JPH10335910A - 変換線路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ミリ波信号を小さい損失でグランド付コプレー
ナ線路からマイクロストリップ線路に伝送することが可
能な高周波用の変換線路を提供する。 【解決手段】中心導体１と、その両側に間隔Ｇｃをもっ
て形成された第１グランド層２と、中心導体１形成面と
異なる平行面に設けられた第２グランド層３とからなる
グランド付コプレーナ線路Ａを、ストリップ導体４と、
第２のグランド層３とからなるマイクロストリップ線路
Ｂに変換するための線路であって、ストリップ導体４の
線幅が中心導体１の線幅よりも大きくし、ストリップ導
体４と中心導体１とが、ストリップ導体１に向かって徐
々に線幅が拡がるテーパ導体部５を介して接続し、テー
パ導体部５の両側にはその縁からの間隔が線路Ａに向け
て徐々に拡がるように形成されたテーパグランド層２’
を形成し、テーパグランド層２’の拡がり起点７を、テ
ーパ導体部５の拡がり起点６よりも線路Ａ側にずらすこ
とにより、ミリ波信号の損失が小さい変換線路を実現で
きる

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高周波半導体素
子、受動部品、接続用端子等を相互に接続するための伝
送路を実現するためのものであり、具体的には、ミリ波
領域で用いられるグランド付コプレーナ線路あるいはコ
プレーナ線路形式の端子を有する部品とマイクロストリ
ップ線路形式の端子を有する部品とを接続するための変
換線路の改良に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年社会の情報化が進み、情報の伝達は
携帯電話に代表されるように無線化、パ−ソナル化が進
んでいる。このような状況の中、さらに高速大容量の情
報伝達を可能にするために、ミリ波（３０〜３００ＧＨ
ｚ）領域で動作する半導体素子の開発が進んでいる。最
近ではこのような高周波半導体素子技術の進歩にともな
い、その応用として車間レ−ダ−や無線ＬＡＮのような
ミリ波の電波を用いたさまざまな応用システムも提案さ
れるようになってきた。

【０００３】例えば、ミリ波を用いた車間レ−ダ−（１
９９５年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエテ
ィ大会、ＳＣ−７−６参照）、コ−ドレスカメラシステ
ム（１９９５年電子情報通信学会エレクトロニクスソサ
イエティ大会、Ｃ−１３７参照）、高速無線ＬＡＮ（１
９９５年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエテ
ィ大会、Ｃ−１３９参照）が提案されている。

【０００４】このようにミリ波の応用はシステム構築の
段階に入っており、必要とされる性能を満足しつつ、い
かに形状とコストを小さくするかに開発の主体は移行し
つつある。高周波回路の小型化と低コスト化を図るため
の手段の１つとして、回路素子、部品を１つの基板上に
実装し、モジュール化する方法がある。この方法によ
り、必要とされる性能を満足する最も安価な素子、部品
等を組み合わせることによりコストの小さい高周波モジ
ュ−ルが実現される。

【０００５】しかし、高周波素子のなかにはＧａＡｓ系
素子のように両面加工が容易なものと、ＩｎＰ系素子の
ように両面加工が困難なものがある。両面加工が困難な
場合、使用する線路はおのずからグランド付コプレーナ
線路あるいはコプレーナ線路に限定される。したがっ
て、必要とされる性能を満足する最も安価な素子がすべ
て同じ形式の線路である必然性はなく、コストを最小に
するには、形式の異なる線路を用いた素子を組合せて用
いる場合もある。

【０００６】したがって、高周波回路の形状の小型化と
低コスト化を実現するには、形式の異なる素子でも組合
せて用いることができるように、コプレーナ線路とマイ
クロストリップ線路を低損失、低反射で接続できる変換
線路が望まれている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】コプレーナ線路とマイ
クロストリップ線路を接続するには、両者の構成要素を
すべて備えるグランド付コプレーナ線路を介在させる必
要がある。コプレーナ線路をグランド付コプレーナ線路
に変換するには、中心導体が形成された誘電体の裏面に
グランド層を形成するだけで、比較的低反射で変換でき
る。

【０００８】しかし、中心導体と、その両側にグランド
層を有するコプレーナ線路の下面に誘電体層を介してグ
ランド層を設けたグランド付コプレーナ線路と、ストリ
ップ導体と下面に誘電体層を介してグランド層を設けた
マイクロストリップ線路とを接続する場合、誘電体の厚
さ、中心導体の幅が同じマイクロストリップ線路を単純
に接続しただけでは、グランド付コプレーナ線路の方が
中心導体の両側にもグランド層が存在する分、容量が大
きくなってインピーダンスが小さくなり、接続部でイン
ピーダンス不整合により反射損失が発生してしまう。

【０００９】そこで、マイクロストリップ線路のストリ
ップ導体の線幅をグランド付コプレーナ線路の中心導体
よりも大きくしてインピーダンス不整合を解消して接続
しても、導体形状の不連続とこれにともなう電磁場分布
の急激な変化によりやはり反射損失が大きくなってしま
う。このような導体形状の不連続による反射は、信号の
周波数が高くほど顕著になりミリ波信号のような周波数
が高い信号の伝送では特に大きな問題となる。

【００１０】そこで、グランド付コプレーナ線路とマイ
クロストリップ線路を低損失、低反射で接続する手段と
して、グランド付コプレーナ線路、マイクロストリップ
線路をそれぞれ同じインピーダンスとなるようにマイク
ロストリップ線路のストリップ導体の線幅をグランド付
コプレーナ線路の中心導体よりも大きくし、また中心導
体と、ストリップ導体とを線幅が徐々に変化するような
テーパ状の導体を介して接続し、同時にテーパ状の導体
の両側のグランド層との間隔も同様に変化させる方法が
考えられる。しかしながら、この方法で実際に試料を作
製し測定した結果、高周波領域では信号の反射が大き
く、挿入損失も大きいものしか得られなかった。

【００１１】従って、本発明は、ミリ波領域において
も、グランド付コプレーナ線路とマイクロストリップ線
路を低損失、低反射で接続できる変換線路を提供するこ
とにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、グランド
付コプレーナ線路とマイクロストリップ線路の接続部の
インピーダンスを一定に保つという観点から検討を重ね
た結果、マイクロストリップ線路のストリップ導体の線
幅をグランド付コプレーナ線路の中心導体よりも大きく
し、また中心導体と、ストリップ導体とを線幅が徐々に
変化するようなテーパ状の導体を介して接続し、同時に
テーパ状の導体の両側のグランド層との間隔も同様に変
化させるにあたり、テーパ状の導体の両側のグランド層
の形状をより細かく制御することにより、ミリ波領域に
おいても、低損失、低反射で接続できることを見いだし
た。

【００１３】即ち、本発明の変換線路は、中心導体と、
該中心導体形成面にて該中心導体の両側に所定の間隔を
もって形成された第１のグランド層と、前記中心導体形
成面と異なる平行面に誘電体を介して設けられた前記第
１のグランド層と電気的に接続されてなる第２のグラン
ド層とからなるグランド付コプレーナ線路と、前記中心
導体形成面と同一平面に形成されたストリップ導体と、
前記第２のグランド層とからなるマイクロストリップ線
路との変換線路であって、前記ストリップ導体の線幅が
中心導体よりも大きく、前記ストリップ導体と前記中心
導体とが、前記中心導体から前記ストリップ導体に向か
って徐々に線幅が拡がるように形成されたテーパ導体部
を介して接続されており、前記テーパ導体部の両側に形
成される前記第１のグランド層との間隔が、前記マイク
ロストリップ線路に向けて徐々に拡がるように形成され
るとともに、前記第１グランド層の拡がり起点が、前記
テーパ導体部の拡がり起点よりも前記グランド付コプレ
ーナ線路側にずれていることを特徴とするものであり、
望ましくは、線路方向における前記第１のグランド層の
拡がり起点と前記テーパ導体部の前記拡がり起点とのず
れ幅Ｌが、下記数１

【００１４】

【数１】

【００１５】を満足することを特徴とする。なお、前記
第１のグランド層の拡がり角が、テーパ導体部における
拡がり角θ以上、８５°以下であることが望ましい。

【００１６】本発明の変換線路によれば、グランド付コ
プレーナ線路とマイクロストリップ線路の、ストリップ
導体と中心導体との間に介在するテーパ導体部の両側に
形成され、そのテーパ導体部との間隔が徐々に拡がるよ
うに形成されたグランド層の拡がり起点をグランド付コ
プレーナ線路側にずらすことによって、テーパ導体部の
特性インピーダンス変化を小さく抑えながらコプレーナ
線路としての性質を徐々に小さくすることができる結
果、ミリ波の高周波領域でも信号の反射が小さく、挿入
損失も小さい変換線路を実現できる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の変換線路を図面
をもとに説明する。図１は、グランド付コプレーナ線路
とマイクロストリップ線路との変換線路を説明するため
の概略斜視図、図２は、その平面図である。

【００１８】図１によれば、中心導体１と、その両側に
所定間隔Ｇｃをもって形成された第１のグランド層２に
よりコプレーナ線路が形成され、さらに中心導体１およ
び第１のグランド層２形成面とは、異なる平行面に誘電
体（図示せず）を介して第２のグランド層３が形成さ
れ、上記のコプレーナ線路と第２のグランド層３によっ
てグランド付コプレーナ線路Ａが形成される。なお、グ
ランド付コプレーナ線路Ａにおいて、第１のグランド層
２と第２のグランド層３とは、同電位に保たれており、
例えば、スルーホール導体８により電気的に接続されて
いる。一方、中心導体１が形成された同一平面に形成さ
れたストリップ導体４と誘電体を介して形成された第２
のグランド層３によってマイクロストリップ線路Ｂが形
成されている。

【００１９】本発明の変換線路においては、図２の平面
図に示すように、ストリップ導体４の線幅ｘは、中心導
体１の線幅ｙよりも大きく設定されている。そして、ス
トリップ導体４と中心導体１とは、中心導体１側からス
トリップ導体４側にかけて徐々に線幅が拡がるように形
成されたテーパ導体部５を介して接続されている。

【００２０】このストリップ導体４の線幅ｘおよび中心
導体１の線幅ｙは、それぞれの特性インピーダンスが所
定の値になるように決定される。

【００２１】また、テーパ導体部５の両側には、第１の
グランド層２のマイクロストリップ線路側端部に形成さ
れ、テーパ導体部５の縁との距離が、マイクロストリッ
プ線路Ｂに向けて徐々に拡がるように形成されたテーパ
グランド層２’が形成されている。

【００２２】一般に、グランド付コプレーナ線路Ａと、
マイクロストリップ線路Ｂとの変換線路において、単純
に伝送方向に対して垂直平面でのインピーダンスを一定
にする方法では、図３の平面図に示すように、テーパ導
体部５の拡がり起点６と、テーパグランド層２’の拡が
り起点７とは、線路方向に対して一致している。しかし
ながら、かかる場合、現実には、この変換部において
は、後述する実施例から明らかなように、例えば、４０
ＧＨｚの高周波領域では信号の反射が大きく、挿入損失
も大きいものしか得られない。

【００２３】これに対して、本発明の変換線路において
は、テーパグランド層２’の拡がり起点７が、テーパ導
体部５の拡がり起点６よりもグランド付コプレーナ線路
側に間隔Ｌをもってずれている。これによって、変換部
分での電磁界分布を考慮して、この部分でのインピーダ
ンス変化を小さく抑え、この部分でのインピーダンスの
ミスマッチによる反射を抑えることができる。

【００２４】そこで、さらに具体的に、本発明の変換線
路の形状について述べる。図４はテーパグランド層２’
の拡がり起点７の位置を求める方法を説明するための図
である。

【００２５】図中、直線ｓは、テーパ導体部５のテーパ
縁と平行に形成されたテーパグランド層の縁を示し、直
線ｔは、グランド付コプレーナ線路における第１のグラ
ンド層の縁を示し、距離Ｇｃはグランド付コプレーナ線
路における第１のグランド層との間隔、距離ｍはテーパ
導体部５のテーパ縁と、テーパグランド層の縁である直
線ｓとの距離を示す。

【００２６】本発明の変換線路は、グランド付コプレー
ナ線路からマイクロストリップ線路への変換を行うもの
であるため、変換部での反射を小さくするためには、変
換部においてコプレーナ線路としての性質（中心導体と
第１のグランド層との結合性）が小さくすることが最も
重要である。

【００２７】ここで、問題になるのが、導体とグランド
層間における電界の方向である。導体からグランド層へ
の電界は、最も近い距離にあるグランド方向を向こうと
する性質があるため、図１に示したようなテーパ導体部
５では、実際にはテーパ導体部５の縁に対して、垂直な
方向が電界方向となる。従って、このテーパ導体部５に
おけるコプレーナ線路としての性質の強さは、テーパ導
体部５の縁に対して垂直方向のグランド層の縁ｓまでの
距離ｍに大きく依存することになる。

【００２８】一方、変換部における電界方向でのグラン
ド層までの距離ｍが、中心導体１とグランド層２との距
離Ｇｃと同じ長さである場合、テーパグランド層２’の
縁は、直線ｓとなる。この場合、前記拡がり起点６から
最も近いグランド層までの距離、即ちテーパグランド層
２’の拡がり起点７までの距離ｎが距離Ｇｃよりも必然
的に大きくなるため、テーパ導体部５における拡がり起
点６と両側のグランド層との結合は、グランド付コプレ
ーナ線路における中心導体とグランド層との結合よりも
小さくなる。したがって、テーパ導体部５の拡がり起点
６におけるインピーダンスはグランド付コプレーナ線路
のインピーダンスよりも大きいことになる。

【００２９】そこで、仮に、図２に示した変換線路のよ
うに、ずれ幅Ｌを実質ゼロとした場合、テーパ導体部５
の拡がり起点６からテーパグランド層６の拡がり起点７
までの距離ｎ’は、距離Ｇｃと同一になるために、グラ
ンド付コプレーナ線路とのインピーダンス差を最も小さ
くすることができ反射も小さくできるはずである。

【００３０】しかしながら、ずれ幅Ｌが、実質ゼロであ
る場合、テーパグランド層の縁は、直線ｓ’となり、テ
ーパ導体部５との距離ｍ’は、コプレーナ線路における
グランド層との距離Ｇｃよりも小さくなってしまう。そ
の結果、変換部は、コプレーナ線路としての性質が大き
くなってしまい、現実には、信号の反射を招じてしま
う。従って、本発明の変換線路においては、まず、変換
部において、コプレーナ線路としての性質を徐々に小さ
くすることが重要であり、そのためには、距離ｍを中心
導体１とグランド層２との距離Ｇｃよりも大きくするこ
とが最も重要となるのである。

【００３１】従って、本発明においては、距離ｍが距離
Ｇｃより大きいことが最も重要である。但し、テーパ導
体部５の拡がり起点６におけるコプレーナ線路とのイン
ピーダンス差を小さくする上では、テーパグランド層
２’の拡がり起点７の位置が、距離ｍ＝距離Ｇｃの時の
直線ｓと直線ｔとの交点のときが最も望ましいことにな
る。

【００３２】そこで、図４において、テーパ導体部５の
拡がり起点６をゼロとするＸ−Ｙ座標を用いて、テーパ
グランド層２’の拡がり起点７の位置が、距離ｍ＝距離
Ｇｃの時の直線ｓと直線ｔとの交点のときのずれ幅Ｌを
計算する。テーパ導体部５のＹ軸に対する拡がり角度を
θとすると、図４における直線ｓは、Ｙ＝（１／ｔａｎ
θ）Ｘ−（１／ｓｉｎθ）Ｇｃで表され、直線ｔは、Ｘ
＝Ｇｃで表される。この２つの式により、拡がり起点７
のＹ座標は−｛（１／ｓｉｎθ）−（１／ｔａｎθ）｝
Ｇｃになる。よって、距離ｍ＝距離Ｇｃの時のずれ幅Ｌ
は、絶対値をとって｛（１／ｓｉｎθ）−（１／ｔａｎ
θ）｝×Ｇｃになる。

【００３３】なお、このずれ幅Ｌについて検討した結
果、後述する実施例から明らかなように、線路方向にお
ける前記第１のグランド層の拡がり起点と前記テーパ導
体部の前記拡がり起点とのずれ幅Ｌが、下記数１

【００３４】

【数１】

【００３５】を満足する時、良好な変換特性を示した。
ここで、テーパ導体部の拡がり角θを上記のように限定
したのは、後述する実施例から明らかなように、θ＜３
０°およびθ＞７５°では、反射が大きくなるためであ
る。

【００３６】次に、テーパグランド層２’における拡が
り角度について実験の結果、テーパ導体部５のテーパ縁
から垂直方向へのグランド層までの距離ｍが、距離Ｇｃ
の３倍以上離れたグランド層は、導体とはほとんど結合
しておらず、極端な場合、このグランド層は存在しなく
でもインピーダンスにほとんど影響しないことがわかっ
た。また、テーパグランド層２’の拡がり起点７からの
拡がり角δを、テーパ導体部５の拡がり角θよりも大き
く、８５°以下の範囲とし、テーパ導体部の拡がり角よ
りも大きくすれば、信号の反射はほとんど起こらない。
より具体的には、テーパグランド層２’の拡がり角δを
テーパ導体部の拡がり角θよりも１５度以上、特に３０
度程度に設定することにより反射を効果的に防止するこ
とができる。

【００３７】なお、本発明の変換線路においては、テー
パ導体部５およびテーパグランド層２’のテーパ部を、
図面に示すように直線として説明したが、必ずしも、こ
れに限定されるものでなく、変換特性に影響を及ぼさな
い範囲において、例えば、多段的に徐々に変化させてみ
かけ上連続的に変化させることも可能である。

【００３８】このように、本発明によれば、グランド付
コプレーナ線路からマイクロストリップ線路に変換する
変換線路において、導体とグランド層との電磁界分布を
考慮し、導体とグランド層との電界方向での距離を検討
することにより、インピーダンス変化を小さく抑えなが
ら、変換部においてコプレーナ線路としての性質を徐々
に小さくできる結果、高周波信号の反射が小さい変換線
路を実現することができる。

【００３９】

【実施例】

実施例１（試料Ｎo.１〜３９） 誘電体として誘電率が９．５の高純度（純度；９９．９
５％）アルミナ焼結体からなり、その表面に銅からなる
導体を薄膜法により図５に示すような導体パターンを形
成し、裏面の全面に薄膜法により銅からなるグランド層
を形成した。そして、スル−ホ−ル導体８により、表面
のグランド層と裏面のグランド層とを電気的に接続し、
特性評価用の試料とした。なお、各試料のパターンにお
けるテーパ導体部の拡がり角θ、テーパグランド層の拡
がり角δ、テーパ導体部の拡がり起点と、テーパグラン
ド層の拡がり起点とのずれ幅Ｌを各表に示すように定め
た。この各試料をネットワークアナライザーを用いて伝
送特性を測定し、４０ＧＨｚにおける反射を表１に示
す。

【００４０】表１によれば、テーパ導体部の拡がり起点
と、テーパグランド層の拡がり起点とのずれ幅Ｌが０ｍ
ｍの場合（試料Ｎo.１、６、１１、１８、２３）に比較
して、テーパグランド層の拡がり起点をテーパ導体層の
拡がり起点よりもグランド付コプレーナ線路部側にずら
すと反射は小さくなり、そのずれ幅Ｌを、グランド付コ
プレーナ線路部の中心導体−グランド層間距離Ｇｃの
｛（１／ｓｉｎθ）−（１／ｔａｎθ）｝倍以上にする
と反射が−１５ｄＢ以下となることがわかる。試料Ｎo.
２８〜３２から、テーパグランド層の拡がり起点でのグ
ランドの拡がり角δがテーパ導体部の拡がり角θより大
きいほどよいことがわかる。なお、拡がり角δを拡がり
角θより小さくすると、テーパ導体部の線幅が大きくな
るに従ってテーパグランド層との距離が小さくするため
に、インピーダンスが急激に小さくなるので原理的に反
射が増大する。試料Ｎo.３３〜３９はグランド付コプレ
ーナ線路部の中心導体−グランド層間距離Ｇｃを大きく
した場合であり、距離Ｇｃが変化してもＧｃの｛（１／
ｓｉｎθ）−（１／ｔａｎθ）｝倍以上にすると反射が
−１５ｄＢ以下となることがわかる。

【００４１】実施例２（試料Ｎo.４０〜４４） 誘電体として誘電率が８．９、純度が９５％のアルミナ
を用い、導体にタングステンペーストを用いて、アルミ
ナグリーンシートに、図５に示したようなパターンで線
路を形成した後、同時焼成により試料を作製し実施例１
と同様にネットワークアナライザーによりその伝送特性
を測定した。結果を表２に示す。

【００４２】試料Ｎo.４０はずれ幅Ｌが０ｍｍの場合
で、４０ＧＨｚでの反射は−１１．６ｄＢで大きかっ
た。それに対しテーパグランド層の拡がり起点をテーパ
導体部拡がり起点よりもグランド付コプレーナ線路部側
にずらすと反射は小さくなり、そのずれ幅Ｌを、グラン
ド付コプレーナ線路部の距離Ｇｃの｛（１／ｓｉｎθ）
−（１／ｔａｎθ）｝倍以上にすると反射が−１５ｄＢ
より小さくなることがわかる。

【００４３】

【表１】

【００４４】

【表２】

【００４５】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明の変換線路に
よれば、グランド付コプレーナ線路とマイクロストリッ
プ線路をミリ波のような高周波領域でも低損失、低反射
で接続することが可能になり、特性が良好でかつ安価な
素子や部品をたとえ線路形式が異なっていたとしても組
合せて使用することが可能になった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の変換線路を説明するための概略斜視図
である。

【図２】本発明の変換線路を説明するための平面図であ
る。

【図３】比較例の変換線路を説明するための平面図であ
る。

【図４】テーパグランド層における拡がり起点の位置を
求める方法を説明するための図である。

【図５】評価用の配線パターンを説明するための図であ
る。

【符号の説明】

Ａ グランド付コプレーナ線路 Ｂ マイクロストリップ線路 １ 中心導体 ２ 第１のグランド層 ２’テーパグランド層 ３ 第２のグランド層 ４ ストリップ導体 ５ テーパ導体部 ６ テーパ導体部の拡がり起点 ７ テーパグランド層の拡がり起点 ８ スルーホール導体

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】中心導体と、該中心導体形成面にて該中心
   導体の両側に所定の間隔をもって形成された第１のグラ
   ンド層と、前記中心導体形成面と異なる平行面に誘電体
   を介して設けられた前記第１のグランド層と電気的に接
   続されてなる第２のグランド層とからなるグランド付コ
   プレーナ線路と、前記中心導体形成面と同一平面に形成
   されたストリップ導体と、前記第２のグランド層とから
   なるマイクロストリップ線路との変換線路であって、 前記ストリップ導体の線幅が前記中心導体の線幅よりも
   大きく、前記ストリップ導体と前記中心導体とが、前記
   ストリップ導体に向かって徐々に線幅が拡がるように形
   成されたテーパ導体部を介して接続され、前記テーパ導
   体部の両側に、前記テーパ導体部の縁からの間隔が前記
   マイクロストリップ線路に向けて徐々に拡がるように形
   成されたテーパグランド層が形成されるとともに、前記
   テーパグランド層の拡がり起点が、前記テーパ導体部の
   拡がり起点よりも前記グランド付コプレーナ線路側にず
   れていることを特徴とする変換線路。
2. 【請求項２】前記テーパグランド層の拡がり起点と前記
   テーパ導体部の拡がり起点との線路方向におけるずれ幅
   Ｌが、下記数１ 【数１】 を満足することを特徴とする変換線路。
3. 【請求項３】前記テーパグランド層の拡がり角が、前記
   テーパ導体部の拡がり角θ以上、８５°以下であること
   を特徴とする請求項１記載の変換線路。