JP2012039449A

JP2012039449A - 高周波回路

Info

Publication number: JP2012039449A
Application number: JP2010178734A
Authority: JP
Inventors: Jun Kobayashi; 純小林
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2010-08-09
Filing date: 2010-08-09
Publication date: 2012-02-23

Abstract

【課題】高周波数帯の反射特性や通過特性の劣化を抑制することのできる高周波回路を提供する。
【解決手段】高周波回路は、誘電体層上に設けられている信号ラインと、当該誘電体層に設けられたグランドであって当該信号ラインの両側に該信号ラインから間隔を設けて配置された複数のグランドとを有するコプレーナ伝送線路と、誘電体層の中に設けられるアンダーブリッジであって、前記複数のグランド同士を接続するアンダーブリッジとを備えている。そして、信号ラインには、誘電体層を平面視して、アンダーブリッジと交差する箇所を含むように他の箇所より線幅が狭いくびれ部が設けられている。
【選択図】図５

Description

本発明は、高周波回路に関する。

マイクロ波やミリ波などの信号を処理するモノシリックマイクロ波集積回路（Monolithic Microwave Integrated Circuit；ＭＭＩＣ）におけるコプレーナ伝送線路では、信号ラインのベンド部、Ｒ部などの不連続部分にグランド（接地導体）を接続するエアブリッジを用いて、スロットラインモードなどの不要なモードが生じないようにして、高周波数帯の反射特性や通過特性が劣化することを防いでいる（非特許文献１）。

図１０は、コプレーナ伝送線路におけるエアブリッジ及びアンダーブリッジの構成例を示す図である。エアブリッジを用いたコプレーナ伝送線路では、図１０（ａ）に示すように、エアブリッジ９を絶縁体基板上１に配置された信号ライン３から一定の距離を隔てて、信号ライン３上を横断するように形成する必要がある。そのため、エアブリッジを用いたＭＭＩＣは、製造工程数が多く必要となるとともに、信号ライン上に距離を隔ててエアブリッジを形成する複雑な製造工程が含まれてしまうので、エアブリッジを用いたＭＭＩＣの製造コストは高くなってしまう。

これに対して、アンダーブリッジを用いたコプレーナ伝送線路では、図１０（ｂ）に示ように、誘電体層２内にグランド４を接続するアンダーブリッジ５を形成することにより、異なるグランド４を電気的に接続する。アンダーブリッジを用いたコプレーナ伝送線路は、誘電体層の上にアンダーブリッジを構成する金属層を重ね、更に誘電体層を重ねる積層構成により実現できる。すなわち、アンダーブリッジを用いたコプレーナ伝送線路は、一般の半導体回路を形成する製造工程と同様に形成できるので、エアブリッジを用いたコプレーナ伝送線路に比べ、複雑な製造工程を省くことができる。また、製造工程数を減らすことができるので、アンダーブリッジを用いたＭＭＩＣは、エアブリッジを用いたＭＭＩＣに比べ、製造コストを低くすることができる。

A. A. Omar, Y. L. Chow, L. Roy and M. G. Stubbs, "EFFECTS OF AIR-BRIDGES AND MITERING ON COPLANAR WAVEGUIDE 90°BENDS: THEORY AND EXPERIMENT," Microwave Symposium Digest, 1993., IEEE MTT-S International, pp.823-826 vol.2, 1993

しかしながら、アンダーブリッジを形成することにより、アンダーブリッジと、信号ラインとが誘電体を挟んで配置されることにより、エアブリッジに比べグランドを接続するブリッジと、信号ラインとの間に高い寄生容量が生じて、コプレーナ伝送線路の特性インピーダンスが乱れ、高周波数帯の反射特性や通過特性が劣化してしまうという問題がある。

本発明は、上記問題を解決すべくなされたもので、その目的は、高周波数帯の反射特性や通過特性の劣化を抑制することのできる高周波回路を提供することにある。

上記問題を解決するために、本発明は、信号ラインと、該信号ラインの両側に該信号ラインから間隔を設けて配置されたグランドとを誘電体層上に有するコプレーナ伝送線路と、前記誘電体層の中に設けられるアンダーブリッジであって、前記グランドを接続するアンダーブリッジとを備え、前記信号ラインには、前記誘電体層を平面視して、前記アンダーブリッジと交差する箇所を含むように他の箇所より線幅が狭いくびれ部が設けられていることを特徴とする高周波回路。

また、本発明は、上記に記載の発明において、前記信号ラインに設けられているくびれ部の区間及び線幅は、前記コプレーナ伝送線路により伝送される信号の周波数帯域に応じて定められることを特徴とする。
また、本発明は、上記に記載の発明において、前記アンダーブリッジは、前記コプレーナ伝送線路が不連続になる箇所を含む区間の両端に設けられていることを特徴とする。

この発明によれば、信号ラインにおいて、アンダーブリッジと交差する箇所にくびれ部を設けることにより、アンダーブリッジを設けた箇所に生じるコプレーナ伝送線路の特性インピーダンスの乱れを防ぐことができる。これにより、エアブリッジに替えてアンダーブリッジを設けることにより製造工程数の増加を抑制し、また、アンダーブリッジを設けたことにより生じる特性インピーダンスの乱れを防ぐことができるので、高周波数帯の反射特性や通過特性の劣化を抑制することができる。

本実施形態における高周波回路に備えられているコプレーナ伝送線路を示す概略図である。図１のコプレーナ伝送線路の等価回路を示す図である。図１のコプレーナ伝送線路の反射特性と挿入特性とを示すグラフである。図１のコプレーナ伝送線路において、くびれ部３ｂの長さＬに対する反射特性及び挿入特性の依存性を示すグラフである。本発明のコプレーナ伝送線路を信号ライン３が９０°に曲がるベンド部分に適用した実施例１を示す概略図である。図５のコプレーナ伝送線路の反射特性と挿入特性とを示すグラフである。図５のコプレーナ伝送線路において、くびれ部３ｂの長さＬに対する反射特性及び挿入特性の依存性を示すグラフである。本発明のコプレーナ伝送線路を信号ライン３が９０°に曲がるベンド部分に適用した実施例２を示す概略図である。図８のコプレーナ伝送線路の反射特性と挿入特性とを示すグラフである。コプレーナ伝送線路におけるエアブリッジ及びアンダーブリッジの構成例を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態における高周波回路を説明する。
図１は、本実施形態における高周波回路に備えられているコプレーナ伝送線路を示す概略図である。図１（ａ）は、高周波回路のコプレーナ伝送線路の構成を示す図である。また、図１（ｂ）は、図１（ａ）において、ＡＡ’断面線に沿った高周波回路の断面図である。

本実施形態における高周波回路のコプレーナ伝送線路では、絶縁体基板１の主面に誘電体層２が形成され、誘電体層２上の金属層において信号ライン３及び２つのグランド４（接地導体）が形成されている。２つのグランド４は、信号ライン３の両側に、信号ライン３から間隔を設けて配置されている。また、グランド４は、図１（ａ）に示すように、信号ライン３を挟んで対抗して配置されている。

誘電体層２の中には、信号ライン３及び２つのグランド４を形成する金属層と異なる金属層において、信号ライン３を挟んで対抗する２つのグランド４同士を電気的に接続するアンダーブリッジ５が形成されている。アンダーブリッジ５は、ビア６を介して２つのグランド４と接続されている。アンダーブリッジ５は、コプレーナ伝送線路における不連続部分に不要なモードが生じないように、信号ライン３を挟んで対抗するグランド４を電気的に接続している。

信号ライン３において、誘電体層２を平面視してアンダーブリッジ５と交差する箇所に、特性インピーダンスＺｏを有している部分３ａ、３ｃより幅が狭いくびれ部３ｂが設けられている。くびれ部３ｂは、特性インピーダンスＺｏより高い特性インピーダンスＺｈを有するハイインピーダンスラインであり、くびれ部３ｂの長さＬ及び幅Ｗは、コプレーナ伝送線路において伝送される信号の周波数帯域に応じて、シミュレーションや実測結果に基づいて定められる。

図２は、図１に示したコプレーナ伝送線路の等価回路を示す図である。同図において、回路３１が信号ライン３の部分３ａに対応し、回路３２が部分３ａとグランド４との間に生じる静電容量に対応している。また、回路３３が信号ライン３のくびれ部３ｂにおいて、アンダーブリッジ５と交差する箇所より部分３ａ側のくびれ部３ｂ−１に対応し、回路３４がくびれ部３−１と、グランド４との間に生じる静電容量に対応している。
回路３５がアンダーブリッジ５と信号ライン３との間に生じる静電容量に対応している。

回路３６が信号ライン３のくびれ部３ｂにおいて、アンダーブリッジ５と交差する箇所より３ｃ側のくびれ部３ｂ−２に対応し、回路３７がくびれ部３ｂ−２と、グランド４との間に生じる静電容量に対応している。また、回路３８が信号ライン３の部分３ｃに対応し、回路３９が部分３ｃとグランド４との間に生じる静電容量に対応している。
なお、同図において、ＲΔｘ、ＬΔｘ、ＣΔｘ、及びＧΔｘは、各部分における抵抗、インダクタンス、容量、及びコンダクタンスを示している。

図２に示すように、コプレーナ伝送線路においてアンダーブリッジ５を設けることにより、アンダーブリッジ５と信号ライン３との間に回路３５に対応する寄生容量Ｃ_ＵＢ及び寄生コンダクタンスが生じる。この寄生容量Ｃ_ＵＢは、エアブリッジにおいて生じる寄生容量に比べ、アンダーブリッジ５と信号ライン３との間に誘電体層２があるために、大きくなっている。すなわち、回路３５におけるキャパシタンスＣ_ＵＢは、エアブリッジを設けた場合に生じる寄生容量に比べ大きく、コプレーナ伝送線路に与える影響が大きい。そのため、コプレーナ伝送線路の特性インピーダンスが乱れてしまい、高周波数帯における反射特性や通過特性が劣化していた。

そこで、図１に示したように、本実施形態では、アンダーブリッジ５を設けた近傍の信号ライン３においてくびれ部３ｂ（図２における回路３３、３６）を形成して、特性インピーダンスＺｈを有するハイインピーダンスラインを設けることにより、インピーダンスを変化させて高周波数帯における反射特性と通過特性との劣化を抑圧することができる。ここで、アンダーブリッジ５を設けた近傍とは、信号ライン３において、誘電体層を平面視して、信号ライン３とアンダーブリッジ５とが交差する箇所を含む区間のことである。

以下、図１に示したコプレーナ伝送線路に対して、モーメンタム法を用いたシミュレーションの結果を示し、本実施形態により得られる効果について説明する。
図３は、図１に示したコプレーナ伝送線路の反射特性と挿入特性とを示すグラフである。横軸は周波数を示し、縦軸は反射損失、挿入損失を示している。以下に示すシミュレーション結果において、信号ライン３とアンダーブリッジ５との間の静電容量Ｃ_ＵＢを１９［ｆＦ］とし、信号ライン３の部分３ａ、３ｃにおける特性インピーダンスＺｏを５０［Ω］とし、信号ライン３のくびれ部３ｂにおける特性インピーダンスＺｈを６５［Ω］としている。

図３（ａ)、図３（ｂ）は、図１に示したコプレーナ伝送線路において、くびれ部３ｂの長さを、Ｌ＝０、２０、１３０［μｍ］とした場合の反射特性、挿入特性を示すグラフである。同図において、Ｌ＝０、２０、１３０［μｍ］を比較すると、Ｌ＝２０［μｍ］とした場合、くびれ部３ｂを設けない場合（Ｌ＝０［μｍ］）に比べ、反射特性が全体的に改善し、通過特性が高周波数帯において改善していることが分かる。

また、くびれ部３ｂを更に長くした場合（Ｌ＝１３０［μｍ］）、反射特性は、くびれ部３ｂを設けない場合（Ｌ＝０［μｍ］）に比べ、低周波数帯においてわずかに改善するが、挿入損失は、伝送線路における抵抗が増加することにより全体的に劣化していることが分かる。
以上のように、くびれ部３ｂの長さを２０［μｍ］から１３０［μｍ］にすることで、アンダーブリッジ５を設けた箇所における特性インピーダンスの乱れを抑圧して、高周波数帯の反射特性や通過特性の劣化を抑制することができることが分かる。

図４は、図１に示したコプレーナ伝送線路において、くびれ部３ｂの長さＬに対する反射特性及び挿入特性の依存性を示すグラフである。同図において、横軸はくびれ部３ｂの長さを示し、縦軸は反射損失、挿入損失を示している。また、同図は、２５［ＧＨｚ］の信号をコプレーナ伝送線路に入力した場合を示している。

図４（ａ）に示すように、くびれ部３ｂの長さＬが０［μｍ］から２０［μｍ］までの区間において反射損失は減少し、長さＬが２０［μｍ］から１３０［μｍ］までの区間において反射損失は徐々に増加する。なお、長さＬが１３０［μｍ］の場合では、くびれ部３ｂを設けない場合（長さＬ＝０［μｍ］）より反射損失が大きくなる。
また、図４（ｂ）に示すように、くびれ部３ｂの長さＬが０［μｍ］から２０［μｍ］の区間において挿入損失は増加し、長さＬが２０［μｍ］から１３０［μｍ］までの区間において挿入損失は徐々に減少する。

以上のシミュレーション結果より、伝送する信号の周波数が２５［ＧＨｚ］の場合、くびれ部３ｂの長さを２０［μｍ］から１３０［μｍ］にすることで、アンダーブリッジ５を設けた箇所における特性インピーダンスの乱れを抑圧して、高周波数帯の通過特性をほとんど劣化させずに、反射特性を改善することができる。

図５は、本発明のコプレーナ伝送線路を信号ライン３が９０°に曲がるベンド部分に適用した実施例１を示す概略図である。
同図に示すように、信号ライン３が９０°に曲がるベンド部分の直下を通過するようにアンダーブリッジ５を設け、信号ライン３を挟んで対抗するグランド４を電気的に接続している。また、信号ライン３において、アンダーブリッジ５と信号ライン３との交差する箇所を含む長さＬの区間に、特性インピーダンスがＺｏの部分３ａ、３ｃより線幅が狭いくびれ部３ｂが設けられている。

以下、図５に示したコプレーナ伝送線路に対して、モーメンタム法を用いたシミュレーション結果を示す。図６は、図５に示したコプレーナ伝送線路の反射特性と挿入特性とを示すグラフである。横軸は周波数を示し、縦軸は反射損失、挿入損失を示している。なお、シミュレーションの条件は、図３の場合と同じである。

図６（ａ）、図６（ｂ）は、図５に示したコプレーナ伝送線路において、図３と同様に、くびれ部３ｂの長さを、Ｌ＝０、２０、１３０［μｍ］とした場合の反射特性、挿入特性を示すグラフである。同図において、Ｌ＝０、２０、１３０［μｍ］を比較すると、Ｌ＝２０［μｍ］とした場合、くびれ部３ｂを設けない場合（Ｌ＝０［μｍ］）に比べ、反射特性が全体的に改善し、通過特性が高周波数帯において改善していることが分かる。
また、くびれ部３ｂを更に長くした場合（Ｌ＝１３０［μｍ］）、反射特性は、くびれ部３ｂを設けない場合（Ｌ＝０［μｍ］）に比べ、低周波数帯でわずかに改善するが全体的に劣化し、挿入損失は、伝送線路における抵抗が増加することにより全体的に劣化していることが分かる。

以上のように、ベンド部にくびれ部３ｂを設けた場合においても、くびれ部３ｂの長さを２０［μｍ］から１３０［μｍ］にすることで、アンダーブリッジ５を設けた箇所における特性インピーダンスの乱れを抑圧して、高周波数帯の反射特性や通過特性の劣化を抑制することができる。

図７は、図５に示したコプレーナ伝送線路において、くびれ部３ｂの長さＬに対する反射特性及び挿入特性の依存性を示すグラフである。同図において、横軸はくびれ部３ｂの長さを示し、縦軸は反射損失、挿入損失を示している。また、同図は、２５［ＧＨｚ］の信号をコプレーナ伝送線路に入力した場合を示している。

図７（ａ）に示すように、くびれ部３ｂの長さＬが０［μｍ］から６０［μｍ］までの区間において反射損失は減少し、長さＬが６０［μｍ］から１３０［μｍ］までの区間において反射損失は徐々に増加する。
また、図７（ｂ）に示すように、くびれ部３ｂの長さＬが０［μｍ］から２０［μｍ］の区間において挿入損失は増加し、長さＬが２０［μｍ］から８０［μｍ］までの区間において挿入損失はほぼ一定であり、長さＬが８０［μｍ］から１３０［μｍ］までの区間において挿入損失は減少する。

以上のように、２５［ＧＨｚ］の信号を伝送するコプレーナ伝送線路のベンド部にくびれ部３ｂを設けた場合においても、くびれ部３ｂの長さを２０［μｍ］から１３０［μｍ］にすることで、アンダーブリッジ５を設けた箇所における特性インピーダンスの乱れを抑圧して、高周波数帯の通過特性をほとんど劣化させずに、反射特性を改善することができる。

図８は、本発明のコプレーナ伝送線路を信号ライン３が９０°に曲がるベンド部分に適用した実施例２を示す概略図である。
本実施例では、同図に示すように、信号ライン３が９０°に曲がるベンド部分を含む区間の両端にアンダーブリッジ５を設け、信号ライン３を挟んで対抗するグランド４を電気的に接続している。また、信号ライン３において、２つのアンダーブリッジ５により挟まれている区間が、くびれ部３ｂになっている。

図９は、図８に示したコプレーナ伝送線路の反射特性と挿入特性とを示すグラフである。横軸は周波数を示し、縦軸は反射損失、挿入損失を示している。なお、シミュレーションの条件は、図３の場合と同じである。なお、「曲げベンド」はくびれ部３ｂを設けない場合を示し、「提案するベンド」はくびれ部３ｂを設けた場合を示している。

図９（ａ）に示すように、反射特性は、ベンド部においてくびれ部３ｂを設けることにより、同図に示す周波数帯域において全体的に改善することが分かる。
また、図９（ｂ）に示すように、通過特性は、０〜２０［ＧＨｚ］の帯域においてわずかに劣化するが、２０［ＧＨｚ］以上の帯域において改善すること分かる。

以上のように、コプレーナ伝送線路における不連続部分に、アンダーブリッジ５を設ける。更に、信号ライン３において、誘電体層２を平面視して、アンダーブリッジ５と交差する箇所を含むように他の箇所より線幅の狭いくびれ部３ｂを設けることにより、アンダーブリッジ５を設けた近傍の特性インピーダンスを変化させて高周波数帯における反射特性と通過特性との劣化を抑圧することができる。
また、アンダーブリッジは、エアブリッジに比べ、複雑な製造工程を省くことができるので、製造工程の増加を抑制することができる。

なお、上記の説明では、誘電体層２を平面視して、信号ライン３と、アンダーブリッジ５とが交差する箇所を、信号ライン３のくびれ部３ｂの中央付近、又は両端に設けている例を示した。しかし、これに限らずに、交差する箇所は、信号ライン３のくびれ部３のいずれの位置に設けてもよい。

１…絶縁体基板、２…誘電体層、３…信号ライン、３ｂ…くびれ部、４…グランド、５…アンダーブリッジ、６…ビア、９…エアブリッジ

Claims

誘電体層上に設けられている信号ラインと、該誘電体層に設けられたグランドであって該信号ラインの両側に該信号ラインから間隔を設けて配置された複数のグランドとを有するコプレーナ伝送線路と、
前記誘電体層の中に設けられるアンダーブリッジであって、前記複数のグランド同士を接続するアンダーブリッジと
を備え、
前記信号ラインには、前記誘電体層を平面視して、前記アンダーブリッジと交差する箇所を含むように他の箇所より線幅が狭いくびれ部が設けられている
ことを特徴とする高周波回路。
前記信号ラインに設けられているくびれ部の区間及び線幅は、前記コプレーナ伝送線路により伝送される信号の周波数帯域に応じて定められる
ことを特徴とする請求項１に記載の高周波回路。
前記アンダーブリッジは、前記コプレーナ伝送線路が不連続になる箇所を含む区間の両端に設けられている
ことを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載の高周波回路。