JP5609574B2

JP5609574B2 - 方向性結合器

Info

Publication number: JP5609574B2
Application number: JP2010253884A
Authority: JP
Inventors: 貴雄春名
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-11-12
Filing date: 2010-11-12
Publication date: 2014-10-22
Anticipated expiration: 2030-11-12
Also published as: US8922295B2; CN102468526B; TWI479733B; TW201220593A; KR101329611B1; KR20120051580A; CN102468526A; JP2012105193A; US20120119846A1

Description

本発明は、高周波信号を伝搬する主線路と、主線路に対して平行に配置され主線路に電磁気的に結合された副線路とを備える方向性結合器に関する。

方向性結合器は、高周波信号を伝搬する主線路と、主線路に対して平行に配置され主線路に電磁気的に結合された副線路とを備える。この方向性結合器は、主線路と副線路の電磁気的な結合を利用し、主線路の各端子から入力された高周波信号の一部を副線路の各端子に出力する。

主線路と副線路では、偶モードまたは奇モードと呼ばれる高周波信号の伝搬が発生する。偶モードとは主線路と副線路が同電位すなわち同相等振幅で励振した場合である。奇モードとは主線路と副線路が逆電位すなわち逆相等振幅で励振した場合である。各モードのインピーダンスは線路断面形状で決まる。

偶モードにおける特性インピーダンスをＺ０ｅ、奇モードにおける特性インピーダンスをＺ０ｏとすると、主線路と副線路の特性インピーダンスＺ０は、Ｚ０＝（Ｚ０ｅ・Ｚ０ｏ） ^１２で与えられる。

各モードの位相速度を等しくし、主線路と副線路の長さを高周波信号の波長の１／４倍にすることで、主線路の入力端子から入力された高周波信号は副線路の出力端子のみにしか現れず、良好なアイソレーション特性を得ることができる。例えば２．５ＧＨｚの高周波信号の場合、その線路長は３０ｍｍ程度となる。

なお、主線路に対して並列にキャパシタを接続し、主線路とキャパシタによりＬＣ共振回路を構成し、主線路の入力端子から主線路の出力端子に伝搬する高周波信号に対して共振させることで、損失低減を図る方向性結合器が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１０−２９０１０８号公報

主線路と副線路の結合度ｋは、ｋ＝（Ｚ０ｅ−Ｚ０ｏ）／（Ｚ０ｅ＋Ｚ０ｏ）で与えられる。従って、結合度を大きくするには、奇モードの特性インピーダンスＺ０ｏを小さくする必要がある。そのためには、結合線路間の単位長あたりのキャパシタンス（結合容量）を大きくしなければならない。しかし、結合容量を大きくするために線路間隔を小さくすると、偶奇モードの各位相速度に差が生じて方向性が劣化する。一方、偶奇モードの各位相速度に差を生じない条件では、線路間隔をあまり小さくすることができないため、大きな結合度を得られない。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は大きな結合度と良好な方向性を有する方向性結合器を得るものである。

本発明に係る方向性結合器は、第１の入力端子と第１の出力端子との間に接続され、高周波信号を伝搬する主線路と、第２の入力端子と第２の出力端子との間に接続され、前記主線路に対して平行に配置され、前記主線路に電磁気的に結合された副線路と、前記主線路又は前記副線路に対して並列に接続された第１のキャパシタと、前記第１のキャパシタに対して直列に接続された抵抗とを備え、前記主線路及び前記副線路が持つインダクタンスと前記第１のキャパシタが持つキャパシタンスによりＬＣ共振回路が構成され、前記ＬＣ共振回路は、前記第１の入力端子から前記第２の出力端子に伝搬する高周波信号に対して共振する。

本発明により、大きな結合度と良好な方向性を有する方向性結合器を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係る方向性結合器を示す図である。本発明の実施の形態１に係る方向性結合器のＳパラメータの計算結果を示す図である。本発明の実施の形態１に係る方向性結合器の方向性の計算結果を示す図である。比較例に係る方向性結合器の方向性の計算結果を示す図である。本発明の実施の形態１に係る方向性結合器の変形例１を示す図である。本発明の実施の形態１に係る方向性結合器の変形例２を示す図である。本発明の実施の形態１に係る方向性結合器の変形例３を示す図である。本発明の実施の形態２に係る方向性結合器を示す図である。本発明の実施の形態２に係る方向性結合器の変形例を示す図である。本発明の実施の形態３に係る方向性結合器を示す図である。本発明の実施の形態３に係る方向性結合器の変形例を示す図である。本発明の実施の形態４に係る方向性結合器を示す図である。本発明の実施の形態４に係る方向性結合器の変形例を示す図である。本発明の実施の形態５に係る方向性結合器を示す図である。本発明の実施の形態５に係る方向性結合器の変形例を示す図である。本発明の実施の形態６に係る方向性結合器を示す図である。本発明の実施の形態６に係る方向性結合器の変形例を示す図である。本発明の実施の形態７に係る方向性結合器を示す図である。本発明の実施の形態７に係る方向性結合器の変形例を示す図である。本発明の実施の形態８に係る方向性結合器を示す図である。本発明の実施の形態８に係る方向性結合器の変形例を示す図である。本発明の実施の形態９に係る方向性結合器を示す図である。本発明の実施の形態９に係る方向性結合器の変形例を示す図である。

本発明の実施の形態に係る方向性結合器について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る方向性結合器を示す図である。主線路１が入力端子ＩＮ１と出力端子ＯＵＴ１との間に接続されている。この主線路１は高周波信号を伝搬する。副線路２が入力端子ＩＮ２と出力端子ＯＵＴ２との間に接続されている。この副線路２は、主線路１に対して平行に配置され、主線路１に電磁気的に結合されている。

本実施の形態では、副線路２に対して並列にキャパシタＣ１が接続されている。主線路１及び副線路２が持つインダクタンスＬとキャパシタＣ１が持つキャパシタンスＣによりＬＣ共振回路が構成される。このＬＣ共振回路は、入力端子ＩＮ１から出力端子ＯＵＴ２に伝搬する高周波信号に対して共振する。入力端子ＩＮ１から出力端子ＯＵＴ２に伝搬する高周波信号の周波数をｆとすると、キャパシタンスＣはｆ＝１／２π（ＬＣ）^１／２のＬＣ共振の関係を満たす値に設定されている。また、ＬＣ共振回路の共振のピークの鋭さ表すＱ値は、ＬＣ共振回路の抵抗値Ｒ、インダクタンスＬ、キャパシタンスＣを用いてＱ＝（Ｌ／Ｃ）^１／２／Ｒで与えられる。

図２は、本発明の実施の形態１に係る方向性結合器のＳパラメータの計算結果を示す図である。Ｓ(２，１)は主線路１を伝播する高周波信号であり、周波数は約４．５ＧＨｚである。Ｓ(４，１)は主線路１の入力端子ＩＮ１から副線路２の出力端子ＯＵＴ２に伝搬する高周波信号であり、周波数は約２ＧＨｚである。従って、本実施の形態では、ＬＣ共振回路が約２ＧＨｚで共振するようにキャパシタンスＣが設定されている。

続いて、本実施の形態の効果について比較例と比較して説明する。比較例は本実施の構成からキャパシタＣ１を省略したものである。図３は、本発明の実施の形態１に係る方向性結合器の方向性の計算結果を示す図である。図４は、比較例に係る方向性結合器の方向性の計算結果を示す図である。縦軸は方向性(directivity)、結合度(coupling)、アイソレーション(isolation)であり、横軸は周波数である。この計算結果より、実施の形態１では比較例に比べて、周波数１．９５ＧＨｚを中心に１．１ＧＨｚから２．４ＧＨｚの周波数範囲で方向性が改善することが分かる。

比較例では、結合度を大きくするために線路間隔を小さくすると、偶奇モードの各位相速度に差が生じて方向性が劣化する。これに対して、本実施の形態では、キャパシタＣ１を設けて、そのキャパシタンスＣを上記の共振条件を満たすように設定することで、大きな結合度を得ながら、良好な方向性も得ることができる。

ここで、位相速度はＬやＣに依存（１／（ＬＣ）^１／２に比例）するので、ＬやＣを変えることで位相速度を調整できる。そして、方向性が改善する周波数では、偶奇モードの位相速度が一致していると推測される。従って、本実施の形態では、ＬＣ共振により偶奇モードの位相速度の差を補償できると考えられる。

図５は、本発明の実施の形態１に係る方向性結合器の変形例１を示す図である。キャパシタＣ１が主線路１に対して並列に接続されている点が実施の形態１とは異なる。この場合でも、入力端子ＩＮ１から出力端子ＯＵＴ２に伝搬する高周波信号に対してＬＣ共振回路が共振する条件を満たす限り、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

図６は、本発明の実施の形態１に係る方向性結合器の変形例２を示す図である。主線路１の幅に対して副線路２の幅を狭くする。これにより、方向性結合器を小型化することができる。また、もし仮に主線路１を狭くすると主線路１の損失が増加してしまうが、変形例２では主線路１の損失は増加しない。

図７は、本発明の実施の形態１に係る方向性結合器の変形例３を示す図である。このように線路間隔を狭くしてキャパシタＣ１を構成しても、同様の効果を得ることができる。

また、キャパシタＣ１としてＭＩＭ（Metal-Insulator-Metal）キャパシタを用いても、同様の効果を得ることができる。この場合、ＭＩＭキャパシタのサイズを小さくするために、キャパシタＣ１に対して直列に接続されたインダクタを付加してもよい。

実施の形態２．
図８は、本発明の実施の形態２に係る方向性結合器を示す図である。実施の形態１の構成に、キャパシタＣ１に対して直列に接続された抵抗Ｒ１が付加されている。これにより、Ｑ値を小さくし、方向性結合器とキャパシタＣ１のＬＣ共振のピークを鈍らせることができる。従って、改善する方向性の周波数範囲を実施の形態１よりも広げることができる。

図９は、本発明の実施の形態２に係る方向性結合器の変形例を示す図である。実施の形態１の変形例１の構成に、キャパシタＣ１に対して直列に接続された抵抗Ｒ１が付加されている。これにより実施の形態２と同様の効果を得ることができる。

実施の形態３．
図１０は、本発明の実施の形態３に係る方向性結合器を示す図である。実施の形態１の構成に、キャパシタＣ１に対して直列に接続されたインダクタＬ１が付加されている。これにより、Ｑ値を大きくし、方向性結合器とキャパシタＣ１のＬＣ共振のピークを鋭くすることができる。従って、実施の形態１と比較して、狭い周波数範囲で改善する方向性の絶対値を大きくすることができる。さらに、実施の形態１と比較して、キャパシタＣ１のキャパシタンスを小さくすることもできる。

図１１は、本発明の実施の形態３に係る方向性結合器の変形例を示す図である。実施の形態１の変形例１の構成に、キャパシタＣ１に対して直列に接続されたインダクタＬ１が付加されている。これにより実施の形態３と同様の効果を得ることができる。

実施の形態４．
図１２は、本発明の実施の形態４に係る方向性結合器を示す図である。実施の形態１の構成に、主線路１に対して直列に接続されたインダクタＬ２が付加されている。これにより、方向性結合器のインダクタンスを変えることができる。従って、実施の形態１と比較して、改善する方向性の周波数の中心値、周波数範囲、及び共振のピークの鋭さを調整することができる。

図１３は、本発明の実施の形態４に係る方向性結合器の変形例を示す図である。実施の形態１の変形例１の構成に、主線路１に対して直列に接続されたインダクタＬ２が付加されている。これにより実施の形態４と同様の効果を得ることができる。

実施の形態５．
図１４は、本発明の実施の形態５に係る方向性結合器を示す図である。実施の形態１の構成に、主線路１に対して直列に接続されたインダクタＬ２とキャパシタＣ２が付加されている。これにより、方向性結合器のインダクタンスとキャパシタンスを変えることができる。従って、実施の形態１と比較して、改善する方向性の周波数の中心値、周波数範囲、及び共振のピークの鋭さを調整することができる。

図１５は、本発明の実施の形態５に係る方向性結合器の変形例を示す図である。実施の形態１の変形例１の構成に、主線路１に対して直列に接続されたインダクタＬ２とキャパシタＣ２が付加されている。これにより実施の形態５と同様の効果を得ることができる。

実施の形態６．
図１６は、本発明の実施の形態６に係る方向性結合器を示す図である。実施の形態２の構成に、実施の形態４のインダクタＬ２が付加されている。これにより実施の形態２と実施の形態４の効果を得ることができる。即ち、方向性結合器のインダクタンスを変えてＱ値を調整しながら、方向性の周波数範囲を広げることができる。

例えば、狭い周波数範囲で改善する方向性の絶対値を大きくする場合は、Ｑ値を大きくする必要があるので、キャパシタンスを小さくし、インダクタンスを大きくし、抵抗値を小さくすればよい。一方、広い周波数範囲で方向性を改善したい場合は、Ｑ値を小さくする必要があるため、逆の調整をすればよい。ただし、ＬＣ共振回路の共振周波数の中心値が、方向性を改善する周波数の中心値と等しくなるようにする必要がある。

図１７は、本発明の実施の形態６に係る方向性結合器の変形例を示す図である。実施の形態２の変形例の構成に、実施の形態４のインダクタＬ２が付加されている。これにより実施の形態３の変形例と実施の形態４の効果を得ることができる。

実施の形態７．
図１８は、本発明の実施の形態７に係る方向性結合器を示す図である。実施の形態３の構成に、実施の形態４のインダクタＬ２が付加されている。これにより実施の形態３と実施の形態４の効果を得ることができる。

図１９は、本発明の実施の形態７に係る方向性結合器の変形例を示す図である。実施の形態３の変形例の構成に、実施の形態４のインダクタＬ２が付加されている。これにより実施の形態３の変形例と実施の形態４の効果を得ることができる。

実施の形態８．
図２０は、本発明の実施の形態８に係る方向性結合器を示す図である。実施の形態２の構成に、実施の形態５のインダクタＬ２とキャパシタＣ２が付加されている。これにより実施の形態２と実施の形態５の効果を得ることができる。

図２１は、本発明の実施の形態８に係る方向性結合器の変形例を示す図である。実施の形態２の変形例の構成に、実施の形態５のインダクタＬ２とキャパシタＣ２が付加されている。これにより実施の形態２の変形例と実施の形態５の効果を得ることができる。

実施の形態９．
図２２は、本発明の実施の形態９に係る方向性結合器を示す図である。実施の形態３の構成に、実施の形態５のインダクタＬ２とキャパシタＣ２が付加されている。これにより実施の形態３と実施の形態５の効果を得ることができる。

図２３は、本発明の実施の形態９に係る方向性結合器の変形例を示す図である。実施の形態３の変形例の構成に、実施の形態５のインダクタＬ２とキャパシタＣ２が付加されている。これにより実施の形態３の変形例と実施の形態５の効果を得ることができる。

１主線路
２副線路
Ｃ１キャパシタ（第１のキャパシタ）
Ｃ２キャパシタ（第２のキャパシタ）
ＩＮ１入力端子（第１の入力端子）
ＩＮ２入力端子（第２の入力端子）
Ｌ１インダクタ（第１のインダクタ）
Ｌ２インダクタ（第２のインダクタ）
ＯＵＴ１出力端子（第１の出力端子）
ＯＵＴ２出力端子（第２の出力端子）
Ｒ１抵抗

Claims

第１の入力端子と第１の出力端子との間に接続され、高周波信号を伝搬する主線路と、
第２の入力端子と第２の出力端子との間に接続され、前記主線路に対して平行に配置され、前記主線路に電磁気的に結合された副線路と、
前記主線路又は前記副線路に対して並列に接続された第１のキャパシタと、
前記第１のキャパシタに対して直列に接続された抵抗とを備え、
前記主線路及び前記副線路が持つインダクタンスと前記第１のキャパシタが持つキャパシタンスによりＬＣ共振回路が構成され、
前記ＬＣ共振回路は、前記第１の入力端子から前記第２の出力端子に伝搬する高周波信号に対して共振することを特徴とする方向性結合器。
前記主線路に対して直列に接続されたインダクタを更に備えることを特徴とする請求項１に記載の方向性結合器。
前記主線路に対して直列に接続された第２のキャパシタを更に備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の方向性結合器。