JP2671051B2

JP2671051B2 - インピーダンス整合回路

Info

Publication number: JP2671051B2
Application number: JP2991490A
Authority: JP
Inventors: 矩芳寺田; 吉英山田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1990-02-09
Filing date: 1990-02-09
Publication date: 1997-10-29
Anticipated expiration: 2012-10-29
Also published as: JPH03235402A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は二つの周波数に対して異なる二つのインピー
ダンス間の整合をとるインピーダンス整合回路に関す
る。本発明は、伝送線路の特性インピーダンスと線路長
を適切に選択することにより、簡易な回路構成を用い、
任意の二つの周波数において実質的にインピーダンス整
合を得るものである。

〔従来の技術〕

異なる二つの周波数で給電回路を共用する場合には、
その二つの周波数に対してインピーダンス整合をとるこ
とが必要である。異なるインピーダンス間を整合させる
ための簡単な回路として、電気長が90度となる伝送線路
を用いたもの、すなわちλ/4インピーダンス変換回路を
用いたものが知られている。この例を第４図に示す。

この例に示したインピーダンス整合回路では、インピ
ーダンスがそれぞれr_i、r_oの線路３、４の間に伝送線路
５が接続され、この伝送線路５が、二つのインピーダン
スr_i、r_oの間の整合をとる。伝送線路５としては、線路
長ｌが整合をとるべき周波数f₁（波長λ_１）において電
気長が90度となるλ/4に等しく、その特性インピーダン
スｚがｚ＝（r_i・r_o）^1/2 のものが用いられる。

第５図は第４図に示した従来例の入力反射係数特性を
示す。横軸は周波数を整合をとるべき周波数f₁で規格化
した値を示し、縦軸は入力反射係数S₁₁を示す。

また、このλ/4インピーダンス変換回路を広帯域化す
るために、λ/4線路を多段に接続したものも知られてい
る。この例を第６図に示す。

第６図に示した従来例は、λ/4線路を二段接続したイ
ンピーダンス整合回路の例であり、マイクロストリップ
線路で構成したものである。

インピーダンスがr_i、r_oの二つの線路３、４の間に
は、二つ伝送線路５が縦続に接続される。インピーダン
スr_i側に接続される伝送線路５の線路長をl₁、特性イン
ピーダンスをz₁とし、インピーダンスr_o側に接続される
伝送線路５の線路長をl₂、特性インピーダンスをz₂とす
ると、周波数f₁（波長λ_１）と周波数f₂（波長λ_２）と
の双方に対して整合をとるためには、 l₁＝l₂（λ_１＋λ_２）/8 z₁＝４・r_i（r_i/r_o）^1/2 z₂＝４・r_o（r_o/r_i）^1/2 とする。

このときの入力反射係数特性を第７図に示す。ただ
し、この特性は、インピーダンスr_oとインピーダンスr_i
との比が２、周波数f₂の値が周波数f₁の値の二倍であ
り、二つの周波数f₁、f₂の平均値で整合をとる場合、す
なわち、 r_o/r_i＝２ f₂＝2f₁ ｆ＝（f₁＋f₂）/2 の場合の例である。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、λ/4線路を単独で使用した場合には、インピ
ーダンス整合を実現できる周波数範囲が線路の電気長が
90度の奇数倍となる付近に限定される。したがって、そ
のようなインピーダンス整合回路では、適用できる周波
数範囲が整合設定周波数の奇数倍の周波数近傍だけとな
り、しかもその周波数が固定的であった。したがって、
任意の二つの周波数で整合をとることは不可能であっ
た。

また、λ/4線路を多段に接続した場合でも、その整合
周波数での反射特性が二倍程度に改善できるだけであ
り、任意の２周波数において整合をとることは不可能で
あった。

本発明は、以上の課題を解決し、簡易な回路構成で任
意の二つの周波数に対して実質的にインピーダンス整合
を得ることのできるインピーダンス整合回路を提供する
ことを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明のインピーダンス整合回路は、二つのインピー
ダンスr_i、r_oの間に縦続に接続された二つの伝送線路を
備え、この二つの伝送線路は、それぞれの長さl₁、l₂お
よび特性インピーダンスz₁、z₂が、二つの周波数f₁、f₂
の波長をそれぞれλ_１、λ_１とし、正整数ｎに対してta
n（ｎπ／（１＋f₂/f₁））＝ｔとするとき、実質的に、 l₁＝l₂＝（n/2）・λ_１λ₂/（λ_１＋λ_２） z₁＝〔〔−r_i−r_o）/t²＋［｛r_i（r_i−r_o）/t²｝^２＋4r_i ³r_o］^1/2〕×1/2〕^1/2 z₂＝〔〔−r_o（r_o−r_i）/t²＋［｛r_o（r_o−r_i）/t²｝^２＋4r_ir_o ³］^1/2〕×1/2〕^1/2 に設定されたことを特徴とする。ｎ＝１であることが望
ましい。

〔作用〕

長さl₁、l₂、特性インピーダンスz₁、z₂の二つの伝送
線路を縦続接続すると、その両端の電圧および電流は、で表される。ただしβは伝搬定数であり、伝搬する信号
の波長λに対してβ＝２π／λの関係がある。

ここで、とすると、である。

特性インピーダンスがz₁の伝送線路にインピーダンス
r_iが接続され、他方の伝送線路にインピーダンスr_oが接
続されたとして、インピーダンス整合を得るには、伝搬
周波数に対して、となることが必要である。伝搬周波数がf₁（波長が
λ_１）であるとすると、となる。ただし、 ρ＝z₂/z₁ ……（７）である。（５）式から、 r_i（c₁₁c₁₂−ρs₁₁s₁₂）＝r_o（c₁₁c₁₂−s₁₁s₁₂/ρ） ……（８） r_ir_o（s₁₁c₁₂/z₁＋c₁₁s₁₂/z₂）＝z₂c₁₁c₁₂＋z₁s₁₁c₁₂ ……（９）が得られる。

周波数f₂（波長λ_２）に対してもインピーダンス整合
を得るには、として、（５）式と同等の式から、 r_i（c₂₁c₂₂−ρs₂₁s₂₂）＝r_o（c₂₁c₁₂−s₂₁s₂₂/ρ） ……（11） r_ir_o（s₂₁c₂₂/z₁＋c₂₁s₂₂/z₂）＝z₂c₂₁c₁₂＋z₁s₂₁c₁₂ ……（12）を満たすことが必要である。

ここで、 c₁₁、c₁₂、c₂₁、c₂₂≠０とし、を用いて（８）式、（11）式を変形すると、（r_iρ−r_o/ρ）t₁₁t₁₂＝（r_i−r_o） ……（14）（r_iρ−r_o/ρ）t₂₁t₂₂＝（r_i−r_o） ……（15）が得られる。ここで、 r_iρ−r_o/ρ≠０すなわち r_iz₂ ²−r_oz₁ ²≠０であれば、（14）式および（15）式から、 t₁₁t₁₂＝t₂₁t₂₂ ……（16）が得られる。

また、（13）式を用いて（９）式、（12）式を変形す
ると、｛（r_ir_o−z₁ ²）/z₁｝t₁₁ ＝−｛（r_ir_o−z₂ ²）/z₂｝t₁₂ ……（17）｛（r_ir_o−z₁ ²）/z₁｝t₂₁ ＝−｛（r_ir_o−z₂ ²）/z₂｝t₂₂ ……（18）が得られる。ここで、 r_ir_o−z₁ ²≠０、r_ir_o−z₂ ²≠０であれば、（17）式および（18）式から、 t₁₁t₂₂＝t₁₂t₂₁ ……（19）が得られる。

（16）式と（19）式を乗算すると、 t₁₁t₁₂×t₁₁t₂₂＝t₂₁t₂₂×t₁₂t₂₁ ……（20）となり、 t₁₂、t₂₂≠０であれば、 t₁₁ ²＝t₂₁ ² ……（21）となる。したがって、すなわち、が得られる。ただしｎは整数である。

（22）式から、l₁の値として、 l₁＝（n/2）・λ_１λ₂/（λ_２±λ_１） ……（23）が得られる。

また、（16）式と（19）式から、 t₁₁t₁₂×t₁₂t₂₁＝t₂₁t₂₂×t₁₁t₂₂ ……（24）とすると、 t₁₁、t₂₁≠０であれば、 t₂₂ ²＝t₁₂ ² ……（25）となる。したがって、 l₂＝（m/2）・λ_１λ₂/（λ_１±λ_２） ……（26）が得られる。ただしｍは整数である。

ここで、ｍ、ｎがｍ＝ｎなる正整数とし、 l₁＝l₂＝（n/2）・λ_１λ₂/（λ_１＋λ_２） ……（27）とする。これより、 t₁₁＝t₁₂、t₂₁＝t₂₂ ……（27）となる。ここで、 t₁₁＝t₁₂＝ｔ ……（28）とすると、（17）式は、（r_ir_o−z₁ ²）/z₁＝−（r_ir_o−z₂ ²）/z₂ となる。この式をz₂について解くと、 z₂＝r_ir_o/z₁ ……（29）が得られる。（28）式と（29）式とから、（14）式は、（r_i ²r_o/z₁ ²−r_oz₁ ²/r_ir_o）t²＝r_i−r_o ……（30）が得られる。これを変形すると、 z₁ ⁴＋（r_i−r_o）（r_i/t²）z₁ ²−r_i ³r_o＝０ ……（31）が得られる。したがって、が得られる。同様に、が得られる。

ここで、ｔは、である。

このように、二つの周波数f₁、f₂に対して、（27）、
（32）および（33）式が満たされるように二つの伝送線
路を選択すれば、この二つの周波数f₁、f₂に対して実質
的にインピーダンス整合を得ることができる。この二つ
の周波数f₁、f₂の値は任意に選ぶことができる。

〔実施例〕

第１図は本発明実施例インピーダンス整合回路の構成
図であり、第２図は具体例としてマイクロストリップ線
路で実施した場合の構成を示す。

この回路は、互いに異なる二つの周波数f₁、f₂に対し
て二つのインピーダンスr_i、r_oを整合させるインピーダ
ンス整合回路であり、インピーダンスがr_i、r_oの二つの
線路３、４の間に縦続に接続された二つの伝送線路１、
２を備え、この二つの伝送線路１、２は、それぞれの長
さl₁、l₂および特性インピーダンスz₁、z₂が、二つの周
波数f₁、f₂の波長をそれぞれλ_１、λ_２とし、tan（π/
1＋f₂/f₁）＝ｔとするとき、実質的に、 l₁＝l₂＝（1/2）・λ_１λ₂/（λ_１＋λ_２） z₁＝〔〔−r_i（r_i−r_o）/t²＋［｛r_i（r_i−r_o）/t²｝^２＋4r_i ³r_o］^1/2〕×1/2〕^1/2 z₂＝〔〔−r_o（r_o−r_i）/t²＋［｛r_o（r_o−r_i）/t²｝^２＋4r_ir_o ³］^1/2〕×1/2〕^1/2 に設定されている。

ここで、伝送線路１と線路３との接続点をＡ、伝送線
路２と線路４との接続点をＢ、伝送線路１と伝送線路２
との接続点をＣとする。

Ｃ点から伝送線路２側をみたインピーダンスをz₂′と
すると、この値は周波数特性をもつ。そこで、周波数f₁
において、伝送線路１の線路長l₁と特性インピーダンス
z₁をz₂′とr_iとが整合するように選択する。

また、別の周波数f₂において、周波数f₁における整合
回路である伝送線路１がz₂′と同様に周波数特性をもつ
ため、周波数f₂では整合回路としては働かない。このた
め、周波数f₂においてＣ点から伝送線路１をみたインピ
ーダンスをz₁′とするときに、伝送線路２の線路長l₂と
特性インピーダンスz₂をz₁′とr_oとが整合するように選
択する。

このとき二段の伝送線路１、２は、周波数f₁において
伝送線路１が整合回路として働き、周波数f₂において
は、伝送線路２が整合回路として動作する。したがっ
て、任意に選んだ二つの周波数に対してインピーダンス
整合をとることができる。

具体的な線路長および特性インピーダンスを決定する
には、周波数f₁において、z₁、l₁が、を満たすようにすればよい。また、周波数f₂において、
z₂、l₂が、を満たすようにすればよい。これを満たすz₁、l₁、z₂、
l₂の値は上述したとおりである。

マイクロストリップ線路で実施する場合には、線路長
や線幅については、特性インピーダンスと使用する基板
の誘電率などによって決定される基板内の波長により求
められる。

第３図は実施例回路における入力反射係数S₁₁の特性
例を示す。この例では、インピーダンスr_oとインピーダ
ンスr_iとの比が２（r_o/r_i＝２）で、整合をとるべき周
波数f₁とf₂との間の周波数比が２（f₂＝2f₁）の場合
に、マイクロストリップ線路により実施した場合の値を
示す。ここで、伝送線路１、２の特性インピーダンスお
よび線路長は、 z₁＝1.261r_i l₁＝0.1667λ_１ z₁＝1.586r_i l₂＝0.1667λ_１であり、図における横軸の周波数は周波数f₁で規格化さ
れている。

第３図に示したように、整合をとるべき二つの周波数
f₁、2f₁で入力反射係数が小さくなり、インピーダンス
整合がとれていることがわかる。また、第５図に示した
従来例の特性と比例すると、入力反射係数が−15dB以下
となる範囲が広く、従来のインピーダンス整合回路に比
べて広い帯域が得られる。

本発明を例えばマイクロストリップ線路で実施する場
合には、普通の線路と同様に、その特性インピーダンス
と線路長に応じて線路幅と線路長を選択するだけでよ
く、特別の付加物や余分な構成を必要とせずに簡単に実
施できる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明のインピーダンス整合回
路は、任意の離れた二周波数に対してインピーダンス整
合をとることができる。本発明を実施するための構成
は、従来の伝送線路と同等の製造方法を用いて実現で
き、λ/4線路を多段化して広帯域化したものと比較して
も、同じ二つの周波数を整合するときの構成を小型化で
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例インピーダンス整合回路の構成
図。第２図はマイクロストリップ線路で実施した場合の構成
を示す図。第３図は実施例回路における入力反射係数S₁₁の特性例
を示す図。第４図はλ/4インピーダンス変換回路を用いた従来例イ
ンピーダンス整合回路の構成図。第５図はこの従来例の入力反射係数特性を示す図。第６図はλ/4線路を二段接続した従来例インピーダンス
整合回路の構成図。第７図はこの従来例の入力反射係数特性を示す図。１、２、５……伝送線路、３、４……線路。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】互いに異なる二つの周波数f₁、f₂に対して
二つのインピーダンスr_i、r_oを整合させるインピーダン
ス整合回路において、前記二つのインピーダンスr_i、r_oの間に縦続に接続され
た二つの伝送線路を備え、この二つの伝送線路は、それぞれの長さl₁、l₂および特
性インピーダンスz₁、z₂が、前記二つの周波数f₁、f₂の
波長をそれぞれλ_１、λ_２とし、正整数ｎに対してtan
（ｎπ／（１＋f₂/f₁））＝ｔとするとき、実質的に、 l₁＝l₂＝（n/2）・λ_１λ₂/（λ_１＋λ_２） z₁＝〔〔−r_i−r_o）/t²＋［｛r_i（r_i−r_o）/t²｝^２＋4r_i ³r_o］^1/2〕×1/2〕^1/2 z₂＝〔〔−r_o（r_o−r_i）/t²＋［｛r_o（r_o−r_i）/t²｝^２＋4r_ir_o ³］^1/2〕×1/2〕^1/2 に設定されたことを特徴とするインピーダンス整合回路。