JP2001196816A

JP2001196816A - 電力分配回路

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Publication number: JP2001196816A
Application number: JP2000006392A
Authority: JP
Inventors: Ichiro Oshima; 一郎大島
Original assignee: Denki Kogyo Co Ltd
Current assignee: DKK Co Ltd
Priority date: 2000-01-14
Filing date: 2000-01-14
Publication date: 2001-07-19
Anticipated expiration: 2020-01-14
Also published as: JP3310643B2

Abstract

(57)【要約】【目的】回路の規模をそれほど大きくすることなく希
望する任意の電力分配を行なうことが可能な電力分配回
路を提供する。【解決手段】電力分配比の小さい方の出力ポート側に
設けられる１／４波長整合器１４の終端にスタブ１５を
設け、このスタブ１５の長さに基づいて電力分配比を設
定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高周波,特にマイ
クロ波やミリ波に適用される平面回路のうちの、電力分
配回路に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図５は、マイクロストリップ線路からな
る電力分配回路のパターンの一例を示したものである。
この例の電力分配回路は、入力側の主線路１０１と、該
主線路１０１から分岐した出力側の主線路１０２，１０
３と、主線路１０１，１０２間に介在させた１／４波長
整合器１０４と、主線路１０１，１０３間に介在させた
１／４波長整合器１０５とによって構成されている。

【０００３】この分配回路において、主線路１０１のポ
ート1０１ａから入力された高周波電力は、分岐点１０
６を経た後、任意の分配比で主線路１０２のポート１０
２ａおよび主線路１０３のポート１０３ａへと出力され
る。

【０００４】ここで、１／４波長整合器１０４，１０５
の特性インピーダンスは、電力分配比と整合条件とから
導かれる。すなわち、入力側(ポート1０１ａ側)の主線
路１０１の特性インピーダンスをＺ₁、出力側（ポート
１０２ａ，１０３ａ側）の主線路１０２，１０３の特性
インピーダンスをＺ₂，Ｚ₃、それぞれの出力側への電
力分配比をＰ₂：Ｐ₃とすると、該各出力側の１／４波
長整合器１０４，１０５の特性インピーダンスｚ₂，ｚ
₃は、それぞれ次式（１），（２）によって表される。

【数１】

【０００５】上式（１），（２）により、電力分配比に
応じた１／４波長整合器１０４，１０５の特性インピー
ダンスが求められ、これによって、これらの１／４波長
整合器１０４，１０５の幅および長さが決定される。す
なわち、分配された電力のうちの小さい方が入力される
一方の出力側の１／４波長整合器１０４の特性インピー
ダンスは、該電力のうちの大きい方が入力される他方の
出力側の１／４波長整合器１０５の特性インピーダンス
よりも高くなる。したがって、１／４波長整合器１０４
の幅は、１／４波長整合器１０５の幅よりも狭くなる。
そして、電力分配比が大きいほど、１／４波長整合器１
０４，１０５の幅の差が大きくなる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】電力分配比がそれほど
大きくない場合には、上記従来の電力分配回路を用いて
も何ら問題は無い。しかし、電力分配比が比較的大きい
場合、従来の電力分配回路では実現が困難もしくは不可
能となる。なぜなら、電力分配比が比較的大きい場合に
は、分配された電力のうちの小さい方が入力される１／
４波長整合器１０４の幅が極端に細くなるためである。

【０００７】通常、マイクロストリップ等の金属箔パタ
ーンは、誘電体基板に金属箔を接着した、いわゆる銅張
積層板をウエットエッチングすることによって製作され
る。しかし、エッチングにより、十分な精度もって極細
パターンを形成することはかなり困難である。

【０００８】すなわち、通常のエッチングによって十分
な精度で製作できる線路の幅は、約０．１ｍｍが限界で
ある。それ以下の幅を持つ線路を製作しようとすると、
歩留まりが悪くなったり、特殊な行程が必要になったり
するため、コストが高くなるという問題を生じる。ま
た、無理に製作したとしても、あまりに線路幅が細いた
めに、構造的に弱くなって取り扱いにくくなる。そし
て、何よりも、線路の形成精度が十分に得られなくて、
所望の分配比が得られないという問題がある。

【０００９】この線路幅が極端に細くなるという問題点
を解決する方法の一つとして、図６に示すように、イン
ピーダンス変換器１０７，１０８を用いてあらかじめ主
線路１０１，１０２の特性インピーダンスを下げておく
方法が考えられる。この方法では、主線路１０１，１０
２の特性インピーダンスを下げてその線路幅を広くする
ので、１／４波長整合器１０４の特性インピーダンスも
下げてその幅を広げることができる。

【００１０】しかし、この方法は、主線路１０１，１０
２の特性インピーダンスを変換するためのインピーダン
ス変換器１０７、１０８が必要であるので、回路構成が
複雑になるとともに、余計なスペースを必要とする。ま
た、主線路１０１、１０２を広げたままにした場合に
は、線路の引き回しが困難となるので、やはり余計なス
ペースが必要となる。したがって、主線路１０１、１０
２の幅の広さには自ずと限界が生じ、結果として、実現
できる電力分配比に限界が生じる。

【００１１】一方、大きな電力分配比を実現するための
容易な手段として、図７に示す結合回路２００を利用す
る方法がある。この結合回路２００は、主線路２０１に
平行に配設され、該主線路２０１に主線路２０２を電磁
結合させる役目をする。したがって、主線路２０１の入
力ポート２０１ａに入力された電力は、該主線路２０１
に連続する主線路２０３の出力ポート２０３ａに分配さ
れるとともに、上記結合回路２００を介して主線路２０
２の出力ポート２０２ａに分配される。

【００１２】この方法によれば、主線路２０１と結合回
路２００とのギャップの大きさを調整することによって
出力ポート２０２ａへの電力の分配比を調整することが
できる。しかし、基本的に、この方法では、出力ポート
２０２ａから取り出し得る電力がわずかである。したが
って、この方法は、電力分配比がかなり大きい場合の使
用に限られる。なお、電力分配比を小さくする場合に
は、主線路２０１と結合回路２００とのギャップを縮め
ることが必要であるが、極細線路を製作するのと同様、
極細ギャップを製作することは実際上困難である。

【００１３】以上の説明から明らかなように、通常の分
配回路や結合回路を用いる従来の電力分配手段では、実
現不可能な分配比が存在することになる。しかも、上記
従来の電力分配手段は、動作させる周波数が高くなるに
つれて、さらに条件が厳しくなる。

【００１４】すなわち、特に、マイクロストリップ線路
の場合は、周波数が高くなるにつれて、誘電体中を伝わ
る表面波との結合が増えるため、損失が増大する。この
表面波との結合を抑えるためには、誘電体基板の厚みを
薄くするか、該誘電体基板の比誘電率を下げなければな
らないが、大抵の場合、誘電体基板の材質があらかじめ
決められているので、周波数の高さに応じて該基板の厚
さを薄くしていくのが普通である。

【００１５】マイクロストリップ線路の幅は基板の厚さ
が薄くなるほど狭くなる。したがって、高い周波数で動
作させようとするほど薄い基板を選択して、線路幅を狭
くしなければならない。しかし、主線路の幅が狭くなれ
ば、その分、実現できる電力分配比が制限されることに
なる。

【００１６】すなわち、例えば、主線路の特性インピー
ダンスを５０Ωとし、誘電体基板の比誘電率を２．２、
厚みを０．２５ｍｍとしたとき、特性インピーダンス５
０Ωの線路幅は０．７７ｍｍである。これは、製作可能
な最少線路幅を０．１ｍｍとした場合に、線路の特性イ
ンピーダンスを１０５Ω以上にすることができないこと
を意味している。それゆえ、この条件のもとで、通常の
分配回路で実現できる電力分配比を前記（１），（２）
式から求めると、８：１の電力分配比までしか実現でき
ないことになる。

【００１７】本発明の課題は、このような状況に鑑み、
回路の規模をそれほど大きくすることなく希望する任意
の電力分配を行なうことが可能な電力分配回路を提供す
ることにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】第１の発明に係る電力分
配回路は、電力分配比の小さい方の出力ポート側に設け
られる１／４波長整合器の終端にスタブを設け、このス
タブの長さに基づいて前記分配比を設定するように構成
されている。第２の発明に係る電力分配回路は、第１の
発明において、前記スタブの長さを１／４波長を基準と
して設定している。第３の発明に係る電力分配回路は、
第１または第２の発明において、通常の電力分配回路お
よび結合回路を利用した電力分配回路を併用することに
よって平面アレーアンテナの給電回路を構成している。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の好適な実施の形態を説明する。なお、以下の説明にお
ける「波長」は、自由空間での伝播波長ではなく、マイ
クロストリップ線路における伝播波長である。そして、
このマイクロストリップ線路における伝播波長は、一般
的に自由空間における伝播波長よりも短くなる傾向を示
す。

【００２０】図１は、本発明に係る電力分配回路の実施
形態を示している。この電力分配回路は、マイクロスト
リップ線路からなり、入力側の主線路１１と、該主線路
１１から分岐した出力側の主線路１２，１３と、この主
線路１１，１２間に介在させた１／４波長整合器１４
と、該１／４波長整合器１４の終端部位（１／４波長整
合器１４と主線路１２の境目部位）に設けたスタブ１５
とによって構成されている。

【００２１】この分配回路において、主線路１１のポー
ト1１ａから入力された電力は、分岐点を経て主線路１
２のポート１２ａおよび主線路１３のポート１３ａへと
出力される。なお、この実施形態では、ポート１２ａ側
に流入する電力がポート１３ａ側に流入する電力よりも
小さいものとする。

【００２２】１／４波長整合器１４は、主線路１１，１
２および１３に比してできるだけ幅を狭くした線路によ
って構成されている。そして、分配比の大きな電力が入
力される主線路１３には、実用上１／４波長整合器が不
要であるので、この１／４波長整合器を設けていない。
また、スタブ１５は、１／４波長整合器１４および主線
路１２に対してほぼ直角に設けてある。

【００２３】ここで、スタブ１５の長さＬを１／４波長
に設定した場合について考察する。１／４波長整合器１
４を幅の狭い線路で形成した場合、スタブ１５の接合点
から該スタブ１５側を見たインピーダンスは、ほぼゼロ
（短絡）であるとみなすことができ、したがって、電力
の出力ポート２側への移動はほとんどない。一方、上記
分岐点からスタブ１５側を見たインピーダンスは、ほぼ
無限大（開放）であるとみなすことができるので、スタ
ブ１５が出力ポート３側に及ぼす影響はわずかである。

【００２４】それゆえ、スタブ１５の長さＬを１／４波
長に設定した場合、この電力分配回路は、ポート１１ａ
に入力された電力のほとんどをポート１３ａ側に出力す
るように作用する。つまり、あたかも分配機能が存在し
ないように振る舞う。ここで、スタブ１５の長さを１／
４波長から故意にずらすと、ポート１２側にも電力が出
力されるようになる。そして、スタブ１５の長さを１／
４波長から大きくずらすほど電力配比を小さくすること
ができ、逆に、スタブ１５の長さを１／４波長に近づけ
るほど電力分配比を大きくすることができる。

【００２５】図２は、分配すべき高周波電力の周波数が
２０ＧＨｚの場合の本電力分配回路の作用を示したグラ
フである。このグラフにおいて、符号Ｓ１１は入力ポー
ト１１ａにおける反射特性を示し、また、符号Ｓ２１お
よびＳ３１は、それぞれスタブ１５の長さＬを変化させ
た場合のポート１２ａおよび１３ａの出力電力の変化特
性を示している。なお、これらの特性は、モーメント法
による計算によって得たものである。

【００２６】この図２から明らかなように、スタブ１５
の長さＬが２．９ｍｍのときには、ポート１２ａからほ
とんど電力が出力されない。換言すれば、ポート１３ａ
に入力電力のほとんどが供給される。そして、スタブ１
５の長さＬを２．９ｍｍよりも短くなるように、または
長くなるように変化させていくと、徐々にポート１２ａ
からの出力電力が増大するとともに、ポート１３ａから
の出力電力が減少していく。

【００２７】このとき、スタブ１５の長さ調整に伴うポ
ート1１ａでの反射特性の劣化は、実用上、問題を生じ
ることがない程度に少ないが、反射特性をさらに良くし
たい場合には、主線路１３側にも１／４波長整合器を設
けて、その幅および長さを調整すればよい。これによ
り、スタブ１５の長さＬを適切に選ぶことによって、比
較的大きい電力分配比のほとんどすべてを実現できる。
また、１／４波長整合器１４の幅は、分配比の変化に対
してほとんど調整する必要はなく、十分な精度が得られ
る範囲で細くしておけば良い。

【００２８】上記実施形態に係る電力分配回路は、図２
に示すように、電力分配比がかなり大きい場合に、スタ
ブの長さＬの変化に対する電力分配比の変化の度合いが
大きくなる。これを嫌う場合には、前述の結合回路を用
いた分配回路を適用して、上記電力分配比の変化の度合
いを緩やかにすればよい。

【００２９】上記のように、この実施形態に係る電力分
配回路によれば、スタブＬの長さを変化させることによ
って任意の電力分配比を得ることができる。なお、ポー
ト１２ａおよび１３ａは、ポート１１ａに対して直角な
方向に設ける必要はなく、配置スペース等の状況に応じ
て自由にその方向を選択することができる。また、ポー
ト１２ａ側の１／４波長整合器１４およびスタブ１５
は、直線的に形成する必要はなく、急激でなければ途中
で曲げてもよい。更に、電力の分割数は２である必要は
なく、スペースの許す限り増やすことが可能である。

【００３０】図３は、本電力分配回路をマイクロストリ
ップアレーアンテナに適用した例を示したものである。
周知のように、アレーアンテナは、各アンテナ素子の励
振振幅を変えることによって、様々な指向性を得ること
ができる。そして、このアレーアンテナの各アンテナ素
子に所望の励振振幅の電力を与えるためには、電力分配
回路によってすべての分配比が実現できなければならな
い。

【００３１】そこで、図３に示す例では、本電力分配回
路に図５に示した前記通常の分配回路および図７に示し
た前記結合回路を用いる分配回路を併用して、あらゆる
分配比を実現し、その分配比に基づく様々な励振振幅の
電力をマイクロストリップパッチアンテナ２０の４つの
アンテナ素子２０ａ〜２０ｄにそれぞれ供給している。

【００３２】もちろん、この例では、小さな電力分配比
を得るために上記通常の分配回路が適用され、また、大
きな電力分配比を得るために上記結合回路による分配回
路が用いられている。そして、通常の分配回路および結
合回路による分配回路では実現の困難な電力分配比を得
るために本発明に係る電力分配回路が用いられている。

【００３３】ところで、図３に示した実施の形態では、
本発明による電力分配回路を上記アレーアンテナ２０の
一部のアンテナ素子２０ｃ，２０ｄへの給電に適用して
いるが、図４に例示するように、本発明の分配回路をア
ンテナ２０の全てのアンテナ素子２０ａ〜２０ｄへの給
電に適用することも可能である。

【００３４】図４においては、図１に示した構成の電力
分配回路を３つ使用して、アンテナ素子２０ａ〜２０ｄ
に電力を分配している。すなわち、主線路１１−１，１
１−２および１１−３がそれぞれ図１の主線路１１に対
応するとともに、主線路１２−１，１２−２および１２
−３がそれぞれ図１の主線路１２に対応し、主線路１３
−１，１３−２および１３−３がそれぞれ図１の主線路
１３に対応している。また、１／４波長整合器１４−
１，１４−２および１４−３が、それぞれ図１の１／４
波長整合器１４に対応し、スタブ１５−１，１５−２お
よび１５−３がそれぞれ図１のスタブ１５に対応してい
る。そして、主線路１２−１、主線路１３−２、主線路
１３−３および主線路１２−３を介してアンテナ素子２
０ａ，２０ｂ，２０ｃおよび２０ｄにそれぞれ分配電力
を供給している。

【００３５】なお、本発明による電力分配回路は、実用
上においては何ら問題を生じる虞はないものの、電力分
配比を小さく設定したときに入力側から見た反射特性が
若干劣化するとともに、電力分配比をかなり大きく設定
したときにスタブの長さに対する電力分配比の変化が敏
感になる傾向を示す。したがって、図３に例示したよう
に、必要に応じて、通常の分配回路および結合回路を用
いる分配回路を併用することによって、動作の安定性を
より向上することができる。

【００３６】

【発明の効果】本発明によれば、従来から使用されてい
る電力分配回路では実現が困難な比較的大きな電力分配
比をスタブの長さの調整という非常に簡易な手段によっ
て容易に実現することができる。したがって、実際の回
路における電力分割比の調整が楽になるとともに、回路
設計の容易化および迅速化を図ることができる。そし
て、アレーアンテナの給電回路に適用した場合には、あ
らゆる分配比を省スペースの回路で実現することがで
き、しかも、アッテネータ等の振幅調整素子を用いるこ
となく、指向性の実現が難しいビーム成形アンテナ等を
容易かつ低コストで実現することができる。さらに、分
配比に応じて、通常の分配回路や結合回路による分配回
路を併用することにより、更なる動作の安定化と設計の
自由度の向上を図ることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る電力分配回路の実施形態を示す平
面図。

【図２】スタブの長さに対する分配電力の変化特性およ
び反射特性を例示したグラフ。

【図３】本発明に係る電力分配回路に従来の電力分配回
路を組み合わせた構成のアレーアンテナ用給電回路の一
例を示す平面図。

【図４】本発明に係る電力分配回路のみによって構成さ
れたアレーアンテナ用給電回路の一例を示す平面図。

【図５】従来の電力分配回路の一例を示す平面図。

【図６】インピーダンス変換器を併用した従来の電力分
配回路を示す平面図。

【図７】結合回路を用いた従来の電力分配回路を示す平
面図。

【符号の説明】

１１，１２，１３主線路１１ａ入力ポート１２ａ，１３ａ出力ポート１４１／４波長整合器１５スタブ２０アレーアンテナ２０ａ〜２０ｄアンテナ素子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】入力される高周波電力を複数の出力ポー
トに分配する電力分配回路であって、電力分配比の小さい方の出力ポート側に設けられる１／
４波長整合器の終端にスタブを設け、このスタブの長さ
に基づいて前記分配比を設定するように構成したことを
特徴とする電力分配回路。
【請求項２】前記スタブの長さが、１／４波長を基準
として設定されることを特徴とする請求項１に記載の電
力分配回路
【請求項３】通常の電力分配回路および結合回路を利
用した電力分配回路を併用して、平面アレーアンテナの
給電回路を構成したことを特徴とする請求項１または２
に記載の電力分配回路。