JP2010088011A - 方向性結合器 - Google Patents

Abstract

【課題】高電力を通過可能な小型の方向性結合器を提供すること。
【解決手段】第１の誘電体基板上１に形成されたマイクロストリップ線路からなる主線路２と、主線路２に空隙を隔てて配置した第２の誘電体基板３上に形成されたマイクロストリップ線路からなる副線路４を備え、副線路４には凸部を設ける構成とし、凸部によって電界による結合と磁界による結合を調整することができるので、十分な方向性を有した小型な方向性結合器を実現することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロ波電力を検出する方向性結合器に関するものであり、特にマイクロストリップ線路によって形成された方向性結合器に関するものである。

従来、電子回路の小型化、集積化が進むようになり、各素子部品の小型化が望まれるようになっており、方向性結合器も同様に小型化が望まれる素子部品のひとつとして知られている。

方向性結合器はマイクロ波などの電力検出器として使用され、進行波電力と反射波電力を分離して検出できる十分な方向性を持つことが要求されている。

一般にマイクロストリップ線路を用いた方向性結合器では図１０に示す１／４波長結合線路を用いた構成がよく知られているが、結合線路部分が検出する信号の１／４波長の長さに規定されるため検出する信号の周波数によってその大きさが制限されてしまう。

また、小型化のためにガラス基材によって主線路、副線路を覆ったＣＭ型方向性結合器が特許文献１にて開示されている。特許文献１の方向性結合器においては誘電体であるガラスによってＣＭ型の方向性結合器が形成され、従来の１／４波長結合線路型の方向性結合器に対して実装時の占有面積を１／１０に小型化することができる。
特開平６−４５８１１号公報

しかしながら、前述の特許文献１に挙げた構成の方向性結合器では挿入損失があるため例えば数百Ｗの大電力を通過させるためには小型化が非常に困難であり、特に数ＧＨｚという高周波帯においては損失が指数的に増加するため専用の放熱構造を必要とするなど小型化を疎外する要因が発生する。また、１／４波長結合線路型方向性結合器においては構造が検出波長に制限され十分な小型が達成されない、また、同一の誘電体基板上に主線路と副線路を配置するため隅モードの励振と奇モードの励振の位相速度が異なるため十分な方向性を得ることが困難であるという課題がある。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、通過電力を大きく取れかつ小型化が可能な方向性結合器を提供することである。

前記従来の課題を解決するために、本発明の方向性結合器は第１の誘電体基板上に形成されたマイクロストリップ線路からなる主線路と、前記主線路に空隙を隔てて配置した第２の誘電体基板上に形成されたマイクロストリップ線路からなる副線路を備え、前記副線路はコの字状の構成としたものである。

これによって、コの字状部によって電界による結合と磁界による結合を調整することができるので十分な方向性を有した小型な方向性結合器を実現することができる。

本発明の方向性結合器は、コの字状部によって電界による結合と磁界による結合を調整することができるので、十分な方向性を有した小型な方向性結合器を実現することができ
る。

第１の発明は、第１の誘電体基板上に形成されたマイクロストリップ線路からなる主線路と、前記主線路に空隙を隔てて配置した第２の誘電体基板上に形成されたマイクロストリップ線路からなる副線路を備え、前記副線路はコの字状の構成とすることにより、コの字状部によって電界による結合と磁界による結合を調整することができるので十分な方向性を有した方向性結合器を実現することができる。

第２の発明は、特に第１の発明の副線路のコの字状部の一部は主線路と基板の垂直方向で重なり部分を持つ構成とすることにより、コの字状部によって電界による結合と磁界による結合を調整することができるので十分な方向性を有した方向性結合器を実現することができる。

第３の発明は、特に第１ないし第２の発明の副線路と主線路間の空隙は２ｍｍ以上とする構成とすることにより、小型でかつコの字状部によって電界による結合と磁界による結合を調整することができるので十分な方向性を有し、主線路副線路間の距離を２ｍｍ以上としているので主線路の特性インピーダンスに大きな影響を与えない方向性結合器を実現することができる。

第４の発明は、特に第３の発明のコの字状部の長さは５ｍｍ以上８ｍｍ以下となるように構成することにより、小型でかつコの字状部によって電界による結合と磁界による結合を調整することができ、結合を最良の状態にできるので十分な方向性を有する方向性結合器を実現することができる。

第５の発明は、特に第４の発明のコの字状部のパターン間距離は０．５ｍｍ以下とする構成とすることにより、コの字状部によって電界による結合と磁界による結合を最良の状態にできるので十分な方向性を有した方向性結合器を実現することができる。

第６の発明は、特に第１から第５の発明のマイクロストリップ線路からなる副線路の特性インピーダンスは５０オームとなるように線路の幅を設定した構成とすることにより、方向性結合器の出力に検波回路を接続する際に計測器によって容易に方向性結合器の方向性、結合度を計測することができ安定した性能の方向性結合器を実現することができる。

第７の発明は、特に第１から第５の発明のマイクロストリップ線路からなる副線路の特性インピーダンスは５０オームより大きくなるように線路幅を設定した構成とすることにより、副線路の線路幅を細くすることができるので、より小型な方向性結合器を実現することができる。

第８の発明は、特に第１から第７の発明の第２の誘電体基板の周囲に金属製のシールド部材を設ける構成とすることにより、外部からの電界、磁界の影響を遮断できるのでより、検出精度の高い方向性結合器を提供することができる。

第９の発明は、特に第８の発明の金属製のシールド部材によって第２の誘電体基板を保持し、第１の誘電体基板との距離を確保する構成とすることにより、金属製のシールド部材によって第２の誘電体基板を保持し、第１の誘電体基板との距離を確保する構成とすることにより、外部からの電界および磁界の影響を遮断し検出精度を向上すると共に基板間の距離をシールド部材によって固定できるので製造時のばらつきを抑えた方向性結合器を提供することができる。

第１０の発明は、特に第１から第９の発明の副線路の両方の出力端に検波回路を設け、前記検波回路の入力インピーダンスを副線路の特性インピーダンスとマッチングするように構成することにより、検波回路の入力端における電力反射を防ぎ、検出精度の高い方向性結合器を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１、図２は、本発明の第１の実施形態における方向性結合器の構成図である。図１は本実施の形態の平面図であり、図２（１）は図１のＡ１−Ａ２線における断面図、図２（２）は同Ｂ１−Ｂ２線における断面図である。本実施の形態では、２ＧＨｚから３ＧＨｚ程度の周波数で、数１００Ｗの通過電力を扱う場合において用いられるように構成されている。

図１および図２において、方向性結合器は、第１の誘電体基板１上に構成された主線路２と、この主線路２と対向して配置された第２の誘電体基板３上に配置された副線路４と、この副線路４を含む第２の誘電体基板３を覆うようにしてなる金属シールド５から構成されている。金属シールド５は、対向する側壁にそれぞれ開孔５ａが形成され、主線路２が貫通している。また、金属シールド５は、第１の誘電体基板１の裏面に構成された導体面１ａと接続され、同電位になっている。主線路２は、裏面をグランド電位となる導体面１ａで覆われており、その特性インピーダンスは、略５０Ωとなる線幅にて構成されている。副線路４は、第２の誘電体基板３上に配置され、コの字状に突出した構成となっており、突出した部分は、一部が主線路２と垂直方向に重なる部分を有するように空隙を有して配置されている。

以上のように構成した方向性結合器について、以下にその動作、作用を説明する。

主線路２を高周波電力が通過すると、それに応じた電界および磁界が、その周囲に発生する。この発生した電界および磁界が、副線路４と結合することによって、副線路４の端部４Ａ、および端部４Ｂに信号を生じる。電界によってコの字状をした副線路４に生じる起電力は、主線路２によって生じる電界に比例したものであり、この電界によって生じた起電力は、等価回路で考えると図３に示すようになり、副線路４の端部４Ａ、４Ｂに電圧を生じる。この電圧をそれぞれＶＡ１、ＶＢ１とすると、ＶＡ１＝ＶＢ１の関係が成り立つ。

次に、コの字状をした副線路４を鎖交する磁界によって、副線路４の端部４Ａ−４Ｂ間に磁界による電流を生じるため、端部４Ａ、４Ｂに所定のインピーダンスの負荷回路が接続されていると、端部４Ａ、４Ｂで電圧として観測することができる。このときの等価回路を図４に示し、このときの電圧をＶＡ２、ＶＢ２とすると、電圧ＶＡ２と電圧ＶＢ２は、端子間に流れる電流によって生じる電圧であるため、ＶＡ２＝−ＶＢ２の関係が成り立つ。

以上の関係を重ね合わせると、電圧ＶＡ１と電圧ＶＡ２とが足し合わす方向である時、電圧ＶＢ１と電圧ＶＢ２とは減じあう方向になるため、ＶＢ１＝−ＶＢ２となるように副線路４のコの字の形状、および第１の誘電体基板１と第２の誘電体基板３の距離を最良の状態に配置することによって、副線路４の一方には信号を出して他方には信号を出さない方向性結合器を形成することができる。

図５は、第１の実施の形態における特性の実測例を示す特性図である。

同図において、横軸は周波数、縦軸には進行波電力Ｐｆ、反射波電力Ｐｒ、挿入損失をデシベル表示にて示している。実測における周波数は、２ＧＨｚ〜３ＧＨｚとしている。挿入損失は、測定周波数帯にわたって、概ね−０．２ｄＢ以下となっており、数１００Ｗの電力を通過させても、ほとんど損失を発生することは無い。例えば、２００Ｗの電力を通過させても、９Ｗ程度以下の損失しか発生せず、十分に放熱可能な値であり実用に供しうる。

実測に当たっては、第１の誘電体基板１に、比誘電率が２．７、基板厚みが０．８ｍｍのテフロン（登録商標）基板を用いたため、主線路２の特性インピーダンスを５０オームにする線路幅が、およそ２ｍｍ程度となっている。第１の誘電体基板１の誘電体基板厚みをさらに厚くすることや、比誘電率が低く誘電損失の少ない誘電体基板材料とすることによって、特性インピーダンスが５０オームになる線路幅をより太くすることができるので、この挿入損失はさらに軽減することが可能である。

また、進行波電力Ｐｆを検出する検出感度示す結合度および反射波電力Ｐｒを検出する分離度は、それぞれ略−３０ｄＢ、略−６０ｄＢとなっており、この結果、方向性は常に２０ｄＢ以上有しており、十分に進行波電力と反射波電力の分離ができて良好な方向性を示している。図５に示した特性は第１の誘電体基板１にテフロン（登録商標）基板、第２の誘電体基板３にＣＥＭ３基板を用い両基板間の距離は２ｍｍとし、副線路４のコの字状の平行部分の間隔は０．５ｍｍで構成している。副線路４の線路幅はその特性インピーダンスを略５０オームにするために１．５ｍｍ幅にしているので方向性結合器の幅としては１０ｍｍ以下で構成できるので１／４波長結合線路型方向性結合器を用いた方向性結合器に比べ格段に小型化することができる。また、主線路２に部品を挿入追加する構成ではないので、通過電力による発熱も問題になることは無く、非常に小型で方向性のよい方向性結合器を得ることができる。

また、図６は、第１の誘電体基板１と第２の誘電体基板３間の距離を変化させた時の主線路２のインピーダンスの変化を示している。この図から両基板間の距離を２ｍｍ未満に近づけると、第２の誘電体基板３の影響が主線路２に大きく現れインピーダンスが大きく変化してしまう。マイクロ波線路上でインピーダンスの不整合がおきると、そのインピーダンス不整合点で電力の反射が起こるため反射電力によって周囲の部品に悪影響を引き起こす恐れがある。

また、方向性結合器においては主線路２の入出力端において反射波が発生するこの反射波が検出出力に重畳するため、十分な分離度を得ることができなくなり、方向性結合器としての性能を劣化させてしまう。このため、本発明の方向性結合器においては、主線路２の特性インピーダンスの変動を数オーム以下に抑えるために、基板１、３間の距離は２ｍｍ以上とすることが望ましい。

図７は、図１に示した副線路４のコの字状の平行部分４ａのパターン間距離ｄを変えた時の方向性結合器の実測の特性図を示した特性図である。本図では、進行波電力Ｐｆを検出する感度を示す結合度と、反射波電力Ｐｒを検出する分離度の差を示しており、この図で方向性結合器の方向性特性を表すことができる。この図から、パターン間距離ｄを広くしていくと、方向性が悪化している傾向を示している。これはパターン間距離ｄを広くすることによって、この部分でコの字状部に生じる電界磁界による誘導起電力に位相差が生じ、図３、図４で示した等価回路が単純には成立しなくなるため、方向性が悪化しているものと考えることができる。

このため、コの字状部における隣接パターン間の距離は、できるだけ近接させることが
望ましい。一般に、プリント基板のパターン設計においては、パターン間距離は０．２５ｍｍ以上であると良好な仕上がり状態を比較的容易に得ることができるので、このパターン間の距離は、製造上の容易性も鑑み、０．２５ｍｍ以上０．５ｍｍ以下とすることが望ましい。

また、本構成の方向性結合器においては、電力を伝送する主線路２に、主線路２を伝送する電力を検出する副線路４を後から追加できる構造になっているので、副線路４によって伝送電力を検出するだけの長さを有した主線路２の任意の位置に、副線路４を含む第２の誘電体基板３を配置することができ、方向性結合器の設置位置を任意の位置に設置することができ、基板の実装自由度を向上させることができる。

（実施の形態２）
図８、図９は、本発明の第２の実施形態における方向性結合器の構成図である。図８は本実施の形態の平面図であり、図９（１）は図８のＡ１−Ａ２線における断面図、図９（２）は同Ｂ１−Ｂ２線における断面図である。本実施の形態では２ＧＨｚから３ＧＨｚ程度の周波数で、数１００Ｗの通過電力を扱う場合において用いられるように構成されている。

図８および図９において、方向性結合器は第１の誘電体基板１上に構成された主線路２と、主線路２と対向して配置された第２の誘電体基板３上に配置された副線路４と、副線路４を含む第２の誘電体基板３を覆うようにしてなる金属シールド５から構成されている。主線路２は裏面をグランド電位となる導体面で覆われておりその特性インピーダンスは略５０Ωとなる線幅にて構成されている。副線路４は第２の誘電体基板３上に配置されコの字状に突出した構成となっており、突出した部分は一部が主線路２と垂直方向に重なる部分を有するように空隙を有して配置されている。そして副線路４の特性インピーダンスＺは５０オームよりも高い値、例えば７５オームや１００オームのような値になるように設定されている。

以上のように構成した方向性結合器について、以下にその動作、作用を説明する。

主線路２を高周波電力が通過すると、それに応じた電界および磁界がその周囲に発生する。この発生した電界および磁界が副線路４と結合することによって、副線路４の端部４Ａ、４Ｂに信号を生じる。電界によって副線路４のコの字状部分に生じる起電力は、主線路２によって生じる電界に比例したものであり、この電界によって生じた起電力は、等価回路で考えると前述の実施の形態と同様図３のごとくなり、副線路４の端部４Ａ、４Ｂに電圧を生じる。この電圧をそれぞれＶＡ１、ＶＢ１とすると、ＶＡ１＝ＶＢ１の関係が成り立つ。

次に、コの字状の部分を鎖交する磁界によって、端部４Ａ−４Ｂ間に磁界による電流を生じるため、端部４Ａ、４Ｂに所定のインピーダンスが接続されていると、端部４Ａ、４Ｂで電圧として観測することができる。この時の等価回路は、同様に前述の実施の形態と同様図４のごとくなり、このときの電圧をＶＡ２、ＶＢ２とするとＶＡ２＝−ＶＢ２の関係が成り立つ。以上の関係を重ね合わせると、電圧ＶＡ１、ＶＡ２が足しあわす方向である時、電圧ＶＢ１、ＶＢ２は減じあう方向になるため、ＶＢ１＝−ＶＢ２となるようにコの字状の形状、および第１の誘電体基板１と第２の誘電体基板３の距離を最良の状態に配置することによって、副線路４の一方には信号を出して、他方には信号を出さない方向性結合器を形成することができる。

また、副線路４の特性インピーダンスは、一般に高周波回路で用いられる５０オームよりも大きな値に設計しているので、線路幅をより細くすることができるとともに、副線路
４を含む第２の誘電体基板３そのものの形状をより小型にすることができ、方向性結合器全体の形状を小型化することが可能になる。

また、本構成の方向性結合器においては電力を伝送する主線路２に主線路２を伝送する電力を検出する副線路４を後から追加できる構造になっているので副線路４によって伝送電力を検出するだけの長さを有した主線路２の任意の位置に副線路４を含む第２の誘電体基板３を配置することができ、方向性結合器の設置位置を任意の位置に設置することができ基板の実装自由度を向上させることができる。

以上のように、本発明にかかる方向性結合器は、小型で大きな通過電力を扱うことができるので、電子レンジで代表されるような誘電加熱を利用した加熱装置や生ゴミ処理機、あるいは半導体製造装置であるプラズマ電源のマイクロ波電源などの用途に用いる電力増幅器の電力検出器にも適用できる。

本発明の第１の実施の形態の方向性結合器の平面図 （ａ）同方向性結合器の図１のＡ１−Ａ２線における断面図（ｂ）同方向性結合器のＢ１−Ｂ２線における断面図 同方向性結合器の電界結合による等価回路図 同方向性結合器の磁界結合による等価回路図 同方向性結合器の実測特性を示す特性図 同方向性結合器における誘電体基板間の距離と主線路の特性インピーダンスの変化を示す特性図 同方向性結合器の副線路４のパターン間距離と方向性の周波数特性を示す特性図 本発明の第２の実施の形態の方向性結合器の平面図 （ａ）同方向性結合器の図１のＡ１−Ａ２線における断面図（ｂ）同方向性結合器のＢ１−Ｂ２線における断面図 （ａ）従来の１／４波長方向性結合器の構成を示す平面図（ｂ）同方向性結合器の断面図

符号の説明

１ 第１の誘電体基板
２ 主線路
３ 第２の誘電体基板
４ 副線路
５ 金属シールド

Claims (10)

1. 第１の誘電体基板上に形成されたマイクロストリップ線路からなる主線路と、前記主線路に空隙を隔てて配置した第２の誘電体基板上に形成されたマイクロストリップ線路からなる副線路を備え、前記副線路はコの字状の構成とした方向性結合器。
2. 副線路のコの字状の一部は主線路と基板の垂直方向で重なり部分を持つ構成とした請求項１に記載の方向性結合器。
3. 副線路と主線路間の空隙は２ｍｍ以上とする構成とした請求項１または２に記載の方向性結合器。
4. コの字状部の長さは５ｍｍ以上８ｍｍ以下となるように構成した請求項３に記載の方向性結合器。
5. コの字状部のパターン間距離は０．５ｍｍ以下とする構成とした請求項４に記載の方向性結合器。
6. マイクロストリップ線路からなる副線路の特性インピーダンスは５０オームとなるように線路の幅を設定した請求項１から５のいずれか１項に記載の方向性結合器。
7. マイクロストリップ線路からなる副線路の特性インピーダンスは５０オームより大きくなるように線路幅を設定した請求項１から５のいずれか１項に記載の方向性結合器。
8. 第２の誘電体基板の周囲に金属製のシールド部材を設ける構成とした請求項１から７のいずれか１項に記載の方向性結合器。
9. 金属製のシールド部材によって第２の誘電体基板を保持し、第１の誘電体基板との距離を確保する構成とした請求項８に記載の方向性結合器。
10. 副線路の両方の出力端に検波回路を設け、前記検波回路の入力インピーダンスを副線路の特性インピーダンスとマッチングするように構成した請求項１から９のいずれか１項に記載の方向性結合器。

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