JP2005086622A

JP2005086622A - 電力合成・分配器

Info

Publication number: JP2005086622A
Application number: JP2003317976A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Miyamoto; 貴裕宮本
Original assignee: NEC Engineering Ltd
Current assignee: NEC Engineering Ltd
Priority date: 2003-09-10
Filing date: 2003-09-10
Publication date: 2005-03-31

Abstract

【課題】小型化が可能で、高い設計精度の不要な電力合成・分配器等を提供する。
【解決手段】多層基板の外層である第１層２１と第Ｎ層２４（Ｎは２以上の整数）に接地導体２１、２２を設け、内層にコプレーナウェーブガイドによるブロードサイドカップリング３２、３３を用いた結合器を構成した電力合成・分配器。任意のＮ合成器を縦続接続する場合、電力分配比は１／Ｎとなり、Ｎを増加させると、信号ラインとグランド面との距離が短くなるが、この距離を実現可能な程に長く広げることができるため、小型化が可能で、高い設計精度が不要となる。第１層２１と第Ｎ層２４とを一体シールド構造とし、外部の影響を受けることなく、放射損失を低減することができる。入力ポート１１または／及び出力ポート１３を半割スルーホール５１で形成することにより、他の回路との接続が容易になる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力合成・分配器に関し、特に、多層基板とコンダクタバックドコプレーナウェーブガイドを用いた電力合成・分配器に関する。

従来の電力合成器の一例として、特許文献１には、プリント基板の両面にコプレーナラインを重なるように配置することによって、所定の結合量を有する方向性結合器を形成し、これを縦続形態に接続した電力合成器が記載されている。この電力合成器は、合成数を変更する場合には、所定の結合量を有するプリント基板両面に形成されたコプレーナラインによる方向性結合器を付加することにより、任意のＮ合成器を実現している。そして、例えば、３合成器のパターンが同特許文献の図１に開示されている。

特許第２９５３９９４号公報（図１）

しかし、上記従来の電力合成器においては、基板の両面のみでパターンを形成しているため（電磁界分布を構成しているため）、装置の小型化が困難であるという問題があった。

また、誘電率や厚さ等の基板の条件で結合器の大きさが決まってしまうため、設計の自由度が小さく、基板の厚さを薄くすると、結合器も小型化できるが、信号ラインとグランド面の距離を短くする等して装置を小型化し過ぎると、実現が難しいパラメータが存在するため、高い設計精度が要求されるという問題があった。

そこで、本発明は、上記従来の技術における問題点に鑑みてなされたものであって、小型化が可能で、高い設計精度を要求されることもない電力合成・分配器等を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、電力合成・分配器であって、多層基板の外層である第１層と第Ｎ層（Ｎは２以上の整数）に接地導体を設け、内層にコプレーナウェーブガイドによるブロードサイドカップリングを用いた結合器を構成したことを特徴とする。

そして、本発明によれば、コプレナウェーブガイドを多層基板の内層に配置して結合させることで所望の結合度を得る結合器を構成している。また、外層にグランド面を配置して積極的に電磁界分布に影響を与えることで、信号ラインとグランド面との距離を調整することができる。これによって、任意のＮ合成器を縦続接続する場合、電力分配比は１／Ｎとなり、Ｎを増加させると、信号ラインとグランド面との距離が短くなるが、本発明では、この距離を実現可能な程に長く広げることができるため、小型化が可能で、高い設計精度も不要となる。また、外層のグランド面積極的に結合器に影響させることにより、結合器の結合量と物理的大きさを任意に調整することもできる。

前記電力合成・分配器において、前記第１層と第Ｎ層とを一体シールド構造とすることができる。これによって、外部の影響を受けることなく、放射損失を低減することができる。

また、入力ポートまたは／及び出力ポートを半割スルーホールで形成することができる。これによって、他の回路との接続が容易になる。

以上説明したように、本発明によれば、小型で、高い設計精度も不要等の特長を備えたな電力合成・分配器を提供することができる。

図１乃至図３は、本発明にかかる電力合成・分配器の第１の実施の形態を示し、この電力合成・分配器は、２分配器を構成し、入力ポート１１、結合ポート１２、通過ポート１３及びアイソレーションポート１４の各々は、端面で半割スルーホールを用いることで容易に他の回路とのインターフェースとなる。また、この電力合成・分配器は、第１層のグランド２１、第２層のグランド２２、第３層のグランド２３及び第４層のグランド２４と、３ｄＢ結合器３１とを備え、３ｄＢ結合器３１は、入射された電力を等分配する機能を有する。

各層の間は、誘電体４１〜４３で満たされている。この誘電体の誘電率により、コプレナウェーブガイドで生じる電磁界分布が集中し、設計可能な結合量を操作することができる。信号ラインの幅ｗと、信号ラインとグランド面との間隔ｓと、各層間の距離ｈ₁〜ｈ₃とを適当に選択し、所望の結合量を有する結合器を実現する。

また、第２層と第３層というように高さの異なる層にある入力信号ライン３２と結合信号ライン３３の各入出力ポートと外部のプリント基板やコネクタとを接続するにあたって、図３に示すような半割スルーホール５１〜５３を用いることによって、容易な接続を実現している。半割スルーホール５１は、上下グランド面に接地され、半割スルーホール５２と５３は、各々、第２層にある入力信号ライン３２と、第３層にある結合信号ライン３３とに接続され、外部回路とのインターフェースとして機能する。

次に、上記構成を有する電力合成・分配器の動作について、図２を中心に参照しながら説明する。

図２に示すように、入力信号ライン３２と結合信号ライン３３によるブロードサイドカップリングの構成を有する結合器は、ある誘電体層において、信号ラインの幅ｗと、信号ラインとグランド面との間隔ｓと、各層の間隔ｈ₁〜ｈ₃とで任意に決定することができる。この信号ラインの幅ｗと、間隔ｓを変化させることによって、入力信号ライン３２から発生する電磁界分布も変化する。すなわち、間隔ｓを小さくしていくと、横のグランド２２との結合が強まり、結合信号ライン３３との結合は弱まる。

そして、インピーダンス整合をとりながら、結合量を調整することにより、任意の分配器を設計することができる。このとき、上下のグランド面との間隔ｈ₁、ｈ₃を小さくすると、信号ラインとグランド面との間隔ｓは大きくなる方向に働く。設計周波数は、結合器を１／４波長結合線路と考えることで、任意に設計することができる。また、各出力ポートの位相は、各々の線路長で調整することができる。

本発明にかかる電力合成・分配器は、従来のコプレーナラインと同様である中心導体幅ｗ、導体とグランド間の距離ｓ、プリント基板の誘電体層４２の誘電率ε_r2といったパラメータに加えて、プリント基板の上下の誘電体層４１、４３の誘電率ε_r1、ε_r3、さらに内層導体２２、２３と上下の設置導体面２１、２４との距離ｈ₁、ｈ₂といったパラメータを加えることでさらに結合器の設計自由度を高めている。例えば、任意のＮ合成器を縦続接続する場合、電力分配比は１／ＮとなりＮを増やしていくと従来の構造では実現できないような小さな値ｓを要求されるが、本発明で上下に接地導体を設けたことによりｓを実現可能な程度に広げることができる。さらに、すべてグランド面で覆われた構成となるため、外部の影響を受けることなく、放射損失を低減することができる。

尚、上記説明においては、本発明にかかる電力合成・分配器を電力分配器として説明しているが、線路パターンのみで構成されているので、電力合成器としても同様に動作可能である。すなわち、入力と出力を逆転させれば、電力合成器として機能する。

図４は、本発明にかかる電力合成・分配器の第２の実施の形態を示し、上記電力合成・分配器を直列に接続することによって、多段の結合器としたものである。

入力ポート６１から信号ライン３２（図３参照）を介して各結合器７１、７２、７３で結合された信号は、出力ポート６２〜６５に分配されて出力される。この構成において、結合器７１、７２、７３の各々の結合量が、６ｄＢ、４．８ｄＢ、３ｄＢとなるように設計すると、出力ポート６２〜６５には、信号を等分配で出力することができる。さらに、基板構成が同一であれば、既設計を流用して容易に多段の結合器を設計することができる。すなわち、図１に示した２分配器の結合器の構成を、そのまま、図４に示した結合器７３として適用することができる。また、５分配器を設計する場合には、結合器７１のさらに入力ポート６１側に結合量７ｄＢの結合器を追加する。このように、任意のＮ分配器の設計が可能となる。

また、スルーホールで上面（１層）または下面（４層）に導通することで、外層に電気部品を備えたパターンを配置することが可能である。例えば、図５に示すように、第３層の信号ラインをスルーホールで第１層に通し、パターンを設けて終端することが可能である。

さらに、任意の位置にスルーホールを設置することができるため、線路幅とスルーホールの幅さえ与えられれば、他のパターンと干渉することなく自由に設計することができる。

以上、４層基板（内層２層）の場合について示したが、内層が３層以上の場合においても、第２層と第３層の結合、第３層と第４層の結合、第２層と第４層の結合のように、縦列接続に拘らず、その組み合わせは任意に設計することができる。

本発明にかかる電力合成・分配器の第１の実施形態の構造のパターン図である。図１のＡ−Ａ断面図である。図１の電力合成・分配器の入出力部の構造図である。本発明にかかる電力合成・分配器の第２の実施形態の構造のパターン図である。本発明にかかる電力合成・分配器の第２の実施形態の構造のパターン図である。

符号の説明

１１入力ポート
１２結合ポート
１３通過ポート
１４アイソレーションポート
２１第１層のグランド
２２第２層のグランド
２３第３層のグランド
２４第４層のグランド
３１３ｄＢ結合器
３２第２層の入力信号ライン
３３第３層の結合信号ライン
４１〜４３各層の間の誘電体
５１半割スルーホール
５２第２層の入力信号ラインにつながる半割スルーホール
５３第３層の結合信号ラインにつながる半割スルーホール
６１入力ポート
６２〜６５出力ポート
７１〜７３結合器
ｗ信号ラインの幅
ｓ信号ラインとグランドとの間隔
ｈ₁〜ｈ₃ 各層間の距離

Claims

多層基板の外層である第１層と第Ｎ層（Ｎは２以上の整数）に接地導体を設け、内層にコプレーナウェーブガイドによるブロードサイドカップリングを用いた結合器を構成したことを特徴とする電力合成・分配器。
前記第１層と第Ｎ層とを一体シールド構造としたことを特徴とする請求項１記載の電力合成・分配器。
入力ポートまたは／及び出力ポートを半割スルーホールで形成したことを特徴とする請求項１または２記載の電力合成・分配器。