方向性結合器および無線通信装置
【課題】結合度の周波数特性が広帯域に亘って平坦なカプラを得る。
【解決手段】 送信信号を伝送する主線路と、主線路に送信信号を入力する入力ポートと、主線路から送信信号を出力する出力ポートと、主線路と電磁界結合して送信信号の一部を取り出す副線路と、副線路の一端部に備えられた結合ポートと、副線路の他端部に備えられたアイソレーションポートとを有する方向性結合器であって、副線路と結合ポートとの間に、ローパスフィルタとしての機能を有するローパスフィルタ部を備えた。
【解決手段】 送信信号を伝送する主線路と、主線路に送信信号を入力する入力ポートと、主線路から送信信号を出力する出力ポートと、主線路と電磁界結合して送信信号の一部を取り出す副線路と、副線路の一端部に備えられた結合ポートと、副線路の他端部に備えられたアイソレーションポートとを有する方向性結合器であって、副線路と結合ポートとの間に、ローパスフィルタとしての機能を有するローパスフィルタ部を備えた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、方向性結合器および無線通信装置に係り、特に、方向性結合器における結合度の周波数特性を平坦化する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
伝送線路上を伝搬する電力の一部を取り出すことを可能とする方向性結合器（Directional Coupler／以下単に「カプラ」と称する）は、携帯電話機や無線ＬＡＮ通信装置、ブルートゥース（Bluetooth）規格の通信装置など各種の無線通信機器の送信回路を構成する上で不可欠な部品となっている。
【０００３】
具体的には、カプラは送信信号のレベルが一定になるように制御する調整手段を構成するが、この調整手段は、利得を制御可能な電力増幅器（以下「ＰＡ」と言う）と、送信信号のレベルを検出するカプラと、自動出力制御回路（以下「ＡＰＣ回路」と言う）を備える。入力された送信信号は、ＰＡによって増幅された後、カプラを通して出力される。カプラは、ＰＡから出力された送信信号のレベルに対応したレベルのモニタ信号をＡＰＣ回路に出力する。ＡＰＣ回路は、モニタ信号のレベル（即ち送信信号のレベル）に応じてＰＡの出力が一定になるようにＰＡの利得を制御する。このようなＰＡのフィードバック制御により送信出力の安定化が図られる。
【０００４】
上記カプラは、電磁界結合するように互いに近接して配置した主線路と副線路とを備え、送信信号を伝送する主線路は一端に入力ポートを、他端に出力ポートをそれぞれ備え、送信信号のレベルを検出する副線路は一端に結合ポートを、他端にアイソレーションポートをそれぞれ備えている。そして、主線路を伝送する送信信号の一部が副線路によって取り出され、結合ポートを通じモニタ信号としてＡＰＣ回路へ出力される。
【０００５】
カプラの主要な特性としては挿入損失、結合度、アイソレーション、および、方向性が挙げられる。挿入損失はカプラによって生じる損失であり、低いことが望ましい。結合度は、順方向に伝搬する電力と結合ポートに取り出される電力の比である。アイソレーションは、逆方向に伝搬する電力の結合ポートへの漏れの少なさの程度を示すもので、これは高い（漏れが小さい）ことが望ましい。また、方向性は、アイソレーションと結合度の差であり、当該カプラが進行波と反射波を区別する能力を示すものである。この方向性は、高い（絶対値が大きい）ほど良好なカプラとされ、検出誤差が小さく良好なＡＰＣ回路を形成することが出来る。このため、方向性は一般に２０ｄＢ以上が要求される。
【０００６】
一方、携帯電話機やスマートフォンに代表される携帯端末の通信周波数帯は国や地域ごとに異なるため、これらの周波数事情に柔軟に対応できるよう複数の周波数帯を利用可能な通信装置が近年提供されている。例えば、２つの周波数帯を利用可能なデュアルバンド方式や３つの周波数帯を利用可能なトリプルバンド方式、更には４つの周波数帯を利用可能なクアッドバンド方式等である。
【０００７】
また、このようなカプラに関連する文献として下記特許文献がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−２８０８１２号公報
【特許文献２】特開２０１１−６１４４０号公報
【特許文献３】特開２００９−２７６１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、送信信号として伝搬される電力とカプラの結合ポートに取り出される電力の比である前記結合度は、送信電力の高精度の制御（ＰＡの正確なフィードバック制御）を実現する点でその周波数特性は平坦であることが望ましく、一般には主線路と副線路の長さを使用周波数帯の１／４波長程度に設定すればその周波数帯において平坦な結合度を得ることが出来る。
【００１０】
しかしながら、携帯電話機等の移動体無線機器で主に用いられる準マイクロ波帯の１／４波長は、２５ｃｍ〜３ｃｍ程度（例えば１０ＧＨｚで３ｃｍ）と非常に長くなり、軽薄短小化が必要な携帯電話機等の移動体無線機器に使用するカプラにこの長さの結合線路を備えることはサイズの点から現実的ではない。また、数ｃｍ以上の長い結合線路を使用すると挿入損失が非常に大きくなり、電池寿命の大幅な劣化に繋がってしまうという移動体無線機器にとって致命的な不具合を生じる。このため、使用周波数帯の１／４波長よりも短い結合線路のカプラが使用されるのが通常である。ただし、このような結合線路の特性は一般に周波数によって変動し、周波数が高くなるほど結合度が上昇してしまう傾向がある。
【００１１】
このため従来では、利用周波数帯が広範に及ぶ装置を構成する場合には、カプラを複数個備える必要があった。例えば、図１８は複数の周波数帯を利用可能な携帯電話機の送受信部の一例を示すブロック図であるが、この図に示すように従来のマルチバンド方式の携帯電話機では、利用周波数帯に対応して設けられた送信回路３０１，４０１のそれぞれにカプラ３１１，４１１を備えている。なお、同図において、符号１０１はアンテナ、１０２はアンテナ１０１を通じて受信した電波を受信回路１０３，１０４へ振り分けるとともに、送信回路３０１，４０１から入力された送信信号をアンテナ１０１に送り出すスイッチをそれぞれ示す。スイッチ１０２は、例えばダイプレクサや高周波スイッチを組み合わせることにより構成される。
【００１２】
一方、このようなマルチバンド方式の通信装置においてもカプラを共通化する（例えば１つにする）ことが出来れば、送信回路内の部品点数を減らし、装置の製造コストを低減することが出来る。また、携帯通信装置のより一層の小型化を図ることも可能となる。さらに、カプラの結合度を平坦化することは、送信電力のより簡便かつ検出誤差の少ない制御を行う点で好ましい。なお、前記特許文献はいずれも、このような本願発明の着想およびその解決手段を示すものではない。
【００１３】
したがって、本発明の目的は、結合度が広帯域に亘って平坦なカプラを実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記課題を解決し目的を達成するため、本発明に係るカプラ（方向性結合器）は、送信信号を伝送する主線路と、当該主線路に前記送信信号を入力する入力ポートと、当該主線路から前記送信信号を出力する出力ポートと、前記主線路と電磁界結合して前記送信信号の一部を取り出す副線路と、当該副線路の一端部に備えられた結合ポートと、当該副線路の他端部に備えられたアイソレーションポートとを有する方向性結合器であって、前記副線路と前記結合ポートとの間に、ローパスフィルタとしての機能を有するローパスフィルタ部を備えた。
【００１５】
本発明は、発明が解決しようとする課題の項で述べたように従来複数備えていたカプラを共通化することを検討する中でなし得たもので、送信信号を伝送する主線路と、この主線路に対して電磁界結合するよう近接して配置した副線路を用いるカプラにおいて、副線路と結合ポートとに間にローパスフィルタ部（以下「ＬＰＦ部」と言う）を備えれば当該カプラの結合度の周波数特性を平坦化できることを本発明者は見出し、この知見に基づいて本発明は構成されたものである。
【００１６】
上記ＬＰＦ部は、高周波数の信号を遮断し（減衰させ）、低周波数の信号を通過する機能を有し、当該カプラの結合度が周波数によって変動（高周波になるほど上昇）するのを抑制する機能を果たす。これにより、従来のカプラに比べて結合度の周波数特性を低周波から高周波に亘る広帯域に平坦化することが可能となる。なお、この点については後の実施形態の説明においてシミュレーション結果に基づいて更に述べる。
【００１７】
ＬＰＦ部の具体的な構成としては、例えば、副線路と結合ポートの間に直列に接続したインダクタと、一端が副線路と結合ポートの間に接続され且つ他端がグランドに接続されたキャパシタとを含むようにすれば良い。
【００１８】
また、上記本発明のカプラでは、（１）一端が前記主線路と前記入力ポートの間に接続され且つ他端が前記副線路と前記結合ポートの間に接続されたキャパシタを更に備えるか、或いは、（２）一端が前記主線路と前記入力ポートの間に接続され且つ他端がグランドに接続されたキャパシタを更に備えても良い。
【００１９】
前述のようにＬＰＦ部を備えることにより、結合度を平坦化することは可能となるが、一方においてＬＰＦ部を付加したカプラにおいてアイソレーションと方向性の劣化が見られることがあった。そこで、このような場合に結合度の平坦性を維持しつつこれらを改善することを試みた結果、上記キャパシタを付加する（１）または（２）の構成を採用することでアイソレーションと方向性の劣化を是正し、これらを改善することが出来ることを見出した。なお、この点については、後の実施形態の説明において更に詳しく述べる。
【００２０】
また本発明の一態様では、上記ＬＰＦ部（副線路と結合ポートとの間に接続したＬＰＦ部／以下これを「第１ＬＰＦ部」と称することがある）に加え、ローパスフィルタとしての機能を有する別のＬＰＦ部（以下これを「第２ＬＰＦ部」と称することがある）を副線路とアイソレーションポートとの間に更に備える。
【００２１】
このように副線路の両端部にＬＰＦ部を備える態様によれば、前記主線路の入力ポートから出力ポートに向けた方向（この方向を「順方向」と称する）についてだけでなく、これとは逆に、主線路の出力ポートから入力ポートに向けた方向（この方向を「逆方向」と称する）に関する結合度の周波数特性についてもこれを平坦化することが可能となる。例えば、無線通信装置においてアンテナとのマッチング（アンテナからの反射電力）を検出・計量するために逆方向に伝搬する反射波をアイソレーションポートから取り出してモニタリングするような場合に、逆方向の結合度を平坦化できる当該態様によれば、順方向と同様に誤差の少ないより正確な検出を行うことが出来る。
【００２２】
また、当該態様におけるＬＰＦ部の構成としては、例えば、第１ＬＰＦ部（副線路と結合ポートとの間に備えたＬＰＦ部）が、副線路と結合ポートの間に直列に接続したインダクタと、一端が副線路と結合ポートの間に接続され且つ他端がグランドに接続されたキャパシタとを含み、第２ＬＰＦ部（副線路とアイソレーションポートとの間に備えたＬＰＦ部）が、副線路とアイソレーションポートの間に直列に接続したインダクタと、一端が副線路とアイソレーションポートの間に接続され且つ他端がグランドに接続されたキャパシタとを含むようにすれば良い。
【００２３】
さらに、本発明では、一端が前記副線路と前記結合ポートの間に接続され且つ他端が前記副線路と前記アイソレーションポートとの間に接続されたキャパシタを更に備えても、同様の結合度の平坦性に優れたカプラを構成することが出来る。
【００２４】
また本発明では、上記本発明のいずれかのカプラにおいて、副線路と結合ポートとの間、および、副線路とアイソレーションポートとの間、のいずれか一方または双方にアッテネータを接続しても良い。このように副線路にアッテネータを付加すれば、副線路に接続される他の回路要素のインピーダンス変動の影響を当該アッテネータにより軽減することができ、本発明のカプラを実際に装置に組み込んで使用するときに他の回路要素による影響を受け難くすることが出来る。
【００２５】
また、本発明に係る無線通信装置は、上記いずれかのカプラを含むものである。
【００２６】
なお、本発明に言う無線通信装置は、典型的には、携帯電話機やスマートフォン、無線通信機能を備えたＰＤＡ（Personal Digital Assistants）やタブレット型コンピュータなどの携帯端末装置であるが、これらに限られるものではなく、無線ＬＡＮ用の通信装置やブルートゥース（Bluetooth）規格の通信装置などの無線通信が可能な各種の通信装置が本発明に含まれる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、結合度が広帯域に亘って平坦で、かつ、アイソレーションと方向性に優れた、小型のカプラを実現することが出来る。
【００２８】
本発明の他の目的、特徴および利点は、図面に基づいて述べる以下の本発明の実施の形態の説明により明らかにする。なお、各図中、同一の符号は、同一又は相当部分を示す。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、本発明の第一の実施形態に係るカプラを示す図である。
【図２】図２は、前記第一実施形態に係るカプラの結合度の周波数特性を従来のカプラと比較して示す線図である。
【図３】図３は、前記第一実施形態に係るカプラのアイソレーションの周波数特性を従来のカプラと比較して示す線図である。
【図４】図４は、前記第一実施形態のカプラを備えたマルチバンド方式の携帯電話機の構成例を示すブロック図である。
【図５】図５は、本発明の第二の実施形態に係るカプラを示す図である。
【図６】図６は、本発明の第三の実施形態に係るカプラを示す図である。
【図７】図７は、前記第三実施形態に係るカプラの結合度の周波数特性を従来のカプラと比較して示す線図である。
【図８】図８は、前記第三実施形態に係るカプラのアイソレーションの周波数特性を従来のカプラと比較して示す線図である。
【図９】図９は、前記第一実施形態の変形例に係るカプラを示す図である。
【図１０】図１０は、前記第一実施形態に基づいてＬＰＦ部を加えたカプラの周波数特性（結合度およびアイソレーション）を示す線図である。
【図１１】図１１は、前記第一実施形態の変形例に係るカプラの周波数特性（結合度およびアイソレーション）を示す線図である。
【図１２】図１２は、前記第一実施形態の別の変形例に係るカプラを示す図である。
【図１３】図１３は、前記第一実施形態に基づいてＬＰＦ部を加えたカプラの周波数特性（結合度）を示す線図である。
【図１４】図１４は、前記第一実施形態に基づいてＬＰＦ部を加えたカプラの周波数特性（アイソレーション）を示す線図である。
【図１５】図１５は、前記第一実施形態の別の変形例に係るカプラの周波数特性（結合度）を示す線図である。
【図１６】図１６は、前記第一実施形態の別の変形例に係るカプラの周波数特性（アイソレーション）を示す線図である。
【図１７】図１７は、本発明の第四の実施形態に係るカプラを示す図である。
【図１８】図１８は、従来のマルチバンド方式の携帯電話機の送受信部の一例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
〔第１実施形態〕
図１に示すように本発明の第一の実施形態に係るカプラ１１は、送信信号を伝送する主線路１２と、この主線路１２に電磁界結合するように近接して配置した副線路１３とを備える。主線路１２は、その一端部に入力ポートＰ１を有し、他端部に出力ポートＰ２を有する。また、副線路１３は、その一端部に結合ポートＰ３を有し、他端部にアイソレーションポートＰ４を有している。なお、以下の説明では、入力ポートを「Ｐ１」、出力ポートを「Ｐ２」、結合ポートを「Ｐ３」、アイソレーションポートを「Ｐ４」とそれぞれ称することがある。
【００３１】
また、前述のように主線路と副線路の長さを使用周波数帯の４分の１波長程度に設定すれば平坦な結合度が得られるが、これでは当該主線路と副線路とが非常に長くなってしまうため、本実施形態では主線路および副線路は共に使用周波数帯の４分の１波長より短い線路長を有するものとする。
【００３２】
また、副線路１３と結合ポートＰ３との間にはＬＰＦ部２１を備える。このＬＰＦ部２１はインダクタ２２とキャパシタ２３とからなる所謂Ｌ型のローパスフィルタであり、副線路１３と結合ポートＰ３との間に直列に挿入したインダクタ２２と、当該副線路１３と結合ポートＰ３との間の伝送路とグランドとの間に接続したキャパシタ２３とからなる。
【００３３】
図２および図３は本実施形態に係るカプラ１１の結合度（図２）とアイソレーション（図３）の周波数特性のシミュレーション結果を従来のカプラ（ＬＰＦ部２１を備えないもの）と比較してそれぞれ示すものである。なお、ＬＰＦ部２１を構成するインダクタ２２のインダクタンスは２．７ｎＨ、キャパシタ２３の容量は５ｐＦである。
【００３４】
図２に示すように結合ポート部にＬＰＦ部２１を備えた本実施形態によれば、結合度を従来と比較して平坦化することが出来ることが分かる。また、図３に示すようにアイソレーションも従来と比較して改善することが出来た。
【００３５】
このように本実施形態によれば結合度を平坦化することが出来るから、カプラの配設個数を減らすことが出来る。
【００３６】
例えば、８００ＭＨｚ帯と２ＧＨｚ帯の２つの通信周波数帯を利用可能なデュアルバンド方式の携帯電話機を構成することを考えた場合、従来であれば８００ＭＨｚ帯と２ＧＨｚ帯とでは結合度が大きく変動してしまうため、各周波数帯（８００ＭＨｚ帯と２ＧＨｚ帯）で結合度がほぼ等しくなるように調整した２つのカプラを各周波数帯の送信回路それぞれに設ける必要があったが（前記図１８参照）、本実施形態によれば両周波数帯（８００ＭＨｚ帯と２ＧＨｚ帯）に亘って結合度がほぼ平坦であるから、各周波数帯に共通のカプラを１つ設ければ良く、部品点数を減らして送信回路を単純化することが出来る。
【００３７】
図４は、本実施形態のカプラ１１を使用したマルチバンド方式の携帯電話機の送受信部の構成例を示すものである。この図に示すように本実施形態によれば、アンテナ１０１とスイッチ１０２との間にカプラ１１を１つ設ければ良く、従来（前記図１８参照）と比べて送信回路２０１を簡素化することが出来る。なお、ＰＡ２０２は両周波数帯に亘って使用可能なものを使用し、カプラ１１により得られたモニタ信号（送信信号のレベルに対応した信号）をＡＰＣ回路２０３に入力し、ＡＰＣ回路２０３がモニタ信号のレベル（即ち送信信号のレベル）に応じてＰＡ２０２の出力が一定になるようにＰＡ２０２の利得を制御する。また、スイッチ１０２は、アンテナ１０１を通じて受信した電波を受信回路１０３，１０４へ振り分けるとともに、送信回路２０１から入力された送信信号をアンテナ１０１に送り出す機能を果たすもので、例えばダイプレクサや高周波スイッチを組み合わせることにより構成すれば良い。
【００３８】
〔第２実施形態〕
本発明の第二の実施形態に係るカプラは、図５に示すように、前記第一実施形態と同様に副線路１３と結合ポートＰ３との間にＬＰＦ部（第１ＬＰＦ部）３１を備えるが、更に副線路１３とアイソレーションポートＰ４との間にもＬＰＦ部（第２ＬＰＦ部）４１を備えたものである。
【００３９】
なお、本実施形態では、各ＬＰＦ部３１，４１は直列に接続したインダクタ３２，４２の両側に並列に接続した２つのキャパシタ３３，３４；４３，４４を備えた所謂π型のローパスフィルタであり、第１ＬＰＦ部３１は、副線路１３と結合ポートＰ３との間に直列に挿入したインダクタ３２と、このインダクタ３２の両側において副線路１３−結合ポートＰ３間の伝送路とグランドとの間にそれぞれ接続したキャパシタ３３，３４とからなる。また、第２ＬＰＦ部４１は、副線路１３とアイソレーションポートＰ４との間に直列に挿入したインダクタ４２と、このインダクタ４２の両側において副線路１３−アイソレーションポートＰ４間の伝送路とグランドとの間にそれぞれ接続したキャパシタ４３，４４とからなる。なお、各ＬＰＦ部３１，４１は、前記第一実施形態と同様にＬ型のローパスフィルタであっても、あるいは、直列に接続した２つのインダクタと、それら２つのインダクタの間とグランドとの間に接続したキャパシタとからなる所謂Ｔ型のローパスフィルタであっても良い。
【００４０】
このように主線路１２および副線路１３からなるカプラ本体部を挟んで対称に（入力側と出力側との両方に）ＬＰＦ部３１，４１を備えた本実施形態によれば、前記第一実施形態のように順方向の結合度を平坦化することが出来るだけでなく、逆方向の結合度（主線路の出力ポートＰ２から入力し、アイソレーションポートＰ４に出力される電力）の周波数特性も第２ＬＰＦ部４１によって順方向と同様に平坦化することが出来る。したがって、前述したように例えば、無線通信装置においてアンテナとのマッチング（アンテナからの反射電力）を検出・計量するために逆方向に伝搬する反射波をアイソレーションポートＰ４から取り出してモニタリングするような場合に、順方向と同様に誤差の少ないより正確な検出を行うことが可能となる。
【００４１】
〔第３実施形態〕
本発明の第三の実施形態に係るカプラは、図６に示すように、前記第二実施形態のカプラと同様に副線路１３の両側（結合ポートＰ３と副線路１３との間、およびアイソレーションポートＰ４と副線路１３との間）にそれぞれＬＰＦ部５１，６１を備えるが、更にこれらに加えて、結合ポートＰ３とアイソレーションポートＰ４間にキャパシタ６５を接続したものである。なお、各ＬＰＦ部５１，６１は、前記第一実施形態と同様のインダクタ５２，６２とキャパシタ５３，６３とからなるＬ型のローパスフィルタである。
【００４２】
図７および図８は本実施形態に係るカプラの結合度（図７）とアイソレーション（図８）の周波数特性のシミュレーション結果を、前記図２および図３と同様に従来のカプラ（ＬＰＦ部５１，６１およびＰ３−Ｐ４間のキャパシタ６５を備えないもの）と比較してそれぞれ示すものである。なお、各ＬＰＦ部５１，６１を構成するインダクタ５２，６２のインダクタンスは共に５．５ｎＨ、各ＬＰＦ部５１，６１を構成するキャパシタ５３，６３の容量は共に２．２ｐＦであり、Ｐ３−Ｐ４間のキャパシタ６５の容量は１．２ｐＦである。
【００４３】
図７に示すようにＰ３−Ｐ４間にキャパシタ６５を備えた本実施形態によっても結合度を従来と比較して平坦化することが出来る。
【００４４】
また本実施形態は、ＬＰＦ部が２次のＬ型ローパスフィルタであるから、ＬＰＦ部が３次のπ型ローパスフィルタである前記第二実施形態と比べ、素子数や導体線路の引き回しを減らして不要な結合成分や共振の発生を抑えることができ、これによりアイソレーション特性と方向性を改善させつつ、結合度の周波数特性を平坦化することが出来る。
【００４５】
さらに本実施形態では、Ｐ３−Ｐ４間にキャパシタ６５を接続することにより、アイソレーション特性と方向性を改善させることができ、図７および図８に示すように０．７〜２ＧＨｚの領域において、実用上必要とされる２０ｄＢ以上の方向性（結合度とアイソレーションの差）を確保することが出来た。なお、このＰ３−Ｐ４間のキャパシタ６５は、アイソレーションポートＰ４に生じてしまう不要な漏洩電流をキャンセルする位相調整機能を果たしていると考えられる。
【００４６】
〔第１実施形態の変形例〕
前記第一実施形態のカプラ１１では、ＬＰＦ部２１を備えることにより結合度を平坦化することが出来たが、このようにＬＰＦ部２１を接続するとアイソレーションや方向性の劣化が生じることがあった。
【００４７】
すなわち、カプラは副線路における誘導電流と変位電流との組み合わせによって方向性を得ているが、結合ポートと出力ポートの間の不要な結合や副線路における誘導電流と変位電流の位相ずれ等が生じるとアイソレーションや方向性の劣化を引き起こすことが多い。一方、前記実施形態では副線路１３にＬＰＦ部２１を接続する。このため、ＬＰＦ部２１の接続によって副線路１３における誘導電流と変位電流の間の位相差のバランスが崩れ、これがアイソレーションや方向性の劣化を引き起こす原因となる場合があると考えられる。
【００４８】
アイソレーションや方向性の劣化原因には、他の様々な要因（例えば寄生容量や不要結合による信号分離度の劣化、カプラにおいて生じる偶モードと奇モードの位相速度差による方向性の劣化、リアクタンス素子付加によるインピーダンス不整合や不要共振の発生等）があり、ＬＰＦ部２１の接続とこれら様々な要因との相互関係にもよるため、ＬＰＦ部２１を接続すると直ちにアイソレーションや方向性が劣化するとは一概には言えないが、そのような特性劣化が生じた場合には、下記の方法によってこれを解消することが出来ることを見出した。
【００４９】
（１）第一の方法としては、図９に示すようにＬＰＦ部２１に加え更に、入力ポートＰ１と結合ポートＰ３との間にキャパシタ７１を接続する。
【００５０】
図１０は前記第一実施形態と同様に結合ポートと副線路との間にＬ型ローパスフィルタからなるＬＰＦ部を備えたカプラの結合度（実線）とアイソレーション（破線）の周波数特性を示すシミュレーション結果であり、図１１は上記第一の方法を適用したカプラの結合度（実線）とアイソレーション（破線）の周波数特性を示すシミュレーション結果である。なお、これら図１０および図１１に係る構成においてＬＰＦ部内のインダクタ２２のインダクタンスは共に２．７ｎＨ、キャパシタ２３の容量は共に５ｐＦ、Ｐ１−Ｐ３間に接続したキャパシタ７１の容量は１ｐＦである。
【００５１】
これら図１０および図１１に示すように、入力ポートＰ１と結合ポートＰ３の間にキャパシタ７１を接続することにより、ほぼ同等に平坦な結合度を維持しながらアイソレーションを（したがってアイソレーションと結合度の差である方向性も）改善することが出来る。
【００５２】
（２）第二の方法としては、図１２に示すようにＬＰＦ部２１に加え更に、入力ポートＰ１とグランドとの間にキャパシタ７２を接続する。
【００５３】
図１３および図１４はそれぞれ前記第一実施形態と同様に結合ポートと副線路との間にＬ型ローパスフィルタからなるＬＰＦ部を備えたカプラの結合度（図１３）とアイソレーション（図１４）の周波数特性を示すシミュレーション結果であり、図１５および図１６はそれぞれ上記第二の方法を適用したカプラの結合度（図１５）とアイソレーション（図１６）の周波数特性を示すシミュレーション結果である。なお、これら図１３および図１４に係る構成においてＬＰＦ部内のインダクタのインダクタンス２２は共に０．３ｎＨ、キャパシタ２３の容量は共に５ｐＦ、入力ポートＰ１−グランド間に接続したキャパシタ７２の容量は０．１６ｐＦである。
【００５４】
これらの図１３から図１６に示すように、入力ポートＰ１とグランドとの間にキャパシタ７２を接続することによっても、ほぼ同等に平坦な結合度を維持しつつアイソレーションを（したがって方向性も）改善することが出来た。
【００５５】
なお、上記第一および第二の方法では、付加したキャパシタ７１，７２によって副線路１３に生じる誘導電流と変位電流の位相差のバランスの崩れがキャンセルされ、これによりアイソレーションと方向性の劣化が改善されるものと考えられる。
【００５６】
〔第４実施形態〕
さらに、本発明の第四の実施形態に係るカプラは、図１７に示すように、前記第三実施形態に係るカプラと同様に、副線路１３の両側にそれぞれＬＰＦ部５１，６１を備え、Ｐ３−Ｐ４間にキャパシタ６５を接続したものであるが、副線路１３（ＬＰＦ部５１）と結合ポートＰ３との間、および、副線路１３（ＬＰＦ部６１）とアイソレーションポートＰ４との間にアッテネータ７３，７４をそれぞれ接続した。
【００５７】
このように副線路にアッテネータを付加すれば、前述のように副線路に接続される他の回路要素のインピーダンス変動の影響を軽減することが出来る。なお、前記第一から第三実施形態および変形例（図１、図５、図６、図９および図１２）に係る各カプラにおいても本実施形態と同様に、結合ポートＰ３と副線路１３（ＬＰＦ部２１，３１，５１）との間、ならびにアイソレーションポートＰ４と副線路１３（ＬＰＦ部４１，６１）との間にアッテネータを接続しても良い。
【００５８】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内で種々の変更を行うことが出来ることは当業者に明らかである。
【符号の説明】
【００５９】
１１ カプラ（方向性結合器）
１２ 主線路
１３ 副線路
２１，３１，４１，５１，６１ ＬＰＦ部（ローパスフィルタ部）
２２，３２，４２，５２，６２ インダクタ
２３，３３，３４，４３，４４，５３，６３，６５，７１，７２ キャパシタ
１０１ アンテナ
１０２ スイッチ
１０３，１０４ 受信回路
２０１ 送信回路
２０２ ＰＡ（電力増幅器）
２０３ ＡＰＣ回路（自動出力制御回路）
Ｐ１ 入力ポート
Ｐ２ 出力ポート
Ｐ３ 結合ポート
Ｐ４ アイソレーションポート
【技術分野】
【０００１】
本発明は、方向性結合器および無線通信装置に係り、特に、方向性結合器における結合度の周波数特性を平坦化する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
伝送線路上を伝搬する電力の一部を取り出すことを可能とする方向性結合器（Directional Coupler／以下単に「カプラ」と称する）は、携帯電話機や無線ＬＡＮ通信装置、ブルートゥース（Bluetooth）規格の通信装置など各種の無線通信機器の送信回路を構成する上で不可欠な部品となっている。
【０００３】
具体的には、カプラは送信信号のレベルが一定になるように制御する調整手段を構成するが、この調整手段は、利得を制御可能な電力増幅器（以下「ＰＡ」と言う）と、送信信号のレベルを検出するカプラと、自動出力制御回路（以下「ＡＰＣ回路」と言う）を備える。入力された送信信号は、ＰＡによって増幅された後、カプラを通して出力される。カプラは、ＰＡから出力された送信信号のレベルに対応したレベルのモニタ信号をＡＰＣ回路に出力する。ＡＰＣ回路は、モニタ信号のレベル（即ち送信信号のレベル）に応じてＰＡの出力が一定になるようにＰＡの利得を制御する。このようなＰＡのフィードバック制御により送信出力の安定化が図られる。
【０００４】
上記カプラは、電磁界結合するように互いに近接して配置した主線路と副線路とを備え、送信信号を伝送する主線路は一端に入力ポートを、他端に出力ポートをそれぞれ備え、送信信号のレベルを検出する副線路は一端に結合ポートを、他端にアイソレーションポートをそれぞれ備えている。そして、主線路を伝送する送信信号の一部が副線路によって取り出され、結合ポートを通じモニタ信号としてＡＰＣ回路へ出力される。
【０００５】
カプラの主要な特性としては挿入損失、結合度、アイソレーション、および、方向性が挙げられる。挿入損失はカプラによって生じる損失であり、低いことが望ましい。結合度は、順方向に伝搬する電力と結合ポートに取り出される電力の比である。アイソレーションは、逆方向に伝搬する電力の結合ポートへの漏れの少なさの程度を示すもので、これは高い（漏れが小さい）ことが望ましい。また、方向性は、アイソレーションと結合度の差であり、当該カプラが進行波と反射波を区別する能力を示すものである。この方向性は、高い（絶対値が大きい）ほど良好なカプラとされ、検出誤差が小さく良好なＡＰＣ回路を形成することが出来る。このため、方向性は一般に２０ｄＢ以上が要求される。
【０００６】
一方、携帯電話機やスマートフォンに代表される携帯端末の通信周波数帯は国や地域ごとに異なるため、これらの周波数事情に柔軟に対応できるよう複数の周波数帯を利用可能な通信装置が近年提供されている。例えば、２つの周波数帯を利用可能なデュアルバンド方式や３つの周波数帯を利用可能なトリプルバンド方式、更には４つの周波数帯を利用可能なクアッドバンド方式等である。
【０００７】
また、このようなカプラに関連する文献として下記特許文献がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−２８０８１２号公報
【特許文献２】特開２０１１−６１４４０号公報
【特許文献３】特開２００９−２７６１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、送信信号として伝搬される電力とカプラの結合ポートに取り出される電力の比である前記結合度は、送信電力の高精度の制御（ＰＡの正確なフィードバック制御）を実現する点でその周波数特性は平坦であることが望ましく、一般には主線路と副線路の長さを使用周波数帯の１／４波長程度に設定すればその周波数帯において平坦な結合度を得ることが出来る。
【００１０】
しかしながら、携帯電話機等の移動体無線機器で主に用いられる準マイクロ波帯の１／４波長は、２５ｃｍ〜３ｃｍ程度（例えば１０ＧＨｚで３ｃｍ）と非常に長くなり、軽薄短小化が必要な携帯電話機等の移動体無線機器に使用するカプラにこの長さの結合線路を備えることはサイズの点から現実的ではない。また、数ｃｍ以上の長い結合線路を使用すると挿入損失が非常に大きくなり、電池寿命の大幅な劣化に繋がってしまうという移動体無線機器にとって致命的な不具合を生じる。このため、使用周波数帯の１／４波長よりも短い結合線路のカプラが使用されるのが通常である。ただし、このような結合線路の特性は一般に周波数によって変動し、周波数が高くなるほど結合度が上昇してしまう傾向がある。
【００１１】
このため従来では、利用周波数帯が広範に及ぶ装置を構成する場合には、カプラを複数個備える必要があった。例えば、図１８は複数の周波数帯を利用可能な携帯電話機の送受信部の一例を示すブロック図であるが、この図に示すように従来のマルチバンド方式の携帯電話機では、利用周波数帯に対応して設けられた送信回路３０１，４０１のそれぞれにカプラ３１１，４１１を備えている。なお、同図において、符号１０１はアンテナ、１０２はアンテナ１０１を通じて受信した電波を受信回路１０３，１０４へ振り分けるとともに、送信回路３０１，４０１から入力された送信信号をアンテナ１０１に送り出すスイッチをそれぞれ示す。スイッチ１０２は、例えばダイプレクサや高周波スイッチを組み合わせることにより構成される。
【００１２】
一方、このようなマルチバンド方式の通信装置においてもカプラを共通化する（例えば１つにする）ことが出来れば、送信回路内の部品点数を減らし、装置の製造コストを低減することが出来る。また、携帯通信装置のより一層の小型化を図ることも可能となる。さらに、カプラの結合度を平坦化することは、送信電力のより簡便かつ検出誤差の少ない制御を行う点で好ましい。なお、前記特許文献はいずれも、このような本願発明の着想およびその解決手段を示すものではない。
【００１３】
したがって、本発明の目的は、結合度が広帯域に亘って平坦なカプラを実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記課題を解決し目的を達成するため、本発明に係るカプラ（方向性結合器）は、送信信号を伝送する主線路と、当該主線路に前記送信信号を入力する入力ポートと、当該主線路から前記送信信号を出力する出力ポートと、前記主線路と電磁界結合して前記送信信号の一部を取り出す副線路と、当該副線路の一端部に備えられた結合ポートと、当該副線路の他端部に備えられたアイソレーションポートとを有する方向性結合器であって、前記副線路と前記結合ポートとの間に、ローパスフィルタとしての機能を有するローパスフィルタ部を備えた。
【００１５】
本発明は、発明が解決しようとする課題の項で述べたように従来複数備えていたカプラを共通化することを検討する中でなし得たもので、送信信号を伝送する主線路と、この主線路に対して電磁界結合するよう近接して配置した副線路を用いるカプラにおいて、副線路と結合ポートとに間にローパスフィルタ部（以下「ＬＰＦ部」と言う）を備えれば当該カプラの結合度の周波数特性を平坦化できることを本発明者は見出し、この知見に基づいて本発明は構成されたものである。
【００１６】
上記ＬＰＦ部は、高周波数の信号を遮断し（減衰させ）、低周波数の信号を通過する機能を有し、当該カプラの結合度が周波数によって変動（高周波になるほど上昇）するのを抑制する機能を果たす。これにより、従来のカプラに比べて結合度の周波数特性を低周波から高周波に亘る広帯域に平坦化することが可能となる。なお、この点については後の実施形態の説明においてシミュレーション結果に基づいて更に述べる。
【００１７】
ＬＰＦ部の具体的な構成としては、例えば、副線路と結合ポートの間に直列に接続したインダクタと、一端が副線路と結合ポートの間に接続され且つ他端がグランドに接続されたキャパシタとを含むようにすれば良い。
【００１８】
また、上記本発明のカプラでは、（１）一端が前記主線路と前記入力ポートの間に接続され且つ他端が前記副線路と前記結合ポートの間に接続されたキャパシタを更に備えるか、或いは、（２）一端が前記主線路と前記入力ポートの間に接続され且つ他端がグランドに接続されたキャパシタを更に備えても良い。
【００１９】
前述のようにＬＰＦ部を備えることにより、結合度を平坦化することは可能となるが、一方においてＬＰＦ部を付加したカプラにおいてアイソレーションと方向性の劣化が見られることがあった。そこで、このような場合に結合度の平坦性を維持しつつこれらを改善することを試みた結果、上記キャパシタを付加する（１）または（２）の構成を採用することでアイソレーションと方向性の劣化を是正し、これらを改善することが出来ることを見出した。なお、この点については、後の実施形態の説明において更に詳しく述べる。
【００２０】
また本発明の一態様では、上記ＬＰＦ部（副線路と結合ポートとの間に接続したＬＰＦ部／以下これを「第１ＬＰＦ部」と称することがある）に加え、ローパスフィルタとしての機能を有する別のＬＰＦ部（以下これを「第２ＬＰＦ部」と称することがある）を副線路とアイソレーションポートとの間に更に備える。
【００２１】
このように副線路の両端部にＬＰＦ部を備える態様によれば、前記主線路の入力ポートから出力ポートに向けた方向（この方向を「順方向」と称する）についてだけでなく、これとは逆に、主線路の出力ポートから入力ポートに向けた方向（この方向を「逆方向」と称する）に関する結合度の周波数特性についてもこれを平坦化することが可能となる。例えば、無線通信装置においてアンテナとのマッチング（アンテナからの反射電力）を検出・計量するために逆方向に伝搬する反射波をアイソレーションポートから取り出してモニタリングするような場合に、逆方向の結合度を平坦化できる当該態様によれば、順方向と同様に誤差の少ないより正確な検出を行うことが出来る。
【００２２】
また、当該態様におけるＬＰＦ部の構成としては、例えば、第１ＬＰＦ部（副線路と結合ポートとの間に備えたＬＰＦ部）が、副線路と結合ポートの間に直列に接続したインダクタと、一端が副線路と結合ポートの間に接続され且つ他端がグランドに接続されたキャパシタとを含み、第２ＬＰＦ部（副線路とアイソレーションポートとの間に備えたＬＰＦ部）が、副線路とアイソレーションポートの間に直列に接続したインダクタと、一端が副線路とアイソレーションポートの間に接続され且つ他端がグランドに接続されたキャパシタとを含むようにすれば良い。
【００２３】
さらに、本発明では、一端が前記副線路と前記結合ポートの間に接続され且つ他端が前記副線路と前記アイソレーションポートとの間に接続されたキャパシタを更に備えても、同様の結合度の平坦性に優れたカプラを構成することが出来る。
【００２４】
また本発明では、上記本発明のいずれかのカプラにおいて、副線路と結合ポートとの間、および、副線路とアイソレーションポートとの間、のいずれか一方または双方にアッテネータを接続しても良い。このように副線路にアッテネータを付加すれば、副線路に接続される他の回路要素のインピーダンス変動の影響を当該アッテネータにより軽減することができ、本発明のカプラを実際に装置に組み込んで使用するときに他の回路要素による影響を受け難くすることが出来る。
【００２５】
また、本発明に係る無線通信装置は、上記いずれかのカプラを含むものである。
【００２６】
なお、本発明に言う無線通信装置は、典型的には、携帯電話機やスマートフォン、無線通信機能を備えたＰＤＡ（Personal Digital Assistants）やタブレット型コンピュータなどの携帯端末装置であるが、これらに限られるものではなく、無線ＬＡＮ用の通信装置やブルートゥース（Bluetooth）規格の通信装置などの無線通信が可能な各種の通信装置が本発明に含まれる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、結合度が広帯域に亘って平坦で、かつ、アイソレーションと方向性に優れた、小型のカプラを実現することが出来る。
【００２８】
本発明の他の目的、特徴および利点は、図面に基づいて述べる以下の本発明の実施の形態の説明により明らかにする。なお、各図中、同一の符号は、同一又は相当部分を示す。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、本発明の第一の実施形態に係るカプラを示す図である。
【図２】図２は、前記第一実施形態に係るカプラの結合度の周波数特性を従来のカプラと比較して示す線図である。
【図３】図３は、前記第一実施形態に係るカプラのアイソレーションの周波数特性を従来のカプラと比較して示す線図である。
【図４】図４は、前記第一実施形態のカプラを備えたマルチバンド方式の携帯電話機の構成例を示すブロック図である。
【図５】図５は、本発明の第二の実施形態に係るカプラを示す図である。
【図６】図６は、本発明の第三の実施形態に係るカプラを示す図である。
【図７】図７は、前記第三実施形態に係るカプラの結合度の周波数特性を従来のカプラと比較して示す線図である。
【図８】図８は、前記第三実施形態に係るカプラのアイソレーションの周波数特性を従来のカプラと比較して示す線図である。
【図９】図９は、前記第一実施形態の変形例に係るカプラを示す図である。
【図１０】図１０は、前記第一実施形態に基づいてＬＰＦ部を加えたカプラの周波数特性（結合度およびアイソレーション）を示す線図である。
【図１１】図１１は、前記第一実施形態の変形例に係るカプラの周波数特性（結合度およびアイソレーション）を示す線図である。
【図１２】図１２は、前記第一実施形態の別の変形例に係るカプラを示す図である。
【図１３】図１３は、前記第一実施形態に基づいてＬＰＦ部を加えたカプラの周波数特性（結合度）を示す線図である。
【図１４】図１４は、前記第一実施形態に基づいてＬＰＦ部を加えたカプラの周波数特性（アイソレーション）を示す線図である。
【図１５】図１５は、前記第一実施形態の別の変形例に係るカプラの周波数特性（結合度）を示す線図である。
【図１６】図１６は、前記第一実施形態の別の変形例に係るカプラの周波数特性（アイソレーション）を示す線図である。
【図１７】図１７は、本発明の第四の実施形態に係るカプラを示す図である。
【図１８】図１８は、従来のマルチバンド方式の携帯電話機の送受信部の一例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
〔第１実施形態〕
図１に示すように本発明の第一の実施形態に係るカプラ１１は、送信信号を伝送する主線路１２と、この主線路１２に電磁界結合するように近接して配置した副線路１３とを備える。主線路１２は、その一端部に入力ポートＰ１を有し、他端部に出力ポートＰ２を有する。また、副線路１３は、その一端部に結合ポートＰ３を有し、他端部にアイソレーションポートＰ４を有している。なお、以下の説明では、入力ポートを「Ｐ１」、出力ポートを「Ｐ２」、結合ポートを「Ｐ３」、アイソレーションポートを「Ｐ４」とそれぞれ称することがある。
【００３１】
また、前述のように主線路と副線路の長さを使用周波数帯の４分の１波長程度に設定すれば平坦な結合度が得られるが、これでは当該主線路と副線路とが非常に長くなってしまうため、本実施形態では主線路および副線路は共に使用周波数帯の４分の１波長より短い線路長を有するものとする。
【００３２】
また、副線路１３と結合ポートＰ３との間にはＬＰＦ部２１を備える。このＬＰＦ部２１はインダクタ２２とキャパシタ２３とからなる所謂Ｌ型のローパスフィルタであり、副線路１３と結合ポートＰ３との間に直列に挿入したインダクタ２２と、当該副線路１３と結合ポートＰ３との間の伝送路とグランドとの間に接続したキャパシタ２３とからなる。
【００３３】
図２および図３は本実施形態に係るカプラ１１の結合度（図２）とアイソレーション（図３）の周波数特性のシミュレーション結果を従来のカプラ（ＬＰＦ部２１を備えないもの）と比較してそれぞれ示すものである。なお、ＬＰＦ部２１を構成するインダクタ２２のインダクタンスは２．７ｎＨ、キャパシタ２３の容量は５ｐＦである。
【００３４】
図２に示すように結合ポート部にＬＰＦ部２１を備えた本実施形態によれば、結合度を従来と比較して平坦化することが出来ることが分かる。また、図３に示すようにアイソレーションも従来と比較して改善することが出来た。
【００３５】
このように本実施形態によれば結合度を平坦化することが出来るから、カプラの配設個数を減らすことが出来る。
【００３６】
例えば、８００ＭＨｚ帯と２ＧＨｚ帯の２つの通信周波数帯を利用可能なデュアルバンド方式の携帯電話機を構成することを考えた場合、従来であれば８００ＭＨｚ帯と２ＧＨｚ帯とでは結合度が大きく変動してしまうため、各周波数帯（８００ＭＨｚ帯と２ＧＨｚ帯）で結合度がほぼ等しくなるように調整した２つのカプラを各周波数帯の送信回路それぞれに設ける必要があったが（前記図１８参照）、本実施形態によれば両周波数帯（８００ＭＨｚ帯と２ＧＨｚ帯）に亘って結合度がほぼ平坦であるから、各周波数帯に共通のカプラを１つ設ければ良く、部品点数を減らして送信回路を単純化することが出来る。
【００３７】
図４は、本実施形態のカプラ１１を使用したマルチバンド方式の携帯電話機の送受信部の構成例を示すものである。この図に示すように本実施形態によれば、アンテナ１０１とスイッチ１０２との間にカプラ１１を１つ設ければ良く、従来（前記図１８参照）と比べて送信回路２０１を簡素化することが出来る。なお、ＰＡ２０２は両周波数帯に亘って使用可能なものを使用し、カプラ１１により得られたモニタ信号（送信信号のレベルに対応した信号）をＡＰＣ回路２０３に入力し、ＡＰＣ回路２０３がモニタ信号のレベル（即ち送信信号のレベル）に応じてＰＡ２０２の出力が一定になるようにＰＡ２０２の利得を制御する。また、スイッチ１０２は、アンテナ１０１を通じて受信した電波を受信回路１０３，１０４へ振り分けるとともに、送信回路２０１から入力された送信信号をアンテナ１０１に送り出す機能を果たすもので、例えばダイプレクサや高周波スイッチを組み合わせることにより構成すれば良い。
【００３８】
〔第２実施形態〕
本発明の第二の実施形態に係るカプラは、図５に示すように、前記第一実施形態と同様に副線路１３と結合ポートＰ３との間にＬＰＦ部（第１ＬＰＦ部）３１を備えるが、更に副線路１３とアイソレーションポートＰ４との間にもＬＰＦ部（第２ＬＰＦ部）４１を備えたものである。
【００３９】
なお、本実施形態では、各ＬＰＦ部３１，４１は直列に接続したインダクタ３２，４２の両側に並列に接続した２つのキャパシタ３３，３４；４３，４４を備えた所謂π型のローパスフィルタであり、第１ＬＰＦ部３１は、副線路１３と結合ポートＰ３との間に直列に挿入したインダクタ３２と、このインダクタ３２の両側において副線路１３−結合ポートＰ３間の伝送路とグランドとの間にそれぞれ接続したキャパシタ３３，３４とからなる。また、第２ＬＰＦ部４１は、副線路１３とアイソレーションポートＰ４との間に直列に挿入したインダクタ４２と、このインダクタ４２の両側において副線路１３−アイソレーションポートＰ４間の伝送路とグランドとの間にそれぞれ接続したキャパシタ４３，４４とからなる。なお、各ＬＰＦ部３１，４１は、前記第一実施形態と同様にＬ型のローパスフィルタであっても、あるいは、直列に接続した２つのインダクタと、それら２つのインダクタの間とグランドとの間に接続したキャパシタとからなる所謂Ｔ型のローパスフィルタであっても良い。
【００４０】
このように主線路１２および副線路１３からなるカプラ本体部を挟んで対称に（入力側と出力側との両方に）ＬＰＦ部３１，４１を備えた本実施形態によれば、前記第一実施形態のように順方向の結合度を平坦化することが出来るだけでなく、逆方向の結合度（主線路の出力ポートＰ２から入力し、アイソレーションポートＰ４に出力される電力）の周波数特性も第２ＬＰＦ部４１によって順方向と同様に平坦化することが出来る。したがって、前述したように例えば、無線通信装置においてアンテナとのマッチング（アンテナからの反射電力）を検出・計量するために逆方向に伝搬する反射波をアイソレーションポートＰ４から取り出してモニタリングするような場合に、順方向と同様に誤差の少ないより正確な検出を行うことが可能となる。
【００４１】
〔第３実施形態〕
本発明の第三の実施形態に係るカプラは、図６に示すように、前記第二実施形態のカプラと同様に副線路１３の両側（結合ポートＰ３と副線路１３との間、およびアイソレーションポートＰ４と副線路１３との間）にそれぞれＬＰＦ部５１，６１を備えるが、更にこれらに加えて、結合ポートＰ３とアイソレーションポートＰ４間にキャパシタ６５を接続したものである。なお、各ＬＰＦ部５１，６１は、前記第一実施形態と同様のインダクタ５２，６２とキャパシタ５３，６３とからなるＬ型のローパスフィルタである。
【００４２】
図７および図８は本実施形態に係るカプラの結合度（図７）とアイソレーション（図８）の周波数特性のシミュレーション結果を、前記図２および図３と同様に従来のカプラ（ＬＰＦ部５１，６１およびＰ３−Ｐ４間のキャパシタ６５を備えないもの）と比較してそれぞれ示すものである。なお、各ＬＰＦ部５１，６１を構成するインダクタ５２，６２のインダクタンスは共に５．５ｎＨ、各ＬＰＦ部５１，６１を構成するキャパシタ５３，６３の容量は共に２．２ｐＦであり、Ｐ３−Ｐ４間のキャパシタ６５の容量は１．２ｐＦである。
【００４３】
図７に示すようにＰ３−Ｐ４間にキャパシタ６５を備えた本実施形態によっても結合度を従来と比較して平坦化することが出来る。
【００４４】
また本実施形態は、ＬＰＦ部が２次のＬ型ローパスフィルタであるから、ＬＰＦ部が３次のπ型ローパスフィルタである前記第二実施形態と比べ、素子数や導体線路の引き回しを減らして不要な結合成分や共振の発生を抑えることができ、これによりアイソレーション特性と方向性を改善させつつ、結合度の周波数特性を平坦化することが出来る。
【００４５】
さらに本実施形態では、Ｐ３−Ｐ４間にキャパシタ６５を接続することにより、アイソレーション特性と方向性を改善させることができ、図７および図８に示すように０．７〜２ＧＨｚの領域において、実用上必要とされる２０ｄＢ以上の方向性（結合度とアイソレーションの差）を確保することが出来た。なお、このＰ３−Ｐ４間のキャパシタ６５は、アイソレーションポートＰ４に生じてしまう不要な漏洩電流をキャンセルする位相調整機能を果たしていると考えられる。
【００４６】
〔第１実施形態の変形例〕
前記第一実施形態のカプラ１１では、ＬＰＦ部２１を備えることにより結合度を平坦化することが出来たが、このようにＬＰＦ部２１を接続するとアイソレーションや方向性の劣化が生じることがあった。
【００４７】
すなわち、カプラは副線路における誘導電流と変位電流との組み合わせによって方向性を得ているが、結合ポートと出力ポートの間の不要な結合や副線路における誘導電流と変位電流の位相ずれ等が生じるとアイソレーションや方向性の劣化を引き起こすことが多い。一方、前記実施形態では副線路１３にＬＰＦ部２１を接続する。このため、ＬＰＦ部２１の接続によって副線路１３における誘導電流と変位電流の間の位相差のバランスが崩れ、これがアイソレーションや方向性の劣化を引き起こす原因となる場合があると考えられる。
【００４８】
アイソレーションや方向性の劣化原因には、他の様々な要因（例えば寄生容量や不要結合による信号分離度の劣化、カプラにおいて生じる偶モードと奇モードの位相速度差による方向性の劣化、リアクタンス素子付加によるインピーダンス不整合や不要共振の発生等）があり、ＬＰＦ部２１の接続とこれら様々な要因との相互関係にもよるため、ＬＰＦ部２１を接続すると直ちにアイソレーションや方向性が劣化するとは一概には言えないが、そのような特性劣化が生じた場合には、下記の方法によってこれを解消することが出来ることを見出した。
【００４９】
（１）第一の方法としては、図９に示すようにＬＰＦ部２１に加え更に、入力ポートＰ１と結合ポートＰ３との間にキャパシタ７１を接続する。
【００５０】
図１０は前記第一実施形態と同様に結合ポートと副線路との間にＬ型ローパスフィルタからなるＬＰＦ部を備えたカプラの結合度（実線）とアイソレーション（破線）の周波数特性を示すシミュレーション結果であり、図１１は上記第一の方法を適用したカプラの結合度（実線）とアイソレーション（破線）の周波数特性を示すシミュレーション結果である。なお、これら図１０および図１１に係る構成においてＬＰＦ部内のインダクタ２２のインダクタンスは共に２．７ｎＨ、キャパシタ２３の容量は共に５ｐＦ、Ｐ１−Ｐ３間に接続したキャパシタ７１の容量は１ｐＦである。
【００５１】
これら図１０および図１１に示すように、入力ポートＰ１と結合ポートＰ３の間にキャパシタ７１を接続することにより、ほぼ同等に平坦な結合度を維持しながらアイソレーションを（したがってアイソレーションと結合度の差である方向性も）改善することが出来る。
【００５２】
（２）第二の方法としては、図１２に示すようにＬＰＦ部２１に加え更に、入力ポートＰ１とグランドとの間にキャパシタ７２を接続する。
【００５３】
図１３および図１４はそれぞれ前記第一実施形態と同様に結合ポートと副線路との間にＬ型ローパスフィルタからなるＬＰＦ部を備えたカプラの結合度（図１３）とアイソレーション（図１４）の周波数特性を示すシミュレーション結果であり、図１５および図１６はそれぞれ上記第二の方法を適用したカプラの結合度（図１５）とアイソレーション（図１６）の周波数特性を示すシミュレーション結果である。なお、これら図１３および図１４に係る構成においてＬＰＦ部内のインダクタのインダクタンス２２は共に０．３ｎＨ、キャパシタ２３の容量は共に５ｐＦ、入力ポートＰ１−グランド間に接続したキャパシタ７２の容量は０．１６ｐＦである。
【００５４】
これらの図１３から図１６に示すように、入力ポートＰ１とグランドとの間にキャパシタ７２を接続することによっても、ほぼ同等に平坦な結合度を維持しつつアイソレーションを（したがって方向性も）改善することが出来た。
【００５５】
なお、上記第一および第二の方法では、付加したキャパシタ７１，７２によって副線路１３に生じる誘導電流と変位電流の位相差のバランスの崩れがキャンセルされ、これによりアイソレーションと方向性の劣化が改善されるものと考えられる。
【００５６】
〔第４実施形態〕
さらに、本発明の第四の実施形態に係るカプラは、図１７に示すように、前記第三実施形態に係るカプラと同様に、副線路１３の両側にそれぞれＬＰＦ部５１，６１を備え、Ｐ３−Ｐ４間にキャパシタ６５を接続したものであるが、副線路１３（ＬＰＦ部５１）と結合ポートＰ３との間、および、副線路１３（ＬＰＦ部６１）とアイソレーションポートＰ４との間にアッテネータ７３，７４をそれぞれ接続した。
【００５７】
このように副線路にアッテネータを付加すれば、前述のように副線路に接続される他の回路要素のインピーダンス変動の影響を軽減することが出来る。なお、前記第一から第三実施形態および変形例（図１、図５、図６、図９および図１２）に係る各カプラにおいても本実施形態と同様に、結合ポートＰ３と副線路１３（ＬＰＦ部２１，３１，５１）との間、ならびにアイソレーションポートＰ４と副線路１３（ＬＰＦ部４１，６１）との間にアッテネータを接続しても良い。
【００５８】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内で種々の変更を行うことが出来ることは当業者に明らかである。
【符号の説明】
【００５９】
１１ カプラ（方向性結合器）
１２ 主線路
１３ 副線路
２１，３１，４１，５１，６１ ＬＰＦ部（ローパスフィルタ部）
２２，３２，４２，５２，６２ インダクタ
２３，３３，３４，４３，４４，５３，６３，６５，７１，７２ キャパシタ
１０１ アンテナ
１０２ スイッチ
１０３，１０４ 受信回路
２０１ 送信回路
２０２ ＰＡ（電力増幅器）
２０３ ＡＰＣ回路（自動出力制御回路）
Ｐ１ 入力ポート
Ｐ２ 出力ポート
Ｐ３ 結合ポート
Ｐ４ アイソレーションポート
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信信号を伝送する主線路と、
当該主線路に前記送信信号を入力する入力ポートと、
当該主線路から前記送信信号を出力する出力ポートと、
前記主線路と電磁界結合して前記送信信号の一部を取り出す副線路と、
当該副線路の一端部に備えられた結合ポートと、
当該副線路の他端部に備えられたアイソレーションポートと
を有する方向性結合器であって、
前記副線路と前記結合ポートとの間に、ローパスフィルタとしての機能を有するローパスフィルタ部を備えた
ことを特徴とする方向性結合器。
【請求項２】
前記ローパスフィルタ部は、
前記副線路と前記結合ポートの間に直列に接続したインダクタと、
一端が前記副線路と前記結合ポートの間に接続され、他端がグランドに接続されたキャパシタと
を含む請求項１に記載の方向性結合器。
【請求項３】
一端が前記主線路と前記入力ポートの間に接続され、他端が前記副線路と前記結合ポートの間に接続されたキャパシタ
を更に備えた請求項１または２に記載の方向性結合器。
【請求項４】
一端が前記主線路と前記入力ポートの間に接続され、他端がグランドに接続されたキャパシタ
を更に備えた請求項１または２に記載の方向性結合器。
【請求項５】
前記ローパスフィルタ部に加え、ローパスフィルタとしての機能を有する別のローパスフィルタ部を前記副線路と前記アイソレーションポートとの間に更に備えた
請求項１に記載の方向性結合器。
【請求項６】
前記副線路と結合ポートとの間に備えたローパスフィルタ部は、
前記副線路と前記結合ポートの間に直列に接続したインダクタと、
一端が前記副線路と前記結合ポートの間に接続され、他端がグランドに接続されたキャパシタと
を含み、
前記副線路とアイソレーションポートとの間に備えたローパスフィルタ部は、
前記副線路と前記アイソレーションポートの間に直列に接続したインダクタと、
一端が前記副線路と前記アイソレーションポートの間に接続され、他端がグランドに接続されたキャパシタと
を含む
請求項５に記載の方向性結合器。
【請求項７】
一端が前記副線路と前記結合ポートの間に接続され、他端が前記副線路と前記アイソレーションポートとの間に接続されたキャパシタ
を更に備えた請求項５または６に記載の方向性結合器。
【請求項８】
前記副線路と前記結合ポートとの間、および、前記副線路と前記アイソレーションポートとの間、のいずれか一方または双方にアッテネータを接続した
前記請求項１から７のいずれか一項に記載の方向性結合器。
【請求項９】
前記請求項１から８のいずれか一項に記載の方向性結合器を含む無線通信装置。
【請求項１】
送信信号を伝送する主線路と、
当該主線路に前記送信信号を入力する入力ポートと、
当該主線路から前記送信信号を出力する出力ポートと、
前記主線路と電磁界結合して前記送信信号の一部を取り出す副線路と、
当該副線路の一端部に備えられた結合ポートと、
当該副線路の他端部に備えられたアイソレーションポートと
を有する方向性結合器であって、
前記副線路と前記結合ポートとの間に、ローパスフィルタとしての機能を有するローパスフィルタ部を備えた
ことを特徴とする方向性結合器。
【請求項２】
前記ローパスフィルタ部は、
前記副線路と前記結合ポートの間に直列に接続したインダクタと、
一端が前記副線路と前記結合ポートの間に接続され、他端がグランドに接続されたキャパシタと
を含む請求項１に記載の方向性結合器。
【請求項３】
一端が前記主線路と前記入力ポートの間に接続され、他端が前記副線路と前記結合ポートの間に接続されたキャパシタ
を更に備えた請求項１または２に記載の方向性結合器。
【請求項４】
一端が前記主線路と前記入力ポートの間に接続され、他端がグランドに接続されたキャパシタ
を更に備えた請求項１または２に記載の方向性結合器。
【請求項５】
前記ローパスフィルタ部に加え、ローパスフィルタとしての機能を有する別のローパスフィルタ部を前記副線路と前記アイソレーションポートとの間に更に備えた
請求項１に記載の方向性結合器。
【請求項６】
前記副線路と結合ポートとの間に備えたローパスフィルタ部は、
前記副線路と前記結合ポートの間に直列に接続したインダクタと、
一端が前記副線路と前記結合ポートの間に接続され、他端がグランドに接続されたキャパシタと
を含み、
前記副線路とアイソレーションポートとの間に備えたローパスフィルタ部は、
前記副線路と前記アイソレーションポートの間に直列に接続したインダクタと、
一端が前記副線路と前記アイソレーションポートの間に接続され、他端がグランドに接続されたキャパシタと
を含む
請求項５に記載の方向性結合器。
【請求項７】
一端が前記副線路と前記結合ポートの間に接続され、他端が前記副線路と前記アイソレーションポートとの間に接続されたキャパシタ
を更に備えた請求項５または６に記載の方向性結合器。
【請求項８】
前記副線路と前記結合ポートとの間、および、前記副線路と前記アイソレーションポートとの間、のいずれか一方または双方にアッテネータを接続した
前記請求項１から７のいずれか一項に記載の方向性結合器。
【請求項９】
前記請求項１から８のいずれか一項に記載の方向性結合器を含む無線通信装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２０１３−３０９０４（Ｐ２０１３−３０９０４Ａ）
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６４３６２（Ｐ２０１１−１６４３６２）
【出願日】平成２３年７月２７日（２０１１．７．２７）
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ
【出願人】（０００００３０６７）ＴＤＫ株式会社 (7,238)
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２７日（２０１１．７．２７）
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ
【出願人】（０００００３０６７）ＴＤＫ株式会社 (7,238)
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