JP2702894B2

JP2702894B2 - 方向性結合器

Info

Publication number: JP2702894B2
Application number: JP7064688A
Authority: JP
Inventors: 剛志武田; 徹石田; 靖岸本
Original assignee: 日立金属株式会社
Priority date: 1995-02-27
Filing date: 1995-02-27
Publication date: 1998-01-26
Anticipated expiration: 2013-01-26
Also published as: JPH08237012A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、コイル状の導体を用い
た方向性結合器に関するものである。

【０００２】

【従来技術】従来の複数のストリップラインを用いた方
向性結合器の斜視図を図４に示す。この従来例では、主
線路及び副線路を同じ基板上に作製した同一平面型の場
合を示す。これは、裏面に平面状の地導体５２が形成さ
れた誘電体基板５１の表面に２本のストリップライン５
３、５４が間隔Ｓだけ離れて平行に配されている。これ
らのストリップライン５３、５４の平行な部分の長さ
は、それぞれ１／４波長の長さになるように構成されて
いる。ポートＰ１より入力された高周波電力は、主線路
であるストリップライン５３を通り、ポートＰ２に出力
される。このとき、主線路であるストリップライン５３
と副線路であるストリップライン５４との結合により、
ストリップライン５３を通る電力の一部が、ストリップ
ライン５４に流れ、ポートＰ３に出力される。このと
き、ポートＰ４には出力は現れない。次に、主線路であ
るストリップライン５３の逆方向に、つまりポートＰ２
からポートＰ１に向かって電力を流した場合、その一部
の電力がポートＰ４に現れ、ポートＰ３には現れない。
つまり、このような構成をとることにより、主線路のス
トリップライン５３を流れる順方向電力及び逆方向電力
の一部を、副線路のストリップライン５４の出力ポート
Ｐ３又はＰ４端子にそれぞれ分離して取り出すことがで
きる。これが、方向性結合器の基本的な動作である。主
線路５３から副線路５４への結合は、二つのストリップ
ラインの平行部分の間隔Ｓを調節することにより可能で
ある。図４の従来例の説明では、主線路及び副線路をス
トリップライン５３、５４としたが、図４の対称な構造
から明かなように、主線路及び副線路の役割を入れ替え
ても、同じように方向性結合器の基本的動作を実現でき
る。図５は、他の従来例であり、主線路であるストリッ
プライン６５及び副線路であるストリップライン６６を
積層した場合を示す。これは、裏面に平面状の地導体６
４が形成された誘電体基板６１の表面に副線路であるス
トリップライン６６が配されている。その上方には主線
路であるストリップライン６５を形成した誘電体基板６
２が間隔Ｄだけ離れて平行に配されている。その上に
は、保護用の誘電体基板６３が設けられている。これら
の３つの基板を積層して焼成し、外部端子を付加して完
成させた方向性結合器の斜視図を図６に示す。この場合
も図４と同じような動作を実現でき、ポートＰ１より入
力された高周波電力は、主線路であるストリップライン
６５を通り、ポートＰ２に出力される。このとき、主線
路であるストリップライン６５と副線路であるストリッ
プライン６６との結合により、ストリップライン６５を
通る電力の一部が、ストリップライン６６に流れ、ポー
トＰ３に出力される。このとき、ポートＰ４には出力は
現れない。次に、主線路であるストリップライン６５の
逆方向に、つまりポートＰ２からポートＰ１に向かって
電力を流した場合、その一部の電力がポートＰ４に現
れ、ポートＰ３には現れない。つまり、このような構成
をとることにより、主線路のストリップライン６５を流
れる順方向電力及び逆方向電力の一部を、副線路のスト
リップライン６６の出力ポートＰ３又はＰ４端子にそれ
ぞれ分離して取り出すことができる。主線路６５から副
線路６６への結合は、二つのストリップラインの平行部
分の積層方向の間隔、すなわち誘電体基板６２の厚みＤ
を調節することにより可能である。このように高周波電
力の一部を方向性を持たせて分離する機能を有する方向
性結合器は、マイクロ波通信の例えば携帯電話器の送信
器の送信電力を制御するため用いられる。図７にその応
用例のブロック図を示す。方向性結合器７１の主線路の
ポートＰ１、Ｐ２を送信電力増幅器とアンテナ７４の間
に配するとともに、副線路の一つのポートＰ３を自動利
得制御回路に接続し、他のポートＰ４に電力を吸収する
抵抗素子７５を接続する。このようにすると、送信電力
増幅器の出力の一部だけがポートＰ３に現れ自動利得制
御回路に導かれる。アンテナ７４から逆流する高周波電
力の一部はポートＰ４に現れ、抵抗素子７５で吸収され
る。自動利得制御回路の信号出力は利得制御可能な送信
電力増幅器に送られ、目的に応じた高周波出力の制御を
行うことができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、携帯電
話器などでは、その小型化が重要な課題となっており、
前記目的に使用される方向性結合器についても、より一
層の小型化が要求されるようになっている。従来技術の
図４の例のような１／４波長の方向性結合器では、その
ストリップライン電極の長さは、例えば１ＧＨｚでは
２．５ｃｍ（比誘電率ε＝９とした場合の１／４波長）
の長さを必要とし、十分な小型化が期待できない。さら
に比誘電率の大きな材料を用いて、１／４波長を短くす
る方法も考えられるが、５０Ωのインピーダンスを維持
するためにはストリップライン幅が極めて細くなること
や、主線路と副線路の所望の結合を得るためにはストリ
ップラインの間隔が著しく狭くなること等、高い加工精
度が要求されるようになる。このため、量産性に乏し
く、耐電力性も悪くなるという問題があった。また、従
来技術の図５のように複数のストリップラインを縦方向
に積層した構造においては、二つの線路の結合が平面で
行われるので制御の範囲が広くなるものの、小型化とい
う点では事情は前記例となんら変わらない。小型化の一
つの方向は、１／４波長より線路長を短くする方法が考
えられる。このようにして試作した図５の方向性結合器
の特性を図３の点線で示す。ここで、ポートＰ１からポ
ートＰ２への伝搬損失を挿入損失、ポートＰ１からポー
トＰ３への伝搬損失を結合損失、ポートＰ１からポート
Ｐ４への伝搬損失をアイソレーションと呼ぶことにす
る。方向性結合器としては、できるだけ挿入損失が小さ
く、できるだけアイソレーションが大きいことが要求さ
れる。結合損失は携帯電話器などの全体の回路設計を行
う上で与えられるパラメ−タである。図５の点線から分
かるように、従来技術を用い単に線路長を短くしていっ
たのでは、広い周波数範囲で十分に高いアイソレーショ
ンを実現できないという難点があった。本発明は、上記
のことを鑑みて、小型化された方向性結合器を提供する
ことを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、導体膜が形成
された誘電体層を積層して構成された方向性結合器であ
って、複数の地導体に囲まれた領域に、それぞれが一回
以上巻回されたコイル状の導体が２本形成されており、
前記２本のコイル状導体は各誘電体層上にそれぞれ別の
領域に並んで形成されている方向性結合器である。また
本発明は、前記コイル状導体は２層以上の各誘電体層上
に形成された導体をスルーホールで接続して構成されて
いるものである。また本発明は、導体膜が形成された誘
電体層を積層して構成された方向性結合器であって、複
数の地導体に囲まれた領域に、それぞれが一回以上巻回
されたコイル状の導体が２本形成されており、前記２本
のコイル状導体はそれぞれ２層以上の各誘電体層上に形
成された導体をスルーホールで接続して構成され、かつ
各層には、いずれか一方のコイル用導体が形成され、前
記コイル状導体の巻回方向の軸方向から前記２本のコイ
ル状導体を見たとき、それぞれの巻回されている導体に
囲まれる部分が互いにずれている方向性結合器である。

【０００５】

【作用】本発明の構造、すなわち、広がりを有する複数
の地導体、該複数の地導体に囲まれた領域に、一回以上
巻回された２本のコイル状導体が設けられ、その２本の
コイル状導体で結合させることのより、小型で高性能な
方向性結合器を実現できる。また、導体膜が形成された
誘電体層を積層して構成することにより小型に、しかも
量産性が高い方向性結合器を実現できる。また、前記誘
電体層の誘電率が１５以下であり、焼結温度が１０００
℃以下の材料を用いる事により、Ａｇ、Ｃｕなどの導体
を用いた同時焼成が可能である。また、前記コイル状導
体は２層以上の各誘電体層上に形成された導体をスルー
ホールで接続して構成され、各層には、いずれか一方の
コイル用導体のみが形成されていることにより、結合性
が高く、非常に小型の方向性結合器を実現できる。ま
た、前記２つのコイル状導体は各誘電体層上にそれぞれ
別の領域に並んで形成されていることにより、結合度の
調整ができる。また、主線路の入力端子と出力端子が積
層体の同一面に形成され、副線路の入力端子と出力端子
が積層体の同一面に形成され、かつ主線路の入力端子と
出力端子とが形成された面と、副線路の入力端子と出力
端子が形成された面とが異なり、それぞれ前記積層体の
対向する面となっており、主線路の入力端子と出力端子
との間及び／又は副線路の入力端子と出力端子との間に
地導体の端子が形成されていることにより、実装性が高
い。また、２本のコイル状の導体が、コイル状導体の巻
回方向の軸方向からコイル状導体を見たとき、巻回され
ている導体の輪郭の全体が重複していることにより、主
線路と副線路の結合性を高める事ができる。また、２本
のコイル状の導体が、コイル状導体の巻回方向の軸方向
から前記コイル状導体を見たとき、巻回されている導体
に囲まれる部分がずれていることにより、結合性を調節
できる。また、コイル状の導体の導体の幅を０．１０〜
０．２０ｍｍとすることにより、高性能な方向性結合器
を実現できる。

【０００６】

【実施例】以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を詳
細に説明する。本発明に係る一実施例の組立構成部品図
を図１に示す。この図１は、チップ型方向性結合器を構
成するものであり、第１の地導体電極基板３２と、主線
路用のストリップライン電極基板３４、３６と、副線路
用のストリップライン電極基板３３、３５と、第２の地
導体電極基板３７と、保護基板３８とを積層して構成さ
れている。これらの各基板は、低温焼結用のセラミック
グリーンシートが用いられている。前記第１の地導体電
極基板３２は、セラミックグリーンシートの上に端部を
少し残して一面に地導体電極３２ａが形成されている。
地導体電極３２ａの中央の端部には２箇所の突起が設け
られ、側面に接続されている。前記副線路用のストリッ
プライン電極が形成された基板３３は、セラミックグリ
ーンシートの一面に副線路用ストリップライン電極３３
ａが形成されている。そのストリップライン電極３３ａ
の一端は側面に引き出され、他端には、スルーホール用
ラウンド電極３３ｂが形成されている。前記主線路用の
ストリップライン電極が形成された基板３４は、セラミ
ックグリーンシートの一面に主線路用ストリップライン
電極３４ａと独立のスルーホール３４ｃが形成されてい
る。そのストリップライン電極３４ａの一端は側面に引
き出され、他端には、スルーホール用ラウンド電極３４
ｂが形成されている。副線路用の基板はもう一つあり、
図中３５で示される。これは、セラミックグリーンシー
トの一面に副線路用ストリップライン電極３５ａと独立
のスルーホール３５ｃが形成されている。そのストリッ
プライン電極３５ａの一端は側面に引き出され、他端に
は、スルーホール３５ｂが形成されている。この副線路
用ストリップライン電極３３ａ、３５ａは、スルーホー
ル用ラウンド電極３３ｂ、スルーホール３４ｃ、３５ｂ
を介して接続される。主線路用の基板はもう一つあり、
図中３６で示される。これは、セラミックグリーンシー
トの一面に主線路用ストリップライン電極３６ａが形成
されている。そのストリップライン電極３６ａの一端は
側面に引き出され、他端には、スルーホール３６ｂが形
成されている。この主線路用ストリップライン電極３４
ａ、３６ａは、スルーホール用ラウンド電極３４ｂ、ス
ルーホール３５ｃ、３６ｂを介して接続される。第２の
地導体電極基板３７は、第１の地導体電極基板３２と同
じ構成であり、セラミックグリーンシートの上に端部を
少し残して一面に地導体電極３７ａが形成されている。
保護基板３８は、グリーンシートの上面に独立した外部
電極３８ａ，３８ｂ，３８ｃ，３８ｄ，３８ｅ，３８ｆ
が設けられている。上記３２から３８までの各グリーン
シートは、各電極膜が印刷技術により形成された後に積
み重ねられ、９００℃以上の温度で焼成され一体化され
る。この積層体の側面には、主線路の入出力、副線路の
入出力及び接地導体用の外部端子が形成される。この実
施例では、主線路のストリップライン電極と副線路用の
ストリップライン電極が形成されたセラミックグリーン
シートが交互に積層され、しかも主線路用のコイル状導
体の巻回された領域と、副線路用のコイル状導体の巻回
された領域とが、その巻回方向の軸方向から見たとき、
その領域が重複しながら、ずれて配置されている。この
ように、主線路用のストリップライン電極が形成された
グリーンシートと副線路用のストリップライン電極が形
成されたグリーンシートとを交互に積層することによ
り、結合性を高める事が出来る。もちろん、主線路用と
副線路用を上下に分けて構成しても良い。本実施例のセ
ラミックグリーンシートは、比誘電率εが約８で、９０
０℃で焼成可能な誘電材料であり、その厚みは０．１５
ｍｍのものを用いた。各電極は、厚さ１５μｍのＣｕ電
極であり、ストリップライン電極の幅を０．１６ｍｍと
した。本実施例で作製した方向性結合器の特性を０．５
ＧＨｚから２ＧＨｚの広い周波数範囲にわたって測定し
た結果を図３の実線で示す。従来技術の点線と比較して
明らかなように、本発明の技術を用いた方向性結合器は
挿入損失及びアイソレーションの点で極めて優れている
ことが分かる。例えば、１．５ＧＨｚ帯で本発明の技術
と従来技術を比較すると、挿入損失は０．３ｄＢと０．
５ｄＢ、アイソレーションが４８ｄＢと２３ｄＢの差が
ある。特に、挿入損失はさらに高周波の１．９ＧＨｚ帯
では０．４ｄＢと１．０ｄＢと大きな差となって現れ
る。結合損失に２ｄＢほどの差が見られるが、これは設
計上与えられる事項であり、性能を議論する場合の比較
の直接の対象にはならない。本発明の主眼点は、図４、
図５の従来技術のように分布定数型線路を前提としたＵ
字型のストリップラインではなく、図１に示すように集
中定数回路部品と同じような１回以上巻いたコイル状導
体としたことである。このようなコイル状導体を２本用
い、本来分布定数型線路である複数のストリップライン
をお互いにコイル結合させることにより、より広い周波
数範囲で高い性能を実現できるようになった。また、本
発明の実施例では、コイル状導体として断面が細長い形
状のものを用い、この長軸が地導体に対して、平行にな
るように配した。このようにすることにより、縦方向の
実装密度が上り、主線路と複線路との強い結合を実現で
きた。また、コイル状導体の導体幅を変更して方向性結
合器を作成した。この導体幅が広くなっていくと、リタ
ーンロス特性が悪化し、実用性がなくなる。この導体幅
は、０．２０ｍｍ以下が望ましい。また、一方で導体幅
を狭くしていくと、挿入損失、アイソレーション、リタ
ーンロスなど特性面では良好な方向であるが、狭すぎる
と耐電力特性が悪化し実用性が低くなるため、０．１０
ｍｍ以上が望ましい。なお、本発明で対象とする一つの
ストリップラインとは、ストリップラインの両端が外部
電極に接続され、二つのポートを有する構造をいう。本
発明の基本構造は、複数の前記ストリップラインが複数
の地導体で囲まれた領域に含まれることである。本実施
例では、２個のストリップラインはそれぞれ独立の外部
電極に接続されていたが、場合によっては、複数のスト
リップラインが一つの外部電極を共通で使用しても本発
明の効果は変わらない。さらに、本発明の実施例では、
非磁性の誘電体基板について述べたが、基板として磁性
体基板を用いても、本発明の効果を実現できることは、
本分野の専門家であれば、容易に理解できる。特に、本
発明の主眼は、複数のストリップラインを地導体で囲ま
れた空間でコイル結合させることであり、基板が磁性体
であれば、その効果はさらに大きくなる。また上記実施
例では、ストリップライン電極３４ａ、３６ａからなる
主線路の全長、及びストリップライン電極３３ａ、３５
ｂからなる副線路の全長は、１／１２波長に相当する長
さに設定した。このように、従来ストリップラインの長
さを１／４波長で設計されていた方向性結合器が、本発
明の実施例によれば、１／１２波長の長さで設計され、
方向性結合器が達成されるものであり、大幅な小型化が
可能であることは、明らかである。また、本発明の構成
によれば、ストリップライン電極の全長を１／８〜１／
１５波長の範囲で設計し、方向性結合器が達成されるこ
とが確かめられた。このことは、上記に示すように集中
定数回路部品と同じような１回以上巻いたコイル状のス
トリップラインとしたことによる。また本発明に係る別
の実施例の組立構成部品図を図２に示す。この図２はチ
ップ型方向性結合器を構成するものであり、第１の地導
体電極基板２２と、主線路用のストリップライン電極及
び副線路用のストリップライン電極が形成された基板２
３、２４と、第２の地導体電極基板２５と、保護基板２
６とを積層して構成されている。これらの各基板は、低
温焼結用のセラミックグリーンシートが用いられてい
る。前記第１の地導体電極基板２２は、セラミックグリ
ーンシートの上に端部を少し残して一面に地導体電極２
２ａが形成されている。地導体電極２２ａの中央の端部
には２箇所の突起が設けられ、側面に接続されている。
前記主線路用及び副線路用のストリップライン電極が形
成された基板２３は、セラミックグリーンシートの一面
に主線路用ストリップライン電極２３ａと副線路用スト
リップライン電極２３ｂが形成されている。それぞれの
ストリップライン電極２３ａ、２３ｂの一端は側面に引
き出され、他端には、スルーホール用ラウンド電極２７
ａ，２７ｂが形成されている。主線路用及び副線路用の
基板はもう一つあり、図中２４で示される。これは、セ
ラミックグリーンシートの一面に主線路用ストリップラ
イン電極２４ａと副線路用ストリップライン電極２４ｂ
が形成されている。それぞれのストリップライン電極２
４ａ、２４ｂの一端は側面に引き出され、他端には、ス
ルーホール電極２８ａ，２８ｂが形成されている。第２
の地導体電極基板２５は、第１の地導体電極基板２２と
同じ構成であり、セラミックグリーンシートの上に端部
を少し残して一面に地導体電極２５ａが形成されてい
る。保護基板２６は、グリーンシートの上面に独立した
外部電極２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，２６ｅ，２
６ｆが設けられている。この積層体の側面には、主線路
の入出力、副線路の入出力及び接地導体用の外部端子が
形成される。この実施例では、１枚のグリーンシート上
に主線路及び副線路用の導体をそれぞれ別の領域に並ん
で形成した。このように、本発明の技術を用いることに
より、広帯域で高周波特性の優れた非常に小型のチップ
型方向性結合器を得ることができた。

【０００７】

【発明の効果】以上、実施例を用いて詳細に説明したよ
うに、本発明の技術を用いて、非常に小型の高性能なチ
ップ型方向性結合器を構成できた。これにより、携帯電
話器用等のマイクロ波部品の小型化に極めて有益であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる実施例の分解斜視図である。

【図２】本発明に係る別の実施例の分解斜視図であ
る。

【図３】本発明及び従来技術の特性比較図である。

【図４】従来技術の斜視図である。

【図５】従来技術の分解斜視図である。

【図６】従来技術の斜視図である。

【図７】方向性結合器の使用例の回路ブロック図であ
る。

【符号の説明】

２２、２５、３２、３７地導体電極基板２３、２４、３３、３４、３５、３６ストリップライ
ン電極基板２６、３８保護基板２２ａ、２５ａ、３２ａ、３７ａ地導体電極２３ａ、２３ｂ、２４ａ、２４ｂ、３３ａ、３４ａ、３
５ａ、３６ａストリップライン電極２７ａ、２７ｂ、３３ｂ、３４ｂ、スルーホール用ラ
ウンド電極２８ａ、２８ｂ、３４ｃ、３５ｂ、３５ｃ、３６ｂ、
スルーホール

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】導体膜が形成された誘電体層を積層して
構成された方向性結合器であって、複数の地導体に囲ま
れた領域に、それぞれが一回以上巻回されたコイル状の
導体が２本形成されており、前記２本のコイル状導体は
各誘電体層上にそれぞれ別の領域に並んで形成されてい
ることを特徴とする方向性結合器。
【請求項２】請求項１において、前記コイル状導体は
２層以上の各誘電体層上に形成された導体をスルーホー
ルで接続して構成されていることを特徴とする方向性結
合器。
【請求項３】導体膜が形成された誘電体層を積層して
構成された方向性結合器であって、複数の地導体に囲ま
れた領域に、それぞれが一回以上巻回されたコイル状の
導体が２本形成されており、前記２本のコイル状導体は
それぞれ２層以上の各誘電体層上に形成された導体をス
ルーホールで接続して構成され、かつ各層には、いずれ
か一方のコイル用導体が形成され、前記コイル状導体の
巻回方向の軸方向から前記２本のコイル状導体を見たと
き、それぞれの巻回されている導体に囲まれる部分が互
いにずれていることを特徴とする方向性結合器。