JP5207065B2

JP5207065B2 - 高周波伝送線路

Info

Publication number: JP5207065B2
Application number: JP2008532116A
Authority: JP
Inventors: 理覚大平
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2006-09-01
Filing date: 2007-08-30
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2027-08-30
Also published as: US20090267713A1; US8154364B2; WO2008026690A1; JPWO2008026690A1

Description

本発明は伝送線路に関し、特に、裏面グランド付きコプレーナ線路に関する。

従来から、誘電体基板上に形成する高周波伝送線路として、マイクロストリップ線路や裏面グランド付コプレーナ線路がよく用いられている。特に、裏面グランド付コプレーナ線路では、所望の特性インピーダンスを得る場合に、信号線路幅が基板厚で一意に決まらないので、信号線路幅は自由に設定され得る。また、裏面グランド付コプレーナ線路は低分散特性や低放射損失という特徴も有している。
従来技術では、表面グランドパタンと裏面グランドパタンとの電位を等しくする為に、コンタクトなどの接続部が両グランドパタンを電気的に接続している。これは、伝送信号の波長が裏面グランド付コプレーナ線路の寸法程度以下となるような高周波数帯域でも、低分散特性や低放射損失という特徴が失われない為である。

図１及び図２はそれぞれ、従来例１の裏面グランド付コプレーナ線路における断面図と平面図である。

上記に関連して、以下の文献が知られている。

特開平６−２２４６０４号公報は、高周波用信号線路に係る発明を開示している。
特開平６−２２４６０４号公報の高周波用信号線路は、誘電体からなる絶縁基板表面に備えた信号線路両側にグランド線路をそれぞれ並べて備えている。また、この高周波用信号線路は、信号線路下方の絶縁基板裏面にグランドプレーンをも備えている。
ここで、高周波用信号線路は、グランド付きコプレナー線路の構造を有している。また、この高周波用信号線路は、グランド線路直下の絶縁基板に、グランド線路と前記グランドプレーンとを接続するビアを、前記信号線路側に寄せて小ピッチで複数本並べて備えている。

特開平９−４６００８号公報は、高周波用配線基板に係る発明を開示している。
特開平９−４６００８号公報の高周波用配線基板は、絶縁基板に信号線路と並べて備えたグランドパターンを、絶縁基板に備えた複数本の導体ビアを介して、グランドに電気的に接続した配線基板である。ここで、グランドパターンの端部は絶縁基板の端部より内方に位置させられている。また、グランドパターンの端部と該端部に最も近い前記導体ビアに電気的に接続されたグランドパターン部分との間の距離Ｌが、前記信号線路に伝える高周波信号の波長λの１／４未満ないし零に形成されている。

特開平１０−２０００１４号公報は、セラミックス多層配線基板に係る発明を開示している。
特開平１０−２０００１４号公報のセラミックス多層配線基板は、基本格子の交点上に位置する接続点の内の２つの接続点の間を接続する信号線が１組以上形成された配線層を含んでいる。ここで、１組以上の信号線の内、少なくとも１組の信号線の、少なくとも一部分が、基本格子の同列にない２つの格子点に位置する接続点の間を結ぶ最短直線経路に沿って配線されている。

特開２００２−２５２５０５号公報は、高周波用配線基板に係る発明を開示している。
特開２００２−２５２５０５号公報の高周波用配線基板は、接地導体と、高周波信号伝送用の信号線路と、同一面接地導体と、貫通導体とを具備している。ここで、接地導体は、単層の誘電体層から成る。または、接地導体は、複数の誘電体層を積層して成る誘電体基板の下面に形成されている。もしくは、接地導体は、複数の誘電体層を積層して成る誘電体基板の誘電体層間に形成されている。さらにもしくは、接地導体は、複数の誘電体層を積層して成る誘電体基板の下面と誘電層間とに形成されている。また、高周波信号伝送用の信号線路は、誘電体基板の上面に形成されている。さらに、同一面接地導体は、信号線路の両側および周囲に所定の間隔をもって形成されている。また、貫通導体は、接地導体および同一面接地導体を電気的に接続している。なお、信号線路と接地導体との最小間隔をＨ、信号線路と同一面接地導体との間隔をＳ、同一面接地導体の信号線路側の端と貫通導体との最小間隔をＬとした場合、Ｈ＞ＳかつＨ−Ｓ＜Ｌ＜λ／４（λは信号線路を伝送する高周波信号の波長）である。

特開２００３−１２４７１２号公報は、高周波伝送線路に係る発明を開示している。
特開２００３−１２４７１２号公報の高周波伝送線路は、誘電体と、複数のグランド導体と、スルーホールと、信号導体とを備えている。ここで、複数のグランド導体は、誘電体を挟んで両側に配置されている。また、スルーホールは、両側に配置されたグランド導体間を電気的に接続している。さらに、信号導体は、スルーホールの近傍に配置されている。なお、特開２００３−１２４７１２号公報の高周波伝送線路は、スルーホールによる信号導体の特性インピーダンスが変化することを抑圧するために、該スルーホール近傍において、該グランド導体及び信号導体のいずれか一方又は両方の形状を変化させることを特徴としている。

特開２００５−１０９８１０号公報は、伝送線路に係る発明を開示している。
特開２００５−１０９８１０号公報の伝送線路は、誘電体基板と、伝送用パターンと、第１のグラウンド用パターンと、第２のグラウンド用パターンと、導通用部材とを有している。ここで、伝送用パターンは、誘電体基板の第１の面に設けられ、信号を伝送する。また、第１のグラウンド用パターンは、誘電体基板の第１の面に、伝送用パターンの両縁に対して、実質的に一定の距離を保つように設けられている。さらに、第２のグラウンド用パターンは、誘電体基板の第２の面に、伝送用パターンおよび第１のグラウンド用パターンと対向する領域を含むように設けられている。また、導通用部材は、第１のグラウンド用パターンと第２のグラウンド用パターンとを導通させる。

本発明の目的は、広帯域に渡って反射特性改善可能であり、すなわち、低周波から高周波にかけて緩やかに劣化していく反射特性を改善する、裏面グランド付コプレーナ線路を提供することである。
本発明の他の目的は、コンタクト同士の間隔を極端に小さくする必要の無い、裏面グランド付コプレーナ線路を提供することである。
本発明のさらに他の目的は、表面グランドにおけるコンタクトの配置を信号線路に近付ける必要の無い、裏面グランド付コプレーナ線路を提供することである。

本発明の高周波伝送線路は、誘電体基板と、信号線路と、第１、第２の表面グランドパタンと、裏面グランドパタンと、接続部とを具備する。ここで、信号線路は、誘電体基板の一方の表面に形成されている。また、第１、第２の表面グランドパタンは、誘電体基板の表面に、信号線路を挟んでその両側に所定の距離だけ離れて形成されている。さらに、裏面グランドパタンは、誘電体基板の他方の表面に形成されている。また、接続部は誘電体基板を貫通して、第１、第２の表面グランドパタンと裏面グランドパタンとを接続している。ここで、所定の周波数帯域において、第１、第２の表面グランドパタンの任意の点から最寄の接続部までの最短距離と、誘電体基板の厚との和は、誘電体基板の実効誘電率で換算された伝送信号最短実効波長の１／４より短い。

その接続部は、誘電体基板を貫通する孔の側面に導電体を具備するコンタクトであることが好ましい。

それらの第１、第２の表面グランドパタンは、それぞれの信号線路側の辺において、任意形状の複数の切欠きを具備していることが好ましい。

それらの第１、第２の表面グランドパタンは、それぞれの信号線路側の辺において、凹円弧が組み合わさった形状の複数の切欠きを具備していることが好ましい。

それらの第１、第２の表面グランドパタンは、それぞれの信号線路とは反対側の辺において、任意形状の複数の切欠きを具備していることが好ましい。

それらの第１、第２の表面グランドパタンは、それぞれの信号線路とは反対側の辺において、凹円弧が組み合わさった形状の複数の切欠きを具備していることが好ましい。

本発明の多層基板は、本発明の高周波伝送線路を具備している。

図１は、従来例１による高周波伝送線路の断面図である。図２は、従来例１による高周波伝送線路の平面図である。図３は、本発明の第１の実施例による高周波伝送線路の断面図である。図４は、本発明の第１の実施例による高周波伝送線路の平面図である。図５は、従来例１による高周波伝送線路と本発明の第１の実施例による高周波伝送線路との入力反射率特性の比較を行った電磁界解析結果である。図６は、本発明の第２の実施例による高周波伝送線路の断面図である。図７は、本発明の第２の実施例による高周波伝送線路の平面図である。図８は、従来例１による高周波伝送線路と本発明の第２の実施例による高周波伝送線路との入力反射率特性の比較を行った電磁界解析結果である。図９は、本発明の第３の実施例による高周波伝送線路の断面図である。図１０は、本発明の第３の実施例による高周波伝送線路の平面図である。図１１は、従来例２による高周波伝送線路と本発明の第３の実施例による高周波伝送線路との入力反射率特性の比較を行った電磁界解析結果である。

添付図面を参照して、本発明による裏面グランド付コプレーナ線路を実施するための最良の形態を以下に説明する。

（第１の実施例）
図３および図４は、本発明による高周波伝送線路の第１の実施例を示し、図３は高周波伝送線路の断面図、図４は高周波伝送線路の平面図である。図３および図４が示すように、本発明の裏面グランド付コプレーナ線路は、誘電体基板２０と、誘電体基板２０の一方の面には信号線路１０、第１の表面グランドパタン３０ａ及び第２の表面グランドパタン３０ｂと、誘電体基板２０のもう一方の面には裏面グランドパタン４０と、誘電体基板２０を貫通する複数のコンタクト５０とを具備している。第１の表面グランドパタン３０ａ及び第２の表面グランドパタン３０ｂはそれぞれ、信号線路１０の両側に、信号線路１０の伝送方向に沿って、形成されている。第１の表面グランドパタン３０ａ及び第２の表面グランドパタン３０ｂはそれぞれ、誘電体基板２０を貫通する複数のコンタクト５０を介して、裏面グランドパタン４０に電気的に接続されている。これら複数のコンタクト５０は、第１の表面グランドパタン３０ａ及び第２の表面グランドパタン３０ｂのそれぞれにおいて、信号線路１０の伝送方向に沿って形成されている。

第１、第２の表面グランドパタン３０ａ、３０ｂの任意の点Ａから最寄のコンタクト５０外周までの最短距離をＲと置く。また、誘電体基板２０の基板厚をＨと置く。さらに、所定の周波数における波長を本実施例の伝送線路としての実効比誘電率で換算した実効波長をλｅと置く。
この時、ＲとＨとの和が、λｅの１／４以下となるように、第１、第２の表面グランドパタン３０ａ、３０ｂは形成されている。すなわち、第１、第２の表面グランドパタン３０ａ、３０ｂの任意の点において、ＲとＨとの和がλｅの１／４を超える部分は、任意形状の切欠きとして取り除かれている。

特に、コンタクト５０の形状が円形である場合は、これら複数の切欠きはそれぞれ、円形コンタクト５０との同心円の円弧が組み合わされた形状をしていることが好ましい。これは、第１、第２の表面グランドパタン３０ａ、３０ｂの切欠き端部が、同位相な点の集合となるからである。すなわち、一方では、第１、第２の表面グランドパタン３０ａ、３０ｂの切欠き端部に、インピーダンス偏差が小さな部分を形成出来る。また、他方では、信号線路１０と第１、第２の表面グランドパタン３０ａ、３０ｂのギャップ間隔も連続的に変化するため、低周波から高周波にかけてのインピーダンス整合が取りやすくなる。
なお、第１、第２の表面グランドパタン３０ａ、３０ｂの切欠き端部は円弧の集合に限定されず、三角形や矩形のような多角形の形状であっても構わない。

誘電体基板２０は、比誘電率９．９で基板厚Ｈは２５４μｍのアルミナ基板である。信号線路１０は、幅１３０μｍで長さ６０００μｍである。第１、第２の表面グランドパタン３０ａ、３０ｂはそれぞれ幅５５０μｍである。信号線路１０と、第１、第２の表面グランドパタン３０ａ、３０ｂのそれぞれとのギャップ間隔は、７０μｍである。複数のコンタクト５０は、それぞれ直径１５０μｍで、隣り合ったコンタクト５０は７５０μｍ間隔で信号線路１０の伝送方向に並んでいる。伝送線路の実効比誘電率は５．７である。第１、第２の表面グランドパタン３０ａ、３０ｂの任意の点において、最寄のコンタクト外周までの距離Ｒが３２５μｍ以下となるように、第１、第２の表面グランドパタン３０ａ、３０ｂそれぞれの両側に凹円弧が組み合わさった形状の切欠きを設ける。なお、Ｒと基板厚Ｈとの和は５７９μｍとなり、これが実効波長の１／４に相当する周波数は、実効比誘電率５．７にて換算して、５４ＧＨｚ程度となる。したがって、５４ＧＨｚ程度まで反射特性の改善が可能な切欠きが本実施例では設けられている事になる。

図５は、従来例１による高周波伝送線路と本実施例による高周波伝送線路とで入力反射特性を比較した電磁界解析結果を示す。ここで、太い実線が本実施例による高周波伝送線路の入力反射特性を表す。また、細い破線が従来例１による高周波伝送線路の入力反射特性を表す。低周波域から約５０ＧＨｚまでと、約５４ＧＨｚから約５９ＧＨｚまでとの広帯域に渡って、本発明の本実施例による反射特性の改善が得られている。

（第２の実施例）
図６および図７は、本発明による高周波伝送線路の第２の実施例を示し、図６は高周波伝送線路の断面図、図７はおよび高周波伝送線路の平面図である。図６および図７が示すように、第１の実施例と同様、本発明の裏面グランド付コプレーナ線路は、誘電体基板２０と、誘電体基板２０の一方の面には信号線路１０、第１の表面グランドパタン３０ａ及び第２の表面グランドパタン３０ｂと、誘電体基板２０のもう一方の面には裏面グランドパタン４０と、誘電体基板２０を貫通する複数のコンタクト５０とを具備している。第１の実施例と本実施例との違いは２点ある。１つには、第１、第２の表面グランドパタン３０ａ、３０ｂの幅方向におけるコンタクトの位置を、幅方向の中心、または中心よりも信号線路１０とは反対側に配置する。もう１つには、ＲとＨとの和がλｅの１／４以下になるような切欠きを、第１、第２の表面グランドパタン３０ａ、３０ｂの信号線路側の辺にのみ設ける。信号線路とは反対側の辺は従来例１と同様に一切の切欠きを設けていない。

誘電体基板２０は、比誘電率９．９で基板厚Ｈは２５４μｍのアルミナ基板である。信号線路１０は、幅１３０μｍで長さ６０００μｍである。第１、第２の表面グランドパタン３０ａ、３０ｂはそれぞれ幅５５０μｍである。信号線路１０と、第１、第２の表面グランドパタン３０ａ、３０ｂのそれぞれとのギャップ間隔は、７０μｍである。複数のコンタクト５０は、それぞれ直径１５０μｍで、隣り合ったコンタクト５０は７５０μｍ間隔で信号線路１０の伝送方向に並んでいる。伝送線路の実効比誘電率は５．７である。第１、第２の表面グランドパタン３０ａ、３０ｂの任意の点において、最寄のコンタクト外周までの距離Ｒが３２５μｍ以下となるように、第１、第２の表面グランドパタン３０ａ、３０ｂの信号線路１０側にのみ凹円弧が組み合わさった形状の切欠きを設ける。なお、Ｒと基板厚Ｈとの和は５７９μｍとなり、これが実効波長の１／４に相当する周波数は、実効比誘電率５．７にて換算して、５４ＧＨｚ程度となる。したがって、５４ＧＨｚ程度まで反射特性の改善が可能な切欠きが本実施例では設けられている事になる。

図８は、従来例１による高周波伝送線路と本実施例による高周波伝送線路とで入力反射特性を比較した電磁界解析結果を示す。ここで、太い実線が本実施例による高周波伝送線路の入力反射特性を表す。また、細い破線が従来例１による高周波伝送線路の入力反射特性を表す。低周波域から約５０ＧＨｚまでと、約５４ＧＨｚから約５９ＧＨｚまでとの広帯域に渡って、本発明の本実施例による反射特性の改善が得られている。

（第３の実施例）
図９および図１０は、本発明による高周波伝送線路の第３の実施例を示し、図９は高周波伝送線路の断面図、図１０は高周波伝送線路の平面図である。図９および図１０が示すように、第１または第２の実施例と同様、本発明の裏面グランド付コプレーナ線路は、誘電体基板２０と、誘電体基板２０の一方の面には信号線路１０、第１の表面グランドパタン３０ａと、第２の表面グランドパタン３０ｂと、誘電体基板２０のもう一方の面には裏面グランドパタン４０と、誘電体基板２０を貫通する複数のコンタクト５０とを具備している。第１または第２の実施例と本実施例との違いは２点ある。１つには、第１、第２の表面グランドパタン３０ａ、３０ｂの幅方向におけるコンタクトの位置を、幅方向の中心、または中心よりも信号線路１０側に配置したことがある。もう１つには、ＲとＨとの和がλｅの１／４以下になるような切欠きを、第１、第２の表面グランドパタン３０ａ、３０ｂの信号線路とは反対側の辺にのみ設けたことがある。信号線路側の辺には従来例２と同様に一切の切欠きが設けられていない。

誘電体基板２０は、比誘電率９．９で基板厚Ｈは２５４μｍのアルミナ基板である。信号線路１０は、幅１３０μｍで長さ６０００μｍである。第１、第２の表面グランドパタン３０ａ、３０ｂはそれぞれ幅７５０μｍである。信号線路１０と、第１、第２の表面グランドパタン３０ａ、３０ｂのそれぞれとのギャップ間隔は、７０μｍである。複数のコンタクト５０は、それぞれ直径１５０μｍで、隣り合ったコンタクト５０は７５０μｍ間隔で信号線路１０の伝送方向に並んでいる。それぞれのコンタクトは、第１、第２の表面グランドパタン幅方向の中心から信号線路側に２００μｍ寄っている。伝送線路の実効比誘電率は５．７である。第１、第２の表面グランドパタン３０ａ、３０ｂの任意の点において、最寄のコンタクト外周までの距離Ｒが４００μｍ以下となるように、第１、第２の表面グランドパタン３０ａ、３０ｂの信号線路１０とは反対側にのみ凹円弧が組み合わさった形状の切欠きを設ける。なお、Ｒと基板厚Ｈとの和は６５４μｍとなり、これが実効波長の１／４に相当する周波数は、実効比誘電率５．７にて換算して、５０ＧＨｚ程度となる。したがって、５０ＧＨｚ程度まで反射特性の改善が可能な切欠きが本実施例では設けられている事になる。

図１１は、従来例２による高周波伝送線路と本実施例による高周波伝送線路とで入力反射特性を比較した電磁界解析結果を示す。ここで、太い実線が本実施例による高周波伝送線路の入力反射特性を表す。また、細い破線が従来例２による高周波伝送線路の入力反射特性を表す。従来例２の従来例１との違いは２点ある。一つには、本実施例と同様に、第１、第２の表面グランドパタン幅が７５０μｍである。もう一つには、やはり本実施例と同様に、それぞれのコンタクトが第１、第２の表面グランドパタン幅方向の中心から信号線路側に２００μｍ寄っていることである。約４９ＧＨｚから約５８ＧＨｚまでとの広帯域に渡って、本発明の本実施例による反射特性の改善が得られている。

（その他の実施例・その１）
なお、上記第１乃至第３の実施例では、信号線路１０が直線である最も基本的な場合について述べたが、信号線路１０が必ずしも直線である必要は無い。すなわち、信号線路１０は途中で曲がっても良いし、また分岐しても構わない。いずれの場合にも、表面グランドパタン３０ａ、３０ｂは信号線路１０から所定の距離だけ離れて形成されることは変わらない。また、表面グランドパタン３０ａ、３０ｂの両辺または片方の辺に、上述したとおりにＲとＨとの和が実効波長の１／４を超えない範囲で切欠きが設けられることも変わらない。さらに、この切欠きがコンタクトの同心円の円弧またはその他任意の形状が組み合わされた形状に形成されることも変わらない。

（その他の実施例・その２）
ここまで、誘電体基板２０が１枚である実施例について述べたが、誘電体基板２０が必ずしも１枚だけである必要は無い。すなわち、複数枚の誘電体基板２０が２枚以上積み重ねられた多層基板についても本発明は適用可能である。このとき、信号線路１０および第１、第２の表面グランドパタン３０ａ、３０ｂが誘電体基板中に形成されていても構わない。

本発明によれば、第１、第２の表面グランドパタンの任意の点において、最寄のコンタクトへの最短距離が、所定の値以下に収まるよう、第１、第２の表面グランドパタンを形成する。その結果、周波数の増加に伴う第１、第２の表面グランドパタンのインピーダンス偏差の増大が抑制される。したがって、伝送線路の反射特性が広い周波数帯域に渡って改善される。
その一方で、第１、第２の表面グランドパタンと裏面グランドパタンとを接続するコンタクトの間隔を従来例１よりも広げることができる。すなわち、コンタクトの総数が節約されるので、コンタクトによる強度の低下が抑えられる一方、製造に必要とされる時間やコストの面でも有利である。
さらに、本発明は、第１、第２の表面グランドパタンにおいて、コンタクトと信号線路との間に十分な幅を残したまま、優れた反射特性を実現する。すなわち、誘電体基板にコンタクトを設ける際に、第１、第２の表面グランドパタンにおけるマージンが十分に確保され、製造過程で求められる難易度や精密さが従来例１より大幅に下がる。

Claims

誘電体基板と、
前記誘電体基板の一方の表面に形成された信号線路と、
前記誘電体基板の前記表面に、前記信号線路を挟んでその両側に所定の距離だけ離れて形成された第１、第２の表面グランドパタンと、
前記誘電体基板の他方の表面に形成された裏面グランドパタンと、
前記誘電体基板を貫通して、前記第１、第２の表面グランドパタンと前記裏面グランドパタンとを接続する複数の接続部と
を具備し、
所定の周波数帯域において、前記第１、第２の表面グランドパタンの任意の点から最寄の接続部までの最短距離と、前記誘電体基板の厚との和が、前記誘電体基板の実効誘電率で換算された伝送信号最短実効波長の１／４より短い
高周波伝送線路。
請求の範囲１記載の高周波伝送線路において、
前記接続部は、前記誘電体基板を貫通する孔の側面に導電体を具備するコンタクトである
高周波伝送線路。
請求の範囲１または２記載の高周波伝送線路において、
前記第１、第２の表面グランドパタンは、それぞれの信号線路側の辺において、任意形状の複数の切欠きを具備する
高周波伝送線路。
請求の範囲１または２記載の高周波伝送線路において、
前記第１、第２の表面グランドパタンは、それぞれの信号線路側の辺において、凹円弧が組み合わさった形状の複数の切欠きを具備する
高周波伝送線路。
請求の範囲１乃至４のいずれかに記載の高周波伝送線路において、
前記第１、第２の表面グランドパタンは、それぞれの信号線路とは反対側の辺において、任意形状の複数の切欠きを具備する
高周波伝送線路。
請求の範囲１乃至４のいずれかに記載の高周波伝送線路において、
前記第１、第２の表面グランドパタンは、それぞれの信号線路とは反対側の辺において、凹円弧が組み合わさった形状の複数の切欠きを具備する
高周波伝送線路。
請求の範囲１乃至６のいずれかに記載の高周波伝送線路を具備する、
多層基板。