JP2010011519A - 積層型方向性結合器 - Google Patents

Abstract

【課題】 主線路や副線路のライン幅を細くすることなく、ライン長を長くすることができ、小型化、低周波化および挿入損失改善が可能な積層型方向性結合器を提供する。
【解決手段】 主線路１９は、第１結合線路部１９ａと第２結合線路部１９ｂを、シート１３〜１５にそれぞれ設けたビアホール２５を介して電気的に直列に接続することにより構成されている。副線路２０は、第１結合線路部２０ａと第２結合線路部２０ｂを、シート１４〜１６にそれぞれ設けたビアホール２５を介して電気的に直列に接続することにより構成されている。主線路１９の第１結合線路部１９ａと副線路２０の第１結合線路部２０ａは、シート１３を挟んで対向するように形成されている。主線路１９の第２結合線路部１９ｂと副線路２０の第２結合線路部２０ｂも、シート１６を挟んで対向するように形成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、積層型方向性結合器、特に、携帯電話などの無線通信機器などに使用される積層型方向性結合器に関する。

１／４波長に相当する電気長を有する伝送線路を用いた方向性結合器は、高周波機器に従来から用いられている。また、積層型方向性結合器も、小型であるという利点から携帯電話などの小型無線通信機器に広く用いられている。

この種の方向性結合器として、図６に示す主線路３と副線路４をそれぞれ表面に設けた誘電体シート２や、グランド電極５，６をそれぞれ表面に設けた誘電体シート２などを積層したものが知られている。主線路３および副線路４は渦巻状のパターンであり、それぞれ１／４波長に相当するライン長を有している。主線路３と副線路４は誘電体シート２を挟んで対向し、長さ方向に並走している。つまり、主線路３と副線路４は、誘電体シート２の積み重ね方向に重なっており、いわゆるブロードサイド型の電磁気的結合をしている。

従来の積層型方向性結合器１は、主線路３と副線路４が誘電体シート２を挟んで構成した電磁気的結合部を一つしか有していなかった。このため、方向性結合器１のサイズを変えないで方向性結合器１の中心周波数を低く（例えば４２０ＭＨｚ帯に）したり、主線路３と副線路４の電磁気的結合度を上げたりする場合には、主線路３や副線路４のライン幅を細くしてライン長を長くしなければならなかった。しかし、ライン幅を細くすると、方向性結合器１の挿入損失特性が低下するという問題があった。

そこで、本発明の目的は、主線路や副線路のライン幅を細くすることなく、ライン長を長くすることができ、小型化、低周波化および挿入損失改善が可能な積層型方向性結合器を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明に係る積層型方向性結合器は、
（ａ）少なくとも第１結合線路部と第２結合線路部とを有した主線路と、
（ｂ）前記主線路の第１結合線路部と第２結合線路部にそれぞれ電磁気的に結合する第１結合線路部と第２結合線路部とを有した副線路と、
（ｃ）前記主線路および前記副線路の少なくともいずれか一つの線路に対向したグランド電極と、
（ｄ）前記主線路の第１および第２結合線路部と前記副線路の第１および第２結合線路部と前記グランド電極との間にそれぞれ配置された誘電体層とを備え、
（ｅ）前記主線路の第１および第２結合線路部と前記副線路の第１および第２結合線路部と前記グランド電極と前記誘電体層とを積み重ねて積層体を構成するとともに、前記主線路の第１結合線路部と前記副線路の第１結合線路部が前記誘電体層を挟んで構成した第１電磁気的結合部、並びに、前記主線路の第２結合線路部と前記副線路の第２結合線路部が前記誘電体層を挟んで構成した第２電磁気的結合部が前記グランド電極を挟み込むように前記積層体の積み重ね方向に並置し、
（ｆ）前記第１電磁気的結合部と前記グランド電極との間には、前記主線路の第１結合線路部の一端および前記副線路の第１結合線路部の一端にそれぞれ接続されている第１引出し電極および第２引出し電極が設けられた誘電体層が配置され、
（ｇ）前記第２電磁気的結合部と前記グランド電極との間には、前記主線路の第２結合線路部の一端および前記副線路の第２結合線路部の一端にそれぞれ接続されている第３引出し電極および第４引出し電極が設けられた誘電体層が配置されていること、
を特徴とする。

主線路の第１結合線路部と副線路の第１結合線路部の電磁気的結合部、並びに、主線路の第２結合線路部と副線路の第２結合線路部の電磁気的結合部を、積層体の積み重ね方向に並置することにより、同じ占有面積の従来の方向性結合器と比較して主線路や副線路のライン長を約２倍に長くすることができる。このため、ライン幅を細くすることなく、ライン長を長くすることができ、方向性結合器の小型化、低周波化および挿入損失改善が可能になる。

また、主線路や副線路の伝送線路に対向しているグランド電極を省略することにより、伝送線路の磁界によりグランド電極に発生していた渦電流損を削減できる。

また、前記主線路の第１結合線路部と第２結合線路部の一端同士は、前記第１引出し電極および前記第３引出し電極と前記積層体の側面に設けられている主線路用中継外部電極とを介して接続され、前記副線路の第１結合線路部と第２結合線路部の一端同士は、前記第２引出し電極および前記第４引出し電極と前記積層体の側面に設けられている副線路用中継外部電極とを介して接続されていてもよい。

また、前記第１引出し電極および前記第２引出し電極と前記第１電磁気的結合部との前記積み重ね方向における間隔は、前記第１引出し電極および前記第２引出し電極と前記グランド電極との前記積み重ね方向における間隔よりも広く、前記第３引出し電極および前記第４引出し電極と前記第２電磁気的結合部との前記積み重ね方向における間隔は、前記第３引出し電極および前記第４引出し電極と前記グランド電極との前記積み重ね方向における間隔よりも広くてもよい。

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、主線路の第１結合線路部と副線路の第１結合線路部の電磁気的結合部、並びに、主線路の第２結合線路部と副線路の第２結合線路部の電磁気的結合部を、積層体の積み重ね方向に並置しているので、同じ占有面積の従来の方向性結合器と比較して主線路や副線路のライン長を約２倍に長くすることができる。このため、ライン幅を細くすることなく、ライン長を長くすることができ、方向性結合器の小型化、低周波化および挿入損失改善が可能になる。

また、主線路や副線路の伝送線路に対向しているグランド電極を省略することにより、伝送線路の磁界によりグランド電極に発生していた渦電流損を削減できる。

本発明に係る積層型方向性結合器の第１実施形態を示す分解斜視図。 図１に示されている積層型方向性結合器の外観を示す斜視図。 図２に示されている積層型方向性結合器の等価回路図。 本発明に係る積層型方向性結合器の第２実施形態を示す分解斜視図。 図４に示されている積層型方向性結合器の外観を示す斜視図。 従来の積層型方向性結合器を示す分解斜視図。

以下、本発明に係る方向性結合器の実施の形態について添付の図面を参照して説明する。各実施形態において、同一部品および同一部分には同じ符号を付した。

［第１実施形態、図１〜図３］
図１に示すように、積層型方向性結合器１１は、主線路１９の第１結合線路部１９ａおよび第２結合線路部１９ｂをそれぞれ表面に設けた誘電体シート１３，１６と、副線路２０の第１結合線路部２０ａおよび第２結合線路部２０ｂをそれぞれ表面に設けた誘電体シート１４，１７と、グランド電極２１，２２，２３をそれぞれ表面に設けた誘電体シート１２，１５，１８等で構成されている。

誘電体シート１２〜１８の材料としては、エポキシ等の樹脂あるいはセラミック誘電体等が用いられる。第１実施形態では、誘電体シート１２〜１８の材料として、誘電体セラミック粉末を結合剤と共に混練した後、シート状にしたものを用いた。各誘電体シート１２〜１８のシート厚は所定の寸法に設定されている。通常、第１結合線路部１９ａ−２０ａ間の距離と第２結合線路部１９ｂ−２０ｂ間の距離が等しく、かつ、第１結合線路部１９ａ，２０ａや第２結合線路部１９ｂ，２０ｂとグランド電極２１〜２３との間のそれぞれの距離がそれらよりも厚くしかも等しくなるように設定される。さらに、シート１２，１４，１５，１７は、他のシート１３，１６，１８より厚く設定されている。このとき、シート１２，１４，１５，１７の厚さは、他のシート１３等と同じシート厚のものを複数枚積み重ねて確保してもよいし、１枚の厚いシートを用いて確保してもよい。

主線路１９は、渦巻形状の第１結合線路部１９ａと第２結合線路部１９ｂを、シート１３〜１５にそれぞれ設けたビアホール２５を介して電気的に直列に接続することにより構成されている。副線路２０は、渦巻形状の第１結合線路部２０ａと第２結合線路部２０ｂを、シート１４〜１６にそれぞれ設けたビアホール２５を介して電気的に直列に接続することにより構成されている。主線路１９および副線路２０は、それぞれ使用中心周波数の１／４波長に相当する電気長を有している。

ここに、主線路１９の第１結合線路部１９ａと副線路２０の第１結合線路部２０ａは、シート１３を挟んで対向するように形成されている。従って、第１結合線路部１９ａと２０ａのそれぞれの渦巻状パターン同士は、平面視で略重なっており、対向している部分でブロードサイド型の電磁気的結合をしている。同様に、第２結合線路部１９ｂと２０ｂのそれぞれの渦巻状パターン同士も、平面視で略重なっており、シート１６を挟んで対向している部分でブロードサイド型の電磁気的結合をしている。

また、主線路１９は、そのライン長を副線路２０のライン長と等しくするために、第１結合線路部１９ａと第２結合線路部１９ｂのそれぞれの引出し部をシート１３，１６上に延設し、該引出し部と渦巻部の接続部分Ａが折り返し構造になっている。なお、本第１実施形態の第１結合線路部１９ａと２０ａの電磁気的結合部のターン数と、第２結合線路部１９ｂと２０ｂの電磁気的結合部のターン数とは略等しいが、両者は異なっていてもよいことは言うまでもない。

グランド電極２１，２２，２３は、それぞれシート１２，１５，１８の略全面に設けられている。グランド電極２２の中央部には、ビアホール２５とのショートを避けるための窓部２２ａが形成されている。これらのグランド電極２１〜２３は方向性結合器の特性を考慮して、主線路１９や副線路２０から所定の距離だけ離れた位置に配置されることが好ましい。主線路１９、副線路２０およびグランド電極２１〜２３は、スパッタリング法、蒸着法、印刷法、フォトリソグラフィ法などの方法により形成され、Ａｇ−Ｐｄ，Ａｇ，Ｐｄ，Ｃｕ等の材料からなる。

各シート１２〜１８は積み重ねられ、更にその上下に保護シートが配置された後、一体的に焼成されることにより、図２に示すように、矩形体状の積層体３０とされる。積層体３０の側面には４個の入出力外部電極３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂと４個のグランド外部電極Ｇが形成されている。これらの外部電極３１ａ〜３２ｂ，Ｇはスパッタリング法、蒸着法、塗布法、印刷法などの方法によって形成され、Ａｇ−Ｐｄ，Ａｇ，Ｐｄ，Ｃｕ，Ｃｕ合金などの材料からなる。

積層体３０の手前側の側面の左側に形成された入出力外部電極３１ａは、主線路１９の一方の端部（具体的には、第１結合線路部１９ａの引出し部）に電気的に接続しており、奥側の側面の右側に形成された入出力外部電極３１ｂは、主線路１９の他方の端部（具体的には、第２結合線路部１９ｂの引出し部）に電気的に接続している。

積層体３０の奥側の側面の左側に形成された入出力外部電極３２ａは、副線路２０の一方の端部（第１結合線路部２０ａの引出し部）に電気的に接続しており、手前側の側面の右側に形成された入出力外部電極３２ｂは、副線路２０の他方の端部（第２結合線路部２０ｂの引出し部）に電気的に接続している。グランド外部電極Ｇは、グランド電極２１〜２３に電気的に接続している。図３は、方向性結合器１１の等価回路図である。

こうして得られた積層型方向性結合器１１は、主線路１９の第１結合線路部１９ａと副線路２０の第１結合線路部２０ａの電磁気的結合部、並びに、第２結合線路部１９ｂと２０ｂの電磁気的結合部の合わせて二つの電磁気的結合部を、積層体３０の積み重ね方向に並置しているので、同じ占有面積の従来の方向性結合器（一つの電磁気的結合部しか有さないもの）と比較して主線路１９や副線路２０のライン長を約２倍に長くすることができる。このため、主線路１９や副線路２０のライン幅を細くすることなく、ライン長を長くすることができ、方向性結合器１１の小型化、低周波化および挿入損失改善が可能となる。ここに、方向性結合器１１のサイズ（代表値）は、長さが５．７ｍｍ、幅が５．０ｍｍ、高さが２．０ｍｍである。

［第２実施形態、図４および図５］
第２実施形態は、前記第１実施形態の方向性結合器１１において、窓部２２ａを設けたグランド電極２２の代わりに、窓部を有さないグランド電極を使用したものである。

図４に示すように、積層型方向性結合器４１は、副線路２０の第１結合線路部２０ａを設けた誘電体シート１４と、主線路１９の第２結合線路部１９ｂを設けた誘電体シート１６との間に、引出し電極４５，４６を設けた誘電体シート４２、グランド電極４９を設けた誘電体シート４３および引出し電極４７，４８を設けた誘電体シート４４を配設している。なお、図４において、図１に示したグランド電極２１，２３を設けた誘電体シート１２，１８は図示していない。

各シート１２〜１４，４２〜４４，１６〜１８は積み重ねられ、更にその上下に保護シートが配置された後、一体的に焼成されることにより、図５に示すように、矩形体状の積層体５０とされる。積層体５０の手前側の側面には入出力外部電極３１ａ，３２ｂおよびグランド外部電極Ｇが設けられ、奥側の側面には入出力電極３２ａ，３１ｂおよびグランド外部電極Ｇが設けられ、左右の端面にはそれぞれ中継外部電極５１，５２が設けられている。

中継外部電極５１には、引出し電極４５，４７の一端が電気的に接続され、中継外部電極５２には引出し電極４６，４８の一端が電気的に接続されている。これにより、主線路１９の第１結合線路部１９ａと第２結合線路部１９ｂは、シート１３，１４にそれぞれ設けたビアホール２５、引出し電極４６、中継外部電極５２、引出し電極４８およびシート４４に設けたビアホール２５を順次介して電気的に直列に接続されている。同様に、副線路２０の第１結合線路部２０ａと第２結合線路部２０ｂは、シート１４に設けたビアホール２５、引出し電極４５、中継外部電極５１、引出し電極４７およびシート４４，１６にそれぞれ設けたビアホール２５を順次介して電気的に直列に接続されている。

以上の構成からなる積層型方向性結合器４１は、前記第１実施形態の方向性結合器１１と同様の作用効果を奏する。しかも、副線路２０の第１結合線路部２０ａと主線路１９の第２結合線路部１９ｂの間に配設されているグランド電極４９に窓部がないので、第１結合線路部１９ａ−２０ａの電磁気的結合と第２結合線路部１９ｂ−２０ｂの電磁気的結合とか相互に干渉するのをより一層抑えることができる。

［他の実施形態］
なお、本発明に係る積層型方向性結合器は前記実施形態に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更することができる。例えば、二つ以上の主線路と該二つ以上の主線路にそれぞれ電磁気的に結合する一つの副線路にて構成された方向性結合器であってもよい。あるいは、二つ以上の副線路と該二つ以上の副線路にそれぞれ電磁気的に結合する一つの主線路にて構成された方向性結合器であってもよい。

また、主線路や副線路のそれぞれの結合線路部の数は３以上であってもよい。この場合、主線路と副線路のそれぞれの結合線路部が結合して構成している３以上の電磁気的結合部は、積層体の積み重ね方向に並置されることになる。

また、主線路および副線路の形状は任意であり、渦巻状の他に、蛇行状、直線状であってもよい。主線路および副線路は、必ずしも１／４波長の長さに設定する必要はなく、ライン幅も全ての線路が等しい寸法に設定される必要もない。

また、主線路および副線路は、二つのグランド電極の間に配置されたストリップライン構造に限るものではなく、いずれか一方のグランド電極を省略した、いわゆるマイクロストリップライン構造であってもよい。

さらに、前記第１および第２実施形態において、グランド電極２１〜２３，４９およびグランド外部電極Ｇを省略してもよい。一般に、伝送線路の近傍に電極があると、この電極には伝送線路の磁界によって渦電流が発生し、伝送線路のＱが劣化する。そこで、グランド電極２１〜２３，４９を省略することにより、渦電流が発生する電極をなくす。この結果、主線路１９や副線路２０のＱがアップし、方向性結合器１１，４１の挿入損失が向上する。なお、第１および第２実施形態では、第１結合線路部１９ａ，２０ａと第２結合線路部１９ｂ，２０ｂとでそれぞれ発生する磁束の方向が逆方向になるように、結合線路部１９ａ，１９ｂ，２０ａ，２０ｂが巻回されている。これにより、グランド電極２２，４９を省略しても、第１結合線路部１９ａ，２０ａで発生する磁束と第２結合線路部１９ｂ，２０ｂで発生する磁束とが電磁的に結合しにくい構成になっている。

さらに、前記実施形態は、それぞれ導体パターンが形成された誘電体シートを積み重ねた後、一体的に焼成するものであるが、必ずしもこれに限定されない。誘電体シートは予め焼成されたものを用いてもよい。また、以下に説明する製法によって方向性結合器を製造してもよい。印刷等の方法によりペースト状の誘電体材料にて誘電体層を形成した後、その誘電体層の表面にペースト状の導電性材料を塗布して導体パターンを形成する。次にペースト状の誘電体材料を上から塗布して誘電体層とする。同様にして、順に重ね塗りすることにより積層構造を有する方向性結合器が得られる。

以上のように、本発明は、積層型方向性結合器に有用であり、特に、方向性結合器の小型化、低周波化および挿入損失改善ができる点において優れている。

１１，４１…積層型方向性結合器
１２〜１８，４２〜４４…誘電体シート
１９…主線路
２０…副線路
１９ａ，２０ａ…第１結合線路部
１９ｂ，２０ｂ…第２結合線路部
２１〜２３，４９…グランド電極
３０，５０…積層体

Claims (3)

1. 少なくとも第１結合線路部と第２結合線路部とを有した主線路と、
   前記主線路の第１結合線路部と第２結合線路部にそれぞれ電磁気的に結合する第１結合線路部と第２結合線路部とを有した副線路と、
   前記主線路および前記副線路の少なくともいずれか一つの線路に対向したグランド電極と、
   前記主線路の第１および第２結合線路部と前記副線路の第１および第２結合線路部と前記グランド電極との間にそれぞれ配置された誘電体層とを備え、
   前記主線路の第１および第２結合線路部と前記副線路の第１および第２結合線路部と前記グランド電極と前記誘電体層とを積み重ねて積層体を構成するとともに、前記主線路の第１結合線路部と前記副線路の第１結合線路部が前記誘電体層を挟んで構成した第１電磁気的結合部、並びに、前記主線路の第２結合線路部と前記副線路の第２結合線路部が前記誘電体層を挟んで構成した第２電磁気的結合部が前記グランド電極を挟み込むように前記積層体の積み重ね方向に並置し、
   前記第１電磁気的結合部と前記グランド電極との間には、前記主線路の第１結合線路部の一端および前記副線路の第１結合線路部の一端にそれぞれ接続されている第１引出し電極および第２引出し電極が設けられた誘電体層が配置され、
   前記第２電磁気的結合部と前記グランド電極との間には、前記主線路の第２結合線路部の一端および前記副線路の第２結合線路部の一端にそれぞれ接続されている第３引出し電極および第４引出し電極が設けられた誘電体層が配置されていること、
   を特徴とする積層型方向性結合器。
2. 前記主線路の第１結合線路部と第２結合線路部の一端同士は、前記第１引出し電極および前記第３引出し電極と前記積層体の側面に設けられている主線路用中継外部電極とを介して接続され、
   前記副線路の第１結合線路部と第２結合線路部の一端同士は、前記第２引出し電極および前記第４引出し電極と前記積層体の側面に設けられている副線路用中継外部電極とを介して接続されていること、
   を特徴とする請求項１に記載の積層型方向性結合器。
3. 前記第１引出し電極および前記第２引出し電極と前記第１電磁気的結合部との前記積み重ね方向における間隔は、前記第１引出し電極および前記第２引出し電極と前記グランド電極との前記積み重ね方向における間隔よりも広く、
   前記第３引出し電極および前記第４引出し電極と前記第２電磁気的結合部との前記積み重ね方向における間隔は、前記第３引出し電極および前記第４引出し電極と前記グランド電極との前記積み重ね方向における間隔よりも広いこと、
   を特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載の積層型方向性結合器。

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