JPH08335842A - 分配合成回路 - Google Patents

分配合成回路

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JPH08335842A
JPH08335842A JP16717895A JP16717895A JPH08335842A JP H08335842 A JPH08335842 A JP H08335842A JP 16717895 A JP16717895 A JP 16717895A JP 16717895 A JP16717895 A JP 16717895A JP H08335842 A JPH08335842 A JP H08335842A
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Takashi Ohira
孝 大平
Hirotsugu Ogawa
博世 小川
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 集中定数素子のみによる、小型で集積密度を
高くでき、多段構成の場合にもインダクタの個数を抑え
ることのできる分配合成回路を提供することを目的とす
る。 【構成】 3個の端子(1、2、3)を備え、第1端子
(1)はインダクタLで接地され、第1端子(1)と第
2端子(2)はキャパシタで結ばれ、第1端子(1)と
第3端子(3)は別のキャパシタで結ばれ、これら2個
のキャパシンタンス値Cは概ね相等しく、第2端子
(2)と第3端子(3)は抵抗器Rで結ばれ、上記定数
は関係式6L=CR2 を概ね満たす。この回路をトーナ
メント的に多段接続することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、マイクロ波フェーズド
アレーアンテナに用いるビーム形成回路などのように、
多数の分配・合成・移相機能をコンパクトに集積するこ
とが要求される大規模マイクロ波集積回路の構成に関す
る。
【0002】
【従来の技術】マイクロ波信号の分配又は合成するため
の回路としては、分布定数線路を組み合わせたウイルキ
ンソン型のもの(図8:文献1 R.K.Gupta
etal:“Quasi−lunped−elemen
t 3 −and 4− port networks
for MIC and MMIC applica
tions”IEEE MTT−S 1984 Int
ernationalMicrowave Sympo
sium Digest, pp.409−411.)
が一般的でもっとも広く用いられている。また、回路を
小型にするため、分布定数線路のかわりに集中定数素子
を組み合わせた回路例(図9:上記文献1)も報告され
ている。
【0003】しかしながら、分布定数線路を組み合わせ
たウイルキンソン型の構成では寸法が1/4波長の伝送
線路を2本含んでいる。従って、高密度の集積化が要求
される場合には不向きという欠点がある。また、集中定
数素子を組み合わせた構成では、インダクタンス値がL
S =√(2)Z0 /ωの直列インダクタが4個含まれて
いる。マイクロ波集積回路においてインダクタ素子はキ
ャパシタ素子に比べて専有面積が大きいため、これを4
個用いることは集積密度に限界がある。特に、分配合成
回路を大きい段数で用いる大規模フェースドアレーアン
テナ用ビーム形成回路などにおいては回路面積がかなり
大きくなり、1枚の基板に集積することが困難になると
いう欠点がある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記欠点を
克服し、集中定数素子のみによる、小型で集積密度を高
くでき、多段に構成した場合にもインダクタの個数を抑
えることができうる分配合成回路を提供することを目的
とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明の特徴は、3個の端子を備え、第1端子はイン
ダクタLで接地され、第1端子と第2端子はキャパシタ
で結ばれ、第1端子と第3端子は別のキャパシタで結ば
れ、これら2個のキャパシタンス値Cは概ね相等しく、
第2端子と第3端子は抵抗器Rで結ばれ、上記定数は関
係式6L=CR2 を概ね満たす分配合成回路にある。
【0006】上記分配合成回路を複数個用意し、トーナ
メント的に多段接続することができる。
【0007】本発明は、集中定数素子だけで構成し、し
かも、インダクタとキャパシタの組み合わせ方法を工夫
し、さらに、段間整合インピーダンスを複素数とするこ
とにより、多段接続した場合にインダクタの値と個数を
低減でき、その結果回路寸法の小型化を達成できる点が
従来の技術と異なる。
【0008】
【実施例】本発明分配合成回路の実施例を図1に示す。
第1端子はインダクタLで接地され、第1第2端子間な
らびに第1第3端子間はキャパシタCで結ばれ、第2端
子と第3端子は抵抗器Rで結ばれており、上下対称の回
路構成となっている。上記定数の間には 6L=CR2 (1) という関係があるとする。そして、第1端子には端子イ
ンピーダンスZiに整合する信号源又は負荷を、第2第
3端子には端子インピーダンスZi* に整合する信号源
または負荷を接続するとし、さらに信号周波数をfとし
たとき
【数2】 という関係があるとする。上記の関係(1)(2)
(3)を満たすとき本回路は分配合成回路として動作す
る。具体的には、マイクロ波信号を第1端子から入力す
ると第2および第3端子へ半分づつ出力される。すなわ
ち3dB同相分配回路として動作する。また、逆にマイ
クロ波信号を第2および第3端子から入力すると第1端
子へ出力される。即ち3dB同相合成回路として動作す
る。また、本回路の特長として多段接続性がある。式
(2)で記述したようにZiとZi* が互いに複素共役
の関係にあるので、図4に示すようにこれらは各々反復
インピーダンスとなり、従って段間インピーダンス整合
回路を用いずに複数段の縦続接続が可能となる。以下に
この動作原理を詳しく説明する。
【0009】符号の定義は次のとおりである。 f=マイクロ波信号の周波数 ω=2πf Zi=反復インピーダンス Zi* =Ziの複素共役 Yi=1/Zi Yi* =1/Zi*1 =端子1への入力電圧 I1 =端子1への入力電流 V2 =端子2への入力電圧 I2 =端子2への入力電流 V3 =端子3への入力電圧 I3 =端子3への入力電流
【0010】まず、信号分配の動作から説明する。図4
において第1端子を電圧1の入力信号で励振し、第2端
子ならびに第3端子を各々インピーダンスZi(すなわ
ちアドミタンスYi)の負荷で終端する場合の動作を考
える。この場合、図4に示す対称面について上下対称の
電流が流れるため、本回路は図5の回路と等価となる。
このときの第1端子の入力アドミタンスYinは、
【数3】 である。これに式(1)〜(3)を代入すると、 Yin=Yi (4) が得られる。これは、本回路は第1端子からの入力信号
に対しインピーダンス整合していることを意味する。す
なわち第1端子からの入力信号は第1端子へ反射しな
い。またこのとき、端子2端子3間の抵抗器Rは開放と
なっているため電流が流れない。すなわち端子1からの
信号電力は抵抗器で消費されることなく全て端子2と3
に出力される。端子2と3は対称であるのでエネルギー
保存の法則から電力は半分づつ分配されることとなる。
以上で、本回路が同相3dB分配回路として動作するこ
とが示された。
【0011】つづいて、信号合成の動作を説明する。図
4において、第1端子をインピーダンスZi* (すなわ
ちアドミタンスYi* )の負荷で終端する。そして第2
端子と第3端子を2端子対とみたときのアドミタンスパ
ラメータ、 I2 =Y22・V2 +Y32・V3 (5) I3 =Y23・V2 +Y33・V3 (6) を考える。本回路は上下対称構造であり、かつ線形系で
あるので、合成される2つの信号について、同相の場合
と逆相の場合の2とおりだけ考えれば必要十分である。
【0012】まず、同相信号の合成の場合、図4におい
て第2端子と第3端子を各々振幅1の同相入力信号で励
振する。すなわちV2 =V3 =1である。これを式
(5)に代入すると、 I2 =Y22+Y32 である。一方、このとき図4に示す対称面には磁気壁が
形成されるため、本回路は図6の回路と等価となる。図
6の第2端子に流れ込む電流I2 は、
【数4】 である。これら2つの式より、
【数5】 を得る。
【0013】次に、逆相信号の合成の場合、図4におい
て第2端子と第3端子を各々振幅1の逆相入力信号で励
振する。すなわちV2 =−V3 =1である。これを式
(5)に代入すると、 I2 =Y22−Y32 である。一方、このとき図4に示す対称面には電気壁が
形成されるため、本回路は図7の回路と等価となる。図
7の第2端子に流れ込む電流I2 は、 I2 =jωC+2/R である。これら2つの式より、 Y22−Y32=jωC+2/R (8) を得る。
【0014】式(7)と式(8)に式(1)〜(3)を
代入して、Y22とY32について解くと、 Y22=Yi* (9) Y32=0 (10) となる。第2端子と第3端子は対称であるので、 Y33=Yi* (11) Y23=0 (12) も同様に導くことができる。
【0015】以上の計算から本回路において、 1)端子1、2、3の各端子ともインピーダンス整合し
ている。 2)端子2と端子3間の結合は零。(アイソレーション
が得られている) 3)端子1と端子2間は−3dB結合する。 4)端子1と端子3間は−3dB結合する。 ということが示された。
【0016】このように本回路は、式(1)の条件を満
たせば、式(2)と式(3)で求まる周波数および信号
源・負荷インピーダンスに対して分配合成回路として機
能する。
【0017】次に、本発明分配合成回路を多段に接続し
て構成した多端子分配合成回路の実施例を図2に示す。
このように図1の回路は入出力インピーダンスが反復イ
ンピーダンスとなっているため、段間インピーダンス整
合回路を用いずに複数段の縦続接続が可能である。
【0018】この実施例では、4段を直結することによ
り1:16分配合成回路を構成している。段間は反復イ
ンピーダンスとなっているため、直結構成が実現されて
いる。ただし初段の入力インピーダンスならびに最終段
の出力インピーダンスだけは実数の外部インピーダンス
(例えば50Ω)に整合させるための整合手段を付加し
てある。整合手段としてここでは、左端側に並列のキャ
パシタ(キャパシタンス=C)、右端側に並列のインダ
クタ(インダクタンス=3L)をそれぞれ付加してあ
る。これにより左端側と右端側の端子インピーダンスは
それぞれ、
【数6】 となり、実数となる。例えばR=100Ωに設定してお
くと、端子インピーダンスは50Ωとなる。
【0019】図3はインダクタの本数をさらに減ずるた
めに3段目の負荷である最終段のLとCを入れ替えた実
施例である。
【0020】
【発明の効果】本発明によれば従来の分布定数型回路
(図8)に比べてはもちろんのこと、さらに従来の集中
定数型回路(図9)に比較しても、インダクタの占有面
積を減ずることができる。本発明回路で用いるインダク
タは1段あたり1個であり、しかもそのインダクタンス
値もL=R/{3√(2)ω}と小さい。従来の例(図
9)がLS =R/{√(2)ω}のインダクタが4個も
用いられているのに比べて、1個のインダクタの値が3
分の1であり、しかも個数も4分の1で済むという2重
の面積削減効果がある。インダクタ素子の面積が回路の
面積を支配するようなMMICにおいてチップ面積の小
型化に本発明は非常に有効である。特に、多素子フェー
ズドアレイなどのように信号分配合成機能を大規模に搭
載するような回路網を1チップに集積化する場合に極め
て効果的である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の分配合成回路(1段)を示す。
【図2】本発明の分配合成回路(4段)を示す。
【図3】本発明の分配合成回路(4段の変形)を示す。
【図4】本発明の動作原理の説明(反復インピーダンス
Ziとその複素共役Zi* )である。
【図5】本発明の動作原理の説明(単一励振した場合の
等価回路と入力アドミタンス)である。
【図6】本発明の動作原理の説明(同相励振した場合の
等価回路と入力アドミタンス)である。
【図7】本発明の動作原理の説明(逆相励振した場合の
等価回路と入力アドミタンス)である。
【図8】従来の分布定数型分配合成回路を示す。
【図9】従来の集中定数型分配合成回路を示す。
【符号の説明】
1、2、3 端子 L インダクタ C キャパシタ R 抵抗器

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 3個の端子を備え、 第1端子はインダクタLで接地され、 第1端子と第2端子はキャパシタで結ばれ、 第1端子と第3端子は別のキャパシタで結ばれ、 これら2個のキャパシタンス値Cは概ね相等しく、 第2端子と第3端子は抵抗器Rで結ばれ、 上記定数は関係式 6L=CR2 を概ね満たすことを特徴とする分配合成回路。
  2. 【請求項2】 信号周波数をf、第1端子に接続される
    信号源又は負荷のインピーダンスをZi* 、第2端子と
    第3端子に接続される信号源又は負荷のインピーダンス
    をZiとしたとき、 【数1】 という関係を概ね満たすことを特徴とする請求項1記載
    の分配合成回路。
  3. 【請求項3】 請求項1又は2記載の分配合成回路をト
    ーナメント的に多段接続したことを特徴とする多端子の
    分配合成回路。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006093773A (ja) * 2004-09-21 2006-04-06 Renesas Technology Corp 高周波電力増幅モジュール

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2006093773A (ja) * 2004-09-21 2006-04-06 Renesas Technology Corp 高周波電力増幅モジュール

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