(57)【要約】【課題】小型でかつ安価に大電力化が可能な方向性結合器を提供する。【解決手段】高周波電力が流れる主線路と、前記主線路を流れる高周波電力の一部を前記主線路から取り出す結合線路とを備える方向性結合器において、前記主線路と対向する第１の導体が、前記主線路の両側から前記主線路を挟むように第１の誘電体を介して設けられて、前記主線路と前記第１の誘電体と前記第１の導体によりストリップラインが形成され、前記結合線路と対向する第２の導体が、第２の誘電体を介して設けられて、前記結合線路と前記第２の誘電体と前記第２の導体によりマイクロストリップラインが形成される。【選択図】  図１
2013214851.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波電力が流れる主線路と、前記主線路を流れる高周波電力の一部を前記主線路から取り出す結合線路とを備える方向性結合器であって、
前記主線路と対向する第１の導体が、前記主線路の両側から前記主線路を挟むように第１の誘電体を介して設けられて、前記主線路と前記第１の誘電体と前記第１の導体によりストリップラインが形成され、
前記結合線路と対向する第２の導体が、第２の誘電体を介して設けられて、前記結合線路と前記第２の誘電体と前記第２の導体によりマイクロストリップラインが形成されることを特徴とする方向性結合器。
【請求項２】
請求項１に記載された方向性結合器であって、
前記第１の導体は、前記主線路と前記結合線路の両側から前記主線路と前記結合線路とを挟むように設けられたシールド用の外被であり、前記第１の誘電体は空気であり、前記第２の誘電体はプリント基板であり、前記結合線路は前記プリント基板の一方の面上に形成された金属パターンであり、前記第２の導体は前記プリント基板の他方の面上に形成された金属パターンであることを特徴とする方向性結合器。
【請求項３】
請求項２に記載された方向性結合器であって、
前記主線路は金属板で形成されたことを特徴とする方向性結合器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波信号又は高周波電力を検出する方向性結合器に関し、例えば、大電力高周波増幅器の電力検出に用いられる方向性結合器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば数十ｄＢの結合度で高周波信号又は高周波電力を検出する手段として、図３や図４に示すような結合回路で構成される方向性結合器が一般的に知られている。図３は、例えば誘電体であるプリント基板３４上に形成した銅箔で構成されるマイクロストリップラインにより形成される結合回路であり、プリント基板３４の表面（Ａ面）に、高周波信号が流れる主線路３１と、主線路３１から電磁結合により高周波信号を取り出す結合線路３２とが設けられ、プリント基板３４の裏面（Ｂ面）全体に、ＧＮＤパターン３３が設けられる。
【０００３】
主線路３１と結合線路３２とが電磁結合する結合部分の長さ、つまり結合ライン長はＬｃであり、主線路３１と結合線路３２の結合部分の間隔、つまりギャップ長はＬｇである。マイクロストリップラインのインピーダンスＺ及びギャップ長Ｌｇを適切に選択することで、所望の結合度及び方向性を持った結合出力を得ることができる。また、結合ライン長Ｌｃを主線路３１を流れる信号周波数の例えばλ／４の電気長にすることで、結合出力に所定の帯域を持たせることも可能である。ここでλは主線路３１を流れる信号波長である。
【０００４】
図４はこれを同軸線路に置き換えたものであり、同軸線路の外被４５の中心に、中空の金属製の主線路４１が設けられ、主線路４１との間で結合ライン長Ｌｃを得られるように、結合線路４２が設けられる。主線路４１の内側と外側は空気である。
図４の方向性結合器においても、図３の方向性結合器と同様に、線路インピーダンスＺ及びギャップ長Ｌｇを選択することで、所望の結合度及び方向性を持った結合出力を得ることができ、また、結合ライン長Ｌｃを主線路３１を流れる信号周波数の例えばλ／４の電気長にすることで、結合出力に所定の帯域を持たせることができる。
【０００５】
図３の方法は、プリント基板３４上の銅箔パターンのみで実現が可能なため、比較的簡単で、かつ安価に製作することができるという利点がある。しかし、汎用基板の銅箔や基板材料の厚みには限度があるため、大電力で所望のインピーダンスを得るためには特殊仕様の基板が必要となり、コスト面においては不利となる。また、基板材料には誘電体損失が存在するため、大電力で使用した場合にはその影響が問題となるので、誘電体損失による発熱を抑制できる材料を選択する必要がある。
【０００６】
図４の方法は、同軸の径を大きくすることで大電力にも対応可能であり、通常、大電力の方向性結合器では、この方法を用いる場合が多い。しかし、耐電力は同軸の半径に比例するのに対し、体積は半径の２乗に比例して増大するため、大電力になると小型化が困難であるという問題がある。また、構成部品に機械的な加工要素が多く、コスト的にも不利である。
【０００７】
下記の特許文献１には、マイクロストリップラインを用いた方向性結合器が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００９−２３９４０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上述のような従来の課題を解決するために為されたもので、小型でかつ安価に大電力化が可能な方向性結合器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】
【００１０】
上記課題を解決するための、本願発明の代表的な構成は、次のとおりである。すなわち、
高周波電力が流れる主線路と、前記主線路を流れる高周波電力の一部を前記主線路から取り出す結合線路とを備える方向性結合器であって、
前記主線路と対向する第１の導体が、前記主線路の両側から前記主線路を挟むように第１の誘電体を介して設けられて、前記主線路と前記第１の誘電体と前記第１の導体によりストリップラインが形成され、
前記結合線路と対向する第２の導体が、第２の誘電体を介して設けられて、前記結合線路と前記第２の誘電体と前記第２の導体によりマイクロストリップラインが形成されることを特徴とする方向性結合器。
【発明の効果】
【００１１】
本願発明によれば、小型でかつ安価に大電力化が可能な方向性結合器を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態に係る方向性結合器の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係る方向性結合器の変形例を示す図である。
【図３】従来技術に係る方向性結合器の構成例を示す図である。
【図４】従来技術に係る方向性結合器の他の構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の実施形態に係る方向性結合器について、図１を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施形態に係る方向性結合器の構成を示す図であり、図１（ａ）は、後述する主線路１１や結合線路１２が形成された基板の表面（Ａ面）を上方から見た図であり、図１（ｂ）は、主線路１１や結合線路１２が形成された基板を側方から見た図である。
【００１４】
本実施形態の方向性結合器は、誘電体である厚さｄのプリント基板１４の表面（Ａ面）に、高周波信号又は高周波電力が流れる主線路１１と、主線路１１から電磁結合により高周波信号又は高周波電力を取り出す結合線路１２とが設けられ、プリント基板１４の裏面（Ｂ面）において結合線路１２と対応する領域全面に、ＧＮＤ（接地）電位のＧＮＤパターン１３が設けられている。ＧＮＤパターン１３が形成されている範囲を、図１（ａ）において一点鎖線で示す。一方、プリント基板１４の裏面（Ｂ面）において主線路１１と対応する領域には、ＧＮＤパターンが設けられていない。主線路１１と結合線路１２とＧＮＤパターン１３は、例えば銅箔パターンで形成される。プリント基板１４の材質は、例えばガラスエポキシである。
【００１５】
プリント基板１４は、全体が金属製の導体、例えば銅製の外殻である略直方体のシールド１５で覆われたシールド構造となっている。シールド１５は、図１（ｂ）に示すように高さが略ｈであり、プリント基板１４の上下面（Ａ面とＢ面）と左右側端と前後をほぼ覆っている。ここで上下左右は、図１（ｂ）における上下左右である。また、図１（ａ）における下方を前、上方を後と称す。ただし、シールド１５の前面と後面は、主線路１１の部分において、主線路１１に高周波信号又は高周波電力を入力できるように、例えばスリット状に開放されている。このスリットは、例えば、水平方向（基板面の方向）に細長い構造である。また、シールド１５の右側面は、結合線路１２から高周波信号又は高周波電力を出力できるように、例えばスリット状に開放されている。このスリットは、例えば、水平方向（基板面の方向）に細長い構造である。
【００１６】
主線路１１は、プリント基板１４上に前後方向に長く形成された長方形のパターンである。主線路１１の前後端には、それぞれ高周波信号又は高周波電力を流すためのコネクタが接続される。結合線路１２は、主線路１１に平行で、主線路１１と電磁結合するための結合部１２ｂと、結合部１２ｂから主線路１１とは反対方向に直角に折れ曲がるように形成された接合部１２ａ及び接合部１２ｃとから構成される。接合部１２ａ及び接合部１２ｃの右端には、それぞれ高周波信号又は高周波電力を取り出すためのコネクタが接続される。
【００１７】
本実施形態の方向性結合器は、例えば、数十ｋＷの大電力で数十ＭＨｚの高周波信号用に用いられるもので、一例を挙げれば、主線路１１の幅が約３０ｍｍ、長さが約１２０ｍｍ、結合線路１２の結合部１２ｂの幅が約５ｍｍ、Ｌｃが約１００ｍｍ、Ｌｇが約２０ｍｍ、プリント基板１４の厚さｄが約１ｍｍ、シールド１５の高さ（≒ｈ）が約５０ｍｍである。
なお、結合線路１２は、結合部１２ｂと接合部１２ａ及び接合部１２ｃとの接続部分において、図１（ａ）に示すように、角が削られている。これは、結合線路１２の角と大電力が流れる電位の高い主線路１１との間で、放電を生じさせないためである。
【００１８】
図１の回路において、主線路１１と結合線路１２とが電磁結合する結合部分の長さ、つまり結合ライン長はＬｃであり、主線路１１と結合線路１２の結合部１２ｂとの間隔、つまりギャップ長はＬｇである。図１の回路においても、図３の従来例と同様に、主線路１１と結合線路１２のインピーダンスＺ及びギャップ長Ｌｇを適切に選択することで、所望の結合度及び方向性を持った結合出力を得ることができる。また、結合ライン長Ｌｃを主線路１１を流れる信号周波数のλ／４の奇数倍の電気長にすることで、結合出力に所定の帯域を持たせることも可能である。ここでλは主線路１１を流れる信号波長である。
【００１９】
上述したような、主線路１１の周囲を導体であるシールド１５で囲み、結合線路１２とＧＮＤパターン１３とでプリント基板１４を挟む構造により、結合線路１２側、つまり図１（ｂ）における一点鎖線よりも右側の部分であるＭ部は、図３と同様のマイクロストリップラインとして機能するのに対し、主線路１１側、つまり図１（ｂ）における一点鎖線よりも左側の部分であるＳ部は、基板１４上の主線路１１の銅箔パターンと金属製のシールド１５によって構成されるストリップラインとして機能する。
ここで、マイクロストリップラインとは、板状誘電体の表面に線状の導体を形成し裏面全体に導体を形成して、表面の線状の導体で電磁波を伝送するものであり、ストリップラインとは、線状の導体を誘電体を介して板状の導体で挟み、線状の導体で電磁波を伝送するものである。
【００２０】
このように、本実施形態では、主線路１１と対向する第１の導体であるシールド（外被）１５が、主線路１１の両側から主線路１１を挟むように第１の誘電体である空気を介して設けられて、主線路１１と第１の誘電体と第１の導体によりストリップラインが形成される。また、結合線路１２と対向する第２の導体であるＧＮＤパターン１３が、第２の誘電体である基板１４を介して設けられて、結合線路１２と第２の誘電体と第２の導体によりマイクロストリップラインが形成される。
【００２１】
通常、基板１４の厚みｄは、ストリップラインの高さｈに比べて十分小さくすることができるので、例えばシールド１５の内側が空気で充填されている場合、図３の従来例のマイクロストリップラインに比べて、主線路１１側における誘電体損失は、数十〜数百分の１に低減することが可能となる。これは、空気の誘電率が基板１４の誘電率よりも小さいためである。また、高周波伝送において、主線路１１で構成されるストリップラインは、同軸ラインに比べて表面積を大きく取ることが可能であるため、図４の従来例の同軸線路よりも十分に小型化が可能である。
【００２２】
次に、図１の方向性結合器の変形例について、図２を用いて説明する。図２は、本発明の実施形態に係る方向性結合器の変形例を示す図である。図２において、図１と異なる点は、結合線路１２の形状と、主線路１１と結合線路１２との間に、スリット１６ａ及びスリット１６ｂを設けたことである。他の構成は、図１と同じなので、適宜説明や図示を省略する。
【００２３】
図２の例において、結合線路１２は、主線路１１に平行で、主線路１１と電磁結合するための結合部１２ｂと、結合部１２ｂから右方向に直角に折れ曲がるように形成された接合部１２ａ及び接合部１２ｃとから構成される。結合部１２ｂは、接合部１２ａ及び接合部１２ｃと別体の例えば銅板で形成され、接合部１２ａ及び接合部１２ｃと例えば半田付けにより接続される。主線路１１に平行な状態を保ちつつ、結合部１２ｂの位置（形成位置）を、図２の左右方向に動かし主線路１１からの離間距離を調整することで、この方向性結合器の結合度を容易に調整することができる。
なお、結合部１２ｂと接合部１２ａ及び接合部１２ｃとのなす角度は、必ずしも直角に限られるものではない。
【００２４】
このように、結合線路１２は、主線路１１と電磁結合して主線路１１を流れる高周波電力の一部を主線路１１から取り出す結合部１２ｂと、結合部１２ｂと角度をもって交差する接合部１２ａ及び接合部１２ｃとを備え、結合部１２ｂと主線路１１との間隔を変更可能なように、結合部１２ｂが接合部１２ａ及び接合部１２ｃに接続される。
【００２５】
スリット１６ａは、接合部１２ａの左端と主線路１１との間に設けられ、スリット１６ｂは、接合部１２ｃの左端と主線路１１との間に設けられている。スリット１６ａ及びスリット１６ｂにより、接合部１２ａの左端及び接合部１２ｃの左端と主線路１１との間の沿面距離を長くすることができる。これにより、耐電圧をより大きくすることができ、接合部１２ａの左端又は接合部１２ｃの左端と主線路１１との間で放電が発生することを防止することができる。
【００２６】
以上説明した実施形態によれば、少なくとも次の（１）〜（３）の効果を奏する。
（１）大電力の高周波信号又は高周波電力検出において、従来よりも安価でかつコンパクトに方向性結合器を構成できる。
（２）１枚の基板上に主線路と結合線路を形成し、これを金属で囲む構造としたので、容易に方向性結合器を製作できる。
（３）主線路と結合線路の結合部との間の間隔を調整可能とし、主線路と結合線路との間にスリットを設けたので、主線路と結合線路との間の結合度を調整でき、かつ主線路と結合線路との間の放電を防止することができる。
【００２７】
なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々に変更が可能であることはいうまでもない。
前記実施形態における構成及び主線路や結合線路のパターン形状は一例であり、例えばガラスエポキシ製のプリント基板に限らず、フッ素樹脂等の他の誘電体板を使用した場合にも同様の効果が得られる。
前記実施形態では、主線路と結合線路を金属パターンで形成し、シールドを金属で形成したが、金属以外の導体で形成することも可能である。
前記実施形態では、主線路と結合線路を同一基板（誘電体）上の印刷パターンとして形成したが、必ずしも同一誘電体上のパターンとして形成する必要はない。例えば、大電力を流す主線路を金属板で形成し、比較的小さい電力を流す結合線路を基板上の印刷パターンとして形成するよう構成してもよい。要は、主線路がストリップラインとして機能し、結合線路がマイクロストリップラインとして機能する構造であれば同様の効果が得られる。
【００２８】
本明細書の記載事項には、少なくとも次の構成が含まれる。
第１の構成は、
高周波電力が流れる主線路と、前記主線路を流れる高周波電力の一部を前記主線路から取り出す結合線路とを備える方向性結合器であって、
前記主線路と対向する第１の導体が、前記主線路の両側から前記主線路を挟むように第１の誘電体を介して設けられて、前記主線路と前記第１の誘電体と前記第１の導体によりストリップラインが形成され、
前記結合線路と対向する第２の導体が、第２の誘電体を介して設けられて、前記結合線路と前記第２の誘電体と前記第２の導体によりマイクロストリップラインが形成されることを特徴とする方向性結合器。
【００２９】
第２の構成は、第１の構成の方向性結合器であって、
前記第１の誘電体は空気であり、前記第２の誘電体はプリント基板であり、前記結合線路は前記プリント基板の一方の面上に形成された金属パターンであり、前記第２の導体は前記プリント基板の他方の面上に形成された金属パターンであることを特徴とする方向性結合器。
【００３０】
第３の構成は、第２の構成の方向性結合器であって、
前記主線路は金属板で形成されたことを特徴とする方向性結合器。
【００３１】
第４の構成は、第２の構成の方向性結合器であって、
前記主線路は、前記プリント基板の前記結合線路と同一面上に形成された金属パターンであることを特徴とする方向性結合器。
【００３２】
第５の構成は、第１の構成ないし第４の構成の方向性結合器であって、
前記第１の導体は、前記主線路と前記結合線路の両側から前記主線路と前記結合線路とを挟むように設けられたシールド用の金属外被であることを特徴とする方向性結合器。
【００３３】
第６の構成は、第１の構成ないし第５の構成の方向性結合器であって、
前記結合線路は、前記主線路と電磁結合して前記主線路を流れる高周波電力の一部を前記主線路から取り出す結合部と、前記結合部と角度をもって交差する接合部とを備え、
前記結合部と前記主線路との間隔を変更可能なように、前記結合部が前記接合部に接続されることを特徴とする方向性結合器。
【符号の説明】
【００３４】
１１…主線路、１２…結合線路、１２ａ…接続部、１２ｂ…結合部、１２ｃ…接続部、１３…ＧＮＤパターン、１４…基板、１５…シールド（外被）、１６ａ…スリット、１６ｂ…スリット、３１…主線路、３２…結合線路、３３…ＧＮＤパターン、３４…基板、４１…主線路、４２…結合線路、４５…外被。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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