JP2012532550A - プリント回路に組み込まれたウィルキンソン・カプラおよびそのようなカプラを含むマイクロ波装置 - Google Patents

Abstract

プリント回路上にマウントされたウィルキンソン・カプラは、同じ長さの２つの金属伝送線（４，５）を経由して、第２アクセス・ポート（２）および第３アクセス・ポート（３）に接続された第１アクセス・ポート（１）と、第２および第３アクセス・ポート（２，３）の間に短絡配置でマウントされた負荷抵抗（Ｒｃ）とを含み、負荷抵抗（Ｒｃ）が、共に連結された独立して隣接する３つの抵抗（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３）からなることを特徴とする。
このカプラは、特にサテライト・アンテナの分野に、およびより具体的にはアンテナ・ビームフォーミング・アレイに適合する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、プリント回路に組み込まれたウィルキンソン・カプラおよびそのようなカプラを含むマイクロ波装置に関する。これは、例えばサテライト上に配置されたアンテナなど、特に無線周波数チェーンおよび送受信アンテナのビームフォーミング・アレイのような、特にマイクロ波信号電気通信の分野に当てはまる。

無線周波数信号を結合または分割するために、ウィルキンソン・カプラを使用することが知られている。図１に概略的に表わされるように、ディバイダ構成においては、この種のカプラは、入力ポート１および２つの出力ポート２、３を構成する３つのアクセス経路１、２、３を含み、カプラがコンバイナ構成で使用される場合においては、入力および出力ポートは反転した状態となる。カプラは、２つの出力ポート２、３の間にマウントされる負荷抵抗Ｒｃで終端される。負荷抵抗Ｒｃの値は、カプラの平衡が保たれ、かつ入力または出力で反射が無いように決定される。送受信アンテナの分野では、ビームフォーミング・アレイのようなある種の機器は、負荷抵抗の値に１〜数パーセントの精度を必要とする。

現在のところ、二重エッチングを含むフォトリソグラフィ法によって、負荷抵抗を多層プリント回路に挿入することが知られている。この種の方法では、必要精度を有する抵抗を得ることが可能ではない。それ故に、この負荷抵抗を必要精度と比較し、調節可能とすることが必須である。

例えば、米国特許出願公開第２００７／００１２６６６号明細書で述べられているように、レーザ設備によって抵抗の値を調節し、かつレーザ加工の間にこの値を測定することが知られている。しかしながら、ウィルキンソン・カプラの負荷抵抗は、２つの出力ポートの間に短絡配置で設置されているので、いかなる電流が横断することもなく、そのため現在のところ、抵抗を測定可能にする工程がない。したがって、調節中に負荷抵抗の値を測定する方法が知られておらず、それ故に現在のところ、この方法はウィルキンソン・カプラに適用できない。

この問題を解決するために、フォトリソグラフィ法によって抵抗Ｒｃを製造する代わりに、正確な値の抵抗を含む電子部品（チップと呼ばれる）を用い、プリント回路の組み立ての間に多層プリント回路の１つの層内で、カプラの２つのアクセス・ポート２と３の間に抵抗をハンダ付けすることが知られている。しかしながら、ウィルキンソン・カプラがマウントされる多層プリント回路に抵抗Ｒｃを挿入可能とするためには、プリント回路を開き、次に誘電体材料に抵抗を埋め込むことが必要である。更に、多層プリント回路の製造中に、ハンダ材料を高温のハンダ付け温度に熱しなければならないが、多層プリント回路の誘電体のような有機基板上でこれを達成するのは困難である。例えば、そのような抵抗の金被覆終端に適合した金−錫合金のハンダ材料のハンダ付け温度は、約２９０℃である。この方法は実施するには複雑かつ高価であり、また質に関してリスクが生じる。これは特に、これらの作業は一般に非常に多数の、例えば１０００のオーダーの、個別の抵抗に対して実行されなければならないからである。更に、電子部品が十分な誘電体材料に覆われなければならず、その厚みのために、得られるプリント回路の総厚みは、大幅に増加することになる。最後に、ウィルキンソン・カプラの２つのポート間で抵抗をハンダ付けした後は、抵抗の測定を実行することはもはや可能ではない。そのために、質の観点からはリスクが生じるが、特にそれは多層プリント回路の組み立て中に、ハンダ接合部が圧力および温度からのストレスを受けるためである。

米国特許第５７０５９６２号明細書に述べられている別の解決策は、負荷抵抗を、金属トラックを備えた２つの抵抗に分離することによって、中間点を利用するものである。これによって、測定のために、並列にある２つの抵抗を有することが可能となる。しかしながら、この解決策では、抵抗の値を個別に測定できず、並列にある２つの抵抗の比率のみが測定できる。それ故に、このシステムでは十分な精度が可能ではなく、また全負荷抵抗の正確な測定も可能ではない。更に、この解決策では、金属化した穴部をプリント回路に形成する必要があるが、かなり多数のウィルキンソン・カプラを含む複雑な回路を扱う場合、これによって多くのスペースが占められることになる。

本発明の目的は、プリント回路に組み込まれたウィルキンソン・カプラを製造することである。これは、既存の装置の欠点を含まず、負荷抵抗測定のためにプリント回路内に金属化した穴部を加工する必要がなく、抵抗値が必要精度に調節可能で、かつ調節中に測定可能な負荷抵抗を有するものである。

それ故に、本発明は、プリント回路上にマウントされたウィルキンソン・カプラに関する。これは、同じ長さの２つの金属伝送線経由で第２および第３アクセス・ポートに接続された第１アクセス・ポートと、第２および第３アクセス・ポートの間に短絡配置でマウントされた負荷抵抗とを含み、負荷抵抗が、互いに連結された独立した隣接する３つの抵抗からなることを特徴とする。

利点として、各抵抗は、個々に調節可能で測定可能な値を有している。

利点として、各抵抗は調節中に測定可能である。

利点として、独立した３つの抵抗は２つの横断金属トラック経由で連結されており、各横断金属トラックは隣接する２つの抵抗の間に配設されている。

利点として、第１抵抗は、第３ポートにアクセスするための金属線に連結された第１金属端部端子と第１横断トラックとの間で接続されており、更に第３抵抗は、第２横断トラックと第２ポートにアクセスするための金属線に連結された第２金属端部端子との間で連結されている。

利点として、第１および第２金属端部端子は、第１ポートに接続された２つの金属伝送線経由で互いに連結されており、２つの伝送線はループ状に連結された金属トラックを形成する。

利点として、独立した３つの抵抗は三角形状に接続されている。

特定の実施例によれば、独立した３つの抵抗は、望ましい負荷抵抗の値の１／３に等しい同一の値を有する。

本発明は、そのようなウィルキンソン・カプラを少なくとも１つ含むマイクロ波装置にも関する。

本発明の他の特徴および利点は、添付された概略図に関し、純粋に実例的かつ非限定的な例を通してなされるこの後の記述の中で、疑いもなく明らかとなるであろう。

先行技術による典型的なウィルキンソン・カプラの図である。 本発明による典型的なウィルキンソン・カプラの図である。 本発明による、図２のウィルキンソン・カプラの負荷抵抗の拡大図である。 本発明による、カプラの３つのアクセス経路上での透過および反射におけるパワー曲線の例である。 本発明による、ウィルキンソン・カプラの負荷抵抗を測定するための装置の典型的な電気回路図である。 ２つのウィルキンソン・カプラを含む典型的なマイクロ波装置である。

図２に概略的に表わされた、本発明による典型的なカプラは、ディバイダ構成においては、入力ポート１および２つの出力ポート２、３を構成する３つのアクセス経路１、２、３を含む。入力ポート１は、長さ（λ／４）で特性インピーダンスＺ＝２^１／２Ｒの２つの金属伝送線４、５を経由して２つの出力ポート２、３と連結されており、ここでλはカプラの動作周波数に相当する波長、Ｒは入力アクセス経路１および出力アクセス経路２、３のインピーダンスである。ポート１に入る入射パワーが、出力ポート２および３の間で等しい方法で分割され、その後相互に分離されるように、カプラは負荷抵抗Ｒｃで終端される必要がある。負荷抵抗Ｒｃはカプラのアクセス経路のインピーダンスＲの２倍に等しくＲｃ＝２Ｒであり、かつ抵抗Ｒｃは２つの出力ポート２、３の間にマウントされる。カプラおよび負荷抵抗は、レジスト層および例えば銅などの金属層で覆われた基板を含む多層プリント回路上のフォトリソグラフィという既知の方法で製造される。第１エッチングによってカプラの伝送線の製造が可能となり、第２エッチングによってカプラの負荷抵抗の製造が可能となる。

短絡配置でマウントされた負荷抵抗Ｒｃは、正確に測定かつ調節することが可能でなければならない。それ故に、本発明に従えば、カプラの負荷抵抗Ｒｃは、２つの横断金属トラック９、１０によって分離された隣接する３つの抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３のアレイから成っており、例えば金属は銅であると考えられる。第１抵抗Ｒ１は、ポート３にアクセスするための金属線１２に連結された第１金属端部端子１１と第１横断トラック９との間で接続され、第２抵抗Ｒ２は第１横断トラック９と第２横断トラック１０との間で接続され、第３抵抗Ｒ３は、第２横断トラック１０と第２ポートへのアクセスのための金属線１４に連結された第２金属端部端子１３との間で連結されている。更に、第１および第２金属端部端子１１、１３は、ポート１に接続された２つの伝送線４、５を経由して互いに連結されており、２つの伝送線４，５はループ状に連結された金属トラックを形成している。抵抗アレイの抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３の各々は、固有の値を有しており、３つの独立した抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３の値の合計が負荷抵抗Ｒｃの値と等しくなるような条件となっている。例えば、これは不可欠ではないが、３つの抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３は同一であり、負荷抵抗Ｒｃの値の１／３と等しい値であってもよい。

負荷抵抗Ｒｃを３つの抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３に分割することは、カプラに供給されるマイクロ波の観点からは、何も変更することなく可能であり、３つの隣接する抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３は単一の短絡された抵抗Ｒｃとして機能し、その値は３つの抵抗の値の合計と等しい。短絡であるため、３つの抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３は、三角形に接続された抵抗のアレイと考えてもよい。負荷抵抗Ｒｃを３つの抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３に分割することによるカプラ性能への影響は、シミュレーションによって確認された。

カプラの３つのアクセス経路に対する透過および反射のパワー曲線は、図４ａ、４ｂ、４ｃに表されている。図４ａは、ポート１、２、３にそれぞれ印加された信号の反射係数Ｓ１１、Ｓ２２、Ｓ３３が、カプラの中心動作周波数で非常に低いことを示している。特に、図４ａにおいて、係数Ｓ１１は、１．６ＧＨｚの周波数で約−４８ｄＢである。従って、信号が入力ポート１に印加された時、この信号の反射は無く、信号はポート２、３に完全に伝送される。

図４ｂは、動作周波数で、ポート２からポート３への信号の伝送係数Ｓ２３、およびこの逆の場合の係数Ｓ３２がほぼゼロである、ことを示している。それ故に、ポート２および３は、互いに完全に分離されている。

図４ｃは、ポート１および２の間の、ならびにポート１および３の間の伝送係数Ｓ２１およびＳ３１を示している。出力２および３と入力１との間で伝送されるパワーはほぼ等しく、したがって、カプラが正しく平衡していることが示される。２つの曲線の間で観察される相違は、使用したシミュレータの計算の発散によるものである。

負荷抵抗測定の可能性の観点からは、負荷抵抗Ｒｃを隣接する３つの抵抗に分割すること、および隣接する２つの抵抗Ｒ１、Ｒ２およびＲ２、Ｒ３との間に２つの金属トラック９、１０を加えることによって、金属接続ピンを横断トラック９、１０の各々に接続すること、および負荷抵抗Ｒｃを短絡するトラック１１、１３の１つに金属ピンを接続することが可能になる。その結果、３つの接続端子１１、９、１０の間に、例えばオーム計タイプの測定機器を配線し、３つの抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３の各値を連続して正確に測定することが可能となる。

測定を行なうために、３つの接続端子のうちの１つはガード・ポイントと呼ばれる。図５の典型的な電気回路図の中で表わされるように、電圧が測定され、３つの抵抗の中で測定されない抵抗の１つに電流が流れないように、このガード・ポイントで電圧が印加される。この図において、ガード・ポイントは、第１抵抗Ｒ１と第２抵抗Ｒ２との間に位置するポイントＡであり、測定される抵抗は第３抵抗Ｒ３である。抵抗Ｒ３は、ポイントＢで抵抗Ｒ１に接続される第１端部と、ポイントＣで抵抗Ｒ２に接続される第２端部とを含む。電流源Ｉは、ポイントＢに加えられる。ポイントＢに接続された第１入力、ポイントＡに接続された第２入力およびポイントＡに接続された出力を有するガード増幅器Ｇは、抵抗Ｒ３の第１端部Ｂでの電圧を検出し、かつガード・ポイントＡにこの電圧を印加する。その結果、ガード・ポイントＡおよびポイントＢにおける電圧は等しく、それ故に抵抗Ｒ１には電流が流れない。またその結果、抵抗Ｒ３およびＲ２は従来の測定ブリッジを形成する。Ｉｍが抵抗Ｒ３を流れる電流であり、Ｉｇが抵抗Ｒ２を流れる電流とすれば、以下のようになる。
Ｒ３．Ｉｍ＝Ｒ２．Ｉｇ

ポイントＢとＣとの間に接続される増幅器２０によって、ポイントＢで注入され、かつ抵抗Ｒ３を横切る電流Ｉに比例する電圧が、ポイントＣでのその出力において、回復することが可能となる。その結果、コンバータ２１は、それが測定するポイントＣでの電圧と電流Ｉの既知の値との比率から、抵抗Ｒ３の値を決定する。

抵抗Ｒ１の値は、ガード・ポイントと測定ポイントを交換することにより、同じ方法で決定することが可能である。

その結果、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３の各値は、望ましい負荷抵抗値Ｒｃに等しい値を有する合計抵抗を持つように、他の２つの抵抗と独立に調節可能である。抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３の各々を独立に測定し、かつそれらの１つのみを調節することも可能である。抵抗の値の調節は、レーザ・ビームによる既知の調節方法によって実行可能であり、調節を受ける抵抗の測定は、この抵抗の調節中に連続的に実行される。例えばレーザは、薄膜または厚膜の抵抗の調節に使用されるものと類似であってもよい。その波長は、例えば約１．０７マイクロメートルを選ぶことができる。レーザ・ビームのパワーは、調節されるべき材料および抵抗の支持体に応じてプログラムされる。例えば、赤外光で動作し、かつ約３ワットのパワーを有する小規模のＹＡＧレーザを選ぶことが可能であろう。抵抗の支持体は、例えばセラミックまたは有機材料、もしくはプリント回路の分野で慣習的に使用される他の何らかのタイプの材料であってもよい。

ウィルキンソン・カプラは、例えば電気通信信号の送受信無線周波数チェーンの機器において、特にマルチビームアンテナのビームフォーミング・アレイにおいて、または電気通信信号を増幅するための回路に適合した線形化モジュールにおいてなど、いかなるタイプのマイクロ波装置においても使用可能である。非限定的な例として、図６は、２つのウィルキンソン・カプラ６１、６２を含むリニアライザの図を示したものである。第１カプラ６１は、２つの出力伝送経路６３、６４の間での入力信号のパワーのディバイダであるのに対し、第２カプラ６２は、経路の各々で単一出力信号へと処理される信号のパワーを再結合するものである。

本発明を特別な実施例と共に記述してきたが、本発明が決してそれらに限定されないこと、および本発明が、記述された手段の全ての技術的均等物およびそれらの組合せも同様に含むことは極めて明白である。ただし後者は、本発明の枠組み内にあることが前提となっている。

Claims (10)

1. プリント回路に組み込まれたウィルキンソン・カプラであって、
   同じ長さの２つの金属伝送線（４，５）を経由して第２アクセス・ポート（２）および第３アクセス・ポート（３）に接続された第１アクセス・ポート（１）と、
   前記第２および第３アクセス・ポート（２，３）との間に短絡配置でマウントされた負荷抵抗（Ｒｃ）と、
   を含み、
   前記負荷抵抗（Ｒｃ）が、共に連結された独立して隣接する３つの抵抗（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３）からなることを特徴とする、ウィルキンソン・カプラ。
2. 各抵抗（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３）が、個々に調節可能かつ測定可能な値を有することを特徴とする、請求項１に記載のウィルキンソン・カプラ。
3. 各抵抗（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３）が、前記調節中に測定可能であることを特徴とする、請求項２に記載のウィルキンソン・カプラ。
4. 前記隣接する３つの抵抗（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３）の値の合計が、前記負荷抵抗（Ｒｃ）の値に等しいことを特徴とする、請求項３に記載のウィルキンソン・カプラ。
5. 前記独立した３つの抵抗（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３）が２つの横断金属トラック（９，１０）を経由して連結されており、各横断金属トラック（９，１０）が２つの隣接する抵抗（Ｒ１，Ｒ２）および（Ｒ２，Ｒ３）の間に配設されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のウィルキンソン・カプラ。
6. 前記第１抵抗（Ｒ１）が、前記第３ポート（３）にアクセスするための金属線（１２）に連結されている第１金属端部端子（１１）と前記第１横断トラック（９）との間で接続され、かつ、前記第３抵抗（Ｒ３）が、前記第２横断トラック（１０）と前記第２ポートにアクセスするための金属線（１４）に連結された第２金属端部端子（１３）との間で連結されていることを特徴とする、請求項５に記載のウィルキンソン・カプラ。
7. 前記第１および第２金属端部端子（１１，１３）が、前記第１ポート（１）に接続された前記２つの金属伝送線（４，５）を経由して共に連結されており、前記２つの伝送線（４，５）が、ループ状に連結された金属トラックを形成することを特徴とする、請求項６に記載のウィルキンソン・カプラ。
8. 前記独立した３つの抵抗（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３）が、三角形状に接続されることを特徴とする、請求項１〜７の１つに記載のウィルキンソン・カプラ。
9. 前記独立した３つの抵抗（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３）が、前記望ましい負荷抵抗（Ｒｃ）の値の１／３に等しい同一の値を有することを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載のウィルキンソン・カプラ。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載された、少なくとも１つのウィルキンソン・カプラを含むことを特徴とするマイクロ波装置。

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