JP2006333290A

JP2006333290A - モニタ回路

Info

Publication number: JP2006333290A
Application number: JP2005156720A
Authority: JP
Inventors: Yuji Osada; 祐二長田; Shunsuke Sato; 俊輔佐藤; Tatsuhiko Tajima; 竜彦田島
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2005-05-30
Filing date: 2005-05-30
Publication date: 2006-12-07

Abstract

【目的】動作中の高周波回路特性に別段の影響を与えることなく、高周波信号を確実・安定にモニタ可能なことを課題とする。
【構成】誘電体多層基板３Ａ，３Ｂを挟んで表面の主線路１と背面の接地板２とを備えるストリップ線路のモニタ回路であって、主線路１直下の内層に該主線路と平行に設けた電磁結合部１１Ａと、該結合部と異なる方向に延展した導波部１１Ｂとを有する内層パターン１１を設け、前記導波部の端部と基板表面に設けた表面パターン１２とをスルーホール１３で接続することにより、主線路１との電磁結合により内層パターン１１に抽出したモニタ信号を基板表面に取り出す。
【選択図】図１

Description

本発明はモニタ回路に関し、更に詳しくは、誘電体（多層）基板を挟んで表面の主線路と背面の接地板とを備えるストリップ線路のモニタ回路に関する。

マイクロストリップ線路を有する高周波回路では、デバイス間でやり取りされる信号の波形やレベルを外部よりモニタしたい場合が少なくない。

図１０は従来技術を説明する図である。図において、デバイス５１Ａの出力信号レベルを測定したい場合には、例えば主線路５２Ａ上に測定器のプローブを接触させる方法があるが、プローブ先端部の接触状態が一定とならないため、安定な測定を行えない。

このため、従来は、予め主線路５２Ａの近傍にモニタ用回路（モニタ線路５４及びコネクタ５５）を設けておき、デバイス５１Ａの出力信号をモニタする場合には、主線路５２Ａ，５２Ｂ間に実装されていた部品（コンデンサ等）５３の主線路５２Ｂ側を取り外して、これをモニタ線路５４の側に付け替え、主信号をモニタ回路の側に取り出していた。こうすれば、外部の測定装置をコネクタ５５に確実に接続できるため、安定な計測を行える。

しかし、上記部品５３を付け替える際には、半田作業が煩雑であるばかりか、繰り返し付け替えることによる基板の劣化や、半田クズ等による電極間のショート等が考えられ、回路の品質劣化に繋がるおそれがあった。

なお、本願発明と直接には関係ないが、誘電体基板を有効活用する技術として、従来は、同一面上に複数電極を形成した複数の誘電体シートを、上下の電極が重ならない部分を持つよう複数枚積層すると共に、それぞれをスルーホールで接続して形成した基板内蔵キャパシタの製造技術が知られている（特許文献１）。

また、多層プリント基板８の表面層に実装されたＩＣ１の電源端子部２のパターン３と、該多層プリント基板８の内層接地パターン１１との間に誘電体３０を設けることで、パターンによるインダクタンスを減少し、高周波雑音を抑制をするプリント基板内蔵型バイパスコンデンサが知られている（特許文献２）。
特開２００４−１７２５３０（要約，図）特開平８−２０４３４１（要約，図）

本発明は上記従来技術の問題点に鑑みなされたものであり、その目的とする所は、動作中の高周波回路特性に別段の影響を与えることなく、高周波信号を確実・安定にモニタ可能なモニタ回路を提供することにある。

上記の課題は例えば図１の構成により解決される。即ち、本発明（１）のモニタ回路は、誘電体多層基板３Ａ，３Ｂを挟んで主線路１と接地板２とを備えるストリップ線路のモニタ回路であって、主線路１直下の内層に該主線路と平行に設けた電磁結合部１１Ａと、
該結合部と異なる方向に延展した導波部１１Ｂとを有する内層パターン１１を設け、前記導波部の端部と基板表面に設けた表面パターン１２とをスルーホール１３で接続したものである。

本発明（１）では、主線路１と内層パターン１１との間の電磁結合（主に電界結合）を介して常時モニタ信号を抽出できる構成により、予め、このモニタ回路も含めた態様で主線路１の伝送特性を設計・調整できると共に、稼働中の高周波回路特性に別段の影響を与えることなく、いつでも高周波信号を安定にモニタ可能となる。また、内層パターン１１を主線路１直下の基板内層に設ける構成により、基板表面では本来の高周波回路を自由に設計できる。また、内層パターン１１で抽出したモニタ信号をスルーホール１３を介して基板表面に取り出す構成により、外部の測定装置を容易に接続できる。

また、上記の課題は例えば図５の構成により解決される。即ち、本発明（２）のモニタ回路は、誘電体基板３を挟んで表面の主線路１と背面の接地板２とを備えるストリップ線路のモニタ回路であって、主線路１直下の背面に該主線路と平行に設けた電磁結合部１４Ａと、該結合部と異なる方向に延展した導波部１４Ｂとを有する背面パターン１４とを設け、該背面パターン１４は、前記接地板２が形成されていない該背面パターンと相似形な領域内に配置されることで、コプレナーウェイブガイドを形成したものである。

本発明（２）では、背面パターン１４で抽出したモニタ信号をコプレナーウェイブガイドで導波する構成により、誘電体基板３を多層構造にしなくてもモニタ回路を構成できる。

本発明（３）では、上記本発明（２）において、前記導波部１４Ｂの端部と基板表面に設けた表面パターン１２とをスルーホールで接続したものである。従って、外部の測定装置を容易に接続できる。

また、上記の課題は例えば図７の構成により解決される。即ち、本発明（４）のモニタ回路は、誘電体多層基板３Ａ，３Ｂを挟んで表面の主線路１と内層の接地板２とを備えるストリップ線路のモニタ回路であって、主線路１直下の背面に該主線路と平行に設けた電磁結合部１４Ａを有する背面パターン１４を設け、主線路１の信号を該主線路直下の接地板２に形成した矩形状スロット５を介して背面パターン１４に電磁結合させたものである。従って、モニタ信号を背面から容易かつ確実に観測できる。

以上述べた如く本発明によれば、動作中の高周波回路特性に別段の影響を与えることなく、高周波信号を確実・安定にモニタできるため、いつでも必要な時にモニタ可能であると共に、回路の品質劣化を防止できる。

以下、添付図面に従って本発明に好適なる実施の形態を詳細に説明する。なお、全図を通して同一符号は同一又は相当部分を示すものとする。

図１は第１の実施の形態によるレベルモニタ回路を示す図で、誘電体多層基板の内（中間）層に主信号（マイクロ波信号）をモニタするための内層パターンを設けた場合を示している。図１（Ａ）は斜視図、図１（Ｂ）は上面図、図１（Ｃ）は側断面図である。なお、図１（Ａ）ではレベルモニタ回路の構成を明瞭に示すため、中間の誘電体基板を図示していない。

図において、１１は基板表面の主線路、２は背面の接地板、３Ａ，３Ｂは２層に設けら
れた誘電体基板、１１は基板内層に設けられた内層パターン、１１Ａは主線路と平行に設けられた電磁結合部、１１Ｂは該結合部とは異なる方向（図の例では直角）に延展された導波部、１２は基板表面の表面パターン、１３は内層パターン１１と表面パターン１２間を接続するスルーホール、Ｐ１は主信号の入力ポート、Ｐ２は同出力ポート、Ｐ３はモニタ信号の出力ポート（以下、モニタポートとも呼ぶ）である。

図１（Ａ）において、レベルモニタを行いたい主線路１の直下に内層パターン１１を形成し、主線路１と、これに平行な電磁結合部１１Ａとの間の電磁結合（主に電界結合）を利用して主信号のモニタ信号を内層パターン１１にて抽出すると共に、該抽出したモニタ信号をスルーホール１３を介して基板表面の表面パターン１２に取り出す。この構成では、主線路１と背面の接地板２とで主信号のマイクロストリップ線路を形成すると共に、内層パターン１１及び表面パターン１２と背面の接地板２とでモニタ信号のマイクロストリップ線路を形成しており、これらによって、主信号とモニタ信号とが予め設計された伝送路特性にて基板上を伝送する。

好ましくは、表面パターン１２の端部に不図示のコネクタを接続し（又は差し込み）、外部の計測器によるレベル測定を行う。

なお、本実施の形態では、上記主信号伝送路１の一部に内層パターン１１を挿入した形になるため、マイクロストリップ線路１の伝送路特性に多少の影響があると考えられるが、それがどの程度のものであるかを、主線路１と内層パターン１１との結合量（具体的には、内層パターンのサイズや主線路との間隔）をパラメータにして、以下に公知の３次元電磁解析法により定量的に求めた。特性の検証には公知の３次元電磁界シミュレータを用いた。解析の中心周波数は１ＧＨｚとし、主線路１の線路幅を３ｍｍ、線路厚を３５μｍ、基板誘電率を４.４とする。

図１（Ｂ）、図１（Ｃ）に電磁解析を行うための回路のパラメータを示す。本回路のＳ特性の解析は主信号の入力ポートＰ１、同出力ポートＰ２、及びモニタ信号の出力ポートＰ３について行った。パラメータＣＬＬは電磁結合部１１Ａの長さ（以下、単に内層パターン長と呼ぶ）、パラメータＣＬＷは同電磁結合部１１Ａの幅（以下、単に内層パターン幅と呼ぶ）、パラメータＣＬＴは主線路１と電磁結合部１１Ａ（即ち、内層パターン）との間隔である。

図２〜図４は第１の実施の形態によるレベルモニタ回路のＳ特性を示すグラフ図（１）〜（３）で、内層パターン長ＣＬＬ＝４０ｍｍ、内層パターン幅ＣＬＷ＝３ｍｍ、主線路１と内層パターン１１との間隔ＣＬＴ＝１ｍｍをデフォルト値として、これらの内の各１つのパラメータを変化させた場合のＳ１１特性、Ｓ２１特性、Ｓ３１特性を示している。ここで、Ｓ１１は入力ポートＰ１から見た反射係数、Ｓ２１は入力ポートＰ１から出力ポートＰ２への振幅変換利得伝達係数（主線路の通過特性）、Ｓ３１は入力ポートＰ１からモニタポートＰ３への振幅変換利得伝達係数（モニタ線路の通過特性）である。

図２は内層パターン長ＣＬＬのみを２０／３０／４０ｍｍと変化させた場合のＳ特性を示している。なお、アンダラインはデフォルト値を示す。図２（Ａ）において、入力反射係数Ｓ１１は、内層パターン長ＣＬＬの増加に伴い、単調には変化していないが、デフォルト長ＣＬＬ＝４０ｍｍ、かつ１ＧＨｚでは−２５ｄＢを下回っている。図２（Ｂ）において、主線路の伝達係数Ｓ２１は、内層パターン長ＣＬＬが増す程、即ち、結合量が増すほど、低下（ロスが増加）する傾向にあるが、デフォルト長ＣＬＬ＝４０ｍｍ、１ＧＨｚでは−０．９ｄＢ以上が得られている。図２（Ｃ）において、モニタ線路の伝達特性Ｓ３１は、内層パターン長ＣＬＬが増す程、即ち、結合量が増すほど、増加する傾向にあり、デフォルト長ＣＬＬ＝４０ｍｍ、１ＧＨｚでは−１０ｄＢが得られている。なお、モニタ
レベルは、観測可能なものであれば十分である。

図３は内層パターン幅ＣＬＷのみを２／３／４ｍｍと変化させた場合のＳ特性を示している。図３（Ａ）において、入力反射係数Ｓ１１は、内層パターン幅ＣＬＷの増加と共に低下する傾向にあるが、いずれも−２０ｄＢを十分に下回っている。図３（Ｂ）において、主線路の伝達係数Ｓ２１は、内層パターン幅ＣＬＷが増す程、増加（ロスが減少）する傾向にあるが、デフォルト幅ＣＬＷ＝３ｍｍ、１ＧＨｚでは−０．９ｄＢが得られている。図３（Ｃ）において、モニタ線路の伝達係数Ｓ３１は、内層パターン幅ＣＬＷが増加する程、低下する傾向にあるが、デフォルト幅ＣＬＷ＝３ｍｍ、１ＧＨｚでは−１０ｄＢ程度が得られている。

図４は主線路と内層パターンとの間隔ＣＬＴのみを０．５／１．０／１．５ｍｍと変化させた場合のＳ特性を示している。図４（Ａ）において、入力反射係数Ｓ１１は、主線路と内層パターンとの間隔ＣＬＴが増加する程、低下する傾向にあり、デフォルト間隔ＣＬＴ＝１．０ｍｍ、１ＧＨｚでは−２５ｄＢを下回っている。図４（Ｂ）において、主線路の伝達係数Ｓ２１は、間隔ＣＬＴが増す程、即ち、結合量が減るほど、増加（ロスが低下）しているが、デフォルト間隔ＣＬＴ＝１ｍｍ、１ＧＨｚでは−０．９ｄB程度が得られている。図４（Ｃ）において、モニタ線路の伝達係数Ｓ３１は、間隔ＣＬＴが増す程、即ち、結合量が減るほど、低下する傾向にある。

図５は第２の実施の形態によるレベルモニタ回路を示す図で、誘電体基板背面の接地板２に設けた、後述の背面パターン１４と相似形の開口部４に背面パターン１４を設けて、コプレナーウェイブガイドを形成した場合を示している。図５（Ａ）は斜視図、図５（Ｂ）は上面図、図５（Ｃ）は側断面図である。

図５（Ａ）において、レベルモニタを行いたい主線路１直下の背面に背面パターン１４を形成し、該背面パターン周囲の接地板２を相似形に切り欠いてコプレナーウェイブガイドを形成している。この構成では、主線路１と背面の接地板２とで主信号のマイクロストリップ線路を形成すると共に、背面パターン１４と周囲の接地板２とでモニタ信号のコプレナーウェイブガイドを形成しており、これらによって、主信号とモニタ信号とが予め設計された伝送路特性にて基板上を伝送する。好ましくは、背面パターン導波部１４Ｂの端部と基板表面に設けた表面パターン１２とをスルーホール１３で接続して、モニタ信号を表面に取り出す。

本実施の形態でも、主信号伝送路１の一部に背面パターン１４を挿入した形になるため、マイクロストリップ線路１の伝送路特性に多少の影響があると考えられるが、それがどの程度のものであるかを、主線路１と背面パターン１４との結合量（具体的には、主線路１と電磁結合部１４Ａとの間隔）をパラメータにして、以下のように定量的に求めた。なお、解析の中心周波数は１ＧＨｚとし、主線路１の線路幅を３ｍｍ、線路厚を３５μｍ、基板誘電率を４.４、背面パターン１４の線路幅を３ｍｍとしている。

図６は主線路と背面パターンとの間隔ＣＬＴのみを０．５／１.０／５．０ｍｍとした場合のＳ特性を示している。図６（Ａ）において、入力反射係数Ｓ１１は、主線路１と背面パターン１４との間隔ＣＬＴが増加する程、低下する傾向にあり、デフォルト間隔ＣＬＴ＝１．０ｍｍ、１ＧＨｚでは、−１５ｄＢを下回っている。図６（Ｂ）において、主線路の伝達係数Ｓ２１は、主線路１と背面パターン１４との間隔ＣＬＴが増す程、低下（ロスが増加）する傾向にあるが、デフォルト間隔ＣＬＴ＝１ｍｍ、１ＧＨｚでは−０．７ｄＢを上回っている。図６（Ｃ）において、モニタ線路の伝達係数Ｓ３１は主線路１と背面パターン１４との間隔ＣＬＴが増す程、逆に上昇する傾向にあり、デフォルト間隔ＣＬＴ＝１ｍｍ、１ＧＨｚでは−１６ｄＢ程度が得られている。

図７は第３の実施の形態によるレベルモニタ回路を示す図で、誘電体多層基板３Ａ，３Ｂの内層に設けた接地板２の一部をくり抜いてスロット５を形成すると共に、該スロット５を介して、基板表面の主線路１と、基盤背面の背面パターン１４とを電磁結合させた場合を示している。図７（Ａ）は斜視図、図７（Ｂ）は上面図、図７（Ｃ）は側断面図である。

図７（Ａ）において、５は内層接地板２の一部をくり抜いたスロット、１４はスロット５を介して主線路１の対向位置に設けた背面パターンである。この構成では、主線路１と内層の接地板２とで主信号のマイクロストリップ線路を形成すると共に、背面パターン１４と内層の接地板２とでモニタ信号のマイクロストリップ線路を形成しており、これらによって、主信号とモニタ信号とが予め設計された伝送路特性にて基板上を伝送する。

図７（Ｂ）、図７（Ｃ）に電磁解析を行うための回路のパラメータを示す。パラメータＳＬＷはスロット５の幅、パラメータＳＬＬはスロット５の長さである。

図８，図９は第３の実施の形態によるレベルモニタ回路のＳ特性を示す図（１），（２）で、図８はスロット５の長さＳＬＬを５ｍｍ、背面パターン１４の端からスロット５までの距離を３ｍｍとすると共に、スロット５の幅Ｗのみを２／２．５／３ｍｍと変化させた場合のＳ特性を示している。また、解析の中心周波数は１ＧＨｚとし、主線路１の線路幅を３ｍｍ、線路厚を３５μm、基板誘電率を４.４、背面パターン長を４０ｍｍ、背面パターン幅を３ｍｍ、主線路と背面パターンとの間隔を１ｍｍとする。本実施の形態では、スロット長ＳＬＬを余り長くしないこと、即ち、比較的少ない結合量とすること、で主線路１の伝送路特性への干渉分を少なくしている。

図８（Ａ）において、入力反射係数Ｓ１１は、スロット幅ＳＬＷの増加に伴い、増加する傾向にあり、デフォルト幅ＳＬＷ＝２．５ｍｍ、かつ１ＧＨｚでは−１１ｄＢ程度が得られている。図８（Ｂ）において、主線路の伝達係数Ｓ２１は、スロット幅ＳＬＷが増す程、低下（ロスが増加）する傾向にあるが、デフォルト幅ＳＬＷ＝２．５ｍｍ、１ＧＨｚでは−０．９ｄＢが得られている。図８（Ｃ）において、モニタ線路の伝達係数Ｓ３１は、スロット幅ＳＬＷが増す程、上昇する傾向にあり、デフォルト幅ＳＬＷ＝２．５ｍｍ、１ＧＨｚでは−２２ｄＢ程度が得られている。

図９はスロット５の長さＳＬＬのみを４／５／７ｍｍに変化させた場合のＳ特性を示している。図９（Ａ）において、入力反射係数Ｓ１１は、スロット長ＳＬＬの増加に伴い、増加する傾向にあり、デフォルト長ＳＬＬ＝５ｍｍ、かつ１ＧＨｚでは−１１ｄＢ程度が得られている。図９（Ｂ）において、主線路の伝達係数Ｓ２１は、スロット長ＳＬＬが増す程、低下（ロスが増加）する傾向にあるが、デフォルト長ＳＬＬ＝５ｍｍ、１ＧＨｚでは−０．９ｄＢ程度が得られている。図９（Ｃ）において、モニタ線路の伝達係数Ｓ３１は、スロット長ＳＬＬが増す程、上昇する傾向にあり、デフォルト長ＳＬＬ＝５ｍｍ、１ＧＨｚでは−２０ｄＢ程度が得られている。

なお、上記各実施の形態では主信号線路の信号レベルをモニタするレベルモニタ回路への適用例を述べたが、本発明は、波形観測などを含む、より一般的なモニタ回路に適用可能であることは明らかである。

また、上記本発明に好適なる複数の実施の形態を述べたが、本発明思想を逸脱しない範囲内で各部の構成、制御、処理及びこれらの組合せの様々な変更が行えることは言うまでも無い。

第１の実施の形態によるレベルモニタ回路を示す図である。第１の実施の形態によるレベルモニタ回路のＳ特性を示すグラフ図（１）である。第１の実施の形態によるレベルモニタ回路のＳ特性を示すグラフ図（２）である。第１の実施の形態によるレベルモニタ回路のＳ特性を示すグラフ図（３）である。第２の実施の形態によるレベルモニタ回路を示す図である。第２の実施の形態によるレベルモニタ回路のＳ特性を示すグラフ図である。第３の実施の形態によるレベルモニタ回路を示す図である。第３の実施の形態によるレベルモニタ回路のＳ特性を示すグラフ図（１）である。第３の実施の形態によるレベルモニタ回路のＳ特性を示すグラフ図（２）である。図１０は従来技術を説明する図である。

符号の説明

１主線路
２接地板
３誘電体基板
４切り欠き部（開口部）
５スロット
１１内層パターン
１２表面パターン
１３スルーホール
１４背面パターン

Claims

誘電体多層基板を挟んで主線路と接地板とを備えるストリップ線路のモニタ回路であって、
主線路直下の内層に該主線路と平行に設けた電磁結合部と、該結合部と異なる方向に延展した導波部とを有する内層パターンを設け、前記導波部の端部と基板表面に設けた表面パターンとをスルーホールで接続したことを特徴とするモニタ回路。
誘電体基板を挟んで表面の主線路と背面の接地板とを備えるストリップ線路のモニタ回路であって、
主線路直下の背面に該主線路と平行に設けた電磁結合部と、該結合部と異なる方向に延展した導波部とを有する背面パターンとを設け、該背面パターンは、前記接地板が形成されていない該背面パターンと相似形な領域内に配置されることで、コプレナーウェイブガイドを形成したことを特徴とするモニタ回路。
前記導波部の端部と基板表面に設けた表面パターンとをスルーホールで接続したことを特徴とする請求項２記載のモニタ回路。
誘電体多層基板を挟んで表面の主線路と内層の接地板とを備えるストリップ線路のモニタ回路であって、
主線路直下の背面に該主線路と平行に設けた電磁結合部を有する背面パターンを設け、主線路の信号を該主線路直下の接地板に形成した矩形状スロットを介して背面パターンに電磁結合させたことを特徴とするモニタ回路。