JP5558225B2

JP5558225B2 - 方向性結合器

Info

Publication number: JP5558225B2
Application number: JP2010145244A
Authority: JP
Inventors: 健太郎宮里; 幸一丸田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2009-06-25
Filing date: 2010-06-25
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2030-06-25
Also published as: JP2011030215A

Description

本発明は、方向性結合器に関するものであり、特に高周波線路として方形導波管型高周波線路を使用した導波管型の方向性結合器に関するものである。

ミリ波等の高周波帯で用いられる方向性結合器として、互いに平行に隣接配置された２つの導波管の共有する管壁に、導波管の長さ方向に沿って２つの結合用貫通孔を形成した構造を備える方向性結合器が知られている。このような方向性結合器においては、２つの結合用貫通孔の間隔を管内波長の１／４の奇数倍に設定することにより、異なる結合用貫通孔を通過して特定方向に進行する２つの信号同士を打ち消し合わせることができるため、方向性結合器として機能する。

ところがこのような従来の方向性結合器においては、特定方向において所望の周波数で２つの信号が充分に打ち消し合わないことから、充分な方向性が得られないという問題があった。このため、結合用貫通孔の部分において位相がずれることが原因と考え、この位相のずれを考慮して２つの結合用貫通孔の間隔を管内波長の１／４の奇数倍からずらすことにより方向性の改善を試みた方向性結合器が提案されている（例えば、特許文献１を参照。）。

特開2008-35187号公報

しかしながら、特許文献１にて提案された方向性結合器によれば、従来の方向性結合器と比較して方向性が改善されるものの、その効果は充分なものではなかった。

本発明はこのような従来の技術における問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的は、充分な方向性を有する導波管型の方向性結合器を提供することにある。

本発明の第１の方向性結合器は、互いに平行に隣接して配置された、管内波長が等しい第１および第２の導波管型高周波線路と、該第１および第２の導波管型高周波線路の長さ方向に所定の間隔Ｌをあけて、前記第１および第２の導波管型高周波線路を隔てる管壁を貫通するように形成された、同一形状を有する第１および第２の結合用貫通孔とを備え、前記第１の導波管型高周波線路の両端がそれぞれ第１，第２ポートとなり、前記第２の導波管型高周波線路の両端がそれぞれ第３，第４ポートとなり、前記第１および第３ポートが同じ側に配置され、前記第２および第４ポートが同じ側に配置された方向性結合器であって、前記第１および第２の結合用貫通孔の部位のそれぞれにおいて、前記第１ポート側から入射して結合用貫通孔の部位で反射して入射方向へ戻る信号の反射係数をＡ_１１ｅｘｐ（ｊθ_１１），結合用貫通孔を介して前記第３ポート側から前記第１ポート側へ通過する信号の伝送係数をＡ_１３ｅｘｐ（ｊθ_１３），前記第１ポート側から前記第２ポート側へ通過する信号の伝送係数をＡ_２１ｅｘｐ（ｊθ_２１），結合用貫通孔を介して前記第１ポート側から前記第３ポート側へ通過する信号の伝送係数をＡ_３１ｅｘｐ（ｊθ_３１），結合用貫通孔を介して前記第２ポート側から前記第３ポート側へ通過する信号の伝送係数をＡ_３２ｅｘｐ（ｊθ_３２），前記第３ポート側から入射して結合用貫通孔の部位で反射
して入射方向へ戻る信号の反射係数をＡ_３３ｅｘｐ（ｊθ_３３），前記第４ポート側から前記第３ポート側へ通過する信号の伝送係数をＡ_３４ｅｘｐ（ｊθ_３４），結合用貫通孔を介して前記第１ポート側から前記第４ポート側へ通過する信号の伝送係数をＡ_４１ｅｘｐ（ｊθ_４１）とし、前記第１および第２の導波管型高周波線路における管内波長をλｇとすると、前記所定の間隔Ｌは、Ｌ＝（θ／π＋ｎ）λｇ／２（０＜θ＜π，ｎは０または自然数）を満たすとともに、θは、Ｃ１＝Ａ_３１ｅｘｐ（ｊθ_３１），Ｃ２＝Ａ_２１Ａ_３１Ａ_３４ｅｘｐ｛ｊ（θ_２１＋θ_３１＋θ_３４−２θ）｝，Ｃ３＝Ａ_２１Ａ_１１Ａ_３２ｅｘｐ｛ｊ（θ_２１＋θ_１１＋θ_３２−２θ）｝，Ｃ４＝Ａ_４１Ａ_３３Ａ_３４ｅｘｐ｛ｊ（θ_４１＋θ_３３＋θ_３４−２θ）｝，Ｃ５＝Ａ_４１Ａ_１３Ａ_３２ｅｘｐ｛ｊ（θ_４１＋θ_１３＋θ_３２−２θ）｝で示される５つのベクトルＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４およびＣ５が互いに打ち消し合うような値に設定されていることを特徴とするものである。

また、本発明の第２の方向性結合器は、前記第１および第２の導波管型高周波線路の横断面の形状が等しいことを特徴とするものである。

なお、本明細書において、２つの結合用貫通孔の間隔Ｌは、第１および第２の導波管型高周波線路の長さ方向において、それぞれの結合用貫通孔が形成された領域の中心同士の間隔を意味する。

本発明の方向性結合器によれば、第１ポートから入力されて第３ポートから出力される高周波信号が所望の周波数において充分に打ち消し合うため、方向性の優れた方向性結合器を得ることができる。

本発明の実施の形態の第１の例の方向性結合器を模式的に示す斜視図である。図１に示す方向性結合器における第１の信号伝播ルートを模式的に示す縦断面図である。図１に示す方向性結合器における第２の信号伝播ルートを模式的に示す縦断面図である。図１に示す方向性結合器における第３の信号伝播ルートを模式的に示す縦断面図である。図１に示す方向性結合器における第４の信号伝播ルートを模式的に示す縦断面図である。図１に示す方向性結合器における第５の信号伝播ルートを模式的に示す縦断面図である。伝送係数および反射係数の算出方法の一例を説明するための模式図である。本発明の実施の形態の第２の例の方向性結合器を模式的に示す斜視図である。本発明の実施の形態の第３の例の方向性結合器を模式的に示す斜視図である。本発明の実施の形態の第１の例の方向性結合器の電気特性のシミュレーション結果を示すグラフである。本発明の実施の形態の第２の例の方向性結合器の電気特性のシミュレーション結果を示すグラフである。比較例の方向性結合器の電気特性のシミュレーション結果を示すグラフである。

以下、本発明の方向性結合器を添付の図面を参照しつつ詳細に説明する。
（実施の形態の第１の例）
図１は本発明の実施の形態の第１の例の方向性結合器を模式的に示す斜視図である。

本例の方向性結合器は、図１に示すように、第１および第２の導波管型高周波線路10，20と、第１の導波管型高周波線路10と、第２の導波管型高周波線路20と、第１および第２の導波管型高周波線路10，20で共有される管壁30と、第１の結合用貫通孔41と、第２の結合用貫通孔42と、第１ポート51と、第２ポート52と、第３ポート53と、第４ポート54とを備えている。

第１の導波管型高周波線路10および第２の導波管型高周波線路20は、互いに平行に隣接して配置された、管内波長が等しい方形導波管である。第１および第２の導波管型高周波線路10，20の横断面（図のｘ−ｙ平面）の形状は、同一であり、どちらも矩形状である。また、第１および第２の導波管型高周波線路10，20の管内は、それぞれ空気で満たされている。このように、第１および第２の導波管型高周波線路10，20は、その横断面の幅（図のｘ軸方向の寸法）が互いに等しく、導波管内の誘電率も互いに等しいことから、管内波長（特定周波数の高周波信号の管内波長）が互いに等しくなっている。そして、第１および第２の導波管型高周波線路10，20は、それぞれの４つの管壁のうちの１つの管壁30を共有するように高さ方向（図のｙ軸方向）に重ねて配置されて一体化されている。そして、第１の導波管型高周波線路の一方端が第１ポート51、他方端が第２ポート52となり、第２の導波管型高周波線路一方端が第３ポート53、他方端が第４ポート54となり、第１ポート51および第３ポート53が同じ側に配置され、第２ポート52および第４ポート54が同じ側に配置されている。また、第１および第２の導波管型高周波線路10，20は、それぞれ幅方向（図のｘ軸方向）の寸法が高さ方向（図のｙ軸方向）の寸法よりも大きくされており、第１および第２の導波管型高周波線路10，20で共有されている管壁30は、第１および第２の導波管型高周波線路10，20におけるＨ面（磁界に平行な面）となっている。そして、第１および第２の導波管型高周波線路10，20は、幅方向（図のｘ軸方向）に１つの定在波が存在するＴＥ_１０モードが、長さ方向（図のｚ軸方向）に伝播する方形導波管となっている。

第１の結合用貫通孔41および第２の結合用貫通孔42は、第１および第２の導波管型高周波線路10，20で共有されている１つの管壁30に、第１および第２の導波管型高周波線路10，20の長さ方向（高周波信号の伝播方向であり、図のｚ軸方向）に所定の間隔Ｌをあけて形成されている。すなわち、第１および第２の結合用貫通孔41，42は、第１および第２の導波管型高周波線路を隔てる管壁30を貫通するように形成されている。また、第１および第２の結合用貫通孔41，42は、同一の形状を有しており、それぞれ、第１および第２の導波管型高周波線路10，20の長さ方向に垂直な方向（第１および第２の導波管型高周波線路10，20の幅方向）に長い矩形状のスロットである。

そして、本例の方向性結合器によれば、第１および第２の結合用貫通孔41，42の部位のそれぞれにおいて、第１ポート51側から入射して結合用貫通孔の部位で反射して入射方向へ戻る信号の反射係数をＫ_１１＝Ａ_１１ｅｘｐ（ｊθ_１１），結合用貫通孔を介して第３ポート53側から第１ポート51側へ通過する信号の伝送係数をＫ_１３＝Ａ_１３ｅｘｐ（ｊθ_１３），第１ポート51側から第２ポート52側へ通過する信号の伝送係数をＫ_２１＝Ａ_２１ｅｘｐ（ｊθ_２１），結合用貫通孔を介して第１ポート51側から第３ポート53側へ通過する信号の伝送係数をＫ_３１＝Ａ_３１ｅｘｐ（ｊθ_３１），結合用貫通孔を介して第２ポート52側から第３ポート53側へ通過する信号の伝送係数をＫ_３２＝Ａ_３２ｅｘｐ（ｊθ_３２），第３ポート53側から入射して結合用貫通孔の部位で反射して入射方向へ戻る信号の反射係数をＫ_３３＝Ａ_３３ｅｘｐ（ｊθ_３３），第４ポート54側から第３ポート53側へ通過する信号の伝送係数をＫ_３４＝Ａ_３４ｅｘｐ（ｊθ_３４），結合用貫通孔を介して第１ポ
ート51側から第４ポート54側へ通過する信号の伝送係数をＫ_４１＝Ａ_４１ｅｘｐ（ｊθ_４１）とし、第１および第２の導波管型高周波線路10，20における管内波長をλｇとしたときに、高周波信号の伝播方向において、第１の結合用貫通孔41と第２の結合用貫通孔42との間隔（高周波信号の伝播方向における第１の結合用貫通孔41が形成された領域の中心と第２の結合用貫通孔42が形成された領域の中心との間隔）Ｌが、
Ｌ＝（θ／π＋ｎ）λｇ／２（０＜θ＜π，ｎは０または自然数）
を満たすとともに、θは、
Ｃ１＝Ａ_３１ｅｘｐ（ｊθ_３１）
Ｃ２＝Ａ_２１Ａ_３１Ａ_３４ｅｘｐ｛ｊ（θ_２１＋θ_３１＋θ_３４−２θ）｝
Ｃ３＝Ａ_２１Ａ_１１Ａ_３２ｅｘｐ｛ｊ（θ_２１＋θ_１１＋θ_３２−２θ）｝
Ｃ４＝Ａ_４１Ａ_３３Ａ_３４ｅｘｐ｛ｊ（θ_４１＋θ_３３＋θ_３４−２θ）｝
Ｃ５＝Ａ_４１Ａ_１３Ａ_３２ｅｘｐ｛ｊ（θ_４１＋θ_１３＋θ_３２−２θ）｝
で示される５つのベクトルＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５が互いに打ち消し合うような値に設定されていることから、第１ポート51から入力されて複数の伝播ルートを経て第３ポート53へ向かう高周波信号が互いに打ち消し合って、第３ポート53から出力される高周波信号が充分に小さくなるため、方向性の優れた方向性結合器を得ることができる。この効果が得られる理由について以下に説明する。

本願の発明者らは、本例の方向性結合器のような導波管型の方向性結合器において、従来のように２つの結合用貫通孔の間隔を管内波長の１／４の奇数倍に設定すると充分な方向性が得られない現象について種々の検討を行った。その結果、第１ポート51から第３ポート53への高周波信号の伝播ルートが、従来考えられていた２つのルート以外に複数存在し、それらのルートを通過する高周波信号の影響が考慮されていないことが原因であるとの結論に達し、それを考慮した方向性の優れた方向性結合器を得ることに成功した。

図２〜図６は、図１に示す本例の方向性結合器において、第１ポート51から第３ポート53に至る複数の高周波信号の伝播ルートの中で考慮すべき主要な信号伝播ルートを模式的に示す縦断面図である。図２および図３は従来の方向性結合器において考慮されていた信号伝播ルートであるが、結合用貫通孔が形成された部位においてインピーダンスの不連続に起因する反射が生じるために図４および図５に示すような信号伝播ルートが生じることがわかった。このとき、高周波信号の反射は信号の伝播方向における結合用貫通孔の両端部で生じるが、両端部における２つの反射波を合成すると、結合用貫通孔の中心で反射すると考えることができるため、図４および図５のように図示している。また、結合用貫通孔を複数回通過することによって、図６に示すような信号伝播ルートが存在することもわかった。なお、図２〜図６に示した信号伝播ルート以外の信号伝播ルートも存在するが、それらのルートを通過する高周波信号の強度は小さいため、実用上は無視することができる。

そして、図２〜図６に示した５つの信号伝播ルートをそれぞれ通過して第３ポート53に向かう５つの高周波信号が互いに打ち消し合うように第１の結合用貫通孔41と第２の結合用貫通孔42との間隔Ｌを設定することにより、第３ポート53から出力される高周波信号が充分に小さくなって、方向性に優れた方向性結合器を得ることができるのであるが、５つの高周波信号は互いに大きさが異なる信号であるため、従来の方向性結合器のように互いの位相差を考慮するだけでは打ち消し合わせることができない。そこで、５つの高周波信号の大きさと位相をそれぞれ算出し、それらのベクトル和が０に近づくように第１の結合用貫通孔41と第２の結合用貫通孔42との間隔Ｌを設定することにより、５つの高周波信号を互いに打ち消し合わせることができ、方向性に優れた方向性結合器を得ることができる。

まず、図２〜図６に示したそれぞれの信号伝播ルートを通過する高周波信号の大きさと
位相を算出する。図２に示した第１の信号伝播ルートは、第１ポート51から入射した後に、第１の結合用貫通孔41を第１ポート51側から第３ポート53側へ通過して第３ポート53に至るルートである。この信号伝播ルートを通過する高周波信号の大きさおよび位相は、第１の結合用貫通孔41を介して第１ポート51側から第３ポート53側へ通過する信号の伝送係数をＫ_３１＝Ａ_３１ｅｘｐ（ｊθ_３１）とすると、Ｂ１＝Ａ_３１ｅｘｐ｛ｊ（θ_３１−２π・２Ｌ１／λｇ）｝と表すことができる。ここで、λｇは第１および第２の導波管型高周波線路10，20における管内波長である。また、Ａ_３１は第１の結合用貫通孔41を介して第１ポート51側から第３ポート53側へ通過することによる高周波信号の大きさの変化を示し、θ_３１は第１の結合用貫通孔41を介して第１ポート51側から第３ポート53側へ通過することによる高周波信号の位相の変化を示す。そして、−２π・２Ｌ１／λｇは、高周波信号が第１および第２の導波管型高周波線路10，20内をそれぞれ距離Ｌ１だけ伝播することによる位相変化を示している。なお、第１および第２の導波管型高周波線路10，20内を伝播することによる高周波信号の大きさの変化は充分に小さいため無視している。

同様に、図３に示した第２の信号伝播ルートは、第１ポート51から入射した後に、第１の結合用貫通孔41の部位を第１ポート51側から第２ポート52側へ通過し、第２の結合用貫通孔42を第１ポート51側から第３ポート53側へ通過した後に、第１の結合用貫通孔41の部位を第４ポート54側から第３ポート53側へ通過して第３ポート53に至るルートである。この信号伝播ルートを通過する高周波信号の大きさおよび位相は、第１の結合用貫通孔41の部位において第１ポート51側から第２ポート52側へ通過する信号の伝送係数をＫ_２１＝Ａ_２１ｅｘｐ（ｊθ_２１），第２の結合用貫通孔42を介して第１ポート51側から第３ポート53側へ通過する信号の伝送係数をＫ₃₁＝Ａ_３１ｅｘｐ（ｊθ_３１），第１の結合用貫通孔41の部位において第４ポート54側から第３ポート53側へ通過する信号の伝送係数をＫ_３４＝Ａ_３４ｅｘｐ（ｊθ_３４）とすると、Ｂ２＝Ａ_２１Ａ_３１Ａ_３４ｅｘｐ｛ｊ（θ_２１＋θ_３１＋θ_３４−２θ−２π・２Ｌ１／λｇ）｝と表すことができる。ここで、−２θは、高周波信号が第１および第２の導波管型高周波線路10，20内をそれぞれ距離Ｌだけ伝播することによる位相変化を示している。

同様に、図４に示した第３の信号伝播ルートは、第１ポート51から入射した後に、第１の結合用貫通孔41の部位を第１ポート51側から第２ポート52側へ通過し、第２の結合用貫通孔42の部位で第１ポート51側へ反射し、第１の結合用貫通孔41を第２ポート52側から第３ポート53側へ通過して第３ポート53に至るルートである。この信号伝播ルートを通過する高周波信号の大きさおよび位相は、第１の結合用貫通孔41の部位において第１ポート51側から第２ポート52側へ通過する信号の伝送係数をＫ_２１＝Ａ_２１ｅｘｐ（ｊθ_２１），第１ポート51側から入射して第２の結合用貫通孔42の部位で反射して入射方向へ戻る信号の反射係数をＫ_１１＝Ａ_１１ｅｘｐ（ｊθ_１１），第１の結合用貫通孔41を介して第２ポート52側から第３ポート53側へ通過する信号の伝送係数をＫ_３２＝Ａ_３２ｅｘｐ（ｊθ_３２）とすると、Ｂ３＝Ａ_２１Ａ_１１Ａ_３２ｅｘｐ｛ｊ（θ_２１＋θ_１１＋θ_３２−２θ−２π・２Ｌ１／λｇ）｝と表すことができる。

同様に、図５に示した第４の信号伝播ルートは、第１ポート51から入射した後に、第１の結合用貫通孔41を第１ポート51側から第４ポート54側へ通過し、第２の結合用貫通孔42の部位で第３ポート53側へ反射し、第１の結合用貫通孔41の部位を第４ポート54側から第３ポート53側へ通過して第３ポート53に至るルートである。この信号伝播ルートを通過する高周波信号の大きさおよび位相は、第１の結合用貫通孔41を介して第１ポート51側から第４ポート54側へ通過する信号の伝送係数をＫ_４１＝Ａ_４１ｅｘｐ（ｊθ_４１），第３ポート53側から入射して第２の結合用貫通孔42の部位で反射して入射方向へ戻る信号の反射係数をＫ_３３＝Ａ_３３ｅｘｐ（ｊθ_３３），第１の結合用貫通孔41の部位において第４ポート54側から第３ポート53側へ通過する信号の伝送係数をＫ_３４＝Ａ_３４ｅｘｐ（ｊθ_３４）とすると、Ｂ４＝Ａ_４１Ａ_３３Ａ_３４ｅｘｐ｛ｊ（θ_４１＋θ_３３＋θ_３４−２θ−
２π・２Ｌ１／λｇ）｝と表すことができる。

同様に、図６に示した第５の信号伝播ルートは、第１ポート51から入射した後に、第１の結合用貫通孔41を第１ポート51側から第４ポート54側へ通過し、第２の結合用貫通孔42を第３ポート53側から第１ポート51側へ通過し、第１の結合用貫通孔41を第２ポート52側から第３ポート53側へ通過して第３ポート53に至るルートである。この信号伝播ルートを通過する高周波信号の大きさおよび位相は、第１の結合用貫通孔41を介して第１ポート51側から第４ポート54側へ通過する信号の伝送係数をＫ_４１＝Ａ_４１ｅｘｐ（ｊθ_４１），第２の結合用貫通孔42を介して第３ポート53側から第１ポート51側へ通過する信号の伝送係数をＫ_１３＝Ａ_１３ｅｘｐ（ｊθ_１３），第１の結合用貫通孔41を介して第２ポート52側から第３ポート53側へ通過する信号の伝送係数をＫ_３２＝Ａ_３２ｅｘｐ（ｊθ_３２）とすると、Ｂ５＝Ａ_４１Ａ_１３Ａ_３２ｅｘｐ｛ｊ（θ_４１＋θ_１３＋θ_３２−２θ−２π・２Ｌ１／λｇ）｝と表すことができる。

よって、このようなＢ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４およびＢ５のベクトル和を０に近づけることにより、５つの伝播ルートを通過した高周波信号を互いに打ち消し合わせることができる。ここで、上記Ｂ１〜Ｂ５全ての位相成分には、高周波信号が第１および第２の導波管型高周波線路10，20内をそれぞれ距離Ｌ１だけ伝播することによる位相変化を示す、−２π・２Ｌ１／λｇが含まれており、この位相変化は、θを算出するときには無視することができる。よって、Ｂ１〜Ｂ５のそれぞれから−２π・２Ｌ１／λｇを除いて得られる、次に示すＣ１〜Ｃ５のベクトル和が最小値となる（実質的に最小値となる）θの値を求めればよいことになる。
Ｃ１＝Ａ_３１ｅｘｐ（ｊθ_３１）
Ｃ２＝Ａ_２１Ａ_３１Ａ_３４ｅｘｐ｛ｊ（θ_２１＋θ_３１＋θ_３４−２θ）｝
Ｃ３＝Ａ_２１Ａ_１１Ａ_３２ｅｘｐ｛ｊ（θ_２１＋θ_１１＋θ_３２−２θ）｝
Ｃ４＝Ａ_４１Ａ_３３Ａ_３４ｅｘｐ｛ｊ（θ_４１＋θ_３３＋θ_３４−２θ）｝
Ｃ５＝Ａ_４１Ａ_１３Ａ_３２ｅｘｐ｛ｊ（θ_４１＋θ_１３＋θ_３２−２θ）}

次に、上記Ｃ１〜Ｃ５を計算するのに必要な、第１の結合用貫通孔41および第２の結合用貫通孔42の部位における、各伝送係数および反射係数の算出方法の一例を示す。図７は、図１に示す方向性結合器において第２の結合用貫通孔42を無くして、第１の結合用貫通孔41のみが存在するようにした構造を模式的に示す縦断面図である。このような構造における第１〜第４ポート51〜54におけるＳパラメータをシミュレーションまたは実験によって求めることにより、上記各伝送係数および反射係数を算出することができる。なお、図７において、図１〜図６に示した方向性結合器と同様の構成要素には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する。

図７に示す構造において第１ポート51における反射係数であるＳ_１１は、第１ポート51側から入射して第１の結合用貫通孔41の部位で反射して入射方向へ戻る信号の反射係数をＫ_１１＝Ａ_１１ｅｘｐ（ｊθ_１１）とすると、Ｓ_１１＝Ａ_１１ｅｘｐ｛ｊ（θ_１１−２π・２Ｌ２／λｇ）｝と表すことができる。ここで、Ｌ２は第１ポート51から第１の結合用貫通孔41の部位の中心までの距離であり、λｇは管内波長であり、−２π・２Ｌ２／λｇは、高周波信号が第１の導波管型高周波線路10内を距離２Ｌ２だけ伝播することによる位相変化を示す。管内波長λｇは導波管の寸法および管内の誘電率から算出できるため、−２π・２Ｌ２／λｇは計算で求めることができる。よって、Ｓ_１１をシミュレーションまたは測定によって求めることにより、Ｓ_１１からＫ_１１を算出することができる。なお、第１および第２の導波管型高周波線路10，20は同一の構造を有するため、第３ポート53側から入射して第１の結合用貫通孔41の部位で反射して入射方向へ戻る信号の反射係数をＫ_３３＝Ａ_３３ｅｘｐ（ｊθ_３３）とすると、Ｋ_３３はＫ_１１に一致する。

同様に、図７に示す構造において第１ポート51から第２ポート52への伝送係数であるＳ_２１は、第１の結合用貫通孔41の部位において第１ポート51側から第２ポート52側へ通過する信号の伝送係数をＫ_２１＝Ａ_２１ｅｘｐ（ｊθ_２１）とすると、Ｓ_２１＝Ａ_２１ｅｘｐ｛ｊ（θ_２１−２π・（Ｌ２＋Ｌ３）／λｇ）｝と表すことができる。ここで、Ｌ２＋Ｌ３は第１ポート51から第２ポート52までの伝播距離であり、−２π・（Ｌ２＋Ｌ３）／λｇは、高周波信号が第１および第２の導波管型高周波線路10，20内を距離（Ｌ２＋Ｌ３）だけ伝播することによる位相変化を示す。そして、−２π・（Ｌ２＋Ｌ３）／λｇは計算で求めることができるので、Ｓ_２１をシミュレーションまたは測定によって求めることにより、Ｓ_２１からＫ_２１を算出することができる。そして、第１および第２の導波管型高周波線路10，20は同一の構造を有するため、第１の結合用貫通孔41の部位において第３ポート53側から第４ポート54側へ通過する信号の伝送係数をＫ_３４＝Ａ_３４ｅｘｐ（ｊθ_３４）とすると、Ｋ_３４はＫ_２１に一致する。

同様に、図７に示す構造において第１ポート51から第３ポート53への伝送係数であるＳ_３１は、第１の結合用貫通孔41を介して第１ポート51側から第３ポート53側へ通過する信号の伝送係数をＫ_３１＝Ａ_３１ｅｘｐ（ｊθ_３１）とすると、Ｓ_３１＝Ａ_３１ｅｘｐ｛ｊ（θ_３１−２π・２Ｌ２／λｇ）｝と表すことができる。ここで、２Ｌ２は第１ポート51から第３ポート53までの伝播距離であり、−２π・２Ｌ２／λｇは、高周波信号が第１および第２の導波管型高周波線路10，20内を距離２Ｌ２だけ伝播することによる位相変化を示す。そして、−２π・２Ｌ２／λｇは計算で求めることができるので、Ｓ_３１をシミュレーションまたは測定によって求めることにより、Ｓ_３１からＫ_３１を算出することがきる。

同様に、図７に示す構造において第１ポート51から第４ポート54への伝送係数であるＳ_４１は、第１の結合用貫通孔41を介して第１ポート51側から第４ポート54側へ通過する信号の伝送係数をＫ_４１＝Ａ_４１ｅｘｐ（ｊθ_４１）とすると、Ｓ_４１＝Ａ_４１ｅｘｐ｛ｊ（θ_４１−２π・（Ｌ２＋Ｌ３）／λｇ）｝と表すことができる。ここで、Ｌ２＋Ｌ３は第１ポート51から第４ポート54までの伝播距離であり、−２π・（Ｌ２＋Ｌ３）／λｇは、高周波信号が第１および第２の導波管型高周波線路10，20内を距離（Ｌ２＋Ｌ３）だけ伝播することによる位相変化を示す。そして、−２π・（Ｌ２＋Ｌ３）／λｇは計算で求めることができるので、Ｓ_４１をシミュレーションまたは測定によって求めることにより、Ｓ_４１からＫ_４１を算出することができる。そして、第１および第２の導波管型高周波線路10，20は同一の構造を有するため、第１の結合用貫通孔41を介して第２ポート52側から第３ポート53側へ通過する信号の伝送係数をＫ_３２＝Ａ_３２ｅｘｐ（ｊθ_３２）とすると、Ｋ_３２はＫ_４１に一致する。

このようにして、図７に示すような、作成したい方向性結合器と同じ断面形状を備えるとともに同一形状の結合用貫通孔を１つだけ備える構造の第１〜第４ポート51〜54におけるＳパラメータをシミュレーションまたは測定によって求めることにより、Ｃ１〜Ｃ５の算出に必要な全ての反射係数および伝送係数を得ることができる。

なお、第１の結合用貫通孔41と第２の結合用貫通孔42との間隔Ｌについては、あまりに小さくすると第１および第２の結合用貫通孔41，42同士の結合が生じて好ましくないので、管内波長の１／４よりも大きく設定するのが望ましい。

また、本例の方向性結合器によれば、第１および第２の導波管型高周波線路10，20の横断面の形状が等しいことから、上述したように、Ｋ_３３はＫ_１１に一致し、Ｋ_３４はＫ_２１に一致し、Ｋ_３２はＫ_４１に一致するので、設計が容易な方向性結合器を得ることができる。

（実施の形態の第２の例）
図８は本発明の実施の形態の第２の例の方向性結合器を模式的に示す斜視図である。なお、本例においては前述した第１の例と異なる点のみについて説明し、同様の構成要素については同一の参照符号を用いて重複する説明を省略する。

本例の方向性結合器は、図８に示すように、第１および第２の導波管型高周波線路10，20は、幅方向（図のｘ軸方向）の寸法は互いに等しいが、高さ方向（図のｙ軸方向）の寸法が互いに異なっている。より詳細には、第１の導波管型高周波線路10の高さ方向（図のｙ軸方向）の寸法が、第２の導波管型高周波線路20の高さ方向（図のｙ軸方向）の寸法よりも小さくされている。

このような構成を備える本例の方向性結合器においても、第１および第２の導波管型高周波線路10，20の幅方向（図のｘ軸方向）の寸法が互いに等しいことから、第１および第２の導波管型高周波線路10，20の管内波長が互いに等しい。よって、本例の方向性結合器も、前述した実施の形態の第１の例の方向性結合器と全く同様に、方向性の優れた方向性結合器として機能させることができる。

（実施の形態の第３の例）
図９は本発明の実施の形態の第３の例の方向性結合器を模式的に示す外観斜視図である。なお、図９においては、構造をわかりやすくするために誘電体基板の図示を省略するとともに、管壁用主導体層61の一部を取り除いた状態を示している。また、本例においては前述した第１の例と異なる点のみについて説明し、同様の構成要素については同一の参照符号を用いて重複する説明を省略する。

本例の方向性結合器は、図９に示すように、第１および第２の導波管型高周波線路10，20が複数の誘電体層が積層された誘電体基板（図示せず）中に形成された誘電体導波管線路で構成されている。すなわち、各導波管の上下の管壁が、誘電体基板の上下面および誘電体層の層間に配置された管壁用主導体層61，62，63で構成されており、各導波管の側壁は、誘電体層の層間に配置された管壁用副導体層64および管壁用貫通導体群65によって構成されている。なお、管壁用貫通導体群65を構成する隣接する貫通導体間の距離を高周波信号の波長の１／２未満に形成することにより電磁波の漏れが抑えられ、導波管の管壁として機能させている。

このような構成を備える本例の方向性結合器によれば、方向性結合器が誘電体基板中に形成されているため、誘電体基板の比誘電率をεとすると、１／√ε（εは）に小型化できるとともに、セラミック多層積層技術を適用して製造できるため、低コストな方向性結合器を得ることができる。

本例の方向性結合器において、誘電体基板（図示せず）の材質としては、高周波信号の伝送を妨げない特性を有するものであれば特に限定するものではなく、ガラスエポキシ等の樹脂を使用することも可能であるが、加工精度および製造の容易性の点からは誘電体セラミックスを使用することが望ましい。また、誘電体基板の比誘電率は、例えば２〜20程度に設定される。

管壁用主導体層61，62，63，管壁用副導体層64および管壁用貫通導体群65は、例えば、アルミニウムや銅などの良導電性の金属を使用できる。管壁用主導体層61，62，63および管壁用副導体層64の厚みは、例えば、３μｍ〜50μｍ程度とされる。管壁用貫通導体群65としてはビアホールやスルーホールを用いることができ、その直径は、例えば0.05ｍｍ〜0.5ｍｍ程度とされる。

このような管壁用主導体層61，62，63，管壁用副導体層64および管壁用貫通導体群65が配置された誘電体基板は、例えば、次のようにして作製することができる。まず、ガラス，アルミナ，窒化アルミニウム等を主成分とするセラミック原料粉末に適当な有機溶剤と溶媒とを添加混合して得た泥漿を用いて、ドクターブレード法やカレンダーロール法等によってセラミックグリーンシートを作製する。次に、金属粉末に適当なアルミナ・シリカ・マグネシア等の酸化物や有機溶剤等を添加混合してペースト状にしたものを、厚膜印刷法によりセラミックグリーンシートの表面に塗布して導体ペースト付きセラミックグリーンシートを作製する。次に、得られた導体ペースト付きセラミックグリーンシートを積層し、ホットプレス装置を用いて圧着して積層体を形成する。そして、得られた積層体を、誘電体基板がガラスセラミックスの場合は850℃〜1000℃程度、アルミナ質セラミックス
の場合は1500℃〜1700℃程度、窒化アルミニウム質セラミックスの場合は1600℃〜1900℃程度のピーク温度で焼成することによって作製される。なお、金属粉末としては、誘電体基板21がガラスセラミックスの場合は銅，金または銀が、誘電体基板がアルミナ質セラミックスまたは窒化アルミニウム質セラミックスの場合にはタングステンまたはモリブデンが好適である。

（変形例）
本発明は前述した実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更，改良が可能である。

例えば、前述した実施の形態の例においては、第１および第２の導波管型高周波線路10，20が共有するＨ面となる管壁30に第１および第２の結合用貫通孔41，42が形成された構成を示したが、第１および第２の導波管型高周波線路10，20がＥ面となる管壁を共有し、その共有するＥ面となる管壁に２つの管壁に第１および第２の結合用貫通孔41，42が形成される構成としても構わない。

また、前述した実施の形態の例においては、第１および第２の結合用貫通孔41，42が矩形の場合を示したが、結合用貫通孔として機能すれば他の形状でもよく、例えば、長円型の結合用貫通孔としても構わない。

さらに、前述した実施の形態の例においては、第１および第２の導波管型高周波線路10，20が１つの管壁30を共有する例を示したが、これに限定されるものではない。例えば、それぞれの導波管型高周波線路の対応する１つの管壁（どちらもＥ面となる１つの管壁またはどちらもＨ面となる１つの管壁）が隣接するように配置されて、その隣接する一対の管壁を貫通するように第１および第２の結合用貫通孔41，42が形成されるようにしても構わない。

次に、本発明の方向性結合器の具体例について説明する。

図１に示した実施の形態の第１の例の方向性結合器における電気特性を電磁場解析によるシミュレーションによって算出した。算出条件としては、第１および第２の導波管型高周波線路10，20の幅（図のｘ軸方向の寸法）を2.54ｍｍとし、高さ（図のｙ軸方向の寸法）を1.27ｍｍとし、導波管内部は空洞（空気）とした。第１および第２の結合用貫通孔41，42の断面形状は、それぞれ長さが2.53ｍｍで幅が0.53ｍｍの矩形状とした。中心周波数は76.5ＧＨｚに設定した。第１および第２の結合用貫通孔41，42の間隔Ｌは、前述した方法で算出した結果2.304ｍｍとなった。

そして、第１ポート51から第３ポート53への通過特性（Ｓ_３１）を算出した。図10はその結果を示すグラフであり、横軸は周波数を表し、縦軸は減衰量を表している。図10に示
すグラフによれば、設計した中心周波数の76.5ＧＨｚに減衰極が形成されており、76.5ＧＨｚにおける減衰量は−50ｄＢを超えており、良好な方向性が得られていることがわかる。

次に、図８に示した実施の形態の第２の例の方向性結合器における電気特性を電磁場解析によるシミュレーションによって算出した。このシミュレーションにおいては、第２の導波管型高周波線路20の高さ（図のｙ軸方向の寸法）を1.17ｍｍとし、それによって、前述した方法で算出した第１および第２の結合用貫通孔41，42の間隔Ｌは2.348ｍｍとなっ
た。それ以外の条件は、上述した実施の形態の第１の例の方向性結合器のシミュレーションと同じとした。

第１ポート51から第３ポート53への通過特性（Ｓ_３１）のシミュレーション結果を図11に示す。図11のグラフにおいて、横軸は周波数を表し、縦軸は減衰量を表している。図11に示すグラフによれば、設計した中心周波数の76.5ＧＨｚに減衰極が形成されており、76.5ＧＨｚにおける減衰量は−50ｄＢ程度であり、良好な方向性が得られていることがわかる。

次に、従来の方向性結合器のように第１および第２の結合用貫通孔41，42の間隔Ｌを管内波長の１／４である1.539ｍｍに設定した比較例の方向性結合器のシミュレーション結
果を図12に示す。図12に示すグラフによれば、減衰極は中心周波数の76.5ＧＨｚから大きく離れた88.5ＧＨｚに形成されており、中心周波数の76.5ＧＨｚにおける減衰量は−10ｄＢにも及ばず、良好な方向性が得られていないことがわかる。なお、第１および第２の結合用貫通孔41，42の間隔Ｌを管内波長の３／４である4.617ｍｍに設定した方向性結合器
の電気特性のシミュレーションも行ったが、減衰極は中心周波数の76.5ＧＨｚから大きく離れた81.5ＧＨｚに形成され、中心周波数の76.5ＧＨｚにおける減衰量は−10ｄＢにも及ばず、良好な方向性は得られなかった。以上の結果により本発明の有効性が確認できた。

10：第１の導波管型高周波線路
20：第２の導波管型高周波線路
30：管壁
41：第１の結合用貫通孔
42：第２の結合用貫通孔
51：第１ポート
52：第２ポート
53：第３ポート
54：第４ポート

Claims

互いに平行に隣接して配置された、管内波長が等しい第１および第２の導波管型高周波線路と、該第１および第２の導波管型高周波線路の長さ方向に所定の間隔Ｌをあけて、前記第１および第２の導波管型高周波線路を隔てる管壁を貫通するように形成された、同一形状を有する第１および第２の結合用貫通孔とを備え、前記第１の導波管型高周波線路の両端がそれぞれ第１，第２ポートとなり、前記第２の導波管型高周波線路の両端がそれぞれ第３，第４ポートとなり、前記第１および第３ポートが同じ側に配置され、前記第２および第４ポートが同じ側に配置された方向性結合器であって、
前記第１および第２の結合用貫通孔の部位のそれぞれにおいて、前記第１ポート側から入射して結合用貫通孔の部位で反射して入射方向へ戻る信号の反射係数をＡ_１１ｅｘｐ（ｊθ_１１），結合用貫通孔を介して前記第３ポート側から前記第１ポート側へ通過する信号の伝送係数をＡ_１３ｅｘｐ（ｊθ_１３），前記第１ポート側から前記第２ポート側へ通過する信号の伝送係数をＡ_２１ｅｘｐ（ｊθ_２１），結合用貫通孔を介して前記第１ポート側から前記第３ポート側へ通過する信号の伝送係数をＡ_３１ｅｘｐ（ｊθ_３１），結合用貫通孔を介して前記第２ポート側から前記第３ポート側へ通過する信号の伝送係数をＡ_３２ｅｘｐ（ｊθ_３２），前記第３ポート側から入射して結合用貫通孔の部位で反射して入射方向へ戻る信号の反射係数をＡ_３３ｅｘｐ（ｊθ_３３），前記第４ポート側から前記第３ポート側へ通過する信号の伝送係数をＡ_３４ｅｘｐ（ｊθ_３４），結合用貫通孔を介して前記第１ポート側から前記第４ポート側へ通過する信号の伝送係数をＡ_４１ｅｘｐ（ｊθ_４１）とし、
前記第１および第２の導波管型高周波線路における管内波長をλｇとすると、前記所定の間隔Ｌは、
Ｌ＝（θ／π＋ｎ）λｇ／２（０＜θ＜π，ｎは０または自然数）
を満たすとともに、θは、
Ｃ１＝Ａ_３１ｅｘｐ（ｊθ_３１）
Ｃ２＝Ａ_２１Ａ_３１Ａ_３４ｅｘｐ｛ｊ（θ_２１＋θ_３１＋θ_３４−２θ）｝
Ｃ３＝Ａ_２１Ａ_１１Ａ_３２ｅｘｐ｛ｊ（θ_２１＋θ_１１＋θ_３２−２θ）｝
Ｃ４＝Ａ_４１Ａ_３３Ａ_３４ｅｘｐ｛ｊ（θ_４１＋θ_３３＋θ_３４−２θ）｝
Ｃ５＝Ａ_４１Ａ_１３Ａ_３２ｅｘｐ｛ｊ（θ_４１＋θ_１３＋θ_３２−２θ）｝
で示される５つのベクトルＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４およびＣ５が互いに打ち消し合うような値に設定されていることを特徴とする方向性結合器。
前記第１および第２の導波管型高周波線路の横断面の形状が等しいことを特徴とする請求項１に記載の方向性結合器。