JP5548653B2

JP5548653B2 - 平面非対称クロスオーバーカプラー

Info

Publication number: JP5548653B2
Application number: JP2011135592A
Authority: JP
Inventors: 仁財郭; 逸群邱; 麒宏 ▲せん▼
Original assignee: 國立交通大學
Priority date: 2010-06-17
Filing date: 2011-06-17
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2031-06-17
Also published as: TW201201444A; US20110309894A1; JP2012005128A; TWI433385B

Description

本発明は、カプラー（coupler）に関するものであり、特に、平面非対称クロスオーバーカプラー（planar asymmetric crossover coupler）に関するものである。

マイクロ波回路の急速な発展および高機能要求の趨勢に伴い、複数の機能が１つの回路の中に統合されるようになり、高密度なプリント回路基板に対する需要がますます増えてきたが、これらのプリント回路基板の大部分は、軽薄短小化および多機能化へ進む未来の電気製品の趨勢に合致しない。その理由は、大部分の電気製品のプリント回路基板が、パワーディバイダ、カプラー、フィルタ、スタブチューナ等の多くのマイクロ波回路を必要とするためである。

米国特許第５，６００，２８５号明細書米国特許第５，２７４，８３９号明細書

マイクロ波回路および無線周波数集積回路において、分岐カプラーは非常に重要な構成要素であり、パワーディバイダおよびパワーコンバイナとして使用される。米国特許第５，６００，２８５号（特許文献１）は、立体構造を有するクロスオーバーカプラーを開示しているが、このクロスオーバーカプラーは立体構造のため、平面回路への使用には適しておらず、製造コストもかなり高い。また、米国特許第５，２７４，８３９号（特許文献２）は、対称クロスオーバーカプラーを開示しており、この対称クロスオーバーカプラーは、平面回路に適用可能であるが、クロスオーバーカプラーの対称性は、回路設計における柔軟性を大幅に減らすため、異なる対角インピーダンス(diagonal impedance)を有するクロスオーバー接続の設計を困難にする。

したがって、本発明は、単純構造で、設計が容易なことから、平面回路での使用に適し、且つ製造コストを減らすことのできる非対称クロスオーバーカプラーを提供する。

本発明は、第１分岐〜第７分岐を有する平面非対称クロスオーバーカプラーを提供する。第１分岐〜第４分岐は、第１ポートと第４ポートを有する第１領域を形成する。第４分岐〜第７分岐は、第２ポートと第３ポートを有する第２領域を形成する。各分岐の特性インピーダンスは、各ポートの負荷インピーダンスおよび電力分配比に基づいて決定される。

本発明の１つの実施形態において、各分岐の長さは、平面非対称クロスオーバーカプラーの中心周波数の波長の４分の１である。

本発明の１つの実施形態において、第１ポートは、第１分岐と第３分岐の接続点に配置され、第２ポートは、第５分岐と第６分岐の接続点に配置され、第３ポートは、第５分岐と第７分岐の接続点に配置され、第４ポートは、第２分岐と第３分岐の接続点に配置される。

本発明の１つの実施形態において、第１ポートの負荷インピーダンスは、第３ポートの負荷インピーダンスに等しく、第２ポートの負荷インピーダンスは、第４ポートの負荷インピーダンスに等しい。第１ポートの負荷インピーダンスは、第２ポートの負荷インピーダンスと異なってもよい。

本発明の１つの実施形態において、第１ポートが入力ポートである場合、第２および第４ポートは隔離ポートであり、第３ポートは出力ポートである。第４ポートが入力ポートである場合、第１および第３ポートは隔離ポートであり、第２ポートは出力ポートである。

以上のように、本発明の実施形態は、平面非対称クロスオーバーカプラーの各分岐の特性インピーダンスを調整することによって、平面非対称クロスオーバーカプラーの負荷インポーダンスおよび出力電力を調整し、マイクロ波回路の要求を満たすことができる。そのため、クロスオーバーカプラーは、高い設計柔軟性を持つことができる。

本発明の上記及び他の目的、特徴、および利点をより分かり易くするため、図面と併せた幾つかの実施形態を以下に説明する。

本発明の実施形態に係る平面非対称クロスオーバーカプラーを示す図である。本発明の実施形態に係る直列接続の非対称分岐カプラーを示す図である。図２の分岐カプラーの特性インピーダンス間の関係を示した曲線図である。図２の分岐カプラーの特性インピーダンス間の関係を示した曲線図である。本発明の実施形態に係る平面非対称クロスオーバーカプラーの周波数応答を示す図である。本発明の別の実施形態に係る平面非対称クロスオーバーカプラーの周波数応答を示す図である。

図１は、本発明の実施形態に係る平面非対称クロスオーバーカプラーを示す図である。図１を参照すると、平面非対称クロスオーバーカプラー１００は、分岐１０１〜１０７を含む４ポート素子である。分岐１０１〜１０７は、それぞれ特性インピーダンスＺ₁〜Ｚ₇を有する。分岐１０１、１０２、１０３および１０４は、第１領域を形成し、分岐１０４、１０５、１０６および１０７は、第２領域を形成する。本実施形態において、第１領域および第２領域は、矩形領域である。しかしながら、これは、単に例示を目的とするものであって、本発明の範囲を限定するものではない。平面非対称クロスオーバーカプラー１００の第１ポートＰ１は、分岐１０１と分岐１０３の接続点に配置され、第２ポートＰ２は、分岐１０５と分岐１０６の接続点に配置され、第３ポートＰ３は、分岐１０５と分岐１０７の接続点に配置され、第４ポートＰ４は、分岐１０２と分岐１０３の接続点に配置される。第１ポートＰ１〜第４ポートＰ４の負荷インピーダンスは、それぞれＺ₀₁〜Ｚ₀₄である。各分岐の長さは、λ／４であり、λは、平面非対称クロスオーバーカプラー１００の中心周波数の波長である。

平面非対称クロスオーバーカプラー１００の各分岐の特性インピーダンスを適切に調整することによって、第１ポートＰ１〜第４ポートＰ４の負荷インピーダンスＺ₀₁〜Ｚ₀₄を接続される各回路に合わせることができるため、平面非対称クロスオーバーカプラー１００の各ポートの電力出力をマイクロ波回路の要求に適合させることができる。平面非対称クロスオーバーカプラー１００の各分岐のインピーダンスの調整は、各分岐の幅を調整することによって達成することができる。以下に、各ポートの負荷インピーダンスおよび電力分配比(power distribution ratio)に基づく各分岐のインピーダンスの調整について、例を挙げて説明する。

図２は、本発明の実施形態に係る直列接続の非対称分岐カプラーを示す図である。図１および図２を参照すると、図１の平面非対称クロスオーバーカプラー１００は、直列に接続された図２の２つの非対称分岐カプラー２００Ａおよび２００Ｂとみなすことができる。非対称分岐カプラー２００Ａは、分岐１０１、１０２、１０３、１０４Ａを含む。非対称分岐カプラー２００Ｂは、分岐１０５、１０６、１０７、１０４Ｂを含む。分岐１０４Ａおよび分岐１０４Ｂの特性インピーダンスは、それぞれＺ_aおよびＺ_bである。非対称分岐カプラー２００Ａは、第１ポートＰ１Ａ〜第４ポートＰ４Ａを有する。非対称分岐カプラー２００Ｂは、第１ポートＰ１Ｂ〜第４ポートＰ４Ｂを有する。

非対称分岐カプラー２００Ａの第１ポートＰ１Ａは、分岐１０１と分岐１０３の接続点に配置され、第２ポートＰ２Ａは、分岐１０１と分岐１０４Ａの接続点に配置され、第３ポートＰ３Ａは、分岐１０４Ａと分岐１０２の接続点に配置され、第４ポートＰ４Ａは、分岐１０２と分岐１０３の接続点に配置される。非対称分岐カプラー２００Ｂの第１ポートＰ１Ｂは、分岐１０６と分岐１０４Ｂの接続点に配置され、第２ポートＰ２Ｂは、分岐１０５と分岐１０６の接続点に配置され、第３ポートＰ３Ｂは、分岐１０５と分岐１０７の接続点に配置され、第４ポートＰ４Ｂは、分岐１０４Ｂと分岐１０７の接続点に配置される。非対称分岐カプラー２００Ａの第１ポートＰ１Ａおよび第４ポートＰ４Ａは、それぞれ平面非対称クロスオーバーカプラー１００の第１ポートＰ１および第４ポートＰ４に類似する。非対称分岐カプラー２００Ｂの第２ポートＰ２Ｂおよび第３ポートＰ３Ｂは、それぞれ平面非対称クロスオーバーカプラー１００の第２ポートＰ２および第３ポートＰ３に類似する。第２ポートＰ２Ａおよび第１ポートＰ１Ｂのインピーダンスを互いに一致させるために、第２ポートＰ２Ａおよび第１ポートＰ１Ｂの両方の負荷インピーダンスをＺ_i1に設定する。同様にして、第３ポートＰ３Ａおよび第４ポートＰ４Ｂの負荷インピーダンスをＺ_i2に設定する。

本実施形態において、各分岐の長さをλ／４と仮定した場合、平面非対称クロスオーバーカプラー１００の２つの対角線上のポートの負荷インピーダンスは、それぞれＺ₀₁およびＺ₀₃である。つまり、第１ポートＰ１の負荷インピーダンスＺ₀₁は、第３ポートＰ３の負荷インピーダンスＺ₀₃に等しく、第２ポートＰ２の負荷インピーダンスＺ₀₂は、第４ポートＰ４の負荷インピーダンスＺ₀₄に等しい。また、非対称分岐カプラー２００Ａの散乱係数(scattering coefficients)Ｓ_21A、Ｓ_31Aは、それぞれ−ｊα_A、β_Aであり、非対称分岐カプラーの散乱係数Ｓ_21B、Ｓ_31Bは、それぞれ−ｊα_B、β_Bであり、α_A ²+β_A ²＝１およびα_B ²+β_B ²＝１である。

平面非対称クロスオーバーカプラー１００の入力ポートを第１ポートＰ１と仮定した場合、マイクロ波回路の設計規格は、平面非対称クロスオーバーカプラー１００の第１ポートＰ１と第２ポートＰ２の間が隔離（isolation）されていることを要求する。つまり、第２ポートＰ２は隔離ポートであり、入力信号Ｓ１の電力は第３ポートＰ３に分配される。散乱係数Ｓ₂₁、Ｓ₃₁は下記の式で表される。

代数処理により、α_A＝β_Bおよびα_B＝β_Aが得られる。また、各分岐の特性インピーダンスは、下記の式から得ることができる。

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

式中、sinΘ＝α_A、cosΘ＝β_Aであり、Ｚ₀₁〜Ｚ₀₄は、既知の第１ポートＰ１〜第４ポートＰ４の負荷インピーダンスである。そのため、Ｚ_i1およびＺ_i2が与えられれば、パラメーターΘと特性インピーダンスの間の関係を示す図を得ることができる。パラメーターΘは、電力分配を表す変数である。例えば、図３Ａおよび図３Ｂは、図２の分岐カプラーのパラメーターΘと特性インピーダンスの関係を示す曲線図である。図３Ａおよび図３Ｂに示した実施形態において、負荷インピーダンスＺ_o1＝５０Ω、負荷インピーダンスＺ_o2＝２５Ωであり、第２ポートＰ２Ａの負荷インピーダンスＺ_i1および第３ポートＰ３Ａの負荷インピーダンスＺ_i2の両方は、Ｚ_iに等しい。図３Ａおよび図３Ｂの実施形態は、３つの異なる負荷インピーダンスＺ_i、すなわち、それぞれ２５Ω、５０Ωおよび１００Ωを設定し、それぞれの負荷インピーダンスは、グループの異なるＺ₁、Ｚ₂、Ｚ₃、Ｚ₅、Ｚ₆、Ｚ₇、Ｚ_aおよびＺ_bの特性インピーダンスに対応する。また、図１の分岐１０４は、並列に接続された図２の分岐１０４Ａおよび分岐１０４Ｂとみなすことができる。そのため、分岐１０４の特性インピーダンスＺ₄は、Ｚ₄＝Ｚ_a//Ｚ_bと表すことができる。したがって、図１の各分岐の特性インピーダンスは、図２の実施形態を参照して得ることができる。

例えば、非対称分岐カプラー２００Ａにおいて、非対称分岐カプラー２００Ａの散乱係数Ｓ_21A、Ｓ_31Aは、それぞれ−ｊα_A、β_Aである。そのため、第１ポートＰ１Ａから第２ポートＰ２Ａおよび第１ポートＰ１Ａから第３ポートＰ３Ａまでの電力分配比は、α_A ²／β_A ²である。また、sinΘ＝α_A、cosΘ＝β_Aであるため、第２ポートＰ２Ａおよび第３ポートＰ３Ａに分配される電力比に基づいてパラメーターΘを決定すれば、非対称分岐カプラー２００Ａの各分岐の特性インピーダンスを得ることができる。例えば、非対称分岐カプラー２００Ａの第２ポートＰ２Ａの負荷インピーダンスＺ_i1および第３ポートＰ３Ａの負荷インピーダンスＺ_i2の両方が５０Ωであると仮定した場合、第２ポートＰ２Ａおよび第３ポートＰ３Ａに分配される電力の電力分配比は、それぞれ２５％および７５％であり、パラメーター（位相）Θは、Θ＝３０°に設定される。そのため、パラメーターΘと特性インピーダンスの間の関係を示した図３Ａの図を参照することによって、分岐１０１、１０３、１０２、１０４Ａの特性インピーダンスとしてそれぞれ２６Ω、２８Ω、２０Ωおよび１２Ωを得ることができる。

注意すべきこととして、本実施形態で例示するＺ_i値は、単に例示を目的とするものあって、本発明の範囲を限定するものではない。負荷インピーダンスＺ_i1およびＺ_i2は、他の値であってもよい。つまり、実際の要求に応じて、ユーザーが負荷インピーダンスＺ_i1およびＺ_i2をそれぞれ設定してもよい。また、例示した実施形態において、平面非対称クロスオーバーカプラー１００の第１ポートＰ１を入力ポートとして説明しているが、本発明はこれに限定されない。平面非対称クロスオーバーカプラー１００のいずれのポートも、入力信号Ｓ１の入力ポートとして使用することができる。例えば、第４ポートＰ４を平面非対称クロスオーバーカプラー１００の入力ポートとして使用してもよい。いくつかの実施形態において、平面非対称クロスオーバーカプラーは、同時に２つの入力ポートを有してもよい。例えば、平面非対称クロスオーバーカプラー１００の第１ポートＰ１と第４ポートＰ４の両方を入力ポートとして使用して、異なる信号を受信し、それぞれ第３ポートＰ３および第２ポートＰ２に伝送してもよい。異なる入力ポート形態を有する実施形態においても、非対称分岐カプラー２００Ａの各分岐の特性インピーダンスは、図２の実施形態で説明した方法と同じ方法で計算することができるため、ここでは説明を省略する。

同様にして、第２ポートＰ２Ｂおよび第３ポートＰ３Ｂに分配される電力の電力分配比、および非対称分岐カプラー２００Ｂの各ポートの負荷インピーダンスに基づいて、非対称分岐カプラー２００Ｂの分岐１０５、１０６、１０７および１０４Ｂの特性インピーダンスを得ることができる。非対称分岐カプラー２００Ｂの各分岐の特性インピーダンスの計算は、非対称分岐カプラー２００Ａの各分岐の特性インピーダンスの計算と同じであるため、ここでは説明を省略する。このように、図２の非対称分岐カプラー２００Ａおよび非対称分岐カプラー２００Ｂの各出力ポートの電力分配比を設定することによって、図１の平面非対称クロスオーバーカプラー１００の各出力ポートの電力分配比を自由に調整することができる。

以上のように、本発明の実施形態は、平面非対称クロスオーバーカプラーの各分岐の特性インピーダンスを調整することによって、平面非対称クロスオーバーカプラーの負荷インピーダンスおよび出力電力を調整し、マイクロ波回路の要求を満たすことができる。そのため、クロスオーバーカプラーは、高い設計柔軟性を有することができ、その単純構造によって、単層または多層平面回路での使用に適するだけでなく、製造コストも減らすことができる。

上記の本発明の好適実施形態の説明は、例示及び説明のためになされたものである。開示した形式そのものや実施形態が全てではなく、また、これらにより発明が限定されるものではない。したがって、上記の説明は、限定的なものではなく、例示的なものであるとみなすべきである。数多くの変更及び変形が、当業者にとって容易であることは、明らかである。実施形態は、本発明の原理や本発明のベストモードの実用を最も良く説明するために、選択され説明され、これにより当業者が、考えられる特定の用途又は実装に適した様々な実施形態について、様々な変更とともに、本発明を理解することが可能になる。本発明の範囲は、特許請求の範囲及びこれと均等の範囲によって規定されるものであり、特許請求の範囲で用いる全ての用語は、特に断りのない限り、最も広く合理的に解釈されるものである。したがって、「本発明」等の用語は、必ずしも請求項を特定の実施形態に限定するものではなく、本発明の特定の実施形態への参照は、本発明の限定を意味するものではなく、またこのような限定を、推定してはならない。本発明は、請求項の範囲によってのみ限定される。当該開示事項の要約は、要約を要求する法律に従って、検索者が、本開示事項に基づき発行される任意の特許の技術的開示事項の主題を素早く確認し得るようにするために、提供するものである。要約は、請求項の範囲又は意味を解釈又は限定するために用いられるものではないという理解のもとに、提出するものである。上述した利点及び利益は、本発明の全ての実施形態には該当しない可能性がある。当業者が、特許請求の範囲に規定される本発明の範囲から逸脱することなく、上記の実施形態において変形をなし得ることは、明らかである。さらに、当該開示事項の要素及びコンポーネントは、特許請求の範囲に明記されているか否かに関わらず、一般公衆に開放されるものではない。

１００平面非対称クロスオーバーカプラー
１０１〜１０７分岐
２００Ａ、２００Ｂ非対称分岐カプラー
Ｐ１〜Ｐ４、Ｐ１Ａ〜Ｐ４Ａ、Ｐ１Ｂ〜Ｐ４Ｂ第１ポート〜第４ポート
Ｚ₀₁〜Ｚ₀₄、Ｚ_i、Ｚ_i1、Ｚ_i2 負荷インピーダンス
Θ 電力分配比のパラメーター
Ｚ₁〜Ｚ₇、Ｚ_a、Ｚ_b 特性インピーダンス
Ｓ₁₁、Ｓ₂₁、Ｓ₃₁、Ｓ₄₁、Ｓ₁₄、Ｓ₂₄、Ｓ₃₄、Ｓ₄₄ 散乱係数

Claims

第１分岐〜第７分岐を有し、
前記第１分岐〜前記第４分岐が、第１ポートと第４ポートを有する第１領域を形成し、
前記第４分岐〜前記第７分岐が、第２ポートと第３ポートを有する第２領域を形成し、
前記各分岐の特性インピーダンスが、前記各ポートの負荷インピーダンスおよび電力分配比に基づいて決定され、
前記第１ポートが、前記第１分岐と前記第３分岐の接続点に配置され、
前記第２ポートが、前記第５分岐と前記第６分岐の接続点に配置され、
前記第３ポートが、前記第５分岐と前記第７分岐の接続点に配置され、
前記第４ポートが、前記第２分岐と前記第３分岐の接続点に配置され、
信号が前記第１ポートと前記第３ポートとの間を伝送される場合、前記第２ポート及び前記第４ポートが隔離ポートであり、
信号が前記第２ポートと前記第４ポートとの間を伝送される場合、前記第１ポート及び前記第３ポートが隔離ポートであり、
前記第１ポートの前記負荷インピーダンスが５０Ωであり、前記第３ポートの前記負荷インピーダンスに等しく、
前記第２ポートの前記負荷インピーダンスが７５Ωであり、前記第４ポートの前記負荷インピーダンスに等しい、平面非対称クロスオーバーカプラー。
前記各分岐の長さが、前記平面非対称クロスオーバーカプラーの中心周波数の波長の４分の１である請求項１記載の平面非対称クロスオーバーカプラー。
前記第１ポートが入力ポートである場合、前記第３ポートが出力ポートであり、前記第２ポートおよび前記第４ポートが隔離ポートであり、
前記第１ポートが出力ポートである場合、前記第３ポートが入力ポートであり、前記第２ポートおよび前記第４ポートが隔離ポートであり、
前記第２ポートが入力ポートである場合、前記第４ポートが出力ポートであり、前記第１ポートおよび前記第３ポートが隔離ポートであり、
前記第２ポートが出力ポートである場合、前記第４ポートが入力ポートであり、前記第１ポートおよび前記第３ポートが隔離ポートである、請求項１記載の平面非対称クロスオーバーカプラー。