JP2008035335A

JP2008035335A - 高周波回路基板およびその製造方法

Info

Publication number: JP2008035335A
Application number: JP2006207840A
Authority: JP
Inventors: Kazutaka Takagi; 一考高木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2006-07-31
Filing date: 2006-07-31
Publication date: 2008-02-14

Abstract

【課題】部品点数の増加による調整コストの低減、特殊な基板を用いることによるコストアップを避けることができる高周波回路基板を提供すること。
【解決手段】誘電体基板と、この誘電体基板の表面に形成されたＴ字型の線路からなる第１段のウィルキンソンカプラと、この第１段のウィルキンソンカプラに接続され、前記誘電体基板の表面に形成されたた２個のＴ字型線路からなる第２段のウィルキンソンカプラと、前記誘電体基板の前記第１段のウィルキンソンカプラが形成された部分の裏面側に形成された空洞部とを備えたことを特徴とする高周波回路基板。
【選択図】図１

Description

本発明は、高周波回路基板に係り、特にマイクロ波帯の高周波回路基板において同一基板上に複数のマイクロ波回路が実装される高周波回路基板およびその製造方法に関する。

衛星通信分野など近年の通信の大容量化に伴い、電力増幅用半導体素子の小型化と高出力化への要求が高まっている。高出力化のためには半導体増幅素子を並列接続する必要がある。入力ポートの信号を分配し各々の増幅器で並列に増幅した後、合成して出力させる方法が採られる。そのために必要な合分配器としてウィルキンソンカプラがよく使用されている。図３に従来のウィルキンソンカプラの構成図を示す。図３は、４つの増幅素子で信号を並列に増幅するためにウィルキンソンカプラを２段縦列に配列し、３個使用する構成となっている。この構造により１：４の合成器または分配器が得られる。

しかし、ウィルキンソンカプラを構成する分岐線路（アーム）は使用する信号周波数に対応する４分の１波長線路で構成する必要があり、同一基板上でこの回路を構成しようとすると、入力側の１段目のウィルキンソンカプラの分岐アームは４分の１波長の長さより長い線路で接続せざるを得ない。このように線路長を４分の１波長より長くすればカプラとしての特性が悪化してしまう。そこで、従来は１段目と２段目のカプラに対して異なる高周波基板３１、３２をそれぞれ用意し、この２つの基板の厚さを変えて４分の１波長線路を構成し、その線路同士の接続はワイヤボンディング３３等によって行っていた。このような基板を複数用意する構成であるとボンディングワイヤ３３による特性ばらつきや部品点数の増加により調整コスト等の増加が生ずる。これを解決するためには、同一基板上で伝送線路を長く配置せざるを得ない領域のみ、すなわち本従来例においては１段目のウィルキンソンカプラの分岐アームの領域に部分的に誘電率を低く設定できれば解決可能である。基板の誘電率を低くする試みは従来からなされており、例えば、基板媒質中に微小中空体を分散させて配置し、誘電率を下げる工夫をしたものがある（特許文献参照）。しかし、基板媒質中に微小中空体を分散させた基板はその製造方法が複雑であり、コストアップとなる欠点があった。
特開２０００−２６９６１８号公報

したがって本発明は前記に鑑みてなされたものでその目的とするところは、部品点数の増加による調整コストの低減、特殊な基板を用いることによるコストアップを避けることができる高周波回路基板およびその製造方法を提供することにある。

本発明の高周波回路基板は、誘電体基板と、この誘電体基板の表面に形成されたＴ字型の線路からなる第１段のウィルキンソンカプラと、この第１段のウィルキンソンカプラに接続され、前記誘電体基板の表面に形成されたた２個のＴ字型線路からなる第２段のウィルキンソンカプラと、前記誘電体基板の前記第１段のウィルキンソンカプラが形成された部分の裏面側に形成された空洞部とを備えたことを特徴とする。

また、本発明の高周波回路基板においては、前記第２段のウィルキンソンカプラは、それぞれ、使用波長に対して４分の１波長に等しい２個の分岐線路を備えており、前記第１段のウィルキンソンカプラは、それぞれ前記第２段のウィルキンソンカプラの分岐点に接続された２個の分岐線路を備え、これらの２個の分岐線路の線路長は等価的に前記使用波長に対して４分の１波長に等しくなるように前記空洞部が形成されていることを特徴とする。

さらに、本発明の高周波回路基板においては、前記誘電体基板は、基板の一部に貫通部が形成された枠型基板と、この枠型基板に積層された、貫通部が形成されない板状の基板とから構成されていることを特徴とする。

また、本発明の基板の高周波回路基板の製造方法は、基板の一部に貫通部が形成された枠型基板と、貫通部が形成されない板状の基板とを導電性材料を用いずに接合することにより、裏面側に空洞部が形成された誘電体基板を形成する工程と、この誘電体基板の前記空洞部に対応する表面部分にＴ字型の線路からなる第１段のウィルキンソンカプラを形成する工程と、前記誘電体基板の前記空洞部に対応する表面部分以外の部分に、Ｔ字型線路からなり、前記第１段のウィルキンソンカプラに接続される第２段のウィルキンソンカプラを形成する工程と、とを備えたことを特徴とするものである。

本発明による高周波回路基板によれば、同一基板上に第１段および第２段のウィルキンソンカプラを形成できるので、部品点数の増加による調整コストの低減、特殊な基板を用いることによるコストアップを避けることができる。

以下本発明の実施形態につき詳細に説明する。図１は本発明の一実施例におけるウィルキンソンカプラの構成図を示すものである。このカプラは１入力４分配のカプラで、ウィルキンソンカプラを３つ使用して形成している。逆向きに考えれば４入力１出力の合成器として動作する。図１（ａ）は上面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’断面図を示している。このようなカプラはセラミック等の基板１１上に、Ｃｒ（クロム）等の接着層（図示しない）を介してＡｕ（金）等の金属層１２を蒸着またはメッキによって形成できる。ウィルキンソンカプラをツリー状に２段に配置しているので、各カプラの分岐アーム長、すなわち１段目のウィルキンソンカプラの分岐点１３から２段目のウィルキンソンカプラ分岐点１４までの距離とこの分岐点１４から２段目のウィルキンソンカプラ分岐点１５までの距離は、使用波長（λ）において４分の１波長(λ／４)であることが要求される。しかし、物理的なスペースの制約から１段目のウィルキンソンカプラの分岐アーム長は、２段目の分岐アーム長より長く配置することになり、特性が悪化する。このため本発明の一実施形態においては、この１段目のウィルキンソンカプラの分岐アーム下の基板１１に空洞部１６を設ける。空洞部１６を設ける場所は図１（ａ）では点線で囲った領域で示す。基板１１の下部には、図１（ｂ）に示されるように、金属層１２と同様な金属層１７が形成されるが、空洞部１６の領域には金属層１７は形成されない。そしてこの基板１１は高周波グランドとなる平面に実装される必要がある。

空洞部１６の比誘電率はほぼ１であるから空洞部１６の高さを調整することにより、比誘電率を調整することが可能となる。空洞部１６の高さをｔ_１、空気の比誘電率をε_１、使用する基板の比誘電率ε_２、空洞部以外の高さをｔ_２とするとき、空洞部１６の上部に配置する信号線路に伝搬する電場が感じる実効比誘電率ε_ｅｆｆは、以下の式で与えられる。

ε_ｅｆｆ=（ｔ_２・ε_２＋ｔ_１・ε_１）／（ｔ_１＋ｔ_２）（１）
また、比誘電率の１以上の媒質での線路長は、真空中での長さ線路長Ｌ_０に対して実効的短縮され、（２）式のような関係式となる。

Ｌ_ｅｆｆ＝Ｌ_０／√ε_ｅｆｆ（２）
この実効比誘電率ε_ｅｆｆの平方根の逆数を波長短縮率とよぶ。このように空洞部１６の高さを変えることによって実効比誘電率を変化させ、波長短縮率によって信号線路の実効的長さを調整することが可能である。

次に、空洞部１６の幅と基板１１の上部に配置された金属層１２の幅との関係について述べる。図１（ｂ）に一点鎖線で示すように、金属層１２の端面から空洞部１６の端面までの角度θは、４５度以下にする方がよい。高周波になればなるほど電界は信号線路を形成する金属層１２の端部に集中し、かつ端部では広がるので、実効屈折率を有効に変化させるためには金属層１２の幅より広く空洞部を形成する必要がある。

次に空洞部１６の製作方法について説明する。空洞部は、一枚基板から空洞部を製作したい部分のみマスクを施し、裏面をエッチング等の処理で形成することも可能である。しかし、２枚以上の基板を貼り付けて空洞部を製作することが簡便で更なる応用が期待できる。図２は、２枚基板を用いて空洞部を形成する実施形態を説明する図である。図２（ａ）は、金属層１２を形成する板状基板２１を表し、図２（ｂ）は貫通部２３によって空洞部領域１６が形成された枠型基板２２を示している。板状基板２１は、貫通孔は形成されておらず、通常の板状の基板である。この板状基板２１と枠型基板２２を絶縁性接着剤により貼り付けることによって図１（ｂ）のような構造を形成することができる。もしくは板状基板２１と枠型基板２２を圧着し高温に晒し、再結晶させることによって図１（ｂ）のような構造を形成することができる。なお、このような構成の場合、板状基板２１と枠型基板２２の誘電率は必ずしも同じである必要はない。貫通部２３を具備する基板２２の厚さや誘電率を変え、さらに複数の貫通部２３を場所を変えて配置することによって、場所によって任意の誘電率を持つ基板を製作することができる。また応用として２層以上の基板貼り付けも考えられ、信号線を内層に配置することも可能である。なお、基板を貼り付ける場合に用いる接着剤としては、高周波信号特性に影響しないように、導電性材料を含まない接着剤を用いることが望ましい。

以上述べたように構成された本発明の一実施形態における高周波回路基板によれば、同一基板上に配置する高周波回路の伝送線路下に空洞部を形成することにより基板の誘電率を変化できるので、高周波回路の線路長を制御できる。

なお本発明は前記実施形態をそのままに限定されるものではなく、実施段階でその要旨を逸脱しない範囲で具体化できる。

本発明の一実施形態におけるウィルキンソンカプラの構成図で、（ａ）は、上面図、（ｂ）は断面図である。本発明の一実施形態における誘電体基板の構造を示す斜視図で、（ａ）は、板状基板、（ｂ）は枠型基板をそれぞれ示している。従来のウィルキンソンカプラの構成を示す図で、（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図である。

符号の説明

１１…誘電体基板
１２…金属層
１３、１４、１５…分岐点
１６…空洞部

Claims

誘電体基板と、この誘電体基板の表面に形成されたＴ字型の線路からなる第１段のウィルキンソンカプラと、この第１段のウィルキンソンカプラに接続され、前記誘電体基板の表面に形成されたた２個のＴ字型線路からなる第２段のウィルキンソンカプラと、前記誘電体基板の前記第１段のウィルキンソンカプラが形成された部分の裏面側に形成された空洞部とを備えたことを特徴とする高周波回路基板。
前記第２段のウィルキンソンカプラは、それぞれ、使用波長に対して４分の１波長に等しい２個の分岐線路を備えており、前記第１段のウィルキンソンカプラは、
それぞれ前記第２段のウィルキンソンカプラの分岐点に接続された２個の分岐線路を備え、これらの２個の分岐線路の線路長は等価的に前記使用波長に対して４分の１波長に等しくなるように前記空洞部が形成されていることを特徴とする請求項１記載の高周波回路基板。
前記誘電体基板は、基板の一部に貫通部が形成された枠型基板と、この枠型基板に積層された、貫通部が形成されない板状の基板とから構成されていることを特徴とする請求項２記載の高周波回路基板。
基板の一部に貫通部が形成された枠型基板と、貫通部が形成されない板状の基板とを導電性材料を用いずに接合することにより、裏面側に空洞部が形成された誘電体基板を形成する工程と、この誘電体基板の前記空洞部に対応する表面部分にＴ字型の線路からなる第１段のウィルキンソンカプラを形成する工程と、前記誘電体基板の前記空洞部に対応する表面部分以外の部分に、Ｔ字型線路からなり、前記第１段のウィルキンソンカプラに接続される第２段のウィルキンソンカプラを形成する工程と、とを備えたことを特徴とする高周波回路基板の製造方法。