JP6358297B2 - 方向性結合器及びこれを用いた無線通信装置 - Google Patents

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Description

本発明は方向性結合器及びこれを用いた無線通信装置に関し、特に、使用可能な周波数帯域の広い方向性結合器及びこれを用いた無線通信装置に関する。
スマートフォンやタブレット端末などの無線通信装置には、アンテナから出力される送信信号の電力の一部を取り出す方向性結合器が用いられる。方向性結合器によって取り出された電力の一部は、検出信号として自動出力制御回路に供給され、自動出力制御回路はこの検出信号のレベルに基づいてパワーアンプの利得を調整する。
方向性結合器の構成としては、特許文献１及び２に記載された構成が知られている。特許文献１及び２に記載された方向性結合器は、基板上に積層された複数の導体層からなるチップ部品であり、送信信号が伝送される主線路の一部を副線路に電磁界結合させることによって、送信信号の電力の一部を取り出すことができる。
特許文献１及び２に記載された方向性結合器においては、副線路に平面スパイラル状のコイルパターンが複数含まれている。そして、特許文献１及び２に記載された方向性結合器では、複数のコイルパターン同士が干渉しないよう、これらの間に大面積のグランドパターンが設けられている。
特開２０１４−０５７２０４号公報 特開２０１５−１８１３１５号公報
しかしながら、大面積のグランドパターンを設けると、コイルパターンによって生じるインダクタンスが低下することから、所望のインダクタンスを確保するためにはコイルパターンのターン数を増やす必要があり、チップサイズが大型化するという問題があった。また、コイルパターンとグランドパターンが重なることによって、副線路の損失が増加するという問題もあった。さらには、コイルパターンとグランドパターンとの間に位置する絶縁膜の膜厚がばらつくと、両者間に生じるキャパシタンス成分が変化するため、製造ばらつきの原因になるという問題もあった。
したがって、本発明は、副線路に含まれるコイルパターンとグランドパターンとの重なりによって生じるチップサイズの大型化や特性の劣化を防止可能な方向性結合器及びこれを用いた無線通信装置を提供することを目的とする。
本発明による方向性結合器は、高周波信号が伝送される主線路と、前記主線路と電磁界結合する副線路と、平面視で少なくとも一部が前記主線路と前記副線路との間に位置するグランドパターンと、を備え、前記副線路は、インダクタンスパターン及びキャパシタからなるローパスフィルタ回路を含み、前記グランドパターンは、平面視で前記インダクタンスパターンの少なくとも一部と重なる開口を有することを特徴とする。
また、本発明による無線通信装置は、アンテナと、前記アンテナに送信信号を供給するパワーアンプと、前記パワーアンプの利得を調整する自動出力制御回路と、上記の方向性結合器と、を備え、前記方向性結合器の前記主線路は、前記アンテナと前記パワーアンプとの間に接続され、前記方向性結合器の前記副線路は、前記自動出力制御回路に接続され、前記自動出力制御回路は、前記副線路から供給される検出信号に基づいて前記パワーアンプの利得を調整することを特徴とする。
本発明によれば、グランドパターンに開口部が設けられ、これによってグランドパターンがループ状とされていることから、副線路に含まれるインダクタンスパターンとグランドパターンとの重なりが大幅に低減する。これにより、インダクタンスの低下が防止されることから、チップサイズを小型化することが可能となる。また、インダクタンスパターンとグランドパターンの重なりに起因する副線路の損失が低下するととともに、絶縁膜の膜厚ばらつきに起因するキャパシタンス成分の変化も少なくなることから、良好な特性を得ることも可能となる。
本発明において、前記インダクタンスパターンは平面スパイラル状のコイルパターンであることが好ましい。これによれば、大きなインダクタンスを得ることが可能となる。
本発明において、前記開口は平面視で少なくとも前記コイルパターンの内径部と重なることが好ましい。コイルパターンの内径部は磁束密度が最も高い部分であることから、少なくともこの部分に開口を設けることによって、インダクタンスの低下を効果的に防止することが可能となる。
この場合、前記開口は、平面視で前記コイルパターンの最外周ターンを除くすべてのターンと重なることが好ましい。これによれば、コイルパターンの大部分のターンがグランドパターンと重ならないことから、副線路の損失低下や、絶縁膜の膜厚ばらつきに起因するキャパシタンス成分の変化を効果的に防止することが可能となる。
本発明において、前記コイルパターンは、互いに同じ導体層に設けられた第１及び第２のコイルパターンを含み、前記開口は、平面視で前記第１及び第２のコイルパターンの少なくとも一部と重なることが好ましい。これによれば、２つのコイルパターンを有する小型で高性能な方向性結合器を提供することが可能となる。或いは、前記コイルパターンは、互いに同じ導体層に設けられた第１、第２、第３及び第４のコイルパターンを含み、前記グランドパターンは、平面視で前記第１及び第２のコイルパターンの少なくとも一部と重なる第１の開口と、平面視で前記第３及び第４のコイルパターンの少なくとも一部と重なる第２の開口を有していても構わない。これによれば、４つのコイルパターンを有する小型で高性能な方向性結合器を提供することが可能となる。
本発明による方向性結合器は、前記主線路の一端に接続された入力端子と、前記主線路の他端に接続された出力端子と、前記副線路の一端に接続されたカップリング端子と、前記副線路の他端に接続された終端端子と、前記カップリング端子と前記終端端子との間に配置され、前記グランドパターンに接続されたグランド端子と、前記入力端子と前記出力端子との間に配置されたダミー端子と、をさらに備えることが好ましい。これによれば、ダミー端子によって高い実装強度が確保される。
この場合、前記主線路は、平面視で前記ダミー端子を迂回する部分において、前記主線路と同じ導体層に設けられた前記副線路の一部と近接するとともに、前記主線路と異なる導体層に設けられた前記副線路の他の一部と平面視で重なることが好ましい。これによれば、副線路の一部で相対的に弱い電磁界結合を得ることができるとともに、副線路の他の一部で相対的に強い電磁界結合を得ることができることから、より広い周波数帯域においてフラットなカップリング特性を得ることができる。
また、前記キャパシタは、平面視で、前記カップリング端子と前記グランド端子の間、並びに、前記終端端子と前記グランド端子の間に配置されていることが好ましい。これによれば、端子間のスペースが有効活用されることから、チップサイズを小型化することが可能となる。
このように、本発明によれば、チップサイズが小さく、且つ、良好な特性を得ることが可能な方向性結合器及びこれを用いた無線通信装置を提供することが可能となる。
図１は、本発明の第１の実施形態による方向性結合器１００の外観を示す略斜視図である。 図２は、積層構造体１０２に含まれる導体層の分解斜視図である。 図３は、積層構造体１０２に含まれる導体層を積層方向から見た透視図である。 図４は、導体層Ｍ１の構成を示す平面図である。 図５は、絶縁層Ｉ１の構成を示す平面図である。 図６は、キャパシタ電極層Ｃの構成を示す平面図である。 図７は、絶縁層Ｉ２の構成を示す平面図である。 図８は、導体層Ｍ２の構成を示す平面図である。 図９は、絶縁層Ｉ３の構成を示す平面図である。 図１０は、導体層Ｍ３の構成を示す平面図である。 図１１は、絶縁層Ｉ４の構成を示す平面図である。 図１２は、端子電極１１１〜１１６の構成を示す平面図である。 図１３は、方向性結合器１００の等価回路図である。 図１４は、第１の比較例による方向性結合器１００Ａの分解斜視図である。 図１５は、第１の実施形態による方向性結合器１００と第１の比較例による方向性結合器１００Ａの周波数特性を示すグラフであり、（ａ）はアイソレーション特性、（ｂ）はカップリング特性、（ｃ）は副線路のインサーションロス、（ｄ）はカップリング端子のリターンロスを示している。 図１６は、本発明の第２の実施形態による方向性結合器３００の構造を説明するための図であり、積層構造体１０２に含まれる導体層を積層方向から見た透視図である。 図１７は、導体層Ｍ１の構成を示す平面図である。 図１８は、絶縁層Ｉ１の構成を示す平面図である。 図１９は、キャパシタ電極層Ｃの構成を示す平面図である。 図２０は、絶縁層Ｉ２の構成を示す平面図である。 図２１は、導体層Ｍ２の構成を示す平面図である。 図２２は、絶縁層Ｉ３の構成を示す平面図である。 図２３は、導体層Ｍ３の構成を示す平面図である。 図２４は、絶縁層Ｉ４の構成を示す平面図である。 図２５は、方向性結合器３００の等価回路図である。 図２６は、第２の比較例による方向性結合器３００Ａの分解斜視図である。 図２７は、第２の実施形態による方向性結合器３００と第２の比較例による方向性結合器３００Ａの周波数特性を示すグラフであり、（ａ）はアイソレーション特性、（ｂ）はカップリング特性、（ｃ）は副線路のインサーションロス、（ｄ）はカップリング端子のリターンロスを示している。 図２８は、方向性結合器１００又は３００を用いた無線通信装置５００のブロック図である。
以下、添付図面を参照しながら、本発明のいくつかの実施形態について詳細に説明する。
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態による方向性結合器１００の外観を示す略斜視図である。
図１に示すように、本実施形態による方向性結合器１００は、略直方体形状を有するチップ部品であり、基板１０１上に積層構造体１０２が積層された構成を有している。尚、図１は、方向性結合器１００の積層構造体１０２を下側に向けた状態を斜め下方から見た図である。特に限定されるものではないが、方向性結合器１００のｘ方向における長さは１．０ｍｍ、ｙ方向における幅は０．５ｍｍ、ｚ方向における高さは０．３ｍｍである。基板１０１は例えばフェライト等の非磁性材料からなり、積層構造体１０２を形成する際の支持体であるとともに、方向性結合器１００の機械的強度を確保する役割を果たす。
積層構造体１０２は、複数の導体層と複数の絶縁層が交互に積層されてなる構造体であり、そのｘｙ表面（底面）には６つの端子電極１１１〜１１６が設けられている。このうち、端子電極１１１，１１２はそれぞれ入力端子及び出力端子であり、後述するように、それぞれパワーアンプ及びアンテナに接続される。端子電極１１３はカップリング端子であり、後述する自動出力制御回路に接続される。端子電極１１４は終端端子であり、終端回路に接続される。端子電極１１５はグランド端子であり、グランド電位が供給される。端子電極１１６はダミー端子であり、もっぱらプリント基板に対する機械的固定のために用いられる。図１に示す例では、端子電極１１１〜１１６が積層構造体１０２の底面にのみ形成されているが、端子電極１１１〜１１６を積層構造体１０２の底面及び側面に形成しても構わない。
図２及び図３は、積層構造体１０２に含まれる導体層の構成を説明するための図であり、図２は分解斜視図、図３は積層方向（ｚ方向）から見た透視図である。また、図４〜図１２は、積層構造体１０２を構成する各層の構成を示す平面図である。
図２〜図１２に示すように、積層構造体１０２は、導体層Ｍ１〜Ｍ３及びキャパシタ電極層Ｃと、隣接する導体層Ｍ１〜Ｍ３又はキャパシタ電極層Ｃ間に設けられた絶縁層Ｉ１〜Ｉ４によって構成されている。以下、各層の構成について詳細に説明する。
まず、積層構造体１０２の最下層には、図４に示す導体層Ｍ１が設けられる。導体層Ｍ１は、銅（Ｃｕ）などの良導体からなり、端子電極パターン１２１〜１２６と、主線路１３０と、副線路１４０の一部と、キャパシタ電極パターン１５１，１５２とを含んでいる。後述する他の導体層Ｍ２，Ｍ３やキャパシタ電極層Ｃについても、銅（Ｃｕ）などの良導体によって構成される。端子電極パターン１２１〜１２６は、それぞれ端子電極１１１〜１１６に接続されるパターンであり、平面視で（ｚ方向から見て）、端子電極１１１〜１１６と重なる位置に設けられている。
主線路１３０は、入力端子である端子電極１１１と出力端子である端子電極１１２とを接続する導体パターンであり、端子電極パターン１２６を避けるよう、蛇行してレイアウトされている。具体的には、ｙ方向に端子電極パターン１２６が存在しない部分、つまり、端子電極パターン１２１と１２６との間や、端子電極パターン１２２と１２６との間においては、副線路１４０との距離を確保すべく、主線路１３０がチップの端部近傍に設けられている。これに対し、ｙ方向に端子電極パターン１２６が存在する部分においては、端子電極パターン１２６との干渉を避けるよう、副線路１４０側に蛇行するようレイアウトされている。
副線路１４０は、主線路１３０の近傍をｘ方向に延在する直線部１４１と、平面スパイラル状である２つのコイルパターン１４２，１４３とを含む。コイルパターン１４２，１４３は、インダクタンス成分を得るためのインダクタンスパターンである。直線部１４１の一部は、主線路１３０のうち、副線路１４０側に蛇行した蛇行部１３１と並走しており、これにより両者間において電磁界結合が生じる。但し、両者の並走距離は短いため、電磁界結合は比較的弱い。直線部１４１の一端は、カップリング端子に対応する端子電極パターン１２３に接続され、他端は、コイルパターン１４２の外周端に接続される。
図４に示すように、コイルパターン１４２の内周端にはパッド１４２ａが設けられ、コイルパターン１４２の外周端にはパッド１４２ｂが設けられる。同様に、コイルパターン１４３の内周端にはパッド１４３ａが設けられ、コイルパターン１４３の外周端には２つのパッド１４３ｂ１，１４３ｂ２が設けられる。これらのパッドは、上層に位置する導体層Ｍ２と接続するために、他の導体部分よりも面積が拡大されている。
キャパシタ電極パターン１５１，１５２は、グランド端子に対応する端子電極パターン１２５に接続されている。このうち、キャパシタ電極パターン１５１は端子電極パターン１２４，１２５間に位置し、キャパシタ電極パターン１５２は端子電極パターン１２３，１２５間に位置している。
導体層Ｍ１は、図５に示す絶縁層Ｉ１によって覆われる。絶縁層Ｉ１は樹脂などの絶縁材料からなり、開口パターン１６１〜１６６，１７１〜１７５を有している。後述する他の絶縁層Ｉ２〜Ｉ４についても、樹脂などの絶縁材料によって構成される。開口パターン１６１〜１６６は、それぞれ端子電極パターン１２１〜１２６を露出させる位置に設けられ、開口パターン１７１〜１７５は、それぞれパッド１４２ａ，１４２ｂ，１４３ａ，１４３ｂ１，１４３ｂ２を露出させる位置に設けられる。
絶縁層Ｉ１の上方には、図６に示すキャパシタ電極層Ｃが設けられる。キャパシタ電極層Ｃは、キャパシタ電極パターン１８１〜１８４からなる。このうち、キャパシタ電極パターン１８１，１８２は、平面視でキャパシタ電極パターン１５１と重なる位置に設けられ、キャパシタ電極パターン１８３，１８４は、平面視でキャパシタ電極パターン１５２と重なる位置に設けられる。これにより、キャパシタ電極パターン１８１〜１８４を一方の電極とし、キャパシタ電極パターン１５１，１５２を他方の電極とする４つのキャパシタが形成される。
キャパシタ電極層Ｃは、図７に示す絶縁層Ｉ２によって覆われる。絶縁層Ｉ２は、開口パターン１９１〜１９６，２０１〜２０５，２１１〜２１４を有している。開口パターン１９１〜１９６は、それぞれ端子電極パターン１２１〜１２６を露出させる位置に設けられ、開口パターン２０１〜２０５は、それぞれパッド１４２ａ，１４２ｂ，１４３ａ，１４３ｂ１，１４３ｂ２を露出させる位置に設けられ、開口パターン２１１〜２１４は、それぞれキャパシタ電極パターン１８１〜１８４を露出させる位置に設けられる。
絶縁層Ｉ２の上方には、図８に示す導体層Ｍ２が設けられる。導体層Ｍ２は、端子電極パターン２２１〜２２６と、副線路１４０の他の一部と、キャパシタ電極パターン２３１〜２３４とを含んでいる。端子電極パターン２２１〜２２６は、開口パターン１９１〜１９６、１６１〜１６６を介して、それぞれ端子電極パターン１２１〜１２６に接続される。
副線路１４０は、接続部１４４，１４５と、パッド１４６，１４７とを含む。接続部１４４は、平面視で主線路１３０に沿って蛇行する部分を有し、その一端であるパッド１４４ａは開口パターン２０３，１７３を介してパッド１４３ａに接続され、その他端は端子電極パターン２２４に接続される。接続部１４４のうち、主線路１３０に沿って蛇行する部分は、平面視で主線路１３０と重なっており、これにより両者間において電磁界結合が生じる。そして、両者が重なる距離は長いため、比較的強い電磁界結合が得られる。また、接続部１４４は、キャパシタ電極パターン２３４にも接続されている。
一方、接続部１４５の一端であるパッド１４５ａは、開口パターン２０１，１７１を介してパッド１４２ａに接続され、接続部１４５の他端であるパッド１４５ｂは、開口パターン２０４，１７４を介してパッド１４３ｂ１に接続される。また、接続部１４５は、キャパシタ電極パターン２３２にも接続されている。
パッド１４６は、開口パターン２０２，１７２を介してパッド１４２ｂに接続されるとともに、キャパシタ電極パターン２３１にも接続されている。一方、パッド１４７は、開口パターン２０５，１７５を介してパッド１４３ｂ２に接続されるとともに、キャパシタ電極パターン２３３にも接続されている。キャパシタ電極パターン２３１〜２３４は、開口パターン２１１〜２１４を介してキャパシタ電極パターン１８１〜１８４にそれぞれ接続される。
導体層Ｍ２は、図９に示す絶縁層Ｉ３によって覆われる。絶縁層Ｉ３は、開口パターン２４１〜２４６を有している。開口パターン２４１〜２４６は、それぞれ端子電極パターン２２１〜２２６を露出させる位置に設けられる。
絶縁層Ｉ３の上方には、図１０に示す導体層Ｍ３が設けられる。導体層Ｍ３は、端子電極パターン２５１〜２５６と、ループ状のグランドパターン２６０とを含んでいる。端子電極パターン２５１〜２５６は、開口パターン２４１〜２４６を介して、それぞれ端子電極パターン２２１〜２２６に接続される。
グランドパターン２６０は、グランド端子に対応する端子電極パターン２５５に接続されており、その中央部に大面積の開口２６１が設けられている。ここで「開口」とは、グランドパターンが削除された部分であってその外周が閉じたものを指す。つまり、グランドパターン２６０はループ状であり、そのパターン幅はコイルパターン１４２，１４３のパターン幅と同程度まで細くされている。グランドパターン２６０は、平面視で主線路１３０と副線路１４０の間に設けられることにより、主線路１３０と副線路１４０との間の不要な干渉を防止する役割を果たす。
グランドパターン２６０の開口２６１は、平面視でコイルパターン１４２，１４３の両方と重なる位置に設けられる。開口２６１は、平面視でコイルパターン１４２，１４３の両方を完全に収容することが特性上好ましいが、グランドパターン２６０とコイルパターン１４２，１４３が全く重ならないようにするためには、グランドパターン２６０のループ形状を大きくする必要があり、この場合、チップサイズが大型化してしまう。このため、本実施形態においては、グランドパターン２６０とコイルパターン１４２，１４３の最外周のみが重なる形状としている。これにより、本実施形態においては、チップサイズを大型化することなく、コイルパターン１４２，１４３とグランドパターン２６０の重なりを最小限としている。
開口２６１の面積は大きい方が好ましく、特に、コイルパターン１４２，１４３の内径部と開口２６１が重なることがより好ましい。これは、コイルパターン１４２，１４３の内径部は磁束密度が最も高い部分であることから、平面視でこの部分と重なる位置に開口２６１を設けることによって、コイルパターン１４２，１４３のインダクタンスの低下を防止することができるからである。
導体層Ｍ３は、図１１に示す絶縁層Ｉ４によって覆われる。絶縁層Ｉ４は、開口パターン２７１〜２７６を有している。開口パターン２７１〜２７６は、それぞれ端子電極パターン２５１〜２５６を露出させる位置に設けられる。
絶縁層Ｉ４の上方には、図１２に示す端子電極１１１〜１１６が設けられる。端子電極１１１〜１１６も銅（Ｃｕ）などの良導体からなり、それぞれ開口パターン２７１〜２７６を介して、端子電極パターン２５１〜２５６に接続される。
図１３は、本実施形態による方向性結合器１００の等価回路図である。
本実施形態による方向性結合器１００は、端子電極１１１に高周波の送信信号が入力され、これが端子電極１１２から出力される。端子電極１１１と端子電極１１２は主線路１３０によって接続されており、主線路１３０は２箇所で副線路１４０と電磁界結合する。１箇所目の結合部Ａ１は、主線路１３０のうち副線路１４０側に蛇行する蛇行部１３１と、副線路１４０の直線部１４１との間における電磁界結合によるものである。２箇所目の結合部Ａ２は、主線路１３０の全体と副線路１４０の接続部１４４との間における電磁界結合によるものである。
副線路１４０の直線部１４１と接続部１４４との間には、２つのコイルパターン１４２，１４３が直列に接続される。本実施形態においては、コイルパターン１４２，１４３がいずれも約４ターンであるが、コイルパターン１４２の径よりもコイルパターン１４３の径の方がやや大きく、これによりそれぞれ所定のインダクタンスを生成する。
コイルパターン１４２の両端には、それぞれキャパシタＣ１１，Ｃ１２が接続される。キャパシタＣ１１はキャパシタ電極パターン１５１及び１８１によって構成され、キャパシタＣ１２はキャパシタ電極パターン１５１及び１８２によって構成される。同様に、コイルパターン１４３の両端には、それぞれキャパシタＣ１３，Ｃ１４が接続される。キャパシタＣ１３はキャパシタ電極パターン１５２及び１８３によって構成され、キャパシタＣ１４はキャパシタ電極パターン１５２及び１８４によって構成される。キャパシタ電極パターン１８１〜１８４は、それぞれ所定の平面サイズを有しており、これにより所定のキャパシタンスを生成する。
このような構成により、コイルパターン１４２，１４３及びキャパシタＣ１１〜Ｃ１４はローパスフィルタＬＰＦとして機能する。そして、コイルパターン１４２，１４３のインダクタンスや、キャパシタＣ１１〜Ｃ１４のキャパシタンスは、それぞれローパスフィルタＬＰＦが所望の周波数特性が得られるよう設計されている。これにより、広い周波数帯域において送信信号の電力の一部をカップリング端子である端子電極１１３から取り出すことができる。
図１４は、第１の比較例による方向性結合器１００Ａの分解斜視図である。
図１４に示す方向性結合器１００Ａは、グランドパターン２６０がループ形状ではなく、コイルパターン１４２，１４３のほぼ全体を覆う大面積のパターン（ベタパターン）である点において、上述した第１の実施形態による方向性結合器１００と相違している。その他の構成は、第１の実施形態による方向性結合器１００と同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
第１の比較例による方向性結合器１００Ａは、グランドパターン２６０がベタパターンであることから、コイルパターン１４２，１４３によって発生する磁束が遮蔽され、インダクタンスが低下する。このため、必要なインダクタンスを得るためにコイルパターン１４２，１４３のターン数を増やす必要が生じ、この場合には、チップサイズが大型化してしまう。また、コイルパターン１４２，１４３とグランドパターン２６０が重なることによって、副線路１４０の損失が増加するという問題も生じる。さらに、コイルパターン１４２，１４３とグランドパターン２６０との間に大きなキャパシタンス成分が生じることから、両者を分離する絶縁層Ｉ１〜Ｉ３の膜厚がばらつくとキャパシタンス成分が大きく変化し、結果的に、ローパスフィルタＬＰＦの周波数特性に大きな影響が生じてしまう。
これに対し、第１の実施形態による方向性結合器１００によれば、グランドパターン２６０がループ状であり、コイルパターン１４２，１４３との重なりをほとんど有していないことから、上述した問題を解決することができる。
図１５は、第１の実施形態による方向性結合器１００と第１の比較例による方向性結合器１００Ａの周波数特性を示すグラフであり、（ａ）はアイソレーション特性、（ｂ）はカップリング特性、（ｃ）は副線路のインサーションロス、（ｄ）はカップリング端子のリターンロスを示している。
図１５（ａ），（ｄ）に示すアイソレーション特性及びリターンロスについては、両者の特性はほぼ同等である。つまり、グランドパターン２６０がベタパターンであるかループ状であるかにかかわらず、主線路１３０と副線路１４０との間の不要な干渉が十分に防止されることが分かる。これは、グランドパターン２６０がベタパターンである場合であっても、主線路１３０と副線路１４０の干渉を防止する機能のほとんどは、グランドパターン２６０の外周部分によってもたらされるためであると考えられる。
一方、図１５（ｂ）に示すカップリング特性については、第１の実施形態による方向性結合器１００の方が大きなインダクタンスが得られることから、極が低周波側にシフトし、その結果、より広い帯域におけるカップリングが実現されている。図１５（ｃ）に示すインサーションロスについても、第１の実施形態による方向性結合器１００の方が低損失であることが確認できる。
以上説明したように、本実施形態による方向性結合器１００は、グランドパターン２６０がループ状であり、コイルパターン１４２，１４３との重なりをほとんど有していないことから、コイルパターン１４２，１４３によって発生する磁束が遮蔽されず、その結果より大きなインダクタンスを得ることが可能となる。これにより、所定のインダクタンスを得るために必要なコイルパターン１４２，１４３のターン数が少なくなることから、チップサイズを小型化することが可能となる。また、コイルパターン１４２，１４３とグランドパターン２６０がほとんど重ならないことから、副線路１４０の損失を低減することもできる。さらに、コイルパターン１４２，１４３とグランドパターン２６０との間のキャパシタンス成分が非常に小さいことから、製造条件によって絶縁層Ｉ１〜Ｉ３の膜厚がばらついても、ローパスフィルタＬＰＦの周波数特性に与える影響を低減することができる。
＜第２の実施形態＞
図１６は、本発明の第２の実施形態による方向性結合器３００の構造を説明するための図であり、積層構造体１０２に含まれる導体層を積層方向（ｚ方向）から見た透視図である。また、図１７〜図２４は、積層構造体１０２を構成する各層の構成を示す平面図である。尚、第２の実施形態による方向性結合器３００の外観は、図１に示した第１の実施形態による方向性結合器１００の外観と同様であり、底面に６つの端子電極１１１〜１１６が設けられている。
図１６〜図２４に示すように、本実施形態による方向性結合器３００を構成する積層構造体１０２は、第１の実施形態と同様、導体層Ｍ１〜Ｍ３及びキャパシタ電極層Ｃと、隣接する導体層Ｍ１〜Ｍ３又はキャパシタ電極層Ｃ間に設けられた絶縁層Ｉ１〜Ｉ４によって構成されている。以下、各層の構成について詳細に説明する。
まず、積層構造体１０２の最下層には、図１７に示す導体層Ｍ１が設けられる。導体層Ｍ１は、端子電極パターン３０１〜３０６と、主線路３１０と、副線路の一部３２０と、キャパシタ電極パターン３３１，３３２とを含んでいる。端子電極パターン３０１〜３０６は、それぞれ端子電極１１１〜１１６に接続されるパターンであり、平面視で（ｚ方向から見て）、端子電極１１１〜１１６と重なる位置に設けられている。
主線路３１０は、入力端子である端子電極１１１と出力端子である端子電極１１２とを接続する導体パターンであり、端子電極パターン３０６を避けるよう、蛇行してレイアウトされた蛇行部３１１と、端子電極パターン３０１から端子電極パターン３０３に向かってｙ方向に延びる直線部３１２と、端子電極パターン３０２から端子電極パターン３０４に向かってｙ方向に延びる直線部３１３とを備えている。
副線路の一部３２０は、端子電極パターン３０３から端子電極パターン３０１に向かってｙ方向に延びる２本の直線部３２１と、平面スパイラル状である４つのコイルパターン３２２，３２３，３２５，３２６と、コイルパターン３２３とコイルパターン３２５を接続する蛇行部３２４と、端子電極パターン３０４から端子電極パターン３０２に向かってｙ方向に延びる直線部３２７とを含む。２本の直線部３２１は、主線路３１０を構成する直線部３１２を挟み込むように配置されており、これにより両者は電磁界結合する。直線部３２７の一部も、主線路３１０を構成する直線部３１３と並走しており、これにより両者は電磁界結合する。さらに、蛇行部３２４は、主線路３１０を構成する蛇行部３１１と並走しながら蛇行しており、これにより両者は電磁界結合する。
コイルパターン３２２は約３ターン分巻回されており、その内周端にはパッド３２２ａが設けられ、外周端にはパッド３２２ｂが設けられる。コイルパターン３２３は約２ターン分巻回されており、その内周端にはパッド３２３ａが設けられ、外周端にはパッド３２３ｂが設けられる。コイルパターン３２５は約３ターン分巻回されており、その内周端にはパッド３２５ａが設けられ、外周端にはパッド３２５ｂが設けられる。コイルパターン３２６は約３ターン分巻回されており、その内周端にはパッド３２６ａが設けられ、外周端にはパッド３２６ｂが設けられる。また、コイルパターン３２３の外周端とコイルパターン３２５の外周端は、蛇行部３２４を介して接続されている。
キャパシタ電極パターン３３１，３３２は、グランド端子に対応する端子電極パターン３０５に接続されている。このうち、キャパシタ電極パターン３３１は端子電極パターン３０３，３０５間に位置し、キャパシタ電極パターン３３２は端子電極パターン３０４，３０５間に位置している。
導体層Ｍ１は、図１８に示す絶縁層Ｉ１によって覆われる。絶縁層Ｉ１は、開口パターン３４１〜３４６，３５１〜３５８を有している。開口パターン３４１〜３４６は、それぞれ端子電極パターン３０１〜３０６を露出させる位置に設けられ、開口パターン３５１〜３５８は、それぞれパッド３２２ａ，３２２ｂ，３２３ａ，３２３ｂ，３２５ａ，３２５ｂ，３２６ａ，３２６ｂを露出させる位置に設けられる。
絶縁層Ｉ１の上方には、図１９に示すキャパシタ電極層Ｃが設けられる。キャパシタ電極層Ｃは、キャパシタ電極パターン３６１〜３６６からなる。このうち、キャパシタ電極パターン３６１〜３６３は、平面視でキャパシタ電極パターン３３１と重なる位置に設けられ、キャパシタ電極パターン３６４〜３６６は、平面視でキャパシタ電極パターン３３２と重なる位置に設けられる。これにより、キャパシタ電極パターン３６１〜３６６を一方の電極とし、キャパシタ電極パターン３３１，３３２を他方の電極とする６つのキャパシタが形成されることになる。
キャパシタ電極層Ｃは、図２０に示す絶縁層Ｉ２によって覆われる。絶縁層Ｉ２は、開口パターン３７１〜３７６，３８１〜３８８，３９１〜３９６を有している。開口パターン３７１〜３７６は、それぞれ端子電極パターン３０１〜３０６を露出させる位置に設けられ、開口パターン３８１〜３８８は、それぞれパッド３２２ａ，３２２ｂ，３２３ａ，３２３ｂ，３２５ａ，３２５ｂ，３２６ａ，３２６ｂを露出させる位置に設けられ、開口パターン３９１〜３９６は、それぞれキャパシタ電極パターン３６１〜３６６を露出させる位置に設けられる。
絶縁層Ｉ２の上方には、図２１に示す導体層Ｍ２が設けられる。導体層Ｍ２は、端子電極パターン４０１〜４０６と、副線路の他の一部４１０と、キャパシタ電極パターン４２１〜４２６とを含んでいる。端子電極パターン４０１〜４０６は、開口パターン３７１〜３７６，３４１〜３４６を介して、それぞれ端子電極パターン３０１〜３０６に接続される。
副線路の他の一部４１０は、接続部４１１，４２０と、コイルパターン４１２，４１３，４１５，４１６と、パッド４１４，４１７〜４１９とを含む。接続部４１１は、平面視で主線路３１０と重なるように蛇行する部分を有し、その一端は端子電極パターン４０３に接続され、他端はパッド４１４に接続される。パッド４１４は、キャパシタ電極パターン４２１に接続されるとともに、開口パターン３８２，３５２を介してパッド３２２ｂに接続される。また、接続部４２０の一端は端子電極パターン４０４に接続され、他端はパッド４１９に接続される。パッド４１９は、キャパシタ電極パターン４２６に接続されるとともに、開口パターン３８８，３５８を介してパッド３２６ｂに接続される。
コイルパターン４１２，４１３，４１５，４１６の内周端には、それぞれパッド４１２ａ，４１３ａ，４１５ａ，４１６ａが設けられる。パッド４１２ａは、開口パターン３８１，３５１を介してパッド３２２ａに接続され、パッド４１３ａは、開口パターン３８３，３５３を介してパッド３２３ａに接続され、パッド４１５ａは、開口パターン３８５，３５５を介してパッド３２５ａに接続され、パッド４１６ａは、開口パターン３８７，３５７を介してパッド３２６ａに接続される。
また、コイルパターン４１２の外周端とコイルパターン４１３の外周端は、いずれもキャパシタ電極パターン４２２に接続される。同様に、コイルパターン４１５の外周端とコイルパターン４１６の外周端は、いずれもキャパシタ電極パターン４２５に接続される。さらに、パッド４１７は、キャパシタ電極パターン４２３に接続されるとともに、開口パターン３８４，３５４を介してパッド３２３ｂに接続される。同様に、パッド４１８は、キャパシタ電極パターン４２４に接続されるとともに、開口パターン３８６，３５６を介してパッド３２５ｂに接続される。キャパシタ電極パターン４２１〜４２６は、開口パターン３９１〜３９６を介して、それぞれキャパシタ電極パターン３６４〜３６６に接続される。
導体層Ｍ２は、図２２に示す絶縁層Ｉ３によって覆われる。絶縁層Ｉ３は、開口パターン４３１〜４３６を有している。開口パターン４３１〜４３６は、それぞれ端子電極パターン４０１〜４０６を露出させる位置に設けられる。
絶縁層Ｉ３の上方には、図２３に示す導体層Ｍ３が設けられる。導体層Ｍ３は、端子電極パターン４４１〜４４６と、２つのループを持ったグランドパターン４５０とを含んでいる。端子電極パターン４４１〜４４６は、開口パターン４３１〜４３６を介して、それぞれ端子電極パターン４０１〜４０６に接続される。
グランドパターン４５０は、グランド端子に対応する端子電極パターン４４５に接続されており、平面視でコイルパターン３２２，３２３，４１２，４１３と重なる部分に開口４５１が形成されているとともに、平面視でコイルパターン３２５，３２６，４１５，４１６と重なる部分に開口４５２が形成されている。これにより、グランドパターン４５０は、２つのループが結合した形状を有している。グランドパターン４５０は、平面視で主線路３１０と副線路３２０，４１０の間に設けられることにより、第１の実施形態におけるグランドパターン２６０と同様、主線路３１０と副線路３２０，４１０との間の不要な干渉を防止する役割を果たす。グランドパターン４５０は、平面視で各コイルパターンと重ならないことが特性上好ましいが、第１の実施形態と同様、グランドパターン４５０と各コイルパターンの最外周のみが重なっても構わない。
本実施形態において２つの開口４５１，４５２を設けることは必須でなく、２つの開口４５１，４５２を設ける代わりに１つの大きな開口を設けても構わないが、後述するローパスフィルタＬＰＦ１とローパスフィルタＬＰＦ２との干渉を防止するためには、図２３に示すように２つの開口４５１，４５２を設けた方が好ましい。
導体層Ｍ３は、図２４に示す絶縁層Ｉ４によって覆われる。絶縁層Ｉ４は、開口パターン４６１〜４６６を有している。開口パターン４６１〜４６６は、それぞれ端子電極パターン４４１〜４４６を露出させる位置に設けられる。
そして、絶縁層Ｉ４の上方には、図１２を用いて説明したように、端子電極１１１〜１１６が設けられる。端子電極１１１〜１１６は、それぞれ開口パターン４６１〜４６６を介して、端子電極パターン４４１〜４４６に接続される。
図２５は、本実施形態による方向性結合器３００の等価回路図である。
本実施形態による方向性結合器３００は、主線路３１０が３箇所で副線路３２０，４１０と電磁界結合する。１箇所目の結合部Ｂ１は、主線路３１０の直線部３１２が副線路３２０の直線部３２１に挟まれる部分、並びに、主線路３１０の蛇行部３１１と副線路４１０の接続部４１１が平面視で重なる部分における電磁界結合である。２箇所目の結合部Ｂ２は、主線路３１０の蛇行部３１１と副線路３２０の蛇行部３２４が並走する部分における電磁界結合である。３箇所目の結合部Ｂ３は、主線路３１０の直線部３１３と副線路３２０の直線部３２７が隣接する部分における電磁界結合である。
結合部Ｂ１と結合部Ｂ２との間には、コイルパターン３２２，４１２，４１３，３２３が直列に接続される。コイルパターン３２２，４１２の両端には、それぞれキャパシタＣ２１，Ｃ２２が接続される。キャパシタＣ２１はキャパシタ電極パターン３３１及び３６１によって構成され、キャパシタＣ２２はキャパシタ電極パターン３３１及び３６２によって構成される。また、コイルパターン４１３，３２３の両端には、それぞれキャパシタＣ２２，Ｃ２３が接続される。キャパシタＣ２３はキャパシタ電極パターン３３１及び３６３によって構成される。
結合部Ｂ２と結合部Ｂ３との間には、コイルパターン３２５，４１５，４１６，３２６が直列に接続される。コイルパターン３２５，４１５の両端には、それぞれキャパシタＣ２４，Ｃ２５が接続される。キャパシタＣ２４はキャパシタ電極パターン３３２及び３６４によって構成され、キャパシタＣ２５はキャパシタ電極パターン３３２及び３６５によって構成される。また、コイルパターン４１６，３２６の両端には、それぞれキャパシタＣ２５，Ｃ２６が接続される。キャパシタＣ２６はキャパシタ電極パターン３３２及び３６６によって構成される。
このような構成により、コイルパターン３２２，４１２，４１３，３２３及びキャパシタＣ２１〜Ｃ２３は第１のローパスフィルタＬＰＦ１として機能し、コイルパターン３２５，４１５，４１６，３２６及びキャパシタＣ２４〜Ｃ２６は第２のローパスフィルタＬＰＦ２として機能する。そして、各コイルパターンのインダクタンスや、キャパシタＣ２１〜Ｃ２６のキャパシタンスは、それぞれローパスフィルタＬＰＦ１，ＬＰＦ２が所望の周波数特性となるよう設計されている。これにより、第１の実施形態よりもさらに広い周波数帯域において送信信号の電力の一部をカップリング端子である端子電極１１３から取り出すことができる。
図２６は、第２の比較例による方向性結合器３００Ａの分解斜視図である。
図２６に示す方向性結合器３００Ａは、グランドパターン４５０が開口を有しておらず、各コイルパターンのほぼ全体を覆う大面積のパターン（ベタパターン）である点において、上述した第２の実施形態による方向性結合器３００と相違している。その他の構成は、第２の実施形態による方向性結合器３００と同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
第２の比較例による方向性結合器３００Ａは、グランドパターン４５０がベタパターンであることから、図１４に示した第１の比較例と同様、インダクタンスの低下、副線路の損失増加、周波数特性のばらつきなどが生じる。これに対し、第２の実施形態による方向性結合器３００によれば、グランドパターン４５０に開口４５１，４５２が設けられており、各コイルパターンとの重なりをほとんど有していないことから、上述した問題を解決することができる。
図２７は、第２の実施形態による方向性結合器３００と第２の比較例による方向性結合器３００Ａの周波数特性を示すグラフであり、（ａ）はアイソレーション特性、（ｂ）はカップリング特性、（ｃ）は副線路のインサーションロス、（ｄ）はカップリング端子のリターンロスを示している。
図２７（ａ），（ｄ）に示すアイソレーション特性及びリターンロスについては、両者の特性はほぼ同等である。これに対し、図２７（ｂ）に示すカップリング特性については、第２の実施形態による方向性結合器３００の方が大きなインダクタンスが得られることから、極が低周波側にシフトし、その結果、より広い帯域におけるカップリングが実現されている。図２７（ｃ）に示すインサーションロスについても、第２の実施形態による方向性結合器３００の方が低損失であることが確認できる。
＜第３の実施形態＞
図２８は、方向性結合器１００又は３００を用いた無線通信装置５００のブロック図である。
図２８に示す無線通信装置５００は、アンテナ５０１と、アンテナ５０１に送信信号を供給するパワーアンプ５０２と、パワーアンプ５０２の利得を調整する自動出力制御回路５０３とを備え、アンテナ５０１とパワーアンプ５０２との間に上述した方向性結合器１００又は３００が接続されている。具体的には、方向性結合器１００又は３００の端子電極１１１がパワーアンプ５０２に接続され、方向性結合器１００又は３００の端子電極１１２がアンテナ５０１に接続されている。これにより、パワーアンプ５０２から供給される送信信号は、方向性結合器１００又は３００の主線路を介してアンテナ５０１に送出されることになる。
方向性結合器１００又は３００の端子電極１１３は、自動出力制御回路５０３に接続される。端子電極１１３は副線路に接続されているため、主線路を流れる送信信号の電力の一部が検出信号として自動出力制御回路５０３に供給されることになる。そして、自動出力制御回路５０３は、副線路から供給される検出信号に基づいてパワーアンプ５０２の利得を調整する。このようなフィードバック制御により、アンテナ５０１から送出される信号のパワーを自動的に調整することが可能となる。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
例えば、上述した第１及び第２の実施形態では、グランドパターンと主線路及び副線路が互いに異なる導体層に形成されているが、本発明がこれに限定されるものではなく、グランドパターンと主線路及び副線路の少なくとも一方を同じ導体層に形成しても構わない。
さらに、第１及び第２の実施形態では、インダクタンスパターンとして平面スパイラル状のコイルパターンを用いているが、本発明がこれに限定されるものではなく、ヘリカル状またはメアンダ状のインダクタンスパターンを用いても構わない。
１００，３００ 方向性結合器
１０１ 基板
１０２ 積層構造体
１１１〜１１６ 端子電極
１２１〜１２６，２２１〜２２６，２５１〜２５６，３０１〜３０６，４０１〜４０６，４４１〜４４６ 端子電極パターン
１３０，３１０ 主線路
１３１，３１１，３２４ 蛇行部
１４０，３２０，４１０ 副線路
１４１，３１２，３１３，３２１，３２７ 直線部
１４２，１４３，３２２，３２３，３２５，３２６，４１２，４１３，４１５，４１６ コイルパターン
１４２ａ，１４２ｂ，１４３ａ，１４３ｂ１，１４３ｂ２，１４４ａ，１４５ａ，１４５ｂ，１４６，１４７，３２２ａ，３２２ｂ，３２３ａ，３２３ｂ，３２５ａ，３２５ｂ，３２６ａ，３２６ｂ，４１４，４１２ａ，４１３ａ，４１４，４１５ａ，４１６ａ，４１７〜４１９ パッド
１４４，１４５，４１１，４２０ 接続部
１５１，１５２，１８１〜１８４，２３１〜２３４，３３１，３３２，３６１〜３６６，４２１〜４２６ キャパシタ電極パターン
１６１〜１６６，１７１〜１７５，１９１〜１９６，２０１〜２０５，２１１〜２１４，２４１〜２４６，２７１〜２７６，３４１〜３４６，３５１〜３５８，３７１〜３７６，３８１〜３８８，３９１〜３９６，４３１〜４３６，４６１〜４６６ 開口パターン
２６０，４５０ グランドパターン
２６１，４５１，４５２ 開口
５００ 無線通信装置
５０１ アンテナ
５０２ パワーアンプ
５０３ 自動出力制御回路
Ａ１，Ａ２，Ｂ１〜Ｂ３ 結合部
Ｃ キャパシタ電極層
Ｃ１１〜Ｃ１４，Ｃ２１〜Ｃ２６ キャパシタ
Ｉ１〜Ｉ４ 絶縁層
ＬＰＦ，ＬＰＦ１，ＬＰＦ２ ローパスフィルタ
Ｍ１〜Ｍ３ 導体層

Claims (10)

  1. 高周波信号が伝送される主線路と、
    前記主線路と電磁界結合する副線路と、
    平面視で少なくとも一部が前記主線路と前記副線路との間に位置するグランドパターンと、を備え、
    前記副線路は、インダクタンスパターン及びキャパシタからなるローパスフィルタ回路を含み、
    前記グランドパターンは、平面視で前記インダクタンスパターンの少なくとも一部と重なる開口を有することを特徴とする方向性結合器。
  2. 前記インダクタンスパターンは、平面スパイラル状のコイルパターンであることを特徴とする請求項１に記載の方向性結合器。
  3. 前記開口は、平面視で少なくとも前記コイルパターンの内径部と重なることを特徴とする請求項２に記載の方向性結合器。
  4. 前記開口は、平面視で前記コイルパターンの最外周ターンを除くすべてのターンと重なることを特徴とする請求項３に記載の方向性結合器。
  5. 前記コイルパターンは、互いに同じ導体層に設けられた第１及び第２のコイルパターンを含み、
    前記開口は、平面視で前記第１及び第２のコイルパターンの少なくとも一部と重なることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか一項に記載の方向性結合器。
  6. 前記コイルパターンは、互いに同じ導体層に設けられた第１、第２、第３及び第４のコイルパターンを含み、
    前記グランドパターンは、平面視で前記第１及び第２のコイルパターンの少なくとも一部と重なる第１の開口と、平面視で前記第３及び第４のコイルパターンの少なくとも一部と重なる第２の開口を有することを特徴とする請求項２乃至４のいずれか一項に記載の方向性結合器。
  7. 前記主線路の一端に接続された入力端子と、
    前記主線路の他端に接続された出力端子と、
    前記副線路の一端に接続されたカップリング端子と、
    前記副線路の他端に接続された終端端子と、
    前記カップリング端子と前記終端端子との間に配置され、前記グランドパターンに接続されたグランド端子と、
    前記入力端子と前記出力端子との間に配置されたダミー端子と、をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の方向性結合器。
  8. 前記主線路は、平面視で前記ダミー端子を迂回する部分において、前記主線路と同じ導体層に設けられた前記副線路の一部と近接するとともに、前記主線路と異なる導体層に設けられた前記副線路の他の一部と平面視で重なることを特徴とする請求項７に記載の方向性結合器。
  9. 前記キャパシタは、平面視で、前記カップリング端子と前記グランド端子の間、並びに、前記終端端子と前記グランド端子の間に配置されていることを特徴とする請求項７又は８に記載の方向性結合器。
  10. アンテナと、
    前記アンテナに送信信号を供給するパワーアンプと、
    前記パワーアンプの利得を調整する自動出力制御回路と、
    請求項１乃至９のいずれか一項に記載の方向性結合器と、を備え、
    前記方向性結合器の前記主線路は、前記アンテナと前記パワーアンプとの間に接続され、
    前記方向性結合器の前記副線路は、前記自動出力制御回路に接続され、
    前記自動出力制御回路は、前記副線路から供給される検出信号に基づいて前記パワーアンプの利得を調整することを特徴とする無線通信装置。
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