JP5624537B2 - 高周波コンバイナ／スプリッタの改良および高周波コンバイナ／スプリッタに関する改良 - Google Patents

Description

本発明は、マルチポートスプリッタ（ディバイダ）またはコンバイナに関する。それは特に、単一の送受信機が複数のアンテナまたは他のデバイスに接続されることを可能にするという点での使用を見出すものであるが、他を排除するものではない。

複数の送信アンテナを駆動する、または複数の受信アンテナからの信号を受信することが可能であるということが多くの場合には有利である。しかしながら、インピーダンスの不整合における問題により、複数のアンテナを送受信機の個々の入力または出力に接続することは単純なことではない。たとえば複数の受信アンテナを有することは、ある程度の受信ダイバーシティが用いられることを可能にするとともに、受信信号の強度を増大させることができる。

以下、明細書全体を通じて、１つの信号を２以上の成分に分配または分割することが述べられるが、記述された従来技術および本発明の実施形態はともに本質的に双方向であるため、当業者は、そのような記述が２以上の信号の結合も含むことを理解するであろう。

信号源からの１つの信号を分割して、たとえば１対のアンテナに与える従来技術は数多くの異なる形態をとることができる。１つの特有の技術は、周知のウィルキンソン・ディバイダを用いる。これは図１において示されている。それは比較的安価であるとともに設計および実現が容易であるという利点を有し、所定の周波数において予測可能であるとともに比較的効率的な性能を与える。しかしながらウィルキンソン・ディバイダは１／４波長変成素子に依存するので周波数依存性があり、比較的狭い帯域以外ではよい性能を提供することができない。このことは、ある特定の広い帯域（またはデュアルバンド）用途にとって、それを役立たないものにする。

図１のウィルキンソン・ディバイダは、１，２，３と符号が付された３つのポートを有する。ポート１に与えられる信号は分割されて、ポート２およびポート３から２つの同一の信号として現れる。ポート２およびポート３から現れる信号は、ポート１に入力される信号と比較して３ｄｂよりもいくらか大きな程度減衰される。理想的な双出力ディバイダにおいて、各出力ポートからの信号は入力信号より３ｄＢ低下する。実際のウィルキンソン・ディバイダにおいては各出力からの信号は３ｄＢよりもいくらか大きく低下するが、これはバランス抵抗における損失によるものである。

ポート１に与えられる送信機のインピーダンスが５０Ω（Ｚｏ）であるとすると、１対の５０Ωの負荷への最大パワー伝送を確実とするためには、ポート２およびポート３でのインピーダンスが同じであることが必要である。これを確実にするために、ポート１とポート２との間（およびポート１とポート３との間）の経路は動作周波数での波長の１／４である必要がある。これは、各ブランチの特性インピーダンスをＺｏ√２（この例では７０．７Ω）に設定する。ウィルキンソン・ディバイダは、２つのブランチの間のバランス抵抗の使用を要求する。これは、２Ｚｏ（＝１００Ω）の値に設定される。このバランス抵抗はデバイスの挿入損失を増大させるが、このデバイスにおいては避けることができないものである。

本発明によれば、添付のクレームに記述されるような装置が提供される。本発明の他の特徴は、従属クレームおよび以下に続く記述から明らかとなるであろう。

本発明のよりよい理解のため、および、その実施形態が実施可能であることを示すために、添付の線図が例示として参照される。

マイクロストリップ形態における従来技術のウィルキンソン・ディバイダを示す図である。 本発明の第１の実施形態を示す図である。 追加された構造上の細部を有する図２の第１の実施形態を示す図である。 本発明の第２の実施形態を示す図である。

本発明の実施の形態は、単純な方式で、ディスクリート要素の必要なく、マイクロストリップ技術のみを用いて信号を分割するまたは複数の信号を結合するという目的を実現する。

図２は、マイクロストリップ技術を用いて構築された本発明の実施形態を示す。すなわち配線は回路基板から金属を選択的に取除くことによって形成される。この除去は、エッチングまたはレーザ除去といった任意の適切な手段によって達成され得る。

図２のディバイダ１００は、第１のポート１０１と２つの出力ポート１０２，１０３とを備える。なお、ディバイダはまたコンバイナとしても機能し得る、すなわち本質的に双方向であるので、各入力ポートは出力ポートでもあり得るとともに逆も成り立つ。

入力ポート１０１は、概ね三角形の部分の頂点に近接して位置し、その三角形の部分は外に向かってテーパがつき、概ね長方形の部分に結合し、その長方形の部分のそれぞれの端に、ポート１０２，１０３が位置する。ポート１０１は、実際には概ね長方形の部分の短い方の端にある。この部分の幅は、それに接続されるデバイスの特性インピーダンスによって決定される。たとえば、ポート１０１が５０Ωのインピーダンスを有するデバイスに接続されるならば、長方形の部分の幅は、したがって周知の技術を用いて、回路基板の特性に基づいて計算することができる。

ポート１０１をポート１０２，１０３に接続する三角形の部分は、ポート１０１の特性インピーダンスとポート１０２，１０３の特性インピーダンスとの間の概ね広帯域の整合を与える役割を果たす。

典型的な装置において、各ポートの特性インピーダンスは５０Ωとなるであろう。したがって、テーパのついた三角形の部分は、ポート１０１の５０Ωのインピーダンスと、事実上並列に配置されているポート１０２およびポート１０３によって形成される２５Ωのインピーダンスとの整合をとらなければならない。

三角形の部分の緩やかに先細りとなる輪郭は、ポート１０１での５０Ωから２５Ωへのなだらかな遷移を与える役割を果たす。それはまた、ポート１０２およびポート１０３の間の、＞２０ｄＢのアイソレーションを与える。

ポート１０２およびポート１０３は、概ね長方形のエレメント１０４（ここではブリッジバーと呼ばれる）によって分離される。ブリッジバーの寸法は、その幅（平面における最小の寸法）がポート１０２およびポート１０３に接続されるデバイスの特性インピーダンスによって決定されるように選択される。その長さ（平面における最長の寸法）は、ポート１０２および１０３がディバイダの動作中心周波数においてポート１０２および１０３が１／４波長離れるように設定される。

また、ポート１０１とポート１０２との間およびポート１０１とポート１０３との間の物理的な距離は、動作中心周波数における波長の１／４に設定される。この構造は、ポートの間の求められるアイソレーションを提供する。

これは次のように説明することができる。ポート１０２まで伝達して反射されてポート１０１に現れる信号は、その伝達の１行程毎に９０°の位相シフトを有し、それがポート１０１に戻る時間までに、位相がずれてそれ自身が相殺されることを意味する。これはすべてのポートに対して正しく、それらすべての間での良好なアイソレーションが存在することを確実にする。テーパ部分は、それがない場合よりも、より広い帯域に亘りこのアイソレーションが得られることを確実にする。実際、３０ｄＢより大きいアイソレーションが測定された。

図２の実施形態は、１オクターブ半の帯域を与え、これを達成するための外付けの要素を不要とし、実現およびコスト効率をとても単純にする。

図３は、ディバイダの確実な寸法がどのようにして到達されたかを説明するための追加の構造上の細部を有する図２の実施形態を示す。点線の長方形１１０は、三角形の部分の先細り部分に等価な高さと、先細り部分の平均的な幅に等価な幅とを有する。先細り部分が点線の長方形の部分に置き換わるようにマイクロストリップ構造が適用されたならば、その長方形の部分は、ポート１０１とポート１０２，１０３との間の狭い帯域での整合を提供することになるであろう。

点線の長方形の部分が三角形の部分の領域に対応することを見ることができる。概念的には、三角形の部分１１４が長方形１１０から取り除かれて三角形の部分１１２を形成するように置かれるということを想定することは可能である。同じことは、三角形の部分の他方の側において起こる。

長方形の部分１１０の幅は、ポート１０１のインピーダンスを、並列のポート１０２およびポート１０３のインピーダンスへと変換するために要求されるラインインピーダンスによって決定される。次の式

は、ポート１０１のインピーダンスと、ポート１０２およびポート１０３におけるインピーダンスの並列効果との積の平方根をとることによって長方形の部分の幅を決定するために用いられることができる。

すべてのポートが５０Ωであるならば、並列のポート１０２およびポート１０３は、２５Ωのインピーダンスを与える。したがって、これはＺ_widthの値として３５．３６Ωを与える。このインピーダンスの値から、幅は、周知の技術を用いて直接的に決定することができる。

次に、テーパのついた形状は、上記のように、この値をその部分の中点として用いることによって設定することができる。テーパ部分は、実際には、直列の個々のＬＣ回路のように機能し、それは広帯域での整合を与えるように動作する。

もしテーパ部分が直線的な傾斜（すなわちテーパ部分の幅が一様に変化する）を用いて作製されたならば、整合の性能は線形的となる。しかしながら、もしテーパ部分が直線的ではなく、たとえば凸状、凹状または他の曲線の部分を有するように形成されたならば、整合の性能もまた非直線的な方式で変化し得る。たとえば、あるデバイスがポートの１つに接続されてその特性インピーダンスが周波数に応じて変化するならば、テーパ部分は、これに適合して、すべての動作周波数において良好な整合を達成することを確実とするように設計することができる。

したがって、本発明の実施形態が、ウィルキンソン・ディバイダに対して簡素で低コストの代替品を提供することができ、外付けの要素を不要として、より広い帯域に亘りより良好なパワー性能（より低い挿入損失）を提供することを見ることができる。また、本発明の実施形態は整合抵抗を不要とするので、対応する挿入損失がなくなり、その結果パワー性能がより高められる。

本発明の代替的な実施形態は、より一層大きな帯域に亘り動作可能なディバイダを提供するか、あるいはデュアルバンドデバイスとして実現され得る。これは図４に示される。図４は、テーパ部分１２０が、もはや直線的な端部を有していない点において図２のデバイスと異なる。ここに示された実施形態は、上記のように、概ね直線的な傾向に従っているが、外端はギザギザであり、概ね鋸波またはジグザグ構造を備える。

これの効果は、ディバイダを２つの別々の周波数帯に亘り動作させることである。第１の周波数帯は、上述のようにギザギザの端がなく、図２に示されるように外端がなめらかであると仮定した場合のテーパ部分の特有の形状によって決定される。第２の動作周波数帯は、ギザギザの端の存在によって変化し、それはマイクロストリップ回路において異なる反応の性質を有する。物理的レイアウトの注意深い設計によって、周知の技術を用いて、当業者は２つの別々の周波数帯に亘り動作可能なディバイダを設計することができる。

当然ながら、２つの周波数帯をそれらが重なるように設計することが可能であり、図２の構造のみを用いて可能となるよりも、より幅広い１つの帯域に亘り動作可能なデバイスを提供することができる。

本発明の実施形態は、少なくとも２つの周波数帯に亘り動作可能な高周波（ＲＦ）デバイスにおける特有の使用を見出す。少なくとも２つの周波数帯において動作する携帯電話を提供することは極めて一般的であり、本発明の一実施形態の使用によって、２つの異なるアンテナを提供することができる。それは各周波数帯のためのものであり、それらはディバイダを介して１つの高周波送受信機に接続され得る。

本発明の実施形態に従うデバイスの動作周波数は、概ねＧＨｚの範囲にあり、ワイヤレス通信およびワイヤレスデータアクセスデバイスに用いられるであろう。

この分野での他の使用は、当業者にとって明らかであるだろう。
この出願に関するこの明細書と同時にあるいはそれ以前に提出され、この明細書に関する公共の調査で明らかとなっているすべての書類および文書に対して注意が向けられており、そのような書類および文書のすべての内容は、参照によってここに援用される。

この明細書（任意の添付クレーム、要約および図面を含む）に開示されたすべての特徴、および／または開示されたあらゆる方法（method）または処理（process）のすべてのステップが、少なくともそのような特徴および／またはステップのいくつかが相互的に排他的である場合を除いて、任意の組合せによって結合され得る。

この明細書（任意の添付クレーム、要約および図面を含む）において開示された各特徴は、明確に違ったように述べられていない限りは、同一、等価または同様の目的を与える代替的な特徴によって置換され得る。すなわち、明らかに違ったように述べられていなければ、開示された各特徴は、等価または同様の特徴の一般的な組のただ１つの例にしか過ぎない。

本発明は、上記の実施形態の詳細によって制限されるものではない。本発明は、この明細書（任意の添付のクレーム、要約および図面を含む）に開示された特徴の任意の新規のもの、または任意の新規な組合せ、または開示された任意の方法または処理のステップの新規のもの、または新規の組合せに及ぶ。

Claims (20)

1. 高周波ディバイダであって、
   １つの入力ポートと、
   ２つの出力ポートとを備え、前記２つの出力ポートはブリッジバーによって分離され、前記ブリッジバーは、前記２つの出力ポートの各々に接続されるデバイスのインピーダンスを整合させるように選ばれた幅と、前記２つの出力ポートの間で動作周波数帯の中心点における波長の１／４の分離を与えるように選ばれた長さとを有し、前記入力ポートの特性インピーダンスは、各前記出力ポートの特性インピーダンスの２倍であり、
   概ねテーパのついたマイクロストリップ部分をさらに備え、前記マイクロストリップ部分は、その相対的に細い端部において前記入力ポートに接続されるとともに、前記ブリッジバーの前記長さの一部に沿って、その相対的に幅広い端部において接続されて、前記入力ポートと各出力ポートとの間の、前記動作周波数帯の中心点における波長の１／４の分離を与えるように構成され、
   前記テーパのついた部分の外端は、概ね直線であるか、または概ね鋸歯またはジグザグ構造であり、
   前記テーパのついた部分の形状は、前記テーパのついた部分の高さと等価な高さを有する概念的な矩形形状により決定され、
   前記矩形形状の幅は、前記入力ポートのインピーダンスと前記出力ポートのインピーダンスの並列効果との積の平方根をとることにより計算され、
   前記テーパのついた部分の形状は、前記入力ポートと前記矩形形状の幅に沿った端部との交差部と前記テーパのついた部分の高さ方向の１／２高さ位置における端部との間の三角形領域を規定しかつ前記三角形領域を前記１／２高さ位置より上で前記高さ方向に沿って前記矩形形状領域の端部に隣接するように移動させることにより決定される、ディバイダ。
2. 前記概ねテーパのついた部分は、直列のＬＣ回路として動作して、それにより広帯域の整合を提供する、請求項１に記載のディバイダ。
3. 前記テーパのついた部分の前記外端は、概ね鋸歯またはジグザグ構造を有し、この構造はデュアルバンド応答を提供する、請求項１または２に記載のディバイダ。
4. 前記テーパのついた部分の形状は、それが表わす領域の中点におけるインピーダンスに基づいて決定される、請求項１から３のいずれか１項に記載のディバイダ。
5. 前記テーパのついた部分は、前記テーパのついた部分の長さに同じ長さと、前記１つのポートのインピーダンスを並列の前記２つのポートのインピーダンスに変換するラインインピーダンスによって決定される幅とを有する長方形に等価である領域を有する、請求項１から４のいずれか１項に記載のディバイダ。
6. 前記等価な長方形の前記幅は、それの幅によって決定されるインピーダンスから決定され、そのインピーダンスは、前記１つのポートで割った前記２つのポートのインピーダンスの全ての積の平方根から決定される、請求項５に記載のディバイダ。
7. １オクターブ半の前記動作周波数帯域を有する、請求項１から６のいずれか１項に記載のディバイダ。
8. 前記２つのポートと前記１つのポートとの間の１／４波長の分離が、任意のポートに入力される信号の位相を、入力とそのポートに戻る反射との間で９０°ずらし、それによって、そのような反射を相殺する、請求項１から７のいずれか１項に記載のディバイダ。
9. 前記ブリッジバーは、一般的に長方形の素子である、請求項１から８のいずれか１項に記載のディバイダ。
10. 高周波コンバイナであって、
    １つの出力ポートと、
    ２つの入力ポートとを備え、前記２つの入力ポートはブリッジバーによって分離され、前記ブリッジバーは、前記２つの入力ポートの各々に接続されるデバイスのインピーダンスを整合させるように選ばれた幅と、前記２つの入力ポートの間で動作周波数帯の中心点における波長の１／４の分離を与えるように選ばれた長さとを有し、前記出力ポートは、各前記入力ポートの特性インピーダンスの２倍の特性インピーダンスを有し、
    概ねテーパのついたマイクロストリップ部分をさらに備え、前記マイクロストリップ部分は、その相対的に細い端部において前記入力ポートに接続されるとともに、前記ブリッジバーの前記長さの一部に沿って、その相対的に幅広い端部において接続されて、前記出力ポートと各入力ポートとの間の、前記動作周波数帯の中心点における波長の１／４の分離を与えるように構成され、
    前記テーパのついた部分の外端は、概ね直線であるか、または概ね鋸歯またはジグザグ構造であり、
    前記テーパのついた部分の形状は、前記テーパのついた部分の高さと等価な高さを有する概念的な矩形形状により決定され、
    前記矩形形状の幅は、前記出力ポートのインピーダンスと前記入力ポートのインピーダンスの並列効果との積の平方根をとることにより計算され、
    前記テーパのついた部分の形状は、前記出力ポートと前記矩形形状の幅に沿った端部との交差部と前記テーパのついた部分の高さ方向の１／２高さ位置における端部との間の三角形領域を規定しかつ前記三角形領域を前記１／２高さ位置より上で前記高さ方向に沿って前記矩形形状領域の端部に隣接するように移動させることにより決定される、コンバイナ。
11. 前記概ねテーパのついた部分は、直列のＬＣ回路として動作して、それにより広帯域の整合を提供する、請求項１０に記載のコンバイナ。
12. 前記テーパのついた部分の前記外端は、概ね鋸歯またはジグザグ構造を有し、この構造はデュアルバンド応答を提供する、請求項１０または１１に記載のコンバイナ。
13. 前記テーパのついた部分の形状は、それが表わす領域の中点におけるインピーダンスに基づいて決定される、請求項１０から１２のいずれか１項に記載のコンバイナ。
14. 前記テーパのついた部分は、前記テーパのついた部分の長さに同じ長さと、前記１つのポートのインピーダンスを並列の前記２つのポートのインピーダンスに変換するラインインピーダンスによって決定される幅とを有する長方形に等価である領域を有する、請求項１０から１３のいずれか１項に記載のコンバイナ。
15. 前記等価な長方形の前記幅は、それの幅によって決定されて、そのインピーダンスは、前記１つのポートで割った前記２つのポートのインピーダンスの全ての積の平方根から決定される、請求項１４に記載のコンバイナ。
16. １オクターブ半の前記動作周波数帯域を有する、請求項１０から１５のいずれか１項に記載のコンバイナ。
17. 前記２つのポートと前記１つのポートとの間の１／４波長の分離が、任意のポートに入力される信号の位相を、入力とそのポートに戻る反射との間で９０°ずらし、それによって、そのような反射を相殺する、請求項１０から１６のいずれか１項に記載のコンバイナ。
18. 前記ブリッジバーは、一般的に長方形の素子である、請求項１０から１７のいずれか１項に記載のコンバイナ。
19. 高周波信号を分割する方法であって、
    入力信号を受信するための入力ポートを設けるステップと、
    その相対的に細い端部が前記入力ポートに接続されて前記入力ポートのインピーダンスを２つの出力ポートに整合させ、前記入力ポートと各出力ポートの間における、動作周波数帯の中心点における波長の１／４の分離を与えるように構成された、テーパのついたマイクロストリップ部分を提供するステップとを備え、前記入力ポートは、各前記出力ポートの特性インピーダンスの２倍の特性インピーダンスを有し、
    その長さの一部に沿った前記テーパのついた部分の相対的に幅広い端部において接続されて、その反対側の端部に前記２つの出力ポートを有し、前記２つの出力ポートの各々に接続されるデバイスのインピーダンスを整合させるように選ばれた幅と、前記２つの出力ポートの間で動作周波数帯の中心点における波長の１／４の分離を与えるように選ばれた長さとを有し、それによって前記入力信号が前記２つの出力ポートの間で分割されるブリッジバーを提供するステップとを備え、
    前記テーパのついた部分の形状は、前記テーパのついた部分の高さと等価な高さを有する概念的な矩形形状により決定され、
    前記矩形形状の幅は、前記入力ポートのインピーダンスと前記出力ポートのインピーダンスの並列効果との積の平方根をとることにより計算され、
    前記テーパのついた部分の形状は、前記入力ポートと前記矩形形状の幅に沿った端部との交差部と前記テーパのついた部分の高さ方向の１／２高さ位置における端部との間の三角形領域を規定しかつ前記三角形領域を前記１／２高さ位置より上で前記高さ方向に沿って前記矩形形状領域の端部に隣接するように移動させることにより決定される、高周波信号を分割する方法。
20. ２つの高周波信号を結合する方法であって、
    各々が入力信号を受信するための２つの入力ポートを設けるステップと、
    その対向する端部に前記２つの入力ポートを有し、前記２つの入力ポートの各々に接続されるデバイスのインピーダンスを整合させるように選ばれた幅と、前記２つの入力ポートの間で動作周波数帯の中心点における波長の１／４の分離を与えるように選ばれた長さとを有するブリッジバーを提供するステップと、
    前記ブリッジバーの長さの部分に沿ってその相対的に幅広い端部において接続されるとともに、その相対的に細い端部において１つの出力ポートに接続されて、前記２つの入力ポートと前記１つの出力ポートとの間のインピーダンスの整合を行ない、それによって前記入力信号が前記出力ポートにおいて結合されるとともに、前記出力ポートと各前記入力ポートとの間における、動作周波数帯の中心点における波長の１／４の分離を与えるように構成された、テーパのついたマイクロストリップ部分を提供するステップとを備え、前記出力ポートは、各前記入力ポートの特性インピーダンスの２倍の特性インピーダンスを有し、
    前記テーパのついた部分の形状は、前記テーパのついた部分の高さと等価な高さを有する概念的な矩形形状により決定され、
    前記矩形形状の幅は、前記出力ポートのインピーダンスと前記入力ポートのインピーダンスの並列効果との積の平方根をとることにより計算され、
    前記テーパのついた部分の形状は、前記出力ポートと前記矩形形状の幅に沿った端部との交差部と前記テーパのついた部分の高さ方向の１／２高さ位置における端部との間の三角形領域を規定しかつ前記三角形領域を前記１／２高さ位置より上で前記高さ方向に沿って前記矩形形状領域の端部に隣接するように移動させることにより決定される、高周波信号を結合方法。

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