JP4197352B2 - 幅の広い結合間隔を伴う、ストリップ導体技術における方向性結合器 - Google Patents

Description

従来技術
本発明は、独立請求項１の上位概念に記載された、ストリップ導体技術における方向性結合器に関する。

方向性結合器は、高周波（HF）技術ないしアンテナ技術の回路素子であって、例えば非対称なパワー分布に対して、例えば１２ｄBの大きさである、所望の周波数領域において使用される。方向性結合器は基本的に短い線路区間を有しており、その特性インピーダンスは、使用されている線路のそれに相応する。これによって、前進している波または後進している波からだけ、特定の電圧を取り出すことができる。

ここで該当する方向性結合器は、例えば２００３年５月１２日に出版された文献、題名「HF-Passive Komponenten（Prof. D. U. Gysel著, ZHW, Department Technik, Informatik und Naturwissenschaften, Elektrotechnik und Signalverarbeitung, Hochfrequenztechnik, Zuerich）」から公知であり、以降のさらに詳細に説明している図１において概略的に再現されている。

図１から明らかであるように、方向性結合器は４ゲート式に構成されており、２つの受信ゲート（入力ゲート）と２つの送信ゲート（出力ゲート）を有している。これら２つの受信ゲートは相互にできるだけ強く分離されなければならない。ここに該当する、ストリップ導体技術で製造された方向性結合器は、従来の導体プレート技術によって製造されている。ここでは、比較的低い誘電定数並びに、約１００μｍの領域における非常に狭い隙間幅を伴う、２つの導体の間の結合間隔を有している基板が使用されており、１５ｄBを超える、例えば１２ｄBの所望の高い結合値が得られる。このようにして、２．５GHｚで１２ｄBの結合器の場合には、厚さ３００μｍおよび４．４の相対的な誘電率の導体基板上に、上述した結合強度に必要な約８０μｍの結合間隔幅が得られる。このような狭い導体間隔は、今日の導体プレート技術において、非常に高い製造コストおよび経費、および同時の高い欠陥率によってしか製造されない。

従って、+／−２０μｍまでのエッチング許容公差において、ここに該当する様式の方向性結合器を従来の導体プレート技術で、最小の導体幅および、１５０μｍの領域における横方向での導体間隔で製造に適して実現することが非常に望まれている。

発明の利点
本発明の方向性結合器は殊に多層構造を特徴とする。ここでは少なくとも３つの金属層と、これらの金属層の間の少なくとも２つの誘電性絶縁層が基板上に、有利にはプリント導体プレート上に配置されている。ここでこの方向性結合器の設計それ自体は、従来技術から公知の設計に相応する。

従来技術とは異なり、アース層は、直接的に方向性結合器の導体構造体の下方に配置されている金属層に相応するのではなく、それに続く金属層にはじめて相応する。導体構造体とアース層の間では、その間に配置されている金属層上に、絶縁された、特別に形成された導体構造体が作成されている。これは有利にはエッチングされている。このような構造体に基づいて、直列接続された非常に小さい容量が作成される。これは必要な結合と、同時に、上述した金属層間の非常に高い電気的絶縁を可能にする。このような構造体は、従来技術で挙げた公知の構造体より、５倍大きい結合間隔の製造を可能にする。

有利な構成では、上述した、絶縁されかつ特別に形成された導体構造体は、「Ｈ」を横向きにした形を有している。しかし基本的に任意の他の形状も可能である。すなわち簡単な形状ないしは同じように矩形を横向きにした形である。

別の構成では、結合導体の外側に付加的な構造体または構造体拡張部が設けられており、有利には短い台形の構造体が設けられている。

さらに別の構成では、結合導体の反射特性が、小さい、接続端子の角に配置された容量性構造体（容量性点（Kapazitaetsflecken））によって改善される。これによって、合計で、結合導体の僅かに誘導性のインピーダンスが次のように補償される。すなわち、接続端子での殊に良好なインピーダンス整合が可能になるように補償される。

本発明に相応して提案された方向性結合器は、従来の導体プレート技術によって、いずれかの製造制限もなしに、通常のエッチング許容公差のもとで製造される。この方向性結合器は、殊に非常に大きな結合値を有している。このような結合値は従来技術においては、非常に高い製造コストおよび経費によってしか実現可能でなかった。さらに方向性結合器の製造ばらつき、殊にＨＦに関連するパラメータは、本発明によって、格段に少なくなる。さらに、低コストの基板の使用並びに低コストのエッチング方法の使用が、この方向性結合器に基づく構造体の製造時に可能である。

図面
本発明を以下で、添付された図面を参照して、実施例に基づいて詳細に説明する。ここから本発明のさらなる特徴および利点が明らかになる。

詳細には、
図１には、従来技術に相応する、ストリップ導体技術での方向性結合器の基本図が示されており、
図２には、ストリップ導体技術における本発明による方向性結合器の有利な実施形態の平面図が示されており、
図３には、図２に示された方向性結合器の、ラインＡ−Ａに沿った断面図が示されている。

図１において、概略的に斜視図で示された方向性結合器１０は、ストリップ線路実施形態における平行線路結合器をあらわしている。すなわち、電気的な導体が薄い金属ストリップとして基板１５上に配置されている。ここで基板１５は通常の印刷された導体プレートから製造されている。元来の結合器は、２つの結合導体２０から成る。これらの結合導体は、長さλ／４にわたって平行に延在している。この２つの結合導体２０の間の結合は、自然に即して、２つの導体間で（横方向での）間隔が減少するのに伴って上昇するので、充分な結合を得るための間隔 「ｄ」はできるだけ狭くされる。

このような方向性結合器１０は、受動的な４つのゲートを有している。これは、次のような特徴を有している。すなわち、４つのゲート１〜４のうちの１つのゲートに印加された入力信号が常に、残りの３つのゲートのうち２つのゲートだけに転送されるという特徴を有している。すなわち図１に示された方向性結合器のゲート１に入射する波を供給すると、この波はゲート２および４にあらわれる。しかし理想的には、ゲート３にはあらわれない。すなわちゲート３はゲート１から分離されている。全ての可能な到来波の分割をたどると、常にゲート組１と３並びに２と４は相互に分離されている。すなわち、全てのゲートが自身の各特性インピーダンスを以て終了する限りは、これらの間でエネルギー交換は行われない。理想的な方向性結合器の場合には、それぞれ、ゲート１と４並びに２と３は分離されている。すなわちこれらの間でクロストークは生じない。

２つの結合導体の測定分岐において、すなわち、上述した線路区間λ／４において、容量性結合および誘導性結合によって生じた電流が同時に存在するので、これは自身の位相位置に依存して、導体内の電流の方向に応じて加えられるまたは逆方向に打ち消し合う。これは最終的に上述した方向性の結合を生じさせる。

本発明に応じて多層構造された方向性結合器の、図２に平面図で示された有利な実施形態は、プリント導体プレート１００から成る。これは複数の金属層を有している。この金属層は、最上方の金属層を銅条片（「TOP-Cu」）１０５，１１０の形状で有している。これによって方向性結合器に必要な結合導体１０５，１１０が構成される。結合導体１０５，１１０の間の横方向での間隔は同じように「ｄ」によって示されている。最上方金属層１０５，１１０の下方に、および、図示されていない絶縁層（図３参照）によってこれから直流的に分離されて、同じように銅条片から構成された中央の金属層（「Mid-1-Cu」）１１５が配置されている。これはこの実施例では、「Ｈ」を横にした形状を有している。より良好に区別するために、２つの銅層１０５−１１５は、異なってハッチングされている。この中央金属層１１５の下方には同じようにここに図示されていない（図３を参照）、同じようにこの中央金属層１１５からここに示されていない絶縁層によって直流的に分離されている、アース電位にある銅アース層（「Mid-２-Cu」）２２０が配置されている。

上述されているように、上述の３つの金属層はそれぞれ、ここに図示されていない誘電性の絶縁層によって直流的に相互に分けられている。この絶縁層は、導体プレート技術で使用されているガラスファイバー／エポキシ基板材料から製造されている。図示された金属層および絶縁層は有利な実施形態では、従来のそれ自体公知のエッチング技術で製造されたプリント導体プレートの形状で構成されている。

中央金属層（「Mid-1-Cu」）１１５が上述したように「H」形状をしているので、全体として、複数の、直列接続された、比較的小さい容量が個々の金属層１０５〜１１５，２２０の間に生じる。これは、上述した金属層間の必要な強い結合と、同時に非常に高い誘電性絶縁を可能にする。殊にこれによって、結合強度が同じ場合には、５倍大きい結合間隔（Koppelspalt）が、上述した従来の導体プレートエッチング技術において実現される。

図２に示された結合導体はこの実施形態においては、結合導体に沿ってほぼ中央に配置されている、外部へ拡張している台形状の拡張面１２０を有している。この拡張面よって結合作用がさらに強化される。付加的にゲート接続部１〜４のコーナー部分には、容量性構造体（容量性点）１２５が配置されている。この構造体によって、結合導体１０５，１１０の反射特性が改善される。この容量性結合体の場合には、９０°の内部コーナーが、図示された三角形１２５で傾斜して満たされている。しかし基本的には、相応に小さい面積拡大を生じさせる他の形状も可能である。これは例えば正方形である。しかしこの場合にはこれによって、小さい付加的な角が生じる。全体として、上述の方法によって、合計して、結合導体の僅かに誘導性のインピーダンスが補償され、ゲート端子での非常に良好なインピーダンス整合が可能になる。

本発明による方向性結合器の別の実施形態は、上述した最上金属層１０５，１１０と中央金属層１１５を交換することによって生じることに留意されたい。説明した作用それ自体はこれによって変わらない。

図３に示した側方断面図は、一点鎖線「Ａ−Ａ」に沿った、図２に示された構造体の断面に相当する。図３から、３つの金属層２００，２１０，２２０の空間的な配置がさらに明らかにわかる。金属層２００，２１０，２２０の相応する層厚がここから同じようにわかる。破線領域１０５，１１０は、図２において一致する参照番号で示された２つの結合導体に相当し、図２における２つの破線領域１１５は同じように、示されたH形状中間層に相当する。これらの金属層２００，２１０，２２０の間に配置された絶縁層２０５，２１５，２２５も図３には示されている。最上金属層２００は実質的に構成素子面として用いられる。すなわち、図示された方向性結合器を、アンテナ技術領域における別のＨＦ構成素子と接続するために用いられる。

図３に示された導体プレート構造体の製造に関して次のことに留意されたい。すなわち導体層がエッチングされる領域が、それ自体公知のマルチレイヤー技術に基づいて、押し合わせ時に高温で誘電性材料で満たされるということに留意されたい。

上述した構造体に相応して実際に製造された１１ｄBの方向性結合器は、３８０μｍの結合間隔値を有している。ここで、各方向性結合器の完全な機能性に対する、+／−４０μｍまでのエッチング許容公差は完全に損傷されない。従来の結合器は、この仕様によって単に約２０ｄBの結合値を有するだろう、または従来の結合器は、導体プレート技術において製造可能ではない、８０μｍの小さい結合間隔を要求するだろう。

上述した本発明の方向性結合器は有利には、数ＧＨｚまでの周波数領域において、導体プレート上での使用に対して設けられる。しかし、上述した構造体は基本的には、より高い周波数での特別なＨＦ基板の場合にも、例えば自動車技術において種々に使用される７７ＧＨｚにおいて、上述した全ての利点を伴って使用可能である。同じように、さらに高い周波数（１２２ＧＨＺ、１５０ＧＨｚ）の場合、ＨＦ−ＩＣでは、この構造体の集積された使用が実現可能である。

従来技術に相応する、ストリップ導体技術での方向性結合器の基本図。 ストリップ導体技術における本発明による方向性結合器の有利な実施形態の平面図。 図２に示された方向性結合器の、ラインＡ−Ａに沿った断面図。

Claims (9)

1. アースポテンシャルにあるアース層に対して直流的に分けられた２つの結合導体を有する、ストリップ導体技術における方向性結合器であって、
   当該結合導体は自身の端部にそれぞれ１つのゲート端子を有している形式のものにおいて、
   少なくとも２つの誘電性絶縁層によって別個にされている、少なくとも３つの金属層を伴う多層導体構造体を特徴とし、
   第１の金属層は前記結合導体を構成し、前記少なくとも３つの金属層の第２の金属層は、少なくとも２つの他の金属層と直流的に分けられている導体構造体を有しており、
   直列接続された小さい複数の容量が個々の金属層間に前記第２の金属層内の導体構造体によって生じ、前記第２の金属層内の導体構造体は「Ｈ」を横にした形状を有しており、さらに当該第２の金属層は、前記結合導体が内部に設けられている最上の前記第１の金属層の下方に配置され、前記「Ｈ」の相互に平行に延在する２つの脚部は前記結合導体の条片に対して平行に延在している、
   ことを特徴とする方向性結合器。
2. 前記多層導体構造体は、多層の誘電性基板の形状で構成されている、請求項１記載の方向性結合器。
3. 少なくとも３つの金属層から、少なくとも２つの絶縁層によって直流的に分けられている導体構造体は、空間的に、少なくとも３つの金属層の間に配置されている、請求項１または２記載の方向性結合器。
4. 前記アース層は、前記結合導体の金属層から、少なくとも1つの別の金属層によって別個にされている、請求項１から３までのいずれか１項記載の方向性結合器。
5. 前記結合導体に付加的に導体構造体、殊に小さい台形の構造体が配置されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の方向性結合器。
6. 前記２つの結合導体の前記ゲート端子のコーナー部分において、インピーダンス整合のために容量性構造体が配置されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の方向性結合器。
7. 前記２つの結合導体の前記ゲート端子の９０°内部コーナーは、僅かな面積拡大が生じるように構成されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の方向性結合器。
8. 前記２つの結合導体の前記ゲート端子の面積拡大は、傾斜した三角形または正方形によって形成される、請求項７記載の方向性結合器。
9. 前記少なくとも３つの金属層は銅から製造されており、前記少なくとも２つの絶縁層はガラスファイバー／エポキシ化合物から製造されている、請求項１から８までのいずれか１項記載の方向性結合器。

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