JP2007228169A

JP2007228169A - ９０度ハイブリッド回路

Info

Publication number: JP2007228169A
Application number: JP2006045530A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Oshima; 毅大島; Hideyuki Saotome; 秀之早乙女; Masataka Otsuka; 昌孝大塚
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-02-22
Filing date: 2006-02-22
Publication date: 2007-09-06

Abstract

【課題】所望の伝送特性に応じた素子の値を容易に決定できる９０度ハイブリッド回路を得る。
【解決手段】同一構成からなる４つの共振回路を備え、４つの接続部５〜８のそれぞれの間に４つの伝送線路９〜１２を接続し、４つの接続部５〜８のそれぞれと４つの入出力端子１〜４のそれぞれとの間に４つの共振回路のそれぞれを接続してなる９０度ハイブリッド回路であって、４つの伝送線路９〜１２のそれぞれは、所定の周波数帯域の中心周波数において略１／４波長となる長さを有し、４つの共振回路のそれぞれは、中心周波数と略同一となる共振周波数を有するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロ波帯やミリ波帯で使用される９０度ハイブリッド回路に関する。

従来の９０度ハイブリッド回路は、入出力端子＃１ないし＃４と、キャパシタンスＣ１、Ｃ２、Ｃｍと、インダクタンスＬｍと、一端を接地したインダクタンスＬｐにより構成される。キャパシタンスＣ１、Ｃ２とインダクタンスＬｐにより９０度ハイブリッド回路が構成され、キャパシタンスＣｍとインダクタンスＬｍによる直列共振回路を装荷することで、広い周波数帯域に渡り９０度ハイブリッド回路として動作させている。（例えば、非特許文献１参照）。

また、従来の別の９０度ハイブリッド回路は、入出力端子＃１ないし＃４と、特性アドミッタンスＹ１、Ｙ２の１／４波長線路と、特性アドミッタンスＹｓｔｕｂの１／４波長先端開放直列スタブにより構成される。特性アドミッタンスＹ１、Ｙ２の１／４波長線路により９０度ハイブリッド回路が構成され、特性アドミッタンスＹｓｔｕｂの１／４波長先端開放直列スタブを装荷することで、広い周波数帯域に渡り９０度ハイブリッド回路として動作させている。（例えば、非特許文献１、２参照）。

Ｉ．ＯｈｔａａｎｄＴ．Ｋａｗａｉ，"Ｄｅｓｉｇｎｏｆｑｕａｄｒａｔｕｒｅｈｙｂｒｉｄｓａｎｄｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｃｏｕｐｌｅｒｓｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｅｑｕｉｖａｌｅｎｔａｄｍｉｔｔａｎｃｅａｐｐｒｏａｃｈ，"ＩＥＩＣＥＴｒａｎｓ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．，ｖｏｌ．Ｅ８８−Ｃ，ｎｏ．１，ｐｐ．２−１４，Ｊａｎ．２００５．城之薗心弥，太田勲，"広帯域／２周波帯ユニプレーナ型ブランチラインカプラの設計，"２００５年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会，Ｃ−２−５０，２００５年．

しかしながら、従来技術には次のような課題がある。従来の９０度ハイブリッド回路では、所定の周波数帯域における反射を抑制して、より高性能に動作させたい場合、あるいは、許容される反射振幅に対して、より広い周波数帯域で動作させたい場合など、所望の伝送特性に応じた設計を行う必要がある場合に、９０度ハイブリッド回路を構成する素子の値を決定するのが困難であるという課題があった。

本発明は上述のような課題を解決するためになされたもので、所望の伝送特性に応じた素子の値を容易に決定できる９０度ハイブリッド回路を得ることを目的とする。

本発明に係る９０度ハイブリッド回路は、第１の入出力端子ないし第４の入出力端子と、第１の接続部ないし第４の接続部と、第１の伝送線路ないし第４の伝送線路と、キャパシタンスおよびインダクタンスを有する同一構成からなる４つの共振回路とを備え、第１の接続部と第２の接続部との間に第１の伝送線路が接続され、第２の接続部と第３の接続部との間に第２の伝送線路が接続され、第３の接続部と第４の接続部との間に第３の伝送線路が接続され、第４の接続部と第１の接続部との間に第４の伝送線路が接続され、第１の接続部と第１の入出力端子との間、第２の接続部と第２の入出力端子との間、第３の接続部と第３の入出力端子との間、および第４の接続部と第４の入出力端子との間のそれぞれに、４つの共振回路のそれぞれが接続された構成を有する９０度ハイブリッド回路であって、第１の伝送線路ないし第４の伝送線路は、所定の周波数帯域の中心周波数において略１／４波長となる長さを有し、４つの共振回路のそれぞれは、中心周波数と略同一となる共振周波数を有するものである。

本発明によれば、所定の周波数帯域の中心周波数において１／４波長の長さを有する伝送線路と、中心周波数と同一の共振周波数を有する共振回路とにより回路を構成することにより、所望の伝送特性に応じた素子の値を容易に決定できる９０度ハイブリッド回路を得ることができる。

以下、本発明の９０度ハイブリッド回路の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る９０度ハイブリッド回路の構成を示す回路図である。図１の９０度ハイブリッド回路は、４つの入出力端子として、第１の入出力端子１、第２の入出力端子２、第３の入出力端子３、および第４の入出力端子４を備えている。また、４つの接続部として、第１の接続部５、第２の接続部６、第３の接続部７、および第４の接続部８を備えている。

また、４つの伝送線路として、第１の伝送線路９、第２の伝送線路１０、第３の伝送線路１１、および第４の伝送線路１２を備えている。さらに、第１の共振回路１３と第２の共振回路１４に続いて、第１の共振回路１３に相当する直列共振回路（第１の共振回路１３と同一の直列構成を有し、同一の共振周波数を有するが、必ずしも素子の値は同一でないもの）と第２の共振回路１４に相当する並列共振回路（第２の共振回路１４と同一の並列構成を有し、同一の共振周波数を有するが、必ずしも素子の値は同一でないもの）とを交互に縦続接続して構成された共振回路を４つ備えている。

ここで、第１の伝送線路９および第３の伝送線路１１の特性インピーダンスをＺ_ｃ１とし、第２の伝送線路１０および第４の伝送線路１２の特性インピーダンスをＺ_ｃ２として、さらに、第１の伝送線路９ないし第４の伝送線路１２のそれぞれの長さを、所定の周波数帯域の中心周波数ｆ_０において、１／４波長となるように設定する。

第１の共振回路１３は、キャパシタンスＣ_１（第１のキャパシタンスに相当）とインダクタンスＬ_１（第１のインダクタンスに相当）を直列に接続して構成される。また、第２の共振回路１４は、キャパシタンスＣ_２（第２のキャパシタンスに相当）とインダクタンスＬ_２（第２のインダクタンスに相当）を並列に接続して構成される。そして、第１の共振回路１３および第２の共振回路１４の共振周波数は、ともに、上述した伝送線路の中心周波数ｆ_０と同一となるように設定する。

図１に示す９０度ハイブリッド回路は、第１の接続部５と第２の接続部６との間に第１の伝送線路９が接続され、第２の接続部６と第３の接続部７との間に第２の伝送線路１０が接続され、第３の接続部７と第４の接続部８との間に第３の伝送線路１１が接続され、さらに、第４の接続部８と第１の接続部５との間に第４の伝送線路１２が接続されている。

また、直列共振回路である第１の共振回路１３と、並列共振回路である第２の共振回路１４に続いて、第１の共振回路１３に相当する直列共振回路と第２の共振回路１４に相当する並列共振回路とを交互に複数個縦続に接続してなる共振回路を、第１の接続部５と第１の入出力端子１との間、第２の接続部６と第２の入出力端子２との間、第３の接続部７と第３の入出力端子３との間、および第４の接続部８と第４の入出力端子４との間の４箇所に配置している。さらに、第１の入出力端子１ないし第４の入出力端子４には、それぞれ負荷抵抗Ｒ_ｇが接続される。

なお、上述した第１の共振回路１３と第２の共振回路１４に続いて、第１の共振回路１３に相当する直列共振回路と第２の共振回路１４に相当する並列共振回路とを交互に複数個縦続に接続してなる共振回路は、複数個の個数が２個の場合には、第１の共振回路１３と第２の共振回路１４とを１つずつ縦続接続して構成される。また、複数個の個数を３以上とした場合の共振回路は、１段目に第１の共振回路１３、２段目に第２の共振回路１４が縦続接続され、続いて、３段目以降の奇数段に第１の共振回路１３に相当する直列共振回路、４段目以降の偶数段に第２の共振回路１４に相当する並列共振回路がそれぞれ交互に配置されるようにして縦続接続される。また、複数個ではなく１段で共振回路を構成する場合には、共振回路は、第１の共振回路１３のみで構成される。

以下の説明においては、このような共振回路に含まれている第１の共振回路１３または第１の共振回路１３に相当する直列共振回路と、第２の共振回路１４または第２の共振回路１４に相当する並列共振回路の総数をＮ個（Ｎは１以上の整数）とし、段数Ｎの共振回路と呼ぶこととする。

次に、本実施の形態１に係る９０度ハイブリッド回路の動作について説明する。
まず、所定の周波数帯域の下端をｆ_１、上端をｆ_２とする。中心周波数ｆ_０と比帯域幅ｗは、周波数ｆ_１と周波数ｆ_２を用いて、それぞれ下式（１）により与える。

次に、共振回路の段数Ｎが奇数の場合に、第１の伝送線路９および第３の伝送線路１１の特性インピーダンスＺ_ｃ１の値と、第２の伝送線路１０および第４の伝送線路１２の特性インピーダンスＺ_ｃ２の値と、第１の共振回路１３および第２の共振回路１４を構成するキャパシタンスＣ_ｉおよびインダクタンスＬ_ｉ（ｉ＝１，．．．，Ｎ）の値とを、共振回路の段数Ｎに応じて、下式（２）により与える。

また、共振回路の段数Ｎが偶数の場合に、同様の値を共振回路の段数Ｎに応じて、下式（３）により与える。

上式（２）および（３）において、係数ｇ_ｉ＋１（ｉ＝１，２，．．．，Ｎ）と係数ｇ_Ｎ＋２の値は、文献（Ｇ．Ｍａｔｔｈａｅｉ，Ｌ．Ｙｏｕｎｇ，ａｎｄＥ．Ｍ．Ｔ．Ｊｏｎｅｓ：Ｍｉｃｒｏｗａｖｅｆｉｌｔｅｒｓ，ｉｍｐｅｄａｎｃｅ−ｍａｔｃｈｉｎｇｎｅｔｗｏｒｋｓ，ａｎｄｃｏｕｐｌｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，ＡｒｔｅｃｈＨｏｕｓｅ，ＮｅｗＹｏｒｋ，１９８０．）において示されている方法を利用して求めることができる。

算出方法を要約すると、下記の通りである。係数ｇ_ｉ＋１（ｉ＝１，２，．．．，Ｎ）と係数ｇ_Ｎ＋２は、下式（４）のように与えられる。

上式（４）において、係数Ｈは、チェビシェフリップル、係数δは、ｄｅｃｒｅｍｅｎｔを表す。本実施の形態１に係る９０度ハイブリッド回路においては、係数δを下式（５）のように与える。

また、所定の周波数帯域における反射振幅の最大値｜Γ｜_ｍａｘは、下式（６）により求められる。

上式（４）および（６）から、所定の周波数帯域における反射振幅の最大値｜Γ｜_ｍａｘは、係数δ、共振回路の段数Ｎ、チェビシェフリップルＨにより表される。係数δと段数Ｎの各値を固定すると、所定の周波数帯域における反射振幅の最大値｜Γ｜_ｍａｘは、チェビシェフリップルＨの値のみに依存する。

本実施の形態１に係る９０度ハイブリッド回路では、所定の周波数帯域における反射を抑制して、より高性能に動作させる場合に、チェビシェフリップルＨの値を、所定の周波数帯域における反射振幅の最大値｜Γ｜_ｍａｘが最小となるように選択する。

一方、許容される反射振幅を与えて、より広い周波数帯域に渡り９０度ハイブリッド回路として動作させる場合には、上述の反射振幅の最大値｜Γ｜_ｍａｘを許容される反射振幅として設定する。

許容される反射振幅｜Γ｜_ｍａｘおよび共振回路の段数Ｎの各値を固定すると、上式（４）および（６）から、係数δは、チェビシェフリップルＨの値のみに依存する。上式（５）から、係数δの値が小さくなるほど比帯域幅ｗの値は大きくなり、許容される反射振幅｜Γ｜_ｍａｘの値より小さくなる反射振幅の周波数帯域が広がる。即ち、より広い周波数帯域に渡り９０度ハイブリッド回路として動作する。

このように、本実施の形態１に係る９０度ハイブリッド回路では、許容される反射振幅を与えて、より広い周波数帯域に渡り９０度ハイブリッド回路として動作させる場合に、チェビシェフリップルＨの値を、係数δが最小になるように選択する。

上記にしたがって、係数ｇ_ｉ＋１（ｉ＝１，２，．．．，Ｎ）と係数ｇ_Ｎ＋２の値を求めて、共振回路の段数Ｎの偶奇に応じて、式（２）あるいは（３）に代入することで、第１の伝送線路９ないし第４の伝送線路１２の特性インピーダンスＺ_ｃ１、Ｚ_ｃ２の値と、第１の共振回路１３および第２の共振回路１４を構成するキャパシタンスＣ_ｉとインダクタンスＬ_ｉ（ｉ＝１，．．．，Ｎ）の値とを決定することができる。

以上のように、実施の形態１によれば、所定の周波数帯域の中心周波数において１／４波長の長さを有する伝送線路と、中心周波数と同一の共振周波数を有する共振回路とにより９０度ハイブリッド回路を構成している。この結果、所定の周波数帯域における反射を抑制して、より高性能に動作させる、あるいは、許容される反射振幅に対して、より広い周波数帯域で動作させるなど、所望の伝送特性に応じた素子の値を容易に決定することのできる９０度ハイブリッド回路を得ることができる。

実施の形態２．
実施の形態２以降では、所望の伝送特性を有する９０度ハイブリッド回路の設計について、具体的に説明する。
図２は、本発明の実施の形態２に係る９０度ハイブリッド回路の構成を示す回路図である。本実施の形態２における図２の回路は、実施の形態１における図１の回路における共振回路を、第１の共振回路１３のみの１段で構成しているものである。図２において、図１と同一符号は、同一または相当部分を示すものであり、説明を省略する。

次に、図２の構成を有する９０度ハイブリッド回路の伝送特性を具体的に説明する。
説明の便宜上、所定の周波数帯域を１．９２〜２．１７ＧＨｚ（ｆ_１＝１．９２ＧＨｚ、ｆ_２＝２．１７ＧＨｚ）、共振回路の段数Ｎを１、第１の入出力端子１ないし第４の入出力端子４に接続される負荷抵抗Ｒ_ｇを５０Ωに設定する。

上式（１）から、中心周波数ｆ_０は、２．０４５ＧＨｚと求まる。従って、第１の伝送線路９ないし第４の伝送線路１２の長さは、この中心周波数ｆ_０＝２．０４５ＧＨｚおいて、１／４波長となるように選択する。また、上式（１）から、比帯域幅ｗは０．１２２（１２．２％）と求まる。従って、上式（５）から、係数δは、４．３１となる。

係数δ＝４．３１と共振回路の段数Ｎ＝１の各値とを、上式（４）および（６）に代入して、上記の所定の周波数帯域（１．９２〜２．１７ＧＨｚ）における反射振幅の最大値｜Γ｜_ｍａｘが最小となるチェビシェフリップルＨを求めると、０．０００７２７ｄＢとなる。この時、所定の周波数帯域における反射振幅の最大値｜Γ｜_ｍａｘは、−３７ｄＢとなる。そして、係数δ、共振回路の段数Ｎ、およびチェビシェフリップルＨの各値を上式（４）に代入すると、係数ｇ_２＝０．２２０、ｇ_３＝１．０２７と求まる。

さらに、共振回路の段数Ｎを１（奇数）としていることから、上記の負荷抵抗Ｒ_ｇ＝５０Ω、中心周波数ｆ_０＝２．０４５ＧＨｚ、比帯域幅ｗ＝０．１２２、およびｇ_２＝０．２２０、ｇ_３＝１．０２７の各値を、上式（２）に代入すると、第１の伝送線路９および第３の伝送線路１１の特性インピーダンスＺ_ｃ１、第２の伝送線路１０および第４の伝送線路１２の特性インピーダンスＺ_ｃ２、第１の共振回路１３を構成する第１のキャパシタンスＣ_１および第１のインダクタンスＬ_１の値は、それぞれＺ_ｃ１＝３６．２９Ω、Ｚ_ｃ２＝５１．３３Ω、Ｃ_１＝０．８４２ｐＦ、Ｌ_１＝７．１９４ｎＨと求まる。

このように、第１のキャパシタンスＣ_１および第１のインダクタンスＬ_１の各値から、第１の共振回路１３の共振周波数は、２．０４５ＧＨｚとなり、上記の中心周波数ｆ_０の値と一致する。

次に、このようにして各素子の値が決定された９０度ハイブリッド回路の周波数特性について、図３を用いて説明する。図３は、本発明の実施の形態２において、図２に示した９０度ハイブリッド回路のＳパラメータの周波数特性の一例を示す説明図である。図３においては、説明の便宜上、第１の入出力端子１から高周波信号を入力した場合の伝送特性を示している。

図３（ａ）は、第１の入出力端子１で反射される高周波信号の大きさ、すなわち、反射振幅｜Ｓ_１１｜の周波数特性を示したものである。図３（ｂ）は、第１の入出力端子１から第４の入出力端子４へ伝送される高周波信号の大きさ、すなわち、アイソレーション｜Ｓ_４１｜の周波数特性を示したものである。

図３（ｃ）は、第１の入出力端子１から第２の入出力端子２および第３の入出力端子３へ分配される高周波信号の大きさ、すなわち、分配振幅｜Ｓ_２１｜、｜Ｓ_３１｜の周波数特性を示したものである。さらに、図３（ｄ）は、第１の入出力端子１から第２の入出力端子２および第３の入出力端子３へ分配される高周波信号の位相差、即ち分配位相差∠（Ｓ_２１／Ｓ_３１）の周波数特性を示したものである。

また、図３（ａ）〜（ｄ）において、一点鎖線は、設定した周波数帯域（１．９２〜２．１７ＧＨｚ）の下端の周波数ｆ_１（＝１．９２ＧＨｚ）と上端の周波数ｆ_２（＝２．１７ＧＨｚ）を表している。

図３（ａ）に示すＳパラメータの周波数特性から、所定の周波数帯域における反射振幅は、−３６ｄＢ以下となり、上述において見積もられた反射振幅の最大値｜Γ｜_ｍａｘ＝−３７ｄＢとよく一致する。また、図３（ｂ）〜（ｄ）に示すように、所定の周波数帯域において、高アイソレーション、等分配振幅特性、そして９０度位相差特性が維持されており、９０度ハイブリッド回路として動作している様子がわかる。

そのため、第１の入出力端子１から、所定の周波数帯域（１．９２〜２．１７ＧＨｚ）の帯域幅を有する高周波信号を入力した場合、第１の入出力端子１でほとんど反射せずに９０度ハイブリッド回路へ入力され、第４の入出力端子４へほとんど分配されずに、第２の入出力端子２および第３の入出力端子３へ９０度の位相差で等分配されることとなる。

このような伝送特性は、第２の入出力端子２、第３の入出力端子３、あるいは第４の入出力端子４のいずれから高周波信号を入力した場合でも、本実施の形態１による９０度ハイブリッド回路の構成上の対称性から同様となる。

以上のように、実施の形態２によれば、所定の周波数帯域の中心周波数において１／４波長の長さを有する伝送線路と、中心周波数と同一の共振周波数を有する共振回路とにより９０度ハイブリッド回路を構成している。この結果、所定の周波数帯域における反射を抑制して、より高性能に動作させるための素子の値を容易に決定することのできる９０度ハイブリッド回路を得ることができる。

実施の形態３．
本実施の形態３では、実施の形態２に係る９０度ハイブリッド回路において、実施の形態２とは異なる値を設定した場合の伝送特性を具体的に説明する。従って、回路構成は、図２に示したものと同様である。

より具体的には、実施の形態２においては、所望の伝送特性として、所定の周波数帯域を規定した場合に、素子の値を決定する手順を説明した。これに対して、本実施の形態３においては、所望の伝送特性として、反射振幅および中心周波数を規定した場合に、素子の値を決定する手順を説明する。

説明の便宜上、許容される反射振幅｜Γ｜_ｍａｘを−２０ｄＢ、中心周波数ｆ_０を２ＧＨｚ、共振回路の段数Ｎを１、第１の入出力端子１ないし第４の入出力端子４に接続される負荷抵抗Ｒ_ｇを５０Ωに設定する。従って、第１の伝送線路９ないし第４の伝送線路１２の長さは、中心周波数ｆ_０＝２ＧＨｚにおいて、１／４波長となるように選択する。

許容される反射振幅｜Γ｜_ｍａｘ＝−２０ｄＢと共振回路の段数Ｎ＝１の各値を、上式（４）および（６）に代入して、係数δが最小となるチェビシェフリップルＨを求めると、０．０３６３ｄＢとなる。また、このときの係数δは、１．４２となる。係数δの値を上式（５）に代入すると、許容される反射振幅（｜Γ｜_ｍａｘ＝−２０ｄＢ）以下となる比帯域幅ｗは、０．３７（３７％）と求まる。そして、係数δ、共振回路の段数Ｎ、およびチェビシェフリップルＨの各値を、上式（４）に代入すると、係数ｇ_２＝０．４７１、ｇ_３＝１．２２３と求まる。

さらに、共振回路の段数Ｎを１（奇数）としていることから、負荷抵抗Ｒ_ｇ＝５０Ω、中心周波数ｆ_０＝２ＧＨｚ、比帯域幅ｗ＝０．３７、およびｇ_２＝０．４７１、ｇ_３＝１．２２３の各値を、上式（２）に代入すると、第１の伝送線路９および第３の伝送線路１１の特性インピーダンスＺ_ｃ１、第２の伝送線路１０および第４の伝送線路１２の特性インピーダンスＺ_ｃ２、第１の共振回路１３を構成する第１のキャパシタンスＣ_１および第１のインダクタンスＬ_１の値は、それぞれＺ_ｃ１＝４３．２４Ω、Ｚ_ｃ２＝６１．１５Ω、Ｃ_１＝１．０２７ｐＦ、Ｌ_１＝６．１６８ｎＨと求まる。

このように、第１のキャパシタンスＣ_１および第１のインダクタンスＬ_１の各値から、第１の共振回路１３の共振周波数は、２ＧＨｚとなり、上記の中心周波数ｆ_０と一致する。

次に、このようにして各素子の値が決定された９０度ハイブリッド回路の周波数特性について、図４を用いて説明する。図４は、本発明の実施の形態３において、図２に示した９０度ハイブリッド回路のＳパラメータの周波数特性の一例を示す説明図である。図４においては、説明の便宜上、第１の入出力端子１から高周波信号を入力した場合の伝送特性を示している。

図４（ａ）〜（ｄ）は、実施の形態２における図３（ａ）〜（ｄ）と同様の周波数特性を示したものである。そして、図４（ａ）〜（ｄ）において、一点鎖線は、許容される反射振幅（｜Γ｜_ｍａｘ＝−２０ｄＢ）以下となる周波数範囲（１．６５〜２．３５ＧＨｚ）の上端および下端の周波数を表す。

図４（ａ）に示すＳパラメータの周波数特性から、−２０ｄＢ以下の反射振幅となる比帯域幅は、３５％となり、上記において見積もられた比帯域幅ｗ＝３７％とよく一致する。また、図４（ｂ）〜（ｄ）に示すように、比帯域幅が３５％となる周波数帯域（１．６５〜２．３５ＧＨｚ）において、高アイソレーション、等分配振幅特性、そして９０度位相差特性が維持されており、９０度ハイブリッド回路として動作している様子がわかる。

そのため、第１の入出力端子１から、所定の周波数帯域（１．６５〜２．３５ＧＨｚ）の帯域幅を有する高周波信号を入力した場合、第１の入出力端子１でほとんど反射せずに９０度ハイブリッド回路へ入力され、第４の入出力端子４へほとんど分配されずに、第２の入出力端子２および第３の入出力端子３へ９０度の位相差で等分配される。

このような伝送特性は、第２の入出力端子２、あるいは第３の入出力端子３、あるいは第４の入出力端子４から高周波信号を入力した場合でも、本実施の形態１による９０度ハイブリッド回路の構成上の対称性から同様となる。

以上のように、実施の形態３によれば、所定の周波数帯域の中心周波数において１／４波長の長さを有する伝送線路と、中心周波数と同一の共振周波数を有する共振回路とにより９０度ハイブリッド回路を構成している。この結果、許容される反射振幅に対して、より広い周波数帯域で動作させるための素子の値を容易に決定することのできる９０度ハイブリッド回路を得ることができる。

実施の形態４．
実施の形態２および実施の形態３では、図２に示したように、共振回路として第１の共振回路１３を１つのみ用いた場合において、所望の伝送特性を規定した際の素子の値の決定方法と、その決定した値により得られる周波数特性について説明した。これに対して、本実施の形態４では、共振回路として第１の共振回路１３と第２の共振回路１４とを縦続接続した２段構成のものを用いた場合において、素子の値の決定方法と得られる周波数特性について説明する。

さらに、所望の伝送特性としては、実施の形態３と同様に、反射振幅および中心周波数を規定した場合について説明する。

図５は、本発明の実施の形態４に係る９０度ハイブリッド回路の構成を示す回路図である。本実施の形態４における図５の回路構成は、実施の形態２および実施の形態３における図２の回路構成と比較すると、共振回路が第１の共振回路１３と第２の共振回路１４との縦続接続からなる２段で構成されている点が異なる。図５において、図２と同一符号は、同一または相当部分を示すものであり、説明を省略する。

次に図５の構成を有する９０度ハイブリッド回路の伝送特性を具体的に説明する。
説明の便宜上、許容される反射振幅｜Γ｜_ｍａｘを−２０ｄＢ、中心周波数ｆ_０を２ＧＨｚ、共振回路の段数Ｎを２、第１の入出力端子１ないし第４の入出力端子４に接続される負荷抵抗Ｒ_ｇを５０Ωに設定する。

すなわち、共振回路の段数が２段である以外は、実施の形態３と同様の条件を規定している。そして、第１の伝送線路９ないし第４の伝送線路１２の長さは、中心周波数ｆ_０＝２ＧＨｚにおいて、１／４波長となるように選択する。

許容される反射振幅｜Γ｜_ｍａｘ＝−２０ｄＢと共振回路の段数Ｎ＝２の各値を、上式（４）および（６）に代入して、係数δが最小となるチェビシェフリップルＨを求めると、０．０２６３ｄＢとなる。また、このときの係数δは、１．０６となる。係数δの値を上式（５）に代入すると、許容される反射振幅（｜Γ｜_ｍａｘ＝−２０ｄＢ）以下となる比帯域幅ｗは、０．５０（５０％）と求まる。そして、係数δ、共振回路の段数Ｎ、およびチェビシェフリップルＨの各値を、上式（４）に代入すると、係数ｇ_２＝０．９６６、ｇ_３＝０．７３０、ｇ_４＝０．８８３と求まる。

さらに、共振回路の段数Ｎを２（偶数）としていることから、負荷抵抗Ｒ_ｇ＝５０Ω、中心周波数ｆ_０＝２ＧＨｚ、比帯域幅ｗ＝０．５、およびｇ_２＝０．９６６、ｇ_３＝０．７３０、ｇ_４＝０．８８３の各値を、上式（３）に代入すると、第１の伝送線路９および第３の伝送線路１１の特性インピーダンスＺ_ｃ１、第２の伝送線路１０および第４の伝送線路１２の特性インピーダンスＺ_ｃ２、第１の共振回路１３を構成する第１のキャパシタンスＣ_１および第１のインダクタンスＬ_１、第２の共振回路１４を構成する第２のキャパシタンスＣ_２および第２のインダクタンスＬ_２の値は、それぞれＺ_ｃ１＝４０．０５Ω、Ｚ_ｃ２＝５６．６４Ω、Ｃ_１＝０．７２４ｐＦ、Ｌ_１＝８．７４７ｎＨ、Ｃ_２＝２．０６０ｐＦ、Ｌ_２＝３．０７４ｎＨと求まる。

このように、第１のキャパシタンスＣ_１および第１のインダクタンスＬ_１の各値から、第１の共振回路１３の共振周波数は、２ＧＨｚとなり、第２のキャパシタンスＣ_２および第２のインダクタンスＬ_２の各値から、第２の共振回路１４の共振周波数は、２ＧＨｚとなり、それぞれ上記の中心周波数ｆ_０と一致する。

次に、このようにして各素子の値が決定された９０度ハイブリッド回路の周波数特性について、図６を用いて説明する。図６は、本発明の実施の形態４において、図５に示した９０度ハイブリッド回路のＳパラメータの周波数特性の一例を示す説明図である。図６においては、説明の便宜上、第１の入出力端子１から高周波信号を入力した場合の伝送特性を示している。

図６（ａ）〜（ｄ）は、実施の形態２における図３（ａ）〜（ｄ）および実施の形態３における図４（ａ）〜（ｄ）と同様の周波数特性を示したものである。そして、図６（ａ）〜（ｄ）において、一点鎖線は、許容される反射振幅（｜Γ｜_ｍａｘ＝−２０ｄＢ）以下となる周波数範囲（１．５９〜２．４１ＧＨｚ）の上端および下端の周波数を表す。

図６（ａ）に示すＳパラメータの周波数特性から、−２０ｄＢ以下の反射振幅となる比帯域幅は、４１％となり、上記において見積もられた比帯域幅ｗ＝５０％の値より若干小さくなるものの、共振回路の段数Ｎを増やしたことにより、広い周波数帯域に渡り反射が抑制されている。すなわち、比帯域幅は、Ｎ＝１段の実施の形態３において３５％であったものが、Ｎ＝２段の本実施の形態３において４１％と改善されている。

また、図６（ｂ）〜（ｄ）に示すように、比帯域幅４１％となる周波数帯域（１．５９〜２．４１ＧＨｚ）において、高アイソレーション、等分配振幅特性、そして９０度位相差特性が維持されており、９０度ハイブリッド回路として動作している様子がわかる。

そのため、第１の入出力端子１から、所定の周波数帯域（１．５９〜２．４１ＧＨｚ）の帯域幅を有する高周波信号を入力した場合、第１の入出力端子１でほとんど反射せずに９０度ハイブリッド回路へ入力され、第４の入出力端子４へほとんど分配されずに、第２の入出力端子２および第３の入出力端子３へ９０度の位相差で等分配される。

以上のように、実施の形態４によれば、所定の周波数帯域の中心周波数において１／４波長の長さを有する伝送線路と、中心周波数と同一の共振周波数を有する２段の共振回路とにより９０度ハイブリッド回路を構成している。この結果、許容される反射振幅に対して、１段の共振回路と比較して、より広い周波数帯域で動作させるための素子の値を容易に決定することができる９０度ハイブリッド回路を得ることができる。

なお、上述の説明においては、段数Ｎが１段および２段の場合について具体的に説明したが、３段以上の場合にも、数式（１）〜（６）を用いて、所望の伝送特性を有する９０度ハイブリッド回路を容易に設計することができる。

本発明の実施の形態１に係る９０度ハイブリッド回路の構成を示す回路図である。本発明の実施の形態２に係る９０度ハイブリッド回路の構成を示す回路図である。本発明の実施の形態２において、図２に示した９０度ハイブリッド回路のＳパラメータの周波数特性の一例を示す説明図である。本発明の実施の形態３において、図２に示した９０度ハイブリッド回路のＳパラメータの周波数特性の一例を示す説明図である。本発明の実施の形態４に係る９０度ハイブリッド回路の構成を示す回路図である。本発明の実施の形態４において、図５に示した９０度ハイブリッド回路のＳパラメータの周波数特性の一例を示す説明図である。

符号の説明

１第１の入出力端子、２第２の入出力端子、３第３の入出力端子、４第４の入出力端子、５第１の接続部、６第２の接続部、７第３の接続部、８第４の接続部、９第１の伝送線路、１０第２の伝送線路、１１第３の伝送線路、１２第４の伝送線路、１３第１の共振回路、１４第２の共振回路。

Claims

第１の入出力端子ないし第４の入出力端子と、
第１の接続部ないし第４の接続部と、
第１の伝送線路ないし第４の伝送線路と、
キャパシタンスおよびインダクタンスを有する同一構成からなる４つの共振回路と
を備え、
前記第１の接続部と前記第２の接続部との間に前記第１の伝送線路が接続され、前記第２の接続部と前記第３の接続部との間に前記第２の伝送線路が接続され、前記第３の接続部と前記第４の接続部との間に前記第３の伝送線路が接続され、前記第４の接続部と前記第１の接続部との間に前記第４の伝送線路が接続され、前記第１の接続部と前記第１の入出力端子との間、前記第２の接続部と前記第２の入出力端子との間、前記第３の接続部と前記第３の入出力端子との間、および前記第４の接続部と前記第４の入出力端子との間のそれぞれに、前記４つの共振回路のそれぞれが接続された構成を有する９０度ハイブリッド回路であって、
前記第１の伝送線路ないし前記第４の伝送線路は、所定の周波数帯域の中心周波数において略１／４波長となる長さを有し、
前記４つの共振回路のそれぞれは、前記中心周波数と略同一となる共振周波数を有する
ことを特徴とする９０度ハイブリッド回路。
請求項１に記載の９０度ハイブリッド回路において、
前記４つの共振回路のそれぞれは、第１のキャパシタンスおよび第１のインダクタンスを直列接続して構成された第１の共振回路であり、前記第１の共振回路の共振周波数を前記中心周波数と略同一とすることを特徴とする９０度ハイブリッド回路。
請求項１に記載の９０度ハイブリッド回路において、
前記４つの共振回路のそれぞれは、第１のキャパシタンスおよび第１のインダクタンスを直列接続してなる第１の共振回路と、第２のキャパシタンスおよび第２のインダクタンスを並列接続してなる第２の共振回路とを縦続接続して構成された共振回路であり、前記第１の共振回路および前記第２の共振回路の共振周波数を前記中心周波数と略同一とすることを特徴とする９０度ハイブリッド回路。
請求項１に記載の９０度ハイブリッド回路において、
前記共振回路のそれぞれは、第ｊのキャパシタンスおよび第ｊのインダクタンスを直列接続してなる第ｊ段目の共振回路（ｊ＝１、３、５、・・・で表される奇数）と、第ｋのキャパシタンスおよび第ｋのインダクタンスを並列接続してなる第ｋ段目の共振回路（ｋ＝２、４、６、・・・で表される偶数）とを交互にＭ段（Ｍは、３以上の整数）縦続接続して構成された共振回路であり、前記第ｊの共振回路および前記第ｋの共振回路のそれぞれの共振周波数を前記中心周波数と略同一とすることを特徴とする９０度ハイブリッド回路。