(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
分配されるべき電力が入力されるか又は合成された電力を出力する共通伝送線路と、
前記共通伝送線路に接続され、分配された電力を出力するか又は合成されるべき電力が入力される２つの分岐伝送線路と、
前記共通伝送線路中に挿入された第１のインピーダンス変成器と、
前記２つの分岐伝送線路のうち一方の分岐伝送線路中に挿入された第２のインピーダンス変成器と、
を備えた１入力２出力又は２入力１出力の電力分配合成器であって、
前記第１のインピーダンス変成器のインピーダンスをＺ1、前記第２のインピーダンス変成器のインピーダンスをＺ2、前記共通伝送線路側の入出力インピーダンスをＺA、前記一方の分岐伝送線路側の入出力インピーダンスをＺB1、他方の分岐伝送線路側の入出力インピーダンスをＺB2、前記一方の分岐伝送線路と前記他方の分岐伝送線路との分配比又は合成比を１：ｘとしたとき、Ｚ1が下式（１）を満たすと共にＺ2が下式（２）を満たし、
【数１】
0005776625.tif 000026
【数２】
0005776625.tif 000027
ｘが下式（３）を満たす電力分配合成器。
【数３】
0005776625.tif 000028
【請求項２】
分配されるべき電力が入力されるか又は合成された電力を出力する共通伝送線路と、
前記共通伝送線路に接続され、分配された電力を出力するか又は合成されるべき電力が入力される２つの分岐伝送線路と、
前記共通伝送線路中に直列に挿入された、第１のインピーダンス変成器、及び、一端が前記第１のインピーダンス変成器に接続され、他端が前記２つの分岐伝送線路に接続された第２のインピーダンス変成器と、
を備えた１入力２出力又は２入力１出力の電力分配合成器であって、
前記第１のインピーダンス変成器のインピーダンスをＺ1、前記第２のインピーダンス変成器のインピーダンスをＺ2、前記共通伝送線路側の入出力インピーダンスをＺA、前記一方の分岐伝送線路側の入出力インピーダンスをＺB1、他方の分岐伝送線路側の入出力インピーダンスをＺB2としたとき、Ｚ1が下式（４）を満たすと共にＺ2が下式（５）を満たすことを特徴とする電力分配合成器。
【数４】
0005776625.tif 000029
【数５】
0005776625.tif 000030
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所定の分配比又は合成比で電力の分配又は合成を行う電力分配合成器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話用基地局アンテナでは、複数のアンテナ素子に対して同時に給電を行うべく電力分配器が用いられている。電力分配器は、電力を分配する機能の他、入出力を逆にすると電力を合成する機能を持つ電力合成器としても用いることができるため、両機能を包括して電力分配合成器と呼ばれる。
【０００３】
電力の分配や合成を効率的に行うためには、送電側回路の出力インピーダンスと受電側回路の入力インピーダンスとを整合（インピーダンス整合）させる必要がある。
【０００４】
そのため、電力分配合成器の伝送線路中にはインピーダンス変換を行うためのインピーダンス変成器（トランス）が挿入される。このインピーダンス変成器は、長さが１／４波長の伝送線路で構成される（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−２８５０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、伝送線路を配置するためのスペースが小さい場合や回路設計上の制約から伝送線路のレイアウトが制限される場合などには、インピーダンス変成器を挿入するための十分なスペースを確保することができない場合がある。特に、分配又は合成すべき伝送信号が低周波信号であるとその波長が長いため、インピーダンス変成器自体の線路長を長くする必要があり、スペースの確保がより困難になる。
【０００７】
また、伝送線路中に挿入されるインピーダンス変成器の数が多くなると、電力分配合成器を多段接続する場合には合計の線路長が長くなり、電気回路全体のサイズが大型化してしまうという問題や、インピーダンス変成器の増加に伴って部品点数が多くなり、コストが増加するという問題が生じる。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、伝送線路を配置するためのスペースやレイアウトの制限に合わせて一部のインピーダンス変成器を省くことが可能であり、小型化、部品点数の削減、及び低コスト化を実現することができる電力分配合成器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この目的を達成するために創案された本発明は、分配されるべき電力が入力されるか又は合成された電力を出力する共通伝送線路と、前記共通伝送線路に接続され、分配された電力を出力するか又は合成されるべき電力が入力される２つの分岐伝送線路と、前記共通伝送線路中に挿入された第１のインピーダンス変成器と、前記２つの分岐伝送線路のうち一方の分岐伝送線路中に挿入された第２のインピーダンス変成器と、を備えた１入力２出力又は２入力１出力の電力分配合成器であって、前記第１のインピーダンス変成器のインピーダンスをＺ1、前記第２のインピーダンス変成器のインピーダンスをＺ2、前記共通伝送線路側の入出力インピーダンスをＺA、前記一方の分岐伝送線路側の入出力インピーダンスをＺB1、他方の分岐伝送線路側の入出力インピーダンスをＺB2、前記一方の分岐伝送線路と前記他方の分岐伝送線路との分配比又は合成比を１：ｘとしたとき、Ｚ1が下式（１）を満たすと共にＺ2が下式（２）を満たす電力分配合成器である。
【００１０】
【数１】
0005776625.tif 000002
【００１１】
【数２】
0005776625.tif 000003
【００１２】
ｘが下式（３）を満たすと良い。
【００１３】
【数３】
0005776625.tif 000004
【００１４】
また、本発明は、分配されるべき電力が入力されるか又は合成された電力を出力する共通伝送線路と、前記共通伝送線路に接続され、分配された電力を出力するか又は合成されるべき電力が入力される２つの分岐伝送線路と、前記共通伝送線路中に直列に挿入された第１のインピーダンス変成器及び第２のインピーダンス変成器と、を備えた１入力２出力又は２入力１出力の電力分配合成器であって、前記第１のインピーダンス変成器のインピーダンスをＺ1、前記第２のインピーダンス変成器のインピーダンスをＺ2、前記共通伝送線路側の入出力インピーダンスをＺA、前記一方の分岐伝送線路側の入出力インピーダンスをＺB1、他方の分岐伝送線路側の入出力インピーダンスをＺB2としたとき、Ｚ1が下式（４）を満たすと共にＺ2が下式（５）を満たす電力分配合成器である。
【００１５】
【数４】
0005776625.tif 000005
【００１６】
【数５】
0005776625.tif 000006
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、伝送線路を配置するためのスペースやレイアウトの制限に合わせて一部のインピーダンス変成器を省くことが可能であり、小型化、部品点数の削減、及び低コスト化を実現することができる電力分配合成器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１の実施の形態に係る電力分配合成器を示す回路図である。
【図２】第１の実施の形態に係る電力分配合成器を示す斜視図である。
【図３】従来技術に係る電力分配合成器を示す斜視図である。
【図４】第１の実施の形態に係る電力分配合成器において、ＺA＝ＺB1＝ＺB2＝５０ΩとしたときのＺx1と電圧定在波比（１．１：１）の帯域幅との関係を示す図である。
【図５】第２の実施の形態に係る電力分配合成器を示す回路図である。
【図６】第２の実施の形態に係る電力分配合成器を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
【００２０】
図１に示すように、第１の実施の形態に係る電力分配合成器１０は、分配されるべき電力が入力されるか又は合成された電力を出力する共通伝送線路１１と、共通伝送線路１１に接続され、分配された電力を出力するか又は合成されるべき電力が入力される２つの分岐伝送線路１２ａ、１２ｂと、共通伝送線路１１中に挿入された第１のインピーダンス変成器１３と、分岐伝送線路１２ａ中に挿入された第２のインピーダンス変成器１４と、を備えた１入力２出力又は２入力１出力の電力分配合成器である。
【００２１】
この電力分配合成器１０は、第１のインピーダンス変成器１３のインピーダンスをＺ1、第２のインピーダンス変成器１４のインピーダンスをＺ2、共通伝送線路１１側の入出力インピーダンスをＺA、分岐伝送線路１２ａ側の入出力インピーダンスをＺB1、分岐伝送線路１２ｂ側の入出力インピーダンスをＺB2、分岐伝送線路１２ａと分岐伝送線路１２ｂとの分配比又は合成比を１：ｘとしたとき、Ｚ1が下式（１）を満たすと共にＺ2が下式（２）を満たすことを特徴とする。
【００２２】
【数６】
0005776625.tif 000007
【００２３】
【数７】
0005776625.tif 000008
【００２４】
分岐伝送線路１２ａと分岐伝送線路１２ｂとの分配比又は合成比は、ｘの値を所望の値に変更することで種々に設計することができるが、ｘが下式（３）を満たす場合には広帯域条件を満たすことができるため、電力分配合成器１０における電圧定在波比の帯域幅が最も広帯域となる。
【００２５】
【数８】
0005776625.tif 000009
【００２６】
ここで、式（１）、式（２）、及び式（３）の導出過程について説明する。
【００２７】
第１のインピーダンス変成器１３と接続点Ｃとの間のインピーダンスをＺx1、接続点Ｃと第２のインピーダンス変成器１４との間のインピーダンスをＺx2、分岐伝送線路１２ｂのインピーダンスをＺx3とすると、インピーダンス整合が取れるＺ1とＺ2は下式（６）と下式（７）でそれぞれ表され、Ｚx1、Ｚx2、及びＺx3の関係は下式（８）で表される。
【００２８】
【数９】
0005776625.tif 000010
【００２９】
【数１０】
0005776625.tif 000011
【００３０】
【数１１】
0005776625.tif 000012
【００３１】
更に、分岐伝送線路１２ａと分岐伝送線路１２ｂとの分配比又は合成比は１：ｘであることから、Ｚx2は下式（９）で表される。
【００３２】
【数１２】
0005776625.tif 000013
【００３３】
また、分岐伝送線路１２ｂのインピーダンスは分岐伝送線路１２ｂ側の入出力インピーダンスと等しいことから、Ｚx3は下式（１０）で表される。
【００３４】
【数１３】
0005776625.tif 000014
【００３５】
これら式（９）と式（１０）を式（８）に代入して整理すると、Ｚx1を表す下式（１１）が得られる。
【００３６】
【数１４】
0005776625.tif 000015
【００３７】
そして、式（１１）を式（６）に代入すると式（１）が得られ、式（９）を式（７）に代入すると式（２）が得られる。
【００３８】
一方、広帯域条件を満たすＺx1は下式（１２）で表される。
【００３９】
【数１５】
0005776625.tif 000016
【００４０】
この式（１２）と式（１１）とを連立してｘについて解くと式（３）が得られる。
【００４１】
例えば、ＺA＝ＺB1＝ＺB2＝５０Ωとし、式（３）を用いて広帯域条件を満たすｘを求めるとｘ≒２．４となる。つまり、電力分配合成器１０では、分岐伝送線路１２ａと分岐伝送線路１２ｂとの分配比又は合成比が１：２．４のときに電圧定在波比の帯域幅が最も広帯域となる。
【００４２】
そして、このときの第１のインピーダンス変成器１３のインピーダンスは式（１）からＺ1≒４２Ωとなり、第２のインピーダンス変成器１４のインピーダンスは式（２）からＺ2≒７８Ωとなる。
【００４３】
この電力分配合成器１０は、例えば、図２に示すように、平行に配置された平板状の外導体１５、１５と、外導体１５、１５間に配置された丸線状の中心導体１６と、中心導体１６を支持すると共に外導体１５、１５間の間隔を維持する誘電体１７と、で構成される。
【００４４】
第１のインピーダンス変成器１３と第２のインピーダンス変成器１４のインピーダンスを変更するためは、第１のインピーダンス変成器１３や第２のインピーダンス変成器１４を構成する中心導体１６の外径、長さ、又は材質などを変更すれば良い。
【００４５】
例えば、電力分配合成器１０の高さ（外導体１５、１５間の距離）をＨ＝７ｍｍとした場合に、ＺA＝ＺB1＝ＺB2＝５０Ω、Ｚ1≒４２Ω、Ｚ2≒７８Ωとするためには、第１のインピーダンス変成器１３を構成する中心導体１６の外径を５．２ｍｍ、第２のインピーダンス変成器１４を構成する中心導体１６の外径を２．８ｍｍ、それ以外の中心導体１６の外径を４．５ｍｍとすると良い。
【００４６】
なお、電力分配合成器１０の高さＨ、インピーダンスＺ（ＺA、ＺB1、ＺB2、Ｚ1、Ｚ2等）、及び中心導体１６の外径ｄの関係は円周率πを用いて下式（１３）で表される。
【００４７】
【数１６】
0005776625.tif 000017
【００４８】
ここで、Ｚは比透磁率μr及び比誘電率εrが１のときの値であり、これ以外の場合には式（１３）のＺの値に√（μr／εr）を乗ずれば良い。
【００４９】
次に、電力分配合成器１０の作用を説明する。
【００５０】
図３に示すように、通常、１入力２出力又は２入力１出力の電力分配合成器１００では、共通伝送線路１１１、分岐伝送線路１１２ａ、１１２ｂのそれぞれにインピーダンス変成器１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃが挿入されるが、図２に示したように、電力分配合成器１０では、分岐伝送線路１２ｂにおいてインピーダンス変成器を省くことができる。
【００５１】
よって、第１の実施の形態に係る電力分配合成器１０によれば、伝送線路を配置するためのスペースやレイアウトの制限に合わせて一部のインピーダンス変成器を省くことが可能であり、小型化、部品点数の削減、及び低コスト化を実現することができる。
【００５２】
ここで、ＺA＝ＺB1＝ＺB2＝５０ΩとしたときのＺx1と電圧定在波比（ＶＳＷＲ；Voltage Standing Wave Ratio）（１．１：１）の帯域幅との関係を図４に示す。
【００５３】
図４から分かるように、Ｚx1が広帯域条件、即ち式（１２）を満たす（Ｚx1≒３５Ω）とき、電圧定在波比の帯域幅が約１０６０ＭＨｚで最大となっている。
【００５４】
また、分岐伝送線路１２ａと分岐伝送線路１２ｂとの分配比又は合成比を、良く使用される１：２とした場合には、式（１１）からＺx1≒３３Ωとなり、広帯域条件を満たすＺx1の値から２Ω程度ずれるが、電圧定在波比の帯域幅が約１０００ＭＨｚであり、十分に広帯域であることが分かる。
【００５５】
このように、電力分配合成器１０では、実用される分配比又は合成比の範囲内において十分な電圧定在波比の帯域幅を確保することが可能である。特に、Ｚx1が広帯域条件を満たす場合には、電力分配合成器１０における電圧定在波比の帯域幅が最も広帯域となる。
【００５６】
次に、第２の実施の形態について説明する。
【００５７】
図５に示すように、第２の実施の形態に係る電力分配合成器２０は、分配されるべき電力が入力されるか又は合成された電力を出力する共通伝送線路１１と、共通伝送線路１１に接続され、分配された電力を出力するか又は合成されるべき電力が入力される２つの分岐伝送線路１２ａ、１２ｂと、共通伝送線路１１中に直列に挿入された第１のインピーダンス変成器２１及び第２のインピーダンス変成器２２と、を備えた１入力２出力又は２入力１出力の電力分配合成器である。
【００５８】
この電力分配合成器２０は、第１のインピーダンス変成器２１のインピーダンスをＺ1、第２のインピーダンス変成器２２のインピーダンスをＺ2、共通伝送線路１１側の入出力インピーダンスをＺA、分岐伝送線路１２ａ側の入出力インピーダンスをＺB1、分岐伝送線路１２ｂ側の入出力インピーダンスをＺB2としたとき、Ｚ1が下式（４）を満たすと共にＺ2が下式（５）を満たすことを特徴とする。
【００５９】
【数１７】
0005776625.tif 000018
【００６０】
【数１８】
0005776625.tif 000019
【００６１】
電力分配合成器２０では、分岐伝送線路１２ａと分岐伝送線路１２ｂとの分配比又は合成比は１：１で固定されるが、Ｚ1が式（４）を満たすと共にＺ2が式（５）を満たす場合には必ず広帯域条件を満たすため、常に電力分配合成器２０における電圧定在波比の帯域幅が最も広帯域となる。
【００６２】
ここで、Ｚ1が式（４）を満たすと共にＺ2が式（５）を満たす場合には必ず広帯域条件を満たす理由を式（４）と式（５）の導出過程と共に説明する。
【００６３】
第１のインピーダンス変成器２１と第２のインピーダンス変成器２２との間のインピーダンスをＺx1、第２のインピーダンス変成器２２と接続点Ｃとの間のインピーダンスをＺx2とすると、インピーダンス整合が取れるＺ1とＺ2は下式（１４）と下式（１５）でそれぞれ表される。
【００６４】
【数１９】
0005776625.tif 000020
【００６５】
【数２０】
0005776625.tif 000021
【００６６】
更に、広帯域条件を満たすＺx1とＺx2は下式（１６）と下式（１７）でそれぞれ表される。
【００６７】
【数２１】
0005776625.tif 000022
【００６８】
【数２２】
0005776625.tif 000023
【００６９】
式（１７）を式（１６）に代入すると、Ｚx1をＺA、ＺB1、及びＺB2のみで表す下式（１８）が得られる。
【００７０】
【数２３】
0005776625.tif 000024
【００７１】
そして、式（１８）を式（１４）に代入して整理すると式（４）が得られ、式（１８）と式（１７）を式（１５）に代入して整理すると式（５）が得られる。
【００７２】
よって、Ｚ1を表す式（４）とＺ2を表す式（５）は、広帯域条件を満たすＺx1を表す式（１８）とＺx2を表す式（１７）とに基づいて導出されたものであり、Ｚ1が式（４）を満たすと共にＺ2が式（５）を満たす場合には必ず広帯域条件を満たすのである。
【００７３】
例えば、ＺA＝ＺB1＝ＺB2＝５０Ωとし、式（４）と式（５）とを用いて広帯域条件を満たしつつ、インピーダンス整合が取れるＺ1とＺ2とを求めると、Ｚ1≒４２Ωとなり、Ｚ2≒３０Ωとなる。
【００７４】
この電力分配合成器２０は、例えば、図６に示すように、平行に配置された平板状の外導体１５、１５と、外導体１５、１５間に配置された丸線状の中心導体１６と、中心導体１６を支持すると共に外導体１５、１５間の間隔を維持する誘電体１７と、で構成される。
【００７５】
第１のインピーダンス変成器２１と第２のインピーダンス変成器２２のインピーダンスを変更するためは、第１のインピーダンス変成器２１や第２のインピーダンス変成器２２を構成する中心導体１６の外径、長さ、又は材質などを変更すれば良い。
【００７６】
例えば、電力分配合成器２０の高さをＨ＝７ｍｍとした場合に、ＺA＝ＺB1＝ＺB2＝５０Ω、Ｚ1≒４２Ω、Ｚ2≒３０Ωとするためには、第１のインピーダンス変成器２１を構成する中心導体１６の外径を５．２ｍｍ、第２のインピーダンス変成器２２を構成する中心導体１６の外径を６．３ｍｍ、それ以外の中心導体１６の外径を４．５ｍｍとすると良い。
【００７７】
なお、電力分配合成器２０の高さＨ、インピーダンスＺ（ＺA、ＺB1、ＺB2、Ｚ1、Ｚ2等）、及び中心導体１６の外径ｄの関係は、電力分配合成器１０の場合と同様に式（１３）で表される。
【００７８】
【数２４】
0005776625.tif 000025
【００７９】
ここで、Ｚは比透磁率μr及び比誘電率εrが１のときの値であり、これ以外の場合には式（１３）のＺの値に√（μr／εr）を乗ずれば良い。
【００８０】
次に、電力分配合成器２０の作用を説明する。
【００８１】
図３に示したように、通常、１入力２出力又は２入力１出力の電力分配合成器１００では、共通伝送線路１１１、分岐伝送線路１１２ａ、１１２ｂのそれぞれにインピーダンス変成器１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃが挿入されるが、図６に示したように、電力分配合成器２０では、分岐伝送線路１２ａ、１２ｂにおいてインピーダンス変成器を省くことができる。
【００８２】
よって、第２の実施の形態に係る電力分配合成器２０によれば、伝送線路を配置するためのスペースやレイアウトの制限に合わせて一部のインピーダンス変成器を省くことが可能であり、小型化、部品点数の削減、及び低コスト化を実現することができる。
【００８３】
また、電力分配合成器２０では、電力分配合成器１０と異なり、必ず広帯域条件を満たすため、常に電力分配合成器２０における電圧定在波比の帯域幅が最も広帯域となる。
【符号の説明】
【００８４】
１０  電力分配合成器
１１  共通伝送線路
１２ａ  一方の分岐伝送線路
１２ｂ  他方の分岐伝送線路
１３  第１のインピーダンス変成器
１４  第２のインピーダンス変成器
１５  外導体
１６  中心導体
１７  誘電体
２０  電力分配合成器
２１  第１のインピーダンス変成器
２２  第２のインピーダンス変成器
【図１】
0005776625.tif 000031
【図２】
0005776625.tif 000032
【図３】
0005776625.tif 000033
【図４】
0005776625.tif 000034
【図５】
0005776625.tif 000035
【図６】
0005776625.tif 000036