JP5482901B2 - 方向性結合器 - Google Patents
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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。
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。
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
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)
- 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。 - 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。 - 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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