JP2008099115A - ブランチライン型90°ハイブリッド - Google Patents

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Abstract

【課題】特性劣化を抑えつつ、第2、第3ポートの方向を第1、第4ポートの方向と直交方向に設定したブランチライン型90°ハイブリッドを提供すること。
【解決手段】第1、第2のシリーズ線路と第1,第2のシャント線路と、それらを接続し且つ入出力ポートともなる4つの三分岐回路(非直角Tジャンクション)からなり、平行な第1,第4ポートに直交する方向に第2,第3ポートを形成する。そして、これに伴う電気長の変化とインピーダンス不整合とを補正するように、第2,第3ポート間に位置する第2シャント線路の物理長と幅とを、第1,第4ポート間に位置する第1シャント線路の物理長と幅よりも、短く且つ狭くする。
【選択図】 図1

Description

本発明は、マイクロ波帯回路で使用するマイクロストリップラインを使用したブランチライン型90°ハイブリッドに関する。
図4に従来のマイクロストリップラインを使用したブランチライン型90°ハイブリッド(以下、ハイブリッド、という)100Aを示している(非特許文献1)。
図4のハイブリッド100Aは、第1ポート1、第1T分岐(Tジャンクション)9、第1シリーズ線路5、第2Tジャンクション10、第2ポート2がこの順序で直線状に接続され、第4ポート4、第4Tジャンクション12、第2シリーズ線路6、第3Tジャンクション11、第3ポート3がこの順序で直線状に接続され、且つ、第1Tジャンクション9の分岐端と第4Tジャンクション12の分岐端との間に第1シャント線路7が接続され、第2Tジャンクション10の分岐端と第3Tジャンクション11の分岐端との間に第2シャント線路8が接続される。これらの構成要素1〜12は全て、マイクロストリップラインで構成されている。
第1〜第4ポート1〜4は、特性インピーダンスZ0(例、50Ω、以下同じ)のマイクロストリップ線路によって第1〜第4Tジャンクション9〜12に結合される。第1,第2シリーズ線路5、6の特性インピーダンスはZ0Sであり、第1,第2シャント線路7,8の特性インピーダンスはZ0Pである。また、第1,第2シリーズ線路5,6の電気長及び第1,第2シャント線路7,8の電気長は、それぞれλ/4(λは、設計中心周波数の波長、以下同じ)の長さである。なお、各Tジャンクション9〜12は、概念上、マイクロストリップ線路を分岐するための角度は有するが、大きさ(長さなど)は持たないものとして、取り扱われる。したがって、各線路5〜8の電気長λ/4は、各Tジャンクション9〜12の接合点(電気的中心点)間の電気的長さである。
このハイブリッド100Aは、理想状態において、第1ポート1に設計中心周波数である信号を入力すると、第1,第2Tジャンクション9,10の経路でエネルギーが分散されて、第2ポート2に出力が現れる。第1,第2,第3Tジャンクション9,10,11の経路の信号及び第1,第4,第3Tジャンクション9,12,11の経路の信号は、同相で合成されるので、第3ポート3にも出力が現れる。第2ポート2の出力と第3ポート3の出力には、第1ポート1からの経路差により、90°の位相差が存在する。
また、第1,第4Tジャンクション9,12の経路の信号と第1,第2,第3,第4Tジャンクション9,10,11,12の経路の信号とは逆相で合成されるので第4ポート4には出力が現れず、第1,第4ポート1,4間のアイソレーションが採れている。
このハイブリッド100Aは、上下対称且つ左右対称な形をしているので、第4ポート4に信号を入れると、同様に、第3ポート3及び第2ポート2に90°の位相差がある出力が現れ、第1ポート1には出力が現れない。
以上の関係から、第1ポート1と第2ポート2間の通過特性をS21、第1ポート1と第3ポート3間の通過特性をS31、第1ポート1の反射特性をS11、第1ポート1と第4ポート4間の通過特性をS41とすると、理想状態では各SパラメータS21,S31,S11,S41は次のようになる。
21=−jZ0S/Z0 (1)
31=−Z0S/Z0P (2)
11=0 (3)
41=0 (4)
また、エネルギー保存則より次式の関係がある。
|S212+|S312=1 (5)
式(5)に式(1)、(2)を代入することにより、インピーダンス比は次式となる。
|Z0S/Z02+|Z0S/Z0P2=1 (6)
一般的に使用される、出力が等分配となる3dB型ハイブリッドでは、
|S21|=|S31|=0.707 (7)
の関係が成り立つので、これを式(6)に代入して、特性インピーダンスZ0を50Ωとすると、
0S=35.4Ω (8)
0P=50Ω (9)
の値となる。
式(1)〜(9)の関係は、ハイブリッド100Aの形状が上下対称且つ左右対称の場合に成り立つから、第1〜第4ポート1〜4は全て平行でなくてはならない。
Rajesh Mongia他、「RF and Microwave Coupled −Line Circuits」,ARTECH HOUSE INC.,1999, Internatinal Standard Book Number:0−890 06−830−5、P.245
図4の従来例のハイブリッド100Aにおいて、第2ポート2及び第3ポート3から次のマイクロ波回路へ接続するために、第2ポート2及び第3ポート3を第1ポート1及び第4ポート4に対して垂直方向に引き出す必要が生じることがある。この場合に、ハイブリッド100Aの形状が上下左右対称であることを維持するためには、第2、第3ポート2,3を第1,第4ポートに平行に保ったまま、第2、第3ポート2,3の先端部に引き出し方向を変更するためのマイクロストリップ・ライン・ベンドやマイクロストリップ・ライン・カーブなどを用いることになる。
しかし、これらマイクロストリップ・ライン・ベンド等を用いると、レイアウトサイズが大きくなり、小型化することが難しくなる。
他の方法として、図5のハイブリッド100Bのように、第1,第4ポート1,4に対して、第2,第3ポート2,3を垂直方向になるように角度を90°変更することが考えられる。この場合には、ハイブリッド100Bは、小型のまま維持される。
しかし、図5の変更例のハイブリッド100Bでは、各ポート間の通過特性S21,S31や、ポートの反射特性S11や、アイソレーション特性S41が、図4のハイブリッド100Aに比して、著しく劣化してしまう。
この特性劣化は、第2Tジャンクション10及び第3Tジャンクション11の結合の方向が変わったことに伴って、特に第2シャント線路8の電気長が長くなる(λ/4+α)ことにより、上下・左右対称状態での理想的な関係式を満たさなくなるために生じる。特に、周波数が高くなる、あるいは基板誘電体が厚くなると設計周波数での波長に対して線路幅の影響が大きくなり、その傾向が強まる。なお、図5の変更例では、第1,第2シリーズ線路5,6の電気長は僅かに短くなる(λ/4−β)が、その電気長の短縮分は小さいので無視することができる。
第2シャント線路8の電気長はλ/4+αであり、図4の状態に比して距離αだけ長くなっている。
図5の第1ポート1に設計中心周波数(10GHz)の信号を入力すると、経路差が出てくるので図4の理想状態からずれる。例えば、第1ポート1から第3ポート3への場合には、経路9−5−10−8−11では「λ/4+λ/4+α」であり、経路9−7−12−6−11では「λ/4+λ/4」であって、経路差αがある。これにより、合成条件が崩れ、理想的に挿入損失は3dBとならない。また、式(5)から対比的に第2ポート2に現れる出力の振幅は上昇し、位相もずれてくる。この様子が、図6.Aの通過特性S21,S31の振幅及び図6.Bの通過特性S21,S31の位相に示されている。
また、式(6)のインピーダンス比が崩れるので、反射特性は図6.Cに示されるように、例えば、入力側の反射特性S11、出力側の反射特性S22が悪化する。さらに、信号の経路差が見かけ上長くなるので、理想的にはアイソレーションが取られるべき第4ポート4の出力は、図6.Dに示されるように、アイソレーション特性S41が悪化する。
本発明は、上記の事情を考慮してなされたものであって、マイクロ波帯回路で使用するマイクロストリップラインを使用したブランチライン型90°ハイブリッドにおいて、従来のハイブリッドの特性劣化を抑えつつ、第2、第3ポートの方向を第1、第4ポートの方向と所定の角度(例示的には、90°;直交方向)に設定したブランチライン型90°ハイブリッドを提供することを目的とする。
請求項1に記載のブランチライン型90°ハイブリッドは、第1ポート1と第2ポート2との間に設けられた第1シリーズ線路5と、第4ポート4と第3ポート3との間に設けられた第2シリーズ線路6と、前記第1ポート1と前記第4ポート4との間に設けられた第1シャント線路7と、前記第2ポート2と前記第3ポート3との間に設けられた第2シャント線路8の4つのマイクロストリップラインの伝送線路を含んで構成されるブランチライン型90°ハイブリッドにおいて、
前記第1ポート1側と前記第1シャント線路7の一端とを実質的に90°の角度で結合し、且つ前記第1シャント線路7の一端と前記第1シリーズ線路5の一端とを直角より小さい所定第1角度θ1で結合する第1非直角Tジャンクション9と、
前記第2ポート2側と前記第2シャント線路8の一端とを直線状に結合し、且つ前記第2ポート2側と前記第1シリーズ線路5の他端とを前記所定第1角度θ1で結合する第2非直角Tジャンクション10と、
前記第4ポート4側と前記第1シャント線路7の他端とを実質的に90°の角度で結合し、且つ前記第1シャント線路7の他端と前記第2シリーズ線路5の一端とを直角より小さい所定第2角度θ2で結合する第4非直角Tジャンクション12と、
前記第3ポート3側と前記第2シャント線路8の他端とを直線状に結合し、且つ前記第3ポート3側と前記第2シリーズ線路6の他端とを前記所定第2角度θ2で結合する第3非直角Tジャンクション11とを備え、
前記第1所定角度θ1及び前記第2所定角度θ2は、前記第1シリーズ線路5の電気長、前記第2シャント線路8の電気長、前記第2シリーズ線路6の電気長、及び前記第1シャント線路7の電気長が、それぞれ設計中心周波数の実質的に4分の1波長(≒λ/4)となる角度であることを特徴とする。
請求項2に記載のブランチライン型90°ハイブリッドは、請求項1に記載のブランチライン型90°ハイブリッドにおいて、前記所定第1角度θ1及び前記所定第2角度θ2は、等しい角度であることを特徴とする。
請求項3に記載のブランチライン型90°ハイブリッドは、請求項1または2に記載のブランチライン型90°ハイブリッドにおいて、前記第2シャント線路8の線路幅は、前記第1,第4ポート側と前記第2,第3ポート側とが非対称になったことによるインピーダンスの不整合を補正するように、前記第1シャント線路7の線路幅より細くしていることを特徴とする。
本発明のマイクロ波帯回路で使用するマイクロストリップラインを使用したブランチライン型90°ハイブリッドによれば、従来のブランチライン型90°ハイブリッドの特性劣化を抑えつつ、第2、第3ポートの方向を第1、第4ポートの方向と直交する方向に設定することができる。これにより、ブランチライン型90°ハイブリッドからの(またはそれへの)信号の入出力の方向を変更することができる。
本発明のブランチライン型90°ハイブリッドを多数使用するモジュール、例えばパワーアンプを並列に複数合成するタイプのパワーアンプモジュール、において、レイアウトの小型化が期待できる。
以下、本発明のブランチライン型90°ハイブリッドの実施例について、図を参照して説明する。
本発明のブランチライン型90°ハイブリッドは、第1、第2のシリーズ線路と第1,第2のシャント線路と、それらを接続し且つ入出力ポートともなる4つの三分岐回路(非直角Tジャンクション)からなり、平行な第1,第4ポートに直交する方向に第2,第3ポートを形成する。そして、第2,第3ポートを第1,第4ポートに直交する方向に形成することに伴う電気長の変化とインピーダンス不整合とを補正するように、第2,第3ポート間に位置する第2シャント線路の物理的長さ(物理長)と幅とを、第1,第4ポート間に位置する第1シャント線路の物理長と幅よりも、短く且つ狭くする。
図1は、本発明の実施例に係るブランチライン型90°ハイブリッドの一例の回路図を示しており、図2.A〜図2.Dは、その特性例を示している。
図1のブランチライン型90°ハイブリッド100Cにおいて、第1ポート1と第2ポート2との間に設けられた第1シリーズ線路5と、第4ポート4と第3ポート3との間に設けられた第2シリーズ線路6と、第1ポート1と第4ポート4との間に設けられた第1シャント線路7と、第2ポート2と第3ポート3との間に設けられた第2シャント線路8の4つのマイクロストリップラインの伝送線路、及びそれら第1〜第4ポート1〜4、第1,第2シリーズ線路5、6、第1,第2シャント線路7、8間を結合する第1〜第4非直角Tジャンクション9〜12を含んでいる。また、第1〜第4ポート1〜4と第1〜第4非直角Tジャンクション9〜12との結合部分に特性インピーダンスZo(=50Ω)の伝送線路を設けても良く、また、第1〜第4非直角Tジャンクション9〜12の一端を第1〜第4ポート1〜4としてもよい。これらの線路や非直角Tジャンクションは全て、マイクロストリップラインによって構成される。
第1非直角Tジャンクション9は、第1ポート1側と第1シャント線路7の一端とを実質的に90°の角度で結合し、且つ第1シャント線路7の一端と第1シリーズ線路5の一端とを直角より小さい所定第1角度θ1で結合する。
第2非直角Tジャンクション10は、第2ポート2側と第2シャント線路8の一端とを直線状に結合し、且つ第2ポート2側と第1シリーズ線路5の他端とを所定第1角度θ1で結合する。
第4非直角Tジャンクション12は、第4ポート4側と第1シャント線路7の他端とを実質的に90°の角度で結合し、且つ第1シャント線路7の他端と第2シリーズ線路5の一端とを直角より小さい所定第2角度θ2で結合する。
また、第3非直角Tジャンクション11は、第3ポート3側と第2シャント線路8の他端とを直線状に結合し、且つ第3ポート3側と第2シリーズ線路6の他端とを所定第2角度θ2で結合する。
これら第1〜第4Tジャンクション9〜12は、概念上、それぞれ対応するポート側とシリーズ線路とシャント線路とを結合する所定角度を有しているが、長さ等の大きさは持たないものとして、取り扱われる。したがって、第1,第2シリーズ線路5,6や第1,第2シャント線路7,8の電気長は、第1〜第4非直角Tジャンクション9〜12の接合点(電気的中心点)間の長さとなる。
第1所定角度θ1及び第2所定角度θ2は、第1シリーズ線路5の電気長、第2シャント線路8の電気長、第2シリーズ線路6の電気長、及び第1シャント線路7の電気長が、それぞれ設計中心周波数(例示的に、10GHz)の実質的に4分の1波長(≒λ/4)となる角度に設定される。
これにより、第2,第3ポート2,3を、平行な第1,第4ポート1,4に対して、直交する方向に引き出すことができる。
図5の変更例のハイブリッド100Bでは、Tジャンクション10,11の接合点の位置がずれて、第2シャント線路8の電気長(Tジャンクション10,11の接合点間の距離)はλ/4+αで距離αだけ長くなっていた。
本発明では、4つの三分岐回路を、第1〜第4の非直角Tジャンクション9〜12として、直角より小さい所定第1角度θ1及び所定第2角度θ2で、第1,第2シリーズ線路5,6、第1,第2シャント線路7,8、及び第1〜第4ポート1〜4側を結合することによって、第2シャント線路8の電気長を設計中心周波数(例示的に、10GHz)の実質的に4分の1波長(≒λ/4)としている。
また、第1非直角Tジャンクション9と第2非直角Tジャンクション10との間の第1シリーズ線路5の電気長、第3非直角Tジャンクション11と第4非直角Tジャンクション12との間の第2シリーズ線路6の電気長、及び第4非直角Tジャンクション12と第1非直角Tジャンクション9との間の第1シャント線路7の電気長は、それぞれ設計中心周波数の実質的に4分の1波長になる。
なお、所定第1角度θ1と所定第2角度θ2は、異なった角度でも良いが、等しい角度であることがハイブリッド100Cの対称性の点からも好ましい。
また、第2シャント線路8の物理長は第1シャント線路7の物理長と比べて短く、第1,第4ポート側1,4と第2,第3ポート側2,3とを非対称にすることによって、第1シリーズ線路5と第2シャント線路8との接続部分A1から見たインピーダンス、或いは第2シリーズ線路6と第2シャント線路8との接続部分A2から見たインピーダンスが下がり、インピーダンス整合が崩れる。これに対応して、本発明のブランチライン型90°ハイブリッド100Cでは、第2シャント線路8の線路幅を、インピーダンスの不整合を補正するように、第1シャント線路7の線路幅より細くする。
例えば、第1,第2シリーズ線路5,6の特性インピーダンスをZos(≒35.4Ω)とし、第1シャント線路7の特性インピーダンスをZop1(≒50Ω)とすると、第2シャント線路8の特性インピーダンスZop2は、インピーダンス整合が採れるように、Zop2>Zop1となる所定の値に設定される。
図2.A〜図2.Dは、本発明の実施例におけるブランチライン型90°ハイブリッド100Cの特性図であり、第1ポート1に設計中心周波数(10GHz)である信号を入力し、第2ポート2と第3ポート3から出力信号を取り出し、第4ポート4をアイソレーション端とする場合の各特性を示している。
図2.Aでは、ポート2への通過特性/振幅S21及びポート3への通過特性/振幅S31を示している。図2.Bでは、ポート2への通過特性/位相S21及びポート3への通過特性/位相S31を示している。図2.Cでは、入力側の反射特性としてポート1の反射特性S11と、出力側の反射特性としてポート2の反射特性S22とを示している。また、図2.Dでは、ポート4のアイソレーション特性を示している。
これら図2.A〜図2.Dにおける各特性は、図5の変更例のハイブリッド100Bにおける各特性と比較すると分かるようにそれぞれ著しく改善されている。図示していないが、従来例の図4のハイブリッド100Aの特性と比較しても、ほとんど遜色のない好結果が得られている。
図3.A及び図3.Bは、信号の分配・合成を行うパワーアンプモジュールの構成例を、本発明のブランチライン型90°ハイブリッド100Cを用いた場合(図3.A)と、図4の従来例のブランチライン型90°ハイブリッド100Aを用いた場合(図3.B)とについて示している。
このようなパワー合成回路において、レイアウト的に、ブランチライン型90°ハイブリッドの出力ポート(もしくは入力ポート)は入力ポート(もしくは出力ポート)に対して90°方向を変える必要がある。
図3.A、図3.Bのパワーアンプモジュールにおいて、6台のパワーアンプ20と6台のブランチライン型90°ハイブリッド100C(もしくは100A)を用いて図のように構成し、入力端21に入力された信号を分配し、増幅し、合成して、出力端22から出力する。なお、各ブランチライン型90°ハイブリッド毎に伝送線路の特性インピーダンスZoと等しい抵抗値(50Ω)の終端抵抗器18を設けている。
図3.Bでは、従来例のブランチライン型90°ハイブリッド100Aを用いるから、各ハイブリッド100毎にマイクロストリップ・ライン・ベンド19(またはマイクロストリップ・ライン・カーブ)を用いなければならない。したがって、パワーアンプモジュールの寸法が大きくなってしまう。
一方、図3.Aでは本発明のブランチライン型90°ハイブリッド100Cを用いるから、図3.Bのようなマイクロストリップ・ライン・ベンド19(またはマイクロストリップ・ライン・カーブ)を用いることなく、次段(もしくは前段)の構成要素(パワーアンプやハイブリッド)と結合することができる。
したがって、本発明のブランチライン型90°ハイブリッド100Cを用いれば、パワーアンプを並列に複数合成するタイプのパワーアンプモジュールの小型化に貢献することができる。
本発明の実施例に係るブランチライン型90°ハイブリッドの回路図 図1の通過特性/振幅を示す図 図1の通過特性/位相を示す図 図1の反射特性を示す図 図1のアイソレーション特性を示す図 本発明のブランチライン型90°ハイブリッドを用いたパワーアンプモジュールの構成例 従来例のブランチライン型90°ハイブリッドを用いたパワーアンプモジュールの構成例 従来例のブランチライン型90°ハイブリッドの回路図 変更例のブランチライン型90°ハイブリッドの回路図 図5の通過特性/振幅を示す図 図5の通過特性/位相を示す図 図5の反射特性を示す図 図5のアイソレーション特性を示す図
符号の説明
100A、B、C ブランチライン型90°ハイブリッド
1 第1ポート
2 第2ポート
3 第3ポート
4 第4ポート
5 第1シリーズ線路
6 第2シリーズ線路
7 第1シャント線路
8 第2シャント線路
9 第1Tジャンクション
10 第2Tジャンクション
11 第3Tジャンクション
12 第4Tジャンクション
18 終端抵抗器
19 マイクロストリップ・ライン・ベンド
20 パワーアンプ
21 入力端
22 出力端

Claims (3)

  1. 第1ポートと第2ポートとの間に設けられた第1シリーズ線路と、第4ポートと第3ポートとの間に設けられた第2シリーズ線路と、前記第1ポートと前記第4ポートとの間に設けられた第1シャント線路と、前記第2ポートと前記第3ポートとの間に設けられた第2シャント線路の4つのマイクロストリップラインの伝送線路を含んで構成されるブランチライン型90°ハイブリッドにおいて、
    前記第1ポート側と前記第1シャント線路の一端とを実質的に90°の角度で結合し、且つ前記第1シャント線路の一端と前記第1シリーズ線路の一端とを直角より小さい所定第1角度で結合する第1非直角Tジャンクションと、
    前記第2ポート側と前記第2シャント線路の一端とを直線状に結合し、且つ前記第2ポート側と前記第1シリーズ線路の他端とを前記所定第1角度で結合する第2非直角Tジャンクションと、
    前記第4ポート側と前記第1シャント線路の他端とを実質的に90°の角度で結合し、且つ前記第1シャント線路の他端と前記第2シリーズ線路の一端とを直角より小さい所定第2角度で結合する第4非直角Tジャンクションと、
    前記第3ポート側と前記第2シャント線路の他端とを直線状に結合し、且つ前記第3ポート側と前記第2シリーズ線路の他端とを前記所定第2角度で結合する第3非直角Tジャンクションとを備え、
    前記第1所定角度及び前記第2所定角度は、前記第1シリーズ線路の電気長、前記第2シャント線路の電気長、前記第2シリーズ線路の電気長、及び前記第1シャント線路の電気長が、それぞれ設計中心周波数の実質的に4分の1波長となる角度であることを特徴とする、ブランチライン型90°ハイブリッド。
  2. 前記所定第1角度及び前記所定第2角度は、等しい角度であることを特徴とする、請求項1に記載のブランチライン型90°ハイブリッド。
  3. 前記第2シャント線路の線路幅は、前記第1,第4ポート側と前記第2,第3ポート側とが非対称になったことによるインピーダンスの不整合を補正するように、前記第1シャント線路の線路幅より細くしていることを特徴とする、請求項1または2に記載のブランチライン型90°ハイブリッド。
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