JP7320900B2 - ブランチライン方向性結合器および電力増幅装置 - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、ブランチライン方向性結合器および電力増幅装置に関する。
マイクロ波大電力の分岐回路または合成回路、移相器などに挿入損失が少なくかつ疎結合が可能な方向性結合器が要求される。
疎結合方向性結合器は、たとえば、ブランチライン構造において一対の分岐線路のインピーダンスを高くすることにより可能となる。
一対の分岐線路として終端短絡結合線路を用いるとインピーダンスを高くすることが可能となる。
しかしながら、終端短絡結合線路を構成する伝送線路として、マイクロストリップ線路を用いると挿入損失が増加する。他方、伝送線路としてサスペンディッドストリップ線路を用いると挿入損失を低減できるが、管状導体部への接地構造が機械的に複雑な構造となる。
J.W.Gipprich, "A new class of branch-line directional couplers,"IEEE MTT-S Int. Microw. Symp. Dig., pp. 589-592, June 1993.
複雑な接地構造が不要でかつ挿入損失が低減可能なブランチライン方向性結合器および電力増幅装置を提供する。
実施形態のブランチライン方向性結合器は、第１の線路と、第２の線路と、第１の終端開放結合線路と、第２の終端開放結合線路と、第３の線路と、第４の線路と、第５の線路と、第６の線路と、を有する。前記第１の線路は、第１の特性インピーダンスと、４分の１波長の長さを有する。前記第２の線路は、前記第１の特性インピーダンスと、４分の１波長の長さを有する。前記第１の終端開放結合線路は、一方の端部が前記第１の線路の一方の端部に接続され、他方の端部が前記第２の線路の一方の端部に接続される。前記第２の終端開放結合線路は、一方の端部が前記第１の線路の他方の端部に接続され、他方の端部が前記第２の線路の他方の端部に接続される。前記第３の線路は、一方の端部が第１の端子とされ、他方の端部が前記第１の線路と前記第１の終端開放結合線路との第１の接続位置に接続される。前記第４の線路は、一方の端部が第２の端子とされ、他方の端部が前記第１の線路と前記第２の終端開放結合線路との第２の接続位置に接続される。前記第５の線路は、一方の端部が第３の端子とされ、他方の端部が前記第２の線路と前記第１の終端開放結合線路との第３の接続位置に接続される。前記第６の線路は、一方の端部が第４の端子とされ、他方の端部が前記第２の線路と前記第２の終端開放結合線路との第４の接続位置に接続される。前記第１の終端開放結合線路は、４分の１波長の結合長さを有する２つの結合線路と、それぞれの結合線路の一方の端部に接続された開放スタブと、前記それぞれの結合線路の他方の端部と前記第１の接続位置または前記第３の接続位置に接続された接続線路とを有し、かつ全長が２分の１波長とされる。前記第２の終端開放結合線路は、４分の１波長の結合長さを有する２つの結合線路と、それぞれの結合線路の一方の端部に接続された開放スタブと、前記それぞれの結合線路の他方の端部と前記第２の接続位置または前記第４の接続位置に接続された接続線路とを有し、かつ全長が２分の１波長とされる。結合度は２０ｄＢ以上とされる。
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
図１（ａ）は第１の実施形態にかかるブランチライン方向性結合器の等価回路図、図１（ｂ）は終端開放結合線路の線路パターンの模式平面図である。
ブランチライン方向性結合器５０は、第１の線路１と、第２の線路２と、第１の終端開放結合線路３と、第２の終端開放結合線路４と、第３の線路９と、第４の線路１０と、第５の線路１１と、第６の線路１２と、を有する。
図１（ａ）は第１の実施形態にかかるブランチライン方向性結合器の等価回路図、図１（ｂ）は終端開放結合線路の線路パターンの模式平面図である。
ブランチライン方向性結合器５０は、第１の線路１と、第２の線路２と、第１の終端開放結合線路３と、第２の終端開放結合線路４と、第３の線路９と、第４の線路１０と、第５の線路１１と、第６の線路１２と、を有する。
第１の線路１は、第１の特性インピーダンスＺｏ２と、４分の１波長の長さ（電気長でθ２）を有する。また、第２の線路２は、第１の特性インピーダンスＺｏ２と、４分の１波長の長さを有する。第１の線路１と第２の線路２とは、同等の伝送特性を有しペアをなす。なお、本明細書において、第１の線路１および第２の線路２の長さが４分の１波長であるとは、その電気長がそれぞれに８１度以上かつ９９度以下であるものとする。
破線で表す第１の終端開放結合線路３は、一方の端部が第１の線路１の一方の端部５に接続され、他方の端部が第２の線路２の一方の端部７に接続される。
破線で表す第２の終端開放結合線路４は、一方の端部が第１の線路１の他方の端部６に接続され、他方の端部が第２の線路２の他方の端部８に接続される。
第３の線路９は、第１の線路１（の一方の端部）と第１の終端開放結合線路との第１の接続位置５と第１の端子１３との間に設けられる。第４の線路１０は、第１の線路１（の他方の端部）と第２の終端開放結合線路４との第２の接続位置６と第２の端子１４との間に設けられる。第５の線路１１は、第２の線路２（の一方の端部）と第１の終端開放結合線路３との第３の接続位置７と第３の端子１５との間に設けられる。第６の線路１２は、第２の線路２（の）他方の端部）と第２の終端開放結合線路４との第４の接続位置８と第４の端子１６との間に設けられる。
第３～第６の線路９～１２は、同一の特性インピーダンスＺｏ１を有する。また、第３～第６の線路９～１２は、同一の長さ（電気長でθ１）を有する。
図１（ｂ）に表すように、第１の終端開放結合線路３は、４分の１波長（電気長で９０度）の結合長さＴ１を有する２つの結合線路１９ａ、１９ｂと、それぞれの結合線路の一方の端部に接続された開放スタブ２０ａ、２１ａの第１領域（長さＴ２）、開放スタブの第２領域２０ｂ、２１ｂ（長さＴ３）と、それぞれの結合線路の他方の端部と第１の接続位置５または第３の接続位置７に接続された接続線路１７、１８（長さＴ４）とを有し、かつ全長（＝Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３＋Ｔ４）が２分の１波長とされる。
同様に、第２の終端開放結合線路４は、４分の１波長の結合長さを有する２つの結合線路と、それぞれの結合線路の一方の端部に接続された開放スタブと、それぞれの結合線路の他方の端部と第２の接続位置６または第４の接続位置８に接続された接続線路とを有し、かつ全長が２分の２波長とされる。第１の終端開放結合線路３と第２の終端開放結合線路４とは、同等の特性を有しペアをなす。
第１の接続位置５から第１の終端開放結合線路３をみたインピーダンス、および第３の接続位置７から第１の終端開放結合線路３をみたインピーダンス、第２の接続位置６から第２の終端開放結合線路４をみたインピーダンス、および第４の接続位置８から第２の終端開放結合線路４をみたインピーダンスを高くすることにより、ブランチライン方向性結合器５０を疎結合とすることができる。なお、本明細書において、「疎結合」とは、結合度が２０ｄＢ以上であるものとする。
第１の線路１および第２の線路幅をともにＷ１とする。また、第１の終端開放結合線路３の結合線路１９の線路幅Ｗ１９とギャップＳは、結合線路の所望の偶奇モードインピーダンスになるように、電磁界シミュレータなどを用いて決定することができる。第２の終端開放結合線路４の構造も同様とする。
本明細書において、第１の終端開放結合線路３の結合線路１９ａ、１９ｂの結合長さＴ１および第２の終端開放結合線路４の結合線路の長さＴ１が４分の１波長であるとは、その電気長がそれぞれに８１度以上かつ９９度以下であるものとする。また、本明細書において、第１の終端開放結合線路３の全長および第２の終端開放結合線路４の全長が２分の１波長であるとは、その電気長がそれぞれに１４０度以上かつ２１６度以下であるものとする。
図２は、比較例にかかるブランチライン方向性結合器の等価回路図である。
ブランチライン方向性結合器１００は、第１の線路１１０と、第２の線路１２０と、第１の終端短絡結合線路１３０と、第２の終端短絡結合線路１４０と、第３の線路１９０と、第４の線路１９１と、第５の線路１９２と、第６の線路１９３と、を有する。
ブランチライン方向性結合器１００は、第１の線路１１０と、第２の線路１２０と、第１の終端短絡結合線路１３０と、第２の終端短絡結合線路１４０と、第３の線路１９０と、第４の線路１９１と、第５の線路１９２と、第６の線路１９３と、を有する。
第１の線路１１０は、第１の特性インピーダンスＺｏ２と、４分の１波長の長さ（電気長で９０度）を有する。また、第２の線路１２０は、第１の特性インピーダンスＺｏ２と、４分の１波長の長さを有する。第１の線路１１０と第２の線路１２０とは、同等の伝送特性を有しペアをなす。
比較例では、ペアをなす分岐線路もインピーダンスを高めるために終端短絡結合線路１３０、１４０を用いる。この場合、伝送線路をマイクロストリップラインまたはストリップラインを用いると、地導体への短絡構造は容易である。但し、誘電体損失が大きくなるので方向性結合器としての挿入損失は、０．１ｄＢよりも大きく、たとえば、１ｄＢなどと大きくなることがある。
図３は、サスペンディッドストリップ線路の終端短絡構造の模式断面図である。
サスペンディッドストリップ線路は、管状導体部２００と、その内部に設けられた誘電体基板２１０と、誘電体基板２１０の上に設けられた中心導体部２２０と、を有する。管状導体部２００は、上部導体２０２および下部導体２０４を有する。短絡領域は、上部導体２０２および下部導体２０４のうちの少なくとも一方と中心導体部２２０とを接続する短絡導体部２３０を含む。しかし、管状導体部２００内部に配置された中心導体２２０と短絡導体部２３０とを接続する接地構造は、マイクロストリップ線路の短絡構造よりも複雑になる。すなわち、比較例の終端短絡結合線路では、簡素な接地構造とすることが困難である。
サスペンディッドストリップ線路は、管状導体部２００と、その内部に設けられた誘電体基板２１０と、誘電体基板２１０の上に設けられた中心導体部２２０と、を有する。管状導体部２００は、上部導体２０２および下部導体２０４を有する。短絡領域は、上部導体２０２および下部導体２０４のうちの少なくとも一方と中心導体部２２０とを接続する短絡導体部２３０を含む。しかし、管状導体部２００内部に配置された中心導体２２０と短絡導体部２３０とを接続する接地構造は、マイクロストリップ線路の短絡構造よりも複雑になる。すなわち、比較例の終端短絡結合線路では、簡素な接地構造とすることが困難である。
これに対して，第１の実施形態では、サスペンディッドストリップ線路構造とすることにより、誘電体損失が低減され方向性結合器の挿入損失を０．１ｄＢ以下などに低減することが容易である。また、終端短絡構造でなく、簡素な終端開放構造で終端開放結合線路を高インピーダンスとすることができる。このため、たとえば、高出力レーダ装置や高出力移相器などに広く応用できる。
次に、電磁界シミュレーションにより得られた本実施形態にかかる方向性結合器の具体例に関して、その高周波特性を説明する。
図４は、電磁界シミュレーションを行う方向性結合器モデルの模式平面図である。
本シミュレーションにおいて、第３の線路９に電力Ｐ１が入力される。第４の線路１０から電力Ｐ２、第５の線路１１から電力Ｐ３．第６の線路１２から電力Ｐ４が出力されるものとする。
図４は、電磁界シミュレーションを行う方向性結合器モデルの模式平面図である。
本シミュレーションにおいて、第３の線路９に電力Ｐ１が入力される。第４の線路１０から電力Ｐ２、第５の線路１１から電力Ｐ３．第６の線路１２から電力Ｐ４が出力されるものとする。
電力比１は式（１）で表され、その絶対値は挿入損失ＩＬ（ｄＢ）と定義される。
電力比１＝－ＩＬ（ｄＢ）＝－１０log（P1/P2） 式（１）
電力比２は式（２）で表され、その絶対値は結合度Ｃ（ｄＢ）と定義される。
電力比２＝－Ｃ（ｄＢ）＝－１０log（P1／P4)） 式（２）
電力比３は式（３）で表され、その絶対値はアイソレーションＩＳ（ｄＢ）と定義される。
電力比３＝－ＩＳ（ｄＢ）＝－１０log（P1／P3) 式（３）
方向性ＤＩ（ｄＢ）は、式（４）で表される。
ＤＩ＝ＩＳ－Ｃ 式（４）
電力比４は第１の端子１３からみたリターンロスＲＬ１（ｄＢ）である。
電力比５は第３の端子１５からみたリターンロスＲＬ２（ｄＢ）である。
電力比６は第４の端子１６からみたリターンロスＲＬ３（ｄＢ）である。
電力比５は第３の端子１５からみたリターンロスＲＬ２（ｄＢ）である。
電力比６は第４の端子１６からみたリターンロスＲＬ３（ｄＢ）である。
（表１）は、本実施形態の具体例Ａ～Ｊにおいて、線路長と特性との関係を表す。
なお、（表１）の具体例Ａ～Ｊにおいて、第１の線路１および第２の線路２の特性インピーダンスＺｏ２はともに５０Ω、線路幅Ｗ１（図１（ｂ））は２．５ｍｍとする。第１，第２の終端開放結合線路３、４の線路幅Ｗ１９は０．５ｍｍ、ギャップＳ（図１（ｂ））は０．９ｍｍとする。これらの数値は一例であって、本実施形態の構造はこれらの数値に限定されない。また、（表１）は、中心周波数９．５ＧＨｚにおいて、結合度Ｃが２７．１～３２．７ｄＢであるブランチライン方向性結合器の具体例である。なお、伝送線路は、サスペンディッドストリップ線路とした。
（具体例Ａ）
図５は、第１の実施形態の具体例Ａの方向性結合器の特性を表すグラフ図である。
縦軸は電力比１～６（ｄＢ値）、横軸は周波数（ＧＨｚ）を表す。中心周波数は、９．５ＧＨｚとする。図１（ｂ）に表す終端開放結合線路３において、接続線路１７、１８の長さＴ４は１．２ｍｍ、結合線路１９の長さＴ１は６．４ｍｍ、開放スタブ２０、２１の長さ（Ｔ２＋Ｔ３）は６．８ｍｍとする。この結果、終端開放結合線路３の長さの全長は、１４．４ｍｍとする。なおこの全長は、具体例Ｂ～Ｊにおいて共通の値とする。
図５は、第１の実施形態の具体例Ａの方向性結合器の特性を表すグラフ図である。
縦軸は電力比１～６（ｄＢ値）、横軸は周波数（ＧＨｚ）を表す。中心周波数は、９．５ＧＨｚとする。図１（ｂ）に表す終端開放結合線路３において、接続線路１７、１８の長さＴ４は１．２ｍｍ、結合線路１９の長さＴ１は６．４ｍｍ、開放スタブ２０、２１の長さ（Ｔ２＋Ｔ３）は６．８ｍｍとする。この結果、終端開放結合線路３の長さの全長は、１４．４ｍｍとする。なおこの全長は、具体例Ｂ～Ｊにおいて共通の値とする。
９．５ＧＨｚにおいて、挿入損失ＩＬは０．０７ｄＢ、結合度Ｃは３１．４ｄＢ、アイソレーションＩＳは５４．６ｄＢ、方向性ＤＩは１０ｄＢ以上得られている。また、方向性ＤＩが１０ｄＢ以上得られる帯域は８．３～１０．５ＧＨｚであり、比帯域幅は２２．５％である。また、約８．９、１０.１ＧＨｚ近傍において、第１の端子１３、第３の端子１５、第４の端子１６のリターンロスが大きく整合が取れている。このため、疎結合方向性結合器としての要求を満たしている。
（具体例Ｂ）
図６は、第１の実施形態の具体例Ｂの方向性結合器の特性を表すグラフ図である。
伝送線路１７、１８の長さＴ４は、具体例Ａよりも短くて０．７ｍｍとされる。また、９．５ＧＨｚにおいて、挿入損失ＩＬは０．０８ｄＢ、結合度Ｃは２７．１ｄＢ（やや低下）、アイソレーションＩＳは５６．１ｄＢ、となる。このため、高周波特性が低域側にシフトし、比帯域幅が４０．９％と広がる。
図６は、第１の実施形態の具体例Ｂの方向性結合器の特性を表すグラフ図である。
伝送線路１７、１８の長さＴ４は、具体例Ａよりも短くて０．７ｍｍとされる。また、９．５ＧＨｚにおいて、挿入損失ＩＬは０．０８ｄＢ、結合度Ｃは２７．１ｄＢ（やや低下）、アイソレーションＩＳは５６．１ｄＢ、となる。このため、高周波特性が低域側にシフトし、比帯域幅が４０．９％と広がる。
(具体例Ｃ）
図７は、第１の実施形態の具体例Ｃの方向性結合器の特性を表すグラフ図である。
接続線路１７、１８の長さＴ４は、具体例Ａと具体例Ｂとの中間とされる。また、具体例Ａよりも開放スタブ２０ａ、２１ａの長さＴ２が短く，かつ開放スタブ２０ｂ、２１ｂの長さＴ３が長くされる。また、９．５ＧＨｚにおいて、挿入損失ＩＬは０．０７ｄＢ、結合度Ｃは２９．３ｄＢ、アイソレーションＩＳは５４．０ｄＢ、となる。具体例Ａと比較して高周波特性がやや低域側にシフトする。
図７は、第１の実施形態の具体例Ｃの方向性結合器の特性を表すグラフ図である。
接続線路１７、１８の長さＴ４は、具体例Ａと具体例Ｂとの中間とされる。また、具体例Ａよりも開放スタブ２０ａ、２１ａの長さＴ２が短く，かつ開放スタブ２０ｂ、２１ｂの長さＴ３が長くされる。また、９．５ＧＨｚにおいて、挿入損失ＩＬは０．０７ｄＢ、結合度Ｃは２９．３ｄＢ、アイソレーションＩＳは５４．０ｄＢ、となる。具体例Ａと比較して高周波特性がやや低域側にシフトする。
（具体例Ｄ）
図８は、第１の実施形態の具体例Ｄの方向性結合器の特性を表すグラフ図である。
接続線路１７、１８の長さＴ４を具体例Ａと具体例Ｂの間の長さとし、具体例Ａよりも開放スタブ２０ｂ、２１ｂの長さＴ３が長くされる。
図８は、第１の実施形態の具体例Ｄの方向性結合器の特性を表すグラフ図である。
接続線路１７、１８の長さＴ４を具体例Ａと具体例Ｂの間の長さとし、具体例Ａよりも開放スタブ２０ｂ、２１ｂの長さＴ３が長くされる。
（具体例Ｅ）
図９は、第１の実施形態の具体例Ｅの方向性結合器の特性を表すグラフ図である。
具体例Ａよりも開放スタブ２０ａ、２１ａが短くされ、開放スタブ２０ｂ、２１ｂが長くされる。９．５ＧＨｚにおいて、挿入損失ＩＬは０．０８ｄＢ、結合度Ｃは２９．０ｄＢ、アイソレーションＩＳは５０．９ｄＢ、比帯域幅は２１．３％、となる。このため、高域側周波数が低下する（１０．３ＧＨｚ）。
図９は、第１の実施形態の具体例Ｅの方向性結合器の特性を表すグラフ図である。
具体例Ａよりも開放スタブ２０ａ、２１ａが短くされ、開放スタブ２０ｂ、２１ｂが長くされる。９．５ＧＨｚにおいて、挿入損失ＩＬは０．０８ｄＢ、結合度Ｃは２９．０ｄＢ、アイソレーションＩＳは５０．９ｄＢ、比帯域幅は２１．３％、となる。このため、高域側周波数が低下する（１０．３ＧＨｚ）。
（具体例Ｆ）
図１０は、第１の実施形態の具体例Ｆの向性結合器の特性を表すグラフ図である。
具体例Ａよりも開放スタブ２０ａ、２１ａが長くされ、開放スタブ２０ｂ、２１ｂが短くされる。９．５ＧＨｚにおいて、挿入損失ＩＬは０．０７ｄＢ、結合度Ｃは３２．９ｄＢ、アイソレーションＩＳは４９．７ｄＢ、比帯域幅は２３．９％、となる。このため、高域側周波数が低下する（１０．３ＧＨｚ）。高域側周波数が１０．９ＧＨｚとなるように、具体例Ａよりも周波数帯域が高域側にシフトする。
図１０は、第１の実施形態の具体例Ｆの向性結合器の特性を表すグラフ図である。
具体例Ａよりも開放スタブ２０ａ、２１ａが長くされ、開放スタブ２０ｂ、２１ｂが短くされる。９．５ＧＨｚにおいて、挿入損失ＩＬは０．０７ｄＢ、結合度Ｃは３２．９ｄＢ、アイソレーションＩＳは４９．７ｄＢ、比帯域幅は２３．９％、となる。このため、高域側周波数が低下する（１０．３ＧＨｚ）。高域側周波数が１０．９ＧＨｚとなるように、具体例Ａよりも周波数帯域が高域側にシフトする。
（具体例Ｇ）
図１１は、第１の実施形態の具体例Ｇの向性結合器の特性を表すグラフ図である。
具体例Ａよりも開放スタブ２０ａ、２１ａが長くされ、開放スタブ２０ｂ、２１ｂが短くされる。さらに、その変化の程度は、具体例Ｆよりも大きい。９．５ＧＨｚにおいて、挿入損失ＩＬは０．０７ｄＢ、結合度Ｃは３２．６ｄＢ、アイソレーションＩＳは３９．９ｄＢ、比帯域幅は１８．２％、となる。このため、周波数帯域が１０．１～１１．８ＧＨｚと高域側にシフトするが、比帯域幅が１８．２％と狭くなる。
図１１は、第１の実施形態の具体例Ｇの向性結合器の特性を表すグラフ図である。
具体例Ａよりも開放スタブ２０ａ、２１ａが長くされ、開放スタブ２０ｂ、２１ｂが短くされる。さらに、その変化の程度は、具体例Ｆよりも大きい。９．５ＧＨｚにおいて、挿入損失ＩＬは０．０７ｄＢ、結合度Ｃは３２．６ｄＢ、アイソレーションＩＳは３９．９ｄＢ、比帯域幅は１８．２％、となる。このため、周波数帯域が１０．１～１１．８ＧＨｚと高域側にシフトするが、比帯域幅が１８．２％と狭くなる。
（具体例Ｈ）
図１２は、第１の実施形態の具体例Ｈの向性結合器の特性を表すグラフ図である。
具体例Ａよりも接続線路１７、１８が長くされ、開放スタブ２０ａ、２1aが短くされ、開放スタブ２０ｂ、２１ｂが短くされる。９．５ＧＨｚにおいて、挿入損失ＩＬは０．０６ｄＢ、結合度Ｃは３１．０ｄＢ、アイソレーションＩＳは５２．６ｄＢ、となる。周波数帯域が８．５～１０．３ＧＨｚ、比帯域幅が１８．９％であり、具体例Ａの比帯域幅よりも狭くなる。
図１２は、第１の実施形態の具体例Ｈの向性結合器の特性を表すグラフ図である。
具体例Ａよりも接続線路１７、１８が長くされ、開放スタブ２０ａ、２1aが短くされ、開放スタブ２０ｂ、２１ｂが短くされる。９．５ＧＨｚにおいて、挿入損失ＩＬは０．０６ｄＢ、結合度Ｃは３１．０ｄＢ、アイソレーションＩＳは５２．６ｄＢ、となる。周波数帯域が８．５～１０．３ＧＨｚ、比帯域幅が１８．９％であり、具体例Ａの比帯域幅よりも狭くなる。
（具体例Ｉ）
図１３は、第１の実施形態の具体例Ｉの向性結合器の特性を表すグラフ図である。
具体例Ａよりも接続線路１７、１８が長くされ、開放スタブ２０ａ、２1ａは同一、開放スタブ２０ｂ、２１ｂが短くされる。９．５ＧＨｚにおいて、挿入損失ＩＬは０．０６ｄＢ、結合度Ｃは３１．５ｄＢ、アイソレーションＩＳは５３．６ｄＢ、となる。周波数帯域が８．５～１０．４ＧＨｚ、比帯域幅が１９．４％であり、具体例Ａの比帯域幅よりも狭くなる。
図１３は、第１の実施形態の具体例Ｉの向性結合器の特性を表すグラフ図である。
具体例Ａよりも接続線路１７、１８が長くされ、開放スタブ２０ａ、２1ａは同一、開放スタブ２０ｂ、２１ｂが短くされる。９．５ＧＨｚにおいて、挿入損失ＩＬは０．０６ｄＢ、結合度Ｃは３１．５ｄＢ、アイソレーションＩＳは５３．６ｄＢ、となる。周波数帯域が８．５～１０．４ＧＨｚ、比帯域幅が１９．４％であり、具体例Ａの比帯域幅よりも狭くなる。
（具体例Ｊ）
図１４は、第１の実施形態の具体例Ｊの向性結合器の特性を表すグラフ図である。
具体例Ａよりも接続線路１７、１８が長くされ、開放スタブ２０ａ、２１ａが長くされ、開放スタブ２０ｂ、２１ｂが短くされる。９．５ＧＨｚにおいて、挿入損失ＩＬは０．０６ｄＢ、結合度Ｃは３２．７ｄＢ、アイソレーションＩＳは５１．９ｄＢ、となる。周波数帯域が８．８～１０．６ＧＨｚ、比帯域幅が１８．９％であり、具体例Ａの比帯域幅よりも狭くなる。
図１４は、第１の実施形態の具体例Ｊの向性結合器の特性を表すグラフ図である。
具体例Ａよりも接続線路１７、１８が長くされ、開放スタブ２０ａ、２１ａが長くされ、開放スタブ２０ｂ、２１ｂが短くされる。９．５ＧＨｚにおいて、挿入損失ＩＬは０．０６ｄＢ、結合度Ｃは３２．７ｄＢ、アイソレーションＩＳは５１．９ｄＢ、となる。周波数帯域が８．８～１０．６ＧＨｚ、比帯域幅が１８．９％であり、具体例Ａの比帯域幅よりも狭くなる。
すなわち、（表１）は、接続線路１７、１８の長さ、開放スタブ２０、２１の長さなどを変えて電磁界シミュレーションを行うことにより、ＲＦ特性（結合度、アイソレーション、周波数帯域など）を最適化できることを表している。
次に、結合度Ｃが２０ｄＢおよび４０ｄＢとなる具体例について説明する。
（表２）は、結合度Ｃが約２０ｄＢ、３０ｄＢ、４０ｄＢとなる具体例Ｌ、Ａ、Ｍの線路長、と特性との関係を表す。
（表２）は、結合度Ｃが約２０ｄＢ、３０ｄＢ、４０ｄＢとなる具体例Ｌ、Ａ、Ｍの線路長、と特性との関係を表す。
なお、具体例Ａは、（表１）のモデル記号Ａと同一である、その特性は図５に表される。また、（表１）と同様に、第１の線路１および第２の線路２の特性インピーダンスＺｏ２は共に５０Ω、線路幅Ｗ１（図１（ｂ））は２．５ｍｍとする。第１および第２の終端開放結合線路３、４の線路幅Ｗ１９は０．５ｍｍとする。結合度Ｃによらず、終端開放結合線路の全長（Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３＋Ｔ４）は１４．４ｍｍとする。また、第１の線路１と開放スタブ２１ａとの結合による影響、および第１の線路２と開放スタブ２０ａとの結合による影響を抑制するために、開放スタブの第２領域２０ｂ、２１ｂの長さＴ３および接続線路１７、１８の長さＴ４を調整してＳ＜Ｔ４とするとよい。なお、伝送線路は、サスペンディッドストリップラインとした。
（具体例Ｌ）
図１５は、第１の実施形態の具体例Ｌの方向性結合器の特性を表すグラフ図である。
ギャップＳは０．４ｍｍとされる。具体例Ａ（結合度Ｃが約３０ｄＢ）のギャップＳである０．９ｍｍよりも小さくすることにより中心周波数９．５ＧＨｚにおいて結合度Ｃを約２１．２ｄＢとすることができる。また、９．５ＧＨｚにおいて、挿入損ＩＬは０．１ｄＢ、アイソレーションＩＳは４６．２ｄＢ，方向性ＤＩは２５．０ｄＢ以上得られている。
図１５は、第１の実施形態の具体例Ｌの方向性結合器の特性を表すグラフ図である。
ギャップＳは０．４ｍｍとされる。具体例Ａ（結合度Ｃが約３０ｄＢ）のギャップＳである０．９ｍｍよりも小さくすることにより中心周波数９．５ＧＨｚにおいて結合度Ｃを約２１．２ｄＢとすることができる。また、９．５ＧＨｚにおいて、挿入損ＩＬは０．１ｄＢ、アイソレーションＩＳは４６．２ｄＢ，方向性ＤＩは２５．０ｄＢ以上得られている。
（具体例Ｍ）
図１６は、第１の実施形態の具体例Ｍの方向性結合器の特性を表すグラフ図である。
ギャップＳは１．３ｍｍとされる。具体例Ａ（結合度Ｃが約３０ｄＢ）のギャップＳである０．９ｍｍよりも大きくすることにより中心周波数９．５ＧＨｚにおいて結合度Ｃを４１．３ｄＢとすることができる。また、９．５ＧＨｚにおいて、挿入損ＩＬは０．０５ｄＢ、アイソレーションＩＳは５４．３ｄＢ、方向性ＤＩは１３．０ｄＢ以上得られている。具体例Ａ、Ｌ、Ｍに表すように、ギャップＳを大きくすることにより結合度Ｃを大きくすることができる。
図１６は、第１の実施形態の具体例Ｍの方向性結合器の特性を表すグラフ図である。
ギャップＳは１．３ｍｍとされる。具体例Ａ（結合度Ｃが約３０ｄＢ）のギャップＳである０．９ｍｍよりも大きくすることにより中心周波数９．５ＧＨｚにおいて結合度Ｃを４１．３ｄＢとすることができる。また、９．５ＧＨｚにおいて、挿入損ＩＬは０．０５ｄＢ、アイソレーションＩＳは５４．３ｄＢ、方向性ＤＩは１３．０ｄＢ以上得られている。具体例Ａ、Ｌ、Ｍに表すように、ギャップＳを大きくすることにより結合度Ｃを大きくすることができる。
次に、第１の実施形態にかかるブランチライン方向性結合器５０を有する電力増幅装置について説明する。
図１７（ａ）は、第３の実施形態にかかる電力増幅装置の回路構成図、図１７（ｂ）はその第１変形例の回路構成図、図１７（ｃ）はその第２変形例の回路構成図、である。
図１７（ａ）に表すように、電力増幅装置６０は、電力増幅回路部６４と、出力端子６２と、出力信号モニタ端子６５と、第１のブランチライン方向性結合器５１と、第１終端器（終端抵抗）６８と、を有する。
図１７（ａ）は、第３の実施形態にかかる電力増幅装置の回路構成図、図１７（ｂ）はその第１変形例の回路構成図、図１７（ｃ）はその第２変形例の回路構成図、である。
図１７（ａ）に表すように、電力増幅装置６０は、電力増幅回路部６４と、出力端子６２と、出力信号モニタ端子６５と、第１のブランチライン方向性結合器５１と、第１終端器（終端抵抗）６８と、を有する。
電力増幅回路部６４は、ＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor)などの増幅素子、その整合回路、バイアス回路、電力分岐回路、電力合成回路などを含むことができる。さらに、高調波を抑制するフィルタを終段部に有してもよい。また、ＭＭＩＣ（Monolithic Microwave Integrated Circuit)であってもよい。
第１のブランチライン方向性結合器（第１カプラ）５１は、電力増幅回路部６４と出力端子６２との間に設けられる。第１のブランチライン方向性結合器５１の第１の端子１３は電力増幅回路部６４の出力端に接続され、第２の端子１４は出力端子６２に接続され、第３の端子１５は第１終端器６８に接続され、第４の端子１６は出力信号モニタ端子６５に接続される。出力信号モニタ端子６５を介して取り出された信号により高調波（スプリアス）成分などをモニタリングすることなどができる。
図１７（ｂ）の第１変形例に表すように、電力増幅装置６０は、電力増幅回路部６４と、出力端子６２と、出力信号モニタ端子６５と、出力レベル検出器６６と、第１のブランチライン方向性結合器（第１カプラ）５１と、第２のブランチライン方向性結合器（第２カプラ）５２と、第１終端器６８と、第２終端器（終端抵抗）６９と、を有する。第１のブランチライン方向性結合器５１は、電力増幅回路部６４と出力端子６２との間に設けられる。第１のブランチライン方向性結合器５１の第１の端子１３は電力増幅回路部６４の出力端に接続され、第３の端子１５は第１終端器６８に接続され、第４の端子１６は出力信号モニタ端子６５に接続される。
第２のブランチライン方向性結合器５２は、第１のブランチライン方向性結合器５１と出力端子６２との間に設けられる。第２のブランチライン方向性結合器５２の第１の端子１３は第１のブランチライン方向性結合器５１の第２の端子１４に接続され、第２の端子１４は出力端子６２に接続され、第３の端子１５は第２終端器６９に接続され、第４の端子１６は出力レベル検出器６６に接続される。出力端子６２から出力される電力増幅装置６０の送信出力レベルは、第４の端子１６を介して出力レベル検出器６６により検出される。電力増幅装置６０の出力レベルが高くなると、第２のブランチライン方向性結合器５２の結合度を高くすることにより、出力レベル検出器６６に入力される電力を低減することができる。
図１７（ｃ）の第２変形例に表すように、電力増幅器６０は、電力増幅回路部６４と、出力端子６２と、出力信号モニタ端子６５と、出力レベル検出器６６と、反射波モニタ出力端子６７と、第１のブランチライン方向性結合器（第１カプラ）５１と、第２のブランチライン方向性結合器（第２カプラ）５２と、第３のブランチライン方向性結合器（第３カプラ）５３と、第１終端器６８と、第２終端器６９と、第３終端器（終端抵抗）７０と、を有する。第１のブランチライン方向性結合器５１の第１の端子１３は電力増幅回路部６４の出力端に接続され、第３の端子１５は第１終端器６８に接続され、第４の端子１６は出力信号モニタ端子６５に接続される。第２のブランチライン方向性結合器５２の第１の端子１３は第１のブランチライン方向性結合器５１の第２の端子１４に接続され、第３の端子１５は第２終端器６９に接続され、第４の端子１６は出力レベル検出器６６に接続される。第３のブランチライン方向性結合器の第１の端子１３は第２のブランチライン方向性結合器５２の第２の端子１４に接続され、第２の端子１４は出力端子６２に接続され、第３の端子１５は反射波モニタ端子６７に接続され、第４の端子１６は第３終端器７０に接続される。出力端子６２の後段には負荷としてアンテナなどが接続される。
もし、負荷側に異常が生じて高出力電力がアンテナから正常に放射されない場合、負荷側で反射された電力が出力端子６２を介して電力増幅装置６０の内部にダメージなどを与える場合がある。第２変形例では、反射波が第３のブランチライン方向性結合器５３の第３の端子１５を通り反射波モニタ端子６７によりモニタリングされる。すなわち、第３のブランチライン方向性結合器５３は、反射波検出用であり、負荷の異常を精度良く迅速に検知することにより、電力増幅装置６０の内部を保護できる。
本実施形態によれば、複雑な接地構造が不要でかつ挿入損失が低減可能な疎結合のブランチライン方向性結合器およびこれを用いた電力増幅器が提供される。本実施形態にかかるブランチライン方向性結合器は、高出力レーダ装置、高出力移相器などに広く応用可能である。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
Claims (7)
- 第１の特性インピーダンスと、４分の１波長の長さを有する第１の線路と、
前記第１の特性インピーダンスと、４分の１波長の長さを有する第２の線路と、
一方の端部が前記第１の線路の一方の端部に接続され、他方の端部が前記第２の線路の一方の端部に接続された第１の終端開放結合線路と、
一方の端部が前記第１の線路の他方の端部に接続され、他方の端部が前記第２の線路の他方の端部に接続された第２の終端開放結合線路と、
一方の端部が第１の端子とされ、他方の端部が前記第１の線路と前記第１の終端開放結合線路との第１の接続位置に接続された第３の線路と、
一方の端部が第２の端子とされ、他方の端部が前記第１の線路と前記第２の終端開放結合線路との第２の接続位置に接続された第４の線路と、
一方の端部が第３の端子とされ、他方の端部が前記第２の線路と前記第１の終端開放結合線路との第３の接続位置に接続された第５の線路と、
一方の端部が第４の端子とされ、他方の端部が前記第２の線路と前記第２の終端開放結合線路との第４の接続位置に接続された第６の線路と、
を備え、
前記第１の終端開放結合線路は、４分の１波長の結合長さを有する２つの結合線路と、それぞれの結合線路の一方の端部に接続された開放スタブと、前記それぞれの結合線路の他方の端部と前記第１の接続位置または前記第３の接続位置に接続された接続線路とを有し、かつ全長が２分の１波長とされ、
前記第２の終端開放結合線路は、４分の１波長の結合長さを有する２つの結合線路と、それぞれの結合線路の一方の端部に接続された開放スタブと、前記それぞれの結合線路の他方の端部と前記第２の接続位置または前記第４の接続位置に接続された接続線路とを有し、かつ全長が２分の１波長とされ、
結合度が２０ｄＢ以上である、ブランチライン方向性結合器。 - 前記第３～第６の線路は、同一の特性インピーダンスを有する請求項１記載のブランチライン方向性結合器。
- 前記第３～第６の線路は、同一の長さを有する請求項１または２に記載のブランチライン方向性結合器。
- 前記第１の線路、前記第２の線路、前記第１の終端開放結合線路、前記第２の終端開放結合線路は、サスペンディッドストリップ線路である請求項１～３のいずれか１つに記載のブランチライン方向性結合器。
- 電力増幅回路部と、
出力端子と、
出力信号モニタ端子と、
第１終端器と、
前記電力増幅回路部と前記出力端子との間に設けられた請求項１記載の第１のブランチライン方向性結合器であって、前記第１の端子は前記電力増幅回路部の出力端に接続され、前記第２の端子は前記出力端子に接続され、前記第３の端子は前記第１終端器に接続され、前記第４の端子は前記出力信号モニタ端子に接続される、第１のブランチライン方向性結合器と、
を備えた電力増幅装置。 - 電力増幅回路部と、
出力端子と、
出力信号モニタ端子と、
出力レベル検出器と、
第１終端器と、
第２終端器と、
前記電力増幅回路部と前記出力端子との間に設けられた請求項１記載の第１のブランチライン方向性結合器であって、前記第１の端子は前記電力増幅回路部の出力端に接続され、前記第３の端子は前記第１終端器に接続され、前記第４の端子は前記出力信号モニタ端子に接続される、第１のブランチライン方向性結合器と、
前記第１のブランチライン方向性結合器と前記出力端子との間に設けられた請求項１記載の第２のブランチライン方向性結合器であって、前記第１の端子は前記第１のブランチライン方向性結合器の前記第２の端子に接続され、前記第２の端子は前記出力端子に接続され、前記第３の端子は前記第２終端器に接続され、前記第４の端子は前記出力レベル検出器に接続される、第２のブランチライン方向性結合器と、
を備えた電力増幅装置。 - 電力増幅回路部と、
出力端子と、
出力信号モニタ端子と、
出力レベル検出器と、
反射波モニタ出力端子と、
第１終端器と、
第２終端器と、
第３終端器と、
前記電力増幅回路部と前記出力端子との間に設けられた請求項１記載の第１のブランチライン方向性結合器であって、前記第１の端子は前記電力増幅回路部の出力端に接続され、前記第３の端子は前記第１終端器に接続され、前記第４の端子は前記出力信号モニタ端子に接続される、第１のブランチライン方向性結合器と、
前記第１のブランチライン方向性結合器と前記出力端子との間に設けられた請求項１記載の第２のブランチライン方向性結合器であって、前記第１の端子は前記第１のブランチライン方向性結合器の前記第２の端子に接続され、前記第３の端子は前記第２終端器に接続され、前記第４の端子は前記出力レベル検出器に接続される、第２のブランチライン方向性結合器と、
前記第２のブランチライン方向性結合器と前記出力端子との間に設けられた請求項１記載の第３のブランチライン方向性結合器であって、前記第１の端子は前記第２のブランチライン方向性結合器の前記第２の端子に接続され、前記第２の端子は前記出力端子に接続され、前記第３の端子は前記反射波モニタ出力端子に接続され、前記第４の端子は前記第３終端器に接続される、第３のブランチライン方向性結合器と、を備えた電力増幅装置。
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