JP2007150803A

JP2007150803A - インピーダンス変成器

Info

Publication number: JP2007150803A
Application number: JP2005343369A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Oshima; 毅大島; Kengo Nishimoto; 研悟西本; Masataka Otsuka; 昌孝大塚
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-11-29
Filing date: 2005-11-29
Publication date: 2007-06-14

Abstract

【課題】所定の異なる２つの周波数帯域の反射波の発生を抑制することができるインピーダンス変成器を得る。
【解決手段】第１および第２の伝送線路３，４の長さと特性インピーダンスを、インピーダンス変成を図る異なる第１の周波数帯と第２の周波数帯のそれぞれの帯域端における反射振幅を揃えるように設定する。ここで、第１および第２の伝送線路３，４の長さは、第１の周波数帯と第２の周波数帯の間の周波数において略１／４波長となるように設定する。また、第１および第２の伝送線路は、誘電体基板と、誘電体基板の表面に形成された導体パターンと、誘電体基板の裏面に形成された接地導体とにより形成され、それぞれの伝送線路の端部から他の導体パターンを介して負荷と接続されるようにする。
【選択図】図１

Description

この発明は、マイクロ波やミリ波帯で使用されるインピーダンス変成器に関するものである。

従来のインピーダンス変成器は、第１の伝送路と第２の伝送路とを備え、第１の伝送路の一端と第２の伝送路の一端を接続し、第１の伝送路の他端に第１の接続端子を接続し、第２の伝送路の他端に第２の接続端子を接続することにより構成される。第１および第２の伝送路の長さは、所定の周波数帯域を有する信号の中心周波数における伝搬波長の１／４とし、第１および第２の伝送路の特性インピーダンスは、第１および第２の接続端子に接続される負荷抵抗と、前記所定の周波数帯域の帯域端の周波数から与えられる。この時、前記所定の周波数帯域の帯域端と前記中心周波数における反射振幅は、同じ値に揃うようになる（例えば、非特許文献１を参照）。

Ｒ．Ｅ．Ｃｏｌｌｉｎ：Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｓｆｏｒｍｉｃｒｏｗａｖｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ（ＳｅｃｏｎｄＥｄｉｔｉｏｎ），ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌｌｎｃ．，ＮｅｗＹｏｒｋ，１９９２．

従来のインピーダンス変成器は以上のように構成されており、例えば、異なる２つの周波数帯域で使用する場合には、これら２つの周波数帯域とその間の周波数を含めた周波数を１つの周波数帯域として、第１および第２の伝送路の長さと特性インピーダンスを与える必要があった。しかし、この場合、考慮する必要のない異なる２つの周波数帯域間の周波数でもインピーダンス変成されるよう反射が抑制されるため、その分だけ所定の異なる２つの周波数帯域での反射が増加し、伝送損失を劣化させる原因になっていた。

この発明は前記のような課題を解決するためになされたもので、所定の異なる２つの周波数帯域の反射波の発生を抑制することができるインピーダンス変成器を得ることを目的とする。

この発明に係るインピーダンス変成器は、第１および第２の伝送線路の長さと特性インピーダンスを、インピーダンス変成を図る異なる第１の周波数帯と第２の周波数帯のそれぞれの帯域端における反射振幅を揃えるように設定するものである。

この発明によれば、第１および第２の周波数帯のそれぞれの帯域端における反射振幅を揃えることで、異なる２つの周波数帯域の反射波の発生を抑制することができる。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るインピーダンス変成器の構成を示すブロック図である。図１に示すインピーダンス変成器は、第１の伝送線路３の一端と第２の伝送線路４の一端が接続され、第１の伝送線路３の他端に第１の端子１が接続され、第２の伝送線路４の他端に第２の端子２が接続される。第１の端子１と第２の端子２のそれぞれには、図示しない負荷抵抗Ｒ_１とＲ_２が接続される。

今、インピーダンス変成を図る異なる２つの周波数帯域のうち、低い方の周波数帯域を第１の周波数帯、高い方の周波数帯域を第２の周波数帯とする。また、第１の周波数帯の下限の周波数をｆ_Ｌ１、上限の周波数をｆ_Ｌ２、第２の周波数帯の下限を周波数ｆ_Ｈ１、上限の周波数をｆ_Ｈ２（ｆ_Ｌ１＜ｆ_Ｌ２＜ｆ_Ｈ１＜ｆ_Ｈ２）とする。また、第１の周波数帯と第２の周波数帯の帯域幅、すなわちｆ_Ｌ２−ｆ_Ｌ１とｆ_Ｈ２−ｆ_Ｈ１は、略等しいものとする。

ここで、第１と第２の周波数帯の中間の周波数、すなわち中心周波数ｆ_０は式（１）から与えられる。

ここでは、図１に示すように、第１の伝送線路３と第２の伝送線路４の長さを、式（１）によって定まる中心周波数ｆ_０において略１／４波長となるように与える。また、第１の伝送線路３と第２の伝送線路４の特性インピーダンスを、それぞれＺ_１、Ｚ_２とする。

非特許文献１によれば、第１の伝送線路３と第２の伝送線路４の特性インピーダンスＺ_１、Ｚ_２は、式（２）により与えられる。

式（２）において、周波数ｆ_ｚは周波数ｆ_Ｌ１と中心周波数ｆ_０の間に位置し、反射振幅が零となる周波数である。すなわち、インピーダンス変成器を介して負荷抵抗Ｒ_１がＲ_２へ、或いは負荷抵抗Ｒ_２がＲ_１へ不整合することなく変成される周波数を表す。このような反射振幅が零になる周波数は、その他、中心周波数ｆ_０と周波数ｆ_Ｈ２の間にも表れ、中心周波数ｆ_０の２倍の周波数から周波数ｆ_ｚを差し引いた周波数に位置する。

非特許文献１では、周波数ｆ_ｚを下記式（３）のように与えている。なお、ここでは、本実施の形態１によるインピーダンス変成器で与える周波数ｆ_ｚと区別するためｆ'_ｚと記す。

このように、式（１）から式（３）にしたがって第１の伝送線路３と第２の伝送線路４の特性インピーダンスＺ_１、Ｚ_２を与えると、周波数ｆ_Ｌ１とｆ_Ｈ２の反射振幅と周波数ｆ_０の反射振幅が同じ値に揃うようになる、いわゆるチェビシェフ変成器が構成される。このようなインピーダンス変成器では、第１の周波数帯と第２の周波数帯だけでなく、これら周波数帯の間の周波数でもインピーダンス変成されるよう反射が抑制されるようになる。そのため、その分だけ第１および第２の周波数帯での反射は増大してしまう。

そこで、本実施の形態１によるインピーダンス変成器では、第１と第２の周波数帯の帯域端、すなわち周波数ｆ_Ｌ１、ｆ_Ｌ２、ｆ_Ｈ１、ｆ_Ｈ２における反射振幅が揃うように、周波数ｆ_ｚを以下の式（４）から与える。

このように周波数ｆ_ｚを与え、さらに式（１）、（２）にしたがって第１の伝送線路３と第２の伝送線路４の特性インピーダンスＺ_１、Ｚ_２を与えると、第１の周波数帯の帯域内にｆ_ｚが形成され、さらには第２の周波数帯の帯域内にも反射振幅が零となる周波数が形成されるようになり、第１の周波数帯と第２の周波数帯のみの反射が抑制されるようになる。

次に動作を説明する。
第１の端子１、或いは第２の端子２から、第１の周波数帯の帯域幅を有する信号、第２の周波数帯の帯域幅を有する信号の何れか、或いは両方の信号を入力した場合、第１の伝送線路３と第２の伝送線路４の長さおよび特性インピーダンスを式（１）、（２）、（４）にしたがって与えているので、第１或いは第２の周波数帯の帯域幅を有する両信号は、反射が抑制された形で他方の端子へ伝送される。すなわち、負荷抵抗Ｒ_１からＲ_２へ、或いは負荷抵抗Ｒ_２からＲ_１へ不整合することなくインピーダンス変成される。

以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、第１および第２の周波数帯のそれぞれの帯域端における反射振幅を揃えるように、第１および第２の伝送線路の長さと特性インピーダンスを設定する構成としたので、所定の異なる２つの周波数帯域の反射波の発生を抑制することができる効果を奏する。

実施の形態２．
図２は、前述した実施の形態１に係るインピーダンス変成器の反射振幅の周波数特性を具体的に示した数値例の説明図である。

ここでは、説明の便宜上、負荷の抵抗Ｒ_１を５０Ω、Ｒ_２を１００Ωとする。また、インピーダンス変成を図る２つの周波数帯域のうち、第１の周波数帯を７５９−１００９ＭＨｚ、第２の周波数を１９２０−２１７０ＭＨｚとする。したがって、ｆ_Ｌ１は７５９ＭＨｚ、ｆ_Ｌ２は１００９ＭＨｚ、ｆ_Ｈ１は１９２０ＭＨｚ、ｆ_Ｈ２は２１７０ＭＨｚとなる。

前記の式（１）から、中心周波数ｆ_０は１４６４．５ＭＨｚとなる。したがって、第１の伝送線路３と第２の伝送線路４の長さは、１４６４．５ＭＨｚの伝搬波長の１／４となるよう与えている。また、式（４）から周波数ｆ_ｚは８７８．３９ＭＨｚとなる。さらに、式（２）に前記負荷抵抗の値とそれぞれの周波数を代入すると、第１の伝送線路３の特性インピーダンスＺ_１は６５．２５Ω、第２の伝送線路４の特性インピーダンスＺ_２は７６．６３Ωとなる。

以上により与えられたインピーダンス変成器の反射振幅の周波数特性は、図２に示すようになる。図２において、太線で示した実線が本実施の形態２によるインピーダンス変成器の反射振幅であり、縦の破線はｆ_Ｌ１、ｆ_Ｌ２、ｆ_Ｈ１、ｆ_Ｈ２の各周波数、すなわち第１の周波数帯の帯域端の周波数と第２の周波数帯の帯域端の周波数を表し、縦の一点鎖線は中心周波数ｆ_０を表し、さらに横の破線はこれら４つの帯域端の周波数における反射振幅（−２３．４ｄＢ）を表す。また、参考として一点鎖線に式（３）にしたがって周波数ｆ^’ _ｚを与えた場合の従来のチェビシェフ変成器の反射振幅、および横の一点鎖線に帯域端ｆ_Ｌ１、ｆ_Ｈ２と中心周波数ｆ_０における反射振幅（−１９．３ｄＢ）を表す。

この場合、第１の伝送線路３と第２の伝送線路４の長さは、本実施の形態２によるインピーダンス変成器と同様であり、伝送線路の特性インピーダンスＺ_１、Ｚ_２はそれぞれ６２．７８Ω、７９．６４Ωとなる。図２に示すように、周波数ｆ_Ｌ１、ｆ_Ｌ２、ｆ_Ｈ１、ｆ_Ｈ２における反射振幅を揃えることで、第１および第２の周波数帯の反射振幅が抑制されている様子がわかる。

以上で明らかなように、この実施の形態２によれば、第１および第２の周波数帯のそれぞれの帯域端における反射振幅を揃えるように、第１および第２の伝送線路の長さと特性インピーダンスを設定する構成としたので、所定の異なる２つの周波数帯域の反射波の発生を抑制することができる効果を奏する。

実施の形態３．
図３は、前述した実施の形態１及び２によるインピーダンス変成器の具体的な構成例を示した説明図である。図３に示すように、誘電体基板５の表面に導体パターン６が形成され、誘電体基板５の裏面には接地導体７が形成される。導体パターン６は、第１の伝送線路３を構成する導体パターン６ａ、第２の伝送線路４を構成する導体パターン６ｂ、第１の端子１と第１の伝送線路３とを接続する導体パターン６ｃ、第２の端子２と第２の伝送線路４とを接続する導体パターン６ｄからなる。

第１の伝送線路３は、誘電体基板５と導体パターン６ａと接地導体７により構成される。同様に、第２の伝送線路４は、誘電体基板５と導体パターン６ｂと接地導体７により構成される。第１および第２の伝送線路３、４の特性インピーダンスＺ_１、Ｚ_２は、誘電体基板５の誘電率と厚さ、および導体パターン６ａ、６ｂのそれぞれの幅によって決まり、ここでは、それぞれＺ_１＝６５．２５Ω、Ｚ_２＝７６．６３Ωとなる誘電率および寸法を選択する。また、第１および第２の伝送線路３、４の長さは、１４６４．５ＭＨｚにおける伝搬波長の１／４とする。

さらに、誘電体基板５の誘電率と厚さ、および導体パターン６ｃの幅によって決まる特性インピーダンスは、第１の端子１に接続される負荷抵抗Ｒ_１と同じ５０Ω、誘電体基板５の誘電率と厚さ、および導体パターン６ｄによって決まる特性インピーダンスは、第２の端子２に接続される負荷抵抗Ｒ_２と同じ１００Ωとする。

次に動作を説明する。
第１の端子１、或いは第２の端子２から、第１の周波数帯（７５９−１００９ＭＨｚ）の帯域幅を有する信号、第２の周波数帯（１９２０−２１７０ＭＨｚ）の帯域幅を有する信号の何れか、または両方の信号を入力した場合、第１および第２の伝送線路３、４の長さと特性インピーダンスを、実施の形態２で示した通りの値としており、また、第１の端子１と第１の伝送線路３とを負荷抵抗Ｒ_１（５０Ω）と同じ特性インピーダンスを有する導体パターンで接続し、第２の端子２と第２の伝送線路４とを負荷抵抗Ｒ_２（１００Ω）と同じ特性インピーダンスを有する導体パターンで接続しているので、第１或いは第２の周波数帯の帯域幅を有する両信号は、反射が抑制された形で他方の端子へ伝送される。すなわち、負荷抵抗Ｒ_１（５０Ω）からＲ_２（１００Ω）へ、或いは負荷抵抗Ｒ_２（１００Ω）からＲ_１（５０Ω）へ不整合することなくインピーダンス変成される。

以上で明らかなように、この実施の形態３によれば、第１および第２の周波数帯のそれぞれの帯域端における反射振幅を揃えるように、第１および第２の伝送線路の長さと特性インピーダンスを与えて構成したので、異なる２つの周波数帯域での反射波の発生を抑制することができる効果を奏する。

なお、本実施の形態３では、第１の端子と第１の伝送線路とを、或いは第２の端子と第２の伝送線路とを、導体パターンを介して接続した例を挙げたが、これら導体パターンを介さずに、第１および第２の伝送線路の端部にそれぞれ第１、第２の端子を直接接続した場合でも、同様の効果を奏する。

この発明の実施の形態１に係るインピーダンス変成器の構成を示すブロック図である。この発明の実施の形態１に係るインピーダンス変成器の反射振幅の周波数特性を具体的に示した数値例の説明図である。この発明実施の形態１及び２によるインピーダンス変成器の具体的な構成例を示した説明図である。

符号の説明

１第１の端子、２第２の端子、３第１の伝送線路、４第２の伝送線路、６導体パターン、５誘電体基板、７接地導体、６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ導体パターン。

Claims

第１の伝送線路と第２の伝送線路とを備え、前記第１の伝送線路の一端と前記第２の伝送線路の一端とが接続され、前記第１および第２の伝送線路の他端に異なる負荷が接続された回路において、
前記第１および第２の伝送線路の長さと特性インピーダンスを、インピーダンス変成を図る異なる第１の周波数帯と第２の周波数帯のそれぞれの帯域端における反射振幅を揃えるように設定する
ことを特徴とするインピーダンス変成器。
請求項１に記載のインピーダンス変成器において、
前記第１および第２の伝送線路の長さは、第１の周波数帯と第２の周波数帯の間の周波数において略１／４波長となるように設定する
ことを特徴とするインピーダンス変成器。
請求項１または２に記載のインピーダンス変成器において、
前記第１および第２の伝送線路は、誘電体基板と、前記誘電体基板の表面に形成された導体パターンと、前記誘電体基板の裏面に形成された接地導体とにより形成され、それぞれの伝送線路の端部から他の導体パターンを介して負荷と接続されるようにした
ことを特徴とするインピーダンス変成器。