JP2014057204A - 方向性結合器および無線通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】広帯域に亘る使用周波数帯域内で結合度が平坦な小型低背なカプラを得る。
【解決手段】主線路、副線路、入力ポート、出力ポート、結合ポート及びアイソレーションポートを積層基板に備えたカプラで、副線路が、主線路との結合が強い第一結合部と、第一結合部より結合が弱い第二結合部と、第一結合部と第二結合部との間に延在し且つ使用周波数帯に対応した波長λの四分の一以上の長さを有する非結合部である中間線路部とを有する。
【選択図】図６

Description

本発明は、方向性結合器および無線通信装置に係り、特に、広範な周波数帯域に使用可能な方向性結合器を実現する技術に関する。

伝送線路上を伝搬する電力の一部を取り出すことを可能とする方向性結合器（Directional Coupler／以下単に「カプラ」と称する）は、携帯電話機や無線ＬＡＮ通信装置など各種の無線通信機器の送信回路を構成する上で不可欠な部品となっている。

例えば、カプラは送信信号のレベルが一定になるように制御する調整手段を構成するが、この調整手段は、利得を制御可能な電力増幅器（以下「ＰＡ」と言う）と、送信信号のレベルを検出するカプラと、自動出力制御回路（以下「ＡＰＣ回路」と言う）を備える。入力された送信信号は、ＰＡによって増幅された後、カプラを通して出力される。カプラは、ＰＡから出力された送信信号のレベルに対応したレベルのモニタ信号をＡＰＣ回路に出力する。ＡＰＣ回路は、モニタ信号のレベル（即ち送信信号のレベル）に応じてＰＡの出力が一定になるようにＰＡの利得を制御する。このようなＰＡのフィードバック制御により送信出力の安定化が図られる。

上記カプラは、電磁界結合するように互いに近接して配置した主線路と副線路を有し、送信信号を伝送する主線路は一端に入力ポートを、他端に出力ポートをそれぞれ備え、送信信号のレベルを検出する副線路は一端に結合ポートを、他端にアイソレーションポートをそれぞれ備えている。そして、主線路を伝送する送信信号の一部が副線路によって取り出され、結合ポートを通じモニタ信号としてＡＰＣ回路へ出力される。

一方、携帯電話機やスマートフォンに代表される携帯端末の通信周波数帯は国や地域ごとに異なるため、これらの周波数事情に柔軟に対応できるよう複数の周波数帯を利用可能な通信装置が近年提供されている。例えば、２つの周波数帯を利用可能なデュアルバンド方式や３つの周波数帯を利用可能なトリプルバンド方式、更には４つの周波数帯を利用可能なクアッドバンド方式等である。

具体的周波数帯としては、例えば、ＧＳＭ（Global System for Mobile Communications/登録商標）８００やＤＣＳ（Digital Communication System）、ＰＣＳ（Personal Communication System）、ＬＴＥ（Long Term Evolution）等の複数周波数帯に１つのコンポーネントで対応可能とするには、７００〜２．７ＧＨｚに亘る広帯域で安定した特性が得られるカプラを実現する必要がある。

また、複数の通信チャネルに対応するためにカプラの広帯域化を図る技術を開示するものとして下記特許文献がある。

特開２００７−１９４８７０号（特許第４５９９３０２号）公報 国際公開２０１０／０８２３４６号公報

ところで、送信信号として主線路を伝搬される電力と、副線路を通じて結合ポートに取り出される電力の比である結合度は、送信電力の高精度の制御（ＰＡの正確なフィードバック制御）を実現する点でその周波数特性は平坦であることが望ましく、一般には主線路と副線路の長さを使用周波数帯のλ／４（四分の一波長）程度に設定すればその周波数帯において平坦な結合度を得ることが出来る。

しかしながら、携帯電話機等の移動体無線機器で主に用いられる準マイクロ波帯のλ／４は数ｃｍにもなり、軽薄短小化が必要な携帯電話機等の移動体無線機器に使用するカプラにこの長さの結合線路を備えることはサイズの点から難しい。また、数ｃｍ以上の長い結合線路を使用すると挿入損失が大きくなり、電池寿命の短縮と言う移動体無線機器にとって好ましくない事態を生じる。このため、使用周波数帯のλ／４よりも短い結合線路のカプラが一般に使用されているが、このような結合線路の特性は周波数によって変動し、周波数が高くなるほど結合度が上昇してしまう傾向がある。

したがって従来、利用周波数帯が広範に及ぶ通信装置を構成する場合には、カプラを複数個備える必要があった。図１３は複数の周波数帯を利用可能な携帯電話機の送受信部の一例を示すブロック図であるが、この図に示すように従来のマルチバンド方式の携帯電話機では、利用周波数帯に対応して設けられた送信回路３０１，４０１のそれぞれにカプラ３１１，４１１を備えている。なお、同図において、符号１０１はアンテナ、１０２はアンテナ１０１を通じて受信した電波を受信回路１０３，１０４へ振り分けるとともに、送信回路３０１，４０１から入力された送信信号をアンテナ１０１に送り出すスイッチをそれぞれ示す。スイッチ１０２は、例えばダイプレクサや高周波スイッチを組み合わせることにより構成される。

一方、このようなマルチバンド方式の通信装置においてカプラを共通化する（例えば１つにする）ことが出来れば、送信回路内の部品点数を減らし、装置の製造コストを低減することが可能となる。また、携帯通信装置のより一層の小型化を図ることも出来る。さらに、カプラの結合度を平坦化することは、送信電力のより簡便かつ検出誤差の少ない制御を行う点で好ましい。

他方、前記特許文献１に記載された発明は、カプラの広帯域化を図るものではある。しかしながらこの発明では、副線路の両端にローパスフィルタとなるコンデンサ等の回路素子を付加するものであるから、カプラを構成する部品（素子）点数が増えるうえに、付加する複数の回路素子の設定や調整が煩雑で難しいと言う問題がある。また、前記特許文献２に記載された発明は、広帯域と言っても精々２０４０〜２２４０ＭＨｚ程度の帯域幅であり（同文献段落００３４参照）、本願発明が意図する７００〜２７００ＭＨｚに亘る帯域幅について適用することは出来ない。

また、出願人は上記のような問題を解決可能な広帯域カプラに関する提案を先に行った（特願２０１２−０８３３７７）。その後出願人はさらに検討を進め、当該先の提案に係るカプラより一層良好な特性を得ることが出来るカプラを完成するに至った。

したがって、本発明の目的は、回路素子を付加することなく簡易な構造で広帯域に亘って良好な特性を有する小型低背なカプラを実現することにある。

前記課題を解決し目的を達成するため、本発明に係るカプラ（方向性結合器）は、高周波信号を伝送可能な主線路と、前記主線路に前記高周波信号を入力する入力ポートと、前記主線路から前記高周波信号を出力する出力ポートと、前記主線路と電磁界結合して前記高周波信号の一部を取り出す副線路と、前記副線路の一方の端部に備えられた結合ポートと、前記副線路の他方の端部に備えられたアイソレーションポートとを備えたカプラであって、前記主線路および前記副線路間で電磁界結合を行う線路部分を結合部、当該電磁界結合を行わない線路部分を非結合部とそれぞれ称した場合に、前記副線路が、電磁界結合が強い第一結合部と、当該第一結合部より電磁界結合が弱い第二結合部と、前記第一結合部と前記第二結合部との間に延在し且つ使用周波数帯に対応した波長λの四分の一以上の長さを有する非結合部である中間線路部とを有する。

本発明では、カップリング曲線（結合度の周波数特性曲線）を平坦化して広範な周波数帯域に使用可能なカプラを実現するが、このために本発明のカプラでは、電磁界結合の強さが異なる２つの結合部（第一結合部および第二結合部）を備え、副線路上のこれら結合部間に使用周波数帯に対応した波長λの四分の一以上の線路長を有する中間線路部を形成する。

そして、後に図面を参照しながら説明するように、下記（１）〜（３）を行うことにより使用周波数帯域内における結合度の周波数変動を抑制し、広帯域に亘って結合度が平坦なカプラを実現する。

（１）結合の強い上記第一結合部の結合強度を調整することによって使用周波数帯の下端周波数において要求される結合度の下限値（例えば後の実施形態では７００ＭＨｚにおける−２７ｄＢ）を満たすようにカプラ全体の結合度を調整する。
（２）結合の弱い上記第二結合部の結合強度を調整することにより使用周波数帯域内においてカップリング曲線を平坦化する。
（３）上記中間線路部の長さを使用周波数帯域内の所定周波数（設定周波数）に対応した波長λの四分の一以上の長さを有するものとすることにより、使用周波数帯の下端周波数より高く且つ使用周波数帯の上端周波数以下の周波数位置に共振による減衰極を形成する。

なお、上記結合部の結合強度を調整には、例えば、結合部の長さ、結合部の線幅、および結合部（主線路の結合部と副線路の結合部）の間隔（平面から見たときの両者間の距離あるいは基板の積層方向の距離）のうちの１つ又は２以上を変更することにより行えば良い。より具体的には、結合を強くするには、結合部の長さを長くすること、線幅を広くすること、および両線路の間隔を狭くすること、のいずれか１つ又は２以上を行えば良く、結合を弱くするには、逆に、結合部の長さを短くすること、線幅を細くすること、および両線路の間隔を広くすること、のいずれか１つ又は２以上を行えば良い。

また、本発明の第一の態様に係るカプラは、前記主線路、副線路、入力ポート、出力ポート、結合ポートおよびアイソレーションポートを、絶縁層を介して積層した複数の導体層を有する積層基板に備えたもので、当該積層基板の第一導体層に主線路を配置し、当該第一導体層より上層の第二導体層に副線路の一部である第一副線路部を配置し、この第一副線路部の一端部を結合ポートおよびアイソレーションポートのうちの一方に接続し、前記第一導体層より下層の第三導体層に副線路の他の一部である第二副線路部を配置し、この第二副線路部の一端部を結合ポートおよびアイソレーションポートのうちの他方に接続し、前記第一副線路部の他端部と前記第二副線路部の他端部とを層間接続導体により電気的に接続し、主線路の少なくとも一部と前記第一副線路部の少なくとも一部とが互いに近接するように配置することにより前記第一結合部および前記第二結合部のうちの一方を形成し、主線路の少なくとも一部と前記第二副線路部の少なくとも一部とが互いに近接するように配置することにより、前記第一結合部および前記第二結合部のうちの他方を形成し、前記第一副線路部の結合部と前記層間接続導体との間に延在する副線路部分である第一中間線路部と、前記第二副線路部の結合部と前記層間接続導体との間に延在する副線路部分である第二中間線路部とにより前記中間線路部を形成する。

上記第一の態様は、複数（３層以上）の導体層を備えた多層基板を用いてカプラを構成するもので、当該態様のカプラ構造によれば、副線路を、主線路を中心として上下２つの導体層に分けて配置し、両副線路部分、すなわち、主線路より上層（第二導体層）に配置した第一副線路部と、主線路より下層（第三導体層）に配置した第二副線路部とで主線路を挟むように主線路と副線路とを電磁界結合させるから、小型低背であるにもかかわらず、主線路と副線路の十分な結合を確保し、且つ２つの結合部（第一結合部と第二結合部）の間に十分な副線路（中間線路部）の線路長をとることができ、この中間線路部の長さをλ／４（四分の一波長）以上の長さにすることによって結合度を平坦化して広範な周波数帯域に使用可能なカプラを実現することが出来る。

なお、上記第一の態様のカプラでは、第一中間線路部の長さと、第二中間線路部の長さとを略等しくすることが好ましい。副線路（中間線路部）の線路長が長くなっても、副線路を半分ずつバランス良く２層に分けて配置することにより、スペース効率良く積層基板内に当該副線路を配置し、良好な特性とともに小型低背化なカプラを得るためである。

また、上記第一の態様のカプラでは、積層基板の積層方向について第一中間線路部と第二中間線路部との間に介在されるようにグランド電極（「中間グランド」と言う）を備えても良い。このような構造によれば、上下に配置した第一中間線路部と第二中間線路部同士が干渉することを防ぐことが出来る。また、この中間グランドは、主線路と同じ導体層（第一導体層）に備えることが積層数を減らし、カプラを低背化する点で好ましい。

上記第一の態様ではさらに、第一中間線路部を覆うように第二導体層より上層にグランド電極（「上部グランド」と言う）を備えても良い。また同様に、第二中間線路部を覆うように第三導体層より下層にグランド電極（「下部グランド」と言う）を備えても良い。

このように主線路と副線路を配置したカプラ本体部（前記第二導体層、第一導体層および第三導体層）の上下面にグランド電極を設ければ、当該カプラを実装したときに、他の実装部品等の影響を受け難くすることができ、所期の良好な特性を実装後にも得ることが出来る。また、これら上部グランド及び下部グランドは、前記結合部への影響を避けるため、共に、平面から見たときに主線路の結合部、第一副線路部の結合部および第二副線路部の結合部と重ならないように形成することが好ましい。

前記第一中間線路部および第二中間線路部は、典型的には、渦巻状にそれぞれ形成する。主線路より長い副線路を積層基板内にスペース効率良く配置するためである。

また上記第一の態様に係るカプラでは、主線路および副線路の好ましい配置形態として、平面から見たときに、主線路の結合部、第一副線路部の結合部、および、第二副線路部の結合部を積層基板の一側縁部に沿って配置するとともに、前記層間接続導体を積層基板の中心部に配置し、第一中間線路部を、積層基板の一側縁部から積層基板の中心部に向け渦を巻くように形成し、第二中間線路部を、積層基板の中心部から積層基板の一側縁部に向って且つ第一中間線路部と同一の回転方向に渦を巻くように形成する。

このような形態によれば、主副両線路を効率良く配置できることに加えて、上下層に重ねて配置する第一中間線路部と第二中間線路部をそれぞれ流れる信号の伝送方向が同一方向となるから、第一中間線路部と第二中間線路部同士が干渉し合って互いに伝送を妨げるような事態が生じることを防ぐことが出来る。

さらに、前記中間線路部（第一中間線路部および第二中間線路部）について、その線幅を結合部（第一結合部および第二結合部のいずれか一方または双方）の線幅より狭くしても良い（次に述べる第二の態様においても同様）。本発明では、副線路は結合部に比べて非結合部（中間線路部）が長くなるが、このように副線路について結合部は線路幅を広く、非結合部は線路幅を狭くすれば、主線路との十分な結合を確保しながら、長い副線路（中間線路部）を小さな面積で収容することが出来る。

本発明の第二の態様に係るカプラは、前記第一の態様に係るカプラと同様に、主線路、副線路、入力ポート、出力ポート、結合ポートおよびアイソレーションポートを、絶縁層を介して積層した複数の導体層を有する積層基板に備えたものであるが、当該積層基板の第一導体層に、主線路と、副線路の一部である第一副線路部とを配置するとともに、主線路の少なくとも一部と第一副線路部の少なくとも一部とを互いに近接して配置することにより前記第二結合部を形成し、第一副線路部の一端部を結合ポートおよびアイソレーションポートのうちの一方に接続する一方、第一導体層とは異なる積層基板内の導体層である第二導体層に、副線路の他の一部である第二副線路部を配置し、この第二副線路部の少なくとも一部を、主線路の少なくとも一部に近接するように配置することにより前記第一結合部を形成し、第二副線路部の一端部を結合ポートおよびアイソレーションポートのうちの他方に接続し、第一副線路部の他端部と第二副線路部の他端部とを層間接続導体により電気的に接続することにより、第一結合部と第二結合部との間に中間線路部を形成する。

この第二の態様によれば、主線路と副線路を含むカプラ本体部を導体層２層（第一導体層と第二導体層）で配置することが出来るから、少なくとも３層の導体層を必要とした前記第一の態様よりさらにカプラの低背化が可能となる。

また、前記第一の態様では、第一結合部と第二結合部を共に層間結合（以下、異なる導体層間での線路同士の結合を「層間結合）と称する）により形成したが、この第二の態様では、第一結合部については前記第一の態様と同様に、強い結合を得る点で有利な層間結合によるものとし、第一結合部より結合を弱くする第二結合部については、同一の導体層（第一導体層）内で主副両線路を近接して配置することにより結合（以下、このような同一の導体層内での線路同士の結合を「層内結合）と称する）を行う。

またこの第二の態様では、中間線路部のうち、第二導体層に配置した線路部分（第二副線路部）についてこれを渦巻状に且つ第一導体層に配置した線路部分（第一副線路部）より長く形成することが出来る。この場合、中間線路部の大部分を第二導体層に配置すること、つまり、中間線路部の大部分を第二副線路部により構成しても良く、このような構成によれば、前記第一の態様の中間グランドのような副線路同士の結合を防ぐグランド電極を第一副線路部と第二副線路部との間に備える必要がなくなる利点がある。

さらに、上記第二の態様においても、前記第一の態様と同様に、次のような各構成（ａ）〜（ｃ）をさらに備えても良い。

（ａ） 第二導体層が積層基板内で第一導体層より下層に位置し、中間線路部のうち第二導体層に配置した線路部分を覆うように第一導体層または第一導体層より上層にグランド電極（上部グランド）を備える。なお、第一導体層より上層に当該上部グランドを配置する場合には、当該上部グランドは、平面から見たときに主線路の結合部、副線路の第一結合部および第二結合部と重ならないように形成することが好ましい。
（ｂ） 第二導体層が積層基板内で第一導体層より下層に位置し、中間線路部のうち第二導体層に配置した線路部分を覆うように第二導体層より下層の導体層にグランド電極（下部グランド）を備える。なお、当該下部グランドも、平面から見たときに主線路の結合部、第一副線路部の結合部および第二副線路部の結合部と重ならないように形成することが好ましい。
（ｃ） 平面から見たときに、主線路の結合部、副線路の第一結合部、および、副線路の第二結合部を積層基板の一側縁部に沿って配置するとともに、前記層間接続導体を積層基板の中心部に配置し、中間線路部のうち第二導体層に配置した線路部分を、積層基板の中心部を中心として渦を巻くように形成する。

本発明に係る無線通信装置は、２以上の周波数帯の送信信号を生成可能で、且つ、これらの送信信号を増幅する電力増幅器と当該電力増幅器の出力を制御する自動出力制御回路とを含む送信回路と、前記２以上の周波数帯の受信信号を処理可能な受信回路と、前記送信信号および受信信号の送受信を行うアンテナと、当該アンテナと前記送信回路および前記受信回路との間に接続され、前記アンテナを通じて受信された受信信号の前記受信回路への伝送および前記送信回路から出力された送信信号の前記アンテナへの伝送を行うスイッチと、前記電力増幅器から出力される送信信号のレベルを検出してその検出信号を前記自動出力制御回路に出力するカプラとを備え、前記カプラから入力された前記検出信号に基づいて前記電力増幅器の出力を制御する無線通信装置であり、前記カプラが、前記アンテナと前記スイッチと間に接続され、且つ、前記本発明に係るいずれかのカプラである。

従来のマルチバンド無線通信装置では、前に述べたように周波数帯ごとにカプラを備える必要があったが、本発明のカプラによれば、広い帯域で結合度を平坦化することが出来るから、上記のようにカプラを一つにする（複数の使用周波数帯に共通のものとする）ことができ、部品点数を減らして製造コストを低減することが出来るとともに、当該通信装置を小型化することが可能となる。

なお、本発明に言う上記無線通信装置は、典型的には、携帯電話機やスマートフォン、無線通信機能を備えたＰＤＡ（Personal Digital Assistants）やタブレット型コンピュータなどの携帯端末装置であるが、これらに限られるものではなく、無線ＬＡＮ用の通信装置やブルートゥース（Bluetooth／登録商標）規格の通信装置などの無線通信が可能な各種の通信装置が含まれる。

本発明によれば、回路素子を付加することなく簡易な構造で広帯域に亘って良好な特性を有する小型低背なカプラを実現することが出来る。

本発明の他の目的、特徴および利点は、図面に基づいて述べる以下の本発明の実施の形態の説明により明らかにする。なお、以下の実施形態の説明では、本発明の前提となる先の提案に基づくカプラについてまず説明し、次に当該先の提案に係るカプラを用いて本発明の基礎となる技術事項について述べ、その後、先の提案に基づくカプラとの比較において本発明の実施形態について説明する。また、各図中、同一の符号は、同一又は相当部分を示す。

図１は、本出願人による先の提案に係るカプラを概念的に示す回路図である。 図２Ａは、前記先の提案に基づくカプラを構成する積層基板の第１層（導体層）を示す平面図である。 図２Ｂは、前記先の提案に基づくカプラを構成する積層基板の第１絶縁層を示す平面図である。 図２Ｃは、前記先の提案に基づくカプラを構成する積層基板の第２層（導体層）を示す平面図である。 図２Ｄは、前記先の提案に基づくカプラを構成する積層基板の第２絶縁層を示す平面図である。 図２Ｅは、前記先の提案に基づくカプラを構成する積層基板の第３層（導体層）を示す平面図である。 図２Ｆは、前記先の提案に基づくカプラを構成する積層基板の第３絶縁層を示す平面図である。 図２Ｇは、前記先の提案に基づくカプラを構成する積層基板の第４層（導体層）を示す平面図である。 図２Ｈは、前記先の提案に基づくカプラを構成する積層基板の第４絶縁層を示す平面図である。 図２Ｉは、前記先の提案に基づくカプラを構成する積層基板の第５層（導体層）を示す平面図である。 図２Ｊは、前記先の提案に基づくカプラを構成する積層基板の第５絶縁層を示す平面図である。 図２Ｋは、前記先の提案に基づくカプラを構成する積層基板の第６層（導体層）を示す平面図（基板裏面側を透視状態で示している）である。 図３は、前記先の提案に基づくカプラの結合度の周波数特性を示す線図である。 図４は、前記先の提案に基づくカプラにおいて、２つの結合部のうちの一方の結合強度を弱めた状態を示す図（積層基板の第４層の平面図）である。 図５Ａは、前記図４のように結合度を弱めた場合におけるカプラの結合度の周波数特性を示す線図である。 図５Ｂは、前記図４のように結合度を弱めた場合におけるカプラの結合度の周波数特性を示す線図である。 図５Ｃは、前記図４のように結合度を弱めた場合におけるカプラの結合度の周波数特性を示す線図である。 図６は、本発明の第１の実施形態に係るカプラを概念的に示す回路図である。 図７Ａは、前記第１実施形態に係るカプラを構成する積層基板の第１層（導体層）を示す平面図である。 図７Ｂは、前記第１実施形態に係るカプラを構成する積層基板の第１絶縁層を示す平面図である。 図７Ｃは、前記第１実施形態に係るカプラを構成する積層基板の第２層（導体層）を示す平面図である。 図７Ｄは、前記第１実施形態に係るカプラを構成する積層基板の第２絶縁層を示す平面図である。 図７Ｅは、前記第１実施形態に係るカプラを構成する積層基板の第３層（導体層）を示す平面図である。 図７Ｆは、前記第１実施形態に係るカプラを構成する積層基板の第３絶縁層を示す平面図である。 図７Ｇは、前記第１実施形態に係るカプラを構成する積層基板の第４層（導体層）を示す平面図である。 図７Ｈは、前記第１実施形態に係るカプラを構成する積層基板の第４絶縁層を示す平面図である。 図７Ｉは、前記第１実施形態に係るカプラを構成する積層基板の第５層（導体層）を示す平面図である。 図７Ｊは、前記第１実施形態に係るカプラを構成する積層基板の第５絶縁層を示す平面図である。 図７Ｋは、前記第１実施形態に係るカプラを構成する積層基板の第６層（導体層）を示す平面図（基板裏面側を透視状態で示している）である。 図８は、前記第１実施形態に係るカプラの結合度の周波数特性を示す線図である。 図９は、本発明の第２の実施形態に係るカプラを概念的に示す回路図である。 図１０Ａは、本発明の第２の実施形態に係るカプラを構成する積層基板の第１層（導体層）を示す平面図である。 図１０Ｂは、前記第２実施形態に係るカプラを構成する積層基板の第１絶縁層を示す平面図である。 図１０Ｃは、前記第２実施形態に係るカプラを構成する積層基板の第２層（導体層）を示す平面図である。 図１０Ｄは、前記第２実施形態に係るカプラを構成する積層基板の第２絶縁層を示す平面図である。 図１０Ｅは、前記第２実施形態に係るカプラを構成する積層基板の第３層（導体層）を示す平面図である。 図１０Ｆは、前記第２実施形態に係るカプラを構成する積層基板の第３絶縁層を示す平面図である。 図１０Ｇは、前記第２実施形態に係るカプラを構成する積層基板の第４層（導体層）を示す平面図（基板裏面側を透視状態で示している）である。 図１１は、前記第２実施形態に係るカプラの結合度の周波数特性を示す線図である。 図１２は、本発明に係るカプラを備えたマルチバンド方式の携帯電話機の構成例を示すブロック図である。 図１３は、従来のマルチバンド方式の携帯電話機の構成例を示すブロック図である。

〔先の提案に係るカプラ〕
図１は、本出願人の先の提案（特願２０１２−０８３３７７）に基づいて構成したカプラ（以下単に「先のカプラ」と言うことがある）を示すものであるが、同図に示すようにこのカプラは、高周波電力を伝送する主線路１２と、当該主線路１２を伝送される高周波電力の一部を取り出す副線路１３とを備え、これら主線路１２と副線路１３を近接して配置することにより両線路１２，１３を電磁界結合させたものである。主線路１２は、一端に入力ポートＰ１を、他端に出力ポートＰ２をそれぞれ有し、副線路１３は、一端に結合ポートＰ３を、他端にアイソレーションポートＰ４をそれぞれ有する。

副線路１３は、異なる導体層に配置し且つビアホール（以下「ビア」と言う）Ｖ１で互いに電気的に接続した第一副線路部１３ａと第二副線路部１３ｂとからなり、副線路１３の一端部と他端部、即ち、第一副線路部１３ａの一端部と第二副線路部１３ｂの一端部の２箇所に主線路１２（主線路の結合部２２）と電磁界結合を行う結合部２３ａ，２４ａをそれぞれ形成する。また、副線路１３の長さは、主線路１２より長く、所定周波数（設定周波数）で共振が生じる長さを有するものとする。詳しくは次のとおりである。

当該カプラ１１は、使用周波数帯を７００ＭＨｚ（下端周波数）〜２．７ＧＨｚ（上端周波数）とし、この使用周波数帯の高域側（上端周波数より高い周波数領域）の近傍位置（本実施形態の場合３．２ＧＨｚ付近）に共振点を発生させて使用周波数帯域内の結合を平坦化する。

図３は当該先のカプラの結合度の周波数特性を示すものであるが、この図に示すように、使用周波数帯７００ＭＨｚ〜２．７ＧＨｚの高域側の設定周波数３．２ＧＨｚに副線路１３の共振による減衰極を生じさせるため、副線路１３の長さを、当該設定周波数３．２ＧＨｚで共振が生じる長さ（例えば当該周波数３．２ＧＨｚに対応する波長をλとし、ｎを正の整数とすると、（λ／４）×ｎの長さ）を有するものとする。なお、主線路１２は、副線路１３の長さより短く、副線路１３との電磁界結合を行うことが出来る（結合部２２を形成できる）長さとすれば良い。

一方、このように従来の一般的なカプラと比べて長い副線路１３を備えても、以下のように主線路１２と副線路１３のパターン形状および積層基板への配置を工夫することにより、カプラの大型化（平面形状の増大や積層数の増加）を招くことなく小型低背なカプラを実現することが出来る。

図２Ａ〜図２Ｋは、当該先の提案に基づいて構成したカプラの基板各層を示すもので、当該カプラは、複数の導体層を備えた長方形の平面形状を有する積層基板の内部配線層（導体層）に前述した主線路、副線路、各ポートおよび各グランドを配置する。なお、これら図２Ａ〜図２Ｋは当該基板の各層を上層（基板表面側）から下層（基板裏面側）に向け順に示している。またこれらの図のうち、図２Ａ、図２Ｃ、図２Ｅ、図２Ｇ、図２Ｉ及び図２Ｋは、導体パターンを配置した導体層（第１層〜第６層）を示し、図２Ｂは第１層と第２層との間の絶縁層（「第１絶縁層」と称する）を示している。また同様に、図２Ｄは第２層と第３層との間の絶縁層（第２絶縁層）を、図２Ｆは第３層と第４層との間の絶縁層（第３絶縁層）を、図２Ｈは第４層と第５層との間の絶縁層（第４絶縁層）を、図２Ｊは第５層と第６層との間の絶縁層（第５絶縁層）をそれぞれ示すものである。なお、後述の実施形態（図７Ａ〜図７Ｋ，図１０Ａ〜図１０Ｇ）についても同様である。

先のカプラでは、図２Ｅに示すように基板の第３層に、主線路１２と入力ポートＰ１と出力ポートＰ２と中間グランドＧ１を備える。入力ポートＰ１は、平面から見たときに当該第３層の左上角部に、出力ポートＰ２は右上角部にそれぞれ配置する。主線路１２は、基板の一側縁部に沿って（当該一側縁と平行に）入力ポートＰ１と出力ポートＰ２との間に直線状に延びる。

主線路１２の中間部２２は、副線路１３と電磁界結合を行う結合部とする。具体的には、当該中間部２２は、後に述べる第４層の第一副線路部１３ａの結合部２３ａならびに第２層の第二副線路部１３ｂの結合部２４ａと平面から見たときに重なるように配置してあり、これにより主線路１２と副線路１３の両端部とを電磁界結合させる。

また、中間グランドＧ１は、後に述べる第一副線路部１３ａの非結合部２３ｂと、第二副線路部１３ｂの非結合部２４ｂとの間に介在されるように、基板の四隅部および主線路を配置した基板一側縁部を除いて当該第３層の略全面に広がるように形成してある。

図２Ｇに示すように第４層には、結合ポートＰ３と第一副線路部１３ａを配置する。結合ポートＰ３は第４層の左下角部に配置し、この結合ポートＰ３を配置した基板の他側縁部から前記一側縁部へ第一副線路部１３ａを引き回し、基板一側縁部の中央部において当該第一副線路部１３ａが、前記第３層に配置した主線路１２と平面から見たときに重なるように配置することにより結合部２３ａを形成する。

そして、第４層において上記結合部２３ａに続いて第一副線路部１３ａを基板中心部へ向け渦巻状に巻き回し、主線路１２とは結合を行わない第一副線路部１３ａの非結合部２３ｂを形成する。基板中心部には第３絶縁層および第２絶縁層を貫通して第２層まで延びるビアＶ１を設け、第４層においてこのビアＶ１に、前記第一副線路部１３ａの非結合部２３ｂを接続する。

図２Ｃに示すように第２層には、アイソレーションポートＰ４と第二副線路部１３ｂを配置する。アイソレーションポートＰ４は第２層の右下角部に配置し、このアイソレーションポートＰ４を配置した基板の他側縁部から前記基板の一側縁部へ第二副線路部１３ｂを引き回し、基板一側縁部の中央部において当該第二副線路部１３ｂが、前記第３層に配置した主線路１２と平面から見たときに重なるように配置することにより結合部２４ａを形成する。

一方、当該第２層の中心部に配置した前記第４層から当該第２層まで延びるビアＶ１から、上記第二副線路部１３ｂの結合部２４ａに向け、次第に外方へ広がるように第二副線路部１３ｂを渦巻状に巻き回すことにより、主線路１２とは結合を行わない第二副線路部１３ｂの非結合部２４ｂを形成する。この第二副線路部１３ｂの非結合部２４ｂは、基板の一側縁部で前記結合部２４ａに続くこととなる。

さらに、図２Ａに示すように第１層には、当該導体層の略全面に広がるグランド電極（上部グランド）Ｇ２を、また、図２Ｉに示すように第５層には、当該導体層の略全面に広がるグランド電極（下部グランド）Ｇ３をそれぞれ設ける。これらのグランド電極Ｇ２，Ｇ３は、実装時に近接して配置される他の部品や部材の影響をカプラ１が受けることを防ぐものである。また、図２Ｋに示すように第６層には外部接続用の端子Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，ＴＧを備える。

〔本発明の基礎となる技術事項〕
先の提案に係る上記カプラによれば、前記図３に示すように、使用周波数帯域内（０．７ＧＨｚ〜２．７ＧＨｚ）における結合度の最小値は０．７ＧＨｚのときの−２６．９３ｄＢ、最大値は１．７ＧＨｚのときの−２３．１９ｄＢで、結合度の変動幅Δは３．７ｄＢとなり、従来から一般に求められてきた変動幅６ｄＢ以下を満たすことは可能である。しかしながら、更なる特性向上を目指した場合、例えば図３において符号Ｓ１で示すような変動幅３ｄＢ以下の要求を満たすことは出来ない。

そこで、本件発明者は更なる検討を重ねる中で、２つの結合部のうちの一方の結合強度を弱めることを試みた。具体的には、図４に示すように、第４層に配置した第一副線路部１３ａの結合部２３ａを基板中心部方向（図４の矢印Ａ方向）へずらすことにより主線路との結合強度を弱めた。

図５Ａ〜図５Ｃはそれぞれ、結合部２３ａを図４の符号２３ａ−１で示す位置、符号２３ａ−２で示す位置、および符号２３ａ−３で示す位置にずらした場合の結合度を示すものである。これらの線図から分かるように、結合を弱めると減衰極が浅くなり、結合を弱める度合い（結合部をずらす量）を大きくすればするほど減衰極がより浅くなってカプラ全体の結合度が平坦になっていく。本発明では、副線路の共振による減衰極を使用周波数帯域内に形成することに加えて、このような結合度の調整によるカップリング曲線の平坦化を利用し、広帯域に亘って結合度が平坦なカプラを実現する。以下、図６〜図１１を参照して本発明の実施形態について説明する。

〔第１実施形態〕
図６に示すように本発明の第１の実施形態に係るカプラ１１は、前記先の提案に基づくカプラ１と同様に、一端に入力ポートＰ１を、他端に出力ポートＰ２をそれぞれ有して高周波電力を伝送する主線路１２と、一端に結合ポートＰ３を、他端にアイソレーションポートＰ４をそれぞれ有して主線路１２を伝送される高周波電力の一部を取り出す副線路１３とを備え、これら主線路１２と副線路１３を近接して配置することにより両線路１２，１３を電磁界結合させたものであるが、副線路１３に含まれる２つの結合部２３ａ，２４ａの結合強度を異なるものとした。

より具体的には、副線路１３は２つ（２箇所）の結合部２３ａ，２４ａを有するが、これらの結合部２３ａ，２４ａの一方を結合が強い第一結合部２４ａとし、他方を結合が弱い第二結合部２３ａとする。なお、この実施形態では、結合ポートＰ３に近い側の結合部２３ａを結合の弱い第二結合部とし、アイソレーションポートＰ４に近い側の結合部２４ａを結合の強い第一結合部としたが、逆に、第一結合部を結合ポートＰ３に近い側に、第二結合部をアイソレーションポートＰ４に近い側に配置しても同様の特性を得ることが出来る。

積層基板への配置構造は、次のとおりである。なお、本実施形態に係るカプラ１１は、第２層（図７Ｃ）および第４層（図７Ｇ）のパターンのみが前記図２Ａ〜図２Ｋに示した先のカプラ１と相違し、他の層は同一の構造を有する。

図７Ｅに示すように本実施形態のカプラ１１では、前記先のカプラ１と同様に、積層基板の第３層に主線路１２、入力ポートＰ１、出力ポートＰ２および中間グランドＧ１を備えるが、主線路１２は、後に述べる第２層の第二副線路部１３ｂの結合部２４ａと平面から見たときに重なるように配置するとともに、後に述べる第４層の第一副線路部１３ａの結合部２３ａと平面から見たときに近接するように配置してあり、これにより主線路１２と副線路１３の両端部とを電磁界結合させる。

一方、中間グランドＧ１は、後に述べる第一副線路部１３ａの非結合部（中間線路部）２３ｂと、第二副線路部１３ｂの非結合部（中間線路部）２４ｂとの間に介在されるように、基板の四隅部および主線路１２を配置した基板の一側縁部を除いて当該第３層の略全面に広がるように形成してある。

図７Ｇに示すように第４層には、結合ポートＰ３と第一副線路部１３ａを配置する。前記先のカプラ１（図２Ｇ）と同様に、結合ポートＰ３は第４層の左下角部に配置し、この結合ポートＰ３を配置した基板の他側縁部から前記一側縁部へ第一副線路部１３ａを引き回し、基板一側縁部の中央部において当該第一副線路部を、前記第３層に配置した主線路１２に近接させることにより結合部（第二結合部）２３ａを形成する。

ただし、この第二結合部２３ａは、先のカプラ１（図２Ｇ）と異なり、平面から見たときに主線路１２と重なっておらず、基板中心部方向（矢印Ａ参照）へずらして配置してある。このため、先のカプラ１（主線路１２と丁度重なるように配置した場合）と比べて、あるいは後に述べる第２層の第一結合部２４ａと比べて主線路１２との結合が弱い。

そして、第４層において上記第二結合部２３ａに続いて第一副線路部１３ａを基板中心部へ向け渦巻状に巻き回し、主線路１２とは結合を行わない第一副線路部１３ａの非結合部２３ｂを形成する。この非結合部２３ｂは、後に述べる第二副線路部１３ｂの非結合部２４ｂと共に本発明に言う中間線路部を構成する。基板中心部には第３絶縁層、第３層および第２絶縁層を貫通して第２層まで延びるビアＶ１を設け、第４層においてこのビアＶ１に、上記第一副線路部１３ａの非結合部２３ｂの端部を接続する。

図７Ｃに示すように第２層には、アイソレーションポートＰ４と第二副線路部１３ｂを配置する。具体的には、先のカプラ１（図２Ｃ）と同様に、アイソレーションポートＰ４は第２層の右下角部に配置し、このアイソレーションポートＰ４を配置した基板の他側縁部から前記基板の一側縁部へ第二副線路部１３ｂを引き回し、基板一側縁部の中央部において当該第二副線路部１３ｂが、前記第３層に配した主線路１２と平面から見たときに重なるように配置することにより結合部（第一結合部）２４ａを形成する。

この第一結合部２４ａは、第４層の結合部（第二結合部）２３ａに比べて主線路１２との結合強度が強く、また先のカプラ１（図２Ｃ）と比べてもその長さが長く、主線路１２の略全長と重なり合うから先のカプラ１の結合部２４ａ（図２Ｃ）より強い結合が得られる。したがって、本実施形態では、結合部の一方（第二結合部２３ａ）について主線路１２との結合を弱めても、カプラ全体としては主線路１２−副線路１３間の十分な結合を確保することが可能である。

なお、主線路１２（結合部２２）、副線路１３の第一結合部２４ａおよび第二結合部２３ａは、いずれも副線路１３の非結合部（中間線路部）２３ｂ，２４ｂに比べて線路幅が広く、副線路１３の非結合部（中間線路部）２３ｂ，２４ｂは結合部２２，２３ａ，２４ａと比べて線路幅が狭い。これは、結合部２２，２３ａ，２４ａについては、短い線路長で効率良く結合を行う（強い結合を得る）一方で、線路長が長くなる中間線路部については、線路幅を狭くして小さな面積で長い線路を収容できるようにするためである。また、同様にスペース効率の点から、本実施形態では、第一副線路部１３ａと第二副線路部１３ｂは略同一の長さを有するものとし、長い副線路１３（中間線路部２３ｂ，２４ｂ）を２つの層（第４層と第２層）に均等に分けて配置している。

一方、第２層において基板中心部に配置した前記第４層から当該第２層まで延びるビアＶ１から、第二副線路部１３ｂの結合部２４ａに向け、次第に外方へ広がるように第二副線路部１３ｂを渦巻状に巻き回すことにより、主線路１２とは結合を行わない第二副線路部１３ｂの非結合部２４ｂを形成する。この第二副線路部１３ｂの非結合部２４ｂは、基板の一側縁部で前記結合部２４ａに連続することとなる。また、当該第二副線路部１３ｂの非結合部２４ｂは、前記第４層の第一副線路部１３ａの非結合部２３ｂとビアＶ１を介して電気的に接続されることにより、本発明に言う中間線路部を構成する。

この中間線路部は、使用周波数帯域内の設定周波数に対応した波長λの四分の一以上の長さを有するものとすることにより、共振を生じさせ、当該使用周波数帯域内に共振点（減衰極）を形成する。上記設定周波数としては、使用周波数帯域（本実施形態の場合、７００ＭＨｚ〜２．７ＧＨｚ）内で且つ上端周波数（本実施形態の場合、２．７ＧＨｚ）に近い周波数（例えば２．３ＧＨｚ付近）とすれば良い。なお、この点については、本発明に係るカプラの設計方法として、後にさらに詳しく述べる。

また、上記第二副線路部１３ｂを巻き回す方向（第一副線路部１３ａと接続されるビアＶ１から結合部２４ａへ向かう回転方向）は、前記第一副線路部１３ａの回転方向（結合部２３ａから第二副線路部１３ｂと接続されるビアＶ１に向かう回転方向）と同一の方向（図示の例の場合時計回り）としてある。これは、２層に分けて配置し且つ平面から見たときに略重なり合っている第一副線路部１３ａの非結合部２３ｂと、第二副線路部１３ｂの非結合部２４ｂとが互いに干渉する（相互に信号伝送を阻害する）ことを防ぐためである。また同様に、このような副線路１３の非結合部（中間線路部）２３ｂ，２４ｂ同士の干渉を防ぐため、本実施形態では、第一副線路部１３ａの非結合部２３ｂと第二副線路部１３ｂの非結合部２４ｂとの間に介在されるように前記中間グランドＧ１を第３層に備えている。

また、図７Ａに示すように第１層には、当該導体層の略全面に広がるグランド電極（上部グランド）Ｇ２を設ける。この上部グランドＧ２は、実装時に近接して配置される他の部品や部材の影響をカプラ１１が受けることを防ぐもので、平面から見たときに前記結合部２２，２３ａ，２４ａを配置した領域Ｂを避けつつ副線路１３の非結合部（中間線路部）２３ｂ，２４ｂを覆うように形成する。

さらに、図７Ｉに示すように第５層には、当該導体層の略全面に広がるグランド電極（下部グランド）Ｇ３を備える。この下部グランドＧ３も上部グランドＧ２と同様に、平面から見たときに前記結合部２２，２３ａ，２４ａを配置した領域Ｂを避けながら副線路１３の非結合部（中間線路部）２３ｂ，２４ｂを覆うように形成する。

また、図７Ｋに示すように第６層には外部接続用の端子Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，ＴＧを備える。すなわち、前記各ポートＰ１〜Ｐ４の配置位置に対応するように（これらＰ１〜Ｐ４の各直下位置に）、外部接続端子Ｔ１〜Ｔ４を配置し、基板を垂直に貫通するビアＶを介してこれら外部接続端子Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４と前記入力ポートＰ１，出力ポートＰ２，結合ポートＰ３，アイソレーションポートＰ４をそれぞれ接続する。

第６層の基板側縁部中央に備えた外部接続端子ＴＧは、グランド電極（上部グランドＧ２，中間グランドＧ１，下部グランドＧ３）用の端子であり、当該グランド用端子ＴＧと第５層の下部グランドＧ３とをビアＶを介して接続する。また、第３層の中間グランドＧ１は、第３絶縁層、第４層及び第４絶縁層（図７Ｆ〜図７Ｈ）を垂直に貫通するように基板中心部に設けたビアＶにより第５層の下部グランドＧ３に接続し、この下部グランドＧ３を介してグランド端子ＴＧに接続を行う。さらに、第１層の上部グランドＧ２は、第１絶縁層、第２層及び第２絶縁層（図７Ｂ〜図７Ｄ）を垂直に貫通するように基板中心部に設けたビアＶにより第３層の中間グランドＧ１に接続することにより、中間グランドＧ１及び下部グランドＧ３を介してグランド端子ＴＧに接続を行う。

図８は、本実施形態のカプラの結合度の周波数特性を示す線図である。この図から分かるように本実施形態によれば、使用周波数帯域内（７００ＭＨｚ〜２．７ＧＨｚ）における結合度の最小値は７００ＭＨｚのときの−２６．６８ｄＢ、最大値は２．７ＧＨｚのときの−２４．４２ｄＢで、結合度の変動幅Δは２．２６ｄＢとなり、変動幅３ｄＢ以下の要求を満たすことが可能となった。

図８を参照しながら、本発明に係るカプラの設計方法について説明する。なお、図８において、点Ｘ１〜Ｘ４はカップリング曲線上の点で、Ｘ１は使用周波数帯の下端周波数における結合度を、Ｘ２は使用周波数帯域内における結合度の極大値を、Ｘ３は使用周波数帯域内における結合度の極小値（減衰極）を、Ｘ４は使用周波数帯の上端周波数における結合度をそれぞれ示しており、これら点が要求仕様Ｓ１を満たすように下記（１）〜（３）の操作を行えば良い。

（１）結合が強い第一結合部２４ａの結合強度を調整することによって使用周波数帯の下端周波数（実施形態では７００ＭＨｚ）における結合度の下限要求値（実施形態では−２７ｄＢ）を満たすようにカプラ全体の結合度を調整し、点Ｘ１が当該下限要求値を下回らないようにする。
（２）結合の弱い第二結合部２３ａの結合強度を調整することにより使用周波数帯域（実施形態では７００ＭＨｚ〜２．７ＧＨｚ）内におけるカップリング曲線の平坦化を図る。このとき、減衰極Ｘ３の深さ（結合度の値）が前記Ｘ１と略等しくなるように（実施形態では略−２７ｄＢとなるように）当該第二結合部２３ａの結合度の調整を行い、カップリング曲線を平坦化する。

なお、第二結合部２３ａの結合強度を下げると点Ｘ１も多少低下するが、カプラ全体としては結合が強い第一結合部２４ａの結合度が支配的となっているから、当該低下分は小さく、点Ｘ１の位置に対する影響は少ない（第一結合部２４ａによる点Ｘ１の調整時に多少の余裕を持たせるか、第一結合部２４ａを再度調整すれば良い）。

（３）中間線路部の長さ（非結合部２３ｂと非結合部２４ｂの合計長さ）を使用周波数帯域（７００ＭＨｚ〜２．７ＧＨｚ）内の所定周波数（設定周波数：例えば２．３ＧＨｚ付近）に対応した波長λの四分の一以上の長さを有するものとすることにより、使用周波数帯の下端周波数（７００ＭＨｚ）より高く且つ使用周波数帯の上端周波数（２．７ＧＨｚ）以下の周波数位置に共振点（カップリング曲線における減衰極）Ｘ３を形成する。

なお、上記減衰極Ｘ３は、中間線路部の長さを長くするほど低周波数側に移動するが、減衰極Ｘ３が低周波数側に行き過ぎると、上端周波数における結合度が大きくなって点Ｘ４が上端周波数（２．７ＧＨｚ）における上限要求値（−２４ｄＢ）を超えてしまうから、当該共振による減衰極Ｘ３は使用周波数帯の中心周波数（実施形態の場合１．７ＧＨｚ）より高域側に位置せしめることが好ましく、使用周波数帯域内における結合度の極大値Ｘ２と、上端周波数における結合度Ｘ４とが略等しくなるように上記中間線路部の長さを調整することが好ましい。

〔第２実施形態〕
図９に示すように本発明の第２の実施形態に係るカプラ２１は、前記第１実施形態のカプラ１１と同様に、主線路１２、副線路１３、入力ポートＰ１、出力ポートＰ２、結合ポートＰ３およびアイソレーションポートＰ４を備え、副線路１３に主線路１２との結合強度が異なる２つの結合部（第一結合部２４ａと第二結合部２３ａ）を設けたものであるが、結合の弱い第二結合部２３ａを主線路１２と同一の導体層に配置して層内結合を行う。

また、第１実施形態では中間線路部を２つの導体層に略半分ずつ分けて配置したが、本実施形態では、一つの導体層に中間線路部の略全長が収まるように配置する。なお、本実施形態では、結合の弱い第二結合部２３ａを結合ポートＰ３に近い側に、結合の強い第一結合部２４ａをアイソレーションポートＰ４に近い側に配置したが、これとは逆に、第一結合部２４ａを結合ポートＰ３に近い側に、第二結合部２３ａをアイソレーションポートＰ４に近い側に配置しても良いことは、前記第１実施形態と同様である。

本実施形態の積層基板への具体的な配置構造は、次のとおりである。
図１０Ａに示すように、積層基板の第１層には、前記第１実施形態と同様に基板一側縁部に入力ポートＰ１と出力ポートＰ２を配置し、これらの間に延びる主線路１２を備えるが、さらに、結合ポートＰ３と、第一副線路部１３ａと、上部グランドＧ２を配置する。

結合ポートＰ３は第１層の左下角部に配置し、この結合ポートＰ３を配置した基板の他側縁部から前記基板一側縁部へ第一副線路部１３ａを引き回し、基板一側縁部に沿って延びる主線路１２に平行に且つ近接して延びるように当該第一副線路部１３ａを配置することにより、主線路１２との結合（層内結合）を行う。この主線路１２と平行に延びる第一副線路部１３ａの線路部分は、後に述べる第一結合部２４ａより結合が弱い第二結合部２３ａを形成するもので、互いに並行する当該第二結合部２３ａと主線路１２との距離を調整することにより第二結合部２３ａの結合強度を調整することが可能である。

そして、上記第二結合部２３ａから基板の中心部に向け第一副線路部１３ａを引き回し、基板中心部に備えたビアＶ１に当該第一副線路部１３ａを接続する。このビアＶ１は、第１絶縁層を貫通して第２層まで延びており、第２層において第二副線路部１３ｂに接続する。

また、上部グランドＧ２は、主線路１２や第二結合部２３ａを配置した基板一側縁部、基板角部に配置した結合ポートＰ３やビアＶ、並びに、基板中央のビアＶ１と第二結合部２３ａとを接続する第一副線路部１３ａの非結合部２３ｂを除いて第１層の略全面に広がるように形成してある。この上部グランドＧ２は、前記第１実施形態の上部グランドＧ２と同様の機能を果たすものである（後述の下部グランドＧ３についても同様）。

図１０Ｃに示すように第２層には、アイソレーションポートＰ４と第二副線路部１３ｂを配置する。アイソレーションポートＰ４は、第２層の右下角部に配置し、このアイソレーションポートＰ４を配置した基板の他側縁部から前記基板一側縁部へ第二副線路部１３ｂを引き回し、基板一側縁部において当該第二副線路部１３ｂが、前記第１層に配した主線路１２と平面から見たときに重なるように配置することにより第一結合部２４ａを形成する。

そして、第一結合部２４ａに続いて、基板中心部のビアＶ１に向けて第二副線路部１３ｂを渦巻状に巻き回す。この渦巻状の線路部分は、前記第一結合部２４ａと基板中心部のビアＶ１とを接続し、前記第１層の第二結合部２３ａとビアＶ１とを接続する第一副線路部の非結合部２３ｂと電気的に接続されて当該第１層の非結合部２３ｂとともに中間線路部を構成するものである。

また、図１０Ｅに示すように第３層には、前記第１実施形態の第５層と同様に下部グランドＧ３を備え、図１０Ｇに示すように第４層には、前記第１実施形態の第６層と同様に外部接続用の端子Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，ＴＧを備える。また、上部グランドＧ２および下部グランドＧ３とグランド端子ＴＧとの接続、ならびに、各ポートＰ１〜Ｐ４と外部接続端子Ｔ１〜Ｔ４との接続は、絶縁層を貫通して基板の積層方向に延びるビアＶを介して行う。

図１１は、本実施形態のカプラ２１の結合度の周波数特性を示す線図である。この図から分かるように本実施形態によれば、使用周波数帯域内（７００ＭＨｚ〜２．７ＧＨｚ）における結合度の最小値は７００ＭＨｚのときの−２６．７７ｄＢ、最大値は１．３ＧＨｚのときの−２４．５１ｄＢで、結合度の変動幅Δは２．２６ｄＢとなり、変動幅３ｄＢ以下の要求を満たすことが出来る。

さらに、本実施形態のカプラ２１によれば、第二結合部２３ａは層内結合であるから主線路１２を副線路１３で上下から挟む必要がない（第一副線路部１３ａを主線路１２と同層に配置することが出来る）うえに、上下に配置した副線路同士（中間線路部同士）の干渉を防ぐ中間グランドＧ１を省くことが出来るから、積層数が少なくて済み、第１実施形態よりカプラを低背化することが可能である。

〔マルチバンド無線通信装置〕
上記各実施形態によれば、結合度を広帯域に亘って平坦化することが出来るから、マルチバンド方式の無線通信装置におけるカプラの配設個数を減らすことが可能となる。

例えば、８００ＭＨｚ帯と２ＧＨｚ帯の２つの通信周波数帯を利用可能なデュアルバンド方式の携帯電話機を構成することを考えた場合、従来であれば８００ＭＨｚ帯と２ＧＨｚ帯とでは結合度が大きく変動してしまうため、各周波数帯（８００ＭＨｚ帯と２ＧＨｚ帯）でそれぞれ結合度がほぼ等しくなるように調整した２つのカプラを各周波数帯の送信回路に各々設ける必要があったが（前記図１３参照）、本実施形態によれば両周波数帯（８００ＭＨｚ帯と２ＧＨｚ帯）に亘って結合度を平坦にすることが出来るから、共通のカプラを１つ設ければ良く、部品点数を減らして送信回路を単純化することが出来る。

具体的には、図１２に示すように本発明によれば、アンテナ１０１とスイッチ１０２との間にカプラ１１（又は２１）を１つ設ければ良く、従来（図１３）と比べて送信回路２０１を簡素化することが出来る。

なお、ＰＡ２０２は第一の通信周波数帯（この例では８００ＭＨｚ帯）の送信信号を増幅し、ＰＡ２０３は第二の通信周波数帯（この例では２ＧＨｚ帯）の送信信号を増幅する。カプラ１１（又は２１）により得られたモニタ信号（送信信号のレベルに対応した信号）はＡＰＣ回路２０４に入力され、ＡＰＣ回路２０４が当該モニタ信号のレベル（即ち送信信号のレベル）に応じてＰＡ２０２およびＰＡ２０３の出力が一定になるようにＰＡ２０２とＰＡ２０３の利得を制御する。また、スイッチ１０２は、アンテナ１０１を通じて受信した電波を受信回路１０３，１０４へ振り分けるとともに、送信回路２０１から入力された送信信号をアンテナ１０１に送り出す機能を果たすもので、例えばダイプレクサや高周波スイッチを組み合わせることにより構成すれば良い。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内で種々の変更を行うことができることは当業者に明らかである。

例えば、本願明細書中において記載した周波数の数値は、一例を示すものであって、本発明ではこれら以外にも様々なものであって良い。また、使用周波数帯域内における減衰極の形成位置（設定周波数）についても、使用周波数帯の値（下端周波数の値や上端周波数の値）、帯域幅、要求される仕様等により上記以外の様々な値をとることがある。

また、積層基板の層番号（例えば「第１層」、「第１導体層」、「第２層」…）は、積層の順序（積層方向に関する相対的な位置関係）を表すものであって、必ずしも第１層が当該積層基板の最上層であることを意味するものではない（例えば第１層の上に更に絶縁層や導体層が積層されていても構わない）。さらに、基板各層の導体パターンの形状や大きさ、ポートＰ１〜Ｐ４や端子Ｔ１〜Ｔ４，ＴＧの位置、ビアＶ，Ｖ１による接続構造等も図示した以外にも特許請求の範囲内で様々な変更が可能である。

１，１１，２１ カプラ（方向性結合器）
１２ 主線路
１３ 副線路
１３ａ 第一副線路部
１３ｂ 第二副線路部
２２ 主線路の結合部
２３ａ，２４ａ 副線路の結合部
２３ｂ，２４ｂ 副線路の非結合部（中間線路部）
１０１ アンテナ
１０２ スイッチ
１０３，１０４ 受信回路
２０１，３０１，４０１ 送信回路
２０２，２０３，３０２，４０２ ＰＡ（電力増幅器）
２０４，３０３，４０３ ＡＰＣ回路（自動出力制御回路）
Ｇ１ 中間グランド
Ｇ２ 上部グランド
Ｇ３ 下部グランド
Ｐ１ 入力ポート
Ｐ２ 出力ポート
Ｐ３ 結合ポート
Ｐ４ アイソレーションポート
Ｓ１ 要求仕様
Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，ＴＧ 外部接続用端子
Ｖ，Ｖ１ ビアホール
Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４ カップリング曲線上の点

Claims (22)

1. 高周波信号を伝送可能な主線路と、
   前記主線路に前記高周波信号を入力する入力ポートと、
   前記主線路から前記高周波信号を出力する出力ポートと、
   前記主線路と電磁界結合して前記高周波信号の一部を取り出す副線路と、
   前記副線路の一方の端部に備えられた結合ポートと、
   前記副線路の他方の端部に備えられたアイソレーションポートと
   を備えた方向性結合器であって、
   前記主線路および前記副線路間で電磁界結合を行う線路部分を結合部、当該電磁界結合を行わない線路部分を非結合部とそれぞれ称した場合に、
   前記副線路が、
   電磁界結合が強い第一結合部と、
   当該第一結合部より電磁界結合が弱い第二結合部と、
   前記第一結合部と前記第二結合部との間に延在し且つ使用周波数帯に対応した波長λの四分の一以上の長さを有する非結合部である中間線路部と
   を有する
   ことを特徴とする方向性結合器。
2. 前記中間線路部を備えることにより、使用周波数帯の下端周波数より高く且つ使用周波数帯の上端周波数以下の周波数位置に共振点を形成した
   請求項１に記載の方向性結合器。
3. 前記共振点を、前記使用周波数帯の中心周波数以上で上端周波数以下の周波数位置に形成した
   請求項２に記載の方向性結合器。
4. 絶縁層を介して積層した複数の導体層を有する積層基板に、前記主線路、前記副線路、前記入力ポート、前記出力ポート、前記結合ポート、および、前記アイソレーションポートを備えた請求項１または２に記載の方向性結合器であって、
   前記積層基板の第一導体層に、前記主線路を配置し、
   前記第一導体層より上層の第二導体層に、前記副線路の一部である第一副線路部を配置し、
   この第一副線路部の一端部を前記結合ポートおよび前記アイソレーションポートのうちの一方に接続し、
   前記第一導体層より下層の第三導体層に、前記副線路の他の一部である第二副線路部を配置し、
   この第二副線路部の一端部を前記結合ポートおよび前記アイソレーションポートのうちの他方に接続し、
   前記第一副線路部の他端部と前記第二副線路部の他端部とを層間接続導体により電気的に接続し、
   前記主線路の少なくとも一部と前記第一副線路部の少なくとも一部とが互いに近接するように配置することにより、前記第一結合部および前記第二結合部のうちの一方を形成し、
   前記主線路の少なくとも一部と前記第二副線路部の少なくとも一部とが互いに近接するように配置することにより、前記第一結合部および前記第二結合部のうちの他方を形成し、
   前記第一副線路部の結合部と前記層間接続導体との間に延在する副線路部分である第一中間線路部と、前記第二副線路部の結合部と前記層間接続導体との間に延在する副線路部分である第二中間線路部とにより、前記中間線路部を形成した
   方向性結合器。
5. 前記積層基板の積層方向について前記第一中間線路部と前記第二中間線路部との間に介在されるように配置したグランド電極である中間グランドを備えた
   請求項３に記載の方向性結合器。
6. 前記中間グランドを、前記第一導体層に配置した
   請求項５に記載の方向性結合器。
7. 前記第一中間線路部を覆うように前記第二導体層より上層に配置したグランド電極である上部グランドを備えた
   請求項４から６のいずれか一項に記載の方向性結合器。
8. 前記上部グランドは、平面から見たときに前記主線路の結合部、第一副線路部の結合部および第二副線路部の結合部と重ならないように形成してある
   請求項７に記載の方向性結合器。
9. 前記第二中間線路部を覆うように前記第三導体層より下層に配置したグランド電極である下部グランドを備えた
   請求項４から８のいずれか一項に記載の方向性結合器。
10. 前記下部グランドは、平面から見たときに前記主線路の結合部、第一副線路部の結合部および第二副線路部の結合部と重ならないように形成してある
    請求項９に記載の方向性結合器。
11. 前記第一中間線路部の長さと、前記第二中間線路部の長さとが略等しい
    請求項４から１０のいずれか一項に記載の方向性結合器。
12. 前記第一中間線路部および前記第二中間線路部を、渦巻状にそれぞれ形成した
    請求項４から１１のいずれか一項に記載の方向性結合器。
13. 平面から見たときに、
    前記主線路の結合部、前記第一副線路部の結合部、および、前記第二副線路部の結合部を前記積層基板の一側縁部に沿って配置するとともに、
    前記層間接続導体を前記積層基板の中心部に配置し、
    前記第一中間線路部を、前記積層基板の一側縁部から前記積層基板の中心部に向け渦を巻くように形成し、
    前記第二中間線路部を、前記積層基板の中心部から前記積層基板の一側縁部に向って且つ前記第一中間線路部と同一の回転方向に渦を巻くように形成した
    請求項１２に記載の方向性結合器。
14. 絶縁層を介して積層した複数の導体層を有する積層基板に、前記主線路、前記副線路、前記入力ポート、前記出力ポート、前記結合ポート、および、前記アイソレーションポートを備えた請求項１または２に記載の方向性結合器であって、
    前記積層基板の第一導体層に、前記主線路と、前記副線路の一部である第一副線路部とを配置するとともに、当該主線路の少なくとも一部と当該第一副線路部の少なくとも一部とを互いに近接して配置することにより前記第二結合部を形成し、
    前記第一副線路部の一端部を前記結合ポートおよび前記アイソレーションポートのうちの一方に接続する一方、
    前記第一導体層とは異なる前記積層基板内の導体層である第二導体層に、前記副線路の他の一部である第二副線路部を配置し、
    この第二副線路部の少なくとも一部を、前記主線路の少なくとも一部に近接するように配置することにより前記第一結合部を形成し、
    前記第二副線路部の一端部を前記結合ポートおよび前記アイソレーションポートのうちの他方に接続し、
    前記第一副線路部の他端部と前記第二副線路部の他端部とを層間接続導体により電気的に接続することにより、前記第一結合部と前記第二結合部との間に、前記中間線路部を形成した
    方向性結合器。
15. 前記第二導体層は、前記積層基板内で前記第一導体層より下層に位置し、
    前記中間線路部のうち前記第二導体層に配置した線路部分を覆うように前記第一導体層または前記第一導体層より上層に形成したグランド電極である上部グランドを備えた
    請求項１４に記載の方向性結合器。
16. 前記上部グランドは、前記積層基板内において前記第一導体層より上層に配置され、且つ、平面から見たときに前記主線路の結合部、前記副線路の前記第一結合部および前記第二結合部と重ならないように形成してある
    請求項１５に記載の方向性結合器。
17. 前記第二導体層は、前記積層基板内で前記第一導体層より下層に位置し、
    前記中間線路部のうち前記第二導体層に配置した線路部分を覆うように前記第二導体層より下層の導体層に形成したグランド電極である下部グランドを備えた
    請求項１４から１６のいずれか一項に記載の方向性結合器。
18. 前記下部グランドは、平面から見たときに前記主線路の結合部、第一副線路部の結合部および第二副線路部の結合部と重ならないように形成してある
    請求項１７に記載の方向性結合器。
19. 前記中間線路部のうち、前記第二導体層に配置した線路部分は、前記第一導体層に配置した線路部分より長く且つ渦巻状に形成してある
    請求項１４から１８のいずれか一項に記載の方向性結合器。
20. 平面から見たときに、
    前記主線路の結合部、前記副線路の前記第一結合部、および、前記副線路の前記第二結合部を前記積層基板の一側縁部に沿って配置するとともに、
    前記層間接続導体を前記積層基板の中心部に配置し、
    前記中間線路部のうち前記第二導体層に配置した線路部分を、前記積層基板の中心部を中心として渦を巻くように形成した
    請求項１９に記載の方向性結合器。
21. 前記中間線路部の線路幅が、前記第一結合部および前記第二結合部のいずれか一方または双方の線路幅より狭い
    請求項１から２０のいずれか一項に記載の方向性結合器。
22. ２以上の周波数帯の送信信号を生成可能で、且つ、これらの送信信号を増幅する電力増幅器と当該電力増幅器の出力を制御する自動出力制御回路とを含む送信回路と、
    前記２以上の周波数帯の受信信号を処理可能な受信回路と、
    前記送信信号および受信信号の送受信を行うアンテナと、
    当該アンテナと、前記送信回路および前記受信回路との間に接続され、前記アンテナを通じて受信された受信信号の前記受信回路への伝送および前記送信回路から出力された送信信号の前記アンテナへの伝送を行うスイッチと、
    前記電力増幅器から出力される送信信号のレベルを検出してその検出信号を前記自動出力制御回路に出力する方向性結合器と
    を備え、
    前記方向性結合器から入力された前記検出信号に基づいて前記電力増幅器の出力を制御する無線通信装置であって、
    前記方向性結合器は、前記アンテナと前記スイッチと間に接続され、且つ、前記請求項１から２１のいずれか一項に記載の方向性結合器である
    ことを特徴とする無線通信装置。

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