(57)【要約】【課題】　超広周波数範囲にわたり平衡反位相出力を提供するとともに、占有空間が小さいバラン構造を提供する【解決手段】　結合伝送線路バラン構成は、プレーナ構造を画成する電気的に絶縁性または半絶縁性の基板（１１）上に形成された２対のプレーナ交互配置スパイラルコイル（３、５および７、９）を使用する。それぞれの対の一方のコイルは直列接続されてバランの入力伝送線路を画成し、その伝送線路の一端（８）は開放回路である。このバランは、ＭＭＩＣデバイスの当該周波数において超広帯域幅特性を提供し、ＭＭＩＣデバイスの製造で使用されるのと同じ技術を用いて製造され、ＭＭＩＣデバイス内での応用に適した物理的サイズである。【選択図】　図１
2004072115.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長λで使用するための結合線路バランであって、
　比較的平坦であり上面および底面を有する、誘電体材料の基板と、
　前記底面に取り付けられ該底面を被覆する金属層と、
　前記上面に取り付けられ該上面に沿って延在する第１プレーナ伝送線路であって、該第１プレーナ伝送線路は開放回路伝送線路であり、第１および第２コイル部分を画成し、該第１および第２コイル部分の各々は幾何形状において実質的に同一であり電気長が４分の１λである、第１プレーナ伝送線路と、
　前記上面に取り付けられた第２および第３プレーナ伝送線路であって、該第２および第３プレーナ伝送線路はそれぞれ前記第１プレーナ伝送線路に磁気的に結合され、前記第２および第３プレーナ伝送線路の各々は第１端および第２端ならびに電気長が４分の１λのコイル状部分を有する、第２および第３プレーナ伝送線路と、を備え、
　前記第２プレーナ伝送線路の前記コイル状部分は、該コイル状部分および前記第１コイル部分を磁気的に結合するように前記第１伝送線路の前記第１コイル部分と交互配置され、前記第３プレーナ伝送線路の前記コイル状部分は、該コイル状部分および前記第２コイル部分を磁気的に結合するように前記第１伝送線路の前記第２コイル部分と交互配置され、
　前記第２および第３プレーナ伝送線路の前記第１端は共通に電気的に接続され、
　前記第２および第３プレーナ伝送線路の各々の前記第２端は前記バランのそれぞれの出力ポートを提供し、
　それにより前記第１プレーナ伝送線路の入力に印加される波長λの信号が、前記第２および第３プレーナ伝送線路の前記第２端の各々において本質的に等しい大きさであるとともに、本質的に逆位相で現れる、
結合線路バラン。
【請求項２】
請求項１に記載の結合線路バランにおいて、前記基板の前記上面は前方側および後方側エッジを有し、前記第２および第３プレーナ伝送線路の各々の前記第２端は、前記前方側および後方側エッジの一方に面することにより、前記出力ポートが前記基板の同じエッジに配置される、結合線路バラン。
【請求項３】
請求項２に記載の結合線路バランにおいて、前記第２および第３プレーナ伝送線路の各々の前記第１端の間の前記電気的接続は接合点において形成され、該接合点は前記第１および第２プレーナ伝送線路の各々の前記コイル状部分から対称に配置され、さらに、前記接合点に接触するとともに前記基板の前記上面から前記基板を通って延在して前記金属層に接触する金属バイアをさらに備える結合線路バラン。
【請求項４】
請求項２に記載の結合線路バランにおいて、前記第２および第３プレーナ伝送線路の各々の前記第１端の間の前記電気的接続は接合点において形成され、該接合点は前記第１および第２プレーナ伝送線路の各々の前記コイル状部分から対称に配置され、さらに、前記基板の前記上面から前記基板を通って延在して前記金属層に接触する金属バイアと、前記基板の前記上面に配置され、前記接合点に接続された端子および前記金属バイアに接続された第２端子を有するコンデンサと、を備える結合線路バラン。
【請求項５】
請求項１に記載の結合線路バランにおいて、前記第２プレーナ伝送線路の前記コイル部分は、時計回りまたは反時計回りのいずれか一方向に渦巻形になった縮小する直径の円形スパイラルを画成する湾曲した金属トレースを含み、前記第３プレーナ伝送線路の前記コイル部分は、前記第２プレーナ伝送線路の前記コイル部分のスパイラルの方向とは反対の方向に渦巻形になった縮小する直径の円形スパイラルを画成する湾曲した金属トレースを含む、結合線路バラン。
【請求項６】
前記第２プレーナ伝送線路の前記コイル部分は、時計回りまたは反時計回りのいずれか一方向に渦巻形になった縮小する直径の矩形スパイラルを画成する湾曲した金属トレースを含み、前記第３プレーナ伝送線路の前記コイル部分は、前記第２プレーナ伝送線路の前記コイル部分のスパイラルの前記方向とは反対の方向に渦巻形になった縮小する直径の矩形スパイラルを画成する湾曲した金属トレースを含む、結合線路バラン。
【請求項７】
請求項１に記載の結合線路バランにおいて、導電性材料のグランドリングをさらに備え、該グランドリングは、前記基板の前記上面の周囲に延在し、前記第１、第２および第３プレーナ伝送線路の各々の前記コイル状部分の周りにリングを画成する、結合線路バラン。
【請求項８】
請求項２に記載の結合線路バランにおいて、導電性材料のグランドリングをさらに備え、該グランドリングは、前記基板の前記上面の周囲に延在し、前記第１、第２および第３プレーナ伝送線路の各々の前記コイル状部分の周りにリングを画成する、結合線路バラン。
【請求項９】
請求項３に記載の結合線路バランにおいて、導電性材料のグランドリングをさらに備え、該グランドリングは、前記基板の前記上面の周囲に延在し、前記第１、第２および第３プレーナ伝送線路の各々の前記コイル状部分の周りにリングを画成する、結合線路バラン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は、シングルエンド（片単接地）高周波伝送線路（例えば不平衡線路）を、一般にバランと呼ばれる１対の平衡伝送線路に結合する高周波変成器装置に関し、特に、モノリシックマイクロ波集積回路（「ＭＭＩＣ」）に応用されるプレーナ（平面）形態のバランに関する。
【背景技術】
【０００２】
　高周波ＲＦ回路においては、二線式伝送線路を通じて供給される高周波ＲＦ信号を、パワーが等しく位相が１８０度ずれた別々の平衡信号に変換あるいは分割し、それらの別々の信号が別々の伝送路に沿って伝搬するのを可能にすることが一般的である。２つのワイヤから形成され、その一方が電気的グランドに接続されている二線式伝送線路（したがって、ＲＦ信号）は、グランドに関して不平衡であると見られるのに対して、後者の２つの伝送路（および２つの導出された信号）は、そのグランドに関して平衡である。不平衡信号から平衡信号へのこのような変換はしばしばバラン変成器によって実現される。逆に、バラン変成器のいくつかの実施態様は、平衡信号を不平衡対に変換するという逆の作用も可能にする。一般に、バラン変成器（包括的に、単にバランと呼ばれる）は性質上能動または受動のいずれかである。受動型は、動作のために外部電力源を必要としない。変換に要求されるのは当該高速信号、ＲＦのみである。受動バランはしばしば双方向特性を有する。すなわち、当該信号は、バランの任意のポートに対して、入力または出力のいずれともなり得る。本発明は、受動型のバランに関し、特に、局部発振器（「ＬＯ」）およびＲＦ信号の両方のためのミクサ周波数ダウンコンバータに典型的な応用が見出される、不平衡−平衡方向で用いられるバランに関する。
【０００３】
　多くの形態のバランが当技術分野で知られている。バラン構造の例は、Chang等への米国特許第５，４２８，８３８号、Fadenへの米国特許第５，８１９，１６９号、Bounyへの米国特許第５，０６１，９１０号、およびSadirへの米国特許第５，４２８，８４０号に見出される。しばしばバランは、リングミクサまたはスターミクサのような別の能動高周波デバイスの構造内に集積される。同様にミクサデバイスは、マイクロ波モノリシック集積回路（「ＭＭＩＣ」）デバイスのコンポーネントを形成する。ＭＭＩＣデバイスは、定義上、半絶縁性の半導体基板または絶縁性基板の上または内部のいずれかの場所に、１つまたは複数の既知のデポジション（堆積）プロセスによって形成された、すべての能動および受動回路要素ならびに関連する相互接続を含む。
【０００４】
　モノリシックで実装される従来の結合線路バラン変成器は、通常、多層基板のマイクロストリップまたはストリップラインプロセスで実現されるか、または、特定の応用に固有の方式で構成されている。後者の例は、前掲のChang等の’８３８号特許に記載されているスターミクサ、および、前掲のFadenの’１６９号特許に記載されている高漏洩（漏れ）および相互変調抑圧リングミクサである。多層基板プロセスは高価であり、あらゆる半導体ファウンドリで利用可能または標準的でない可能性がある。本発明は、利点として、多層基板プロセスを要求しない。
【０００５】
　Chang等の’８３８号特許は、互いに直角に向けられた同一の結合線路バランの対を組み込み、ＭＭＩＣ回路内に構成可能な、ダイオードスターミクサを例示している。各バランは、結合伝送線路マイクロストリップから形成される（図３）。砒化ガリウム（誘電率１２．９）のような半導体材料の基板上に、または、アルミナ（誘電率９．９）のような絶縁性材料の基板上に形成された直線状の中心マイクロストリップは、２対の同一マイクロストリップによって、その長さの両側で境界づけられ、その中心マイクロストリップの一端は入力として機能し、他端は「開放（オープン）」すなわち非接続である。一方のマイクロストリップの対は、中心マイクロストリップの長さの本質的に半分を境界づけ、他方の対は中心マイクロストリップの長さの本質的に残りの半分を境界づける。各対の２個のマイクロストリップの外側端はグランドに接続されるが、各対の２個のマイクロストリップの内側端は互いに電気的に接続されて第１および第２の出力を形成する。中心マイクロストリップの一端は不平衡線路の入力として機能するが、そのマイクロストリップの他端は開放のままである、すなわち、他のいかなるものにも電気的に直接接続されない。
【０００６】
　Chang特許に例示され詳細に記載されているスターミクサの実用的な実施形態では、バランは二重バラン構造の一体的要素として示されており、その構造ではバランは互いに垂直に向けられ、２個のバランの中心コネクタはそれらが交差するところで互いに接続されている。Chang等の’８３８号特許のバランは、直線状マイクロストリップ伝送線路の長さが実用的であると同時に非常に高い周波数で有益なバラン構造を提供するように見える。しかし、認識されるように、仮に約２ＧＨｚのようなより低い周波数のためにスターミクサが設計されたとすれば、伝送線路の長さはより大きい空間を要求し、そのことは、Changの’８３８号特許で規定された構造に従うと、ＭＭＩＣ構造には非実用的であり、ＭＭＩＣ構造内では有効に実施され得ない。本発明は、利点として、Chang特許のバランよりもサイズがコンパクトであり、それらの低い周波数におけるＭＭＩＣ構造において実用的である。本発明により実施されるスターまたはリングミクサは、いかなる周波数範囲でも、Changの’８３８号特許よりも実質的に小さい基板面積しか占有せず、しかも同等の性能を提供する。より小さい空間しか要求しないため、さらなる利点として、本発明は、Chang特許のミクサが実用性が維持されるより高い周波数においてさえ、ＭＭＩＣ回路をChang特許のものより高度に小型化することが可能である。
【０００７】
　Chang特許によれば、Chang特許および本発明に見出されるタイプの結合線路バランは一般的に、結合線路が高い偶数モードインピーダンスを有するとともに、偶数および奇数モードの位相速度が厳密に整合しなければ、性能が低下することになる。Chang特許のバランの固有の構成にとって、および、本発明の構成にとって本質的なことは、いずれのバランも低い偶数モードインピーダンスに対する許容性があることである。その許容性により、スターおよびリングミクサの構成においてバランを使用することが可能である。ＭＭＩＣアプリケーションにおいて典型的なように、高誘電性のベースあるいは基板上に構成されるとき、適切な偶数および奇数モード位相速度整合もまた達成される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
　したがって、本発明の目的は、非常に広い周波数範囲にわたり平衡アンチフェーズ（反位相）出力を提供するバラン構成を提供することである。
　本発明のさらなる目的は、所与の同等の性能パラメータのセットに対して、従来技術のバランより小さい空間を占有するバラン構造を提供することである。
【０００９】
　本発明のさらなる別の目的は、ＭＭＩＣデバイス内での応用があり、さまざまな周波数範囲、例えば、３〜６ＧＨｚ、１２〜２４ＧＨｚおよび２０〜４０ＧＨｚの周波数範囲にわたり使用するためにスケーリング可能なバランのプレーナ物理構成を提供することである。
【００１０】
　また、本発明のさらなる別の目的は、形状が本質的にプレーナ形であり、ＭＭＩＣデバイスの一部として、または、別個に、単一層基板上に製造可能な、新規なバラン構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
　以上の目的および利点に従って、本発明は、一方のコイルの対が他方の対と並んで配置された、電気的絶縁性基板の平坦な上面に取り付けられた２対の結合マイクロストリップ・スパイラルコイルによって特徴づけられる。１対のそれぞれのコイルは、その対の他方のコイルとインターリーブ（交互配置）され、互いから離間され、その対のコイルは電磁的にリンクあるいは結合される。１対のコイルは減少する半径のスパイラルを画定し、他方の対のコイルは増大する半径のスパイラルを画定し、一方のコイル対は他方のコイル対の鏡像である。それぞれの対の一方のコイルはエアブリッジにより他方の対の一方のコイルと直列接続されて、バランの直列接続一次巻線として機能し、上記の直列接続一次巻線内の第２のコイルの一端は開放である。それぞれの対の残りのそれぞれのコイルの端部は共通の接合部（点）に接続され、直接的または間接的に接地されるが、後者の２個のコイルの残りの端部は、バラン変成器の平衡出力を画定する。幾何学的には、コイルは通常、円形または矩形のスパイラル構成として実現される。
【００１２】
　本発明は、多目的で、超広帯域で、サイズがコンパクトで、プレーナ形で、モノリシックで、安価な結合線路バランを提供する。本発明は、マイクロ波ミクサ、周波数逓倍器および平衡増幅器のコンポーネントとして含む等、多くの応用に適している。
【００１３】
　本発明の上記および追加的な目的および利点は、本発明に特徴的な構成とともに、前述した部分では簡単に要約しただけであるが、添付図面に提示された例示とともに、本明細書において以下に続く本発明の好適実施形態の詳細な説明を読めば、当業者にはさらに明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
　図１を参照すると、バラン１の好ましい実施形態が上面図に示される。バランは、２対の電磁的に結合したコイル状のマイクロストリップ伝送線路から形成される。第１の対は、スパイラル巻線すなわちコイル３および５を含み、第２の対はスパイラルコイル７および９を含む。それぞれのスパイラルコイルは、基板１１の平坦な上面にプレーナ導電性金属トレースとして製造される。基板１１は、部分的にのみ図示されているが、電気的絶縁性材料または半導電性材料の砒化ガリウム（ガリウムヒ素）のような半絶縁性材料から適当に形成される。他の適当な基板材料には、インジウムリン（燐化インジウム）、シリコン、シリコンゲルマニウムおよび絶縁体材料のアルミナがある。各コイル対のコイル状結合伝送線路は、並置、即ち並んで配置され、基板１１に一体的に付着した、交互配置（インターリーブ）された「パンケーキ」形のコイルとして現れる。基板１１の下側表面は、金属の層（図示せず）でコーティングまたは別の方法で被覆され、これは基準グランドプレーン（接地面）を形成し、電気的グランドとして機能する。上面に、構造全体の周囲に延在するコプレーナ（共面）金属リングを含めることによって、基準接地メカニズムを提供してもよい。このような代替接地メカニズムは、ＭＭＩＣ製造プロセスが背面基板へのビア（バイア）を形成するサブプロセスを欠いているときにしばしば使用される。
【００１５】
　図中左側のコイル３および５のターン（巻回）は、ある中心の周りに平行に時計回り方向に、減少する半径のスパイラルをなしてコイル巻線され、個々のコイルの巻回は基板上で離間して交互配置される。コイル７および９の巻回は、別の中心の周りに平行に反時計回り方向に、減少する半径のスパイラルをなして巻線され（あるいは別の見方をすれば、時計回り方向にその中心から増大する半径のスパイラルをなして巻線され）、個々のコイルの巻回は同じく基板上で離間して交互配置される。あるいは、コイル３および５の方向を時計回りであるとみなし、コイル７の方向を時計回りであるとみなし、コイル９を方向を反時計回りであるとみなしてもよい。基板の特性は電気的に絶縁性であるため、コイルの個々の巻回の間の間隔は、コイル巻回を互いから電気的に絶縁する。間隔およびトレース幅のような、コイル状結合マイクロストリップ対の寸法、および、コイルの巻数は、特定の応用の必要性に適するように選択される。コイルは矩形形状の巻回から形成されていることが留意される。しかし、所望であればそれらのコイルは円形形状に形成してもよい。
【００１６】
　後に本明細書でさらに詳細に説明するように、図中左側のコイル３および右側のコイル７は直列接続され、バランの一次巻線として機能する。左側のコイル５および右側のコイル９は、２個の二次巻線として機能する。コイル３の始端は、バランに対する入力としても機能し、２で表され、そのコイルの終端は４に位置する。右側のコイル対の対応する一次コイル７の始端は６で表され、コイル７の終端は、８で表される。第１のコイル対の第２コイル５の始端は１２で表され、終端は１４で表される。右側に図示される第２のコイル対の対応するコイル９の始端は１６で表され、その終端は１８で表される。
【００１７】
　金属「エアブリッジ」１０、すなわち、両方のコイル対の間にある巻回の上に延在し、その巻回から電気的に絶縁された金属ストリップは、コイル３の終端４とコイル７の始端６を電気的に接続して、２個のコイルを電気的に直列にしている。図中では見えないが、金属エアブリッジは、４個のコイルの架橋部分への短絡回路を形成するような金属間接触を回避するために、４個のコイルの下にある部分からわずかなギャップによって離間されている。バランは、非導電性である空気中で使用されることがあるため、このギャップはエアギャップと呼ばれる。しかし、これは限定を意図していない。というのは、認識されるように、バランは、いかなる他の非導電性気体雰囲気中あるいは真空中でも同様に使用され得るからである。さらに、そのエアギャップは代わりに固体絶縁体で充填されてもよい。
【００１８】
　金属ストリップから形成される第２の金属エアブリッジ２０は、コイル３および５の巻回の上に延在し、その巻回から離間され、コイル５の終端１４に電気的に接続される。そのエアブリッジの外側端は、バランの一方の出力端子２１として機能する。第３の金属ストリップ２２は、コイル７および９の巻回の上に延在し、その巻回から離間されたもう１つのエアブリッジを形成し、コイル９の始端１６に電気的に接続される。エアブリッジ２２の外側端２３は、バランの第２の出力端子として機能する。上記の第１のエアブリッジと同様に、間隔が、それぞれのブリッジをそれぞれのコイルの下にある部分から電気的に絶縁する。
【００１９】
　理解されるように、エアブリッジは、コイル状部分が、直線状出力部分２０および２２（図１）ならびに開放回路伝送線路のコイル状部分３および７（図１）を接続する相互接続部分１０の上にあるようにすることによって形成してもよい。別法として、上記のように一方の部分を他方の部分の上に持ち上げる代わりに、基板１１を通ってブリッジを形成することも可能であるが、これは製造するのがずっと複雑な構造であり、あまり好ましくない。このような変更にもかかわらず、認識されるべきであるが、上記の代替法はすべて、本発明の範囲内に含まれる。
【００２０】
　コイル５の始端１２およびコイル９の終端１８は、基板１１の表面に付着した金属ストリップ１３によって互いに電気的に接続される。さらに、金属パッド１５が基板上にストリップ１３と接触して形成され、この２つを共通の電気的接触状態にする。金属パッド１５は、基板に付着したグランドプレーン層のような、点線で図示した電気的接地電位に接続するために基板を通って延在するバイアの上部金属層を構成する。
【００２１】
　代替実施形態では、コイル状部分５および９の長さを短縮するとともに、パッド１５および下の金属バイア（図示せず）を２個の別々のバイアで置き換えてもよい。このような実施形態では、コイル部分５は、入力端２と同じ基板上の位置で終端され、コイル部分９は、コイル７の端部８と同じ基板上の位置で終端されることになる。その場合、２個のボンディングパッドおよびバイアの一方は、コイル５のその端部に配置され、２個のボンディングパッドおよびバイアの他方は、コイル９のその端部に配置されることになる。そして、コイル５および９のそれらの端部は、基板１１の下側の金属接地層を通じて電気的に接続されることになる。このような実施形態はあまり好ましくない。というのは、ボンディングパッドおよびバイアを端部２および８に非常に接近して配置し、それぞれのコイル状の対３、５および７、９の実効４分の１波長結合長を不平衡化することは、バランの性能に悪影響を及ぼすことになると考えられるからである。
【００２２】
　続いて図２の実施形態において、一方のコイル対（図中左側に示す）の各コイルは、第２のコイル対（右側に図示）の対応するコイルと構造において同一である。半径方向の巻線方向が内向きと外向きで反対であることを除き、他の点では、コイル３は、コイルのワイヤを形成する金属トレースの巻数、長さ、および幅などにおいて、コイル７と同一である。同様に、半径方向の巻線方向が内向きと外向きで反対であることを除き、コイル５は、コイルのワイヤを形成する金属トレースの巻数、長さ、および幅などにおいて、コイル９と同一である。全体の構造は中心線すなわち軸、すなわちバランの対称軸に関して対称である。すなわち、コイル状部分３および５、ブリッジ部分ならびにコイル５をパッド１５に接続する線路の直線状セクションの部分（軸２５の左側に図示）は、軸２５の右側にあるバランの対応する要素の鏡像である。
【００２３】
　上記のバランは、半導体材料のスラブあるいはウェハ（例えば、砒化ガリウムウェハ、好適には厚さ４ミルのウェハ）の平坦な上面にコイルの金属巻線をデポジット（堆積）するとともに、任意の従来の製造技術を用いて底面に金属層を堆積することによって製造される。実用的な代替実施形態では、砒化ガリウムの代わりに、他の適当なモノリシック半導体プロセス、例えば、シリコン、シリコンゲルマニウム、燐化インジウムなどや、アルミナのような絶縁体材料で置き換えてもよい。金属巻線が完成したら、エアブリッジ１０、２０および２２が形成される。ブリッジは、次のように構造に付加される。まず、上記のコイルおよびウェハ表面の上に窒化物層を付加する。ただし、端部４および８、１４および１８は窒化物によって被覆されないままに残し、また、エアブリッジ２０および２２が終端すべき位置で基板を通るホールも残す。次に、金属ブリッジが、窒化物の上、ならびに、窒化物層の深さ部分、露出した端部４、８、１４および１８の上への窒化物層のホール、ならびに基板への窒化物のホールに、堆積される。
【００２４】
　金属ブリッジが形成された後、適当なエッチング剤を用いて窒化物がエッチング除去される。これは、金属を下にあるコイルの巻回から絶縁する物理的ギャップ、すなわちエアギャップを、金属ブリッジの下に残す。それぞれのエアブリッジの両端は、適宜、図示のようなコイルの端部および基板に接続した短い上向きに延在する端部によって支持され、これによりコイル対の巻回の上方に水平に延在する金属のセクションがサスペンド（懸垂）される。
【００２５】
　図２を参照すると、これは、図１のバランの単純化された配線略図である。その単純化において、その配線略図は、自己インダクタンス、キャパシタンス、漏れコンダクタンス、および、バランの性能に影響する図２の実施形態の物理的構造に固有の他の電気的特性を無視しているが、それにもかかわらず、その新規なバランの動作の基礎となる一般的概念を理解するのに有用である。コイル状部分を含む結合マイクロストリップ伝送線路は、配線略図中では単にコイルとして表されている。説明を簡単にするため、それらの伝送線路部分をコイルと呼ぶ。コイル３の始端２は、高周波ＲＦ信号の信号源、すなわち不平衡の線路あるいは信号源に結合されるべき入力として機能する。中実のドットで表されているように、その始端はコイル３の正極性端部である。動作時に、入力された信号はコイル状線路３および７を直列に伝搬する。しかし、コイル７の終端８は開放すなわち開放回路のまま残される。すなわち、その端部は、基板上の他のいかなるものにも、特にいかなる金属回路要素にも、直接接続されない。グランドへの直接の物理接続のその欠如にもかかわらず、高周波電流は、あたかもコイル状部分を含まない開放回路伝送線路の場合のように、それらの巻線を流れる。
【００２６】
　コイル３を通る入力電流は、巻線５に磁気的に結合する。その電流はまた、コイル７を通ってグランドに流れ、巻線９に磁気的に結合する。これらの高い周波数では、構造に固有の巻線間キャパシタンスの程度に応じて、巻線間に多少の容量性結合も生じ得る。巻線５および９の両方は、端部で接合部１３に接続される。その接合部は、図中に示されているようなバイアを通じて直接的に、または、図中には示されていないが、終端コンデンサの容量性結合を通じて間接的に、グランドに電気的に接続される。例えば、ＩＦ周波数抽出が所望されるミクサ用途にバランが適用される場合、シャント終端コンデンサが、接合部位置とグランドの間で金属バイアの代わりにバラン内に接続される。
【００２７】
　巻線３を通る電流は、コイルの正極性端部から負極性端部に流れ、また、コイル７の負極性端部からコイル７の正極性端部へとコイル７を逆向きに流れる。その電流は、コイル５および９のそれぞれの巻線に逆位相の電流を誘導し、それらの電流自体が互いに対して電気的に逆位相である。巻線５および９の両方は同一であるため、巻線５および９を流れる誘導電流は、理想的には、大きさが等しい。好ましくは、コイル状の対３および５の電気長と、コイル状の対７および９のその同じ結合電気長はそれぞれ、バランが使用されることが意図される周波数帯域の中心周波数において、４分の１波長すなわちλ／４である。再び留意されることとして、図２の単純化された配線略図は、例えばバランから得られる結果に影響する巻線間キャパシタンスなどにより導入され得るような、実際の物理的構造におけるさらなる複雑さを考慮に入れていない。コイル部分３および７を含む伝送線路の一端は開放回路であり、これはマーチャンド（Marchand）カプラの特徴であるため、本発明のバランはマーチャンド型バランとみなされ得る。
【００２８】
　しかし、結果は例外的であることがわかった。物理的構造のＲＦ特性および性能は通例、まず最初に、任意の知られているシミュレーションプログラムのようなコンピュータシミュレーションプログラムを用いてコンピュータにより得られる。例えば、知られているプログラムの１つは、Sonnet Software, Inc.から入手可能なｅｍプログラムである。これは、一般に「モーメント法（ＭｏＭ：Method of Moments）」と呼ばれる方法における、プレーナ構造へのマクスウェル方程式の適用に基づく２．５Ｄシミュレーションプログラムである。もう１つは、Ansoft Corporationから入手可能なＥｎｓｅｍｂｌｅプログラムである。これは、Ｓｏｎｎｅｔのプログラムに類似した２．５Ｄフィールドソルバであり、同じくマクスウェル方程式に基づいている。そしてさらにもう１つは、同じくAnsoft Corporationから入手可能なＨＦＳＳプログラムであり、これは３Ｄフルウェーブ電磁フィールドソルバ（3D full-wave electromagnetic field solver）である。理論的には、ＨＦＳＳプログラムは、一般に「有限要素法（Finite Element Method）」として知られている方法を用いた、完全３次元構造へのマクスウェル方程式の適用に基づいている。このようなシミュレーションプログラムは、構造のＲＦ特性を、その幾何形状および材料の反復的な合成および配置に基づいて、すばやく決定することを可能にする。
【００２９】
　上記の構造のコンピュータシミュレーションから得られた結果が、図３および図４に、それぞれプロットされ図表化されている。示されているように、一方の巻線５の出力（Ｓ３１）は、８．０〜２８．０ＧＨｚの周波数範囲のかなりの部分にわたって、他方の巻線９から得られる出力（Ｓ２１）とほぼ等しく、大きさにおいて優れた平衡を生じている。図４は、２つの出力ポート間の大きさ（マグニチュード）の差を表にしており、その差は、１２〜２４ＧＨｚの周波数帯域、すなわち１オクターブの帯域幅にわたり、０．６５ｄＢより小さい。Ｓ２１とＳ３１の平衡出力パワー比もまた、１２ＧＨｚ〜２４ＧＨｚの範囲にわたって本質的にフラットである。定在波比Ｓ２２およびＳ３３は本質的に等しく、その同じ範囲にわたり基準インピーダンスへの優れたインピーダンス整合を示している。したがって効果的に、この構造は、特性において超広帯域であるバランを生成している。出力２１と２３の間のＲＦパワー比の相対位相は図４の図表に示されている。図４を参照すると、示されているように、周波数が１２ＧＨｚから２４ＧＨｚまで増大するとき、相対位相は１８０度の理想に非常に近く、１２ＧＨｚにおける１７８．９７度から２４ＧＨｚにおける１８５．４３度まで変化している。このような結果は優れたものと考えられる。
【００３０】
　前に注記したように、バランが応用されるいくつかのミクサ用途では、いわゆる「混合」周波数すなわち中間周波数（ＩＦ）を抽出することが必要になる場合ある。その周波数成分を図１および図２のバランから抽出することは、図１および図２でパッド１５からグランドへの破線で示されるようなグランドへのバイアを取り除き、そのグランドバイアを高周波等価接地メカニズムで置き換えることによって実現される。その機能にしばしば用いられる等価接地メカニズムはシャントコンデンサであり、このコンデンサは、一端がパッドの電気的位置に接続され、その他端がグランドに接続される。コンデンサの最適値は、抽出される混合周波数の特定の要件に依存し、当業者に知られている計算またはシミュレーションを通じて決定され得る。通常、その値は、ＧＨｚ周波数ではピコファラドの大きさである。
【００３１】
　バランを含むこのようなミクサへの高ＲＦ周波数入力において、シャントコンデンサは、ＲＦがグランドへ流れるための低インピーダンスパス（経路）を提供する。しかし、上記のＲＦ周波数より実質的に低いＩＦ周波数では、そのキャパシタンスの実効インピーダンスは非常に大きくなる。このため、ＩＦ信号のより大きいＡＣ電圧（例えば電圧降下）がシャントコンデンサの両端に生成される。その電圧は、必要に応じて、ミクサ回路によって転送され得る。
【００３２】
　理解されるべきことであるが、グランドへのシャントキャパシタンスを有するバランカプラは、グランドへの直接接続を有するものと本質的に同様に機能する。グランドへのキャパシタンスを適所に備えて得られるバランの性能は、直接接地された電気的接合部１３（例えば、パッド１５）を有するバランに対して図３および図４に記載される性能と実質的に異ならない。すべての実用的目的にとって、性能は同一である。
【００３３】
　上記のシャントコンデンサは、図１の巻線端部１２および１８と電気的に接触するコンデンサプレートを基板の上面に画成する正方形の金属のコーティングあるいはデポジットによって、（実際の例では、比較的高誘電性の材料である砒化ガリウムのウェハのような）半導体ウェハ上に形成され得る。上記のプレートは、誘電体基板１１の下側に位置する金属グランドプレーン層（図示せず）と、または金属支持プレートと、電磁的に相互作用し得る。それらの代替例のいずれも、形成されたコンデンサプレートから誘電体材料によって離間された、コンデンサを画成するのに必要な第２の金属プレートを提供する。
【００３４】
　上記の図１および図２の実施形態が設計された周波数より低い周波数では、コイル巻線の長さを増加させる必要がある。理論的には、巻線の長さは、電気長において、バランがＲＦ信号を均等に分割するために使用されることが意図される周波数帯域の中心周波数の波長の４分の１に等しくするべきである。したがって、３〜６ＧＨｚ周波数帯域で動作することが意図されるバランカプラは、上面図で図５に示される物理的外観を有する。以下、図５を参照する。
【００３５】
　交互配置された巻線３１および３２ならびに交互配置された巻線３３および３４は、図１の対応する実施形態よりも、長さが長く、わずかに大きい物理的面積を占有することがわかる。したがって、ブリッジ３５は、コイル３２および３３の端部の間の物理的距離がより大きいことに起因して、図１の対応する要素１０よりも長さが長い。図５のカプラの動作は、図１のカプラの動作について説明したのと同一であるので、繰り返し説明する必要はない。前の実施形態の場合と同様に、このより低い周波数範囲でも、プレーナ構造は、超広周波数範囲にわたって本質的に平衡化された出力を提供することがわかる。
【００３６】
　完全にするため、図６は、高周波アップコンバータデバイス（図示せず）内のバランとして機能するように設計された、図５のバランを上面図で示す。したがって、そのアップコンバータデバイスのために、バランは、バランの二次巻線の２つの半分どうしの接合部で、図５のバランの場合のようなグランドへの直接接続の代わりに、シャントキャパシタンスを使用する。このバランは、図示のように接続されたコイル４１〜４４と、コンデンサ４７とを含む。バランは、前の実施形態と同様に製造され、前の実施形態と同様にして受動回路デバイスとして動作し、同じ超広帯域の結果を享有する。
【００３７】
　上記のバラン実施形態で用いられるコイル状部分は整数個の巻回を含む。理解されるように、他の実施形態は、端数個の巻回を含んでもよい。例えば、本発明の追加的実施形態（図示せず）は、１．５巻から形成されるコイルを含んでいた。それらの端数巻コイル状部分で形成されるバランの、コンピュータシミュレーションプログラムによる解析によれば、バランの機能特性は、本明細書で提示されたものと本質的に変わらないままであることが示された。
【００３８】
　本発明のバランは、ＭＭＩＣおよび他のプリント回路デバイスにおける応用に特に適したマーチャンドバランの固有の形態あるいは実施として認識されるべきである。上記のバラン構造は、３次元構造を構成するために多層基板を要求するような従来のバランとは異なり、単一層基板のみを用いて製造され得る。したがって、本発明は、相対的な製造の単純性、したがって、より低い製造コストを提供する。さらに重要なことに、新規なバラン構造は、非常に望ましい結果を達成する。当業者が認識するように、上記のバランは、周波数ミクサ装置、周波数アップコンバータ、および周波数ダウンコンバータ内のコンポーネントとして、ならびに、他のＲＦデバイスのコンポーネントとしての応用を有する。
【００３９】
　本発明の好ましい実施形態の上記説明は、当業者が本発明を実施し利用することを可能にするのに十分に詳細であると考える。しかし、明らかに理解されるように、上記の目的のために提示された要素の詳細は、本発明の範囲を限定することを意図していない。というのは、それらの要素の等価物およびそれらの他の変更は、すべて本発明の範囲内に入るが、本明細書を読めば当業者には明らかとなるであろうからである。したがって、本発明は、特許請求項の全範囲において広く解釈されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】上面図で示した本発明の実施形態である。
【図２】図１の実施形態の簡略化した電気配線略図である。
【図３】動作時に図１の実施形態から得られる結果を例示するグラフである。
【図４】図１のバランの平衡出力間の出力パワー比の相対的な位相および大きさを周波数の関数として表にした図表である。
【図５】２つの異なる周波数範囲で動作するように構成された、図１の実施形態を示す。
【図６】２つの異なる周波数範囲で動作するように構成された、図１の実施形態を示す。
【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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