CN105514563B - 分支线型定向耦合分配器 - Google Patents

Abstract

提供一种考虑传输线所要求的长度的起算点从而使分支线型定向耦合分配器小型化的构成。定向耦合分配器(1)具备用于微波的输入输出的4个端口、配置为路径从各个端口分支为2条的4个分支部、以及连接各个分支部彼此的4条传输线。4条传输线包括作为多段传输线的第1传输线(31)以及第3传输线(33)。在多段传输线中，该传输线的端部的线宽与中央部的线宽相比较窄。作为介由分支部与多段传输线连接的连接传输线的第2传输线(32)以及第4传输线(34)，具有从多段传输线的端部的线宽的中央相比靠外侧起算的线长与1/4波长相当的电长度。

Description

分支线型定向耦合分配器

技术领域

本发明涉及将微波耦合或分配的分支线(branch line)型定向耦合分配器(directional coupler)。

背景技术

一直以来，众所周知的是，如图11所示的分支线型定向耦合分配器(以下，称为“定向耦合分配器”)。图11的定向耦合分配器100由4个端口、4个T字形状的分支部、以及4条传输线构成。

具体而言，第1分支部121连接第4传输线134、第1端口111以及第1传输线131。第2分支部122连接第1传输线131、第2端口112以及第2传输线132。第3分支部123连接第2传输线132、第3端口113以及第3传输线133。第4分支部124连接第3传输线133、第4端口114以及第4传输线134。

在这种定向耦合分配器100中，输入至第1端口111的信号从第2端口112以及第3端口113输出，但不从第4端口114输出。此外，从第2端口112输出的信号与从第3端口113输出的信号存在90°的相位差。

专利文献1公开了在上述的定向耦合分配器中，于传输线上设短截线或电抗元件来使特性阻抗变化这一技术。据此，即使在例如传输线的线宽有误差，得不到规定的特性阻抗时，也能够通过电抗元件调整特性阻抗。此外，非专利文献1公开了利用特性阻抗因短截线而变化来抑制传输线的长度，据此，使定向耦合分配器小型化这一技术。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平4-104502号公报

非专利文献

非专利文献1：柴田纯也、其他5名、「スタブを用いた3dBブランチラインカプラの小型化設計」、電子情報通信学会技術研究報告.NW，マイクロ波、社団法人電子情報通信学会、2007年12月11日、107(394)、p.41-46

发明内容

发明要解决的问题

在此，在图11所示的定向耦合分配器中，需要将从第2分支部122到第3分支部123的长度(即、从第1分支部121到第4分支部124的长度)设为1/4波长。详细而言，若考虑图11的定向耦合分配器100的信号的流动方式等，则需要将从第2分支部122之中较为内侧(第3分支部123侧)的部分到第3分支部123之中较为内侧(第2分支部122侧)的部分的长度设为1/4波长。因此，从第2端口112到第3端口113的长度为，1/4波长与第1分支部121以及第3传输线133的线宽的大部分相加而得的值。因此，定向耦合分配器100的尺寸变大。

另外，专利文献1的目的不在于定向耦合分配器的小型化。非专利文献1的目的只在于通过抑制传输线的长度而使定向耦合分配器小型化，关于上述的1/4波长从哪一部分起算这一点并未记载。

本发明是鉴于上述问题而提出的，其主要目的在于提供一种考虑对传输线要求的长度的起算点从而使分支线型定向耦合分配器小型化的构成。

用于解决问题的手段以及效果

本发明要解决的问题如上述，接着，说明用于解决该问题的手段及其效果。

根据本发明的观点，提供下述的构成的分支线型定向耦合分配器。即、分支线型定向耦合分配器具备用于微波的输入输出的4个端口、配置为路径从各个所述端口分支为2条的4个分支部、以及连接各个分支部彼此的4条传输线。4条所述传输线包括多段传输线，该多段传输线为，该传输线之中的作为与所述分支部的连接处附近的端部的线宽比中央部的线宽窄。介由所述分支部连接至所述多段传输线的连接传输线，从与所述多段传输线的所述端部的线宽的中央相比靠外侧起算的线长为1/4波长。

据此，通过使多段传输线的端部的线宽窄于中央部，能够使连接传输线的线长从与多段传输线的线宽的中央相比靠外侧起算。因此，与以往不同，大部分线宽不计入分支线型定向耦合分配器的尺寸，因此能够抑制尺寸。另外，由于传输线的中央部的线宽变宽，因此能够维持规定的特性阻抗。

优选的，在所述分支线型定向耦合分配器中，4条所述传输线包括2条所述多段传输线，该多段传输线相互平行地配置。

因此，在通常的分支型定向耦合分配器中，能够抑制尺寸。

优选的，在所述分支线型定向耦合分配器中，连接2条所述多段传输线的所述连接传输线，从与一方的所述多段传输线的所述端部的线宽的中央相比靠外侧起，到与另一方的所述多段传输线的所述端部的线宽的中央相比靠外侧为止的长度为1/4波长。

据此，能够将连接传输线的线长的两端设于与多段传输线的端部的线宽的中央相比靠外侧。因此，能够进一步抑制分支型定向耦合分配器的尺寸。

优选的，在所述分支线型定向耦合分配器中，采取下述的构成。即、4条所述传输线中的2条所述传输线相互平行且特性阻抗相等，其余2条所述传输线相互平行并且特性阻抗相等。在4条所述传输线中，特性阻抗更小的2条所述传输线为所述多段传输线。

据此，由于特性阻抗更小的传输线通常线宽较宽，因此通过变窄该线宽，能够大幅度地抑制分支线型定向耦合分配器的尺寸。

优选的，在所述分支线型定向耦合分配器中，所述多段传输线，所述中央部以接近与该多段传输线平行配置的所述传输线的方式而突出。

据此，能够将线宽向内侧拓宽，因此，能够进一步抑制分支型定向耦合分配器的尺寸。

优选的，在所述分支线型定向耦合分配器中，所述多段传输线的所述中央部突出为梯形形状。

据此，能够使微波的流动顺畅。

优选的，在所述分支线型定向耦合分配器中，所述多段传输线的所述中央部与该多段传输线的线长的方向垂直地突出。

据此，由于例如突出为梯形形状时，包括线宽不太宽的部分，因此通过如上述那样使中央部按成为相同的线宽的方式突出，能够抑制线宽的突出量。

优选的，在所述分支线型定向耦合分配器中，连接至所述分支部的2条所述传输线，在与该分支部的连接处附近的线宽相等。

据此，由于在分支部只进行微波的耦合或分支(即、由于在分支部不进行阻抗控制)，因此能够削弱分支部波及至信号的影响。因此，例如能够使2个信号的最佳输出频率一致。

附图说明

图1为本发明的一实施方式所涉及的定向耦合分配器的立体图。

图2为定向耦合分配器的电路构成图。

图3为表示定向耦合分配器的S参数的图表。

图4为表示定向耦合分配器输出的信号的相位差的图表。

图5为第1变形例的定向耦合分配器的电路构成图。

图6为第2变形例的定向耦合分配器的电路构成图。

图7为表示第2变形例的定向耦合分配器输出的信号的频率特性的图表。

图8为第2实施方式的定向耦合分配器的电路构成图。

图9为表示第2实施方式的定向耦合分配器的S参数的图表。

图10为表示第2实施方式的定向耦合分配器输出的信号的相位差的图表。

图11为以往的定向耦合分配器的电路构成图。

标号说明：

1 定向耦合分配器(分支线型定向耦合分配器)，11 第1端口，12 第2端口，13 第3端口，14 第4端口，21 第1分支部，22 第2分支部，23 第3分支部，24 第4分支部，31 第1传输线，31a 端部，31b 中央部，32 第2传输线，33 第3传输线，33a 端部，33b 中央部，34 第4传输线。

具体实施方式

接着，参照图1及图2说明本发明的实施方式。在以下的说明中，在说明相等、平行、垂直等时，不仅仅是严格意义上的相等、平行、垂直，产生某种程度的误差亦可。在本说明书中，在产生这样微小的误差的情况下，也视为符合相等、平行、垂直等。

第1实施方式的分支线型定向耦合分配器(以下，称为“定向耦合分配器”)设于雷达装置。具体而言，设于产生圆极化波(circular polarization wave)的圆极化波产生装置、或接收发送波经目标物反射而来的反射波(微波)的接收电路等。另外，定向耦合分配器1不限于雷达装置，也可以设于进行高频信号(微波)的分配或合成的装置(例如，通信装置)。

如图1所示，第1实施方式的定向耦合分配器1构成为，在设置层2(导体)上形成导电层3，并在导电层3上排列线状的导体箔而成的微带线(microstrip line)。与以往例同样地，通过定向耦合分配器1的导体箔形成4个端口、4个T字形状的分支部、以及4条传输线。

具体而言，第1分支部21连接第4传输线(连接传输线)34、第1端口11以及第1传输线(多段传输线)31。第2分支部22连接第1传输线31、第2端口12以及第2传输线32。第3分支部23连接第2传输线(连接传输线)32、第3端口13以及第3传输线(多段传输线)33。第4分支部24连接第3传输线33、第4端口14以及第4传输线34。此外，在第1实施方式中4个端口全都平行。

此外，连接于第1分支部21的2条传输线中的一方(第1传输线31)与第1端口11垂直地连接。此外，连接于第1分支部21的2条传输线中的另一方(第4传输线34)与第1端口11平行地连接。连接于第2分支部22、第3分支部23、以及第4分支部24的2条传输线也同样地与端口垂直或平行地连接。

第1端口11至第4端口14具有相同的特性阻抗Z1(例如50Ω)。第1传输线31以及第3传输线33具有相同的特性阻抗Z2(例如35.4Ω)。第2传输线32以及第4传输线34具有相同的特性阻抗Z3(例如50Ω、

)。另外，关于第1传输线31以及第3传输线33，端部的线宽窄于中央部的线宽。此外，第1传输线31～第4传输线34具有与1/4波长相当的电长度。

例如从第1端口11输入的信号只经由第1传输线31到达第2端口12。此外，从第1端口11输入的信号经由第1传输线31以及第2传输线32到达第3端口13，并且经由第4传输线34以及第3传输线33到达第3端口13。由于到达第3端口13的2个信号为同相位，因此从第3端口13也输出信号。另外，由于到达第4端口14的2个信号为逆相位，因此通过对2个信号进行合成而相互抵消。

通过以上所述，输入至第1端口11的信号只从第2端口12以及第3端口13输出。此外，从第2端口12输出的信号与从第3端口13输出的信号存在90°的相位差。

此外，关于定向耦合分配器1，由于上下对称以及左右对称，因此例如输入至第2端口12的信号被从第1端口11以及第4端口14输出。

接着，说明第1传输线31以及第3传输线33的具体的形状及其效果。

如图2所示，第1传输线31由2个端部31a、以及位于这二者之间的中央部31b构成。一方的端部31a配置于与第1分支部21的连接处附近，另一方的端部31a配置于与第2分支部22的连接处附近。中央部31b形成为连接2个端部31a，并且传输线向内侧(第3传输线33侧)呈梯形形状突出。具体而言，中央部31b由2个倾斜部以及位于这二者之间的水平部构成，在倾斜部中线宽从L1向L2变化，或者从L2向L1变化，在水平部中线宽保持为L2不变。另外，中央部31b的水平部占第1传输线31的线长的一半以上。在此，线长主要是指信号前进的方向的传输线的长短。另外，线宽主要是指与信号前进的方向垂直的方向的传输线的宽窄。

在第1实施方式中，端部31a的线宽L1大幅度地窄于中央部31b的线宽L2(例如，1/2以下或1/3以下)。此外，端部31a的线宽L1窄于第1端口11的线宽L3以及第4传输线34的线宽L4。关于中央部31b，为了补偿将端部31a变窄所致的特性阻抗，中央部31b的线宽变宽，第1传输线31的特性阻抗为与以往例相同的值。另外，第3传输线33由与第1传输线31同样的构成的、2个端口33a和中央部33b构成。

在此，如上述那样，需要第2传输线32以及第4传输线34的线长为1/4波长。换言之，从第1分支部21到第4分支部24的长度、以及从第2分支部22到第3分支部23的长度为1/4波长。

在此，在以往例(图11)中，由于线宽L1较宽，因此从第1端口111流至第3端口113的信号容易在第1传输线131的内侧的端部流动。特别是，如本实施方式那样地高频信号容易在第1传输线131的内侧(第3传输线133侧)的端部流动。通过以上所述，从第1端口111流至第3端口113的信号主要在第1传输线131的内侧流动。因此，第2传输线132的1/4波长的起算点为第1传输线131的内侧的端部附近(参照图11)。同样地，第3传输线133的内侧的端部附近成为第2传输线132的1/4波长的起算点。因此，1/4波长加上线宽L1的大部分而得的值成为定向耦合分配器1的一个方向上的尺寸。因此，定向耦合分配器1的尺寸变大。

关于此点，在第1实施方式中，如图2所示那样地端部31a的线宽L1比较窄。该情况下，通过申请人所进行了的仿真，清楚的是，通过端部31a的信号的电流密度之差变小，信号在第1传输线31之中主要地在外侧流动。因此，第2传输线32的1/4波长的起算点为第1传输线31的外侧的端部附近。同样地，第3传输线33的外侧的端部附近为第2传输线32的1/4波长的起算点。因此，1/4波长加上线宽L1的一小部分而得的值为定向耦合分配器1的尺寸。因此，能够大幅度地抑制定向耦合分配器1的尺寸。另外，第2传输线32的1/4波长的详细的起算点与端部31a的线宽的中央相比靠外侧，更详细地，为距端部31a的线宽的外端1/3以内(第4传输线34也同样)。

此外，以往，能够通过在设计时变更第1传输线131的线长以及线宽L1来实现希望的特性以及形状的第1传输线131(进而言之为定向耦合分配器100)。对此，在第1实施方式中，由于能够变更端部31a的线长以及线宽L1、中央部31b的线长以及线宽L2，因此能够根据要求的规格等更灵活地确定第1传输线31(进而言之为定向耦合分配器1)的特性以及形状。

接着，参照图3以及图4，对为了评价第1实施方式的定向耦合分配器1的性能而进行的仿真的结果进行说明。从图3可知，S参数S21以及S31为大约-3dB，从图4可知，S参数S21以及S31的相位差为大约90°。据此，在第1实施方式的形状的定向耦合分配器1中也能够顺利地发挥分支型的定向耦合分配器的功能。

接着，参照图5说明第1实施方式的第1变形例。

在第1实施方式中，中央部31b为梯形形状，而在第1变形例中为以向内侧(第3传输线33侧)垂直地突出的方式形成的矩形形状。具体而言，关于中央部31b，所有部分都具有相同的线宽L2(＞线宽L1)。这样一来，在中央部31b的所有部分为线宽L2的情况下，与如上所述的实施方式的线宽从L1逐渐变为L2的构成相比较，能够以某种程度抑制线宽L2的宽度。因此，在突出长度受制约的情况等中，能够有效地配置第1传输线31。

接着，参照图6以及图7说明第1实施方式的第2变形例。

在第1实施方式中，端部31a的线宽L1窄于第4传输线34的线宽L4。关于此点，在第2变形例中，如图6所示那样，线宽L1与线宽L4相等。

据此，在传输的信号通过分支部之际，只方向变化，在分支部中特性阻抗不会变化。特性阻抗在信号通过端部31a并到达中央部31b时变化。这样一来，在第1实施方式的第2变形例中，能够使信号的方向发生变化的位置与信号特性阻抗变化的位置不同，因此能够削弱第1分支部21的影响。

图7为概略地表示对利用第2变形例的定向耦合分配器1，从第1端口11输入信号时的第2端口12以及第3端口13的输出值进行计算而得的结果的图表。通过图7可知，2个信号的最佳输出频率相等。根据该计算结果，清楚的是，通过利用第1实施方式的第2变形例的定向耦合分配器1可抑制最佳输出频率的偏差。

如上所述，各传输线具有λ/4的线长。因此，在如雷达装置等那样的高频信号中，各传输线的长度变短。其结果是，信号的传输线中的分支部所占的比例增加，易受分支部的影响。因此，在以往例的定向耦合分配器100中最佳输出频率的偏差增大。关于这一点，通过利用第2变形例的定向耦合分配器1，即使是利用如雷达装置等那样的高频信号，也能够抑制最佳输出频率的偏差。

另外，在第2变形例中，第1传输线31的端部31a的线宽L1窄于第1端口11的线宽L3，但相等或宽于第1端口11亦可。特别是，通过设线宽L1、线宽L3、以及线宽L4全都相等，能够更为可靠地抑制最佳输出频率的偏差。

接着，参照图8，说明第2实施方式的定向耦合分配器1。另外，在第2实施方式的说明中，有时对与上述的第1实施方式相同的部件赋予相同的符号，并省略说明。

在第1实施方式中，从第1端口11输出的信号也从朝向相差180度的方向(第2端口12)输出。对此，在第2实施方式中，从第1端口11输出的信号朝向不变地从第2端口12以及第3端口13输出。

此外，在第1实施方式中，设特性阻抗较低的传输线即第1传输线31以及第3传输线33的线宽为2个阶段，而在第2实施方式中，设特性阻抗较高的传输线即第2传输线32以及第4传输线34的传输线的线宽为2个阶段。因此，在第2实施方式中，第2传输线32以及第4传输线34相当于多段传输线，第1传输线31以及第3传输线33相当于连接传输线。

第2传输线32与第1实施方式的第1传输线31同样地，由2个端部32a、中央部32b构成。端部32a的线宽L5窄于中央部32b的线宽L6。另外，第4传输线34也与第2传输线32同样地，由2个端部34a和中央部34b构成。

据此，通过使端部32a以及端部34a的线宽变窄，能够与第1实施方式同样地，使第1传输线31以及第3传输线33的1/4波长的起算点为第2传输线32的外侧的端部附近，因此能够抑制定向耦合分配器1的尺寸。

接着，参照图9以及图10，与第1实施方式同样地，对为了评价第2实施方式的定向耦合分配器1的性能而进行的仿真的结果进行说明。从图9可知，S参数S21以及S31为大约-3dB，从图10可知，S参数S21以及S31的相位差为大约90°。据此，在第2实施方式的形状的定向耦合分配器1中也能够顺利地发挥分支型的定向耦合分配器的功能。

另外，既可以在第1实施方式中，设第2传输线32以及的4传输线34的线宽为2个阶段，也可以在第2实施方式中，设第1传输线31以及第3传输线33的线宽为2个阶段。

如以上说明所述，上述的定向耦合分配器1具备用于微波的输入输出的4个端口、配置为路径从各个端口分支为2条的4个分支部、以及连接各个分支部彼此的4条传输线。4条传输线包括多段传输线路(在第1实施方式中为第1传输线31以及第2传输线33、在第2实施方式中为第2传输线32以及第4传输线34)。关于多段传输线，该传输线的端部的线宽与中央部的线宽相比较窄。有关介由分支部与多段传输线而连接的连接传输线(在第1实施方式中为第2传输线32以及第4传输线34、在第2实施方式中为第1传输线31以及第3传输线33)，从与多段传输线的端部的线宽的中央相比靠外侧起算的线长为1/4波长。

据此，通过使多段传输线的端部的线宽窄于中央部，能够将连接至该多段传输线的连接传输线的线长的起算点设为与多段传输线的端部的线宽的中央相比靠外侧。因此，能够抑制分支型定向耦合分配器1的尺寸。另外，由于传输线其连接处附近之外的线宽变宽，因此能够维持规定的特性阻抗。

以上，说明了本发明的优选的实施方式以及变形例，但上述的构成例如能够如下述那样进行变更。

在上述中，多段传输线的中央部只向内侧突出，但既可以向外侧(平行配置的传输线的相反侧)突出，也可以向内侧以及外侧这两方突出。此外，关于突出形状，只要能得到希望的特性阻抗，便可不限于梯形形状以及矩形形状，能够进行适当地变更。

端口与传输线所成的角不限于平行或垂直，例如也可以稍倾斜。

Claims (9)

1.一种分支线型定向耦合分配器，具备用于微波的输入输出的4个端口、配置为路径从各个所述端口分支为2条的4个分支部、以及连接各个所述分支部彼此的4条传输线，其特征在于，

4条所述传输线包括多段传输线，该多段传输线之中的，作为与所述分支部的连接处附近的该多段传输线的端部的线宽与中央部的线宽相比较窄，

介由所述分支部连接至所述多段传输线的连接传输线，从与所述多段传输线的所述端部的线宽的中央相比靠外侧起算的线长为1/4波长，

所述多段传输线之中的所述中央部的线长占该多段传输线的线长的一半以上。

2.如权利要求1所述的分支线型定向耦合分配器，其特征在于，

在所述4个端口之中向第1端口输入微波时，将输出该微波的两个端口分别作为第2端口和第3端口，不输出微波的端口作为第4端口，

第1分支部对所述第1端口、与该第1端口平行的第4传输线以及与该第1端口垂直的第1传输线进行连接，

第2分支部对所述第2端口、与该第2端口垂直的第1传输线以及与该第2端口平行的第2传输线进行连接，

第3分支部对所述第3端口、与该第3端口平行的第2传输线以及与该第3端口垂直的第3传输线进行连接，

第4分支部对所述第4端口、与该第4端口垂直的第3传输线以及与该第4端口平行的第4传输线进行连接，

所述第1传输线及所述第3传输线之中的至少某一个是多段传输线，

介由所述分支部连接至所述多段传输线的连接传输线即所述第2传输线及所述第4传输线，从与所述多段传输线的所述端部的线宽的中央相比靠外侧起算的线长为1/4波长。

3.如权利要求2所述的分支线型定向耦合分配器，其特征在于，

所述第1传输线及所述第3传输线是所述多段传输线，

对所述第1分支部和所述第2分支部进行连接的所述第1传输线之中的，作为与该第1分支部及该第2分支部的连接处附近的端部的线宽与所述第1端口及所述第2端口的线宽相比较窄，

对所述第3分支部和所述第4分支部进行连接的所述第3传输线之中的，作为与该第3分支部及该第4分支部的连接处附近的端部的线宽与所述第3端口及所述第4端口的线宽相比较窄。

4.如权利要求3所述的分支线型定向耦合分配器，其特征在于，

连接2条所述多段传输线的所述连接传输线，从与一方的所述多段传输线的所述端部的线宽的中央相比靠外侧起，到与另一方的所述多段传输线的所述端部的线宽的中央相比靠外侧为止的长度为1/4波长。

5.如权利要求1所述的分支线型定向耦合分配器，其特征在于，

4条所述传输线中的2条所述传输线相互平行且特性阻抗相等，其余2条所述传输线相互平行并且特性阻抗相等，

在4条所述传输线中，特性阻抗更小的2条所述传输线为所述多段传输线。

6.如权利要求1～5中任一项所述的分支线型定向耦合分配器，其特征在于，

所述多段传输线的所述中央部以接近与该多段传输线平行配置的所述传输线的方式而突出。

7.如权利要求6所述的分支线型定向耦合分配器，其特征在于，

所述多段传输线的所述中央部突出为梯形形状。

8.如权利要求6所述的分支线型定向耦合分配器，其特征在于，

所述多段传输线的所述中央部与该多段传输线的线长的方向垂直地突出。

9.如权利要求1～5中任一项所述的分支线型定向耦合分配器，其特征在于，

连接至所述分支部的2条所述传输线在与该分支部的连接处附近的线宽相等。

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