JP5225188B2

JP5225188B2 - 方向性結合器

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Publication number: JP5225188B2
Application number: JP2009105042A
Authority: JP
Inventors: 英征大橋; 志浩田原; 健湯浅
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-04-23
Filing date: 2009-04-23
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2029-04-23
Also published as: JP2010258659A

Description

この発明は、主としてマイクロ波帯及びミリ波帯で用いる結合線路形の方向性結合器に関するものである。

２本の線路を接近し平行に配置して結合させた結合線路形の方向性結合器は、マイクロ波、ミリ波帯などの高周波において、電力の分配や合成のための素子として用いられている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。このような構成では、結合度は２本の線路導体の距離によって決まり、寸法精度などの問題から高い結合度を実現することが難しい。特に、プリント基板上に形成したマイクロストリップ線路では、ストリップ導体パターンのエッジ間の結合では十分な結合度が得られないため、高い結合度を実現するためにストリップ導体の上部に別の浮遊導体を配置する構成が用いられる。

特許第２６５１３３６号公報特開平９−１１６３１２号公報

大橋他、「誘電体装荷スリット結合形方向性結合器」、電子情報通信学会論文誌Ｃ、ｖｏｌ．Ｊ８０−Ｃ、Ｎｏ．１２、ｐｐ．５５８−５６７

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。従来の構成では、ストリップ導体上部に別のどこにも接続されていない別の導体を配置する必要があったため、基板上に別の誘電体基板を貼り付けることが必要となり、導体間の位置精度の確保が難しく、結合度にばらつきが発生する問題があるとともに、構造や製造工程が複雑になってコストが高くなったり、信頼性が低下したりするという問題があった。また、従来の構成では、結合線路部分の特性インピーダンスを外部の入出力線路と一致させるためには、ストリップ導体の幅を入出力線路の幅より狭くすることが必要となるため、パターンの寸法精度による性能ばらつきが発生し、高い耐電力性を実現できなくなるという問題もあった。

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、製造ばらつきなどによる特性ばらつきの問題が起こりにくく、高い耐電力性を確保できるとともに、製造コストを低減できる方向性結合器を得ることを目的とする。

本発明に係る方向性結合器は、複数の誘電体基板を積層して構成された多層誘電体基板と、前記多層誘電体基板の表面の中央に近接して並べられて配置された２本の結合部線路パターンと、前記多層誘電体基板の表面の端部に配置され、前記２本の結合部線路パターンの長手方向の端にそれぞれ接続された４本の入出力線路パターンと、前記多層誘電体基板の内層に設けられた第１の内層地導体パターンと、前記多層誘電体基板の裏面に設けられた裏面地導体パターンと、前記第１の内層地導体パターンと前記裏面地導体パターンとを接続する複数の導体柱とを備え、前記第１の内層地導体パターンは、前記２本の結合部線路パターンが存在する領域に積層方向で対応する位置に設けられた、前記領域よりも広い穴を有し、前記複数の導体柱は、前記第１の内層地導体パターンの穴の周囲に設けられているものである。

本発明に係る方向性結合器によれば、多層誘電体基板の内層の構造の工夫により、基板上に別の誘電体などを配置する必要がなく、また、ストリップ導体パターン（２本の結合部線路パターン）を太く設計することが可能であるため、製造ばらつきなどによる特性ばらつきの問題が起こりにくく、高い耐電力性を確保できるとともに、製造コストを低減できるという効果がある。また、多層誘電体基板の内層の補償パターンによって方向性を改善することが可能であり、性能の高い方向性結合器を実現することができる。

この発明の実施の形態１に係る方向性結合器の構成を示す平面図である。図１のＡ−Ａ'線断面図である。図１のＢ−Ｂ'線断面図である。この発明の実施の形態１に係る方向性結合器の内層地導体パターンを示す平面図である。この発明の実施の形態２に係る方向性結合器の構成を示す平面図である。図５のＣ−Ｃ'線断面図である。この発明の実施の形態２に係る方向性結合器の内層地導体パターンを示す平面図である。この発明の実施の形態３に係る方向性結合器の構成を示す平面図である。図８のＤ−Ｄ'線断面図である。この発明の実施の形態３に係る方向性結合器の内層地導体パターンを示す平面図である。この発明の実施の形態３に係る方向性結合器の動作を説明する等価回路図である。この発明の実施の形態４に係る方向性結合器の構成を示す平面図である。図１２のＥ−Ｅ'線断面図である。この発明の実施の形態４に係る方向性結合器の内層地導体パターンを示す平面図である。この発明の実施の形態３に係る方向性結合器において多層誘電体基板内の層間パターンずれが発生した場合の様子を示す平面図である。図１５のＦ−Ｆ'線断面図である。この発明の実施の形態４に係る方向性結合器において多層誘電体基板内の層間パターンずれが発生した場合の様子を示す平面図である。図１７のＧ−Ｇ'線断面図である。

以下、本発明の方向性結合器の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る方向性結合器について図１から図４までを参照しながら説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係る方向性結合器の構成を示す平面図である。図２は、図１のＡ−Ａ'線断面図である。図３は、図１のＢ−Ｂ'線断面図である。図４は、この発明の実施の形態１に係る方向性結合器の内層地導体パターンを示す平面図である。なお、以降では、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

図１−図４において、この発明の実施の形態１に係る方向性結合器は、後述する多層誘電体基板の表面の端部に配置され、後述する２本の結合部線路パターンの手方向の端にそれぞれ接続された４本の入出力線路パターン１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄと、後述する多層誘電体基板の表面の中央に近接して並べられて配置された２本の結合部線路パターン２ａ、２ｂと、複数の誘電体基板を積層して構成された多層誘電体基板４と、多層誘電体基板４の内層に設けられた内層地導体パターン（第１の内層地導体パターン）６と、多層誘電体基板４の裏面全面に設けられた裏面地導体パターン７と、内層地導体パターン６と裏面地導体パターン７とを接続する１２個のグラウンドスルーホール（導体柱）８とが設けられている。

内層地導体パターン６には、略中央に、２本の結合部線路パターン２ａ、２ｂが存在する領域よりも広い四角形の穴３が設けられている。また、グラウンドスルーホール８の上端には、略ドーナツ状のランド５が設けられている。

内層地導体パターン６と入出力線路パターン１ａ〜１ｄによってマイクロストリップ線路が形成されている。結合部線路パターン２ａ、２ｂは、それぞれ両端を入出力線路パターン１ａ、１ｂ及び１ｃ、１ｄに接続されている。結合部線路パターン２ａ、２ｂは、入出力線路パターン１ａ〜１ｄよりもパターン幅が広くなっており、かつ、２本が接近して配置されている。

内層地導体パターン６には、図４に示すように、結合部線路パターン２ａ、２ｂの長さとほぼ同じ長さで、幅が２本の結合部線路パターン２ａ、２ｂの存在する領域より広い四角形の穴３が設けられている。この内層地導体パターン６の穴３の周囲において、内層地導体パターン６と裏面地導体パターン７は、四角形の穴３の一辺当たり３個で、合計１２個のグラウンドスルーホール８によって接続されている。グラウンドスルーホールのランド５は、グラウンドスルーホール８と接続され、通常の多層基板の製造プロセスの過程でグラウンドスルーホール８の形成のために必要なものであるが、内層地導体パターン６と裏面地導体パターン７の間を接続するグラウンドスルーホール８が形成できれば無くてもかまわない。

つぎに、この実施の形態１に係る方向性結合器の動作について図面を参照しながら説明する。

この実施の形態１では、多層誘電体基板４の多層構造の上部に高周波回路を形成し、下層には別の回路を形成するような構成を想定しており、方向性結合器以外の領域では、図２に示すように、内層地導体パターン６と表面層に設けた入出力線路パターン１ａ〜１ｄで構成したマイクロストリップ線路によって高周波回路が形成される。

入出力線路パターン１ａ〜１ｄは、隣接するパターン間の間隔が十分に離れて配置されており、相互の電磁結合は無視できる。結合部線路パターン２ａ、２ｂは、接近して配置されているため電磁結合が起こり、この部分で結合線路を構成する。結合部線路パターン２ａ、２ｂの下部には、内層地導体パターン６に穴３が開けられて、グラウンドスルーホール８で内層地導体パターン６と接続された裏面地導体パターン７に接続されているため、結合部線路パターン２ａ、２ｂに対するマイクロストリップ線路構造の地導体は、裏面地導体パターン７になる。すなわち、結合線路部分においては、図３に示すように、多層誘電体基板４の厚さ全体をマイクロストリップ線路構造として用いている。

結合線路の結合度は、２本の結合部線路パターン２ａ、２ｂの間隔と、結合部線路パターン２ａ、２ｂと裏面地導体パターン７との距離の比率でほぼ決まり、地導体との距離に比べてパターン間の間隔が狭いほど結合が強くなる。通常、多層基板を用いた構成では、マイクロストリップ線路として使える層の基板の厚さを十分に厚くすることができないため、高い結合度を実現するためには、２本の導体パターンを非常に接近させる必要があり、さらに、２本の導体パターンを接近させることによって線路の特性インピーダンスが低下するため、パターン幅も細くしてインピーダンスの整合条件を満足する必要がある。

本実施の形態１では、結合線路部分が多層基板の厚さ全体を用いたマイクロストリップ線路構造となっており、結合部線路パターン２ａ、２ｂ同士の間隔にくらべて結合部線路パターン２ａ、２ｂと裏面地導体パターン７の距離が大きくなるため、線路パターン間の距離をあまり狭くしなくても高い結合度が得られる。また、結合線路部分においては、ストリップ導体と地導体の距離が大きくなることから、そのままでは線路の特性インピーダンスが高くなってしまうため、所定の特性インピーダンスを確保するためにストリップ導体パターンの幅を広げる必要があり、結合部線路パターン２ａ、２ｂは入出力線路パターン１ａ〜１ｄよりもパターン幅が広くなっている。

このように、本実施の形態１では、高い結合度の方向性結合器を実現するために、結合部線路パターン２ａ、２ｂを極端に近接させて配置したり、パターン幅も細くしたりする必要がない。このため、特殊な微細パターン形成を行う必要がなく、パターンの製造誤差などによる特性変動も起こりにくいという効果がある。また、パターン間の狭い間隔による放電や細いパターン幅による焼損などの問題も起こらないため、高い耐電力性を実現できるという効果もある。

なお、結合線路部分の結合部線路パターン２ａ、２ｂの幅は、地導体とストリップ導体の距離の関係で決まるため、必ずしも結合部線路パターン２ａ、２ｂの幅を入出力線路パターン１ａ〜１ｄよりも広くする必要があるわけではない。

また、この実施の形態１では、結合線路部分の地導体として多層誘電体基板４の裏面地導体パターン７を用いたが、この裏面地導体パターン７と同じ大きさ、同じ形状で内層地導体パターン６より下側にある別の内層地導体パターン（第２の内層地導体パターン）（図示せず）を結合線路部分の地導体として用いても同様の効果が得られる。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る方向性結合器について図５から図７までを参照しながら説明する。図５は、この発明の実施の形態２に係る方向性結合器の構成を示す平面図である。図６は、図５のＣ−Ｃ'線断面図である。図７は、この発明の実施の形態２に係る方向性結合器の内層地導体パターンを示す平面図である。

図５〜図７において、この発明の実施の形態２に係る方向性結合器は、上記の実施の形態１に係る方向性結合器において、多層誘電体基板４の内層に帯状（長方形）の浮遊導体パターン９が設けられている。

浮遊導体パターン９は、図７に示すように、内層地導体パターン６に設けられた四角形の穴３の内部に配置されている。また、浮遊導体パターン９は、図５及び図６に示すように、結合部線路パターン２ａ、２ｂと上下に重なるように配置されている。

つぎに、この実施の形態２に係る方向性結合器の動作について図面を参照しながら説明する。

２本の結合部線路パターン２ａ、２ｂそれぞれと浮遊導体パターン９は、互いに電磁結合を起こす。この結合によって、浮遊導体パターン９を介して２本の結合部線路パターン２ａ、２ｂ間の結合が増加する。このため、上記の実施の形態１に比べてより高い結合度の方向性結合器を実現することができる。

このように、本実施の形態２では、多層誘電体基板４の内層の既存のエリアに浮遊導体パターン９を形成するだけで結合部線路パターン２ａ、２ｂ間の結合を強めることができるため、より結合度の高い方向性結合器を容易に実現できるという効果がある。なお、この実施の形態２では、浮遊導体パターン９を内層地導体パターン６と同じ層に設けたが、多層誘電体基板４の内層のほかの層に設けても同様の効果が得られる。

実施の形態３．
この発明の実施の形態３に係る方向性結合器について図８から図１１までを参照しながら説明する。図８は、この発明の実施の形態３に係る方向性結合器の構成を示す平面図である。図９は、図８のＤ−Ｄ'線断面図である。図１０は、この発明の実施の形態３に係る方向性結合器の内層地導体パターンを示す平面図である。図１１は、この発明の実施の形態３に係る方向性結合器の動作を説明する等価回路図である。

図８〜図１０において、この発明の実施の形態３に係る方向性結合器は、上記の実施の形態１に係る方向性結合器において、多層誘電体基板４の内層に帯状（長方形）の２本の浮遊導体パターン１０が設けられている。

２つの浮遊導体パターン１０は、図１０に示すように、内層地導体パターン６に設けられた四角形の穴３の内部に配置されている。また、浮遊導体パターン１０は、図８及び図９に示すように、結合部線路パターン２ａ、２ｂの両端付近の２箇所において、結合部線路パターン２ａ、２ｂと上下に重なるように配置されている。

図１１において、入出力端子１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄと、入出力線路パターン１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄと、結合部線路パターン２ａ、２ｂと、キャパシタ１１とが描かれている。なお、２個のキャパシタ１１は、２本の浮遊導体パターン１０の効果をそれぞれ等価的に示すものである。

つぎに、この実施の形態３に係る方向性結合器の動作について図面を参照しながら説明する。

上記の実施の形態１のように、内層地導体パターン６に穴３を開けて、結合部分のみ地導体の層を裏面地導体パターン７に変えた構造にすると、地導体に流れる電流はグラウンドスルーホール８を介して２つの地導体間を行き来する。非特許文献１に説明されているように、このような地導体の不連続が存在すると、不連続箇所に寄生のサセプタンス成分が発生し、結合線路の偶モードと奇モードにアンバランスを引き起こして方向性劣化などの問題を起こすことが知られている。この場合のアンバランスは、非特許文献１に記載されているのと同様に、偶モードの位相速度を低減させる効果があると考えられる。本実施の形態３は，このような問題を改善するためのものである。

２本の結合部線路パターン２ａ、２ｂそれぞれと浮遊導体パターン１０は、互いに電磁結合するが、２本の浮遊導体パターン１０それぞれの長さが結合部線路パターン２ａ、２ｂの長さに比べて十分に短い場合、この結合は容量性の結合が支配的になるため、図１１に示すように、２本の結合部線路パターン２ａ、２ｂ間にキャパシタ１１が挿入されたのと等価になる。このキャパシタ１１は、２本の結合部線路パターン２ａ、２ｂに同相の信号が加わる偶モードに対しては影響を与えず、逆相の信号が加わる奇モードに対しては、線路に並列に装荷されたキャパシタ１１として動作する。この並列キャパシタ１１は、奇モードに対して線路を伝搬する信号の速度を等価的に低減する効果があり、先に述べた地導体の不連続による寄生サセプタンスが引き起こす偶モードの位相速度低下と対となって両者のアンバランスを改善する効果がある。これによって、地導体不連続によって生じた方向性結合器の方向性劣化を改善することができる。

このように、本実施の形態３では、多層誘電体基板４の内層の既存のエリアに設けた浮遊導体パターン１０の寸法を調整することにより、地導体の不連続に起因する方向性劣化を改善できるという効果がある。なお、この実施の形態３では、浮遊導体パターン１０を内層地導体パターン６と同じ層に設けたが、多層誘電体基板４の内層のほかの層に設けても同様の効果が得られる。

実施の形態４．
この発明の実施の形態４に係る方向性結合器について図１２から図１８までを参照しながら説明する。図１２は、この発明の実施の形態４に係る方向性結合器の構成を示す平面図である。図１３は、図１２のＥ−Ｅ'線断面図である。図１４は、この発明の実施の形態４に係る方向性結合器の内層地導体パターンを示す平面図である。

図１２〜図１４において、この発明の実施の形態４に係る方向性結合器は、上記の実施の形態３に係る方向性結合器において、内層地導体パターン６に四角形の４個の突起状地導体パターン１３が設けられている。なお、この突起状地導体パターン１３は、上記の実施の形態１や実施の形態２にも適用することができる。

突起状地導体パターン１３は、内層地導体パターン６に設けられた四角形の穴３のふちに、入出力線路パターン１ａ〜１ｄと重なるように設けられている。突起状地導体パターン１３の幅は、入出力線路パターン１ａ〜１ｄのパターン幅より若干広めの幅になっている。

つぎに、この実施の形態４に係る方向性結合器の動作について図面を参照しながら説明する。

図１５は、この発明の実施の形態３に係る方向性結合器において多層誘電体基板内の層間パターンずれが発生した場合の様子を示す平面図である。図１６は、図１５のＦ−Ｆ'線断面図である。

図１７は、この発明の実施の形態４に係る方向性結合器において多層誘電体基板内の層間パターンずれが発生した場合の様子を示す平面図である。図１８は、図１７のＧ−Ｇ'線断面図である。

多層誘電体基板４においては、製造プロセスによって異なる層のパターン間の相対的な位置にずれを生じることがある。図１５は上記の実施の形態３の構成において、多層誘電体基板４の表層の導体パターンと内層地導体パターン６及び浮遊導体パターン１０の存在する層の導体パターンの間で位置ずれが発生した状態を示している。このように、表層パターンの線路の長さ方向にずれが生じた場合、図１６のように、結合部線路パターン２ａ、２ｂと内層地導体パターン６が上下に重なる領域が発生する。この部分では、結合部線路パターン２ａ、２ｂの幅が広いため、内層地導体パターン６との間に大きな並列キャパシタが付加された状態になり、このキャパシタが引き起こす反射などによって方向性結合器の特性が劣化するという問題が起こる。

本実施の形態４において、図１５と同様の層間の位置ずれが生じた場合は、図１７、図１８に示すように、幅の広い結合部線路パターン２ａ、２ｂが重なるのは、幅が狭い突起状地導体パターン１３であるため、上記の実施の形態３の場合ほど大きな並列キャパシタが付加されることはなく、方向性結合器の大きな特性劣化は発生しない。また、位置ずれがない場合は、突起状地導体パターン１３と入出力線路パターン１ａ〜１ｄによってマイクロストリップ線路構造が形成されるため、上記の実施の形態３の場合とほぼ同等の特性が得られる。この突起状地導体パターン１３の長さを、製造プロセス上発生しうる最大の層間ずれ量と同等に選ぶことにより位置ずれの有無によらず、ほぼ良好な特性が得られる。

このように、本実施の形態４では、製造誤差などによる多層基板内の層間位置ずれによる特性劣化を抑えることができるという効果がある。

１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ入出力線路パターン、２ａ、２ｂ結合部線路パターン、３穴、４多層誘電体基板、５ランド、６内層地導体パターン、７裏面地導体パターン、８グラウンドスルーホール、９浮遊導体パターン、１０浮遊導体パターン、１３突起状地導体パターン。

Claims

複数の誘電体基板を積層して構成された多層誘電体基板と、
前記多層誘電体基板の表面の中央に近接して並べられて配置された２本の結合部線路パターンと、
前記多層誘電体基板の表面の端部に配置され、前記２本の結合部線路パターンの長手方向の端にそれぞれ接続された４本の入出力線路パターンと、
前記多層誘電体基板の内層に設けられた第１の内層地導体パターンと、
前記多層誘電体基板の裏面に設けられた裏面地導体パターンと、
前記第１の内層地導体パターンと前記裏面地導体パターンとを接続する複数の導体柱とを備え、
前記第１の内層地導体パターンは、前記２本の結合部線路パターンが存在する領域に積層方向で対応する位置に設けられた、前記領域よりも広い穴を有し、
前記複数の導体柱は、前記第１の内層地導体パターンの穴の周囲に設けられている
ことを特徴とする方向性結合器。
前記多層誘電体基板の内層に設けられ、前記第１の内層地導体パターンと前記裏面地導体パターンとの間に設けられた第２の内層地導体パターンをさらに備えた
ことを特徴とする請求項１記載の方向性結合器。
前記結合部線路パターンは、前記入出力線路パターンよりもパターン幅が広い
ことを特徴とする請求項１又は２記載の方向性結合器。
前記多層誘電体基板の内層に設けられ、前記２本の結合部線路パターンが存在する領域に積層方向で対応する位置に設けられ、前記２本の結合部線路パターンと積層方向でかつ平行して重なる帯状の浮遊導体パターンをさらに備えた
ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれかに記載の方向性結合器。
前記多層誘電体基板の内層に設けられ、前記２本の結合部線路パターンが存在する領域に積層方向で対応する位置に設けられ、前記２本の結合部線路パターンの端部と積層方向でかつ交差して重なる帯状の２本の浮遊導体パターンをさらに備えた
ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれかに記載の方向性結合器。
前記第１の内層地導体パターンは、前記２本の結合部線路パターンが存在する領域に積層方向で対応する位置に設けられ、かつ前記穴のふちに設けられ、前記４本の入出力線路パターンの端部と積層方向で重なる４個の突起状地導体パターンを有する
ことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれかに記載の方向性結合器。