂは、そのグラン
ド層の上に設けられたスロット状開口部である。図８
は、図７の構造を実際に試作して測定した結果（Ｓ２１
パラメータ）のグラフである。測定に於いては、既に述
べたように、前記文献に示された実験方法を用いた。即
ち、図７のグラフに示す特性は、スロット結合２個分の
特性である。６０ＧＨｚ帯を中心に設計したスロット結
合なのだが、図８から、挿入損失は５〜６ｄＢにもなる
ことが分かる。

【０００８】図８の実験に於ける、図７の構造の設計値
を説明する。基板材料は、比誘電率が９程度のアルミナ
セラミック材料であり、１層当たり０．１５ｍｍの厚み
の基板を３層積層した。伝送線路２ａと２ｂは、５０Ω
に設計したマイクロストリップ線路である。スロット４
ａと４ｂの寸法は、約０．８ｍｍ×０．１ｍｍである。

【０００９】このように、従来技術のスロット結合で、
特に３積層以上の多層基板で挿入損失が大きく悪化する
原因としては、大きく２つの原因がある。第１の理由
は、図７のスロット結合の端の部分６ａと６ｂに於ける
電流集中が原因で、グランド層３ａ、３ｂの金属膜の抵
抗成分による損失が発生することである。図７の構造の
ようにグランド層が２層ある場合は、各層毎に損失が発
生するために、電流集中による抵抗成分の損失は２倍に
増えることになる。第２の理由は、図７の構造では、伝
送線路２ａと２ｂの間の電磁界結合が弱まることにあ
る。電磁界結合が弱まる理由は、更に２つある。第１
は、伝送線路２ａと２ｂの間の距離が、多層基板の厚み
の分だけ遠くなるためである。第２に、図７の構造で
は、「鏡像」関係を利用して電磁界結合を強める設計法
が取れないためである。即ち、図６のような通常のスロ
ット結合では、伝送線路２ａと２ｂの上の電磁界モード
がグランド層３を挟んで鏡像の関係にあることによって
安定し、強いモード結合を得ている。それに対し図７の
構造では、伝送線路２ａと２ｂの鏡像関係の中心の位置
（多層基板の厚み方向の中央）にはグランド層が無いた
めに、鏡像原理によってモード結合を強めることができ
ないためである。

【００１０】本発明の目的は、上記のようなスロット結
合構造における挿入損失を低減することにあり、特に３
層積層以上の多層基板でも良好な電磁界結合を得ること
にある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の電磁界結合構造
は、高周波電気回路を構成する多層基板の層間を電気的
に接続する手段としてスロット結合型の電磁界結合方式
を用い、スロットの形状としてリング形状のスロットを
用いたことを特徴とする。

【００１２】ここで言うリング形状とは、通常は帯（お
び）の形をしているスロットを、その両端の端と端をつ
ないで閉じたことを特徴としており、この趣旨に沿った
すべての形状を含む。例えば、楕円形に近いリング形状
や、矩形に近いリング形状等もすべて含まれる。

【００１３】また、本発明の電磁界結合構造は、前記ス
ロットのリング形状の円周長が、前記スロット上のスロ
ット線路モードの波長λに対して、λの整数倍の長さで
あることを特徴とする。λの整数倍にすることで積極的
に共振させることができ、挿入損失を低減できる。

【００１４】また、本発明の電磁界結合構造は、前記リ
ング形状のスロットに於いて、複数のリング形状のスロ
ットが、あるリングの内側に別のリングが配置され、全
体が入れ子状に配置されていることを特徴とする。

【００１５】ここで入れ子状とは、その内部に類似形状
を包含するものをいう。形が円形の場合、同心円状のも
のはもちろん、内側の円が偏っていてもよく外側の円よ
りはみ出していなければよい。また、それぞれの形は円
形に限られず、楕円や各種の変形した形であってもよ
い。

【００１６】複数の異なる円周長のリング形状スロット
を入れ子状に配置することで、異なる波長λで共振を起
こさせて、それによって複数の異なる周波数帯で挿入損
失を改善することができる。

【００１７】さらに、本発明の電気回路装置は、上記の
スロット結合型の電磁界結合構造を、多層電気回路基板
の層間の電気的接続手段として用いることを特徴とす
る。

【００１８】特にマイクロ波帯からミリ波帯の高い周波
数帯で使用される無線通信回路やレーダなどの電気回路
装置において、多層基板の層間の電気的接続に用いると
有効である。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
面を用いて具体的に説明する。（実施の形態１）図１は、本発明の実施の形態である。
図１（ａ）は、多層基板を横から見た断面図、図１
（ｂ）は、多層基板の各層上のメタルパターンを別々に
取り出して並べた平面図である。図に於いて、１ａと１
ｂは、セラミックなどの絶縁材料から成る基板である。
１ａと１ｂが計２層積層されて、多層基板が構成されて
いる。２ａと２ｂは、電気的に接続されるべき高周波伝
送線路である。３は、多層基板の内部のベタパターンで
あり、グランド層として働く。４は、グランド層３の中
に開けられたスロット状の開口部であり、この開口部を
通じて、高周波伝送線路２ａと２ｂが電磁界結合する。
５ａと５ｂは、高周波伝送線路２ａと２ｂの先端の、開
放端である。スロット４から開放端５ａと５ｂまでの距
離Ｌは、おおむねλ／４程度であるが、この距離の設計
方法に関しては文献等で述べられた従来技術と同じで良
い。

【００２０】図１のリング形状のスロットは、図３の従
来技術の構造で用いられた矩形形状のスロットよりも、
一般的にＱ値が高い。その主な理由は、リング形状の内
導体と外導体が電気的に短絡されていないために、図６
や図７に於ける６ａと６ｂのような電流集中が起こる端
部が存在しない。したがって、抵抗成分による損失が少
なく、挿入損失を低減できる。（実施の形態２）図２は、３層積層以上の多層基板に於
ける実施の形態である。図２（ａ）は、多層基板を横か
ら見た断面図、図２（ｂ）は、多層基板の各層上のメタ
ルパターンを別々に取り出して並べた平面図である。図
２に於いて、１ａと１ｂと１ｃは、多層基板を構成する
３層の基板である。３ａと３ｂは、多層基板内部のグラ
ンド層である。グランド層３ａと３ｂには、それぞれリ
ング形状のスロット４ａと４ｂが開けられている。高周
波伝送線路２ａと２ｂの上の電気信号は、多層基板の厚
み方向に向かって、２個のスロット４ａと４ｂを通し
て、結合することになる。

【００２１】図２の構造の設計値を説明する。基板材料
は、図７の構造と同じ比誘電率が９程度のアルミナセラ
ミック材料であり、１層当たり０．１５ｍｍの厚みの基
板を３層積層した。伝送線路２ａと２ｂは、５０Ωに設
計したマイクロストリップ線路である。リング形状のス
ロット４ａと４ｂの寸法は、幅が０．１ｍｍ、内径が
０．２７ｍｍである。

【００２２】図２のスロット構造について、その効果を
実験で確認した結果を図３に示す。横軸は周波数、縦軸
はＳ２１（透過）パラメータである。測定に於いては、
既に述べたように、前記文献に示された実験方法を用い
た。即ち、図３のグラフに示す特性は、スロット結合２
個分の特性である。このスロット構造は６０ＧＨｚ帯を
中心に設計したスロット結合であり、図３から、その６
０ＧＨｚ帯での挿入損失は３〜４ｄＢ程度である。従来
のスロットを用いた図８と比較すると、挿入損失が改善
されていることがわかる。

【００２３】本実施の形態のようにスロット自体の共振
を積極的に利用することによって、図３に示すように、
多層基板の積層数が多い場合でも強い電磁界結合を得る
ことができる。従来技術によるスロット結合は、既に説
明したようにスロットを通した鏡像原理による電磁界結
合を利用したものであって、必ずしもスロットそのもの
の共振現象を利用したものではない。しかし、図１の本
発明の構造では、前記のようなＱ値が高いリング形状ス
ロットそのものの共振現象も効果的に活用できるため
に、鏡像関係によるモード結合が起こらないような図３
のような多層基板構造に於いても、スロット自体の共振
現象によって電磁界エネルギーが層間で強く結合するた
め、従来技術よりも挿入損失を改善できる。（実施の形態３）図４は、本発明の別の実施の形態を示
し、本発明の趣旨に沿ったリング形状スロットの一例で
ある。図４（ａ）は、多層基板を横から見た断面図、図
４（ｂ）は、多層基板の各層上のメタルパターンを別々
に取り出して並べた平面図である。

【００２４】本発明はこのように、真円のリング形状で
なくても、リング形状の変形による形状もすべて含む。（実施の形態４）図５は、本発明の別の実施の形態を示
し、複数のリング形状のスロットを設けた。各リングの
周囲長を変えることで、複数の異なる周波数帯でリング
形状スロットを共振させ、その結果、複数の異なる周波
数帯でスロット結合の挿入損失を改善できる。

【００２５】

【発明の効果】本発明のリング形状のスロットを用いる
ことにより、スロット結合の挿入損失を低減することが
できる。

【００２６】また、本発明によれば、複数のリング形状
のスロットを設けることにより、複数の異なる周波数帯
でスロット結合の挿入損失を改善できる。

【００２７】本発明のスロットを電気回路装置に用いる
ことにより、信号を効率よく伝達できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるスロット結合の第１の実施例であ
る。

【図２】本発明によるスロット結合の第２の実施例であ
る。

【図３】図２の実施例の特性を表す実験結果である。

【図４】本発明によるスロット結合の第３の例である。

【図５】本発明によるスロット結合の第４の例である。

【図６】従来技術によるスロット結合の第１の例であ
る。

【図７】従来技術によるスロット結合の第２の例であ
る。

【図８】図７の例の特性を表す実験結果である。

【図９】図３と図８の実験の条件を表す模式図である。

【符号の説明】

１ａ、１ｂ、１ｃセラミックなどの絶縁材料から成る
基板２ａ、２ｂ高周波伝送線路３、３ａ、３ｂ多層基板内部のグランド層４スロット形状（矩形）の開口部４ａ、４ｂスロット形状（リング形状）の開口部５ａ、５ｂ高周波伝送線路の開放端６ａ、６ｂスロット形状（矩形）の端部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高周波電気回路を構成する多層基板の層
間を電気的に接続する手段としてスロット結合型の電磁
界結合方式を用い、スロットの形状としてリング形状の
スロットを用いたことを特徴とする電磁界結合構造。
【請求項２】前記スロットのリング形状の円周長が、
前記スロット上のスロット線路モードの波長λに対し
て、λの整数倍の長さであることを特徴とする請求項１
記載の電磁界結合構造。
【請求項３】前記リング形状のスロットに於いて、複
数のリング形状のスロットが、あるリングの内側に別の
リングが配置され、全体が入れ子状に配置されているこ
とを特徴とする、請求項１記載の電磁界結合構造。
【請求項４】請求項１から３のいずれかに記載のスロ
ット結合型の電磁界結合構造を、多層電気回路基板の層
間の電気的接続手段として用いたことを特徴とする電気
回路装置。