(57)【要約】      （修正有）【課題】ブランチラインカプラ回路における伝送線路の等価回路と、それを用いた簡素な構成でありながらも高効率の電力分配回路と、その電力分配比を自在に調整する方法を提供する。【解決手段】特性インピーダンスZ1及び電気角2θ1=90°の伝送線路の等価回路であって、特性インピーダンスZM及び電気角θMの伝送線路が直列に２本接続され、その伝送線路の両端部に、それぞれキャパシタC0が接続されると共に、伝送線路の中央部に、キャパシタCTが接続された構成である。また、ブランチラインカプラ回路における４つの伝送線路のうちの少なくとも１つの伝送線路に、上記伝送線路等価回路を少なくとも１つ設け、その伝送線路等価回路におけるキャパシタによって、ブランチラインカプラ回路における複数の出力ポートからの出力の分配比を調整する。【選択図】図１２
2015082698.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
特性インピーダンスZ1及び電気角2θ1 = 90°の伝送線路の等価回路であって、
特性インピーダンスZM及び電気角θMの伝送線路が直列に２本接続され、その伝送線路の両端部に、それぞれキャパシタC0が接続されると共に、伝送線路の中央部に、キャパシタCT
が接続された構成であり、
電気角θMは、所定のZ1及びZMにより、下式：
2015082698.tif 000017
を満たす値で決定され、
キャパシタC0及びCTは、上式（１）から得たθMにより、下式：
2015082698.tif 000018
2015082698.tif 000019
を満たす値で決定される
ことを特徴とする伝送線路等価回路。
【請求項２】
請求項１に記載の伝送線路等価回路を用いた電力分配回路であって、
ブランチラインカプラ回路における４つの伝送線路のうちの少なくとも１つの伝送線路に、請求項１に記載の伝送線路等価回路を少なくとも１つ設け、
その伝送線路等価回路におけるキャパシタによって、ブランチラインカプラ回路における複数の出力ポートからの出力の分配比を調整する
ことを特徴とする電力分配回路。
【請求項３】
ブランチラインカプラ回路における第１ポート（入力）と第２ポート（出力）との間の伝送線路と、第３ポート（出力）と第４ポートとの間の伝送線路とに、請求項１に記載の伝送線路等価回路が１つずつ設けられた
請求項２に記載の電力分配回路。
【請求項４】
伝送線路中央部のキャパシタCT によって、分配比を調整する
請求項２または３に記載の電力分配回路。
【請求項５】
伝送線路中央部のキャパシタCTが、容量の可変なキャパシタである
請求項２ないし４のいずれかに記載の電力分配回路。
【請求項６】
請求項５に記載の電力分配回路を用い、
伝送線路中央部のキャパシタCT の容量を変化させるステップを有し、それによって各出力ポートからの出力の分配比を調整する
ことを特徴とする電力分配比調整方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、伝送線路等価回路と、それを用いた電力分配回路、並びに、その電力分配回路において電力分配比を調整する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、無線通信基地局は、スマートフォン等の通信端末によるデータ通信の高速化に伴い、消費電力が増加している。また、省エネルギーのために、無線データ通信用の電力増幅器の高効率化が求められている。
また、携帯電話等で使用される周波数資源には限りがあるため、複数の周波数帯域で動作する回路が求められている。
電力分配器は、電力合成器としても使用でき、電力増幅器内で利用されている（非特許文献１）。電力分配器は、電力分配比の調整が望まれるが、従来の技術では、マイクロストリップ線路で構築された固定型のために電力分配比が一定であるか、装置が簡素でなかった（特許文献１〜４、非特許文献２〜４）。
【０００３】
電力等分配回路としては、３ｄＢブランチラインカプラに関する技術もあるが、十分な小型化が達成されていず、また性能の再現性や製造コストなどの点で問題点があり、チューナブル化も実現していなかった（特許文献５〜８）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１８３１６７
【特許文献２】特開２００７−２０１５９６
【特許文献３】特開２００２−２６１５６５
【特許文献４】特開２００１−１９６８１６
【特許文献５】特開２００７−６８１２３
【特許文献６】特開２００４−１３４８９４
【特許文献７】特開２００４−１３５１０２
【特許文献８】特開２００４−３４９９６０
【特許文献９】特願２０１３−１４６２７４
【特許文献１０】特開２０１２−１２４６３４
【特許文献１１】特開２０１１−１２４６６０
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Pon, Chuck Y. "Hybrid-ring directional coupler for arbitrarypower divisions." MicrowaveTheory and Techniques, IRE Transactions on 9.6 (1961): 529-535
【非特許文献２】Wilkinson, Ernest J. "An N-way hybrid power divider." Microwave Theory and Techniques, IRETransactions on 8.1 (1960): 116-118
【非特許文献３】Parad, L. I., and R. L. Moynihan. "Split-tee powerdivider." Microwave Theory andTechniques, IEEE Transactions on 13.1 (1965): 91-95
【非特許文献４】Cohn, Seymour B. "A class of broadband three-port TEM-modehybrids." Microwave Theory andTechniques, IEEE Transactions on 19.2 (1968): 110-116
【非特許文献５】近藤肇，石田等，“リアクタンス素子を用いた小型・チューナブル3dBブランチラインカプラの検討”信学技報Vol.110 No.343(2010):57-62
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、本発明は、ブランチラインカプラ回路における伝送線路の等価回路を実現し、それを用いた簡素な構成でありながらも高効率の電力分配回路を提供し、更に、その電力分配比を自在に調整できるようにすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明の伝送線路等価回路は、次の構成を備える。
すなわち、特性インピーダンスZ1及び電気角2θ1 = 90°の伝送線路の等価回路であって、特性インピーダンスZM及び電気角θMの伝送線路が直列に２本接続され、その伝送線路の両端部に、それぞれキャパシタC0が接続されると共に、伝送線路の中央部に、キャパシタCT
が接続された構成であり、電気角θMは、所定のZ1及びZMにより、下式：
【０００８】
【数１】
2015082698.tif 000003
【０００９】
を満たす値で決定され、キャパシタC0及びCTは、上式（１）から得たθMにより、下式：
【００１０】
【数２】
2015082698.tif 000004
【００１１】
【数３】
2015082698.tif 000005
【００１２】
を満たす値で決定されることを特徴とする。
【００１３】
本発明の電力分配回路は、次の構成を備える。
すなわち、上記の伝送線路等価回路を用いた電力分配回路であって、ブランチラインカプラ回路における４つの伝送線路のうちの少なくとも１つの伝送線路に、上記伝送線路等価回路を少なくとも１つ設け、その伝送線路等価回路におけるキャパシタによって、ブランチラインカプラ回路における複数の出力ポートからの出力の分配比を調整することを特徴とする。
【００１４】
ここで、ブランチラインカプラ回路における第１ポート（入力）と第２ポート（出力）との間の伝送線路と、第３ポート（出力）と第４ポートとの間の伝送線路とに、上記伝送線路等価回路を１つずつ設け、構成の簡素化と効率に寄与させてもよい。
【００１５】
また、伝送線路中央部のキャパシタCT によって分配比を調整して、より有効な分配に寄与させてもよい。
【００１６】
伝送線路中央部のキャパシタCTを、容量の可変なキャパシタで構成して、電力分配比の自在な調整に寄与させてもよい。
【００１７】
本発明の電力分配比調整方法は、次の構成を備える。
すなわち、上記の電力分配回路を用い、伝送線路中央部のキャパシタCT
の容量を変化させるステップを有し、それによって各出力ポートからの出力の分配比を調整することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によると、製造容易で小型安価でありながらも性能が安定し、簡素な構成で低損失なため効率良く電力分配を行える電力分配回路を提供できる。そして、電力分配比を自在に調整できる利点もある。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】従来公知のブランチラインカプラ回路の回路図
【図２】本発明による伝送線路等価回路を示す説明図
【図３】伝送線路の設計例（ａ）と、Ｍ型回路の設計例（ｂ）を示す説明図
【図４】回路シミュレーション結果を示すグラフ
【図５】同、表
【図６】比較例のT型回路を示す説明図で
【図７】比較例のT型回路での回路シミュレーション結果を示すグラフ
【図８】比較例のΠ型回路を示す説明図で
【図９】比較例のΠ型回路での回路シミュレーション結果を示すグラフ
【図１０】キャパシタCTを一定にしてキャパシタC0を変化させた場合の回路シミュレーション結果を示すスミスチャート
【図１１】キャパシタC0を一定にしてキャパシタCTを変化させた場合の回路シミュレーション結果を示すスミスチャート
【図１２】Ｍ型回路を用いたブランチラインカプラ回路の一実施例の回路図
【図１３】Ｍ型回路を用いたブランチラインカプラ回路の一実施例において、キャパシタCTを一定にしてC0を変化させた場合の回路シミュレーション結果を示すグラフ
【図１４】Ｍ型回路を用いたブランチラインカプラ回路の一実施例において、キャパシタC0を一定にしてC Tを変化させた場合の回路シミュレーション結果を示すグラフ
【図１５】チップコンデンサ型の試作回路の写真
【図１６】バラクタダイオード型の試作回路の写真
【図１７】キャパシタCTに対する電力分配比S31/S21の理論値及び実測値を示すグラフ
【図１８】キャパシタCT=0pFにおける電力分配比S31/S21の理論値と実測値の比較（ａ）と、電力分配比S31/S21=0dBにおけるキャパシタCTの理論値と実測値の比較を示す表
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態を、図面に示す実施例を基に説明する。なお、実施形態は、上記の先行技術文献など従来公知の技術を援用して、適宜設計変更可能である。
【００２１】
本発明者らは、非特許文献５で、従来公知のブランチラインカプラの一部伝送線路に改変を試み、電力分配比の周波数特性について評価を行った。また、特許文献９〜１１で、関連技術の研究を行っている。本発明は、それらの研究の延長として得られた成果である。
【００２２】
図１は、従来公知のブランチラインカプラ回路の回路図である。
ブランチラインカプラ回路における第１ポート（入力）と第２ポート（出力）との間の伝送線路と、第３ポート（出力）と第４ポートとの間の伝送線路、すなわち、２本の横方向伝送線路の特性インピーダンス及び電気角をZ1，2θ1とすると共に、第１ポート（入力）と第４ポートとの間の伝送線路と、第２ポート（出力）と第３ポート（出力）との間の伝送線路、すなわち、２本の縦方向伝送線路の特性インピーダンス及び電気角をZ2，2θ2とすると、S11 = 0，S41 = 0の条件下で、電力分配比S31/S21は下式(４)となる。なお、Z0は基準特性インピーダンスである。
【００２３】
【数４】
2015082698.tif 000006
【００２４】
式(４)において、2θ1 = 90°，2θ2 = 90°とおくと、電力分配比S31/S21は、下式(５)のようにZ1，Z2で表わせるようになる。
【００２５】
【数５】
2015082698.tif 000007
【００２６】
従って、電力分配比S31/S21は、横方向伝送線路の特性インピーダンスZ1のみによって調整可能であり、縦方向伝送線路の特性インピーダンスZ２のみによっても調整可能であり、横方向伝送線路の特性インピーダンスZ1と縦方向伝送線路の特性インピーダンスZ２との両方によっても調整可能である。
以下では、説明の簡素化のために、横方向伝送線路の特性インピーダンスZ1のみによって調整する場合を例示する。
【００２７】
まず、回路の基本構成要素として用いる伝送線路等価回路について説述する。
図２は、本発明による伝送線路等価回路を示す説明図である。
特性インピーダンスZ1及び電気角2θ1 = 90°の伝送線路は、特性インピーダンスZM及び電気角θMの伝送線路が直列に２本接続され、その伝送線路の両端部に、それぞれキャパシタC0が接続されると共に、伝送線路の中央部に、キャパシタCTが接続された略Ｍ字形の構成の等価回路（Ｍ型回路）で実現可能である。
なお、キャパシタC0及びCTは、図示の例のように伝送線路の同じ側に配置されなくてもよく、また、１つのキャパシタを複数のキャパシタに分割して配置してもよい。
【００２８】
ここで、電気角θMは、所定のZ1及びZMにより、下式（１）を満たす値で決定でき、
【００２９】
【数６】
2015082698.tif 000008
【００３０】
キャパシタC0及びCTは、上式（１）から得たθMにより、下式（２）（３）を満たす値で決定できる。
【００３１】
【数７】
2015082698.tif 000009
【００３２】
【数８】
2015082698.tif 000010
【００３３】
図３は、伝送線路の設計例（ａ）と、Ｍ型回路の設計例（ｂ）を示す説明図である。
回路シミュレーションにより、Ｍ型回路の評価を行った。設計パラメータは、Z1=25Ω，2θ1=90°，ZM=33.4Ω，θM=33.4°とし、式(２)(３)よりC0及びCTを下記の通り算出した。
【００３４】
【数９】
2015082698.tif 000011
【００３５】
【数１０】
2015082698.tif 000012
【００３６】
図４及び５は、回路シミュレーション結果を示すグラフ及び表である。
Ｍ型回路の設計例（ｂ）の位相特性も振幅特性も、伝送線路の設計例（ａ）とよく一致した。
【００３７】
なお、Ｍ型回路の比較例として、T型回路とΠ型回路が挙げられる。
図６は、伝送線路等価回路としてのT型回路を示す説明図であり、図７は、その回路シミュレーション結果を示すグラフである。図８は、伝送線路等価回路としてのΠ型回路を示す説明図であり、図９は、その回路シミュレーション結果を示すグラフである。
いずれの場合も、十分な一致は確認できず、Ｍ型回路が最適であることが確認された。
【００３８】
次に、Ｍ型回路の特性インピーダンスZ1の可変性について検討する。電気角2θ1 = 90°なので、インピーダンス変換回路として評価が可能である。
特性インピーダンスZ1,電気角2θ1 = 90°の伝送線路の入出力ポートに特性インピーダンスZ0の外部回路を接続した場合、反射係数Γは、下式(6)のように表わされる。ここで、Zinは入力インピーダンス、Z12=
ZinZ0である。
【００３９】
【数１１】
2015082698.tif 000013
【００４０】
式(6)より、Z1が変化する場合、反射係数Γは実数であるため、スミスチャート上では実軸上を動く。可変量としては、C0，CTが考えられる。
図１０は、キャパシタCTを一定にしてキャパシタC0を変化させた場合の回路シミュレーション結果を示すスミスチャートであり、図１１は、キャパシタC0を一定にしてキャパシタC Tを変化させた場合の回路シミュレーション結果を示すスミスチャートである。
図１１に示したキャパシタC Tを変化させた場合の方が、インピーダンスの変化が大きく、反射係数Γが実軸の近傍を通ったので、特性インピーダンスZ1を良好に変化させることが推定される。
【００４１】
次に、Ｍ型回路をブランチラインカプラ回路に用いることを検討する。
図１２は、Ｍ型回路を用いたブランチラインカプラ回路の一実施例の回路図である。
本実施例は、ブランチラインカプラ回路における第１ポート（入力）と第２ポート（出力）との間の伝送線路と、第３ポート（出力）と第４ポートとの間の伝送線路、すなわち、２本の横方向伝送線路と、第１ポート（入力）と第４ポートとの間の伝送線路と、第２ポート（出力）と第３ポート（出力）との間の伝送線路、すなわち、２本の縦方向伝送線路とに、Ｍ型回路を１つずつ設けた構成である。
横方向伝送線路の特性インピーダンスはZM，電気角はθM、縦方向伝送線路の特性インピーダンスはZ2，電気角は2θ2=90°である。
式(2)〜(5)より、電力分配比S31/S21を+3dBから-3dBの範囲で調整できる設計パラメータを決定する。
【００４２】
図１３は、キャパシタCTを一定にしてキャパシタC0を変化させた場合の回路シミュレーション結果を示すグラフであり、図１４は、キャパシタC0を一定にしてキャパシタC Tを変化させた場合の回路シミュレーション結果を示すグラフである。なお、シミュレーション結果には、回路作製時に想定されるビアのインダクタ成分0.676pHを考慮した。
シミュレーション結果より、前述したＭ型回路と同様、図１４に示したキャパシタC Tを変化させた場合の方が、電力分配比S31/S21を良好に変化させることを確認された。
【００４３】
なお、これは、図１２に示した一実施例の回路において、キャパシタCTを一定にしてキャパシタC0を変化させた場合とキャパシタC0を一定にしてキャパシタC Tを変化させた場合とを比較したところ、キャパシタC0を一定にしてキャパシタC Tを変化させた方が、比較的好ましいという結果である。
そのため、実装においては、キャパシタCTを一定にしてキャパシタC0を変化させる回路も利用可能であり、キャパシタCTとC0の両方を変化させる回路も利用可能であり、更に、２つのキャパシタC0の変化のさせ方を変えてもよい。また、図１２に示した一実施例以外の回路も利用可能である。
【００４４】
図１２に示した一実施例以外の回路の例としては、下記のものが挙げられる。
図示の例では、２本の横方向伝送線路におけるＭ型回路の配設が等しいが、必ずしも等しくなくてもよい。
図示の例では、１本の横方向伝送線路にキャパシタC Tが１つ配設されるが、その数は複数でもよい。例えば、横方向伝送線路を３等分した２ヶ所にキャパシタC Tを計２つ配設してもよい。
上記の変形例を、縦方向伝送線路に設けてもよい。更に、横方向伝送線路と縦方向伝送線路との両方に設けてもよい。
【００４５】
最適な実施例、すなわち、図１２に示した一実施例の回路において、キャパシタC0を一定にしてキャパシタC Tを変化させる場合について、試作及び実験を行った。
図１５は、チップコンデンサ型の試作回路の写真であり、図１６は、バラクタダイオード型の試作回路の写真である。
チップコンデンサ型の試作回路では、チップキャパシタを付け替えることでCTを変化させて、電力分配比S31/S21を測定した。設計パラメータは、前記のシミュレーションと同じ値、ZM = 36.5Ω，θM = 27.6°，Z2 = 33.9Ω，θ2 = 90°とし、C0は0.55pFで一定とした。
【００４６】
図１７は、キャパシタCTに対する電力分配比S31/S21の理論値及び実測値を示すグラフである。
実測値が、式(３)及び(５)から求めた理論値とほぼ一致し、キャパシタCTの増加に伴う電力分配比S31/S21の線型の減少が確認された。
【００４７】
図１８は、キャパシタCT=0pFにおける電力分配比S31/S21の理論値と実測値の比較（ａ）と、電力分配比S31/S21=0dBにおけるCTの理論値と実測値の比較を示す表である。この結果も、理論値と実測値がほぼ一致した。
なお、キャパシタCT=0pFにおける電力分配比S31/S21の理論値は下式（７）で表せ、電力分配比S31/S21=0dBにおけるキャパシタCTの理論値は下式（８）で表せる。
【００４８】
【数１２】
2015082698.tif 000014
【００４９】
【数１３】
2015082698.tif 000015
【００５０】
また、グラフの傾き∂(S31/S21)/∂CTは、下式で算出される。
【００５１】
【数１４】
2015082698.tif 000016
【００５２】
以上より、本実施例の回路は、電力分配比の範囲を決定でき、キャパシタCTによる電力分配比の変化量を任意に設計することが可能であることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明によると、電力分配比を自在に調整でき実装に適した回路が得られるので、電力分配合成器や増幅器やフィルタなど諸々の装置に活用でき、産業上利用価値が高い。
【図１】
2015082698.tif 000020
【図２】
2015082698.tif 000021
【図３】
2015082698.tif 000022
【図４】
2015082698.tif 000023
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2015082698.tif 000032
【図１４】
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【図１５】
2015082698.tif 000034
【図１６】
2015082698.tif 000035
【図１７】
2015082698.tif 000036
【図１８】
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