JP4599302B2 - 方向性結合器 - Google Patents

Description

本発明は方向性結合器に関し、詳細には、使用周波数帯域においてアイソレーション特性やカップリング特性の周波数特性を改善したマイクロストリップラインを用いた方向性結合器に関する。

無線通信機の送信機では、送信電力レベルを所要の値に制御する機能が不可欠である。特に、移動無線通信システムにおいては、移動無線通信機から送信され基地局や中継局に到達する複数の無線信号の電界レベルが、遠距離、近距離に拘わらず、一定になるように移動無線通信機の送信電力を制御する機能が重要である。
このような送信電力レベルを監視・制御する手段には、一般的に方向性結合器が使用される。方向性結合器は、無線送信機の送信電力増幅器とアンテナとの間に挿入され、送信電力信号の一部を取り出すもので、送信機からアンテナ方向に出力する信送信電力（進行波）に応じた信号レベルが使用周波数帯域内において周波数に依存せず均一なレベルで取り出すことができ、逆方向の反射波信号レベルに対しては検出レベル信号が発生しないものが性能的に優れたものである。

また、無線通信機の送信電力増幅回路とアンテナ等とのインピーダンスにミスマッチングを生じると、送信電力増幅回路から出力した高周波電力がミスマッチングの程度に応じて送信電力増幅回路に戻ってくる結果、送信電力増幅回路を焼損することがある。特に移動無線通信機では、アンテナの破損の可能性が高いことから送信電力増幅回路とアンテナとの間に、アンテナからの反射電力レベルを検出するように方向性結合器を挿入した使用方法もあり得る。後者の使用方法としては、例えば特許文献１に記載されたものがあり、これはアイソレータの代わりとして使用したものである。
特開平８−３０７２８６号公報

しかしながら、上述したようなマイクロストリップラインを使用した方向性結合器では、以下に説明するような不具合があった。
即ち、図６は従来のマイクロストリップラインを使用した方向性結合器の一例を示す図である。この例に示す方向性結合器は、構成概要図（ａ）に示すように、長さが使用周波数波長λの四分の一（λ／４）の主線路６１と、同長の副線路６２との二つのマイクロストリップラインを、微小間隙を挟んで平行に並べたものであり、主線路６１の一方端（図面左側）を入端子６３、他方端（図面右側）を出力端６４とし、副線路６２の一方端（図面左側）をカップリング端子６５、他方端（図面右側）の出力端６６には所要値の抵抗器を終端器６７として接続したものである。なお、各端子には同軸線路やマイクロストリップライン等が図示を省略したグラウンド（接地電極）を一方の電路として接続されている。同図６（ｂ）は前記図（ａ）の構成による方向性結合器の諸特性を示したもので、縦軸は減衰量、横軸は周波数を示し、符号６８はカップリング特性曲線、波線で示す符号６９はアイソレーション（一方向特性）の特性曲線である。

図に示すようにマイクロストリップラインの特性に起因して、使用周波数帯域Ｆ１の領域において、カップリング周波数特性はほぼ平坦な特性を示すものの、アイソレーション特性は周波数に顕著に影響される。カップリング特性とアイソレーション特性の差（符号７０）が方向性特性で、λ／４長のマイクロストリップラインを使用すれば、通常１０ｄＢ乃至２０ｄＢ程度が得られるが、周波数が高くなるに従って方向性特性減衰量が小さくなるので、広い周波数帯域にわたって多くの通信チャネルを確保する必要がある送信機には不向きである。

図７は、前記図６に示したマイクロストリップラインによる方向性結合器を、使用周波数帯域を低い方に移行して使用した場合の特性を示している。即ち、低い周波数領域Ｆ２で前記図６のマイクロストリップラインを使用すると、そのライン長はλ／４より短いものとなるが、方向性特性は２０ｄＢ乃至３０ｄＢ程度に改善されることが分かるが、低い周波数領域におけるカップリング特性が急激に劣化する欠点がある。
また、図８は、マイクロストリップラインに代えて、ストリップライン７２、７３によって方向性結合器を構成した場合で、ライン長はλ／４である。なお、マイクロストリップラインについての説明は後述するが、ストリップラインがグランド導体に挟まれた絶縁基板内部に伝送路が存在するのに対し、マイクロストリップラインは絶縁基板の表面に伝送路があり加工が容易であるという点が相違している。同図８に示すようにストリップラインを使用する場合は、周波数特性が平坦になり方向性特性として約２０ｄＢ乃至３０ｄＢが得られるものの、後工程での加工が困難であり設計通りに実現することが難しい。

なお、前記特許文献１に記載されたように、絶縁基板上に平行に形成した主線路と副線路の二つのマイクロストリップラインの上に、絶縁物を介して両マイクロストリップラインに跨る金属片を積層する複雑な構造の方向性結合器もあるが、複雑な構造の故にコストが嵩む可能性があった。
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであって、方向性特性に優れ、広い周波数範囲にわたって安定した方向性特性やカップリング特性やアイソレーション特性を備えた方向性結合器を提供することを目的としている。

本発明はかかる課題を解決するために、請求項１記載の方向性結合器は、任微小間隙を挟んで平行に並べ、一方を主線路、他方を副線路とした任意長の二つのマイクロストリップラインと、前記副線路のカップリング端子とグラウンド間に接続するキャパシタンス素子と、前記副線路の終端側とグラウンド間に直列接続したインダクタンス素子および抵抗素子と、を備え、前記キャパシタンス素子、前記インダクタンス素子、前記抵抗素子、前記副線路のインピーダンスで構成される共振周波数が無線送信機で使用される周波数帯域内となるように前記各素子値を設定したことを特徴とする。
請求項２記載の方向性結合器は、微小間隙を挟んで平行に並べ、一方を主線路、他方を副線路とした任意長の二つのマイクロストリップラインと、前記副線路のカップリング端子とグラウンド間に接続する第１のキャパシタンス素子と、前記副線路の終端側とグラウンド間に直列接続した第２のキャパシタンス素子および抵抗素子とを備え、前記第１のキャパシタンス素子、前記第２のキャパシタンス素子、前記抵抗素子、前記副線路のインピーダンスで構成される共振周波数が無線送信機で使用される周波数帯域内となるように前記各素子値を設定したことを特徴とする。

請求項３記載の方向性結合器は、請求項１記載の方向性結合器において、前記キャパシタンス素子、前記インダクタンス素子、前記抵抗素子の少なくとも一つが素子値を変化できるものであることを特徴とする。
請求項４記載の発明では、請求項２記載の方向性結合器において、前記第１のキャパシタンス素子、前記第２のキャパシタンス素子、前記抵抗素子の少なくとも一つが素子値を変化できるものであることを特徴とする。

本発明は上述したように構成するので、夫々次のような効果が得られる。即ち、請求項１記載の発明では、方向性結合器は、任意長の二つのマイクロストリップラインを、微小間隙を挟んで平行に並べ、一方を主線路、他方を副線路とし、前記副線路のカップリング端子とグラウンド間にキャパシタンス素子を接続すると共に、該副線路の終端側とグラウンド間にはインダクタンス素子と抵抗素子とを直列接続し、使用周波数帯域内のアイソレーション特性を改善するように前記各素子値を設定したので、安価にしかも容易に入手可能な回路素子を使用して、周波数特性に優れた方向性結合器を実現することが可能となる。

請求項２記載の方向性結合器は、任意長の二つのマイクロストリップラインを、微小間隙を挟んで平行に並べ、一方を主線路、他方を副線路とし、前記副線路のカップリング端子とグラウンド間にキャパシタンス素子を接続すると共に、該副線路の終端側とグラウンド間にはインダクタンス素子と抵抗素子とを直列接続し、前記キャパシタンス素子、前記インダクタンス素子、前記副線路のインピーダンスを含む閉ループにおける直列共振周波数又は並列共振周波数が当該方向性結合器の使用周波数帯域内に位置するように各素子値を設定したので、使用周波数帯域内のアイソレーション特性を大きく減衰したものとすることができるので、アイソレーションを著しく改善した方向性結合器を実現することが可能となる。

請求項３記載の方向性結合器は、任意長の二つのマイクロストリップラインを、微小間隙を挟んで平行に並べ、一方を主線路、他方を副線路とし、前記副線路のカップリング端子とグラウンド間にキャパシタンス素子を接続すると共に、該副線路の終端側とグラウンド間には第二のキャパシタンス素子と抵抗素子とを直列接続し、使用周波数帯域内のアイソレーション特性を改善するように前記各素子値を設定したので、インダクタンス素子を使用することなく、前記同様の方向性結合器を構成することが可能となり、高周波特性が安定した安価なキャパシタンス素子のみで本発明の方向性結合器を構成することができる。

請求項４記載の発明では、請求項１乃至３記載の方向性結合器において、前記キャパシタンス素子、インダクタンス素子、抵抗素子の少なくとも一つが素子値を変化できるものにしたので、必要に応じて適宜回路素子を可変素子に置換した構成にすることによって、当該可変素子の値を調整することにより、回路部品の特性のばらつき等を補正して、均一な特性をもった方向性結合器を実現することが可能となる。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図１（ａ）は、本発明の一実施形態例に係る方向性結合器の概要構成例を示す図である。この例では、任意の長さのマイクロストリップライン１、２二つの線路を微小間隙隔てて絶縁基板表面に形成すると共に、その絶縁基板の裏面には図示を省略した、少なくとも前記マイクロストリップラインに対抗する面積をもったグラウンド電極（接地電極）を形成している。そして、前記マイクロストリップライン１を主線路とし、その一方端３を入力端子とし、他方端を出力端子４とする。更に、前記マイクロストリップライン２を副線路として、その一方端（主線路の入力端に対応する端）をカップリング端子５、他方端を終端６として、前記カップリング端子５とグラウンド間に（並列に）キャパシタンス素子（コンデンサ）７を接続し、他方端の終端６とグラウンド間には、インダクタンス素子（コイル）８と終端抵抗器９とを直列に挿入する。この終端抵抗器９は固定抵抗器でもよいが、可変抵抗器にすれば特性の調整が可能となる。この方向性結合器は前記主線路１の入力端子３を、図示を省略した送信機の送信電力増幅器の出力端に接続し、他方端の出力端子４を図示を省略したアンテナ側装置に接続するように使用される。

この例に示す方向性結合器の周波数特性を同図１（ｂ）に示す。この図を前記図６、７と比較すれば明らかなように、カップリング特性１０には違いがないが、アイソレーションの周波数特性１１は前記図６、７と大きく相違しており、方向性特性１２も著しく改善されていることが理解できよう。このように、使用周波数帯域内において、アイソレーション特性が改善される理由は、同図（ｂ）の周波数ｆ０において、アイソレーション特性曲線に極点が生じていることに起因すると考えられる。即ち、同図（ａ）に示すように副線路２には、カップリング端子５のコンデンサ７と、終端６に接続されたコイル（インダクタンス）８、終端抵抗９がグラウンドを介して直列の閉ループを形成しており、その直列共振周波数又は並列共振周波数が前記周波数ｆ０点に生じていると考えることもできる。少なくとも、上記直列閉ループにはマイクロストリップライン２が含まれ、その特性インピーダンスと、直列に接続される等価的インダクタンス、等価的キャパシタンスの全体の等価回路を考えると、そのリアクタンス特性に起因してアイソレーション特性に極点が発生しているものと考えられる。本発明では、そのような作用効果を積極的に利用してアイソレーション特性を改善することが可能である。

図２はマイクロストリップラインの一般的な構造を示すもので、厚さｈで、比誘電率εｒである誘電体基板２１の一方面に、幅Ｗ、厚さｔの導電部材でできたストリップライン（strip line 細長片）２２が形成され、前記絶縁基板２１の裏面にはグラウンド電極（接地電極）２３が付加されている。前記ストリップライン２２は図面に直交する方向に細長く形成されており、該ストリップラインと前記グラウンドを電路としてみたとき、そのインピーダンス（特性インピーダンスは）、基板の誘電率εｒ、その厚みｈ、ストリップラインの幅Ｗ等をパラメータとした計算式で近似される値となる。通常、高周波用ケーブルは高周波インピーダンス５０Ω（オーム）として使用されるので、マイクロストリップラインの特性インピーダンスを５０Ωにすることも多いが、当該方向性結合器の前後の回路のインピーダンスに応じて適宜設定することも可能である。

本発明の方向性結合器は、前記図１に示すものに限る必要はなく種々変形が可能である。例えば図３乃至図５に示すように前記副線路の両端に接続するリアクタンス素子の種類及び組み合わせを選択することが可能である。
即ち、図３に示す方向性結合器は、副線路２の終端用抵抗器９と直列にキャパシタンス素子としてコンデンサ３１を挿入したものである。この構成は前記図１の終端のインダクタンス素子に代えてキャパシタンス素子を使用したので、副線路のマイクロストリップライン２の長さや構造パラメータは前記図１のものとは違ったものになるが、副線路２のカップリング端子５と終端６に接続する素子をコンデンサにしたので、高周波特性が安定したコンデンサのみで構成できる。
また、図４は前記図３の副線路２のカップリング端子５とグラウンドの間に接続するコンデンサと終端６のコンデンサを共に可変コンデンサ４１、４２に置換した点が特徴であり、これらの容量値を変化することによって個々に使用する方向性結合器を装置毎に調整することが可能となる。

図５（ａ）に示す方向性結合器は、副線路２のカップリング端子５とグラウンド間に接続するコンデンサを可変コンデンサ５１とし、更に終端抵抗に直列に挿入するインダクタンス素子（コイル）を可変インダクタンス素子５２にした点が特徴的であり、この構成によれば両者の調整によって同図（ｂ）に示すようにカップリング特性を１０−１から１０−２に平行移動するように調整することができる。
以上本発明の実施態様例を示したが、本発明の実施に際してはこれらの例に限定する必要はなく、また、使用方法にも種々のものがあり得る。使用方法としては例えば、前記特許文献１に記載されたように送信電力の反射電力を検出することも可能であり、更には、副線路の入力端又は出力端子にダイオード素子を接続し、その電極の方向によって反射電力か進行電力を検出するように使用することも可能である。

従来のマイクロストリップラインを使用した方向性結合器では、ライン長はλ／４近傍に設定するのが通常であるが、本発明では任意の長さにするので、使用周波数に対する線路のインピーダンスは線路長に応じて種々の値を選択することができる。従って、線路に接続するリアクタンス素子の値との組み合わせによって種々の特性の改善効果を得ることができるので、使用する状況に応じて適宜設定し、最適の特性をもった方向性結合器を実現することができる。

本発明の一実施形態にかかる方向性結合器を説明する図で、（ａ）は概要構成図、（ｂ）はカップリング特性とアイソレーション特性を示す図である。 本発明において使用するマイクロストリップラインの一般的な構成を示す断面図である。 本発明の他の実施形態にかかる方向性結合器の概要構成図である。 本発明の他の実施形態にかかる方向性結合器の概要構成図である。 本発明の他の実施形態にかかる方向性結合器を説明する図で、（ａ）は概要構成図、（ｂ）はカップリング特性を調整する状況を示す特性曲線図である。 従来のマイクロストリップラインを用いた方向性結合器を説明する図で、（ａ）は概要構成図、（ｂ）はカップリング特性とアイソレーション特性を示す図である。 従来の方向性結合器を周波数帯域をずらして使用する場合の説明図で、（ａ）は概要構成図、（ｂ）はカップリング特性とアイソレーション特性を示す図である。 従来のストリップラインを用いた方向性結合器を説明する図で、（ａ）は概要構成図、（ｂ）はカップリング特性とアイソレーション特性を示す図である。

符号の説明

１、６１、７２ 主線路（マイクロストリップライン）、２、６２、７３ 副線路（マイクロストリップライン）、３、６３ 入力端子、４、６４ 出力端子、５、６５ カップリング端子、６、６６ 終端、７、３１ キャパシタンス素子（コンデンサ）、８ インダクタンス素子（コイル）、９、６７ 抵抗器、１０、１０−１、１０−２、６８、７４ カップリング特性曲線、１１、６９、７５ アイソレーション特性曲線、１２、７０、７１、７６ 方向性特性、２１ 誘電体基板、２２ ストリップライン、２３ グラウンド電極（接地電極）、４１、４２、５１ 可変コンデンサ（可変キャパシタンス）、５２ 可変インダクタンス素子、εｒ 誘電体基板の比誘電率、Ｆ１、Ｆ２ 使用周波数帯域、ｈ 誘電基板の厚み、ｔ ストリップラインの厚み、Ｗ ストリップラインの幅。

Claims (4)

1. 微小間隙を挟んで平行に並べ、一方を主線路、他方を副線路とした任意長の二つのマイクロストリップラインと、
   前記副線路のカップリング端子とグラウンド間に接続するキャパシタンス素子と、
   前記副線路の終端側とグラウンド間に直列接続したインダクタンス素子および抵抗素子と、を備え、
   前記キャパシタンス素子、前記インダクタンス素子、前記抵抗素子、前記副線路のインピーダンスで構成される共振周波数が無線送信機で使用される周波数帯域内となるように前記各素子値を設定したことを特徴とする方向性結合器。
2. 微小間隙を挟んで平行に並べ、一方を主線路、他方を副線路とした任意長の二つのマイクロストリップラインと、
   前記副線路のカップリング端子とグラウンド間に接続する第１のキャパシタンス素子と、
   前記副線路の終端側とグラウンド間に直列接続した第２のキャパシタンス素子および抵抗素子とを備え、
   前記第１のキャパシタンス素子、前記第２のキャパシタンス素子、前記抵抗素子、前記副線路のインピーダンスで構成される共振周波数が無線送信機で使用される周波数帯域内となるように前記各素子値を設定したことを特徴とする方向性結合器。
3. 前記キャパシタンス素子、前記インダクタンス素子、前記抵抗素子の少なくとも一つが素子値を変化できるものであることを特徴とする請求項１に記載の方向性結合器。
4. 前記第１のキャパシタンス素子、前記第２のキャパシタンス素子、前記抵抗素子の少なくとも一つが素子値を変化できるものであることを特徴とする請求項２に記載の方向性結合器。

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