JP2010098500A - インピーダンス整合回路 - Google Patents

Abstract

【課題】伝送線路の寸法上の設計自由度を確保すること。
【解決手段】一枚の絶縁性基板１２に形成された伝送線路１４を備え、伝送線路を伝送される高周波信号の入力側ＩＮと出力側ＯＵＴのインピーダンスを整合させるインピーダンス整合回路１０であって、入力側の絶縁性基板１２１の誘電率と、出力側の絶縁性基板１２２の誘電率とが異なっていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

この発明は、高周波回路で用いられるインピーダンス整合回路に関する。

伝送線路に半導体装置が接続された高周波回路においては、一般に、伝送線路の特性インピーダンスを５０Ωとする。半導体装置は、出力電力を確保するために、伝送線路に並列に接続することが広く行われる。一般に、半導体装置の特性インピーダンスは低いので、伝送線路と半導体装置との間にインピーダンス整合回路を設けることが従来から広く行われていた（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に開示されたインピーダンス整合回路は、一枚のセラミックス基板にマイクロストリップラインからなる伝送線路と、スタブとを備えている。しかし、このインピーダンス整合回路は、高周波信号の周波数、セラミックス基板の厚み及び誘電率、並びに整合すべきインピーダンスにより、スタブや伝送線路の寸法がほぼ一義に決まってしまい、設計自由度が非常に低い。

この問題点を解決するために、誘電率の異なる２枚の基板を用いて、インピーダンス整合回路を形成する技術が開示されている（例えば、非特許文献１参照）。

非特許文献１に開示されたインピーダンス整合回路は、互いに金線で結ばれた誘電率の異なる２枚の基板に跨って、インピーダンス整合回路を形成している。このように構成することにより、確かにインピーダンス整合回路の寸法上の設計自由度は向上する。
特開平６−６１５１号公報 三菱電機技報 Ｖｏｌ．７８，Ｎｏ．３，２００４，ｐｐ４２〜４５

しかし、非特許文献１のインピーダンス整合回路では、新たに、
（１）インピーダンス整合回路を構成する部品点数が増すことにより、製造工程数が増加してしまう
（２）インピーダンス整合回路を構成する２枚の基板を正確に位置合わせする必要がある
（３）インピーダンス整合回路の設計にあたり、２枚の基板の接続に用いられる金線に由来して余分なインダクタンス成分を考慮する必要がある等の問題点が生じる。

発明者らは、鋭意検討の結果、インピーダンス整合回路に用いられる絶縁性基板の誘電率を入力側と出力側とで変化させることで、上述した（１）〜（３）の問題を解決できることに想到した。

したがって、この発明の目的は、寸法上の設計自由度を確保しつつ、上述した（１）〜（３）の問題を解決するインピーダンス整合回路を提供することにある。

この発明のインピーダンス整合回路は、一枚の絶縁性基板に形成された伝送線路を備え、伝送線路を伝送される高周波信号の入力側と出力側のインピーダンスを整合させるインピーダンス整合回路であって、絶縁性基板の誘電率が、入力側から出力側にわたって変化していることを特徴とする。

このインピーダンス整合回路において、誘電率が階段状に変化することが好ましい。

また、このインピーダンス整合回路の絶縁性基板において、入力側の誘電率を一定の第１誘電率とし、出力側の誘電率を一定の第２誘電率としたとき、第２誘電率＞第１誘電率であることが好ましい。

また、このインピーダンス整合回路において、誘電率が、漸次に変化することが好ましい。

また、このインピーダンス整合回路において、伝送線路が、入力側から出力側にかけて分岐していることが好ましい。

この発明では、インピーダンス整合回路に用いられる絶縁性基板の誘電率を、高周波信号の入力側と出力側とで異ならせている。その結果、この誘電率の変化の態様に応じて入力側と出力側とでインピーダンスを変化させることができる。

より詳細には、絶縁性基板の誘電率を大きくすれば、特性インピーダンスを変化させずに、高周波信号の伝播方向の長さ及び伝送線路の幅を短くすることができる。

換言すれば、伝送線路の長さが長く、所望の基板サイズからはみ出してしまう場合に、基板の誘電率を高くすることにより、特性インピーダンスを変化させずに、伝送線路の長さを短くすることができる。その結果、インピーダンス整合回路を所望の基板サイズ内に収めることができる。

以下、図面を参照して、この発明の実施の形態について説明する。なお、各図は、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係について、この発明が理解できる程度に概略的に示したものにすぎない。また、以下、この発明の好適な構成例について説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は、以下の実施の形態に何ら限定されない。また、各図において、共通する構成要素には同符号を付し、その説明を省略することもある。

図１は、インピーダンス整合回路の構成を概略的に示す斜視図である。なお、図１において、絶縁性基板１２の誘電率が変化している領域には、その領域を強調して示すために便宜的にハッチングを施して示している。また、図１及び図２において、後述する入力側ＩＮから出力側ＯＵＴに向かう方向をＸ方向と称し、図面内でＸ方向に直交する方向をＹ方向と称する。

この実施の形態のインピーダンス整合回路１０は、一枚の絶縁性基板１２に形成された伝送線路１４を備えている。そして、インピーダンス整合回路１０は、伝送線路１４を伝送される高周波信号の入力側ＩＮと出力側ＯＵＴのインピーダンスを整合させる機能を有する。さらに、この絶縁性基板１２は、入力側ＩＮから出力側ＯＵＴにわたって誘電率が階段状、特に例えば２段階に変化している。

ここで、入力側ＩＮにおける絶縁性基板１２の領域の誘電率を第１誘電率Ｄ１とし、出力側ＯＵＴにおける絶縁性基板１２の領域の誘電率を第２誘電率Ｄ２とすると、第１及び第２誘電率の間には、Ｄ２＞Ｄ１という関係が成り立っている。

インピーダンス整合回路１０は、マイクロストリップラインからなり、絶縁性基板１２の裏面すなわち第２主面１２ｂの全面には、金属膜１６が形成されている。そして、絶縁性基板１２の上面すなわち第１主面１２ａには、入力側ＩＮにおいて１個の入力端を備え、及び出力側ＯＵＴにおいて２個の出力端を備えるように、入力側ＩＮから出力側ＯＵＴにかけて２分岐する金属膜としての伝送線路１４が形成されている。

以下、インピーダンス整合回路１０を構成する要素について個々に説明する。

絶縁性基板１２は、好ましくは、例えば誘電率が異なる矩形板状のセラミックス製の第１及び第２基板１２１及び１２２を、境界部Ｂにおいて貼り合わせたものとすることができる。

ここで、第１基板１２１は、上述した「入力側ＩＮにおける絶縁性基板１２の領域」に対応する。また、第２基板１２２は、上述した「出力側ＯＵＴにおける絶縁性基板１２の領域」に対応する。

従って、当然のことながら、第１基板１２１は第１誘電率Ｄ１を有し、第２基板１２２は第２誘電率Ｄ２を有する。

また、第１基板１２１の上面を１２１ａで示す。同様に、第２基板１２２の上面を１２２ａで示す。

第１及び第２基板１２１及び１２２は、この実施の形態では、厚みｈ（第１主面１２ａに対して垂直に測った長さ）が等しく、境界部Ｂで貼り合わされることで、平行平板状の一枚の絶縁性基板１２が形成されている。なお、ここで、厚みｈは、好ましくは例えば、１００μｍ〜１０００μｍとする。

ここで、第１及び第２基板１２１及び１２２として用いるセラミックスとしては、好ましくは例えば、誘電率が５〜２００の基板を用いるのがよい。より詳細には、第１基板の誘電率は、例えば４０とし、及び第２基板の誘電率は、例えば８０とする。

伝送線路１４は、絶縁性基板１２の第１主面１２ａ側に蒸着された金属薄膜である。伝送線路１４を構成する材料は、好ましくは例えば金（Ａｕ）とする。伝送線路１４の厚みｔは、例えば約４μｍとする。

上述したように、伝送線路１４は、入力側ＩＮから出力側ＯＵＴにかけて、２本に分岐されている。より詳細には、伝送線路１４は、第１線路１４ａと、第２線路１４ｂと、第３線路１４ｃ及び１４ｃと、スタブ１４ｄ及び１４ｄとを備えている。

第１線路１４ａは、第１基板１２１の上面１２１ａに設けられており、外部回路から高周波信号が入力される入力端１４ＩＮから、第２線路１４ｂに至るまでＸ方向に延在している。

第２線路１４ｂは、第１基板１２１の上面１２１ａに設けられていて、第１線路１４ａを伝播してくる高周波信号を２分岐させる機能を有する。より詳細には、第２線路１４ｂは、境界部Ｂの第１基板１２１側の上面１２１ａ上に、所定の長さにわたって設けられており、Ｙ方向に延在している。そして、第２線路１４ｂのＹ方向に関する中点に、上述した第１線路１４ａが接続されている。

第３線路１４ｃ及び１４ｃは、第２基板１２２の上面１２２ａに設けられており、Ｘ方向に延在している。より詳細には、第３線路１４ｃ及び１４ｃは、それぞれ、第２線路１４ｂのＹ方向に関する２つの端部と、スタブ１４ｄ，１４ｄとの間を接続している。

なお、第１及び第２線路１４ａ及び１４ｂの高周波信号の伝播方向に直交し、かつ上面１２１ａ及び１２２ａに平行な方向の幅Ｗ１は、場所によらず等しい。また、第３線路１４ｃ及び１４ｃの幅Ｗ２は、場所によらず等しい。

スタブ１４ｄ及び１４ｄは、インピーダンス整合回路１０を伝播する高周波信号を半導体装置（不図示）に出力するために設けられている。

スタブ１４ｄ及び１４ｄは、第３線路１４ｃ及び１４ｃの端部から拡幅して、第３線路１４ｃ及び１４ｃを矩形状に形成したものであり、それぞれ第３線路１４ｃ及び１４ｃに電気的に接続されている。

金属膜１６は、絶縁性基板１２の第２主面１２ｂの全面に設けられた金属製の膜状体である。金属膜１６の材料としては、設計に応じて任意好適なものを用いることができるが、この実施の形態では、厚みが２．０μｍのＡｕが用いられている。

続いて、この実施の形態のインピーダンス整合回路１０において、誘電率の異なる２枚の第１基板１２１及び１２２を貼り合わせることにより生じる効果について説明する。

図２に示すような一般的なマイクロストリップラインにおいて、絶縁性基板１２の誘電率εｒと、特性インピーダンスＺ０と、伝送線路１４の幅Ｗと、絶縁性基板１２の厚みｈとの間には、以下に示す従来周知の関係が成り立つことが知られている。
Ｗ／ｈ＜１の場合：
Ｚ０＝（６０／εｆｆ０．５）ｌｎ（８ｈ／Ｗ＋０．２５Ｗ／ｈ）・・・（１）
εｆｆ＝（εｒ＋１）／２＋［（１＋１２ｈ／Ｗ）−０．５＋０．０４（１−Ｗ／ｈ）２］×（εｒ−１）／２・・・（２）
Ｗ／ｈ≧１の場合：
Ｚ０＝１２０π／［εｆｆ０．５×（Ｗ／ｈ＋１．３９３＋０．６６７ｌｎ（Ｗ／ｈ＋１．４４４）］・・・（３）
εｆｆ＝（εｒ＋１）＋（１＋１２ｈ／Ｗ）−０．５×（εｒ−１）／２・・・（４）
λ＝ｃ／（ｆ×εｆｆ^０．５）・・・（５）
なお、（５）式においてλは、電気長を表わし、伝送線路の高周波信号の伝播方向に関する長さに相当する量である。以下、電気長λのことを「伝送線路の長さλ」と称することもある。また、ｆは、高周波信号の周波数を示す。

これらの式によれば、特性インピーダンスＺ０を一定にした場合、絶縁性基板１２の誘電率εｒが小さければ、伝送線路１４の長さλ及び幅Ｗも大きくなり、及び絶縁性基板１２の誘電率εｒが大きければ、伝送線路１４の長さλ及び幅Ｗが小さくなることが分かる。

これは、絶縁性基板１２の誘電率εｒを大きくすることにより、特性インピーダンスを一定に保ったまま、伝送線路１４の長さλ及び幅Ｗを縮小できることを示している。

つまり、この実施の形態のインピーダンス整合回路１０の場合には、第１誘電率Ｄ１（＜第２誘電率Ｄ２）である第１基板１２１に形成された第１及び第２線路１４ａ及び１４ｂの長さに比べて、第２誘電率Ｄ２の第２基板１２２に形成された第３線路１４ｃの長さ及び幅Ｗを、特性インピーダンスを保ったまま短くできる。

詳細な説明は省略するが、以上の議論はスタブ１４ｄの長さ及び幅にも適用できる。つまり、絶縁性基板１２の誘電率を高くすることにより、スタブ１４ｄの長さ及び幅も小さくすることができる。

（１）〜（５）式を用いた計算で得られる数値の一例を具体的に挙げる。
（１）〜（５）式に初期値として与えた変数を以下に列記する。
（ａ）高周波信号の周波数ｆを２ＧＨｚとする。
（ｂ）伝送線路１４の厚みｔを４μｍとする。
（ｃ）絶縁性基板１２の厚みｈを２００μｍとする。
（ｄ）整合すべき特性インピーダンスを３３．６Ωとする。

これらの条件において、以下の２条件の場合で、（３）式及び（４）式より電気長λ及び伝送線路の幅Ｗを求めた。
（条件１）：絶縁性基板１２の誘電率εｒが４０の場合
（条件２）：絶縁性基板１２の誘電率εｒが８０の場合
その結果、（条件１）では、Ｗ＝１００μｍ及び電気長λ＝３０．３ｍｍであった。また、（条件２）では、Ｗ＝３５μｍ及び電気長λ＝２２．０ｍｍであった。

つまり、絶縁性基板１２の誘電率を増加させた場合（条件２）には、電気長λ、すなわち伝送線路の長さと、伝送線路の幅Ｗとを短くできることが分かる。

例えば、仮に絶縁性基板１２全体、つまり第１及び第２基板１２１及び１２２の両者がともに誘電率εｒ＝４０であるとする。一般に出力側ＯＵＴ（半導体装置との接続側）の方が入力側ＩＮよりも特性インピーダンスが小さくなる。その結果、第３線路１４ｃ及び１４ｃと、スタブ１４ｄ及び１４ｄの高周波信号の伝播方向に沿った長さと幅Ｗとを、大きくする必要がある。しかし、この実施の形態で説明したように第２基板１２２の誘電率εｒを８０とすることにより、第２基板１２２に形成された第３線路１４ｃ，１４ｃ及びスタブ１４ｄ，１４ｄの高周波信号の伝播方向に沿った長さと、伝送線路の幅Ｗとを短くすることができる。

次に、図３を参照して、この実施の形態のインピーダンス整合回路の製造方法について説明する。

まず、図３（Ａ）に示すように、誘電率の異なる２種類の第１及び第２グリーンシート１８１及び１８２を準備して、境界部Ｂとなる部分で貼り合わせる。これにより、第１及び第２グリーンシート１８１及び１８２が貼り合わされた前駆基板１８が得られる。

なお、ここで、「グリーンシート」とは、セラミックスが焼成されるまえのシート状の材料を示す。つまり、グリーンシートを焼成することにより、セラミックス製の絶縁性基板が得られる。

そして、この前駆基板１８を焼成する。その結果、第１基板１２１と第２基板１２２とが接合された絶縁性基板１２が得られる。

続いて、この絶縁性基板１２の第１主面１２ａの全面にフォトレジストを塗布する。その後、伝送線路１４のパターン形状が描かれたマスクを用いて露光及び現像を行い、図３（Ｂ）に示すようにフォトレジストパターン２４を形成する。

続いて、図３（Ｃ）に示すように、フォトレジストパターン２４が形成された絶縁性基板１２を金メッキ液中に浸漬して、金メッキを行う。これにより、絶縁性基板１２の第１主面１２ａに伝送線路１４が形成され、及び、絶縁性基板１２の第２主面１２ｂ全面に金属膜１６が形成される。その後、不要なフォトレジストパターン２４を剥離することで、第１及び第２基板１２１及び１２２に跨る伝送線路１４を形成する。これにより図１に示すようなインピーダンス整合回路１０を完成させる。

続いて、この実施の形態のインピーダンス整合回路１０の奏する効果について説明する。

（１）この実施の形態のインピーダンス整合回路１０では、絶縁性基板１２の誘電率を、高周波信号の入力側の第１基板１２１と、出力側の第２基板１２２とで異ならせている。より具体的には、第２基板１２２の誘電率Ｄ２を第１基板１２１の誘電率Ｄ１よりも大きくしている。その結果、インピーダンス整合回路１０の特性インピーダンスを変化させずに、第２基板１２２に形成された第３線路１４ｃ，１４ｃ及びスタブ１４ｄ及び１４ｄの高周波信号の伝播方向に沿った長さと、幅とを短くすることができる。

つまり、伝送線路１４の長さが長く、望ましい基板サイズからはみ出してしまう場合に、基板の誘電率を高くすることにより、特性インピーダンスを変化させずに、伝送線路１４の長さ及び幅を短くすることができる。その結果、インピーダンス整合回路を所望の基板サイズ内に収めることができる。

（２）また、上述した非特許文献１のインピーダンス整合回路における３つの課題（（１）部品点数の増加、（２）正確な位置合わせの必要性、（３）余分なインダクタンスの発生）を解決することができる。

続いて、この実施の形態のインピーダンス整合回路１０の変形例について説明する。

（１）この実施の形態のインピーダンス整合回路１０は、第１基板１２１から第２基板１２２にわたって伝送線路１４が２つに分岐されていた。しかし、伝送線路の分岐本数は２本には限定されない。

例えば、図４（Ａ）に示すように、第１基板１２１及び第２基板１２２の間に、誘電率Ｄ３がＤ１＜Ｄ３＜Ｄ２である第３基板１２３を配置することで、絶縁性基板２２の誘電率を３段にわたって変化させ、伝送線路２０を４分岐させるようにしてもよい。

（２）また、この実施の形態のインピーダンス整合回路１０では、絶縁性基板１２の誘電率を階段状に変化させる場合について説明した。しかし、絶縁性基板１２の誘電率は、この発明の目的を達成するならば、階段状に変化する場合に限定されない。

例えば、図４（Ｂ）に示すように、入力側ＩＮから出力側ＯＵＴにかけて漸次に誘電率が増加するような絶縁性基板３２を形成してもよい。その場合には、伝送線路１４の寸法を基板の誘電率の変化に合わせて、連続的に変化させることが好ましい。また、絶縁性基板１２の誘電率を曲線（例えば円弧状の凸曲線又は凹曲線）に沿って減少させるように形成してもよい。

また、図４（Ｂ）に示したような絶縁性基板３２としては、イオン注入により絶縁性基板３２の誘電率を場所により変化させた、例えばＧａＡｓ基板やＳｉ基板等の半導体基板を用いることができる。

インピーダンス整合回路の構成を概略的に示す斜視図である。 一般的なマイクロストリップラインの説明に供する斜視図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、この実施の形態のインピーダンス整合回路の製造工程の説明に供する工程図である。 （Ａ）は、インピーダンス整合回路の変形例を示す斜視図である。（Ｂ）は、インピーダンス整合回路の他の変形例を示す斜視図である。

符号の説明

１０ インピーダンス整合回路
１２，２２，３２ 絶縁性基板
１２ａ 第１主面
１２ｂ 第２主面
１２１ 第１基板
１２１ａ，１２２ａ 上面
１２２ 第２基板
１２３ 第３基板
１４，２０ 伝送線路
１４ａ 第１線路
１４ｂ 第２線路
１４ｃ 第３線路
１４ｄ スタブ
１６ 金属膜
１８ 前駆基板
１８１ 第１グリーンシート
１８２ 第２グリーンシート
２４ フォトレジストパターン

Claims (5)

1. 一枚の絶縁性基板に形成された伝送線路を備え、該伝送線路を伝送される高周波信号の入力側と出力側のインピーダンスを整合させるインピーダンス整合回路であって、
   前記絶縁性基板の誘電率が、前記入力側から前記出力側にわたって変化していることを特徴とするインピーダンス整合回路。
2. 前記誘電率が、階段状に変化することを特徴とする請求項１に記載のインピーダンス整合回路。
3. 前記絶縁性基板において、前記入力側の誘電率を一定の第１誘電率とし、前記出力側の誘電率を一定の第２誘電率としたとき、第２誘電率＞第１誘電率であることを特徴とする請求項１に記載のインピーダンス整合回路。
4. 前記誘電率が、漸次に変化することを特徴とする請求項１に記載のインピーダンス整合回路。
5. 前記伝送線路が、前記入力側から前記出力側にかけて分岐していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のインピーダンス整合回路。