WO2006022046A1 - 高周波結合器、高周波伝送器およびアンテナ - Google Patents

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
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    • H01P5/10—Coupling devices of the waveguide type for linking dissimilar lines or devices for coupling balanced lines or devices with unbalanced lines or devices
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    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/12—Coupling devices having more than two ports
    • H01P5/16—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port
    • H01P5/18—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port consisting of two coupled guides, e.g. directional couplers

Definitions

  • High frequency coupler high frequency transmitter and antenna
  • the present invention relates to a high-frequency coupler used for coupling two or more high-frequency transmission circuits having different properties, a high-frequency transmitter including the high-frequency coupler, and an antenna including the high-frequency coupler. It is.
  • the input / output section of an electronic circuit that handles a radio frequency (RF) signal is an unbalanced transmission circuit that is grounded on one side, so the transmission cable directly connected to the terminal is an unbalanced transmission circuit.
  • a coaxial line or a microstrip line is used.
  • antennas such as dipole antenna loop antennas are balanced, a balun for impedance conversion (balance-unbalance conversion circuit) is required between the antenna and the transmission cable.
  • a transformer in which a copper wire is wound around a spectacle-shaped ferrite core shown in FIG. In contrast, in the microwave band with a short wavelength, it is difficult to use a lumped constant such as a coil or a capacitor. However, since the wavelength is short, a balun can be made relatively small using a distributed constant circuit.
  • the simplest balun used in microwave band reception is the split slot balun with the structure shown in Fig. 6 (b), and no ferrite core is used.
  • ⁇ represents the free space wavelength of the electromagnetic wave
  • points a and b represent the terminal positions on the balanced transmission circuit side.
  • the balanced transmission circuit and the unbalanced transmission circuit are only magnetically coupled, and the equivalent circuit is as shown in Fig. 6 (c).
  • M represents the mutual induction between the two circuits (the strength of coupling between the coils, or the mutual inductance)
  • C 1 and C2 are the unbalanced transmission circuit and the balanced transmission circuit, respectively. Represents capacity. Also, these are all three-dimensional structures, and the initial force is not intended to be integrated with adjacent elements such as antennas or adjacent transmission circuits.
  • FIG. 7 shows a balun having a planar structure, in which the coupling pattern 101 on the unbalanced transmission circuit side and the coupling pattern 102 on the balanced transmission circuit side are formed on the same plane.
  • the terminals 101a and 101b of the joint pattern 101 are unbalanced terminals, and the terminals 102a and 102b of the joint pattern 102 are balanced terminals.
  • Such a coplanar structure has the advantage of being easy to manufacture.
  • Patent Document 1 Japanese Patent No. 3323442
  • An object of the present invention is to propose a high-frequency coupler capable of forming sufficient electrical coupling.
  • An object of the present invention is to propose a high-frequency transmitter including the high-frequency coupler.
  • an object of the present invention is to propose an antenna in which the high-frequency coupler is incorporated as a balun.
  • the high-frequency coupler of the present invention includes:
  • a circuit board made of a dielectric
  • the first coupling portion pattern and the second coupling portion pattern are arranged to face each other with the circuit board interposed therebetween so that a capacitive coupling state and a magnetic induction coupling state are formed.
  • first joint pattern and the second joint pattern are congruent or phased. It is desirable to have a similar shape.
  • first coupling portion pattern and the second coupling portion pattern are arranged so as to be at a position offset by 180 degrees around an axis perpendicular to the circuit board. .
  • a high-frequency coupler configured as described above;
  • a first high-frequency transmission circuit pattern formed on the first substrate surface of the circuit board and connected to both ends of the first coupler pattern;
  • the first high-frequency transmission circuit pattern is an unbalanced transmission circuit pattern
  • the second high-frequency transmission circuit pattern is a balanced type.
  • a transmission circuit pattern may be used.
  • the high-frequency transmitter having this configuration and the antenna pattern formed on the first substrate surface of the circuit board and connected to the unbalanced transmission circuit pattern, the antenna with a built-in balun. Can be configured.
  • the high frequency coupler of the present invention can have a multilayer structure. That is, the high-frequency coupler having a multilayer structure according to the present invention is
  • a first circuit board made of a dielectric
  • a second circuit board having a dielectric force laminated on the surface of the first circuit board; a loop-shaped first coupling part pattern formed on the back surface of the first circuit board and divided at one place;
  • the first and second coupling part patterns are arranged opposite to each other with the first circuit board interposed therebetween so that a capacitive coupling and a magnetic induction coupling state are formed with each other,
  • the second and third coupling portion patterns are arranged to face each other with the second circuit board interposed therebetween so that a capacitive coupling state and a magnetic induction coupling state are formed.
  • one or a plurality of circuit boards are stacked on the surface of the second circuit board, and a coupling portion pattern is formed between the circuit boards, whereby a multi-layer high-frequency coupler can be configured. wear.
  • first, second, and third coupling portion patterns have a congruent or similar shape. Further, it is desirable that the first, second, and third coupling portion patterns are arranged such that their dividing positions are offset with respect to an axis perpendicular to the first and second circuit boards. ,.
  • the first coupling portion pattern and the second coupling portion pattern are arranged opposite to each other with the circuit board interposed therebetween, so that both patterns are coupled by magnetic inductive coupling and electrostatic capacitance. It is also combined by bonding. Therefore, unlike the conventional case where the patterns are formed on the same plane, the patterns are coupled by capacitive coupling, and the magnetic induction coupling state between the patterns is also improved. Therefore, it is possible to easily obtain a high-frequency coupler having a wide band and excellent transmission characteristics as compared with the conventional case.
  • FIG. 1 is an explanatory diagram showing only a conductor portion of a high-frequency coupler to which the present invention is applied.
  • FIG. 2 is a rear view and a plan view of the coupler of FIG.
  • FIG. 3 (a) is a circuit diagram showing an equivalent circuit with a lumped constant of the coupler of FIG. 1, and (b) is a case where a capacitively coupled wave source and a magnetically coupled wave source are regarded as equivalent sources in a balanced system.
  • FIG. 6 is a circuit diagram showing an equivalent circuit at matching.
  • FIG. 4 is a rear view and a plan view showing an antenna provided with the coupler (flask balun) of FIG. 2.
  • FIG. 5 is an explanatory view showing a high-frequency coupler having a multilayer structure to which the present invention is applied.
  • FIG. 6 shows a ferrite core that is currently widely used for connection circuit components such as baluns, multiplexers, and duplexers directly under the antenna when receiving terrestrial television broadcasts of VHF and UHF.
  • B is an explanatory diagram showing a split-slot balun that mediates between a measurement dipole or loop antenna in the microwave band and a coaxial line
  • c is an equivalent circuit of (a) and (b). It is.
  • FIG. 7 is an explanatory view showing a conventional balun having a planar configuration.
  • FIG. 1 is an explanatory view showing a high-frequency transmitter to which the present invention is applied, and FIGS. 2 (a) and 2 (b) are a back view and a plan view thereof.
  • the high-frequency transmitter 1 of this example includes a high-frequency coupler 2 and an unbalanced transmission circuit 3 and a balanced transmission circuit 4 that are coupled to each other via the high-frequency coupler 2.
  • the high frequency coupler 2 has a circuit board 10 that also has a dielectric force.
  • a loop-shaped first coupling portion pattern 11 divided at one place is formed of copper foil or the like.
  • a loop-shaped second coupling portion pattern 12 divided at one portion is also formed of copper foil or the like.
  • the first and second joint patterns 11 and 12 are divided. The positions are at both ends in the z-axis direction.
  • the terminals l la and l ib of the first coupling part pattern 11 are unbalanced terminals, and the circuit pattern of the unbalanced transmission circuit 3 formed on the back surface 10a of the circuit board 10 connected to these terminals is the z-axis. Extending in the direction.
  • the terminals 12a and 12b of the second coupling part pattern 12 are balanced terminals, which are connected to the coplanar lines 41 and 42 of the balanced transmission circuit 4 formed on the surface 10b of the circuit board 10. .
  • the coplanar lines 41 and 42 extend in the direction opposite to the balanced transmission circuit along the z-axis direction.
  • the planar coupler 2 having this configuration is the simplest balun configuration example, and a balanced antenna 5 such as a dipole is connected to the terminals 41a and 42a of the coplanar lines 41 and 42, for example.
  • the thickness t of the circuit board 10 made of a dielectric is sufficiently reduced, the capacitance C and the mutual induction M between the first and second coupling portion patterns 11 and 12 are increased.
  • the capacitance C and the mutual induction M between the first and second coupling portion patterns 11 and 12 are increased.
  • a much larger capacitive coupling can be obtained between the noturns.
  • ferrite is not used for magnetic inductive coupling, but the thickness t of the circuit board 10, that is, the interval t between the patterns 11 and 12, is small, which is about the same as when using ferrite with little leakage flux. This bonding state can be obtained.
  • each pattern in this example is an example, and each pattern is not limited to the shape in this example.
  • the shape of the coupling portion pattern various shapes such as an ellipse, a polygon, and a combination thereof can be adopted in addition to the annular shape.
  • the first and second coupling part patterns have the same (congruent) shape, but may have a similar shape. In some cases, different shapes are possible.
  • the circuit board 10 is a flat board having a constant thickness.
  • the circuit board 10 is, for example, a curved board, and a coupling portion pattern is laminated on the curved surfaces on both sides thereof. It is also possible to print.
  • FIGS. 3 (a) and 3 (b) are an equivalent circuit diagram and an equivalent power supply diagram of the high-frequency coupler 2.
  • FIG. 3 (a) and 3 (b) are an equivalent circuit diagram and an equivalent power supply diagram of the high-frequency coupler 2.
  • FIG. 3 (a) shows the equivalent circuit of the high-frequency coupler 2 together with the characteristic impedances ⁇ and ⁇ of the circuits 3 and 4 connected to the left and right. This circuit looks high
  • the force between the current I and I changes depending on the angular frequency ⁇ of the electromagnetic wave.
  • the equivalent power diagram shown in FIG. 3 (b) is an equivalent power diagram at the time of matching considering an equivalent wave source in the secondary circuit.
  • C-coupled electromotive force and M-coupled electromotive force are functions of frequency f and pass At high frequencies in the band, the effect of C-coupled electromotive force is large. At low frequencies, M-coupled electromotive force is dominant.
  • These electromotive forces act as their vector sum as shown in the following equation.
  • the first and second coupling portion patterns 11 and 12 have an annular shape with a diameter of about 30 mm, and the circuit board 10 has a thickness t.
  • the antenna 5 Even when the antenna 5 is not connected to the terminals 41 and 42, it can be used as a flask-shaped indoor antenna for television reception by appropriately designing the length of the coplanar line 4 and the like.
  • each pattern of this example shows an example, and each pattern is not limited to the said shape.
  • FIG. 5 is an explanatory view showing a multilayer high-frequency coupler to which the present invention is applied.
  • the coupler 20 shown in this figure has a first circuit board having a thickness t (21) and a second circuit board having a thickness t (22) stacked on the surface.
  • these circuit boards are omitted and only their thicknesses t (21) and t (22) are shown. These thicknesses may generally be the same. In some cases, different thicknesses are possible.
  • the coupler 20 shown in this figure has a first circuit board having a thickness t (21) and a second circuit board having a thickness t (22) stacked on the surface.
  • these circuit boards are omitted and only their thicknesses t (21) and t (22) are shown. These thicknesses may generally be the same. In some cases, different thicknesses are possible.
  • the coupler 20 shown in this figure has a first circuit board having a thickness t (21) and a second circuit board having a thickness t (22) stacked on the surface
  • a first coupling portion pattern 31 is formed between the first and second circuit boards, and a second coupling portion pattern 32 is formed on the back surface of the first circuit board.
  • a third coupling portion pattern 33 is formed on the surface of the circuit board.
  • the first to third coupling portion patterns 31 to 33 are, for example, in an annular shape divided at one place, and each dividing position (opening) is centered on the z axis perpendicular to the substrate passing through the center. ) Is offset in the circumferential direction.
  • the terminals 31a and 3 lb of the first coupling part pattern 31 are connected to the unbalanced transmission circuit side, and the terminals 32a and 32b and 33a and 33 of the second and third coupling patterns 32 and 33 are balanced. Connected to the transmission circuit side. Since the circuit configuration ahead of each terminal can be designed freely, it can be used to connect two antennas with different frequency bands and input impedances.
  • a high-frequency coupler having a configuration in which four or more layers of coupling portion patterns are stacked and arranged can be configured.
  • the circuit formed on the circuit board is often used in a balanced or unbalanced manner, but the choice is determined solely by the grounding method outside the circuit board. As such, it can be used in common in the case of misalignment.
  • the high-frequency coupler to which the present invention is applied has the following advantages over the conventional balun and other conventional linear force bras.
  • a transformer or coupler such as a balun can be integrally formed with an adjacent transmission circuit or transmission circuit element to achieve a significant reduction in manufacturing cost.
  • insertion loss can be improved by avoiding the ferrite core used in conventional products and using a thin substrate with low RF loss, and the broadband was designed for the selected thin substrate. This is possible by creating loops of size and shape and stacking them accurately. Therefore, transmission characteristics can be greatly improved. Such an effect is exhibited for various transmission circuits and adjacent elements operating linearly in the VHF, UHF, and SHF frequency ranges.
  • the microwave band there are conventional isolators and circuit circulators that use anisotropy such as ferrite, but there are many components that use only the low loss and high permeability of ferrite, such as RF transformers.

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Abstract

　高周波結合器(２)は、一ヶ所で分断されている円環状の第１、第２結合部パターン(１１、１２)が、誘電体からなる厚さｔの回路基板(１０)の裏面および表面に、対向した状態で形成されている。第１結合パターン(１１)の端子(１１ａ、１１ｂ)が不平衡端子とされ、第２結合パターン(１２)の端子(１２ａ、１２ｂ)が不平衡端子とされ、そこからコプラナ線路(４１、４２)が裏面に沿って引き出され、平衡アンテナ(５)に接続される。第１、第２結合部パターン(１１、１２)が磁気誘導結合と共に静電容量結合状態とされるので、広帯域で伝送効率の高い結合器を実現できる。

Description

明 細 書
高周波結合器、高周波伝送器およびアンテナ
技術分野
[0001] 本発明は、性質の異なる二つ以上の高周波伝送回路を結合させるために用いる高 周波結合器、当該高周波結合器を備えた高周波伝送器、および当該高周波結合器 を備えたアンテナに関するものである。
背景技術
[0002] 高周波 (RF)信号を扱う電子回路の入出力部は、多くの場合、片側がアースされて いる不平衡形伝送回路であるので、その端子に直結される伝送ケーブルは不平衡 形の同軸線路やマイクロストリップ線路が用いられる。これに対し、ダイポールアンテ ナゃループアンテナなどのアンテナは平衡形であるので、アンテナと伝送ケーブル の間にはインピーダンス変換用のバラン (平衡不平衡変換回路)が必要となる。
[0003] 従来において、テレビ放送等の受信では、図 6(a)に示す眼鏡形のフェライトコアに 銅線を巻いたトランスが用いられている。これに対して、波長の短いマイクロ波帯では 、コイルやコンデンサといった集中定数が使いにくいが、波長が短いので分布定数回 路を用いて比較的小形にバランを作ることができる。マイクロ波帯の受信において使 用される最も簡単なバランは図 6(b)に示す構造の分割スロット形バランであり、フェラ イトコアは用いられない。なお、この図において、 λは電磁波の自由空間波長を表し 、点 a、 bはそれぞれ平衡形伝送回路側の端子位置を表している。
[0004] いずれの場合においても、平衡形伝送回路と不平衡形伝送回路は磁気的にのみ 結合されており、等価回路は図 6(c)のようになる。この等価回路において、 Mは双方 の回路の間の相互誘導 (コイル間の結合の強さ、または相互インダクタンス)を表し、 C 1および C2は、それぞれ、不平衡形伝送回路および平衡形伝送回路の容量を表す 。また、これらはいずれも立体的構造であり、当初力もアンテナなどの隣接素子また は隣接伝送回路との一体成形を意識したものではな 、。
[0005] これに対して、最近のテレビ帯域 (UHF)ではアンテナおよびバランを共に平面的に 構成する提案がなされている。平面的にアンテナ 'バランを構成することの長所は一 体成形によるコストダウンを図れるということである。例えば、下記の特許文献 1に、こ のような平面構成のものが開示されている。図 7には平面構造のバランを示してあり、 不平衡形伝送回路側の結合部パターン 101と、平衡形伝送回路側の結合部パター ン 102とが同一面上に形成されている。結合部パターン 101の端子 101a、 101bが 不平衡側端子であり、結合部パターン 102の端子 102a、 102bが平衡側端子である 。このような同一平面 (コプラナ)構造は製造が容易であるという利点がある。
特許文献 1：特許第 3323442号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0006] しかしながら、同一平面上にアンテナおよびバランを形成した平面構成のものでは
、平衡回路と不平衡回路の結合部において十分な電気的結合を得る事ができない。
[0007] 本発明の課題は、十分な電気的結合を形成可能な高周波結合器を提案することに ある。
[0008] また、本発明の課題は、当該高周波結合器を備えた高周波伝送器を提案すること にある。
[0009] さらに、本発明の課題は、当該高周波結合器がバランとして組み込まれているアン テナを提案することにある。
課題を解決するための手段
[0010] 上記の課題を解決するために、本発明の高周波結合器は、
誘電体からなる回路基板と、
前記回路基板の第 1基板面に形成され、一ヶ所で分断されているループ状の第 1 結合部パターンと、
前記回路基板の第 2基板面に形成され、一ヶ所で分断されているループ状の第 2 結合部パターンとを有し、
前記第 1結合部パターンおよび前記第 2結合部パターンは、相互に静電容量結合 および磁気誘導結合状態が形成されるように、前記回路基板を挟み、対向配置され ていることを特徴としている。
[0011] ここで、前記第 1結合部パターンおよび前記第 2結合部パターンは合同あるいは相 似形状とすることが望ましい。
[0012] また、前記第 1結合部パターンおよび前記第 2結合部パターンは、それらの分断位 置力 前記回路基板に垂直な軸線を中心として 180度オフセットした位置となるよう に配置することが望ましい。
[0013] 次に、本発明の高周波伝送器は、
上記構成の高周波結合器と、
前記回路基板の前記第 1基板面に形成され、前記第 1結合器パターンの両端に接 続されている第 1高周波伝送回路パターンと、
前記回路基板の前記第 2基板面に形成され、前記第 2結合器パターンの両端に接 続されて!、る第 2高周波伝送回路パターンとを有して 、ることを特徴として 、る。
[0014] 本発明の高周波伝送器を、アンテナに接続されるバランとして用いる場合には、前 記第 1高周波伝送回路パターンを不平衡形伝送回路パターンとし、前記第 2高周波 伝送回路パターンを平衡形伝送回路パターンとすればよい。
[0015] また、この構成の高周波伝送器と、前記回路基板の前記第 1基板面に形成され、 前記不平衡形伝送回路パターンに接続されて 、るアンテナパターンとによって、バラ ン内蔵型のアンテナを構成することができる。
[0016] 次に、本発明の高周波結合器は多層構造とすることができる。すなわち、本発明に よる多層構造の高周波結合器は、
誘電体からなる第 1回路基板と、
前記第 1回路基板の表面に積層された誘電体力 なる第 2回路基板と、 前記第 1回路基板の裏面に形成され、一ヶ所で分断されているループ状の第 1結 合部パターンと、
前記第 1および第 2回路基板の間に形成され、一ヶ所で分断されているループ状の 第 2結合部パターンと、
前記第 2回路基板の表面に形成され、一ヶ所で分断されているループ状の第 3結 合部パターンとを有し、
前記第 1および第 2結合部パターンは、相互に静電容量結合および磁気誘導結合 状態が形成されるように、前記第 1回路基板を挟み、対向配置されており、 前記第 2および第 3結合部パターンは、相互に静電容量結合および磁気誘導結合 状態が形成されるように、前記第 2回路基板を挟み、対向配置されていることを特徴 としている。
[0017] ここで、第 2回路基板の表面に、一枚あるいは複数枚の回路基板を積層し、各回路 基板の間に結合部パターンを形成することにより、より多層の高周波結合器を構成で きる。
[0018] この場合においても、前記第 1、第 2および第 3結合部パターンを合同あるいは相 似形状とすることが望ましい。また、前記第 1、第 2および第 3結合部パターンを、それ らの分断位置が、前記第 1および第 2回路基板に垂直な軸線を中心としてオフセット した位置となるように配置することが望ま 、。
[0019] (発明の効果）
本発明の高周波結合器では、回路基板を挟み、第 1結合部パターンおよび第 2結 合部パターンを対向配置してあるので、双方のパターンは、磁気誘導結合によって 結合されると共に、静電容量結合によっても結合される。よって、従来のような同一平 面上にパターンが形成されている場合とは異なり、パターン間が静電容量結合によつ て結合され、パターン間の磁気誘導結合状態も改善される。したがって、従来に比べ て、広帯域で伝送特性に優れた高周波結合器を容易に得ることができる。
図面の簡単な説明
[0020] [図 1]本発明を適用した高周波結合器の導体部分のみを示す説明図である。
[図 2]図 1の結合器の裏面図および平面図である。
[図 3](a)は図 1の結合器の、集中定数による等価回路を示す回路図であり、（b)は容 量結合波源と磁気的結合波源を平衡系の等価波源とみなしたときの整合時等価回 路を示す回路図である。
[図 4]図 2の結合器 (フラスコ形バラン)を備えたアンテナを示す裏面図および平面図 である。
[図 5]本発明を適用した多層構造の高周波結合器を示す説明図である。
[図 6](a)は VHF、 UHFの地上波テレビ放送受信において、アンテナ直下のバラン、 合波器、分波器などの接続回路部品に現在広く用いられているフェライトコアを示す 説明図であり、（b)はマイクロ波帯の測定用ダイポールやループアンテナと同軸線路 を仲介する分割スロット形バランを示す説明図であり、（c)は (a)および (b)の等価回路 である。
[図 7]従来の平面構成のバランを示す説明図である。
発明を実施するための最良の形態
[0021] 以下に、図面を参照して、本発明を詳細に説明する。
[0022] 図 1は本発明を適用した高周波伝送器を示す説明図であり、図 2(a)および (b)はそ の裏面図および平面図である。本例の高周波伝送器 1は、高周波結合器 2と、この高 周波結合器 2を介して相互に結合されている不平衡形伝送回路 3および平衡形伝送 回路 4とを有している。
[0023] 高周波結合器 2は誘電体力もなる回路基板 10を有している。回路基板 10の裏面（ 第 1基板面) 10aには、一ヶ所が分断されたループ状の第 1結合部パターン 11が銅箔 などによって形成されている。表面 (第 2基板面) 10bにも、一箇所が分断されたルー プ状の第 2結合部パターン 12が同じく銅箔などによって形成されている。これら第 1、 第 2結合部パターン 11、 12は例えば同一の円環状のものである。
[0024] パターン 11、 12の中心を通る基板表面に引いた垂線を X軸にとり、基板表面に平 行な面^ y— z面とすると、第 1、第 2結合部パターン 11、 12の分断位置は z軸方向の 両端に位置している。また、第 1結合部パターン 11の端子 l la、 l ibは不平衡端子 であり、これらに接続されている回路基板 10の裏面 10aに形成した不平衡形伝送回 路 3の回路パターンは z軸方向に延びている。第 2結合部パターン 12の端子 12a、 1 2bは平衡端子であり、これら〖こは、回路基板 10の表面 10bに形成された平衡形伝 送回路 4のコプラナ線路 41、 42が接続されている。コプラナ線路 41、 42は z軸方向 に沿って、平衡形伝送回路とは反対方向に延びている。この構成の平板状結合器 2 は最も単純なバランの構成例であり、コプラナ線路 41、 42の端子 41a、 42aに、例え ば、ダイポールのような平衡アンテナ 5が接続される。
[0025] ここで、誘電体からなる回路基板 10の厚さ tを十分小さくすれば、第 1、第 2結合部 パターン 11、 12の間の静電容量 Cおよび相互誘導 Mが大きくなる。この結果、図 7に 示す従来構成の基板同一平面上に両パターンが形成されて ヽる場合に比べて、両 ノターン間に遥かに大きな静電容量結合を得ることができる。また、磁気誘導結合の ためにフェライトを用いていないが、回路基板 10の厚さ t、すなわち、パターン 1 1、 12 の間隔 tが小さいので、漏れ磁束が少なぐフェライトを用いた場合と同程度の結合状 態を得ることができる。
[0026] なお、本例の各パターンの形状は一例を示すものであり、各パターンは本例の形状 に限定されるものではない。例えば、結合部パターンの形状として、円環状以外に、 楕円形、多角形、これらの組み合わせなどの各種の形状を採用することができる。ま た、第 1、第 2結合部パターンの形状は同一 (合同)としてあるが、相似形状とすること も可能である。場合によっては、異なる形状とすることも可能である。
[0027] また、本例では、回路基板 10は一定厚さの平坦な基板であるが、回路基板とし、例 えば湾曲状のものを採用し、その両側の湾曲面に結合部パターンを積層あるいは印 刷することも可能である。
[0028] 図 3(a)および (b)は、高周波結合器 2の等価回路図および等価電源図である。これ らの図における各記号の意味は次の通りである。
[0029]
C ： キャパシタの容量
M： コイル間の結合の強さ、 または相互インダクタンス
、 し 2 コィルの自己誘導ィンダクタンス
ん 0 1、 . Z o 2 1次 （不平衡） 側、 2次 （平衡） 側回路の特性インピー -ダンス z 2 1次 （不平衡） 側、 2次 （平衡） 側回路の入力インピー -ダンス
R i、 R 2 同上の抵抗分 （整合時）
E o c ( ω ) 容量結合に起因する 2次側等価起電力 （C結合起電力） t OM ( ω ) 磁気結合に起因する 2次側等価起電力 （Μ結合起電力） ω 電磁波の角周波数
[0030] まず、図 3(a)に示す等価回路図は、高周波結合器 2の等価回路を、左右に接続し た回路 3、 4の特性インピーダンス Ζ 、 Ζ と共に示すものである。この回路は一見、高
01 02
域フィルタに見える力 電流 I と Iとの比率が電磁波の角周波数 ωによって変わるの
LI C
で、磁気誘導結合とのクロスオーバー周波数 f
Cを適切に選定することにより、所望の 広帯域特性や分離帯域特性を得ることができる。
[0031] 次に図 3(b)に示す等価電源図は、 2次回路に等価波源を考えた整合時の等価電 源図である。 C結合起電力および M結合起電力は共に周波数 fの関数であり、通過 帯域内の高い周波数では C結合起電力の効果が大きぐ低い周波数では M結合起 電力が支配的である。これらの起電力は、次式のようにそのベクトル和となって作用 する。
[0032]
^ 0 ν ω ) = t o e ν ω ) + Ε Ο Μ 、ω )
[0033] なお、厳密には等価回路自体をこのように集中定数で表すのではなぐ分布定数 回路として取り扱う必要がある。
[0034] 本例の高周波伝送器 1をアンテナ用バランとして用いる場合には、例えば、第 1、第 2結合部パターン 11、 12を直径が約 30mmの円環状とし、回路基板 10として厚さ tが 0.3mm程度の両面導体箔プリント基板を用いる。この構成は、 UHF帯テレビ放送用 のバランとして適している。この場合、コプラナ線路 4の特性インピーダンスをアンテ ナ 5の入力インピーダンスに整合させ、長さを適当に設計する必要がある。
[0035] なお、端子 41、 42にアンテナ 5を接続しない場合でも、コプラナ線路 4の長さなどを 適切に設計することにより、このまま、フラスコ形の室内アンテナとしてテレビ受信に 使うことができる。
[0036] 図 4(a)および (b)は、回路基板上にアンテナパターンも一体形成された構成のバラ ン内蔵型のアンテナの一例を示す裏面図および平面図である。これらの図において 、図 1、 2の各部分に対応する部位には同一の符号を付してある。このようにアンテナ ノターン 5aも回路基板 2の表面に一体形成すると、製造工程が簡略化され、別部材 として製造したアンテナを接続する必要がなくなる。よって、アンテナの製造コストを 低減できる。なお、本例の各パターンの形状は一例を示すものであり、各パターンは 当該形状に限定されるものではな 、。
[0037] 次に、図 5は本発明を適用した多層構造の高周波結合器を示す説明図である。こ の図に示す結合器 20は、厚さ t(21)の第 1回路基板と、この表面に積層された厚さ t( 22)の第 2回路基板とを有している。図においては、理解を容易にするために、これら の回路基板を省略し、その厚さ t(21)および t(22)のみを表示してある。これらの厚さ は、一般に同一の厚さとすればよい。場合によっては異なる厚さとすることも可能であ る。
[0038] これら第 1および第 2回路基板の間には、第 1結合部パターン 31が形成されており 、第 1回路基板の裏面には第 2結合部パターン 32が形成されており、第 2回路基板 の表面には第 3結合部パターン 33が形成されている。第 1〜第 3結合部パターン 31 〜33は、例えば、一ヶ所で分断された円環形状のものであり、それらの中心を通る基 板に垂直な z軸を中心として、各分断位置 (開口)が円周方向にオフセットしている。
[0039] 例えば、第 1結合部パターン 31の端子 31a、 3 lbが不平衡形伝送回路側に接続さ れ、第 2、第 3結合ブパターン 32、 33の端子 32a、 32bおよび 33a、 33 それぞれ 平衡形伝送回路側に接続される。各端子カゝら先の回路構成は自由に設計できるの で、周波数帯域や入力インピーダンスの異なる二つのアンテナの接続に用いることが できる。
[0040] なお、同様にして、 4層以上の結合部パターンを積層配置した構成の高周波結合 器を構成することができる。また、 3層以上の多層構造では、回路基板に形成した回 路を全て平衡または不平衡にして用いることが多くなるが、その選択は専ら回路基板 の外の接地方法によって定まるので、結合部パターン自体としては 、ずれの場合も 共通して使うことができる。
[0041] 本発明を適用した高周波結合器は、従来型バラン、および、その他の従来型の線 形力ブラに比べて、次のような利点がある。
(1)軽量短小化
(2)製造コストの削減
(3)伝送特性の改善 (挿入損失の低減、動作周波数範囲の広帯域化）
[0042] すなわち、誘電体力もなる回路基板として薄いプリント基板を用いることにより、軽量 短小化を実現できる。また、バランなどのトランスまたは結合器を、隣接する伝送回路 や伝送回路素子と一体成形することにより、大幅な製造コストの削減を達成できる。
[0043] また、挿入損失は、従来製品で使われて 、たフェライトコアを避けることと RF損失の 少ない薄い基板を用いることにより改善でき、広帯域化は、選定した薄い基板につい て、設計された大きさと形状のループを作り、それらを精度良く積層することで可能と なる。よって、伝送特性を大幅に改善できる。 このような効果は、 VHF、 UHF、 SHFの周波数範囲で線形動作する各種伝送回 路および隣接素子に対して発揮される。マイクロ波帯では従来力 フェライトなどの異 方性を利用したアイソレータ、サーキユレータなどがあるが、一方で RFトランスなどの ようにフェライトの低損失、高透磁率のみを利用したコンポーネントも多い。後者は本 来線形動作が望ましいにも拘らず、フ ライトに頼らざるを得な力 たため、大振幅時 には非線形動作を余儀なくされて 、た上、バランや分波器などの結合器は 3次元構 造となっていた。しカゝし薄く良質な RF基板が出現した今日、面ループ (回路基板上に 形成したループ状の結合部パターン)を十分接近させることにより、フェライトを用いな くても満足な磁気的結合が得られる。また、回路基板の薄さが RFに対しては十分な 静電容量を確保することになるので、これらを先に述べた図 3に示す等価回路を構成 するように配置することで、磁気的結合および静電容量結合の双方を同時に形成す ることが可能になる。

Claims

請求の範囲
[1] 誘電体からなる回路基板と、
前記回路基板の第 1基板面に形成され、一ヶ所で分断されているループ状の第 1 結合部パターンと、
前記回路基板の第 2基板面に形成され、一ヶ所で分断されているループ状の第 2 結合部パターンとを有し、
前記第 1結合部パターンおよび前記第 2結合部パターンは、相互に静電容量結合 および磁気誘導結合状態が形成されるように、前記回路基板を挟み、対向配置され て 、ることを特徴とする高周波結合器。
[2] 請求項 1において、
前記第 1結合部パターンおよび前記第 2結合部パターンは合同あるいは相似形状 であることを特徴とする高周波結合器。
[3] 請求項 2において、
前記第 1結合部パターンおよび前記第 2結合部パターンは、それらの分断位置が、 前記回路基板に垂直な軸線を中心として 180度オフセットした位置となるように配置 されて 、ることを特徴とする高周波結合器。
[4] 請求項 1、 2または 3に記載の高周波結合器と、
前記回路基板の前記第 1基板面に形成され、前記第 1結合器パターンの両端に接 続されている第 1高周波伝送回路パターンと、
前記回路基板の前記第 2基板面に形成され、前記第 2結合器パターンの両端に接 続されて!ヽる第 2高周波伝送回路パターンとを有して ヽることを特徴とする高周波伝 送器。
[5] 請求項 4において、
前記第 1高周波伝送回路パターンは不平衡形伝送回路パターンであり、 前記第 2高周波伝送回路パターンは平衡形伝送回路パターンであることを特徴と する高周波伝送器。
[6] 請求項 5に記載の高周波伝送器と、
前記回路基板の前記第 1基板面に形成され、前記不平衡形伝送回路パターンに 接続されて ヽるアンテナパターンとを有して ヽることを特徴とするバラン内蔵型のアン テナ。
[7] 誘電体からなる第 1回路基板と、
前記第 1回路基板の表面に積層された誘電体力 なる第 2回路基板と、 前記第 1回路基板の裏面に形成され、一ヶ所で分断されているループ状の第 1結 合部パターンと、
前記第 1および第 2回路基板の間に形成され、一ヶ所で分断されているループ状の 第 2結合部パターンと、
前記第 2回路基板の表面に形成され、一ヶ所で分断されているループ状の第 3結 合部パターンとを有し、
前記第 1および第 2結合部パターンは、相互に静電容量結合および磁気誘導結合 状態が形成されるように、前記第 1回路基板を挟み、対向配置されており、
前記第 2および第 3結合部パターンは、相互に静電容量結合および磁気誘導結合 状態が形成されるように、前記第 2回路基板を挟み、対向配置されていることを特徴 とする高周波結合器。
[8] 請求項 7において、
前記第 1、第 2および第 3結合部パターン合同あるいは相似形状であることを特徴と する高周波結合器。
[9] 請求項 8において、
前記第 1、第 2および第 3結合部パターンは、それらの分断位置が、前記第 1および 第 2回路基板に垂直な軸線を中心としてオフセットした位置となるように配置されてい ることを特徴とする高周波結合器。
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