(57)【要約】【課題】浮遊導体３を設けることで不連続部が発生しても、奇モードの位相速度の遅れを補償して、方向性を改善することができる方向性結合器を得ることを目的とする。【解決手段】多段に接続されている複数の１／４波長結合線路のうち、最密結合段の１／４波長結合線路における２本の信号線路２の上下に浮遊導体３を設け、最疎結合段の１／４波長結合線路における２本の信号線路２の線路間に金属柱４を設けるように構成する。これにより、奇モードの位相速度の遅れを補償して、方向性を改善することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の結合線路が多段に接続されている方向性結合器において、
多段に接続されている複数の結合線路のうち、いずれか１つ以上の結合線路に対して、上記結合線路を構成している２本の平行信号線の上部又は下部に浮遊導体を設け、
多段に接続されている複数の結合線路の中で、上記浮遊導体を設けていない結合線路のうち、いずれか１つ以上の結合線路に対して、偶モードに対する遅波構造を設けている
ことを特徴とする方向性結合器。
【請求項２】
結合線路を構成している２本の平行信号線の上部と下部の双方に浮遊導体を設けていることを特徴とする請求項１記載の方向性結合器。
【請求項３】
浮遊導体の導体幅が、結合線路を構成している２本の平行信号線を覆う長さであることを特徴とする請求項１または請求項２記載の方向性結合器。
【請求項４】
浮遊導体の導体長が、結合線路を構成している２本の平行信号線の線路長より短いことを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載の方向性結合器。
【請求項５】
偶モードに対する遅波構造は、結合線路を構成する２本の平行信号線の線路間に金属柱が設けられている構造であることを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載の方向性結合器。
【請求項６】
偶モードに対する遅波構造は、結合線路を構成する２本の平行信号線の対面しない側にスリットが設けられている構造であることを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載の方向性結合器。
【請求項７】
結合線路は、４分の１波長の線路で構成されていることを特徴とする請求項１から請求項６のうちのいずれか１項記載の方向性結合器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば、マイクロ波帯で使用される方向性結合器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
方向性結合器は、例えば、マイクロ波回路の信号を検波等する構成部品として使用され、様々な周波数帯域で広く用いられている。
動作中心周波数において、１／４波長程度の長さで、結合度がそれぞれ異なる１／４波長結合線路が多段に接続されることで、広帯域化されている方向性結合器が存在する。
【０００３】
図９は以下の非特許文献１に開示されている一般的な方向性結合器（１／４波長結合線路が多段に接続されている方向性結合器）の信号線導体パターンを示す導体パターン図である。
図９の例では、方向性結合器の各段における結合度は、９倍帯域に亘って１０ｄＢ程度の結合度が得られるように導出されており、均一媒質で無損失な理想線路で構成されている場合には、方向性結合器のアイソレーション（Ｐｏｒｔ１から電力が入力されてＰｏｒｔ３に出力される電力と、Ｐｏｒｔ１の入力電力との比）は無限大の特性を有する。
【０００４】
Ｐｏｒｔ１から電力が入力されると、電力が所望の結合度で結合されて、Ｐｏｒｔ２から結合後の電力が出力される。
また、Ｐｏｒｔ３はアイソレーションされており、残りの電力がＰｏｒｔ４を通過する。
【０００５】
ここで、１／４波長結合線路の回路構成としては、図１０に示すようなトリプレート線路（ＴＰＬ）で構成されているものがある。このような結合線路は、サイド結合型結合線路と呼ばれ、基板１内に２本の信号線路２が設けられ、基板１の上下には地導体５，６が設けられている。
【０００６】
なお、１／４波長結合線路の密結合化（２本の信号線路２の間の密結合化）を図る手法として、２本の信号線路２の上下に浮遊導体（アースされていない導体）を装荷する手法が知られている（例えば、特許文献１、非特許文献２を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平６−３５０３１３号公報（段落番号［０００９］）
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】E.G.Cristal and L.Young、“Teory and Tables of Optimum Symmetrical TEM-Mode Coupled-Transmission-Line”IEEE MTT vol.MTT-13，No.5 pp544-558，September 1965
【非特許文献２】L.Laven and J.J.Taub、“Re-entrant Directional Coupler Using Strip Transmission Line”IEEE MTT pp700-701，April 1965
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来の方向性結合器は以上のように構成されているので、多段に接続されている複数の１／４波長結合線路のうち、いずれか１つ以上の１／４波長結合線路を構成している２本の信号線路２の上下に浮遊導体を設ければ、１／４波長結合線路の密結合化を図ることができる。しかし、浮遊導体を設けると、方向性結合器を伝播する信号からみて伝送線路に不連続部が発生することになる。この不連続部の影響で、奇モードの位相速度が遅くなり、高域において方向性が劣化することがある課題があった。
【００１０】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、浮遊導体を設けることで不連続部が発生しても、奇モードの位相速度の遅れを補償して、方向性を改善することができる方向性結合器を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明に係る方向性結合器は、多段に接続されている複数の結合線路のうち、いずれか１つ以上の結合線路に対して、上記結合線路を構成している２本の平行信号線の上部又は下部に浮遊導体を設け、多段に接続されている複数の結合線路の中で、浮遊導体を設けていない結合線路のうち、いずれか１つ以上の結合線路に対して、偶モードに対する遅波構造を設けているものである。
【発明の効果】
【００１２】
この発明によれば、多段に接続されている複数の結合線路のうち、いずれか１つ以上の結合線路に対して、上記結合線路を構成している２本の平行信号線の上部又は下部に浮遊導体を設け、多段に接続されている複数の結合線路の中で、浮遊導体を設けていない結合線路のうち、いずれか１つ以上の結合線路に対して、偶モードに対する遅波構造を設けるように構成したので、浮遊導体を設けることで不連続部が発生しても、奇モードの位相速度の遅れを補償して、方向性を改善することができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】この発明の実施の形態１による方向性結合器を示す斜視図である。
【図２】この発明の実施の形態１による方向性結合器を示す上面透視図である。
【図３】図１の方向性結合器のＡ−Ａ’断面図である。
【図４】図１の方向性結合器のＢ−Ｂ’断面図である。
【図５】９倍帯域において、１０ｄＢ程度の結合度を得るための各段の所望特性を示す説明図である。
【図６】図５に示す結合度を満足するように各段の結合線路幅と結合線路間隔を設定して、方向性結合器の特性を電磁界解析シミュレータで計算した結果を示すグラフ図である。
【図７】最疎結合段の１／４波長結合線路に金属柱４を設けずに、方向性結合器の特性を電磁界解析シミュレーションで計算した結果を示すグラフ図である。
【図８】（ａ）この発明の実施の形態２による方向性結合器の信号線導体パターンを示す導体パターン図である。（ｂ）最疎結合段の１／４波長結合線路の信号線導体パターンの拡大図である。
【図９】非特許文献１に開示されている一般的な方向性結合器（１／４波長結合線路が多段に接続されている方向性結合器）の信号線導体パターンを示す導体パターン図である。
【図１０】トリプレート線路で構成されている１／４波長結合線路を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による方向性結合器を示す斜視図であり、図２はこの発明の実施の形態１による方向性結合器を示す上面透視図である。
また、図３は図１の方向性結合器のＡ−Ａ’断面図であり、図４は図１の方向性結合器のＢ−Ｂ’断面図である。
図１〜４において、方向性結合器は、４分の１波長の結合線路である１／４波長結合線路が９段接続されており、対称９段方向性結合器となっている。
１／４波長結合線路はトリプレート線路（ＴＰＬ）で構成されるサイド結合型結合線路であり、基板１内に２本の平行な信号線路２が設けられ、基板１の上下には地導体５，６が設けられている。
【００１５】
９段の１／４波長結合線路のうち、図中、中央にある１段目の１／４波長結合線路（最密結合段の１／４波長結合線路）には、図４に示すように、２本の信号線路２の上部と下部に浮遊導体３が設けられている。
１段目の１／４波長結合線路（最密結合段の１／４波長結合線路）以外の１／４波長結合線路には、図３に示すように、２本の信号線路２の上部と下部に浮遊導体３が設けられていない。
なお、浮遊導体３の導体幅Ｗは、図４に示すように、図中左側の信号線路２の左端から図中右側の信号線路２の右端までの長さＳより長く、浮遊導体３が２本の信号線路２を覆う大きさになっている。
また、浮遊導体３の導体長は、２本の信号線路２の線路長より短い。即ち、２本の信号線路２の線路長は１／４波長であるため、浮遊導体３の導体長は１／４波長より短い。
【００１６】
９段の１／４波長結合線路のうち、左端及び右端にある５段目の１／４波長結合線路（最疎結合段の１／４波長結合線路）には、図１及び図２に示すように、偶モードに対する遅波構造が設けられている。
図１及び図２の例では、偶モードに対する遅波構造は、２本の信号線路２の線路間に設けられている金属柱４である。
【００１７】
次に図１の方向性結合器の作用について説明する。
図１の方向性結合器が、９倍帯域において、１０ｄＢ程度の結合度を得るための各段の所望特性は図５より導出される。図５の内容は非特許文献１に開示されている。
ここでは、一例として、ＢＴレジン（比誘電率３．４）を適用することを想定する。
図５の例では、１段目の１／４波長結合線路（最密結合段の１／４波長結合線路）における所望結合度は、「−４．９ｄＢ」と密結合であり、２本の信号線路２の間隔を製造限界まで近づけても、所望の結合度を実現するのは難しい。
【００１８】
そこで、１段目の１／４波長結合線路（最密結合段の１／４波長結合線路）については、図４に示すように、２本の信号線路２の上部と下部に浮遊導体３を設けることで、所望の結合度を実現している。
ここでは、２本の信号線路２の上部と下部に浮遊導体３を設けているが、上部又は下部のいずれか一方にだけ浮遊導体３を設けても、密結合化の効果は得られる。
しかし、上部と下部の双方に浮遊導体３を設ける方が、密結合化の効果が大きいため、この実施の形態１では、上部と下部の双方に浮遊導体３を設けている。
【００１９】
また、図４の例では、浮遊導体３の導体幅Ｗが、２本の信号線路２を覆う大きさになっているが、その理由は、下記の通りである。
多層基板を用いて、方向性結合器を製作する場合、基板間の層ずれが発生して、浮遊導体３と結合線路の位置関係が変化し、浮遊導体３が結合線路の間隔上から外れて、所望の結合度が得られない可能性がある。
しかし、浮遊導体３の導体幅Ｗが、２本の信号線路２を覆う大きさになっていれば、基板間の層ずれが発生しても、結合度への影響が小さくなるからである。
【００２０】
ただし、２本の信号線路２の上部と下部に浮遊導体３を設けることで、方向性結合器を伝播する信号からみて伝送線路に不連続部が発生することになる（図１を参照）。この不連続部の影響で、奇モードの位相速度が偶モードの位相速度より遅れるため、高域において方向性が劣化する可能性がある。
そこで、この実施の形態１では、図１及び図２に示すように、５段目の１／４波長結合線路（最疎結合段の１／４波長結合線路）において、２本の信号線路２の線路間に金属柱４を設けることで、偶モードの位相速度を遅らせて、奇モードの位相速度と揃えるようにしている。
【００２１】
以下、２本の信号線路２の線路間に金属柱４を設けることで、偶モードの位相速度が遅れる動作原理について説明する。
まず、１／４波長結合線路の偶モードは、結合線路間の対称面に磁気壁を設定している場合と同等の励振状態であり、１／４波長結合線路の奇モードは、結合線路間の対称面に電気壁を設定している場合と同等の励振状態である。
【００２２】
２本の信号線路２の線路間に金属柱４を設けることは、金属柱設置前は磁気壁であったところに電気壁が設置されることに等しいため、偶モードが金属柱４の設置の影響を受けて位相が遅れる。
奇モードも同様に影響を受けて位相が遅れるが、奇モードは対称面が電気壁であるため、金属柱４の設置の影響が偶モードと比較して小さい。
このため、２本の信号線路２の線路間に金属柱４を設けると、偶モードと奇モードの双方の位相が遅れるが、相対的に偶モードへの影響が大きいため、偶モードに対して遅波効果があるように見える。
【００２３】
ここで、図６は図５に示す結合度を満足するように各段の結合線路幅と結合線路間隔を設定して、方向性結合器の特性を電磁界解析シミュレータで計算した結果を示すグラフ図である。
また、図７は最疎結合段の１／４波長結合線路に金属柱４を設けずに、方向性結合器の特性を電磁界解析シミュレーションで計算した結果を示すグラフ図である。
【００２４】
図６及び図７では、結合特性Ｓ２１を曲線１１ａ，１２ａで表し、反射特性Ｓ１１を曲線１１ｂ，１２ｂで表し、アイソレーション特性を曲線１１ｃ，１２ｃで表し、通過特性Ｓ４１を曲線１１ｄ，１２ｄで表している。
図６及び図７から明らかなように、偶モードに対する遅波構造として、金属柱４を設けると、高域において方向性が改善している効果が確認される。
図６より、比帯域１６２％において、結合特性−１０．０±０．５ｄＢ、 反射特性−２１ｄＢ以下、方向性１５ｄＢ以上、挿入損失０．９ｄＢ以下の良好な特性が示されている。
【００２５】
以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、多段に接続されている複数の１／４波長結合線路のうち、最密結合段の１／４波長結合線路における２本の信号線路２の上下に浮遊導体３を設け、最疎結合段の１／４波長結合線路における２本の信号線路２の線路間に金属柱４を設けるように構成したので、浮遊導体３を設けることで不連続部が発生しても、奇モードの位相速度の遅れを補償して、方向性を改善することができる効果を奏する。
【００２６】
この実施の形態１では、浮遊導体３を設けている１／４波長結合線路が、最密結合段の１／４波長結合線路である例を示したが、これは一例に過ぎず、最密結合段以外の１／４波長結合線路に浮遊導体３を設けるようにしてもよい。
また、２つ以上の１／４波長結合線路に浮遊導体３を設けるようにしてもよい。
【００２７】
また、この実施の形態１では、金属柱４を設けている１／４波長結合線路が、最疎結合段の１／４波長結合線路である例を示したが、これは一例に過ぎず、最疎結合段以外の１／４波長結合線路に金属柱４を設けるようにしてもよい。
また、金属柱４を設ける１／４波長結合線路の数は１つ以上であればよく、２つ以上の１／４波長結合線路に金属柱４を設けてもよい。
【００２８】
また、この実施の形態１では、多段に接続される結合線路が１／４波長結合線路である例を示したが、１／４波長結合線路に限るものではなく、例えば、１／２波長結合線路や１／８波長結合線路などでもよい。
【００２９】
実施の形態２．
図８（ａ）はこの発明の実施の形態２による方向性結合器の信号線導体パターンを示す導体パターン図であり、図８（ｂ）は最疎結合段の１／４波長結合線路の信号線導体パターンの拡大図である。
上記実施の形態１では、偶モードに対する遅波構造として、２本の信号線路２の線路間に金属柱４を設けているものを示したが、この実施の形態２では、偶モードに対する遅波構造として、２本の信号線路２の対面しない側にスリット７が設けられている点で、上記実施の形態１と相違している。その他の点では、上記実施の形態１と同様である。
【００３０】
以下、２本の信号線路２の対面しない側にスリット７を施すことで、偶モードの位相速度が遅れる動作原理について説明する。
１／４波長結合線路の偶モードは、結合線路間の対称面に磁気壁を設定している場合と同等の励振状態であり、この偶モードの信号の電流経路は、主に、１／４波長結合線路を構成する２本の信号線路２の対面しない側（外側）である。
【００３１】
一方、１／４波長結合線路の奇モードは、結合線路間の対称面に電気壁を設定している場合と同等の励振状態であり、この奇モードの信号の電流経路は、主に、１／４波長結合線路を構成する２本の信号線路２の対面する側（内側）である。
したがって、１／４波長結合線路を構成する２本の信号線路２の対面しない側（外側）にスリット７を設けた場合、偶モードの信号の電流経路が長くなるため、偶モードの位相速度が遅れる。
【００３２】
以上で明らかなように、この実施の形態２によれば、偶モードに対する遅波構造として、２本の信号線路２の対面しない側にスリット７を設けるように構成したので、上記実施の形態１と同様に、浮遊導体３を設けることで不連続部が発生しても、奇モードの位相速度の遅れを補償して、方向性を改善することができる効果を奏する。
【００３３】
この実施の形態２では、浮遊導体３を設けている１／４波長結合線路が、最密結合段の１／４波長結合線路である例を示したが、これは一例に過ぎず、最密結合段以外の１／４波長結合線路に浮遊導体３を設けるようにしてもよい。
また、２つ以上の１／４波長結合線路に浮遊導体３を設けるようにしてもよい。
【００３４】
また、この実施の形態２では、スリット７を設けている１／４波長結合線路が、最疎結合段の１／４波長結合線路である例を示したが、これは一例に過ぎず、最疎結合段以外の１／４波長結合線路にスリット７を設けるようにしてもよい。
また、スリット７を設ける１／４波長結合線路の数は１つ以上であればよく、２つ以上の１／４波長結合線路にスリット７を設けてもよい。
【００３５】
また、この実施の形態２では、多段に接続される結合線路が１／４波長結合線路である例を示したが、１／４波長結合線路に限るものではなく、例えば、１／２波長結合線路や１／８波長結合線路などでもよい。
【００３６】
なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。
【符号の説明】
【００３７】
１  基板、２  信号線路、３  浮遊導体、４  金属柱（遅波構造）、５，６  地導体、７  スリット（遅波構造）、１１ａ，１２ａ  結合特性、１１ｂ，１２ｂ  反射特性、１１ｃ，１２ｃ  アイソレーション特性、１１ｄ，１２ｄ  通過特性。
【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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