JP4440852B2 - 整合器 - Google Patents

Description

本発明は、信号源と負荷との間に配設されて両者のインピーダンスを整合する同軸型の整合器に関するものである。

この種の整合器として、特開平１０−１５０３０６号公報に開示されている３本の可変長同軸管を備えた３スタブチューナ、および特許第２７７９４７９号公報に開示されているＥ面スタブとＨ面スタブとを備えたＥ／Ｈチューナが知られている。
特開平１０−１５０３０６号公報（第３頁、第１図） 特許第２７７９４７９号公報（第３頁、第２図）

ところが、上記した従来の各チューナ（整合器）には、以下の問題点が存在している。すなわち、３スタブチューナについては、同軸でも導波管でも構成することができ、しかもＥ／Ｈチューナと比較して小型化できるという点で優れているものの、３本の可変長同軸管内に配設されている各先端短絡用電極を摺動させて調整する必要がある。つまり、３つのパラメータを調整する必要がある。したがって、この３スタブチューナには、整合を行うための調整作業が非常に複雑であるという問題点が存在している。また、Ｅ／Ｈチューナについては、２つの分岐管内に配設されているＥ面スタブおよびＨ面スタブを摺動させて調整することができる。つまり、２つのパラメータを調整すればよいため、整合をとるための調整作業が簡単であるという点で優れている。しかし、このＥ／Ｈチューナには、同軸では構成できずに導波管で構成する必要があるため、装置が大型化するという問題点が存在している。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、装置の小型化を図ることができると共に容易に調整作業を行い得る整合器を提供することを主目的とする。

上記目的を達成すべく請求項１記載の整合器は、信号源と負荷との間に配設されて両者のインピーダンスを整合する同軸型の整合器であって、入力ポートに前記信号源が接続されると共にアイソレーションポートに前記負荷が接続される同軸型の９０°ハイブリッド回路と、前記９０°ハイブリッド回路の各出力ポートにそれぞれ接続された２つの可変長同軸管とを備え、前記各可変長同軸管は、一端が前記出力ポートに接続され、かつ他端が短絡された同軸線と、当該同軸線に当該同軸線の長さ方向に沿って摺動自在に取り付けられた可動短絡器とを備え、前記各可動短絡器は、当該可動短絡器の位置をそれぞれ互いに独立して調整可能に構成されると共に前記９０°ハイブリッド回路の前記各出力ポートから所定の距離だけオフセットされた位置を起点として当該各同軸線の他端側へ移動可能に構成されている。

また、請求項２記載の整合器は、請求項１記載の整合器において、前記９０°ハイブリッド回路には、当該回路を構成する同軸線の少なくとも一部が貫通される誘電部材が配設されている。

請求項１記載の整合器によれば、同軸型の９０°ハイブリッド回路の入力ポートに信号源を接続すると共に、アイソレーションポートに負荷を接続し、かつ２つの出力ポートに可変長同軸管をそれぞれ接続したことにより、２つの可変長同軸管における可動短絡器の各位置という２つの調整パラメータを調整するだけで、信号源および負荷の両者のインピーダンスを整合することができる。したがって、この整合器を用いて、信号源と負荷とを短時間でしかも容易に整合することができる。また、同軸型で構成することができるため、装置の小型化を図ることができる。

また、各可変長同軸管における同軸線の他端側を短絡したことにより、同軸線の他端側を確実に固定できると共に、同軸線の熱を他端側から放熱できる結果、同軸線を効果的に冷却することができる。さらに、同軸線の他端側を短絡したことにより、各可変長同軸管中で電磁界を閉じさせることができるため、信号源からの信号の整合器外部への漏洩を有効に防止することができる。また、９０°ハイブリッド回路の各出力ポートから所定の距離だけオフセットされた位置を起点として各同軸線の他端側へ移動可能に各可動短絡器を構成したことにより、各可動短絡器の９０°ハイブリッド回路への近づき過ぎを防止して、各可変長同軸管によって９０°ハイブリッド回路の特性に与える影響を軽減することができる。

また、請求項２記載の整合器によれば、上記した９０°ハイブリッド回路に誘電部材を配設すると共に、この回路を構成する同軸線の少なくとも一部を誘電部材に貫通させたことにより、誘電部材を貫通する同軸線を誘電部材の波長短縮効果によって短くできる結果、この９０°ハイブリッド回路ひいては整合器全体として小型化することができる。また、熱伝導率が良好で、かつ低損失の誘電部材（例えば石英）を使用することにより、誘電部材を介して同軸線の熱を放熱できるため、同軸線を良好に冷却することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る整合器の最良の形態について説明する。

最初に、整合器１の構成について、図１を参照して説明する。整合器１は、分配回路２と、２つの可変長同軸管３，４とを備えて構成されて、信号源５と負荷６との間に配設（介装）されて両者のインピーダンスを整合する機能を備えている。

分配回路２は、図１に示すように、同軸線１１，１４，１５，１８を備えて構成されている。この場合、同軸線１１は、特性インピーダンスが５０Ωで、かつ長さが信号源５から出力される信号の管内波長λ（以下、単に「波長」ともいう）の４分の１に規定されると共に、各端部が入力ポート１２およびアイソレーションポート１３に規定されている。また、同軸線１４，１５は、入力ポート１２およびアイソレーションポート１３に各々の一端（同図中の上端）が接続されると共に、特性インピーダンスが３５．４（＝５０／√２）Ωで、かつ長さが波長λの４分の１にそれぞれ規定され、各々の他端（同図中の下端）が出力ポート１６，１７として規定されている。また、同軸線１８は、特性インピーダンスが５０Ωで、かつ長さが波長λの４分の１に規定されると共に、各出力ポート１６，１７間に配設されている。したがって、この分配回路２は、本発明における９０°ハイブリッド（ブランチライン）回路として構成されて、単体では、入力ポート１２に入力された信号が各出力ポート１６，１７に等分して出力され、アイソレーションポート１３には出力されないという特性を備えている。また、入力ポート１２およびアイソレーションポート１３には、特性インピーダンスがＺ_０（通常は、５０Ω）で、かつ長さがＬの同軸線７，８がそれぞれ接続されている。したがって、信号源５は、同軸線７を介して分配回路２の入力ポート１２に接続され、負荷６は、同軸線８を介して分配回路２のアイソレーションポート１３に接続されている。

可変長同軸管３は、特性インピーダンスが５０Ωで、かつ全長が波長λの２分の１を超えるように規定された同軸線２１と、同軸線２１にこの同軸線２１の長さ方向に沿って摺動自在に取り付けられた可動短絡器２２とを備えている。可変長同軸管４は、特性インピーダンスが５０Ωで、かつ全長が波長λの２分の１を超えるように規定された同軸線３１と、同軸線３１にこの同軸線３１の長さ方向に沿って摺動自在に取り付けられた可動短絡器３２とを備えている。また、各可変長同軸管３，４は、分配回路２の各出力ポート１６，１７にそれぞれ取り付けられている。この場合、各可変長同軸管３，４の各可動短絡器２２，３２は、図１に示すように、各出力ポート１６，１７から所定の距離Ｌ０だけオフセットされた位置を起点Ｐ１として、同軸線２１，３１に沿って、少なくとも波長λの２分の１の長さＬｍの範囲内で移動可能に構成されている。この整合器１では、このように各可動短絡器２２，３２の移動範囲（可動範囲）に対してオフセットを設けて、各可動短絡器２２，３２が分配回路２に近づき過ぎるのを防止することにより、各可変長同軸管３，４によって分配回路２の特性に与える影響が軽減されている。

次に、整合器１の一具体例について、図２を参照して説明する。なお、上記した図１に記載の整合器１の構成要素に対応する構成要素については同一の符号を付して重複する説明を省略する。この整合器１は、銅や真鍮等の金属材料で形成された直方体状の箱体４１を用いて構成されている。なお、同図では、整合器１の内部構造を説明するために、箱体４１における箱体本体４１ａから上板（蓋体）４１ｂを取り外した状態を示している。箱体本体４１ａの内部における一方の短寸壁４２側（同図中の左辺側）には、短寸壁４２に対向して、短寸壁４２と平行に隔壁４３が立設されており、短寸壁４２と隔壁４３とで挟まれた空洞４４内に同軸線１１が配設されている。また、箱体本体４１ａの内部には、箱体本体４１ａの他方の短寸壁４５（同図中の右側壁）の中央部分から空洞４４に向けて箱体本体４１ａの各長寸壁４６，４７と平行に延出する隔壁４８が配設されている。したがって、隔壁４３，４８、長寸壁４６，４７および短寸壁４５によって２つの空洞５０，５１が形成されている。また、隔壁４８における空洞４４側の先端部と隔壁４３との間には、誘電部材４９ａが配設されている。同軸線１８は、この誘電部材４９ａを貫通し、かつ同軸線１１と平行となる状態で誘電部材４９ａに取り付けられている。

同軸線１４は、隔壁４３を貫通して配設されている。この場合、同軸線１４における空洞４４内の一端は同軸線１１の一端（入力ポート１２）に接続され、空洞４４の外部に位置する他端（第１の出力ポート１６）は同軸線１８の一端に接続されている。同軸線１５は、隔壁４３を貫通して配設されている。この場合、同軸線１５における空洞４４内の一端は同軸線１１の他端（アイソレーションポート１３）に接続され、空洞４４の外部に位置する他端（第２の出力ポート１７）は同軸線１８の他端に接続されている。また、各同軸線１４，１５は、隔壁４３と電気的に絶縁された状態で、隔壁４３に形成された対応する貫通孔（図示せず）内に挿通されている。なお、各同軸線１４，１５と隔壁４３との間の絶縁は、同軸線１４，１５の各外周面と対応する貫通孔の各内周面との間に配設された誘電部材４９ｂ，４９ｃによって確保されている。

同軸線２１は、一端（空洞４４側の端部）が同軸線１４の他端に接続され、かつ他端が短寸壁４５に形成されている取付孔４５ａに装着された状態（短絡された状態）で、長寸壁４６と隔壁４８とで挟まれた空洞５０内に配設されている。可動短絡器２２は、同軸線２１が貫通した状態で、同軸線２１に沿って矢印方向に摺動可能に空洞５０内に配設されている。同軸線３１は、一端（空洞４４側の端部）が同軸線１５の他端に接続され、かつ他端が短寸壁４５に形成されている取付孔４５ｂに装着された状態（短絡された状態）で、長寸壁４７と隔壁４８とで挟まれた空洞５１内に配設されている。可動短絡器３２は、同軸線３１が貫通した状態で、同軸線３１に沿って矢印方向に摺動可能に空洞５１内に配設されている。

次いで、整合器１を用いて信号源５と負荷６とを整合させる調整方法について説明する。なお、一例として、距離Ｌ０をλ／８とした条件下において、特性インピーダンスがＺ_Ｌの負荷６に対して信号源５を整合させる例について説明する。

なお、調整パラメータｄ１，ｄ２を図１に示すように定義する。この場合、各ｄ１，ｄ２は、下記式（１），（２）で表記される。
ｄ１＝｜Ｌ１−Ｌ２｜ ・・・・・・・・・・・・・ （１）
ｄ２＝（Ｌ１＋Ｌ２）／２−λ／８ ・・・・・・・ （２）
ここで、Ｌ１は、起点Ｐ１から可動短絡器２２までの距離を示し、Ｌ２は、起点Ｐ１から可動短絡器３２までの距離を示している。

この調整では、最初に、分配回路２におけるアイソレーションポート１３から負荷６側を見たときの特性インピーダンスＺ_Ｌ０を下記式（３）に基づいて算出する。
Ｚ_Ｌ０＝Ｚ_０×（Ｚ_Ｌ＋ｊＺ_０×ｔａｎ（β×Ｌ））／（Ｚ_０＋ｊＺ_Ｌ×ｔａｎ（β×Ｌ））
・・・・・・・ （３）
ただし、β＝λ／（２×π）である。

次いで、算出した特性インピーダンスＺ_Ｌ０と、予め取得したデータに基づいて作成した図３，４に示す各特性図とに基づいて、調整パラメータｄ１，ｄ２を算出する。一例として、算出したＺ_Ｌ０が、反射係数Γ＝０．６であり、かつ位相が０°であるときには、図３に示すｄ１についての電気長（ｄ１／λ）と反射係数Γとの関係を示す特性図から、反射係数Γ＝０．６のときの電気長（ｄ１／λ）を求めて、調整パラメータｄ１を算出する。この場合、反射係数Γ＝０．６のときの電気長（ｄ１／λ）は、０．１であるから、調整パラメータｄ１は、０．１×λと算出される。

また、図４に示すｄ２についての電気長（ｄ２／λ）と位相との関係を示す特性図から、位相＝０°のときの電気長（ｄ２／λ）を求めて、調整パラメータｄ２を算出する。この場合、同図では、可動短絡器２２が可動短絡器３２よりも起点Ｐ１に近い（Ｌ１＜Ｌ２）ときの特性については破線で示し、逆に、可動短絡器２２が可動短絡器３２よりも起点Ｐ１から離れているかまたは各可動短絡器２２，３２が起点Ｐ１から等距離（Ｌ１≧Ｌ２）のときの特性については実線で示している。一例として、本例では、図１，２に示すように、可動短絡器２２が可動短絡器３２よりも起点Ｐ１に近いため、破線で示される特性に基づき、位相が０°のときの電気長（ｄ２／λ）を求めて、調整パラメータｄ２を算出する。この場合、位相＝０°のときの電気長（ｄ２／λ）は、０．１２５であるから、調整パラメータｄ２は、０．１２５×λと算出される。

ここで、図３，４に示す各特性図を作成するためのデータは、例えば、実験的または理論的に（一例として回路シミュレーションによって）予め取得することができる。

最後に、算出した各調整パラメータｄ１，ｄ２と、上記した各式（１），（２）とに基づいて、各可動短絡器２２，３２の起点Ｐ１からの距離Ｌ１，Ｌ２を算出し、算出した各距離Ｌ１，Ｌ２に各可動短絡器２２，３２を移動させる。これにより、整合の調整が完了する。

このように、この整合器１によれば、９０°ハイブリッド回路である分配回路２の入力ポート１２に信号源５を接続すると共に、アイソレーションポート１３に負荷６を接続し、かつ２つの出力ポート１６，１７に可変長同軸管３，４をそれぞれ接続したことにより、２つの可変長同軸管３，４における可動短絡器２２，３２の各位置という２つの調整パラメータを調整するだけで、同軸線７，８で接続された信号源５および負荷６の両者のインピーダンスを整合することができる。したがって、この整合器１を用いて、信号源５と負荷６とを短時間でしかも容易に整合することができる。また、同軸型で構成することができるため、整合器１の小型化を図ることができる。

また、各可変長同軸管３，４における同軸線２１，３１の他端側を短絡したことにより、同軸線２１，３１の各他端側を確実に固定できると共に、同軸線２１，３１に発生した熱を他端側から短寸壁４５に放熱できる結果、同軸線２１，３１を効果的に冷却することができる。さらに、同軸線２１，３１の他端側を短絡したことにより、各可変長同軸管３，４中で電磁界を閉じさせることができるため、信号源５から入力した信号の整合器１外部への漏洩を有効に防止することができる。また、同軸線２１，３１に取り付けられた各可動短絡器２２，３２の移動範囲に対して、９０°ハイブリッド回路への近づき過ぎを防止するためのオフセットを設けたことにより、各可変長同軸管３，４によって９０°ハイブリッド回路の特性に与える影響を軽減することができる。

また、分配回路２に誘電部材４９ａ，４９ｂ，４９ｃを配設すると共に、同軸線１８，１４，１５を誘電部材４９ａ，４９ｂ，４９ｃにそれぞれ貫通させたことにより、誘電部材４９ａ，４９ｂ，４９ｃの波長短縮効果によって同軸線１８，１４，１５を短くできる結果、分配回路２ひいては整合器１全体として小型化することができる。また、熱伝導率が良好で、かつ低損失の誘電部材（例えば石英）で誘電部材４９ａ〜４９ｃを構成することにより、誘電部材４９ａ〜４９ｃを介して同軸線１８，１４，１５の熱を放熱できるため、同軸線１８，１４，１５を良好に冷却することができる。

なお、例えば、９０°ハイブリッド回路（ブランチラインカプラ回路）で構成された分配回路２を用いた例について説明したが、この分配回路２に代えて、図５に等価回路を示すラットレース回路で構成された分配回路２Ａを用いることもできる。この分配回路２Ａを用いる場合、端子Ａを入力ポート１２として使用するときには、端子Ｃをアイソレーションポート１３として使用すると共に、端子Ｂ，Ｄに各可変長同軸管３，４をそれぞれ接続する。他方、端子Ｂを入力ポート１２として使用するときには、端子Ｄをアイソレーションポート１３として使用すると共に、端子Ａ，Ｃに各可変長同軸管３，４をそれぞれ接続する。すなわち、入力ポート１２として使用する端子の両隣の各端子に各可変長同軸管３，４をそれぞれ接続し、残りの端子をアイソレーションポート１３として使用する。また、この分配回路２Ａを用いる場合においても、分配回路２を用いる場合と同様の理由により、各可変長同軸管３，４における各可動短絡器２２，３２の移動範囲に対して上記したオフセット（距離Ｌ０）を設けるのが好ましい。

また、分配回路２Ａを用いた整合器において、整合を調整するときには、図３に代えて、図６に示す電気長（ｄ１／λ）と反射係数Γとの関係を示す特性図を使用し、図４に代えて、図７に示す電気長（ｄ２／λ）と位相との関係を示す特性図を使用する以外は、上記した整合器１と同様の手順で整合の調整を実行する。したがって、分配回路２Ａを用いた整合器においても、整合器１と同様にして、可動短絡器２２，３２の各位置という２つの調整パラメータを調整するだけで、同軸線７，８で接続された信号源５および負荷６の両者のインピーダンスを整合することができる。したがって、この整合器１を用いて、信号源５と負荷６とを短時間でしかも容易に整合することができる。

また、上記した各整合器は、多層回路基板中に、この基板の各層に形成した配線パターンおよびスルーホールを利用して構成することもできる。

整合器１の構成図である。 整合器１の一具体例の斜視図である。 整合器１の電気長（ｄ１／λ）と反射係数Γとの関係を示す特性図である。 整合器１の電気長（ｄ２／λ）と位相との関係を示す特性図である。 分配回路２Ａの構成図である。 図５の分配回路２Ａを用いた整合器の電気長（ｄ１／λ）と反射係数Γとの関係を示す特性図である。 図５の分配回路２Ａを用いた整合器の電気長（ｄ２／λ）と位相との関係を示す特性図である。

符号の説明

１ 整合器
２ 分配回路
３，４ 可変長同軸管
５ 信号源
６ 負荷
１２ 入力ポート
１３ アイソレーションポート
１６，１７ 出力ポート

Claims (2)

1. 信号源と負荷との間に配設されて両者のインピーダンスを整合する同軸型の整合器であって、
   入力ポートに前記信号源が接続されると共にアイソレーションポートに前記負荷が接続される同軸型の９０°ハイブリッド回路と、
   前記９０°ハイブリッド回路の各出力ポートにそれぞれ接続された２つの可変長同軸管とを備え、
   前記各可変長同軸管は、一端が前記出力ポートに接続され、かつ他端が短絡された同軸線と、当該同軸線に当該同軸線の長さ方向に沿って摺動自在に取り付けられた可動短絡器とを備え、
   前記各可動短絡器は、当該可動短絡器の位置をそれぞれ互いに独立して調整可能に構成されると共に前記９０°ハイブリッド回路の前記各出力ポートから所定の距離だけオフセットされた位置を起点として当該各同軸線の他端側へ移動可能に構成されている整合器。
2. 前記９０°ハイブリッド回路には、当該回路を構成する同軸線の少なくとも一部が貫通される誘電部材が配設されている請求項１記載の整合器。

Images