JP4722614B2 - 方向性結合器及び１８０°ハイブリッドカプラ - Google Patents

Description

この発明は、結合線路断面の結合度が線路長さ方向に対して連続的に変化し、線路長さ方向の結合度分布が単調増加するテーパ形結合線路によって構成される非対称テーパ結合線路形とした方向性結合器及びに１８０°ハイブリッドカプラに関するものである。

従来の非対称テーパ結合線路形方向性結合器では、結合線路断面の結合度が線路長さ方向に対して連続的に変化し、線路長さ方向の結合度分布が単調増加するテーパ形結合線路によって構成されるため、結合線路の断面形状が階段状に変化して電磁界の乱れを生じ反射特性を劣化させる原因となる結合線路間の接続部がなく、反射特性の良好な方向性結合器を得ることができる特徴があるが、結合線路と入出力線路の接続部に不連続構造が存在し、動作周波数が高くなり波長が短くなると、この不連続構造部の影響により特性が劣化する問題があった。特に、密結合側の結合線路と入出力線路との接続部の不連続構造による特性の劣化が大きいという問題があった。

これまで、この密結合側の結合線路と入出力線路との接続部の不連続構造による特性劣化を抑制するために、結合線路と入出力線路との接続部において、２つの入出力線路が交差する領域が最小となるように構成することで、結合線路と入出力線路との接続部に存在する線路間静電容量を低減し特性の改善を図ることが試みられている（例えば、非特許文献１参照）。

また、結合線路と入出力線路との接続部近傍の結合線路において、その線路間の誘電体を一部取り除き空隙区間を作ることで、線路間静電容量を低減させ特性を改善する方法に関して、その空隙区間の大きさの決定方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

HARLAN HOWE, JR., 著「STRIPLINE CIRCUIT DESIGN」ARTECH HOUSE、INC., 1974年, P174 特開平９−２４６８１９号公報（要約、図１）

上述した非特許文献１に開示された非対称テーパ結合線路形方向性結合器では、密結合側の結合線路と入出力線路との接続部において、２つの入出力線路が交差する領域を最小となるように構成としており、方向性結合器の２つの出力端子の設置位置が逆方向になるため、例えば、２つの方向性結合器を縦属接続し１８０度ハイブリッド回路を構成する場合、２つの方向性結合器の接続用配線が複雑化し、かつ、回路が大型化する問題があった。また、結合線路と入出力線路との接続部近傍の線路間静電容量の低減のみで特性改善を図っているため、それだけでは十分な特性改善効果が得られないという問題があった。

また、特許文献１に開示された非対称テーパ結合線路形方向性結合器では、非特許文献１記載の非対称テーパ結合線路形方向性結合器で問題となる、方向性結合器の２つの出力端子の設置位置が逆方向になる問題は解決されるが、非特許文献１記載の非対称テーパ結合線路形方向性結合器と同様に、結合線路と入出力線路との接続部近傍の線路間静電容量の低減のみで特性の改善を図っているため、それだけでは十分な特性改善効果が得られないという問題があった。

この発明は、前記のような問題点を解決するためになされたもので、方向性結合器の２つの出力端子が同一方向となる回路構成で、かつ、良好な特性を有する入出力線路と結合線路との接続構造を有する非対称テーパ結合線路形の方向性結合器及び１８０°ハイブリッドカプラを提供することを目的とする。

この発明に係る方向性結合器は、２つの線路導体により構成される結合線路の断面の結合度が線路長さ方向に対して連続的に変化し、線路長さ方向の結合度分布が単調増加するテーパ形結合線路によって構成される非対称テーパ結合線路形とした方向性結合器において、前記結合線路の密結合側の端部と入出力線路との接続部近傍に、接続部の寄生成分による反射係数を打ち消し合い、接続部で反射係数が広帯域にわたって小さくなる接続構造を有し、前記結合線路は、第１の誘電体基板の上下面それぞれに前記第１の誘電体基板を挟んでほぼ平行に前記線路導体としての第１と第２のストリップ導体を密着させて配置し、前記第１の誘電体基板の上下面それぞれに前記第１の誘電体基板と反対側の面上に地導体を設けた第２と第３の誘電体基板を密着させて構成され、前記結合線路の密結合側の端部と入出力線路との接続部近傍の接続構造は、前記第１の誘電体基板の誘電率が等価的に低くなるように構成することで前記第１と第２のストリップ導体間の静電容量を低減させる構造と、前記第１と第２のストリップ導体に１つまたは複数個の微小なストリップ導体状の突起を、ストリップ導体と地導体の間の静電容量を増加させ、ストリップ導体間の静電容量に影響を与えない位置に設けた構造とを有することを特徴とする。
さらに、２つの線路導体により構成される結合線路の断面の結合度が線路長さ方向に対して連続的に変化し、線路長さ方向の結合度分布が単調増加するテーパ形結合線路によって構成される非対称テーパ結合線路形とした方向性結合器において、前記結合線路の密結合側の端部と入出力線路との接続部近傍に、接続部の寄生成分による反射係数を打ち消し合い、接続部で反射係数が広帯域にわたって小さくなる接続構造を有し、前記結合線路は、第１の誘電体基板の上下面それぞれに前記第１の誘電体基板を挟んでほぼ平行に前記線路導体としての第１と第２のストリップ導体を密着させて配置し、前記第１の誘電体基板の上下面それぞれに第２と第３の誘電体基板を密着させて配置し、前記第２の誘電体基板の上の面に前記第２の誘電体基板と反対側の面上に地導体を設けた第４の誘電体基板を密着させて配置し、前記第３の誘電体基板の下の面に前記第３の誘電体基板と反対側の面上に地導体を設けた第５の誘電体基板を密着させて構成され、前記結合線路の密結合側の端部と入出力線路との接続部近傍の接続構造は、前記第１の誘電体基板の誘電率が等価的に低くなるように構成することで前記第１と第２のストリップ導体間の静電容量を低減させる構造と、前記接続部近傍の前記第４と第５の誘電体基板の地導体と反対側の面上に前記第１と第２のストリップ導体と対向する位置に第３と第４のストリップ導体を密着させて配置し、前記第３と第４のストリップ導体と地導体とが接続されるように前記第４と第５の誘電体基板それぞれにヴィアホールもしくはスルーホールを設けることにより、ストリップ線路間の静電容量に影響することなくストリップ導体と地導体との間の静電容量を増加させる構造とを有することを特徴とする。

また、この発明に係る１８０°ハイブリッドカプラは、前記方向性結合器を２つ従属接続して構成されたことを特徴とする。

この発明によれば、非対称テーパ結合線路形方向性結合器の結合線路と入出力線路との接続部の不連続構造による特性劣化を抑制し、高い周波数でも良好な特性を有する。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を示す図１から図３に基づいて説明する。
図１は、この発明の実施の形態１に係る方向性結合器を示す構成図、図２は、図１のａ−ａ断面図、図３は、結合線路の密結合側の端部と入出力線路との接続部の電磁界解析結果から抽出した接続部の等価回路図である。

図１に示す方向性結合器は、２つの線路導体により構成される結合線路の断面の結合度が線路長さ方向に対して連続的に変化し、線路長さ方向の結合度分布が単調増加するテーパ形結合線路によって構成される非対称テーパ結合線路形とした方向性結合器において、結合線路の密結合側の端部と入出力線路との接続部近傍に、接続部の寄生成分による反射係数を打ち消し合い、接続部で反射係数が広帯域にわたって小さくなる接続構造を有するものである。

図１に示す方向性結合器において、線路導体としてのストリップ導体１およびストリップ導体２によって結合線路３が構成される。この結合線路３と、結合線路３からストリップ導体１とストリップ導体２が反対方向に分岐された入出力線路４との接続部の不連続構造５の近傍の入出力線路４を構成するストリップ導体１には微少なストリップ導体状の突起でなるオープンスタブ７ａが設けられ、不連続構造５の近傍の結合線路３を構成するストリップ導体１にはオープンスタブ７ｂが設けられ、不連続構造５の近傍の入出力線路４を構成するストリップ導体２にはオープンスタブ８ａが設けられ、不連続構造５の近傍の結合線路３を構成するストリップ導体２にはオープンスタブ８ｂが設けられている。また、ストリップ導体１とストリップ導体２の間には空気層６が設けられている。

次に、図２を用いて、図１の線路構造について説明する。
図２において、９ａ、９ｂ、９ｃは第１〜第３の誘電体基板である。誘電体基板９ａには、その一方の面、即ち図において上の面に地導体パターン１０ａが設けられており、当該地導体パターン１０ａが設けられた面の反対の側の面、即ち図において下の面にはストリップ導体１が設けられている。誘電体基板９ｂには、その誘電体基板の一部を取り除くことにより空気層６が設けられている。誘電体基板９ｃには、その一方の面、即ち図において上の面にストリップ導体２が設けられており、当該ストリップ導体２が設けられた面の反対の側の面、即ち図において下の面には地導体パターン１０ｂが設けられている。これら、誘電体基板９ａ、９ｂ、９ｃにおいて、誘電体基板９ａと誘電体基板９ｃが、誘電体基板９ｂを間に挟み、かつ、それぞれの地導体パターン１０ａ、１０ｂが外側になるように向かい合わせに積層されることにより、トリプレート線路型結合線路を構成している。

接続部の等価回路図を示す図３において、１１ａ、１１ｂは入出力線路４への接続端子、１２ａ、１２ｂは結合線路３への接続端子、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄは自己インダクタンス、１４ａ、１４ｂはストリップ導体１及び２と地導体１０ａ及び１０ｂとの間の静電容量、１５ａ、１５ｂはストリップ導体１と２との間の静電容量である。

次に動作について説明する。
不連続構造５では、結合線路３の密結合側に存在し、かつ、不連続構造５を構成するストリップ導体１とストリップ導体２が非常に近接して配置されるため、結合線路３側の結合状態を考慮した解析が必要である。結合線路３を同相励振した場合と逆相励振した場合それぞれについて電磁界解析を行い、その電磁界解析結果から図３の等価回路および等価回路パラメータを求める。

このように求めた図３の等価回路から、ストリップ導体１と２間の静電容量１５ａ、１５ｂを低減し、かつ、ストリップ導体１及び２と地導体１０ａ及び１０ｂ間の静電容量１４ａ、１４ｂを増加させることで、自己インダクタンス１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄを補償することにより、不連続構造５の寄生成分による反射係数が打ち消し合い、不連続構造５での特性劣化の抑制が可能である。

これを実現する一例を示したのが、図１の空気層６とオープンスタブ７ａ、７ｂ、８ａ、８ｂであり、空気層６によりストリップ導体間の静電容量１５ａ、１５ｂを低減し、かつ、オープンスタブ７ａ、７ｂ、８ａ、８ｂによりストリップ導体間の静電容量１５ａ、１５ｂを増加させることなく、ストリップ導体と地導体間の静電容量１４ａ、１４ｂを増加させることができ、不連続構造５での特性劣化を抑制している。

図１の例では、オープンスタブを結合線路３側および入出力線路４側にそれぞれ２つづつ配置しているが、結合線路３もしくは入出力線路４どちらか一方でもよいし、その個数は１つでも、また、２つ以上でもよい。また、図１の例では、空気層６を設けることで、等価的にストリップ導体１とストリップ導体２の間の誘電率を低下させることにより、ストリップ導体間静電容量１５ａ、１５ｂを低減しているが、誘電体基板９ｂの誘電率よりも小さな誘電率をもつ他の誘電体と置き換えることもできる。

以上のように、この実施の形態１によれば、非対称テーパ結合線路形方向性結合器の結合線路３と入出力線路４との接続部の不連続構造５による特性劣化を抑制し、高い周波数でも良好な特性を有する非対称テーパ結合線路形方向性結合器を提供できる。

実施の形態２．
上述した実施の形態１では、図３の等価回路において、ストリップ導体１と２間の静電容量１５ａ、１５ｂに影響を与えることなく、ストリップ導体１及び２と地導体１０ａ及び１０ｂ間の静電容量１４ａ、１４ｂを増加させるのに、不連続構造５の近傍にオープンスタブ７ａ、７ｂ、８ａ、８ｂを設置するようにしたものであるが、基板の多層化が容易な場合において、より効果的にストリップ導体と地導体間の静電容量１４ａ、１４ｂを増加させる実施の形態を示す。

以下、この発明の実施の形態２を示す図４、図５に基づいて説明する。
図４は、この発明の実施の形態２に係る方向性結合器を示す構成図、図５は、図４のｂ−ｂ断面図である。これらの図において、図１と図２と同一または相当の部分については同一の符号を付しその説明を省略する。図４及び図５において、新たな符号として、１６ａ、１６ｂはストリップ導体であり、１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ、１７ｅは誘電体基板である。

次に、図５を用いて、図４の線路構造について説明する。
図５において、誘電体基板１７ａには、その一方の面、即ち図において上の面に地導体パターン１８ａが設けられており、当該地導体パターン１８ａが設けられた面の反対の面、即ち図において下の面にはストリップ導体１６ａが設けられており、誘電体基板１７ａに設けられたビィア１９ａによりストリップ導体１６ａと地導体パターン１８ａが電気的に接続されている。誘電体基板１７ｂには、その一方の面、即ち図において下の面にストリップ導体パターン１が設けられている。誘電体基板１７ｃには、その誘電体基板の一部を取り除くことにより空気層６が設けられている。誘電体基板１７ｄには、その一方の面即ち図の上の面にストリップ導体２が設けられている。誘電帯基板１７ｅには、その一方の面、即ち図において上の面にストリップ導体１６ｂが設けられており、当該ストリップ導体１６ｂが設けられた面の反対の面、即ち図において下の面には地導体パターン１８ｂが設けられており、誘電体基板１７ｅに設けられたビィア１９ｂによりストリップ導体１６ｂと地導体パターン１８ｂが電気的に接続されている。これら誘電体基板１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ、１７ｅが図に示すように地導体パターン１８ａ、１８ｂが外側になるように順に積層されることにより、トリプレート線路型結合線路を構成している。

次に動作について説明する。
地導体パターン１８ａとビィア１９ａによって電気的に接続されたストリップ導体１６ａとストリップ導体１は、誘電体基板１７ｂを挟んで対向して設置されているため、ストリップ導体１６ａとストリップ導体１の間で容量性素子を形成することができ、実施の形態１のオープンスタブ７ａ、７ｂと同様の働きをする。また、地導体パターン１８ｂとビィア１９ｂによって電気的に接続されたストリップ導体１６ｂとストリップ導体２は、誘電体基板１７ｄを挟んで対向して設置されているため、ストリップ導体１６ｂとストリップ導体２の間で容量性素子を形成することができ、実施の形態１のオープンスタブ８ａ、８ｂと同様の働きをする。

したがって、実施の形態１と同様に、図３の等価回路に対応させて考えると、空気層６によりストリップ導体間の静電容量１５ａ、１５ｂを低減し、かつ、ストリップ導体１６ａ、ストリップ導体１と誘電体基板１７ｂにより形成される容量性素子と、ストリップ導体１６ｂ、ストリップ導体２と誘電体基板１７ｄによって形成される容量性素子により、ストリップ導体間の静電容量１５ａ、１５ｂに影響を与えることなく、ストリップ導体と地導体間の静電容量１４ａ、１４ｂを増加させることにより、不連続構造５での特性劣化を抑制している。

このような構造とすることにより、ストリップ導体と地導体間の静電容量１４ａ、１４ｂの増加分を誘電体基板１７ｂ、１７ｄの基板厚の調整により容易に行うことができ、かつ、不連続構造５の極近傍にストリップ導体と地導体間の静電容量１４ａ、１４ｂを増加させる容量性素子を設けることができる利点がある。

図４の例では、空気層６を設けることで、等価的にストリップ導体１とストリップ導体２の間の誘電率を低下させることにより、ストリップ導体間の静電容量１５ａ、１５ｂを低減しているが、誘電体基板１７ｃの誘電率よりも小さな誘電率をもつ他の誘電体と置き換えても良い。また、ストリップ導体１６ａと地導体パターン１８ａおよび、ストリップ導体１６ｂと地導体パターン１８ｂの接続にビィアを用いているが、スルーホールとしても良い。

以上のように、この実施の形態２によれば、基板の多層化が容易な場合においては、実施の形態１よりも非対称テーパ結合線路形方向性結合器の結合線路と入出力線路との接続部の不連続構造による特性劣化を抑制する効果を高くすることができ、より高い周波数でも良好な特性を有する非対称テーパ結合線路形方向性結合器を提供できる。

実施の形態３．
図６は、この発明の実施の形態３による１８０度ハイブリッド回路である。
図６に示す１８０度ハイブリッド回路は、結合度約８．３４ｄＢの実施の形態１に係る非対称テーパ結合線路形方向性結合器２０，２０と、非対称テーパ結合線路形方向性結合器のテーパ長とほぼ同じ長さの位相遅延線路２１とを備える。なお、Ｐ１〜Ｐ４は入出力端子である。

今、Ｐ１より入力されたある周波数帯の電波は、Ｐ２からは出力されずＰ３とＰ４に同振幅で逆位相の電波が出力され、Ｐ２より入力されたある周波数帯の電波は、Ｐ１からは出力されずＰ３とＰ４に同振幅で同位相の電波が出力され、この回路は１８０度ハイブリッド回路として動作する。

ここでは、非対称テーパ結合線路形方向性結合器として、実施の形態１の非対称テーパ結合線路形方向性結合器を用いているので、高い周波数帯域においても良好な反射特性、アイソレーション特性を有し、振幅と位相のずれが小さな１８０度ハイブリッド回路を得ることができる。また、非対称テーパ結合線路形方向性結合器として、実施の形態２の非対称テーパ結合線路形方向性結合器を用いても同様の効果得ることができる。

この発明の実施の形態１に係る方向性結合器を示す構成図である。 図１のａ−ａ断面図である。 図１及び図２に示す結合線路の密結合側の端部と入出力線路との接続部の電磁界解析結果から抽出した接続部の等価回路図である。 この発明の実施の形態２に係る方向性結合器を示す構成図である。 図４のｂ−ｂ断面図である。 この発明の実施の形態３に係る１８０度ハイブリッド回路を示す構成図である。

符号の説明

１，２ ストリップ導体、３ 結合線路、４ 入出力線路、５ 不連続構造、６ 空気層、７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂ オープンスタブ、９ａ、９ｂ、９ｃ 誘電体基板、１０ａ，１０ｂ 地導体パターン、１１ａ，１１ｂ 入出力線路４への接続端子、１２ａ，１２ｂは結合線路３への接続端子、１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ 自己インダクタンス、１４ａ，１４ｂ ストリップ導体１及び２と地導体１０ａ及び１０ｂとの間の静電容量、１５ａ，１５ｂ ストリップ導体１と２との間の静電容量、１６ａ，１６ｂ ストリップ導体、１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ，１７ｅ 誘電体基板、１８ａ，１８ｂ 地導体パターン、１９ａ，１９ｂ ビィア、２０ 非対称テーパ結合線路形方向性結合器、２１ 位相遅延線路。

Claims (3)

1. ２つの線路導体により構成される結合線路の断面の結合度が線路長さ方向に対して連続的に変化し、線路長さ方向の結合度分布が単調増加するテーパ形結合線路によって構成される非対称テーパ結合線路形とした方向性結合器において、
   前記結合線路の密結合側の端部と入出力線路との接続部近傍に、接続部の寄生成分による反射係数を打ち消し合い、接続部で反射係数が広帯域にわたって小さくなる接続構造を有し、
   前記結合線路は、第１の誘電体基板の上下面それぞれに前記第１の誘電体基板を挟んでほぼ平行に前記線路導体としての第１と第２のストリップ導体を密着させて配置し、前記第１の誘電体基板の上下面それぞれに前記第１の誘電体基板と反対側の面上に地導体を設けた第２と第３の誘電体基板を密着させて構成され、
   前記結合線路の密結合側の端部と入出力線路との接続部近傍の接続構造は、前記第１の誘電体基板の誘電率が等価的に低くなるように構成することで前記第１と第２のストリップ導体間の静電容量を低減させる構造と、前記第１と第２のストリップ導体に１つまたは複数個の微小なストリップ導体状の突起を、ストリップ導体と地導体の間の静電容量を増加させ、ストリップ導体間の静電容量に影響を与えない位置に設けた構造とを有する
   ことを特徴とする方向性結合器。
2. ２つの線路導体により構成される結合線路の断面の結合度が線路長さ方向に対して連続的に変化し、線路長さ方向の結合度分布が単調増加するテーパ形結合線路によって構成される非対称テーパ結合線路形とした方向性結合器において、
   前記結合線路の密結合側の端部と入出力線路との接続部近傍に、接続部の寄生成分による反射係数を打ち消し合い、接続部で反射係数が広帯域にわたって小さくなる接続構造を有し、
   前記結合線路は、第１の誘電体基板の上下面それぞれに前記第１の誘電体基板を挟んでほぼ平行に前記線路導体としての第１と第２のストリップ導体を密着させて配置し、前記第１の誘電体基板の上下面それぞれに第２と第３の誘電体基板を密着させて配置し、前記第２の誘電体基板の上の面に前記第２の誘電体基板と反対側の面上に地導体を設けた第４の誘電体基板を密着させて配置し、前記第３の誘電体基板の下の面に前記第３の誘電体基板と反対側の面上に地導体を設けた第５の誘電体基板を密着させて構成され、
   前記結合線路の密結合側の端部と入出力線路との接続部近傍の接続構造は、前記第１の誘電体基板の誘電率が等価的に低くなるように構成することで前記第１と第２のストリップ導体間の静電容量を低減させる構造と、前記接続部近傍の前記第４と第５の誘電体基板の地導体と反対側の面上に前記第１と第２のストリップ導体と対向する位置に第３と第４のストリップ導体を密着させて配置し、前記第３と第４のストリップ導体と地導体とが接続されるように前記第４と第５の誘電体基板それぞれにヴィアホールもしくはスルーホールを設けることにより、ストリップ線路間の静電容量に影響することなくストリップ導体と地導体との間の静電容量を増加させる構造とを有する
   ことを特徴とする方向性結合器。
3. 請求項１または２に記載の方向性結合器を２つ従属接続して構成された
   ことを特徴とする１８０°ハイブリッドカプラ。

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