JP2621653B2 - 方向性結合器と検波回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明はストリップ線路またはマイクロストリップ線
路を用いた、特にマイクロストリップ線路を用いた方向
性結合器と、この方向性結合器を用いた検波回路に関す
るものである。

従来の技術 方向性結合器の構成として、分布結合形とハイブリッ
ド形が代表的な構成である。第４図は従来の分布結合形
方向性結合器で、端子41と端子43とを結ぶ線路45と、端
子42と端子44とを結ぶ線路46とは、高周波信号の線路内
波長の1/4の長さにわたってお互いに分布結合するよう
に平行に配置されている。この分布結合形方向性結合器
では、端子41に入力された高周波信号は端子42と端子43
には現われるが端子44には現われないようにすることが
できる。そして、特に結合線路の間隔ｄを調整すること
により、端子41と端子42間の結合度Ｃ（端子41に入力さ
れた信号レベルに対する端子42に出力された信号レベル
の比）を決定していた。

しかし、第４図の従来例による分布結合形方向性結合
器では、結合線路部分での偶モードの伝搬速度と奇モー
ドの伝搬速度とが異なるため、端子41と端子44間のアイ
ソレーションが十分に取れないという欠点があった。更
に、端子41と端子42間の結合度Ｃの大きな分布結合形方
向性結合器を得るのは困難であった。例えば、比誘電率
が2.5、厚さが0.6mmのストリップ線路用誘電体基板上に
分布結合形方向性結合器を構成する場合、端子41と端子
44間のアイソレーションＩ（端子44に出力された信号レ
ベルに対する端子41に入力された信号レベルの比）は20
dB程度であり、端子41と端子42間の結合度Ｃが−20dBよ
り小さいと、端子41に入力された高周波信号が端子42に
現われる信号レベルよりも端子44に現われる信号レベル
の方が大きくなり、方向性結合器としての方向性（端子
42に出力された信号レベルに対する端子44に出力された
信号レベルの比）を得ることが困難であった。また、端
子41と端子42間の結合度Ｃは、実用的な結合線路の間隔
ｄが100ミクロン程度であることを考慮すると、−10dB
程度となり、−10dBより大きい結合度Ｃを得ることは困
難であった。更に又、分布結合線路は分布結合線路上の
金属遮蔽板の影響を受けやすいので、方向性結合器周辺
のケースの配置により結合度Ｃが大きく影響されたり、
周波数特性の平坦な結合度Ｃが得られないという欠点が
あった。

第５図はハイブリッド形方向性結合器で、端子51と端
子53との結ぶ線路55には高周波信号の線路内波長の1/4
の長さにわたり特性インピーダンスZ₁の線路55'が形成
され、端子52と端子54とを結ぶ線路56には高周波信号の
線路内波長の1/4の長さにわたり特性インピーダンスZ₁
の線路56'が形成されている。特性インピーダンスZ₁の1
/4波長線路55'の両側には、特性インピーダンスZ₂の1/4
波長線路57,58の一端が1/4波長の間隔で接続され、特性
インピーダンスZ₁の1/4波長線路56'の両側には、特性イ
ンピーダンスZ₂の1/4波長線路57,58の他端が1/4波長の
間隔で接続されている。そして、1/4波長線路55',56'の
特性インピーダンスZ₀（通常は50オーム）よりも低くな
るように選び、1/4波長線路57,58の特性インピーダンス
Z₂は線路55,56の特性インピーダンスZ₀よりも高くなる
ように選んでいる。そして、端子51に入力された高周波
信号は端子53と端子54に現われるが、端子52には現われ
ないようにすることができる。このハイブリッド形方向
性結合器では、端子51と端子52間のアイソレーション特
性はよいが、端子51と端子54間の結合度Ｃが比較的大き
くなり、結合度Ｃの小さいものが得られないという欠点
があった。例えば、第６図は第５図のハイブリッド形方
向性結合器において、1/4波長線路55',56'の特性インピ
ーダンスZ₁と1/4波長線路57,58の特性インピーダンスZ₂
と、端子51と端子54間の結合度Ｃの関係を中心周波数に
おいて示す特性図であり、以下に示す関係にある。

但し、結合度Ｃと結合度βとはＣ＝20logβの関係式
を満たしている。

そして、比誘電率が2.5、厚さが0.6mmのストリップ線
路用誘電体基板上にハイブリッド形方向性結合器を構成
する場合、２本の1/4波長線路57,58の線路幅Ｗを狭くす
るのは100ミクロンが実用的限界であり、この時の1/4波
長線路57,58の特性インピーダンスZ₂は約160オームであ
るため、端子51と端子54間の結合度Ｃを−10dBより大幅
に小さくすることが困難であった。

発明が解決しようとする課題 以上述べた従来例では以下に示すような欠点があっ
た。

（１）−10dB以下の結合度Ｃが小さい特性は得やすい
が、結合度Ｃが小さくなるに従って方向性が悪くなる結
果となる。更に、周波数特性の平坦な結合度Ｃが得にく
い、結合度Ｃがケースの影響を受け易い等の問題があ
る。

（２）方向性のよい特性は得やすいが、結合度Ｃが−10
dB以下の小さい特性を得るのが困難である。

本発明はかかる点に鑑みてなされたもので、簡単な構
成で上記従来例のもつ欠点を除去し、結合度が比較的小
さく（−10dB以下）、方向性のよい特性を有し、周波数
特性が平坦で、結合器周辺のケースの影響を受けにくい
方向性結合器を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段 上記課題を解決するため本発明の方向性結合器は、上
記第５図に示す従来例の1/4波長線路57,58に替わり、奇
数本（2N＋１）の1/4波長線路を特性インピーダンスの
高い1/4波長線路と特性インピーダンスの低い1/4波長線
路を交互に縦続接続した（2N＋１）/4波長線路による構
成としている。ここでＮは正の整数である。

作用 本発明によれば、上記した構成により、結合度Ｃが小
さく、方向性のよい特性を有し、しかも、周波数特性が
平坦で、結合器周辺のケースの影響を受けにくい方向性
結合器が得られる。

実施例 第１図は本発明による一実施例を示す方向性結合器
で、端子11と端子13とを結ぶ線路15には、1/4波長（高
周波信号の線路内波長の1/4で以後1/4λｓと記す）の長
さにわたり特性インピーダンスZ₁の線路15'が形成され
ている。端子12と端子14とを結ぶ線路16には、1/4波長
（1/4λｓ）の長さにわたり特性インピーダンスZ₁の線
路16'が形成されている。特性インピーダンスZ₁の1/4波
長線路15'の両側には、特性インピーダンスZ₂の1/4波長
線路17,17'が1/4波長の間隔で接続され、特性インピー
ダンスZ₁の1/4波長線路16'の両側には特性インピーダン
スZ₂の1/4波長線路18,18'が1/4波長の間隔で接続されて
いる。そして1/4波長線路17と1/4波長線路18とは特性イ
ンピーダンスZ₃の1/4波長線路19を介して接続され、1/4
波長線路17'と1/4波長線路18'とは特性インピーダンスZ
₃の1/4波長線路19'を介してそれぞれ接続されている。
端子11を信号入力端子とすると、端子12がアイソレーシ
ョン端子、端子14が結合端子となっている。そして1/4
波長線路15',16'の特性インピーダンスZ₁は線路15,16の
特性インピーダンスZ₀よりも低くなるように選び、1/4
波長線路17,17',18,18'の特性インピーダンスZ₂は1/4波
長線路19,19'の特性インピーダンスZ₃よりも高くなるよ
うに選んでいる。この時、1/4波長線路15',16'の特性イ
ンピーダンスZ₁、1/4波長線路17,17',18,18'の特性イン
ピーダンスZ₂、1/4波長線路19,19'の特性インピーダン
スZ₃、端子11と端子14間の結合度Ｃは中心周波数におい
て以下の関係式を満たすように設定されている。

但し、Zeff＝Z₂ ²/Z₃、Z₂＞Z₃で、結合度Ｃと結合度β
とはＣ＝20logβの関係式を満たしている。

第１図による実施例では、方向性結合器には分布結合
線路は使用されておらず、すべて単一線路で形成されて
いるので奇モード，偶モードによる伝搬速度の違いに起
因するアイソレーションの劣化が生じることがなく、方
向性のすぐれた特性が得られる。また、線路15,16間を
結ぶ線路として３本の1/4波長線路17,18,19（あるいは
３本の1/4波長線路17',19',18'）が縦続接続された3/4
波長線路を使用することにより、等価的に線路の特性イ
ンピーダンスを高くでき、小さい結合度も容易に実現で
きる。例えば、特性インピーダンスがそれぞれZ₂,Z₃,Z₂
の３本の1/4波長線路17,19,18が縦続接続された3/4波長
線路は、特性インピーダンスがZeffの１本の3/4波長線
路で近似され、Zeff＝Z₂ ²/Z₃で与えられる。従って、Z₂
＞Z₃のように設定することによりZeff＞Z₂とすることが
可能で、第５図に示す従来例の1/4波長線路57,58の特性
インピーダンスZ₂よりも高い特性インピーダンスの実効
的に実現できる。よって、３本の1/4波長線路17,19,18
（あるいは３本の1/4波長線路17',19',18'）の特性イン
ピーダンスZ₂,Z₃,Z₂を調整することにより、結合度の小
さいものから大きいものまで容易に実現できる。特に比
誘電率が高い誘電体基板を使用するときに効果が大き
い。更に、結合度の小さいものを設計する場合、1/4波
長線路17,18（あるいは1/4波長線路17',18'）の線路幅
を非常に狭くしてその特性インピーダンスを高く設定し
なければならないという必要性がなくなるため、線路パ
ターン作成時の線路幅のばらつきによる結合度のばらつ
きを少なくできる効果も有する。更に、方向性結合器は
すべて単一線路で形成されているので、周波数特性の平
坦な結合度Ｃが得られ、方向性結合器周辺のケースの配
置により結合度Ｃが大きく影響されない効果を有する。

第２図は本発明による別の一実施例を示す方向性結合
器で、端子21と端子23とを結ぶ線路25には1/4波長（1/4
λｓ）の長さにわたり特性インピーダンスZ₁の線路25'
が形成されている。端子22と端子24と結ぶ線路26には1/
4波長（1/4λｓ）の長さにわたり特性インピーダンスZ₁
の線路26'が形成されている。特性インピーダンスZ₁の1
/4波長線路25'の両側には特性インピーダンスZ₂の1/4波
長線路27,27'が1/4波長の間隔で接続され、特性インピ
ーダンスZ₁の1/4波長線路26'の両側には、特性インピー
ダンスZ₂の1/4波長線路27a,27a'が1/4波長の間隔で接続
されている。そして、1/4波長線路27と1/4波長線路27a
とは特性インピーダンスZ₃の1/4波長線路29、特性イン
ピーダンスZ₄の1/4波長線路28、および特性インピーダ
ンスZ₃の1/4波長線路29aを縦続接続した3/4波長線路を
介して接続され、1/4波長線路27'と1/4波長線路27a'と
は特性インピーダンスZ₃の1/4波長線路29'、特性インピ
ーダンスZ₄の1/4波長線路28'、および特性インピーダン
スZ₃の1/4波長線路29a'を縦続接続した3/4波長線路を介
して接続されている。そして、1/4波長線路25',26'の特
性インピーダンスZ₁は、線路25,26の特性インピーダン
スZ₀よりも低くなるように選び、1/4波長線路27,27',27
a,27a'の特性インピーダンスZ₂は、1/4波長線路29,29',
29a,29a'の特性インピーダンスZ₃よりも高くなるように
選んでいる。この時、1/4波長線路25',26'の特性インピ
ーダンスZ₁、1/4波長線路27,27',27a,27a'の特性インピ
ーダンスZ₂、1/4波長線路29,29',29a,29a'の特性インピ
ーダンスZ₃、1/4波長線路28,28'の特性インピーダンスZ
₄、端子21と端子24間の結合度Ｃは中心周波数において
以下の関係式を満たすように設定されている。

但し、Zeff＝Z₄×Z₂ ²/Z₃ ²、Z₂＞Z₃、Z₄＞Z₃で、結合
度Ｃと結合度βとはＣ＝20logβの関係式を満たしてい
る。

第２図による実施例では、方向性結合器には分布結合
線路は使用されておらず、すべて単一線路で形成されて
いるいるので奇モード，偶モードによる伝搬速度の違い
に起因するアイソレーションの劣化が生じることがな
く、方向性のすぐれた特性が得られる。また、線路25,2
6間を結ぶ線路として５本の1/4波長線路27,29,28,29a,2
7a（あるいは５本の1/4波長線路27',29',28',29a',27
a'）が縦続接続された5/4波長線路を使用することによ
り、等価的に線路の特性インピーダンスを高くでき、小
さい結合度も容易に実現できる。例えば、特性インピー
ダンスがそれぞれZ₂,Z₃,Z₄,Z₃,Z₂の５本の1/4波長線路2
7,29,28,29a,27aが縦続接続された5/4波長線路は、特性
インピーダンスがZeffの１本の5/4波長線路で近似さ
れ、Zeff＝Z₄×Z₂ ²/Z₃ ²で与えられる。従って、Z₄×Z₂
＞Z₃ ²のように設定することによりZeff＞Z₂とすること
が可能で、第５図に示す従来例の1/4波長線路57,58の特
性インピーダンスZ₂よりも高い特性インピーダンスを実
効的に実現できる。従って、５本の1/4波長線路27,29,2
8,29a,27a（あるいは５本の1/4波長線路27',29',28',29
a',27a'）の特性インピーダンスを調整することによ
り、結合度の小さいものから大きいものまで容易に実現
できる。特に、比誘電率が高い誘電体基板を使用すると
きに効果が大きい。更に、結合度の小さいものを設計す
る場合、1/4波長線路27,28,27a（あるいは1/4波長線路2
7',28',27a'）の線路幅を非常に狭くしてその特性イン
ピーダンスを高く設定しなければならないという必要性
がなくなるため、線路パターン作成時の線路幅のばらつ
きによる結合度のばらつきを少なくできる効果も有す
る。更に、方向性結合器はすべて単一線路で形成されて
いるので周波数特性の平坦な結合度Ｃが得られ、方向性
結合器周辺のケースの配置により結合度Ｃが大きく影響
されない効果を有する。

第３図は本発明による一実施例を示す検波回路で、第
１図と同一箇所には同一符号を付して説明する。10は第
１図の実施例による方向性結合器で、端子13は信号入力
信号、端子11は信号出力端子である。端子14にはダミー
抵抗31と終端開放の1/4波長（1/4λｓ）線路32からなる
50オーム終端器33が接続されている。端子12には検波ダ
イオード34、インピーダンス整合回路35からなる検波器
36が接続されている。37はチョーク回路、38は負荷抵
抗、39は検波電圧出力端子である。入力端子13に入力さ
れた信号はその殆どが出力端子11に出力される。しか
し、入力信号の一部（入力信号レベルよりも結合度Ｃだ
け低い信号レベル）は端子12にも現れ、検波器36により
高周波信号は検波され、端子12に現れた信号レベルに応
じた検波電流が検波ダイオード34に流れる。そして、そ
の検波電流は負荷抵抗38に流れ、検波電圧出力端子39に
検波電圧Vdとして検出される。

第３図による実施例では、方向性結合器10はすべて単
一線路で形成されているので、奇モード，偶モードによ
る伝搬速度の違いに起因するアイソレーションの劣化が
生じることがないので方向性のすぐれた特性が得られ、
端子11と端子12間のアイソレーションや端子13と端子14
間のアイソレーションがよい。従って、出力端子11に接
続される出力回路のインピーダンス不整合による反射液
や、50オーム終端器33のインピーダンス不整合による反
射液の存在と、アイソレーション特性の劣化で生じる検
波電圧Vdの周波数特性の劣化を軽減できる。さらに、方
向性結合器10はすべて単一線路で形成されているので周
波数特性の平坦な結合度Ｃが得られ、方向性結合器10周
辺のケースの配置により結合度Ｃが大きく影響されない
ので、検波電圧Vdの周波数特性が平坦になる。

発明の効果 以上のように本発明によれば次の効果がある。

（１）高インピーダンスの1/4波長線路と低インピーダ
ンスの1/4波長線路を合計（2N＋１）本縦続接続した構
成で、等価的に一層高インピーダンスの（2N＋１）/4波
長線路が形成されているので結合度Ｃの小さい方向性結
合器を容易に作成できる。

（２）単一線路のみで構成され、分布結合線路を使用し
ないので、奇モード，偶モードによるモード間の伝搬速
度の違いによる方向性結合器のアイソレーションの劣化
がなく方向性のすぐれた特性が得られる。

（３）単一線路のみで構成され、分布結合線路を使用し
ないので、周波数特性の平坦な結合度Ｃが得られるとと
もに、結合度Ｃがケースの影響を受けにくい。

（４）高インピーダンスの1/4波長線路の線路幅とし
て、特に細かい線路を使用しなくてよいので、線路パタ
ーン作成時の線路幅のばらつきによる結合度Ｃのばらつ
きを軽減できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による方向性結合器を示すパ
ターン図、第２図は本発明の他の実施例による方向性結
合器を示すパターン図、第３図は本発明の一実施例によ
る検波回路を示すパターン図、第４図は従来の分布結合
形方向性結合器を示すパターン図、第５図は従来のハイ
ブリッド形方向性結合器を示すパターン図、第６図は第
５図のハイブリッド形方向性結合器における1/4波長線
路の特性インピーダンスZ₁,Z₂と結合度Ｃの関係を示す
特性図である。 11,12,13,14,21,22,23,24……端子、15,16,25,26……線
路、15',16',17,17',18,18',19,19',25',26',27,27',27
a,27a',28,28',29,29',29a,29a'……1/4波長線路、31…
…ダミー抵抗、32……終端開放の1/4波長線路、33……5
0オーム終端器、34……検波ダイオード、35……インピ
ーダンス整合回路、36……検波器、37……チョーク回
路、38……負荷抵抗、39……検波電圧出力端子。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１、第２、第３および第４の入出力端子
   を有する方向性結合器において、前記第１、第３の入出
   力端子間を第１の1/4波長線路で接続し、前記第２、第
   ４の入出力端子間を第２の1/4波長線路で接続し、前記
   第１、第２の入出力端子間には（2N＋１）本の1/4波長
   線路が縦続接続された長さが（2N＋１）/4波長の第３の
   線路を接続し、前記第３、第４の入出力端子間には（2N
   ＋１）本の1/4波長線路が縦続接続された長さが（2N＋
   １）/4波長の第４の線路を接続するとともに、前記第１
   および第２の1/4波長線路の特性インピーダンスを前記
   第１、第２、第３および第４の入出力端子に接続される
   伝送線路の特性インピーダンスよりも低くなるように選
   び、前記第３の線路を構成する縦続接続された（2N＋
   １）本の1/4波長線路でお互いに隣接して接続されてい
   る1/4波長線路は、高い特性インピーダンスの1/4波長線
   路と低い特性インピーダンスの1/4波長線路が交互に配
   置されるようにし、前記第４の線路を構成する縦続接続
   された（2N＋１）本の1/4波長線路でお互いに隣接して
   接続されている1/4波長線路は、高い特性インピーダン
   スの1/4波長線路と低い特性インピーダンスの1/4波長線
   路が交互に配置されるようにしたことを特徴とする方向
   性結合器。
2. 【請求項２】第１および第２の1/4波長線路の特性イン
   ピーダンスを等しく選び、第３および第４の線路の等価
   的な特性インピーダンスを等しく選んだことを特徴とす
   る請求項（１）記載の方向性結合器。
3. 【請求項３】第１、第２、第３および第４の入出力端子
   を有し、前記第１、第３の入出力端子間を第１の1/4波
   長線路で接続し、前記第２、第４の入出力端子間を第２
   の1/4波長線路で接続し、前記第１、第２の入出力端子
   間には（2N＋１）本の1/4波長線路が縦続接続された長
   さが（2N＋１）/4波長の第３の線路を接続し、前記第
   ３、第４の入出力端子間には（2N＋１）本の1/4波長線
   路が縦続接続された長さが（2N＋１）/4波長の第４の線
   路を接続するとともに、前記第１および第２の1/4波長
   線路の特性インピーダンスを前記第１、第２、第３およ
   び第４の入出力端子に接続される伝送線路の特性インピ
   ーダンスよりも低くなるように選び、前記第３の線路を
   構成する縦続接続された（2N＋１）本の1/4波長線路で
   お互いに隣接して接続されている1/4波長線路は、高い
   特性インピーダンスの1/4波長線路と低い特性インピー
   ダンスの1/4波長線路が交互に配置されるようにし、前
   記第４の線路を構成する縦続接続された（2N＋１）本の
   1/4波長線路でお互いに隣接して接続されている1/4波長
   線路は、高い特性インピーダンスの1/4波長線路と低い
   特性インピーダンスの1/4波長線路が交互に配置される
   ようにした方向性結合器を有し、前記第１の入出力端子
   を出力端子とし、前記第３の入出力端子を入力端子と
   し、前記第２の入出力端子には検波素子からなる検波器
   を接続し、前記第４の入出力端子を終端器で終端したこ
   とを特徴とする検波回路。