JP5089502B2

JP5089502B2 - ブランチラインカプラおよびウィルキンソン分配回路

Info

Publication number: JP5089502B2
Application number: JP2008167550A
Authority: JP
Inventors: 秀憲湯川; 一二三能登; 政毅半谷; 宏治山中; 和久山内; 晃井上; 守泰宮▲ざき▼
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-06-26
Filing date: 2008-06-26
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2028-06-26
Also published as: JP2010011043A

Description

この発明は、マイクロ波やミリ波の高周波帯の高周波回路に使用するブランチラインカプラおよびウィルキンソン分配回路に関するものである。

マイクロ波やミリ波の高周波帯において分布定数回路として機能する伝送線路は、適用される機器の小形化に伴って、プリント基板で形成されるマイクロストリップラインやストリップラインで構成されるものが多用されるようになった。マイクロストリップラインやストリップラインの伝送線路は高周波特性や再現性、コスト等の点で優れているため、方向性結合器、分配回路などの高周波回路部品も、この種の伝送線路を組み合わせることによって小形化されてきた。今日では、例えば携帯電話機に見られるように高密度実装が進められており、上記伝送線路や高周波部品も更なる小形化が求められている。
長手方向に延びる単一の伝送線路の小形化を図る方法としてとしては、図１４に示すように、１本の伝送線路２０の入力端子１に第１のオープンスタブ２１を接続し、出力端子２に第２のオープンスタブ２２を接続する技術が提案されている（例えば非特許文献１参照）。一般に、伝送線路は擬似的に並列容量成分と直列誘導成分で近似される。また、オープンスタブは一般的に容量性として機能することが知られている。したがって、図１４のように、伝送線路２０にオープンスタブ２１，２２を接続した場合、並列容量が装荷された伝送線路とみなすことができる。このため、オープンスタブによる容量成分を装荷した場合、その分の伝送線路長を短縮することで、元の単一の伝送線路と等価な特性が得られることになる。

Y.-H.Chun, et al, "Design of a compact broadband branch-line hybrid," 2005 IEEE MTT-S IMS Digest, pp.997-1000 （Fig.2）

しかしながら、上記のようにオープンスタブを接続して伝送線路を構成した場合、オープンスタブによる容量性と、元の単一の伝送線路の容量性では周波数特性が異なるため、広い周波数帯域に渡っては等価な特性が得られないという問題がある。

この発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、広帯域に渡って単一の伝送線路と等価な特性を持ち、小形化を可能にする伝送線路およびこの伝送線路を適用したブランチラインカプラおよびウィルキンソン分配回路を得ることを目的とする。

この発明に係るブランチラインカプラは、４本の伝送線路で構成されるブランチラインカプラにおいて、前記４本の伝送線路の一部または全部を、少なくとも２本の線路パターンを並列に接続した伝送線路にし、前記伝送線路を構成する２本の線路パターンは、特性アドミタンスと電気長をそれぞれ同じ値とすると共に、メアンダ状に配置され、前記伝送線路を構成する２本の線路パターンのそれぞれの中心間を別の線路パターンで接続したことを特徴とするものである。

この発明によれば、広い周波数帯域に渡って単一の伝送線路と等価な特性を得ることができ、２本の線路パターンをメアンダ状に配置することにより、長さ方向を短縮して小形にできる。また、２本の線路パターンを長短の組み合わせにして長い方の線路パターンをメアンダ状に配置することで、線路幅を小さく、かつ長さ方向も短縮できるため小形の伝送線路を構成できる。したがって、高周波回路や高周波部品の伝送線路に適用して回路や部品の小形化が図れる。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による伝送線路の基本構成を示す回路図、図２は、単一の長手方向に延びる伝送線路を実施の形態１による伝送線路で置き換える方法について示す説明図である。
図１において、実施の形態１による伝送線路は、入力端子１と出力端子２間に２本の伝送線路３，４を並列に接続した構成となっている。なお、この発明の説明では、説明上の紛らわしさを解消するために、３，４等に相当する伝送線路を「線路パターン」と称することにする。
図２（ａ）に示すように、単一の伝送線路ＴＬ１の特性アドミタンスをＹ_conventional、電気長を２θ_conventionalとし、図２（ｂ）に示すように、この実施の形態１の２本の線路パターンＴＬ３，ＴＬ４のそれぞれの特性アドミタンス（インピーダンスの逆数）をＹ₁，Ｙ₂、伝送線路長を２θ₁，２θ₂とする。単一の伝送線路ＴＬ１と２本の線路パターンＴＬ３，ＴＬ４からなる伝送線路が等価な特性を持っているとした場合、（１）式が成り立つ。

次に、入力端子１における反射特性と、入力端子１から出力端子２への通過特性の計算結果を図３に示す。
図３（ａ）に、特性インピーダンスを２５Ω、動作中心周波数２ＧＨｚにおける電気長を９０度とした元の単一の伝送線路ＴＬ１を示す。一方、図３（ｂ）に、元の単一の伝送線路ＴＬ１に置き換えたこの実施の形態１の伝送線路の諸元を示す。すなわち、２本の線路パターンＴＬ３，ＴＬ４の特性インピーダンスをそれぞれ５０Ω、動作中心周波数２ＧＨｚにおける電気長を９０度に設定している。この条件でシミュレーションすることにより、図３（ｃ）の反射特性、図３（ｄ）の通過振幅、図３（ｅ）の通過位相が得られた。実施の形態１の２本の線路パターンからなる伝送線路は、元の単一の伝送線路ＴＬ１とほぼ同じ特性になっていることがわかる。
元の単一の伝送線路を２本の線路パターンに分割することにより、それぞれの線路パターンの幅は、元の単一の伝送線路の線路幅の半分になる。この実施の形態１の伝送線路を実際に形成する場合は、線路パターン３，４を、例えば図４に示すようにメアンダ状にした配置とする。このことで、入出力端子間の長さ方向を短縮して小形な構成にできる。

以上のように、この実施の形態１の伝送線路は、入出力端子間に少なくとも２本の線路パターンを並列に接続し、２本の線路パターンの特性アドミタンスと電気長をそれぞれ同じ値に設定することで、広い周波数帯域に渡って単一の伝送線路と等価な特性を得ることができる。また、２本の線路パターンを、メアンダ状に配置することにより、等価な単一の伝送線路よりも長さ方向を短縮して小形にできる。したがって、高周波回路や高周波部品で用いる伝送線路に適用して回路や部品の小形化が図れる。

実施の形態２．
この実施の形態２による伝送線路は、実施の形態１と同様に２本の線路パターンで構成されているが、互いの線路長が異なるように設定したものである。この場合も、（１）式により、実施の形態１と同様、元の単一の伝送線路と等価な特性を持たせることができる。

次に、入力端子１における反射特性と、入力端子１から出力端子２への通過特性の計算結果を図５に示す。
図５（ａ）に、特性インピーダンスを２５Ω、動作中心周波数２ＧＨｚにおける電気長を９０度とした元の単一の伝送線路ＴＬ１を示す。図５（ｂ）に、元の単一の伝送線路ＴＬ１に置き換えたこの実施の形態２の伝送線路の諸元を示す。すなわち、２本の線路パターンの一方ＴＬ３１の特性インピーダンスを５８Ω、動作中心周波数２ＧＨｚにおける電気長を６０度に、他方ＴＬ４１の特性インピーダンスを５８Ω、動作中心周波数２ＧＨｚにおける電気長を１２０度に設定している。これらの値によりシミュレーションすることにより、図５（ｃ）の反射特性、図５（ｄ）の通過振幅、図５（ｅ）の通過位相が得られた。元の単一の伝送線路ＴＬ１と、動作中心周波数２ＧＨｚにおいて同じ特性となっていることがわかる。
この実施の形態２の伝送線路の場合、２本の線路パターンの線路長を異なる値としているため、両線路パターンの幅の和は元の単一の伝送線路の幅に比べて小さくなる。また、この実施の形態２の伝送線路を実際に形成する場合は、例えば図６に示すように、短い方の線路パターン３に合わせて長い方の線路パターン４をメアンダ状にした配置とする。このことで、等価な単一の伝送線路よりも線路幅だけでなく長さ方向も短縮した小形な構成にできる。
なお、ここでは２本の線路パターンで構成する場合について示したが、さらに線路パターンの本数を増やす構成としてもよい。

以上のように、この実施の形態２の伝送線路は、入出力端子間に少なくとも２本の線路パターンを並列に接続し、２本の線路パターンの特性アドミタンスを同じ値とし、電気長を互いに異なる値に設定することで、動作中心周波数で単一の伝送線路と等価な特性を得ることができ、両線路パターンの幅の和が元の単一の伝送線路の幅に比べて小さくなる。また、少なくとも長い方の線路パターンをメアンダ状に配置することで、元の単一の伝送線路よりも長さ方向を短縮し小形な構成とすることができる。したがって、高周波回路や高周波部品で用いている伝送線路に適用して回路や部品の小形化が図れる。

実施の形態３．
図７は、この発明の実施の形態３に係る伝送線路の基本構成を示す回路図である。図において、図１と同一な部分には同一符号を付して示す。
この実施の形態３では、線路パターン３，４のそれぞれの中心を別の線路パターン５により接続した構成としている。
上記実施の形態２のように線路長が異なる２本の線路パターンで構成した伝送線路の場合、図５に示したように動作中心周波数では元の単一の伝送線路と等価な特性となるが、高域の周波数では特性が大きくずれてしまう。これは、図８（ａ）に示すように、２本の線路パターンで形成されるループにより高域においてループ共振が生じるためである。このループ発振周波数は線路パターンの長さに反比例する。そこで、この実施の形態２では、２本の線路パターン３，４のそれぞれの中心を第３の線路パターン５で接続して、図８（ｂ）に示すように２つのループを形成し、１つのループの長さを短縮している。これにより、ループ発振周波数はより高域にシフトするため、そのループ共振による特性のずれの影響が小さくなり、広帯域に渡り元の単一の伝送線路と等価な特性を得ることができる。

次に、入力端子１における反射特性と、入力端子１から出力端子２への通過特性の計算結果を図９に示す。
図９（ａ）に、特性インピーダンスを２５Ω、動作中心周波数２ＧＨｚにおける電気長を９０度とした元の単一の伝送線路ＴＬ１を示す。図９（ｂ）に、元の単一の伝送線路ＴＬ１に置き換えた実施の形態３の伝送線路の諸元を示す。すなわち、２本の線路パターンの一方ＴＬ３１（＝ＴＬ３１１＋ＴＬ３１２）の特性インピーダンスを５５Ω、動作中心周波数２ＧＨｚにおける電気長を６２度に、他方ＴＬ４１（＝ＴＬ４１１＋ＴＬ４１２）の特性インピーダンス５５Ω、動作中心周波数２ＧＨｚにおける電気長を１２６度にし、それぞれの中心部を接続した線路パターンＴＬ５の特性インピーダンス５５Ω、動作中心周波数２ＧＨｚにおける電気長を２度に設定している。これらの値によりシミュレーションすることにより、図９（ｃ）の反射特性、図９（ｄ）の通過振幅、図９（ｅ）の通過位相が得られた。元の単一の伝送線路ＴＬ１とほぼ同じ特性になっていることがわかる。したがって、広帯域に渡り元の単一な伝送線路と等価特性を持つ伝送線路を得ることができる。なお、上記計算例では接続する線路パターンＴＬ５の電気長が短い場合について示したが、長くてもよい。

この実施の形態３の伝送線路を実際に形成する場合は、例えば図１０に示すように、短い方の線路パターン３に合わせて長い方の線路パターン４をメアンダ状にし、両線路パターン３，４の中心に別の線路パターン５で接続した配置とする。このことで、広帯域に渡り元の単一な伝送線路と等価特性を持ち、単一の伝送線路よりも線路幅だけでなく長さ方向も短縮した小形な構成を得ることができる。

以上のように、この実施の形態３の伝送線路は、上記実施の形態２の構成に加え、２本の線路パターンのそれぞれの中心間を別の線路パターンで接続した構成としたので、広帯域に渡り元の単一な伝送線路と等価特性が得られる。

実施の形態４．
図１１は、この発明の実施の形態４によるブランチラインカプラの構成を示す回路図である。
図１１において、ブランチラインカプラは、入力端子６と通過端子７の間に伝送線路１２を接続し、結合端子８とアイソレーション端子９の間に伝送線路１３を接続し、入力端子６とアイソレーション端子９の間に伝送線路１０を接続し、通過端子７と結合端子８に伝送線路１１を接続した構成を持つ。通常のブランチラインカプラの場合、伝送線路１０，１１，１２，１３としては電気長９０度の単一の伝送線路が使用されているが、この実施の形態４の場合は、図に示すように、上記実施の形態３で説明した、電気長９０度とする伝送線路を使用している。そのため、通常のブランチラインカプラよりも小形にレイアウトできるという効果がある。

なお、ここでは伝送線路１０〜１３のすべてを２本の線路パターンからなる伝送線路で置き換えた場合について示しているが、２つの伝送線路（例えば１２，１３）のみを２本の線路パターンからなる伝送線路で置き換えた構成としてもよい。また、実施の形態３による２本の線路パターン間に別の線路パターンを装荷したものを適用した場合について示したが、実施の形態１または実施の形態２に示した伝送線路で構成してもよい。

実施の形態５．
図１２は、この発明の実施の形態４によるウィルキンソン分配回路の構成を示す回路図である。
図１２において、ウィルキンソン分配回路は、入力端子１４と２つの分配端子１５，１６間にそれぞれ電気長９０度の２つの伝送線路１７，１８を接続し、分配端子１５，１６間にアイソレーション抵抗１９を接続した構成を持つ。通常のウィルキンソン分配回路の場合、伝送線路１７，１８としては電気長９０度の単一の伝送線路が使用されているが、この実施の形態５の場合は、図に示すように、上記実施の形態３で説明した、電気長９０度とする伝送線路が使用している。そのため、通常のウィルキンソン分配回路よりも小形にレイアウトできるという効果がある。

また、図１３に示すような従来のウィルキンソン分配回路ではアイソレーション抵抗の接続のために新たな伝送線路を設けているが、この実施の形態５で使用する伝送線路の場合、レイアウトに自由度があるため、伝送線路端を接近させることでアイソレーション抵抗を接続することができ、より小形になる。
なお、図１２の構成では、実施の形態３による２本の線路パターン間に別の線路パターンを装荷したものを適用した場合について示したが、実施の形態１または実施の形態２に示した伝送線路で構成してもよい。

この発明の実施の形態１に係る伝送線路の基本構成を示す回路図である。単一の伝送線路を実施の形態１の伝送線路に置き換える方法について示す説明図である。この実施の形態１に係る伝送線路の反射特性と通過特性を示す説明図である。この実施の形態１による伝送線路の実際の配置構成の例を示す回路図である。この実施の形態２に係る伝送線路の反射特性と通過特性を示す説明図である。この実施の形態２による伝送線路の実際の配置構成の例を示す説明図である。この発明の実施の形態３に係る伝送線路の基本構成を示す回路図である。この実施の形態３に係る高域周波数の改善方法を示す説明図である。この実施の形態３に係る伝送線路の反射特性と通過特性を示す説明図である。この実施の形態３による伝送線路の実際の配置構成の例を示す回路図である。この発明の実施の形態４によるブランチラインカプラの構成を示す回路図である。この発明の実施の形態５によるウィルキンソン分配回路の構成を示す回路図である。従来のウィルキンソン分配回路の構成を示す回路図である。従来の伝送線路の等価回路図である。

符号の説明

１，６，１４入力端子、２出力端子、３，４，５，ＴＬ３，ＴＬ４，ＴＬ３１，ＴＬ４１線路パターン、８結合端子、９アイソレーション端子、１０〜１３，１７，１８伝送線路、１５，１６分配端子、１９アイソレーション抵抗。

Claims

４本の伝送線路で構成されるブランチラインカプラにおいて、前記４本の伝送線路の一部または全部を、少なくとも２本の線路パターンを並列に接続した伝送線路にし、前記伝送線路を構成する２本の線路パターンは、特性アドミタンスと電気長をそれぞれ同じ値とすると共に、メアンダ状に配置され、前記伝送線路を構成する２本の線路パターンのそれぞれの中心間を別の線路パターンで接続したことを特徴とするブランチラインカプラ。
４本の伝送線路で構成されるブランチラインカプラにおいて、前記４本の伝送線路の一部または全部を、少なくとも２本の線路パターンを並列に接続した伝送線路にし、前記伝送線路を構成する２本の線路パターンは、特性アドミタンスを同じ値とし、電気長を互いに異なる値とすると共に、少なくとも一方がメアンダ状に配置され、前記伝送線路を構成する２本の線路パターンのそれぞれの中心間を別の線路パターンで接続したことを特徴とするブランチラインカプラ。
２本の伝送線路とアイソレーション抵抗で構成されるウィルキンソン分配回路において、前記２本の伝送線路のそれぞれを、少なくとも２本の線路パターンを並列に接続した前記伝送線路にし、前記伝送線路を構成する２本の線路パターンは、特性アドミタンスと電気長をそれぞれ同じ値とすると共に、メアンダ状に配置され、前記伝送線路を構成する２本の線路パターンのそれぞれの中心間を別の線路パターンで接続したことを特徴とするウィルキンソン分配回路。
２本の伝送線路とアイソレーション抵抗で構成されるウィルキンソン分配回路において、前記２本の伝送線路のそれぞれを、少なくとも２本の線路パターンを並列に接続した前記伝送線路にし、前記伝送線路を構成する２本の線路パターンは、特性アドミタンスを同じ値とし、電気長を互いに異なる値とすると共に、少なくとも一方がメアンダ状に配置され、前記伝送線路を構成する２本の線路パターンのそれぞれの中心間を別の線路パターンで接続したことを特徴とするウィルキンソン分配回路。