JP2010041555A - 伝送線路 - Google Patents

Abstract

【課題】回路素子を追加しなくても、高速伝送を低歪みで行うことができる伝送線路を提供する。
【解決手段】微粒子分散誘電体１０は、電磁波との相互作用でマグノンとして振る舞う領域では正の透磁率を持つ微粒子を誘電体内に分散したものであり、一方の面にマイクロストリップ線路１２が設けられ、他方の面にグランド層１１が設けられている。微粒子分散誘電体１０は、信号伝送の周波数域（マグノン共振が生じる周波数ωｍ〜プラズモン共鳴が生じる周波数ωｐ）ではコンダクタンスを誘起して無歪伝送が可能になる。
【選択図】図１

Description

本発明は、伝送線路に関する。

近年、オンチップ伝送線路で高速信号伝送を行うことが検討されているが、オンチップ伝送線路の抵抗が信号の減衰及び波形歪みを生み、これがオンチップ伝送線路の高速通信化の障害になっている。この問題に対し、伝送線路とグランドとの間にシャントコンダクタンスを意図的に挿入し、オンチップ伝送線路の周波数依存特性に起因する波形ひずみを低減する方法が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。

この方法は、オンチップ伝送線路が基板（ＳｉＯ_２）の特性によって、通常はコンダクタンスＧが、Ｇ＝０と見なせるのに対し、波長より十分に短い長さΔＬ当たりにおける抵抗、インダクタンス及びキャパシタンスを、Ｒ、Ｌ、Ｃとするとき、Ｇ＝ＲＣ／Ｌとなる抵抗を、伝送線路とグランドとの間または差動ペア線路間に長さΔＬの間隔で挿入し、伝送品質を改善するものである。
２００７年、電子情報通信学会総合大会論文集（Ａ−３−９）、９９頁、「シャントコンダクタンスを挿入したオンチップ伝送線路のアイパターン評価」

本発明の目的は、回路素子を追加しなくても、高速伝送を低歪みで行うことができる伝送線路を提供することにある。

本発明の一態様は、上記目的を達成するため、以下の伝送線路を提供する。

［１］所定の周波数領域で信号を伝送する信号線と、前記信号線に対して絶縁層となる部分に設けられ、前記所定の周波数領域を含む周波数領域で誘電率が負であり、かつ、透磁率が正の特性を有する微粒子分散誘電体とを備えた伝送線路。

[２]所定の周波数領域で信号を伝送する信号線と、電源層又はグランド層と、前記信号線及び前記電源層又はグランド層を絶縁すると共に前記所定の周波数領域を含む周波数領域で誘電率が負であり、かつ、透磁率が正の特性を有する微粒子分散誘電体とを備えた伝送線路。

［３］前記微粒子分散誘電体は、誘電体中にナノサイズの金属または半導体の微粒子を所定の密度で分散して構成されている前記［１］又は前記［２］に記載の伝送線路。

［４］前記ナノサイズの微粒子は、Ｆｅ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｇ，Ｍｇ、Ｃｕ、Ｓｉ及びＣのうち少なくとも１つからなる合金又は共析物である前記［３］に記載の伝送線路。

請求項１、２に記載の発明によれば、回路素子を追加しなくても、高速伝送を低歪みで行うことができる。

請求項３に記載の発明によれば、微粒子分散誘電体の表面における不対電子の密度を激増させ、これによりマグノン共鳴周波数を高めることができる。

請求項４に記載の発明によれば、いずれの物質も、所定の周波数域で誘電率が負になり、かつ、透磁率が正になる特性の微粒子分散誘電体を構成することができる。

本発明の実施の形態の伝送線路は、所定の周波数領域で信号を伝送する信号線と、前記信号線に対して絶縁層となる部分に設けられ、前記所定の周波数領域を含む周波数領域で誘電率が負であり、かつ、透磁率が正の特性を有する微粒子分散誘電体とを備える。

伝送線路は、微粒子分散誘電体が線路を内蔵し、或いは誘電体に覆われていてもよい。

伝送線路は、線路（信号線）がマイクロストリップ線路、ストリップ線路、スタックドペア線路、フラットケーブルであってもよい。

上記構成において、信号線に所定の周波数領域の信号を伝送させると、微粒子分散誘電体は、信号伝送の周波数域において信号線の周囲にコンダクタンスを誘起し、無歪伝送を可能にする。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るプリント配線基板を示す斜視図である。このプリント配線基板（伝送線路）１は、金属または半導体の微粒子を分散させた微粒子分散誘電体１０と、微粒子分散誘電体１０の一方の面（図１の下面）に設けられた銅等の金属膜からなるプレーン構造のグランド層１１と、微粒子分散誘電体１０の他方の面（図１の上面）に設けられた銅等の金属膜からなる所定のパターンのマイクロストリップ線路（信号線）１２とを備えて構成されている。

微粒子分散誘電体１０は、例えば、ＳｉＯ_２等の絶縁物に金属または半導体の微粒子を分散させたものである。この微粒子として、電磁波との相互作用でマグノン（ｍａｇｎｏｎ）として振る舞う領域では正の透磁率を持つ金属または半導体、例えば、Ｆｅ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｇ，Ｍｇ、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｃの中から選ばれた少なくとも１つからなる合金、共析物を推奨することができる。特に、Ａｌは、３ｐ軌道に不対電子を持ち、電磁波との相互作用でマグノン（ｍａｇｎｏｎ）として振る舞う領域では正の透磁率を持つことから適している。なお、微粒子の粒径、密度等は、マイクロストリップ線路１２を伝送する信号の周波数域に応じて適宜選択する。

更に、微粒子は、バルクで常磁性を持たない金属であっても、ナノサイズの粒子にすることにより、表面における不対電子の密度を激増させることができ、これによってマグノン共鳴周波数を高くすることができる。同時に、上記各微粒子は、電気的には金属であるため、プラズマとして振舞う自由電子を表面に持ち、所定の周波数より上で高周波のフォトンと相互作用してプラズモン共鳴を生じる。

（プリント配線基板の等価回路）
図２は、本発明の第１の実施の形態に係るプリント配線基板の所定周波数域における分布定数を示す回路図である。図２において、マイクロストリップ線路１２が抵抗Ｒ（Ω／ｍ）及びインダクタンスＬ（Ｈ／ｍ）を有し、微粒子分散誘電体１０がキャパシタンスＣ（Ｆ／ｍ）及びコンダクタンスＧ（ｍ／Ω）を有している。このコンダクタンスＧは、微粒子分散誘電体１０の誘電率εが負で、かつ、透磁率μが正の特性にあるときに生じる。この特性については、図３を参照して後述する。

従って、単位長さ当たりの等価回路は、ＲとＬからなる直列回路と、この直列回路とグランド間に接続されたＧとＣからなる並列回路とから構成される。この単位長さ当たりの等価回路は、マイクロストリップ線路１２の全長にわたって分布し、分布定数回路を構成している。

（微粒子分散誘電体の特性）
図３は、本発明の第１の実施の形態に係る伝送線路における微粒子分散誘電体の周波数特性を示し、（ａ）は誘電率の周波数特性図、（ｂ）は透磁率の周波数特性図である。図３（ａ）に示すように、微粒子分散誘電体１０の誘電率εは、プラズモン共鳴が生じる周波数ωｐ（例えば、１００ＧＨｚ）を境にして、ωｐより低い周波数域では誘電率εが負になり、ωｐより高い周波数域では誘電率εが正になる。これは、ωｐより高い周波数域では、微粒子分散誘電体１０が誘電体として機能することを示している。

プラズモン共鳴は、微粒子分散誘電体１０に含まれる微粒子が電気的に金属または導電体であるため、プラズマとして振る舞う自由電子を表面に持ち、微粒子数から求められる周波数より上で高周波のフォトンと相互作用することにより生じる。

また、図３（ｂ）に示すように、微粒子分散誘電体１０の透磁率μは、マグノン共振が生じる周波数ωｍ（例えば、数Ｍ〜１００ＭＨｚ）を境にして、ωｍより低い周波数域では透磁率μが負になり、ωｍより高い周波数域では透磁率μが正になる。これは、ωｍより高い周波数域では微粒子分散誘電体１０が磁性体として機能し、ωｍ〜ωｐの領域では金属として振る舞うことを示している。

図３（ａ），（ｂ）から明らかなように、微粒子分散誘電体１０は、超短波（ＶＨＦ）より上の周波数領域では、透磁率μが正であり、超短波からマイクロ波の領域では金属として振る舞って電磁界を反射する。また、光の領域では、表面に電流は流れるが、誘電体的に振る舞うので電磁界を透過する。逆に、超短波より低い周波数の領域では、透磁率μが負になってメタマテリアル（誘電率と透磁率が同時に負になる媒質をいう。）として振る舞い、ＤＣでは導電性を持たない。

本発明者らは、伝送線路を伝搬する信号は、略ＴＥＭ（transverse Electromagnetic Mode:伝搬方向に電場の成分と磁場の成分がゼロである導波路のモード。）の電磁波であり、これと相互作用して微粒子分散誘電体１０中に信号帯域においてコンダクタンスが生じさせうることを見出した。このコンダクタンスＧを終端に挿入できれば、特許文献１に示されるように、無歪伝送が可能になる。

上記したように、本実施の形態に係るプリント配線基板１は、微粒子分散誘電体１０が上記した特性を有するため、ωｍ〜ωｐをマイクロストリップ線路１２における信号伝送の周波数域にすれば、ＤＣ（直流）における損失を十分に小さくしながら、信号伝送の周波数域でコンダクタンスを誘起させるという、上記した条件を満たすことができる。

この結果、特許文献１のように、マイクロストリップ線路１２の途中にディスクリートに抵抗素子を配置することなく容易に無歪み条件を生じさせ、伝送品質を著しく向上させることができ、かつ、直流的な損失を持たないため、無駄なエネルギーを消費せずに、波形改善効果を得ることができる。

なお、電源層を、微粒子分散誘電体１０のマイクロストリップ線路１２が設けられた面、グランド層が設けられた面、又は微粒子分散誘電体１０の内部に形成してもよい。

［第２の実施の形態］
図４は、本発明の第２の実施の形態に係るプリント配線基板を示す断面図である。このプリント配線基板（伝送線路）２は、第１の実施の形態に示した構成の微粒子分散誘電体１０と、微粒子分散誘電体１０内に設けられたストリップ線路（信号線）２１と、ストリップ線路２１に対向させて微粒子分散誘電体１０内に設けられたプレーン構造の電源層２２と、ストリップ線路２１に対して電源層２２と対称になる位置の微粒子分散誘電体１０内に設けられたプレーン構造のグランド層２３と、グランド層２３側の微粒子分散誘電体１０の表面に設けられたマイクロストリップ線路（信号線）２４Ａと、電源層２２側の微粒子分散誘電体１０の表面に設けられたマイクロストリップ線路（信号線）２４Ｂとを備えて構成されている。

ストリップ線路２１及びマイクロストリップ線路２４Ａ，２４Ｂは、銅等の金属膜からなる所定のパターンの配線層である。

［第３の実施の形態］
図５は、本発明の第３の実施の形態に係るプリント配線基板を示す断面図である。このプリント配線基板（伝送線路）３は、第１の実施の形態に示した構成の微粒子分散誘電体１０と、微粒子分散誘電体１０内に対向配置された銅等の金属膜からなるスタックドペア線路（信号線）３０Ａ，３０Ｂとを備えて構成されている。

［第４の実施の形態］
図６は、本発明の第４の実施の形態に係るプリント配線基板を示す断面図である。このプリント配線基板（伝送線路）４は、第１の実施の形態において、微粒子分散誘電体１０の両面に誘電体６０Ａ，６０Ｂを設け、誘電体６０Ｂの表面にグランド層１１を設け、更に、誘電体６０Ａの表面にマイクロストリップ線路１２を設けたものである。

このプリント配線基板４は、例えば、誘電体６０Ｂ上に微粒子分散誘電体１０を蒸着し、この微粒子分散誘電体１０を覆うようにして誘電体６０Ｂと同一サイズの誘電体６０Ａを設けることにより基材部分が構成されている。

微粒子分散誘電体１０は、例えば、２０〜１００００ｎｍの厚みを有し、かつ、１Ω／□以上のシート抵抗を有する薄膜或いはクラスタ状の微粒子を含むシートであり、ＣＶＤ、蒸着、スパッタ、溶射等によって絶縁シート９の表面に設けられる。この微粒子分散誘電体１０は、例えば、ＰＶＤ法（Physical Vapor Deposition：物理蒸着法）により製造することができる。その他の蒸着技術として、ＣＶＤ法（Chemical Vapor Deposition：化学蒸着法）、ＰＥ−ＣＶＤ（Plasma Enhanced-ＣＶＤ）等がある。

［第５の実施の形態］
図７は、本発明の第５の実施の形態に係るフラットケーブルを示す断面図である。このフラットケーブル（伝送線路）５は、例えば、塩化ビニール等の可撓性を有する誘電体に第１の実施の形態に示した微粒子を分散させ、これを帯状にした微粒子分散誘電体１０と、この微粒子分散誘電体１０内の同一平面上に所定の間隔で配置された信号線７０Ａ〜７０Ｄとを備えて構成されている。

［他の実施の形態］
なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されず、その要旨を変更しない範囲内で種々な変形が可能である。例えば、各実施の形態間の構成要素の組合せは任意に行うことができる。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係るプリント配線基板を示す斜視図である。 図２は、本発明の第１の実施の形態に係るプリント配線基板の所定周波数域における分布定数を示す回路図である。 図３は、本発明の第１の実施の形態に係る伝送線路における微粒子分散誘電体の周波数特性を示し、（ａ）は誘電率の周波数特性図、（ｂ）は透磁率の周波数特性図である。 図４は、本発明の第２の実施の形態に係るプリント配線基板を示す断面図である。 図５は、本発明の第３の実施の形態に係るプリント配線基板を示す断面図である。 図６は、本発明の第４の実施の形態に係るプリント配線基板を示す断面図である。 図７は、本発明の第５の実施の形態に係るフラットケーブルを示す断面図である。

符号の説明

１，２，３，４ プリント配線基板、５ フラットケーブル、１０ 微粒子分散誘電体、１１ グランド層、１２ マイクロストリップ線路、２１ ストリップ線路、２２ 電源層、２３ グランド層、２４Ａ，２４Ｂ マイクロストリップ線路、３０Ａ，３０Ｂ スタックドペア線路、６０Ａ，６０Ｂ 誘電体、７０Ａ〜７０Ｄ 信号線

Claims (4)

1. 所定の周波数領域で信号を伝送する信号線と、
   前記信号線に対して絶縁層となる部分に設けられ、前記所定の周波数領域を含む周波数領域で誘電率が負であり、かつ、透磁率が正の特性を有する微粒子分散誘電体とを備えた伝送線路。
2. 所定の周波数領域で信号を伝送する信号線と、
   電源層又はグランド層と、
   前記信号線及び前記電源層又はグランド層を絶縁すると共に前記所定の周波数領域を含む周波数領域で誘電率が負であり、かつ、透磁率が正の特性を有する微粒子分散誘電体とを備えた伝送線路。
3. 前記微粒子分散誘電体は、誘電体中にナノサイズの金属または半導体の微粒子を所定の密度で分散して構成されている請求項１又は２に記載の伝送線路。
4. 前記ナノサイズの微粒子は、Ｆｅ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｇ，Ｍｇ、Ｃｕ、Ｓｉ及びＣのうち少なくとも１つからなる合金又は共析物である請求項３に記載の伝送線路。

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