JP5169844B2 - 方向性結合器 - Google Patents

Description

本発明は、主線路と結合線路を備える方向性結合器に関する。

無線端末では送信電力レベルなどのモニターに方向性結合器が用いられることが一般的である。方向性結合器の典型的な構成を図３６に示す。図３６に示されるように主線路５００は送信電力を伝送する線路であり入力ポート（＃１）と出力ポート（＃２）とに接続される。一方、結合線路５０２は主線路５００の送信電力の一部を取り出すために設けられる線路であり、結合ポート（＃３）とアイソレーションポート（＃４）とに接続される。なお、方向性結合器は、小型化のためにスパイラル形状で形成される場合もある（図３７参照）。方向性結合器の性能は結合量／アイソレーションで定義される方向性と呼ばれる値で表現される。方向性の値が大きいほど、出力ポートからの反射波の影響を抑制して、入力ポートから出力ポートへの送信電力を取り出せることを意味する。前述の結合量およびアイソレーションは周波数依存性を有することが多く、その一例として図３８を示す。Dirとは方向性のことである。

方向性結合器は例えば送信電力増幅器とアンテナの間に挿入される。前述の方向性結合器は例えば図３９に記載の携帯電話端末として用いられる。図３９でBB-LSIとは音声やデータを外部とやり取りし、携帯電話端末の信号処理を担う心臓部分である。また、図３９でRF/IF-ICとはBB-LSIからの送信用信号を高周波へ周波数変換し増幅器(PA)へ送り、アンテナ（ANT）で受けた信号を中間周波数に変換しBB-LSIへ送るICである。送信用信号の伝送経路上に方向性結合器(Directional coupler)が配置され、その方向性結合器の結合ポートに取り出された信号がキャパシタ(Ｃｃ)を介して接続されたディテクタ(ＤＥＴ)へ送られる。結合ポートで取り出された信号はディテクタからBB-LSIへ伝送され、増幅器の出力レベルの監視および制御の指標とされる。

このように、方向性結合器は増幅器の出力レベル（出力電力）のモニターを目的とするため、結合ポートから取り出される信号は増幅器の出力レベルを正確に反映でき、誤差無く高精度であることが望ましい。図４０にはディテクタで検出する電力の誤差と方向性結合器の方向性の関係を表すグラフを示す。一般に方向性結合器は0.5dB以下の検出誤差とするために、２０ｄＢ程度の方向性を有することが求められる。

例えば、特許文献１には方向性を高めた方向性結合器が開示されている。すなわち、合成器と呼ばれる装置において送信波の中に含まれる反射波の多重反射分を移相器により位相調整した反射波で打ち消すことで方向性を高める構成が開示されている。

実開平０２−０９８５３４号公報 特開２００７−１９４８７０号公報 特開平０９−０６４６０１号公報 実開平０５−０４１２０６号公報 実開昭６３−１０２３０３号公報 特開２００２−２８０８１１号公報 特開２００６−１８６８３８号公報 特開２００５−２０３８２４号公報 特開２００４−３２０４０８号公報

特許文献１の構成では方向性結合器の小型化（回路寸法の縮小）の要求を満たすことができないという問題があった。また、主線路と結合線路の結合長を使用周波数のλ／４波長とすることによって方向性の改善を図ることも考えられる。しかしながら、例えば携帯端末で使用するような低い周波数帯（０．８〜５ＧＨｚ帯）では前述のλ／４の値が大きくなり主線路と結合線路の結合長をλ／４の長さとしようとすると、小型化の要求を満たせない問題があった。また、前述の周波数帯（０．８〜５ＧＨｚ帯）以外の使用周波数であっても諸特性改善のためにＧａＡｓ基板などの比較的高価な基板を用いた場合などには、製造コスト低減の観点から方向性結合器の小型化の要求が高い。その結果、前述のλ／４の結合長を満たすことができず十分な方向性を得られない問題があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、主線路と結合線路の結合長が使用周波数のλ／４未満である小型化された方向性結合器について、良好な方向性を実現できる方向性結合器を提供することを目的とする。

本願の発明にかかる方向性結合器は、基板上に形成され、一端が入力ポートと接続され他端が出力ポートと接続された主線路と、該基板上に該主線路に沿って形成され、該入力ポートと同一方向の一端が結合ポートと接続され、該出力ポートと同一方向の他端がアイソレーションポートと接続された結合線路と、一端が該アイソレーションポートと接続され、他端が該結合ポートと接続された移相器とを備える。そして、該主線路と該結合線路との結合長は、該入力ポートから該出力ポートへの送信電力の使用周波数の１／４波長未満の長さであり、該移相器は、該出力ポートから該結合線路を経由して該結合ポートへ達する反射波成分である第１反射波成分に対して、該出力ポートから該アイソレーションポートおよび該移相器を経由して該結合ポートへ達する反射波成分である第２反射波成分が逆相となるように該第２反射波成分を移相することを特徴とする。

本発明により小型化され、しかも良好な方向性を有する方向性結合器を製造できる。

実施の形態１
本実施形態は図１〜図１０を参照して説明する。なお、同一材料または同一、対応する構成要素には同一の符号を付して複数回の説明を省略する場合がある。他の実施形態についても同様である。

図１は本実施形態の方向性結合器を説明する図である。本実施形態および他の実施形態の方向性結合器は疎結合／側結合型の方向性結合器である。本実施形態の方向性結合器１０は基板上に形成された主線路１４を備える。主線路１４は一端が入力ポート１２と接続され他端が出力ポート１６と接続される。主線路１４は入力ポート１２から出力ポート１６への送信電力（前進波）を伝送する線路である。基板上には前述の主線路１４と沿って結合線路２０が形成される。結合線路２０は一端が結合ポート１８と接続され他端がアイソレーションポート２２と接続される。結合線路２０は主線路１４の送信電力の一部を結合ポートから取り出すための線路である。

図１から把握されるように入力ポート１２と結合ポート１８とは同一方向に配置される。また、出力ポート１６とアイソレーションポート２２とは同一方向に配置される。ここで、図１においてＬｃｐｌで表される長さは主線路１４と結合線路２０の結合長である。本実施形態の方向性結合器１０の主線路を伝送する送信電力の使用周波数から求まる波長をλとすると、前述のＬｃｐｌはλ／４の１／１０〜１／２０程度まで短いものである。

さらに本実施形態の方向性結合器１０は一端がアイソレーションポート２２と接続され、他端が抵抗３０を介して結合ポート１８と接続された移相器２４を備える。後述するとおり、移相器２４は出力ポート１６からの反射波の位相を概ね反転させて結合ポート１８へ伝送する部分である。移相器２４はインダクタ２６とキャパシタ２８を備える。インダクタ２６は一端がアイソレーションポート２２と接続され、他端が抵抗３０を介して結合ポート１８と接続される。キャパシタ２８は一端がインダクタ２６の他端と接続され他端が接地される。本実施形態の方向性結合器１０は上述の構成を備える。

移相器２４は出力ポート１６から結合線路２０を経由して結合ポート１８へ達する反射波成分である第１反射波成分に対して、出力ポート１６からアイソレーションポート２２および移相器２４を経由して結合ポート１８へ達する反射波成分である第２反射波成分が逆相となるように当該第２反射波成分を移相する。移相は移相器２４の共振を利用して行われる。

図２は、図１において示されるVa（インダクタの一端における電位）およびVb（キャパシタの一端における電位）の周波数特性を説明する図である。図２におけるfoとは主線路を伝送する送信電力の使用周波数である。また、図２におけるΔfoとは、移相器２４の共振点を、第２反射波が第１反射波に対して逆相にできるように調整するためにfoから差し引く値である。すなわち、本実施形態のように結合長（Ｌｃｐｌ）が短い場合はアイソレーションポート２２と結合ポート１８との間には５から１０°程度の位相差が生じる。そこで、前述の逆相合成を行おうと考えた場合にはこの位相差を考慮して移相器２４の共振周波数を定める必要がある。Δfoとはこのように定められるものであり、ここでは５から１０°である。

図３〜７を参照して第２反射波を第１反射波に対して略逆相とすることについて説明する。図３は本実施形態の方向性結合器の各部分における電流値及び電圧値に名称を付する図である。図３の構成要素は図１に記載の方向性結合器１０とほぼ一致するが、図３においては結合ポート１８に設けられる終端抵抗３１（５０Ω程度）が表されている点において異なる。

図４〜図７は図３で名称が付与された電流値及び電圧値のベクトル図である。図４、図５はアイソレーションポート２２における電圧Vaと移相器２４を介した出力電圧Voは略逆相であることを表す図である。Voは前述した第２反射波成分に対応する。

図６は移相器２４がない場合のVaと、移相器を介さずに結合ポート１８へ達する電圧成分Vo′の関係を表す図である。Vo′は前述した第１反射波成分に対応する。既に述べたとおり、VaとVo′とは５から１０°程度の位相差がある。

図７は図５、６を合成した図である。図７からVoとVo′は略逆相であることが分かる。このように、移相器２４の回路定数を調整することでVo′（第２反射波成分）をVoに対して略逆相合成できる。さらに、方向性結合器の方向性を高めるためにはVoとVo′が等振幅であることが好ましい。本実施形態の抵抗３０は前述のVoとVo′が等振幅となるようにVbを減衰させる。すなわち、図７のベクトル図から明らかなように、Vo′はキャパシタ２８の一端における電圧Vbから抵抗３０の電圧Vrを差し引いた値である。これにより、図７に示されるように、VoとVo′が相殺されるように両者を等振幅とすることができる。

一般に方向性結合器の性能は結合量、アイソレーション特性、方向性で定義される。結合量とは入力ポート１２と結合ポート１８との結合の度合いを表す。結合量は結合ポート１８における信号電力を入力ポート１２における信号電力で除算した値であり、−１０〜−２０dB程度であることが多い。アイソレーション特性は出力ポート１６からの反射波と結合ポート１８との結合の強さを表す。アイソレーション特性は出力ポート１６からの反射波で結合ポート１８に表れる信号電力を前述の反射波の電力で除算したものである。アイソレーション特性は通常−１５〜−３０dB程度であることが多い。方向性は結合量をアイソレーション特性で除算した値である。

方向性の値が大きいほど、出力ポート１６からの反射波の影響を低減して送信電力の検出ができるため、方向性結合器の検出誤差が小さくなる。すなわち、負荷変動時においても検波回路で送信電力（前進波電力）を正確にモニタできる。その結果、検波電圧に含まれる反射波による誤差が抑制され、負荷変動時に増幅器(PA)からの過大電力送信に伴う歪み成分を抑制できる。

しかしながら、方向性結合器の小型化の要請に応じて前述の主線路と結合線路の結合長をλ／４より短くした場合には方向性が悪化する問題があった。

本実施形態の構成によれば結合長がλ／４より短い場合であっても方向性を高めることができる。図８は本実施形態の方向性結合器の諸特性についての周波数特性を説明するグラフである。図８においてＳ３１は結合量の周波数特性を、Ｓ３２はアイソレーション特性の周波数特性を、Ｓ３２‐Ｓ３１は方向性の周波数特性を表す。前述の通り移相器２４が第２反射波を第１反射波に対して略逆相となるように移相するため、Ｓ３２が良好（デシベル値が高い）な領域を得ることができる。従って、この実施形態ではアイソレーション（Ｓ３２）が良好な領域である２ＧＨｚ周辺においては３０ｄＢ程度の高い方向性を有する方向性結合器を得ることができる。

本実施形態の方向性結合器は、２ＧＨｚ周辺で高い方向性を有するので無線通信などの狭帯域通信を目的とする機器への応用に適している。本実施形態の方向性結合器は様々な変形が可能である。図９、１０を参照して本実施形態の方向性結合器の変形例について説明する。

図９は、２つの方向の異なる移相器を備える方向性結合器である。図９の方向性結合器は入力ポート、出力ポートを逆転させて双方向に使用できることが特徴である。第１移相器４０の一端には第１トランジスタ５１を介してアイソレーションポート５４が接続され、他端には抵抗４４および第２トランジスタ４８を介して結合ポート５０が接続される。第２移相器４２の一端には第３トランジスタ５２を介して結合ポート５０が接続され、他端には抵抗４６および第４トランジスタ５５を介してアイソレーションポート５４が接続される。入力ポート１２から出力ポート１６へ送信電力が伝送されている場合には第１トランジスタ５１、第２トランジスタ４８をオンとして第３トランジスタ５２、第４トランジスタ５５をオフとする。一方出力ポート１６から入力ポート１２へ送信電力が伝送されている場合には第１トランジスタ５１、第２トランジスタ４８をオフとして第３トランジスタ５２、第４トランジスタ５５をオンとする。このように制御することで、双方向の送信電力の伝送に対応した方向性結合器であっても、移相器を備えることによる本実施形態の効果を得ることができる。なお、第１移相器４０、第２移相器４２の構成については本実施形態で説明した移相器２４と同様であるから詳細な説明を省略する。

図１０は設計の容易性を高めた方向性結合器である。図１０に示す方向性結合器が備える移相器６０は機能としては上述した図１における移相器２４と同等である。しかしながら移相器６０は第１インダクタ６２および第１キャパシタ６４からなる第１移相部と第２インダクタ６６および第２キャパシタ６８からなる第２移相部とからなる。通常、ＬＣ回路は９０°の移相に用いることが多く、この場合設計も容易である。さらに、良好な方向性を有する帯域を広くすることもできる。

その他、本実施形態の方向性結合器は様々な変形が可能である。例えば、本実施形態では３０ｄＢ程度の高い方向性を有する周波数を２０ＧＨｚ近傍としたが、この値は図２で説明した移相器２４の回路定数（共振周波数）の設定によって任意に変えることができる。また、抵抗３０は図７で説明したVoとVo′を等振幅とするために設けられる。よって、抵抗３０なしにVoとVo′がほぼ等振幅あるいは振幅差が微小であれば、抵抗３０を設けなくても良い。また、結合長は使用周波数λの場合にλ／４未満であれば、方向性の低下の問題が生じ本実施形態の効果による方向性の改善が図れるため、結合長はλ／４未満であれば限定されない。

実施の形態２
本実施形態は移相器の備えるキャパシタを可変容量キャパシタとした方向性結合器に関するものである。本実施形態は図１１〜図１３を参照して説明する。本実施形態の方向性結合器は実施形態１の構成とほぼ同等であるが、移相器の構成が異なる。以後図１１に示す移相器８０を説明する。

移相器８０は、一端においてインダクタ２６の他端と接続され、他端は接地されたキャパシタ８２を備える。さらに、一端においてキャパシタ８２の一端と接続され、他端は後述のダイオード８６と接続されたキャパシタ８４を備える。さらに、アノードが接地され、カソードがキャパシタ８４の他端と接続されたダイオード８６を備える。ダイオード８６のカソードには抵抗８８を介して制御電圧Ｖｃの供給源が接続されている。

方向性結合器の部品としてのダイオード８６は、抵抗と可変容量キャパシタとみなすことができる。本実施形態では制御電圧Ｖｃを変化させることでダイオード８６を可変容量キャパシタとして利用する。そして、容量を変化させることで移相器８０の共振周波数を変化させることができる。すなわち、制御電圧Vcを変化させることによって高い方向性を有する周波数帯域をシフトさせることができる。

図１２は図１１で説明した方向性結合器の諸特性の周波数特性を説明するグラフである。制御電圧Vcの印加により容量を変化させることで移相器の共振周波数を変化させることができるから、図１２に矢印で示されるように良好な方向性を有する周波数帯を変化させることができる。このような方向性結合器はマルチバンド（複数の異なる使用周波数）で用いる方向性結合器などに特に有効である。制御電圧Vcをダイオード８６のカソードに印加する制御電圧印加手段は方向性結合器の外部であって主線路の送信電力の周波数を定める部分と接続され、送信電力の周波数に応じて方向性を最適化するようにVcを定めることとしても良い。図１１では制御電圧印加手段を単にVcで表されるポートで表現する。

この実施形態の可変容量キャパシタは図１１の構成に限定されない。すなわち、本実施形態は使用周波数に応じて高い方向性を得られるように移相器の容量を可変とすることが特徴である。よって、回路図としては図１３に示すように可変容量キャパシタ９０が存する限りにおいて本実施形態の効果を失わない。

実施の形態３
本実施形態は移相器の備えるインダクタを可変インダクタとした方向性結合器に関するものである。本実施形態は図１４〜図１６を参照して説明する。本実施形態の方向性結合器は実施形態１の構成とほぼ同等であるが、移相器の構成が異なる。以後図１４に示す移相器１０６を説明する。

実施形態３のインダクタ１００はスパイラル形状の線路を備える。さらに、インダクタ１００の線路における２点をソースドレインで接続するトランジスタ１０２を備える。トランジスタ１０２はFETであるがこれに限定されない。トランジスタ１０２のゲートは制御電圧Vcにより制御される。このような構成とすると制御電圧Vcを制御することでインダクタ１００のインダクタンスを変化させることができる。よって実施形態２と同様に良好な方向性を得られる周波数帯を変動させることができる。制御電圧印加手段を用いてマルチバンドに対応することなどは実施形態２と同様なので説明を省略する。なお、トランジスタ１０２と異なるトランジスタをインダクタと接続してさらに複数の周波数帯での使用を可能にすることが可能である。本実施形態の最も一般化された回路図を図１５に示す。このようにインダクタンスの値を可変とすることが本実施形態の特徴である。よって、インダクタは反転位相が取り出せるトランス１１０で構成しても良い（図１６）。

実施の形態４
本実施形態は移相器の他端と接続された抵抗を可変抵抗とした方向性結合器に関するものである。本実施形態は図１７〜図１９を参照して説明する。本実施形態の方向性結合器は実施形態１の構成とほぼ同等であるが、抵抗の構成が異なる。以後図１７に示す抵抗１２０を説明する。

抵抗１２０は移相器２４の他端と結合ポート１８とを接続するトランジスタ１２６を備える。トランジスタ１２６のチャネル抵抗は、FETであるトランジスタ１２６のゲートに印加される制御電圧Vcにより制御される。制御電圧Vcを変化させることで方向性等の周波数特性を表す図１８において矢印で示されるように方向性を変化させることができる。図１７から明らかであるがトランジスタ１２６と並列に接続された抵抗１２２はトランジスタ１２６がオフのときに第２反射波成分を結合ポート１８へ伝送するために配置される。なお、本実施形態の方向性結合器を一般化した図は図１９に示す。

このように抵抗値を可変とすることにより、方向性結合器の製造後に第１反射波と第２反射波を等振幅となるように抵抗値を最適化したり、製造ばらつきにより第１反射波と第２反射波とが等振幅とならなかった場合にそれを是正するように抵抗値を最適化したりできる。

実施の形態５
本実施形態は複数の異なる使用周波数を用いる方向性結合器の結合量を可変化した方向性結合器に関するものである。本実施形態は図２０、２１を参照して説明する。本実施形態の方向性結合器は実施形態１の構成とほぼ同等であるが、主線路１４と結合線路２０とが第1電界効果トランジスタ１３０のソースドレインおよび第２電界効果トランジスタ１３２のソースドレインで接続されている点が異なる。また、移相器１３４が可変容量キャパシタ９０を備える点も異なる。

第１電界効果トランジスタ１３０と第２電界効果トランジスタ１３２のゲートをそれぞれ制御するために制御電圧Vc1、 Vc2を印加する手段が設けられている。本実施形態の方向性結合器はVc1、Vc2を制御し第１電界効果トランジスタ１３０と第２電界効果トランジスタ１３２の可変容量特性を利用して結合量を変化させることができる。具体的には複数の異なる使用周波数間でも結合量が一定となるようにVc1とVc2が制御される。

本実施形態の方向性結合器の制御例を図２１に示す。図２１ではBand1とBand2の両方の周波数を用いる場合を想定している。第１電界効果トランジスタ１３０（図２１ではＦ１）と第２電界効果トランジスタ１３２（図２１ではＦ２）は次のように制御される。つまり、Band1を用いる場合にはF1をオン、F2をオフとし、Band2を用いる場合にはその逆の制御を行う。このような制御によりBand1-Band2間で結合量を一定とし得る。

一般に、本実施形態のように複数の異なる使用周波数を用いる場合は、異なる周波数間で結合量を一定とすることが好ましい。例えば、ある周波数で結合量が高くなると結合ポートへの出力が増え、アンテナへの出力が減るため好ましくない。よって結合量が高いことは方向性を改善することに寄与するものの、損失が増大する問題もあるため一定水準以下とすることが好ましい。また、結合ポートからの出力を検出するディテクタもほぼ一定の電圧に対応するものであるため、使用周波数によって結合量が大きく変化することは好ましくない。本実施形態のように結合量を可変とし、使用周波数に応じて結合量を一定とする制御を行うことで上述の問題を解決できる。

また、例えば第1または第２電界効果トランジスタのドレイン−ソース間容量を増大させて結合量を２０dBから１５dBへ増大させた場合は、アイソレーション特性が悪化するため方向性の著しい劣化を伴うものである。しかしながら本実施形態では移相器１３４が可変容量キャパシタ９０を備えているため、複数の帯域に渡って前述の劣化を補うように方向性を改善できる。

本実施形態では電界効果トランジスタを２つ用いる構成としたが、電界効果トランジスタの数が１つの場合であっても３以上の場合であってもこの実施形態の効果を得ることができる。

実施の形態６
本実施形態は少なくとも低域バンドと低域バンドよりも周波数の高い高域バンドで使用する方向性結合器の結合長を可変化した方向性結合器に関するものである。本実施形態は図２２を参照して説明する。本実施形態の方向性結合器は実施形態１の構成とほぼ同等である。しかしながら、結合線路が第1スイッチング素子１４０のソースドレインを介して接続された第1結合線路１４２と第２結合線路１４４とに分割されている点が異なる。また、移相器１３４のキャパシタは可変容量キャパシタ９０である。

第1結合線路１４２の一端はアイソレーションポート２２と接続され他端は第1スイッチング素子１４０の一端と接続される。第２結合線路１４４第1の一端は第1スイッチング素子１４０の他端と接続され、他端は結合ポート１８と接続される。そして移相器１３４の一端と第２結合線路１４４の一端とは第２スイッチング素子１４６を介して接続される。

本実施形態の構成は上述の通りである。実施形態５で述べたとおり、方向性結合器の結合量は複数帯域間で同等であることが好ましい。本実施形態のように少なくとも低域バンドと高域バンドでの使用を前提とした場合には結合長そのものを切り替えることにより低域バンド高域バンド間で結合量を一定とすることができる。本実施形態では低域バンドで方向性結合器を用いる場合には第1スイッチング素子１４０をオン、第２スイッチング素子１４６をオフとする。高域バンドで用いる場合には第1スイッチング素子１４０をオフ、第２スイッチング素子１４６をオンとする。第１結合線路１４２と第２結合線路１４４の線路長は前述した使用状況において低域バンド、高域バンド間で結合量を一定にできるように定められるため実施形態５と同様に結合量を一定とする効果を得ることができる。

上述のように複数の使用周波数間で結合量を一定とする制御は、第１スイッチング素子１４０と第２スイッチング素子１４３のゲートにそれぞれVcとVcの反転を入力する。図２２ではVcおよびVcの反転の制御手段として第１スイッチング素子１４０のゲートと第２スイッチング素子１４６のゲートに接続されたポートを示す。

実施の形態７
本実施形態は移相器にアクティブ素子である位相反転増幅器を用いた方向性結合器に関する。本実施形態は図２３〜２８を参照して説明する。本実施形態の方向性結合器は実施形態１の構成とほぼ同等である。しかしながら、移相器が位相反転増幅器を備える点が異なる。図２３は本実施形態の方向性結合器を説明する図である。本実施形態の移相器は実施形態１〜６と異なり、アクティブ素子である位相反転増幅器２０２を用いることが特徴である。本実施形態の位相反転増幅器２０２は入力信号を増幅させるのではなく減衰させて結合ポートへ伝送するものである。

一般に位相反転増幅器は広帯域に渡って位相反転を得ることができる。そのため、本実施形態の移相器２００もここまでの実施形態の移相器と同様に第２反射波成分を第１反射波成分に対して逆相となるように第２反射波成分を移相できる。移相器として増幅器を用いる場合には、過入力となったときに信号が歪みやすい点に留意して、信号歪の起こらないように設計する必要がある。しかしながら、方向性結合器を送信モジュールに組み込む場合、位相反転増幅器２０２は方向性結合器の前段に配置される増幅器(PA)と比較して遥かに小さい電流で動作するものである。従って位相反転増幅器の電流消費そのものがモジュール特性を損なう可能性は低い。

本実施形態のように移相器として位相反転増幅器２０２を用いることは移相器の回路寸法の小型化に有利である。すなわち位相反転増幅器２０２は一般にトランジスタと抵抗により構成されるため、インダクタとキャパシタを用いる実施形態１〜６の構成と比較して小型化できる。

図２４は本実施形態の変形例について説明する図である。図２４に示す方向性結合器は利得が可変である位相反転増幅器２１２を備える。利得を可変とすることで、第１反射波成分と第２反射波成分とが等振幅となるように第２反射波成分を減衰させることができるため、実施の形態４の構成と同様の効果を簡素な構成で得ることができる。

図２５は本実施形態の別の変形例について説明する図であり、特に複数の異なる使用周波数を用いる方向性結合器に関する。図２５に示す方向性結合器の移相器２２０は利得が可変である位相反転増幅器２１２と可変移相器２１４を備える。すなわち、移相器２２０は一端がアイソレーションポート２２と接続され他端が可変移相器２１４の一端と接続された位相反転増幅器２１２を備える。そして可変移相器２１４の他端は抵抗３０を介して結合ポート１８と接続される。可変移相器２１４は実施形態２で記載したように使用周波数に応じて高い方向性が得られる帯域をシフトさせるように制御されることで実施形態２と同等の効果を得ることができる。

図２６は位相反転増幅器２１２の構成を説明する回路図である。図２６においてTr1とTrREFはHBT（ヘテロ接合バイポーラトランジスタ）である。F₁はFET（電界効果トランジスタ）である。またRc1は負荷抵抗である。R_FB1、R_FB2、C_FB1はTr1のベースコレクタ間に設けたフィードバック回路である。前述の通り位相反転増幅器２１２は減衰特性を有する可変利得回路であるので、フィードバック回路を設けることで帯域を広げると共に利得を低減することができる。フィードバック回路のFETであるF₁のゲート電圧V_GC1を制御することで、F₁のON抵抗を制御できるので、フィードバック量を制御できため利得を制御できる。なお、R_IN1、R_O1は位相反転増幅器２１２の利得減衰用の抵抗である。これらの抵抗値を適当な値とすることで方向性を高めるように減衰特性を設定できる。

ここで、Tr1とTrREFはカレントミラー回路を構成する。Tr1のバイアス電流はV_REFで調整できる。Tr₁のコンダクタンス(gm) はこのバイアス電流に比例するため、バイアス電流を制御することで利得量（減衰量）を調整できる。

図２７は図２５における可変移相器２１４の構成を説明する図である。図２７の構成は実施形態１において図１０を参照して説明した構成と比較してキャパシタが可変容量キャパシタである点が相違している。このように可変移相器２１４の備えるキャパシタを可変容量化することおよびその効果は実施形態２で記載したものと同様である。

図２８は本実施形態の別の変形例を説明する図である。図２８には双方向の送信電力の伝送に対応した方向性結合器であっても、高い方向性を得ることができる方向性結合器が記載されている。図２８に記載の方向性結合器は移相器として、利得が可変である位相反転増幅器２３０と利得が可変である位相反転増幅器２３２とを備えることが特徴である。この構成は、実施形態１において図９を参照して説明済みである方向性結合器の移相器をアクティブ素子に置き換えた構成である。従ってアクティブ素子を用いた簡素な構成で図９の構成と同等の効果を得ることができる。

実施の形態８
本実施形態は少なくとも低域バンドと低域バンドよりも周波数の高い高域バンドで使用する方向性結合器であって使用周波数が異なっても結合量を一定にできる方向性結合器に関する。本実施形態は図２９、３０を用いて説明する。

図２９は本実施形態の方向性結合器を説明する図である。本実施形態の方向性結合器は使用周波数に応じて結合線路を使い分ける構成である。図２９から把握されるように入力ポート１２と出力ポート１６に接続された主線路１４は、主線路１４に沿った高域バンド用結合線路３００と低域バンド用結合線路３０２に挟まれるように配置される。

低域バンド用結合線路３０２の一端は第１スイッチング素子３１２を介して結合ポート１８と接続される。低域バンド用結合線路３０２の他端は第３スイッチング素子３１４を介して第１アイソレーションポート３１７と接続される。一方、高域バンド用結合線路３００の一端は第２スイッチング素子３０８を介して結合ポート１８と接続される。高域バンド用結合線路３００の他端は第４スイッチング素子３１０を介して第２アイソレーションポート３１５と接続される。

さらに、低域バンド用結合線路３０２の両端には第１移相器３０６および抵抗３１８が低域バンド用結合線路３０２と並列に接続される。高域バンド用結合線路３００の両端には第２移相器３０４および抵抗３１６が高域バンド用結合線路３００と並列に接続される。第１移相器３０６、第２移相器３０４は共に可変容量キャパシタを備える移相器でありこの構成については実施形態２で説明済みである。

本実施形態の方向性結合器は、低域バンドを用いる場合には第１スイッチング素子３１２、第３スイッチング素子３１４をオン、第２スイッチング素子３０８、第４スイッチング素子３１０をオフとする。また、高域バンドを用いる場合には第１スイッチング素子３１２、第３スイッチング素子３１４をオフとし、第２スイッチング素子３０８、第４スイッチング素子３１０をオンとする。このようなオンオフの制御は方向性結合器の内部又は外部に設けられた電圧印加手段が前述したスイッチング素子のスイッチングを行うことにより実施される。本実施形態の方向性結合器では前述のスイッチングを行うための制御手段として各スイッチング素子に対して少なくとも電圧印加用のポート（図２９においてVc1、Vc2で示す）を有する。

主線路１４と低域バンド用結合線路３０２との間の距離は、主線路１４と高域バンド用結合線路３００の距離より短い。すなわち、低域バンド使用時には十分な結合量を得るために主線路１４と低域バンド用結合線路３０２との距離を短くするのに対し、高域バンド使用時には結合量が高くなりすぎることを抑制するために主線路１４と高域バンド用結合線路３００との距離を大きくする。本実施形態ではこのようにしてどちらの周波数帯を用いた場合であっても方向性結合器の結合量がほぼ一定となるように線路間の距離を調整している。一般に、結合ポートの後段に配置されたディテクタでの検出電力は使用周波数に係らず一定範囲内であることが検出精度の観点から好ましい。本実施形態の構成によれば、複数の周波数を用いる方向性結合器の結合量を一定とできるため、前述の効果を得る。

さらに、低域バンドで用いられる移相器３０６と高域バンドで用いられる移相器３０４はそれぞれが高い方向性を有するように共振周波数（回路定数）が定められている。よって図３０に記載されるように複数の使用周波数を用いる方向性結合器の方向性を、使用周波数依存なく高めることができる。

実施の形態９
本実施形態は少なくとも低域バンドと低域バンドよりも周波数の高い高域バンドで使用する方向性結合器であって使用周波数が異なっても結合量を一定にできる方向性結合器に関する。本実施形態は図３１、３２を用いて説明する。

図３１は本実施形態の方向性結合器を説明する図である。本実施形態の方向性結合器は使用周波数に応じて主線路を使い分ける構成である。図３１から把握されるように結合ポート１８とアイソレーションポート２２に接続された結合線路２０は、結合線路２０に沿った高域バンド用主線路４００と低域バンド用主線路４０２に挟まれるように配置される。

高域バンド用主線路４００は一端が高域バンド用入力ポート４０４と接続され、他端が高域バンド用出力ポート４０６と接続される。一方低域バンド用主線路４０２は一端が低域バンド用入力ポート４０８と接続され、他端が低域バンド用出力ポート４１０と接続される。

本実施形態も実施形態１と同様に一端が結合ポート１８と他端がアイソレーションポート２２と接続された移相器を備える構成であるが、本実施形態の移相器は高域バンド用移相器４５０と低域バンド用移相器４５２からなる。高域バンド用移相器４５０は一端が第３スイッチング素子４３０を介してアイソレーションポート２２と接続され、他端では抵抗３０および第１スイッチング素子４２８を介して結合ポート１８と接続される。一方、低域バンド用移相器４５２は一端が第４スイッチング素子４３４を介してアイソレーションポート２２と接続され、他端では抵抗３０および第２スイッチング素子４３２を介して結合ポート１８と接続される。

本実施形態の方向性結合器は、低域バンドを用いる場合には第２スイッチング素子４３２、第４スイッチング素子４３４をオン、第１スイッチング素子４２８、第３スイッチング素子４３０をオフとする。また、高域バンドを用いる場合には第１スイッチング素子４２８、第３スイッチング素子４３０をオン、第２スイッチング素子４３２、第４スイッチング素子４３４をオフとする。このようなオンオフの制御は方向性結合器の内部又は外部に設けられた電圧印加手段が前述したスイッチング素子のスイッチングを行うことにより実施される。本実施形態の方向性結合器では前述のスイッチングを行うための制御手段として各スイッチング素子に対して少なくとも電圧印加用のポート（図３１においてVc1、Vc2で示す）を有する。

結合線路２０と低域バンド用主線路４０２との間の距離は、結合線路２０と高域バンド用主線路４００の距離より短い。これは方向性結合器が低域バンド使用時と高域バンド使用時において結合量を一定とするように線路間の距離を調整するものである。さらに、低域バンド用移相器４５２と高域バンド用移相器４５０を備えこれらを使用周波数によって使い分けることで、使用周波数によらず高い方向性を得ることができる（図３２参照）。よって本実施形態の効果は実施形態８と同様である。本実施形態のように主線路を２本設けることは、方向系結合器の前段にPA（増幅器）が２つ設けられ、出力線路も２本であるGSM(Global-System-for-Mobile-communications)方式の端末(GSM用送信モジュール)などへの応用に適している。

実施の形態１０
本実施形態は移相器を付加することによる結合量の低下を補うことができる方向性結合器に関する。本実施形態は図３３〜３５を参照して説明する。図３３は本実施形態の方向性結合器を説明する図である。図３３に記載の通り、本実施形態の主線路５０４はスパイラル形状で形成されている。主線路５０４の一端には入力ポート５００、他端には出力ポート５０２が接続される。スパイラル形状の主線路５０４に沿って同じくスパイラル形状の結合線路５０８が形成される。実施形態１と同様に結合線路５０８の一端には結合ポート５０６、他端にはアイソレーションポート５０７が接続される。

主線路５０４と結合線路５０８はその一部においてくし型に形成される。くし型に形成された部分は図３３における破線に示されている。図３４は図３３における破線部分の拡大図である。図３４に示されるように主線路５０４と結合線路５０８は相互に嵌りあうようくし型の形状である。また、主線路５０４と結合線路５０８とは一定の間隔だけ離間している。

さらに本実施形態の方向性結合器は移相器を備える。移相器２４は実施形態１と同様の構成であり、一端がアイソレーションポート５０７と接続され他端が抵抗３０を介して結合ポート５０６と接続される。

方向性結合器に移相器２４を付加することで結合量が低下し方向性に悪影響を与えることがある。発明者らが行った実験では移相器を付加しない場合の結合量は-20dB程度であった方向性結合器において、移相器を付加すると結合量は-23dB程度まで低下することが見出されている。本実施形態では、主線路５０４および結合線路５０８にくし型の部分を設けて電界分布を集中させることで方向性結合器を大型化することなく結合量を高めることができる。また、スパイラル形状の主線路５０４および結合線路５０８を形成しているため、方向性結合器を大型化することなしに結合長の延長を図ることができる。よって移相器を付加することによる結合量の低下を抑制し、方向性を良好な値に保つことができる。図３５にはくし型の形状の有無による結合量（S31）の差を示す。

本実施形態では主線路５０４と結合線路５０８とが相対する部分の一部がくし型に形成される構成としたが、主線路５０４と結合線路５０８が相対する部分全体において両者をくし型に形成して結合量を高めても良い。他方結合量が十分であるときはくし型に形成される部分をより小さい領域にとどめてもよい。

実施形態１の移相器を備える方向性結合器を説明する図である。 移相器の共振周波数について説明する図である。 移相器などにおける電流、電圧を定義する図である。 移相器による移相を説明するベクトル図である。 移相器による移相を説明するベクトル図である。 移相器がない場合におけるベクトル図である。 図５と図７を合成したベクトル図である。 実施形態１の方向性結合器の方向性等の周波数特性を説明する図である。 入力ポート、出力ポートを逆転させて双方向使用が可能な方向性結合器を説明する図である。 ＬＣ回路を２段で構成した移相器を説明する図である。 実施形態２の方向性結合器を説明する図である。 実施形態２の方向性結合器の方向性等の周波数特性を説明する図である。 実施形態２の方向性結合器を一般化した図である。 実施形態３の方向性結合器を説明する図である。 実施形態３の方向性結合器を一般化した図である。 インダクタにトランスを用いた方向性結合器を説明する図である。 実施形態４の方向性結合器を説明する図である。 実施形態４の方向性結合器の方向性等の周波数特性を説明する図である。 実施形態４の方向性結合器を一般化した図である。 実施形態５の方向性結合器を説明する図である。 実施形態５の方向性結合器の方向性等の周波数特性を説明する図である。 実施形態６の方向性結合器を説明する図である。 実施形態７の方向性結合器を説明する図である。 利得が可変な位相反転増幅器を備える方向性結合器を説明する図である。 可変移相器を備える方向性結合器を説明する図である。 利得が可変な位相反転増幅器の回路構成例を説明する図である。 可変移相器の回路構成例を説明する図である。 実施形態７の変形例を説明する図である。 実施形態８の方向性結合器を説明する図である。 実施形態８の方向性結合器の方向性等の周波数特性を説明する図である。 実施形態９の方向性結合器を説明する図である。 実施形態９の方向性結合器の方向性等の周波数特性を説明する図である。 実施形態１０の方向性結合器を説明する図である。 実施形態１０の方向性結合器のくし型の部分を説明する図である。 実施形態１０の方向性結合器の方向性等の周波数特性を説明する図である。 課題を説明する図である。 スパイラル形状の方向性結合器を説明する図である。 一般的な方向性結合器の方向性等の周波数特性を説明する図である。 方向性結合器を携帯電話端末に応用した構成例を説明する図である。 方向性と検出誤差の関係について説明する図である。

１２ 入力ポート、 １４ 主線路、 １６ 出力ポート、 １８ 結合ポート、 ２０ 結合線路、 ２２ アイソレーションポート、 ２４ 移相器、 ３０ 抵抗

Claims (16)

1. 基板上に形成され、一端が入力ポートと接続され他端が出力ポートと接続された主線路と、
   前記基板上に前記主線路に沿って形成され、前記入力ポートと同一方向の一端が結合ポートと接続され、前記出力ポートと同一方向の他端がアイソレーションポートと接続された結合線路と、
   一端が前記アイソレーションポートと接続され、他端が前記結合ポートと接続された移相器とを備え、
   前記主線路と前記結合線路との結合長は、前記入力ポートから前記出力ポートへの送信電力の使用周波数の１／４波長未満の長さであり、
   前記移相器は、前記出力ポートから前記結合線路を経由して前記結合ポートへ達する反射波成分である第１反射波成分に対して、前記出力ポートから前記アイソレーションポートおよび前記移相器を経由して前記結合ポートへ達する反射波成分である第２反射波成分が逆相となるように前記第２反射波成分を移相することを特徴とする方向性結合器。
2. 前記移相器は、
   一端が前記アイソレーションポートと接続され、他端が前記結合ポートと接続されたインダクタと、
   一端が前記インダクタの他端と接続され他端が接地されたキャパシタとを備え、
   前記移相器の共振周波数は前記第1反射波成分と前記第２反射波成分とが逆相になるように定められることを特徴とする請求項１に記載の方向性結合器。
3. 複数の異なる使用周波数を用いる方向性結合器であって、
   前記キャパシタは、前記複数の異なる使用周波数に応じて方向性結合器の方向性を高めるように前記移相器の共振周波数を変化させる可変容量キャパシタであることを特徴とする請求項２に記載の方向性結合器。
4. 前記可変容量キャパシタは、
   アノードが接地され、カソードが前記インダクタの他端と接続されたダイオードと、
   前記カソードと接続され前記カソードに対し前記共振周波数を変化させるように電圧を印加する電圧印加手段とを備えたことを特徴とする請求項３に記載の方向性結合器。
5. 複数の異なる使用周波数を用いる方向性結合器であって、
   前記インダクタは、前記複数の異なる使用周波数に応じて方向性結合器の方向性を高めるように前記移相器の共振周波数を変化させる可変インダクタであることを特徴とする請求項２に記載の方向性結合器。
6. 前記インダクタはトランスであることを特徴とする請求項２に記載の方向性結合器。
7. 前記移相器の他端は抵抗を介して前記結合ポートと接続され、前記抵抗の抵抗値は前記第1反射波成分と前記第２反射波成分が等振幅となるように前記第２反射波を減衰させることを特徴とする請求項１に記載の方向性結合器。
8. 前記抵抗は可変抵抗であり、
   前記第1反射波成分と前記第２反射波成分が等振幅となるように製造後に抵抗値が定められることを特徴とする請求項７に記載の方向性結合器。
9. 複数の異なる使用周波数を用いる方向性結合器であって、
   前記主線路と前記結合線路とは、電界効果トランジスタのソース、ドレインにより接続されており、
   前記電界効果トランジスタのゲートに、前記複数の異なる使用周波数に対して方向性結合器の結合量を一定とするように電圧を印加するゲート電圧印加手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の方向性結合器。
10. 少なくとも低域バンドと前記低域バンドよりも周波数の高い高域バンドで使用する方向性結合器であって、
    前記結合線路は、第1スイッチング素子を介して接続された第1結合線路と第２結合線路からなり、
    前記第1結合線路の一端は前記アイソレーションポートと接続され、
    前記第1結合線路の他端は前記第1スイッチング素子の一端と接続され、
    前記第２結合線路の一端は前記第1スイッチング素子の他端と接続され、
    前記第２結合線路の他端は前記結合ポートと接続され、
    前記移相器の一端と前記第２結合線路の一端とは第２スイッチング素子を介して接続され、
    前記低域バンドを用いる場合には前記第1スイッチング素子をオン、前記第２スイッチング素子をオフとし、前記高域バンドを用いる場合には前記第１スイッチング素子をオフ、前記第２スイッチング素子をオンとなるように制御し、前記低域バンド使用時と前記高域バンド使用時の結合量を一致させる制御手段を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の方向性結合器。
11. 前記移相器は入力が前記アイソレーションポートと接続され、出力が前記結合ポートと接続された位相反転増幅器であることを特徴とする請求項１に記載の方向性結合器。
12. 前記移相器は、利得が可変であり入力が前記アイソレーションポートと接続され、出力が前記結合ポートと接続された位相反転増幅器であり、
    前記位相反転増幅器の利得は前記第1反射波成分と前記第２反射波成分が等振幅となるように設定されることを特徴とする請求項１に記載の方向性結合器。
13. 複数の異なる使用周波数を用いる方向性結合器であって、
    前記位相反転増幅器の出力と前記結合ポートは可変移相器を介して接続され、
    前記可変移相器は、
    一端が前記位相反転増幅器の出力と接続され、他端が前記結合ポートと接続されたインダクタと、
    前記複数の異なる使用周波数に応じて方向性結合器の方向性を高めるように前記可変移相器の共振周波数を変化させる一端が前記インダクタの他端と接続され他端が接地された可変容量キャパシタ一とを備え、
    前記可変移相器の共振周波数は前記第1反射波成分と前記第２反射波成分とが逆相になるように定められることを特徴とする請求項１１に記載の方向性結合器。
14. 少なくとも低域バンドと前記低域バンドよりも周波数の高い高域バンドで使用する方向性結合器であって、
    前記結合線路は、前記主線路に沿って形成された低域バンド用結合線路と、前記主線路に沿って前記低域バンド用結合線路と共に前記主線路を挟むように形成される高域バンド用結合線路とを有し、
    前記結合ポートは、前記低域バンド用結合線路の一端と第1スイッチング素子を介し、前記高域バンド用結合線路の一端とは第２スイッチング素子を介して接続され、
    前記方向性結合器は、前記低域バンド用結合線路の他端と第３スイッチング素子を介して接続される第1アイソレーションポートと、
    前記高域バンド用結合線路の他端と第４スイッチング素子を介して接続される第２アイソレーションポートと、
    前記低域バンドを用いる場合には前記第１スイッチング素子、前記第３スイッチング素子をオン、前記第２スイッチング素子、前記第４スイッチング素子をオフとし、前記高域バンドを用いる場合には前記第１スイッチング素子、前記第３スイッチング素子をオフとし、前記第２スイッチング素子、前記第４スイッチング素子をオンとするように制御を行う制御手段と、を更に備え、
    前記移相器は、一端が前記第1アイソレーションポートと接続され他端が前記結合ポートと接続された第1移相器と、一端が前記第２アイソレーションポートと接続され他端が前記結合ポートと接続された第２移相器を有し、
    前記主線路と前記低域バンド用結合線路間の距離は、前記主線路と前記高域バンド用結合線路の距離より短くすることにより前記主線路と前記低域バンド用結合線路の結合量と前記主線路と前記高域バンド用結合線路との結合量が等しくなるように定められることを特徴とする請求項１に記載の方向性結合器。
15. 少なくとも低域バンドと前記低域バンドよりも周波数の高い高域バンドで使用する方向性結合器であって、
    前記主線路は前記結合線路を挟むように形成された、一端が低域バンド用入力ポートと接続され他端が低域バンド用出力ポートと接続された低域バンド用主線路と、一端が高域バンド用入力ポートと接続され他端が高域バンド用出力ポートと接続された高域バンド用主線路とを有し、
    前記移相器は、一端が第1スイッチング素子を介して前記結合ポートと接続され、他端が第２スイッチング素子を介して前記アイソレーションポートと接続された低域バンド用移相器と、一端が第３スイッチング素子を介して前記結合ポートと接続され、他端が第４スイッチング素子を介して前記アイソレーションポートと接続された高域バンド用移相器とを有し、
    前記低域バンドを用いる場合には前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子をオン、前記第３スイッチング素子および前記第４スイッチング素子をオフとし、前記高域バンドを用いる場合には前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子をオフ、前記第３スイッチング素子および前記第４スイッチング素子をオンとする制御手段とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の方向性結合器。
16. 前記主線路と前記結合線路はスパイラル形状で形成され、
    前記主線路の前記結合線路と対向する部分はくし型に形成され、
    前記結合線路の前記主線路と対向する部分はくし型に形成されることを特徴とする請求項１に記載の方向性結合器。

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