JP2013172405A - 電力分配器 - Google Patents

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Abstract

【課題】チップ抵抗を用いた場合でも高周波で動作する電気特性の良好な電力分配器を得る。
【解決手段】合成側端子と、第1および第2の分岐側端子と、合成側端子と第1の分岐側端子とを接続する第1の線路と、合成側端子と第2の分岐側端子とを接続する第2の線路と、第1の分岐側端子と第2の分岐側端子とを電気的に接続する抵抗とを備え、抵抗の、第1の分岐側端子側に一端が接続された第1の調整用線路(121)と、抵抗の、第2の分岐側端子側に一端が接続された第2の調整用線路(122)と、第1の調整用線路の他端と第2の調整用線路の他端との間に接続された第3の調整用線路(123)と、第1の調整用線路と第3の調整用線路との接続点、および第2の調整用線路と第3の調整用線路との接続点のそれぞれに接続されたスタブ(124、126)とを有する電気特性改善回路部をさらに備える。
【選択図】図1

Description

本発明は、マイクロ波帯で使用される電力分配器に関するものである。
電力分配器は、電力を合成、または分配するために広く用いられる。2つの分岐側端子と1つの合成側端子を有する電力分配器において、分岐側端子間のアイソレーション特性を改善するために、分岐側端子間に抵抗素子を接続する方法がある(例えば、非特許文献1参照)。
このような構成の電力分配器では、電力分配器の対称面を電気壁と仮定した奇モード動作時における分岐側端子での反射が0となるように、かつ電力分配器の対称面を磁気壁と仮定した偶モード動作時における分岐側端子での反射が0となるように設計することで、電気特性は、良好となる。
E. Wilkinson, "An N-Way Hybrid Power Divider," IEEE Trans., vol. MTT-8, pp. 116-118, 1960.
しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
高周波で動作する従来の電力分配器において、抵抗素子としてチップ抵抗を用いた場合には、高周波ではチップ抵抗の寄生容量が無視できないこととなる。電力分配器の対称面を磁気壁と仮定した偶モード動作時におけるチップ抵抗の寄生容量と、電力分配器の対称面を電気壁と仮定した奇モード動作時におけるチップ抵抗の寄生容量は、電力分配器の対称面がそれぞれの各モード動作において異なることから、容量値も異なる。したがって、各モード動作時ともに、寄生容量の影響を打ち消すことが困難となり、電気特性が劣化するという問題がある。
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、抵抗素子をチップ抵抗で実現した場合、偶・奇モード動作時で異なるチップ抵抗の寄生容量の影響をそれぞれ打ち消し、チップ抵抗を用いた場合でも高周波で動作する電気特性の良好な電力分配器を得ることを目的としている。
本発明に係る電力分配器は、1つの合成側端子と、第1の分岐側端子および第2の分岐側端子と、合成側端子と第1の分岐側端子とを接続する第1の線路と、合成側端子と第2の分岐側端子とを接続する第2の線路と、第1の分岐側端子と第2の分岐側端子とを電気的に接続する抵抗とを備える電力分配器であって、抵抗の、第1の分岐側端子側に一端が接続された第1の調整用線路と、抵抗の、第2の分岐側端子側に一端が接続された第2の調整用線路と、第1の調整用線路の他端と第2の調整用線路の他端との間に接続された第3の調整用線路と、第1の調整用線路と第3の調整用線路との接続点に接続された、先端が開放または先端が短絡している第1のスタブ、および第2の調整用線路と第3の調整用線路との接続点に接続された、先端が開放または先端が短絡している第2のスタブとを有する電気特性改善回路部をさらに備えるものである。
本発明に係る電力分配器によれば、第1の調整用線路と第3の調整用線路とスタブからなる線路のリアクタンス値と、第2の調整用線路と第3の調整用線路とスタブからなる線路のリアクタンス値を、偶・奇モード動作で変えることができる電気特性改善回路部を備えることにより、抵抗素子をチップ抵抗で実現した場合、偶・奇モード動作時で異なるチップ抵抗の寄生容量の影響をそれぞれ打ち消し、チップ抵抗を用いた場合でも高周波で動作する電気特性の良好な電力分配器を得ることができる。
本発明の実施の形態1に係る電力分配器の上面図である。 本発明の実施の形態1の先の図1におけるB−B’の断面図である。 本発明の実施の形態1の先の図1におけるC−C’の断面図である。 本発明の実施の形態1の電力分配器が偶モード動作時における先の図2に示したチップ抵抗付近の拡大図である。 本発明の実施の形態1における電力分配器の偶モード動作時における等価回路を示した図である。 本発明の実施の形態1の電力分配器が奇モード動作時における先の図2に示したチップ抵抗付近の拡大図である。 本発明の実施の形態1における電力分配器の奇モード動作時における等価回路を示した図である。 本発明の実施の形態1に係る電力分配器の上面図である。 本発明の実施の形態1に係る電力分配器の上面図である。 本発明の実施の形態1に係る電力分配器の上面図である。 本発明の実施の形態2に係る電力分配器の上面図である。 本発明の実施の形態2の先の図11におけるB−B’の断面図である。 本発明の実施の形態2の先の図11におけるC−C’の断面図である。
以下、本発明の電力分配器の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。各図において、同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1に係る電力分配器の上面図である。図1において、この電力分配器は、誘電体基板1と、誘電体基板1の一方の面には、合成側端子101と、分岐側端子102、103と、電気長が1/4波長の奇数倍である第1の線路111と、電気長が1/4波長の奇数倍である第2の線路112と、第1の調整用線路121と、第2の調整用線路122と、第3の調整用線路123と、ショートスタブ124、126と、チップ抵抗128とが配置される。
また、誘電体基板1のもう一方の面には、地導体2が配置される。また、図1におけるA−A’は、電力分配器の対称面を表し、符号3は、第3の調整用線路123と対称面A−A’との交差部を表す。
図2は、本発明の実施の形態1の先の図1におけるB−B’の断面図である。また、図3は、本発明の実施の形態1の先の図1におけるC−C’の断面図である。ショートスタブ124、126は、図3に示すように、スルーホール125、127を介して地導体2に接続される。
合成側端子101、分岐側端子102、103のそれぞれのインピーダンスをZ0とすると、第1の線路111、および第2の線路112のインピーダンスZtは、ともに下式(1)で表される。
Figure 2013172405
次に、本発明の実施の形態1に係る電力分配器の動作について説明する。
分岐側端子102と分岐側端子103から等振幅同相の電力が入力された場合、つまり、電力分配器の偶モード動作時を考えると、先の図1における断面A−A’を磁気壁と仮定できる。このとき、断面A−A’よりも分岐側端子102側の合成側端子101のインピーダンスは、2Z0となる。
図4は、本発明の実施の形態1の電力分配器が偶モード動作時における先の図2に示したチップ抵抗128付近の拡大図である。B−B’断面において、チップ抵抗128付近には、図4に示すように、地導体2との間に寄生容量151が生じる。この寄生容量の値をC1とする。また、チップ抵抗の抵抗値を2Rとする。なお、R=Z0である。
第3の調整用線路123は、交差部3で磁気壁に接続されるため、オープンスタブとなるが、第3の調整用線路123の線路インピーダンスが大きいと、容量値としては小さくなり、偶モード動作時においては、ほぼ無視できる。
また、図5は、本発明の実施の形態1における電力分配器の偶モード動作時における等価回路を示した図である。第1の調整用線路121によるインダクタをL1、ショートスタブ124によるインダクタをL2とすると、偶モード動作時における等価回路は、この図5のようになる。
ここで、第1の線路111の線路インピーダンスZtは、上式(1)のように決定されているため、第1の線路は、2Z0とZ0のインピーダンス変成器として働く。したがって、寄生容量151を打ち消すようにL1、L2の値を決定し、その値となるように第1の調整用線路121、および第3の調整用線路123の長さを決定することで、偶モード動作時において、整合が可能となる。
一方、分岐側端子102と分岐側端子103から等振幅逆相の電力が入力された場合、つまり、電力分配器の奇モード動作時を考えると、先の図1における断面A−A’を電気壁と仮定できる。このとき、合成側端子101は、短絡される。
図6は、本発明の実施の形態1の電力分配器が奇モード動作時における先の図2に示したチップ抵抗128付近の拡大図である。B−B’断面において、チップ抵抗128付近には、偶モード動作時の場合と同様に、図6に示すように、地導体2との間に寄生容量151が生じる。さらに、奇モード動作時には、電気壁との間に寄生容量152が生じる。ここで、寄生容量152の容量値をC2とする。
また、図7は、本発明の実施の形態1における電力分配器の奇モード動作時における等価回路を示した図である。第3の調整用線路123は、交差部3で電気壁に接続されるため、ショートスタブとなる。このときの第3の調整用線路123によるインダクタンスをL3とすると、奇モード動作時における等価回路は、この図7のようになる。
ここで、第1の線路111の電気長は、1/4波長の奇数倍であることから、図7における交点4において、合成側端子101側のインピーダンスは、無限大となる。また、抵抗値Rは、Z0と同じであることから、寄生容量C1、C2をL1、L2、L3により打ち消せば、奇モードにおいて整合が可能となる。
寄生容量152により、奇モード動作時における寄生容量値は、偶モード動作時の寄生容量よりもC2だけ大きくなる。インダクタンスL1とL2は、偶モード動作時の寄生容量C1を打ち消すように決定されているため、インダクタンスL1とL2のみでは、奇モード動作時における寄生容量C1+C2を打ち消すことができない。しかしながら、本発明では、整合可能なように第3の調整用線路123によるインダクタンスL3を決定することで、奇モードにおいても整合が可能となる。
このように、本実施の形態1では、先の図1〜図7に示したように、第1の調整用線路121、第2の調整用線路122、第3の調整用線路123、およびショートスタブ124、126を有する電気特性改善回路部を備えている。この結果、偶モード動作時においては、第1の調整用線路121と第3の調整用線路123とショートスタブ124からなるスタブ、および第2の調整用線路122と第3の調整用線路123とショートスタブ126からなるスタブの短絡点は、それぞれのショートスタブ124、126の先端である。
一方、奇モード動作時においては、第1の調整用線路121と第3の調整用線路123とショートスタブ124からなるスタブ、および第2の調整用線路122と第3の調整用線路123とショートスタブ126からなるスタブの短絡点は、それぞれのショートスタブ124、126の先端と第3の調整用線路123の中心となる。
このことから、第1の調整用線路121と第3の調整用線路123とショートスタブ124からなるスタブのリアクタンス値と、第2の調整用線路122と第3の調整用線路123とショートスタブ126からなるリアクタンス値を、偶・奇モード動作で変えることができる。
このため、それぞれのスタブの長さを適当に選ぶことで、偶・奇モード動作で異なるチップ抵抗の寄生容量の影響をそれぞれ打ち消すことが可能となる。この結果、チップ抵抗を用いた場合でも高周波で動作する電気特性の良好な電力分配器が実現できる。
以上のように、実施の形態1によれば、電気特性改善回路部を備えることで、偶・奇モード動作時において、チップ抵抗の寄生容量の値が異なっても、それぞれの寄生容量を打ち消すインダクタンスを実現することができる。このため、チップ抵抗を用いた場合でも、高周波で動作する特性の良好な電力分配器を得ることが可能となる。
なお、上述した実施の形態1では、合成側端子101と分岐側端子102、103のインピーダンスをZ0としたが、本発明は、このような値に限定されるものではなく、任意の値でよい。ただし、第1の線路111、第2の線路112、チップ抵抗128、第1の調整用線路121、第2の調整用線路122、第3の調整用線路123、ショート調整用線路124,126は、整合が成り立つように決定する。
また、上述した本実施の形態1では、ショートスタブは、対称面A−A’に対して平行に配置されていたが、本発明は、このような配置に限定されるものではない。図8は、本発明の実施の形態1に係る電力分配器の上面図であり、先の図1とは異なる構成を有している。この図8に示すように、ショートスタブは、対称面A−A’に対して垂直に配置してもよい。
このように、ショートスタブを対称面A−A’に対して垂直に配置することで、ショートスタブを対称面A−A’に対して平行に配置した場合よりも、隣り合うショートスタブの電磁結合の影響を小さくすることができ、アイソレーション特性が良好となる。
また、上述した本実施の形態1では、スルーホール125、127によりショートスタブ124、126を短絡したが、本発明は、これに限定されるものでない。図9は、本発明の実施の形態1に係る電力分配器の上面図であり、先の図1、図8とは異なる構成を有している。この図9のように、ショートスタブ124、126を用いず、一方の先端が開放である線路の長さが1/4波長以上1/2波長以下となるオープンスタブ131、132を用いてもよい。この場合、電気特性改善回路部は、第1の調整用線路121、第2の調整用線路122、第3の調整用線路123、およびオープンスタブ131、132を有して構成されることとなる。
オープンスタブ131、132の長さが1/4波長以上1/2波長以下であることから、オープンスタブのリアクタンスの値を、ショートスタブ124、126のリアクタンスの値と一致させることができる。このため、スルーホール125、127を有していた図1、図8の構成を備えた電力分配器と同様の効果を実現することができる。そして、オープンスタブを用いることで、スルーホール125、127を省略できるため、製造が容易になり、低コスト化が実現できる。
また、上述した本実施の形態1では、チップ抵抗128を1つ用いていたが、本発明は、これに限定されるものではない。図10は、本発明の実施の形態1に係る電力分配器の上面図であり、先の図1、図8、図9とは異なる構成を有している。この図10のように、チップ抵抗128を、各抵抗を接続する第1の線路と第2の線路の長さがおよそ1/4波長となるように、2つ配置してもよい。この場合には、図10に示したように、各チップ抵抗128に対応して、電気特性改善回路部を設けることとなる。
チップ抵抗128を2つ用いることで、チップ抵抗128を1つのみ用いる場合よりも、広帯域な特性を実現することができる。また、チップ抵抗128を3つ以上用いて、抵抗値が2つの場合と同様に、隣り合う抵抗を接続する第1の線路と第2の線路の長さがおよそ1/4波長となるように配置してもよい。チップ抵抗128の個数を3つ以上とすることで、より広帯域な特性を実現できる。なお、この場合にも、各チップ抵抗128に対応して、電気特性改善回路部を設けることとなる。
実施の形態2.
図11は、本発明の実施の形態2に係る電力分配器の上面図である。図11において、この電力分配器は、誘電体基板1と、誘電体基板1の一方の面には、合成側端子201と、分岐側端子202、203と、電気長が1/4波長の奇数倍である第1の線路211と、電気長が1/4波長の奇数倍である第2の線路212と、電気長がおよそ1/2波長の整数倍である第3の線路213と、電気長がおよそ1/2波長の整数倍である第4の線路214と、第1の調整用線路221と、第2の調整用線路222と、第3の調整用線路223と、ショートスタブ224、226と、チップ抵抗228とが配置される。
また、誘電体基板1のもう一方の面(裏面)には、地導体2が配置される。また、図11におけるA−A’は、電力分配器の対称面を表し、符号3は、第3の調整用線路223と対称面A−A’との交差部を表す。
図12は、本発明の実施の形態2の先の図11におけるB−B’の断面図である。また、図13は、本発明の実施の形態2の先の図11におけるC−C’の断面図である。ショートスタブ224、226は、図13に示すように、スルーホール225、227を介して地導体2に接続される。
合成側端子201、分岐側端子202、203のそれぞれのインピーダンスをZ0とすると、第1の線路211、および第2の線路212のインピーダンスZtは、ともに上式(1)で表される。
次に、本発明の実施の形態2に係る電力分配器の動作について説明する。
第3の線路213、第4の線路214の電気長は、1/2波長線路の整数倍であることから、インピーダンス変成が起こらない。このため、チップ抵抗228が接続される第3の線路213の部分におけるチップ抵抗228側のインピーダンスと、第1の分岐側端子202と第1の線路213との交差部におけるチップ抵抗側のインピーダンスは、動作周波数付近ではほぼ一致する。
つまり、分岐側端子202と分岐側端子203から等振幅同相の電力が入力された場合、つまり、電力分配器の偶モード動作時を考えると、先の実施の形態1と同様に、偶モード動作時における等価回路は、先の図5のようになる。
また、同様に分岐側端子202と分岐側端子203から等振幅逆相の電力が入力された場合、つまり、電力分配器の奇モード動作時の等価回路は、先の実施の形態1と同様に、先の図7のようになる。
偶・奇モード動作時における等価回路が先の実施の形態1と同じになる。従って、本実施の形態2においても、同様に、偶・奇モード動作時において、チップ抵抗228の寄生容量の値が異なっても、それぞれの寄生容量を打ち消すインダクタンスを実現することができる。このため、チップ抵抗228を用いた場合でも、高周波で動作する電気特性の良好な電力分配器を得ることが可能となる。
以上のように、実施の形態2によれば、電気特性改善回路部を備えることで、先の実施の形態1とは異なる構成で、偶・奇モード動作時において、チップ抵抗の寄生容量の値が異なっても、それぞれの寄生容量を打ち消すインダクタンスを実現することができる。このため、チップ抵抗を用いた場合でも、高周波で動作する特性の良好な電力分配器を得ることが可能となる。
なお、先の実施の形態1では、チップ抵抗128を接続する部分における第1の線路111と第1の分岐側端子102の間隔、およびチップ抵抗128を接続する部分における第2の線路112と第2の分岐側端子103の間隔が狭い場合には、周波数が高くなると線路間の電磁結合の影響が大きくなり、アイソレーション特性が劣化する。
これに対して、本実施の形態2では、第3の線路213、および第4の線路214を介して第1の分岐側端子202、および第2の分岐側端子203とチップ抵抗228を接続する構成としている。このような構成とすることで、第1の線路211と第1の分岐側端子202の間隔、および第2の線路212と第2の分岐側端子203の間隔を広げることができる。このため、高周波になっても電磁結合の影響が小さくできることから、先の実施の形態1の構成よりも、電気特性の良好な電力分配器を得ることが可能である。
1 誘電体基板、2 地導体、3 交差部、4 交点、101 合成側端子、102 分岐側端子(第1の分岐側端子)、103 分岐側端子(第2の分岐側端子)、111 第1の線路、112 第2の線路、121 第1の調整用線路、122 第2の調整用線路、123 第3の調整用線路、124、126 ショートスタブ(ショート調整用線路)、125、127 スルーホール、128 チップ抵抗、131、132 オープンスタブ、151、152 寄生容量、201 合成側端子、202 分岐側端子(第1の分岐側端子)、203 分岐側端子(第2の分岐側端子)、211 第1の線路、212 第2の線路、213 第3の線路、214 第4の線路、221 第1の調整用線路、222 第2の調整用線路、223 第3の調整用線路、224、226 ショートスタブ(ショート調整用線路)、225、227 スルーホール、228 チップ抵抗。

Claims (11)

  1. 1つの合成側端子と、
    第1の分岐側端子および第2の分岐側端子と、
    前記合成側端子と前記第1の分岐側端子とを接続する第1の線路と、
    前記合成側端子と前記第2の分岐側端子とを接続する第2の線路と、
    前記第1の分岐側端子と前記第2の分岐側端子とを電気的に接続する抵抗と
    を備える電力分配器であって、
    前記抵抗の、前記第1の分岐側端子側に一端が接続された第1の調整用線路と、
    前記抵抗の、前記第2の分岐側端子側に一端が接続された第2の調整用線路と、
    前記第1の調整用線路の他端と前記第2の調整用線路の他端との間に接続された第3の調整用線路と、
    前記第1の調整用線路と前記第3の調整用線路との接続点に接続された、先端が開放または先端が短絡している第1のスタブ、および前記第2の調整用線路と前記第3の調整用線路との接続点に接続された、先端が開放または先端が短絡している第2のスタブと
    を有する電気特性改善回路部をさらに備えることを特徴とする電力分配器。
  2. 請求項1に記載の電力分配器において、
    前記抵抗は、前記第1の線路と前記第1の分岐側端子との接続点、および前記第2の線路と前記第2の分岐側端子との接続点の間を接続するように設けられている
    ことを特徴とする電力分配器。
  3. 請求項2に記載の電力分配器において、
    前記抵抗は、チップ形状の抵抗であり、
    前記第1のスタブおよび前記第2スタブの先端は、短絡され、
    前記第1の調整用線路と前記第1のスタブを合わせた長さ、および前記第2の調整用線路と前記第2のスタブを合わせた長さは、ともに1/4波長以下であり、
    前記第3の調整用線路の長さは、1/2波長以下である
    ことを特徴とする電力分配器。
  4. 請求項2に記載の電力分配器において、
    前記抵抗は、チップ形状の抵抗であり、
    前記第1のスタブおよび前記第2のスタブの先端は、開放され、
    前記第1のスタブおよび前記第2のスタブの長さは、それぞれ1/4波長以上、1/2波長以下であり、
    前記第3の調整用線路の長さは、1/2波長以下である
    ことを特徴とする電力分配器。
  5. 請求項1に記載の電力分配器において、
    前記抵抗は、前記第1の線路と前記第2の線路との間に少なくとも2つ以上設けられており、それぞれの抵抗に対応して、前記電気特性改善回路部が設けられている
    ことを特徴とする電力分配器。
  6. 請求項5に記載の電力分配器において、
    前記抵抗は、チップ形状の抵抗であり、
    前記第1のスタブおよび前記第2のスタブの先端は、短絡され、
    前記第1の調整用線路と前記第1のスタブを合わせた長さ、および前記第2の調整用線路と前記第2のスタブを合わせた長さは、ともに1/4波長以下であり、
    前記第3の調整用線路の長さは、1/2波長以下である
    ことを特徴とする電力分配器。
  7. 請求項5に記載の電力分配器において、
    前記抵抗は、チップ形状の抵抗であり、
    前記第1のスタブおよび前記第2のスタブの先端は、開放され、
    前記第1のスタブおよび前記第2のスタブの長さは、それぞれ1/4波長以上1/2波長以下であり、
    前記第3の調整用線路の長さは、1/2波長以下である
    ことを特徴とする電力分配器。
  8. 請求項1に記載の電力分配器において、
    前記第1の線路と前記第1の分岐側端子との接続点に一端が接続された第3の線路と、
    前記第2の線路と前記第2の分岐側端子との接続点に一端が接続された第4の線路と
    をさらに備え、
    前記抵抗は、前記第3の線路の他端、および前記第4の線路の他端の間を接続するように設けられ、前記第3の線路および前記第4の線路を介して、前記第1の分岐側端子と前記第2の分岐側端子とを電気的に接続する
    ことを特徴とする電力分配器。
  9. 請求項8に記載の電力分配器において、
    前記抵抗は、チップ形状の抵抗であり、
    前記第1のスタブおよび前記第2のスタブの先端は、短絡導体により地導体と接続され、
    前記第1の調整用線路と前記第1のスタブを合わせた長さ、および前記第2の調整用線路と前記第2のスタブを合わせた長さは、ともに1/4波長以下であり、
    前記第3の調整用線路の長さは、1/2波長以下である
    ことを特徴とする電力分配器。
  10. 請求項8に記載の電力分配器において、
    前記抵抗は、チップ形状の抵抗であり、
    前記第1のスタブおよび前記第2のスタブの先端は、開放され、
    前記第1のスタブおよび前記第2のスタブの長さは、それぞれ1/4波長以上1/2波長以下であり、
    前記第1の調整用線路と前記第1のスタブを合わせた長さ、および前記第2の調整用線路と前記第2のスタブを合わせた長さは、ともに1/2波長以下であり、
    前記第3の調整用線路の長さは、1/2波長以下である
    ことを特徴とする電力分配器。
  11. 請求項1ないし10のいずれか1項に記載の電力分配器において、
    前記第1の分岐側端子から前記第2の分岐側端子に向かう方向と、前記第1のスタブおよび前記第2のスタブの長手方向が平行である
    ことを特徴とする電力分配器。
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