JP2017098654A - インピーダンス変換器 - Google Patents

Abstract

【課題】線路密度の向上と線路間のクロストークノイズの低減とを両立させる。
【解決手段】インピーダンス変換器は、誘電体基板１０の裏面に形成されたグランド層１２と、誘電体基板１１の表面に形成されたグランド層１４と、グランド層１２とグランド層１４との間の誘電体基板１０，１１中に形成されたストリップ線路１３とを備える。グランド層１４には、ストリップ線路１３の信号伝搬方向に沿って幅が漸次変化する平面視テーパー形状のギャップ１５が設けられている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、半導体高周波モジュールにおけるインピーダンス変換器に関するものである。

高周波回路に用いられる伝送線路として、マイクロストリップラインが使用されている。マイクロストリップラインは、誘電体基板の一方の面に平面的な導電体層のグランド面を形成し、他方の面にストリップ状の線路（ストリップ線路）を形成して伝送線路を構成している。このマイクロストリップラインの特性インピーダンスは、ストリップ線路の幅と厚さ、および誘電体基板の誘電率と厚さによって決定される。

高周波回路に、例えば、ある一定のインピーダンスを有する負荷回路や信号源を接続する場合、これらの接続部分で電力や信号を効率よく伝達させるために、高周波回路と負荷回路や信号源との特性インピーダンスを整合させる必要がある。このインピーダンス整合を行わせるため、マイクロストリップラインの両端で特性インピーダンスが異なるように形成したインピーダンス変換器が用いられる（非特許文献１参照）。

図１２（Ａ）は従来のインピーダンス変換器の構造を示す平面図、図１２（Ｂ）は図１２（Ａ）のインピーダンス変換器のＡ−Ａ’線断面図、図１２（Ｃ）は図１２（Ａ）のインピーダンス変換器のＢ−Ｂ’線断面図である。伝送線路によるインピーダンス変換器は、高周波帯での急激なインピーダンス変化による伝送特性の劣化を防ぐため、図１２（Ａ）〜図１２（Ｃ）に示すようにストリップ線路１０２の幅を徐々に変化させることにより、マイクロストリップラインの特性インピーダンスを所望のインピーダンスに変換するようにしていた。図１２（Ａ）〜図１２（Ｃ）における１００は誘電体基板、１０１はグランド層である。

P.Pramanick，et al.，"Tapered Microstrip Transmission Lines"，IEEE MTT-S Int.Microw.Symp.Dig.，vol.1983，pp.242-244，1983

近年、半導体高周波モジュールの信号数の増大と基板接続パッドの微細化が進んでいる。すなわち、半導体高周波モジュールの高機能化のために半導体高周波モジュールから入出力される信号が増加しているが、半導体高周波モジュールの高機能化・低コスト化のためには外形サイズを小さくする必要があるため、基板接続パッドとパッド間隔の微細化が進行している。その結果、半導体高周波モジュールと接続する配線基板において、高密度で多信号を引き回せる伝送線路や、伝送線路によって高周波特性を維持したままインピーダンス変換を行うインピーダンス変換器の実現が求められている。

伝送線路によって高周波特性を維持したままインピーダンス変換を行う場合、従来技術では、線路幅をテーパー形状で徐々に変化させている。しかし、図１３（Ａ）に示すように、ストリップ線路１０２の間隔を十分に確保しようとすると、基板接続パッド１０３の間隔ｄ１も大きくなって、インピーダンス変換器のサイズが大きくなるという問題点があった。また、図１３（Ｂ）に示すように、ストリップ線路１０２の幅が大きくなってストリップ線路１０２の間隔ｄ２が小さくなると、ストリップ線路１０２間のクロストークノイズが大きくなるという問題点があった。

ストリップ線路１０２間のクロストークノイズは、一方のストリップ線路１０２によって信号パルスが伝送されたとき、他方のストリップ線路１０２の電子を変位させることにより生じるものである。このため、ストリップ線路１０２の間隔が小さくなればなる程、他方のストリップ線路１０２の電子の変位量も大きくなり、クロストークノイズも大きくなっていく。以上のように、従来のインピーダンス変換器では、線路密度の向上と線路間のクロストークノイズの低減とを両立させることが難しく、高密度実装に適用することが困難であった。

本発明は、線路密度の向上と線路間のクロストークノイズの低減とを両立させることができるインピーダンス変換器を提供することを目的とする。

本発明のインピーダンス変換器は、誘電体基板の裏面に形成された第１のグランド層と、前記誘電体基板の表面に形成された第２のグランド層と、前記第１のグランド層と前記第２のグランド層との間の誘電体基板中に形成されたストリップ線路とを備え、前記第２のグランド層に、前記ストリップ線路の信号伝搬方向に沿って幅が漸次変化する平面視テーパー形状のギャップが設けられていることを特徴とするものである。
また、本発明のインピーダンス変換器の１構成例は、さらに、前記ストリップ線路と前記第１のグランド層との間の誘電体基板中に形成された第３のグランド層を備え、前記第３のグランド層に、前記ストリップ線路の信号伝搬方向に沿って幅が漸次変化する平面視テーパー形状のギャップが設けられていることを特徴とするものである。

また、本発明のインピーダンス変換器の１構成例は、信号伝搬方向に沿った前記ストリップ線路の中心線の水平位置と前記第２のグランド層のギャップの中心線の水平位置とが一致することを特徴とするものである。
また、本発明のインピーダンス変換器の１構成例は、複数本の前記ストリップ線路が設けられ、各ストリップ線路の上にそれぞれ前記第２のグランド層のギャップが設けられていることを特徴とするものである。
また、本発明のインピーダンス変換器の１構成例は、信号伝搬方向に沿った前記ストリップ線路の中心線の水平位置と前記第２のグランド層のギャップの中心線の水平位置と前記第３のグランド層のギャップの中心線の水平位置とが一致することを特徴とするものである。
また、本発明のインピーダンス変換器の１構成例は、複数本の前記ストリップ線路が設けられ、各ストリップ線路の上にそれぞれ前記第２のグランド層のギャップが設けられ、各ストリップ線路の下にそれぞれ前記第３のグランド層のギャップが設けられていることを特徴とするものである。

本発明によれば、ストリップ線路と第１のグランド層の上方の誘電体基板の表面に第２のグランド層を形成し、第２のグランド層に、ストリップ線路の信号伝搬方向に沿って幅が漸次変化する平面視テーパー形状のギャップを設けることにより、従来と同程度の量にクロストークノイズを抑えたまま、ストリップ線路の間隔を微細化することができ、線路密度の向上と線路間のクロストークノイズの低減とを両立させることができるので、高密度実装に適用可能なインピーダンス変換器を実現することができる。

また、本発明では、ストリップ線路と第１のグランド層との間の誘電体基板中に第３のグランド層を設け、第３のグランド層に、ストリップ線路の信号伝搬方向に沿って幅が漸次変化する平面視テーパー形状のギャップを設けることにより、特性インピーダンスを更に広範囲で変化させることが可能なインピーダンス変換器を実現することができる。また、本発明では、線路間のクロストークノイズを更に低減することができる。

本発明のインピーダンス変換器の原理を説明する平面図である。 本発明の第１の実施の形態に係るインピーダンス変換器の構造を示す平面図および断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係るインピーダンス変換器および従来のインピーダンス変換器の特性インピーダンスを示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係るインピーダンス変換器のグランド層のギャップについて説明する断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係るインピーダンス変換器の特性インピーダンスとグランド層のギャップの幅との関係を示す図である。 電磁界シミュレータによるマイクロストリップラインのモデルを示す図である。 本発明の実施の形態に係るインピーダンス変換器および従来のインピーダンス変換器のバックワード・クロストークのシミュレーション結果を示す図である。 本発明の実施の形態に係るインピーダンス変換器および従来のインピーダンス変換器のフォワード・クロストークのシミュレーション結果を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係るインピーダンス変換器の構造を示す平面図および断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係るインピーダンス変換器の他の構造を示す平面図および断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係るインピーダンス変換器の他の構造を示す平面図および断面図である。 従来のインピーダンス変換器の構造を示す平面図および断面図である。 従来のインピーダンス変換器の問題点を説明する平面図である。

［発明の原理］
本発明では、一方の面に第１のグランド層（不図示）を備えた誘電体基板１０の他の面に線状のストリップ線路１３を形成するマイクロストリップラインにおいて、線状のストリップ線路１３の上に、もう１つの誘電体基板１１を介して第２のグランド層１４を設け、この第２のグランド層１４の形状をテーパー状にすることにより、マイクロストリップラインからストリップライン（またはストリップラインからマイクロストリップライン）に徐々に変える形態をとる。

このような形態により、ストリップ線路１３の幅を一定に維持したまま、マイクロストリップラインの特性インピーダンスを連続的に変化させることを可能にする。図１における１５はグランド層１４に設けられるテーパー形状の切欠き領域であるギャップ、１６はストリップ線路１３と電気的に繋がるように設けられる外部接続用の基板接続パッドである。

マイクロストリップラインにおいては、ストリップ線路とグランド層との距離が小さくなると、特性インピーダンスは小さくなる。従来構成で特性インピーダンスを小さくするためには、ストリップ線路の幅を大きくする必要があり、パッド間隔の微細化と線路密度の向上とを両立させる必要がある高密度実装に適応することが困難であった。これに対して、本発明では、ストリップ線路１３の幅を大きくすることなく、ストリップ線路１３の入力部分の特性インピーダンスと出力部分の特性インピーダンスとが異なるインピーダンス変換器を実現することができる。

また、本発明では、ストリップ線路１３と第１のグランド層以外に第２のグランド層１４が加わることにより、ストリップ線路１３間に発生する電場よりもストリップ線路１３と上下のグランド層との間に発生する電場の方が大きくなる。そのため、一方のストリップ線路１３から発生する電場が、このストリップ線路１３の直上および直下に存在するグランド層によって、これらのグランド層の存在する方向に偏向し、他方のストリップ線路１３の方向に伝わる電場が抑制される。したがって、本発明では、線路間のクロストークノイズを低減する効果を、インピーダンス変換機能と同時に、また線路密度を低下させることなく得ることができる。

インピーダンス変換器において、ストリップ線路とグランド層との距離を変化させる技術としては、例えば特開２０１３−２５１８６３号公報に記載のものが知られている。しかし、この特開２０１３−２５１８６３号公報に記載のインピーダンス変換器は、グランド層を傾斜させる三次元構造であるため、製造プロセスが現実には難しく、実用化が困難であった。本発明のインピーダンス変換器においては、２次元的な構造の積層のみでインピーダンス変換を実現できることから、製造プロセスも簡単であり、実用化・低コスト化が可能となる。

したがって、本発明によれば、ストリップ線路の幅を変化させずにマイクロストリップラインの特性インピーダンスを調整することが可能になり、パッド間隔の微細化、線路密度の向上と線路間のクロストークノイズの低減とを両立する、高密度実装に適用可能なインピーダンス変換器を形成することができる。

［第１の実施の形態］
以下、図面を参照して本発明の実施の形態につき説明する。図２（Ａ）は本発明の第１の実施の形態に係るインピーダンス変換器の構造を示す平面図、図２（Ｂ）は図２（Ａ）のインピーダンス変換器のＡ−Ａ’線断面図、図２（Ｃ）は図２（Ａ）のインピーダンス変換器のＢ−Ｂ’線断面図、図２（Ｄ）は図２（Ａ）のインピーダンス変換器のＣ−Ｃ’線断面図である。

これらの図において、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）等からなる誘電体基板１０の一方の面にはＡｕ等の導電体部材からなる板状の第１のグランド層１２が形成されており、他方の面には同じく導電体部材からなる帯状のストリップ線路１３がグランド層１２と平行になるように形成されている。また、誘電体基板１０の上には、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）等からなる誘電体基板１１が形成され、この誘電体基板１１の表面には、ストリップ線路１３およびグランド層１２と平行になるように導電体部材からなる第２のグランド層１４が形成されている。誘電体基板１１上のグランド層１４が無い領域からグランド層１４が有る領域に切り替わる箇所のグランド層１４の端部は、平面視テーパー形状に加工されている。

ここで、本実施の形態では、インピーダンス変換器の信号伝搬方向（ストリップ線路１３の長さ方向であり、図２（Ａ）左右方向）と垂直な方向（図２（Ｂ）〜図２（Ｄ）左右方向）におけるグランド層１４のギャップ１５の幅をａとする。グランド層１４で挟まれたギャップ１５の領域は、通常、気体（空気）で満たされる。本実施の形態のテーパー形状とは、信号伝搬方向に沿ってギャップ１５の幅ａが漸次変化する形状を言う。そして、テーパー形状は、信号伝搬方向に沿ったストリップ線路１３の中心線Ｌ１の水平位置（図２（Ｂ）〜図２（Ｄ）の左右方向の位置）とテーパー形状の中心線（ギャップ１５の中心線）Ｌ２の水平位置とが一致するように配置される。

なお、図１に示した基板接続パッド１６を誘電体基板１１の表面に形成する場合には、ストリップ線路１３と基板接続パッド１６とを接続するビアを誘電体基板１１に設けることになる。

本実施の形態のインピーダンス変換器の一端（入力側）は入力インピーダンスＺｉを有し、他端（出力側）は出力インピーダンスＺｏを有するものとする（Ｚｉ＞Ｚｏ）。図２（Ａ）の例では左端が入力側、右端が出力側となっている。誘電体基板１１の上面に、図２（Ａ）のような平面視テーパー形状のグランド層１４を形成することにより、入力側から出力側に向かうに従ってストリップ線路１３とグランド層１４との距離が徐々に小さくなっている。

つまり、入力側ではストリップ線路１３の直上にグランド層１４が無いため、ストリップ線路１３とグランド層１４との距離が遠いが、出力側ではストリップ線路１３の直上にグランド層１４が有るため、ストリップ線路１３とグランド層１４との距離が近くなる。入力側と出力側の途中では、グランド層１４の平面形状変化に従ってストリップ線路１３とグランド層１４との距離が徐々に小さくなっていき、これにより特性インピーダンスもＺｉからＺｏへと徐々に小さくなっていく。

極板間隔が極板の一辺の長さに比べて極めて小さい平行板コンデンサーでは、極板間の電場（電界）が一様とみなせ、このとき並列静電容量Ｃは極板面積Ｓに比例し、極板間隔ｄに反比例する。

式（１）におけるεは誘電率である。マイクロストリップラインのストリップ線路とグランド層間の距離ｄが小さくなると、並列静電容量Ｃは式（１）で規定される値よりも大きくなる。また、マイクロストリップラインの特性インピーダンスＺ₀は式（２）で表される。

ここで、Ｒはストリップ線路の単位長あたりの直列抵抗（Ω）、Ｌはストリップ線路の単位長あたりの直列インダクタンス（Ｈ）、Ｇはストリップ線路の単位長あたりの並列コンダクタンス（Ｓ）、Ｃはストリップ線路の単位長あたりの並列静電容量（Ｆ）である。式（１）および式（２）より、ストリップ線路とグランド層間距離が小さくなると特性インピーダンスが小さくなるので、本実施の形態によるマイクロストリップラインは、上記のとおり入力側で特性インピーダンスが大きく、出力側で特性インピーダンスが小さくなるようなインピーダンス変換器を形成する。したがって、ストリップ線路１３とグランド層１２，１４の距離を適切に選択することにより、所望のインピーダンス変換特性を得ることができる。

ストリップ線路１３とグランド層１２，１４の材料としてＡｕ（金）を使用し、誘電体基板１０，１１としてベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）基板（誘電率εｒ＝２．７）を用いた、線路長３００μｍのインピーダンス変換器の出力側の特性インピーダンスＺ₀を図３に示す。図３の３００は図１２（Ａ）〜図１２（Ｃ）に示した従来のインピーダンス変換器の出力側の特性インピーダンスＺ₀を示し、３０１は本実施の形態のインピーダンス変換器の出力側の特性インピーダンスＺ₀を示している。

ここでは、従来のインピーダンス変換器の入力側のストリップ線路幅を４μｍに固定し、出力側のストリップ線路幅をＷμｍとした。本実施の形態のインピーダンス変換器のストリップ線路１３の幅は入力側、出力側共に４μｍに固定した。また、従来のインピーダンス変換器のストリップ線路１０２とグランド層１０１間の距離は２．１μｍ、本実施の形態のインピーダンス変換器のストリップ線路１３とグランド層１４間の距離は１．０μｍ、ストリップ線路１３とグランド層１２間の距離は４．０μｍとした。

従来のインピーダンス変換器において、出力側のストリップ線路幅Ｗを４μｍから１２μｍまで大きくしていくと、出力側の特性インピーダンスは９０Ωから３８Ωまで小さくなる。一方、本実施の形態では、ストリップ線路幅を変えることなく、出力側の特性インピーダンスを８８Ωから３９Ωまで変えることができることが分かる。

シミュレーションでは、図４に示すように本実施の形態のインピーダンス変換器の信号伝搬方向と垂直な方向（図４左右方向）におけるグランド層１４のギャップ１５の幅ａをパラメータとしている。モデルの線路幅方向の長さは４４μｍである。これにより、ａの値は０〜４４μｍの範囲で変化し、ａ＝４４μｍの時、グランド層１４が無い場合となる。図３の例では、本実施の形態のインピーダンス変換器の出力側の特性インピーダンスが８８Ωのとき、ａ＝４４μｍであり、特性インピーダンスが３９Ωのとき、ａ＝０μｍである。

図５（Ａ）に本実施の形態のインピーダンス変換器の特性インピーダンスＺ₀とグランド層１４のギャップ１５の幅ａとの関係を示す。図５（Ｂ）は図５（Ａ）の破線部を拡大した図である。上記のとおり、ａ＝４４μｍのときはグランド層１４が全く無い場合であり、ａ＝０μｍのときはストリップ線路１３の直上にグランド層１４が有ってギャップ１５が無い場合である。図５（Ａ）、図５（Ｂ）より、ギャップ１５の幅ａの値が４４μｍから０μｍまで変化すると、インピーダンス変換器の特性インピーダンスＺ₀は８８Ωから３９Ωまで変化することが分かる。

次に、従来のインピーダンス変換器と本実施の形態のインピーダンス変換器について、クロストーク量を比較してみる。図６（Ａ）〜図６（Ｄ）はソネット技研製の電磁界シミュレータＳｏｎｎｅｔ（登録商標）によるマイクロストリップラインのモデルを示す図である。図６（Ａ）は従来のインピーダンス変換器のモデルの断面図、図６（Ｂ）は従来のインピーダンス変換器のモデルの斜視図、図６（Ｃ）は本実施の形態のインピーダンス変換器のモデルの断面図、図６（Ｄ）は本実施の形態のインピーダンス変換器のモデルの斜視図である。ただし、ここでは、ストリップ線路１０２，１３の幅一定（本実施の形態の場合にはギャップ１５の幅ａ＝０μｍ）のマイクロストリップラインの場合について信号クロストークを評価している。

クロストーク量を比較するため、従来および本実施の形態共に２本のストリップ線路間の距離ｂを８μｍに固定し、ストリップ線路１０２，１３の厚さｔを１μｍに固定し、特性インピーダンスＺ₀を５０Ωに揃えた。図６（Ａ）、図６（Ｂ）に示した従来のインピーダンス変換器のストリップ線路１０２の幅Ｗを１０μｍ、ストリップ線路１０２とグランド層１０１間の距離ｈ１を２．１μｍとした。また、図６（Ｃ）、図６（Ｄ）に示した本実施の形態のインピーダンス変換器のストリップ線路１３の幅Ｗを３μｍ、ストリップ線路１３とグランド層１４間の距離ｈ２を１．０μｍ、ストリップ線路１３とグランド層１２間の距離ｈ３を４．０μｍとした。

図６（Ｂ）、図６（Ｄ）のようにポート番号を設定したとき、Ｓパラメータの結果を調べることで、クロストーク量を直接評価できる。ポートｐ１は従来のインピーダンス変換器において平行に設けられた２本のストリップ線路１０２のうち、一方のストリップ線路１０２の入力ポート、ポートｐ２は一方のストリップ線路１０２の出力ポート、ポートｐ３は他方のストリップ線路１０２の入力ポート、ポートｐ４は他方のストリップ線路１０２の出力ポートである。本実施の形態のインピーダンス変換器において平行に設けられた２本のストリップ線路１３についても、ポート番号の設定は同様である。

Ｓ３１はポートｐ１に信号を与えたときにポートｐ３に現れる電圧との比率であり、バックワード（近端）・クロストークを表す。また、Ｓ４１はポートｐ１とポートｐ４の電圧比であり、フォワード（遠端）・クロストークを表す。図７、図８はそれぞれＳ３１、Ｓ４１のシミュレーション結果を示す図であり、差異を分かりやすくするため、デシベル表示にしている。図７の７０は従来のインピーダンス変換器のバックワード・クロストークを示し、７１は本実施の形態のインピーダンス変換器のバックワード・クロストークを示している。また、図８の８０は従来のインピーダンス変換器のフォワード・クロストークを示し、８１は本実施の形態のインピーダンス変換器のフォワード・クロストークを示している。

図７によれば、本実施の形態のインピーダンス変換器のバックワード・クロストークは、従来のものより１０ＧＨｚ〜１００ＧＨｚまでの広範囲において１３〜２２ｄＢ小さいことが分かる。また、図８によれば、本実施の形態のインピーダンス変換器のフォワード・クロストークは従来のものより１０ＧＨｚ〜１００ＧＨｚまでの広範囲において１０〜２３ｄＢ小さいことが分かる。

以上のように、本実施の形態によれば、ストリップ線路１３の幅を変化させなくても、グランド層１４の平面形状を、マイクロストリップラインの入力側と出力側で異なるようにし、またギャップ１５の幅ａ、ストリップ線路１３とグランド層１４間の距離、およびストリップ線路１３とグランド層１２間の距離を調整することにより、入力側の特性インピーダンスと出力側の特性インピーダンスとが異なるインピーダンス変換器を実現することができる。

また、本実施の形態では、グランド層１４を挿入することにより、線路間のクロストークノイズを低減することができる。さらに、グランド層１４を挿入するだけでインピーダンス変換器を実現することができ、製造プロセスも簡単であり、インピーダンス変換器の実用化・低コスト化が可能となる。

したがって、本実施の形態によれば、クロストークノイズを抑えたまま、ストリップ線路１３の間隔（基板接続パッド１６の間隔）を微細化することができ、線路密度の向上と線路間のクロストークノイズの低減とを両立させることができるので、高密度実装に適用可能なインピーダンス変換器を実現することができる。

なお、本実施の形態では、インピーダンス変換器の出力側の特性インピーダンスを小さくしているが、これに限るものではなく、グランド層１４のテーパー形状を変えることにより、逆に入力側の特性インピーダンスを小さくしたインピーダンス変換器を形成することもできる。入力側の特性インピーダンスを小さくしたインピーダンス変換器を実現するには、図２（Ａ）と逆に、グランド層１４の入力側のギャップ１５の幅ａを小さくし、出力側のギャップ１５の幅ａを大きくすればよい。

また、図１〜図８では、平行に設けるストリップ線路１３の本数が最大で３本の場合について説明したが、これに限るものではなく、ストリップ線路１３が４本以上のマルチレーンであってもよいことは言うまでもない。ストリップ線路１３を一定間隔で平行に複数本設ける場合、各ストリップ線路１３の直上のグランド層１４にそれぞれテーパー形状のギャップ１５を設けることになるが、各ギャップ１５の幅ａのとり得る最大値はストリップ線路１３の中心線間の距離（図１のＤ）である。したがって、ａ＝Ｄからａ＝０の範囲で各ギャップ１５の幅を変化させることになる。
また、本実施の形態では、グランド層１４のギャップ１５の幅を直線的に変化させているが、曲線的に変化させてもよい。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図９（Ａ）は本発明の第２の実施の形態に係るインピーダンス変換器の構造を示す平面図、図９（Ｂ）は図９（Ａ）のインピーダンス変換器のＢ−Ｂ’線断面図、図９（Ｃ）は図９（Ａ）のインピーダンス変換器のＣ−Ｃ’線断面図、図９（Ｄ）は図９（Ａ）のインピーダンス変換器のＤ−Ｄ’線断面図であり、図１、図２と同様の構成には同一の符号を付してある。図９（Ａ）のインピーダンス変換器のＡ−Ａ’線断面については、図２（Ｂ）と同様の断面構造になるので、記載を省略する。

本実施の形態のインピーダンス変換器は、第１の実施の形態のインピーダンス変換器において、ストリップ線路１３とグランド層１２との間の誘電体基板１０中に、ストリップ線路１３およびグランド層１２，１４と平行になるようにＡｕ等の導電体部材からなる第３のグランド層１７を設けたものである。誘電体基板１０中のグランド層１７が無い領域からグランド層１７が有る領域に切り替わる箇所のグランド層１７の端部は、平面視テーパー形状に加工されている。

このような構造により、本実施の形態では、誘電体基板１１の表面にグランド層１４が無い領域において、マイクロストリップラインのグランド層として実際に機能する部材を、グランド層１２からグランド層１７（またはグランド層１７からグランド層１２）に徐々に切り替える形態を実現する。図９（Ａ）〜図９（Ｄ）における１８はグランド層１７に設けられるテーパー形状の切欠き領域（ギャップ）である。

本実施の形態では、インピーダンス変換器の信号伝搬方向（ストリップ線路１３の長さ方向であり、図９（Ａ）左右方向）と垂直な方向（図９（Ｂ）〜図９（Ｄ）左右方向）におけるグランド層１７のギャップ１８の幅をｃとする。すなわち、ギャップ１８とは、グランド層１７が形成されている誘電体基板１０の層のうち、グランド層１７が無く誘電体で満たされた領域のことになる。第１の実施の形態と同様に、テーパー形状とは、信号伝搬方向に沿ってギャップ１８の幅ｃが漸次変化する形状を言う。

そして、グランド層１７のテーパー形状は、信号伝搬方向に沿ったストリップ線路１３の中心線Ｌ１の水平位置（図９（Ｂ）〜図９（Ｄ）の左右方向の位置）とグランド層１４のテーパー形状の中心線（ギャップ１５の中心線）Ｌ２の水平位置とグランド層１７のテーパー形状の中心線（ギャップ１８の中心線）Ｌ３の水平位置とが一致するように配置される。

第１の実施の形態と同様に、図９（Ａ）の例では左端が入力側、右端が出力側となっている。入力側の特性インピーダンスをＺｉ、出力側の特性インピーダンスをＺｏ、グランド層１７が有ってグランド層１４が無い領域における特性インピーダンスをＺｍとすると、Ｚｉ＞Ｚｍ＞Ｚｏとなる。

つまり、入力側ではストリップ線路１３の直下にグランド層１７が無いため、ストリップ線路１３とグランド層１２との距離ｈ３が実効距離となる。ストリップ線路１３の直下にグランド層１７が有ってギャップ１８が無い領域（ｃ＝０）では、ストリップ線路１３とグランド層１７との距離ｈ４が実効距離となる（ｈ３＞ｈ４）。グランド層１７のテーパー形状が設けられている領域では、グランド層１７の平面形状変化に従って実効距離がｈ３からｈ４へと徐々に小さくなっていく。

第１の実施の形態で説明したとおり、ストリップ線路とグランド層間距離が小さくなると特性インピーダンスが小さくなるので、本実施の形態によるマイクロストリップラインは、入力側で特性インピーダンスが大きく、グランド層１７が有る領域で特性インピーダンスが小さくなるようなインピーダンス変換器を形成する。第１の実施の形態のグランド層１４のギャップ１５の幅ａの場合と同様に、グランド層１７のギャップ１８の幅ｃとインピーダンス変換器の特性インピーダンスとの関係は、ギャップ１８の幅ｃが小さくなるに従って特性インピーダンスも小さくなるという関係にある。また、本実施の形態では、第１の実施の形態で説明したグランド層１４の効果により、グランド層１７が有ってグランド層１４が無い領域よりも、グランド層１４が有る出力側で特性インピーダンスが更に小さくなる。

図１０（Ａ）は本実施の形態に係るインピーダンス変換器の他の構造を示す平面図、図１０（Ｂ）は図１０（Ａ）のインピーダンス変換器のＢ−Ｂ’線断面図、図１０（Ｃ）は図１０（Ａ）のインピーダンス変換器のＣ−Ｃ’線断面図である。図１０（Ａ）のインピーダンス変換器のＡ−Ａ’線断面は図２（Ｂ）と同様の断面構造であり、Ｄ−Ｄ’線断面は図９（Ｄ）と同様の断面構造である。図９（Ａ）の例では、入力側から見て、グランド層１４とグランド層１７のテーパー形状の位置は、入力側（図９（Ａ）左側）→グランド層１７のテーパー形状の位置→グランド層１４のテーパー形状の位置→出力側（図９（Ａ）右側）という順序になっているが、図１０（Ａ）〜図１０（Ｃ）に示すように、入力側（図１０（Ａ）左側）→グランド層１４のテーパー形状の位置→グランド層１７のテーパー形状の位置→出力側（図１０（Ａ）右側）という順序でもよい。

さらに、図１１（Ａ）は本実施の形態に係るインピーダンス変換器の他の構造を示す平面図、図１１（Ｂ）は図１１（Ａ）のインピーダンス変換器のＢ−Ｂ’線断面図である。図１１（Ａ）のインピーダンス変換器のＡ−Ａ’線断面は図２（Ｂ）と同様の断面構造であり、Ｄ−Ｄ’線断面は図９（Ｄ）と同様の断面構造である。この図１１（Ａ）、図１１（Ｂ）に示すように、グランド層１４のテーパー形状の位置とグランド層１７のテーパー形状の位置が重なっていてもよい。

また、本実施の形態では、グランド層１７を設けることにより、グランド層１７が無い従来構成と比較して、ストリップ線路１３とグランド層１２との距離が小さくなるので、ストリップ線路１３間に発生する電場よりもストリップ線路１３とグランド層１７との間に発生する電場の方が大きくなる。そのため、一方のストリップ線路１３から発生する電場が、グランド層１７の存在する方向に偏向し、他方のストリップ線路１３の方向に伝わる電場が抑制される。したがって、本実施の形態では、線路間のクロストークノイズを低減することができる。また、第１の実施の形態で説明したグランド層１４の効果により、グランド層１７が有ってグランド層１４が無い領域よりも、グランド層１４が有る出力側でクロストークノイズを更に低減することができる。

以上のように、本実施の形態によれば、第１の実施の形態のグランド層１４に加えてグランド層１７を設けることにより、第１の実施の形態の効果に加えて、特性インピーダンスを更に広範囲で変化させることが可能なインピーダンス変換器を実現することができる。また、本実施の形態では、第１の実施の形態と比較して、線路間のクロストークノイズを更に低減することができる。

本実施の形態では、インピーダンス変換器の出力側の特性インピーダンスを小さくしているが、これに限るものではなく、逆に入力側の特性インピーダンスを小さくしたインピーダンス変換器を形成することもできる。入力側の特性インピーダンスを小さくしたインピーダンス変換器を実現するには、図９（Ａ）と逆に、グランド層１４とグランド層１７を入力側に挿入すればよい。

また、図９では、平行に設けるストリップ線路１３の本数が３本の場合について説明したが、ストリップ線路１３が４本以上のマルチレーンであってもよいことは言うまでもない。ストリップ線路１３を一定間隔で平行に複数本設ける場合、各ストリップ線路１３の下のグランド層１７にそれぞれテーパー形状のギャップ１８を設けることになるが、各ギャップ１８の幅ｃのとり得る最大値はストリップ線路１３の中心線間の距離（図１のＤ）である。したがって、ｃ＝Ｄからｃ＝０の範囲で各ギャップ１８の幅を変化させることになる。
また、本実施の形態では、グランド層１７のギャップ１８の幅を直線的に変化させているが、曲線的に変化させてもよい。

本発明は、半導体高周波モジュールにおいてインピーダンスを変換する技術に適用することができる。

１０，１１…誘電体基板、１２，１４，１７…グランド層、１３…ストリップ線路、１５，１８…ギャップ、１６…基板接続パッド。

Claims (6)

1. 誘電体基板の裏面に形成された第１のグランド層と、
   前記誘電体基板の表面に形成された第２のグランド層と、
   前記第１のグランド層と前記第２のグランド層との間の誘電体基板中に形成されたストリップ線路とを備え、
   前記第２のグランド層に、前記ストリップ線路の信号伝搬方向に沿って幅が漸次変化する平面視テーパー形状のギャップが設けられていることを特徴とするインピーダンス変換器。
2. 請求項１記載のインピーダンス変換器において、
   さらに、前記ストリップ線路と前記第１のグランド層との間の誘電体基板中に形成された第３のグランド層を備え、
   前記第３のグランド層に、前記ストリップ線路の信号伝搬方向に沿って幅が漸次変化する平面視テーパー形状のギャップが設けられていることを特徴とするインピーダンス変換器。
3. 請求項１記載のインピーダンス変換器において、
   信号伝搬方向に沿った前記ストリップ線路の中心線の水平位置と前記第２のグランド層のギャップの中心線の水平位置とが一致することを特徴とするインピーダンス変換器。
4. 請求項１または３記載のインピーダンス変換器において、
   複数本の前記ストリップ線路が設けられ、
   各ストリップ線路の上にそれぞれ前記第２のグランド層のギャップが設けられていることを特徴とするインピーダンス変換器。
5. 請求項２記載のインピーダンス変換器において、
   信号伝搬方向に沿った前記ストリップ線路の中心線の水平位置と前記第２のグランド層のギャップの中心線の水平位置と前記第３のグランド層のギャップの中心線の水平位置とが一致することを特徴とするインピーダンス変換器。
6. 請求項２または５記載のインピーダンス変換器において、
   複数本の前記ストリップ線路が設けられ、
   各ストリップ線路の上にそれぞれ前記第２のグランド層のギャップが設けられ、各ストリップ線路の下にそれぞれ前記第３のグランド層のギャップが設けられていることを特徴とするインピーダンス変換器。