JP2018037780A

JP2018037780A - 双方向性結合器

Info

Publication number: JP2018037780A
Application number: JP2016167968A
Authority: JP
Inventors: 良守金; Yoshimori Kin
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2016-08-30
Filing date: 2016-08-30
Publication date: 2018-03-08
Also published as: US11043978B2; US20180062672A1; CN107785641B; CN107785641A

Abstract

【課題】双方向の検波を行うことが可能な双方向性結合器を提供する。
【解決手段】双方向性結合器は、一端が第１ポートと接続され、他端が第２ポートと接続された主線路と、主線路と電磁結合された副線路と、一端が接地される第１抵抗器と、一端が接地される第２抵抗器と、副線路の一端を、第１抵抗器の他端又は第３ポートに接続する第１スイッチと、副線路の他端を、第２抵抗器の他端又は第３ポートに接続する第２スイッチと、副線路の一端と第１スイッチとの間、又は、副線路の他端と第２スイッチとの間に設けられた第３抵抗器と、を備え、入力信号を検波する場合は、第１スイッチが副線路の一端を第１抵抗器の他端に電気的に接続し、第２スイッチが副線路の他端を第３ポートに電気的に接続し、反射信号を検波する場合は、第１スイッチが副線路の一端を第３ポートに電気的に接続し、第２スイッチが副線路の他端を第２抵抗器の他端に電気的に接続する。
【選択図】図１

Description

本発明は、双方向性結合器に関する。

携帯電話等の無線通信装置においては、信号レベルを検出するために検波回路が用いられている。例えば、特許文献１には、無線ＬＡＮモジュールからアンテナに出力される送信信号を検波するための方向性結合器が開示されている。

特開２０１３−１２６０６７号公報

無線通信装置では、例えば、体の一部がアンテナに接触することなどによって、アンテナのインピーダンスが変化する。アンテナのインピーダンスが変化すると、アンテナからの反射信号のレベルも変化する。そのため、無線通信装置では、アンテナからの反射信号のレベルに応じて、送信信号の電力を制御することが求められている。特許文献１に開示されている方向性結合器は、無線ＬＡＮモジュールからアンテナに出力される送信信号の検波を行うことはできるものの、アンテナからの反射信号の検波を行うことはできない。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、双方向の検波を行うことが可能な双方向性結合器を提供することを目的とする。

本発明の一側面に係る双方向性結合器は、入力信号が入力される第１ポートと、入力信号が出力される第２ポートと、入力信号、又は、入力信号の反射信号の検波信号が出力される第３ポートと、一端が第１ポートと接続され、他端が第２ポートと接続された主線路と、主線路と電磁結合された副線路と、一端が接地される第１抵抗器と、一端が接地される第２抵抗器と、副線路の一端を、第１抵抗器の他端又は第３ポートに接続する第１スイッチと、副線路の他端を、第２抵抗器の他端又は第３ポートに接続する第２スイッチと、副線路の一端と第１スイッチとの間、又は、前記副線路の他端と前記第２スイッチとの間に設けられた第３抵抗器と、を備え、入力信号を検波する場合は、第１スイッチが副線路の一端を第１抵抗器の他端に電気的に接続し、第２スイッチが副線路の他端を第３ポートに電気的に接続し、反射信号を検波する場合は、第１スイッチが副線路の一端を第３ポートに電気的に接続し、第２スイッチが副線路の他端を第２抵抗器の他端に電気的に接続する。

本発明によれば、双方向の検波を行うことが可能な双方向性結合器を提供することが可能となる。

本発明の一実施形態である双方向性結合器１００Ａの構成を示す図である。双方向性結合器１００Ａにおける端子配置の一例を示す図である。方向性のシミュレーション結果の一例を示す図である。本発明の他の一実施形態である双方向性結合器１００Ｂの構成を示す図である。低域通過フィルタ４００の構成例を示す図である。低域通過フィルタ４００を設けていない場合における、結合度の周波数特性のシミュレーション結果を示す図である。低域通過フィルタ４００のゲインの周波数特性のシミュレーション結果を示す図である。低域通過フィルタ４００を設けた場合における、結合度の周波数特性のシミュレーション結果を示す図である。本発明の他の一実施形態である双方向性結合器１００Ｃの構成を示す図である。本発明の他の一実施形態である双方向性結合器１００Ｄの構成を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態である双方向性結合器１００Ａの構成を示す図である。双方向性結合器１００Ａは、増幅回路ＡＭＰからアンテナＡＮＴに送信される送信信号を検波することができる（フォワード）。また、双方向性結合器１００Ａは、アンテナＡＮＴから増幅回路ＡＭＰへの反射信号を検波することができる（リバース）。

図１に示すように、双方向性結合器１００Ａは、入力ポートＩＮ、出力ポートＯＵＴ、検波ポートＤＥＴ、主線路ＭＬ、副線路ＳＬ、スイッチＳＷ１，ＳＷ２、及び抵抗器Ｒｆ，Ｒｒ，Ｒｓを備える。

主線路ＭＬは、一端が入力ポートＩＮ（第１ポート）に接続され、他端が出力ポートＯＵＴ（第２ポート）に接続されている。入力ポートＩＮには、増幅回路ＡＭＰからの送信信号（入力信号）が供給される。この送信信号は、主線路ＭＬ１及び出力ポートＯＵＴを通じてアンテナＡＮＴに供給される。また、出力ポートＯＵＴには、この送信信号の反射信号が供給される。副線路ＳＬは、主線路ＭＬと電磁結合されている。副線路ＳＬは、一端がスイッチＳＷ１に接続され、他端がスイッチＳＷ２に接続されている。

抵抗器Ｒｆ（第１抵抗器）は、一端が接地され他端がスイッチＳＷ１に接続されている。抵抗器Ｒｒ（第２抵抗器）は、一端が接地され他端がスイッチＳＷ２に接続されている。抵抗器Ｒｓは、副線路ＳＬとスイッチＳＷ１との間に設けられている。検波ポートＤＥＴ（第３ポート）は、スイッチＳＷ１，ＳＷ２と接続されている。検波ポートＤＥＴからは、送信信号の検波信号、又は、反射信号の検波信号が出力される。抵抗器Ｒｓ（第３抵抗器）は、後述するように、フォワードの方向性のピークを高周波側にシフトするために設けられている。

スイッチＳＷ１（第１スイッチ）は、外部から供給される制御信号に応じて、副線路ＳＬの一端を抵抗器Ｒｆ又は検波ポートＤＥＴに電気的に接続する。スイッチＳＷ２（第２スイッチ）は、制御信号に応じて、副線路ＳＬの他端を抵抗器Ｒｒ又は検波ポートＤＥＴに電気的に接続する。具体的には、双方向性結合器１００Ａで送信信号の検波を行う場合（フォワード）、スイッチＳＷ１は抵抗器Ｒｆ側に切り替えられ、スイッチＳＷ２は検波ポートＤＥＴ側に切り替えられる。また、双方向性結合器１００Ａで反射信号の検波を行う場合（リバース）、スイッチＳＷ１は検波ポートＤＥＴ側に切り替えられ、スイッチＳＷ２は抵抗器Ｒｒ側に切り替えられる。

図２は、双方向性結合器１００Ａにおける端子配置の一例を示す図である。図２において、双方向性結合器１００Ａは、チップにより構成されている。図２には、このチップが備える端子が示されている。具体的には、双方向性結合器１００Ａは、チップの裏面２００に、端子Ｔｉｎ，Ｔｏｕｔ，Ｔｇｎｄ，Ｔｖｃｃ，Ｔｄｅｔ，Ｔｃｎｔを備えている。これらの端子は、例えば、フリップチップ接続によって基板に接続される。端子Ｔｉｎは、入力ポートＩＮに接続され、端子Ｔｏｕｔは、出力ポートＯＵＴに接続されている。また、端子Ｔｇｎｄは接地され、端子Ｔｖｃｃには電源電圧が供給される。端子Ｔｄｅｔは、検波ポートＤＥＴに接続され、端子ＴｃｎｔにはスイッチＳＷ１，ＳＷ２を制御するための制御信号が供給される。

図２に示すように、端子Ｔｉｎ，Ｔｇｎｄ，Ｔｄｅｔは、辺２１０に沿って設けられている。また、端子Ｔｏｕｔ，Ｔｖｃｃ，Ｔｃｎｔは、辺２１０に対向する辺２２０に沿って設けられている。端子Ｔｉｎ，Ｔｇｎｄ，Ｔｄｅｔと端子Ｔｏｕｔ，Ｔｖｃｃ，Ｔｃｎｔとは、辺２１０，２２０に平行な中心線２３０を基準に略線対称に配置されている。しかしながら、端子Ｔｇｎｄは接地される一方、端子Ｖｃｃには電源電圧が供給されるため、中心線２３０の左側と右側とで電位やインピーダンスのずれが生じてしまう。これにより、端子Ｔｉｎから端子Ｔｏｕｔへの送信信号を検波する場合（フォワード）と、端子Ｔｏｕｔから端子Ｔｉｎへの反射信号を検波する場合（リバース）とにおいて、方向性に非対称性が生じる可能性がある。

そこで、双方向性結合器１００Ａでは、方向性の非対称性を改善するために、抵抗器Ｒｓが設けられている。シミュレーション結果を参照して、この点について説明する。

図３は、方向性のシミュレーション結果の一例を示す図である。図３において、横軸は周波数（ＧＨｚ）、縦軸は方向性（ｄＢ）である。図３には、副線路ＳＬとスイッチＳＷ１との間に抵抗器Ｒｓを設けた場合（図１：直列抵抗）、抵抗器Ｒｓを設けない場合（抵抗なし）、及び抵抗器Ｒｓを抵抗器Ｒｆと並列に設けた場合（並列接続）における、リバースの方向性が示されている。図３に示すように、抵抗器Ｒｓを副線路ＳＬとスイッチＳＷ１との間に設けることにより、リバースの方向性のピークを高周波側にシフトさせることができる。なお、抵抗器Ｒｓを、副線路ＳＬとスイッチＳＷ１との間ではなく、副線路ＳＬとスイッチＳＷ２との間に設けた場合は、フォワードの方向性のピークを高周波側にシフトさせることができる。したがって、副線路ＳＬとスイッチＳＷ１との間、もしくは、副線路ＳＬとスイッチＳＷ２との間に抵抗器Ｒｓを設けることにより、方向性の非対称性を改善することができる。なお、図２に示した端子配置は一例であり、端子配置はこれに限られない。また、端子と基板との接続は、フリップチップ接続に限られず、ワイヤボンディング等の任意の接続手法を用いることができる。

図４は、本発明の他の一実施形態である双方向性結合器１００Ｂの構成を示す図である。なお、図１に示した双方向性結合器１００Ａと同一の要素には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

双方向性結合器１００Ｂは、双方向性結合器１００Ａが備える要素に加えて、低域通過フィルタ（ＬＰＦ）４００を備える。低域通過フィルタ４００は、スイッチＳＷ１，ＳＷ２と検波ポートＤＥＴとの間に設けられている。したがって、スイッチＳＷ１，ＳＷ２から出力される検波信号は、低域通過フィルタ４００を通じて、検波ポートＤＥＴから出力される。

図５は、低域通過フィルタ４００の構成例を示す図である。低域通過フィルタ４００は、キャパシタＣ１，Ｃ２、インダクタＬ１、及び抵抗器Ｒ１を備える。キャパシタＣ１は、一端がスイッチＳＷ１，ＳＷ２に接続され、他端が接地されている。キャパシタＣ２は、一端がスイッチＳＷ１，ＳＷ２に接続され、他端が検波ポートＤＥＴに接続されている。インダクタＬ１及び抵抗器Ｒ１は直列接続され、一端がスイッチＳＷ１，ＳＷ２に接続され、他端が検波ポートＤＥＴに接続されている。なお、図５では、インダクタＬ１がスイッチＳＷ１，ＳＷ２側、抵抗器Ｒ１が検波ポートＤＥＴ側に設けられているが、インダクタＬ１及び抵抗器Ｒ１の位置関係は逆でもよい。

低域通過フィルタ４００は、結合度の周波数依存性を小さくするために設けられている。シミュレーション結果を参照して、この点について説明する。

図６は、低域通過フィルタ４００を設けていない場合における、結合度の周波数特性のシミュレーション結果を示す図である。図６において、横軸は周波数（ＧＨｚ）、縦軸は結合度（ｄＢ）である。図５に示すように、周波数が高くなるにつれて結合度が大きくなっている。例えば、７００ＭＨｚ〜２．７ＧＨｚの範囲において、結合度には約１１ｄＢの差が生じている。

図７は、低域通過フィルタ４００のゲインの周波数特性のシミュレーション結果を示す図である。図７において、横軸は周波数（ＧＨｚ）、縦軸はゲイン（ｄＢ）である。図７に示すように、低域通過フィルタ４００は、周波数が高くなるにつれてゲインが小さくなる特性を有している。

図８は、低域通過フィルタ４００を設けた場合における、結合度の周波数特性のシミュレーション結果を示す図である。図８に示すように、低域通過フィルタ４００が追加されたことによって、結合度の周波数依存性が小さくなっている。具体的には、例えば、７００ＭＨｚ〜２．７ＧＨｚの範囲において、結合度の差は約４ｄＢに改善されている。このように、双方向性結合器１００Ｂでは、低域通過フィルタ４００が設けられていることにより、結合度の周波数依存性を小さくすることができる。

図９は、本発明の他の一実施形態である双方向性結合器１００Ｃの構成を示す図である。なお、図４に示した双方向性結合器１００Ｂと同一の要素には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

双方向性結合器１００Ｃは、双方向性結合器１００Ｂが備える要素に加えて、整合回路（ＭＮ：ＭａｔｃｈｉｎｇＮｅｔｗｏｒｋ）９００を備える。整合回路９００は、低域通過フィルタ４００と検波ポートＤＥＴとの間に設けられている。なお、低域通過フィルタ４００を備えない構成であってもよい。

整合回路９００は、例えば、低域通過フィルタ４００と検波ポートＤＥＴとの間に直列に接続されたインダクタを含む。双方向性結合器１００Ｃでは、整合回路９００が設けられていることにより、検波ポートＤＥＴからの反射信号による損失を改善することが可能となる。

図１０は、本発明の他の一実施形態である双方向性結合器１００Ｄの構成を示す図である。なお、図９に示した双方向性結合器１００Ｃと同一の要素には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

双方向性結合器１００Ｄは、双方向性結合器１００Ｃが備える要素に加えて、キャパシタＣｆ，Ｃｒを備える。キャパシタＣｆは、一端が抵抗器ＲｓとスイッチＳＷ１との間に接続され、他端が接地される。キャパシタＣｒは、一端が副線路ＳＬ１とスイッチＳＷ２との間に接続され、他端が接地される。なお、キャパシタＣｆの一端は、副線路ＳＬ１と抵抗器Ｒｓとの間、又は、スイッチＳＷ１と抵抗器Ｒｆとの間に接続されてもよい。また、キャパシタＣｒの一端は、スイッチＳＷ２と抵抗器Ｒｒとの間に接続されてもよい。また、双方向性結合器１００Ｄは、低域通過フィルタ４００又は整合回路９００を備えなくてもよい。

双方向性結合器１００Ｄでは、抵抗器Ｒｆ，Ｒｒに流れる電流は、磁界結合成分よりも電界結合成分が大きい。キャパシタＣｆ，Ｃｒは、電界結合の寄与と磁界結合の寄与とが同等となるように機能する。これにより、双方向性結合器１００Ｄでは、アイソレーションと方向性を改善することが可能となる。

以上、本発明の例示的な実施形態について説明した。双方向性結合器１００Ａ〜１００Ｄによれば、副線路ＳＬとスイッチＳＷ１との間に抵抗器Ｒｓが設けられていることにより、リバースの方向性のピークを高周波側にシフトさせることができる。なお、抵抗器Ｒｓを、副線路ＳＬとスイッチＳＷ１との間ではなく、副線路ＳＬとスイッチＳＷ２との間に設けてもよい。この場合、フォワードの方向性のピークを高周波側にシフトさせることができる。このように、抵抗器Ｒｓを設けることにより、リバース又はフォワードの一方の方向性のピークを高周波側にシフトさせ、方向性の非対称性を改善することができる。

また、双方向性結合器１００Ｂ〜１００Ｄによれば、スイッチＳＷ１，ＳＷ２と検波ポートＤＥＴとの間に低域通過フィルタ４００が設けられている。これにより、周波数が高くなるにつれて大きくなる結合度の影響（図６）を、結合度とは逆の特性を有する低域通過フィルタ４００によって相殺し（図７）、結合度の周波数依存性を小さくすることができる。

また、双方向性結合器１００Ｃ，１００Ｄによれば、低域通過フィルタ４００と検波ポートＤＥＴとの間に整合回路９００が設けられている。これにより、検波ポートＤＥＴからの反射信号による損失を改善することが可能となる。

また、双方向性結合器１００Ｄによれば、抵抗器Ｒｆ，Ｒｒのそれぞれと並列に接続されるキャパシタＣｆ，Ｃｒが設けられている。双方向性結合器１００Ｄでは、キャパシタＣｆ，Ｃｒが、電界結合の寄与と磁界結合の寄与とが同等となるように機能することにより、アイソレーションと方向性を改善することが可能となる。

以上説明した各実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更／改良され得るととともに、本発明にはその等価物も含まれる。即ち、各実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、各実施形態が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、各実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

１００Ａ双方向性結合器
２００裏面
ＡＭＰ増幅回路
ＡＮＴアンテナ
ＩＮ入力ポート
ＯＵＴ出力ポート
ＤＥＴ検波ポート
ＭＬ主線路
ＳＬ副線路
ＳＷ１，ＳＷ２スイッチ
Ｒｆ，Ｒｒ抵抗器
Ｔｉｎ，Ｔｏｕｔ，Ｔｇｎｄ，Ｔｖｃｃ，Ｔｄｅｔ，Ｔｃｎｔ端子

Claims

入力信号が入力される第１ポートと、
前記入力信号が出力される第２ポートと、
前記入力信号の検波信号、又は、前記入力信号の反射信号の検波信号が出力される第３ポートと、
一端が前記第１ポートと接続され、他端が前記第２ポートと接続された主線路と、
前記主線路と電磁結合された副線路と、
一端が接地される第１抵抗器と、
一端が接地される第２抵抗器と、
前記副線路の一端を、前記第１抵抗器の他端又は前記第３ポートに接続する第１スイッチと、
前記副線路の他端を、前記第２抵抗器の他端又は前記第３ポートに接続する第２スイッチと、
前記副線路の一端と前記第１スイッチとの間、又は、前記副線路の他端と前記第２スイッチとの間に設けられた第３抵抗器と、
を備え、
前記入力信号を検波する場合は、前記第１スイッチが前記副線路の一端を前記第１抵抗器の他端に電気的に接続し、前記第２スイッチが前記副線路の他端を前記第３ポートに電気的に接続し、
前記反射信号を検波する場合は、前記第１スイッチが前記副線路の一端を前記第３ポートに電気的に接続し、前記第２スイッチが前記副線路の他端を前記第２抵抗器の他端に電気的に接続する、
双方向性結合器。
請求項１に記載の双方向性結合器であって、
前記第１及び第２スイッチと前記第３ポートとの間に設けられた整合回路をさらに備える、双方向性結合器。
請求項１に記載の双方向性結合器であって、
前記第１及び第２スイッチと前記第３ポートとの間に設けられた低域通過フィルタをさらに備える、双方向性結合器。
請求項３に記載の双方向性結合器であって、
前記低域通過フィルタと前記第３ポートとの間に設けられた整合回路をさらに備える、双方向性結合器。
請求項１〜４のいずれか一項に記載の双方向性結合器であって、
一端が前記副線路の一端と接続され、他端が接地される第１キャパシタと、
一端が前記副線路の他端と接続され、他端が接地される第２キャパシタと、
をさらに備える、双方向性結合器。