JP5767622B2

JP5767622B2 - 高周波接続線路

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Publication number: JP5767622B2
Application number: JP2012282751A
Authority: JP
Inventors: 田野辺　博正; 博正田野辺; 泰彦中西
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2012-12-26
Filing date: 2012-12-26
Publication date: 2015-08-19
Anticipated expiration: 2032-12-26
Also published as: JP2014127828A

Description

本発明は高周波接続線路に関し、端部接続領域の特性インピーダンスが異なる高周波信号基板を少なくとも２つ以上接続して構成された高周波接続線路に関する。

所定の特性インピーダンスを備えた異なる伝送線路を電気的に接続する際、接続領域での特性インピーダンスの変化を最小限にするため、伝送線路の底面グランドを選択的に除去することで、接続後の特性インピーダンスを伝送線路の特性インピーダンスと一致させた高周波接続線路が知られている。

異なる特性インピーダンス同士を接続する１つの例としては、マイクロストリップ線路へのＤＣブロックキャパシタを実装した高周波接続線路が挙げられる。図１は、マイクロストリップ線路へのＤＣブロックキャパシタを実装した高周波接続線路を示している。図１（ａ）には、ＤＣブロック３を半田実装した基板の表面が示され、図１（ｂ）にはグランド導体５１を備えた基板の裏面が示されている。基板には、表面の信号線路５０および裏面のグランド導体５１によって構成されるマイクロストリップ線路領域１と、表面に形成されるＤＣブロックキャパシタが実装された領域２とが構成されている。ＤＣブロックキャパシタの幅がマイクロストリップ線路の幅よりも十分広いため、ＤＣブロックキャパシタを実装した領域２では、特性インピーダンスが低い方向へと変動してしまう。一般的に特性インピーダンスＺ０は、線路容量をＣ、インダクタンスをＬとした場合、Ｚ０＝√（Ｌ／Ｃ）の関係が成り立つ。ＤＣブロックキャパシタを実装した領域２では、線路容量Ｃが大きくなり、その結果として特性インピーダンスＺ０が低下する。よって、底面に位置するグランドを選択的に除去して、容量値を下げることで特性インピーダンスの低下を防ぎ、マイクロストリップ線路の特性インピーダンスと整合させている。

次に、別形態として、４枚の高周波信号基板からなる高周波接続線路が挙げられる。かかる高周波接続線路を図２に示す。この高周波接続線路においては、４枚の高周波信号基板を、それぞれの信号線路５０が形成された面１０１ａ、１０２ａ、１０３ａ、１０４ａを互いに対向させ、各基板の端部を両方向矢印で示すように電気的に接続する。また、重ね合わせた基板のスルーホール５２を半田で接続することで、基板同士の物理的な固定と、基板表裏面のグランドの同電位化を図っている。

図２の高周波接続線路は、図３に示す基板と図４に示す基板との２種類の基板で構成されている。図３の基板は高周波接続線路の入力部分の基板１０１、出力部分の基板１０４として用いられ、図４の基板は高周波接続線路の中間部分の基板１０２、１０３として用いられる。図２、図３に示す基板には信号線路５０、裏面グランド５１、スルーホール５２、表面グランド５３、裏面グランド除去部分５４が形成されている。具体的には、両端の基板１０１、１０４は、グランデットコプレーナ線路が形成された部分Ａと、マイクロストリップ線路が形成された部分Ｂと、裏面グランドが一部除去されたグランテッドコプレーナ線路が形成された部分Ｃとで構成されている。中間部分の基板１０２、１０３には、マイクロストリップ線路が形成された部分Ｂと、裏面グランドが一部除去されたグランテッドコプレーナ線路が形成された部分Ｃとで構成されている。部分Ａは高周波接続線路の入力端部または出力端部となる領域であり、部分Ｃは高周波接続線路を構成する他の基板と接続される領域である。

このような高周波接続線路においては、各基板の端部の接続領域（部分Ｃ）同士を接続した場合、接続領域での特性インピーダンスが、接続前の各端部の特性インピーダンスに比べ、低下してしまう。先に示したＤＣブロックキャパシタの実装例と同じく、接続したことによる線路構造の変化によって線路容量Ｃが上昇する。一般的に特性インピーダンスＺ０は、線路容量をＣ、インダクタンスをＬとした場合、Ｚ０＝√（Ｌ／Ｃ）の関係が成り立つため、線路容量Ｃの増大によって特性インピーダンスＺ０が低下するためである。このため、従来は、各基板の端部の接続領域（部分Ｃ）の特性インピーダンスを信号線路部分（部分Ｂ）の特性インピーダンスに比べて高い値にする構造が採用されることが多い。その手法は、先に示したＤＣブロックキャパシタの実装例と同じように、接続領域の裏面グランドの選択的除去である。

例えば、部分Ａと部分Ｂが特性インピーダンスが５０Ωとなるように設計されている場合、基板同士を接続する部分となる部分Ｃは、裏面グランドの一部を除去することで、特性インピーダンスが６０Ωとなるような構造を備えている。このように、従来は、基板同士の接続領域となる部分Ｃを予め５０Ωより約２割程度高めの６０Ωの特性インピーダンスとなる構造にし、実装段階で基板同士を接続したときに、５０Ωの特性インピーダンスが得られる構造としている。

D. N. de Araujo, et. al., "Electrical-Optical High Speed Serial Server Scalability Link," in Proc. IEEE ECTC, 2007, pp. 1646-1652.

しかしながら、上述のように接続領域での特性インピーダンスの低下を抑制するため、予めそれぞれの基板の信号線路端の接続領域の特性インピーダンスを全て一様に高くした構造とした場合、それぞれの信号線路端の特性インピーダンスを測定器の入力インピーダンスに合致させることができないため、接続途中で測定機に接続し正確な信号線路の特性評価が困難であるという問題があった。接続領域の特性インピーダンスと測定器の入力インピーダンスとが著しく異なると、測定器との接続において反射損失が著しく増大するからである。

本発明の課題は、上記問題に鑑みてなされたものであって、複数の基板を接続して信号線路を接続する際に、全ての接続領域での特性インピーダンスの測定が可能であるのと同時に、接続後の信号経路の全てに亘って、特性インピーダンスが整合された高周波接続線路を提供することにある。

上記の課題を解決するために、一実施形態に記載の発明は、高周波線路が形成された複数の基板を有し、各基板の高周波線路同士を端部で接続して所定の第１の特性インピーダンスをもって高周波信号を伝送し、第１の特性インピーダンスに設定された前記複数の基板の両端から前記高周波信号を入出力する高周波接続線路であって、前記各基板は、他の基板と接続される信号出力側の端部は、該出力側の一方の端部に接続される測定器での測定が可能な第２の特性インピーダンスとし、他の基板と接続される信号入力側の端部は、他の基板の前記第２の特性インピーダンスを持つ信号出力側の端部と接続された後の接続部の特性インピーダンスが、前記第１の特性インピーダンスにほぼ一致するような第３の特性インピーダンスであって、第２の特性インピーダンスより高い第３の特性インピーダンスを有することを特徴とする高周波接続線路である。

本発明の高周波接続線路によれば、複数の基板を接続して信号線路を接続する際に、全ての接続領域での特性インピーダンスの測定が可能であるのと同時に、接続後の信号経路の全てに亘って、特性インピーダンスが整合できる。

従来のＤＣブロックを実装した高周波接続線路の図である。従来の高周波接続線路を分解しての上面および底面から見た図である。従来の高周波接続線路に用いる二種類の基板の一方を上面および底面から見た図である。従来の高周波接続線路に用いる二種類の基板の他方を上面および底面から見た図である。本発明の高周波接続線路の一例を示す図である。図５の高周波接続線路１を分解して上面および底面から見た図である。本発明の高周波接続線路に用いる基板の一例を示す図である。本発明の高周波接続線路に用いる基板の他の一例を示す図である。本発明の高周波接続線路に用いる基板の他の一例を示す図である。基板の特性インピーダンスとギャップ幅との関係を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。本実施の形態では、特性インピーダンスが５０Ωに設定された高周波接続線路を例に挙げて説明する。図５は本発明の高周波接続線路の一例を示す側面図である。図５に示すように本発明の高周波接続線路１は、高周波接続線路の入力端部に配置される入力部用基板１１と、高周波接続線路の中間位置に配置される中間部用基板１２、１３と、高周波接続線路の出力端部に配置される出力部用基板１４との三種類の基板で構成されている。各基板１１、１２、１３、１４は、それぞれの基板端部の接続領域Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３において上下に互い違いに重ねて接続されている。

図６は、図５の高周波接続線路１を分解して上面および底面から見た図である。この図６にはそれぞれの基板を上下２段に並べて示しており、上段には上面から見た基板１１ａ、１２ｂ、１３ａ、１４ｂ、下段には底面から基板１１ｂ、１２ａ、１３ｂ、１４ａを示している。基板１１、１２、１３、１４には、表面１１ａ、１２ａ、１３ａ、１４ａ側に信号線路が形成されており、基板の表面１１ａ、１３ａは上面に向けられており、基板の表面１２ａ、１４ａは底面に向けられている。すなわち、高周波接続線路１は、基板１１、１２、１３、１４の表面を互いに対向させて信号線路５０同士が電気的に接続されるように各基板端部の接続領域Ｔ１〜Ｔ３で、両方向矢印で示すように、重ね合わせられている。

本発明の高周波接続線路１は、高周波信号を両方向に伝搬させる信号線路として用いられることは言うまでもないが、説明のため片方向の信号で解説する。図６に示す高周波接続線路１は、図示左から右に信号が伝搬する信号線路として用いることができる。すなわち、高周波接続線路１の入力部用基板１１の入力端部から高周波信号を入力すると、中間部用基板１２、１３を経由して、出力部用基板１４の出力端部から出力される。入力部用基板１１の特性インピーダンスは、信号入力側の一方の端部が５０Ω（＝Ｚ）に、信号出力側の他方の端部がＺａ（＝例えば５０Ω以上５５Ω未満）に設定されている。中間部用基板１２、１３の特性インピーダンスは、信号入力側の一方の端部が６８〜７０Ω程度の高インピーダンスＺｂに、信号出力側の他方の端部がＺａ（＝例えば５０Ω以上５５Ω未満）に設定されている。出力部用基板１４の特性インピーダンスは、信号入力側の一方の端部が６８〜７０Ω程度の高インピーダンスＺｂに、信号出力側の他方の端部が５０Ωに設定されている。すなわち、インピーダンスＺ、Ｚａ、Ｚｂは、Ｚ≦Ｚａ＜Ｚｂ、Ｚ≦Ｚａ≦１．１×Ｚａ、１．１×Ｚ≦Ｚｂ≦１．４×Ｚを満たすように設定される。

各基板１１〜１３において、特性インピーダンスがＺａに設定されている信号出力側の他の基板と接続される端部は、端部接続前の状態では、インピーダンスなどを測定する測定器（図示せず）を接続して測定器での各種測定が可能になるよう、測定器での測定が可能な特性インピーダンス、別言すれば、測定器の入力インピーダンス（５０Ω程度）とほぼ同等の特性インピーダンスＺａを設定する。

一方、各基板１１〜１３において、特性インピーダンスＺｂに設定されている信号入力側の他の基板と接続される端部は、特性インピーダンスＺａをもつ信号出力側の端部に接続された後の接続部の特性インピーダンスが、５０Ωにほぼ一致するような特性インピーダンスＺｂであって、特性インピーダンスＺａより高い特性インピーダンスＺｂを設定する。

図７は入力部用基板１１の構成例を示す図である。入力部用基板１１は、高周波接続線路１の入力端部に用いられる基板であり、例えばセラミック基板を用いることができる。入力部用基板１１は、基板の両端と中央部分とがそれぞれ異なる配線パターンで構成されている。高周波接続線路１への信号が入力される端部はＡパターンで構成され、他の基板と接続される端部はＤパターンで構成され、ＡパターンとＤパターンとを接続する基板中央部分はＢパターンで構成されている。

Ａパターンの部分は、接続対象の外部端子に合わせた配線形態であり、信号線路全体と同じ特性インピーダンス５０Ωに設定されている。図７に示す例では、５０Ωに設定されたグランテッドコプレーナ線路が形成されている。すなわち、Ａパターン部分の表面には信号線路５０とその両脇に所定幅ａのギャップを介してグランド電極５３とが形成されており、Ａパターン部分の裏面にはベタのグランド５１が形成されている。また、グランド電極５３には、表面から裏面に貫通したスルーホール５２が形成されており、表面のグランド電極５３を裏面のベタのグランド５１と同電位にしている。Ｂパターンの部分は、高周波信号の引き回しを行うための配線形態であり、図７ではマイクロストリップ線路が形成されている。Ｂパターン部分の表面に信号線路５０が形成され、裏面にはベタのグランド５１が形成されている。

Ｄパターンは、信号出力側の他の基板と接続するための配線形態であり、ＡパターンおよびＢパターンよりも１割以下の範囲で高インピーダンス（５０Ω以上５５Ω未満）となる特性インピーダンスが設定されている。図７に示す例では５４Ωに設定されたグランテッドコプレーナ線路が形成されている。また、Ｄパターンの表面には信号線路５０とグランド電極５３とが形成され、裏面にはベタのグランド５１が形成され、グランド電極５３部分に表面から裏面に貫通するスルーホール５２が形成されている。Ｄパターンは、信号線路５０とグランド電極５３とにより形成されるギャップ幅ｂをＡパターンのギャップ幅ａよりも拡げることにより高インピーダンスに設定される。

図８は中間部用基板の構成例を示す図である。中間部用基板１２は、高周波接続線路１の中間部分に用いられる基板であり、例えばセラミック基板を用いることができる。中間部用基板１２には、基板の両端と中央部分とがそれぞれ異なる配線パターンで構成されている。中間部用基板１２は、他の基板から中間部用基板１２自体への信号が入力する端部はＥパターンで構成され、中間部用基板１２自体からの他の基板への信号が出力する端部はＤパターンで構成され、ＥパターンおよびＤパターンを接続する基板中央部分はＢパターンで構成されている。

Ｅパターンは、他の基板と接続するための配線形態であり、ＡパターンおよびＢパターンよりも１割以上の範囲で高インピーダンス（６５Ω〜７０Ω:高インピーダンス）となる高インピーダンスの特性インピーダンスが設定されている。図８に示す例では、裏面グランドが一部除去された、６８Ωに設定されたグランテッドグランテッドコプレーナ線路が形成されている。すなわち、Ｅパターンの表面には信号線路５０とその両脇にグランド電極５３とが形成され、裏面には裏面グランドが一部除去された露出部５４を有するグランド５１が形成され、グランド電極５３部分に表面から裏面に貫通するスルーホール５２が形成されている。Ｅパターンは、Ｄパターンと同一のギャップ幅ｂで信号線路５０とグランド電極５３とが形成され、さらに裏面グランドが一部除去された露出部５４を形成することにより、Ｄパターンよりもさらに高インピーダンスに設定される。

図９は出力部用基板１４の構成例を示す図である。出力部用基板１４は、高周波接続線路１の出力端部に用いられる基板であり、例えばセラミック基板を用いることができる。出力部用基板１４は、基板の両端と中央部分とがそれぞれ異なる配線パターンで構成されている。出力部用基板１４は、他の基板から出力部用基板１４自体への信号が入力する端部はＥパターンで構成され、高周波接続線路１からの信号が出力される端部はＡパターンで構成され、ＥパターンおよびＡパターンを接続する基板中央部分はＢパターンで構成されている。

本発明の高周波接続線路１では、測定器での測定が可能な程度まで上げた特性インピーダンスをＺａ（例えば５４Ω）を有するＤパターンと、このＺａの特性インピーダンスをもつＤパターンと接続された後に、接続後の接続部の特性インピーダンスが５０Ωとなるような特性インピーダンスＺｂ（例えば６８Ω）を持つＥパターンとを重ね合わせて基板同士の接続を行なうことにより、測定器での測定を可能とするとともに、実装段階で基板同士を接続後は接続領域でも所望の特性インピーダンスである５０Ωが保たれるようにしている。

ここで図１０は、基板接続前のＤパターンの特性インピーダンスＺａおよびＥパターンの特性インピーダンスＺｂと、基板接続後の接続領域の特性インピーダンスと、ＤパターンおよびＥパターンのギャップ幅ｂとの関係を示すグラフである。ＤパターンとＥパターンとは信号線路５０同士とグランド電極５３同士とが電気的に接続されなければならないので、必然的にギャップ幅ｂが同一に設計されることとなる。図１０のグラフに示すようにギャップ幅ｂを調整することにより、Ｄパターンの特性インピーダンスとＥパターンの特性インピーダンスとが調整でき、その結果接続領域の特性インピーダンスが調整できる。したがって、ギャップ幅ｂのみによって特性インピーダンスを調整する場合は、このグラフに基づいて、Ｄパターンが測定器での測定が可能な特性インピーダンスの範囲内にあり、かつ、接続領域の特性インピーダンスが所望の特性インピーダンスと一致するように、ギャップ幅ｂを調整すればよい。

このように、この実施形態では、
（１）測定器での測定が可能な範囲内で、可能であればできるだけ高い値を持つＤパターンの特定インピーダンスＺａを決定する
（２）決定した特性インピーダンスＺａを持つＤパターンと接続した場合に、接続後の特性インピーダンスが高周波接続線路の全体としての所望の特性インピーダンスに一致するように、Ｅパターンの特性インピーダンスＺｂを決定する
ことで、全ての接続領域でのインピーダンスの測定を可能とすると同時に、接続後の信号経路の全てに亘って、特性インピーダンスが整合された高周波接続線路を提供できる。

以上の構成によれば、複数の基板を接続して構成された高周波接続線路１の全ての接続領域Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３での測定器によるインピーダンスの測定が可能であるのと同時に、各基板接続後の信号経路の全てに亘って特性インピーダンスを所望のインピーダンスに整合させることができる。

以上の実施形態では、高周波接続線路１全体の特性インピーダンスが５０Ωに設定された場合を例に挙げて説明したが、特性インピーダンスは５０Ωに限定されず、７５Ω等任意の値の特性インピーダンスであってもよい。

以上の実施形態では、高周波接続線路１を入力部用基板、中間部用基板、出力部用基板の３種類の基板で構成した場合を例に挙げて説明したが、中間部用基板を用いず、入力用基板と出力用基板とでのみ高周波接続線路１を構成してもよい。

以上の構成によれば、複数の基板１１、１２、１３、１４をセラミック基板で構成した場合を例に挙げて説明したが、これに限定されず、例えばガラスエポキシ基板、ポリイミド基板、半導体基板などの基板を用いることができる。

１高周波接続線路
１１入力部用基板
１２、１３中間部用基板
１４出力部用基板
５０信号線路
５１ベタのグランド
５２スルーホール
５３グランド電極
５４露出部

Claims

高周波線路が形成された複数の基板を有し、各基板の高周波線路同士を端部で接続して所定の第１の特性インピーダンスをもって高周波信号を伝送し、前記第１の特性インピーダンスに設定された前記複数の基板の両端から前記高周波信号を入出力する高周波接続線路であって、
前記各基板は、
他の基板と接続される信号出力側の端部は、測定器の入力インピーダンスとほぼ同等の特性インピーダンスである第２の特性インピーダンスとし、
他の基板と接続される信号入力側の端部は、他の基板の前記第２の特性インピーダンスを持つ信号出力側の端部と接続された後の接続部の特性インピーダンスが、前記第１の特性インピーダンスにほぼ一致するような第３の特性インピーダンスであって、前記第２の特性インピーダンスより高い第３の特性インピーダンスを有することを特徴とする高周波接続線路。
前記第２の特性インピーダンスを持つ端部は、グランテッドコプレーナ線路によって形成され、
前記第３の特性インピーダンスを持つ端部は、裏面グランドを一部除去したグランテッドコプレーナ線路によって形成され、
裏面グランドが一部除去されることにより、前記第３の特性インピーダンスが前記第２の特性インピーダンスより高く調整されることを特徴とする請求項１に記載の高周波接続線路。
前記複数の基板は、
前記第１の特性インピーダンスを持つ入力端部を有し、前記第２の特性インピーダンスを持つ出力端部を有する入力部用基板と、
前記第３の特性インピーダンスを持つ入力端部を有し、前記第２の特性インピーダンスを持つ出力端部を有する中間部用基板と、
前記第３の特性インピーダンスを持つ入力端部を有し、前記第１の特性インピーダンスを持つ出力端部を有する出力部用基板と、
を含み、
前記第１の特性インピーダンスを持つ入力端部および出力端部は、グランテッドコプレーナ線路によって形成され、
前記第２の特性インピーダンスを持つ入力端部および出力端部は、グランテッドコプレーナ線路によって形成され、
前記第３の特性インピーダンスを持つ入力端部および出力端部は、裏面グランドを一部除去したグランテッドコプレーナ線路によって形成され、
前記第２の特性インピーダンスを持つ入力端部および出力端部の表面に形成された信号線路とグランド電極とのギャップ幅が、前記第１の特性インピーダンスを持つ入力端部および出力端部の表面に形成された信号線路とグランド電極とのギャップ幅よりも広いことを特徴とする請求項１または２に記載の高周波接続線路。
前記複数の基板は、セラミック基板、ガラスエポキシ基板、ポリイミド基板、半導体基板のいずれかであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の高周波接続線路。
前記第１の特性インピーダンスは５０Ω、前記第２の特性インピーダンスは５０Ω以上５５Ω未満、前記第３の特性インピーダンスを６８Ω以上７０Ω以下であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の高周波接続線路。