JP2014155054A

JP2014155054A - 方向性結合器

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Publication number: JP2014155054A
Application number: JP2013023343A
Authority: JP
Inventors: Hidenori Ishibashi; 秀則石橋; Yukihiro Tawara; 志浩田原; Hidenori Yugawa; 秀憲湯川; Satoru Owada; 哲大和田; Manabu Kurihara; 学栗原
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-02-08
Filing date: 2013-02-08
Publication date: 2014-08-25
Anticipated expiration: 2033-02-08
Also published as: JP6080584B2

Abstract

【課題】使用周波数帯域内の結合偏差を低減させる小型な方向性結合器を提供する。
【解決手段】方向性結合器は、第１の結合線路１０の第１の出力ポート１２と、第２の結合線路２０の第２の入力ポート２１が接続され、第１の結合線路１０の第１のアイソレーションポート１４と、第２の結合線路２０の第２の結合ポート２３が接続された方向性結合器において、第１のアイソレーションポート１４と第２の結合ポート２３の間に、電気長を使用周波数帯域の中心周波数の１／２波長としたオープンスタブ３０を備える。また、第１の結合線路１０と第２の結合線路２０の合計した電気長を、使用周波数帯域の中心周波数の１／４波長よりも短くする。
【選択図】図１

Description

本発明は、主に電力モニタ等に利用され、使用周波数帯域内の結合偏差を低減される方向性結合器に関する。

一般的に、方向性結合器は、高周波機器の電力モニタ等に使用される。
高周波機器の小型化に伴い、方向性結合器も小型であることが要求される。
しかし、一般的な方向性結合器は、結合線路の電気長が、使用周波数帯域内の中心周波数の１／４波長であることが必要であり、小型化が困難であった。
そこで、従来の方向性結合器では、結合線路を短くする分、密結合にして結合度を調整する構成（下記特許文献１参照）や、結合線路の主線路間および副線路間に、非結合線路を設ける構成（下記特許文献２参照）が提案されている。

特開平１０−２３３６０７号公報特開２００６−３３３１７２号公報

しかし、特許文献１で示されるような構成では、周波数が高くなるに従い結合度も高くなる特性を示す為、結合偏差が大きくなってしまうという課題があった。
その為、製造誤差等により、仕様から外れてしまい、製造歩留りが悪くなる。
また、結合度を平坦にする為に、結合線路をスパイラルにする構成も提案されているが、結合偏差を平坦にする為には、使用周波数帯域内の中心周波数の１／４波長の長さを必要とし、小型化することができないという課題があった。
さらに、小型化する為に、結合線路を屈曲させると、結合度特性に悪影響を及ぼす可能性がある為、屈曲形状に一定の制限があり、設計の自由度が低くなる。
一方、特許文献２で示されるような、結合線路の主線路間および副線路間に、非結合線路を設ける構成では、結合度は平坦にできるが、主線路側と副線路側の両方に非結合線路が必要である為、小型化できないという課題があった。

本発明は、前述したような従来の技術が有する課題に鑑みてなされたものであって、使用周波数帯域内の結合偏差を低減させる小型な方向性結合器を提供することを目的とする。

本発明の方向性結合器は、第１の結合線路の第１の主線路と第２の結合線路の第２の主線路が接続され、第１の結合線路の第１の副線路と第２の結合線路の第２の副線路が接続された方向性結合器において、第１の主線路と第２の主線路の間、または、第１の副線路と第２の副線路の間に、位相調整回路を備えており、第１の結合線路と第２の結合線路の合計した電気長が、使用周波数帯域の１／４波長よりも短いことを特徴とする。

本発明によれば、第１の結合線路の第１の主線路と第２の結合線路の第２の主線路の間、または、第１の結合線路の第１の副線路と第２の結合線路の第２の副線路の間に、位相調整回路を備えることにより、使用周波数帯域内の結合偏差を低減することができる。
また、第１の結合線路と第２の結合線路を合計した電気長を、使用周波数帯域の１／４波長よりも短くすることができ、小型化することができる効果がある。

本発明の実施の形態１による方向性結合器を示す回路図である。本発明の実施の形態１による方向性結合器の動作を示す回路図である。本発明の実施の形態１による方向性結合器の結合度の周波数特性を示す特性図である。本発明の実施の形態２による方向性結合器を示す回路図である。本発明の実施の形態２による方向性結合器の結合度の周波数特性を示す特性図である。本発明の実施の形態３による方向性結合器を示す回路図である。本発明の実施の形態３による方向性結合器の結合度の周波数特性を示す特性図である。本発明の実施の形態４による方向性結合器を示す回路図である。本発明の実施の形態４による方向性結合器の結合度の周波数特性を示す特性図である。本発明の実施の形態５による方向性結合器を示す回路図である。本発明の実施の形態５による方向性結合器の結合度の周波数特性を示す特性図である。本発明の実施の形態６による方向性結合器を示す平面図である。本発明の実施の形態６による方向性結合器を示す断面図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による方向性結合器を示した回路図である。
本実施の形態１による方向性結合器の回路構成は、第１の結合線路１０と、第２の結合線路２０と、オープンスタブ（位相調整回路）３０からなる方向性結合器である。
第１の結合線路１０の第１の出力ポート１２と、第２の結合線路２０の第２の入力ポート２１が接続され、第１の結合線路１０の第１のアイソレーションポート１４と、第２の結合線路２０の第２の結合ポート２３が接続された方向性結合器において、第１のアイソレーションポート１４と第２の結合ポート２３の間に、オープンスタブ３０を備えてなる。
なお、１１は第１の入力ポート、１３は第１の結合ポート、２２は第２の出力ポート、２４は第２のアイソレーションポートである。

ここで、第１の結合線路１０と第２の結合線路２０の合計した電気長は、使用周波数帯域の中心周波数の１／４波長よりも短いことを特徴とする。
また、本実施の形態１でのオープンスタブ３０は、電気長を、使用周波数帯域の中心周波数の１／２波長としている。
図１では、オープンスタブ３０を第１のアイソレーションポート１４と第２の結合ポート２３の間に備えているが、第１の出力ポート１２と第２の入力ポート２１の間にオープンスタブ３０を備えていても良い。
尚、例えば、電力を通過させる方を主線路、モニタする方を副線路と定義した場合、主線路の反射特性に影響を与えないように、副線路側にオープンスタブを設けた方が良い。

次に動作について説明する。
本実施の形態１による方向性結合器は、第１の入力ポート１１に信号を入力すると、第２の出力ポート２２と第１の結合ポート１３に信号が出力される。
第１の結合ポート１３から出力される信号は、図２に示すように、第１の入力ポート１１から入力された信号が、直接に第１の結合ポート１３に出力される信号４０と、第１の入力ポート１１から入力された信号が、第１の出力ポート１２、第２の入力ポート２１、第２の結合ポート２３、第１のアイソレーションポート１４を順に通過して、第１の結合ポート１３に出力される信号５０の合成信号となる。

ここで、第１の結合線路１０と、第２の結合線路２０が同じ特性を持つものと仮定し、第１の結合線路１０と第２の結合線路２０のそれぞれの結合度をC_C、第１の結合線路１０と第２の結合線路２０の合計した電気長をθ_Cとして、挿入損失が十分に小さいものとする。
また、オープンスタブ３０の通過位相をθ_Sとして、挿入損失が十分に小さいものと仮定すると、方向性結合器の結合度Cは、次のような式（１）で表すことができる。

この式（１）より、オープンスタブ３０の通過位相が遅れると結合度が下がり、進むと結合度が上がることが分かる。

図３に結合度−４０ｄＢで設計された方向性結合器の結合度の周波数特性を示す。
破線は従来のオープンスタブを設けない方向性結合器の周波数特性で、実線は本実施の形態１の方向性結合器の周波数特性である。
従来の方向性結合器の結合特性は、中心周波数を境に高い周波数では−４０ｄＢよりも結合度が高く、低い周波数では−４０ｄＢよりも結合度が低くなる。
一方、１／２波長のオープンスタブ３０の通過位相は、中心周波数を境に周波数が高くなるに従い位相が遅れ、周波数が低くなるに従い位相が進む。
その為、本実施の形態１による方向性結合器は、オープンスタブ３０を備えることにより、使用周波数帯域内の結合偏差を低減することができる。
このように、オープンスタブを１／２波長とすると、従来の方向性結合器の結合度の設計値を変えることなく、結合偏差を低減することができる。

以上のように、本実施の形態１によれば、第１のアイソレーションポート１４と第２の結合ポート２３の間に、電気長を使用周波数帯域の中心周波数の１／２波長としたオープンスタブ３０を備えてなる。
よって、使用周波数帯域内の結合偏差を低減することができる。
また、第１の結合線路１０と第２の結合線路２０の合計した電気長を、使用周波数帯域の中心周波数の１／４波長よりも短くすることができ、小型化することができる。
さらに、副線路側に、オープンスタブ３０を備えることで、主線路の反射特性を変えることなく、結合偏差を低減することができる。

実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２による方向性結合器を示した回路図である。
本実施の形態２による方向性結合器の回路構成は、第１の結合線路１０と、第２の結合線路２０と、ショートスタブ（位相調整回路）６０からなる方向性結合器である。
第１のアイソレーションポート１４と第２の結合ポート２３の間に、ショートスタブ６０を備えてなる。
ここで、第１の結合線路１０と第２の結合線路２０の合計した電気長は、使用周波数帯域の中心周波数の１／４波長よりも短いことを特徴とする。
また、本実施の形態２でのショートスタブ６０は、電気長を、使用周波数帯域の中心周波数の１／４波長としている。
図４では、ショートスタブ６０を第１のアイソレーションポート１４と第２の結合ポート２３の間に備えているが、第１の出力ポート１２と第２の入力ポート２１の間にショートスタブ６０を備えていても良い。

次に動作について説明する。
本実施の形態２による方向性結合器は、前記実施の形態１による方向性結合器の動作と同様である。
ショートスタブ６０の通過位相は、中心周波数を境に周波数が高くなるに従い位相が遅れ、周波数が低くなるに従い位相が進む。
その為、本実施の形態２による方向性結合器は、ショートスタブ６０を備えることにより、図５に示すように、使用周波数帯域内の結合偏差を低減することができる。
このように、ショートスタブ６０を１／４波長とすると、従来の方向性結合器の結合度の設計値を変えることなく、結合偏差を低減することができる。
また、オープンスタブ３０に比べて長さを短くできることから、さらに、小型化することができる。

以上のように、本実施の形態２によれば、第１のアイソレーションポート１４と第２の結合ポート２３の間に、電気長を使用周波数帯域の中心周波数の１／４波長としたショートスタブ６０を備えてなる。
よって、使用周波数帯域内の結合偏差を低減することができる。
また、オープンスタブ３０に比べて長さを短くできることから、さらに、小型化することができる。
さらに、第１の結合線路１０と第２の結合線路２０の合計した電気長を、使用周波数帯域の中心周波数の１／４波長よりも短くすることができ、小型化することができる。
さらに、副線路側に、ショートスタブ６０を備えることで、主線路の反射特性を変えることなく、結合偏差を低減することができる。

実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３による方向性結合器を示した回路図である。
本実施の形態３による方向性結合器の回路構成は、第１の結合線路１０と、第２の結合線路２０と、リアクタンス素子（位相調整回路）７０からなる方向性結合器である。
第１のアイソレーションポート１４と第２の結合ポート２３の間に、リアクタンス素子７０を備えてなる。
ここで、第１の結合線路１０と第２の結合線路２０の合計した電気長は、使用周波数帯域の中心周波数の１／４波長よりも短いことを特徴とする。
図６では、リアクタンス素子７０を第１のアイソレーションポート１４と第２の結合ポート２３の間に備えているが、第１の出力ポート１２と第２の入力ポート２１の間にリアクタンス素子７０を備えていても良い。
ここで、リアクタンス素子７０は、直列のインダクタ７１と、並列のコンデンサ７２によるπ型回路とする。
図６では、２段のπ型回路となっているが、適切な定数を選択すれば、段数は問わない。
また、直列のコンデンサと、並列のインダクタによるπ型回路であっても良い。

次に動作について説明する。
本実施の形態３による方向性結合器は、前記実施の形態１による方向性結合器の動作と同様である。
リアクタンス素子７０の電気長が、使用周波数帯域の中心周波数の１／２波長になるようにインダクタ７１およびコンデンサ７２の定数を決めると、通過位相は中心周波数を境に周波数が高くなるに従い位相が遅れ、周波数が低くなるに従い位相が進む。
その為、本実施の形態３による方向性結合器は、リアクタンス素子７０を備えることにより、図７に示すように、使用周波数帯域内の結合偏差を低減することができる。
また、リアクタンス素子７０を集中定数回路とすることで、波長に対してリアクタンス素子７０の大きさが無視できるような低周波においては、小型化することができる。

以上のように、本実施の形態３によれば、第１のアイソレーションポート１４と第２の結合ポート２３の間に、電気長を使用周波数帯域の中心周波数の１／２波長としたインダクタ７１およびコンデンサ７２によるπ型回路からなるリアクタンス素子７０を備えてなる。
よって、使用周波数帯域内の結合偏差を低減することができる。
また、第１の結合線路１０と第２の結合線路２０の合計した電気長を、使用周波数帯域の中心周波数の１／４波長よりも短くすることができ、小型化することができる。
さらに、副線路側に、リアクタンス素子７０を備えることで、主線路の反射特性を変えることなく、結合偏差を低減することができる。
さらに、リアクタンス素子７０を集中定数回路とすることで、波長に対してリアクタンス素子７０の大きさが無視できるような低周波においては、小型化することができる。

実施の形態４．
図８は、本発明の実施の形態４による方向性結合器を示した回路図である。
本実施の形態４による方向性結合器の回路構成は、第１の結合線路１０と、第２の結合線路２０と、リアクタンス素子（位相調整回路）８０からなる方向性結合器である。
第１のアイソレーションポート１４と第２の結合ポート２３の間に、リアクタンス素子８０を備えてなる。
ここで、第１の結合線路１０と第２の結合線路２０の合計した電気長は、使用周波数帯域の中心周波数の１／４波長よりも短いことを特徴とする。
図８では、リアクタンス素子８０を第１のアイソレーションポート１４と第２の結合ポート２３の間に備えているが、第１の出力ポート１２と第２の入力ポート２１の間にリアクタンス素子８０を備えていても良い。
ここで、リアクタンス素子８０は、直列のインダクタ８１と、並列のコンデンサ８２によるＴ型回路とする。
図８では、１段のＴ型回路となっているが、適切な定数を選択すれば、段数は問わない。
また、直列のコンデンサと、並列のインダクタによるＴ型回路であっても良い。

次に動作について説明する。
本実施の形態４による方向性結合器は、前記実施の形態２による方向性結合器の動作と同様である。
リアクタンス素子８０の電気長が、使用周波数帯域の中心周波数の１／４波長になるようにインダクタ８１およびコンデンサ８２の定数を決めると、通過位相は中心周波数を境に周波数が高くなるに従い位相が遅れ、周波数が低くなるに従い位相が進む。
その為、本実施の形態４による方向性結合器は、リアクタンス素子８０を備えることにより、図９に示すように、使用周波数帯域内の結合偏差を低減することができる。
また、リアクタンス素子８０を集中定数回路とすることで、波長に対してリアクタンス素子８０の大きさが無視できるような低周波においては、小型化することができる。

以上のように、本実施の形態４によれば、第１のアイソレーションポート１４と第２の結合ポート２３の間に、電気長を使用周波数帯域の中心周波数の１／４波長としたインダクタ８１およびコンデンサ８２によるＴ型回路からなるリアクタンス素子８０を備えてなる。
よって、使用周波数帯域内の結合偏差を低減することができる。
また、第１の結合線路１０と第２の結合線路２０の合計した電気長を、使用周波数帯域の中心周波数の１／４波長よりも短くすることができ、小型化することができる。
さらに、副線路側に、リアクタンス素子８０を備えることで、主線路の反射特性を変えることなく、結合偏差を低減することができる。
さらに、リアクタンス素子８０を集中定数回路とすることで、波長に対してリアクタンス素子７０の大きさが無視できるような低周波においては、小型化することができる。

実施の形態５．
図１０は、本発明の実施の形態５による方向性結合器を示した回路図である。
本実施の形態５による方向性結合器の回路構成は、第１の結合線路１０と、第２の結合線路２０と、リアクタンス素子（位相調整回路）９０からなる方向性結合器である。
第１のアイソレーションポート１４と第２の結合ポート２３の間に、リアクタンス素子９０を備えてなる。
ここで、第１の結合線路１０と第２の結合線路２０の合計した電気長は、使用周波数帯域の中心周波数の１／４波長よりも短いことを特徴とする。
図１０では、リアクタンス素子９０を第１のアイソレーションポート１４と第２の結合ポート２３の間に備えているが、第１の出力ポート１２と第２の入力ポート２１の間にリアクタンス素子９０を備えていても良い。
ここで、リアクタンス素子９０は、インダクタ９１と、コンデンサ９２による並列回路とする。

次に動作について説明する。
本実施の形態５による方向性結合器は、前記実施の形態２による方向性結合器の動作と同様である。
リアクタンス素子９０の電気長が、使用周波数帯域の中心周波数の１／４波長になるようにインダクタ９１およびコンデンサ９２の定数を決めると、通過位相は中心周波数を境に周波数が高くなるに従い位相が遅れ、周波数が低くなるに従い位相が進む。
その為、本実施の形態５による方向性結合器は、リアクタンス素子９０を備えることにより、図１１に示すように、使用周波数帯域内の結合偏差を低減することができる。
また、リアクタンス素子９０を集中定数回路とすることで、波長に対してリアクタンス素子９０の大きさが無視できるような低周波においては、小型化することができる。

以上のように、本実施の形態５によれば、第１のアイソレーションポート１４と第２の結合ポート２３の間に、電気長を使用周波数帯域の中心周波数の１／４波長としたインダクタ９１およびコンデンサ９２による並列回路からなるリアクタンス素子９０を備えてなる。
よって、使用周波数帯域内の結合偏差を低減することができる。
また、第１の結合線路１０と第２の結合線路２０の合計した電気長を、使用周波数帯域の中心周波数の１／４波長よりも短くすることができ、小型化することができる。
さらに、副線路側に、リアクタンス素子９０を備えることで、主線路の反射特性を変えることなく、結合偏差を低減することができる。
さらに、リアクタンス素子９０を集中定数回路とすることで、波長に対してリアクタンス素子７０の大きさが無視できるような低周波においては、小型化することができる。

実施の形態６．
図１２は本発明の実施の形態６による方向性結合器を示した平面図である。
前記実施の形態１から前記実施の形態５では、回路構成について説明したが、図１２に示すように、方向性結合器をストリップ線路で構成してもよい。
本実施の形態６による方向性結合器は、誘電体基板１００上に形成された伝送線路１１０と、伝送線路１１０に近接した伝送線路１２０と、オープンスタブ（位相調整回路）１３０からなる方向性結合器である。
なお、伝送線路１１０に入力ポート１１１、出力ポート１１２を備え、伝送線路１２０に結合ポート１２１、アイソレーションポート１２２を備え、伝送線路１２０のほぼ中央に、分岐するオープンスタブ１３０を備えてなる。
図１３は、図１２内のＡ−Ａ´による断面図であり、誘電体基板１００のほぼ中心に、伝送線路１１０，１２０、オープンスタブ１３０が形成され、誘電体基板１００の上下面に地導体１４０を備えている。

次に動作について説明する。
本実施の形態６による方向性結合器の等価回路は、図１に示したものであり、前記実施の形態１による方向性結合器の動作と同様である。
ここで、オープンスタブ１３０の電気長を、使用周波数帯域の中心周波数の１／２波長とすると通過位相は、中心周波数を境に周波数が高くなるに従い位相が遅れ、周波数が低くなるに従い位相が進む。
その為、本実施の形態６による方向性結合器は、オープンスタブ１３０を備えることにより、使用周波数帯域内の結合偏差を低減することができる。
なお、本実施の形態６では、ストリップ線路で構成したが、これに限定されることはなく、マイクロストリップ線路やコプレナー線路等、任意の線路形状を適用しても良い。

以上のように、本実施の形態６によれば、誘電体基板１００にストリップ線路で伝送線路１１０，１２０およびオープンスタブ１３０を形成することで、前記実施の形態１による方向性結合器を構成した。
よって、使用周波数帯域内の結合偏差を低減することができる。
また、第１の結合線路１０と第２の結合線路２０の合計した電気長を、使用周波数帯域の中心周波数の１／４波長よりも短くすることができ、小型化することができる。
さらに、副線路側に、オープンスタブ３０を備えることで、主線路の反射特性を変えることなく、結合偏差を低減することができる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１０第１の結合線路、１１第１の入力ポート、１２第１の出力ポート、１３第１の結合ポート、１４第１のアイソレーションポート、２０第２の結合線路、２１第２の入力ポート、２２第２の出力ポート、２３第２の結合ポート、２４第２のアイソレーションポート、３０，１３０オープンスタブ（位相調整回路）、４０，５０信号、６０ショートスタブ（位相調整回路）、７０，８０，９０リアクタンス素子（位相調整回路）、７１，８１，９１インダクタ、７２，８２，９２コンデンサ、１００誘電体基板、１１０，１２０伝送線路、１１１入力ポート、１１２出力ポート、１２１結合ポート、１２２アイソレーションポート、１４０地導体。

Claims

第１の結合線路の第１の主線路と第２の結合線路の第２の主線路が接続され、該第１の結合線路の第１の副線路と該第２の結合線路の第２の副線路が接続された方向性結合器において、
前記第１の主線路と前記第２の主線路の間、または、前記第１の副線路と前記第２の副線路の間に、位相調整回路を備えており、前記第１の結合線路と前記第２の結合線路の合計した電気長が、使用周波数帯域の１／４波長よりも短いことを特徴とする方向性結合器。
位相調整回路をオープンスタブとすることを特徴とする請求項１記載の方向性結合器。
オープンスタブの電気長を、使用周波数帯域の１／２波長とすることを特徴とする請求項２記載の方向性結合器。
位相調整回路をショートスタブとすることを特徴とする請求項１記載の方向性結合器。
ショートスタブの電気長を、使用周波数帯域の１／４波長とすることを特徴とする請求項４記載の方向性結合器。
位相調整回路をリアクタンス素子とすることを特徴とする請求項１記載の方向性結合器。
リアクタンス素子の電気長を、使用周波数帯域の１／２波長となる、インダクタおよびコンデンサのπ型回路とすることを特徴とする請求項６記載の方向性結合器。
リアクタンス素子の電気長を、使用周波数帯域の１／４波長となる、インダクタおよびコンデンサのＴ型回路とすることを特徴とする請求項６記載の方向性結合器。
リアクタンス素子の電気長を、使用周波数帯域の１／４波長となる、インダクタおよびコンデンサの並列回路とすることを特徴とする請求項６記載の方向性結合器。
誘電体基板に形成されたストリップ線路で構成したことを特徴とする請求項１から請求項５のうちのいずれか１項記載の方向性結合器。