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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024155318
(43)【公開日】2024-10-31
(54)【発明の名称】高周波回路
(51)【国際特許分類】
H01P 5/10 20060101AFI20241024BHJP
【ＦＩ】
H01P5/10 C
【審査請求】未請求
【請求項の数】5
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023069949
(22)【出願日】2023-04-21
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和２年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、研究成果展開事業 共創の場形成支援（共創の場形成支援プログラム）「量子ソフトウェア研究に関する国立大学法人大阪大学による研究開発」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願
(71)【出願人】
【識別番号】593165487
【氏名又は名称】学校法人金沢工業大学
(74)【代理人】
【識別番号】100114074
【弁理士】
【氏名又は名称】大谷 嘉一
(74)【代理人】
【識別番号】100222324
【弁理士】
【氏名又は名称】西野 千明
(72)【発明者】
【氏名】津留 正臣
(72)【発明者】
【氏名】伊東 健治
(72)【発明者】
【氏名】坂井 尚貴
(72)【発明者】
【氏名】平井 司
(57)【要約】
【課題】ＭＭＩＣ等の集積回路に適用が容易で小型化を図ることができる高周波回路の提供を目的とする。
【解決手段】第１の信号線と、前記第１の信号線と平行線路を形成するとともに前記第１の信号線を囲むように配置された３線以上の複数の第２の信号線を有し、前記複数の第２の信号線は信号の伝搬方向に直交する任意の位置で相互に接続されていることを特徴とする。
【選択図】 図１
【解決手段】第１の信号線と、前記第１の信号線と平行線路を形成するとともに前記第１の信号線を囲むように配置された３線以上の複数の第２の信号線を有し、前記複数の第２の信号線は信号の伝搬方向に直交する任意の位置で相互に接続されていることを特徴とする。
【選択図】 図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１の信号線と、前記第１の信号線と平行線路を形成するとともに前記第１の信号線を囲むように配置された３線以上の複数の第２の信号線を有し、
前記複数の第２の信号線は信号の伝搬方向に直交する任意の位置で相互に接続されていることを特徴とする高周波回路。
前記複数の第２の信号線は信号の伝搬方向に直交する任意の位置で相互に接続されていることを特徴とする高周波回路。
【請求項2】
３層以上からなる多層の誘電体層を有し、
前記第１の信号線は前記多層の誘電体層のうち、最上層及び最下層以外の層に形成され、
前記複数の第２の信号線は、前記第１の信号線を囲むように前記多層の誘電体層に形成されていることを特徴とする請求項１記載の高周波回路。
前記第１の信号線は前記多層の誘電体層のうち、最上層及び最下層以外の層に形成され、
前記複数の第２の信号線は、前記第１の信号線を囲むように前記多層の誘電体層に形成されていることを特徴とする請求項１記載の高周波回路。
【請求項3】
前記第１の信号線は、前記複数の第２の信号線の信号伝搬方向に直交する断面の略中心の位置にあることを特徴とする請求項１記載の高周波回路。
【請求項4】
前記第１の信号線及び第２の信号線のうち一方は、一端が接地されることを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の高周波回路。
【請求項5】
前記第１の信号線と前記第２の信号線をスパイラル状に形成したことを特徴とする請求項４記載の高周波回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、バラン，ミクサ，プッシュプル増幅器等に用いられる高周波回路に関する。
【背景技術】
【0002】
高周波の不平衡信号を平衡信号に、あるいはその逆に変換を行う高周波回路としてバランが知られている。
例えば、非特許文献１に記載されている、Classic Works in RF Engineering,Figure 3.11(Guanella Balun)の内容を図１２（ａ）に引用する。
平行線路の一方の線路の一端に不平衡信号を入力し、他方の線路の一端を短絡することで、この平行線路の他端から平衡信号を得るものである。
同文献のＦｉｇｕｒｅ３．１５（ａ）を図１２（ｂ）に引用するように、従来は同軸構造の心線を一方の線路、外導体を他方の線路とすることで、グァネラバランを形成していた。
これではサイズが大きくなり、ＭＭＩＣ（モノリシック マイクロ波集積回路）等、小型の高周波回路への適用が難しい問題があった。
例えば、非特許文献１に記載されている、Classic Works in RF Engineering,Figure 3.11(Guanella Balun)の内容を図１２（ａ）に引用する。
平行線路の一方の線路の一端に不平衡信号を入力し、他方の線路の一端を短絡することで、この平行線路の他端から平衡信号を得るものである。
同文献のＦｉｇｕｒｅ３．１５（ａ）を図１２（ｂ）に引用するように、従来は同軸構造の心線を一方の線路、外導体を他方の線路とすることで、グァネラバランを形成していた。
これではサイズが大きくなり、ＭＭＩＣ（モノリシック マイクロ波集積回路）等、小型の高周波回路への適用が難しい問題があった。
【0003】
また、同文献のＦｉｇｕｒｅ３．１０に記載のマーチャントバラン（Ｍａｒｃｈａｎｄ Ｂａｌｕｎ）を図１２（ｃ）に引用する。
このバランは、平面回路として構成できるものの１／４波長線路の結合回路を２つ用いるために、周波数が低くなるにつれてサイズの小型化が難しい。
このような高周波回路は、非特許文献２に示すようにミクサに適用した例も報告されている。
このバランは、平面回路として構成できるものの１／４波長線路の結合回路を２つ用いるために、周波数が低くなるにつれてサイズの小型化が難しい。
このような高周波回路は、非特許文献２に示すようにミクサに適用した例も報告されている。
【0004】
特許文献１には、図１３に引用したように第１の導体パターンと第２の導体パターンが上下に平行配線された例と、第１の導体パターンを上下の第２導体パターンでサンドイッチ構造にするバランの例が開示されている。
しかし、第１の導体パターンは結合部分に加えて、接地までに結合部分と同等の線路長が必要であり、やはり小型化が技術的課題となる。
しかし、第１の導体パターンは結合部分に加えて、接地までに結合部分と同等の線路長が必要であり、やはり小型化が技術的課題となる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0005】
【非特許文献1】John L.B.Walker,Daniel P.Wyer,Frederick H.Raab,and Chris Trask,“Classic Works in RF Engineering COMBINERS,COUPLERS,TRANSRORMERS,AND MAGNETIC MATERIALS”,Artech House on Demand,2006
【非特許文献2】下沢他，“スパイラル形結合線路を用いた並列接続形マーチャントバランと広帯域MMIC FETレジスティブリングミクサへの適用”，電子情報通信学会 論文誌C,vol.J89-C,no.5.pp.217-227.2006.
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開２００７－１８９３９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明は、ＭＭＩＣ等の集積回路に適用が容易で小型化を図ることができる高周波回路の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明に係る高周波回路は、第１の信号線と、前記第１の信号線と平行線路を形成するとともに前記第１の信号線を囲むように配置された３線以上の複数の第２の信号線を有し、前記複数の第２の信号線は信号の伝搬方向に直交する任意の位置で相互に接続され
ていることを特徴とする。
本発明は、前記第１の信号線は、前記複数の第２の信号線の信号伝搬方向に直交する断面の略中心の位置にあるのが好ましい。
ここで略中心の位置と表現したのは、詳細な説明は後述するが、電磁界分布において擬似的な同軸構造が形成される範囲にて第１の信号線が概ね中心に位置していればよいからである。
ていることを特徴とする。
本発明は、前記第１の信号線は、前記複数の第２の信号線の信号伝搬方向に直交する断面の略中心の位置にあるのが好ましい。
ここで略中心の位置と表現したのは、詳細な説明は後述するが、電磁界分布において擬似的な同軸構造が形成される範囲にて第１の信号線が概ね中心に位置していればよいからである。
【0009】
ここで、第１の信号及び第２の信号線のうち一方の一端を接地することで、平衡－不平衡変換を行うことができる。
例えば、第２の信号線の一端を接地して、第１の信号線の一端に不平衡信号を入力すると、第１の信号線の他端と第２の信号線の他端とで平衡信号が変換出力される。
また、逆の変換も可能である。
例えば、第２の信号線の一端を接地して、第１の信号線の一端に不平衡信号を入力すると、第１の信号線の他端と第２の信号線の他端とで平衡信号が変換出力される。
また、逆の変換も可能である。
【0010】
本発明に係る高周波回路は、３層以上からなる多層の誘電体層を有し、前記第１の信号線は前記多層の誘電体層のうち、最上層及び最下層以外の層に形成され、前記複数の第２の信号線は、前記第１の信号線を囲むように前記多層の誘電体層に形成することができる。
このようにすると、ＭＭＩＣとして形成しやすい。
このようにすると、ＭＭＩＣとして形成しやすい。
【発明の効果】
【0011】
本発明に係る高周波回路の作動原理の詳細は後述するが、第１の信号線と平行線路を形成しつつ、この第１の信号線を囲むように３線以上の複数の第２の信号線からなるので、従来の同軸ケーブルを用いたグァネラバランと同様の同軸構造を擬似的に形成することができる。
これにより従来の同軸ケーブルでは、ＭＭＩＣに適用することができなかったのに対して、本発明に係る周波回路はＭＭＩＣへの適用が可能になる。
また、従来、ＭＭＩＣに適用されていたマーチャントバランよりも約半分程度に小型化できる。
これにより従来の同軸ケーブルでは、ＭＭＩＣに適用することができなかったのに対して、本発明に係る周波回路はＭＭＩＣへの適用が可能になる。
また、従来、ＭＭＩＣに適用されていたマーチャントバランよりも約半分程度に小型化できる。
【0012】
本発明に係る高周波回路はバランのみならず、ミクサやプッシュプル増幅器などの高周波回路にも適用でき、小型化が可能である。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】本発明に係る高周波回路を半導体基板に形成した例を模式的に示し（ａ）は透視した平面図、（ｂ）はＡ－Ａ線断面図、（ｃ）は透視した側面図を示す。
【図3】（ａ）、（ｂ）は接続線の他の配置例を示す。
【図4】（ａ）、（ｂ）はスルービアによる接続の他の配置例を示す。
【図5】（ａ）、（ｂ）はスルービア、接続線の他の配置例を示す。
【図6】スルービア、接続線の他の配置例を示す。
【図7】基板上にスパイラル形状にした例を示す。
【図9】本発明に係る高周波回路の動作を説明するための図である、
【図10】動作説明図の続きである。
【図11】本発明に係る高周波回路の他の構成例を示す。
【図12】非特許文献１に記載されている回路例を示す。
【図13】特許文献１に記載されている回路例を示す。
【発明を実施するための形態】
【0014】
本発明に係る高周波回路の構成例を以下、図に基づいて説明するが、本発明はこれに限定されない。
【0015】
図１及び図２に高周波回路の構成例を示し、図１（ａ）は透視して表現した平面図、（ｂ）はそのＡ－Ａ線断面図、（ｃ）は側面視、図２（ａ）はＢ－Ｂ線断面図、（ｂ）はＣ－Ｃ線断面図をそれぞれ示す。
ＧａＡｓ、Ｓｉ等の半導体からなる基板１の上に、ＳｉＯ２，ポリイミド等からなる誘電体層を積層してある。
これらの誘電体層は１層が数μｍ程度の厚さで実現できる。
本実施例では、基板側から第１誘電体層５１、第２誘電体層５２及び第３誘電体層５３の３層の例になっているが、積層数に制限はない。
また、半導体基板上に積層された誘電体層を用いた例になっているが、樹脂基板やセラミック基板上に誘電体層を積層して用いても良い。
ＧａＡｓ、Ｓｉ等の半導体からなる基板１の上に、ＳｉＯ２，ポリイミド等からなる誘電体層を積層してある。
これらの誘電体層は１層が数μｍ程度の厚さで実現できる。
本実施例では、基板側から第１誘電体層５１、第２誘電体層５２及び第３誘電体層５３の３層の例になっているが、積層数に制限はない。
また、半導体基板上に積層された誘電体層を用いた例になっているが、樹脂基板やセラミック基板上に誘電体層を積層して用いても良い。
【0016】
金属線からなる第１の信号線１１が、中間層の第２誘電体層５２に沿って配線してある。
これに対して金属線からなる複数の第２の信号線を上記第１の信号線１１を囲むように並行な平行線路を形成してある。
本実施例では基板側の第１誘電体層５１に第２の信号線２１，２２を配線し、上層側の第３誘電体層５３に第２の信号線２３，２４を配線した例になっている。
これに対して金属線からなる複数の第２の信号線を上記第１の信号線１１を囲むように並行な平行線路を形成してある。
本実施例では基板側の第１誘電体層５１に第２の信号線２１，２２を配線し、上層側の第３誘電体層５３に第２の信号線２３，２４を配線した例になっている。
【0017】
図２（ａ）にＢ－Ｂ断面図（Ｂ－Ｂ’断面図）を示すように、第２の信号線２１と２２との間は信号方向とは直交する方向に接続した接続線３１を有し、第２の信号線２３と２４との間は同様に接続線３２にて接続され、第２の信号線２１と２３とはスルービア４１にて、第２の信号線２２と２４とはスルービア４２にて接続されている。
また、図２（ｂ）Ｃ－Ｃ断面図（Ｃ－Ｃ’断面図）に示すように、第２の信号線２１と２２とは不平衡端子側において、接続線３３にて相互に接続され、第２の信号線２３と２４とは接続線３４にて接続されている。
また、図２（ｂ）Ｃ－Ｃ断面図（Ｃ－Ｃ’断面図）に示すように、第２の信号線２１と２２とは不平衡端子側において、接続線３３にて相互に接続され、第２の信号線２３と２４とは接続線３４にて接続されている。
【0018】
このように第１の信号線１１を囲むように平行に配線した複数の第２の信号線は、信号方向とは直交する任意の面において同電位となるように相互に接続されていればよく、接続線やスルービア同士の間隔は設計事項であり、伝搬させたい波長に対して短い間隔でよい。
その例として図３（ａ），（ｂ）に接続線３５，３６の例、図４（ａ），（ｂ）にスルービア４３，４４の例、図５（ａ），（ｂ）、図６にはさらに、それらの組み合せ例を示す。
その例として図３（ａ），（ｂ）に接続線３５，３６の例、図４（ａ），（ｂ）にスルービア４３，４４の例、図５（ａ），（ｂ）、図６にはさらに、それらの組み合せ例を示す。
【0019】
図１（ａ），（ｃ）に示すように、第２の信号線２１～２４の一端は接地され、第１の信号線１１の一端は不平衡端子になる。
また、第１の信号線１１の他端と、第２の信号線２１～２４の他端は平衡端子となる。
また、第１の信号線１１の他端と、第２の信号線２１～２４の他端は平衡端子となる。
【0020】
本発明に係る高周波回路は、ＭＭＩＣにおいて小型なレイアウトにするために、図７に平面視、図８に斜視図を示すようにスパイラル形状にすることもできる。
図７，８において、誘電体層の表示は省略してある。
スパイラル形状に形成した第１の信号線の周囲を囲むようにして、この第１の信号線と平行線となるように、４つの第２の信号線がスパイラル形状に形成するとともに、第２の信号線同士が同電位になるように、スルービアで接続した例になっている。
図７，８において、誘電体層の表示は省略してある。
スパイラル形状に形成した第１の信号線の周囲を囲むようにして、この第１の信号線と平行線となるように、４つの第２の信号線がスパイラル形状に形成するとともに、第２の信号線同士が同電位になるように、スルービアで接続した例になっている。
【0021】
次に本発明に係る高周波回路の動作原理について説明する。
図９（ａ）は従来のグァネラバランの同軸構造における電磁界分布の概略図を示す。
これに対して本発明に係る構造を図９（ｂ），（ｃ）に示す。
第１の信号線１１を囲むように４つの第２の信号線２１～２４が平行線路として配置されているので、擬似的に同軸構造を形成していることになる。
これにより、不平衡端子に不平衡信号を入力すると、第１の信号線１１と第２の信号線２１～２４との間に同軸構造と同様の電磁界が分布し、第１の信号線に沿って伝搬する。
このときの電流の向きは、第１の信号線と第２の信号線とで逆向きになるため、第１の信号線の他端と第２の信号線の他端がつながる平衡端子からは平衡信号が出力される。
また逆に平衡端子側から平衡信号を入力すると不平衡端子から不平衡信号が出力されることになる。
図９（ａ）は従来のグァネラバランの同軸構造における電磁界分布の概略図を示す。
これに対して本発明に係る構造を図９（ｂ），（ｃ）に示す。
第１の信号線１１を囲むように４つの第２の信号線２１～２４が平行線路として配置されているので、擬似的に同軸構造を形成していることになる。
これにより、不平衡端子に不平衡信号を入力すると、第１の信号線１１と第２の信号線２１～２４との間に同軸構造と同様の電磁界が分布し、第１の信号線に沿って伝搬する。
このときの電流の向きは、第１の信号線と第２の信号線とで逆向きになるため、第１の信号線の他端と第２の信号線の他端がつながる平衡端子からは平衡信号が出力される。
また逆に平衡端子側から平衡信号を入力すると不平衡端子から不平衡信号が出力されることになる。
【0022】
この際に第２の信号線同士を接続させる接続線やスルービアがない断面においても、同軸構造と同様の電磁界分布となるのは次のとおりである。
図１０に示すように第２の信号線同士の間では、第２の信号線同士の磁界が逆向きになるため打ち消し合う。
そのため第２の信号線の間は電気壁とみなせ、金属配線があるのと等価とみなせる。
第２の信号線の外側では、第２の信号線による磁界の総和と第１の信号線との磁界が逆向きのため打ち消し合う。
第１の信号線には第２の信号線に流れる電流の総和と同じ電流が流れているため、第２の信号線の外側における第２の信号線による磁界の総和と第１の信号線による磁界の大きさとほぼ同じであるため打ち消し合うことになる。
また、第１の信号線からの電界は囲むように配置されている第２の信号線の他端で終端し、複数の第２の信号線の相互の間隔により擬似的な同軸構造の特性インピーダンスを設計することができる。
従って、本発明に係る高周波回路は図１１（ａ）に示すように第２の信号線を２１～２６の６線を配置してもよく、その場合に図１１（ｂ）に示すように誘電体層を５１～５６の６つの層にする等、任意に計設できる。
図１０に示すように第２の信号線同士の間では、第２の信号線同士の磁界が逆向きになるため打ち消し合う。
そのため第２の信号線の間は電気壁とみなせ、金属配線があるのと等価とみなせる。
第２の信号線の外側では、第２の信号線による磁界の総和と第１の信号線との磁界が逆向きのため打ち消し合う。
第１の信号線には第２の信号線に流れる電流の総和と同じ電流が流れているため、第２の信号線の外側における第２の信号線による磁界の総和と第１の信号線による磁界の大きさとほぼ同じであるため打ち消し合うことになる。
また、第１の信号線からの電界は囲むように配置されている第２の信号線の他端で終端し、複数の第２の信号線の相互の間隔により擬似的な同軸構造の特性インピーダンスを設計することができる。
従って、本発明に係る高周波回路は図１１（ａ）に示すように第２の信号線を２１～２６の６線を配置してもよく、その場合に図１１（ｂ）に示すように誘電体層を５１～５６の６つの層にする等、任意に計設できる。
【0023】
第２の信号線が２線までの場合、例えば第１の信号線の上下に配置された場合、電束は第１の信号線の上下に分布するのみであるが、第２の信号線が３線以上配置されることにより、第２の信号線により第１の信号線を囲むような配置が可能となって、電束は第１の信号線から同軸構造と同様に放射状の分布が得られる。
したがって、第２の信号線は３線以上配置されれば良い。
したがって、第２の信号線は３線以上配置されれば良い。
【符号の説明】
【0024】
１ 基板
１１ 第１の信号線
２１ 第２の信号線
２２ 第２の信号線
２３ 第２の信号線
３２ 接続線
３４ 接続線
４１ スルービア
４２ スルービア
５１ 第１誘電体層
５２ 第２誘電体層
５３ 第３誘電体層
１１ 第１の信号線
２１ 第２の信号線
２２ 第２の信号線
２３ 第２の信号線
３２ 接続線
３４ 接続線
４１ スルービア
４２ スルービア
５１ 第１誘電体層
５２ 第２誘電体層
５３ 第３誘電体層
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】