JP5482901B2 - 方向性結合器 - Google Patents

Description

本発明は、通信機用の方向性結合器に関する。

従来の方向性結合器としては、例えば、特許文献１に記載の方向性結合器が知られている。具体的には、図９に示すように、電極パターンが形成された複数の誘電体層が積層されて構成されている。方向性結合器は、ストリップラインからなる第１の主線路３３と第２の主線路３４と第１の副線路３５を有し、前記第１と第２の主線路３３、３４が共に第１の副線路３５に結合している。また、方向性結合器については、構造上、主線路及び副線路の役割を入れ替えても、同じように基本的動作を実現でき、後述する課題や解決手段についても同様のことがいえる。

特開平１１−２６１３１３

しかしながら、特許文献１に記載の方向性結合器では、２つの主線路３３、３４がそれぞれ副線路３５の共通の部分に電磁結合しているため、第１の主線路３３と第２の主線路３４の間のアイソレーションが悪いという問題があった。

本発明は、かかる実情に鑑み、主線路間（あるいは副線路間）のアイソレーションが優れた方向性結合器を提供することを目的とする。

本発明は上記課題を解決するために、以下のように構成した方向性結合器を提供する。

本発明による方向性結合器は、第１の端子と第２の端子を備えた主線路と、前記主線路と電磁気的に結合し、第３の端子と第４の端子を備えた第１の副線路と、前記主線路と電磁気的に結合し、第５の端子と第６の端子を備えた第２の副線路と、前記第４の端子と前記第５の端子との間に接続されている容量素子を備え、前記第４の端子と前記第５の端子はそれぞれ負荷終端されていることを特徴とする。

上記構成によれば、方向性結合器における前記第１と第２の副線路間のアイソレーション特性を改善することができる。

本発明による方向性結合器は、好ましくは、複数の絶縁体層が積層されて構成されている積層体を備えており、前記主線路、前記副線路及び前記容量素子は、前記積層体内に設けられている導体層により構成されている。

上記構成によれば、方向性結合器における前記第１と第２の副線路間のアイソレーション特性を改善することができ、方向性結合器を小型化できる。

本発明による方向性結合器は、好ましくは、前記方向性結合器の第１の主面を実装面とし、前記容量素子が前記積層体内において、前記主線路及び前記副線路と前記第１の主面との間に形成されている。

上記構成によれば、方向性結合器が実装された際に、実装基板から受ける電磁気的な様々の影響を軽減することができる。

本発明による回路装置は、好ましくは、本発明による方向性結合器が、シールド効果を有する基板に実装されてなる。

上記構成によれば、方向性結合器のグランド層を省くことができ、方向性結合器を小型化できる。

本発明によれば、方向性結合器における前記第１と第２の副線路間のアイソレーション特性を改善することができる。

本発明の方向性結合器の回路図である。 本発明の方向性結合器の外観斜視図、上面図である。 本発明の方向性結合器の積層体の分解斜視図である。 本発明の方向性結合器の特性図である。 比較例の方向性結合器の特性図である。 本発明の方向性結合器の特性図である。 比較例の方向性結合器の特性図である。 本発明の方向性結合器を搭載基板に実装した説明図である。 先行技術の方向性結合器の積層構造を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、実施の形態に係る方向性結合器１０の回路図、図２が同じく外観図、図３が同じく分解斜視図である。

方向性結合器１０の回路構成について説明する。方向性結合器１０は、外部電極（端子）１〜６、主線路Ｍ、副線路Ｓ１、Ｓ２、終端抵抗Ｒ１、Ｒ２及び容量素子Ｃ１を備えている。主線路Ｍは外部電極１、２間に接続されている。副線路Ｓ１は外部電極３、４間に接続され、主線路Ｍと電磁気的に結合している。副線路Ｓ２は外部電極５、６間に接続され、主線路Ｍと電磁気的に結合している。終端抵抗Ｒ１、Ｒ２は各々、一方が外部電極４、５に接続され、他方は接地されている。容量素子Ｃ１は外部電極４、５間に接続されている。

方向性結合器１０の主線路Ｍを伝わる信号には、外部電極１から入り、外部電極２より出ていく順方向の信号と、該順方向の信号がこの後段の回路で反射して、外部電極２に戻り、外部電極１から出ていく逆方向の信号がある。そして、前記順方向信号については、外部電極１が入力ポート、外部電極２が出力ポートとしてはたらき、前記逆方向信号については、外部電極２が入力ポート、外部電極１が出力ポートとしてはたらく。また、外部電極３は前記順方向信号のカップリングポートとしてはたらき、外部電極６は前記逆方向信号のカップリングポートとしてはたらく。外部電極４、５はそれぞれ５０Ωで終端されるターミネートポートとして用いられる。

以上のような方向性結合器１０では、主線路Ｍと副線路Ｓ１の電磁気的結合により、前記順方向信号の電力に比例する電力を有する信号が、外部電極３から出力される。また、主線路Ｍと副線路Ｓ２の電磁気的結合により、前記逆方向信号の電力に比例する電力を有する信号が、外部電極６から出力される。それら信号の所定の周波数としては、例えば、８２４ＭＨｚ〜９１５ＭＨｚ（ＧＳＭ８００／９００）の周波数を有する信号または１７１０ＭＨｚ〜１９１０ＭＨｚ（ＧＳＭ１８００／１９００）の周波数を有する信号であり、前記方向性結合器の外部電極３、６からの出力信号は、自動利得制御装置（図示せず）の入力信号となる。

また、方向性結合器の性能を表す主要特性として、結合度特性、アイソレーション特性及び方向性特性を用いる。結合度特性とは、入力ポートに入力される信号とカップリングポートから出力される信号との間の電力の比（すなわち、減衰量Ｓ（３，１））、及び、周波数の関係であり、アイソレーション特性とは、出力ポートから入力される信号とカップリングポートから出力される信号との間の電力の比（すなわち、減衰量Ｓ（３，２））、及び、周波数の関係である。方向性特性とは、結合度特性とアイソレーション特性の比（すなわち、減衰量Ｓ（３，２）／Ｓ（３，１））、及び、周波数の関係である。

次に、方向性結合器１０の具体的構成について説明する。図２（ａ）は方向性結合器１０の外観斜視図、図２（ｂ）は上面図である。図３は、実施の形態に係る方向性結合器１０の積層体１１の分解斜視図である。以下では、積層方向をｚ軸方向と定義し、ｚ軸方向から平面視したときの方向性結合器１０の長辺方向をｘ軸方向と定義し、ｚ軸方向から平面視したときの方向性結合器１０の短辺方向をｙ軸方向と定義する。なお、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸は、互いに直交している。

積層体１１は、図２及び図３に示すように、外部電極１４（１４ａ〜１４ｆ）、主線路Ｍ、副線路Ｓ１、Ｓ２、容量素子Ｃ１を備えている。積層体１１は、図２に示すように、直方体状をなしており、図３に示すように、絶縁体層１２（１２ａ〜１２ｇ）がｚ軸方向の正方向側から負方向側へとこの順に並ぶように積層されることにより構成されている。方向性結合器１０の実装面１５は、最下層となる絶縁体層１２ｇの積層面の裏面側である。絶縁体層１２は、誘電体セラミックであり、長方形状をなしている。

外部電極１４ａ，１４ｅ，１４ｂは、積層体１１のｙ軸方向の負方向側の側面において、ｘ軸方向の負方向側から正方向側へとこの順に並ぶように設けられており、ｚ軸方向にはすべての層を貫通するように形成されている。外部電極１４ｃ，１４ｆ，１４ｄは、積層体１１のｙ軸方向の正方向側の側面において、ｘ軸方向の負方向側から正方向側へとこの順に並ぶように設けられており、ｚ軸方向にはすべての層を貫通するように形成されている。

主線路Ｍは、図３に示すように、線路部２１により構成されている。線路部２１は、絶縁体層１２ｅ上に設けられている線状の導体層であり、外部電極１４ａ、１４ｂに接続されている。

副線路Ｓ１は、図３に示すように、線路部２２ａ、２２ｂ、２２ｃ及びビアホール導体ｂ１〜ｂ２により構成されており、ｚ軸方向の正方向側から負方向側にいくにしたがって、反時計回りに旋廻する螺線状をなしている。ここで、副線路Ｓ１において、反時計回りの上流側の端部を上流端と呼び、反時計回りの下流側の端部を下流端と呼ぶ。

線路部２２ａは、絶縁体層１２ｂ上に形成されている線状の導体層であり、その上流端は、外部電極１４ｄに接続されている。線路部２２ｂは、絶縁体層１２ｃ上に形成されている線状の導体層である。線路部２２ｃは、絶縁体層１２ｄ上に形成されている線状の導体層であり、その下流端は、外部電極１４ｅに接続されている。ビアホール導体ｂ１は、絶縁体層１２ｂをｚ軸方向に貫通しており、線路部２２ａと線路部２２ｂを接続している。また、ビアホール導体ｂ２は、絶縁体層１２ｃをｚ軸方向に貫通しており、線路部２２ｂと線路部２２ｃを接続している。

これにより、副線路Ｓ１は、外部電極１４ｄ，１４ｅ間に接続されている。ｚ軸方向から平面視したときに、主線路Ｍと副線路Ｓ１とは、主線路の領域ｍ１１と副線路の領域ｓ１１、ｓ１２、ｓ１３が平行に対向しており、これらの領域で電磁気的に結合している。

副線路Ｓ２は、図３に示すように、線路部２３ａ、２３ｂ、２３ｃ及びビアホール導体ｂ３〜ｂ４により構成されており、ｚ軸方向の正方向側から負方向側にいくにしたがって、時計回りに旋廻する螺線状をなしている。ここで、副線路Ｓ２において、時計回りの上流側の端部を上流端と呼び、反時計回りの下流側の端部を下流端と呼ぶ。

線路部２３ａは、絶縁体層１２ｂ上に形成されている線状の導体層であり、その上流端は、外部電極１４ｃに接続されている。線路部２３ｂは、絶縁体層１２ｃ上に形成されている線状の導体層である。線路部２３ｃは、絶縁体層１２ｄ上に形成されている線状の導体層であり、その下流端は、外部電極１４ｆに接続されている。ビアホール導体ｂ３は、絶縁体層１２ｂをｚ軸方向に貫通しており、線路部２３ａと線路部２３ｂを接続している。また、ビアホール導体ｂ４は、絶縁体層１２ｃをｚ軸方向に貫通しており、線路部２３ｂと線路部２３ｃを接続している。

これにより、副線路Ｓ２は、外部電極１４ｃ，１４ｆ間に接続されている。ｚ軸方向から平面視したときに、主線路Ｍと副線路Ｓ２とは、領域ｍ２１と領域ｓ２１、ｓ２２、ｓ２３が平行に対向しており、これらの領域で電磁気的に結合している。

容量素子Ｃ１は、面状導体層２４ａ、２４ｂにより構成されている。面状導体層２４ａ，２４ｂはそれぞれ、絶縁体層１２ｆ、１２ｇに形成されており、外部電極１４ｆ，１４ｅに接続されている。面状導体層２４ａ，２４ｂは、長方形状をなしており、Ｚ軸方向から平面視したときに、互いに重なっている。これにより、面状導体層２４ａと２４ｂとの間には容量が発生している。そして、容量素子Ｃ１は、外部電極１４ｆと外部電極１４ｅとの間に接続されている。

以上のように構成された方向性結合器１０により、アイソレーション特性並びに方向性特性を改善することができる。

図４（ａ）は図１の方向性結合器１０の順方向信号の結合度特性Ｅとアイソレーション特性Ｆ、図４（ｂ）は同じく方向性特性Ｇを示すグラフである。図５（ａ）は比較例として示す従来構成の順方向信号の結合度特性Ｅとアイソレーション特性Ｆ、図５（ｂ）は同じく方向性特性Ｇを示すグラフである。また、図６（ａ）は図１の方向性結合器１０の逆方向信号の結合度特性Ｅとアイソレーション特性Ｆ、図６（ｂ）は同じく方向性特性Ｇを示すグラフである。図７（ａ）は従来構成の逆方向信号の結合度特性Ｅとアイソレーション特性Ｆ、図７（ｂ）は同じく方向性特性Ｇを示すグラフである。各図におけるマーカー周波数は、ｍ１、ｍ５、ｍ９がＧＳＭ８００／９００の下限周波数、ｍ２、ｍ６、ｍ１０がＧＳＭ８００／９００の上限周波数、ｍ３、ｍ７、ｍ１１がＧＳＭ１８００／１９００の下限周波数、ｍ４、ｍ８、ｍ１２がＧＳＭ１８００／１９００の上限周波数である。

従来構成の方向性結合器、すなわち図１において容量素子Ｃ１を挿入する前の回路構成では、図５に示すようにアイソレーション特性Ｆと方向性特性Ｇは周波数が高くなるにしたがって、高くなる。これに対し、図１の方向性結合器１０では副線路のインダクタンスと前記容量素子のキャパシタンスが直列共振を起こすことで、アイソレーション特性Ｆと方向性特性Ｇにおいて１．５ＧＨｚ付近に極を持たせることができ、加えて、この極の周波数は前記容量素子の容量値により調整が可能である。図４は、所定の周波数領域に対してアイソレーション特性が最も好ましくなるように、前記容量値を調整したときのものである。図４と図５から、容量素子Ｃ１を挿入することにより、アイソレーション特性並びに方向性特性ともに減衰量を大きくすることができている。

方向性結合器１０は入出力の向きに対して各線路長が対称に設計されており、また、容量素子Ｃ１の挿入によってもその対称性は維持されるので、順方向の信号に対して得られる前述の効果は、逆方向の信号に対しても図６、図７に示す通り、得ることができる。

さらに、方向性結合器１０が対称であることより、順方向の信号、逆方向の信号ともに同じ感度で受けることができ、よって同じ仕様のＩＣが副線路Ｓ１、Ｓ２のどちらの回路にも適用することができる。

方向性結合器１０は、図８に示す搭載基板１３に、実装面１５の向きにはんだ１６で接合される。この搭載基板１３には、図示していないが、諸々の電極パターンが形成され、該電極パターンからは諸々の電磁波が輻射されている。

方向性結合器１０は、ｚ軸方向の正方向側から負方向側に向かって、副線路Ｓ１、Ｓ２が形成されている層、主線路Ｍが形成されている層、容量素子Ｃ１が形成されている層、実装面の順に配置されている。これにより、容量素子Ｃ１は方向性結合器１０の信号線路である主線路Ｍ、副線路Ｓ１、Ｓ２と搭載基板との間に位置することとなる。この結果、方向性結合器１０の信号線路は容量素子Ｃ１が入る分だけ搭載基板から遠ざけられることとなり、方向性結合器１０が搭載基板上の諸々の電極パターンから受ける電磁気的な影響を軽減することが可能となる。

なお、前記外部電極４と５の終端インピーダンスＲ１、Ｒ２としては５０Ωが一般的であるが、５０Ωからずれていてもよい。

また、方向性結合器１０は、積層体内にグランド電位をもつシールド導体層を有しない。このため、方向性結合器を含む回路装置（図示せず）としては、該回路装置内で、前記方向性結合器とそれ以外の電子部品あるいは搭載基板内の電極パターンとの間で電磁気的な相互干渉を引き起こさないよう前記電子部品や前記基板の側で、シールド対策が施されている。この結果、方向性結合器１０においては、シールド導体層やシールド端子を形成するためのスペースおよび材料、製造コストを削減することが可能となる。

Ｍ 主線路
Ｓ１、Ｓ２ 副線路
Ｃ１ 容量素子
Ｒ１、Ｒ２ 終端抵抗
１０ 方向性結合器
１１ 積層体
１２ａ〜１２ｇ 絶縁体層
１３ 搭載基板
１４ａ〜１４ｆ 外部電極
１５ 実装面
２１、２２ａ〜２２ｃ、２３ａ〜２３ｃ、２４ａ、２４ｂ 導体層
ｍ１１、ｍ２１、ｓ１１〜ｓ１３、ｓ２１〜ｓ２３ 線路部結合部
Ｅ 結合度特性
Ｆ アイソレーション特性
Ｇ 方向性特性

Claims (3)

1. 第１の端子と第２の端子を備えた主線路と
   前記主線路と電磁気的に結合し、第３の端子と第４の端子を備えた第１の副線路と、
   前記主線路と電磁気的に結合し、第５の端子と第６の端子を備えた第２の副線路と、
   前記第４の端子と前記第５の端子との間に接続されている容量素子を備え、
   前記第４の端子と前記第５の端子はそれぞれ負荷終端されていることを特徴とする方向性結合器。
2. 複数の絶縁体層が積層されて構成されている積層体を備えており、
   前記主線路、前記副線路及び前記容量素子は、前記積層体内に形成されている導体層により構成されていることを特徴とする請求項１に記載の方向性結合器。
3. 前記方向性結合器の第１の主面を実装面とし、
   前記容量素子が前記積層体内において、前記主線路及び前記副線路と前記第１の主面との間に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の方向性結合器。

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