JP2007081502A - 方向性結合装置及び無線通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
高アイソレーションを確保しつつ小型であると共に低コストで製作し得、高電力効率の方向性結合装置を提供する。
【解決手段】
非可逆回路素子６と誘電体基板上に形成された方向性結合器５とを１つの導体基板上に一体に設けた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、携帯電話、自動車電話等のマイクロ波を使用した通信機で使用される方向性結合装置及び無線通信装置に関するものである。

携帯電話、自動車電話等のマイクロ波を使用した通信システムに於いては、回路中、例えば受信回路、送信回路でのアンテナからの異常反射を吸収する為の回路として、非可逆回路、非可逆回路素子が用いられている。

例えば、図７に送信部の増幅回路１を示す。該増幅回路１は、主に信号処理部２、振幅・位相変調器３、電力増幅部４、方向性結合器（カプラ）５、サーキュレータ６、デュプレクサ（ＤＵＰ）７、歪み検出回路８、反射波検出回路９、アンテナ１０等から構成されている。

前記信号処理部２に送信データが入力され、該信号処理部２によって生成された送信データのＩＱデータ（直交データ）は、前記振幅・位相変調器３により直交変調、及び高周波信号に周波数変換され、前記電力増幅部４は前記振幅・位相変調器３からの信号を所定の出力迄増幅する。前記方向性結合器５は、前記電力増幅部４で増幅された信号に含まれる歪み検出の為に、主変調波及び３次、５次等の相互変調歪み（ＩＭ）成分の一部を進行波信号として方向性結合する。

前記歪み検出回路８は、前記方向性結合器５で結合された減衰レベルの送信信号成分及び歪み成分（３次、５次、７次等）を低周波信号に周波数変換して前記信号処理部２に送信する。

前記サーキュレータ６は、非可逆回路素子であり、前記方向性結合器５からの信号を前記デュプレクサ７に一方向に通過させ、前記アンテナ１０からの反射波が前記方向性結合器５に戻らない様遮断すると共に反射波を前記反射波検出回路９に送出する。該反射波検出回路９は反射波の検出を行い、検出結果は前記信号処理部２にフィードバックされ、該信号処理部２はフィードバック信号により、前記アンテナ１０からの戻り信号は反射波であるのか或は他の信号であるのかを判断し、前記増幅回路１の作動状態を判断する。尚、前記デュプレクサ７は、送信信号と受信信号を分離する。

上記増幅回路１にも見られる様に、携帯電話、自動車電話等のマイクロ波を使用した通信システムに於いて、回路中に発生する異常反射波は、電子回路にダメージを与え、又信号品質を劣化するので、異常反射を吸収し、信号を一方向にのみ伝達するサーキュレータ、アイソレータ等の非可逆回路、非可逆回路素子が不可欠となっている。

従来、方向性結合器、サーキュレータ、アイソレータ等、回路を構成する部品、回路素子は個々に製作され、独立した部品となっている。例えば、特許文献１には非可逆回路素子が示されているが、多数の部品から構成されおり、コスト高となっている。

従来、前記増幅回路１を製作する場合、個々の部品で回路が構成されることになり、又高アイソレーションの方向性結合器を構成しようとすると、アイソレーションを確保する為に、非可逆回路素子と方向性結合器をそれぞれ金属の箱に収納してシールドして、本線経路の結合、及び空間結合を防いでおり、形状が大型化し、又形状は個別に異なり、汎用性が無く、コストが掛った。

又、個々の回路素子を接続する経路が長くなり、通過挿入損失が大きくなり、例えば携帯電話の基地局の増幅器では、電力ロスが大きく、電力効率の低下を起した。更に、携帯電話の基地局の増幅器では、入力方向、出力方向がユーザにより異なり、その都度個別に製作しなければならないので、製作に時間と費用が費やされた。

特開２００５−１３００２２号公報

本発明は斯かる実情に鑑み、高アイソレーションを確保しつつ小型であると共に低コストで製作し得、高電力効率の方向性結合装置及び無線通信装置を提供するものである。

本発明は、非可逆回路素子と誘電体基板上に形成された方向性結合器とを１つの導体基板上に一体に設けた方向性結合装置に係り、又非可逆回路素子と誘電体基板上に形成された方向性結合器とを１つの導体基板上に一体に設けた方向性結合装置と、配線基板と、金属製筐体と、蓋とを具備し、前記配線基板が前記筐体に取付けられ、前記配線基板に形成した孔、前記筐体に形成した凹部に前記導体基板が嵌込まれ、前記方向性結合装置から突出する端子が前記配線基板の対応するラインに接続され、前記蓋を前記筐体に取付けることで、前記方向性結合装置がシールドされる無線通信装置に係るものである。

本発明によれば、非可逆回路素子と誘電体基板上に形成された方向性結合器とを１つの導体基板上に一体に設けたので、構成が簡略化、小型化され、コストが低減すると共に挿入損失が低減する。

又本発明によれば、非可逆回路素子と誘電体基板上に形成された方向性結合器とを１つの導体基板上に一体に設けた方向性結合装置と、配線基板と、金属製筐体と、蓋とを具備し、前記配線基板が前記筐体に取付けられ、前記配線基板に形成した孔、前記筐体に形成した凹部に前記導体基板が嵌込まれ、前記方向性結合装置から突出する端子が前記配線基板の対応するラインに接続され、前記蓋を前記筐体に取付けることで、前記方向性結合装置がシールドされるので、構成が簡略化、小型化され、コストが低減すると共に挿入損失が低減し、主回路が増幅回路であった場合等では、有効な電力の節約が可能となる等の優れた効果を発揮する。

以下、図面を参照しつつ本発明を実施する為の最良の形態を説明する。

先ず、図１により本発明に係る方向性結合装置１１の基本構成について説明する。尚、図７中で示したものと同等のものには同符号を付しその説明を省略する。

該方向性結合装置１１は、方向性結合器５、非可逆回路素子であるアイソレータ１２、非可逆回路素子であるサーキュレータ６を一体的に構成したものであり、図中、１３は抵抗を含む終端器、１４は減衰器、１５は入力端子、１６は出力端子、１７は第１端子、１８は第２端子を示している。

前記アイソレータ１２は信号を前記方向性結合器５から前記サーキュレータ６に一方向に通過させるものであり、アンテナからの反射波は前記終端器１３により熱エネルギに変換され消滅される。又、反射波は前記サーキュレータ６によって取出され、前記減衰器１４によって所要レベル迄減衰され、前記第２端子１８から送出される。

図２〜図４により、第１の実施の形態について説明する。

方向性結合装置１１を構成する前記方向性結合器５、前記アイソレータ１２、前記サーキュレータ６は、矩形状の１枚の導体基板２１（例えばアルミ板）上に配設される。

先ず、前記アイソレータ１２、前記サーキュレータ６について説明する。

前記アイソレータ１２の第１中央導体２２、前記サーキュレータ６の第２中央導体２３は銅板をプレス抜き等の加工により一体に製作されている。前記第１中央導体２２、前記第２中央導体２３は、６０°間隔で短冊状の導体子２２，２３が放射状に形成された星形状をしており、前記第１中央導体２２と前記第２中央導体２３とはそれぞれ１つの導体子２２ａ，２３ａが連結部２４によって連続することで連結されている。又、前記連結部２４の途中には所要の面積を有する平板部２５が形成される。

又、前記導体子２２ａ，２３ａとは１２０°離れた導体子２２ｂ，２３ｂからは接続導体子２６，２７が反対方向に延出する様に形成されている。該接続導体子２７は図２で示す様に出力端子１６となっている。

前記アイソレータ１２に於いて、前記第１中央導体２２と前記導体基板２１との間には円形のフェライト２９が介設され、前記アイソレータ１２には円形のフェライト３０、アース用の円形導体板３１（例えばアルミ円板）が重合され、更に同心に円形の永久磁石３３が設けられる。該永久磁石３３によって前記第１中央導体２２の面に対して垂直な直流磁界が発生され、前記フェライト２９、前記フェライト３０は直流磁界を受けて磁気回転効果を示す様になる。前記円形導体板３１は、図示しない接続手段によって前記導体基板２１に電気的に接続される。

前記導体子２２ａ、前記導体子２２ｂと１２０°離れた導体子２２ｃには前記終端器１３が接続される。該終端器１３は前記フェライト２９と同じ厚みのプリント基板３４を有し、該プリント基板３４には抵抗３５が実装され、該抵抗３５に前記導体子２２ｃが接続されている。

前記サーキュレータ６は前記アイソレータ１２と同等の構造を有しており、前記第２中央導体２３と前記導体基板２１との間にフェライト３６が介設され、前記第２中央導体２３上にはフェライト３７、円形導体板３８（例えばアルミ円板）、永久磁石３９が重合して設けられている。

前記減衰器１４は前記フェライト３６と同じ厚みのプリント基板３３上に減衰回路が形成されたものであり、前記第２中央導体２３の導体子２３ｃは前記減衰回路に接続され、該減衰回路からは前記第２端子１８が延出している。

前記平板部２５と前記導体基板２１との間に誘電体４０が挾設され、前記平板部２５、前記導体基板２１、前記誘電体４０によってインピーダンス整合素子が構成される。尚、図２〜図４では、直流磁界の磁路となる部材を特に図示していないが、特許文献１と同様に磁性材料を用いて適宜備えてよい。又各フェライトの重合は接着により行ってもよく、或は磁路部材により押えつけてもよい。

前記方向性結合器５について説明する。

前記フェライト２９に隣接して矩形のプリント基板４１が前記導体基板２１に固着される。前記プリント基板４１は誘電体材料であり、両面に導体層が形成され、更に上面に方向性結合器を構成する為の結合器用パターン４２が形成されている。

該結合器用パターン４２は、前記プリント基板４１を直進して貫通する主導線部４３と、該主導線部４３と平行部分を有する副導線部４４を有し、前記主導線部４３の一端には前記接続導体子２６が接続され、他端には前記入力端子１５が接続されている。前記副導線部４４の一端は抵抗４５を介して周辺のグランドパターン４６に接続されており、前記副導線部４４の他端には前記第１端子１７が接続されている。

前記プリント基板４１には同一の外形寸法を有するプリント基板４７、導体板蓋４８（例えばアルミ板）が重合され、所要の手段、例えばボルトにより前記導体基板２１に共締されている。前記プリント基板４７は、両面に導体層が形成され、下面の導体層は前記結合器用パターン４２と干渉する部分は除去され、残部はグランドパターンとなっている。又、前記プリント基板４７は、前記接続導体子２６、前記入力端子１５、前記抵抗４５、前記第１端子１７と干渉しない様に切欠が設けられている。又、前記プリント基板４１、前記プリント基板４７のグランドパターン部にはスルーホールが設けられ、各層のグランドパターンは導通している。前記結合器用パターン４２は前記プリント基板４１、前記プリント基板４７によってシールドされた構造となっている。

尚、前記導体基板２１の所要位置、例えば４角部に止め孔４９が穿設され、前記方向性結合装置１１はボルト等により所要の回路に組込み可能となっており、又前記入力端子１５、前記出力端子１６、前記第１端子１７、前記第２端子１８の各端子の前記導体基板２１底面からの高さは同一となっている。

図１に於いて説明したと同様に、前記入力端子１５が入力されると前記アイソレータ１２、前記サーキュレータ６で、一方向の信号に調整され、前記出力端子１６から出力される。反射波が前記出力端子１６より浸入すると、反射波は前記サーキュレータ６によって取出され、前記減衰器１４によって所要レベル迄減衰され、前記第２端子１８から送出される。又、前記アイソレータ１２に浸入した反射波は、前記終端器１３により熱エネルギに変換され消滅される。尚、前記方向性結合器５としては、以上説明した様な分布結合型の他、ブランチライン型等各種のものを用いることができる。

上記した方向性結合装置１１では、前記方向性結合器５、前記アイソレータ１２、前記サーキュレータ６間を接続する配線が不要となり、小型化が図れ、挿入損失が低減し、電気的特性が向上する。又、小型化、一体化が図れ、更にこれらの配線作業が省略できるので、コストの低減が図れる。

方向性結合装置１１を上記構成とすることで、充分なアイソレーションが得られ、アンテナより浸入する妨害波が第１端子１７に出現しないので、該第１端子１７で精度のよい出力電力、歪みを測定でき、又第２端子１８で精度のよいアンテナの反射電力が測定できる。又、前記永久磁石３３と永久磁石３９は別体で構成したので、製造時に永久磁石を同芯よりわずかにずらすことで直流磁界の強さを変えて、非可逆回路素子の中心周波数を最適値に調整することができる。

図５、図６により、第２の実施の形態について説明する。

尚、図５、図６中、図４中で示したものと同一のものには同符号を付し、その説明を省略する。

増幅回路１の配線基板５１は金属製の筐体、例えばアルミ製のヒートシンク５２に取付けられており、前記方向性結合装置１１が前記配線基板５１に組込まれる。

該配線基板５１には前記導体基板２１と同形状の嵌込み孔５３が穿設され、又前記ヒートシンク５２には前記嵌込み孔５３と同位置に前記導体基板２１が嵌合する凹部５４が形成される。

前記嵌込み孔５３の周囲には全周にグランドパターン５５が形成され、該グランドパターン５５には前記入力端子１５、前記出力端子１６、前記第１端子１７、前記第２端子１８に対応する部分に欠如部５６，５７が形成され、前記入力端子１５に対応する前記欠如部５６には電力増幅部からの出力ライン５８が形成され、前記出力端子１６に対応する前記欠如部５７にはデュプレクサへの入力ライン５９が形成されている（図７参照）。

前記導体基板２１を前記凹部５４に嵌合すると、前記入力端子１５が前記出力ライン５８に合致し、前記接続導体子２７が前記入力ライン５９に合致する様になっている。又、図示していないが、前記第１端子１７、第２端子１８の各端子もそれぞれ対応する配線基板５１上のラインに合致する様になっている。

前記入力端子１５や前記接続導体子２７の形状は、接続時にインピーダンスが整合する様に管理されており、前記入力端子１５と前記出力ライン５８、前記接続導体子２７と入力ライン５９とをそれぞれハンダ付けすると、前記方向性結合装置１１と前記配線基板５１の各回路とはリード線を使用することなく、最短距離で接続できる。

前記方向性結合装置１１を前記配線基板５１に組込み後、金属製、例えばアルミ製の蓋６１がボルト等により前記ヒートシンク５２に取付けられる。前記蓋６１には、前記方向性結合装置１１を囲む様、仕切６２が形成され、該仕切６２は前記グランドパターン５５に圧着する様になっている。又、前記仕切６２の前記各端子に対応する部分には切欠６３が形成されている。

尚、図６中、６４は前記配線基板５１に実装された部品を示している。

前記蓋６１が取付けられることで、前記方向性結合装置１１は前記ヒートシンク５２と前記蓋６１によって構成されるシールドケースに収納された状態となる。この時、永久磁石３３、永久磁石３９と前記蓋６１との間隔が狭いと、蓋を介した結合が起こり、アイソレーションが低下するので注意が必要である。

第２の実施の形態によれば、前記方向性結合装置１１を増幅器に組込むことで、１増幅器あたり、１０Ｗ程度の消費電力が節約でき、例えば１２スロットの増幅器を有する基地局では１２０Ｗ程度の電力が節約できる。

尚、上記実施の形態では、方向性結合器５、アイソレータ１２、サーキュレータ６を一体に構成したが、アイソレータ１２、サーキュレータ６のいずれか一方を省略してもよく、或は両方をサーキュレータ６としてもよい。

本発明の実施の形態を示す基本構成図である。 本発明の第１の実施の形態を示す平面図である。 本発明の第１の実施の形態を示す側面図である。 本発明の第１の実施の形態を示す分解斜視図である。 本発明の第２の実施の形態を示す分解斜視図である。 図５のＡ矢視図である。 従来例の方向性回路を有する増幅器のブロック図である。

符号の説明

１ 増幅回路
５ 方向性結合器
６ サーキュレータ
１１ 方向性結合装置
１２ アイソレータ
１３ 終端器
１４ 減衰器
２１ 導体基板
４１ プリント基板
４２ 結合器用パターン
５１ 配線基板
６１ 蓋

Claims (2)

1. 非可逆回路素子と誘電体基板上に形成された方向性結合器とを１つの導体基板上に一体に設けたことを特徴とする方向性結合装置。
2. 非可逆回路素子と誘電体基板上に形成された方向性結合器とを１つの導体基板上に一体に設けた方向性結合装置と、配線基板と、金属製筐体と、蓋とを具備し、前記配線基板が前記筐体に取付けられ、前記配線基板に形成した孔、前記筐体に形成した凹部に前記導体基板が嵌込まれ、前記方向性結合装置から突出する端子が前記配線基板の対応するラインに接続され、前記蓋を前記筐体に取付けることで、前記方向性結合装置がシールドされることを特徴とする無線通信装置。

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