JP4201257B2

JP4201257B2 - 高周波信号伝送線路基板

Info

Publication number: JP4201257B2
Application number: JP2003128680A
Authority: JP
Inventors: 昇久保
Original assignee: Sumitomo Metal SMI Electronics Device Inc
Current assignee: Sumitomo Metal SMI Electronics Device Inc
Priority date: 2003-05-07
Filing date: 2003-05-07
Publication date: 2008-12-24
Anticipated expiration: 2023-05-07
Also published as: JP2004336321A

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、伝送線路に高周波用の信号を通過させるための高周波信号伝送線路基板に関し、より詳細には、ウイルキンソン型の回路で構成される伝送線路を有する高周波信号伝送線路基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年のモジュールの高周波化に伴い、半導体素子を搭載して高周波の信号を伝播させるための高周波信号伝送線路基板には、単なる電気的接続では、例えば、信号線を伝播する信号の反射、クロストーク等の伝送線路としての電磁波的挙動が顕著になるため、反射ノイズや、不要電磁放射（ＥＭＩ）等の様々なノイズの対策が必要となっている。この高周波用伝送線路基板は、セラミックやプラスチックからなる誘電体基板に高速動作に対応でき、ノイズの発生要因を減少するような電気的設計の考慮を行いながら導体金属で信号線や、グランド等を形成して作製されている。
【０００３】
通常、高周波信号伝送線路基板を用いて高出力の増幅を行う場合には、アンプの耐電力等の理由から１つのアンプではなく、複数のアンプを高周波信号伝送線路基板に搭載させることが行われる。この場合、複数のアンプへ信号を入力させるためには、アンプへの入力側の伝送線路を分岐する必要があるが、高周波信号においては、ただ単に伝送線路を分岐するのではなく、特性インピーダンスの整合を行う必要がある。この整合方法には、例えば、特性インピーダンスをＺ_０とした時に、分岐前に特性インピーダンス１／２^１／２・Ｚ_０の波長／４線路を設けたり、あるいは、分岐後に特性インピーダンス２^１／２・Ｚ_０の波長／４線路を有する変成器を設けることで行われている。なお、図４に示すように、この特性インピーダンスの算出は、特性インピーダンスＺ_１の伝送線路５１と特性インピーダンスＺ_２の伝送線路５２を整合させて接続するには、中間に特性インピーダンスＺ_Ｍ＝（Ｚ_１・Ｚ_２）^１／２の波長／４の長さの伝送線路５３を設ければよいことの原理から算出されている。
【０００４】
また、分岐後の２つの伝送線路間には、充分なアイソレーションが要求される場合があるので、ウイルキンソン型の回路を有する伝送線路が用いられている。図５を参照しながら、このウイルキンソン型の伝送線路を用いた伝送線路を模式的に説明する。ポート１から入力された信号は、例えば、分岐点６１で２方向に分かれてポート２と、ポート３へ反射を発生させることなく通過するように、前記の波長／４変成器６２を使用することで整合が取られている。また、例えば、ポート２で発生したノイズがポート３に伝達しないようにするためには、位置Ａから位置Ｂまでの長さを波長／４とし、位置Ｂから位置Ａを通って位置Ｃまでの長さを波長／２としている。更に、位置Ｂから抵抗６３を通って位置Ｃに到達する長さが波長／２と比較して小さい場合には、ポート２で発生したノイズが位置Ａを通って位置Ｃに到達する時のノイズの位相と、抵抗６３を通って位置Ｃに直接到達するノイズの位相とが１８０度異なっている。そこで、抵抗６３の抵抗値ＲをＲ＝２・Ｚ_０とすることにより、位置Ｃに到達するノイズの絶対値が等しくなり、ノイズが互いに打ち消されてポート３にノイズが到達しなくなるようにしている。このウイルキンソン型の回路で構成される伝送線路では、最適化した大きさの抵抗６３を設置することにより、分岐後の２つの伝送線路間のアイソレーションを維持できるようにしている。
【０００５】
従来の高周波信号伝送線路基板には、例えば、入力側ストリップ線路及び出力側ストリップ線路を誘電体基板上で５０Ωの特性インピーダンスとなる線路幅で作成し、入力されたマイクロ波帯の信号を分岐点で分岐し、後段に接続される同じ特性インピーダンスを有する回路等に電力を伝送するものが提案されている。そして、この高周波信号伝送線路基板に形成された波長／４の変成器は、電力分配比に見合った異なる幅に設定され、異なる線路幅による接続段差が入力側ストリップ線路の中心線から入力側ストリップ線路の片側線路幅の範囲で出力側ストリップ線路側へずれて設定されているものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−１３５０１５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述したような従来の高周波信号伝送線路基板は、次のような問題がある。
（１）高周波信号伝送線路基板がアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）からなる誘電体基板で、周波数が、例えば、２０ＧＨｚ程度以上の高周波の信号が流れる伝送線路基板の場合には、マイクロストリップ線路構造において、表面波の発生を低減するために基板の厚みを薄く、例えば、０．２５ｍｍ以下等にし、伝送線路幅も特性インピーダンス設計のために基板厚みに合わせてより細く、例えば、０．２５ｍｍ以下等にする必要がある。また、グランデットコプレナ線路構造においても、共振をより高周波側へシフトさせるために、伝送線路幅をより細く、例えば、０．２ｍｍ以下等にする必要がある。このような伝送線路幅の構造においては、チップ抵抗を実装するための実装用パッドの幅が不足するので、実装を行うことが難しくなる。
【０００８】
（２）誘電体基板上に抵抗体を厚膜や薄膜で設置した場合には、コストが高くなるので、チップ抵抗を実装させることが望まれる。図６に示すように、チップ抵抗６４を実装するための実装用パッド６５は、充分な実装領域、例えば、幅０．４ｍｍ、長さ０．５ｍｍ等の領域が必要となるが、実装用パッド６５の領域を大きくすると、実装用パッド６５の特性インピーダンスが入力側の伝送線路６６や出力側の伝送線路６７より小さい特性インピーダンスの不整合箇所として、伝送特性を大きく悪化させている。
【０００９】
（３）実装用パッドの特性インピーダンスが入力側や出力側の伝送線路より小さい特性インピーダンスの不整合箇所として、伝送特性を大きく悪化させるのを防止するために、積層体からなる伝送線路基板の下層のグランドパターンを部分的に実装用パッド直下周辺のみを削除することによって、容量を低減し、入力側や出力側の特性インピーダンスを、例えば、５０Ωに近づける構造が考えられるが、削除した箇所が共振する問題が発生する。また、例え共振しなくても、セラミックグリーンシートの積層ずれや、配線パターンの印刷ずれによって、特性が安定しない問題がある。
【００１０】
（４）分岐した伝送線路の幅を変化させて特性インピーダンスを整合させるだけの方法においては、分岐後の２つの伝送線路間に充分なアイソレーションを必要とする場合に、充分なアイソレーションを得ることができない。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、高周波の信号が伝播でき、充分なアイソレーション用のチップ抵抗の実装領域を備え、安定した伝送特性を有する高周波信号伝送線路基板を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記目的に沿う本発明に係る高周波信号伝送線路基板は、誘電体基板に形成される高周波信号用の入力端子から延設される伝送線路が分岐点で２分配され、分岐点から出力端子へ延設される伝送線路間にチップ抵抗が接合されて形成されるウイルキンソン型の回路を有する高周波信号伝送線路基板であって、伝送線路にチップ抵抗を搭載するための長さが波長／４からなり、寸法幅をチップ抵抗の寸法幅より大きくする接続用パッドが設けられると共に、特性インピーダンスをＺ_ｐとする接続用パッドと、特性インピーダンスをＺ_ｏとする出力側線路との間に特性インピーダンスが（Ｚ_０・Ｚ_ｐ）^１／２で、且つ長さが波長／４からなり、寸法幅を出力側線路の寸法幅より大きく接続用パッドの寸法幅より小さくする第１の中間線路が直列接続して設けられて、接続用パッドと出力側線路の特性インピーダンスの整合が計られ、しかも、接続用パッドと分岐点の間に設けられる特性インピーダンスをＺ_ｍとする分岐線路と、特性インピーダンスをＺ_０とする入力側線路との間に特性インピーダンスが（０．５・Ｚ_ｍ ^２・Ｚ_０／Ｚ_ｐ）^１／２で、且つ長さが波長／４からなり、寸法幅を入力側線路の幅より大きく接続用パッドの幅より小さくする第２の中間線路が直列接続して設けられて、接続用パッドと分岐線路及び入力側線路の特性インピーダンスの整合が計られる。これにより、チップ抵抗を搭載させるための接続用パッドは、幅を確保しながら長さを波長／４とし、接続用パッドと、出力側線路との間に特性インピーダンスを整合する第１の中間線路を設け、接続用パッドと、入力側線路との間にも特性インピーダンスを整合する第２の中間線路を設けているので、容易にチップ抵抗を接続用パッドに搭載できると共に、特性インピーダンスの不整合箇所がなく、共振や、積層ずれや、印刷ずれ等の影響が少ない安定した伝送特性を有する高周波信号伝送線路基板とすることができる。また、分岐後の２つの伝送線路間には、抵抗を設けているので、伝送線路間のアイソレーションを計ることができると共に、分岐後の２つの伝送線路間に設ける抵抗がチップ抵抗であるので、安価な高周波信号伝送線路基板とすることができる。更に、チップ抵抗搭載用の接続用パッドを挟んで入力側と出力側の伝送線路の特性インピーダンスの不整合箇所をなくすことができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。
ここに、図１（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の一実施の形態に係る高周波信号伝送線路基板の斜視図、分岐部拡大平面図、図２（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ同高周波信号伝送線路基板の変形例の分岐部拡大平面図、図３（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ本発明及び従来の高周波信号伝送線路基板の伝送特性のシミュレーション結果のグラフである。
【００１４】
図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、本発明の一実施の形態に係る高周波信号伝送線路基板１０は、複数枚を重ね合わせて積層して形成するセラミックや、プラスチック等の積層体からなる誘電体基板１１の一方の主面に高周波の信号を通過させるための信号線用の金属導体からなる伝送線路１２と、半導体素子を搭載させるための半導体素子搭載用パッド１３、及び半導体素子搭載用パッド１３の周辺にワイヤボンディングパッド（図示せず）を有している。また、誘電体基板１１の一方の主面の直下の中間層には、伝送線路１２の金属導体と実質的に同じ金属導体を用いたべたパターンや、島状パターン等からなるグランド用の金属導体パターン（図示せず）を有している。また、誘電体基板１１の一方の主面、及び所定の中間層には、半導体素子と電気的な導通を取るために、配線パターン（図示せず）や、上層と下層の配線パターを接続するためのビア（図示せず）を有している。
【００１５】
この高周波信号伝送線路基板１０には、入力端子１４から延設する伝送線路１２が分岐点１５で、Ω字型や、Ｏ字型等に分岐する長さが波長／４からなる分岐線路１６を介してＴ字型に２分配され、延設される途中に半導体素子搭載用パッド１３を挟んで出力端子１７へ延設されて設けられている。そして、この高周波信号伝送線路基板１０は、２つの出力側の伝送線路１２の間に、抵抗が設けられて構成されるウイルキンソン型の回路からなっている。この抵抗には、半田等で後付の実装が可能なチップ抵抗１８が用いられている。このチップ抵抗１８を搭載させるために、出力側の伝送線路１２には、長さが波長／４からなる接続用パッド１９が設けられている。この接続用パッド１９と共に、出力側の伝送線路１２には、接続用パッド１９と、出力端子１７に延設する出力側線路２０との間に第１の中間線路２１が設けられている。この第１の中間線路２１によって、高周波信号伝送線路基板１０は、接続用パッド１９と出力側線路２０の特性インピーダンスの整合が計られるようになっている。
【００１６】
また、高周波信号伝送線路基板１０には、接続用パッド１９と分岐点１５の間に設けられる長さが波長／４からなる分岐線路１６と、入力端子１４に延設する入力側線路２２との間に第２の中間線路２３が設けられている。この第２の中間線路２３によって、高周波信号伝送線路基板１０は、接続用パッド１９と、分岐線路１６及び入力側線路２２の特性インピーダンスの整合が計られるようになっている。
【００１７】
図２（Ａ）、（Ｂ）を参照しながら、本発明の一実施の形態に係る高周波信号伝送線路基板１０の変形例を説明する。この変形例の一つは、図２（Ａ）に示すように、入力側線路２２と第２の中間線路２３の伝送線路１２が分岐点１５でＵ字型に分岐する分岐線路１６ａを介してＴ字型に２分配されている。そして、接続用パッド１９ａは、入力側線路２２と第２の中間線路２３に対して２つが互いに外側に開くように角度を持って折り曲がって設けられ、第１の中間線路２１及び出力側線路２０に入力側線路２２と第２の中間線路２３に対して直角にになるように接続されて形成されている。また、変形例の他の一つは、図２（Ｂ）に示すように、入力側線路２２と第２の中間線路２３の伝送線路１２が分岐点１５でＹ字型に分岐する分岐線路１６ｂを介してＴ字型に２分配されている。そして、接続用パッド１９ｂは、上記の接続用パッド１９ａと同様に折り曲がって設けられ、第１の中間線路２１及び出力側線路２０に入力側線路２２と第２の中間線路２３に対して直角にになるように接続されて形成されている。特に、これらの形状からなる高周波信号伝送線路基板１０は、分岐線路１６ａ、１６ｂ間に間隔Ａ、Ｂを設けることで、電流の漏れの発生が少なくでき、また、接続用パッド１９ａ、１９ｂにスタブの発生を防止することができるので、信号をスムースに送ることができると同時に、ノイズの発生を防止することができる。
【００１８】
高周波信号伝送線路基板１０の第１の中間線路２１の長さは、接続用パッド１９、１９ａ、１９ｂの特性インピーダンスをＺ_ｐ、出力側線路２０の特性インピーダンスをＺ_０とする時に、（Ｚ_０・Ｚ_ｐ）^１／２の特性インピーダンスの波長／４からなるのがよい。また、第２の中間線路２３の長さは、分岐線路１６、１６ａ、１６ｂの特性インピーダンスをＺ_ｍ、入力側線路２２の特性インピーダンスをＺ_０とする時に、（０．５・Ｚ_ｍ ^２・Ｚ_０／Ｚ_ｐ）^１／２の特性インピーダンスの波長／４からなるのがよい。この第１の中間線路２１及び第２の中間線路２３によって、入力端子１４からの高周波の信号は、特性インピーダンスの不整合を発生させることなく、２つの出力端子１７へ分配することができる。
【００１９】
【実施例】
それぞれの基板厚みが０．２０ｍｍのものを３層積層し、外形が４０ｍｍ×４０ｍｍのアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）基板からなり、伝送線路をタングステンからなる導体金属を用い、分岐点でＵ字型に２分配し、チップ抵抗が載置される接続用パッドの長さが波長／４からなり、接続用パッドにスタブが発生しにくい構造とし、接続用パッドを挟んで第１と第２の中間線路を設け、入、出力側線路の幅を０．２０ｍｍとした実施例を作製した。併せて、比較例として、実施例と同寸法、同基板、同金属導体で、伝送線路の分岐点でΩ字形状に２分配し、チップ抵抗の載置部の領域を０．４ｍｍ×０．５ｍｍとし、第１と第２の中間線路を設けないで、０．２０ｍｍ幅の入力側線路を分岐点で接続し、０．４ｍｍ×０．５ｍｍのチップ抵抗の載置部の領域から直接０．２０ｍｍ幅の出力側線路を設けたものを作製した。実施例と、比較例について、ＳパラメータのＳ１１である反射係数、Ｓ２１である通過係数、Ｓ３２であるアイソレーション係数をシミュレーションして調査した。
【００２０】
図３（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、Ｓパラメータシミュレーションを行った結果は、周波数が２５ＧＨｚ付近の高周波領域では、実施例の反射係数Ｓ１１が−２５ｄＢ以下で良好な結果であり、比較例に比べて格段によい結果を示している（図３（Ａ）参照）。また、実施例の通過係数Ｓ２１は、−４ｄＢ以上で良好な結果であり、比較例に比べてよい結果を示している（図３（Ｂ）参照）。更に、実施例のアイソレーション係数Ｓ３２は、−２０ｄＢ以下で良好な結果であり、比較例に比べて遜色ない結果を示している（図３（Ｃ）参照）。実施例は、従来例より優れた伝送特性を有していることが分かった。
【００２１】
【発明の効果】
請求項１記載の高周波信号伝送線路基板は、誘電体基板に形成される高周波信号用の入力端子から延設される伝送線路が分岐点で２分配され、分岐点から出力端子へ延設される伝送線路間にチップ抵抗が接合されて形成されるウイルキンソン型の回路を有する高周波信号伝送線路基板であって、伝送線路にチップ抵抗を搭載するための長さが波長／４からなり、寸法幅をチップ抵抗の寸法幅より大きくする接続用パッドが設けられると共に、特性インピーダンスをＺ_ｐとする接続用パッドと、特性インピーダンスをＺ_ｏとする出力側線路との間に特性インピーダンスが（Ｚ_０・Ｚ_ｐ）^１／２で、且つ長さが波長／４からなり、寸法幅を出力側線路の寸法幅より大きく接続用パッドの寸法幅より小さくする第１の中間線路が直列接続して設けられ、しかも、接続用パッドと分岐点の間に設けられる特性インピーダンスをＺ_ｍとする分岐線路と、特性インピーダンスをＺ_０とする入力側線路との間に特性インピーダンスが（０．５・Ｚ_ｍ ^２・Ｚ_０／Ｚ_ｐ）^１／２で、且つ長さが波長／４からなり、寸法幅を入力側線路の幅より大きく接続用パッドの幅より小さくする第２の中間線路が直列接続して設けられるので、接続用パッドに容易にチップ抵抗を搭載できると共に、特性インピーダンスの不整合箇所がなく、共振や、積層ずれや、印刷ずれ等の少ない安定した伝送特性を有する高周波信号伝送線路基板とすることができる。また、分岐後の２つの伝送線路間には、抵抗を設けて、伝送線路間のアイソレーションを計ると共に、分岐後の２つの伝送線路間に設ける抵抗がチップ抵抗であるので、高周波信号伝送線路基板を安価にすることができる。更に、チップ抵抗搭載用の接続用パッドを挟んで入力側と出力側の伝送線路の特性インピーダンスの不整合箇所をなくして、２つの出力端子へ高周波の信号を分配することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の一実施の形態に係る高周波信号伝送線路基板の斜視図、分岐部拡大平面図である。
【図２】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ同高周波信号伝送線路基板の変形例の分岐部拡大平面図である。
【図３】（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ本発明及び従来の高周波信号伝送線路基板の伝送特性のシミュレーション結果のグラフである。
【図４】従来からの特性インピーダンスの算出方法の説明図である。
【図５】従来からのウイルキンソン型の回路を有する伝送線路の説明図である。
【図６】従来の高周波信号伝送線路基板である比較例の分岐部拡大平面図である。
【符号の説明】
１０：高周波信号伝送線路基板、１１：誘電体基板、１２：伝送線路、１３、：半導体素子搭載用パッド、１４：入力端子、１５：分岐点、１６、１６ａ、１６ｂ：分岐線路、１７：出力端子、１８：チップ抵抗、１９、１９ａ、１９ｂ：接続用パッド、２０：出力側線路、２１：第１の中間線路、２２：入力側線路、２３：第２の中間線路

Claims

誘電体基板に形成される高周波信号用の入力端子から延設される伝送線路が分岐点で２分配され、該分岐点から出力端子へ延設される前記伝送線路間にチップ抵抗が接合されて形成されるウイルキンソン型の回路を有する高周波信号伝送線路基板であって、
前記伝送線路に前記チップ抵抗を搭載するための長さが波長／４からなり、寸法幅を前記チップ抵抗の寸法幅より大きくする接続用パッドが設けられると共に、特性インピーダンスをＺ_ｐとする前記接続用パッドと、特性インピーダンスをＺ_ｏとする出力側線路との間に特性インピーダンスが（Ｚ_０・Ｚ_ｐ）^１／２で、且つ長さが波長／４からなり、寸法幅を前記出力側線路の寸法幅より大きく前記接続用パッドの寸法幅より小さくする第１の中間線路が直列接続して設けられて、前記接続用パッドと前記出力側線路の特性インピーダンスの整合が計られ、しかも、前記接続用パッドと前記分岐点の間に設けられる特性インピーダンスをＺ_ｍとする分岐線路と、特性インピーダンスをＺ_０とする入力側線路との間に特性インピーダンスが（０．５・Ｚ_ｍ ^２・Ｚ_０／Ｚ_ｐ）^１／２で、且つ長さが波長／４からなり、寸法幅を前記入力側線路の幅より大きく前記接続用パッドの幅より小さくする第２の中間線路が直列接続して設けられて、前記接続用パッドと前記分岐線路及び前記入力側線路の特性インピーダンスの整合が計られることを特徴とする高周波信号伝送線路基板。