JP2011055285A - 方向性結合器 - Google Patents

Abstract

【課題】小型、密結合かつ広帯域で、フォワード結合する方向性結合器を得る。
【解決手段】誘電体基板１に形成された第１ストリップ導体１０と、第１ストリップ導体１０と対向して形成された第２ストリップ導体２０と、第１ストリップ導体１０と第２ストリップ導体２０とを接続する第３ストリップ導体３０ａと、第１ストリップ導体１０、第２ストリップ導体２０および第３ストリップ導体３０ａから隔離して形成された地導体２と、第３ストリップ導体３０ａを接地電位に短絡するスルーホール３１とを備え、第１ストリップ導体１０および第２ストリップ導体２０は、第１ストリップ導体１０と第２ストリップ導体２０とが側結合される側結合部において、第１ストリップ導体１０から地導体２までの距離および第２ストリップ導体２０から地導体２までの距離の何れか短い方の２倍以内の距離とされている。
【選択図】図１

Description

この発明は、マイクロ波帯で使用される方向性結合器に関する。

方向性結合器は、電力監視を行うために広く用いられている。従来の方向性結合器としては、それぞれ右手／左手系複合線路を構成する第１ストリップ導体と第２ストリップ導体との間に、第１ストリップ導体と第２ストリップ導体とを接続する第３ストリップ導体および第３ストリップ導体を短絡する短絡手段からなるショートスタブを設けた構成が知られている（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）。

このような構成のフォワード結合する方向性結合器では、偶モード動作時の結合線路における位相速度と、奇モード動作時の結合線路における位相速度との差を大きくすることができる。そのため、小型かつ密結合で、フォワード結合する方向性結合器を実現することができる。

特開２００９−１３５９１８号公報

廣田明道、他２名、「右手／左手系複合線路を用いた密結合フォワードカプラの基礎検討」、電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会、Ｃ−２−３１、ｐｐ．５６、２００８年９月

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
従来の方向性結合器では、偶モード動作時および奇モード動作時ともに、通過帯域である左手系の特性となる帯域と右手系の特性となる帯域との間に、高周波信号が伝搬されない帯域であるバンドギャップが存在する。
フォワード結合する帯域は、偶モード動作時の通過帯域と奇モード動作時の通過帯域とが重なる帯域のみなので、バンドギャップとなる帯域ではフォワード結合しない。すなわち、フォワード結合する帯域が不連続となるので、従来の方向性結合器は、周波数帯域が狭帯域になるという問題がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、小型、密結合かつ広帯域で、フォワード結合する方向性結合器を得ることを目的とする。

この発明に係る方向性結合器は、誘電体基板に形成された第１ストリップ導体と、誘電体基板に、第１ストリップ導体と対向して形成された第２ストリップ導体と、第１ストリップ導体と第２ストリップ導体とを接続する第３ストリップ導体と、誘電体基板に、第１ストリップ導体、第２ストリップ導体および第３ストリップ導体から隔離して形成された地導体と、第３ストリップ導体を接地電位に短絡する短絡手段と、第１ストリップ導体の両端に近接して形成された一対の第１入出力線路と、第２ストリップ導体の両端に近接して形成された一対の第２入出力線路と、を備え、第１ストリップ導体と第２ストリップ導体とが側結合される側結合部において、第１ストリップ導体と第２ストリップ導体との間の距離は、第１ストリップ導体から地導体までの距離および第２ストリップ導体から地導体までの距離の何れか短い方の２倍以内とされているものである。

この発明に係る方向性結合器によれば、第１ストリップ導体と第２ストリップ導体とが側結合される側結合部において、第１ストリップ導体と第２ストリップ導体との間の距離が、第１ストリップ導体から地導体までの距離および第２ストリップ導体から地導体までの距離の何れか短い方の２倍以内とされることにより、偶モード動作時および奇モード動作時ともにバンドギャップが存在せず、左手系の通過帯域と右手系の通過帯域とを連続させることができる。また、第１ストリップ導体と第２ストリップ導体とを接続する第３ストリップ導体と、第３ストリップ導体を接地電位に短絡する短絡手段とを備えたことにより、偶モード動作時の位相定数の周波数特性と奇モード動作時の位相定数の周波数特性とを平行移動するように変化させることができる。そのため、小型、密結合かつ広帯域で、フォワード結合する方向性結合器を得ることができる。

この発明の実施の形態１に係る方向性結合器を示す平面図である。 図１に示した方向性結合器を、Ａ−Ａ'線に沿って切断した断面図である。 図１に示した方向性結合器のＢ−Ｂ'線に沿って磁気壁を仮定した場合の、偶モード動作時の等価回路を示す回路図である。 図１に示した方向性結合器のＢ−Ｂ'線に沿って電気壁を仮定した場合の、奇モード動作時の等価回路を示す回路図である。 図３に示した等価回路において、Ｌ^ｅ _Ｒ・Ｃ^ｅ _Ｌの方がＬ^ｅ _Ｌ・Ｃ^ｅ _Ｒよりも大きい場合の分散特性を示す説明図である。 図３に示した等価回路において、Ｌ^ｅ _Ｒ・Ｃ^ｅ _ＬとＬ^ｅ _Ｌ・Ｃ^ｅ _Ｒとが等しい場合の分散特性を示す説明図である。 バンドギャップが存在せず、かつ偶モード動作時の分散特性が奇モード動作時の分散特性に対して大きく平行移動した場合の分散特性を示す説明図である。 この発明の実施の形態２に係る方向性結合器を示す平面図である。 この発明の実施の形態２に係る別の方向性結合器を示す平面図である。 この発明の実施の形態３に係る方向性結合器を示す平面図である。 この発明の実施の形態４に係る方向性結合器を示す平面図である。 この発明の実施の形態５に係る方向性結合器を示す平面図である。 この発明の実施の形態５に係る別の方向性結合器を示す平面図である。 この発明の実施の形態６に係る方向性結合器を示す平面図である。 この発明の実施の形態７に係る方向性結合器を示す平面図である。 図１５に示した方向性結合器を、Ｃ−Ｃ'線に沿って切断した断面図である。 この発明の実施の形態８に係る方向性結合器を示す平面図である。 図１７に示した方向性結合器を、Ｃ−Ｃ'線に沿って切断した断面図である。 この発明の実施の形態９に係る方向性結合器を示す平面図である。 図１９に示した方向性結合器を、Ｃ−Ｃ'線に沿って切断した断面図である。 この発明の実施の形態１０に係る方向性結合器を示す平面図である。 図２１に示した方向性結合器のＢ−Ｂ'線に沿って磁気壁または電気壁を仮定した場合の等価回路を示す回路図である。 図２２に示した等価回路において、キャパシタを置き換えた場合の等価回路を示す回路図である。 この発明の実施の形態１１に係る方向性結合器を示す平面図である。 この発明の実施の形態１２に係る方向性結合器を示す平面図である。 この発明の実施の形態１３に係る方向性結合器を示す平面図である。 この発明の実施の形態１４に係る方向性結合器を示す平面図である。 この発明の実施の形態１５に係る方向性結合器を示す平面図である。 この発明の実施の形態１６に係る方向性結合器を示す平面図である。 この発明の実施の形態１６に係る別の方向性結合器を示す平面図である。 この発明の実施の形態１７に係る方向性結合器を示す平面図である。 この発明の実施の形態１８に係る方向性結合器を示す平面図である。

以下、この発明の方向性結合器の好適な実施の形態につき図面を用いて説明するが、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る方向性結合器を示す平面図である。また、図２は、図１に示した方向性結合器を、Ａ−Ａ'線に沿って切断した断面図である。
この発明の実施の形態１に係る方向性結合器は、マイクロストリップ線路を用いて構成されている。

図１、２において、この方向性結合器は、誘電体基板１と、誘電体基板１の一方の面（裏面）に形成された地導体２と、誘電体基板１の他方の面（表面）に形成された第１ストリップ導体１０、第２ストリップ導体２０、第３ストリップ導体３０ａ、一対の第１入出力線路４１、４２および一対の第２入出力線路５１、５２と、誘電体基板１を貫通して設けられた接続導体であるスルーホール３１（短絡手段）とを備えている。

第１ストリップ導体１０と第２ストリップ導体２０とは、互いに対向して形成されている。また、第３ストリップ導体３０ａは、第１ストリップ導体１０と第２ストリップ導体２０とを接続している。また、地導体２は、第１ストリップ導体１０、第２ストリップ導体２０および第３ストリップ導体３０ａから隔離して形成されている。また、スルーホール３１は、第３ストリップ導体３０ａを地導体２（接地電位）に短絡している。

ここで、第３ストリップ導体３０ａの半分（スルーホール３１から第１ストリップ導体１０または第２ストリップ導体２０まで）とスルーホール３１とで形成されるショートスタブの電気長は、それぞれ誘導性を示す０度以上９０度以下に設定されている。また、第１ストリップ導体１０、第２ストリップ導体２０、第３ストリップ導体３０ａおよびスルーホール３１をまとめたものを、単位セル１００ａと称する。

第１入出力線路４１、４２は、第１ストリップ導体１０の両端に近接して形成されている。第１ストリップ導体１０と第１入出力線路４１、４２との間には、それぞれ入出力ギャップ６１、６２が形成されている。また、第２入出力線路５１、５２は、第２ストリップ導体２０の両端に近接して形成されている。第２ストリップ導体２０と第２入出力線路５１、５２との間には、それぞれ入出力ギャップ７１、７２が形成されている。

第１ストリップ導体１０は、第１導体部１１、第２導体部１２および第３導体部１３を有している。また、第２ストリップ導体２０は、第１導体部２１、第２導体部２２および第３導体部２３を有している。なお、第１導体部１１と第１導体部２１と、第２導体部１２と第２導体部２２と、および第３導体部１３と第３導体部２３とは、それぞれ互いに平行に形成されている。また、第２導体部１２と第２導体部２２との間には、第３ストリップ導体３０ａが形成されている。

ここで、第１導体部１１および第１導体部２１と、第３導体部１３および第３導体部２３とは、それぞれ第１ストリップ導体１０と第２ストリップ導体２０とが側結合される側結合部を形成している。側結合部において、第１導体部１１と第１導体部２１との間の距離は、第１導体部１１から地導体２までの距離および第１導体部２１から地導体２までの距離の何れか短い方の２倍以内とされている。また、同様に、第３導体部１３と第３導体部２３との間の距離は、第３導体部１３から地導体２までの距離および第３導体部２３から地導体２までの距離の何れか短い方の２倍以内とされている。

図３は、図１に示した方向性結合器のＢ−Ｂ'線に沿って磁気壁を仮定した場合の、偶モード動作時の等価回路を示す回路図である。
図３の等価回路で表されるストリップ線路は、第１ストリップ導体１０、第１入出力線路４１、４２、断面Ｂ−Ｂ'よりも第１ストリップ導体１０側の第３ストリップ導体３０ａ、および断面Ｂ−Ｂ'よりも第１ストリップ導体１０側のスルーホール３１で構成されている。すなわち、この等価回路は、方向性結合器の偶モード動作時の回路を示している。

方向性結合器の偶モード動作時の等価回路は、順番に直列接続された伝送線路モデル１０１ａ、キャパシタ１０２ａ、インダクタ１０３ａ、インダクタ１０３ｂ、キャパシタ１０２ｂおよび伝送線路モデル１０１ｂと、インダクタ１０３ａとインダクタ１０３ｂとの間にそれぞれ一端が並列接続され、他端がグランド（接地電位）に接続されたキャパシタ１０４およびインダクタ１０５とを用いて表される。

伝送線路モデル１０１ａは、第１入出力線路４１に対応している。キャパシタ１０２ａは、入出力ギャップ６１のキャパシタンスに対応している。インダクタ１０３ａは、第１導体部１１および第２導体部１２の半分（断面Ａ−Ａ'の第１入出力線路４１側）のインダクタンスに対応している。また、インダクタ１０３ｂは、第２導体部１２の残り半分（断面Ａ−Ａ'の第１入出力線路４２側）および第３導体部１３のインダクタンスに対応している。キャパシタ１０２ｂは、入出力ギャップ６２のキャパシタンスに対応している。伝送線路モデル１０１ｂは、第１入出力線路４２に対応している。

キャパシタ１０４は、第１導体部１１、第２導体部１２、第３導体部１３および断面Ｂ−Ｂ'よりも第１ストリップ導体１０側の第３ストリップ導体３０ａのキャパシタンスに対応している。インダクタ１０５は、キャパシタ１０４と並列接続され、断面Ｂ−Ｂ'よりも第１ストリップ導体１０側の第３ストリップ導体３０ａ、および断面Ｂ−Ｂ'よりも第１ストリップ導体１０側のスルーホール３１のインダクタンスに対応している。

図４は、図１に示した方向性結合器のＢ−Ｂ'線に沿って電気壁を仮定した場合の、奇モード動作時の等価回路を示す回路図である。
図４の等価回路で表されるストリップ線路は、第１ストリップ導体１０、第１入出力線路４１、４２、および断面Ｂ−Ｂ'よりも第１ストリップ導体１０側の第３ストリップ導体３０ａで構成されている。すなわち、この等価回路は、方向性結合器の奇モード動作時の回路を示している。

方向性結合器の奇モード動作時の等価回路は、順番に直列接続された伝送線路モデル２０１ａ、キャパシタ２０２ａ、インダクタ２０３ａ、インダクタ２０３ｂ、キャパシタ２０２ｂおよび伝送線路モデル２０１ｂと、インダクタ２０３ａとインダクタ２０３ｂとの間にそれぞれ一端が並列接続され、他端がグランドに接続されたキャパシタ２０４およびインダクタ２０５とを用いて表される。

伝送線路モデル２０１ａは、第１入出力線路４１に対応している。キャパシタ２０２ａは、入出力ギャップ６１のキャパシタンスに対応している。インダクタ２０３ａは、第１導体部１１および第２導体部１２の半分（断面Ａ−Ａ'の第１入出力線路４１側）のインダクタンスに対応している。また、インダクタ２０３ｂは、第２導体部１２の残り半分（断面Ａ−Ａ'の第１入出力線路４２側）および第３導体部１３のインダクタンスに対応している。キャパシタ２０２ｂは、入出力ギャップ６２のキャパシタンスに対応している。伝送線路モデル２０１ｂは、第１入出力線路４２に対応している。

キャパシタ２０４は、第１導体部１１、第２導体部１２、第３導体部１３および断面Ｂ−Ｂ'よりも第１ストリップ導体１０側の第３ストリップ導体３０ａのキャパシタンスに対応している。インダクタ２０５は、キャパシタ１０４と並列接続され、断面Ｂ−Ｂ'よりも第１ストリップ導体１０側の第３ストリップ導体３０ａのインダクタンスに対応している。

次に、この発明の実施の形態１に係る方向性結合器の動作について説明する。
まず、図３または図４で示した等価回路において、キャパシタ１０２ａの一端（伝送線路モデル１０１ａ側）とキャパシタ１０２ｂの他端（伝送線路モデル１０１ｂ側）との間の伝搬定数γ^ｅ、およびキャパシタ２０２ａの一端とキャパシタ２０２ｂの他端との間の伝搬定数γ^ｏは、それぞれ次式（１）で表される。

式（１）において、ｉはｅまたはｏを示し、α^ｅは偶モード動作時の減衰定数、α^ｏは奇モード動作時の減衰定数、β^ｅは偶モード動作時の位相定数、β^ｏは奇モード動作時の位相定数をそれぞれ示している。
また、式（１）において、インピーダンスＺ^ｉ（ｉ＝ｅ，ｏ）は、次式（２）で表され、アドミッタンスＹ^ｉ（ｉ＝ｅ，ｏ）は、次式（３）で表される。

式（２）、（３）において、ωは角周波数、Ｌ^ｅ _Ｒはインダクタ１０３ａ、１０３ｂのインダクタンス、Ｌ^ｏ _Ｒはインダクタ２０３ａ、２０３ｂのインダクタンス、Ｃ^ｅ _Ｌはキャパシタ１０２ａ、１０２ｂのキャパシタンス、Ｃ^ｏ _Ｌはキャパシタ２０２ａ、２０２ｂのキャパシタンス、Ｃ^ｅ _Ｒはキャパシタ１０４のキャパシタンス、Ｃ^ｏ _Ｒはキャパシタ２０４のキャパシタンス、Ｌ^ｅ _Ｌはインダクタ１０５のインダクタンス、Ｌ^ｏ _Ｌはインダクタ２０５のインダクタンスをそれぞれ示している。

続いて、図３に示した等価回路において、Ｌ^ｅ _Ｒ・Ｃ^ｅ _Ｌの方がＬ^ｅ _Ｌ・Ｃ^ｅ _Ｒよりも大きい場合の分散特性を図５に示す。
図５において、ｆ^ｅ _ｃｌは位相定数β^ｅの値が０以外となる帯域における低周波側の帯域端部の周波数を示し、次式（４）で表される。また、ｆ^ｅ _ｓｅは位相定数β^ｅの値が０となる周波数の低い方の周波数を示し、次式（５）で表される。また、ｆ^ｅ _ｓｈは位相定数β^ｅの値が０となる周波数の高い方の周波数を示し、次式（６）で表される。また、ｆ^ｅ _ｃｒは位相定数β^ｅの値が０以外となる帯域における高周波側の帯域端部の周波数を示し、次式（７）で表される。なお、次式（４）〜（７）において、ω^ｉ _０は次式（８）、ω^ｉ _Ｌは次式（９）、κ^ｉは次式（１０）でそれぞれ表される。

図５に示した分散特性の場合、ｆ^ｅ _ｃｌからｆ^ｅ _ｓｅまでの帯域およびｆ^ｅ _ｓｈからｆ^ｅ _ｃｒまでの帯域は、通過帯域となる。これに対して、ｆ^ｅ _ｓｅからｆ^ｅ _ｓｈまでの帯域は、位相定数β^ｅが０となるので、バンドギャップとなり高周波信号が伝搬されない。すなわち、通過帯域（ｆ^ｅ _ｃｌからｆ^ｅ _ｓｅまでの帯域およびｆ^ｅ _ｓｈからｆ^ｅ _ｃｒまでの帯域）が不連続となるので、通過帯域は狭帯域となる。

次に、図３に示した等価回路において、Ｌ^ｅ _Ｒ・Ｃ^ｅ _ＬとＬ^ｅ _Ｌ・Ｃ^ｅ _Ｒとが等しい場合の分散特性を図６に示す。
図６より、Ｌ^ｅ _Ｒ・Ｃ^ｅ _ＬとＬ^ｅ _Ｌ・Ｃ^ｅ _Ｒとが等しい場合、ｆ^ｅ _ｓｅとｆ^ｅ _ｓｈとが互いに一致するので、バンドギャップが存在しない分散特性となる。そのため、通過帯域がｆ^ｅ _ｃｌからｆ^ｅ _ｃｒまでと連続になるので、通過帯域は広帯域となる。すなわち、Ｌ^ｅ _Ｒ・Ｃ^ｅ _ＬとＬ^ｅ _Ｌ・Ｃ^ｅ _Ｒとを等しくすることにより、広帯域な通過特性を実現することができる。

なお、ここでは、偶モード動作時の場合について説明したが、奇モード動作時においても同様に、Ｌ^ｏ _Ｒ・Ｃ^ｏ _ＬとＬ^ｏ _Ｌ・Ｃ^ｏ _Ｒとを等しくすることにより、広帯域な通過特性を実現することができる。

ここで、偶モード動作時および奇モード動作時ともにバンドギャップが存在せず、かつ偶モード動作時の分散特性が奇モード動作時の分散特性に対して大きく平行移動した場合について考える。この場合の分散特性を図７に示す。
図７より、バンドギャップが存在しないので、偶モード動作時および奇モード動作時ともに広帯域な通過特性が実現される。また、偶モード動作時および奇モード動作時において、ｆ^ｏ _ｃｌからｆ^ｅ _ｃｒまでの帯域が各動作時に共通した通過帯域となるので、周波数帯域が広帯域になる。

また、偶モード動作時の分散特性が奇モード動作時の分散特性に対して大きく平行移動しているので、偶モード動作時と奇モード動作時との位相定数の差が大きくなり、偶モード動作時および奇モード動作時でともに通過帯域となる帯域において、位相定数の差がほぼ一定となる。以上のことから、図７に示した分散特性を実現することができれば、密結合で広帯域なフォワード結合を実現することができる。

続いて、この発明の実施の形態１に係る方向性結合器の偶モード動作時および奇モード動作時の等価回路における素子の値の関係について説明する。
この発明の実施の形態１に係る方向性結合器では、上述したように、第１導体部１１と第１導体部２１との間の距離は、第１導体部１１から地導体２までの距離および第１導体部２１から地導体２までの距離の何れか短い方の２倍以内とされている。また、同様に、第３導体部１３と第３導体部２３との間の距離は、第３導体部１３から地導体２までの距離および第３導体部２３から地導体２までの距離の何れか短い方の２倍以内とされている。そのため、側結合部において、電磁結合が生じる。

したがって、偶モード動作時においては、第１導体部１１と第１導体部２１との間、および第３導体部１３と第３導体部２３との間に相互インダクタンスが生じるので、偶モード動作時の等価回路におけるインダクタ１０３ａ、１０３ｂの値は、奇モード動作時の等価回路におけるインダクタ２０３ａ、２０３ｂよりも大きくなる。すなわち、Ｌ^ｅ _ＲはＬ^ｏ _Ｒよりも大きくなる。

また、奇モード動作時においては、第１導体部１１と第１導体部２１との間、および第３導体部１３と第３導体部２３との間に相互キャパシタンスが生じるので、偶モード動作時の等価回路におけるキャパシタ１０４の値は、奇モード動作時の等価回路におけるキャパシタ２０４よりも小さくなる。すなわち、Ｃ^ｅ _ＲはＣ^ｏ _Ｒよりも小さくなる。

一方、偶モード動作時の等価回路において入出力ギャップ６１、６２のキャパシタンスにそれぞれ対応したキャパシタ１０２ａ、１０２ｂ、および奇モード動作時の等価回路において入出力ギャップ６１、６２のキャパシタンスにそれぞれ対応したキャパシタ２０２ａ、２０２ｂは、側結合部に生じる電磁結合の影響を受けない。すなわち、Ｃ^ｅ _ＬとＣ^ｏ _Ｌとは、等しい値となる。

ここで、偶モード動作時において、第２導体部１２は、断面Ｂ−Ｂ'よりも第１ストリップ導体１０側の第３ストリップ導体３０ａとスルーホール３１とを介して地導体２と接続されている。また、奇モード動作時において、第２導体部１２は、断面Ｂ−Ｂ'が電気壁であることから、断面Ｂ−Ｂ'よりも第１ストリップ導体１０側の第３ストリップ導体３０ａのみを介して地導体２と接続されている。

このことから、偶モード動作時においては、第２導体部１２が地導体２と接続されるまでの長さが、奇モード動作時よりもスルーホール３１分だけ長い。そのため、偶モード動作時の等価回路におけるインダクタ１０５の値は、奇モード動作時の等価回路におけるインダクタ２０５よりも大きくなる。すなわち、Ｌ^ｅ _ＬはＬ^０ _Ｌよりも大きくなる。
上述したことをまとめると、偶モード動作時および奇モード動作時の等価回路における素子の値の関係は、次式（１１）〜（１４）で表される。

Ｌ^ｅ _Ｒ＞Ｌ^ｏ _Ｒ （１１）
Ｃ^ｅ _Ｒ＜Ｃ^ｏ _Ｒ （１２）
Ｃ^ｅ _Ｌ＝Ｃ^ｏ _Ｌ （１３）
Ｌ^ｅ _Ｌ＞Ｌ^ｏ _Ｌ （１４）

上記式（５）、（１１）、（１３）より、ｆ^ｅ _ｓｅの方がｆ^ｏ _ｓｅよりも小さくなることが分かる（次式（１５）参照）。また、式（１２）と式（１４）との関係を考慮して、次式（１５）〜（１９）を満たし、かつ偶モード動作時と奇モード動作時との位相定数β^ｉの差が大きくなるように各キャパシタおよびインダクタの値を決定することができる。すなわち、図７に示した分散特性を実現することができる。

ｆ^ｅ _ｓｅ＜ｆ^ｏ _ｓｅ （１５）
ｆ^ｅ _ｓｅ＝ｆ^ｅ _ｓｈ （１６）
ｆ^ｏ _ｓｅ＝ｆ^ｏ _ｓｈ （１７）
ｆ^ｅ _ｃｌ＜ｆ^ｏ _ｃｌ （１８）
ｆ^ｅ _ｃｒ＜ｆ^ｏ _ｃｒ （１９）

これまで説明してきたことから、式（１５）〜（１９）を満たし、かつ偶モード動作時と奇モード動作時との位相定数β^ｉの差が大きくなるように各キャパシタおよびインダクタの値を決定することにより、偶モード動作時および奇モード動作時において、図７に示した分散特性を実現することができる。すなわち、この発明の実施の形態１に係る方向性結合器の寸法を、等価回路が図７に示した分散特性を実現するように決定することにより、密結合で広帯域なフォワード結合を実現することができる。

ここで、この発明の実施の形態１に係る方向性結合器は、偶モード動作時と奇モード動作時との位相定数β^ｉの差により結合するので、フォワード結合となる。また、偶モード動作時の位相速度と奇モード動作時の位相速度との差が大きいほど、フォワード結合の方向性結合器は密結合となるが、偶モード動作時の位相定数β^ｅと奇モード動作時の位相定数β^ｏとを平行移動するように変化させることができ、その平行移動量を大きくすることもできるので、位相定数β^ｉの差が大きくなり、密結合となる。また、偶モード動作時および奇モード動作時ともにバンドギャップが存在しないので、広帯域となる。また、右手系線路を用いた一般的な方向性結合器と比較して、同じ結合量であれば、大幅に小型化することができる。

以上のように、実施の形態１によれば、第１ストリップ導体と第２ストリップ導体とが側結合される側結合部において、第１ストリップ導体と第２ストリップ導体との間の距離が、第１ストリップ導体から地導体までの距離および第２ストリップ導体から地導体までの距離の何れか短い方の２倍以内とされることにより、偶モード動作時および奇モード動作時ともにバンドギャップが存在せず、左手系の通過帯域と右手系の通過帯域とを連続させることができる。また、第１ストリップ導体と第２ストリップ導体とを接続する第３ストリップ導体と、第３ストリップ導体を接地電位に短絡する短絡手段とを備えたことにより、偶モード動作時の位相定数の周波数特性と奇モード動作時の位相定数の周波数特性とを平行移動するように変化させることができる。そのため、小型、密結合かつ広帯域で、フォワード結合する方向性結合器を得ることができる。

なお、上記実施の形態１では、地導体２が誘電体基板１の裏面に形成されていると説明した。しかしながら、これに限定されず、地導体２は、第１ストリップ導体１０、第２ストリップ導体２０、第３ストリップ導体３０ａ等と同様に、誘電体基板１の表面に形成されて、コプレナ線路を構成してもよい。また、誘電体基板１が多層基板である場合には、地導体２、第１ストリップ導体１０、第２ストリップ導体２０、第３ストリップ導体３０ａ等は、層の表面に形成されてもよいし、層間に形成されてもよい。
これらの場合も、上記実施の形態１と同様の効果を得ることができる。また、これらの変形は、以下の実施の形態においても同様に適用することができる。

また、上記実施の形態１では、第１ストリップ導体１０および第２ストリップ導体２０の両端に位置する第１導体部１１および第１導体部２１と、第３導体部１３および第３導体部２３とによって側結合部が形成されていると説明した。しかしながら、これに限定されず、側結合部は、第１ストリップ導体１０および第２ストリップ導体２０の一端のみに形成されてもよいし、第３ストリップ導体３０ａで接続された箇所に形成されてもよい。
これらの場合も、上記実施の形態１と同様の効果を得ることができる。また、これらの変形は、以下の実施の形態においても同様に適用することができる。

実施の形態２．
図８は、この発明の実施の形態２に係る方向性結合器を示す平面図である。
図８に示す方向性結合器は、図１に示した方向性結合器において、単位セル１００ａを３つ直列に並ぶように配置して構成されている。

第１ストリップ導体１０と第１入出力線路４１、４２との間には、それぞれ入出力ギャップ６１、６２が形成されている。また、第２ストリップ導体２０と第２入出力線路５１、５２との間には、それぞれ入出力ギャップ７１、７２が形成されている。また、第１ストリップ導体１０同士の間、および第２ストリップ導体２０同士の間には、それぞれ単位セル間ギャップ８０が形成されている。すなわち、単位セル１００ａが、単位セル間ギャップ８０を介して縦続接続されている。

次に、この発明の実施の形態２に係る方向性結合器の動作について説明する。
この発明の実施の形態２に係る方向性結合器は、上述した実施の形態１に係る方向性結合器と同様に、偶モード動作時の位相定数β^ｅと奇モード動作時の位相定数β^ｏとを平行移動するように変化させることができ、その平行移動量を大きくすることもできるので、位相定数β^ｉの差が大きくなり、密結合かつフォワード結合となる。また、偶モード動作時および奇モード動作時ともにバンドギャップが存在しないので、広帯域となる。また、右手系線路を用いた一般的な方向性結合器と比較して、同じ結合量であれば、大幅に小型化することができる。

以上のように、実施の形態２によれば、上記実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
また、この発明の実施の形態２に係る方向性結合器は、上述した実施の形態１に係る方向性結合器よりも、第１ストリップ導体と第２ストリップ導体とが側結合される側結合部（結合線路部分）が長いので、より密結合とすることができる。

なお、上記実施の形態２では、入出力ギャップ６１、６２、７１、７２および単位セル間ギャップ８０の形状が相対する２本の直線であるが、これに限定されない。入出力ギャップ６１、６２、７１、７２および単位セル間ギャップ８０を、図９に示すようなインターデジタルキャパシタとした場合にも、上記実施の形態２と同様の効果を得ることができる。ここで、ギャップをインターデジタルキャパシタとすることにより、入出力ギャップ６１、６２、７１、７２および単位セル間ギャップ８０に対応するキャパシタンスが増加し、より低周波で密結合な方向性結合器を構成することができる。

また、上記実施の形態２では、３つの単位セル１００ａを縦続接続して方向性結合器を構成したが、これに限定されず、２つまたは４つ以上の単位セル１００ａを縦続接続してもよい。

実施の形態３．
図１０は、この発明の実施の形態３に係る方向性結合器を示す平面図である。
この発明の実施の形態３に係る方向性結合器は、マイクロストリップ線路を用いて構成されている。

図１０において、この方向性結合器は、図１に示した第３ストリップ導体３０ａに代えて、第３ストリップ導体３０ｂを備えている。
第３ストリップ導体３０ｂは、第１ストリップ導体１０と第２ストリップ導体２０とを接続するとともに、第１ストリップ導体１０および第２ストリップ導体２０と交差して外側にまで延びて形成されている。また、第３ストリップ導体３０ｂを地導体２に短絡するスルーホール３１は、第３ストリップ導体３０ｂの両端に形成されている。

ここで、第１ストリップ導体１０または第２ストリップ導体２０と交差して外側に延びた部分の第３ストリップ導体３０ｂとスルーホール３１とで形成されるショートスタブの電気長は、それぞれ誘導性を示す０度以上９０度以下に設定されている。また、第１ストリップ導体１０、第２ストリップ導体２０、第３ストリップ導体３０ｂおよびスルーホール３１をまとめたものを、単位セル１００ｂと称する。
なお、その他の構成については、実施の形態１と同様なので、説明を省略する。

次に、この発明の実施の形態３に係る方向性結合器の動作について説明する。
この発明の実施の形態３に係る方向性結合器では、上述した実施の形態１に係る方向性結合器と同様に、対称面となる断面Ｂ−Ｂ'に沿って磁気壁または電気壁を仮定することができ、そのときの等価回路は、それぞれ図３、４に示した等価回路となる。

このとき、第１ストリップ導体１０と第２ストリップ導体２０との間に存在する部分の第３ストリップ導体３０ｂは、偶モード動作時において無視できるように、線路幅が狭くされている。一方、奇モード動作時において、第１ストリップ導体１０は、断面Ｂ−Ｂ'が電気壁であることから、断面Ｂ−Ｂ'よりも第１ストリップ導体１０側の第３ストリップ導体３０ｂを介して地導体２と接続されている。

すなわち、偶モード動作時におけるインダクタ１０５のインダクタンスＬ^ｅ _Ｌと、奇モード動作時におけるインダクタ２０５のインダクタンスＬ^ｏ _Ｌとは、互いに異なる。また、第１導体部１１と第１導体部２１との間、および第３導体部１３と第３導体部２３との間に電磁結合が生じるので、偶モード動作時におけるキャパシタ１０２ａ、１０２ｂのキャパシタンスＣ^ｅ _Ｌおよびキャパシタ１０４のキャパシタンスＣ^ｅ _Ｒと、奇モード動作時におけるキャパシタ２０２ａ、２０２ｂのキャパシタンスＣ^ｏ _Ｌおよびキャパシタ２０４のキャパシタンスＣ^ｏ _Ｒとは、互いに異なる。

したがって、上述した実施の形態１に係る方向性結合器と同様に、偶モード動作時の位相定数β^ｅと奇モード動作時の位相定数β^ｏとを平行移動するように変化させることができ、その平行移動量を大きくすることもできるので、位相定数β^ｉの差が大きくなり、密結合かつフォワード結合となる。また、偶モード動作時および奇モード動作時ともにバンドギャップが存在しないので、広帯域となる。
すなわち、実施の形態３によれば、上記実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

実施の形態４．
図１１は、この発明の実施の形態４に係る方向性結合器を示す平面図である。
図１１に示す方向性結合器は、図１０に示した方向性結合器において、単位セル１００ｂを３つ直列に並ぶように配置して構成されている。

第１ストリップ導体１０と第１入出力線路４１、４２との間には、それぞれ入出力ギャップ６１、６２が形成されている。また、第２ストリップ導体２０と第２入出力線路５１、５２との間には、それぞれ入出力ギャップ７１、７２が形成されている。また、第１ストリップ導体１０同士の間、および第２ストリップ導体２０同士の間には、それぞれ単位セル間ギャップ８０が形成されている。すなわち、単位セル１００ｂが、単位セル間ギャップ８０を介して縦続接続されている。

次に、この発明の実施の形態４に係る方向性結合器の動作について説明する。
この発明の実施の形態４に係る方向性結合器は、上述した実施の形態３に係る方向性結合器と同様に、偶モード動作時の位相定数β^ｅと奇モード動作時の位相定数β^ｏとを平行移動するように変化させることができ、その平行移動量を大きくすることもできるので、位相定数β^ｉの差が大きくなり、密結合かつフォワード結合となる。また、偶モード動作時および奇モード動作時ともにバンドギャップが存在しないので、広帯域となる。また、右手系線路を用いた一般的な方向性結合器と比較して、同じ結合量であれば、大幅に小型化することができる。

以上のように、実施の形態４によれば、上記実施の形態３と同様の効果を得ることができる。
また、この発明の実施の形態４に係る方向性結合器は、上述した実施の形態３に係る方向性結合器よりも、第１ストリップ導体と第２ストリップ導体とが側結合される側結合部（結合線路部分）が長いので、より密結合とすることができる。

なお、上記実施の形態４では、３つの単位セル１００ｂを縦続接続して方向性結合器を構成したが、これに限定されず、２つまたは４つ以上の単位セル１００ｂを縦続接続してもよい。

実施の形態５．
図１２は、この発明の実施の形態５に係る方向性結合器を示す平面図である。
図１２において、この方向性結合器は、図１に示した第３ストリップ導体３０ａに代えて、第３ストリップ導体３０ｃを備えている。

第３ストリップ導体３０ｃは、第１ストリップ導体１０と第２ストリップ導体２０とを接続するとともに、第１ストリップ導体１０と第２ストリップ導体２０との中間から、第３導体部１３および第３導体部２３の方向（図の右方向）に分岐するＴ分岐部を有している。また、第３ストリップ導体３０ｃを地導体２に短絡するスルーホール３１は、Ｔ分岐部に形成されている。

ここで、第３ストリップ導体３０ｃの半分（スルーホール３１から第１ストリップ導体１０または第２ストリップ導体２０まで）とスルーホール３１とで形成されるショートスタブの電気長は、それぞれ誘導性を示す０度以上９０度以下に設定されている。また、第１ストリップ導体１０、第２ストリップ導体２０、第３ストリップ導体３０ｃおよびスルーホール３１をまとめたものを、単位セル１００ｃと称する。
なお、その他の構成については、実施の形態１と同様なので、説明を省略する。

次に、この発明の実施の形態５に係る方向性結合器の動作について説明する。
この発明の実施の形態５に係る方向性結合器では、上述した実施の形態１に係る方向性結合器と同様に、対称面となる断面Ｂ−Ｂ'に沿って磁気壁または電気壁を仮定することができ、そのときの等価回路は、それぞれ図３、４に示した等価回路となる。

偶モード動作時において、第２ストリップ導体２０は、断面Ｂ−Ｂ'よりも第１ストリップ導体１０側の第３ストリップ導体３０ｃとスルーホール３１とを介して地導体２と接続されている。一方、奇モード動作時において、第２ストリップ導体２０は、断面Ｂ−Ｂ'が電気壁であることから、断面Ｂ−Ｂ'よりも第１ストリップ導体１０側の第３ストリップ導体３０ｃを介して地導体２と接続されている。

すなわち、偶モード動作時におけるインダクタ１０５のインダクタンスＬ^ｅ _Ｌと、奇モード動作時におけるインダクタ２０５のインダクタンスＬ^ｏ _Ｌとは、互いに異なる。また、第１導体部１１と第１導体部２１との間、および第３導体部１３と第３導体部２３との間に電磁結合が生じるので、偶モード動作時におけるキャパシタ１０２ａ、１０２ｂのキャパシタンスＣ^ｅ _Ｌおよびキャパシタ１０４のキャパシタンスＣ^ｅ _Ｒと、奇モード動作時におけるキャパシタ２０２ａ、２０２ｂのキャパシタンスＣ^ｏ _Ｌおよびキャパシタ２０４のキャパシタンスＣ^ｏ _Ｒとは、互いに異なる。

したがって、上述した実施の形態１に係る方向性結合器と同様に、偶モード動作時の位相定数β^ｅと奇モード動作時の位相定数β^ｏとを平行移動するように変化させることができ、その平行移動量を大きくすることもできるので、位相定数β^ｉの差が大きくなり、密結合かつフォワード結合となる。また、偶モード動作時および奇モード動作時ともにバンドギャップが存在しないので、広帯域となる。
すなわち、実施の形態５によれば、上記実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

なお、上記実施の形態５では、第３ストリップ導体３０ｃがＴ分岐部を有し、Ｔ分岐部にスルーホール３１が形成されていると説明した。しかしながら、これに限定されず、図１３に示すように、第３ストリップ導体３０ｄが、第１ストリップ導体１０と第２ストリップ導体２０との中間に形成されたＴ分岐部の先にさらにＴ分岐部を有し、Ｔ分岐部の先端にスルーホール３１が形成されてもよい。

実施の形態６．
図１４は、この発明の実施の形態６に係る方向性結合器を示す平面図である。
図１４に示す方向性結合器は、図１２に示した方向性結合器において、単位セル１００ｃを３つ直列に並ぶように配置して構成されている。

第１ストリップ導体１０と第１入出力線路４１、４２との間には、それぞれ入出力ギャップ６１、６２が形成されている。また、第２ストリップ導体２０と第２入出力線路５１、５２との間には、それぞれ入出力ギャップ７１、７２が形成されている。また、第１ストリップ導体１０同士の間、および第２ストリップ導体２０同士の間には、それぞれ単位セル間ギャップ８０が形成されている。すなわち、単位セル１００ｃが、単位セル間ギャップ８０を介して縦続接続されている。

次に、この発明の実施の形態６に係る方向性結合器の動作について説明する。
この発明の実施の形態６に係る方向性結合器は、上述した実施の形態５に係る方向性結合器と同様に、偶モード動作時の位相定数β^ｅと奇モード動作時の位相定数β^ｏとを平行移動するように変化させることができ、その平行移動量を大きくすることもできるので、位相定数β^ｉの差が大きくなり、密結合かつフォワード結合となる。また、偶モード動作時および奇モード動作時ともにバンドギャップが存在しないので、広帯域となる。また、右手系線路を用いた一般的な方向性結合器と比較して、同じ結合量であれば、大幅に小型化することができる。

以上のように、実施の形態６によれば、上記実施の形態５と同様の効果を得ることができる。
また、この発明の実施の形態６に係る方向性結合器は、上述した実施の形態５に係る方向性結合器よりも、第１ストリップ導体と第２ストリップ導体とが側結合される側結合部（結合線路部分）が長いので、より密結合とすることができる。

なお、上記実施の形態６では、３つの単位セル１００ｃを縦続接続して方向性結合器を構成したが、これに限定されず、２つまたは４つ以上の単位セル１００ｃを縦続接続してもよい。
また、図１３に示した第１ストリップ導体１０、第２ストリップ導体２０、第３ストリップ導体３０ｄおよびスルーホール３１からなる単位セル１００ｄを複数個縦続接続して方向性結合器を構成してもよい。

実施の形態７．
図１５は、この発明の実施の形態７に係る方向性結合器を示す平面図である。また、図１６は、図１５に示した方向性結合器を、Ｃ−Ｃ'線に沿って切断した断面図である。なお、図１５において、入出力部容量形成導体１１１および単位セル間容量形成導体１１２が誘電体基板１の表面に見えるように図示されているが、これは理解しやすくするためのものであって、実際は図１６に示すように誘電体基板１の内部に形成されている。

図１５、１６において、この方向性結合器は、図８に示した方向性結合器に加えて、入出力部容量形成導体１１１、単位セル間容量形成導体１１２およびスルーホール１１３を備えている。
入出力部容量形成導体１１１は、入出力ギャップ６１、６２、７１、７２の下方の誘電体基板１の内部に配置されている。また、単位セル間容量形成導体１１２は、単位セル間ギャップ８０の下方の誘電体基板１の内部に配置されている。

入出力ギャップ６１、７１の下方に配置された入出力部容量形成導体１１１は、それぞれ第１ストリップ導体１０および第２ストリップ導体２０に形成されたスルーホール１１３を介して、第１ストリップ導体１０および第２ストリップ導体２０と接続されている。
また、入出力ギャップ６２、７２の下方に配置された入出力部容量形成導体１１１は、それぞれ第１入出力線路４２および第２入出力線路５２に形成されたスルーホール１１３を介して、第１入出力線路４２および第２入出力線路５２と接続されている。

また、単位セル間ギャップ８０の下方に配置された単位セル間容量形成導体１１２は、それぞれ第１ストリップ導体１０および第２ストリップ導体２０に形成されたスルーホール１１３を介して、第１ストリップ導体１０および第２ストリップ導体２０と接続されている。

次に、この発明の実施の形態７に係る方向性結合器の動作について説明する。
この発明の実施の形態７に係る方向性結合器では、上述した実施の形態２に係る方向性結合器と同様に、対称面となる断面Ｂ−Ｂ'に沿って磁気壁または電気壁を仮定することができ、そのときの等価回路は、それぞれ図３、４に示した等価回路となる。

したがって、上述した実施の形態２に係る方向性結合器と同様に、偶モード動作時の位相定数β^ｅと奇モード動作時の位相定数β^ｏとを平行移動するように変化させることができ、その平行移動量を大きくすることもできるので、位相定数β^ｉの差が大きくなり、密結合かつフォワード結合となる。また、偶モード動作時および奇モード動作時ともにバンドギャップが存在しないので、広帯域となる。また、右手系線路を用いた一般的な方向性結合器と比較して、同じ結合量であれば、大幅に小型化することができる。

以上のように、実施の形態７によれば、上記実施の形態２と同様の効果を得ることができる。
また、この発明の実施の形態７に係る方向性結合器では、入出力部容量形成導体１１１および単位セル間容量形成導体１１２を設けたことにより、入出力ギャップ６１、６２、７１、７２および単位セル間ギャップ８０に対応するキャパシタンスが増加し、より低周波で密結合な方向性結合器を構成することができる。

なお、上記実施の形態７では、入出力部容量形成導体１１１および単位セル間容量形成導体１１２を、それぞれ入出力ギャップ６１、６２、７１、７２および単位セル間ギャップ８０の下方の誘電体基板１の内部に配置すると説明した。しかしながら、これに限定されず、入出力ギャップ６１、６２、７１、７２または単位セル間ギャップ８０の上方、または入出力ギャップ６１、６２、７１、７２または単位セル間ギャップ８０の近傍に配置してもよい。

実施の形態８．
図１７は、この発明の実施の形態８に係る方向性結合器を示す平面図である。また、図１８は、図１７に示した方向性結合器を、Ｃ−Ｃ'線に沿って切断した断面図である。なお、図１７において、第１浮遊導体１１４が誘電体基板１の表面に見えるように図示されているが、これは理解しやすくするためのものであって、実際は図１８に示すように誘電体基板１の内部に形成されている。

図１７、１８において、この方向性結合器は、図１に示した方向性結合器に加えて、第１浮遊導体１１４を備えている。
第１浮遊導体１１４は、入出力ギャップ６１、６２、７１、７２の下方の誘電体基板１の内部に配置されている。

次に、この発明の実施の形態８に係る方向性結合器の動作について説明する。
この発明の実施の形態８に係る方向性結合器では、上述した実施の形態１に係る方向性結合器と同様に、対称面となる断面Ｂ−Ｂ'に沿って磁気壁または電気壁を仮定することができ、そのときの等価回路は、それぞれ図３、４に示した等価回路となる。

したがって、上述した実施の形態１に係る方向性結合器と同様に、偶モード動作時の位相定数β^ｅと奇モード動作時の位相定数β^ｏとを平行移動するように変化させることができ、その平行移動量を大きくすることもできるので、位相定数β^ｉの差が大きくなり、密結合かつフォワード結合となる。また、偶モード動作時および奇モード動作時ともにバンドギャップが存在しないので、広帯域となる。また、右手系線路を用いた一般的な方向性結合器と比較して、同じ結合量であれば、大幅に小型化することができる。

以上のように、実施の形態８によれば、上記実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
また、この発明の実施の形態８に係る方向性結合器では、第１浮遊導体１１４を設けたことにより、入出力ギャップ６１、６２、７１、７２に対応するキャパシタンスが増加し、より低周波で密結合な方向性結合器を構成することができる。
また、この発明の実施の形態８に係る方向性結合器は、第１浮遊導体１１４と第１ストリップ導体１０または第２ストリップ導体２０（第１入出力線路４２または第２入出力線路５２）とを接続するスルーホールを形成する必要がないので、スルーホール１１３を用いる実施の形態７に係る方向性結合器と比較して、容易に製造することができる。

実施の形態９．
図１９は、この発明の実施の形態９に係る方向性結合器を示す平面図である。また、図２０は、図１９に示した方向性結合器を、Ｃ−Ｃ'線に沿って切断した断面図である。なお、図１９において、第１浮遊導体１１４および第２浮遊導体１１５が誘電体基板１の表面に見えるように図示されているが、これは理解しやすくするためのものであって、実際は図２０に示すように誘電体基板１の内部に形成されている。

図１９、２０において、この方向性結合器は、図８に示した方向性結合器に加えて、第１浮遊導体１１４および第２浮遊導体１１５を備えている。
第１浮遊導体１１４は、入出力ギャップ６１、６２、７１、７２の下方の誘電体基板１の内部に配置されている。また、第２浮遊導体１１５は、単位セル間ギャップ８０の下方の誘電体基板１の内部に配置されている。

次に、この発明の実施の形態９に係る方向性結合器の動作について説明する。
この発明の実施の形態９に係る方向性結合器では、上述した実施の形態２に係る方向性結合器と同様に、対称面となる断面Ｂ−Ｂ'に沿って磁気壁または電気壁を仮定することができ、そのときの等価回路は、それぞれ図３、４に示した等価回路となる。

したがって、上述した実施の形態２に係る方向性結合器と同様に、偶モード動作時の位相定数β^ｅと奇モード動作時の位相定数β^ｏとを平行移動するように変化させることができ、その平行移動量を大きくすることもできるので、位相定数β^ｉの差が大きくなり、密結合かつフォワード結合となる。また、偶モード動作時および奇モード動作時ともにバンドギャップが存在しないので、広帯域となる。また、右手系線路を用いた一般的な方向性結合器と比較して、同じ結合量であれば、大幅に小型化することができる。

以上のように、実施の形態９によれば、上記実施の形態２と同様の効果を得ることができる。
また、この発明の実施の形態９に係る方向性結合器は、上述した実施の形態８に係る方向性結合器よりも、第１ストリップ導体と第２ストリップ導体とが側結合される側結合部（結合線路部分）が長いので、より密結合とすることができる。

また、この発明の実施の形態９に係る方向性結合器では、第１浮遊導体１１４および第２浮遊導体１１５を設けたことにより、入出力ギャップ６１、６２、７１、７２および単位セル間ギャップ８０に対応するキャパシタンスが増加し、より低周波で密結合な方向性結合器を構成することができる。

また、この発明の実施の形態９に係る方向性結合器は、第１浮遊導体１１４または第２浮遊導体１１５と第１ストリップ導体１０または第２ストリップ導体２０（第１入出力線路４２または第２入出力線路５２）とを接続するスルーホールを形成する必要がないので、スルーホール１１３を用いる実施の形態７に係る方向性結合器と比較して、容易に製造することができる。

なお、上記実施の形態９では、３つの単位セル１００ａを縦続接続して方向性結合器を構成したが、これに限定されず、２つまたは４つ以上の単位セル１００ａを縦続接続してもよい。

実施の形態１０．
図２１は、この発明の実施の形態１０に係る方向性結合器を示す平面図である。
図２１に示す方向性結合器は、図８に示した方向性結合器において、単位セル間ギャップ８０の間隔を変化させたものである。具体的には、単位セル間ギャップ８０の間隔は、入出力ギャップ６１、６２、７１、７２の間隔に対して、約２倍に設定されている。

次に、この発明の実施の形態１０に係る方向性結合器の動作について説明する。
図２２は、図２１に示した方向性結合器のＢ−Ｂ'線に沿って磁気壁または電気壁を仮定した場合の等価回路を示す回路図である。
図２２の等価回路で表されるストリップ線路は、断面Ｂ−Ｂ'よりも第１ストリップ導体１０側の単位セル１００ａおよび第１入出力線路４１、４２で構成されている。

例えば、方向性結合器の偶モード動作時において、この等価回路は、直列接続された複数の伝送線路モデル１０１、キャパシタ１０６およびインダクタ１０３と、インダクタ１０３間にそれぞれ一端が並列接続され、他端がグランドに接続されたキャパシタ１０４およびインダクタ１０５とを用いて表される。

ここで、単位セル間ギャップ８０に対応する２つのキャパシタ１０６は、連続して直列に接続されているので、入出力ギャップ６１、６２に対応するキャパシタ１０６のキャパシタンスの約１／２倍となるキャパシタ１０７で置き換えることができる。このときの等価回路は、図２３に示す等価回路となる。
一方、単位セル間ギャップ８０の間隔が、入出力ギャップ６１、６２の間隔に対して、約２倍に設定されているので、単位セル間ギャップ８０に対応するキャパシタンスは、入出力ギャップ６１、６２に対応するキャパシタンスに対して、約１／２倍となっている。

したがって、この発明の実施の形態１０に係る方向性結合器では、より図２３に示した等価回路に近い構成になるので、インピーダンス整合のとれた良好な反射特性を実現することができる。
すなわち、実施の形態１０によれば、上記実施の形態２と同様の効果を得ることができるとともに、良好な反射特性を有する方向性結合器を得ることができる。

なお、上記実施の形態１０では、３つの単位セル１００ａを縦続接続して方向性結合器を構成したが、これに限定されず、２つまたは４つ以上の単位セル１００ａを縦続接続してもよい。

実施の形態１１．
図２４は、この発明の実施の形態１１に係る方向性結合器を示す平面図である。
図２４に示す方向性結合器は、図８に示した方向性結合器において、入出力ギャップ６１、６２、７１、７２および単位セル間ギャップ８０の形状を変化させたものである。具体的には、入出力ギャップ６１、６２、７１、７２および単位セル間ギャップ８０は、インターデジタルキャパシタである。

また、入出力ギャップ６１、６２、７１、７２に対応するキャパシタンスが、単位セル間ギャップ８０に対応するキャパシタンスの約２倍となるように、単位セル間ギャップ８０を構成するインターデジタルキャパシタの大きさは、入出力ギャップ６１、６２、７１、７２を構成するインターデジタルキャパシタの大きさの約１／２倍に設定されている。

次に、この発明の実施の形態１１に係る方向性結合器の動作について説明する。
この発明の実施の形態１１に係る方向性結合器は、入出力ギャップ６１、６２、７１、７２に対応するキャパシタンスを、単位セル間ギャップ８０に対応するキャパシタンスの約２倍とすることができるので、上述した実施の形態１０と同様の効果を得ることができる。
すなわち、実施の形態１１によれば、上記実施の形態２と同様の効果を得ることができるとともに、インピーダンス整合のとれた良好な反射特性を実現することができる。

なお、上記実施の形態１１では、３つの単位セル１００ａを縦続接続して方向性結合器を構成したが、これに限定されず、２つまたは４つ以上の単位セル１００ａを縦続接続してもよい。

実施の形態１２．
図２５は、この発明の実施の形態１２に係る方向性結合器を示す平面図である。なお、図２５において、第１浮遊導体１１４および第２浮遊導体１１５が誘電体基板１の表面に見えるように図示されているが、これは理解しやすくするためのものであって、実際は誘電体基板１の内部に形成されている。

図２５に示す方向性結合器は、図１９に示した方向性結合器において、第１浮遊導体１１４の面積を変化させたものである。具体的には、入出力ギャップ６１、６２、７１、７２に対応するキャパシタンスが、単位セル間ギャップ８０に対応するキャパシタンスの約２倍となるように、第１浮遊導体１１４が第１入出力線路４１、４２、第２入出力線路５１、５２および単位セル１００ａと重なる部分の面積は、第２浮遊導体１１５が単位セル１００ａと重なる部分の面積の約２倍に設定されている。すなわち、単位セル１００ａは、単位セル１００ａ同士が縦続接続しているキャパシタンスの約２倍のキャパシタンスで、第１入出力線路４１、４２および第２入出力線路５１、５２と縦続接続している。

次に、この発明の実施の形態１２に係る方向性結合器の動作について説明する。
この発明の実施の形態１２に係る方向性結合器は、入出力ギャップ６１、６２、７１、７２に対応するキャパシタンスを、単位セル間ギャップ８０に対応するキャパシタンスの約２倍とすることができるので、上述した実施の形態１０と同様の効果を得ることができる。
すなわち、実施の形態１２によれば、上記実施の形態９と同様の効果を得ることができるとともに、インピーダンス整合のとれた良好な反射特性を実現することができる。

なお、上記実施の形態１２では、３つの単位セル１００ａを縦続接続して方向性結合器を構成したが、これに限定されず、２つまたは４つ以上の単位セル１００ａを縦続接続してもよい。

実施の形態１３．
図２６は、この発明の実施の形態１３に係る方向性結合器を示す平面図である。
この発明の実施の形態１３に係る方向性結合器は、マイクロストリップ線路を用いて構成されている。

図２６において、この方向性結合器は、図１に示した第３ストリップ導体３０ａおよびスルーホール３１に代えて、第３ストリップ導体３０ｅを備えている。
第３ストリップ導体３０ｅは、第１ストリップ導体１０と第２ストリップ導体２０とを接続するとともに、第１ストリップ導体１０および第２ストリップ導体２０と交差して外側にまで延びて形成されている。

ここで、第１ストリップ導体１０または第２ストリップ導体２０と交差して外側に延びた部分の第３ストリップ導体３０ｅで形成されるオープンスタブの電気長は、それぞれ誘導性を示す９０度以上１８０度以下に設定されている。また、第１ストリップ導体１０、第２ストリップ導体２０および第３ストリップ導体３０ｅをまとめたものを、単位セル１００ｅと称する。
なお、その他の構成については、実施の形態１と同様なので、説明を省略する。

次に、この発明の実施の形態１３に係る方向性結合器の動作について説明する。
この発明の実施の形態１３に係る方向性結合器では、上述した実施の形態１に係る方向性結合器と同様に、対称面となる断面Ｂ−Ｂ'に沿って磁気壁または電気壁を仮定することができる。

なお、第１ストリップ導体１０または第２ストリップ導体２０と交差して外側に延びた部分の第３ストリップ導体３０ｅで形成されるオープンスタブの電気長が、それぞれ９０度以上１８０度以下なので、第１ストリップ導体１０または第２ストリップ導体２０の端部から電気長が約９０度内側の部分で、電位が必ず０となる。

すなわち、この発明の実施の形態１３に係る方向性結合器において、第１ストリップ導体１０または第２ストリップ導体２０と交差して外側に延びた部分の第３ストリップ導体３０ｅは、上述した実施の形態３に係る方向性結合器において、第１ストリップ導体１０または第２ストリップ導体２０と交差して外側に延びた部分の第３ストリップ導体３０ｂとスルーホール３１とで形成されるショートスタブと同様の機能を有している。

したがって、この発明の実施の形態１３に係る方向性結合器の等価回路は、それぞれ図３、４に示した等価回路となる。
このことから、この発明の実施の形態１３に係る方向性結合器では、上述した実施の形態３に係る方向性結合器と同様に、偶モード動作時の位相定数β^ｅと奇モード動作時の位相定数β^ｏとを平行移動するように変化させることができ、その平行移動量を大きくすることもできるので、位相定数β^ｉの差が大きくなり、密結合かつフォワード結合となる。また、偶モード動作時および奇モード動作時ともにバンドギャップが存在しないので、広帯域となる。

以上のように、実施の形態１３によれば、上記実施の形態３と同様の効果を得ることができる。
また、この発明の実施の形態１３に係る方向性結合器は、第３ストリップ導体３０ｅを地導体２に短絡するスルーホールを形成する必要がないので、スルーホール３１を用いる実施の形態３に係る方向性結合器と比較して、容易に製造することができる。

実施の形態１４．
図２７は、この発明の実施の形態１４に係る方向性結合器を示す平面図である。
図２７に示す方向性結合器は、図２６に示した方向性結合器において、単位セル１００ｅを３つ直列に並ぶように配置して構成されている。

第１ストリップ導体１０と第１入出力線路４１、４２との間には、それぞれ入出力ギャップ６１、６２が形成されている。また、第２ストリップ導体２０と第２入出力線路５１、５２との間には、それぞれ入出力ギャップ７１、７２が形成されている。また、第１ストリップ導体１０同士の間、および第２ストリップ導体２０同士の間には、それぞれ単位セル間ギャップ８０が形成されている。すなわち、単位セル１００ｅが、単位セル間ギャップ８０を介して縦続接続されている。

次に、この発明の実施の形態１４に係る方向性結合器の動作について説明する。
この発明の実施の形態１４に係る方向性結合器は、上述した実施の形態１３に係る方向性結合器と同様に、偶モード動作時の位相定数β^ｅと奇モード動作時の位相定数β^ｏとを平行移動するように変化させることができ、その平行移動量を大きくすることもできるので、位相定数β^ｉの差が大きくなり、密結合かつフォワード結合となる。また、偶モード動作時および奇モード動作時ともにバンドギャップが存在しないので、広帯域となる。また、右手系線路を用いた一般的な方向性結合器と比較して、同じ結合量であれば、大幅に小型化することができる。

以上のように、実施の形態１４によれば、上記実施の形態１３と同様の効果を得ることができる。
また、この発明の実施の形態１４に係る方向性結合器は、上述した実施の形態１３に係る方向性結合器よりも、第１ストリップ導体と第２ストリップ導体とが側結合される側結合部（結合線路部分）が長いので、より密結合とすることができる。

なお、上記実施の形態１４では、３つの単位セル１００ｅを縦続接続して方向性結合器を構成したが、これに限定されず、２つまたは４つ以上の単位セル１００ｅを縦続接続してもよい。

実施の形態１５．
図２８は、この発明の実施の形態１５に係る方向性結合器を示す平面図である。
図２８において、この方向性結合器は、図２６に示した第３ストリップ導体３０ｅに代えて、第３ストリップ導体３０ｆを備えている。

第３ストリップ導体３０ｆは、第１ストリップ導体１０と第２ストリップ導体２０とを接続するとともに、第１ストリップ導体１０と第２ストリップ導体２０との中間から、第３導体部１３および第３導体部２３の方向（図の右方向）に分岐するＴ分岐部を有している。

ここで、第１ストリップ導体１０または第２ストリップ導体２０と第３ストリップ導体３０ｆとの接続点からＴ分岐部までの電気長は０度以上９０度以下に設定され、Ｔ分岐部からＴ分岐部の先端までの電気長は０度以上９０度以下に設定されている。すなわち、第１ストリップ導体１０または第２ストリップ導体２０と第３ストリップ導体３０ｆとの接続点からＴ分岐部の先端までの電気長は、それぞれ誘導性を示す９０度以上１８０度以下に設定されている。また、第１ストリップ導体１０、第２ストリップ導体２０および第３ストリップ導体３０ｆをまとめたものを、単位セル１００ｆと称する。
なお、その他の構成については、実施の形態１３と同様なので、説明を省略する。

次に、この発明の実施の形態１５に係る方向性結合器の動作について説明する。
この発明の実施の形態１５に係る方向性結合器では、上述した実施の形態１に係る方向性結合器と同様に、対称面となる断面Ｂ−Ｂ'に沿って磁気壁または電気壁を仮定することができる。

なお、第１ストリップ導体１０または第２ストリップ導体２０と第３ストリップ導体３０ｆとの接続点からＴ分岐部の先端までの電気長が、それぞれ９０度以上１８０度以下なので、Ｔ分岐部からＴ分岐部の先端が開放となる部分までの間で、必ず電位が０となる部分が存在する。

すなわち、この発明の実施の形態１５に係る方向性結合器の第３ストリップ導体３０ｆは、上述した実施の形態５に係る方向性結合器において、第３ストリップ導体３０ｃとスルーホール３１とで形成されるショートスタブと同様の機能を有している。
したがって、この発明の実施の形態１５に係る方向性結合器の等価回路は、それぞれ図３、４に示した等価回路となる。

このことから、この発明の実施の形態１５に係る方向性結合器では、上述した実施の形態５に係る方向性結合器と同様に、偶モード動作時の位相定数β^ｅと奇モード動作時の位相定数β^ｏとを平行移動するように変化させることができ、その平行移動量を大きくすることもできるので、位相定数β^ｉの差が大きくなり、密結合かつフォワード結合となる。また、偶モード動作時および奇モード動作時ともにバンドギャップが存在しないので、広帯域となる。

以上のように、実施の形態１５によれば、上記実施の形態５と同様の効果を得ることができる。
また、この発明の実施の形態１５に係る方向性結合器は、第３ストリップ導体３０ｆを地導体２に短絡するスルーホールを形成する必要がないので、スルーホール３１を用いる実施の形態５に係る方向性結合器と比較して、容易に製造することができる。

実施の形態１６．
図２９は、この発明の実施の形態１６に係る方向性結合器を示す平面図である。
図２９に示す方向性結合器は、図２８に示した方向性結合器において、単位セル１００ｆを３つ直列に並ぶように配置して構成されている。

第１ストリップ導体１０と第１入出力線路４１、４２との間には、それぞれ入出力ギャップ６１、６２が形成されている。また、第２ストリップ導体２０と第２入出力線路５１、５２との間には、それぞれ入出力ギャップ７１、７２が形成されている。また、第１ストリップ導体１０同士の間、および第２ストリップ導体２０同士の間には、それぞれ単位セル間ギャップ８０が形成されている。すなわち、単位セル１００ｆが、単位セル間ギャップ８０を介して縦続接続されている。

次に、この発明の実施の形態１６に係る方向性結合器の動作について説明する。
この発明の実施の形態１６に係る方向性結合器は、上述した実施の形態１５に係る方向性結合器と同様に、偶モード動作時の位相定数β^ｅと奇モード動作時の位相定数β^ｏとを平行移動するように変化させることができ、その平行移動量を大きくすることもできるので、位相定数β^ｉの差が大きくなり、密結合かつフォワード結合となる。また、偶モード動作時および奇モード動作時ともにバンドギャップが存在しないので、広帯域となる。また、右手系線路を用いた一般的な方向性結合器と比較して、同じ結合量であれば、大幅に小型化することができる。

以上のように、実施の形態１６によれば、上記実施の形態１５と同様の効果を得ることができる。
また、この発明の実施の形態１６に係る方向性結合器は、上述した実施の形態１５に係る方向性結合器よりも、第１ストリップ導体と第２ストリップ導体とが側結合される側結合部（結合線路部分）が長いので、より密結合とすることができる。

なお、上記実施の形態１６では、３つの単位セル１００ｆを縦続接続して方向性結合器を構成したが、これに限定されず、２つまたは４つ以上の単位セル１００ｆを縦続接続してもよい。

また、上記実施の形態１６では、第３ストリップ導体３０ｆがＴ分岐部を有していると説明した。しかしながら、これに限定されず、図３０に示すように、第３ストリップ導体３０ｇが、第１ストリップ導体１０と第２ストリップ導体２０との中間に形成されたＴ分岐部の先にさらにＴ分岐部を有していてもよい。

実施の形態１７．
図３１は、この発明の実施の形態１７に係る方向性結合器を示す平面図である。なお、図３１において、第１浮遊導体１１４および第３浮遊導体１１６が誘電体基板１の表面に見えるように図示されているが、これは理解しやすくするためのものであって、実際は誘電体基板１の内部に形成されている。

図３１において、この方向性結合器は、図１７に示した方向性結合器に加えて、第３浮遊導体１１６を備えている。
第３浮遊導体１１６は、入出力ギャップ６１、６２、７１、７２の下方の誘電体基板１の内部に配置されている。

次に、この発明の実施の形態１７に係る方向性結合器の動作について説明する。
この発明の実施の形態１７に係る方向性結合器では、上述した実施の形態１に係る方向性結合器と同様に、対称面となる断面Ｂ−Ｂ'に沿って磁気壁または電気壁を仮定することができ、そのときの等価回路は、それぞれ図３、４に示した等価回路となる。

ここで、第３浮遊導体１１６は、断面Ｂ−Ｂ'上に存在するので、偶モード動作時においては浮遊導体として作用するが、奇モード動作時においては、断面Ｂ−Ｂ'が電気壁であることから、地導体２に接続されるので、地導体として作用する。そのため、偶モード動作時の等価回路におけるキャパシタ１０２ａ、１０２ｂの値は、奇モード動作時の等価回路におけるキャパシタ２０２ａ、２０２ｂの値よりも大きくなり、また、偶モード動作時の等価回路におけるキャパシタ１０４の値は、奇モード動作時の等価回路におけるキャパシタ２０４の値よりも小さくなる。

したがって、第３浮遊導体１１６を設けたことにより、等価回路上の全ての素子の値を、偶モード動作時および奇モード動作時で変化させることができるので、回路設計が容易になる。
また、上述した実施の形態１に係る方向性結合器と同様に、偶モード動作時の位相定数β^ｅと奇モード動作時の位相定数β^ｏとを平行移動するように変化させることができ、その平行移動量を大きくすることもできるので、位相定数β^ｉの差が大きくなり、密結合かつフォワード結合となる。また、偶モード動作時および奇モード動作時ともにバンドギャップが存在しないので、広帯域となる。また、右手系線路を用いた一般的な方向性結合器と比較して、同じ結合量であれば、大幅に小型化することができる。

以上のように、実施の形態１７によれば、上記実施の形態８と同様の効果を得ることができるとともに、回路設計が容易な方向性結合器を得ることができる。

実施の形態１８．
図３２は、この発明の実施の形態１８に係る方向性結合器を示す平面図である。なお、図３２において、第１浮遊導体１１４、第２浮遊導体１１５、第３浮遊導体１１６および第４浮遊導体１１７が誘電体基板１の表面に見えるように図示されているが、これは理解しやすくするためのものであって、実際は誘電体基板１の内部に形成されている。

図３２において、この方向性結合器は、図１９に示した方向性結合器に加えて、第３浮遊導体１１６および第４浮遊導体１１７を備えている。
第３浮遊導体１１６は、入出力ギャップ６１、６２、７１、７２の下方の誘電体基板１の内部に配置されている。また、第４浮遊導体１１７は、単位セル間ギャップ８０の下方の誘電体基板１の内部に配置されている。

次に、この発明の実施の形態１８に係る方向性結合器の動作について説明する。
この発明の実施の形態１８に係る方向性結合器は、上述した実施の形態１７に係る方向性結合器と同様に、偶モード動作時の位相定数β^ｅと奇モード動作時の位相定数β^ｏとを平行移動するように変化させることができ、その平行移動量を大きくすることもできるので、位相定数β^ｉの差が大きくなり、密結合かつフォワード結合となる。また、偶モード動作時および奇モード動作時ともにバンドギャップが存在しないので、広帯域となる。また、右手系線路を用いた一般的な方向性結合器と比較して、同じ結合量であれば、大幅に小型化することができる。

以上のように、実施の形態１８によれば、上記実施の形態１７と同様の効果を得ることができる。
また、この発明の実施の形態１８に係る方向性結合器は、上述した実施の形態１７に係る方向性結合器よりも、第１ストリップ導体と第２ストリップ導体とが側結合される側結合部（結合線路部分）が長いので、より密結合とすることができる。

また、上記実施の形態１８では、３つの単位セル１００ａを縦続接続して方向性結合器を構成したが、これに限定されず、２つまたは４つ以上の単位セル１００ａを縦続接続してもよい。

１ 誘電体基板、２ 地導体、１０ 第１ストリップ導体、２０ 第２ストリップ導体、３０ａ〜３０ｇ 第３ストリップ導体、３１ スルーホール（短絡手段）、４１、４２ 第１入出力線路、５１、５２ 第２入出力線路、１００ａ〜１００ｇ 単位セル、１１４ 第１浮遊導体、１１５ 第２浮遊導体、１１６ 第３浮遊導体、１１７ 第４浮遊導体。

Claims (13)

1. 誘電体基板に形成された第１ストリップ導体と、
   前記誘電体基板に、前記第１ストリップ導体と対向して形成された第２ストリップ導体と、
   前記第１ストリップ導体と前記第２ストリップ導体とを接続する第３ストリップ導体と、
   前記誘電体基板に、前記第１ストリップ導体、前記第２ストリップ導体および前記第３ストリップ導体から隔離して形成された地導体と、
   前記第３ストリップ導体を接地電位に短絡する短絡手段と、
   前記第１ストリップ導体の両端に近接して形成された一対の第１入出力線路と、
   前記第２ストリップ導体の両端に近接して形成された一対の第２入出力線路と、を備え、
   前記第１ストリップ導体と前記第２ストリップ導体とが側結合される側結合部において、前記第１ストリップ導体と前記第２ストリップ導体との間の距離は、前記第１ストリップ導体から前記地導体までの距離および前記第２ストリップ導体から前記地導体までの距離の何れか短い方の２倍以内とされている
   ことを特徴とする方向性結合器。
2. 前記短絡手段は、前記第３ストリップ導体と前記地導体とを接続する接続導体であることを特徴とする請求項１に記載の方向性結合器。
3. 前記接続導体は、前記第３ストリップ導体の中央部に形成されることを特徴とする請求項２に記載の方向性結合器。
4. 前記接続導体は、前記第３ストリップ導体の両端に形成されることを特徴とする請求項２に記載の方向性結合器。
5. 前記短絡手段は、前記第３ストリップ導体の中央部から分岐した分岐部と、前記分岐部と前記地導体とを接続する接続導体とから構成されることを特徴とする請求項１に記載の方向性結合器。
6. 前記短絡手段は、前記第３ストリップ導体の両端から延びて形成されたオープンスタブであることを特徴とする請求項１に記載の方向性結合器。
7. 前記短絡手段は、前記第３ストリップ導体の中央部から分岐した分岐部であることを特徴とする請求項１に記載の方向性結合器。
8. 前記第１ストリップ導体と前記第１入出力線路とが対向する部分の近傍、および前記第２ストリップ導体と前記第２入出力線路とが対向する部分の近傍に、何れの導体にも接続されない第１浮遊導体を設けたことを特徴とする請求項１から請求項７までの何れか１項に記載の方向性結合器。
9. 前記第１ストリップ導体および前記第２ストリップ導体と前記第１入出力線路および前記第２入出力線路とが対向する部分の近傍に、何れの導体にも接続されない第３浮遊導体を設けたことを特徴とする請求項１から請求項８までの何れか１項に記載の方向性結合器。
10. 前記第１ストリップ導体、前記第２ストリップ導体および前記第３ストリップ導体から構成される単位セルが、前記第１ストリップ導体の端部同士が対向し、かつ前記第２ストリップ導体の端部同士が対向するように、複数個並べて配置される
    ことを特徴とする請求項１から請求項９までの何れか１項に記載の方向性結合器。
11. 前記単位セルが、前記短絡手段を含むことを特徴とする請求項１０に記載の方向性結合器。
12. 前記第１ストリップ導体の端部同士が対向する部分の近傍、および前記第２ストリップ導体の端部同士が対向する部分の近傍に、何れの導体にも接続されない第２浮遊導体を設けたことを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載の方向性結合器。
13. 前記第１ストリップ導体の段部同士および前記第２ストリップ導体の端部同士が対向する部分の近傍に、何れの導体にも接続されない第４浮遊導体を設けたことを特徴とする請求項１０から請求項１２までの何れか１項に記載の方向性結合器。

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