JP2006287619A - 分布定数回路及びインピーダンス調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来技術では、インピーダンス不整合が大きい場合や特性インピーダンスが低い場合には、大量の調整パッドが必要となる。このような大量の調整パッドは予め調整パッドを配置する広い場所を確保しなければならない。広い場所を占有すると、他の分布定数回路と干渉を起こしてしまう。
【解決手段】 上記課題を解決するために、本発明は、狭い場所に配置されたマイクロストリップライン等の導体線路と電子素子とのインピーダンス整合を容易に調整することのできる分布定数回路である。この分布定数回路は、基板上を移動する調整用タブを導体線路に接触させることによって、導体線路の特性インピーダンスと電子素子の負荷インピーダンス又は駆動インピーダンスとのインピーダンス整合を図るものである。
【選択図】図２

Description

本願発明は、基板の上面に設けられた導体線路と入力端子又は出力端子に接続された電子素子とのインピーダンス整合を図ることのできる分布定数回路及び分布定数回路のインピーダンス整合を調整する方法に関する。

導体線路及びその導体線路に接続された電子素子を基板上に構成した場合、導体線路の特性インピーダンスと電子素子の負荷インピーダンス又は駆動インピーダンスとのインピーダンス整合がとれない場合がある。インピーダンス不整合の原因としては、基板材料の誘電率や損失角のばらつき、導体線路の導体材料の導電率や短軸方向の長さ、線路厚みのばらつき、半導体素子を始めとする電子素子のインピーダンスばらつき等が考えられる。

この様なインピーダンス不整合を調整するために、従来、導体線路の横に調整パッド用のパターンを多く形成しておく技術がある。図１に、調整パッドを形成した分布定数回路を示す。図１において、１０は基板、１１及び１２はマイクロストリップライン、１５はマイクロストリップライン１１への入力端子、１６はマイクロストリップライン１２からの出力端子、１７はグランド、２１は半導体素子、５１及び５２は調整パッド、５００は分布定数回路である。

マイクロストリップライン１１及び１２は固有の特性インピーダンスを持つように設計される。また半導体素子２１も入力側に固有の負荷インピーダンスを、出力側にも固有の駆動インピーダンスを持つように設計される。通常、マイクロストリップライン１１の特性インピーダンスと半導体素子２１の負荷インピーダンスとは整合がとれるように設定し、又マイクロストリップライン１２の特性インピーダンスと半導体素子２１の駆動インピーダンスとは整合がとれるように設定している。

しかし、前述したような原因でインピーダンス不整合が生じるため、金属線、ハンダ、金属板を用いて、マイクロストリップライン１１と調整パッド５１とを接続し、マイクロストリップライン１１の特性インピーダンスと半導体素子２１の負荷インピーダンスとの整合をとり、マイクロストリップライン１２と調整パッド５２とを接続し、マイクロストリップライン１２の特性インピーダンスと半導体素子２１の駆動インピーダンスとの整合をとっている。

他に、レール状の溝を有するマイクロストリップライン上で、球状導体を利用してインピーダンス整合をとる技術も提案されている（例えば、特許文献１参照。）。これは、球状導体をレール状の溝上で移動させ、マイクロストリップラインの特性インピーダンスと入出力インピーダンスとのインピーダンス整合を調整するものである。
特開平９−２５２２０７号公報。

図１で前述した従来技術では、インピーダンス不整合が大きい場合や特性インピーダンスが低い場合には、大量の調整パッドが必要となる。このような大量の調整パッドは予め調整パッドを配置する広い場所を確保しなければならない。広い場所を占有すると、分布定数回路が大きくなってしまう。また、他の分布定数回路と干渉を起こしてしまう。さらに、調整パッドとマイクロストリップラインとは、金属線等で接続していないときでも、結合しているため、調整パッドを配置しただけで、マイクロストリップライン単体とは特性インピーダンスが異なってくる。

また、前述の特許文献１で説明されている技術では、基板上にレール状の溝を形成する必要があるが、基板素材として用いられる樹脂基板上にレール状の溝を形成するには高度の加工技術が要求される。また、レール状の溝と球状導体との接点が小さいため、接続の安定性に欠け、インピーダンス整合の調整が困難になる。

上記課題を解決するために、本発明は、狭い場所に配置されたマイクロストリップライン等の導体線路と電子素子とのインピーダンス整合を容易に調整することのできる分布定数回路である。

本発明では、基板上を移動する調整用タブを導体線路に接触させることによって、導体線路の特性インピーダンスと電子素子の負荷インピーダンス又は駆動インピーダンスとのインピーダンス整合を図るものである。

具体的には、本発明は、誘電体からなる基板と、前記基板の上面に設けられた導体線路と、前記導体線路に接続された電子素子と、前記導体線路に接触する平板状の導電体からなる調整用タブと、を備える分布定数回路である。

本発明により、基板上に狭い場所しかない場合であっても、調整用タブを移動させることによって導体線路に接触させ、導体線路の特性インピーダンスと電子素子の負荷インピーダンス又は駆動インピーダンスとのインピーダンス整合を容易に調整することができる。また、調整用タブを除去することもでき、除去するだけで導体線路だけの特性とすることができる。

本発明において、前記調整用タブの前記導体線路から突出した部分は、面取りされていることが望ましい。

発明者はシミュレーションにより、調整用タブの角には電界が集中することを明らかにした。電界が集中していると、調整用タブのわずかな位置変化でインピーダンス特性が大きく変動することとなる。角が面取りされていると、電界の集中を防止でき、インピーダンス整合を容易に調整することができる。

本願他の発明は、誘電体からなる基板と、前記基板の上面に設けられ、前記基板面上に突出部を有する導体線路と、前記導体線路に接続された電子素子と、を備える分布定数回路であって、前記突出部は、面取りされていることを特徴とする分布定数回路である。

突出部によって、導体線路の特性インピーダンスと電子素子の負荷インピーダンス又は駆動インピーダンスとのインピーダンス整合のとれた分布定数回路とすることができる。この突出部は、面取りされているため、電界が集中することを防止でき、分布定数回路をケース等に実装しても、電界分布へのケースの影響が少ない。

本願他の発明は、導電体からなる調整用タブを前記導体線路の長軸方向又は短軸方向に移動させることによって、誘電体からなる基板の上面に設けられた導体線路に接触させ、前記導体線路と前記導体線路に接続された電子素子とのインピーダンス整合を調整するインピーダンス調整方法である。

本発明により、基板上に狭い場所しかない場合であっても、調整用タブを導体線路の長軸方向又は短軸方向に移動させることによって導体線路に接触させ、導体線路の特性インピーダンスと電子素子の負荷インピーダンス又は駆動インピーダンスとのインピーダンス整合を容易に調整することができる。また、調整用タブを除去することもでき、除去するだけで導体線路だけの特性とすることができる。

なお、本願では、導体線路の信号の伝搬方向を長軸方向といい、長軸方向と垂直な方向を短軸方向という。

本願発明により、導体線路の特性インピーダンスと電子素子の負荷インピーダンス又は駆動インピーダンスとのインピーダンス整合を容易に調整可能な分布定数回路又はインピーダンス調整方法を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。ただし、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではない。

図２は、本発明の分布定数回路の実施の形態の一例を説明する構成図である。図２において、１０は誘電体からなる基板、１１及び１２は基板１０の上面に設けられた導体線路としてのマイクロストリップライン、１５はマイクロストリップライン１１への入力端子、１６はマイクロストリップライン１２からの出力端子、１７はグランド、２１は電子素子としての半導体素子、３１及び３２は導電体からなる平板状の調整用タブ、１００は分布定数回路である。

マイクロストリップラインは、誘電体からなる基板の片面にグランドが設けられ、他面に分布定数線路である導体線路が設けられている。マイクロストリップラインの特性インピーダンスは、導体線路の厚さ、導体線路の短軸方向の長さ、基板の厚さ、基板を構成する誘電体の誘電率で決定される。特性インピーダンスを決定するこれらの定数に製造偏差が加わると、設計値と異なる値となってしまう。また、分布定数回路をケースに格納したり、入出力のためのコネクタを取り付けたりすると、マイクロストリップラインの特性インピーダンスが変動してしまう。

一方、電子回路の負荷インピーダンスや駆動インピーダンスも、製造誤差によって設計値と異なることがある。さらに、浮遊容量や浮遊インダクタによっても周波数特性を持ち、使用する周波数帯で設計通りの負荷インピーダンスや駆動インピーダンスが実現できなくなる。

図２において、入力端子１５から入力された信号が、マイクロストリップライン１１を伝搬し、半導体素子２１に入力する際に、マイクロストリップライン１１の特性インピーダンスと半導体素子２１の負荷インピーダンスが異なると、インピーダンス不整合により反射が生じたり、本来の信号振幅が得られなくなったりする。

そこで、調整用タブ３１をマイクロストリップライン１１に接触させる。ここで、マイクロストリップライン１１の特性インピーダンスと半導体素子２１の負荷インピーダンスが整合すれば、マイクロストリップライン１１と調整用タブ３１とを固着する。固着にはハンダ又は導電性接着剤を用いることが望ましい。マイクロストリップライン１１と調整用タブ３１との電気的接続を確実にでき、且つ調整用タブが不用意に移動することを防止することができる。

マイクロストリップライン１１の特性インピーダンスと半導体素子２１の負荷インピーダンスが整合しなければ、調整用タブ３１を移動させる。移動方向はマイクロストリップライン１１の長軸方向又は短軸方向である。長軸方向と短軸方向の移動が加算されて、マイクロストリップライン１１の長軸に対して斜め方向になることでもよい。調整用タブ３１をマイクロストリップライン１１に接触させながら移動させてもよい。接触させながら移動させると、移動途中でインピーダンス整合しているか否かを評価することができる。移動には、誘電体のピン先を持つピンセットを用いると好都合である。マイクロストリップライン１１の特性インピーダンスと半導体素子２１の負荷インピーダンスが整合すれば、マイクロストリップライン１１と調整用タブ３１とを固着する。

マイクロストリップライン１１と調整用タブ３１とを固着することによって、インピーダンス特性が変化するようであれば、固着後にインピーダンス整合しているか否かを評価する。固着後にインピーダンス整合が不十分であると判断した場合は、マイクロストリップライン１１から調整用タブ３１を引き離し、再度、調整用タブ３１を移動させてマイクロストリップライン１１に接触させる。マイクロストリップライン１１と調整用タブ３１との固着にハンダを利用した場合は、ハンダを加熱することによってマイクロストリップライン１１から調整用タブ３１を引き離すことができる。

図２において、マイクロストリップライン１２の特性インピーダンスと半導体素子２１の駆動インピーダンスとのインピーダンス整合も同様の操作で可能である。調整用タブ３２を移動させて、マイクロストリップライン１２に接触させることによってインピーダンス整合を調整することができる。

図２では、電子素子として半導体素子２１を例示しているが、電子素子として、受動素子や他の半導体素子との組み合わせでもよい。また、調整用タブを各マイクロストリップラインに１個ずつ配置しているが、複数の調整用タブを用いることでもよい。グランド１７を半導体素子２１の両側に設けているが、片側だけにしてもよいし、ビアホールで基板の反対側に導通させてもよい。

インピーダンス整合の調整について、図３を用いて説明する。図２と同じ符号は同じものを意味する。Ｗはマイクロストリップライン１１の短軸の長さ、Ｌは調整用タブ３１のマイクロストリップライン１１から突出した部分のマイクロストリップライン１１の短軸方向の長さ、即ち、図３に表しているように、マイクロストリップライン１１から調整用タブ３１が突出している部分のうち、マイクロストリップライン１１の側端から調整用タブ３１の最先端の部分までの長さ（以下、この長さを「調整用タブの突出部の長さ」と略記する。）である。

図３では、調整用タブの形状は、角丸四角形であるが、この形状に拘泥するものではない。円形であっても、楕円形、長円形、多角形等であってもよい。

図３において、調整用タブ３１をマイクロストリップライン１１に接触させてインピーダンス整合を図る場合に、Ｌ≦Ｗであることが望ましい。マイクロストリップラインはＴＥＭモード伝搬用に設計されるため、通常、マイクロストリップラインの短軸の長さＷは伝搬させる周波数の八分の一波長以下に設定されている。調整用タブをマイクロストリップラインに接触させることによって、マイクロストリップラインの短軸の長さＷと調整用タブの突出部の長さＬとの和が、伝搬させる信号の周波数の四分の一波長になると、マイクロストリップラインの短軸方向と調整用タブの部分に定在波が発生するおそれがある。定在波が発生すると、共振現象により伝搬特性に大きな減衰や位相推移又は特性インピーダンスの大きな変動となる。従って、Ｌ≦Ｗであることが望ましい。

調整用タブ３１のマイクロストリップライン１１から突出した部分は、面取りされていることが望ましい。調整用タブは鋭角を持たないよう面取りされる。直線的に面取りしてもよいし、円弧状に面取りしてもよいが、これらの形状に限定されるものではない。

発明者が面取りしていない調整用タブを用いてインピーダンス整合の調整を行ったところ、調整用タブをわずかに移動させただけで、特性が大きく変動した。この原因を追求するため、発明者が電界強度をシミュレーションした結果、調整用タブの角には電界が集中することが判明した。つまり、電界集中している部分を移動させると、特性が急激に変動する。そこで、調整用タブの角を面取りした結果、電界が集中することを防止でき、調整用タブを移動しても、インピーダンス特性が急激に変動することなく、インピーダンス整合を容易に調整することができた。

また、調整用タブの角を面取りすると、分布定数回路をケース等に実装しても、電界分布へのケースの影響が少なく、安定したインピーダンス整合を実現することができる。

図４は、本発明の分布定数回路の他の実施の形態の一例を説明する構成図である。図４において、１０は誘電体からなる基板、１３及び１４は基板１０の上面に設けられた導体線路としてのコプレーナライン、１５はコプレーナライン１３への入力端子、１６はコプレーナライン１４からの出力端子、１８はグランド面、２１は電子素子としての半導体素子、３１及び３２は導電体からなる平板状の調整用タブ、２００は分布定数回路である。

コプレーナラインは、誘電体から基板の片面に導体線路が設けられ、導体線路の両側にグランド面が設けられている。コプレーナラインの特性インピーダンスは、導体線路の厚さ、導体線路の短軸方向の長さ、導体線路とグランドとの間隔、基板の厚さ、基板を構成する誘電体の誘電率で決定される。特性インピーダンスを決定するこれらの定数に製造偏差が加わると、設計値と異なる値となってしまう。また、分布定数回路をケースに格納したり、入出力のためのコネクタを取り付けたりすると、コプレーナラインの特性インピーダンスが変動してしまう。

一方、電子回路の負荷インピーダンスや駆動インピーダンスも、製造誤差によって設計値と異なることがある。さらに、浮遊容量や浮遊インダクタによっても周波数特性を持ち、使用する周波数帯で設計通りの負荷インピーダンスや駆動インピーダンスが実現できなくなる。

図４において、入力端子１５から入力された信号が、コプレーナライン１３を伝搬し、半導体素子２１に入力する際に、コプレーナライン１３の特性インピーダンスと半導体素子２１の負荷インピーダンスが異なると、インピーダンス不整合により反射が生じたり、本来の信号振幅が得られなくなったりする。

そこで、調整用タブ３１をコプレーナライン１３に接触させる。ここで、コプレーナライン１３の特性インピーダンスと半導体素子２１の負荷インピーダンスが整合すれば、コプレーナライン１３と調整用タブ３１とを固着する。固着にはハンダ又は導電性接着剤を用いることが望ましい。コプレーナライン１３と調整用タブ３１との電気的接続を確実にでき、且つ調整用タブが不用意に移動することを防止することができる。

調整用タブ３１を用いてインピーダンス整合を調整する方法は、マイクロストリップラインの場合と同様である。また、調整用タブ３２を用いて、コプレーナライン１４の特性インピーダンスと電子素子２１の駆動インピーダンスのインピーダンス整合についてもマイクロストリップラインの場合と同様である。コプレーナラインの場合は、グランド面がコプレーナラインに近接しているため、マイクロストリップラインの場合よりも僅かな調整でインピーダンス整合が大きく変化する。

コプレーナラインの場合は、従来技術で説明したような調整パッドを利用することが困難であるのに対し、本発明の調整用タブであれば、配置する場所が狭くても可能であるため、インピーダンス整合を容易に調整することができる。

調整用タブの突出部の長さや調整用タブの突出した部分の形状については、図３で説明したと同様である。

以上説明したように、本発明の実施の形態の分布定数回路では、移動可能な導電体からなる調整用タブを導体線路に接触させることによって、電子素子と導体線路のインピーダンス整合を図ることができる。

従って、電子素子が狭い場所に配置されている場合であってもインピーダンス整合の調整が容易で、また、インピーダンス整合の調整が不要な場合は、調整用タブを除去するだけで、導体線路だけの特性とすることができる。さらに、調整用タブを導体線路に固着すれば、安定してインピーダンス整合をとることができる。

分布定数回路を量産する場合には、前述した実施の形態の調整用タブでインピーダンス整合がとれたときの、調整用タブを導体線路に重ね合わせたパターンを新たな導体線路パターンとして作製する。図５に前述した調整用タブを導体線路に重ね合わせたパターンを新たな導体線路パターンとした分布定数回路の例を示す。図５において、図１と同じ符号は同じ意味を表す。３３及び３４は突出部、３００は分布定数回路である。

これは、図２で説明した調整用タブをマイクロストリップラインに重ね合わせたパターンを新たなマイクロストリップラインのパターンとしたものである。このようなマイクロストリップラインを備える分布定数回路は、製造後にはマイクロストリップラインの特性インピーダンスと電子素子の負荷インピーダンス又は駆動インピーダンスとのインピーダンス整合が図れていることになる。

また、突出部３３及び３４は、面取りされているため、電界が集中することを防止でき、分布定数回路１００をケース等に実装しても、電界分布へのケースの影響が少ない。突出部３３及び３４のうち、マイクロストリップライン１１又は１２から突出した部分のマイクロストリップライン１１又は１２の短軸方向の長さがマイクロストリップライン１１又は１２の短軸の長さ以下であるため、マイクロストリップライン１１又は１２の短軸方向に定在波が発生することを防止することができる。

図４で説明したコプレーナラインについて、調整用タブをコプレーナラインに重ね合わせたパターンを新たなコプレーナラインのパターンとしても同様の効果が得られる。このようなコプレーナラインを備える分布定数回路は、製造後にはコプレーナラインの特性インピーダンスと電子素子の負荷インピーダンス又は駆動インピーダンスとのインピーダンス整合が図れていることになる。

本発明の分布定数回路及びインピーダンス調整方法は、高周波を使用する無線装置や搬送波を使用する同軸ＣＡＴＶ用の増幅器及びその調整に利用することができる。

従来の分布定数回路の一例を説明する構成図である。 本発明の分布定数回路の実施の形態の一例を説明する構成図である。 調整用タブをマイクロストリップラインに接触させてインピーダンス整合を図る方法を説明する図である。 本発明の分布定数回路の実施の形態の一例を説明する構成図である。 本発明の分布定数回路の実施の形態の一例を説明する構成図である。

符号の説明

１０：基板 １１及び１２：マイクロストリップライン
１３及び１４：コプレーナライン １５：入力端子 １６：出力端子
１７：グランド １８：グランド面 ２１：半導体素子 ３１及び３２：調整用タブ
３３及び３４：突出部 ５１及び５２：調整パッド
1００、２００、３００、５００：分布定数回路

Claims (4)

1. 誘電体からなる基板と、
   前記基板の上面に設けられた導体線路と、
   前記導体線路に接続された電子素子と、
   前記導体線路に接触する平板状の導電体からなる調整用タブと、
   を備える分布定数回路。
2. 前記調整用タブの前記導体線路から突出した部分は、面取りされていることを特徴とする請求項１に記載の分布定数回路。
3. 誘電体からなる基板と、
   前記基板の上面に設けられ、前記基板面上に突出部を有する導体線路と、
   前記導体線路に接続された電子素子と、
   を備える分布定数回路であって、
   前記突出部は、面取りされていることを特徴とする分布定数回路。
4. 導電体からなる調整用タブを前記導体線路の長軸方向又は短軸方向に移動させることによって、誘電体からなる基板の上面に設けられた導体線路に接触させ、前記導体線路と前記導体線路に接続された電子素子とのインピーダンス整合を調整するインピーダンス調整方法。
   

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