JP2004032778A

JP2004032778A - 高効率３ポート回路

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Publication number: JP2004032778A
Application number: JP2003179772A
Authority: JP
Inventors: William Dean Killen; ウィリアム　ディーン　キレン; Randy T Pike; ランディー　テッド　パイク
Original assignee: Harris Corp
Current assignee: Harris Corp
Priority date: 2002-06-27
Filing date: 2003-06-24
Publication date: 2004-01-29
Also published as: ATE377850T1; DE60317266D1; JP2007318813A; CA2432507C; EP1376740B1; AU2003204879A1; CA2432507A1; EP1376740A1; US6753744B2; DE60317266T2; US20040000961A1; AU2003204879B2

Abstract

【課題】本発明は、ＲＦ回路に増加された設計の柔軟性を提供する方法と装置を提供することを目的とする。
【解決手段】無線周波数信号を処理する回路（１００）は、回路が配置される基板（５０）を有する。基板はメタ−マテリアルでも良くそして、少なくとも１つの誘電体層（２０、３０又は４０）を組み込むことができる。３ポート回路のような回路と少なくとも１つのグランドが、基板に結合されうる。誘電体層は、第１の組みの基板特性を有する第１領域（４０）と第２の組みの基板特性を有する第２領域（２０）を含みうる。基板特性は誘電率と透磁率を含む。３ポート回路の部分（３２又は４６）は、第２領域と選択的に結合されうる。第２領域の誘電率及び／又は透磁率は、第１領域の誘電率及び／又は透磁率よりも高い。増加された誘電率及び／又は透磁率は、３ポート回路の大きさを減少させそして、３ポート回路に関連する種々の電気的特性の変更を行う。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明の配置は、一般的には、ＲＦ回路に増加された設計の柔軟性を提供する方法と装置に関連し、特に、マイクロ波基板上のダイプレクサのような、３ポート回路の改善された性能のための誘電体回路基板材料の最適化に関連する。
【０００２】
【従来の技術】
３ポート回路とダイプレクサのようなＲＦ回路は、特別に設計された基板上に共通に製造される。ＲＦ回路のために、インピーダンス特性及び電気長をわたり注意深い制御を維持することが重要である。回路の異なる部分のインピーダンスが整合しない場合には、この不整合は、非効率な電力伝送、部品の不要な加熱及び、他の問題となる。回路の異なる部分のインピーダンスを整合させるのにしばしば使用される特別の形式の伝送線路構造は、４分の１波長変成器である。従って、プリント回路内の４分の１波長変成器の性能は、重要な設計要因である。
【０００３】
名前が示すように、４分の１波長変成器は、典型的には、λ／４の電気的線路長を有し、λはその回路の信号波長である。当業者には良く知られているように、４分の１波長変成器の適切な特性インピーダンスは、
【０００４】
【外１】

により与えられ、ここで、Ｚ_０は、４分の１波長変成器の望ましい特性インピーダンスであり、Ｚ_１は、整合される第１の伝送線路のインピーダンスであり、Ｚ_２は、第１の伝送線路に整合される第２の伝送線路又は負荷のインピーダンスである。
【０００５】
ＲＦ回路で使用されるプリント４分の１波長変成器は、多くの方法で形成され得る。以下に一般的な３つの実装を示す。マイクロストリップとして知られている１つの構成は、基板面上に４分の１波長変成器を配置しそして、普通はグランド面と呼ばれる第２の導体層を設ける。埋め込みマイクロストリップとして知られる第２の形式の構成は、４分の１波長変成器が誘電体スーパーストレート（ｓｕｐｅｒｓｔｒａｔｅ）材料で覆われている以外は、同様である。ストリップ線路として知られる第３の構成では、４分の１波長変成器は２つの電気的な導体（グランド）面の間の基板に挟まれている。
【０００６】
基板材料の性能に影響を及ぼす２つの重要なファクタは、誘電率（しばしば比誘電率又はε_ｒと呼ばれる）と、誘電正接（しばしば消費係数と呼ばれる）である。他の重要なファクタは、透磁率（しばしば比透磁率又は、
【０００７】
【外２】

と呼ばれる）である。比誘電率と比透磁率は、信号の速度を、そして従って、基板上に実装される伝送線路と他の部品の電気長を決定する。誘電正接は、基板材料を横断する信号について発生する損失の量を特徴化する。従って、低損失材料は、周波数が増加すると、特に受信機のフロントエンドと低雑音増幅器回路を設計するときに、更に重要となる。
【０００８】
損失を無視すると、ストリップ線路又は、マイクロストリップのような、標準伝送線路の特性インピーダンスは、
【０００９】
【外３】

に等しく、ここで、Ｌ_ｌは単位長当りのインダクタンスであり、Ｃ_ｌは単位長当りのキャパシタンスである。Ｌ_ｌとＣ_ｌの値は、一般的には、伝送線路構造を分離するのに使用される、誘電体材料の誘電率と透磁率だけでなく、線路構造の物理的な外形や間隔により決定される。従来の基板材料は、典型的には、約１．０の比透磁率を有する。
【００１０】
従来のＲＦ設計では、設計に適する比誘電率値を有する基板材料が、選択される。一旦、基板材料が選択されると、線路の特性インピーダンス値は、排他的に、線路の外形と物理的な構造を制御することにより、調整される。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
伝送線路、受動ＲＦ素子、又は、放射要素についての選択された基板材料の誘電率は、その線路構造について、所定の周波数で、ＲＦエネルギーの物理的な波長に影響する。マイクロ電子ＲＦ回路を設計するときに出くわす１つの問題は、基板上に形成される、種々の受動構成要素及び、伝送線路回路の全てに最適な、誘電体板基板材料の選択である。特に、ある回路構成要素の外形は、そのような構成要素に要求される唯一の電気的な又はインピーダンス特性により、物理的に大きく又は小型化されうる。同様に、例外的に高又は低特性インピーダンス値に要求される線路幅は、多くの場合に、所定の基板についての実際の実装でそれぞれ、狭すぎるか又は広すぎることになる。マイクロストリップ又はストリップ線路の物理的なサイズは、誘電体材料の比誘電率に逆に関連しているので、伝送線路の寸法は、基板材料の選択に大きく影響され得る。
【００１２】
更に、幾つかの構成要素についての最適な基板材料の設計選択は、アンテナ構成要素のような他の構成要素についての最適な基板材料と一致しない。更に、回路構成要素についての幾つかの設計目的は、他とは一致しない。従って、選択された相対的な基板特性を有する回路基板の制約は、しばしば、全体回路の電気的性能及び／又は物理的な特性に悪影響を与える、設計的な妥協となる。
【００１３】
前述のアプローチの他の固有の問題は、少なくとも基板材料に関して、線路インピーダンスについての唯一の制御変数は、比誘電率ε_ｒであることである。比誘電率の変化は、単位長当りのキャパシタンスＣ_ｌに影響する。この制限は、従来の基板材料の重要な問題を強調する、即ち、特性インピーダンスを決定する他の材料のファクタ即ち、比透磁率μ_ｒを利用することに失敗している。比透磁率の変化は、伝送線路の単位長当りのインダクタンスＬ_ｌに影響する。
【００１４】
更に、ＲＦ回路設計で出くわす他の問題は、異なるＲＦ周波数帯についての動作の回路構成要素の最適化である。第１のＲＦ周波数帯について最適化される線路インピーダンスと長さは、他の帯域に使用されたときに、インピーダンス変化及び／又は電気長の変化のいずれかにより、悪い性能を与える。そのような制限は、与えらえたＲＦシステムについての実効動作周波数範囲を制限し得る。
【００１５】
従来の回路基板は、一般的には、誘電率を含む均一な基板物理特性と一般的にはなる、鋳造又はスプレーコーティングのような処理により、一般的には、形成される。従って、ＲＦ回路についての従来の誘電体基板配置は、電気的及び物理的なサイズ特性の両方に関して最適である回路を設計することへの制限であることが分かった。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、無線周波数信号を処理する回路に関連する。この回路は、回路が配置される、回路基板を有する。基板は、（詳細に後述する）メタ−マテリアルを含むことが可能であり、そして、少なくとも１つの誘電体層を組み込むことが可能である。３ポート回路と少なくとも１つのグランドが、基板に結合されることが可能である。
【００１７】
誘電体層は、第１の組の基板特性を有する第１の領域と、第２の組の基板特性を有する少なくとも１つの第２の領域を有する。基板特性は誘電率と透磁率を含むことが可能である。第２の組みの基板特性は、第１の組の基板特性と異なる。一実施例では、第２の領域の誘電率及び／又は透磁率は、第１の領域の誘電率及び／又は透磁率よりも大きい。更に、第１及び／又は第２の組みの基板特性は、選択された領域にわたり、誘電率又は透磁率又はその両方を変更するために、異なるように修正される。誘電体層は、更に、望むような異なる組みの基板特性を有する他の領域を含むことが可能である。
【００１８】
３ポート回路の少なくとも一部は、第２の領域に結合されている。増加された誘電体の誘電率又は磁気的な透磁率又はその両方は、３ポート回路の大きさを減少させることが可能である。増加された誘電率又は透磁率又はその両方は、３ポート回路に関連する、インピーダンス、インダクタンス、キャパシタンス、品質ファクタ（Ｑ）及び電圧の少なくとも１つに変更を行うことができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
３ポート回路及び特にマイクロ波基板上のダイプレクサは、典型的には、無線周波数（ＲＦ）回路で使用され且つ一般的にはプリント回路基板又は基板上で実装される、特化された伝送線路である、４分の１波長変成器線路部を含む。４分の１波長変成器は、典型的には、伝送線路部、入力ポート及び出力ポートを有する。伝送線路部の電気長は、通常は、選択された周波数の４分の１波長であるが、しかし、４分の１波長変成器は、４分の１波長の奇数倍（２ｎ＋１）でもよい。
【００２０】
低比誘電率プリント回路基板材料は、元来、４分の１波長変成器を実装するＲＦ回路設計のために選択される。例えば、
【００２１】
【外４】

（比誘電率２．９４、誘電正接０．００９）のようなそして、
【００２２】
【外５】

（比誘電率２．２、誘電正接０．０００７）のような、ポリテトラフルオロエチレン（ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ、ＰＴＦＥ）ベースの複合物は、両方ともに、ルーズベルト通り、チャンドラー、ＡＺ８５２２６の、ロジャーマイクロ波プロダクト、アドバンスド回路材料部門１００Ｓ（Ｒｏｇｅｒ　Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　Ｐｒｏｄｕｃｔｓ，Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　１００Ｓ）から入手できる。これらの材料の両方は、一般的な基板材料の選択である。上述の基板材料は、低誘電正接を伴なう比較的低い誘電率を有する誘電体層を提供する。
【００２３】
しかしながら、従来の基板材料の使用は、回路要素の最小化を妥協することができそして、高誘電率層から利益を受けることができる幾つかの回路の性能面も妥協しうる。通信回路内の典型的なトレードオフは、４分の１波長変成器の物理的な大きさ対動作周波数の間でである。比較により、本発明は、特定の周波数での動作のための、４分の１波長変成器、スタブ共振器、伝送線路又は、他の構成要素の大きさを減少させるのに最適化された、透磁率特性を有する高誘電率誘電体層領域の使用を許すことにより、回路設計者に、追加のレベルの柔軟性を提供する。更に本発明は、回路設計者に、４分の１波長変成器の品質ファクタ（Ｑ）を制御する手段も提供する。この追加の柔軟性は、ＲＦ回路について、他では可能ではない、改善された性能と４分の１波長変成器密度と性能を可能とする。ここで規定するように、ＲＦは、電磁波を伝搬させるのに使用される周波数を意味する。
【００２４】
図１は、均一な基板材料の従来の基板で使用されるよりも非常に小さな大きさを有する本発明に従った、３ポート回路１００及び特にマイクロ波基板５０上のダイプレクサ１０の上面図を示す。３ポート回路１００は、示されているようにそれぞれのポート３３，３６及び、３８の間に結合された、変成器部分３２を有する。３ポート回路１００は、更に、変成器部分３２に結合されたスタブ部分４６と、変成器部分３２とポート３３と３６の間に結合された伝送線路部分４２を有する。ダイプレクサは、第１の組みの基板特性を有する第１領域４０と、第２の組みの基板特性を有する第２領域２０とを有する基板又は誘電体層５０を有する。基板８は、領域３０のようなさらに他の組みの基板特性を有する他の領域も有する。基板特性は、誘電率と透磁率を含むことが可能である。特に、第２の組みの基板特性は、第１の組の基板特性から又は、他の領域についての基板上の他の組みの基板特性から異なることが可能である。例えば、第２領域２０は、第１領域４０よりも高い誘電率及び／又は透磁率を有することが可能である。
【００２５】
線路部又は線路部３２又はスタブ４６の部分は、誘電体層又は領域２０に取りつけられ又は結合され、そして、望まれるならば、誘電体層４０にも部分的に取りつけられ又は結合されることが可能である。線路部分４２は、示されたように、誘電体層又は領域３０に取りつけられ又は結合されている。このように示されている３ポート回路１００は、２つの別々の周波数の信号に対する入力ポートとして動作するポート３３、第１の周波数の信号についての出力ポートとして動作するポート３６及び、第２の周波数の信号についての出力ポートとして動作するポート３８を有する。例えば、ポート３３は、同時に、１５ＧＨｚ範囲のＫｕバンド信号だけでなく、１ＧＨｚ範囲のＬバンド信号を伝える。適切に設計されたダイプレクサ１０を使用して、ポート３６は、Ｋｕバンド信号についての出力ポートとして働くように設計され、そして、ポート３８は、Ｌバンド信号についての出力ポートとして働くように設計される。３ポート回路１００は、基板５０の反対又は底側にグランド面も含むことが可能である。
【００２６】
本発明の３ポート回路１００は、アンテナフィーダ構造とアンテナ（図示していない）と共に使用されることが可能である。アンテナフィーダ構造の隣接端に接続された共通ポートと、２つの周波数帯で動作する無線信号処理装置への接続のためのそれぞれの更なるポートの間に接続されたフィルタを有する、インピーダンス整合ダイプレクサの形式の３ポート回路１００が、アンテナに接続されるのが好ましい。フィルタは、１つのバンド内にあり且つアンテナが共振の第１モードで共振する上方の周波数に調整された第１のフィルタと、他のバンド内にあり且つアンテナが共振の第２モードで共振する下方の周波数に調整された第２のフィルタを有する。
【００２７】
共振の第１モードでは、共振の周波数は、典型的には、線路要素の電気長の関数であり、一方、共振の第２モードの共振周波数は、（ａ）細長い構成要素の電気長と、（ｂ）アンテナのスリーブの電気長の和の関数である。一般的な場合には、細長い導体要素の電気長は、共振の第１モードに関連する共振周波数で、少なくとも約、１８０度の平均伝送遅延を生じるようにされる。共振の第２モードの周波数は、導体線路要素の平均電気長と、その周波数で少なくとも約１８０度の伝送遅延に対応する長手方向のスリーブの平均電気長の和により決定されうる。
【００２８】
好ましい実施例では、ダイプレクサは、共通ポートと、フィルタ及びインピーダンス補償スタブが接続されたノードの間に接続されたインピーダンス変成構成要素を含む。変成要素、フィルタ、及び、スタブは、マイクロストリップ構成要素として便利に形成される。そのような構成では、変成構成要素は、反対面が導体グランド層で覆われた絶縁基板プレート上の導体ストリップを有する。ストリップは、グランド層と共に、予め定められた特性インピーダンスの伝送線路を形成する。同様に、スタブは、開放回路端を有する導体ストリップとして形成され得る。フィルタは、従来の”エンジンブロック”フィルタでもよいが、それらは、代わりに、変成構成要素及びスタブと同じ基板上のマイクロストリップ構成要素で形成され得る。これらのフィルタは、変成構成要素の電気長と比較して電気的に短い導体により、上述のノードに接続されるのが望ましい。
【００２９】
ダイプレクサ１０の変成構成要素は、線路の長さが第１の周波数（Ｋｕ−バンド）で良好に整合し且つ、ノード４３がアンテナポートで第２の周波数（Ｌ−バンド）で開放回路に見えるように、しかし、ポート３３で第２の周波数で良好に整合して見える長さのような、アンテナフィーダ構造３６とダイプレクサノード４３の間に直列に接続された線路の長さも有する。
【００３０】
アンテナシステムは、典型的には、２つの周波数帯のみにわたり動作するが、しかし、本発明の範囲内で、アンテナが対応する数の共振モードを有する、２つ以上の間隔の離れた帯域で動作する回路を提供することが可能である。
【００３１】
インピーダンス変成器を構成する伝送線路の長さは、上方の周波数で抵抗性インピーダンス変換を行うようにされ、それにより、２つの周波数で変成器によるノードでのインピーダンスが、それぞれ、容量性リアクタンス成分と誘導性リアクタンス成分をそれぞれ有し、そして、スタブ長は、上方の周波数でそれぞれ誘導性及び容量性リアクタンスを生じるようにされ、それにより、ノード３８で低周波数での伝送線路のインピーダンスよりも、高い方の周波数でのそのノードで高い抵抗性の結果のインピーダンスが生じるように、変成器による容量性及び誘導性リアクタンスについて少なくとも部分的に補償する。
【００３２】
典型的には、伝送線路長４２、、４６、３２は、上方の周波数での周波数で約９０度の伝送遅延を提供する。ダイプレクサは、典型的には、１組のフィルタ、１つの周波数でスタブを補償する少なくとも１つのリアクタンス及び、異なる帯域で動作する装置へ整合させ且つ他の信号に関して１つの信号を分離するインピーダンス変成要素を有する。
【００３３】
図１を参照すると、ポート３３で、例えば、Ｌ−バンド（低い、中間周波数）と、例えば、Ｋｕ−バンド信号である、高い周波数である、周波数の２つの帯域の信号が存在する。ポート３８での信号は、示されているように、入力ポート５０２と出力ポート５１６を有するように構成された回路５０１によりフィルタされ、そして、Ｌ−バンドへダウンコンバートされた、ポート５０２で受信された信号から生じる。回路５０１の出力である信号は、ポート３８で、（ポート３３と３６の間に形成された）線路３７上にも存在する、アップリンク搬送波（例えば、１０倍高い周波数）からＬ−バンド信号を分離（分離）し且つアンテナ出力ポート３６に接続されるフィルタを通して送られる。ダイプレクサは、ポート３３で、アップリンク搬送波信号を給電するフィードケーブルにも結合される。
【００３４】
図１を再び参照すると、ダイプレクサ１０は、（Ｋｕバンド）搬送波への帯域阻止フィルタを構成し、しかし、Ｌ−バンドの、ダウンコンバートされた、Ｌ−バンドの、受信周波数を通過させるするために、線路４２（搬送波周波数で４分の１波）、３２（搬送波周波数で２分の１波）及び、４６（搬送波周波数で４分の１波）より構成されるステップ化インピーダンス／スタブ結合を有する。ダイプレクサ１０は、更に、そのような結合をＬ−バンドの低周波数へ開放スタブのように動作させる寸法と線路特性を有するように配置され且つ構成された、線路４２と線路３７の結合を有する。
【００３５】
変成部３２は、
【００３６】
【数１】

により与えられる特性伝送線路インピーダンスＺ_０を有する寸法であり、Ｚ_０は、線路３７の搬送波周波数からダウンコンバートされた周波数での線路３７の特性インピーダンスであり、Ｚ_Ｌは選択された負荷インピーダンスである。３２、４２及び、４６の線路部は、（例えば、Ｋｕ−バンドでの）搬送波での帯域阻止フィルタを構成するように選択される。
【００３７】
本発明に従って図１に示されたように、変成器線路部、伝送線路部、及び、スタブ共振器部は、そのような構成要素を結合するのに使用される基板材料に依存して、望ましいように、形状（幅、長さ等）を変える長さと幅で、示されように、使用される。望ましい特性に従って、追加の構成要素が設計されそして、製造性又は大きさに関する多くの制限なしに変化する形状を有するように実装される。
【００３８】
グランド面は、４分の１波長変成器線路部の下に設けられ得る。誘電体層５０は、グランドより上で４分の１波長変成器の高さを規定する厚みを有する。厚みは、４分の１波長変成器から下にあるグランド面への物理的な距離に約等しい。この距離は、例えば、特定の誘電体材料が使用されるときにキャパシタンスを増加又は減少させるために、特定の誘電体の外形を達成するために調整されることが可能である。
【００３９】
４分の１波長変成器部を伝わる信号の伝搬速度は、
【００４０】
【外６】

に比例する。伝搬速度は、比透磁率と比誘電率に反比例し、第２領域２０で透磁率及び／又は誘電率が増加することは、４分の１波長変成器部の信号の伝搬速度をそして、従って、信号波長を減少させる。これゆえに、４分の１波長変成器部の長さは、第２領域２０の透磁率及び／又は誘電率を増加させることにより、減少されることが可能である。更に、誘電率の増加は、４分の１波長変成器部とグランドの間の容量性結合を増加する。４分の１波長変成器部の面領域も、第２領域２０の誘電率を増加することにより減少される。従って、４分の１波長変成器部は、長さと幅の両方で、従来の回路基板に要求されたよりも、小さくなる。
【００４１】
誘電率及び／又は透磁率は、望ましい特性インピーダンス（Ｚ_０）となるように（Ｚ_０は、同様に４分の１波長変成器部について、
【００４２】
【外７】

に比例するので）、又は、４分の１波長変成器部に関連するインダクタンス又はレジスタンス値を制御するために、選択されることが可能である。例えば、第２領域２０の透磁率は、４分の１波長変成器部のインダクタンスを増加するために、増加されることが可能である。
【００４３】
本発明の一実施例では、誘電体層５０の透磁率は、４分の１波長変成器部の全ての又は一部のインダクタンスを増加するように制御されることが可能である。（示されていない）他の実施例では、４分の１波長変成器部は、グランド面又は、戻りトレースの電流が、４分の１波長変成器部を流れる電流と反対方向に流れるように構成される、（２線配置でのような）自身の個々のグランド面又は戻りトレースを有することが可能であり、それにより、４分の１波長変成器部に関連する磁束を相殺する結果となり且つそのインダクタンスを低下させる。
【００４４】
誘電率及び／又は透磁率は、４分の１波長変成器部の性能を最適化するために、誘電体層の選択された領域で異なるように修正されることが可能である。さらに、他の配置では、全ての誘電体層領域は、誘電体層領域の全ての領域で、誘電率及び／又は透磁率を異なるように修正することにより、修正されることが可能である。
【００４５】
ここで使用される用語”　異なるように修正する”とは、少なくとも１つの誘電及び磁気特性が、基板の他の部分と比較して基板の１つの部分で異なる結果となる、誘電体層５０への、追加を含む修正を指す。例えば、修正は、ある誘電体層領域が特定の誘電又は磁気特性を発生するように修正され、一方他の誘電体層領域は未修正のまま残されるような、選択的な修正である。
【００４６】
（示されていない）他の実施例に従って、補足の誘電体層が、誘電体層５０に追加される。種々の噴霧技術、スピン−オン技術、種々の積層技術又は、スパッタリングのようなその技術で知られた技術が、補足の層を与えるのに使用される。スタブ部分４６だけでなく４分の１波長変成器部の下の誘電体の誘電率及び／又は透磁率を変えるために、第１の補足の層は、全体の存在する誘電体層５０をわたり加えられ、及び／又は、第２の補足の層は、第２領域２０又はその選択された部分に選択的に加えられる。代わりの実施例では、補足の層は第１領域４０又は、その選択された部分又は、他の領域へ加えられることが可能である。例えば、補足の層は、その領域の誘電率及び／又は透磁率を増加するために、領域３０内の伝送線路４２の下に加えられる。
【００４７】
特に、補足の層は、第１及び／又は第２の領域又は、他の領域内の比透磁率を１より大きく又は小さく変更するために、粒子を含めることが可能である。例えば、反磁性の又は強磁性の粒子を、どの領域にも加えることが可能である。更に、誘電体粒子を、同様にその何れかの領域に加えることが可能である。更に、第１の補足の層と第２の補足の層は、例えば、ストリップ線路、マイクロストリップ及び、埋め込まれたマイクロストリップの、ようなどの回路構成でも設けることが可能である。
【００４８】
大きさと性能が最適化された４分の１波長変成器を提供する方法を、以下の説明と図２のフローチャートを参照して、説明する。ステップ２１０では、基板誘電体材料は、修正のために準備される。前述のように、基板材料は、商業的に入手できるいつでもすぐに買える基板材料又は、ポリマー材料又は、幾つかのそれらの結合から構成されるカスタム化された基板材料を含むことが可能である。準備処理は、選択された基板材料の形式に依存してなされ得る。
【００４９】
ステップ２２０では、第１又は第２領域４０と２０のような、１つ又はそれ以上の誘電体層領域が、異なるように修正され、それにより、誘電率及び／又は透磁率は、領域の２つ又はそれ以上の部分の間で、異なる。異なるような修正は、前述の幾つかの方法で達成され得る。ステップ２３０を参照すると、金属層が、その技術で知られる標準的な回路基板技術を使用して、４分の１波長変成器部と３ポート回路に与えられる。
【００５０】
局部化された及び選択可能な磁気及び基板特性を提供するメタ−マテリアル領域を有する誘電体基板が、以下のように準備されることが可能である。ここで、規定するように、用語”メタ−マテリアル”は、分子又はナノメートルのレベルのような、非常に微細なレベルで、２つ又はそれ以上の異なる材料を混合又は配置して構成される複合材料を指す。メタ−マテリアルは、複合物の電磁気特性の調整を可能とし、これは、実効電気的誘電率_，ｅｆｆ（又は誘電率）及び実効磁気透磁率：_ｅｆｆを含む実効電磁気パラメータにより定義され得る。
【００５１】
適切なバルク誘電体基板材料は、デュポン（ＤｕＰｏｎｔ）及び、フェロ（Ｆｅｒｒｏ）のような、商業的な材料製造者から入手できる。一般的には、Ｇｒｅｅｎ　Ｔａｐｅ^ＴＭ（グリーンテープ）と呼ばれる未処理の材料が、バルク誘電体テープから、６インチかける６インチ領域のような、同じ大きさの領域に切り取られる。例えば、デュポンマイクロサーキットマテリアルズは、例えば、９５１低温度コファイア誘電体テープ及び、フェロエレクトロニックマテリアルズＵＬＦ２８−３０ウルトラローファイアＣＯＧ誘電体形成のような、グリーンテープ材料システムを提供する。これらの基板材料は、一旦加熱されると、マイクロ波周波数での回路動作のための、比較的低い誘電正接を伴なう比較的中程度の誘電率を有する誘電体層を提供するために使用される。
【００５２】
複数の誘電体基板材料のシートを使用するマイクロ波回路を生成する処理では、ビア（ｖｉａｓ）、空隙、穴、又は、空洞のような特徴は、テープの１つ又はそれ以上の層を通して打ちぬく。空隙は、（例えば、パンチのような）機械的な手段又は、（例えば、レーザドリル、写真リゾグラフィーのような）指向性エネルギー手段を使用して画定され得るが、しかし、空隙は他の適する方法を使用して画定もできる。いくつかのビアは、同じサイズの基板の全体の厚みに達し、一方、幾つかの空隙は基板厚みの変化する部分にのみ達する。
【００５３】
ビアは、埋め戻す材料の精密な位置決めのために、通常はステンシルを使用して、金属又は、他の誘電体又は磁性体材料又は、その混合物で満たされている。テープの個々の層は、完全な多層基板を製造するために、従来の処理で、共に積層されることが可能である。代わりに、テープの個々の層は、一般的には、サブ−スタックと呼ばれる不完全な多層基板を製造するために共に積層される。
【００５４】
空隙領域は、空隙を残すことも可能である。選択された材料で埋め戻された場合には、選択された材料はメタ−マテリアルを含むことが好ましい。メタ−マテリアル組成の選択は、２以下から約２６５０の比較的連続する範囲をわたり、調整可能な実効比誘電率を提供できる。調整可能な磁気特性は、あるメタ−マテリアルから入手できる。例えば、適する材料の選択を通して、比実効透磁率は、一般的には、最も実際的なＲＦ応用については、約４から１１６の範囲である。しかし、比実行透磁率は、約２の低さ又は、数１０００に達することが可能である。
【００５５】
ここで使用される、用語”異なるように修正された”は、少なくとも１つの誘電及び磁気特性が、基板の他の領域と比較して基板の１つの領域で異なる結果となる、誘電体基板層への、ドーパントを含む修正を指す。異なるように修正された基板は、１つ又はそれ以上のメタ−マテリアルを含む領域を含むことが好ましい。
【００５６】
例えば、修正は選択的な修正であり、ここで、ある特定の誘電体層領域は、第１の組の誘電又は磁気特性を生じるように修正され、一方他の誘電体層領域は、第１の組の特性と異なる誘電及び／又は磁気特性を提供するように、異なるように修正され又は未修正のまま残される。異なるように修正することは、種々の異なる方法で達成されることが可能である。
【００５７】
一実施例に従って、補足の誘電体層が、誘電体層に追加される。種々の噴霧技術、スピン−オン技術、種々の積層技術又は、スパッタリングのようなその技術で知られた技術が、補足の誘電体層を与えるのに使用される。補足の誘電体層は、空隙又は穴の内部又は全体の存在する誘電体層をわたることを含む、局部化された領域に、選択的に追加されることが可能である。例えば、補足の誘電体層は、増加された実効比誘電率を有する基板領域を提供するために使用されることが可能である。補足の層として加えられる誘電材料は、種々の重合の材料を含むことが可能である。
【００５８】
異なるように修正するステップは、更に、誘電体層又は補足の誘電体層へ追加の材料を局部的に加えることを含む。材料の追加は、所定の設計目標を達成するために、誘電体層の実効比誘電率又は磁気特性を更に制御するのに使用される。
【００５９】
追加の材料は、複数の金属及び／又はセラミック粒子を含むことが可能である。金属粒子は、鉄、タングステン、コバルト、バナジウム、マンガン、ある希土類金属、ニッケル又は、ニオブ粒子を含むことが好ましい。粒子は、一般的には、サブミクロンの物理的な寸法を有し、以後ナノ粒子と呼ぶ、ナノサイズの粒子であることが好ましい。
【００６０】
ナノ粒子のような粒子は、有機的に機能化された複合粒子であることが好ましい。例えば、有機的に機能化された複合粒子は、電気的絶縁コーティングを有する金属コア又は、金属コーティングを有する電気的絶縁コアを有する粒子を含むことができる。
【００６１】
ここで説明する種々の応用のための誘電体層の磁気特性を制御するのに一般的に適する磁気メタ−マテリアル粒子は、フェライト有機セラミック（ＦｅｘＣｙＨｚ）−（Ｃａ／Ｓｒ／Ｂａ−セラミック）を含む。これらの粒子は、周波数範囲８−４０ＧＨｚの応用で良好に動作する。代わりに、又は、更にそれに加えて、ニオブ有機セラミック（ＮｂＣｙＨｚ）−（Ｃａ／Ｓｒ／Ｂａ−セラミック）は、周波数範囲１２−４０ＧＨｚで有益である。高周波数のために設計された材料は、低周波数の応用にも適用可能である。これらのそして他の形式の複合粒子は、商業上入手できる。
【００６２】
一般的には、コーティングされた粒子は、ポリママトリクス又は側鎖部分と結合するのを助けるので、本発明と供に使用するのが好ましい。誘電体の磁気特性を制御するのに加えて、加えられた粒子は、材料の実効比誘電率を制御するのにも使用されることが可能である。約１から７０％の複合粒子の充填比を使用して、基板誘電体層及び／又は補足の誘電体層の領域の比誘電率を、大きく増加及びあるいは減少させることができる。例えば、誘電体層へ有機的に機能化されたナノ粒子を加えることを、修正された誘電体層の領域の比誘電率を増加させるのに使用することが可能である。
【００６３】
粒子は、ポリブレンディング、混合、及び、攪拌を有する充填を含む、種々の技術により与えられる。例えば、比誘電率は、約７０％までの充填比を有する種々の粒子を使用して、２の公称値から１０へ増加されうる。この目的に有益な金属酸化物は、酸化アルミニウム、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化ニッケル、酸化ジルコニウム及び、酸化ニオブ（ＩＩ、ＩＶ及び、Ｖ）を含むことができる。ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）と、ジルコン酸カルシウム（ｃａｌｃｉｕｍ　ｚｉｒｃｏｎａｔｅ）及びジルコン酸マグネシウム（ｍａｇｎｅｓｉｕｍ　ｚｉｒｃｏｎａｔｅ）のような、ジルコン酸塩（ｚｉｒｃｏｎａｔｅｓ）も使用され得る。
【００６４】
選択可能な基板特性は、１０ナノメートルほどの領域に局部化されることが可能であり又は、全体の基板面を含む大きな領域を覆うことが可能である。積層処理と共にリゾグラフィ技術とエッチング技術のような、従来の技術は、局部化された誘電及び磁気特性の操作に使用することが可能である。
【００６５】
材料は、他の潜在的に望ましい基板特性と共に、２から約２６５０の実質的に連続する範囲内での実効比誘電率を生じるために、他の材料と混合されて又は、空隙領域（一般的には、空気を入れる）の変化する密度を含み、準備される。例えば、低比誘電率（＜２から約４）を示す材料は、空隙領域の変化する密度を有するシリカを含む。空隙領域の変化する密度を有するアルミナは、約４から９の比誘電率を提供できる。シリカ又はアルミナの両方とも、大きな透時率を有しない。しかしながら、これらの又は他の材料を大きく磁性にするために、２０ｗｔ．％までのような磁性粒子が加えられうる。例えば、磁気特性は有機的に機能化されて、調整され得る。磁性材料の添加からの比誘電率への影響は、一般的には、比誘電率の上昇となる。
【００６６】
中程度の比誘電率材料は、一般的には、７０から５００＋／−１０％の範囲の比誘電率を有する。前述のように、これらの材料は、望ましい実効比誘電率値を提供するために、他の材料又は空隙と混合される。これらの材料は、フェライトドープチタン酸カルシウムを含む。ドーピング金属は、マグネシウム、ストロンチウム、及び、ニオブを含む。これらの材料は、４５から６００の範囲の比透磁率を有する。
【００６７】
高比誘電率の応用については、フェライト又はニオブドープのチタン酸ジルコン酸カルシウム又はバリウムが使用されることが可能である。これらの材料は、約２２００から２６５０の比誘電率を有する。これらの材料に対するドーピングの割合は、一般的には、約１から１０％である。他の材料に関して注意したように、これらの材料は、望ましい実効比誘電率値を提供するために、他の材料又は空隙と混合されうる。
【００６８】
これらの材料は、一般的には、種々の分子修正処理を通して修正される。修正処理は、空隙形成に続き、ポリテトラフルオロエチレンＰＴＦＥのような、炭素及びフッ素ベースの有機的機能材料のような材料で充填される。
【００６９】
代わりに又は、有機的に機能化された集積に加えて、処理は、固体自由形式製造（ＳＦＦ）、写真、紫外線、ｘ−線、電子−ビーム又は、イオン−ビーム照射を含む。リゾグラフィも、写真、紫外線、ｘ−線、電子−ビーム又は、イオン−ビーム放射を使用して実行することができる。
【００７０】
メタ−マテリアルを含む、異なる材料が、基板層（サブスタック）の異なる領域に与えられ、それにより、基板層（サブスタック）の複数の領域が、異なる誘電及び／又は磁気特性を有する。前述のような埋め戻し材料は、局部的に又はバルク基板部分をわたるいずれかで、望ましい誘電及び／又は磁気特性を達成するために、１つ又はそれ以上の追加の処理ステップと共に使用され得る。
【００７１】
最上層の導体プリントが、そして、一般的には、修正された基板層、サブ−スタック又は、完全なスタックへ与えられる。導体トレースは、薄膜技術、厚膜技術、電気メッキ又は、他の好ましい技術を使用して設けられる。導体パターンを画定するのに使用される処理は、限定はされないが、標準リゾグラフィー及びステンシルを含む。
【００７２】
ベースプレートは、そして、一般的には、複数の修正された基板を順序正しくまとめ且つ整列させるために得られる。複数の基板の各々を通るアラインメント穴は、この目的のために使用される。
【００７３】
基板の複数の層、１つ又はそれ以上のサブ−スタック又は、層とサブ−スタックの結合は、全ての方向から材料に圧力を加える平衡の圧力又は、一方向のみから材料に圧力を加える一軸の圧力を使用して、（例えば、機械的にプレスされて）張り合わされる。貼り合わせ基板は、そして、上述のように更に処理され、又は、処理された基板について適する温度に（上述の材料について約８５０Ｃから９００Ｃ）、加熱するためにオーブンへ入れられる。
【００７４】
複数のセラミックテープ層と積層された基板のサブ−スタックは、そして、使用される基板材料について適する率で温度を上昇させるように制御され得る適する炉を使用して、加熱される。温度の上昇率、最終温度、冷却プロフィール、及び、必要な保持のような、使用される処理条件は、基板材料及びそこに埋め戻される又は積層される材料に注意して選択される。加熱に続いて、積層された基板は、典型的には、光学顕微鏡を使用して欠陥について調査される。
【００７５】
積層されたセラミック基板は、オプションで、回路の機能的な要求に合わせるために、要求されるように小さい帯状の模様がある部分へ切断されることが可能である。最終検査の次に、帯状の模様がある基板の部分は、誘電、磁気及び／又は電気的特性が規定の限度内にあることを保証するために、種々の特性を評価するために、テスト取りつけ具に取り付けられる。
【００７６】
このように、誘電体基板材料は、４分の１波長変成器を含むそれらを含む、回路の密度と性能を改善するために、局部化された調整可能な誘電及び／又は磁気特性が設けられることが可能である。誘電体の柔軟性は、回路要素の独立した最適化を可能とする。
【００７７】
本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明はそれに限定されないことは、は明らかである。多くの修正、変更、代用及び、等価物が、請求の範囲に記載された本発明の意図と範囲から離れることなしに、当業者には発生する。
【００７８】
【発明の効果】
上述のように、本発明により、ＲＦ回路に増加された設計の柔軟性を提供する方法と装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従って、３ポート回路のサイズを減少させるために、基板上に形成された３ポート回路の上面図である。
【図２】本発明に従って、減少された物理的サイズの３ポート回路を製造する処理を示すのに有益なフローチャートである。
【符号の説明】
１０　ダイプレクサ
１００　３ポート回路
２０　第２領域
３２　変成器部分
４０　第１領域
４２　伝送線路部分
４６　スタブ部分
５０　誘電体層
３３、３６、３８、５０２、５１６　ポート

Claims

無線周波数信号を処理する回路であって、
少なくとも１つの誘電体層を有する基板を有し、前記誘電体層は第１の領域と少なくとも１つの第２の領域を有し、前記第１の領域は第１の組の基板特性を有し且つ前記第２の領域は第２の組の基板特性を有し、前記第２の組みの基板特性は、前記第１の組の基板特性と異なる基板特性を提供し、
前記基板に結合された少なくとも１つのグランドを有し、
前記基板に結合された３ポート回路を有し、
前記３ポート回路の少なくとも一部分は前記第２の領域に結合されている、回路。
前記基板はメタ−マテリアルを含む、請求項１に記載の回路。
前記第１の組の基板特性と前記第２の組みの基板特性の少なくとも１つは、選択された領域をわたる誘電率と透磁率の少なくとも１つを変えるために、異なるように修正される、請求項１に記載の回路。
前記第１の組の基板特性は第１の誘電率を有し、前記第２の組の基板特性は第２の誘電率を有し、前記第２の誘電率は前記第１の誘電率よりも大きい、請求項１に記載の回路。
前記第２の領域に結合された前記３ポート回路の４分の１波長変成器部上の信号の伝搬速度は、前記第１の領域に結合された線路の部分上の信号の伝搬速度よりも低い、請求項４に記載の回路。
３ポート回路の４分の１波長変成器部の少なくとも１つの電気的特性の変更を行うために、前記第２の誘電率は前記第１の誘電率よりも大きい、請求項４に記載の回路。