JP3988698B2

JP3988698B2 - 方向性結合器および高周波回路装置

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Publication number: JP3988698B2
Application number: JP2003290688A
Authority: JP
Inventors: 篤斉藤; 美智子中川
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2003-08-08
Filing date: 2003-08-08
Publication date: 2007-10-10
Anticipated expiration: 2023-08-08
Also published as: EP1505686A1; CN1595717A; CN1300895C; US7161444B2; KR20050016116A; US20050030123A1; KR100597846B1; JP2005064748A

Description

この発明は、マイクロ波帯やミリ波帯で用いられる方向性結合器およびそれを備えた高周波回路装置に関するものである。

従来、基板上に線路を形成してなるマイクロ波帯における方向性結合器として、ハイブリッドリングカプラなどのライン型カプラが用いられている。このようなライン型カプラでは、４つのポートの間をつなぐ線路の長さと線路の特性インピーダンスを適宜設定することによって電力分配比などの特性を定めている。

ところが、ライン型カプラでは伝搬させる信号の周波数が高くなってミリ波帯になると、各ポート間をつなぐ線路の線路長が短くなって相対的に線路幅が広くなり、基板上への線路パターンの形成が困難になる。

そこで、このような問題が生じない、ミリ波帯などで用いる方向性結合器として非特許文献１が開示されている。その構造例を図１７に示す。この方向性結合器は図１７に示すように、円形導体Ｃから４方向に放射状に延びる線路Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４を形成するとともに、線路Ｌ１とＬ４との間で円形導体Ｃから先端開放のスタブＳ１を突出させ、同様に線路Ｌ２とＬ３の間で円形導体Ｃから先端開放のスタブＳ２を突出させている。
Marek E.Bialkowski,Senior Member,IEEE ,and Shaun T.Jellet,Member,IEEE " Analysis and Design of a Circular Disc 3 dB Coupler" IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES,VOL.42,NO.8,AUGUST 1994

非特許文献１に示されている構造の方向性結合器では、２つのスタブを通る軸を１つの対称軸、それに直交する方向の軸をもう１つの対称軸とする形状であるので、円形導体Ｃに複数の共振モードが生じる。もし、スタブＳ１，Ｓ２がなければそれらの共振モードは縮退関係にあるが、スタブＳ１，Ｓ２を形成していることにより、その縮退関係が解かれて方向性結合器としての特性が現れる。

ところが、この方向性結合器は、線路Ｌ１〜Ｌ４の線路幅以外に、円形導体Ｃの半径と、スタブＳ１，Ｓ２の形状・寸法（スタブ長，スタブ幅）が方向性結合器の設計パラメータであり、全体のパラメータが多く、設計の難易度が高いという問題があった。また、スタブＳ１，Ｓ２、円形導体Ｃ、および線路Ｌ１〜Ｌ４のパターン形成精度の誤差に対する方向性結合器としての特性変化の感度が鋭い、すなわち所望の電気的特性を得るために要求されるパターン形成精度が高いという問題があった。そのため、例えば厚膜印刷法を用いて誘電体基板に導体パターンを形成するといった方法を採ることができなかった。

そこで、この発明の目的は、基板上に形成する導体パターンの寸法変化に対する電気的特性変化の感度が比較的鈍くなるようにして、方向性結合器としての所望の特性を容易に得られるようにし、例えば厚膜印刷法などによって導体パターンを形成可能にして低コスト化を図った方向性結合器を提供することにある。また、設計パラメータの数を減らして設計を容易にした方向性結合器を提供することにある。

（１）この発明は、基板上に、該基板の所定点を中心として放射状に延び、前記所定点を中心として回転方向順に第１の線路Ｌ１，第２の線路Ｌ２，第３の線路Ｌ３，第４の線路Ｌ４とする４つの線路を備え、第１〜第４の線路のそれぞれ長手方向に延びる中心線上で前記所定点から距離ｒ１だけ離れた点をｐ１１〜ｐ１４とし、点ｐ１１と点ｐ１２とを結ぶ第１の接続線を曲線、直線または内角が９０°以上１８０°未満の折れ線とし、且つ第１の接続線と第１・第２の線路の縁端との交差角を９０°以上１８０°以下とし、第１・第２の線路と第１の接続線とで囲まれた領域に第１の導体パターンＲ１を形成し、点ｐ１３と点ｐ１４とを結ぶ第２の接続線を曲線、直線または内角が９０°以上１８０°未満の折れ線とし、且つ第２の接続線と第３・第４の線路の縁端との交差角を９０°以上１８０°以下とし、第３・第４の線路と第２の接続線とで囲まれた領域に第２の導体パターンＲ２を形成したことを特徴している。

ここで、この方向性結合器の例を図１４に示す。（Ａ）に示す例では、第１〜第４の線路Ｌ１〜Ｌ４の中心ｏから距離ｒ１だけ離れた点をそれぞれｐ１１〜ｐ１４としている。この点ｐ１１と点ｐ１２とを結ぶ接続線Ｃ１を、ｏを中心とする円弧とし、線路Ｌ１，Ｌ２と接続線Ｃ１に囲まれた領域に第１の導体パターンＲ１を形成している。同様に、点ｐ１３と点ｐ１４とを結ぶ接続線Ｃ２を、ｏを中心とする円弧とし、線路Ｌ３，Ｌ４と接続線Ｃ２に囲まれた領域に第２の導体パターンＲ２を形成している。

また、第１の接続線Ｃ１と第１の線路Ｌ１の縁端との交点ｐ１１′での交差角θ１１を９０°以上とし、第１の接続線Ｃ１と第２の線路Ｌ２の縁端との交点ｐ１２′での交差角θ１２を９０°以上としている。同様に、第２の接続線Ｃ２と第３の線路Ｌ３の縁端との交点ｐ１３′での交差角θ１３を９０°以上とし、第２の接続線Ｃ２と第４の線路Ｌ４の縁端との交点ｐ１４′での交差角θ１４を９０°以上としている。

図１４の（Ｂ）は導体パターンＲ１，Ｒ２の領域をハッチングで示している。

（２）この発明は、前記第１〜第４の線路のそれぞれ長手方向に延びる中心線上で前記所定点から距離ｒ２だけ離れた点をｐ２１〜ｐ２４とし、点ｐ２２と点ｐ２３とを結ぶ第３の接続線を曲線、直線または内角が９０°以上１８０°未満の折れ線とし、且つ第３の接続線と第２・第３の線路の縁端との交差角を９０°以上１８０°以下とし、第２・第３の線路と第３の接続線とで囲まれた領域に第３の導体パターンＲ３を形成し、点ｐ２４と点ｐ２１とを結ぶ第４の接続線を曲線、直線または内角が９０°以上１８０°未満の折れ線とし、且つ第４の接続線と第４・第１の線路の縁端との交差角を９０°以上１８０°以下とし、第４・第１の線路と第４の接続線とで囲まれた領域に第４の導体パターンＲ４を形成し、距離ｒ２を前記距離ｒ１とは異なった値にしたことを特徴としている。

図１４の（Ｃ）に示す例では、第１〜第４の線路Ｌ１〜Ｌ４の中心ｏから距離ｒ２だけ離れた点をそれぞれｐ２１〜ｐ２４としている。この点ｐ２２と点ｐ２３とを結ぶ接続線Ｃ３を、ｏを中心とする円弧とし、線路Ｌ２，Ｌ３と接続線Ｃ３に囲まれた領域に第３の導体パターンＲ３を形成している。同様に、点ｐ２４と点ｐ２１とを結ぶ接続線Ｃ４を、ｏを中心とする円弧とし、線路Ｌ４，Ｌ１と接続線Ｃ４に囲まれた領域に第４の導体パターンＲ４を形成している。そして、距離ｒ２をｒ１とは異なった値としている。
また、第３の接続線Ｃ３と第２・第３の線路の縁端との交点（ｐ２２′，ｐ２３′）での交差角を９０°以上としている。同様に、第４の接続線Ｃ４と第４・第１の線路の縁端との交点（ｐ２４′，ｐ２１′）での交差角を９０°以上としている。（図１４の（Ｃ）で、この４つの交差角の記号については、図面があまりにも煩雑化するので省略している。）
図１４の（Ｄ）は、導体パターンＲ３，Ｒ４の領域をハッチングで示している。

図１５の（Ａ）はｐ１１とｐ１２との間、ｐ１３とｐ１４との間をそれぞれ直線で結んだ例である。また、図１５の（Ｂ）はさらに、ｐ２２とｐ２３との間、ｐ２４とｐ２１との間をそれぞれ直線で結んだ例である。

図１５の（Ｃ）はｐ１１とｐ１２との間、ｐ１３とｐ１４との間をそれぞれ内角が９０°以上１８０°未満（直角または鈍角）の折れ線で結び、且つ第１の接続線Ｃ１と第１・第２の線路Ｌ１・Ｌ２の縁端との交差角を９０°とした例である。また、（Ｄ）はさらに、ｐ２２とｐ２３との間、ｐ２４とｐ２１との間をそれぞれ直線で結んだ例である。

（３）この発明は、基板上に、該基板の所定点を中心として放射状に延び、所定点を中心として回転方向順に第１の線路Ｌ１，第２の線路Ｌ２，第３の線路Ｌ３，第４の線路Ｌ４とする４つの線路を備え、第１・第２の線路によるコーナーから第１・第２の線路の縁端に沿って距離ｒ１だけ離れた点をそれぞれｐ１１・ｐ１２とし、第３・第４の線路によるコーナーから第３・第４の線路の縁端に沿って距離ｒ１だけ離れた点をそれぞれｐ１３・ｐ１４とし、点ｐ１１と点ｐ１２とを結ぶ第１の接続線を曲線、直線または内角が９０°以上１８０°未満の折れ線とし、且つ第１の接続線の第１・第２の線路の縁端との交差角を９０°以上１８０°以下とし、第１・第２の線路と第１の接続線とで囲まれた領域に第１の導体パターンＲ１を形成し、点ｐ１３と点ｐ１４とを結ぶ第２の接続線を曲線、直線または内角が９０°以上１８０°未満の折れ線とし、且つ第２の接続線の第３・第４の線路の縁端との交差角を９０°以上１８０°以下とし、第３・第４の線路と第２の接続線とで囲まれた領域に第２の導体パターンＲ２を形成したことを特徴としている。

ここで、この方向性結合器の例を図１６に示す。（Ａ）において、第１・第２の線路Ｌ１・Ｌ２によるコーナーから第１・第２の線路の縁端に沿って距離ｒ１だけ離れた点をそれぞれｐ１１・ｐ１２とし、第３・第４の線路によるコーナーから第３・第４の線路の縁端に沿って距離ｒ１だけ離れた点をそれぞれｐ１３・ｐ１４としている。点ｐ１１と点ｐ１２とを結ぶ接続線Ｃ１を半径ｒ１の円弧としている。従って、この例では、第１の接続線Ｃ１の第１・第２の線路Ｌ１・Ｌ２の縁端ｐ１１・ｐ１２での交差角θ１１・θ１２はいずれも１８０°である。線路Ｌ１，Ｌ２と接続線Ｃ１に囲まれた領域には第１の導体パターンＲ１を形成している。同様に、点ｐ１３と点ｐ１４とを結ぶ接続線Ｃ２を半径ｒ１の円弧としている。従って、第２の接続線Ｃ２の第３・第４の線路Ｌ３・Ｌ４の縁端ｐ１３・ｐ１４での交差角θ１３・θ１４もいずれも１８０°である。線路Ｌ３，Ｌ４と接続線Ｃ２に囲まれた領域に第２の導体パターンＲ２を形成している。
図１６の（Ｂ）はこの導体パターンＲ１，Ｒ２の領域をハッチングで示している。

（４）この発明は、第２・第３の線路によるコーナーから第２・第３の線路の縁端に沿って距離ｒ２だけ離れた点をそれぞれｐ２２・ｐ２３とし、第４・第１の線路によるコーナーから第４・第１の線路の縁端に沿って距離ｒ２だけ離れた点をそれぞれｐ２４・ｐ２１とし、点ｐ２２と点ｐ２３とを結ぶ第３の接続線を曲線、直線または内角が９０°以上１８０°未満の折れ線とし、且つ第３の接続線の第２・第３の線路の縁端との交差角を９０°以上１８０°以下とし、第２・第３の線路と第３の接続線とで囲まれた領域に第３の導体パターンＲ３を形成し、点ｐ２４と点ｐ２１とを結ぶ第４の接続線を曲線、直線または内角が９０°以上１８０°未満の折れ線とし、且つ第４の接続線の第４・第１の線路の縁端との交差角を９０°以上１８０°以下とし、第４・第１の線路と第４の接続線とで囲まれた領域に第４の導体パターンＲ４を形成し、距離ｒ２を前記距離ｒ１とは異なった値にしたことを特徴としている。

図１６の（Ｃ）に示す例では、第２・第３の線路によるコーナーから第２・第３の線路の縁端に沿って距離ｒ２だけ離れた点をそれぞれｐ２２・ｐ２３とし、第４・第１の線路によるコーナーから第４・第１の線路の縁端に沿って距離ｒ２だけ離れた点をそれぞれｐ２４・ｐ２１としている。この点ｐ２２と点ｐ２３とを結ぶ接続線Ｃ３を半径ｒ２の円弧とし、線路Ｌ２，Ｌ３と接続線Ｃ３に囲まれた領域に第３の導体パターンＲ３を形成している。同様に、点ｐ２４と点ｐ２１とを結ぶ接続線Ｃ４を半径ｒ２の円弧とし、線路Ｌ４，Ｌ１と接続線Ｃ４に囲まれた領域に第４の導体パターンＲ４を形成している。そして、距離ｒ２をｒ１とは異なった値としている。
図１６の（Ｄ）は、導体パターンＲ３，Ｒ４の領域をハッチングで示している。

このように、所定点ｏを中心として第１〜第４の線路が放射状に延びる構造により、所定点ｏの周囲に縮退関係の複数の共振モードが発生する。この複数の共振モードは、導体パターンＲ１，Ｒ２を設けたことにより、または導体パターンＲ１，Ｒ２を導体パターンＲ３，Ｒ４とは異なった大きさにすることにより、上記複数の共振モードの縮退関係が解かれる。そして、各ポートにおいて複数の共振モードが打ち消し合う（信号が出力されない）あるいは強め合う（信号が出力される）ように上記距離ｒ１，ｒ２を定めることによって所望の特性を有する方向性結合器として作用する。

（５）また、この発明は、全体の形状が前記所定点を通る２つの対称面をもつ２重鏡像の形状とする。

（６）また、この発明は、第１〜第４の線路を、隣接する２つの線路のなす角度が略直角となるように配置する。

（７）また、この発明は、上記のいずれかの構造からなる方向性結合器を備えた高周波回路装置を構成する。

この発明によれば、第１〜第４の導体パターンと第１〜第４の線路とによる共振領域の導体パターンに鋭角部分が生じないので、導体パターンの痩せ太りによる共振領域の導体パターン形状の変化が少ない。そのため、導体パターンの寸法変化に対する特性変化の感度が鈍い。その結果、例えば厚膜印刷法などを用いて安価に製造することができる。

また、この発明によれば、第１〜第４の導体パターンの大きさを定める上記距離ｒ１を定めることによって、またはｒ１とｒ２を定めることによって、所定点の周囲に生じる複数の共振モードの縮退関係を解くようにしたので、所望の方向性結合器としての特性を得るための主な設計パラメータが、線路幅以外には前記距離ｒ１，ｒ２の２つだけであるので設計が容易となり設計コストも削減できる。

また、この発明によれば、全体の形状が４つの線路の中心である上記所定点を通る２つの対称面をもつ２重鏡像の形状としたことにより、さらに隣接する２つの線路のなす角度を略直角としたことにより、理想的な４ポート回路となる。そのため、方向性結合器の或るポートで、その方向性結合器に対して整合がとれた場合に、そのポートに対してアイソレーションのとれる他のポートが必ず存在することになり、高い方向性を容易に得ることができる。

また、この発明によれば、上記方向性結合器を備えることにより、低コストな高周波回路装置が得られる。

第１の実施形態に係る方向性結合器について図１〜図５を基に説明する。
図１の（Ａ）は、方向性結合器の上面図、（Ｂ）は正面図である。基板１の上面には導体パターン２を形成している。基板１の下面には全面に接地導体３を形成している。上面の導体パターン２として、（Ａ）に示すように第１〜第４の線路Ｌ１〜Ｌ４および第１〜第４の導体パターンＲ１〜Ｒ４を形成している。この導体パターン２は図１４の（Ｃ）に示したものと同様である。

この例では、第１〜第４の線路Ｌ１〜Ｌ４の互いに隣接する２つの線路のなす角度を直角とし、線路Ｌ１とＬ２との間、および線路Ｌ３とＬ４との間に、中心ｏを通る第１の対称面ＳＳ１を備えている。同様に、線路Ｌ２とＬ３との間、および線路Ｌ４とＬ１との間に、中心ｏを通る第２の対称面ＳＳ２を備えている。すなわち、第１〜第４の線路Ｌ１〜Ｌ４および第１〜第４の導体パターンＲ１〜Ｒ４からなる導体パターン２は２重鏡像の形状をなしている。

図２は図１に示した中心ｏ付近に生じる複数の共振モードについて示している。図中の＋，−の記号は基板に対して垂直に向く電界ベクトルの極性を表している。（Ａ）は第２の対称面ＳＳ２をこの共振モードの対称面とする共振モード、すなわち対称面ＳＳ２に関して奇モードの共振モードであり、導体パターンＲ１，Ｒ２に互いに逆極性の電界ベクトルが生じるモードである。また、（Ｂ）は第１の対称面ＳＳ１を共振モードの対称面とする共振モード、すなわち対称面ＳＳ１に関して奇モードの共振モードであり、導体パターンＲ３，Ｒ４に互いに逆極性の電界ベクトルが生じるモードである。また（Ｃ）は（Ａ）と（Ｂ）に示した２つのモードを重ね合わせた共振モードである。例えば、線路Ｌ２，Ｌ４の根元部分で電界ベクトルが＋の時、線路Ｌ１，Ｌ３の根本部分の電界ベクトルは−となる。（Ｄ）は高次の共振モードであり、導体パターンＲ１〜Ｒ４で囲まれる領域の中心と周辺とで電界ベクトルの極性が逆極性となる。

もし共振領域Ｒ１〜Ｒ４の大きさが同じであれば、上記複数の共振モードは縮退関係となるが、第２の対称面ＳＳ２で対称な共振領域Ｒ１・Ｒ２の大きさと、第１の対称面ＳＳ１で対称な共振領域Ｒ３・Ｒ４の大きさとを異ならせることによって、上記複数の共振モードの縮退関係が解かれる。

なお、この例では４つの共振領域Ｒ１〜Ｒ４を形成したが、第３・第４の共振領域Ｒ３・Ｒ４を特に設けない場合でも、上記中心ｏの周囲は一定の広がりをもつ領域であるので、上述した複数の共振モードが同様に生じる。そして、共振領域Ｒ１，Ｒ２の存在により縮退関係が解かれる。

図３は、図１に示した方向性結合器の各部の寸法を変化させたときの特性変化の例を示している。ここで、図１に示した第１〜第４の線路Ｌ１〜Ｌ４の線路幅ｗを０．２３［ｍｍ］、基板１の比誘電率を９．０５、基板１の厚みｔを０．２［ｍｍ］としている。

図３では、ｒ２を０．２４［ｍｍ］，０．２７［ｍｍ］，０．３［ｍｍ］の３通りとし、図における横軸をｒ１、縦軸を減衰量としている。（Ａ）はポート＃１の反射特性Ｓ１１、（Ｂ）はポート＃１からポート＃２への透過特性Ｓ２１、（Ｃ）はポート＃１−４間のアイソレーションＳ４１、（Ｄ）はポート＃１からポート＃３への透過特性Ｓ３１をそれぞれ示している。このように、ポート＃１から入力された信号がポート＃２とポート＃３へそれぞれ透過し、ポート＃４へは透過しない、という方向性結合器としての特性が得られる。しかもｒ１，ｒ２の比較的広い範囲に亘って安定した特性が得られる。

この例では、ｒ１＝０．５６５、ｒ２＝０．２７に定めることによって、Ｓ２１，Ｓ３１が共に−３．０ｄＢとなって、３ｄＢカプラとして作用する。

図４は、各周波数帯で３ｄＢカプラとして作用するように構成した場合の特性例である。（Ａ）は７６．５ＧＨｚ帯で３ｄＢカプラとして作用するように、基板１の比誘電率を４．０とし、ｒ１＝０．６８［ｍｍ］、ｒ２＝０．５［ｍｍ］とした場合である。このように７２〜８２ＧＨｚの広い帯域に亘り、アイソレーションポートとは−２０ｄＢ以上のアイソレーションを保って、低挿入損失で電力２等分配できる。

また（Ｂ）は３８ＧＨｚ帯の設計例であり、ｒ１＝０．９３［ｍｍ］、ｒ２＝０．７［ｍｍ］としている。この例では３６〜４０ＧＨｚに亘って−２０ｄＢのアイソレーションを保って３ｄＢカプラとして作用する。

（Ｃ）は６０ＧＨｚ帯の設計例であり、ｒ１＝０．６［ｍｍ］、ｒ２＝０．４［ｍｍ］としている。この例では５６〜６４ＧＨｚに亘って−２０ｄＢのアイソレーションを保って３ｄＢカプラとして作用する。

次に、第２の実施形態に係る方向性結合器について図５を参照して説明する。
この第２の実施形態に係る方向性結合器では、第１〜第４の導体パターンの形状を図１５の（Ａ），（Ｂ）に示した形状としている。図５の（Ａ）は方向性結合器の上面図である。誘電体基板１の上面には、第１〜第４の線路Ｌ１〜Ｌ４および第１〜第４の導体パターンＲ１〜Ｒ４からなる導体パターンを形成している。基板１の下面には全面に接地導体を形成している。導体パターンＲ１〜Ｒ４の大きさは図１５の（Ｂ）に示したように、中心ｏから距離ｒ１だけ離れた点ｐ１１，ｐ１２，ｐ１３，ｐ１４、および中心ｏから距離ｒ２だけ離れた点ｐ２１，ｐ２２，ｐ２３，ｐ２４によって定まる。但し、ここでは導体パターンＲ１，Ｒ２の第１の対称面ＳＳ１に沿った方向の幅ＷＲ１と、導体パターンＲ３，Ｒ４の第２の対称面ＳＳ２に沿った方向の幅ＷＲ２とによって導体パターンＲ１〜Ｒ４の大きさを表している。

図５の（Ｂ）は基板１の比誘電率を９．０５、基板１の厚みを０．２［ｍｍ］、線路Ｌ１〜Ｌ４のそれぞれの線路幅を０．２３［ｍｍ］とし、ＷＲ１＝１．１０［ｍｍ］、ＷＲ２＝０．３８［ｍｍ］とした時のＳパラメータを表している。

図５の（Ｃ）に示す方向性結合器は、図１５の（Ａ）に示した構造からなり、ＷＲ１＝１．１０［ｍｍ］とし、第１・第２の導体パターンＲ１・Ｒ２のみを形成している。（Ｄ）はその方向性結合器の４つのＳパラメータを表している。

図５の（Ａ），（Ｃ）に示したいずれの構造でも、ポート＃１からの入射信号がポート＃２およびポート＃３へ透過し、ポート＃１−ポート＃４間がアイソレーションされる特性が得られる。また、設計中心周波数７６．５ＧＨｚを中心として広い周波数帯に亘って方向性結合器として作用する。

次に、本発明の方向性結合器の導体パターンの痩せ太りに対する特性変化が従来の方向性結合器に対して鈍いことを示す例を図６〜図９を参照して説明する。

図６の（Ａ）はこの第３の実施形態に係る方向性結合器の構成を示す図であり、上部は上面図、下部はその正面図である。また（Ｂ）は比較対照としての従来技術による方向性結合器の構造を示す図であり、上部はその上面図、下部はその正面図である。基板１の上部には基板１の表面を覆うカバー４を設けている。このカバー４はシミュレーションの境界条件を決定するための構造として設けている。

図７の（Ａ）〜（Ｃ）は、図６の（Ａ）に示した構造の方向性結合器について導体パターンの痩せ太り変化に対する４つのＳパラメータの特性を示している。また図７の（Ｄ）〜（Ｆ）は、図６の（Ｂ）に示した構造の方向性結合器について導体パターンの痩せ太り変化に対する４つのＳパラメータの特性を示している。

図６の（Ａ）各部の寸法は次の通りである。

ｔ＝０．２
ｈ＝１．０
ｒ１＝０．５３
ｒ２＝０．２４
ｗ＝０．２３
ａ＝１．２
ｂ＝３．０
いずれも寸法は［ｍｍ］である。基板１の比誘電率は９．０５である。

また（Ｂ）において、
ＳＷ＝０．２３
ＳＬ＝０．４７である。いずれも寸法は［ｍｍ］であり、その他は（Ａ）と同様である。

図７の（Ａ）は、設計中心として上述の通りｒ１＝０．５３［ｍｍ］、ｒ２＝０．２４［ｍｍ］とした場合であり、（Ｂ）は導体パターンが設計中心より０．０３［ｍｍ］だけ太くなった場合、（Ｃ）は導体パターンが設計中心より０．０３［ｍｍ］だけ細くなった場合の特性である。このように導体パターンの痩せ太りが生じても設計周波数７６．５ＧＨｚでＳ２１，Ｓ３１は共に−３ｄＢ、Ｓ１１，Ｓ４１は共に−２０ｄＢ以下となって、３ｄＢカプラとして安定した特性が得られる。

一方、図７の（Ｄ）は設計中心として上述の通りＳＬ＝０．４７［ｍｍ］、ＳＷ＝０．２３［ｍｍ］、ｒ２＝０．２４［ｍｍ］とした場合であり、（Ｅ）は導体パターンが設計中心より０．０３［ｍｍ］だけ太くなった場合、（Ｆ）は０．０３［ｍｍ］だけ細くなった場合のそれぞれの特性を示している。設計中心では（Ｄ）のようにＳ２１，Ｓ３１は−３ｄＢ、Ｓ１１，Ｓ４１は−２０ｄＢ以下となるが、導体パターンが痩せた場合も太った場合もＳ２１とＳ３１との差が大きくなり、またＳ１１，Ｓ４１についても減衰中心周波数が移動することがわかる。
図８はこの特性変化の数値結果を示している。

このように導体パターンの痩せ太りに対する特性変化の感度に差が生じる理由を解析するために、線路に流れる電流のベクトルを求めた結果を図９に示す。図９の（Ａ）〜（Ｃ）は本発明の方向性結合器の導体パターンに流れる電流のベクトルを示している。（Ｄ）〜（Ｆ）は従来構造の方向性結合器の導体パターンに流れる電流のベクトルを示している。図中のθは伝搬信号の位相角である。また電流ベクトルの濃度によってその大きさを表している。

この図９から明らかなように、従来技術による方向性結合器の構造では、図６の（Ｂ）に示した線路Ｌ１〜Ｌ４に対するスタブＳ１，Ｓ２の付け根部分が鋭角になっていて、その鋭角部分に電流が集中する。この鋭角部分は導体パターンの痩せ太りの影響を最も大きく受ける。すなわち導体パターン全体の痩せ太りに応じて最も顕著にそのパターンが変化する。そのため、従来構造では導体パターンの痩せ太りに対する特性変化の感度が鋭い。

これに対して本発明による方向性結合器の構造では、図６の（Ａ）に示した線路Ｌ１〜Ｌ４に対する導体パターンＲ１〜Ｒ４の付け根部分の交差角が鈍角であるので、その部分に大きな電流集中が生じない。この鈍角部分は導体パターンの痩せ太りの影響を大きく受けないので、導体パターンの痩せ太りに対する特性変化の感度が鈍い。

したがって、導体パターンを、パターン幅の痩せ太りが比較的生じやすい厚膜印刷法などの安価な製造方法によって形成しても、所望の特性を有する方向性結合器を容易に製造できるようになる。

次に、第４の実施形態に係る方向性結合器について図１０・図１１を基に説明する。
図１０に示す方向性結合器は図１６の（Ａ），（Ｂ）に示した構造の方向性結合器である。すなわち、線路Ｌ１，Ｌ２のコーナーからそれぞれ距離ｒ１だけ離れた点ｐ１１とｐ１２とを結ぶ接続線を、中心ｏ方向へ凹む曲線にしている。この例ではｏｏを中心とする半径ｒ１の円弧としている。そして、この曲線と線路Ｌ１，Ｌ２とで囲まれた領域を導体パターンＲ１としている。その他の構造は図６に示したものと同様である。

図１０の（Ｂ）は（Ａ）に示した方向性結合器の４つのＳパラメータを表している。ここで、ｗ＝０．２３［ｍｍ］、ｒ１＝０．８［ｍｍ］としている。また、基板の比誘電率を９．０７、基板の厚みを０．２［ｍｍ］、カバーの高さを１．０［ｍｍ］としている。

中心導体をこのようなパターンとしても、図１０の（Ｂ）に示すようにポート＃１からの入射信号をポート＃２，ポート＃３へ透過させ、ポート＃１−ポート＃４間をアイソレーションさせる方向性結合器として作用する。

図１１に示す例は４つの線路Ｌ１〜Ｌ４のうち隣接する線路の交差角θを９０°とは異なった値にしたものである。この例では、基本的には図６の（Ａ）に示した構造をとり、ｒ２＝０としたものである。このような構造であっても導体パターンは第１の対称面ＳＳ１と第２の対称面ＳＳ２で共に対称である２重鏡像の形状となり、方向性結合器として作用させることができる。図１１の（Ｂ）はその４つのパラメータを表している。ここで、ｒ１＝０．５８［ｍｍ］、θ＝７５°としている、その他の寸法は図６の（Ａ）に示したものと同様である。

このようなパターンとしても、図１１の（Ｂ）に示すようにポート＃１からの入射信号をポート＃２，ポート＃３へ透過させ、ポート＃１−ポート＃４間をアイソレーションさせる方向性結合器として作用する。

次に、第５の実施形態に係る方向性結合器について図１２を基に説明する。
図１２に示すように、基板１上に第１〜第４の線路Ｌ１〜Ｌ４および第１・第２の導体パターンＲ１・Ｒ２を形成している。第１〜第４のいずれの実施形態も、全体の形状が中心ｏを通る２つの対称面をもつ２重鏡像の形状であったが、図１２の（Ａ）では１つの対称面ＳＳ２をもつ１重鏡像の形状としている。また、（Ｂ）では、対称面をもたない形状としている。このような形状であっても、各線路同士の成す角度と導体パターンＲ１・Ｒ２の形状と大きさを適宜定めることによって所望の特性を得ることができる。

次に、第６の実施形態に係るミリ波レーダモジュールについて図１３を基に説明する。

図１３において、電圧制御発振器ＶＣＯは３８ＧＨｚ帯の信号を発生するとともに、変調入力信号に応じて出力信号周波数の変調を行う。２逓倍器ＭＬＴは入力信号を２逓倍して７６ＧＨｚ帯の信号を出力する。アンプＡＭＰａ，ＡＭＰｂは２逓倍器ＭＬＴの出力信号を増幅する。方向性結合器ＣＰＬは、アンプＡＭＰｂの出力信号を所定の電力分配比で分配し、アンプＡＭＰｃとミキサーＭＩＸへ出力する。アンプＡＭＰｃは方向性結合器ＣＰＬからの信号を電力増幅して送信部ＴＸ−ＯＵＴへ出力する。ミキサーＭＩＸは受信部ＲＸ−ＩＮからの受信信号と方向性結合器ＣＰＬからの信号（ローカル信号）とをミキシングして、受信信号の中間周波信号をアンプＩＦ−ＡＭＰへ出力する。このアンプＩＦ−ＡＭＰは受信信号の中間周波信号を増幅して受信機回路へＩＦ出力信号として与える。

上記方向性結合器ＣＰＬとして、第１〜第５の実施形態で示した方向性結合器を用いる。図外の信号処理回路は、電圧制御発振器ＶＣＯの変調信号と受信信号の中間周波信号との関係から、物標までの距離および相対速度を検知する。

第１の実施形態に係る方向性結合器の構成を示す図同方向性結合器に生じる複数の共振モードの例を示す図同方向性結合器の２つのパラメータｒ１，ｒ２を変化させた時の４つのＳパラメータの特性を示す図同方向性結合器の周波数特性を示す図第２の実施形態に係る方向性結合器の構成および周波数特性を示す図第３の実施形態に係る方向性結合器および比較例としての従来の方向性結合器の構成を示す図同方向性結合器の導体パターンの痩せ太り変化に対する周波数特性の変化を示す図図７の数値結果を示す図同方向性結合器の導体パターン部分の電流ベクトルを示す図第４の実施形態に係る方向性結合器の構造と特性の例を示す図第４の実施形態に係る別の方向性結合器の構造と特性の例を示す図第５の実施形態に係る方向性結合器の構造を示す図第６の実施形態に係るミリ波レーダモジュールの構造を示す図本発明の方向性結合器における導体パターンの領域の例を示す図本発明の方向性結合器における導体パターンの領域の例を示す図本発明の方向性結合器における導体パターンの領域の例を示す図従来の方向性結合器の構成を示す図

符号の説明

１−基板
２−導体パターン
３−接地導体
４−カバー
Ｌ１−第１の線路
Ｌ２−第２の線路
Ｌ３−第３の線路
Ｌ４−第４の線路
Ｓ１，Ｓ２−スタブ
Ｃ−円形導体
ＳＳ１−第１の対称面
ＳＳ２−第２の対称面
ＣＰＬ−方向性結合器

Claims

基板の下面に接地電極を備え、前記基板の上面で前記接地電極に対向する位置に、該基板の所定点を中心として放射状に延び、前記所定点を中心として回転方向順に第１の線路Ｌ１，第２の線路Ｌ２，第３の線路Ｌ３，第４の線路Ｌ４とする４つの線路を備え、
第１〜第４の線路のそれぞれ長手方向に延びる中心線上で前記所定点から距離ｒ１だけ離れた点をｐ１１〜ｐ１４とし、
点ｐ１１と点ｐ１２とを結ぶ第１の接続線を曲線、直線または内角が９０°以上１８０°未満の折れ線とし、且つ第１の接続線と第１・第２の線路の縁端との交差角を９０°以上１８０°以下とし、第１・第２の線路と第１の接続線とで囲まれた領域に第１の導体パターンＲ１を形成し、
点ｐ１３と点ｐ１４とを結ぶ第２の接続線を曲線、直線または内角が９０°以上１８０°未満の折れ線とし、且つ第２の接続線と第３・第４の線路の縁端との交差角を９０°以上１８０°以下とし、第３・第４の線路と第２の接続線とで囲まれた領域に第２の導体パターンＲ２を形成し、
前記第１〜第４の線路のそれぞれ長手方向に延びる中心線上で前記所定点から距離ｒ２だけ離れた点をｐ２１〜ｐ２４とし、
点ｐ２２と点ｐ２３とを結ぶ第３の接続線を曲線、直線または内角が９０°以上１８０°未満の折れ線とし、且つ第３の接続線と第２・第３の線路の縁端との交差角を９０°以上１８０°以下とし、第２・第３の線路と第３の接続線とで囲まれた領域に第３の導体パターンＲ３を形成し、
点ｐ２４と点ｐ２１とを結ぶ第４の接続線を曲線、直線または内角が９０°以上１８０°未満の折れ線とし、且つ第４の接続線と第４・第１の線路の縁端との交差角を９０°以上１８０°以下とし、第４・第１の線路と第４の接続線とで囲まれた領域に第４の導体パターンＲ４を形成し、
前記距離ｒ２を前記距離ｒ１とは異なった値にしたことを特徴とする方向性結合器。
基板の下面に接地電極を備え、前記基板の上面で前記接地電極に対向する位置に、該基板の所定点を中心として放射状に延び、前記所定点を中心として回転方向順に第１の線路Ｌ１，第２の線路Ｌ２，第３の線路Ｌ３，第４の線路Ｌ４とする４つの線路を備え、
第１・第２の線路によるコーナーから第１・第２の線路の縁端に沿って距離ｒ１だけ離れた点をそれぞれｐ１１・ｐ１２とし、第３・第４の線路によるコーナーから第３・第４の線路の縁端に沿って距離ｒ１だけ離れた点をそれぞれｐ１３・ｐ１４とし、
点ｐ１１と点ｐ１２とを結ぶ第１の接続線を曲線、直線または内角が９０°以上１８０°未満の折れ線とし、且つ第１の接続線の第１・第２の線路の縁端との交差角を９０°以上１８０°以下とし、第１・第２の線路と第１の接続線とで囲まれた領域に第１の導体パターンＲ１を形成し、
点ｐ１３と点ｐ１４とを結ぶ第２の接続線を曲線、直線または内角が９０°以上１８０°未満の折れ線とし、且つ第２の接続線の第３・第４の線路の縁端との交差角を９０°以上１８０°以下とし、第３・第４の線路と第２の接続線とで囲まれた領域に第２の導体パターンＲ２を形成し、
第２・第３の線路によるコーナーから第２・第３の線路の縁端に沿って距離ｒ２だけ離れた点をそれぞれｐ２２・ｐ２３とし、第４・第１の線路によるコーナーから第４・第１の線路の縁端に沿って距離ｒ２だけ離れた点をそれぞれｐ２４・ｐ２１とし、
点ｐ２２と点ｐ２３とを結ぶ第３の接続線を曲線、直線または内角が９０°以上１８０°未満の折れ線とし、且つ第３の接続線の第２・第３の線路の縁端との交差角を９０°以上１８０°以下とし、第２・第３の線路と第３の接続線とで囲まれた領域に第３の導体パターンＲ３を形成し、
点ｐ２４と点ｐ２１とを結ぶ第４の接続線を曲線、直線または内角が９０°以上１８０°未満の折れ線とし、且つ第４の接続線の第４・第１の線路の縁端との交差角を９０°以上１８０°以下とし、第４・第１の線路と第４の接続線とで囲まれた領域に第４の導体パターンＲ４を形成し、
前記距離ｒ２を前記距離ｒ１とは異なった値にしたことを特徴とする方向性結合器。
全体の形状が前記所定点を通る２つの対称面をもつ２重鏡像の形状である請求項１または２に記載の方向性結合器。
第１〜第４の線路は、隣接する２つの線路のなす角度が略直角である請求項１〜３のいずれかに記載の方向性結合器。
請求項１〜４のいずれかに記載の方向性結合器を備えた高周波回路装置。