JP3972045B2

JP3972045B2 - 積層型ランゲカプラ

Info

Publication number: JP3972045B2
Application number: JP2005083728A
Authority: JP
Inventors: 恵理子味岡
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2005-03-23
Filing date: 2005-03-23
Publication date: 2007-09-05
Anticipated expiration: 2025-03-23
Also published as: JP2006270349A

Description

本発明はランゲカプラに関し、特に、複数の結合線路を２つの配線層に形成した積層型のランゲカプラに関する。

従来より、高周波伝送信号を分配するための素子としてカプラが広く用いられており、中でも、ランゲカプラは広帯域特性を有するカプラとして知られている。ランゲカプラには種々のタイプが存在するが、いずれのタイプも、複数の結合線路を平行に近接配置した構造を有している（特許文献１参照）。しかしながら、通常のランゲカプラは、基板上に各結合線路が平面的に配置されていることから、結合線路間の一部接続にボンディングワイヤを使用する必要があり、このため、製造工程が複雑化するなどの問題があった。

このような問題を解決したランゲカプラとして、いわゆる「積層型ランゲカプラ」が知られている。積層型ランゲカプラは、複数の結合線路を２つの配線層に形成することにより、結合線路間における結合を一部立体化した構造を有している。これにより、ボンディングワイヤによる接続が不要となり、製造工程をより簡素化することが可能となる。積層型ランゲカプラとしては、例えば、特許文献２に開示されたものが知られている。
特開平６−２３２６５８号公報特公平８−２８６０９号公報

しかしながら、特許文献１，２に記載されたランゲカプラは、いずれも結合線路が基板上に露出しているため、該ランゲカプラが搭載された高周波回路全体を例えばシールドケースなどグランド電位が与えられる導電部材で覆うと、この導電部材がカプラの特性に大きな影響を与え、実際の特性が設計値から大きくずれるという問題があった。一方、シールドケースなどで覆われていない場合には、実使用時に金属板などのグランド面を近づけるとインピーダンスが変化するなど、使用環境によって特性が変動するという問題が生じてしまう。さらに、結合線路が基板上に露出しているために、放射損失が大きいという問題もあった。

しかも、特許文献２に記載された積層型ランゲカプラは、結合線路が立体的に形成されていることから、結合線路間を立体的に分離する絶縁層の厚さを十分に薄くしなければ、１層目の結合線路からグランド面までの距離と、２層目の結合線路からグランド面までの距離に大きな差が生じてしまい、結合線路間の対称性が損なわれるという問題もあった。

本発明は、このような問題点を解決すべくなされたものであって、設計値により近い特性を得ることができ、且つ、使用環境による特性の変動が小さい積層型ランゲカプラを提供することを目的とする。

また、本発明の他の目的は、結合線路間の対称性に優れた積層型ランゲカプラを提供することである。

本発明による積層型ランゲカプラは、第１の配線層に形成された互いに平行な第１及び第２の結合線路であって、一端が第１のポートに共通接続され、他端が第２のポートに共通接続された第１及び第２の結合線路と、前記第１の配線層とは異なる第２の配線層に形成された互いに平行な第３及び第４の結合線路であって、一端が第３のポートに共通接続され、他端が第４のポートに共通接続された第３及び第４の結合線路と、前記第１乃至第４の結合線路を挟み込むように形成された第１及び第２のグランドパターンとを備えることを特徴とする。

本発明によれば、グランドパターンによって結合線路が挟み込まれた構造を有していることから、積層型ランゲカプラが搭載された高周波回路全体をシールドケースによって覆った場合であっても、このシールドケースが特性に与える影響はほとんどなく、設計値に近い特性を得ることが可能となる。しかも、実使用時に金属板などのグランド面を近づけたり遠ざけたりしても、これによりインピーダンスが変化するようなことはほとんどなく、使用環境に応じた特性の変動を抑制することが可能となる。さらに、放射損失についても低減される。

第１乃至第４の結合線路の長さは、いずれも伝送信号の１／４波長に相当する長さに設定されていることが好ましい。これによれば、目的とする周波数にて良好な結合特性を得ることが可能となる。

第１の配線層から第１のグランドパターンまでの距離と、第２の配線層から第２のグランドパターンまでの距離は、実質的に等しいことが好ましい。これによれば、結合線路間における高い対称性を得ることが可能となり、その結果、良好な結合特性を得ることが可能となる。

また、本発明による積層型ランゲカプラは、第１及び第２の結合線路の前記一端及び他端の近傍、並びに、第３及び第４の結合線路の前記一端及び他端の近傍に、インピーダンス調整パターンが形成されていることが好ましい。これによれば、結合線路の幅などを本来の設計値とは異なる幅に設定することが可能となり、その結果、設計の自由度が増大する。

インピーダンス調整パターンは、第１及び第２の結合線路の前記一端及び他端、並びに、第３及び第４の結合線路の前記一端及び他端からみて、伝送信号の１／４波長に相当する距離以内の位置に形成されていることが好ましい。インピーダンス調整パターンをこの範囲内に形成すれば、インピーダンス調整パターンによる高い調整効果を得ることが可能となる。

インピーダンス調整パターンは、オープンスタブであることが好ましい。これによれば、高いインピーダンス調整効果を最も簡単に得ることが可能となる。

オープンスタブの長さは、伝送信号の１／４波長に相当する長さ以内に設定することが好ましい。オープンスタブの長さを上記の長さに設定すれば、積層型ランゲカプラの平面形状を必要以上に大型化することなく、高い調整効果を得ることが可能となる。

このように、本発明によれば、グランドパターンによって結合線路が挟み込まれた構造を有していることから、積層型ランゲカプラが搭載された高周波回路全体をシールドケースによって覆った場合であっても、このシールドケースが特性に与える影響はほとんどなく、設計値に近い特性を得ることが可能となる。しかも、実使用時に金属板などのグランド面を近づけたり遠ざけたりしても、これによりインピーダンスが変化するようなことはほとんどなく、使用環境に応じた特性の変動を抑制することが可能となる。さらに、放射損失についても低減される。

特に、インピーダンス調整パターンを設ければ、結合線路の幅などを本来の設計値とは異なる幅に設定することが可能となるため、作製精度の限界により、本来の設計値では結合線路を形成困難な積層型ランゲカプラであっても、これを容易に作製することが可能となる。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の好ましい第１の実施形態にかかる積層型ランゲカプラ１００の構造を示す透視平面図であり、図２は、図１に示すＡ−Ａ線に沿った略断面図である。

図１及び図２に示すように、本実施形態による積層型ランゲカプラ１００は、絶縁層１１１と絶縁層１１２との間に存在する配線層（第１の配線層）に形成された第１及び第２の結合線路１０１，１０２と、絶縁層１１２と絶縁層１１３との間に存在する配線層（第２の配線層）に形成された第３及び第４の結合線路１０３，１０４とを備えている。これら第１乃至第４の結合線路１０１〜１０４は、互いに平行に配置されており、このうち、第１及び第２の結合線路１０１，１０２の一端は第１のポート１２１に共通接続され、他端は第２のポート１２２に共通接続されている。また、第３及び第４の結合線路１０３，１０４の一端は第３のポート１２３に共通接続され、他端は第４のポート１２４に共通接続されている。

さらに、本実施形態による積層型ランゲカプラ１００は、絶縁層１１１の表面に形成された第１のグランドパターン１３１と、絶縁層１１３の表面に形成された第２のグランドパターン１３２とを備えており、これによって、第１乃至第４の結合線路１０１〜１０４は、第１及び第２のグランドパターン１３１，１３２によって挟み込まれた構造を有している。

図３は、本実施形態による積層型ランゲカプラ１００の回路構成を模式的に示す図である。

図３に示すように、積層型ランゲカプラ１００に含まれる第１乃至第４の結合線路１０１〜１０４は、第１の結合線路１０１、第３の結合線路１０３、第２の結合線路１０２、第４の結合線路１０４の順に平行配置されており、隣り合う結合線路が容量的に結合される。第１乃至第４の結合線路１０１〜１０４の長さＬは互いに等しく、いずれも伝送信号の１／４波長に相当する長さに設定されている。例えば、伝送信号が２４ＧＨｚである場合、絶縁層１１１〜１１３の比誘電率を６．３とすると、結合線路の長さＬは約１．２ｍｍとなる。また、第１乃至第４のポート１２１〜１２４は、１つが入力ポート、２つが出力ポートとして用いられ、残りの１つは例えば５０Ωに終端される。

第１乃至第４の結合線路１０１〜１０４の幅Ｗや、隣り合う結合線路間の間隔Ｓについても、伝送信号の周波数などに応じて設定されるが、隣り合う結合線路が異なる配線層に形成されていることから、結合線路間の間隔Ｓについては非常に自由度が高い。したがって、結合線路を形成する際の精度限界によって、平面的には形成不可能な狭い間隔であっても、これを実現することが可能となる。

上述のとおり、本実施形態による積層型ランゲカプラ１００は、第１及び第２のグランドパターン１３１，１３２によって、第１乃至第４の結合線路１０１〜１０４が挟み込まれた構造を有している。つまり、各結合線路１０１〜１０４は、マイクロストリップ線路ではなく、ストリップ線路として機能する。このため、本実施形態による積層型ランゲカプラ１００が搭載された高周波回路全体をシールドケースによって覆った場合であっても、このシールドケースが特性に与える影響はほとんどなく、設計値に近い特性を得ることが可能となる。しかも、実使用時に金属板などのグランド面を近づけたり遠ざけたりしても、これによりインピーダンスが変化するようなことはほとんどなく、使用環境に応じた特性の変動を抑制することが可能となる。さらに、第１及び第２のグランドパターン１３１，１３２によって結合線路１０１〜１０４が挟み込まれているため、放射損失についても低減される。

ここで、第１の配線層に形成された第１及び第２の結合線路１０１，１０２から第１のグランドパターン１３１までの距離と、第２の配線層に形成された第３及び第４の結合線路１０３，１０４から第２のグランドパターン１３２までの距離は、実質的に等しいことが好ましい。これによれば、結合線路間における高い対称性を得ることが可能となり、その結果、良好な結合特性を得ることが可能となる。このことは、第１及び第２の結合線路１０１，１０２が形成された第１の配線層と、第３及び第４の結合線路１０３，１０４が形成された第２の配線層とを分離する絶縁層１１２の膜厚を十分に確保可能であることを意味し、これにより十分な製造マージンを確保することができるとともに、製品の信頼性を高めることが可能となる。

次に、本発明の好ましい第２の実施形態について説明する。

図４は、本発明の好ましい第２の実施形態にかかる積層型ランゲカプラ２００の構造を示す透視平面図である。図４のＡ−Ａ線に沿った断面は、図２に示す構造と全く同じである。

図４に示すように、本実施形態による積層型ランゲカプラ２００は、第１及び第２の結合線路１０１，１０２の分岐領域近傍、並びに、第３及び第４の結合線路１０３，１０４の分岐領域近傍に、オープンスタブ型のインピーダンス調整パターン２０１〜２０４が形成されている点において、上記実施形態による積層型ランゲカプラ１００と異なる。その他の点は、上記実施形態による積層型ランゲカプラ１００と同じであることから、同一の構成要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

第１及び第２の結合線路１０１，１０２の分岐領域とは、第１及び第２の結合線路１０１，１０２の一端及び他端を指し、この近傍にインピーダンス調整パターン２０１，２０２が形成されている。同様に、第３及び第４の結合線路１０３，１０４の分岐領域とは、第３及び第４の結合線路１０３，１０４の一端及び他端を指し、この近傍にインピーダンス調整パターン２０３，２０４が形成されている。

インピーダンス調整パターン２０１〜２０４は、第１乃至第４のポート１２１〜１２４から見た各結合線路１０１〜１０４のインピーダンスを調整する役割を果たす。つまり、伝送信号の周波数が高くなるほど、結合線路１０１〜１０４の幅Ｗを細くする必要が生じるが、結合線路１０１〜１０４の幅Ｗは作製時の精度限界によって制限されるため、所定幅未満に細くすることができない。このため、目的とする周波数が非常に高い場合には、所望のインピーダンスを得ることができないケースが考えられる。特に、本発明による積層型ランゲカプラのように、第１乃至第４の結合線路の上下をグランドパターンで挟み込む構造を採用すると、グランドパターンを一方の面のみに形成する場合に比べて、結合線路幅をより細くする必要が生じることから、作製時の精度限界の影響を受けやすいものと考えられる。

このような場合であっても、結合線路１０１〜１０４の幅Ｗを敢えて理論値よりも幅広に設定し、これによる特性のずれをインピーダンス調整パターン２０１〜２０４によって補償すれば、目的とする周波数にて所望のインピーダンスを得ることが可能となる。一例として、伝送信号を２４ＧＨｚ、絶縁層１１１〜１１３の比誘電率を６．３とすると、インピーダンス調整パターン２０１〜２０４を設けない場合（図１参照）においては、良好な特性を得るためには結合線路１０１〜１０４の幅Ｗを約１６μｍに設定する必要があるが、インピーダンス調整パターン２０１〜２０４を設けた場合（図４参照）には、結合線路１０１〜１０４の幅Ｗを約６０μｍに設定することによって良好な特性が得られる。これにより、製造に際して要求される微細加工のレベルが緩和されることから、製造コストを削減することが可能となる。

インピーダンス調整パターン２０１〜２０４は、分岐領域からみて、伝送信号の１／４波長に相当する距離以内の位置に形成されていることが好ましい。インピーダンス調整パターン２０１〜２０４をこの範囲内に形成すれば、インピーダンス調整パターン２０１〜２０４による高い調整効果を得ることが可能となる。

また、本実施形態では、インピーダンス調整パターン２０１〜２０４として、オープンスタブ型のパターンを用いているが、これは、高い調整効果を最も簡単に得るためである。オープンスタブの長さＰとしては、伝送信号の１／４波長に相当する長さ以内に設定することが好ましい。オープンスタブの長さＰを上記の長さに設定すれば、積層型ランゲカプラ２００の平面形状を必要以上に大型化することなく、高い調整効果を得ることが可能となる。

但し、本発明において、インピーダンス調整パターン２０１〜２０４としてオープンスタブ型のパターンを用いることは必須でなく、例えば、図５に示すようにショートスタブ型のパターンであっても構わないし、図６に示すようにポート１２１〜１２４の一部を幅広としたパターンであっても構わないし、図７に示すようにポート１２１〜１２４の一部を幅細としたパターンであっても構わない。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

本発明の好ましい第１の実施形態にかかる積層型ランゲカプラ１００の構造を示す透視平面図である。図１に示すＡ−Ａ線に沿った略断面図である。本実施形態による積層型ランゲカプラ１００の回路構成を模式的に示す図である。本発明の好ましい第２の実施形態にかかる積層型ランゲカプラ２００の構造を示す透視平面図である。インピーダンス調整パターン２０１〜２０４をショートスタブ型のパターンとした例を示す部分平面図である。インピーダンス調整パターン２０１〜２０４を幅広パターンとした例を示す部分平面図である。インピーダンス調整パターン２０１〜２０４を幅細パターンとした例を示す部分平面図である。

符号の説明

１００，２００積層型ランゲカプラ
１０１〜１０４結合線路
１１１〜１１３絶縁層
１２１〜１２４ポート
１３１，１３２グランドパターン
２０１〜２０４インピーダンス調整パターン
Ｌ結合線路の長さ
Ｗ結合線路の幅
Ｓ結合線路間の間隔
Ｐオープンスタブの長さ

Claims

第１の配線層に形成された互いに平行な第１及び第２の結合線路であって、一端が第１のポートに共通接続され、他端が第２のポートに共通接続された第１及び第２の結合線路と、
前記第１の配線層とは異なる第２の配線層に形成された互いに平行な第３及び第４の結合線路であって、一端が第３のポートに共通接続され、他端が第４のポートに共通接続された第３及び第４の結合線路と、
前記第１乃至第４の結合線路を挟み込むように形成された第１及び第２のグランドパターンとを備えることを特徴とする積層型ランゲカプラ。
前記第１及び第２の結合線路の前記一端及び他端の近傍、並びに、前記第３及び第４の結合線路の前記一端及び他端の近傍に、インピーダンス調整パターンが形成されていることを特徴とする請求項１に記載の積層型ランゲカプラ。
前記インピーダンス調整パターンは、前記第１及び第２の結合線路の前記一端及び他端、並びに、前記第３及び第４の結合線路の前記一端及び他端からみて、伝送信号の１／４波長に相当する距離以内の位置に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の積層型ランゲカプラ。