(57)【要約】【課題】マイクロ波基板の金属導体部の幅を拡大することなく、電子部品とのインピーダンス整合を維持し、さらにＤＣ抵抗の増大をも抑制した状態で、表皮効果による抵抗増加を低減し、電力損失・反射エネルギー・電磁輻射を軽減することが可能なマイクロ波回路基板を提供する。【解決方法】基板上の主面上又は基板内の少なくとも一方に形成された、マイクロ波の電気信号を伝送するための金属導体部に対し、前記金属導体部の高さをｃｈ、前記金属導体部中を流れる前記マイクロ波の表皮効果に伴う表皮深さをδ、前記複数の溝部の隣接間距離をｗ、前記複数の溝部それぞれの幅をｔ、前記複数の溝部それぞれの深さをｈとした場合に、        ｗ＝２×δ        ｔ＝δ                                    （１）        ｈ＝ｃｈ−２×δなる関係式を満足するようにしてマイクロ波回路基板を構成する。【選択図】図２
2008160751.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁体で構成される基板と、
前記基板上の主面上又は前記基板内の少なくとも一方に形成された、マイクロ波の電気信号を伝送するための金属導体部と、
前記基板の裏面上及び前記基板内の少なくとも一方に形成された電源層とを具備し、
前記金属導体部は、その少なくとも一部に複数の溝部を有し、前記金属導体部の高さをｃｈ、前記金属導体部中を流れる前記マイクロ波の表皮効果に伴う表皮深さをδ、前記複数の溝部の隣接間距離をｗ、前記複数の溝部それぞれの幅をｔ、前記複数の溝部それぞれの深さをｈとした場合に、
ｗ＝２×δ
ｔ＝δ                                    （１）
ｈ＝ｃｈ−２×δ
なる関係式を満足することを特徴とする、マイクロ波回路基板。
【請求項２】
前記複数の溝部は、前記金属導体部の前記マイクロ波の伝送方向に沿って形成したことを特徴とする、請求項１に記載のマイクロ波回路基板。
【請求項３】
前記金属導体部は、前記基板の主面上においてマイクロストリップライン(MSL)として形成したことを特徴とする、請求項1又は２に記載のマイクロ波回路基板。
【請求項４】
前記金属導体部は、前記基板内においてストリップライン(SL)として形成したことを特徴とする、請求項1又は２に記載のマイクロは回路基板。
【請求項５】
前記金属導体部と略平行にその長さ方向に沿って、前記金属導体部を挟むようにして一対のグランド電極層が形成されてなり、前記金属導体部及び前記グランド電極層によってコプレーナーウェーブガイド(CPW)を構成することを特徴とする、請求項1又は２に記載のマイクロ波回路基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波領域の周波数を有する電気信号を伝送するためのマイクロ波回路基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のマイクロ波回路基板では、通常、電気信号が流れる金属導体部を断面長方形若しくは台形の金属導体として形成し、この金属導体中に所定のマイクロ波電気信号を伝送させて使用していた。前記マイクロ波電気信号は、いわゆるマイクロ波の周波数域にある高周波の電気信号であるため、前記金属導体部中に前記マイクロ波電気信号を伝送させるといわゆる表皮効果が生じ、前記金属導体部の表面付近（表皮深さ）に電流が集中し、前記マイクロ波電気信号に対する前記金属導体部の実効抵抗が増大して、その電力損失も増大することが知られている。
【０００３】
上述した表皮効果の本質は金属界面で生じる電磁誘導であって、前述のような表皮効果が発生すると、上記マイクロ波電気信号に伴って、金属導体部内に進入してくる電磁波を打ち消すように前記金属導体部表面に、前記電磁波を打ち消すように誘導電流が流れるようになる。
【０００４】
前記表皮効果における表皮深さとは、前記金属導体部の導電率・透磁率及び交流電気信号（マイクロ波）の周波数によって一意に定まる値であり、この値は前記金属導体部内に進入した電磁界がもとの強度の1/e ≒ 1/3に減衰距離である。これはいわゆるマックスウェルの方程式から磁界を消去して求まる電信方程式（波動方程式）から容易に導かれる。なお、表皮深さは次式で表される。
【数１】
2008160751.tif 000003
ここで，d は表皮深さ，f は（マイクロ波の）周波数，m は金属導体部の透磁率，s は金属導体部の導電率を表す。
【０００５】
上述したように、金属導体部に表皮効果が生じると、前記金属導体部を伝送するマイクロ波信号に対する実効抵抗が増大し、電力損失も増大するようになるので、特に１[ＧＨｚ]程度までの比較的低周波のマイクロ波電気信号を伝送するマイクロ波回路基板においては、上記表皮効果による実効抵抗を減少させるために、金属導体部の幅を大きくして表面積を増加させている。
【０００６】
しかしながら、この手法ではいわゆる線路の特性インピーダンスが増大し、基板によって電気的に接続される電子部品例えばICや終端抵抗といった電子部品にもインピーダンスが存在するため、線路の特性インピーダンスとこれらのインピーダンスを一致させない（より正確には、複素インピーダンスを電子部品と線路で共役複素数の関係にする）と電力輸送が効率的に行われないばかりでなく、電子部品と線路間で電磁波の反射と不必要な電磁輻射を引き起こす。なお、線路の特性インピーダンス(Zo)は次式で表される。
【数２】
2008160751.tif 000004
ここで，L は単位長さあたりのインダクタンス，C は単位長さあたりのキャパシタンスを表す。
【０００７】
一方、例えば、基板上電子部品は高密度化実装が進み、基板も多層化やフレキシブル化が進んでいるが、こうした中で、線路幅が増大すると、高密度実装基板・多層基板・フレキシブル基板などにおいては、電子部品の実装面積が減少し、線路の配線の制約の自由度を減少させ、基板全体の小型化の制約条件となり、ひいては、これら基板を用いている今日の電子機器全般の小型化の妨げとなる。
【０００８】
このような観点から、例えば特許文献１及び２においては、上述したような金属導体部をマイクロ波電気信号の伝送方向に沿ってストリップ状に形成し、前記金属導体部の表面積を増大させてその実効抵抗を減少させ、電力損失を抑制するようにしている。また、特許文献３においては、上述したような金属導体部の側壁部分において、マイクロ波電気信号の伝送方向に沿って溝部を設け、前記金属導体部の表面積を増大させてその実効抵抗を減少させて電力損失を抑制するようにしている。
【特許文献１】特開平８−３２１７０６号
【特許文献２】特開平６−２８３９１０号
【特許文献３】特開平８−２８８４６３号
【０００９】
しかしながら、上述したいずれの方法においても十分な実効抵抗の低減は未だ実現されていない。また、特に特許文献１及び２に記載されたような金属導体部をストリップ状に形成するような技術においては、前記金属導体部自体の、マイクロ波電気信号の伝送方向に垂直な断面の面積が減少してしまい、ＤＣ抵抗が増大してしまうことにより、本来的な低周波の電気信号に対する電力損失が生じてしまうという問題が生じていた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上述した問題に鑑み、マイクロ波基板の金属導体部の幅を拡大することなく、電子部品とのインピーダンス整合を維持し、さらにＤＣ抵抗の増大をも抑制した状態で、表皮効果による抵抗増加を低減し、電力損失・反射エネルギー・電磁輻射を軽減することが可能なマイクロ波回路基板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】
【００１１】
上記目的を達成すべく、本発明の一態様は、
絶縁体で構成される基板と、
前記基板上の主面上又は前記基板内の少なくとも一方に形成された、マイクロ波の電気信号を伝送するための金属導体部と、
前記基板の裏面上及び前記基板内の少なくとも一方に形成された電源層とを具備し、
前記金属導体部は、その少なくとも一部に複数の溝部を有し、前記金属導体部の高さをｃｈ、前記金属導体部中を流れる前記マイクロ波の表皮効果に伴う表皮深さをδ、前記複数の溝部の隣接間距離をｗ、前記複数の溝部それぞれの幅をｔ、前記複数の溝部それぞれの深さをｈとした場合に、
ｗ＝２×δ
ｔ＝δ                                    （４）
ｈ＝ｃｈ−２×δ
なる関係式を満足することを特徴とする、マイクロ波回路基板に関する。
【００１２】
本発明者は、上記課題を達成すべく鋭意検討を実施し、それに伴い膨大な実験を行い、それによって得た膨大な実験データを解析することにより、以下のような事実を見出すに至った。すなわち、絶縁体基板に対して金属導体部と電源層とを所定の箇所に配備してなるマイクロ波回路基板において、前記金属導体部に対して、複数の溝部を形成し、それらの溝部が上記（４）式のような関係を満足することによって、前記金属導体部のＤＣ抵抗を低減させることなく、前記溝部形成による表面積増大によってマイクロ波電気信号の表皮効果による実効抵抗を十分に低減できることを見出した。
【００１３】
したがって、本発明の一態様によれば、ＤＣ抵抗が増大してしまうことにより、本来的な低周波の電気信号に対する電力損失を抑制することができるとともに、マイクロ波電気信号などの高周波の電気信号に対する電力損失をも実現することができる。さらに、金属導体部の幅を拡大しないので、電子部品とのインピーダンス整合などの煩雑な設計を行う必要がない。したがって、インピーダンス不整合による電磁輻射の増大、及びそれに伴う反射エネルギー増大の問題が生じることもない。
【００１４】
なお、本発明の他の態様においては、前記複数の溝部は、前記金属導体部の前記マイクロ波の伝送方向に沿って形成する。この場合、前記金属導体部の、前記マイクロ波電気信号の伝送方向の略全体に亘って前記溝部が形成されることになるので、上述した作用効果を前記マイクロ波電気信号が前記金属導体部を伝送する間の全体において享受することができる。
【００１５】
また、上記マイクロ波回路基板は種々の態様に構成することができる。例えば、前記金属導体部を、前記基板の主面上においてマイクロストリップライン(MSL)として形成することができる。また、前記金属導体部を、前記基板内においてストリップライン(SL)として形成することができる。さらには、前記金属導体部と略平行にその長さ方向に沿って、前記金属導体部を挟むようにして一対のグランド電極層を形成し、前記金属導体部及び前記グランド電極層によってコプレーナーウェーブガイド(CPW)を構成することができる。
【００１６】
なお、特に例示しないものの、当業者が想到できるようなあらゆる種類の態様のマイクロ波回路基板とすることができる。
【発明の効果】
【００１７】
以上説明したように、本発明の上記態様によれば、マイクロ波基板の金属導体部の幅を拡大することなく、電子部品とのインピーダンス整合を維持し、さらにＤＣ抵抗の増大をも抑制した状態で、表皮効果による抵抗増加を低減し、電力損失・反射エネルギー・電磁輻射を軽減することが可能なマイクロ波回路基板を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明のマイクロ波回路基板の一例を示す斜視図であり、図２は、図１に示すマイクロ波回路基板の、長さ方向に垂直な面で切った場合の正面図であり、図３は、図１に示すマイクロ波回路基板の、金属導体部を拡大して示す断面図である。
【００１９】
図１及び２に示すマイクロ波回路基板１０は、絶縁体からなる基板１１と、この基板１１の主面上に形成されたマイクロ波の電気信号を伝送するための金属導体部１３と、基板１１の裏面側に形成された電源層１５とを含んでいる。この電源層１５は、金属導体部１３に対する参照電極としての役割を果たし、金属導体部１３に対して一定の電位に維持され、前記マイクロ波電気信号が金属導体部１３を良好な状態で伝送できるようにするためのものである。電源層１５は接地することもできるが、マイクロ波電気信号が金属導体部１３を良好に伝送できるものであれば特に限定されるものではなく、上述したように任意の電位に保持することができる。
【００２０】
なお、本例において、金属導体部１３はマイクロストリップライン（MSL)として形成されている。また、金属導体部１３には複数の溝部１７が金属導体部１３の長さ方向、すなわち前記マイクロ波電気信号の伝送方向に沿って形成されている。
【００２１】
図３に示すように、金属導体部１３の高さをｃｈとした場合、複数の溝部１７は、互いの間隔ｗ、幅ｔ及び深さｈが次の関係式を満足するようにする。
ｗ＝２×δ
ｔ＝δ                                    （５）
ｈ＝ｃｈ−２×δ
【００２２】
これによって、金属導体部１３のＤＣ抵抗を低減させることなく、溝部１７形成による表面積増大によってマイクロ波電気信号の表皮効果による実効抵抗を十分に低減できる。実際、金属導体部１３を銅から構成し、１ＧＨｚのマイクロ波電気信号を伝送させるとすると、その場合の表皮深さδは約２μｍとなる。したがって、金属導体部１３の高さch = 40[mm]とすると、（４）式よりw = 4 [mm]，t = 2 [mm]，h = 36 [mm]となる。実際、このような場合のＤＣ抵抗は０．１１Ωであり、１ＧＨｚのマイクロ波電気信号の伝送による電力損失は０．１１ｄＢであった。
【００２３】
一方、上記（４）式を満足することなく、ch = 40[mm]の場合に、w = ２ [mm]，t = ８７ [mm]，h = ３８ [mm]とした場合、ＤＣ抵抗は０．９６Ωであり、１ＧＨｚのマイクロ波電気信号の伝送による電力損失は０．１６ｄＢであった。したがって、（４）式を満足することによって、ＤＣ抵抗の減少を最小限に抑えつつ、高次伝送モードを抑圧し、表皮効果による電力損失を最小限に抑えることが出来ることが分かる。
【００２４】
また、本例では、特に金属導体部１３の幅を拡大しないので、電子部品とのインピーダンス整合などの煩雑な設計を行う必要がない。したがって、インピーダンス不整合による電磁輻射の増大、及びそれに伴う反射エネルギー増大の問題が生じることもない。
【００２５】
さらに、本例では、金属導体部１３に対し、複数の溝部１７を金属導体部１３の長さ方向、すなわち前記マイクロ波電気信号の伝送方向に沿って形成しているので、上述した作用効果を、金属導体部１３のマイクロ波電気信号の伝送範囲全体に亘って享受することができる。
【００２６】
基板１１は所定の絶縁体から構成することができる。具体的には、紙基材（ＦＲ−１，ＦＲ−２，ＸＸＸｐｃ，Ｘｐｃ，ＦＲ−３等）、ガラス基材（ＦＲ−４，Ｇ−１０，ＦＲ−５，Ｇ―１１，ＧＰＹ等）、エポキシ系・ポリエステル系コンポジット基材（ＣＥＭ−１，ＣＥＭ−３，ＦＲ−６等）、ポリエステルベース系・ポリイミドベース系・ガラスエポキシ系フレキシブル基材，ポリサルフォン系・ポリエーテルイミド系・ポリエーテル系樹脂耐熱可塑性基材やアルミナ系・窒化アルミナ系・炭素珪素系・低温焼結系セラミック基材、液晶基材を例示することができる。
【００２７】
金属導体部１３及び電源層１５は、例えば銅、銀、金、アルミニウムあるいはこれらの合金等の電気的良導体を挙げることができる。
【００２８】
また、マイクロ波回路基板１０の全体構成としては、リジッド基板あるいはフレキシブル基板のいずれの形態とすることもできる。
【００２９】
図４は、図１及び２に示すマイクロ波回路基板の変形例を示す断面図である。本例では、図１及び２に示す例と、金属導体部に形成した溝部の形態が異なるのみで、その他の構成については同様である。なお、同一又は類似の構成要素に関しては同一の参照数字を用いている。
【００３０】
図１及び図２に示す例では、溝部１７を金属導体部１３の上側から下側へ向けて形成するようにしているが、本例では、図４に示すように、金属導体部１３の側面において、その外方から中心側へ向けて形成するようにしている。この場合においても、金属導体部１３の高さをｃｈとした場合、複数の溝部１７は、互いの間隔ｗ、幅ｔ及び深さｈが上記（５）式を満足するようにする。
【００３１】
これによって、金属導体部１３のＤＣ抵抗を低減させることなく、溝部１７形成による表面積増大によってマイクロ波電気信号の表皮効果による実効抵抗を十分に低減できる。また、金属導体部１３の幅を拡大しないので、電子部品とのインピーダンス整合などの煩雑な設計を行う必要がない。したがって、インピーダンス不整合による電磁輻射の増大、及びそれに伴う反射エネルギー増大の問題が生じることもない。
【００３２】
さらに、本例でも、金属導体部１３に対し、複数の溝部１７を金属導体部１３の長さ方向、すなわち前記マイクロ波電気信号の伝送方向に沿って形成するようにすれば、上述した作用効果を、金属導体部１３のマイクロ波電気信号の伝送範囲全体に亘って享受することができる。
【００３３】
なお、基板や金属導体部の構成材料など、その他の要件については上述した具体例と同一であるので、説明を省略する。
【００３４】
図５は、図１及び２に示すマイクロ波回路基板の他の変形例を示す断面図である。本例では、図１及び２に示す例と、金属導体部に形成した溝部の形態が異なるのみで、その他の構成については同様である。なお、同一又は類似の構成要素に関しては同一の参照数字を用いている。
【００３５】
図１及び図２に示す例では、溝部１７を金属導体部１３の上側から下側へ向けて形成するようにしているが、本例では、図５に示すように、図１及び２に示すような縦方向の溝部に加えて、金属導体部１３の側面において、その外方から中心側へ向けて横方向の溝部をも追加で形成するようにしている。この場合においても、金属導体部１３の高さをｃｈとした場合、このような複数の溝部１７は、互いの間隔ｗ、幅ｔ及び深さｈが上記（５）式を満足するようにする。
【００３６】
これによって、金属導体部１３のＤＣ抵抗を低減させることなく、溝部１７形成による表面積増大によってマイクロ波電気信号の表皮効果による実効抵抗を十分に低減できる。また、金属導体部１３の幅を拡大しないので、電子部品とのインピーダンス整合などの煩雑な設計を行う必要がない。したがって、インピーダンス不整合による電磁輻射の増大、及びそれに伴う反射エネルギー増大の問題が生じることもない。
さらに、本例でも、金属導体部１３に対し、複数の溝部１７を金属導体部１３の長さ方向、すなわち前記マイクロ波電気信号の伝送方向に沿って形成するようにすれば、上述した作用効果を、金属導体部１３のマイクロ波電気信号の伝送範囲全体に亘って享受することができる。
【００３７】
図６は、本発明のマイクロ波回路基板の他の例を示す斜視図である。なお、同一又は類似の構成要素に関しては上記具体例と同一の参照数字を用いている。
【００３８】
図６に示すマイクロ波回路基板１０は、絶縁体からなる基板１１と、この基板１１の厚さ方向における略中心部において、基板１１の主面及び裏面と略平行に基板１１の長さ方向に延在したマイクロ波の電気信号を伝送するための金属導体部１３と、基板１１の主面及び裏面側に形成された電源層１５とを含んでいる。この電源層１５は、金属導体部１３に対する参照電極としての役割を果たし、金属導体部１３に対して一定の電位に維持され、前記マイクロ波電気信号が金属導体部１３を良好な状態で伝送できるようにするためのものである。電源層１５は接地することもできるが、マイクロ波電気信号が金属導体部１３を良好に伝送できるものであれば特に限定されるものではなく、上述したように任意の電位に保持することができる。
【００３９】
なお、本例において、金属導体部１３はストリップライン(SL)として形成されている。また、特に図示されていないが、金属導体部１３には複数の溝部が形成されている。この溝部の構成は特に限定されるものではないが、例えば図３〜５に示すような形態を採ることができる。この場合においても、金属導体部１３の高さをｃｈとした場合、複数の溝部は、互いの間隔ｗ、幅ｔ及び深さｈが上記（５）式を満足するようにする。
【００４０】
これによって、金属導体部１３のＤＣ抵抗を低減させることなく、溝部形成による表面積増大によってマイクロ波電気信号の表皮効果による実効抵抗を十分に低減できる。また、金属導体部１３の幅を拡大しないので、電子部品とのインピーダンス整合などの煩雑な設計を行う必要がない。したがって、インピーダンス不整合による電磁輻射の増大、及びそれに伴う反射エネルギー増大の問題が生じることもない。
【００４１】
さらに、本例でも、金属導体部１３に対し、複数の溝部を金属導体部１３の長さ方向、すなわち前記マイクロ波電気信号の伝送方向に沿って形成するようにすれば、上述した作用効果を、金属導体部１３のマイクロ波電気信号の伝送範囲全体に亘って享受することができる。
【００４２】
なお、基板や金属導体部の構成材料など、その他の要件については上述した具体例と同一であるので、説明を省略する。
【００４３】
図７は、本発明のマイクロ波回路基板のその他の例を示す斜視図である。なお、同一又は類似の構成要素に関しては上記具体例と同一の参照数字を用いている。
【００４４】
図７に示すマイクロ波回路基板１０は、絶縁体からなる基板１１と、この基板１１の主面上に形成されたマイクロ波の電気信号を伝送するための金属導体部１３と、基板１１の裏面側に形成された電源層１５とを含んでいる。この電源層１５は、金属導体部１３に対する参照電極としての役割を果たし、金属導体部１３に対して一定の電位に維持され、前記マイクロ波電気信号が金属導体部１３を良好な状態で伝送できるようにするためのものである。電源層１５は接地することもできるが、マイクロ波電気信号が金属導体部１３を良好に伝送できるものであれば特に限定されるものではなく、上述したように任意の電位に保持することができる。
【００４５】
なお、本例において、金属導体部１３の両側には、この金属導体部１３を挟み込むようにして一対のグランド電極層１９が形成されてなり、金属導体部１３及びグランド電極層１９によってコプレーナーウェーブガイド(CPW)を構成している。
【００４６】
また、特に図示されていないが、金属導体部１３には複数の溝部が形成されている。この溝部の構成は特に限定されるものではないが、例えば図３〜５に示すような形態を採ることができる。この場合においても、金属導体部１３の高さをｃｈとした場合、複数の溝部は、互いの間隔ｗ、幅ｔ及び深さｈが上記（５）式を満足するようにする。
【００４７】
これによって、金属導体部１３のＤＣ抵抗を低減させることなく、溝部形成による表面積増大によってマイクロ波電気信号の表皮効果による実効抵抗を十分に低減できる。また、金属導体部１３の幅を拡大しないので、電子部品とのインピーダンス整合などの煩雑な設計を行う必要がない。したがって、インピーダンス不整合による電磁輻射の増大、及びそれに伴う反射エネルギー増大の問題が生じることもない。
【００４８】
さらに、本例でも、金属導体部１３に対し、複数の溝部を金属導体部１３の長さ方向、すなわち前記マイクロ波電気信号の伝送方向に沿って形成するようにすれば、上述した作用効果を、金属導体部１３のマイクロ波電気信号の伝送範囲全体に亘って享受することができる。
【００４９】
なお、基板や金属導体部の構成材料など、その他の要件については上述した具体例と同一であるので、説明を省略する。
【００５０】
以上、本発明を上記具体例に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記具体例に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいて、あらゆる変形や変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明のマイクロ波回路基板の一例を示す斜視図である。
【図２】図１に示すマイクロ波回路基板の、長さ方向に垂直な面で切った場合の正面図である。
【図３】図１に示すマイクロ波回路基板の、金属導体部を拡大して示す断面図である。
【図４】図１に示すマイクロ波回路基板の、金属導体部の変形例を示す断面図である。
【図５】図１に示すマイクロ波回路基板の、金属導体部の他の変形例を示す断面図である。
【図６】本発明のマイクロ波回路基板の他の例を示す斜視図である。
【図７】本発明のマイクロ波回路基板のその他の例を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００５２】
１０  マイクロ波回路基板
１１  （絶縁体）基板
１３  金属導体部
１５  電源層
１７  溝部
１９  グランド電極
【図１】
2008160751.tif 000005
【図２】
2008160751.tif 000006
【図３】
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【図４】
2008160751.tif 000008
【図５】
2008160751.tif 000009
【図６】
2008160751.tif 000010
【図７】
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