WO2005067095A1 - 同軸線路−平面基板変換構造と高周波用信号変換器 - Google Patents

同軸線路−平面基板変換構造と高周波用信号変換器 Download PDF

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WO2005067095A1
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coaxial line
conductor
conversion structure
line
plane substrate
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Inventor
Kimiyoshi Fukatsu
Tomoaki Kato
Original Assignee
Nec Corporation
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01PWAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/08Coupling devices of the waveguide type for linking dissimilar lines or devices
    • H01P5/085Coaxial-line/strip-line transitions

Definitions

  • the present invention relates to a coaxial line-to-plane substrate conversion structure for converting a high-frequency electrical signal between a coaxial line and a plane substrate line, and more particularly to a coaxial line-to-plane substrate conversion structure having less reflection over a wide band and a high-frequency signal.
  • a converter Related to a converter.
  • coaxial line type connectors have been widely used as a form of input and output of high-frequency signals of such high-frequency modules.
  • This coaxial line is widely used because it has many advantages such as easy interconnection between coaxial line connectors and excellent high-frequency characteristics.
  • the coaxial line type high-frequency line is difficult to handle inside the high-frequency module. For this reason, signal lines are exposed on the surface, such as microstrip lines or coplanar circuits, and flat substrate lines suitable for mounting are used.
  • a coaxial line connector is used as an input / output interface of the module, and a flat substrate line is used inside the module. Signal conversion was required.
  • many coaxial connectors that are excellent in miniaturization have been used, and many high-frequency packages employing a structure have been put into practical use. Even in such high-frequency modules, it is more convenient to convert them to coaxial lines during work such as evaluation and sorting, so special tools have been used to convert them to coaxial lines. .
  • a coaxial strip conductor modification disclosed in Patent Document 1 is disclosed.
  • a high-frequency coaxial connector in which an insulating portion and a core wire are inserted by fitting into a fitting portion recess formed in a metal case, and a ceramic in which a lower surface is in contact with the metal case and a strip conductor is provided on the upper surface.
  • the air conditioner includes a separated portion formed between the insulating portion and the strip conductor, and a second cylindrical air gap formed between the core wire and the metal case at the separated portion.
  • the second air gap is formed by cutting off the upper part of the cylindrical shape with a plane parallel to the center axis of the core wire, the center axis of the core wire and the center axis of the second air gap are aligned, and the upper surface of the core wire is formed. And the upper surface of the strip conductor are on the same plane.
  • Patent Document 1 JP-A-2002-198129 (FIG. 1)
  • the conversion of a coaxial line to a microstrip line as a conversion structure of a coaxial line-to-plane substrate line has the following problems in high-frequency characteristics.
  • the microstrip line has a structure in which a dielectric is sandwiched between a strip conductor on the front surface and a ground on the back surface.
  • ordinary high-frequency ICs often have all pads on the surface that input and output signals such as ground and data and power. In such a case, if the backside ground of the microstrip line is directly bonded to the surface ground of the IC by gold wire, the gold wire connecting them is long. For this reason, the inductance of the gold wire increases, and the characteristics deteriorate particularly in a high-frequency region.
  • the coplanar circuit conversion structure with a conductor on the back side of the coaxial line shown in Fig. 1A and Fig. IB is used.
  • an electric field distribution 520 that propagates in the air as shown in FIG. 3B for comparison in Example 1 described later occurs.
  • the characteristic impedance In a normal high-frequency line, it is common to make the characteristic impedance to be 50 ⁇ .
  • the electric field distribution 520 propagating in the air from the core wire 514 of the coaxial line to the surface ground 501 of the coplanar circuit 500 is large, so that the characteristic impedance is considerably lower than 50 ⁇ . As a result, reflection occurs due to discontinuity of the characteristic impedance in the electric signal converter.
  • the coaxial strip conductor modification disclosed in Patent Document 1 as a method of suppressing reflection at these converters and performing broadband processing also has some practical problems.
  • the core of the high-frequency coaxial line and the conductor of the strip substrate must be at the same height, and the distance between the core of the coaxial line and the strip conductor must be reduced to suppress the deterioration of high-frequency characteristics. Therefore, the processing tolerance of the metal case cannot be made very large.
  • the core wire of the high-frequency coaxial line and the strip conductor on the ceramic substrate are fixed by ribbon bonding.
  • such a coaxial strip conductor conversion unit is located near the inner wall of a metal case as shown in FIGS. For this reason, there are problems such as the need to use a special bonding device having poor workability with a normal ribbon bonding device.
  • An object of the present invention is to provide a coaxial line conversion line substrate conversion structure using a coplanar circuit with a backside conductor, which is excellent in high frequency characteristics and does not require a special manufacturing process or device, and a conversion structure thereof.
  • An object of the present invention is to provide a high-frequency signal converter.
  • the coaxial line-to-plane substrate line conversion structure of the present invention is a coaxial line-to-plane substrate line conversion structure for high-frequency signal conversion for converting between a coaxial line and a plane substrate line, which is formed on a metal package. It is.
  • a planar substrate line is a coplanar circuit having a center conductor, a front ground conductor, and a back conductor.A part of the front ground conductor of the coplanar circuit that is close to the center conductor has a predetermined portion near a conversion part with a coaxial line. , Characterized in that it has been removed into a predetermined shape.
  • a part of the body is removed at a predetermined part near the conversion part with the coaxial line even if it is located 30 to 200 m away from the end of the surface ground conductor on the center conductor side of the surface ground conductor.
  • a part of the surface ground conductor has a rectangular shape with the long side parallel to the center conductor, and the short side of the rectangle has a width of 20 ⁇ m—100 ⁇ m and the long side has a length of 200 ⁇ m— It has a triangular shape long in the direction parallel to the center conductor, even if it is 600 ⁇ m.
  • the length of one side of the triangle is 20 ⁇ m—100 ⁇ m, and the other two sides are 200 ⁇ m— It may be 600 ⁇ m.
  • a high-frequency signal converter of the present invention includes the above-described coaxial line-to-plane substrate conversion structure.
  • a feature of the coaxial line-to-plane line substrate conversion structure of the present invention is that a part of the surface ground conductor of the coplanar circuit with the back surface conductor is removed in the conversion unit. As a result, in the coplanar circuit with the coaxial line and the back conductor, it is possible to realize a good frequency characteristic with little reflection, which was difficult with the conventional coaxial line-to-plane line substrate conversion structure.
  • the present invention has an effect that it can be manufactured at the same cost as the conventional example.
  • the surface pattern is drawn on the upper surface conductor of the ceramic substrate by photolithography or a direct drawing method using a laser or the like. And remove the conductor by etching This is because, in the case of the coplanar substrate with a backside conductor of the present invention, the coplanar substrate with the backside conductor can be manufactured simply by including a pattern for removing the ground conductor in addition to the conventional product in the lithography mask data.
  • FIG. 1A is a schematic cross-sectional view for explaining conversion between a high-frequency coaxial connector having a coaxial line-to-plane substrate line conversion structure and a coplanar circuit with a backside conductor in a conventional high-frequency signal converter. It is a partial section top view.
  • FIG. 1B is a side cross-sectional view of a schematic cross-sectional view for explaining conversion between a high-frequency coaxial connector having a coaxial line-to-plane substrate line conversion structure and a coplanar circuit with a backside conductor in a conventional high-frequency signal converter. is there.
  • FIG. 2A is a partial cross-sectional top view of a schematic view showing a coaxial line-to-plane substrate line converter of the present invention. (Example 1)
  • FIG. 2B is a side sectional view of a schematic view showing a coaxial line-to-plane substrate line conversion part of the present invention. (Example 1)
  • FIG. 3A is a schematic cross-sectional view showing an electric field distribution in a converter of a high-frequency coaxial connector and a center conductor of Example 1.
  • FIG. 3B is a schematic cross-sectional view showing an electric field distribution in a conventional high-frequency coaxial connector and a conversion part of a center conductor.
  • FIG. 4 shows frequency characteristics of reflection of a coaxial line / plane substrate line conversion structure of a high-frequency signal converter according to Embodiment 1 of the present invention and a conventional example.
  • FIG. 5A is a partial cross-sectional top view of a schematic view showing a coaxial line-to-plane substrate line conversion part of the present invention. (Example 2)
  • FIG. 5B is a side sectional view of a schematic view showing a coaxial line-to-plane substrate line conversion part of the present invention. (Example 2)
  • FIG. 2A and FIG. 2B are schematic diagrams showing a coaxial line-to-plane substrate line conversion unit according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the coaxial line-to-plane substrate line conversion structure of the signal converter 10 includes a coaxial line portion having a high-frequency coaxial connector 111 and a core wire 114, a coplanar circuit 100 with a backside conductor, and a metal package 110.
  • the coplanar circuit 100 with the back surface conductor has a front ground 101, a center conductor 102, a through via 104 for conducting the back conductor 103 and the front ground 101, and a front ground 101 and a back conductor provided on the signal input / output end face. There is a cut-out portion 105 for conducting with 103.
  • the width of the central conductor 102 and the gap 106 between the central conductor 102 and the surface ground 101 are manufactured so that the characteristic impedance is 50 ⁇ . In the high frequency range, the higher order mode of the coplanar circuit The width of the central conductor 102 needs to be narrow in order to prevent the generation. On the other hand, if the width of the center conductor 102 is too narrow, there are many mounting problems and the propagation loss increases.
  • the width of the center conductor 102 is increased to about 200 to 400 m to facilitate connection.
  • the conductor of the surface ground 101 of the coplanar circuit 100 is provided with a conductor removing portion 108 in which a part thereof is removed in a rectangular shape. It is desirable that the size of the removed surface ground 101 be between 200 and 600 ⁇ m in the horizontal direction in the signal propagation direction and between 20 and 100 ⁇ m in the vertical direction. The reason is that the length in the horizontal direction needs to be approximately the same as or slightly shorter than the center conductor tip 107, which is the portion where the center conductor is expanded in the conversion region.
  • the width is required to be 20 ⁇ m or more in order to obtain the effect of the present invention, and if it is 100 ⁇ m or more, the frequency characteristics deteriorate.
  • This position is desirably 30 to 100 ⁇ m away from the edge of the surface ground 101.
  • the reason is that the width required for the surface ground 101 is 30 ⁇ m or more in order to obtain a sufficient ground for high frequency, and a certain width is necessary in consideration of manufacturing errors and ease of fabrication. In view of this, it is desirable that the distance is 30 m or more. It is desirable that the conductor removing portion 108 from which the conductor is removed in a rectangular shape is separated from the through via 104 and the cutout portion 105 by 30 m or more for the same reason.
  • the coplanar circuit 100 is fixed between the coplanar circuit 100 and a metal package 110 using a conductive material such as solder. At this time, it is desirable in terms of frequency characteristics that the gap in the signal propagation direction between the coplanar circuit 100 and the metal package 110 be mounted as small as possible.
  • a high-frequency coaxial connector 111 is fixed.
  • This high-frequency coaxial connector 111 has a metal package 110 whose upper surface has a conductive material such as solder in a through-hole 112 provided toward an insertion hole of the high-frequency coaxial connector 111, and heats the metal package 110. After melting, it is fixed by cooling.
  • This high-frequency coaxial connector 111 is also manufactured to have a characteristic impedance of 50 ⁇ ! RU
  • FIG. 4 shows the frequency characteristics of the reflection of the coaxial line-to-plane substrate line conversion structure of the high frequency signal conversion in the first embodiment of the present invention and the conventional example.
  • specific simulation results show that the surface ground conductor of the conventional example is removed, and that the present invention is expected to have an effect of reducing reflection in a wide range up to DC-50 GHz in comparison with the conversion structure. It is. In particular, at 30-40 GHz, the reflection reduction effect is as large as about 5 dB.
  • the coplanar circuit 100 with a backside conductor is made using a dielectric substrate having a small loss of a high-frequency signal such as alumina ceramics (having a relative dielectric constant of 9 to 10).
  • the dielectric substrate is provided with a through via 104 penetrating the front and back surfaces using a high-power laser or the like, and a cutout 105 in an input / output portion of an electric signal.
  • gold is deposited on both sides of the substrate to a thickness of about 1 ⁇ m using a vapor deposition device such as sputtering.
  • the film is formed so that gold is attached to the inner wall of the through via 104 and the notch 105 so that the front surface ground 101 of the substrate and the back conductor 103 are conducted. I do.
  • a photoresist is applied to the surface, and a center conductor 102 and a surface ground 101 are formed by photolithography. At this time, a part of the surface ground 101 is removed at the same time, and a rectangular surface ground conductor removing portion 108 which is a feature of the present invention is manufactured.
  • metal package 110 stainless steel having excellent workability, Kovar having a linear expansion coefficient close to that of alumina ceramics, or the like is used.
  • the manufacturing method is not focused on the entire configuration of the metal package 110 but on the portion shown in FIG. 2A which is a conversion part necessary for explaining the present invention. explain.
  • Metal packages 1 At the place where the ten high-frequency coaxial connectors 111 are to be inserted, holes for the coaxial connector fitting portions 113 for fitting the coaxial connectors 111 are formed by using a dedicated tool (not shown).
  • a through-hole 112 is provided on the upper surface of the hole of the coaxial connector fitting portion 113 to reach this hole. Further, the surface of the metal package 110 is plated with gold in order to improve the electric characteristics and obtain the reliability.
  • insert the high-frequency coaxial connector 111 into the metal package 110 fix it with a fixing jig (not shown), put solder into the through-hole 112 provided on the upper surface, and heat the metal package 110 to about 180 ° C where the solder melts. After that, the metal package 110 is cooled to fix the high-frequency coaxial connector 111.
  • a coplanar circuit 100 with a back conductor is attached to the metal package 110 using a low-melting metal such as solder.
  • a low-melting metal such as solder.
  • the core wire 114 of the coaxial line and the tip 107 of the center conductor 102 of the coplanar circuit 100 are connected.
  • a coaxial line-to-plane substrate conversion structure is completed by connecting with a conductive material 109 such as solder.
  • FIGS. 5A and 5B are schematic diagrams showing a coaxial line-to-plane substrate line conversion unit according to Embodiment 2 of the present invention.
  • the high-frequency signal converter 20 includes a coaxial line portion having a high-frequency It consists of a circuit 200 and a metal package 210.
  • the structure of the high-frequency signal converter 20 and the coaxial line-to-plane substrate line conversion unit of the second embodiment is different from that of the first embodiment in that the conductor removal unit 108 of the rectangular surface ground 101 is a triangular conductor removal unit. Since it is the same as the first embodiment except for the part 208, the description of the same part will be omitted, and the description will focus on the conductor removing part 208.
  • the conductor of the surface ground 201 of the coplanar circuit 200 is provided with a conductor removing part 208 whose part is removed in the shape of a right triangle as shown in Fig. 5A. Te ru.
  • the size of the conductor removing portion 208 removed from the surface ground 201 is a triangle between 200 and 600 ⁇ m in the horizontal direction in the signal propagation direction and between 20 and 100 ⁇ m in the vertical direction. It has a shape. The reason is that the center conductor 202 extends in the conversion region in the horizontal direction. This is because a length approximately equal to or slightly shorter than the length of the center conductor tip 207 is required. Further, regarding the width, the effect of the present invention is required to be obtained at 20 m or more, and at 100 m or more, the frequency characteristics deteriorate.
  • this position is 30 to 100 ⁇ m away from the edge of the surface ground.
  • the reason for this is that the width of the surface ground must be 30 m or more to provide sufficient ground for high frequency, and that a certain width is necessary in consideration of manufacturing errors and ease of fabrication. To 30 m or more is desirable. For this reason, it is preferable that the through vias 204 and the cutouts 205 are separated by 30 m or more for the same reason.
  • the metal package 210 has the same configuration as the metal package 110 of the first embodiment, and a description thereof will be omitted.
  • the electric field distribution in the converter between the high-frequency coaxial connector 211 and the center conductor 202 in the second embodiment is similar to that of the high-frequency coaxial connector 511 in the conventional example, as shown in the first embodiment with reference to FIG.
  • the electric field in the air above the surface ground 201 can be reduced as compared with the electric field distribution in the conversion part of the center conductor 502. Therefore, it is possible to suppress a decrease in characteristic impedance in the conversion unit, and it is possible to suppress reflection generated in the conversion unit.
  • the method of manufacturing the high-frequency signal converter 20 having the coaxial line-to-plane substrate conversion structure of the second embodiment is also applied to the case where a photoresist is applied to the surface and the center conductor 202 and the surface ground 201 are formed by photolithography.
  • the process is the same as that of the first embodiment except that a part of the surface ground 201 is removed and a triangular-shaped conductor removing portion 208 is provided at the same time.
  • the method of manufacturing the conversion section required for the description of the present invention of the metal package 110 is also the same as the manufacturing method described in the first embodiment, and thus the description is omitted.
  • the coaxial line-to-plane substrate conversion structure of the present invention is not limited to the above-described embodiment described with reference to the drawings, and is applied and implemented so as to obtain the same effect for the same purpose. be able to.
  • the present invention is not limited to the rectangular or triangular shape of the conductor removal portion provided on the surface ground, and can be applied to other shapes such as a trapezoid. It is also possible to eliminate the end of the center conductor which is widened to facilitate connection of the center conductor in the converter, and to make the center conductor all the same width.
  • the surface It is also possible for the conductor to be a part of the substrate surface, and it is also possible to provide two or more coaxial line-to-plane substrate line conversion structures in the same metal package.

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Abstract

 高周波同軸線路と平面基板線路との変換において、変換部に起因する反射を低減させる。  金属パッケージ110に嵌合して、同軸コネクタ111が挿入される高周波同軸線路と、下面を金属パッケージ110に接して上面に中心導体102および表面グランド101が形成された裏面導体103付きのコプレーナ回路100とを備えた高周波用信号変換器において、表面グランド101の変換部に近い導体の一部が矩形に取り除かれて導体除去部108が形成されており、それにより変換部における電界分布を小さくでき特性インピーダンスの低下を抑え反射を抑制できる。

Description

明 細 書
同軸線路 -平面基板変換構造と高周波用信号変換器
技術分野
[0001] 本発明は、同軸線路と平面基板線路との間で高周波電気信号の変換を行う同軸 線路一平面基板変換構造に関し、特に広帯域にわたり反射の少ない同軸線路一平面 基板変換構造と高周波用信号変換器に関する。
背景技術
[0002] インターネット等の広帯域マルチメディア通信サービスの爆発的な需要増加に伴つ て、より大容量でかつ高機能な光ファイバ通信システムやマイクロ波通信システムの 開発が求められて 、る。このために大規模な通信システムに用いられる高周波モジュ ールの性能の向上は極めて重要な課題である。
[0003] 従来から、こうした高周波モジュールの高周波信号の入出力の形態としては、同軸 線路形のコネクタが広く使われてきた。この同軸線路は、同軸線路コネクタ間の相互 接続が容易で、かつ高周波特性に優れるなどの利点が多 、ので幅広く用いられて ヽ る。
[0004] し力しながら、高周波モジュール内部では、同軸線路型の高周波線路は扱いにく い。そのため、マイクロストリップ線路またはコプレーナ回路などの、表面に信号線が 露出して!/、る実装に適した平面基板線路が使われて 、る。このような高周波モジユー ルの場合には、モジュールの入出力インターフェースとして同軸線路コネクタが用い られ、モジュール内部では平面基板線路が用いられているため、入出力部における 同軸線路一平面基板線路間の高周波信号変換が必要であった。また、最近では小 型化に優れる同軸コネクタを用 、な 、構造を採用した高周波パッケージなども多く実 用化されて 、る。このような高周波モジュールにお 、ても評価や選別などの作業時に は、同軸線路に変換するほうが都合がよいため、高周波パッケージの平面基板線路 力 同軸線路へ変換する特別の道具が用いられてきた。
[0005] これらの高周波用信号変 の同軸線路一平面基板線路変換構造として、図 1A、 図 IBに示す同軸線路 裏面導体付きコプレーナ回路変換構造がある。表面グランド 501の構造以外は実施例 1の構成と同じであり、実施例 1で説明が行なわれるので 詳細な説明は省略する。
[0006] また、高周波特性の改善を目的とした同軸線路一平面基板線路として、特許文献 1 に記載の同軸 ストリップ導体変^^が開示されている。ここでは、金属ケースに形 成された嵌合部凹部に嵌合して、絶縁部と芯線とが挿入される高周波同軸コネクタと 、下面を金属ケースに接して上面にストリップ導体を配設するセラミック基板とを含ん で構成されている。絶縁部とストリップ導体との間に形成された離間部と、離間部にお いて芯線と金属ケースとの間に形成された円筒形状の第二のエアギャップとを備え ている。第二のエアギャップが芯線の中心軸に平行な面で円筒形状の上部を切り取 つて形成され、芯線の中心軸と、第二のエアギャップの中心軸とがー致しており、芯 線の上面とストリップ導体の上面とが同一平面上にある構造になっている。この構造 により、高周波同軸線路とストリップ導体との変換において、直流から 50GHzまでの 広帯域にわたって特性インピーダンスを整合させることができる。
特許文献 1 :特開 2002-198129号公報 (第 1図)
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0007] 同軸線路一平面基板線路の変換構造としての同軸線路 マイクロストリップ線路へ の変換では、次のような高周波特性上の問題点がある。マイクロストリップ線路では、 誘電体を表面のストリップ導体と裏面グランドで挟んだ構造となっている。一方、通常 の高周波 ICでは、グランドとデータや電源などの信号を入出力するパッドがすべて表 面にあることが多い。このような場合、マイクロストリップ線路の裏面グランドと ICの表 面グランドとを直接に金ワイヤボンディングすると、それぞれを接続する金ワイヤが長 くなる。そのため、金ワイヤのインダクタンスが大きくなり、特に高周波領域において特 性が劣化する。また、この高周波特性の劣化を避けるため、平面導波路の途中でマ イクロストリップ線路力 コプレーナ回路へ変換する方法もある。しかし、この方法にお いても新たにマイクロストリップ線路ーコプレーナ回路間の変換が入るため高周波特 '性の劣ィ匕が避けられない。
[0008] また、図 1A、図 IBに示す同軸線路 裏面導体付きのコプレーナ回路変換構造で は、電気信号変換部における電界分布は、後述の実施例 1で比較のために掲載した 図 3Bに示すような空気中を伝搬する電界分布 520が生じる。通常の高周波線路に おいては、特性インピーダンスを 50 Ωとなるように作るのが一般的である。それに対 し、この変換部においては、空気中を同軸線路の芯線 514からコプレーナ回路 500 の表面グランド 501間に伝搬する電界分布 520が大きいため、特性インピーダンスが 50 Ωよりもかなり低下していた。その結果、電気信号変換部において特性インピーダ ンスの不連続による反射が生じて 、た。
[0009] また、これらの変換部における反射を抑え広帯域ィ匕する方法として特許文献 1に開 示された同軸 ストリップ導体変 にも、いくつかの実用上の課題がある。第一に、 高周波同軸線路芯線とストリップ基板の導体を同一の高さにする必要があることと、 高周波特性の劣化を抑えるためには、同軸線路芯線とストリップ導体間の距離を小さ くする必要があり、そのため金属ケースの加工トレランスがあまり大きくとれないことが 上げられる。第二にこの変 では、高周波同軸線路の芯線とセラミック基板上のス トリップ導体間をリボンボンディングで固定して 、る。通常このような同軸 ストリップ導 体変換部は、特許文献 1の図 2、 2で示されるように金属ケースの内壁際になる。その ため、通常のリボンボンディング装置では作業性が悪ぐ特別なボンディング装置を 用いる必要があるなどの課題がある。
[0010] 本発明の目的は、高周波特性に優れ、特別な製作工程や装置を必要としない、裏 面導体付きのコプレーナ回路を用いた同軸線路 変換線路基板変換構造と、その変 換構造を有する高周波用信号変換器を提供することにある。
課題を解決するための手段
[0011] 本発明の同軸線路一平面基板線路変換構造は、金属パッケージ上に構成された、 同軸線路と平面基板線路との変換を行うための高周波用信号変 における同軸 線路 -平面基板線路変換構造である。平面基板線路は、中心導体と表面グランド導 体と裏面導体とを有するコプレーナ回路であり、コプレーナ回路の表面グランド導体 の中心導体に近接した一部が、同軸線路との変換部近傍の所定の部分において、 所定の形状に取り除かれていることを特徴とする。
[0012] 同軸線路との変換部近傍の所定の部分において取り除かれている表面グランド導 体の一部が、表面グランド導体の中心導体側の表面グランド導体の端部から 30— 2 00 m離れた位置にあってもよぐ同軸線路との変換部近傍の所定の部分において 取り除かれている表面グランド導体の一部の形状が、長辺が中心導体と平行な矩形 状であり、矩形状の短辺の幅が 20 μ m— 100 μ m、長辺の長さが 200 μ m— 600 μ mであってもよぐ中心導体と平行方向に長い三角形状であり、三角形の一辺の長さ が 20 μ m— 100 μ mであり、他の二辺の長さが 200 μ m— 600 μ mであってもよい。
[0013] 本発明の高周波用信号変換器は、上述の同軸線路—平面基板変換構造を備えて いる。
[0014] 本発明における同軸線路一平面線路基板変換構造の特徴は、変換部において裏 面導体付きコプレーナ回路の表面グランド導体の一部を取り除いてあることである。こ れにより、同軸線路と裏面導体付きコプレーナ回路において、従来の同軸線路一平 面線路基板変換構造では困難であった、反射の少ない良好な周波数特性を実現す ることがでさる。
発明の効果
[0015] 広帯域にわたり反射の少ない高周波特性に優れる超高速光通信向け並びにマイク 口波無線通信向けの高周波モジュールを提供できるという効果がある。
[0016] これは、信号変換部において裏面導体付きコプレーナ回路の表面グランド導体の 一部を取り除いたことにより、表面グランド上の電界分布を減らすことができ、変換領 域における特性インピーダンスの低下を抑え、変換部における反射を低減させること ができた力もである。具体的なシミュレーション結果は後述の図 4に示すように、従来 例の表面グランド導体を取り除 、て 、な 、変換構造と比べ本発明では、 DC— 50G Hz程度までの広い範囲において反射の低減効果が見込まれている。特に、 30— 40 GHzでは 5dB程度と反射低減効果が大き 、。
[0017] また本発明においては、従来例と変わらないコストで作製することができるという効 果がある。
[0018] これは、裏面導体付のコプレーナ回路を含む高周波セラミック基板を用いた平面導 波路の場合には、セラミック基板の上面導体をフォトリソグラフィーまたは、レーザ等 による直接描画法などで表面パターンを描画し、エッチングによって導体を取り除く 方法で作製するが、本発明の裏面導体付きコプレーナ基板の場合、リソグラフィのマ スクデータに従来品に加えてグランド導体を取り除くパターンを入れるだけで作製可 能だからである。
図面の簡単な説明
[0019] [図 1A]図 1Aは従来の高周波用信号変換器における同軸線路一平面基板線路変換 構造の高周波同軸コネクタと裏面導体付きコプレーナ回路との変換を説明するため の模式的断面図の一部断面上面図である。
[図 1B]図 1Bは従来の高周波用信号変換器における同軸線路一平面基板線路変換 構造の高周波同軸コネクタと裏面導体付きコプレーナ回路との変換を説明するため の模式的断面図の側面断面図である。
[図 2A]図 2Aは本発明の同軸線路一平面基板線路変換部を示す模式図の一部断面 上面図である。(実施例 1)
[図 2B]図 2Bは本発明の同軸線路一平面基板線路変換部を示す模式図の側面断面 図である。(実施例 1)
[図 3A]図 3Aは実施例 1の高周波同軸コネクタと中心導体の変換部における電界分 布を示す模式的断面図である。
[図 3B]図 3Bは従来例の高周波同軸コネクタと中心導体の変換部における電界分布 を示す模式的断面図である。
[図 4]図 4は本発明の実施例 1と従来例における高周波用信号変換器の同軸線路 平面基板線路変換構造の反射の周波数特性である。
[図 5A]図 5Aは本発明の同軸線路一平面基板線路変換部を示す模式図の一部断面 上面図である。(実施例 2)
[図 5B]図 5Bは本発明の同軸線路一平面基板線路変換部を示す模式図の側面断面 図である。(実施例 2)
符号の説明
[0020] 10、 20、 50 高周波用信号変換器
100、 200、 500 コプレーナ回路
101、 201、 501 表面グランド、 102、 202、 502 中心導体
103、 203、 503 裏面導体
104、 204、 504 貫通ビア
105、 205、 505 切欠部
106、 206、 506 間隙
107、 207、 507 中心導体先端部
108、 208 導体除去部
109、 209、 509 導電性材料
110、 210、 510 金属パッケージ
111、 211、 511 高周波同軸コネクタ
112、 212、 512 貫通孔
113、 213、 513 同軸コネクタ嵌合部
114、 214、 514 、線
120、 520 電界分布
発明を実施するための最良の形態
[0021] 以下に、本発明を実施するための最良の形態を、図を用いて詳細に説明する。
実施例 1
[0022] 図 2A、図 2Bは本発明の実施例 1である同軸線路一平面基板線路変換部を示す模 式図であり、図 2Aに示すように、本発明の実施例 1である高周波用信号変換器 10の 同軸線路一平面基板線路変換構造は、高周波同軸コネクタ 111と芯線 114を有する 同軸線路部と、裏面導体付きのコプレーナ回路 100と、金属パッケージ 110とで構成 されている。
[0023] まず、裏面導体付きのコプレーナ回路 100について説明する。裏面導体付きのコ プレーナ回路 100は、表面グランド 101、中心導体 102、裏面導体 103と表面グラン ド 101とを導通させる貫通ビア 104、および信号入出力端面に設けられた表面グラン ド 101と裏面導体 103とを導通させる切欠部 105を有する。この中心導体 102の幅と この中心導体 102と表面グランド 101との間隙 106は、特性インピーダンスが 50 Ωと なるように作製されている。高周波領域においては、コプレーナ回路の高次モードを 発生させないようにするために中心導体 102の幅は狭い必要がある。一方、中心導 体 102の幅が狭すぎると実装上の問題が多ぐ伝搬損失が大きくなることなどから 50 μ m— 300 μ m程度が望まし!/ヽ。
[0024] また、同軸線路との間の接続部である変換部領域における中心導体先端部 107で は、接続を容易にするため中心導体 102の幅を 200 ー 400 m程度まで広げる。 また、このコプレーナ回路 100の表面グランド 101の導体には、その一部を矩形状に 取り除いた導体除去部 108が設けられている。この取り除かれた表面グランド 101の 大きさは、信号伝搬方向に水平方向に 200— 600 μ m、垂直方向に 20 μ m— 100 mの間にするのが望ましい。その理由は、水平方向には変換領域において中心導 体を広げた箇所である中心導体先端部 107とほぼ同等の長さ、またはわずかに短い 程度が必要であるためである。また、幅に関しては本発明の効果が得られるのには 2 0 μ m以上が必要であり、 100 μ m以上では周波数特性が劣化するからである。
[0025] この位置は表面グランド 101の端から 30— 100 μ m離れた所が望ましい。この理由 は、高周波として十分なグランドをとるのには表面グランド 101の幅として必要な幅が 30 μ m以上であり、また製造の誤差や作りやすさなどを考慮するとある程度の幅が 必要であるとの観点からも 30 m以上が望ましい。この矩形状に導体を取り除いた 導体除去部 108は、同様な理由により貫通ビア 104や切欠部 105からも 30 m以上 離すことが望ましい。
[0026] コプレーナ回路 100は、はんだなどの導電性材料を用いて、金属パッケージ 110と の間で固定されている。このとき、コプレーナ回路 100と金属パッケージ 110との間の 信号の伝搬方向の隙間はできるたけ小さく実装することが周波数特性上望ましい。
[0027] 次に、金属パッケージ 110に関して説明する。金属パッケージ 110内には、高周波 同軸コネクタ 111が固定されている。この高周波同軸コネクタ 111は、金属パッケ一 ジ 110上面力も高周波同軸コネクタ 111の挿入用の穴に向けて設けられた貫通穴 1 12にはんだ等の導電性の材料を入れ、金属パッケージ 110を加熱し、溶解後冷却 することにより固定されて 、る。この高周波同軸コネクタ 111も特性インピーダンスが 5 0 Ωとなるように作製されて!、る。
[0028] 実施例 1と従来例における高周波同軸コネクタ 111と中心導体 102との変換部にお ける電界分布は図 3A、図 3Bに示すようになる。図 3Bに示す従来例では変換部にお いて表面グランド 501上の空気中に電界分布 520がみられるため、変換部の特性ィ ンピーダンスが 50 Ωよりかなり小さくなり、高周波信号の反射が生じる。一方、図 3A に示す本実施例で示した構造では、表面グランド 101上の空気中における電界分布 120を小さくすることができるため、特性インピーダンスの低下を抑えることができ反 射を抑制することができる。
[0029] 図 4は、本発明の実施例 1と従来例における高周波用信号変翻の同軸線路-平 面基板線路変換構造の反射の周波数特性である。具体的なシミュレーション結果は 図 4に示すように、従来例の表面グランド導体を取り除 、て 、な 、変換構造と比べ本 発明では、 DC— 50GHz程度までの広い範囲において反射の低減効果が見込まれ る。特に、 30— 40GHzでは 5dB程度と反射低減効果が大きい。
[0030] 次に、実施例 1で示した同軸線路一平面基板変換構造を有する高周波用信号変換 器 10の製造方法について説明する。裏面導体付きのコプレーナ回路 100は、例え ばアルミナセラミックス (比誘電率が 9から 10)などの高周波信号の損失の小さい誘電 体基板を用いて作られる。この誘電体基板に、高出力レーザなどを用いて表面と裏 面とを貫通させた貫通ビア 104および、電気信号の入出力部分に切欠部 105を形成 する。次に、スパッタなどの蒸着装置を用いて、金を 1 μ m程度の厚さで基板の両面 に成膜する。この時、貫通ビア 104や切欠部 105を形成したところでは、基板の表面 グランド 101と裏面導体 103とが導通するように、貫通ビア 104や切欠部 105の内壁 部に金がつくように成膜する。
[0031] 次に表面にフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィ一により中心導体 102と表面グ ランド 101とを形成する。このとき、同時に表面グランド 101の一部を取り除き本発明 の特徴である矩形状の表面グランド導体の導体除去部 108を作製する。
[0032] 次に、金属パッケージ 110の製造方法について説明する。金属パッケージ 110に は、加工性に優れたステンレスや、アルミナセラミックスと線膨張係数が近いコバール などが用いられる。金属パッケージ 110については、用途に応じて様々な形状をとる ため金属パッケージ 110の全体構成ではなく、本発明の説明に必要な変換部部分 である図 2Aに記載の箇所に着目して製造方法について説明する。金属パッケージ 1 10の高周波同軸コネクタ 111を差し込む箇所に、図示しな 、専用の工具を用いて同 軸コネクタ 111を嵌合させるための同軸コネクタ嵌合部 113の穴を形成する。また同 軸コネクタ嵌合部 113の穴の上面にもこの穴に達する貫通孔 112を設ける。また、電 気特性の改善や信頼性を得るため金属パッケージ 110の表面には金メッキを施す。 次にこの金属パッケージ 110に高周波同軸コネクタ 111を差込み、図示しない固定 ジグで固定した状態で、上面に設けた貫通孔 112にはんだを入れ金属パッケージ 1 10をはんだが溶解する 180°C程度まで加熱した後、金属パッケージ 110を冷却して 高周波同軸コネクタ 111を固定する。
[0033] 次に、金属パッケージ 110に裏面導体付きのコプレーナ回路 100をはんだ等の低 融点の金属を用いて取り付け、最後に同軸線路の芯線 114とコプレーナ回路 100の 中心導体 102の先端部 107をはんだなどの導電性材料 109で接続して同軸線路- 平面基板変換構造を完成させる。
実施例 2
[0034] 図 5A、図 5Bは本発明の実施例 2である同軸線路-平面基板線路変換部を示す模 式図である。図 5Aに示すように、本発明の実施例 2である同軸線路一平面基板線路 変換構造では、高周波用信号変換器 20は、高周波同軸コネクタ 211と芯線 214を 有する同軸線路部、裏面導体付きコプレーナ回路 200、および金属パッケージ 210 で構成されている。
[0035] 実施例 2の高周波用信号変換器 20と同軸線路一平面基板線路変換部の構造は、 実施例 1では矩形であった表面グランド 101の導体除去部 108が、三角形の形状の 導体除去部 208となった以外は実施例 1と同じなので、同じ部分についての説明は 省略し、導体除去部 208を中心に説明する。
[0036] 裏面導体付きコプレーナ回路 200においては、コプレーナ回路 200の表面グランド 201の導体には、図 5Aに示されるように、その一部を直角三角形の形状に取り除い た導体除去部 208が設けられて 、る。
[0037] この表面グランド 201から取り除かれた導体除去部 208の大きさは、信号伝搬方向 に水平な方向に 200— 600 μ m、垂直な方向に 20 μ m— 100 μ mの間となる三角 形状となっている。その理由は、水平方向には変換領域において中心導体 202を広 げた中心導体先端部 207とほぼ同等の長さ、またはわずかに短い程度が必要である ためである。また、幅に関しては本発明の効果が得られるのは 20 m以上で必要で あり、 100 m以上では周波数特性が劣化するからである。
[0038] また、この位置は表面グランドの端から 30— 100 μ m離れた所が望ま 、。この理 由は、高周波として十分なグランドをとるのには表面グランドの幅として 30 m以上 必要であること、製造の誤差や作りやすさなどを考慮するとある程度の幅が必要であ るとの観点から 30 m以上が望ましい。このことは、貫通ビア 204や切欠部 205とも 同じ理由から 30 m以上離すことが望ましい。
[0039] 金属パッケージ 210は、実施例 1の金属パッケージ 110と同じ構成なので説明を省 略する。
[0040] 実施例 2における高周波同軸コネクタ 211と中心導体 202との変換部における電界 分布は、図 4を参照して実施例 1で示したのと同様に、従来例における高周波同軸コ ネクタ 511と中心導体 502の変換部における電界分布と比較して、表面グランド 201 上の空気中における電界を少なくすることができる。従って、変換部における特性ィ ンピーダンスの低下を抑えることができ、変換部で生じる反射を抑制することができる
[0041] 実施例 2の同軸線路 -平面基板変換構造を有する高周波用信号変換器 20の製造 方法も、表面にフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィ一により中心導体 202と表面 グランド 201を形成するとき、同時に表面グランド 201の一部を取り除き三角形状の 導体除去部 208を設ける以外は実施例 1の製造方法と同じなので説明を省略する。
[0042] 金属パッケージ 110の本発明の説明に必要な変換部部分の製造方法も、実施例 1 で説明した製造方法と同じなので説明を省略する。
[0043] なお、この発明の同軸線路一平面基板変換構造は、図面を参照して説明した上述 の実施例に限定されるものではなぐ同じ目的で同じ効果を得られるように応用して 実施することができる。例えば、この発明は表面グランドに設ける導体の除去部の形 状を矩形状や三角形の形状に限らず台形などの他の形状として適用することが可能 である。また変換部において中心導体を接続しやすくするために広げた中心導体先 端部をなくして、中心導体をすベて同じ幅にすることも可能である。さらに、表面ダラ ンド導体を基板表面の一部とすることも可能であり、同一の金属パッケージに二つ以 上の同軸線路一平面基板線路変換構造を設けることも可能である。

Claims

請求の範囲
[1] 金属パッケージ上に構成された、同軸線路と平面基板線路との変換を行うための 高周波用信号変換器における同軸線路一平面基板線路変換構造において、 前記平面基板線路は、中心導体と表面グランド導体と裏面導体とを有するコプレー ナ回路であり、
前記コプレーナ回路の前記表面グランド導体の前記中心導体に近接した一部が、 前記同軸線路との変換部近傍の所定の部分において、所定の形状に取り除かれて いることを特徴とする同軸線路一平面基板線路変換構造。
[2] 前記同軸線路との変換部近傍の所定の部分において取り除かれている前記表面 グランド導体の一部が、表面グランド導体の前記中心導体側の前記表面グランド導 体の端部から 30— 200 m離れた位置にある、請求項 1に記載の同軸線路—平面 基板変換構造。
[3] 前記同軸線路との変換部近傍の所定の部分において取り除かれている前記表面 グランド導体の一部の形状が、長辺が前記中心導体と平行な矩形状である、請求項 1または請求項 2の何れか 1項に記載の同軸線路—平面基板変換構造。
[4] 前記矩形状の短辺の長さが 20 μ m— 100 μ m、長辺の長さが 200 μ m— 600 μ m である、請求項 3に記載の同軸線路-平面基板変換構造。
[5] 前記同軸線路との変換部近傍の所定の部分において取り除かれている前記表面 グランド導体の一部の形状が、前記中心導体と平行方向に長い三角形状である、請 求項 1または請求項 2に記載の同軸線路 -平面基板変換構造。
[6] 前記三角形の一辺の長さが 20 μ m— 100 μ mであり、他の二辺の長さが 200 μ m 一 600 /z mである、請求項 5に記載の同軸線路—平面基板変換構造。
[7] 前記中心導体は、前記同軸線路との前記変換部において、該中心導体の幅が局 所的に広げられている、請求項 1から請求項 6の何れか 1項に記載の同軸線路—平 面基板変換構造。
[8] 前記コプレーナ回路は、前記表面グランド導体と前記裏面導体とを導通させるため の貫通ビアを少なくとも一つ以上有する、請求項 1から請求項 7のいずれか 1項に記 載の同軸線路一平面基板変換構造。
[9] 前記コプレーナ回路は、該コプレーナ回路の外周部に、少なくとも一つ以上の前記 表面グランド導体と前記裏面導体との導通部が設けられた切欠部を有する、請求項 1から請求項 8のいずれか 1項に記載の同軸線路 -平面基板変換構造。
[10] 前記同軸線路の芯線と前記中心導体とが、前記同軸線路と前記コプレーナ回路と の前記変換部にぉ 、て、 400°C以下で溶解する低融点金属および 400°C以下の温 度で固化する導電性接着剤の 、ずれかを用いて接続されて ヽる、請求項 1から請求 項 9の何れか 1項に記載の同軸線路—平面基板変換構造。
[11] 前記コプレーナ回路の前記中心導体の幅が 50マイクロメートルから 300マイクロメ 一トルであり、前記中心導体と前記表面グランド導体との間の間隔が 20マイクロメート ルから 150マイクロメートルである、請求項 1から請求項 10の何れ力 1項に記載の同 軸線路 -平面基板変換構造。
[12] 前記コプレーナ回路の基板の比誘電率が 15以下である、請求項 1から請求項 11 の何れか 1項に記載の同軸線路—平面基板変換構造。
[13] 前記コプレーナ回路の基板の厚さが 200マイクロメートル以上でかつ 600マイクロメ 一トル以下である、請求項 1から請求項 12の何れか 1項に記載の同軸線路-平面基 板変換構造。
[14] 請求項 1から請求項 13のいずれか 1項に記載の同軸線路-平面基板変換構造を 備えた高周波用信号変換器。
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