JP2015173409A - 方向性結合器 - Google Patents

Abstract

【課題】広帯域で使用可能で、結合ポートでの信号の反射が少ない方向性結合器を実現する。【解決手段】方向性結合器１は、入力ポート１１と出力ポート１２を接続する主線路１０と、結合ポート１３と終端ポート１４を接続する副線路２０を備えている。副線路２０は、終端ポート１４に接続された結合線路部２０Ａと、結合ポート１３に接続された結合線路部２０Ｂと、ローパスフィルタ３０を備えている。ローパスフィルタ３０は、結合線路部２０Ａと結合線路部２０Ｂの間に設けられたインダクタＬ１と、一端がインダクタＬ１と結合線路部２０Ｂとの接続点に接続されたキャパシタＣ１と、キャパシタＣ１の他端とグランドとを接続する抵抗器Ｒ１と、インダクタＬ１と結合線路部２０Ａとの接続点とグランドとを接続するキャパシタＣ２を有している。【選択図】図１

Description

本発明は、広帯域で使用可能な方向性結合器に関する。

方向性結合器は、例えば、携帯電話機、無線ＬＡＮ通信機器等の無線通信機器の送受信回路において、送受信信号のレベルを検出するために用いられている。

従来の方向性結合器としては、以下のような構成のものが知られている。この方向性結合器は、入力ポートと、出力ポートと、結合ポートと、終端ポートと、主線路と、副線路を備えている。主線路の一端は入力ポートに接続され、主線路の他端は出力ポートに接続されている。副線路の一端は結合ポートに接続され、副線路の他端は終端ポートに接続されている。主線路と副線路は、電磁界結合する。終端ポートは、例えば５０Ωの抵抗値を有する終端抵抗を介して接地されている。入力ポートには高周波信号が入力され、この高周波信号は出力ポートから出力される。結合ポートからは、入力ポートに入力された高周波信号の電力に応じた電力を有する結合信号が出力される。

方向性結合器の特性を表す主要なパラメータとしては、挿入損失、結合度、アイソレーション、方向性および結合ポートの反射損失がある。以下、これらの定義について説明する。まず、入力ポートに電力Ｐ１の高周波信号が入力された場合に、出力ポートから出力される信号の電力をＰ２、結合ポートから出力される信号の電力をＰ３、終端ポートから出力される信号の電力をＰ４とする。また、結合ポートに電力Ｐ５の高周波信号が入力された場合に、結合ポートで反射される信号の電力をＰ６とする。また、挿入損失、結合度、アイソレーション、方向性および結合ポートの反射損失を、それぞれ記号ＩＬ、Ｃ、Ｉ、Ｄ、ＲＬで表す。これらは、以下の式で定義される。

ＩＬ＝１０ｌｏｇ（Ｐ２／Ｐ１）［ｄＢ］
Ｃ＝１０ｌｏｇ（Ｐ３／Ｐ１）［ｄＢ］
Ｉ＝１０ｌｏｇ（Ｐ３／Ｐ２）［ｄＢ］
Ｄ＝１０ｌｏｇ（Ｐ４／Ｐ３）［ｄＢ］
ＲＬ＝１０ｌｏｇ（Ｐ６／Ｐ５）［ｄＢ］

従来の方向性結合器では、入力ポートに入力される高周波信号の周波数が高くなるほど結合度が大きくなるため、結合度の周波数特性が平坦ではなく、その結果、広帯域で使用することができないという問題点があった。結合度が大きくなるというのは、結合度を−ｃ（ｄＢ）と表したときに、ｃの値が小さくなることである。

特許文献１，２には、上記の問題点を解決するための方向性結合器が記載されている。すなわち、特許文献１には、第１ないし第４の端子と、第１の端子と第２の端子を接続する主線路と、第３の端子と第４の端子の間に設けられた副線路と、第３の端子と副線路の間に設けられたローパスフィルタとを備えた方向性結合器が記載されている。

特許文献２には、第１ないし第４の端子と、第１の端子と第２の端子を接続する主線路と、第３の端子に接続された第１の副線路と、第４の端子に接続された第２の副線路と、第１の副線路と第２の副線路との間に設けられたローパスフィルタとを備えた方向性結合器が記載されている。

また、特許文献１，２には、第１ないし第４の端子と、第１の端子と第２の端子を接続する主線路と、第３の端子と第４の端子の間に設けられた副線路と、第３の端子と副線路の間に設けられた第１のローパスフィルタと、第４の端子と副線路の間に設けられた第２のローパスフィルタとを備えた方向性結合器が記載されている。第１のローパスフィルタは、第３の端子と副線路との間に設けられた第１のインダクタと、副線路と第１のインダクタとの接続点とグランドとの間に設けられた第１のキャパシタとで構成されている。第２のローパスフィルタは、第４の端子と副線路との間に設けられた第２のインダクタと、副線路と第２のインダクタとの接続点とグランドとの間に設けられた第２のキャパシタとで構成されている。特許文献１，２には、更に、第１のキャパシタとグランドとの間と、第２のキャパシタとグランドとの間に、それぞれ終端抵抗を設けた方向性結合器が記載されている。

国際公開第２０１１／０７４３７０号 特開２０１３−５０７６号公報

無線通信機器で使用される方向性結合器には、終端ポートに接続される終端抵抗の抵抗値（例えば５０Ω）と等しい出力インピーダンスを有する信号源が結合ポートに接続されたときの、結合ポートでの信号の反射を少なくすることが求められている。具体的には、方向性結合器には、結合ポートの反射損失を−ｒ（ｄＢ）と表したときに、方向性結合器の使用周波数帯域においてｒの値が十分な大きさになることが求められている。結合ポートに上記信号源が接続される場合の例としては、２つの方向性結合器がタンデム接続されて使用される場合が挙げられる。この場合には、２つの方向性結合器の結合ポート同士が接続される。

特許文献１，２では、終端ポートに接続される終端抵抗の抵抗値と等しい出力インピーダンスを有する信号源が結合ポートに接続されたときの、結合ポートでの信号の反射を少なくすることは、考慮されていない。また、特許文献１，２に記載されているような、ローパスフィルタを備えた方向性結合器において、ローパスフィルタを構成するインダクタのインダクタンスと、ローパスフィルタを構成するキャパシタのキャパシタンスの調整だけで、上記結合ポートでの信号の反射を少なくすることは難しい。

なお、前述のように、特許文献１，２には、第１および第２のローパスフィルタを備え、第１のローパスフィルタにおける第１のキャパシタとグランドとの間と、第２のローパスフィルタにおける第２のキャパシタとグランドとの間に、それぞれ終端抵抗を設けた方向性結合器が記載されている。しかし、この方向性結合器では、２つのローパスフィルタと２つの終端抵抗が必要になり、方向性結合器が大型化するという問題点がある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、大型化することなく、広帯域で使用可能で、且つ、終端ポートに接続される終端抵抗の抵抗値と等しい出力インピーダンスを有する信号源が結合ポートに接続されたときの、結合ポートでの信号の反射を少なくすることができるようにした方向性結合器を提供することにある。

本発明の方向性結合器は、入力ポートと、出力ポートと、結合ポートと、終端ポートと、入力ポートと出力ポートを接続する主線路と、結合ポートと終端ポートを接続する副線路とを備えている。副線路は、主線路に対して電磁界結合する第１の結合線路部と、ローパスフィルタとを備えている。第１の結合線路部は、互いに反対側に位置する第１の端部および第２の端部を有している。第１の端部は、終端ポートに接続されている。ローパスフィルタは、第１の結合線路部の第２の端部と結合ポートとの間に設けられた第１の経路と、第１の経路に接続された第２の経路とを有している。第１の経路は、第１の結合線路部の第２の端部に接続された第３の端部と、その反対側の第４の端部と、第３の端部と第４の端部の間に設けられた少なくとも１つのインダクタとを有している。第２の経路は、一端が第１の経路の第４の端部に接続された第１のキャパシタと、第１のキャパシタの他端とグランドとを接続する抵抗器とを有している。

本発明の方向性結合器において、ローパスフィルタは、更に、第１の経路の第３の端部とグランドとを接続する第２のキャパシタを有していてもよい。

また、本発明の方向性結合器において、副線路は、更に、主線路に対して電磁界結合する第２の結合線路部を備えていてもよい。第２の結合線路部は、互いに反対側に位置する第５の端部および第６の端部を有している。第５の端部は、結合ポートに接続されている。第６の端部は、第１の経路の第４の端部に接続されている。

また、本発明の方向性結合器において、第１の経路は、少なくとも１つのインダクタとして、直列に接続された第１のインダクタと第２のインダクタを有していてもよい。また、ローパスフィルタは、更に、第１のインダクタと第２のインダクタとの接続点とグランドとを接続する第３のキャパシタを有していてもよい。

また、本発明の方向性結合器において、抵抗器は、２０〜９０Ωの範囲内の抵抗値を有していてもよい。

本発明の方向性結合器では、第１の結合線路部と電磁界結合する主線路の部分と第１の結合線路部とを合わせて第１の結合部と呼ぶと、入力ポートと結合ポートの間には、第１の結合部およびローパスフィルタを経由する信号経路が形成される。ローパスフィルタを通過する際の信号の減衰量は、信号の周波数によって変化する。これにより、入力ポートに入力される高周波信号の周波数の変化に伴う方向性結合器の結合度の変化を抑制することが可能になる。また、本発明の方向性結合器では、ローパスフィルタが、第１のキャパシタの他端とグランドとを接続する抵抗器を含むことにより、簡単な構成で、終端ポートに接続される終端抵抗の抵抗値と等しい出力インピーダンスを有する信号源が結合ポートに接続されたときの、結合ポートでの信号の反射を少なくすることが可能になる。これらのことから、本発明によれば、大型化することなく、広帯域で使用可能で、且つ、終端ポートに接続される終端抵抗の抵抗値と等しい出力インピーダンスを有する信号源が結合ポートに接続されたときの、結合ポートでの信号の反射を少なくすることができる方向性結合器を実現することが可能になるという効果を奏する。

本発明の第１の実施の形態に係る方向性結合器の回路構成を示す回路図である。 本発明の第１の実施の形態に係る方向性結合器の外観を示す斜視図である。 図２に示した方向性結合器の構造を説明するための説明図である。 図２に示した方向性結合器の構造を説明するための説明図である。 図２に示した方向性結合器の構造を説明するための説明図である。 図２に示した方向性結合器の構造を説明するための説明図である。 本発明の第１の実施の形態に係る方向性結合器における結合度の周波数特性を示す特性図である。 本発明の第１の実施の形態に係る方向性結合器における挿入損失の周波数特性を示す特性図である。 本発明の第１の実施の形態に係る方向性結合器における結合ポートの反射損失の周波数特性を示す特性図である。 本発明の第１の実施の形態に係る方向性結合器において、抵抗器の抵抗値を上限値にしたときの結合ポートの反射損失の周波数特性を示す特性図である。 本発明の第１の実施の形態に係る方向性結合器において、抵抗器の抵抗値を下限値にしたときの結合ポートの反射損失の周波数特性を示す特性図である。 本発明の第２の実施の形態に係る方向性結合器の回路構成を示す回路図である。 本発明の第２の実施の形態に係る方向性結合器における結合度の周波数特性を示す特性図である。 本発明の第２の実施の形態に係る方向性結合器における挿入損失の周波数特性を示す特性図である。 本発明の第２の実施の形態に係る方向性結合器における結合ポートの反射損失の周波数特性を示す特性図である。 本発明の第３の実施の形態に係る方向性結合器の回路構成を示す回路図である。 本発明の第３の実施の形態に係る方向性結合器における結合度の周波数特性を示す特性図である。 本発明の第３の実施の形態に係る方向性結合器における挿入損失の周波数特性を示す特性図である。 本発明の第３の実施の形態に係る方向性結合器における結合ポートの反射損失の周波数特性を示す特性図である。 比較例の方向性結合器の回路構成を示す回路図である。 比較例の方向性結合器における結合度の周波数特性を示す特性図である。 比較例の方向性結合器における挿入損失の周波数特性を示す特性図である。 比較例の方向性結合器における結合ポートの反射損失の周波数特性を示す特性図である。

［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。始めに、図１を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る方向性結合器の回路構成について説明する。図１に示したように、本実施の形態に係る方向性結合器１は、入力ポート１１と、出力ポート１２と、結合ポート１３と、終端ポート１４とを備えている。方向性結合器１は、更に、入力ポート１１と出力ポート１２を接続する主線路１０と、結合ポート１３と終端ポート１４を接続する副線路２０とを備えている。終端ポート１４は、終端抵抗１５を介して接地されている。すなわち、終端抵抗１５の一端は終端ポート１４に接続され、終端抵抗１５の他端はグランドに接続されている。本実施の形態では、終端抵抗１５の抵抗値は５０Ωである。

副線路２０は、それぞれ主線路１０に対して電磁界結合する第１の結合線路部２０Ａおよび第２の結合線路部２０Ｂと、ローパスフィルタ３０とを備えている。第１の結合線路部２０Ａは、互いに反対側に位置する第１の端部２０Ａ１および第２の端部２０Ａ２を有している。第１の端部２０Ａ１は、終端ポート１４に接続されている。

ローパスフィルタ３０は、第１の結合線路部２０Ａの第２の端部２０Ａ２と結合ポート１３との間に設けられた第１の経路３１と、第１の経路３１に接続された第２の経路３２とを有している。第１の経路３１は、第１の結合線路部２０Ａの第２の端部２０Ａ２に接続された第３の端部３１Ａと、その反対側の第４の端部３１Ｂと、第３の端部３１Ａと第４の端部３１Ｂの間に設けられた少なくとも１つのインダクタとを有している。本実施の形態では、第１の経路３１は、少なくとも１つのインダクタとして、１つのインダクタＬ１を有している。第２の経路３２は、一端が第１の経路３１の第４の端部３１Ｂに接続された第１のキャパシタＣ１と、第１のキャパシタＣ１の他端とグランドとを接続する抵抗器Ｒ１とを有している。抵抗器Ｒ１は、２０〜９０Ωの範囲内の抵抗値を有していることが好ましい。ローパスフィルタ３０は、更に、第１の経路３１の第３の端部３１Ａとグランドとを接続する第２のキャパシタＣ２を有している。

第２の結合線路部２０Ｂは、互いに反対側に位置する第５の端部２０Ｂ１および第６の端部２０Ｂ２を有している。第５の端部２０Ｂ１は、結合ポート１３に接続されている。第６の端部２０Ｂ２は、第１の経路３１の第４の端部３１Ｂに接続されている。

主線路１０は、第１の結合線路部２０Ａと電磁界結合する部分と、第２の結合線路部２０Ｂと電磁界結合する部分を有している。これらの部分は、主線路１０における同じ部分であってもよいし、主線路１０における互いに異なる部分であってもよい。ここで、第１の結合線路部２０Ａと電磁界結合する主線路１０の部分を第１の部分１０Ａと言い、第２の結合線路部２０Ｂと電磁界結合する主線路１０の部分を第２の部分１０Ｂと言う。また、第１の部分１０Ａと第１の結合線路部２０Ａとを合わせて第１の結合部４０Ａと言い、第２の部分１０Ｂと第２の結合線路部２０Ｂとを合わせて第２の結合部４０Ｂと言う。第１の部分１０Ａと第１の結合線路部２０Ａの結合の強さは、第２の部分１０Ｂと第２の結合線路部２０Ｂの結合の強さと同じでもよいし、異なっていてもよい。第１の部分１０Ａと第１の結合線路部２０Ａの結合は、第２の部分１０Ｂと第２の結合線路部２０Ｂの結合よりも強い方が好ましい。

ローパスフィルタ３０は、方向性結合器１の使用周波数帯域において、ローパスフィルタ３０を通過する際の信号の減衰量が、信号の周波数によって変化するように設計される。具体的には、ローパスフィルタ３０は、方向性結合器１の使用周波数帯域の少なくとも一部の周波数領域において、ローパスフィルタ３０を通過する際の信号の減衰量が、信号の周波数が高くなるに従って大きくなるように設計される。ローパスフィルタ３０の遮断周波数は、方向性結合器１の使用周波数帯域内に存在していてもよいし、方向性結合器１の使用周波数帯域外に存在していてもよい。本実施の形態に係る方向性結合器１の使用周波数帯域は、例えば０．７〜２．７ＧＨｚである。

また、ローパスフィルタ３０は、方向性結合器１の使用周波数帯域において、第２の結合線路部２０Ｂ側から見たインピーダンスが、５０Ωまたはそれに近い値になるように設計される。これにより、終端ポート１４が抵抗値５０Ωの終端抵抗１５を介して接地され、終端抵抗１５の抵抗値（５０Ω）と等しい出力インピーダンスを有する信号源が結合ポート１３に接続された場合に、方向性結合器１の使用周波数帯域において、結合ポート１３から終端ポート１４側を見たときの反射係数の絶対値が０またはその近傍の値になり、結合ポート１３での信号の反射が少なくなる。

次に、本実施の形態に係る方向性結合器１の作用および効果について説明する。入力ポート１１には高周波信号が入力され、この高周波信号は出力ポート１２から出力される。結合ポート１３からは、入力ポート１１に入力された高周波信号の電力に応じた電力を有する結合信号が出力される。

入力ポート１１と結合ポート１３の間には、第１の結合部４０Ａおよびローパスフィルタ３０を経由する第１の信号経路と、第２の結合部４０Ｂを経由する第２の信号経路とが形成される。入力ポート１１に高周波信号が入力されたとき、結合ポート１３から出力される結合信号は、第１の信号経路を通過した信号と第２の信号経路を通過した信号が合成されて得られる合成信号である。第１の信号経路を通過した信号と第２の信号経路を通過した信号との間には位相差が生じる。方向性結合器１の結合度は、第１の結合部４０Ａと第２の結合部４０Ｂのそれぞれ単独の結合度と、第１の信号経路を通過した信号と第２の信号経路を通過した信号の位相差と、ローパスフィルタ３０を通過する際の信号の減衰量とに依存する。

本実施の形態において、第１の結合部４０Ａ、第２の結合部４０Ｂおよびローパスフィルタ３０は、高周波信号の周波数の変化に伴う方向性結合器１の結合度の変化を抑制する機能を有する。以下、これについて詳しく説明する。第１の結合部４０Ａと第２の結合部４０Ｂのそれぞれ単独の結合度は、いずれも、方向性結合器１の使用周波数帯域において、高周波信号の周波数が高くなるほど大きくなる。これは、高周波信号の周波数が高くなるほど、第１の信号経路を通過する信号と第２の信号経路を通過する信号の電力を増加させるように作用する。

一方、ローパスフィルタ３０を通過する際の信号の減衰量は、信号の周波数によって変化する。具体的には、方向性結合器１の使用周波数帯域の少なくとも一部の周波数領域において、ローパスフィルタ３０を通過する際の信号の減衰量は、信号の周波数が高くなるに従って大きくなる。従って、ローパスフィルタ３０は、方向性結合器１の使用周波数帯域の少なくとも一部の周波数領域において、高周波信号の周波数が高くなるほど、第１の信号経路を通過する信号の電力を減少させるように作用する。少なくとも、このローパスフィルタ３０の作用により、高周波信号の周波数の増加に伴う結合信号の電力の変化、すなわち方向性結合器１の結合度の変化を抑制することができる。

また、方向性結合器１の使用周波数帯域において、高周波信号の周波数の増加に伴って、第１の信号経路を通過した信号と第２の信号経路を通過した信号の位相差が０°から１８０°の範囲内で増加するように、ローパスフィルタ３０を設計してもよい。これによっても、高周波信号の周波数の増加に伴う結合信号の電力の変化、すなわち方向性結合器１の結合度の変化を抑制することが可能である。

また、本実施の形態では、ローパスフィルタ３０が、第１のキャパシタＣ１の他端とグランドとを接続する抵抗器Ｒ１を含んでいる。これにより、本実施の形態によれば、抵抗器Ｒ１を含まないローパスフィルタに抵抗器Ｒ１を付加しただけの簡単な構成で、終端ポート１４に接続される終端抵抗１５の抵抗値（５０Ω）と等しい出力インピーダンスを有する信号源が結合ポート１３に接続されたときの、方向性結合器１の使用周波数帯域における結合ポート１３での信号の反射を少なくすることが可能になる。

次に、図２ないし図６を参照して、方向性結合器１の構造の一例について説明する。図２は、方向性結合器１の外観を示す斜視図である。図２に示した方向性結合器１は、積層された５つの誘電体層を含んでいる。以下、５つの誘電体層を、上から順に、第１誘電体層５１、第２誘電体層５２、第３誘電体層５３、第４誘電体層５４、第５誘電体層５５と呼ぶ。第１誘電体層５１の上面には、抵抗器Ｒ１を構成する抵抗膜５１Ｒ１が配置されている。第５誘電体層５５の下面には、入力端子Ｔ１と、出力端子Ｔ２と、結合端子Ｔ３と、終端端子Ｔ４と、グランド端子Ｔ５と、使用されない端子Ｔ６が配置されている。入力端子Ｔ１、出力端子Ｔ２、結合端子Ｔ３、終端端子Ｔ４は、それぞれ、図１に示した入力ポート１１、出力ポート１２、結合ポート１３、終端ポート１４に対応している。グランド端子Ｔ５は、グランドに接続される。

次に、図３ないし図６を参照して、図２に示した方向性結合器１の構造について詳しく説明する。図３における（ａ）は、第１誘電体層５１の上面上の要素を示している。上述のように、第１誘電体層５１の上面には、前述の抵抗膜５１Ｒ１が配置されている。抵抗膜５１Ｒ１は、ＮｉＣｒ等の金属よりなる薄膜で構成されている。

図３における（ｂ）は、第１誘電体層５１と、第１誘電体層５１を貫通する要素とを示している。第１誘電体層５１には、第１誘電体層５１を貫通する導体部５１Ｖ１，５１Ｖ２が形成されている。導体部５１Ｖ１，５１Ｖ２は、図３における（ａ）に示した抵抗膜５１Ｒ１に接続されている。

図３における（ｃ）は、第２誘電体層５２の上面上の要素を示している。第２誘電体層５２の上面には、導体層５２Ｔ１，５２Ｔ２，５２Ｔ３，５２Ｔ４，５２Ｔ５，５２Ｔ６が配置されている。第２誘電体層５２の上方から見たときに、導体層５２Ｔ１，５２Ｔ２，５２Ｔ３，５２Ｔ４，５２Ｔ５，５２Ｔ６は、それぞれ、端子Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５，Ｔ６と重なる位置に配置されている。導体層５２Ｔ５は、図３における（ｂ）に示した導体部５１Ｖ１に接続されている。

第２誘電体層５２の上面には、更に、導体層５２Ｍが配置されている。導体層５２Ｍは、主線路１０を構成する。導体層５２Ｍの一端は導体層５２Ｔ１に接続され、導体層５２Ｍの他端は導体層５２Ｔ２に接続されている。導体層５２Ｍは、直線的に延びた部分５２Ｍａを含んでいる。この部分５２Ｍａは、第１の部分１０Ａおよび第２の部分１０Ｂを構成する。

第２誘電体層５２の上面には、更に、導体層５２Ｃ１Ｒ，５２Ｃ１Ｌ，５２Ｃ２Ｇが配置されている。導体層５２Ｃ１Ｒは、図３における（ｂ）に示した導体部５１Ｖ２に接続されている。

第２誘電体層５２の上面には、更に、導体層５２ＳＢ，５２Ｌ１が配置されている。導体層５２ＳＢの一端は導体層５２Ｔ３に接続され、導体層５２ＳＢの他端は導体層５２Ｃ１Ｌに接続されている。導体層５２ＳＢは、導体層５２Ｍの部分５２Ｍａと並行して延びる部分５２ＳＢａを含んでいる。この部分５２ＳＢａは、第２の結合線路部２０Ｂを構成する。導体層５２Ｌ１は、渦巻き形状を有している。導体層５２Ｌ１の一端は、導体層５２Ｃ１Ｌの近傍において、導体層５２ＳＢに接続されている。導体層５２Ｌ１は、インダクタＬ１の一部を構成する。

図４における（ａ）は、第２誘電体層５２と、第２誘電体層５２を貫通する要素とを示している。第２誘電体層５２には、第２誘電体層５２を貫通する導体部５２Ｖ１，５２Ｖ２，５２Ｖ３，５２Ｖ４，５２Ｖ５，５２Ｖ６，５２Ｖ７，５２Ｖ８，５２Ｖ９が形成されている。導体部５２Ｖ１，５２Ｖ２，５２Ｖ３，５２Ｖ４，５２Ｖ５，５２Ｖ６は、それぞれ、図３における（ｃ）に示した導体層５２Ｔ１，５２Ｔ２，５２Ｔ３，５２Ｔ４，５２Ｔ５，５２Ｔ６に接続されている。導体部５２Ｖ７は、図３における（ｃ）に示した導体層５２Ｃ１Ｒに接続されている。導体部５２Ｖ８は、図３における（ｃ）に示した導体層５２Ｌ１における他端の近傍部分に接続されている。導体部５２Ｖ９は、図３における（ｃ）に示した導体層５２Ｃ２Ｇに接続されている。

図４における（ｂ）は、第３誘電体層５３の上面上の要素を示している。第３誘電体層５３の上面には、導体層５３Ｃ１Ｒ，５３Ｃ２Ｌが配置されている。導体層５３Ｃ１Ｒは、第２誘電体層５２を介して、図３における（ｃ）に示した導体層５２Ｃ１Ｌに対向している。導体層５２Ｃ１Ｌ，５３Ｃ１Ｒと、それらの間の第２誘電体層５２は、第１のキャパシタＣ１を構成する。導体層５３Ｃ２Ｌは、第２誘電体層５２を介して、図３における（ｃ）に示した導体層５２Ｃ２Ｇに対向している。導体層５２Ｃ２Ｇ，５３Ｃ２Ｌと、それらの間の第２誘電体層５２は、第２のキャパシタＣ２を構成する。

図４における（ｃ）は、第３誘電体層５３と、第３誘電体層５３を貫通する要素とを示している。第３誘電体層５３には、第３誘電体層５３を貫通する導体部５３Ｖ１，５３Ｖ２，５３Ｖ３，５３Ｖ４，５３Ｖ５，５３Ｖ６，５３Ｖ７，５３Ｖ８，５３Ｖ９，５３Ｖ１０，５３Ｖ１１が形成されている。導体部５３Ｖ１，５３Ｖ２，５３Ｖ３，５３Ｖ４，５３Ｖ５，５３Ｖ６，５３Ｖ７，５３Ｖ８，５３Ｖ９は、それぞれ、図４における（ａ）に示した導体部５２Ｖ１，５２Ｖ２，５２Ｖ３，５２Ｖ４，５２Ｖ５，５２Ｖ６，５２Ｖ７，５２Ｖ８，５２Ｖ９に接続されている。導体部５３Ｖ１０は、図４における（ｂ）に示した導体層５３Ｃ１Ｒに接続されている。導体部５３Ｖ１１は、図４における（ｂ）に示した導体層５３Ｌ２Ｌに接続されている。

図５における（ａ）は、第４誘電体層５４の上面上の要素を示している。第４誘電体層５４の上面には、導体層５４Ｔ１，５４Ｔ２，５４Ｔ３，５４Ｔ４，５４Ｔ５，５４Ｔ６が配置されている。導体層５４Ｔ１，５４Ｔ２，５４Ｔ３，５４Ｔ４，５４Ｔ５，５４Ｔ６は、それぞれ、図４における（ｃ）に示した導体部５３Ｖ１，５３Ｖ２，５３Ｖ３，５３Ｖ４，５３Ｖ５，５３Ｖ６に接続されている。

第４誘電体層５４の上面には、更に、導体層５４Ｃ１Ｒ，５４Ｃ２Ｌ，５４Ｃ２Ｇが配置されている。導体層５４Ｃ１Ｒは、図４における（ｃ）に示した導体部５３Ｖ７，５３Ｖ１０に接続されている。導体層５４Ｃ２Ｌは、図４における（ｃ）に示した導体部５３Ｖ１１に接続されている。導体層５４Ｃ２Ｇは、図４における（ｃ）に示した導体部５３Ｖ９に接続されている。

第４誘電体層５４の上面には、更に、導体層５４ＳＡ，５４Ｌ１が配置されている。導体層５４ＳＡの一端は導体層５４Ｔ４に接続され、導体層５４ＳＡの他端は導体層５４Ｃ２Ｌに接続されている。導体層５４ＳＡは、第２誘電体層５２および第３誘電体層５３を介して、図３における（ｃ）に示した導体層５２Ｍの部分５２Ｍａに対向する部分５４ＳＡａを含んでいる。この部分５４ＳＡａは、第１の結合線路部２０Ａを構成する。導体層５４Ｌ１は、渦巻き形状を有している。導体層５４Ｌ１の一端は、導体層５４ＳＡの他端に接続されている。図４における（ｃ）に示した導体部５３Ｖ８は、導体層５４Ｌ１における他端の近傍部分に接続されている。導体層５４Ｌ１は、インダクタＬ１の他の一部を構成する。

図５における（ｂ）は、第４誘電体層５４と、第４誘電体層５４を貫通する要素とを示している。第４誘電体層５４には、第４誘電体層５４を貫通する導体部５４Ｖ１，５４Ｖ２，５４Ｖ３，５４Ｖ４，５４Ｖ５，５４Ｖ６，５４Ｖ７が形成されている。導体部５４Ｖ１，５４Ｖ２，５４Ｖ３，５４Ｖ４，５４Ｖ５，５４Ｖ６，５４Ｖ７は、それぞれ、図５における（ａ）に示した導体層５４Ｔ１，５４Ｔ２，５４Ｔ３，５４Ｔ４，５４Ｔ５，５４Ｔ６，５４Ｃ２Ｇに接続されている。

図５における（ｃ）は、第５誘電体層５５の上面上の要素を示している。第５誘電体層５５の上面には、グランド用導体層５５Ｇと、導体層５５Ｔ１，５５Ｔ２，５５Ｔ３，５５Ｔ４，５５Ｔ６が配置されている。グランド用導体層５５Ｇは、図５における（ｂ）に示した導体部５４Ｖ５，５４Ｖ７に接続されている。導体層５５Ｔ１，５５Ｔ２，５５Ｔ３，５５Ｔ４，５５Ｔ６は、それぞれ、図５における（ｂ）に示した導体部５４Ｖ１，５４Ｖ２，５４Ｖ３，５４Ｖ４，５４Ｖ６に接続されている。

図６における（ａ）は、第５誘電体層５５と、第５誘電体層５５を貫通する要素とを示している。第５誘電体層５５には、第５誘電体層５５を貫通する導体部５５Ｖ１，５５Ｖ２，５５Ｖ３，５５Ｖ４，５５Ｖ５，５５Ｖ６が形成されている。導体部５５Ｖ１，５５Ｖ２，５５Ｖ３，５５Ｖ４，５５Ｖ５，５５Ｖ６は、それぞれ、図５における（ｃ）に示した導体層５５Ｔ１，５５Ｔ２，５５Ｔ３，５５Ｔ４，５５Ｇ，５５Ｔ６に接続されている。

図６における（ｂ）は、第５誘電体層５５の下面の下の要素を示している。第５誘電体層５５の下面には、図２に示した端子Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５，Ｔ６が配置されている。端子Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５，Ｔ６は、それぞれ、図６における（ａ）に示した導体部５５Ｖ１，５５Ｖ２，５５Ｖ３，５５Ｖ４，５５Ｖ５，５５Ｖ６に接続されている。

次に、図７ないし図９を参照して、本実施の形態に係る方向性結合器１の特性の一例について説明する。この例では、抵抗器Ｒ１の抵抗値を４３Ωにしている。図７は、方向性結合器１における結合度の周波数特性を示す特性図である。図８は、方向性結合器１における挿入損失の周波数特性を示す特性図である。図９は、方向性結合器１における結合ポート１３の反射損失の周波数特性を示す特性図である。図７ないし図９における横軸は、周波数である。図７における縦軸は、結合度である。図８における縦軸は、挿入損失である。図９における縦軸は、結合ポート１３の反射損失である。

図７に示した結合度の周波数特性では、方向性結合器１の使用周波数帯域０．７〜２．７ＧＨｚにおける結合度の最小値と最大値の差は約２ｄＢであり、結合度の変化は十分に抑制されている。

図８に示した挿入損失の周波数特性では、挿入損失を−ｘ（ｄＢ）と表すと、０．７〜２．７ＧＨｚにおいて、ｘの値は、０．２以下であり、十分に小さい。

図９に示した結合ポート１３の反射損失の周波数特性では、反射損失を−ｒ（ｄＢ）と表すと、０．７〜２．７ＧＨｚにおいて、ｒの値は、１５以上であり、十分に大きい。

次に、図１０および図１１を参照して、抵抗器Ｒ１の抵抗値の好ましい範囲について説明する。図１０は、抵抗器Ｒ１の抵抗値を９０Ωにした場合における結合ポート１３の反射損失の周波数特性を示している。図１１は、抵抗器Ｒ１の抵抗値を２０Ωにした場合における結合ポート１３の反射損失の周波数特性を示している。これらの図に示した特性では、０．７〜２．７ＧＨｚにおけるｒの最小値が約１０になっている。抵抗器Ｒ１の抵抗値が２０〜９０Ωの範囲内では、０．７〜２．７ＧＨｚにおけるｒの最小値は約１０以上になる。しかし、抵抗器Ｒ１の抵抗値が２０〜９０Ωの範囲外になると、０．７〜２．７ＧＨｚにおけるｒの最小値は、１０未満になり、十分な大きさではなくなる。そのため、抵抗器Ｒ１の抵抗値は、２０〜９０Ωの範囲内であることが好ましい。

以上説明したように、本実施の形態によれば、大型化することなく、広帯域で使用可能で、且つ、終端ポート１４に接続される終端抵抗１５の抵抗値と等しい出力インピーダンスを有する信号源が結合ポート１３に接続されたときの、結合ポート１３での信号の反射を少なくすることができる方向性結合器１を実現することが可能になる。

［第２の実施の形態］
次に、図１２を参照して、本発明の第２の実施の形態に係る方向性結合器１について説明する。図１２は、本実施の形態に係る方向性結合器１の回路構成を示す回路図である。本実施の形態に係る方向性結合器１では、ローパスフィルタ３０の構成が第１の実施の形態と異なっている。

本実施の形態におけるローパスフィルタ３０は、第１の実施の形態と同様に、第１の経路３１と、第２の経路３２と、第２のキャパシタＣ２とを有している。第１の経路３１は、第１の結合線路部２０Ａの第２の端部２０Ａ２に接続された第３の端部３１Ａと、その反対側の第４の端部３１Ｂと、第３の端部３１Ａと第４の端部３１Ｂの間に設けられた少なくとも１つのインダクタとを有している。本実施の形態では、第１の経路３１は、少なくとも１つのインダクタとして、直列に接続された第１のインダクタＬ１１と第２のインダクタＬ１２を有している。本実施の形態における第２の経路３２の構成は、第１の実施の形態と同じである。

本実施の形態におけるローパスフィルタ３０は、更に、第１のインダクタＬ１１と第２のインダクタＬ１２との接続点とグランドとを接続する第３のキャパシタＣ３を有している。

次に、図１３ないし図１５を参照して、本実施の形態に係る方向性結合器１の特性の一例について説明する。図１３は、方向性結合器１における結合度の周波数特性を示す特性図である。図１４は、方向性結合器１における挿入損失の周波数特性を示す特性図である。図１５は、方向性結合器１における結合ポート１３の反射損失の周波数特性を示す特性図である。図１３ないし図１５における横軸は、周波数である。図１３における縦軸は、結合度である。図１４における縦軸は、挿入損失である。図１５における縦軸は、結合ポート１３の反射損失である。

図１３に示した結合度の周波数特性では、方向性結合器１の使用周波数帯域０．７〜２．７ＧＨｚにおける結合度の最小値と最大値の差は約３ｄＢであり、結合度の変化は十分に抑制されている。本実施の形態におけるローパスフィルタ３０の構成によれば、図１３に示した結合度の周波数特性において、約２ＧＨｚにおいて形成される減衰極の深さを容易に調整することが可能になる。

図１４に示した挿入損失の周波数特性では、挿入損失を−ｘ（ｄＢ）と表すと、０．７〜２．７ＧＨｚにおいて、ｘの値は、０．２以下であり、十分に小さい。

図１５に示した結合ポート１３の反射損失の周波数特性では、反射損失を−ｒ（ｄＢ）と表すと、０．７〜２．７ＧＨｚにおいて、ｒの値は、１５以上であり、十分に大きい。

本実施の形態におけるその他の構成、作用および効果は、第１の実施の形態と同様である。

［第３の実施の形態］
次に、図１６を参照して、本発明の第３の実施の形態に係る方向性結合器１について説明する。図１６は、本実施の形態に係る方向性結合器１の回路構成を示す回路図である。本実施の形態に係る方向性結合器１では、副線路２０は、第１の結合線路部２０Ａとローパスフィルタ３０を備えているが、第２の結合線路部２０Ｂを備えていない。また、本実施の形態に係る方向性結合器１では、主線路１０は、第１の部分１０Ａを備えているが、第２の部分１０Ｂを備えていない。また、本実施の形態に係る方向性結合器１では、第１の結合部４０Ａは存在するが、第２の結合部４０Ｂは存在しない。

本実施の形態におけるローパスフィルタ３０の構成は、第１の実施の形態と同じであってもよいし、第２の実施の形態と同じであってもよい。図１６には、ローパスフィルタ３０の構成が第１の実施の形態と同じである場合の例を示している。本実施の形態において、第１の経路３１の第４の端部３１Ｂは、直接、結合ポート１３に接続されている。

次に、本実施の形態に係る方向性結合器１の作用および効果について説明する。本実施の形態では、入力ポート１１と結合ポート１３の間には、第１の結合部４０Ａおよびローパスフィルタ３０を経由する第１の信号経路のみが形成される。入力ポート１１に高周波信号が入力されると、第１の信号経路を通過した信号が結合ポート１３から出力される。方向性結合器１の結合度は、第１の結合部４０Ａの単独の結合度と、ローパスフィルタ３０を通過する際の信号の減衰量とに依存する。

本実施の形態において、第１の結合部４０Ａの単独の結合度は、方向性結合器１の使用周波数帯域において、高周波信号の周波数が高くなるほど大きくなる。これは、高周波信号の周波数が高くなるほど、第１の信号経路を通過する信号の電力を増加させるように作用する。

一方、ローパスフィルタ３０を通過する際の信号の減衰量は、信号の周波数によって変化する。具体的には、方向性結合器１の使用周波数帯域の少なくとも一部の周波数領域において、ローパスフィルタ３０を通過する際の信号の減衰量は、信号の周波数が高くなるに従って大きくなる。従って、ローパスフィルタ３０は、方向性結合器１の使用周波数帯域の少なくとも一部の周波数領域において、高周波信号の周波数が高くなるほど、第１の信号経路を通過する信号の電力を減少させるように作用する。本実施の形態によれば、このローパスフィルタ３０の作用により、高周波信号の周波数の増加に伴う方向性結合器１の結合度の変化を抑制することができる。

次に、図１７ないし図１９を参照して、本実施の形態に係る方向性結合器１の特性の一例について説明する。図１７は、方向性結合器１における結合度の周波数特性を示す特性図である。図１８は、方向性結合器１における挿入損失の周波数特性を示す特性図である。図１９は、方向性結合器１における結合ポート１３の反射損失の周波数特性を示す特性図である。図１７ないし図１９における横軸は、周波数である。図１７における縦軸は、結合度である。図１８における縦軸は、挿入損失である。図１９における縦軸は、結合ポート１３の反射損失である。

図１７に示した結合度の周波数特性では、方向性結合器１の使用周波数帯域０．７〜２．７ＧＨｚにおける結合度の最小値と最大値の差は約３ｄＢであり、結合度の変化は十分に抑制されている。

図１８に示した挿入損失の周波数特性では、挿入損失を−ｘ（ｄＢ）と表すと、０．７〜２．７ＧＨｚにおいて、ｘの値は、第１および第２の実施の形態に比べると大きい。このことから、第１および第２の実施の形態によれば、第３の実施の形態に比べて、ｘの値を小さくすることができると言える。

図１９に示した結合ポート１３の反射損失の周波数特性では、反射損失を−ｒ（ｄＢ）と表すと、０．７〜２．７ＧＨｚにおいて、ｒの値は、１５以上であり、十分に大きい。

以下、比較例の方向性結合器と比較しながら、本実施の形態に係る方向性結合器１の効果について更に説明する。始めに、図２０を参照して、比較例の方向性結合器１０１の回路構成について説明する。比較例の方向性結合器１０１は、本実施の形態におけるローパスフィルタ３０の代わりに、ローパスフィルタ１３０を備えている。

ローパスフィルタ１３０は、第１の結合線路部２０Ａと結合ポート１３の間に設けられたインダクタＬ２１と、インダクタＬ２１と結合ポート１３との接続点とグランドとを接続するキャパシタＣ２１と、インダクタＬ２１と第１の結合線路部２０Ａとの接続点とグランドとを接続するキャパシタＣ２２とを有している。ローパスフィルタ１３０は、抵抗器Ｒ１を有していない。比較例の方向性結合器１０１のその他の構成は、本実施の形態に係る方向性結合器１と同じである。

図２１は、方向性結合器１０１における結合度の周波数特性を示す特性図である。図２２は、方向性結合器１０１における挿入損失の周波数特性を示す特性図である。図２３は、方向性結合器１０１における結合ポート１３の反射損失の周波数特性を示す特性図である。図２１ないし図２３における横軸は、周波数である。図２１における縦軸は、結合度である。図２２における縦軸は、挿入損失である。図２３における縦軸は、結合ポート１３の反射損失である。

図２１に示した結合度の周波数特性では、方向性結合器１０１の使用周波数帯域０．７〜２．７ＧＨｚにおける結合度の最小値と最大値の差は約３．７ｄＢであり、これは、図１７に示した本実施の形態に係る方向性結合器１に比べて大きい。

図２２に示した挿入損失の周波数特性では、挿入損失を−ｘ（ｄＢ）と表すと、０．７〜２．７ＧＨｚにおいて、ｘの値は、本実施の形態に係る方向性結合器１に比べるとわずかに小さいが、第１および第２の実施の形態に比べると大きい。

図２３に示した結合ポート１３の反射損失の周波数特性では、反射損失を−ｒ（ｄＢ）と表すと、０．７〜２．７ＧＨｚにおいて、ｒの値は、１０未満であり、十分な大きさではない。

本実施の形態に係る方向性結合器１と比較例の方向性結合器１０１では、図１９と図２３に示した結合ポート１３の反射損失の周波数特性が大きく異なる。比較例の方向性結合器１０１に比べて、本実施の形態に係る方向性結合器１によれば、明らかに、結合ポート１３での信号の反射を少なくすることができる。これは、本実施の形態に係る方向性結合器１におけるローパスフィルタ３０が抵抗器Ｒ１を含むことによる効果である。この効果は、第１および第２の実施の形態についても当てはまる。

本実施の形態におけるその他の構成、作用および効果は、第１の実施の形態と同様である。

なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されず、種々の変更が可能である。例えば、本発明におけるローパスフィルタの構成は、各実施の形態に示したものに限定されず、特許請求の範囲に記載された要件を満たすことを前提として、種々の変更が可能である。

１…方向性結合器、１０…主線路、１１…入力ポート、１２…出力ポート、１３…結合ポート、１４…終端ポート、１５…終端抵抗、２０Ａ…第１の結合線路部、２０Ｂ…第２の結合線路部、３０…ローパスフィルタ、３１…第１の経路、３２…第２の経路、Ｌ１…インダクタ、Ｃ１…第１のキャパシタ、Ｃ２…第２のキャパシタ、Ｒ１…抵抗器。

図４における（ｃ）は、第３誘電体層５３と、第３誘電体層５３を貫通する要素とを示している。第３誘電体層５３には、第３誘電体層５３を貫通する導体部５３Ｖ１，５３Ｖ２，５３Ｖ３，５３Ｖ４，５３Ｖ５，５３Ｖ６，５３Ｖ７，５３Ｖ８，５３Ｖ９，５３Ｖ１０，５３Ｖ１１が形成されている。導体部５３Ｖ１，５３Ｖ２，５３Ｖ３，５３Ｖ４，５３Ｖ５，５３Ｖ６，５３Ｖ７，５３Ｖ８，５３Ｖ９は、それぞれ、図４における（ａ）に示した導体部５２Ｖ１，５２Ｖ２，５２Ｖ３，５２Ｖ４，５２Ｖ５，５２Ｖ６，５２Ｖ７，５２Ｖ８，５２Ｖ９に接続されている。導体部５３Ｖ１０は、図４における（ｂ）に示した導体層５３Ｃ１Ｒに接続されている。導体部５３Ｖ１１は、図４における（ｂ）に示した導体層５３Ｃ２Ｌに接続されている。

Claims (5)

1. 入力ポートと、
   出力ポートと、
   結合ポートと、
   終端ポートと、
   前記入力ポートと前記出力ポートを接続する主線路と、
   前記結合ポートと前記終端ポートを接続する副線路とを備えた方向性結合器であって、
   前記副線路は、前記主線路に対して電磁界結合する第１の結合線路部と、ローパスフィルタとを備え、
   前記第１の結合線路部は、互いに反対側に位置する第１の端部および第２の端部を有し、
   前記第１の端部は、前記終端ポートに接続され、
   前記ローパスフィルタは、前記第１の結合線路部の前記第２の端部と前記結合ポートとの間に設けられた第１の経路と、前記第１の経路に接続された第２の経路とを有し、
   前記第１の経路は、前記第１の結合線路部の前記第２の端部に接続された第３の端部と、その反対側の第４の端部と、前記第３の端部と前記第４の端部の間に設けられた少なくとも１つのインダクタとを有し、
   前記第２の経路は、一端が前記第１の経路の前記第４の端部に接続された第１のキャパシタと、前記第１のキャパシタの他端とグランドとを接続する抵抗器とを有することを特徴とする方向性結合器。
2. 前記ローパスフィルタは、更に、前記第１の経路の前記第３の端部とグランドとを接続する第２のキャパシタを有することを特徴とする請求項１記載の方向性結合器。
3. 前記副線路は、更に、前記主線路に対して電磁界結合する第２の結合線路部を備え、
   前記第２の結合線路部は、互いに反対側に位置する第５の端部および第６の端部を有し、
   前記第５の端部は、前記結合ポートに接続され、
   前記第６の端部は、前記第１の経路の前記第４の端部に接続されていることを特徴とする請求項１または２記載の方向性結合器。
4. 前記第１の経路は、前記少なくとも１つのインダクタとして、直列に接続された第１のインダクタと第２のインダクタを有し、
   前記ローパスフィルタは、更に、前記第１のインダクタと前記第２のインダクタとの接続点とグランドとを接続する第３のキャパシタを有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の方向性結合器。
5. 前記抵抗器は、２０〜９０Ωの範囲内の抵抗値を有することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の方向性結合器。

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