JP5714979B2

JP5714979B2 - 広帯域バラン

Info

Publication number: JP5714979B2
Application number: JP2011113388A
Authority: JP
Inventors: マイケル・ジェイ・ホワイト
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 2010-07-20
Filing date: 2011-05-20
Publication date: 2015-05-07
Anticipated expiration: 2031-05-20
Also published as: US8362849B2; US20120019333A1; IL212943A; KR101529749B1; JP2012029280A; EP2418726B1; KR20120009399A; EP2418726A1; IL212943A0

Description

本発明は広帯域バランに関する。

米国政府は本発明に関し、（秘）の認定する契約条件第（秘）号に定めるところの所定の権利を有し得るものである。
バランは、２つの逆位相信号を１つに纏めて共通ポートに送る、あるいは共通信号を２つの逆位相信号に分離させる回路変圧器である。バランはアンテナ給電、高効率増幅器技術、広帯域の二次オーダーキャンセレーションで利用される。従来のバランにおける帯域幅は一般に、代表的には３：１と限られたものであった。印刷回路形式の用途では帯域幅３：１を実証済みのマーチャンドバランが広範に用いられる。しかしながら、マーチャンドバランを含む現在の高周波数型バランは挿入損失が大きく、しかも高周波数では有効動作しない。
従って、本明細書で説明する特徴を有する広帯域バランに対する需要が存在する。

従来技術の問題を解決する広帯域バランを提供することである。

広帯域バランへのアプローチの１つには、不平衡ライン、平衡ライン、二重Ｙ型移行セクション、第１接続セクション、第２接続セクション、が含まれる。不平衡ラインには、接地トレース、信号トレースが含まれる。平衡ラインには第１及び第２の各信号トレースが含まれる。二重Ｙ型移行セクションには、第１及び第２の各スロットトレースが含まれる。第１スロットトレースは不平衡ラインの接地トレースを平衡ラインの第１信号トレースに連結する。第２スロットトレースは不平衡ラインの信号トレースを平衡ラインの第２信号トレースに連結する。第１接続セクションは二重Ｙ型移行セクションの第１スロットトレースを平衡ラインの第１信号トレースに連結する。第２連結セクションは二重Ｙ型移行セクションの第２スロットトレースを平衡ラインの第２信号トレースに連結する。

広帯域バランへの他のアプローチはバラン回路である。バラン回路には、不平衡ライン、平衡ライン、二重Ｙ型移行セクションスロットライン、第１接続セクション、第２接続セクション、が含まれる。不平衡ラインには、第１中央導体と、第１及び第２の各コプレーナ導体とが含まれる。平衡ラインには、第２中央導体と、第３及び第４の各コプレーナ導体とが含まれる。二重Ｙ型移行セクションスロットラインには、第１導体及び第２導体が含まれる。第１導体は第１中央導体を第３及び第４の各コプレーナ導体に連結する。第２導体は第１及び第２の各コプレーナ導体を第２中央導体に連結する。第１接続ラインは第１導体を第３及び第４の各コプレーナ導体に接続する。第２接続ラインは第１及び第２の各コプレーナ導体を第２中央導体に接続する。

他の実施例では上述した任意のアプローチに以下の特徴の１つ以上が含まれ得る。
ある実施例では不平衡ラインが、不平衡コプレーナ導波（ＣＰＷ）ラインを含む。
他の実施例では平衡ラインが、平衡コプレーナ導波（ＣＰＷ）ラインを含む。
他の実施例では二重Ｙ型移行セクションが、連結したスロットナインを含む。
他の実施例では連結したスロットラインが、基材上にマウントした第１及び第２の各導体を含む。
他の実施例では第１信号トレースが平衡ラインの中央導体である。
ある実施例では第１連結セクションが第１の金属製相互連結部を含み、第２連結セクションが第２の金属製相互連結部を含む。
他の実施例では第１連結セクションが第１マイクロストリップを含み、第２連結セクションが第２マイクロストリップを含む。
他の実施例では不平衡ラインへの電力入力及び平衡ラインからの電力出力が実質的に同一である。
他の実施例では第１連結ラインが第１の金属製相互連結部を含み、第２連結ラインが第２の金属製相互連結部を含む。
ある実施例では第１連結ラインが第１マイクロストリップを含み、第２連結ラインが第２マイクロストリップを含む。
ここで説明するテクノロジーによれば以下に示す１つ以上の利益が提供され得る。当該テクノロジーは有益には、モノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）において少なくとも７２：１の帯域幅を有し、それにより標準的なモノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）製造プロセスでの集積化を容易化し、かくして広帯域バランの製造コストを低下させ、また信号の変換効率を増長させる。本テクノロジーは、低挿入損失性であり、代替ソリューションと比較してコンパクトであり、代替ソリューションよりも製造費用が少ない点で有益性がある。

図１は広帯域バランの１例における回路ダイヤグラム図である。図２は広帯域バランの他の例における回路ダイヤグラム図である。図３は広帯域バラン用の試験用構成の回路ダイヤグラム図である。図４は広帯域バランの１例における性能の例示チャート図である。広帯域バラン用の試験構成例の性能の例示チャート図である。

本テクノロジーを略述するに、広帯域バランはスタンドアロン型の１８０度電力分配器である。広帯域バランは、ここで説明する如く広帯域周波数範囲で動作する。広帯域バランは、例えば、７２：１の帯域幅を有し、低損失性で、標準のモノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）プロセステクノロジーを利用して開始される。本テクノロジーによれば、モノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）または広帯域バラン利用基盤プロセスにおいて容易に集積化される、広帯域の、低損失性の、コンパクトな構造が提供される。

本テクノロジーには、二重Ｙ型移行部と、コプレーナ導波（ＣＰＷ）路とが含まれる。二重Ｙ型移行部は広帯域性能を実現し、コプレーナ導波（ＣＰＷ）路をスロットラインに（及びその逆に）変換する。本テクノロジーには、二重Ｙ型移行部からのスロットライン（例えば、コプレーナストリップライン（ＣＰＳ）フィールド）を変換し、ここで説明する如き低損失性の広帯域バランを提供するＴ字型のコプレーナ導波（ＣＰＷ）路を更に含み得る。
二重Ｙ型移行部は、モノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）の微細リトグラフ製造テクノロジーにより低損失下に高周波数動作が可能であり、かくして当該テクノロジーの効率を増長させる点において有益性がある。Ｔ字型のコプレーナ導波（ＣＰＷ）路は、広帯域バランを小型化し、かくして当該広帯域バランの、物理的大型サイズ無しでの高周波数動作を可能とする点において有益性がある。広帯域バランのモノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）製造テクノロジーは、広帯域バランのその他のコンポーネンツに接近しての接地プレーンの位置決めを可能とし、かくして、電気的信号の変換に要する時間を短縮する一方、電気的信号間のインターフェースを減少させることで高周波数用途での効率的利用を可能とする点において有益性がある。

図１には１実施例における広帯域バラン１００の回路ダイヤグラム図が示される。広帯域バラン１００は、不平衡ライン１１０（例えば、同軸ケーブル、リボンケーブル、２心極細同軸ケーブル等）、二重Ｙ型移行セクションスロットライン１２０、平衡ライン１３０（例えば、より線対、ラダー型ケーブル等）を含む。不平衡ライン１１０は、中央導体１１２と、等電位の２つのコプレーナ導体１１４及び１１６とを含む。二重Ｙ型移行セクションスロットライン１２０は２つの導体１２２及び１２４を含む。平衡ライン１３０は、中央導体１３１及び１３２と、コプレーナ導体１３３、１３４、１３５、１３６を含む。広帯域バラン１００は、例えば、不平衡ライン１１０からの電気的信号（即ち、不平衡電気信号）の平衡ライン１３０（即ち、平衡電気信号）への（及びその逆への）変換に利用し得る。

二重Ｙ型移行セクションスロットライン１２０の導体１２２は、不平衡ライン１１０の中央導体１１２に電磁的に連結した導体１２２位置の信号電位を、平衡ライン１３０のコプレーナ導体１３３及び１３４及び中央導体１３２に連結する。二重Ｙ型移行セクションスロットライン１２０の導体１２４は、不平衡ライン１１０の２つのコプレーナ導体１１１及び１１６に電磁的に連結した導体１２４位置の信号電位を、平衡ライン１３０のコプレーナ導体１３５及び１３６及び中央導体１３１に連結する。

平衡ライン１３０は２つの連結ライン１４２及び１４４を更に含む。連結ライン１４２（第１連結ラインとも称する）は、二重Ｙ型移行セクションスロットライン１２０の導体１２２を、平衡ライン１３０のコプレーナ導体１３３及び１３４及び中央導体１３２に連結する。連結ライン１４４（第２連結ラインとも称する）は、二重Ｙ型移行セクションスロットライン１２０の導体１２４を平衡ラインのコプレーナ導体１３５及び１３６及び中央導体１３１に連結する。
幾つかの実施例において、不平衡ライン１１０は不平衡コプレーナ導波（ＣＰＷ）ライン及びまたは、任意のその他形式の誘電性導波路（例えば、マイクロストリップ、ストリップライン等）を含む。

他の実施例において、二重Ｙ型移行セクションスロットライン１２０は連結スロットライン及びまたは任意のその他形式の誘電性導波路を含む。
ある実施例では平衡ライン１３０は平衡コプレーナ導波（ＣＰＷ）ライン及びまたは任意のその他形式の誘電性導波路を含む。
また別の実施例では第１連結ライン１４２が第１の金属製相互連結部を含み、第２連結ライン１４４が第２の金属製相互連結部を含む。ある実施例では第１連結ライン１４２が第１マイクロストリップを含み、第２連結ライン１４４が第２マイクロストリップを含む。
ある実施例では、不平衡ライン１１０への電力入力と、平衡ライン１３０からの電力出力が同じ（例えば、＋５％以内、−１０％以内での正確な同一性、等）である。

図１には、不平衡ライン１１０、二重Ｙ型移行セクションスロットライン１２０、平衡ライン１３０の例示目的上の特定構成が示されるが、これら不平衡ライン１１０、二重Ｙ型移行セクションスロットライン１２０、平衡ライン１３０の各構造は幾つかの実施例では実質的に正確であり、他の実施例では実質的に位置が異なり得る。
図２には、他の実施例における広帯域バラン２００の回路ダイヤグラム図が示される。広帯域バラン２００は、不平衡ライン２１０（例えば、シングルエンドの、接地周囲非平衡の、等）二重Ｙ型移行セクションスロットライン２２０、平衡ライン２３０（例えば、ダブルエンドの、接地周囲平衡の、差動ライン、等）を含む。広帯域バラン２００は、電磁カップリングを利用して不平衡ライン２１０を平衡ライン２３０に（及びその逆に）変換する。言い換えると、不平衡ライン２１０及び二重Ｙ型移行セクションスロットライン２２０は、当該二重Ｙ型移行セクションスロットライン２２０内の二重Ｙ型移行部を介して電磁的に連結される。

二重Ｙ型移行セクションスロットライン２２０は、例えば、不平衡ライン２１０（例えば、５０オームＣＰＷライン、１００オームＣＰＷライン、等）をスロットラインに変換し得る。二重Ｙ型移行セクションスロットライン２２０のスロットラインは、例えば、平衡ライン２３０のＴ字型のコプレーナ導波（ＣＰＷ）路構造（たとえば、二重Ｙ型移行セクションスロットライン２２０のスロットラインから“Ｔ”字型に分岐する２つのＣＰＷライン、２本の９５オームＣＰＷライン、２本の１２５オームＣＰＷライン、Ｔ字型ジャンクション、等）にフィードし得る。当該実施例では、Ｔ字型のコプレーナ導波（ＣＰＷ）路構造の中央導体と、対向するコプレーナ導体の各セットは、相互連結部（例えば、金属製相互連結部、マイクロストリップ相互連結部、等）を介し、二重Ｙ型移行セクションスロットライン２２０の一方側に連結される。

広帯域バラン２００は、例えば、インピーダンスが同一または異なるライン（例えば、同一インピーダンスの不平衡ライン２１０及び平衡ライン２３０、相違インピーダンスの不平衡ライン２１０と平衡ライン２３０、等）同士を連結するために使用できる。例えば、不平衡ライン２１０のインピーダンスは５０オームであり、平衡ライン２３０のそれは９５オームである。他の実施襟では不平衡ライン２１０のインピーダンスは１１５オーム、平衡ライン２３０のそれは４５オームである。広帯域バラン２００は不平衡ライン及び平衡ライン間に高周波数及び低損失下に変換を有益下に提供し、かくして異なるライン形式間での信号移行の効率性を増長させ得る。

不平衡ライン２１０は、例えば、接地トレース及び信号トレースを含み得る。平衡ライン２３０は、例えば、第１及び第２の各信号トレースを含み得る。第１の信号トレースは、例えば、不平衡ライン２１０の中央導体であり得る。
二重Ｙ型移行セクション２２０は、例えば、第１及び第２の各スロットトレースを含み得る。第１スロットトレースは、不平衡ライン２１０の接地トレースを平衡ライン２３０の第１信号トレースに連結し得る。第２スロットトレースは不平衡ライン２１０の信号トレースを平衡ライン２３０の第２信号トレースに連結し得る。
幾つかの実施例において、広帯域バラン２００は第１及び第２の各連結セクションを含む。第１連結セクションは二重Ｙ型移行セクション２２０の第１スロットトレースを不平衡ライン２１０の第１信号トレースに連結（例えば、直結、電磁的連結、等）し得る。第２連結セクションは、二重Ｙ型移行セクション２２０の第２スロットトレースを平衡ライン２３０の第２信号トレースに連結し得る。

他の実施例では第１接続セクションが第１の金属製相互連結部を含み、及びまたは第２接続セクションが第２の金属製相互連結部第２の金属製相互連結部を含む。
ある実施例では第１接続セクションは第１マイクロストリップを含み及びまたは第２接続セクションが第２マイクロストリップを含む。
ある実施例では不平衡ライン２１０が不平衡のコプレーナ導波（ＣＰＷ）ライン及びまたは任意のその他形式の誘電性導波管を含む。
その他の実施例では二重Ｙ型移行セクションスロットライン２２０が、連結したスロットライン及びまたは任意のその他形式の誘電性導波管を含む。連結したスロットラインは、例えば、基材上にマウントした第１及び第２の各導体を含み得る。
ある実施例では平衡ライン２３０が、平衡のコプレーナ導波（ＣＰＷ）ライン及びまたは任意のその他形式の誘電性導波管を含む。

ある実施例では、不平衡ライン２１０への電力入力と平衡ライン２３０からの電力出力が実質的に同じ（例えば、±１０％、±１００ワット、の範囲内での正確な同一性、等）であり、かくして広帯域バラン２００の低損失化及び高効率化が可能とされる。
図２には平衡ライン２３０をＴ字型のコプレーナ導波（ＣＰＷ）路構造として例示したが、広帯域バラン２００は例えば任意形式の構造であり得る。例えば、平衡ライン２３０はＦ字型のコプレーナ導波（ＣＰＷ）路構造（即ち、２つのＣＰＷラインを二重Ｙ型移行セクション２２０のスロットラインから“Ｆ”字型構造状に分岐させた）及びまたは、広帯域バラン２００の設計仕様に基づく任意のその他形態を有する。
図２には不平衡ライン２１０、二重Ｙ型移行セクション２２０、平衡ライン２３０の例示目的上の各構造を示すが、これら不平衡ライン２１０、二重Ｙ型移行セクション２２０、平衡ライン２３０の各構造部分はある実施例では実質的に正確であり、他の実施例では実質的に異なる位置に配置され得る。

図３には広帯域バラン３００の試験構成例の回路ダイヤグラム図が示される。広帯域バラン３００は、第１不平衡ライン３１０、第１二重Ｙ型移行セクションスロットライン３２０、平衡ライン３３０、第２二重Ｙ型移行セクションスロットライン３４０、第２不平衡ライン３５０、を含む。広帯域バラン３００用の試験構成は、第１不平衡ライン３１０の入力と、第２不平衡ライン３５０の出力との間の挿入損失を測定するために利用される。
図３には、第１不平衡ライン３１０、第１二重Ｙ型移行セクションスロットライン３２０、平衡ライン３３０、第２二重Ｙ型移行セクションスロットライン３４０、第２不平衡ライン３５０の例示目的上の特定構造を例示したが、これら第１不平衡ライン３１０、第１二重Ｙ型移行セクションスロットライン３２０、平衡ライン３３０、第２二重Ｙ型移行セクションスロットライン３４０、第２不平衡ライン３５０の各構造は幾つかの実施例では実質的には正確であり、他の実施例では実質的に異なる位置に配置され得る。

図４には図３に広帯域バラン３００として例示した如き広帯域バラン例の性能が例示される。図４に示す如く、広帯域バランが０〜２０ＧＨｚの周波数範囲に渡りシミュレートされた。例示される如く、挿入損失（ＩＬ）は周波数範囲に渡り０．４〜１．４ｄＢであった。当該試験では広帯域バランを直列接続するため、挿入損失測定値の半分が広帯域バランの１つの挿入損失値である。本試験での各広帯域バランの予測挿入損は０．３〜０．９ｄＢであった、例示した如く、周波数範囲にわたる、平衡ラインを通しての不平衡信号フィード試験であるコモンモード除去比（ＣＭＲＲ）は３２．４〜１９．８ｄＢであった。図３には例示されない爾後の試験として、２５０ＭＨｚ〜１８ＧＨｚの周波数範囲にわたり２０ｄＢのコモンモード除去比が達成された。広帯域バランには、基板互換テクノロジー（例えば、ＭＭＩＣ）における高周波下の性能が低損失性であり、かくして広帯域バランの目標達成能力が増長される一方、製造コストを低下させると言う別の利益がある。

図５には図１及び図２に夫々例示する広帯域バラン１００及び２００の如き広帯域バランの試験構成例における性能を例示するチャート５００が示される。図５に示す如く、広帯域バランが０〜２０ＧＨｚの周波数範囲にわたりシミュレートされた。例示した如く、平衡ラインの各共通ポートが測定された（本実施例ではバランＨ２が上端部、バランＨ２ｂが下端部）。広帯域バランの各入出力信号の振幅のバランスの性能は、チャート５００に例示した如く、位相差が１８０度に近いことを表す。広帯域バランには、その位相差が１８０度に近いことから、結合効率及び直線性が最大化（例えば、この位相差により、倍音キャンセリングシステムの所望されざる倍音成分が２０ｄＢ低減され得る）されるという別の利益がある。

各ライン及びまたは導体の連結には、例えば、物理的な直接連結、物理的な間接連結、電磁的連結、及びまたは任意のその他形式の直接または間接的連結が含まれ得る。
“含む”及びまたは複数の構成の各々は限定を意味せず、提示した各パーツを含み且つ非提示の追加的パーツを含み得る。“及びまたは”とは限定を意味せず、提示した各パーツ及びそれらの組み合わせを含むものとする。
以上、本発明を実施例を参照して説明したが、本発明の内で種々の変更をなし得ることを理解されたい。

４４連結ライン
１００広帯域バラン
１１０不平衡ライン
１１１コプレーナ導体
１１２中央導体
１１４コプレーナ導体
１２０二重Ｙ型移行セクションスロットライン
１２２導体
１２４導体
１３０平衡ライン
１３１中央導体
１３２中央導体
１３３コプレーナ導体
１３５コプレーナ導体
１４２第１連結ライン
１４４第２連結ライン
２００広帯域バラン
２１０不平衡ライン
２２０二重Ｙ型移行セクションスロットライン
２３０平衡ライン
３００広帯域バラン
３１０第１不平衡ライン
３２０第１二重Ｙ型移行セクションスロットライン
３３０平衡ライン
３４０第２二重Ｙ型移行セクションスロットライン
３５０第２不平衡ライン
５００チャート
Ｈ２バラン
Ｈ２ｂバラン

Claims

バランであって、
接地トレース及び信号トレースを含む不平衡ラインと、
第１及び第２の各信号トレースを含む平衡ラインと、
第１スロットトレース及び第２スロットトレースを含む二重Ｙ型移行セクションと、
を含み、
前記第１スロットトレースが前記不平衡ラインの接地トレースを前記平衡ラインの第１信号トレースに連結し、
前記第２スロットトレースが前記不平衡ラインの信号トレースを前記平衡ラインの第２信号トレースに連結し、
前記二重Ｙ型移行セクションの第１スロットトレースが第１連結セクションにより前記平衡ラインの第１信号トレースに連結され、
前記二重Ｙ型移行セクションの第２スロットトレースが第２連結セクションにより前記平衡ラインの第２信号トレースに連結され、
前記不平衡ラインが、不平衡のＴ字型のコプレーナ導波（ＣＰＷ）ラインを含み、前記平衡ラインが、平衡のＴ字型のコプレーナ導波（ＣＰＷ）ラインを含むバラン。
前記二重Ｙ型移行セクションが、連結されたスロットラインを含む請求項１のバラン。
前記連結されたスロットラインが、基材上にマウントした第１及び第２の各導体を含む請求項２のバラン。
前記第１信号トレースが、前記平衡ラインの中央導体である請求項１のバラン。
前記第１連結セクションが第１の金属製相互連結部を含み、前記第２連結セクションが第２の金属製相互連結部を含む請求項１のバラン。
前記第１連結セクションが第１マイクロストリップを含み、前記第２連結セクションが第２マイクロストリップを含む請求項１のバラン。
前記不平衡ラインへの電力入力及び前記平衡ラインからの電力出力が実質的に同じである請求項１のバラン。
バラン回路であって、
第１中央導体及び第１及び第２の各コプレーナ導体を含む不平衡ラインと、
第２中央導体及び第３及び第４の各コプレーナ導体を含む平衡ラインと、
第１導体及び第２導体を含む二重Ｙ型移行セクションと、
を含み、
前記第１導体が、前記第１中央導体を前記第３及び第４の各コプレーナ導体に連結し、
前記第２導体が、前記第１及び第２の各コプレーナ導体を前記第２中央導体に連結し、
前記第１導体が、第１連結ラインにより前記第３及び第４の各コプレーナ導体に連結され、
前記第１及び第２の各コプレーナ導体が、第２の連結ラインにより前記第２中央導体に連結され、
前記不平衡ラインが、不平衡のＴ字型のコプレーナ導波（ＣＰＷ）ラインを含み、前記平衡ラインが、平衡のＴ字型のコプレーナ導波（ＣＰＷ）ラインを含むバラン回路。
前記二重Ｙ型移行セクションが、連結されたスロットラインを含む請求項８のバラン回路。
前記第１連結ラインが第１の金属製相互連結部を含み、前記第２連結ラインが第２の金属製相互連結部を含む請求項８のバラン回路。
前記第１連結ラインが第１マイクロストリップを含み、前記第２連結ラインが第２マイクロストリップを含む請求項８のバラン回路。
前記不平衡ラインへの電力入力及び前記平衡ラインからの電力出力が実質的に同じである請求項８のバラン回路。