JP5633698B2 - 導波路 - Google Patents

Description

［本発明の分野］
本発明は、導波路に係るものであり、特に、ミリ波信号に対応したゾンマーフェルト導波路（Sommerfeld waveguide）に関する。

［背景］
本明細書においては以下の略語を使用する。
ＳＦ＿ＷＧ（Sommerfeld waveguide）：ゾンマーフェルト導波路
ＭＭＷ（MilliMetre Wave）：ミリ（メートル）波
ＣＰＷ（Coplanar Waveguide）：共平面導波路
ＭＳＬ（Microstrip Line）：マイクロストリップ線路
ＰＣＢ（Printed Circuit Board）：プリント回路基板
ＩＣ（Integrated Circuit）：集積回路
ＥＭ（ElectroMagnetic）：電磁石
ＴＥＭ（Transverse Electromagnetic Mode）：ＴＥＭモード
ＴＭ０１（Transverse Magnetic Mode 01）：ＴＭ０１モード
ＧＳＧ（Ground Signal Ground）：グラウンド−シグナル−グラウンド
Ｇ-line（Goubau line）：Ｇライン

通信信号は、空中、またはワイヤなどのなんらかの固体媒体を伝播するものである。高周波信号の場合、信号漏えいや相互に隣接するチャンネル同士の干渉を最小限に抑えるために、導波路のような特別な構造が使用される。

しかしながら、ミリ波信号のような高周波信号の場合、伝送線路もしくは集積された導波路をベースとしたＴＥＭモードの使用は、高い伝播損失を招くこととなる。

ミリ波信号に適用され得る他の伝送媒体は、より低い伝播損失となる単一のＳＦ＿ＷＧ（もしくはＧライン）である。しかしながら、ＳＦ＿ＷＧが機能する特殊モードにより、励起方法は重要である。出願書類によれば、この励起はアンテナまたは伝送線路変換器によってなされ得るものである。アンテナによる変換効率は、電磁場（ＥＭ-field）であることによって低いものとなっている。従来技術における共通の方法は、ＣＰＷからのゾンマーフェルド波の励起を利用するものである。

図１（ａ）は、Ａタイプのコンバータ１００を表わしている。ここでのワイヤの線幅は１μｍである。ワイヤは極めて薄く、視認できないほどである。図１（ｂ）は、Ｂタイプのコンバータ１０４を表わしている。ここでのワイヤの線幅は５μｍである。ワイヤは極めて薄く、視認できないほどである。広域の帯域幅における十分なインピーダンス整合を実現するために、非常に厚さの薄いワイヤが要求される。１μｍという線幅はＩＣの製造において実用的な大きさであるが、ＰＣＢの製造においては薄すぎるかもしれない。

本発明は、第１の態様において、ボード内接続もしくはチップ内接続のためのＳＦ＿ＷＧを提供するものである。ここで、ＳＦ＿ＷＧにおける幅は７５μｍ以上とする。本発明は、第２の態様において、実質的に信号周波数の中心での半波長の整数倍の長さを備えたＳＦ＿ＷＧを提供するものである。

いくつかの実施態様は、簡素で実用的な、製造に適した構造上の寸法であり、非常に広い帯域幅であり、集積導波路やその他の伝送線路と比べて低損失であり、垂直および水平方向へ曲がる伝送が最小限となり、複数の平行な経路に好適であるなどの利点を有している。

本発明の第１の詳細な説明は、請求項１の導波路に対応するものである。本発明の第２の詳細な説明は、請求項１５の導波路に対応するものである。いくつかの実施態様は請求項２〜１４および請求項１６〜２０に関する。

図１（ａ）は第１の従来技術における、ＣＰＷからＳＦ＿ＷＧへの遷移部分を表す概略図であり、図１（ｂ）は第２の従来技術における、ＣＰＷからＳＦ＿ＷＧへの遷移部分を表す概略図である。 図２は、第１の実施例としてのＭＳＬからＳＦ＿ＷＧへの遷移部分を表す概略図である。 図３は、第２の実施例としての、ＰＣＢ上に設けられたＳＦ＿ＷＧを表す概略図である。 図４は、第３の実施例としての、ＩＣダイと相互接続されたＳＦ＿ＷＧを表す概略図である。 図５は、第４の実施例としての、ＭＳＬからＳＦ＿ＷＧへの遷移部分を表す概略図である。 図６は、第５の実施例としての、ＣＰＷからＳＦ＿ＷＧへの遷移部分を表す概略図である。 図７は、第６の実施例としての、ＣＰＷからＳＦ＿ＷＧへの遷移部分を表す概略図である。 図８は、第７の実施例としての、ＳＦ＿ＷＧの垂直曲げ保護構造の概略図である。 図９は、第８の実施例としての、ＳＦ＿ＷＧの水平曲げ保護構造の概略図である。 図１０は、第９の実施例としての、２−チャンネルＳＦ＿ＷＧの概略図である。 図１１は、第２の実施例におけるＳＦ＿ＷＧについての試験結果を表す特性図である。

［詳細な説明］
ＳＦ＿ＷＧを用いた一対のダイの相互接続についてのいくつかの具体的な実施態様を示す。１または２以上の実施態様は、従来技術では非常に厚みの薄いワイヤが要求されるものであり、ＩＣまたはＰＣＢに用いられるものである。

図２は、第１の実施態様としての、ＭＳＬからＳＦ＿ＷＧへの遷移部２００を示す。ＭＳＬ２０２は、第１のＩＣ（図示せず）と接続された誘電基板２０４の上部の主面に設けられている。接地板２０６は、誘電基板２０４の下部の主面に設けられている。ＭＳＬ２０２は、接地板２０６の端部２１２におけるノッチ（Ｖ字型の切り込み）２１０の存在によってＳＦ＿ＷＧ２０８へ遷移する。ノッチ２１０の形状は、線形もしくは非線形（例えば指数関数的な形状）とすることができ、例えば三角形状のノッチ２１０としてもよい。

ＭＳＬ２０２の幅はＳＦ＿ＷＧ２０８に至るまで一定である。ＭＳＬ２０２の幅は、誘電基板２０４の厚さ、誘電率、および要求される特性インピーダンスによって決定される。例えば誘電材料の厚さが１３０μｍ、誘電率が１０、特性インピーダンスが５０Ωである場合、トレース幅（例えばＭＳＬ２０２およびＳＦ＿ＷＧ２０８の幅）は１００μｍとすればよい。ノッチ２１０の使用により、損失を最小限に抑えつつ、ＭＳＬモードをゾンマーフェルト（ＴＭ０１）モードに変換することができる。ＳＦ＿ＷＧ２０８の幅もまた一定であり、また、厚さについてはそれほど薄くする必要はない。ＳＦ＿ＷＧ２０８の幅は、例えば７５μｍ以上とすることができ、ＰＣＢの容易な製造を可能とする。

図２に示した第１の実施態様としてのＭＳＬ２０２からＳＦ＿ＷＧ２０８への遷移部２００は、図３に示したＰＣＢ３００の上、あるいは図４に示したＩＣダイ４００の上で生じ得るものである。

図３に示した第２の実施態様は、ＰＣＢ３００の上の、第１のＭＳＬ３０４と第２のＭＳＬ３０６との間に設けられたＳＦ＿ＷＧ３０２を有している。第１の遷移部３０８は、第１のＭＳＬ３０４とＳＦ＿ＷＧ３０２との間で生じ、第２の遷移部３１０は、第２のＭＳＬ３０６とＳＦ＿ＷＧ３０２との間で生じる。接地板３１２，３１４は、各々対応する第１および第２のＭＳＬ３０４，３０６の真下のＰＣＢの底部に直接設けられている。

図４に示した第３の実施態様は、第１のＩＣダイ４００と第２のＩＣダイ４０４との間に設けられた、ボンドワイヤであるＳＦ＿ＷＧ４０２を有している。第１の遷移部４０６は第１のＩＣダイ４００の上の第１のＭＳＬ４１０とＳＦ＿ＷＧ４０２との間で生じ、第２の遷移部４０８は第２のＩＣダイ４０４の上の第２のＭＳＬ４１２とＳＦ＿ＷＧ４０２との間で生じる。第１および第２の遷移部４０６，４０８は、ＭＳＬ４１０，４１２からボンドワイヤＳＦ＿ＷＧ４０２へ広がっている。ＭＳＬ４１０，４１２の各々は、それぞれの誘電基板の一端側に配線を形成しており、それらの誘電基板の他端側には接地板が設けられている。第１および第２の遷移部４０６，４０８における接地面は、ＭＳＬ４１０，４１２が形成する配線の下方において線形状または非線形状に分割され、もしくは広がっている。

図２に示した第１の実施態様としての遷移部は、ＩＣダイの上で使用され得るものであるが、ＰＣＢ基板や空中を利用するワイヤなどに好適である。この遷移部は、図１に示したようなインピーダンス整合を行うために厚さの非常に薄い配線を用いることを要求しないからである。しかしながら、ＩＣダイにとっては、コスト削減の為の小型化を図るにあたり、上記のような遷移構造は通常要求されることである。ＩＣ基板、例えばケイ素の損失正接（Loss tangent）の値は、ＰＣＢ材料の損失正接が比較的低い（例えば０．０５である）のに対し、通常高い（例えば０．９である）ので、図２に示したＩＣダイの上に設けられた第１の実施態様としての遷移構造は、ＰＣＢの上に形成される場合よりも遷移損失が大きくなる。

図５に示した第４の実施態様は、ボンドワイヤであるＳＦ＿ＷＧ５００を、第１のＩＣダイ５０４上の第１のＭＳＬ５０２と、第２のＩＣダイ５０８上の第２のＭＳＬ５０６との間に設けるようにしたものである。図４に示したダイ３の実施態様のように、その長さの制約がないボンドワイヤＳＦ＿ＷＧ４０２とは異なり、図５のＳＦ＿ＷＧ５００は、その長さが中心信号周波数での半波長の整数倍であることが要求される。そのような長さを有するＳＦ＿ＷＧ５００は、その波をゾンマーフェルト波（Sommerfeld wave）へ変換するのを請け負うと共に、良好なインピーダンス整合をもたらすものである。さらに、各ＭＳＬ５０２，５０６の幅は、ボンドワイヤＳＦ＿ＷＧ５００の幅と同じであることが好ましい。しかしながら、ボンドワイヤＳＦ＿ＷＧ５００の形状についての制約はない。図４に示した第３の実施態様と同様に、ＭＳＬ５０２，５０６のそれぞれについて接地板が設けられている。

図６に示した第５の実施態様では、シングルワイヤであるＳＦ＿ＷＧ６００を示している。このＳＦ＿ＷＧ６００の長さは、中心信号周波数での半波長の整数倍である。シングルワイヤＳＦ＿ＷＧ６００は、ＣＰＷ（ＳＧＳ）６０２，６０４と接続されている。ここでは一対の１／４波長ワイヤ６０６と、一対の１／４波長ワイヤ６０８とが設けられている。ワイヤ６０６，６０８の各々は、ＣＰＷ（ＳＧＳ）６０２，６０４の一方に設けられた接地パッドに一端が接続され、バラン（balun）として振る舞う。ワイヤ６０６，６０８の各々の他端は、インターポーザー（interposer）６１６に接続されている。インターポーザー６１６の上面にはＩＣダイ６１８，６２０が設けられている。各対のバランとしてのワイヤ６０６，６０８は、約４５°の角度で広がっている。

図７に示した第６の実施態様は、以下の点を除き、第５の実施態様と同様の構成（ここでは、シングルワイヤＳＦ＿ＷＧ７２６が２つのＣＰＷ（ＧＳＧ）７２２，７２４の間に設けられたもの）である。ここでは、インターポーザー７１６の上に設けられたＩＣダイ７１８，７２０の下に、限定的に設けられた接地板７００，７０２が直接設けられている。バランワイヤ７１２，７１４の他端は、インターポーザー７１６ではなく接地板７００，７０２とそれぞれ接続されている。接地板７００，７０２を備えた図７に示した第６の実施態様は、より安定したパフォーマンスを実現することができる。

１もしくは複数の実施態様で示したものは、成形用樹脂などの誘電材料に埋設されていてもよい。その場合、各実施態様における寸法を誘電材料の誘電率に応じて変化させる必要が生じ得る。

ＳＦ＿ＷＧの曲がりは、放熱（放射）および伝播損失をもたらす可能性がある。第３および第４の実施態様におけるＳＦ＿ＷＧ４０２，５００は、それぞれ湾曲しているが、ＩＣダイの相互間隔が短ければ、曲げ損失は結合インピーダンス整合やモード遷移（mode transition）ほど重要でない。しかしながら、このことは、図３の第２の実施態様には当てはまらないかもしれない。第２の実施態様においては、ＳＦ＿ＷＧ３０２の曲げによる放熱や伝播損失を低減することのほうが好ましいかもしれない。ＳＦ＿ＷＧ３０２の曲げは、タイプ１としての垂直曲げ（基板面に対して垂直である曲げ）とタイプ２としての水平曲げ（基板面内における曲げ）とに分類することができる。

上記タイプ１の曲げにおける放熱および伝播損失は、図８における第７の実施態様によって低減される。ＳＦ＿ＷＧ８００は、２つの誘電層８０２，８０４の間に挟まれている。誘電層８０２，８０４は、互いに僅かに異なる誘電率を有するものである。

上記のタイプ２の曲げについては、その放熱および伝播損失を低減するために図９に示した第８の実施態様を用いることができる。金属パッチ９００は、ＳＦ＿ＷＧ９０２および誘電基板９０４の下方に設けられている。金属パッチ９００は、一対の端部のうちの一方にノッチを有している。一例では、金属パッチ９００は、３つの領域部分９０６，９０８，９１０からなるものである。領域部分９０６，９０８は、それぞれ、図９に示したような角度で領域部分９０８，９１０と接続されている。これらの領域部分９０６，９０８，９１０は、Ｚ形状をなすように配置される。領域部分９０６，９０８，９１０が相互になす角度は任意に選択される。金属パッチ９００の一端のノッチは、直線状もしくは曲線状（例えば指数関数的な曲線形状）をなすように形成され、全体として三角形となっている。これ（ノッチ）は、ＳＦ＿ＷＧ９０２をＭＳＬに変換する。ＭＳＬは曲げに敏感ではないことから、図９の第８の実施態様では、タイプ２に起因する損失を低減し、ＳＦ＿ＷＧの性能向上が見込まれる。

図１０に示した第９の実施態様は、２つのチャンネル（経路）のＳＦ＿ＷＧを備えるものである。各チャンネルは、第２の実施態様の構造と類似している。２つのチャンネルは、互いに分離されて設けられていてもよいし、互いに並ぶように集積されていてもよい。図１０に示した２つのチャンネルを有するＳＦ＿ＷＧの曲げは単なる例示であり、多重チャンネルのＳＦ＿ＷＧであってもよい。

第９の実施態様は、第７および第８の実施態様をそれぞれ流用することで、垂直曲げおよび水平曲げから保護され得る。同様に、第３〜第６の実施態様においても多重チャンネルの構成としてもよい。

図１１は、６００μｍの長さのＳＦ＿ＷＧを図３の第２の実施態様において使用した場合の試験結果である。図１１では、そのＳＦ＿ＷＧのＳパラメータについてプロットされている。一般に、Ｓパラメータは、Ｎ個のポートネットワーク（ここではＮ＝２とした。）の電圧信号に対する各ポートでのレスポンスを意味する。各Ｓパラメータの符号における最初の番号は応答したポートを表し、２番目の番号は入射するポートを表す。図１１に示したように、Ｓ１１およびＳ２２は広い帯域を示し、Ｓ１２およびＳ２１は低損失を示している。

本発明の実施態様を詳細に説明したが、本発明の範囲内において多くの変更が可能であることは、当業者であれば明らかであろう。

Claims (18)

1. 第１の伝送線路と第２の伝送線路との間に設けられたＳＦ＿ＷＧ部分を有し、
   前記ＳＦ＿ＷＧ部分は７５μｍ以上の幅を有するボンドワイヤである
   導波路。
2. 前記第１および第２の伝送線路の幅は、前記ＳＦ＿ＷＧ部分の幅と等しい
   請求項１記載の導波路。
3. 前記第１および第２の伝送線路、ならびに前記ＳＦ＿ＷＧ部分は、プリント回路基板（ＰＣＢ）の上に設けられている
   請求項１または請求項２に記載の導波路。
4. 前記第１および第２の伝送線路は、それぞれＩＣダイと接している
   請求項１または請求項２に記載の導波路。
5. 前記第１の伝送線路と前記ＳＦ＿ＷＧ部分との間に設けられた第１の遷移部分と、
   前記第２の伝送線路と前記ＳＦ＿ＷＧ部分との間に設けられた第２の遷移部分と
   をさらに有する
   請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の導波路。
6. 前記第１および第２の遷移部分には、一端にノッチを含む接地面が形成されている
   請求項５記載の導波路。
7. 前記ノッチの形状は直線状である
   請求項６記載の導波路。
8. 前記ノッチは三角形状である
   請求項７記載の導波路。
9. 前記ノッチの形状は曲線状である
   請求項６記載の導波路。
10. 前記ノッチは指数関数に従った形状である
    請求項９記載の導波路。
11. 前記ＳＦ＿ＷＧ部分の長さは、中心信号周波数での半波長の整数倍である
    請求項１記載の導波路。
12. 前記第１および第２の伝送線路はマイクロストリップライン（ＭＳＬ）である
    請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の導波路。
13. 前記第１および第２の伝送線路は共平面導波路（ＣＰＷ）である
    請求項１，４または請求項１１のいずれか１項に記載の導波路。
14. 第１の伝送線路と第２の伝送線路との間に設けられたＳＦ＿ＷＧ部分を有し、
    前記ＳＦ＿ＷＧ部分はボンドワイヤであり、
    前記ＳＦ＿ＷＧ部分の長さは、中心信号周波数での半波長の整数倍である
    導波路。
15. 前記ボンドワイヤは、実質的に直線状となっている
    請求項１４記載の導波路。
16. 前記第１および第２の伝送線路の幅は、前記ＳＦ＿ＷＧ部分の幅と等しい
    請求項１４または請求項１５に記載の導波路。
17. 前記第１および第２の伝送線路はマイクロストリップライン（ＭＳＬ）である
    請求項１４から請求項１６のいずれか１項に記載の導波路。
18. 前記第１および第２の伝送線路は共平面導波路（ＣＰＷ）である
    請求項１４または請求項１５に記載の導波路。

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