JP2008005146A - マイクロ波整合回路とリアクタンス値調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロ波整合回路の固定リアクタンス値を任意の値に設定可能とする。
【解決手段】高周波伝送線路１０１と接地面１０２の間に、チップコンデンサ１０４と伝送線路１０３をシリーズに接続して一端を接地面１０２に、他端を高周波伝送線路１０１に接続し、伝送線路１０３の長さを適切な長さに設定することにより、固定リアクタンス値（固定容量値）を任意の値に設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロ波回路を最適に接続するための整合回路を有するマイクロ波回路に関し、特に、信号伝送線路と接地に整合素子を配して整合を行う回路を有するマイクロ波整合回路とそのリアクタンス値の調整技術に関する。

マイクロ波回路において、２個の回路を接続する場合、互いの接続端インピーダンスが異なっていると、回路の接続部で不整合が発生し、利得低下や周波数特性劣化等の不具合が生じる。したがって、接続部での不整合による不具合を回避すべく、相互の接続端におけるインピーダンスの整合をとる必要がある。

インピーダンスの整合回路は、主に、コンデンサとインダクタから構成される。信号伝送線路に、直列又は並列に、コンデンサ又はインダクタの素子を配置することで、インピーダンス変換を行い、接続される相互の整合をとる。

高周波になるほど、インピーダンスの整合に必要なコンデンサとインダクタの値は小さくなり、さらに、インピーダンスの整合の微調整を行う為に、より微小なステップで、素子値を準備しなくてはならない。

しかしながら、表面実装形素子のコンデンサは、その材質の誘電率、電極の面積で、容量値が決まる。また、インダクタは、素子に形成したパターンの寸法で値が決定される。

そして、コンデンサやインダクタの素子に関して、連続した素子値、又は微小なステップの部品の在庫を準備することは、現状、不可能である。一般に、コンデンサ及びインダクタの値は、その供給メーカにより決定される。従って、必要とする容量値がないときは、特別に製作が必要になり、部品単価の上昇を招く。また、微調整のために、容量値を小さなステップで準備しておかなくてはならないので、在庫点数が増加し、原価率が悪化する。

このため、固定の素子値から、ステップ間を連続的に補間する回路が必要とされる。

なお、特許文献１には、固定の容量値を他の値に変更するために、図３（Ａ）、図３（Ｂ）に示す構成が開示されている。なお、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）のａ−ａ’線の断面図である（図３（Ａ）、図３（Ｂ）は、特許文献１の図１、図２に対応する）。図３において、半導体基板１と、半導体基板１上に形成されたトランジスタ動作領域２と、半導体基板１の表面上を覆うように形成された絶縁膜３と、トランジスタ動作領域から絶縁膜３を貫通し、絶縁膜上まで引き出された引出線６と、引出線に接続されたワイヤボンディング用のパッド７と、パッド７に接続された容量調整用配線１１とを備えている。

すなわち、図３に示すように、ベースパッド７に接続された容量調整用配線１１が設けられている。容量調整用配線１１は、その一部がベースパッド７と接続されているが、残りは絶縁膜３の上部を覆っているだけであるので、電流増幅率や耐圧などのＤＣ的（直流的）な電気的特性には影響を及ぼさない。

一方、ＡＣ的（高周波的）には、容量調整用配線１１は、Ｎ^＋コレクタ基板との間に寄生容量を形成するので、バイポーラトランジスタの容量値が増加する。

ベースパッド７には、外部にディスクリートデバイスのキャパシタが接続され、この容量値と前記浮遊容量値の和が、ベースパッド７の容量になる。容量調整用配線１１の面積を調整することで、コレクタ−ベース間容量の容量値を容易に調整することができる。

特開２００４−８７５３２号公報

しかしながら、調整すべき容量値の補間を、例えば図３の手法にしたがって行うと、容量調整用配線１１が大きくなり、使用困難な場合がある、という課題が生じる。この課題について、具体的な数値を以下に説明する。なお、以下の課題の説明は、本発明者の検討結果に基づくものである。図３の手法は、半導体の素子容量を変更するものであり、部品の容量値を変更するものではないが、以下では、図３に示した構成について、コレクタ−ベース間容量を、キャパシタのカタログ値と置き換え、図３の半導体基板は、表面実装部品を実装する誘電体基板であるものとして説明する。

例えば周波数５ＧＨｚでコレクタ−ベース間容量に相当するキャパシタ０．５ｐＦが、信号伝送線路と接地間に接続されているものと仮定し、図３の手法により、０．７５ｐＦまでの容量（一般に最小容量は０．５ｐＦ、次に大きいのは０．７５ｐＦである）を得ようとした場合、容量調整用配線１１の寸法は、幅５０ｕｍ、長さ５ｍｍが必要である。

容量調整用配線１１の配線幅を広くして、５００ｕｍにすると、長さ２ｍｍ必要である。

調整用素子の大きさが０．５ｘ１ｍｍ程度であるのに対し、容量調整用配線の長さが、０．５ｘ２ｍｍから、０．０５ｘ５ｍｍ必要であり、部品の実装面積よりも、容量調整用配線の方が、大きくなってしまう。

本願で開示される発明は、上記課題を解決するため、概略以下の構成とされる。

本発明は、個片のキャパシタ又はインダクタのステップ素子間の値を補間する回路を備えている。

本発明は、信号伝送線路と接地間に、リアクタンス素子と調整用の伝送線路とを直列に接続してなる。

本発明においては、前記リアクタンス素子と、前記伝送線路の直列回路の一端は、前記信号伝送線路に接続され、他端は前記接地面に接続されている。本発明においては、前記伝送線路の長さの設定により、前記リアクタンス素子の素子値を所望するリアクタンス値に設定自在とされる。

本発明においては、前記伝送線路が、一の線路とこれを折り返した線路を有する。

本発明においては、前記伝送線路に、複数の経路を備え、実現するリアクタンス素子値に応じて、前記複数の経路の少なくとも１つを切断することで調整が行われる。

本発明においては、前記リアクタンス素子が表面実装型部品よりなる。本発明においては、前記リアクタンス素子として、コンデンサを備えている。あるいは、前記リアクタンス素子として、インダクタを備えている。

本発明に係る方法は、マイクロ波整合回路のリアクタンス値調整方法であって、
信号伝送線路と接地との間に、リアクタンス素子及び伝送線路を直列に接続し、
前記伝送線路の長さを調整することで、等価的に、リアクタンス素子を連続的に可変に調整自在とし、
リアクタンス値が固定のリアクタンス素子を用いて所望のリアクタンス値を実現する。

本発明によれば、マイクロ波のインピーダンス整合回路において、信号伝送線路と接地の間に、リアクタンス素子と伝送線路をシリーズに接続して一端を接地面に、他端を信号伝送線路に接続し、伝送線路の長さを適切な長さに設定することにより、固定されているリアクタンス素子値を任意のリアクタンス値に設定することができる。

上記した本発明についてさらに詳細に説述すべく、添付図面を参照して説明する。本発明は、信号伝送線路（高周波伝送線路）と接地の間に、リアクタンス素子と伝送線路を、シリーズに組み合わせることにより、ステップ値で存在する素子のリアクタンス値を、等価的に、他のリアクタンス値に連続に可変自在とした、小型のマイクロ波回路を提供するものである。以下実施例に即して説明する。

図１は、本発明の一実施例のマイクロ波整合回路の構成を示す図である。図１において、１０１は高周波伝送線路（高周波信号の伝送線路であり、請求の範囲の「信号伝送線路」に対応する）、１０２は接地面である。図１に示すように、インピーダンス整合回路の接地面（領域）１０２と高周波伝送線路１０１との間に、表面実装コンデンサ１０４（以下「チップコンデンサ」という）と、伝送線路１０３とが直列に接続されている。

なお、特に制限されないが、図１において、高周波伝送線路１０１の左右両側には信号を送受する回路（不図示）が設けられており、接地面１０２の領域の横寸法は、高周波伝送線路１０１の長さに対応している。また、図１に示す構成を、表面実装部品を実装する誘電体基板表面とした場合、図１の接地面１０２として示す領域は、不図示のスルーホールを介して、例えば基板裏面等の接地面（接地層）に接続されている。１０２の領域は、接地面に電気的に接続されているため、接地面という。

図１において、高周波伝送線路１０１から接地面１０２側を見たときのインピーダンスの値が、整合に必要な値となるように、チップコンデンサ１０４と伝送線路１０３の長さを組み合わせる。

チップコンデンサ１０４の容量値は、カタログなどで決まった値であり、リアクタンス値は固定値とされている。しかしながら、リアクタンス値固定のチップコンデンサ１０４に、伝送線路１０３を、シリーズに接続することにより、リアクタンス値が変化する。

また、図示されないインダクタについても同様にして、高周波伝送線路１０１と接地面１０２間に、伝送線路１０３とシリーズに接続し、伝送線路１０３の長さを変えることで、インダクタンス値は、連続的に可変することが出来る。

したがって、高周波伝送線路１０１から、接地面側を見たときのインピーダンスも、連続的に変化し、ステップ値しかない容量値のチップコンデンサ１０４を用いても、最適な整合回路が得られる。

本実施例によれば、固定の容量値から、他の容量値を連続して実現できるので、設計値通りの容量が得られ、完全な整合回路が実現できる。

本実施例によれば、さらに、一個のチップコンデンサを用いて、他のチップコンデンサの容量値を実現できるので、細かい容量のステップを必要とせず、在庫に必要なコンデンサの種類を減らすことができる。

本実施例においては、チップコンデンサ１０４の一端を接地面１０２に接続し、他端を伝送線路１０３に接続し、伝送線路１０３の他端を高周波伝送線路１０１に接続する。このとき、高周波伝送線路１０１から接地面１０２側を見たときのインピーダンスは、次式（１）で与えられる。

Ｚ_ｉｎ＝Ｚ0（Ｚ_ｃ＋ｊＺ_ｏｔａｎβＬ）／（Ｚ_０＋ｊＺ_ｃｔａｎβＬ） ・・・(1)

上式（１）において、
Ｚ0は、高周波伝送線路１０１の特性インピーダンス、
Ｚ_ｏは、伝送線路１０３の特性インピーダンス、
Ｚ_ｃは、−ｊωＣ、
Ｃは、チップコンデンサ１０４の容量、
βは、伝播定数、
Ｌは、伝送線路１０３の長さ、
である。

上式（１）より、Ｚ_ｉｎは、チップコンデンサ１０４の容量Ｃと、伝送線路１０３の特性インピーダンスＺ_０と伝送線路１０３の長さＬで決定され、Ｃを固定しても、Ｚ_ｉｎはＺ0とＬを変化させることにより、連続的に変化させることが可能である。

整合回路に必要な容量のインピーダンスとなるように、Ｚ_ｉｎをＣ、Ｚ_ｏとＬを決定する。例えば、伝送する信号の周波数が５ＧＨｚで基板のεｒ＝３．４，Ｈ＝０．２ｍｍを使用し、
コンデンサ０．５ｐＦ ＋ 伝送ライン（Ｗ＝０．０５ｍｍ，Ｌ＝０．９ｍｍ）で、
０．７５ｐＦが等価的に実現できる。

前述した図３の手法によれば、幅０．０５ｍｍのときは、長さ５ｍｍ必要であるのに対して、本実施例では、長さが約１／５で、等価な特性が得られる。

そして、本実施例によれば、伝送線路１０３の長さを変えることにより、希望する任意の値が同じ容量のチップコンデンサ１０４から得ることが出来る。

さらに、本実施例によれば、図３の手法よりも、小さな面積で、希望する任意の容量値を得ることが可能となり、無駄なスペースの発生を抑えることが出来る。

次に、本発明の他の実施例について説明する。本実施例では、図１の伝送線路１０３が長い場合に、伝送線路１０３を、適宜折り返して配置し、小面積で同様な効果が得られるようにしている。

また、図１の伝送線路１０３の長さを選択できるように、線路を組み合わせて構成し、線路を切断することにより、整合回路を調整できるようにしてもよい。

図２は、本発明の他の実施例の構成を説明するための図である。図２において、高周波伝送線路１０１と、チップコンデンサ１０４の一端の間に配設される、伝送線路１０３は、長短２本からなり、辺ｅで切断すれば、線路ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄの長い伝送線路１０３となり、辺ｂ、ｃ、ｄのいずれか一辺を切断すれば、線路ａ＋ｅの短い伝送線路１０３となる。長い伝送線路１０３は、線路ｂ＋ｃ＋ｄが折り返し構成とされる。

上記本実施例では、接地面に、チップコンデンサ１０４の一端が接続され、チップコンデンサ１０４の他端が伝送線路１０３に接続された構成を例に説明したが、本発明はかかる構成に制限されるものでないことは勿論である。

例えば、接地面に伝送線路の一端が接続され、他端が積層コンデンサの構成であってもよいし、伝送線路の間に、チップコンデンサが接続される構成としても、同等の効果が得られる。

本発明は、コンデンサとして、チップコンデンサに限定されるものではなく、その他一般のコンデンサについても同等の作用効果を奏することができる。

また、コンデンサ以外のインダクタンスに関しても、同様にして、希望する値を得ることができる。

本実施例によれば、マイクロ波の整合回路において、高周波信号の伝送線路と接地面の間に、リアクタンス素子と伝送線路をシリーズに接続して一端を接地面に、他端を高周波信号の伝送線路に接続し、調整用の伝送線路の長さを適切な長さに設定することにより、固定されているリアクタンス素子値を、任意のリアクタンス値に設定する。これにより、高周波でも微調整が可能となり最適な整合が実現でき、調整用部品の在庫を低減することが可能となり、原価低減が出来る。

なお、図１、図２では、高周波伝送線路１０１の長手方向に対して一側において、接地面１０２との間に、伝送線路１０３とチップコンデンサ１０４を備えた構成が示されているが、本発明はかかる構成にのみ制限されるものでなく、例えば高周波伝送線路１０１の長手方向に対して両側に接地面１０２を配置し、高周波伝送線路１０１と各接地面との間に、伝送線路１０３とチップコンデンサ１０４を２組備えた構成としてもよい。

以上、本発明を上記実施例に即して説明したが、本発明は上記実施例の構成にのみ制限されるものでなく、本発明の範囲内で当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。

本発明の一実施例の構成を示す図である。 本発明の他の実施例の構成を示す図である。 従来の容量調整を説明する図である。

符号の説明

１ 半導体基板
２ トランジスタ動作領域
３ 絶縁膜
４ エミッタ引出線
５ エミッタパッド
６ ベース引出線
７ ベースパッド
８ コレクタ電極
１１ 容量調整用配線
２１ Ｐ型ベース
２２ Ｐ＋ベースコンタクト
２３ Ｎ＋エミッタ
１０１ 高周波伝送線路（信号伝送線路）
１０２ 接地面
１０３ 伝送線路
１０４ チップコンデンサ

Claims (10)

1. 信号伝送線路と接地間に、リアクタンス素子と伝送線路とを直列に接続してなる、ことを特徴とするマイクロ波整合回路。
2. 前記リアクタンス素子と前記伝送線路からなる直列回路の一端は、前記信号伝送線路に接続され、他端は、接地面に接続されている、ことを特徴とする請求項１記載のマイクロ波整合回路。
3. 前記伝送線路の長さの設定により、前記リアクタンス素子のリアクタンス値から、所望する別のリアクタンス値に設定自在とされる、ことを特徴とする請求項１記載のマイクロ波整合回路。
4. 前記伝送線路の長さを調整することで、等価的に、リアクタンス値を、連続的に、又は微小なステップで、可変自在としてなる、ことを特徴とする請求項１記載のマイクロ波整合回路。
5. 前記伝送線路が、一の線路とこれを折り返した線路を有する構造を備えている、ことを特徴とする請求項１記載のマイクロ波整合回路。
6. 前記伝送線路が、予め複数の経路を備え、実現するリアクタンス素子値に応じて、前記複数の経路の少なくとも１つを切断することで調整が行われる、ことを特徴とする請求項１記載のマイクロ波整合回路。
7. 前記リアクタンス素子が、表面実装型コンデンサよりなる、ことを特徴とする請求項１記載のマイクロ波整合回路。
8. 前記リアクタンス素子が、表面実装インダクタよりなる、ことを特徴とする請求項１記載のマイクロ波整合回路。
9. リアクタンス値の補間回路であって、
   リアクタンス値が固定のリアクタンス素子に、リアクタンス値調整用の伝送線路を直列に接続してなる回路を、信号伝送線路と接地間に接続し、前記伝送線路の長さを調整することで、固定値のリアクタンス値から、他のリアクタンス値に連続的に可変自在としてなる、ことを特徴とする補間回路。
10. リアクタンス値の調整方法であって、
    信号伝送線路と接地間に、リアクタンス素子及びリアクタンス値調整用の伝送線路を直列に接続し、
    前記伝送線路の長さを調整することで、等価的に、リアクタンス素子を連続的に可変に調整自在とし、
    リアクタンス値が固定のリアクタンス素子を用いて、所望のリアクタンス値を実現する、ことを特徴とするリアクタンス値調整方法。

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