JP4264182B2 - 薄膜広帯域カップラ - Google Patents
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- H01P5/12—Coupling devices having more than two ports
- H01P5/16—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port
- H01P5/18—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port consisting of two coupled guides, e.g. directional couplers
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- Waveguide Connection Structure (AREA)
- Coils Or Transformers For Communication (AREA)
- Fixed Capacitors And Capacitor Manufacturing Machines (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、キャリア基板と、その上に配置されたメイン・カップラ・ループおよび外部カップラ・ループからなる２つのストリップラインとに関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
カップラは、特に、電力増幅器の出力とアンテナとの間でＨＦ信号を結合させることが可能な移動電話や基地局用の高周波部品である。結合された信号は、電力増幅器の出力電力を制御するために用いられる。例えば、この種のカップラは、２つのカップラ・ループを有し、そのうちの一つは、可能な限り最低の損失で伝送信号を伝送することができるメインループである。もう一つのカップラ・ループは、伝送信号よりも小さい信号を結合させる補助ループである。
【０００３】
この種のカップラは、種々の用途で知られている。その一つは、セラミック多層技術を利用したカップラである。電極構造はセラミック薄片にプリントされ、このセラミック薄片は積み重ねられた後に焼結され、これらセラミック・カップラ用の部品が形成される。このプリント手法の欠点は、粗い粒状の組織を有する電極ができることであり、このような電極により、電気抵抗が高くなる。
【０００４】
さらに、マイクロストリップ技術を用いた例がある。1991年IEEEのMTT-S国際超音波シンポジウム・ダイジェストvol.IIの857〜860ページに開示されている薄膜カップラは、カップラループを形成する２つのストリップラインを有する。２つのカップラループは、高誘電体係数Ｋをもつ誘電体基板上に設けられる。金属層は、セラミック基板の背面側に設けられて接地面を形成する。６つのエンド・コンタクトがその部品に固定される。６つのエンド・コンタクトのうち２つは、毎回カップラループと接触する。既知の誘電率をもつ誘電体基板を使用することにより、各部品が小型の構成で実現できるという利点を有する。その一方で、主な欠点は、これらの基板は、例えばガラスやAl2O3を用いるよりもコストがかかるということである。小型のカップラ（カップラ長<<λ/4）がこの種の安価な基板で実現できるならば、カップラは約６dB／周波数オクターブのカップラ信号の周波数シフトを示す。
【０００５】
本発明は、いくつかの周波数で同様のカップリングを行う安価な小型のカップラを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、キャリア基板と、その上に配置された２つのストリップラインを有する薄膜カップラを備え、一方のストリップラインはメインカップラループであり、他方のストリップラインは補助カップラループであり、補助カップラループに統合された部品を有し、その部品は結合された信号の周波数の位相シフトを行うことにより達成される。
【０００７】
通常、カップラは、カップリング時に、強い周波数依存性を示す。結合された信号の周波数の位相シフトを行う補助カップラループにおける部品の共通化は、カップリングのバンド幅を広げる作用を行う。
【０００８】
薄膜カップラの実施形態において、補助カップラループに結合されて統合された信号の周波数の位相シフトを行う部品はストリップラインである。
【０００９】
補助カップラループにおけるストリップラインの共通化は、薄膜カップラの最も簡易な実施形態を示している。その理由は、ストリップラインは、補助カップラループに直接統合することができ、製造時に追加の処理ステップは必要とされないためである。
【００１０】
薄膜カップラの他の実施形態として、補助カップラループに結合されて統合された信号の周波数の位相シフトを行う部品はコイルである。
【００１１】
コイルは、簡易な手法で補助カップラループに統合することができる。コイルは、ストリップライン技術を用いても実装することができ、補助カップラループの残りと同じ処理ステップで結果的に適用できる。あるいは、コイルを、他の薄膜技術により形成し、その後に補助カップラループと電気的に接触してもよい。
【００１２】
薄膜カップラのさらなる実施形態として、補助カップラループに結合されて統合された信号の周波数の位相シフトを行う部品は、直列または並列に接続されたコイルとキャパシタにより形成される。
【００１３】
ＬＣ結合の共通化は、カップラのバンド幅を特に広げる結果になる。
【００１４】
好ましくは、キャリア基板として使用される材料は、セラミック材料か、ガラスの平面層をもつセラミック材料か、ガラス・セラミック材料か、ガラス材料である。これら材料で形成されたキャリア基板は、安価に製造でき、関連部品の処理コストを低く維持することができる。
【００１５】
さらに、カップラループの端部それぞれは、電流供給コンタクトに電気的に接続される。
【００１６】
各部品は、電流供給コンタクトによる回路の他の部品に電気的に接続されている。応用のタイプまたは実装部品のタイプに応じて、電極板SMDエンドコンタクトや、バンプ・エンドコンタクトや、コンタクト面が、電流供給コンタクトとして利用される。SMDエンドコンタクトやバンプ・エンドコンタクトを使用すれば、個別部品を製造することができる。
【００１７】
無機材料の少なくとも保護層および／または有機材料は薄膜カップラ上に設けるのが望ましい。
【００１８】
保護層は、機械的な負荷と湿気により引き起こされる機械的な腐食から部品を保護する。
【００１９】
キャリア基板の下側に金属層を設けるのが望ましい。
【００２０】
この金属層は、接地面として機能する。
【００２１】
薄膜カップラの実施形態において、金属層は、少なくとも一つの電流供給コンタクトに接続されるのが望ましい。
【００２２】
本発明は、６つの図面と３つの実施形態を用いて、以下に詳細に説明される。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１において、薄膜カップラはキャリア基板１を備えており、このキャリア基板１は、例えば、セラミック材料、ガラス平面層をもつセラミック材料、ガラスセラミック材料、およびガラス材料を含んでいる。主カップラループ２と補助カップラループ３は、キャリア基板１上に設けられる。両ループは、例えば、ストリップライン技術により構成でき、また、Cu、Al、Ag、Auまたはこれら金属の合金で構成できる。結合された信号の周波数をシフトする部品４は、補助カップラループ３に統合される。さらに、４つの電流供給コンタクト５は、薄膜カップラに固定され、このコンタクトは、２つのカップラループを介して、２個ずつ相互に接続される。電流供給コンタクト５として、例えば、Cr/Cu、Ni/Sn、Cr/Cu、Cu/Ni/Sn、Cr/Ni、またはPb/Snからなる電気メッキを施したSMDエンドコンタクトや、バンプエンドコンタクトや、コンタクト表面が用いられる。
【００２４】
最も簡易的なケースでは、位相シフト部品４は、カップラループと同様に、ストリップライン技術を用いて実施することができ、補助カップラループ３に直接統合することができる。位相シフト部品４は、例えば、薄膜技術により製造され、その後に、補助カップラループ３に電気的に接触される。
【００２５】
補助カップラループ３が図２のように構成される場合、補助カップラループ３は長さがあるために位相シフトが起きる。
【００２６】
図３では、補助カップラループ３はターン状に形成されるので、その形状によりコイルとして作用し、位相シフトを行う。
【００２７】
有機および／または無機の材料の保護層は、薄膜カップラ全体の上に配置される。使用される有機材料は、例えば、ポリベンゼン環ブテンやポリイミドであり、無機材料は、例えば、Si3Ｎ4、SiＯ2、SixＯyＮz（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１）である。
【００２８】
代わりになるものとして、例えばCuを有する金属層をキャリア基板１の背面側に設けてもよい。この金属層は、少なくとも一つのさらなる電流供給コンタクトに接続されていてもよい。
【００２９】
本発明がどのように実現されるかを示す例を以下に説明する。
【００３０】
（実施形態１）
115μmの幅をもつCuで形成された主カップラループ２と補助カップラループ３は、0.43mmの厚さをもつAl2Ｏ3からなるキャリア基板１上に設けられる。主カップラ２から補助カップラループ３までの距離は、35μmである。２つのカップラループの間の結合経路の長さは、20.5mm長で115μm幅のストリップラインにより相互接続される２つの1.8mm長のセクションに分割される。ストリップラインは、位相シフト部品４である。Cr/Cu、Cr/Ni/SnのSMDエンドコンタクトは、２つのカップラループの各端部における電流供給コンタクト５として設けられる。Cuの金属層は、キャリア基板１の下側に設けられる。
【００３１】
図４には、薄膜カップラ用の周波数の関数としての変数が示されており、ILは挿入損失を示し、Ｃはカップリングを示し、RLは帰還損失を示し、Ｉは絶縁を表している。
【００３２】
（実施形態２）
115μmの幅をもつCuの主カップラループ２と補助カップラループ３は、0.43mmの厚さをもつAl2Ｏ3のキャリア基板１上に設けられる。主カップラループ２から補助カップラループ３までの距離は35μmである。２つのカップラループの間の結合経路長は、２つの1.45mm長の部分に分割され、これら部分は50μmの内側ターン径と、20μmのターン間隔と、30μmのコイルターン幅とをもつ5.3ターンの薄膜コイルで相互に接続される。Cr/Cu,Cu/Ni/SnのSMDエンドコンタクトは、両カップラループの各端部において電流供給コンタクト５として設けられる。Cuの金属層は、キャリア基板１の下側に存在する。
【００３３】
図５には、この薄膜カップラ用の周波数の関数としての変数が図示されている。ILは挿入損失を示し、Ｃはカップリングを表し、Ｉは絶縁を表している。
【００３４】
（実施形態３）
115μmの幅をもつCuの主カップラループ２と補助カップラループ３は、0.43mmの厚さをもつAl2Ｏ3のキャリア基板上に設けられる。主カップラループ２から補助カップラループ３までの距離は35μmである。２つのカップラループの間の結合経路長は、２つの1.45mm長さの部分に分割される。これら部分は、5.4ｎHのインダクタンス値をもつCuで形成された薄膜コイルと１pFのキャパシタンス値をもつ並列の薄膜キャパシタにより相互に接続されている。薄膜キャパシタは、Alで形成された上部電極および下部電極と、Si3Ｎ4で形成された誘電体とを有する。電流供給コンタクト５として作用するCr/Cu,Cu/Ni/Snで形成されたSMDエンドコンタクトが両カップラループの端部それぞれに設けられる。Cuで形成された金属層は、キャリア基板１の下側にある。
【００３５】
図６には、薄膜カップラ用の周波数の関数としての変数パラメータが図示されており、ILは挿入損失を示し、Ｃはカップリングを示し、Ｉは絶縁を表している。
【図面の簡単な説明】
【図１】位相シフト部品が補助カップラループに統合される薄膜カップラの構成を示す図。
【図２】ストリップラインが補助カップラループに統合される薄膜カップラの上面図。
【図３】コイルが補助カップラループに統合される薄膜カップラの上面図。
【図４】ストリップラインが補助カップラループに統合された薄膜カップラの周波数の関数としての変数をプロットした図。
【図５】コイルが補助カップラループに統合された薄膜カップラの周波数の関数としての変数をプロットした図。
【図６】コイルと並列接続されたキャパシタが補助カップラループに統合された薄膜カップラの周波数の関数としての変数をプロットした図。
【符号の説明】
１ キャリア基板
２ 主カップラループ
３ 補助カップラループ
４ 部品
５ 電流供給コンタクト
【発明の属する技術分野】
本発明は、キャリア基板と、その上に配置されたメイン・カップラ・ループおよび外部カップラ・ループからなる２つのストリップラインとに関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
カップラは、特に、電力増幅器の出力とアンテナとの間でＨＦ信号を結合させることが可能な移動電話や基地局用の高周波部品である。結合された信号は、電力増幅器の出力電力を制御するために用いられる。例えば、この種のカップラは、２つのカップラ・ループを有し、そのうちの一つは、可能な限り最低の損失で伝送信号を伝送することができるメインループである。もう一つのカップラ・ループは、伝送信号よりも小さい信号を結合させる補助ループである。
【０００３】
この種のカップラは、種々の用途で知られている。その一つは、セラミック多層技術を利用したカップラである。電極構造はセラミック薄片にプリントされ、このセラミック薄片は積み重ねられた後に焼結され、これらセラミック・カップラ用の部品が形成される。このプリント手法の欠点は、粗い粒状の組織を有する電極ができることであり、このような電極により、電気抵抗が高くなる。
【０００４】
さらに、マイクロストリップ技術を用いた例がある。1991年IEEEのMTT-S国際超音波シンポジウム・ダイジェストvol.IIの857〜860ページに開示されている薄膜カップラは、カップラループを形成する２つのストリップラインを有する。２つのカップラループは、高誘電体係数Ｋをもつ誘電体基板上に設けられる。金属層は、セラミック基板の背面側に設けられて接地面を形成する。６つのエンド・コンタクトがその部品に固定される。６つのエンド・コンタクトのうち２つは、毎回カップラループと接触する。既知の誘電率をもつ誘電体基板を使用することにより、各部品が小型の構成で実現できるという利点を有する。その一方で、主な欠点は、これらの基板は、例えばガラスやAl2O3を用いるよりもコストがかかるということである。小型のカップラ（カップラ長<<λ/4）がこの種の安価な基板で実現できるならば、カップラは約６dB／周波数オクターブのカップラ信号の周波数シフトを示す。
【０００５】
本発明は、いくつかの周波数で同様のカップリングを行う安価な小型のカップラを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、キャリア基板と、その上に配置された２つのストリップラインを有する薄膜カップラを備え、一方のストリップラインはメインカップラループであり、他方のストリップラインは補助カップラループであり、補助カップラループに統合された部品を有し、その部品は結合された信号の周波数の位相シフトを行うことにより達成される。
【０００７】
通常、カップラは、カップリング時に、強い周波数依存性を示す。結合された信号の周波数の位相シフトを行う補助カップラループにおける部品の共通化は、カップリングのバンド幅を広げる作用を行う。
【０００８】
薄膜カップラの実施形態において、補助カップラループに結合されて統合された信号の周波数の位相シフトを行う部品はストリップラインである。
【０００９】
補助カップラループにおけるストリップラインの共通化は、薄膜カップラの最も簡易な実施形態を示している。その理由は、ストリップラインは、補助カップラループに直接統合することができ、製造時に追加の処理ステップは必要とされないためである。
【００１０】
薄膜カップラの他の実施形態として、補助カップラループに結合されて統合された信号の周波数の位相シフトを行う部品はコイルである。
【００１１】
コイルは、簡易な手法で補助カップラループに統合することができる。コイルは、ストリップライン技術を用いても実装することができ、補助カップラループの残りと同じ処理ステップで結果的に適用できる。あるいは、コイルを、他の薄膜技術により形成し、その後に補助カップラループと電気的に接触してもよい。
【００１２】
薄膜カップラのさらなる実施形態として、補助カップラループに結合されて統合された信号の周波数の位相シフトを行う部品は、直列または並列に接続されたコイルとキャパシタにより形成される。
【００１３】
ＬＣ結合の共通化は、カップラのバンド幅を特に広げる結果になる。
【００１４】
好ましくは、キャリア基板として使用される材料は、セラミック材料か、ガラスの平面層をもつセラミック材料か、ガラス・セラミック材料か、ガラス材料である。これら材料で形成されたキャリア基板は、安価に製造でき、関連部品の処理コストを低く維持することができる。
【００１５】
さらに、カップラループの端部それぞれは、電流供給コンタクトに電気的に接続される。
【００１６】
各部品は、電流供給コンタクトによる回路の他の部品に電気的に接続されている。応用のタイプまたは実装部品のタイプに応じて、電極板SMDエンドコンタクトや、バンプ・エンドコンタクトや、コンタクト面が、電流供給コンタクトとして利用される。SMDエンドコンタクトやバンプ・エンドコンタクトを使用すれば、個別部品を製造することができる。
【００１７】
無機材料の少なくとも保護層および／または有機材料は薄膜カップラ上に設けるのが望ましい。
【００１８】
保護層は、機械的な負荷と湿気により引き起こされる機械的な腐食から部品を保護する。
【００１９】
キャリア基板の下側に金属層を設けるのが望ましい。
【００２０】
この金属層は、接地面として機能する。
【００２１】
薄膜カップラの実施形態において、金属層は、少なくとも一つの電流供給コンタクトに接続されるのが望ましい。
【００２２】
本発明は、６つの図面と３つの実施形態を用いて、以下に詳細に説明される。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１において、薄膜カップラはキャリア基板１を備えており、このキャリア基板１は、例えば、セラミック材料、ガラス平面層をもつセラミック材料、ガラスセラミック材料、およびガラス材料を含んでいる。主カップラループ２と補助カップラループ３は、キャリア基板１上に設けられる。両ループは、例えば、ストリップライン技術により構成でき、また、Cu、Al、Ag、Auまたはこれら金属の合金で構成できる。結合された信号の周波数をシフトする部品４は、補助カップラループ３に統合される。さらに、４つの電流供給コンタクト５は、薄膜カップラに固定され、このコンタクトは、２つのカップラループを介して、２個ずつ相互に接続される。電流供給コンタクト５として、例えば、Cr/Cu、Ni/Sn、Cr/Cu、Cu/Ni/Sn、Cr/Ni、またはPb/Snからなる電気メッキを施したSMDエンドコンタクトや、バンプエンドコンタクトや、コンタクト表面が用いられる。
【００２４】
最も簡易的なケースでは、位相シフト部品４は、カップラループと同様に、ストリップライン技術を用いて実施することができ、補助カップラループ３に直接統合することができる。位相シフト部品４は、例えば、薄膜技術により製造され、その後に、補助カップラループ３に電気的に接触される。
【００２５】
補助カップラループ３が図２のように構成される場合、補助カップラループ３は長さがあるために位相シフトが起きる。
【００２６】
図３では、補助カップラループ３はターン状に形成されるので、その形状によりコイルとして作用し、位相シフトを行う。
【００２７】
有機および／または無機の材料の保護層は、薄膜カップラ全体の上に配置される。使用される有機材料は、例えば、ポリベンゼン環ブテンやポリイミドであり、無機材料は、例えば、Si3Ｎ4、SiＯ2、SixＯyＮz（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１）である。
【００２８】
代わりになるものとして、例えばCuを有する金属層をキャリア基板１の背面側に設けてもよい。この金属層は、少なくとも一つのさらなる電流供給コンタクトに接続されていてもよい。
【００２９】
本発明がどのように実現されるかを示す例を以下に説明する。
【００３０】
（実施形態１）
115μmの幅をもつCuで形成された主カップラループ２と補助カップラループ３は、0.43mmの厚さをもつAl2Ｏ3からなるキャリア基板１上に設けられる。主カップラ２から補助カップラループ３までの距離は、35μmである。２つのカップラループの間の結合経路の長さは、20.5mm長で115μm幅のストリップラインにより相互接続される２つの1.8mm長のセクションに分割される。ストリップラインは、位相シフト部品４である。Cr/Cu、Cr/Ni/SnのSMDエンドコンタクトは、２つのカップラループの各端部における電流供給コンタクト５として設けられる。Cuの金属層は、キャリア基板１の下側に設けられる。
【００３１】
図４には、薄膜カップラ用の周波数の関数としての変数が示されており、ILは挿入損失を示し、Ｃはカップリングを示し、RLは帰還損失を示し、Ｉは絶縁を表している。
【００３２】
（実施形態２）
115μmの幅をもつCuの主カップラループ２と補助カップラループ３は、0.43mmの厚さをもつAl2Ｏ3のキャリア基板１上に設けられる。主カップラループ２から補助カップラループ３までの距離は35μmである。２つのカップラループの間の結合経路長は、２つの1.45mm長の部分に分割され、これら部分は50μmの内側ターン径と、20μmのターン間隔と、30μmのコイルターン幅とをもつ5.3ターンの薄膜コイルで相互に接続される。Cr/Cu,Cu/Ni/SnのSMDエンドコンタクトは、両カップラループの各端部において電流供給コンタクト５として設けられる。Cuの金属層は、キャリア基板１の下側に存在する。
【００３３】
図５には、この薄膜カップラ用の周波数の関数としての変数が図示されている。ILは挿入損失を示し、Ｃはカップリングを表し、Ｉは絶縁を表している。
【００３４】
（実施形態３）
115μmの幅をもつCuの主カップラループ２と補助カップラループ３は、0.43mmの厚さをもつAl2Ｏ3のキャリア基板上に設けられる。主カップラループ２から補助カップラループ３までの距離は35μmである。２つのカップラループの間の結合経路長は、２つの1.45mm長さの部分に分割される。これら部分は、5.4ｎHのインダクタンス値をもつCuで形成された薄膜コイルと１pFのキャパシタンス値をもつ並列の薄膜キャパシタにより相互に接続されている。薄膜キャパシタは、Alで形成された上部電極および下部電極と、Si3Ｎ4で形成された誘電体とを有する。電流供給コンタクト５として作用するCr/Cu,Cu/Ni/Snで形成されたSMDエンドコンタクトが両カップラループの端部それぞれに設けられる。Cuで形成された金属層は、キャリア基板１の下側にある。
【００３５】
図６には、薄膜カップラ用の周波数の関数としての変数パラメータが図示されており、ILは挿入損失を示し、Ｃはカップリングを示し、Ｉは絶縁を表している。
【図面の簡単な説明】
【図１】位相シフト部品が補助カップラループに統合される薄膜カップラの構成を示す図。
【図２】ストリップラインが補助カップラループに統合される薄膜カップラの上面図。
【図３】コイルが補助カップラループに統合される薄膜カップラの上面図。
【図４】ストリップラインが補助カップラループに統合された薄膜カップラの周波数の関数としての変数をプロットした図。
【図５】コイルが補助カップラループに統合された薄膜カップラの周波数の関数としての変数をプロットした図。
【図６】コイルと並列接続されたキャパシタが補助カップラループに統合された薄膜カップラの周波数の関数としての変数をプロットした図。
【符号の説明】
１ キャリア基板
２ 主カップラループ
３ 補助カップラループ
４ 部品
５ 電流供給コンタクト
Claims (7)
- キャリア基板と、その上に配置された２つのストリップラインをもつ薄膜カップラと、を備え、
前記２つのストリップラインのうち一方がメインカップラループで、他方が補助カップラループであり、
前記補助カップラループに統合される部品をさらに備え、この部品は、結合された信号の周波数の位相シフトを行うものであり、
前記部品は、前記補助カップラループに統合されるコイルを有することを特徴とする薄膜カップラ。 - 前記部品は、前記補助カップラループに統合されるコイルおよびキャパシタを有することを特徴とする請求項１に記載の薄膜カップラ。
- 前記キャリア基板用に使用される材料は、セラミック材料、ガラスの平面層をもつセラミック材料、ガラス・セラミック材料、およびガラス材料のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の薄膜カップラ。
- カップラループの端部それぞれは、電流供給コンタクトに電気的に接続されることを特徴とする請求項１に記載の薄膜カップラ。
- 無機材料および／または有機材料の少なくとも一つの保護層が前記薄膜カップラの上に設けられることを特徴とする請求項１に記載の薄膜カップラ。
- 金属層が前記キャリア基板の下側に設けられることを特徴とする請求項１に記載の薄膜カップラ。
- 前記金属層は、少なくとも一つの電流供給コンタクトに接続されることを特徴とする請求項１に記載の薄膜カップラ。
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