産総研、ミリ波帯で優れた伝送特性を持つ高周波伝送路を開発

September, 11, 2015, つくば--産業技術総合研究所（産総研）物理計測標準研究部門高周波標準研究グループ 堀部雅弘主任研究員とフレキシブルエレクトロニクス研究センター印刷デバイスチーム 吉田学研究チーム長は、印刷技術を利用して、100 GHzを超えるミリ波帯で優れた伝送特性を示す高周波伝送路（コプレーナ導波路）を開発した。
　導電率が高い銀ナノ粒子インクを用いた印刷技術によって、導体の導電率が高く寸法精度の良いコプレーナ導波路を作製した。この導波路は、100 GHzを超える高周波帯域まで低損失特性を示し、特に60 GHz以上では、従来のコプレーナ導波路の約半分の伝送損失であった。また繰り返し使用による特性劣化も小さいことから、ミリ波帯デバイスの電気的な性能を評価する「標準伝送路」として利用できる。さらに、一度に多くのパターン形成が可能なスクリーン印刷技術の活用により、導電膜形成、露光およびエッチングによる従来の作製法に比べて作製時間の短縮と低コスト化を実現した（作製時間：約1時間1、従来比20分の1以下。作製費：約6000円1、従来比10分の1以下）。
　コプレーナ導波路の伝送特性と反射特性はそれぞれ、導波路導体の導電率と導波路寸法の精度により決まるため、高性能のコプレーナ導波路を作製するには、高い導電率と寸法精度の高い作製技術が必要となる。今回、110 GHzまで信号を伝送できるミリ波帯のコプレーナ導波路を設計し、導電率の高い銀ナノ粒子インクと高精細なスクリーン印刷技術を用いて、アルミナ基板上にコプレーナ導波路（信号線幅が50 µm、信号線と接地線の間隔が25 µm）を作製した。
　開発した印刷法によるコプレーナ導波路と従来のコプレーナ導波路について、110 GHzまでの信号の伝送特性と反射特性を評価した。伝送特性は、値が0に近いほど損失が低く高性能だが、印刷法による伝送路の伝送特性は、従来の伝送路と同等か、それ以上であった。60 GHz以上の高周波数領域では、従来のコプレーナ導波路よりも低損失となり、特に100 GHz以上では約半分の低損失を実現している。また、反射特性では、負の数字が大きいほど信号の反射が少なく性能がよい。開発した導波路は、反射特性においても従来とほぼ同等の性能を示した。これらの評価結果は、従来技術に比べて導電率と寸法精度が同等か、それ以上である伝送路を、印刷技術により作製できることを示している。
　また、高周波伝送路を標準伝送路として利用するには、高周波プローブで繰り返し接触しても、特性を安定に維持できることが求められる。開発したコプレーナ導波路に、高周波プローブを10回接触させ、伝送特性の位相変化を測定した。印刷法によって作製したコプレーナ導波路は、従来のコプレーナ導波路に比べて位相変化が3分の1程度であり、安定性が増していることが分かった。これは、繰り返しの接触による導体金属表面の変形が少ないためと推測される。
　これらの評価・測定結果から、今回開発したコプレーナ導波路は、伝送特性・安定性の面において、従来のものより優れており「標準伝送路」として利用できる。また作製コストも安価なことから、ミリ波帯デバイスの性能評価用の「標準伝送路」として非常に有望である。