(57)【要約】【課題】小型化され、かつ良好な方向性を有した方向性結合器を用いて高効率で高周波信号のモニターをする。【解決手段】方向性結合器１０は、主線路（Ｌ１）１１と副線路（Ｌ２）１２とが設けられ、副線路１２の一端には検波端子３が設けられ、他端には終端抵抗（Ｒ１）１３が接続されている。主線路１１側の出力端子２側と副線路１２における検波端子３側の一端との間に容量（Ｃ１）１４が設けられている。アンテナ端子側からの反射波において、主線路１１と副線路１２との間の結合により検波端子に出力される成分と、同反射波が容量１４を経由して検波端子に出力される成分とがキャンセルする方向に働く。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力端子から入力された高周波信号を出力端子に向かって伝搬させる主線路と、該主線路と高周波的に結合し、一端が検波端子に接続され、他端が終端抵抗を介して接地された副線路とを備える方向性結合器であって、
前記主線路の出力端子側と前記副線路における前記一端側との間に容量が設けられていることを特徴とする方向性結合器。
【請求項２】
前記副線路の前記一端側において前記容量が接続されたノードと、前記副線路の前記一端との間にインピーダンス調整用線路が設けられたことを特徴とする請求項１に記載の方向性結合器。
【請求項３】
前記インピーダンス調整用線路はインダクタンス素子からなることを特徴とする請求項２に記載の方向性結合器。
【請求項４】
前記インピーダンス調整用線路の両端または一端が容量を介して接地されていることを特徴とする請求項２または３に記載の方向性結合器。
【請求項５】
請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の方向性結合器が用いられたことを特徴とする高周波回路。
【請求項６】
前記方向性結合器と、
送受信アンテナ端子に接続され、該送受信アンテナ端子を、前記出力端子に接続された送信側端子と、受信信号が出力される受信側端子のいずれかに切り替えて接続するスイッチ回路を備えることを特徴とする請求項５に記載の高周波回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波信号を伝搬させ、その流れに対して方向性をもつ主線路と副線路を有する方向性結合器、及びこれを用いた高周波回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話や無線ＬＡＮ等の高周波通信においては、発信される出力を常に一定に保つことが必要である。このため、その発信出力を常時モニターし、自動利得調整回路を用いて発信出力を一定にするべく制御を行っている。ここで、このモニターを行なう際には、発信する高周波信号に影響を与えずにその発信出力を検出することが必要となる。このために、高周波信号をアンテナ端子まで伝搬させる主線路と平行して副線路を設け、主線路と副線路との高周波的な結合を利用して、副線路における出力を検出することのできる方向性結合器が用いられている。方向性結合器の構成の例を図１２に示す。この方向性結合器８０においては、入力１から出力２に対して高周波を伝搬させる主線路（Ｌ１）８１が設けられている。この主線路８１に平行して副線路（Ｌ２）８２が設けられ、主線路８１と副線路８２とは電磁気的に結合（磁気結合、容量結合）している。副線路８２における出力２と同じ側には終端抵抗（Ｒ１）８３が接続され、その反対側の検波端子３には検波用ダイオードが接続される。終端抵抗８３の他方は接地されており、検波用ダイオードで検波した後の直流電圧を測定することにより高周波の発信出力をモニターする。ここで、主線路８１と副線路８２との電磁気的な結合は必要であるものの、この結合が強すぎるとモニターに用いられる高周波信号の割合が大きくなり、出力信号の損失を生ずるため、この結合は検波感度が劣化しない程度に調整することが要求される。
【０００３】
高周波信号はアンテナ端子を経て空中へ伝搬されるが、アンテナ端子のインピーダンスは完全に５０Ωには整合していないため、高周波信号の一部はアンテナ端子側で反射して方向性結合器に到達し、方向性の悪い結合器を使用した場合に検波精度を劣化させるという問題がある。一般的に方向性の高い結合器を得るためには、主線路や副線路の長さを使用する高周波の波長の１／４程度とすることが有効であるが、例えば２．５ＧＨｚの高周波信号を前提とした場合、この長さは３０ｍｍ程度となり、携帯機器に使用するのは困難である。
【０００４】
こうした要求に応えた方向性結合器として、例えば、特許文献１に、主線路と副線路とが容量結合され、副線路とアース間に容量成分を設けた方向性結合器が記載されている。この構造においては、インピーダンス整合によってアイソレーション特性の向上を図っている。
【０００５】
また、特許文献２には、主線路を２本に分岐し、副線路をこの２本の間に設けた構造の方向性結合器が記載されている。この構造においては、主線路の長さを短く、かつ主線路の方向性を向上させることができた。
【０００６】
こうした技術により、携帯電話や無線ＬＡＮ等に用いられる高周波回路に適合した方向性結合器が得られた。これらの方向性結合器を用いて、高周波回路における高周波信号のモニターを効率的に行うことができた。
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−２８０８１２号公報
【特許文献２】特開２００７−０４３４５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に記載の方向性結合器全体を小型化した場合には、主線路と副線路との間隔が小さくなるため、その間の容量が増大する。従って、これらの間における高周波的結合（磁気結合、容量結合）において、容量結合の割合が増大する。一般に、この結合において磁界結合が支配的である場合には主線路の方向性は向上し、容量結合が支配的である場合にはその方向性は劣化する。従って、この方向性結合器を小型化した場合には方向性が劣化するという問題があった。
【０００９】
また、特許文献２に記載の方向性結合器においては、方向性が改善され、かつ主線路の長さは短くなるものの、２本の主線路を必要とするため、小型化には適さない。また、この方向性結合器においては主線路が２本となるためにそのインピーダンスは小さくなる。従って、低インピーダンスの回路にのみ整合し、５０Ω程度の高いインピーダンスの回路に対応させることは困難であった。
【００１０】
従って、小型化され、かつ良好な方向性を有した方向性結合器を用いて高効率で高周波信号のモニターをすることは困難であった。
【００１１】
本発明は、斯かる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明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】
【００１２】
本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
請求項１記載の発明の要旨は、入力端子から入力された高周波信号を出力端子に向かって伝搬させる主線路と、該主線路と高周波的に結合し、一端が検波端子に接続され、他端が終端抵抗を介して接地された副線路とを備える方向性結合器であって、前記主線路の出力端子側と前記副線路における前記一端側との間に容量が設けられていることを特徴とする方向性結合器に存する。
請求項２記載の発明の要旨は、前記副線路の前記一端側において前記容量が接続されたノードと、前記副線路の前記一端との間にインピーダンス調整回路が設けられたことを特徴とする請求項１に記載の方向性結合器に存する。
請求項３記載の発明の要旨は、前記インピーダンス調整用線路はインダクタンス素子からなることを特徴とする請求項２に記載の方向性結合器に存する。
請求項４記載の発明の要旨は、前記インピーダンス調整用線路の両端または一端が容量を介して接地されていることを特徴とする請求項２または３に記載の方向性結合器に存する。
請求項５記載の発明の要旨は、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の方向性結合器が用いられたことを特徴とする高周波回路に存する。
請求項６記載の発明の要旨は、前記方向性結合器と、送受信アンテナ端子に接続され、該送受信アンテナ端子を、前記出力端子に接続された送信側端子と、受信信号が出力される受信側端子のいずれかに切り替えて接続するスイッチ回路を備えることを特徴とする請求項５に記載の高周波回路に存する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は以上のように構成されているので、小型で、かつ方向性が向上した方向性結合器を用いて、高効率で高周波信号のモニターをすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明について具体的な実施形態を示しながら説明する。ただし、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。
【００１５】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る方向性結合器の構成を示す図が図１である。この方向性結合器１０においては、主線路（Ｌ１）１１と副線路（Ｌ２）１２とが設けられている。主線路１１の一端に接続された入力端子１から入力した高周波信号は主線路１１を通って他端に接続された出力端子２に伝搬する。出力端子２にはアンテナ端子を介してアンテナが接続され、この高周波信号はアンテナから放射される。主線路１１と副線路１２とは隣接し、高周波的に結合されているため、副線路１２にも高周波が誘起される。副線路１２の一端には検波端子３が設けられ、他端には終端抵抗（Ｒ１）１３が接続されている。これにより誘起された高周波信号の出力を検波端子３側において検出することができる。ここで、この方向性結合器１０においては、主線路１１側の出力端子２側と副線路１２における検波端子３側の一端との間に容量（Ｃ１）１４が設けられている。なお、実際にはこの方向性結合器１０は、例えばセラミックス積層基板で構成し、セラミックス基板中に導体をパターン化して各線路として、一体化された構造として形成することができる。
【００１６】
ここで用いられる周波数は、無線ＬＡＮ等に用いられる５ＧＨｚの周波数を前提とした。主線路１１、副線路１２の長さは、任意であるが、高周波の波長の１／４（１５ｍｍ）よりも短く、その長さを５ｍｍ以下と短くすることができる。
【００１７】
副線路１２における検波端子３側から見たインピーダンスは副線路１２自体のインピーダンスおよび終端抵抗１３より調整され、例えばこのインピーダンスは５０Ωと設定される。
【００１８】
図１の構成の方向性結合器において、主線路１１と副線路１２との結合度、方向性は、入力端子１、出力端子２、検波端子３間のＳパラメータＳ３１、Ｓ２１、Ｓ３２を用いて、下記の式で表される。
【数１】
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【数２】
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【００１９】
本実施の形態の方向性結合器１０（図１）と、容量１４をもたない従来の方向性結合器８０（図１２）におけるその方向性の周波数依存性について調べた結果を図２に示す。ここで、主線路１１、副線路１２、及び終端抵抗１３は同一とした。主線路１１及び副線路１２の長さは５ｍｍ、容量１４の大きさは０．５ｐＦとした。
【００２０】
図２においては、実線が本実施の形態に係る方向性結合器１０の方向性であり、破線が従来の方向性結合器８０（図１２）の方向性である。従来の方向性結合器８０の方向性は周波数に対してほぼ平坦な特性を示すのに対して、この方向性結合器１０の方向性の周波数依存性は大きくなっている。この方向性結合器１０においては、特に４〜６ＧＨｚ近辺においては、大幅に方向性が向上している。従って、この方向性結合器１０は５ＧＨｚ帯の無線ＬＡＮ用の高周波回路に好適である。
【００２１】
容量１４を設けることによって方向性が向上する理由は、アンテナ端子側からの反射波において、主線路１１と副線路１２との間の結合により検波端子に出力される成分と、同反射波が容量１４を経由して検波端子に出力される成分とがキャンセルする方向に働くためである。キャンセルする度合いはそれぞれの反射波の成分の振幅および位相に依存するため、容量１４の大きさ、主線路１１と副線路１２の長さ、主線路１１と副線路１２の結合度を調整する事により特定の周波数帯域において方向性を改善することができる。したがって、かかる方法によって、方向性結合器の方向性が改善された周波数（方向性の周波数依存性において極小値をとる周波数）を、方向性結合器を適用しようとする通信システムの使用帯域に合わせることによって、該帯域において優れた方向性が発揮される。
【００２２】
容量１４を上記の方向性結合器１０とは異なる箇所に設けた例につき調べた結果を比較例として示す。図３は、容量（Ｃ１）１４を主線路１１の出力端子２側ではなく、入力端子１側に接続した構成とした方向性結合器の構成図であり、本実施の形態の方向性結合器１０とは容量１４の主線路１１側における接続点のみが異なる。図４は、従来の方向性結合器８０（図１２）と図３の構成の方向性結合器における方向性の周波数依存性を調べた結果である。この結果より、同じ容量１４を用いた場合でも、主線路１１側の接続点を変えた図３の構成の場合では、図１２の方向性結合器と比べて、全ての周波数帯域で方向性が劣化している。この理由は、図３の構成においては、容量１４が主線路１１と副線路１２との間の容量結合成分となるためである。従って、容量１４を主線路１１の出力側に接続した図１の構成が方向性の向上に有効であることがわかる。
【００２３】
この方向性結合器１０においては、主線路１１、副線路１２の長さを波長の１／４とすることなしに、方向性を改善できる。また主線路の線路長を１／４波長（１５ｍｍ）から１／１２波長（５ｍｍ）へ短縮する事も可能であり、これに伴い主線路の導体ロスも低減することができる。従って、この方向性結合器１０を小型とすることができ、小型の方向性結合器を用いて高効率で高周波信号のモニターをすることができる。
【００２４】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態に係る方向性結合器の構成を示す図が図５である。この方向性結合器２０においては、主線路（Ｌ１）２１、副線路（Ｌ２）２２、終端抵抗（Ｒ１）２３、容量（Ｃ１）２４が第１の実施の形態と同様に設けられている。ここで、副線路２２の検波端子３側に直列に追加副線路（Ｌ３：インピーダンス調整用線路）２５が設けられている。すなわち、主線路２１側の出力端子２側と副線路２２における検波端子３側の一端との間に容量（Ｃ１）２４が設けられており、副線路２２の一端側において容量２４が接続されたノードと、副線路２２の一端との間に追加副線路２５が設けられている。
【００２５】
追加副線路２５は、副線路２２を通る高周波信号の位相を調整する。従って、この長さを調整することによって、反射波の位相を調整し、前記の反射波のキャンセルの度合いを調整することができる。すなわち、方向性の良好な周波数帯域を、追加副線路２５の長さを変えることによって調整することができる。追加副線路２５は主線路２１及び副線路２２と同様に構成してもよいが、例えばインダクタ素子として構成してもよい。
【００２６】
一例として、図１、図２において用いられた方向性結合器に追加副線路２５を設け、追加副線路２５の長さＬ３を０ｍｍ（追加副線路２５がない場合）、１ｍｍ、２ｍｍとした場合の方向性の周波数依存性の変化を調べた結果を図６に示す。方向性が最も改善される周波数がＬ３に応じて変化することが確認された。すなわち、容量２４を設けることによって特定の周波数領域で方向性を向上させることができる。この追加副線路２５は副線路２２側にのみ設ければよいため、これによって方向性結合器２０の小型化が大きく損なわれることはない。また、特に出力に大きな影響を与える主線路２１側の構成を変えることなく、これらの調整を行うことができる。また、主線路２１側に追加副線路を設ける必要がないため、信号損失を抑えることができる。
【００２７】
図７に、この実施の形態に係る方向性結合器２０においてＬ３＝１ｍｍとした場合の方向性及び結合度の周波数依存性を、図８に、従来の方向性結合器（図１２）における方向性及び結合度の周波数依存性をそれぞれ示す。前記の通り、６ＧＨｚ近辺において、この方向性結合器２０においては方向性が大きく向上しており、結合度は従来例と大差なく低い値が得られている（図７）。従って、小型化をした場合であっても、同じ結合を保ったまま方向性を向上させることができる。従って、この方向性結合器２０を用いて、更に高効率で高周波信号のモニターをすることができる。
【００２８】
（第３の実施の形態）
第３の実施の形態に係る方向性結合器の構成を示す図が図９である。この方向性結合器３０においては、主線路（Ｌ１）３１、副線路（Ｌ２）３２、終端抵抗（Ｒ１）３３、容量（Ｃ１）３４、及び追加副線路（Ｌ３）３５が第２の実施の形態と同様に設けられている。ここで、副線路３５の両端がインピーダンス整合用容量Ｃ２、Ｃ３（３６、３７）を介して接地されている。
【００２９】
ここで、主線路３１、副線路３２、終端抵抗３３、容量３４、及び追加副線路３５の機能は第２の実施の形態と同様である。ただし、第３の方向性結合器３０においては、インピーダンスを調整するために、インピーダンス整合用容量３６、３７も更に用いられる。すなわち、この方向性結合器３０においては、追加副線路３５、インピーダンス整合用容量３６、３７によって検波端子３側から見たインピーダンスが最適化される。
【００３０】
インピーダンス整合用容量３６、３７がある場合（実線）と、ない場合（破線）の、検波端子３における反射特性を調べた結果を図１０に示す。ここで、反射特性とは、検波端子３におけるＳパラメータＳ３３を示す。インピーダンス整合用容量３６、３７を設けることにより、反射成分を減少させ、特に５ＧＨｚ近辺において良好な反射特性を得ている。すなわち、追加副線路３５、インピーダンス整合用容量３６、３７によって特定の周波数領域において反射特性を向上させ、特に５ＧＨｚ帯の無線ＬＡＮ用の高周波回路に好適となることがわかる。
【００３１】
この方向性結合器３０は単体の回路素子として構成してもよいし、他の回路素子とともに高周波回路を構成してもよい。方向性結合器３０を高周波回路に構成した一例を図１１に示す。図１１に示す高周波回路は、無線ＬＡＮ等の無線通信における送受信の切り替えに用いられるフロントエンドモジュールに適用可能な高周波回路である。この高周波回路においては、送信端子５から入力された高周波信号がパワーアンプ４１で増幅され、入力端子１から方向性結合器３０に入力される。出力端子２には送受信スイッチ（スイッチ回路）４２が接続され、この高周波信号は送受信スイッチ４２を介して送受信アンテナ端子４３に接続されるアンテナから放射される。
【００３２】
送受信アンテナ端子４３は高周波信号を受信する機能も有する。送受信スイッチ４２は、方向性結合器３０の出力端子２から出力された高周波信号が入力される送信側端子４４と、送受信アンテナ端子４３が受信した受信信号が出力され、受信回路に接続される受信側端子４５とを有する。送受信スイッチ４２はこれらの端子を切り替えて送受信アンテナ端子４３に接続されたアンテナ端子４６に接続させるＳＰＤＴスイッチとなっている。従って、この高周波回路においては、送受信スイッチ４２によって送受信が切り替えられる。なお、図１０においては受信側の回路については記載を省略しているが、必要とされる特性に応じて低雑音増幅器回路やフィルタ回路を適宜配置すればよい。受信信号は、前記送受信スイッチに接続された、高周波回路の受信端子から出力される。
【００３３】
一方、高周波出力のモニター用信号は検波端子３を介して取り出され、検波ダイオード４７で整流され、負荷抵抗４８および平滑コンデンサ４９により直流電圧として検波出力端子６に出力される。この電圧をモニターすることにより、送受信アンテナ端子４３から放射される高周波信号の強度を算定し、これをフィードバックしてパワーアンプ４１を制御し、所定の強度の高周波信号を放射する事が可能になる。
【００３４】
ここで、この高周波回路においては、検波ダイオード４７を使用しているため、このダイオード自体の非線形動作により高調波信号も発生するが、追加副線路３５、インピーダンス整合用容量３６、３７で構成されたインピーダンス調整回路は、ローパスフィルターとしても機能するため、前記高調波信号が検波端子３側からアンテナ端子４６側へ流れることを防止する。
【００３５】
なお、上記の例ではインピーダンス整合用容量３６、３７が用いられていたが、一方のみでも良好な反射特性が得られる場合には、どちらか一方のみを用いることができる。
【００３６】
なお、上記のいずれの実施の形態においても、出力端子と検波端子との間に容量を接続していた。しかしながら、これらの間で容量結合を生ずる構造であればこれに限られるものではなく、積層セラミック基板において形成された主線路と副線路との間で同様の効果を奏する構造を形成してもよい。インピーダンス調整用容量についても同様である。また、追加副線路（インピーダンス調整用線路）についても同様であり、実効的に副線路の長さを調整できる構成であれば、任意の形態が使用できる。
【００３７】
以上の方向性結合器は、積層セラミック基板上に形成することができ、小型化することが容易である。これを高周波回路に用いれば、高周波信号のモニターをより正確に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】第１の実施の形態に係る方向性結合器の構成を示す図である。
【図２】第１の実施の形態に係る方向性結合器における方向性の周波数依存性を示す図である。
【図３】比較例として用いた方向性結合器の構成を示す図である。
【図４】比較例の方向性結合器における方向性の周波数依存性を示す図である。
【図５】第２の実施の形態に係る方向性結合器の構成を示す図である。
【図６】第２の実施の形態に係る方向性結合器における方向性の周波数依存性を示す図である。
【図７】第２の実施の形態に係る方向性結合器における結合度と方向性の周波数依存性を示す図である。
【図８】従来の方向性結合器における結合度と方向性の周波数依存性を示す図である。
【図９】第３の実施の形態に係る方向性結合器の構成を示す図である。
【図１０】第３の実施の形態に係る方向性結合器における検波端子における反射特性の周波数依存性を示す図である。
【図１１】第３の実施の形態に係る方向性結合器を用いた高周波回路の構成を示す図である。
【図１２】従来の方向性結合器の一例の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３９】
１  入力端子
２  出力端子
３  検波端子
５  送信端子
６  検波出力端子
１０、２０、３０、８０  方向性結合器
１１、２１、３１、８１  主線路
１２、２２、３２、８２  副線路
１３、２３、３３、８３  終端抵抗
１４、２４、３４  容量
２５、３５  追加副線路（インピーダンス調整用線路）
３６、３７  インピーダンス整合用容量
４１  パワーアンプ
４２  送受信スイッチ（スイッチ回路）
４３  送受信アンテナ端子
４４  送信側端子
４５  受信側端子
４６  アンテナ端子
４７  検波ダイオード
４８  負荷抵抗
４９  平滑コンデンサ
【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】
2009027617.tif 000014
【図１１】
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【図１２】
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