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JP4069457B2 - 積層型方向性結合器 - Google Patents

積層型方向性結合器 Download PDF

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Description

本発明は、マイクロ波通信機器などに用いられる方向性結合器に関するものである。
従来の複数のストリップラインを用いた方向性結合器を図4に示す。この従来例は、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53、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の平行な長さは誘電体基板内を伝搬する電磁波の波長の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と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及び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らかなように、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。
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5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72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73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。
また、この方向性結合器を積層構造で構成した例として、特開平7−131211号公報がある。これには、1回以上巻回された2個のストリップラインが2つの地導体に挟まれた構造の積層型方向性結合器が示されている。
しかしながら、マイクロ波通信分野でめざましい発展を遂げている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、素子単体の小型化とともに、複数の機能を一つの素子に組み込んだ複合化が要求されるようになっている。本発明は、上記のことを鑑みて、ローパスフィルタ機能を内蔵した積層型方向性結合器を提供すること、又そのローパスフィルタ機能を内蔵した積層型方向性結合器を小型に構成することを目的とする。
本発明は、主線路と副線路で構成される方向性結合器に、前記主線路をL素子とし、前記主線路の両端を接地コンデンサでアース接続するとともに、前記主線路の両端間に他のコンデンサを並列接続してローパスフィルタを複合した積層型方向性結合器であって、主線路を形成するコイル電極と副線路を形成するコイル電極が異なる誘電体層に形成され、アース電極に誘電体層を介して対向する第1の容量形成電極及び第2の容量形成電極で前記接地コンデンサを形成し、前記第1の容量形成電極と前記第2の容量形成電極を、誘電体層を介して対向させて前記主線路と並列に接続されるコンデンサを形成してなり、前記主線路の両端部が積層型方向性結合器の第1の側面に引き出されて、それぞれが前記第1の側面に形成された第1の外部端子と接続し、前記副線路は前記第1の側面と対向する第2の側面に引き出されて、それぞれが前記第2の側面に形成された第2の外部端子と接続し、前記第1の側面及び前記第2の側面には前記アース電極と接続する第3の外部電極を有し、前記第3の外部端子は、前記第1の側面に形成された第1の外部端子の間と、前記第2の側面に形成された第2の外部端子の間に形成されたことを特徴とする積層型方向性結合器である。
また本発明の積層型方向性結合器は複数のアース電極を有し、それぞれのアース電極が前記第3の外部電極と接続するものである。
また本発明の積層型方向性結合器は、第1のアース電極と第2のアース電極に挟まれた領域に前記主線路と前記副線路とを対向配置し、第1の容量形成電極及び第2の容量形成電極を前記第2のアース電極と第3のアース電極に挟まれた領域に配置して前記接地コンデンサを形成したことを特徴とする。
また本発明は、前記容量形成電極の一部を対向させてL素子と並列に接続するコンデンサとしたものである。
本発明によれば、ローパスフィルタ機能を有する方向性結合器を、簡単な構造で達成でき、非常に小型で、しかも高性能なローパスフィルタ機能を有する積層型方向性結合器を得ることができた。
本発明では、第1と第2のアース電極に挟まれた領域に、主線路と副線路を形成し、方向性結合器を構成している。そして、前記第2のアース電極と第3のアース電極に挟まれた領域に、容量形成電極を形成し、これにより構成されたコンデンサを前記主線路に接続してローパスフィルタを構成している。つまり、主線路を方向性結合器の主線路として、更にローパスフィルタのL素子として用い、兼用することにより、方向性結合器とローパスフィルタを一体化するとともに、素子数を削減し、小型化を達成するものである。
本発明の構造では、主線路が一回以上巻回されたコイル構造、副線路が一回以上又は一回未満巻回されたコイル構造となっており、それぞれの巻回部分が互いに重なっている構造を用いている。これにより、従来1/4波長の長さの主線路及び副線路としていたものを、長さを1/8〜1/15波長程度と短くした主線路及び副線路にて構成することが可能となり、小型化を達成できる。つまり、従来の方向性結合器では、主線路と副線路は、その線路を所定間隔で一定長さ対向させて結合させていたが、本発明では、主線路と副線路は、コイル状であり、そのコイルによる磁気結合により結合させている。言い換えれば、本発明は、線路を所定間隔で対向させるのではなく、コイルを対向させている構造である。
また本発明では、積層型方向性結合器の積層構造を利用し、その積層型方向性結合器を構成している一方のアース電極と第3のアース電極との間に、容量形成電極層を配置している。この容量形成電極層は、2つの電極層で構成できる。それぞれアース電極と対向する電極層であり、かつ各電極層がその一部で対向する構造としている。
これにより、コイル構造の主線路の両端にコンデンサを接続する構造が可能となっている。このコイル構造の主線路はL素子として見ることができ、そのL素子の両端にアースに接続されるコンデンサを接続して、所謂π型のローパスフィルタを構成している。さらに、そのL素子の両端間にもコンデンサを接続した構造となっている。つまり、コイル状の主線路は、方向性結合器の主線路の役割とローパスフィルタのL素子の役割を有し、兼用することにより、複合化及び小型化を容易としている。
本構造によれば、巻回するコイルの断面積及び主線路と副線路の間隔を変更すること及び副線路の巻回数を一回未満にすることにより、任意の結合度を得ることが出来る。また巻回するコイルの断面積及び容量形成電極の大きさ、アース電極との間隔を変更することにより、種々の周波数のシステムに容易に対応することが可能である。
また第2のアース電極で、主線路、副線路部分と容量形成電極部分を仕切ることにより、方向性を妨げる不要な浮遊容量及び干渉を排除することができ、優れた特性の方向性結合器を得ることができる。
このように、本発明によれば非常に簡単な構造により、ローパスフィルタ機能付積層型方向性結合器を構成することができる。また、複合化することにより、部品の実装工数を低減でき、また部品ごとのバラツキによる特性バラツキを抑制することができる。
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。本発明に係わる一実施例の内部パターン構造図を図1に示す。また、本発明に係わる一実施例の積層型方向性結合器1の斜視図を図2に示す。
本発明の実施例である積層型方向性結合器1は、第1のアース電極用誘電体層2と、主線路用のコイル電極が形成された誘電体層3、4と、副線路用のコイル電極が形成された誘電体層5、6と、第2のアース電極用誘電体層7と、容量形成電極が形成された誘電体層10、11と、第3のアース電極用誘電体層9と、保護用誘電体層8とを積層して構成されている。これらの各誘電体層は、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。
前記誘電体層2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第1のアース電極2aが形成されている。アース電極2aの中央の端部には2箇所の突起が設けられ、側面の二つの外部電極2bに接続される。前記主線路用の誘電体層3は、セラミックグリーンシートの一面にストリップライン電極3aが形成されている。このストリップライン電極3aの一端は外部電極3bに接続され、他端には、スルーホール12が形成されている。もう一つの主線路用の誘電体層4は、セラミックグリーンシートの一面にストリップライン電極4aが形成されている。このストリップライン電極4aの一端は外部電極4bに接続され、他端は、前記誘電体層3のスルーホール12と接続される。これにより約2回巻のコイルを形成し、主線路としている。
副線路用の誘電体層5、6は、主線路用の誘電体層3、4と同様の構成であり、ストリップライン電極5aと6aは、スルーホール12で接続され、約2回巻のコイルの構成となっている。そして、それぞれ側面の外部電極5b、6bに接続される。前記誘電体層7は、前記誘電体層2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第2のアース電極7aが形成されている。そして、側面の二つの外部電極2bに接続される。この第1のアース電極2aと第2のアース電極7aは、主線路、副線路の高周波電力が外部に漏れることを防ぐシールド効果を実現している。
容量形成用誘電体層10には、容量形成用電極10aが形成されている。この容量形成用電極10aは、一端が外部電極4bに接続される。この外部端子4bにより、主線路の端部と接続される。また容量形成用誘電体層11にも同様に容量形成用電極11aが形成されている。そして、この容量形成用電極11aは、一端が外部電極3bに接続される。この外部端子3bにより、主線路の端部と接続される。また、この容量形成用電極10aと11aとは、一部分が互いに対向するように形成されている。
そして、誘電体層9には、第3のアース電極9aが形成されている。これは、第1及び第2のアース電極と同様である。そして、最上層に保護用の誘電体層8が設けられている。
上記誘電体層は、所定の各電極が印刷技術により形成された後に積み重ねられ、900℃程度の温度で焼成され一体化される。結果として図2に示す方向性結合器1が完成する。尚、側面の外部電極2b、3b、4b、5b、6bは、グリーンシートの積層体を焼成した後に、印刷焼付け及びメッキにより形成した。本実施例のセラミックグリーンシートは、比誘電率εrが約8で、900℃で焼成可能な誘電材料であり、積層後一体焼成して完成したローパスフィルタ機能付積層型方向性結合器の外寸法は、3.2×1.6×1.0t(mm)であった。尚、電極にはAgペーストを用い、スクリーン印刷で形成した。
この実施例の等価回路図を図3に示す。ストリップライン電極3aと4aとを接続した主線路はL1で示され、ストリップライン電極5aと6aとを接続した副線路はL2で示される。また、容量形成用電極10aと第2のアース電極7aとにより、コンデンサC2を、容量形成用電極11aと第3のアース電極9aとにより、コンデンサC1を、そして、容量形成用電極10aと容量形成用電極11aとにより、コンデンサC3を構成している。そして、主線路L1と副線路L2が結合して、方向性結合器を構成し、L1、C1、C2、C3にてローパスフィルタを構成している。つまり、L1は、方向性結合器の主線路であり、かつローパスフィルタのL素子であり、2つの役目を果たしている。
実施例1上記実施例において、主線路、副線路を構成するコイルの断面積(コイルの環状部の内周部分の面積)を1.26mmとし、主線路の4aと副線路の5aとの間隔を200μmとし、容量形成電極10a、11aの面積を1.7mmとし、容量形成電極10a、11aとアース電極7a、9aとの間隔を50μmとして、積層型方向性結合器を得た。この実施例1の結合特性を図7に、アイソレーション特性を図8に示す。この図7、8に示すように、この実施例1は、900MHzにおいて、14dBの結合度、24dBのアイソレーションを得ている。また、図9に通過特性を示す。900MHz(f)において挿入損失0.5dB、2倍波(2f:1800MHz)、3倍波(3f:2700MHz)の減衰量も30dBと良好なローパスフィルタ特性を有している。このように、実施例1は、ローパスフィルタ機能を有する方向性結合器として優れた特性を有している。
実施例2実施例2の積層パターン図を図6に示す。この実施例2は、実施例1の内部構造(図1)とほぼ同様であって、パターン形状を変更したものである。誘電体層15に第1のアース電極15a、誘電体層20に第2のアース電極20a、誘電体層23に第3のアース電極23aが形成され、誘電体層16、17のライン電極16a、17aをスルーホール12で接続して、約2回巻のコイルを構成し、主線路を構成し、誘電体層18、19のライン電極18a、19aをスルーホール12で接続して、約2回巻のコイルを構成し、副線路を構成している。そして、容量形成電極21a、22aが誘電体層21、22に形成されている。回路構造、外部端子構造は、実施例1と同様である。
この実施例2において、主線路、副線路を構成するコイルの断面積(コイルの環状部の内周部分の面積)を0.36mmとし、主線路の17aと副線路の18aとの間隔を100μmとし、容量形成電極21a、22aの面積を1.2mmとし、容量形成電極21a、22aとアース電極20a、23aとの間隔を100μmとして、積層型方向性結合器を得た。尚、外寸法は、3.2×1.6×1.0t(mm)であり、誘電体には、比誘電率εrが約8で、900℃で焼成可能な誘電材料を用いた。また、電極材料は、Agを用いた。
この実施例2の結合特性を図10に、アイソレーション特性を図11に示す。この図10、11に示すように、この実施例2は、1700MHzにおいて、15dBの結合度、26dBのアイソレーションを得ている。また、図12に通過特性を示す。1700MHz(f)において挿入損失0.5dB、2倍波(2f:3400MHz)、3倍波(3f:5100MHz)の減衰量も30dB以上と良好なローパスフィルタ特性を有している。このように、実施例2も、ローパスフィルタ機能を有する方向性結合器として優れた特性を有している。
実施例3実施例3の積層パターン図を図13に示す。この実施例3は、実施例1の内部構造において副線路の巻回数を1回未満にしたものである。誘電体層26に第1のアース電極26a、誘電体層30に第2のアース電極30a、誘電体層33に第3のアース電極33aが形成されている。誘電体層27,28のライン電極27a、28aはスルーホール12で接続され、約2回巻のコイルを構成し、主線路を構成している。誘電体層29のライン電極29aは約0.7回巻のコイルを構成し、副線路を構成している。そして、容量形成電極31a、32aが誘電体層31、32に形成されている。回路構造、外部端子構造は、実施例1と同様である。
この実施例3において、主線路を構成するコイルの断面積を実施例1と同じく1.26mmとし、主線路の28aと副線路の29aとの間隔を250μmとし、容量形成電極31a、32aの面積を1.7mmとし、容量形成電極31a、32aとアース電極30a、33aとの間隔を50μmとして、積層型方向性結合器を得た。この実施例3の結合特性を図14に、アイソレーション特性を図15に示す。この図14,15に示すように、この実施例は900MHzにおいて、20dBの結合度、35dBのアイソレーションを得ている。また、図16に通過特性を示す。900MHz(f)において挿入損失0.3dB、2倍波(2f:1800MHz)、3倍波(3f:2700MHz)の減衰量も30dBと良好なローパスフィルタ特性を有している。このように実施例3もローパスフィルタ機能を有する方向性結合器として優れた特性を有している。
本発明の実施例によれば、積層型方向性結合器であって、ローパスフィルタ機能を有するものを非常に小型に構成することができた。また、方向性結合器の主線路とローパスフィルタのL素子とを共用化することにより、内部構造を簡単にすることができ、複合化を容易とし、しかも小型に構成することができた。
本発明に係わる一実施例の内部パターン構造図である。 本発明に係わる一実施例の斜視図である。 本発明に係わる一実施例の等価回路図である。 従来技術の斜視図である。 方向性結合器の使用例の回路ブロック図である。 本発明に係わる実施例2の内部パターン構造図である。 本発明に係わる実施例1の結合特性のグラフである。 本発明に係わる実施例1のアイソレーション特性のグラフである。 本発明に係わる実施例1の通過特性のグラフである。 本発明に係わる実施例2の結合特性のグラフである。 本発明に係わる実施例2のアイソレーション特性のグラフである。 本発明に係わる実施例2の通過特性のグラフである。 本発明に係わる実施例3の内部パターン構造図である。 本発明に係わる実施例3の結合特性のグラフである。 本発明に係わる実施例3のアイソレーション特性のグラフである。 本発明に係わる実施例3の通過特性のグラフである。
符号の説明
1 方向性結合器
2、7、9、15、20、23、26、30、33 アース電極用誘電体層
3、4、5、6、16、17、18、19、27、28、29 線路用誘電体層
8、24、25 保護用誘電体層
2a、15a、26a 第1のアース電極
3a、4a、5a、6a、16a、17a、18a、19a、27a、28a、29a ストリップライン電極
2b、3b、4b、5b、6b 外部電極
7a、20a、30a 第2のアース電極
9a、23a、33a 第3のアース電極
10a、11a、21a、22a、31a、32a 容量形成用電極

Claims (3)

  1. 主線路と副線路で構成される方向性結合器に、前記主線路をL素子とし、前記主線路の両端を接地コンデンサでアース接続するとともに、前記主線路の両端間に他のコンデンサを並列接続してローパスフィルタを複合した積層型方向性結合器であって、
    主線路を形成するコイル電極と副線路を形成するコイル電極が異なる誘電体層に形成され、アース電極に誘電体層を介して対向する第1の容量形成電極及び第2の容量形成電極で前記接地コンデンサを形成し、前記第1の容量形成電極と前記第2の容量形成電極を、誘電体層を介して対向させて前記主線路と並列に接続されるコンデンサを形成してなり、
    前記主線路の両端部が積層型方向性結合器の第1の側面に引き出されて、それぞれが前記第1の側面に形成された第1の外部端子と接続し、前記副線路は前記第1の側面と対向する第2の側面に引き出されて、それぞれが前記第2の側面に形成された第2の外部端子と接続し、
    前記第1の側面及び前記第2の側面には前記アース電極と接続する第3の外部電極を有し、前記第3の外部端子は、前記第1の側面に形成された第1の外部端子の間と、前記第2の側面に形成された第2の外部端子の間に形成されたことを特徴とする積層型方向性結合器。
  2. 前記積層型方向性結合器は複数のアース電極を有し、それぞれのアース電極が前記第3の外部電極と接続することを特徴とする請求項1に記載の積層型方向性結合器。
  3. 第1のアース電極と第2のアース電極に挟まれた領域に前記主線路と前記副線路とを対向配置し、第1の容量形成電極及び第2の容量形成電極を前記第2のアース電極と第3のアース電極に挟まれた領域に配置して前記接地コンデンサを形成したことを特徴とする請求項1又は2に記載の積層型方向性結合器。
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