JP5267574B2

JP5267574B2 - 方向性結合器とこれを有する無線通信機

Info

Publication number: JP5267574B2
Application number: JP2010546525A
Authority: JP
Inventors: 一幸戸谷; 仁士平田
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2009-01-19
Filing date: 2009-01-19
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2029-01-19
Also published as: US20110273242A1; KR20110107803A; CA2749355A1; EP2381526A4; JPWO2010082346A1; BRPI0924050A2; TW201108502A; CN102282721A; EP2381526A1; RU2011134671A; WO2010082346A1

Description

本発明は、送信電力制御を行う無線通信技術に不可欠である方向性結合器と、この方向性結合器が組み込まれた無線通信機に関するものである。

例えば、送信電力制御を行う無線通信機における送信系の高出力増幅器には、その出力電力のモニタリングのために、方向性結合器（カプラ）が設けられている。この送信側増幅器の出力は送受信アンテナに接続されるが、アンテナの反射電力は野鳥や自然障害物によって変動する。
また、最近では、アレーアンテナやＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）アンテナ等の隣接アンテナからの電波エネルギーの回り込みも無視できない。

そこで、上記のようなアンテナからの反射電力の影響を軽減するため、出力電力モニタには高いアイソレーション特性を有する方向性結合器が必要となる。また、昨今の高速通信化に対応した無線通信機では、広帯域特性が必須条件となっている。
かかる高いアイソレーション特性を得るための方向性結合器としては、同軸カプラ回路やストリップライン回路が一般的に用いられる。

図７は、ストリップラインで構成された従来の方向性結合器１の概略構成図であり、（ａ）はその結合器１の平面図、（ｂ）はＢ−Ｂ線断面図である。
ここで、ストリップライン５０とは、図７（ｂ）に示すように、表裏両面に導体箔５２，５２を形成した板状の誘電体基板５１の内部に線状の導体箔５３を形成した断面構造を有する伝送路のことをいい、同軸ケーブルの外部導体の両側面を切り開いて２枚の導体箔とし、内部導体を箔状に引き延ばした形状に相当する。

図７（ａ）に示すように、この方向性結合器１は、互いに間隔を有して配置された上記線状の導体箔５３よりなる主線路２と副線路３とを含んでいる。
主線路２は、増幅器出力が入力される入力ポートＰ１と、アンテナ側に接続される出力ポートＰ２とを有する。また、副線路３は、カップリングポートＰ３とアイソレーションポートＰ４とを有し、このうち、カップリングポートＰ４からモニタリング用の出力が取り出される。

なお、ストリップラインよりなる方向性結合器１では、通常、増幅器出力信号の波長をλとすると、主線路２に対する副線路３の結合長さはλ／４に設定される。
図７に示すストリップラインよりなる方向性結合器１では、電界及び磁界の進行方向成分がゼロであるＴＥＭモード（Transverse
Electromagnetic mode）で信号を伝搬することができ、このＴＥＭモードでは、ＤＣから高周波までのすべての周波数の信号を伝搬することができる。

またＴＥＭモードでは、周波数分散が存在しないことから、信号の波形歪みを生じないという利点を持っている。
このように、ストリップラインはＴＥＭモードでの信号伝送が可能であるから、広帯域でかつ高いアイソレーション特性を有する方向性結合器１を構成できるが、その反面、表面、裏面及び内部の三層に導体箔５２，５３のパターンを形成する必要があるので、製造工程が複雑になる。

このため、一般には、方向性結合器１を高周波回路内に実装する場合にも、ストリップラインを半分にした構造に相当するマイクロストリップライン（裏面に導体箔を形成した板状の誘電体基板の表面に線状の導体箔を形成した構造）が多用される。
ところが、マイクロストリップラインは、誘電体基板の上に形成される導体が誘電率の異なる空気に接しているため、導体が２種類の媒質に接していることになり、完全なＴＥＭモードは成立しない。

このようにＴＥＭモードからやや外れた伝送モードは準ＴＥＭモードと呼ばれるが、かかる準ＴＥＭモードでは、ＴＥＭに対応するモードの他に高次のモードが存在するので、マイクロストリップラインの場合には、広帯域でかつ高いアイソレーション特性を有する方向性結合器を実現するのが難しいという問題がある。
そこで、この問題を解決する先行技術として、マイクロストリップラインよりなる方向性結合器において、副線路のカップリングポートとグランド間にキャパシタンス素子を接続し、副線路の終端側とグランド間にインダクタンス素子と抵抗素子を直列接続し、使用周波数帯域内でのアイソレーション特性を改善するためにそれらの素子の値を設定するようにしたものが知られている（特開２００７−１９４８７０号公報）。

しかしながら、この先行技術では、副線路の各ポートに素子を接続する回路構成であるから、方向性結合器が大型化する欠点があるとともに、これらの素子の特性値にはバラツキがあるため、適切なアイソレーション特性を得るのが困難であるという問題がある。
本発明は、このような実情に鑑み、簡単な回路構成で小型化が可能であり、しかも、広帯域でかつ高いアイソレーション特性を有する、マイクロストリップラインよりなる方向性結合器とこれを搭載した無線通信機を提供することを目的とする。

本発明は、入力ポートと出力ポートとを有する主線路と、カップリングポートとアイソレーションポートとを有する副線路とを含む、マイクロストリップラインで構成された方向性結合器であって、前記副線路は、前記主線路よりも細幅の高インピーダンス線路からなり、前記高インピーダンス線路は、前記主線路に対していずれも平行に延びる第１結合線路と第２結合線路とを有しており、前記第１結合線路と前記主線路間の距離が前記第２結合線路と前記主線路間の距離よりも小さいことを特徴とする。

本発明によれば、副線路を構成する高インピーダンス線路が上記第１結合線路と第２結合線路とを有しているので、近い方の第１結合線路によって主線路に対する電界結合が支配的な部分を構成し、遠い方の第２結合線路によって主線路に対する磁界結合が支配的な部分を構成することにより、副線路に発生する磁界電流と電界電流の誘起をバランスさせることができる。
従って、準ＴＥＭモードであるマイクロストリップラインの場合でも、ＴＥＭモードの場合と同様に、広帯域でかつ高いアイソレーション特性を有する方向性結合器を構成することができる。

本発明において、副線路を構成する前記高インピーダンス線路は、前記主線路に対して直交する方向に延びて前記第１結合線路と前記第２結合線路の端部同士を互いに繋ぐ中間直交線路を有することが好ましい。
この場合、第１及び第２結合線路の端部同士が主線路に対して直交する方向に延びる中間直交線路で繋がっているので、主線路に対する副線路の結合長さ（主線路方向の長さ）をコンパクトにすることができ、方向性結合器を小型化することができる。

また、本発明において、副線路を構成する前記高インピーダンス線路は、前記第２結合線路と前記主線路間の距離よりも大きい長さを有するインピーダンス調整部を備え、このインピーダンス調整部の端部に前記アイソレーションポートが設けられていることが好ましい。
この場合、上記インピーダンス調整部の長さ調整によって副線路のインピーダンスを調整できるので、高インピーダンス線路の幅寸法等のバラツキに伴うインピーダンスの不整合を吸収することができる。

本発明の方向性結合器は、送信電力制御を行う送信系を有する無線通信機に好適に使用することができる。この場合、前記送信系に、当該送信系を構成する高出力増幅器の送信出力をモニタリングするための本発明の方向性結合器が搭載される。

（ａ）は本発明の方向性結合器の概略構成を示す平面図であり、（ｂ）はそのＡ−Ａ線断面図である。本発明の方向性結合器を用いた無線通信機の機能ブロック図である。本発明の方向性結合器の実装例を示す平面図である。図３の方向性結合器のレベル特性を示すグラフである。本発明の変形例に係る方向性結合器の平面図である。本発明の他の変形例に係る方向性結合器の平面図である。従来の方向性結合器の概略構成を示す平面図であり、（ｂ）はそのＢ−Ｂ線断面図である。

以下、図面に基づいて、本発明の実施形態を説明する。
〔方向性結合器〕
図１は、本発明の一つの実施形態に係る方向性結合器１の概略図であり、（ａ）はその結合器１の平面図、（ｂ）はＡ−Ａ線断面図である。
本実施形態の方向性結合器１は、後述する無線通信機３０の高出力増幅器３３が実装される、マイクロストリップライン２０よりなる分布定数回路で構成されている。

図１（ｂ）に示すように、マイクロストリップライン２０は、裏面に導体箔２３が形成された板状の誘電体基板２１の表面に線状の導体箔２２を形成したものであり、裏面側の導体箔２３はグランドになっている。
図１（ａ）に示すように、本実施形態の方向性結合器１は、入力ポートＰ１と出力ポートＰ２とを有する主線路２と、カップリングポートＰ３とアイソレーションポートＰ４とを有する副線路３とを備えている。

主線路２及び副線路３は、いずれも所定幅に形成された帯状の前記導体箔２２よりなるが、副線路３は主線路２よりも細幅の高インピーダンス線路４により構成されている。
この高インピーダンス線路４の線路幅ｗ２は、主線路２の線路幅ｗ１に比べて実質的に非常に小さい寸法に設定されており、例えば、主線路２の線路幅ｗ１に対して２５％程度に設定される。

副線路３を構成する高インピーダンス線路４は、主線路２に対してより近い位置で平行に延びる第１結合線路５Ａ，５Ｂと、主線路２に対してより遠い位置で平行に延びる第２結合線路６とを有している。すなわち、第１結合線路５Ａ，５Ｂと第２結合線路６はいずれも主線路２に対して平行に延びており、第１結合線路５Ａ，５Ｂと主線路２間の距離が第２結合線路６と主線路２間の距離よりも小さくなっている。
本実施形態の方向性結合器１では、主線路２から近い方の第１結合線路５Ａ，５Ｂは、左右一対配置されていて第２結合線路６よりも短く、主線路２から遠い方の第２結合線路６は、左右一対の第１結合線路５Ａ，５Ｂの間に配置されている。

また、高インピーダンス線路４は、主線路２に対して直交する方向に延び、第１結合線路５Ａ，５Ｂと第２結合線路６の端部同士を互いに繋ぐ中間直交線路７Ａ，７Ｂを有している。
更に、高インピーダンス線路４は、左側の第１結合線路５Ａの左端部から主線路２に対して直交する方向に延びる端部直交線路８を有し、この直交線路８の端部に前記カップリングポートＰ３が接続されている。

また、副線路３を構成する高インピーダンス線路４は、右側の第１結合線路５Ｂの右端部から主線路２に対して直交する方向に延び、第２結合線路６と主線路２間の距離よりも大きい長さを有するインピーダンス調整部９を備えている。このインピーダンス調整部９端部に前記アイソレーションポートＰ４が接続されていて、このアイソレーションポートＰ４とグランドとの間に抵抗器１０が接続されている。
以上から明らかな通り、本実施形態では、副線路３を構成する高インピーダンス線路４は、カップリングポートＰ３側からアイソレーションポートＰ４に向かって、順に、端部直交線路８、第１結合線路５Ａ、中間直交線路７Ａ、第２結合線路６、中間直交線路７Ｂ、第１結合線路５Ｂ及びインピーダンス調整部９を有している。

なお、副線路３である高インピーダンス線路４の主線路２に対する結合長さＬ（第１結合線路５Ａ，５Ｂと第２結合線路６の総延長）は、増幅器出力信号の波長をλとすると、λ／８以下になるように設定されている。

上記構成に係る方向性結合器１によれば、副線路３を構成する高インピーダンス線路４が、主線路２から近い方の第１結合線路５Ａ，５Ｂと主線路２から遠い方の第２結合線路６とを有しているので、近い方の第１結合線路５Ａ，５Ｂによって主線路２に対する電界結合が支配的な部分を構成し、遠い方の第２結合線路６によって主線路２に対する磁界結合が支配的な部分を構成することができ、これにより、副線路３に発生する磁界電流と電界電流の誘起をバランスさせることができる。

従って、準ＴＥＭモードであるマイクロストリップライン２０よりなる方向性結合器１であるにも拘わらず、ＴＥＭモードの場合と同様に、広帯域でかつ高いアイソレーション特性を有する方向性結合器１を構成することができる。
また、第１結合線路５Ａ，５Ｂと第２結合線路６とで副線路３に生じる電磁界のバランスを取ってアイソレーション特性を改善するようにしたので、前記した先行技術（特開２００７−１９４８７０号公報）のように、キャパシタンス素子やインダクタンス素子を設ける必要がなく、方向性結合器１の大型化を防止できるという利点もある。

更に、本実施形態の方向性結合器１によれば、副線路２を構成する高インピーダンス線路３が、主線路２に対して直交する方向に延びて第１結合線路５Ａ，５Ｂと第２結合線路６の端部同士を互いに繋ぐ中間直交線路７Ａ，７Ｂを有するので、副線路３の結合長さＬをコンパクトにすることができ、方向性結合器１を小型化することができる

また、本実施形態の方向性結合器１によれば、第２結合線路６と主線路２間の距離よりも大きい長さを有するインピーダンス調整部９が設けられ、この調整部９の端部にアイソレーションポートＰ４が設けられているので、当該インピーダンス調整部９の長さ調整によって副線路３のインピーダンスを調整でき、高インピーダンス線路４の幅寸法等のバラツキに伴うインピーダンスの不整合を吸収することができる。

なお、今回開示した実施形態は本発明の例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は、上記実施形態ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲とその構成と均等な意味及び範囲内での全ての変更が含まれる。
例えば、上記実施形態では、第１結合線路５Ａ，５Ｂが２つで第２結合線路６が１つになっているが、これらは交互に配置されておればよく、それらの配置数の組み合わせは任意に設定することができる。

〔無線通信機〕
図２は、上記方向性結合器１を用いた無線通信機３０の機能ブロック図である。
図２において、本実施形態の無線通信機３０は、例えばＷｉＭＡＸ（Worldwide Interoperability for Microwave Access）の基地局装置や移動端末装置に使用可能なものであり、アップコンバータ３１、アッテネータ３２、高出力増幅器３３、本実施形態の方向性結合器１、検波器３４、制御部３５を含む送信系３６と、低雑音増幅器３７、方向性結合器３８、アッテネータ３９、ダウンコンバータ４０、検波器４１、制御部４２を含む受信系４３とから構成されている。

上記送信系３６及び受信系４３には、ハイブリット回路４４を介して送受信アンテナ４５が接続されている。従って、送信信号は、アップコンバータ３１で周波数変換され、その後、アッテネータ３２で送信レベルが調整されてから高出力増幅器３３で増幅され、ハイブリッド回路４４を通じて送受信アンテナ４５から外部に送信される。
一方、送受信アンテナ４５で受信された受信信号は、ハイブリッド回路４４を介して受信系４３に入力される。この受信信号は、低雑音増幅器３７で増幅されたあと、アッテネータ３９で受信レベルが調整されてから、ダウンコンバータ４０で周波数変換される。

この無線通信機３０の送信系３６において、本実施形態の方向性結合器１を介して検波器３４によって検出された検波信号は、送信側の制御部３５に入力される。この制御部３５は、入力された検波信号に基づいて、アッテネータ３２に対するレベル調整と高出力増幅器３３に対する増幅率の制御を行う。
また、無線通信機３０の受信系４３において、方向性結合器３８を介して検波器４１によって検出された検波信号は、受信側の制御部４２に入力される。この制御部４２は、入力された検波信号に基づいて、アッテネータ３９に対するレベル調整を行う。

〔方向性結合器の実装例〕
図３は、本実施形態の方向性結合器１の具体的な実装例を示す平面図である。
この実装例の方向性結合器１では、主線路２及び副線路３等の各寸法は次の通り設定されている。
（１）基板条件
板厚：０．８ｍｍ
比誘電率：３．５

（２）主線路
主線路幅：１．６ｍｍ
（３）副線路
副線路幅：０．４ｍｍ
第１結合線路の長さ：１．６ｍｍ
第２結合線路の長さ：５．４ｍｍ
インピーダンス調整部の長さ：１２．０ｍｍ

図４は、図３に示す実装例に係る方向性結合器１のレベル特性を示すグラフである。
この図４に示すように、本実装例に係る方向性結合器１によれば、所望の広い周波数帯域（２０４０〜２２４０ＭＨｚ）において、カップリング特性とアイソレーション特性との間に約２０ｄＢという非常に高いレベル差が認められる。
このように、本発明の方向性結合器１によれば、広帯域特性でかつ２０ｄＢ以上の高い方向性特性が得られる。

〔変形例〕
図５は、本発明の変形例に係る方向性結合器１の平面図である。
図５に示すように、この変形例に係る方向性結合器１の特徴は、副線路３のインピーダンス調整部９に、寄生インダクタ成分をキャンセルするためのキャンセル用コンデンサ１１を接続した点にある。以下、この特徴点について説明する。

すなわち、この変形例に係る方向性結合器１においても、インピーダンス調整部９に接続する抵抗１０の位置を微調整することで、副線路３のインピーダンスを調整することができる。
しかし、この場合、インピーダンス調整部９において、抵抗１０の接続点からアイソレーションポートＰ４までの間に冗長ライン９Ａが必要となる場合があり、この冗長ライン９Ａが寄生インダクタとして作用し、アイソレーション特性を劣化させることがある。

そこで、この変形例では、冗長ライン９Ａによって生じる寄生インダクタ成分をキャンセルするためのコンデンサ１１をインピーダンス調整部９に追加的に接続することにより、冗長ライン９Ａに伴う上記の問題を解決するようにした。
なお、上記キャンセル用コンデンサ１１としては、静電容量が例えば０．５ｐＦ〜０．７５ｐＦの範囲のものを使用することができ、この場合、方向性結合器１の主特性には殆ど影響がない。

〔他の変形例〕
図６は、本発明の他の変形例に係る方向性結合器１の平面図である。
図６に示すように、この変形例に係る方向性結合器１の特徴は、順方向信号をカップリングする第１カプラ回路１３に加えて、この第１カプラ回路１３を主線路２に対して点対称の位置関係となるように反転させた第２カプラ回路１４を誘導体基板２１に設けることにより、ＶＳＷＲ（Voltage Standing Wave Ratio：電圧定在波比）についてもモニタリング可能な方向性結合器１とした点にある。以下、この特徴点について説明する。

図６に示す変形例において、第１カプラ回路１３は、主線路２に流れる順方向信号（アンテナ入力）をカップリングする。これに対して、第２カプラ回路１４は、点対称で反転していること以外は第１カプラ回路１３と同じ構造になっているので、主線路２に流れる順方向信号とは逆向きの信号（反射電力）をカップリングする。
従って、第１カプラ回路１３のカップリングポートから得られる電力と、第２カプラ回路１４のカップリングポートから得られる反射電力とを用いて、ＶＳＷＲ値を算出することができる。

この変形例に係る方向性結合器１によれば、高いアイソレーション特性を持つカプラ回路１３，１４を同じ誘導体基板２１上に配置しているので、小型かつ安価であり、しかも大きなダイナミックレンジを有するＶＳＷＲモニタを構成することができる。

なお、ＶＳＷＲ（電圧定在波比）とは、電気機器内を高周波信号が通過するときに、信号の一部が回路上で反射されてしまう度合いのことをいい、ＶＳＷＲ値が「１」の時は全く反射のない理想的な状態であるが、反射が大きいほど数値が大きくなり、信号ロスなどが大きいことを示している。
従って、高周波信号を扱う通信機器の場合、ＶＳＷＲ値ができるだけ低いことが要求されるが、アンテナ等ではＶＳＷＲ値が１．５以下（反射電力が４％以下)程度が一つの目安になっている。

産業上の利用分野

本発明は、送信用の高出力増幅器の出力を制御し、安定した送信出力で通信するための無線通信技術に利用されるものであり、その高出力増幅器の出力電力をモニタリングするのに適した方向性結合器を提供する。

Claims

入力ポートと出力ポートとを有する主線路と、カップリングポートとアイソレーションポートとを有する副線路とを含む、マイクロストリップラインで構成された方向性結合器であって、
前記副線路は、前記主線路よりも細幅の高インピーダンス線路からなり、
前記高インピーダンス線路は、前記主線路に対していずれも平行に延びる第１結合線路と第２結合線路とを有しており、前記第１結合線路と前記主線路間の距離が前記第２結合線路と前記主線路間の距離よりも小さいことを特徴とする方向性結合器。
前記高インピーダンス線路は、前記主線路に対して直交する方向に延びて前記第１結合線路と前記第２結合線路の端部同士を互いに繋ぐ中間直交線路を有する請求項１に記載の方向性結合器。
前記高インピーダンス線路は、前記第２結合線路と前記主線路間の距離よりも大きい長さを有するインピーダンス調整部を備え、このインピーダンス調整部の端部に前記アイソレーションポートが設けられている請求項１又は２に記載の方向性結合器。
送信電力制御を行う送信系を有する無線通信機であって、
前記送信系が、当該送信系を構成する高出力増幅器の送信出力をモニタリングするための請求項１〜３のいずれかに記載の方向性結合器を備えていることを特徴とする無線通信機。