JPWO2006022046A1

JPWO2006022046A1 - 平面結合器および一体成形したアンテナシステム

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Publication number: JPWO2006022046A1
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Inventors: 宏畑; 隆久唐鎌
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Filing date: 2005-04-07
Publication date: 2008-05-08
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Abstract

高周波結合器(２)は、一ヶ所で分断されている円環状の第１、第２結合部パターン(１１、１２)が、誘電体からなる厚さｔの回路基板(１０)の裏面および表面に、対向した状態で形成されている。第１結合パターン(１１)の端子(１１ａ、１１ｂ)が不平衡端子とされ、第２結合パターン(１２)の端子(１２ａ、１２ｂ)が不平衡端子とされ、そこからコプラナ線路(４１、４２)が裏面に沿って引き出され、平衡アンテナ(５)に接続される。第１、第２結合部パターン(１１、１２)が磁気誘導結合と共に静電容量結合状態とされるので、広帯域で伝送効率の高い結合器を実現できる。

Description

本発明は、性質の異なる二つ以上の高周波伝送回路を結合させるために用いる高周波結合器、当該高周波結合器を備えた高周波伝送器、および当該高周波結合器を備えたアンテナに関するものである。

高周波(ＲＦ)信号を扱う電子回路の入出力部は、多くの場合、片側がアースされている不平衡形伝送回路であるので、その端子に直結される伝送ケーブルは不平衡形の同軸線路やマイクロストリップ線路が用いられる。これに対し、ダイポールアンテナやループアンテナなどのアンテナは平衡形であるので、アンテナと伝送ケーブルの間にはインピーダンス変換用のバラン(平衡不平衡変換回路)が必要となる。

従来において、テレビ放送等の受信では、図６(ａ)に示す眼鏡形のフェライトコアに銅線を巻いたトランスが用いられている。これに対して、波長の短いマイクロ波帯では、コイルやコンデンサといった集中定数が使いにくいが、波長が短いので分布定数回路を用いて比較的小形にバランを作ることができる。マイクロ波帯の受信において使用される最も簡単なバランは図６(ｂ)に示す構造の分割スロット形バランであり、フェライトコアは用いられない。なお、この図において、λは電磁波の自由空間波長を表し、点ａ、ｂはそれぞれ平衡形伝送回路側の端子位置を表している。

いずれの場合においても、平衡形伝送回路と不平衡形伝送回路は磁気的にのみ結合されており、等価回路は図６(ｃ)のようになる。この等価回路において、Ｍは双方の回路の間の相互誘導(コイル間の結合の強さ、または相互インダクタンス)を表し、Ｃ１およびＣ２は、それぞれ、不平衡形伝送回路および平衡形伝送回路の容量を表す。また、これらはいずれも立体的構造であり、当初からアンテナなどの隣接素子または隣接伝送回路との一体成形を意識したものではない。

これに対して、最近のテレビ帯域(ＵＨＦ)ではアンテナおよびバランを共に平面的に構成する提案がなされている。平面的にアンテナ・バランを構成することの長所は一体成形によるコストダウンを図れるということである。例えば、下記の特許文献１に、このような平面構成のものが開示されている。図７には平面構造のバランを示してあり、不平衡形伝送回路側の結合部パターン１０１と、平衡形伝送回路側の結合部パターン１０２とが同一面上に形成されている。結合部パターン１０１の端子１０１ａ、１０１ｂが不平衡側端子であり、結合部パターン１０２の端子１０２ａ、１０２ｂが平衡側端子である。このような同一平面(コプラナ)構造は製造が容易であるという利点がある。
特許第３３２３４４２号公報

しかしながら、同一平面上にアンテナおよびバランを形成した平面構成のものでは、平衡回路と不平衡回路の結合部において十分な電気的結合を得る事ができない。

本発明の課題は、十分な電気的結合を形成可能な高周波結合器を提案することにある。

また、本発明の課題は、当該高周波結合器を備えた高周波伝送器を提案することにある。

さらに、本発明の課題は、当該高周波結合器がバランとして組み込まれているアンテナを提案することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の高周波結合器は、
誘電体からなる回路基板と、
前記回路基板の第１基板面に形成され、一ヶ所で分断されているループ状の第１結合部パターンと、
前記回路基板の第２基板面に形成され、一ヶ所で分断されているループ状の第２結合部パターンとを有し、
前記第１結合部パターンおよび前記第２結合部パターンは、相互に静電容量結合および磁気誘導結合状態が形成されるように、前記回路基板を挟み、対向配置されていることを特徴としている。

ここで、前記第１結合部パターンおよび前記第２結合部パターンは合同あるいは相似形状とすることが望ましい。

また、前記第１結合部パターンおよび前記第２結合部パターンは、それらの分断位置が、前記回路基板に垂直な軸線を中心として１８０度オフセットした位置となるように配置することが望ましい。

次に、本発明の高周波伝送器は、
上記構成の高周波結合器と、
前記回路基板の前記第１基板面に形成され、前記第１結合器パターンの両端に接続されている第１高周波伝送回路パターンと、
前記回路基板の前記第２基板面に形成され、前記第２結合器パターンの両端に接続されている第２高周波伝送回路パターンとを有していることを特徴としている。

本発明の高周波伝送器を、アンテナに接続されるバランとして用いる場合には、前記第１高周波伝送回路パターンを不平衡形伝送回路パターンとし、前記第２高周波伝送回路パターンを平衡形伝送回路パターンとすればよい。

また、この構成の高周波伝送器と、前記回路基板の前記第１基板面に形成され、前記不平衡形伝送回路パターンに接続されているアンテナパターンとによって、バラン内蔵型のアンテナを構成することができる。

次に、本発明の高周波結合器は多層構造とすることができる。すなわち、本発明による多層構造の高周波結合器は、
誘電体からなる第１回路基板と、
前記第１回路基板の表面に積層された誘電体からなる第２回路基板と、
前記第１回路基板の裏面に形成され、一ヶ所で分断されているループ状の第１結合部パターンと、
前記第１および第２回路基板の間に形成され、一ヶ所で分断されているループ状の第２結合部パターンと、
前記第２回路基板の表面に形成され、一ヶ所で分断されているループ状の第３結合部パターンとを有し、
前記第１および第２結合部パターンは、相互に静電容量結合および磁気誘導結合状態が形成されるように、前記第１回路基板を挟み、対向配置されており、
前記第２および第３結合部パターンは、相互に静電容量結合および磁気誘導結合状態が形成されるように、前記第２回路基板を挟み、対向配置されていることを特徴としている。

ここで、第２回路基板の表面に、一枚あるいは複数枚の回路基板を積層し、各回路基板の間に結合部パターンを形成することにより、より多層の高周波結合器を構成できる。

この場合においても、前記第１、第２および第３結合部パターンを合同あるいは相似形状とすることが望ましい。また、前記第１、第２および第３結合部パターンを、それらの分断位置が、前記第１および第２回路基板に垂直な軸線を中心としてオフセットした位置となるように配置することが望ましい。

(発明の効果)
本発明の高周波結合器では、回路基板を挟み、第１結合部パターンおよび第２結合部パターンを対向配置してあるので、双方のパターンは、磁気誘導結合によって結合されると共に、静電容量結合によっても結合される。よって、従来のような同一平面上にパターンが形成されている場合とは異なり、パターン間が静電容量結合によって結合され、パターン間の磁気誘導結合状態も改善される。したがって、従来に比べて、広帯域で伝送特性に優れた高周波結合器を容易に得ることができる。

本発明を適用した高周波結合器の導体部分のみを示す説明図である。図１の結合器の裏面図および平面図である。 (ａ)は図１の結合器の、集中定数による等価回路を示す回路図であり、(ｂ)は容量結合波源と磁気的結合波源を平衡系の等価波源とみなしたときの整合時等価回路を示す回路図である。図２の結合器(フラスコ形バラン)を備えたアンテナを示す裏面図および平面図である。本発明を適用した多層構造の高周波結合器を示す説明図である。 (ａ)はＶＨＦ、ＵＨＦの地上波テレビ放送受信において、アンテナ直下のバラン、合波器、分波器などの接続回路部品に現在広く用いられているフェライトコアを示す説明図であり、(ｂ)はマイクロ波帯の測定用ダイポールやループアンテナと同軸線路を仲介する分割スロット形バランを示す説明図であり、(ｃ)は(ａ)および(ｂ)の等価回路である。従来の平面構成のバランを示す説明図である。

以下に、図面を参照して、本発明を詳細に説明する。

図１は本発明を適用した高周波伝送器を示す説明図であり、図２(ａ)および(ｂ)はその裏面図および平面図である。本例の高周波伝送器１は、高周波結合器２と、この高周波結合器２を介して相互に結合されている不平衡形伝送回路３および平衡形伝送回路４とを有している。

高周波結合器２は誘電体からなる回路基板１０を有している。回路基板１０の裏面(第１基板面)１０ａには、一ヶ所が分断されたループ状の第１結合部パターン１１が銅箔などによって形成されている。表面(第２基板面)１０ｂにも、一箇所が分断されたループ状の第２結合部パターン１２が同じく銅箔などによって形成されている。これら第１、第２結合部パターン１１、１２は例えば同一の円環状のものである。

パターン１１、１２の中心を通る基板表面に引いた垂線をｘ軸にとり、基板表面に平行な面をｙ−ｚ面とすると、第１、第２結合部パターン１１、１２の分断位置はｚ軸方向の両端に位置している。また、第１結合部パターン１１の端子１１ａ、１１ｂは不平衡端子であり、これらに接続されている回路基板１０の裏面１０ａに形成した不平衡形伝送回路３の回路パターンはｚ軸方向に延びている。第２結合部パターン１２の端子１２ａ、１２ｂは平衡端子であり、これらには、回路基板１０の表面１０ｂに形成された平衡形伝送回路４のコプラナ線路４１、４２が接続されている。コプラナ線路４１、４２はｚ軸方向に沿って、平衡形伝送回路とは反対方向に延びている。この構成の平板状結合器２は最も単純なバランの構成例であり、コプラナ線路４１、４２の端子４１ａ、４２ａに、例えば、ダイポールのような平衡アンテナ５が接続される。

ここで、誘電体からなる回路基板１０の厚さｔを十分小さくすれば、第１、第２結合部パターン１１、１２の間の静電容量Ｃおよび相互誘導Ｍが大きくなる。この結果、図７に示す従来構成の基板同一平面上に両パターンが形成されている場合に比べて、両パターン間に遥かに大きな静電容量結合を得ることができる。また、磁気誘導結合のためにフェライトを用いていないが、回路基板１０の厚さｔ、すなわち、パターン１１、１２の間隔ｔが小さいので、漏れ磁束が少なく、フェライトを用いた場合と同程度の結合状態を得ることができる。

なお、本例の各パターンの形状は一例を示すものであり、各パターンは本例の形状に限定されるものではない。例えば、結合部パターンの形状として、円環状以外に、楕円形、多角形、これらの組み合わせなどの各種の形状を採用することができる。また、第１、第２結合部パターンの形状は同一(合同)としてあるが、相似形状とすることも可能である。場合によっては、異なる形状とすることも可能である。

また、本例では、回路基板１０は一定厚さの平坦な基板であるが、回路基板とし、例えば湾曲状のものを採用し、その両側の湾曲面に結合部パターンを積層あるいは印刷することも可能である。

図３(ａ)および(ｂ)は、高周波結合器２の等価回路図および等価電源図である。これらの図における各記号の意味は次の通りである。

まず、図３(ａ)に示す等価回路図は、高周波結合器２の等価回路を、左右に接続した回路３、４の特性インピーダンスＺ₀₁、Ｚ₀₂と共に示すものである。この回路は一見、高域フィルタに見えるが、電流Ｉ_L1とＩ_Cとの比率が電磁波の角周波数ωによって変わるので、磁気誘導結合とのクロスオーバー周波数ｆ_Cを適切に選定することにより、所望の広帯域特性や分離帯域特性を得ることができる。

次に図３(ｂ)に示す等価電源図は、２次回路に等価波源を考えた整合時の等価電源図である。Ｃ結合起電力およびＭ結合起電力は共に周波数ｆの関数であり、通過帯域内の高い周波数ではＣ結合起電力の効果が大きく、低い周波数ではＭ結合起電力が支配的である。これらの起電力は、次式のようにそのベクトル和となって作用する。

なお、厳密には等価回路自体をこのように集中定数で表すのではなく、分布定数回路として取り扱う必要がある。

本例の高周波伝送器１をアンテナ用バランとして用いる場合には、例えば、第１、第２結合部パターン１１、１２を直径が約30mmの円環状とし、回路基板１０として厚さｔが0.3mm程度の両面導体箔プリント基板を用いる。この構成は、ＵＨＦ帯テレビ放送用のバランとして適している。この場合、コプラナ線路４の特性インピーダンスをアンテナ５の入力インピーダンスに整合させ、長さを適当に設計する必要がある。

なお、端子４１、４２にアンテナ５を接続しない場合でも、コプラナ線路４の長さなどを適切に設計することにより、このまま、フラスコ形の室内アンテナとしてテレビ受信に使うことができる。

図４(ａ)および(ｂ)は、回路基板上にアンテナパターンも一体形成された構成のバラン内蔵型のアンテナの一例を示す裏面図および平面図である。これらの図において、図１、２の各部分に対応する部位には同一の符号を付してある。このようにアンテナパターン５ａも回路基板２の表面に一体形成すると、製造工程が簡略化され、別部材として製造したアンテナを接続する必要がなくなる。よって、アンテナの製造コストを低減できる。なお、本例の各パターンの形状は一例を示すものであり、各パターンは当該形状に限定されるものではない。

次に、図５は本発明を適用した多層構造の高周波結合器を示す説明図である。この図に示す結合器２０は、厚さｔ(２１)の第１回路基板と、この表面に積層された厚さｔ(２２)の第２回路基板とを有している。図においては、理解を容易にするために、これらの回路基板を省略し、その厚さｔ(２１)およびｔ(２２)のみを表示してある。これらの厚さは、一般に同一の厚さとすればよい。場合によっては異なる厚さとすることも可能である。

これら第１および第２回路基板の間には、第１結合部パターン３１が形成されており、第１回路基板の裏面には第２結合部パターン３２が形成されており、第２回路基板の表面には第３結合部パターン３３が形成されている。第１〜第３結合部パターン３１〜３３は、例えば、一ヶ所で分断された円環形状のものであり、それらの中心を通る基板に垂直なｚ軸を中心として、各分断位置(開口)が円周方向にオフセットしている。

例えば、第１結合部パターン３１の端子３１ａ、３１ｂが不平衡形伝送回路側に接続され、第２、第３結合ブパターン３２、３３の端子３２ａ、３２ｂおよび３３ａ、３３ｂがそれぞれ平衡形伝送回路側に接続される。各端子から先の回路構成は自由に設計できるので、周波数帯域や入力インピーダンスの異なる二つのアンテナの接続に用いることができる。

なお、同様にして、４層以上の結合部パターンを積層配置した構成の高周波結合器を構成することができる。また、３層以上の多層構造では、回路基板に形成した回路を全て平衡または不平衡にして用いることが多くなるが、その選択は専ら回路基板の外の接地方法によって定まるので、結合部パターン自体としてはいずれの場合も共通して使うことができる。

本発明を適用した高周波結合器は、従来型バラン、および、その他の従来型の線形カプラに比べて、次のような利点がある。
(１)軽量短小化
(２)製造コストの削減
(３)伝送特性の改善(挿入損失の低減、動作周波数範囲の広帯域化)

すなわち、誘電体からなる回路基板として薄いプリント基板を用いることにより、軽量短小化を実現できる。また、バランなどのトランスまたは結合器を、隣接する伝送回路や伝送回路素子と一体成形することにより、大幅な製造コストの削減を達成できる。

また、挿入損失は、従来製品で使われていたフェライトコアを避けることとＲＦ損失の少ない薄い基板を用いることにより改善でき、広帯域化は、選定した薄い基板について、設計された大きさと形状のループを作り、それらを精度良く積層することで可能となる。よって、伝送特性を大幅に改善できる。

このような効果は、ＶＨＦ、ＵＨＦ、ＳＨＦの周波数範囲で線形動作する各種伝送回路および隣接素子に対して発揮される。マイクロ波帯では従来からフェライトなどの異方性を利用したアイソレータ、サーキュレータなどがあるが、一方でＲＦトランスなどのようにフェライトの低損失、高透磁率のみを利用したコンポーネントも多い。後者は本来線形動作が望ましいにも拘らず、フェライトに頼らざるを得なかったため、大振幅時には非線形動作を余儀なくされていた上、バランや分波器などの結合器は３次元構造となっていた。しかし薄く良質なＲＦ基板が出現した今日、面ループ(回路基板上に形成したループ状の結合部パターン)を十分接近させることにより、フェライトを用いなくても満足な磁気的結合が得られる。また、回路基板の薄さがＲＦに対しては十分な静電容量を確保することになるので、これらを先に述べた図３に示す等価回路を構成するように配置することで、磁気的結合および静電容量結合の双方を同時に形成することが可能になる。

本発明は、性質の異なる二つ以上の高周波伝送回路を結合させるトランスまたは結合器(カプラ)、およびそれを組み込んだアンテナシステムに関するものである。

高周波(ＲＦ)信号を扱う電子回路の入出力は、多くの場合、片側アースの不平衡回路であるから、その端子に直結される伝送ケーブルは不平衡の同軸線路やマイクロストリップ線路が用いられる。これに対し、アンテナとしては、その基本素子であるダイポールやループなどの平衡系が多用される。従って、その場合の接続にはバラン(ＲＦトランスの１種)が必要となる。

テレビ放送等の受信では、従来はその結合に図２(イ)に示す眼鏡形のフェライトコアに銅線を巻いたトランスが用いられている。また、波長の短いマイクロ波帯では、コイル(その誘導をＬとする)やコンデンサ(容量をＣとする)といった集中定数が使いにくい一方、波長(以下λとする)が短いので分布定数回路を用いて比較的小形にバランを作ることができる。その最も簡単なものは図２(ロ)の構造であり、フェライトコアは用いられない。いずれにしても、平衡回路と不平衡回路は磁気的にのみ結合(その相互誘導をＭで示す)されており、等価回路は図２(ハ)のようになる。これらは立体的構造であり、当初からアンテナなどの隣接素子または隣接伝送回路との一体成形を意識したものではない。

これに対して、最近のテレビ帯域(ＵＨＦ)ではアンテナ・バランを共に平面構成にする動きがある。この長所は一体成形によるコストダウンを図れることである。例えば、下記の特許文献１に、このような平面構成のものが開示されており、その結合部は図３に示すように同一平面(コプラナ)構造であり、製造が容易である。
特許第３３２３４４２号公報

本発明の課題は、従来型バランにおける上記の欠点を、バランのみならず、その他の線形カプラにおいても解消しようとするものである。

すなわち、本発明の課題は、結合器を平面化することにより、アンテナ・伝送システム全体の
(１)軽量短小化
(２)製造コストの削減
(３)伝送特性の改善(挿入損失の低減、動作周波数範囲の広帯域化)
を達成する方法を提案することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の平面結合器には、充分薄いＲＦ両面プリント回路基板(以下、両面基板または単に基板という。)を用いる。すなわち本発明は、前記基板の第１導体面(表面)に一部をカットしたループパターン(以下、Ｃ形ループという。)を形成する一方、第２導体面(裏面)にも同形・同サイズのＣ形ループを形成して、これらで基板中層の誘電体板を挟ませ、端子をずらせて対向配置したことを特徴としている。従って、第１導体面上のＣ形ループ(以下、Ｃ形１次ループという。)の切れ目を給電側の端子、第２導体面上のＣ形ループ(以下、Ｃ形２次ループという。)の切れ目を負荷側の端子とすれば、両ループは相互に容量結合および誘導結合する。

また、本発明では、前記基板の前記第２導体面上に平面アンテナパターンを形成することにより、給電回路と一体化された平板状アンテナを実現している。

次に、平面結合器を多層構造にすることも可能である。この場合には、前記両面基板に例えば１枚の片面基板(充分薄いＲＦ片面プリント回路基板)を重ね合わせる。その際も、前記１次・２次ループと同形・同サイズのＣ形ループ(３次ループ)を形成し、結合部のみを対向配置して重ね合わせ、端子等は回路間直接結合を避けるためずらせ、結合部のみで相互に容量結合および誘導結合されていることを特徴としている。
勿論この場合は、外側の２表面に形成された延長コプラナ線路先端の端子に、それぞれ別のアンテナパターンを形成することにより、２帯域分離特性を有する回路一体型平板状アンテナ等を得ることができる。

Ｃ形１次ループ、Ｃ形２次ループおよびＣ形３次ループのアースとの関係は、それぞれに接続する外部回路により独立に定まり、外部回路に不平衡回路・平衡回路がそれぞれ１個以上含まれるとき、この結合器はバランとして機能する。

本発明では、基板として薄いＲＦ片面プリント回路基板を用いることにより、軽量短小化を実現できる。また、バランなどのトランスまたは結合器を、隣接する伝送回路や伝送回路素子と一体成形することにより、大幅な製造コストの削減を達成できる。

挿入損失は、従来製品で使われていたフェライトコアを避けることとＲＦ損失の少ない薄い基板を用いることにより改善でき、広帯域化は、選定した薄い基板について、設計された大きさと形状のループを作り、それらを精度良く積層することで可能となる。よって、伝送特性を大幅に改善できる。

すなわち、本発明により生み出される効果は、ＶＨＦ、ＵＨＦ、ＳＨＦの周波数範囲で線形動作する各種伝送回路および隣接素子に対して発揮される。マイクロ波帯では従来からフェライトなどの異方性を利用したアイソレータ、サーキュレータなどがあるが、一方でＲＦトランスなどのようにフェライトの低損失、高透磁率のみを利用したコンポーネントも多い。後者は本来線形動作が望ましいにも拘らず、フェライトに頼らざるを得なかったため、大振幅時には非線形動作を余儀なくされていた上、バランや分波器などの結合器は３次元構造となっていた。しかし薄く良質なＲＦ基板が出現した今日、面ループを十分接近させることにより、フェライトを用いなくても満足な磁気的結合Ｍが得られる。またこのループ基板の薄さがＲＦに対しては十分な容量Ｃになるので、これらのループを後述の図４に示す等価回路になるように配置することで、平面結合器に充分な容量結合および誘導結合を持たせることが可能になる。

本発明に係る両面基板に形成された、１次側給電端子付きの平面結合部およびそれと一体成形された負荷端子付きの２次平面伝送線路(コプラナ線路)の導体部分全体を統合した透視図である。立体縮尺については、厚み方向のみを拡大して、見やすくしてある。 (イ)は従来のＶＨＦ、ＵＨＦの地上波テレビ放送受信において、通常はアンテナ直下に配備されているバラン、合波器、分波器などの接続回路部品に現在広く用いられているフェライトコアを示す説明図であり、(ロ)はマイクロ波帯の測定用ダイポールやループアンテナと同軸線路を仲介する分割スロット形バランを示す説明図であり、(ハ)は、(イ)を用いたバラン、および(ロ)に共通の等価回路である。従来の１導体面容量結合形バランを示す説明図である。 (イ)は図１において、１次ループに不平衡回路を、２次ループに平衡回路を外部接続した場合の結合部の、集中定数による等価回路であり、(ロ)は前記(イ)において容量結合波源と誘導結合波源を２次平衡系の等価波源と見做したときの整合時等価回路である。本発明に係る平面容量・誘導結合器の多層型応用例を示す図であり、図１に示した結合部において１次側に不平衡回路を、２次・３次ループ端子に平衡系各２回路、計３開口として、バランとして用いる場合の透視図である。

符号の説明

１結合部のＣ形１次ループ導体
１ａ、１ｂＣ形１次ループ端子
２結合部のＣ形２次ループ導体
２ａ、２ｂＣ形２次ループ端子
３３開口形バランの結合部の追加導体
３ａ、３ｂＣ形３次ループ端子
４コプラナ線路
４ａ、４ｂ負荷側端子(アンテナ側端子)
５２次伝送回路の負荷(たとえばアンテナ)
ｘ、ｙ、ｚ立体構造の方向をわかりやすくするための直角座標系
O 原点(x=0,y=0,z=0)
P ２次ループの中心点(x=-t,y=0,z=0)
Q 3次ループの中心点(x=t,y=0,z=0)
ｔプリント基板の中身、即ち誘電体板の厚さ
Ｃ、Ｃ₁、Ｃ₂ キャパシタの容量
Ｌ₁、Ｌ₂ 等価回路中コイルの自己誘導、即ちＣ形ループ実物の自己誘導
Ｍ等価回路中コイル間の相互誘導、即ち複数のＣ形ループ実物間の相互誘導
Ｚ₀₁、Ｚ₀₂ １次側、２次側伝送回路の特性インピーダンス
Ｚ₁、Ｚ₂ １次側、２次側回路の入力インピーダンス
Ｒ₁、Ｒ₂ 同上の抵抗分(整合時)
Ｅ'_OC(ω) 容量結合に起因する２次側等価起電力(ベクトル表示)
Ｅ'_OM(ω) 磁気結合に起因する２次側等価起電力(ベクトル表示)
ω 電磁波の角周波数
λ 電磁波の自由空間波長

以下に、図面を参照して本発明を詳細に説明する。

図１を参照して、本発明の基本となる結合部の動作原理について説明する。図１は両面基板の表面および裏面の対向位置に、一部をカットした円形ループ１、２(円形Ｃ形１次ループ、円形Ｃ形２次ループ)を形成することにより、厚さｔの誘電体板(説明の都合で、透視できるよう描いた)を挟んで、円形ループ１、２が対向した構成とする。ループ１の切込みを入れた部分の端子１ａ、１ｂを１次ループ端子、ループ２のその部分２ａ、２ｂを２次ループ端子として、そこからコプラナ線路４を、端子４ａ、４ｂまでＺ方向に延長する。この構成は、最も単純な結合器の構成例であり、両ループが重なった部分が結合部、また、コプラナ線路が２次側伝送回路である。したがって例えば、端子１ａ、１ｂに同軸線路を接続し、端子４ａ、４ｂにダイポールのような平衡アンテナを接続して、この結合器をバランとして用いることができる。

ここで、誘電体の厚さｔを十分小さくすればループ間容量Ｃと相互誘導Ｍが大きくなり、結果として、図３に示す従来構成の同一平面上の容量に比し遥かに大きな容量結合を得る事ができる。また、誘導結合にはフェライトを用いていないが、間隔ｔが小さいので、漏れ磁束が少なく、フェライトを用いた場合と結合の強さは拮抗する。

図４(イ)は、この結合部(カプラ)を、左右に接続した回路の特性インピーダンスＺ₀₁、Ｚ₀₂と共に集中定数素子で示した等価回路図である。この回路は一見高域フィルタに見えるが、電流Ｉ_L1とＩ_Cとの比率が角周波数ωによって変わるため、Ｍ結合とのクロスオーバー周波数ｆCを適切に選定することにより、広帯域特性や分離帯域特性を期待する事ができる。

図４(ロ)は、２次回路に等価波源を考えた整合時の等価電源図で、Ｅ'_OCが容量結合起電力、Ｅ'_OMが誘導結合起電力であることを示す。これらは共に周波数ｆの関数であり、通過帯域内の高い周波数ではＥ'_OC(ω)の効果が大きく、低い周波数ではＥ'_OM(ω)が支配的である。これらの起電力は、次式のようにそのベクトル和となって作用する。
Ｅ'_O(ω)＝Ｅ'_OC(ω)＋Ｅ'_OM(ω)

図１に示す結合器は、１次側に同軸線を、２次側に平衡系アンテナを接続した場合に対応し、バランとしての代表的実施例となる。例えばループの外側を直径約３０ｍｍの円形とし、ｔ＝０．３ｍｍ程度の両面基板を用いると本結合部は、ＵＨＦ帯テレビ放送受信用のバランとなる。その際、コプラナ線路４の特性インピーダンスを適当に選んだうえ、アンテナ５の入力インピーダンスに整合させるべく、長さを適当に設計する必要がある。

なお、端子４ａ、４ｂにアンテナを接続しない場合でも、コプラナ線路４の長さなどを適切に設計することにより、このまま、フラスコ形の室内アンテナとしてテレビ受信に使うことができる。

図５は、前項の円形カプラを３層にして負荷側の開口を２個にした実施例である。端子２ａ、２ｂおよび３ａ、３ｂから先は自由に設計できるので、例えば周波数帯域や入力インピーダンスの異なる二つのアンテナまたは負荷の接続に用いることができる。

３層以上の多層構造では、回路を全て平衡または不平衡にして用いることが多くなるが、その選択は専ら基板に接続する外部回路の接地方法で定まるので、結合部自体としてはいずれの場合も共通して使うことができる。

Claims

誘電体からなる回路基板と、
前記回路基板の第１基板面に形成され、一ヶ所で分断されているループ状の第１結合部パターンと、
前記回路基板の第２基板面に形成され、一ヶ所で分断されているループ状の第２結合部パターンとを有し、
前記第１結合部パターンおよび前記第２結合部パターンは、相互に静電容量結合および磁気誘導結合状態が形成されるように、前記回路基板を挟み、対向配置されていることを特徴とする高周波結合器。
請求項１において、
前記第１結合部パターンおよび前記第２結合部パターンは合同あるいは相似形状であることを特徴とする高周波結合器。
請求項２において、
前記第１結合部パターンおよび前記第２結合部パターンは、それらの分断位置が、前記回路基板に垂直な軸線を中心として１８０度オフセットした位置となるように配置されていることを特徴とする高周波結合器。
請求項１、２または３に記載の高周波結合器と、
前記回路基板の前記第１基板面に形成され、前記第１結合器パターンの両端に接続されている第１高周波伝送回路パターンと、
前記回路基板の前記第２基板面に形成され、前記第２結合器パターンの両端に接続されている第２高周波伝送回路パターンとを有していることを特徴とする高周波伝送器。
請求項４において、
前記第１高周波伝送回路パターンは不平衡形伝送回路パターンであり、
前記第２高周波伝送回路パターンは平衡形伝送回路パターンであることを特徴とする高周波伝送器。
請求項５に記載の高周波伝送器と、
前記回路基板の前記第１基板面に形成され、前記不平衡形伝送回路パターンに接続されているアンテナパターンとを有していることを特徴とするバラン内蔵型のアンテナ。
誘電体からなる第１回路基板と、
前記第１回路基板の表面に積層された誘電体からなる第２回路基板と、
前記第１回路基板の裏面に形成され、一ヶ所で分断されているループ状の第１結合部パターンと、
前記第１および第２回路基板の間に形成され、一ヶ所で分断されているループ状の第２結合部パターンと、
前記第２回路基板の表面に形成され、一ヶ所で分断されているループ状の第３結合部パターンとを有し、
前記第１および第２結合部パターンは、相互に静電容量結合および磁気誘導結合状態が形成されるように、前記第１回路基板を挟み、対向配置されており、
前記第２および第３結合部パターンは、相互に静電容量結合および磁気誘導結合状態が形成されるように、前記第２回路基板を挟み、対向配置されていることを特徴とする高周波結合器。
請求項７において、
前記第１、第２および第３結合部パターン合同あるいは相似形状であることを特徴とする高周波結合器。
請求項８において、
前記第１、第２および第３結合部パターンは、それらの分断位置が、前記第１および第２回路基板に垂直な軸線を中心としてオフセットした位置となるように配置されていることを特徴とする高周波結合器。