JP2010028306A

JP2010028306A - 伝送線路および伝送システム

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Publication number: JP2010028306A
Application number: JP2008185068A
Authority: JP
Inventors: Koji Shibuya; 幸司澁谷; Seiichi Saito; 成一斉藤; Hidemasa Ohashi; 英征大橋
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-07-16
Filing date: 2008-07-16
Publication date: 2010-02-04

Abstract

【課題】信号線の近傍にＧＮＤビア列を伴う伝送線路構造において、高周波特性が良く、高密度実装可能な伝送線路および伝送システムを得る。
【解決手段】誘電体基板１と、誘電体基板１に設けられた信号線２と、誘電体基板１の上面および下面に設けられた接地導体３ｂ，３ａと、誘電体基板１を貫通するように設けられ、接地導体３ａ，３ｂ間を電気的に接続するＧＮＤビア４とを備え、ＧＮＤビア４は信号線２に沿ってその両側に複数個ずつ配置され、ＧＮＤビア４と信号線２との間の距離は一定間隔とし、信号線２を流れる信号の主要周波数成分をλとしたとき、ＧＮＤビア４の配置間隔は、λ／２より狭い、不等間隔として設定される。
【選択図】図１

Description

この発明は伝送線路および伝送システムに関し、特に、高速の信号を伝送させるための伝送線路および伝送システムに関する。

高速の信号を伝送させる伝送線路では、ストリップ線路や下部に接地導体を有するコプレーナ線路が使用されている。信号線間の不要干渉の抑制、および、上下接地導体間の平行平板モード発生抑制のため、上下接地導体間を接続するＧＮＤビアを信号線に沿って等間隔に配置する構造がよく用いられている。信号線とＧＮＤビアが結合すると伝送特性が劣化するため、従来の伝送線路では、信号線とＧＮＤビアをある距離以上離すことで、信号線とＧＮＤビアの結合を小さくし、伝送特性の劣化を抑制していた（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−２５２５０５号公報

従来の伝送線路においては、高密度化のために線路・ＧＮＤビア間の距離を狭くすると、線路・ＧＮＤビア間が結合し、それが一定周期ごとに繰り返されることにより、ＧＮＤビア間隔をλ／２とする周波数およびその整数倍の周波数で反射が大きくなり、伝送特性が大きく劣化するため、高密度配線ができないという問題点があった。

この発明はかかる問題点を解決するためになされたものであり、信号線の近傍にＧＮＤビア列を伴う伝送線路構造において、高周波特性が良く、高密度実装可能な、伝送線路およびそれを用いた伝送システムを得ることを目的としている。

この発明は、誘電体基板と、上記誘電体基板に設けられた信号線と、上記誘電体基板の上面および下面に設けられた接地導体と、上記誘電体基板を貫通するように設けられ、上記接地導体間を電気的に接続するＧＮＤビアとを備え、上記ＧＮＤビアは上記信号線に沿って複数配置され、上記ＧＮＤビアと上記信号線との間の距離は一定間隔とし、上記信号線を流れる信号の主要周波数成分をλとしたとき、上記ＧＮＤビアの配置間隔を、λ／２より狭い、不等間隔する伝送線路である。

この発明は、誘電体基板と、上記誘電体基板に設けられた信号線と、上記誘電体基板の上面および下面に設けられた接地導体と、上記誘電体基板を貫通するように設けられ、上記接地導体間を電気的に接続するＧＮＤビアとを備え、上記ＧＮＤビアは上記信号線に沿って複数配置され、上記ＧＮＤビアと上記信号線との間の距離は一定間隔とし、上記信号線を流れる信号の主要周波数成分をλとしたとき、上記ＧＮＤビアの配置間隔を、λ／２より狭い、不等間隔する伝送線路であるので、信号線の近傍にＧＮＤビア列を伴う伝送線路構造において、高周波特性が良く、高密度実装を可能とする。

実施の形態１．
図１および図２はこの発明の実施の形態１に係る伝送線路の構成を示す斜視図および平断面図である。図１および図２において、１は略矩形の誘電体基板であり、２は誘電体基板１内に埋設され、外部に露出していない信号線である。信号線２は、誘電体基板１の水平方向の略中央部分に配置され、誘電体基板１の長手方向の端から端まで延設されている。なお、信号線２は、図１においては、誘電体基板１の垂直方向の略中央位置より上方へシフトした位置（すなわち、上面寄りの位置）に設けられているが、これに限定されるものではない。また、３ａは誘電体基板１の下面（裏面）に取り付けられた地導体（接地導体）で、３ｂは誘電体基板１の上面（表面）に取り付けられた地導体（接地導体）であり、これらの地導体３ａ，３ｂはストリップ線路を構成している。また、誘電体基板１、信号線２、および、これらの地導体３ａ，３ｂは、伝送線路として動作する。４は、誘電体基板１内を上面から下面にかけて垂直方向に貫通して、地導体３ａと地導体３ｂとを電気的に接続するＧＮＤビア（貫通導体）である。ＧＮＤビア４は、図２に示すように、信号線２に対して水平方向に等距離な位置を保ちながら、信号線２に沿って、信号線２の両側に複数個ずつ配列されている。これらのＧＮＤビア４は、不要結合抑制や平行平板モード発生の抑制等を目的として配置される。また、５ａ〜５ｇはＧＮＤビア４の配置距離で、信号線２により伝送される高周波信号の主要周波数成分をλ（高周波信号の波長）としたとき、各配置間隔５ａ〜５ｇは、それぞれλ／２より狭く、かつ、互いに等しくない不等間隔になるように設定されている。また、信号線２とＧＮＤビア４との間の距離は上述のように一定間隔であり、その距離は、配置間隔５ａ〜５ｇよりも小さい値とすることが望ましいが、配置間隔５ａ〜５ｇと同程度の値であってもよい。いずれにしても、ＧＮＤビア４は、信号線２の近傍（所定距離以内）に設置されていることが望ましい。

次に動作について説明する。
上述したように、本実施の形態１においては、誘電体基板１、信号線２、および、上下の地導体３ａ、３ｂにより伝送線路を形成し、当該伝送線路により高周波信号が伝送される。ＧＮＤビア４は、上述したように、不要結合抑制や平行平板モード発生の抑制等を目的として配置される。すなわち、本実施の形態１においても、ＧＮＤビア４と信号線２は不要結合し、信号の反射が若干生じるが、ＧＮＤビア４の配置間隔５ａ〜５ｇをλ／２よりも狭い不等間隔としているので、その反射のタイミングは各ＧＮＤビア４で一様でなく、等間隔の場合のように特定の周波数で反射が大きく増大することは無い。また、若干発生する反射も信号の主要周波数成分λより高い周波数にのみ影響するので、信号伝送への影響を最小限に抑えることができる。

以上のように、本実施の形態１においては、不要結合抑制や平行平板モード発生等の抑制を目的として配置された信号線２近傍のＧＮＤビア４の配置間隔を、伝送する信号の主要周波数成分のλ／２より狭い不等間隔とすることにより、信号線２とＧＮＤビア４列を近づけた場合に発生する、ＧＮＤビア間隔をλ／２とする周波数およびその整数倍の周波数での周波数で反射が大きくなる現象を抑制するとともに、ＧＮＤビア４列をまたぐ不要結合も抑制するようにしているので、ＧＮＤビア４列を近傍に備える伝送線路構造において高密度実装を実現することができる。

なお、上記説明は、線路構造がストリップ線路構造である場合で説明したが、図３のようなコプレーナ線路でも同様である。すなわち、図３に示すように、上側の地導体３ｂが２枚に分割されて、中央部分に対して左右に分かれており、誘電体基板１の中央部分には地導体３ｂが設けられておらず、その地導体３ｂが設けられていない誘電体基板１上の中央部分に信号線２が配置されて、外部に露出している構成でもよいものとする（他の構成は図１と同じ）。また、信号線２が差動線路の場合も同様である。また、ＧＮＤビア間が信号線と同層のＧＮＤパターンで接続されている構造も同様である。

実施の形態２．
上述の実施の形態１では、ＧＮＤビア４を不等間隔にすることにより反射を小さくした例について説明したが、本実施の形態２においては、ＧＮＤビア４列をまたぐ不要結合を抑制するため、ＧＮＤビア間隔５ａ〜５ｇのとりうる値の範囲が、信号線２を流れる信号の主要周波数成分λに対して、λ／４〜λ／２の範囲となるように設定した実施形態を示す。本実施の形態２の構成を示す斜視図および平断面図は図１および図２と同じであるが、ＧＮＤビア４の各配置間隔５ａ〜５ｇは、いずれも、信号線２を流れる高周波信号の主要周波数成分λに対して、λ／４〜λ／２の範囲内に設定されている点のみが実施の形態１と異なる。

次に動作について説明する。
反射を抑制する動作は上述の実施の形態１と同じであるため、ここでは説明を省略する。従って、ここでは、不要結合を抑制する動作について説明する。ＧＮＤビア４の配置間隔を狭めていくと、配置間隔がλ／４に近づくにつれ、ＧＮＤビア４列をまたぐ不要結合、特に、近端クロストークが大きくなり、λ／４で最大となる。多層基板の場合、ＧＮＤビア４の配置間隔を狭くしすぎると他の層の配線に支障が出る。したがって、不要結合を抑制し、さらに、高密度実装を実現するためには、ＧＮＤビア４の配置間隔５ａ〜５ｇは、λ／４より大きくすることが望ましい。従って、本実施の形態２においては、ＧＮＤビア４のすべての配置間隔５ａ〜５ｇを、λ／４〜λ／２の範囲内の値になるように設定する。なお、本実施の形態においても、配置間隔５ａ〜５ｇは互いに等しくない不等間隔となっている。

以上のように、本実施の形態２においては、不要結合抑制や平行平板モード発生等の抑制を目的として信号線２の近傍に配置されたＧＮＤビア４の配置間隔を、伝送する信号の主要周波数成分λに対して、λ／４〜λ／２の範囲内で、不等間隔とすることにより、上述の実施の形態１の効果に加え、ＧＮＤビア４列をまたぐ不要結合も抑制するようにしているので、ＧＮＤビア４列を近傍に備える線路構造において高密度実装を実現することができる。

実施の形態３．
図４は、この発明の実施の形態３に係る伝送線路の構成を示す平断面図であり、上述の実施の形態１または２で説明したＧＮＤビア４の配置間隔をランダムな間隔としている。なお、このランダムな間隔は、人為的に任意に設定してもよく、あるいは、乱数表等を用いて任意に設定してよいものとする。

以上のように、本実施の形態３においては、不要結合抑制や平行平板モード発生等の抑制を目的として信号線２の近傍に配置されたＧＮＤビア４の配置間隔を、伝送する信号の主要周波数成分λに対して、λ／２以下、あるいは、λ／４〜λ／２の範囲で設定した、ランダムな不等間隔とすることにより、上述の実施の形態１または２の効果に加えて、さらに、特に長い伝送線路において、不等間隔の偏りを少なくすることができ、伝送特性が改善される。

実施の形態４．
図５は、この発明の実施の形態４に係る伝送線路の構成を示す平断面図であり、本実施の形態４においては、上記の実施の形態１または２で説明したＧＮＤビア４の配置間隔を、間隔の増減が周期的になるように設定している。ここで、間隔の増減とは、隣接する配置間隔との間の差を求めたときに、その差の増減のことを意味する。なお、他の構成は上述の実施の形態１または２と同じである。

すなわち、配置間隔５ａを１としたとき、他の配置間隔５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆ、５ｇ・・・を、それぞれ、例えば、１．６，２．３，１．６，１，１．６，２．３，１．６，１，１．６，２．３，・・・のように設定する。このように設定すると、各配置間隔の差は、周期的に増減している。

以上のように、本実施の形態４においては、不要結合抑制や平行平板モード発生等の抑制を目的として配置された信号線近傍のＧＮＤビアの配置間隔を、伝送する信号の主要周波数成分のλ／２以下あるいはλ／４〜λ／２の範囲で、かつ、間隔の増減を周期的とした不等間隔とすることにより、上述の実施の形態１または２の効果に加えて、さらに、簡単な手順でＧＮＤビア４の配置間隔を決定できるので設計が効率的になる利点がある。

上記説明は、配置間隔を、間隔の増減が周期的になるように設定としたが、ＧＮＤビア４間の配置間隔を、間隔が漸増、または、漸減、または、漸増と漸減の繰り返し等の手順により定めても、実施の形態１または２の効果に加えて、さらに、簡単な手順でＧＮＤビア４の配置間隔を決定できるので、設計が効率的になる利点があるのは言うまでも無い。

実施の形態５．
図６はこの発明の実施の形態５に係る伝送線路の構成を示す平断面図であり、上述の実施の形態１または２の配置間隔を、計算機上の乱数発生手法により決めた不等間隔としている。配置間隔の値の決定方法としては、乱数の値の上限と下限とを定めて、その範囲の乱数を発生させて、発生した当該乱数に予め設定した所定の係数を乗算して、配置間隔の値として決定する等の方法がある。伝送線路の他の構成については、上述の実施の形態１または２と同じであるため、ここではその説明を省略する。

以上のように、本実施の形態５においては、不要結合抑制や平行平板モード発生等の抑制を目的として信号線２の近傍に配置されたＧＮＤビア４の配置間隔を、伝送する信号の主要周波数成分λに対して、λ／２以下、あるいは、λ／４〜λ／２の範囲で、計算機上の乱数発生手法を用いて決定した不等間隔としたので、上記の実施の形態１または２の効果に加えて、さらに、計算機上の設計ツールにより簡単かつ効率的にＧＮＤビア４の配置間隔を決定できるとともに、特に、長い伝送線路において、不等間隔の偏りを少なくすることができ、伝送特性が改善されるという利点がある。

実施の形態６．
図７はこの発明の実施の形態６に係る伝送線路の構成を示す平断面図であり、実施の形態１〜５で示したＧＮＤビア４列を信号線２の片側にのみ配置している。従って、ＧＮＤビア４の配置間隔は、上述の実施の形態１〜５で示した配置間隔のいずれかである。なお、不要結合抑制を目的としてＧＮＤビア４列を配置する場合、不要結合を抑制したい対象と信号線２の配置によっては、ＧＮＤビア４列を両側に配置する必要は無いので、本実施の形態６においては、信号線２の片側にのみ配置することとした。

以上のように、本実施の形態６においては、不要結合抑制を目的として配置された信号線２近傍のＧＮＤビア４の配置間隔を、伝送する信号の主要周波数成分のλ／２以下またはλ／４〜λ／２の範囲で、不等間隔とするとともに、配置を信号線２の片側だけにしたことにより、実施の形態１または２の効果に加えて、ＧＮＤビア４の数を減らすことができ他層の信号配線をしやすくなるという利点がある。

実施の形態７．
図８はこの発明の実施の形態７に係る伝送線路の構成を示す平断面図であり、上述の実施の形態１〜５のＧＮＤビア４列を信号線２の左右で非対称としている。不要結合抑制を目的としてＧＮＤビア４列を配置する場合、不要結合を抑制したい対象と信号線２の配置によっては、ＧＮＤビア４列を両側に均等に配置する必要は無い。なお、図８において、５ａ〜５ｇは、信号線２に対して図面左側に配置されたＧＮＤビア４の配置間隔であり、６ａ〜６ｇは、信号線２に対して図面右側に配置されたＧＮＤビア４の配置間隔である。他の構成については、上述の実施の形態１〜５のいずれかと同じであるため、ここでは説明を省略する。

すなわち、本実施の形態７においては、図８に示すように、信号線２を挟んで対応する位置に設けられているＧＮＤビア４の配置間隔５ａと配置間隔６ａとは異なる値であり、同様に、配置間隔５ｂと配置間隔６ｂも異なる値となっている。他の配置間隔５ｃ〜５ｇと配置間隔６ｃ〜６ｇも、同様に、それぞれ互いに異なる値となっている。なお、これらの配置間隔５ａ〜５ｇ、および、６ａ〜６ｇの値の決定方法としては、上述の実施の形態１〜５のいずれかと同様にして決定する。配置間隔５ａ〜５ｇの決定方法と配置間隔６ａ〜６ｇの決定方法とが、同じであっても、異なっていてもよいものとする。

以上のように、本実施の形態７においては、不要結合抑制や平行平板モード発生等の抑制を目的として配置された信号線２近傍のＧＮＤビア４の配置間隔を、伝送する信号の主要周波数成分のλ／２以下またはλ／４〜λ／２の範囲で、不等間隔とするとともに、信号線２の左右で非対称としているので、左右対称の配置とした場合に比べて各ＧＮＤビア４との不要結合による反射が小さくなるとともに、反射のタイミングもさらに細かく異なる状態となる。これにより実施の形態１〜５に比べてＧＮＤビア４による伝送特性の劣化をさらに小さくすることができるという利点がある。

実施の形態８．
上述の実施の形態１〜７においては伝送線路について説明したが、本実施の形態は、そのような伝送線路を備えた伝送システムについて説明する。図９はこの発明の実施の形態８に係る伝送システムの構成を示す平断面図である。本実施の形態に係る伝送システムは、実施の形態１〜７のいずれかに記載の伝送線路を備えた伝送システムであって、スルーホールや、部品パッド、あるいは、配線の曲がり等の伝送線路の不連続部分１０を含み、当該不連続部分１０の近傍にλ／４よりも狭い間隔でＧＮＤビア４が配置されているものである。図８では不連続部が配線の曲がりの場合を示している。なお、ここで、「近傍」とは、不連続部分１０を構成している部材からの距離が所定の範囲内であることを意味し、当該所定の範囲は適宜設定されるものとする。

以上のように、本実施の形態８においては、不要結合抑制や平行平板モード発生等の抑制を目的として配置された信号線２近傍のＧＮＤビア４の配置間隔を、伝送する信号の主要周波数成分のλ／２より狭い不等間隔とし、さらに、スルーホールや、部品パッド、あるいは、配線の曲がり等の伝送線路の不連続部分１０の近傍のＧＮＤビア４の配置間隔を、λ／４よりも狭い間隔とすることにより、信号線２とＧＮＤビア４列を近づけた場合に発生する、ＧＮＤビア間隔をλ／２とする周波数およびその整数倍の周波数での周波数で反射が大きくなる現象を抑制するとともに、ＧＮＤビア４列をまたぐ不要結合も抑制するようにしているので、ＧＮＤビア４列を近傍に備える線路構造において高密度実装を実現することができる。

この発明は実施の形態１および２に係る伝送線路の構成を示した斜視図である。この発明は実施の形態１および２に係る伝送線路の構成を示した平断面図である。この発明は実施の形態１に係る伝送線路の変形例の構成を示した斜視図である。この発明は実施の形態３に係る伝送線路の構成を示した平断面図である。この発明は実施の形態４に係る伝送線路の構成を示した平断面図である。この発明は実施の形態５に係る伝送線路の構成を示した平断面図である。この発明は実施の形態６に係る伝送線路の構成を示した平断面図である。この発明は実施の形態７に係る伝送線路の構成を示した平断面図である。この発明は実施の形態８に係る伝送線路の構成を示した平断面図である。

符号の説明

１誘電体基板、２信号線、３ａ，３ｂ地導体、４ＧＮＤビア、５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆ，５ｇ配置間隔、６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅ，６ｆ，６ｇ配置間隔、１０不連続部分。

Claims

誘電体基板と、
上記誘電体基板に設けられた信号線と、
上記誘電体基板の上面および下面に設けられた接地導体と、
上記誘電体基板を貫通するように設けられ、上記接地導体間を電気的に接続するＧＮＤビアと
を備え、
上記ＧＮＤビアは上記信号線に沿って複数配置され、上記ＧＮＤビアと上記信号線との間の距離は一定間隔とし、上記信号線を流れる信号の主要周波数成分をλとしたとき、上記ＧＮＤビアの配置間隔を、λ／２より狭い、不等間隔とする
ことを特徴とする伝送線路。
上記ＧＮＤビアの配置間隔を、λ／４〜λ／２の範囲に設定することを特徴とする請求項１に記載の伝送線路。
上記ＧＮＤビアの配置間隔を、ランダムな値に設定することを特徴とする請求項１または２に記載の伝送線路。
上記ＧＮＤビアの配置間隔を、間隔の増減が周期的になるように設定することを特徴とする請求項１または２に記載の伝送線路。
上記ＧＮＤビアの配置間隔を、間隔が漸増または漸減または漸増と漸減の繰り返しとなるように設定することを特徴とする請求項１または２に記載の伝送線路。
上記ＧＮＤビアの配置間隔を、計算機上の乱数発生手法により決定することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の伝送線路。
上記ＧＮＤビアは、上記信号線の両側に配置されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の伝送線路。
上記ＧＮＤビアは、上記信号線の片側だけに配置されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の伝送線路。
上記ＧＮＤビアの配置間隔を、上記信号線の両側で非対称としたことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の伝送線路。
請求項１ないし９のいずれか１項に記載の上記伝送線路を備えた伝送システムであって、
スルーホール、部品パッド、あるいは、配線の曲がり等の伝送線路の不連続部分を含み、
上記不連続部分の近傍にλ／４よりも狭い間隔でＧＮＤビアを配置したことを特徴とする伝送システム。