(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の絶縁体層を積層した積層体構造を有し、
積層方向と直交する面に延在し伝送路用導体で構成される主線路と、前記主線路上に設けられる絶縁体層を介して積層方向と直交する面に延在し伝送路用導体で構成される副線路と、を有する伝送路形成部と、
前記伝送路形成部の前記主線路及び前記副線路上に配置される絶縁体層を介して積層方向と直交する面に延在し前記伝送路形成部を挟むように設けられたグランド用導体とを備えた方向性結合器であって、
前記グランド用導体どうしは絶縁体層に設けられたビアホールを介して接続され、
前記伝送路形成部の前記主線路側に設けられた前記グランド用導体は、積層方向に対して前記主線路との間隔が小さい第１導体と、前記第１導体の主線路側の面と対向する側の面に配置される絶縁体層介して設けられ、前記主線路との前記間隔が大きい第２導体とを有し、
前記第１導体と前記第２導体とは絶縁体層に設けられたビアホールを介して接続され、
前記第１導体は前記主線路及び前記副線路が積層方向に重なる一部の領域に導体が設けられておらず、前記第２導体が前記一部の領域を覆って前記第１導体と重なるグランド用導体構造としたことを特徴とする方向性結合器。
【請求項２】
請求項１に記載の方向性結合器であって、
前記第２導体は、前記積層体構造の表面に設けられたことを特徴とする方向性結合器。
【請求項３】
請求項２に記載の方向性結合器であって、
前記表面に、前記第２導体とともに、前記第１導体と接続されたグランド端子と、前記伝送路用導体と接続された信号端子を備えたことを特徴とする方向性結合器。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の方向性結合器であって、
前記主線路は、その全長が前記副線路の全長よりも長く、コイル状に構成されたことを特徴とする方向性結合器。
【請求項５】
請求項４に記載の方向性結合器であって、
コイル状に形成した前記主線路の一端側を構成する前記伝送路用導体と、前記副線路となる伝送路を構成する前記伝送路用導体とを対向させたことを特徴とする方向性結合器。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の方向性結合器であって、
前記主線路側の前記第２導体は、前記主線路と前記主線路側の第２導体との間に電界が生じる位置に設けられていることを特徴とする方向性結合器。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の方向性結合器であって、前記副線路側の前記グランド用導体は、積層方向に対して前記副線路との間隔が小さい第１導体と、前記第１導体の副線路側の面と対向する側の面に配置される絶縁体層を介して設けられ、前記副線路との前記間隔が大きい第２導体とでなる前記グランド用導体構造で構成されたことを特徴とする方向性結合器。
【請求項８】
請求項７に記載の方向性結合器であって、
前記副線路側の前記第２導体は、前記副線路と前記副線路側の第２導体との間に電界が生じる位置に設けられていることを特徴とする方向性結合器。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれかに記載の方向性結合器を用いたモジュールであって、
前記伝送路形成部を少なくとも２組備え、２組の前記伝送路形成部に対向する前記グランド用導体のうち、少なくとも第１導体を共通としたことを特徴とするモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導体パターンが形成された複数の絶縁体層を積層してなり、前記導体パターンによって形成された伝送路を用いて構成された方向性結合器とそれを用いたモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話等の無線通信装置が急速に普及し、その小型化、薄型化、軽量化などの動向を反映して、方向性結合器には優れた電気的特性と共に小型化が要求されており、後述する積層型の方向性結合器では、８００ＭＨｚ帯用で、外形寸法が１．０ｍｍ×０．５ｍｍ×０．４ｍｍ程度まで小型化が進んでいる。
【０００３】
図１１は方向性結合器の等価回路の一例であって、（ａ）は分布定数回路として表した等価回路である。方向性結合器は、一方の伝送路（主線路）に流れる信号を他方の伝送路（副線路）へ分配するのに用いられる。各伝送路ＳＬ１、ＳＬ２の両端は、所定の特性インピーダンスＺｏで終端される。その動作周波数は通常、構成する伝送路ＳＬ１、ＳＬ２の長さで定まり、伝送路ＳＬ１、ＳＬ２を支持する媒体（絶縁物）が有する誘電率、透磁率に応じた波長短縮に応じて決まり、実質的にその実効長は１／４λ（λ；波長）の長さに設定される。
【０００４】
この様な方向性結合器の等価回路は集中定数回路で表すことも出来る。図１１（ａ）に示された伝送路ＳＬ１と伝送路ＳＬ２が有するインダクタンスを、それぞれコイルＬ１、Ｌ２とし、伝送路ＳＬ１と伝送路ＳＬ２との間の静電容量をコンデンサＣｓとし、伝送路ＳＬ１とグランドとの間の静電容量をコンデンサＣｇ１とし、伝送路ＳＬ２とグランドとの間の静電容量をコンデンサＣｇ２として置き換えると図１１（ｂ）の等価回路となる。
【０００５】
図１２（ａ）は一般的な方向性結合器の構成例を示す平面図であり、図１２（ｂ）はそのＡ−Ａ’断面図である。図１２に示した方向性結合器は、伝送路をマイクロストリップ構造で構成したものである。２本の伝送路１０１、１０２で構成され、それらが絶縁物１１０上に互いに平行に配置されるとともに、グランド面１０３とも平行に配置された、端子Ｐ１〜Ｐ４を備える対称４端子回路である。
【０００６】
伝送路１０１を、高周波信号が通過する主線路ＳＬ１とし、伝送路１０２を、高周波信号の一部を分配する副線路ＳＬ２とすると、主線路ＳＬ１と副線路ＳＬ２との電界結合と磁界結合とによって、主線路ＳＬ１に入力した高周波信号は副線路ＳＬ２に伝搬される。伝送路１０１の端子Ｐ１を高周波信号の入力端子とすると、端子Ｐ２は出力端子となる。伝送路１０２の端子Ｐ３は、主線路ＳＬ１と副線路ＳＬ２との結合に応じた高周波信号が出力するカップリング端子となり、端子Ｐ２と位相が９０°ずれて高周波信号が現れる。端子Ｐ４はアイソレーション端子であって、端子Ｐ４に現れる高周波信号は位相が更に９０°ずれる。伝送路を理想的な差動伝送路として見れば、端子Ｐ４に現れる位相が１８０°ずれた高周波信号となり、端子Ｐ２に現れる高周波信号と打ち消し合うので、理想的にはＰ４には高周波信号は現れない。
【０００７】
このような方向性結合器の特性は、偶モードの特性インピーダンスＺ１ｅと奇モードの特性インピーダンスＺ１ｏによって説明される。伝送路１０１、１０２が均質な媒体に設けられたとすると、各モードの特性インピーダンスは次式で表される。
Ｚ１ｅ＝（ε×μ）１／２／Ｃｇ  ・・・（１）
Ｚ１ｏ＝（ε×μ）１／２／（Ｃｇ＋Ｃｓ）    ・・・（２）
ε：媒体の誘電率  μ：媒体の透磁率
Ｃｇ：伝送路１０１、１０２とグランド面１０３との間の静電容量
Ｃｓ：伝送路１０１と伝送路１０２との間の静電容量
【０００８】
伝送路１０１、１０２が均質な媒体１１０に設けられ、偶モードでの電気長と、奇モードでの電気長とが等しいとし、終端インピーダンスＺｏをＺｏ＝（Ｚ１ｅ×Ｚ１ｏ）１／２とすると、各端子でのインピーダンス整合条件から、伝送路１０１と伝送路１０２との結合度Ｋは次式で表される。
Ｋ＝−２０×ｌｏｇ１０｛（Ｚ１ｅ−Ｚ１ｏ）／（Ｚ１ｅ＋Ｚ１ｏ）｝    （ｄＢ）  ・・・（３）
【０００９】
式（１）〜（３）から、結合度ＫはＣｇ、Ｃｓにより次式で表される。
Ｋ＝−２０×ｌｏｇ１０｛Ｃｓ／（Ｃｇ＋Ｃｓ）｝    （ｄＢ）  ・・・（４）
【００１０】
式（４）から、大きな結合度Ｋを得ようとすれば、伝送路１０１、１０２とグランド面１０３との間の静電容量Ｃｇを小さく、伝送路１０１と伝送路１０２との間の静電容量Ｃｓを大きくすれば良いことが分かる。
【００１１】
また、方向性結合器の高周波特性を表す散乱行列（Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ  Ｍａｔｒｉｘ）パラメータ（Ｓパラメータ）である反射係数Ｓ１１、減衰係数Ｓ２１、結合係数Ｓ３１、アイソレーション係数Ｓ４１は、偶モードの反射係数Ｓ１１ｅ、減衰係数Ｓ２１ｅ、奇モードの反射係数Ｓ１１ｏ、減衰係数Ｓ２１  ｏによって次式で表される。
Ｓ１１＝（Ｓ１１ｅ＋Ｓ１１ｏ）／２  ・・・（５）
Ｓ２１＝（Ｓ２１ｅ＋Ｓ２１ｏ）／２  ・・・（６）
Ｓ３１＝（Ｓ１１ｅ−Ｓ１１ｏ）／２  ・・・（７）
Ｓ４１＝（Ｓ２１ｅ−Ｓ２１ｏ）／２  ・・・（８）
【００１２】
方向性結合器の方向性Ｄは式（７）（８）からＳパラメータで次式にて表される。
Ｄ＝２０×ｌｏｇ１０（｜Ｓ３１｜）−２０×ｌｏｇ１０（｜Ｓ４１｜）  （ｄＢ）  ・・・（９）
【００１３】
式（９）から大きな方向性Ｄを得るには、結合係数Ｓ３１を大きく、アイソレーション係数Ｓ４１を小さくすれば良いことが分かる。
【００１４】
図１２に示した方向性結合器は伝送路を一面に並べて対向させた構成で、エッジ結合型と呼ばれる。他に伝送路を重ねて構成した、ブロードサイド結合型構造の方向性結合器も広く用いられている。ブロードサイド結合型構造の方向性結合器もエッジ結合型の方向性結合器と同様に、整合条件や結合度等について、前述の説明を適用することが出来る。
【００１５】
図１３は特許文献１に開示されたブロードサイド結合型構造の方向性結合器の外観斜視図である。図１４はその内部構造を示す分解斜視図である。方向性結合器４００は伝送路を積層体内に構成したものである。積層体内に導体パターンで形成された伝送路用導体４３２と伝送路用導体４３１とが積層方向に間隔をもって重ねられて配置されている。その側面には各伝送路用導体と繋がる端子電極４５０が設けられている。この様な積層型の方向性結合器はエッジ結合型の方向性結合器と比べて電磁界の漏れが少なくて電気的特性に優れ、また小型化に有利な構造であるので、無線通信装置等に広く用いられるようになっている。
【００１６】
この方向性結合器４００は、導体パターンが設けられたセラミックグリーンシートを積層し焼成して作製される。積層された複数のセラミックグリーンシートは焼成後に一体となる。図１４では一体構造体である方向性結合器４００を、便宜上、導体パターンが設けられたセラミックグリーンシートに対応する絶縁体層４１１〜４１５に分解して示している。
【００１７】
絶縁体層４１２には、伝送路（副線路）ＳＬ２を構成するＵ字状の伝送路用導体４３１と、その両端を側面の端子電極４５０に繋ぐ引出導体４３３が形成されている。絶縁体層４１３には導体パターンで伝送路（主線路）ＳＬ１を構成するＵ字状の伝送路用導体４３２と、その両端を側面の端子電極４５０に繋ぐ引出導体４３４が形成されている。伝送路用導体４３１と伝送路用導体４３２とは絶縁体層４１３を介して重なり電磁界結合する。更に、導体パターンからなるグランド用導体４２１、４２２を形成した絶縁体層４１１、４１４が、伝送路用導体４３１と伝送路用導体４３２とを挟む状態で、所定の間隔をもって積層されている。この様な構成によって、伝送路がシールドされ、外部からのノイズが方向性結合器内部へ侵入して高周波信号に重畳したり、方向性結合器４００からノイズが外部へ漏洩しないようにしている。更に絶縁体層４１４の上側にはグランド用導体４２２を覆う絶縁体層４１５が重ねられる。
【００１８】
ブロードサイド結合型構造の方向性結合器においても一層の小型化が求められている。方向性結合器の小型・低背化を考える上では、如何に限られた空間の中で所望の電気的な特性を得ながら、どの様に導体パターンを構成するのかが課題となる。方向性結合器を低背化しようとして、単純に伝送路とグランド用導体との間隔を狭めると、静電容量が増加して特性インピーダンスが低下し、終端インピーダンスとの差が大きくなってインピーダンスの不整合を招いてしまう。
【００１９】
特性インピーダンスの調整は、伝送路を構成する伝送路用導体を支持する媒体（絶縁体）の誘電率、透磁率の選択や、伝送路を構成する伝送路用導体とグランド面との間隔、あるいは伝送路を構成する伝送路用導体の幅の調整で行う。しかしながら、工業的に提供されている媒体の選択肢は限られ、また、限られた空間の中で単純に伝送路用導体とグランド面との間隔を広げることは困難であって、伝送路を構成する伝送路用導体の幅を狭くすることで、特性インピーダンスの低下を抑えるようにするのが通常である。
【００２０】
しかしながら、伝送路用導体の狭幅化によって幾つかの問題が顕在化する。まず、伝送路用導体の幅を狭める程、その形成が困難となる。また、細線化するに従い伝送損失が増加する傾向があるとともに、通過する高周波信号の電力の程度にもよるが、伝送路用導体が破断する懸念もあり、耐電力の点でも問題がある。そのため、製造上・品質上・電気的特性の観点から伝送路用導体の細線化には限界があり、小型の方向性結合器においては、特性インピーダンスを終端インピーダンスよりも低く構成せざるを得ない場合があった。
【００２１】
この様なインピーダンスの不整合によって、反射係数Ｓ１１、減衰係数Ｓ２１の増加を招き、高周波信号の損失が増す問題があるとともに、終端インピーダンスよりも伝送路の特性インピーダンスが低いと、アイソレーションが大きくなって、方向性Ｄが劣化する問題があった。
【００２２】
アイソレーションの増加は、偶モード動作時の位相が奇モード動作時の位相よりも早く進むことによる、位相のアンバランスによって生じることが知られている。また、偶モード動作では、奇モードよりも媒体への電界の集中度が小さくて、偶モードでの見かけの誘電率が奇モードの見かけの誘電率よりも小さく見えて、偶モードの位相が奇モードの位相よりも早く進んで位相差が生じる場合もある。このような位相差によって、偶モードの減衰係数Ｓ２１ｅと奇モードの減衰係数Ｓ２１ｏとに差が生じて、アイソレーション係数Ｓ４１が大きくなり方向性Ｄが劣化する。
【００２３】
また、伝送路に寄生するリアクタンス成分によっても方向性Ｄが劣化する同様な問題が生じる場合がある。
【００２４】
このようなインピーダンスの不整合に基づく方向性Ｄの劣化に対して、特許文献２の方向性結合器では、偶モード動作時の位相を遅らせることで奇モード動作時の位相との差を低減し、方向性を改善することを提案している。
【００２５】
図１５は特許文献２に開示された方向性結合器の内部構造を示す分解斜視図である。この方向性結合器も、絶縁体層５５１、５５２、５５３、５５４、５５５と導体パターン５０１、５０２、５１１、５１２とでなる積層体で構成される。絶縁体層５５３を介して積層方向に対向する導体パターンで伝送路用導体５０１、５０２を構成し、伝送路用導体５０１、５０２を積層方向に挟んで配置された導体パターンでグランド用導体５１１、５１２を構成する。グランド用導体５１１、５１２のそれぞれには、導体が除かれた削除部５２１、５２２が設けられている。
【００２６】
グランド用導体５２１、５２２の削除部５２１、５２２は、伝送路用導体５０１、５０２の結合部の真下に配置された開口であって、その寸法は、動作周波数の１／４λに対して十分に小さく、例えば、１／１０λ以下である。偶モード動作時にはグランド用導体５２１、５２２に流れる電流が前記開口を迂回するように流れ、開口が無い場合に対して位相を遅らせて偶モードの位相と奇モードの位相を近づけてアイソレーションを改善して方向性の劣化を抑えることが出来るとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２７】
【特許文献１】特開平５−１５２８１４号
【特許文献２】特開２０１４−１９２６９０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２８】
特許文献２の方向性結合器では、伝送路用導体と後述する電気壁の間隔を伝送路用導体とグランド用導体との間隔よりも近くなるように決定することで、奇モード動作において、伝送路用導体から生じる電気力線が、伝送路用導体と電気壁との間にのみ存在することになり、もって奇モードの位相が前記開口に影響されずに変わらないと記載されている。ここで伝送路用導体５０１、５０２の重なり方向の中間であって、伝送路用導体５０１、５０２と平行な面を完全導体である電気壁と仮定している。
【００２９】
しかしながら、前述の通り小型・低背の方向性結合器では、限られた空間の中に伝送路用導体をグランド用導体を近接して配置せざるを得ない。図１６は、グランド用導体に削除部を有する方向性結合器における電界分布を説明するための図である。方向性結合器が小型・低背となるほどに、奇モード動作時において伝送路用導体とグランド用導体との間に電界分布が生じない構成とするのは困難となる。この為、奇モード動作時においても位相が変化し、偶モードの位相と奇モードの位相が両方変化するので、位相差を減少するには試行錯誤が必要となる。
【００３０】
また、グランド用導体５１１、５１２の削除部５２１、５２２から、電界がグランド用導体の外側にまで分布し、媒体中に閉じ込めておくのが困難な場合があって、削除部５２１、５２２からノイズが外部へ漏洩したり、内部へ侵入する恐れがある。
【００３１】
また、伝送路用導体５０１、５０２の結合部には、グランド用導体５１１、５１２と重なる領域と、削除部５２１、５２２と重なる領域とがあり、それぞれの領域における特性インピーダンスが不連続に異なる、ステップインピーダンス線路となっている。伝送路用導体５０１、５０２の特性インピーダンスは、削除部５２１、５２２と重なる領域に大きく影響される。つまり、偶モードと奇モードの位相差とを抑えるように削除部５２１、５２２を調整することは、特性インピーダンスの変動を招くことに繋がり、伝送路用導体５０１、５０２の特性インピーダンスを考慮しながら位相差を抑えてアイソレーションを改善することは相当に困難である。
【００３２】
上述の通り、小型・低背の方向性結合器では、特性インピーダンスの低下を改善することが求められている。また終端インピーダンスとの不整合によるアイソレーションの増加を抑えて方向性が劣化を改善することも望まれている。
そこで本発明では、終端インピーダンスとの整合を改善し、小型でありながらマイクロストリップ線路の細線化を抑えて伝送損失の増加を防ぎ、アイソレーションを改善して方向性の劣化を抑えることが出来る方向性結合器とそれを用いたモジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３３】
本発明は、複数の絶縁体層を積層した積層体構造を有し、積層方向と直交する面に延在する伝送路用導体で構成された伝送路どうしが絶縁体層を介して積層方向に対向する伝送路形成部と、積層方向と直交する面に延在するとともに前記伝送路形成部を挟むグランド用導体とを備えた方向性結合器であって、前記グランド用導体どうしが絶縁体層に設けられたビアホールを介して接続され、その内の少なくとも一方が、積層方向に前記伝送路用導体との間隔が小さい第１導体と、前記第１導体と同じ側にあって前記間隔が大きい第２導体とを有し、前記第１導体と前記第２導体とは絶縁体層に設けられたビアホールを介して接続され、前記第１導体は前記伝送路と積層方向に重なる一部の領域に導体が設けられておらず、前記第２導体が前記一部の領域を覆って前記第１導体と重なるグランド用導体構造としたことを特徴とする方向性結合器である。
【００３４】
本発明の方向性結合器は、前記第２導体を前記積層体の積層方向の一方側の表面に設けるのが好ましい。更に前記表面に、前記第２導体とともに、前記第１導体と接続されたグランド端子と、前記伝送路と接続された信号端子を備えるのが好ましい。
【００３５】
本発明の方向性結合器は、前記表面側の伝送路を主線路とし、他方の伝送路を副線路とするのが好ましい。更に、一方の伝送路は、その全長が他方の伝送路の全長よりも長く、コイル状に構成するのが好ましく、更にコイル状に形成した伝送路を主線路とし、その一端側を構成する伝送路用導体と副線路となる伝送路を構成する伝送路用導体とを対向させるのが、より好ましい。
【００３６】
本発明の方向性結合器は、前記グランド用導体の両方を、第１導体と第２導体とでなる前記グランド用導体構造で構成するのが好ましい。
【００３７】
本発明の方向性結合器を用いたモジュールは、積層方向に絶縁体層を介して対向する伝送路を少なくとも２組備え、前記２組の伝送路に対向するグランド用導体のうち、少なくとも第１導体を共通とするのが好ましい。
【発明の効果】
【００３８】
本発明によれば、終端インピーダンスとの整合を改善し、小型でありながらマイクロストリップ線路の細線化を抑えて伝送損失の増加を防ぎ、結合度やアイソレーションを改善して方向性の劣化を抑えることが出来る方向性結合器を提供することが出来る。また、本本発明の方向性結合器を積層体に複数設けてモジュールとすることで、高周波回路の一層の小型化を図ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の一実施例に係る方向性結合器の外観斜視図である。
【図２】図１に示した方向性結合器の内部構造例を示す分解斜視図である。
【図３】図１に示した方向性結合器をＹ方向の中央部で切断したＸＺ断面図である。
【図４】本発明の一実施例に係る方向性結合器の電界分布を説明する為の図である。
【図５】方向性結合器のグランド用導体の第１導体に形成される開口部の形状例を説明する為の図である。
【図６】本発明の他の実施例に係る方向性結合器の内部構造を示す分解斜視図である。
【図７】図７に示した方向性結合器の等価回路を示す図である。
【図８】（ａ）モジュール化した方向性結合器の外観斜視図であり、（ｂ）その内部の回路配置を説明するための図である。
【図９】図８に示した方向性結合器の内部構造を示す分解斜視図である。
【図１０】図８に示した方向性結合器を用いて構成された携帯電話のフロントエンド部の構成を説明する為の図である。
【図１１】（ａ）一般的な方向性結合器の等価回路を分布定数回路で示す図であり、（ｂ）一般的な方向性結合器の等価回路を集中定数回路で示す図である。
【図１２】（ａ）従来の方向性結合器の構成を示す平面図であり、（ｂ）そのＡ−Ａ’断面を示す図である。
【図１３】他の従来の方向性結合器の外観斜視図である。
【図１４】図１３に示した方向性結合器の内部構造を説明する為の分解斜視図である。
【図１５】他の従来の方向性結合器の内部構造を説明する為の分解斜視図である。
【図１６】図１５に示した方向性結合器の偶モード動作時、奇モード動作時の、電界分布状態を説明する為の図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
以下、図面を用いて実施の形態を詳細に説明する。
（実施態様１）
図１は、本発明の一実施態様に係る方向性結合器の外観斜視図であり、図２はその内部構造を説明するための斜視図であり、図３はそのＸＺ断面図である。方向性結合器１０は複数の導体パターン（伝送路用導体、グランド用導体）１１、１２、２１、２２、２５、２６と絶縁体層Ｓ１〜Ｓ６とを積層して構成される。方向性結合器１０の積層方向に対向する主面の内の一方には、グランド用導体の一部である導体パターン２２と、端子電極（グランド端子５０、信号端子３１〜３４）が設けられている。なお、図の記載においては、発明の構成が分かり易いように、適宜省略、強調して示している。また、方向性結合器の等価回路は、図１１に示した一般的な等価回路と同じ構成である。
【００４１】
主線路ＳＬ１を構成する伝送路用導体１１と、副線路ＳＬ２を構成する伝送路用導体１２とが、絶縁体層Ｓ３を介して結合するように積層方向（図ではＺ方向）に対向して配置される。各伝送線路用導体１１、１２は、下側に配置されたグランド用導体２１、２２と、上側に配置されたグランド用導体２５、２６とに挟まれたストリップ線路構造となっている。グランド用導体２１、２２、２５、２６間は絶縁体層に設けられた複数のビアホールＧＨを介して接続されている。なお、上下とは、Ｚ方向における相対的な位置を表し、構造の説明を容易とするのに用いている。上下を逆に言い換えても発明の本質が変わることが無いことは、あらためて説明するまでも無い。
【００４２】
本発明の方向性結合器に用いたグランド用導体構造について、伝送路用導体１１の下側に位置するグランド用導体を用いてより詳しく説明する。グランド用導体は積層方向に異なる位置に設けられた二つの導体で構成されている。前記二つの導体は、それぞれ積層方向に伝送路用導体１１との間隔が小さい第１導体２１と、前記第１導体２１と同じ側にあって伝送路用導体１１との間隔が相対的に大きい第２導体２２である。図３には図示していないが図２から分かるように、第１導体２１と第２導体２２とが、絶縁体層Ｓ１のＹ方向の両端側に設けられたビアホールＧＨを介して接続されている。
【００４３】
第１導体２１には、積層方向に伝送路用導体１１と重なる領域に開口部１７（導体が形成されていない）が設けられている。第２導体２２は、開口部１７と積層方向に重なってその領域を覆うとともに、第１導体２１にも重なるように配置される。更に、第１導体２１は第２導体２２と同じ主面に設けられた端子電極の内のグランド端子５０とビアホールＧＨを介して接続される。この様な構成によれば、グランド用導体と伝送路用導体との間隔を広くできるので、伝送路の特性インピーダンスの低下を抑制することが出来る。
【００４４】
また、グランド用導体の第２導体２２を方向性結合器の一方の表面に端子電極とともに形成することで、第２導体２２を設けるのに必要な絶縁体層の増加を抑えることが出来る。そして、第２導体２２を端子電極とともに回路基板へ半田接続するなどして実装に用いることで、方向性結合器の固着強度を向上することが出来る。
【００４５】
伝送路用導体１２の上側に位置するグランド用導体も同様に、積層方向に異なる位置に設けられた二つの導体（第１導体２５、第２導体２６）で構成される。積層方向に伝送路用導体１２との間隔が小さい第１導体２５には、第１導体２１と同様な開口部１７が設けられている。伝送路用導体１２との間隔が第１導体２５よりも相対的に大きい第２導体２６は、第２導体２２よりもひとまわり大きく形成され、絶縁体層Ｓ５に設けられた４箇所のビアホールＧＨによって第１導体２５と接続する。絶縁体層Ｓ２〜Ｓ４にも同様にビアホールＧＨが設けられ、それ等が連結され、伝送路用導体１１、１２に対して上下に位置するグランド用導体どうしが接続する。伝送路用導体１１、１２がグランド用導体２１、２２、２５、２６よりシールドされるので、方向性結合器はノイズへの耐性を損うことが無い。
【００４６】
絶縁体層Ｓ２に設けられた伝送路用導体１１と、絶縁体層Ｓ３に設けられた伝送路用導体１２とは、それぞれＸ方向の中央部に位置しＹ方向に直線状に伸長するとともに、両端側がＸ方向に伸長して、アルファベットのＵ字状に形成されている。伝送路用導体１１、１２は、そのＹ方向に直線状に伸長する部分が絶縁体層Ｓ３を介して対向して重なって結合部を形成する。
【００４７】
伝送路用導体１１の両端部、絶縁体層Ｓ１、Ｓ２に設けられたビアホールＨＬを介して、下側の主面に形成された端子電極の内の信号端子３３、３４と接続する。伝送路用導体１２の両端部は絶縁体層Ｓ１〜Ｓ３に設けられたビアホールＨＬを介して、下側の主面に形成された端子電極の内の信号端子３１、３２と接続する。第１導体２１の外周側はビアホールＨＬと干渉しないように窪ませて形成されている。なお、ビアホールＧＨ、ＨＬに代えて、図１３等に示した従来の方向性結合器の様に、側面電極によって信号電極３１〜３４と接続しても良い。
【００４８】
本発明の方向性結合器に用いるグランド用導体構造では、伝送路用導体１１の少なくとも一部を、グランド用導体の第１導体２１に設けられた開口部１７を介して第２導体２２と対向させる。同様に、伝送路用導体１２の少なくとも一部をグランド用導体の第１導体２５に設けられた開口部１７を介して第２導体２６に対向させる。
【００４９】
このようなグランド用導体構造で構成された方向性結合器の偶モード動作時、奇モード動作時の電界分布を図４に示す。なお、図中、電気力線を矢印で模式的に示すが、その位置や本数等は分布を定量的に示すものではない。
【００５０】
伝送路用導体１１、１２の結合部と重なる開口部１７を通じて、伝送路用導体１１と第２導体２２との間と、伝送路用導体１２と第２導体２６との間に電界が生じる。この様な構成によれば、開口部１７と重なる領域の特性インピーダンスを他の部分よりも高くすることが出来て、伝送路の特性インピーダンスの低下を抑制することが出来る。
【００５１】
伝送路用導体１１、１２の幅を狭めること無く、伝送路の特性インピーダンスを終端インピーダンスＺｏに近づけることで、伝送損失の増加を抑制することが出来る。また、インピーダンスの整合が改善されることで、偶モードの位相と奇モードの位相差が少なくなってアイソレーションを改善して方向性の劣化を抑えることが出来る。更に、伝送路間の静電容量Ｃｓが減ずることなく、伝送路とグランド用導体との間の静電容量Ｃｇを小さく出来るので結合度Ｋが向上し、一層、方向性の劣化を抑えることが出来る。
【００５２】
また、一方の伝送路に対向するグランド用導体を積層方向に異なる位置に設けられた二つの導体で構成し、それ等をビアホールを介して電気的に接続するとともに、更に他方の伝送路と対向するグランド電極ともビアホールで接続する。この様なグランド用導体構造とすると、接続されたグランド用導体間にビアホールを介して電流が流れる為、小型・低背の方向性結合器であっても、奇モード動作の位相への影響を抑えながら、偶モード動作の位相を遅らせることが出来て、偶モードと奇モードとの位相差を小さくしてアイソレーションを改善し、方向性の劣化を抑えることが出来る。
【００５３】
なお、本発明においては、一方の伝送路に対向するグランド用導体だけを二つの導体で構成しても良い。
【００５４】
先に図示した例では第１導体２１、２５に設ける開口部１７を矩形状としているが、他の形状であっても構わない。第１導体に設ける開口部の他の構成例を図５に示す。図５（ａ）は開口部１７を、方向性結合器の長手方向（Ｙ方向）に導体を除いたスリットとして構成した例である。この場合、開口部１７の幅を変えることで、伝送路の特性インピーダンスや位相差を調整することが出来る。
【００５５】
図５（ｂ）は開口部１７の幅を不連続に形成し、幅広領域Ｗ１と幅狭領域Ｗ２を交互に設けたものである。図５（ｃ）は開口部１７を複数設けたものである。図５（ｄ）は開口部１７の長手方向の端部を徐々に狭めて構成したものである。図５（ｂ）〜（ｄ）では、開口部１７を不連続に形成することで、開口部１７の幅に加えて、長さや、数等に応じて特性インピーダンスや位相差を調整することが出来る。
【００５６】
伝送路用導体を支持する絶縁体層には、誘電体セラミックス、樹脂、樹脂とセラミックとの複合材等を用いることが出来る。本発明の方向性結合器は、公知の材料、工法を用いて作製し得るものであり、導体パターンや絶縁体層の材料、製造方法について限定されない。
【００５７】
例えば、誘電体セラミックスを用いる場合には、ＬＴＣＣ（低温同時焼成セラミック）技術や、ＨＴＣＣ（高温同時焼成セラミック）技術を用いれば良いし、樹脂材料等を用いたビルドアップ技術によっても作製可能である。
【００５８】
ＬＴＣＣ技術であれば、絶縁体層として、１０００℃以下の低温で焼結可能なセラミック誘電体を用いる。厚さ１０〜２００μｍの複数のセラミックグリーンシートとして、シートにＡｇやＣｕ等の導電ペーストを印刷して所定の導体パターンを形成し、これを積層し、一体的に焼結することにより作製することが出来る。セラミック誘電体としては、例えばＡｌ，Ｓｉ及びＳｒを主成分として、Ｔｉ，Ｂｉ，Ｃｕ，Ｍｎ，Ｎａ，Ｋ等を副成分とするセラミックス、Ａｌ，Ｍｇ，Ｓｉ及びＧｄを含むセラミックス、Ａｌ，Ｓｉ，Ｚｒ及びＭｇを含むセラミックス等が挙げられる。
【００５９】
（実施態様２）
図６は方向性結合器の他の構成を説明する為の分解斜視図である。図７（ａ）は図６の方向性結合器を分布定数回路で示した等価回路であり、図７（ｂ）は集中定数回路で示した等価回路である。この方向性結合器の構成について、実施態様１で示した方向性結合器と同じである部分の説明を省略しつつ、異なる部分を中心に以下に説明する。
【００６０】
絶縁体層Ｓ１の一方の面に設けられたグランド用導体の第１導体２１には、後述する伝送路に合わせた形状の開口部１７を備える。絶縁体層Ｓ１の他方の面には、端子電極３１〜３４ともに第２導体２２が形成され、ビアホールＧＨを介して第１導体２１と第２導体２２とが接続する。
【００６１】
絶縁体層Ｓ２〜Ｓ４には、１ターン未満の伝送路用導体１１−１〜１１−３が形成され、その端部をビアホールＨＬを介して接続して３ターン巻回するコイル状の伝送路を主線路としている。なお図６は例示であって、巻回数は方向性結合器として所望の特性を得るのに適宜設定され、例示の回数に限定されない。
【００６２】
絶縁体層Ｓ５には、１ターン未満の伝送路用導体１２が形成され、絶縁体層Ｓ５を介して絶縁体層Ｓ４に設けられた伝送路用導体１１−３と対向して配置する。伝送路用導体１２で構成される伝送路は副線路となる。絶縁体層Ｓ５の上層に配置される絶縁体層Ｓ６には、グランド用導体２６が配置される。なお、絶縁体層Ｓ５と絶縁体層Ｓ６との間には図示しない絶縁体層があって、グランド用導体２６と伝送路用導体１２との間隔を決める。図示しない絶縁体層はビアホールＧＨを備えるが、伝送路用導体やグランド用導体を有さない。グランド用導体２６は開口部を有さない第２導体と同じ形態であるので、図２で示した第２導体に付与した符号を付与して示した。そして上下のグランド用導体間は、ビアホールＧＨを介して電気的に接続されている。絶縁体層Ｓ６の上層にはグランド用導体２６を覆う絶縁体層Ｓ７が配置される。副線路は主線路と比べて扱う電力が小さいので、伝送路用導体の幅を狭くして特性インピーダンスの低下を抑えるのが主線路よりも容易であって、例示したように、開口部を有さないグランド用導体を用いて構成可能な場合もある。
【００６３】
図２で示したような、直線状の伝送路を用いた理想的な方向性結合器に近い構造では、対向する伝送路用導体がグランド用導体間において積層方向の中間部にあって、略対称に積層配置されていて設計し易い利点もあるが、一方では伝送路が直線状であるので小型が難しい構造でもある。そこで、図６で示した方向性結合器では伝送路をコイル状とする。コイル状の伝送路の自己インダクタンスは直線状の伝送路よりも大きくなるので、伝送路を短く出来て方向性結合器を小型化できる。伝送路のそれぞれをコイル状としても良い。
【００６４】
また、他の回路、例えば整合回路やフィルタ回路の機能を方向性結合器に複合する場合に、伝送路の自己インダクタンスを大きく形成する手段としてコイル状とするのは有効である。
【００６５】
図６に示した構造では、方向性結合器に整合回路を機能を持たせる様に、主線路の伝送路をコイル状として、副線路の伝送路と異なる長さに構成している。主線路の伝送路を構成する伝送路用導体１１−１〜１１−３間に分布する寄生容量によって、図７（ｂ）の等価回路に示すコンデンサＣｐが形成される。単純に、主線路と副線路のどちらかの伝送路の自己インダクタンスを相対的に大きくして行くと、アイソレーション特性が劣化する傾向があるが、開口部を有するグランド用導体構造の採用に加えて、グランド用導体間の各伝送路用導体の幅や巻径、あるいは積層方向の配置によって、コンデンサＣｓ、Ｃｇ１、Ｃｇ２、Ｃｐを調整することで特性インピーダンスの低下を抑え、アイソレーションを改善し、方向性の劣化を抑えることが出来る。
【００６６】
図示した例では、第１導体２１の開口部１７は、第１導体１１−１〜１１−３で構成され伝送路を積層方向に見て、重複する領域の略全体の導体が除かれている。この様な構成によって、一層、伝送路の自己インダクタンスを大きくすることが出来、また品質係数Ｑを増加させることが出来る。
【００６７】
（実施態様３）
図８（ａ）はモジュール化した方向性結合器の外観斜視図であり、（ｂ）はその内部の回路配置を説明するための図である。また、図９はその内部構造を説明するための分解斜視図である。このモジュールでは、積層体の内部に２つの方向性結合器とともに２つのローパスフィルタを複合している。
【００６８】
積層方向に見て４つ区画される領域には、領域Ａ１、Ａ２に方向性結合器が設けられ、領域Ｂ１、Ｂ２にはローパスフィルタが設けられる。積層体の上面には高周波スイッチ、積層体に実装されないリアクタンス素子、抵抗素子等が実装される。上面の実装部品は樹脂で封止したり、金属ケースを被せたりするなどして保護される。
【００６９】
モジュールに形成された方向性結合器の等価回路は図７で示した回路と同じとなる。その基本構成は既に説明した実施態様とほとんど同じだが、絶縁体層Ｓ１と絶縁体層Ｓ１０に形成されたグランド用導体を、２つの方向性結合器と２つのローパスフィルタとで共通としている点で相違する。方向性結合器を構成する２組の伝送路に対向するグランド用導体のうち、第１導体を共通としている。
【００７０】
絶縁体層Ｓ１と絶縁体層Ｓ１０に形成されたグランド用導体は、複数のビアホールで接続される。縦列するビアホール群によって、方向性結合器とローパスフィルタとの間を区画し、更に方向性結合器間を区画する。ビアホールの中には金属導体が充填されており、回路間をシールドして電磁気的な干渉を低減している。ビアホールの金属導体は密に充填された状態が好ましいが、電気的接続やシールド機能を阻害しない範囲であれば中空部分を有していても構わない。
【００７１】
積層方向の下側から順に層構成を説明する。絶縁体層Ｓ１の一方の面に設けられたグランド用導体の第１導体２１には、その上層に位置する伝送路に応じた形状の開口部１７ａ、１７ｂを備える。積層体の下面にあたる絶縁体層Ｓ１の他方の面であって、各開口部１７ａ、１７ｂの下部には、それを覆う４つの第２導体２２ａ、２２ｂが設けられており、第１導体２１と第２導体とがビアホール（図中黒丸で表示）を通じて電気的に接続されている。開口部１７ｂの上方には後述するローパスフィルタのコイルを構成する伝送路用導体が形成されている。
【００７２】
絶縁体層Ｓ２〜Ｓ４には、方向性結合器の主線路を構成する伝送路用導体１１−１〜１１−３が形成され、絶縁体層Ｓ３〜Ｓ５にはローパスフィルタのインダクタを構成する伝送路用導体が形成されている。絶縁体層Ｓ６には方向性結合器の副線路を構成する伝送路用導体１２が形成され、絶縁体層Ｓ６〜Ｓ９にはローパスフィルタのコンデンサを構成する導体が形成されている。
【００７３】
絶縁体層Ｓ１０に設けられたグランド用導体２６は、その下部に位置する方向性結合器やローパスフィルタと、積層体の上面に実装される部品との接続のために設けられたビアホールを囲むように導体が抜かれた領域を有する。誘電体層Ｓ１１、Ｓ１２には接続線路が形成されている。最上層の誘電体層Ｓ１３には、部品を実装するためのパッド等が形成されている。
【００７４】
図１０は無線通信装置のフロントエンド部の構成例を説明する為の図である。方向性結合器を含むモジュール２は、増幅器を含む高周波回路とアンテナとの間に配置される。積層体内の各方向性結合器ＣＬ１、ＣＬ２は、それぞれ一方がローパスフィルタＦ１、Ｆ２と接続し、他方が積層体に実装された双頭ｎ極の高周波スイッチＡＮＴ  Ｓ／Ｗと接続する。ローパスフィルタＦ１、Ｆ２は、一方が前記方向性結合器ＣＬ１、ＣＬ２と接続し、他方がアンテナＡＮＴ１、ＡＮＴ２と接続する。高周波スイッチＡＮＴ  Ｓ／Ｗは増幅器を含む高周波回路と接続するが、他の回路を介して接続する場合もある。
【００７５】
積層体の下面には、端子電極６０が第２導体２２ａ、２２ｂを囲むように形成されている。端子電極６０には、ローパスフィルタＦ１、Ｆ２等と接続する高周波信号用端子やグランド用端子、高周波スイッチＡＮＴ  Ｓ／Ｗを動作させる為の電源信号用端子等を含む。本実施態様では、下面の端子電極をＬＧＡ（Ｌａｎｄ  Ｇｒｉｄ  Ａｒｒａｙ）としているが、ＢＧＡ（Ｂａｌｌ  Ｇｒｉｄ  Ａｒｒａｙ）等も採用することが出来るし、積層体の側面に端子電極を設けた端子構造であっても良い。
【００７６】
この様な構成によって方向性結合器は、特性インピーダンスの低下を抑え、アイソレーションを改善し、方向性の劣化を抑えることが出来る。またモジュールとすることで、複数の回路を纏めて小型に構成することが出来て、無線通信装置のフロントエンド部の高周波回路を小型化に構成することが出来る。また、回路間の接続を短く出来て、信号損失を低減することが出来る。
【符号の説明】
【００７７】
２  モジュール
１０  方向性結合器
１１、１１−１、１１−２、１１−３  伝送路用導体
１２  伝送路用導体
１７  開口部
２１、２１ａ、２１ｂ、２２、２２ａ、２２ｂ、２５、２６  グランド用導体
ＨＬ、ＧＨ  ビアホール
Ｓ１〜Ｓ１２  絶縁体層
３１、３２、３３、３４  ５０、６０  端子電極
【図１】
0006315347.tif 000002
【図２】
0006315347.tif 000003
【図３】
0006315347.tif 000004
【図４】
0006315347.tif 000005
【図５】
0006315347.tif 000006
【図６】
0006315347.tif 000007
【図７】
0006315347.tif 000008
【図８】
0006315347.tif 000009
【図９】
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【図１０】
0006315347.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
0006315347.tif 000014
【図１４】
0006315347.tif 000015
【図１５】
0006315347.tif 000016
【図１６】
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