JP5517003B2 - 方向性結合器 - Google Patents

Description

本発明は、方向性結合器に係り、特に、方向性結合器の小型低背化と良好な電気的特性の双方を実現する導体パターンの配置構造に関する。

伝送線路上を伝搬する高周波電力を分岐させ或いは合流させる機能を有する方向性結合器（Directional Coupler／以下単に「カプラ」と称する）は、携帯電話機や無線ＬＡＮ通信装置、ブルートゥース（Bluetooth／登録商標）規格の通信装置など各種の無線通信機器の送信回路を構成する上で不可欠な部品となっている。

このカプラは、一端に第一ポートを、他端に第二ポートをそれぞれ有する第一線路と、一端に第三ポートを、他端に第四ポートをそれぞれ有する第二線路とを、互いに近接させて配置することにより両線路を電磁界結合させたものである。

このような結合線路部を備えたカプラは、例えば、通信機器の送信回路において送信信号のレベルをモニタリングする検出手段として使用することが出来る。具体的には、送信信号を増幅する電力増幅器（ＰＡ）とアンテナとの間にカプラを挿入し、ＰＡからの送信信号をカプラの第一ポート（入力ポート）を通じて第一線路（主線路）へ入力し、第二ポート（出力ポート）からアンテナ側へ出力させる。このとき、第一線路を伝送する送信信号の一部がこれと電磁界結合する第二線路（副線路）を通じて取り出され、第三ポート（結合ポート）からモニタ信号として自動出力制御回路（ＡＰＣ回路）へ出力される。ＡＰＣ回路は、当該モニタ信号のレベル（即ち送信信号のレベル）に応じてＰＡの出力が一定になるようにＰＡの利得を制御する。このようなＰＡのフィードバック制御により送信出力の安定化を図ることが出来る。

また、カプラは、高周波電力を９０°の位相差を持たせて分岐し、あるいは逆に９０°の位相差を有する高周波電力を合成することが可能であるから、例えば差動型パワーアンプの入力用分配器および出力用合成器としてカプラを使用することも可能である。具体的には、第一ポートから送信信号を入力し、この送信信号を１／２ずつ第二ポートと第三ポートから９０°の位相差を持ってそれぞれ分岐出力させることにより差動型パワーアンプの入力用分配器として使用することが出来る。また、９０°の位相差を有する高周波信号を第二ポートと第三ポートからそれぞれ入力すれば、これら９０°の位相差を有する高周波信号を合成して第一ポートから取り出すことが出来るから、差動型パワーアンプの出力用合成器として用いることも可能である。

さらに、このようなカプラを開示する文献として下記特許文献がある。

特開２００２−２８０８１０号公報 特開平８−１９１２０６号公報

ところで、カプラを構成する場合には、一般に、第一線路と第二線路の長さを使用周波数帯の１／４波長程度に設定すればその周波数帯において良好な特性を得ることが出来る。

ところが、携帯電話機等の移動体無線機器で主に用いられる準マイクロ波帯の１／４波長は数ｃｍ程度となり、軽薄短小化が必要な携帯電話機等の移動体無線機器に使用するカプラにこの長さの結合線路を備えることはサイズの点から現実的ではない。また、数ｃｍ以上の長い結合線路を使用すると挿入損失が非常に大きくなり、電池寿命の大幅な低下に繋がってしまうという移動体無線機器にとって致命的な不具合を生じる。このため、使用周波数帯の１／４波長よりも短い結合線路のカプラが通常使用されているが、このようなカプラで理想的な特性を得ることは容易ではない。

ここで、結合線路を形成する方法としては、前記特許文献１に記載の発明のように同一平面内で（同一の導体層内で）両線路を近接して平行に配置することにより結合を行う形態（以下このような結合形態を「層内結合」と称する）と、前記特許文献２に記載の発明のように第一線路と第二線路をそれぞれ異なる導体層に且つ平面から見たときに互いに重なり合うように配置することにより結合を行う形態（以下このような結合形態を「層間結合」と称する）とが知られているが、層数は多くなるものの、両線路の面同士を対向させ結合させることが出来る層間結合が両線路の結合を強めて良好な特性を得る点からは有利である。

図３５Ａ〜図３５Ｏは、このような層間結合により結合線路を形成したカプラの構成例を示すものである。これらの図に示すようにこのカプラ（以下「比較例」と言う）は、第１層から第８層までの計８層の導体層を有する積層基板を使用し、第３層と第６層にビアホール（以下単に「ビア」と言う）Ｖ１を介して第一線路１２を渦巻状にそれぞれ形成するとともに、第２層と第５層にビアＶ２を介して第二線路１３を渦巻状にそれぞれ形成し、第３層（図３５Ｅ）の第一線路１２と第２層（図３５Ｃ）の第二線路１３とが平面から見たときに重なるように配置することでこれらの線路１２，１３を層間結合させ、同様に第６層（図３５Ｋ）の第一線路１２と第５層（図３５Ｉ）の第二線路１３とが平面から見たときに重なるように配置することでこれらの線路１２，１３を層間結合させたものである。

なお、上記図３５Ａ〜図３５Ｏは、積層基板の各層を上層から下層に向け順に示すものであるが（後述の図２Ａ〜図２Ｋも同様）、本出願ではこれら基板各層のうち、導体パターンを配置した層を、上層から下層に向け順に第１層、第２層、…と称し、ビアＶ，Ｖ１，Ｖ２以外の導体パターンを配置していない層を上層から下層に向け順に第１絶縁層、第２絶縁層、…と称する（後述の実施形態についても同様）。また、特許請求の範囲に言う「第一導体層」は、例えば上記導体パターンを配置した第１層、第２層、…のいずれかの層に相当し、「第二導体層」は例えば前記導体パターンを配置した第１層、第２層、…のいずれかの層であって前記第一導体層とは異なる層に相当する。

さらに、図中の符号Ｐ１は第一ポート、Ｐ２は第二ポート、Ｐ３は第三ポート、Ｐ４は第四ポートをそれぞれ示している。また当該カプラは、使用周波数帯として２．６ＧＨｚ帯を想定したもので、機能層サイズは例えば横１．０ｍｍ、縦０．５ｍｍ、高さ（厚さ）０．１４２ｍｍとすることが出来る。また図３６Ａ〜図３６Ｄは、上記比較例に係るカプラの周波数特性（反射損失、挿入損失、結合度、アイソレーション及び位相差）を示すものであり、現状で要求されている各仕様Ｓ１〜Ｓ４を一応満たすことは可能となっている。

しかしながら、上記カプラ構造では結合線路の形成に４層の導体層が必要であり、カプラの高さ寸法が大きくなってしまう。一方、高さ（層数）を抑えようとすればその分、平面形状が大きくならざるを得ない。さらに、近年の電子機器の小型薄型化ならびに多機能・高機能化の進展に伴い更なる特性向上が求められており、上記カプラでは機能層サイズを維持しながらこれに応えることは難しい。

したがって、本発明の目的は、小型低背でより一層良好な特性を有するカプラを得る点にある。

前記課題を解決し目的を達成するため、本発明に係るカプラ（方向性結合器）は、２本の導体線路を同一の導体層内で互いに近接して平行に配置することにより電磁界結合を生じさせる層内結合と、２本の導体線路をそれぞれ異なる導体層に且つ平面から見たときに長さ方向に関し互いに重なり合うように配置することにより電磁界結合を生じさせる層間結合の双方を備えたものである。

具体的には、本発明に係るカプラは、基本的態様として、高周波信号を伝送可能な第一線路と、第一線路と電磁界結合する第二線路と、第一線路の一端部に備えた第一ポートと、第一線路の他端部に備えた第二ポートと、第二線路の一端部に備えた第三ポートと、第二線路の他端部に備えた第四ポートとを有し、これらを絶縁層を介して積層した第一導体層および第二導体層を含む複数の導体層を有する積層基板に備えたカプラであって、第一導体層に第一線路と第二線路とを配置し、第一導体層内で第一線路と第二線路とを互いに近接させ平行に延在するように配置することによりこれら第一線路と第二線路間に電磁界結合を生じさせるようにした層内結合部を形成するとともに、第一導体層に配置した第一線路と平面から見たときに長さ方向に関し重なり合う部分が存在するように第二線路を第二導体層内に引き回すことにより当該第二導体層内の第二線路と前記第一導体層内の第一線路との間に電磁界結合を生じさせるようにした層間結合部を形成した。

また好ましい態様として、上記基本態様において次のような各態様を採用することが、小型低背で且つ良好な特性を有するカプラを実現する点で好ましい。

（１）上記基本態様において、第一導体層に配置した第二線路と平面から見たときに長さ方向に関し重なり合う部分が存在するように第一線路を第二導体層内に引き回すことにより当該第二導体層内の第一線路と前記第一導体層内の第二線路との間に電磁界結合を生じさせるようにした層間結合部をさらに形成する。尚この場合、当該第一線路が主線路で第二線路が副線路であっても良いし、逆に、第一線路が副線路で第二線路が主線路であっても良い（以下同様）。

（２）上記基本態様または（１）の態様において、第二導体層に引き回した第二線路が前記層内結合部において第一線路と電磁界結合するようにし、これにより、前記層内結合部において、同一導体層内における電磁界結合である層内結合と、異なる導体層間における電磁界結合である層間結合の双方が行われるようにする。

（３）上記（２）の態様において、第二導体層に引き回した第一線路が前記層内結合部において第二線路と電磁界結合するようにし、これにより、前記層内結合部において、同一導体層内における電磁界結合である層内結合と、異なる導体層間における電磁界結合である層間結合の双方が行われるようにする。

（４）前記層内結合と層間結合が同時に行われる部分を二重結合部と称することとすると、上記（２）または（３）の態様において、当該二重結合部がループ状に形成されるように第一線路および第二線路を積層基板内に配置する。

（５）上記基本態様において、積層基板が方形の平面形状を有し、第一導体層および第二導体層は共に積層基板内に水平に配置され、第一導体層において、第一の角部に第一ポートが配置されるとともに当該第一の角部に隣り合う第二の角部に第三ポートが配置され、第一ポートから延びる第一線路と第三ポートから延びる第二線路とが第一導体層内で前記層内結合部を形成するように互いに近接して平行に且つ第一導体層の周縁部から中心部に向け螺旋を描くように渦巻状に延び、さらに、第一導体層の中心部において当該第一線路は第一のビアホールに接続されて当該第一のビアホールによって第二導体層の中心部へ引き回されるとともに当該第二線路は第二のビアホールに接続されて当該第二のビアホールによって第二導体層の中心部へ引き回され、平面から見たときに前記第一の角部と対角位置にある角部を第三の角部、前記第二の角部と対角位置にある角部を第四の角部とそれぞれしたときに、第二導体層において、第三の角部および第四の角部のうちの一方に第三ポートが配置されるとともに第三の角部および第四の角部のうちの他方に第四ポートが配置され、前記第一のビアホールから第二ポートへ延びる第一線路と前記第二のビアホールから第四ポートへ延びる第二線路とが、第二導体層内で前記層内結合部を形成するように互いに近接して平行に且つ第二導体層の中心部から周縁部に向け螺旋を描くように渦巻状に延び、さらに、平面から見たときに第一導体層内の第一線路と第二導体層内の第二線路とが互いに重なり合うと共に第一導体層内の第二線路と第二導体層内の第一線路とが互いに重なり合うことにより前記層間結合部を形成するように第一導体層内で渦巻状に延びた層内結合部と第二導体層内で渦巻状に延びた層内結合部とが平面から見て重なり合い、これにより、同一導体層内における電磁界結合と、異なる導体層間における電磁界結合とを兼ね備えた二重結合部を形成する。

（６）また、上記（５）の態様では、第一ポートへの接続端部、第三ポートへの接続端部、第二ポートへの接続端部、第四ポートへの接続端部、および、前記第一および第二のビアホールへの接続端部を除く略全長に亘って前記二重結合部を形成することがカプラを小型化する点で好ましい。

（７）さらに、上記基本態様又は好ましい態様のいずれかのカプラにおいて、第二線路と第四ポートの間に接続するように前記積層基板内に終端抵抗を備えても良い。このような態様によれば、第四ポートに別途、終端抵抗を接続しなくても良好な特性が得られるカプラを提供することが出来る。

本発明は、上記のように、同一の導体層内で第一線路と第二線路を互いに近接させて結合させる層内結合と、第一線路と第二線路を異なる導体層に且つ平面から見たときに互いに重なり合うように配置して結合させる層間結合を１つのカプラの中に併用することにより、カプラの小型低背化と良好な特性の双方を同時に実現することが出来る。

特に、層内結合部が同時に層間結合を形成するように第一線路と第二線路を引き回すこと、言い換えれば、層内結合と層間結合を兼ね備えた（層内結合部であると同時に層間結合部でもある）結合線路部分である二重結合部を備えることにより、第一・第二両線路の結合を従来に比べ高めることができ、小型低背にも拘らず従来より良好な特性を得ることが可能となる。なお、当該結合線路の具体的なパターン形状ならびに特性上の効果については、後の実施形態の説明において図面を参照しつつ更に述べる。

本発明のカプラはその用途を特に限定されるものではないが、一例を挙げれば、前述したように無線通信機器において送信信号のレベルを監視する検出手段を構成することが出来る。この場合、第一線路と第二線路のいずれか一方を送信信号を伝送する主線路とするとともに、他方を送信信号に対応したレベルのモニタ信号を取り出す副線路とし、第一ポートを入力ポート（又は結合ポート）、第二ポートを出力ポート（又はアイソレーションポート）とし、第三ポートを結合ポート（又は入力ポート）、第四ポートをアイソレーションポート（又は出力ポート）としてそれぞれ使用すれば良い。

また、前述したような差動型パワーアンプの入力用分配器や出力用合成器を構成することも可能である。入力用分配器を構成する場合には、第一ポート（又は第三ポート）から送信信号を入力し、この送信信号を１／２ずつ第二ポート（又は第四ポート）と第三ポート（又は第一ポート）からそれぞれ分岐出力させるようにすれば良い。また、出力用合成器を構成する場合には、合成すべき高周波信号を第二ポート（又は第四ポート）と第三ポート（又は第一ポート）からそれぞれ入力し、第一ポート（又は第三ポート）から合成信号を出力させれば良い。

本発明によれば、小型薄型で良好な特性を有するカプラを実現することが出来る。

本発明の他の目的、特徴および利点は、図面に基づいて述べる以下の本発明の実施の形態の説明により明らかにする。なお、各図中、同一の符号は、同一又は相当部分を示す。

図１は、本発明の第１実施形態に係るカプラを示す回路図である。 図２Ａは、前記第１実施形態に係るカプラを示すもので、当該カプラを構成する積層基板の第１層を示す平面図である。 図２Ｂは、前記第１実施形態に係るカプラを示すもので、当該カプラを構成する積層基板の第１絶縁層を示す平面図である。 図２Ｃは、前記第１実施形態に係るカプラを示すもので、当該カプラを構成する積層基板の第２層を示す平面図である。 図２Ｄは、前記第１実施形態に係るカプラを示すもので、当該カプラを構成する積層基板の第２絶縁層を示す平面図である。 図２Ｅは、前記第１実施形態に係るカプラを示すもので、当該カプラを構成する積層基板の第３層を示す平面図である。 図２Ｆは、前記第１実施形態に係るカプラを示すもので、当該カプラを構成する積層基板の第３絶縁層を示す平面図である。 図２Ｇは、前記第１実施形態に係るカプラを示すもので、当該カプラを構成する積層基板の第４層を示す平面図である。 図２Ｈは、前記第１実施形態に係るカプラを示すもので、当該カプラを構成する積層基板の第４絶縁層を示す平面図である。 図２Ｉは、前記第１実施形態に係るカプラを示すもので、当該カプラを構成する積層基板の第５層を示す平面図である。 図２Ｊは、前記第１実施形態に係るカプラを示すもので、当該カプラを構成する積層基板の第５絶縁層を示す平面図である。 図２Ｋは、前記第１実施形態に係るカプラを示すもので、当該カプラを構成する積層基板の第６層を示す平面図である。 図３は、前記第１実施形態に係るカプラの第一線路（主線路）を示す平面図である。 図４は、前記第１実施形態に係るカプラの第二線路（副線路）を示す平面図である。 図５は、前記第１実施形態に係るカプラの第一線路（主線路）および第二線路（副線路）の配置を透視状態で示した平面図である。 図６Ａは、前記第１実施形態に係るカプラの反射損失を示す線図である。 図６Ｂは、前記第１実施形態に係るカプラの挿入損失および結合度を示す線図である。 図６Ｃは、前記第１実施形態に係るカプラのアイソレーションを示す線図である。 図６Ｄは、前記第１実施形態に係るカプラの位相差を示す線図である。 図７Ａは、本発明の第２実施形態に係るカプラの第１導体層を示す平面図である。 図７Ｂは、前記第２実施形態に係るカプラの第２導体層を示す平面図である。 図８は、前記第２実施形態に係るカプラの第一線路を示す平面図である。 図９は、前記第２実施形態に係るカプラの第二線路を示す平面図である。 図１０は、前記第２実施形態に係るカプラの第一線路および第二線路の配置を透視状態で示した平面図である。 図１１Ａは、本発明の第３実施形態に係るカプラの第１導体層を示す平面図である。 図１１Ｂは、前記第３実施形態に係るカプラの第２導体層を示す平面図である。 図１２は、前記第３実施形態に係るカプラの第一線路を示す平面図である。 図１３は、前記第３実施形態に係るカプラの第二線路を示す平面図である。 図１４は、前記第３実施形態に係るカプラの第一線路および第二線路の配置を透視状態で示した平面図である。 図１５Ａは、本発明の第４実施形態に係るカプラの第１導体層を示す平面図である。 図１５Ｂは、前記第４実施形態に係るカプラの第２導体層を示す平面図である。 図１６は、前記第４実施形態に係るカプラの第一線路を示す平面図である。 図１７は、前記第４実施形態に係るカプラの第二線路を示す平面図である。 図１８は、前記第４実施形態に係るカプラの第一線路および第二線路の配置を透視状態で示した平面図である。 図１９Ａは、本発明の第５実施形態に係るカプラの第１導体層を示す平面図である。 図１９Ｂは、前記第５実施形態に係るカプラの第２導体層を示す平面図である。 図２０は、前記第５実施形態に係るカプラの第一線路を示す平面図である。 図２１は、前記第５実施形態に係るカプラの第二線路を示す平面図である。 図２２は、前記第５実施形態に係るカプラの第一線路および第二線路の配置を透視状態で示した平面図である。 図２３Ａは、本発明の第６実施形態に係るカプラの第１導体層を示す平面図である。 図２３Ｂは、前記第６実施形態に係るカプラの第２導体層を示す平面図である。 図２４は、前記第６実施形態に係るカプラの第一線路を示す平面図である。 図２５は、前記第６実施形態に係るカプラの第二線路を示す平面図である。 図２６は、前記第６実施形態に係るカプラの第一線路および第二線路の配置を透視状態で示した平面図である。 図２７Ａは、本発明の第７実施形態に係るカプラの第１導体層を示す平面図である。 図２７Ｂは、前記第７実施形態に係るカプラの第２導体層を示す平面図である。 図２８は、前記第７実施形態に係るカプラの第一線路を示す平面図である。 図２９は、前記第７実施形態に係るカプラの第二線路を示す平面図である。 図３０は、前記第７実施形態に係るカプラの第一線路および第二線路の配置を透視状態で示した平面図である。 図３１Ａは、本発明の第８実施形態に係るカプラの第１導体層を示す平面図である。 図３１Ｂは、前記第８実施形態に係るカプラの第２導体層を示す平面図である。 図３２は、前記第８実施形態に係るカプラの第一線路を示す平面図である。 図３３は、前記第８実施形態に係るカプラの第二線路を示す平面図である。 図３４は、前記第８実施形態に係るカプラの第一線路および第二線路の配置を透視状態で示した平面図である。 図３５Ａは、本発明の比較例として層間結合により結合線路を形成したカプラを示すもので、当該カプラを構成する積層基板の第１層を示す平面図である。 図３５Ｂは、前記比較例のカプラを示すもので、当該カプラを構成する積層基板の第１絶縁層を示す平面図である。 図３５Ｃは、前記比較例のカプラを示すもので、当該カプラを構成する積層基板の第２層を示す平面図である。 図３５Ｄは、前記比較例のカプラを示すもので、当該カプラを構成する積層基板の第２絶縁層を示す平面図である。 図３５Ｅは、前記比較例のカプラを示すもので、当該カプラを構成する積層基板の第３層を示す平面図である。 図３５Ｆは、前記比較例のカプラを示すもので、当該カプラを構成する積層基板の第３絶縁層を示す平面図である。 図３５Ｇは、前記比較例のカプラを示すもので、当該カプラを構成する積層基板の第４層を示す平面図である。 図３５Ｈは、前記比較例のカプラを示すもので、当該カプラを構成する積層基板の第４絶縁層を示す平面図である。 図３５Ｉは、前記比較例のカプラを示すもので、当該カプラを構成する積層基板の第５層を示す平面図である。 図３５Ｊは、前記比較例のカプラを示すもので、当該カプラを構成する積層基板の第５絶縁層を示す平面図である。 図３５Ｋは、前記比較例のカプラを示すもので、当該カプラを構成する積層基板の第６層を示す平面図である。 図３５Ｌは、前記比較例のカプラを示すもので、当該カプラを構成する積層基板の第６絶縁層を示す平面図である。 図３５Ｍは、前記比較例のカプラを示すもので、当該カプラを構成する積層基板の第７層を示す平面図である。 図３５Ｎは、前記比較例のカプラを示すもので、当該カプラを構成する積層基板の第７絶縁層を示す平面図である。 図３５Ｏは、前記比較例のカプラを示すもので、当該カプラを構成する積層基板の第８層を示す平面図である。 図３６Ａは、前記比較例に係るカプラの反射損失を示す線図である。 図３６Ｂは、前記比較例に係るカプラの挿入損失および結合度を示す線図である。 図３６Ｃは、前記比較例に係るカプラのアイソレーションを示す線図である。 図３６Ｄは、前記比較例に係るカプラの位相差を示す線図である。

〔第１実施形態〕
図１に示すように本発明の第１の実施形態に係るカプラ１１は、高周波電力を伝送する主線路１２と、主線路１２を伝送される当該高周波電力の一部を取り出す副線路１３とを備え、主線路の一部と副線路の一部を互いに近接して配置することにより電磁界結合させるものである。主線路１２は、その一端部に第一ポート（入力ポート）Ｐ１を、他端部に第二ポート（出力ポート）Ｐ２をそれぞれ備え、副線路１３は、その一端部に第三ポート（結合ポート）Ｐ３を、他端部に第四ポート（アイソレーションポート）Ｐ４をそれぞれ備えている。

なお、以下の説明では、第一ポートを「Ｐ１」、第二ポートを「Ｐ２」、第三ポートを「Ｐ３」、第四ポートを「Ｐ４」とそれぞれ称する。また、これら各ポートＰ１、Ｐ２、Ｐ３及びＰ４は、ビアを介して外部接続用の端子Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３及びＴ４にそれぞれ接続する。さらに、Ｐ４と第四の外部接続用端子Ｔ４の間には、終端抵抗（例えば５０Ω抵抗器）Ｒを備える。また、前述のように主線路と副線路の長さを使用周波数帯の４分の１波長程度に設定すれば良好な特性が得られるが、これでは線路長が長くなってしまうため、本実施形態では主線路および副線路は共に使用周波数帯の４分の１波長より短い線路長を有するものとする。

本実施形態のカプラ１１は、前記比較例に係るカプラと同様に複数の導体層を備えた長方形の平面形状を有する積層基板の内部配線層（導体層）に上記主線路および副線路、ならびに各ポートを形成することにより作製する。

図２Ａ〜図２Ｋは、当該積層基板の各層を示すものである。これらの図に示すように、当該積層基板は、第１層から第６層の６層の導体層を有し、第３層と第４層に前記主線路１２、副線路１３および各ポートＰ１〜Ｐ４を形成する。

具体的には、図２Ｇに示すように第４層の左上角部にＰ１を、左下角部にＰ３をそれぞれ備え、Ｐ１からＰ３に向け並びにＰ３からＰ１に向けそれぞれ主線路１２と副線路１３とを延ばして両線路１２，１３を近接させる。そして、両線路１２，１３が一定の間隔を隔てて並走する（平行に延びる）ように、基板周縁部から基板中心部へ向けて渦巻状にパターン形成する。基板中央部の当該渦巻状の線路部は、主線路１２と副線路１３が互い違いに一定の狭い間隔を隔てて巻き回された形態となっており、これにより主線路１２と副線路１３を層内結合させる。

基板中心部において、主線路１２はビアＶ１に、副線路１３はビアＶ２にそれぞれ接続する。これらのビアＶ１，Ｖ２は、当該第４層（図２Ｇ）から第３絶縁層（図２Ｆ）を貫通して第３層（図２Ｅ）まで延びる。図２Ｅに示すように第３層において、ビアＶ１には主線路１２を、Ｖ２には副線路１３をそれぞれ接続する。これら第３層の主線路１２と副線路１３は、前記第４層の主線路１２及び副線路１３とは逆に基板中心部から基板周縁部へ向けて渦巻状にパターン形成してあり、第３層においても主線路１２と副線路１３とが互いに一定の間隔を隔てて渦を巻くように並走し、第３層の右上角部に備えたＰ４に副線路１３を、第３層の右下角部に備えたＰ２に主線路１２をそれぞれ接続する。

なお、この実施形態では、Ｐ４と後に述べる外部接続端子Ｔ４との間に終端抵抗Ｒを接続するため、Ｐ４用の外部接続端子Ｔ４の形成位置に比べて図２Ｅの上下方向の中央寄りにＰ４を形成しているが、当該終端抵抗Ｒを備えない場合には、他のポートＰ１〜Ｐ３と同様に基板底面の外部接続端子Ｔ４の直上位置（図２Ｅの基板右上角のビアＶの形成位置）にＰ４を配置すれば良い。

また、この第３層においても基板中央部の上記渦巻状の線路部は、第４層と同様に、主線路１２と副線路１３とが互い違いに一定の狭い間隔を隔てて巻き回された形態としてあるが、平面から見たときに第３層の主線路１２が第４層の副線路１３に、第３層の副線路１３が第４層の主線路１２にそれぞれ重なるように配置してあり、したがって、これら渦巻状の線路部は層内結合を形成すると同時に第３層と第４層間で層間結合も形成している。

このような二重結合を形成することにより主線路１２と副線路１３との結合を強めることが出来る。なお、図３に平面から見た透視状態で主線路１２を、同様に図４に平面から見た透視状態で副線路１３をそれぞれ示した。また、図５は主線路１２と副線路１３が重なり合って層間結合を生じさせる部分（同図のハッチングを施した部分）を示しており、本実施形態では、後に様々な線路パターンを示して述べるように層内結合部同士が層間結合している二重結合Ｃ４、すなわち、第１導体層（本実施形態の場合、第４層）内の層内結合部の両方の線路（主線路１２及び副線路１３）に対して第２導体層（本実施形態の場合、第３層）内の副線路１３と主線路１２とがそれぞれ層間結合した二重結合Ｃ４を備えている。

また本実施形態では、層間結合を行う導体層（第３層及び第４層）の間に絶縁層（第３絶縁層）が介在されているが、各導体層の間に介在される絶縁層の厚さ等によっては、積層方向に隣り合う導体層間で層間結合を行っても（例えば第３層と第４層間のように他の絶縁層を介在させなくても）勿論良いし、１層以上の導体層が介在される構造であっても構わない。

さらに、図２Ｃ及び図２Ｉに示すように、上記主線路１２と副線路１３を挟むように第２層と第５層にはこれら導体層の略全面に広がるグランド電極Ｇ１，Ｇ２を設けてある。これらのグランド電極Ｇ１，Ｇ２は、実装時に近接して配置される他の部品や部材の影響を本実施形態のカプラ（結合線路）が受けることを防ぐものである。

また、図２Ｋに示すように基板底面の第６層には外部接続用の端子Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，ＴＧを備える。すなわち、前記各ポートＰ１〜Ｐ３の配置位置に対応するように（これらＰ１〜Ｐ３の各直下位置に）、外部接続端子Ｔ１〜Ｔ３を配置し、積層基板を略垂直に貫通するビアＶを介してこれら外部接続端子Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３と前記Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３をそれぞれ接続する。また、第３層に備えたＰ４は基板底面の外部接続端子Ｔ４に接続するが、これらＰ４とＴ４の間には終端抵抗Ｒを挿入する。具体的には、第１層（図２Ａ）に形成した終端抵抗Ｒの一端部と第３層（図２Ｅ）に形成したＰ４とを、第１絶縁層（図２Ｂ）、第２層（図２Ｃ）および第２絶縁層（図２Ｄ）を貫通するビアＶＲによって接続するとともに、当該終端抵抗Ｒの他端部と外部接続端子Ｔ４とを、第１絶縁層を貫通するビアＶＲ並びに積層基板を略垂直に貫通するビアＶにより接続する。

第６層の中央両縁部に備えた外部接続端子ＴＧは、グランド電極Ｇ１，Ｇ２用の端子であり、これらグランド用端子ＴＧと第５層のグランド電極Ｇ２とをビアＶを介して接続する。また、第２層のグランド電極Ｇ１は、第２絶縁層、第３層、第３絶縁層、第４層および第４絶縁層（図２Ｄ〜図２Ｈ）を垂直に貫通するように基板中心部に設けたビアＶにより第５層のグランド電極Ｇ２に接続し、この第５層のグランド電極Ｇ２を介して当該グランド端子ＴＧに接続を行う。

図６Ａ〜図６Ｄは本実施形態に係るカプラの特性（反射損失、挿入損失、結合度、アイソレーション及び位相差）を示すものである。これらの図から明らかなように本実施形態によれば、前記比較例に係るカプラ（図３６Ａ〜図３６Ｄ）に比べ良好な特性が得られることが分かる。

しかも、前記比較例のカプラでは８層の導体層（結合線路を形成するのに第２層〜第３層と第５層〜第６層の計４層）を要したのに対し、本実施形態によれば、５層（終端抵抗Ｒを備えるための第１層は除く）の導体層（結合線路を形成するのに第３〜４層の計２層）で済み、大幅に積層数を減らすことが可能となり、２．６ＧＨｚ帯で例えば横１．０ｍｍ、縦０．５ｍｍ、高さ（厚さ）０．０８２ｍｍの機能層サイズを実現することが出来る。

さらに、図７Ａ〜図３４は、本発明に基づいて構成した結合線路（主線路１２及び副線路１３）の様々なパターンを第２〜第８実施形態として示すものである。これらの実施形態は、大別して３つの態様に分類することが出来る。

〔第２実施形態〕
第一の態様は、層内結合（以下この結合ないし結合部を符号「Ｃ１」で示す）と、層間結合（以下この結合ないし結合部を符号「Ｃ２」で示す）を別々に備え、二重結合を備えていないものである。

図７Ａから図１０は、この第一の態様を備えた第２実施形態を示すものであるが、この実施形態では、図７Ａに示すように、積層基板内のいずれかの導体層である第１導体層にＰ１とＰ３を設け、これらのポートＰ１，Ｐ３からそれぞれ主線路１２と副線路１３とを延ばして両線路を近づけ、両線路１２，１３が並走するように配置することにより層内結合を行う。そして、主線路１２はビアＶ１により、また副線路１３はビアＶ２によって、それぞれ積層基板内の他の導体層である第２導体層に対して電気的な接続を行う。この第２導体層には、Ｐ２とＰ４を設けておき、ビアＶ１とＰ２を導体線路で接続してこれを前記第１導体層から続く主線路１２とし、ビアＶ２とＰ４を導体線路で接続してこれを前記第１導体層から続く副線路１３とする。また、第２導体層においても前記第１導体層と同様に、ビアＶ１への接続端部とＰ２への接続端部を除く主線路１２の中間部と、ビアＶ２への接続端部とＰ４への接続端部を除く副線路１３の中間部とを互いに近接させて層内結合させる。

図８は前記図３と同様に主線路１２を、図９は前記図４と同様に副線路１３をそれぞれ示すものであり、図１０は第１導体層と第２導体層を透視状態で示すものであるが、図１０に示すようにこの実施形態では、第１・第２各導体層における層内結合Ｃ１に加えて、第１導体層の主線路１２と第２導体層の副線路１３とが、基板中央部において平面から見たときに重なるように配置してあり、当該重なった部分（図１０のハッチング部分参照）において層間結合Ｃ２を形成している。

このように本実施形態では層内結合Ｃ１と層間結合Ｃ２の両方を備えているが、二重結合部を備えておらず、本発明はこのように二重結合部を備えないものをも含む。なお、カプラの小型低背化と良好な特性を同時に実現する点では二重結合を備えた方が有利であるが、このように層内結合Ｃ１と層間結合Ｃ２の双方を備えるカプラ構造によっても、層内結合Ｃ１か層間結合Ｃ２のいずれか一方のみしか備えていない従来のカプラと比較すれば、層内・層間のいずれかの結合方法を１つのカプラ内で適宜選択することによりパターン配置の自由度、すなわち、積層基板内における各線路（第一線路や第二線路）、ポート、外部接続電極等のパターン配置の柔軟性が広がり、カプラ設計の自由度を増大させることが出来る利点がある。

〔第３〜第４実施形態〕
第二の態様は、二重結合を備えているが、層内結合部の一方の線路（第一線路又は第二線路）だけに対して層間結合が行われている態様（以下当該結合ないし結合部を符号「Ｃ３」で示す）である。なお、後述の第三の態様は、層内結合部同士が層間結合している二重結合、すなわち、第１導体層内の層内結合部の両方の線路（第一線路及び第二線路）に対して第２導体層内の第二線路と第一線路とがそれぞれ層間結合している態様（以下当該結合ないし結合部を符号「Ｃ４」で示す）である。

図１１Ａ〜図１４並びに図１５Ａ〜図１８は、それぞれ上記第二の態様である第３実施形態および第４実施形態を示すものである。これらの実施形態では、前記第２実施形態と同様に、第１導体層と第２導体層においてそれぞれ主線路１２と副線路１３により層内結合を形成しているが、第１導体層の層内結合部内の主線路１２に対して第２導体層の副線路１３が層間結合を行い、第２導体層の層内結合部内の副線路１３に対して第１導体層の主線路１２が層間結合を行っており、これらにより二重結合部Ｃ３を形成している（図１４，図１８参照）。

〔第５〜第８実施形態〕
第三の態様は、前述した層内結合部同士が層間結合している二重結合部Ｃ４を備えるものである。

図１９Ａ〜図２２に示す第５実施形態、図２３Ａ〜図２６に示す第６実施形態、図２７Ａ〜図３０に示す第７実施形態、並びに図３１Ａ〜図３４に示す第８実施形態は、この第三の態様に係る二重結合部Ｃ４を備えるものであり、前述した第１実施形態もこの第三の態様に属する（図２２、図２６、図３０、図３４及び図５参照）。

これらの実施形態のうち、特に、第７〜第８実施形態および前記第１実施形態のカプラでは、ポートＰ１〜Ｐ４やビアＶ１，Ｖ２への接続端部を除く線路長の大部分が渦巻状に二重結合Ｃ３，Ｃ４を形成するように主線路１２と副線路１３がパターン形成されているから（図３０，図３４及び図５参照）、小型低背と同時に両線路１２，１３の結合を強め、良好な特性を得ることが出来る。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内で種々の変更を行うことが出来ることは当業者に明らかである。

Ｃ１ 層内結合（層内結合部）
Ｃ２ 層間結合（層間結合部）
Ｃ３，Ｃ４ 二重結合（二重結合部）
Ｌ１ 第１導体層
Ｌ２ 第２導体層
Ｐ１ 第一ポート（入力ポート）
Ｐ２ 第二ポート（出力ポート）
Ｐ３ 第三ポート（結合ポート）
Ｐ４ 第四ポート（アイソレーションポート）
Ｒ 終端抵抗
Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，ＴＧ 外部接続用端子
Ｖ，Ｖ１，Ｖ２，ＶＲ ビアホール
１１ カプラ
１２ 第一線路（主線路）
１３ 第二線路（副線路）

Claims (3)

1. 高周波信号を伝送可能な第一線路と、
   前記第一線路と電磁界結合する第二線路と、
   前記第一線路の一端部に備えた第一ポートと、
   前記第一線路の他端部に備えた第二ポートと、
   前記第二線路の一端部に備えた第三ポートと、
   前記第二線路の他端部に備えた第四ポートとを、
   絶縁層を介して積層した第一導体層および第二導体層を含む複数の導体層を有する積層基板に備え、
   前記第一導体層に、前記第一線路と前記第二線路とを配置し、
   前記第一導体層内で前記第一線路と前記第二線路とを互いに近接させ平行に延在するように配置することによりこれら第一線路と第二線路間に電磁界結合を生じさせるようにした層内結合部を形成するとともに、
   前記第一導体層に配置した第一線路と平面から見たときに長さ方向に関し重なり合う部分が存在するように前記第二線路を前記第二導体層内に引き回すことにより当該第二導体層内の第二線路と前記第一導体層内の第一線路との間に電磁界結合を生じさせるようにした層間結合部を形成した
   方向性結合器であって、
   前記積層基板は方形の平面形状を有し、
   前記第一導体層および前記第二導体層は共に前記積層基板内に水平に配置され、
   前記第一導体層において、第一の角部に前記第一ポートが配置されるとともに当該第一の角部に隣り合う第二の角部に前記第三ポートが配置され、
   前記第一ポートから延びる第一線路と前記第三ポートから延びる第二線路とが前記第一導体層内で前記層内結合部を形成するように互いに近接して平行に且つ前記第一導体層の周縁部から中心部に向け螺旋を描くように渦巻状に延び、さらに、前記第一導体層の中心部において当該第一線路は第一のビアホールに接続されて当該第一のビアホールによって前記第二導体層の中心部へ引き回されるとともに当該第二線路は第二のビアホールに接続されて当該第二のビアホールによって前記第二導体層の中心部へ引き回され、
   平面から見たときに前記第一の角部と対角位置にある角部を第三の角部、前記第二の角部と対角位置にある角部を第四の角部とそれぞれしたときに、前記第二導体層において、第三の角部および第四の角部のうちの一方に前記第三ポートが配置されるとともに第三の角部および第四の角部のうちの他方に前記第四ポートが配置され、
   前記第一のビアホールから前記第二ポートへ延びる前記第一線路と前記第二のビアホールから前記第四ポートへ延びる前記第二線路とが、前記第二導体層内で前記層内結合部を形成するように互いに近接して平行に且つ前記第二導体層の中心部から周縁部に向け螺旋を描くように渦巻状に延び、さらに、平面から見たときに前記第一導体層内の第一線路と第二導体層内の第二線路とが互いに重なり合うと共に前記第一導体層内の第二線路と第二導体層内の第一線路とが互いに重なり合うことにより前記層間結合部を形成するように前記第一導体層内で渦巻状に延びた層内結合部と前記第二導体層内で渦巻状に延びた層内結合部とが平面から見て重なり合い、これにより、同一導体層内における電磁界結合と、異なる導体層間における電磁界結合とを兼ね備えた二重結合部を形成した
   ことを特徴とする方向性結合器。
2. 前記第一ポートへの接続端部、前記第三ポートへの接続端部、前記第二ポートへの接続端部、前記第四ポートへの接続端部、および、前記ビアホールへの接続端部を除く略全長に亘って、前記二重結合部を形成した
   請求項１に記載の方向性結合器。
3. 前記第二線路と前記第四ポートの間に接続するように前記積層基板内に終端抵抗を備えた
   請求項１または２に記載の方向性結合器。

Images