JP5992881B2

JP5992881B2 - 高周波接続構造

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Publication number: JP5992881B2
Application number: JP2013176401A
Authority: JP
Inventors: 小杉　敏彦; 敏彦小杉; 裕史濱田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2013-08-28
Filing date: 2013-08-28
Publication date: 2016-09-14
Anticipated expiration: 2033-08-28
Also published as: JP2015046741A

Description

本発明は、高周波電気信号を扱う集積回路と導波管とを接続する高周波接続構造に関するものである。

高周波集積回路の電気信号を導波管へ接続する場合がある。そのために導波管伝送線路結合器が用いられてきた。従来の高周波集積回路と導波管伝送線路結合器においては、特に１００ＧＨｚを超える高周波において、集積回路配線と導波管伝送線路結合器とを接続する際の位置合わせや接続技術が問題となっていた。信号が高周波になると、導波管の内径や導波管伝送線路結合器のサイズが縮小される。その結果、部品配置にも高精度な制御が必要とされ、従来から行われてきた手作業による実装作業では対応が難しく、高周波特性の悪化や歩留まりの低下が見られていた。

この問題を部分的に解決する一つの方法として、導波管伝送線路結合器を集積回路へ一体形成する方法が提案されてきた（例えば非特許文献１参照）。スロットアンテナ、パッチアンテナ、ダイポールアンテナ、八木アンテナ、ホイップアンテナなど、自由空間で動作するアンテナであれば、いずれのアンテナも導波管伝送線路結合器として使用することができる。集積回路と導波管伝送線路結合器の一体化により、集積回路と導波管伝送線路結合器相互の位置合わせと電気的接続は不要となる。

K.Leong，W.R.Deal，V.Radisic，X.B.Mei，J.Uyeda，L.Samoska， A.Fung，T.Gaier，R.Lai，"A 340-380 GHz Integrated CB-CPW-to-Waveguide Transition for Sub Millimeter-Wave MMIC Packaging"，IEEE MWCL，Vol.19，Issue 6，pp.413-415，Jun. 2009

しかしながら、集積回路と導波管伝送線路結合器とを一体化した場合にも、集積回路と導波管相互の位置合わせは依然として高精度が求められる。また、集積回路と導波管伝送線路結合器とを一体化すると、導波管伝送線路結合器の大きさと配置に依存して、集積回路基板全体のレイアウト自由度が制限されるため、汎用性に乏しいという問題がある。また、集積回路上に形成される導波管伝送線路結合器の電気特性は、集積回路に用いられる高誘電体基板の影響で顕著に悪化する。具体的には、波長短縮効果による挿入損失の増大、および周波数帯域幅の減少が見られる。さらに、集積回路と導波管伝送線路結合器とを一体化する場合、通常の集積回路プロセスとは異なる追加的プロセスが必要になる場合がある。
以上から、高周波、特に１００ＧＨｚを超える領域では、高周波集積回路の電気信号を導波管へ接続する方法に問題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、集積回路と導波管との位置合わせを容易に行うことができる高周波接続構造を提供することを目的とする。

本発明の高周波接続構造は、導波路の端部に形成された導波管伝送線路結合器と、集積回路の信号線路と前記集積回路の外部にある前記導波管伝送線路結合器とを接続するための接続手段とを備え、前記集積回路は、前記信号線路と接続され、前記信号線路を伝搬する電気信号の信号インピーダンスを前記接続手段の特性インピーダンスと略等しい値に変換するインピーダンス変換回路を備え、前記インピーダンス変換回路は、長さがλ／４（λは前記集積回路の信号線路を伝搬する電気信号の波長）で特性インピーダンスが前記信号線路の特性インピーダンスよりも高いλ／４高インピーダンス線路であり、前記接続手段は、前記インピーダンス変換回路の端部と前記導波管伝送線路結合器とを接続するワイヤーであり、前記導波管伝送線路結合器は、リッジ型導波管カプラーであることを特徴とするものである。

また、本発明の高周波接続構造の１構成例において、前記集積回路は、前記導波管が形成される筐体の内部に、前記導波管と隣接するように配置される。
また、本発明の高周波接続構造の１構成例は、さらに、前記インピーダンス変換回路が形成された集積回路の基板の裏面と前記筐体との間に、この基板よりも低誘電率な物質が充填された低誘電率空間を備えることを特徴とするものである。
また、本発明の高周波接続構造の１構成例は、さらに、前記集積回路の接地導体と前記筐体とを接続する接地手段を備えることを特徴とするものである。
また、本発明の高周波接続構造の１構成例において、前記集積回路は、基板の表面に形成された第１の接地導体と、前記基板の裏面に形成され、前記基板を貫通するビアを介して前記第１の接地導体と接続された第２の接地導体とを備え、前記接地手段は、前記第２の接地導体と前記集積回路を収納する前記筐体の底面部とを接続する第１の接地手段と、前記第１の接地導体と前記集積回路を収納する前記筐体の天井部とを接続する第２の接地手段とからなることを特徴とするものである。
また、本発明の高周波接続構造の１構成例において、前記信号インピーダンスは５０Ωであり、前記接続手段の特性インピーダンスは７５Ω〜２００Ωである。

本発明によれば、集積回路の信号線路と導波管伝送線路結合器との間にインピーダンス変換回路を設け、信号インピーダンスの変換を行うことにより、従来と比べて、導波管伝送線路結合器および導波管と集積回路との位置合わせを容易に行うことが可能となり、特性の劣化や歩留まりの低下の少ない導波管接続構造を実現することができる。

従来の高周波接続構造および本発明の高周波接続構造の構成を示すブロック図である。本発明の高周波接続構造によるインピーダンス変換を説明するスミス図である。本発明の実施の形態に係る高周波接続構造の平面図および断面図である。

まず、図１（Ａ）、図１（Ｂ）を用いて本発明の高周波接続構造の原理を説明する。従来の技術では、伝送線路やトランジスタを含む集積回路１−５と導波管カプラー１−４とのワイヤー１−３による接続は、図１（Ａ）に示すように５０Ω線路１−１の端部で行われていた。

一方、本発明では、図１（Ｂ）に示すように集積回路１−５内において信号線路となる５０Ω線路１−１の端部に、長さがλ／４（λは５０Ω線路１−１を伝搬する電気信号の波長）で特性インピーダンスが５０Ω線路１−１の特性インピーダンスよりも高いλ／４高インピーダンス線路１−２を接続し、このλ／４高インピーダンス線路１−２の端部と導波管カプラー１−４とを接続手段となるワイヤー１−３により接続する。集積回路１−５を伝搬する電気信号の信号インピーダンスは、インピーダンス変換回路であるλ／４高インピーダンス線路１−２によりワイヤー１−３の特性インピーダンスと略等しい値へと変換される。ワイヤー１−３の特性インピーダンスは、周辺形状に依存するが、およそ７５Ωから２００Ω程度の値である。

本発明の高周波接続構造によるインピーダンス変換の特徴を図２のスミス図を用いて説明する。集積回路１−５を伝搬する電気信号の信号インピーダンスＺ＝５０Ωは、λ／４高インピーダンス線路１−２による変換により、図２の円２−１上で２−２のような軌跡を描き、ワイヤー１−３の特性インピーダンスであるＺｗ付近へ変換される。次に、信号インピーダンスは、ワイヤー１−３によるインピーダンス変換を受ける。このとき、信号インピーダンスは、既にＺｗに変換されているため、ワイヤー１−３の長さが変化したとしても、スミス図上では２−４で示すように抵抗軸２−３上のＺｗの点を中心に回転するだけであり、この中心からの距離は増加しない。つまり、ワイヤー１−３の長さが変動してもインピーダンス変動が少なく、ワイヤー長の誤差に対するトレランスが最大化される。その後、信号インピーダンスは、導波管カプラー１−４による変換により、図２の円２−５上で２−６のような軌跡を描き、導波管１−６のインピーダンスである３５０Ω付近へ変換される。

図３（Ａ）は本発明の実施の形態の高周波接続構造を上から見た平面図、図３（Ｂ）は図３（Ａ）のＡ−Ａ線断面図であり、図１（Ｂ）と同一の構成には同一の符号を付してある。
集積回路１−５は、伝送線路やトランジスタ等を含む高周波回路が形成された集積回路基板３−１と、集積回路基板３−１上に形成された導体からなる５０Ω線路１−１と、集積回路基板３−１上に５０Ω線路１−１と一体で形成された導体からなるλ／４高インピーダンス線路１−２と、集積回路基板３−１上に形成された接地導体３−２とを備えている。

図３（Ａ）、図３（Ｂ）において、３−３は筒状の導波管１−６が形成される筐体の天井部を構成する導体からなる導波管天井、３−４は導波管１−６が形成される筐体の底面部および側面部を構成する導体からなるモジュール筐体、３−５は集積回路基板３−１とモジュール筐体３−４との間にあって集積回路基板３−１の基板材料よりも低誘電率な物質が充填された低誘電率空間、３−６は接地導体３−２と導波管天井３−３とを接続する導体からなる接地アースポストである。

導波管天井３−３とモジュール筐体３−４とは、筒状の導波管１−６を形成している。集積回路１−５は、この導波管天井３−３とモジュール筐体３−４とによって形成される空間内に、導波管１−６と隣接するように配置される。そして、集積回路１−５は、モジュール筐体３−４の底面部によって支持されるようになっている。

集積回路１−５の５０Ω線路１−１を伝搬してきた電気信号の信号インピーダンスは、λ／４高インピーダンス線路１−２によりワイヤー１−３の特性インピーダンスＺｗと等しい値（ここでは１００Ω）へと変換される。５０Ω線路１−１は、集積回路１−５内で用いることの可能な伝送線路であればよく、例えばマイクロストリップ線路などでもよい。λ／４高インピーダンス線路１−２の特性インピーダンスは、５０Ω線路１−１の特性インピーダンス５０Ωよりも高い。このλ／４高インピーダンス線路１−２と周辺の接地導体３−２との距離ｄ１は、λ／４高インピーダンス線路１−２の特性インピーダンスが所望の値になるように（変換後の信号インピーダンスがワイヤー１−３の特性インピーダンスＺｗと等しい値になるように）設定される。本実施の形態では、λ／４高インピーダンス線路１−２の特性インピーダンスを７０Ωとしている。

λ／４高インピーダンス線路１−２の端部と導波管カプラー１−４との間はワイヤー１−３により接続される。ここでは、ワイヤー１−３の特性インピーダンスＺｗとして１００Ωが必要であるが、この特性インピーダンスＺｗ＝１００Ωは、ワイヤー１−３と導波管天井３−３との距離ｄ２を調整することで容易に実現可能である。

本実施の形態で用いた導波管伝送線路結合器である導波管カプラー１−４は、導波管１−６の端部に配置されるリッジ型導波管カプラーであるが、ワイヤー１−３との接続箇所のインピーダンスが１００Ωの導波管カプラーであれば、導波管伝送線路結合器として任意の導波管カプラーが使えることは容易に類推できる。

こうして、本実施の形態では、５０Ω線路１−１と導波管カプラー１−４との間にλ／４高インピーダンス線路１−２を設け、信号インピーダンスの変換を行うことにより、従来と比べて、導波管カプラー１−４および導波管１−６と集積回路１−５との位置合わせを容易に行うことが可能となり、特性の劣化や歩留まりの低下の少ない導波管接続構造を実現することができる。

次に、本実施の形態ではワイヤー１−３の特性インピーダンスＺｗとして１００Ωを用いたが、より高いインピーダンスにおける接続方法について述べる。まずλ／４高インピーダンス線路１−２の線幅を細め、λ／４高インピーダンス線路１−２の特性インピーダンスを７０Ωより高い値にすることで、λ／４高インピーダンス線路１−２とワイヤー１−３との接続点で１００Ωより高い信号インピーダンスへの変換が可能になる。ただし、この場合はλ／４高インピーダンス線路１−２の線幅を細めることで高周波損失の増大につながる。

そこで、λ／４高インピーダンス線路１−２の線幅は一定のまま集積回路基板３−１を薄くすると同時に、λ／４高インピーダンス線路１−２の下部の位置に空気、石英、発泡ウレタン等の低誘電率な物質で充填された低誘電率空間３−５を形成することで、高周波損失を増大させることなく、λ／４高インピーダンス線路１−２の特性インピーダンスを高めることができ、ワイヤー１−３の特性インピーダンスＺｗとして１００Ωより高い値が使えるようになる。

ワイヤー１−３の特性インピーダンスＺｗを高くする程、ワイヤー１−３と導波管天井３−３との距離ｄ２が大きくなる。そして、ワイヤー１−３の形状誤差が信号の高周波特性に与える影響は、距離ｄ２に反比例して縮小する。よって、ワイヤー１−３の特性インピーダンスＺｗとして高い値を用いることにより、本実施の形態の高周波接続構造は、高周波領域で従来の技術よりも良好な特性を得やすくなる。

次に、本実施の形態の接地電極の接続方法について説明する。本実施の形態においては、集積回路基板３−１上の接地導体３−２（第１の接地導体）をモジュール筐体３−４と高周波接続する必要がある。集積回路基板３−１に貫通ビア（不図示）が形成されており、基板表面にある接地導体３−２と基板裏面の第２の接地導体（不図示）との間に良好な高周波接続が確立されている場合は、集積回路基板３−１の裏面の第２の接地導体をモジュール筐体３−４の底面部に導電接着することで、接地電極３−２とモジュール筐体３−４との接続と、集積回路１−５のモジュール筐体３−４への搭載とが完了する。このときの接続には、導電性の接着剤（第１の接地手段）が使用される。

さらに、導波管天井３−３とモジュール筐体３−４とが機械的および電気的に接続され導波管１−６を形成しているので、接地電極３−２とモジュール筐体３−４との接続を補強する場合には、接地アースポスト３−６の下面を集積回路基板３−１上の接地導体３−２に導電接着し、接地アースポスト３−６の上面を導波管天井３−３に導電接着すればよい。この接続に使用される導電性の接着剤と接地アースポスト３−６とは、第２の接地手段を構成している。こうして、接地電極３−２とモジュール筐体３−４との接続を補強することにより、更に良好な高周波接続が得られる。

本発明は、高周波集積回路と導波管とを接続する技術に適用することができる。

１−１…５０Ω線路、１−２…λ／４高インピーダンス線路、１−３…ワイヤー、１−４…導波管カプラー、１−５…集積回路、１−６…導波管、３−１…集積回路基板、３−２…接地導体、３−３…導波管天井、３−４…モジュール筐体、３−５…低誘電率空間、３−６…接地アースポスト。

Claims

導波路の端部に形成された導波管伝送線路結合器と、
集積回路の信号線路と前記集積回路の外部にある前記導波管伝送線路結合器とを接続するための接続手段とを備え、
前記集積回路は、前記信号線路と接続され、前記信号線路を伝搬する電気信号の信号インピーダンスを前記接続手段の特性インピーダンスと略等しい値に変換するインピーダンス変換回路を備え、
前記インピーダンス変換回路は、長さがλ／４（λは前記集積回路の信号線路を伝搬する電気信号の波長）で特性インピーダンスが前記信号線路の特性インピーダンスよりも高いλ／４高インピーダンス線路であり、
前記接続手段は、前記インピーダンス変換回路の端部と前記導波管伝送線路結合器とを接続するワイヤーであり、
前記導波管伝送線路結合器は、リッジ型導波管カプラーであることを特徴とする高周波接続構造。
請求項１記載の高周波接続構造において、
前記集積回路は、前記導波管が形成される筐体の内部に、前記導波管と隣接するように配置されることを特徴とする高周波接続構造。
請求項２記載の高周波接続構造において、
さらに、前記インピーダンス変換回路が形成された集積回路の基板の裏面と前記筐体との間に、この基板よりも低誘電率な物質が充填された低誘電率空間を備えることを特徴とする高周波接続構造。
請求項２または３記載の高周波接続構造において、
さらに、前記集積回路の接地導体と前記筐体とを接続する接地手段を備えることを特徴とする高周波接続構造。
請求項４記載の高周波接続構造において、
前記集積回路は、基板の表面に形成された第１の接地導体と、前記基板の裏面に形成され、前記基板を貫通するビアを介して前記第１の接地導体と接続された第２の接地導体とを備え、
前記接地手段は、前記第２の接地導体と前記集積回路を収納する前記筐体の底面部とを接続する第１の接地手段と、前記第１の接地導体と前記集積回路を収納する前記筐体の天井部とを接続する第２の接地手段とからなることを特徴とする高周波接続構造。
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の高周波接続構造において、
前記信号インピーダンスは５０Ωであり、
前記接続手段の特性インピーダンスは７５Ω〜２００Ωであることを特徴とする高周波接続構造。