JPWO2006123482A1 - 積層型方向性結合器 - Google Patents

Abstract

量産性に優れ且つ小型化が容易であり、しかも、トランス間のきめ細かな電磁気的結合度の設定が容易で且つ広い比帯域幅を有した積層型方向性結合器を提供する。積層型方向性結合器１は、磁性体基板２−１，２−２と第１及び第２トランス５，６を含む積層体３と外部電極４−１〜４−６とを備える。第１トランス５の１次側コイル５−１の両端に接続した電極４−２を主信号の入力端とし、電極４−１を出力端とする。第２トランス６の２次側コイル６−２の両端に接続した電極４−３を副信号の出力端とする。このとき、１次側コイル５−１（６−２）に対する２次側コイル５−２（６−１）の巻線長比Ｎ１（Ｎ２）を１より大きく１０以下に設定する。好ましくは、割合Ｎ２／Ｎ１を０．５より大きく２．０未満に設定する。

Description

この発明は、携帯電話等の移動体通信機に適用される積層型方向性結合器に関するものである。

積層型の方向性結合器としては、例えば、特許文献１及び特許文献２に開示の技術がある。これらの方向性結合器は、１／４波長又は１／４波長以下の長さのストリップライン伝送路を誘電体基板内に積層形成した構造をしている。かかる構造により、これらの方向性結合器は、量産性に優れしかも小型化が容易である。このため、これらの方向性結合器は、移動体通信機等に広く用いられている。
しかし、これらの方向性結合器は、安定した電磁気的結合度を得ることができる信号の帯域幅が比帯域で５０％以下である。したがって、この方向性結合器では、テレビジョン信号のように、９０％以上の比帯域幅を必要とする機器には使用することができない。

これに対して、９９％以上の比帯域幅を実現できる方向性結合器が非特許文献１に開示されている。
図１４に示すように、この方向性結合器１００は、電極１０２をメガネ形の磁性体コア１０１に巻付けたもので、図１５に示すような回路構成を成す。
かかる構成により、トランス１１０のコイル１１１に対するコイル１１２の巻線比（ターン数の比）Ｎ１を適宜設定すると共に、トランス１２０のコイル１２２に対するコイル１２１の巻線比（ターン数の比）Ｎ２を適宜設定することで、例えば、トランス１１０のポート１１０ａ（ポート１１０ｂ）から入力した主信号を、ポート１１０ｂ（ポート１１０ａ）とトランス１２０のポート１２０ａ（ポート１２０ｂ）とに、巻線比に対応した分配比で出力することができるようになっている。

特開平０５−１５２８１４号公報 特開平０５−１６０６１４号公報 ミハエル ジー・エリス（Michael G.Ellis）、「高周波方向性結合器」（RF Directional Couplers）、エレクトロニック システム プロダクツ（Electronic System Products）、〔平成１７年５月２０日検索〕、インターネット＜http://members.tripod.com/michaelgellis/direct.html＞

しかし、上記した方向性結合器１００では、図１４に示したように、電極１０２を磁性体コア１０１に手作業で巻付ける作業が必要であるので、上記積層型の方向性結合器に比べて量産性に劣る。また、この種の方向性結合器では、少なくとも８０ｍｍ^３の体積が必要であり、小型化に向いていない。さらに、この方向性結合器１００では、トランス間の電磁気的結合度を電極１０２間の巻線比（ターン数の比）で設定しなければならないため、トランス間の電磁気的結合度をきめ細かく設定することが難しい。このため、ポート１１０ａ（１１０ｂ）に入力した主信号を、ポート１１０ｂ（ポート１１０ａ）とトランス１２０のポート１２０ａ（ポート１２０ｂ）とに、希望する分配比で出力することができない場合がある。

この発明は、上述した課題を解決するためになされたもので、量産性に優れ且つ小型化が容易であり、しかも、トランス間のきめ細かな電磁気的結合度の設定が容易で且つ広い比帯域幅を有した積層型方向性結合器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、第１磁性体基板と、この第１磁性体基板上に積層され且つ内部に第１及び第２トランスが形成された積層体と、この積層体上に設けられた第２磁性体基板とを備え、第１トランスの１次側コイルの両端を、主信号の入，出力端子とすると共に、２次側コイルの一方端をグランド端子として、他方端を第２トランスの２次側コイルの一方の端子に接続し、第２トランスの１次側コイルの一方端を第１トランスの一方の端子に接続すると共に他方端をグランド端子に接続し、２次側コイルの一方の端子を、副信号を出力する出力端子とした積層型方向性結合器であって、第１トランスの１次側コイルに対する２次側コイルの巻線長比Ｎ１と第２トランスの２次側コイルに対する１次側コイルの巻線長比Ｎ２とをそれぞれ、１より大きく１０以下の値に設定した構成とする。
かかる構成により、方向性結合器が、第１磁性体基板と、第１及び第２トランスが形成された積層体と、第２磁性体基板とを備えた積層構造になっているので、フォトリソグラフィ等の周知の製造技術によって、超小型の方向性結合器を量産することができる。
また、主信号が、第１トランスの１次側コイルの入力端子に入力されると、主信号が当該１次側コイルの出力端子と第２トランスの２次側コイルの出力端子とから分配出力される。このとき、当該分配比は第１トランスと第２トランスとの電磁気的結合度に応じて決まる。そして、この電磁気的結合度は、第１トランスの１次側コイルに対する２次側コイルの巻線長比Ｎ１と第２トランスの２次側コイルに対する１次側コイルの巻線長比Ｎ２とによって決まる。そこで、この発明では、これらの巻線長比Ｎ１，Ｎ２がそれぞれ１より大きく１０以下の値に設定している。
しかも、第１及び第２トランスをフォトリソグラフィ等の周知の積層技術によって形成することができるので、第１及び第２トランスのコイルの長さを好みの長さにパターン形成することができる。このため、従来の方向性結合器１００と異なり、第１及び第２トランスの巻線長比Ｎ１，Ｎ２をきめ細かく設定することができ、この結果、きめ細かな電磁気的結合度の設定が可能となる。
さらに、第１トランスの１次側コイルの両端を、主信号の入，出力端子とすると共に、２次側コイルの一方端をグランド端子として、他方端を第２トランスの２次側コイルの一方の端子に接続し、第２トランスの１次側コイルの一方端を第１トランスの一方の端子に接続すると共に他方端をグランド端子に接続し、２次側コイルの一方の端子を、副信号を出力する出力端子とした構成であるので、この積層型方向性結合器は、テレビジョン信号のように、９０％以上の比帯域幅を必要とする機器にも使用することができる。

請求項２の発明は、請求項１に記載の積層型方向性結合器において、巻線長比Ｎ１に対する巻線長比Ｎ２の割合を、０．５より大きく２．０未満の値に設定した構成とする。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の積層型方向性結合器において、積層体は、第１トランスと第２トランスを非磁性体で覆った構成とする構成とした。

以上詳しく説明したように、請求項１ないし請求項３の発明によれば、量産性に優れ且つ小型化が容易で、しかも、第１及び第２トランス間のきめ細かな電磁気的結合度の設定が容易で且つ広い比帯域幅を有した積層型方向性結合器を提供することができるという優れた効果がある。

特に、請求項２の発明によれば、巻線長比Ｎ１に対する巻線長比Ｎ２の割合を、０．５より大きく２．０未満の値に設定したので、第１及び第２トランス間の電磁気的結合度及び方向性を微調整できる積層型方向性結合器を提供することができるという効果がある。

この発明の一実施例に係る積層型方向性結合器の分解視図である。 積層型方向性結合器の外観図である。 最下層の導体パターンの平面図である。 非磁性体層の平面図である。 下から二層目の導体パターンの平面図である。 最下層の導体パターンと二層目の導体パターンとの接続構造を示す分解斜視図である。 下から３層目の導体パターンの平面図である。 非磁性体層の平面図である。 最上層の導体パターンの平面図である。 ３層目の導体パターンと最上層の導体パターンとの接続構造を示す分解斜視図である。 第１及び第２トランスの電気的構造を示す模式図である。 コイルの巻線長比と第１及び第２トランス間の結合度とを示す線図である。 積層型方向性結合器の実装状態を示す斜視図である。 従来の方向性結合器の一例を示す斜視図である。 図１４の方向性結合器の等価回路図である。

符号の説明

１…積層型方向性結合器、 ２−１，２−２…磁性体基板、 ３…積層体、 ４−１〜４−６…外部電極、 ５…第１トランス、 ５−１，６−１…１次側コイル、 ６…第２トランス、 ７…非磁性体、 ５１〜５４，６１〜６４…導体パターン、 ５１ａ〜５４ａ，６１ａ〜６４ａ…内部電極、 ５１ｂ〜５１ｈ，５２ｂ〜５２ｈ，５３ｂ〜５３ｈ，５４ｂ〜５４ｈ，６１ｂ〜６１ｈ，６２ｂ〜６２ｈ，６３ｂ〜６３ｈ，６４ｂ〜６４ｈ…端部、 ７２ｂ〜７２ｈ，７２ｊ，７２ｂ′〜７２ｈ′，７４ｂ〜７４ｈ，７４ｊ，７４ｂ′〜７４ｈ′…スルーホール、 ７１〜７５…非磁性体層、 ２００…主線路、 ２０１…副線路、 Ｓ，Ｓ１…主信号、 Ｓ２…副信号。

以下、この発明の最良の形態について図面を参照して説明する。

図１は、この発明の一実施例に係る積層型方向性結合器の分解視図であり、図２は、積層型方向性結合器の外観図である。

図２に示すように、この実施例の積層型方向性結合器１は、第１磁性体基板としての磁性体基板２−１と、この磁性体基板２−１上に積層された積層体３と、この積層体３上に接着された第２磁性体基板としての磁性体基板２−２と、外部電極４−１〜４−６とで構成されている。

積層体３は、図１に示すように、第１トランス５と、第２トランス６と、これら第１及び第２トランス５，６を外側から完全に覆った非磁性体７（図２参照）とを有して成る。

非磁性体７は、例えば誘電体であって、非磁性体層７１〜７５を積層して成り、第１及び第２トランス５，６は、このような非磁性体層７１〜７４上にパターン形成されている。
具体的には、第１トランス５は、１次側コイル５−１とその上の２次側コイル５−２とを有している。そして、１次側コイル５−１を導体パターン５１と導体パターン５２とで形成し、２次側コイル５−２を導体パターン５３と導体パターン５４とで形成した。
一方、第２トランス６は、１次側コイル６−１とその上の２次側コイル６−２とを有している。そして、１次側コイル６−１を導体パターン６３と導体パターン６４とで形成し、２次側コイル６−２を導体パターン６１と導体パターン６２とで形成した。

ここで、第１及び第２トランス５，６の構造について詳細に説明する。
導体パターン５１，６４は、磁性体基板２−１上に積層された非磁性体層７１上にフォトリソグラフィ法などによってパターン形成される。そして、非磁性体層７２が導体パターン５１，６４上に積層された後、導体パターン５２，６３が非磁性体層７２上にパターン形成されている。
図３は、導体パターン５１，６４の平面図であり、図４は、非磁性体層７２の平面図であり、図５は、導体パターン５２，６３の平面図であり、図６は、導体パターン５１，６４と導体パターン５２，６３との接続構造を示す分解斜視図である。
図３に示すように、導体パターン５１は、内側から引き出された内部電極５１ａとパターンの内側の端部５１ｂとを有している。また、図５に示すように、導体パターン５２は、外側に引き出された内部電極５２ａと、内側の端部５２ｂとを有している。
そして、図６に示すように、導体パターン５１の端部５１ｂと導体パターン５２の端部５２ｂとが図４にも示す非磁性体層７２のスルーホール７２ｂを通じて接続されている。これにより、内部電極５１ａ，５２ａを両端とするスパイラル状の１次側コイル５−１が形成されている。
一方、導体パターン６４は、図３に示すように、隣の導体パターン５１の外側中央部（内部電極５２ａと対応する位置）に引き出された内部電極６４ａを有している。そして、この内部電極６４ａが引き出された辺と反対側の辺で、左向きの端部６４ｂ〜６４ｄと右向きの端部６４ｅ〜６４ｈとが交互に並んでいる。また、図５に示すように、導体パターン６３は、内側から導体パターン５２，６３の間の中央にまで引き出された内部電極６３ａを有している。そして、この内部電極６３ａの引き出し線の左側にパターンの端部６３ｂ〜６３ｄが配されると共に、右側に端部６３ｅ〜６３ｈが配されている。そして、図６に示すように、導体パターン６４の端部６４ｂ〜６４ｄと導体パターン６３の端部６３ｂ〜６３ｄとが図４にも示す非磁性体層７２のスルーホール７２ｂ′〜７２ｄ′を通じて接続されている。また、導体パターン６４の端部６４ｅ〜６４ｈと導体パターン６３の端部６３ｅ〜６３ｈとがスルーホール７２ｅ′〜７２ｈ′を通じて接続されている。これにより、内部電極６４ａ，６３ａを両端とするスパイラル状の１次側コイル６−１が形成されている。
また、内部電極５２ａ，６４ａの引き出し線同士が非磁性体層７２のスルーホール７２ｊを通じて接続されている。

また、図１に示すように、導体パターン５３，６２は、導体パターン５２，６３の上に積層された非磁性体層７３上にパターン形成されている。そして、非磁性体層７４が導体パターン５３，６２上に積層された後、導体パターン５４，６１が非磁性体層７４上にパターン形成されている。
図７は、導体パターン５３，６２の平面図であり、図８は、非磁性体層７４の平面図であり、図９は、導体パターン５４，６１の平面図であり、図１０は、導体パターン５３，６２と導体パターン５４，６１との接続構造を示す分解斜視図である。
図７に示すように、導体パターン５３は、内側から導体パターン５３，６２の間の中央にまで引き出された内部電極５３ａを有している。そして、この内部電極５３ａの引き出し線の右側にパターンの端部５３ｂ〜５３ｄが配されると共に、左側に端部５３ｅ〜５３ｈが配されている。また、図９に示すように、導体パターン５４は、隣の導体パターン６１の外側中央部（内部電極６２ａと対応する位置）に引き出された内部電極５４ａを有している。そして、この内部電極５４ａが引き出された辺と反対側の辺で、右向きの端部５４ｂ〜５４ｄと左向きの端部５４ｅ〜５４ｈとが交互に並んでいる。
そして、図１０に示すように、導体パターン５３の端部５３ｂ〜５３ｄと導体パターン５４の端部５４ｂ〜５４ｄとが図８にも示す非磁性体層７４のスルーホール７４ｂ〜７４ｄを通じて接続されている。また、導体パターン５３の端部５３ｅ〜５３ｈと導体パターン５４の端部５４ｅ〜５４ｈとがスルーホール７４ｅ〜７４ｈを通じて接続されている。これにより、内部電極５３ａ，５４ａを両端とするスパイラル状の２次側コイル５−２が形成されている。
一方、図７に示すように、導体パターン６２は、外側に引き出された内部電極６２ａと内側に位置する端部６２ｂとを有している。また、図９に示すように、導体パターン６１は、内側から引き出された内部電極６１ａと内側の端部６１ｂとを有している。そして、図１０に示すように、導体パターン６２の端部６２ｂと導体パターン６１の端部６１ｂとが図８にも示す非磁性体層７４のスルーホール７４ｂ′を通じて接続されている。これにより、内部電極６２ａ，６１ａを両端とするスパイラル状の２次側コイル６−２が形成されている。
また、内部電極５４ａ，６２ａの引き出し線同士が非磁性体層７２のスルーホール７４ｊを通じて接続されている。
そして、図１に示すように、導体パターン５４，６１の上に非磁性体層７５が積層され、この非磁性体層７５上に磁性体基板２−２が接着されている。

上記のような構造の積層体３の外側に、外部電極４−１〜４−６が形成されている。
これにより、外部電極４−１が導体パターン５２，６４内部電極５２ａ，６４ａの両方に電気的に接続し、外部電極４−２が導体パターン５１の内部電極５１ａに電気的に接続している。そして、外部電極４−３が導体パターン６１の内部電極６１ａに電気的に接続し、外部電極４−４が導体パターン５３，６３の内部電極５３ａ，６３ａの両方に電気的に接続すると共に、外部電極４−５が導体パターン５４，６２の内部電極５４ａ，６２ａの両方に電気的に接続している。

図１１は、第１及び第２トランス５，６の電気的構造を示す模式図である。
上記のような導体パターン同士の接続や外部電極４−１〜４−６と内部電極との接続によって、電気的構造は、図１１に示すような回路構造となる。
すなわち、第１トランス５の１次側コイル５−１の内部電極５１ａに接続した外部電極４−２を主信号の入力端子とし、内部電極５２ａに接続した外部電極４−１を主信号の出力端子とすることができる。そして、２次側コイル５−２の内部電極５３ａに接続された外部電極４−４をグランド端子とすることができる。また、第２トランス６の１次側コイル６−１の内部電極６４ａが１次側コイルの内部電極５２ａと接続しており、内部電極６３ａが第１トランス５の２次側コイル５−２の内部電極５３ａに接続している。そして、２次側コイル６−２の内部電極６２ａが第１トランス５の２次側コイル５−２の内部電極５４ａに接続している。これにより、２次側コイル６−２の内部電極６１ａに接続した外部電極４−３を副信号の出力端子とすると共に、内部電極５４ａ，６２ａの双方に接続した外部電極４−５を図示しない終端抵抗等によって終端とすることができる。
かかる回路構造は、図１５に示した方向性結合器１００の回路構造と同構造であり、この積層型方向性結合器は、外部電極４−２から入力した主信号を外部電極４−１と外部電極４−３とに分配して出力する機能を有している。勿論、主信号を外部電極４−３から入力するようにすれば、この主信号を外部電極４−５と外部電極４−２とに分配して出力する機能を有する。

ところで、この実施例の積層型方向性結合器は、上記の如く、主信号を分配して出力する機能を有するが、これらの分配比を決定するのは、第１トランス５の１次側及び２次側コイル５−１，５−２間の電磁気的結合や第２トランス６の１次側及び２次側コイル６−１，６−２間の電磁気的結合等、第１トランスと第２トランスとの間で生じる電磁気的結合の度合いに応じて決まる。そして、この電磁気的結合度は、第１トランス５の１次側コイル５−１に対する２次側コイル５−２の巻線長比Ｎ１と第２トランス６の２次側コイル６−２に対する１次側コイル６−１の巻線長比Ｎ２とに依存する。

図１２は、巻線長比（Ｎ１，Ｎ２）と方向性結合器の結合度とを示す線図である。
発明者は、第１及び第２トランス５，６間の結合度が良好となる巻線長比（Ｎ１，Ｎ２）の範囲を知るべく、シミュレーションを行ったところ、図１２に示すような結果を得た。すなわち、と第１及び第２トランス５，６間の結合度は、図１２の曲線Ｓで示すように、巻線長比（１Ｎ２）が１以上１０以下の範囲で約２ｄＢ〜２０ｄＢという良好な値を示すことが判明した。そこで、巻線長比Ｎ１及び巻線長比Ｎ２を、１＜Ｎ１≦１０且つ１＜Ｎ２≦１０に設定することとした。
具体的には、この実施例では、巻線長が「４．２ｍｍ」の１次側コイル５−１をパターン形成すると共に、巻線長が「１０．５ｍｍ」の２次側コイル５−２をパターン形成して、巻線長比Ｎ１を「２．５」に設定した。また、巻線長が「４．２ｍｍ」の１次側コイル６−１をパターン形成すると共に、巻線長が「１０．５ｍｍ」の２次側コイル６−２をパターン形成して、巻線長比Ｎ２を「２．５」に設定した。さらに、巻線長比Ｎ１に対する巻線長比Ｎ２の割合（Ｎ２／Ｎ１）を、０．５＜Ｎ２／Ｎ１＜２．０に設定することで、各ポートのインピーダンスを改善できる。このため、この実施例では、比Ｎ２／Ｎ１を「１」に設定した。
なお、この実施例では、第１及び第２トランス５，６をフォトリソグラフィ等の周知の積層技術によって形成するので、第１トランス５の１次側及び２次側コイル５−１，５−２や第２トランス６の１次側及び２次側コイル６−１，６−２の巻線長を好みの長さにパターン形成することができる。このため、第１及び第２トランスの巻線長比Ｎ１，Ｎ２をきめ細かく且つ正確に設定することができる。

次に、この実施例の積層型方向性結合器が示す作用及び効果について説明する。
図１３に示すように、外部電極４−１，４−２を主線路２００の途中に接続して、外部電極４−２を主信号Ｓの入力端子とすると共に、外部電極４−１を出力端子とする。そして、外部電極４−４をグランド状態にする。さらに、外部電極４−５側を終端抵抗等で遮断すると共に、外部電極４−３を副線路２０１に接続して、副信号Ｓ２の出力端子とする。
これにより、主信号Ｓを主線路２００に伝送させると、主信号Ｓが外部電極４−２から積層型方向性結合器１内に入力する。すると、主信号Ｓ１が外部電極４−１から主線路２００に出力されると共に、副信号Ｓ２が外部電極４−３から副線路２０１に出力される。すなわち、積層型方向性結合器１に入力した主信号Ｓは、第１トランス５及び第２トランス６の巻線長比Ｎ１，Ｎ２や比Ｎ２／Ｎ１に対応した最適の分配比で主線路２００と副線路２０１とに分配出力される。
図１５の回路構造を持つ方向性結合器１００と同回路構造の第１及び第２トランス５，６によって、広帯域に渡って主信号Ｓを主信号Ｓ１及び副信号Ｓ２に分配することができるため、この積層型方向性結合器１を、テレビジョン信号のように、９０％以上の比帯域幅を必要とする機器にも使用することができる。

なお、この発明は、上記実施例に限定されるものではなく、発明の要旨の範囲内において種々の変形や変更が可能である。
例えば、上記実施例では、第１トランス５（第２トランス６）の１次側コイル５−１（２次側コイル６−２）に対する２次側コイル５−２（１次側コイル６−１）の巻線長比Ｎ１（巻線長比Ｎ２）を「２．５」（「２．５」）に設定したが、巻線長比Ｎ１，Ｎ２はそれぞれ、１より大きく１０以下の値であれば良く、実施例で設定した値に限定されるものではない。また、Ｎ２／Ｎ１を「１」に設定したが、この比は０．５より大きく２．０未満の値であれば良く、これに限定されるものではない。

Claims (3)

1. 第１磁性体基板と、この第１磁性体基板上に積層され且つ内部に第１及び第２トランスが形成された積層体と、この積層体上に設けられた第２磁性体基板とを備え、
   上記第１トランスの１次側コイルの両端を、主信号の入，出力端子とすると共に、２次側コイルの一方端をグランド端子として、他方端を上記第２トランスの２次側コイルの一方の端子に接続し、
   上記第２トランスの１次側コイルの一方端を上記第１トランスの一方の端子に接続すると共に他方端を上記グランド端子に接続し、２次側コイルの一方の端子を、副信号を出力する出力端子とした積層型方向性結合器であって、
   上記第１トランスの１次側コイルに対する２次側コイルの巻線長比Ｎ１と上記第２トランスの２次側コイルに対する１次側コイルの巻線長比Ｎ２とをそれぞれ、１より大きく１０以下の値に設定した、
   ことを特徴とする積層型方向性結合器。
2. 請求項１に記載の積層型方向性結合器において、
   上記巻線長比Ｎ１に対する巻線長比Ｎ２の割合を、０．５より大きく２．０未満の値に設定した、
   ことを特徴とする積層型方向性結合器。
3. 請求項１又は請求項２に記載の積層型方向性結合器において、
   上記積層体は、第１トランスと第２トランスを非磁性体で覆った構成とする、
   ことを特徴とする積層型方向性結合器。

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