JPH01208901A - マイクロ波集積回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野〕 この発明は、セラミック等を誘電体基板として用いた方
向性結合器等のマイクロ波集積回路に関するものである
。

〔従来の技術） 第３図（ａ）は電子通信学会編“通信用マイクロ波回路
”掲載の図２．１８及び図２．２３（ｂ）に示された従
来のマイクロストリップ線路を用いた方向性結合器を示
す図であり、図において、１はセラミック等の誘電体基
板、４，５．６は基板１上に形成されたマイクロストリ
ップ線路で、５，６は結合線路部、４は結合線路５．６
を方向性結合器の入出力端子■〜■に接続する線路であ
る。７は接地導体である。

第３図中）は同じく上記“通信用マイクロ波回路”の図
２．２５に示された従来のマイクロストリップ線路を用
いた３ｄＢ方向方向性器の一種であり、図において、第
３図（ａ）と同一符号は同一のものを示し、１１は結合
線路５，６を接続するワイヤである。

次に動作について説明する。第３図（ａ）において接地
導体７とマイクロストリップ線路４で構成されるマイク
ロ波伝送線路の端子■に印加されたマイクロ波電力は結
合線路５を通過すると一部の電力は結合線路６に結合し
、端子■に送出され、残りの電力の大部分は端子■に伝
送される。従って結合線路５．６間のギャップＧ、基板
厚Ｈ及び線路幅Ｗを適切に選ぶことにより、所望の結合
量を端子■に得ることができる。

第３図（ｂｌは３ｄＢ方向性結合器の例である。このよ
うな密結合の方向性結合器は第３図（８）の如き構造で
は結合線路間のギャップＧが極度に狭くなるので、実現
不可能であり、従って第３図（ｂ）の如き構造の方式が
とられるものである。

動作については端子番号■〜■の位置が異なるのみで第
３図（ａ）の場合と同じであり、端子■から■への結合
量は３ｄＢであり、従って、端子■へも３ｄＢが伝送さ
れる。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の方向性結合器は以上のように構成されているので
、密結合を必要とする場合には結合線路間のギャップが
非常に狭くなり、パターン精度を非常に高くしなければ
、設計値どおりの結合量を得ることは困難であり、生産
性が悪い。

また、ギャップが狭いため、耐電力性が低く、さらに結
合線路部がすべて平面路であるため面積を多くとるなど
の問題があった。これは方向性結合器以外のマイクロ波
集積回路、例えばマイクロストリップ線路を用いた結合
線路を利用したフィルタ等においても同様の問題がある
。

この発明は、上記のような問題点を解消するためになさ
れたもので、結合線路間のギャップを精密に制御する必
要がなく、生産性がよく、耐電力性にも優れ、しかも専
有面積の狭い、方向性結合器等のマイクロ波集積回路を
得ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係るマイクロ波集積回路は、結合線路部分を
所定の厚みのセラミック等の高誘電体基板の両面にバタ
ーニングして構成し、これを人出力線路をパターニング
した基板上に所定の空間をあけて配設し、入出力線路と
結合線部分とを接続して構成したものである。

〔作用〕

この発明に係るマイクロ波集積回路は、比較的密結合の
結合器を実現するにあたり、結合線路部会を結合量等に
よって定められる所定の厚みの高誘電体基板の両面に構
成するようにしたので、耐電力性が高く、薄い誘電体基
板を用いれば、従来のマイクロストリップ線路では実現
不可能であった結合量３ｄＢ以上の密結合の回路が実現
でき、しかもギャップの幅を調整することにより所望の
結合量が容易に得られ名。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。第１
図は本発明の一実施例によるマイクロ波集積回路を示し
、ここでは方向性結合器に適用したものを示している。

図において、１はセラミック等を用いた入出力線路用基
１（第１の基板）、２は同じくセラミック等を用いた結
合線路用基板（第２の基板）、４は基板１上に形成され
たマイクロストリップ線路の入出力回路である。５．６
は基板２の両面に基板を挟んで相対するように形成され
た結合線路部パターン、３は基板１上の人出力線路４に
よって構成される４つの端子■、■。

■、■と基板２の両面に形成された結合線路５゜６のそ
れぞれの両端４箇所をそれぞれ接続する金リボン等によ
る接続片である。７は基板１の接地導体である。

基板１と基板２とは接続片３によって接続するが、その
際必要により、結合量によって定まる所定の隙間Ｇをあ
けるかあるいは低誘電率の基板をスペーサとして挟んで
基板１上に基板２をのせる。

基板ｌと基板２との構造上の組立のため、線路４より十
分離れた位置において接着剤（図示せず）等で固定する
。

次に動作について説明する。第１図において、接地導体
７とマイクロストリップ線路４で構成されるマイクロ波
伝送回路の端子■に印加されたマイクロ波電力は結合線
路部パターン５を通過すると、一部の電力は結合線路部
パターン６に結合し、端子■に送出され、残りの電力は
端子■に伝送される。

そしてこの装置では、結合線路用基板２の厚さＴ、結合
線路部パターン５，６の線路幅Ｃ及び入出力線路用基板
１の表面上から結合線路用基板２上の結合線路部パター
ン５．６までの隙間Ｇを適切に選ぶことにより所望の結
合量を端子■に得ることができる。

次に所望の結合量を得るため、基板の厚さＴ。

線路幅Ｃ等の関係について説明する。

−船釣にＴＥＭモードの方向性結合器においては、上記
の関係は以下の（１）〜（４）式で説明される。

なお（１）〜（４）式についてはマグロウヒル（ＭｃＧ
ＲＡＷ−旧ＬＬ）社刊行　ジー　エル　マフターハイ（
Ｇ、Ｌ、　Ｍ＾ＴＴＨＡＥｌ）他著の文献「マイクロウ
ェーブ　フィルターズ、インピーダンスマツチング　ネ
ットワークス　アンド　カップリング　ストラクチャー
ズ」（Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　Ｆｉｌｔｅｒｓ、　Ｉｍｐ
ｅｄａｎｃｅ−Ｍａｔｃｈｉｎｇ　Ｎｅｔｗｏｒｋｓ＋
　ａｎｄ　Ｃｏｕｐｌｉｎｇ　５ｔｒｕｃｔｕｒｅｓ”
）−以下参考資料１と略す−ｐ、７７８．　ＳＨＣ，１
３，０２を参照されたい。

Ｚｏ　＝＄　　　　　　　　　　　　・・・（２）Ｚｏ
は結合器の入出力端子に接続される線路の特性インピー
ダンスで、結合器の入出力端子のインピーダンスとは整
合がとられるものとする。

Ｚｏｅ及びＺｏｏは結合線路部の偶モード及び奇モード
インピーダンスであり、各部の寸法は必要とするＺ　Ｏ
ｅｌ　　Ｚ　ｏｏＯ値より計算される。

偶モード、奇数モードインピーダンスＺｏｅ、　　Ｚｏ
ｏとそれぞれのモード時の線路の単位長さ当たりの容］
Ｃｏｅ、　Ｃｏｏは次式の関係が成り立つ（参考資料１
　＋　ｐ、１８２）ｅ 、／ＴＴ、Ｚｏｅ＝　３７６．６　ｇ　／　Ｃｏｅ　　
　　　　　・・・（５）５−Ｚｏｏ＝　　３７６．６８
　／　Ｃｏｏ　　　　　　　　＝（６）ごり一般的な並
列結合線路による偶モード及び奇モードの単位長さ当た
りの容量Ｃｏｅ／　ｔ　、　　Ｃｏ。

／εは参考資料１．　ｐ、１９１．式５．０５−２４．
式５．０５−２５及び図５．０５−１１等に示されるよ
うに、各種フリンジング容量及び平行平板容量の和とし
て表わされる。

本発明に基づく結合部の構成についての設計式を得るた
め、以下、第２図を用いて説明する。

第２図（ａ）は本発明による結合部の偶モードの状態を
示しており、単位長さ当たりの容量Ｃｏｅ／ｌはフリン
ジング容ＩＣｇ／εのみによって与えられることがわか
る。

Ｃｏｅ／　ｓ　＝　２　Ｃｇ　／　８　　　　　　　　
　　”・（７）第２図（′ｂ）は奇モードの状態を示し
、単位長さ当たりの容量Ｃｏｏ／εは２次式によって表
わされることがわかる。

Ｃｏｏ／ｇ＝　（Ｃｏｐ／ｇ）＋　（Ｃｈ　／ｌ＞＋２
（Ｃｇ　／ε）　　　　　　　　　・・・（８）次に、
本発明の構成によるフリンジング容量Ｃｇ／ε、Ｃｈ／
εを参考資料１で計算されているフリンジング容量より
求められるようにするため、偶モード、奇モードそれぞ
れの等価構成図を第２図（Ｃ）、　（ｄ）に示す、結合
部導体をＡ、Ｂとすると第２図（Ｃ）に示す如く、Ｃｏ
ｅ／ａは導体Ａと接地導体ＧＮＤとの間の容量であるか
ら、フリンジング容量Ｃｇ／εは導体Ａと接地導体ＧＮ
Ｄと対称位置に仮想的なイメージ導体Ｃを設定した時の
導体Ａ。

０間の奇モード時のフリンジング容ＩｔＣｆｏ’／ａに
等しいことがわかる。但しここではギャップＧは０とし
て考えるものとする。

Ｃｇ　／ε＝Ｃｆｏ’／ε　　　　　　　　　・・・（
９）Ｃｏｏ／εは第２図（ｄ）に示すように導体Ａと接
地導体ＧＮＤとの間の容量であるから、フリンジング容
量Ｃｈ／＃は導体Ａとイメージ導体Ｃ間の偶モード時の
フリンジング容量Ｃｆｅ’／εに等しいことがわかる。

Ｃｈ　／　ε＝　Ｃｆｅ　’　／　ｓ　　　　　　　　
　　、、、αの第２図中）における平行平板容量Ｃｏｐ
／εは第２図（ｄ）におけるＣｐ／εに等しいことはい
うまでもない。平行平板容量は第２図＋ｄ）のパラメー
タを用いてＣｐ／ε＝２Ｗ／（ｂ−ｔ）と表わせる（参
考資料１　、　ｐ、１９１）。

（７１，（８）式に（９）、αω式を代入することによ
り、Ｃｏｅ／ｌ＝２ｃｇ／１＝２ｃｆｏ’／ｌ　　　・
・・αυＣｏｏ／ｅ＝　（Ｃｏｐ／ｇ）＋　（Ｃｈ　／
ｇ）＋２（Ｃｇ／ε） ＝（Ｃｐ／ε）＋　（Ｃｆｅ’　／ε）＋’ｌ　　（Ｃ
ｆｏ’／ε）　　　　　　　・・・（２）第２図（Ｃ１
，（ｄ）に示すパラメータｔ、Ｓ、ｂを用いれば、Ｃｆ
ｅ’　／ｌ＋　　Ｃｆｏ’　／ｌは参考資料１のｐ、１
８８．１８９のＦｉｇ、５．０５−９．１０により求め
ることが、できる。

以上で、本発明の設計式が求められたので、次に実際の
数値計算を行い、本発明の有効な適用範囲について検討
する。

最初に、マイクロ波集積回路（Ｍ　Ｉ　Ｃ）に最もよく
利用されているセラミック基板（ε、　＝　９．８〜１
０．２）を用いて３ｄＢ方向性結合器を構成する場合の
試算例を示す。特性インピーダンスＺＯは５０Ωとする
。

（１１式に相当する結合度３ｄＢより、Ｃは電圧結合係
数であるから、 ３　（ｄＢ）　＝　　２０１ｏｇ＋。Ｃ、’、Ｃ＝０．
７０８（３１，（４１式より Ｃｏｅ／　ｅ　＝　３６７．６／　（Ｚｏｅ　−５）　
＝　０．９７３７Ｃｏｏ／　ａ　＝　３６７．６／　（
Ｚｏｏ　・ｌｖ：″）　＝５．７０６４αυ式より Ｃｏｅ／ε＝２ｃｇ　／ｇ＝２Ｃｆｏ’／ｇ、’、　Ｃ
ｆｏ　’　／　ｇ　＃０．４９ここで、参考資料１のＦ
ｉｇ、　５．０５−１０（ａ）を用いて、Ｃｆｏ’／ε
の値より、第２図（Ｃ）に示すパラメータｂ、ｔ、ｓの
関連を求める。ここではギャップＧをＯとする。Ｆｉｇ
、　５．０５−１０（ａ）においてＣｆｏ’／ｇ＝０．
４９が得られるのは、 ｔ　／　ｂ　＝Ｏのとき　　　　概略ｓ　／　ｂ　＝０
．８３ｔ　／　ｂ　＝０．０２５のとき　　概略ｓ／ｂ
＞１．５でＣｆｏ’／εは一定となる。

１＝０はあり得ないので、ｔ　／　ｂ　＝０．０２５と
すると例えばｔ＝０．００６（ｎ＋ｍ）、　ｂ＝０．２
５（ｍｍ）、　ｓ　＞０゜３８　（ｎ＋ｍ）で上記の条
件を満足させることができる。

次に（支）式及び参考資料１のＦｉｇ、　５．０５−９
よりＷの値を求める。

０乃式より Ｃｏｏ／ｌ　＝　　（Ｃｐ　／ｇ）＋　　（Ｃｆｅ’　
／ｇ）＋　２　　（Ｃｆｏ’　／　ε）　　＝５．７０
６４、’、　　　（Ｃｐ　／ｅ’）　　＋　　（Ｃｆｅ
’／ｇ）　　＝４．７３２７Ｃｏｅ／εの値よりｓ　＞
０．３８であるから、セラミック基板の厚さを標準材料
の一つである０、６３５（ｍｍ）を選択し、ｓ　＝０．
６３５　Ｘ　２　＝１．２７とする。

参考資料１のＦｉｇ、　５．０５−９よりｔ　／　ｂ　
＝０．０２５のとき、ｓ／ｂ　＝　１．２７１０．２５
＝５．０８＞　１．５であるからＣｆｅ　’　／　ｇ　
＝０．４８となる。従って、Ｃｐ／ε＝　４．７３２７
−０．４８　＝　４．２５２７Ｃｐ／ε＝２Ｗ／（ｂ−
ｔ）より Ｗ＝　（Ｃｐ　／ε）・　（ｂ−ｔ）／２＝０．５１８
１（ｍｍ） と求められる。

以上で、本発明の一実施例の説明を終わる。次に本発明
の他の実施例について説明する。

第４図は本発明を３セクション方向性結合器に適用した
実施例を示す。図において、第１図と同一符号は同一の
ものを示し、信号の入出力端子■〜■の関係も第１図の
場合と同じである。中央のＣＰＬ（Ｃ）部が密結合部分
であり、その両側のＣＰＬ　（Ｌ）部が疎結合部分であ
る。動作については以下に説明する３セクション３ｄＢ
方向性結合器と同様である。

Ｅ　ＣＭ　（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｃｏｕｎｔｅｒ　
Ｍｅａｓｕｒｅ）装置等においては、１オクタ一ブ以上
にわたる広帯域の各種マイクロ波デバイスが求められる
。中でも、３ｄＢ方向性結合器はハイブリッド回路とし
てバランス形ＦＥＴ増幅器等の構成に必要不可欠なデバ
イスであり、広帯域化の要請は強い。

広帯域化の最もよく知られた手法として参考資料１のＳ
ＥＣ，１３，０３に示されている如き、３セクションの
方向性結合器が知られている。

−例として参考資料１　、　Ｔａｂｌｅ　１３．０３−
Ｈｐ、７８９）よりリップル±０．２ｄＢの３セクショ
ン３ｄＢ方向性結合器について試算することにより、本
発明の説明を行う。

３セクシヨンのうち、中央部の結合器の結合係数はＴａ
ｂｌｅよりＣ，＝０．８４０５である。２０１ｏｇＣ２
＝１．５１であるから、１．５１ｄＢの密結合方向性結
合器である。

＋３）、　（４１式より （５）、　（６）式より Ｃｏｅ／　ａ　＝３７６．６　／　（Ｚｏｅ−（ｉ）　
　＝　０．６９Ｃｏｏ／　ｓ　＝３７６．６　／　（Ｚ
ｏｏ−ｆｉ）　−８，０１ｏ１）式より Ｃｏｅ／　ｓ　＝　２　Ｃｆｏ　’　／　ｔ　−０，６
９、’、Ｃｆｏ　’　／ε＝０．３４ 参考資料１のＦｉｇ、　５．０５−１０（ａ）によれば
ｔ／ｂ。

ｓ　／　ｂの値にかかわらず、Ｃｆｏ’／ｇは概略０．
４４以上であり、Ｃｆｏ’／ε＜０．４４は実現できな
いことになる。これはε、　＝１０．２と大きい値を使
っているためである。

ここでこの発明の大きな特徴は偶モード時に低い実効誘
電率εａｆｔを実現したことであり、これを可能にする
ために、本発明では結合線踏部基板と入出力線踏部基板
の間に、第２図（ａ）に示すごとく、ギャップＧの隙間
をあける方法を採用している。

一般に容量は、電極間の距離に反比例し、誘電率に比例
する。また、偶モード時のフリンジング容量Ｃｇは空間
部（ε７＝１）の容量と誘電体部（ε、　＝ＩＯ，２）
の容量が直列になっているものとして、その実効誘電率
を求めると、 今、ここでは第２図（ａ）において、導体厚ｔ＝０゜０
０５（翔ｌ１１）、結合線踏部基板厚Ｔ　＝　０．１２
７　（＋ａｍ）の標準セラミック基板を使うものとして
偶モード時インピーダンスＺｏｅが所定値に合わせられ
るよう実効誘電率εｍｆｔを逆算する。

第２図（Ｃ）における　ｔ／ｂは第２図（ａ）よりｔ／
ｂ＝　ｔ／　（Ｔ＋　ｔ）　＃０．０３８このとき、参
考資料１のＦｉｇ、　５．０５−１０（ａ）によれば、
ｓ　／　ｂ≧１．５　　において概略Ｃｆｏ　’　／　
ｔ　＝０゜５１であり、従って、００式よりＣｏｅ／　
ａ　＝　２　Ｃｆｏ　’／ε＝１．０２となる。

この値を（５）式に代入すれば１ 、°、ε。ｔｔ　”４．７２５ この値を０３１式に代入すればＧ／Ｈ１即ちギャップＧ
が求められる。

入出力線路基板の厚みＨ＝０．４（ａ＋ｍ）とすれば、
Ｇ　＝０．０５７（ｎｍ）となる。

次に、３ｄＢ方向性結合器と同様に奇モード時について
（ロ）式よりＷを算出することができる。

（２）式及び参考資料１のＦｉｇ、　５．０５−９より
Ｃｆｅ’／ε＝０．５０．　Ｃｐ　／ε＝６．５　、従
ってＣｐ丑２Ｗ／（ｂ−ｔ）よりＷ　＝　０．４１２　
（ｍａｄ）が得られる。

以上は本発明を説明するための近似設計式であり、厳密
にはフリンジング容量Ｃｆｅ’／εの算出についてもギ
ャップＧの影響を考慮する必要がある。

次に３セクション方向性績合器の両端の結合器について
説明する。参考資料１のＴａｂｌｅ　１３．０３−１よ
りＣ，＝０．１８３６７である。２０１ｏｇ　Ｃｓ　＝
１４．７２　　（ｄＢ）の疎結合方向性であり、本方式
により試算すると、Ｃｐ／ａ＜Ｑとなり、構成は不可能
となる。従って、疎結合絡合谷部は、マイクロストリッ
プ線路による通常の結合器により設計するものとする。

最後に、結合線路の長さについて説明する。

偶モード時の容量Ｃｏｅは第２図（ａ）において、フリ
ンジング容１ｃｇのみによって構成されるものとしたの
で、αり式によって与えられる実効誘電率を用いて波長
を算出することになる。

奇モード時の容量Ｃｏｏは第２図（ｂ）においてわかる
ようにギャップＧの影響を受けるＣｇ、Ｃｈ、ギャップ
Ｇの影響を受けないＣｏｐにより構成されるので、概略
基板誘電率８ｒによって決まる波長と奇モードの波長と
の間になるものと考えられる。

従って、結合器としての結合部分の線路長とは偶モード
及び奇モード時の波長の間の値を波長として求め、その
２波長が中央の密結合部分の結合線路の長さとなる。

また第５図は第１図の実施例と同様な動作する本発明の
他の実施例であり、異なる点は入出力端子■、■の出力
方向を入れ替えた点にある。そのために、結合部パター
ン５，６は中央において交叉させるため、スルーホール
８を設けである。

更に第６図は本発明を帯域通過フィルタに適用した実施
例であり、中央部の疎結合部分ＣＰＬ（Ｌ）はマイクロ
ストリップ回路構成とし、両端の密結合部分ＣＰＬ　（
Ｃ）に本発明による結合線路部を採用したものである０
図中、２ａ、２ｂは結合線路用基板、４ａ、４ｂは入出
力回路、５ａ。

５ｂは結合線路部パターン、９．１０はマイクロストリ
ップ回路パターンである。

このように、本実施例によれば、入出力回路パターンが
形成された基板上に、その両面に結合回路パターンが形
成された基板を垂直になるように搭載し、かつ両者間に
空間を設けるように構成したので、結合線路間のギャッ
プを精密に制御する必要がなく、生産性がよく、しかも
占有面積の狭いものが得られる効果がある。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、方向性結合器等にお
いて密結合部分を入出力回路の基板とは別の基板を用い
て構成したので、従来マイクロストリップ線路による平
面回路のみでは、パターン精度が極度に高いものを必要
とし、事実上構成が不可能であったような密結合のマイ
クロ波集積回路を容易に実現できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例によるマイクロ波集積回路の
斜視図および側面図、第２図は本発明の一実施例の動作
を説明するための図、第３図は従来の方向性結合器の斜
視図、第４図、第５図、第６図はそれぞれ本発明の他の
実施例を示す図であり、第４図は本発明を３セクション
方向性結合器に適用した実施例を示す図、第５図は第１
図の入出力端子を入れ替えた実施例の図、第６図は本発
明を帯域通過フィルタに応用した実施例の図である。 図において、１は入出力線路用基板（第１の基ｖｉ＞　
、２．２ａ、　　２ｂは結合線路用基板（第２の基板）
、３は接続片、４は入出力回路用パターン、５．５ａ、
５ｂ、６は結合線路部パターン、７は接地導体である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）セラミック等、比較的比誘電率の大きい誘電体基
   板を用いたマイクロストリップ回路による密結合機能を
   有するマイクロ波集積回路において、その上面に入出力
   線路が構成された、ハイブリッド回路本体部となるべき
   第１の基板と、 所定の厚みを有しその両面に結合線路部が構成された第
   ２の基板とを備え、 該第２の基板を、上記第１の基板との間に所定の空間を
   あけるかまたは低誘電率の基板をスペーサとして挟んだ
   うえ上記第１の基板上で直立するように配設，固定し、 上記第２の基板の両面に構成された結合線路部の入出力
   端子を上記第１の基板上の入出力線路に接続してなるこ
   とを特徴とするマイクロ波集積回路。