JP2004289797A - 方向性結合器 - Google Patents

Abstract

【課題】 方向性が改善された分散型線路を備えた結合器を提供する。
【解決手段】 ２つの端子間で主信号を送信する第１の導電線路と、第１の導電線路に結合され、２つの端子間で主信号に比例するサンプル信号を流す第２の導電線路と、各線路の２つの端子にそれぞれ接続する２つのキャパシタとを有する分散型結合器。
【選択図】 図３

Description

本発明は、結合器の分野に関し、特に測定又は制御目的で、送信線路によって伝達される信号の一部を得るために使用される。本発明は、より詳細には、送信増幅器とアンテナとの間にある無線周波数結合器の分野に関し、特に携帯電話技術に適応する。

図１は、分散型結合器１の一般構造を極めて概略的に示しており、該結合器は、本発明が適用する型の送信線路を備え、局所的インダクタ及びキャパシタ素子を備えた結合器とは対照的である。

結合器１は、送信されるべき信号Ｔｘを増幅する増幅器２（ＰＡ）と送信アンテナ３との間に配置される。結合器１の機能は、第２線路１２の端子ＣＰＬＤとＩＳＯとの間で、主送信線路１１を通る信号に比例する信号を抽出することであり、該主送信線路は、端子ＩＮとＤＩＲとの間にあり、該端子は、増幅器２の出力端子及びアンテナ３の入力端子にそれぞれ接続されている。

結合器１によって抽出された信号Ｇは、例えば、増幅器２の電力を制御するために、又は、アンテナ３の取り外しの場合のように保護が必要な場合に電力を止めるために、回路４（ＤＥＴ）によって利用される。

これは携帯電話技術への応用例であり、該技術において、高い電力消費は送信チェーンが原因であり、回路の電力消費は一般に最少化されることが望ましい。受信モードにおいて、携帯電話は低雑音増幅器（ＬＮＡ）を利用し、一般には該増幅器の利得は固定されているため結合器は必要でない。

図１の結合器は、双方向性結合器であり、送信線路１１に存在する両方向の信号を検出する。ＩＮからＤＩＲを通るフォワード信号（ＦＷＤ）は、出力ＣＰＬＤの方へ結合され、ＤＩＲからＩＮを通るリバース信号（ＲＥＶ）は、出力ＩＳＯの方へ結合される。実際には、端子ＣＰＬＤ及びＩＳＯに存在する電圧は、利得修正信号Ｇを生成するために整流される。

図１に示される型の分散型結合器は、その結合及びその方向性によって特徴づけられる。結合は、線路１１を循環する主信号の振幅と、線路１２からサンプリングされた信号の振幅との差に特徴を示す。方向性は、端子ＣＰＬＤから来る信号として解釈される信号ＦＷＤの振幅と、端子ＩＳＯから来る信号として解釈されるＤＩＲからＩＮに循環する信号ＲＥＶの振幅との差に特徴を示す。端子ＣＰＬＤとＩＳＯとの振幅差が大きいほど、結合器の方向性は大きくなり、且つ、線路１１によって送信される信号の反射として解釈されるアンテナ３の問題を検出するのがより容易になる。実際、アンテナ上の問題（例えばアンテナの取り外し）の場合、出ることができない電力は反射され、端子ＩＳＯの信号を増加させることとなる。閾値に関して端子ＩＳＯの電位を検出することによって、アンテナの問題が検出され、送信増幅器は、一般に反射された電力を受信するのに耐えられないため、損傷を来さないように遮断される。

理想的な結合器及び通常の操作において、結合線路の最高振幅は、端子ＣＰＬＤに存在し、ゼロ電圧が端子ＩＳＯに存在し得る。しかしながら、実際には、端子ＩＳＯの電圧はゼロではなく、一般に端子ＤＩＲの電圧に関しておおよそ−３０ｄＢ減衰する。

更に、検出のために出力の一部を過度にサンプリングしないように、一般には低結合が模索される。一般に、端子ＣＰＬＤは、端子ＩＮから端子ＤＩＲを通る信号に関して、おおよそ−１５から−２０ｄＢ減衰する信号を再生する。

従って、従来の結合器の方向性は、おおよそ−１０ｄＢから−１５ｄＢ（−３０−（−２０）から−３０−（−１５））である。

特にアンテナの問題の検出を容易にするためには、高い方向性が望ましい。

方向性を改善するために、導電セクション１１及び１２の長さをほぼλ／４に形成することによって、結合器を拡大することができる。ここでλは、結合器の所望の通過帯域の中心周波数に対応する波長を表している。しかしながら、分散型結合器をλ／４の長さに改善すると、極めて大きな結合器となり、挿入損失を増加させる結果となる。

図２は、方向性が改善された結合器１０の従来の実施形態を示している。この分散型の結合器は、２つの導電線路１１及び１２と、２つのキャパシタＣｐとを有し、該キャパシタは、端子ＩＮ及びＣＰＬＤ、端子ＤＩＲ及びＩＳＯにそれぞれ接続している。このようなキャパシタは、線路インピーダンスの値を互いに近接させることによって結合器の方向性を増加させることができる。しかしながら、このような解決法の重大な欠点は、数百ＭＨｚの周波数において、キャパシタンス値が極めて小さい（おおよそ１フェムトファラッド）ことである。実際には、このような値では、キャパシタンスＣｐの値が無視できない浮遊容量の値に近くなり、実現はほぼ不可能である。結合器の通過帯域に従って、キャパシタＣｐに対して選択される値から外れると、結合器の性能は大幅に低下してしまう。

図２に関して述べられた型の結合器の例は、米国特許第４９３７５４１号及び独国特許出願第１９７４９９１２号に述べられている。

本発明は、方向性が改善された分散型線路を備えた結合器を提供することを目的とする。

本発明は、特に、極めて小さい値（おおよそ１ｆＦ）のキャパシタの利用を必要としない無線周波数結合器を提供することを目的とする。

本発明はまた、最小の大きさを有する結合器を提供することを目的とする。

これら及び他の目的を達成するために、本発明は、
２つの端子間で主信号を送信する第１の導電線路と、
第１の導電線路に結合され、２つの端子間で主信号に比例するサンプル信号を流す第２の導電線路と、
各線路の前記２つの端子にそれぞれ接続する２つのキャパシタと
を有する分散型の結合器を提供する。

本発明の実施形態によると、線路は同じ長さである。

本発明の実施形態によると、キャパシタは同じ値である。

本発明の実施形態によると、線路は、結合器が目的とする周波数帯域より高い中心周波数に対してλ／４の大きさである。

本発明の実施形態によると、各導電線路は、その端子間に、少なくとも２つの平行セクションを形成し、２つの線路の該セクションは交互に配置される。

本発明の実施形態によると、キャパシタの電極は、導電線路を形成するのと同じ２つのメタライゼーションレベル（層）に形成される。

本発明の実施形態によると、キャパシタは、０．１から１０ｐＦの値であり、結合器の中心周波数は、数十ＭＨｚから数十ＧＨｚの間である。

前述した本発明の目的、特徴及び利点は、添付の図面に関連して以下の何ら限定されることのない詳細な実施形態の説明で詳しく述べられる。

異なる図において、同一素子は、同一参照符号で示されている。明確にするために、本発明の理解に必要な素子のみが図に示され、後述される。特に、結合器を横切る信号、結合線路による測定の利用については詳述されず、本発明の目的ではない。本発明は、結合器によって得られる信号で作られるどんな応用も実現可能である。

本発明の特徴は、キャパシタを提供することであり、線路の各端を他の線路の端に接続するのではなく、同じ線路の各端を相互接続することにある。

このような配置は、同じ周波数帯域に対して、方向性を改善し、同時に、図２の従来ケースより高い値のキャパシタを利用することができる。

キャパシタが実質的により高い値を有するという事により、結合器（特にその方向性）は、技術的なバラツキ又はおおよそ１フェムトファラッドの浮遊容量の存在によるキャパシタ値の変化に左右されにくくなる。

図３は、本発明の第１実施形態に従う結合器２０を示している。それは、図２の実施形態のように２つの平行導電線路１１，１２を示している。線路１１は端子ＩＮ及びＤＩＲの主線路を形成する。線路１２は端子ＣＰＬＤ及びＩＳＯの結合線路に対応する。

本発明によると、第１キャパシタＣｓは、端子ＩＮ及びＤＩＲに接続し、一方、第２キャパシタＣｓは、端子ＣＰＬＤ及びＩＳＯに接続する。

線路１１及び１２は同じ長さであり、両方のキャパシタＣｓは同じ値である。

導電線路及びキャパシタの大きさは応用に依存し、より詳細には、結合器の所望の通過帯域の中心周波数に依存する。簡単な例において、セクション１１及び１２は、λ／４に対応する長さであり、λは帯域の中心周波数の波長を表している。この場合、キャパシタＣｓの付加が、帯域幅を減少させるが、既に方向性を改善している。更に、キャパシタが中心周波数にもたらすオフセットによってλの値を小さくできる。

本発明の好ましい実施形態によると、所望の通過帯域の中心周波数に関してλ／４の大きさである導電セクション１１及び１２の長さを減らすために、キャパシタの存在が利用される。このような実施形態は、結合（λ／４において最大）を減らすことができ、主線路に関する結合線路上で測定された信号の振幅を減らすことができる。このようにして、送信に直接有用でない電力消費（信号部分）を最小化する。

図４は、本発明に従う分散型結合器３０の第２の好ましい実施形態を示している。

この実施形態によると、ランゲ結合器として知られている構造が用いられ、該構造において、２つの導電セクション１１’及び１２’は互いにインターディジットされる。図４の例において、２つの平行岐路１１１及び１１２、１２１及び１２２をそれぞれ有する各セクションが提供されており、該岐路は他方の線路の岐路と交互に配置されている。このような構造において、各セクションは、電気的観点から、端子ＩＮ−ＤＩＲ間の２つの平行セクション１１１及び１１２、端子ＣＰＬＤ−ＩＳＯ間の１２１及び１２２からそれぞれ形成される。導電トラックの垂直延長部１１４及び１２４は、例えば端子ＩＮ及びＩＳＯに、セクション１１２及び１２２の一端をそれぞれ接続する。導電セクション（ブリッジ）１１３及び１２３が、セクション１１２及び１２２の各自由端を端子ＤＩＲ及びＣＰＬＤにそれぞれ接続する。

集積回路形成における実施形態において、結線１１３及び１２３は、ビア（図示なし）及び導電トラックによって、第２のメタライゼーションレベルで形成され、該第２のメタライゼーションレベルは、トラック１１１，１１２，１１４，１２１，１２２及び１２４を形成するメタライゼーションレベルに関連する。

本発明によると、端子ＩＮ及びＤＩＲ、ＣＰＬＤ及びＩＳＯは、それぞれ、キャパシタＣｓによって互いに接続される。

この実施形態の利点は、導電線路が２つの別々のメタライゼーションレベルで既に形成されているという事を、キャパシタの形成に利用することにある。このように、これら２つのメタライゼーションレベル及びそれらを分離する誘電体は、本発明に特有の集積キャパシタＣｓを形成するのに利用されることができる。

キャパシタＣｓを有さない従来のランゲ結合器において、大きさは、波長λに対応する中心周波数に対して長さλ／４である個々のセクション１１１，１１２，１２１及び１２２に対応する。このような結合器は、一般に、浮遊容量を減らすことによって結合を増加させる。

本発明によると、キャパシタＣｓが原因で、ランゲ結合器は、所望の動作周波数に対し、実質的に高い周波数のための大きさ（実質的にはより短い長さλ／４を備える）になり得る。この場合、結合は減少し、結合器の方向性が増加する。

本発明による結合器の大きさは、応用に従って選択される。キャパシタＣｓが浮遊容量より大きい値にならなければならないという事を考慮すると、本発明の結合器は、特に、数十ＭＨｚから数十ＧＨｚの周波数に適する。そのときキャパシタＣｓは０．１から１０ピコファラッドの値をとる。

比較として、８２０ＭＨｚの周波数に適合するセクションの長さを備え、キャパシタを有さないランゲ結合器と、３．３ｐＦキャパシタンスのキャパシタＣｓを有する本発明に従うランゲ結合器とが、基板上に形成される。それぞれに、７及び２８ｄＢの方向性が得られている。

本発明の利点は、キャパシタＣｓの付加が、結合をわずかに増加させ、一方、方向性をはるかに（１０ｄＢ以上）増加させることである。更に、アイソレーションが改善され、損入損失はほんのわずかに（０.５ｄＢ以下）増加するだけである。

図４の構造の集積化された形成において、このような結合器による表面面積は、実質的に従来の結合器と同じであり、キャパシタの形成に必要な表面面積は、導電セクションの長さを減らすことによって補償される。

もちろん、本発明は、当業者に容易に生じる種々の変更、修正及び改良を行うことができる。特に、結合器の異なる導電セクション更にはキャパシタの大きさは、上記にあげられた機能表示に基づいて当業者の能力の範囲内である。

このような変更、修正、及び改良は、この開示の一部であり、本発明の精神及び範囲内である。従って、前述の説明は、単なる例であり、限定しようとするものではない。本発明は請求項とそれに対する均等物とにおいてだけ限定される。

無線周波数送信チェーン環境において、本発明が適応する型の双方向性結合器を概略的に示している。 方向性無線周波数結合器の従来の例を示している。 本発明に従う方向性結合器の実施形態を示している。 本発明に従う方向性結合器の他の好ましい実施形態を示している。

符号の説明

１，１０，２０，３０ 結合器
２ 増幅器
３ アンテナ
１１，１１’ 主線路
１２，１２’ 第２線路
１１１，１１２，１２１，１２２ 平行岐路
１１３，１２３ 結線
１１４，１２４ 垂直延長部

Claims (7)

1. ２つの端子（ＩＮ，ＤＩＲ）間で主信号を送信する第１の導電線路（１１，１１１）と、
   前記第１の導電線路に結合され、２つの端子（ＣＰＬＤ，ＩＳＯ）間で前記主信号に比例するサンプル信号を流す第２の導電線路と、
   前記各線路の前記２つの端子にそれぞれ接続する２つのキャパシタ（Ｃｓ）と
   を有することを特徴とする分散型結合器。
2. 前記線路（１１，１２；１１１，１１２，１２１，１２２）は同じ長さであることを特徴とする請求項１に記載の結合器。
3. 前記キャパシタ（Ｃｓ）は同じ値であることを特徴とする請求項１に記載の結合器。
4. 前記線路（１１，１２；１１１，１１２，１２１，１２２）は、前記結合器が目的とする周波数帯域より高い中心周波数に対してλ／４の大きさであることを特徴とする請求項１に記載の結合器。
5. 各導電線路は、その端子（ＩＮ，ＤＩＲ；ＣＰＬＤ，ＩＳＯ）間に、少なくとも２つの平行セクション（１１１，１１２；１２１，１２２）を有し、前記２つの線路の前記セクションが交互に配置されることを特徴とする請求項１に記載の結合器。
6. 前記キャパシタの電極は、前記導電線路を形成するのと同じ２つのメタライゼーションレベルに形成されることを特徴とする請求項５に記載の結合器。
7. 前記キャパシタ（Ｃｓ）は、０．１から１０ｐＦの値であり、前記結合器の前記中心周波数は、数十ＭＨｚから数十ＧＨｚであることを特徴とする請求項１に記載の結合器。

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