阅读说明：本技术 传输线路及空气桥结构 (Transmission line and air bridge structure ) 是由 新井茂雄 关根祐司 池田充彦 于 2020-01-19 设计创作，主要内容包括：本发明的目的在于提供一种传输线路,在用配置连接传输线路的接地导体之间的空气桥结构中,减少连接中心导体与接地导体之间的配线交叉的区域的静电电容,并且在机械强度方面具有稳定的空气桥结构。该传输线路的特征在于,具有：基板；第1中心导体及第2中心导体,形成于所述基板的一面；以及第3中心导体,具有相对于所述一面立足的第1立足部及第2立足部,该传输线路还具有：第3接地导体,连接所述第1接地导体与所述第2接地导体,所述第3中心导体与所述第3接地导体形成空气桥结构。(The present invention provides a transmission line having a stable air bridge structure in terms of mechanical strength while reducing electrostatic capacitance in a region where wiring connecting a center conductor and a ground conductor crosses in an air bridge structure in which ground conductors connecting the transmission line are arranged. The transmission line is characterized by comprising: a substrate; a 1 st central conductor and a 2 nd central conductor formed on one surface of the substrate; and a 3 rd center conductor having a 1 st leg portion and a 2 nd leg portion standing on the one surface, the transmission line further including: and a 3 rd ground conductor connecting the 1 st ground conductor and the 2 nd ground conductor, wherein the 3 rd center conductor and the 3 rd ground conductor form an air bridge structure.)

传输线路及空气桥结构

技术领域

本发明涉及一种连接传输线路的接地电极之间时所使用的空气桥结构。

背景技术

在形成于半导体基板的电路等中使用的共面波导(Coplanar Waveguide，以下称为CPW线路)中，为了抑制时隙模式的产生而需要将接地导体的电位设为相等。

CPW线路成为在中心导体的两侧具有接地导体的结构，但若要使接地导体的电位相等，则不得不连接位于中心导体两侧的接地导体。此时使用的就是空气桥结构，为在与信号传播的中心导体不同的层中设置连接接地导体之间的配线的结构。

在该空气桥结构中，连接信号线路与接地导体之间的配线经隔着空气交叉。此时，在信号线路与配线重叠的部分产生电容，该电容作为并联的寄生电容而造成影响。该寄生电容成为CPW线路的特性阻抗下降的一种原因，从而因阻抗的不一致而导致在信号线路中传播的信号的延迟或反射增大。

将专利文献1所记载的具有以往的空气桥结构的CPW线路示于图15。CPW线路10由基板11、形成于基板11上方的中心导体12、设置于中心线路两侧的接地导体13、14及连接接地导体13、14的配线15构成。配线15具有立足于基板面的立足部15a、15b，立足部15a、15b分别立足于接地导体13、14而跨过中心线路12，从而形成空气桥结构。

图16是CPW线路10的俯视图。由虚线包围的区域是由宽度为w_sμm的中心导体12与宽度为w_oμm的配线15形成的交叉区域，交叉区域的面积S₀成为S₀＝w_o×w_sμm²。

图17是以包含穿过配线15中央的DD′且将中心导体延伸的方向设为法线的面来切割时的CPW线路10的剖视图。在中心导体12的上表面与配线15的下表面之间产生与立足部15a、15b的高度相应的厚度t₀μm的间隙。

若对中心导体12施加规定的电压且配线15接地，则交叉区域作为具有空气介电常数的电容器而产生影响，并且产生和面积S₀与厚度t₀之比S₀/t₀成正比的静电电容。该静电电容并联附加于CPW线路10的原来的阻抗，因此导致传播损耗的增加或反射的增大等共面波导的特性的劣化。

专利文献1：日本专利申请2010-237204号

为了防止CPW线路10的特性的劣化，需要减少交叉区域的静电电容。然而，若为以跨过中心导体的方式设置连接接地导体之间的配线的结构，则在中心导体与配线之间产生空间，从而对配线15作为结构体需要用于能够维持形状的一定的机械强度。因此，若为了降低交叉区域的电容而使配线的宽度w_o变细，则空气桥结构即配线整体的机械强度变弱，从而存在施加了轻微的冲击或挠曲的情况下配线15的形状崩塌的顾虑或断裂的顾虑。

发明内容

本发明是鉴于这种问题而完成的，其目的在于提供一种在用配线连接传输线路的接地导体之间的空气桥结构中，减少连接中心导体与接地导体之间的配线交叉的区域的静电电容，并且在机械强度的方面稳定的空气桥结构及具有这种空气桥结构的传输线路。

为了实现所述目的，本发明的技术方案1所涉及的传输线路具有：基板；第1中心导体及第2中心导体，在所述基板的一面形成于相同的直线上，且具有相同的宽度；以及第1接地导体及第2接地导体，具有与所述第1中心导体及所述第2中心导体平行的边缘，且离所述第1中心导体及所述第2中心导体相隔相同的距离，并且彼此对置，所述传输线路的特征在于，还具有：第3中心导体，具有相对于所述一面立足的第1立足部及第2立足部；以及第3接地导体，连接所述第1接地导体与所述第2接地导体，配置于所述第1中心导体的端部和与所述第1中心导体的端部对置的所述第2中心导体的端部之间，且宽度窄于所述第3中心导体的宽度，所述第1立足部配置于所述第1中心导体的端部，所述第2立足部配置于所述第2中心导体的端部，所述第3中心导体与所述第3接地导体形成空气桥结构。

根据该结构，能够抑制产生中心导体与连接接地导体之间的配线交叉的区域的静电电容而减少传播损耗的增加或反射的增大。

为了实现所述目的，本发明的技术方案2所涉及的传输线路的特征在于，所述第3接地导体配置于第1中心导体的端部与所述第2中心导体的端部的中央。

根据该结构，通过将从配线至中心导体端部的距离设为相同，能够将在寄生于CPW线路的阻抗的静电电容中由基板的介电常数引起的成分设为最小。

为了实现所述目的，本发明的技术方案3所涉及的传输线路的特征在于，所述第3接地导体的宽度为所述第3中心导体的宽度的1/3以下。

根据该结构，能够实现传播损耗少的传输线路。

为了实现所述目的，本发明的技术方案4所涉及的传输线路的特征在于，所述基板由成为主体的基板主体及位于所述基板主体的上表面的第1层构成，所述第3接地导体配置于所述基板主体的上表面，且与位于所述第1层的上表面的所述接地导体连接。

根据该结构，能够以高精度或稳定地进行传输线路的中心导体或接地导体的图案形成。

为了实现所述目的，本发明的技术方案5所涉及的空气桥结构的特征在于，具有基板、设置于基板上方的中心导体及接地导体，所述中心导体的一部分远离所述基板，且所述接地导体的一部分配置成穿过所述中心导体的一部分的下方，所述接地导体的一部分的宽度窄于所述中心导体的一部分的宽度。

根据该结构，能够抑制产生中心导体与连接接地导体之间的配线交叉的区域的静电电容而减少传播损耗的增加或反射的增大。

为了实现所述目的，本发明的技术方案6所涉及的传输线路的特征在于，所述中心导体包含：第1中心导体及第2中心导体，在所述基板的一面形成于相同的直线上，且具有相同的宽度；以及第3中心导体，具有相对于所述一面立足的第1立足部及第2立足部，所述接地导体包含：第1接地导体及第2接地导体，具有与所述第1中心导体及所述第2中心导体平行的边缘，且离所述第1中心导体及所述第2中心导体相隔相同的距离，并且彼此对置；以及第3接地导体，连接所述第1接地导体与所述第2接地导体，且配置于所述第1中心导体的端部和与所述第1中心导体的端部对置的所述第2中心导体的端部之间，并且宽度窄于所述第3中心导体的宽度，所述第1立足部配置于所述第1中心导体的端部，所述第2立足部配置于所述第2中心导体的端部，所述空气桥结构由所述第3中心导体及所述第3接地导体形成。

为了实现所述目的，本发明的技术方案7所涉及的传输线路的特征在于，所述第3接地导体配置于第1中心导体的端部与所述第2中心导体的端部的中央。

为了实现所述目的，本发明的技术方案8所涉及的传输线路的特征在于，所述第3接地导体的宽度为所述第3中心导体的宽度的1/3以下。

为了实现所述目的，本发明的技术方案9所涉及的传输线路的特征在于，所述基板由成为主体的基板主体及位于所述基板主体的上表面的第1层构成，所述第3接地导体配置于所述基板主体的上表面，并且与位于所述第1层的上表面的所述接地导体连接。

发明效果

本发明提供一种通过设置以中心导体跨过连接接地导体之间的配线的方式形成的空气桥结构而实现了透射特性及反射特性的劣化的传输线路。

附图说明

图1是表示本发明的第1实施方式所涉及的CPW线路的结构的图。

图2是本发明的第1实施方式所涉及的CPW线路的剖视图。

图3是本发明的第1实施方式所涉及的CPW线路的俯视图。

图4是表示本发明的第1实施方式所涉及的CPW线路的剖视图。

图5是本发明的第1实施方式所涉及的CPW线路的透射特性S21的模拟结果。

图6是本发明的第1实施方式所涉及的CPW线路的反射特性S11的模拟结果。

图7是用于进行S21及S11的实际测量的测试样品，图7(a)是以往的结构，图7(b)是第1实施方式所涉及的结构。

图8是具有本发明的第1实施方式所涉及的CPW线路的测试样品的S21的测量结果。

图9是表示本发明的实施方式所涉及的CPW线路的结构的图。

图10是本发明的实施方式所涉及的CPW线路的剖视图。

图11是本发明的实施方式所涉及的CPW线路的剖视图。

图12是本发明的实施方式所涉及的CPW线路的剖视图。

图13是本发明的实施方式所涉及的CPW线路的剖视图。

图14是本发明的实施方式所涉及的CPW线路的剖视图。

图15是表示以往技术的实施方式所涉及的CPW线路的结构的图。

图16是以往技术的实施方式所涉及的CPW线路的俯视图。

图17是以往技术的实施方式所涉及的CPW线路的剖视图。

具体实施方式

(第1实施方式)

以下，根据附图对本发明的第1实施方式进行说明。图1示出了适用了本发明的CPW线路20的结构。

该CPW线路20由基板21、中心导体22、23、24、接地导体25、26及配线27构成。在基板21中能够使用半导体或电介质等材料，这次使用化合物半导体即GaAs。另外，基板21可以是由单一材料构成的结构，也可以是层叠有多个材料的结构，能够适当选择。

中心导体形成于基板表面的上方。以直线状延伸的中心导体由第1中心导体22、第2中心导体23及第3中心导体24构成。第3中心导体24在两端具有第1立足部24a及第2立足部24b。第1中心导体的端部22a用作高频信号输入的输入端部，在另一端部22b配置有第1立足部24a。第2中心导体23与第1中心导体22隔着间隔配置，在与第1中心导体的另一端部22b对置的第2中心导体的端部23a配置有第2立足部24b。第2中心导体的另一端部23b用作输出端部，输出高频信号。另外，在此，对置是指彼此面对面的状态。

形成于第3中心导体24两端的第1立足部24a及第2立足部24b相对于基板21的上表面立足。通过具有该立足部，能够将第3中心导体配置于与第1中心导体及第2中心导体不同的层。并且，在第3中心导体的下方产生间隙t₁的空隙，利用该空隙能够与其他配线交叉。立足部的形状并不一定是相对于基板21的上表面垂直的形状，只要能够将第3中心导体配置于与第1中心导体及第2中心导体不同的层，则立足部的形状可以是平缓的弯曲形状。

接地导体25、26配置于中心导体22、23、24的两侧。接地导体25、26由配线27连接。

另外，中心导体22、23、24、接地导体25、26及配线27为金属薄膜。在本实施方式中，中心导体22、23、接地导体25、26及配线27的膜厚为1.5μm，中心导体24的膜厚为3μm。根据用途，能够适当设定各厚度，并不限定于这些值。

图2是将中心导体22、23的上表面设为剖面的CPW线路20的剖视图。第1中心导体22、第2中心导体23、接地导体25、26及配线27均形成于相同的层。中心导体22、23与接地导体25、26的边缘之间的距离为gμm。第1中心导体的宽度及第2中心导体的宽度分别为w_sμm、连接接地导体25、26的配线27的宽度为w₁μm。在本实施方式的情况下，w_s＝30μm、g＝20μm、w₁＜w_s。若参考后面叙述的模拟结果，则优选w₁≤w_s/3。

配线27配置于第1中心导体的端部22b与第2中心导体的端部23a之间。在此，当将从第1中心导体的端部22b至配线27的距离设为d1，将从第2中心导体的端部23b至配线27的距离设为d2时，设为d1＝d2，而示出配线27配置于中央的情况。

接地导体25、26的边缘与中心导体延伸的方向平行，配线27与接地导体25、26的边缘垂直而连接中心导体两侧的接地导体25、26。

图3是CPW线路20的俯视图。通过配置于第1中心导体的端22b及第2中心导体的端23a的第3中心导体24两端的立足部24a、24b，第3中心导体24配置于相对于基板的表面仅高出立足部的高度的层。第3中心导体24具有与第1中心导体22及第2中心导体23相同的宽度w_s。图3的由虚线包围的部分为宽度w_s的第3中心导体24与宽度w₁的配线27交叉的区域。该交叉区域的面积S₁μm²成为S₁＝w_s×w₁μm²。

图4是以将配线27的方向设为法线且包含穿过中心导体中央的AA′的面来切割时的CPW线路20的剖视图。与第3中心导体24所具有的立足部24a、24b的高度t₁相当的量，在第3中心导体的下方产生空隙。在本实施方式中，t₁＝2μm。配线27形成为可通过该空隙，并且在中心导体24的下表面与配线27的上表面之间具有该厚度t₁的空隙，因此中心导体24与配线27能够以电绝缘的状态交叉。由此，中心导体24及配线27形成空气桥结构。

在图5中示出CPW线路的透射特性S21的模拟结果，在图6中示出CPW线路的反射特性S11的模拟结果。测量频率设为1GHz至100GHz。制造并比较了具有图15所示的以往的空气桥结构的CPW线路10与第1实施方式所涉及的CPW线路20中配线27的宽度为2μm、5μm、10μm的三种模拟模型。总的说来，如图5的透射特性S21的结果所示，具有第1实施方式所涉及的空气桥结构的CPW线路20的一方S21值较高，可知所有频率下均成立该关系。例如，若以频率60GHz来进行比较，则以往的空气桥结构为-0.067dB、若将本实施方式的空气桥结构的一方的配线27的宽度逐渐变窄为w₁＝10μm、5μm、2μm，则S21的值为-0.061dB、-0.059dB、-0.056dB而成为较高的值，从而可知为随着配线27的宽度变窄而传播损耗减少的线路。

并且，关于反射特性，如图6的反射特性S11的模拟结果所示，具有本实施方式所涉及的空气桥结构的CPW线路的一方S11表示较低值，可知在所有频率下成立该关系。例如，若以频率60GHz来进行比较，则以往的空气桥结构为-26.02dB，若将本实施方式的空气桥结构的配线27的宽度设为w₁＝10μm、5μm、2μm，则S11的值为-28.36dB、-29.82dB、-31.82dB而成为较小的值。因此，可知随着配线27的宽度变窄而反射特性的值变小。

作为与以往的配线跨过中心导体上方的空气桥结构相比本实施方式的中心导体跨过配线上的空气桥结构表示更良好的特性的原因之一，考虑中心导体与配线的交叉部分的面积减少。

即，在以往的空气桥的情况下，w_o＝20μm，交叉部分的面积成为30×20μm²。另一方面，在本实施方式所涉及的空气桥结构的情况下，当w₁＝2μm、5μm、10μm时，交叉部分的面积分别成为60μm²、150μm²、300μm²。在任一情况下，相对于以往的交叉部分的面积600μm²均成为较小值，从而能够减少附加于CPW线路的静电电容。

在以往的空气桥结构中不容易减少交叉部分的面积。这是因为，若为CPW线路10的结构，则当使配线的宽度变细时，机械强度不足，从而存在受到由微小的冲击引起的摆动或挠曲的影响而空气桥结构断裂的顾虑。

另一方面，在本实施方式中，连接接地导体的配线位于与第1中心导体及第2中心导体相同的层，并且使具有立足部的第3中心导体与配线交叉，由此形成空气桥结构。中心导体的宽度w_s为较宽的30μm，因此即便形成空气桥结构，也能够确保机械强度。

图7(a)及图7(b)是对透射特性及反射特性进行实际测量时所使用的测试样品的图。图7(a)表示具有连接接地导体的配线跨过中心导体的以往的空气桥结构的CPW线路的测试样品，在输入侧的中心导体中形成有用于使探针触碰的触片16a，在输入侧的接地导体中形成有触片17a。相同地，在输出侧的中心导体中形成有触片16b，在输出侧的接地导体中形成有触片17b。中心导体的宽度w_s为30μm，跨过中心导体的配线的宽度w_o为20μm。在空气桥结构的数量较少的测试样品中，可能无法确认空气桥结构造成的影响，因此以等间隔形成了18个空气桥结构。

图7(b)是具有中心导体相对于连接接地导体的配线位于上方的本实施方式的空气桥结构的CPW线路的图。中心导体的宽度w_s为30μm，配线的宽度w₁为2μm。在输入侧用于使探针触碰的触片28a形成于中心导体侧，触片29a形成于接地导体侧，在输出侧相同地形成有触片28b、触片29b。与图7(a)相同地形成有18个空气桥结构。

图8表示测试样品的S21的特性。测量频率设为3GHz至100GHz。获得与模拟相同的结果，可知在所有频率范围内，与以往的配线跨过中心导体的空气桥结构相比本实施方式所涉及的中心导体跨过配线的空气桥结构的S21的值更大。因此，若使用中心导体跨过连接接地导体的配线的上方的空气桥结构，则能够实现传播损耗少的CPW线路。

并且，在本实施方式中，将配线27配置于距中心导体端部的距离d1、d2相等的位置。d1及d2与由配线27及中心导体形成的电容的值相关联，并且因中心导体及与接地导体连接的配线而产生的静电电容与1/d1+1/d2成正比。若求出静电电容成为最小值的稳定点，则是成为d1＝d2的位置，因此作为设置配线的位置判断d1＝d2为最佳的位置。

(第2实施方式)

接着，对本发明的第2实施方式进行说明。对与第1实施方式相同的部分省略说明。

图9示出了第2实施方式所涉及的CPW线路30的结构。基板21由基板主体21a及中间层21b构成。连接接地导体25、26之间的配线27在基板主体的表面由图案化等而形成，中间层21b形成为覆盖基板主体21a的上表面及配线27的表面。在基板主体21a中能够使用半导体或电介质等材料，这次使用化合物半导体即GaAs。中间层21b由半导体或电介质构成，中间层21b的厚度为0.5～2μm左右。关于基板主体21a及中间层21b的材质，可以由单一材料形成，也可组合多个材料来形成，能够适当设定。

中心导体22、23及接地导体25、26形成于中间层21b的上表面。因此，配线27形成于基板主体21a的上表面，接地导体25、26形成于中间层21b的上表面，因此分别存在于不同的层。若要连接位于接地导体25与接地导体26，则能够经由设置于中间层21b的通孔等孔而用配线27连接接地导体25、26之间。

图10是以包含穿过中心导体22、23、24的宽度中央的引出线BB′且以将配线27的方向设为法线的面来切割了CPW线路30时的CPW线路30的剖视图。配线27设置于基板主体21a的上表面，中心导体22、23设置于基板主体21a上方的层即中间层21b的上表面。而且，在比中间层21b更靠上方的层形成有中心导体24，由此形成中心导体跨过配线上方的空气桥结构。这里的配线27的上表面与中心导体24的下表面的距离设为t₂。距离t₂由立足部的高度t₁与中间层21b的厚度及配线27的厚度求出，在此t₂＝3.5μm。

图11是以包含穿过配线的宽度中央的引出线CC′且将中心导体的方向设为法线方向的面来切割了CPW线路30时的CPW线路30的剖视图。配线27设置于基板主体21a的上表面，接地导体25、26设置于基板主体21a上方的层即中间层21b的上表面。而且，中心导体24形成于比接地导体25、26更上方的层而形成空气桥结构。经由形成于接地导体边缘附近的通孔，位于不同的层的配线27与接地导体25、26连接。

通过将接地导体25、26及配线27配置于不同的层，能够防止产生被由接地导体25、26及配线27形成的金属膜包围的区域。为了进行比较，关注在第1实施方式的结构中如图7(b)所示重复配置了空气桥结构的线路的基板表面。图12是以中心导体22、23的上表面切割了重复配置了第1实施方式的空气桥结构的CPW线路20时的剖视图。如图12所示，在图7(b)的测试图案中，以中心导体22、配线27a、中心导体31、配线27b、中心导体23的顺序在基板21的表面交替形成有中心导体与配线的图案。在此，在与基板21的上表面的相同的面配置配线27a、中心导体31、配线27b及接地导体25、26，因此中心导体31周围的区域成为被接地导体25、26及配线27a、27b的金属膜包围的区域。若存在如此被金属膜包围的封闭区域，则形成图案时剥离性变差，从而存在图案的成品率下降的顾虑。

图13是以中间层21b的上表面切割了重复配置有第2实施方式所涉及的空气桥结构的CPW线路30时的CPW线路30的剖视图。如图13所示，在中间层21b的上表面具有以相同的间隔排列的中心导体22、中心导体31及中心导体23和接地导体25、26，如虚线所示，配线27c、27d形成于与中间层21b的上表面不同的层即基板主体21a的上表面。

图14是以基板主体21a的上表面切割了重复配置了第2实施方式所涉及的空气桥结构的CPW线路30时的CPW线路30的剖视图。如图14所示，连接接地导体25、26的配线27c、27d形成于比中间层21b更下一层的层即基板主体21a的上表面。因此，以虚线表示的接地导体25、26及配线27c、27d彼此位于不同的层，因此不会形成被接地导体25、26及配线27c、27d的金属膜包围的封闭区域。因此，能够轻松地进行剥离，从而能够以高精度形成图案。

另外，本发明不仅适用于CPW线路，还能够适用于在基板背面整体设置有接地电极的带接地电极共面波导等。

符号说明

20-CPW线路，21-基板，22、23、24-中心导体，25、26-接地导体，27-配线。