JP4315441B2 - コプレーナ導波路技術による方向性結合器 - Google Patents
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Description
本発明は、コプレーナ導波路技術による方向性結合器に関するものである。
方向性結合器は、技術的な回路アプリケーションにおいて非常に広範に使用されており、これらは、調相機、ミキサ、及び増幅器において、方向依存性を有する分離型のパワーデバイダとして使用されている。計測技術の分野においては、方向性結合器は、例えば、ネットワークアナライザなどの場合において、被検装置に対する往路と復路の電磁波を別個に計測するために使用されている。
製造コストが安価であって、設計が比較的小型であり、且つ、良好な高周波特性を有するカプラを実現するには、方向性結合器をモノリシック集積設計を使用して製造することが好ましい。従来のマイクロストリップライン技術以外にも、モノリシック集積設計によるコプレーナ技術により、方向性結合器を実現することができる。マイクロストリップライン技術を使用する場合と比較したコプレーナ技術による方向性結合器の利点は、まず、基材の一方の側にすべてのライン（中央導体、接地導体）が設けられていることである。この結果、マイクロ波回路のコンポーネント（例：コンデンサ、インダクタ）の追加接続に必要とされる基材のボアホールや貫通接点が不要になる。そして、マイクロストリップライン技術による場合と比較したコプレーナ技術による方向性結合器の更なる非常に大きな利点は、イーブンモードの位相速度ｖ（ｅ）がオッドモードの位相速度ｖ（ｏ）と略等しくなるように設計することが可能であり、この結果、方向性の損失（方向性）ａＤを極大化することができることである。図１には、これが概略的に示されている（但し、図示の値は、一例として提示したものに過ぎない）。高度な方向性ａＤを有する場合には、結合経路に結合される電磁波のパワーは、方向性結合器の隔離経路に結合される電磁波のパワーと比べて格段に大きなものになる。図２には、この観点における方向性結合器の基本的な機能方法と回路が概略的に示されている。
特許文献１には、コプレーナ技術による方向性結合器が開示されている。この明細書の発行時点で実現されていたコプレーナ技術による方向性結合器の場合、結合に関与する集積マイクロ波回路の中央導体間の距離が、製造技術上の理由から、望ましいレベルにまで小さく設計できなかったため、結合係数は、相対的に小さなものであった。従って、この特許文献１において提示されているインターデジタルカプラ（Ｌａｎｇｅカプラ）の場合、非常に大きな結合係数を提供しているが、これは、基材上においていくつかの中央導体を並列接続することによって実現されたものである。但し、この方向性結合器のコプレーナ設計に伴う不都合な点は、その帯域幅が小さいことである。
従って、本発明は、計測技術（特に、ネットワークアナライザ）において必要とされるようなコプレーナ技術による超広帯域の方向性結合器を実現することをその目的としている。
この本発明の目的は、独立請求項１、３、及び７の特徴に対応するコプレーナ導波路技術による方向性結合器によって実現される。
そして、本発明の有利な実施例は、従属請求項に示されている。
そして、本発明の有利な実施例は、従属請求項に示されている。
即ち、本発明のコプレーナ導波路技術による方向性結合器は、請求項１に記載の通り、波を入力又は出力する第１接続（１０３）と、前記第１接続（１０３）から直接供給される波、或いは、前記第１接続（１０３）に直接供給される波を、入力、或いは、出力する第２接続（１０４）と、前記接続（１０３）で入力された電磁波の一部を結合する結合接続（１０６）と、終端（１０５）と、前記第１接続（１０３）と前記第２接続（１０４）を接続する第１中央導体（１０７）と、前記結合接続（１０６）と前記終端（１０５）を接続する第２中央導体（１０８）と、前記中央導体のそれぞれの外側に隣り合う接地導体（１１０、１１２）と、を有する少なくとも１つの第１方向性結合器ユニット（１００）を伴うコプレーナ導波路技術による方向性結合器（１）であって、前記２つの中央導体（１０７、１０８）間の間隔は、カプラセクション（１０２）にわたって前記中央導体（１０７、１０８）の長手方向の延長に沿って変化しており、前記第１方向性結合器ユニット（１００）の前記第２接続（１０４）が、２つの隣り合う接地導体（１１０、１１２）を有する中央導体（１２３）を介し、第２の方向性結合器ユニット（２００）の第２接続（２０４）に接続され、前記第１及び第２方向性結合器ユニット（１００、２００）は、共通基材（１０１）上にモノリシックに鏡像の配列によって集積されている。
また、請求項２に記載の本発明は、請求項１記載のコプレーナ導波路技術による方向性結合器において、前記中央導体（１０７、１０８）間の間隔は、前記第１接続（１０３）及び／又は前記結合接続（１０６）から前記第２接続（１０４）及び／又は前記終端（１０５）に向かう方向において指数関数的に増大していることを特徴とする。
また、本発明のコプレーナ導波路技術による方向性結合器は、請求項３に記載の通り、波を入力又は出力する第１接続（１０３）と、前記第１接続（１０３）から直接供給される波、或いは、前記第１接続（１０３）に直接供給される波を、入力、或いは、出力する第２接続（１０４）と、前記接続（１０３）で入力された波の一部を結合する結合接続（１０６）と、終端（１０５）と、前記第１接続（１０３）と前記第２接続（１０４）を接続する第１中央導体（１０７）と、前記結合接続（１０６）と前記終端（１０５）を接続する第２中央導体（１０８）と、前記中央導体（１０７、１０８）のそれぞれの外側に隣り合う接地導体（１１０、１１２）と、を有する少なくとも１つの第１方向性結合器ユニット（１００）を伴うコプレーナ導波路技術による方向性結合器（１）であって、前記中央導体（１０７；１０８）と隣り合う接地導体（１１０；１１２）間の個々の間隔は、カプラセクション（１０２）にわたって前記中央導体（１０７；１０８）の長手方向の延長に沿って変化することを特徴とする。
また、請求項４に記載の本発明は、請求項３記載のコプレーナ導波路技術による方向性結合器において、前記中央導体（１０７；１０８）と隣り合う前記接地導体（１１０；１１２）間の個々の間隔は、元々一定の幅の２つの隣り合うカプラセグメント間において線形的に増加又は減少することを特徴とする。
また、請求項５に記載の本発明は、請求項４記載のコプレーナ導波路技術による方向性結合器において、前記中央導体（１０７；１０８）と隣り合う前記接地導体（１１０；１１２）間の個々の間隔は、所定の下限値ｇＭＩＮを上回り、且つ、所定の上限値ｇＭＡＸを下回っていることを特徴とする。
また、請求項６に記載の本発明は、請求項３乃至５のいずれかに記載の方向性結合器において、前記２つの中央導体（１０７、１０８）間の間隔は、前記カプラセクション（１０２）にわたって前記中央導体（１０７、１０８）の長手方向の延長に沿って変化していることを特徴とする。
また、本発明のコプレーナ導波路技術による方向性結合器は、請求項７に記載の通り、波を入力又は出力する第１接続（１０３）と、前記第１接続（１０３）から直接供給される波、或いは、第１接続（１０３）に直接供給される波を、入力、或いは、出力する第２接続（１０４）と、前記接続（１０３）で入力された波の一部を結合する結合接続（１０６）と、終端（１０５）と、前記第１接続（１０３）と前記第２接続（１０４）を接続する第１中央導体（１０７）と、前記結合接続（１０６）と前記終端（１０５）を接続する第２中央導体（１０８）と、前記中央導体（１０７、１０８）のそれぞれの外側に隣り合う接地導体（１１０、１１２）と、を有する少なくとも１つの第１方向性結合器ユニット（１００）を有するコプレーナ導波路技術による方向性結合器（１）であって、前記２つの中央導体（１０７、１０８）の導体トラックの幅は、カプラセクション（１０２）にわたって前記中央導体（１０７、１０８）の長手方向の延長に沿って変化しており、中央導体（１０７、１０８）と隣り合う接地導体（１１０、１１２）間の個々の間隔は、前記カプラセクション（１０２）にわたって前記中央導体（１０７、１０８）の長手方向の軸に沿って変化しているすることを特徴とする。
また、請求項８に記載の本発明は、請求項７記載のコプレーナ導波路技術による方向性結合器において、前記中央導体（１０７、１０８）の導体トラックの幅は、前記第１接続（１０３）及び／又は前記結合接続（１０６）から前記第２接続（１０４）及び／又は前記終端（１０５）に向かう方向において連続的に増大していることを特徴とする。
また、請求項９に記載の本発明は、請求項７又は８記載のコプレーナ導波路技術による方向性結合器において、前記２つの中央導体（１０７、１０８）間の間隔は、前記カプラセクション（１０２）にわたって前記中央導体（１０７、１０８）の長手方向の延長に沿って変化していることを特徴とする。
また、請求項１０に記載の本発明は、請求項１乃至９のいずれかに記載のコプレーナ導波路技術による方向性結合器において、前記終端（１０５）は、台形のアブソーバ（１２７）によって終端されていることを特徴とする。
また、請求項１１に記載の本発明は、請求項１乃至１０のいずれかに記載のコプレーナ導波路技術による方向性結合器において、前記接地導体（１１０、１１２、１２０（２２０））間の間隔が最も狭い領域においては、前記接地導体（１１０、１１２、１２０（２２０））は、エアブリッジ（２３５）を介して接続されており、及び／又は、前記接地導体（１１０、１１２、１２０（２２０））間の間隔が広い領域においては、前記接地導体（１１０、１１２、１２０（２２０））は、ボンディングワイヤ（２４０）を介して接続されていることを特徴とする。
また、請求項１２に記載の本発明は、請求項１乃至１１のいずれかに記載のコプレーナ導波路技術による方向性結合器において、前記エアブリッジ（２３５）は、薄い空気のレイヤによって前記中央導体（２０７、２０８、２１８、２２１）から分離されるようにして、分離している金属性レイヤ（２３６）から構成されていることを特徴とする。
また、請求項１３に記載の本発明は、請求項１乃至１２のいずれかに記載のコプレーナ導波路技術による方向性結合器において、同軸フィードラインと前記中央導体（１０７、１０８）間の遷移においてテーパー（１１５、１１７）が設けられ、前記テーパーは、損失と反射を極小化するべく、前記同軸フィードラインの断面形状を前記中央導体（１０７、１０８）の断面形状に連続的に適合させていることを特徴とする。
また、請求項２に記載の本発明は、請求項１記載のコプレーナ導波路技術による方向性結合器において、前記中央導体（１０７、１０８）間の間隔は、前記第１接続（１０３）及び／又は前記結合接続（１０６）から前記第２接続（１０４）及び／又は前記終端（１０５）に向かう方向において指数関数的に増大していることを特徴とする。
また、本発明のコプレーナ導波路技術による方向性結合器は、請求項３に記載の通り、波を入力又は出力する第１接続（１０３）と、前記第１接続（１０３）から直接供給される波、或いは、前記第１接続（１０３）に直接供給される波を、入力、或いは、出力する第２接続（１０４）と、前記接続（１０３）で入力された波の一部を結合する結合接続（１０６）と、終端（１０５）と、前記第１接続（１０３）と前記第２接続（１０４）を接続する第１中央導体（１０７）と、前記結合接続（１０６）と前記終端（１０５）を接続する第２中央導体（１０８）と、前記中央導体（１０７、１０８）のそれぞれの外側に隣り合う接地導体（１１０、１１２）と、を有する少なくとも１つの第１方向性結合器ユニット（１００）を伴うコプレーナ導波路技術による方向性結合器（１）であって、前記中央導体（１０７；１０８）と隣り合う接地導体（１１０；１１２）間の個々の間隔は、カプラセクション（１０２）にわたって前記中央導体（１０７；１０８）の長手方向の延長に沿って変化することを特徴とする。
また、請求項４に記載の本発明は、請求項３記載のコプレーナ導波路技術による方向性結合器において、前記中央導体（１０７；１０８）と隣り合う前記接地導体（１１０；１１２）間の個々の間隔は、元々一定の幅の２つの隣り合うカプラセグメント間において線形的に増加又は減少することを特徴とする。
また、請求項５に記載の本発明は、請求項４記載のコプレーナ導波路技術による方向性結合器において、前記中央導体（１０７；１０８）と隣り合う前記接地導体（１１０；１１２）間の個々の間隔は、所定の下限値ｇＭＩＮを上回り、且つ、所定の上限値ｇＭＡＸを下回っていることを特徴とする。
また、請求項６に記載の本発明は、請求項３乃至５のいずれかに記載の方向性結合器において、前記２つの中央導体（１０７、１０８）間の間隔は、前記カプラセクション（１０２）にわたって前記中央導体（１０７、１０８）の長手方向の延長に沿って変化していることを特徴とする。
また、本発明のコプレーナ導波路技術による方向性結合器は、請求項７に記載の通り、波を入力又は出力する第１接続（１０３）と、前記第１接続（１０３）から直接供給される波、或いは、第１接続（１０３）に直接供給される波を、入力、或いは、出力する第２接続（１０４）と、前記接続（１０３）で入力された波の一部を結合する結合接続（１０６）と、終端（１０５）と、前記第１接続（１０３）と前記第２接続（１０４）を接続する第１中央導体（１０７）と、前記結合接続（１０６）と前記終端（１０５）を接続する第２中央導体（１０８）と、前記中央導体（１０７、１０８）のそれぞれの外側に隣り合う接地導体（１１０、１１２）と、を有する少なくとも１つの第１方向性結合器ユニット（１００）を有するコプレーナ導波路技術による方向性結合器（１）であって、前記２つの中央導体（１０７、１０８）の導体トラックの幅は、カプラセクション（１０２）にわたって前記中央導体（１０７、１０８）の長手方向の延長に沿って変化しており、中央導体（１０７、１０８）と隣り合う接地導体（１１０、１１２）間の個々の間隔は、前記カプラセクション（１０２）にわたって前記中央導体（１０７、１０８）の長手方向の軸に沿って変化しているすることを特徴とする。
また、請求項８に記載の本発明は、請求項７記載のコプレーナ導波路技術による方向性結合器において、前記中央導体（１０７、１０８）の導体トラックの幅は、前記第１接続（１０３）及び／又は前記結合接続（１０６）から前記第２接続（１０４）及び／又は前記終端（１０５）に向かう方向において連続的に増大していることを特徴とする。
また、請求項９に記載の本発明は、請求項７又は８記載のコプレーナ導波路技術による方向性結合器において、前記２つの中央導体（１０７、１０８）間の間隔は、前記カプラセクション（１０２）にわたって前記中央導体（１０７、１０８）の長手方向の延長に沿って変化していることを特徴とする。
また、請求項１０に記載の本発明は、請求項１乃至９のいずれかに記載のコプレーナ導波路技術による方向性結合器において、前記終端（１０５）は、台形のアブソーバ（１２７）によって終端されていることを特徴とする。
また、請求項１１に記載の本発明は、請求項１乃至１０のいずれかに記載のコプレーナ導波路技術による方向性結合器において、前記接地導体（１１０、１１２、１２０（２２０））間の間隔が最も狭い領域においては、前記接地導体（１１０、１１２、１２０（２２０））は、エアブリッジ（２３５）を介して接続されており、及び／又は、前記接地導体（１１０、１１２、１２０（２２０））間の間隔が広い領域においては、前記接地導体（１１０、１１２、１２０（２２０））は、ボンディングワイヤ（２４０）を介して接続されていることを特徴とする。
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また、請求項１３に記載の本発明は、請求項１乃至１２のいずれかに記載のコプレーナ導波路技術による方向性結合器において、同軸フィードラインと前記中央導体（１０７、１０８）間の遷移においてテーパー（１１５、１１７）が設けられ、前記テーパーは、損失と反射を極小化するべく、前記同軸フィードラインの断面形状を前記中央導体（１０７、１０８）の断面形状に連続的に適合させていることを特徴とする。
結合損失ａｋ（ａｋ＝−２０＊ｌｏｇ（ｋ）であり、ここで、ｋは次の式のとおりである）を比較的大きな周波数範囲にわたってほぼ一定に維持するべく（広帯域カプラ）、結合損失が異なるいくつかのカプラセグメントを次々に接続する。
この目的のために、方向性結合器の最初の計画段階において、例えば、同じ長さの合計４０のカプラセグメントを定義し、その範囲で、２つの中央導体間と１つの中央導体と１つの接地導体間の間隔を一定に維持する一方で、異なる結合係数を実現するべく、これらの間隔を異なるカプラセグメントにおいて変化させる。そして、第２の計画段階において、個々の導体の長手方向に沿って結合係数の連続的な変化を実現するべく、中央導体と接地導体及び／又は関連する間隙の階段状の形状を線形形状及び／又は３次スプライン関数形状によって補間する。
個々のカプラセグメントにおけるイーブンモード及びオッドモードの個々の位相定数及び／又は速度を重畳することにより、個々のカプラセグメント内に１つのイーブンモード及びオッドモードの位相定数及び／又は速度が生成される。これらの生成されるイーブンモード及びオッドモードの位相定数及び／又は速度は、互いに独立に調節可能であって、これは、すべてのカプラセグメント内の中央導体と接地導体間の間隙形状及び中央導体間における間隙形状を決定することにより、中央導体及び接地導体の全域にわたってこれらのパラメータをほぼ独立に決定するための計算の多様な自由度が提供されるためである。
本明細書において詳細に説明する本発明の模範的な実施例は、図面に提示されている。これらの添付図面は、後述の通りである。
以下、本発明によるコプレーナ導波路技術による方向性結合器について、図３乃至図７を参照して説明する。
以下、本発明によるコプレーナ導波路技術による方向性結合器について、図３乃至図７を参照して説明する。
図３は、本発明のコプレーナ導波路技術による方向性結合器１の方向性結合器ユニット１００を示している。この方向性結合器ユニット１００は、例えば、酸化アルミニウムセラミックからなる基材１０１上に形成する。この基材１０１上において、方向性結合器ユニット１００は、電磁波を入力及び出力する第１接続１０３と、電磁波を入力及び出力する第２接続１０４と、電磁波を結合する結合接続１０６と、終端１０５と、を有するカプラセクション１０２を備える。
第１接続１０３は、第１中央導体１０７を介して第２接続１０４に接続されている。結合接続１０６は、第１中央導体１０７に実質的に平行なカプラセクション１０２に沿って延長する第２中央導体１０８を介して終端１０５に接続されている。これらの第１中央導体１０７と第２中央導体１０８間には、間隙１０９が設けられている。この間隙１０９は、第２接続１０４及び／又は終端１０５に向かう方向において、第１接続１０３及び／又は結合接続１０６から指数関数的に増大している。
カプラセクション１０２を最適化するべく、このカプラセクションを長さが等しい４０個のカプラセグメントに更に分割することができる。この結果、中央導体１０７及び１０８、関連する接地導体１１０及び１１２、第１中央導体１０７と隣り合う大きな表面を有する接地導体１１０間の間隙１１１、第２中央導体１０８と関連する大きな表面を有する接地導体１１２間の間隙１１３、及び第１及び第２中央導体１０７及び１０８間に配設された間隙１０９も、長さが等しい４０個のセグメントに更に分割される（以下においては、これらをカプラセグメントと呼ぶことにする）。
第１設計段階における最適化により、個々のカプラセグメントｉにおける間隙１１１及び１１３の幅ｇｉ、中央導体１０７及び１０８の幅ｗｉ、及び中央導体１０７及び１０８間の間隙ｓｉの幅を算出する。この場合に、ｇｉには、次の式（１）において定義される境界条件を適用する。
ｇｍｉｎ≦ｇｉ≦ｇｍａｘ （１）
ここで、下限値ｇｍｉｎは、薄膜技術によって実現可能な構造の幅によって定義されるものである。
一方、上限値ｇｍａｘは、形状的に有意になるように選択した値である。
間隙１１１及び１１３の間隙幅ｇｉの形状は、まず、シミュレーションを通じた最適化を用いて階段関数によって近似する。そして、更なる設計段階において、この階段関数の「階段の中間地点」に線形補間を実施することにより、中央導体１０７及び１０８の長手方向において、間隙１１１及び１１３の「ジグザグ」形状を形成することができる。
更に、２つの中央導体１０７及び１０８には、導体トラックの幅を基準として線形にテーパーを付加することが好ましい。この結果、これらの導体トラックの幅は、接続１０４及び／又は１０５に向かう方向において、接続１０３及び／又は１０６から線形で増加することになる。合計で４０個のカプラセグメントを有するこのカプラセクション１０２を最適化するためのシミュレーションモデルの枠組みにおいては、次の最適化式（２）を使用し、カプラセグメントｉにおける導体トラックの幅ｗｉを算出することができる（ここで、ｗ０及びｗiは、特定の限度（例：構造的な精度）内において自由に選択可能な定数である）。
Ｗｉ＝ｗ０＋０．００４＊（ｉ−１）＊ｗｉ （２）
また、中央導体１０７及び１０８の導体トラック幅の形状を算出する際には、更なる設計段階において、最適化式（２）によって判定された導体トラックの幅ｗｉの階段関数に基づき、この階段関数の「階段の中間地点」に線形補間を実施することができる。
最後に、カプラセグメントｉにおける間隙１０９の幅ｓｉは、次の式（３）を使用して決定する（ここで、ｓｏ及びｓｋは、特定の限度内において自由に選択及び最適化可能な定数である）。
この最適化計算の結果は、接続１０３及び／又は１０６から接続１０４及び／又は１０５に向かう間隙の幅に対して、ほぼ指数関数的な階段状の形状となる。
第１接続１０３は、テーパー１１５を介し、方向性結合器ユニット１００の端部に設けられている第１外部接続１１４に接続されている。同様に、結合接続１０６は、テーパー１１７を介し、第２外部接続１１６に接続されている。これらの第１及び第２外部接続１１４及び１１６には、対応するプラグ接続を介して同軸ラインを接続することができる（これらは図３に図示されていない）。
テーパー１１５は、基材１０１上に位置し両側の間隙１１９によって大きな表面を有する接地導体１１０及び１２０から分離している中央導体１１８から構成されている。この中央導体１０８の幅は、第１外部接続１１４の領域においては一定であるが、第１接続１０３の領域内においては、第１カプラセグメント内の中央導体１０７の幅へと狭くなる。このようにして、同軸ラインのフィールド特性は、基材１０１上のコプレーナ導波路システムのフィールド特性に連続的に適合されると共に、５０Ωの従来の特性インピーダンスが保持されている。
テーパー１１５と同様に、テーパー１１７は、基材１０１上に位置し両側の間隙１２２によって大きな表面を有する接地導体１１２及び１２０から分離している中央導体１２１から構成されている。この中央導体１２１の幅は、第２外部接続１１６の領域内においては一定であるが、結合接続１０６の領域内においては、第１カプラセグメント内の中央導体１０８の幅へと狭くなっている。
尚、図４に示されている実施の形態においては、２つの方向性結合器ユニット１００及び２００が設けられているが、これは、本発明の枠組みにおいては、必須ではない。
第２接続１０４は、方向性結合器１の同一基材１０１上に位置する第２方向性結合器ユニット２００の第１接続２０４に接続されている。この接続は、中央導体１２３を介して行われており、この導体は、この接続の全域にわたって、この導体に接続されている中央導体１０７が終端のカプラセグメントにおいて有する幅と同一の幅を有している。この中央導体１２３は、間隙１２４を介し、隣り合う接地導体１１０及び１１２から分離しており、これらの間隙も、この接続の全域にわたって同一の幅を有している。
終端１０５は、導体トラックの幅が増大している中央導体１２５と、この中央導体１２５を両側に隣り合う接地導体１１２から分離している隣り合う間隙１２６と、を介してアブソーバ１２７に接続されており、このアブソーバは、この実施の形態においては、台形の形状に設計されている。この台形のアブソーバ１２７は、例えば、ニッケルクロムから構成されており、トリム可能な高精度インピーダンスの終端を形成している。これにより、終端１０５において、ほぼ完全に無反射の終端が保証されている。高精度アブソーバ１２７は、その台形の形状により、中央導体１２５及び両側の接地導体１１２に対して対称になっている。例えば、レーザーによってアブソーバ１２７を対称に除去することにより、終端のインピーダンスを中央導体１２５と両側の接地導体１１２間において高い精度で５０Ωにトリムすることができる
図４は、コプレーナ導波路技術による方向性結合器１の全体のトポロジーを示している。これは、図３に示されている方向性結合器ユニット１００と、もう１つの方向性結合器ユニット２００と、から構成されている。この方向性結合器ユニット２００は、方向性結合器ユニット１００と同一のコンポーネントを有する同一の構造を提供している。しかしながら、基材１０１上におけるそのトポロジーの向きは、方向性結合器ユニット１００のトポロジーの向きと鏡像の関係になっている。このため、方向性結合器ユニット２００のコンポーネントの参照符号は、方向性結合器ユニット１００における対応するコンポーネントの参照符号から導出され、参照符号の最初の桁の「１」を「２」で置換したものになっている。
図４に示されている基材１０１上の方向性結合器１において、図３に対応する方向性結合器ユニット１の第１外部接続１１４は、コンデンサ１３０（これも、基材１０１に設けられている）を介し、方向性結合器１の第１外部接続１３１に接続されている。この第１外部接続１３１は、電磁波を入力及び出力するために使用される。コンデンサ１０３の目的は、第１外部接続１３１のガルバニック直流（galvanic direct-current decoupling）のデカップリングである。第１外部接続１３１において入力された電磁波のマイクロ波成分上に重畳する直流成分は、インダクタ（inductor）１３２’を介して供給することができる。
図４に示されている基材１０１上の方向性結合器１において、図３に対応する方向性結合器１００の第２外部接続１１６は、第２外部接続１３２に接続されている。この第２外部接続１３２は、外部接続１３１において方向性結合器ユニット１００に入力された電磁波の一部を供給する。
図４に示されている基材１０１上の方向性結合器１において、図３の方向性結合器ユニット２００の第１外部接続２１４は、第４外部接続２３１に接続されている。この第４外部接続２３１は、電磁波を入力及び出力するために使用される。
同様に、基材１０１上の方向性結合器１内の方向性結合器ユニット２００の第２外部接続２１６は、第３外部接続２３２に接続されている。この第３外部接続２３２は、外部接続２３１で方向性結合器ユニット２００に入力された電磁波の一部を供給する。
方向性結合器１が被検装置（ＤＵＴ）とネットワークアナライザ間に接続されている場合には、例えば、被検装置のＳパラメータを計測するために、ネットワークアナライザにより試験対象の装置を励起するべく、高周波数の電磁波を第１外部接続１３１から入力することになる。第１外部接続１３１に入力され、２つの方向性結合器ユニット１００及び２００を介して第４外部接続２３１に送られたこの高周波数の電磁波は、被検装置に接続されている第４外部接続２３１から出力される。同時に、被検装置から反射された電磁波が第４外部接続２３１から入力される。一方、第１外部接続１３１から入力され、第１方向性結合器ユニット１００の結合接続１０６において結合された電磁波は、第２外部接続１３２に導かれる。また、被検装置から方向性結合器１に反射され、第２方向性結合器ユニット２００の結合接続２０６において結合された電磁波は、第４外部接続２３２に導波される。尚、被検装置がいくつかの計測ポートを備えている場合には、それぞれの計測ポートに本発明による方向性結合器１を備える必要がある。
図５は、図４よりも拡大され、図４と比べて多少変更が加えられた方向性結合器ユニット２００の詳細図を示しており、図４の領域Ｖにおいて、第２接続２０４は、隣り合う間隙１２３を伴う中央導体１２４を介し、第１方向性結合器ユニット１００の第２接続１０４に接続されており、隔離された終端２０５は、隣り合う間隙２２６を伴う中央導体２２５によってアブソーバ２２７に接続されている。この図は、２つの中央導体２０７及び２０８間における間隙幅ｓｉを伴い、第２接続２０４及び／又は終端２０５に向かう方向において指数関数的に増大する間隙２０９を示している。同様に、この図には、第２接続２０４及び／又は終端２０５に向かう方向において増大する２つの中央導体２０７及び／又は２０８の導体トラックの幅ｗｉが示されている。最後に、この図５のトポロジーにおける詳細には、ｉ番目のカプラセグメントにおける中央導体２０７及び大きな表面を有する接地導体１１０間の間隙幅ｇｉを有する間隙２１１と、中央導体２０８と大きな表面を有する接地導体１１２間の間隙２１３の「ジグザグ」形状が示されている。
個々に１つの中央導体と１つの接地導体から構成されるコプレーナ導体システムの導体の２つのペア間における非対称なフィールド特性を回避するべく、２つの接地導体を金属性の接続を介して等電位にする。
このために、図４の領域ＶＩの拡大詳細図を示す図６の方向性結合器ユニット２００に示されているように、個々の接地導体間の間隔の狭い領域内において、所謂「エアブリッジ（air bridges）」２３５を使用している。これらの「エアブリッジ」２３５は、薄い空気のレイヤを挿入することによって隔離するようにして、中央導体２０７、２０８、２１８、及び２２１と間隙２１１、２１３、２１９、及び２２２間の領域に跨って延長する金属性レイヤ２３６から構成されている。この金属性レイヤ２３６の短い導体長に鑑み、これらの単位長当たりのインダクタンスは比較的小さなものであり、従って、高周波数におけるコプレーナ導波路の動作が妨げられることはない。尚、金属性レイヤ２３６は、隔離間隙２１１、２１３、２１９、及び２２２に近接配置されているポスト２３７を介して大きな表面を有する接地導体１１０、１１２、及び２２０に接続されている。
個々の接地導体間の間隔が比較的広い領域においては、「エアブリッジ」の代わりに、ボンディングワイヤ（bonding wires）１４０（方向性結合器ユニット１００用）及び２４０（方向性結合器ユニット２００用）を使用している。この理由は、その相対的に大きな導体長により、これらの単位長当たりの容量が、「エアブリッジ」１３５（方向性結合器ユニット１００用）及び２３５（方向性結合器ユニット２００用）と比べ、格段に小さいためである。
以下、図７に示されているコプレーナ導波路システムの断面図を参照し、方向性結合器ユニット１００のカプラセクション１０２及び／又は方向性結合器ユニット２００のカプラセクション２０２の機能方法について説明する（個々の導体の参照符号については、方向性結合器ユニット１００のものを参照している）。
所定の周波数及び振幅の電磁波により、第１接続１０３において方向性結合器ユニット１００のカプラセクション１０２を励起すると、コプレーナ導体システムの中央導体１０９と中央導体１０８間の個々のカプラセグメントにおいて結合プロセスが発生する。図７には、電磁波に関連する電気場のラインが実線で示され、磁気場のラインが破線によって示されている。この個々のカプラセグメント内における結合プロセスの規模は、その状況における関連する結合係数によって決定され、その大部分は、この場合にも、２つの中央導体１０７及び１０８間の間隔によって決定される。
個々のカプラセグメントｉにおける導体の２つのペアによって直接導かれ及び結合された電磁波の重畳（これは、２つの中央導体１０７及び１０８間の異なる間隙間隔ｓｉのために異なる強度によって特徴付けられている）により、それぞれのカプラセグメントｉにおける２つの重畳した電磁波（モード）、即ち、イーブンモードとオッドモードが生成される。イーブンモードは、２つの中央導体１０７及び１０８の均等な電位によって特徴付けられており、オッドモードは、不均等な電位を供給する。
２つの中央導体１０７及び１０８間、中央導体１０７と接地導体１１０間、及び／又は中央導体１０８と接地導体１１２間の間隙形状を特定することにより、誘電体／空気の断面分割が決定され、従って、２つのモードの有効な誘電率ε（ｅ）ｅｆｆ及びε（ｏ）ｅｆｆが決定され、この結果、イーブンモード及びオッドモードの位相速度Ｖ （ｅ）及びＶ （ｏ）も決定される。その特性上、前述のような形状構造を有するコプレーナ技術による方向性結合器の場合には、２つの中央導体間の間隙形状を通じたオッドモードの位相速度ｖ（ｏ）の調節は、２つの中央導体とそれらの隣り合う接地表面間における間隙形状とは大部分無関係であり、２つの中央導体とそれらの隣り合う接地表面間の間隙形状を通じたイーブンモードの位相速度ｖ（ｅ）の調節は、２つの中央導体間の間隙形状とは無関係である。尚、シミュレーションモデルを使用して数値的に決定されたこの事実に関する詳細な説明は、本明細書においては省略する。
２つの中央導体間及び２つの中央導体とそれらの隣り合う接地表面間の間隙形状の寸法は、無反射の終端１０５においてイーブンモードとオッドモードが互いに完全に補償すると共に、結合接続１０６においてイーブンモードとオッドモードが加算されるように、シミュレーションモデルを使用して決定することができる。この結果、次の式（図２を参照されたい）で表される方向性結合器に要求される高度な方向性ａＤが実現される。
例えば、１０ｄＢなどの方向性結合器に要求される第１接続１０３及び／又は結合接続１０６の領域における結合損失ａｋ（ａｋ＝−２０＊ｌｇ（ｋ）、ここで、ｋは次の式によって表される。図２を参照されたい）は、結合係数ｋによって決定され、これは、この場合にも、イーブンモードの特性インピーダンスＺｅとオッドモードの特性インピーダンスＺｏに依存しており、従って、カプラセクション１０２の全体的な断面形状に依存している。
従って、本発明による計測によれば、超広帯域であって、小さく、且つ軽量の方向性結合器を実現することができる。本出願人が実施した実験によれば、最大伝送周波数ｆｍａｘと最小伝送周波数ｆｍｉｎの比率ｆｍａｘ／ｆｍｉｎ＝１２を実現できることが判明している。
尚、本発明は、提示した実施の形態に限定されるものではない。説明したいずれかの特徴を、必要とされる方法によって、その他の特徴と組み合わせることが可能である。
１ 方向性結合器
１００ 第１方向性結合器ユニット
１０１ 共通基材
１０２ カプラセクション
１０３ 第１接続
１０４ 第２接続
１０５ 終端
１０６ 結合接続
１０７ 第１中央導体
１０８ 第２中央導体
１１０、１１２ 接地導体
１１５、１１７ テーパー
１２７ 台形のアブソーバ
２００ 第２の方向性結合器ユニット
２３５ エアブリッジ
２４０ ボンディングワイヤ
１００ 第１方向性結合器ユニット
１０１ 共通基材
１０２ カプラセクション
１０３ 第１接続
１０４ 第２接続
１０５ 終端
１０６ 結合接続
１０７ 第１中央導体
１０８ 第２中央導体
１１０、１１２ 接地導体
１１５、１１７ テーパー
１２７ 台形のアブソーバ
２００ 第２の方向性結合器ユニット
２３５ エアブリッジ
２４０ ボンディングワイヤ
Claims (13)
- 波を入力又は出力する第１接続（１０３）と、
前記第１接続（１０３）から直接供給される波、或いは、前記第１接続（１０３）に直接供給される波を、入力、或いは、出力する第２接続（１０４）と、
前記接続（１０３）で入力された電磁波の一部を結合する結合接続（１０６）と、
終端（１０５）と、
前記第１接続（１０３）と前記第２接続（１０４）を接続する第１中央導体（１０７）と、
前記結合接続（１０６）と前記終端（１０５）を接続する第２中央導体（１０８）と、
前記中央導体のそれぞれの外側に隣り合う接地導体（１１０、１１２）と、
を有する少なくとも１つの第１方向性結合器ユニット（１００）を伴うコプレーナ導波路技術による方向性結合器（１）であって、
前記２つの中央導体（１０７、１０８）間の間隔は、カプラセクション（１０２）にわたって前記中央導体（１０７、１０８）の長手方向の延長に沿って変化しており、
前記第１方向性結合器ユニット（１００）の前記第２接続（１０４）が、２つの隣り合う接地導体（１１０、１１２）を有する中央導体（１２３）を介し、第２の方向性結合器ユニット（２００）の第２接続（２０４）に接続され、
前記第１及び第２方向性結合器ユニット（１００、２００）は、共通基材（１０１）上にモノリシックに鏡像の配列によって集積されていることを特徴とするコプレーナ導波路技術による方向性結合器。 - 前記中央導体（１０７、１０８）間の間隔は、前記第１接続（１０３）及び／又は前記結合接続（１０６）から前記第２接続（１０４）及び／又は前記終端（１０５）に向かう方向において指数関数的に増大していることを特徴とする請求項１記載のコプレーナ導波路技術による方向性結合器。
- 波を入力又は出力する第１接続（１０３）と、
前記第１接続（１０３）から直接供給される波、或いは、前記第１接続（１０３）に直接供給される波を、入力、或いは、出力する第２接続（１０４）と、
前記接続（１０３）で入力された波の一部を結合する結合接続（１０６）と、
終端（１０５）と、
前記第１接続（１０３）と前記第２接続（１０４）を接続する第１中央導体（１０７）と、
前記結合接続（１０６）と前記終端（１０５）を接続する第２中央導体（１０８）と、
前記中央導体（１０７、１０８）のそれぞれの外側に隣り合う接地導体（１１０、１１２）と、
を有する少なくとも１つの第１方向性結合器ユニット（１００）を伴うコプレーナ導波路技術による方向性結合器（１）であって、
前記中央導体（１０７；１０８）と隣り合う接地導体（１１０；１１２）間の個々の間隔は、カプラセクション（１０２）にわたって前記中央導体（１０７；１０８）の長手方向の延長に沿って変化することを特徴とするコプレーナ導波路技術による方向性結合器。 - 前記中央導体（１０７；１０８）と隣り合う前記接地導体（１１０；１１２）間の個々の間隔は、元々一定の幅の２つの隣り合うカプラセグメント間において線形的に増加又は減少することを特徴とする請求項３記載のコプレーナ導波路技術による方向性結合器。
- 前記中央導体（１０７；１０８）と隣り合う前記接地導体（１１０；１１２）間の個々の間隔は、所定の下限値ｇＭＩＮを上回り、且つ、所定の上限値ｇＭＡＸを下回っていることを特徴とする請求項４記載のコプレーナ導波路技術による方向性結合器。
- 前記２つの中央導体（１０７、１０８）間の間隔は、前記カプラセクション（１０２）にわたって前記中央導体（１０７、１０８）の長手方向の延長に沿って変化していることを特徴とする請求項３乃至５のいずれかに記載の方向性結合器。
- 波を入力又は出力する第１接続（１０３）と、
前記第１接続（１０３）から直接供給される波、或いは、第１接続（１０３）に直接供給される波を、入力、或いは、出力する第２接続（１０４）と、
前記接続（１０３）で入力された波の一部を結合する結合接続（１０６）と、
終端（１０５）と、
前記第１接続（１０３）と前記第２接続（１０４）を接続する第１中央導体（１０７）と、
前記結合接続（１０６）と前記終端（１０５）を接続する第２中央導体（１０８）と、
前記中央導体（１０７、１０８）のそれぞれの外側に隣り合う接地導体（１１０、１１２）と、
を有する少なくとも１つの第１方向性結合器ユニット（１００）を有するコプレーナ導波路技術による方向性結合器（１）であって、
前記２つの中央導体（１０７、１０８）の導体トラックの幅は、カプラセクション（１０２）にわたって前記中央導体（１０７、１０８）の長手方向の延長に沿って変化しており、
中央導体（１０７、１０８）と隣り合う接地導体（１１０、１１２）間の個々の間隔は、前記カプラセクション（１０２）にわたって前記中央導体（１０７、１０８）の長手方向の軸に沿って変化していることを特徴とするコプレーナ導波路技術による方向性結合器。 - 前記中央導体（１０７、１０８）の導体トラックの幅は、前記第１接続（１０３）及び／又は前記結合接続（１０６）から前記第２接続（１０４）及び／又は前記終端（１０５）に向かう方向において連続的に増大していることを特徴とする請求項７記載のコプレーナ導波路技術による方向性結合器。
- 前記２つの中央導体（１０７、１０８）間の間隔は、前記カプラセクション（１０２）にわたって前記中央導体（１０７、１０８）の長手方向の延長に沿って変化していることを特徴とする請求項７又は８記載のコプレーナ導波路技術による方向性結合器。
- 前記終端（１０５）は、台形のアブソーバ（１２７）によって終端されていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載のコプレーナ導波路技術による方向性結合器。
- 前記接地導体（１１０、１１２、１２０（２２０））間の間隔が最も狭い領域においては、前記接地導体（１１０、１１２、１２０（２２０））は、エアブリッジ（２３５）を介して接続されており、及び／又は、前記接地導体（１１０、１１２、１２０（２２０））間の間隔が広い領域においては、前記接地導体（１１０、１１２、１２０（２２０））は、ボンディングワイヤ（２４０）を介して接続されていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載のコプレーナ導波路技術による方向性結合器。
- 前記エアブリッジ（２３５）は、薄い空気のレイヤによって前記中央導体（２０７、２０８、２１８、２２１）から分離されるようにして、分離している金属性レイヤ（２３６）から構成されていることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載のコプレーナ導波路技術による方向性結合器。
- 同軸フィードラインと前記中央導体（１０７、１０８）間の遷移においてテーパー（１１５、１１７）が設けられ、前記テーパーは、損失と反射を極小化するべく、前記同軸フィードラインの断面形状を前記中央導体（１０７、１０８）の断面形状に連続的に適合させていることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれかに記載のコプレーナ導波路技術による方向性結合器。
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