JP2008301257A - 高周波回路基板、及び高周波回路基板のバイアス回路インピーダンス制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】広い周波数帯に渡って、挿入損失特性が良好で電流許容量の大きなバイアス回路を具えた高周波回路基板を提供する。
【解決手段】絶縁体で構成される基板１１と、前記基板１１上の主面上又は前記基板１１内の少なくとも一方に形成された、高周波の電気信号を伝送するための金属導体部１２と、前記基板１１の裏面上及び前記基板１１内の少なくとも一方に形成された電源層１３と、前記金属導体部１２内を伝送する前記電気信号に対して直流のバイアス電圧を重畳するためのバイアス回路１４とを具備し、前記基板１１は前記バイアス回路１４のインピーダンスを調整するためのインピーダンス調整機構を有するようにして高周波回路基板１０を構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、バイアス回路を具えた高周波回路基板、及びこの高周波回路基板における前記バイアス回路のインピーダンス制御方法に関する。

高周波回路基板は、種々の能動素子や受動素子に対してその高周波操作信号を供給するための回路基板として使用されている。また、前記高周波回路基板を構成する絶縁性基板を薄化してフレキシブル性を付与することにより、携帯電話やデジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、ノート型パソコンといった小型の電子機器における回路基板としても使用されるようになってきている。

一方、このような高周波回路基板を用いて上述した能動素子などを駆動させようとした場合に、前記能動素子などには所定の閾値電圧が存在するため、単に上述した高周波回路基板において上記高周波信号を供給したのみでは前記能動素子などを駆動することができず、そのため、前記閾値電圧に相当するようなバイアス電圧を付加するためのバイアス回路が設けられて使用されていた。

上記バイアス回路は、上記高周波信号を供給するための伝送線路、すなわち金属導体部に接続されることになるが、このような接続方式には、集中定数方式と分布定数方式とがある。集中定数方式では伝送線路である金属導体部にインダクタを接続することによって高周波電気信号を遮断し、前記バイアス回路におけるバイアス電源への回り込み、及びこれに伴う外乱ノイズを防止していた（例えば、特許文献１及び２参照）。一方、分布定数方式では、所望の電気信号の基板内における波長の四分の一長(以下、λ／４)程度のショートスタブを高インピーダンスラインで接続することにより高周波電気信号を遮断し、バイアス電源への回り込み、及びこれに伴う外乱ノイズを防止していた（例えば、特許文献３参照）。
特開平５−２７５９０７号公報 特開平１１−２２０３０１号公報 特開平９−１７２３３５号公報

しかしながら、上記集中定数方式においては、電気信号の高速化に伴い集中定数素子であるインダクタは容量性素子としての振る舞い本来の機能を果たせず、挿入損失特性や反射損失特性の大幅な劣化を招いていた。

また、分布定数方式においても、バイアス回路のインピーダンスが上述した能動素子の特性インピーダンスである例えば５０Ωに対して低下する傾向があり、前記バイアス回路のインピーダンスを増大させることが要求されていた。この要求を満足すべく、例えば前記バイアス回路を構成する前記ショートスタブの線幅を細くすることによって前記バイアス回路のインピーダンスを高くすることなどが試みられていた。しかしながら、このように線幅を細くすると、大電流を流した場合に焼結してしまうおそれがあった。一般に、バイアス回路の銅箔の厚みが２０−４０μｍ程度の際には、線幅０．１ｍｍ当たり１００ｍＡが限界と言われている。つまり、インピーダンスと許容電流量には常にトレードオフの関係があった。

本発明は、上記問題に鑑み、広い周波数帯に渡って、挿入損失特性が良好で電流許容量の大きなバイアス回路を具えた高周波回路基板を提供することを目的とする。

上記課題を解決すべく、本発明の一態様は、
絶縁体で構成される基板と、
前記基板上の主面上又は前記基板内の少なくとも一方に形成された、高周波の電気信号を伝送するための金属導体部と、
前記基板の裏面上及び前記基板内の少なくとも一方に形成された電源層と、
前記金属導体部内を伝送する前記電気信号に対して直流のバイアス電圧を重畳するためのバイアス回路とを具備し、
前記基板は前記バイアス回路のインピーダンスを調整するためのインピーダンス調整機構を有することを特徴とする、高周波回路基板に関する。

上記態様によれば、高周波回路基板は、その基板内にバイアス回路に対する独立したインピーダンス誘電率低減機構を有するので、この機構を十分に利用することによって前記バイアス回路のインピーダンスを簡易に制御することができる。また、従来のようにインダクタなどを用いることがないので、前記高周波回路基板内を伝送させる電気信号の周波数が増大した場合においても、挿入損失や反射損失などを防止することができる。

なお、上記インピーダンス調整機構は、インピーダンス増大機構として機能させることができる。上述したように、一般に高周波回路基板におけるバイアス回路は、そのインピーダンスが能動素子などの特性インピーダンスに比較して低下する傾向にある。したがって、上述のように、インピーダンス調整機構をインピーダンス増大機構として機能させることによって、上述したバイアス回路のインピーダンス低下を簡易に補正することができる。

また、前記バイアス回路は、前記金属導体部から分岐してなるオープンスタブとし、その長さが前記金属導体部内を流れる前記電気信号の波長のλ／４とすることができる。この場合、前記インピーダンス調整機構は、前記電源層の、前記バイアス回路直下に相当する部分を含む領域を除去することによって構成することができる。

なお、この場合、前記電源層の前記除去された領域は、前記バイアス回路を構成する前記オープンスタブの幅方向における略中心に対して左右対称とすることが好ましい。もし、この条件が満足されないと、前記バイアス回路のインピーダンス制御を効果的及び効率的に行うことができない場合がある。

以上説明したように、本発明の上記態様によれば、広い周波数帯に渡って、挿入損失特性が良好で電流許容量の大きなバイアス回路を具えた高周波回路基板を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の高周波回路基板の一例を示す斜視図であり、図２は、図１に示す高周波回路基板を上方から見た場合の、伝送回路を示す平面図である。また、図３は、図１に示す高周波回路基板を図中のＡ方向から見た場合の側面図である。

本例における高周波回路基板１０は、絶縁体からなる基板１１と、この基板１１の主面上に形成された高周波の電気信号を伝送するための金属導体部１２と、基板１１と裏面上に形成された電源層１３とを具えている。この電源層１３は接地されて、いわゆるグランド層を構成している。また、金属導体部１２の略中央部には分岐したオープンスタブ（バイアス回路）１４が形成されている。図２に示すように、このバイアス回路１４にはバイアス電源が接続されており、このバイアス電源から所定のバイアス電圧がバイアス回路１４を介して金属導体部１２に印加されるようになる。

なお、電源層１３は、金属導体部１２に対する参照電極としての役割を果たし、金属導体部１２に対して一定の電位に維持され、高周波電気信号が金属導体部１２を良好な状態で伝送できるようにするためのものである。したがって、電源層１３は接地することもできるが、高周波電気信号が金属導体部１２を良好に伝送できるものであれば特に限定されるものではなく、任意の電位に保持することができる。

また、金属導体部１２の先端には能動素子や受動素子などの駆動素子１５が接続されている。駆動素子１５は、金属導体部１２を伝送する高周波電気信号を操作信号として受信し、この操作信号に基づいて駆動されるようになる。一方、駆動素子１５は、所定の閾値電圧を有するので、前記操作信号のみでは実際には駆動せず、上述したバイアス回路１４からの直流のバイアス電圧が金属導体部１２を介して印加されることによって、駆動素子１５が閾値電圧以上の状態となり、上記操作信号によって実際に駆動されるようになる。

なお、バイアス回路１４、すなわちオープンスタブの長さは、金属導体部１２中を伝送する高周波電気信号の波長λの四分の一、すなわちλ／４に設定している。これは、前記オープンスタブ内に前記高周波電気信号の電圧定在波を形成し、上記バイアス電源中に前記高周波電気信号が流入しないようにするためのものである。

さらに、図１及び３に示すように、電源層１３の、バイアス回路１４の直下を含む領域１３Ａにおいては、電源層１３が除去されている。この場合、電源層１３とバイアス回路１４との電気的な干渉が減少するので、バイアス回路１４のインピーダンスが増大するようになる。したがって、バイアス回路１４本来のインピーダンスが小さい場合においても、電源層１３においてバイアス回路１４の直下において除去領域１３Ａを設けることにより、バイアス回路１４の実効的なインピーダンスを増大させることができる。

したがって、バイアス回路１４本来のインピーダンスが駆動素子１５のインピーダンスよりも小さく、インピーダンス不整合を生じるような場合においても、上記除去領域１３Ａを設けることによって、バイアス回路１４のインピーダンスを増大させることができるので、前述のようなインピーダンス不整合を抑制することができる。この結果、本実施形態における高周波回路基板１０においては、インピーダンス不整合を生じることなく、駆動素子１５を効果的及び効率的に駆動させることができる。

なお、除去領域１３Ａは、バイアス回路１４の全体に跨って形成する必要があるが、その大きさ、すなわち幅は、バイアス回路１４の線幅や構成材料、及び基板１１の厚さや構成材料（すなわち誘電率）などを考慮するとともに、バイアス回路１４の目的とするインピーダンス値などに依存して決定される。したがって、高周波回路基板１０の設計値に基づいて適宜に設定されることになる。

また、図３に示すように、除去領域１３Ａは、バイアス回路１４の幅方向の略中心Ｉ−Ｉに関して左右対称としている。これによって、除去領域１３Ａによるバイアス回路１４のインピーダンス調整機能（インピーダンス増大機能）をより効果的に発揮することができるようになる。一方、この条件が満足されないと、除去領域１３Ａを十分な大きさで設けた場合においても、バイアス回路１４のインピーダンス調整機能が十分に発揮できない場合がある。この理由は、除去領域１３Ａが中心Ｉ−Ｉに対して非対称である場合は、バイアス回路１４と電源層１３との電気的な干渉がインピーダンス増大に寄与するようにして生じないためと考えられる。

本例においては、電源層１３に対して除去領域１３Ａを設けることにより、高周波回路基板１０内にバイアス回路１４に対する独立したインピーダンス調整機構を有するようになるので、この機構を十分に利用する、すなわち除去領域１３Ａの幅などを調整することによってバイアス回路１４のインピーダンスを簡易に制御することができる。また、このようなインピーダンス調整機構を具えること、及びバイアス回路１４は、オープンスタブとして構成し、いわゆる分布定数方式を採用しているので、従来のようにインダクタなどを用いることがなく、高周波回路基板１０内を伝送させる電気信号の周波数が増大した場合においても、挿入損失や反射損失などを防止することができる。

なお、挿入損失や反射損失などは、高周波電気信号の周波数を増大するにつれて大きくなる傾向があるので、本例の上述した作用効果は、前記高周波電気信号がマイクロ波周波数領域にあるときに、より効果的に奏することができるようになる。

基板１１は所定の絶縁体から構成することができる。具体的には、紙基材（ＦＲ−１，ＦＲ−２，ＸＸＸｐｃ，Ｘｐｃ，ＦＲ−３等）、ガラス基材（ＦＲ−４，Ｇ−１０，ＦＲ−５，Ｇ―１１，ＧＰＹ等）、エポキシ系・ポリエステル系コンポジット基材（ＣＥＭ−１，ＣＥＭ−３，ＦＲ−６等）、ポリエステルベース系・ポリイミドベース系・ガラスエポキシ系フレキシブル基材，ポリサルフォン系・ポリエーテルイミド系・ポリエーテル系樹脂耐熱可塑性基材やアルミナ系・窒化アルミナ系・炭素珪素系・低温焼結系セラミック基材、液晶基材を例示することができる。

金属導体部１２、電源層１３及びバイアス回路１４は、例えば銅、銀、金、アルミニウムあるいはこれらの合金等の電気的良導体を挙げることができる。

また、高周波回路基板１０の全体構成としては、リジッド基板あるいはフレキシブル基板のいずれの形態とすることもできる。

以上、本発明を上記具体例に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記具体例に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいて、あらゆる変形や変更が可能である。

本発明の高周波回路基板の一例を示す斜視図である。 図１に示す高周波回路基板を上方から見た場合の、伝送回路を示す平面図である。 図１に示す高周波回路基板を図中のＡ方向から見た場合の側面図である。

符号の説明

１０ 高周波回路基板
１１ （絶縁体）基板
１２ 金属導体部
１３ 電源層
１３Ａ 電源層の除去領域
１４ バイアス回路（オープンスタブ）
１５ 駆動素子

Claims (10)

1. 絶縁体で構成される基板と、
   前記基板上の主面上又は前記基板内の少なくとも一方に形成された、高周波の電気信号を伝送するための金属導体部と、
   前記基板の裏面上及び前記基板内の少なくとも一方に形成された電源層と、
   前記金属導体部内を伝送する前記電気信号に対して直流のバイアス電圧を重畳するためのバイアス回路とを具備し、
   前記基板は前記バイアス回路のインピーダンスを調整するためのインピーダンス調整機構を有することを特徴とする、高周波回路基板。
2. 前記インピーダンス調整機構は、前記バイアス回路のインピーダンスを増大させるようにして機能することを特徴とする、請求項１に記載の高周波回路基板。
3. 前記高周波の電気信号は、マイクロ波領域の電気信号であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の高周波回路基板。
4. 前記バイアス回路は、前記金属導体部から分岐してなるオープンスタブであって、前記インピーダンス調整機構は、前記電源層の、前記バイアス回路直下に相当する部分を含む領域を除去することによって構成されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載の高周波回路基板。
5. 前記金属導体部から分岐してなるオープンスタブの長さが前記金属導体部内を流れる前記電気信号の波長のλ／４であることを特徴とする、請求項４に記載の高周波回路基板。
6. 前記電源層の前記除去された領域は、前記バイアス回路を構成する前記オープンスタブの幅方向における略中心に対して左右対称であることを特徴とする、請求項４又は５に記載の高周波回路基板。
7. 絶縁体で構成される基板と、前記基板上の主面上又は前記基板内の少なくとも一方に形成された、高周波の電気信号を伝送するための金属導体部と、前記基板の裏面上及び前記基板内の少なくとも一方に形成された電源層と、前記金属導体部から分岐してなるオープンスタブから構成され、その長さが前記金属導体部内を流れる前記電気信号の波長のλ／４であって、前記金属導体部内を伝送する前記電気信号に対して直流のバイアス電圧を重畳するためのバイアス回路とを具備した高周波回路基板において、
   前記電源層の、前記バイアス回路直下に相当する部分を含む領域を除去することによって、前記バイアス回路のインピーダンスを制御することを特徴とする、高周波回路基板のバイアス回路インピーダンス制御方法。
8. 前記バイアス回路のインピーダンスを増大させることを特徴とする、請求項７に記載の高周波回路基板のバイアス回路インピーダンス制御方法。
9. 前記電源層の前記除去された領域は、前記バイアス回路を構成する前記オープンスタブの幅方向における略中心に対して左右対称とすることを特徴とする、請求項７又は８に記載の高周波回路基板のバイアス回路インピーダンス制御方法。
10. 前記高周波の電気信号は、マイクロ波領域の電気信号であることを特徴とする、請求項７〜９のいずれか一に記載の高周波回路基板のバイアス回路インピーダンス制御方法。

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