JP2008029025A - 高効率共振線 - Google Patents

Abstract

【課題】共振線路における性能を向上する為、誘電体回路基板材料を最適化する方法及び装置を提供する。
【解決手段】無線周波数信号を処理する共振回路は、サブストレートを含む。サブストレートは、メタ材料であり、少なくとも１つのサブストレート層を組込むことが可能である。共振線路及び少なくとも１つの接地を、サブストレートに接続することができる。共振線路の１つの端は、接地に電気的に短絡されるか、電気的に開くことが可能である。サブストレート層は、サブストレート特性を有する第１の領域と、少なくとも１つの第２の領域を含むことができる。共振線路の少なくとも一部は、第２の領域に接続することができる。第１及び／又は第２のサブストレート特性のセットは差別的に変更されて、選択領域において、誘電率及び／又は透磁率を変えることができる。第３の領域も、第３のサブストレート特性のセットが与えられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般的に、ＲＦ回路の設計自由度を増加し、より具体的には、共振線路における性能を向上する為に誘電体回路基板材料を最適化する方法及び装置に係る。

ＲＦ回路、伝送線路、及びアンテナ素子は、一般的に、特別設計されるサブストレート基板上に形成される。このようなタイプの回路の目的のために、インピーダンス特性に関し、注意深い制御を維持することが重要である。回路の異なる部分のインピーダンスが整合しなければ、非効率的な電力伝達、構成要素の不必要な加熱、及び、他の問題が結果として生じる。これらの回路における伝送線路、及び、放射器の電気長も、重要な設計要素となり得る。

基板材料の性能に影響を及ぼす２つの重要な要素は、誘電率（時に比誘電率、又は、ε_ｒと称する）と、損失正接（特に、散逸率と称する）である。比誘電率は、信号速度を決定し、従って、伝送線路、及び、基板上に実装される他の構成要素の電気長を決定する。比誘電率は、以下の式で定義される：
ε_ｒ＝ε_ｅｆｆ／ε_ｏ
ここでε_ｒは、誘電体材料の比誘電率（誘電率とも称する）であり、通常この値は、約2未満から約2650までの範囲を有し、無次元単位である；
ε_ｅｆｆは、誘電体材料の実効誘電率（実際の誘電率または静電誘電率とも称する）である；
ε_ｏは、自由空間の誘電率であり、8.8541878176×10^-12Ｆ／mの一定値である。損失正接は、基板材料を通る信号に生じる損失の量を特徴付ける。損失は、周波数が増加すると、増える傾向にある。従って、低損失材料は、周波数が増加するに従いより重要となり、特に、受信器のフロントエンド、及び、低雑音増幅器回路を設計する際に、重要となる。

ＲＦ回路に使用する、印刷された伝送線路、受動回路、及び、放射素子は、一般的に、３つの方法のうちいずれかによって形成される。マイクロストリップとして知られる１つの構成は、信号線路を基板面に置き、一般的に、接地面と称する第２の導電層を与える。埋め込みマイクロストリップとして知られる第２のタイプの構成は、信号線路が、誘電体基板材料によって覆われる以外は同様である。ストリップラインとして知られる第３の構成では、信号線路は、２つの導電面（接地面）の間に挟まれる。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といった伝送線路の特性インピーダンスは、

に等しい。ただし、Ｌ_ｌは、単位長あたりのインダクタンスであり、Ｃ_ｌは、単位長あたりのキャパシタンスである。Ｌ_ｌ及びＣ_ｌの値は、一般的に、線路構造の物理的な幾何学、及び、間隔、また、伝送線路構造を絶縁するために用いる誘電体の比誘電率によって決まる。従来の基板材料は、一般的に、１．０の比透磁率を有する。

従来のＲＦ設計では、その設計に適した比誘電率値を有するサブストレート材料が選択される。サブストレート材料が一度選択されると、伝送線路の特性インピーダンス値は、伝送線路の幾何学、及び、物理的構造を制御することによって、排他的に調節される。

無線周波数（ＲＦ）回路は、一般的に、セラミック基板といった絶縁基板の表面上に、複数の能動回路素子及び受動回路素子が取付けられ、且つ、互いに接続されるハイブリッド回路に具現化される。様々な素子は、一般的に、ストリップライン構造、又は、マイクロストリップ構造、又は、ツインライン構造としての伝送線路といった、銅、金、又は、タンタルからなる印刷金属導体によって相互に接続される。

伝送線路、受動ＲＦデバイス、又は、放射素子について選択される基板材料の比誘電率は、その線路構造の所与の周波数におけるＲＦエネルギーの物理的波長に影響を与える。小型電子工学ＲＦ回路（アンテナに供給される交流によって生じる電磁波の電磁スペクトルの一部で作動する、極めて小さな回路を意味する）を設計する際に遭遇する１つの問題は、基板上に形成される様々な受動素子、放射素子、及び、伝送線路回路の全てに対し最適化される誘電体基板材料の選択である。特に、特定の回路素子の幾何学は、その素子に必要とされる独自の電気的又はインピーダンス特性によって、物理的に大きいか、又は、小型化される。例えば、多くの回路素子、又は、同調回路は、電気的な１／４波長である必要がある。更に、非常に高い、又は、低い特性インピーダンス値に必要とされる伝送線路の幅は、所与の基板に実際に実施するには、それぞれ、幅が細すぎるか、又は、広すぎる場合がある。マイクロストリップ又はストリップラインの物理寸法は、誘電材料の誘電率に反比例するので、伝送線路の寸法は、基板材料の選択によって大きく影響を受ける。

更に、一部の素子に対し最適な基板材料の設計選択は、例えば、アンテナ素子といった他の素子に対し最適な基板材料と一致しない場合がある。また、１つの回路素子に対する幾つかの設計目的が、互いに一致しない場合がある。例えば、アンテナ素子の寸法を小さくすることが望ましい場合がある。このことは、比較的高い誘電率を有する基板材料を選択することによって達成することが可能である。しかし、高い誘電率を有する誘電体基板を使用することは、一般的に、アンテナの放射効率を減少するという望ましくない影響を有する。従って、選択された相対的基板特性を有する回路基板の制約は、回路全体の電気的性能、及び／又は、物理的特性に悪影響を与えることのできる設計上の妥協を、結果としてもたらす。

上述の取り組み方法に特有の問題は、少なくとも基板材料に関し、伝送線路のインピーダンスに対する制御変数は、誘電率、即ち、ε_ｒのみであることである。この制限は、従来の基板材料における重要な問題を強調する。即ち、従来の基板材料は、特性インピーダンスを決定するもう１つの要素、即ち、Ｌ_ｌ、伝送線路の単位長さあたりのインダクタンスを有利に活用することができない。

更に、ＲＦ回路設計において遭遇するもう１つの問題は、異なるＲＦ周波数帯域で動作する回路素子の最適化である。第１のＲＦ周波数帯域に対し最適化された伝送線路インピーダンス及び長さは、他の周波数帯域で使用した場合、インピーダンスの変化、及び／又は、電気長の変化のいずれかによって、特性が低下してしまう場合がある。このような制限は、所与のＲＦシステムの有効な動作周波数範囲を制限してしまう。

従来の回路基板は、一般的に、比誘電率を含む、基板物理特性を結果として均一にするキャスティング、又は、噴霧コーティングといった処理によって形成される。従って、ＲＦ回路用の従来の誘電体基板配置は、電気的及び物理寸法特性の両方について最適化される回路を設計するには、制限を課すことが分かった。

本発明は、無線周波数信号を処理する印刷回路に係る。共振回路は、回路を取付けることのできる基板を含む。基板は、メタ材料を含んでもよく、少なくとも１つの基板材料の層（以下、「基板層」という）を含む。共振線路と少なくとも１つの接地面は、基板に接続することが可能である。共振線路の１つの端は、接地面に電気的に短絡されるか、又は、接地に対し、電気的に開いていることが可能である。

なお、本願において、「基板」とは、回路が設置された複数の層の積層体を意味し、「基板層」とは、「基板」に含まれる一つの層を意味する。

基板は、第１の組の基板特性を有する第１の領域と、第２の組の基板特性を有する、少なくとも１つの第２の領域を含むことが可能である。基板特性は、比誘電率及び透磁率を含むことが可能である。第２の組の基板特性は、第１の組の基板特性とは異なることが可能であり、共振線路の少なくとも一部は、第２の領域に接続することが可能である。更に、第１の組の基板特性及び第２の組の基板特性を別個に変化させることにより、選択領域に亘って比誘電率及び／又は比透磁率を変化させることが可能である。第３の組の基板特性を有する第３の領域を設けることも可能である。１つの実施例では、第３の組の基板特性は、第２の組の基板特性とは異なる。

第２の領域の比誘電率及び／又は比透磁率は、第１の領域の比誘電率及び／又は比透磁率とは異なっていても良い。更に、第３の領域の比誘電率及び／又は比透磁率は、第２の領域の比誘電率及び／又は比透磁率とは異なっていても良い。比誘電率及び／又は比透磁率を増加すると、共振線路の寸法を小さくすることが可能である。

共振線路は、無線周波数（ＲＦ）回路に、一般的に使用する伝送線路である。共振線路は、時に、加えられる周波数において共振すると言われるが、これは、共振線路が、その周波数における共振回路と同様のインピーダンス特性を有することを意味する。印刷回路基板、又は、基板上において、共振線路は、一般的に、入力に少なくとも１つのポートを有し、開回路にされるか、又は、終端において接地面に短絡される伝送線路を作成することにより実施される。開回路にされる、又は、短絡される共振線路への入力インピーダンスは、一般的に、共振線路の長さが、動作周波数の４分の１波長の偶数、又は、奇数の倍数であるときに、抵抗性である。つまり、共振線路への入力は、最大電圧、又は、最小電圧の位置にある。共振線路への入力が、最大電圧点と最小電圧点の間の位置にあるとき、入力インピーダンスは、反応成分（インピーダンスの虚数部）を有することが可能である。例えば、適切に選択される伝送線路セグメントは、並列共振、直列共振、誘導性、又は、容量性回路として、用いられ得る。これは、非常に有用な特徴である。

低比誘電率印刷回路基板材料は、ＲＦ回路設計に、一般的に選択される。例えば、ＲＴ／デュロイド（ｄｕｒｏｉｄ）（登録商標）６００２（２．９４の比誘電率、０．００９の損失正接）、及び、ＲＴ／デュロイド（登録商標）５８８０（２．２の比誘電率、０．０００７の損失正接）といったポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）に基づいた合成物が、ロジャース・マイクロウェイブ・プロダクツ社（１００ Ｓ．Ｒｏｏｓｅｖｅｌｔ Ａｖｅ．，Ｃｈａｎｄｌｅｒ，ＡＺ８５２２６）の高性能回路材料部から入手可能である。これらの材料はどちらも、一般的な基板材料選択である。上述した基板材料は、低い損失正接を伴った比較的低い比誘電率を有する基板層を与える。

しかし、従来の基板材料の使用は、回路素子の小型化を譲歩しなくてはならず、更に、高比誘電率層から享受できる回路の性能面も譲歩しなくてはならない場合がある。通信回路における一般的なトレードオフは、共振線路の物理的寸法と、動作周波数の間で行われる。これに対し、本発明は、特定の周波数で動作するための共振線路の長さ及び幅の減少に最適化される磁気特性を有する高比誘電率基板層領域を使用することを可能にすることにより、回路設計者に対し、追加された自由度レベルを提供する。更に、本発明は、共振線路の品質因子（Ｑ）を制御する手段を、回路設計者に提供する。この追加された自由度は、性能の向上、及び、共振線路の高密度化を可能にし、これらは、本発明の追加された自由度がない限り無線周波数（ＲＦ）回路には不可能である。本願に記載する無線周波数とは、電磁波を伝搬するために用いることが可能な任意の周波数を意味する。

図１を参照するに、１つの好適な実施例によると、基板層１００は、第１の組の基板特性を有する第１の領域１１２と、第２の組の基板特性を有する第２の領域１１４を含む。基板特性は、比誘電率及び比透磁率を含むことが可能である。特に、第２の組の基板特性は、第１の組の基板特性とは異なることが可能である。例えば、第２の領域１１４は、第１の領域１１２より高い又は低い比誘電率及び／又は比透磁率を有することが可能である。

共振線路１０２は、基板層１００上に取付けられる。１つの実施例では、共振線路１０２は、スタブ１０３とトレース１０４を有するよう構成されることが可能である。スタブ１０３は、トレース１０４より幅が広いが、短い。更に、スタブ１０３は、共振線路１０２に対し容量性の終端を与えるか、又は、共振線路１０２に対し特定のインピーダンス特性を達成するよう構成されることが可能である。しかし、当業者は、本発明は上述のように制限されるものではなく、共振線路は、異なる形状に構成することが可能であることを理解するものとする。例えば、１つの配置では、共振線路は、スタブを有することなく一定の幅のトレースを有するか、広がった幅又はテーパ状の幅を有するか、又は、例えば円形といったように幾何学状に形付けられるスタブを有することが可能である。更に、他の共振線路形状を用いることも可能である。

共振線路１０２は、更に、第１のポート１０６及び第２のポート１０８に接続することが可能である。遷移領域１１８を、第１のポート１０６及び第２のポート１０８と共振線路１０２との接合部に設けることにより、第１のポート１０６及び第２のポート１０８を介して共振線路１０２に入射する信号のインピーダンスを整合させることができる。遷移領域は、図示するような三角錐の他、例えば、円錐、楕円錐、又は球の任意の他の形状を有することが可能である。遷移領域１１８の比誘電率及び／又は比透磁率は、第１のポート１０６及び第２のポート１０８を通って伝送される信号の共鳴及び反射が減少するように制御することが可能である。例えば、遷移領域１１８の比透磁率は、第１の領域１１２の比透磁率より高くすることが可能である。

共振線路１０２と、基板層１００の第２の領域１１４は、図示するように、共振線路１０２の少なくとも一部が、第２の領域１１４上に位置付けられるよう構成されることが可能である。１つの好適な実施例では、共振線路１０２の少なくともかなりの領域が、第２の領域１１４上に位置付けられることが可能である。

共振線路上を進む信号の伝搬速度は、

に等しい。従って、第２の領域１１４における比透磁率及び／又は比誘電率を増加することは、共振線路１０２上の信号の伝搬速度を減少し、従って、信号波長を減少する。それゆえに、共振線路１０２の長さは、比透磁率及び／又は比誘電率を増加することによって減少することが可能となる。従って、共振線路１０２は、従来の回路基板上で必要とされるよりも小さくすることが可能である。第２の領域１１４は、更に、特性のキャパシタンス特性を達成するよう選択される比誘電率を有することが可能である。例えば、第２の領域１１２における比誘電率を増加して、所与のキャパシタンス値を達成するために必要とされるスタブ１０３の寸法を小さくすることが可能である。

比誘電率及び／又は比透磁率は、共振線路１０２に対し所望のＺ_０を結果としてもたらすよう、又は、共振線路１０２に関連付けられるキャパシタンス値、インダクタンス値、及び、抵抗値を制御するよう選択することが可能である。例えば、共振線路の断面積は、特定の抵抗に選択することが可能である。更に、基板特性は、特定の共振に対し所望のＱを達成する、共振線路１０２の共振応答を形作る、及び／又は、最大電圧及び最小電圧を調節するよう選択することが可能である。更に、基板特性は、高次数モードの共振を抑え、及び／又は、共振線路１０２のインピーダンスと自由空間のインピーダンスとの間に不整合を形成するよう選択することが可能である。このインピーダンス不整合は、共振線路１０２からのＲＦ照射を最小限にし、電磁妨害（ＥＭＩ）を減少することを促進することが可能である。

共振線路１０２の共振特性は、第１の領域１１２及び第２の領域１１４を介して、これらの領域に形成される電界及び磁界がエネルギーを蓄積し且つ放出することによって、分布することが可能である。これらの電界及び磁界によって蓄えられ且つ放出されるエネルギーの量は、基板層１００の異なる領域に関連付けられる比誘電率及び比透磁率を制御することによって調節することが可能である。例えば、特定の領域における比誘電率が高ければ、その領域に形成される電界に蓄えられるエネルギーは大きくなる。同様に、特定の領域における比透磁率が高ければ、その領域に形成される磁界に蓄えられるエネルギーは大きくなる。

図２及び図３は、図１の共振線路１０２及び基板層１００の２つの異なる実施例の、線Ａ−Ａについての断面図である。グラウンドプレーン１１６が、図示する両方の実施例の共振線路１０２の下に設けられる。図２に示す共振線路は、開回路共振線路である。図３の共振線路は、共振線路１０２の遠位端１１０をグラウンドプレーン１１６に短絡させるよう設けられる短絡フィード３００で短絡される。回路設計者は、適用に応じて、開回路共振線路、又は、短絡共振線路のいずれかを選択して、共振線路から所望される電圧及び／又はインピーダンス特性を提供することが可能である。

基板層１００は、接地面上の共振線路の高さを決める厚さを有する。厚さは、共振線路１０２から、下にあるグラウンドプレーン１１６までの物理的な距離に略等しい。この距離は、特定の誘電体形状によって、調節することが可能であり、ある誘電材料を用いたときに、例えばキャパシタンスが増大又は減少するようにすることができる。

図４及び図５を参照するに、スタブ１０３が、第２の領域１１４内に設置され、グラウンドプレーン１１６のより近くに位置付けられる共振線路１０２の別の配置を示す。この構成は、スタブ１０３とグラウンドプレーン１１６との間のキャパシタンスを増加する一方で、トレース１０４とグラウンドプレーン１１６との間の比較的低いキャパシタンスを維持することが可能である。この構成は、容量性終端される共振線路に特に有用であることが可能である。或いは、図６に示すような埋め込みマイクロストリップ配置は、トレース１０４とグラウンドプレーン１１６との間に高いキャパシタンスが所望される場合に、用いることが可能である。ストリップライン配置も、トレース１０４とスタブ１０３の両方に、増加したキャパシタンス値を結果としてもたらすことが可能である。これらの構成のうちいずれにも、短絡フィード（図示せず）を設けることが可能である。

本発明の１つの実施例では、基板層１００の比透磁率を制御して、共振線路１０２の全体又は一部のインダクタンスを増加させることが可能である。別の実施例（図示せず）では、共振線路は、グラウンドプレーン１１６又は戻りトレース上の電流が、共振線路１０２内を流れる電流とは反対の方向に流れるよう構成される別個のグラウンドプレーン１１６又は戻りトレース（例えば、ツインライン配置）を有するため、これにより、共振線路に対応する磁束が打ち消され、共振線路のインダクタンスを低下させることが可能となる。

図７に、１つの別の実施例を示す。この実施例では、第３の領域７１０が、基板層１００に設けられる。この実施例は、マイクロストリップ構成を示すが、第３の領域７１０は、ストリップライン及び埋め込みマイクロストリップといった他の構成でも設けることが可能である。１つの配置では、第３の領域は、第１の領域１１２及び第２の領域１１４とは異なる基板特性を有することが可能である。例えば、第３の領域７１０における比誘電率及び／又は比透磁率は、第１の領域１１２及び第２の領域１１４における比誘電率及び／又は比透磁率より高い又は低いことが可能である。１つの別の配置では、第３の領域７１０は、第２の領域１１４と同一の基板特性を有することが可能である。例えば、第３の領域７１０は、第２の領域１１４と同一の誘電材料を含み、従って、同一の比誘電率及び／又は比透磁率を含むことが可能である。比誘電率及び／又は比透磁率は、共振線路１０２のインピーダンス特性及び共振特性を制御するよう用いることが可能である。

尚、共振線路１０２構成と回路層１００構成は、示す例示的な図に制限されるものではない。例えば、共振線路は、様々な形状を有することが可能であり、共振線路と、接地面又は回路層面との間の様々な位置に位置付けられることが可能である。１つの実施例では、Ｚ_０は、共振線路の異なる領域でＺ_０が変化するように、様々な誘電体及び強磁性体の混合物種類又はこれらの混合物の様々な濃度を用いることにより、共振線路１０２の長さ全体、又は、共振線路１０２の一部に亘って制御することが可能である。更に、比誘電率及び／又は比透磁率は、基板層１００の選択領域において差別的に変更されて、共振線路の性能を最適化することが可能である。更に別の配置では、全ての基板層領域を別個に改質することにより、基板層１００の全ての領域における比誘電率及び／又は比透磁率を変化させることが可能である。

本願に用いる「別個に改質する」という表現は、添加等、基板層１００に対するいかなる改質をも含み、結果的に、基板のある領域での誘電特性と磁性特性のうちの少なくともいずれかが、他の領域とは異なることをいう。例えばこの改質は、ある基板層領域では、改質されて、第1の組の誘電または磁性特性が生じるのに対して、他の基板層領域は、未改質のままにされ、改質の結果生じた第1の組の特性とは異なる誘電および磁性特性を有するような選択改質であっても良い。

１つの実施例によると、補助誘電体層を、基板層１００に追加することが可能である。様々な噴霧技術、スピンオン技術、様々な蒸着技術、又は、スパッタリング技術といった当該技術において周知である技術を用いて、補助層を追加することが可能である。図８を参照するに、第１の補助層８１０は、既にある基板層１００全体に追加することが可能であり、及び／又は、第２の補助層８２０は、第１の領域１１２、第２の領域１１４、及び／又は、第３の領域７１０内に選択的に追加することが可能である。補助層は、共振線路１０２の下の誘電体の比誘電率及び／又は比透磁率を変更することが可能である。

特に、第２の補助層８２０は、第１の領域１１２、第２の領域１１４、及び／又は、第３の領域７１０における比透磁率を変更する粒子を含むことが可能である。例えば、反磁性粒子、又は、強磁性粒子を、第１の領域１１２、第２の領域、及び、第３の領域７１０のいずれかに追加することができる。更に、第２の補助層８２０は、誘電特性を変更する誘電体粒子を含むこともできる。例えば、誘電体粒子は、第１の領域１１２、第２の領域１１４、及び、第３の領域７１０のいずれかに追加することができる。更に、第１の補助層８１０及び第２の補助層８２０は、例えば、ストリップライン、マイクロストリップ、及び、埋め込みマイクロストリップといった任意の回路構成内に設けることが可能である。

寸法及び性能が最適化される共振線路を提供する方法を、以下のテキストと、図９に示すフローチャートを参照して説明する。段階９１０において、基板誘電材料が、変更のために用意される。上述したように、基板材料は、市販される規格品の基板材料、又は、ポリマー材料から形成されるカスタマイズされた基板材料、又は、それらの組合せを含むことが可能である。この用意段階は、選択された基板材料のタイプに応じる。

段階９２０において、第１の領域１１２、第２の領域１１４、及び／又は、第３の領域７１０といった１つ以上の基板層の領域は、別個に改質され、２又は３以上の領域で、比誘電率及び／又は比透磁率を変化させることが可能である。別個の改質は、上述したように、幾つか異なる方法によって達成することが可能である。段階９３０を参照するに、当該技術において周知である標準回路基板技術を用いて、金属層を、共振線路上に塗布することが可能である。

局所的及び選択可能な磁気特性及び基板特性を与えるメタ材料領域を有する基板は、以下のように作成することが可能である。本願に記載するように、「メタ材料」という用語は、例えば、分子又はナノメートルレベルの非常に微細なレベルにおいて、２つ以上の異なる材料を混合又は配置させて構成される複合材料を意味する。メタ材料では、実効誘電率及び実効透磁率を含む実効電磁気パラメータによって定まる複合材料の電磁気特性を調整することができる。

適切なバルクの誘電体基板材料は、例えば、デュポン（Ｄｕｐｏｎｔ）社及びフェロ（Ｆｅｒｒｏ）社といった材料製造業者から入手することが可能である。一般的に、グリーンテープ（商標）と称する未処理の材料は、バルクの誘電体テープから、例えば、１５．２４センチ四方の断片に切断することができる。例えば、デュポン・マイクロサーキット・マテリアルズは、９５１ロー・テンプレチュア・コファイア・ダイエレクトリック・テープ（低温焼成誘電テープ）といった、グリーンテープ材料系を提供し、フェロ・エレクトロニック・マテリアルズは、ＵＬＦ２８−３０ウルトラ・ロー・ファイアＣＯＧ・ダイエレクトリック・フォーミュレーション（超低温焼成ＣＯＧ誘電体フォーミュレーション）を提供する。これらの基板材料は、一度焼成されると、マイクロ波周波数での回路動作に対し比較的低い損失正接が伴われる比較的中程度の比誘電率を有する誘電体層を供給するために用いられる。

誘電体基板材料からなる多数のシートを用いてマイクロ波回路を作成する処理では、ビア（ｖｉａ）、ボイド（ｖｏｉｄ）、孔、又は、空隙といった形状は、１つ以上のテープ層を通して形成されることが可能である。ボイドは、機械的手段（例えば、孔開け器）、又は、指向エネルギー手段（例えば、レーザドリル、光リソグラフィ）を用いて画成可能であるが、ボイドは、任意の他の好適な方法を用いても画成可能である。寸法が決められた基板の厚さ全体を通されるビアもあれば、基板の厚さの異なる部分のみに到達するビアもある。

次に、ビアには、一般的に、充填材料を正確に配置するステンシルを用いて、金属材料、又は、他の誘電材料、又は、磁性材料、或いは、それらの組合せが充填される。個々のテープ層は、従来の方法通りに積層されて、完全な多層基板を生成することが可能である。或いは、個々のテープ層は、積層されて、一般的にサブスタックと呼ばれる部分的な多層基板を生成することが可能である。

ボイドが設けられた領域は、空のままにされることも可能である。選択材料が充填される場合は、選択材料には、メタ材料を含むことが好適である。メタ材料組成の選択は、２以下から約２，６５０までの比較的連続的な範囲に亘る調整可能な誘電率を提供することが可能である。磁気特性を有する材料も利用可能である。例えば、好適な材料を選択することにより、比透磁率は、一般的に、最も実用的なＲＦ適用に対し、約４乃至１１６の範囲に及ぶことが可能である。しかし、比透磁率は、約２まで低く、又は、数千に到達することも可能である。

本願にて用いる「別個に改質される」という表現は、ドーパントを含む、基板層の改質を意味し、結果的に基板のある領域での誘電特性および磁性特性の少なくともいずれかが、別の領域とは異なることをいう。別個に改質された基板は、メタ材料を含有する１つ以上の領域を含むことが好適である。

例えば、改質は、特定の基板層領域は、第１の組の誘電特性又は磁気特性を生成するよう改質され、一方、他の基板層領域は、第１の組の特性とは異なる誘電特性及び／又は磁気特性を与えるよう別個に改質されるか又は改質されない選択的な改質であってよい。別個の改質は、様々な異なる方法によって達成することが可能である。

１つの実施例によると、補助誘電体層を、基板層に追加することが可能である。様々な噴霧技術、スピンオン技術、様々な蒸着技術、又は、スパッタリング技術といった当該技術において周知である技術を用いて、補助誘電体層を追加することが可能である。補助誘電体層は、ボイド又は孔の内側を含む局所領域、又は、既にある誘電体層全体に選択的に追加することが可能である。例えば、補助誘電体層は、増加された誘電率を有する基板領域を提供するよう用いることが可能である。補助層として追加される誘電材料は、様々なポリマー材料を含むことが可能である。

別個に改質する段階は、更に、基板層、又は、補助誘電体層に追加の材料を、局所的に追加する段階を含む。材料の追加は、基板層の誘電率又は磁気特性を更に制御し、所与の設計目的を達成するよう用いることが可能である。

追加の材料は、複数の金属、及び／又は、セラミック粒子を含むことが可能である。金属粒子は、鉄、タングステン、コバルト、バナジウム、マンガン、特定の希土類金属、ニッケル、又は、ニオブの粒子を含むことが好適である。これらの粒子は、ナノ寸法の粒子、即ち、一般的に、サブミクロンの物理寸法を有する粒子であることが好適であり、以下、ナノ粒子と称する。

ナノ粒子のような粒子は、有機官能化された複合材粒子であることが好適である。例えば、有機官能化された複合材粒子は、絶縁コーティングが設けられた金属コア、又は、金属コーティングが設けられた絶縁コアを有する粒子であっても良い。

一般的に、本願に説明した様々な適用における基板層の磁気特性を制御するのに好適である磁性メタ材料粒子は、フェライト系有機セラミック（ＦｅｘＣｙＨｚ）−（Ｃａ／Ｓｒ／Ｂａ−Ｃｅｒａｍｉｃ）を含む。これらの粒子は、８乃至４０ＧＨｚの周波数範囲の適用において良好に作用する。或いは、又は、更に、ニオブ系有機セラミック（ＮｂＣｙＨｚ）−（Ｃａ／Ｓｒ／Ｂａ−Ｃｅｒａｍｉｃ）が、１２乃至４０ＧＨｚの周波数範囲に有用である。高周波数に指定される材料は、低周波数適用にも適用可能である。これらの複合材粒子及び他の種類の複合材粒子は、市販されている。

一般的に、コーティングされた粒子は、ポリマーマトリクス、又は、側鎖部分（Ｓｉｄｅ ｃｈａｉｎ ｍｏｉｅｔｙ）との結合を促進するので、本発明で使用するには好適である。誘電体の磁気特性の制御に加えて、追加された粒子は、材料の誘電率を制御するためにも使用することができる。約１乃至７０％の複合材粒子の充填率を用いて、基板層及び／又は補助誘電体層領域の誘電率を上げて、更に、下げることが可能である。例えば、有機官能化されたナノ粒子を、基板層に追加することを、改質された基板層領域の誘電率を上げるために利用することが可能である。

粒子は、ポリブレンド法、ミキシング法、及び、攪拌して充填する方法を含む様々な技術を用いて加えることが可能である。例えば、誘電定数は、最大約７０％までの充填率を有する様々な粒子を用いて、２から最大１０の値まで上げられ得る。この目的に有用な金属酸化物は、酸化アルミニウム、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化ニッケル、酸化ジルコニウム、及び、酸化ニオブ（ＩＩ、ＩＶ、及び、Ｖ）を含む。ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、及び、ジルコン酸カルシウム及びジルコン酸マグネシウムといったジルコン酸塩も使用することが可能である。

選択可能な基板特性は、約１０ナノメートルの領域に対して局在化させたり、基板表面全体を含む広い面積に付与させたりすることが可能である。リソグラフィ技術及びエッチング技術といった成膜処理に関する従来の技術を用いて、局部的な誘電特性及び磁気特性の操作を行うことができる。

ある材料を他の材料と混合調製することによって、又は空隙率（一般に、空気が通る孔）を変化させた材料を調製することによって、実質的に2から約2650までの連続範囲の誘電率を得ることができ、さらに必要に応じて他の所望の基板特性を得ることができる。例えば、低誘電率（＜２乃至約４）を示す材料は、異なる空隙密度を有するシリカを含む。異なる空隙密度を有するアルミナは、約４乃至９の誘電率を与えることが可能である。シリカ及びアルミナはいずれも、いかなる顕著な比透磁率も有さない。しかし、磁性粒子を、最大で２０重量パーセントまで追加し、これらの材料又は他の材料をかなり磁気的にすることが可能である。例えば、磁気特性は、有機官能化することにより調整され得る。磁性材料を追加することによる誘電率への影響は、一般的に、誘電率の増加をもたらす。

中位の誘電定数材料は、一般的に、７０乃至５００＋／−１０％の範囲の誘電定数を有する。上述したように、この材料は、他の材料、又は、ボイドと混合されて、所望の誘電率値を提供し得る。この材料は、フェライトがドープされたチタン酸カルシウムを含むことが可能である。ドーピング金属は、マグネシウム、ストロンチウム、及び、ニオブを含むことが可能である。この材料は、４５乃至６００の範囲の比透磁率を有する。

高誘電率適用には、フェライト、又は、ニオブがドープされたチタン酸ジルコン酸カルシウム又はバリウムを用いることが可能である。これらの材料は、約２，２００乃至２，６５０の誘電定数を有する。この材料のドーピング率は、一般的に、約１乃至１０パーセントである。他の材料に関して、これらの材料は、他の材料、又は、ボイドと混合されて、所望の誘電率値を与え得る。

これらの材料は、一般的に、様々な分子修飾（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ）処理を通じて修飾されることが可能である。修飾処理には、ボイド形成処理と、その後の、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）のような炭素及びフッ素系の有機官能化材料等の材料充填処理が含まれる。

有機官能化の代わりに、又は、これに加えて、固体自由形成加工（SFF）、光、紫外線、Ｘ線、電子ビーム、又はイオンビーム放射による処理を行っても良い。リソグラフィ処理も、光、紫外線、Ｘ線、電子ビーム、又は、イオンビーム放射線を用いて行うことが可能である。

メタ材料を含む異なる材料を、基板層（サブスタック）上の異なる領域に加えて、複数の基板層（サブスタック）の領域が、異なる誘電特性及び磁気特性を有するようにすることが可能である。上述したような充填材料を、１つ以上の追加の処理段階と同時に使用して、バルク基板領域の局所、又は、全体に、所望の誘電特性及び／又は磁気特性が得られる。

次に、一般的に、上部層導体プリントが、改質された基板層、サブスタック、又は、完全なスタックに塗布される。導体トレースを、薄膜技術、厚膜技術、電気メッキ、又は、任意の他の好適な技術を用いて設けることが可能である。導体パターンを画成するために用いる処理は、以下に制限されないが、標準リソグラフィ及びステンシルを含む。

次に、一般的に、ベースプレートが、複数の改質された基板をまとめて整列するために得られる。この目的のために、複数の基板のそれぞれに形成される整列孔を用いることが可能である。

複数の基板層、１つ以上のサブスタック、又は、層とサブスタックの組合せは、次に、材料に全ての方向から圧力を加える平衡圧力、又は、材料に１つの方向のみから圧力を加える１軸圧力を用いて、（例えば、機械的に加圧されることによって）ラミネートされ得る。次に、ラミネート基板は、上述したように更に処理されるか、又は、オーブン内で処理基板に適した温度（上述の材料では、約８５０℃乃至９００℃）まで焼成される。

複数のセラミックテープ層及び積み重ねられた基板サブスタックは、次に、使用する基板材料に適した速度で温度を上昇するよう制御可能な好適な燃焼炉を用いて焼成される。温度上昇率、最終温度、冷却特性、及び、任意の必要な一時停止といった処理条件は、基板材料と、基板に充填される、又は、基板上に蒸着される材料を考慮して選択される。焼成の後、積層された基板は一般的に、光学顕微鏡を用いて、欠陥を見つけるべく検査される。

積層されるセラミックサブストレートは、次に、選択的に、回路機能要件を満たすために必要とされる寸法の帯状片に裁断されることが可能である。最終検査の後、帯状のサブストレート片は、試験装置に取付けられ、誘電特性、磁気特性、及び、電気的性質が、特定の制限内にあることを確認するよう様々な特性が評価される。

従って、誘電体基板材料には、局所的に調整可能な誘電特性及び／又は磁気特性が与えられて、共振線路を有する回路を含む回路の密度及び性能を向上することが可能である。誘電体の自由度によって、共振線路の最適化を独立に行うことが可能になる。

本発明の好適な実施例を例示的に説明したが、本発明は、これらの実施例に制限されるものではないことは明らかである。当業者は、本発明の目的及び範囲から逸脱することなく、多数の改修、変更、変形、置換、及び、等価を考え付くであろう。

本発明によって共振線路の寸法を小さくするようサブストレート上に形成される共振線路を示す平面図である。 線Ａ−Ａについて取られた図１の共振線路の開回路構成を示す断面図である。 線Ａ−Ａについて取られた図１の共振線路の短絡回路構成を示す断面図である。 本発明によって共振線路の寸法を小さくするようサブストレート上に形成される共振線路の別の実施例を示す平面図である。 線Ｂ−Ｂについて取られた図４の共振線路の開回路構成を示す断面図である。 本発明の共振線路の更に別の実施例を示す断面図である。 本発明の共振線路の更に別の実施例を示す断面図である。 本発明によって共振線路の寸法を小さくするようサブストレート上に形成される共振線路の更に別の実施例を示す断面図である。 本発明によって物理寸法が小さくされた共振線路を製造する方法を説明するのに有用なフローチャートである。

符号の説明

１００ サブストレート層
１０２ 共振線路
１０３ スタブ
１０４ トレース
１０６ 第１のポート
１０８ 第２のポート
１１０ 共振線路の遠位端
１１２ 第１の領域
１１４ 第２の領域
１１６ 接地面
１１８ 移行帯
３００ 短絡フィード
７１０ 第３の領域
８１０ 第１の補助層
８２０ 第２の補助層

Claims (8)

1. 無線周波数信号を処理する回路において、
   少なくとも一つの基板層を有し、当該回路が設置される基板であって、前記基板層は、第１の領域に、第１の組の基板特性を有し、第２の領域に、少なくとも第２の組の基板特性を有し、該第２の組の基板特性は、前記第１の組の基板特性とは異なる基板特性を提供する、基板と、
   該基板に結合された少なくとも一つの接地面と、
   共振線路と、
   を有し、
   前記共振線路の少なくとも一部は、前記第２の領域に結合され、前記基板の少なくとも一部は、電気絶縁性コーティングを有する金属コアを有する粒子からなるメタ材料で形成されていることを特徴とする回路。
2. 前記第１の組の基板特性および前記第２の組の基板特性のうちの少なくとも一方は、別個に改質され、選択領域における誘電率と透磁率のうち少なくとも一つが変化することを特徴とする請求項１に記載の回路。
3. 前記第１の組の基板特性は、第１の誘電率を有し、
   前記第２の組の基板特性は、第２の誘電率を有し、
   該第２の誘電率は、前記第１の誘電率とは異なることを特徴とする請求項１に記載の回路。
4. 前記第１の組の基板特性は、第１の透磁率を有し、
   前記第２の組の基板特性は、第２の透磁率を有し、
   該第２の透磁率は、前記第１の透磁率とは異なることを特徴とする請求項１に記載の回路。
5. さらに前記基板は、第3の領域に、少なくとも第3の組の基板特性を有し、
   該第３の組の基板特性は、前記第１および第２の組の基板特性とは異なる基板特性を提供することを特徴とする請求項１に記載の回路。
6. 遷移領域を有する前記共振線路の少なくとも一部は、前記第３の領域に結合され、該遷移領域は、入力ポートと前記共振線路の接合部に設置されることを特徴とする請求項５に記載の回路。
7. 前記第３の組の基板特性は、第３の誘電率を有し、
   前記第２の組の基板特性は、第２の誘電率を有し、
   前記第３の誘電率は、前記第２の誘電率とは異なることを特徴とする請求項６に記載の回路。
8. 前記第３の組の基板特性は、第３の透磁率を有し、
   前記第２の組の基板特性は、第２の透磁率を有し、
   前記第３の透磁率は、前記第２の透磁率とは異なることを特徴とする請求項７に記載の回路。

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