JP2020036281A - 方向性結合器 - Google Patents

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Abstract

【課題】所望の周波数帯域の高周波信号を高精度に検波しつつ、小型化された方向性結合器を提供する。【解決手段】方向性結合器１は、高周波信号を伝送する主線路１１と、主線路１１と電磁気的に結合した副線路１２と、副線路１２の一端部１２１を終端する終端回路１４と、入力端子１０１および出力端子１００を有し、入力端子１０１が副線路１２の他端部１２２に接続された可変フィルタ１０とを備え、可変フィルタ１０は、１つの周波数帯域を通過帯域または阻止帯域として有するフィルタ単位回路であり、当該フィルタ単位回路内には、当該通過帯域または阻止帯域を周波数シフトさせるための可変受動素子が配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、方向性結合器に関する。
従来、副線路の一端部（カップリングポート）に、複数のフィルタおよび複数のスイッチで構成されたフィルタ回路が接続された電磁カプラ（方向性結合器）が知られている（例えば、特許文献１を参照）。上記複数のスイッチの切り替えにより、上記複数のフィルタのうちの一のフィルタを副線路と接続することで、所望の周波数帯域の高周波信号を、他の周波数帯域の信号からの干渉を受けることなく検波することができる。
米国特許第９９５４５６４号明細書
しかしながら、上述した従来の方向性結合器では、通過帯域が固定化されたフィルタを複数配置しているため、方向性結合器が大型化するという問題がある。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、所望の周波数帯域の高周波信号を高精度に検波しつつ、小型化された方向性結合器を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る方向性結合器は、高周波信号を伝送する主線路と、前記主線路と電磁気的に結合した副線路と、前記副線路の一端部を終端する終端回路と、入力端子および出力端子を有し、前記入力端子が前記副線路の他端部に接続された可変フィルタと、を備え、前記可変フィルタは、１つの周波数帯域を通過帯域または阻止帯域として有するフィルタ単位回路であり、前記フィルタ単位回路内には、前記通過帯域または阻止帯域を周波数シフトさせるための可変受動素子が配置されている。
本発明によれば、所望の周波数帯域の高周波信号を高精度に検波しつつ、小型化された方向性結合器を提供することが可能となる。
実施の形態１に係る方向性結合器の機能的な構成の一例を示す回路図である。 実施の形態１に係る可変フィルタの第１例（可変ローパスフィルタ）を示す回路構成図である。 実施の形態１に係る可変フィルタの第２例（可変ハイパスフィルタ）を示す回路構成図である。 実施の形態１に係る可変フィルタの第３例（可変バンドエリミネーションフィルタ）を示す回路構成図である。 実施の形態１に係る可変フィルタの第４例（可変バンドパスフィルタ）を示す回路構成図である。 実施の形態１に係る可変フィルタが有するインダクタの回路構成および平面構造を示す図である。 実施の形態１に係る可変フィルタの第１例における通過特性を表すグラフである。 実施の形態１に係る可変フィルタの第２例における通過特性を表すグラフである。 実施の形態１に係る可変フィルタの第５例（可変バンドパスフィルタ）を示す回路構成図である。 実施の形態１に係る可変フィルタの第６例（可変バンドパスフィルタ）を示す回路構成図である。 実施の形態１に係る第５例の可変フィルタを含む方向性結合器の実装構成図である。 実施の形態１に係る可変フィルタの第７例（可変バンドパスフィルタ）を示す回路構成図である。 実施の形態１に係る可変フィルタの第８例（可変バンドパスフィルタ）を示す回路構成図である。 実施の形態１に係る第７例の可変フィルタを含む方向性結合器の実装構成図である。 実施の形態２に係る方向性結合器の機能的な構成の一例を示す回路図である。 実施の形態３に係る方向性結合器の機能的な構成の一例を示す回路図である。
以下、本発明の実施の形態およびその変形例について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下で説明する実施の形態およびその変形例は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態およびその変形例で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置および接続形態などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。以下の実施の形態およびその変形例における構成要素のうち、独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、図面に示される構成要素の大きさまたは大きさの比は、必ずしも厳密ではない。
（実施の形態１）
［１．１ 方向性結合器の回路構成］
図１は、実施の形態１に係る方向性結合器１の機能的な構成の一例を示す回路図である。同図に示すように、方向性結合器１は、主線路１１と、副線路１２と、可変フィルタ１０と、終端回路１４と、スイッチ１５Ａおよび１５Ｂと、を備える。主線路１１と副線路１２とは、図１の矢印Ｍで表されるように、互いに電磁気的に結合している。
主線路１１の一端および他端は、それぞれ、入力ポート１１０（ＲＦｉｎ）および出力ポート１２０（ＲＦｏｕｔ）に接続されている。
副線路１２の一端部１２１はスイッチ１５Ｂに接続され、他端部１２２はスイッチ１５Ａに接続されている。
終端回路１４は、スイッチ１５Ａおよび１５Ｂに接続されている。
スイッチ１５Ａは、共通端子１５１（第１共通端子）、選択端子１５２（第１選択端子）および選択端子１５３（第２選択端子）を有し、他端部１２２と可変フィルタ１０との間に配置された第１スイッチ回路である。スイッチ１５Ｂは、共通端子１５４（第２共通端子）、選択端子１５５（第３選択端子）および選択端子１５６（第４選択端子）を有し、一端部１２１と終端回路１４との間に配置された第２スイッチ回路である。より具体的には、他端部１２２は共通端子１５１に接続され、一端部１２１は共通端子１５４に接続され、可変フィルタ１０の入力端子１０１は選択端子１５２および１５５に接続され、終端回路１４は選択端子１５３および１５６に接続されている。
つまり、終端回路１４は、スイッチ１５Ａを介して他端部１２２に接続され、スイッチ１５Ｂを介して一端部１２１に接続される。また、可変フィルタ１０は、スイッチ１５Ａを介して他端部１２２に接続され、スイッチ１５Ｂを介して一端部１２１に接続される。
なお、図１においては終端回路が終端回路１４の１つのみ示されているが、終端回路はスイッチ１５Ａおよびスイッチ１５Ｂのそれぞれに接続された複数の終端回路を含んでもよい。
上記構成によれば、主線路１１を入力ポート１１０から出力ポート１２０へ伝送する高周波信号を副線路１２にて検波するには、共通端子１５４と選択端子１５６とを導通状態とし、共通端子１５４と選択端子１５５とを非導通状態とし、共通端子１５１と選択端子１５２とを導通状態とし、共通端子１５１と選択端子１５３とを非導通状態とする。一方、主線路１１を出力ポート１２０から入力ポート１１０へ伝送する高周波信号を副線路１２にて検波するには、共通端子１５１と選択端子１５３とを導通状態とし、共通端子１５１と選択端子１５２とを非導通状態とし、共通端子１５４と選択端子１５５とを導通状態とし、共通端子１５４と選択端子１５６とを非導通状態とする。つまり、主線路１１の双方向に伝送する高周波信号を、スイッチ１５Ａおよび１５Ｂの切り替えにより、副線路１２にて高精度に検波できる。
なお、スイッチ１５Ａおよび１５Ｂは、なくてもよい。この場合、本発明に係る方向性結合器は、主線路１１を入力ポート１１０から出力ポート１２０へ伝送する高周波信号を副線路１２で検波する場合には、他端部１２２が可変フィルタ１０にスイッチを介さずに接続され、一端部１２１が終端回路１４にスイッチを介さずに接続された構成を有する。また、主線路１１を出力ポート１２０から入力ポート１１０へ伝送する高周波信号を副線路１２で検波する場合には、他端部１２２が終端回路１４にスイッチを介さずに接続され、一端部１２１が可変フィルタ１０にスイッチを介さずに接続された構成を有する。
可変フィルタ１０は、１つの連続した周波数帯域を通過帯域または阻止帯域とするフィルタ単位回路であり、当該フィルタ単位回路内には、当該通過帯域を周波数シフトさせるための可変受動素子が配置されている。なお、可変受動素子とは、当該素子の回路定数値を可変する受動素子であり、例えば、インダクタンス値が可変する可変インダクタ、および、キャパシタンス値が可変する可変キャパシタが該当する。
本実施の形態では、上記可変受動素子は、スイッチと、当該スイッチに接続された受動素子とを含む。
なお、フィルタ単位回路とは、上述したように１つの連続した周波数帯域を通過帯域または阻止帯域とするフィルタ回路であり、以下のフィルタ回路は該当しない。すなわち、一の周波数帯域を通過帯域または阻止帯域とする第１回路と、他の周波数帯域を通過帯域または阻止帯域とし、第１回路を構成する回路素子と異なる回路素子で構成された第２回路と、第１回路および第２回路の導通および非導通を切り替えるスイッチ回路と、を含むフィルタ回路はフィルタ単位回路には該当しない。なお、この場合、上記第１回路および上記第２回路のそれぞれが、フィルタ単位回路に該当する。
これにより、フィルタ単位回路内に設けられた可変受動素子を用いて、可変フィルタ１０の通過帯域または阻止帯域をシフトさせることが可能となる。よって、主線路１１を伝送する高周波信号の所望の周波数帯域の高周波信号を、他の周波数成分を除去しつつ副線路１２の一端部１２１または他端部１２２から可変フィルタ１０を介し、出力端子１００にて高精度に検波できる。
方向性結合器が用いられる携帯電話などの移動体通信機においては、近年、マルチバンド化およびグローバル化のため、対応を要する周波数帯域が急増する一方、移動体通信機に搭載される電力増幅器やデュプレクサも複雑かつ大型化している。このため、方向性結合器に対する小型化の要求が強くなっている。よって、方向性結合器に内蔵されるフィルタを極力小型化する必要がある。
また、マルチバンド化およびグローバル化に対応すべく、従来の方向性結合器のように、固定化された１つの通過帯域または阻止帯域を有するフィルタ（フィルタ単位回路）が複数配置されたフィルタ回路を方向性結合器の副線路側に設けた場合、フィルタ（フィルタ単位回路）間の相互干渉が発生する。その結果、フィルタ（フィルタ単位回路）に要求される機能において、所望の通過帯域にリプルが発生し、および／または、所望の阻止帯域に不要なスプリアスレスポンスが発生する。このようなフィルタ間の相互干渉は、フィルタ（フィルタ単位回路）の数が多いほど強くなり、また、複雑化する。
フィルタ（フィルタ単位回路）間の相互干渉としては、（１）フィルタ（フィルタ単位回路）の切り替え用スイッチを用いる場合には当該スイッチのアイソレーションの限界による干渉、（２）インダクタを有するフィルタにおいては誘導性結合による干渉、（３）弾性表面波（ＳＡＷ：Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ）フィルタおよびＢＡＷ（Ｂｕｌｋ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ）フィルタなどのような圧電フィルタにおいては振動伝搬による干渉、誘電体共振器を用いるフィルタおよび上記各フィルタにおいては電界結合による干渉、などが挙げられる。
上述した相互干渉を抑制すべく、電磁シールドおよびアイソレーションの強化、ならびに、圧電基板および弾性波共振子の分割などの対策を施すことが考えられるが、複雑化および大型化の弊害が発生する。
これに対して、本実施の形態に係る方向性結合器１の構成によれば、フィルタ単位回路である可変フィルタ１０の通過帯域または阻止帯域を、当該フィルタ単位回路内に配置された可変受動素子により周波数シフトさせるので、検波したい周波数帯域に対応した通過帯域を有するフィルタを複数配置する必要がない。よって、所望の周波数帯域の高周波信号を高精度に検波しつつ小型化された方向性結合器１を提供できる。
なお、本実施の形態に係る方向性結合器１では、副線路１２の一端部１２１および他端部１２２には、可変フィルタ１０以外のフィルタが接続されていない。つまり、可変フィルタ１０以外に、検波したい周波数帯域に対応した通過帯域を有するフィルタが配置されていない。このため、方向性結合器１を小型化できるとともに、複数のフィルタが配置されている場合に発生するフィルタ間の相互干渉による通過帯域内リップルおよび阻止帯域内の不要波スプリアスなどを抑制して検波精度を向上させることができる。
なお、本発明に係る方向性結合器は、本実施の形態に係る方向性結合器１のように、副線路１２に接続されるフィルタとして可変フィルタ１０のみを有する構成に限られない。例えば、後述する実施の形態３に係る方向性結合器３のように、可変フィルタ１０を含む複数のフィルタが副線路１２に接続された構成であってもよい。
［１．２ 可変フィルタの回路構成および通過特性］
図２Ａは、実施の形態１に係る可変フィルタ１０（可変フィルタの第１例：可変ローパスフィルタ）を示す回路構成図である。同図に示すように、可変フィルタ１０は、入力端子１０１と、出力端子１００と、インダクタ１１１と、キャパシタ１１２、１１３、１１４、１１５、１１６および１１７と、スイッチＳＷ１１、ＳＷ１２、ＳＷ１３およびＳＷ１４と、を有している。可変フィルタ１０は、集中定数型の受動素子であるインダクタおよびキャパシタで構成されている。
インダクタ１１１、スイッチＳＷ１１、ＳＷ１２、ＳＷ１３、キャパシタ１１２および１１３を有する直列腕回路が、入力端子１０１と出力端子１００との間に接続されている。また、入力端子１０１と出力端子１００とを結ぶ経路とグランドとの間に、キャパシタ１１４、１１５、１１６、１１７およびスイッチＳＷ１４を有する並列腕回路が接続されている。
上記接続構成により、可変フィルタ１０は、入力端子１０１と出力端子１００とを結ぶ直列腕にインダクタンス成分を有し、当該直列腕とグランドとを結ぶ並列腕にキャパシタンス成分を有することで、１つの連続した周波数帯域を通過帯域または阻止帯域とするフィルタ単位回路（低域通過型フィルタ）を構成している。ここで、インダクタ１１１のインダクタンス値は、スイッチＳＷ１１およびＳＷ１２の切り替えにより、異ならせることが可能である。また、キャパシタ１１２および１１３の合成キャパシタンス値は、スイッチＳＷ１３の切り替えにより、異ならせることが可能である。また、キャパシタ１１４〜１１７の合成キャパシタンス値は、スイッチＳＷ１４の切り替えにより、異ならせることが可能である。つまり、可変フィルタ１０の内部には、通過帯域または阻止帯域を周波数シフトさせるためのスイッチＳＷ１１〜ＳＷ１４が配置されている。また、インダクタおよびキャパシタを複数のスイッチＳＷ１１〜ＳＷ１４で切り替えることで、広範囲で変化可能なインダクタンス値およびキャパシタンス値を発生させることが可能となる。
可変フィルタ１０の構成によれば、通過帯域または阻止帯域を当該フィルタ単位回路内に配置されたスイッチＳＷ１１〜ＳＷ１４により周波数シフトさせるので、検波したい周波数帯域に対応した通過帯域を有するフィルタを複数配置する必要がなく、所望の周波数帯域の高周波信号を高精度に検波しつつ、小型化された方向性結合器１を提供できる。
図３は、実施の形態１に係る可変フィルタ１０が有するインダクタ１１１の回路構成および平面構造を示す図である。図３の（ａ）には、インダクタ１１１の回路構成図が示され、図３の（ｂ）には、インダクタ１１１の平面構成図が示されている。
図３の（ａ）に示すように、インダクタ１１１は、端子１１１ａ（第３端子）、端子１１１ｂ（第１端子）および端子１１１ｃ（第２端子）を有し、端子１１１ｂと端子１１１ａとの間で第１インダクタンス値を有し、端子１１１ｃと端子１１１ａとの間で、第１インダクタンス値と異なる第２インダクタンス値を有する。このような異なる第１インダクタンス値および第２インダクタンス値を有する構成として、インダクタ１１１は、例えば、図３の（ｂ）に示すように、平面コイルパターンで構成されたスパイラル型のインダクタとなっている。同一平面に形成されたスパイラル状の配線において、外周端部に端子１１１ａが接続され、内周端部からの引き出し線に端子１１１ｃが接続され、外周端部および内周端部の間の配線ノード１１１ｔからの引き出し線に端子１１１ｂが接続されている。
平面コイルパターンで構成されたスパイラル型のインダクタ１１１は、ソレノイド型のインダクタと比較して、磁束の分布を小さく抑えてインダクタ１１１の中心から短距離内で磁束を閉じ込めることが可能である。また、異なる２つのインダクタンス値を１つのスパイラル型のインダクタ１１１で発生させるので、２つのスパイラル型のインダクタが配置される構成と比較して、より小さな領域内に磁束を閉じ込めることができる。このため、インダクタ１１１と主線路１１および副線路１２との不要な誘導性結合を抑制できるので、方向性結合器１の特性劣化を抑制できる。また、磁束を閉じ込める距離や領域が小さい分インダクタ１１１と主線路１１および副線路１２との距離を小さくできるので、方向性結合器１を小型化できる。
また、図２Ａおよび図３に示すように、端子１１１ｂはスイッチＳＷ１１に接続され、端子１１１ｃはスイッチＳＷ１２に接続されている。スイッチＳＷ１１を導通状態としスイッチＳＷ１２を非導通状態とすることにより、インダクタ１１１は、第１インダクタンス値を有し、スイッチＳＷ１１を非導通状態としスイッチＳＷ１２を導通状態とすることにより、インダクタ１１１は、第２インダクタンス値を有する。つまり、スイッチＳＷ１１およびＳＷ１２の切り替えにより、１つのインダクタ１１１で複数のインダクタンス値を選択的に付与できるので、可変フィルタ１０を小型化できる。
なお、可変フィルタ１０を構成するインダクタ１１１は、１層の平面コイルパターンのみで構成されたスパイラル型のインダクタでなくてもよく、複数層の平面コイルパターンで構成されてもよい。また、複数層の平面コイルパターンのそれぞれは、スパイラル状でなくてもよく、単周巻きのコイルパターンであってもよい。
また、インダクタ１１１は３端子のみを有するインダクタに限られず、４端子、５端子など３端子以上の端子を有したインダクタでもよい。
また、可変フィルタ１０を構成するインダクタ１１１は、１つのインダクタで構成されていなくてもよく、異なるインダクタンス値を有する２つの独立したインダクタが、それぞれスイッチＳＷ１１およびＳＷ１２に接続された構成であってもよい。
また、インダクタ１１１は、磁路などを連続的に変化させることでインダクタンス値を連続的に変化させる機構を有するＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）型のインダクタンスであってもよく、また、チップ部品であってもよい。インダクタンス値が連続的可変するＭＥＭＳ型のインダクタンスを用いることで、フィルタの電気特性を連続的に変化させられ、精密な調整が可能となる。
また、スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１４は、例えば、ＧａＡｓもしくはＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）からなるＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）スイッチ、または、ダイオードスイッチが挙げられる。
また、キャパシタ１１２〜１１７は、ＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ Ｍｅｔａｌ）構造のキャパシタであってもよく、また、対向する櫛歯電極で構成されたキャパシタであってもよく、また、チップ部品であってもよい。さらには、対向する電極の重ね合わせの面積を連続的に変化させる機構を有するＭＥＭＳ型のキャパシタであってもよい。インダクタンス値が連続的に可変するＭＥＭＳ型のインダクタ、および、容量値が連続的に可変するＭＥＭＳ型のキャパシタを用いることで、フィルタの電気特性を連続的に変化させられ、通過帯域および阻止帯域の精密な調整が可能となる。またＭＩＭ構造のキャパシタを用いることで、小型のキャパシタでも比較的大きな容量値を実現でき、また、電界の漏れを抑制できるため主線路１１および副線路１２との不要な容量結合を抑制できる。また、櫛歯電極で構成されたキャパシタを用いることで、製造プロセスを簡素化できる。また、チップ部品を用いることで、大容量および高Ｑ値を実現することが可能となる。
なお、方向性結合器１が有する可変フィルタ１０は、図２Ｂに示された可変フィルタ２０であってもよい。
図２Ｂは、実施の形態１に係る可変フィルタ２０（可変フィルタの第２例：可変ハイパスフィルタ）を示す回路構成図である。同図に示すように、可変フィルタ２０は、入力端子１０１と、出力端子１００と、インダクタ２１５と、キャパシタ２１１、２１２、２１３、２１４および２１６と、スイッチＳＷ２１、ＳＷ２２、ＳＷ２３およびＳＷ２４と、を有している。可変フィルタ２０は、集中定数型のインダクタおよびキャパシタで構成されている。
キャパシタ２１１、２１２およびスイッチＳＷ２１を有する第１直列腕回路、ならびに、キャパシタ２１３、２１４およびスイッチＳＷ２２を有する第２直列腕回路が、入力端子１０１と出力端子１００との間に直列接続されている。また、第１直列腕回路および第２直列腕回路の接続点とグランドとの間に、インダクタ２１５、キャパシタ２１６、スイッチＳＷ２３およびＳＷ２４を有する並列腕回路が接続されている。
上記接続構成により、可変フィルタ２０は、入力端子１０１と出力端子１００とを結ぶ直列腕にキャパシタ成分を有し、当該直列腕とグランドとを結ぶ並列腕にインダクタンス成分を有することで、１つの連続した周波数帯域を通過帯域または阻止帯域とするフィルタ単位回路（高域通過型フィルタ）を構成している。ここで、インダクタ２１５のインダクタンス値は、スイッチＳＷ２３およびＳＷ２４の切り替えにより、異ならせることが可能である。また、キャパシタ２１１および２１２の合成キャパシタンス値は、スイッチＳＷ２１の切り替えにより、異ならせることが可能である。また、キャパシタ２１３および２１４の合成キャパシタンス値は、スイッチＳＷ２２の切り替えにより、異ならせることが可能である。つまり、可変フィルタ２０の内部には、通過帯域または阻止帯域を周波数シフトさせるためのスイッチＳＷ２１〜ＳＷ２４が配置されている。また、インダクタおよびキャパシタを複数のスイッチＳＷ２１〜ＳＷ２４で切り替えることで、広範囲で変化可能なインダクタンス値およびキャパシタンス値を発生させることが可能となる。
可変フィルタ２０の構成によれば、通過帯域または阻止帯域を当該フィルタ単位回路内に配置されたスイッチＳＷ２１〜ＳＷ２４により周波数シフトさせるので、検波したい周波数帯域に対応した通過帯域を有するフィルタを複数配置する必要がなく、所望の周波数帯域の高周波信号を高精度に検波しつつ小型化された方向性結合器１を提供できる。
なお、インダクタ２１５の構成については、可変フィルタ１０のインダクタ１１１の構成と同様である。これにより、インダクタ２１５と主線路１１および副線路１２との不要な誘導性結合を抑制できるので、方向性結合器１の特性劣化を抑制できる。また、スイッチＳＷ２３およびＳＷ２４の切り替えにより、１つのインダクタ２１５で複数のインダクタンス値を選択的に付与できるので、可変フィルタ２０を小型化できる。
なお、方向性結合器１が有する可変フィルタ１０は、図２Ｃに示された可変フィルタ３０であってもよい。
図２Ｃは、実施の形態１に係る可変フィルタ３０（可変フィルタの第３例：可変バンドエリミネーションフィルタ）を示す回路構成図である。同図に示すように、可変フィルタ３０は、入力端子１０１と、出力端子１００と、インダクタ３１１と、キャパシタ３１２と、スイッチＳＷ３１およびＳＷ３２と、を有している。可変フィルタ３０は、集中定数型のインダクタおよびキャパシタで構成されている。
入力端子１０１と出力端子１００とを結ぶ直列腕とグランドとの間に、インダクタ３１１、キャパシタ３１２、スイッチＳＷ３１およびＳＷ３２を有する並列腕回路が接続されている。
上記接続構成により、可変フィルタ３０は、上記直列腕とグランドとを結ぶ並列腕にＬＣ直列共振回路を有することで、１つの連続した周波数帯域を阻止帯域とするフィルタ単位回路であって、帯域除去フィルタを構成している。ここで、インダクタ３１１のインダクタンス値は、スイッチＳＷ３１およびＳＷ３２の切り替えにより、異ならせることが可能である。つまり、可変フィルタ３０の内部には、阻止帯域を周波数シフトさせるためのスイッチＳＷ３１〜ＳＷ３２が配置されている。
可変フィルタ３０の構成によれば、阻止帯域を当該フィルタ単位回路内に配置されたスイッチＳＷ３１〜ＳＷ３２により周波数シフトさせるので、検波したい周波数帯域に対応した通過帯域を有するフィルタを複数配置する必要がなく、所望の周波数帯域の高周波信号を高精度に検波しつつ小型化された方向性結合器１を提供できる。
なお、インダクタ３１１の構成については、可変フィルタ１０のインダクタ１１１の構成と同様である。これにより、インダクタ３１１と主線路１１および副線路１２との不要な誘導性結合を抑制できるので、方向性結合器１の特性劣化を抑制できる。また、スイッチＳＷ３１およびＳＷ３２の切り替えにより、１つのインダクタ３１１で複数のインダクタンス値を選択的に付与できるので、可変フィルタ３０を小型化できる。
なお、方向性結合器１が有する可変フィルタ１０は、図２Ｄに示された可変フィルタ４０であってもよい。
図２Ｄは、実施の形態１に係る可変フィルタ４０（可変フィルタの第４例：可変バンドパスフィルタ）を示す回路構成図である。同図に示すように、可変フィルタ４０は、入力端子１０１と、出力端子１００と、インダクタ４１５と、キャパシタ４１１、４１２、４１３、４１４、４１６および４１７と、スイッチＳＷ４１、ＳＷ４２、ＳＷ４３、ＳＷ４４およびＳＷ４５と、を有している。可変フィルタ４０は、集中定数型のインダクタおよびキャパシタで構成されている。
キャパシタ４１１、４１２およびスイッチＳＷ４１を有する第１直列腕回路、ならびに、キャパシタ４１３、４１４およびスイッチＳＷ４２を有する第２直列腕回路が、入力端子１０１と出力端子１００との間に直列接続されている。また、第１直列腕回路および第２直列腕回路の接続点とグランドとの間に、インダクタ４１５、キャパシタ４１６、４１７、スイッチＳＷ４３、ＳＷ４４およびＳＷ４５を有する並列腕回路が接続されている。
上記接続構成により、可変フィルタ４０は、入力端子１０１と出力端子１００とを結ぶ直列腕にキャパシタ成分を有し、当該直列腕とグランドとを結ぶ並列腕にＬＣ並列共振回路を有することで、１つの連続した周波数帯域を通過帯域または阻止帯域とするフィルタ単位回路（帯域通過型フィルタ）を構成している。ここで、インダクタ４１５のインダクタンス値は、スイッチＳＷ４３およびＳＷ４４の切り替えにより、異ならせることが可能である。また、キャパシタ４１１および４１２の合成キャパシタンス値は、スイッチＳＷ４１の切り替えにより、異ならせることが可能である。また、キャパシタ４１３および４１４の合成キャパシタンス値は、スイッチＳＷ４２の切り替えにより、異ならせることが可能である。また、キャパシタ４１６および４１７の合成キャパシタンス値は、スイッチＳＷ４５の切り替えにより、異ならせることが可能である。つまり、可変フィルタ４０の内部には、通過帯域または阻止帯域を周波数シフトさせるためのスイッチＳＷ４１〜ＳＷ４５が配置されている。
可変フィルタ４０の構成によれば、通過帯域または阻止帯域を当該フィルタ単位回路内に配置されたスイッチＳＷ４１〜ＳＷ４５により周波数シフトさせるので、検波したい周波数帯域に対応した通過帯域を有するフィルタを複数配置する必要がなく、所望の周波数帯域の高周波信号を高精度に検波しつつ小型化された方向性結合器１を提供できる。
なお、インダクタ４１５の構成については、可変フィルタ１０のインダクタ１１１の構成と同様である。これにより、インダクタ４１５と主線路１１および副線路１２との不要な誘導性結合を抑制できるので、方向性結合器１の特性劣化を抑制できる。また、スイッチＳＷ４３およびＳＷ４４の切り替えにより、１つのインダクタ４１５で複数のインダクタンス値を選択的に付与できるので、可変フィルタ４０を小型化できる。
図４Ａは、実施の形態１に係る可変フィルタ１０（第１例）における通過特性を表すグラフである。同図に示すように、可変フィルタ１０において、例えば、スイッチＳＷ１１を非導通状態とし、スイッチＳＷ１２、ＳＷ１３およびＳＷ１４を導通状態とすることで、１．５ＧＨｚより低周波側の帯域が通過帯域となり、１．５ＧＨｚより高周波側の帯域が阻止帯域となる。また、例えば、スイッチＳＷ１１を導通状態とし、スイッチＳＷ１２、ＳＷ１３およびＳＷ１４を非導通状態とすることで、３．５ＧＨｚより低周波側の帯域が通過帯域となり、３．５ＧＨｚより高周波側の帯域が阻止帯域となる。
可変フィルタ１０の上記通過特性によれば、所望の周波数帯域（１．５ＧＨｚ以下、または、３．５ＧＨｚ以下）の高周波信号を検波するにあたり、例えば、当該高周波信号の高調波などが除去された高周波信号を高精度に検波できる。
図４Ｂは、実施の形態１に係る可変フィルタ２０（第２例）における通過特性を表すグラフである。同図に示すように、可変フィルタ２０において、例えば、スイッチＳＷ２１、ＳＷ２２およびＳＷ２３を導通状態とし、スイッチＳＷ２４を非導通状態とすることで、１．５ＧＨｚより高周波側の帯域が通過帯域となり、１．５ＧＨｚより低周波側の帯域が阻止帯域となる。また、例えば、スイッチＳＷ２１、ＳＷ２２およびＳＷ２３を非導通状態とし、スイッチＳＷ２４を導通状態とすることで、２．０ＧＨｚより高周波側の帯域が通過帯域となり、２．０ＧＨｚより低周波側の帯域が阻止帯域となる。
可変フィルタ２０の上記通過特性によれば、所望の周波数帯域（１．５ＧＨｚ以上、または、２．０ＧＨｚ以上）の高周波信号を検波するにあたり、例えば、当該高周波信号の低周波側に現れるスプリアスなどが除去された高周波信号を高精度に検波できる。
なお、方向性結合器１が有する可変フィルタ１０は、図５Ａに示された可変フィルタ５０であってもよい。
図５Ａは、実施の形態１に係る可変フィルタ５０（可変フィルタの第５例：可変バンドパスフィルタ）を示す回路構成図である。同図に示すように、可変フィルタ５０は、入力端子１０１と、出力端子１００と、例えばマイクロストリップラインなどで構成される分布定数型の線路５１、５２、５８および５９と、帯域幅調整回路５３と、インピーダンス整合回路５４および５５と、中心周波数調整回路５６および５７と、スイッチＳＷ５１、ＳＷ５２、ＳＷ５６、ＳＷ５７、ＳＷ５８およびＳＷ５９と、を有している。可変フィルタ５０は、集中定数型の帯域幅調整回路５３、インピーダンス整合回路５４および５５、中心周波数調整回路５６および５７と、分布定数型の線路（受動素子）５１、５２、５８および５９とで構成されている。
線路５１および５２により、例えば、ＴＥＭ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ＥｌｅｃｔｒｏＭａｇｎｅｔｉｃ）モード共振器（主要共振器）が形成される。線路５１および５２はそれぞれ、長手方向の長さが、第１の周波数帯域の中心周波数より所定の周波数だけ高い周波数の（１／２）波長より所定の長さだけ短い。
分布定数型の線路５８および５９により、例えば、ＴＥＭモード共振器（調整用共振器）が形成される。線路５８および５９は、スイッチＳＷ５１およびＳＷ５２を介して線路５１および５２と接続されることにより、主要共振器とは異なる周波数帯域に対応した共振器を形成できる。線路５１、５８を、スイッチＳＷ５１を介して接続した長さ（線路５１の長さと線路５８の長さとの加算値）および線路５２、５９を、スイッチＳＷ５２を介して接続した長さ（線路５２の長さと線路５９の長さとの加算値）は、それぞれ、長手方向の長さが、第１の周波数帯域とは異なる第２の周波数帯域の中心周波数より所定の周波数だけ高い周波数の（１／２）波長より所定の長さだけ短い。
帯域幅調整回路５３は、キャパシタ５３１、５３２、５３３、スイッチＳＷ５３ａおよびＳＷ５３ｂを有する第１回路であり、共振器５１および５２間の結合ならびに共振器５８および５９間の結合を調整することで可変フィルタ５０の通過帯域幅を調整する。
インピーダンス整合回路５４は、キャパシタ５４１、５４２、５４３、スイッチＳＷ５４ａおよびＳＷ５４ｂを有する第２回路であり、入力端子１０１側のインピーダンス整合を調整する。インピーダンス整合回路５５は、キャパシタ５５１、５５２、５５３、スイッチＳＷ５５ａおよびＳＷ５５ｂを有する第３回路であり、出力端子１００側のインピーダンス整合を調整する。
中心周波数調整回路５６は、キャパシタ５６１、５６２、５６３、スイッチＳＷ５６ａおよびＳＷ５６ｂを有する第４回路であり、分布定数型の線路５１、５２、５８、５９のうち少なくとも２つ以上の線路を含んで構成される共振器の共振周波数を調整して中心周波数を設定する。中心周波数調整回路５７は、キャパシタ５７１、５７２、５７３、スイッチＳＷ５７ａおよびＳＷ５７ｂを有する第５回路であり、分布定数型の線路５１、５２、５８、５９のうち少なくとも２つ以上の線路を含んで構成される共振器の共振周波数を調整して中心周波数を設定する。
インピーダンス整合回路５４、帯域幅調整回路５３、インピーダンス整合回路５５は、入力端子１０１と出力端子１００とを結ぶ経路に直列接続されている。
線路５１の一端は、帯域幅調整回路５３およびインピーダンス整合回路５４に接続され、線路５１の他端は、スイッチＳＷ５１を介して線路５８の一端に接続され、スイッチＳＷ５６を介して中心周波数調整回路５６に接続されている。線路５８の他端は、スイッチＳＷ５８を介して中心周波数調整回路５６に接続されている。
線路５２の一端は、帯域幅調整回路５３およびインピーダンス整合回路５５に接続され、共振器５２の他端は、スイッチＳＷ５２を介して線路５９の一端に接続され、スイッチＳＷ５７を介して中心周波数調整回路５７に接続されている。線路５９の他端は、スイッチＳＷ５９を介して中心周波数調整回路５７に接続されている。
可変フィルタ５０の上記構成によれば、通過帯域または阻止帯域を、当該フィルタ単位回路内に配置されたスイッチＳＷ５１〜ＳＷ５２、ＳＷ５６〜ＳＷ５９、ＳＷ５３ａ、ＳＷ５３ｂ、ＳＷ５４ａ、ＳＷ５４ｂ、ＳＷ５５ａ、ＳＷ５５ｂ、ＳＷ５６ａ、ＳＷ５６ｂ、ＳＷ５７ａ、ＳＷ５７ｂの切り替えにより周波数シフトさせることが可能である。よって、検波したい周波数帯域に対応した通過帯域を有するフィルタを複数配置する必要がなく、所望の周波数帯域の高周波信号を高精度に検波しつつ小型化された方向性結合器１を提供できる。
図５Ｂは、実施の形態１に係る可変フィルタ６０（可変フィルタの第６例：可変バンドパスフィルタ）を示す回路構成図である。同図に示すように、可変フィルタ６０は、入力端子１０１と、出力端子１００と、共振器６１、６２、６８および６９と、帯域幅調整回路６３と、インピーダンス整合回路６４および６５と、中心周波数調整回路６６および６７と、スイッチＳＷ６８およびＳＷ６９と、を有している。可変フィルタ６０は、集中定数型の帯域幅調整回路６３、インピーダンス整合回路６４および６５、中心周波数調整回路６６および６７と、分布定数型の線路６１、６２、６８および６９とで構成されている。
分布定数型の線路６１および６２により、例えば、ＴＥＭモード共振器（主要共振器）が形成される。線路６１および６２はそれぞれ、長手方向の長さが、第１の周波数帯域の中心周波数より所定の周波数だけ高い周波数の（１／４）波長より所定の長さだけ短い。
分布定数型の線路６８および６９により、例えば、ＴＥＭモード共振器（調整用共振器）が形成される。線路６８および６９は、スイッチＳＷ６８およびＳＷ６９を開放させることにより、線路６１および６２と接続される。これにより、主要共振器とは異なる周波数帯域に対応した共振器を形成できる。線路６１、６８を互いに接続した長さ（線路６１の長さと線路６８の長さとの加算値）および線路６２、６９を互いに接続した長さ（線路６２の長さと線路６９の長さとの加算値）は、それぞれ、長手方向の長さが、第１の周波数帯域とは異なる第２の周波数帯域の中心周波数より所定の周波数だけ高い周波数の（１／４）波長より所定の長さだけ短い。
帯域幅調整回路６３は、キャパシタ６３１、６３２、６３３、スイッチＳＷ６３ａおよびＳＷ６３ｂを有する第１回路であり、共振器６１および６２間の結合ならびに共振器６８および６９間の結合を調整することで可変フィルタ６０の通過帯域幅を調整する。
インピーダンス整合回路６４は、キャパシタ６４１、６４２、６４３、スイッチＳＷ６４ａおよびＳＷ６４ｂを有する第２回路であり、入力端子１０１側のインピーダンス整合を調整する。インピーダンス整合回路６５は、キャパシタ６５１、６５２、６５３、スイッチＳＷ６５ａおよびＳＷ６５ｂを有する第３回路であり、出力端子１００側のインピーダンス整合を調整する。
中心周波数調整回路６６は、キャパシタ６６１、６６２、６６３、スイッチＳＷ６６ａおよびＳＷ６６ｂを有する第４回路であり、分布定数型の線路６１、６２、６８、６９のうち少なくとも２つ以上の線路を含んで構成される共振器の共振周波数を調整して中心周波数を設定する。中心周波数調整回路６７は、キャパシタ６７１、６７２、６７３、スイッチＳＷ６７ａおよびＳＷ６７ｂを有する第５回路であり、分布定数型の線路６１、６２、６８、６９のうち少なくとも２つ以上の線路を含んで構成される共振器の共振周波数を調整して中心周波数を設定する。
帯域幅調整回路６３は、入力端子１０１と出力端子１００とを結ぶ経路に直列接続されている。インピーダンス整合回路６４は、入力端子１０１に接続され、インピーダンス整合回路６５は、出力端子１００に接続されている。
線路６１の一端は、インピーダンス整合回路６４および中心周波数調整回路６６に接続され、線路６１の他端は、線路６８の一端およびスイッチＳＷ６８に接続されている。線路６２の一端は、インピーダンス整合回路６５および中心周波数調整回路６７に接続され、線路６２の他端は、線路６９の一端およびスイッチＳＷ６９に接続されている。線路６８の他端および線路６９の他端は、グランドに接続されている。
可変フィルタ６０の上記構成によれば、通過帯域または阻止帯域を、当該フィルタ単位回路内に配置されたスイッチＳＷ６８〜ＳＷ６９、ＳＷ６３ａ、ＳＷ６３ｂ、ＳＷ６４ａ、ＳＷ６４ｂ、ＳＷ６５ａ、ＳＷ６５ｂ、ＳＷ６６ａ、ＳＷ６６ｂ、ＳＷ６７ａ、ＳＷ６７ｂの切り替えにより周波数シフトさせることが可能である。よって、検波したい周波数帯域に対応した通過帯域を有するフィルタを複数配置する必要がなく、所望の周波数帯域の高周波信号を高精度に検波しつつ小型化された方向性結合器１を提供できる。
図６は、実施の形態１に係る可変フィルタ５０を含む方向性結合器１の実装構成図である。図６の（ａ）には、方向性結合器１の（ｚ軸正方向から見た）平面構成図が示され、図６の（ｂ）には、方向性結合器１の第１の（ｙ軸負方向から見た）側面構成図が示され、図６の（ｃ）には、方向性結合器１の第２の（ｘ軸正方向から見た）側面構成図が示されている。
端子基板５３０上に、セラミックなどの材料を用いた誘電体基板５１０と、半導体基板５２０とが配置されている。方向性結合器１は、誘電体基板５１０および半導体基板５２０に実装されている。図６の（ａ）に示すように、誘電体基板５１０には、分布定数型の線路５１、５２、５８および５９が形成されている。また、半導体基板５２０には、主線路１１、副線路１２、各スイッチ、制御部、帯域幅調整回路５３、インピーダンス整合回路５４および５５、中心周波数調整回路５６および５７などが形成されている。また、図６の（ｂ）および（ｃ）に示すように、誘電体基板５１０および半導体基板５２０は、それぞれ、例えばバンプ電極により端子基板５３０と接続されている。端子基板５３０の誘電体基板５１０および半導体基板５２０が実装された主面には、誘電体基板５１０および半導体基板５２０を覆うように樹脂部材５４０が形成されている。
誘電体基板５１０において、低損失および高誘電率の基板材料が選択されることにより、共振器５１、５２、５８および５９を小型化および低損失化できるので、可変フィルタ５０を小型化および低損失化できる。
また、半導体基板５２０の誘電率を適切に選択することで、主線路１１および副線路１２の電気長を最適化でき、また、主線路１１および副線路１２の微細加工を高精度にできる。よって、方向性結合器１の特性ばらつきを抑制できる。
一方、可変フィルタ５０を構成する集中定数型の各受動素子は、半導体基板５２０に形成されることで、Ｑ値が比較的低くなる傾向にあり、また、半導体基板５２０に形成された各スイッチは、オン抵抗が高くなる傾向にあるが、これらの受動素子およびスイッチを主線路１１ではなく副線路１２に接続できるので、低Ｑ値および高オン抵抗の影響を抑制することが可能となる。
通常の高周波回路では、低Ｑ値のインダクタおよび高オン抵抗を有するスイッチを伝送線路上に配置することは、当該高周波回路の低損失性を確保する上では好ましくない。これに対して、本実施の形態に係る方向性結合器１の副線路１２は、主線路１１に対して、例えば−２０〜−３０ｄＢ程度の結合比となっているので、低Ｑ値のインダクタおよび高オン抵抗のスイッチに起因する数ｄＢ程度の損失は、高周波信号の検波精度に影響しない。この観点からも、低Ｑ値および高オン抵抗の影響は、受動素子およびスイッチを副線路１２に接続することで、解消することが可能である。
なお、分布定数型の線路５１、５２、５８および５９は、誘電体基板５１０でなく、半導体基板５２０に形成されていてもよい。この場合、半導体基板５２０として比較的高抵抗のシリコン基板を用いることが望ましく、絶縁体層が設けられたＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）構造とすることで、各線路のＱ値を高くでき可変フィルタ５０を低損失化できる。また、半導体基板５２０に形成された各スイッチおよびキャパシタとの接続が容易となり、信頼性が向上する。
また、分布定数型の線路５１、５２、５８および５９は、誘電体基板５１０でなく、端子基板５３０に直接形成されていてもよい。この場合、端子基板５３０として比較的低損失の樹脂基板または誘電体セラミックス基板を用いることが望ましい。このとき端子基板５３０の誘電率を低くすることで共振器のインピーダンスを下げ過ぎずに分布定数型の線路の導体損を小さくでき、可変フィルタ５０を低損失化できる。また、端子基板５３０の誘電率を高くすることで分布定数型の線路を小型化でき、可変フィルタ５０を小型化できる。
図７Ａは、実施の形態１に係る可変フィルタ７０（可変フィルタの第７例：可変バンドパスフィルタ）を示す回路構成図である。同図に示すように、可変フィルタ７０は、入力端子１０１と、出力端子１００と、分布定数型の線路（例えばストリップライン）７１、７２、７３、７４、７５および７６と、スイッチＳＷ７１およびＳＷ７２と、を有している。可変フィルタ７０は、分布定数型の線路７１〜７６で構成されている。
線路７１、７２、７５および７６は、例えば、それぞれ、一端が開放状態であるストリップラインであり、オープンスタブとして機能している。線路７３の一端は線路７１の他端に接続され、線路７３の他端はスイッチＳＷ７１を介して線路７５の他端に接続されている。線路７４の一端は線路７２の他端に接続され、線路７４の他端はスイッチＳＷ７２を介して線路７６の他端に接続されている。
入力端子１０１は、線路７１および７３の接続ノードｎ７１に接続され、出力端子１００は、線路７２および７４の接続ノードｎ７２に接続されている。
線路７１と７２とは電磁結合しており、線路７３と７４とは電磁結合しており、線路７５と７６とは電磁結合している。
線路７１の電気長と線路７３の電気長との加算値、ならびに、線路７２の電気長と線路７４の電気長との加算値は、第２の周波数帯域の中心周波数の略（１／２）波長となっている。また、線路７１の電気長と線路７３の電気長と線路７５の電気長との加算値、ならびに、線路７２の電気長と線路７４の電気長と線路７６の電気長との加算値は、例えば第２の周波数帯域より低い周波数帯域である第１の周波数帯域の中心周波数の略（１／２）波長となっている。
可変フィルタ７０の上記構成において、例えば、スイッチＳＷ７１およびＳＷ７２を導通状態とすることで、第１の周波数帯域が通過帯域となる。また、例えば、スイッチＳＷ７１およびＳＷ７２を非導通状態とすることで、第２の周波数帯域が通過帯域となる。可変フィルタ７０の上記通過特性によれば、第１の周波数帯域または第２の周波数帯域の高周波信号を検波するにあたり、当該高周波信号の高調波およびスプリアスなどが除去された高周波信号を高精度に検波できる。
図７Ｂは、実施の形態１に係る可変フィルタ８０（可変フィルタの第８例：可変バンドパスフィルタ）を示す回路構成図である。同図に示すように、可変フィルタ８０は、入力端子１０１と、出力端子１００と、分布定数型の線路（例えばストリップライン）８１、８２、８３、８４、８５および８６と、スイッチＳＷ８１およびＳＷ８２と、を有している。可変フィルタ８０は、分布定数型の線路８１〜８６で構成されている。
線路８１および８２は、例えば、それぞれ、一端が開放状態であるストリップラインであり、オープンスタブとして機能している。線路８３の一端はスイッチＳＷ８１を介して線路８１の他端に接続され、線路８３の他端は線路８５の一端に接続されている。線路８４の一端はスイッチＳＷ８２を介して線路８２の他端に接続され、線路８４の他端は線路８６の一端に接続されている。線路８５の他端および線路８６の他端はグランドに接続されている。
入力端子１０１は、線路８３および８５の接続ノードｎ８１に接続され、出力端子１００は、線路８４および８６の接続ノードｎ８２に接続されている。
線路８１と８２とは電磁結合しており、線路８３と８４とは電磁結合しており、線路８５と８６とは電磁結合している。
線路８３の電気長と線路８５の電気長との加算値、ならびに、線路８４の電気長と線路８６の電気長との加算値は、第２の周波数帯域の中心周波数の略（１／４）波長となっている。また、線路８１の電気長と線路８３の電気長と線路８５の電気長との加算値、ならびに、線路８２の電気長と線路８４の電気長と線路８６の電気長との加算値は、例えば第２周波数帯域より低い周波数帯域である第１の周波数帯域の中心周波数の略（１／４）波長となっている。
可変フィルタ８０の上記構成において、例えば、スイッチＳＷ８１およびＳＷ８２を導通状態とすることで、第１の周波数帯域が通過帯域となる。また、例えば、スイッチＳＷ８１およびＳＷ８２を非導通状態とすることで、第２の周波数帯域が通過帯域となる。可変フィルタ８０の上記通過特性によれば、第１の周波数帯域または第２の周波数帯域の高周波信号を検波するにあたり、当該高周波信号の高調波およびスプリアスなどが除去された高周波信号を高精度に検波できる。
図８は、実施の形態１に係る可変フィルタ７０を含む方向性結合器１の実装構成図である。図８の（ａ）には、方向性結合器１の（ｚ軸正方向から見た）平面構成図が示され、図８の（ｂ）には、方向性結合器１の第１の（ｙ軸負方向から見た）側面構成図が示され、図８の（ｃ）には、方向性結合器１の第２の（ｘ軸正方向から見た）側面構成図が示されている。
端子基板７３０上に、セラミックなどの材料からなる誘電体基板７１０と、半導体基板７２０とが配置されている。方向性結合器１は、誘電体基板７１０および半導体基板７２０に実装されている。図８の（ａ）に示すように、誘電体基板７１０には、分布定数型の線路７１、７２、７３、７４、７５および７６が形成されている。また、半導体基板７２０には、主線路１１、副線路１２、各スイッチ、および制御部が形成されている。また、図８の（ｂ）および（ｃ）に示すように、誘電体基板７１０および半導体基板７２０は、それぞれ、例えばバンプ電極により端子基板７３０と接続されている。端子基板７３０の誘電体基板７１０および半導体基板７２０が実装された主面には、誘電体基板７１０および半導体基板７２０を覆うように樹脂部材７４０が形成されている。
誘電体基板７１０において、低損失および高誘電率の基板材料が選択されることにより、分布定数型の線路７１〜７６を小型化および低損失化できるので、可変フィルタ７０を小型化および低損失化できる。
また、半導体基板７２０の誘電率を適切に選択することで、主線路１１および副線路１２の電気長を最適化でき、また、主線路１１および副線路１２の微細加工を高精度にできる。よって、方向性結合器１の特性ばらつきを抑制できる。
一方、半導体基板７２０に形成された各スイッチは、オン抵抗が高くなる傾向にあるが、各スイッチを主線路１１ではなく副線路１２に接続できるので、高オン抵抗の影響を抑制することが可能となる。
なお、線路７１〜７６は、誘電体基板７１０でなく、半導体基板７２０に形成されていてもよい。この場合、半導体基板７２０として高抵抗のシリコン基板を用いることが望ましく、絶縁体層が設けられたＳＯＩ構造とすることで、各線路のＱ値を高くでき可変フィルタ７０を低損失化できる。また、半導体基板７２０に形成された各スイッチとの接続が容易となり、信頼性が向上する。
また、分布定数型の線路７１〜７６は、誘電体基板７１０でなく、端子基板７３０に形成されていてもよい。この場合、端子基板７３０として比較的低損失の樹脂基板または誘電体セラミックス基板を用いることが望ましい。このとき、端子基板７３０の誘電率を低くすることで共振器のインピーダンスを下げ過ぎずに分布定数型の線路の導体損を小さくでき、可変フィルタ７０を低損失化できる。また、端子基板７３０の誘電率を高くすることで分布定数型の線路を小型化でき、可変フィルタ７０を小型化できる。
（実施の形態２）
本実施の形態では、実施の形態１に係る方向性結合器１に対して、さらに、可変終端回路、可変整合回路、および可変減衰器が付加された方向性結合器２の構成を示す。
［２．１ 方向性結合器の回路構成］
図９は、実施の形態２に係る方向性結合器２の機能的な構成の一例を示す回路図である。同図に示すように、方向性結合器２は、主線路１１と、副線路１２と、可変フィルタ１０と、可変終端回路１４Ｖおよび１６Ｖと、スイッチ１５Ａおよび１５Ｂと、可変整合回路１７Ｖと、可変減衰器１８Ｖと、制御部９０と、を備える。主線路１１と副線路１２とは、図９の矢印Ｍで表されるように、互いに電磁気的に結合している。本実施の形態に係る方向性結合器２は、実施の形態１に係る方向性結合器１と比較して、終端回路１４に替わって可変終端回路１４Ｖおよび１６Ｖが付加され、さらに、可変整合回路１７Ｖ、可変減衰器１８Ｖ、および制御部９０が付加されている点が異なる。以下、本実施の形態に係る方向性結合器２について、実施の形態１に係る方向性結合器１と同じ構成については説明を省略し、異なる構成を中心に説明する。
可変終端回路１４Ｖおよび１６Ｖは、それぞれ、スイッチ１５Ａおよび１５Ｂに接続されている。可変終端回路１４Ｖは、スイッチ１５Ａを介して他端部１２２に接続され、スイッチ１５Ｂを介して一端部１２１に接続される。また、可変終端回路１６Ｖは、スイッチ１５Ａを介して他端部１２２に接続され、スイッチ１５Ｂを介して一端部１２１に接続される。可変終端回路１４Ｖおよび１６Ｖは、方向性結合器２の終端回路を構成している。
可変終端回路１４Ｖは、終端回路の終端インピーダンスを可変する可変抵抗素子を有している。また、可変終端回路１６Ｖは、終端回路の終端インピーダンスを可変する可変容量素子を有している。
可変終端回路１４Ｖおよび１６Ｖの構成によれば、検波したい高周波信号の周波数帯域に応じて可変抵抗素子の抵抗値および可変容量素子の容量値を変化できるので、当該周波数帯域に応じた適切な方向性およびアイソレーションを最適化できる。なお、終端回路にて調整された終端インピーダンスに対応させて可変フィルタ１０のフィルタ特性を調整することが可能である。そのため、可変終端回路１４Ｖおよび１６Ｖを接続することによる可変フィルタ１０のフィルタ特性への影響は解消することができる。
可変終端回路１４Ｖの可変抵抗素子は、例えば、複数の抵抗素子とスイッチとで構成される。なお、上記複数の抵抗素子は、半導体基板上に形成してもよいし、チップ部品として別途搭載してもよい。
また、可変終端回路１６Ｖの可変容量素子は、例えば、並列接続された複数のキャパシタとで構成される。なお、上記の複数のキャパシタは、半導体基板上に形成されたＭＩＭキャパシタまたは対向する櫛歯電極で構成されたキャパシタでもよいし、チップ部品として別途搭載してもよい。また、可変容量素子は、対向する電極の重ね合わせの面積を連続的に変化させる機構を有するＭＥＭＳ型のキャパシタであってもよい。
可変整合回路１７Ｖは、副線路１２と可変フィルタ１０との間に配置されている。本実施の形態では、可変整合回路１７Ｖの入力端は選択端子１５２および１５５に接続され、出力端は可変減衰器１８Ｂを介して可変フィルタ１０に接続されている。可変整合回路１７Ｖは、例えば、インダクタおよびキャパシタなどの受動素子ならびにスイッチで構成されている。可変整合回路１７Ｖは、検波したい周波数帯域に応じて、インピーダンスおよび位相などを可変することで、可変整合回路１７Ｖから副線路１２側を見たインピーダンスと、可変フィルタ１０の入力インピーダンスとを整合させることが可能である。
これによれば、検波したい高周波信号の周波数帯域に応じた適切な方向性およびアイソレーションを実現できる。なお、可変整合回路１７Ｖにて調整されたインピーダンスに対応させて可変フィルタ１０のフィルタ特性を調整することが可能である。そのため、可変整合回路１７Ｖを接続することによる可変フィルタ１０のフィルタ特性への影響は解消することができる。
なお、可変整合回路１７Ｖは、スイッチ１５Ａを介して他端部１２２に接続され、スイッチ１５Ｂを介して一端部１２１に接続されていればよい。例えば、可変フィルタ１０の出力端子１００に接続されていてもよい。この場合には、可変整合回路１７Ｖは、可変整合回路１７Ｖから副線路１２側を見たインピーダンスと、可変整合回路１７Ｖから出力端子１００側を見たインピーダンスとを整合させることが可能である。
可変減衰器１８Ｖは、可変整合回路１７Ｖと可変フィルタ１０との間に接続されている。可変減衰器１８Ｖの減衰率を調整することで、検波対象の周波数帯域に応じて変化する可変フィルタ１０の挿入損失を補償し、出力端子１００における検波信号の大きさを平準化し、検波精度を安定化できる。
なお、可変減衰器１８Ｖは、スイッチ１５Ａを介して他端部１２２に接続され、スイッチ１５Ｂを介して一端部１２１に接続されていればよい。例えば、可変フィルタ１０の出力端子１００に接続されていてもよい。
制御部９０は、可変フィルタ１０の通過帯域または阻止帯域をシフトさせるよう可変フィルタ１０が有する各スイッチを制御する。また、制御部９０は、副線路１２における検波端子（カップリングポート）を選択するようスイッチ１５Ａおよび１５Ｂを制御する。また、制御部９０は、検波対象の周波数帯域に応じて、可変終端回路１４Ｖの可変抵抗素子の抵抗値、および、可変終端回路１６Ｖの可変容量素子の容量値を設定する。また、制御部９０は、検波対象の周波数帯域に応じて、可変整合回路１７Ｖのインピーダンスおよび位相を設定する。また、制御部９０は、検波対象の周波数帯域に応じて、可変減衰器の減衰率を設定する。
制御部９０は、例えば、検波対象の周波数帯域の選択情報をもとに各スイッチを開閉させるレベルシフタ、外部とのシリアル通信やＧＰＩＯ（Ｇｅｎｅｒａｌ Ｐｕｒｐｏｓｅ Ｉｎｐｕｔ／Ｏｕｔｐｕｔ）通信をするインターフェース部、情報を記憶するメモリ部、信号／情報を処理する論理部またはプロセッサ部、および、スイッチ駆動や各部の駆動のための電源部などで構成される。
制御部９０の上記構成によれば、主線路１１を伝送する複数の周波数帯域を有する高周波信号から、所望の周波数帯域の高周波信号を、出力端子１００に選択的に出力することが可能となる。
なお、制御部９０は、方向性結合器２が有していなくてもよく、方向性結合器２に接続される外部回路が有していてもよい。制御部９０は、例えば、高周波信号処理回路（ＲＦＩＣ）に内蔵されていてもよい。
（実施の形態３）
本実施の形態では、実施の形態１に係る方向性結合器１に対して、可変フィルタを複数有し、また、可変フィルタをバイパスする構成を有する方向性結合器２について説明する。
［３．１ 方向性結合器の回路構成］
図１０は、実施の形態３に係る方向性結合器３の機能的な構成の一例を示す回路図である。同図に示すように、方向性結合器３は、主線路１１と、副線路１２と、可変フィルタ１０Ａおよび１０Ｂと、可変終端回路１４Ｖおよび１６Ｖと、スイッチ１５Ａ、１５Ｂ、１９Ａおよび１９Ｂと、制御部９０と、を備える。主線路１１と副線路１２とは、図９の矢印Ｍで表されるように、互いに電磁気的に結合している。本実施の形態に係る方向性結合器３は、実施の形態１に係る方向性結合器１と比較して、終端回路１４に替わって可変終端回路１４Ｖおよび１６Ｖが付加され、可変フィルタが複数配置され、可変フィルタをバイパスする構成が付加され、制御部９０が付加されている点が異なる。以下、本実施の形態に係る方向性結合器３について、実施の形態１に係る方向性結合器１と同じ構成については説明を省略し、異なる構成を中心に説明する。
可変終端回路１４Ｖおよび１６Ｖは、実施の形態２に係る方向性結合器２が備える可変終端回路１４Ｖおよび１６Ｖと同様の構成であるので、説明を省略する。
スイッチ１９Ａは、共通端子１９１、選択端子１９２、１９３および１９４を有し、可変フィルタ１０Ａおよび１０Ｂと副線路１２との間に配置された第３スイッチ回路である。また、スイッチ１９Ｂは、共通端子１９５、選択端子１９６、１９７および１９８を有し、スイッチ１５Ａおよび１５Ｂと出力端子１００との間に配置されている。
可変フィルタ１０Ａおよび１０Ｂは、それぞれ、実施の形態１に係る可変フィルタ１０と同様の構成を有しており、１つの連続した周波数帯域を通過帯域または阻止帯域とするフィルタ単位回路であり、当該フィルタ単位回路内には、当該通過帯域を周波数シフトさせるためのスイッチが配置されている。なお、可変フィルタ１０Ａが有する通過帯域または阻止帯域と、可変フィルタ１０Ｂが有する通過帯域または阻止帯域とは異なっている。
具体的接続構成は、例えば、以下の通りである、共通端子１９１は選択端子１５２および１５５に接続され、選択端子１９２は可変フィルタ１０Ａの入力端に接続され、選択端子１９４は可変フィルタ１０Ｂの入力端に接続されている。また、共通端子１９５は出力端子１００に接続され、選択端子１９６は可変フィルタ１０Ａの出力端に接続され、選択端子１９８は可変フィルタ１０Ｂの出力端に接続されている。さらに、選択端子１９３と選択端子１９７は直接接続されている。
上記構成によれば、スイッチ１９Ａおよび１９Ｂは、副線路１２を伝送する高周波信号を、（１）可変フィルタ１０Ａを通過させる経路、（２）可変フィルタ１０Ｂを通過させる経路、および、（３）可変フィルタ１０Ａおよび１０Ｂを通過させずバイパス線路でスルーさせる経路、を切り替える。これにより、（３）可変フィルタ１０Ａおよび１０Ｂを通過させずバイパス線路でスルーさせる経路が選択されることで、可変フィルタ１０Ａおよび１０Ｂの挿入損失を、（１）可変フィルタ１０Ａを通過させる経路および（２）可変フィルタ１０Ｂを通過させる経路における挿入損失と、（３）可変フィルタ１０Ａおよび１０Ｂを通過させずバイパス経路でスルーさせる経路における挿入損失とを比べることでモニタすることができ、また、高周波信号を損失なしで検波できる。
また、可変フィルタ１０Ａを含む複数のフィルタが配置されることで、広範な周波数帯域に亘って高周波信号の検波精度を向上できる。また、固定された通過帯域を有するフィルタのみで構成された方向性結合器に比べて、少なくとも可変フィルタ１０Ａを１つ有しているので、方向性結合器３を小型化できる。
なお、本実施の形態に係る方向性結合器３では、可変フィルタを２つ有する構成としたが、可変フィルタは少なくとも１つ有していればよく、この観点から、可変フィルタ１０Ｂに替わって通過帯域および阻止帯域が固定化されたフィルタが配置されていてもよい。
また、スイッチ１９Ｂはなくてもよく、この場合には、複数の出力端子を有することとなる。
また、スイッチ１９Ａおよび１９Ｂに替わって、例えば、ダイプレクサが配置されてもよい。
また、可変フィルタを含む複数のフィルタを、並列配置ではなく、直列配置してもよい。
制御部９０は、実施の形態２に係る制御部９０と同様の構成を有しているが、実施の形態２に係る制御部９０に対して、さらに、検波対象の周波数帯域に応じて、スイッチ１９Ａおよび１９Ｂを制御する。
（その他の実施の形態など）
以上、本実施の形態に係る方向性結合器について、実施の形態および変形例を挙げて説明したが、本発明に係る方向性結合器は、上記実施の形態および変形例に限定されるものではない。上記実施の形態および変形例における任意の構成要素を組み合わせて実現される別の実施の形態や、上記実施の形態および変形例に対して本発明の主旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、上記方向性結合器を内蔵した各種機器も本発明に含まれる。
例えば、上記実施の形態およびその変形例に係る方向性結合器において、図面に開示された各回路素子および信号経路を接続する経路の間に、別の回路素子および配線などが挿入されていてもよい。
本発明は、方向性結合器として広く利用できる。
１、２、３ 方向性結合器
１０、１０Ａ、１０Ｂ、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０ 可変フィルタ
１１ 主線路
１２ 副線路
１４ 終端回路
１４Ｖ、１６Ｖ 可変終端回路
１５Ａ、１５Ｂ、１９Ａ、１９Ｂ、ＳＷ１１、ＳＷ１２、ＳＷ１３、ＳＷ１４、ＳＷ２１、ＳＷ２２、ＳＷ２３、ＳＷ２４、ＳＷ３１、ＳＷ３２、ＳＷ４１、ＳＷ４２、ＳＷ４３、ＳＷ４４、ＳＷ４５、ＳＷ５１、ＳＷ５２、ＳＷ５３ａ、ＳＷ５３ｂ、ＳＷ５４ａ、ＳＷ５４ｂ、ＳＷ５５ａ、ＳＷ５５ｂ、ＳＷ５６、ＳＷ５６ａ、ＳＷ５６ｂ、ＳＷ５７、ＳＷ５７ａ、ＳＷ５７ｂ、ＳＷ５８、ＳＷ５９、ＳＷ６３ａ、ＳＷ６３ｂ、ＳＷ６４ａ、ＳＷ６４ｂ、ＳＷ６５ａ、ＳＷ６５ｂ、ＳＷ６６ａ、ＳＷ６６ｂ、ＳＷ６７ａ、ＳＷ６７ｂ、ＳＷ６８、ＳＷ６９、ＳＷ７１、ＳＷ７２、ＳＷ８１、ＳＷ８２ スイッチ
１７Ｖ 可変整合回路
１８Ｖ 可変減衰器
５１、５２、５８、５９、６１、６２、６８、６９、７１、７２、７３、７４、７５、７６、８１、８２、８３、８４、８５、８６ 線路
５３、６３ 帯域幅調整回路
５４、５５、６４、６５ インピーダンス整合回路
５６、５７、６６、６７ 中心周波数調整回路
９０ 制御部
１００ 出力端子
１０１ 入力端子
１１０ 入力ポート
１１１、２１５、３１１、４１５ インダクタ
１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ 端子
１１１ｔ 配線ノード
１１２、１１３、１１４、１１５、１１６、１１７、２１１、２１２、２１３、２１４、２１６、３１２、４１１、４１２、４１３、４１４、４１６、４１７、５３１、５３２、５３３、５４１、５４２、５４３、５５１、５５２、５５３、５６１、５６２、５６３、５７１、５７２、５７３、６３１、６３２、６３３、６４１、６４２、６４３、６５１、６５２、６５３、６６１、６６２、６６３、６７１、６７２、６７３ キャパシタ
１２０ 出力ポート
１２１ 一端部
１２２ 他端部
１５１、１５４、１９１、１９５ 共通端子
１５２、１５３、１５５、１５６、１９２、１９３、１９４、１９６、１９７、１９８ 選択端子
５１０、７１０ 誘電体基板
５２０、７２０ 半導体基板
５３０、７３０ 端子基板
５４０、７４０ 樹脂部材
ｎ７１、ｎ７２、ｎ８１、ｎ８２ 接続ノード

Claims (13)

  1. 高周波信号を伝送する主線路と、
    前記主線路と電磁気的に結合した副線路と、
    前記副線路の一端部を終端する終端回路と、
    入力端子および出力端子を有し、前記入力端子が前記副線路の他端部に接続された可変フィルタと、を備え、
    前記可変フィルタは、１つの周波数帯域を通過帯域または阻止帯域として有するフィルタ単位回路であり、
    前記フィルタ単位回路内には、前記通過帯域または阻止帯域を周波数シフトさせるための可変受動素子が配置されている、
    方向性結合器。
  2. 前記可変受動素子は、スイッチと、当該スイッチに接続された受動素子と、を含む、
    請求項１に記載の方向性結合器。
  3. 前記受動素子は、集中定数型のインダクタであり、
    前記インダクタは、平面コイルパターンで構成されたスパイラル型のインダクタである、
    請求項２に記載の方向性結合器。
  4. 前記インダクタは、第１端子、第２端子および第３端子を有し、前記第１端子と前記第３端子との間で第１インダクタンス値を有し、前記第２端子と前記第３端子との間で、前記第１インダクタンス値と異なる第２インダクタンス値を有し、
    前記第１端子および前記第２端子の少なくとも一方は、前記スイッチに接続されている、
    請求項３に記載の方向性結合器。
  5. 前記副線路の他端部には、前記可変フィルタ以外のフィルタが接続されていない、
    請求項１〜４のいずれか１項に記載の方向性結合器。
  6. さらに、
    前記他端部に接続され、前記可変フィルタの通過帯域と異なる通過帯域を有するフィルタを備える、
    請求項１〜４のいずれか１項に記載の方向性結合器。
  7. さらに、
    第１共通端子、第１選択端子および第２選択端子を有し、前記他端部と前記可変フィルタとの間に配置された第１スイッチ回路と、
    第２共通端子、第３選択端子および第４選択端子を有し、前記一端部と前記終端回路との間に配置された第２スイッチ回路と、を備え、
    前記他端部は、前記第１共通端子に接続され、
    前記入力端子は、前記第１選択端子および前記第３選択端子に接続され、
    前記終端回路は、前記第４選択端子および前記第２選択端子に接続されている、
    請求項１〜６のいずれか１項に記載の方向性結合器。
  8. 前記終端回路は、当該終端回路の終端インピーダンスを可変する可変素子を有する、
    請求項１〜７のいずれか１項に記載の方向性結合器。
  9. さらに、前記可変フィルタと前記副線路との間に配置され、前記副線路を伝送する高周波信号を、前記可変フィルタを通過させる経路、および、前記可変フィルタを通過させずバイパス線路でスルーさせる経路、を切り替える第３スイッチ回路を備える、
    請求項１〜８のいずれか１項に記載の方向性結合器。
  10. さらに、
    前記他端部に接続された可変減衰器を備える、
    請求項１〜９のいずれか１項に記載の方向性結合器。
  11. さらに、
    前記他端部に接続された可変整合回路を備える、
    請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方向性結合器。
  12. 前記主線路および前記副線路は、半導体基板に形成されている、
    請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方向性結合器。
  13. 前記可変フィルタが有する複数の受動素子およびスイッチのうち、前記複数の受動素子の少なくとも１つおよび前記スイッチは、前記半導体基板に形成されている、
    請求項１２に記載の方向性結合器。
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