JP7405998B2 - 高周波電力分配、合成回路 - Google Patents

Description

本発明による実施形態は、入力信号を２つ以上の信号出力に分配するための高周波電力分配器、および２つ以上の信号入力からの入力信号に基づいて出力信号を取得するための高周波電力合成回路に関する。

電力分配／合成回路は、高周波信号を分配するかまたは合成するために広く使用されており、マイクロ波回路の主要構成要素の１つとして無線通信システムの重要なデバイスである。無線周波数電力分配器（合成器）を設計するためのいくつかの可能な構造が存在する。以下では、電力分配器の可能な構造について簡単に説明する。

図１は、無線周波数（ＲＦ）電力分配器の可能な構造を示している。図１（Ａ）はウィルキンソン型分配器を示し、図１（Ｂ）はラットレース型を示し、図１（Ｃ）はブランチライン型を示し、図１（Ｄ）はジゼル（Ｇｙｓｅｌ）型分配器を示している。図１では、「Ｐ」で始まる参照符号は、ＲＦ電力分配器ポート（ＲＦポート）、すなわち信号入出力ポートを示している。図１において「Ｒ」で始まる参照符号で示される要素は全て抵抗器である。全ての抵抗器の抵抗は、２×Ｒ_０であるＲ１Ａを除いて、回路の公称インピーダンス（Ｒ０、典型的には５０Ω）に等しい。図１において「ＴＬ」で始まる参照符号で示される要素は全て伝送線路もしくは伝送線路部分である。これらは全て、波長の４分の３の長さであるＴＬ４Ｂを除いて、動作中心周波数（ｆ０）の中心において波長の４分の１（λ／４）である。伝送線路ＴＬ１Ａ、ＴＬ２Ａ、ＴＬ１Ｂ、ＴＬ２Ｂ、ＴＬ３Ｂ、ＴＬ４Ｂは、特性インピーダンスＺ_０＝Ｒ０×√２を有し、伝送線路ＴＬ２Ｃ、ＴＬ４Ｃ、ＴＬ３Ｄ、ＴＬ４Ｄは、特性インピーダンスＺ０＝Ｒ０を有し、伝送線路ＴＬ１Ｃ、ＴＬ３Ｃは、特性インピーダンスＺ０＝Ｒ０／√２を有し、伝送線路ＴＬ５Ｄ、ＴＬ６Ｄは、特性インピーダンスＺ０＝Ｒ０／２を有する。図示された構造は、伝送線路（マイクロストリップのようなストリップ線路）のプリント回路実現に類似している。しかし、全ての構造は、同軸ケーブル、二線式線路、マイクロストリップ、ストリップ線路、コプレーナ導波路などの任意の種類のＴＥＭまたは準ＴＥＭ伝送線路で実現することができる。

図２は、図１に示す構造の理論性能を示している。図２（Ａ）は、図１（Ａ）に示すウィルキンソン型分配器の理論性能を示し、図２（Ｂ）は、図１（Ｂ）に示すラットレース型の理論性能を示し、図２（Ｃ）は、図１（Ｃ）に示すブランチライン型の理論性能を示し、図２（Ｄ）は、図１（Ｄ）に示すジゼル（Ｇｙｓｅｌ）型分配器の理論性能を示している。図２では、全てのプロットについて、左のｙ軸は非絶縁ポート間の透過係数に関するものである。右のｙ軸は、絶縁ポート間の伝送係数および異なるＲＦポートでのリターンロスに関するものである。曲線ラベルは対応する曲線と同型の線を有し、それぞれのｙ軸の近くに配置される。全ての曲線は、理想的な要素で計算されている。構造の理論性能は、図２の散乱パラメータＳ_ｉｊを用いて説明される。

図３は、構造のさらなる理論性能を示している。図３（Ａ）は、ウィルキンソン型分配器のさらなる理論性能を示している。図３（Ａ）に示すように、ウィルキンソン分配器は対称（図１（Ａ）参照）であるため、散乱パラメータはＳ２１＝Ｓ３１の関係を有し、したがって、振幅および位相の両方には不均衡がない。

図３（Ｂ）は、ジゼル（Ｇｙｓｅｌ）型分配器のさらなる理論性能を示している。図３（Ｂ）に示すように、ジゼル（Ｇｙｓｅｌ）型分配器もまた対称（図１（Ｄ）参照）であるため、散乱パラメータはＳ２１＝Ｓ３１の関係を有し、振幅および位相の両方には不均衡がない。

動作帯域幅（Δｆ）を評価することを考慮する場合、すなわち、各回路の動作帯域幅（Δｆ）の広さの程度を評価するための最も意味のあるパラメータは、相対帯域幅（Δｆ／ｆ０）である。これは、リターンロス、振幅もしくは位相の不均衡によって、多くの方法で定義することができる。図４は、図１に示す４つの回路の相対帯域幅を示す表であり、
１）１５ｄＢのリターンロス（図４に示す表の２列目）
２）０．５ｄＢの振幅不均衡（図４に示す表の３列目。４列目は、図４に示す表の対応する位相不均衡を含む。）
を仮定している。

図４に示されているように、ウィルキンソン型およびジゼル（Ｇｙｓｅｌ）型には不均衡がなく、すなわち、その点に対するそれらの相対帯域幅は無限大である。

図５は、図１に示す電力分配器の物理的レイアウトの例を示す概略図である。図５（Ａ）は、図１（Ａ）に示すウィルキンソン型分配器の物理的レイアウトを示し、図５（Ｂ）は、図１（Ｂ）に示すラットレース型の物理的レイアウトを示し、図５（Ｃ）は、図１（Ｃ）に示すブランチライン型の物理的レイアウトを示し、図５（Ｄ）は、図１（Ｄ）に示すジゼル（Ｇｙｓｅｌ）型分配器の物理的レイアウトを示している。図５では、図示の物理的レイアウト、すなわち、例えば中心周波数ｆ０＝３０ＧＨｚ、比誘電率（εｒ）＝３．５の基板、高さ（ｈ）＝０．２５ｍｍ、および金属厚（ｔ）＝２０μｍのマイクロストリップ設計の現実的なレイアウトが示されている。

広帯域の用途を考慮すると、ウィルキンソン型分配器は、主要候補もしくは第１の候補とすることができる。ウィルキンソン型分配器に関連する主な問題は、集中型、すなわち長さがλ／４未満の抵抗器Ｒ１Ａ（図５（Ａ）参照）の必要性である。図５（Ａ）に示される場合では、Ｒ１Ａの大きさは、本技術で可能な最小値、例えば０．４×０．５ｍｍに近く、既にλ／４、すなわち波長の４分の１の伝送線路部分ＴＬ１Ａ、ＴＬ２Ａの長さに匹敵している。比較的大きな抵抗器は、理想的な場合と比較して、（散乱パラメータＳ３２によって示される）絶縁の劣化、（散乱パラメータＳ２１、Ｓ３１によって示される）挿入損失、および（散乱パラメータＳ１１、Ｓ２２、Ｓ３３によって示される）リターンロスを伴う。したがって、中心周波数を増加させると、問題はより深刻になる。

さらに、伝送線路ＴＬ１ＡおよびＴＬ２Ａは絶縁されるべきであり、これは小さいＲ１Ａの必要性とは対照的である。（Ｓ１１、Ｓ２２、Ｓ３３、Ｓ３２を劣化させる）結合を最小限に抑えるために、（この場合のように）湾曲形状がしばしば使用される。しかし、これは、特に非常に高い周波数（すなわち、非常に短い伝送線路ＴＬ１Ａ、ＴＬ２Ａを有する）では常に可能であるとは限らない。

ウィルキンソン型分配器とは逆に、他の電力分周器回路、すなわち図５に示すラットレース型、ブランチライン型およびジゼル（Ｇｙｓｅｌ）型分配器は、集中抵抗器を必要としない。むしろ、それらは、原則として、それらの大きさについて概念的な制限を有さない接地へのＲ０終端のみを必要とし、例えば、Ｚ０＝Ｒ０の無限に長い伝送線路は、このような終端の１つの可能な実現である。しかし、これらの回路の相対帯域幅は、ウィルキンソン型分配器よりも一貫して小さく、最大から最小までの順は、ウィルキンソン型分配器、Ｇｙｓｅｌ分配器、ラットレース型、ブランチライン型となる。

ブランチライン型は、第１のポートＰ１－伝送線路ＴＬ１Ｃ－伝送線路ＴＬ４Ｃ、第２のポートＰ２－伝送線路ＴＬ２Ｃ－伝送線路ＴＬ３Ｃ、第３のポートＰ３－伝送線路ＴＬ１Ｃ－伝送線路ＴＬ２Ｃ、抵抗器Ｒ１Ｃ－伝送線路ＴＬ３Ｃ－伝送線路ＴＬ４Ｃの接合部にさらに強い不連続性効果を有する。また、ジゼル（Ｇｙｓｅｌ）型分配器は、伝送線路ＴＬ４Ｄ－抵抗器Ｒ２Ｄ－伝送線路ＴＬ６Ｄ、伝送線路ＴＬ３Ｄ－抵抗器Ｒ１Ｄ－伝送線路ＴＬ５Ｄの接合部に強い不連続性効果も有する。接合部に対するこれらの強い不連続性効果は、低い特性インピーダンス、すなわち、伝送線路ＴＬ１Ｃ、ＴＬ３ＣのＺ０＝Ｒ０／√２、および伝送線路ＴＬ５Ｄ、ＴＬ６ＤのＺ０＝Ｒ０／２に起因して、およびその結果としての広い幅に起因して達成される。高周波数では、これらのＴ接合部の大きさは伝送線路の長さと同等になる。回路性能は重要になり、十分に予測可能ではなく、製造の許容範囲に極めて敏感になる。

ラットレース型は、伝送線路ＴＬ１Ｂ～ＴＬ４Ｂの高いインピーダンス値Ｚ０（したがって、狭い幅）のために、この問題をあまり生じない。図５（Ｂ）に示すように、給電線を先細りにすることで、不連続性をさらに最小化することができる。

図６は、ブランチライン型の変形例を示している。図６（ａ１）は、標準ブランチライン型分配器を示し、図６（ａ２）は、変形ブランチライン型分配器、すなわち同相ブランチライン型を示している。ブランチライン型出力ポートＰ２、Ｐ３は、同相ではなく９０°位相シフトされている。必要に応じて、補償ネットワークが必要とされる。一例は、図６（ａ２）に示すＳｃｈｉｆｆｍａｎ移相器である。伝送線路ＴＬ５Ｃ、ＴＬ６Ｃは、Ｚ０Ｅ×Ｚ０Ｏ＝Ｒ０^２となるように、中心周波数ｆ０において電気長λ／４を有し、偶（奇）モードインピーダンスＺ０Ｅ（Ｚ０Ｏ）で結合された線路であり、伝送線路部分ＴＬ７Ｃは、中心周波数ｆ０において電気長λ／４を有し、Ｚ０＝Ｒ０の伝送線路部分である。伝送線路ＴＬ５Ｃ、ＴＬ６Ｃの位置と伝送線路部分ＴＬ７Ｃの位置とを入れ替えると、出力ポートＰ２、Ｐ３間の１８０°シフトが得られる。いずれの場合も、ブランチライン型の帯域幅は同じままである。

したがって、上述の問題、例えば動作帯域幅、位相不均衡、十分に予測可能な回路性能、および製造の許容範囲を考慮すると、ラットレース型、すなわちラットレース型結合器は、上述の問題を解決するのに適していると思われる

したがって、本発明の目的は、ラットレース型結合器を使用することによって高周波電力分配／合成回路の実装を容易にする概念を作り出すことである。

本発明による一実施形態は、入力信号を２つ以上の信号出力ポートに分配するための高周波電力分配回路に関する。高周波分配回路は、ラットレース型結合器の入力ポートで提供される入力信号をラットレース型結合器の第１の出力およびラットレース型結合器の第２の出力に結合するように構成された、ラットレース型結合器と、ラットレース型結合器の第１の出力を第１の信号出力ポートに結合するように、ラットレース型結合器の第１の出力に結合された第１の結合構造と、ラットレース型結合器の第２の出力を第２の信号出力ポートに結合するように、ラットレース型結合器の第２の出力に結合された第２の結合構造とを備え、ラットレース型結合器の入力ポートと第１の出力との間の第１の伝送線路部分の特性インピーダンスは、ラットレース型結合器の公称リングインピーダンスから第１の方向に逸脱し、ラットレース型結合器の入力ポートと第２の出力との間の第２の伝送線路部分の特性インピーダンスは、ラットレース型結合器の公称リングインピーダンスから第１の方向とは反対の第２の方向に逸脱する。

本発明の概念によれば、ラットレース型結合器の設計周波数において、第２の信号出力ポートに結合されるよりも大きい入力信号の信号電力が第１の出力ポートに結合されるように、および、入力信号の周波数が設計周波数の環境内でラットレース型結合器の設計周波数から離れる場合に、第１の出力ポートに結合された入力信号の信号電力が減少して、第２の出力ポートに結合された入力信号の信号電力よりも小さくなるように、ラットレース型結合器の入力ポートと第２の出力との間の第２の伝送線路部分の特性インピーダンスは、ラットレース型結合器の公称リングインピーダンスから第１の方向とは反対の第２の方向に逸脱し、公称リングインピーダンスよりも大きい。

好ましい実施形態では、ラットレース型結合器の第２の出力とラットレース型結合器のさらなるポートとの間の第３の伝送線路部分の特性インピーダンスは、公称リングインピーダンスから第１の伝送線路部分の特性インピーダンスと同じ方向に逸脱する。さらに、ラットレース型結合器の第１の出力とラットレース型結合器のさらなるポートとの間の第４の伝送線路部分の特性インピーダンスは、公称リングインピーダンスから第２の伝送線路部分の特性インピーダンスと同じ方向に逸脱する。

好ましい実施形態では、第１の伝送線路部分の特性インピーダンスの値は、第３の伝送線路部分の特性インピーダンスの値と、第１の伝送線路部分の特性インピーダンスおよび第２の伝送線路部分の特性インピーダンスの±２５％以下、または±１０％以下だけ異なる。

好ましい実施形態では、第２の伝送線路部分の特性インピーダンスの値は、第４の伝送線路部分の特性インピーダンスの値と、第２の伝送線路部分の特性インピーダンスおよび第１の伝送線路部分の特性インピーダンスの±２５％以下、または±１０％以下だけ異なる。

好ましい実施形態では、第１の伝送線路部分の特性インピーダンスまたは第３の伝送線路部分の特性インピーダンスと、第２の伝送線路部分の特性インピーダンスまたは第４の伝送線路部分の特性インピーダンスとの乗算値は、±１０％の許容範囲内で公称リングインピーダンスの２乗の値に等しい。

好ましい実施形態では、第１の伝送線路部分の特性インピーダンスまたは第３の伝送線路部分の特性インピーダンスの値は、第２の伝送線路部分の特性インピーダンスまたは第４の伝送線路部分の特性インピーダンスの値よりも小さい。さらに、公称リングインピーダンスからの特性インピーダンスの偏差範囲は、公称リングインピーダンスの値の±２０％以内または±１０％以内である。

好ましい実施形態では、第１の伝送線路部分および第３の伝送線路部分の特性インピーダンスの値は、公称リングインピーダンスの値の＋１％～＋２０％の間、または＋１％～＋１０％の間で逸脱し、第２の伝送線路部分および第４の伝送線路部分の特性インピーダンスは、公称リングインピーダンスの値の－１％～－２０％の間、または－１％～－１０％の間で逸脱し、その逆もまた同様である。

本発明による一実施形態は、入力信号を２つ以上の信号出力ポートに分配するための高周波電力分配回路に関する。高周波電力分配回路は、ラットレース型結合器の入力ポートで提供される入力信号をラットレース型結合器の第１の出力およびラットレース型結合器の第２の出力に結合するように構成された、ラットレース型結合器と、ラットレース型結合器の第１の出力を第１の信号出力ポートに結合するように、ラットレース型結合器の第１の出力に結合された第１の結合構造と、ラットレース型結合器の第２の出力を第２の信号出力ポートに結合するように、ラットレース型結合器の第２の出力に結合された第２の結合構造とを備え、第１の結合構造および第２の結合構造は周波数にわたって異なる位相シフトを提供するように適合されており、第１の結合構造は、ラットレース型結合器の設計周波数の環境において、ラットレース型結合器の第１の出力とラットレース型結合器の第２の出力とにおける信号間の位相差の周波数変動を少なくとも部分的に補償するように適合された移相器を備える。

好ましい実施形態では、第２の結合構造は一対の結合伝送線路を備え、第１の結合伝送線路の第１の端部は、ラットレース型結合器の第２の出力に接続され、第１の結合伝送線路の第２の端部は、第１の結合伝送線路の第２の端部に隣接する第２の結合伝送線路の第２の端部に接続され、第２の結合伝送線路の第１の端部は、第２の信号出力ポートに接続されるか、または第２の信号出力ポートを構成する。

好ましい実施形態では、第１の結合伝送線路の第１の端部は、さらなる伝送線路を介してラットレース型結合器の第２の出力に接続される。さらに、さらなる伝送線路の特性インピーダンスは、基準インピーダンスから±５％以下または±１０％以下だけ逸脱する。さらに、一対の結合伝送線路の偶モードインピーダンスと一対の結合伝送線路の奇モードインピーダンスとの積は、基準インピーダンスの２乗から±５％以下だけ、または±１０％以下だけ、あるいは±１５％以下だけ逸脱する。

好ましい実施形態では、一対の結合伝送線路の結合伝送線路の電気長は、ラットレース型結合器の設計中心周波数における波長の４分の１から例えば±５％以下だけ、または±１０％以下だけ逸脱し、換言すれば、結合伝送線路は、±５％または±１０％の許容範囲内でラットレース型結合器の設計中心周波数においてλ／４の伝送線路である。

好ましい実施形態では、さらなる伝送線路の長さは、一対の結合伝送線路の漂遊磁場をラットレース型結合器から分離するように選択される。さらに、第１の結合構造を形成する伝送線路の電気長は、さらなる伝送線路の電気長＋波長の半分に等しく、許容範囲は波長の±１０分の１である。

本発明による一実施形態は、２つ以上の信号入力ポートからの入力信号に基づいて出力信号を取得するための高周波電力合成回路に関する。高周波電力合成回路は、ラットレース型結合器の第１の入力における信号に基づいて、かつラットレース型結合器の第２の入力における信号に基づいて、出力信号をラットレース型結合器の出力ポートで提供するように構成された、ラットレース型結合器と、ラットレース型結合器の第１の入力を第１の信号入力ポートに結合するように、ラットレース型結合器の第１の入力に結合された第１の結合構造と、ラットレース型結合器の第２の入力を第２の信号入力ポートに結合するように、ラットレース型結合器の第２の入力に結合された第２の結合構造とを備え、ラットレース型結合器の出力ポートと第１の入力との間の第１の伝送線路部分の特性インピーダンスは、ラットレース型結合器の公称リングインピーダンスから第１の方向に逸脱し、ラットレース型結合器の出力ポートと第２の入力との間の第２の伝送線路部分の特性インピーダンスは、ラットレース型結合器の公称リングインピーダンスから第１の方向とは反対の第２の方向に逸脱する。

本発明による一実施形態は、２つ以上の信号入力ポートからの入力信号に基づいて出力信号を取得するための高周波電力合成回路に関する。高周波電力合成回路は、ラットレース型結合器の第１の入力における信号に基づいて、かつラットレース型結合器の第２の入力における信号に基づいて、出力信号をラットレース型結合器の出力ポートで提供するように構成された、ラットレース型結合器と、ラットレース型結合器の第１の入力を第１の信号入力ポートに結合するように、ラットレース型結合器の第１の入力に結合された第１の結合構造と、ラットレース型結合器の第２の入力を第２の信号入力ポートに結合するように、ラットレース型結合器の第２の入力に結合された第２の結合構造とを備え、第１の結合構造および第２の結合構造は周波数にわたって異なる位相シフトを提供するように適合されており、第１の結合構造は、ラットレース型結合器の設計周波数の環境において、ラットレース型結合器の第１の入力およびラットレース型結合器の第２の入力における信号の合成に影響を与える、ラットレース型結合器の第１の入力から出力ポートへの伝送特性の周波数変動と、ラットレース型結合器の第２の入力から出力ポートへの伝送特性の周波数変動との差を少なくとも部分的に補償するように適合された移相器を備える。

本発明による実施形態を、添付の図面を参照して以下に説明する。

従来技術による無線周波数（ＲＦ）電力分配器の可能な構造の概略図である。 図１に示す構造の理論性能を表す概略図である。 図１に示す構造のさらなる理論性能を示す図である。 図１に示す構造による４つの回路の相対帯域幅を示す表である。 図１に示す電力分配器の物理的レイアウトの例を示す概略図である。 図１に示す従来技術によるブランチライン型の変形例を示す図である。 本出願の一実施形態によるラットレース型結合器の例を示す図である。 本出願の実施形態による変形ラットレース（ｒａｔ ｒａｃｅ）型結合器の性能を示す図である。 本出願の実施形態による、Ｋ_ＧＢの値に応じた振幅不均衡および相対帯域幅を示す表である。 本出願の実施形態による変形ラットレース型の性能を示す図である。 本出願の実施形態による変形ラットレース型のさらなる性能を示す図である。

図７は、本出願の一実施形態によるラットレース型結合器の例を示している。図７（ａ）は、図１（Ｂ）に示すものと同じ標準ラットレース型結合器を示し、図７（ｂ）は、変形ラットレース型結合器、すなわち改良されたラットレース型を示している。

図７（ｂ）に示すように、ラットレース（ｒａｔ ｒａｃｅ）型結合器は、ラットレース型結合器の入力ポートＰ１で提供される入力信号を、例えば伝送線路部分ＴＬ７Ｂがラットレース型結合器のリングに接続されている場所にあるラットレース型結合器の第１の出力に結合し、例えば伝送線路部分ＴＬ８Ｂがラットレース型結合器のリングに接続されている場所にあるラットレース型結合器の第２の出力に結合し、第１の結合構造ＴＬ７Ｂは、ラットレース型結合器の第１の出力を第１の信号出力ポートＰ２に結合するようにラットレース型結合器の第１の出力に結合され、伝送線路ＴＬ８Ｂ、ＴＬ５Ｂ、ＴＬ６Ｂによって形成される第２の結合構造は、ラットレース型結合器の第２の出力を第２の信号出力ポートＰ３に結合するようにラットレース型結合器の第２の出力に結合され、ラットレース型結合器の入力ポートＰ１と第１の出力との間の第１の伝送線路部分ＴＬ１Ｂの特性インピーダンス、例えばＺ_０＝１／Ｋ_ＧＢ×ｓｑｒｔ（２）×Ｒ_０（Ｒ_０は最も一般的であるが必ずしも５０Ωではない）は、ラットレース型結合器の公称リングインピーダンス、例えばｓｑｒｔ（２）×Ｒ_０から第１の方向に逸脱し、例えば公称リングインピーダンスよりも小さく、ラットレース型結合器の入力ポートＰ１と第２の出力との間の第２の伝送線路部分ＴＬ２Ｂの特性インピーダンス例えばＺ_０＝Ｋ_ＧＢ×ｓｑｒｔ（２）×Ｒ_０は、ラットレース型結合器の設計周波数において、第２の信号出力ポートＰ３に結合されるよりも大きい入力信号の信号電力が第１の出力ポートＰ２に結合されるように、および、入力信号の周波数が（設計周波数の環境内で）ラットレース型結合器の設計周波数から離れる場合に、第１の出力ポートに結合された入力信号の信号電力が減少して、第２の出力ポートに結合された入力信号の信号電力よりも小さくなるように、ラットレース型結合器の公称リングインピーダンス、例えばｓｑｒｔ（２）×Ｒ_０から第１の方向とは反対の第２の方向に逸脱し、例えば公称リングインピーダンスよりも大きい。

ラットレース型結合器の第２の出力とラットレース型結合器のさらなるポート、例えば終端ポートとの間の第３の伝送線路部分ＴＬ３Ｂの特性インピーダンスは、公称リングインピーダンスから第１の伝送線路部分ＴＬ１Ｂの特性インピーダンスと同じ方向に逸脱する。ラットレース型結合器の第１の出力とラットレース型結合器のさらなるポート、例えば終端ポートとの間の第４の伝送線路部分ＴＬ４Ｂの特性インピーダンスは、公称リングインピーダンスから第２の伝送線路部分ＴＬ２Ｂの特性インピーダンスと同じ方向に逸脱する。

さらに、図７（ｂ）に示すように、ラットレース型は本質的に非対称であり、したがって、第２のポートＰ２と第３のポートＰ３との間の位相シフトは、中心周波数ｆ０においてのみ０である。位相差を平坦化するために、図７（ｂ）に示すように、Ｓｃｈｉｆｆｍａｎ移相器の変形例を使用することができる。伝送部分ＴＬ５Ｂ、ＴＬ６Ｂは、Ｚ０Ｅ×Ｚ０Ｏ＝Ｒ０^２となるように、中心周波数ｆ０において偶（奇）モードインピーダンスＺ０Ｅ（Ｚ０Ｏ）で結合されたλ／４の線路である。伝送線路部分ＴＬ８Ｂは、伝送線路部分ＴＬ５Ｂ、ＴＬ６Ｂとラットレース型自体との結合を最小にするのに十分な長さのＺ０＝Ｒ０の伝送である。伝送線路部分ＴＬ７Ｂは、Ｚ０＝Ｒ０の、中心周波数ｆ０における長さがＴＬ８Ｂ＋λ／２の伝送である。

図８は、本出願の実施形態による変形ラットレース型結合器の性能を示している。既に述べたように、公称リングインピーダンスはｓｑｒｔ（２）×Ｒ_０であり、第１の伝送線路部分ＴＬ１Ｂおよび第３の伝送線路部分ＴＬ３Ｂの特性インピーダンスは、Ｚ_０＝Ｋ_ＧＢ×ｓｑｒｔ（２）×Ｒ_０であり、第２の伝送線路部分ＴＬ２Ｂおよび第４の伝送線路部分ＴＬ４Ｂの特性インピーダンスは、Ｚ_０＝Ｋ_ＧＢ×ｓｑｒｔ（２）×Ｒ_０である。図８（ａ）は散乱パラメータＳ２１およびＳ３１の値を示しており、図８（ｂ）はＳ３１／Ｓ２１の値を示し、図８（ｃ）はＳ３１／Ｓ２１の絶対値を示している。

図９は、本出願の実施形態による、Ｋ_ＧＢの値に応じた振幅不均衡および相対帯域幅を示す表である。Ｋ_ＧＢ＝１の場合は従来の回路構造である。図９に示すように、絶対振幅均衡の妥当な値は１～２ｄＢとすることができる。これは、Ｋ_ＧＢの妥当な範囲が１（すなわち従来の設計）と約１．１（または１／１．１）との間に制限されることを意味する。また、Ｋ_ＧＢを１／Ｋ_ＧＢに置き換えることは、第１の信号出力ポートＰ２と第２の信号出力ポートＰ３とを入れ替えることとほぼ同等である。結果は、図９に示す表と非常に類似している。

変形例として、第１の伝送線路部分ＴＬ１Ｂの特性インピーダンスの値は、第３の伝送線路部分ＴＬ３Ｂの特性インピーダンスの値と、第１の伝送線路部分ＴＬ１Ｂの特性インピーダンスおよび第２の伝送線路部分ＴＬ２Ｂの特性インピーダンスの±２５％以下、または±１０％以下だけ異なる。さらに、第２の伝送線路部分ＴＬ２Ｂの特性インピーダンスの値は、第４の伝送線路部分ＴＬ４Ｂの特性インピーダンスの値と、第２の伝送線路部分ＴＬ２Ｂの特性インピーダンスおよび第１の伝送線路部分ＴＬ１Ｂの特性インピーダンスの±２５％以下、または±１０％以下だけ異なる。

さらに、第１の伝送線路部分ＴＬ１Ｂの特性インピーダンスまたは第３の伝送線路部分ＴＬ３Ｂの特性インピーダンスと、第２の伝送線路部分ＴＬ２Ｂの特性インピーダンスまたは第４の伝送線路部分ＴＬ４Ｂの特性インピーダンスとの乗算値は、±１０％の許容範囲内で公称リングインピーダンスの２乗の値に等しい。第１の伝送線路部分ＴＬ１Ｂの特性インピーダンスまたは第３の伝送線路部分ＴＬ３Ｂの特性インピーダンスの値は、第２の伝送線路部分ＴＬ２Ｂの特性インピーダンスまたは第４の伝送線路部分ＴＬ４Ｂの特性インピーダンスの値よりも小さい。

さらに、公称リングインピーダンスからの特性インピーダンスの偏差範囲は、公称リングインピーダンスの値の±２０％以内または±１０％以内である。すなわち、第１の伝送線路部分および第３の伝送線路部分の特性インピーダンスの値は、公称リングインピーダンスの値の＋１％～＋２０％の間、または＋１％～＋１０％の間で逸脱し、第２の伝送線路部分および第４の伝送線路部分の特性インピーダンスは、公称リングインピーダンスの値の－１％～－２０％の間、または－１％～－１０％の間で逸脱し、その逆もまた同様である。

さらなる実施形態として、ラットレース型は本質的に非対称であり（図７（ｂ）参照）、したがって、第１の信号出力ポートＰ２と第２の信号出力ポートＰ３との間の位相シフトは、中心周波数ｆ０においてのみ０である。位相差を平坦化するために、図７（ｂ）に示すように、Ｓｃｈｉｆｆｍａｎ移相器の変形例を使用することができる。結合伝送線路ＴＬ５Ｂ、ＴＬ６Ｂは、Ｚ０Ｅ×Ｚ０Ｏ＝Ｒ０^２となるように、中心周波数ｆ０において電気長λ／４を有し、偶（奇）モードインピーダンスＺ０Ｅ（Ｚ０Ｏ）で結合された線路である。

すなわち、本実施形態による入力信号を２つ以上の信号出力ポートに分配するための高周波電力分配回路が図７（ｂ）に示される。回路は、ラットレース型結合器の例えばＰ１などの入力ポートで提供される入力信号を、例えばＴＬ７Ｂがラットレース型結合器のリングに接続されている場所にあるラットレース型結合器の第１の出力に結合し、かつ、例えばＴＬ８Ｂがラットレース型結合器のリングに接続されている場所にあるラットレース型結合器の第２の出力に結合するように構成された、ラットレース型結合器と、ラットレース型結合器の第１の出力を第１の信号出力ポートＰ２に結合するように、ラットレース型結合器の第１の出力に結合された第１の結合構造ＴＬ７Ｂと、ラットレース型結合器の第２の出力を第２の信号出力ポートＰ３に結合するように、ラットレース型結合器の第２の出力に結合されたＴＬ８Ｂ、ＴＬ５Ｂ、ＴＬ６Ｂによって構成された第２の結合構造とを備え、第１の結合構造および第２の結合構造は周波数にわたって異なる位相シフトを提供するように適合されており、第１の結合構造は、ラットレース型結合器の設計周波数の環境において、ラットレース型結合器の第１の出力とラットレース型結合器の第２の出力とにおける信号間の位相差の周波数変動を少なくとも部分的に補償するように適合された移相器を備える。

さらに、第２の結合構造は一対の結合伝送線路ＴＬ６Ｂ、ＴＬ５Ｂを備え、第１の結合伝送線路ＴＬ５Ｂの第１の端部は、例えばＴＬ８Ｂを介してラットレース型結合器の第２の出力に接続され、第１の結合伝送線路の第２の端部は、第１の結合伝送線路の第２の端部に隣接する第２の結合伝送線路の第２の端部に接続され、第２の結合伝送線路ＴＬ６Ｂの第１の端部は、第２の信号出力ポートＰ３に接続されるか、または第２の信号出力ポートＰ３を構成する。第１の結合伝送線路ＴＬ５Ｂの第１の端部は、例えばＴＬ８Ｂなどのさらなる伝送線路ＴＬ８Ｂを介してラットレース型結合器の第２の出力に接続される。

さらに、さらなる伝送線路の特性インピーダンスは、例えば５０Ωの基準インピーダンスから±５％以下または±１０％以下だけ逸脱する。さらに、一対の結合伝送線路の偶モードインピーダンスＺ_０Ｅと一対の結合伝送線路の奇モードインピーダンスＺ_０Ｏとの積は、基準インピーダンスの２乗から±５％以下だけ、または±１０％以下だけ、あるいは±１５％以下だけ逸脱する。

変形例として、一対の結合伝送線路の結合伝送線路の電気長は、ラットレース型結合器の設計中心周波数における波長の４分の１から±５％以下だけ、または±１０％以下だけ逸脱し、換言すれば、結合伝送線路は、±５％または±１０％の許容範囲内でラットレース型結合器の設計中心周波数においてλ／４の伝送線路である。加えて、さらなる伝送線路ＴＬ８Ｂの長さは、一対の結合伝送線路の漂遊磁場をラットレース型結合器から分離するように選択される。さらに、第１の結合構造を形成する伝送線路の電気長は、さらなる伝送線路ＴＬ８Ｂの電気長＋波長の半分に等しく、許容範囲は波長の±１０分の１である。

図１０は、本出願の実施形態による変形ラットレース型の性能を示している。図１０に示すように、伝送線路部分ＴＬ１Ｂ～ＴＬ４ＢのＺ０の変形例は位相にほとんど影響を与えない。さらに、位相補償ネットワークの追加は振幅に全く影響を与えない。

図１１もまた、本出願の実施形態による変形ラットレース型の性能を示している。図１１に示すように、位相補償ネットワークの追加、すなわち第１の結合構造および第２の結合構造の追加は位相シフトに影響を与える。

上述の実施形態は、高周波電力分配器に関する。しかし、同様の構造が、２つ以上の信号入力ポートからの入力信号に基づいて出力信号を取得するための高周波電力合成回路として用いられる。例えば、高周波電力合成回路は、例えば伝送線路部分ＴＬ７Ｂがラットレース型結合器のリングに接続されている場所にあるラットレース型結合器の第１の入力における信号に基づいて、かつ例えば伝送線路部分ＴＬ８Ｂがラットレース型結合器のリングに接続されている場所にあるラットレース型結合器の第２の入力における信号に基づいて、出力信号をラットレース型結合器の例えばＰ１などの出力ポートで提供するように構成された、ラットレース型結合器と、ラットレース型結合器の第１の入力を第１の信号入力ポートＰ２に結合するように、ラットレース型結合器の第１の入力に結合された第１の結合構造ＴＬ７Ｂと、ラットレース型結合器の第２の入力を第２の信号入力ポートＰ３に結合するように、ラットレース型結合器の第２の入力に結合された、例えばＴＬ８Ｂ、ＴＬ５Ｂ、ＴＬ６Ｂによって構成される第２の結合構造とを備え、ラットレース型結合器の出力ポートＰ１と第１の入力との間の第１の伝送線路部分ＴＬ１Ｂの特性インピーダンス、例えばＺ_０＝１／Ｋ_ＧＢ×ｓｑｒｔ（２）×Ｒ_０は、ラットレース型結合器の公称リングインピーダンス、例えばｓｑｒｔ（２）×Ｒ_０から第１の方向に逸脱し、例えば公称リングインピーダンスよりも小さく、ラットレース型結合器の出力ポートＰ１と第２の入力との間の第２の伝送線路部分ＴＬ２Ｂの特性インピーダンス例えばＺ_０＝Ｋ_ＧＢ×ｓｑｒｔ（２）×Ｒ_０は、ラットレース型結合器の公称リングインピーダンス、例えばｓｑｒｔ（２）×Ｒ_０から第１の方向とは反対の第２の方向に逸脱し、例えば公称リングインピーダンスよりも大きい。

２つ以上の信号入力ポートからの入力信号に基づいて出力信号を取得するための高周波電力合成回路のさらなる例として、合成回路は、例えば伝送線路部分ＴＬ７Ｂがラットレース型結合器のリングに接続されている場所にあるラットレース型結合器の第１の入力における信号に基づいて、かつ例えば伝送線路部分ＴＬ８Ｂがラットレース型結合器のリングに接続されている場所にあるラットレース型結合器の第２の入力における信号に基づいて、出力信号をラットレース型結合器の例えばＰ１などの出力ポートで提供するように構成された、ラットレース型結合器と、ラットレース型結合器の第１の入力を第１の信号入力ポートＰ２に結合するように、ラットレース型結合器の第１の入力に結合された第１の結合構造ＴＬ７Ｂと、ラットレース型結合器の第２の入力を第２の信号入力ポートＰ３に結合するように、ラットレース型結合器の第２の入力に結合された、例えばＴＬ８Ｂ、ＴＬ５Ｂ、ＴＬ６Ｂによって構成される第２の結合構造とを備え、第１の結合構造および第２の結合構造は周波数にわたって異なる位相シフトを提供するように適合されており、第１の結合構造は、ラットレース型結合器の設計周波数の環境において、例えばラットレース型結合器の第１の入力およびラットレース型結合器の第２の入力における信号の合成に影響を与える、ラットレース型結合器の第１の入力から出力ポートへの伝送特性の周波数変動と、ラットレース型結合器の第２の入力から出力ポートへの伝送特性の周波数変動との差を少なくとも部分的に補償するように適合された移相器を備える。

ＴＬ１Ａ，ＴＬ１Ｂ，ＴＬ２Ａ，ＴＬ２Ｂ，ＴＬ３Ｂ，ＴＬ３Ｃ，ＴＬ３Ｄ，ＴＬ４Ｂ，ＴＬ４Ｃ，ＴＬ４Ｄ，ＴＬ５Ｂ，ＴＬ５Ｃ，ＴＬ５Ｄ，ＴＬ６Ｂ，ＴＬ６Ｃ，ＴＬ６Ｄ，ＴＬ７Ｂ，ＴＬ７Ｃ，ＴＬ８Ｂ…伝送線路、Ｒ１Ａ，Ｒ１Ｃ，Ｒ１Ｄ，Ｒ２Ｄ…抵抗器。

Claims (19)

1. 入力信号を２つ以上の信号出力ポートに分配するための高周波電力分配回路であって、
   ラットレース型結合器であって、前記ラットレース型結合器の入力ポートで提供される入力信号を前記ラットレース型結合器の第１の出力および前記ラットレース型結合器の第２の出力に結合するように構成された、ラットレース型結合器と、
   前記ラットレース型結合器の前記第１の出力を第１の信号出力ポートに結合するように、前記ラットレース型結合器の前記第１の出力に結合された第１の結合構造と、
   前記ラットレース型結合器の前記第２の出力を第２の信号出力ポートに結合するように、前記ラットレース型結合器の前記第２の出力に結合された第２の結合構造とを備え、
   前記ラットレース型結合器の前記入力ポートと前記第１の出力との間の第１の伝送線路部分の特性インピーダンスが、前記ラットレース型結合器の公称リングインピーダンスから第１の方向に逸脱し、
   前記ラットレース型結合器の前記入力ポートと前記第２の出力との間の第２の伝送線路部分の特性インピーダンスが、ラットレース型結合器の公称リングインピーダンスから第１の方向とは反対の第２の方向に逸脱する、
   高周波電力分配回路。
2. 前記ラットレース型結合器の前記第２の出力と前記ラットレース型結合器のさらなるポートとの間の第３の伝送線路部分の特性インピーダンスが、前記公称リングインピーダンスから前記第１の伝送線路部分の前記特性インピーダンスと同じ方向に逸脱する、請求項１に記載の高周波電力分配回路。
3. 前記ラットレース型結合器の前記第１の出力と前記ラットレース型結合器のさらなるポートとの間の第４の伝送線路部分の特性インピーダンスが、前記公称リングインピーダンスから前記第２の伝送線路部分の前記特性インピーダンスと同じ方向に逸脱する、請求項１または２に記載の高周波電力分配回路。
4. 前記第１の伝送線路部分の前記特性インピーダンスの値が、前記ラットレース型結合器の前記第２の出力と前記ラットレース型結合器のさらなるポートとの間の第３の伝送線路部分の前記特性インピーダンスの値と、前記第１の伝送線路部分の前記特性インピーダンスおよび前記第２の伝送線路部分の前記特性インピーダンスの±２５％以下、または±１０％以下だけ異なる、請求項１から３のいずれかに記載の高周波電力分配回路。
5. 前記第２の伝送線路部分の前記特性インピーダンスの値が、前記ラットレース型結合器の前記第１の出力と前記ラットレース型結合器のさらなるポートとの間の第４の伝送線路部分の前記特性インピーダンスの値と、前記第２の伝送線路部分の前記特性インピーダンスおよび前記第１の伝送線路部分の前記特性インピーダンスの±２５％以下、または±１０％以下だけ異なる、請求項１から４のいずれかに記載の高周波電力分配回路。
6. 前記第１の伝送線路部分の前記特性インピーダンスまたは前記ラットレース型結合器の前記第２の出力と前記ラットレース型結合器のさらなるポートとの間の第３の伝送線路部分の前記特性インピーダンスと、前記第２の伝送線路部分の前記特性インピーダンスまたは前記ラットレース型結合器の前記第１の出力と前記ラットレース型結合器のさらなるポートとの間の第４の伝送線路部分の前記特性インピーダンスとの乗算値が、±１０％の許容範囲内で公称リングインピーダンスの２乗の値に等しい、請求項１から５のいずれかに記載の高周波電力分配回路。
7. 前記第１の伝送線路部分の前記特性インピーダンスまたは前記ラットレース型結合器の前記第２の出力と前記ラットレース型結合器のさらなるポートとの間の第３の伝送線路部分の前記特性インピーダンスの値が、前記第２の伝送線路部分の前記特性インピーダンスまたは前記ラットレース型結合器の前記第１の出力と前記ラットレース型結合器のさらなるポートとの間の第４の伝送線路部分の前記特性インピーダンスの値よりも小さい、請求項１から６のいずれかに記載の高周波電力分配回路。
8. 前記公称リングインピーダンスからの前記特性インピーダンスの偏差範囲が、前記公称リングインピーダンスの値の±２０％以内または±１０％以内である、請求項１から７のいずれかに記載の高周波電力分配回路。
9. 前記第１の伝送線路部分および前記ラットレース型結合器の前記第２の出力と前記ラットレース型結合器のさらなるポートとの間の第３の伝送線路部分の前記特性インピーダンスの値が、前記公称リングインピーダンスの値の＋１％～＋２０％の間、または＋１％～＋１０％の間で逸脱し、前記第２の伝送線路部分および前記ラットレース型結合器の前記第１の出力と前記ラットレース型結合器のさらなるポートとの間の第４の伝送線路部分の前記特性インピーダンスが、前記公称リングインピーダンスの値の－１％～－２０％の間、または－１％～－１０％の間で逸脱し、その逆もまた同様である、請求項１から８のいずれかに記載の高周波電力分配回路。
10. 入力信号を２つ以上の信号出力ポートに分配するための高周波電力分配回路であって、
    ラットレース型結合器であって、前記ラットレース型結合器の入力ポートで提供される入力信号を前記ラットレース型結合器の第１の出力および前記ラットレース型結合器の第２の出力に結合するように構成された、ラットレース型結合器と、
    前記ラットレース型結合器の前記第１の出力を第１の信号出力ポートに結合するように、前記ラットレース型結合器の前記第１の出力に結合された第１の結合構造と、
    前記ラットレース型結合器の前記第２の出力を第２の信号出力ポートに結合するように、前記ラットレース型結合器の前記第２の出力に結合された第２の結合構造とを備え、
    前記第１の結合構造および前記第２の結合構造が、周波数にわたって異なる位相シフトを提供するように適合されており、
    前記第１の結合構造が、前記ラットレース型結合器の設計周波数の環境において、前記ラットレース型結合器の前記第１の出力と前記ラットレース型結合器の前記第２の出力とにおける信号間の位相差の周波数変動を少なくとも部分的に補償するように適合された移相器を備える、
    高周波電力分配回路。
11. 前記第２の結合構造が一対の結合伝送線路を備え、
    第１の結合伝送線路の第１の端部が、前記ラットレース型結合器の前記第２の出力に接続され、
    前記第１の結合伝送線路の第２の端部が、前記第１の結合伝送線路の前記第２の端部に隣接する第２の結合伝送線路の第２の端部に接続され、
    前記第２の結合伝送線路の第１の端部が、前記第２の信号出力ポートに接続されるか、または前記第２の信号出力ポートを構成する、請求項１０に記載の高周波電力分配回路。
12. 前記第２の結合構造が備える第１の結合伝送線路の第１の端部が、さらなる伝送線路を介して前記ラットレース型結合器の前記第２の出力に接続される、請求項１０または１１に記載の高周波電力分配回路。
13. さらなる伝送線路の特性インピーダンスが、基準インピーダンスから±５％以下または±１０％以下だけ逸脱する、請求項１０から１２のいずれかに記載の高周波電力分配回路。
14. 前記第２の結合構造が備える一対の結合伝送線路の偶モードインピーダンスと前記一対の結合伝送線路の奇モードインピーダンスとの積が、基準インピーダンスの２乗から±５％以下だけ、または±１０％以下だけ、あるいは±１５％以下だけ逸脱する、請求項１０から１３のいずれかに記載の高周波電力分配回路。
15. 前記第２の結合構造が備える一対の結合伝送線路の結合伝送線路の電気長が、前記ラットレース型結合器の設計中心周波数における波長の４分の１から±５％以下だけ、または±１０％以下だけ逸脱する、請求項１０から１４のいずれかに記載の高周波電力分配回路。
16. 前記さらなる伝送線路の長さが、前記第２の結合構造が備える一対の結合伝送線路の漂遊磁場を前記ラットレース型結合器から分離するように選択される、請求項１０から１５のいずれかに記載の高周波電力分配回路。
17. 前記第１の結合構造を形成する伝送線路の電気長が、前記さらなる伝送線路の電気長＋波長の半分に等しく、許容範囲は波長の±１０分の１である、請求項１０から１６のいずれかに記載の高周波電力分配回路。
18. ２つ以上の信号入力ポートからの入力信号に基づいて出力信号を取得する高周波電力合成回路であって、
    ラットレース型結合器の第１の入力における信号に基づいて、かつ前記ラットレース型結合器の第２の入力における信号に基づいて、出力信号を前記ラットレース型結合器の出力ポートで提供するように構成された、ラットレース型結合器と、
    前記ラットレース型結合器の前記第１の入力を第１の信号入力ポートに結合するように、前記ラットレース型結合器の前記第１の入力に結合された第１の結合構造と、
    前記ラットレース型結合器の前記第２の入力を第２の信号入力ポートに結合するように、前記ラットレース型結合器の前記第２の入力に結合された第２の結合構造とを備え、
    前記ラットレース型結合器の前記出力ポートと前記第１の入力との間の第１の伝送線路部分の特性インピーダンスが、前記ラットレース型結合器の公称リングインピーダンスから第１の方向に逸脱し、
    前記ラットレース型結合器の前記出力ポートと前記第２の入力との間の第２の伝送線路部分の特性インピーダンスが、前記ラットレース型結合器の前記公称リングインピーダンスから前記第１の方向とは反対の第２の方向に逸脱する、
    高周波電力合成回路。
19. ２つ以上の信号入力ポートからの入力信号に基づいて出力信号を取得する高周波電力合成回路であって、
    ラットレース型結合器であって、前記ラットレース型結合器の第１の入力における信号に基づいて、かつ前記ラットレース型結合器の第２の入力における信号に基づいて、出力信号を前記ラットレース型結合器の出力ポートで提供するように構成された、ラットレース型結合器と、
    前記ラットレース型結合器の前記第１の入力を第１の信号入力ポートに結合するように、前記ラットレース型結合器の前記第１の入力に結合された第１の結合構造と、
    前記ラットレース型結合器の前記第２の入力を第２の信号入力ポートに結合するように、前記ラットレース型結合器の第２の入力に結合された第２の結合構造とを備え、
    前記第１の結合構造および前記第２の結合構造が、周波数にわたって異なる位相シフトを提供するように適合されており、
    前記第１の結合構造が、前記ラットレース型結合器の設計周波数の環境において、前記ラットレース型結合器の前記第１の入力から前記出力ポートへの伝送特性の周波数変動と、前記ラットレース型結合器の前記第２の入力から前記出力ポートへの伝送特性の周波数変動との差を少なくとも部分的に補償するように適合された移相器を備える、
    高周波電力合成回路。