(57)【要約】      （修正有）【課題】ＲＦ回路の設計自由度を増加し、シングルポート共振線路における性能を向上する為に誘電体回路基板材料を最適化する方法及び装置を提供する。【解決手段】無線周波数信号を処理する印刷回路はサブストレートを含み、サブストレートは、メタ材料であり、少なくとも１つの誘電体層１００を含む。誘電体層１００は、第１の領域１１２において第１の誘電特性を有し、第２の領域１１４において第２の誘電特性を有する。第２の誘電特性の誘電率及び／又は透磁率は、第１の誘電特性とは異なる。印刷回路は更に、シングルポートの共振線路１０２とサブストレートに接続する接地面１１６を含む。誘電特性は、共振線路１０２の寸法を調節するよう制御する。誘電特性は更に、共振線路１０２のインピーダンス、尖鋭度、及び／又は、キャパシタンスを調節するよう制御する。共振線路１０２の共振特性は、サブストレートを介して分布する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
無線周波数信号を処理する印刷回路であって、
上記印刷回路を配置することができるサブストレートであって、上記サブストレートが少なくとも１つの誘電体層を含み、上記誘電体層が、異なる誘電率及び異なる透磁率の少なくとも一方を有するよう差別的に変更される少なくとも第１の領域及び少なくとも第２の領域を有するサブストレートと、
上記サブストレート上に配置された少なくとも１つの接地と、
上記サブストレートの上記誘電体層の上記第２の領域上に配置されたシングルポート共振線路とを備えており、
フェライト含有有機化合物‐セラミック粒子、あるいは、
ニオブ含有有機化合物‐セラミック粒子、あるいは、
酸化アルミニウム、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化ニッケル、酸化ジルコニウム、及び、酸化ニオブ（ＩＩ、ＩＶ、Ｖ）、並びに、ニオブ酸リチウムを含む金属酸化物と、
ジルコン酸カルシウム及びジルコン酸マグネシウムを含むジルコン酸塩と、
マグネシウム、ストロンチウム又はニオブをドーピング金属として用いた、フェライトがドープされたチタン酸カルシウムと、
フェライト又はニオブがドープされたチタン酸ジルコン酸カルシウム若しくはバリウムとを有する群から選択される有機官能化された複合セラミック粒子と
を含む少なくとも１つのメタ材料を選択的に用いることによって差別的変更が達成され、
上記メタ材料は、分子レベル又はナノメートルレベルにおいて、２つ以上の異なる材料の混合又は配置から形成される複合材料である回路。
【請求項２】
上記シングルポート共振線路の１つの端は、上記接地に電気的に接続する請求項１記載の回路。
【請求項３】
上記シングルポート共振線路は、上記接地に対し電気的に開いている請求項１記載の回路。
【請求項４】
上記誘電体層の上記第２の領域は、上記シングルポート共振線路上の信号の伝搬速度を減少するよう、上記誘電体層の上記第１の領域から差別的に変更される請求項１記載の回路。
【請求項５】
上記誘電体層の上記第２の領域は、上記シングルポート共振線路上の共振を調節するよう、上記誘電体層の上記第１の領域から差別的に変更される請求項１記載の回路。
【請求項６】
上記誘電体層の上記第２の領域は、上記シングルポート共振線路上で測定される最大電圧及び最小電圧のうち少なくとも一方の振幅を調節するよう、上記誘電体層の上記第１の領域から差別的に変更される請求項１記載の回路。
【請求項７】
上記誘電体層の上記第２の領域は、上記シングルポート共振線路上で測定されるインピーダンスを調節するよう、上記誘電体層の上記第１の領域から差別的に変更される請求項１記載の回路。
【請求項８】
上記誘電体層の上記第２の領域は、上記シングルポート共振線路と別の構造との間のキャパシタンスを調節するよう、上記誘電体層の上記第１の領域から差別的に変更される請求項１記載の回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に、ＲＦ回路の設計自由度を増加し、より具体的には、シングルポート共振線路における性能を向上する為に誘電体回路基板材料を最適化するする方法及び装置に係る。
【背景技術】
【０００２】
ＲＦ回路、伝送線路、及びアンテナ素子は、一般的に、特別設計されるサブストレート基板上に形成される。このようなタイプの回路の目的のために、インピーダンス特性に関し、注意深い制御を維持することが重要である。回路の異なる部分のインピーダンスが整合しなければ、非効率的な電力伝達、構成要素の不必要な加熱、及び、他の問題が結果として生じる。これらの回路における伝送線路、及び、放射器の電気長も、重要な設計要素となり得る。
【０００３】
サブストレート材料の性能に影響を及ぼす２つの重要な要素は、誘電率（時に、比誘電率、又は、εｒと称する）と、損失正接（時に、散逸率と称する）である。比誘電率は、信号速度を決定し、従って、伝送線路、及び、サブストレート上に実装される他の構成要素の電気長を決定する。損失正接は、サブストレート材料を通る信号に生じる損失の量を決定する。損失は、周波数が増加すると、増える傾向にある。従って、低損失材料は、周波数が増加するに従いより重要となり、特に、受信器のフロントエンド、及び、低雑音増幅器回路を設計する際に、重要となる。
【０００４】
ＲＦ回路に使用する印刷された伝送線路、受動回路、及び、放射素子は、一般的に、３つの方法のうちいずれかによって形成される。マイクロストリップとして知られる１つの構成は、信号線路を基板面に置き、一般的に、接地面と称する第２の導電層を与える。埋め込みマイクロストリップとして知られる第２のタイプの構成は、信号線路が、誘電体サブストレート材料によって覆われる以外は同様である。ストリップラインとして知られる第３の構成では、信号線路は、２つの導電面（接地面）の間に挟まれる。一般的に、ストリップライン又はマイクロストリップといった並列板伝送線路の特性インピーダンスは、
【０００５】
【数１】
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に等しい。ただし、Ｌｌは、単位長あたりのインダクタンスであり、Ｃｌは、単位長あたりのキャパシタンスである。Ｌｌ及びＣｌの値は、一般的に、線路構造の物理的な幾何学、及び、間隔、また、伝送線路構造を絶縁するために用いる誘電材料の誘電率によって決まる。従来のサブストレート材料は、一般的に、１の比透磁率を有する。
【０００６】
従来のＲＦ設計では、その設計に適した比誘電率値を有するサブストレート材料が選択される。サブストレート材料が一度選択されると、伝送線路の特性インピーダンス値は、伝送線路の幾何学、及び、物理的構造を制御することによって、排他的に調節される。
【０００７】
無線周波数（ＲＦ）回路は、一般的に、セラミックサブストレートといった絶縁基板サブストレートの表面上に、複数の能動回路素子及び受動回路素子が取付けられ、且つ、互いに接続されるハイブリッド回路に具現化される。様々な素子は、一般的に、ストリップライン構造、又は、マイクロストリップ構造、又は、ツインライン構造としての伝送線路といった、銅、金、又は、タンタルからなる印刷金属導体によって相互に接続される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
伝送線路、受動ＲＦデバイス、又は、放射素子について選択されるサブストレート材料の誘電率は、その線路構造の所与の周波数におけるＲＦエネルギーの物理的波長に影響を与える。ミクロ電子工学ＲＦ回路を設計する際に遭遇する１つの問題は、基板上に形成される様々な受動素子、放射素子、及び、伝送線路回路の全てに対し最適化される誘電体基板サブストレート材料の選択である。特に、特定の回路素子の幾何学は、その素子に必要とされる独自の電気又はインピーダンス特性によって、物理的に大きいか、又は、小型化される。例えば、多くの回路素子、又は、同調回路は、電気的な１／４波長である必要がある。更に、非常に高い、又は、低い特性インピーダンス値に必要とされる伝送線路の幅は、多くの場合、所与のサブストレートに実際に実施するには、それぞれ、幅が細すぎるか、又は、広すぎる場合がある。マイクロストリップ又はストリップラインの物理寸法は、誘電材料の比誘電率に反比例するので、伝送線路の寸法は、サブストレート基板材料の選択によって大きく影響を受ける。
【０００９】
更に、一部の素子に対し最適な基板サブストレート材料の設計選択は、例えば、アンテナ素子といった他の素子に対し最適な基板サブストレート材料と一致しない場合がある。また、１つの回路素子に対する幾つかの設計目的が、互いに一致しない場合がある。例えば、アンテナ素子の寸法を小さくすることが望ましい場合がある。このことは、比較的高い誘電体を有する基板材料を選択することによって達成することが可能である。しかし、高い比誘電率を有する誘電体を使用することは、一般的に、アンテナの放射効率を減少するという望ましくない影響を有する。従って、選択された相対誘電特性を有する回路基板サブストレートの制約は、回路全体の電気的性能、及び／又は、物理的特性に悪影響を与えることのできる設計上の妥協を、結果としてもたらす。
【００１０】
上述の取り組み方法に特有の問題は、少なくともサブストレートに関し、伝送線路のインピーダンスに対する制御変数は、比誘電率、即ち、εｒのみであることである。この制限は、従来のサブストレート材料における重要な問題を強調する。即ち、従来のサブストレート材料は、特性インピーダンスを決定するもう１つの要素、即ち、Ｌｌ、伝送線路の単位長さあたりのインダクタンスを有利に活用することができない。
【００１１】
更に、ＲＦ回路設計において遭遇するもう１つの問題は、異なるＲＦ周波数帯域における動作に対し回路素子の最適化である。第１のＲＦ周波数帯域に対し最適化される伝送線路インピーダンス及び長さは、他の周波数帯域に対し用いた場合に、インピーダンス変動、及び／又は、電気長における変動のいずれかによって、性能が低下してしまう場合がある。このような制限は、所与のＲＦシステムの有効な動作周波数範囲を制限してしまう。
【００１２】
従来の回路基板サブストレートは、一般的に、誘電率を含む、サブストレート物理特性を結果として均一にするキャスティング、又は、噴霧コーティングといった処理によって形成される。従って、ＲＦ回路用の従来の誘電体サブストレート配置は、電気的及び物理寸法特性の両方について最適化される回路を設計するには、制限を課すことが分かった。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、無線周波数信号を処理する印刷回路に係る。印刷回路は、シングルポート共振線路を取付けることのできるサブストレートを含む。サブストレートは、メタ材料であってよく、そして、少なくとも１つの誘電体層を含む。誘電体層は、第１の領域に第１の誘電特性のセットを有し、第２の領域に少なくとも１つの第２の誘電特性のセットを有することができる。第２の誘電特性のセットは、第１の誘電特性のセットと比較して、異なる誘電体誘電率、及び／又は、磁気透磁率を提供することが可能である。第２の領域は、異なる誘電特性を有する下位領域に分割することができる。
【００１４】
第２の誘電特性のセットは、シングルポート共振線路の寸法を小さくする、及び／又は、シングルポート共振線路の少なくとも１つの共振特性を、サブストレートに分布させるよう制御されることが可能である。誘電特性は更に、シングルポート共振線路上の信号の伝搬速度を遅くする、又は、シングルポート共振線路上で測定されるインピーダンスを調整するよう制御されることが可能である。更に、第２の誘電特性のセットは、シングルポート共振線路に関連付けられるインダクタンス、キャパシタンス、又は、尖鋭度（Ｑ）を調整するよう制御されることが可能である。
【００１５】
印刷回路は、サブストレートに接続する少なくとも１つの接地を含むことが可能である。シングルポート共振線路は、第２の領域に接続し、また、接地に短絡されるか又は接地に対し電気的に開くことが可能である。シングルポート共振線路は、伝送線路を介して、第１のポート及び第２のポートに接続することが可能である。トランジション（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）帯は、伝送線路、第１のポート、及び、第２のポートの間のトランジション部に位置付けられる。トランジション帯は、第１の領域より高い透磁率を有し、それにより、第１及び第２のポート、及び、伝送線路上の信号反射を最小限にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
共振線路は、無線周波数（ＲＦ）回路に、一般的に使用する伝送線路である。印刷回路基板、又は、サブストレート上において、シングルポート共振線路は、一般的に、入力に１つのポートを有し、開回路にされるか、又は、終端において接地に短絡される伝送線路を作成することにより実施される。シングルポート共振線路の電気長は、一般的に、選択周波数の４分の１波長の数倍である。シングルポート共振線路への入力インピーダンスは、一般的に、共振線路の長さが、動作周波数の４分の１波長の偶数、又は、奇数の倍数であるときに、抵抗性である。つまり、シングルポート共振線路への入力は、最大電圧、又は、最小電圧の位置にある。シングルポート共振線路への入力が、最大電圧点と最小電圧点との間の位置にあるとき、入力インピーダンスは、有用な特徴であり得る無効成分を有することが可能である。
【００１７】
低誘電率回路基板材料は、ＲＦ回路設計に、一般的に選択される。例えば、ＲＴ／デュロイド（ｄｕｒｏｉｄ）（登録商標）６００２（２．９４の誘電定数、０．００９の損失正接）、及び、ＲＴ／デュロイド（登録商標）５８８０（２．２の誘電定数、０．０００７の損失正接）といったポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）に基づいた合成物が、ロジャース・マイクロウェイブ・プロダクツ社（１００  Ｓ．Ｒｏｏｓｅｖｅｌｔ  Ａｖｅ．，Ｃｈａｎｄｌｅｒ，ＡＺ８５２２６）の高性能回路材料部から入手可能である。これらの材料はどちらも、一般的な基板材料選択である。上述した基板材料は、低い損失正接を伴った比較的低い誘電率を有する誘電体層を与える。
【００１８】
しかし、従来の基板材料の使用は、回路素子の小型化を譲歩しなくてはならず、更に、高誘電率層から享受できる回路の性能面も譲歩しなくてはならない場合がある。通信回路における一般的なトレードオフは、共振線路の物理的寸法と、動作周波数の間で行われる。これに対し、本発明は、特定の周波数で動作するための共振線路の長さ及び幅の減少に最適化される磁気特性を有する高誘電率誘電体層領域を使用することを可能にすることにより、回路設計者に対し、追加された自由度レベルを提供する。更に、本発明は、共振線路の尖鋭度（Ｑ）を制御する手段を、回路設計者に提供する。この追加された自由度は、性能の向上、及び、共振線路の高密度化を可能にし、これらは、本発明の追加された自由度がない限り無線周波数（ＲＦ）回路には不可能である。本願に記載する無線周波数とは、電磁波を伝搬するために用いることが可能な任意の周波数を意味する。
【実施例】
【００１９】
図１を参照するに、好適な実施例によると、誘電体層１００は、第１の誘電特性のセットを有する第１の領域１１２と、第２の誘電特性のセットを有する第２の領域１１４を含む。誘電特性は、誘電率及び透磁率を含むことが可能である。特に、第２の誘電特性のセットは、第１の誘電特性のセットとは異なることが可能である。例えば、第２の領域１１４は、第１の領域の誘電率及び／又は透磁率より高い誘電率及び／又は透磁率を有することが可能である。
【００２０】
共振線路１０２は、誘電体層１００に取付けることが可能である。共振線路１０２は、伝送線路１０４に接続する入力ポート１０８を有するとして構成されることが可能である。１つの実施例では、共振線路１０２の長さは、伝送線路１０４によって共振線路に供給される信号の波長の４分の１波長であることが可能である。更に、共振線路１０２は、伝送線路１０４より幅が広いことが可能である。しかし、当業者は、本発明が上述のように制限されるものではなく、また、共振線路は、異なる形状に構成され得ることを理解するものとする。例えば、１つの配置では、共振線路は、拡大した又はテーパ状の幅を有するか、又は、円形スタブを有することが可能である。更に、他の共振線路形状を用いることも可能である。
【００２１】
共振線路１０２、及び、誘電体層の第２の領域１１４は、図示するように、共振線路１０２の少なくとも一部が、第２の領域１１４上に位置付けられるよう構成することが可能である。１つの好適な実施例では、共振線路１０２の少なくともかなりの領域が、第２の領域１１４上に位置付けられることが可能である。
【００２２】
共振線路上を進む信号の伝搬速度は、
【００２３】
【数２】
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に等しい。従って、第２の領域１１４における透磁率及び／又は誘電率を増加することは、共振線路１０２上の信号の伝搬速度を減少し、従って、信号波長を減少する。それゆえに、共振線路１０２の４分の１波長（又は、４分の１波長の任意の倍数）は、透磁率及び／又は誘電率を増加することによって減少することが可能となる。従って、共振線路が組込まれる誘電体層１００の面積も、従来の回路基板上で必要とされる面積より小さくすることが可能である。
【００２４】
第２の領域１１４は、共振線路１０２に対し特定のキャパシタンスを達成するよう選択される誘電率を有することも可能である。更に、透磁率も、共振線路１０２に対し特定のインダクタンスを結果としてもたらすよう選択されることが可能である。誘電率及び透磁率は、共振線路１０２に対し、所望のＺ０を結果としてもたらすよう選択することが可能である。Ｚ０は、共振線路１０２上の特定の共振に対し所望のＱを達成し、共振線路１０２上の共振応答を形作り、及び／又は、最大電圧及び最小電圧を調節するために選択することが可能である。更に、Ｚ０は、高い共振モードを抑え、及び／又は、共振線路１０２のインピーダンスと自由空間のインピーダンスとの間に不整合を作るために選択することが可能である。このインピーダンス不整合は、共振線路１０２からのＲＦ放射を最小限にし、電磁妨害（ＥＭＩ）を減少することを促進することが可能である。
【００２５】
共振線路１０２の共振特性は、第１の領域１１２及び第２の領域１１４を介して、これらの領域に形成される電界及び磁界がエネルギーを蓄積し且つ放出することによって、分布することが可能である。これらの電界及び磁界によって蓄えられ且つ放出されるエネルギーの量は、誘電体層の異なる領域に関連付けられる誘電率及び透磁率を制御することによって調節することが可能である。例えば、特定の領域における誘電率が高ければ、その領域に形成される電界に蓄えられるエネルギーは大きくなる。同様に、特定の領域における透磁率が高ければ、その領域に形成される磁界に蓄えられるエネルギーは大きくなる。
【００２６】
図２及び図３は、図１の共振線路１０２及び誘電体層１００の２つの異なる実施例の、線Ａ−Ａについての断面図である。接地面１１６が、図示する両方の実施例の共振線路１０２の下に設けられる。図２に示す共振線路は、開回路にされた共振線路である。図３の共振線路は、共振線路１０２の遠位端１１０を接地面１１６に短絡させるよう設けられる短絡フィード３００で短絡される。回路設計者は、適用に応じて、開回路共振線路、又は、短絡共振線路のいずれかを選択して、共振線路から所望される電圧及び／又はインピーダンス特性を提供することが可能である。
【００２７】
誘電体層１００は、地上からの共振線路の高さを画成する厚さを有する。厚さは、共振線路１０２から、下にある接地面１１６までの物理的な距離に略等しい。この距離は、例えば、特定の誘電材料が用いられたときに、キャパシタンスを増加する、又は、減少する特定の誘電体幾何学を達成するよう調節することが可能である。
【００２８】
図４及び図５を参照するに、共振線路１０２のもう１つの配置を示す。ここでは、共振線路１０２は、第２の領域１１４内に設置され、接地面１１６のより近くに位置付けられる。この構成は、共振線路１０２と接地面１１６の間のキャパシタンスを更に増加し、一方で、伝送線路１０４と接地面１１６の間の比較的低いキャパシタンスを維持することが可能である。或いは、伝送線路１０４と接地面１１６との間に、高いキャパシタンスが所望される場合には、図６に示すような埋め込みマイクロストリップ配置を用いることが可能である。ストリップライン配置は、伝送線路１０４及び共振線路１０２の両方に対し、更に高いキャパシタンス値を結果としてもたらすことが可能である。短絡フィード（図示せず）を、これらの構成のいずれにも設けることが可能である。
【００２９】
本発明の１つの実施例では、誘電体層１００の透磁率は、共振線路１０２のインダクタンスを増加するよう制御することが可能である。別の実施例（図示せず）では、共振線路は、接地面１１６又は戻りトレース上の電流が、共振線路１０２内を流れる電流とは反対の方向に流れるよう構成される別個の接地面１０６又は戻りトレース（例えば、ツインライン配置）を有し、それにより、共振線路に関連付けられる磁束の削除、及び、そのインダクタンスの低下を結果としてもたらすことが可能である。
【００３０】
１つの別の実施例では、第２の領域１１４は、第３の下位領域及び第４の下位領域を含むことが可能である。この第３及び第４の下位領域は、異なる誘電特性を有することが可能である。例えば、第３の下位領域における誘電率及び／又は透磁率は、第４の下位領域における誘電率及び／又は透磁率より高い又は低いことが可能である。夫々の誘電率及び／又は透磁率は、共振線路１０２のインピーダンス及び共振特性を制御するために用いることが可能である。
【００３１】
尚、共振線路１０２構成及び回路層１００構成は、示した例示的な図に制限されるものではない。例えば、共振線路は、様々な形状を有し、共振線路と、接地面又は回路層面との間で異なる距離を有するよう位置付けられることが可能である。１つの実施例では、Ｚ０は、共振線路の異なる領域に亘ってＺ０を変えるよう多数の誘電体及び強磁性体混合体又は濃度を用いることにより、共振線路１０２の全長に亘って、又は、共振線路１０２の一部に亘って制御することが可能である。更に、誘電特性及び磁気特性は、誘電体層の選択領域において差別的に変更されて、共振線路性能を最適化することが可能である。更に別の実施例では、全ての誘電体層領域は、誘電体層の全て領域における誘電特性及び磁気特性を差別的に変更することによって、変更することが可能である。
【００３２】
本願に用いる「差別的に変更する」という表現は、誘電特性及び磁気特性の少なくとも一方が、サブストレートの１つの領域において、他の領域と比較して異なるよう誘電体層１００に対する、追加を含む、任意の変更を意味する。例えば、変更は、特定の誘電体層領域が、第１の誘電特性又は磁気特性のセットを生成するよう変更され、一方で、他の誘電体層領域は、変更の結果もたらされる第１の特性のセットとは異なる誘電特性及び磁気特性を有するよう変更されない選択的な変更であることが可能である。
【００３３】
１つの実施例によると、補助誘電体層を、誘電体層１００に追加することが可能である。様々な噴霧技術、スピンオン技術、様々な蒸着技術、又は、スパッタリング技術といった当該技術において周知である技術を用いて、補助層を追加することが可能である。図７を参照するに、第１の補助層７１０は、既にある誘電体層１００全体に追加することが可能であり、及び／又は、第２の補助層７２０は、第１の領域１１２及び／又は第２の領域１１４内に選択的に追加することが可能である。補助層は、共振線路１０２の下の誘電体の誘電率及び／又は透磁率を変更することが可能である。
【００３４】
特に、第２の補助層７２０は、第１の領域１１２又は第２の領域１１４における透磁率を１より大きくする又は１より小さくするよう変更する粒子を含むことが可能である。例えば、反磁性粒子、又は、強磁性粒子を、第１の領域１１２及び第２の領域１１４に追加することができる。更に、第２の補助層７２０は、誘電特性を変更する誘電体粒子を含むこともできる。例えば、誘電体粒子は、第１の領域１１２及び第２の領域１１４に追加することができる。
【００３５】
寸法及び性能が最適化される共振線路を提供する方法を、以下のテキストと、図８に示すフローチャートを参照して説明する。段階８１０において、基板誘電材料が、変更のために用意される。上述したように、基板材料は、市販される規格品の基板材料、又は、ポリマー材料から形成されるカスタマイズされた基板材料、又は、それらの組合せを含むことが可能である。この用意段階は、選択された基板材料のタイプに応じる。
【００３６】
段階８２０において、第１の領域１１２又は第２の領域１１４といった１つ以上の誘電体層の領域は、第２の領域１０６における誘電率又は磁気特性が、第２の領域１０４における誘電率又は透磁率と比較して異なるよう差別的に変更される。差別化変更は、上述したように、幾つか異なる方法によって達成することが可能である。段階８３０を参照するに、当該技術において周知である標準回路基板技術を用いて、金属層を、シングルポート共振線路上に塗布することが可能である。
【００３７】
局所的及び選択可能な磁気特性及び誘電特性を与えるメタ材料領域を含む誘電体サブストレート基板は、以下のように作成することが可能である。本願に記載するように、「メタ材料」という用語は、例えば、分子又はナノメートルレベルの非常に細かいレベルにおいて、２つ以上の異なる材料の混合又は配置から形成される合成材料を示す。メタ材料は、実効電気的誘電率、εｅｆｆ（又は、誘電率）、及び、実効磁気透磁率、μｅｆｆを含む実効電磁気パラメータによって決められる合成物の電磁気特性を調整することを可能にする。
【００３８】
適切なバルクの誘電体サブストレート材料は、例えば、デュポン（Ｄｕｐｏｎｔ）社及びフェロ（Ｆｅｒｒｏ）社といった材料製造業者から入手することが可能である。一般的に、グリーンテープ（商標）と称する未処理の材料は、バルクの誘電体テープから、例えば、６平方インチの断片に切断することが可能である。例えば、デュポン・マイクロサーキット・マテリアルズは、９５１ロー・テンプレチュア・コファイア・ダイエレクトリック・テープ（低温焼成誘電テープ）といった、グリーンテープ材料系を提供し、フェロ・エレクトロニック・マテリアルズは、ＵＬＦ２８−３０ウルトラ・ロー・ファイアＣＯＧ・ダイエレクトリック・フォーミュレーション（超低温焼成ＣＯＧ誘電体フォーミュレーション）を提供する。これらのサブストレート材料は、一度焼成されると、マイクロ波振動数での回路動作に対し比較的低い損失正接が伴われる比較的中程度の誘電率を有する誘電体層を供給するために用いられる。
【００３９】
誘電体サブストレート材料からなる多数のシートを用いてマイクロ波回路を作成する処理では、ビア（ｖｉａ）、ボイド（ｖｏｉｄ）、孔、又は、空隙といった特徴は、１つ以上のテープ層を通して形成されることが可能である。ボイドは、機械的手段（例えば、孔開け器）、又は、指向エネルギー手段（例えば、レーザドリル、光リソグラフィ）を用いて画成可能であるが、ボイドは、任意の他の好適な方法を用いても画成可能である。寸法が決められたサブストレートの厚さ全体を通されるビアもあれば、サブストレートの厚さの異なる部分のみに到達するビアもある。
【００４０】
次に、ビアには、一般的に、充填材料を正確に配置するステンシルを用いて、金属材料、又は、他の誘電材料、又は、磁性材料、或いは、それらの組合せが充填される。個々のテープ層は、従来の方法通りに積層されて、完全な多層サブストレートを生成することが可能である。或いは、個々のテープ層は、積層されて、一般的にサブスタックと称する部分的な多層サブストレートを生成することが可能である。
【００４１】
ボイドが設けられた領域は、空隙のままにされることも可能である。選択材料が充填される場合は、選択材料には、メタ材料を含むことが好適である。メタ材料組成の選択は、２以下から約２，６５０までの比較的連続的な範囲に亘る調整可能な実効誘電定数を提供することが可能である。調整可能な磁性特性も、特定のメタ材料から入手可能である。例えば、好適な材料を選択することにより、相対的な実効磁気透磁率は、一般的に、最も実用的なＲＦ適用に対し、約４乃至１１６の範囲に及ぶことが可能である。しかし、相対な実効磁気透磁率は、約２まで低く、又は、数千に到達することも可能である。
【００４２】
本願にて用いる「差別的に変更する」という表現は、サブストレートの１つの領域において、別の領域と比較して異なる誘電特性、及び、磁気特性の少なくとも一方の特性を結果としてもたらす、ドーパントを含む、誘電体サブストレート層への変更を意味する。差別的に変更される基板サブストレートは、１つ以上のメタ材料を含有する領域を含むことが好適である。
【００４３】
例えば、変更は、特定の誘電体層領域は、第１の誘電特性又は磁気特性のセットを生成するよう変更され、一方、他の誘電体層領域は、第１の特性のセットとは異なる誘電特性及び／又は磁気特性を与えるよう差別的に変更されるか又は変更されない選択的な変更であってよい。差別化変更は、様々に異なる方法によって達成することが可能である。
【００４４】
１つの実施例によると、補助誘電体層を、誘電体層に追加することが可能である。様々な噴霧技術、スピンオン技術、様々な蒸着技術、又は、スパッタリング技術といった当該技術において周知である技術を用いて、補助誘電体層を追加することが可能である。補助誘電体層は、ボイド又は孔の内側を含む局所領域、又は、既にある誘電体層全体に選択的に追加することが可能である。例えば、補助誘電体層は、増加された実効誘電定数を有するサブストレート領域を提供するよう用いることが可能である。補助層として追加される誘電材料は、様々なポリマー材料を含むことが可能である。
【００４５】
差別的変更段階は、更に、誘電体層、又は、補助誘電体層に追加の材料を、局所的に追加する段階を含む。材料の追加は、誘電体層の実効誘電定数又は磁気特性を更に制御し、所与の設計目的を達成するよう用いることが可能である。
【００４６】
追加の材料は、複数の金属、及び／又は、セラミック粒子を含むことが可能である。金属粒子は、鉄、タングステン、コバルト、バナジウム、マンガン、特定の希土類金属、ニッケル、又は、ニオブの粒子を含むことが好適である。これらの粒子は、ナノ寸法の粒子、即ち、一般的に、サブミクロンの物理寸法を有する粒子であることが好適であり、以下、ナノ粒子と称する。
【００４７】
ナノ粒子といった粒子は、有機機能化（ｏｒｇａｎｏｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｚｅｄ）された合成粒子であることが好適である。例えば、有機機能化された合成粒子は、絶縁コーティングが設けられた金属コア、又は、金属コーティングが設けられた絶縁コアを有する粒子を含むことが可能である。
【００４８】
一般的に、本願に説明した様々な適用における誘電体層の磁気特性を制御するのに好適である磁性メタ材料粒子は、フェライトの有機セラミック（ＦｅｘＣｙＨｚ）−（Ｃａ／Ｓｒ／Ｂａ−Ｃｅｒａｍｉｃ）を含む。これらの粒子は、８乃至４０ＧＨｚの周波数範囲の適用において良好に作用する。或いは、又は、更に、ニオブの有機セラミック（ＮｂＣｙＨｚ）−（Ｃａ／Ｓｒ／Ｂａ−Ｃｅｒａｍｉｃ）が、１２乃至４０ＧＨｚの周波数範囲に有用である。高周波数に指定される材料は、低周波数適用にも適用可能である。これらの合成粒子及び他の種類の合成粒子は、市販されている。
【００４９】
一般的に、コーティングされた粒子は、ポリマーマトリクス、又は、側鎖部分（Ｓｉｄｅ  ｃｈａｉｎ  ｍｏｉｅｔｙ）との結合を促進するので、本発明で使用するには好適である。誘電体の磁気特性の制御に加えて、追加された粒子は、材料の実効誘電定数を制御するためにも使用することができる。約１乃至７０％の合成粒子の充填率を用いて、サブストレート誘電体層及び／又は補助誘電体層領域の誘電定数を上げて、更に、下げることが可能である。例えば、有機機能化されたナノ粒子を、誘電体層に追加することは、変更された誘電体層領域の誘電定数を上げるために利用することが可能である。
【００５０】
粒子は、ポリブレンド法、ミキシング法、及び、攪拌して充填する方法を含む様々な技術を用いて加えることが可能である。例えば、誘電定数は、最大約７０％までの充填率を有する様々な粒子を用いて、２から最大１０の値まで上げられ得る。この目的に有用な金属酸化物は、酸化アルミニウム、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化ニッケル、酸化ジルコニウム、及び、酸化ニオブ（ＩＩ、ＩＶ、及び、Ｖ）を含む。ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、及び、ジルコン酸カルシウム及びジルコン酸マグネシウムといったジルコン酸塩も使用することが可能である。
【００５１】
選択可能な誘電特性は、最小約１０ナノメートルの面積まで局所的にされるか、又は、基板サブストレート面全体を含む大きい面積をカバーすることが可能である。堆積技術に関するリソグラフィ、及び、エッチングといった従来の技術を用いて、局所的な誘電特性及び磁気特性の取扱に用いることが可能である。
【００５２】
材料は、他の材料と混ぜ合わされて、又は、様々な密度のボイド領域（一般的に空気を導入する）を含むものとして用意され、２乃至約２，６５０の略連続的な範囲の実効誘電定数、及び、他の潜在的に所望されるサブストレート特性を生成することができる。例えば、低誘電定数（＜２乃至約４）を示す材料は、密度の異なるボイド領域を有するシリカを含む。密度の異なるボイド領域を有するアルミナは、約４乃至９の誘電定数を与えることが可能である。シリカ及びアルミナはいずれも、任意の顕著な磁気透磁率を有さない。しかし、磁性粒子を、最大で２０重量パーセントまで追加し、これらの材料又は他の材料をかなり磁気的にすることが可能である。例えば、磁気特性は、有機機能性で調整され得る。磁性材料を追加することによる誘電定数への影響は、一般的に、誘電定数の増加をもたらす。
【００５３】
中位の誘電定数材料は、一般的に、７０乃至５００＋／−１０％の範囲の誘電定数を有する。上述したように、この材料は、他の材料、又は、ボイドと混合されて、所望の実効誘電定数値を提供し得る。この材料は、フェライトがドープされたチタン酸カルシウムを含むことが可能である。ドーピング金属は、マグネシウム、ストロンチウム、及び、ニオブを含むことが可能である。この材料は、４５乃至６００の範囲の相対的な磁気透磁率を有する。
【００５４】
高誘電定数適用には、フェライト、又は、ニオブがドープされたチタン酸ジルコン酸カルシウム又はバリウムを用いることが可能である。これらの材料は、約２，２００乃至２，６５０の誘電定数を有する。これらの材料のドーピング率は、一般的に、約１乃至１０パーセントである。他の材料に関して、これらの材料は、他の材料、又は、ボイドと混合されて、所望の実効誘電定数値を与え得る。
【００５５】
これらの材料は、一般的に、様々な分子修飾（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ）処理を介して変更されることが可能である。修飾処理には、ボイド形成と、その後に続く、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）のような炭素及びフッ素に基づいた有機機能材料といった材料の充填が含まれ得る。
【００５６】
有機機能的組込み（ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）の代わりに、又は、有機機能的組込みに追加して、処理は、固体自由形式形成（ＳＦＦ：ｓｏｌｉｄ  ｆｒｅｅｆｏｒｍ  ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ）、光、紫外線（ｕｖ）、Ｘ線、電子ビーム、又はイオンビーム放射を含むことが可能である。リソグラフィも、光、ｕｖ、Ｘ線、電子ビーム、又は、イオンビーム放射を用いて行うことが可能である。
【００５７】
メタ材料を含む異なる材料を、サブストレート層（サブスタック）上の異なる領域に加えて、複数のサブストレート層（サブスタック）の領域が、異なる誘電特性及び磁気特性を有するようにすることが可能である。上述したような充填材料を、１つ以上の追加の処理段階と同時に使用して、バルクサブストレート領域の局所、又は、全体に、所望の誘電特性及び／又は磁気特性が得られる。
【００５８】
次に、一般的に、上部層導体プリントが、変更されたサブストレート層、サブスタック、又は、完全なスタックに塗布される。導体トレースを、薄膜技術、厚膜技術、電気メッキ、又は、任意の他の好適な技術を用いて設けることが可能である。導体パターンを画成するために用いる処理は、以下に制限されないが、標準リソグラフィ及びステンシルを含む。
【００５９】
次に、一般的に、ベースプレートが、複数の変更された基板サブストレートをまとめて整列するために得られる。この目的のために、複数のサブストレート基板のそれぞれに形成される整列孔を用いることが可能である。
【００６０】
複数のサブストレート層、１つ以上のサブスタック、又は、層とサブスタックの組合せは、次に、材料に全ての方向から圧力を加える平衡圧力、又は、材料に１つの方向のみから圧力を加える１軸圧力を用いて、（例えば、機械的に加圧されることによって）ラミネートされ得る。次に、ラミネートサブストレートは、上述したように更に処理されるか、又は、オーブン内で処理サブストレートに適した温度（上述の材料では、約８５０℃乃至９００℃）まで焼成される。
【００６１】
複数のセラミックテープ層及び積層されたサブストレートサブスタックは、次に、使用するサブストレート材料に適した速度で温度を上昇するよう制御可能な好適な燃焼炉を用いて焼成される。温度上昇率、最終温度、冷却特性、及び、任意の必要な一時停止といった処理条件は、サブストレート材料と、サブストレートに充填される、又は、サブストレート上に蒸着される材料を考慮して選択される。焼成の後、積層されたサブストレート基板は一般的に、光学顕微鏡を用いて、欠陥を見つけるべく検査される。
【００６２】
積層されるセラミックサブストレートは、次に、選択的に、回路機能要件を満たすために必要とされる寸法の帯状片に裁断されることが可能である。最終検査の後、帯状のサブストレート片は、試験装置に取付けられ、誘電特性、磁気特性、及び、電気的性質が、特定の制限内にあることを確認するよう様々な特性が評価される。
【００６３】
従って、誘電体サブストレート材料には、局所的に調整可能な誘電特性及び／又は磁気特性が与えられて、共振線路を有する回路を含む回路の密度及び性能を向上することが可能である。誘電体の自由度は、回路素子の独立した最適化を可能にする。
【００６４】
本発明の好適な実施例を例示的に説明したが、本発明は、これらの実施例に制限されるものではないことは明らかである。当業者は、本発明の目的及び範囲から逸脱することなく、多数の改修、変更、変形、置換、及び、等価を考え付くであろう。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明によって共振線路の寸法を小さくするためにサブストレート上に形成されるシングルポート共振線路を示す平面図である。
【図２】線Ａ−Ａについて取られた図１のシングルポート共振線路の開回路構成を示す断面図である。
【図３】線Ａ−Ａについて取られた図１のシングルポート共振線路の短絡回路構成を示す断面図である。
【図４】本発明によって共振線路の寸法を小さくするためにサブストレート上に形成されるシングルポート共振線路の別の実施例を示す平面図である。
【図５】線Ｂ−Ｂについて取られた図４のシングルポート共振線路の開回路構成を示す断面図である。
【図６】線Ｂ−Ｂについて取られた図４のシングルポート共振線路の短絡回路構成を示す断面図である。
【図７】本発明によって共振線路の寸法を小さくするためにサブストレート上に形成されるシングルポート共振線路の別の実施例を示す断面図である。
【図８】本発明によって小さくされた物理寸法を有する共振線路を製造する方法を説明するのに有用なフローチャートである。
【符号の説明】
【００６６】
１００  誘電体層
１０２  共振線路
１０４  伝送線路
１０８  入力ポート
１１０  共振線路の遠位端
１１２  第１の領域
１１４  第２の領域
１１６  接地面
３００  短絡フィード
７１０  第１の補助層
７２０  第２の補助層
【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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