(57)【要約】【課題】偶モード及び奇モードのそれぞれの特性インピーダンスを変化させることなく、偶モードの位相速度を奇モードの位相速度に一致させることのできるアパーチャ結合構造を有する結合線路を提供する。【解決手段】結合線路は、接地導体層と、接地導体層の第一の主面側に第一の誘電体層を介して形成された第一の導体線路と、接地導体層の第二の主面側に第二の誘電体層を介して形成された第二の導体線路とを備える。この接地導体層は、第一の導体線路と第二の導体線路を電磁的に結合するためのアパーチャ部（２３）を備えている。アパーチャ部（２３）には、偶モードの位相速度と奇モードの位相速度とが同じになるように、アパーチャ幅が相対的に広い領域（２３ａ）と狭い領域（２３ｂ）とが交互に形成されている。【選択図】図２
2010045748.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
接地導体層と、前記接地導体層の第一の主面側に第一の誘電体層を介して形成された第一の導体線路と、前記接地導体層の第二の主面側に第二の誘電体層を介して形成された第二の導体線路とを備え、
前記接地導体層は、前記第一の導体線路と前記第二の導体線路を電磁的に結合するためのアパーチャ部を備え、
前記アパーチャ部には、偶モードの位相速度と奇モードの位相速度とが同じになるように、アパーチャ幅が相対的に広い領域と狭い領域とが交互に形成されている、結合線路。
【請求項２】
接地導体層と、前記接地導体層の第一の主面側に第一の誘電体層を介して形成された第一の導体線路と、前記接地導体層の第二の主面側に第二の誘電体層を介して形成された第二の導体線路とを備え、
前記接地導体層は、前記第一の導体線路と前記第二の導体線路を電磁的に結合するためのアパーチャ部を備え、
前記アパーチャ部には、偶モードの位相速度と奇モードの位相速度とが同じになるように、偶モードの特性インピーダンスが相対的に高い領域と低い領域とが交互に形成されている、結合線路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はアパーチャ結合構造を有する結合線路に関する。
【背景技術】
【０００２】
特開昭６３−３００６０６号公報には、高周波信号が伝搬する一対の導体線路を接地導体層の両側に誘電体層を介して形成するとともに、接地導体層に信号結合用の開口部（以下、アパーチャ部と称する）を形成することで、一対の導体線路を電磁的に結合させるための結合構造（以下、アパーチャ結合構造と称する）を有する方向性結合器が開示されている。このようなアパーチャ結合構造を有する結合線路では、一対の導体線路を伝播する高周波信号は、アパーチャ部を介して結合されるとともにアパーチャ部以外の箇所では接地導体層により遮蔽され、信号干渉は生じない。アパーチャ結合構造を有する結合線路を応用したデバイスとして、例えば、アパーチャ部の信号伝搬方向の開口長（以下、アパーチャ長と称する。）を（λge＋λgo）／８＝（Ｖr,ev／ｆ＋Ｖr,od／ｆ）／８に調整した方向性結合器が知られている。ここで、λgeは偶モードの波長、λgoは奇モードの波長、Ｖr,evは偶モードの位相速度、Ｖr,odは奇モードの位相速度、ｆは信号周波数である。この種の結合線路では、伝送線路上を二つの直交モード（偶モード及び奇モード）で信号が伝搬することが知られており、導体線路の幅Ｗ1とアパーチャ部の幅Ｗ2の比率（Ｗ2／Ｗ1）を調整することにより、偶モードの特性インピーダンスは大きく変化する一方で、奇モードの特性インピーダンスや信号波長は殆ど影響を受けないという特性を利用して、所望の結合度を有するλ／４方向性結合器を実現できる。
【特許文献１】特開昭６３−３００６０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、偶モードでは、奇モードよりも誘電体層への電界の集中度が小さいため、偶モードの実効誘電率εr,evは、奇モードの実効誘電率εr,odよりも小さい。従って、偶モードの位相速度Ｖr,evは、奇モードの位相速度Ｖr,odよりも大きくなるので、二つのモード間に位相速度差が生じる。このような事情を背景として、方向性結合器においては、アパーチャ長を（λge＋λgo）／８に調整して広帯域なアイソレーションと整合を得ようとしても、偶モードの位相速度と奇モードの位相速度が一致しないので、信号は完全に打ち消されず、方向性結合器の結合度、アイソレーション、方向性が劣化してしまうという問題が生じる。疎結合の場合には、位相速度差は少なくなるが、蜜結合の度合いが強くなるにつれて位相速度差は大きくなる。
【０００４】
このような問題に対して、導体線路の幅Ｗ1とアパーチャ部の幅Ｗ2の比率（Ｗ2／Ｗ1）を調整することにより、偶モードの位相速度Ｖr,evが奇モードの位相速度Ｖr,odに等しくなるようにすると、偶モードの特性インピーダンスのみが変化してしまい、隅モードと奇モードの位相速度を一致させることができないので、方向性結合器の所望の特性を得ることができない。
【０００５】
そこで、本発明は、偶モード及び奇モードのそれぞれの特性インピーダンスを変化させることなく、偶モードの位相速度を奇モードの位相速度に一致させることのできるアパーチャ結合構造を有する結合線路を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するため、本発明に係わる結合線路は、接地導体層と、接地導体層の第一の主面側に第一の誘電体層を介して形成された第一の導体線路と、接地導体層の第二の主面側に第二の誘電体層を介して形成された第二の導体線路とを備える。この接地導体層は、第一の導体線路と第二の導体線路を電磁的に結合するためのアパーチャ部を備えており、アパーチャ部には、偶モードの位相速度と奇モードの位相速度とが同じになるように、アパーチャ幅が相対的に広い領域と狭い領域とが交互に形成されている。
【０００７】
本発明者は、アパーチャ部にアパーチャ幅が相対的に広い領域と狭い領域とを交互に形成することで、偶モード及び奇モードのそれぞれの特性インピーダンスを変化させることなく、偶モードの信号伝搬特性に遅延回路特性を持たせることが可能となり、偶モードの位相速度と奇モードの位相速度とが一致するように偶モードの位相速度を低下させることができることを見出した。
【０００８】
本発明の他の観点に基づく結合線路は、接地導体層と、接地導体層の第一の主面側に第一の誘電体層を介して形成された第一の導体線路と、接地導体層の第二の主面側に第二の誘電体層を介して形成された第二の導体線路とを備える。この接地導体層は、第一の導体線路と第二の導体線路を電磁的に結合するためのアパーチャ部を備えており、アパーチャ部には、偶モードの位相速度と奇モードの位相速度とが同じになるように、偶モードの特性インピーダンスが相対的に高い領域と低い領域とが交互に形成されている。
【０００９】
本発明者は、アパーチャ部に偶モードの特性インピーダンスが相対的に高い領域と低い領域とを交互に形成することで、偶モード及び奇モードのそれぞれの特性インピーダンスを変化させることなく、偶モードの信号伝搬特性に遅延回路特性を持たせることが可能となり、偶モードの位相速度と奇モードの位相速度とが一致するように偶モードの位相速度を低下させることができることを見出した。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、偶モード及び奇モードのそれぞれの特性インピーダンスを変化させることなく、偶モードの位相速度を奇モードの位相速度に一致させることのできるアパーチャ結合構造を有する結合線路を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、各図を参照しながら本発明に係わる実施形態について説明する。
図１は本実施形態に係わる結合線路１０の断面構造を示し、図２は本実施形態に係わるアパーチャ部２３の平面構造を示す。
結合線路１０は、第一の主面２１及びその裏面側の第二の主面２２を有する接地導体層２０と、接地導体層２０の第一の主面２１側に第一の誘電体層３１を介して形成された第一の導体線路４１と、接地導体層２０の第二の主面２２側に第二の誘電体層３２を介して形成された第二の導体線路４２とを備える。接地導体層２０は、ＸＹ平面に平行な平板状導体であり、第一の導体線路４１と第二の導体線路４２とを電磁的に結合するためのアパーチャ部２３を備える。第一の導体線路４１及び第二の導体線路４２は、Ｙ方向に延在するマイクロストリップ線路であり、アパーチャ部２３以外の箇所では、接地導体層２０により遮蔽されているため、互いに信号の結合はない。アパーチャ部２３には、アパーチャ２３の開口幅（以下、アパーチャ幅と称する）が相対的に広い領域２３ａと相対的に狭い領域２３ｂとが信号伝搬方向（Ｙ方向）に沿って交互に形成されている。
【００１２】
本発明者の知見によれば、広いアパーチャ幅Ｗ2’を有する領域２３ａと、狭いアパーチャ幅Ｗ2”を有する領域２３ｂとを信号伝搬方向に沿って交互に形成することで、偶モード及び奇モードの特性インピーダンスを変化させることなく、偶モードの信号伝搬特性に遅延回路特性を持たせることが可能となり、アパーチャ幅Ｗ2’及びＷ2”の組み合わせを適切に選択することで、偶モードの位相速度と奇モードの位相速度とが一致するように偶モードの位相速度を低下させることができる。
【００１３】
このようなアパーチャ結合構造を有する方向性結合器の設計方法について説明する。
［ステップ１］
方向性結合器に要求される結合度Ｃ、及び伝送線路の特性インピーダンスＺ0を用いて（１）式及び（２）式に基づいて、偶モードの特性インピーダンスＺeと、奇モードの特性インピーダンスＺoとを算出する。
【数１】
2010045748.tif 000003
【数２】
2010045748.tif 000004
【００１４】
［ステップ２］
方向性結合器の動作周波数ｆにおいて、奇モードの特性インピーダンスがステップ１で算出した特性インピーダンスＺoに一致するように、第一の導体線路４１及び第二の導体線路４２の線幅Ｗ1を公知の計算方法（例えば、有限要素法又は電磁界シミュレーション）で算出する。
【００１５】
［ステップ３］
方向性結合器の動作周波数ｆにおいて、偶モードの特性インピーダンスがステップ１で算出した特性インピーダンスＺeに一致するように、アパーチャ幅Ｗ2を公知の計算方法で算出する。なお、ここで算出するＷ2の値は、後述するステップインピーダンスＺ1，Ｚ2を算出する過程で必要となるパラメータ（偶モードの実効誘電率εr,ev、及び奇モードの実効誘電率εr,od）を導出するためのものであり、最終的なアパーチャ幅ではないことに留意されたい。参考までに、ここで算出したＷ2の値は、従来のアパーチャ結合構造におけるアパーチャ幅と等価であることを付言する。
【００１６】
［ステップ４］
ステップ１乃至３の計算結果を基に、偶モードの実効誘電率εr,ev、奇モードの実効誘電率εr,od、偶モードの波長λge、及び奇モードの波長λgoを公知の計算方法で算出する。
【００１７】
［ステップ５］
ステップ４で算出した奇モードの波長λgoを用いて、アパーチャ部２３のアパーチャ長Ｌ’をλgo／４に設定する。本実施形態に係わるアパーチャ結合構造では、偶モードの信号伝搬特性に遅延回路特性を持たせることにより、偶モードの波長λgeを奇モードの波長λgoに一致させるので、奇モードの波長λgoを基準にアパーチャ長Ｌ’を設定することに留意されたい。参考までに、従来のアパーチャ結合構造では、偶モードの波長λgeと奇モードの波長λgoは異なっていたので、従来のアパーチャ長として、両者の平均値（λge＋λgo）／８が用いられていたことを付言する。
【００１８】
［ステップ６］
アパーチャ部２３の分割数ｎを決定する。この分割数ｎは、広いアパーチャ幅Ｗ2’を有する領域２３ａと、狭いアパーチャ幅Ｗ2”を有する領域２３ｂとの合計数に等しい。図２は、その一例として、ｎ＝５の場合を例示している。それぞれの領域２３ａ，２３ｂの信号伝播方向の長さｌ’が均一である場合を考察すると、ｌ’＝λgo／４ｎである。但し、それぞれの領域２３ａ，２３ｂの信号伝播方向の長さｌ’は、原理的に必ずしも均一である必要はなく、不均一であってもよい。また、ｎの値としては、２以上の整数であればよく、特定の数値範囲に限定されるものではない。広いアパーチャ幅Ｗ2’を有する領域２３ａと、狭いアパーチャ幅Ｗ2”を有する領域２３ｂとを信号伝搬方向に沿って交互に形成すると、アパーチャ部２３の構造に不連続部が生じ、これに基づいて発生するエバネセントなＨ波によるインダクタンスが生じる。ｎが奇数の場合は、入出力対称になり、π／４間隔の不連続効果が打ち消されるので、好ましいが、ｎが偶数の場合は、打ち消されない。従って、ｎ＞１０の場合以外では、ｎは奇数であることが好ましい。
【００１９】
［ステップ７］
ステップ４で算出した偶モードの実効誘電率εr,ev、及び奇モードの実効誘電率εr,odを用いて、（３）式及び（４）式に基づいて、ステップインピーダンスＺ1，Ｚ2を算出する。ここで、ステップインピーダンスＺ1は、広いアパーチャ幅Ｗ2’を有する領域２３ａの特性インピーダンスを示し、ステップインピーダンスＺ2は、狭いアパーチャ幅Ｗ2”を有する領域２３ｂの特性インピーダンスを示す。
【数３】
2010045748.tif 000005
【数４】
2010045748.tif 000006
【００２０】
［ステップ８］
領域２３ａの特性インピーダンスの値がステップインピーダンスＺ1に一致するときのアパーチャ幅Ｗ2’の値、及び領域２３ｂの特性インピーダンスの値がステップインピーダンスＺ2に一致するときのアパーチャ幅Ｗ2”の値を公知の計算方法で算出する。
【００２１】
［ステップ９］
ステップ１乃至８の計算結果に基づいて、方向性結合器の電気的特性をシミュレーションする。
【００２２】
次に、（３）式及び（４）式を導出するための原理について説明する。
偶モードの実効誘電率εr,evは、奇モードの実効誘電率εr,odよりも小さいため、偶モードの位相速度Ｖr,evは、奇モードの位相速度Ｖr,odよりも大きくなる。位相速度差を無くすには、偶モードに遅延回路特性を持たせればよい。但し、偶モードの特性インピーダンスＺevを変更することなく同じ値に保持しなければならない。そこで、まず、偶モードの実効誘電率εr,evを奇モードの実効誘電率εr,odと同じ値に設計したときのＬ及びＣの値をそれぞれＬ0［Ｈ／ｍ］及びＣ0［Ｆ／ｍ］とすると、
【数５】
2010045748.tif 000007
【数６】
2010045748.tif 000008
【数７】
2010045748.tif 000009
となり、これを図示すると、図３のようになる。
【００２３】
電気角θ≪１の分布定数回路はＣ1,2，Ｌ1,2，Ｃ1,2のπ回路に置き換えられ、その値は（８）式で与えられる。
【数８】
2010045748.tif 000010
（８）式においてｌ’はステップインピーダンスの分布定数線路の各ステップに対応する伝送線路長である。従って、図３の集中定数回路は、図４に示すように、大きなＬは大きなＺ1に置換され、大きなＣは小さなＺ2に置換され、大小のインピーダンスが交互に縦続接続されたステップインピーダンスの分布定数線路で実現できることが予想できる。
【００２４】
いま、１番目及び２番目のＦ行列をそれぞれＦ1及びＦ2とすると、
【数９】
2010045748.tif 000011
となるから、Ｆ1とＦ2との縦続接続した回路のＦ行列をＦ(2)とし、更にＦ1とＦ2とを交互にｎ個接続したものをＦ(n)で示すと、下式が成立する。
【数１０】
2010045748.tif 000012
【００２５】
Ｆnの行列要素をＡｅ(n)，Ｂｅ(n)，Ｃｅ(n)，Ｄｅ(n)で示すと、ｎ＝２及びｎ＝３の場合、下式が成立する。
【数１１】
2010045748.tif 000013
【数１２】
2010045748.tif 000014
【００２６】
ｎが偶数のときは、Ｆ(2)と同じ固有ベクトルを用い、固有値はＦ(2)の固有値のｎ／２束として簡単に求まる。また、ｎが奇数のときは、上記の如く、Ｆ(nー1)・Ｆ1で求まる。実際の数値計算では、容易に求まる。
【００２７】
さて、奇モードの場合には、特性インピーダンスはＺoの値を保持し、アパーチャ長は、図２から分かるように、ｎｌ’となる。いま、ｎｌ’の電気長が中心周波数ｆ0で奇モードのときπ／２［ｒａｄ］になるように選ぶと、奇モード線路の行列要素は、次式のようになる。
【数１３】
2010045748.tif 000015
【００２８】
また、隅モード及び奇モードのそれぞれの実効誘電率をεr,ev及びεr,odとすると、（９）式のθeは、次式の如くなる。
【数１４】
2010045748.tif 000016
【００２９】
上記Ａe(n)，Ｂe(n)，Ｃe(n)，Ｄe(n)，Ａ0，Ｂ0，Ｃ0，Ｄ0を用いてＳパラメータＳ11(n)，Ｓ21(n)，Ｓ31(n)，及びＳ41(n)は次式で求まる。
【数１５】
2010045748.tif 000017
【数１６】
2010045748.tif 000018
以上は一般論であるが、図３と図４との比較の類推で、（３）式が成立する。
【００３０】
更に、ｎの値が大きいとき、
【数１７】
2010045748.tif 000019
の場合の近似式を求めてみる。目的は、隅モードの電気長を奇モードの電気長に近づけることであるので、
【数１８】
2010045748.tif 000020
の条件を（３）式及び（１７）式の条件下で求める。
【００３１】
もともと図３のインダクタンス及びキャパシタタンスの線量は、図４でも保存されなければならないので、ｎが偶数の場合を試みる。この場合、ｎが小さいときは、左右の対称性が崩れるが、ｎが大きいときは、その影響はなくなる。そこで、（１８）式の条件は、次式の如く容易に求まる。
【数１９】
2010045748.tif 000021
【００３２】
故に、（１８）式の条件を求めると、
【数２０】
2010045748.tif 000022
となり、ξ＞１の条件を用いると、（４）式が得られる。なお、図３で類推したξ’の値を図４で解析してみると、（４）式の値になる。因みに、ξ’の値がほぼ１である場合には、ξ’の値はξの値にほぼ等しくなる。
【００３３】
なお、εr,od／εr,ev＝１．３９という条件下で、３ｄＢ方向性結合器のステップインピーダンスＺ1，Ｚ2を（３）式及び（４）式に基づいて計算機シミュレーションすると、図５のグラフが得られる。このグラフは、一番上から順に、ｎが偶数のときのステップインピーダンスＺ1，ｎが奇数のときのステップインピーダンスＺ1，ｎが奇数のときのステップインピーダンスＺ2，ｎが隅数のときのステップインピーダンスＺ2を示している。例えば、ｎ＝３のときは、ステップインピーダンスＺ1＝１６３［Ω］，ステップインピーダンスＺ2＝９１［Ω］となる。
【実施例】
【００３４】
次に、ステップインピーダンスＺ1，Ｚ2を用いたアパーチャ結合構造を有する方向性結合器のシミュレーション結果について述べる。３ｄＢの方向性結合器では、Ｚo＝２０．６７６［Ω］であるから、図１の誘電体層３１，３２のそれぞれの厚みを０．５［ｍｍ］、比誘電率を２．１７とすると、導体線路４１，４２の幅Ｗ1＝４．９４５［ｍｍ］となる。分割数を、例えば、ｎ＝５にすると、ステップインピーダンスＺ1＝１８０［Ω］，ステップインピーダンスＺ2＝８１［Ω］になり、これらのステップインピーダンスＺ1，Ｚ2に対応するアパーチャ幅Ｗ2’，Ｗ2”をシミュレーションすると、Ｗ2’＝８．７［ｍｍ］，Ｗ2”＝５．２［ｍｍ］という計算結果が得られた。これらの数値を用いて、図１及び図２に示すアパーチャ結合構造の電気的特性を高周波３次元構造シミュレータ（Ａｎｓｏｆｔ社製ＨＦＳＳ）を用いて解析シミュレーションすると、中心周波数１［ＧＨｚ］でＳ11，Ｓ41ともに、０〜２．５［ＧＨｚ］の範囲で−２３ｄＢ以下、２．５［ＧＨｚ］以上で−２０ｄＢ以下の良好な特性が得られた。
【００３５】
本実施例に係わるアパーチャ結合構造を有する結合線路によれば、偶モードの位相速度Ｖr,evと、奇モードの位相速度Ｖr,odとを揃えることができるので、良好な広帯域アイソレーション特性及び整合を有する方向性結合器や、バランスに優れたフィルタなどの電子デバイスに応用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本実施形態に係わる結合線路の断面図である。
【図２】本実施形態に係わるアパーチャ部の平面図である。
【図３】本実施形態の原理を解析する際に用いられる集中定数回路図である。
【図４】本実施形態の原理を解析する際に用いられる分布定数回路図である。
【図５】分割数とステップインピーダンスとの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３７】
１０…結合線路  ２０…接地導体層  ２１…第一の主面  ２２…第二の主面  ２３…アパーチャ部  ３１…第一の誘電体層  ３２…第二の誘電体層  ４１…第一の導電体層  ４２…第二の導電体層
【図１】
2010045748.tif 000023
【図２】
2010045748.tif 000024
【図３】
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【図４】
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【図５】
2010045748.tif 000027