JP2011249989A - Directional coupler - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、マイクロストリップ線路を用いて構成された方向性結合器に関するものである。 The present invention relates to a directional coupler configured using a microstrip line.
方向性結合器として、互いに平行に隣接配置された2つの導波管の共有する管壁に、導波管の長さ方向に沿って2つの結合用貫通孔を形成した構造を備える方向性結合器が知られている。このような方向性結合器においては、2つの結合用貫通孔の間隔を管内波長の1/4の奇数倍に設定することにより、異なる結合用貫通孔を通過して特定方向に進行する2つの信号同士に180°の位相差を生じさせて打ち消し合わせることで方向性結合器と
して機能させるものである。
As a directional coupler, a directional coupling having a structure in which two coupling through-holes are formed along the length direction of a waveguide on a tube wall shared by two waveguides arranged adjacent to each other in parallel. The vessel is known. In such a directional coupler, by setting the interval between two coupling through holes to an odd multiple of 1/4 of the guide wavelength, two directional couplers traveling in different directions through different coupling through holes can be used. A phase difference of 180 ° is generated between the signals to cancel each other, thereby functioning as a directional coupler.
ところがこのような従来の方向性結合器においては、特定方向において2つの信号が完全に打ち消し合う周波数が所望の周波数からずれてしまい、所望の周波数においては、特定方向において2つの信号が充分に打ち消し合わず、充分な方向性が得られないという問題があった。そこで、この問題の原因を、結合用貫通孔の部分において位相がずれることと推定し、この位相のずれを考慮して2つの結合用貫通孔の間隔を管内波長の1/4の奇数倍からずらすことにより方向性の改善を試みた方向性結合器が提案されている(例えば、特許文献1を参照。)。 However, in such a conventional directional coupler, the frequency at which the two signals completely cancel in a specific direction deviates from the desired frequency, and at the desired frequency, the two signals sufficiently cancel in the specific direction. There is a problem in that it does not match and sufficient directionality cannot be obtained. Therefore, the cause of this problem is presumed that the phase is shifted in the coupling through-hole portion, and the interval between the two coupling through-holes is set to an odd multiple of 1/4 of the guide wavelength in consideration of this phase shift. There has been proposed a directional coupler that attempts to improve the directionality by shifting (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、特許文献1にて提案された方向性結合器によれば、従来の方向性結合器と比較して改善されるものの、特定方向において2つの信号が完全に打ち消し合う周波数は所望の周波数に一致せず、その効果は充分なものではなかった。さらに、導波管で構成された方向性結合器を、基板に実装される他の実装部品に接続する際には、導波管からマイクロストリップ線路等への変換が必要になるという問題があった。
However, according to the directional coupler proposed in
本発明はこのような従来の技術における問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的は、マイクロストリップ線路を用いて構成された充分な方向性を有する方向性結合器を提供することにある。 The present invention has been devised in view of such problems in the prior art, and an object of the present invention is to provide a directional coupler having sufficient directivity configured using a microstrip line. It is in.
本発明の第1の方向性結合器は、平面状接地導体およびその両面に配置された誘電体層ならびにそれらを介して対向する2つの線路導体からなる2つのマイクロストリップ線路と、前記平面状接地導体の前記誘電体層を介して前記2つの線路導体に対向する位置に、前記2つの線路導体の長さ方向に所定の間隔Lをあけて形成された同一形状を有する2つの結合用貫通孔とを備え、前記一方のマイクロストリップ線路の両端がそれぞれ第1,第2ポートとなり、前記他方のマイクロストリップ線路の両端がそれぞれ第3,第4ポートとなり、前記第1および第3ポートが同じ側に配置され、前記第2および第4ポートが同じ側に配置された方向性結合器であって、前記2つの結合用貫通孔の部位のそれぞれにおいて、前記第1ポート側から入射して結合用貫通孔の部位で反射して入射方向へ戻る信号の反射係数をA11exp(jθ11),結合用貫通孔を介して前記第3ポート側から前
記第1ポート側へ通過する信号の伝送係数をA13exp(jθ13),前記第1ポート側から前記第2ポート側へ通過する信号の伝送係数をA21exp(jθ21),結合用貫通孔を介して前記第1ポート側から前記第3ポート側へ通過する信号の伝送係数をA31exp(jθ31),結合用貫通孔を介して前記第2ポート側から前記第3ポート側へ通過する信号の伝送係数をA32exp(jθ32),前記第3ポート側から入射して結合用貫通孔の部位で反射して入射方向へ戻る信号の反射係数をA33exp(jθ33),前記第4ポート側から前記第3ポート側へ通過する信号の伝送係数をA34exp(jθ34),結合用貫通孔を介して前記第1ポート側から前記第4ポート側へ通過する信号の伝送係数をA41exp(jθ41)とし、前記2つのマイクロストリップ線路を伝搬する信号の波長をλとすると、前記所定の間隔Lは、
L=(θ/π+n)λ/2 (0<θ<π,nは0または自然数)
を満たすとともに、θは、
C1=A31exp(jθ31)
C2=A21A31A34exp{j(θ21+θ31+θ34−2θ)}
C3=A21A11A32exp{j(θ21+θ11+θ32−2θ)}
C4=A41A33A34exp{j(θ41+θ33+θ34−2θ)}
C5=A41A13A32exp{j(θ41+θ13+θ32−2θ)}
で示される5つのベクトルC1,C2,C3,C4およびC5が互いに打ち消し合うような値に設定されていることを特徴とするものである。
The first directional coupler of the present invention includes a planar ground conductor, dielectric layers disposed on both sides thereof, two microstrip lines composed of two line conductors facing each other, and the planar ground conductor. Two coupling through-holes having the same shape and formed at predetermined positions L in the length direction of the two line conductors at positions facing the two line conductors through the dielectric layer of the conductors And both ends of the one microstrip line serve as first and second ports, respectively, and both ends of the other microstrip line serve as third and fourth ports, respectively, and the first and third ports are on the same side. And the second and fourth ports are arranged on the same side, and are inserted from the first port side in each of the two coupling through-hole portions. The reflection coefficient of the reflection to return to the incident direction signal at the site of the coupling through holes to A 11 exp (jθ 11), passes through the coupling through holes from said third port side to the first port side The transmission coefficient of the signal is A 13 exp (jθ 13 ), the transmission coefficient of the signal passing from the first port side to the second port side is A 21 exp (jθ 21 ), and the first through the coupling through hole. A 31 exp (jθ 31 ) is a transmission coefficient of a signal passing from the port side to the third port side, and a transmission coefficient of a signal passing from the second port side to the third port side through a coupling through hole A 32 exp (jθ 32 ), the reflection coefficient of the signal incident from the third port side, reflected from the coupling through hole and returning to the incident direction, is A 33 exp (jθ 33 ), from the fourth port side. Connect to the third port The transmission coefficient of a signal A 34 exp (jθ 34), the transmission coefficient of the signal passing through to the fourth port side from the first port side through the coupling through-hole and A 41 exp (jθ 41), wherein When the wavelength of a signal propagating through two microstrip lines is λ, the predetermined distance L is
L = (θ / π + n) λ / 2 (0 <θ <π, where n is 0 or a natural number)
And θ is
C1 = A 31 exp (jθ 31 )
C2 = A 21 A 31 A 34 exp {j (
C3 = A 21 A 11 A 32 exp {j (
C4 = A 41 A 33 A 34 exp {j (
C5 = A 41 A 13 A 32 exp {j (
The five vectors C1, C2, C3, C4, and C5 indicated by are set to values that cancel each other.
また、本発明の第2の方向性結合器は、前記第1の方向性結合器において、前記誘電体層の厚みおよび比誘電率が前記平面状接地導体の両側において等しく、且つ前記2つの線路導体の横断面の形状が等しいことを特徴とするものである。 The second directional coupler of the present invention is the first directional coupler, wherein the dielectric layer has the same thickness and relative dielectric constant on both sides of the planar ground conductor, and the two lines. The conductors have the same cross-sectional shape.
なお、本明細書において、2つの結合用貫通孔の間隔Lは、2つのマイクロストリップ線路の長さ方向における、それぞれの結合用貫通孔が形成された領域の中心同士の間隔を意味する。 In this specification, the interval L between the two coupling through-holes means the interval between the centers of the regions where the respective coupling through-holes are formed in the length direction of the two microstrip lines.
本発明の方向性結合器によれば、第1ポートから入力されて第3ポートから出力される高周波信号が所望の周波数において充分に打ち消し合うため、マイクロストリップ線路を用いて構成された方向性の優れた方向性結合器を得ることができる。 According to the directional coupler of the present invention, the high-frequency signals that are input from the first port and output from the third port sufficiently cancel each other at a desired frequency. An excellent directional coupler can be obtained.
以下、本発明の方向性結合器を添付の図面を参照しつつ詳細に説明する。 Hereinafter, a directional coupler according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図1は本発明の実施の形態の例の方向性結合器を模式的に示す斜視図である。 FIG. 1 is a perspective view schematically showing a directional coupler according to an example of an embodiment of the present invention.
本例の方向性結合器は、図1に示すように、第1および第2のマイクロストリップ線路10,20と、第1および第2の結合用貫通孔41,42とを備えている。
As shown in FIG. 1, the directional coupler of this example includes first and
第1および第2のマイクロストリップ線路10,20は、平面状接地導体30およびその両面に配置された第1および第2の誘電体層11,21ならびにそれらを介して対向する第1および第2の線路導体12,22からなる。すなわち、第1のマイクロストリップ線路10は、平面状接地導体30と、その一方の主面に配置された第1の誘電体層11と、その表面に配置された第1の線路導体12とで構成されている。第2のマイクロストリップ線路20は、平面状接地導体30と、その他方の主面に配置された第2の誘電体層21と、その表面に配置された第2の線路導体22とで構成されている。平面状接地導体30は第1および第2のマイクロストリップ線路10,20で共有されている。そして、第1および第2の線路導体12,22は、互いに平行に、第1および第2の誘電体層11,21ならびに平面状接地導体30を介して互いに対向するように配置されている。
The first and
また、第1および第2の誘電体層11,21は、厚みおよび比誘電率が互いに等しくされており、第1および第2の線路導体12,22は、横断面の形状が互いに等しくされている。
The first and second
そして、第1のマイクロストリップ線路の一方端が第1ポート51、他方端が第2ポート52とされ、第2のマイクロストリップ線路一方端が第3ポート53、他方端が第4ポート54とされ、第1ポート51および第3ポート53が同じ側に配置され、第2ポート52および第4ポート54が同じ側に配置されている。
One end of the first microstrip line is a
第1および第2の結合用貫通孔41,42は、平面状接地導体30の第1および第2の誘電体層11,21を介して第1および第2の線路導体12,22と対向する位置に、第1および第2の線路導体12,22の長さ方向に所定の間隔Lをあけて形成されている。また、第1の結合用貫通孔41は、第1および第2の線路導体12,22の長さ方向において、第1ポート51および第3ポート53から距離L1だけ離れた位置に設けられている。そして、第1および第2の結合用貫通孔41,42は、同一の形状を有しており、それぞれ高周波信号の伝播方向に垂直な方向(第1および第2の線路導体12,22の幅方向)に長い矩形状のスロットとなっている。
The first and second coupling through
そして、本例の方向性結合器によれば、第1および第2の結合用貫通孔41,42の部位のそれぞれにおいて、第1ポート51側から入射して結合用貫通孔の部位で反射して入射方向へ戻る信号の反射係数をK11=A11exp(jθ11),結合用貫通孔を介して第3ポート53側から第1ポート51側へ通過する信号の伝送係数をK13=A13exp(jθ13),第1ポート51側から第2ポート52側へ通過する信号の伝送係数をK21=A21exp(jθ21),結合用貫通孔を介して第1ポート51側から第3ポート53側へ通過する信号の伝送係数をK31=A31exp(jθ31),結合用貫通孔を介して第2ポート52側から第3ポート53側へ通過する信号の伝送係数をK32=A32exp(jθ32),第3ポート53側から入射して結合用貫通孔の部位で反射して入射方向へ戻る信号の反射係数をK33=A33exp(jθ33),第4ポート54側から第3ポート53側へ通過する信号の伝送係数をK34=A34exp(jθ34),結合用貫通孔を介して第1ポート51側から第4ポート54側へ通過する信号の伝送係数をK41=A41exp(jθ41)とし、第1および第2のマイクロストリップ線路10,20を伝播する信号の波長をλと
したときに、第1および第2の線路導体12,22の長さ方向における第1の結合用貫通孔41と第2の結合用貫通孔42との間隔(第1および第2の線路導体12,22の長さ方向(高周波信号の伝播方向)における第1の結合用貫通孔41が形成された領域の中心と第2の結合用貫通孔42が形成された領域の中心との間隔)Lが、
L=(θ/π+n)λ/2 (0<θ<π,nは0または自然数)
を満たすとともに、θは、
C1=A31exp(jθ31)
C2=A21A31A34exp{j(θ21+θ31+θ34−2θ)}
C3=A21A11A32exp{j(θ21+θ11+θ32−2θ)}
C4=A41A33A34exp{j(θ41+θ33+θ34−2θ)}
C5=A41A13A32exp{j(θ41+θ13+θ32−2θ)}
で示される5つのベクトルC1,C2,C3,C4,C5が互いに打ち消し合うような値に設定されていることから、第1ポート51から入力されて複数の伝播ルートを経て第3ポート53へ向かう高周波信号が互いに打ち消し合って、第3ポート53から出力される高周波信号が充分に小さくなるため、方向性の優れた方向性結合器を得ることができる。この効果が得られる理由について以下に説明する。
According to the directional coupler of this example, the light enters from the
L = (θ / π + n) λ / 2 (0 <θ <π, where n is 0 or a natural number)
And θ is
C1 = A 31 exp (jθ 31 )
C2 = A 21 A 31 A 34 exp {j (
C3 = A 21 A 11 A 32 exp {j (
C4 = A 41 A 33 A 34 exp {j (
C5 = A 41 A 13 A 32 exp {j (
Are set to such values that the vectors C1, C2, C3, C4, and C5 cancel each other, so that they are input from the
本願の発明者は、従来の導波管型の方向性結合器において、2つの結合用貫通孔の間隔を波長の1/4の奇数倍に設定すると充分な方向性が得られない現象について種々の検討を行った。その結果、第1ポート51から第3ポート53への高周波信号の伝播ルートが、従来考えられていた2つのルート以外に複数存在し、それらのルートを通過する高周波信号の影響が考慮されていないことが原因であることを解明し、それを考慮した方向性の優れた導波管型の方向性結合器を得ることに成功した。そして、さらなる検討の結果、マイクロストリップ線路を用いた方向性結合器にも同じ手法が適用できることがわかり、本発明に至った。
The inventor of the present application, in a conventional waveguide type directional coupler, has various phenomena regarding the phenomenon that sufficient directivity cannot be obtained when the interval between two coupling through holes is set to an odd multiple of 1/4 of the wavelength. Was examined. As a result, there are a plurality of high-frequency signal propagation routes from the
図2〜図6は、図1に示す本例の方向性結合器において、第1ポート51から第3ポート53に至る複数の高周波信号の伝播ルートの中で考慮すべき主要な信号伝播ルートを模式的に示す縦断面図である。従来の方向性結合器において考慮されていたのは図2および図3に示す信号伝播ルートのみであったが、結合用貫通孔が形成された部位においてインピーダンスの不連続に起因する反射が生じるために、図4および図5に示すような信号伝播ルートが生じることを新たに発見した。このとき、高周波信号の反射は信号の伝播方向における結合用貫通孔の両端部で生じるが、両端部における2つの反射波を合成すると、結合用貫通孔の中心で反射すると考えることができるため、図4および図5のように図示している。また、結合用貫通孔を複数回通過することによって、図6に示すような信号伝播ルートが存在することも新たに発見した。なお、図2〜図6に示した信号伝播ルート以外の信号伝播ルートも存在するが、それらのルートを通過する高周波信号の強度は小さいため、実用上は無視することができる。
2 to 6 show main signal propagation routes to be considered among a plurality of high-frequency signal propagation routes from the
そして、図2〜図6に示した5つの信号伝播ルートをそれぞれ通過して第3ポート53に向かう5つの高周波信号が互いに打ち消し合うように第1の結合用貫通孔41と第2の結合用貫通孔42との間隔Lを設定することにより、第3ポート53から出力される高周波信号が充分に小さくなって、方向性に優れた方向性結合器を得ることができるのであるが、5つの高周波信号は互いに大きさが異なる信号であるため、従来の方向性結合器のように互いの位相差を考慮するだけでは打ち消し合わせることができない。そこで、5つの高周波信号の大きさと位相をそれぞれ算出し、それらのベクトル和が0に近づくように第1の結合用貫通孔41と第2の結合用貫通孔42との間隔Lを設定することにより、5つの高周波信号を互いに打ち消し合わせることができ、方向性に優れた方向性結合器を得ることができる。
Then, the first coupling through
まず、図2〜図6に示したそれぞれの信号伝播ルートを通過する高周波信号の大きさと位相を算出する。図2に示した第1の信号伝播ルートは、第1ポート51から入射した後に、第1の結合用貫通孔41を第1ポート51側から第3ポート53側へ通過して第3ポート53に至るルートである。この信号伝播ルートを通過する高周波信号の大きさおよび位相は、第1の結合用貫通孔41を介して第1ポート51側から第3ポート53側へ通過する信号の伝送係数をK31=A31exp(jθ31)とすると、B1=A31exp{j(θ31−2π・2L1/λ)}と表すことができる。ここで、λは第1および第2のマイクロストリップ線路10,20を伝播する信号の波長である。また、A31は第1の結合用貫通孔41を介して第1ポート51側から第3ポート53側へ通過することによる高周波信号の大きさの変化を示し、θ31は第1の結合用貫通孔41を介して第1ポート51側から第3ポート53側へ通過することによる高周波信号の位相の変化を示す。そして、2π・2L1/λは、高周波信号が第1および第2のマイクロストリップ線路10,20内をそれぞれ距離L1だけ伝播することによる位相変化を示している。なお、第1および第2のマイクロストリップ線路10,20内を伝播することによる高周波信号の大きさの変化は充分に小さいため無視している。
First, the magnitude and phase of the high-frequency signal passing through each signal propagation route shown in FIGS. The first signal propagation route shown in FIG. 2 passes through the first coupling through-
同様に、図3に示した第2の信号伝播ルートは、第1ポート51から入射した後に、第1の結合用貫通孔41の部位を第1ポート51側から第2ポート52側へ通過し、第2の結合用貫通孔42を第1ポート51側から第3ポート53側へ通過した後に、第1の結合用貫通孔41の部位を第4ポート54側から第3ポート53側へ通過して第3ポート53に至るルートである。この信号伝播ルートを通過する高周波信号の大きさおよび位相は、第1の結合用貫通孔41の部位において第1ポート51側から第2ポート52側へ通過する信号の伝送係数をK21=A21exp(jθ21),第2の結合用貫通孔42を介して第1ポート51側から第3ポート53側へ通過する信号の伝送係数をK31=A31exp(jθ31),第1の結合用貫通孔41の部位において第4ポート54側から第3ポート53側へ通過する信号の伝送係数をK34=A34exp(jθ34)とすると、B2=A21A31A34exp{j(θ21+θ31+θ34−2θ−2π・2L1/λ)}と表すことができる。ここで、2θは、高周波信号が第1および第2のマイクロストリップ線路10,20内をそれぞれ距離Lだけ伝播することによる位相変化を示している。
Similarly, the second signal propagation route shown in FIG. 3 passes through the portion of the first coupling through
同様に、図4に示した第3の信号伝播ルートは、第1ポート51から入射した後に、第1の結合用貫通孔41の部位を第1ポート51側から第2ポート52側へ通過し、第2の結合用貫通孔42の部位で第1ポート51側へ反射し、第1の結合用貫通孔41を第2ポート52側から第3ポート53側へ通過して第3ポート53に至るルートである。この信号伝播ルートを通過する高周波信号の大きさおよび位相は、第1の結合用貫通孔41の部位において第1ポート51側から第2ポート52側へ通過する信号の伝送係数をK21=A21exp(jθ21),第1ポート51側から入射して第2の結合用貫通孔42の部位で反射して入射方向へ戻る信号の反射係数をK11=A11exp(jθ11),第1の結合用貫通孔41を介して第2ポート52側から第3ポート53側へ通過する信号の伝送係数をK32=A32exp(jθ32)とすると、B3=A21A11A32exp{j(θ21+θ11+θ32−2θ−2π・2L1/λ)}と表すことができる。
Similarly, the third signal propagation route shown in FIG. 4 passes through the portion of the first coupling through
同様に、図5に示した第4の信号伝播ルートは、第1ポート51から入射した後に、第1の結合用貫通孔41を第1ポート51側から第4ポート54側へ通過し、第2の結合用貫通孔42の部位で第3ポート53側へ反射し、第1の結合用貫通孔41の部位を第4ポート54側から第3ポート53側へ通過して第3ポート53に至るルートである。この信号伝播ルートを通過する高周波信号の大きさおよび位相は、第1の結合用貫通孔41を介して第1ポート51側から第4ポート54側へ通過する信号の伝送係数をK41=A41exp(jθ41),第3ポート53側から入射して第2の結合用貫通孔42の部位で反射して入射方向へ戻る信号の反射係数をK33=A33exp(jθ33),第1の結合用貫通孔41の部位において第4ポ
ート54側から第3ポート53側へ通過する信号の伝送係数をK34=A34exp(jθ34)とすると、B4=A41A33A34exp{j(θ41+θ33+θ34−2θ−2π・2L1/λ)}と表すことができる。
Similarly, the fourth signal propagation route shown in FIG. 5 passes through the first coupling through
同様に、図6に示した第5の信号伝播ルートは、第1ポート51から入射した後に、第1の結合用貫通孔41を第1ポート51側から第4ポート54側へ通過し、第2の結合用貫通孔42を第3ポート53側から第1ポート51側へ通過し、第1の結合用貫通孔41を第2ポート52側から第3ポート53側へ通過して第3ポート53に至るルートである。この信号伝播ルートを通過する高周波信号の大きさおよび位相は、第1の結合用貫通孔41を介して第1ポート51側から第4ポート54側へ通過する信号の伝送係数をK41=A41exp(jθ41),第2の結合用貫通孔42を介して第3ポート53側から第1ポート51側へ通過する信号の伝送係数をK13=A13exp(jθ13),第1の結合用貫通孔41を介して第2ポート52側から第3ポート53側へ通過する信号の伝送係数をK32=A32exp(jθ32)とすると、B5=A41A13A32exp{j(θ41+θ13+θ32−2θ−2π・2L1/λ)}と表すことができる。
Similarly, the fifth signal propagation route shown in FIG. 6 passes through the first coupling through
よって、このようなB1,B2,B3,B4およびB5のベクトル和を0に近づけることにより、5つの伝播ルートを通過した高周波信号を互いに打ち消し合わせることができる。ここで、上記A1〜B5全ての位相成分には、高周波信号が第1および第2のマイクロストリップ線路10,20内をそれぞれ距離L1だけ伝播することによる位相変化を示す、2π・2L1/λが含まれており、θを算出するときには無視することができるため、実際には、この成分をA1〜B5からそれぞれ除いて得られる、次に示すC1〜C5のベクトル和が0に近づくθの値を求めればよいことになる。
C1=A31exp(jθ31)
C2=A21A31A34exp{j(θ21+θ31+θ34−2θ)}
C3=A21A11A32exp{j(θ21+θ11+θ32−2θ)}
C4=A41A33A34exp{j(θ41+θ33+θ34−2θ)}
C5=A41A13A32exp{j(θ41+θ13+θ32−2θ)}
次に、上記C1〜C5を計算するのに必要な、第1の結合用貫通孔41および第2の結合用貫通孔42の部位における、各伝送係数および反射係数の算出方法の一例を示す。図7は、図1に示す方向性結合器において第2の結合用貫通孔42を無くして、第1の結合用貫通孔41のみが存在するようにした構造を模式的に示す縦断面図である。このような構造における第1〜第4ポート51〜54におけるSパラメータをシミュレーションまたは実験によって求めることにより、上記各伝送係数および反射係数を算出することができる。なお、図7において、図1〜図6に示した方向性結合器と同様の構成要素には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する。
Therefore, by bringing the vector sum of B1, B2, B3, B4, and B5 close to 0, the high-frequency signals that have passed through the five propagation routes can be canceled with each other. Here, in all the phase components A1 to B5, 2π · 2L1 / λ indicating a phase change caused by the high-frequency signal propagating through the first and
C1 = A 31 exp (jθ 31 )
C2 = A 21 A 31 A 34 exp {j (
C3 = A 21 A 11 A 32 exp {j (
C4 = A 41 A 33 A 34 exp {j (
C5 = A 41 A 13 A 32 exp {j (
Next, an example of a method for calculating each transmission coefficient and reflection coefficient in the first coupling through
図7に示す構造において第1ポート51における反射係数であるS11は、第1の結合用貫通孔41の部位で反射して入射方向へ戻る信号の反射係数をK11=A11exp(jθ11)とすると、S11=A11exp{j(θ11−2π・2L2/λ)}と表すことができる。ここで、L2は第1ポート51から第1の結合用貫通孔41の部位の中心までの距離であり、λは波長である。波長は第1および第2の線路導体12,22の横断面の形状ならびに第1および第2の誘電体層11,21の厚みおよび誘電率から算出できるため、2π・2L2/λは計算で求めることができる。よって、S11をシミュレーションまたは測定によって求めることにより、S11からK11を算出することができる。なお、第1および第2のマイクロストリップ線路10,20は同一の構造を有し、第1および第2の結合用貫通孔41,42は同一の構造を有するため、K33はK11に一致する。
In the structure shown in FIG. 7, S 11 , which is the reflection coefficient at the
同様に、図7に示す構造において第1ポート51から第2ポート52への伝送係数であるS21は、第1の結合用貫通孔41の部位において第1ポート51側から第2ポート52側へ通過
する信号の伝送係数をK21=A21exp(jθ21)とすると、S21=A21exp{j(θ21−2π・(L2+L3)/λ)}と表すことができる。ここで、L2+L3は第1ポート51から第2ポート52への距離であり、高周波信号が第1のマイクロストリップ線路10内を距離(L2+L3)だけ伝播することによる位相変化を示す、2π・(L2+L3)/λは計算で求めることができる。よって、S21をシミュレーションまたは測定によって求めることにより、S21からK21を算出することができる。そして、K34はK21に一致する。
Similarly, in the structure shown in FIG. 7, S 21 , which is a transmission coefficient from the
同様に、図7に示す構造において第1ポート51から第3ポート53への伝送係数であるS31は、第1の結合用貫通孔41を介して第1ポート51側から第3ポート53側へ通過する信号の伝送係数をK31=A31exp(jθ31)とすると、S31=A31exp{j(θ31−2π・2L2/λ)}と表すことができる。ここで、2L2は第1ポート51から第3ポート53への伝播距離であり、高周波信号が第1のマイクロストリップ線路10内を距離2L2だけ伝播することによる位相変化を示す、2π・2L2/λは計算で求めることができる。よって、S31をシミュレーションまたは測定によって求めることにより、S31からK31を算出することがきる。
Similarly, in the structure shown in FIG. 7, S 31 , which is a transmission coefficient from the
同様に、図7に示す構造において第1ポート51から第4ポート54への伝送係数であるS41は、第1の結合用貫通孔41を介して第1ポート51側から第4ポート54側へ通過する信号の伝送係数をK41=A41exp(jθ41)とすると、S41=A41exp{j(θ41−2π・(L2+L3)/λ)}と表すことができる。ここで、L2+L3は第1ポート51から第4ポート54への距離であり、高周波信号が第1および第2のマイクロストリップ線路10,20内を距離(L2+L3)だけ伝播することによる位相変化を示す、2π・(L2+L3)/λは計算で求めることができる。よって、S41をシミュレーションまたは測定によって求めることにより、S41からK41を算出することができる。そして、K32はK41に一致する。
Similarly, in the structure shown in FIG. 7, S 41 , which is a transmission coefficient from the
このようにして、図7に示すような、作成したい方向性結合器と同じ断面形状を備えるとともに同一形状の結合用貫通孔を1つだけ備える構造の第1〜第4ポート51〜54におけるSパラメータをシミュレーションまたは測定によって求めることにより、C1〜C5の算出に必要な全ての反射係数および伝送係数を得ることができる。
In this way, the S in the first to
また、本例の方向性結合器によれば、平面状接地導体30の両側に位置する第1および第2の誘電体層11,21の厚みおよび被誘電率が互いに等しく、且つ2つの線路導体12,22の横断面の形状が等しいことから、上述したように、各伝送係数および反射係数の算出も簡略化でき、設計が容易な方向性結合器を得ることができる。
Further, according to the directional coupler of this example, the first and second dielectric layers 11 and 21 located on both sides of the
なお、第1の結合用貫通孔41と第2の結合用貫通孔42との間隔Lについては、あまりに小さくすると第1および第2の結合用貫通孔41,42同士の結合が生じて好ましくないので、波長の1/4よりも大きく設定するのが望ましい。
If the distance L between the first coupling through-
本例の方向性結合器において、第1および第2の誘電体層11,21の材質としては、高周波信号の伝送を妨げない特性を有するものであれば特に限定するものではなく、ガラスエポキシ等の樹脂を使用することも可能であるが、加工精度および製造の容易性の点からは誘電体セラミックスを使用することが望ましい。また、誘電体基板の比誘電率は、例えば2〜20程度に設定される。 In the directional coupler of this example, the materials of the first and second dielectric layers 11 and 21 are not particularly limited as long as they have characteristics that do not hinder the transmission of high-frequency signals. However, it is desirable to use dielectric ceramics from the viewpoint of processing accuracy and ease of manufacture. The relative dielectric constant of the dielectric substrate is set to about 2 to 20, for example.
第1および第2の線路導体12,22ならびに平面状接地導体30は、例えば、アルミニウムや銅などの良導電性の金属を使用して形成することができ、その厚みは、例えば、3μm〜50μm程度とされる。
The first and
本例の方向性結合器は、例えば、次のようにして作製することができる。まず、ガラス,アルミナ,窒化アルミニウム等を主成分とするセラミック原料粉末に適当な有機溶剤と溶媒とを添加混合して得た泥漿を用いて、ドクターブレード法やカレンダーロール法等によってセラミックグリーンシートを作製する。次に、金属粉末に適当なアルミナ・シリカ・マグネシア等の酸化物や有機溶剤等を添加混合してペースト状にしたものを、厚膜印刷法によりセラミックグリーンシートの表面に塗布して導体ペースト付きセラミックグリーンシートを作製する。次に、得られた導体ペースト付きセラミックグリーンシートを積層し、ホットプレス装置を用いて圧着して積層体を形成する。そして、得られた積層体を、誘電体基板がガラスセラミックスの場合は850℃〜1000℃程度、アルミナ質セラミックス
の場合は1500℃〜1700℃程度、窒化アルミニウム質セラミックスの場合は1600℃〜1900℃程度のピーク温度で焼成することによって作製される。なお、金属粉末としては、第1および第2の誘電体層11,21がガラスセラミックスの場合は銅,金または銀が、第1および第2の誘電体層11,21がアルミナ質セラミックスまたは窒化アルミニウム質セラミックスの場合にはタングステンまたはモリブデンが好適である。
The directional coupler of this example can be manufactured as follows, for example. First, using a slurry obtained by adding and mixing a suitable organic solvent and solvent to a ceramic raw material powder mainly composed of glass, alumina, aluminum nitride, etc., a ceramic green sheet is formed by a doctor blade method or a calender roll method. Make it. Next, a paste prepared by adding an appropriate oxide, organic solvent, etc. such as alumina, silica, magnesia, etc. to the metal powder is applied to the surface of the ceramic green sheet by a thick film printing method, and with a conductor paste A ceramic green sheet is produced. Next, the obtained ceramic green sheets with a conductive paste are laminated and pressed using a hot press apparatus to form a laminate. And when the dielectric substrate is made of glass ceramics, the obtained laminate is about 850 ° C. to 1000 ° C., alumina ceramics is about 1500 ° C. to 1700 ° C., and aluminum nitride ceramics is about 1600 ° C. to 1900 ° C. It is produced by firing at a peak temperature of about. As the metal powder, when the first and second dielectric layers 11 and 21 are glass ceramics, copper, gold or silver is used, and the first and second dielectric layers 11 and 21 are alumina ceramics or nitrided. In the case of aluminum ceramics, tungsten or molybdenum is preferred.
(変形例)
本発明は前述した実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更,改良が可能である。
(Modification)
The present invention is not limited to the embodiments described above, and various modifications and improvements can be made without departing from the spirit of the present invention.
例えば、前述した実施の形態の例においては、第1および第2の結合用貫通孔41,42が矩形の場合を示したが、結合用貫通孔として機能すれば他の形状でもよく、例えば、長円型の結合用貫通孔としても構わない。
For example, in the example of the above-described embodiment, the first and second coupling through
また、前述した実施の形態の例においては、1つの平面状接地導体30が第1および第2のマイクロストリップ線路10,20で共有された例を示したが、これに限定されるものではない。例えば、それぞれのマイクロストリップ線路の平面状接地導体30が隣接配置されて、それぞれの平面状接地導体30を貫通するように第1および第2の結合用貫通孔41,42が形成されるようにしても構わない。
In the example of the embodiment described above, an example in which one
さらに、前述した実施の形態の例においては、第1および第2の誘電体層11,21の厚みおよび被誘電率が互いに等しく、且つ第1および第2の線路導体12,22の横断面の形状が互いに等しい例を示したが、これに限定されるものではない。第1および第2のマイクロストリップ線路10,20を伝播する信号の波長が等しいという条件を満たせば、第1および第2の誘電体層11,21の厚みおよび被誘電率が互いに異なってもよく、第1および第2の線路導体12,22の横断面の形状が異なっても構わない。
Furthermore, in the example of the embodiment described above, the thickness and the dielectric constant of the first and second dielectric layers 11 and 21 are equal to each other, and the cross sections of the first and
次に、本発明の方向性結合器の具体例について説明する。 Next, a specific example of the directional coupler of the present invention will be described.
図1に示した実施の形態の例の方向性結合器における電気特性を電磁場解析によるシミュレーションによって算出した。算出条件としては、中心周波数は76.5GHzに設定した。第1および第2の線路導体12,22は、幅を0.12mmとし、厚みを0.01mmとした。第1および第2の誘電体層11,21は、厚みを0.15mmとし、比誘電率を9.75とした。平面状接地導体30の厚みは0.02mmとした。第1および第2の結合用貫通孔41,42の断面形状は、それぞれ長さが1.2mmで幅が0.1mmの矩形状とした。第1および第2の結合用貫通孔41,42の間隔Lは、前述した方法で算出した結果、0.507mmとなった。
The electrical characteristics in the directional coupler of the example of the embodiment shown in FIG. 1 were calculated by simulation by electromagnetic field analysis. As a calculation condition, the center frequency was set to 76.5 GHz. The first and
そして、第1ポート51から第3ポート53への通過特性(S31)を算出した。図8はその結果を示すグラフであり、横軸は周波数を表し、縦軸は減衰量を表している。図8に示
すグラフによれば、設計した中心周波数の76.5GHzに減衰極が形成されて、その値は−30dBを超えており、良好な方向性が得られていることがわかる。
Then, the passage characteristic (S 31 ) from the
また、従来の方向性結合器のように第1および第2の結合用貫通孔41,42の間隔Lを波長の1/4である0.371mmに設定した比較例の方向性結合器のシミュレーション結果を
図9に示す。図9のグラフにおいて、横軸は周波数を表し、縦軸は減衰量を表している。図9に示すグラフによれば、減衰極は設計した中心周波数の76.5GHzから大きく離れた92GHzに形成されており、中心周波数の76.5GHzにおける減衰量は−10dB程度しかなく、良好な方向性が得られていないことがわかる。以上の結果により、本発明の有効性が確認できた。
Moreover, the simulation result of the directional coupler of the comparative example which set the space | interval L of the 1st and 2nd coupling through-
10:第1のマイクロストリップ線路
11:第1の誘電体層
12:第1の線路導体
20:第2のマイクロストリップ線路
21:第2の誘電体層
22:第2の線路導体
30:平面状接地導体
41:第1の結合用貫通孔
42:第2の結合用貫通孔
51:第1ポート
52:第2ポート
53:第3ポート
54:第4ポート
10: First microstrip line
11: First dielectric layer
12: First line conductor
20: Second microstrip line
21: Second dielectric layer
22: Second line conductor
30: Planar ground conductor
41: First coupling through hole
42: Second coupling through hole
51: First port
52: Second port
53: Third port
54: Port 4
Claims (2)
前記2つの結合用貫通孔の部位のそれぞれにおいて、前記第1ポート側から入射して結合用貫通孔の部位で反射して入射方向へ戻る信号の反射係数をA11exp(jθ11),結合用貫通孔を介して前記第3ポート側から前記第1ポート側へ通過する信号の伝送係数をA13exp(jθ13),前記第1ポート側から前記第2ポート側へ通過する信号の伝送係数をA21exp(jθ21),結合用貫通孔を介して前記第1ポート側から前記第3ポート側へ通過する信号の伝送係数をA31exp(jθ31),結合用貫通孔を介して前記第2ポート側から前記第3ポート側へ通過する信号の伝送係数をA32exp(jθ32),前記第3ポート側から入射して結合用貫通孔の部位で反射して入射方向へ戻る信号の反射係数をA33exp(jθ33),前記第4ポート側から前記第3ポート側へ通過する信号の伝送係数をA34exp(jθ34),結合用貫通孔を介して前記第1ポート側から前記第4ポート側へ通過する信号の伝送係数をA41exp(jθ41)とし、
前記2つのマイクロストリップ線路を伝搬する信号の波長をλとすると、前記所定の間隔Lは、
L=(θ/π+n)λ/2 (0<θ<π,nは0または自然数)
を満たすとともに、θは、
C1=A31exp(jθ31)
C2=A21A31A34exp{j(θ21+θ31+θ34−2θ)}
C3=A21A11A32exp{j(θ21+θ11+θ32−2θ)}
C4=A41A33A34exp{j(θ41+θ33+θ34−2θ)}
C5=A41A13A32exp{j(θ41+θ13+θ32−2θ)}
で示される5つのベクトルC1,C2,C3,C4およびC5が互いに打ち消し合うような値に設定されていることを特徴とする方向性結合器。 A planar ground conductor, dielectric layers disposed on both sides thereof, two microstrip lines composed of two line conductors facing each other, and the two ground strips via the dielectric layer of the planar ground conductor Two coupling through-holes having the same shape formed at predetermined positions L in the length direction of the two line conductors at positions facing the line conductors, and both ends of the one microstrip line Are the first and second ports, both ends of the other microstrip line are the third and fourth ports, respectively, the first and third ports are arranged on the same side, and the second and fourth ports are A directional coupler arranged on the same side,
In each of the two coupling through-hole portions, the reflection coefficient of a signal incident from the first port side, reflected from the coupling through-hole portion and returning to the incident direction is represented by A 11 exp (jθ 11 ), A 13 exp (jθ 13 ) is the transmission coefficient of the signal passing from the third port side to the first port side through the through hole for transmission, and the transmission of the signal passing from the first port side to the second port side The coefficient is A 21 exp (jθ 21 ), the transmission coefficient of the signal passing through the coupling through hole from the first port side to the third port side is A 31 exp (jθ 31 ), and the coupling through hole is The transmission coefficient of the signal passing from the second port side to the third port side is A 32 exp (jθ 32 ), is incident from the third port side, is reflected at the portion of the coupling through hole, and is incident in the incident direction. Return signal reflection coefficient A 33 exp (jθ 33), said from the transmission factor of the signal passing through to said third port side from the fourth port side A 34 exp (jθ 34), the first port side via the coupling holes first The transmission coefficient of the signal passing to the 4-port side is A 41 exp (jθ 41 ),
When the wavelength of the signal propagating through the two microstrip lines is λ, the predetermined interval L is
L = (θ / π + n) λ / 2 (0 <θ <π, where n is 0 or a natural number)
And θ is
C1 = A 31 exp (jθ 31 )
C2 = A 21 A 31 A 34 exp {j (θ 21 + θ 31 + θ 34 -2θ)}
C3 = A 21 A 11 A 32 exp {j (θ 21 + θ 11 + θ 32 -2θ)}
C4 = A 41 A 33 A 34 exp {j (θ 41 + θ 33 + θ 34 -2θ)}
C5 = A 41 A 13 A 32 exp {j (θ 41 + θ 13 + θ 32 -2θ)}
The directional coupler is characterized in that the five vectors C1, C2, C3, C4 and C5 shown in FIG.
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CN102780059A (en) * | 2012-08-10 | 2012-11-14 | 成都赛纳赛德科技有限公司 | Porous microstrip directional coupler on main microstrip side |
CN102820511A (en) * | 2012-08-10 | 2012-12-12 | 成都赛纳赛德科技有限公司 | Microstrip directional coupler |
JP2014192690A (en) * | 2013-03-27 | 2014-10-06 | Mitsubishi Electric Corp | Directional coupler |
CN108123217A (en) * | 2016-11-29 | 2018-06-05 | 南京理工大学 | A kind of broadband and wideangle double-circle polarization satellite antenna |
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- 2010-05-25 JP JP2010119341A patent/JP2011249989A/en active Pending
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JP2014192690A (en) * | 2013-03-27 | 2014-10-06 | Mitsubishi Electric Corp | Directional coupler |
CN108123217A (en) * | 2016-11-29 | 2018-06-05 | 南京理工大学 | A kind of broadband and wideangle double-circle polarization satellite antenna |
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