JP5835156B2

JP5835156B2 - ハイブリッド回路

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Publication number: JP5835156B2
Application number: JP2012186250A
Authority: JP
Inventors: 津留　正臣; 正臣津留; 谷口　英司; 英司谷口
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-08-27
Filing date: 2012-08-27
Publication date: 2015-12-24
Anticipated expiration: 2032-08-27
Also published as: JP2014045315A

Description

この発明は、マイクロ波回路等に用いられるハイブリッド回路に関するものである。

従来のハイブリッド回路として、例えば特許文献１の図６に示すブランチライン型９０度ハイブリッドがある。
ブランチライン型９０度ハイブリッドは、電気長が所望周波数で９０度となる第１から第４の伝送線路を備え、前記第１の伝送線路の一端に第１の入出力端子が接続され、前記第１の伝送線路の他端と前記第２の伝送線路の一端が接続され、前記第２の伝送線路の他端と前記第３の伝送線路の一端が接続され、前記第３の伝送線路の他端と前記第４の伝送線路の一端が接続され、前記第４の伝送線路の他端と前記第１の伝送線路の一端が接続され、前記第１の伝送線路の他端と前記第２の伝送線路の一端の接続点に第２の入出力端子が接続され、前記第２の伝送線路の他端と前記第３の伝送線路の一端の接続点に第３の入出力端子が接続され、前記第３の伝送線路の他端と前記第４の伝送線路の一端の接続点に第４の入出力端子が接続されている。

次に動作について説明する。
第１の入出力端子から入力された所望周波数の信号は、第４の伝送線路を介して第４の入出力端子に伝搬する波と、第１から第３の伝送線路を介して第４の入出力端子に伝搬する波とに分かれる。第４の伝送線路を介して第４の入出力端子に達した波と第１から第３の伝送線路を介して第４の入出力端子に達した波は１８０度の位相差があるため相殺し、第４の入出力端子には出力されなくなる。したがって、第４の入出力端子は仮想短絡点とみなせ、アイソレーション端子となる。このとき、第１の入出力端子からみた第４の伝送線路および第３の入出力端子からみた第３の伝送線路は開放とみなせるため、第２および第３の入出力端子に等分配される。また、第２と第３の入出力端子は第３の伝送線路のために９０度の位相差が生じる。

以上から、第１の入出力端子から入力された所望周波数の信号は、第２および第３の入出力端子から９０度の位相差をもった等しい電力の信号として出力され、第４の端子からは出力されないことになる。

特開２００２−０２６６１４号公報

従来のブランチライン型ハイブリッドは、９０度差をもった２つの出力が得られるのみであり、０度、９０度、１８０度、２７０度のそれぞれの位相差をもった４つの出力は得られなかった。このため、差動の直交信号が必要な回路にそのまま適用できないなどの課題があった。

本発明は、以上のような課題を解決するためになされたものであり、０度、９０度、１８０度、２７０度のそれぞれの位相差をもった４つの信号を出力する簡易な構成のハイブリッド回路を得ることを目的とする。

この発明に係るハイブリッド回路は、
第１から第６の入出力端子と、
電気長が所望周波数で９０度となる第１から第１０の伝送線路とを備え、
前記第１の伝送線路の一端に前記第１の入出力端子が接続され、
前記第１の伝送線路の他端と前記第２の伝送線路の一端が接続され、
前記第２の伝送線路の他端と前記第３の伝送線路の一端および前記第４の伝送線路の一端が接続され、
前記第３の伝送線路の他端と前記第５の伝送線路の一端および前記第６の伝送線路の一端が接続され、
前記第５の伝送線路の他端と前記第１の伝送線路の一端が接続され、
前記第４の伝送線路の他端と前記第７の伝送線路の一端および前記第８の伝送線路の一端が接続され、
前記第７の伝送線路の他端に前記第６の伝送線路の他端および前記第９の伝送線路の一端が接続され、
前記第８の伝送線路の他端と前記第１０の伝送線路の一端が接続され、
前記第９の伝送線路の他端と前記第１０の伝送線路の他端が接続され、
前記第１の伝送線路の他端と前記第２の伝送線路の一端の接続点に前記第２の入出力端子が接続され、
前記第２の伝送線路の他端と前記第３の伝送線路の一端および前記第４の伝送線路の一端の接続点に前記第３の入出力端子が接続され、
前記第４の伝送線路の他端と前記第７の伝送線路の一端および前記第８の伝送線路の一端の接続点に前記第４の入出力端子が接続され、
前記第８の伝送線路の他端と前記第１０の伝送線路の一端の接続点に前記第５の入出力端子が接続され、
前記第９の伝送線路の他端と前記第１０の伝送線路の他端の接続点に前記第６の入出力端子が接続され、
前記第１から第１０の伝送線路の特性インピーダンスが互いに全て等しいことを特徴とするものである。

この発明によれば、０度、９０度、１８０度、２７０度のそれぞれの位相差をもった出力信号を簡易な構成で得られるという効果がある。

この発明の実施の形態１によるハイブリッド回路を示す構成図である。この発明の実施の形態１の動作原理の説明図（電気壁）である。この発明の実施の形態１の動作原理の説明図（磁気壁）である。この発明の実施の形態１の回路シミュレータにおける回路図である。この発明の実施の形態１の回路シミュレータにおける反射量の計算結果である。この発明の実施の形態１の回路シミュレータにおける通過量の計算結果である。この発明の実施の形態１の回路シミュレータにおける通過位相の計算結果である。この発明の実施の形態１による他のハイブリッド回路を示す構成図である。この発明の実施の形態１による他のハイブリッド回路を示す構成図である。集中定数素子を備えた伝送線路の構成図である。可変容量素子を備えた伝送線路の構成図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるハイブリッド回路を示す構成図である。
図において、１１は第１の入出力端子、１２は第２の入出力端子、１３は第３の入出力端子、１４は第４の入出力端子、１５は第５の入出力端子、１６は第６の入出力端子、２１は第１の伝送線路、２２は第２の伝送線路、２３は第３の伝送線路、２４は第４の伝送線路、２５は第５の伝送線路、２６は第６の伝送線路、２７は第７の伝送線路、２８は第８の伝送線路、２９は第９の伝送線路、３０は第１０の伝送線路である。

伝送線路２１、２２、２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９、３０はそれぞれ電気長が所望の周波数で略９０度となるように設定されている。すなわち、所望の周波数における伝送線路中の電気信号の波長をλとすると、各伝送線路の長さは全て略λ／４となっている。

図１において、伝送線路２１の一端に入出力端子１１が接続され、伝送線路２１の他端と伝送線路２２の一端が接続され、伝送線路２２の他端と伝送線路２３の一端および伝送線路２４の一端が接続され、伝送線路２３の他端と伝送線路２５の一端および伝送線路２６の一端が接続され、伝送線路２５の他端と伝送線路２１の一端が接続され、伝送線路２４の他端と伝送線路２７の一端および伝送線路２８の一端が接続され、伝送線路２７の他端に伝送線路２６の他端および伝送線路２９の一端が接続され、伝送線路２８の他端と伝送線路３０の一端が接続され、伝送線路２９の他端と伝送線路３０の他端が接続され、
伝送線路２１の他端と伝送線路２２の一端の接続点に入出力端子１２が接続され、伝送線路２２の他端と伝送線路２３の一端および伝送線路２４の一端の接続点に入出力端子１３が接続され、伝送線路２４の他端と伝送線路２７の一端および伝送線路２８の一端の接続点に入出力端子１４が接続され、伝送線路２８の他端と伝送線路３０の一端の接続点に入出力端子１５が接続され、伝送線路２９の他端と伝送線路３０の他端の接続点に入出力端子１６が接続されている。

次に動作について説明する。
入出力端子１１から入力された所望周波数の電気信号は、それぞれの伝送線路２１〜３０を介して、入出力端子１２〜１６へ出力されることになる。このとき、入出力端子１２と１３は伝送線路２２により９０度の位相差が生じ、入出力端子１３と１４は伝送線路２４により９０度の位相差が生じ、入出力端子１４と１５は伝送線路２８により９０度の位相差が生じている。このため、入出力端子１５、１４、１３、１２のそれぞれの端子からは、相対的に０度、９０度、１８０度、２７０度の位相差をもった電気信号の出力が得られる。一方、入出力端子１６では、主な経路である伝送線路２１、２２、２４、２８、３０からの一方の電波（電気信号）と、伝送線路２５、２６、２９からの他方の電波とが、逆相で重なることから相殺され、電気信号が出力されない。

より詳細には、図１の回路が、伝送線路２４および２６それぞれの中点において線対称であることから、図２、図３に示すように、上記の中点にそれぞれ電気壁および磁気壁を仮定することで、解析することができる。図２、図３において、図１と同一符号は同一又は相当部分を示す。

図２に示す、中点を短絡とした電気壁モデルにおいて、入力端子１１における反射係数Ｓ_１１Ｓと入出力端子１１から入出力端子１３への透過係数Ｓ_２１Ｓを計算すると、次式のように表すことができる。

ただし、Ｚ_１は伝送線路２１、２３の特性インピーダンス、Ｚ_２は伝送線路２２、２５の特性インピーダンス、Ｚ_３は伝送線路２３、２６の特性インピーダンス、Ｚ_Ｏは入出力端子のインピーダンスである。
Ｚ_１＝Ｚ_２＝Ｚ_３＝Ｚ_Ｏのとき、式（１）および式（２）は次式となる。
Ｓ_１１Ｓ＝０（３）
Ｓ_２１Ｓ＝−（１＋ｊ）／２（４）

同様に図３に示す、中点を開放とした磁気壁モデルにおいて、入力端子１１における反射係数Ｓ_１１Ｏと入出力端子１１から入出力端子１３への透過係数Ｓ_２１Ｏは次式のように表すことができる。

Ｚ_１＝Ｚ_２＝Ｚ_３＝Ｚ_Ｏのとき、式（５）および式（６）は次式となる。
Ｓ_１１Ｏ＝０（７）
Ｓ_２１Ｏ＝−（１−ｊ）／２（８）

したがって、図１に示すハイブリッド回路において、入力端子１１における反射係数Ｓ_１１および入出力端子１１から入出力端子１３への透過係数Ｓ_２１はそれぞれ、電気壁モデルと磁気壁モデルにおける値の平均値となるので、次式で表される。
Ｓ_１１＝（Ｓ_１１Ｓ＋Ｓ_１１Ｏ）／２＝０（９）
Ｓ_２１＝（Ｓ_２１Ｓ＋Ｓ_２１Ｏ）／２＝−１／２（１０）

式（９）、式（１０）から分かるように、入出力端子１１では反射が生じず、入出力端子１１から入力された所望周波数の電気信号は位相が反転して入出力端子１３に出力される。入出力端子１１から入力された電気信号に対し、入出力端子１３に出力される電気信号の（電圧）振幅は１／２である。すなわち、入出力端子１１から入力された電気信号のうち、入出力端子１３に出力される電力は１／４となる。

図１の回路の対称性から、入出力端子１４に出力される電力は入出力端子１３と同じく入力電力の１／４である。また、入出力端子１２と入出力端子１５に出力される電力は、やはり回路の対称性から同じになる。これから、入出力端子１２、入出力端子１５それぞれに出力される電力も、やはり入力電力の１／４ずつとなる。
以上のように、図１において、入出力端子１１から入力した電力は、入出力端子１２、１３、１４、１５それぞれに１／４ずつに４等分され出力される。

次に、図１に示すハイブリッド回路の動作を回路シミュレータによって確認する。
図４に図１に示す回路の回路シミュレータにおける回路図を示す。回路シミュレータによる解析結果のうち、図５に各入出力端子における反射振幅特性を、図６に入出力端子１１から各入出力端子への通過振幅特性を、図７に入出力端子１１から各入出力端子への通過位相特性を、それぞれ示す。
所望の周波数において、全入出力端子において反射がなく、入出力端子１２、１３、１４、１５から等しい電力が９０度差をもって出力され、入出力端子１６はアイソレーション端子となっていることが分かり、本回路の動作が回路シミュレータによっても確認できている。

なお、以上ではＺ_１＝Ｚ_２＝Ｚ_３＝Ｚ_Ｏのときについての説明を行ったが、これに限らず、Ｚ_１＝Ｚ_２＝Ｚ_３≠Ｚ_Ｏであっても、入出力端子１２、１３、１４、１５から、それぞれ−９０度（２７０度）、１８０度、９０度、０度移相した、等しい電力の出力波が得られる。また、Ｚ_１≠Ｚ_２≠Ｚ_３≠Ｚ_Ｏであっても、入出力端子１２、１３、１４、１５から、必ずしも等しい電力とはならないが、それぞれ−９０度（２７０度）、１８０度、９０度、０度移相した出力波が得られる。

また、入出力端子１１、１２、１３、１４、１５、１６に接続される負荷のインピーダンスを、それぞれ異なる変数Ｚ_Ｏ１、Ｚ_Ｏ２、Ｚ_Ｏ３、Ｚ_Ｏ４、Ｚ_Ｏ５、Ｚ_Ｏ６で表したとき、例えば、Ｚ_１＝Ｚ_２＝Ｚ_３＝Ｚ_Ｏ１＝Ｚ_Ｏ６であり、かつ、Ｚ_Ｏ２＝Ｚ_Ｏ３＝Ｚ_Ｏ４＝Ｚ_Ｏ５≠Ｚ_Ｏ１であっても、各々の入出力端子で反射は生じるものの入出力端子１２、１３、１４、１５から等しい電力が９０度差をもって出力される。

さらに、Ｚ_Ｏ６はアイソレーション端子である入出力端子１６に接続されている負荷のインピーダンスであるため、Ｚ_Ｏ１と大きく異なっていても、回路全体の動作に及ぼす影響は小さく、本実施の形態の効果が同様に得られる。

以上のように、実施の形態１によれば、簡易な構成で、入出力端子１１から所望の周波数の電気信号を入力することにより、入出力端子１６がアイソレーション端子となり、入出力端子１２、１３、１４、１５からそれぞれ−９０度（２７０度）、１８０度、９０度、０度移相した、等しい電力の出力波が得られる効果がある。

実施の形態２．
図８はこの発明の実施の形態２によるハイブリッド回路を示す構成図である。
図８において、図１と同一符号は同一又は相当部分を示し、説明を省略する。
図８では、第６の入出力端子である入出力端子１６がないことが、図１と異なっており、その他の点では図１と同様の構成となっている。

次に動作について説明する。
実施の形態１に示したように、図１の入出力端子１６はアイソレーション端子となっており、入出力端子１１から入力した電気信号が全く出力しない。
したがって、入出力端子１６にどのような負荷を接続しても、他の回路の部分の動作に大きな影響を与えない。

このため、入出力端子１６に負荷を接続せず、開放としても良い。すなわち、入出力端子１６は無くても良い。
したがって、図８に示す回路においても、実施の形態１と同様の効果が得られる。
さらに、回路がより簡易な構成になるという効果がある。

なお、図８において、伝送線路２９と伝送線路３０を１つの伝送線路として、電気長が所望の周波数で略１８０度となるように、すなわち所望の周波数における伝送線路中の電気信号の波長λに対して略λ／２の長さとなるように設定してもよいことは自明である。

実施の形態３．
図９はこの発明の実施の形態３によるハイブリッド回路を示す構成図である。
図９において、図１、図８と同一符号は同一又は相当部分を示し、説明を省略する。
図９では、図８に対して、さらに第９の伝送線路である伝送線路２９と第１０の伝送線路である伝送線路３０を削除した構成となっており、その他の点では図８と同様の構成となっている。

このため、入出力端子１６の負荷をショートとし、短絡としても良い。すなわち、図８の伝送線路２９と伝送線路３０との接続点をショートとしても良い。
このとき、ショート点に対して伝送線路での波長λに対して略λ／４離れた点は、等価的に開放となっていることに等しい。これは、図８の伝送線路２９と伝送線路３０を削除した構成であり、図９の構成である。

したがって、図９に示す回路においても、実施の形態１や実施の形態２と同様の効果が得られる。
また、回路がより簡易な構成になり、さらに小型化が図れるという効果がある。

なお、図９において、伝送線路２６と伝送線路２７を１つの伝送線路として、電気長が所望の周波数で略１８０度となるように、すなわち所望の周波数における伝送線路中の電気信号の波長λに対して略λ／２の長さとなるように設定してもよいことは明らかである。

実施の形態４．
この発明の実施の形態４によるハイブリッド回路は、図１、図８、図９に示すものと同様のものであり、これらのどのような構成としてもよい。
図１０と図１１はこの発明の実施の形態４によるハイブリッド回路に用いる伝送線路の構成図である。

図１０において、４１、４２はキャパシタ、４３はインダクタ、４４は伝送線路である。また図１１において、４５、４６は可変容量素子、４３はインダクタ、４４は伝送線路である。

図１、図８、図９に示すハイブリッド回路において、図１０に示すように少なくとも１部の伝送線路をキャパシタ、インダクタなどを用いて集中定数素子化しても良い。また、図１１に示すように可変容量素子を装荷して所望周波数を変化させても良いことは、当業者であれば周知のことである。これによって伝送線路の小型化を図ることができる。

なお、伝送線路の１部または全てを集中定数化せず、分布定数素子を用いたものとしてもよいことは明らかである。

以上のように、実施の形態４によれば、より小型なハイブリッド回路が得られる効果がある。

１１、１２、１３、１４、１５、１６入出力端子、２１、２２、２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９、３０、４４伝送線路、４１、４２キャパシタ、４３インダクタ、４５、４６可変容量素子

Claims

第１から第６の入出力端子と、
電気長が所望周波数で９０度となる第１から第１０の伝送線路とを備え、
前記第１の伝送線路の一端に前記第１の入出力端子が接続され、
前記第１の伝送線路の他端と前記第２の伝送線路の一端が接続され、
前記第２の伝送線路の他端と前記第３の伝送線路の一端および前記第４の伝送線路の一端が接続され、
前記第３の伝送線路の他端と前記第５の伝送線路の一端および前記第６の伝送線路の一端が接続され、
前記第５の伝送線路の他端と前記第１の伝送線路の一端が接続され、
前記第４の伝送線路の他端と前記第７の伝送線路の一端および前記第８の伝送線路の一端が接続され、
前記第７の伝送線路の他端に前記第６の伝送線路の他端および前記第９の伝送線路の一端が接続され、
前記第８の伝送線路の他端と前記第１０の伝送線路の一端が接続され、
前記第９の伝送線路の他端と前記第１０の伝送線路の他端が接続され、
前記第１の伝送線路の他端と前記第２の伝送線路の一端の接続点に前記第２の入出力端子が接続され、
前記第２の伝送線路の他端と前記第３の伝送線路の一端および前記第４の伝送線路の一端の接続点に前記第３の入出力端子が接続され、
前記第４の伝送線路の他端と前記第７の伝送線路の一端および前記第８の伝送線路の一端の接続点に前記第４の入出力端子が接続され、
前記第８の伝送線路の他端と前記第１０の伝送線路の一端の接続点に前記第５の入出力端子が接続され、
前記第９の伝送線路の他端と前記第１０の伝送線路の他端の接続点に前記第６の入出力端子が接続され、
前記第１から第１０の伝送線路の特性インピーダンスが互いに全て等しいことを特徴とするハイブリッド回路。
第１から第５の入出力端子と、
電気長が所望周波数で９０度となる第１から第１０の伝送線路とを備え、
前記第１の伝送線路の一端に前記第１の入出力端子が接続され、
前記第１の伝送線路の他端と前記第２の伝送線路の一端が接続され、
前記第２の伝送線路の他端と前記第３の伝送線路の一端および前記第４の伝送線路の一端が接続され、
前記第３の伝送線路の他端と前記第５の伝送線路の一端および前記第６の伝送線路の一端が接続され、
前記第５の伝送線路の他端と前記第１の伝送線路の一端が接続され、
前記第４の伝送線路の他端と前記第７の伝送線路の一端および前記第８の伝送線路の一端が接続され、
前記第７の伝送線路の他端に前記第６の伝送線路の他端および前記第９の伝送線路の一端が接続され、
前記第８の伝送線路の他端と前記第１０の伝送線路の一端が接続され、
前記第９の伝送線路の他端と前記第１０の伝送線路の他端が接続され、
前記第１の伝送線路の他端と前記第２の伝送線路の一端の接続点に前記第２の入出力端子が接続され、
前記第２の伝送線路の他端と前記第３の伝送線路の一端および前記第４の伝送線路の一端の接続点に前記第３の入出力端子が接続され、
前記第４の伝送線路の他端と前記第７の伝送線路の一端および前記第８の伝送線路の一端の接続点に前記第４の入出力端子が接続され、
前記第８の伝送線路の他端と前記第１０の伝送線路の一端の接続点に前記第５の入出力端子が接続され、
前記第１から第１０の伝送線路の特性インピーダンスが互いに全て等しいことを特徴とするハイブリッド回路。
第１から第５の入出力端子と、
電気長が所望周波数で９０度となる第１から第８の伝送線路とを備え、
前記第１の伝送線路の一端に前記第１の入出力端子が接続され、
前記第１の伝送線路の他端と前記第２の伝送線路の一端が接続され、
前記第２の伝送線路の他端と前記第３の伝送線路の一端および前記第４の伝送線路の一端が接続され、
前記第３の伝送線路の他端と前記第５の伝送線路の一端および前記第６の伝送線路の一端が接続され、
前記第５の伝送線路の他端と前記第１の伝送線路の一端が接続され、
前記第４の伝送線路の他端と前記第７の伝送線路の一端および前記第８の伝送線路の一端が接続され、
前記第７の伝送線路の他端に前記第６の伝送線路の他端が接続され、
前記第１の伝送線路の他端と前記第２の伝送線路の一端の接続点に前記第２の入出力端子が接続され、
前記第２の伝送線路の他端と前記第３の伝送線路の一端および前記第４の伝送線路の一端の接続点に前記第３の入出力端子が接続され、
前記第４の伝送線路の他端と前記第７の伝送線路の一端および前記第８の伝送線路の一端の接続点に前記第４の入出力端子が接続され、
前記第８の伝送線路の他端に前記第５の入出力端子が接続されたことを特徴とするハイブリッド回路。
前記第１から第８の伝送線路の特性インピーダンスが互いに全て等しいことを特徴とする請求項３に記載のハイブリッド回路。
前記第１から第１０の伝送線路の特性インピーダンスが前記第１の入出力端子に接続される負荷のインピーダンスと等しいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のハイブリッド回路。
前記第１から第８の伝送線路の特性インピーダンスが前記第１の入出力端子に接続される負荷のインピーダンスと等しいことを特徴とする請求項４に記載のハイブリッド回路。
前記第６の入出力端子に接続される負荷のインピーダンスが前記第１の入出力端子に接続される負荷のインピーダンスか、もしくは互いに全て等しい特性インピーダンスを有する前記第１から第１０の伝送線路の特性インピーダンスの、少なくともどちらか一方と等しいことを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド回路。
前記第１から第１０の伝送線路の少なくとも一つが集中定数素子で構成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のハイブリッド回路。
前記第１から第８の伝送線路の少なくとも一つが集中定数素子で構成されることを特徴とする請求項３に記載のハイブリッド回路。
前記第１から第１０の伝送線路の少なくとも一つが可変容量素子を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のハイブリッド回路。
前記第１から第８の伝送線路の少なくとも一つが可変容量素子を備えることを特徴とする請求項３に記載のハイブリッド回路。
前記第２から第５の入出力端子に接続される負荷のインピーダンスが互いに全て等しいことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のハイブリッド回路。
前記第２から第５の入出力端子に接続される負荷のインピーダンスが前記第１の入出力端子に接続される負荷のインピーダンスと等しいことを特徴とする請求項１２に記載のハイブリッド回路。