JP2005260454A - 終端器 - Google Patents

Abstract

【課題】 大電力用の終端器を得るために薄膜抵抗を大型化すると、終端器に接続する線路導体との間に特性インピーダンスの差を生じて、両者の接続により回路に不整合が生じ、終端器の高周波信号に対する反射特性が劣化する。
【解決手段】 線路導体と、線路導体の端部に接続され、当該線路導体よりも線路幅の広い薄膜抵抗体とを備えて、線路導体は、薄膜抵抗体の接続部よりも手前の所定長さに亘って一定の線路幅を有することによって、線路導体における特性インピーダンスの変化を小さくし、広範な周波数帯域に対して良好な反射特性を得ることができる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、レーダあるいは通信等の高周波回路に用いられ、マイクロストリップ線路を伝搬する高周波信号を吸収するための終端器に関するものである。

マイクロ波終端器（以下、終端器と略す）は、マイクロストリップ線路を伝搬するマイクロ波帯の高周波信号を吸収する。終端器はマイクロ波回路の一構成品として重要であり、広く使われている。従来の終端器においては、マイクロストリップ線路の線路導体と地導体の間を薄膜抵抗で接続する構造が一般的である。薄膜抵抗と地導体の接続は、地導体を基板端面から基板表面まで延長して薄膜抵抗と接続する方法や、基板表面と地導体をスルーホールで接続し、このスルーホールとつながる線路導体に薄膜抵抗を接続する方法などが知られている（例えば、特許文献１記載の図１、図２参照）。

米国特許第６５９３８２９号

終端器の耐電力は、薄膜抵抗で高周波信号を吸収することで生じる発熱量Ｑに対する終端器の耐熱能力に依る。一般に終端器の耐熱能力は、発熱部すなわち薄膜抵抗の許容温度（Ｔ）に依る。近年マイクロ波回路で扱う電力の大電力化が進んでおり、大電力終端器が必要とされている。大電力終端器では発熱量が増加するが、薄膜抵抗を大型化し、発熱部の単位体積あたりの発熱量を低下させることで、耐電力の向上を実現している。

薄膜抵抗の大型化により、薄膜抵抗の幅及び長さは大きくなる。終端器に接続する線路導体の幅は特性インピーダンスにより決定されているため、薄膜抵抗の幅が広くなり、これに接続する線路導体の幅が広くなると、終端器に接続する線路導体との間に特性インピーダンスの差を生じる。このため、両者の接続により回路に不整合が生じ、終端器の高周波信号に対する反射特性（以下、反射特性と略す）が劣化する。この劣化は、終端器に接続する線路導体の幅と終端器の線路導体の幅、すなわち薄膜抵抗の幅との差が大きいほど大きくなる。

この不整合を解決するために、特定の幅及び長さの整合用スタブを用いて、特定周波数の反射特性を改善する手段が一般に用いられる。この場合、反射特性を改善できる周波数が狭帯域になるという問題がある。

この発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、薄膜抵抗を大型化して大電力の高周波波信号を終端するとともに、終端器において広帯域化を実現することを目的とする。

線路導体と、上記線路導体の端部に接続され、当該線路導体よりも線路幅の広い薄膜抵抗体と、を備え、上記線路導体は、上記薄膜抵抗体の接続部よりも手前に所定長さに亘って一定の線路幅を有したものである。

薄膜抵抗体の線路幅を線路導体の線路幅よりも大きく設定することで、線路導体における特性インピーダンスの変化を小さくし、広範な周波数帯域に対して良好な反射特性を得られるので、大電力用の終端器を実現できる。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る終端器の構成を示す図である。図１（ａ）は終端器を備えた誘電体基板の平面図、図１（ｂ）はその側面図である。
図において、誘電体基板１は、上面に線路導体２が設けられ、下面に地導体３が設けられている。線路導体２と地導体３はマイクロストリップ線路を構成している。線路導体２は、終端器に要求された任意の特性インピーダンスに基づく一定の幅で構成されている。例えば、特性インピーダンスは５０Ωである。誘電体基板１の端部周辺における上面の一部と、側面に、導体５が付設されている。地導体３の端部は、この側面に設けられた導体５に接続されている。

線路導体２は、誘電体基板１の上面に設けられた薄膜抵抗４の一端部に接続され、薄膜抵抗４の他の端部は導体５に接続されている。この接続によって、薄膜抵抗４は地導体３に接続される。線路導体２、薄膜抵抗４、地導体３及び導体５は、マイクロストリップ線路上で終端器を構成する。

図１（ａ）に示すように、線路導体２は、薄膜抵抗４との接続点よりも手前部分の所定長さに亘って、一定の線路幅を有している。一方で、薄膜抵抗４は、線路導体２の接続点から導体５に向かう一部の区間で、線路幅が所定の比率（所定の開き角）で台形状に拡がっている。また、薄膜抵抗４の他の区間では、導体５に向かって一定の幅の線路を構成している。すなわち、薄膜抵抗４は、台形形状と四角形状の薄膜抵抗をつなぎ合わせた形状を成している。この形状により、台形状に拡がる一部の区間ではインピーダンスを徐々に（滑らかに）変化させることができるので、反射特性の劣化を抑えることができる。同時に、薄膜抵抗４の内部領域でインピーダンスが変化するので、仮に反射信号が発生したとしても、薄膜抵抗４の抵抗作用によって発生した反射信号をロスさせることができる。

誘電体基板１の表面に設けられた薄膜抵抗４の発熱は、マイクロストリップ線路の構成上、主に誘電体基板１の下面方向に放熱される。誘電体基板１の下面の温度Ｔ１、誘電体基板１の下面までの熱抵抗Ｒｔｈとすると、誘電体基板１の上面の温度Ｔ２＝Ｔ１＋Ｒｔｈ×Ｑである。

このとき、温度Ｔ２≦薄膜抵抗４の許容温度Ｔ（例えば、１５０℃程度）であれば、耐電力を満足する。熱抵抗Ｒｔｈはマイクロストリップ線路を構成する薄膜抵抗・導体・誘電体基板の熱伝導率、各厚み及び放熱に寄与する体積により決定される。薄膜抵抗を大型化し放熱に寄与する体積を大きくすることで、熱抵抗の低減を図り、耐電力を向上させることができる。この方法は、薄膜抵抗・導体・誘電体基板の熱伝導率、各厚みを変更することに比較して容易に耐電力特性を向上させることができる。

薄膜抵抗４の一部の区間での、導体の台形形状の開き角θは、次のように設定される。
例えば、図１（ａ）に示した形状の場合、所望の薄膜抵抗４の面積Ｓ（正しくは体積だが、膜厚一定として，便宜上Ｓとする）、線路の特性インピーダンスと等しくなるような抵抗値Ｒ（通常５０Ω）、及び薄膜抵抗材料に基づく単位面積当たりの抵抗値Ｒｓ（通常、５０Ω／ｍｍ^２が多い）が与えられた場合、抵抗体の開き角θにより形状が一意に決定できる。また、開き角θの可変範囲が同時に決定される。この上でシミュレーションを行うことによって、最適なθを決定することが出来る。なお、薄膜抵抗４の形状は、Ｓ、Ｒ、Ｒｓを満足するような範囲で適宜設定することができる（例えば扇形状や、三角形状など）。
図１（ａ）の例では、誘電体基板１をアルミナセラミックで構成して、その比誘電率を９．８、基板厚を０．３８ｍｍとしている。また、線路導体２の幅を０．３６ｍｍ、薄膜抵抗４の長さＬを２．６ｍｍ、幅ｄを４ｍｍとして、抵抗値Ｒを５０Ωとしており、このときの開き角θは１５０°程度となる。なお、薄膜抵抗４の幅ｄが、線路幅に対して２倍を超えるようなインピーダンスの変化が無視できなくなる場合に、この実施の形態による発明は有効である。この例では、線路導体２に対して、薄膜抵抗４の幅ｄを１０倍程度に広げている。これによって、数十Ｗレベルの高周波信号を終端できる。

次に、終端器の動作について説明する。
線路導体３から入力したマイクロ波やミリ波などの高周波信号は、薄膜抵抗４を通過して導体５側へ進行する。薄膜抵抗４は高周波信号の電力を吸収し、かつ線路導体側へ反射させないことで、終端器として動作する。ここで薄膜抵抗４は高周波信号の進行方向に対して、幅を変化または維持させている。

このように構成された終端器においては、薄膜抵抗４の幅を高周波信号の進行方向に対して変化または維持させることで、薄膜抵抗４を大型化し、大電力終端器を実現している。また、線路導体３の幅が一定であることで、この部分の反射特性の劣化を極めて小さくする。また、薄膜抵抗４内において線路幅を変化または維持させることで、特性インピーダンスの変化を小さくして、広範な周波数帯域に対しても良好な反射特性を得ることができる。この結果、広範な周波数帯域に対して良好な反射特性を有する大電力終端器が実現できる。

図１（ｂ）に、この実施の形態１による終端器の特性を示す。
図に示すように、５ＧＨｚ〜２０ＧＨｚに亘って、終端器の反射特性（ＳパラメータのＳ１１）は−１５ｄＢ以下であり、良好な反射特性が得られているのが分かる。

図２に、比較例として、従来型の終端器の構成を示す。
図２（ａ）は従来型の終端器を示す上面図、図２（ｂ）はその側面図である。図において、誘電体基板１は、上面に線路導体２０が設けられ、下面に地導体３が設けられる。線路導体２０と地導体３はマイクロストリップ線路を構成している。線路導体２０は、特性インピーダンスが５０Ωである。線路導体２０は、誘電体基板１の上面で一旦線路幅が拡がる。線路導体２０は、この線路幅の拡がった部分で、誘電体基板１の上面に設けられた薄膜抵抗４０の一端部と接続される。この接続の前後で、線路導体２０と薄膜抵抗４とは同一の線路幅を有している。薄膜抵抗４０の他の端部は導体５に接続される。薄膜抵抗４０は導体５を介して地導体３に接続される。線路導体２０、薄膜抵抗４、地導体３及び導体５は、マイクロストリップ線路上で従来型の終端器を構成する。
このように構成された終端器の反射特性を、図２（ｃ）に示す。図に示すように、周波数が５ＧＨｚを超えると、終端器の反射特性は−１５ｄＢよりも大きくなり、より周波数の高い領域では、反射特性が著しく劣化しているのが分かる。

また、図３に、比較例として、他の従来型の終端器の構成を示す。
図３（ａ）は従来型の終端器を示す上面図、図３（ｂ）はその側面図である。図において、誘電体基板１は、上面に線路導体２０が設けられ、下面に地導体３が設けられる。線路導体２０と地導体３はマイクロストリップ線路を構成している。線路導体２０は、線路幅の拡がった部分で、薄膜抵抗４０の一端部と接続される。図２（ａ）、（ｂ）の構成に加えて、この例では更に整合用スタブ６を設けている。整合用スタブ６は線路導体２０の側面で接続される。
このように構成された終端器の反射特性を、図３（ｃ）に示す。図に示すように、周波数が５ＧＨｚを超えると、終端器の反射特性は−１０ｄＢよりも大きくなる。１２ＧＨｚ〜１３ＧＨｚの領域では、一旦反射特性が−１５ｄＢ以下となって反射特性の改善が見られる。しかし、それよりも周波数の高い領域では、反射特性が−１０ｄＢよりも大きくなって、再び反射特性が著しく悪化しているのが分かる。

したがって、図１（ｃ）と、図２（ｃ）及び図３（ｃ）との比較によって明らかなように、この実施の形態では、広範な周波数帯域に対して良好な反射特性を得ることができる。このため、終端器の大電力化を図るとともに広帯域化を実現することができる。

実施の形態２．
図４はこの発明の実施の形態２による終端器の構成を示す図である。
図４（ａ）（ｂ）において、誘電体基板１は、上面に線路導体２が設けられ、下面に地導体３が設けられている。線路導体２と地導体３はマイクロストリップ線路を構成している。線路導体２は、終端器に要求された任意の特性インピーダンスに基づく一定の幅で構成されている。例えば、特性インピーダンスは５０Ωである。誘電体基板１の端部周辺における上面の一部と、側面に、導体５が付設されている。地導体３の端部は、この側面に設けられた導体５に接続されている。

線路導体２は、誘電体基板１の上面に設けられた薄膜抵抗４の一端部に接続され、薄膜抵抗４５の他の端部は導体５に接続されている。この接続によって、薄膜抵抗４５は地導体３に接続される。線路導体２、薄膜抵抗４５、地導体３及び導体５は、マイクロストリップ線路上で終端器を構成する。

図４（ａ）（ｂ）に示すように、線路導体２は、薄膜抵抗４５との接続点よりも手前部分の所定長さに亘って、一定の線路幅を有している。一方で、薄膜抵抗４５は、線路導体２の２倍を超える線路幅を有しており、導体５に向かって一定の線路幅を成して四角形状を構成している。すなわち、線路導体２と薄膜抵抗４５との接続点で、高周波信号が通過する線路の幅がステップ的に拡がることになり、拡がった瞬間に信号が薄膜抵抗４５内を通過することになる。
この実施の形態では、図１の例と比べて、線路導体２と薄膜抵抗４５の接続点で急激にインピーダンス変化が生じることになる。しかしながら、薄膜抵抗４の内部領域でインピーダンスが変化するので、仮に反射信号が発生したとしても、薄膜抵抗４の抵抗作用によって発生した反射信号をロスさせることができる。

図４（ｃ）では、５ＧＨｚ〜２０ＧＨｚに亘って、終端器の反射特性（ＳパラメータのＳ１１）は概略−１４ｄＢ以下であり、良好な反射特性が得られているのが分かる。

実施の形態３．
なお、上記実施の形態１では、薄膜抵抗４の一部は線路導体３に接続され、他の一部は導体５を経て地導体２に接続されるように構成した。しかしながら、マイクロ波波長に対して薄膜抵抗４が十分に大きい場合は、薄膜抵抗４の一部が線路導体３に接続するように構成すれば、薄膜抵抗４の他の一部を、導体５を経て地導体２に接続しなくてもよい。このような構成によっても、同様の動作を実現することができる。

この発明の実施の形態１による終端器の構成を示す上面図及び側面図と、反射特性を示す図である。 従来型の終端器の構成を示す上面図及び側面図と、反射特性を示す図である。 他の従来型の終端器の構成を示す上面図及び側面図と、反射特性を示す図である。 この発明の実施の形態２による終端器の構成を示す上面図及び側面図と、反射特性を示す図である。

符号の説明

１ 誘電体基板、２ 線路導体、３ 地導体、４ 薄膜抵抗、５ 導体、４５ 薄膜抵抗。

Claims (4)

1. 線路導体と、
   上記線路導体の端部に接続され、当該線路導体よりも線路幅の広い薄膜抵抗体と、
   を備え、
   上記線路導体は、上記薄膜抵抗体の接続部よりも手前の所定長さに亘って一定の線路幅を有したことを特徴とする終端器。
2. 上記薄膜抵抗体は、上記線路導体との接続部から所定の比率で線路幅が拡がることを特徴とする請求項１記載の終端器。
3. 上記線路導体は、所定長さに亘ってインピーダンスが５０Ωであって、上記薄膜抵抗体は、インピーダンスが５０Ωとなるように長さと幅が設定されたことを特徴とする請求項１記載の終端器。
4. 上記薄膜抵抗体は、端末が接地されたことを特徴とする請求項１記載の終端器。

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