JP5142220B2 - 平面構成マイクロ波信号多分配器 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ波信号の多分配器、特に、バグレー・ポリゴン電力分配器（Bagley Polygon Power Divider）と同じ対称構造をした奇数分割の電力分配器に関する。

マイクロ波ミリ波信号をＮ方向に分配する回路としてはウィルキンソン電力分配器が良く知られている（非特許文献１）。この回路は信号合成器としても使用可能であり、どの入出力端子から見ても整合が取れている。更にはＮ分配端子間ではアイソレーションが取れる。しかしながら、Ｎが３以上では回路構造が立体的となり平面構成や集積回路用としての実現には適していないが、工夫したものが知られている（特許文献１）。
これに対して入力信号を多分割するだけの機能のものも使用される。この場合も入力に対して反射成分を生じない事が要求される。変成器付き多分配回路（非特許文献２、３）やバグレー・ポリゴン電力分配器（非特許文献４）は平面構成でこのような機能を持った回路である。また、同軸ケーブルを用いて基板の裏面から給電し、基板の表面上にて放射状に信号を多分配する回路も知られている（非特許文献５）。

http://www.microwaves101.com/encyclopedia/wilkinson_nway.cfm M. Kishihara, K. Yamane and I.Ohta,"Designof broadband microstrip-type multi-way power dividers"、Asia-Pacific Microwave Conference, Proc., vol.3, pp.1688-1691, Nov. 2003. M. Kishihara, K. Yamane and I.Ohta,"DParallel processing of powell’s optimization algorithm and its application to design of multi-way power dividers," Asia-Pacific Microwave Conference, Proc., 2005. http://www.dc2light.pwp.blueyonder.co.uk/Webpage/Hybridcouplers.htm#bagley E.L.Holzman, "An eiginvalue equation analysis of a symmetrical coax line to N-way waveguide power divider, " IEEE Trans. on MTT, Vol.42, No7, July 1994. 特開平9-289405

従来のバグレー・ポリゴン電力分配器は平面構成で入力信号を２ｎ＋１分割（ｎは整数）する事ができるが、隣り合う出力端子間の伝送路長は半波長と決まっており、入力端子からその両隣の出力端子への伝送線路長は1/4波長と決まっている。具体的な形状は、一辺を設計周波数の波長の1/2の長さとする奇数の正多角形であり、大型になる。また、その頂点に出力端子を有するため、出力端子の配置等に不便をきたすことがある（図１）。

本発明では、整合を取るために伝送路の特性インピーダンスのみが指定され、線路長を任意選ぶことができる設計とした。これにより、隣接した出力端子間の線路長を設計対象に応じて適宜短く調整することができ、出力端子が一列に並ぶように配置した電力分配器の製造が可能となった。
以下、詳細に説明する。

本発明は、出力端子間伝送線路の特性インピーダンスのみが指定され、その伝送線路長を任意に選ぶことができる奇数分割の電力分配器である。さらに入力端子から出力端子に至る伝送線路は入力端整合を取るため１／４波長の線路長であり、その形状は、入力端子から見て左右対称であることを特徴とした奇数分割の電力分配器である。

本発明は、バグレー・ポリゴン電力分配器において、入力端子が接続されていない正多角形の辺の長さが1/2波長であるところを、任意の長さに成し得ることを示し、結果として大幅な小型化を達成する。また、出力端子間の距離を自由に設定できることから出力端子の配置法など設計の自由度が増す。

従来型バグレー・ポリゴン電力３分配器および５分配器を示す。 従来型の（2n+1)分割バグレー・ポリゴン電力分配器の等価回路。 本発明の（2n+1)分割バグレー・ポリゴン電力分配器の等価回路。 本発明のバグレー・ポリゴン電力３分配器のパターン図。 本発明のバグレー・ポリゴン電力５分配器のパターン図。 試作した本発明のバグレー・ポリゴン電力５分配器の写真。 従来型と本発明のバグレー・ポリゴン電力３分配器の特性比較。 従来型と本発明のバグレー・ポリゴン電力５分配器の特性比較。 本発明のバグレー・ポリゴン電力５分配器の理論と実験。

全ての端子に接続する伝送線路の特性インピーダンスを50Ωとすると、従来の（2n+1)分割バグレー・ポリゴン電力分配器の入力端子からみて等価回路は、対称性を考慮して、図２のように示される。
図２において、Zbは半波長伝送線路の特性インピーダンスであり、Zmは1/4波長伝送線路の特性インピーダンスである。Ziは1/4波長伝送線路の右端から等価回路を見た入力インピーダンスである。このZiは定式化すると次の式（１）となる。

入力端子での整合性を考えると、Zmは式（２）となる。

ここで、Zbの値はバグレー・ポリゴン電力分配器の整合に影響せず任意に選べるので、Zb=Zmとする。
本発明の（2n+1）分割バグレー・ポリゴン電力分配器の入力端子からみて等価回路は図３のように示される。

図３において、Zj（j=1,2,・・・,n）は図の右側から数えてｊ番目の伝送路の特性インピーダンスであり、Lj（j=1,2,・・・,n）はその伝送線路長である。シャントの抵抗が配置される位置に右側から0,1,2, ・・・,nと番号している。
図３の等価回路からZ1/2=50とすると線路長L1に無関係の０位置での負荷に対する整合が得られ、Z2/2=50/3とすると線路長L2に無関係に１位置での負荷に対する整合が得られる。（n-1)位置での負荷に対する整合に関し、ｎ番目の伝送路の特性インピーダンスは式（３）により定まる。

ｎ位置での負荷は式（４）である。

入力端子50Ωと式（４）の負荷との整合は、Zmに関し、式（５）で示される。

上記式（３）及び（４）は、図３の等価回路上における複数の出力端子のそれぞれについて、入力端子の方向から一の出力端子に接続する伝送線路の特性インピーダンスと、該一の出力端子を含む、該伝送線路よりも入力端子から離れる方向に位置する一以上の出力端子の合成インピーダンスとが等しいことを示している。なお、式（３）の左辺はｎ番目（ｎ＝１，２，…，ｎ）の伝送線路の特性インピーダンスであり、右辺は一又は複数の出力端子の合成インピーダンスである。式（４）は図３のｎ位置におけるすべての出力端子の合成インピーダンスである。

例えば、図３の０位置に対応する出力端子（以下では「出力端子０」という）に入力端子の方向（図３では左方向）から接続する長さＬ１の伝送線路の特性インピーダンスＺ１／２は、出力端子０の負荷インピーダンス５０（Ω）と等しい。また、図３の１位置に対応する出力端子（以下では「出力端子１」という）に入力端子の方向から接続する長さＬ２の伝送線路の特性インピーダンスＺ２／２は、出力端子０の負荷インピーダンスと出力端子１の負荷インピーダンスとの合成インピーダンス５０／３（Ω）と等しい。なお、出力端子１は現実には２個の出力端子であるから、合成インピーダンス５０／３（Ω）は３個の出力端子の負荷インピーダンスを合成した値である。以降、２位置に対応する出力端子や（ｎ−１）位置に対応する出力端子についても、同様の関係が成立する。

図３のｎ位置に対応する出力端子（以下では「出力端子ｎ」という）に入力端子の方向から接続する長さλ_０／４の伝送線路の負荷はＺｉであり、出力端子０〜ｎの合成インピーダンス５０／（２ｎ＋１）（Ω）と等しい。このλ_０／４の伝送線路の特性インピーダンスＺｍ／２は式（５）より定まる。

従来の（2n+1）分割バグレー・ポリゴン電力分配器では、特定の周波数のときだけ上記半波長伝送路とその右端負荷とが整合するに過ぎないが、本発明の（2n+1）分割バグレー・ポリゴン電力分配器では、任意の周波数に対して線路長Ｌ１，Ｌ２，…，Ｌｎの伝送路とその右端負荷とが整合する。

上記の電力分配器の整合は特性インピーダンスZj（j=1,2,・・・,n）である伝送線路の長さに依存しない。

従来の（2n+1）分割バグレー・ポリゴン電力分配器（以下、バグレー・ポリゴン電力Ｎ分配器と称する。）の例としてＮ=３、５の場合を図１に示す。バグレー・ポリゴン電力３分配器では＃１が入力端子、＃２，３，４が出力端子である。一辺1/2波長の正三角形の頂点に出力端子がある。同じく、バグレー・ポリゴン電力５分配器では一辺1/2波長の正五角形の頂点に出力端子がある。半波長伝送路の特性インピーダンスＺｂは任意に選べるが、１／４波長伝送路の特性インピーダンスＺｍと等しく式（６）としている。なお、式（６）におけるＺ_０は入力端子及び各出力端子の負荷インピーダンスである。

本発明のバグレー・ポリゴン電力分配器において、Ｎ＝３、Ｎ＝５分配器の例を図４および図５に示す。本発明の分配器においては、入力端子＃１から両端に至る回路構造（図４においてはポート１からポート２、４に至る構造、図５においてはポート１からポート２、６に至る構造）は従来型と同じである。しかしながら、出力端子間距離は任意である。即ち、図４においてはＬ１が任意であり、図５においてはＬ１、Ｌ２が任意である。また出力端子間特性インピーダンスは、図４においては式（７）であり、図５においては式（８）によって与えられる。なお、式（７）及び（８）においても、Ｚ_０は入力端子及び各出力端子の負荷インピーダンスである。

すなわち、図４で示される電力分配器（出力端子の数Ｎ＝３）では、出力端子Ｐ＃３に接続する長さＬ１の伝送線路の特性インピーダンスＺ１は、出力端子Ｐ＃３の負荷インピーダンスの２倍と等しい。

すなわち、図５で示される電力分配器（出力端子の数Ｎ＝５）では、出力端子Ｐ＃４に接続する長さＬ１の伝送線路の特性インピーダンスＺ１は、出力端子Ｐ＃４の負荷インピーダンスの２倍と等しい。また、出力端子Ｐ＃３に接続する長さＬ２の伝送線路の特性インピーダンスＺ２は、出力端子Ｐ＃３，Ｐ＃４，Ｐ＃５の合成インピーダンスの２倍と等しい。出力端子Ｐ＃５についても、出力端子Ｐ＃３と同様のことがいえる。

一般的に提案型バグレー・ポリゴン電力Ｎ分配器においては式（９）が成立する。

従来のものと本発明の分配器との理論周波数特性の違いを図７および図８に示す。３分配器では反射特性S11が本発明の分配器では狭帯域になっているが、分配特性S12、S13は同一であり改善されている。５分配器では反射特性S11に大差なく、分配特性S12、S13、S14は共に等しく改善されている。なお、分配特性が改善されているとは、周波数に依らず分配特性がほぼ一定であることをいう。従来型は波状の特性となっている。

（試作例）
本発明の５分配器の試作例を示す。図６では出力端子間距離が任意であることにより図の５個のSMAコネクタの幅に合わせて出力端子間距離を設定した。設計中心周波数関数は１GHzである。
試作回路に関する理論と実験との比較を図９に示す。

図６に示す５分配器の出力端子を左から出力端子１，出力端子２，…，出力端子５とすると、出力端子１及び２を結ぶ伝送線路の幅は、出力端子２及び３を結ぶ伝送線路の幅よりも大きい。出力端子４及び５を結ぶ伝送線路の幅と出力端子３及び４を結ぶ伝送線路の幅との関係も同様である。このように伝送線路の幅を調整することで、伝送線路の特性インピーダンスを一又は複数の出力端子の合成インピーダンスと等しくすることが可能である。具体的には、伝送線路の幅を小さくするほどその伝送線路の特性インピーダンスが大きくなる。なお、伝送線路が同軸ケーブルであれば、伝送線路の特性インピーダンスは同軸ケーブルの心線の径で決まる。

本発明により、奇数分割のバグレー・ポリゴン電力分配器を小型化することができ、出力端子間の距離を自由に設定できることから出力端子の配置法など設計の自由度が増す。また、平面構成であることから印刷配線を可能としマイクロ波帯集積回路に向いている。

Claims (4)

1. 入力端子から出力端子に至る伝送線路と出力端子間伝送線路がループ形状を成し、前記出力端子間伝送線路の特性インピーダンスのみが指定され、その伝送線路長を任意に選ぶことができる奇数分割の電力分配器。
2. 前記入力端子から前記出力端子に至る前記伝送線路は入力端整合を取り、且つ１／４波長の線路長である請求項１に記載の奇数分割の電力分配器。
3. 形状が前記入力端子から見て左右対称である請求項２記載の奇数分割の電力分配器
4. 入力端子と複数の出力端子とを備える奇数分割の電力分配器であって、
   入力端子から出力端子に至る伝送線路と出力端子間伝送線路がループ形状を成し、
   前記奇数分割の電力分配器の等価回路上における前記複数の出力端子のそれぞれについて、前記入力端子の方向から一の出力端子に接続する伝送線路の特性インピーダンスと、該一の出力端子を含む、該伝送線路よりも前記入力端子から離れる方向に位置する一以上の出力端子の合成インピーダンスとが等しい、
   ことを特徴とする奇数分割の電力分配器。