(57)【要約】【課題】感知可能な信号反射を発生させることなく、信号を、伝送線路から線路に沿って配置された送信機または受信機へと電気的に結合することができる、１つまたは複数の結合器を提供する。【解決手段】誘電材料と、誘電材料の第一の高さの上部導電層と、誘電材料の第二の高さの第一の信号線であって、上部導電層から誘電材料によって物理的に分離される第一の信号線とを含み、上部導電層は、第一の信号線に平行に延びる窓を含み、さらに、窓内でかつ誘電材料の第一の高さに第一の結合器電極を備え、当該第一の結合器電極は第一の信号線の上方であって、第一の信号線に平行であり、かつ、誘電材料によって第一の信号線から電気的に絶縁されており、第一の結合器電極は、少なくとも当該第一の結合器電極の周縁の少なくとも大部分に沿って上部導電層から電気的に絶縁されている、信号分配構造。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号分配構造であって、
誘電材料と、
前記誘電材料の第一の高さにある上部導電層と、
前記誘電材料の第二の高さにあって、前記誘電材料によって前記上部導電層から物理的に離間されている第一の信号線と、
を備え、
ここで前記上部導電層は、前記第一の信号線に平行に延びる窓を含んでおり、
当該信号分配構造は、前記窓内でかつ前記誘電材料の前記第一の高さに第一の結合器電極を備え、
当該第一の結合器電極は、前記第一の信号線の上方であって、前記第一の信号線に平行であり、かつ、前記誘電材料によって前記第一の信号線から電気的に絶縁されており、
前記第一の結合器電極は、少なくとも当該第一の結合器電極の周縁の大部分に沿って前記上部導電層から電気的に絶縁されている、信号分配構造。
【請求項２】
前記誘電材料の前記第二の高さにある第二の信号線であって、前記第一の信号線に平行で、かつ、前記上部導電層から前記誘電材料によって物理的に離間されている第二の信号線と、
前記誘電材料の前記第一の高さにある第二の結合器電極であって、前記第二の信号線の上方であって、前記第二の信号線に平行であり、かつ、前記誘電材料によって前記第二の信号線から電気的に絶縁されている第二の結合器電極と
をさらに含み、
前記第二の結合器電極は、少なくとも当該第二の結合器電極の周縁の大部分に沿って前記上部導電層から電気的に絶縁されている、請求項１に記載の信号分配構造。
【請求項３】
前記誘電材料の第三の高さに下部導電層をさらに含み、
前記誘電材料の前記第二の高さは、前記誘電材料の前記第一の高さと前記第三の高さとの間にある、請求項２に記載の信号分配構造。
【請求項４】
前記第一および第二の結合器電極の各々は、相互に物理的に離間され、かつ、前記上部導電層から物理的に離間された島状金属である、請求項３に記載の信号分配構造。
【請求項５】
前記第一の結合器電極の一方の端部を前記上部導電層に電気的に接続する第一の抵抗素子をさらに含む、請求項４に記載の信号分配構造。
【請求項６】
前記第二の結合器電極の一方の端部を前記上部導電層に電気的に接続する第二の抵抗素子をさらに含む、請求項５に記載の信号分配構造。
【請求項７】
前記第一および第二の結合器電極の各々は、一方の端部で前記上部導電層と物理的に接触している、請求項３に記載の信号分配構造。
【請求項８】
前記第一の結合器電極は、前記第一の結合器電極に電気的に接続するためのコンタクトパッド領域を含み、前記第二の結合器電極は、前記第二の結合器電極に電気的に接続するためのコンタクトパッド領域を含む、請求項２に記載の信号分配構造。
【請求項９】
前記第一および第二の結合器電極の前記コンタクトパッド領域は、それぞれ前記第一および第二の結合器電極の一方の端部にある、請求項８に記載の信号分配構造。
【請求項１０】
前記第一および第二の結合器電極は、それぞれ前記上部および下部導電層が位置する前記第一および第三の高さから等距離にある、請求項３に記載の信号分配構造。
【請求項１１】
前記誘電材料を貫通し、前記上部および下部導電層を共に電気的に接続する複数の導電ビアをさらに含む、請求項３に記載の信号分配構造。
【請求項１２】
前記第一の信号線のうちの前記第一の結合器電極の下にある部分は、前記第一の信号線のうちの前記上部導電層の下にある部分と比較して幅が異なり、前記第二の信号線のうちの前記第二の結合器電極の下にある部分は、前記第二の信号線のうちの前記上部導電層の下にある部分と比較して幅が異なる、請求項３に記載の信号分配構造。
【請求項１３】
前記誘電材料と前記上部および下部導電層とは、プリント回路基板技術を使用して製造されている、請求項３に記載の信号分配構造。
【請求項１４】
前記第一および第二の信号線は、前記上部および下部導電層と共同してシールドされた差動伝送線路を形成する、請求項３に記載の信号分配構造。
【請求項１５】
伝送線路であって、当該伝送線路に沿って第一の端部から第二の端部へと連続的に配置された一連の結合器構造を有する伝送線路を含む信号分配システムであって、
前記伝送線路は、
誘電材料と、
前記誘電材料の第一の高さにある上部導電層と、
前記誘電材料内の第二の高さにあって、前記誘電材料によって前記上部導電層から物理的に離間されている第一の平行な信号線と、
を備え、
前記一連の結合器構造における各結合器構造は、
前記上部導電層内において前記第一の信号線に平行に延びる窓と、
前記窓内であって、前記誘電材料の前記第一の高さで、前記第一の結合線に平行で、かつ、前記誘電材料によって前記第一の結合線から電気的に絶縁される第一の結合器電極と、
を含み、
前記第一の結合器電極は、少なくとも当該第一の結合器電極の周縁の大部分に沿って前記上部導電層から電気的に絶縁されている、信号分配システム。
【請求項１６】
前記伝送線路は、前記誘電材料の前記第二の高さに第二の信号線をさらに含み、
当該第二の信号線は前記第一の信号線に平行であり、かつ、前記誘電材料によって前記上部導電層から物理的に離間されており、
前記一連の結合器構造における各結合器構造は、前記誘電材料の前記第一の高さに第二の結合器電極を含み、
前記第二の結合器電極は、前記第二の信号線の上方であって、前記第二の信号線に平行であり、かつ、前記誘電材料によって前記第二の信号線から電気的に絶縁されており、
前記第二の結合器電極は、少なくとも当該第二の結合器電極の周縁の大部分沿って前記上部導電層から電気的に絶縁される、請求項１５に記載の信号分配システム。
【請求項１７】
前記誘電材料の第三の高さに下部導電層をさらに含み、
前記誘電材料の前記第二の高さは、前記誘電材料の前記第一の高さと前記第三の高さとの間にある、請求項１６に記載の信号分配システム。
【請求項１８】
前記複数の結合器構造における連続した各結合器構造の前記結合器電極は、前記一連の結合器構造において先行する結合器構造の前記結合器電極よりも長い、請求項１６に記載の信号分配システム。
【請求項１９】
前記一連の結合器構造の各結合器構造内において、前記第一および第二の結合器電極の各々は、相互に物理的に離間され、かつ前記上部導電層から物理的に離間された島状金属である、請求項１８に記載の信号分配システム。
【請求項２０】
前記一連の結合器構造の各結合器構造は、前記結合器構造の前記第一の結合器電極の一方の端部を前記上部導電層に電気的に接続する第一の抵抗素子をさらに含む、請求項１９に記載の信号分配システム。
【請求項２１】
前記結合器構造の連続の各結合器構造は、前記結合器構造の前記第二の結合器電極の一方の端部を前記上部導電層に電気的に接続する第二の抵抗素子をさらに含む、請求項２０に記載の信号分配システム。
【請求項２２】
前記一連の結合器構造の各結合器構造内において、前記結合器構造の前記第一および第二の結合器電極の各々は、一方の端部で前記上部導電層と物理的に接触する、請求項１８に記載の信号分配システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、米国特許法第１１９条（ｅ）に基づき、２０１４年６月２３日に出願された「Method for Transmission and Coupling of Signals on Multi-Layer Boards with Minimum Interference」と題される米国仮特許出願第６２／０１５，６０４号に関する利益を主張するものであり、その全内容は参照により本明細書に援用される。
【０００２】
ここに開示される発明は、概して、プリント回路基板（ＰＣＢ）およびその他の多層基板における高周波数信号の分配と、結合器を介した伝送線路の分岐（タッピング）とに関する。
【背景技術】
【０００３】
高周波数信号は、最も一般的にはポイントツーポイント方式で伝送される。パワーは信号源（送信機）において生成され、伝送線路を介して負荷（受信機）に供給される。このような場合、受信機は通常、伝送線路の特性インピーダンスに等しい終端抵抗を含む。送信された信号パワーはこの抵抗で散逸し、受信機からの信号反射が発生しない。
【０００４】
用途によっては、信号を１つの送信機から伝送線路に沿って連続的に配置された複数の受信機に伝送することが望まれる。このような場合、パワーは全ての受信機の間で共有されるため、受信機の各々は、必然的に伝送されたパワーの一部のみを受け取る。さらに、各受信機の信号は、送信機に対して、受信機の位置によって決まる固有の遅延量を伴って到達する。この場合、信号伝送線路中のインピーダンスの不連続性は、送信された元の信号と干渉する反射を引き起こすために望ましくない。このような構成では、単純な終端抵抗のみでは、信号品質を十分に保証することができない。それに加えて、送信された信号パワーの一部を伝送線路に沿って配置された受信機の各々に結合するための手段が必要となる。これらの結合器に必要な要求事項は、信号反射の原因となるような局所的なインピーダンス不連続性は、生じさせてはならないという点である。
【０００５】
また、複数の送信機が伝送線路に沿って直列に配置され、線路の端部で共通の受信機に接続されるという逆の状況も発生する。この場合、すべての送信機の信号パワーを受信機で集約することが望ましい。上述の場合と同様に、各種の信号は各々、受信機に対して送信機の位置によって決まる固有の遅延量を有する。また、上述の場合のように、信号反射が干渉の原因となる。送信機と伝送線路との間で信号パワーを結合する構造の要求事項は、上述の場合と同じである。
【０００６】
より一般的には、上述のような分配ネットワークは、能動回路を使用して連結されていてもよく、これによっていくつかの動作モードでは、線路の端の回路が線路に沿って直列に配置された複数の受信機に信号を伝送し、他のモードでは、線路の端の回路が線路に沿って直列に配置された複数の送信機から信号を受信する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本明細書に記載の実施形態は、ＰＣＢ等のプレーナ技術における信号の分配方法を利用する。感知可能な信号反射を発生させることなく、信号を、伝送線路から線路に沿って配置された送信機または受信機へと電気的に結合することができる、１つまたは複数の結合器が提供される。
【０００８】
概して、一態様において、本発明は信号分配構造に特徴を有し、これは、誘電材料と、誘電材料の第一の高さにある上部導電層と、誘電材料の第二の高さにあって、誘電材料によって上部導電層から物理的に離間されている第一の信号線とを備え、ここで上部導電層は、第一の信号線に平行に延びる窓を含み、当該信号分配構造は、窓内でかつ誘電材料の第一の高さに第一の結合器電極を備え、当該第一の結合器電極は、第一の信号線の上方であって、第一の信号線に平行であり、かつ、第一の信号線から誘電材料によって電気的に絶縁されており、第一の結合器電極は、少なくとも当該第一の結合器電極の周縁の大部分に沿って上部導電層から電気的に絶縁されている。
【０００９】
概して、他の態様において、本発明は信号分配構造に特徴を有し、これは、誘電材料と、誘電材料の第一の高さの上部導電層と、誘電材料の第二の高さの第一および第二の平行な信号線であって、誘電材料によって上部導電層から物理的に離間される第一および第二の平行な信号線とを含み、ここで上部導電層は、第一および第二の信号線に平行に延びる窓を含み、そして信号分配構造は、窓内でかつ誘電材料の第一の高さに第一の結合器電極および第二の結合器電極を備え、第一の結合器電極は、第一の信号線の上方であって、第一の信号線に平行で、かつ第一の信号線から誘電材料によって電気的に絶縁されており、また、第二の結合器電極は、第二の信号線の上方であって、第二の信号線に平行で、かつ、第二の信号線から誘電材料によって電気的に絶縁され、第一および第二の結合器電極の各々は、少なくとも当該第一および第二の結合器電極の周縁の大部分に沿って上部導電層から電気的に絶縁される。
【００１０】
他の実施形態は以下の特徴のうちの１つまたは複数を有する。信号分配構造は、誘電材料の第三の高さに下部導電層をさらに含み、誘電材料の第二の高さは誘電材料の第一の高さと第三の高さとの間である。第一および第二の結合器電極の各々は、相互に物理的に離間され、かつ上部導電層から物理的に離間された島状金属である。信号分配構造はまた、第一の結合器電極の一方の端部を上部導電層に電気的に接続する第一の抵抗素子と、第二の結合器電極の一方の端部を下部導電層に電気的に接続する第二の抵抗素子とをさらに含む。第一および第二の結合器電極の各々は、一方の端部で上部導電層と物理的に接触する。第一の結合器電極は、第一の結合器電極に電気的に接続するためのコンタクトパッド領域を含み、また、第二の結合器電極は、第二の結合器電極に電気的に接続するためのコンタクトパッド領域を含む。第一および第二の結合器電極上のコンタクトパッド領域は、それぞれ第一および第二の結合器電極の一方の端部にある。第一および第二の結合器電極は、それぞれ上部および下部導電層がある第一および第三の高さから等距離にある。信号分配構造はまた、誘電材料を貫通し、かつ上部および下部導電層を共に電気的に接続するための複数の導電ビアも含む。第一の結合器電極の下にある第一の信号線は、第一の信号線のうちの上部導電層の下にある部分と比較して幅が異なり、また、第二の信号線のうちの第二の結合器電極の下にある部分は、第二の信号線のうちの上部導電層の下にある部分と比較して幅が異なる。誘電材料と上部および下部導電層とは、プリント回路基板技術を使用して製造される。第一および第二の信号線は、上部および下部導電層と共にシールドされた差動伝送線路を形成する。
【００１１】
概して、本発明のまた別の態様において、本発明は信号分配システムを特徴とし、これは伝送線路を含み、その伝送線路に沿って第一の端部から第二の端部へと連続的に配置された上述の種類の一連の結合器構造を有する。
【００１２】
他の実施形態は、以下の特徴のうちの１つまたは複数を含んでいてもよい。伝送線路は、誘電材料と、誘電材料の第一の高さの上部導電層と、誘電材料内の第二の高さの第一および第二の平行な信号線であって、上部導電層から誘電材料によって物理的に離間されている第一および第二の平行な信号線とを含む。各結合器構造は、上部導電層内において第一および第二の信号線に平行に延びる窓と、この窓内であって誘電材料の第一の高さに第一の結合器電極および第二の結合器電極を含み、この第一の結合器電極は第一の信号線に平行で、第一の信号線から誘電材料によって電気的に絶縁され、また、第二の結合器電極は、第二の信号線に平行で、第二の信号線から誘電材料によって電気的に絶縁されており、第一および第二の結合器電極の各々は、少なくとも当該第一および第二の結合器電極の周縁の大部分に沿って上部導電層から電気的に絶縁されている。
【００１３】
また別の実施形態は、以下の特徴のうちの１つまたは複数を含んでいてもよい。信号分配システムはまた、誘電材料の第三の高さに下部導電層を含み、誘電材料の第二の高さは誘電材料の第一の高さと第三の高さとの間にある。複数の結合器構造におけるそれぞれ連続した結合器構造の結合器電極は、一連の結合器構造において先行する結合器構造の結合器電極よりも長い。一連の結合器構造の各結合器構造内において、第一および第二の結合器電極の各々は、相互に物理的に離間され、かつ上部導電層から物理的に離間された島状金属であり、そこで、一連の結合器構造における各結合器構造は、さらに、その結合器構造の第一の結合器電極の一方の端部を上部導電層に電気的に接続する第一の抵抗素子と、その結合器構造の第二の結合器電極の一方の端部を上部導電層に電気的に接続する第二の抵抗素子とを含んでいてもよい。一連の結合器構造の各結合器構造内で、その結合器構造の第一および第二の結合器電極の各々は、一方の端部で上部導電層と物理的に接触する。
【００１４】
本発明の１つまたは複数の実施形態の詳細は、添付図面および以下の説明に示されている。本発明のその他の特徴、目的、および利点は、説明および図面ならびに特許請求の範囲から明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、単純なポイントツーポイント方式の信号相互接続の概略図を示す。
【図２】図２は、共通の送信機から伝送線路に沿って直列に配置された複数の受信機    への信号分配の概略図を示す。
【図３】図３は、伝送線路に沿って直列に配置された複数の送信機から共通の受信機    への信号分配の概略図を示す。
【図４】図４は、一般的なバイモーダルシリアル信号分配ネットワークの概略図を示    す。
【図５】図５は、多層プレーナ技術において均一なシールドされた差動伝送線路を実    装するために使用される典型的な構造の断面図を示す。
【図６】図６は、図８に示される伝送線路との接続に使用される結合器構造を示す。
【図７】図７は、容量式結合器の平面図を示す。
【図８】図８は、誘導式結合器の平面図を示す。
【図９】図９は、グラウンドプレーンとの抵抗接続を有する結合器の平面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１は、ポイントツーポイント方式の信号伝送についての一般的な回路の概略図を示す。この回路は、送信機１１と、受信機１２と、伝送線路１とを含む単純な構成からなる。物理的な伝送線は、典型的には、送信機の出力から受信機の入力への電流の流れを容易にするための導電経路（例えばワイヤ）と、対向する電流が受信機から送信機に戻ることができるようにするための第二の導電経路とを含む。このような経路を複数含むシステムでは、戻り経路が複数の伝送線路によって共有されることがあり、この場合、伝送線路はしばしば「シングルエンド」と呼ばれる。また、他のこのようなシステムでは、伝送線路の各々に固有の戻り経路が設けられており、この場合、伝送線路はしばしば「差動式」と呼ばれる。
【００１７】
伝達信号の様々な周波数成分は、伝送線路に沿って波として伝播する。特に高周波数成分の場合、伝送線路の物理的な長さは、その成分の波長の相当割合となり得る。このような場合、受信信号の品質は、伝送線路上の反射信号の存在によって劣化する可能性がある。信号品質を保持するには、受信機に終端抵抗２０を設けることが一般的である。この終端抵抗の値が伝送線路の特性インピーダンスと一致していれば、信号パワーは抵抗中で散逸し、信号反射は起こらない。
【００１８】
用途によっては、図２に示されるように、信号を伝送線路に沿って配置された複数の受信機に送信することが望ましい。このような構成では、受信機は送信されたパワーの全てを共有するため、各受信機は送信されたパワーの一部のみを受け取る。この構成を容易にするために、伝送線路からの信号を各受信機に結合するための結合器３０を備えることが好適である。伝送線路と受信機との間の信号結合を制御することに加えて、結合器３０は、伝送線路の特性インピーダンスに感知可能な局所的変化をもたらしてはならない。それは、受信された信号の品質を劣化させる望ましくない信号反射の原因となるからである。また、信号パワーの一部が受信機に分配されないという通常の場合には、伝送線路の終端に抵抗２０が設けられ、終端でのパワーの反射が回避される。
【００１９】
図３は、伝送線路に沿って配置された複数の送信機が信号パワーを共通の受信機に送信する、逆の状況を示している。この構成において同様の結合器構造を使用してもよい。上述の場合のように、結合器により導入される伝送線路の特性インピーダンスの局所的変化は、無視できる程度であることが同様に望ましい。
【００２０】
これらの構成を一般化したものが図４に示されており、ここではバイモーダル送信−受信回路１３が使用されている。この種の構成では、複数の受信機または送信機が、能動回路の選択された動作モードに応じて共通の送信機または受信機をそれぞれ共有することができる。何れのモードにおいても、結合構成に関する同様の設計上の検討事項が当てはまる。
【００２１】
＜低反射コンパクト広帯域差動結合器＞
信号線自体に加え、図４に示されるシリアル分配ネットワークにおける重要な構造は、結合器３０である。良好な信号品質を維持するために、結合器は、これらが分配伝送線路にほとんど信号反射を導入しない特性を備えることが望ましい。これには、主伝送線路の特性インピーダンスが結合器の存在によって撹乱されないようにすることが必要である。この基準を満たすことは、プレーナ技術にたいてい典型的に存在する製造上のばらつきによって複雑となる。これらのばらつきは、伝送線路の特性インピーダンスのばらつきに繋がる。したがって、伝送線路に影響を与える製造上のばらつきが、結合器にも同様の影響を与えるような結合構造を考案し、たとえばらつきがあっても信号反射が最小化されることが望ましい。
【００２２】
マイクロ波システムにおいて、方向性結合器は、信号エネルギーの一部を第一の信号伝送線路から別の第二の伝送線路へ感知可能な信号反射を発生させることなく取り出すために一般的に使用される。プレーナ技術では、方向性結合器は通常一対の伝送線路からなり、その長さは伝送線路における所望の中心動作周波数における信号波長の４分の１に相当するように構成されている。２本の線路は近接して設置され、その結果、これらの間に電磁結合が生じる。この構造寸法を適切に選択することにより、所望の特性の結合強度と特性インピーダンスとを有する結合器を実現することができる。さらに、これらの構造は指向特性を示し、1つの線路から他の線路に結合される信号は優先的に一つの方向に流れる。広い周波数範囲にわたって結合強度と方向性とを示すことが意図される高性能結合器は、結合線路の４分の１波長区間を複数カスケード接続することによって製作される。
【００２３】
これらの従来の方向性結合器は、これらが接続される伝送線路と同じプレーナ構造に実装されると、上述の製造ばらつきの影響を受けないという好ましい特性を示す。結合器内の結合された伝送線路の構造は通常、結合器が接続される主伝送線路の構造と同様である。その結果、伝送線路の特性インピーダンスに影響を与える構造および材料のばらつきは、典型的に、結合器の特性インピーダンスにも同様の影響を与える。この種類の結合器の欠点は、用途によってはその物理的サイズが大きいことである。
【００２４】
後述の実施形態は、コンパクトな構造が必要な用途に使用することができる。この場合、信号波長の４分の１よりも実質的に短い、より一層コンパクトな構造で、広い周波数範囲にわたって適切な結合を得ることができる。
【００２５】
図５は、ＰＣＢ等の多層プレーナ技術において、均一シールド付き差動伝送線路を実装するために使用される典型的な構造の断面図を示す。かかる構造において、信号線６０および６１からなる差動対は、周辺シールド構造を形成している上部層６２と下部層６３とを備える金属層の中に形成されている。これらのシールド層は、通常、この断面図の法線の長さに沿って間隔をあけて設置された垂直導電ビア７０によって、電気的に接続されている。周辺シールド構造の電位は、典型的には基準（「グラウンド」）とされ、差動信号線の電位は、この基準に関して対称に変化し、振幅は等しく、符号が反対となる。金属平面の間の領域には、誘電体９０が充填される。
【００２６】
差動伝送線路において、２つの信号線６０および６１の幅８１は同じである。特性インピーダンスの差は、線幅８１および間隔８０ならびに構造の垂直寸法８２、８３および８４によって決定される。
【００２７】
線幅および間隔は、通常、誘電体の厚さと同等である。例えば、説明されている実施形態において、各誘電体層の厚さは２５０ミクロン（０．２５ｍｍ）であり、線幅は２００ミクロンであり、および間隔は２５０である。
【００２８】
図６に、結合器の構造が断面で示されている。結合器内の信号線６４および６５は、結合器の領域外であって伝送線路内で、信号線６０および６１にそれぞれ直接接続されるが、それらの寸法８５および８６は異なっていてもよい。同じ幅の結合器電極６６および６７は、外側シールド６２中に形成される。これらの電極は、線に沿ってある所望の長さだけ延びる。動作中、差動伝送線路６４および６５に沿って通過する信号は、それぞれ、結合器電極６６および６７に差動電圧および／または電流を誘導する。結合された信号強度は、ある程度電極の長さによって決まる。
【００２９】
図５および図６を見ると、これら２つの中の信号線の構造が同様であることがわかる。電磁的シミュレーションと分析に基づき、結合器内の線の寸法８５および８６は、結合器内の線の特性インピーダンスが結合器の外の線と厳密に一致するように選択することができ、これによって２本の線間の連結部における信号反射が最小化される。結合器電極についての誘導電圧が信号線についての電圧と比較して小さければ、そのときは伝送線路を取り囲む電界分布は電極の存在によってさほど撹乱されない。これは、それらの電位がシールドの電位と大きくは異ならないからである。その場合、結合器の内部および外部の信号線の幅８６および８１は同様となり、空間８５および８０も同様であり得る。
【００３０】
結合器内および結合器の外の線の寸法が、同様の特性インピーダンスになるように調整され、かつ、線の寸法が２つの場合で同程度である場合、一方の特性インピーダンスに影響を与える製造中の構造および材料のばらつきは、他方に対しても同様の影響を有する。このような場合、結合器を上述のようなシリアル分配ネットワーク内で使用すれば、これらは信号反射の導入により信号品質を大幅に劣化させることがない。さらに、伝送線路の特性インピーダンスを変化させる製造ばらつきは、結合器構造においても同様のばらつきを生じさせ、それによって信号品質が保持される。
【００３１】
この種の結合器構造は、３種類の方法で構成することができる。図７は、容量式結合器の平面図を示す。この図において、結合器電極６６および６７は、当該結合器電極を表す島状金属膜を取り囲む空白領域（金属のない領域）により示されるように、周辺シールド（グラウンド）６２から電気的に絶縁されている。信号線６４および６５は、結合器電極の下を通る。コンタクト領域６８および６９は、側方にずらして設けられ、結合器を外部回路に接続できるようにする。この種の結合器は主として容量式であり、これは、結合器電極に電圧が誘導されても電流がほとんど流れることができないからである。これらの結合器は、高インピーダンスの検出回路に接続された場合、広い周波数範囲にわたって比較的一定の電圧ゲイン特性を有する。電圧ゲインは、結合器電極の長さを変えることによって調整され得る。
【００３２】
同様の誘導式結合器の平面図が図８に示されている。これは、容量式バージョンと同じ構造的特徴を有する。唯一の構造的な相違は、図の右側（すなわち、コンタクトパッドのある端部とは反対側の端部）の電極がグラウンドプレーン６２に接続されている点である。この結合器の種類は、電流が結合器電極に誘導されるが、電圧はほとんど発生しないため、主として誘導式である。この種の結合器は、低インピーダンスの能動回路に接続された場合、広い周波数範囲にわたって比較的一定の電流ゲインを有する。
【００３３】
抵抗接続された結合器の平面図が図９に示される。この構造においては、追加された抵抗器１００が電極をグラウンドプレーンに接続している。抵抗接続のために、結合器電極上で誘導される信号は電流と電圧の組合せであり、そのため、この種の結合器は図７および８に示されている種類のハイブリッドである。さらに、構造の寸法および接続１００に使用される抵抗の値を適切に選択することにより、これらの結合器は、これらが従来の方向性結合器で使用されている４分の１波長より実質的に短くても、所望の方向性特性を示す。従来の４分の１波長結合器は、対応する４分の１波長の周波数付近で一定の振幅の周波数応答を有する。これらの短い結合器は一般に、その応答の振幅においてより大きい周波数属性を示す。
【００３４】
上述のように、これらの種類の結合器は、図２に示されるように、多くの受信機に信号をシリアル分配する必要のある用途において有益である。この場合、すべての受信機１２においてほぼ一定の信号強度を保つことが望まれる。しかしながら、分配伝送線路１に固有の信号損失に起因して、また、連結された各結合器が少量のパワーしか伝送線路から抽出しないため、線路内の信号強度は送信機１１からの距離が長くなるに伴い減衰する。これらの損失は、連鎖内の各結合器の長さを調整して、その結果、送信機に近く信号が最も強力な結合器がより短くなるようにして、これらに付与されるゲインをより少なくし、また、連鎖の端の信号が最も弱くなる結合器がより長くなるようにし、これらに付与されるゲインがより多くなるようにすることで、補償することができる。結合器の長さを適切に調整することにより、各受信機における信号強度を同じにすることができる。
【００３５】
同様の状況は、図３に示されるように、多くの信号を直列にまとめる必要のある用途においても発生する。この場合、受信機２０から最も遠い場所から発せられた信号は、それらが分配線１に沿って進むにつれてより大きく減衰する。この減衰は、結合器の長さを、各送信機１１から共通の受信機２０へのゲインが略等しくなるように調整することにより（例えば、受信機から最も遠い結合器の長さをより長くすることにより）補償することができる。このようにして受信され、まとめらたれ信号は、送信された個々の信号のすべての合計と略等しい。
【００３６】
従来の方向性結合器は、分配線に直接物理的に接続された個別の構成要素である。これらを分配線に挿入するには線を切断しなければならない。そのため、分配線は１つの端子ポートにおいて結合器に入り、別の端子ポートから出る。そして結合器内での内部接続により、導入線と導出線との間の電気経路の連続性が具備される。主分配線および結合器は２つの異なる技術的実装法で製作されるため、製造ばらつきによってこれらは伝送線路の特性に若干の差異をもたらし、その結果、インピーダンス不連続性と信号反射とが生じる。これらの反射は、特にその効果が累積し得るシリアル分配ネットワークにおいて、回路の機能を損なう可能性がある。上述された種類の組み込み結合器にはこれがない。２つ以上のこのような結合器が直列で配置され一般的な技術において実装された複合的構造は、従来の個別の実装形態と比較して、優れた品質の新規な構造を構成する。
【００３７】
図７、８、および９に示されている実施形態において、コンタクトまたはパッド領域６８および６９は、側方にずらして配置され、これらが下層の結合器信号線６４および６５の上に重ならないことが示されている。そのようにしたのは、本開示に記載されている三層の金属がこれらの上に他の層を有する、すなわち、これらがより大きな多層積層体の一部であると仮定したからである。換言すれば、２つのパッド６８および６９が積層体の中央に埋め込まれると仮定した。その場合、これに垂直接続を行うためには、穿設されたビアを使用する必要がある。パッドが線の上にあったとすると、ドリルは信号線を通過し、それがドリル穴に形成されたビアと短絡する可能性がある。そのため、パッドは、線との干渉を回避するためにずらされている。
【００３８】
ある種の回路板構成については、これが不要となり得る。上部金属層が積層体の一番上にあると、下の金属層と短絡するとの懸念は問題にならず、この場合、コンタクト領域は結合器信号線の直上にあってもよい。
【００３９】
また、容量式結合器の場合、パッド６８および６９は、結合器の長さに沿った何れの場所に設置してもよい点にも注目される。しかしながら、導電性結合器の場合は、グラウンドプレーンへと融合する地点とは反対側の端部でなければならない。
【００４０】
通常、結合器を線路内の２分の１波長と比較して短くすることが望ましいが、これは厳格な要求事項ではない。インピーダンスを略一定に保つために結合器に求められる重要な事項は、それが有する電圧ゲインがユニティゲインよりはるかに低いことである。これによって、結合器電極は周辺のグラウンドプレーンと略同様となり、電位の分配をほとんど撹乱しないことが確実となる。より長い結合器では、より大きいゲインが生じる。十分に長くなると、これらは異常な挙動を起こし始め、望ましくない共振を示し得る。
【００４１】
従来の方向性結合器は、４分の１波長伝送線路区間で製作される。広帯域結合器には、このような４分の１波長区間のカスケードが必要となるため、これらはかなり大きくなり得る。例えば、１ＧＨｚでは、単純な４分の１波長方向性結合器の長さは１．５インチとなるであろう。１１０ＭＨｚの中心周波数で動作する回路板内の中間周波数結合器は、１３．６インチの長さである必要がある。これと比較して、本明細書に記載されている構造を用いた同種の結合器は、１インチ未満の長さである（線幅と間隔はそれぞれ２００および２５０ミクロンである）。
【００４２】
ＰＣＢに関しては、公知の各種の製造方法を使用することができる。主に、これらは両面が銅箔で被覆された誘電体（通常は、ガラス強化樹脂）のシートで組み立てられる。誘電体は通常、ファイバガラスマトリクスに有機誘電体（エポキシ、ポリイミド、ラッカ、テフロン（登録商標）、その他）を含浸させたものである。多くの権利保護された樹脂およびガラス組成物がある。導体パターンが箔にエッチング加工される。これらのシートの複数の層が、未硬化の状態で、より誘電性の高い介在層と共に整列され、積層される。これらは、一体的に圧縮され焼成されて、積層構造物へと積層加工される。次に、穴開けされ、金属めっきされて、垂直層間ビアが形成される。
【００４３】
本明細書に記載されている技術は、マルチポイント信号発生ネットワークと低コストのアンテナアレイとに特に有用であり、これらは例えばそれぞれ米国特許第８，２５９，８８４号および米国特許第８，６１１，９５９号に記載されており、それらの内容全体が本明細書に援用される。例えば、米国特許第８，２５９，８８４号特許における図５を参照すると、２つのツリー状ネットワークが示されており、その一方が第一の搬送信号を送り、その２つ目は、第二の搬送信号を送る。所々で一方のツリー状ネットワークの分枝が他方のツリー状ネットワークの、それに対応する枝に沿って（例えば「平行に」）延びる。その対の分枝に関して、一方が第一の搬送信号を一方向に送り、他方の分枝が第二の搬送信号をもう一方の方向に送る。二重平行伝送線路の長さに沿って、多数の到達時間平均化回路（Arrival-Time-Averaging Circuits：ＡＴＡＣｓ）があり、その各々の１つの入力が伝送線路の１つに接続され、第二の入力が他方の伝送線路に接続される。ＡＴＡＣ回路との接続を、本明細書に記載されている結合器を使用して実装することにより、これらの回路が二重伝送線路を通過する信号に与える影響を減少させることができる。
【００４４】
他の実施形態は以下の特許請求の範囲に記載されている。
【図１】
2019165213.tif 000003
【図２】
2019165213.tif 000004
【図３】
2019165213.tif 000005
【図４】
2019165213.tif 000006
【図５】
2019165213.tif 000007
【図６】
2019165213.tif 000008
【図７】
2019165213.tif 000009
【図８】
2019165213.tif 000010
【図９】
2019165213.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成31年3月28日(2019.3.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号分配構造であって、
誘電材料と、
前記誘電材料の第一の高さにある上部導電層であって、当該上部導電層によって四方が囲まれる窓部を備えている上部導電層と、
前記誘電材料の前記第一の高さよりも下の第二の高さにあって、前記誘電材料中に埋設されていることによって前記上部導電層から物理的に離間されている第一の信号線であって、前記窓部が平面視で当該第一の信号線の一部分と重なるとともに当該第一の信号線の前記一部分に平行に延設されており、かつ、当該第一の信号線は当該第一の信号線の前記一部分の両端において前記上部導電層の下方に延設されている第一の信号線と、
前記誘電材料の前記第一の高さにあって前記窓部内に配置されている第一の結合器電極であって、前記第一の信号線の上方であり、前記第一の信号線に平行であり、かつ、前記誘電材料によって前記第一の信号線から電気的に絶縁されている第一の結合器電極と、
を備え、
前記第一の結合器電極は、前記第一の信号線よりも短く、少なくとも当該第一の結合器電極の周縁の大部分に沿って前記上部導電層から電気的に絶縁されている、信号分配構造。
【請求項２】
信号分配構造であって、
誘電材料と、
前記誘電材料の第一の高さにある上部導電層であって、当該上部導電層によって四方が囲まれる窓部を備えている上部導電層と、
前記誘電材料の前記第一の高さよりも下の第二の高さにあって、前記誘電材料中に埋設されていることによって前記上部導電層から物理的に離間されている第一の信号線であって、前記窓部が平面視で当該第一の信号線の一部分と重なるとともに当該第一の信号線の前記一部分に平行に延設されており、かつ、当該第一の信号線は当該第一の信号線の前記一部分の両端において前記上部導電層の下方に延設されている第一の信号線と、
前記誘電材料の前記第一の高さにあって前記窓部内に配置されている第一の結合器電極であって、前記第一の信号線の上方であり、前記第一の信号線に平行であり、かつ、前記誘電材料によって前記第一の信号線から電気的に絶縁されている第一の結合器電極と、
を備え、
前記第一の結合器電極は、前記第一の信号線よりも短く、少なくとも当該第一の結合器電極の周縁の大部分に沿って前記上部導電層から電気的に絶縁されており、
前記誘電材料の前記第二の高さにあって、前記第一の信号線に平行で、かつ、前記上部導電層から前記誘電材料中に埋設されていることによって物理的に離間されている第二の信号線であって、前記窓部が平面視で当該第二の信号線の一部分と重なるとともに当該第二の信号線の前記一部分に平行に延設されており、かつ、当該第二の信号線は当該第二の信号線の前記一部分の両端において前記上部導電層の下方に延設されている第二の信号線と、
前記誘電材料の前記第一の高さにあって、前記窓部内に配置されている第二の結合器電極であって、前記第二の信号線の上方であって、前記第二の信号線に平行であり、かつ、前記誘電材料によって前記第二の信号線から電気的に絶縁されている第二の結合器電極と、をさらに含み、
前記第二の結合器電極は、前記第二の信号線よりも短く、少なくとも当該第二の結合器電極の周縁の大部分に沿って前記上部導電層から電気的に絶縁されている、信号分配構造。
【請求項３】
前記誘電材料の第三の高さに下部導電層をさらに含み、
前記誘電材料の前記第二の高さは、前記誘電材料の前記第一の高さと前記第三の高さとの間にある、請求項２に記載の信号分配構造。
【請求項４】
前記第一および第二の結合器電極の各々は、相互に物理的に離間され、かつ、前記上部導電層から物理的に離間された島状金属である、請求項２または３に記載の信号分配構造。
【請求項５】
前記第一および第二の結合器電極の各々は、一方の端部で前記上部導電層と物理的かつ電気的に接触している、請求項２または３に記載の信号分配構造。
【請求項６】
前記第一の結合器電極は、前記第一の結合器電極に電気的に接続するためのコンタクトパッド領域を含み、前記第二の結合器電極は、前記第二の結合器電極に電気的に接続するためのコンタクトパッド領域を含む、請求項２〜５のいずれか１項に記載の信号分配構造。
【請求項７】
前記第一および第二の結合器電極の前記コンタクトパッド領域は、それぞれ前記第一および第二の結合器電極の一方の端部にある、請求項６に記載の信号分配構造。
【請求項８】
前記第一および第二の信号線は、それぞれ前記上部および下部導電層が位置する前記第一および第三の高さから等距離にある、請求項３に記載の信号分配構造。
【請求項９】
前記誘電材料を貫通し、前記上部および下部導電層を共に電気的に接続する複数の導電ビアをさらに含む、請求項３または８に記載の信号分配構造。
【請求項１０】
前記第一の信号線のうちの前記第一の結合器電極の下にある部分は、前記第一の信号線のうちの前記上部導電層の下にある部分と比較して幅が異なり、前記第二の信号線のうちの前記第二の結合器電極の下にある部分は、前記第二の信号線のうちの前記上部導電層の下にある部分と比較して幅が異なる、請求項２〜９のいずれか１項に記載の信号分配構造。
【請求項１１】
前記誘電材料と前記上部および下部導電層とは、プリント回路基板技術を使用して製造されている、請求項３，８，９のいずれか１項に記載の信号分配構造。
【請求項１２】
前記第一および第二の信号線は、前記上部および下部導電層と共同してシールドされた差動伝送線路を形成する、請求項３，８，９，１１のいずれか１項に記載の信号分配構造。
【請求項１３】
前記第二の結合器電極の一方の端部を前記上部導電層に電気的に接続する第二の抵抗素子をさらに含む、請求項２〜１２のいずれか１項に記載の信号分配構造。
【請求項１４】
前記第一の結合器電極の一方の端部を前記上部導電層に電気的に接続する第一の抵抗素子をさらに含む、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の信号分配構造。
【請求項１５】
前記第一の結合器電極は島状金属であって、前記上部導電層から物理的に隔離され、かつ、電気的に絶縁されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の信号分配構造。
【請求項１６】
前記誘電材料の第三の高さに下部導電層をさらに含み、
前記誘電材料の前記第二の高さは、前記誘電材料の前記第一の高さと前記第三の高さとの間にある、請求項１に記載の信号分配構造。
【請求項１７】
前記誘電材料を貫通し、前記上部および下部導電層を共に電気的に接続する複数の導電ビアをさらに含む、請求項１６に記載の信号分配構造。
【請求項１８】
前記誘電材料と前記上部および下部導電層とは、プリント回路基板技術を使用して製造されている、請求項１６または１７に記載の信号分配構造。