JPH0936619A - Rat race circuit - Google Patents

Rat race circuit

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JPH0936619A
JPH0936619A JP19928695A JP19928695A JPH0936619A JP H0936619 A JPH0936619 A JP H0936619A JP 19928695 A JP19928695 A JP 19928695A JP 19928695 A JP19928695 A JP 19928695A JP H0936619 A JPH0936619 A JP H0936619A
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JP
Japan
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port
impedance
ports
transmission line
output
Prior art date
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JP19928695A
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Japanese (ja)
Inventor
Goro Yoshida
吾朗 吉田
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Japan Radio Co Ltd
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Japan Radio Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To omit a matching circuit to reduce the size by determining the characteristics impedance of a transmission line in accordance with values of (r) and (x) and determining the length of the transmission line between ports in accordance with values of (r), (x), and R. SOLUTION: A load of z=r+jx expressed by values of a standardized impedance is connected to first and second output ports. In this case, the length of the transmission line between first and second ports, that between second and fourth ports, that between fourth and third ports, and that between fourth and third ports are set to a value corresponding to a phase angle θ for the used frequency. The length of the transmission line from the first port to the third port is set to a value corresponding to a phase angle θ+πfor the used frequency. That is, the output impedance of ports 2 and 3 is zp=r+jx, and the length of the transmission line corresponds to the phase angle θ, and the characteristics impedance of the transmission line is R.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明はラットレース回路、
特に出力ポートに任意のインピーダンスの負荷が接続さ
れる場合のラットレース回路に関するものである。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a rat race circuit,
In particular, the present invention relates to a rat race circuit when a load having an arbitrary impedance is connected to the output port.

【0002】[0002]

【従来の技術】マイクロ波帯の入力電力を同振幅逆位相
の出力電力に二分して出力するラットレース回路は従来
よく知られている。図2は従来のラットレース回路を示
す図である。図において、1,2,3,4はそれぞれ第
1,第2,第3,第4のポートで、第1のポート1は入
力ポートとして使用され、第2のポート2は第1出力ポ
ートとして使用され、第3のポート3は第2出力ポート
として使用され、第4のポート4はアイソレーションポ
ートとして使用される。従来のラットース回路では、各
ポートにおいて反射が起こらないように、インピーダン
ス整合が行われる。
2. Description of the Related Art A rat race circuit that divides an input power in a microwave band into output powers having the same amplitude and opposite phase and outputs them is well known. FIG. 2 is a diagram showing a conventional rat race circuit. In the figure, 1, 2, 3, and 4 are first, second, third, and fourth ports, respectively, the first port 1 is used as an input port, and the second port 2 is used as a first output port. Used, the third port 3 is used as the second output port, and the fourth port 4 is used as the isolation port. In the conventional rattose circuit, impedance matching is performed so that reflection does not occur at each port.

【0003】この整合は、各ポートの入(出)力インピ
ーダンスがR0 Ωである場合、ポートから電力が2本の
伝送線路に分配されるか、2本の伝送線路の電力がポー
トで合成されるので、伝送線路の特性インピーダンスを
√2R0 にしておけば整合がとれる。なお、以降の演算
では便宜上、全てのインピーダンスはR0 に対し規格化
して表すこととするが、図2の場合には、各ポートは数
値1のインピーダンスで終端され、伝送線路の特性イン
ピーダンスは√2となる。
This matching is performed by dividing the power from the port into two transmission lines or combining the power of the two transmission lines at the port when the input (output) impedance of each port is R 0 Ω. Therefore, if the characteristic impedance of the transmission line is √2R 0 , matching can be achieved. In the following calculation, for convenience, all impedances are standardized and expressed with respect to R 0, but in the case of FIG. 2, each port is terminated by the impedance of numerical value 1, and the characteristic impedance of the transmission line is √. It becomes 2.

【0004】入力ポート1から入力した電力は、上側の
伝送線路と下側の伝送線路に分配されるが、上側の伝送
線路の電力は第1出力ポート2から出力され、下側の伝
送線路の電力は第2出力ポート3から出力される。入力
ポート1から第1出力ポート2までの伝播と、入力ポー
ト1から第2出力ポート3までの伝播との間にはπだけ
の位相差が発生する。また、第1のポート1から上回り
で第4のポート4まで行く経路と、第1のポート1から
下回りで第4のポート4まで行く経路とでは、πだけの
位相差が発生するので、上回りの伝播と下回りの伝播と
はポート4では打ち消しあってアイソレーションが保た
れる。このようにしてポート1に入力した電力は、ポー
ト2と3とに分配され同振幅逆位相の出力となる。
The electric power input from the input port 1 is distributed to the upper transmission line and the lower transmission line, but the electric power of the upper transmission line is output from the first output port 2, and the electric power of the lower transmission line is output. Electric power is output from the second output port 3. A phase difference of π occurs between the propagation from the input port 1 to the first output port 2 and the propagation from the input port 1 to the second output port 3. In addition, since there is a phase difference of π between the route that goes up from the first port 1 to the fourth port 4 and the route that goes down from the first port 1 to the fourth port 4, And the lower propagation cancel each other at the port 4 and the isolation is maintained. In this way, the electric power input to the port 1 is distributed to the ports 2 and 3 and output with the same amplitude and opposite phase.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】従来のラットレース回
路は以上のように構成されているが、ポート2,3に接
続される負荷は多くの場合FETであって、その入力イ
ンピーダンスはR0 に対して規格化した場合、一般にr
+jxで表されるものとなり、1ではない。従って従来
のラットレース回路では、出力ポート2,3と、負荷の
FETとの間に整合回路を設けて、r+jxのインピー
ダンスを1に変換する必要があり、この整合回路を設け
る必要性から回路を小形化できないという問題点があっ
た。
Although the conventional rat race circuit is constructed as described above, the load connected to the ports 2 and 3 is often an FET and its input impedance is R 0 . When standardized, r is generally
It is represented by + jx and is not 1. Therefore, in the conventional rat race circuit, it is necessary to provide a matching circuit between the output ports 2 and 3 and the FET of the load to convert the impedance of r + jx into 1. Therefore, the matching circuit needs to be provided. There was a problem that it could not be miniaturized.

【0006】本発明はかかる問題点を解決するためにな
されたものであり、整合回路を省略して小形化が可能な
ラットレース回路を提供することを目的としている。
The present invention has been made to solve the above problems, and an object thereof is to provide a rat race circuit which can be miniaturized by omitting a matching circuit.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明に係わるラットレ
ース回路は、伝送線路の特性インピーダンスをrとxの
値から決定し、ポート1−2間、ポート2−4間、ポー
ト4−3間の伝送線路の長さを、r,x,R(伝送線路
の特性インピーダンス)の値から決定することで整合回
路を必要としないラットレース回路を提供することとし
た。
A rat race circuit according to the present invention determines the characteristic impedance of a transmission line from the values of r and x, and determines between ports 1-2, ports 2-4, and ports 4-3. It was decided to provide a rat race circuit that does not require a matching circuit by determining the length of the transmission line of 1 from the values of r, x, and R (characteristic impedance of the transmission line).

【0008】[0008]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の態様につい
て説明する。図1は本発明の原理を説明するための図で
あり、図1において、図2と同一符号は同一又は相当部
分を示す。図1と図2の相違点は、図2ではポート2,
3の出力インピーダンスが1(以下、インピーダンスは
全て規格化した値で示す)であったのに対し、図1では
Zp=r+jxであり、また、図2ではπ/2の位相角
に相当する伝送線路の長さが、図1では位相角θに対応
する長さとなり、さらに図1では√2であった伝送線路
の特性インピーダンスが図1ではRとなっている。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below. FIG. 1 is a diagram for explaining the principle of the present invention. In FIG. 1, the same reference numerals as those in FIG. 2 indicate the same or corresponding parts. The difference between FIG. 1 and FIG. 2 is that in FIG.
3 has an output impedance of 1 (hereinafter, all impedances are shown as standardized values), whereas in FIG. 1, Zp = r + jx, and in FIG. 2, transmission corresponding to a phase angle of π / 2. The length of the transmission line corresponds to the phase angle θ in FIG. 1, and the characteristic impedance of the transmission line, which was √2 in FIG. 1, is R in FIG.

【0009】図3は図1の回路の等価回路を示す。図3
に示す回路の整合条件は、ポート1およびポート4から
ラットレース回路を見たインピーダンスが何れも実数部
が1で虚数部が0であればよい。インピーダンスの実数
部が1で虚数部が0と言うことは、アドミッタンス(規
格値でいう)の実数部が1で虚数部が0であることを意
味する。図3に示す二つの並列回路のF行列F1,F2
を求めると、下記の式(1),(2)のようになる。
FIG. 3 shows an equivalent circuit of the circuit of FIG. FIG.
The matching condition of the circuit shown in (3) may be that the impedances when the rat race circuit is viewed from the port 1 and the port 4 are both real part 1 and imaginary part 0. The fact that the real part of impedance is 1 and the imaginary part is 0 means that the real part of admittance (which is a standard value) is 1 and the imaginary part is 0. F matrixes F1 and F2 of the two parallel circuits shown in FIG.
Is obtained, the following equations (1) and (2) are obtained.

【0010】[0010]

【数1】 [Equation 1]

【0011】また、並列回路の合成はY行列の和で表さ
れるので、ポート1とポート4との間のY行列Y1−4
は下記の式(3)となり、ポート1とポート4の間のイ
ンピーダンスを規格化インピーダンス(=1)とし、S
行列に変換すると、ポート1−4間のS行列S1−4は
下記の式(4)となる。但し、Yは下記の式(5)で表
される関数である。
Further, since the synthesis of the parallel circuit is represented by the sum of the Y matrices, the Y matrix Y1-4 between the port 1 and the port 4 is obtained.
Is the following formula (3), and the impedance between port 1 and port 4 is the standardized impedance (= 1), and S
When converted into a matrix, the S matrix S1-4 between the ports 1-4 becomes the following expression (4). However, Y is a function represented by the following equation (5).

【0012】[0012]

【数2】 [Equation 2]

【0013】ポート1およびポート4が整合するために
は、上述の式(4)のS11=S44=0であることが
必要条件で、この条件はY=1によって達成される。式
(5)において、Zp=r+jx: Z=R として、
Yの実数部を1、虚数部を0と置けば、 (4r−R2 )cos2θ+2xRsin2θ+R2
0 2xcos2θ+(1−r)Rsin2θ=0 となり、 sin2θ=2xR/{(1−r)(4r−R2 )−4x2 }・・・式(6) cos2θ=(r−1)R2 /{(1−r)(4r−R2 )−4x2 } ・・・(7)を得る。
In order for ports 1 and 4 to match, it is necessary that S11 = S44 = 0 in equation (4) above, which is achieved by Y = 1. In formula (5), Zp = r + jx: Z = R
If the real part of Y is 1 and the imaginary part is 0, (4r−R 2 ) cos2θ + 2 × Rsin2θ + R 2 =
0 2xcos2θ + (1-r) Rsin2θ = 0 becomes, sin2θ = 2xR / {(1 -r) (4r-R 2) -4x 2} ··· Equation (6) cos2θ = (r- 1) R 2 / { obtain (1-r) to (4r-R 2) -4x 2 } ··· (7).

【0014】また、cos2 2θ+sin2 2θ=1の
関係から、R=2{r(r−1)+x2 }/{2r(r
−1)2 +(2r−1)x21/2・・・(8) とな
る。x=0の場合、R=√2r:θ=π/2となり、さ
らにr=1であれば図1の回路は図2の回路になること
は、上述の式(6),(7),(8)から容易に証明で
きる。
From the relationship of cos 2 2θ + sin 2 2θ = 1, R = 2 {r (r-1) + x 2 } / {2r (r
-1) 2 + (2r-1 ) x 2} 1/2 a (8). When x = 0, R = √2r: θ = π / 2, and when r = 1, the circuit of FIG. 1 becomes the circuit of FIG. 2 is expressed by the above equations (6), (7), It can be easily proved from (8).

【0015】また、上述の式(6),(7),(8)が
成立するとき、ポート2とポート3とに同振幅,逆位相
の出力があることは、図4,図5の等価回路を用いて証
明することができる。すなわち、図4の二つの並列回路
のF行列F131とF132と、図5の二つの並列回路
のF行列F121とF122とは、下記のようになる。
Further, when the above equations (6), (7), and (8) are satisfied, it is equivalent to FIGS. 4 and 5 that the ports 2 and 3 have outputs of the same amplitude and opposite phase. It can be proved using a circuit. That is, the F matrices F131 and F132 of the two parallel circuits of FIG. 4 and the F matrices F121 and F122 of the two parallel circuits of FIG. 5 are as follows.

【0016】[0016]

【数3】 (Equation 3)

【0017】従って、ポート1−3間の全体のF行列F
13と、ポート1−2間の全体のF行列F12の関係
も、F12 = −F13となる。一方、電源インピー
ダンスをZs、負荷インピーダンスをZlとし、F行列
のパラメータa,b,c,dと、S行列のパラメータS
21(ポート1−3間で定義する場合はS31)との間
の変換式は、式(9)のようになる。 S21=2√(Zs/Zl)/[a+b/Zl+cZs+dZs/Zl]・・ ・・式(9) S21とS31では先に証明したように、a,b,c,
dの符号が反転しているので、ポート1−3間の伝送特
性S31と、ポート1−2間の伝送特性S21との関係
は S21=−S31・・・式(10)となり、同振幅
かつ逆位相の出力が得られる。
Therefore, the entire F matrix F between ports 1-3 is
13 and the entire F matrix F12 between the ports 1-2 also becomes F12 = -F13. On the other hand, assuming that the power source impedance is Zs and the load impedance is Zl, the parameters a, b, c, d of the F matrix and the parameter S of the S matrix are set.
21 (S31 in the case of defining between ports 1-3) is expressed by the equation (9). S21 = 2√ (Zs / Zl) / [a + b / Zl + cZs + dZs / Zl] ... Equation (9) In S21 and S31, a, b, c,
Since the sign of d is inverted, the relationship between the transmission characteristic S31 between the ports 1-3 and the transmission characteristic S21 between the ports 1-2 is S21 = -S31 ... The output of the opposite phase is obtained.

【0018】[0018]

【実施例】以下、図面について本発明の実施例を説明す
る。図6は本発明の一実施例を示すブロック図であり、
図1においてr=2,x=−0.4の場合のθとRの設
計値を示す。図7は、図6の実施例の特性を中心周波数
foの0.5fo〜1.5foまでの計算結果である。
71はポート1およびポート4の反射特性S11,S4
4を示し、72はポート2およびポート3の反射特性S
22,S33を示し、73はポート1−2間およびポー
ト1−3間の伝送特性S21,S31を示し、74はポ
ート1−4間およびポート2−3間のアイソレーション
特性S41,S32を示す。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 6 is a block diagram showing an embodiment of the present invention,
FIG. 1 shows the design values of θ and R when r = 2 and x = −0.4. FIG. 7 is a calculation result of the characteristics of the embodiment of FIG. 6 from the center frequency fo of 0.5 fo to 1.5 fo.
71 is the reflection characteristics S11 and S4 of the ports 1 and 4
4 and 72 is the reflection characteristic S of port 2 and port 3.
22 and S33, 73 indicates transmission characteristics S21 and S31 between ports 1-2 and ports 1-3, and 74 indicates isolation characteristics S41 and S32 between ports 1-4 and ports 2-3. .

【0019】なお上述の発明の実施の態様および実施例
では、ラットレース回路が分布定数回路で構成される場
合について説明したが集中定数回路で構成される場合に
も本発明を適用することができることは言うまでもな
い。
In the embodiments and examples of the invention described above, the case where the rat race circuit is composed of the distributed constant circuit has been described, but the present invention can be applied to the case where the rat race circuit is composed of the lumped constant circuit. Needless to say.

【0020】[0020]

【発明の効果】以上説明したように本発明のラットレー
ス回路は、負荷を整合するための整合回路を省略するこ
とができるので、回路の小形化が実現できる。特に、M
MIC設計においてはチップ面積を縮小でき、製造原価
の低減が図れる等の効果がある。
As described above, in the rat race circuit of the present invention, the matching circuit for matching the load can be omitted, so that the circuit can be downsized. In particular, M
In the MIC design, the chip area can be reduced, and the manufacturing cost can be reduced.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の原理を説明するための図である。FIG. 1 is a diagram for explaining the principle of the present invention.

【図2】従来のラットレース回路を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a conventional rat race circuit.

【図3】図1に示すラットレース回路のポート1とポー
ト4との間の伝達特性を示す等価回路である。
3 is an equivalent circuit showing a transfer characteristic between a port 1 and a port 4 of the rat race circuit shown in FIG.

【図4】図1に示すラットレース回路のポート1とポー
ト3との間の伝達特性を示す等価回路である。
4 is an equivalent circuit showing a transfer characteristic between a port 1 and a port 3 of the rat race circuit shown in FIG.

【図5】図1に示すラットレース回路のポート1とポー
ト2との間の伝達特性を示す等価回路である。
5 is an equivalent circuit showing transfer characteristics between ports 1 and 2 of the rat race circuit shown in FIG.

【図6】本発明の一実施例を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing one embodiment of the present invention.

【図7】図6に示すに示すラットレース回路の特性を示
す図である。
FIG. 7 is a diagram showing characteristics of the rat race circuit shown in FIG.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 第1のポートを入力ポートとし、第2の
ポートを第1出力ポートとし、第3のポートを第2出力
ポートとし、第4のポートをアイソレーションポートと
して、上記第1出力ポートと上記第2出力ポートから、
同一振幅でかつ互いに180度位相の異なる出力が得ら
れるように構成されたラットレース回路において、 上記第1出力ポートおよび第2出力ポートに、規格化イ
ンーダンスの値で表すz=r+jxの負荷が接続される
場合、上記第1のポートから上記第2のポートまで、上
記第2のポートから上記第4のポートまで、および上記
第4のポートから上記第3のポートまでのそれぞれの伝
送線路の長さを、何れも使用周波数における位相角θに
相当する長さとし、 上記第1のポートから上記第3のポートまでの伝送線路
の長さを、上記使用周波数における位相角θ+πに相当
する長さとし、 上記第1のポートの入力インピーダンスおよび上記第4
のポートの出力インピーダンスは上記規格化インピーダ
ンスで表して何れも実数値1のインピーダンスとし、 上記伝送線路の特性インピーダンスを上記規格化インピ
ーダンスで表して、 R=2{r(1−r)+x2 }{2r(r−1)2
(2r−1)x2-1/2 とし、 sin2θ=2xR{(1−r)(4r−R2 )−4x
2-1/2 とする構成を特徴とするラットレース回路。
A first port serving as an input port, a second port serving as a first output port, a third port serving as a second output port, and a fourth port serving as an isolation port; From the port and the second output port,
In a rat race circuit configured to obtain outputs having the same amplitude and different phases from each other by 180 degrees, a load of z = r + jx represented by a normalized impedance value is connected to the first output port and the second output port. In case of the above, the length of each transmission line from the first port to the second port, from the second port to the fourth port, and from the fourth port to the third port. And the length of the transmission line from the first port to the third port is set to a length corresponding to the phase angle θ + π at the working frequency. The input impedance of the first port and the fourth impedance
The output impedance of the port is expressed by the above-mentioned standardized impedance, and all of them are impedances having a real value of 1, and the characteristic impedance of the above-mentioned transmission line is expressed by the above-mentioned standardized impedance, and R = 2 {r (1-r) + x 2 } {2r (r-1) 2 +
And (2r-1) x 2} -1/2, sin2θ = 2xR {(1-r) (4r-R 2) -4x
2 } -1/2 The rat race circuit characterized by the composition.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010061712A1 (en) * 2008-11-26 2010-06-03 京セラ株式会社 Waveguide type rat-race circuit and mixer using same

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