(57)【要約】【課題】特性インピーダンスを所望の値に設定する。【解決手段】ストリップ線路は、誘電体１０の表面に形成された表面グランドＬ３と、誘電体１０の裏面に形成された裏面グランドＬ１と、表面グランドＬ３と裏面グランドＬ１との間の誘電体１０中に形成された信号線路Ｌ２とを備える。誘電体１０の表面には、ギャップ１１が信号線路Ｌ２の信号伝搬方向に沿って形成され、誘電体１０の裏面には、ギャップ１２が信号線路Ｌ２の信号伝搬方向に沿って形成されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体の表面に形成された表面グランドと、
前記誘電体の裏面に形成された裏面グランドと、
前記表面グランドと前記裏面グランドとの間の前記誘電体中に形成された信号線路とを備え、
前記表面グランドと前記裏面グランドの各々に前記信号線路の信号伝搬方向に沿ってギャップが設けられていることを特徴とするストリップ線路。
【請求項２】
請求項１記載のストリップ線路において、
信号伝搬方向に沿った前記信号線路の中心線の水平位置と、前記表面グランドと前記裏面グランドの各々に設けられたギャップの中心線の水平位置とが一致することを特徴とするストリップ線路。
【請求項３】
請求項１または２記載のストリップ線路において、
前記表面グランドに設けられたギャップの幅ａと前記裏面グランドに設けられたギャップの幅ｂとは、前記信号線路の所望の幅Ｗとストリップ線路の特性インピーダンスＺ0の所望の値とに応じて設定されることを特徴とするストリップ線路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば化合物半導体高速ＩＣに好適な高周波伝送線路であるストリップ線路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ストリップ線路は、簡潔な構造によって伝送路を構成することができることから、高周波伝送線路として広く使われている（非特許文献１参照）。図６（Ａ）は従来のストリップ線路の構造を示す平面図、図６（Ｂ）は図６（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。ストリップ線路は、図６（Ａ）、図６（Ｂ）に示すように、表面に導体Ｌ３が形成され、裏面に導体Ｌ１が形成された板状の誘電体１０の内部に線状の導体Ｌ２を形成した構造を持ち、電磁波を伝達する伝送線路である。線状の導体Ｌ２が伝送線路で、表面と裏面の導体Ｌ３，Ｌ１はＧＮＤになっている。図６（Ａ）、図６（Ｂ）では、伝送線路の幅をＷ、長さをＬとしている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】B.C.Wadell，“Transmission Line Design Handbook”，Artech House Publishers.，P125-133，1991
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ストリップ線路の場合、特性インピーダンスＺ0を決定するものとして、線路幅Ｗと誘電体１０の厚さＴと誘電体１０の誘電率εｒが挙げられるが、誘電体１０の厚さＴや誘電率εｒは簡単には変えることが出来ない。そこで通常、ＩＣ設計では線路幅Ｗを変化させ、線路の特性インピーダンスＺ0を所望の値に設定している。
【０００５】
しかしながら、ＩＣチップの小型化および低コスト化や線路の損失の低減が求められるアプリケーションに対しては、線路幅Ｗにも制約が生じる。具体的には、ＩＣチップの小型化のためには、線路幅Ｗを小さくする必要があり、線路の伝送損失の低減のためには、線路幅Ｗを大きくする必要がある。したがって、チップサイズと線路の伝送損失とに要求値がある場合には、許容される線路幅Ｗの範囲が制限される。この結果、線路の特性インピーダンスＺ0を所望の値に設定することが困難であった。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、特性インピーダンスを所望の値に設定することができるストリップ線路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のストリップ線路は、誘電体の表面に形成された表面グランドと、前記誘電体の裏面に形成された裏面グランドと、前記表面グランドと前記裏面グランドとの間の前記誘電体中に形成された信号線路とを備え、前記表面グランドと前記裏面グランドの各々に前記信号線路の信号伝搬方向に沿ってギャップが設けられていることを特徴とするものである。
また、本発明のストリップ線路の１構成例は、信号伝搬方向に沿った前記信号線路の中心線の水平位置と、前記表面グランドと前記裏面グランドの各々に設けられたギャップの中心線の水平位置とが一致することを特徴とするものである。
また、本発明のストリップ線路の１構成例において、前記表面グランドに設けられたギャップの幅ａと前記裏面グランドに設けられたギャップの幅ｂとは、前記信号線路の所望の幅Ｗとストリップ線路の特性インピーダンスＺ0の所望の値とに応じて設定される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、表面グランドと信号線路と裏面グランドとを備えたストリップ線路において、信号線路の信号伝搬方向に沿って表面グランドと裏面グランドの各々にギャップを設け、これらのギャップの幅ａ，ｂの値を適宜調節することによって、線路幅を一定に保持したまま（すなわち、トレードオフの関係にある信号線路のサイズとストリップ線路の伝送損失とを一定に保持したまま）、ストリップ線路の特性インピーダンスを所望の値に設定することができる。また、ギャップの幅ａ，ｂの値を適宜調節することにより、ストリップ線路の特性インピーダンスを一定に保持したまま、チップサイズと伝送損失の要求条件から最適な線路幅を設定することができる。つまり、チップサイズと伝送損失はトレードオフの関係にあるので、ＩＣチップの小型化が求められるアプリケーションにおいては、特性インピーダンスを一定に保持できる範囲において、線路幅を小さく設定することができ（伝送損失は大きくなる）、ストリップ線路の伝送損失の低減が求められるアプリケーションにおいては、特性インピーダンスを一定に保持できる範囲において、線路幅を大きく設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態に係るストリップ線路の構造を示す平面図および断面図である。
【図２】線路幅およびギャップの幅とストリップ線路の特性インピーダンスとの関係を示す図である。
【図３】ギャップの幅とストリップ線路の特性インピーダンスとの関係を示す図である。
【図４】線路幅およびギャップの幅とストリップ線路の伝送損失との関係を示す図である。
【図５】ギャップの幅とストリップ線路の伝送損失との関係を示す図である。
【図６】従来のストリップ線路の構造を示す平面図および断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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。図１（Ａ）は本実施の形態に係るストリップ線路の構造を示す平面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＡ−Ａ線断面図である。本実施の形態のストリップ線路は、板状の誘電体１０の表面に形成された板状の導体からなる表面グランドＬ３と、誘電体１０の裏面に形成された板状の導体からなる裏面グランドＬ１と、表面グランドＬ３および裏面グランドＬ１と平行になるように誘電体１０中に形成された帯状の導体からなる信号線路Ｌ２とを備え、誘電体１０の表面に表面グランドＬ３が無く気体（空気）で満たされた領域であるギャップ１１が信号線路Ｌ２の信号伝搬方向（図１（Ａ）上下方向）に沿って形成され、誘電体１０の裏面に裏面グランドＬ１が無く気体（空気）で満たされた領域であるギャップ１２が信号線路Ｌ２の信号伝搬方向に沿って形成されていることを特徴としている。
【００１１】
本実施の形態では、信号線路Ｌ２の厚みを１μｍ、表面グランドＬ３の厚みを１μｍ、裏面グランドＬ１の厚みを１μｍとした。なお、表面グランドＬ３と裏面グランドＬ１との間に信号線路Ｌ２を挿入する場合、導体の厚みよりも誘電体１０の厚みの方がストリップ線路の特性に強く影響を及ぼし、また信号を伝送した場合、電荷は導体の内部に一様に分布するのではなく、表面に集中するので、本発明の場合、信号線路Ｌ２と表面グランドＬ３と裏面グランドＬ１の厚みは上記の数値に限定されるものではない。
【００１２】
ギャップ１１は、信号伝搬方向に沿った信号線路Ｌ２の中心線ａ0の水平位置（図１（Ｂ）の左右方向の位置）とギャップ１１の中心線ｂ0の水平位置とが一致するように配置される。同様に、ギャップ１２は、信号伝搬方向に沿った信号線路Ｌ２の中心線ａ0の水平位置とギャップ１２の中心線ｃ0の水平位置とが一致するように配置される。
【００１３】
信号伝搬方向と垂直な方向におけるギャップ１１の幅ａとギャップ１２の幅ｂの値を調節することにより、信号線路Ｌ２の線路幅Ｗを一定に保持したまま、ストリップ線路の特性インピーダンスＺ0を変化させることが可能となる。また、ギャップ１１の幅ａとギャップ１２の幅ｂの値を調節すれば、ストリップ線路の特性インピーダンスＺ0を一定に保持したまま、線路幅Ｗを任意に設定することが可能となる。表面グランドＬ３と信号線路Ｌ２間の距離をＸ、信号線路Ｌ２と裏面グランドＬ１間の距離をＹとすると、幅ａ，ｂの値の変化がストリップ線路の特性インピーダンスＺ0の変化に及ぼす影響は、距離ＸおよびＹが小さいほど大きくなる。
ストリップ線路の特性インピーダンスＺ0は式（１）で表される。
【００１４】
【数１】
2015149645.tif 000003
【００１５】
ここで、Ｒはストリップ線路の単位長あたりの直列抵抗（Ω）、Ｌはストリップ線路の単位長あたりの直列インダクタンス（Ｈ）、Ｇはストリップ線路の単位長あたりの並列コンダクタンス（Ｓ）、Ｃはストリップ線路の単位長あたりの並列静電容量（Ｆ）である。
【００１６】
ギャップ１１，１２の幅ａ＝ｂ＝０の場合（ギャップ１１，１２が存在しない場合）、並列静電容量Ｃや並列コンダクタンスＧの値が大きくなり、ストリップ線路の特性インピーダンスＺ0は小さくなる。この時の特性インピーダンスＺ0の値をＺ1とする。
ギャップ１１，１２の幅ａ＝ｂ＝∞の場合（表面グランドＬ３と裏面グランドＬ１が存在しない場合）、並列静電容量Ｃや並列コンダクタンスＧの値が小さくなり、ストリップ線路の特性インピーダンスＺ0は大きくなる。この時の特性インピーダンスＺ0の値をＺ2とする。
【００１７】
ギャップ１１，１２の幅ａ，ｂが０〜∞の間では、幅ａ，ｂの値を調節することにより、ストリップ線路の特性インピーダンスＺ0をＺ1〜Ｚ2の間で任意に決定することができる。
【００１８】
また、信号線路Ｌ２の線路幅Ｗを大きくすると、並列静電容量Ｃや並列コンダクタンスＧの値が大きくなり、ストリップ線路の特性インピーダンスＺ0は小さくなる。この特性インピーダンスＺ0の減少分を、ギャップ１１，１２の幅ａ，ｂの値の調節によって補償することで、特性インピーダンスＺ0を一定に保持したまま、線路幅Ｗの値をある範囲内で任意に設定することができる。
【００１９】
なお、式（１）によると、ストリップ線路の特性インピーダンスＺ0は周波数の関数である。すなわち、低周波数（ＧＨｚ以下）では特性インピーダンスＺ0は高くなり、高周波数になるにつれて特性インピーダンスＺ0は低くなる。ただし、数十ＧＨｚ以上になると、特性インピーダンスＺ0は周波数に殆ど依存しない値となる。本実施の形態では、高周波数（ＧＨｚオーダー）の信号を伝送するストリップ線路を想定しているので、ストリップ線路の特性インピーダンスＺ0は周波数によって殆ど変動しない。以下の例で示す特性インピーダンスＺ0および伝送損失ＴＬの値は周波数６０ＧＨｚの信号を伝送した場合のものである。
【００２０】
裏面グランドＬ１と信号線路Ｌ２と表面グランドＬ３の材料としてＡｕ（金）を使用し、誘電体１０としてベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）基板（εｒ＝２．７、（文献「酒井啓之他，“ＢＣＢ誘電体を用いた低損失ミリ波フリップチップＩＣ”，電子情報通信学会技術研究報告．ＥＤ，電子デバイス９６（４６２），Ｐ４１−４６，１９９７−０１−２４」参照））を用いた、線路長３００μｍ（図１（Ａ）の上下方向の長さ）のストリップ線路の特性インピーダンスＺ0の変化を図２に示す。ここでは、表面グランドＬ３と信号線路Ｌ２間の距離Ｘ＝１．０μｍ、信号線路Ｌ２と裏面グランドＬ１間の距離Ｙ＝１．０μｍとした。
【００２１】
図２の２０がギャップ１１，１２の幅ａ＝ｂ＝∞の場合の特性インピーダンスＺ0の変化を示し、２１が幅ａ＝ｂ＝０μｍの場合の特性インピーダンスＺ0の変化を示している。幅ａ＝ｂ＝∞の場合は、帯状の信号線路Ｌ２のみが存在する従来の孤立配線となり、幅ａ＝ｂ＝０μｍの場合は、表面グランドＬ３と裏面グランドＬ１が有ってギャップ１１，１２が無い従来のストリップ線路となる。本実施の形態のストリップ線路の構成は、ギャップ１１，１２の幅ａ，ｂの値が０＜ａ＜∞、０＜ｂ＜∞の場合であり、図２の２０と２１の間のエリアが本実施の形態のストリップ線路の特性インピーダンスＺ0となる。
【００２２】
図３は線路幅Ｗを６μｍに固定した場合のギャップ１１，１２の幅ａ，ｂとストリップ線路の特性インピーダンスＺ0との関係を示す図である。シミュレーションの簡素化のため、ここではａ＝ｂに設定している。また、ａ＝ｂ＝∞の場合、シミュレーションの収束性が悪いため、信号線路Ｌ２の端から線路幅方向に上下３０μｍ離れたところに表面グランドＬ３と裏面グランドＬ１があるものとしてシミュレーションを行っている。
【００２３】
図２、図３より、ギャップ１１，１２の幅ａ，ｂの値を変化させることで、図２の２０の値（ａ＝ｂ＝∞の時のＺ0＝Ｚ2）から図２の２１の値（ａ＝ｂ＝０の時のＺ0＝Ｚ1）までの範囲で、線路幅Ｗを変えることなく、特性インピーダンスＺ0を任意に設定可能なことが分かる。また、ギャップ１１の幅ａ，ｂの値を変化させることで、特性インピーダンスＺ0を変化させずに、線路幅Ｗを任意に設定可能なことが分かる。例えば特性インピーダンスＺ0を５０Ωに固定した場合、ギャップ１１，１２の幅ａ，ｂの値を０〜∞まで変化させることにより、線路幅Ｗを３．４μｍ〜数十μｍの範囲で変化させることができる。
【００２４】
裏面グランドＬ１と信号線路Ｌ２と表面グランドＬ３の材料としてＡｕ（金）を使用し、誘電体１０としてベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）基板（εｒ＝２．７）を用いた、線路長３００μｍのストリップ線路の伝送損失ＴＬの変化を図４に示す。図２、図３の場合と同様に、表面グランドＬ３と信号線路Ｌ２間の距離Ｘ＝１．０μｍ、信号線路Ｌ２と裏面グランドＬ１間の距離Ｙ＝１．０μｍとした。
【００２５】
図４の４０がギャップ１１，１２の幅ａ＝ｂ＝∞の場合の伝送損失ＴＬの変化を示し、４１が幅ａ＝ｂ＝０μｍの場合の伝送損失ＴＬの変化を示している。幅ａ＝ｂ＝∞の場合は、帯状の信号線路Ｌ２のみが存在する従来の孤立配線となり、幅ａ＝ｂ＝０μｍの場合は、表面グランドＬ３と裏面グランドＬ１が有ってギャップ１１，１２が無い従来のストリップ線路となる。本実施の形態のストリップ線路の構成は、ギャップ１１，１２の幅ａ，ｂの値が０＜ａ＜∞、０＜ｂ＜∞の場合であり、図４の４０と４１の間のエリアが本実施の形態のストリップ線路の伝送損失ＴＬとなる。
【００２６】
図５は線路幅Ｗを６μｍに固定した場合のギャップ１１，１２の幅ａ，ｂとストリップ線路の伝送損失ＴＬとの関係を示す図である。図４、図５より、ギャップ１１，１２の幅ａ，ｂの値を変化させることにより、ストリップ線路の伝送損失ＴＬの値も変化することが分かる。
【００２７】
図３より、例えば線路幅Ｗを６μｍに固定すると、信号線路Ｌ２が孤立配線の場合（ａ＝ｂ＝∞の場合）、特性インピーダンスＺ0が大きくなることが分かる。ａ＝ｂ＝∞で、線路幅Ｗ＝６μｍの場合、特性インピーダンスＺ0＝９２Ωである。また、表面グランドＬ３と裏面グランドＬ１が有ってギャップ１１，１２が無いストリップ線路の場合（ａ＝ｂ＝０μｍ）、特性インピーダンスＺ0が小さくなることが分かる。ａ＝ｂ＝０μｍで、線路幅Ｗ＝６μｍの場合、特性インピーダンスＺ0＝２２Ωである。このように、ギャップ１１，１２の幅ａ，ｂの値を変化させることにより、ストリップ線路の特性インピーダンスＺ0を２２〜９２Ωの範囲で変化させることができる。
【００２８】
図５より、例えば線路幅Ｗを６μｍに固定すると、信号線路Ｌ２が孤立配線の場合（ａ＝ｂ＝∞の場合）、伝送損失ＴＬが小さくなることが分かる。ａ＝ｂ＝∞で、線路幅Ｗ＝６μｍの場合、伝送損失ＴＬは０．２６ｄＢである。また、表面グランドＬ３と裏面グランドＬ１が有ってギャップ１１，１２が無いストリップ線路の場合（ａ＝ｂ＝０μｍ）、伝送損失ＴＬが大きくなることが分かる。ａ＝ｂ＝０μｍで、線路幅Ｗ＝６μｍの場合、伝送損失ＴＬは０．６２ｄＢである。このように、ギャップ１１，１２の幅ａ，ｂの値を変化させることにより、ストリップ線路の伝送損失ＴＬを０．２６〜０．６２ｄＢの範囲で変化させることができる。
【００２９】
例えば、光通信用受信モジュールに使用されるトランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）の入出力インピーダンスは５０Ωであるため、インピーダンス不整合による反射の影響を低減するためには、ストリップ線路の特性インピーダンスＺ0も５０Ωであることが望ましい。
線路幅Ｗ＝６μｍの場合、ギャップ１１，１２の幅ａ＝ｂ＝８μｍに設定すると、特性インピーダンスＺ0を５０Ωに設定することができる。
【００３０】
以上のように、本実施の形態では、表面グランドＬ３と信号線路Ｌ２と裏面グランドＬ１とを備えたストリップ線路において、表面グランドＬ３と裏面グランドＬ１の各々にギャップ１１，１２を設け、ギャップ１１，１２の幅ａ，ｂの値を適宜調節することにより、線路幅Ｗを一定に保持したまま（すなわち、トレードオフの関係にある信号線路Ｌ２のサイズとストリップ線路の伝送損失とを一定に保持したまま）、ストリップ線路の特性インピーダンスＺ0を所望の値に設定することができる。また、ギャップ１１，１２の幅ａ，ｂの値を適宜調節することにより、ストリップ線路の特性インピーダンスＺ0を一定に保持したまま、チップサイズと伝送損失の要求条件から最適な線路幅Ｗを設定することができる。
なお、本実施の形態では、シミュレーションの簡素化のためにａ＝ｂに設定しているが、ギャップ１１，１２の幅ａ，ｂの値は個別に設定できることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明は、ＩＣ等に用いる高周波伝送線路に適用することができる。
【符号の説明】
【００３２】
Ｌ１…裏面グランド、Ｌ２…信号線路、Ｌ３…表面グランド、１０…誘電体、１１，１２…ギャップ。
【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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