JP2000506344A - 多層基板に設けられた高周波バルン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明によるバルンは多層誘電体構造において互いに接続された分布および個別の両素子を用いる。分布素子として、接合ストリップ線が多層誘電体構造内に設けられる。個別構成要素は多層構造の表面上に配置され、ビア孔を介して分布素子と接続される。バルンの動作周波数は多層構造それ自体を変更しなくとも個別素子の値を変えることによって変化され得る。

Description

【発明の詳細な説明】 多層基板に設けられた高周波バルン 背景 本発明は一般的にバルンに関し、より詳細には多層構造体の一部として構成化 されているバルンに関する。 バルンｂａｌｕｎ（この用語は語「平衡ＢＡＬａｎｃｅｄ対不平衡 ＵＮｂａｌａｎｃｅｄ」から生まれたものである）は対称および非対称伝送線間 の変換のために使用される受動３ポート電子回路である。例えば、非同期ポート に入る信号は、出力で同振幅ではあるが位相が互いに１８０度オフセットしてい る信号を与える２つの対称ポート間で分割される。バルンは、例えば平衡増幅器 、ミキサーおよびアンテナシステムの構造内で使用されている。 バルン構造は意図した動作周波数範囲に依存する。構造体の大きさが信号の波 長に匹敵するようなマイクロ波周波数範囲においては、分布素子回路技術が普通 に使用される。例えば、２５００ＭＨｚまでの低い周波数範囲においては、電線 が高透磁率磁気コアの周りをスパイラル状に巻かれているような変圧器による対 策が普通である。これら通常のバルンの構成は多くの問題点を抱えている。 変圧器電線間での磁気結合の現象を用いる変圧器による対策は、理論的には広 帯域回路である。しかしながら、実際上は、特に周波数範囲４００から２５００ ＭＨｚで８つのコンデンサによる補償が必要である。これは、変圧器型バルンの 物理構造が、その動作周波数帯域幅内の動作のために特に最適化されなければな らないことを意味する。更に、同じになるように設計されたバルンが実際に実質 的に同一の電気的特性をもつように、コイルの周りに巻き付けられるべき電線の 長さを正確に設定することは困難である。 高（例えば２５００ＭＨｚよりも高い）周波数範囲で動作する殆どの実在する バルンは、両対称ポートが良く整合している場合だけ良好なバルン性能を与える 。多くの応用において、対称ポートの電力整合は他の理由のため望ましくない。 例えば、ミキサーあるいは増幅器の対称入力での電力整合は、それらのノイズパ ラ メータを悪化させる。従って、電力整合とノイズ整合との間の妥協が必要となる 。 更にまた、電子構造体の進行する小型化は、同時にバルンの小形化をもたらす 。例えば、周波数範囲４００から２０００ＭＨｚで使用されるバルンは通常約２ ０ｍｍ²よりも大きくなく、目的製品に対する自動表面実装用に設計される。し かしながら、バルンそれ自体の製造において、電線がコアの周りで手巻きされる ことを必要とし、かつ、電線の端が最終製品上で電気コネクタに通される必要が あるために、手動実装を依然として用いている。手動実装は高価格となり、時間 がかかり、最終製品、例えばバルンが多くの構成要素のうちのただ一つに過ぎな いような無線受信機のパラメータのばらつきを生じさせる。 従って、不整合負荷状態で働く時に、異なった動作周波数範囲を取り扱うため の異なった物理的構造を必要とせず、手動実装とは違って他の回路構成要素との 自動集積化を可能とすることにより製造に対する費用を低くなるようにした、よ り良好な対称性を有するバルンを与えることが望まれることであろう。 概要 従来のバルンのこれら並びに他の欠点および制限は、本発明の例示的な実施例 に従って解決される。本発明によるバルンは、多層誘電体構造内で共に接続され た分布および個別素子の両方を用いる。分布素子として、多層誘電体構造内に結 合ストリップ線が設けられる。個別構成要素は多層構造の表面に配置され、ビア ホールを介して分布素子と接続される。これは多くの有利なバルン特性を与える 。 例えば、多層構造に使用される誘電体材料の特性によって決定される範囲内で 、バルンの動作周波数範囲は、バルンを組立てるために使用される個別構成要素 の値を変更することによって簡単に調節される。この方法で、バルンの動作周波 数は、完全に新たなバルン構造を必要とせずに容易に変えられる。これは、例え ば、異なった動作周波数範囲のために完全に新たな構造体の設計を必要とする変 圧器型バルンに比べて極めて有利である。 既知の印刷回路および個別構成要素集積化技術を用いて多層構造体の一部とし てバルンを与えることにより、製造性（ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｇｉｌｔ）は上昇 し、バルンの手動実装は省略される。これはバルンが組み入れられる最終製品の 価格を減少させるように働く。 多層構造としてバルンを組立てることによって、分布素子は個別構成要素が実 装される層の下に埋め込まれた層に与えることができる。これにより、バルンの ために必要な最上層表面領域が減少され、バルンが組み入れられる製品の小型化 をより一層促進する。 図面の簡単な説明 本発明の上述のおよび他の目的、特徴および長所は、以下の図面に関連して後 の詳細な説明を読むと、より容易に理解されるであろう。 図１は本発明によるバルンを実施できる例示的な多層構造の上面図である。 図２は本発明によるバルンを実施できる例示的な多層構造の断面図である。 図３は本発明によるバルンの例示的回路トポロジーを示す。 詳細な説明 本発明によるバルンを実施できる多層構造の一例が図１として（上面図で）示 されている。そこには、ストリップ線Ｓ１およびＳ２の結合対が隠れているもの として（すなわち点線によって）示されており、これは結合ストリップ線が多層 構造体１０の下層に埋め込まれているためである。ストリップ線は、２つの平行 な接地面を誘電体表面の両側上に設けている誘電体媒体に配置された導電金属ト レースとして形成されることができる周知の伝送線である。結合ストリップ線は 、２つのストリップ線を用い両者の間の距離を一定にした構造である。多層構造 において、結合ストリップ線は、同一の層の２つの平行トレースであって接地層 をこの層（トレースがある層）の上下の層に設けたものとして、あるいは２つの 隣接する層に配置された平行トレースとして作られることができる。図１に示さ れる残りの構成要素は、多層構造１０の表面すなわち最上層にある。例えば、多 層構造体１０は、表面実装の装置３および５を含むことができる。表面実装の装 置３および５は、それぞれビア（通し孔）７および９を用いて、それぞれ結合ス トリップ線Ｓ２およびＳ１に電気的に接続されることができる。当該技術で周知 のように、ビアは、多層構造体の異なる層間の所望の点で電気的接続を確立する ように、導電材料で鍍金された多層構造体に形成された孔である。更に、図１に 示される例示的な多層構造１０は、表面すなわち最上層上のマイクロストリップ １１および１３を含んでいる。当該技術で周知なように、マイクロストリップは 、 誘電体表面の１つの側の導電金属トレース（接地面がその誘電体表面の他の側に 設けられている）として形成された被制御インピーダンスマイクロ波周波数伝送 線である。マイクロストリップ１１および１３は、それぞれビア孔１５および１ ７によって結合ストリップ線の１つＳ２に接続される。更に図１に示されている のはビア１９であり、これは結合ストリップ線Ｓ１およびＳ２を接地面と接続す る。 図２は、本発明によるバルンを実施できる例示的な多層構造の側面図を示す。 この側面図は、図１の多層構造とは僅かに異なった構成要素の構造を示すが、同 じ参照記号は同じ素子を指すように使用される。例えば、最上層（図２において 層１で表される）は、表面実装の装置３を含んでいる。この表面実装の装置３は 、層Ｎ−１に組立てられている結合ストリップ線の１つＳ２に接続される。多層 構造は、４に等しいかあるいはそれよりも多い任意の数の層を使用し得るが、こ の例においては、４つの層を備えている。表面実装の装置３を結合ストリップ線 Ｓ１およびＳ２に相互接続するビア７は、例えば層Ｎでの点２０（これはビア７ と金属化接地面部分２２との間の分離を示す）で示されるように接地面から絶縁 される。他の導電ビア２４は接地面の層ＮおよびＮ−２間との接続を与える。 図２に示された４つの導電層のそれぞれは、誘電体材料の層によって、隣接し た層から隔てられている。更にまた、多層構造体の層１上に設けられた個別の電 気構成要素は、層Ｎ−２として与えられた接地面によって、層Ｎ−１に与えられ た電気構成要素、例えば結合ストリップ線Ｓ１およびＳ２から電気的に絶縁され る。接地面は、例えば、厚さが約１７．５ｍｍの銅層とすることができる。これ は、層１上に設けられた構成要素の動作が、層Ｎ−１上の構成要素への電気的イ ンパルスの付与、例えば容量あるいは誘導結合効果により、影響されないように することを助ける。 バルンの動作周波数は、多層構造体に設けられた誘電体層の電気的パラメータ （例えば、誘電率、誘電損（誘電正接）および誘電厚さ）によって決定される。 例えば、典型的なガラスファイバ樹脂材料（例えば、４．２５の誘電率と０．０ ２の誘電正接と０．５ｍｍの層の厚さを有している）が図２の誘電体層として使 用された場合に、本発明によるバルンの動作周波数は１００ＭＨｚと２．５ ＧＨｚとの間となるように設定することができる。実際上、この下方値はストリ ップ線構造体の長さによって制限される。上方周波数値は（一定の誘電体層の厚 さを与えた場合には）誘電体層の損失と、増大する周波数に関連した上方波長伝 送モードとによって制限される。本発明の重要な特徴は、バルンの動作周波数が 多層構造体それ自体を変えなくとも、個別構成要素の値を変えることによって決 定された範囲内で変えることができるということである。本発明によるバルンの これらおよび他の利点は、以下に与えられる例示的バルン回路構成の詳細な記載 を読めばより明白となることであろう。 本発明による例示的なバルンは図３に示されている。図３において、ビアは影 を付けた円を用いて表されている。この図の例によって示されるように、ビアの あるものは接地面（例えば、層Ｎ−２および層Ｎ）に接続され、他のものは多層 構造の最上部表面と埋め込み層との間に接続される。ポート３０はバルンの非対 称ポートであり、ポート３２および３４は対称出力である。従って、ポート３２ および３４のそれぞれは同じ振幅を有する出力を与えるが、それらの位相は１８ ０度だけ異なる（バルンが完全に対称的である場合に）。ポート３６はポート３ ２および３４をバイアスするため外部バイアスを結合させる場合にオプションと して与えられる（伝送線Ｓ７も同様である）。ポート３６は、例えば、対称出力 ポート３２および３４をバイアスするように能動装置（例えば、能動増幅器ある いは能動ミキサー）を接続するために使用される。伝送線Ｓ７は共通ノード３８ とポート３６との間の電気的絶縁を与える。受動装置に接続される時には、ポー ト３６（および伝送線Ｓ７）は省略され得る。 バルンの分布素子部分は結合伝送ストリップ線の２つの部分Ｓ１およびＳ２を 含んでいる。部分Ｓ１はストリップ線Ｓ１１およびＳ１２を含み、部分Ｓ２はス トリップ線Ｓ２１およびＳ２２を含んでいる。両部分Ｓ１およびＳ２は偶数およ び奇数モードに対して同一の特性インピーダンスを持つことができ、かつ同一の 電気長を備え共通のノード３８（図３で点線で示されている）に共に結合される ことができる。これは、各ストリップ線Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ２１、Ｓ２２を同一 の長さ（例えば、６．４ｍｍ）、同じ幅（例えば、０．２ｍｍ）、同じ厚さにし 、かつ、部分Ｓ１およびＳ２間に均一な間隔（例えば、０．１５ｍｍ）を与える こ とによって達成され得る。ストリップ線Ｓ１２のノード４０は接地面に接続され 、ストリップ線Ｓ１１のノード４２はコンデンサＣ１およびＣ２に接続される。 これらコンデンサＣ１およびＣ２は、バルンの非対称出力に対して適切な整合と インピーダンス変換を与えるように、バルンの所望の動作周波数に基づいて選択 される値を有する。ストリップ線Ｓ２１およびＳ２２のノード４４および４６は ストリップ線Ｓ３およびＳ５に接続され、かつコンデンサＣ３およびＣ４と共に それぞれノード４８および５０で適切なインピーダンス変換を与える。対称出力 ポート３２および３４は、線Ｓ４およびＳ6でノード４８および５０に接続され る。伝送線素子Ｓ３およびＳ４のためのインピーダンス値および電気長並びに一 方の側でのＣ３の容量値の適切な選択、伝送線素子Ｓ５およびＳ６のための実質 的に同一のインピーダンス値および電気長並びに他方の側でのＣ４の容量値の選 択は、終着のバルン回路の出力インピーダンスを決定する。当業者は、対称ポー トが応用に応じて最大のゲイン（電力整合）、最少のノイズ（ノイズ整合）ある いは２つの競合目的間の妥協を与えるように出力インピーダンスが変えられるこ とを認めるであろう。コンデンサＣ５のために選択された値は、対称出力が実質 的に同一の振幅を有し、かつ、位相ができるだけ１８０度のオフセットに近付く ように、バルンの適切な対称性を与える。この容量値は、偶数および奇数モード に対する結合ストリップ線の特性インピーダンス並びにバルンの動作周波数での 部分Ｓ１およびＳ２の電気長に依存する。使用される場合には、伝送線Ｓ７の特 性インピーダンスおよび電気長並びにポート３６のインピーダンスは、バルンの 対称性を維持すべくＣ５に対する適切な容量値を決定するために考慮する必要が ある。 上で述べたように、結合ストリップ線部分Ｓ１およびＳ２は多層構造、すなわ ち構造１０内に埋め込まれ、一方、個別構成要素（例えば、コンデンサＣ１〜Ｃ ５）は構造体の層１すなわち最上部表面上に与えられる。バルンの設計的な制約 に依存して、（埋め込み層の）ストリップ線あるいは（表面層の）マイクロスト リップが、伝送線素子Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６およびＳ７のために使用できる。 図３に示された例において、Ｓ３およびＳ５は、結合ストリップ線Ｓ１およびＳ ２と共に埋め込み層（例えば、層Ｎ−１）にストリップ線として加工される。伝 送線素子Ｓ４およびＳ６はコンデンサＣ１〜Ｃ５と共に表面層上でマイクロスト リップとして加工される。 本発明の例示的な実施例によれば、バルンは、バルンの動作周波数が容易に調 節され得るように、分布および個別構成要素を用いて多層構造体に構成され得る 。例えば、コンデンサＣ１〜Ｃ５の値を調節することによって、バルンの動作周 波数は、多層構造体を変えなくともあるいは多層構造体に埋め込まれた結合スト リップ線を調節しなくとも、使用される誘電体媒体によって与えらる範囲内で（ 例えば、１００ＭＨｚおよび２．５ＧＨｚ間の最初に設計された動作周波数の少 なくとも１オクターブ内で）変化され得る。例えば、下の表１の値を用いると、 図３の例示的実施例によるバルンは、９３５〜９６０ＭＨｚの範囲内で動作する ことができる。コンデンサＣ１〜Ｃ５の値を表２に示されるものに代えることに よって、同一のバルン構造体は、それに代わって、４２５〜４３０ＭＨｚで動作 することができる。当業者は他の容量値が他の動作周波数範囲を達成するために 使用され得ることを認めるであろう。 上述の例示的実施例は、本発明を制限的ではなくあらゆる点で例示するように 意図される。このように、本発明は当業者によってここに含まれた記載から与え られることができる詳細な構成化において多くの変更が可能である。例えば、非 対称ポートは入力あるいは出力ポートのいずれかとして使用されることができ、 一方、対称ポートはそれぞれ出力あるいは入力ポートとして使用されることがで きる。全てのこのような変化および変更は、次の請求の範囲によって定められる 本発明の有効範囲および意図の内にあるものと考えられる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，Ｓ Ｄ，ＳＺ，ＵＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ， ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，Ｇ Ｂ，ＧＥ，ＧＨ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ， ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，Ｎ Ｏ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ， ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 1. バルンであって、 第１のコンデンサに結合された非対称信号ポートを具備し、上記第１のコンデ ンサは多層構造の最上層上に設けられ、 上記最上層の下方に設けられた第１の接地面層を具備し、 上記接地面層の下方の第３の層上に設けられたストリップ線素子の結合対を具 備し、上記ストリップ線伝送素子の結合対は第１、第２および第３の接続ノード を有し、上記第１のコンデンサは上記第１のノードに接続され、 上記ストリップ線伝送素子の結合対の上記第２のノードに接続された第１の対 称信号ポートを具備し、上記第２のノードと上記第１の対称信号ポートとの間に 第１の伝送線素子、第２のコンデンサおよび第２の伝送線素子の組合せが設けら れ、 上記ストリップ線伝送素子の結合対の上記第３のノードに接続された第２の対 称信号ポートを具備し、上記第３のノードと上記第２の対称信号ポートとの間に 第３の伝送線素子、第３のコンデンサおよび第４の伝送線素子の組合せが設けら れ、 上記第２および第３のコンデンサも上記多層構造の上記最上層上に設けられる ようにされた、前記バルン。 2. 請求の範囲第１項のバルンであって、 上記第１のノードに接続されて、上記多層構造の上記最上層上に設けられた第 ４のコンデンサを更に具備する前記バルン。 3. 請求の範囲第２項のバルンであって、上記第１および第４のコンデンサの 容量値は上記非対称ポートに対するインピーダンス整合および変換を与えるよう に選択されている、前記バルン。 4. 請求の範囲第１項のバルンであって、 上記ストリップ線素子の結合対を相互接続する共通ノードに接続した第５のコ ンデンサを更に具備しており、上記第５のコンデンサは上記第１および第２の対 称ポートの出力を実質的に同じ振幅にかつ互いに実質的に１８０度位相が離れた 状態を維持するように選択された容量値を有するようにされた、前記バルン。 5. 請求の範囲第１項のバルンであって、上記第１の伝送線素子、上記第２の コンデンサおよび上記第２の伝送線素子の上記組合せのインピーダンス値が、上 記第１および第２の対称ポートに対する電力整合およびノイズ整合間の所望のか ね合いを与えるように選択されるようにした、前記バルン。 6. 請求の範囲第５項のバルンであって、上記所望のかね合いが最適ノイズ整 合であるような、前記バルン。 7. 請求の範囲第５項のバルンであって、上記所望のかね合いが最適電力整合 であるような、前記バルン。 8. 請求の範囲第１項のバルンであって、 上記第３の層の下の接地面を更に具備した前記バルン。 9. 請求の範囲第１項のバルンであって、 外部装置が上記第１および第２の対称ポートをバイアスすることができるよう にするバイアスポートを更に具備した前記バルン。 10．請求の範囲第１項のバルンであって、上記第１および第３の伝送線素子は 上記第３の層上にストリップ線として与えられ、上記第２および第４の伝送線素 子は上記最上層上にマイクロストリップとして与えられた、前記バルン。 11．バルンであって、 少なくとも２つの信号伝送導電層を含む多層構造を具備し、それぞれの導電層 は接地面層によって互いに隔てられ、上記多層構造は、 上記多層構造の上記少なくとも２つの信号伝送導電層の表面側の１つに与えら れた不平衡入力信号を受けるかあるいは出力する非対称ポートと、 実質的に同一の振幅で、位相が実質的に１８０度オフセットし、それぞれ上記 多層構造の上記少なくとも２つの信号伝送導電層の前記表面側の１つに与えられ た信号を出力するかあるいは受ける２つの対称ポートと、 を含み、上記バルンの分布素子が上記多層構造の上記少なくとも２つの信号伝 送導電層の底面側の１つに組み込まれ、上記バルンの個別素子が上記多層構造の 上記少なくとも２つの信号伝送導電層の前記表面側の１つ上に設けられるように した、前記バルン。 12．請求の範囲第１１項のバルンであって、上記分布素子は偶数および奇数モ ードに対して実質的に同一の特性インピーダンスと電気長とを有するストリップ 線の結合対を含む、前記バルン。 13．請求の範囲第１１項のバルンであって、上記個別素子は上記多層構造の上 記少なくとも２つの信号伝送導電層の前記表面側の１つに実装された複数のコン デンサを含む、前記バルン。 14．請求の範囲第１１項のバルンであって、 外部装置が上記２つの対称ポートをバイアスすることができるようにするバイ アスポートを更に具備する前記バルン。 15．第１の動作周波数と第２の動作周波数との内の１つで動作することができ るバルンであって、 少なくとも２つの信号伝送導電層を含んだ多層構造を具備し、それぞれの導電 層は接地面層によって互いに隔てられ、 不平衡入力信号を受けるかあるいは出力する非対称ポートを具備し、上記非対 称ポートは上記多層構造の上記少なくとも２つの信号伝送導電層の表面側の１つ 上に与えられ、 実質的に同一の振幅で、位相が実質的に１８０度オフセットし、それぞれ上記 多層構造の上記少なくとも２つの信号伝送導電層の前記表面側の１つに与えられ る信号を出力するかあるいは受ける２つの対称ポートを具備し、 上記多層構造の少なくとも２つの信号伝送導電層の前記表面側の１つ上に配置 された第１の複数の構成要素を具備し、上記バルンの少なくとも１つの構成要素 は上記多層構造の上記少なくとも２つの信号伝送導電層の他の１つ上に配置され 、それによって上記バルンの上記動作周波数が上記第１の複数の構成要素の値を 変えることによって上記第１の動作周波数から上記第２の動作周波数に変更され 得るようにした、前記バルン。 16．請求の範囲第１５項のバルンであって、上記第１の複数の構成要素は複数 のコンデンサを含む、前記バルン。 17．請求の範囲第１５項のバルンであって、上記少なくとも１つの構成要素は ストリップ線の結合対を含む、前記バルン。 18．請求の範囲第１項のバルンであって、上記ストリップ線素子の結合対は上 記接地面層に接続された第４のノードを有する、前記バルン。 19．請求の範囲第１項のバルンであって、上記第１、第２および第３のコンデ ンサは上記接地面層にも接続される、前記バルン。