(57)【要約】【課題】波形の劣化が少なく、高周波化が可能な伝送線路構造を実現するデジタル信号伝送線路を提供する。【解決手段】誘電体基板１と、誘電体基板１に配設された導体配線２とを備えているデジタル信号伝送線路において、導体配線２は伝送するデジタル信号と同じ周波数の正弦波の管内波長の略１／４の間隔で２個１組で配設された１組のインピーダンス不連続部２１および２２を有する。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体基板（１）と、
上記誘電体基板に配設された少なくとも１本の導体配線（２）と、
を備えているデジタル信号伝送線路において、
上記導体配線は、伝送するデジタル信号と同じ周波数の正弦波の管内波長の略１／４の間隔で２個１組で配設された少なくとも１組のインピーダンス不連続部（２１，２２）を有することを特徴とするデジタル信号伝送線路。
【請求項２】
上記導体配線のインピーダンス不連続部（２１，２２）は、上記デジタル信号を構成する周波数成分のみが通過しかつ不要な周波数成分は反射される程度に上記導体配線の配線幅を急激に変化させるように配線幅方向に張り出して形成された請求項１に記載のデジタル信号伝送線路。
【請求項３】
上記導体配線の上記各インピーダンス不連続部（２１，２２）は、上記導体配線の配線幅の少なくとも２倍〜６倍の長さで上記配線から両側に大略対称に張り出した張り出し部（２１ａ，２１ａ，２２ａ，２２ａ）を配置して上記導体配線の配線幅を急激に変化させるように上記配線幅方向に張り出して形成された請求項２に記載のデジタル信号伝送線路。
【請求項４】
上記導体配線のインピーダンス不連続部は、上記配線から上記配線幅方向に張り出して形成された略長方形の導体パターンである請求項２又は３に記載のデジタル信号伝送線路。
【請求項５】
上記２個１組で配設された少なくとも１組のインピーダンス不連続部（２１，２２）のうちのいずれか一方のインピーダンス不連続部と組をなしうる別のインピーダンス不連続部（２３）を、上記一方のインピーダンス不連続部と上記伝送するデジタル信号と同じ周波数の正弦波の管内波長の略１／４の間隔でさらに備える請求項１〜４のいずれか１つに記載のデジタル信号伝送線路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、デジタル信号を扱う電子機器の回路基板等に配設されるデジタル信号伝送線路構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
パーソナルコンピュータに代表されるデジタル機器では多くの印刷配線基板が使用され、その表面には多数のＬＳＩが実装され、ＬＳＩ間には銅などによる多数の配線が張り巡らされている。図９は従来の印刷配線基板の伝送線路構造の概略を示す斜視図である。図９において、１は誘電体材料により形成された基板、２は導体材料により形成された信号の伝送線路となる配線、３はグランドプレーンである。配線２の端部にはＬＳＩが接続され（図示せず）、略矩形波のデジタル信号が伝送される。
【０００３】
近年、デジタル信号伝送線路を通るデジタル信号のクロック周波数は、デジタル機器の処理能力向上のため、上昇の一途をたどっており、パーソナルコンピュータのマザーボードでは数百ＭＨｚに到達し、高周波の領域に入りつつある。
【０００４】
デジタル信号のクロック周波数が１ＧＨｚを越えるような値に高周波化すると、電磁波としての特性が顕著となり、配線端のＬＳＩ等との接続部におけるインピーダンスの不整合により反射が発生し、リンギングによる波形劣化が生じる。
【０００５】
こうした反射による波形劣化に対しては、デジタル信号配線を高周波伝送線路として設計することで線路のインピーダンスを明確にし、終端抵抗等によりインピーダンス整合をとる方法が有効である。図９に示す従来構造では、高周波の伝送特性に優れるマイクロストリップライン構造を形成しており、高周波伝送特性に優れる構造となっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来構造では周波数特性がフラットであるため、グランドバウンス、クロストーク等の現象により混入するノイズ成分やドライバ側ＬＳＩの出力性能の特性により発生する不要成分など、デジタル信号の矩形波を形成するために必要な周波数成分以外もすべて伝送されてしまうことになる。不要な周波数成分の伝播は波形劣化を生じ、デジタル機器の誤動作につながる恐れがある。
【０００７】
従って、本発明の目的は、上記問題を解決することにあって、デジタル信号の矩形波を形成するために必要な周波数成分を選択的に通過させて、波形の劣化が少なく、高周波化が可能な伝送線路構造を実現することができるデジタル信号伝送線路を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
【０００９】
本発明の第１態様によれば、誘電体基板と、
上記誘電体基板に配設された少なくとも１本の導体配線と、
を備えているデジタル信号伝送線路において、
上記導体配線は、伝送するデジタル信号と同じ周波数の正弦波の管内波長の略１／４の間隔で２個１組で配設された少なくとも１組のインピーダンス不連続部を有することを特徴とするデジタル信号伝送線路を提供する。
【００１０】
本発明の第２態様によれば、上記導体配線のインピーダンス不連続部は、上記デジタル信号を構成する周波数成分のみが通過しかつ不要な周波数成分は反射される程度に上記導体配線の配線幅を急激に変化させるように配線幅方向に張り出して形成された第１の態様に記載のデジタル信号伝送線路を提供する。
【００１１】
本発明の第３態様によれば、上記導体配線の上記各インピーダンス不連続部は、上記導体配線の配線幅の少なくとも２倍〜６倍の長さで上記配線から両側に大略対称に張り出した張り出し部を配置して上記導体配線の配線幅を急激に変化させるように上記配線幅方向に張り出して形成された第２の態様に記載のデジタル信号伝送線路を提供する。
【００１２】
本発明の第４態様によれば、上記導体配線のインピーダンス不連続部は、上記配線から上記配線幅方向に張り出して形成された略長方形の導体パターンである第２又は３の態様に記載のデジタル信号伝送線路を提供する。
【００１３】
本発明の第５態様によれば、上記２個１組で配設された少なくとも１組のインピーダンス不連続部のうちのいずれか一方のインピーダンス不連続部と組をなしうる別のインピーダンス不連続部を、上記一方のインピーダンス不連続部と上記伝送するデジタル信号と同じ周波数の正弦波の管内波長の略１／４の間隔でさらに備える第１〜４のいずれか１つの態様に記載のデジタル信号伝送線路を提供する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１５】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態におけるデジタル信号伝送線路を概略的に示す斜視図である。図１において、１は誘電体材料により形成された基板、２は基板１の上面上に配置されかつ導体材料により形成された信号を伝送するための配線、３は基板１の下面に配置されたグランドプレーンである。このような構造では、配線２およびグランドプレーン３は基板１の上下の対向面に配設されておりマイクロストリップラインを形成している。
【００１６】
ここで、本実施形態の特徴は、配線２において、２１および２２で示されるように配線幅が急激に拡張されたインピーダンス不連続部が存在する点である。すなわち、各インピーダンス不連続部２１，２２は、上記デジタル信号を構成する周波数成分のみが通過しかつ不要な周波数成分は反射される程度に上記導体配線２の配線幅を急激に変化させるように上記導体配線２の配線幅方向に張り出して形成された張り出し部２１ａ，２１ａ，２２ａ，２２ａより構成されている。それぞれの張り出し部２１ａ，２１ａ又は２２ａ，２２ａは、具体的には、上記配線２から両側に大略対称に大略同じ長さでかつ大略同じ幅で張り出して形成された略長方形の導体パターンである。
【００１７】
このように配線２において２１および２２で示されるように配線幅が急激に広がるインピーダンス不連続部を設けたことによる効果を説明するために、まず、本実施形態の伝送線路による信号伝送の動作について説明する。例えば配線２の一端にＥＣＬのドライバＬＳＩが、他端にＥＣＬのレシーバＬＳＩが接続されている場合、例えば、動作電圧を３．３ＶとするとＨＩＧＨ状態で約２．３Ｖの略矩形波のデジタル信号が配線２によりドライバＬＳＩからレシーバＬＳＩに伝送される。
【００１８】
デジタル信号の波形としては、図２のような理想的な矩形波が望ましく、こうした理想的な矩形波は、
【数１】
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のように、奇数倍周波数成分のみから構成される。ただし、ωは矩形波の角周波数、Ｖａｍｐは矩形波の振幅、Ｖｏｆｆはオフセット量である。
【００１９】
しかしながら、現実には、様々なノイズやドライバＬＳＩのドライブ能力などの要因により、例えば、図３のように劣化した波形となってしまう。こうした波形は奇数倍周波数成分だけでなく不要な周波数成分を含んでいる。こうした不要な周波数成分は反射や不要輻射の問題を複雑にし、デジタル信号の高速化の障害になる。
【００２０】
こうした問題に対し本実施形態では、配線２において、配線幅が急激に広がるインピーダンス不連続部２１および２２を設けたことで、その部分で伝送線路のインピーダンスの不整合が発生し、信号の反射が起こるため、多くの周波数成分はインピーダンス不連続部２１および２２を通過できない。しかしながら、管内波長の略１／４の長さがインピーダンス不連続部２１および２２の間隔に略等しい周波数成分およびその奇数倍周波数成分は、反射波同士の位相が一致するためにインピーダンス不連続部２１および２２を通過する。
【００２１】
したがって、逆に、伝送するデジタル信号と周波数の等しい正弦波の管内波長の略１／４の長さとなるようにインピーダンス不連続部２１および２２の間隔を設定すれば、デジタル信号を構成する周波数成分のみが通過し、不要な周波数成分は反射されることになる。
【００２２】
配線２のインピーダンス不連続部２１および２２の張り出し部２１ａ，２２ａそれぞれの配線２からの張り出し量は、配線２の幅の少なくとも２倍〜６倍とするのが好ましい。その理由は、２倍未満のときには、デジタル信号を構成する周波数成分のみが通過し、不要な周波数成分は反射されるといった所望の効果が期待できない一方、６倍より長いときには周波数特性においてデジタル信号を構成する周波数成分以外の周波数にピークが現れる等所望の効果以外の意図しない影響が生じるためである。また、上記所望の効果をより確実に達成するため、配線２に対してインピーダンス不連続部２１および２２のそれぞれの張り出し部２１ａ，２２ａが大略対称的に配置されるのが好ましい。また、同様な理由で、上記所望の効果をより確実に達成するため、配線２に対してインピーダンス不連続部２１および２２それぞれの張り出し部２１ａ，２２ａを一体的に形成するのが好ましい。なお、少なくともインピーダンス不連続部２１および２２が配置されている箇所の前後において、配線２は大略同一幅とする。
【００２３】
図４は本実施形態におけるデジタル信号伝送線路のモーメント法による２．５次元の電磁界シミュレータにより実際の平面回路での周波数特性を計算した結果である。図４の計算では、配線２の線幅を０．７ｍｍ、インピーダンス不連続部２１および２２の形状（すなわち、配線２両側にそれぞれ張り出した張り出し部２１ａ，２１ａと両者の間の配線部分を含む形状、配線２両側にそれぞれ張り出した張り出し部２２ａ，２２ａと両者の間の配線部分を含む形状）を１．５ｍｍ（配線長方向）×６．５ｍｍ（配線幅方向）の長方形形状、インピーダンス不連続部２１および２２の中心線間の間隔を３６ｍｍ、基板１の厚みを０．４ｍｍ、誘電率を５とした場合の結果である。インピーダンス不連続部２１および２２の中心線間の間隔を３６ｍｍは１ＧＨｚの場合の管内波長３９ｍｍと同程度の長さである。図４を見ればわかるように、通過特性が１ＧＨｚ、３ＧＨｚ、５ＧＨｚ、７ＧＨｚ近傍にピークを有し、これらの周波数成分が通過しやすいことが分かる。
【００２４】
このように、本実施形態のデジタル信号伝送線路では、配線にインピーダンス不連続部２１および２２を設けることにより、矩形波を構成する周波数成分以外を遮断するため、ノイズに強く、高速化対応可能なデジタル信号伝送が可能となる。すなわち、インピーダンス不連続部２１および２２で伝送線路のインピーダンスの不整合が発生し信号の反射が起こるため、多くの周波数成分はインピーダンス不連続部２１および２２を通過できないが、管内波長の略１／４の長さがインピーダンス不連続部２１および２２の間隔に略等しい周波数成分およびその奇数倍周波数成分は、反射波同士の位相が一致し、インピーダンス不連続部２１および２２を通過するため、デジタル信号を構成する周波数成分のみが通過し、不要な周波数成分は反射される。
【００２５】
（第２実施形態）
図５は本発明の第２実施形態におけるデジタル信号伝送線路を概略的に示す斜視図である。図５に示すように、本実施形態のデジタル信号伝送線路は下側グランドプレーン３１と上側グランドプレーン３２の上下両面のグランドプレーンが配設されストリップライン構造となっている。
【００２６】
本実施形態におけるデジタル信号伝送線路の構造は、ストリップライン構造である点を除くと、すでに説明した図１に示す第１実施形態のデジタル信号伝送線路の構造と同じであるので、図５においては第１実施形態と同じ機能の部材には図１と同じ符号を付して、その説明を省略する。また、構造をわかりやすくするため、上側グランドプレーン３２と基板１を透明に描いている。
【００２７】
図６は本実施形態におけるデジタル信号伝送線路のモーメント法による２．５次元の電磁界シミュレータにより実際の平面回路での周波数特性を計算した結果である。図６の計算では、配線２の線幅を０．７ｍｍ、インピーダンス不連続部２１および２２の形状（すなわち、配線２両側にそれぞれ張り出した張り出し部２１ａ，２１ａと両者の間の配線部分を含む形状、配線２両側にそれぞれ張り出した張り出し部２２ａ，２２ａと両者の間の配線部分を含む形状）を１ｍｍ（配線長方向）×６．５ｍｍ（配線幅方向）の長方形形状、インピーダンス不連続部２１および２２の中心線間の間隔を３０ｍｍ、基板１の厚みを０．４ｍｍ、誘電率を５とした場合の結果である。図６を見ればわかるように、通過特性が１ＧＨｚ、３ＧＨｚ、５ＧＨｚ、７ＧＨｚ近傍にピークを有し、これらの周波数成分が通過しやすいことが分かる。
【００２８】
このように、伝送線路構造はマイクロストリップラインだけではなく、ストリップライン構造でも同様の効果を発揮することができる。
【００２９】
（第３実施形態）
図７は本発明の第３実施形態におけるデジタル信号伝送線路を概略的に示す斜視図である。図７に示すように、本実施形態のデジタル信号伝送線路は２１、２２および２３の３つのインピーダンス不連続部が、伝送するデジタル信号と周波数の等しい正弦波の管内波長の略１／４の間隔で配設されている。
【００３０】
本実施形態におけるデジタル信号伝送線路の構造は、３つのインピーダンス不連続部２１、２２および２３が配設されている点を除くと、すでに説明した図１に示す第１実施形態のデジタル信号伝送線路の構造と同じであるので、図７においては第１実施形態と同じ機能の部材には図１と同じ符号を付して、その説明を省略する。インピーダンス不連続部２３は、他のインピーダンス不連続部２１、２２と大略同様に配置されている。すなわち、インピーダンス不連続部２３は、上記デジタル信号を構成する周波数成分のみが通過しかつ不要な周波数成分は反射される程度に上記導体配線２の配線幅を急激に変化させるように上記導体配線２の配線幅方向に張り出して形成された張り出し部２３ａ，２３ａより構成されている。それぞれの張り出し部２３ａ，２３ａは、具体的には、上記配線２から両側に大略対称に大略同じ長さでかつ大略同じ幅で張り出して形成された略長方形の導体パターンである。
【００３１】
図８は本実施形態におけるデジタル信号伝送線路のモーメント法による２．５次元の電磁界シミュレータにより実際の平面回路での周波数特性を計算した結果である。図８の計算では、配線２の線幅を０．７ｍｍ、インピーダンス不連続部２１および２３の形状（すなわち、配線２両側にそれぞれ張り出した張り出し部２１ａ，２１ａと両者の間の配線部分を含む形状、配線２両側にそれぞれ張り出した張り出し部２３ａ，２３ａと両者の間の配線部分を含む形状）を１．５ｍｍ（配線長方向）×６．５ｍｍ（配線幅方向）の長方形形状、インピーダンス不連続部２２の形状（すなわち、配線２両側にそれぞれ張り出した張り出し部２２ａ，２２ａと両者の間の配線部分を含む形状）を２．５ｍｍ（配線長方向）×６．５ｍｍ（配線幅方向）の長方形形状、インピーダンス不連続部２１と２２および２２と２３の中心線間の間隔をともに３６ｍｍ、基板１の厚みを０．４ｍｍ、誘電率を５とした場合の結果である。図８を見ればわかるように、通過特性が１ＧＨｚ、３ＧＨｚ、５ＧＨｚ、７ＧＨｚ近傍にピークを有し、これらの周波数成分が通過しやすいことが分かる。さらに、本実施形態の場合は、１つの周波数あたり２つのピークが近接して現れ、１つの周波数の通過帯域が広帯域化しており、周波数のずれなく、より確実にデジタル信号を構成する周波数成分のみを通過させ、不要な周波数成分を反射することができる。ここで、通過帯域の広帯域化の度合いは、例えば、中央に配設されたインピーダンス不連続部２２の配線長方向の長さによって制御可能である。
【００３２】
従って、第３実施形態によれば、インピーダンス不連続部２１，２２，２３によって生じる通過帯域が広帯域化し、周波数のずれなく、より確実にデジタル信号を構成する周波数成分のみを通過させ、不要な周波数成分を反射することができる。
【００３３】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。
【００３４】
例えば、上記第１〜第３実施形態においては、周波数１ＧＨｚのデジタル信号を例に採っているが、他の周波数であっても、隣接するインピーダンス不連続部の中心線間の間隔を調節することにより同様の効果を発揮することができる。本発明の好適な適用範囲としては、２００ＭＨｚ以上の周波数であり、そのような周波数のデジタル信号を伝送するデジタル信号伝送線路を有する回路基板に本発明を適用することが好ましい。
【００３５】
また、インピーダンス不連続部の張り出し部を所望の幅よりも大きな幅寸法で予め形成しておき、レーザーなどのトリミングにより適宜除去して幅寸法を調整することにより、隣接するインピーダンス不連続部の中心線間の間隔を調節するようにしてもよい。
【００３６】
また、上記各張り出し部（例えば２１）は、長方形状に限定されるものではなく、図１０に示すように、大略Ｌ字状のように途中で屈曲した形状の張り出し部２１ｂでもよい。
【００３７】
なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
【００３８】
【発明の効果】
本発明のデジタル信号伝送線路によれば、デジタル信号の矩形波を形成するために必要な周波数成分を選択的に通過させるため、導体配線にデジタル信号と同じ周波数の正弦波の管内波長の略１／４の間隔で配設されたインピーダンス不連続部を設けることで、デジタル信号の矩形波を形成するために必要な周波数成分を選択的に通過させることができ、波形の劣化が少なく高周波化が可能な伝送線路構造を実現することができ、波形劣化の少ない高速なデジタル回路基板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態におけるデジタル信号伝送線路を概略的に示す斜視図である。
【図２】理想的なデジタル信号の波形を示すグラフである。
【図３】実際のデジタル信号の波形を示すグラフである。
【図４】本発明の第１実施形態におけるデジタル信号伝送線路の周波数特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図５】本発明の第２実施形態におけるデジタル信号伝送線路を概略的かつ透視的に示す斜視図である。
【図６】本発明の第２実施形態におけるデジタル信号伝送線路の周波数特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図７】本発明の第３実施形態におけるデジタル信号伝送線路を概略的に示す斜視図である。
【図８】本発明の第３実施形態におけるデジタル信号伝送線路の周波数特性のシミュレーション結果である。
【図９】従来のデジタル信号伝送線路を概略的に示す斜視図である。
【図１０】本発明の第１実施形態におけるデジタル信号伝送線路の張り出し部の変形例を示す部分平面図である。
【符号の説明】
１…基板、２…配線、３…グランドプレーン、２１，２２，２３…配線の不連続部、２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２３ａ…張り出し部、３１…下側グランドプレーン、３２…上側グランドプレーン。
【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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