(57)【要約】【課題】  直列接続内において固定された波長位置決め（fixed wavelength positioning）を必要とせず、小型形状において実施可能な分配／結合装置及び方法を提供すること。【解決手段】  右手系／左手系複合（CRLH）メタ物質線路において観察される無限波長現象を用いたトンネルダイオード発振器のための電力結合方法及び装置。ある実施例においては、各発振器の出力ポートは直接的に線路に接続され、かつ、同相で結合され、電力を位相において等しく結合するためのゼロ度線路から構成される直列結合器を利用している。第２の実施例においては、ゼロ度伝送線路のあるセクションが、波の振幅と位相が線路に沿って一定であるという条件下において、共振器に疎結合された発振器と共に、定常波長共振器を実行する。【選択図】  図１
2009538051.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゼロ度右手系／左手系複合（ＣＲＬＨ）伝送線路（ＴＬ）と、
入出力のための複数のポートを有する前記伝送線路と、
対応する装置からの出力信号を受信するために構成された入力のための前記ポートと、からなる装置であって、
前記装置は、入力のための複数の入力ポートと出力のための１つのポートとを伴って形成される結合器を構成するか、又は、入力のための１つのポートと出力のための複数のポートとを伴って形成される分配器を構成し、
前記結合器への入力のための前記ポートにおいて受信される１つの入力信号は、出力のための前記ポート上に出力信号を発生させるために、前記伝送線路によって同相で結合され、
前記分配器へ前記入力ポートにおいて受信される１つの入力信号は、出力のための各前記ポートにおいて出力信号を発生させるために、前記伝送線路によって、等しく及び同相で分配される、ことを特徴とする装置。
【請求項２】
ゼロ度右手系／左手系複合（ＣＲＬＨ）伝送線路（ＴＬ）と、
１つの出力ポートを有する前記伝送線路と、
複数の入力ポートを有する前記伝送線路と、
対応する入力装置からの出力信号を受信するために構成された各前記入力ポートと、からなる電力結合器であって、
前記入力ポートにおいて受信された入力信号は、前記出力ポートにおける出力信号を発生させるための前記伝送線路によって同相で結合される、ことを特徴とする電力結合器。
【請求項３】
前記信号が、発振器、トンネルダイオード発振器、アンテナ、信号増幅器、ＦＥＴ装置、及び集積回路から構成されるＲＦ装置の群から選択された装置から受信される、ことを特徴とする請求項２に記載の電力結合器。
【請求項４】
前記伝送線路が、無限長波長に相当する電気的長さを有する、ことを特徴とする請求項２に記載の電力結合器。
【請求項５】
前記ＣＲＬＨ伝送線路が、集中キャパシタンス及びインダクタンスから構成される、ことを特徴とする請求項２に記載の電力結合器。
【請求項６】
前記ＣＲＬＨ伝送線路が、プリントマイクロストリップ素子で構成される、ことを特徴とする請求項２に記載の電力結合器。
【請求項７】
前記ＣＲＬＨ伝送線路が、マイクロストリップ、ストリップ線路、ＣＰＷ、又はＬＴＣＣ技術で構成される、ことを特徴とする請求項２に記載の電力結合器。
【請求項８】
前記出力ポートが、５０オームにインピーダンス整合されている、ことを特徴とする請求項２に記載の電力結合器。
【請求項９】
各前記入力ポートが、対応する発振器にインピーダンス整合されている、ことを特徴とする請求項２に記載の電力結合器。
【請求項１０】
各前記入力ポートに結合するインピーダンス整合変成器をさらに含み、
各前記変成器は、関連する発振器の出力周波数に対応する４分の１波長の長さを有して構成される、ことを特徴とする請求項２に記載の電力結合器。
【請求項１１】
前記伝送線路がメタ物質で構成される、ことを特徴とする請求項２に記載の電力結合器。
【請求項１２】
ゼロ次共振器として構成される右手系／左手系複合（ＣＲＬＨ）伝送線路（ＴＬ）と、
開放回路された（open circuited）第１の端部を有する前記伝送線路と、
第２の端部において疎結合された出力ポートを有する前記伝送線路と、
複数の疎結合された入力ポートを有する前記伝送線路と、
対応する装置からの出力信号を受信するために構成された各前記入力ポートと、からなる電力結合器であって、
前記入力ポートにおいて受信される入力信号は、前記出力ポートにおいて出力信号を発生させるために、前記伝送線路によって同相で結合されている、ことを特徴とする電力結合器。
【請求項１３】
前記信号が、発振器、トンネルダイオード発振器、アンテナ、信号増幅器、ＦＥＴ装置、及び集積回路から構成されるＲＦ装置の群から選択された装置から受信される、ことを特徴とする請求項１２に記載の電力結合器。
【請求項１４】
前記伝送線路が、無限長波長に相当する電気的長さを有する、ことを特徴とする請求項１２に記載の電力結合器。
【請求項１５】
前記ＣＲＬＨ伝送線路が、集中キャパシタンス及びインダクタンスを用いて構築される、ことを特徴とする請求項１２に記載の電力結合器。
【請求項１６】
前記ＣＲＬＨ伝送線路が、プリントマイクロストリップ素子で構成される、ことを特徴とする請求項１２に記載の電力結合器。
【請求項１７】
前記ＣＲＬＨ伝送線路が、マイクロストリップ、ストリップ線路、ＣＰＷ、又はＬＴＣＣ技術で構成される、ことを特徴とする請求項１２に記載の電力結合器。
【請求項１８】
前記出力ポートが、５０オームにインピーダンス整合されている、ことを特徴とする請求項１２に記載の電力結合器。
【請求項１９】
各前記入力ポートが、対応する発振器にピーダンス整合されている、ことを特徴とする請求項１２に記載の電力結合器。
【請求項２０】
各前記入力ポートに結合するインピーダンス整合変成器をさらに含み、
各前記変成器は、関連する発振器の出力周波数に対応する４分の１波長の長さを有して構成される、ことを特徴とする請求項１２に記載の電力結合器。
【請求項２１】
前記伝送線路がメタ物質で構成される、ことを特徴とする請求項１２に記載の電力結合器。
【請求項２２】
右手系／左手系複合（ＣＲＬＨ）伝送線路（ＴＬ）と、
１つの入力ポートを有する前記伝送線路と、
複数の出力ポートを有する前記伝送線路と、
装置に対応するよう信号を出力するように構成された各前記出力ポートと、からなる電力分配器であって、
前記入力ポートにおいて受信された入力信号は、各前記出力ポートにおいて出力信号を発生させるために、前記伝送線路によって等しく、かつ、同相で分配される、ことを特徴とする電力分配器。
【請求項２３】
前記入力信号が、発振器、トンネルダイオード発振器、アンテナ、信号増幅器、ＦＥＴ装置、及び集積回路から構成されるＲＦ装置の群から選択された装置から受信される、ことを特徴とする請求項２２に記載の電力分配器。
【請求項２４】
前記出力信号が、アンテナアレイ、クロック同期回路、及び電波受信機回路から構成されるＲＦ装置群から選択された装置と結合されている、ことを特徴とする請求項２２に記載の電力分配器。
【請求項２５】
前記伝送線路が、無限長波長に相当する電気的長さを有する、ことを特徴とする請求項２２に記載の電力分配器。
【請求項２６】
前記ＣＲＬＨ伝送線路が、集中キャパシタンス及びインダクタンスから構成される、ことを特徴とする請求項２２に記載の電力分配器。
【請求項２７】
前記ＣＲＬＨ伝送線路が、プリントマイクロストリップ素子で構成される、ことを特徴とする請求項２２に記載の電力分配器。
【請求項２８】
前記ＣＲＬＨ伝送線路が、マイクロストリップ、ストリップ線路、ＣＰＷ、又はＬＴＣＣ技術で構成される、ことを特徴とする請求項２２に記載の電力分配器。
【請求項２９】
前記入力ポートが、５０オームにインピーダンス整合されている、ことを特徴とする請求項２２に記載の電力分配器。
【請求項３０】
各前記出力ポートが、対応する出力装置にピーダンス整合されている、ことを特徴とする請求項２２に記載の電力分配器。
【請求項３１】
各前記出力ポートに結合するインピーダンス整合変成器をさらに含み、
各前記変成器は、関連する装置の出力周波数に対応する４分の１波長の長さを有して構成される、ことを特徴とする請求項２２に記載の電力分配器。
【請求項３２】
前記伝送線路がメタ物質で構成される、ことを特徴とする請求項２２に記載の電力分配器。
【請求項３３】
ゼロ次共振器として構成される右手系／左手系複合（ＣＲＬＨ）伝送線路（ＴＬ）と、
開放回路された（open circuited）第１の端部を有する前記伝送線路と、
第２の端部において疎結合された入力ポートを有する前記伝送線路と、
複数の疎結合された出力ポートを有する前記伝送線路と、
装置からの出力信号を受信するために構成された前記入力ポートと、からなる電力分配器であって、
前記入力ポートにおいて受信される入力信号は、前記出力ポートにおいて出力信号を発生させるために、前記伝送線路によって等しく、かつ、同相で分配される、ことを特徴とする電力分配器。
【請求項３４】
前記信号が、発振器、トンネルダイオード発振器、アンテナ、信号増幅器、ＦＥＴ装置、及び集積回路から構成されるＲＦ装置の群から選択された装置から受信される、ことを特徴とする請求項３３に記載の電力分配器。
【請求項３５】
前記出力信号が、アンテナアレイ、クロック同期回路及び電波受信機回路から構成されるＲＦ装置群から選択された装置と結合されている、ことを特徴とする請求項３３に記載の電力分配器。
【請求項３６】
前記伝送線路が、無限長波長に相当する電気的長さを有する、ことを特徴とする請求項３３に記載の電力分配器。
【請求項３７】
前記ＣＲＬＨ伝送線路が、集中キャパシタンス及びインダクタンスを用いて構築される、ことを特徴とする請求項３３に記載の電力分配器。
【請求項３８】
前記ＣＲＬＨ伝送線路が、プリントマイクロストリップ素子で構成される、ことを特徴とする請求項３３に記載の電力分配器。
【請求項３９】
前記ＣＲＬＨ伝送線路が、マイクロストリップ、ストリップ線路、ＣＰＷ、又はＬＴＣＣ技術で構成される、ことを特徴とする請求項３３に記載の電力分配器。
【請求項４０】
前記入力ポートが、５０オームにインピーダンス整合されている、ことを特徴とする請求項３３に記載の電力分配器。
【請求項４１】
各前記出力ポートが、対応する装置にインピーダンス整合されている、ことを特徴とする請求項３３に記載の電力分配器。
【請求項４２】
各前記出力ポートに結合するインピーダンス整合変成器をさらに含み、
各前記変成器は、関連する装置の出力周波数に対応する４分の１波長の長さを有して構成される、ことを特徴とする請求項３３に記載の電力分配器。
【請求項４３】
前記伝送線路がメタ物質で構成される、ことを特徴とする請求項３３に記載の電力分配器。
【請求項４４】
定常波共振器として構成されたゼロ度右手系／左手系複合（ＣＲＬＨ）伝送線路（ＴＬ）と、
対応する出力信号に結合するための複数の出力ポートとからなる電力分配器であって、
前記ＴＬの前記出力ポート接続は、スイッチにより制御され、
前記入力信号は、接続された出力ポート間で等しく、かつ、同相で分配される、ことを特徴とする電力分配器。
【請求項４５】
前記信号が、発振器、トンネルダイオード発振器、アンテナ、信号増幅器、ＦＥＴ装置、及び集積回路から構成されるＲＦ装置の群から選択された装置から受信される、ことを特徴とする請求項４４に記載の電力分配器。
【請求項４６】
前記出力信号が、アンテナアレイ、クロック同期回路、及びラジオ受信機回路から構成されるＲＦ装置群から選択された装置と結合されている、ことを特徴とする請求項４４に記載の電力分配器。
【請求項４７】
前記伝送線路が、無限長波長に相当する電気的長さを有する、ことを特徴とする請求項４４に記載の電力分配器。
【請求項４８】
前記ＣＲＬＨ伝送線路が、集中キャパシタンス及びインダクタンスを用いて構築される、ことを特徴とする請求項４４に記載の電力分配器。
【請求項４９】
前記ＣＲＬＨ伝送線路が、プリントマイクロストリップ素子をもって構成される、ことを特徴とする請求項４４に記載の電力分配器。
【請求項５０】
前記ＣＲＬＨ伝送線路が、マイクロストリップ、ストリップ線路、ＣＰＷ、又はＬＴＣＣ技術で構成される、ことを特徴とする請求項４４に記載の電力分配器。
【請求項５１】
前記入力ポートが、５０オームにインピーダンス整合されている、ことを特徴とする請求項４４に記載の電力分配器。
【請求項５２】
各前記出力ポートが、関連する装置にインピーダンス整合されている、ことを特徴とする請求項４４に記載の電力分配器。
【請求項５３】
各前記出力ポートに結合するインピーダンス整合変成器をさらに含み、
各前記変成器は、関連する出力装置の出力周波数に対応する４分の１波長の長さを有して構成される、ことを特徴とする請求項４４に記載の電力分配器。
【請求項５４】
前記伝送線路が、メタ物質から構成される、ことを特徴とする請求項４４に記載の電力分配器。
【請求項５５】
前記スイッチがダイオードである、ことを特徴とする請求項４４に記載の電力分配器。
【請求項５６】
前記スイッチが微小電気機械システム装置（ＭＥＭｓ）である、ことを特徴とする請求項４４に記載の電力分配器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には、電力分配及び結合技術に係り、特に、無限波長周波数におけるメタ物質伝送線路を用いた電力結合トンネルダイオード発振器に関する。
【０００２】
［関連出願の相互参照］
本出願は、２００６年の５月１８日に出願された米国仮出願番号６０／８０２，０８９（参照により、その開示全体が本出願に取り込まれるべき）に基づく優先権主張を伴う、２００７年５月３日に出願された米国出願番号１１／７４４，１６０（参照により、その開示全体が本出願に取り込まれるべき）に基づく優先権を主張するものである。
【０００３】
［連邦政府による資金提供を受けた研究又は開発に関する記述（statement）］
本発明は、海軍研究局によって授与された契約／認可（grant）番号Ｎ０００１４−０１−１−０８０３による、政府の援助の下になされた。政府は、本発明に関して、ある権利を有する。
【０００４】
［コンパクトディスクにより提出された内容の参照による本出願への取り込み］
不適用
【０００５】
［著作権保護の支配下にある内容に関する注意］
本特許書類中の内容の一部は、米国又はその他の国の著作権法下における著作権保護の支配下にある。著作権の所有者は、米国特許商標庁において公的に入手可能なファイルや記録において現れるように、本特許書類や特許の開示が誰によって複製されようとも異議は有しないが、上記に該当しない場合には、すべての著作権を留保する。著作権の所有者は、米国特許法施行規則１．１４条に従ってその権利の制限がされない場合も含め、本特許書面の秘密保持に関する如何なる権利も放棄しない。
【背景技術】
【０００６】
電力結合器は、単一の出力装置を利用して得られるよりも、より大きな出力電力を伝達するために用いられる。直列結合器は、同相の信号を結合するというその能力により、電力増幅器、アンテナ、発振器、及びそれと同様なものを結合するために広く用いられている。同相で信号を結合するためには、λやλ／２のような特定の波長部分において、各ポート間に間隔を設けることを必要とする。電力分配器は、逆演算（inverse operation）を行い、１つの入力ポートから複数の出力ポートへと電力を伝達する。直列電力分配器は、並列電力分配器よりも単純で小型である。直列分配器の利点は、出力ポートが増加し、給電ネットワーク（feed network）のための物理的領域が制限される程に増加する。直列分配器は、すべての出力ポートに対して、電力を等しく、同相で伝送する。直列分配器は、アンテナアレイへ給電、クロック同期のために、電波受信機回路の内部において、と言った、多くの応用例において用いられている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そのため、直列接続内において固定された波長位置決め（fixed wavelength positioning）を必要とせず、小型形状において実施可能な分配／結合装置及び方法のための必要性が存在する。本発明はその必要性を満たし、かつ、これまで開発されてきた結合器及び分配器の欠点を克服するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
［発明の簡潔な説明］
右手系／左手系複合（CRLH）メタ物質線路において観察される無限波長現象を用いたトンネルダイオード発振器のような装置のための、電力分配／結合装置、回路及び方法について説明する。この周波数において、伝送線路の電気的長さは、無限長波長に対応してゼロ度である。
【０００９】
Ｎポート電力分配／結合器は、メタ物質伝送線路の無限波長の特性を利用して実施される。その構造は、周波数に応じて、純粋な右手系（ＲＨ）（位相遅れ）又は純粋な左手系（ＬＨ）（位相進み）伝送線路（ＴＬ）のどちらの伝播特性をも有する右手系／左手系複合（ＣＲＬＨ）伝送線路を基礎とするものである。右手系（ＲＨ）と左手系（ＬＨ）領域の間の遷移周波数は、伝播定数が０に等しい（β＝０）点である。従って、この遷移周波数においては、無限波長が存在することができ、その周波数においては、共振回路として用いられる線路が定常波をサポートし、線路に沿って伝播する波の位相と振幅の両方は、位置と独立である。
【００１０】
直列結合器は、各発振器出力ポートに直結されて、発振器信号が同相に結合された、ゼロ度線路を使用して、説明される。本回路は、ＣＲＬＨ伝送線路に沿ったポートの位置と数とに関係なく、同相で電力入力を等しく結合することができ、かつ、モードフィールド間の非線形相互作用を通じて、異なる発振モードをまとめてモード同期（mode lock）することができる。
【００１１】
本発明のある側面は、定常波共振器を実施するために利用される０度伝送線路のセクションを包含してもよく、発振器（又は、その他のＲＦ源）は共振器に疎結合しており、かつ、共振特性は結合された発振器位相ノイズを減少させるために用いられる。（限定のない）ある検証においては、２ＧＨｚにおいて、１３１％の最大電力結合効率が、２つのトンネルダイオード発振器から構成されるゼロ次共振器を用いて獲得された。
【００１２】
本発明の他の側面は、入力ポートにおける等しく、かつ、同相の信号を、出力ポートに対して分配するゼロ度線路を使用する直列分配器である。この回路は、ＣＲＬＨ伝送線路に沿ったポートの位置や数に関係なく、同相の電力を等しく分配することができる。分配器の物理的長さや電力タップの位置は、各出力ポート間の位相及び電力バランスには何らの影響を与えない。
【００１３】
本発明の他の側面は、定常波共振器を実施するために利用されるゼロ度伝送線路のセクションであり、入力信号は共振器へ疎結合され、共振特性はエネルギーを出力ポートへと等しく同相で結合するために用いられる。限定のない例示として、３つと５つのポート直列分配器が実施され、タップ位置によらない等しい電力分配を示した。
【００１４】
注入ロック測定（injection locking measurements）によれば、ゼロ次共振器がより高いＱ振動のために用いられてもよい場合には、直列結合器は調節可能な発振器のために用いられてもよいことが判った。
【００１５】
本発明の１つの実施例は、（a）ゼロ度右手系／左手系複合（ＣＲＬＨ）伝送線路（ＴＬ）から構成される装置であって、（ｂ）当該伝送線路は入出力のための複数のポートを伴って構成され、前記入力ポートは対応する素子からの出力信号を受信するように構成され、（ｃ）前記装置は、入力のための複数のポートと１つの出力ポートを伴って形成される結合器、又は、１つの入力ポートと複数の出力ポートを伴って形成される分配器から構成され、（ｄ）前記結合器の場合には、前記結合器内に入力するために、前記ポートで受信される入力信号は、出力ポートにおける出力信号を発生させるために、前記伝送線路によって同相で結合され、（e）分配器の場合には、前記分配器内への前記入力ポートにおいて受信される入力信号は、出力のための各ポートにおいて出力信号を発生させるために、前記伝送線路によって等しく同相で分配される。
【００１６】
本発明の少なくとも１つの実施例は、（ａ）ゼロ度右手系／左手系（ＣＲＬＨ）伝送線路（ＴＬ）から構成される電力結合器であって、（ｂ）当該伝送線路は、１つの出力ポートと、対応する入力装置（devices）からの出力信号を受信するために構成された複数の入力ポートから構成され、（ｃ）前記入力ポートにおいて受信される入力信号は、出力ポートにおいて出力信号を発生させるために、伝送線路によって同相で結合される。本発明の１つの態様においては、インピーダンス整合変成器は、関連発振器の出力周波数に対応する４分の１波長の長さを有する各入力ポートとそれぞれ結合される。この結合器において、各入力ポートは、発振器、又はその他のＲＦ源からの信号を受信するように構成される。結合器の入力ポートにおいて受信された発振器出力信号は、出力ポートにおいて出力信号を発生させるために、伝送線路によって、同相で結合される。
【００１７】
他の実施例においては、電力結合器は、ゼロ次共振器として構成される右手系／左手系複合（ＣＲＬＨ）伝送線路（ＴＬ）を包含しており、入力ポートにおいて受信される発振器出力信号が、出力ポートにおいて出力信号を発生させるために、伝送線路によって同相で結合されている場合には、前記伝送線路は、開放回路とされた（open-circuited）第１の端部と、第２の端部において疎結合された出力ポートと、複数の疎結合の入力ポートを有している。
【００１８】
好適な実施例の少なくとも１つにおいては、発振器はトンネルダイオード発振器で構成される。本発明の１つの態様においては、出力ポートは、特定のインピーダンス、例えば５０オーム程度にインピーダンス整合される。本発明の他の態様においては、各入力ポートは対応する発振器に合わせてインピーダンス整合される。本発明の他の態様においては、インピーダンス整合変成器は前記各入力ポートと結合され、例えば、対応する発振器の出力周波数に対応して４分の１波長の長さを有する各変成器を用いて実施される。
【００１９】
他の実施形態は、（ａ）右手系／左手系複合（ＣＲＬＨ）伝送線路（ＴＬ）と、（ｂ）１つの入力ポートと、対応する装置（devices）に対して信号を出力するために構成された複数の出力ポートとを有する伝送線路とから構成される電力分配器であって、（ｃ）前記入力ポートにおいて受信された入力信号は、前記各出力ポートにおける出力信号を発生させるために、前記伝送線路によって等しく同相で分配される。本発明のある態様においては、ＴＬの出力ポートの接続は、ダイオードなどで構成されるスイッチによって制御される。
【００２０】
当然のことながら、上述の結合器の実施例や実施態様は、発振器と共に用いることに限定されるものではなく、電力増幅器やアンテナアレイ等の、所望の出力を結合するために利用されてもよい。
【００２１】
また、当然のことながら、上述の分配器の実施例や態様も同様に、発振器からの入力と共に用いることに限定されるものではなく、その出力は、アンテナアレイやクロック同期回路、電波受信器回路等の所望の装置に仕向けられてもよい。
【００２２】
本発明の１つの側面は、直列結合器や分配器として利用される構造である。
【００２３】
本発明の他の側面は、無限波長周波数において動作するＣＲＬＨ−ＴＬのセグメントから形成される結合器／分配器の本体（body）である。
【００２４】
本発明の他の側面は、すべての入力ポートが、結合器の入力ポート間の特定の距離を保持する必要なく、同相で結合される結合器である。
【００２５】
本発明の他の側面は、入力信号が、出力ポート間の特定の距離を保持する必要なく、すべての出力ポート間で、等しく同相で分配される分配器である。
【００２６】
本発明の他の側面は、共振器に疎結合したトンネルダイオード発振器等からの入力を受け取り、電力が共振器の端部の１つから取り出される、ゼロ次共振器としての開放端（open-ended）ＣＲＬＨ−ＴＬである。
【００２７】
本発明の他の側面は、入出力ポートにおいて、ピコファラッド程度の結合キャパシタを利用するゼロ次共振器としての開放端（open-ended）ＣＲＬＨ−ＴＬである。
【００２８】
本発明の他の側面は、（従来の伝送線路に見られるような）右手系直列インダクタンスＬＲと分流静電容量ＣＲと左手系直列静電容量ＣＬと分流インダクタンスＬＬとから構成される周期的構造を提供するＣＲＴＨ−ＴＬ結合器／分配器である。
【００２９】
本発明の他の側面は、左手系キャパシタンスを形作るための集中素子と、集中素子というより、損失を減少させる左手系インダクタを形作る短絡スタブとを組み込むＣＲＬＨ−ＴＬ結合器／分配器である。
【００３０】
本発明の他の側面は、適当なＲＨ位相を提供する電気的長さのマイクロストリップ線路を利用して実施される線路のＲＨ部分を有するＣＲＬＨ−ＴＬ結合器／分配器である。
【００３１】
本発明の他の側面は、５０オーム程度の特定のインピーダンスをそれぞれ有する出力ポート又は入力ポートを有するＣＲＬＨ−ＴＬ結合器／分配器である。
【００３２】
本発明の他の側面は、信号が、キャパシタンスを無効とし、発振周波数を設定するインダクタとして作用する短絡スタブを介して結合されたトンネルダイオード発振器から受信されるＣＲＬＨ−ＴＬ結合器／分配器である。
【００３３】
本発明の他の側面は、従来の結合器／分配器構成を超えた、ＣＲＬＨ−ＴＬによって提供されるフィルタリングに応じて、改良された位相ノイズ特性を有する結合器／分配器である。
【００３４】
本発明の他の側面は、与えられた帯域幅へモード同期を提供するＣＲＬＨ−ＴＬ結合器／分配器である。
【００３５】
本発明の更なる側面は、明細書の以下の部分において明らかにされるであろうし、詳細な説明は、本発明の好適な実施例をそれに限定されることなく、完全に開示することを目的としている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
［図面についての数種の見解の簡単な説明］
本発明は、例示目的のみの以下の図面を参照することにより、より完全に理解されるであろう。
【００３７】
図１は、本発明の実施例に係る、β＝０の電力結合器における平衡（balanced）ＣＲＬＨ伝送線路の説明図である。
【００３８】
図２は、２つのポートを有する０度線路を用いて示された、図１の平衡（balanced）ＣＲＬＨ直列結合器のための、測定されたＳパラメータの大きさ（magnitude）についてのグラフである。
【００３９】
図３は、本発明の実施例に係る、ゼロ次共振器電力結合器としてのβ＝０における平衡（balanced）ＣＲＬＨ伝送線路の説明図である。
【００４０】
図４は、２つのポートを有するとして示された、図３のゼロ次ＣＲＬＨ共振電力結合器のための、測定されたＳパラメータの大きさ（magnitude）についてのグラフである。
【００４１】
図５は、本発明の１つの側面に係る、トンネルダイオード発振器を用いた２ポートゼロ次共振電力結合器を用いた実験設備のブロック図である。
【００４２】
図６は、本発明の１つの側面に係る、ゼロ次共振電力結合器を用いてモード同期された２つのトンネルダイオード発振器の出力スペクトラムについてのグラフである。
【００４３】
［発明の詳細な説明］
例示目的で、図面に対してより詳細に言及すれば、本発明は図１から図６に一般的に示される装置において実施される。当然のことながら、その装置は、ここにおいて開示される基本的概念を逸脱することなく、構成や部分の詳細に関して変更してもよいし、その方法は特定の工程や順序に関して変更してもよい。
【００４４】
１．導入部
【００４５】
本発明は無限波長周波数の存在を基礎とする電力結合（分配）方式スキームで構成される。限定ではなく例示として、２つの電力結合スキームの実施例が説明され、比較される。第１の実施例は、いくつかのトンネルダイオード発振器の電力を結合するための直列結合器の一部としてＣＲＬＨ−ＴＬのセグメントを用いる。この構造を用いることで、線路に沿ったすべてのポートは同相となり、各ダイオードは最適に結合され得る。第２の実施例は、ゼロ次共振器として開放端（open-ended）ＣＲＬＨ−ＴＬを利用する。この構造においては、トンネルダイオード発振器はメタ物質共振器に疎結合され、電力は共振器の一端を介して取り出される。定常波がサポートされているので、すべてのダイオードは再び同相で結合される。さらに、定常波は共振器全体を通じて等電圧を維持するので、線路に沿った直列損失の影響を受けにくい。従って、線路にさらなる損失が適用された場合でも、他の共振モードは抑制される一方、無限波長モードのみが残る。これは、高Ｑ振動を作り出し、高調波を低減するので有益である。また、２つのスキームの実験データが示され、比較される。
【００４６】
２．発振器電力結合器の設計と実施
【００４７】
ここにおいて説明される電力結合構造は、ω≠０、β＝０としたときの、無限波長周波数で動作するＣＲＬＨ−ＴＬ構造に基づいている。
【００４８】
２．１  ＣＲＬＨ−ＴＬ理論
【００４９】
ＣＲＬＨ−ＴＬは、右手系直列インダクタンスＬＲと分流静電容量ＣＲ（従来の伝送線路）と左手系直列静電容量ＣＬと分流インダクタンスＬＬとから構成される周期的構造として捉えられる。非平衡状態（unbalanced）の場合であって、ＬＲＣＬ≠ＬＬＣＲのとき、
2009538051.tif 000003
で与えられる無限波長をサポートする２つの異なる共振周波数ωｓｅとωｓｈが存在する。
【００５０】
ωｓｅ及びωｓｈにおいて、群速度（νｇ＝ｄω／ｄβ）はゼロであり、位相速度（νｐ＝ω／β）は無限大である。平衡状態（balanced）であって、ＬＲＣＬ＝ＬＬＣＲのとき、共振周波数は一致しωｓｅ＝ωｓｈである。
【００５１】
２．２  電力結合ユニットセルの設計
【００５２】
ゼロ度ＣＲＬＨ−ＴＬは、２ＧＨｚにおけるＬＲ、ＣＲ、ＬＬ、ＣＬの値を見つけるため、ここにおいて参照することにより、その開示全体が本出願に取り込まれる、Ａ．Ｓａｎａｄａ、Ｃ．Ｃａｌｏｚ，Ｔ．Ｉｔｏｈ、“Zeroth Order Resonance in CRLH TL Resonance in the Left-Handed Transmission Line,”ＩＥＣＥ  ＩＥＣＥ  Ｔｒａｎｓ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．，ｖｏｌ．Ｅ８７−Ｃ，ＮＯ．１，ｐｐ．１−７，Ｊａｎｕａｒｙ  ２００４，に従って実施される。
【００５３】
ＣＲＬＨ−ＴＬは、所定の微小モデルに適合する分配又は集中した素子を用いて、実行され得るので、各ユニットセルはλ／１０より小さい。例として、集中素子が左手系キャパシタを形作るために用いられ、左手系インダクタは、損失を減少させるため、集中素子ではなく短絡スタブを利用して実施された。線路のＲＨ部分は、適当なＲＨ位相を提供する電気的長さのマイクロストリップ線路を用いることによって実施される。計算されたパラメータは、ＣＬ＝２ｐＦ、ＬＬ＝５ｎＨ、ＣＲ＝１．３ｐＦ、ＬＲ＝３．３ｎＨである。ＬＲＣＬ＝ＬＬＣＲなので、このユニットは平衡（balanced）である。ＣＲＬＨ−ＴＬは、例えば、ｈ＝３１ｍｉｌ、εｒ＝２．３３のＲＴ／Ｄｕｒｏｉｄから構成される基板上に製造された。
【００５４】
２．３  ゼロ度線路を用いた直列電力結合器
【００５５】
図１は、本発明の直列結合回路の実施例１０を示す。他のポート１６ａ、１６ｂ、１６ｎ−１、１６ｎが、基本周波数における長さＬの４分の１波長変成器１８ａ、１８ｂ、１８ｎ−１、１８ｎを通じて後に変換されるトンネルダイオード発振器の最適インピーダンスに整合される一方で、ＣＲＬＨ−ＴＬ１２は、５０Ωにインピーダンス整合された出力ポート１４（ポート１）と共に示されている。
【００５６】
これまでのセクションで述べた通り、各発振器ポートは、各発振器が出力ポートにおいて同相で結合できるように、ＣＲＬＨ−ＴＬユニットの１つ又は複数のセグメントを用いて結合される。作動周波数におけるβ＝０という事実による同相電力結合をなお提供しつつも、各ポート間の距離ｄ１、ｄ２・・・、ｄｎは任意でよいという点に注意すべきである。当該任意の間隔は、結合器配置や発振器間隔についての制約を緩和する。
【００５７】
当然のことながら、装置の分配器構成においても、ポート１６ａ、１６ｂ、１６ｎ−１、１６ｎは出力ポートであり、ポート１４は入力ポートである。入力ポート１４は、好ましくは５０Ω程度にインピーダンス整合されており、出力ポートは、出力信号を受信する対応素子の最適インピーダンスに整合されている。
【００５８】
図２は、２つのポートを有するＣＲＬＨゼロ度線路のための測定されたＳパラメータを示す。ポート１は出力ポートであり、２ＧＨｚにおいて測定された位相と大きさ（magnitude）は、Ｓ２１＝−８９．９°、Ｓ３１＝−９１．６°、｜Ｓ２１｜＝−３．０５６ｄＢ、｜Ｓ３１｜＝−３．２４７ｄＢである。観測された損失は、ＬＨキャパシタンスを実現するために用いられたキャパシタにおける損失に起因するものと言える。また、本発明に係る直列結合器の２つのさらなる構成が調製及び計測された。１つ目は、計測された位相と大きさ（magnitude）が、Ｓ２１＝−１０２．９６°、Ｓ３１＝−１０２°、Ｓ４１＝−１０２．６７°、｜Ｓ２１｜＝−４．８９２ｄＢ、｜Ｓ３１｜＝−５．１９５ｄＢ、｜Ｓ４１｜＝−４．９１５ｄＢである均等に間隔が設けられた３ポート結合器であった。２つ目は、計測された位相と大きさ（magnitude）が、Ｓ２１＝９５°、Ｓ３１＝−８８°、Ｓ４１＝−９０．３°、｜Ｓ２１｜＝−５．０１９ｄＢ、｜Ｓ３１｜＝−５．３３５ｄＢ、｜Ｓ４１｜＝−５．０２２ｄＢである不均等に間隔が設けられた３ポート結合器であった。これら２つの構造は、集中素子キャパシタによる０．３ｄＢの損失を有する。当然のことながら、ユニットセルの数が増加するにつれてその影響はより顕著になる。結果は低損失キャパシタの使用及び／又は分配線路の使用により改善され得る。
【００５９】
２．４  ゼロ次共振電力結合器
【００６０】
図３は、セクション２．２で述べたユニットセルと同様のものを利用した、ゼロ次共振器３２の好ましい構成の実施例３０を示している。しかしながら、本構成におけるＣＲＬＨ−ＴＬの長さは、それらの端部のうちの１つを開放回路（open circuited）とすること、及び、出力ポートと発振ポートとを構造に対して疎結合することにより、共振器として振舞う。この例においては、電力結合器の出力における結合キャパシタ３４は５ｐＦであり、電力をタップするために各ポートにおいて用いられる結合キャパシタ３６ａ、３６ｂ、３６ｎ−１、３６ｎの値は３ｐＦである。この構造は、発振器に、位相ノイズの低減に向けたさらなるフィルタリングを提供すると考えられる。さらに、共振は定常波として現れ、電圧は線路に沿って一定であるので、線路における直列損失は影響されにくい。
【００６１】
当然のことながら、分配器の構成においても、キャパシタ３４は入力ポートにおいて、キャパシタ３６ａ、３６ｂ、３６ｎ−１、３６ｎは装置の出力ポートにおいて存在する。
【００６２】
図４は、セクション２．１で決定された、２つのカスケードユニットセルとして構成される２つのポートを有するゼロ次電力結合器についてのグラフである。図３において示される結合器の２ＧＨｚにおける測定Ｓパラメータは、Ｓ２１＝−６６．７°、Ｓ３１＝−６７．５°、｜Ｓ２１｜＝−３．５ｄＢ、｜Ｓ３１｜＝−３．６ｄＢである。
【００６３】
３．  発振器電力結合測定
【００６４】
トンネルダイオード（例えば、Ｍａｔｅｒｉａｌ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製  Ｍ１Ｘ１１６８  ｔｕｎｎｅｌ  ｄｉｏｄｅｓ）が、２ＧＨｚ発振器の設計において利用された。当該トンネルダイオードは、Ｉ−Ｖ特性の負の勾配によって振動させる能力を有しており、ここにおいて参照することにより、その全体が本出願に取り込まれるべき、Ｃ．Ｋｉｄｅｒ、Ｉ．Ｍｅｈｄｉ、Ｊ．Ｒ．Ｅａｓｔ及びＧ．Ｉ  Ｈａｄｄａｄらによる“Ｐｏｗｅｒ  ａｎｄ  ｓｔａｂｉｌｉｔｙ  ｌｉｍｉｔａｉｏｎｓ  ｏｆ  ｒｅｓｏｎａｎｔ，  ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  ｄｉｏｄｅｓ，”ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓ．  Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  Ｔｈｅｏｒｙ  ＆  Ｔｅｃｈ．，  ｖｏｌ．３８，Ｎｏ．１，  ｐｐ．８６４−８７２，Ｊａｎｕａｒｙ  １９９０によって説明される共振トンネルダイオードと類似する。
【００６５】
トンネルダイオードは、ここにおいて参照することにより、その全体が本出願に取り込まれるべき、Ｏ．Ｂｏｒｉｃ−Ｌｕｂｅｃｋｅ、Ｄｅｅ−Ｓｏｎ  Ｐａｎ及びＴ．Ｉｔｏｈらによる“ＲＦ  Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ  ｏｆ  ａｎ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ  ｗｉｔｈ  Ｓｅｖｅｒａｌ  Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  Ｄｅｖｉｃｅｓ  ｉｎ  Ｓｅｒｉｅｓ，”ＩＥＥＥ  Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  ａｎｄ  Ｇｕｉｄｅｄ  Ｗａｖｅ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  ｖｏｌ．４，ＮＯ．１１，  ｐｐ．３６４−３６６，Ｎｏｖｅｍｂｅｒ  １９９４によって説明される並列な負抵抗とキャパシタとしてモデル化され得る。短絡スタブは、キャパシタンスを無効とし、発振周波数を設定するインダクタとして振舞うダイオードと直列に挿入される。最大発振電力のとき、ダイオード出力は最適電力インピーダンス、この場合では５０Ω、に設定される。２ＧＨｚにおいて自励発振するトンネルダイオードは、−２６ｄＢｍの最大出力電力を有する。
【００６６】
図５は、電力結合器の態様を検証するために利用された構成の実施例５０を示す。第１の発振器５２及び第２の発振器５４が、ポート５８、６０をそれぞれ介して結合器５６に結合して示される。結合器出力は、出力ポート６２を介して計測装置（図に示されず）、例えばスペクトル分析器、に結合される。結合器５６は、７０ａ、７０ｂ、７０ｃによって示されるような結合したダイオードを有するＴＬセクション６４上に、それぞれポート６０、５８から通じる変成器６６、６８と共に示される。この例では、個々のトンネルダイオードは０．２Ｖにバイアスされる。
【００６７】
表１は、基本周波数と第２及び第３の高調波における、一つのトンネルダイオード発振器と比較される様々なスキームの出力電力を示す。より高い電力結合効率が、前述したフィルタリング効果によって、ゼロ次共振器電力結合器を用いて観察された。１つのダイオードでは、第３の高調波が基本波よりも−１４．８３ｄＢだけ低い。２つのトンネルダイオード発振器を有するゼロ次共振器電力結合器では、第３の高調波は−２６．３３ｄＢである。
【表１】
2009538051.tif 000004
【００６８】
表２は、研究されたさまざまな電力結合器の位相ノイズを示す。この測定においては、フィルタリング効果はより明白である。１０ｋＨｚオフセット周波数では、ゼロ度線路に接続された２つのダイオードの場合と比べて、ゼロ次共振器に接続された２つのトンネルダイオードの場合では９．１７ｄＢの改善がみられる。
【表２】
2009538051.tif 000005
【００６９】
外部同期（external locking）は、−３５ｄＢｍの同期電力（locking power）を供給する１０ｄＢの外部指向性結合器（external directional coupler）を有するシンセサイザー掃引器（synthesizer sweeper）（例えば、ＨＰ８３６２１）を用いることによって成し遂げられる。２つのダイオードを有する直列ゼロ度ＣＲＬＨ−ＴＬ電力結合器では、モード同期は１２ＭＨｚの帯域幅に維持される。その一方で、２つのダイオードを有するゼロ次共振器電力結合では、モード同期は８ＭＨｚの帯域幅に維持される。これらの異なる測定は、ゼロ次共振電力結合器が、発振周波数において同期するフィルタリング効果を提供するという前述の記載を裏付けている。
【００７０】
図６は、ゼロ次共振電力結合器を用いてモード同期された２つのトンネルダイオード発振器のスペクトルを示す。
【００７１】
４．  結論
【００７２】
上記では、無限波長現象を用いたトンネルダイオード発振器のための電力結合方法及び装置のさまざまな実施態様について説明している。ある実施例では、ゼロ度線路から構成される直列結合器が用いられる。各発振器出力ポートは当該線路に直接接続され、同相で結合される。等間隔、及び、不等間隔に距離が設けられた発振器の実証が示された。他の実施態様においては、ゼロ度伝送線路のあるセクションが、定常波共振器を実施するために用いられた。この場合、発振器は共振器に疎結合された。共振特性は、結合された発振器位相ノイズを減少させるために用いられた。１３１％の最大電力結合効率が、２つのトンネルダイオードを有し、２ＧＨｚで振動するゼロ次共振器を用いて観測された。注入同期測定（injection locking measurement）は、ゼロ度線路直列結合器を用いた方法が同調発振器のために用いられてもよく、ゼロ次共振器が高Ｑ振動のために用いられてもよいことを示した。
【００７３】
上記の説明は多くの詳細を含むが、これらは本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではなく、本発明の現状の好ましい実施態様のいくつかの例示を単に提供しているにすぎないものとして解釈されるべきである。従って、当然ながら、本発明の範囲は、当業者にとって明白となるであろう他の実施態様を完全に包含する。添付の請求項においては、単数形の要素に対する参照は、明確にその旨が宣言されていない場合、“１つ及び１つのみ（one and only one）”を意味することを意図せず、むしろ“１つ又はそれ以上（one or more）”を意図している。その技術の属する分野における通常の知識を有する者に知られる、上記の好ましい実施例の要素に対してのすべての構造的及び機能的均等物は、ここにおける参照により明示的に組み込まれ、明細書と請求項によって包含されることを意図している。さらに、装置や方法にとって、本発明によって解決されることが求められる各々の及びあらゆる問題を宣言することは不要であり、本明細書と請求項によって包含されることも不要である。さらに、本明細書におけるいずれの要素、成分、若しくは方法段階も、明細書又は請求項において明示的に列挙された要素、成分、若しくは方法段階であるかどうかということに拘らず、公衆に対して寄与することを意図したものではない。ここにおけるいずれの請求項の要素も、その要素が“意味する（means for）”という語句を用いて明示的に列挙されない限り、米国特許法１１２条第６パラグラフの規定に従い、解釈されるべきでない。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の実施例に係る、β＝０の電力結合器における平衡（balanced）ＣＲＬＨ伝送線路の説明図である。
【図２】２つのポートを有する０度線路を用いて示された、図１の平衡（balanced）ＣＲＬＨ直列結合器のための、測定されたＳパラメータの大きさ（magnitude）についてのグラフである。
【図３】本発明の実施例に係る、ゼロ次共振器電力結合器としてのβ＝０における平衡（balanced）ＣＲＬＨ伝送線路の説明図である。
【図４】２つのポートを有するとして示された、図３のゼロ次ＣＲＬＨ共振電力結合器のための、測定されたＳパラメータの大きさ（magnitude）についてのグラフである。
【図５】本発明の１つの側面に係る、トンネルダイオード発振器を用いた２ポートゼロ次共振電力結合器を用いた実験設備のブロック図である。
【図６】本発明の１つの側面に係る、ゼロ次共振電力結合器を用いてモード同期された２つのトンネルダイオード発振器の出力スペクトラムについてのグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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