JP2004032785A

JP2004032785A - 高効率４端子回路

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Publication number: JP2004032785A
Application number: JP2003182405A
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: 2003-06-26
Publication date: 2004-01-29
Also published as: CA2432508A1; US20040000966A1; US6753745B2; EP1376742B1; JP2008022575A; ATE549766T1; AU2003204884A1; CA2432508C; EP1376742A1

Abstract

【課題】無線周波数信号を処理する新規な回路を提供すること。
【解決手段】本回路は、回路が設けられる基板を包含する。基板は、メタ材料を包含することが可能であり、少なくとも１つの基板層にて組み込むことが可能である。４端子回路及び少なくとも１つのグランドは、基板に接続され得る。基板層は、第１の基板特性群を有する第１領域と、第２の基板特性群を有する第２領域とを包含する。基板特性は、誘電率及び透磁率を包含し得る。４端子回路の実質的な部分は第２領域に接続される。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／又は透磁率より高く設定される。増加した誘電率及び透磁率は、４端子回路のサイズを小さくし、４端子回路に付随するインピーダンス、インダクタンス、キャパシタンス、品質因子（Ｑ）及び電圧の大きさを小さくし得る。
【選択図】　　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般にＲＦ回路に関する設計の自由度を増加させ、特に４端子分岐線路カプラ（ｆｏｕｒ　ｐｏｒｔ　ｂｒａｎｃｈ　ｌｉｎｅ　ｃｏｕｐｌｅｒ）のような４端子回路における特性を改善するために、誘電体回路基板材料を最適化する方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
４分の１波長変換器（ｑｕａｔｅｒ−ｗａｖｅ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）及び４端子分岐線路カプラのようなＲＦ回路は、一般的には、特別に設計された基板に作成される。ＲＦ回路に関し、インピーダンス特性及び電気的長さを注意深く調整することが重要である。回路内の様々な場所のインピーダンスが整合していなければ、非効率的な電力伝送、素子の不必要な発熱その他の問題点を生じさせてしまう。回路の様々な部分のインピーダンスを整合させるために頻繁に使用される伝送線路の具体例は、４分の１波長変換器である。従って、回路基板における４分の１波長変換器の特性は、極めて重要な設計事項になり得る。
【０００３】
その名称が示唆するように、４分の１波長変換器は典型的には正確にλ／４の電気的長さを有し、ここで、λはその回路における信号波長である。当業者に知られているように、４分の１波長変換器の適切な特性インピーダンス（ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｉｍｐｅｄａｎｃｅ）は、次式で与えられ、
【０００４】
【数１】

ここで、Ｚ_０は４分の１波長変換器の所望の特性インピーダンスであり、Ｚ_１は整合させられる第１伝送線路のインピーダンスであり、Ｚ_２は第１伝送線路に整合させられる第２伝送線路又は負荷のインピーダンスである。
【０００５】
ＲＦ回路に使用される印刷された４分の１波長変換器は、様々な形式で形成され得る。３つの一般的な実現形式を以下に説明する。マイクロストリップとして知られている１つの形態は、基板表面に４分の１波長変換器、及び一般に接地プレートとして取り扱われる第２導電層を設ける。埋め込みマイクロストリップとして知られている第２の形態は、４分の１波長変換器が誘電体基板材料で被覆されている点を除いて同様なものである。ストリップラインとして知られている第３の形態では、４分の１波長変換器が、電気的に導電性の２つの（接地）プレート間の基板内に挟まれている。
【０００６】
基板材料の特性に影響を与える２つの重要な要因は、誘電率（しばしば比誘電率ε_ｒとも呼ばれる）及び損失タンジェント（ｌｏｓｓ　ｔａｎｇｅｎｔ）（しばしば散逸因子（ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ　ｆａｃｔｏｒ）とも呼ばれる）である。他の重要な要因は、透磁率（ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ）（しばしば比透磁率μ_ｒとも呼ばれる）である。比誘電率及び比透磁率は信号速度を決定し、従って伝送線路の電気的長さ及び基板に実装される他の素子に関する電気的長さを決定する。損失タンジェントは、その基板材料を伝搬する信号に生じる損失量を特徴付ける。従って、小さな損失の材料は、周波数を増加させる観点からいっそう重要になり、特に受信機のフロントエンドや低雑音増幅回路を設計する際に重要になる。
【０００７】
損失を無視すると、ストリップライン又はマイクロストリップのような伝送線路の特性インピーダンスは、
【０００８】
【数２】

に等しく、ここで、Ｌ_ｌは単位長さ当たりのインダクタンスであり、Ｃ_ｌは単位長さ当たりの容量である。Ｌ_ｌ及びＣ_ｌの値は、一般に、伝送線路構造を絶縁するために使用される基板材料の誘電率及び透磁率に加えて、線路構造の物理的な幾何学及び間隔によって決定される。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。
【０００９】
従来のＲＦ技術では、設計事項に適切な比誘電率の値を有する基板材料が選択される。いったん基板材料が選択されると、線路の特性インピーダンスの値は、伝送線路の幾何学及び物理的な構造を制御することで専ら（ｅｘｃｌｕｓｉｖｅｌｙ）調整される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
伝送線路、受動ＲＦ回路又は放射要素について選択された基板材料の誘電率は、その線路構造に関する所与の周波数におけるＲＦエネルギの物理的な波長に影響を及ぼす。マイクロ波ＲＦ回路を設計する際に遭遇する１つの問題は、基板に形成される様々な受動素子、輻射要素、及び伝送線路回路の総てに最適な誘電体基板材料を選択することである。特に、回路要素の幾何学形態は、素子に要求される固有の電気的又はインピーダンスの特性に起因して、物理的に大きく又は小さくなってしまうことがある。同様に、特性インピーダンス値を特別に高く又は低くするのに要する線幅は、多くの場合に、所与の基板に実際に実装する場合に過度に狭く又は広くなってしまう。マイクロストリップ又はストリップラインの物理的なサイズは、誘電体材料の比誘電率の逆数に関連するので、伝送線路の大きさは基板材料の選択に大きく影響される。
【００１１】
更に、ある素子に対する最適な基板材料の選択は、アンテナ素子のような他の素子に対する最適な基板材料と食い違うことある。更に、回路要素に対するいくつかの設計項目が互いに矛盾することもあり得る。従って、選択される相対的な基板特性を有する回路基板に関する制約は、しばしば設計上の妨げとなり、回路全体の電気特性及び／又は物理特性に不利に影響を及ぼす虞がある。
【００１２】
上述した手法に関する固有の問題点は、少なくとも基板材料に関し、線路インピーダンスに関する唯一の制御変数が、比誘電率ε_ｒであることである。比誘電率を変化させることは、単位長さ当たりの容量Ｃ_ｌに影響を及ぼす。このような制限は、従来の基板材料に関する問題点を深刻化させ、比透磁率μ_ｒのような特性インピーダンスを決定する他の要因を考慮することは困難である。比透磁率を変化させることは、伝送線路の単位長さ当たりのインダクタンスＬ_ｌに影響を及ぼす。
【００１３】
ＲＦ回路を設計する際に遭遇する更なる問題は、異なるＲＦ周波数帯域で動作する回路素子に関する最適化を行うことである。第１のＲＦ周波数帯域に最適化された線路のインピーダンス及び長さは、他の帯域で使用される場合には、インピーダンス変動及び／又は電気的長さの変動に起因して、実効性又はパフォーマンスが劣化する。このような制約は、所与のＲＦシステムに対する実効的な動作周波数範囲を狭くしてしまう虞がある。
【００１４】
従来の回路基板は、一般に、画一的な（ｕｎｉｆｏｒｍ）基板物理特性（誘電率を含む）を与えるキャスティング（ｃａｓｔｉｎｇ）又はスプレーコーティングのような工程によって形成される。従って、ＲＦ回路に関する従来の誘電体基板形態は、電気的な及び物理的なサイズ特性両者に最適な回路を設計する際の制限となっていることが分かる。
【００１５】
【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。本回路は、回路が設けられる基板を包含する。基板は、メタ材料（後に詳細に説明される）を包含することが可能であり、少なくとも１つの基板層にて組み込むことが可能である。４端子回路及び少なくとも１つのグランドは、基板に接続され得る。
【００１６】
基板層は、第１の基板特性群を有する第１領域と、第２の基板特性群を有する第２領域とを包含し得る。基板特性は、誘電率及び透磁率を包含し得る。第２の基板特性群は、第１の基板特性群と相違し得る。一態様にあっては、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／又は透磁率より高く設定される。更に、第１及び／又は第２の基板特性群は、誘電体の誘電率若しくは磁性体の透磁率又は両者を選択された領域で変化させるために差別的に修正され得る。誘電体層は、更に、異なる基板特性群を有する他の領域を包含し得る。
【００１７】
４端子回路の少なくとも一部は第２領域に接続され得る。増加した誘電体の誘電率、透磁率又は両者は、４端子回路のサイズを小さくし得る。また、増加した誘電率、透磁率又は両者は、４端子回路に付随するインピーダンス、インダクタンス、キャパシタンス、品質因子（Ｑ）及び電圧の少なくとも１つを変化させ得る。
【００１８】
【発明の実施の形態】
４端子回路そして特に４端子分岐線路カプラハイブリッド（ｈｙｂｒｉｄ）は、典型的には無線周波数（ＲＦ）回路に使用され、一般にプリント回路基板又は基板に実装される４分の１波長変換器を包含する。４分の１波長変換器は、典型的には、伝送線路部分、入力ポート及び出力ポートを有する。伝送線路部分の電気的な長さは、通常は、選択された周波数に関する波長の４分の１であるが、４分の１波長変換器を４分の１波長の奇数（２ｎ＋１）倍にすることも可能である。
【００１９】
通常は、低い誘電率のプリント回路基板材料が、４分の１波長変換器を備えるＲＦ回路に選択される。例えば、ＲＴ／ｄｕｒｏｉｄ（登録商標）６００２（誘電率２．９４；損失タンジェント．００９）及びＲＴ／ｄｕｒｏｉｄ（登録商標）５８８０（誘電率２．２；損失タンジェント．０００７）のような構成に基づくポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＥＥ：ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ）は、アリゾナ州８５２２６チャンドラー、１００エス、ルーズベルトアベニューの、ロジャーズマイクロウェーブプロダクツのアドバンスト回路材料部から入手することが可能である。これらの材料両者は一般的な基板材料の選択肢である。上記の基板材料は、低い損失タンジェントと供に相対的に低い誘電率を有する誘電体層を与える。
【００２０】
しかしながら、従来の基板材料を利用することは、回路要素の小型化を妨げ、高い誘電率の層による恩恵をもたらす回路形態の機能発揮を妨げる。通信回路における典型的なトレードオフは、４分の１波長変換器の物理的なサイズと動作周波数との間におけるものである。これに対して、本発明は、特定の周波数で動作する上で、４分の１波長変換器のサイズを小型化するのに適した磁性を有する高誘電体層領域の利用を可能にすることで、更なる柔軟度（ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ）を回路設計者に提供する。更に、本発明は、４分の１波長変換器の品質因子（Ｑ）を制御する手段をも回路設計者に与える。このような更なる柔軟度は、ＲＦ回路に関し、改善された、特性、４分の１波長変換器密度及び実効性を可能にする。ここに規定されるように、ＲＦは、電磁波を伝搬させるために使用され得る任意の周波数を意味する。
【００２１】
図１は、従来の一様な基板９における４端子分岐線路ハイブリッドカプラの平面図を示す。ハイブリッド１０は、直列形式で各ポート１１，１２，１３，１５の間に接続されるトランスフォーマ部１５，１７を包含する。ハイブリッド１０は、更に、並列形式で部分１８，１６，１９を含む。「３アームブランチハイブリッド（ｔｈｒｅｅ−ａｒｍ　ｂｒａｎｃｈ　ｈｙｂｒｉｄ）」形態は、９０度又は１８０度のハイブリッド線路カプラに一般に使用される。
【００２２】
図２は、図１の回路１０に示されるものより非常に小さな面積しか利用しない本発明による４端子ブランチ線路ハイブリッドカプラ２０の平面図を示す。ハイブリッド２０は、直列形式で各ポート２１，２２，２３，２４の間に接続されたトランスフォーマ部２５，２７を含む。ハイブリッド２０は更に並列形式で部分２８，２６，２９を含む。図２，３を参照するに、４端子ブランチ線路カプラは、第１の基板特性群を有する第１領域９と第２の基板特性群を有する第２領域とを有する基板又は誘電体層８を含む。また、基板８は他の基板特性群を有する他の領域（図示せず）を有し得る。基板特性は、誘電率及び透磁率を包含し得る。特に、第２の基板特性群は、第１の基板特性群と相違することが可能であり、また他の領域に関する基板の他の基板特性群と相違することも可能である。例えば、第２領域３０は、第１領域９より高い誘電率及び／又は透磁率を有し得る。
【００２３】
線路部分又は線路部分の一部２５，２６，２７は、誘電体層３０に搭載され及び接続され、そして基板層９に部分的に搭載され又は接続される。図示されているように線路部分２８，２９は、線路部分２５，２７により電気的に並列な形式で供に接続され、基板層９に搭載される。図示されているように４端子回路２０は、同相信号の入力ポートとして機能するポート２１と、９０度位相のずれた信号を与えるポートとして機能するポート２２と、１８０度位相のずれた信号を与えるポートとして機能するポート２３と、２７０度位相のずれた信号を与えるポートとして機能するポート２４を含む。
【００２４】
ブランチカプラは、２次的線路（２７）に並列に隣接する主要伝送線路（２５）と、並列形式で「アームブランチ」によって接続される少なくとも１つのブランチとを有するように形成される。図１，２は、ストリップライン構造におけるカプラネットワークの２つの構造を示す。図１は各々が好ましくは４分の１波長のネットワークより成る４端子装置であるところの基本構造を示す。このカプラは、本質的に、所望の動作帯域の中心周波数に通常は選択される単独の周波数にのみ合わせられる。例えば、動作帯域が３．７−４．２ＧＨｚ帯域ならば、装置は好ましくは３．９５ＧＨｚの中心周波数にのみ同調される。適切なブランチは、ある周波数でのみ得られ、ＶＳＷＲは中心動作周波数でのみ１．０である。カプラが直交ハイブリッド（ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ　ｈｙｂｒｉｄ）として構築されるならば、その中心周波数にて入力ポートから出力ポートに等しい電力が生じる。ＶＳＷＲ帯域を改善するために、更なるブランチネットワークを付加する、又はストリップライン装置の場合には更なるネットワークストリップを実質的に並列に付加することが当業者に知られている。従来のブランチ線路カプラについての具体例及び説明については、以下の文献がある：Ｃ．Ｇ．Ｍｏｎｔｇｏｍｅｒｙ，Ｒ．Ｈ．Ｄｉｃｋｅ，ａｎｄＥ．Ｍ．Ｐｕｒｃｅｌｌ，Ｐｉｎｃｉｐｌｅｓ　ｏｆ　Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　Ｃｉｒｃｕｉｔｓ，ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ，Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ，１９４８；Ｊ．Ｒｉｅｄ　ａｎｄ　Ｇ．Ｊ．Ｗｈｅｅｌｅｒ，“Ａ　Ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ　Ｆｏｕｒ−Ｐｏｒｔ　Ｎｅｔｗｏｒｄｋｓ”，ＩＲＥ　Ｔｒａｎｓ．Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　Ｔｈｅｏｒｙ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｖｏｌ．ＭＴＴ−４，Ｐ．２４６−２５２，Ｏｃｔ．１９５６；Ｒ．Ｌｅｖｙ　ａｎｄ　Ｌ．Ｆ．Ｌｉｎｄ，“Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ　ｏｆ　Ｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ　Ｂｒａｎｃｈ−Ｇｕｉｄｅ　Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｕｐｌｅｒｓ”，ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　Ｔｈｅｏｒｙ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈ．，Ｖｏｌ．ＭＴＴ−１６，Ｐ．８０−８９，Ｆｅｂ．１９６８。これら付加的なブランチネットワークは、その装置に関するＶＳＷＲ曲線を平坦化する傾向にあり、適切な結合が得られる帯域をいくらか広げる。
【００２５】
上述したように、図１はポート１，２，３，４を形成する４つの相互接続されたネットワークより成るストリップライン構成の基本的な従来のカプラを示す。上述したように、装置に実質的に並列に接続された付加的なブランチ線路又はストリップを与えることによって、ＶＳＷＲの平坦化に関連付けられる場合に限り、このカプラの実効性は改善され得る。図２に示されるように、本発明によれば、３つのブランチが、そのようなブランチ直下に使用される基板材料に依存して望まれるように、図示されるように形状（幅、長さ等）における長さ及び幅を変化させながら使用されている。所望の特性に依存して、付加的なブランチ又はより少ないブランチが設定され、それ程多くの製造性に関連する制約を伴わずに、形状を変化させて実現される。
【００２６】
図３は、図２の４端子回路２０及び基板層８のＡ−Ａ線に沿う断面図である。接地プレート３５が４分の１波長変換器の線路部分直下に設けられている。従って、基板層８は、４分の１波長変換器の接地面上の高さを規定する厚さを有する。その厚さは、４分の１波長変換器から下部の接地プレート３５までの物理的な距離に近似的に等しい。この距離は、例えばある基板材料が使用される場合に容量を増加させる又は減少させるような、特定の電気特性を実現するように調整され得る。
【００２７】
４分の１波長変換器にて伝搬する信号の伝搬速度は、近似的に、
【００２８】
【数３】

に比例する。伝搬速度は比誘電率及び比透磁率の逆数に関連するので、第２領域３０にて誘電率及び／又は透磁率を増加させることは、４分の１波長変換器における信号の伝搬速度、そしてその信号波長を減少させる。即ち、４分の１波長変換器部分の長さは、第２領域３０の誘電率及び／又は透磁率を増加させることで、短縮され得る。更に、誘電率を増加させることは、４分の１波長変換器部分及びグランド３５間の容量結合度を増加させる。従って、４分の１波長変換器の表面領域も、第２領域３０の誘電率を増加させることで減少させることが可能である。このため、４分の１波長変換器部分は長さ及び幅の両者の観点から、従来の回路で必要とされていたであろうものよりも、小型化されることが可能である。
【００２９】
誘電率及び／又は透磁率は、４分の１波長変換器部分に関する所望の特性インピーダンス（Ｚ_０）になるようにも選択され得る（Ｚ_０は
【００３０】
【数４】

に比例することに起因する）、又は４分の１波長変換器部分に関連するインダクタンス若しくは抵抗値を制御するためにも選択され得る。例えば、第２領域３０の透磁率は、４分の１波長変換器部分のインダクタンスを増加させるように、増加させ得る。
【００３１】
本発明の一実施例では、基板層８の透磁率は、４分の１波長変換器の全部又は一部のインダクタンスを増やすように制御され得る。他の実施例では（図示せず）、４分の１波長変換器部分は、それ自身の個別の接地プレート、又は（例えば、より対線形式のような）復帰トレース（ｒｅｔｕｒｎ　ｔｒａｃｅ）を有することが可能であり、接地プレート又は復帰トレースにおける電流が、４分の１波長変換器部分に流れる電流と反対方向に流れ、そのために４分の１波長変換器に関連する磁束を相殺させ、そのインダクタンスを低減させるようにする。
【００３２】
誘電率及び／又は透磁率は、４分の１波長変換器の特性を最適化するために、基板層の選択された領域で差別的に調整され得る。更なる他の態様にあっては、誘電体層の総ての領域にて誘電率及び／又は透磁率を差別的に調整することで、総ての基板層領域が調整され得る。
【００３３】
ここで使用される「差別的な調整（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ　ｍｏｄｉｆｙｉｎｇ）」なる語は、誘電性及び磁性の少なくとも一方が、基板のある領域では他の領域に比較して異なるような基板層８に関する、付加を包含する任意の調整を示す。例えば、そのような調整は、ある基板層領域には特定の誘電性又は磁性を与えつつ、他の誘電体層が不変に維持されるような選択的な調整であり得る。
【００３４】
一実施例によれば（図示せず）、補足的な誘電体層（ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔａｌ　ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｌａｙｅｒ）が基板層８に付加され得る。様々なスプレー技術、スピンオン技術、様々な堆積技術又はスパッタリングのような既存の手法が、その補足的な誘電体層に適用され得る。第１補足層は、基板層８の全面に付加され、及び／又は第２補足層は第２領域３０内に又はその選択された部分内に選択的に付加され、ブランチ線路２６に加えて４分の１波長変換器部分２５，２７直下の誘電体の誘電率及び／又は透磁率を変更する。他の実施例では、補足層が、第１領域９又はその選択された部分に付加され得る。例えば、補足層が他のブランチ線路（２８，２９）下部に付加され、その領域における誘電率及び／又は透磁率を増加させることが可能である。
【００３５】
補足層は、第１及び／又は第２領域その他の領域の比誘電率を１より大きく又は小さく変更するための粒子を包含し得る点に、留意を要する。例えば、反磁性又は強磁性粒子が任意の領域に付加され得る。更に、第１補足層及び第２補足層は、例えば、ストリップ線路、マイクロストリップ及び埋め込みマイクロストリップのような任意の形態に設けることが可能である。
【００３６】
以下、図４に提示されるフローチャートを参照しながら、サイズ及び特性の最適化された４分の１波長変換器を形成する方法を説明する。ステップ４１０では、調整用の基板誘電体材料が用意される。上述したように、基板材料には、在庫があって商業的に入手可能な基板材料、又はポリマ材料その他の組み合わせより成る特注の基板材料が含まれ得る。この準備工程は、選択された基板材料の形式に依存して行われる。
【００３７】
ステップ４２０では、第１及び第２領域９，３０のような１つ又はそれ以上の基板層領域が差別的に修正され、誘電率及び／又は透磁率がその領域の２つ又はそれ以上の部分の間で異なるようにする。差別的な修正は、上述したような様々な手法で行われ得る。ステップ４３０を参照するに、その後に、当該技術分野で既知の標準的な回路基板技術を利用して、金属層が４分の１波長変換器部分及び４端子回路に形成される。
【００３８】
局在化した及び選択可能な磁性及び基板特性を与えるメタ材料領域を有する誘電体基板が、以下の手法で用意され得る。ここで規定されるように、「メタ材料（ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌ）」なる語は、分子レベル又はナノメータレベルのような非常に微細なレベルにおける、２つ又はそれ以上の異なる材料の混合又は組み合わせより成る複合材料を示す。メタ材料は、その合成物の電磁特性を合わせること（ｔａｉｌｏｒｉｎｇ）を可能にし、それは実効的な電気的誘電率ε_ｅｆｆ（即ち誘電率）及び実効的な磁気的透磁率μ_ｅｆｆより成る実効的な電磁パラメータによって定められる。
【００３９】
適切なバルク誘電体セラミック基板材料は、デュポン（登録商標）フェロのような製造業者から入手され得る。一般にグリーンテープ（登録商標）と呼ばれる未処理材料は、６インチ毎の領域のように、バルク誘電体テープからその領域のサイズに合わせて切断され得る。例えば、デュポンマイクロサーキットマテリアルズは、９５１低温コファイア（Ｃｏｆｉｒｅ）誘電体テープ及び強誘電体材料ＵＬＦ２８−３０超低炎（Ｕｌｔｒａ　Ｌｏｗ　Ｆｉｒｅ）ＣＯＧ誘電体組成のような、グリーンテープ材料系を与える。これらの基板材料は、使用されるマイクロ波周波数における回路動作に関し、比較的低い損失タンジェントと供に、比較的適度な誘電率を有する基板層を与えるために使用される。
【００４０】
複数層の誘電体基板材料を利用するマイクロ波回路を作成する製造工程では、ビア（ｖｉａ）、ボイド（ｖｏｉｄ）、ホール又は空洞のような部分が、１つ又はそれ以上のテープを通じて穿孔され得る。ボイドは、機械的手段（例えば、パンチ（ｐｕｎｃｈ））又は方向付けられたエネルギ（例えば、レーザドリル、フォトリソグラフィ）を利用して規定され得るが、ボイドは他の適切な任意の手法を利用して規定され得る。あるビアは基板の厚さ全体を貫通することが可能であるが、他のビアは基板厚さの変化する領域を通じてのみ到達し得る。
【００４１】
ビアは、その後に、通常は裏埋め（ｂａｃｋｆｉｌｌ）材料の設定精度に関連するステンシル（ｓｔｅｎｃｉｌ）を利用して、金属、他の誘電体、磁性材料、又はそれらの混合物により充填される。テープの個々の層は、完全な多層構造を形成するための既存の手法を利用して積層され得る。或いは、テープの個々の層は、一般にサブスタック（ｓｕｂ−ｓｔａｃｋ）と呼ばれる不完全な多層構造を形成するように供に積層される。
【００４２】
また、ボイドのある領域は、ボイドを残し得る。選択された材料により裏埋めされるならば、その選択された材料はメタ材料を包含することが好ましい。メタ材料組成を選択できることは、２以下から少なくとも２６５０までの比較的連続的な範囲にわたって調整可能な実行誘電定数を与え得る。あるメタ材料により、調整可能な磁気特性も利用可能である。例えば、適切な材料の選択により、比実効透磁率は、一般に、ほとんどの実用的なＲＦ製品を網羅する４乃至１１６程度の範囲を有し得る。しかしながら、比実効透磁率は、２程度に低く又は数千に達する程度であり得る。
【００４３】
ここで使用される「差別的に修正される（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｌｙ　ｍｏｄｉｆｉｅｄ）」という語は、誘電性又は磁性の特性の少なくとも一方が、基板のある領域では他の領域に比較して異なることとなる誘電体基板層に関する、ドーピングを含む修正を示す。差別的に修正された基板は、好ましくは、複数の領域を含む１つ又はそれ以上のメタ材料を含む。
【００４４】
例えば、その修正は、ある誘電体層領域が誘電性又は磁性の第１の特性群を形成しつつ、他の誘電体層領域が差別的に修正され又は未修正に残され、第１の特性群とは異なる誘電性及び／又は磁性の特性を与えるような、選択的な修正であり得る。差別的な修正は様々な形式で実現され得る。
【００４５】
一実施例によれば、基板層に補足的な基板層が付加され得る。様々なスプレー技術、スピンオン技術、様々な堆積技術又はスパッタリングのような当該技術分野で既知の技術が、そのような補足的な誘電体層に応用され得る。補足的な基板層は、ボイド又はホール内側を含む局所的な領域に、又は基板層全体にわたって選択的に付加され得る。例えば、補足的な基板層は、増加した実行誘電定数を有する基板領域を与えるために使用され得る。補足的な層として付加される誘電体材料は、様々なポリマ材料を含み得る。
【００４６】
差別的な修正ステップは、更に、基板層又は補足的な基板層に付加的な材料を局所的に加えることを包含し得る。その付加的な材料は、所与の設計事項を達成するために、基板層の実行誘電定数又は磁性特性を更に制御するために使用され得る。
【００４７】
付加的な材料は、複数の金属及び／又はセラミック粒子を含み得る。金属粒子は、好ましくは、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包含する。これらの粒子は、好ましくは、一般にサブミクロンの物理的な大きさを有するナノサイズの粒子であり、以後、ナノ粒子と呼ぶ。
【００４８】
ナノ粒子のような粒子は、好ましくは、有機性（ｏｒｇａｎｏｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｚｅｄ）合成物粒子であり得る。例えば、有機性合成粒子は、電気的な絶縁性被覆物を有する金属コア（ｍｅｔａｌｌｉｃ　ｃｏｒｅ）又は金属性被覆物を有する絶縁性コアを有する粒子を包含し得る。
【００４９】
ここに説明される様々な用途に関する誘電体層の磁気特性を調整するのに一般的に適している磁性メタ材料粒子は、フェライト有機セラミックス（ＦｅｘＣｙＨｚ）−（Ｃａ／Ｓｒ／Ｂａ−Ｃｅｒａｍｉｃ）を包含する。これらの粒子は、１−４０ＧＨｚの周波数範囲の用途で良好に機能する。それに加えて又は代替的に、ニオブ有機セラミクス（ＮｂＣｙＨｚ）−（Ｃａ／Ｓｒ／Ｂａ−Ｃｅｒａｍｉｃ）は、１２−４０ＧＨｚの周波数範囲に有用である。高周波用の材料は、低周波用途にも適用可能である。これら及び他の形式の組成粒子は、商業的に入手することが可能である。
【００５０】
一般に、コーティングされた粒子は、それらがポリマ基（ｍａｔｒｉｘ）又は側鎖の半分（ｓｉｄｅ　ｃｈａｉｎ　ｍｏｉｅｔｙ）との結合を支援するので、本発明に使用することが好ましい。誘電体の磁気特性を調整することに加えて、付加された粒子は、材料の実行誘電定数を制御するためにも使用され得る。約１乃至７０％の複合粒子の充填率（ｆｉｌｌ　ｒａｔｉｏ）を利用すると、基板層及び／又は補足的な基板層の領域の誘電定数を顕著に上昇させること及び低下させることが可能である。例えば、基板層に有機性のナノ粒子を加えることは、修正される基板層領域の誘電定数を上昇させるために使用され得る。
【００５１】
ポリブレンド（ｐｏｌｙｂｌｅｎｄｉｎｇ）、混合及び撹拌を伴う充填を含む様々な技術によって、粒子が印加され得る。例えば、誘電定数は、約７０％までの充填率を有する様々な粒子を利用することで、２から１０程度の大きさの値に上昇させることが可能である。この目的に有用な金属酸化物には、アルミ酸化物、カルシウム酸化物、マグネシウム酸化物、ニッケル酸化物、ジルコニウム酸化物、及びニオブ酸化物（ＩＩ，ＩＶ，Ｖ）が包含される。リチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ_３）及びカルシウムカルシウムジルコネートやマグネシウムジルコネートのようなジルコネート（ｚｉｒｃｏｎａｔｅ）も使用され得る。
【００５２】
選択可能な基板属性は、１０ナノメートル程度の小さな領域に局所化され得る、又は基板表面全体を含むような大きな領域を網羅し得る。堆積技術に関するリソグラフィ及びエッチングのような従来の技術は、局在化された誘電性又は磁性特性を取り扱うために使用され得る。
【００５３】
可能な他の所望の特性に加えて、２乃至２６５０の実質的に連続な範囲内の実行誘電定数を形成するために、材料は、他の材料と混合されて用意され、又は必要に応じてボイド領域（一般に、空気を導入する）の密度を変化させる。例えば、低い誘電定数（＜２乃至４程度）を与える材料は、変化するボイド領域密度を有するシリカを含む。変化するボイド領域密度を有するアルミナは、４乃至９程度の誘電定数を与え得る。シリカもアルミナも顕著な磁性透磁率を有しない。しかしながら、２０ｗｔ．％までのように、これら又はそれ以外の任意の顕著な磁性材料に変更するために、磁性粒子が添加され得る。例えば、磁気的特性は有機性と供に適合させられる（ｔａｉｌｏｒｅｄ）。磁性材料を付加することに起因する誘電定数への影響は、一般に、その誘電定数を増加させることとなる。
【００５４】
中程度の誘電定数材料は、一般に、７０乃至５００＋／−１０％の範疇の誘電定数を有する。上述したように、これらの材料は、所望の実行誘電定数値を与えるように、他の材料又はボイドと混合される。これらの材料は、フェライトのドープされたカルシウムチタネートを包含し得る。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包含し得る。これらの材料は、４５乃至６００の比透磁率の範囲を有する。
【００５５】
高い比誘電率の用途では、フェライト又はニオブのドープされたカルシウム又はバリウムチタネートジルコネートが使用され得る。これらの材料は２２００乃至２６５０程度の誘電定数を有する。これらの材料に関するドーピング率は、概して１乃至１０％程度である。他の材料に関して言及したように、これらの材料は、所望の誘電定数値を得るために、他の材料又はボイドと混合され得る。
【００５６】
これらの材料は一般的に様々な分子修正（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ）工程を経て修正される。修正工程は、ポリテトラフルオロエチレンＰＴＥＥのような炭素及びフッ素に基づく有機材料のような材料で充填することに先立って、ボイドを形成することが行われ得る。
【００５７】
有機的な統合化（ｉｎｔｅｇａｒｔｉｏｎ）に代えて又はそれに加えて、製造工程は、固体自由形式形成（ＳＦＦ：ｓｏｌｉｄ　ｆｒｅｅｆｏｒｍ　ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ）、光、紫外線（ｕｖ）、ｘ線、電子ビーム又はイオンビーム放射を包含し得る。
【００５８】
メタ材料を含む様々な材料は、基板層（サブスタック）の様々な領域に応用され、基板層（サブスタック）の複数の領域が様々な誘電率及び／又は磁気特性を有するようにする。上述したような裏埋め材料は、局所的に又はバルク基板領域全体にて、所望の誘電性及び／又は磁気的特性を得るための１つ又はそれ以上の付加的な処理工程に関連して使用され得る。
【００５９】
最上層の導電性プリントは、一般に、修正される基板層、サブスタック又は完全なスタックに適用される。導電性トレースは、薄膜技術、厚膜技術、電気めっきその他の適切な技術を利用して設けられ得る。導電性パターンを規定するのに使用される工程は、一般的なリソグラフィ及びステンシルを含むが、それらに限定されない。
【００６０】
複数の修正される基板を照合及び整合させるために、その後に台板が使用される。複数の基板の各々を介する調整孔は、この目的のために使用され得る。
【００６１】
基板の複数層、１つ又はそれ以上のサブスタック、又は層若しくはサブスタックの組み合わせは、様々な方向から材料に圧力を加える平衡（ｉｓｏｓｔａｔｉｃ）圧力、又は１つの方向だけから材料に圧力を加える単軸性（ｕｎｉａｘｉａｌ）圧力を利用して、その後に（例えば、機械的に加圧して）供に積層される。積層基板は、その後に上述したように更に処理され、又はオーブンに導入され、処理される基板に適切な温度（上記の材料に対しては、８５０℃乃至９００℃程度）に加熱される。
【００６２】
複数のセラミックテープ層及び基板の積層されたサブスタックは、使用される基板に適切な速度で温度を上昇させるために制御され得る適切な炉（ｆｕｒｎａｃｅ）を利用して、その後に加熱される。温度の上昇率、最終温度、冷却特性、及び必要なホールド（ｈｏｌｄ）のような使用されるプロセス条件は、基板材料及びそこに裏埋めされる又は堆積される材料に選択されたもの（ｍｉｎｄｆｕｌ）に依存する。加熱に続いて、積層された基板は、典型的には、光学顕微鏡を利用して欠陥について検査される。
【００６３】
積層されたセラミック基板は、その後に、回路の機能仕様に合わせるのに必要な程度に小さな帯状片に選択的に裁断される。最終的な欠陥検査に続いて、帯状の基板片は、その後に、例えば誘電性の、磁性の及び／又は電気的な特性が仕様範囲内にあることを保証するために、様々な特性評価用の装置に搭載される。
【００６４】
このようにして、基板材料には、局所的に調整可能な誘電性及び／又は磁性特性が与えられ、４分の１波長変換器を形成する要素を含む回路の密度及び実効性を向上させる。この柔軟性は、回路要素の独立した最適化を可能にする。
【００６５】
以上本発明の好適実施例が図示及び説明されたが、本発明はそれらに限定されないことは明白であろう。特許請求の範囲に記載されたような本発明の精神及び範囲から逸脱することなしに、様々な修正、変形、変更、置換及び均等物が当業者に理解されるであろう。
【００６６】
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の基板に形成された４端子回路の平面図である。
【図２】本発明により４分の１波長変換部のサイズを小さくするために基板に形成された４端子回路の平面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線に沿う４端子回路の断面図である。
【図４】本発明による物理的なサイズの小型化された４端子回路を製造する工程を示すために使用されるフローチャートである。
【符号の説明】
９　基板又は第１領域
１０　４端子分岐線路カプラハイブリッド
１５，１７　トランスフォーマ部
１１，１２，１３，１４　ポート
１８，１６，１９　線路の一部
２０　４端子分岐線路カプラハイブリッド
２５，２７　トランスフォーマ部
２１，２２，２３，２４　ポート
２８，２６，２９　線路の一部
８　基板又は誘電体層
３０　第２領域

Claims

少なくとも１つの基板層を含む基板であって、前記基板層が第１領域及び少なくとも第２領域を有し、前記第１領域が第１の基板特性群を有し及び前記第２領域が第２の基板特性群を有し、前記第２の基板特性群は前記第１の基板特性群とは異なる基板特性を与えるところの基板；
前記基板に結合された少なくとも１つのグランド部；及び
直列及び並列に接続された部分を有し、前記基板に結合された４端子回路；
を有し、前記４端子回路の少なくとも一部が前記第２領域に接続されることを特徴とする無線周波数信号を処理する回路。
前記基板がメタ材料より成ることを特徴とする請求項１記載の回路。
前記第１の基板特性群及び前記第２の基板特性群の少なくとも１つが、選択された領域の誘電率及び／又は透磁率の少なくとも１つを変化させるために差別的に調整されることを特徴とする請求項１記載の回路。
前記第１の基板特性群が第１誘電率より成り、前記第２の基板特性群が第２誘電率より成り、前記第２誘電率が前記第１誘電率より高いことを特徴とする請求項１記載の回路。
前記４端子回路が、４端子分岐線路カプラであることを特徴とする請求項１記載の回路。
前記４端子回路の４分の１波長変換器の少なくとも１つの電気特性の変化に影響を及ぼすために、前記第２誘電率が前記第１誘電率より高いことを特徴とする請求項４記載の回路。
前記電気特性が、インピーダンス、キャパシタンス、品質因子Ｑ及び電圧より成る群から選択されたものであることを特徴とする請求項７記載の回路。
前記第１の基板特性群が第１透磁率より成り、前記第２の基板特性群が第２透磁率より成り、前記第２透磁率が前記第１透磁率より高いことを特徴とする請求項１記載の回路。
前記４端子回路が、４端子分岐線路カプラことを特徴とする請求項１記載の回路。