JP4073456B2 - インピーダンス変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、インピーダンス変換装置に関し、特にスタックトペアラインで構成される伝送線路に挿入するのに適したインピーダンス変換装置に関する。

従来のインピーダンス変換装置として例えば下記の特許文献１に記載されたものが知られている。

特開平１０−２２４１２３号公報

しかしながら、上記の特許文献１に記載されたインピーダンス変換装置は、伝送線路の延在する方向に対して直交する方向の寸法が大きいと言う問題があった。また、マイクロストリップ線路用のものであって、スタックトペア型伝送線路には適さないものであった。

本発明は、伝送線路の延在する方向に対して直交する方向の寸法が小さくて済み、またスタックトペア型伝送線路に挿入するのに適したインピーダンス変換装置を提供することを目的とする。

本発明は、
第１の端部及び第２の端部を有する第１の導体と、
第１の端部及び第２の端部を有し、上記第１の導体と対をなして第１の特性インピーダンスを持つ伝送線路を構成する第２の導体と、
第１の端部及び第２の端部を有し、上記第１の導体と対をなして上記第１の特性インピーダンスとは異なる第２の特性インピーダンスを持つ伝送線路を構成する第３の導体と、
第１の端部及び第２の端部を有し、上記第２の導体と対をなして、上記第２の特性インピーダンスを持つ伝送線路を構成し、上記第３の導体と対をなして、上記第１の特性インピーダンスを持つ伝送線路を構成する第４の導体とを有し、
上記第２の導体の上記第２の端部と上記第４の導体の上記第２の端部が近接して配置され、
上記第３の導体の上記第１の端部と上記第４の導体の上記第１の端部とが近接して配置され、
上記第２の導体の上記第２の端部と、上記第４の導体の上記第２の端部を接続する、上記第１の特性インピーダンスに等しい抵抗値を持つ第１の抵抗体と、
上記第３の導体の上記第１の端部と、上記第４の導体の上記第１の端部とを接続する、上記第２の特性インピーダンスに等しい抵抗値を持つ第２の抵抗体と
を有し、
第１〜第４の導体が互いに平行であることを特徴とする
インピーダンス変換装置を提供する。

本発明によれば、インピーダンスを効率よく変換することができる。また、伝送線路の延在する方向に対して直交する方向の寸法が小さくて済むので、インピーダンス変換装置を狭いスペースに形成することができ、インピーダンス変換装置を組み込んだ装置の小型化に貢献することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態のインピーダンス変換装置を説明する。図１は、本実施の形態のインピーダンス変換装置１の斜視図、図２はその平面図、図３はその底面図、図４はその側面図、図５、図６、図７は、図２〜図４のＶ−Ｖ線断面図、ＶＩ−ＶＩ線断面図、ＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。
図１〜図７に示すように、このインピーダンス変換装置１は、第１、第２、第３、第４のストリップ状（帯状）の導体１１、１２、１３、１４と、第１の抵抗体１５と、第２の抵抗体１６と、シート状の誘電体（以下誘電体シートと言う）１７とを有する。

図示の例では、第１〜第４の導体１１〜１４は、直線状にかつ互いに平行に延びたものである。
誘電体シート１７は第１の面（図１、図４〜図７で上側の面。以下「上面」と言うことがある）１７ａと第２の面（図１、図４〜図７で下側の面。以下「下面」と言うことがある）１７ｂとを有する。
第１及び第３の導体１１及び１３は、誘電体シート１７の下面１７ａ上に配置され、従って横方向（導体１１及び１３の延在する方向に直交し、誘電体シート１７の上面１７ａ及び下面１７ｂに平行な方向）に整列しており、第２及び第４の導体１２及び１４は誘電体シート１７の下面１７ｂ上に配置され、従って横方向に整列している。

第１の導体１１と第２の導体１２は、誘電体シート１７を挟んで反対側に、即ち縦方向（誘電体シート１７の上面１７ａ及び下面１７ｂに直交する方向）に整列するように配置されている。同様に、第３の導体１３と第４の導体１４は、誘電体シート１７を挟んで反対側に、即ち縦方向に整列するように配置されている。

図２〜図４に示されるように、このインピーダンス変換装置１は、入力側部分乃至領域１ａと、中央部分乃至領域１ｂと、出力側部分乃至領域１ｃとを有する。入力側領域１ａは、インピーダンス変換装置１の一端、即ち入力側端部１ｄ寄りの領域であり、出力側領域１ｃは、インピーダンス変換装置１の他端、即ち出力側端部１ｅ寄りの領域であり、中央領域１ｂは、入力側領域１ａと出力側領域１ｃの間に位置しており、入力側領域１ａ、中央領域１ｂ、及び出力側領域１ｃは互いに連続している。

第１の導体１１は、インピーダンス変換装置１の入力側領域１ａ、中央領域１ｂ、及び出力側領域１ｃにわたって延在するものであり、それぞれ入力側領域１ａ、中央領域１ｂ、及び出力側領域１ｃに位置する入力側部分１１ａ、中央部分１１ｂ、及び出力側部分１１ｃを有する。
第２の導体１２は、インピーダンス変換装置１の入力側領域１ａ、及び中央領域１ｂにわたって延在するものであり、入力側領域１ａ、及び中央領域１ｂに位置する入力側部分１２ａ、及び中央部分１２ｂを有する。
第３の導体１３は、インピーダンス変換装置１の中央領域１ｂ、及び出力側領域１ｃにわたって延在するものであり、中央領域１ｂ、及び出力側領域１ｃに位置する中央部分１３ｂ、及び出力側部分１３ｃを有する。
第４の導体１４は、インピーダンス変換装置１の中央領域１ｂのみにわたって延在するものであり、中央領域１ｂに位置する中央部分１４ｂを有する。

第１の導体１１と第２の導体１２とは、対を成して第１の特性インピーダンスｚ１を持つ伝送線路を構成する。
第２の導体１２と第４の導体１４とは、対を成して第１の特性インピーダンスｚ１とは異なる第２の特性インピーダンスｚ２を持つ伝送線路を構成するように形成されている。
第１の導体１１と第３の導体１３とは、対を成して上記第２の特性インピーダンスｚ２を持つ伝送線路を構成するように形成されている。
第３の導体１３と第４の導体１４とは、対を成して上記第１の特性インピーダンスｚ１を持つ伝送線路を構成するように形成されている。

第１の導体１１は、一端（入力側端部）１１ｄが、インピーダンス変換装置１の入力側端部１ｄに位置し、他端（出力側端部）１１ｅが、インピーダンス変換装置１の出力側端部１ｅに位置する。
第２の導体１２は、一端（入力側端部）１２ｄが、インピーダンス変換装置１の入力側端部１ｄに位置し、他端（出力側端部）１２ｅが、インピーダンス変換装置１の中央領域１ｂと出力側領域１ｃの境界１ｇに位置する。
第３の導体１３は、一端（入力側端部）１３ｄが、インピーダンス変換装置１の入力側領域１ａと中央領域１ｂの境界１ｆに位置し、他端（出力側端部）１３ｅが、インピーダンス変換装置１の出力側端部１ｅに位置する。
第４の導体１４は、一端（入力側端部）１４ｄが、インピーダンス変換装置１の入力側領域１ａと中央領域１ｂの境界１ｆに位置し、他端（出力側端部）１４ｅが、インピーダンス変換装置１の中央領域１ｂと出力側領域１ｃの境界１ｇに位置する。

第２の導体１２の出力側端部１２ｅ及び第４の導体１４の出力側端部１４ｅはともに誘電体シート１７の下面１７ｂに位置し、かつ互いに近接している。第３の導体１３の入力側端部１３ｄと第４の導体１４の入力側端部１４ｄとはそれぞれ誘電体シート１７の下面１７ｂ、上面１７ａに位置し、かつ互いに近接している。

第１の抵抗体１５は、誘電体シート１７の下面１７ｂ上に設けられ、第２の導体１２の出力側端部１２ｅと第４の導体１４の出力側端部１４ｅとを接続し、第１の特性インピーダンスｚ１に等しい抵抗値Ｒ１を持つ。
第２の抵抗体１６は、誘電体シート１７を貫通するように形成され、第３の導体１３の入力側端部１３ｄと第４の導体１４の入力側端部１４ｄとを接続し、第２の特性インピーダンスｚ２に等しい抵抗値Ｒ２を持つ。
例えば、第１の特性インピーダンスｚ１の値（絶対値）は５０Ωであり、第２の特性インピーダンスｚ２の値（絶対値）は８２Ωである。

第１〜第４の導体１１〜１４は同じ断面形状を有し、例えば厚さ（図５〜図７で縦方向の寸法）が４０μｍであり、幅（図５〜図７で横方向の寸法）が０．８ｍｍである。（なお、図面上の寸法は、実際の寸法に比例していない。）
また、誘電体シート１７の厚さは１７０μｍであり、第１の導体１１と第２の導体１２の間隔及び第３の導体１３と第４の導体１４の間隔は、誘電体シート１７の厚さに等しい。
一方、第１の導体１１と第３の導体１３の間隔と、第２の導体１２と第４の導体１４の間隔は互いに等しく、１００μｍ（０．１ｍｍ）である。

中央領域１ｃにおいては、第１〜第４の導体が平行であるので、以下の説明で「４本平行部分」と呼ぶことがある。これに対し、入力側領域１ａ及び出力側領域１ｃは、「２本平行部分」と呼ぶことがある。入力側領域１ａでは、第１及び第２の導体１１及び１２のみが平行であり、出力側領域１ｃでは、第１及び第３の導体のみが平行であるからである。

インピーダンス変換装置の中央領域１ｂの長さ、即ち導体１４の長さ（導体１１〜１４が延在する方向の寸法）は、信号基本波の波長の１／４以下とするのが好ましく、また、
第１の導体１１と第２の導体１２の間隔及び第１の導体１１と第３の導体１３の間隔のうちの大きいものの１０倍以上であることが望ましい。より具体的には、伝送される信号の基本波長の１／６４以上であることが望ましい。

上記の構成のインピーダンス変換装置１は、入力側のインピーダンスＺｉｎが第１の特性インピーダンスｚ１（５０Ω）に等しく、出力側のインピーダンスＺｏｕｔが第２の特性インピーダンスｚ２（８２Ω）に等しい。即ちインピーダンス変換が行われている。

このことは、線路のインピーダンスをＴＤＲ（ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）測定器で測定した結果確認された。
ＴＤＲ測定器はパルス状信号を送信し、被測定対象として回路からの反射を観測するものであり、この観測により例えば信号が伝播した経路に沿ってのインピーダンスの変化を検出することができる。

図８及び図９は、ＴＤＲ測定に用いた構造体の平面図及び底面図であり、それぞれ図２及び図３に対応している。この構造体は、図１〜図７に示すインピーダンス変換装置１と同様のものであり、誘電体シート１１７（図１の誘電体シート１７に対応する）の上面１１７ａに第１の導体１１１及び第３の導体１１３が設けられ、下面１１７ｂに第２の導体１１２及び第４の導体１１４が設けられている。第１〜第４の導体１１１〜１１４はそれぞれ図１〜図７の第１〜第４の導体１１〜１４に対応するものであり、第１乃至第４の導体１１〜１４と同じ厚さ及び幅を有する。第１の導体１１１と第２の導体１１２は、誘電体シート１１７を挟んで整列しており、第２の導体１１２と第４の導体１１４は、誘電体シート１１７を挟んで整列している。抵抗体１５及び１６はまだ接続されておらず、第１乃至第４の導体１１１〜１１４は同じ長さＬＴ＝８０ｍｍを有する。

第１乃至第４の導体１１１〜１１４の一方の端部（図８及び図９で左側の端部）１１１ｈ〜１１４ｈには、これらの導体と同じ材料で形成された帯状のリード部１２１〜１２４が設けられ、リード部１２１〜１２４の先端には接続パッド部１３１〜１３４が設けられている。リード部１２１〜１２４の長さＬＬは１２ｍｍである。

導体１１１と導体１１２の対、導体１１２と導体１１４の対、導体１１３と導体１１４の対、導体１１１と導体１１３の対でそれぞれ構成される伝送線路のインピーダンス測定のため、図１０に示すＴＤＲ測定器５１のパルス状信号の送信及び反射波の受信のための同軸ケーブル５２の先端に設けられたプローブ５３ａ、５３ｂを、伝送線路を構成する導体対に接触させて信号を入力し、反射波の信号を受信した。

具体的には、導体１１１と導体１１２の対で構成される伝送線路の測定の際は、導体１１１及び導体１１２の接続パッド１３１及び１３２にプローブ５３ａ、５３ｂを接触させ、導体１１３と導体１１４の対で構成される伝送線路の測定の際は、導体１１３及び導体１１４の接続パッド１３３及び１３４にプローブ５３ａ、５３ｂを接触させた。一方、導体１１１と導体１１３の対で構成される伝送線路の測定の際は、導体１１１及び導体１１３の他方の端部１１１ｉ及び１１３ｉにプローブ５３ａ、５３ｂを接触させ、導体１１２と導体１１４の対で構成される伝送線路の測定の際は、導体１１２及び導体１１４の他方の端部１１２ｉ及び１１４ｉにプローブ５３ａ、５３ｂを接触させた。

測定によりＴＤＲ測定器５１の画面上に得られた波形の一例を図１１に示す。図１１において、曲線Ｂ５ａ、Ｂ５ｂ、Ｂ５ｃ、Ｂ５ｄは、それぞれ導体１１１と導体１１２、導体１１３と導体１１４、導体１１１と導体１１３、導体１１２と導体１１４にプローブ５３ａ、５３ｂを接触させたときの測定結果であり、ゼロレベルは互いにずらして表示されている。

各曲線の最も左側の領域ＲＸａ〜ＲＸｄは、同軸ケーブル（５０Ω）５２の部分のインピーダンスを示し、領域ＲＸａ〜ＲＸｄに隣接し、その右側に位置する領域は、プローブ５３ａ、５３ｂと接続パッド部１３１〜１３４又は導体１１１〜１１４の端部１１１ｉ〜１１４ｉとの接触部分に対応し、中央の領域ＲＰａ〜ＲＰｄは、導体１１１〜１１４の部分のインピーダンス（それぞれ、導体１１１と導体１１２で構成される伝送線路、導体１１３と導体１１４で構成される伝送線路、導体１１１と導体１１３で構成される伝送線路、導体１１２と導体１１４で構成される伝送線路のインピーダンス）を示し、最も右側の領域ＲＯａ〜ＲＯｄは、開放端のインピーダンスを示す。さらに曲線Ｂ５ａ及びＢ５ｂにおいて、中央の領域ＲＰａ、ＲＰｂとプローブ５３ａ、５３ｂの接触部分に対応する領域ＲＣａ〜ＲＣｄの間に位置する領域ＲＬａ、ＲＬｂは、リード部１２１〜１２４のインピーダンスを示す部分であり、曲線Ｂ５ｃ及びＢ５ｄにおいて、中央の領域ＲＰｃ、ＲＰｄと開放端に対応する領域ＲＯｃ、ＲＯｄの間に位置する領域ＲＬｃ、ＲＬｄは、リード部１２１〜１２４のインピーダンスを示す部分である。

測定結果から、各導体対のインピーダンスとして表１に示す値を読取ることができる。

次に本実施の形態のインピーダンス変換装置１のインピーダンス変換効率及び波形の乱れについて検討する。
最初にインピーダンス変換装置１の出力端、即ち導体１１、１３の出力側端部１１ｅ、１３ｅ間に、図１２に示すように、第２の特性インピーダンスｚ２（８２Ω）に等しい値の負荷抵抗１８が接続されている場合を検討する。なお、図１２では、導体１１〜１４の電気的接続関係を分かりやすくするため、導体１１〜１４を同じ平面上にあるものとして示している。また抵抗体１５及び１６が簡略化して示されている。

図１〜図７のインピーダンス装置１の入力端、即ち導体１１、１２の入力側端部１１ｄ、１２ｄに、図１２に示すように直流電源６０から直流電圧Ｖｉｎを供給した場合（この場合、導体１１〜１４相互間の電磁的結合を無視し得る）、出力端１１ｅ、１３ｅ間に現われる電圧Ｖｏｕｔは、下式で与えられる。
Ｖｏｕｔ＝Ｖｉｎ×｛Ｒ２／（２×Ｒ２＋Ｒ１＋Ｒｉｎ）｝
上式でＲｉｎは直流電源６０の内部抵抗である。

内部抵抗Ｒｉｎは一般にＲ１に等しくされることが多いので、ここでも
Ｒｉｎ＝Ｒ１とすると、
Ｖｏｕｔ＝Ｖｉｎ×｛Ｒ２／（２×Ｒ２＋２×Ｒ１）｝ …（１）
Ｒ１＝５０Ω、Ｒ２＝８２Ω
の場合には、
Ｖｏｕｔ＝Ｖｉｎ×｛８２／（２×５０＋２×８２）｝
＝Ｖｉｎ×（８２／２６４） …（２）
Ｖｉｎが５００ｍＶであれば、
Ｖｏｕｔ＝５００×８２／２６４＝１５５ｍＶ …（３）
となる。

次に、図１〜図７のインピーダンス変換装置１の入力側に、図１３に示すようにパルス発生器６１から電圧パルス列を印加したときに、出力側に現われる電圧をオシロスコープ６５で観測した。なお、図１３でも図１２と同様、導体１１〜１４が同じ平面上にあるものとして描かれており、また抵抗体１５及び１６が簡略化して示されている。

この測定には、図１４及び図１５に示すインピーダンス変換装置の試作品が用いられた。図１４及び図１５に示す試作品は、概して図１〜図７に示すものと同じであるが、図８及び図９の構造体と同様に、導体１１、１２の入力側端部１１ｄ、１２ｄにリード部１２１、１２２が設けられ、さらにリード部１２１、１２１の先端に接続パッド１３１、１３２が設けられている。さらに誘電体シート１７は、図１〜図７に示すものよりも広い範囲にわたって延在するものである。

また、この測定では、図１３に示すように抵抗体１５及び１６を、図１〜図７を参照して説明したのと同様に接続し、さらに導体１１、１３の出力側端部（負荷端部）１１ｅ、１３ｅに負荷抵抗１８として第２のインピーダンスｚ２（８２Ω）に等しい抵抗値（ＲＬ）を有するものを接続した。導体１１、１２、１３、１４の中央部分１１ｂ、１２ｂ、１３ｂ、１４ｂの長さは２ｍｍであった。

またパルス発生器６１としては、内部抵抗Ｒｉｎが、第１のインピーダンスｚ１（５０Ω）に等しいものを用いた。パルス発生器６１のプローブ６３ａ、６３ｂを入力側の接続パッド１３１、１３２に接触させた。オシロスコープ６５としては、高インピーダンス差動プローブ６６ａ、６６ｂを備えたものを用いた。測定結果を図１６に示す。

入力側に供給されるパルスの振幅が５００ｍＶで、パルス列の周波数が１００ＭＨｚ，５００ＭＨｚ，１ＧＨｚ，２ＧＨｚ，３ＧＨｚである場合の測定結果を図１６にそれぞれ曲線Ｂ６ａ、Ｂ６ｂ、Ｂ６ｃ、Ｂ６ｄ、Ｂ６ｅで示す。
観測された波形から、波高値及び立上り時間（波高値の２０％を超えた時点から波高値の８０％に達するまでの時間）を読み取ると、表２の通りである。

上記の実験で得られる波高値と、式（３）により得られる値（直流を印加した場合の出力電圧値）との差は、伝送路における電磁結合の影響である。
例えば５００ｍＨｚのときの波高値２５５．１−１５５＝１００．１ｍＶが電磁結合の結果上乗せされた電圧成分を表す。このように、効率良くインピーダンス変換ができたことが分る。

次に出力端、即ち導体１１、１３の出力側端部１１ｅ、１３ｅを開放した場合について同様の測定を行った。その場合の測定条件は、出力端１１ｅ、１３ｅを開放したこと、即ち負荷抵抗１８を除去したこと以外の点では、上記と同じである。この場合の測定結果を図１７に示す。
観測された波形から波高値を読み取ると、表３の通りである。

図１７及び表３から、出力端１１ｅ、１３ｅが開放されている状態の方が、電圧値が高いことが分る。また、開放により直流的に接続されていない回路であっても、導体１１、１３の出力端にエネルギーが十分に伝えることができることが分る。直流的に接続されていない状態では、電磁結合のみでエネルギーが伝達されるが、負荷端１１ｅ、１３ｅで全反射するため、約２倍の電圧が得られ、インピーダンス変換に伴うエネルギー損失が見かけ上ほとんど無い状態にすることができる。

インピーダンス変換装置１の出力端１１ｅ、１３ｅをＣＭＯＳ回路のゲートに接続した場合には、開放したのと近い状態であるので、そのような状態では、図１７及び表３の結果に近い現象が起きると推定される。

また、導体１３、１４間に接続した抵抗体１６（Ｒ２＝５０Ω）のために不整合反射が起き、それが周波数特性を持つようになっているが、不整合がない状態では、きれいな波形をなるはずである。不整合となる理由については、後に図２１を参照してさらに説明する。

以上（図１６及び図５）は、中央部分の長さが２ｍｍの場合であるが、中央部分の長さを２０ｍｍとした場合の測定結果を図１８に示す。図１８で、曲線Ｂ８ａ、Ｂ８ｂ、Ｂ８ｃ、Ｂ８ｄ、Ｂ８ｅはそれぞれパルス列の周波数が１００ＭＨｚ，５００ＭＨｚ，１ＧＨｚ，２ＧＨｚ，３ＧＨｚである場合の測定結果である。

観測された波形から波高値を読み取ると、表４の通りである。

図１８及び表４から、電圧値が低下し、波形が乱れていることが分るが、これは、境界部分１ｆ、１ｇ相互間の距離が長く、一方の境界部分で反射してから他方の境界部分で反射するまでの時間が長く、これが多重になって波形が乱れるためと思われる。

以上のように、２本平行部分１ａ、１ｃと４本平行部分１ｂとでは、僅かであるが特性インピーダンスが異なる。そのため、多重反射が起こる。多重反射共振モードを避けるため、４本平行部分１ｂの長さは、伝送される信号の基本周波数の波長の１／４以下とするのが望ましい。線路の比誘電率を４とすると、電磁波速度は１．５×１０^８ｍ／ｓとなり、パルス発生器６１から供給されるパルス列の周波数が３ＧＨｚでは、波長は５０ｍｍであり、その１／４は、１２．５ｍｍとなる。

４本平行部分１ｂの長さの下限は、電磁波の平行導体間での電磁空間の整形ができる長さで良い。導体間の干渉は、電磁波の進行方向に直角の広がりによって起こり、その速度も電磁波の線路に沿う進行を同じ速度で起こる。電磁波が導体間を５往復程度できれば、電磁空間の整形が可能と考えられるので、その遅れ時間に対応する長さは、導体間間隔のうちの大きい方（第１の導体１１と第２の導体１２の間隔（１７０μｍ）と第１の導体１１と第３の導体１３の間隔（１００μｍ（０．１ｍｍ））のうちの大きい方）の１０倍で与えられる時間に対応する長さ、即ち、導体間間隔のうちの大きい方が１７０μｍである場合、その１０倍は１．７ｍｍであり、この長さ以上であれば、４本の導体を平行とした構造による効果が得られると思われる。

４本平行部分１ｂと、２本平行部分１ａ、１ｃとで特性インピーダンスが異なることも、ＴＤＲ測定で確認された。このＴＤＲ測定のために用いられた構造体を図１９及び図２０に示す。この構造体は、図８及び図９に示す構造体をさらに加工し、第３導体１１３及び第４の導体１１４の他方の端部１１３ｉ及び１１４ｉ寄りの部分を除去したものである。除去した部分の長さＬＳは２５ｍｍであり、除去した部分で２本のみ平行な部分が構成され、残りの部分（除去しなかった部分）で４本平行な部分が構成され、その長さＬＤは５５ｍｍである。このような構造体の第１の導体１１１及び第２の導体の１１２の接続パッド１３１及び１３２にＴＤＲ測定器５１のプローブ５３ａ及び５３ｂを接触させた。このような測定の結果を図２１に示す。図２１では図１１と比べて縦軸が拡大されている。

図２１で、領域ＲＸａは同軸ケーブル５２の部分に対応し、領域ＲＣａは、リード部１２１及び１２３に対応し、領域ＲＰａ１は、４本平行部分（長さＬＤの部分）に対応し、領域ＲＰａ２は、２本平行部分（長さＬＳの部分）に対応し、領域ＲＯａは、開放端に対応する。

図２１から、４本平行部分（長さＬＤの部分）のインピーダンスは４８Ωであり、２本平行部分（長さＬＳの部分）のうちの、右側の領域ＲＰａ２２（４本平行部分に対応する領域ＲＰａ１に近接する領域ＲＰａ２１以外の領域）のインピーダンスは、５１．２Ωであり、この差により反射が起こる。この反射の繰り返しによる多重反射が起きないようにする条件として、上記した４本平行部分１ｂの長さの上限が決まる。

なお、２本平行部分に対応する領域ＲＰａ２のうちの、４本平行部分に対応する領域ＲＰａ１に近接する領域ＲＰａ２１では、特性インピーダンスが徐々に変化している。この部分は、１２５ｐｓの時間に相当し、ＴＤＲ測定器５１のステップ波形の立ち上がり時間（３５ｐｓ）によるなまり（接続部分ＲＣａ）や開放端ＲＯａのなまりとおなじもの）と、変化を感知する時間の合計であり、正確に分離することができないが、感知するための物理現象は、上記した電磁空間の整形と同様である。

次に、導体間の電磁結合、言い換えればクロストークについて図２２及び図２３を参照して説明する。
図２２に示すように、平行な導体１１〜１４の一つに入力したパルスエネルギーは隣接する導体と種々の組合せの干渉をするが、最終的に図２３に示すように最も近い導体に反転エネルギーを誘起する電磁干渉が最適状態であり、その電磁分布エネルギーに従ったクロストークエネルギーとなる。それは進行波である。逆進波も誘起されるがここでは省略している。入力が縦結合（図１の縦方向に整列した導体１１及び１２間の結合）であるため、左上の導体が隣接縦結合の出力である。ところが横結合（図１の横方法に整列した導体間の結合）は、本来の片側のエネルギーと遠端合成波（右上）のエネルギーの合計となり、実験で求めた、直流分圧１５５ｍＶより大きな２５０ｍＶが得られることになる。この分、効率良くインピーダンス変換ができたことになる。図２２及び図２３に対応する関係が一瞬（光速で干渉する時間）でもできれば、平行導体間のエネルギー状態となるため、最小の長さは、上記した程度であると言える。

なお、図１〜図７では、誘電体シートの上面及び下面に導体が配設されているが、図２４（図６と同じ位置における断面図である）に示すように、導体１１〜１４を、すべて誘電体２１内に埋め込んだ構造としても良い。また、第１〜第４の導体１１〜１４は、２対のスタックトペア用の導体を作成するのと同じ方法で作成することができる。

また、上記の実施の形態では、第１乃至第３の導体１１〜１３が、中央部分１１ｂ、１２ｂ、１３ｂのほか、入力側部分１１ａ、１２ａ、出力側部分１１ｃ、１３ｃを有するが、入力側部分１１ａ、１２ａ、出力側部分１１ｃ、１３ｃを設けず、中央部分のみでインピーダンス変換装置を構成しても良い。

さらに、上記の実施の形態では第１乃至第４の導体１１〜１４が直線状に延在したものであるが、湾曲していても良い。さらに、第１乃至第４の導体１１〜１４の断面形状や寸法は、すべて同じでなくても良く、異なっていても良い。

本発明の実施の形態のインピーダンス変換装置の斜視図である。 本実施の形態のインピーダンス変換装置の平面図である。 本実施の形態のインピーダンス変換装置の底面図である。 本実施の形態のインピーダンス変換装置の側面図である。 図２〜図４のＶ−Ｖ線断面図である。 図２〜図４のＶＩ−ＶＩ線断面図である。 図２〜図４のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。 ＴＤＲ測定に用いた構造体の平面図である。 ＴＤＲ測定に用いた構造体の底面図である。 ＴＤＲ測定器並びにそれに接続された同軸ケーブル及びプローブを示す図である。 図８及び図９の構造体を用いて行なったＴＤＲ測定により得られた波形の一例を示す図である。 本実施の形態のインピーダンス変換装置の入力側に直流電源を接続し、出力側に負荷抵抗を接続した状態を示す図である。 本実施の形態のインピーダンス変換装置の入力側にパルス発生器を接続し、出力側に負荷抵抗を接続し、出力側の電圧を測定するためのオシロスコープを接続した状態を示す図である。 ＴＤＲ測定に用いたインピーダンス変換装置の平面図である。 ＴＤＲ測定に用いたインピーダンス変換装置の底面図である。 図１３に示す測定で得られた波形の一例を示す図である。 図１３と同様の、但し出力端を開放した状態での測定で得られた波形の一例を示す図である。 図１３と同様の、但し、導体の中央部分を長くした場合の測定結果を示す図である。 ＴＤＲ測定に用いた構造体の平面図である。 ＴＤＲ測定に用いた構造体の底面図である。 図１９及び図２０の構造体を用いて行なったＴＤＲ測定により得られた波形の一例を示す図である。 隣接する導体間のクロストークを示す図である。 隣接する導体間のクロストークを示す図である。 本発明の他の実施の形態の断面図である。

符号の説明

１１ 第１の導体、 １１ａ 入力側部分、 １１ｂ 中央部分、 １１ｃ 出力側部分、 １２ 第２の導体、 １２ａ 入力側部分、 １２ｂ 中央部分、 １３ 第３の導体、 １４ 第４の導体、 １４ｂ 中央部分、 １４ｃ 出力側部分、 １５ 第１の抵抗体、 １６ 第２の抵抗体、 １７ 誘電体シート。

Claims (7)

1. 第１の端部及び第２の端部を有する第１の導体と、
   第１の端部及び第２の端部を有し、上記第１の導体と対をなして第１の特性インピーダンスを持つ伝送線路を構成する第２の導体と、
   第１の端部及び第２の端部を有し、上記第１の導体と対をなして上記第１の特性インピーダンスとは異なる第２の特性インピーダンスを持つ伝送線路を構成する第３の導体と、
   第１の端部及び第２の端部を有し、上記第２の導体と対をなして、上記第２の特性インピーダンスを持つ伝送線路を構成し、上記第３の導体と対をなして、上記第１の特性インピーダンスを持つ伝送線路を構成する第４の導体とを有し、
   上記第２の導体の上記第２の端部と上記第４の導体の上記第２の端部が近接して配置され、
   上記第３の導体の上記第１の端部と上記第４の導体の上記第１の端部とが近接して配置され、
   上記第２の導体の上記第２の端部と、上記第４の導体の上記第２の端部を接続する、上記第１の特性インピーダンスに等しい抵抗値を持つ第１の抵抗体と、
   上記第３の導体の上記第１の端部と、上記第４の導体の上記第１の端部とを接続する、上記第２の特性インピーダンスに等しい抵抗値を持つ第２の抵抗体と
   を有し、
   第１〜第４の導体が互いに平行であることを特徴とする
   インピーダンス変換装置。
2. 上記第１の導体が、入力側部分、中央部分及び出力側部分を有し、
   上記第２の導体が、上記第１の導体の上記入力側部分及び上記中央部分と対をなして上記第１の特性インピーダンスを持つ伝送線路を構成する入力側部分及び中央部分を有し、
   上記第３の導体が、中央部分と、上記第１の導体の上記中央部分及び上記出力側部分と対をなして上記第２の特性インピーダンスを持つ伝送線路を構成する出力側部分とを有し、
   上記第４の導体が、上記第２の導体の上記中央部分と対をなして、上記第２の特性インピーダンスを持つ伝送線路を構成し、かつ上記第３の導体の上記中央部分と対をなして、上記第１の特性インピーダンスを持つ伝送線路を構成する
   ことを特徴とする請求項１に記載のインピーダンス変換装置。
3. 上記第１の導体の上記入力側部分と、上記中央部分と、上記出力側部分とが互いに連続したものであり、
   上記第２の導体の上記入力側部分と上記中央部分とが互いに連続したものであり、
   上記第３の導体の上記中央部分と上記出力側部分とが互いに連続したものである
   ことを特徴とする請求項２に記載のインピーダンス変換装置。
4. 上記第１〜第４の導体の延在する方向に垂直な面内において、上記第１の導体と上記第２の導体が第１の方向に整列し、上記第３の導体と第４の導体が上記第１の方向に整列し、
   上記第１の導体と上記第３の導体が上記第２の方向に整列し、
   上記第２の導体と上記第４の導体が上記第１の方向に対して直交する第２の方向に整列している
   ことを特徴とする請求項１に記載のインピーダンス変換装置。
5. 上記第１〜第４の導体の各々は、横断面が矩形であり、該矩形の第１の辺が上記第１の方向に延在し、第２の辺が上記第２の方向に延在している
   ことを特徴とする請求項４に記載のインピーダンス変換装置。
6. 上記第４の導体の長さが、上記第１の導体と上記第２の導体の間隔及び第１の導体と第３の導体の間隔のうちの大きいものの１０倍以上であることを特徴とする請求項１に記載のインピーダンス変換装置。
7. 上記第４の導体の長さが、伝送される信号の基本波長の１／４以下であることを特徴とする請求項１又は６に記載のインピーダンス変換装置。

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