JP4234165B2 - 多重導波路構造を用いた帯域信号伝送装置 - Google Patents

Description

本発明は、帯域信号伝送装置に関し、特に、低温セラミックス材質上に多段導波路構造を有する帯域信号伝送装置に関する。

従来、一般的な伝送装置は、図１に示されるように、低温セラミックス材質を有する基板１０上に、超高周波集積回路ＭＭＩＣ３０から単一ワイヤリング（wiring）４０を行い、単一の金属面を有する導波路形態よりなる金属薄膜伝送路２０を構成している。

この際、低温セラミックス基板１０上に装着される超高周波集積回路３０から発生する電気的な信号を効率的に伝達するためには、伝送路の抵抗特性が伝達周波数に適合するように、すなわち抵抗値が０に近く、且つ周波数に対して平坦であり、透過率が高くなければならない。

しかし、このような単純な構造の伝送装置は、図２に示されるように、低周波では透過率が優れた特性を示すが、１０ＧＨｚ以上の高周波では、金属薄膜伝送路２０に寄生するキャパシタンスやインダクタンスの影響により抵抗特性が適合せず、透過特性が益々悪くなる。

このような単純構造の金属薄膜伝送路２０が有する欠点を回避するために、２つの伝送路に分離して伝達する構造を有するウィルキンソン電力分配器（Wilkinsen Power Divider）を用いた伝送装置が開発された。

図３ａは、一般的なウィルキンソン電力分配器を用いた伝送装置の構成を示す図である。

図３ａのように、ウィルキンソン電力分配器を用いた伝送装置は、基板１０上に超高周波集積回路ＭＭＩＣ３０からダブルワイヤリング４０ａを行い、２つの金属面を有する導波路形態よりなる金属薄膜伝送路７０を構成することによって、１つの入力電力が２つの出力端子に電力を分配するようになる。

このような構成を有するウィルキンソン電力分配器は、従来、集中素子及び分布素子を用いて具現したが、最近、無線通信周波数が増加するに従って関連素子の小型化が図られ、電力分配器もやはり小型化される傾向にある。

図３ｂは、従来技術に係るウィルキンソン電力分配器の回路図である。図３ｃは、図３ｂの回路図における寄生成分を共に示す図である。

図３ｂのように、５０オーム（ohm）のインピーダンスを有する入力ライン５０と、入力ライン５０の一端に形成され、２つに分岐した７０．７オームのインピーダンスを有するトランスフォーマーライン（transformer line）６０とが設けられており、トランスフォーマーライン６０の終端に各々形成され、５０オームのインピーダンスを有する２つの出力ライン７０、８０が連結されている。また、２つの出力ライン７０、８０間に１００オームの抵抗を連結することで、出力端子７０、８０間の隔離度を向上させる隔離抵抗９０が設けられた構造となっている。

この際、トランスフォーマーライン６０は、導電性に優れた材料を利用し、隔離抵抗９０は、チップ抵抗又は薄膜抵抗を利用する。

しかし、前述の方法は、１００オームの隔離抵抗９０を５０オームのトランスフォーマーライン６０にチップ抵抗または薄膜抵抗を用いて連結する過程において、寄生キャパシタンス１００や寄生インダクタンス１１０という寄生成分の発生を不可避的に伴う。すなわち、このような寄生成分は、実際の製作過程で意図的に追加したものではなく、製作過程で製作者の意図とは関係なく発生するものである。

したがって、ウィルキンソン電力分配器の場合にも、発生する寄生成分の存在を完全に除去できないので、性能低下に影響を及ぼし、また、この影響は、図４のように、動作周波数が増加するにつれて、透過率を顕著に減少させる原因となる。

これにより、低温セラミックス基板１０上に装着される５０ＧＨｚ以上の超高周波集積回路ＭＭＩＣ３０では、ウィルキンソン電力分配器の場合にも、寄生成分である寄生キャパシタンスや寄生インダクタンスに起因して電気信号の伝達特性が劣化するという問題点を依然として有している。

特開平１―３０５７０３号公報 大韓民国特許出願公開第１９９９―００３１５７７号明細書

本発明は、前述のような問題点を解決するためになされたもので、その目的は、低温セラミックス基板に装着される５０ＧＨｚ以上の超高周波集積回路ＭＭＩＣから発生する電気的な信号を効率的に伝達する多重導波路構造を用いた帯域信号伝送装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、隔離抵抗の周辺に発生する寄生成分を除去することで、入出力特性を向上させることができる多重導波路構造を用いた帯域信号伝送装置を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、従来のウィルキンソン電力分配器において分離される導波路の二重線路を幅及び長さを異ならしめて直列で連結し、２つの分離線の適当な間隔を用いて、誘起される寄生成分を補償できる帯域信号伝送装置を提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明の一態様に係る多重導波路構造を用いた帯域信号伝送装置は、基板と、前記基板上に超高周波集積回路（ＭＭＩＣ）からワイヤリングされて分離された少なくとも２つ以上の金属面が幅及び長さのいずれか一方以上を異ならしめて少なくとも２段以上で直列連結された多段導波路形態の信号伝送路と、を備えることを特徴とする。

好ましくは、前記基板は、低温セラミックス材質、誘電体、磁性体、半導体のうち１種又は２種以上の複合材料で構成されることを特徴とする。

好ましくは、前記超高周波集積回路は、５０ＧＨｚ帯域以上で使われることを特徴とする。

好ましくは、前記信号伝送路は、前記超高周波集積回路（ＭＭＩＣ）からダブルワイヤリングされて分離された２つの第１の金属面を有する第１の二重線路と、前記第１の二重線路に各々直列で連結される幅及び長さが前記第１の金属面と異なる２つの金属面を有する第２の二重線路と、を備えて構成されることを特徴とする。

好ましくは、前記第１の二重線路は、７０オームのインピーダンスを有し、前記第２の二重線路は、１００オームのインピーダンスを有することを特徴とする。

好ましくは、前記信号伝送路は、電気信号を入力される入力ラインと、前記入力ラインの一端に連結され、少なくとも２つ以上に分岐するトランスフォーマーラインと、前記トランスフォーマーラインの終端に各々二重線路で連結される第１及び第２の出力ラインと、前記第１及び第２の出力ライン間に連結され、線路間の隔離度を向上させる第１の隔離抵抗と、前記第１及び第２の出力ラインの終端に隣り合う線路と幅及び長さを異ならしめて直列で連結される第３及び第４の出力ラインと、前記第３及び第４の出力ライン間に連結され、線路間の隔離度を向上させる第２の隔離抵抗と、前記第２の隔離抵抗の両端に並列で連結され、隣接線路の寄生成分を補償する補償手段とを備えて構成されることを特徴とする。

好ましくは、前記補償手段は、前記第２の隔離抵抗の両端に並列で連結され、隣接線路の寄生キャパシタンス成分を補償する補償キャパシタと、前記第２の隔離抵抗の両端および前記補償キャパシタの両端に並列で連結され、隣接線路の寄生インダクタンス成分を補償する補償インダクタとで構成されることを特徴とする。

好ましくは、前記第１及び第２の出力ラインは、５０オームのインピーダンスを有し、前記第３及び第４の出力ラインは、１００オームのインピーダンスを有する。

好ましくは、前記第１及び第２の隔離抵抗は、１００オームの値を有し、前記補償キャパシタンスは、１０〜９０ｐＦのキャパシタンス値を有し、前記補償インダクタは、１〜９ｎＨのインピーダンス値を有することを特徴とする。

好ましくは、前記補償キャパシタ及び補償インダクタの値は、前記第３及び第４の出力ライン間の間隔を用いて調節することを特徴とする。

好ましくは、前記補償キャパシタ及び補償インダクタは、単独または複合的に構成されることを特徴とする。

好ましくは、前記補償キャパシタ及び補償インダクタは、チップ型または一括工程のうち少なくとも１つにより形成されることを特徴とする。

好ましくは、前記第１及び第２の隔離抵抗は、チップ型及び薄膜型のうち少なくとも１つで構成されることを特徴とする。

好ましくは、前記信号伝送路は、一端が前記第３及び第４の出力ラインの終端に直列で連結され、他端が前記ＭＭＩＣからワイヤリングされて連結される第５及び第６の出力ラインと、前記第５及び第６の出力ライン間に連結され、線路間の隔離度を向上させる第３隔離抵抗と、をさらに備えて構成されることを特徴とする。

本発明に係る多重導波路構造を用いた帯域信号伝送装置は、電力分配器形態を有する二重構造の導波路で設計製作し、動作周波数がＭＨｚ帯域からＧＨｚ帯域またはＴＨｚ帯域に増加することによって、電気信号の伝達特性を向上させることができ、入出力特性を向上させることができる。

本発明の他の目的、特性及び利点は、添付の図面を参照した実施例の詳細な説明から明らかになるだろう。

以下、添付の図面を参照して、本発明に係る多重導波路構造を用いた帯域信号伝送装置の好ましい実施例について説明する。この際、帯域信号伝送装置の出力ラインは、２つまたはそれ以上とすることができるが、本明細書では、説明の簡略化のために、２つの出力ラインを有する帯域信号伝送装置を使用したものに限定して説明する。しかし、設計者に応じて、それ以上の出力ラインを有する帯域信号伝送装置を使用することができる。

図５は、本発明に係る多重導波路構造を用いた帯域信号伝送装置の構成を示す図である。

図５に示されるように、帯域信号伝送装置は、基板２００と、前記基板２００上に超高周波集積回路ＭＭＩＣ２３０からダブルワイヤリング４０ａを行うことによって分離された２つの金属面が幅及び長さを異ならしめて少なくとも２段以上で直列連結された多段導波路形態を有するミリメートル波帯域の信号伝送路２１０、２２０とで構成する。

この際、基板２００は、低温セラミックス材質、誘電体、磁性体、半導体などよりなる群から選ばれた１種または２種以上の複合的材料で構成されることが好ましい。また、超高周波集積回路２３０は、５０〜７５ＧＨｚ帯域で使用する回路であって、それ以上である数ＴＨｚ帯域で使われる回路にも適用可能である。

信号伝送路２１０、２２０についてさらに詳細に説明すれば、超高周波集積回路ＭＭＩＣ２３０からダブルワイヤリングを行うことによって分離された２つの第１の金属面を有する第１の二重線路２２０と、第１の二重線路２２０に各々直列で連結され且つ幅及び長さが第１の金属面と異なる２つの第２の金属面を有する第２の二重線路２１０とで構成される。この際、本明細書では、多段導波路形態を有する信号伝送路を２段に限定しているが、必要に応じて、さらに多い段を有する導波路形態を構成することが可能である。

第１の二重線路２２０は、５０オームのインピーダンスを有し、第２の二重線路２１０は、１００オームのインピーダンスを有することが好ましい。

図６ａは、図５の構成を有する帯域信号伝送装置の多重導波路の回路図である。図６ａでは、多重導波路で発生する寄生成分を全て共に表示している。

図６ａのように、多重導波路の回路図は、電気信号を入力される入力ライン５０と、前記入力ライン５０の一端に連結され、少なくとも２つ以上に分岐されるトランスフォーマーライン６０と、トランスフォーマーライン６０の終端に各々二重線路で連結する第１及び第２の出力ライン７０ａ、８０ａと、第１及び第２の出力ライン７０ａ、８０ａ間に連結され、ライン間の隔離度を向上させる第１の隔離抵抗２１２と、第１及び第２の出力ライン７０ａ、８０ａの終端に隣り合う二重線路と幅及び長さを異ならしめて直列で連結される第３及び第４の出力ライン７０ｂ、８０ｂと、第３及び第４の出力ライン７０ｂ、８０ｂ間に連結され、線路間の隔離度を向上させる第２の隔離抵抗２２２と、第２の隔離抵抗２２２の両端に並列で連結され、隣接線路の寄生キャパシタンス成分を補償する補償キャパシタ２２４と、第２の隔離抵抗２２２の両端と補償キャパシタ２２４との間に並列で連結され、隣接線路の寄生インダクタンス成分を補償する補償インダクタ２２６とで構成される。

この際、入力ライン５０は、５０オームのインピーダンスを、トランスフォーマーライン６０は、７０．７オームのインピーダンスを、第１及び第２の出力ライン７０ａ、８０ａは、５０オームのインピーダンスを、そして第３及び第４の出力ライン７０ｂ、８０ｂは、１００オームのインピーダンスを有することが好ましい。また、第１及び第２の隔離抵抗２１２、２２２は、１００オームまたは１００オームより大きいか、または小さい値を有するように構成され、補償キャパシタンス２２４は、１０〜９０ｐＦのキャパシタンス値を、補償インダクタ２２６は１〜９ｎＨインダクタンス値を有するように構成されることが好ましい。

この際、補償キャパシタ２２４及び補償インダクタ２２６の値は、第３及び第４の出力ライン７０ｂ、８０ｂ間の間隔を用いて調節するようになる。また、補償キャパシタ２２４または補償インダクタ２２６は、単独または複合的に構成され、チップ型または一括工程により製作することが好ましい。また、その材料と大きさが限定されるわけではない。

また、第１及び第２の隔離抵抗２１２、２２２は、チップ型または薄膜型で構成されることが好ましい。

このように、第１及び第２の出力ライン７０ａ、８０ａを有する第２の二重線路２１０と適当な間隔をもって形成された前記第３及び第４の出力ライン７０ｂ、８０ｂを有する第１の二重線路２２０を介して、第２の二重線路２１０から誘起される寄生成分である寄生キャパシタンス２１４及び寄生インダクタンス２１６が、第１の二重線路２２０に構成された補償キャパシタ２２４及び補償インダクタ２２６から誘起される補償キャパシタンス及び補償インダクタンスと直列で連結されることによって、互いに加減され、補償効果を得るようになる。

この際、第１の二重線路２２０及び第２の二重線路２１０とが特定の周波数で共振回路を形成するようになる。したがって、これにより形成される共振周波数が、伝送周波数の中心周波数となるように、分岐線の長さ及び幅を調節することで、キャパシタンスとインダクタンスを調節する。

図６ｂは、図５の構成を有する多重導波路構造を用いた帯域信号伝送装置の構成においてＭＭＩＣからワイヤリングされた部分を共に示す詳細回路図であって、図６ｂは、帯域信号伝送装置から発生する寄生成分を全て共に示している。

図６ｂを参照して説明すれば、図６ａと同じ回路図を有し、差異点としては、ＭＭＩＣ２３０からダブルワイヤリングされる部分４０ａに連結され、線路間の隔離度を向上させる第３隔離抵抗３００と、第３隔離抵抗３００と並列で連結され、ダブルワイヤリングされる線路から誘起される寄生成分である寄生キャパシタンス３１０及び寄生インダクタンス３２０とをさらに備えて構成される。

この際、図１のような単一線路の形態を有する場合のように、単一線路とＭＭＩＣ３０が単一ワイヤリングされる場合には、隔離抵抗と寄生成分のインダクタンスをチップまたは薄膜形態で補償しなければならない。したがって、回路を追加に付加しなければならないので、製造が複雑となり、ワイヤリングの正確な値を測定することが難しいので、製造方法において容易ではなかった。

しかし、本発明は、分岐線の延長により、前記ワイヤリング４０ａをＭＭＩＣ２３０に二重で連結することによって、単一のワイヤリングで発生する不可避な寄生インダクタンスや寄生キャパシタンスを、ダブルワイヤリングを用いて、隔離抵抗３００、寄生キャパシタンス３０１、寄生インダクタンス３０２などが発生させ、これを補償キャパシタ２２４、補償インダクタ２２６を通じて互いに補償されるように設計した。

このように、本発明は、伝達特性を向上させるために、第２の二重線路２２０における寄生成分を補償するために構成される第２の隔離抵抗２２２、補償キャパシタ２２４及び補償インダクタ２２６をＭＭＩＣ４０ａとのダブルワイヤリングを通じて発生する隔離抵抗３００、寄生キャパシタンス３０１、インダクタンス３０２などをも考慮して適当な値を有するように調節しなければならない。

本発明に係る伝送装置は、二重に作製される分岐線路により発生する寄生成分を、補償キャパシタ２２４及び補償インダクタ２２６により相殺することで、超高周波で出力端子間に隔離度を向上させることによって、帯域信号伝送装置の入出力特性が、従来の帯域信号伝送装置に比べて図７に示されるように非常に優れた特性を示している。

以上において説明した本発明は、本発明が属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で、様々な置換、変形及び変更が可能であるので、上述した実施形態及び添付された図面に限定されるものではない。

従来技術に係る帯域信号伝送装置の構成を示す図である。 図１の伝送路に信号を伝送する時の周波数別特性を示す図である。 一般的なウィルキンソン電力分配器を用いた伝送装置の構成を示す図である。 従来技術に係るウィルキンソン電力分配器の回路図である。 図３ｂの回路図における寄生成分を共に示す図である。 図３ａの伝送路に信号を伝送する時の周波数別特性を示す図である。 本発明に係る多重導波路構造を用いた帯域信号伝送装置の構成を示す図である。 図５の構成を有する帯域信号伝送装置において多重導波路構造の回路図である。 図５の構成を有する多重導波路構造を用いた帯域信号伝送装置の構成においてＭＭＩＣからワイヤリングされた部分を共に示す詳細回路図である。 図５の伝送装置に信号を伝送する時の周波数別特性を示す図である。

符号の説明

１０、２００ 基板
２０ 金属薄膜伝送路
３０、２３０ 超高周波集積回路（ＭＭＩＣ）
４０ 単一ワイヤリング
４０ａ ダブルワイヤリング
５０ 入力ライン
６０ トランスフォーマーライン
７０、７０ａ、７０ｂ８０、８０ａ、８０ｂ 出力ライン
９０、２１２、２２２、３００ 隔離抵抗
１００、３１０ 寄生キャパシタンス
１１０、３２０ 寄生インダクタンス
２１０、２２０ 伝送路
２２４ 補償キャパシタ
２２６ 補償インダクタ

Claims (9)

1. 基板と、
   前記基板上に超高周波集積回路（ＭＭＩＣ）からワイヤリング（wiring）されて分離された少なくとも２つ以上の金属面が幅及び長さのいずれか一方以上を異ならしめて少なくとも２段以上で直列連結された多段導波路形態の信号伝送路と
   を備え、
   前記信号伝送路は、
   電気信号を入力される入力ラインと、
   前記入力ラインの一端に連結され、少なくとも２つ以上に分岐するトランスフォーマーライン（transformer line）と、
   前記トランスフォーマーラインの終端に、各々二重線路で連結される第１及び第２の出力ラインと、
   前記第１及び第２の出力ライン間に連結され、線路間の隔離度を向上させる第１の隔離抵抗と、
   前記第１及び第２の出力ラインの終端に、隣り合う線路と幅及び長さを異ならしめて直列で連結される第３及び第４の出力ラインと、
   前記第３及び第４の出力ライン間に連結され、線路間の隔離度を向上させる第２の隔離抵抗と、
   前記第２の隔離抵抗の両端に並列で連結され、隣接線路の寄生成分を補償する補償手段と
   を備えて構成され、
   前記補償手段は、
   前記第２の隔離抵抗の両端に並列で連結され、隣接線路の寄生キャパシタンス成分を補償する補償キャパシタと、
   前記第２の隔離抵抗の両端および前記補償キャパシタの両端に並列で連結され、隣接線路の寄生インダクタンス成分を補償する補償インダクタと
   で構成され、
   前記補償キャパシタ及び補償インダクタの値は、前記第３及び第４の出力ライン間の間隔を用いて調節することを特徴とする帯域信号伝送装置。
2. 前記基板は、誘電体、磁性体、半導体のうち１種又は２種以上の複合材料で構成されることを特徴とする請求項１に記載の帯域信号伝送装置。
3. 前記超高周波集積回路は、５０ＧＨｚ帯域以上で使われることを特徴とする請求項１に記載の帯域信号伝送装置。
4. 前記第１及び第２の出力ラインは、５０オームのインピーダンスを有し、前記第３及び第４の出力ラインは、１００オームのインピーダンスを有することを特徴とする請求項１に記載の帯域信号伝送装置。
5. 前記第１及び第２の隔離抵抗は、１００オームの値を有し、前記補償キャパシタンスは、１０〜９０ｐＦのキャパシタンス値を有し、前記補償インダクタは、１〜９ｎＨのインピーダンス値を有することを特徴とする請求項１に記載の帯域信号伝送装置。
6. 前記補償キャパシタ及び補償インダクタは、単独に構成されることを特徴とする請求項１に記載の帯域信号伝送装置。
7. 前記補償キャパシタ及び補償インダクタは、チップ型により形成されることを特徴とする請求項１に記載の帯域信号伝送装置。
8. 前記第１及び第２の隔離抵抗は、チップ型及び薄膜型のうち少なくとも１つで構成されることを特徴とする請求項１に記載の帯域信号伝送装置。
9. 前記伝送路は、
   一端が前記第３及び第４の出力ラインの終端に直列で連結され、他端が前記ＭＭＩＣからワイヤリングされて連結される第５及び第６の出力ラインと、
   前記第５及び第６の出力ライン間に連結され、線路間の隔離度を向上させる第３隔離抵抗と
   をさらに備えて構成されることを特徴とする請求項１に記載の帯域信号伝送装置。

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