JP3795295B2 - モノリシックマイクロ波電力分配合成回路 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力分配・合成機能を小型に集積化することが必須のモノリシックマイクロ波集積回路への適用に適するモノリシックマイクロ波電力分配合成回路に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、高周波信号の分配または合成を行うために使用される電力分配合成回路としては、図11に示すような分布定数線路を組み合わせた電力分配合成回路が一般的に使用されている(例えば、R. K. Gupta et al. :"Quasi-lumped-e1ement 3- and 4-port networks for MIC and MMIC app1ications", 1984 IEEE MTT-S Digest, pp. 409-411. に基本的な動作原理が示されている。)。
【0003】
すなわち、図11は分布定数線路を組み合わせた従来の電力分配合成回路の構成を示す回路図である。
【0004】
同図において、81、82、83は入出力端子、84は抵抗値Rの抵抗素子、85、86は周波数f0での電気長が90度の分布定数線路である。
【0005】
ここで、入出力端子81、82、83に接続される負荷インピーダンスをZ0とした場合、周波数f0における入出力端子81、82、83での入出力整合条件を満足させ、かつ、入出力端子81と入出力端子82間、および入出力端子81と入出力端子83間に対する分配・合成比を等しくする場合には、高周波伝送線路85、86の特性インピーダンスは21/2Z0に設定される。この場合、入出力端子81から高周波信号を入力すると、1/2ずつに分配された高周波信号が入出力端子82および入出力端子83から同相で出力される。また、周波数f0での入出力端子82と入出力端子83との間のアイソレーション条件を満足させるために、抵抗素子84の抵抗値Rは2Z0に設定される。この場合、入出力端子82から高周波信号を入力すると、入出力端子83では抵抗値Rの抵抗素子84を通過した高周波信号と、分布定数線路85および分布定数線路86を通過した高周波信号が等振幅かつ逆相で合成されるため、出力されない。
【0006】
次に、回路を小型にするため、分布定数線路85、86の代わりに集中定数素子を組み合わせた他の従来の電力分配合成回路の構成を図12に示す。
【0007】
すなわち、図12は集中定数素子を組み合わせた従来の電力分配合成回路の構成を示す回路図である。
【0008】
同図において、91、92、93は入出力端子、94は抵抗値Rの抵抗素子、95、96、97、98はインダクタ、99、l00はキャパシタである。
【0009】
ここで、入出力端子91、92、93に接続される負荷インピーダンスをZ0とした場合、周波数f0における入出力端子91、92、93での入出力整合条件を満足させ、かつ、入出力端子91と入出力端子92間、および入出力端子91と入出力端子93間に対する分配・合成比を等しくする場合には、インダクタ95、96、97、98のインダクタンスはZ0/(21/2πf0)に、また、キャパシタ99、100の容量は1/(2・21/2πf0Z0)に設定される。この場合、入出力端子91から高周波信号を入力すると、1/2ずつに分配された高周波信号が入出力端子92および入出力端子93から同相で出力される。また、周波数f0での入出力端子92と入出力端子93との間のアイソレーション条件を満足させるために、抵抗素子94の抵抗値Rは2Z0に設定される。この場合、入出力端子92から高周波信号を入力すると、入出力端子93では抵抗値Rの抵抗素子94を通過した高周波信号とインダクタ95、96、97、98を通過した高周波信号が等振幅かつ逆相で合成されるため、出力されない。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
このように、図11のような分布定数線路を組み合わせた従来の電力分配合成回路では、周波数f0での電気長が90度の大型の分布定数線路を含んでいる。したがって、小型化・高集積化が要求されるモノリシックマイクロ波集積回路への適用には不向きであるという課題がある。
【0011】
また、図12のような集中定数素子を組み合わせた他の従来の電力分配合成回路では、インダクタンスがZ0/(21/2πf0)の直列インダクタが4個含まれている。一般に、モノリシックマイクロ波集積回路においてインダクタはキャパシタに比較して占有面積が大きい。そのため、高集積化に適していないという課題がある。
【0012】
本発明の目的は、小型化・高集積化が要求されるモノリシックマイクロ波集積回路への適用に適するモノリシックマイクロ波電力分配合成回路を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明のモノリシックマイクロ波電力分配合成回路は、第1の入出力端子に一端が接続され、他端が接地された第1のインダクタと、前記第1の入出力端子に一端が接続され、第2の入出力端子に他端が接続された第1のキャパシタと、前記第1の入出力端子に一端が接続され、第3の入出力端子に他端が接続された第2のキャパシタと、前記第2の入出力端子に一端が接続され、前記第3の入出力端子に他端が接続された、第1の抵抗素子と第2のインダクタとの直列回路とを有し、前記第1乃至第3の入出力端子に接続される負荷インピーダンスを実数であるZ0、周波数をf0としたときに、前記第1および第2のインダクタのインダクタンスLをZ0/(2πf0)とし、前記第1および第2のキャパシタのキャパシタンスCを1/(2πf0Z0)とし、前記第1の抵抗素子の抵抗RをZ0としたことを特徴とする。
【0014】
また、本発明のモノリシックマイクロ波電力分配合成回路は、第1の入出力端子に一端が接続され、他端が接地された第1のキャパシタと、前記第1の入出力端子に一端が接続され、第2の入出力端子に他端が接続された第1のインダクタと、前記第1の入出力端子に一端が接続され、第3の入出力端子に他端が接続された第2のインダクタと、前記第2の入出力端子に一端が接続され、前記第3の入出力端子に他端が接続された、第1の抵抗素子と第2のキャパシタとの直列回路とを有し、前記第1乃至第3の入出力端子に接続される負荷インピーダンスを実数であるZ0、周波数をf0としたときに、前記第1および第2のインダクタのインダクタンスLをZ0/(2πf0)とし、前記第1および第2のキャパシタのキャパシタンスCを1/(2πf0Z0)とし、前記第1の抵抗素子の抵抗RをZ0としたことを特徴とする。
【0015】
本発明では、上記の構成により、モノリシックマイクロ波電力分配合成回路を集中定数素子のみで構成し、しかも、インダクタとキャパシタの組み合わせ方法を工夫したことにより、インダクタのインダクタンスと個数を低減でき、その結果、回路寸法の小型化を達成できる。したがって、小型化・高集積化が要求されるモノリシックマイクロ波集積回路への適用に適するモノリシックマイクロ波電力分配合成回路を提供できる。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、以下で説明する図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【0017】
実施の形態1
図1は本発明の実施の形態1のモノリシックマイクロ波電力分配合成回路の構成を示す回路図であって、請求項1の発明に対応する。
【0018】
同図において、1、2、3は入出力端子、4、5は共に同じ容量Cのキャパシタ、6、7は共に同じインダクタンスLのインダクタ、8は抵抗値Rの抵抗素子である。
【0019】
本実施の形態1のモノリシックマイクロ波電力分配合成回路は、第1の入出力端子1に一端が接続され、他端が接地された第1のインダクタ6と、第1の入出力端子1に一端が接続され、第2の入出力端子2に他端が接続された第1のキャパシタ4と、第1の入出力端子1に一端が接続され、第3の入出力端子3に他端が接続された第2のキャパシタ5と、第2の入出力端子2に一端が接続され、第3の入出力端子3に他端が接続された、第1の抵抗素子8と第2のインダクタ7との直列回路とを有する。
【0020】
ここで、周波数f0における入出力端子1、2、3での入出力整合条件、入出力端子1と入出力端子2間、および入出力端子1と入出力端子3間に対する分配・合成比を等しくする条件、さらに入出力端子2と入出力端子3との間のアイソレーション条件を満足するための定数を求めることにする。
【0021】
入出力端子1、2、3に接続される負荷インピーダンスをZ0と仮定し、図1のモノリシックマイクロ波電力分配合成回路を入出力端子2および入出力端子3から同相励振した場合の等価回路図を図2に、入出力端子2および入出力端子3から逆相励振した場合の等価回路図を図3に示す。
【0022】
図2において、11、12は入出力端子、13はインダクタンス2Lのインダクタ、14は容量Cのキャパシタである。
【0023】
また、図3において、22は入出力端子、23は容量Cのキャパシタ、24は抵抗値R/2の抵抗素子、25はインダクタンスL/2のインダクタである。
【0024】
図2の等価回路図より、図1の電力分配合成回路においての周波数f0における入出力端子1、2、3での入出力整合条件、および入出力端子1と入出力端子2間、および入出力端子1と入出力端子3間に対する分配・合成比を等しくする条件として、
L=Z0/(2πf0) (1)
C=1/(2πf0Z0) (2)
が得られる。さらに、図3の等価回路図、および(1)、(2)式より、入出力端子2と入出力端子3との間のアイソレーション条件として、
R=Z0 (3)
が得られる。
【0025】
以上より、インダクタ6、7のインダクタンスLをZ0/(2πf0)に、キャパシタ4、5の容量Cを1/(2πf0Z0)に、抵抗値RをZ0に設定すればよいことがわかる。
【0026】
この場合、入出力端子1から高周波信号を入力すると、1/2ずつに分配された高周波信号が入出力端子2および入出力端子3から同相で出力される。また、入出力端子2から高周波信号を入力すると、入出力端子3では抵抗値Rの抵抗素子8を通過した高周波信号と、キャパシタ4、5を通過した高周波信号が等振幅かつ逆相で合成されるため、出力されない。
【0027】
図4は本発明の実施の形態1に基づくモノリシックマイクロ波電力分配合成回路の具体例を示す回路図である。
【0028】
同図において、31、32、33は入出力端子、34、35は容量Cのキャパシタ、36、37はインダクタンスLのインダクタ、38は抵抗値Rの抵抗素子である。
【0029】
周波数f0=1GHzとし、入出力端子31、32、33に接続される負荷インピーダンスをZ0=50Ωとし、また、インダクタ36、37のインダクタンスL=Z0/(2πf0)=7.96nHとし、また、キャパシタ34、35の容量C=1/(2πf0Z0)=3.18pFとし、さらに、抵抗素子38の抵抗値R=Z0=50Ωとする。
【0030】
図5は本実施の形態1の周波数特性として、順方向伝達係数S21、入力反射係数S11、S22、アイソレーションS32の数値シミュレーション結果を示す図である。
【0031】
同図より、周波数f=0.89GHz〜1.18GHzにおいて、分配損失として(3.05±0.05)dB、入力反射量として−20dB以下、アイソレーションとして20dB以上の特性が得られていることがわかる。
【0032】
実施の形態2
図6は本発明の実施の形態2のモノリシックマイクロ波電力分配合成回路の構成を示す回路図であって、請求項2の発明に対応する。
【0033】
同図において、41、42、43は入出力端子、44、45は共に同じインダクタンスLのインダクタ、46、47は共に同じ容量Cのキャパシタ、48は抵抗値Rの抵抗素子である。
【0034】
本実施の形態2のモノリシックマイクロ波電力分配合成回路は、第1の入出力端子41に一端が接続され、他端が接地された第1のキャパシタ46と、第1の入出力端子41に一端が接続され、第2の入出力端子42に他端が接続された第1のインダクタ44と、第1の入出力端子41に一端が接続され、第3の入出力端子43に他端が接続された第2のインダクタ45と、第2の入出力端子42に一端が接続され、第3の入出力端子43に他端が接続された、第1の抵抗素子48と第2のキャパシタ47との直列回路とを有する。
【0035】
ここで、周波数f0における入出力端子41、42、43での入出力整合条件、入出力端子41と入出力端子42間、および入出力端子41と入出力端子43間に対する分配・合成比を等しくする条件、さらに入出力端子42と入出力端子43との間のアイソレーション条件を満足するための定数を求めることにする。
【0036】
入出力端子41、42、43に接続される負荷インピーダンスをZ0と仮定し、図6のモノリシックマイクロ波電力分配合成回路を入出力端子42および入出力端子43から同相励振した場合の等価回路図を図7に、入出力端子42および入出力端子43から逆相励振した場合の等価回路図を図8に示す。
【0037】
図7において、51、52は入出力端子、53は容量C/2のキャパシタ、54はインダクタンスLのインダクタである。
【0038】
また、図8において、62は入出力端子、63はインダクタンスLのインダクタ、64は抵抗値R/2の抵抗素子、65は容量2Cのキャパシタである。
【0039】
図7の等価回路図より、図6の電力分配合成回路においての周波数f0における入出力端子41、42、43での入出力整合条件、および入出力端子41と入出力端子42間、および入出力端子41と入出力端子43間に対する分配・合成比を等しくする条件として、
L=Z0/(2πf0) (4)
C=1/(2πf0Z0) (5)
が得られる。さらに、図8の等価回路図、および(4)、(5)式より、入出力端子42と入出力端子43との間のアイソレーション条件として、
R=Z0 (6)
が得られる。
【0040】
以上より、インダクタ44、45のインダクタンスLをZ0/(2πf0)に、キャパシタ46、47の容量Cを1/(2πf0Z0)に、抵抗値RをZ0に設定すればよいことがわかる。
【0041】
この場合、入出力端子41から高周波信号を入力すると、1/2ずつに分配された高周波信号が入出力端子42および入出力端子43から同相で出力される。また、入出力端子42から高周波信号を入力すると、入出力端子43では抵抗値Rの抵抗素子48を通過した高周波信号と、インダクタ44、45を通過した高周波信号が等振幅かつ逆相で合成されるため、出力されない。
【0042】
図9は本発明の実施の形態2に基づくモノリシックマイクロ波電力分配合成回路の具体例を示す回路図である。
【0043】
同図において、71、72、73は入出力端子、74、75はインダクタンスLのインダクタ、76、77は容量Cのキャパシタ、78は抵抗値Rの抵抗素子である。
【0044】
周波数f0=1GHzとし、入出力端子71、72、73に接続される負荷インピーダンスをZ0=50Ωとし、また、インダクタ74、75のインダクタンスL=Z0/(2πf0)=7.96nHとし、また、キャパシタ76、77の容量C=1/(2πf0Z0)=3.18pFとし、さらに、抵抗素子78の抵抗値R=Z0=50Ωとする。
【0045】
図10は本実施の形態2の周波数特性として、順方向伝達係数S21、入力反射係数S11、S22、アイソレーションS32の数値シミュレーション結果を示す図である。
【0046】
同図より、周波数f=0.85GHz〜1.13GHzにおいて、分配損失として(3.05±0.05)dB、入力反射量として−20dB以下、アイソレーションとして20dB以上の特性が得られていることがわかる。
【0047】
前記実施の形態1、2においては、図11に示した分布定数線路を組み合わせた従来の電力分配合成回路に比べてはもちろんのこと、さらに図12に示した集中定数素子を組み合わせた他の従来の電力分配合成回路に比較しても、小型化を図ることができる。すなわち、図12の従来の電力分配合成回路では、インダクタンスがZ0/(21/2πf0)のインダクタを4個使用している。一方、前記実施の形態1、2のモノリシックマイクロ波電力分配合成回路ではインダクタを2個使用しており、しかもそのインダクタンスはZ0/(2πf0)と小さい。そのため、1個のインダクタンスが1/(21/2)であり、しかも個数も半分で済むという二重の面積削減効果がある。したがって、前記実施の形態1、2のモノリシックマイクロ波電力分配合成回路は、大型のインダクタの使用がチップ面積の小型化の妨げとなるモノリシックマイクロ波集積回路への適用に有効である。
【0048】
なお、以上述べた実施の形態は全て本発明の実施の形態を例示的に示すものであって、限定的に示すものではなく、本発明は他の種々の変形態様および変更態様で実施することができる。したがって、本発明の範囲は特許請求の範囲およびその均等範囲によってのみ規定されるものである。
【0049】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、回路寸法の小型化を達成できるので、小型化・高集積化が要求されるモノリシックマイクロ波集積回路への適用に適するモノリシックマイクロ波電力分配合成回路を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の形態1のモノリシックマイクロ波電力分配合成回路の構成を示す回路図である。
【図2】 図1のモノリシックマイクロ波電力分配合成回路を入出力端子2および入出力端子3から同相励振した場合の等価回路図である。
【図3】 図1のモノリシックマイクロ波電力分配合成回路を入出力端子2および入出力端子3から逆相励振した場合の等価回路図である。
【図4】 本発明の実施の形態1に基づくモノリシックマイクロ波電力分配合成回路の具体例を示す回路図である。
【図5】実施の形態1の周波数特性として、順方向伝達係数S21、入力反射係数S11、S22、アイソレーションS32の数値シミュレーション結果を示す図である。
【図6】 本発明の実施の形態2のモノリシックマイクロ波電力分配合成回路の構成を示す回路図である。
【図7】 図6のモノリシックマイクロ波電力分配合成回路を入出力端子42および入出力端子43から同相励振した場合の等価回路図である。
【図8】 図6のモノリシックマイクロ波電力分配合成回路を入出力端子42および入出力端子43から逆相励振した場合の等価回路図である。
【図9】 本発明の実施の形態2に基づくモノリシックマイクロ波電力分配合成回路の具体例を示す回路図である。
【図10】実施の形態2の周波数特性として、順方向伝達係数S21、入力反射係数S11、S22、アイソレーションS32の数値シミュレーション結果を示す図である。
【図11】分布定数線路を組み合わせた従来の電力分配合成回路の構成を示す回路図である。
【図12】集中定数素子を組み合わせた従来の電力分配合成回路の構成を示す回路図である。
【符号の説明】
1、2、3…入出力端子、4、5…容量Cのキャパシタ、6、7…インダクタンスLのインダクタ、8…抵抗値Rの抵抗素子、
11、12…入出力端子、13…インダクタンス2Lのインダクタ、14…容量Cのキャパシタ、
22…入出力端子、23…容量Cのキャパシタ、24…抵抗値R/2の抵抗素子、25…インダクタンスL/2のインダクタ、
31、32、33…入出力端子、34、35…容量Cのキャパシタ、36、37…インダクタンスLのインダクタ、38…抵抗値Rの抵抗素子、
41、42、43…入出力端子、44、45…インダクタンスLのインダクタ、46、47…容量Cのキャパシタ、48…抵抗値Rの抵抗素子、
51、52…入出力端子、53…容量C/2のキャパシタ、54…インダクタンスLのインダクタ、
62…入出力端子、63…インダクタンスLのインダクタ、64…抵抗値R/2の抵抗素子、65…容量2Cのキャパシタ、
71、72、73…入出力端子、74、75…インダクタンスLのインダクタ、76、77…容量Cのキャパシタ、78…抵抗値Rの抵抗素子、
81、82、83…入出力端子、84…抵抗値Rの抵抗素子、85、86…周波数f0での電気長が90度の分布定数線路、
91、92、93…入出力端子、94…抵抗値Rの抵抗素子、95、96、97、98…インダクタンスLのインダクタ、99、l00…容量Cのキャパシタ。
Claims (2)
- 第1の入出力端子に一端が接続され、他端が接地された第1のインダクタと、
前記第1の入出力端子に一端が接続され、第2の入出力端子に他端が接続された第1のキャパシタと、
前記第1の入出力端子に一端が接続され、第3の入出力端子に他端が接続された第2のキャパシタと、
前記第2の入出力端子に一端が接続され、前記第3の入出力端子に他端が接続された、第1の抵抗素子と第2のインダクタとの直列回路とを有し、
前記第1乃至第3の入出力端子に接続される負荷インピーダンスを実数であるZ0、周波数をf0としたときに、
前記第1および第2のインダクタのインダクタンスLをZ0/(2πf0)とし、
前記第1および第2のキャパシタのキャパシタンスCを1/(2πf0Z0)とし、
前記第1の抵抗素子の抵抗RをZ0
としたことを特徴とするモノリシックマイクロ波電力分配合成回路。 - 第1の入出力端子に一端が接続され、他端が接地された第1のキャパシタと、
前記第1の入出力端子に一端が接続され、第2の入出力端子に他端が接続された第1のインダクタと、
前記第1の入出力端子に一端が接続され、第3の入出力端子に他端が接続された第2のインダクタと、
前記第2の入出力端子に一端が接続され、前記第3の入出力端子に他端が接続された、第1の抵抗素子と第2のキャパシタとの直列回路とを有し、
前記第1乃至第3の入出力端子に接続される負荷インピーダンスを実数であるZ0、周波数をf0としたときに、
前記第1および第2のインダクタのインダクタンスLをZ0/(2πf0)とし、 前記第1および第2のキャパシタのキャパシタンスCを1/(2πf0Z0)とし、
前記第1の抵抗素子の抵抗RをZ0
としたことを特徴とするモノリシックマイクロ波電力分配合成回路。
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