JP3580667B2

JP3580667B2 - 変換線路

Info

Publication number: JP3580667B2
Application number: JP13892897A
Authority: JP
Inventors: 慎一郡山; 謙治北澤
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1997-05-28
Filing date: 1997-05-28
Publication date: 2004-10-27
Anticipated expiration: 2017-05-28
Also published as: JPH10335910A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波半導体素子、受動部品、接続用端子等を相互に接続するための伝送路を実現するためのものであり、具体的には、ミリ波領域で用いられるグランド付コプレーナ線路あるいはコプレーナ線路形式の端子を有する部品とマイクロストリップ線路形式の端子を有する部品とを接続するための変換線路の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年社会の情報化が進み、情報の伝達は携帯電話に代表されるように無線化、パ−ソナル化が進んでいる。このような状況の中、さらに高速大容量の情報伝達を可能にするために、ミリ波（３０〜３００ＧＨｚ）領域で動作する半導体素子の開発が進んでいる。最近ではこのような高周波半導体素子技術の進歩にともない、その応用として車間レ−ダ−や無線ＬＡＮのようなミリ波の電波を用いたさまざまな応用システムも提案されるようになってきた。
【０００３】
例えば、ミリ波を用いた車間レ−ダ−（１９９５年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会、ＳＣ−７−６参照）、コ−ドレスカメラシステム（１９９５年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会、Ｃ−１３７参照）、高速無線ＬＡＮ（１９９５年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会、Ｃ−１３９参照）が提案されている。
【０００４】
このようにミリ波の応用はシステム構築の段階に入っており、必要とされる性能を満足しつつ、いかに形状とコストを小さくするかに開発の主体は移行しつつある。高周波回路の小型化と低コスト化を図るための手段の１つとして、回路素子、部品を１つの基板上に実装し、モジュール化する方法がある。この方法により、必要とされる性能を満足する最も安価な素子、部品等を組み合わせることによりコストの小さい高周波モジュ−ルが実現される。
【０００５】
しかし、高周波素子のなかにはＧａＡｓ系素子のように両面加工が容易なものと、ＩｎＰ系素子のように両面加工が困難なものがある。両面加工が困難な場合、使用する線路はおのずからグランド付コプレーナ線路あるいはコプレーナ線路に限定される。したがって、必要とされる性能を満足する最も安価な素子がすべて同じ形式の線路である必然性はなく、コストを最小にするには、形式の異なる線路を用いた素子を組合せて用いる場合もある。
【０００６】
したがって、高周波回路の形状の小型化と低コスト化を実現するには、形式の異なる素子でも組合せて用いることができるように、コプレーナ線路とマイクロストリップ線路を低損失、低反射で接続できる変換線路が望まれている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
コプレーナ線路とマイクロストリップ線路を接続するには、両者の構成要素をすべて備えるグランド付コプレーナ線路を介在させる必要がある。コプレーナ線路をグランド付コプレーナ線路に変換するには、中心導体が形成された誘電体の裏面にグランド層を形成するだけで、比較的低反射で変換できる。
【０００８】
しかし、中心導体と、その両側にグランド層を有するコプレーナ線路の下面に誘電体層を介してグランド層を設けたグランド付コプレーナ線路と、ストリップ導体と下面に誘電体層を介してグランド層を設けたマイクロストリップ線路とを接続する場合、誘電体の厚さ、中心導体の幅が同じマイクロストリップ線路を単純に接続しただけでは、グランド付コプレーナ線路の方が中心導体の両側にもグランド層が存在する分、容量が大きくなってインピーダンスが小さくなり、接続部でインピーダンス不整合により反射損失が発生してしまう。
【０００９】
そこで、マイクロストリップ線路のストリップ導体の線幅をグランド付コプレーナ線路の中心導体よりも大きくしてインピーダンス不整合を解消して接続しても、導体形状の不連続とこれにともなう電磁場分布の急激な変化によりやはり反射損失が大きくなってしまう。このような導体形状の不連続による反射は、信号の周波数が高くほど顕著になりミリ波信号のような周波数が高い信号の伝送では特に大きな問題となる。
【００１０】
そこで、グランド付コプレーナ線路とマイクロストリップ線路を低損失、低反射で接続する手段として、グランド付コプレーナ線路、マイクロストリップ線路をそれぞれ同じインピーダンスとなるようにマイクロストリップ線路のストリップ導体の線幅をグランド付コプレーナ線路の中心導体よりも大きくし、また中心導体と、ストリップ導体とを線幅が徐々に変化するようなテーパ状の導体を介して接続し、同時にテーパ状の導体の両側のグランド層との間隔も同様に変化させる方法が考えられる。しかしながら、この方法で実際に試料を作製し測定した結果、高周波領域では信号の反射が大きく、挿入損失も大きいものしか得られなかった。
【００１１】
従って、本発明は、ミリ波領域においても、グランド付コプレーナ線路とマイクロストリップ線路を低損失、低反射で接続できる変換線路を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、グランド付コプレーナ線路とマイクロストリップ線路の接続部のインピーダンスを一定に保つという観点から検討を重ねた結果、マイクロストリップ線路のストリップ導体の線幅をグランド付コプレーナ線路の中心導体よりも大きくし、また中心導体と、ストリップ導体とを線幅が徐々に変化するようなテーパ状の導体を介して接続し、同時にテーパ状の導体の両側のグランド層との間隔も同様に変化させるにあたり、テーパ状の導体の両側のグランド層の形状をより細かく制御することにより、ミリ波領域においても、低損失、低反射で接続できることを見いだした。
【００１３】
即ち、本発明の変換線路は、中心導体と、該中心導体形成面にて該中心導体の両側に所定の間隔をもって形成された第１のグランド層と、前記中心導体形成面と異なる平行面に誘電体を介して設けられた前記第１のグランド層と電気的に接続されてなる第２のグランド層とからなるグランド付コプレーナ線路と、前記中心導体形成面と同一平面に形成されたストリップ導体と、前記第２のグランド層とからなるマイクロストリップ線路との変換線路であって、前記ストリップ導体の線幅が前記中心導体の線幅よりも大きく、前記ストリップ導体と前記中心導体とが、前記ストリップ導体に向かって徐々に線幅が拡がるように形成されたテーパ導体部を介して接続され、前記テーパ導体部の両側に、前記第１のグランド層の前記マイクロストリップ線路側端部に形成され、前記テーパ導体部の縁からの間隔が前記マイクロストリップ線路に向けて徐々に拡がるように形成されたテーパグランド層が形成されるとともに、前記テーパグランド層の拡がり起点が、前記テーパ導体部の拡がり起点よりも前記グランド付コプレーナ線路側にずれていることを特徴とする。
【００１４】
特に、前記テーパグランド層の拡がり起点と前記テーパ導体部の拡がり起点との線路方向におけるずれ幅Ｌと、グランド付きコプレーナ線路における中心導体と第１グランド層との間隔Ｇｃと、テーパ導体部におけるテーパ縁と線路方向とのなす角度のうちマイクロストリップ線路側の角度θとが、下記数１
（数１）
Ｇｃ≧ Ｌ ≧｛（１／ｓｉｎθ）−（１／ｔａｎθ）｝×Ｇｃ
の関係を満足することが望ましい。
【００１５】
また、前記テーパグランド層における縁と、該テーパグランド層の拡がり起点からマイクロストリップ線路側に線路方向に平行に伸びる線分とがなす角度δが、前記テーパ導体部におけるテーパ縁と線路方向とのなす角度のうちマイクロストリップ線路側の角度θ以上、８５°以下であることが望ましい。
【００１６】
本発明の変換線路によれば、グランド付コプレーナ線路とマイクロストリップ線路の、ストリップ導体と中心導体との間に介在するテーパ導体部の両側に形成され、そのテーパ導体部との間隔が徐々に拡がるように形成されたグランド層の拡がり起点をグランド付コプレーナ線路側にずらすことによって、テーパ導体部の特性インピーダンス変化を小さく抑えながらコプレーナ線路としての性質を徐々に小さくすることができる結果、ミリ波の高周波領域でも信号の反射が小さく、挿入損失も小さい変換線路を実現できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の変換線路を図面をもとに説明する。
図１は、グランド付コプレーナ線路とマイクロストリップ線路との変換線路を説明するための概略斜視図、図２は、その平面図である。
【００１８】
図１によれば、中心導体１と、その両側に所定間隔Ｇｃをもって形成された第１のグランド層２によりコプレーナ線路が形成され、さらに中心導体１および第１のグランド層２形成面とは、異なる平行面に誘電体（図示せず）を介して第２のグランド層３が形成され、上記のコプレーナ線路と第２のグランド層３によってグランド付コプレーナ線路Ａが形成される。なお、グランド付コプレーナ線路Ａにおいて、第１のグランド層２と第２のグランド層３とは、同電位に保たれており、例えば、スルーホール導体８により電気的に接続されている。一方、中心導体１が形成された同一平面に形成されたストリップ導体４と誘電体を介して形成された第２のグランド層３によってマイクロストリップ線路Ｂが形成されている。
【００１９】
本発明の変換線路においては、図２の平面図に示すように、ストリップ導体４の線幅ｘは、中心導体１の線幅ｙよりも大きく設定されている。そして、ストリップ導体４と中心導体１とは、中心導体１側からストリップ導体４側にかけて徐々に線幅が拡がるように形成されたテーパ導体部５を介して接続されている。
【００２０】
このストリップ導体４の線幅ｘおよび中心導体１の線幅ｙは、それぞれの特性インピーダンスが所定の値になるように決定される。
【００２１】
また、テーパ導体部５の両側には、第１のグランド層２のマイクロストリップ線路側端部に形成され、テーパ導体部５の縁との距離が、マイクロストリップ線路Ｂに向けて徐々に拡がるように形成されたテーパグランド層２’が形成されている。
【００２２】
一般に、グランド付コプレーナ線路Ａと、マイクロストリップ線路Ｂとの変換線路において、単純に伝送方向に対して垂直平面でのインピーダンスを一定にする方法では、図３の平面図に示すように、テーパ導体部５の拡がり起点６と、テーパグランド層２’の拡がり起点７とは、線路方向に対して一致している。しかしながら、かかる場合、現実には、この変換部においては、後述する実施例から明らかなように、例えば、４０ＧＨｚの高周波領域では信号の反射が大きく、挿入損失も大きいものしか得られない。
【００２３】
これに対して、本発明の変換線路においては、テーパグランド層２’の拡がり起点７が、テーパ導体部５の拡がり起点６よりもグランド付コプレーナ線路側に間隔Ｌをもってずれている。これによって、変換部分での電磁界分布を考慮して、この部分でのインピーダンス変化を小さく抑え、この部分でのインピーダンスのミスマッチによる反射を抑えることができる。
【００２４】
そこで、さらに具体的に、本発明の変換線路の形状について述べる。図４はテーパグランド層２’の拡がり起点７の位置を求める方法を説明するための図である。
【００２５】
図中、直線ｓは、テーパ導体部５のテーパ縁と平行に形成されたテーパグランド層の縁を示し、直線ｔは、グランド付コプレーナ線路における第１グランド層の縁を示し、距離Ｇｃはグランド付コプレーナ線路における中心導体と第１グランド層との間隔、距離ｍはテーパ導体部５のテーパ縁と、テーパグランド層の縁である直線ｓとの距離を示す。
【００２６】
本発明の変換線路は、グランド付コプレーナ線路からマイクロストリップ線路への変換を行うものであるため、変換部での反射を小さくするためには、変換部においてコプレーナ線路としての性質（中心導体と第１のグランド層との結合性）が小さくすることが最も重要である。
【００２７】
ここで、問題になるのが、導体とグランド層間における電界の方向である。導体からグランド層への電界は、最も近い距離にあるグランド方向を向こうとする性質があるため、図１に示したようなテーパ導体部５では、実際にはテーパ導体部５の縁に対して、垂直な方向が電界方向となる。従って、このテーパ導体部５におけるコプレーナ線路としての性質の強さは、テーパ導体部５の縁に対して垂直方向のグランド層の縁ｓまでの距離ｍに大きく依存することになる。
【００２８】
一方、変換部における電界方向でのグランド層までの距離ｍが、中心導体１とグランド層２との距離Ｇｃと同じ長さである場合、テーパグランド層２’の縁は、直線ｓとなる。この場合、前記拡がり起点６から最も近いグランド層までの距離、即ちテーパグランド層２’の拡がり起点７までの距離ｎが距離Ｇｃよりも必然的に大きくなるため、テーパ導体部５における拡がり起点６と両側のグランド層との結合は、グランド付コプレーナ線路における中心導体とグランド層との結合よりも小さくなる。したがって、テーパ導体部５の拡がり起点６におけるインピーダンスはグランド付コプレーナ線路のインピーダンスよりも大きいことになる。
【００２９】
そこで、仮に、図２に示した変換線路のように、ずれ幅Ｌを実質ゼロとした場合、テーパ導体部５の拡がり起点６からテーパグランド層６の拡がり起点７までの距離ｎ’は、距離Ｇｃと同一になるために、グランド付コプレーナ線路とのインピーダンス差を最も小さくすることができ反射も小さくできるはずである。
【００３０】
しかしながら、ずれ幅Ｌが、実質ゼロである場合、テーパグランド層の縁は、直線ｓ’となり、テーパ導体部５との距離ｍ’は、コプレーナ線路におけるグランド層との距離Ｇｃよりも小さくなってしまう。その結果、変換部は、コプレーナ線路としての性質が大きくなってしまい、現実には、信号の反射を招じてしまう。従って、本発明の変換線路においては、まず、変換部において、コプレーナ線路としての性質を徐々に小さくすることが重要であり、そのためには、距離ｍを中心導体１とグランド層２との距離Ｇｃよりも大きくすることが最も重要となるのである。
【００３１】
従って、本発明においては、距離ｍが距離Ｇｃより大きいことが最も重要である。但し、テーパ導体部５の拡がり起点６におけるコプレーナ線路とのインピーダンス差を小さくする上では、テーパグランド層２’の拡がり起点７の位置が、距離ｍ＝距離Ｇｃの時の直線ｓと直線ｔとの交点のときが最も望ましいことになる。
【００３２】
そこで、図４において、テーパ導体部５の拡がり起点６をゼロとするＸ−Ｙ座標を用いて、テーパグランド層２’の拡がり起点７の位置が、距離ｍ＝距離Ｇｃの時の直線ｓと直線ｔとの交点のときのずれ幅Ｌを計算する。テーパ導体部におけるテーパ縁と線路方向とのなす角度のうちマイクロストリップ線路側の角度、言い換えれば、テーパ導体部５のＹ軸に対する拡がり角度をθとする（以下、テーパ導体部の拡がり角度θと称す。）と、図４における直線ｓは、Ｙ＝（１／ｔａｎθ）Ｘ−（１／ｓｉｎθ）Ｇｃで表され、直線ｔは、Ｘ＝Ｇｃで表される。この２つの式により、拡がり起点７のＹ座標は−｛（１／ｓｉｎθ）−（１／ｔａｎθ）｝Ｇｃになる。よって、距離ｍ＝距離Ｇｃの時のずれ幅Ｌは、絶対値をとって｛（１／ｓｉｎθ）−（１／ｔａｎθ）｝×Ｇｃになる。
【００３３】
なお、このずれ幅Ｌについて検討した結果、後述する実施例から明らかなように、線路方向における前記第１のグランド層の拡がり起点と前記テーパ導体部の前記拡がり起点とのずれ幅Ｌが、下記数１
【００３４】
（数１）
Ｇｃ≧ Ｌ ≧｛（１／ｓｉｎθ）−（１／ｔａｎθ）｝×Ｇｃ
【００３５】
を満足する時、良好な変換特性を示した。ここで、テーパ導体部の拡がり角θを上記のように限定したのは、後述する実施例から明らかなように、θ＜３０°およびθ＞７５°では、反射が大きくなるためである。
【００３６】
次に、テーパグランド層２’における拡がり角度について実験した結果、テーパ導体部５のテーパ縁から垂直方向へのグランド層までの距離ｍが、距離Ｇｃの３倍以上離れたグランド層は、導体とはほとんど結合しておらず、極端な場合、このグランド層は存在しなくでもインピーダンスにほとんど影響しないことがわかった。また、前記テーパグランド層２’における縁と、該テーパグランド層の拡がり起点７からマイクロストリップ線路側に線路方向に平行に伸びる線分とがなす角度、言い換えれば、テーパグランド層２’の拡がり起点７からの拡がり角δ（以下、テーパグランド層２’の拡がり角度δと称す。）を、テーパ導体部５の拡がり角θよりも大きく、８５°以下の範囲とし、テーパ導体部の拡がり角よりも大きくすれば、信号の反射はほとんど起こらない。より具体的には、テーパグランド層２’の拡がり角δをテーパ導体部の拡がり角θよりも１５度以上、特に３０度程度に設定することにより反射を効果的に防止することができる。
【００３７】
なお、本発明の変換線路においては、テーパ導体部５およびテーパグランド層２’のテーパ部を、図面に示すように直線として説明したが、必ずしも、これに限定されるものでなく、変換特性に影響を及ぼさない範囲において、例えば、多段的に徐々に変化させてみかけ上連続的に変化させることも可能である。
【００３８】
このように、本発明によれば、グランド付コプレーナ線路からマイクロストリップ線路に変換する変換線路において、導体とグランド層との電磁界分布を考慮し、導体とグランド層との電界方向での距離を検討することにより、インピーダンス変化を小さく抑えながら、変換部においてコプレーナ線路としての性質を徐々に小さくできる結果、高周波信号の反射が小さい変換線路を実現することができる。
【００３９】
【実施例】
実施例１（試料Ｎｏ．１〜３９）
誘電体として誘電率が９．５の高純度（純度；９９．９５％）アルミナ焼結体からなり、その表面に銅からなる導体を薄膜法により図５に示すような導体パターンを形成し、裏面の全面に薄膜法により銅からなるグランド層を形成した。そして、スル−ホ−ル導体８により、表面のグランド層と裏面のグランド層とを電気的に接続し、特性評価用の試料とした。なお、各試料のパターンにおけるテーパ導体部の拡がり角θ、テーパグランド層の拡がり角δ、テーパ導体部の拡がり起点と、テーパグランド層の拡がり起点とのずれ幅Ｌを各表に示すように定めた。この各試料をネットワークアナライザーを用いて伝送特性を測定し、４０ＧＨｚにおける反射を表１に示す。
【００４０】
表１によれば、テーパ導体部の拡がり起点と、テーパグランド層の拡がり起点とのずれ幅Ｌが０ｍｍの場合（試料Ｎｏ．１、６、１１、１８、２３）に比較して、テーパグランド層の拡がり起点をテーパ導体層の拡がり起点よりもグランド付コプレーナ線路部側にずらすと反射は小さくなり、そのずれ幅Ｌを、グランド付コプレーナ線路部の中心導体−グランド層間距離Ｇｃの｛（１／ｓｉｎθ）−（１／ｔａｎθ）｝倍以上にすると反射が−１５ｄＢ以下となることがわかる。試料Ｎｏ．２８〜３２から、テーパグランド層の拡がり起点でのグランドの拡がり角δがテーパ導体部の拡がり角θより大きいほどよいことがわかる。なお、拡がり角δを拡がり角θより小さくすると、テーパ導体部の線幅が大きくなるに従ってテーパグランド層との距離が小さくするために、インピーダンスが急激に小さくなるので原理的に反射が増大する。試料Ｎｏ．３３〜３９はグランド付コプレーナ線路部の中心導体−グランド層間距離Ｇｃを大きくした場合であり、距離Ｇｃが変化してもＧｃの｛（１／ｓｉｎθ）−（１／ｔａｎθ）｝倍以上にすると反射が−１５ｄＢ以下となることがわかる。
【００４１】
実施例２（試料Ｎｏ．４０〜４４）
誘電体として誘電率が８．９、純度が９５％のアルミナを用い、導体にタングステンペーストを用いて、アルミナグリーンシートに、図５に示したようなパターンで線路を形成した後、同時焼成により試料を作製し実施例１と同様にネットワークアナライザーによりその伝送特性を測定した。結果を表２に示す。
【００４２】
試料Ｎｏ．４０はずれ幅Ｌが０ｍｍの場合で、４０ＧＨｚでの反射は−１１．６ｄＢで大きかった。それに対しテーパグランド層の拡がり起点をテーパ導体部拡がり起点よりもグランド付コプレーナ線路部側にずらすと反射は小さくなり、そのずれ幅Ｌを、グランド付コプレーナ線路部の距離Ｇｃの｛（１／ｓｉｎθ）−（１／ｔａｎθ）｝倍以上にすると反射が−１５ｄＢより小さくなることがわかる。
【００４３】
【表１】

【００４４】
【表２】

【００４５】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明の変換線路によれば、グランド付コプレーナ線路とマイクロストリップ線路をミリ波のような高周波領域でも低損失、低反射で接続することが可能になり、特性が良好でかつ安価な素子や部品をたとえ線路形式が異なっていたとしても組合せて使用することが可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の変換線路を説明するための概略斜視図である。
【図２】本発明の変換線路を説明するための平面図である。
【図３】比較例の変換線路を説明するための平面図である。
【図４】テーパグランド層における拡がり起点の位置を求める方法を説明するための図である。
【図５】評価用の配線パターンを説明するための図である。
【符号の説明】
Ａグランド付コプレーナ線路
Ｂマイクロストリップ線路
１中心導体
２第１のグランド層
２’テーパグランド層
３第２のグランド層
４ストリップ導体
５テーパ導体部
６テーパ導体部の拡がり起点
７テーパグランド層の拡がり起点
８スルーホール導体

Claims

中心導体と、該中心導体形成面にて該中心導体の両側に所定の間隔をもって形成された第１のグランド層と、前記中心導体形成面と異なる平行面に誘電体を介して設けられた前記第１のグランド層と電気的に接続されてなる第２のグランド層とからなるグランド付コプレーナ線路と、前記中心導体形成面と同一平面に形成されたストリップ導体と、前記第２のグランド層とからなるマイクロストリップ線路との変換線路であって、
前記ストリップ導体の線幅が前記中心導体の線幅よりも大きく、前記ストリップ導体と前記中心導体とが、前記ストリップ導体に向かって徐々に線幅が拡がるように形成されたテーパ導体部を介して接続され、前記テーパ導体部の両側に、前記第１のグランド層の前記マイクロストリップ線路側端部に形成され、前記テーパ導体部の縁からの間隔が前記マイクロストリップ線路に向けて徐々に拡がるように形成されたテーパグランド層が形成されるとともに、前記テーパグランド層の拡がり起点が、前記テーパ導体部の拡がり起点よりも前記グランド付コプレーナ線路側にずれていることを特徴とする変換線路。
前記テーパグランド層の拡がり起点と前記テーパ導体部の拡がり起点との線路方向におけるずれ幅Ｌと、グランド付きコプレーナ線路における中心導体と第１グランド層との間隔Ｇｃと、テーパ導体部におけるテーパ縁と線路方向とのなす角度のうちマイクロストリップ線路側の角度θとが、下記数１
（数１）
Ｇｃ≧ Ｌ ≧｛（１／ｓｉｎθ）−（１／ｔａｎθ）｝×Ｇｃ
の関係を満足することを特徴とする変換線路。
前記テーパグランド層における縁と、該テーパグランド層の拡がり起点からマイクロストリップ線路側に線路方向に平行に伸びる線分とがなす角度δが、前記テーパ導体部におけるテーパ縁と線路方向とのなす角度のうちマイクロストリップ線路側の角度θ以上、８５°以下であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の変換線路。