(57)【要約】【課題】  設計性に優れ、高集積化に向いた方向性結合器およびそれを用いた装置を提供する【解決手段】  図において１a〜dは共振器であって、それぞれの共振器には入出力端子2ａ〜dと4分の１波長線路3〜6が電磁界結合によって接続されている。この電磁界結合の量はフィルタ設計に用いる外部QをつかってQeo、QeA、QeBとしている。このように４つの入出力端子に共振器を接続し、これら４つの帯域通過フィルタを４分の１波長線路で結んだ回路が配線基板上あるいは導波管、誘電体ブロック等で構成されて、所期の方向性結合器の特性を呈する回路あるいは装置が得られる。【選択図】  図１
2005217867.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
４個の４分の１波長線路を組み合わせることによって機能する２分岐線路型方向性結合器において、その分岐部の少なくとも一箇所に共振器、もしくは共振器を複数個連ねることによって構成される帯域通過フィルタが配置されたことを特徴とする方向性結合器。
【請求項２】
４個の４分の１波長線路を組み合わせることによって機能する請求項１記載の２分岐線路型方向性結合器において、共振器、もしくは共振器を複数個連ねたフィルタと入出力線路および２つのλ／４線路とが電磁界結合し、かつその結合量をそれぞれＱｅ0，ＱｅＡ、QｅＢとしたとき、これらのパラメータの間に、下記の関係があることを特徴とする方向性結合器。
【数１】
2005217867.tif 000012
【請求項３】
ベンドもしくはそれに準じた回路を付加することなしに任意の２つの出力端子の向きが９０度異なるように配置された方向性結合器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波、ミリ波といった高周波領域で使用する方向性結合器、それを備えた高周波モジュール、および通信装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、高い周波数領域、特に準ミリ波やミリ波といった分野の研究が注目され、その実用化が検討されている。このような高周波化における問題点の一つに、線路不連続部における電磁界の乱れといった問題があった。こういった問題は、例えば、導波管回路で特にそのH面を利用した方向性結合器においては、分岐部の特性が全体の特性に大きな影響を与えるため設計が非常に困難であり、特にマイクロストリップ回路で一般的な４分の１波長線路を使った２分岐線路型といわれる方向性結合器はあまり報告されていない。
【０００３】
また、こういった理由から導波管、特にそのH面を使った方向性結合器においては２つの方形導波管のＨ面となる導体壁を共用する結合用隔壁を備え、この導体壁に穴等を設けて二つの導波管を電磁界結合させることによる方向性結合器が多用されている。しかし、端子位置が全て同じ向きになるため、回路全体の配置に自由度が少なく、高集積化に対して問題となる場合があった。
【特許文献１】特開平４−２８６２０２号公報
【特許文献２】特開平５−９０８１０号公報
【特許文献３】特開平１１−３０８０２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、設計性に優れ、高集積化に向いた方向性結合器およびそれを用いた装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、２つの４分の１波長線路と入出力端子の３つの線路の接続部すなわち分岐部に帯域通過フィルタ（BPF）を挿入することによって、上記の課題を解決するものである。すなわち、４個の４分の１波長線路を組み合わせることによって機能する２分岐線路型方向性結合器において、その分岐部の少なくとも一箇所に共振器、もしくは共振器を複数個連ねることによって構成される帯域通過フィルタが配置されたことに特徴を有するものである。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、これまで多くの技術の蓄積があるフィルタ設計手法を用いて方向性結合器が実現できるといったことによる高度な設計性、および不要波が除去でき、端子位置を自由に選べるといったフィルタの特徴を併せもつ方向性結合器およびそれを応用した高周波回路装置が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
第一の実施形態に係る導波管H面回路による方向性結合器の構成を図１を参照して説明する。同図において１a〜dは共振器であって、それぞれの共振器には入出力端子2ａ〜dと4分の１波長線路3〜6が電磁界結合によって接続されている。この電磁界結合の量はフィルタ設計に用いる外部QをつかってQeo、QeA、QeBとしている。このように４つの入出力端子に共振器を接続し、これら４つの帯域通過フィルタを４分の１波長線路で結んだ回路が配線基板上あるいは導波管、誘電体ブロック等で構成されて、所期の方向性結合器の特性を呈する回路あるいは装置が得られる。
【０００８】
次に上記構成による４端子回路が方向性結合器となることを以下に説明する。まずここでは解析の簡略化のために面AA’、BB’に対して対称性をもつこととする。このことを利用すれば２つの対称面で切り取られる１端子１／４回路について解析することで回路全体の解析が可能となる。
【０００９】
まず図２に２つの対称面で切り取られた１端子回路の等価回路を示した。共振器はLC直列回路とした。入出力線路およびλ／４線路と共振器の結合は相互インダクタンスを用いてそれぞれMo、MA，MBとしている。この回路においてｊＡ，ｊＢは対称面の開放、短絡に応じて変化する量であり、次のように表されるものとした。
(１)AA’面；開放，BB’面；開放の場合、
jA=−jZAcot(θ/2)，jB=−jZBcot(θ/2)
(２)AA’面；短絡，BB’面；開放の場合
jA=jZAcot(θ/2)，jB=−jZBtan(θ/2)
(３)AA’面；開放，BB’面；短絡の場合  
jA=−jZAtan(θ/2)，jB=jZBcot(θ/2)
(４)AA’面；短絡，BB’面；短絡の場合
jA=jZAtan(θ/2)，jB=jZBtan(θ/2)
（θは周波数に対するλ/4線路部の電気角を表す）
いま中心周波数のみを考え、図２の等価回路を用いれば、各対称面の開放、短絡に応じた規格化固有アドミタンスは式（１）となる。
【数１】
2005217867.tif 000003
ここに、
【数２】
2005217867.tif 000004
とした。
【００１０】
なお式（１）のアドミタンスは入出力線路の特性アドミタンスで規格化されており１番目の上付き添え字は面ＡＡ’、２番目は面ＢＢ’に対応し、ｅにより開放、ｏにより短絡を表すものとしている。この規格化固有アドミタンスと散乱行列には
【数３】
2005217867.tif 000005
の関係がある。回路全体の散乱行列は式（３）の散乱行列を用いて式(４)で表される。
【数４】
2005217867.tif 000006
【００１１】
以上の手順によって散乱行列を求めた結果、本回路が方向性結合器として機能する条件、つまり端子(1)の整合条件（｜Ｓ１１｜＝０）および端子（１）−（２）間の分離条件（｜Ｓ２１｜＝０）は式（５）となる。
【数５】
2005217867.tif 000007
また結合度を表すβは、
【数６】
2005217867.tif 000008
が得られ、
【数７】
2005217867.tif 000009
【数８】
2005217867.tif 000010
が得られる。このようにしてブランチラインカプラにおける結合度｜β｜が与えられれば、共振器の外部Ｑは一義的に決まり、方向性結合器が実現できる。
【００１２】
いま３ｄＢ結合の場合、すなわちβ＝1／√２の場合には式（７），（８）よりただちに
【数９】
2005217867.tif 000011
が得られる。
【実施例】
【００１３】
図３は中心周波数を２４ＧＨｚ、（９）式のパラメータでＱｅ０＝２０としたときの周波数特性計算結果である。横軸は周波数範囲として２３ＧＨｚから２５ＧＨｚとし、縦軸は散乱パラメータの絶対値をデシベル表示している。端子(1)からの入力は整合され、端子(2)からは出力されず、端子(3)，(4)からは等しい電力が分配されているのがわかる。このように本回路構成により方向性結合器が得られることがわかる。
【００１４】
次に第二の実施形態に係る方向性結合器の構成を図４を参照して説明する。図４は図１の方向性結合器で用いる共振器の代わりに３段の帯域通過フィルタを用いた構成である。図４においてＤ１，Ｄ２、Ｄ３は共振器を表しており、共振器間は電磁界結合している。結合量はｋ１２およびｋ２３をもちいて表している。このように分岐部の共振器の代わりに帯域通過フィルタを用いることは広帯域化に効果がある。例えば基本フィルタの特性として図５に示すように３段のフィルタを想定し、中心周波数２４ＧＨｚ、帯域幅１ＧＨｚのフィルタを設計する。古典的なフィルタ設計手法によれば、このとき得られる結合係数はｋ１２＝ｋ２３＝０．０３８、Ｑｅ＝２４．８となる。このパラメータをつかって図５にはフィルタの周波数特性を計算した結果を示す。
【００１５】
このパラメータをもとに、外部Ｑが式（９）の関係を満たすように、
Ｑｅ０＝ＱｅＡ＝２４．８                                      （１０）
ＱｅＢ＝１７．５                                              （１１）
ｋ１２＝ｋ２３＝０．０３８                                    （１２）
としたときの図４のブランチラインカプラの周波数特性計算結果を図６に示す。入出力は整合され、端子(1)とは分離し、端子(3)、(4)へ等分配されるといった方向性結合器の特性が１ＧＨｚの帯域にわたって実現されている。また反射特性は基本としたフィルタ特性の反射特性をよく反映しており、このことからフィルタ設計を行うことで、方向性結合器の反射、分離特性も設計可能であることが分かる。
【００１６】
本発明の基本的な構成は上記のとおりであるが、これをＨ面空洞導波管型の回路で構成した例について詳説する。共振器および入出力端子には導波管を用い、導波管のサイズは８．６３６×４．３１８としている。各結合係数および外部Ｑはアイリス長によって式（１０）〜（１２）を満足するように調整されている。図８は有限要素法による計算結果である。
【００１７】
第４の実施形態に係る方向性結合器を図９を参照して説明する。図９は図７の導波管型方向性結合器の入出力端子の向きを９０度異なる向きにすることによって、全ての端子が異なる方向を向くように設計してある。図10は実際に試作し、測定した結果である。端子向きに自由度をもたせることによって、その先に続く回路の配置を最適にすることが可能となり、回路の高集積化が実現できる
【００１８】
第５の実施形態に係る方向性結合器を図11を参照して説明する。図11では共振器を４段とし、中心周波数24GHz、周波数大域1.1GHz、結合度を−１０ｄＢとなるように選んでいる。このとき結合係数は式（８）より
ｋ１２＝ｋ３４＝3.81％
ｋ２３＝3.01%
Qe0=24.2、QeA=72.6、QeB＝23.0と選んでいる。この構成をH面導波管回路を使って設計した結果を図12に示す。このように等配分でなくとも設計が可能である。
【００１９】
第６の実施形態に係る方向性結合器を図13を参照して説明する。図13は伝送線路およびλ／４線路をマイクロストリップ線路で構成し、分岐部の共振器として誘電体共振器を用いた例である。本出願で示した回路構成は外部Ｑというパラメータを使って設計するため、こういった２種類の異なる組み合わせであっても設計できる。この組み合わせはスロット線路と同軸線路、導波管とコプレーナ線路等の場合であっても可能である。また、図14は図13の方向性結合器の端子の一部をスロット線路で構成した回路の実施例である。
【００２０】
本発明による方向性結合器の構造は上記のものに限られるものではなく、NRDガイド、あるいは図1５のようにスロット線路を用いたものなどにも利用できる。図16は本発明に係る方向性結合器を従属接続し、ラダー型の２分岐線路型方向性結合器とした場合の実施例である。また図17は通信モジュールの受信機として本発明に係る方向性結合器を利用した例である。この方向性結合器をシステムに応用した場合には端子位置を任意に選ぶことができるため、回路の高集積化に効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施例を示す回路図
【図２】その一部の等価回路図
【図３】その特性の説明図
【図４】本発明の他の実施例を示す回路図
【図５】その特性の説明図
【図６】その特性の説明図
【図７】本発明の他の実施例を示す平面図
【図８】その特性の説明図
【図９】本発明の他の実施例を示す平面図
【図１０】その特性の説明図
【図１１】本発明の他の実施例を示す斜視図
【図１２】その特性の説明図
【図１３】本発明の他の実施例を示す斜視図
【図１４】本発明の他の実施例を示す斜視図
【図１５】本発明の他の実施例を示す斜視図
【図１６】本発明の他の実施例を示すブロック図
【図１７】本発明の他の実施例を示す平面図
【符号の説明】
【００２２】
１：共振器
２：出力端子
３〜６：4分の1波長線路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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