JP5459626B2 - 伝送線路の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、信号伝送に使用される伝送線路の製造方法において、導電率の異なる導体の層を有することで高周波の信号伝達特性を向上したことを特徴とする伝送線路の製造方法に関する。

近年の技術の発展に伴い、伝送線路によって伝送される信号が高周波化している。そのため、伝送線路において高周波まで、ひずみが少なく伝送するために、伝送線路の伝送特性の向上が重要になっている。

一般に伝送線路の電気的特性は、単位長さあたりの抵抗Ｒ、単位長さあたりのインダクタンスＬ、単位長さあたりのコンダクタンスＧ、単位長さあたりのキャパシタンスＣであらわされる。単位長さあたりの抵抗Ｒは、主に導体の抵抗である。単位長さあたりのインダクタンスＬは、導体の自己インダクタンスである。単位長さあたりのコンダクタンスＧは主に導体間の誘電体の誘電損失によるコンダクタンスである。単位長さあたりのキャパシタンスＣは、導体間のキャパシタンスである。

伝送線路において、信号のひずみを少なく伝送するには、主に２種類の方法がある。ひとつは、Ｒ／Ｇ＝Ｌ／Ｃとなるように、電気的特性を調整する方法である。Ｒ／Ｇ＝Ｌ／Ｃの条件が成り立つときは、伝送線路の特性インピーダンスＺ０や、減衰定数α、位相定数βなどの信号を伝搬する特性が周波数によって変化しないため、ひずみの少ない信号伝送が行える。そのため、通信線などにおいては、線路にコイルを挿入することで、Ｌを増加させ、Ｒ／Ｇ＝Ｌ／Ｃの条件に近づけることで、伝送特性を向上する方法が行われている。また、導体の抵抗を調整し、Ｒ／Ｇ＝Ｌ／Ｃの条件に近づけることが考えられる。

もうひとつは、伝送線路での損失成分となる単位長さあたりの抵抗Ｒおよび単位長さあたりのコンダクタンスＧを小さくする方法である。これらを小さくし、伝送線路での損失を減少させ、信号の伝送特性を向上させる。そのために、導体として導電率の高い金属を用いたり、誘電体として誘電損失の少ないものを用いたりする。

しかし、高周波では、導体に流れる電流が表面に集中して流れる表皮効果がある。表皮効果による抵抗は、均質な導体の場合、表皮深さと呼ばれる表皮効果の定数で近似でき、表皮深さまでのみ均一に流れる電流として計算できる。表皮深さは、周波数の平方根に比例して薄くなる。そのため、導体の抵抗が周波数の平方根に比例して増加する。この抵抗の変化によりひずみを生じたり、抵抗の増加により高周波特性が悪化したりする。

また、誘電損失によるコンダクタンスＧは周波数に比例して増加する。そのため、高周波になれば誘電損失による影響も無視できなくなり、伝送特性を悪化させている。また、周波数によって異なった伝送特性を生じてしまうため、信号のひずみが発生する。

そこで、表皮効果や、誘電損失を抑える方法が提案されている。たとえば、特許文献１に記載されている伝送線路においては、電流の流れる導体を、複数の金属膜と誘電体膜で構成し、積層構造にすることで、高周波電流の集中を緩和することで、表皮効果の影響を少なくしている。また、特許文献２に記載されている複合導体では、高周波電流を表面の導電率の高い導体に集中させることで、表皮効果による導体の抵抗の変化を抑えている。

また、特許文献３に記載されている伝送線路においては、導体の表面に抵抗性の導電部を構成することにより、表皮効果により導体の抵抗を増加させ、高周波を通さないフィルタ効果を有する。

特許第３３１４５９４号公報 特開２００６−４９３２８号公報 特開平０５−３４７５０１号公報

しかしながら、Ｒ／Ｇ＝Ｌ／Ｃの条件に近づけるために線路にコイルを挿入する装荷線路の方法には問題がある。装荷線路の方法では、幅広い周波数帯域でＲ／Ｇ＝Ｌ／Ｃの条件を満たせず、利用できる周波数帯域が狭いといった問題がある。

また、Ｒ／Ｇ＝Ｌ／Ｃの条件に近づけるために導体の抵抗を調整する方法には問題がある。Ｒの主な要因である導体の抵抗は、表皮効果により周波数の平方根に比例し増加する。それに対し、誘電損失が主な要因であるＧは、周波数に比例して増加する。したがって、周波数の変化によるＲとＧの変化率が異なる。また、伝送線路として用いられる周波数においては、ＬやＣはほとんど変化しない。そのため、広い周波数帯域でＲ／Ｇ＝Ｌ／Ｃの条件を満たすことができない。

また、特許文献１〜２の表皮効果の影響を抑える方法では、問題がある。誘電損失が周波数とともに上昇するために発生するひずみを抑えることができないといった問題がある。

また、特許文献３の表面に抵抗性導電部を持たせただけの伝送線路においては、Ｒ／Ｇ＝Ｌ／Ｃの条件を満たさず、伝送線路の特性は悪化し、信号のひずみが発生してしまう。

本発明の目的は、Ｒ／Ｇ＝Ｌ／Ｃの条件をより幅広い周波数帯域で実現することで、信号の伝達特性を向上した伝送線路を提供することにある。

［発明の特徴］
複数の異なる導電率を持つ導体の層を有して構成された積層導体をひとつもしくは複数と、積層導体と積層導体もしくは積層導体と導体に挟まれた誘電体有し、層導電体は、誘電体と接する側に遠い内層側の導電体層に比べて、誘電体と接する側に近い表層側の導電体層の導電率が低い事を特徴とする。また、表層側の導電体層の厚みが、伝送線路を使用する周波数において、表層側の導電体層での表皮深さより薄く、しかも伝送線路を使用する周波数において積層導体の抵抗で決まる伝送線路の単位長さあたりの抵抗Ｒが、伝送線路の単位長さあたりのインダクタンスＬ、単位長さあたりのコンダクタンスＧ、単位長さあたりのキャパシタンスＣとの関係において、Ｒ／Ｇ＝Ｌ／Ｃを満たすよう表層側の導電体層の導電率と厚みを調整することを特徴とする。

［作用］
単位長さあたりのコンダクタンスＧは、誘電損失が主な要素であるため、周波数に比例して増加する。それに対し、単位長さあたりの抵抗Ｒの増加は導体の抵抗が主な要素であるため、周波数の平方根に比例して増加する。つまり、周波数の上昇に対するＧの増加に対しＲの増加が少ないために、Ｒ／Ｇ＝Ｌ／Ｃの条件を満たす領域が狭い。

内層側の導電体層に比べて表層側の導電体層の導電率を低くした積層導体における表皮効果による抵抗の変化は、次のようになる。表皮効果の影響が少ない低周波では、電流は低い抵抗値である高い導電率の導体層に多く流れる。周波数が上昇すると表皮効果により、電流は高い導電率の導体層から、表面側の低い導電率を持つ導体層に多く流れるようになる。そのため、単一の導電率の導体の抵抗の変化は、電流の流れる面積の減少による抵抗値の変化だけであったのに対し、積層導体では電流の流れる面積が減少しさらにより低い導電率側に電流が集中するようになるため、抵抗の上昇が大きくなる。この変化は、表皮効果による抵抗の変化は周波数の増加に対し比例に近い増加をする。さらに、周波数が上昇し表面側の導体の導電率における表皮深さが表面側の導体層の厚みと同等以下になれば、表層側のほぼ表面側の導体層のみに電流が集中する。このときには、抵抗は周波数の平方根に比例して増加する。そのため、表層側の導電体層の厚みは表皮効果による電流が集中する厚みより薄くする必要がある。このときの導電率の変化をグラフにしたものを図７に示す。また、内層側の導電率のみで構成した場合の抵抗と、外層側の導電率のみで構成した場合の抵抗も同時に示す。

積層導体の抵抗が周波数に比例して上昇する周波数帯域と積層導体の抵抗は、表層側の導電体層の導電率と厚みを変えることで調整可能である。そのため、伝送線路を利用する周波数で、積層導体の抵抗が周波数に比例して上昇する周波数範囲かつＲ／Ｇ＝Ｌ／Ｃとなるように、表層側の導電体層の導電率と厚みを調整することで、広い周波数帯域でＲ／Ｇ＝Ｌ／Ｃを満たすことができる。

第１の効果は誘電体と接する側に遠い導電体層に比べて誘電体と接する側に近い導電体層の導電率が低くした積層導体を用い広い周波数帯域でＲ／Ｇ＝Ｌ／Ｃを満たすことでひずみの少ない信号伝送を実現した伝送線路を提供することができる。

本発明の伝送線路の第１の実施の形態を示す断面図である。 本発明の伝送線路の第２の実施の形態を示す断面図である。 本発明の伝送線路の第３の実施の形態を示す断面図である。 本発明の伝送線路の他の実施の形態を示す断面図である。 本発明の伝送線路の他の実施の形態を示す断面図である。 本発明の伝送線路の他の実施の形態を示す断面図である。 積層導体の抵抗の変化を表すグラフである。 本発明の実施例１の効果の反射特性を表すグラフである。 本発明の実施例１の効果の遅延特性を表すグラフである。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。
［構造］
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の第一の実施の形態である伝送線路の断面図である。導電率の高い導体で内層側に形成された内層側導体１１ａと導電率の低い導体で表層側に形成された表層側導体１１ｂで形成された層内導体１１が形成されている。その周りには誘電体１３が形成されている。また、その周りには外導体１２が形成されている。これらにより、内導体を積層導体とした同軸形伝送線路構造となっている。表層導体１１ｂの導電率および厚みは、信号の周波数において、表皮効果により導体の抵抗が周波数に比例しかつ伝送線路の特性がＲ／Ｇ＝Ｌ／Ｃとなるように調整されている。従って、広い帯域でＲ／Ｇ＝Ｌ／Ｃとなり、伝送線路の特性インピーダンスや伝搬特性が広い帯域で一定となる。従って、本発明による層内導体１１の存在により、信号をひずみなく伝播できる。
［製法］
次に、図１を参照して第１の実施の形態の製造方法を説明する。

必要とする伝送線路の特性より、伝送線路の構造と使用する誘電体１３および外導体１２の材質および形状を決定する。また、層内導体１１の形状、内層側導体１１ａの材質を決定する。これらのパラメータから伝送線路として使用する周波数から、ＬおよびＣ、Ｇを計算により求める。求めた値を元にＲ／Ｇ＝Ｌ／ＣとなるＲを求める。このＲと内層側導体１１ａの導電率より、計算やシミュレータを用い、使用する周波数帯域でＲ／Ｇ＝Ｌ／Ｃとなるように、表層側導体１１ｂの材料および厚みを決定する。これらによって、伝送線路に用いる材料および構造を決定し、通常の伝送線路を作成する方法で、作成する。
［発明の他の実施の形態］
上記実施の形態において、積層導体の構造を内導体だけでなく、外導体も積層導体で構成することができる。そのための構成を図２に示す。この実施例においては、外導体も層構造となるため、外導体の抵抗の影響も考慮して単位長さあたりの抵抗Ｒを調整できる。

上記実施の形態において、積層導体の構造を２層だけではなく３層以上の層構成で構成することができる。そのための構成を図３に示す。この実施例においては、より広い周波数において、抵抗の増加を周波数に比例するようにできるため、より広い周波数において特性の向上が行える。

上記実施の形態において、伝送線路の構造を同軸線路だけではなく、マイクロストリップラインやストリップライン、平行２線などの伝送線路で構成することができる。そのための構成図を図４、５、６に示す。

次に、具体的な実施例を用いて、第１の実施の形態の製造方法を説明する。特性インピーダンス５０オームで２００ＭＨｚまでの信号を通す伝送線路を作成する。誘電体として誘電率４．３、ｔａｎδ０．０１５のエポキシ樹脂を用い、内導体の直径を１ｍｍで構成する。このとき、特性インピーダンスを５０オームにするためには、外導体の内径は、５．６４ｍｍとなる。外導体の外径は８ｍｍとする。外導体および内導体の内層側導体は導電率５９．８Ｓ／ｍの銅を用いて構成する。

２００ＭＨｚのとき、Ｌは３４６ｎＨ／ｍとなり、Ｃは１３８ｐＦ／ｍとなり、Ｇは２．６１ｍＳ／ｍとなった。したがって、目指すＲは、６．５２Ω／ｍとなる。表面側の導体として導電率２．３４Ｓ／ｍチタンを用いるとし、シミュレータにて表面側の厚みを調整したところ、厚み０．０３ｍのときに目的の抵抗が得られた。したがって、内層側導体の内径を０．９４ｍとし、外層側導体を外径１ｍｍ、内径０．９４ｍｍで構成すればよい。

この構成において、シミュレーションにおいて効果を確認した。１ｍの長さで、内導体を銅のみにて構成した場合と本実施例における伝送線路の反射特性と遅延特性を比較する。その結果の反射特性を図８、遅延特性を図９に示す。反射特性と遅延特性ともに本実施例のほうが小さい。また、遅延特性は本実施例ではほぼ一定の遅延となっており、周波数による遅延差が少ないため、信号のひずみが少なくなる。

本発明によれば、高周波での低ひずみの伝送線路といった用途に適用できる。

１１ 層内導体
１１ａ 内層側導体
１１ｂ 表層側導体
１１ｃ ２層目の表層側導体
１２ 外導体
１２ａ 内層側外導体
１２ｂ 表層側外導体
１３ 誘電体
２１ 積層導体の抵抗の変化
２２ 外層側の導体のみで構成された場合の抵抗の変化
２３ 内層側の導体のみで構成された場合の抵抗の変化
３１ 実施例１における反射特性
３２ 実施例１と同じ構造で導体が全部銅のときの反射特性
４１ 実施例１における遅延特性
４２ 実施例１と同じ構造で導体が全部銅のときの遅延特性

Claims (5)

1. 同軸構造の伝送線路において、中心導体が、複数の異なる導電率を持つ導体の層を有して構成された積層導体を有し、誘電体と接する側である表層側の導電体層の導電率が、誘電体から遠い内層側の導電体層の導電率と比べて低く、前記表層側の導電体層の厚みが、前記伝送線路を使用する周波数において、表皮深さより薄く、しかも前記伝送線路を使用する周波数において前記積層導体の抵抗で決まる前記伝送線路の単位長さあたりの抵抗Ｒが、前記伝送線路の単位長さあたりのインダクタンスＬ、単位長さあたりのコンダクタンスＧ、単位長さあたりのキャパシタンスＣとの関係でＲ／Ｇ＝Ｌ／Ｃとなるよう前記表層側の導電体層の導電率と厚みを調整する工程を含むことを特徴とする伝送線路の製造方法。
2. 請求項１記載の伝送線路の製造方法において、積層導体は前記中心導体だけではなく、外導体も複数の異なる導電率を持つ導体の層で構成され、前記誘電体と接する側に近い層の導電率が遠い層の導電率より低いことを特徴とする伝送線路の製造方法。
3. 請求項１又は２に記載の伝送線路の製造方法において、伝送線路構造が同軸構造だけに限らず、マイクロストリップ線路構造もしくはストリップ線路構造もしくは平行２線構造であることを特徴とする伝送線路の製造方法。
4. 請求項１乃至３の何れか１項に記載の伝送線路の製造方法において、特定の構造の伝送線路に限らず、誘電体と導体で構成される伝送線路であることを特徴とする伝送線路の製造方法。
5. 請求項１乃至４の何れか１項に記載の伝送線路の製造方法において、伝送線路を構成する導体のいずれかひとつもしくは複数が、複数の異なる導電率を持つ導体の層を有し表層側の導電率が内層側の導電率より低いことを特徴とする伝送線路の製造方法。

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