JP5326880B2

JP5326880B2 - 薄膜バラン

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Publication number: JP5326880B2
Application number: JP2009157726A
Authority: JP
Inventors: 眞遠藤
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2009-07-02
Filing date: 2009-07-02
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2029-07-02
Also published as: JP2011015197A

Description

本発明は、不平衡−平衡の信号変換を行なうバラン（バラントランス）に関し、特に、小型薄型化に有利な薄膜プロセスにより形成された薄膜バランに関する。

無線通信機器は、アンテナ、フィルタ、ＲＦスイッチ、パワーアンプ、ＲＦ−ＩＣ、バラン等の各種高周波素子によって構成される。これらのなかで、アンテナやフィルタ等の共振素子は、接地電位を基準とした不平衡型の信号を取り扱う（信号伝送を行う）が、高周波信号の生成や処理を行なうＲＦ−ＩＣは、平衡型の信号を取り扱う（信号伝送を行う）ため、両者を電磁気的に接続する場合には、不平衡−平衡変換器として機能するバランが使用される。

近時、携帯電話や携帯端末等の移動体通信機や無線ＬＡＮ機器等に用いられるバランとして、更なる小型薄型化が切望されている。このようなバランとしては、互いに対向配置された不平衡伝送線路と平衡伝送線路によって磁気結合を形成し、不平衡伝送線路の一方端が不平衡端子に接続され、且つ、他方端がキャパシタを介して接地端子に接続された構成を有するもの（特許文献１）が提案されている。

特開２００６−２７０４４４号公報

しかしながら特許文献１に記載のバランでは、キャパシタを不平衡伝送線路と平衡伝送線路とは独立に形成し、なおかつ不平衡伝送線路や平衡伝送線路と同様に基板全面に渡って形成されることから小型薄型化には限界がある。

また、薄膜バランを小型薄型化するには、不平衡伝送線路や平衡伝送線路を形成するコイル等の巻回数や線路長が不可避的に低減され、それに伴いコイル等の形状や開口部分が縮小されてしまうため、コイルのＱ値が低下し、その結果、挿入損失の低減（良好な減衰特性）が図られなくなってしまう。したがって上記特許文献１に記載されたチップ型バランのような構成では、かかる要求仕様を満足することが困難となってしまう。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、要求されるバランの諸特性を維持しつつ、小型薄型化することができる薄膜バランを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の薄膜バランは、第１の線路部及び第２の線路部を有する不平衡伝送線路と、第１の線路部及び第２の線路部のそれぞれに対向配置され且つ磁気結合する第３の線路部及び第４の線路部を有する平衡伝送線路と、第１の線路部に接続された不平衡端子と、第１の線路部にＣ成分を介して接続された接地端子と、接地端子に接続され且つ第１の線路部の一部に対向する対向電極とを備えており、Ｃ成分が、第１の線路部の一部及び対向電極により構成されたものである。

このような構成では、薄膜バランの共振回路に導入されるＣ成分が、不平衡伝送線路を構成する第１の線路部の一部を利用して構成されることから、Ｃ成分の導入のための新たな層の増加を抑制することができ、薄膜バランを小型薄型化することができる。また、本発明者が鋭意研究した結果、上述の如く設けた場合であっても、伝送信号の通過特性を向上させつつ、伝送信号の平衡特性を調整することが可能であることが判明した。

かかる作用機序の詳細は未だ不明ではあるが、不平衡伝送線路を構成する第１の線路部の一部がキャパシタの電極を兼ねることにより、キャパシタが不平衡伝送線路に近接して配置されることから、直接的にキャパシタンスＣが導入されるだけでなく、周囲の線路部との間にも浮遊容量のようなキャパシタンスが生起され、特性インピーダンスに影響を与えるものと推測される。但し、作用はこれに限定されない。

またさらに、本発明者は、更に鋭意研究を行った結果、より一層好適な対向電極の構成例を種々見出した。すなわち、その一例として、第２の線路部及び第４の線路部のいずれか一方の幅は、第１の線路部及び第３の線路部のいずれか一方の幅よりも広いと有用であることが見出された。

例えば、本発明の薄膜バランは、第１のコイル部及び第２のコイル部を有する不平衡伝送線路と、第１のコイル部及び第２のコイル部のそれぞれに対向配置され且つ磁気結合する第３のコイル部及び第４のコイル部を有する平衡伝送線路と、第１のコイル部に接続された不平衡端子と、第１のコイル部にＣ成分を介して接続された接地端子と、接地端子に接続され且つ第１のコイル部の一部に対向する対向電極とを備えており、Ｃ成分が、第１のコイル部の一部及び対向電極により構成されたものである。このようにしても、上述したのと同様の作用が奏される。

好ましくは、対向電極は、第１のコイル部における内周のコイル導体よりも外周のコイル導体に近いコイル導体の一部に対向している。これにより、第２のコイル部と第４のコイル部の磁気結合により生じる磁束が通過するコイル開口から、対向電極を適宜離間させることができる。この結果、第１のコイル部と第３のコイル部の磁気結合と、第２のコイル部と第４のコイル部の磁気結合とが等価に近い状態に維持されつつ、薄膜バランの共振回路にキャパシタンスが有効に導入されることから、高い伝送信号の通過特性を維持しつつ、平衡特性を調整可能となる。ただし、作用はこれに限定されない。

本発明によれば、不平衡伝送線路を構成し且つ不平衡端子に接続される第１の線路部の一部がキャパシタの一方の電極を兼ねることによって、薄膜バランの小型薄型化に大きな効果があり、平衡特性の調整が可能で、かつ、挿入損失の低減にも効果がある。

本発明の薄膜バランの一実施形態の構成を示す等価回路図である。薄膜バランの一実施形態の構成を示す垂直断面図である。薄膜バラン１の配線層Ｍ０における水平断面図である。薄膜バラン１の配線層Ｍ１における水平断面図である。薄膜バラン１の配線層Ｍ２における水平断面図である。薄膜バラン１の配線層Ｍ３における水平断面図である。薄膜バラン１Ａの配線層Ｍ０における水平断面図である。薄膜バラン１Ｂの配線層Ｍ０における水平断面図である。通過特性の評価結果を示すグラフである。位相差の評価結果を示すグラフである。振幅差の評価結果を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、図面中、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、上下左右などの位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。さらに、図面の寸法比率は、図示の比率に限定されるものではない。また、以下の実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をその実施の形態のみに限定する趣旨ではない。さらに、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、さまざまな変形が可能である。

図１は、本発明の薄膜バランに係る好適な一実施形態の構成を示す等価回路図である。薄膜バラン１は、線路部Ｌ１（第１の線路部）及び線路部Ｌ２（第２の線路部）が直列に接続された不平衡伝送線路（不平衡回路）ＵＬと、線路部Ｌ３（第３の線路部）及び線路部Ｌ４（第４の線路部）が直列に接続された平衡伝送線路（平衡回路）ＢＬとを備えており、線路部Ｌ１及び線路部Ｌ３、並びに、線路部Ｌ２及び線路部Ｌ４によって、それぞれ磁気結合が形成されている。

この薄膜バラン１においては、線路部Ｌ１における線路部Ｌ２との結合端の他端が不平衡端子ＵＴに接続されており、線路部Ｌ１の一部がＣ成分（容量成分）であるキャパシタＤを介して接地端子Ｇ（接地電位）に接続されている。キャパシタＤは、線路部Ｌ１の一部により構成された電極Ｄ１と、接地端子Ｇに接続された電極Ｄ２（対向電極）が、適宜の誘電体を介して対向設置されたものである。線路部Ｌ２における線路部Ｌ１との結合端の他端は開放されている。また、線路部Ｌ３及び線路部Ｌ４におけるそれぞれの結合端との他端は、平衡端子ＢＴ１及び平衡端子ＢＴ２に接続されている。さらに、線路部Ｌ３及び線路部Ｌ４の結合部が、接地端子Ｇに接続されている。

上述した線路部Ｌ１〜Ｌ４の長さは、薄膜バラン１の仕様に応じて異なり、例えば、変換対象となる伝送信号の１／４波長（λ／４）共振器回路となるよう設定することができる。また、線路部Ｌ１〜Ｌ４の形状は、上述した磁気結合が形成されれば、任意の形状とすることができ、例えば、渦巻状（コイル状）、蛇行状、直線状、曲線状等の形態が挙げられる。

以下に、同図を参照して薄膜バラン１の基本的な動作について説明する。薄膜バラン１では、不平衡端子ＵＴに不平衡信号が入力されると、不平衡信号は線路部Ｌ１及び線路部Ｌ２を伝播する。そして、線路部Ｌ１と線路部Ｌ３とが磁気結合（第１の磁気結合）し、線路部Ｌ２と線路部Ｌ４とが磁気結合（第２の磁気結合）することにより、入力された不平衡信号は位相が１８０°（π）異なる２つの平衡信号に変換され、これら２つ平衡信号が平衡端子ＢＴ１，ＢＴ２からそれぞれ出力される。なお、平衡信号から不平衡信号の変換動作は、上述した不平衡信号から平衡信号への変換動作の逆となる。

次に、上記の薄膜バランの配線構造について説明する。図２は、薄膜バラン１の配線構造を概略的に示す垂直断面図である。図２に示すように、例えばアルミナ等の絶縁性基板１００側から順に配線層Ｍ０，Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３が形成されている。例えば、上述した不平衡伝送線路ＵＬは配線層Ｍ１により形成され、平衡伝送線路ＢＬは配線層Ｍ２により形成されている。同一の配線層における配線間、及び異なる配線層間には誘電体層１０１〜１０５が形成されている。例えば、キャパシタＤが形成される配線層Ｍ０と配線層Ｍ１との間の誘電体層１０２、及び不平衡伝送線路ＵＬと平衡伝送線路ＢＬとの磁気結合が形成される配線層Ｍ１と配線層Ｍ２の間の誘電体層１０４には、例えば窒化シリコンが用いられる。その他の部位の誘電体層１０１，１０３として、例えばアルミナが用いられる。誘電体層１０５として、例えばポリイミドが用いられる。これら各層の材料は上述のものに限定さず、窒化シリコン、アルミナ、シリカ、等の無機系絶縁体のみならず、ポリイミド、エポキシ樹脂等の有機系絶縁体でもよく適宜選択できる。不平衡端子ＵＴ、平衡端子ＢＴ１，ＢＴ２、接地端子Ｇは、全ての誘電体層を貫通するように形成されている。このように、薄膜バラン１は、絶縁性基板１００上に形成された薄膜多層構造から構成されている。

次に、薄膜バランの一実施形態における各配線層Ｍ０，Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３のパターンについて詳細に説明する。以下の各実施形態では、線路部Ｌ１〜Ｌ４としてコイル部を用いたものである。

（第１実施形態）
図３〜図６は、第１実施形態の薄膜バラン１における各配線層を概略的に示す水平断面図である。図３〜図６に示す如く、配線層Ｍ０〜Ｍ３の全ての層に、不平衡端子ＵＴ、平衡端子ＢＴ１，ＢＴ２、及び、接地端子Ｇが形成されており、各端子ＵＴ〜ＢＴ２，ＧはスルーホールＰを介して異なる層間において電気的に接続されている。なお、図３〜図６に示す全てのスルーホールＰには、上下各層を電気的に導通させるための金属めっきが施されている。以下、各配線層の構成について詳細に説明する。

図３に示すように、絶縁性基板１００上の配線層Ｍ０には、キャパシタＤの電極Ｄ２が、配線層Ｍ１のコイル部Ｃ１の一部と対向する位置に形成されている。電極Ｄ２は、接地端子Ｇに接続されている。キャパシタＤの電極Ｄ２は、平面視において、コイル部Ｃ１の下から２列目のコイル導体１１に対向するように配置されている。

また、図４に示す如く、配線層Ｍ１には、不平衡伝送線路ＵＬを構成するコイル部Ｃ１（第１のコイル部、第１の線路部）及びコイル部Ｃ２（第２のコイル部、第２の線路部）が隣接して形成されている。各コイル部Ｃ１，Ｃ２は、１／４波長（λ／４）共振器に相当するものを構成する。コイル部Ｃ１を構成するコイル導体１１の外側の端部１１ａは不平衡端子ＵＴに接続されており、コイル導体１１の内側の端部１１ｂはスルーホールＰに接続されている。一方、コイル部Ｃ２を構成するコイル導体１２の内側の端部１２ｂはスルーホールＰに接続されており、コイル導体１２の外側の端部１２ａは開放されている。コイル部Ｃ１における外周のコイル導体１１の一部はキャパシタの電極Ｄ１を兼ねており、配線層Ｍ０の電極Ｄ２と対向している。また、図４に示すように、コイル部Ｃ２を構成するコイル導体１２の幅は、コイル部Ｃ１を構成するコイル導体１１の幅よりも広い。これは、本願発明者の鋭意研究により、コイル部Ｃ１の一部がキャパシタの電極Ｄ１を兼ねるようにキャパシタＤを挿入した場合には、コイル導体１１の幅に比べてコイル導体１２の幅を広げた方が、優れた通過特性及び平衡特性が得られることが確認されたからである。ただし、コイル導体１２及びコイル導体１１の幅や巻回数に限定はなく、コイル導体１２及びコイル導体１１の幅や巻回数を同じにしても、異ならせてもよい。

さらにまた、図５に示すように、配線層Ｍ２には、平衡伝送線路ＢＬを構成するコイル部Ｃ３（第３のコイル部、第３の線路部）及びコイル部Ｃ４（第４のコイル部、第４の線路部）が隣接して形成されている。各コイル部Ｃ３，Ｃ４は、コイル部Ｃ１，Ｃ２と同様に１／４波長（λ／４）共振器に相当するものを構成する。平衡伝送線路ＢＬのこれらコイル部Ｃ３，Ｃ４は、それぞれ、不平衡伝送線路ＵＬのコイル部Ｃ１，Ｃ２に対向配置されており、対向している部分で磁気結合して結合器を構成する。コイル部Ｃ３を構成するコイル導体２１の外側の端部２１ａは平衡端子ＢＴ１に接続されており、コイル導体２１の内側の端部２１ｂはスルーホールＰに接続されている。一方、コイル部Ｃ４を構成するコイル導体２２の外側の端部２２ａは平衡端子ＢＴ２に接続されており、コイル導体２２の内側の端部２２ｂはスルーホールＰに接続されている。また、図５に示すように、コイル部Ｃ４を構成するコイル導体２２の幅は、コイル部Ｃ３を構成するコイル導体２１の幅よりも広い。これは、上述したのと同様に、本願発明者の鋭意研究により、コイル部Ｃ１の一部がキャパシタの電極Ｄ１を兼ねるようにキャパシタＤを挿入した場合には、コイル導体２１の幅に比べてコイル導体２２の幅を広げた方が、優れた通過特性及び平衡特性が得られることが確認されたからである。ただし、コイル導体２２及びコイル導体２１の幅や巻回数に限定はなく、コイル導体２２及びコイル導体２１の幅や巻回数を同じにしても、異ならせてもよい。

それから、図６に示すように、配線層Ｍ３には、コイル部Ｃ３とコイル部Ｃ４を接地端子Ｇに接続するための配線３１、及び、コイル部Ｃ１とコイル部Ｃ２を接続するための配線３２が形成されている。配線３１は、２つのスルーホールＰと接地端子Ｇとを接続するように形成された分岐配線である。そして、配線３１は、２つのスルーホールＰを介して、配線層Ｍ２に形成されたコイル導体２１の端部２１ｂ及びコイル導体２２の端部２２ｂに接続されている。一方、配線３２はスルーホールＰを介して配線層Ｍ１に形成されたコイル導体１１の端部１１ｂ及びコイル導体１２の端部１２ｂに接続されている。

このように、本実施形態においては、一の階層である配線層Ｍ１に不平衡伝送線路を構成する２つのコイル部Ｃ１，Ｃ２が形成され、それに隣り合う別の階層である配線層Ｍ２に平衡伝送線路を構成する２つのコイル部Ｃ３，Ｃ４が形成され、さらに、それら配線層Ｍ２に隣り合う配線層Ｍ１とは逆側の別の階層である配線層Ｍ３にコイル部Ｃ１，Ｃ２を接続する配線３２、及び、コイル部Ｃ３，Ｃ４を接続する配線３１が形成されるとともに、配線層Ｍ１に隣り合う配線層Ｍ２とは逆側の階層である配線層Ｍ０に、コイル部Ｃ１におけるコイル導体１１の一部と対向してキャパシタＤを構成するための電極Ｄ２が形成された多層配線構造により、図１に示す等価回路を構成する薄膜バラン１が得られる。

（第１Ａ実施形態）
図７は、本発明に係る第１Ａ実施形態の薄膜バラン１Ａにおける配線層Ｍ０を概略的に示す水平断面図である。配線層Ｍ０以外の構成は、第１実施形態と同様である。図７に示す薄膜バラン１Ａでは、キャパシタＤの電極Ｄ２が、平面視において、コイル部Ｃ２の下から３列目のコイル導体１１と対向するように配置されている。

（第１Ｂ実施形態）
図８は、本発明に係る第１Ｂ実施形態の薄膜バラン１Ｂにおける配線層Ｍ０を概略的に示す水平断面図である。配線層Ｍ０以外の構成は、第１実施形態と同様である。図８に示す薄膜バラン１Ｂは、第１Ａ実施形態の薄膜バラン１ＡのキャパシタＤの電極Ｄ２の長さを短くしたものである。

（特性評価）
以上説明した各実施形態の薄膜バラン１，１Ａ，１Ｂについて、通過特性（挿入損失）及び平衡特性（平衡信号の位相差及び振幅差）をシミュレーションにより求めた。伝送信号の評価対象周波数（共振周波数ｆｒ）を２４００〜２５００ＭＨｚとした。図９は、通過特性の評価結果を示す図であり、図１０は位相差の評価結果を示す図であり、図１１は振幅差の評価結果を示す図である。各図において、曲線Ｅ１，Ｅ１Ａ，Ｅ１Ｂが、それぞれ、薄膜バラン１，１Ａ，１Ｂの評価結果を示す。曲線Ｒは、キャパシタＤを有しない点を除いて同じ構造をもつ薄膜バラン（比較例）の評価結果を示す。

通過特性は、評価対象周波数領域において信号をどれだけ損失させずに通過させているかを示すものであり、評価対象周波数領域において０ｄＢが理想的な通過特性となる。評価対象周波数範囲における減衰量が１ｄＢ以下を目標仕様とし、各薄膜バランの通過特性を評価した。また、位相差は、平衡端子ＢＴ１と平衡端子ＢＴ２から出力される２つの平衡信号の位相差であることから１８０ｄｅｇがより理想的な位相バランスとなる。評価対象周波数範囲における位相差が１７０ｄｅｇ以上１９０ｄｅｇ未満を目標仕様とし、各薄膜バランの位相バランスを評価した。さらに、振幅差は、平衡端子ＢＴ１と平衡端子ＢＴ２から出力される２つの平衡信号の振幅差であることから０ｄＢがより理想的な出力バランスとなる。評価対象周波数範囲における振幅差が−１ｄＢ以上１ｄＢ以下を目標仕様とし、各薄膜バランの振幅バランスを評価した。

これらの結果より、各実施形態の薄膜バランＥ１，Ｅ１Ａ，Ｅ１Ｂにおいては、通過特性及び位相バランスの点において優れた特性を維持していることが確認された。特に、これらの薄膜バランＥ１，Ｅ１Ａ，Ｅ１Ｂは、キャパシタを備えていない薄膜バランＲに比べて、通過特性が優れていることが確認され、比較例を基準として最大で０．１３ｄＢ通過特性が向上した。この数値は、小型低背化の要請を満たした上での通過特性の改善値としては大きな数値である。位相バランス及び振幅バランスについては、キャパシタＤの電極Ｄ２の配置により調整できることが確認された。これらのなかでも、電極Ｄ２が、コイル部Ｃ２における内周のコイル導体よりも外周のコイル導体に近いコイル導体の一部に対向している薄膜バラン１では、通過特性、位相バランス、振幅バランスの面で最も優れていることが確認された。

なお、上述したとおり、本発明は、上記の各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない限度において様々な変形が可能である。例えば、不平衡端子ＵＴ、平衡端子ＢＴ１，ＢＴ２、及び接地端子Ｇの配置は、図示の位置に限定されない。また、薄膜バランを構成する多層配線構造は、図示の層数未満であってもよく、図示の層数より多くてもよい。さらに、絶縁性基板１００上の配線層の順序が逆になった構造であってももちろんよい。さらに、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々のコイル配置を採用することが可能である。

本発明の薄膜バランによれば、不平衡伝送線路を構成し且つ不平衡端子に接続される第１の線路部の一部がキャパシタの一方の電極を兼ねることによって、要求されるバランの諸特性を維持しつつ、小型薄型化することができるので、特に、小型薄型化が要求される無線通信機器、装置、モジュール、及びシステム、並びにそれらを備える設備、さらには、それらの製造に広く適用することが可能である。

１〜１Ｂ…本発明に係る薄膜バラン、１１，１２，２１，２２…コイル導体、１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ，２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂ…端部、３１，３２…配線、Ｍ０，Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３…配線層、Ｃ１…コイル部（第１のコイル部、第１の線路部）、Ｃ２…コイル部（第２のコイル部、第２の線路部）、Ｃ３…コイル部（第３のコイル部、第３の線路部）、Ｃ４…コイル部（第４のコイル部、第４の線路部）、Ｄ…キャパシタ（Ｃ成分、容量成分）、Ｄ１…電極、Ｄ２…電極（対向電極）、Ｇ…接地端子（接地電位）、Ｌ１…線路部（第１の線路部）、Ｌ２…線路部（第２の線路部）、Ｌ３…線路部（第３の線路部）、Ｌ４…線路部（第４の線路部）、Ｐ…スルーホール、ＵＬ…不平衡伝送線路（不平衡回路）、ＢＬ…平衡伝送線路（平衡回路）、ＵＴ…不平衡端子、ＢＴ１…平衡端子（第１の平衡端子）、ＢＴ２…平衡端子（第２の平衡端子）。

Claims

第１のコイル部及び第２のコイル部を有する不平衡伝送線路と、
前記第１のコイル部及び前記第２のコイル部のそれぞれに対向配置され且つ磁気結合する第３のコイル部及び第４のコイル部を有する平衡伝送線路と、
前記第１のコイル部に接続された不平衡端子と、
前記第１のコイル部にＣ成分を介して接続された接地端子と、
前記接地端子に接続され且つ前記第１のコイル部の一部に対向する対向電極と、
を備えており、
前記Ｃ成分が、前記第１のコイル部の一部及び前記対向電極により構成され、
前記対向電極は、前記第１のコイル部における内周のコイル導体よりも外周のコイル導体に近いコイル導体の一部に対向している、
薄膜バラン。