JP4620643B2 - インダクタ配線基板、インダクタ配線方法及びバイアスt回路 - Google Patents

インダクタ配線基板、インダクタ配線方法及びバイアスt回路 Download PDF

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Description

本発明は、インダクタ配線基板、インダクタ配線方法及びバイアスT回路に関し、特に40Gb/s等の高周波用途の基板上にインダクタが配線されたインダクタ配線基板及びインダクタを高周波用途の基板上に配線するインダクタ配線方法及び高周波信号に直流成分を重畳して供給するバイアスT回路に関する。
近年、マルチメディアの進展に伴い、高速・大容量の情報を遠距離まで低コストで伝送するための光通信ネットワークの構築が強く要望されており、10Gb/sクラスの光通信から、さらなる高速・大容量の通信として、40Gb/sクラスへの光通信システムの開発が進められている。
一方、光送受信機や計測機器等には、バイアスT(bias−T)と呼ばれる電子回路が用いられている。バイアスTは、インダクタ(コイル)とコンデンサからなり、高周波信号に影響を与えずに直流電流や直流電圧といった直流成分を重畳して供給する電子回路である。
10Gb/s以下の速度の光通信に使用されるバイアスTにおいては、バイアスTを構成するインダクタは、通常は小型の表面実装型インダクタ(例えば、1.0mm×0.5mm程度の面実装タイプ)を使用することができ、10Gb/s以下の用途ならば、このようなインダクタを使用しても高周波特性に顕著な劣化を生じることはない。
ところが、40Gb/sクラスの光通信を行う場合では、使用帯域は数百KHzから40GHzまでの広い帯域に渡るので、上記のような表面実装型のインダクタを伝送線路上に直接使用することはできず、インダクタの広帯域化を図らなければならない。
ここでいうインダクタの広帯域化とは、具体的には、インダクタが接続されている伝送線路上に高周波信号を流す際に、インダクタ側へ高周波信号が流れ込んで高周波特性が損なわれないように、インダクタの遮断帯域を高周波域まで広げることを意味する。
一般的にインダクタを広帯域化する場合、理想的には異なるインダクタンス値を持つインダクタを直列に接続すればよい。しかし、実際には単に直列接続しただけのインダクタ(以下、直列インダクタと呼ぶ)では、寄生容量が発生するなどの理由で特性が劣化するため使用することができない。以下、直列インダクタの問題点について説明する。
図15は直列インダクタを示す図である。直列インダクタL10は、インダクタンスが互いに異なるインダクタL11〜L13が直列に接続して構成されるインダクタである。なお、インダクタL11〜L13のそれぞれのインダクタンスの値をL11a、L12a、L13aとしたとき、インダクタンスの大きさは、L11a<L12a<L13aであるとする。
図16は直列インダクタL10を伝送線路に接続した場合の回路構成を示す図である。測定回路50は、インピーダンスが50Ωの高周波が流れる伝送線路5に、直列インダクタL10を接続したものである。また、ポートp1からポートp2へ向けて高周波信号を流すものとする。
図17はインダクタの周波数特性を示す図である。縦軸はdB、横軸は周波数である。直列インダクタL10を構成するインダクタL11〜L13のそれぞれ個別の周波数特性をまとめて図示している。
インダクタンスが最も大きなインダクタL13の自己共振周波数をfr3、インダクタンスが中間のインダクタL12の自己共振周波数をfr2、インダクタンスが最も小さなインダクタL11の自己共振周波数をfr1とする(図に示すように、インダクタンスが小さいほど自己共振周波数は大きくなる)。
ここで、測定回路50のポートp1からポートp2の方向(X方向)へ高周波信号を流したときの理想的な信号の流れを概念的に説明すると、自己共振周波数fr1を中心とする周波数a1〜a2までの周波数範囲Aに含まれる周波数信号は、インダクタL11によって通過が遮断されるので(インダクタL11には周波数範囲Aの信号が流れない)、ポートp3から直列インダクタL10の方向(Y方向)へ流れることなくX方向へ流れる。
また、この場合、インダクタL11だけが伝送線路5に接続されているならば、周波数範囲a1よりも小さな周波数信号はインダクタL11側へ流れてしまうことになるが、インダクタL12が次段に接続されているので、自己共振周波数fr2を中心とする周波数b1〜b2までの周波数範囲Bに含まれる周波数信号は、インダクタL12によって通過が遮断される(インダクタL12には周波数範囲Bの信号が流れない)。したがって、結局、周波数b1〜a1までの周波数範囲の周波数信号も、Y方向へは流れることなくX方向へ流れる。
同様に、インダクタL13が接続されているので、自己共振周波数fr3を中心とする周波数c1〜c2までの周波数範囲Cに含まれる周波数信号は、インダクタL13によって通過が遮断されるので(インダクタL13には周波数範囲Cの信号が流れない)、周波数c1〜b1までの周波数範囲にある周波数信号は、Y方向へ流れることなくX方向へ流れる。
このように、インダクタンスの異なるインダクタを直列に接続して直列インダクタを構成することで、各インダクタの遮断帯域が、途中に通過帯域が現れないように重なりながら配置されるようになり、理想的にはインダクタの広帯域化が可能である。
図18は測定回路50の理想的な周波数特性を示す図である。縦軸はdB、横軸は周波数である。伝送線路5上のポートp1からポートp2へ流れるX方向信号の理想的な周波数特性(点線)F1と、直列インダクタL10の理想的な周波数特性(実線)F2とを示している。
図18に示す理想的な周波数特性では、周波数c1から周波数a2までの周波数範囲の広帯域の信号の特性がフラットの形状をしているので、伝送線路5上を特性が劣化することなく、X方向へ流れることがわかる。
ただし、上記の状態は理想状態であって、実際の高周波回路では、インダクタ自体の寄生容量や、対GND容量が無視できなくなるので、単なる直列インダクタでは広帯域化は不可能である。
図19はインダクタの等価回路を示す図である。インダクタ100(直列インダクタL10を構成する1つのインダクタに該当する)は、本来のインダクタンスの他に、巻かれている電線同士で形成されたコンデンサ(寄生容量または線間容量)と巻線抵抗などから構成される。
インダクタ100の等価回路100aは、インダクタL0と抵抗R0とが直列に接続し、L0とR0の直列構成部分と、コンデンサCrとが並列接続した回路となる。また、インダクタ100のリード線をプリント基板に実装した場合には、パッド(部品をプリント基板に実装するための半田付け用銅箔)の箇所に、対GND容量が現れるので、等価回路100a上では、リード線とGND間にコンデンサC1、C2が接続されているように見えることになる。
コンデンサCrの寄生容量は、微少な値であるため、インダクタ100を低周波で使用する分には問題にならないが、高周波回路として用いる場合には無視できなくなり、インダクタのインピーダンスや自己共振周波数に変動を与えることになる。
図20は測定回路50の実際の周波数特性を示す図である。縦軸はdB、横軸は周波数である。伝送線路5上のポートp1からポートp2へ流れるX方向信号の実際の周波数特性(点線)F1aと、直列インダクタL10の実際の周波数特性(実線)F2aとを示している。
図20に示す実際の周波数特性では、周波数c1から周波数a2の周波数範囲の中に、瞬間的なY方向への通過域が周波数f1、f2において現れてしまい、周波数特性F1aに2つの落ち込み(dip)が発生してしまう。すなわち、伝送線路5をX方向に流れる信号が、周波数f1やf2になると、ポートp3から直列インダクタL10へのY方向にも流れ込んでしまい、周波数特性が劣化してしまう。このように、インダクタンスの異なるインダクタを直列に接続した単純な直列インダクタでは、40Gb/s以上の高速光通信には使用することができなかった。
高周波回路の従来技術として、コニカルコイルを使用してバイアスTを構成した技術が提案されている(例えば、特許文献1)。
特開2004−193886号公報(段落番号〔0014〕〜〔0019〕,第1図)
インダクタを広帯域化した従来技術としては、円錐形のコニカル(conical)コイルと呼ばれる自己共振周波数の高いインダクタが使用されるようになってきた。
図21はコニカルコイルの概要を示す図である。コニカルコイル110は、絶縁被膜を形成した導線111を、磁性材料よりなる円柱状のコア112の外周面に巻回し、巻線径は、一端から他端(図の右端から左端)に向かって徐々に小さくなっていく円錐形状を持つインダクタである。また、導線111の両端は、絶縁被膜を剥離させて銅線111aを露出させ、端子として使用する。
図22はコニカルコイル110の等価回路を示す図である。コニカルコイル110の等価回路110aは、インダクタンスがそれぞれ異なるインダクタL1〜Lnが直列に接続された構成となる。このとき、円錐形の先端部から見ると、インダクタンス値の小さい順にインダクタL1〜Lnが直列に配置されることになる。
このような構成のコニカルコイル110は、上述した直列インダクタに比べて、数100KHz〜数10GHz程度の広帯域特性を確保でき、またコニカルコイル110の先端部での径が小さいため、インダクタンス値が小さく寄生容量も小さく抑えられるため、数10GHz程度の高周波まで特性を確保できるといった特徴を持っている。
なお、コニカルコイル110による周波数特性は、インダクタL1が最も高い周波数の特性を決めるもので、インダクタL1からインダクタLnへ向かうほど、高周波域から低周波域へと移行する。
すなわち、高周波特性は、先端部側の径の小さい最初のインダクタL1のインダクタンス値によって決まり(インダクタL1は、径が小さくインダクタンス値が小さいため、高周波特性を確保可能)、高周波域から低周波域に向かうほど径の広いインダクタLn側へ順に移行して、大きくなっていくインダクタンス値によって高周波域から低周波域への特性が決まっていくといった構成をとる。
しかし、このようなコニカルコイルは、基板に実装することが難しく、取り扱いも容易ではないといった問題があった。図23はコニカルコイル110のボンディングの様子を示す図である。コニカルコイル110の先端部は、熱や超音波などで基板上にボンディング(圧着)される。
一般にコニカルコイル110は、長手方向が数mm程度と小型であり、巻き線の太さが数10μm程度と細く不安定な形状を持つため、ICパッケージ内への実装が一般的であり、また熟練の作業者の手作業による精密なボンディングによって接続することが必要であるため、使用箇所が限定的で、取り扱いが非常に困難であった。
また、コニカルコイル110の先端部分のリード線は、数100μm程度までしか延ばすことができず、それ以上長くすると高周波特性が劣化してしまい、また搭載角度の違いによっても特性に差が出てしまうため、実装時の特性ばらつきが大きいといった問題があった。
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、従来のような形状のコニカルコイルを用いずに、寄生容量を低減してインダクタの広帯域化を図ったインダクタ配線基板を提供することを目的とする。
また、本発明の他の目的は、寄生容量を低減してインダクタの広帯域化を図ったインダクタ配線方法を提供することである。
さらに、本発明の目的は、寄生容量が低減して広帯域化されたインダクタを有するバイアスT回路を提供することである。
本発明では上記課題を解決するために、図1に示すような、インダクタが配線されたインダクタ配線基板10において、基板11と、基板11に実装される伝送線路12と、伝送線路12に一端を接続し、伝送線路12に接続する一端から離れるにつれて放射状に広がるように、基板11の複数の層面を、基板11の層間を接続するビア13を通じて配線して、立体的なコニカル構造のインダクタを生成する伝送路パタン14と、を有することを特徴とするインダクタ配線基板10が提供される。
ここで、伝送路パタン14は、伝送線路12に一端を接続し、伝送線路12に接続する一端から離れるにつれて放射状に広がるように、基板11の複数の層面を、基板11の層間を接続するビア13を通じて配線して、立体的なコニカル構造のインダクタを生成する。
本発明のインダクタ配線基板は、伝送路パタンの一端を伝送線路に接続し、伝送線路に接続した一端から離れるにつれて放射状に広がるように、基板の複数の層面を、基板の層間を接続するビアを通じて配線して、立体的なコニカル構造のインダクタを構成した。これにより、寄生容量が低減された広帯域のインダクタを生成することができるので、周波数特性の向上を図ることが可能になり、また基板の各層の通常のパタン配線によってインダクタを生成するので、従来の不安定な形状のコニカルコイルと比べて実装及び取り扱いが容易となる。
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図1はインダクタ配線基板の構成を示す図である。インダクタ配線基板10は、ポリイミドまたは液晶ポリマ等の材質からなる基板11(以下、フレキシブル基板)と、フレキシブル基板11に実装される伝送線路12と、伝送路パタン14を含む。
なお、フレキシブル基板(FPC:Flexible Printed Circuits)は、柔軟性を持ったプリント基板であり、プリント基板の折り曲げが可能なことから、実装スペースの限られる携帯電話やデジタルカメラなどの小型製品に多用されている。
伝送路パタン14は、伝送線路12の入力端と出力端との間に一端を接続し、伝送線路12に接続する一端から離れるにつれて放射状に広がるように、フレキシブル基板11の複数の層面を、フレキシブル基板11の層間を接続するビア(via:多層のプリント基板で層間を接続するメッキ穴)13を通じて配線して、異なるインダクタンスのインダクタが連続に接続された立体的なコニカル構造のインダクタ14Lを生成する。インダクタ14Lは、伝送線路12に近いほどインダクタンスは小さく、伝送線路12から離れるほどインダクタンスは大きくなる。
次に2層のフレキシブル基板に対してインダクタ14Lを構成した場合について説明する。図2はメタル2層のフレキシブル基板にインダクタを配線した構造を示す図である。伝送路パタン14で生成される立体的なコニカル構造のインダクタ14L−1を示す図である。
伝送路パタン14を、伝送線路12から離れるにつれて放射状に広がるように、ビア13を通じて、2層のフレキシブル基板(図示せず)の各層に配線することで、立体的なコニカル構造のインダクタ14L−1を構成する。
図3はインダクタ14L−1の配線構造を簡略化した図である。以降、図3を用いて2層の場合のインダクタ14L−1の配線過程を詳しく説明する。ここで、1層目から伝送路パタン14の配線を開始して各層交互に配線する際に、各層に配線される伝送路パタン14に対して、順にP1、P2、・・・と符号を付けてPnと表し、伝送路パタンPnの両端に接続するビアをV(n−1)、Vnと表す。
n=1の場合、伝送路パタンP1は、一端が伝送線路12に接続し、他端がビアV1に接続して1層面上に配線され、ビアV1を通じて2層面上の伝送路パタンP2と接続する。
次に1層面上に配線される伝送路パタンP3、P5、P7について見ると(伝送路パタンP1を除く)、n=3の場合、伝送路パタンP3は、両端がビアV2とビアV3とに接続して1層面上に配線され、ビアV2を通じて2層面上の伝送路パタンP2と接続し、ビアV3を通じて2層面上の伝送路パタンP4と接続する。
n=5の場合、伝送路パタンP5は、両端がビアV4とビアV5とに接続して1層面上に配線され、ビアV4を通じて2層面上の伝送路パタンP4と接続し、ビアV5を通じて2層面上の伝送路パタンP6と接続する。
n=7の場合に伝送路パタンP7の一端を信号源に接続する場合は、伝送路パタンP7は、一端が信号源に接続し、他端はビアV6に接続して、1層面上に配線され、ビアV6を通じて2層面上の伝送路パタンP6と接続する。
上記の1層面上に配線される伝送路パタンPnの配線構造を一般化すると、以下となる。n=(2k−1)の場合(k=2、3、・・・)、伝送路パタンP(2k−1)は、両端がビアV(2k−2)とビアV(2k−1)とに接続して1層面上に配線され、ビアV(2k−2)を通じて2層面上の伝送路パタンP(2k−2)と接続し、ビアV(2k−1)を通じて2層面上の伝送路パタンP2kと接続する。
また、n=(2k−1)の場合(k=2、3、・・・)に伝送路パタンP(2k−1)の一端を信号源に接続する場合は、伝送路パタンP(2k−1)は、一端が信号源に接続し、他端はビアV(2k−2)に接続して、1層面上に配線され、ビアV(2k−2)を通じて2層面上の伝送路パタンP(2k−2)と接続する。
次に2層面上に配線される伝送路パタンP2、P4、P6について見ると、n=2の場合、伝送路パタンP2は、両端がビアV1とビアV2に接続して2層面上に配線され、ビアV1を通じて1層面上の伝送路パタンP1と接続し、ビアV2を通じて1層面上の伝送路パタンP3と接続する。
n=4の場合、伝送路パタンP4は、両端がビアV3とビアV4に接続して2層面上に配線され、ビアV3を通じて1層面上の伝送路パタンP3と接続し、ビアV4を通じて1層面上の伝送路パタンP5と接続する。
n=6の場合、伝送路パタンP6は、両端がビアV5とビアV6に接続して2層面上に配線され、ビアV5を通じて1層面上の伝送路パタンP5と接続し、ビアV6を通じて1層面上の伝送路パタンP7と接続する。
上記の2層面上に配線される伝送路パタンPnの配線構造を一般化すると、以下となる。n=2kの場合(k=1、2、・・・)、伝送路パタンP2kは、両端がビアV(2k−1)とビアV2kに接続して2層面上に配線され、ビアV(2k−1)を通じて1層面上の伝送路パタンP(2k−1)と接続し、ビアV2kを通じて1層面上の伝送路パタンP(2k+1)と接続する。
次に4層のフレキシブル基板11に対してインダクタ14Lを構成した場合について説明する。図4はメタル4層のフレキシブル基板にインダクタを配線した構造を示す図である。伝送路パタン14で生成される立体的なコニカル構造のインダクタ14L−2を示す図である。
伝送路パタン14を、伝送線路12から離れるにつれて放射状に広がるように、ビア13を通じて、4層のフレキシブル基板(図示せず)の各層に配線することで、立体的なコニカル構造のインダクタ14L−2を構成する。
図5はインダクタ14L−2の配線構造を簡略化した図である。以降、図5を用いて4層の場合のインダクタ14L−2の配線過程を詳しく説明する。ここで、1層目から伝送路パタン14の配線を開始して各層交互に配線する際に、各層に配線される伝送路パタン14に対して、順にP1、P2、・・・と符号を付けてPnと表し、伝送路パタンPnの両端に接続するビアをV(n−1)、Vnと表す。
n=1の場合、伝送路パタンP1は、一端が伝送線路12に接続し、他端がビアV1に接続して1層面上に配線され、ビアV1を通じて2層面上の伝送路パタンP2と接続する。
次に2層面上の左側に配線される伝送路パタンP6、P12、P18について見ると、n=6の場合、伝送路パタンP6は、両端がビアV5とビアV6とに接続して2層面上に配線され、ビアV5を通じて3層面上の伝送路パタンP5と接続し、ビアV6を通じて1層面上の伝送路パタンP7と接続する。
n=12の場合、伝送路パタンP12は、両端がビアV11とビアV12とに接続して2層面上に配線され、ビアV11を通じて3層面上の伝送路パタンP11と接続し、ビアV12を通じて1層面上の伝送路パタンP13と接続する。
n=18の場合、伝送路パタンP18は、両端がビアV17とビアV18とに接続して2層面上に配線され、ビアV17を通じて3層面上の伝送路パタンP17と接続し、ビアV18を通じて1層面上の伝送路パタンP19と接続する。
上記の2層面上の左側に配線される伝送路パタンPnの配線構造を一般化すると、以下となる。n=6k(k=1、2、・・・)の場合、伝送路パタンP6kは、両端がビアV(6k−1)とビアV6kとに接続して2層面上に配線され、ビアV(6k−1)を通じて3層面上の伝送路パタンP(6k−1)と接続し、ビアV6kを通じて1層面上の伝送路パタンP(6k+1)と接続する。
次に3層面上の左側に配線される伝送路パタンP5、P11、P17について見ると、n=5の場合、伝送路パタンP5は、両端がビアV4とビアV5とに接続して3層面上に配線され、ビアV4を通じて4層面上の伝送路パタンP4と接続し、ビアV5を通じて2層面上の伝送路パタンP6と接続する。
n=11の場合、伝送路パタンP11は、両端がビアV10とビアV11とに接続して3層面上に配線され、ビアV10を通じて4層面上の伝送路パタンP10と接続し、ビアV11を通じて2層面上の伝送路パタンP12と接続する。
n=17の場合、伝送路パタンP17は、両端がビアV16とビアV17とに接続して3層面上に配線され、ビアV16を通じて4層面上の伝送路パタンP16と接続し、ビアV17を通じて2層面上の伝送路パタンP18と接続する。
上記の3層面上の左側に配線される伝送路パタンPnの配線構造を一般化すると、以下となる。n=6k−1(k=1、2、・・・)の場合、伝送路パタンP(6k−1)は、両端がビアV(6k−2)とビアV(6k−1)とに接続して3層面上に配線され、ビアV(6k−2)を通じて4層面上の伝送路パタンP(6k−2)と接続し、ビアV(6k−1)を通じて2層面上の伝送路パタンP6kと接続する。
次に4層面上に配線される伝送路パタンP4、P10、P16について見ると、n=4の場合、伝送路パタンP4は、両端がビアV3とビアV4とに接続して4層面上に配線され、ビアV3を通じて3層面上の伝送路パタンP3と接続し、ビアV4を通じて3層面上の伝送路パタンP5と接続する。
n=10の場合、伝送路パタンP10は、両端がビアV9とビアV10とに接続して4層面上に配線され、ビアV9を通じて3層面上の伝送路パタンP9と接続し、ビアV10を通じて3層面上の伝送路パタンP11と接続する。
n=16の場合、伝送路パタンP16は、両端がビアV15とビアV16とに接続して4層面上に配線され、ビアV15を通じて3層面上の伝送路パタンP15と接続し、ビアV16を通じて3層面上の伝送路パタンP17と接続する。
上記の4層面上に配線される伝送路パタンPnの配線構造を一般化すると、以下となる。n=6k−2(k=1、2、・・・)の場合、伝送路パタンP(6k−2)は、両端がビアV(6k−3)とビアV(6k−2)とに接続して4層面上に配線され、ビアV(6k−3)を通じて3層面上の伝送路パタンP(6k−3)と接続し、ビアV(6k−2)を通じて3層面上の伝送路パタンP(6k−1)と接続する。
次に3層面上の右側に配線される伝送路パタンP3、P9、P15について見ると、n=3の場合、伝送路パタンP3は、両端がビアV2とビアV3とに接続して3層面上に配線され、ビアV2を通じて2層面上の伝送路パタンP2と接続し、ビアV3を通じて4層面上の伝送路パタンP4と接続する。
n=9の場合、伝送路パタンP9は、両端がビアV8とビアV9とに接続して3層面上に配線され、ビアV8を通じて2層面上の伝送路パタンP8と接続し、ビアV9を通じて4層面上の伝送路パタンP10と接続する。
n=15の場合、伝送路パタンP15は、両端がビアV14とビアV15とに接続して3層面上に配線され、ビアV14を通じて2層面上の伝送路パタンP14と接続し、ビアV15を通じて4層面上の伝送路パタンP16と接続する。
上記の3層面上の右側に配線される伝送路パタンPnの配線構造を一般化すると、以下となる。n=6k−3(k=1、2、・・・)の場合、伝送路パタンP(6k−3)は、両端がビアV(6k−4)とビアV(6k−3)とに接続して3層面上に配線され、ビアV(6k−4)を通じて2層面上の伝送路パタンP(6k−4)と接続し、ビアV(6k−3)を通じて4層面上の伝送路パタンP(6k−2)と接続する。
次に2層面上の右側に配線される伝送路パタンP2、P8、P14について見ると、n=2の場合、伝送路パタンP2は、両端がビアV1とビアV2とに接続して2層面上に配線され、ビアV1を通じて1層面上の伝送路パタンP1と接続し、ビアV2を通じて3層面上の伝送路パタンP3と接続する。
n=8の場合、伝送路パタンP8は、両端がビアV7とビアV8とに接続して2層面上に配線され、ビアV7を通じて1層面上の伝送路パタンP7と接続し、ビアV8を通じて3層面上の伝送路パタンP9と接続する。
n=14の場合、伝送路パタンP14は、両端がビアV13とビアV14とに接続して2層面上に配線され、ビアV13を通じて1層面上の伝送路パタンP13と接続し、ビアV14を通じて3層面上の伝送路パタンP15と接続する。
上記の2層面上に右側に配線される伝送路パタンPnの配線構造を一般化すると、以下となる。n=6k−4(k=1、2、・・・)の場合、伝送路パタンP(6k−4)は、両端がビアV(6k−5)とビアV(6k−4)とに接続して2層面上に配線され、ビアV(6k−5)を通じて1層面上の伝送路パタンP(6k−5)と接続し、ビアV(6k−4)を通じて3層面上の伝送路パタンP(6k−3)と接続する。
次に1層面上に配線される伝送路パタンP7、P13、P19について見ると(伝送路パタンP1を除く)、n=7の場合、伝送路パタンP7は、両端がビアV6とビアV7とに接続して1層面上に配線され、ビアV6を通じて2層面上の伝送路パタンP6と接続し、ビアV7を通じて2層面上の伝送路パタンP8と接続する。
n=13の場合、伝送路パタンP13は、両端がビアV12とビアV13とに接続して1層面上に配線され、ビアV12を通じて2層面上の伝送路パタンP12と接続し、ビアV13を通じて2層面上の伝送路パタンP14と接続する。
n=19の場合、伝送路パタンP19は、両端がビアV18とビアV19とに接続して1層面上に配線され、ビアV18を通じて2層面上の伝送路パタンP18と接続し、ビアV19を通じて2層面上の伝送路パタンP20と接続する。
上記の1層面上に配線される伝送路パタンPnの配線構造を一般化すると、以下となる。n=6k−5(k=2、3・・・)の場合、伝送路パタンP(6k−5)は、両端がビアV(6k−6)とビアV(6k−5)とに接続して1層面上に配線され、ビアV(6k−6)を通じて2層面上の伝送路パタンP(6k−6)と接続し、ビアV(6k−5)を通じて2層面上の伝送路パタンP(6k−4)と接続する。
なお、図では伝送路パタンP19の一端がビアV19を介して伝送路パタンP20と接続して、以降パタンの接続が続いているが、n=19の伝送路パタンP19の一端を信号源に接続するとすれば、伝送路パタンP19は、一端が信号源に接続し、他端はビアV18に接続して、1層面上に配線され、ビアV18を通じて2層面上の伝送路パタンP18と接続する。
このことを一般化すると、以下となる。n=6k−5の場合(k=2、3、・・・)に伝送路パタンP(6k−5)の一端を信号源に接続する場合は、伝送路パタンP(6k−5)は、一端が信号源に接続し、他端はビアV(6k−6)に接続して、1層面上に配線され、ビアV(6k−6)を通じて2層面上の伝送路パタンP(6k−6)と接続する。
次にインダクタ配線基板10の構成上の特徴について説明する。図6はインダクタ配線基板10の構成上の特徴を示す図である。インダクタ14Lを生成する場合、フレキシブル基板11の各層に伝送路パタン14を配線するので、インダクタ14Lの実装面の裏面にあるフレキシブル基板11のGND面は削除することになる。
さらに、伝送線路12のGNDに極力影響が出ないように、伝送路パタン14と伝送線路12とを接続するインダクタ14Lの先端部分15の裏面にあるフレキシブル基板11のGND面も削除する。
また、伝送路パタン14と伝送線路12とを接続するインダクタ14Lの先端部分15のラインは、最もスタブ(配線の枝別れ部分)として見えやすい部分となるので、伝送線路12に影響が出ない範囲で極力短く伝送線路12と配線する(例えば、0.1mm〜数mm)。
図7はインダクタ配線基板10の構成上の特徴を示す図である。伝送路パタン14の周辺部のフレキシブル基板11の材質を取り除いて、周辺部に空間16a、16bを設けた様子を示している。これにより、さらに寄生容量の低減化を図る。
図8はインダクタ配線基板10の構成上の特徴を示す図である。フレキシブル基板11に作成したコニカル構造のインダクタ14Lが内包する基板材質をくり抜いて、フレキシブル基板11と物性値の異なる磁性体などの材質31を、くり抜いた箇所3に差し込んで固定する。例えば、材質31としてフェライトを挿入した場合は、インダクタ14Lのインダクタンス値を上げることが可能になる。
図9はインダクタ配線基板10の構成上の特徴を示す図である。形状及び効果は図8と同様であるが、図9の場合は生成方法が異なる。図9が示すのは、あらかじめフレキシブル基板11に、フレキシブル基板11と物性値の異なる材質31を埋め込んでおき、材質31が埋め込まれた箇所にコニカル構造のインダクタ14Lを生成するものである。
図10はインダクタ配線基板10の回路接続状態を示す図である。インダクタ配線基板10は、回路基板1に実装し、インダクタ14L(伝送路パタン14)の先端部は、回路基板(他基板)1の伝送線路101に電気的に接続し、インダクタ14Lの大径側の一端は、回路基板1の回路に接続する。
次にインダクタ配線基板10のシミュレーション結果について説明する。図11は伝送線路に平面的なコイルを接続した場合の特性を示す図である。縦軸はdB、横軸は周波数である。伝送線路に通常のコイルを接続した場合の伝送線路のSパラメータであるS21(順方向透過性)による周波数特性であり、周波数特性が劣化していることがわかる(dipが発生)。
図12はインダクタ配線基板10の特性を示す図である。縦軸はdB、横軸は周波数である。伝送線路に図1で示したインダクタ14Lを接続した場合の伝送線路のS21による周波数特性であり、使用周波数帯域で顕著な周波数特性の劣化がなく(dipがない)、周波数特性が向上していることがわかる。
以上説明したように、インダクタ配線基板10は、フレキシブル基板11の各層に対して、伝送路パタン14及びビア13を使用して、異なるインダクタンスのインダクタが連続に接続された立体的なコニカルコイル構造となるように配線してインダクタ14Lを構成した。これにより、寄生容量が低減された広帯域のインダクタを生成することができるので、周波数特性の向上を図ることが可能になり、また基板の各層の通常のパタン配線によってインダクタを生成するので、従来の不安定な形状のコニカルコイルと比べて実装及び取り扱いが容易となる。
次にバイアスT回路について説明する。図13はバイアスT回路の構成を示す図である。バイアスT回路2は、コンデンサCと、図1で上述したインダクタ14Lとから構成され、端子a−b間にコンデンサCを接続すると共に、端子a−c間にインダクタ14Lを接続することにより構成される(端子a−c間の線路は図1の伝送線路12に該当)。
すなわち、端子aは、コンデンサCの一端とインダクタ14Lの一端と接続し、コンデンサCの他端は、端子bと接続し、インダクタ14Lの他端は、端子cと接続する。
バイアスT回路2では、ドライバ21から出力された高周波信号は、端子a−b間を通過させて、コンデンサCによって低域成分を除去し、また、直流成分は、端子cから入力し、インダクタ14Lによって高域成分を除去して高周波信号に重畳し、変調器22へ出力する。
図14はバイアスT回路2が内蔵される装置例を示す図である。バイアスT回路2が内蔵される装置例として、ドライバ装置120−1、変調装置120−2を示している。ドライバ装置120−1は、ドライバ121とバイアスT回路2を含み、ドライバ121の出力端とコンデンサCの一端とが接続し、バイアスT回路2は、ドライバ121からの出力信号のレベル変換器として使用される。
一方、変調装置120−2は、バイアスT回路2と変調部122を含み、コンデンサCの他端と、インダクタ14Lの一端とに変調部122に入力端が接続し、バイアスT回路2を変調部122の入力信号のバイアス調整に使用している。なお、変調部122で光変調された光信号は光ファイバを通じて出力される。
以上説明したように、バイアスT回路2は、図1で上述したインダクタ14Lを用いることで、寄生容量が低減してインダクタが広帯域化されるので、周波数特性が劣化することなく、例えば、40Gb/sクラス等の高速通信に使用することが可能になる。また、従来のコニカルコイル等を使用した場合と比べて、製造性に優れており、取り扱いも容易になる。
(付記1) インダクタが配線されたインダクタ配線基板において、
基板と、
前記基板に実装される伝送線路と、
前記伝送線路に一端を接続し、前記伝送線路に接続する前記一端から離れるにつれて放射状に広がるように、前記基板の複数の層面を、前記基板の層間を接続するビアを通じて配線して、立体的なコニカル構造のインダクタを生成する伝送路パタンと、
を有することを特徴とするインダクタ配線基板。
(付記2) 前記基板は、フレキシブル基板であることを特徴とする付記1記載のインダクタ配線基板。
(付記3) 前記伝送路パタンが構成する前記コニカル構造の前記インダクタの実装面の裏面にある前記基板のGND面を削除することを特徴とする付記1記載のインダクタ配線基板。
(付記4) 前記伝送路パタンと前記伝送線路とを接続する前記インダクタの先端部分の裏面にある前記基板のGND面を削除することを特徴とする付記1記載のインダクタ配線基板。
(付記5) 前記伝送路パタンの周辺部の前記基板の材質を取り除いて、前記周辺部に空間を設けることを特徴とする付記1記載のインダクタ配線基板。
(付記6) 前記基板が2層基板であり、1層目から前記伝送路パタンの配線を開始して各層交互に配線する際に、各層に配線される前記伝送路パタンをPnと表し、伝送路パタンPnの両端に接続する前記ビアをV(n−1)、Vnと表すと、
n=1の場合、伝送路パタンP1は、一端が前記伝送線路に接続し、他端がビアV1に接続して1層面上に配線され、前記ビアV1を通じて2層面上の伝送路パタンP2と接続し、
n=2kの場合(k=1、2、・・・)、伝送路パタンP2kは、両端がビアV(2k−1)とビアV2kに接続して2層面上に配線され、前記ビアV(2k−1)を通じて1層面上の伝送路パタンP(2k−1)と接続し、前記ビアV2kを通じて1層面上の伝送路パタンP(2k+1)と接続し、
n=(2k−1)の場合(k=2、3、・・・)、前記伝送路パタンP(2k−1)は、両端がビアV(2k−2)とビアV(2k−1)とに接続して1層面上に配線され、前記ビアV(2k−2)を通じて2層面上の伝送路パタンP(2k−2)と接続し、前記ビアV(2k−1)を通じて2層面上の伝送路パタンP2kと接続し、
n=(2k−1)の場合(k=2、3、・・・)に前記伝送路パタンP(2k−1)の一端を信号源に接続する場合は、前記伝送路パタンP(2k−1)は、一端が前記信号源に接続し、他端は前記ビアV(2k−2)に接続して、1層面上に配線され、前記ビアV(2k−2)を通じて2層面上の伝送路パタンP(2k−2)と接続することを特徴とする付記1記載のインダクタ配線基板。
(付記7) 前記基板が4層基板であり、1層目から前記伝送路パタンの配線を開始して各層交互に配線する際に、各層に配線される前記伝送路パタンをP−nと表し、伝送路パタンP−nの両端に接続する前記ビアをV(n−1)、Vnと表すと、
n=1の場合、伝送路パタンP1は、一端が前記伝送線路に接続し、他端がビアV1に接続して1層面上に配線され、前記ビアV1を通じて2層面上の伝送路パタンP2と接続し、
n=6k(k=1、2、・・・)の場合、伝送路パタンP6kは、両端がビアV(6k−1)とビアV6kとに接続して2層面上に配線され、前記ビアV(6k−1)を通じて3層面上の伝送路パタンP(6k−1)と接続し、前記ビアV6kを通じて1層面上の伝送路パタンP(6k+1)と接続し、
n=6k−1(k=1、2、・・・)の場合、前記伝送路パタンP(6k−1)は、両端がビアV(6k−2)と前記ビアV(6k−1)とに接続して3層面上に配線され、前記ビアV(6k−2)を通じて4層面上の伝送路パタンP(6k−2)と接続し、前記ビアV(6k−1)を通じて2層面上の伝送路パタンP6kと接続し、
n=6k−2(k=1、2、・・・)の場合、前記伝送路パタンP(6k−2)は、両端がビアV(6k−3)と前記ビアV(6k−2)とに接続して4層面上に配線され、前記ビアV(6k−3)を通じて3層面上の伝送路パタンP(6k−3)と接続し、前記ビアV(6k−2)を通じて3層面上の伝送路パタンP(6k−1)と接続し、
n=6k−3(k=1、2、・・・)の場合、前記伝送路パタンP(6k−3)は、両端がビアV(6k−4)と前記ビアV(6k−3)とに接続して3層面上に配線され、前記ビアV(6k−4)を通じて2層面上の伝送路パタンP(6k−4)と接続し、前記ビアV(6k−3)を通じて4層面上の伝送路パタンP(6k−2)と接続し、
n=6k−4(k=1、2、・・・)の場合、前記伝送路パタンP(6k−4)は、両端がビアV(6k−5)と前記ビアV(6k−4)とに接続して2層面上に配線され、前記ビアV(6k−5)を通じて1層面上の伝送路パタンP(6k−5)と接続し、前記ビアV(6k−4)を通じて3層面上の伝送路パタンP(6k−3)と接続し、
n=6k−5(k=2、3・・・)の場合、前記伝送路パタンP(6k−5)は、両端がビアV(6k−6)と前記ビアV(6k−5)とに接続して1層面上に配線され、前記ビアV(6k−6)を通じて2層面上の伝送路パタンP(6k−6)と接続し、前記ビアV(6k−5)を通じて2層面上の伝送路パタンP(6k−4)と接続し、
n=6k−5の場合(k=2、3、・・・)に前記伝送路パタンP(6k−5)の一端を信号源に接続する場合は、前記伝送路パタンP(6k−5)は、一端が信号源に接続し、他端はビアV(6k−6)に接続して、1層面上に配線され、前記ビアV(6k−6)を通じて2層面上の伝送路パタンP(6k−6)と接続することを特徴とする付記1記載のインダクタ配線基板。
(付記8) 前記インダクタが内包する部分の前記基板を削除し、前記基板とは異なる物性値の材質が差し込まれた構造を特徴とする付記1記載のインダクタ配線基板。
(付記9) 前記インダクタの先端部は、他基板の伝送線路に電気的に接続し、前記インダクタの大径側は、前記他基板の回路に接続することを特徴とする付記1記載のインダクタ配線基板。
(付記10) インダクタを基板上に配線するインダクタ配線方法において、
伝送路パタンの一端を前記基板上に実装された伝送線路に接続し、
前記伝送線路から反対方向へ放射状に広がるように、前記基板の複数の層面を、前記基板の層間を接続するビアを通じて配線して、立体的なコニカル構造のインダクタを生成する、
ことを特徴とするインダクタ配線方法。
(付記11) 前記基板は、フレキシブル基板であって、前記フレキシブル基板に立体的な前記コニカル構造の前記インダクタを生成することを特徴とする付記10記載のインダクタ配線方法。
(付記12) 前記インダクタが内包する部分に、前記基板とは異なる物性値の材質があらかじめ埋め込まれた前記基板上に、立体的な前記コニカル構造の前記インダクタを生成することを特徴とする付記10記載のインダクタ配線方法。
(付記13) 高周波信号に直流成分を重畳して供給するバイアスT回路において、
基板に実装されて前記高周波信号が流れる伝送線路と、
前記伝送線路の入力端と出力端との間に一端が接続し、前記伝送線路に接続する前記一端から離れるにつれて放射状に広がるように、前記基板の複数の層面を、前記基板の層間を接続するビアを通じて配線した立体的なコニカル構造を持ち、前記直流成分の高域成分を除去するインダクタと、
前記伝送線路に接続して、前記高周波信号を通過させて低域成分を除去するコンデンサと、
を有することを特徴とするバイアスT回路。
(付記14)
前記バイアスT回路は、ドライバ装置または変調装置に内蔵されることを特徴とする付記13記載のバイアスT回路。
インダクタ配線基板の構成を示す図である。 メタル2層のフレキシブル基板にインダクタを配線した構造を示す図である。 インダクタの配線構造を簡略化した図である。 メタル4層のフレキシブル基板にインダクタを配線した構造を示す図である。 インダクタの配線構造を簡略化した図である。 インダクタ配線基板の構成上の特徴を示す図である。 インダクタ配線基板の構成上の特徴を示す図である。 インダクタ配線基板の構成上の特徴を示す図である。 インダクタ配線基板の構成上の特徴を示す図である。 インダクタ配線基板の回路接続状態を示す図である。 伝送線路に平面的なコイルを接続した場合の特性を示す図である。 インダクタ配線基板の特性を示す図である。 バイアスT回路の構成を示す図である。 バイアスT回路が内蔵される装置例を示す図である。 直列インダクタを示す図である。 直列インダクタを伝送線路に接続した場合の回路構成を示す図である。 インダクタの周波数特性を示す図である。 測定回路の理想的な周波数特性を示す図である。 インダクタの等価回路を示す図である。 測定回路の実際の周波数特性を示す図である。 コニカルコイルの概要を示す図である。 コニカルコイルの等価回路を示す図である。 コニカルコイルのボンディングの様子を示す図である。
符号の説明
10 インダクタ配線基板
11 フレキシブル基板
12 伝送線路
13 ビア
14 伝送路パタン
14L インダクタ

Claims (10)

  1. インダクタが配線されたインダクタ配線基板において、
    基板と、
    前記基板に実装される伝送線路と、
    前記伝送線路に一端を接続し、前記伝送線路に接続する前記一端から離れるにつれて放射状に広がるように、前記基板の複数の層面を、前記基板の層間を接続するビアを通じて配線して、立体的なコニカル構造のインダクタを生成する伝送路パタンと、
    を有することを特徴とするインダクタ配線基板。
  2. 前記基板は、フレキシブル基板であることを特徴とする請求項1記載のインダクタ配線基板。
  3. 前記伝送路パタンが構成する前記コニカル構造の前記インダクタの実装面の裏面にある前記基板のGND面を削除することを特徴とする請求項1記載のインダクタ配線基板。
  4. 前記伝送路パタンと前記伝送線路とを接続する前記インダクタの先端部分の裏面にある前記基板のGND面を削除することを特徴とする請求項1記載のインダクタ配線基板。
  5. 前記基板が2層基板であり、1層目から前記伝送路パタンの配線を開始して各層交互に配線する際に、各層に配線される前記伝送路パタンをPnと表し、伝送路パタンPnの両端に接続する前記ビアをV(n−1)、Vnと表すと、
    n=1の場合、伝送路パタンP1は、一端が前記伝送線路に接続し、他端がビアV1に接続して1層面上に配線され、前記ビアV1を通じて2層面上の伝送路パタンP2と接続し、
    n=2kの場合(k=1、2、・・・)、伝送路パタンP2kは、両端がビアV(2k−1)とビアV2kに接続して2層面上に配線され、前記ビアV(2k−1)を通じて1層面上の伝送路パタンP(2k−1)と接続し、前記ビアV2kを通じて1層面上の伝送路パタンP(2k+1)と接続し、
    n=(2k−1)の場合(k=2、3、・・・)、前記伝送路パタンP(2k−1)は、両端がビアV(2k−2)とビアV(2k−1)とに接続して1層面上に配線され、前記ビアV(2k−2)を通じて2層面上の伝送路パタンP(2k−2)と接続し、前記ビアV(2k−1)を通じて2層面上の伝送路パタンP2kと接続し、
    n=(2k−1)の場合(k=2、3、・・・)に前記伝送路パタンP(2k−1)の一端を信号源に接続する場合は、前記伝送路パタンP(2k−1)は、一端が前記信号源に接続し、他端は前記ビアV(2k−2)に接続して、1層面上に配線され、前記ビアV(2k−2)を通じて2層面上の伝送路パタンP(2k−2)と接続することを特徴とする請求項1記載のインダクタ配線基板。
  6. 前記インダクタが内包する部分の前記基板を削除し、前記基板とは異なる物性値の材質が差し込まれた構造を特徴とする請求項1記載のインダクタ配線基板。
  7. インダクタを基板上に配線するインダクタ配線方法において、
    伝送路パタンの一端を前記基板上に実装された伝送線路に接続し、
    前記伝送線路から反対方向へ放射状に広がるように、前記基板の複数の層面を、前記基板の層間を接続するビアを通じて配線して、立体的なコニカル構造のインダクタを生成する、
    ことを特徴とするインダクタ配線方法。
  8. 前記基板は、フレキシブル基板であって、前記フレキシブル基板に立体的な前記コニカル構造の前記インダクタを生成することを特徴とする請求項7記載のインダクタ配線方法。
  9. 高周波信号に直流成分を重畳して供給するバイアスT回路において、
    基板に実装されて前記高周波信号が流れる伝送線路と、
    前記伝送線路の入力端と出力端との間に一端が接続し、前記伝送線路に接続する前記一端から離れるにつれて放射状に広がるように、前記基板の複数の層面を、前記基板の層間を接続するビアを通じて配線した立体的なコニカル構造を持ち、前記直流成分の高域成分を除去するインダクタと、
    前記伝送線路に接続して、前記高周波信号を通過させて低域成分を除去するコンデンサと、
    を有することを特徴とするバイアスT回路。
  10. 前記バイアスT回路は、ドライバ装置または変調装置に内蔵されることを特徴とする請求項9記載のバイアスT回路。
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