JPS623601B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は概してストリツプ線路、マイクロスト
リツプ同軸線路あるいは導波管等を用いた分岐線
路方向性結合器に関し、特に各ポートに整合回路
網がそなえられ１つ以上の周波数について整合で
きるとともに、非常に平担なVSWR（電圧定在波
比）曲線を得ることのできる４ポート電力結合方
向性結合器に関する。

第１Ａ図および第１Ｂ図はストリツプ線路中に
構成された従来技術による結合回路網を示す。第
１Ａ図はそれぞれが好ましくは１／４波長の大きさを 有する４つの回路網からなる４ポート装置の基本
構成を示す。この結合器は通常所望動作帯域の中
心周波数に相当する１つの周波数についてのみ整
合する。例えば、動作帯域が3.7〜4.2GHzの帯域
とした場合、この装置は中心周波数である3.95G
Hzの周波数についてのみ整合し、この中心周波数
についてのみ、適当な平衡状態が得られるととも
に、VSWRが1.0となる。この結合器が直角ハイ
ブリツドとして構成されている場合には、中心周
波数において入力ポートと出力ポートの電力結合
が等しくなるVSWRの帯域幅を改善する方法とし
ては、さらに分岐回路網を付加する方法すなわち
第１Ｂ図に示すようにストリツプ線路装置の場合
にはこの装置に実質的に並列に別のストリツプ回
路網が接続される方法が知られている。従来技術
の分岐線路結合器については、ニユーヨーク、マ
グローヒル社1948年発行、C.G.モンゴメリ
（Montgoaery）、R.H.デツク（Dicke）、およびE.
M.パーセル（Purcell）著の“マイクロ波回路の
原理（Principle of Microwave Circuits）”、
1956年、10月発行のIRE、Trans、 マイクロ波
理論および技術（Microwave Theory and
technology）、Vol、NTT―４、p246〜p252に記
載のJ.ライド（Ried）およびJ.ウイーラー
（Wheeler）著の“対称４ポート回路網の解析方
法（Ａ Method of Analysis of Symmetrical
Four―Port Networks”1968年、２月発行の
IEEE、Trans、マイクロ波理論と技術、Vol、
MTT―16、pp80〜89に記載されているR.レビー
（Levy）とL.F.リンド（Lind）著の“対称分岐ガ
イド方向性結合器の合成（Synthesis of
Symmetrical Branch―Guide Direction
Couplers）”に記載されている。これらの付加回
路網は装置（結合器）のVSWR曲線を平担化し、
適当な結合が得られる帯域幅を幾分か拡げること
ができる。しかしながら、装置が１つ以上の周波
数において整合できても、第９図の曲線から明ら
かなように電力分割特性は実質的に変化しないの
である。従つて、従来の分岐線路結合器では満足
できる帯域、例えば30％帯域（動作帯域の30％）
にわたつて均等な電力分割を行うことができな
い。

本発明の一つの目的は公知の分岐線路結合器に
比して広い帯域にわたつて満足し得る結合性能を
有する分岐線路方向性結合器を提供することにあ
る。

本発明の別の目的は動作帯域における１つ以上
の周波数について整合させることができるととも
に、非常に平担なVSWR曲線を有する分岐線路方
向性結合器を提供することにある。

本発明の更に別の目的は動作帯域のうち比較的
広い部分にわたつて電力分割特性を改良した分岐
線路方向性結合器を提供することにある。本発明
によれば動作帯域の30％に相当する帯域幅にわた
つて均一な電力分割をなし得る。

本発明の別の目的は、VSWRを改良するととも
に分離度と反射損失を改良した分岐線路方向性結
合器を提供することにある。

本発明の別の目的は構成が簡単で、製造しやす
く、比較的小型の４ポート方向性結合器を提供す
ることにある。

本発明のさらに別の目的は出力ポートにおける
結合度が等しい直角ハイブリツドとして構成され
ることができるとともに、例えばストリツプ線
路、マイクロストリツプ、同軸線路、導波管とい
つた種々多数の形態で構成することができる分岐
線路方向性結合器を提供することにある。

上述の目的あるいは他の目的を達成するため
に、本発明による分岐線路方向性結合器は相互接
続された無損失の４つの２ポート回路網から構成
され、これらの２ポート回路網は相互接続されて
入力信号ポートおよび一対の出力ポートを有する
４つのポートを形成する。実際には、結合器のど
のポートでも入力ポートとすることができる。
VSWRを改善し、均一な結合状態を得るために、
２ポート整合回路網をそれぞれ独立に結合器の各
ポートに独立に結合することが望ましい。ある用
途には、単に２つの整合回路網を使用するだけで
よい。例えば、装置の入力ポートにおける整合が
あまり重要でない場合にのみ出力に２つの回路網
が使用できる。結合器を含む基本回路網のアドミ
タンスを適当に選択することにより、結合器は比
較的広い帯域にわたつて均一な電力分割を行う直
角ハイブリツドとして作用する。結合器がストリ
ツプ線路の構成をとるような実施例では、各整合
回路網はスタブ（ストリツプ）と、これに結合さ
れ結合器のポートから延長される１／４波長変成器と をそなえる。スタブは１／４波長の短絡スタブとする こともできるし、１／２波長の開放スタブとすること もできる。ある条件下においては、スタブを使用
せずに（スタブレス装置）、１／４波長の変成器のみを 使用して整合させることができる。本発明の原理
は導波管や同軸線路を使用する結合器にも適用で
きる。

本発明の他の目的、特徴および利点は添付図面
を参照して以下に述べる詳細説明を読まれること
により明らかとなろう。

前述のように、第１Ａ図は代表的従来技術によ
るストリツプ線路の結合器構成を示し、この結合
器はポート１，２，３，４を形成する相互接続さ
れた４つの回路網をそなえている。上述のよう
に、この結合器は、この結合器に実質的に並列に
分岐線路あるいはストリツプを接続するという公
知の技術によりVSWRが一定となるように性能向
上が図られている。第１Ｂ図は導体ストリツプＢ
１，Ｂ２をそなえる代表的分岐線路結合器を示
す。長さがすべて等しい３つの分岐線路もまた使
用できる。ストリツプＢ１はストリツプ１Ａと４
Ａとの間に結合され、ストリツプＢ２はストリツ
プ２Ａと３Ａとの間に結合される。従来技術によ
る分岐線路結合器のいずれもが、VSWRについて
の改良はみられるが、結合に関して依然として放
物線特性を有しており、理想的結合は多くても２
つの周波数についてのみである。第９図は出力ポ
ートにおける結合曲線を示し、この曲線は１つの
周波数について整合し、また基本的に放物線をな
している。

本発明によれば、分岐線路を付加せずに、結合
器の各ポートに２ポート整合回路網が接続され
る。各整合回路はポートに独立に接続されてお
り、隣接した整合回路網間では相互接続されてい
ない。第２図は２線路形態における４ポート電気
回路網を示し、この回路網はポート１，２，３，
４間に相互接続された４つの回路網を有してい
る。ポート１，４とポート２，３とは２ポート回
路網Ｎにより接続され、ポート１，２とポート
３，４とは別の２ポート回路網N′により接続さ
れている。回路網ＮとN′はともに損失がなく、
相反回路および対称回路をなしている。これらの
回路網は相反および対称関係にあるので、第２図
に示すアドミタンスマトリクスについてY₂₂＝
Y₁₁，Y₂₁＝Y₁₂の関係がある。なお、上記アドミ
タンスマトリクスは２ポート回路網のそれぞれ具
体的に示すものである。さらに、回路網N′はア
ドミタンスレベル係数Ｙをのぞいて実際に回路網
Ｎと同じである。回路網N′のアドミタンス特性
は回路網ＮのＹ倍に等しい。第２図に示す回路網
N′のアドミタンスマトリクス要素はY′₁₁＝Ｙ・
Y₁₁，Y′₁₂＝Ｙ・Y₁₂で与えられる。第２図はまた
本発明による整合回路網を示しており、この整合
回路網は第２図に示すポート１，２，３，，４の
それぞれに接続されるABCDマトリクスにより示
されている。

第２図に示す装置はその特別な対称構造となつ
ているので、回路網ＮとN′は整合された場合に
は完全な方向性結合器とみなすことができる。入
力ポート１において入射電力が反射されないとき
は整合状態にある。ただし、ポート１はポート４
と絶縁されており、ポート２と３は所定の比率を
もつて電力結合がなされている。そして、本発明
によれば、入力ポート１，２，３，４のそれぞれ
に接続されている２ポート整合回路網を選択する
ことにより、複数の周波数、特に後述する特定の
２つの周波数において整合させることができる。

数学的に誘導することにより、すべて整合周波
数についての結合比は特定の形の４ポート回路網
について同一であり、次式のように示されること
がわかる。

｜Ｓ_１２／Ｓ_１３｜＝√²−１ ……(1) ここで、S₁₂はポート１からポート２に伝送さ
れる信号の振幅、S₁₃はポート１からポート３へ
伝送される信号の振幅、Ｙは回路網ＮとN′の間
のアドミタンス比である。ポート１，２，３，４
にそれぞれ接続され、複数の周波数において４ポ
ート回路網を整合させる整合回路網を選択するこ
とにより、これら周波数を含む周波数帯にわたつ
て非常に均一な結合特性が得られる。その理由
は、結合状態が整合されるすべての周波数につい
て同一だからである。第８図に示す曲線はこの結
合特性をよく示している。このような結合は第１
Ｂ図に示す複合分岐結合器では得られず（図を参
照）、その理由は第１Ｂ図の結合器は第２図に示
す回路網と思想を異にするからである。

次に、適当な整合回路網を決定することができ
るように、整合回路網（第２図のABCDマトリク
スにより示される）が整合させなければならない
等価アドミタンスを決定する。ABCDマトリクス
により示される２ポート整合回路網がこの複素ア
ドミタンスを整合させたとすれば、４つのポート
１′，２′，３′，４′からみた場合４ポート１，
２，３，４のそれぞれに接続される同様な２ポー
ト回路網が整合装置の役目をしている。等価アド
ミタンスについての式は一般に次のように表わさ
れる。

Yeq＝G′＋jY′ そして、より具体的には Yeq＝√²−１Y₁₂＋ｊ（１＋Ｙ）Y₁₁ ……(2) となる。ここで、Y₁₁とY₁₂は第２図に示す２ポー
ト回路網Ｎに対するアドミタンスマトリクス要素
である。等価アドミタンスの実部はコンダクタン
スであり、虚部はサセプタンスである。Ａ，Ｂ，
Ｃ，Ｄを４つのポートのそれぞれに接続される整
合回路網のABCDマトリクスの要素とすると、整
合条件は、 １＝（B²＋D²）√²−１ ・Y₁₂＝（B²＋D²）G′ ……(3) （AB−CD）＝（B²＋D²）（１＋Ｙ） ・Y₁₁＝（B²＋D²）Y′ ……(4) となる。最終的なABCDマトリクスは変成器のマ
トリクスにスタブのマトリクスを乗ずることによ
り得ることができる。

式(3)と(4)は、ストリツプ線路、マイクロストリ
ツプ、同軸線路あるいは導波管等の伝送線路を平
担特性をもつて結合する方向性結合器を設計する
のに使用できる。ここで、より具体的に設計方法
を理解していただくために例を示す。第２図に示
すタイプの４ポートストリツプ線路装置であつ
て、回路網Ｎが電気長θの伝送線路であり、第１
Ａ図に示すようにユニツトアドミタンスがY₀＝
１であるような装置を考える。ポート１と２およ
びポート３と４に接続されてい回路網N′もまた
電気長θの長さを有し、特性アドミタンスがＹで
ある伝送線路とする。さらに、結合器は出力ポー
トにおいて等しい結合度を有する直角ハイブリツ
ト型とする。従つて、ポート２と３で電力が等し
く分割され｜S₁₂｜＝｜S₁₃｜となる。式(1)よりＹ
＝√２となる。Y₁₁＝−cotθ、Y₁₂＝１／sinθと
なるような構造とすると、式(2)から Yeq＝１／ｓｉｎθ−ｊ（１＋√２）cotθ (5) となる。式(5)より、１／４波長に相当するθ＝90゜の ときに、等価アドミタンスは１であることがわか
る。θ＝90゜の近傍では、等価アドミタンスは電
気長がθアドミタンスが（１＋√２）の短絡スタ
ブにより短絡される単位抵抗に近似した形をと
る。

第３図は基本的方向性結合器構造に使用される
整合回路網を示す。第３図に示すこの回路網は電
気長がθ、アドミタンスがY₁の１／４波長変成器をそ なえ、この変成器は電気長がθ、特性アドミタン
スがY₂の短絡スタブにより短絡されている。上
述のように、スタブと変成器のABCDマトリクス
を乗算することにより合成ABCDマトリクスが得
られる。合成マトリクス要素は式(3)と(4)に代入さ
れる。次に、式(5)の実部と虚部が式(3)と(4)に代入
され、以下の整合条件が得られる。

ｓｉｎ^２θ／Ｙ_１ ^２＋（１＋Ｙ_２／Ｙ_１）^２ cos²θ
＝sinθ(6) ｓｉｎθ／Ｙ_１−（１＋Ｙ_２／Ｙ_１） （Y₁sinθ−Y₂ｃｏｓ^２θ／ｓｉｎθ）＝−（１
＋√２）(7) 式(6)と(7)を解くことにより特性アドミタンス
Y₁とY₂を同時に決定することができる。さら
に、これらの式は電気長θは180゜−θに置き換
えても変わらない。これら２つの周波数に対応し
ている２つの整合周波数は中心周波数の付近に対
称的に位置している。各ポートに整合スタブと１／４ 波長導波管変成器とを結合することにより、別の
周波数においても理想的に整合させることができ
る。

第４図は分岐線路方向性結合器のそれぞれのポ
ート１，２，３，４に結合される整合回路網１
Ｂ，２Ｂ，３Ｂ，４Ｂを有する方向性結合器を示
す。第７図および第８図に示す曲線は第４図の実
施例に関するものであり、適当に下記のようにθ
を選択することにより3.7〜4.2GHzの帯域におい
てストリツプ線路をハイブリツト回路に最適な条
件で整合させることができるという性能
（VSWR、ポート２と３におけるそれぞれの結合
度）を理論的に示すものである。

ここで△／は正規化帯域幅である。

Y₁＝1.026、Y₂＝2.39とすると、VSWRは1.06
より小くなり、理論的には結合不平衡度が
0.006dBより小さくなるが、実際の結合不平衡度
は約0.012dBである。このような整合構造をとる
ことにより、同じ動作帯域幅の他の装置と比較し
て結合度の均一度が増し、動作帯域幅の30％にわ
たつて均一となる。上述の曲線が示すように、
VSWR＝１となる周波数において完全な平衡が得
られる。さらに、ポート２に結合するとリプルが
生じ、第１Ｂ図に示すような分岐線路結合器のよ
うな一般的放物特性を有しない。

上述のように、本発明による方向性結合器は回
路網ＮとN′のアドミタンス値を適当に選択する
ことにより直角ハイブリツドのように構成でき
る。直角ハイブリツドにおいては、比の大きさが
√２となる。そして、この比をわずかに変化させ
ることにより第８図の曲線を互いに移動させて交
わらせることができ、４つの周波数について同じ
ように理想的に結合させることができる。整合周
波数としては例えば約3.78GHz離間した２つの周
波数、および約4.12GHz離間した他の２つの周波
数があげられる。

第５図および第６図は本発明の別の実施例を示
す。この実施例は、第３図および第４図に示した
ような短絡スタブを使用するかわりに電気長が２
θ、特性アドミタンスがY₂＝1.195（＝１／２Y₂（短絡 スタブ））の開放スタブを使用して、構成を簡単
にしたものである。第５図に示すように、これら
のスタブはより大きな長さを有するが折り重ねら
れて構成がより小型となつている。しかし、間隙
Ｃは十分に長く対向しているスタブ間に漏話が発
生しないようになつている。

第６図は本発明の装置の基本的構成要素の断面
図である。第６図において、装置を構成するいく
つかの別個の層が適当な方法で相互接続されてい
る。ストリツプ線路装置は主としてプリント回路
板１０上に構成され、プリント回路板１０は第５
図に明確に示されている導体１２に張り付けられ
ている。この装置はまたサンドイツチ構造をな
し、接地板１４と１６およびその間隙間に介挿さ
れる絶縁薄板１８を有する。エツチングにより形
成される導体１２の適当なポートへの接続は一般
的方法により行われる。

第５図に示す回路網パターンは周知の方法によ
り形成される。銅板張り付けプリント回路盤には
フオトレジストが与えられ、この盤の所定領域の
銅がエツチングされ、第５図のパターンがのこ
る。装置を構成するストリツプは簡単に調整でき
るようになつており、基本構造および整合スタブ
に対して適当なアドミタンスを与えることができ
る。

前にあげた例では、動作範囲の中心周波数は約
3.95GHzである。異なつた周波数において動作す
る装置はその周波数に応じたように上記値を換算
することにより簡単に構成できる。直角ハイブリ
ツドにおいては、基本回路網のアドミタンス比は
√２に維持されるが、電気長は動作周波数に対す
る換算比により変化する。もちろん、上記式は新
たな周波数帯域におけるスタブのアドミタンス値
を計算するのに使用ることができる。

そして、第２図に示す一般的な構造はそのまま
として、接合部の基本構造も変更することができ
る。例えば、アドミタンスY₀は１に選択される
必要はなく、１よりいくらか大きくすることがで
き、これによりある帯域幅にわたつて整合させる
性能が改善される（第７図の実線曲線参照）。

第１０Ａ図および第１０Ｂ図は本発明により導
波管を使用して10dB結合器を構成した例であ
る。この結合器の出力ポートにおける電力分割比
は１：10である。第１０Ａ図と第１０Ｂ図の装置
にはポート３１，３２，３３，３４を形成する２
つの主ガイドチヤンネルが設けられている。これ
は10dB結合器なので、チヤンネル３５，３６の
幅は主チヤンネルの幅より実質的に小さくなつて
いる。第１０図に示されるように、スタブ３１
Ａ，３２Ａ，３３Ａ，３４Ａはそれぞれポート３
１，３２，３３，３４に関係している。各スタブ
は終端装置が設けられた導波管の短絡部とするこ
とができる。この導波管結合器において、ガイド
部の高さは要求される特性アドミタンスの大きさ
に比例する。

第１１図は本発明により同軸線路を用いて結合
器を構成した例であり、この結合器はポート４
１，４２，４３，４４を形成するとともにこの装
置（結合器）の基本構造をなしている同軸線路部
分を有する。この装置には、第１１図に示すよう
にそれぞれ出力ポート４２と４３に対応する終端
導体４５，４６として単に２つのスタブが設けら
れている。導体４５，４６はそれぞれ導体板４５
Ａ，４６Ａによりその端部が外部シールドされて
いる。第１１図の装置はその一部が入力ポートの
整合に関与しないような用途に使用できる。例え
ば、第１１図に示す構造は入力整合が出力ポート
のフラツト（平坦）な電力結合より重要でないよ
うな電力分割器として使用できる。

また、ストリツプ線路構造に単に２つの整合回
路網を付加するだけで、例えばアイソレータ、電
力スイツチとしても使用できる。これらの用途の
いくつかの場合、出力ポートにダイオードが接続
される。これらのダイオードは直列または並列に
リアクタンス分を含んでいるので、方向性結合器
すなわち基本的な方向性結合器として使用した時
にいくらか不平衡が生じるという問題がある。し
かし、本発明による構造では、これらダイオード
パラメータに対する補償はスタブの長さを調整す
ることにより簡単に行うことができる。すなわ
ち、電気長θを変化させることによりダイオード
のリアクタンス分を補償する。通常、ダイオード
が接続されるスタブのみが調整される。

第１２図に示す実施例は第５図のものと実質的
に同一であり、２つの図中、同一部分には同一参
照符号が付されている。第１２図の実施例の第５
図のものに対する主な相違点は、この結合器が出
力ポート２と３における電力分割が均等ではない
10dB結合器として構成されていることにある。
この結合器において、ストリツプ５０と５１の幅
は基本構造をなしている他のストリツプの幅より
小さいことに注意されたい。上記式を解くことに
より、これら交差ストリツプについての適正なア
ドミタンスを導出することができる。この装置に
おける電力結合比はポート２と３の間で10：１と
されている。

第１３図は二線式線路により直列接続された２
ポート整合回路網を示す。この図はある相違点を
除いて第２図と全く同一である。相違点とは第２
図のものが２ポート整合回路がより好ましい接続
すなわち並列接続されていることにある。第１３
図において、整合回路網は前と同様にABCDマト
リクスで示されているが、基本回路網はアドミタ
ンスマトリクスではなくインピーダンスマトリク
スで示されている。基本回路網を構成している４
ポートのそれぞれは自らのインピーダンスマトリ
クスで示されている。第１３図のものは事実上第
２図のものと双対関係にあり、アドミタンスをす
べてインピーダンスに置き換えた場合、並列接続
と同じになる。

第１３図の実施例は実用上本発明による導波管
結合器に適用される。この実施例の場合、重要な
量は等価インピーダンスＺ_eqであり、これは次式
で示される。

Ｚ_eq＝√²−１ Z₁₂＋ｊ（１＋Ｚ）Z₁₁ 電力分割は次式で決定される。

以上、本発明を限られた数の実施例について説
明したが、当業者には明らかなように、上述した
本発明の原理は多くの異つた形態の結合器に適用
できるのはもちろんである。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図は従来技術による分岐線路方向性結合
器を示す概略図、第１Ｂ図は複数個の分岐を有す
る従来の分岐結合器を示す概略図、第２図は本発
明による方向性結合器を構成する２線式回路網を
示す概略ブロツク図、第３図は本発明による整合
回路の一実施例を示す概略図、第４図は第３図の
整合回路網をそなえた方向性結合器構造を示す概
略構成図、第５図は本発明の別の実施例である１／２ 波長整合スタブをそなえた方向性結合器を示す概
略構成図、第６図は第５図の実施例全体を一部断
面をもつて示す斜視図、第７図は本発明による方
向性結合器のVSWRを周波数に対してプロツトし
た曲線を示す特性図、第８図は本発明による方向
性結合器の結合度を周波数に対してプロツトした
曲線を示す特性図、第９図は１つあるいは複数の
分岐を有する従来技術による分岐線路の結合曲線
を示す特性図、第１０Ａ図および第１０Ｂ図は導
波管を使用した本発明による10dB方向性結合器
の端面図および断面図、第１１図は同軸線路を使
用した本発明の実施例を示す断面図、第１２図は
第５図とほぼ同様な構成を有する10dB方向性結
合器を示す概略図、第１３図は２ポート整合回路
網を直列接続した２線式回路を示す概略ブロツク
図である。 符号説明、１，２，３，４……ポート、B₁，
B₂……導体ストリツプ、１Ａ，２Ａ，３Ａ，４
Ａ……ストリツプ、Ｎ，N′……回路網、１Ｂ，
２Ｂ，３Ｂ，４Ｂ……整合回路網、Ｃ……間隙、
１０……プリント回路板、１４，１６……接地
板、１８……絶縁薄板、１２……導体、３１，３
２，３３，３４……ポート、３５，３６……チヤ
ンネル、３１Ａ，３２Ａ，３３Ａ，３４Ａ……ス
タブ、４１，４２，４３，４４……ポート、４
５，４６……終端導体、４５Ａ，４６Ａ……導体
板、５０，５１……ストリツプ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 同じ特性アドミタンスを有し対向して配置さ
   れた伝送線を４つのポートを形成するように相互
   接続した対称方向性結合器において、前記４つの
   ポートのうちの２つのポートあるいは前記４つの
   ポートから１／４波長離れた点にスタブを接続したこ とを特徴とする対称方向性結合器。