JP4374938B2 - 高周波伝送線路 - Google Patents

Description

本発明は、駆動周波数が高速な半導体チップや半導体パッケージ、もしくは無線ＬＡＮやBluetooth対応のアナログ高周波素子などから発せられる高周波信号を、不要電磁放射を抑え良好に伝送する高周波伝送線路に関するものである。

従来から高周波信号をクロストークなしに伝送するために、グランド付きのコプレーナー型伝送線路が使われてきた。グランド付きのコプレーナー型伝送線路は、信号線の両側にグランド線を有するので、隣接する信号線の影響を受けにくく、クロストークの少ない伝送が期待できる。しかしながら、線路長が伝送信号の波長程度に長くなってくると、グランド線とグランドプレーンの電位が等しくなくなり、グランド電位が安定しなくなる。

そこで、従来ではグランド線とグランドプレーンの電位を等しくするために、両者を電気的に短絡させている。第６図は従来の実施例で、誘電体E中に信号線100、それと対向してグランドプレーン101、信号線100の両側にグランド線102a、102bが形成されており、グランドプレーン101とグランド線102a、102bは、ビア103a、103bによって電気的に接続されている。ビア103a、103bは、グランド線102a、102bの長尺方向に狭ピッチで複数個並置されており、電位が等しくなるようにしている。このように構成すれば、グランドプレーン101とグランド線102a、102bは、ビア103a、103bのピッチに応じて電位が等しくなるポイントが存在することになる。これによりビア103a、103bのピッチに応じた1/2波長共振よりも低い周波数での共振現象は回避できる。よって、ビア103a、103bを形成するピッチは、信号線を流れる信号のうちで伝送しなければならないもっとも高い周波数成分の1/2波長よりも狭く設定する必要がある。
特許第3282870号公報

しかしながら、第６図のような構成では、信号線100を流れる信号の周波数が高くなると、それに応じてビア103a、103bを並置するピッチはどんどん狭くなっていく。たとえば、10GHzでは誘電体中での波長は2cm以下になってくるから、1cm以下のピッチでビア103a、103bを並置することになる。40GHzでは2.5mm以下のピッチでビア103a、103bを並置しなければならなくなる。デジタル信号で5~10GHzの信号伝送を考えると、正弦波では50~100GHzの伝送特性が要求されてくる。こうなってくると無数のビアを形成する必要が生じてくるので、製造効率が低下しコストアップにつながるという問題点がある。また、ビアは一般にスルーホールであるから、グランド線102a、102bの導体は穴だらけとなり、グランドとしての機能が不十分となるという問題点もある。

本発明の課題は、以上の問題点を解決し、共振による信号劣化が少なく良好な高周波伝送特性を有する高周波伝送線路を提供することにある。

本発明は、以上の目的を達成するために、請求項１に記載した高周波伝送線路であって、誘電体中もしくは誘電体表面に形成した信号線と、該信号線の両側に設置されたグランド線と、前記信号線と誘電体を介して対向する位置に配置されたグランドプレーンとからなる高周波伝送線路において、前記グランド線と前記グランドプレーンは、電気抵抗体によって接続されており、前記電気抵抗体の電気抵抗値は、前記電気抵抗体が前記グランド線と前記グランドプレーンを接続していなかったとした場合における、前記グランド線と前記グランドプレーンの間の特性インピーダンスに等しい値であり、高周波信号源からの信号を前記信号線に入力し、前記高周波信号源のグランド電位を前記グランドプレーンおよび前記グランド線に入力することを特徴とする。

また、請求項２に記載の高周波伝送線路であって、前記電気抵抗体は、前記グランド線の長尺方向に複数個形成されていることを特徴とする。

また、請求項３に記載の高周波伝送線路であって、前記電気抵抗体は、前記グランド線の長尺方向及び幅方向に分布させて複数個形成されていることを特徴とする。

また、請求項４に記載の高周波伝送線路であって、前記電気抵抗体は、前記グランド線に対してランダムに複数個形成されていることを特徴とする。

以上説明したように本発明に係る高周波伝送線路は、グランドプレーンとグランド線を抵抗体で接続することによって、単なる導体のビアによる短絡に比べて、より高周波まで共振を取り除き、良好な伝送特性を得ることができる。また、導体のビアよりも個数が少なくても共振を取り除く効果があるため、ビア数を低減させて、製造効率をアップさせることができる。

本発明の高周波伝送線路の実施の形態例を、図面に基づいて詳細に説明する。

第１図は、本発明に係る高周波伝送線路の第１の実施の形態を示しており、(1)が断面構造、(2)が面内構造である。誘電体E中に、信号線１と、それと対向するグランドプレーン２、信号線１の両側にグランド線３ａ、３ｂが形成されたグランドプレーン付きのコプレーナー伝送線路で、グランドプレーン２とグランドライン３ａ、３ｂは、抵抗体４ａ、４ｂによって電気的に接続されている。抵抗体４ａ、４ｂは、グランド線の長尺方向に並置されている。
ここで、グランドプレーン２からみたグランド線３ａ、３ｂの特性インピーダンスについて定義しておく。図１において、グランドプレーン２とグランド線３ａ、３ｂを接続する抵抗体４ａ、４ｂがなかったとした場合、グランド線３ａとグランドプレーン２の３ａ直下の領域、およびグランド線３ｂとグランドプレーン２の３ｂ直下の領域は、それぞれマイクロストリップライン構造をなしており特性インピーダンスを計算することが出来る。この特性インピーダンスの値を、グランドプレーン２からみたグランド線３ａ、３ｂの特性インピーダンスと定義する。

第２図〜４図は、グランドプレーン２とグランドライン３ａ、３ｂを、抵抗体４ａ、４ｂによって電気的に接続し、信号線１に高周波信号源からの信号を入力し、グランドプレーン２およびグランド線３ａ、３ｂに高周波信号源のグランド電位を入力したときの、線路の透過特性データを示したものである。ここで、高周波信号源との接点においてはグランドプレーン２およびグランド線３ａ、３ｂは等電位になっているものとする。次に、データを測定した線路の具体的な形状を述べる。通常の抵抗体で短絡した場合との比較が容易にわかるように、ビア４ａ、４ｂは各1個ずつをグランド線３ａ、３ｂにそれぞれ形成した場合のデータを示す。まず、信号線の線路長は10mmとしている。誘電体Eは、全体の厚さが198μmで比誘電率は3.2である。信号線１は、線幅60μm、導体厚さ9μmであり、線の上部には60μm厚さの誘電体Eがある。グランドプレーンは、信号線１から60μm離れて対向しており、下部には60μm厚さの誘電体Eがある。グランド線３ａ、３ｂは、信号線１から30μmのスペースを設けて両側に形成されており、線幅は120μm、導体厚さは9μmである。ビア径は60μmで、グランド線３ａ、３ｂの長尺方向端部から2.5mmのところに、幅方向には中心に形成されている。以上の構成では、信号線１の特性インピーダンスは50Ω、グランド線３ａ、３ｂのグランドプレーンからみた特性インピーダンスは49Ωとなる。

抵抗体49Ωで接続した場合と、導体で短絡した場合の比較を述べる。第2図にそのデータを示す。導体で短絡した場合は、大きな共振が11.5GHzと23GHz付近に見られるのに対して、抵抗体で接続した場合には、26GHz付近まで大きな共振が見られない。プロットが重なっていて見難いが、導体で短絡した場合にも26GHz付近の共振は同様に見られる。同じ場所にビアを設けたにも関わらず、抵抗体で接続した方の共振が少なく、良好な特性が得られている。このような相違が起こる原因は、抵抗体によって共振に必要なエネルギーが消費されることにある。導体で短絡した場合には、線路の途中にグランドの等電位点がで
きたこととなり、見かけ上そこで線路が分割され短い線路になったのと等価な振る舞いをする。導体のビアで分割されたより短い線路長が1/2波長の整数倍に相当する周波数で共振が起こるのである。導体で短絡した場合の11.5GHz付近の共振は、ビアで分割された線路長7.5mmが1/2波長に相当する周波数でのものである。同様に23GHz付近のものは、線路長7.5mmが1/2波長の2倍に相当する周波数での共振である。34.5GHz付近のものは、線路長2.5mmが1/2波長に相当する周波数での共振と、線路長7.5mmが1/2波長の３倍に相当する周波数での共振とが混在したものである。

これに対して、抵抗体で接続した場合には、分割された線路長では、抵抗体によってエネルギーが消費されるので、共振現象が起こりにくい。わずかな共振が23GHz付近にグラフ上で確認できるから、ビアで分割された線路長が1/2波長の2倍に相当する周波数から共振は起こっていると考えられる。しかし、わずかな共振であるため、伝送特性に対する影響は少なく、この結果においては実質上ビアで分割された線路長が1/2波長の３倍に相当する周波数から共振が起こっている。34.5GHz付近のものは、線路長7.5mmが1/2波長の3倍に相当する周波数での共振である。34.5GHzでの共振が短絡した場合に比べて小さいのは、分割された線路長2.5mmの方の共振が起こりにくいのと、線路長7.5mm側でも抵抗体でのエネルギー消費によって共振が小さくなっているためである。

このように、抵抗体で接続した方が、共振を取り除く効果が大きく、より高周波まで伝送特性を向上させることができる。なお、26GHz付近でビアで短絡、抵抗体接続の両者でほぼ同じ共振が見られるのは、グランドプレーンの幅方向の影響である。

更に抵抗体の配置と透過特性の関係を考察するために、第３図にグランド線３ａ、３ｂの長尺方向に抵抗体の個数を2.5mmピッチで増加させた場合の透過特性データを示す。抵抗体の配置位置は、2個の時にはグランド線３ａ、３ｂの長尺方向の端部から2.5mmと7.5mm、３個の時にはグランド線３ａ、３ｂの長尺方向の端部から2.5mm、5.0mm、7.5mmである。抵抗体が1個の時にわずかに確認できる23GHzの共振は、2個以上になると完全になくなっている。26GHz付近の共振は、グランドプレーン１の幅方向の長さに起因しているため、抵抗体の個数によって強度は変化していない。34.5GHz付近の共振は、抵抗体の個数を増加させると非常に減少する。

次に抵抗体４ａ、４ｂの抵抗値を変化させた場合の透過特性を第４図に示す。抵抗値は、1.2、25、49、100Ωと変化させた。1.2Ωではビアで短絡した場合よりも共振レベルは低下しているものの、共振の確認できる周波数は、短絡した場合とほぼ同様である。25Ωでは11.5GHzの共振はなくなるが、まだ幾分23GHzの共振が残っている。49Ωではわずかに23GHzの共振が確認できるものの、34.5GHzの共振はもっとも小さくなっている。100Ωでは23GHzの共振はなくなっているが、34.5GHzの共振が49Ωの場合よりもかなり大きくなっている。グランド線３ａ、３ｂをグランドプレーン２からみたときの特性インピーダンスが49Ωであり、その前後の抵抗値がもっとも共振を低減させるということになり、特性インピーダンスの±２０％以内であれば、許容できる。

第５図は、本発明に係る高周波伝送線路の第２の実施の形態を示した平面図で、グランド線３ａ、３ｂには長尺方向だけでなく幅方向にも抵抗体４ａ、４ｂが複数個形成されている。グランド線３ａ、３ｂは、幅が第１の実施形態よりも広いことを想定している。グランド線３ａ、３ｂの幅が広いと、幅方向にも共振モードがあるので、幅方向に抵抗体４ａ、４ｂを形成して、共振を取り除くことが必要になる。図面上は規則正しいピッチで配置されているが、共振を取り除きたい周波数成分に応じて、抵抗体をランダムに配置することは有効である。たとえば、グランドプレーン１やグランド線３ａ、３ｂが不規則な形状をしている場合には、多様な共振モードが発生するので、規則的な配置では共振を取り除くことは難しいが、抵抗体をランダムに配置することによって、対応できる。

本発明に係る高周波伝送線路の第１の実施の形態を示し、（１）は断面図、（２）は平面図である。 本発明の第１の実施の形態の伝送特性を示したグラフ図である。 本発明の第１の実施の形態の他の伝送特性を示したグラフ図である。 本発明の第１の実施の形態のその他の伝送特性を示したグラフ図である。 本発明の第２の実施の形態を示した平面図である。 従来の高周波伝送線路の１例を示し、（１）は断面図、（２）は平面図である。

符号の説明

E・・・・誘電体
１・・・・信号線
２・・・・グランドプレーン
３ａ、３ｂ・・・・グランド線
４ａ、４ｂ・・・・抵抗体

Claims (4)

1. 誘電体中もしくは誘電体表面に形成した信号線と、該信号線の両側に設置されたグランド線と、前記信号線と誘電体を介して対向する位置に配置されたグランドプレーンとからなる高周波伝送線路において、前記グランド線と前記グランドプレーンは、電気抵抗体によって接続されており、前記電気抵抗体の電気抵抗値は、前記電気抵抗体が前記グランド線と前記グランドプレーンを接続していなかったとした場合における、前記グランド線と前記グランドプレーンの間の特性インピーダンスに等しい値であり、高周波信号源からの信号を前記信号線に入力し、前記高周波信号源のグランド電位を前記グランドプレーンおよび前記グランド線に入力することを特徴とする高周波伝送線路。
2. 前記電気抵抗体は、前記グランド線の長尺方向に複数個形成されていることを特徴とする請求項１に記載の高周波伝送線路。
3. 前記電気抵抗体は、前記グランド線の長尺方向及び幅方向に分布させて複数個形成されていることを特徴とする請求項１に記載の高周波伝送線路。
4. 前記電気抵抗体は、前記グランド線に対してランダムに複数個形成されていることを特徴とする請求項１に記載の高周波伝送線路。