(57)【要約】【課題】基板集積導波管の伝搬可能な電磁波の周波数の上限と基板の機械的な強度とのトレードオフを緩和する。【解決手段】基板集積導波管は、基板１００と、金属層１０１ａ，１０２と、金属層１０１ａと１０２を接続する基板貫通ビア１０３と、基板貫通ビア１０３の各列において隣接する基板貫通ビア１０３の間の箇所から外側に向かって伝搬方向と異なる方向に延伸するように金属層１０１ａに形成された複数のスタブ１０４とを備える。各スタブ１０４と基板１００と金属層１０２とは、基板１００から基板貫通ビア１０３の間の箇所を通って漏洩した電磁波が伝搬する線路を構成している。基板１００で伝送したい所望の電磁波の波長をλとしたとき、線路の長さはλ／４＋ｎ×λ／２（ｎは非負整数）である。【選択図】  図１
2018182422.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体もしくは半導体からなる基板と、
この基板の第１の面に形成された第１の金属層と、
前記第１の面の反対側の、前記基板の第２の面に形成された第２の金属層と、
電磁波の伝搬方向に沿って２列に並ぶように前記基板に周期的に形成され、前記第１の金属層と前記第２の金属層とを接続する複数の第１の基板貫通ビアと、
前記第１の基板貫通ビアの各列において隣接する第１の基板貫通ビアの間の箇所から外側に向かって前記伝搬方向と異なる方向に延伸するように前記第１の金属層に形成された複数のスタブとを備え、
各スタブと前記基板と前記第２の金属層とは、前記第１、第２の金属層と２列の前記第１の基板貫通ビアとによって囲まれた前記基板から前記第１の基板貫通ビアの間の箇所を通って漏洩した電磁波が伝搬する線路を構成し、前記基板で伝送したい所望の電磁波の波長をλとしたとき、前記線路の長さはλ／４＋ｎ×λ／２（ｎは非負整数）であることを特徴とする基板集積導波管。
【請求項２】
請求項１記載の基板集積導波管において、
前記複数のスタブは、それぞれ前記第１の金属層から外側に向かって突出するように形成され、
前記線路は、各スタブと前記基板と前記第２の金属層とからなるマイクロストリップ型の線路であることを特徴とする基板集積導波管。
【請求項３】
請求項１記載の基板集積導波管において、
前記複数のスタブは、それぞれ周囲に形成された溝によって前記第１の金属層との接続部を除く箇所が前記第１の金属層と隔てられ、
前記線路は、各スタブと前記基板と前記第１の金属層と前記第２の金属層とからなるコプレーナ型の線路であることを特徴とする基板集積導波管。
【請求項４】
請求項１記載の基板集積導波管において、
前記線路は、先端が接地されていることを特徴とする基板集積導波管。
【請求項５】
請求項１記載の基板集積導波管において、
前記複数のスタブは、それぞれ前記第１の金属層から外側に向かって突出するように形成され、
前記複数のスタブのそれぞれの先端と前記第２の金属層とを接続する複数の第２の基板貫通ビアをさらに備え、
前記線路は、各スタブと前記基板と前記第２の金属層とからなるマイクロストリップ型の線路であり、先端が接地されていることを特徴とする基板集積導波管。
【請求項６】
請求項１記載の基板集積導波管において、
前記複数のスタブは、それぞれ周囲に形成された溝によって前記第１の金属層との接続部および前記接続部と反対側の先端部とを除く箇所が前記第１の金属層と隔てられ、
前記線路は、各スタブと前記基板と前記第１の金属層と前記第２の金属層とからなるコプレーナ型の線路であり、先端が接地されていることを特徴とする基板集積導波管。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波電気信号を扱う回路技術、特に、基板集積導波管に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高周波電気信号の伝送媒体には、主として同軸線路もしくは金属導波管が用いられる。一般に、同軸線路は、低域通過特性を有するため、高周波帯では伝搬損失が大きく、１００ＧＨｚを超えるような超高周波電気信号の伝送には不向きである。これとは反対に、金属導波管は、高域通過特性を有し、高周波帯の伝搬損失が小さいため、１００ＧＨｚを超えるような超高周波電気信号の伝送媒体に適している。
【０００３】
基板集積導波管（Substrate Integrated Waveguide：ＳＩＷ）は、誘電体もしくは半導体から成る基板上に集積回路プロセスを用いて形成される導波管様の伝送線路である。ＳＩＷは、金属導波管同様に高周波帯での伝搬損失が小さく、また、集積回路プロセスにより他の機能回路と集積が容易であるという特徴があるため、１００ＧＨｚ以上の超高周波電気信号を用いる集積回路内の高周波配線に好適である（非特許文献１）。
【０００４】
ＳＩＷは、図１１に示すように、基板１００の上面および下面に形成された金属層１０１，１０２により電磁波の上下方向の閉じ込めを行い、基板貫通ビア（Through Substrate Via：ＴＳＶ）１０３により電磁波の横方向の閉じ込めを行うことで、金属導波管と同一の伝搬モード（ＴＥ10モード等）を基板１００内に形成することを可能としている。
【０００５】
電磁波の伝搬方向と垂直な方向のＴＳＶ１０３の配置間隔（図１１のＷａ）は、金属導波管における導波管の幅に相当するパラメータである。配置間隔Ｗａの値は、所望の周波数でのＴＥ10モードが伝搬可能になるように設定される。また、電磁波の伝搬方向のＴＳＶ１０３の配置間隔（図１１のＷｂ）の値は、基板１００の面内方向の電磁波の閉じ込めが十分強くなるように設定する必要がある。配置間隔Ｗｂが電磁波の波長よりも十分に小さくない場合、電磁波をＳＩＷ内に閉じ込めることができず、ＳＩＷを伝送線路として用いることができない。
【０００６】
このように、ＳＩＷにおいて電磁波を伝搬させるためには、電磁波の伝搬方向のＴＳＶ１０３の間隔Ｗｂを、取り扱う電磁波の波長よりも小さい値にする必要がある。伝搬方向のＴＳＶ１０３の間隔ＷｂがＳＩＷを伝搬するＴＥ10モードの伝送線路内波長λｇの四分の一以上になると、伝搬方向のＴＳＶ１０３の間隙が漏れ波アンテナのスリットと同様の働きを持ち始め、電磁波がＳＩＷの外部に漏洩すると考えられる。ＳＩＷを設計するためには、電磁波の漏洩の少ない、伝搬方向のＴＳＶ１０３の間隔Ｗｂを決定する必要がある。そのためには、前述のように、ＳＩＷを伝搬するＴＥ10モードの伝送線路内波長λｇの値を把握し、伝搬方向のＴＳＶ１０３の間隔Ｗｂをその四分の一以下の値に設定すればよい。伝送線路内波長λｇは、ＴＥ10モードの各周波数における実効誘電率をεとすれば、下記の式で計算される
λｇ＝ｃ／（ε1/2ｆ）                                           ・・・（１）
【０００７】
ここで、ｃは光速、ｆは周波数を表す。図１２に、ＳＩＷを伝搬するＴＥ10モードの伝送線路内波長の四分の一（λｇ／４）の計算結果を示す。本計算では、簡単のために、基板上面、下面の金属層１０１，１０２を理想導体とし、ＳＩＷの側壁はＴＳＶ１０３ではなく理想導体からなる金属平面とした。また、基板１００の材料としてはＩｎＰ（誘電率１２．３）を仮定し、基板１００の厚さは５０μｍとした。ＳＩＷの幅は１８０μｍとした。
【０００８】
式（１）からも明らかなように、扱う電磁波の周波数が高いほど、λｇ／４は小さくなる。図１２から分かるように、２９０ＧＨｚ以上ではλｇ／４は１００μｍ以下ときわめて小さな値をとる。しかしながら、ＴＳＶ１０３の間隔Ｗｂを小さくすると、基板１００に稠密にＴＳＶ１０３を配置することになるため、基板１００の機械的な強度が低下してしまうという問題が生じる。そのため、ＴＳＶ１０３の間隔Ｗｂには、基板１００の機械的な強度を担保するためのプロセス上の下限値が存在する。
【０００９】
特に、ＩｎＰやＧａＡｓなどの化合物半導体基板は割れ易いため、ＴＳＶ１０３の間隔Ｗｂの下限値は、Ｓｉ等の他の半導体基板の場合よりも２倍以上程度大きい値に設定する必要がある。したがって、図１２の計算に用いたような厚さ５０μｍのＩｎＰを用いてＳＩＷを製作する場合、現実的には電磁波伝搬方向のＴＳＶ１０３の間隔Ｗｂは１００μｍ以上にする必要がある。そのため、周波数が２９０ＧＨｚ以上の電磁波を伝搬可能なＳＩＷを製作することは難しいことが想定される。
【００１０】
図１３に、図１１に示したＳＩＷにおいて、電磁波伝搬方向のＴＳＶ１０３の間隔Ｗｂをパラメータとしたときの通過特性Ｓ21の計算結果を示す。なお、ＴＳＶ１０３の直径は４０μｍとし、電磁波伝搬方向と垂直な方向のＴＳＶ１０３の配置間隔Ｗａは１８０μｍとした。図１３から、電磁波伝搬方向のＴＳＶ１０３の間隔Ｗｂが大きくなると、ＳＩＷの通過特性が劣化していくことが分かる。間隔Ｗｂの増加に伴い、２９０ＧＨｚ付近の高域から通過特性が劣化し始める。２９０ＧＨｚでの通過特性が顕著に劣化する間隔Ｗｂ＝１１０μｍは、図１２で計算したλｇ／４の２９０ＧＨｚにおける値１００μｍにほぼ一致している。前述のとおり、ＳＩＷにおいて電磁波の漏洩を防止するためには、間隔Ｗｂをλｇ／４以下にする必要があることが分かる。
【００１１】
また、Ｗｂ＝１１０μｍの場合の３００ＧＨｚにおける電磁波の伝搬の様子を図１４に示す。図１４は、電界強度［Ｖ／ｍ］の分布を示しており、明るい部分が電磁強度の高い位置を示している。図１４から、ＳＩＷの通過特性劣化の原因が、伝搬方向のＴＳＶ１０３の間隙からの電磁波漏洩であることは明らかである。前述のように、厚さ５０μｍのＩｎＰ基板を用いる場合、ＴＳＶ１０３の間隔Ｗｂの最小値を１００μｍ程度であるとすれば、結果として、厚さ５０μｍのＩｎＰ基板を用いて、２９０ＧＨｚ以上の電磁波を低損失に伝搬可能なＳＩＷを作製することは不可能であると言える。また、仮にＴＳＶ１０３の間隔Ｗｂの最小値を基板厚さの２倍以上にとる必要がある場合には、ＳＩＷで漏洩なく伝搬可能な電磁波の周波数は更に低下することになる。
【００１２】
以上の議論から、高周波帯でＳＩＷを作製する際の課題が明らかになった。つまり、従来のＳＩＷには、伝搬可能な電磁波の周波数の上限と基板の機械的な強度（すなわち伝搬方向のＴＳＶ１０３の間隔Ｗｂ）にトレードオフが存在する、という課題があった。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】D.Deslandes，et al.，“Integrated microstrip and rectangular waveguide in planar form”，IEEE MICROWAVE AND WIRELESS COMPONENTS LETTERS，Vol.11，No.2，2001
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、ＳＩＷの伝搬可能な電磁波の周波数の上限と基板の機械的な強度とのトレードオフを緩和することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の基板集積導波管は、誘電体もしくは半導体からなる基板と、この基板の第１の面に形成された第１の金属層と、前記第１の面の反対側の、前記基板の第２の面に形成された第２の金属層と、電磁波の伝搬方向に沿って２列に並ぶように前記基板に周期的に形成され、前記第１の金属層と前記第２の金属層とを接続する複数の第１の基板貫通ビアと、前記第１の基板貫通ビアの各列において隣接する第１の基板貫通ビアの間の箇所から外側に向かって前記伝搬方向と異なる方向に延伸するように前記第１の金属層に形成された複数のスタブとを備え、各スタブと前記基板と前記第２の金属層とは、前記第１、第２の金属層と２列の前記第１の基板貫通ビアとによって囲まれた前記基板から前記第１の基板貫通ビアの間の箇所を通って漏洩した電磁波が伝搬する線路を構成し、前記基板で伝送したい所望の電磁波の波長をλとしたとき、前記線路の長さはλ／４＋ｎ×λ／２（ｎは非負整数）であることを特徴とするものである。
【００１６】
また、本発明の基板集積導波管の１構成例において、前記複数のスタブは、それぞれ前記第１の金属層から外側に向かって突出するように形成され、前記線路は、各スタブと前記基板と前記第２の金属層とからなるマイクロストリップ型の線路であることを特徴とするものである。
また、本発明の基板集積導波管の１構成例において、前記複数のスタブは、それぞれ周囲に形成された溝によって前記第１の金属層との接続部を除く箇所が前記第１の金属層と隔てられ、前記線路は、各スタブと前記基板と前記第１の金属層と前記第２の金属層とからなるコプレーナ型の線路であることを特徴とするものである。
【００１７】
また、本発明の基板集積導波管の１構成例において、前記線路は、先端が接地されていることを特徴とするものである。
また、本発明の基板集積導波管の１構成例において、前記複数のスタブは、それぞれ前記第１の金属層から外側に向かって突出するように形成され、前記複数のスタブのそれぞれの先端と前記第２の金属層とを接続する複数の第２の基板貫通ビアをさらに備え、前記線路は、各スタブと前記基板と前記第２の金属層とからなるマイクロストリップ型の線路であり、先端が接地されていることを特徴とするものである。
また、本発明の基板集積導波管の１構成例において、前記複数のスタブは、それぞれ周囲に形成された溝によって前記第１の金属層との接続部および前記接続部と反対側の先端部とを除く箇所が前記第１の金属層と隔てられ、前記線路は、各スタブと前記基板と前記第１の金属層と前記第２の金属層とからなるコプレーナ型の線路であり、先端が接地されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、第１の基板貫通ビアの各列において隣接する第１の基板貫通ビアの間の箇所から外側に向かって伝搬方向と異なる方向に延伸するように複数のスタブを第１の金属層に形成し、基板で伝送したい所望の電磁波の波長λに対して、各スタブと基板と第２の金属層とからなる線路の長さをλ／４＋ｎ×λ／２とすることにより、従来の基板集積導波管よりも高い周波数の電磁波を漏洩なく伝搬させることが可能となる。その結果、本発明では、基板集積導波管の伝搬可能な電磁波の周波数の上限と基板の機械的な強度とのトレードオフを緩和することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本発明の第１の実施例に係る基板集積導波管の構成を示す平面図および断面図である。
【図２】図２は、本発明の第１の実施例に係る基板集積導波管の等価的な構成を示す平面図である。
【図３】図３は、本発明の第２の実施例に係る基板集積導波管の構成を示す平面図および断面図である。
【図４】図４は、本発明の第３の実施例に係る基板集積導波管の構成を示す平面図および断面図である。
【図５】図５は、本発明の第４の実施例に係る基板集積導波管の構成を示す平面図および断面図である。
【図６】図６は、本発明の第５の実施例に係る基板集積導波管の計算モデルを示す斜視図である。
【図７】図７は、本発明の第５の実施例に係る基板集積導波管の通過特性を示す図である。
【図８】図８は、本発明の第６の実施例に係る基板集積導波管の計算モデルを示す斜視図である。
【図９】図９は、本発明の第６の実施例に係る基板集積導波管の通過特性を示す図である。
【図１０】図１０は、本発明の第７の実施例に係る基板集積導波管の構成を示す平面図である。
【図１１】図１１は、従来の基板集積導波管の構成を示す斜視図である。
【図１２】図１２は、従来の基板集積導波管を伝搬するＴＥ10モードの伝送線路内波長の四分の一波長の大きさの周波数依存性を示す図である。
【図１３】図１３は、電磁波伝搬方向の基板貫通ビアの間隔をパラメータとしたときの基板集積導波管の通過特性を示す図である。
【図１４】図１４は、従来の基板集積導波管における電磁波の伝搬の様子を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
［第１の実施例］
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。図１（Ａ）は本発明の第１の実施例に係るＳＩＷの構成を示す平面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＡ−Ａ線断面図、図１（Ｃ）は図１（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。本実施例のＳＩＷは、誘電体もしくは半導体から成る基板１００と、基板１００の第１の面に形成された基板上面金属層１０１ａと、基板１００の第１の面と反対側の第２の面全面に形成された基板下面金属層１０２と、電磁波伝搬方向（図１（Ａ）左右方向）に沿って２列に並ぶように周期的に配置され、基板上面金属層１０１ａと基板下面金属層１０２とを接続する複数のＴＳＶ１０３とから構成される。以下、基板１００の第１の面および第２の面をそれぞれ「上面」および「下面」という。
【００２１】
従来と同様に、基板上面金属層１０１ａと基板下面金属層１０２と２列のＴＳＶ１０３とによって囲まれた基板１００の領域を電磁波が伝搬する。従来と本実施例との違いは、電磁波伝搬方向に沿って周期的に配置される複数のＴＳＶ１０３のそれぞれの間の箇所からＳＩＷの外側に向かって電磁波伝搬方向と異なる方向（通常は電磁波伝搬方向と垂直な方向）に延伸する複数のスタブ１０４を、２列のＴＳＶ１０３のそれぞれの外側の基板上面金属層１０１ａに形成した点である。各スタブ１０４の延伸方向の長さは、ＳＩＷで伝搬させたい所望の電磁波の波長λの四分の一の長さ（λ／４）に設定される。このようなスタブ１０４を有する基板上面金属層１０１ａの平面形状は、基板１００の上面に形成した金属層を加工することによって実現できる。
【００２２】
本実施例により、ＳＩＷからの電磁波の漏洩が減少することは、以下のように説明できる。各スタブ１０４の部分（図１（Ｃ）の破線１０５の部分）について見ると、スタブ１０４と基板１００と基板下面金属層１０２とは、マイクロストリップ型伝送線路を構成していることになる。したがって、各ＴＳＶ１０３の間の箇所から延伸する伝送線路を設けることにより、各ＴＳＶ１０３の間の箇所から漏洩した電磁波が伝送線路の伝搬モードに結合する。結合した電磁波は、伝送線路の開放端（スタブ１０４の先端）により反射され、ＳＩＷに戻ってくる。このとき、伝送線路の長さがλ／４に設定されていることから、各ＴＳＶ１０３の間の箇所から伝送線路側を見たときのインピーダンスは波長λにおいて短絡となる。
【００２３】
すなわち、本実施例では、図２に示すように、従来のＳＩＷにおいて、各ＴＳＶ１０３の間にＴＳＶ１０６を配置したのと等価な効果を得ることができる。これにより、本実施例では、等価的にＳＩＷ側壁のＴＳＶ１０３の密度が向上し、より高周波でも電磁波の漏洩を防ぐことができる。その結果、本実施例では、ＳＩＷの伝搬可能な電磁波の周波数の上限と基板の機械的な強度（すなわち電磁波伝搬方向のＴＳＶ１０３の間隔）とのトレードオフを緩和することができる。
【００２４】
［第２の実施例］
次に、本発明の第２の実施例について説明する。図３（Ａ）は本発明の第２の実施例に係るＳＩＷの構成を示す平面図、図３（Ｂ）は図３（Ａ）のＡ−Ａ線断面図、図３（Ｃ）は図３（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図であり、図１（Ａ）〜図１（Ｃ）と同一の構成には同一の符号を付してある。第１の実施例では、各スタブ１０４の周囲の基板上面金属層１０１ａを除去しているが、本実施例では、各スタブ１０４の周りを基板上面金属層１０１ｂで囲むようにしている。基板上面金属層１０１ｂとの接続部を除くスタブ１０４の周囲には、基板上面金属層１０１ｂを除去した溝１０７が形成されている。これにより、スタブ１０４の基板上面金属層１０１ｂとの接続部を除く箇所が溝１０７によって基板上面金属層１０１ｂと隔てられた構造となっている。
【００２５】
各スタブ１０４の部分（図３（Ｃ）の破線１０８の部分）について見ると、スタブ１０４とこのスタブ１０４の周囲の基板上面金属層１０１ｂと基板１００と基板下面金属層１０２とは、コプレーナ型伝送線路を構成していることになる。このような構成により、本実施例においても、第１の実施例と同様の効果を得ることができる。
【００２６】
［第３の実施例］
次に、本発明の第３の実施例について説明する。図４（Ａ）は本発明の第３の実施例に係るＳＩＷの構成を示す平面図、図４（Ｂ）は図４（Ａ）のＡ−Ａ線断面図、図４（Ｃ）は図４（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図であり、図１（Ａ）〜図１（Ｃ）と同一の構成には同一の符号を付してある。
【００２７】
本実施例のＳＩＷでは、第１の実施例と同様に、電磁波伝搬方向に沿って周期的に配置される複数のＴＳＶ１０３のそれぞれの間の箇所からＳＩＷの外側に向かって電磁波伝搬方向と異なる方向（通常は電磁波伝搬方向と垂直な方向）に延伸する複数のスタブ１０４を基板上面金属層１０１ｃに形成しているが、第１の実施例と異なり、各スタブ１０４の先端をＴＳＶ１０９を介して基板下面金属層１０２と短絡している。
【００２８】
本実施例の原理は以下のとおりである。各ＴＳＶ１０３の間の箇所から漏洩し、スタブ１０４と基板１００と基板下面金属層１０２とからなる伝送線路の伝搬モードに結合した電磁波は、この伝送線路の短絡端（スタブ１０４の先端）で反射されてＳＩＷ側に戻る。このとき、伝送線路の長さがλ／４に設定されていることから、各ＴＳＶ１０３の間の箇所から伝送線路側を見たときのインピーダンスは波長λにおいて開放となる。したがって、電磁波は基板内に漏洩することができず、結果としてＳＩＷ内に閉じこもり、ＳＩＷを伝搬する。
【００２９】
本実施例の場合、ＴＳＶ１０９により基板下面金属層１０２（グランドメタル）とスタブ１０４の先端とを接続することによって短絡端を形成することになる。したがって、本実施例では、ＴＳＶ１０９により基板１００の機械的な強度が低下するのではないかという懸念が生じる。しかし、一部の例外を除いて、本実施例により基板１００の機械的強度が低下することは無い。
【００３０】
前述のように、電磁波伝搬方向のＴＳＶ１０３の間隔Ｗｂは、基板１００の機械的な強度を保つ値に設定する必要がある。しかしながら、間隔Ｗｂを、ＳＩＷを伝搬するモードの伝送線路内波長λｇの四分の一以上に設定すると、ＳＩＷからの電磁波の漏洩が顕著になり、ＳＩＷを良好な伝送線路として使用できなくなる問題があった。したがって、基板１００の機械的強度から決まる、電磁波伝搬方向のＴＳＶ１０３の最小配置間隔をＷｍｉｎとすると、次式を満たすようにすれば、電磁波の漏洩の無い良好なＳＩＷが通常の設計手法で製作可能である。
λｇ／４≧Ｗｂ≧Ｗｍｉｎ                                        ・・・（２）
【００３１】
本発明が対象とするのは、伝搬させたい電磁波の周波数が極めて高いために、間隔Ｗｂを最小配置間隔をＷｍｉｎと等しくとっても、以下の式（３）が成立してしまい、基板１００の機械的強度とＳＩＷの特性を両立できない場合である。
Ｗｂ＝Ｗｍｉｎ≧λｇ／４                                        ・・・（３）
【００３２】
本実施例では、スタブ１０４と基板１００と基板下面金属層１０２とからなる伝送線路（マイクロストリップ線路）の短絡端に配置するＴＳＶ１０９と、ＳＩＷの側壁に配置するＴＳＶ１０３との間隔（図４（Ａ）のａ）が、式（３）と同様に、次式を満たすようにしないと、基板１００の機械的な強度が低下してしまう。
ａ≧Ｗｂ＝Ｗｍｉｎ                                              ・・・（４）
【００３３】
しかし、一部の例外を除いた場合において、ＴＳＶ１０９とＴＳＶ１０３との間隔ａは式（４）を満足することが、以下のように説明できる。図４（Ａ）において、三平方の定理から、次式が成立する。
ａ＝（（λ／４）2＋（Ｗｂ／２）2）1/2                           ・・・（５）
【００３４】
すなわち、ＴＳＶ１０９とＴＳＶ１０３との間隔ａは、電磁波伝搬方向のＴＳＶ１０３の間隔Ｗｂに対して単調増加な関数となる。いま、式（３）から、Ｗｂ≧λｇ／４であるから、この関係と式（５）から次式が成立する。
ａ≧（（λ／４）2＋（λｇ／８）2）1/2                           ・・・（６）
【００３５】
ここで、次の式（７）が成り立つことが証明できれば、式（６）から式（８）が成立し、この式（８）と式（３）、式（４）から、間隔ａは、最小でも間隔Ｗｂと同じ値を選ぶことができ、基板１００の機械的強度から決まるＴＳＶ１０３の最小配置間隔Ｗｍｉｎよりも大きな値をとることができる。
λ≧λｇ                                                        ・・・（７）
ａ≧５1/2λｇ／８＝０．２７９５λｇ≧λｇ／４                   ・・・（８）
【００３６】
式（７）が通常成り立つことは以下のように説明される。ＳＩＷを伝搬する電磁波の周波数をｆとしたとき、ＳＩＷおよびマイクロストリップ線路を伝搬する電磁波の伝送線路内波長は次のように書ける。
λｇ＝ｃ／（εs1/2ｆ）                                          ・・・（９）
λ＝ｃ／（εm1/2ｆ）                                          ・・・（１０）
【００３７】
ここで、ｃは真空における光速度、εsはＳＩＷを伝搬するＴＥ10モードの実効比誘電率、εmはマイクロストリップ線路を伝搬するモードの実効比誘電率である。実効比誘電率は、電磁波の伝搬モードが存在する空間に含まれる平均的な比誘電率で表される。ＳＩＷの場合は、伝搬モードは基板１００を伝搬するから、その伝搬モードの実効誘電率εsは、ほぼ基板１００の比誘電率εsubと一致する。マイクロストリップ線路の場合、その伝搬モードは、基板１００と基板上の誘電体からなる上部クラッド（通常は空気）の両方の比誘電率の影響を受けながら伝搬する。したがって、上部クラッドの比誘電率をεcladとすれば、マイクロストリップ線路を伝搬するモードの実効比誘電率εmは、比誘電率εsubとεcladとの間の平均的な値をとる。
【００３８】
ＳＩＷの基板１００としては、ほとんどの場合において、アルミナ等の誘電体や、Ｓｉ，ＩｎＰ等の半導体が使用されるが、これらの誘電体や半導体の比誘電率は９〜１２と非常に大きい。一方で、上部クラッドはほとんどの場合、空気（比誘電率１）である。ごくまれに空気以外の樹脂等を上部クラッドとして用いる場合もあるが、樹脂の比誘電率は２〜３程度と、ＳＩＷの基板１００の比誘電率よりも小さい。このような場合においては、平均的な比誘電率εmは、基板１００の比誘電率εsubよりも必ず小さくなる。前記のように、ＳＩＷを伝搬するＴＥ10モードの実効比誘電率εsは、ほぼ基板１００の比誘電率εsubと等しいから、結果として以下の式（１１）が成立し、この式（１１）と式（９）、式（１０）とから式（７）が成立する。
εs＞εm                                                      ・・・（１１）
【００３９】
式（７）が成立しない唯一の例外は、上部クラッドに、基板１００よりも高い比誘電率の物質を用いる場合のみであるが、このような場合は実用上ほとんど存在しない。
以上の議論から、本実施例によれば、基板１００の機械的な強度を損なうことなくＳＩＷからの電磁波の漏洩を防ぐことができることが説明された。
【００４０】
第１、第２の実施例では、ＳＩＷに付加される伝送線路の端部は開放されるが、高周波回路においては、理想的な開放端を製作することが難しい場合が存在する。例えば、回路素子を密集して配置する場合、ＳＩＷに付加される伝送線路の近傍に回路素子が配置されることが考えられる。このような場合、扱う電磁波の周波数によっては、近傍の回路素子との間の寄生容量が無視できなくなり、ＳＩＷに付加される伝送線路の端部が理想的な開放とは異なる特性になってしまう場合も考えられる。そのような場合には、本実施例を使用すればよい。
【００４１】
［第４の実施例］
次に、本発明の第４の実施例について説明する。図５（Ａ）は本発明の第４の実施例に係るＳＩＷの構成を示す平面図、図５（Ｂ）は図５（Ａ）のＡ−Ａ線断面図、図５（Ｃ）は図５（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図であり、図３（Ａ）〜図３（Ｃ）と同一の構成には同一の符号を付してある。
【００４２】
第２の実施例では、各スタブ１０４の先端と基板上面金属層１０１ｄとが溝１０７によって隔てられた構造となっているが、本実施例では、各スタブ１０４の先端と基板上面金属層１０１ｄとを隔てる溝を無くしている。すなわち、電磁波伝搬方向と異なる方向（通常は電磁波伝搬方向と垂直な方向）に延伸する各スタブ１０４の両脇の基板上面金属層１０１ｄに溝１１０を形成し、ＳＩＷの内側（接続部）と外側（先端）のそれぞれで各スタブ１０４が基板上面金属層１０１ｄと接続され、各スタブ１０４の両脇が溝１１０によって基板上面金属層１０１ｄと隔てられた構造となっている。
【００４３】
各スタブ１０４の部分について見ると、スタブ１０４とこのスタブ１０４の周囲の基板上面金属層１０１ｄと基板１００と基板下面金属層１０２とが、コプレーナ型伝送線路を構成し、このコプレーナ型伝送線路の先端が短絡端となっている。このような構成により、本実施例においても、第３の実施例と同様の効果を得ることができる。
【００４４】
なお、第１〜第４実施例のいずれにおいても、ＳＩＷに付加される伝送線路における電磁波の位相回転量が、９０°＋１８０°×ｎ（ｎは０，１，２，・・・の非負整数）を満たすようにすれば、ＳＩＷからの電磁波の漏洩を防ぐことができる。すなわち、伝送線路の長さ（スタブ１０４の長さ）は、λ／４のみに限定されるものではなく、λ／４＋ｎ×λ／２を満たすようにすればよい。このような伝送線路の長さの規定は、一般の四分の一波長線路の性質から明らかである。
【００４５】
［第５の実施例］
次に、本発明の第５の実施例について説明する。本実施例は、第１の実施例の具体例を示し、ＩｎＰ基板上のＳＩＷに適用した例を示している。ＳＩＷの基本的な構成は第１の実施例で説明したとおりであるので、図１（Ａ）〜図１（Ｃ）の符号を用いて説明する。本実施例で用いた計算モデルを図６に示す。図１３の計算例と同様に、ＩｎＰからなる基板１００の厚さＴを５０μｍとし、ＩｎＰの誘電率を１２．３とした。ＳＩＷの幅Ｗｃを１８０μｍとし、ＴＳＶ１０３の直径Ｄを４０μｍとした。また、電磁波伝搬方向のＴＳＶ１０３の間隔Ｗｂは、図１３においてＳＩＷの通過特性が顕著に劣化し始める１１０μｍとした。
【００４６】
なお、図６では、基板上面金属層１０１ａを覆うように形成される上部クラッド１１１を記載している。しかし、実際には、基板上面金属層１０１ａを覆う上部クラッド１１１がない状態でＳＩＷの特性を計算している。言い換えると、基板上面金属層１０１ａの上には、比誘電率１の空気が上部クラッド１１１として存在するものとしてＳＩＷの特性を計算している。先に示した図１３についても、同様の設定で計算を行っている。一般には、上部クラッド１１１として、その誘電率がＳＩＷを構成する基板１００の誘電率よりも低いものを使用しても、本発明の効果が失われることはない。
【００４７】
本実施例では、延伸方向の長さＬが８０μｍ、この延伸方向と垂直な方向の幅Ｗｄが３５μｍのスタブ１０４を基板上面金属層１０１ａに付加した。すなわち、第１の実施例で説明したとおり、スタブ１０４と基板１００と基板下面金属層１０２とからなる、先端が開放されたマイクロストリップ型伝送線路を付加したことになる。長さＬ＝８０μｍは、３００ＧＨｚにおける、マイクロストリップ型伝送線路の四分の一波長に等しい長さである。
【００４８】
図６に示したモデルを用いてＳＩＷの通過特性Ｓ21を計算した結果を図７に示す。比較のために、図１１に示した従来のＳＩＷにおいて、電磁波伝搬方向のＴＳＶ１０３の間隔Ｗｂ＝１１０μｍとした場合の通過特性Ｓ21を併記している。図７の７０が従来のＳＩＷの通過特性Ｓ21を示し、７１が本実施例のＳＩＷの通過特性Ｓ21を示している。
【００４９】
図７から明らかなように、従来のＳＩＷにおいて２９０ＧＨｚ以上でみられた顕著な通過特性の劣化が、本実施例では改善されていることが分かる。また、２２０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚの全ての周波数において、本実施例の方が従来のＳＩＷよりも通過特性が良好であることが分かる。このように通過特性が良好な理由は、前述のように、先端が開放されたマイクロストリップ型伝送線路によってＳＩＷからの電磁波の漏洩が防止されるためである。
【００５０】
本実施例により得られる効果を以下に述べる。まず、本実施例によって、ＳＩＷで伝搬可能な電磁波の周波数の上限と、基板１００の機械的な強度（すなわち電磁波伝搬方向のＴＳＶ１０３の間隔Ｗｂ）とのトレードオフを緩和できる。基板１００の機械的な強度を保ったまま高周波化できるため、機械的な強度不足による歩留まりの低下なく超高周波部品が製造可能である。したがって、本実施例によれば、超高周波部品の低コスト化を実現することができる。
【００５１】
また、本実施例では、電磁波伝搬方向のＴＳＶ１０３の間隔Ｗｂを、ＳＩＷを伝搬する電磁波の四分の一波長よりも大きくできるため、より低周波のＳＩＷにおいても、従来必要であったＴＳＶ１０３の個数を削減することができる。そのため、機械的強度が向上するのみならず、ＴＳＶ１０３の偶発的な不良による製品歩留まりの低下も防ぐことができる。したがって、低周波のＳＩＷを用いた製品においても低コスト化が期待される。
【００５２】
なお、本実施例では、スタブ１０４によって構成される伝送線路がマイクロストリップ型伝送線路の場合について説明しているが、第２の実施例に示したようにコプレーナ型伝送線路の場合でも同様の結果が得られることは明らかである。
【００５３】
［第６の実施例］
次に、本発明の第６の実施例について説明する。本実施例は、第３の実施例の具体例を示し、ＩｎＰ基板上のＳＩＷに適用した例を示している。ＳＩＷの基本的な構成は第３の実施例で説明したとおりであるので、図４（Ａ）〜図４（Ｃ）の符号を用いて説明する。本実施例で用いた計算モデルを図８に示す。図１３の計算例と同様に、ＩｎＰからなる基板１００の厚さＴを５０μｍとし、ＩｎＰの誘電率を１２．３とした。ＳＩＷの幅Ｗｃを１８０μｍとし、ＴＳＶ１０３，１０９の直径Ｄを４０μｍとした。また、電磁波伝搬方向のＴＳＶ１０３の間隔Ｗｂは、図１３においてＳＩＷの通過特性が顕著に劣化し始める１１０μｍとした。第５の実施例と同様に、基板上面金属層１０１ｃの上には、比誘電率１の空気が上部クラッド１１１として存在するものとしてＳＩＷの特性を計算している。
【００５４】
本実施例では、延伸方向の長さＬが８０μｍ、この延伸方向と垂直な方向の幅Ｗｄが３５μｍのスタブ１０４を基板上面金属層１０１ｃに付加した。すなわち、第３の実施例で説明したとおり、スタブ１０４と基板１００と基板下面金属層１０２とからなり、先端がＴＳＶ１０９により接地されたマイクロストリップ型伝送線路を付加したことになる。長さＬ＝８０μｍは、３００ＧＨｚにおける、マイクロストリップ型伝送線路の四分の一波長に等しい長さである。
【００５５】
図８に示したモデルを用いてＳＩＷの通過特性Ｓ21を計算した結果を図９に示す。比較のために、図１１に示した従来のＳＩＷにおいて、電磁波伝搬方向のＴＳＶ１０３の間隔Ｗｂ＝１１０μｍとした場合の通過特性Ｓ21を併記している。図９の７０が従来のＳＩＷの通過特性Ｓ21を示し、７２が本実施例のＳＩＷの通過特性Ｓ21を示している。第５の実施例と同様に、本実施例によって通過特性が顕著に改善されていることが分かる。
【００５６】
本実施例により得られる効果を以下に述べる。本実施例によって、ＳＩＷで伝搬可能な電磁波の周波数の上限と、基板１００の機械的な強度（すなわち電磁波伝搬方向のＴＳＶ１０３の間隔Ｗｂ）とのトレードオフを緩和できる。そのため、第５の実施例同様、ＳＩＷを用いた超高周波部品を安価に製作することができる。本実施例では、スタブ１０４によって構成される伝送線路がマイクロストリップ型伝送線路の場合について説明しているが、第４の実施例に示したようにコプレーナ型伝送線路の場合でも同様の結果が得られることは明らかである。
【００５７】
また、マイクロストリップ型伝送線路の場合、伝送線路の先端を短絡端とするために、ＴＳＶ１０９が必要となる。これに対して、コプレーナ型伝送線路を用いる場合、スタブ１０４の先端を基板上面金属層１０１ｄと接続するだけでコプレーナ型伝送線路の先端を短絡端とすることができ、第３の実施例のＴＳＶ１０９が不要となるので、第５の実施例同様に、低周波伝搬用のＳＩＷにおいてＴＳＶ１０３の個数を削減できる。そのため、機械的強度が向上するのみならず、ＴＳＶ１０３の偶発的な不良による製品歩留まりの低下も防ぐことができる。したがって、低周波のＳＩＷを用いた製品においても低コスト化が期待される。
【００５８】
［第７の実施例］
次に、本発明の第７の実施例について説明する。図１０は本発明の第７の実施例に係るＳＩＷの構成を示す平面図であり、図１（Ａ）〜図１（Ｃ）と同一の構成には同一の符号を付してある。第１、第５の実施例では、幅が一定のスタブ１０４を基板上面金属層に形成した。これに対して、本実施例では、ＳＩＷの外側に向かって徐々に幅が大きくなるスタブ１０４ｅを基板上面金属層１０１ｅに形成した。つまり、本実施例のスタブ１０４ｅと基板１００とその下の基板下面金属層とは、開放端に向かって徐々に線路幅が大きくなるマイクロストリップ型伝送線路（ラディアルスタブ）を構成している。
【００５９】
ラディアルスタブは、通常のオープンスタブと比較して、広帯域な特性が得られることで知られる。したがって、本実施例によって、第１、第５の実施例において得られる低損失な通過特性を、より広帯域化することができる。本実施例によって得られる効果は第５の実施例と同様である。
【００６０】
なお、第１〜第７の実施例では、スタブ１０４，１０４ｅの延伸方向の１例として、電磁波伝搬方向と垂直な方向を例に挙げて説明しているが、これに限るものではない。また、各々のスタブ１０４，１０４ｅで延伸方向が異なっていても、本発明の効果が失われることはない。ただし、電磁波伝搬方向に沿って周期的に複数のスタブ１０４，１０４ｅを配置するため、各スタブ１０４，１０４ｅの延伸方向を、電磁波伝搬方向と垂直な方向にするのがレイアウト上最も容易である。
【００６１】
また、第５、第６の実施例では、スタブ１０４の幅を３５μｍに設定する例を示しているが、第１〜第７の実施例においてスタブ１０４，１０４ｅの幅は任意に設定して構わない。
【００６２】
また、第１〜第７の実施例において、ＴＳＶ１０３，１０９は基板上面金属層１０１ａ〜１０１ｅおよびスタブ１０４，１０４ｅと基板下面金属層１０２との間を電気的に接続できればよく、ビア側壁に金属膜があれば電気的接続を実現できるので、ビア内全てが金属で充填されていてもよいし充填されていなくてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明は、高周波電気信号を扱う回路技術に適用することができる。
【符号の説明】
【００６４】
１００…基板、１０１ａ〜１０１ｅ…基板上面金属層、１０２…基板下面金属層、１０３，１０９…基板貫通ビア、１０４，１０４ｅ…スタブ、１０７，１１０…溝、１１１…上部クラッド。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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