JPH04302201A - ハイブリッド型マイクロ波カプラー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、マイクロ波のハイブリ
ッド型カプラーに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】カプラーは、一般的に、２つの入力およ
び２つの出力という４つのアクセス口またはポートを有
し、入力の一つに付与された信号がその出力を半減され
て両方の出力で再現され、信号の供給されない入力は隔
離されている型式の素子である。２つの出力において、
複素電圧を示すベクトルは直交している、即ち、複素電
圧（絶対値が等しい）は、直角位相の状態または逆相の
位相関係を有している。

【０００３】例えば、ビーム形成アンテナが列状に多数
配置された場合や、多数のアクセスを有する増幅器のよ
うな多くの適用分野においては、入力間の隔離を確保し
かつ直交する出力における複素電圧のベクトルを維持す
る上記機能を保持すると共に、２以上の入力および２以
上の出力を提供するハイブリッド型カプラーを使用する
ことが望ましい。

【０００４】バトラーマトリックス（Ｂｕｔｌｅｒ　　
ｍａｔｒｉｘ）およびいわゆる「一般型（ｇｅｎｅｒａ
ｌｉｚｅｄ）」カプラーは、かかる多アクセス口型式の
カプラーの例である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】かかる多数のアクセス
口を有する型式のカプラーは、一般に、伝送線路により
相互に組み合わされる基本的な４つのアクセス口を有す
るハイブリッド型カプラーによって形成される。このカ
プラーの原理は、その入力および出力の数が常に２の倍
数であり、このカプラーが相互に交差する伝送線路を有
しており、このため、製造が複雑になることを意味する
。

【０００６】可能な組み合わせの範囲を拡張するために
は、３つの入力および３つの出力を有するコンパクトな
カプラーであって、入力を整合させかつ隔離し、各入力
のいずれもが３つの出力に均一に電力配分し得るように
し、入力の各々からの出力の配分が他の２つの入力から
配分される出力に対して直交するようにしたカプラーを
提供することが望ましい。

【０００７】かかる素子は、３の倍数である多数の入力
または出力を有するマトリックス、例えば、３×３、６
×６、９×９等の正方マトリックス、あるいは、３×６
、６×３、３×９等の長方形のマトリックスの構成を著
しく簡易化することによって、一般型のカプラーの構造
を拡張させることを可能にするものである。

【０００８】本発明の目的は、隔離されかつ整合された
３つの入力を有するマイクロ波カプラーであって、その
入力の各々が、大きさが均一で他の２つの入力に対応す
る配分電圧に対して直交する配分状態を３つの出力に形
成するマイクロ波カプラーを提供し、更に、かかる基本
的な３×３カプラーを利用する一般型のカプラーを提供
することである。

【０００９】文献で提案されたこれらの特性を備える唯
一の３×３カプラーは、”ＩＲＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏ
ｎ　　ｏｎ　　Ａｎｎｔｅｎａｓ　　ａｎｄ　　Ｐｒｏ
ｐａｇａｔｉｏｎ”の１９６１年３月号の１５４ページ
から１６１ページの「線形アレーからの多重ビーム」（
Ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ｂｅａｍｓ　ｆｒｏｍ　ｌｉｎｅａ
ｒ　ａｒｒａｙｓ　）と題されたＪ．Ｐ．シェルトン（
Ｓｈｅｌｔｏｎ　）およびＫ．Ｓ．ケレハー（Ｋｅｌｌ
ｅｈｅｒ）による論文、特に、１５８ページから１６０
ページのアペンディクスＩの「多重供給アレー用の６つ
のポート結合」（Ｓｉｘ−ｐｏｒｔ　ｊｕｎｃｔｉｏｎ
　ｆｏｒ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ−ｆｅｅｄ　ａｒｒａｙｓ
）に提案されている。

【００１０】図１にこのカプラーの概略を示す。このカ
プラーは、３つの入力１、３、５および３つの出力２、
４、６を備えており、これらは全体として符号２０で示
した構成部分、即ち、対称に配置され、２系統の交差部
材２２、２３によって横断するように相互接続された３
本の伝送線路２１により相互接続されている。これら構
成部分２１、２２、２３間に位置する領域において、こ
の形状は、３本の伝送線路２１間で出力を配分する四角
の結合領域を画成する。３つの出力２、４、６における
信号の位相が１２０°の相互に均一な位相差であること
を確保するため、１本の伝送線路には、位相シフタ回路
２４が挿入してある。このシフタ回路２４は、１２０°
の位相シフトを加え、これにより、出力間に所望の位相
関係を得ることを可能にする。

【００１１】この型式のカプラーは、実際にはほとんど
使用されず、特に、寸法が大きく各種の構成部分の寸法
決めが困難であること（この点について、上述の論文は
何も言及していない）、およびそれに伴なってコスト高
となるという幾つかの欠点がある。

【００１２】更に、かかるカプラーは、三次元の構造を
有するため、同軸技術または導波管技術を使用すること
を必要とし、これにより、このカプラーが適用可能であ
る分野が制限され、またはその他の技術を利用して形成
した伝送線路へとインターフェースすることが必要とな
る。その結果、実用および開発段階における困難さが増
大する。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、上述の型式で
あるが、実質的に平面状の構造を利用して形成した３×
３カプラーを提供することにより、上述の欠点を解決し
、これにより、マイクロチップ、ストリップ線路、「バ
ー・ライン（ｂａｒ　　ｌｉｎｅ）」と呼ばれる四角の
同軸線路等のような各種の技術を利用して構成すること
を許容することを目的とするものである。

【００１４】この目的のために、本発明は、隔離されか
つ整合された３つの入力および３つの出力を有する６つ
のアクセス口から成るハイブリッド型マイクロ波カプラ
ーを提供するものであり、ここで、任意の一つの入力に
付与された信号が位相の点で直交状態に配分され、大き
さの点で均一に配分されて、３つの全ての出力に信号を
発生させる。伝送線路のもつ平面状の形状を有するかか
るカプラーは、３つの類似の部分を有する内側リングと
、この内側リングの該部分の相互接続点がカプラーの３
つの入力または出力という第１のアクセス口を構成して
おり、３つの類似の部分を有する外側リングと、この外
側リングの該部分の相互接続点が上記カプラーのそれぞ
れ３つの出力または入力という第２のアクセス口を構成
しており、該内側リングの相互接続点を該外側リングの
対応する相互接続点に接続する３つの半径方向枝部分と
を備えるものである。

【００１５】第１の実施態様において、案内されたマイ
クロ波の波長をλとし、λを単位として表した長さによ
ると、入力および出力線路の特性インピーダンスをＺｏ
とした場合、内側リング部分の長さはλ／３、および特
性インピーダンスはＺｏとなり、外側リング部分の長さ
はλ／３または４λ／３、および特性インピーダンスは
Ｚｏとなり、半径方向枝部分の長さはλ／１２、および
特性インピーダンスはＺｏとなる。

【００１６】第２の実施態様において、同一の表現を用
いれば、内側リング部分の長さはλ／３または４λ／３
、および特性インピーダンスはＺｏ／２となり、外側リ
ング部分の長さはλ／３、および特性インピーダンスは
Ｚｏ／２であり、半径方向枝部分の長さは５λ／１２、
および特性インピーダンスはＺｏとなる。

【００１７】カプラーの通過帯域を拡張するためには、
それぞれの相互接続点間の中間領域に配置された点で内
側リングを外側リングに接続する半径方向枝部分を付加
的に設けることが有利である。

【００１８】本発明はまた、隔離されかつ整合された３
×Ｎコの入力および３×Ｍコの出力を有する一般型のハ
イブリッド型マイクロ波カプラーを改良するものであり
、ＮおよびＭは正の整数であり、３×Ｎコの入力のいず
れかに付与された信号は、３×Ｍコの出力の全体に信号
を均一に配分する。ここで、ＮおよびＭは１よりも大き
く、この一般型のカプラーは、上述の型式の複数の基本
的な３×３カプラーを、任意選択的に従来の２×２型カ
プラーと組み合わせることによって構成される。

【００１９】

【実施例】以下、例として、添付図面を参照しながら、
本発明の実施例について説明する。

【００２０】説明の前に、図示した実施例に共通して、
カプラーの各種の異なるアクセス口は全ての図面で参照
番号１〜１８で表示されていることに注意すべきである
。原則として、奇数の参照番号は入力を示す一方、偶数
の参照番号は出力を示すこととする。

【００２１】これに対して、その他の参照番号は、同様
の機能を有する物品を各図面で示すものとする。

【００２２】図２は、本発明のカプラー３０の概略平面
図である。該カプラー３０は、本質的に、均一な角度の
間隔に配置した３つの半径方向部分３１を備えており、
これら半径方向部分３１はカプラーの入力１、３、５を
その対応する出力２、４、６に接続する。更に、入力１
、３、５は３つの同様の部分３２によって構成された内
側リングによって相互接続されている一方、出力２、４
、６は３つの同様の部分３３から成る外側リングによっ
て相互に接続されている。更に、カプラーの通過帯域を
拡大するため、それぞれの結合領域間の中間領域に位置
する箇所で内側リングを外側リングに接続する更に別の
半径方向部分３１′を追加することも可能である。

【００２３】かかる構成において、任意の１つの入力１
、３または５に付与されたマイクロ波信号は、ほぼ等し
い大きさの信号として、全ての３つの出力に再現される
。出力位相のうち、２つは等しく、第３番目のものはそ
の他の２つに対してほぼ１２０°の角度を成す。残りの
２つの使用されない入力は、ほぼ非結合状態にある。 インピーダンスの点で、全体の素子はほぼ整合している
。

【００２４】該素子は、概ね平面状の形状であるため、
例えば、マイクロストリップ技術、ストリップ線路技術
、円形、矩形または四角の断面の同軸線路技術、または
「バー・ライン」技術としても知られる四角の同軸線路
技術のような各種の技術を利用して形成することが出来
る。

【００２５】このように、図３の断面図は、基板３５の
上に金属被覆３４を置いたマイクロストリップの実施例
を示す一方、図４は、２つの接地面３７、３８間に中央
導体３６が配置されたストリップ線路の実施例を示す。

【００２６】該装置の各種の線路部分の寸法および特性
インピーダンスを知るため、２つの典型的な形状につい
て説明する。

【００２７】図２の幾何学的形状に対応する第１の実施
例において、部分３１、３２、３３の全ては、入力およ
び出力の線路におけるのと同一の特性インピーダンスＺ
ｏを有している。半径方向部分３１は、長さλ／１２で
あり、部分３２は長さλ／３、部分３３は長さ３λ／４
である。勿論、これら全ての寸法はλを単位として示し
てある。

【００２８】図５の形状に対応する第２の実施例におい
て、半径方向部分３１は入力および出力の線路の特性イ
ンピーダンスに対応する特性インピーダンスを有する一
方、内側および外側リングの部分３２、３３はＺｏ／２
に等しい特性インピーダンスを有している。半径方向部
分３１は、長さ５λ／１２である一方、内側および外側
リングの部分３２、３３は長さλ／３である。図５に図
示するように、外側リングの部分３３の長さを１または
２以上の波長だけ長くして、特にマイクロチップの実施
例を使用するとき、内側および外側リング間のカップリ
ングを回避するのが有利であることが理解されよう（バ
ー・ラインの実施例の場合、線路は閉じて、相互に非結
合状態となっているため、かかる措置は不要である）。

【００２９】図６から図８には、上述の型式（図４）の
３×３カプラーを組み合わせることによって得られる３
以上の多数の入力および出力を有する一般型のカプラー
の実施例が示してある。これら２つのカプラー同士を組
み合わせる方法は、当該技術分野で周知であり、例えば
、シェルトンおよびケレハーによる上述の論文に詳細に
記載されている。故に、以下に極く簡単にこれら一般型
のカプラーについて説明する。

【００３０】このように、図６には、符号３０で示した
基本的な６つの３×３カプラーを組み合わせて構成され
た、符号１から１８で示す１８個のアクセス口を有する
９×９のカプラーが示してある。

【００３１】各種の基本的カプラー３０の入力および出
力を相互に接続する線路が交差するのを回避することが
望ましいときは、図７に示した形状を選択することがで
きる。この形状は、完全に平面状である実施例（例えば
、マイクロチップ技術を利用するもの）に特に適してい
る。線路相互の交差を回避するため、２つの更なる３×
３カプラー３０′、３０″が背面同士を接続した状態で
設けられており、その結果、アクセス口１′に付与され
た信号は、アクセス口１″にて再現され、アクセス口３
′に付与された信号はアクセス口３″に再現される等が
行われ、またその逆が行われる。

【００３２】図６または図７に示したかかる一般的型の
カプラーの形状において、任意の１つの入力（即ち、奇
数のアクセス口の任意の１つ）に付与された信号は同一
のものが全ての出力（即ち、全ての偶数番号のアクセス
口）に再現され、またその逆のが行われる。

【００３３】図８には、符号３０で示した本発明の２つ
の基本的な３×３カプラーと符号４０で示した従来型式
の基本的な３つの２×２カプラーとを組み合わせて構成
された１つの６×６カプラーが示してある。従来型式の
カプラーは、各種の入力１および３、５および７、９お
よび１１をそれぞれの対に組み合わせ、その結果生じる
信号を２つの３×３カプラーのそれぞれの入力に付与し
、これら信号が６つの出力２、４、６、８、１０、１２
の全てに再現されるようにする。

【００３４】より多くの数のアクセス口を有するその他
の実施例（例：６×１２、９×１８、２７×２７等のカ
プラー）も勿論、シェルトンおよびケレハーの上述の論
文に記載されたように２×２、３×３、４×４の各種の
カプラーを種々に組み合わせて構成することが出来る。

【００３５】

【発明の効果】かかる基本型または一般型のカプラーに
は、次のような幾多の適用分野において利用することが
可能である。観測用または通信用人工衛星、あるいはレ
ーダ用の多重ビーム形状または非形状アンテナ用のビー
ム形成アレー、人工衛星のアンテナ、自動車または固定
地上局あるいはレーダ用の距離測定ビーム形成アレー、
例えば、本発明のカプラーによって、複数の送信機／受
信機装置に接続するのに適した複数の構成要素（典型的
に３または４個）を有する遠隔測定および／または遠隔
制御アンテナのような多重−冗長システム、送信機の出
力を複数の増幅器に分配することを許容すると共に、そ
の出力を複数のアンテナビームまたは出力を通じて一定
のフレキシビリティを以って効果的に分配することを許
容する多重アクセス増幅器システム、より一般的には、
特に、宇宙用のあらゆるマイクロ波分配回路などである
（但し、これにのみ限定されるものではない）。本発明
によれば、実質的に平面状の構造を利用して形成した３
×３カプラーが提供され、それにより、マイクロチップ
、ストリップ線路、「バー・ライン」と呼ばれる四角の
同軸線路等のような各種の技術を利用して構成すること
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来技術の３×３カプラーの概略図である。

【図２】本発明による３×３カプラーの平面図である。

【図３】マイクロチップ技術およびストリップ線路技術
を利用してそれぞれ構成された図２のカプラーの断面図
である。

【図４】マイクロチップ技術およびストリップ線路技術
を利用してそれぞれ構成された図２のカプラーの断面図
である。

【図５】特にマイクロチップ技術を使用して構成し得る
ようにした別の実施例の図２と同様の平面図である。

【図６】本発明の複数の３×３カプラーを組み合わせて
構成された９×９カプラーの一例を示す図である。

【図７】線路が相互に交差しないように基本的なカプラ
ーの入力および出力を相互に結合させた図６の変形例を
示す図である。

【図８】本発明の３×３カプラーと従来型式の２×２カ
プラーを組み合わせて形成された６×６カプラーの一例
を示す図である。

【符号の説明】

１　　入力 ２　　出力 ３　　入力 ４　　出力 ５　　入力 ６　　出力 ３０　　カプラー ３１　　半径方向部分 ３１’半径方向部分 ３２　　内側リング接続部分 ３３　　外側リング接続部分 ３４　　金属被覆 ３５　　基板 ３６　　中央導体 ３７　　接地面 ３８　　接地面

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　隔離されかつ整合された３つの入力お
   よび３つの出力を有する６つのアクセス口から成るハイ
   ブリッド型マイクロ波カプラーであって、前記入力の任
   意の入力に付与された信号が位相の点で直交に配分され
   かつ大きさの点で均一に配分されて３つの全ての出力に
   信号を発生させるようにし、平面状の伝送線路の形状を
   備えた当該カプラーが、３つの同様の部分を有する内側
   リングと、この内側リングの前記部分の相互接続点が当
   該カプラーの３つの入力または出力である第１組のアク
   セス口を構成しており、３つの同様の部分を有する外側
   リングと、この外側リングの前記部分の相互接続点が当
   該カプラーの３つのそれぞれ出力または入力である第２
   組のアクセス口を構成しており、前記内側リング部分の
   相互接続点を前記外側リングの対応する相互接続点に接
   続する３つの半径方向枝部分とを備えたハイブリッド型
   マイクロ波カプラー。
2. 【請求項２】　　案内される波長をλとし、λを単位と
   して長さを、入力および出力のインピーダンス特性をＺ
   ｏで示すとき、内側リング部分の長さがλ／３、および
   インピーダンス特性がＺｏであり、外側リング部分の長
   さがλ／３または４λ／３であり、インピーダンス特性
   がＺｏであり、半径方向枝部分の長さがλ／１２であり
   、およびインピーダンス特性がＺｏであることを特徴と
   する請求項１に記載のカプラー。
3. 【請求項３】　　案内される波長をλとし、λを単位と
   して表し、入力および出力のインピーダンス特性をＺｏ
   で示すとき、内側リング部分の長さがλ／３または４λ
   ／３、およびインピーダンス特性がＺｏ／２であり、外
   側リング部分の長さがλ／３、およびインピーダンス特
   性がＺｏ／２であり、半径方向枝部分の長さが５λ／１
   ２であり、およびインピーダンス特性がＺｏであること
   を特徴とする請求項１に記載のカプラー。
4. 【請求項４】　　その相互接続点間の中間領域に配置さ
   れたそれぞれの点において内側リングを外側リングに接
   続する付加的な半径方向枝部分が設けられることを特徴
   とする請求項１に記載のカプラー。
5. 【請求項５】　　隔離されかつ整合された３×Ｎコの入
   力および３×Ｍコの出力を有し、ＮおよびＭが正の整数
   である一般型式のハイブリッド型マイクロ周波数カプラ
   ーであって、３×Ｎコの入力の任意の入力に付与された
   信号が３×Ｍコの出力に均一に配分された信号を発生し
   、ＮおよびＭが１より大きく、任意選択的に従来の２×
   ２型式のカプラーと共に、請求項１に記載のカプラーを
   複数組み合わせて構成されることを特徴とする一般型式
   のハイブリッド型マイクロ波カプラー。