JP5523293B2 - 方向性結合器 - Google Patents

Description

この発明は、マイクロ波帯で使用される方向性結合器に関するものである。

方向性結合器は、マイクロ波回路の信号の分配等の構成部品として、様々な周波数帯域で広く用いられている。
方向性結合器は、セラミックからなる誘電体基板と、誘電体基板の表面に形成された第１信号線導体、第２信号線導体、一対の第１入出力線路および一対の第２入出力線路と、誘電体基板の裏面に形成された接地導体とを備えている。

第１信号線導体および第２信号線導体は、それぞれ等しい長さおよび幅を有し、且つ互いに対向して所定の間隔をもって平行に配置されている。また、第１入出力線路は、それぞれ第１信号線導体の端部から延伸して形成されている。また、第２入出力線路は、それぞれ第２信号線導体の端部から延伸して形成されている。

このような方向性結合器において、動作中心周波数は、第１信号線導体および第２信号線導体の長さによって決定される。通常、第１信号線導体および第２信号線導体の長さは、所定の周波数における１／４波長に設定される。また、結合度は、第１信号線導体および第２信号線導体の幅、および第１信号線導体と第２信号線導体との間隔によって決定される。

ここで、第１信号線導体および第２信号線導体は、蒸着およびエッチング等の工程によって形成されるものなので、第１信号線導体と第２信号線導体との間隔には、工程に起因する製造限界がある。そのため、結合度に限界が生じるという問題があった。

このような問題を解決するために、１／４波長の平行な信号線導体を有する方向性結合器において、信号線導体に直列または並列に特性調整用のリアクタンス素子を接続した方向性結合器が提案されている。この方向性結合器によれば、上記制約にかかわらず結合度を増加させることができる（例えば、特許文献１参照）。

特開昭５６−６２４０２号公報

しかし、特許文献１に開示された方向性結合器では、結合度を増加させるために、別の構成要素（リアクタンス素子）を信号線導体と直列または並列に接続する必要があるという問題がある。

この発明は、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、別の構成要素を追加しない場合であっても、結合度を増加させることができる方向性結合器を得ることを目的とする。

この発明に係る方向性結合器は、接地導体と２本の信号線導体から構成される方向性結合器において、結合線路を形成する第１信号線導体および第２信号線導体の電気長を所定の中心周波数における１／４波長とし、上記第１信号線導体および上記第２信号線導体は、一定の距離で離間されるとともに、それぞれ長さ方向の中央に配置される所定の線路幅のサブ導体および該サブ導体の長さ方向の手前側と向う側に連結して配置される上記線路幅より広い２個のサブ導体から構成される。

この発明に係る方向性結合器は、結合線路を形成する第１信号線導体および第２信号線導体の所定の長さの線路だけ線路幅を狭くすることにより結合度を増加させることができるとともに、線路幅を狭くした線路以外は所定の線路幅であるので反射の劣化を防止でき、別の構成要素を追加しない場合であっても、結合度を増加させることができる効果がある。

この発明の実施の形態１に係る方向性結合器を示す平面図である。 図１に示した方向性結合器をＡ−Ａ線に沿って切断した断面図である。 図１に示した方向性結合器をＢ−Ｂ線に沿って切断した断面図である。 図１に示した方向性結合器の等価回路図である。 図４のＸ＝０：Ｗ＝０．１１ｍｍ、Ｘ＝Ｌ／２：Ｗ１＝０．０５ｍｍ、Ｘ＝Ｌ：Ｗ＝０．０５ｍｍの場合の結合特性比較図である。 図４のＸ＝０：Ｗ＝０．１１ｍｍ、Ｘ＝Ｌ／２：Ｗ１＝０．０５ｍｍ、Ｘ＝Ｌ：Ｗ＝０．０５ｍｍの場合の反射特性比較図である。 図１に示す方向性結合器を理想線路で構成した場合の等価回路図である。 図７中のＸの範囲を、０≦Ｘ／Ｌ≦１の範囲で変化させた場合の動作中心周波数における結合度と反射レベルのグラフである。 図４に示す方向性結合器のＸの範囲を、０≦Ｘ／Ｌ≦１の範囲で変化させた場合の結合度と反射レベルのグラフである。 参考文献１に開示されている方向性結合器を示す平面図である。 この発明の実施の形態１に係る２つの軸に対して対称性をもつ方向性結合器の平面図である。 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を示す平面図である。

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．
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平面図である。また、図２は、図１に示した方向性結合器をＡ−Ａ線に沿って切断した断面図である。また、図３は、図１に示した方向性結合器をＢ−Ｂ線に沿って切断した断面図である。

図１、２において、厚さＨのアルミナなどのセラミックの誘電体基板１の一方の面（以下、表面と称す）には、第１信号線導体２および第２信号線導体３が、隙間Ｓだけ離間して平行に形成されている。第１信号線導体２および第２信号線導体３の形状は、中央線１１に対して線対称であり、導体長さはＬ、導体厚さはＴである。
そして、第１信号線導体２および第２信号線導体３は、それぞれ導体長さ方向（以下、長さ方向と称す）につながった３つのサブ導体２ａ、２ｂ、２ｃ、３ａ、３ｂ、３ｃから構成されている。そして、長さ方向の中央のサブ導体２ｂ、３ｂの線路幅Ｗ１は、長さ方向の両側のサブ導体２ａ、２ｃ、３ａ、３ｃの線路幅Ｗより狭い。この中央のサブ導体２ｂ、３ｂの長さはＸである。

第１信号線導体２の線路幅は、両側のサブ導体２ａ、２ｃのときはＷであるが、中央のサブ導体２ｂに移るとステップ状にＷ１に変化する。また、第２信号線導体３の線路幅は、両側のサブ導体３ａ、３ｃのときはＷであるが、中央のサブ導体３ｂに移るとステップ状にＷ１に変化する。このように第１信号線導体２及び第２信号線導体３の線路幅が変化することを線路幅が一部で狭くすると言う。

そして、第１信号線導体２の３つのサブ導体２ａ、２ｂ、２ｃの中央線１１に平行で近い方の辺は、同一線上にあり、第２信号線導体３の３つのサブ導体３ａ、３ｂ、３ｃの中央線１１に平行で近い方の辺も、同一線上にある。一方、第１信号線導体２の両側のサブ導体２ａ、２ｃの中央線１１に平行で遠い方の辺は、中央線１１から（Ｗ＋Ｓ／２）だけ離れ中央線１１と平行な線上にあるのに対して、中央のサブ導体２ｂの中央線１１に平行で遠い方の辺は、中央線１１から（Ｗ１＋Ｓ／２）だけ離れ中央線１１と平行な線上にある。

また、第２信号線導体３の両側のサブ導体３ａ、３ｃの中央線１１に平行で遠い方の辺は、中央線１１から（Ｗ＋Ｓ／２）だけ離れ中央線１１と平行な線上にあるのに対して、中央のサブ導体３ｂの中央線１１に平行で遠い方の辺は、中央線１１から（Ｗ１＋Ｓ／２）だけ離れ中央線１１と平行な線上にある。
このように、第１信号線導体２と第２信号線導体３の対向する辺はそれぞれ直線であり、２つの線分が折り曲がってつながってはいない（これをステップがないと称す）のに対し、第１信号線導体２と第２信号線導体３の中央線１１に対して遠い辺はそれぞれ５つの線分が折り曲がって構成され、隣の線分とは９０°折り曲がってつながっている（これをステップがあると称す）。

第１信号線導体２および第２信号線導体３から結合線路４が構成されている。また、第１信号線導体２および第２信号線導体３は、一般的にマイクロストリップ線路と称される。

また、誘電体基板１の表面には、第１信号線導体２の両端部からそれぞれ延伸して第１入出力線路５、６が形成され、第２信号線導体３の両端部からそれぞれ延伸して第２入出力線路７、８がそれぞれ形成されている。誘電体基板１の他方の面（裏面）には、接地導体９が形成されている。

図４は、この発明の実施の形態１に係る方向性結合器の等価回路である。
図４において、端子１〜端子４は、入出力端子を示している。
ここで、図１に示す方向性結合器において、誘電体基板１の厚さＨ、誘電率εｒ、第１信号線導体２及び第２信号線導体３の両側のサブ導体２ａ、２ｃ、３ａ、３ｃの線路幅Ｗ、中央のサブ導体２ｂ、３ｂの線路幅Ｗ１、間隔Ｓおよび導体厚さＴの組み合わせを、例えばアルミナ基板を用いた場合、（Ｈ，εｒ，Ｗ，Ｗ１，Ｓ，Ｔ）＝（０．３８ｍｍ，９．８，０．１１ｍｍ，０．０５ｍｍ，３０μｍ，３μｍ）とする。

また、第１信号線導体２及び第２信号線導体３の信号線導体長Ｌは、電気長９０度（１／４波長）とし、動作中心周波数１０．３７５ＧＨｚにおいては、Ｌ＝３ｍｍ程度となる。
尚、この条件のアルミナ基板における間隔Ｓの製造限界は３０μｍである。

図５に、中央のサブ導体２ｂ、３ｂの導体長Ｘを０とした場合の結合特性（端子１から端子２への電力特性）を曲線５ａで示し、中央のサブ導体２ｂ、３ｂの導体長ＸをＬ／２とし、中央のサブ導体２ｂ、３ｂの線路幅Ｗ１を０．０５ｍｍとした場合の結合特性を曲線５ｂで示し、中央のサブ導体２ｂ、３ｂの導体長ＸをＬとし、中央のサブ導体２ｂ、３ｂのＷ１を０．０５ｍｍとした場合の結合特性を曲線５ｃで示す。

図６に、中央のサブ導体２ｂ、３ｂの導体長Ｘを０とした場合の端子１で観測される反射特性を曲線６ａで示し、中央のサブ導体２ｂ、３ｂの導体長ＸをＬ／２とし、中央のサブ導体２ｂ、３ｂの線路幅Ｗ１を０．０５ｍｍとした場合の反射特性を曲線６ｂで示し、中央のサブ導体の導体長ＸをＬとし、中央のサブ導体２ｂ、３ｂの線路幅Ｗ１を０．０５ｍｍとした場合の反射特性を曲線６ｃで示す。
尚、この結合線路の線路幅Ｗの部分の偶モードインピーダンスＺｅは約１１６Ωであり、奇モードインピーダンスＺｏは約３７Ωである。

この結合線路と入出力端子と整合をとるために、入出力端子のインピーダンスを偶モードインピーダンスＺｅと奇モードインピーダンスＺｏの相乗平均である６６Ωとして、曲線５ａ、５ｂ、５ｃ、６ａ、６ｂ、６ｃを導出している。

曲線５ｂを曲線５ｂと比較すると明らかなように、第１信号線導体２及び第２信号線導体３の線路幅を一部狭くすることで結合度は増加し、動作中心周波数においては−５．２ｄＢの結合度が−４．７ｄＢとなり、約０．５ｄＢ程度増加している。
また、曲線５ｃを曲線５ｂと比較すると明らかなように、第１信号線導体２及び第２信号線導体３の線路幅を一部狭くする線路長ＸがＬ／２の場合とＬの場合の結合度の増加は、概ね同じである。

曲線６ｂを曲線６ｃと比較すると明らかなように、動作中心周波数近辺においては、第１信号線導体２及び第２信号線導体３の線路幅を一部狭くすることで反射が改善している。
すなわち、曲線５ａ、５ｂ、５ｃ、６ａ、６ｂ、６ｃから明らかなように、第１信号線導体２及び第２信号線導体３の線路幅を線路長Ｌ／２の線路で狭くした場合、反射を大きく劣化させることなく結合度を上昇させる効果が確認できる。

また、第１信号線導体２及び第２信号線導体３の線路長Ｌ／２程度の線路の線路幅を、第１信号線導体２及び第２信号線導体３の残りの部分の線路の線路幅Ｗより小さい線路幅Ｗ１にして狭くした場合、第１信号線導体２及び第２信号線導体３の線路幅を全体として狭くした場合と同等の結合度増加効果が得られる。
しかし、第１信号線導体２及び第２信号線導体３の線路幅を全体として狭くした場合、反射特性が劣化してしまうことが確認できる。

第１信号線導体２と第２信号線導体３との間の間隔である結合線路間隔を一定とし、結合線路の線路幅を一部狭くすることで結合度が増加する原理は、結合線路の線路幅を狭くすると、結合線路の偶モードインピーダンスＺｅに大きく影響して大きくし、一方、結合線路の奇モードインピーダンスＺｏへの影響は偶モードインピーダンスＺｅへの影響ほど大きくないため、偶モードインピーダンスＺｅと奇モードインピーダンスＺｏの差が大きくなり、結合度が増加するためであると考えられる。

例えば、結合線路の結合線路間隔を３０μｍとして一定にし、結合線路の線路幅Ｗを０．１１ｍｍとしたときの偶モードインピーダンスＺｅは約１１６Ωであり、奇モードインピーダンスＺｏは約３７Ωである。
一方、結合線路の結合線路間隔を３０μｍとして一定にし、結合線路の線路幅Ｗ１を０．０５ｍｍとしたときの偶モードインピーダンスＺｘｅは約１６７Ωであり、奇モードインピーダンスＺｘｏは約４７Ωである。尚、線路幅を狭くした場合の偶モードインピーダンスをＺｘｅとし、奇モードインピーダンスをＺｘｏと別に表現する。

図７は、図１に示す方向性結合器を理想線路で構成した等価回路である。図中において、Ｌは電気長９０度に相当する線路長である。
図８は、図７のＸを０からＬの間で変化した場合の動作中心周波数における反射レベル（ＲＬ）と結合度（Ｃｏｕｐｌｉｎｇ）を示すグラフである。結合度を曲線８ａで示し、反射レベルを曲線８ｂで示す。

曲線８ａ、８ｂから明らかなように、概ねＸがＬ／２以上の範囲において結合度はほぼ一定し最大値を示し、反射レベルは増加傾向を示す。即ち、結合度に関しては、ＸがＬ／２とＬとではほぼ等しく、最大であることが確認される。
因って、反射を大きく劣化させることなく結合度を上昇させる効果が有効なＸは、概ねＬ／２の近傍である。

次に、実際のマイクロストリップ線路で構成した方向性結合器においてＸを０からＬの間で変化させて動作中心周波数における反射レベル（ＲＬ）と結合度（Ｃｏｕｐｌｉｎｇ）を測定した。図９にそのときの結合度を曲線９ａで示し、反射レベルを曲線９ｂで示す。

曲線９ａ、９ｂから明らかなように、今回検討した例では、理想線路で構成された方向性結合器と同様に、概ねＸがＬ／２以上の範囲で結合度がほぼ変化なく最大値を示し、反射レベルは劣化する。即ち、結合度に関しては、ＸがＬ／２とＬとではほぼ等しく、最大であることが確認される。
因って、反射を大きく劣化させることなく結合度を上昇させる効果が有効なＸは、概ねＬ／２の近傍である。

また、この反射を大きく劣化させることなく結合度を上昇させる効果が有効なＸの範囲の詳細は、ｔａｎ（Ｘ／２）＜Ｚｘｅ／（Ｚｘｅ＋Ｚｅ）の関係を満足する範囲であることを経験的に導出している。尚、Ｚｘｅは結合線路幅を狭くした結合部の偶モードインピーダンス、 Ｚｅは結合線路幅を狭くしない結合部の偶モードインピーダンスである。

結合線路間隔が製造限界にあり、結合度増加のために線路間隔を狭められない場合に、結合線路幅を結合線路全長（電気長９０度）に亘って狭くし、偶モードインピーダンスＺｅを増加させて結合度を増加させる手法が考えられるが、同時に偶モードインピーダンスＺｅと奇モードインピーダンスＺｏの相乗平均である結合線路の特性インピーダンスが変化するために、入出力端子のインピーダンスと不整合が生じ、結合線路と入出力端子間に整合回路を挿入する必要があり、この手法は大型化する課題がある。

この発明の実施の形態１に係る方向性結合器は、入出力端子と接続される結合線路部分の結合線路幅を狭くせずに、結合線路全長に亘って線路幅を狭くした場合と同等の結合度増加効果を得ることが可能であるため、結合線路の特性インピーダンスと入出力端子のインピーダンスと同じにでき、整合回路が不要で小型化する効果がある。

ところで、この発明の実施の形態１に係る方向性結合器の発明特定事項のうち、結合線路を３つのサブ導体から構成することが特開平９−２４６８１８号公報（以下、参考文献１と称す）に開示されています。参考文献１には、結合部の長さを、中心周波数の波長の４分の１とし、各結合部をほぼ同じ長さの３段の区分にわけて、互いに対応する区分同士の離間距離を、他の区分同士の距離よりも狭くすることが開示されています。但し、参考文献１には結合度を上昇させることは示唆されていない。

そこで、参考文献１に開示されている方向性結合器とこの発明の実施の形態１に係る方向性結合器とを結合度に関して比較する。図１０に参考文献１に開示されている方向性結合器を示す。尚、図１０のＣ−Ｃ断面は図２と同じである。

基板条件を同じにし、間隔Ｓを製造限界とし、図１に示す方向性結合器の結合度を、図１０に示す方向性結合器の結合度と比較すると、結合線路間隔が狭い範囲は図１の方が長いため、本発明に関わる方向性結合器の方が、結合度を上昇させる効果が優れることは容易に類推できる。すなわち、参考文献１に開示されている方向性結合器は、結合線路間隔が一定でなく、両端の結合線路間隔は製造限界である間隔Ｓより広くなるため、疎結合化すると考えられる。

尚、この発明の実施の形態１に係る方向性結合器は、マイクロストリップ線路で構成する側結合型であるが、他の線路で構成されるような場合にも適用できる。
例えば、上下の地導体間に誘電体を充填し、その誘電体中に信号線導体が存在する、トリプレート結合線路で構成する広辺結合型の場合にも適用できる。
また、上下の地導体間に誘電体基板で支持された信号線導体が存在する、サスペンデッド・ストリップ結合線路で構成する場合にも適用できる。
また、信号線導体の上下左右の４面を地導体で囲った方形同軸線路で構成する場合にも適用できる。

また、本実施の形態１においては、構造の対称性については述べていないが、図１１に示すように、２つの軸１０、１１において対称性をもつ場合にも適用できる。この場合は、非対称構造より反射特性やアイソレーション特性が良好になるという効果がある。

この発明の実施の形態１に係る方向性結合器は、結合線路を構成する信号線導体の線路間隔を一定にし、線路幅を一部狭くすることで、結合度を増加させる効果があり、結合線路を構成する信号線導体の間隔を狭めることなく、また製造限界による結合度の限界以上であっても所望の結合度を有することができる。

また、結合線路の特性インピーダンスを入出力端子のインピーダンスと同じにできるため、整合回路が不要で小型化する効果がある。
また、結合線路間隔を製造限界より広く設定しても所望の結合度が得られるため、製造誤差に強い効果がある（ロバスト性）。

実施の形態２．
図１２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図である。
この発明の実施の形態２に係る方向性結合器は、この発明の実施の形態１に係る方向性結合器の第１信号線導体２及び第２信号線導体３の対向する辺側から複数のスリット１２を設けたことが異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明を省略する。

マイクロストリップ線路で形成される結合線路で構成される方向性結合器は、偶モードと奇モードの位相速度が異なることに起因する偶モードと奇モードの通過位相差により、方向性が劣化する課題がある。
そこでマイクロストリップ線路の対向する側から幅方向にスリットを設けて奇モードの経路長を長くすることで、偶モードと奇モードの通過位相を揃えて方向性を改善させる手法が、Ｆ．Ｃ． ｄｅ Ｒｏｎｄｅ、「ＷＩＤＥ−ＢＡＮＤ ＨＩＧＨ ＤＩＲＥＣＴＩＶＩＴＹ ＩＮ ＭＩＣ ＰＲＯＸＩＭＩＴＹ ＣＯＵＰＬＥＲＳ ＢＹ ＰＬＡＮＡＲ ＭＥＡＮＳ」、ＩＥＥＥ ＭＴＴ−Ｓ Ｉｎｔ． Ｓｙｍｐ．Ｄｉｇ．、１９８０、Ｍａｙ、ｐｐ．４８０−４８２（以下、参考文献２と称す）に開示されています。

しかし、結合線路の内側にスリットを設けると結合度が減少する課題がある。そこで、この発明の実施の形態２に係る方向性結合器のように、結合線路幅を一部狭くすることで結合度の上昇が可能なために、結合線路の内側にスリットを設けることによる結合度の減少を補償できる効果がある。

以上のように、実施の形態２によれば、方向性改善のために設けたスリットに起因する結合度の減少を補償する効果があり、結合度を減少させることなく方向性の良好な方向性結合器を得ることができる効果がある。

実施の形態３．
図１３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図である。
この発明の実施の形態２に係る方向性結合器では、全てのサブ導体２ａ、２ｂ、２ｃ、３ａ、３ｂ、３ｃにスリット１２を設けているが、この発明の実施の形態３に係る方向性結合器では、線路幅の広いサブ導体２ａ、２ｃ、３ａ、３ｃにスリット１２を設け、線路幅の狭いサブ導体２ｂ、３ｂにはスリットを設けていない。

この発明の実施の形態３に係る方向性結合器では、サブ導体２ｂ、３ｂの線路幅を製造限界まで狭くしており、且つ、結合線路間隔Ｓも製造限界まで狭くしている。このようにすることにより結合度が限界まで増加させることができる。一方、線路幅を狭くする余地があるサブ導体２ａ、２ｃ、３ａ、３ｃに線路幅を狭くすると同じスリットを形成することができるので、偶モードと奇モードの通過位相を調整することができる。
このように線路幅を狭くする余地があるサブ導体２ａ、２ｃ、３ａ、３ｃだけにスリット１２を設けることにより、偶モードと奇モードの通過位相調整と結合度増加の両方の効果を得ることが可能となる。

１ 誘電体基板、２ 第１信号線導体、２ａ、２ｂ、２ｃ サブ導体、３ 第２信号線導体、３ａ、３ｂ、３ｃ サブ導体、４ 結合線路、５、６、７、８ 入出力線路、９ 接地導体、１０ 軸、１１ 中央線、１２ スリット。

Claims (9)

1. 接地導体と２本の信号線導体から構成される方向性結合器において、
   結合線路を形成する第１信号線導体および第２信号線導体の電気長を所定の中心周波数における１／４波長とし、
   上記第１信号線導体および上記第２信号線導体は、一定の距離で離間されるとともに、それぞれ長さ方向の中央に配置される所定の線路幅のサブ導体および該サブ導体の長さ方向の手前側と向う側に連結して配置される上記線路幅より広い２個のサブ導体から構成されることを特徴とする方向性結合器。
2. 上記所定の線路幅のサブ導体の偶モードインピーダンスＺｘｅおよび上記所定の線路幅より広い線路幅のサブ導体の偶モードインピーダンスＺｅであるとき、上記所定の線路幅のサブ導体の電気長Ｘは、ｔａｎ（Ｘ／２）＜Ｚｘｅ／（Ｚｘｅ＋Ｚｅ）の関係を満足することを特徴とする請求項１に記載の方向性結合器。
3. 上記第１信号線導体および上記第２信号線導体は誘電体基板上に形成されるとともに、中央線に対して線対称であり、
   上記第１信号線導体と第２信号線導体はそれぞれ上記中央線に直交する線に対して線対称であることを特徴とする請求項１または２に記載の方向性結合器。
4. 上記結合線路は、マイクロストリップ結合線路で構成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の方向性結合器。
5. 上記結合線路は、トリプレート結合線路で構成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の方向性結合器。
6. 上記結合線路は、サスペンデッド・ストリップ結合線路で構成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の方向性結合器。
7. 上記結合線路は、方形同軸線路で構成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の方向性結合器。
8. 上記第１信号線導体および上記第２信号線導体は、それぞれ対向する側からスリットが設けられることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の方向性結合器。
9. 上記所定の線路幅より広い線路幅のサブ導体は、それぞれ対向する側からスリットが設けられることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の方向性結合器。

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