JP4987764B2 - 方向性結合器 - Google Patents

Description

この発明は、例えばデジタル無線通信・放送システムの送信装置に用いられる方向性結合器に関する。

デジタル無線通信・放送システムの送信装置では、伝送信号の合成処理または分配処理に方向性結合器が用いられている。この方向性結合器にあっては、近年の伝送信号の広帯域化に伴い、広帯域で良好な特性をもつことが強く望まれている。そこで、方向性結合器を製作する場合、通常、多段結合による構成が用いられる。

ところで、上記方向性結合器では、各伝送線路間の結合度を変更する必要が生じることもあり、この場合、配線パターンの設計変更が余儀なくされ基板全体を交換する必要がある。

なお、この種に関連する従来技術として、２本の信号線路を互いに異なる平面上に形成し、両線路間に基板材を挟み、基板材の厚みを選択して結合度の調整を行う高周波フィルタが示されている（例えば、特許文献１）。
特開平６−９７７６６公報。

しかしながら、上記手法では、結合度を変更する場合に、基板全体を交換することが余儀なくされ、コストが大幅に増大してしまう。

そこで、この発明の目的は、容易にかつ比較的低コストで結合度を調整し得る方向性結合器を提供することにある。

この発明に係る方向性結合器は、一端に伝送信号の入力ポートを接続しかつ他端に当該伝送信号の出力ポートを接続する第１の伝送線路と、伝送信号の分配処理または合成処理を実行するべく第１の伝送線路に結合しかつ一端に伝送信号の入力ポートまたは出力ポートを接続する第２の伝送線路とを基板上に形成した方向性結合器において、少なくとも第１の伝送線路の入力ポート及び出力ポート、第２の伝送線路の入力ポートまたは出力ポートを形成する第１の基板と、この第１の基板に取り付けられ、第１の伝送線路と第２の伝送線路との結合部を形成する第２の基板とを具備し、第２の基板は、第１の基板に対向する下面に第１の伝送線路を形成し、上面に第２の伝送線路を少なくとも一部が第１の伝送線路と重なるように形成し、当該第２の伝送線路の両端部に下面から鉛直方向にスルーホールを形成し、第１の基板への取り付け時に、第２の基板上に形成される第１の伝送線路が第１の基板上に形成される第１の伝送線路に接続されるとともに、第２の基板上に形成される第２の伝送線路がスルーホールを介して第１の基板上に形成される第２の伝送線路に接続されるようにし、第２の基板に形成される第１の伝送線路及び第２の伝送線路は、結合部の伝送信号の伝送方向を軸として対称となる形状である。

この構成によれば、第１の伝送線路と第２の伝送線路との結合部を、第１の伝送線路の入力ポート及び出力ポート、第２の伝送線路の入力ポートまたは出力ポートを形成した基板とは別の基板に形成し、必要に応じてその基板を交換することで、容易にかつ比較的低コストで結合度を調整することができる。

また、この発明に係る方向性結合器は、一端に伝送信号の入力ポートを接続しかつ他端に当該伝送信号の出力ポートを接続する第１の伝送線路と、一端に伝送信号の入力ポートまたは出力ポートを接続する第２の伝送線路とを備え、伝送信号の分配処理または合成処理を実行するべく第１及び第２の伝送線路間のｍ（ｍは自然数）段の結合部を直列に接続した方向性結合器において、ｍ段の結合部のうち少なくとも一部を形成する第１の基板と、この第１の基板を取り付け、当該第１基板に形成される結合部とは異なる複数の結合部と、第１の伝送線路の入力ポート及び出力ポート、第２の伝送線路の入力ポートまたは出力ポートを形成する第２の基板とを具備し、第１の基板は、第２の基板に対向する下面に第１の伝送線路を形成し、上面に第２の伝送線路を少なくとも一部が第１の伝送線路と重なるように形成し、当該第２の伝送線路の両端部に下面から鉛直方向にスルーホールを形成し、第２の基板への取り付け時に、第１の基板上に形成される第１の伝送線路が第２の基板上に形成される第１の伝送線路に接続されるとともに、第１の基板上に形成される第２の伝送線路がスルーホールを介して第２の基板上に形成される第２の伝送線路に接続されるようにし、第１の基板に形成される第１の伝送線路及び第２の伝送線路は、結合部の伝送信号の伝送方向を軸として対称となる形状である。

この構成によれば、ｍ段の結合部のうち少なくとも一部を、第１の伝送線路の入力ポート及び出力ポート、第２の伝送線路の入力ポートまたは出力ポートとを形成する基板とは別の基板に形成し、必要に応じてその基板を交換することで、広帯域の伝送信号に対応して容易にかつ比較的低コストで結合度を調整することができる。

以上詳述したようにこの発明によれば、容易にかつ比較的低コストで結合度を調整し得る方向性結合器を提供することができる。

以下、この発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施形態における方向性結合器を示す回路ブロック図である。

図１において、図中符号１００は基板で、その上面に伝送線路１１,１２が並列に形成されている。この伝送線路１１の両端には、デジタル放送信号の入出力を行うためのポート１及びポート２が接続されている。また、伝送線路１２の両端には、デジタル放送信号の入出力を行うためのポート３及びポート４が接続されている。

これら伝送線路１１,１２には、デジタル放送信号の合成処理または分配処理を行うために、複数段（図１中では３段）の結合部２１,２２,２３が設けられている。

ところで、方向性結合器の結合度が比較的深い場合、結合部２１,２２,２３は、図２に示すように、基板１００の上下パターン間で面結合させる構造になる。このとき、使用する基板１００の厚みによっては、基板厚み公差が結合度に大きく影響することになる。また、結合度を調整するために、基板１００全体を交換する必要があった。

そこで、本実施形態では、結合部２２を基板１００とは別の基板２００に形成するようにしている。そして、結合度を調整するために、基板１００に対し結合度の異なる基板２００を取り付けるようにしている。図３（ａ）は、その接続手順と接続構造を上から見て示した図であり、図３（ｂ）は、要部を斜めから見て示した斜視図である。図４は、接続構造を側面から見て示した図である。

基板２００には、プリント基板が用いられる。この基板２００の誘電体からなる基体層１１０の上面には伝送線路１１ａが形成されており、下面には伝送線路１２ａが形成されている。また、基板１００の上面には伝送線路１１ｂ,１２ｂが並列に形成されている。

伝送線路１１ａ，１２ａは、それぞれ中央部分で重なり合う重なり部１１ａ１，１２ａ１を有し、各端部が重なり部１１ａ１，１２ａ１から基板１００上の伝送線路１１ｂ，１２ｂに対向する位置に延出して形成される。これら伝送線路１１ａ，１２ａを設けた基体層１１０の上面側には、図示のように誘電体からなる上外層１１０ａが設けられる構成となっている。そして、この上外層１１０ａの外面には、導体１１０ａ１が設けられ、接地される。

また、基体層１１０の下表面１１０ｂ１には、伝送線路１１ｂに対向する位置に接触部１３，１４が形成されている（図３（ｂ）には接触部１３が伝送線路１１ｂに対向している）。さらに、伝送線路１１ａには、その両端に接触部１３，１４側から鉛直方向に貫通したスルーホール３１，３２が形成され、伝送線路１１ａと接触部１３，１４が接続される。

同様に、基体層１１０の下表面１１０ｂ１には、伝送線路１２ｂに対向する位置に接触部１５，１６が形成されている（図３（ｂ）には接触部１５が伝送線路１２ｂに対向している）。伝送線路１２ａは、この接触部１５，１６側が伝送線路１２ｂと接触され接続される。

基板２００は、実装時に、基板１００の上面、つまり伝送線路１１ｂ,１２ｂ形成面に取り付けられる。すると、図４に示すように、基板２００の下面に形成される伝送線路１１ａ，１２ａの接触部１３，１４，１５，１６が基板１００の上面に形成される伝送線路１１ｂ，１２ｂにそれぞれ接触される。

その後、伝送線路１１ｂ，１２ｂと接触部１３，１４，１５，１６との接触部分は、半田付けされる。

次に、結合度を３dＢで設計する方向性結合器について図５乃至図１１を参照して説明する。

この方向性結合器の設計値において、基板２００を図５の構成としパタ−ン幅Ｗ及びパタ−ンギャッブＳが、それぞれ０．４６ｍｍ，０．１ｍｍであるとする。

図５は、断面図を示し、基体層１１０となる誘電体の両面に伝送線路１１ａ、１２ａの重なり部１１ａ１、１２ａ１が設けられ、更に上外層１１０ａが設けられる。この上外層１１０ａの外面には導体１１０ａ１が設けられ接地される。

この図５における重なり部１１ａ１、１２ａ１の各パタ−ン幅Ｗ及び基体層１１０中の中間層１１０ｃのパタ−ンギャッブＳを図６に示す寸法とし、この図６の各寸法による基板２００を用いて図１のポ−ト１の入力に対してポ−ト１とポ−ト２の結合特性Ｋ１−２，ポ−ト１とポ−ト３の結合特性Ｋ１−３を得ると図７乃至図１１となる。

図７は設計値による特性（１）を示すもので広帯域に渡り結合特性Ｋ１−２、結合特性Ｋ１−３が３ｄＢで偏差が非常に小さいものとなっている。

なお、図８乃至図１１は図６に示す特性（２）、特性（３）、特性（４）、特性（５）を示すものである。

通常、基板２００の製作は、上記設計値のパタ−ンギャップＳ、パタ−ン幅Ｗに基づき行われるが誘電体の寸法等の誤差により設計値通りで必ずしも製作できない。

実際の製作において中間層１１０ｃの寸法誤差によりパタ−ンギャップＳが０．０８ｍｍとなる場合、図６に示すようにパタ−ン幅Ｗが０．４６ｍｍと０．３３ｍｍの基板２００を製作する。これら基板２００による特性は、図８と図１０となり、図８は、結合特性Ｋ１−２、結合特性Ｋ１−３の偏差が大きく、図１０は、結合特性Ｋ１−２、結合特性Ｋ１−３の偏差が小さい。これにより図１０による基板２００が設計値となることが分かり、ここの基板２００を選択することができる。

また、パタ−ンギャップＳが０．１２ｍｍとなる場合、図６に示すようにパタ−ン幅Ｗが０．４６ｍｍと０．６５ｍｍの基板２００を製作する。これら基板２００による特性は、図９と図１１となり、図９は、結合特性Ｋ１−２、結合特性Ｋ１−３の偏差が大きく、図１１は、結合特性Ｋ１−２、結合特性Ｋ１−３の偏差が小さい。これにより図１１による基板２００が設計値となることが分かり、ここの基板２００を選択することができる。

以上のように、３段の結合部２１，２２，２３のうち結合部２２を、基板１００とは別の基板２００に形成し、しかる後に基板２００を基板１００に取り付けるようにし、広帯域となるように結合度を調整する場合、従来は、基板１００そのものの改修が必要であったが、本実施形態の場合、パターン幅（Ｗ）が異なる基板２００により最適な基板２００に交換するだけでよく、基板１００自体に何ら手を加える必要がない。

従って、容易にかつ比較的低コストで結合度を調整することができる。

なお、上記実施形態では、３段構成の結合部２１，２２，２３を例に説明したが、さらに多段の結合部を有する場合でも同様に実施可能である。

また、上記実施形態では、１段の結合部２２のみを有する場合でも、結合部２２を基板２００に形成するようにし、ポート１，２，３,４を基板１００に形成するようにしてもよい。

さらに、上記実施形態では、基板２００にプリント基板を用いる例について説明したが、他の基板であってもよい。

その他、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、種々変形して実施可能である。

この発明の一実施形態における方向性結合器の回路ブロック図。 以前に考えられていた方向性結合器を説明するために示す図。 同実施形態に係わる方向性結合器の要部構成を上から見て示す図。 同実施形態に係わる方向性結合器の要部構成を側面から見て示す図。 同実施形態に係わる基板の断面図。 図５の基板の各寸法と特性を説明する図。 図６の特性（１）を示す結合特性図。 図６の特性（２）を示す結合特性図。 図６の特性（３）を示す結合特性図。 図６の特性（４）を示す結合特性図。 図６の特性（５）を示す結合特性図。

符号の説明

１，２，３，４…ポート、１１，１２，１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ…伝送線路、１３，１４…接触部、２１，２２，２３…結合部、３１，３２…スルーホール、１００，２００…基板。

Claims (6)

1. 一端に伝送信号の入力ポートを接続しかつ他端に当該伝送信号の出力ポートを接続する第１の伝送線路と、前記伝送信号の分配処理または合成処理を実行するべく前記第１の伝送線路に結合しかつ一端に伝送信号の入力ポートまたは出力ポートを接続する第２の伝送線路とを基板上に形成した方向性結合器において、
   少なくとも前記第１の伝送線路の入力ポート及び出力ポート、前記第２の伝送線路の入力ポートまたは出力ポートを形成する第１の基板と、
   この第１の基板に取り付けられ、前記第１の伝送線路と前記第２の伝送線路との結合部を形成する第２の基板とを具備し、
   前記第２の基板は、前記第１の基板に対向する下面に前記第１の伝送線路を形成し、上面に前記第２の伝送線路を少なくとも一部が前記第１の伝送線路と重なるように形成し、当該第２の伝送線路の両端部に前記下面から鉛直方向にスルーホールを形成し、
   前記第１の基板への取り付け時に、前記第２の基板上に形成される前記第１の伝送線路が前記第１の基板上に形成される第１の伝送線路に接続されるとともに、前記第２の基板上に形成される前記第２の伝送線路が前記スルーホールを介して前記第１の基板上に形成される第２の伝送線路に接続されるようにし、
   前記第２の基板に形成される第１の伝送線路及び第２の伝送線路は、前記結合部の前記伝送信号の伝送方向を軸として対称となる形状であることを特徴とする方向性結合器。
2. 前記第２の基板は、前記第１の基板のポート形成面に取り付けられることを特徴とする請求項１記載の方向性結合器。
3. 前記第２の基板は、プリント基板であることを特徴とする請求項１記載の方向性結合器。
4. 一端に伝送信号の入力ポートを接続しかつ他端に当該伝送信号の出力ポートを接続する第１の伝送線路と、一端に伝送信号の入力ポートまたは出力ポートを接続する第２の伝送線路とを備え、前記伝送信号の分配処理または合成処理を実行するべく前記第１及び第２の伝送線路間のｍ（ｍは自然数）段の結合部を直列に接続した方向性結合器において、
   前記ｍ段の結合部のうち少なくとも一部を形成する第１の基板と、
   この第１の基板を取り付け、当該第１基板に形成される結合部とは異なる複数の結合部と、前記第１の伝送線路の入力ポート及び出力ポート、前記第２の伝送線路の入力ポートまたは出力ポートを形成する第２の基板とを具備し、
   前記第１の基板は、前記第２の基板に対向する下面に前記第１の伝送線路を形成し、上面に前記第２の伝送線路を少なくとも一部が前記第１の伝送線路と重なるように形成し、当該第２の伝送線路の両端部に前記下面から鉛直方向にスルーホールを形成し、
   前記第２の基板への取り付け時に、前記第１の基板上に形成される前記第１の伝送線路が前記第２の基板上に形成される第１の伝送線路に接続されるとともに、前記第１の基板上に形成される前記第２の伝送線路が前記スルーホールを介して前記第２の基板上に形成される第２の伝送線路に接続されるようにし、
   前記第１の基板に形成される第１の伝送線路及び第２の伝送線路は、前記結合部の前記伝送信号の伝送方向を軸として対称となる形状であることを特徴とする方向性結合器。
5. 前記第１の基板は、前記第２の基板のポート形成面に取り付けられることを特徴とする請求項４記載の方向性結合器。
6. 前記第１の基板は、プリント基板であることを特徴とする請求項４記載の方向性結合器。

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