JP3025678B1 - ハイブリッドリング回路 - Google Patents

ハイブリッドリング回路

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JP3025678B1
JP3025678B1 JP10271169A JP27116998A JP3025678B1 JP 3025678 B1 JP3025678 B1 JP 3025678B1 JP 10271169 A JP10271169 A JP 10271169A JP 27116998 A JP27116998 A JP 27116998A JP 3025678 B1 JP3025678 B1 JP 3025678B1
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Abstract

【要約】 【課題】 分配率が1に近づいても実現できるハイブリ
ッドリング回路とする。 【解決手段】 分配率が1に近づいた際にインピーダン
スが高くなる第1の線路W12と第3の線路W34を第
1のキャパシタCaと第1のインダクタLaからなる集
中定数回路で置き換え、第2の線路W23と第4の線路
W41を両脇に第2のインダクタLbを接続した分布定
数線路で置き換える。第1のキャパシタCaと第2のイ
ンダクタLbは並列共振するので、省略することができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、分配される出力信
号間の位相差が90゜であると共に、高周波電力を任意
の分配比で分配することのできるハイブリッドリング回
路に関するものである。
【0002】
【従来の技術】ハイブリッド回路は方向性を有する電力
分配回路であり、この回路は電力分配器、可変位相器、
可変減衰器などに用いられている。ハイブリッドリング
回路は、ハイブリッド回路の代表的な回路であり、ハイ
ブリッドリング回路の原理的な構成を示す図を図9に示
す。この図に示すハイブリッドリング回路では4本の分
布定数線路W12,W23,W34,W41がリング状
に接続されて構成されている。また、第1のポートP1
は第1の分布定数線路W12と第4の分布定数線路W4
1との接続点であり、第2のポートP2は第1の分布定
数線路W12と第2の分布定数線路W23との接続点で
あり、第3のポートP3は第2分布定数線路W23と第
3の分布定数線路W34との接続点であり、第4のポー
トP4は第3の分布定数線路W34と第4の分布定数線
路W41との接続点である。
【0003】このように構成されたハイブリッドリング
回路においては、第1のポートP1に入力された高周波
信号は第3のポートP3と第4のポートP4とから90
゜の位相差を有して分配比N:(1−N)で分配されて
出力されるが、第2のポートP2はアイソレートされて
信号は出力されない。この場合の第1の分布定数線路W
12〜第4の分布定数線路W41のインピーダンスおよ
び位相量を図10に示すが、アイソレートされる第2の
ポートP2はZoの抵抗Rで終端される。図10におい
て、第1のポートP1ないし第4のポートP4のインピ
ーダンスはZoとされており、第1の分布定数線路W1
2〜第4の分布定数線路W41の位相量はそれぞれ−9
0°とされ、そのインピーダンスZ1〜Z4は、分配比と
第1のポートP1ないし第4のポートP4のインピーダ
ンスで決定される。
【0004】第1の分布定数線路W12のインピーダン
スZ1は次式で示される。
【数1】 また、第2の分布定数線路W23のインピーダンスZ2
は次式で示される。
【数2】 さらに、第3の分布定数線路W34のインピーダンスZ
3は第1の分布定数線路W12のインピーダンスZ1と等
しい。すなわち、 Z3=Z1 (3) となる。さらにまた、第4の分布定数線路W41のイン
ピーダンスZ4は第2の分布定数線路W23のインピー
ダンスZ2と等しい。すなわち、 Z4=Z2 (4) となる。また、分配率Nの範囲は0<N<1である。
【0005】ここで例えば、分配率N=0.5とされて
分配比が1:1とされ、第1のポートP1ないし第4の
ポートP4のインピーダンスがZo=50Ωとされてい
ると、第1の分布定数線路W12と第3の分布定数線路
W34とのインピーダンスZ 1,Z3はZo、すなわち5
0Ωとなり、第2の分布定数線路W23と第4の分布定
数線路W41とのインピーダンスZ2,Z4はZo/√2
≒35.3Ωとなる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】図9および図10に示
す従来のハイブリッドリング回路において、第1の分布
定数線路W12ないし第4の分布定数線路W41のイン
ピーダンスZ1〜Z4の関係は、(Z1=Z3)>(Z2
4)となる。そして、分配率Nが1に近づくと、上記
(1)式に示すように第1の分布定数線路W12と第3
分布定数線路W34のインピーダンスZ1、Z3が次第に
高くなる。この場合、分布定数線路を同軸線路とすると
インピーダンスを高くするには中心導体の径を細くしな
ければならず、インピーダンスが高くなりすぎると分布
定数線路の実現が困難になると云う問題点があった。
【0007】そこで、本発明は、分配率が1に近づいて
も実現することのできるハイブリッドリング回路を提供
することを目的としている。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明のハイブリッドリング回路は、それぞれ位相
量が−90°に設定された第1の線路(W12)と第3
の線路(W34)が対向し、第2の線路(W23)と第
4の線路(W41)が対向するように前記第1の線路な
いし第4の線路をリング状に接続すると共に、第1の線
路と第4の線路の接続点が第1ポート、第1の線路と第
2の線路の接続点が第2ポート、第2の線路と第3の線
路の接続点が第3ポート、第3の線路と第4の線路の接
続点が第4ポートとされているハイブリッドリング回路
において、分配率を1に近づけるにつれて高インピーダ
ンスに設定される前記第1の線路と第3の線路とを、
ート間に接続される第1のインダクタ、該第1のイン
ダクタの両端とアース間にそれぞれ接続された第1のキ
ャパシタおよび第2のキャパシタからなる第1の回路
成とすると共に、前記第2の線路と第4の線路とを、−
90°より大きく、−180°より小さい所定の位相量
とされたポート間に接続される分布定数線路、該分布
定数線路の両端とアース間にそれぞれ接続された第2の
インダクタおよび第3のインダクタからなる第2の回路
構成とし、前記第1のキャパシタあるいは前記第2のキ
ャパシタ前記第2のインダクタあるいは前記第3の
インダクタとが使用周波数帯域のほぼ中心周波数におい
て共振するようにされて、前記第1のキャパシタおよび
前記第2のキャパシタ前記第2のインダクタおよび
前記第3のインダクタ省略可能とされている。
【0009】また、前記本発明のハイブリッドリング回
路において、前記第1のキャパシタと前記第2のインダ
クタとが省略されて、等価的な第1の線路と等価的な第
3の線路が前記第1のインダクタで構成され、等価的な
第2の線路と等価的な第4の線路が−90°より大き
く、−180°より小さい所定の位相量とされた前記分
布定数線路で構成されるようにしてもよい。さらにま
た、このような構成において、前記第1ポートないし第
4ポートのインピーダンスがZoとされている場合に、
−90°より大きく、−180°より小さい所定の位相
量とされた前記分布定数線路のインピーダンスがZoと
されるようにしたものである。
【0010】このような本発明のハイブリッドリング回
路は、分配率が1に近づいた際にインピーダンスが高く
なる線路を集中定数回路に置き換えているので、分配率
が1に近づいてもハイブリッドリング回路を容易に実現
することができる。また、本発明のハイブリッドリング
回路は、−90°より大きく、−180°より小さい所
定の位相量とされた分布定数線路が2本と、2つのイン
ダクタとのわずか4つの素子によりハイブリッドリング
回路を構成することができる。さらに、インダクタは分
布定数線路より小型となるため、小型でかつ簡易な構成
のハイブリッドリング回路とすることができる。
【0011】
【発明の実施の形態】本発明のハイブリッドリング回路
の実施の形態の構成を図5に示すが、図5に示す構成で
ハイブリッドリング回路を実現する説明を図1ないし図
4および前述した図10を参照しながら説明する。本発
明のハイブリッドリング回路の出発点とされる構成は図
10に示す通りであり、前述したように4本の位相量が
−90°とされた分布定数線路W12,W23,W3
4,W41がリング状に接続されて構成されている。ま
た、第1のポートP1は第1の分布定数線路W12と第
4の分布定数線路W41との接続点であり、第2のポー
トP2は第1の分布定数線路W12と第2の分布定数線
路W23との接続点であり、第3のポートP3は第2分
布定数線路W23と第3の分布定数線路W34との接続
点であり、第4のポートP4は第3の分布定数線路W3
4と第4の分布定数線路W41との接続点である。
【0012】このように構成されたハイブリッドリング
回路において、第1のポートP1に入力された高周波信
号は第3のポートP3と第4のポートP4とから90゜
の位相差を有して分配比N:(1−N)で分配されて出
力されるが、第2のポートP2はアイソレートされて信
号は出力されない。この場合の第1の分布定数線路W1
2〜第4の分布定数線路W41のインピーダンスZ1
4は上記(1)式ないし(4)式で示され、位相量θ1
〜θ4はそれぞれ−90°(位相長λ/4:ただし、λ
は使用周波数における中心周波数の波長)とされてい
る。
【0013】このような構成のハイブリッドリング回路
において、分配率Nが1に近づいても実現できるように
分配率Nが1に近づいた際に、インピーダンスの高くな
る分布定数線路を集中定数回路に置き換えることを考え
てみる。置き換えられる集中定数回路として図1に示す
低域通過型のπ型回路を示す。この低域通過型のπ型回
路は、端子Taと端子Tb間に第1のインダクタLaが
直列に接続され、端子Taとアース間に第1のキャパシ
タCaが接続され、端子Tbとアース間にも第1のキャ
パシタCaが接続されている。この場合の、第1のイン
ダクタLaと第1のキャパシタCaとの値は次式により
求められる。 La=Z’/ωo (5) Ca=1/(ωo・Z’) (6) ただし、Z’はπ型回路のインピーダンス、角周波数ω
oはωo=2πfo(fo:使用周波数の中心周波数)
である。そして、端子Taと端子Tb間の位相量は−9
0°とされ、そのインピーダンスZ’は、インピーダン
スZ1およびインピーダンスZ3と等しい値とされてい
る。すなわち、 Z’=Z1=Z3 (7) である。
【0014】この図1に示す低域通過型のπ型回路で図
10に示す第1の分布定数線路W12と第3の分布定数
線路W34とを置き換えたハイブリッドリング回路の構
成を図2に示す。図2に示すハイブリッドリング回路に
おいて、第1の線路W12ないし第4の線路W41はそ
れぞれ位相量が−90°とされており、これらの第1の
線路W12ないし第4の線路W41がリング状に接続さ
れて構成されている。そして、第1ポートP1ないし第
4のポートP4のインピーダンスはZoとされている。
ここで、第1の線路W12と第3の線路W34は図1に
示すπ型回路とされており、線路に直列に挿入されてい
る第1のインダクタLaと、第1のインダクタLaの両
端とアース間にそれぞれ接続された第1のキャパシタC
aとから第1の線路W12および第3の線路W34は構
成されている。さらに、第2の線路W23と第4の線路
W41は、インピーダンスZ”で位相量θが−90°の
分布定数線路から構成されている。ただし、インピーダ
ンスZ”と位相量θは、図10に示す第2の分布定数線
路W23と第4の分布定数線路W41の位相量θ2,θ4
とインピーダンスZ2,Z4と等しくされている。すなわ
ち、次式で表される。 θ=θ2=θ4 (8) Z”=Z2=Z4 (9)
【0015】次に、図2に示すハイブリッドリング回路
の構成において部品点数を減少させることを考えてみ
る。このハイブリッドリング回路において、第1のキャ
パシタCaに並列に第2のインダクタを設けたとして、
第1のキャパシタCaと第2のインダクタとを使用周波
数帯域の略中心周波数に並列共振させたとする。する
と、並列共振回路のインピーダンスは理論的には無限大
となることから並列共振回路を取り外してもハイブリッ
ドリング回路に影響を与えないことになる。すなわち、
第1のキャパシタCaを削除することができる。そこ
で、第2の分布定数線路W23と第4の分布定数線路W
41とを図3に示す回路で置き換えてみる。図3に示す
回路は、端子Tcと端子Tdの間に直列にインピーダン
スZxで位相量θ’の分布定数線路Wxが接続され、分
布定数線路Wxの両端とアース間に、それぞれ第2のイ
ンダクタLbが接続されている。この場合、端子Tcお
よび端子TdのインピーダンスはZ”(=Z2=Z4)と
され、その端子間の位相量は−90°とされる。
【0016】ここで、第2のインダクタLbと第1のキ
ャパシタCaとを共振させることから、 1−ωo2・Lb・Ca=0 (10) が成立し、 Lb=1/(ωo2・Ca) (11) となり、(11)式に上記(6)式を代入すると、 Lb=1/{ωo2/(ωo・Z’)}=Z’/ωo (12) となる。また、図3に示す回路の各定数は次式で与えら
れる。ただし、数式中のθ’は分布定数線路の長さを電
気角で示したもので、θ’≧0として定義している。 Zx=Z”/sinθ’ (13) Lb=−Z”/(ωo・cosθ’) (14)
【0017】したがって、上記(12)式と(14)と
により、 Z’/ωo=−Z”/(ωo・cosθ’) (15) となり、変形すると、 cosθ’=−Z”・ωo/(Z’・ωo)=−Z”/Z’ (16) ∴ θ’=cos-1(−Z”/Z’) (17) となる。ここで、上記(1)式および上記(7)式よ
り、インピーダンスZ’は、
【数3】 となり、インピーダンスZ”は、上記(2)式および上
記(9)式より、
【数4】 となる。したがって、(16)式、(18)式および
(19)式より、
【数5】 となる。よって、(17)式は、
【数6】 となり、θ’の範囲は90°<θ’<180°になる。
【0018】また、インピーダンスZxは、上記(1
3)式,(19)式および(21)式より、
【数7】 となる。すなわち、インピーダンスZxは分配率Nに無
関係にインピーダンスZoと常に等しくなる。したがっ
て、図3に示す回路は、図4に示す回路と等価となる。
【0019】そこで、図4に示す回路で図2に示すハイ
ブリッドリング回路における第2の分布定数線路W23
と第4の分布定数線路W41とを置き換えた本発明にか
かるハイブリッドリング回路の構成を図5に示す。図5
に示すハイブリッドリング回路は、第1の線路W12な
いし第4の線路W41はそれぞれ位相量が−90°とさ
れており、これらの第1の線路W12ないし第4の線路
W41がリング状に接続されて構成されている。そし
て、第1ポートP1ないし第4のポートP4のインピー
ダンスはZoとされている。ここで、第1の線路W12
と第3の線路W34は、前記したように図1に示すπ型
回路で置き換えられている。また、第2の線路W23と
第4の線路W41は、図4に示す回路で置き換えられて
おり、線路に直列に挿入されたインピーダンスZoで位
相量θ’が前記(21)式に示す位相量とされた分布定
数線路Woと、この分布定数線路Woの両端にそれぞれ
接続された第2のインダクタLbから第2の線路W23
と第4の線路W41は構成されている。
【0020】ここで、第1の線路W12および第3の線
路W34における第1のキャパシタCaと、第2の線路
W23と第4の線路W41線路における第2のインダク
タLbとは、使用周波数帯域の中心周波数foで共振す
る値とされているから、破線で示しているように第1の
キャパシタCaと第2のインダクタLbとを省略するこ
とができる。すなわち、本発明のハイブリッドリング回
路は、第1のインダクタLaで構成される第1の線路お
よび第3の線路と、分布定数線路Woで構成される第2
の線路と第4の線路により構成することができる。
【0021】次に、本発明のハイブリッドリング回路に
おいて、分配率N=0.99とした場合のハイブリッド
リング回路を構成する各素子の定数を具体的に図6に示
す。ただし、第1のポートP1ないし第4のポートP4
のインピーダンスZoは50Ω、使用周波数の中心周波
数foは400MHzとされている。図6に示す本発明
のハイブリッドリング回路は、第1の線路W12’と第
3の線路W34’はインダクタンスが約197.9nH
とされた第1のインダクタLaで構成されており、第2
の分布定数線路W23’と第4の分布定数線路W41’
はインピーダンスZo=50Ω、位相量θ’≒95.7
39°とされた分布定数線路で構成される。第1のイン
ダクタLaの値、および、位相量θ’は、上記(5)式
および上記(21)式から得ることができる。
【0022】このような4本の第1の線路W12ないし
第4の線路W41がリング状に接続されて構成されてい
る。このハイブリッドリング回路は分配率Nが0.99
とされていることから、第1のポートP1から入力され
た高周波信号は、分配比99:1で第4のポートP4と
第3のポートP3から分配されて出力されることにな
る。すなわち、第1のポートP1に0dBmの信号電力
を与えた際に、第4のポートP4からは約−0.043
6dBmの出力が−90°移相されて得られ、第3のポ
ートP3からは−20dBmの出力が入力と同相で得ら
れる。
【0023】ここで、図6に示す本発明のハイブリッド
リング回路の具体的な回路における電気的特性を図7お
よび図8に示す。図7(a)は第1のポートP1ないし
第4のポートP4のVSWR(電圧定在波比)特性であ
り、使用周波数の中心周波数400MHzにおいては、
VSWR=1.000と理想的な値が得られており、3
50MHzないし450MHzの周波数帯域においても
1.052以下の良好なVSWRの値が得られている。
また、図7(b)は伝送されるポート間の伝送特性であ
り、第1のポートP1と第4のポートP4間、および、
第2のポートP2と第3のポートP3間の伝送特性は、
使用周波数の中心周波数400MHzにおいて、−0.
043dBとされており、350MHzないし450M
Hzの周波数帯域においては−0.065〜−0.03
6dBと分配比(99:1)に沿った値とされている。
さらに、第1のポートP1と第3のポートP3間、およ
び、第2のポートP2と第4のポートP4間の伝送特性
は、使用周波数の中心周波数400MHzにおいて、−
19.99dBとされており、350MHzないし45
0MHzの周波数帯域においては−21.18dB〜−
18.64dBと分配比に沿った値とされている。
【0024】さらにまた、図7(c)はアイソレーショ
ンされるポートのアイソレーション特性であり、第1の
ポートP1と第2のポートP2間、および、第3のポー
トP3と第4のポートP4間のアイソレーション特性
は、使用周波数の中心周波数400MHzにおいて、1
00dB以上とされており、350MHzないし450
MHzの周波数帯域においては31.85dB以上と良
好なアイソレーションの値が得られている。
【0025】さらにまた、図8は伝送されるポート間の
位相特性であり、第1のポートP1と第4のポートP4
間、および、第2のポートP2と第3のポートP3間の
位相特性は、使用周波数の中心周波数400MHzにお
いて、−89.99°と理想的な値とされており、35
0MHzないし450MHzの周波数帯域においては−
102.69°〜−77.05°と約±13°以内の良
好なずれの程度とされている。さらに、第1のポートP
1と第3のポートP3間、および、第2のポートP2と
第4のポートP4間の位相特性は、使用周波数の中心周
波数400MHzにおいて、−179.99°とほぼ理
想的な値とされており、350MHzないし450MH
zの周波数帯域においては−192.44°〜−16
6.73°と約±13°以内の良好なずれの程度とされ
ている。この場合、伝送されるポート間の位相差は、使
用周波数の中心周波数400MHzにおいて、90.0
0°と理想的な値とされており、350MHzないし4
50MHzの周波数帯域においては89.68°〜9
0.00°と約0.4°以内の良好なずれの程度とな
る。
【0026】上記説明した本発明のハイブリッドリング
回路においては、第1のポートP1に入力するようにし
たが、これに限るものではなく第2ポートP2ないし第
4のポートP4のいずれであってもよい。例えば、第2
のポートP2に入力すると、第3のポートP3と第4の
ポートP4にN:(1−N)の分配比で出力されると共
に、第1のポートP1がアイソレーションポートとな
る。また、第3のポートP3に入力すると、第2のポー
トP2と第1のポートP1にN:(1−N)の分配比で
出力されると共に、第4のポートP4がアイソレーショ
ンポートとなる。さらに、第4のポートP4に入力する
と、第1のポートP1と第2のポートP2にN:(1−
N)の分配比で出力されると共に、第3のポートP3が
アイソレーションポートとなる。
【0027】
【発明の効果】本発明は以上のように構成されているの
で、本発明のハイブリッドリング回路において、分配率
が1に近づいた際にインピーダンスが高くなる線路を集
中定数回路に置き換えているので、分配率が1に近づい
てもハイブリッドリング回路を容易に実現することがで
きる。また、本発明のハイブリッドリング回路は、−9
0°より大きく、−180°より小さい所定の位相量と
された分布定数線路が2本と、2つのインダクタとのわ
ずか4つの素子によりハイブリッドリング回路を構成す
ることができる。さらに、インダクタは分布定数線路よ
り小型となるため、小型でかつ簡易な構成のハイブリッ
ドリング回路とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】ハイブリッドリング回路における分布定数線路
を置き換える低域通過型のπ型回路を示す図である。
【図2】図1に示すπ型回路で2本の分布定数線路を置
き換えたハイブリッドリング回路の構成を示す図であ
る。
【図3】ハイブリッドリング回路における分布定数線路
を置き換える回路を示す図である。
【図4】図3に示す回路を解析した結果を示す回路を示
す図である。
【図5】本発明の実施の形態のハイブリッドリング回路
の構成を示す図である。
【図6】本発明の実施の形態のハイブリッドリング回路
のおける一態様の構成を示す図である。
【図7】本発明の実施の形態のハイブリッドリング回路
におけるVSWR特性、伝送特性、アイソレーション特
性を示す図表である。
【図8】本発明の実施の形態のハイブリッドリング回路
における位相特性を示す図表である。
【図9】従来のハイブリッドリング回路の原理的な構成
を示す図である。
【図10】原理的な構成のハイブリッドリング回路にお
ける各分布定数線路の定数を示す図である。
【符号の説明】
Ca 第1のキャパシタ La 第1のインダクタ Lb 第2のインダクタ P1 第1のポート P2 第2のポート P3 第3のポート P4 第4のポート R 抵抗 Ta,Tb,Tc,Td 端子 W12,W23,W34,W41,Wo,Wx,W1
2’,W23’,W34’,W41’ 線路,分布定数
線路

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 それぞれ位相量が−90°に設定された
    第1の線路(W12)と第3の線路(W34)が対向
    し、第2の線路(W23)と第4の線路(W41)が対
    向するように前記第1の線路ないし第4の線路をリング
    状に接続すると共に、第1の線路と第4の線路の接続点
    が第1ポート、第1の線路と第2の線路の接続点が第2
    ポート、第2の線路と第3の線路の接続点が第3ポー
    ト、第3の線路と第4の線路の接続点が第4ポートとさ
    れているハイブリッドリング回路において、 分配率を1に近づけるにつれて高インピーダンスに設定
    される前記第1の線路と第3の線路とを、ポート間に接
    続される第1のインダクタ、該第1のインダクタの両
    端とアース間にそれぞれ接続された第1のキャパシタ
    よび第2のキャパシタからなる第1の回路構成とすると
    共に、前記第2の線路と第4の線路とを、−90°より
    大きく、−180°より小さい所定の位相量とされた
    ート間に接続される分布定数線路、該分布定数線路の
    両端とアース間にそれぞれ接続された第2のインダクタ
    および第3のインダクタからなる第2の回路構成とし
    前記第1のキャパシタあるいは前記第2のキャパシタ
    前記第2のインダクタあるいは前記第3のインダク
    タとが使用周波数帯域のほぼ中心周波数において共振す
    るようにされて、前記第1のキャパシタおよび前記第2
    のキャパシタ前記第2のインダクタおよび前記第3
    のインダクタ省略可能とされていることを特徴とす
    るハイブリッドリング回路。
  2. 【請求項2】 前記第1のキャパシタと前記第2のイン
    ダクタとが省略されて、等価的な第1の線路と等価的な
    第3の線路が前記第1のインダクタで構成され、等価的
    な第2の線路と等価的な第4の線路が−90°より大き
    く、−180°より小さい所定の位相量とされた前記分
    布定数線路で構成されていることを特徴とする請求項1
    記載のハイブリッドリング回路。
  3. 【請求項3】 前記第1ポートないし第4ポートのイン
    ピーダンスがZoとされている場合に、−90°より大
    きく、−180°より小さい所定の位相量とされた前記
    分布定数線路のインピーダンスがZoとされることを特
    徴とする請求項2記載のハイブリッドリング回路。
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