平面伝送線路

20GHzスペクトラムアナライザーのフィルタを構成するプリント回路平面伝送線路。左側の構造はヘアピンフィルタと呼ばれ、バンドパスフィルタの一例です。右側の構造はスタブフィルタと呼ばれ、ローパスフィルタです。上下の穴あき部分は伝送線路ではなく、回路の電磁シールドです。

平面伝送線路は、導体、または場合によっては誘電体（絶縁体）ストリップを備えた、平らなリボン状の伝送線路です。平面型はマイクロ波周波数で動作するプリント回路や集積回路上のコンポーネントを相互接続するために使用されます。これは、平面型がこれらのコンポーネントの製造方法に適しているためです。伝送線路は単なる相互接続ではありません。単純な相互接続では、電線に沿った電磁波の伝播は瞬時と見なせるほど速く、電線の両端の電圧は同一と見なすことができます。電線が波長のかなりの部分（経験則として10分の1がよく使用されます）よりも長い場合、これらの仮定は当てはまらなくなり、代わりに伝送線路理論を使用する必要があります。伝送線路では、電線の形状が正確に制御されるため（ほとんどの場合、断面積は長さに沿って一定に保たれます）、その電気的動作は非常に予測可能です。低周波数では、これらの考慮事項は異なる機器を接続するケーブルにのみ必要ですが、マイクロ波周波数では、伝送線路理論が必要になる距離はミリメートル単位で測定されます。したがって、回路内に伝送線路が必要になります。

最も初期の平面伝送線路は、第二次世界大戦中にロバート・M・バレットによって考案されました。ストリップラインと呼ばれ、マイクロストリップ、サスペンデッドストリップライン、コプレーナ導波路とともに、現代で使用されている4つの主要なタイプの1つです。これら4つのタイプはすべて、一対の導体で構成されています（ただし、そのうち3つでは、これらの導体の1つはグランドプレーンです）。したがって、支配的な伝送モード（モードは電磁波のフィールドパターンです）は、一対の電線で見られるモードと同一かほぼ同一です。スロットライン、フィンライン、イメージラインなどの他の平面伝送線路は、誘電体のストリップに沿って伝送し、基板統合導波路は、ポストの列を持つ基板内に誘電体導波路を形成します。これらのタイプは、電線ペアと同じモードをサポートできないため、伝送特性が異なります。これらのタイプの多くは帯域幅が狭く、一般に導体ペアよりも信号歪みが大きくなります。それぞれの利点は比較するタイプによって異なりますが、損失が低いことや特性インピーダンスの範囲が広いことなどが挙げられます。

平面伝送線路は、コンポーネントの構築だけでなく、それらの相互接続にも使用できます。マイクロ波周波数では、回路内の個々のコンポーネント自体が波長のかなりの部分よりも大きい場合がよくあります。つまり、それらを集中定数として扱うこと、つまり、それらが単一の点に存在するかのように扱うことができなくなります。集中定数の受動コンポーネントは、この理由のため、または必要な値が製造するには非現実的なほど小さいため、マイクロ波周波数では実用的ではありません。伝送線路のパターンは、これらのコンポーネントと同じ機能に使用できます。分布定数回路と呼ばれる回路全体をこの方法で構築できます。この方法は、フィルターによく使用されます。この方法は、プリント回路や集積回路での使用に特に適しています。なぜなら、これらの構造は、既存の基板にパターンを適用するだけで、アセンブリの残りの部分と同じプロセスで製造できるからです。このため、平面技術は、同軸線路などの他のタイプに比べて経済的に大きな利点があります。

伝送線路（一対の導体を使用する線路）と導波管（導体を全く使用しないか、誘電体内の波動を1本の導体で制限する線路）を区別する著者もいます。一方、これらの用語を同義語として用いる著者もいます。この記事では、平面形状であれば両方の種類を扱います。ここで使用する名称は一般的なものであり、必ずしも導体の数を示すものではありません。「導波管」という用語は、装飾のない状態では、中空または誘電体を充填した金属製の導波管を指し、平面形状ではありません。

一般的な特性

平面回路構造を組み込んだRFパワーアンプ。左側のアンプは、出力を中央の平面伝送線路フィルタ群に送り込む。右側の3つ目の回路ブロックは、アンテナからの電力の偶発的な反射からアンプを保護するためのサーキュレータである。

平面伝送線路は、導体が本質的に平面である伝送線路である。導体は平坦なストリップで構成され、通常、導体の平坦な面に平行な1つ以上のグランドプレーンが存在する。導体はグランドプレーンから分離されており、間に空気が介在する場合もあるが、多くの場合は固体誘電体が介在する。伝送線路は、ワイヤや同軸線路などの非平面形式で構築することもできる。相互接続に加えて、伝送線路には多様な回路を実装することができる。これには、フィルタ、電力分配器、方向性結合器、インピーダンス整合回路、能動部品にバイアスを供給するチョーク回路などが含まれる。平面型の主な利点は、プリント回路や集積回路の製造に使用されるのと同じプロセス、特にフォトリソグラフィープロセスを使用して製造できることである。したがって、平面型技術は、このような部品の大量生産に特に適している。^{[ 1 ]}

伝送線路から回路素子を作ることは、マイクロ波周波数において最も有効である。低周波数では波長が長くなるため、これらの素子は大きくなりすぎる。最高周波数のマイクロ波では、平面伝送線路は一般に損失が大きすぎるため、代わりに導波管が用いられる。しかし、導波管はより大きく、製造コストも高くなる。さらに高い周波数では、光ファイバーなどの誘電体導波管が最適な技術となるが、平面型の誘電体導波管も利用可能である。^{[ 2 ]} 最も広く使用されている平面伝送線路（あらゆる種類）は、ストリップ線路、マイクロストリップ、サスペンデッドストリップ線路、コプレーナ導波管である。^{[ 3 ]}

モード

選択されたモードの電界パターン：A、マイクロストリップにおける準TEM、^{[ 4 ]}、B、CPWにおける準TEM（偶数モード）、C、CPWにおけるスロットラインモード（奇数モード）^{[ 5 ]}

伝送線路にとって重要なパラメータは、採用される伝送モードです。モードは、伝送構造の形状によって生じる電磁場パターンを表します。 ^{[ 6 ]} 同じ線路上に複数のモードが同時に存在する可能性があります。通常、必要なモード以外のすべてのモードを抑制するための措置が講じられます。^{[ 7 ]}しかし、デュアルモードフィルタ などの一部のデバイスは、複数のモードの伝送に依存しています。^{[ 8 ]}

TEMモード

一般的な導電性の電線やケーブルに見られるモードは、横方向電磁モード（TEMモード）です。これは、一部の平面伝送線路においても支配的なモードです。TEMモードでは、電界と磁界の強度ベクトルは、波の進行方向に対して横方向であり、互いに直交しています。TEMモードの重要な特性は、低周波数、つまりゼロ（すなわちDC）まで使用できることです。^{[ 9 ]}

TEMモードのもう一つの特徴は、理想的な伝送線路（ヘビサイド条件を満たす もの）では、伝送周波数によって伝送パラメータ（特性インピーダンスと信号群速度）が変化しないことです。このため、理想的なTEM伝送線路は分散の影響を受けません。分散とは、異なる周波数成分が異なる速度で伝わることで生じる歪みの一種です。分散は、伝送情報を表す波形を線路長方向に「ぼかし」ます。他のすべてのモードは分散の影響を受け、実現可能な帯域幅に制限が課されます。^{[ 10 ]}

準TEMモード

一部の平面型、特にマイクロストリップは、均質な誘電体を持っておらず、線路の上下で誘電体が異なります。このような形状では真の TEM モードをサポートできません。伝送はほぼTEMになりますが、線路の方向と平行な電磁場の成分がいくらか存在します。このようなモードは準 TEM と呼ばれます。TEM 線路では、ギャップやポスト (フィルタやその他のデバイスの構築に使用) などの不連続部は、純粋にリアクタンスのあるインピーダンスを持ちます。つまり、エネルギーを蓄積することはできますが、消散させることはできません。ほとんどの準 TEM 線路では、これらの構造はインピーダンスに抵抗成分を追加します。この抵抗は構造からの放射によって生じ、回路に損失を引き起こします。同じ問題が線路の曲がり角や角でも発生します。これらの問題は、基板として高誘電率材料を使用することで軽減できます。これにより、より多くの波が誘電体に含まれるようになり、より均質な伝送媒体と TEM に近いモードが実現します。^{[ 11 ]}

横モード

中空金属導波管および光導波管では、他の横方向モードが無数に発生する可能性があります。しかし、TEMモードは伝搬に2つ以上の別々の導体を必要とするため、サポートできません。横方向モードは、電界のすべてが横方向であるか、磁界のすべてが横方向であるかによって、横方向電界モード（TEモードまたはHモード）と横方向磁界モード（TMモードまたはEモード）に分類されます。どちらか一方の電界には、常に縦方向成分があります。正確なモードは、指定された横方向寸法に沿った波長または半波長の数を数える一対の指数によって識別されます。これらの指数は通常、区切り記号なしで表記されます（例：TE ₁₀）。正確な定義は、導波管が長方形、円形、または楕円形であるかどうかによって異なります。導波管共振器の場合、縦方向の半波長に対応する3番目の指数がモードに導入されます。^{[ 12 ]}

TEモードとTMモードの特徴は、明確なカットオフ周波数があり、それ以下では伝送が行われないことです。カットオフ周波数はモードによって異なり、最も低いカットオフ周波数を持つモードはドミナントモードと呼ばれます。マルチモード伝搬は一般的に望ましくありません。そのため、回路は多くの場合、次に高いモードのカットオフ周波数よりも低い周波数ではドミナントモードで動作するように設計されます。この帯域には、ドミナントモードと呼ばれる1つのモードのみが存在できます。^{[ 13 ]}

TEMデバイスとして動作するように設計された一部の平面型デバイスは、TEモードおよびTMモードもサポートする可能性がありますが、これらのモードを抑制するための対策が講じられていません。グランドプレーンまたはシールドエンクロージャは中空導波管として動作し、これらのモードを伝搬する可能性があります。これらのモードを抑制するには、グランドプレーン間のネジを短絡するか、エンクロージャを回路の動作周波数よりも低い周波数をサポートできないほど小さく設計する必要があります。同様に、同軸ケーブルは、中心導体を必要としない円形のTEモードおよびTMモードをサポートする可能性があり、これらのモードはケーブルの直径を小さくすることで抑制できます。^{[ 14 ]}

縦断面モード

一部の伝送線路構造は、純粋なTEモードまたはTMモードをサポートできませんが、 TEモードとTMモードの線形重ね合わせであるモードをサポートできます。言い換えれば、これらのモードは電界と磁界の両方の縦方向成分を持ちます。このようなモードはハイブリッド電磁（HEM）モードと呼ばれます。HEMモードのサブセットは縦断面モードです。これには縦断面電気（LSE）モードと縦断面磁気（LSM）モードの2種類があります。LSEモードは、横方向の1つで電界がゼロであり、LSMモードは横方向の1つで磁界がゼロです。LSEモードとLSMモードは、不均質な伝送媒体を持つ平面伝送線路タイプで発生する可能性があります。純粋なTEモードまたはTMモードをサポートできない構造は、伝送をサポートできるとしても、必然的にハイブリッドモードで伝送をサポートする必要があります。^{[ 15 ]}

その他の重要なパラメータ

線路の特性インピーダンスとは、線路に沿って伝搬する波が受けるインピーダンスのことである。これは線路の形状と材質にのみ依存し、線路の終端処理によって変化しない。平面線路の特性インピーダンスは、接続先のシステムのインピーダンスに整合させる必要がある。多くのフィルタ設計では、複数の異なる特性インピーダンスを持つ線路が必要となるため、実現可能なインピーダンスの範囲が広いことは技術上有利である。細い線路は太い線路よりもインピーダンスが高い。実現可能な最高インピーダンスは製造プロセスの解像度によって制限され、これにより線路をどれだけ細くできるかという限界が決まる。下限は、不要な横方向共振モードが発生する可能性のある線路幅によって決まる。^{[ 16 ]}

Q値（または単にQ）は、サイクルあたりの蓄積エネルギーと消費エネルギーの比である。これは共振器の品質を特徴付ける主要なパラメータである。伝送線路回路では、フィルタやその他のデバイスを構築するために、共振器は伝送線路セクションで構成されていることが多い。Q値はフィルタのスカートの急峻度と選択性を制限します。平面型のQ値を決定する主な要因は、誘電体の誘電率（誘電率が高いとQが上昇する）と誘電損失（ Qを低下させる）である。Qを低下させるその他の要因としては、導体の抵抗と放射損失がある^{。 [ 17 ]}

平面型の主な特徴のまとめ

線の種類	支配的モード	標準最大周波数	特性インピーダンス	無負荷Q係数
ストリップライン	透過型電子顕微鏡	60GHz [ 18 ]	30～250Ω [ 19 ] εr = 4.3 [ 20 ]	400 [ 21 ]
サスペンデッドストリップライン	TEM、準TEM	220GHz [ 18 ]	εr = 10で40～150Ω [ 22 ]	30GHzで600、εr = 10 [ 22 ]
マイクロストリップ	準TEM	110GHz [ 18 ]	εr = 10で10–110Ω [ 22 ]	30GHzで250、εr = 10 [ 22 ]
コプレーナ導波路	準TEM	110GHz [ 18 ]	εr = 10で40～110Ω [ 22 ]	30GHzで200、εr = 10 [ 22 ]
スロットライン	準TE	110GHz [ 18 ]	εr = 10で35～250Ω [ 22 ]	30GHzで200、εr = 10 [ 22 ]
フィンライン	LSE、LSM	220GHz [ 18 ]	εr = 10で10～400Ω [ 22 ]	30GHzで550、εr = 10 [ 22 ]
イメージライン	TE、TM	100GHz以上[ 23 ]	εr = 10で≈26Ω [ 22 ]	2500 at 30 GHz, εr = 10 [ 22 ]

 • ε _rは基板の比誘電率です。

基質

プレーナー技術で使用される基板は多岐にわたります。プリント回路では、ガラス繊維強化エポキシ（FR-4グレード）が一般的に使用されます。高誘電率セラミック- PTFEラミネート（例：ロジャース・コーポレーション6010ボード）は、特にマイクロ波用途向けに設計されています。より高いマイクロ波周波数では、ハイブリッドマイクロ波集積回路（MIC）に酸化アルミニウム（アルミナ）などのセラミック材料が使用されることがあります。ミリ波帯の非常に高いマイクロ波周波数では、サファイアや石英などの結晶基板が使用されることがあります。 モノリシックマイクロ波集積回路（MMIC）の基板は、チップを構成する半導体材料（シリコンやガリウムヒ素など）か、チップ上に堆積された酸化物（二酸化ケイ素など）で構成されます。^{[ 24 ]}

基板の電気的特性として最も重要なのは、比誘電率（εr _）と誘電正接（δ）である。比誘電率は、与えられた線幅の特性インピーダンスと、その線上を伝わる信号の群速度を決定する。誘電率が高いほど、印刷部品が小さくなり、小型化に貢献する。準TEM型では、誘電率によって、基板内にどれだけの電界が収容され、基板上の空気中にどれだけの電界が存在するかが決まる。誘電正接は誘電損失の指標である。特に高いQ値を必要とする回路では、誘電正接は可能な限り小さいことが望ましい。^{[ 25 ]}

注目すべき機械的特性には、基板に必要な厚さと機械的強度が含まれる。サスペンデッドストリップラインやフィンラインなど、一部のタイプでは、基板を可能な限り薄くすることが有利である。柔軟な基板に実装された繊細な半導体部品は損傷を受ける可能性がある。この問題を回避するために、機械加工しやすい基板ではなく、石英などの硬くて剛性の高い材料が基板として選択される場合がある。均質ストリップラインなど、他のタイプでは、基板ははるかに厚くなる可能性がある。デバイスの形状にコンフォーマルなプリントアンテナの場合、柔軟で非常に薄い基板が必要となる。電気的性能に必要な厚さは、材料の誘電率に依存する。表面仕上げも問題となる。メタライゼーションの密着性を確保するためにある程度の粗さが必要となる場合があるが、粗すぎると導体損失が発生する（結果として生じるメタライゼーションの粗さが表皮深さと比較して大きくなるため）。熱特性も重要となる場合がある。 熱膨張は線路の電気的特性を変化させ、めっきスルーホールを破損させる可能性がある。^{[ 26 ]}

一般的な基板材料の特性^{[ 27 ]}

基板	ε r	δ
シリコン	11.9	0.015
ガリウムヒ素	12.9	0.002
FR-4	0 4.3	0.022
6010	10.2	0.002
アルミナ	0 9.8	0.0001
サファイア	0 9.4	0.0001
石英	0 3.8	0.0001

種類

ストリップライン

ストリップライン

ストリップラインは、2つのグランドプレーン間の誘電体に埋め込まれたストリップ導体です。通常、2枚の誘電体シートを1枚のシートの片側に挟み込み、ストリップラインパターンを形成する構造です。ストリップラインが主要な競合相手であるマイクロストリップと比較した場合の主な利点は、伝送が純粋にTEMモードで行われ、少なくともストリップラインで伝送される距離においては分散がないことです。ストリップラインはTEモードとTMモードをサポートできますが、これらは一般的には使用されません。主な欠点は、マイクロストリップほど個別部品を組み込むのが容易ではないことです。組み込む部品については、誘電体に切り欠きを設ける必要があり、組み立て後はアクセスできなくなります。^{[ 28 ]}

サスペンデッドストリップライン

サスペンデッドストリップライン

サスペンデッドストリップラインは、エアストリップラインの一種で、基板がグランドプレーンの間に上下に空隙を介して吊り下げられている。この考え方は、電波を空気中を伝搬させることで誘電損失を最小限に抑えることである。誘電体の目的は、導体ストリップを機械的に支持することのみである。電波は空気と誘電体の混合媒体中を伝搬するため、伝送モードは真のTEMではないが、薄い誘電体によってこの効果は無視できる。サスペンデッドストリップラインは中波帯のマイクロ波周波数で使用され、損失の点でマイクロストリップよりも優れているが、導波管ほど大きく高価ではない。^{[ 29 ]}

その他のストリップラインのバリエーション

ストリップラインのバリエーション：A、標準、^{[ 30 ]} B、サスペンド、^{[ 31 ]} C、両側サスペンド、^{[ 32 ]} D、2導体^{[ 33 ]}

2導体ストリップラインの考え方は、2つの基板間の空隙を補償することです。製造公差と導体の厚さのため、小さな空隙は避けられません。これらの空隙は、グランドプレーン間の線路から放射を遠ざける可能性があります。両方の基板に同一の導体を印刷することで、両方の基板の電界が等しくなり、2つの線路による空隙内の電界が打ち消されます。通常、一方の線路はわずかに小さめに設計されます。これは、小さな位置ずれによって線路が実質的に広がり、結果として特性インピーダンスが低下するのを防ぐためです。^{[ 34 ]}

双対型サスペンデッドストリップラインは、標準的なサスペンデッドストリップラインと比較して、空気中の電界が多く、基板中の電界がほとんどないため、 Q値が高くなります。この構造の欠点は、2本の線路を1/4波長未満の間隔で接続する必要があることです。双対型構造は、2本の独立した線路をその広い側面で結合するのにも使用できます。これにより、並列結合よりもはるかに強い結合が得られ、標準的なストリップラインでは実現できない結合線路フィルタや方向性結合器回路を実現できます。^{[ 35 ]}

マイクロストリップ

マイクロストリップ

マイクロストリップは、誘電体層の上面にストリップ導体が配置され、誘電体下面にグランドプレーンが配置されている。電磁波は誘電体内を一部、導体上を一部伝搬するため、準TEM伝送となる。準TEM伝送にはいくつかの欠点があるものの、プリント回路との互換性が容易なため、マイクロストリップはしばしば好まれる。いずれにせよ、これらの影響は小型回路ではそれほど深刻ではない。^{[ 36 ]}

マイクロストリップのもう一つの欠点は、他の種類のものと比較して、実現可能な特性インピーダンスの範囲が限られていることです。一部の回路設計では、150Ω以上の特性インピーダンスが要求されます。マイクロストリップは通常、それほど高いインピーダンスに対応できないため、設計者はそのような回路を用意できないか、高インピーダンスを必要とする部品については別の種類の回路への変換が必要になります。^{[ 37 ]}

マイクロストリップ逆Fアンテナ

マイクロストリップの放射特性は、一般的にはこのタイプの欠点ですが、アンテナを作成する際にはプラスのメリットとなります。マイクロストリップでパッチアンテナを作るのは非常に簡単で、パッチアンテナの派生形である平面逆Fアンテナは、モバイル機器で最も広く使用されているアンテナです。^{[ 38 ]}

マイクロストリップのバリエーション

マイクロストリップのバリエーション：A、標準、^{[ 39 ]} B、サスペンド、^{[ 40 ]} C、反転、^{[ 41 ]} D、ボックス内、^{[ 42 ]} E、トラップ反転^{[ 43 ]}

サスペンション型マイクロストリップは、サスペンション型ストリップラインと同じ目的を持ちます。つまり、電界を誘電体ではなく空気中に放出することで、損失と分散を低減します。誘電率が低下するため、印刷部品のサイズが大きくなり、小型化は制限されますが、部品の製造は容易になります。基板をサスペンション型にすることで、このタイプの最大使用周波数が向上します。^{[ 44 ]}

逆マイクロストリップは、サスペンデッドマイクロストリップと同様の特性を持ちますが、電界の大部分が導体とグランドプレーンの間の空気中に閉じ込められるという利点があります。基板上には、他の部品と結合する可能性のある漂遊電界がほとんどありません。トラップされた逆マイクロストリップは、線路の3面をシールドすることで、より開放的な構造で発生する可能性のある高次モードの発生を防ぎます。線路をシールドボックスに配置することで、漂遊結合を完全に回避できますが、基板をボックスに合わせてカットする必要があります。この構造では、1枚の大きな基板上に完全なデバイスを製造することはできません。^{[ 45 ]}

コプレーナ導波路とコプレーナストリップ

コプレーナ導波路

コプレーナ導波路（CPW）は、リターン導体が基板上面の主線路と同一平面上に配置されている。ストリップラインやマイクロストリップでは、リターン導体は基板の上または下のグランドプレーン上に配置される。リターン導体は主線路の両側に配置され、無限に伸びているとみなせるほど広くなっている。マイクロストリップと同様に、CPWは準TEM伝搬を示す。^{[ 46 ]}

CPWは製造が簡単です。金属化面は1面のみで、部品は直列接続（線路の断線をまたぐ）でもシャント接続（線路とグランド間）でも表面実装が可能です。ストリップラインやマイクロストリップにおけるシャント部品は、基板の底面まで接続する必要があります。また、CPWは小型化も容易です。その特性インピーダンスは、線路幅の絶対値ではなく、線路幅と帰路導体間の距離の比に依存します。^{[ 47 ]}

CPWは多くの利点があるにもかかわらず、普及には至っていません。欠点は、リターン導体が基板面積の大部分を占め、部品実装に利用できないことです。ただし、設計によってはマイクロストリップよりも高い部品密度を実現することも可能です。さらに深刻なのは、CPWにはスロットラインモードと呼ばれる、カットオフ周波数がゼロの2番目のモードが存在することです。このモードは、それ以下の周波数で動作させても回避できず、多重モードは望ましくないため、抑制する必要があります。これは奇数モードであり、 2つのリターン導体の電位が等しく反対になります。したがって、2つのリターン導体を接合することで抑制できます。これは、基板上面に下部グランドプレーン（導体裏打ちコプレーナ導波路、CBCPW）と周期的なメッキスルーホール、または周期的なエアブリッジを設けることで実現できます。これらの解決策はいずれも、CPWの基本的なシンプルさを損なうものです。^{[ 48 ]}

共面変異体

CPWのバリエーション：A、標準、^{[ 49 ]} B、CBCPW、^{[ 50 ]} C、コプレーナストリップ、^{[ 51 ]} D、埋め込みコプレーナストリップ^{[ 52 ]}

コプレーナストリップ（コプレーナストリップライン^{[ 53 ]}または差動線路^{[ 54 ]}とも呼ばれる）は、通常、マイクロ波帯以下のRF用途にのみ用いられる。グランドプレーンがないため、電界パターンが不明確になり、マイクロ波周波数帯では漂遊電界による損失が大きすぎる。一方、グランドプレーンがないため、多層構造への埋め込みが容易である。^{[ 55 ]}

スロットライン

スロットライン

スロットラインは、基板上の金属層に切り込まれたスロットです。マイクロストリップのデュアルタイプで、導体線路が誘電体で囲まれているのに対し、スロットラインは導体で囲まれた誘電体線路です。^{[ 56 ]} 支配的な伝搬モードは、電界の縦方向成分が小さいハイブリッド、準TEです。^{[ 57 ]}

スロットラインは本質的に平衡線路であり、ストリップラインやマイクロストリップラインは不平衡線路です。このタイプは、特に部品を並列に接続しやすく、表面実装部品を線路をまたいでブリッジ接続することができます。スロットラインのもう一つの利点は、高インピーダンス線路を容易に実現できることです。特性インピーダンスは線路幅とともに増加するため（マイクロストリップでは線路幅とともに特性インピーダンスが減少するのと比較してください）、高インピーダンス線路であっても印刷解像度に問題はありません。^{[ 58 ]}

スロットラインの欠点は、特性インピーダンスと群速度の両方が周波数によって大きく変化するため、マイクロストリップよりも分散性が高くなることです。また、スロットラインはQが比較的低いという欠点もあります。^{[ 59 ]}

スロットラインのバリエーション

スロットラインのバリエーション：A、標準、^{[ 60 ]} B、対蹠型、^{[ 61 ]} C、両側型^{[ 62 ]}

対蹠型スロットラインは、非常に低い特性インピーダンスが求められる場合に使用されます。誘電体線路の場合、低インピーダンスとは線路幅が狭くなることを意味します（導体線路の場合とは逆）。また、印刷解像度の関係で、実現可能な線路幅には限界があります。対蹠型構造では、導体を重ね合わせても短絡の危険はありません。双対型スロットラインは、双対型エアストリップラインと同様の利点があります。^{[ 63 ]}

基板一体型導波路

基板一体型導波路

基板集積導波路（SIW）は、積層導波路またはポスト壁導波路とも呼ばれ、基板誘電体内に形成された導波路で、2列のポストまたはめっきスルーホールと基板上下のグランドプレーンの間に波を閉じ込める構造となっている。支配的なモードは準TEモードである。SIWは中空金属導波路の多くの利点を維持しながら、より安価な代替品として設計されている。最大の利点は、実質的に密閉された導波路であるため、マイクロストリップよりも放射損失が大幅に少ないことである。他の回路部品への不要な漂遊電界の結合がない。また、SIWはQ値が高く、高出力特性を有し、平面技術であるため、他の部品との統合が容易である。^{[ 64 ]}

SIWはプリント基板上に実装することも、低温同時焼成セラミック（LTCC）として実装することもできます。後者は特にSIWの実装に適しています。能動回路はSIWに直接実装されるのではなく、通常はストリップラインからSIWへの変換を通して能動部分をストリップライン上に実装します。アンテナは、グランドプレーンにスロットを切ることでSIWに直接作成できます。ホーンアンテナは、導波管の端部にある支柱列を広げることで作成できます。^{[ 65 ]}

SIWの亜種

リッジ導波管にはSIWバージョンがあります。リッジ導波管は、E面を横切る途中まで内部に縦壁を持つ長方形の中空金属導波管です。リッジ導波管の主な利点は、非常に広い帯域幅を持つことです。リッジSIWは、リッジに相当する部分が基板の途中までしか貫通しない柱の列であるため、プリント基板への実装は容易ではありません。しかし、LTCCではこの構造をより簡単に作成できます。^{[ 66 ]}

フィンライン

フィンライン

フィンラインは、長方形の金属導波管のE面に挿入された金属化誘電体シートから構成される。この混合構造は、準平面導波管と呼ばれることもある。^{[ 67 ]} この設計は、長方形導波管自体に導波モードを生成することを意図したものではない。代わりに、金属化層に線路を切断して誘電体を露出させ、これが伝送線路として機能する。したがって、フィンラインは誘電体導波管の一種であり、シールドされたスロットラインと見なすことができる。^{[ 68 ]}

フィンラインはリッジ導波路に類似しており、基板の金属化がリッジ（「フィン」）を表し、フィンラインがギャップを表しています。リッジ導波路では、リッジの高さをパターン状に変化させることでフィルターを構成できます。一般的な製造方法は、薄い金属板を切り出し（通常は長方形の穴を複数個開ける）、フィンラインとほぼ同じ方法で導波路に挿入することです。フィンラインフィルターは任意の複雑さのパターンを実現できますが、金属挿入フィルターは機械的な支持と完全性を必要とするため、その制約を受けます。^{[ 69 ]}

フィンラインは220GHzまでの周波数で使用されており、実験的には少なくとも700GHzまで試験されている。^{[ 70 ]} これらの周波数では、低損失という点でマイクロストリップに比べて大きな利点があり、同様の低コストのプリント回路技術で製造できる。また、矩形導波管に完全に封入されているため、放射がない。金属挿入デバイスは空気誘電体であるため、さらに低損失であるが、回路の複雑さは非常に限られている。複雑な設計のための完全な導波管ソリューションは、空気誘電体の低損失を維持できるが、フィンラインよりもはるかに大きく、製造コストも大幅に高くなる。フィンラインのさらなる利点は、非常に広い範囲の特性インピーダンスを実現できることである。フィンラインは導体ではないため、ストリップラインやマイクロストリップのように主伝送線路にバイアス電流を流すことでトランジスタやダイオードのバイアスを実現できない。フィンラインでバイアスをかけるには、別途手段を用意する必要がある。^{[ 71 ]}

フィンライン亜種

フィンラインの変種: A, 標準（片側）^{[ 72 ]} B, 両側、^{[ 73 ]} C, 対蹠型、^{[ 74 ]} D, 強く結合した対蹠型^{[ 75 ]} E, 絶縁型^{[ 76 ]}

片側フィンラインは最もシンプルな設計で製造も容易ですが、両側フィンラインは、両側サスペンデッドストリップラインと同様に、損失が低くなります。両側フィンラインはQ値が高いため、フィルタ用途でよく使用されます。反対側フィンラインは、非常に低い特性インピーダンスが求められる場合に使用されます。2つの平面間の結合が強いほど、インピーダンスは低くなります。絶縁フィンラインは、バイアス線を必要とする能動部品を含む回路で使用されます。絶縁フィンラインのQ値は他のフィンラインタイプよりも低いため、通常は使用されません。^{[ 77 ]}

イメージライン

イメージライン

イメージライン（またはイメージライン、イメージガイド）は、平面状の誘電体スラブ導波路である。金属板上に誘電体（多くの場合アルミナ）のストリップが貼られた構造である。このタイプでは、水平方向に誘電体基板は存在せず、誘電体線路のみが存在する。このように呼ばれるのは、グランドプレーンが鏡面効果を発揮し、高さが2倍のグランドプレーンのない誘電体スラブと同等の線路を形成するためである。100 GHz前後の高周波数マイクロ波での使用が期待されているが、まだ実験段階である。例えば、理論的にはQ値は数千にまで達する可能性があるが、曲げによる放射や誘電体と金属の接着剤による損失によって、この数値は大幅に減少する。イメージラインの欠点は、特性インピーダンスが約26 Ωという単一の値に固定されていることである。^{[ 78 ]}

イメージラインはTEモードとTMモードをサポートする。支配的なTEモードとTMモードはカットオフ周波数がゼロである。これは、TEモードとTMモードのすべてが有限の周波数を持ち、それ以下では伝搬が起こらない中空金属導波管とは異なる。周波数がゼロに近づくにつれて、電界の縦方向成分は減少し、モードは漸近的にTEMモードに近づく。このように、イメージラインはTEM型導波管と同様に、任意の低周波数で波を伝搬できるという特性を持つが、実際にはTEM波をサポートできない。それにもかかわらず、イメージラインは低周波数では適切な技術ではない。イメージラインの欠点は、表面粗さによって放射損失が増加するため、精密に機械加工する必要があることである。^{[ 79 ]}

イメージラインのバリエーションとその他の誘電体ライン

イメージラインのバリエーション：A、標準、B、インシュラー、C、トラップド；その他の誘電体ライン：D、リブライン、E、ストリップ誘電体ガイド、F、逆ストリップ誘電体ガイド^{[ 80 ]}

島状イメージラインでは、金属グランドプレーン上に低誘電率の絶縁体薄膜が積層され、その上に高誘電率のイメージラインが配置される。この絶縁層は導体損失を低減する効果を持つ。このタイプも直線部での放射損失は低いが、標準イメージラインと同様に、曲がり角や角部では放射損失が大きくなる。トラップドイメージラインはこの欠点を克服しているが、平面構造のシンプルさを損なうため、製造がより複雑になる。^{[ 81 ]}

リブラインは、基板から一体的に機械加工された誘電体線路である。絶縁体イメージラインと同様の特性を持つ。イメージラインと同様に、精密な機械加工が必要となる。ストリップ誘電体ガイドは、アルミナなどの高誘電率基板上に低誘電率のストリップ（通常はプラスチック）を配置したものである。電界は、主にストリップとグランドプレーンの間の基板内に閉じ込められる。そのため、このタイプの誘電体ガイドは、標準的なイメージラインやリブラインのような精密な機械加工を必要としない。逆ストリップ誘電体ガイドは、基板内の電界が導体から遠ざかるため、導体損失は低くなるが、放射損失は大きくなる。^{[ 82 ]}

複数のレイヤー

多層回路はプリント基板やモノリシック集積回路で構築できますが、平面伝送線路を多層構造で実現するにはLTCCが最も適した技術です。多層回路では、少なくとも一部の線路は誘電体で完全に覆われ、埋め込まれます。そのため、損失はよりオープンな技術ほど低くはありませんが、多層LTCCを用いることで非常にコンパクトな回路を実現できます。^{[ 83 ]}

トランジション

遷移：A、マイクロストリップからSIW、^{[ 84 ]} B、CPWからSIW、^{[ 85 ]} C、マイクロストリップからCPW、点線はマイクロストリップのグランドプレーンの境界を示す、^{[ 86 ]} D、CPWからスロットライン^{[ 87 ]}

システムの異なる部分は、異なるタイプで実装するのが最適である場合があります。そのため、様々なタイプ間のトランジションが必要になります。不平衡導電線路を用いたタイプ間のトランジションは簡単です。これは主に、トランジションを通して導体の連続性を確保し、良好なインピーダンス整合を確保することです。同軸などの非平面型トランジションについても同様です。ストリップラインとマイクロストリップ間のトランジションでは、ストリップラインの両方のグランドプレーンがマイクロストリップのグランドプレーンに適切に電気的に接続されていることを確認する必要があります。これらのグランドプレーンの一方はトランジションを通して連続することができますが、もう一方はトランジションで途切れます。図のCに示すマイクロストリップからCPWへのトランジションにも同様の問題が発生します。各タイプにはグランドプレーンが1つしかありませんが、トランジションで基板の片側から反対側に切り替わります。これは、マイクロストリップとCPWのラインを基板の反対側に印刷することで回避できます。この場合、グランドプレーンは基板の片側で連続していますが、トランジションではラインにビアが必要です。 ^{[ 88 ]}

導電線路と誘電体線路または導波管との間の遷移はより複雑です。このような場合、モードの変更が必要です。この種の遷移は、ある種類のアンテナを新しい種類のアンテナへのランチャーとして形成することから成ります。例としては、コプレーナ導波管（CPW）やマイクロストリップをスロットラインや基板集積導波管（SIW）に変換することが挙げられます。無線機器の場合は、外部アンテナへの遷移も必要です。^{[ 89 ]}

フィンラインへの遷移とフィンラインからの遷移は、スロットラインと同様に扱うことができます。しかし、フィンラインから導波管への遷移の方が自然です。導波管は既に存在しているからです。導波管への単純な遷移は、フィンラインを細い線路から導波管の高さいっぱいまで滑らかに指数関数的に細くする（ヴィヴァルディアンテナ）ことで実現できます。フィンラインの最も初期の応用は、円形導波管への導波でした。^{[ 90 ]}

平衡線路から不平衡線路への変換にはバラン回路が必要である。この例として、CPWからスロットラインへの変換が挙げられる。図の例Dはこの種の変換を示しており、誘電体ラジアルスタブからなるバランが用いられている。この回路に示されている部品は、2つのCPWグランドプレーンを相互に接続するエアブリッジである。すべての変換には挿入損失があり、設計の複雑さを増す。妥協案が各構成回路に最適でない場合でも、変換回数を最小限に抑えるために、デバイス全体を単一の統合型で設計することが有利な場合がある。^{[ 91 ]}

歴史

プレーナー技術の開発は、最初は米国軍のニーズによって推進されましたが、今日では携帯電話や衛星テレビ受信機など、大量生産された家庭用品に見られます。^{[ 92 ]} Thomas H. Lee によると、Harold A. Wheelerは1930年代にはすでにコプレーナ線路の実験を行っていた可能性がありますが、文書化された最初のプレーナー伝送線路は、空軍ケンブリッジ研究センターのRobert M. Barrettによって発明され、1951年にBarrettとBarnesによって発表されたストリップ線路です。発表は1950年代まで行われませんでしたが、ストリップ線路は実際に第二次世界大戦中に使用されていました。Barrettによると、最初のストリップ線路電力分配器は、この時期にVH RumseyとHW Jamiesonによって構築されました。契約を発行するだけでなく、BarrettはAirborne Instruments Laboratory Inc.（AIL）を含む他の組織の研究を奨励しました。マイクロストリップは、その後すぐに1952年に発明され、GriegとEngelmannによるものです。当初、一般的な誘電体材料の品質はマイクロ波回路には不十分であったため、1960年代まで広く使用されませんでした。ストリップラインとマイクロストリップは商業的に競合していました。 ストリップラインはエアストリップラインを製造していたAILのブランド名でした。マイクロストリップはITTによって製造されました。後に、サンダースアソシエイツはトリプレートというブランド名で誘電体充填ストリップラインを製造しました。 ストリップラインは誘電体充填ストリップラインの総称となり、現在ではエアストリップラインまたはサスペンデッドストリップラインが元のタイプを区別するために使用されています。^{[ 93 ]}

当初は分散の問題から、ストリップラインがライバルよりも好まれていました。1960年代には、MIC（マイクロ波集積回路）に小型の固体部品を組み込む必要性が高まり、マイクロストリップが優位となりました。小型化によってマイクロストリップの欠点がそれほど深刻ではなくなったことも、この傾向につながっています。ストリップラインは、広帯域での動作が求められる場合に今でも選ばれています。^{[ 94 ]} 最初の平面スラブ誘電体線路であるイメージラインは、1952年にキングによって考案されました。^{[ 95 ]} キングは当初、既に十分に研究されていた円形ロッド誘電体と同等の半円形イメージラインを採用しました。^{[ 96 ]} スロットラインは、最初の印刷された平面誘電体線路タイプであり、1968年にコーンによって発明されました。^{[ 97 ]} コプレーナ導波路は1969年にウェンによって発明されました。^{[ 98 ]} フィンラインは、印刷技術として、1972年にマイヤーによって発明されました。^{[ 99 ]} ただし、ロバートソンはそれよりずっと以前（1955～56年）に金属インサートを使用したフィンラインのような構造を開発しました。ロバートソンはダイプレクサとカプラ用の回路を製造し、フィンラインという用語を作り出しました。^{[ 100 ]} SIWは、1998年に広川と安藤によって初めて説明されました。^{[ 101 ]}

当初、プレーナー型の部品は、通常は同軸線路とコネクタで接続された個別の部品として作られていました。部品を同一筐体内でプレーナー線路で直接接続することで、回路のサイズを大幅に縮小できることがすぐに認識されました。これがハイブリッドMICの概念につながりました。ハイブリッドというのは、集中定数部品がプレーナー線路で接続された設計に含まれているためです。1970年代以降、小型化と大量生産を促進するため、基本的なプレーナー型の新しいバリエーションが急増しました。MMICの導入により、さらなる小型化が可能になりました。この技術では、プレーナー伝送線路が、集積回路部品が製造されている半導体スラブに直接組み込まれています。最初のMMICであるXバンド増幅器は、 1976年にPlesseyのPengellyとTurnerによって開発されました。^{[ 102 ]}

サーキットギャラリー

平面回路

平面伝送線路で構成できる多くの回路のうち、いくつかを図に示します。このような回路は分布定数回路の一種です。マイクロストリップ線路とスロット線路型の方向性結合器は、それぞれAとBに示されています。^{[ 103 ]} 一般に、ストリップ線路やマイクロストリップ線路のような導体線路の回路形式は、スロット線路やフィンライン線路のような誘電体線路では導体と絶縁体の役割が逆になった二重形式を持ちます。2種類の線路幅は反比例関係にあり、導体線路が狭いとインピーダンスは高くなりますが、誘電体線路ではインピーダンスは低くなります。二重回路のもう1つの例として、導体形式ではC、誘電体形式ではDに示される結合線路で構成されるバンドパスフィルタがあります。^{[ 104 ]}

結合線路フィルタでは、各線路セクションが共振器として機能します。別の種類の共振器は、図EのSIWバンドパスフィルタに示されています。ここでは、導波管の中央に配置された支柱が共振器として機能します。^{[ 105 ]}図Fは、CPWとスロットラインの両方の給電線をポートに組み合わせた スロットラインハイブリッドリングです。この回路のマイクロストリップバージョンでは、リングの1セクションの長さが4分の3波長である必要があります。スロットライン/CPWバージョンでは、スロットライン接合部で180°位相反転が生じるため、すべてのセクションの長さが4分の1波長になります。^{[ 106 ]}

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