JP6598672B2 - 電力合成・分配器 - Google Patents

Description

本発明は電力合成・分配器、特にマイクロ波電力を複数に分岐し又は複数の電力を合成する電力合成・分配器の構成に関する。

従来から各種の電力合成器、電力分配器が実用化されており、それぞれ異なった特徴を持ち、その特徴に応じて使い分けられている。
この電力合成・分配器として、マイクロストリップ線路を用いたウイルキンソン型の合成・分配器が知られているが、これは入力線路のインピーダンスの√２倍のインピーダンスを持つ４分の１波長の線路を用いたものである。マイクロストリップ線路は、誘電体基板の誘電率による波長短縮効果があり、小型化が可能で小電力を扱う回路として使用される。しかし一方、誘電体基板の誘電損失等の影響によって、線路のロスが大きく、大きな電力を扱うことが困難であるという欠点を持っている。

また、図３に示されるラジアル線路を用いた電力合成・分配器（下記特許文献１と同様のもの）も実用化されている。図３において、５１は入出力の中央同軸線路、５２は分岐の同軸線路、５３はコニカル線路、５４ラジアル線路、５５はドアノブ型変換回路である。この例では、中央同軸端子５１と４つの分岐同軸端子５２がコニカル線路５３及びラジアル線路５４により結合され、合成と分岐が可能となる。なお、上記ラジアル線路５４は先端短絡線路となる。

このような電力合成・分配器は、金属壁で覆われた空間をマイクロ波が伝搬するため、線路のロスは金属壁面の抵抗損失と反射損失のみであり、低損失であるという特徴があり、また比較的大きな電力を取り扱うことが可能であるという長所もある。

特開平５−１７５７１２号公報

ところで、大電力を扱うことのできるラジアル線路を用いた合成・分配器を、他の合成・分配器と多段に接続する場合、分岐間隔の寸法的な制約のため、分岐から同軸ケーブル等を介して両者を接続する必要がある。この接続のための同軸ケーブルは、その損失により、電力減衰の原因となり、また同軸ケーブルの位相特性を合わせることも困難で、電力合成する場合の位相ズレによる損失の原因ともなっていた。

電力合成・分配器を多段接続する場合で、同軸ケーブルの使用を可能な限り減らすためには、電力合成・分配器を小型化し、多段接続構成の全体をコンパクトにする方法があり、これによれば、位相特性を合わせ易くなり、それらによって低損失な電力合成・分配器が実現可能となる。
また、単独で使用する場合でも、小型化は種々の利点を生むことになる。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、機器の小型化を図り、多段接続する場合は、同軸ケーブルの使用を削減し、低損失で大電力を取り扱うことが可能となる電力合成・分配器を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、電力を合成又は分配する電力合成・分配器であって、単一の第１同軸線路と、この第１同軸線路に同軸上に接続（結合）されたテーパー形状の同軸線路と、このテーパー形状同軸線路に同軸上に接続（結合）された第２同軸線路（先端短絡線路）と、この第２同軸線路に接続（結合）され、該第２同軸線路の軸に垂直な方向に配置された複数の分岐線路と、からなることを特徴とする。
請求項２の発明は、電力を合成又は分配する電力合成・分配器であって、単一の第１同軸線路と、この第１同軸線路に同軸上に接続されたテーパー形状の同軸線路と、このテーパー形状同軸線路から折り返して該テーパー形状同軸線路の外側に配置された第２同軸線路と、上記テーパー形状同軸線路から第２同軸線路への折返し部分又は上記第２同軸線路に接続された複数の分岐線路と、からなることを特徴とする。
請求項３の発明は、上記分岐線路として同軸線路を用い、上記第２同軸線路の特性インピーダンスをＺ1 、上記分岐同軸線路の特性インピーダンスをＺ2 、分岐数をｎとすると、上記特性インピーダンスＺ1 を、Ｚ2 ／ｎで求められる値に近い値に設定したことを特徴とする。

本発明によれば、半径方向に拡がるラジアル線路（先端短絡線路）が設けられていた従来例に対し、このラジアル線路を用いずに、先端短絡線路として第２同軸線路を用いたので、装置の径方向の寸法が小さくなり、小型化が可能となる。即ち、従来では、各分岐線路での結合を良好にするために、各線路から見て略４分の１波長の長さを持つ先端短絡線路或いは略４分の１波長の長さを持つドアノブ形状の変換器等を必要とするが、本発明では、先端短絡線路を同軸線路にすることで、電力合成・分配器の寸法を小さくできるようにしている。従って、多段接続する場合は、同軸ケーブルの使用を削減し、損失を小さくすることが可能となる。
しかも、本発明は、誘電体基板等を用いることなく、金属で覆われた空間で電力の合成又は分配を行う構成であるから、低損失となり、大電力を扱うことも容易となる。

また、第２同軸線路の特性インピーダンスＺ1 を分岐数ｎの分岐同軸線路の特性インピーダンスＺ2 のｎ分の１とすることで、インピーダンス整合が取れた結合が実現できるという効果がある。

本発明の第１実施例の電力合成・分配器の構成を示し、図（Ａ）は図（Ｂ）のＡ−Ａ断面図、図（Ｂ）は図（Ａ）の中心部の断面図である。 第２実施例の電力合成・分配器の構成を示し、図（Ａ）は上面図、図（Ｂ）は図（Ａ）の中心部の断面図である。 従来例の電力合成・分配器の構成を示し、図（Ａ）は上面図、図（Ｂ）は図（Ａ）の中心部の断面図である。

図１に、第１実施例の電力合成・分配器の構成が示されており、この図１は、従来の図３よりも拡大した状態で表している。図１において、１は入出力端子につながる単一（中央）の第１同軸線路（１ａ：内導体、１ｂ：外導体）、２は内導体２ａの外径（外形）及び外導体２ｂの内径（内形）のいずれもテーパー形状（円錐）となるテーパー形状同軸線路であり、このテーパー形状としては、円錐だけでなく、角錐、半球状等とすることができる。３は第２同軸線路（３ａ：内導体、３ｂ：外導体）で、先端短絡線路となり、４は分岐の同軸線路で、本実施例は４つの分岐同軸線路４を第２同軸線路３の円周上に９０度間隔（等間隔）で接続した７．２ＧＨｚ帯の４分岐電力合成・分配器となっている。

上記の第１同軸線路１、テーパー形状同軸線路２及び第２同軸線路３は、同軸上、軸方向に連結・接続（結合）されており、第２同軸線路２の軸に垂直な方向に、上記４つの分岐同軸線路４が接続（結合）される。
例えば、第１同軸線路１は、内導体の半径ａ1 ＝２ｍｍ、外導体の内部半径ｂ1 ＝４．６ｍｍであり、その特性インピーダンスＺ11は、計算式のＺ_０＝１３８×ｌｏｇ（ｂ／ａ）から求められ、Ｚ11＝５０Ωである。一方、第２同軸線路３は、内導体の半径ａ3 が５．９ｍｍ、外導体の内部半径ｂ3 が７．３ｍｍで、特性インピーダンスＺ1 は１２．７Ωとなる。

また、４つの分岐同軸線路４は、その内導体の半径ａ4 が１ｍｍ、外導体の内部半径ｂ4 が２．３ｍｍであり、特性インピーダンスＺ2 は５０Ωである。実施例では、４つの分岐同軸線路４のそれぞれが第２同軸線路３に並列に接続されるため、上述のように、第２同軸線路３の特性インピーダンスＺ1 を分岐同軸線路４の特性インピーダンスＺ2 の約１／４となる１２．７Ωに設定することで、良好なマッチングが得られるようにしている。

即ち、第２同軸線路３のインピーダンスＺ1 は、配置される分岐同軸線路４の数をｎとすると、
Ｚ1 ＝Ｚ2 ／ｎ （Ｚ2 ：分岐同軸線路のインピーダンス）
の式で設定される値に近い値にすることで、分岐数に応じて（４つ以外の分岐数とした場合でも）インピーダンスマッチングを良好に取ることができる。

以上のように、第２同軸線路３をテーパー形状同軸線路２に対し同軸上、軸線方向に設け、かつ先端短絡線路とすることで、従来よりも小型化を図ることが可能となる。図３に示されるラジアル線路を用いた電力合成・分配器はその直径が６ｃｍ程度であったが、第１実施例の電力合成・分配器では直径３ｃｍ程度まで小型となった。

図２に、第２実施例の構成が示されており（図３よりも拡大した状態で表す）、この第２実施例は、第２同軸線路をテーパー形状同軸線路から折り返してその外側へ配置したものである。
図２において、１１は単一（中央）の第１同軸線路（１１ａ：内導体、１１ｂ：外導体）、１２は内導体１２ａの外径（外形）及び外導体１２ｂの内径（内形）のいずれも円錐形とされたテーパー形状同軸線路で、１３は第２同軸線路（１３ａ：内導体、１３ｂ：外導体）、１４は分岐同軸線路である。

上記第２同軸線路１３は、テーパー形状同軸線路１２から折り返して該同軸線路１２の外側に同軸上に配置されており（テーパー形状同軸線路１２の外導体１２ｂが第２同軸線路１３の内導体１３ａとなる）、このテーパー形状同軸線路１２から第２同軸線路への折返し部分に、４つの分岐同軸線路１４が設けられ、この分岐同軸線路１４は、上記折返し部分の円周上に等間隔（９０度間隔）で配置される。この第２実施例も、７．２ＧＨｚ帯の４分岐電力合成・分配器である。

上記の第１同軸線路１１と分岐同軸線路１４は、第１実施例と同一寸法で、第１同軸線路１１の特性インピーダンスＺ11及び分岐同軸線路１４の特性インピーダンスＺ2 は５０Ωに設定される。第２同軸線路１３は、内導体１３ａの半径ａ13が１２．３ｍｍ、外導体の内部半径ｂ13が１４．６ｍｍで、特性インピーダンスＺ1 は、１０．３Ωとされ、分岐同軸線路１４の特性インピーダンスＺ2 の１／４に近い値とされ、これにより良好なインピーダンス整合が図られている。

このような第２実施例においても、第２同軸線路１３をテーパー形状同軸線路１２の外側に折り返して同軸上に設け、かつ先端短絡線路とすることで、その寸法が直径３．５ｃｍ程度となり、従来の合成・分配器の約６ｃｍよりも小型化することが可能となった。

実施例の電力合成・分配器は、以上の構成となり、マイクロ波が金属で覆われた空間内を伝搬するので、その電力損失は金属表面での抵抗損によるものと、回路のマッチング不足による反射損失のみである。しかも、小型化されることにより、マイクロ波が通過する金属表面の面積が従来のラジアル線路を用いた電力合成・分配器よりも小さくなり、抵抗損失も従来品よりも小さく設計できるという利点がある。

なお、この第２実施例では、分岐同軸線路１４をテーパー形状同軸線路１２から第２同軸線路１３への折返し部に設けたが、この分岐同軸線路１４は、第２同軸線路１３の外導体１３ｂの側面に第２同軸線路１３の軸に垂直な方向（図の水平方向）へ向けて配置してもよい。

１，１１…第１同軸線路、 ２，１２…テーパー形状同軸線路、
３，１３…第２同軸線路、 ４，１４…分岐同軸線路、
１ａ，２ａ，３ａ，１１ａ，１２ａ，１３ａ…内導体、
１ｂ，２ｂ，３ｂ，１１ｂ，１２ｂ，１３ｂ…外導体。

Claims (3)

1. 電力を合成又は分配する電力合成・分配器であって、
   単一の第１同軸線路と、
   この第１同軸線路に同軸上に接続されたテーパー形状の同軸線路と、
   このテーパー形状同軸線路に同軸上に接続された第２同軸線路と、
   この第２同軸線路に接続され、該第２同軸線路の軸に垂直な方向に配置された複数の分岐線路と、からなる電力合成・分配器。
2. 電力を合成又は分配する電力合成・分配器であって、
   単一の第１同軸線路と、
   この第１同軸線路に同軸上に接続されたテーパー形状の同軸線路と、
   このテーパー形状同軸線路から折り返して該テーパー形状同軸線路の外側に配置された第２同軸線路と、
   上記テーパー形状同軸線路から第２同軸線路への折返し部分又は上記第２同軸線路に接続された複数の分岐線路と、からなる電力合成・分配器。
3. 上記分岐線路として同軸線路を用い、
   上記第２同軸線路の特性インピーダンスをＺ1 、上記分岐同軸線路の特性インピーダンスをＺ2 、分岐数をｎとすると、
   上記特性インピーダンスＺ1 を、Ｚ2 ／ｎで求められる値に近い値に設定したことを特徴とする請求項１又は２記載の電力合成・分配器。

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