JP2008271478A

JP2008271478A - ９０度ハイブリッド

Info

Publication number: JP2008271478A
Application number: JP2007115357A
Authority: JP
Inventors: Yuuichirou Oki; 有一朗沖
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2007-04-25
Filing date: 2007-04-25
Publication date: 2008-11-06

Abstract

【課題】コンパクトな構成として回路の小型化を図ることができ、かつマイクロ波帯において安定した特性が得られるようにする。
【解決手段】２本の線路が所定の線間キャパシタンスを持つ間隔ｄで配置された結合線路をスパイラル状に巻回したスパイラルインダクタ１０ａ，１０ｂを設け、このスパイラルインダクタ１０ａ，１０ｂをその巻き方向を揃えて又は巻き方向が逆になるように配置し、これらの結合線路同士を接続することにより第１線路１２と第２線路１４を形成する。また、このスパイラルインダクタ１０ａ，１０ｂは、それぞれの結合線路の内側線路と外側線路とを互いに接続することにより、上記第１線路１２と第２線路１４の巻線の長さが同一となるようにする。また、この第１線路１２と第２線路１４の間に補完的なキャパシタ１６ａ，１６ｂを付加してもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は９０度ハイブリッド、特に半導体基板上に集積される回路で、マイクロ波帯の信号処理に適した９０度ハイブリッドの構成に関する。

従来から、９０度位相差を有する２つの信号を得るために９０度ハイブリッドが用いられており、この９０度ハイブリッドとして、図６及び図７に示されるものがある。図６の９０度ハイブリッドは、半導体基板上に集積化された分布定数回路であり、図示されるように、例えば入力ポート１と第２出力ポート３との間に、３５Ωの１／４波長（使用周波数帯の波長）線路５ａ、第１出力ポート２とアイソレーションポート４との間に３５Ωの２本の１／４波長線路５ｂが配置され、この１／４波長線路５ａと５ｂの間に、５０Ωの１／４波長線路６ａ，６ｂが接続された構成とされている。これによれば、マイクロ波帯の信号を入力ポート１に入力することにより、第１出力ポート２と第２出力ポート３から、９０度位相差を有する２つの信号を出力することができる。

図７の９０度ハイブリッドは、例えば下記特許文献１の図３等に示された集中定数回路であり、図示されるように、入力ポート１、第１及び第２出力ポート２，３、並びにアイソレーションポート４の各ポート間に配置された４個のスパイラルインダクタ７ａ〜７ｄと、これらスパイラルインダクタ７ａ〜７ｄ間の各接点とグランド９との間に配置された４個のキャパシタ８ａ〜８ｄとから構成されている。これによっても、マイクロ波帯の信号を入力ポート１に入力することにより、第１出力ポート２と第２出力ポート３から、９０度位相差を有する２つの信号を出力することができる。
特開平８−３３５８４１号公報特開２００４−８７５２４号公報

しかしながら、従来の図６のような９０度ハイブリッドでは、分布定数回路であるため、回路構成として、複数の１／４波長線路５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂが用いられており、回路サイズが大きくなると共に、コストも高くなる。

一方、図７のような９０度ハイブリッドでは、４個のスパイラルインダクタ７ａ〜７ｄと、４個のキャパシタ８ａ〜８ｄが用いられており、素子数が多いため各素子の特性ばらつきが加算され、９０度ハイブリッドとしての特性が不安定になると共に、回路サイズも大きくなるという問題がある。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、コンパクトな構成として回路の小型化を図ることができ、かつマイクロ波帯において安定した特性を得ることができる９０度ハイブリッドを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に係る９０度ハイブリッドは、２本の線路が所定の線間キャパシタンスを持つ間隔で配置された結合線路を（外側へ向けて又は内側へ向けて）スパイラル状に巻回することによりスパイラルインダクタを形成し、かつ巻き方向を揃えた上記スパイラルインダクタを２個配置し、この２個のスパイラルインダクタの結合線路同士を（例えば内側端部間で）接続することにより第１線路と第２線路を構成し、これら第１線路と第２線路のスパイラルインダクタの巻線の長さが同一となるように構成したことを特徴とする。なお、この９０度ハイブリッドは、集中定数回路となる。
請求項２に係る発明は、２本の線路が所定の線間キャパシタンスを持つ間隔で配置された結合線路をスパイラル状に巻回することによりスパイラルインダクタを形成し、かつ巻き方向が逆になる上記スパイラルインダクタを２個配置し、この２個のスパイラルインダクタの結合線路同士を（例えば内側端部間で）接続することにより第１線路と第２線路を構成し、これら第１線路と第２線路のスパイラルインダクタの巻線の長さが同一となるように構成したことを特徴とする。

請求項３に係る発明は、上記スパイラルインダクタの端部の上記第１線路と第２線路の間にキャパシタを付加したことを特徴とする。

上記請求項１及び２の構成によれば、２個のスパイラルインダクタにおける第１線路と第２線路の巻線の長さを同一とすることにより、第１線路と第２線路の巻線インダクタンスが等しくなるので、この巻線インダクタンスのインピーダンスが回路（９０度ハイブリッド）特性のインピーダンスに等しくなるように設定する。また、２個のスパイラルインダクタでは、それぞれの結合線路において線間キャパシタンスが生じており、この線間キャパシタンスのインピーダンスが回路特性のインピーダンスに等しくなるように設定することにより、９０度ハイブリッドが構成される。即ち、それぞれがキャパシタンスを持つ２個のスパイラルインダクタにて、９０度ハイブリッドが構成される。

上記請求項３の構成によれば、例えば使用周波数が低いとき等で、スパイラルインダクタが持つ線間キャパシタンスでは十分なキャパシタンスが得られない場合に、補完的にキャパシタを付加することにより、回路に必要なキャパシタンスが確保できることになる。

本発明によれば、２個のスパイラルインダクタという少ない素子数で構成することができ、補完的にキャパシタを付加した場合でも、従来に比較してコンパクトな構成となり、９０度ハイブリッドの小型化を図ることが可能になる。また、回路構成の素子数が少ないため、９０度ハイブリッドの特性のばらつきを小さくすることができ、マイクロ波帯において安定した特性を得ることが可能になるという効果がある。

図１には、本発明の第１実施例［図１（Ａ）］及び第２実施例［図１（Ｂ）］に係る９０度ハイブリッドの構成が示されており、第１及び第２実施例の９０度ハイブリッドは、２本の線路が所定の間隔ｄで並設された結合（平行）線路を外側へ向けて（或いは内側へ向けて）スパイラル（螺旋）状に巻回した２個のスパイラルインダクタ１０ａ，１０ｂが設けられる。即ち、このスパイラルインダクタ１０ａ，１０ｂは、同一平面内においてスパイラルが次第に大きくなる（或いは小さくなる）ように結合線路を巻回したものである。

この２個のスパイラルインダクタ１０ａ，１０ｂは、その巻き方向を揃えて配置され、内側線路と外側線路が互いに接続されており、一方のスパイラルインダクタ１０ａの内側線路と他方のスパイラルインダクタ１０ｂの外側線路とを内側端部間を跨ぐ（上部又は下部のいずれに通してもよい）ブリッジ１５で接続することにより第１線路１２が形成され、また一方のスパイラルインダクタ１０ａの外側線路と他方のスパイラルインダクタ１０ｂの内側線路とを内側端部間を跨ぐブリッジ１５で接続することにより第２線路１４が形成され、これら第１線路１２と第２線路１４の巻線の長さが同一となるように構成される。

即ち、この第１及び第２実施例の第１線路１２及び第２線路１４の巻線は、内側へ向けた左巻き巻線（１０ａ）と外側へ向けた右巻き巻線（１０ｂ）を接続した形になり、スパイラルインダクタ１０ａにおける第１線路１２の外側端部が入力ポート１、第２線路１４の外側端部が第１出力ポート２、スパイラルインダクタ１０ｂにおける第１線路１２の外側端部が第２出力ポート３、第２線路１４の外側端部がアイソレーションポート４とされる。そして、この第１及び第２実施例の９０度ハイブリッドの回路構成は、図４に示されるように、入力ポート１と第２出力ポート３との間にインダクタンスを持つ第１線路１２、第１出力ポート２とアイソレーションポート４との間にインダクタンスを持つ第２線路１４が配置されると共に、入力ポート１と第１出力ポート２との間、第２出力ポート３とアイソレーションポート４との間に、キャパシタンスが配置されたものとなる。

このような第１及び第２実施例の９０度ハイブリッドでは、第１線路１２及び第２線路１４の巻線インダクタンスＬは、Ｌ＝Ｚ_０／（２×π×f）により、また第１線路１２及び第２線路１４の線間キャパシタンスＣは、Ｃ＝１／（２×π×f×Ｚ_０）により求められる。例えば、インピーダンスＺ_０＝５０Ω、使用周波数ｆ＝９．４ＧＨｚの場合は、Ｌ＝０．８５ｎＨ、Ｃ＝０．３４ｐＦとなる。従って、使用周波数帯で目的のインダクタンスＬとなるように、上記第１線路１２と第２線路１４の巻線の線路長を調整すると共に、使用周波数帯で目的のキャパシタンスＣとなるように、第１線路１２及び第２線路１４の間隔ｄ（線間キャパシタンス）を調整すればよいことになる。

また、図１（Ｂ）の第２実施例は、第１線路１２と第２線路１４の外側端部（内側端部でもよい）に、補完的なキャパシタ１６ａ，１６ｂを設けている。即ち、使用周波数が低周波数帯になると、上記キャパシタンスＣの式から分かるように、設定すべきキャパシタンスＣが大きくなり、この場合には、第１線路１２及び第２線路１４の結合間隔ｄも小さくする必要があるが、この間隔ｄを小さくすることには限界がある。しかし、第２実施例では、キャパシタ１６ａ，１６ｂが設けられるので、第１線路１２及び第２線路１４の線間キャパシタンスとキャパシタ１６ａ，１６ｂのキャパシタンスにて目的のキャパシタンスＣを設定することができる。

このような第１及び第２実施例によれば、入力ポート１から入力した信号が第１出力ポート２に、振幅＝−３ｄＢ、位相＝＋４５度で出力され、第２出力ポート３に、振幅＝−３ｄＢ、位相＝−４５度で出力され、第１出力ポート２と第２出力ポート３との間で位相差が９０度となる９０度ハイブリッドが得られる。なお、アイソレーションポート４に、信号は出力されない。

図２には、第３実施例［図２（Ａ）］及び第４実施例［図２（Ｂ）］の９０度ハイブリッドの構成が示されており、この９０度ハイブリッドも、２本の線路が所定の間隔ｄで配置された結合線路を外側へ向けて（或いは内側へ向けて）スパイラル状に巻回した２個のスパイラルインダクタ１０ａ，１０ｂが設けられる。そして、この２個のスパイラルインダクタ１０ａ，１０ｂは、その巻き方向が逆になるように配置され（スパイラルインダクタ１０ａは外側へ左巻き、１０ｂは外側へ右巻き）、一方のスパイラルインダクタ１０ａの内側線路と他方のスパイラルインダクタ１０ｂの外側線路とをブリッジ１８で接続することにより第１線路１２が形成され、また一方のスパイラルインダクタ１０ａの外側線路と他方のスパイラルインダクタ１０ｂの内側線路とをブリッジ１８で接続することにより第２線路１４が形成され、これら第１線路１２と第２線路１４の巻線の長さが同一となるように構成される。

即ち、この第３及び第４実施例の第１線路１２及び第２線路１４の巻線は、内側へ向けた右巻き巻線（１０ａ）と外側へ向けた右巻き巻線（１０ｂ）を接続した形になり、スパイラルインダクタ１０ａにおける第１線路１２の外側端部が入力ポート１、第２線路１２の外側端部が第１出力ポート２、スパイラルインダクタ１０ｂにおける第１線路１２の外側端部が第２出力ポート３、第２線路１４の外側端部がアイソレーションポート４とされる。この第３及び第４実施例の９０度ハイブリッドの回路構成も、図４に示されるものとなる。

このような第３及び第４実施例の９０度ハイブリッドでも、第１線路１２及び第２線路１４の巻線インダクタンスＬは、Ｌ＝Ｚ_０／（２×π×f）により、また第１線路１２及び第２線路１４の線間キャパシタンスＣは、Ｃ＝１／（２×π×f×Ｚ_０）により求められる。例えば、インピーダンスＺ_０＝５０Ω、使用周波数ｆ＝９．４ＧＨｚの場合は、Ｌ＝０．８５ｎＨ、Ｃ＝０．３４ｐＦとなり、この目的のインダクタンスＬ及びＣとなるように、上記第１線路１２と第２線路１４の線路長及び間隔ｄ（線間キャパシタンス）を調整することになる。

また、図２（Ｂ）の第４実施例は、第１線路１２と第２線路１４の外側端部（内側端部でもよい）に、補完的なキャパシタ１９ａ，１９ｂを設け、第２実施例と同様に、このキャパシタ１９ａ，１９ｂのキャパシタンスと第１線路１２及び第２線路１４の線間キャパシタンスにて目的のキャパシタンスＣが設定できるようになっている。

このような第３及び第４実施例によっても、入力ポート１から入力した信号が第１出力ポート２に、振幅＝−３ｄＢ、位相＝＋４５度で出力され、第２出力ポート３に、振幅＝−３ｄＢ、位相＝−４５度で出力され、第１出力ポート２と第２出力ポート３との間で位相差が９０度となる９０度ハイブリッドが得られる。なお、アイソレーションポート４に、信号は出力されない。

図３には、第５実施例［図３（Ａ）］及び第６実施例［図３（Ｂ）］の９０度ハイブリッドの構成が示されており、これらの９０度ハイブリッドの基本的な構成は、第３実施例と同様である。図３（Ａ）の第５実施例は、スパイラルインダクタ２１ａと２１ｂの内側端部での接続において、第１線路１２と第２線路１４の端部を対向配置し、これらの端部をブリッジ１８で接続したものである。このような構成によっても、上記第１乃至第４実施例と同様の９０度ハイブリッドを得ることができる。

図３（Ｂ）の第６実施例は、第３実施例と同様に、スパイラルインダクタ２２ａ，２２ｂをブリッジ１８にて接続するが、スパイラルインダクタ２２ａでは、第１線路１２のみを外側で余分にスパイラル状に９０度折り曲げ、入力ポート１と第１出力ポート２とが離れた位置に配置されるようにし、またスパイラルインダクタ２２ｂでは、第２線路１４のみを外側で余分にスパイラル状に９０度折り曲げ、第２出力ポート３とアイソレーションポート４とが離れた位置に配置されるようにしたものである。この場合も、第１線路１２と第２線路１４の巻線の長さは同一であり、この第６実施例によれば、各ポート１〜４の位置を状況に応じて変えることができ、接続のバリエーションが増えるという利点がある。

図５には、第１乃至第６実施例の９０度ハイブリッドの特性例が示されており、図５（Ａ）は、周波数ｆ＝９．４ＧＨｚに最適化された場合の特性であり、第１出力ポート２及び第２出力ポート３の電力分配比は、周波数ｆ＝９．４ＧＨｚにおいて約−３．６ｄＢであり、また入力ポート１の反射特性及びアイソレーションポート４のアイソレーションは７〜１２ＧＨｚの周波数範囲にわたり−１７ｄＢ以下であり、広帯域で良好な特性が得られている。また、図５（Ｂ）に示されるように、第１出力ポート１と第２出力ポート２の位相差は約９０度となっている。

上記各実施例では、スパイラルインダクタ１０ａ，１０ｂ，２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂでは、結合線路を９０度折り曲げながら四角形でスパイラル状に形成したが、結合線路を円形でスパイラル状に形成してもよい。また、各スパイラルインダクタ１０ａ，１０ｂ，２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂのブリッジ１５，１８による接続は、螺旋形の内側端部で行うようにしたが、螺旋形の外側端部においてブリッジ接続し、内側端部に、入力ポート、第１及び第２出力ポート並びにアイソレーションポートを設けるように構成してもよい。

本発明の第１実施例［図（Ａ）］及び第２実施例［図（Ｂ）］に係る９０度ハイブリッドの構成を示す図である。第３実施例［図（Ａ）］及び第４実施例［図（Ｂ）］に係る９０度ハイブリッドの構成を示す図である。第５実施例［図（Ａ）］及び第６実施例［図（Ｂ）］に係る９０度ハイブリッドの構成を示す図である。第１乃至第６実施例の構成を示す回路（回路記号表記）図である。実施例に係る９０度ハイブリッドの特性例を示し、図（Ａ）は周波数（ＧＨｚ）−減衰量（ｄＢ）の図、図（Ｂ）は周波数（ＧＨｚ）−位相（度）の図である。従来の分布定数回路である９０度ハイブリッドの構成を示す図である。従来の集中定数回路である９０度ハイブリッドの構成を示す図である。

符号の説明

１…入力ポート、２…第１出力ポート、
３…第２出力ポート、４…アイソレーションポート、
１０ａ，１０ｂ，２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂ…スパイラルインダクタ、
１２…第１線路、１４…第２線路、
１５，１８…ブリッジ、
１６ａ，１６ｂ，１９ａ，１９ｂ…キャパシタ。

Claims

２本の線路が所定の線間キャパシタンスを持つ間隔で配置された結合線路をスパイラル状に巻回することによりスパイラルインダクタを形成し、かつ巻き方向を揃えた上記スパイラルインダクタを２個配置し、
この２個のスパイラルインダクタの結合線路同士を接続することにより第１線路と第２線路を構成し、これら第１線路と第２線路のスパイラルインダクタの巻線の長さが同一となるように構成した９０度ハイブリッド。
２本の線路が所定の線間キャパシタンスを持つ間隔で配置された結合線路をスパイラル状に巻回することによりスパイラルインダクタを形成し、かつ巻き方向が逆になる上記スパイラルインダクタを２個配置し、
この２個のスパイラルインダクタの結合線路同士を接続することにより第１線路と第２線路を構成し、これら第１線路と第２線路のスパイラルインダクタの巻線の長さが同一となるように構成した９０度ハイブリッド。
上記スパイラルインダクタの端部の上記第１線路と第２線路の間にキャパシタを付加したことを特徴とする請求項１又は２に記載の９０度ハイブリッド。