(57)【要約】【課題】大きな回路面積を必要とせずに十分な結合度を有するとともに、他の高周波回路や制御回路等との多層化が容易な多層方向性結合器を得る。【解決手段】多層基板の異なる誘電体層に主線路及び副線路として一対のストリップ線路を形成し、これらのストリップ線路に挟まれたすべての導体層に、ストリップ線路の方向に沿ってλ／４離して２つの開口部を設ける。そして、各開口部の近傍において貫通接続導体により各導体層間を接続する。【選択図】  図１
2005033440.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ（ｎは３以上の整数）層の平行な導体層の間に（ｎ−１）層の誘電体層が配置された多層基板の任意の誘電体層内に形成した第１のストリップ線路と、
この第１のストリップ線路を前記多層基板の積層方向に投影して前記ストリップ線路１を形成した誘電体層と異なる誘電体層内に対をなすように形成した第２のストリップ線路と、
前記ｎ層の導体層のうち前記第１のストリップ線路と前記第２のストリップ線路とに挟まれたすべての導体層の同じ位置に、前記第１のストリップ線路を前記多層基板の積層方向に投影してできる線路に沿って、互いに１／４波長離して形成した２つの開口部と、
この開口部の近傍に配置された前記ｎ層の導体層の各導体層間を接続する接続導体と
を具備したことを特徴とする多層方向性結合器。
【請求項２】
前記開口部の中心を、前記投影してできる線路の幅方向の中心からオフセットして形成したことを特徴とする請求項１に記載の多層方向性結合器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波回路に用いられる方向性結合器に係り、特に多層基板の層内に形成した伝送線路間を結合させた多層方向性結合器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
方向性結合器は、伝送線路を流れている電力のうち、一方向に進む電力にだけ比例した出力を、逆方向に進むものには関係なく取り出す回路素子であり、高周波数帯向けにはストリップ線路を用いて構成されたものがある（例えば特許文献１参照。）。この特許文献１に開示されている方向性結合器を図６に示す。
【０００３】
この図に示す方向性結合器は、誘電体基板１５の表面に、λ／４（λは誘電体基板内を伝搬する波長を表わす）の長さを有し導体幅ｗのストリップ線路１６及び１７が間隙ｇを介して対向して形成され、ストリップ線路１６及び１７の両端部が誘電体基板１の端部に引き出されている。また、誘電体基板１の側面には、ストリップ線路１６及び１７の両端部と接続する外部電極１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、及び１８ｄが形成され、誘電体基板１５の裏面にはグランド電極（図示せず）が形成されている。さらに、設計の自由度が広く広範囲な結合出力に対応させる目的で、２つのストリップ線路１６及び１７の間隙に凹部１５ａを形成し、この凹部１５ａ内に誘電体基板１５とは比誘電率の異なる誘電体を埋設している。
【０００４】
このように構成された方向性結合器においては、例えばストリップ線路１６を主線路としストリップ線路１７を副線路として、主線路の一方の電極１８ａから高周波信号を入力すると、入力された高周波信号は主線路の他端の電極１８ｂから出力されるとともに、その一部が電磁結合により副線路側に結合される。そして、結合された高周波信号は、副線路の一方の電極１８ｃに出力されるが、他方の電極１８ｄには出力されないという方向性を有している。
【０００５】
ところで、近年マイクロ波・ミリ波帯域の活用に伴い、これら帯域を含む高周波数帯を利用する装置においては、その小型化が重要な課題となっている。このため、例えば装置内に配置される高周波機能モジュールを、上記した方向性結合器のように分布定数線路を用いる複数の高周波回路で構成する場合には、多層基板の複数層にそれぞれ分布定数線路による高周波回路や伝送線路を形成し、層間に必要な接続を施すことにより、回路の占有面積を削減して小型化する技術が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００６】
この特許文献２に開示されている事例は、８層の多層基板からなるスイッチドライン型移相器であり、その各層は、第１層はマイクロストリップ線路と電気回路部品、第２層は接地電極、第３層にはストリップ線路を用いたバイアス回路、第４層は接地電極、第５層はストリップ線路を用いた基準位相回路及び位相ライン回路、第６層は接地電極、第７層はストリップ線路を用いた基準位相回路及び位相ライン回路、第８層は接地電極から構成され、さらに多層基板の厚み方向に形成したスルーホールにより必要な層間の接続を行なっている。そして、大きい面積を要するバイアス回路及び移相回路を多層化して高集積化し、小型化を実現している。
【０００７】
上述したような多層化によって例えば他の高周波回路や高周波素子とともに小型化された高周波モジュールに適用すべく、図６に示す方向性結合器を多層基板の内層に形成した従来の多層方向性結合器の一例を図７に示す。図７（ａ）は平面図、図７（ｂ）はＡ−Ａの断面図である。この事例では、３層の接地導体の間に２層の誘電体層が配置された構造の多層基板内に、方向性結合器が形成されている。ただし、所望の結合出力が得られているものとして凹部１５ａに相当する凹部は形成していない。
【０００８】
図７において、第１の接地導体２１、第１の誘電体層２２、第２の接地導体２３、第２の誘電体層２４、及び第３の接地導体２５は、順次積層されて多層基板を構成している。第１の誘電体層２２の内部には図６と同様の２つのストリップ線路２６及び２７により、方向性結合器が形成されている。第２の誘電体層２４の内部には、伝送線路としてのストリップ線路２８及び２９が形成されている。
【０００９】
また、ストリップ線路２７の両端部は、それぞれ接続導体３０ａ及び３０ｂにより、層間を跨ってストリップ線路２８及び２９に最短距離で接続されている。ここで、接続導体３０ａ及び３０ｂと第２の接地導体２３との短絡を防ぐため、接続導体３０ａ及び３０ｂの周囲の接地導体２３は除去され、導体除去部３１ａ及び３１ｂが形成されている。
【００１０】
さらに、接続導体３０ａ及び３０ｂの周囲の複数箇所において、第１の接地導体２１と第２の接地導体２３とを接続導体３２ａ〜３２ｆにより接続し、第２の接地導体２３と第３の接地導体２５とを接続導体３３ａ〜３３ｊにより接続している。
【００１１】
このように構成した従来の多層方向性結合器においては、例えばストリップ線路２６を主線路としストリップ線路２７を副線路として、主線路であるストリップ線路２６の一方の端部２６ａから高周波信号を入力すると、入力された高周波信号はその他方の端部２６ｂから出力されるとともに、その一部が電磁結合により副線路側に結合される。そして、結合された高周波信号は、副線路であるストリップ線路２７の一方の端部２７ａに現れ、接続導体３０ａ及びストリップ線路２８を経由してその端部２８ａに出力される。すなわち、端部２８ａは高周波信号に対するカップリング端子となっている。
【００１２】
一方、ストリップ線路２７の他方の端部２７ｂには高周波信号は現れず、接続導体３０ｂ及びストリップ線路２９を経由した端部２９ａにも信号は出力されない。すなわち、端部２９ａは高周波信号に対するアイソレーション端子となっている。
【００１３】
【特許文献１】
特開平７−３３６１１７号公報（第４頁、図１）
【００１４】
【特許文献２】
特開平１０−１６３７０３号公報（第６頁、図５）
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の多層方向性結合器では、λ／４長のストリップ線路を必要とし、しかも線路の両端を折り曲げたコの字型の形状をしているため、回路面積を縮小することが難しく、線路配置上の制約を生じていた。加えて、これら線路の加工上の限界により、その結合度の範囲も制約されていた。
【００１６】
また、接続導体３０ａ〜３０ｂ、３２ａ〜３２ｆ、及び３３ａ〜３３ｊを形成するには、製造工程においてインナービアホール加工を必要とするため、加工費用が増大するとともに、層内に多数のビアホールを形成した場合には、多層化の際に各層の重ね合わせの精度が維持できず、接続導体の品質や信頼性に影響を及ぼしていた。
【００１７】
さらに、接地導体２１、２３、及び２５は、各誘電体層２２及び２４の上下に配置されてこれら誘電体層内に形成されたストリップ線路の接地側導体となっているが、接地導体２３はこれら２つの誘電体層で共用されている。このため、他の高周波回路や制御回路等とともに集積化を行なうなど、層数を増やす場合においては、誘電体層２２と誘電体層２４との間に新たな誘電体層及び接地導体を配置することは層間接続を複雑にすることになる。従って、中間に新たな層を配置することが難しく、多層化の際にも制約となっていた。
【００１８】
本発明は、上述の事情を考慮してなされたものであり、大きな回路面積を必要とせずに十分な結合度を有するとともに、他の高周波回路や制御回路等との多層化が容易な多層方向性結合器を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、第１の発明の多層方向性結合器は、ｎ（ｎは３以上の整数）層の平行な導体層の間に（ｎ−１）層の誘電体層が配置された多層基板の任意の誘電体層内に形成した第１のストリップ線路と、この第１のストリップ線路を前記多層基板の積層方向に投影して前記ストリップ線路１を形成した誘電体層と異なる誘電体層内に対をなすように形成した第２のストリップ線路と、前記ｎ層の導体層のうち前記第１のストリップ線路と前記第２のストリップ線路とに挟まれたすべての導体層の同じ位置に、前記第１のストリップ線路を前記多層基板の積層方向に投影してできる線路に沿って、互いに１／４波長離して形成した２つの開口部と、この開口部の近傍に配置された前記ｎ層の導体層の各導体層間を接続する接続導体とを具備したことを特徴とする。
【００２０】
また、第２の発明の多層方向性結合器は、前記開口部の中心を、前記投影してできる線路の幅方向の中心からオフセットして形成したことを特徴とする。
【００２１】
本発明によれば、大きな回路面積を必要とせずに十分な結合度を有するとともに、他の高周波回路や制御回路等との多層化が容易な多層方向性結合器を得ることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る多層方向性結合器の実施の形態を、図１乃至図５を参照して説明する。
【００２３】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明に係る多層方向性結合器の第１の実施の形態を示す分解斜視図である。また、図２及び図３は、それぞれ図１のＢ−Ｂ及びＣ−Ｃに沿った断面図である。本実施の形態においてはｎ＝４として、４層の平行な導体層の間に３層の誘電体層が配置された多層基板としている。
【００２４】
図１乃至図３において、第１の導体層２、第１の誘電体層３、第２の導体層４、第２の誘電体層５、第３の導体層６、第３の誘電体層７、及び第４の誘電体層８は、順次積層されて多層基板１を構成し、第１〜第４の導体層２、４、６、及び８は接地されている。第１の誘電体層３内には、第１のストリップ線路９が直線状に形成されている。この第１のストリップ線路９を多層基板１の積層方向に投影して対をなすように、第３の誘電体７内に第２のストリップ線路１０が形成されている。
【００２５】
また、第１のストリップ線路９と第２のストリップ線路１０とに挟まれた導体層である第２の導体層４及び第３の導体層６には、開口部１１ａ及び開口部１１ｂからなる第１の開口部１１が、また開口部１２ａ及び開口部１２ｂからなる第２の開口部１２が形成されている。第２の導体層４に設けられた開口部１１ａ及び１２ａは、第１のストリップ線路９を第２の導体層４に投影してできる線路に沿って互いにλ／４離れた位置に形成されており、本実施の形態ではその形状は線路と直角の方向に長いスリット状の方形とし、その中心線は線路の幅の中心線と一致させている。第３の導体層６の開口部１１ｂ及び１２ｂも、それぞれ前記した開口部１１ａ及び１２ａと同じ位置及び形状で形成されている。
【００２６】
さらに、第１の開口部１１及び第２の開口部１２の近傍で、貫通接続導体１３により第１〜第４の各導体層２、４、６、及び８の層間を貫通して接続している。本実施の形態では、開口部１１の近傍に３本の貫通接続導体１３ａ、１３ｂ、及び１３ｃを、また開口部１２の近傍にも３本の貫通接続導体１３ｄ、１３ｅ、及び１３ｆを配置して各導体層２、４、６、及び８間を接続している。
【００２７】
上述のように構成した多層方向性結合器において、例えばストリップ線路９を主線路としストリップ線路１０を副線路として、ストリップ線路９の一方の端部９ａから高周波信号を入力すると、入力された高周波信号は主線路であるストリップ線路９の他方の端部９ｂから出力されるとともに、その信号の一部が線路に沿って多層基板１内に形成された開口部１１及び１２を通して電磁結合により副線路であるストリップ線路１０に結合される。その結合度は、開口部１１及び１２の大きさに依存し、開口部を大きくすると結合度が増加する。また、貫通接続導体１３により開口部１１及び１２の近傍における各導体層２、４、６、及び８の高周波的な電位を等しくして、安定した結合を得ている。
【００２８】
開口部１１及び１２を通して結合された高周波信号は、ストリップ線路１０の両端１０ａ及び１０ｂの両方向に伝搬していく。ここで、ストリップ線路１０の端部１０ａ及び１０ｂは、それぞれストリップ線路９の端部９ａ及び９ｂと同じ側に位置する端部である。
【００２９】
このとき、開口部１１を通ってストリップ線路１０の端部１０ａに向かって伝搬していく高周波信号と、開口部１２を通って同じくストリップ線路１０の端部１０ａに向かって伝搬していく高周波信号とは、互いに逆位相となるため打ち消し合うため、ストリップ線路１０の端部１０ａには高周波信号は出力されない。すなわち、この端部１０ａはアイソレーション端子となる。
【００３０】
一方、開口部１１を通ってストリップ線路１０の端部１０ｂに向かって伝搬していく高周波信号と、開口部１２を通って同じくストリップ線路１０の端部１０ｂに向かって伝搬していく高周波信号とは、互いに同位相となって合成されるため、ストリップ線路１０の端部１０ｂには結合された高周波信号が出力される。すなわち、この端部１０ｂはカップリング端子となる。
【００３１】
これに対して、主線路であるストリップ線路９の他方の端部９ｂから高周波信号を入力した場合には、副線路であるストリップ線路１０の端部１０ａがカップリング端子となり、端部１０ｂがアイソレーション端子となる。
【００３２】
以上説明したように、本発明の第１の実施の形態においては、多層基板１の異なる誘電体層３及び７に主線路及び副線路として一対のストリップ線路９及び１０を形成し、これらのストリップ線路に挟まれた導体層４及び６にλ／４離して２つの開口部１１及び１２を設けている。これにより、主線路と副線路が基板の積層方向に配置されるため大きな回路面積を必要とせず、加えて、高周波モジュール等を構成する場合には、主線路を他の高周波回路間を接続するための伝送線路として共用することで、高周波モジュールの小型化が可能である。
【００３３】
また、結合度は、主線路と副線路が並行しているため、２つの開口部１１及び１２の開口面積を大きくすることで容易に十分な結合度を得ることができるとともに、貫通接続導体１３により開口部１１及び１２の近傍における各導体層２、４、６、及び８の高周波的な電位を安定させ、良好な結合を得ている。
【００３４】
さらに、より多層化する場合においても、主線路と副線路とに挟まれたすべての導体層に開口部１１及び１２を形成した構造とすればよく、インナービアホールを使うことなく多層化が容易であるとともに、これら中間の導体層には例えば高周波回路や制御回路等を形成することができる。そして、このように他の回路等と一体に多層化した場合にも、貫通接続導体１３により他の回路等との不要な電磁的な結合を防止することができる。
【００３５】
（第２の実施の形態）
図４は、本発明に係る多層方向性結合器の第２の実施の形態を示す断面図である。この第２の実施の形態の各部について、図２の第１の実施の形態の断面図における各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この第２の実施の形態が第１の実施の形態と異なる点は、第１の開口部１１及び第２の開口部１２の位置を、それらの中心線がストリップ線路９の中心線からその幅方向にオフセットした位置とした点である。以下、この第２の実施の形態について、図４の断面図を参照して説明する。
【００３６】
多層基板１は、第１〜第４の導体層２、４、６、及び８の間に第１〜第３の誘電体層３、５、及び７を順次積層して構成され、第１の誘電体層３内には第１のストリップ線路９が、第３の誘電体層７内には第２のストリップ線路１０が、互いに対をなすように形成されている。
【００３７】
また、第１のストリップ線路９及び第２のストリップ線路１０とで挟まれた第２及び第３の導体層４及び６には、第１の開口部１１を構成する開口部１１ａ及び１１ｂ、ならびに第２の開口部１２（図示せず）がλ／４の間隔で形成されている。本実施の形態においては、これら２つの開口部１１及び１２の位置を、それらの中心線がストリップ線路９の線路幅方向の中心線から距離Ｌ１だけ、線路幅方向にオフセットしている。そして、貫通接続導体１３ａ〜１３ｃ及び１３ｄ〜１３ｆにより、それぞれ開口部１１及び１２の近傍で第１〜第４の各導体層２、４、６、及び８の層間を貫通して接続している。
【００３８】
上述のように構成した多層方向性結合器においても、ストリップ線路９を主線路としストリップ線路１０を副線路としてストリップ線路９の一方の端部から高周波信号を入力すると、入力された高周波信号はこのストリップ線路９の他方の端部から出力されるとともに、高周波信号の一部が開口部１１及び１２を通して電磁結合により副線路であるストリップ線路１０に結合される。そして、ストリップ線路１０の両端部は、ストリップ線路９を伝搬する高周波信号の方向によって、いずれか一方の端部がこの高周波信号に対するカップリング端子として、また他方がアイソレーション端子として動作する。
【００３９】
図５は、本実施の形態による多層方向性結合器の特性の一例を示すグラフである。この事例においては、多層基板は４層の平行な導体層の間に３層の誘電体層が配置された構造とし、誘電体の比誘電率は３．６、開口部の大きさは０．０９λＸ０．０３λ、オフセットの距離Ｌ１は０．０３λとしている。そして、中心周波数ｆ０で正規化された周波数に対する結合量、すなわちカップリング端子からの出力、及び反射損失、すなわちアイソレーション端子からの出力をグラフ化して示している。図５から、この多層方向性結合器は、中心周波数において約−２４ｄＢの結合量、及び約−５０ｄＢの反射損失を有していることがわかる。
【００４０】
この第２の実施の形態においては、第１の実施の形態と同様の効果に加え、次に示す効果を得ることができる。すなわち、２つの開口部１１及び１２を、それらの中心線がストリップ線路９の線路幅方向の中心線から距離Ｌ１だけ、線路幅方向にオフセットした位置に形成している。これにより、これらストリップ線路を挟む導体層の連続性を高めることができ、開口部１１及び１２付近におけるストリップ線路９及び１０の特性インピーダンスの乱れを抑えることができる。従って、高周波モジュール等を構成して主線路を他の高周波回路間を接続するための伝送線路とする場合においても、これらのストリップ線路を良好な伝送線路として共用することができ、高周波モジュール等の小型化が可能である。
【００４１】
また、距離Ｌ１を変えることにより、開口部の形状は同一のまま、ストリップ線路９とストリップ線路１０との間の電磁的な結合度を容易に変えることができる。
【００４２】
なお、以上説明した第１及び第２の実施の形態においては、開口部１１及び１２の形状は方形としたが、円形や楕円形等、他の形状としてもよい。また、ストリップ線路９を高周波信号が伝搬する主線路とし、ストリップ線路１０を結合された高周波信号が伝搬する副線路としたが、これらを入れ替えてもよい。
【００４３】
さらに、ストリップ線路９及び１０は、並行して直線状に形成したが、これらは並行であれば折り曲げ部を設けたり、あるいは曲線状としても、同様の効果を得ることができる。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば、大きな回路面積を必要とせずに十分な結合度を有するとともに、他の高周波回路や制御回路等との多層化が容易な多層方向性結合器を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る多層方向性結合器の第１の実施の形態を示す分解斜視図。
【図２】図１の分解斜視図におけるＢ−Ｂに沿った断面図。
【図３】図１の分解斜視図におけるＣ−Ｃに沿った断面図。
【図４】本発明に係る多層方向性結合器の第２の実施の形態を示す断面図。
【図５】第２の実施の形態による多層方向性結合器の特性の一例を示すグラフ。
【図６】ストリップ線路を用いて構成された方向性結合器の一例を示す平面図。
【図７】従来の多層方向性結合器の一例を示す図。
【符号の説明】
１  多層基板
２、４、６、８  導体層
３、５、７、２２、２４  誘電体層
９、１０、１６、１７、２６、２７、２８、２９  ストリップ線路
１１、１２  開口部
１３  貫通接続導体
１５  誘電体基板
１８  外部電極
２１、２３、２５  接地導体
３０、３２、３３  接続導体
３１  導体除去部
【図１】
2005033440.tif 000003
【図２】
2005033440.tif 000004
【図３】
2005033440.tif 000005
【図４】
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【図５】
2005033440.tif 000007
【図６】
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【図７】
2005033440.tif 000009