(57)【要約】本発明は、結合線路を含む方向性結合器と、補償条件下において方向性結合器での結合を達成する方法とに関する。方向性結合器は、第１の線路（８）及び第２の線路（９）を含む結合線路（８、９）と、少なくとも１つのアース面（１０、１１、１３）とを含む。アース面の少なくとも１つは、同調アース面（１０、１１、１３）であり、また第１の線路（８）と第２の線路（９）との間の距離（１４、２５）及び第１の線路（８）とそれぞれの同調アース面（１０、１１、１３）との間の各距離（１５、１７、２６、２７）は、補償条件下で所望の結合レベルを提供するように適応する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の線路（８）及び第２の線路（９）を含む結合線路（８、９）と少なくとも１つのアース面（１０、１１、１３）と含む方向性結合器であって、少なくとも１つのアース面が同調アース面（１０、１１、１３）であり、第１の線路（８）と第２の線路（９）との間の距離（１４、２５）と、第１の線路（８）とそれぞれの同調アース面（１０、１１、１３）との間の各距離（１５、１７、２６、２７）とが補償条件下で所望の結合レベルを提供するように適応する前記結合器。
【請求項２】
請求項１記載の方向性結合器であって、前記第１及び／または第２の線路（８、９）の幅は、補償条件下で所望の結合レベルを提供するように適応する前記結合器。
【請求項３】
請求項１または２記載の方向性結合器であって、前記第１の線路（８）と前記第２の線路（９）との間の距離（１４、２５）は、少なくとも１つのアース面（１０、１１、１３）に平行で、結合線路（８、９）の長手方向に垂直な水平距離（１４、２５）を示す前記結合器。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の方向性結合器であって、前記第２の線路（９）及び少なくとも１つの同調アース面（１０、１１、１３）は、第１の線路（８）の同じ側に位置する前記方向性結合器。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載の方向性結合器であって、少なくとも２つの導電層（４、５、６、７）を含み、少なくとも１つの誘電層（１、２、３）が前記導電層間に挿入される前記結合器。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載の方向性結合器であって、前記方向性結合器の電気長は、伝搬波の長さの４分の１あるいはそれ以下である前記結合器。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかに記載の方向性結合器であって、前記第１の線路（８）は、垂直方向に分離され、少なくとも１つの接続（２１）によって電気的に結合された少なくとも２つのストリップを含む前記結合器。
【請求項８】
請求項１から７のいずれかに記載の方向性結合器であって、前記第１及び第２の線路(８、９)間の領域は、少なくとも部分的に気体を含み、少なくとも１つの誘電層（１、２、３）は、前記第２の線路（９）と少なくとも１つの同調アース面（１０、１１、１３）との間に配置され、第１の線路（８）とそれぞれの同調アース面（１０、１１、１３）との間の各距離（２６、２７）は、各同調アース面（１０、１１、１３）と、気体と誘電層（１、２、３）との間の界面との間のそれぞれの距離（１５、２４）に依存する前記結合器。
【請求項９】
補償条件下において方向性結合器での結合を実現する方法であって、前記結合器は、第１及び第２線路を含む結合線路（８、９）及び少なくとも１つのアース面（１０、１１、１３）を含み、前記方法は、補償条件下で所望の結合レベルを提供するように、第１の線路（８）と第２の線路（９）との間の距離（１４、２５）及び第１の線路（８）とアース面（１０、１１、１３）の少なくとも１つのエッジとの間の各距離（２６、２７）を選ぶ工程を含むことを特徴とする前記方法。
【請求項１０】
請求項９記載の方法であって、前記第１及び／または第２の線路の幅は、補償条件下において所望の結合レベルを提供するように選ばれる前記方法。
【請求項１１】
請求項９または１０記載の方法であって、前記第１と第２の線路との間の距離（１４、２５）は、少なくとも１つのアース面（１０、１１、１３）に平行で、結合線路（８、９）の長手方向に垂直な方向の水平距離（１４、２５）を示す前記方法。
【請求項１２】
請求項９、１０または１１記載の方法であって、前記第２の線路（９）及びアース面（１０、１１、１３）のうちの少なくとも１つのエッジは、前記第１の線路（８）の同じ側に位置している前記方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、結合線路を含む方向性結合器と、補償条件下において方向性結合器での結合を実現する方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
（背景）
方向性結合器は、高周波機器用の良く知られた４端子素子である。このデバイスは、入力端子に供給され出力端子に受信される無線あるいはマイクロ波周波数信号のサンプルがその入力信号から抽出されるように機能する。正しく設計された方向性結合器は、入力端子に供給される信号と出力端子に供給される信号を区別できる。この特性は、特に、伝送信号と不整合アンテナから反射する信号の両者を独立にモニタできる高周波送信器で利用される。そのような性能を実現するためには、結合器の方向性が非常に高くなければならない。結合器の方向性は、いわゆる「補償条件」が満たされたときに高くなる。準静的近似が有効であると仮定すると、２つの補償条件が存在する。すなわち、（１）容量性及び誘導性結合係数が等しい場合、及び（２）結合器を正しいインピーダンス（好ましくは５０オーム）で終端した場合である。より詳細には、例えば、ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓ．ＭＴＴの１９９９年９月号、第４７巻、第９号のページ１８７３−１８８２に掲載されたＫ．Ｓａｃｈｓｅ，Ａ．Ｓａｗｉｃｋｉ著の論文「モノリシック及びハイブリッドＭＩＣ用の準理想的な多層の２及び３ストリップの方向性結合器」が参照される。
【０００３】
アンテナから反射される電力または伝送電力のモニタとして使用するつもりの方向性結合器は、弱結合（−３０から−４０ｄＢ）と、高方向性（少なくとも２０ｄＢ）を有するべきである。密に結合した線路よりも弱く結合した線路のほうが方向性が低いことは、方向性結合器の良く知られた特性である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って、弱結合を有する結合器を補償されるように作製することは困難である。上で引用したＫ．Ｓａｃｈｓｅ及びＡ．Ｓａｗｉｃｋｉによる論文は、−３ｄＢから−８ｄＢの領域で０．７から０．４の結合レベルに対応する密な結合に適した結合器について述べている。しかし、補償条件下での弱結合は、この論文に記載された構成では実現できない。
【０００５】
この種の結合器を実現する良い解決策は、一様な誘電媒体を備えた純粋なストリップ線路形状を利用するものである。残念ながら、この解決策は、個別部品として作製される結合器にしか適用できない。これらの方法は、電力信号を運ぶ伝送線路が主として多層プリント基板の上あるいは脇に配置されるように集積化された集積回路環境には適用できないか又は適用が困難である。
【０００６】
コープレイナあるいは導体で裏打ちされたコープレイナな準ストリップ線路構造の方向性結合器については、米国特許第４，２８８，７６０号に述べられ、それぞれ図１及び図２に示されている。両構造において、結合線路は、互いに垂直方向に距離をおいて配置され、更に、水平方向でも互いに距離をおいていることが分かる。これらの結合器の補償は、結合ストリップの相対位置が特別な1点でのみ実現可能であり、それに対応する結合は、１２ｄＢ程度である。このような結合器では、補償条件を維持する必要があれば、結合ストリップを分離する誘電層の高さを増やすことによって結合を少し減らすことだけが可能である。更に、図１に示された構造は、多層基板には都合が悪い。例えば、機械的な構造によって形成される外部アース面の位置が結合器のパラメータに非常に敏感に影響するためであり、外部のアース面の位置が少し変化するだけでも、結合器パラメータが大きく変化するためである。
【０００７】
同軸線路のマイクロ・ストリップ・プリント線路構造に形成される方向性結合器については、米国特許第５，９２６，０７６号及びＥＰ２２８２６５の公報に述べられている。両構造において、同軸線路の外側導体は、長手方向の開口部を有しプリント回路基板上にエッチされ開口部の脇に配置されたマイクロ・ストリップ線路との結合を許容している。結合レベルは、これらの構造において、同軸線路の内側導体とマイクロ・ストリップ線路との水平距離を変更することで調節できる。しかし、これらの刊行物には、この結合器が補償されているかどうか、どうすれば補償できるかについては、何も述べられていない。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（概要）
本発明の１つの目的は、補償条件下で実現される広範囲の弱結合を保証できる方向性結合器を提供することである。
【０００９】
この目的は、第１の線路及び第２の線路を含む結合線路と、少なくとも１つのアース面とを含み、少なくとも１つのアース面が同調アース面であって、第１の線路と第２の線路との距離及び第１の線路とそれぞれの同調アース面との間の各々の距離が補償条件下で所望の結合レベルを提供するように適応する方向性結合器によって達成される。
【００１０】
同調アース面（単数または複数）と第１の線路との間の距離を調節できることは、結合レベルの調節と結合器の補償の可能性を本質的に提供する。同時に、このことは、結合器の高い方向性を実現することを可能にする。
【００１１】
本発明は、第１の線路と第２の線路との距離と、第１の線路とそれぞれの同調アース面との各々の距離との間の関係を調節することを可能とし、それによって、補償条件下で所望の結合レベルを提供する。更に詳細には、同調アース面（単数または複数）と第１の線路との距離を調節することは、結合レベルも変更する。そのため、結合レベルと補償条件の実現とは並行して調節すべきである。
【００１２】
好ましくは、第１及び／または第２の線路の幅は、補償条件下で所望の結合レベルを提供するように適応する。このことは、パラメータも、また、補償条件に達するように調節できることを意味する。更に詳細には、第１の線路及び第２の線路の幅は、第１及び第２の線路が所望のインピーダンス、好ましくは、５０オームに整合するように調節できる。
【００１３】
原理的に、４つのパラメータ、すなわち、（i）第１の線路と第２の線路との距離（ii）同調アース面（単数または複数）と第１の線路との距離（iii）第１の線路の幅、及び（iv）第２の線路の幅を調節して（i）容量性及び誘導性結合係数の等化を実現し、及び（ii）結合レベル（iii）第１の線路のインピーダンス及び（iv）第２の線路のインピーダンスを望ましい値にすることができる。
【００１４】
好ましくは、第２の線路及び少なくとも１つのアース面のそれぞれのエッジは、第１の線路の同じ側に位置する。これによって、少なくとも１つのアース面のそれぞれのエッジと第１の線路との間の距離を調節して結合機を補償することが容易になる。
【００１５】
好ましくは、方向性結合器は、少なくとも２つの導電層を含み、少なくとも１つの誘電層がそれらの導電層間に挿入される。これにより、結合器構造は、標準的な多層プリント回路基板技術で製造するのに便利になる。言い換えれば、多層プリント回路基板環境に形成され、補償条件下で広範囲の弱結合を保証できる方向性結合器が提供される。
【００１６】
好ましくは、方向性結合器の電気長は、波長の４分の１あるいはそれ以下である。
【００１７】
好ましくは、第１の線路は、垂直方向に分離されて、少なくとも１つの接続によって電気的に結合された少なくとも２つのストリップを含む。これにより、大電力の伝送信号を低い挿入損失で搬送できる線路を得ることができる。更に、ストリップを分離するために誘電材料が使用され、それが削り落とされることによって、いわゆる準空気線路が形成される場合には、導電層あるいはストリップが同じ電位を持つことで電磁場が誘電材料を貫通しないため、前者での誘電損失は、ほとんど発生しない。
【００１８】
好ましくは、第１の線路と第２の線路との間の領域は、少なくとも部分的に気体を含み、また、少なくとも１つの誘電層が第２の線路と少なくとも１つの同調アース面との間に配置されて、第１の線路と各々の同調アース面との間の各距離は、各同調アース面と、気体と誘電層との界面との間のそれぞれの距離に依存する。第１の線路は、気体によって完全に囲むことができ、また、第２の線路は、少なくとも１つの誘電材料に埋め込むことができる。あるいは、第２の線路は、部分的に気体と、または部分的に誘電材料と接触させることもできる。これによって、第１の線路の電力処理能力は、更に向上する。
【００１９】
本目的は、また、第１及び第２の線路を含む結合線路と、少なくとも１つのアース面とを含む方向性結合器において、補償条件下で結合を実現する方法であって、第１及び第２の線路間の距離と、第１の線路と少なくとも１つのアース面のエッジとの間の距離とを選択して補償条件下で所望の結合レベルを提供する工程を含む方法によって達成できる。
【００２０】
この方法は、方向性結合器を設計するとき、あるいは既存の結合器や結合器設計を調節するときに、補償条件下で広い範囲の弱結合を実現するために非常に有用である。
【００２１】
以下に、図面を参照しながら本発明について詳細に説明する。
【実施例】
【００２２】
（詳細な説明）
図３には、本発明の第１の実施の形態に従う結合線路方向性結合器の構造の断面図が示されている。本発明のその他の実施の形態と同様に、これは、多層プリント回路基板技術及び弱結合に適したものである。それは、第１、第２及び第３の誘電層を基板の形で含む。第１の誘電層１は、第２の誘電層２の上に位置し、第２の誘電層２は、第３の誘電層３の上に位置する。結合器は、第１、第２、第３及び第４の導電層を含む。第１の導電層４は、第１の誘電層１の上に位置する。第２の導電層５は、第１の誘電層１と第２の誘電層２との間に位置する。第３の導電層６は、第２の誘電層２と第３の誘電層３との間に位置する。第４の導電層７は、第３の誘電層３の下に位置する。
【００２３】
ストリップの形の結合線路８、９は、好ましくは、直線及び平行であって、ここでは第１及び第２の線路と呼ぶ長手軸を有し、それぞれ第１及び第３の導電層中に形成される。本発明の実施の形態の説明では、第１の線路は、メイン線路とも呼ばれる。
【００２４】
発明の任意の実施の形態で、第１の線路及び第２の線路は、例えば、それらの片方あるいは両方が勾配を持つか湾曲している場合、あるいは、それらがまっすぐであるが平行でない場合のように、それらの間の距離が変化するように配置することもできる。これを説明するために、結合線路の長手軸を両線路の質量分布の長手方向として定義する。結合線路がまっすぐで平行である場合は、結合線路の長手軸は、互いに平行になる。
【００２５】
第１及び第２の線路８、９は、互いに水平距離１４をおいて位置する。この実施の形態では、第１及び第２の線路８、９は、別々の導電層中に形成されるため、それらは、互いに垂直方向にも距離をおいて位置する。これは、第１及び第２の誘電層の厚さの合計にほぼ等しい。
【００２６】
第１、第２、第３及び第４の導電層には、それぞれ、第１、第２、第３及び第４のアース面が形成される。第４のアース面１３は、下側アース面１３とも呼ばれる。第１、第２及び第３のアース面は、それぞれ、第１の領域（１０、１１、１２）と、第２の領域（１０’、１１’、１２’）とを含み、アース面に対して平行で結合線路８、９の長手方向に垂直になっており、第１の線路８の両側に位置する。
【００２７】
第１の線路８の同じ側に位置する第１、第２及び第３のアース面の第２の領域１０’、１１’、１２’は、好ましくは、第１の線路８から同じ水平距離１６に位置する。このことは、実用的である。これは、第２の領域１０’、１１’、１２’と下側アース面１３とを接続する複数の接続１９あるいはビア・ホール１９の導入が容易になるためである。ビア・ホールは、結合線路８、９に平行なラインに沿って位置する。しかし、別のやり方として、第１、第２及び第３のアース面の第２の領域１０’、１１’、１２’は、第１の線路８から等しくない水平距離に位置することもできる。
【００２８】
第１、第２及び第３のアース面の第２の領域１０’、１１’、１２’と第１の線路８との間の水平距離１６は、第１の線路の望ましいインピーダンスを実現するように調節できる。
【００２９】
第２のアース面の第１の領域１２は、第１の線路８に対して第２のアース面の第１の領域１１と同じ側に位置しているが、第２の線路９から距離１８に位置している。第１、第２及び第３のアース面の第１の領域と下側アース面１３とは、結合線路８、９に平行なラインに沿って配置された複数のビア・ホール１９によって接続される。
【００３０】
第２のアース面の第１の領域１１は、アース面に平行で、結合線路８、９の長手方向に垂直であり、第１の線路８に対して第２の線路９と同じ側に位置しており、ここでは同調アース面１１と呼ぶ。
【００３１】
図３に見られるように、同調アース面１１は、アース面に垂直な方向では第１の線路８と第２の線路９との間に位置する。第１の線路８及び同調アース面１１は、別々の導電層に形成され、互いに第１の誘電層１の厚さにほぼ等しい垂直距離をおいて位置する。
【００３２】
以下で図４及び図４ａを参照しながら、もっと詳しく説明するが、第１の線路８と、同調アース面１１のエッジ１１ａとの間の水平距離１５は、広範囲の弱結合に対して補償条件を実現するように調節される。
【００３３】
第１のアース面の第１の領域１０は、第１の線路８から第２の領域１０’と同じ距離１７離れて位置する。しかし、別のやり方として、第１のアース面の第１の領域１０と第１の線路８との距離１６と、第１のアース面の第２の領域１０’と第１の線路８との距離１７とが等しくなくてもよい。事実、第１のアース面の第１の領域１０は、補助的な同調アース面として使用することができるし、他方、第１のアース面の第１の領域１０のエッジと第１の線路８との間の距離１７を第２のアース面の第１の領域１１と第１の線路８との間の距離１５とともに調節して、広範囲の弱結合に対して補償条件を実現することができる。
【００３４】
図４は、上で述べた結合器の結合係数の計算結果を第１の線路８と同調アース面１１（図３）との間の水平距離１５の関数として、第１と第２の線路間との水平距離１４をパラメータとして示す。誘電層の誘電率をｅｐｓ１、ｅｐｓ２及びｅｐｓ３と名づける。ｅｐｓ１及びｅｐｓ３の値は、コア材料に関する典型的なものであり、また、ｅｐｓ２の値は、プリプレッグ材料に関する典型的なものである。ｋｃ及びｋｌは、それぞれ、容量性及び誘導性結合係数を指す。方向性結合器は、これらの２つの係数が等しくて、結合器の端子がこの場合には５０オームであるインピーダンスで終端される場合に補償される。図４から分かるように、この構造は、広範囲、すなわち、−２０ｄＢから−３７ｄＢ及びそれ以上の弱結合を補償条件を保ったままで保証する。これらが弱結合レベルであることを実証するために、−２０ｄＢは、第２の線路９に伝送される電力対メイン線路８を伝搬する全電力の比が０．０１に相当すること、また、−３０ｄＢは、第２の線路９に伝送される電力対メイン線路８を伝搬する全電力の比が０．００１に相当することを指摘する。アース面１１は、結合レベルを調節し、結合器を補償するための中心的な役目を受け持つ。結合レベルは、第１の線路８と第２の線路９との間の距離１４を変更し、また第１の線路８と同調アース面１１との間の距離１５を変更することによって調節される。第１の線路８と同調アース面１１との間の距離１５の調節は、結合器を補償条件に同調させることにつながる。同時に、第１の線路８及び第２の線路９の幅は、補償条件の整合状態を満たすように調節されなければならない。これらの幅は、第１及び第２の水平距離が図４に示した範囲で変化するとき、線路８については１２０から１２６ミル（３０４８から３２００ミクロン）まで変化し、また、線路９については２１から３１ミル（５３３から７８７ミクロン）まで変化する。
【００３５】
図５は、本発明の第２の実施の形態に従う方向性結合器を示す。第２の実施の形態の物理的構造は、以下の点を除いて、図３に関して説明した第１の実施の形態に類似している。第１の実施の形態との相違点は、第２の線路９が第２の導電層５中に形成されている点である。従って、この実施の形態では、結合線路間の垂直距離は、第１の誘電層１の厚さにほぼ等しくなる。更に、図３に関して採用した表記法と違って、第３の導電層６に第２のアース面１１、１１’が形成され、第２の導電層５に第３のアース面１２、１２’が形成されている。第２の線路９は、アース面に垂直な方向で、第１の線路８と第２のアース面の第１の領域１１との間に位置する。第１の線路８と第２のアース面の第１の領域１１との間の垂直距離は、第１及び第２の誘電層の厚さの合計にほぼ等しい。
【００３６】
第１のアース面の第１の領域１０と第２のアース面の第１の領域１１は、同調アース面と呼ばれ、両者ともアース面に平行で、結合線路８、９の長手方向に垂直な方向で、第１の線路８に対して第２の線路９と同じ側に位置する。また、第１の線路８と同調アース面１１は、互いに水平距離１５をおいて位置し、また、第１の線路８と同調アース面１０も互いに水平距離１７をおいて配置している。このように、この実施の形態では、結合器は、第１の線路８と、それぞれ第１のアース面の第１の領域１０のエッジ１０ａ及び第２のアース面の第１の領域１１のエッジ１１ａとの間の水平距離１５、１７を調節することによって同調して補償される。
【００３７】
別のやり方として、距離１５のみを調節して補償することもできる。そうすれば、第１のアース面の第１及び第２の領域は、第１の線路８から等しい距離１６、１７に配置できて好ましい。
【００３８】
図６は、図５に関して説明した結合器の結合係数の計算結果を、第１の線路８と同調アース面１０、１１との間の水平距離１５、１７（ｓ）（図６ａ参照）の関数として、第１の線路８と第２の線路９との間の水平距離１４（ｓ１）をパラメータとして示す。このように、図６では、第１の線路８と同調アース面１０との間の水平距離１７（図５参照）を第１の線路８と同調アース面１１との間の水平距離１５に等しく設定することによって結果を得ている。
【００３９】
図６から分かるように、第２の実施の形態に従う結合器によれば、結合器を補償したままで、第１の実施の形態に従う結合器と本質的に同じ範囲の弱結合が実現できる。それに付随する第１の線路８及び第２の線路９の幅は、５０オームへの整合条件を仮定して、１０４から１３０ミル（２６４２から３３０２ミクロン）まで、及び２１から４０ミル（５３３から１０１６ミクロン）までそれぞれ変化する。
【００４０】
第１及び第２の実施の形態では、それぞれ図３及び図５を参照しながら説明したように、その構造は、導体を裏打ちしたコープレイナ線路８を第１の導電層４の上に採用し、また第３または第２導電層の上に準ストリップ線路９を採用した。
【００４１】
図７は、マイクロ・ストリップの準ストリップ線路構造の別の実施の形態を示す。ここでは、第１の線路８、第２の線路９、同調アース面１１の位置は、図３に示す構造におけるそれぞれ対応する要素の位置に対応する。下側アース面１３は、第２の線路９の下に存在する。図７に示した実施の形態は、図３に示した実施の形態と、少なくとも結合線路８、９の近辺に、その中に第１の線路８及び第２の線路９が形成される導電層の位置にアース面がない点で異なる。更に、図３に示された実施の形態中の第２のアース面の第２の領域１１’に対応する部分は、図７に示された実施の形態には存在しない。図７の実施の形態では、第１の線路８及び下側アース面１３は、第１の線路８がマイクロ・ストリップ線路８となるマイクロ・ストリップ線路構造を形成しており、また、第２の線路９、同調アース面１１及び下側アース面１３は、第２の線路９が準ストリップ線路９となるストリップ線路構造を形成している。
【００４２】
驚くべきことに、補償条件にある弱結合は、結合線路を伝搬する２つの直交モードの伝搬速度に大きな差を持たせることで得ることができることが見出された。この様子は、図８及び図８ａに示されている。これらの図には、図７に示された構造の結合線路中を伝搬する２つの直交モードについて計算された等価的誘電定数と、グラフの変数を説明するための図７のものに対応する断面とが示されている。誘電層の誘電率は、各層について等しくなるように選ばれ、３．６となっている。図８で、eps eff cは、ストリップ線路９を伝搬する波に対応する。ストリップ線路９を同調アース面１１で覆えば、それは、ｓの小さい値に相当し、このモードに関する等価的誘電定数は、ストリップ線路９に関して誘電層の誘電率と等しくなることに注目される。eps eff piは、マイクロストリップ線路８を伝搬する波に対応し、eps eff cとは大きく異なる。
【００４３】
上で述べた構造に対する別の修正が本発明の範囲内で可能である。第１の線路８の第２の線路９及び同調アース面１１が位置する側とは反対側では、アース面１０’、１１’、１２’の配置は、どのようにもできる。すなわち、後者のうちのいくつかのみを残したり、すべてを省いたりすることができる。第１の線路８あるいは第２の線路９の近辺に位置するアース面は、都合の良い幾何学的形状として、それらの線路を終端インピーダンス（５０オーム）に同調させるために役立てることができる。
【００４４】
図９は、別の構造を示しており、第１の線路８、第２の線路９及び同調アース面１１の位置は、図７に示された構造でそれぞれ対応する要素の位置に対応する。更に、同調アース面と同じ導電層中に形成される第２のアース面領域１１’が第１の線路８の反対側に水平方向に示されている。更に、水平方向で、第１の線路８の同調アース面と同じ側には、第１の線路８と同じ導電層上に第１のアース面１０が形成され、第１の線路８から距離１７をおいて位置している。第１のアース面１０は、補助的同調アース面として利用でき、これによって、同調アース面１０のエッジ１０ａと第１の線路８との間の水平距離１７とともに、同調アース面１１のエッジ１１ａと第１の線路８との間の水平距離１５を適切に調節することで広範囲の弱結合について補償条件を実現することができる。
【００４５】
上で説明した実施の形態では、コープレイナな線路であろうとマイクロ・ストリップ線路であろうと第１の線路８は、結合器中で電力伝送線路として働く。図１０は、別の実施の形態を示している。ここで、第１の線路は、スタック構造になっており、第２の導電層５上の補助線路２０は、第１の導電層４上の線路８の下に位置し、線路８、２０に沿って配置された少なくとも１つ、好ましくは複数のビア・ホール２１を利用して線路８に接続されている。これにより、線路８の電力処理能力が増強される。同調アース面１０、１１が提供されることによって、同調アース面１０と第１の線路８との間の水平距離１７とともに、同調アース面１１と第１の線路８との間の水平距離１５を適切に調節することで広範囲の弱結合に対して補償条件を達成できる。
【００４６】
好ましくは、方向性結合器の電気長、すなわち、第１及び第２の線路が結合する距離は、伝送波の長さの４分の１あるいは、それ以下である。異なる速度で伝搬する２つのモードについて、この長さをどのように計算するかについては、前に述べた論文：ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓ．  ＭＴＴの１９９９年９号、第４７巻、第９号のページ１８７３−１８８２に掲載されたＫ．Ｓａｃｈｓｅ，Ａ．Ｓａｗｉｃｋｉ著の論文「モノリシック及びハイブリッドＭＩＣ用の準理想的な多層の２及び３ストリップの方向性結合器」が参照される。
【００４７】
図３、７、９の構造は、マイクロ・ストリップ線路８及びストリップ線路９が水平にシフトされていることのほかに、互いに垂直に距離をおいて配置され、これらの伝送媒体をアース面１１が分離する構造になっているが、応用面で大きな利点である比較的小型で高い集積度の結合器の製造を可能とする。
【００４８】
図１１は、別の実施の形態を示しているが、第１の線路８の脇の誘電材料が第１の線路８に沿って除去されている。水平距離１６、１７は、除去された領域の幅を示す。従って、第１及び第２の線路８、９間の領域は、部分的に空気を含む。一般に、前記領域には任意の適当な気体が存在できる。
【００４９】
第１の線路８は、外部導電性シャーシ２３の上方に垂直距離２２をおいて浮いている。外部導電性シャーシ２３は、下側アース面１３に接続される。第１の線路８は、導電層４、５、６、７の上に配置された、第１の線路８に沿って設けられた複数のビア・ホール２１によって接続された４つのプリント線路を含む。第１の線路８と第２の線路９との間の結合レベルは、主に、線路間の距離２５、すなわち、距離１７と１４の合計に依存する。この実施の形態の第１の線路８は、低い挿入損失を有し、大電力の伝送信号を運ぶことができる。第１の線路８の導電層間に配置された誘電材料では、これらの導電層が同じ電位を有するため、損失がほとんどない。
【００５０】
図１１に示された実施の形態の方向性結合器の補償は、第２の線路９を取り囲む誘電材料１、２、３のエッジから距離１５に配置された、すなわち、第１の線路８から距離２６にある同調アース面１０、１１、１３の同調機能によって可能となる。言い換えれば、各アース面１０、１１、１３のそれぞれのエッジと、気体と誘電層１、２、３との界面との間の距離１５を調節することによって、結合器の補償が得られる。距離１５は、各アース面１０、１１、１３について同じに保つことができるし、あるいは、それらのアース面の各々について異なるようにすることもできる。
【００５１】
図１１に断面で示された方向性結合器は、第１の線路８を通って大電力を伝送する高度に集積化されたモジュールに適用できる。これにより、回路のいくつかの部品は、導電層４及び５によって形成されるマイクロ・ストリップ型の伝送媒体上に配置され、また、その他の部品は、導電層５、６、７によって形成されるストリップ型の伝送媒体上に配置される。この構造で構築される方向性結合器の長さは、空気を充填した伝送媒体を用いて構築されるものよりも短い。これは、この構造中を伝搬するモードの一方の等価的誘電定数が第２の線路９を取り囲む誘電材料２及び３の誘電定数にほぼ等しいためである。
【００５２】
本発明の別の実施の形態は、図１２に断面を示された方向性結合器を提供する。この結合器は、孤立した結合器を構成するのに都合がよい。この実施の形態と図１１に示されたものとの唯一の違いは、マイクロ・ストリップ型の伝送媒体が欠けている点である。準空気充填の第１の線路８及びストリップ型の第２の線路９を用いて結合器が構成される。この結合器の補償は、アース面１１、１３のエッジ１１ａ、１３ａと、第２の線路９を取り囲む誘電材料のエッジとの水平距離１５、２４、すなわち、アース面１１、１３と第１の線路８との間の距離２６、２７を適切に調節することによって可能である。距離１５、２４は、等しくも異なるようにも設定可能である。
【００５３】
図１１及び図１２に提供された実施の形態で、第１の線路８は、準空気充填のものであるため、第１の多層プリント線路８を空気充填媒体中に浮かせた任意のもので置き換えることが可能である。図１３は、本発明の更に別の実施の形態を示しており、ここで、同軸線路の内側導体が例示的な空気充填の第１の線路８として適用されている。
【００５４】
方向性結合器の本質的な特徴に影響を及ぼすことなく、第１の線路８の断面形状は、多様なもの、例えば、正方形、矩形あるいは三角形が可能である。図１３で、ストリップ型の伝送媒体が示されているが、これは、第２の線路９とアース面１１、１３を含む。この実施の形態は、図１１に示され、図１１で導電層４、５を含むものと類似のマイクロ・ストリップ型の伝送媒体を追加できる。
【００５５】
驚くべきことに、図１１、１２、１３に示された実施の形態に従って構築される結合器を補償できることが見出された。結合線路を伝搬する２つの直交モードの伝搬速度の差は、前記実施の形態では図３、５、７、９、１０に関して示した実施の形態よりももっと大きい。このことは、図１４ａ−１４ｃに示され、そこには、図１３に示されたものに類似した構造の結合線路中を伝搬する２つの直交モードに関する誘導性及び容量性結合係数ｋＬ、ｋＣ及び等価的誘電定数eps eff c、eps eff pi、そしてグラフの変数を説明するための図１３のものと類似した断面が示されている。（図１３と図１４ｃの構造の違いは、本質的なものではない。）結合器は、ｓが０．７５ｍｍで、結合係数の曲線が互いに交差する場合について補償されることに注意される。更に、２つのモードの等価的誘電定数は、結合線路を取り囲む２つの異なる媒体の誘電定数、すなわち、同軸線路を取り囲む空気については１、ストリップ線路の誘電体についてはｅｐｓにほぼ等しいことにも注意される。
【００５６】
更に別の実施の形態が図１５に示されている。これは、単純な同軸線路のマイクロストリップ線路構造を含む。結合器は、アース面１３と誘電層３の左垂直エッジとの間の距離２４を適切に調整することで補償される。
【００５７】
上記で、第１の線路及び第２の線路の幅は、第１及び第２の線路を所望のインピーダンス、好ましくは５０オームに一致させるように調節できると説明した。これに加えて、線路を取り囲むアース面間の距離は、第１及び第２の線路を５０オームに整合させるようにも調節できる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】従来技術に従う結合線路方向性結合器の結合線路に対して垂直に切った断面図。
【図２】従来技術に従う結合線路方向性結合器の結合線路に対して垂直に切った断面図。
【図３】本発明の第１の実施の形態に従う結合線路方向性結合器の結合線路に対して垂直に切った断面図。
【図４】図３に示した方向性結合器の結合係数を示すグラフ。
【図４ａ】図４のグラフの変数を説明するための図３のそれに対応する断面図。
【図５】本発明の第２の実施の形態に従う結合線路方向性結合器の結合線路に対して垂直に切った断面図。
【図６】図５に示した方向性結合器の結合係数を示すグラフ。
【図６ａ】図６のグラフの変数を説明するための図５に対応する断面図。
【図７】本発明の更に別の実施の形態に従う結合線路方向性結合器の結合線路に対して垂直に切った断面図。
【図８】図７に示した構造の結合線路を伝搬する２つの直交モードに関して計算された等価的誘電定数を示すグラフ。
【図８ａ】図８のグラフの変数を説明するための図７に示したものに対応する断面図。
【図９】本発明の付加的な実施の形態に従う結合線路方向性結合器の結合線路に対して垂直に切った断面図。
【図１０】本発明の付加的な実施の形態に従う結合線路方向性結合器の結合線路に対して垂直に切った断面図。
【図１１】本発明の付加的な実施の形態に従う結合線路方向性結合器の結合線路に対して垂直に切った断面図。
【図１２】本発明の付加的な実施の形態に従う結合線路方向性結合器の結合線路に対して垂直に切った断面図。
【図１３】本発明の付加的な実施の形態に従う結合線路方向性結合器の結合線路に対して垂直に切った断面図。
【図１４ａ】図１３に示した構造の結合線路を伝搬する２つの直交モードに関して計算された等価的誘電定数を示すグラフ。
【図１４ｂ】図１３に示した方向性結合器の結合係数を示すグラフ。
【図１４ｃ】図１４ａ及び図１４ｂのグラフの変数を説明するための図１３のものと類似した断面図。
【図１５】本発明の更に別の実施の形態に従う結合線路方向性結合器の結合線路に対して垂直に切った断面図。
【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１５】
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【手続補正書】
【提出日】平成17年2月23日(2005.2.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の線路（８）及び第２の線路（９）を含む結合線路（８、９）と少なくとも１つのアース面（１０、１１、１３）と含む方向性結合器であって、少なくとも１つのアース面が同調アース面（１０、１１、１３）であり、第１の線路（８）と第２の線路（９）との間の距離（１４、２５）と、第１線路（８）とそれぞれの同調アース面（１０、１１、１３）との間の各距離（１５、１７、２６、２７）とが補償条件下で所望の結合レベルを提供するように適応し、更に、前記結合木の電気長は、伝搬波の長さの４分の1あるいはそれ以下である前記結合器。
【請求項２】
請求項１記載の方向性結合器であって、前記第１及び／または前記第２の線路（８、９）の幅は、補償条件下で所望の結合レベルを提供するように適応する前記結合器。
【請求項３】
請求項１又は２記載の方向性結合器であって、前記第１の線路（８）と前記第２の線路（９）との間の距離（１４、２５）は、少なくとも１つのアース面（１０、１１、１３）に平行で、結合線路（８、９）の長手方向に垂直な水平距離（１４、２５）を示す前記結合器。
【請求項４】
請求項１から３記載の方向性結合器であって、前記第２の線路（９）及び前記少なくとも１つの同調アース面（１０、１１、１３）は、第１の線路（８）の同じ側に位置する前記結合器。
【請求項５】
請求項１から４記載の方向性結合器であって、少なくとも２つの導電層（４、５、６、７）を含み、少なくとも１つの誘電層（１、２、３）が前記導電層間に挿入される前記結合器。
【請求項６】
請求項１から５記載の方向性結合器であって、前記第１の線路（８）は、垂直方向に分離され、少なくとも１つの接続（２１）によって電気的に結合された少なくとも２つのストリップを含む前記結合器。
【請求項７】
請求項１から６記載の方向性結合器であって、前記第１及び第２の線路(８、９)間の領域は、少なくとも部分的に気体を含み、少なくとも１つの誘電層（１、２、３）は、前記第２の線路（９）と少なくとも１つの同調アース面（１０、１１、１３）との間に配置され、第１の線路（８）とそれぞれの同調アース面（１０、１１、１３）との間の各距離（２６、２７）は、各同調アース面（１０、１１、１３）と、気体と誘電層（１、２、３）との間の界面との間のそれぞれの距離（１５、２４）に依存する前記結合器。
【請求項８】
補償条件下において方向性結合器での結合を実現する方法であって、前記結合器は、第１及び第２線路を含む結合線路（８、９）及び少なくとも１つのアース面（１０、１１、１３）を含み、前記方法は、補償条件下で所望の結合レベルを提供するように、第１の線路（８）と第２の線路（９）との間の距離（１４、２５）及び第１の線路（８）とアース面（１０、１１、１３）の少なくとも１つのエッジとの間の各距離（２６、２７）を選ぶ工程を含み、前記方向性結合気の電気長は、波長の４分の１あるいはそれ以下である前記方法。
【請求項９】
請求項８に記載の方法であって、前記第１及び／または第２の線路の幅は、補償条件下において所望の結合レベルを提供するように選ばれる前記方法。
【請求項１０】
請求項８または９に記載の方法であって、前記第１と前記第２線路との間の距離（１４、２５）は、少なくとも１つのアース面（１０、１１、１３）に平行で、結合線路（８、９）の長手方向に垂直な方向の水平距離（１４、２５）を示す前記方法。
【請求項１１】
請求項８、９または１０に記載の方法であって、前記第２の線路及びアース面（１０、１１、１３）のうちの少なくとも１つのエッジは、前記第１の線路（８）の同じ側に位置している前記方法。
【国際調査報告】
2006524954.tif 000023
2006524954.tif 000024
2006524954.tif 000025