JP2013098743A - カプラ - Google Patents

Abstract

【課題】パターンサイズが小さく、結合強度の大きいカプラを提供すること。
【解決手段】複数の第1線路１２、１４が上下に積層されてなり、前記複数の第１線路のそれぞれ一端と他端が上下で電気的に接続された第１結合線路１０と、複数の第２線路２２、２４が上下に積層されてなり、前記複数の第２線路のそれぞれ一端と他端が上下で電気的に接続された第２結合線路２０と、を具備し、前記第１結合線路と前記第２結合線路とは、平行して配置されてなるカプラ。
【選択図】図２

Description

本発明は、カプラに関し、例えばスパイラル形状を有するカプラに関する。

例えば、９０°ハイブリッドにはラインカプラが用いられる。ラインカプラは、２つの結合線路を近接させ配置することにより、２つの結合線路を電磁結合させる。これにより、一方の結合線路を伝送する高周波信号が他方の結合線路に分配される。ラインカプラの近接した２つの結合線路の長さを高周波信号の波長λの１／４とすることにより、９０°ハイブリッドが実現できる。しかしながら、ラインカプラを用い９０°ハイブリッドを実現するには、２つの結合線路間の結合を強くするため、２つの結合線路の間隔を狭くすることとなる。これは、結合線路のレイアウトの観点から難しい場合がある。

ラインカプラの結合強度の問題を解決するため、２エキストラライン方式のカプラがある。しかしながら、２エキストラライン方式では、ボンディングワイヤが重なってしまう。ボンディングワイヤが重なる問題を解決するためランゲカプラが用いられている。また、特許文献１には、スパイラル形状を有するカプラが開示されている。

特開２０００−２２３９５４号公報

ランゲカプラは、λ／４ラインを２本、λ／２ラインを３本用いるため、パターンサイズが大きくなる。特許文献１に記載のカプラは、２本（結合線路１と結合線路２）のラインの線路結合のため、結合の強度を強めることが難しい。

本発明は、上記課題に間みなされたものであり、パターンサイズが小さく、結合強度の大きいカプラを提供することを目的とする。

本発明は、複数の第1線路が上下に積層されてなり、前記複数の第１線路のそれぞれ一端と他端が上下で電気的に接続された第１結合線路と、複数の第２線路が上下に積層されてなり、前記複数の第２線路のそれぞれ一端と他端が上下で電気的に接続された第２結合線路と、を具備し、前記第１結合線路と前記第２結合線路とは、平行して配置されてなることを特徴とするカプラである。本発明によれば、パターンサイズが小さく、結合強度の大きいカプラを提供することができる。

上記構成において、前記第１結合線路と前記第２結合線路の長さは、前記第１結合線路と前記第２結合線路とが電磁結合する高周波信号の１／４波長である構成とすることができる。

上記構成において、前記第１結合線路の一端および他端並びに前記第２結合線路の一端を入出力端とし、前記第２結合線路の他端が終端回路に接続されてなる構成とすることができる。

本発明は、第１スパイラル形状をなした複数の第1線路が上下に積層されてなり、前記複数の第１線路のうち、前記スパイラル形状の外側に位置する端部と内側に位置する端部が、それぞれ上下で電気的に接続された第１結合線路と、第２スパイラル形状をなした複数の第２線路が上下に積層されてなり、前記複数の第２線路のうち、前記スパイラル形状の外側に位置する端部と内側に位置する端部が、それぞれ上下で電気的に接続された第２結合線路と、を具備し、前記第１結合線路と前記第２結合線路とは、前記第１および第２スパイラル形状内で互いに平行して配置されてなることを特徴とするカプラである。本発明によれば、パターンサイズが小さく、結合強度の大きいカプラを提供することができる。

上記構成において、前記第１スパイラル形状と第２スパイラル形状とは、前記第１スパイラル形状および第２スパイラル形状の中心に対し点対称に配置されている構成とすることができる。

上記構成において、前記第１結合線路と前記第２結合線路とは長さが同じである構成とすることができる。

上記構成において、前記第１結合線路と前記第２結合線路との長さは、前記第１結合線路と前記第２結合線路とが電磁結合する高周波信号の１／４波長である構成とすることができる。

上記構成において、前記複数の第１線路は、前記第１スパイラル形状の内側に位置する端部または外側に位置する端部以外において互いに絶縁されており、前記複数の第２線路は、前記第２スパイラル形状の内側に位置する端部または外側に位置する端部以外において互いに絶縁されている構成とすることができる。

上記構成において、前記第１結合線路の一端および他端並びに前記第２結合線路の一端を入出力端とし、前記第２結合線路の他端が終端回路に接続されてなる構成とすることができる。

本発明によれば、パターンサイズが小さく、結合強度の大きいカプラを提供することができる。

図１（ａ）および図１（ｂ）は、それぞれ２エキストラライン方式カプラおよびランゲカプラの平面図である。 図２（ａ）から図２（ｃ）は、実施例１に係るカプラの図である。 図３は、実施例２に係るカプラの平面図である。 図４は、実施例２に係るカプラの一部の斜視図である。 図５は、実施例２に係るカプラの斜視図である。 図６は、実施例２のシミュレーション結果を示す図である。

まず、２エキストラライン方式カプラおよびランゲカプラについて説明する。図１（ａ）および図１（ｂ）は、それぞれ２エキストラライン方式カプラおよびランゲカプラの平面図である。図１（ａ）に示すように、２エキストラライン方式カプラは、２つの結合線路５０および５２とエキストラ線路５４および５６とを備えている。結合線路５０は、ポートＰ１とＰ２との間に設けられている。結合線路５２は、ポートＰ４とＰ３との間に設けられている。エキストラ線路５４および５６は、それぞれ結合線路５０および５２の外側に設けられている。結合線路５０とエキストラ線路５６の端同士がボンディングワイヤにより電気的に接続されている。結合線路５２とエキストラ線路５４の端同士がボンディングワイヤ５８により電気的に接続されている。各線路間の距離を設定することにより、ポートＰ１から入力した高周波信号が、ポートＰ２とＰ４に等分配され出力される。各線路の長さを高周波信号の波長λの１／４とすることにより、ポート２とＰ４とから出力される高周波信号の位相差は９０°となる。２エキストラライン方式カプラは、エキストラ線路５４および５６を設けることにより、結合線路５０および５２間の結合強度を大きくできる。しかしながら、２エキストラライン方式カプラにおいては、ボンディングワイヤ５８が重なってしまう。

図１（ｂ）に示すように、ランゲカプラは、ポートＰ１とＰ２との間にλ／２線路６０、ポートＰ３に接続されたλ／２線路６２、ポートＰ４に接続されたλ／２線路６４、ポートＰ１に接続されたλ／４線路６６およびポートＰ２に接続されたλ／４線路６８を備えている。λ／２線路６２と６４の端同士がボンディングワイヤ６９により電気的に接続され、λ／２線路６０の中央とλ／４線路６６および６８の端とがボンディングワイヤ６９により電気的に接続されている。ランゲカプラは、ボンディングワイヤ６９が重なることがないためよく用いられている。

しかしながら、ランゲカプラは、λ／２線路を３本、λ／４線路を２本有するためパターンサイズが大きくなってしまう。以下に、パターンサイズが小さくかつ結合強度の大きいカプラの実施例を説明する。

図２（ａ）から図２（ｃ）は、実施例１に係るカプラの図である。図２（ａ）は、平面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ断面図、図２（ｃ）は、図２（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。ポートＰ１から入力した高周波信号が、ポートＰ２とＰ４に等分配され出力される。各線路の長さを高周波信号の波長λの１／４とすることにより、ポートＰ２とＰ４とから出力される高周波信号の位相差は９０°となる。ポートＰ３は、５０Ω抵抗Ｒにて終端される終端回路４２に接続される。図２（ａ）に示すように、第１結合線路１０と第２結合線路２０とが近接して設けられている。第１結合線路１０とポートＰ１との間、第１結合線路１０とポートＰ２との間は線路１１により電気的に接続されている。第２結合線路２０とポートＰ４との間、第２結合線路２０とポートＰ３との間は線路２１により電気的に接続されている。

図２（ｂ）および図２（ｃ）のように、例えばＳｉＣからなる基板３０上に、例えばポリイミドからなる絶縁膜３２が形成されている。絶縁膜３２上に、例えばＡｕ、ＡｌまたはＣｕ等の金属からなる第１線路１２および第２線路２２が形成されている。第１線路１２および第２線路２２を覆うように絶縁膜３２上に例えばポリイミドからなる絶縁膜３４が形成されている。絶縁膜３４上に例えばＡｕ、ＡｌまたはＣｕ等の金属からなる第１線路１４および第２線路２４が形成されている。第１線路１４および第２線路２４を覆うように絶縁膜３４上に例えばポリイミドからなる絶縁膜３６が形成されている。絶縁膜３４内には、上下に貫通するビア金属１６、１８、２６および２８が形成されている。ビア金属１６、１８、２６および２８は、例えばＡｕ、ＡｌまたはＣｕ等の金属からなる。第１線路１２と１４との一端において、第１線路１２と１４とはビア金属１６により電気的に接続されている。第１線路１２と１４との他端において、第１線路１２と１４とはビア金属１８により電気的に接続されている。同様に、第２線路２２と２４の両端において、第２線路２２と２４とはそれぞれビア金属２６および２８により電気的に接続されている。各線路の両端以外においては、各線路間は絶縁されている。

なお、基板３０上には例えば窒化物半導体層が形成されていてもよい。また、窒化物半導体層を用いたトランジスタ等の半導体素子が形成されていてもよい。窒化物半導体とは、例えば、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧＡＮ。ＩｎＡｌＮである。基板３０はＳｉＣ以外にもＳｉ、サファイアまたはＧａＮ等を用いることができる。さらに、基板３０はＧａＡｓ等の半導体基板でもよい。さらに、基板３０は、セラミックスまたは樹脂等の絶縁性基板でもよい。

図２（ａ）から図２（ｃ）の第１線路１２および第２線路２２は、図１のそれぞれ結合線路５０および結合線路５２に相当する。第１線路１４および第２線路２４は、図１のそれぞれエキストラ線路５６および５４に相当する。このように、図２（ａ）から図２（ｃ）に模式的に示したカプラは２エキストラライン方式カプラに相当する。これにより、第１結合線路１０と第２結合線路２０との電磁結合を強くすることができる。さらに、ランゲカプラのように、大きなパターンサイズを要しない。

図３は、実施例２に係るカプラの平面図である。図４は、実施例２に係るカプラの一部の斜視図である。図５は、実施例２に係るカプラの斜視図である。図４および図５において絶縁膜は図示していない。図４においては、一層目の線路を図示し、第１線路１２と第２線路２２を異なるハッチングを用い図示している。図４においては、一層目と二層目の線路を図示し、第１線路１２と１４とを異なるハッチングを用い図示し、第２線路２２と２４とを白抜きを用い図示している。

図３から図５に示すように、第１結合線路１０および第２結合線路２０は、それぞれ第１スパイラル形状および第２スパイラル形状を有している。第１結合線路１０は、図２（ａ）から図２（ｃ）のように、複数の第１線路１２および１４が上下に積層されている。第１スパイラル形状の内側に位置する端部（以下内端という）と外側に位置する端部（以下外端という）とにおいて複数の第１線路１２および１４が電気的に接続されている。第２結合線路２０は、複数の第２線路２２および２４が上下に積層されている。第２スパイラル形状の内端と外端とにおいて複数の第２線路２２および２４が電気的に接続されている。第１結合線路１０と第２結合線路２０とは、第１スパイラル形状および第２スパイラル形状内に互いに平行して配置されている。

第１結合線路１０の外端および内端はそれぞれポートＰ１およびポートＰ２に電気的に接続されている。第２結合線路２０の外端および内端はそれぞれポートＰ４およびポートＰ３に電気的に接続されている。第１結合線路１０の内端とポートＰ２、および第２結合線路２０と内端とポートＰ３とは、例えば第１線路１２、１４および第２線路２２、２４を形成する配線とは別の層の配線を用い電気的に接続されている。

第１スパイラル形状と第２スパイラル形状とは、第１スパイラル形状および第２スパイラル形状の中心４０に対し点対称である。これにより、第１結合線路１０と第２結合線路２０とが交互に配置される。さらに、第１結合線路１０におけるポートＰ１からＰ２への方向と、第２結合線路２０におけるポートＰ４からＰ３への方向とが同じ方向であり、第１結合線路１０と第２結合線路２０とが平行して配置されている。これにより、第１結合線路１０と第２結合線路２０との電磁結合を強固にすることができる。

また、図示しないが、ポートＰ２はポートＰ４と平行にポートＰ４側に引き出す線路に接続されている。このためには、たとえば線路１１の下層の配線レイヤを使用すればよい。また、同様に図示しないが、ポートＰ３は図２（ａ）と同様に終端回路に接続されている。終端回路は５０Ωの終端抵抗を介して接地された回路である。終端抵抗は、例えばスパイラルの中心に位置する下層に設けておくことができる。この終端抵抗の一端をビアホールを通じてポートＰ３と接続し、他端を接地電位に接続する。終端抵抗としては、半導体エピタキシャル層からなるエピタキシャル抵抗を利用することができる。また接地電位としては、基板裏面の接地電位が利用できる。基板裏面の接地電位は、ビアホールを通じて基板表面側に引き出し、これを終端抵抗の前記他端に接続すればよい。

実施例２に係るカプラのシミュレーションを行った。シミュレーションに用いたパラメータは以下である。スパイラル形状のサイズＬ１およびＬ２を２６２．５μｍ、第１線路１２および１４の幅Ｗ１を１０μｍ、第２線路２２および２４の幅Ｗ２を１０μm、第１線路と第２線路との間隔Ｗ１２を１２．５μｍとした。基板３０を膜厚が７５μｍのＧａＡｓ、第１線路１２、１４および第２線路２２、２４をそれぞれ膜厚が３μｍのＡｕとした。第１線路１２と１４との間、および第２線路２２と２４との間を膜厚が３μｍのポリイミドとした。

図６は、実施例２のシミュレーション結果を示す図である。Ｓ２１、Ｓ３１およびＳ４１は、それぞれ、ポートＰ１からＰ２、ポートＰ１からＰ３、およびポートＰ１からＰ４に通過する信号を示している。横軸は、信号の周波数、縦軸は、信号の大きさおよび位相を示している。図６に示すように、Ｓ２１とＳ４１とは、２２ＧＨｚから３２ＧＨｚの周波数において大きさがほぼ一致している。また、Ｓ２１とＳ４１との位相差はほぼ９０°である。このように、ポートＰ１に入力した高周波信号は、ポートＰ２とポートＰ４とに当分配され、かつ位相差が９０°である。すなわち、実施例１のカプラは、９０°ハイブリット回路を構成している。さらに、Ｓ３１の大きさは−１０ｄＢ以下であり、ポートＰ１とＰ３とは十分アイソレートされている。

以上のように、実施例１によれば、第１結合線路１０は、複数の第１線路１２および１４が上下に積層され、第１結合線路１０の両端において複数の第１線路１２および１４が電気的に接続されている。すなわち、複数の第１線路１２および１４のそれぞれ一端と他端が上下で電気的に接続されている。同様に、第２結合線路２０は、複数の第２線路２２および２４が上下に積層され、第２結合線路２０の両端において複数の第２線路２２および２４が電気的に接続されている。第１結合線路１０と第２結合線路２０とは平行して配置してなる。これにより、図２（ａ）において説明したように、２エキストラライン方式カプラに相当する構成を実現でき、第１結合線路１０と第２結合線路２０との電磁結合を大きくできる。

さらに、実施例２のように、第１結合線路１０と第２結合線路２０とをスパイラル形状とすることにより、カプラをより小型化することができる。

さらに、実施例２の図３のように、第１スパイラル形状および第２スパイラル形状において、第１スパイラル形状の外端から内端に向かう方向と、第２スパイラル形状の外端から内端に向かう方向と、が同じ方向となるように、第１結合線路１０と第２結合線路２０とが交互に配置されている。例えば、図３において、最も左側の線路は、第１結合線路１０であり、外端から内端に向かう方向は、下から上方向である。次に左側の線路は、第２結合線路２０であり、外端から内端に向かう方向は、下から上方向である。さらに、左側から３番目の線路は、第１結合線路１０であり、外端から内端に向かう方向は、下から上方向である。このように、第１結合線路１０と第２結合線路２０とは交互に配置されている。さらに、外端から内端に向かう方向は、第１結合線路１０と第２結合線路２０とで同じ方向である。これにより、第１結合線路１０と第２結合線路２０との電磁結合をさらに大きくし、かつパターンサイズを小さくできる。

さらに、第１スパイラル形状と第２スパイラル形状とは、第１スパイラル形状および第２スパイラル形状の中心４０に対し点対称に配置されることが好ましい。これにより、第１結合線路１０と第２接合線路２０のそれぞれの線路長を同じにすることができる。

さらに、第１結合線路１０と第２結合線路２０とは長さが同じであることが好ましい。これにより、第１結合線路１０と第２接合線路２０の周波数特性をそろえることができる。また、第１結合線路１０と第２結合線路２０との長さは、第１結合線路１０と第２結合線路２０とが電磁結合する高周波信号の１／４波長であることが好ましい。さらに、第１結合線路１０と第２結合線路２０との幅は同じであることが好ましい。これにより。９０°ハイブリッド回路の特性を向上できる。

複数の第１線路１２、１４は、第１スパイラル形状の内端または外端以外において互いに絶縁されており、複数の第２線路２２、２４は、第２スパイラル形状の内端または外端以外において互いに絶縁されていることが好ましい。

複数の第１線路および複数の第２線路の例として、それぞれ２層の場合を例に説明したが、第１線路および第２線路は、それぞれ３層以上積層されていてもよい。しかしながら、製造上の容易性等を考慮すると、第１線路および第２線路は、２層であることが好ましい。

以上のように、実施例１および実施例２に係るカプラは、第１結合線路１０の一端（ポートＰ１）および他端（ポートＰ２）並びに第２結合線路２０の一端（ポートＰ４）を入出力端としている。第２結合線路２０の他端（ポートＰ３）が終端回路４２に接続されている。これにより、９０°ハイブリッド回路を構成することができる。なお、第２結合線路２０のポートＰ４に終端回路４２が接続され、ポートＰ３が入出力端でもよい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ 第１結合線路
１２、１４ 第１線路
２０ 第２結合線路
２２、２４ 第２線路

Claims (9)

1. 複数の第1線路が上下に積層されてなり、前記複数の第１線路のそれぞれ一端と他端が上下で電気的に接続された第１結合線路と、
   複数の第２線路が上下に積層されてなり、前記複数の第２線路のそれぞれ一端と他端が上下で電気的に接続された第２結合線路と、
   を具備し、
   前記第１結合線路と前記第２結合線路とは、平行して配置されてなることを特徴とするカプラ。
2. 前記第１結合線路と前記第２結合線路の長さは、前記第１結合線路と前記第２結合線路とが電磁結合する高周波信号の１／４波長であることを特徴とする請求項２記載のカプラ。
3. 前記第１結合線路の一端および他端並びに前記第２結合線路の一端を入出力端とし、前記第２結合線路の他端が終端回路に接続されてなることを特徴とする請求項１または２記載のカプラ
4. 第１スパイラル形状をなした複数の第1線路が上下に積層されてなり、前記複数の第１線路のうち、前記スパイラル形状の外側に位置する端部と内側に位置する端部が、それぞれ上下で電気的に接続された第１結合線路と、
   第２スパイラル形状をなした複数の第２線路が上下に積層されてなり、前記複数の第２線路のうち、前記スパイラル形状の外側に位置する端部と内側に位置する端部が、それぞれ上下で電気的に接続された第２結合線路と、
   を具備し、
   前記第１結合線路と前記第２結合線路とは、前記第１および第２スパイラル形状内で互いに平行して配置されてなることを特徴とするカプラ。
5. 前記第１スパイラル形状と第２スパイラル形状とは、前記第１スパイラル形状および第２スパイラル形状の中心に対し点対称に配置されていることを特徴とする請求項４記載のカプラ。
6. 前記第１結合線路と前記第２結合線路とは長さが同じであることを特徴とする請求項４または５記載のカプラ。
7. 前記第１結合線路と前記第２結合線路の長さは、前記第１結合線路と前記第２結合線路とが電磁結合する高周波信号の１／４波長であることを特徴とする請求項６記載のカプラ。
8. 前記複数の第１線路は、前記第１スパイラル形状の内側に位置する端部または外側に位置する端部以外において互いに絶縁されており、
   前記複数の第２線路は、前記第２スパイラル形状の内側に位置する端部または外側に位置する端部以外において互いに絶縁されていることを特徴とする請求項４から７のいずれか一項記載のカプラ。
9. 前記第１結合線路の一端および他端並びに前記第２結合線路の一端を入出力端とし、前記第２結合線路の他端が終端回路に接続されてなることを特徴とする請求項４から８記載のカプラ

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