JP5776625B2

JP5776625B2 - 電力分配合成器

Info

Publication number: JP5776625B2
Application number: JP2012109224A
Authority: JP
Inventors: 直樹磯; 延明北野; 池ケ谷　守彦; 守彦池ケ谷
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2012-05-11
Filing date: 2012-05-11
Publication date: 2015-09-09
Anticipated expiration: 2032-05-11
Also published as: JP2013236349A

Description

本発明は、所定の分配比又は合成比で電力の分配又は合成を行う電力分配合成器に関するものである。

携帯電話用基地局アンテナでは、複数のアンテナ素子に対して同時に給電を行うべく電力分配器が用いられている。電力分配器は、電力を分配する機能の他、入出力を逆にすると電力を合成する機能を持つ電力合成器としても用いることができるため、両機能を包括して電力分配合成器と呼ばれる。

電力の分配や合成を効率的に行うためには、送電側回路の出力インピーダンスと受電側回路の入力インピーダンスとを整合（インピーダンス整合）させる必要がある。

そのため、電力分配合成器の伝送線路中にはインピーダンス変換を行うためのインピーダンス変成器（トランス）が挿入される。このインピーダンス変成器は、長さが１／４波長の伝送線路で構成される（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−２８５０７号公報

しかしながら、伝送線路を配置するためのスペースが小さい場合や回路設計上の制約から伝送線路のレイアウトが制限される場合などには、インピーダンス変成器を挿入するための十分なスペースを確保することができない場合がある。特に、分配又は合成すべき伝送信号が低周波信号であるとその波長が長いため、インピーダンス変成器自体の線路長を長くする必要があり、スペースの確保がより困難になる。

また、伝送線路中に挿入されるインピーダンス変成器の数が多くなると、電力分配合成器を多段接続する場合には合計の線路長が長くなり、電気回路全体のサイズが大型化してしまうという問題や、インピーダンス変成器の増加に伴って部品点数が多くなり、コストが増加するという問題が生じる。

そこで、本発明の目的は、伝送線路を配置するためのスペースやレイアウトの制限に合わせて一部のインピーダンス変成器を省くことが可能であり、小型化、部品点数の削減、及び低コスト化を実現することができる電力分配合成器を提供することにある。

この目的を達成するために創案された本発明は、分配されるべき電力が入力されるか又は合成された電力を出力する共通伝送線路と、前記共通伝送線路に接続され、分配された電力を出力するか又は合成されるべき電力が入力される２つの分岐伝送線路と、前記共通伝送線路中に挿入された第１のインピーダンス変成器と、前記２つの分岐伝送線路のうち一方の分岐伝送線路中に挿入された第２のインピーダンス変成器と、を備えた１入力２出力又は２入力１出力の電力分配合成器であって、前記第１のインピーダンス変成器のインピーダンスをＺ₁、前記第２のインピーダンス変成器のインピーダンスをＺ₂、前記共通伝送線路側の入出力インピーダンスをＺ_A、前記一方の分岐伝送線路側の入出力インピーダンスをＺ_B1、他方の分岐伝送線路側の入出力インピーダンスをＺ_B2、前記一方の分岐伝送線路と前記他方の分岐伝送線路との分配比又は合成比を１：ｘとしたとき、Ｚ₁が下式（１）を満たすと共にＺ₂が下式（２）を満たす電力分配合成器である。

ｘが下式（３）を満たすと良い。

また、本発明は、分配されるべき電力が入力されるか又は合成された電力を出力する共通伝送線路と、前記共通伝送線路に接続され、分配された電力を出力するか又は合成されるべき電力が入力される２つの分岐伝送線路と、前記共通伝送線路中に直列に挿入された第１のインピーダンス変成器及び第２のインピーダンス変成器と、を備えた１入力２出力又は２入力１出力の電力分配合成器であって、前記第１のインピーダンス変成器のインピーダンスをＺ₁、前記第２のインピーダンス変成器のインピーダンスをＺ₂、前記共通伝送線路側の入出力インピーダンスをＺ_A、前記一方の分岐伝送線路側の入出力インピーダンスをＺ_B1、他方の分岐伝送線路側の入出力インピーダンスをＺ_B2としたとき、Ｚ₁が下式（４）を満たすと共にＺ₂が下式（５）を満たす電力分配合成器である。

本発明によれば、伝送線路を配置するためのスペースやレイアウトの制限に合わせて一部のインピーダンス変成器を省くことが可能であり、小型化、部品点数の削減、及び低コスト化を実現することができる電力分配合成器を提供することができる。

第１の実施の形態に係る電力分配合成器を示す回路図である。第１の実施の形態に係る電力分配合成器を示す斜視図である。従来技術に係る電力分配合成器を示す斜視図である。第１の実施の形態に係る電力分配合成器において、Ｚ_A＝Ｚ_B1＝Ｚ_B2＝５０ΩとしたときのＺ_x1と電圧定在波比（１．１：１）の帯域幅との関係を示す図である。第２の実施の形態に係る電力分配合成器を示す回路図である。第２の実施の形態に係る電力分配合成器を示す斜視図である。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１に示すように、第１の実施の形態に係る電力分配合成器１０は、分配されるべき電力が入力されるか又は合成された電力を出力する共通伝送線路１１と、共通伝送線路１１に接続され、分配された電力を出力するか又は合成されるべき電力が入力される２つの分岐伝送線路１２ａ、１２ｂと、共通伝送線路１１中に挿入された第１のインピーダンス変成器１３と、分岐伝送線路１２ａ中に挿入された第２のインピーダンス変成器１４と、を備えた１入力２出力又は２入力１出力の電力分配合成器である。

この電力分配合成器１０は、第１のインピーダンス変成器１３のインピーダンスをＺ₁、第２のインピーダンス変成器１４のインピーダンスをＺ₂、共通伝送線路１１側の入出力インピーダンスをＺ_A、分岐伝送線路１２ａ側の入出力インピーダンスをＺ_B1、分岐伝送線路１２ｂ側の入出力インピーダンスをＺ_B2、分岐伝送線路１２ａと分岐伝送線路１２ｂとの分配比又は合成比を１：ｘとしたとき、Ｚ₁が下式（１）を満たすと共にＺ₂が下式（２）を満たすことを特徴とする。

分岐伝送線路１２ａと分岐伝送線路１２ｂとの分配比又は合成比は、ｘの値を所望の値に変更することで種々に設計することができるが、ｘが下式（３）を満たす場合には広帯域条件を満たすことができるため、電力分配合成器１０における電圧定在波比の帯域幅が最も広帯域となる。

ここで、式（１）、式（２）、及び式（３）の導出過程について説明する。

第１のインピーダンス変成器１３と接続点Ｃとの間のインピーダンスをＺ_x1、接続点Ｃと第２のインピーダンス変成器１４との間のインピーダンスをＺ_x2、分岐伝送線路１２ｂのインピーダンスをＺ_x3とすると、インピーダンス整合が取れるＺ₁とＺ₂は下式（６）と下式（７）でそれぞれ表され、Ｚ_x1、Ｚ_x2、及びＺ_x3の関係は下式（８）で表される。

更に、分岐伝送線路１２ａと分岐伝送線路１２ｂとの分配比又は合成比は１：ｘであることから、Ｚ_x2は下式（９）で表される。

また、分岐伝送線路１２ｂのインピーダンスは分岐伝送線路１２ｂ側の入出力インピーダンスと等しいことから、Ｚ_x3は下式（１０）で表される。

これら式（９）と式（１０）を式（８）に代入して整理すると、Ｚ_x1を表す下式（１１）が得られる。

そして、式（１１）を式（６）に代入すると式（１）が得られ、式（９）を式（７）に代入すると式（２）が得られる。

一方、広帯域条件を満たすＺ_x1は下式（１２）で表される。

この式（１２）と式（１１）とを連立してｘについて解くと式（３）が得られる。

例えば、Ｚ_A＝Ｚ_B1＝Ｚ_B2＝５０Ωとし、式（３）を用いて広帯域条件を満たすｘを求めるとｘ≒２．４となる。つまり、電力分配合成器１０では、分岐伝送線路１２ａと分岐伝送線路１２ｂとの分配比又は合成比が１：２．４のときに電圧定在波比の帯域幅が最も広帯域となる。

そして、このときの第１のインピーダンス変成器１３のインピーダンスは式（１）からＺ₁≒４２Ωとなり、第２のインピーダンス変成器１４のインピーダンスは式（２）からＺ₂≒７８Ωとなる。

この電力分配合成器１０は、例えば、図２に示すように、平行に配置された平板状の外導体１５、１５と、外導体１５、１５間に配置された丸線状の中心導体１６と、中心導体１６を支持すると共に外導体１５、１５間の間隔を維持する誘電体１７と、で構成される。

第１のインピーダンス変成器１３と第２のインピーダンス変成器１４のインピーダンスを変更するためは、第１のインピーダンス変成器１３や第２のインピーダンス変成器１４を構成する中心導体１６の外径、長さ、又は材質などを変更すれば良い。

例えば、電力分配合成器１０の高さ（外導体１５、１５間の距離）をＨ＝７ｍｍとした場合に、Ｚ_A＝Ｚ_B1＝Ｚ_B2＝５０Ω、Ｚ₁≒４２Ω、Ｚ₂≒７８Ωとするためには、第１のインピーダンス変成器１３を構成する中心導体１６の外径を５．２ｍｍ、第２のインピーダンス変成器１４を構成する中心導体１６の外径を２．８ｍｍ、それ以外の中心導体１６の外径を４．５ｍｍとすると良い。

なお、電力分配合成器１０の高さＨ、インピーダンスＺ（Ｚ_A、Ｚ_B1、Ｚ_B2、Ｚ₁、Ｚ₂等）、及び中心導体１６の外径ｄの関係は円周率πを用いて下式（１３）で表される。

ここで、Ｚは比透磁率μ_r及び比誘電率ε_rが１のときの値であり、これ以外の場合には式（１３）のＺの値に√（μ_r／ε_r）を乗ずれば良い。

次に、電力分配合成器１０の作用を説明する。

図３に示すように、通常、１入力２出力又は２入力１出力の電力分配合成器１００では、共通伝送線路１１１、分岐伝送線路１１２ａ、１１２ｂのそれぞれにインピーダンス変成器１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃが挿入されるが、図２に示したように、電力分配合成器１０では、分岐伝送線路１２ｂにおいてインピーダンス変成器を省くことができる。

よって、第１の実施の形態に係る電力分配合成器１０によれば、伝送線路を配置するためのスペースやレイアウトの制限に合わせて一部のインピーダンス変成器を省くことが可能であり、小型化、部品点数の削減、及び低コスト化を実現することができる。

ここで、Ｚ_A＝Ｚ_B1＝Ｚ_B2＝５０ΩとしたときのＺ_x1と電圧定在波比（ＶＳＷＲ；Voltage Standing Wave Ratio）（１．１：１）の帯域幅との関係を図４に示す。

図４から分かるように、Ｚ_x1が広帯域条件、即ち式（１２）を満たす（Ｚ_x1≒３５Ω）とき、電圧定在波比の帯域幅が約１０６０ＭＨｚで最大となっている。

また、分岐伝送線路１２ａと分岐伝送線路１２ｂとの分配比又は合成比を、良く使用される１：２とした場合には、式（１１）からＺ_x1≒３３Ωとなり、広帯域条件を満たすＺ_x1の値から２Ω程度ずれるが、電圧定在波比の帯域幅が約１０００ＭＨｚであり、十分に広帯域であることが分かる。

このように、電力分配合成器１０では、実用される分配比又は合成比の範囲内において十分な電圧定在波比の帯域幅を確保することが可能である。特に、Ｚ_x1が広帯域条件を満たす場合には、電力分配合成器１０における電圧定在波比の帯域幅が最も広帯域となる。

次に、第２の実施の形態について説明する。

図５に示すように、第２の実施の形態に係る電力分配合成器２０は、分配されるべき電力が入力されるか又は合成された電力を出力する共通伝送線路１１と、共通伝送線路１１に接続され、分配された電力を出力するか又は合成されるべき電力が入力される２つの分岐伝送線路１２ａ、１２ｂと、共通伝送線路１１中に直列に挿入された第１のインピーダンス変成器２１及び第２のインピーダンス変成器２２と、を備えた１入力２出力又は２入力１出力の電力分配合成器である。

この電力分配合成器２０は、第１のインピーダンス変成器２１のインピーダンスをＺ₁、第２のインピーダンス変成器２２のインピーダンスをＺ₂、共通伝送線路１１側の入出力インピーダンスをＺ_A、分岐伝送線路１２ａ側の入出力インピーダンスをＺ_B1、分岐伝送線路１２ｂ側の入出力インピーダンスをＺ_B2としたとき、Ｚ₁が下式（４）を満たすと共にＺ₂が下式（５）を満たすことを特徴とする。

電力分配合成器２０では、分岐伝送線路１２ａと分岐伝送線路１２ｂとの分配比又は合成比は１：１で固定されるが、Ｚ₁が式（４）を満たすと共にＺ₂が式（５）を満たす場合には必ず広帯域条件を満たすため、常に電力分配合成器２０における電圧定在波比の帯域幅が最も広帯域となる。

ここで、Ｚ₁が式（４）を満たすと共にＺ₂が式（５）を満たす場合には必ず広帯域条件を満たす理由を式（４）と式（５）の導出過程と共に説明する。

第１のインピーダンス変成器２１と第２のインピーダンス変成器２２との間のインピーダンスをＺ_x1、第２のインピーダンス変成器２２と接続点Ｃとの間のインピーダンスをＺ_x2とすると、インピーダンス整合が取れるＺ₁とＺ₂は下式（１４）と下式（１５）でそれぞれ表される。

更に、広帯域条件を満たすＺ_x1とＺ_x2は下式（１６）と下式（１７）でそれぞれ表される。

式（１７）を式（１６）に代入すると、Ｚ_x1をＺ_A、Ｚ_B1、及びＺ_B2のみで表す下式（１８）が得られる。

そして、式（１８）を式（１４）に代入して整理すると式（４）が得られ、式（１８）と式（１７）を式（１５）に代入して整理すると式（５）が得られる。

よって、Ｚ₁を表す式（４）とＺ₂を表す式（５）は、広帯域条件を満たすＺ_x1を表す式（１８）とＺ_x2を表す式（１７）とに基づいて導出されたものであり、Ｚ₁が式（４）を満たすと共にＺ₂が式（５）を満たす場合には必ず広帯域条件を満たすのである。

例えば、Ｚ_A＝Ｚ_B1＝Ｚ_B2＝５０Ωとし、式（４）と式（５）とを用いて広帯域条件を満たしつつ、インピーダンス整合が取れるＺ₁とＺ₂とを求めると、Ｚ₁≒４２Ωとなり、Ｚ₂≒３０Ωとなる。

この電力分配合成器２０は、例えば、図６に示すように、平行に配置された平板状の外導体１５、１５と、外導体１５、１５間に配置された丸線状の中心導体１６と、中心導体１６を支持すると共に外導体１５、１５間の間隔を維持する誘電体１７と、で構成される。

第１のインピーダンス変成器２１と第２のインピーダンス変成器２２のインピーダンスを変更するためは、第１のインピーダンス変成器２１や第２のインピーダンス変成器２２を構成する中心導体１６の外径、長さ、又は材質などを変更すれば良い。

例えば、電力分配合成器２０の高さをＨ＝７ｍｍとした場合に、Ｚ_A＝Ｚ_B1＝Ｚ_B2＝５０Ω、Ｚ₁≒４２Ω、Ｚ₂≒３０Ωとするためには、第１のインピーダンス変成器２１を構成する中心導体１６の外径を５．２ｍｍ、第２のインピーダンス変成器２２を構成する中心導体１６の外径を６．３ｍｍ、それ以外の中心導体１６の外径を４．５ｍｍとすると良い。

なお、電力分配合成器２０の高さＨ、インピーダンスＺ（Ｚ_A、Ｚ_B1、Ｚ_B2、Ｚ₁、Ｚ₂等）、及び中心導体１６の外径ｄの関係は、電力分配合成器１０の場合と同様に式（１３）で表される。

次に、電力分配合成器２０の作用を説明する。

図３に示したように、通常、１入力２出力又は２入力１出力の電力分配合成器１００では、共通伝送線路１１１、分岐伝送線路１１２ａ、１１２ｂのそれぞれにインピーダンス変成器１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃが挿入されるが、図６に示したように、電力分配合成器２０では、分岐伝送線路１２ａ、１２ｂにおいてインピーダンス変成器を省くことができる。

よって、第２の実施の形態に係る電力分配合成器２０によれば、伝送線路を配置するためのスペースやレイアウトの制限に合わせて一部のインピーダンス変成器を省くことが可能であり、小型化、部品点数の削減、及び低コスト化を実現することができる。

また、電力分配合成器２０では、電力分配合成器１０と異なり、必ず広帯域条件を満たすため、常に電力分配合成器２０における電圧定在波比の帯域幅が最も広帯域となる。

１０電力分配合成器
１１共通伝送線路
１２ａ一方の分岐伝送線路
１２ｂ他方の分岐伝送線路
１３第１のインピーダンス変成器
１４第２のインピーダンス変成器
１５外導体
１６中心導体
１７誘電体
２０電力分配合成器
２１第１のインピーダンス変成器
２２第２のインピーダンス変成器

Claims

分配されるべき電力が入力されるか又は合成された電力を出力する共通伝送線路と、
前記共通伝送線路に接続され、分配された電力を出力するか又は合成されるべき電力が入力される２つの分岐伝送線路と、
前記共通伝送線路中に挿入された第１のインピーダンス変成器と、
前記２つの分岐伝送線路のうち一方の分岐伝送線路中に挿入された第２のインピーダンス変成器と、
を備えた１入力２出力又は２入力１出力の電力分配合成器であって、
前記第１のインピーダンス変成器のインピーダンスをＺ₁、前記第２のインピーダンス変成器のインピーダンスをＺ₂、前記共通伝送線路側の入出力インピーダンスをＺ_A、前記一方の分岐伝送線路側の入出力インピーダンスをＺ_B1、他方の分岐伝送線路側の入出力インピーダンスをＺ_B2、前記一方の分岐伝送線路と前記他方の分岐伝送線路との分配比又は合成比を１：ｘとしたとき、Ｚ₁が下式（１）を満たすと共にＺ₂が下式（２）を満たし、
ｘが下式（３）を満たす電力分配合成器。
分配されるべき電力が入力されるか又は合成された電力を出力する共通伝送線路と、
前記共通伝送線路に接続され、分配された電力を出力するか又は合成されるべき電力が入力される２つの分岐伝送線路と、
前記共通伝送線路中に直列に挿入された、第１のインピーダンス変成器、及び、一端が前記第１のインピーダンス変成器に接続され、他端が前記２つの分岐伝送線路に接続された第２のインピーダンス変成器と、
を備えた１入力２出力又は２入力１出力の電力分配合成器であって、
前記第１のインピーダンス変成器のインピーダンスをＺ₁、前記第２のインピーダンス変成器のインピーダンスをＺ₂、前記共通伝送線路側の入出力インピーダンスをＺ_A、前記一方の分岐伝送線路側の入出力インピーダンスをＺ_B1、他方の分岐伝送線路側の入出力インピーダンスをＺ_B2としたとき、Ｚ₁が下式（４）を満たすと共にＺ₂が下式（５）を満たすことを特徴とする電力分配合成器。