(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
虚球面又は虚円柱面の等間隔の子午線に沿って位置するように構成された４つの導電性巻線を有し、
前記４つの導電性巻線は、約45°だけ隣接する巻線から回転し、
前記４つの導電性巻線は、相互に電気的に絶縁されており、
前記４つの導電性巻線は、各信号ポートをそれぞれ有するハイブリッド結合器。
【請求項２】
前記導電性巻線のそれぞれは、複数の巻数を有する、請求項１に記載のハイブリッド結合器。
【請求項３】
前記巻線は、平面且つ円形である、請求項１に記載のハイブリッド結合器。
【請求項４】
前記４つの円形導電性巻線内にコアを更に有する、請求項１に記載のハイブリッド結合器。
【請求項５】
前記コアは、円柱状であり、前記巻線は、平面且つ円形である、請求項４に記載のハイブリッド結合器。
【請求項６】
ハイブリッド結合器を作る方法であって、
虚球面の等間隔の子午線に沿って位置するように構成された４つの円形の導電性巻線を形成し、
前記４つの円形の導電性巻線のそれぞれを約45°だけ隣接する巻線から回転し、
前記４つの円形の導電性巻線を相互に電気的に絶縁し、
前記４つの円形の導電性巻線のそれぞれに各信号ポートを提供することを有する方法。
【請求項７】
前記４つの円形の導電性巻線内にコアを提供することを更に有し、
前記コアは、固体誘電材料、気体誘電材料及び磁気材料のうち少なくとも１つを有する、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記信号ポートのそれぞれは、前記虚球面の均分円線に沿って提供され、同軸信号ポート又は導波管信号ポートを有する、請求項６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、通信分野、信号のソート及びルーティング、並びに、変圧器（transformer）の分野及び関連する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
重要な形式の無線周波数（RF：radio  frequency）電力分割器は、3dbハイブリッド・カプラ（3db  hybrid  coupler）であり、これは、Matthaei、Young及びJonesによる“Microwave  Filters,  Impedance-Matching  Networks  And  Coupling  Structures”という題名の本の“TEM-Mode,  Coupled-Transmission-Line  Directional  Couplers,  and  Branch-Line  Directional  Couplers”という題の第13章を含む複数の参照文献に記載されている。3dbハイブリッド・カプラは、２つの入力ポートと２つの出力ポートとを有する。システム特性のインピーダンスに一致する終端インピーダンスに接続された一方の入力で、他方の入力の信号は、カプラの２つの出力における信号を生成する。これらの信号のそれぞれは、（挿入損失を無視して）入力信号により生じた電力の約半分を含む。装置形式及び接続に応じて、出力は、相互に位相で0°、90°又は180°だけ異なってもよい。90度の位相形式は、場合によっては直角位相ハイブリッド（quadrature  hybrid）と呼ばれる。
【０００３】
Magic-T又はRat-Raceハイブリッド・リング回路は他の種類であり、以前から高い帯域（＞40%）を取得する目的で最適化されてきている。帯域を増加させる様々な手法は、リングの中波長線（middle  wave  length  line）（非対称部分）の代わりに非平坦（non-flat）技術を使用することを含む。結果のリングは、より対称的になり、帯域は、４分の１の長さの波長部分の相互接続によってのみ制限される。ハイブリッド・リングは、分割器又は180°カプラとして記載されてもよく、ミキサ及び信号回路の結合に特に有用である。
【０００４】
一般的に、0°ハイブリッド・カプラは、10kHzから18GHzの周波数スペクトルに及び、様々なパッケージ形式で複数の製造者から入手可能な４ポートの回路網（network）である。0°ハイブリッド・カプラの通常の機能は、入力信号を、２つの等しい振幅の絶縁された0°の出力に分割すること、又は同じ位相の等しい振幅の信号を単一の出力に合成することである。
【０００５】
動作上は、0°ハイブリッド・カプラは、何らかのポートに適用される信号が反対のポートの対の間で等しく分割されるという点で、対称的な回路網である。ポート1に適用される入力信号は、ポート2及び3の間で等しく分割される。ポート2からの出力信号は、ポート1の入力信号と同相である。入力信号は、２つの結果の出力信号が等しく分割される。0°のハイブリッド・カプラの重要な性質は、不一致に対する反応である。共通の入力の不一致の場合、全ての反映は絶縁されたポート4に向けられ、その結果、ポート4がその特性のインピーダンスで終端される場合、システムの一致は影響を受けない。同じ状況が出力の不一致についても当てはまり、反映は絶縁されたポート4に向けられる。標準的なハイブリッド・カプラはまた、ポート2及び3の２つの信号をポート1の出力信号に合成するために使用されてもよい。
【０００６】
Osbourneによる“Multiple  Balancing  Arrangement  For  Multiplex  Transmission”という題の米国特許1,458,193は、ハイブリッド結合器（hybrid  junction）の変圧器の形式について記載している。この形式では、変圧器の巻線は、Wheatstone  Bridgeのようなブリッジ回路と同様に、分離したポートを生成するようにタップ（tap）される。タップ巻線ハイブリッド変圧器（tapped  winding  hybrid  transformer）は、特に電話リピータにおいて、広い用途を見出している。１つのこのような双方向増幅器又は“リピータ”は、Wrightによる“Transmission  Circuits”という題の米国特許1,515,643に記載されている。このハイブリッドは、長距離電話への鍵となっており、例えば電話ハンドセットのイヤホンの“側音（sidetone）”を快適なレベルまで低減するために、今日まで使用され続けている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、不都合なことに、タップ巻線ハイブリッド変圧器に制約が生じる可能性がある。巻線の多重度は複雑である。磁気回路又は“コア”は、全ての（基本的には６つの）巻線の間の結合を確保するために必要である。いくつもの数の問題は、対称性を狂わせ、アンバランスを生じる。例えば、タップが巻線の回転の中心にない場合、又は磁気コアが中空を有する場合、ポート1及び4の間の絶縁が低減する。そして、巻線技術は変化するため、実際に高度の絶縁を実現するために、複雑な配慮が必要になることがある。
【０００８】
一般的には、変圧器の形式のハイブリッド結合器は、磁気回路又はフェライトコア（ferrite  core）を必要とする。これは周波数応答を制限する。ハイブリッド結合器は、例えば1Ghzより上で動作しないことがあり、或いは、これより上で狭帯域になる。ハイブリッド結合器はまた、６つの巻線及び多くのコアのように、限られた電力定格及び複雑な形状を有する。
【０００９】
従って、コアを有し又はコアを有さず、最適な形状で、４つの非タップ巻線（untapped  winding）から４ポートを取得するもののような、より簡単で単純なハイブリッド結合器が必要である。また、一点空間について重ねられた巻線を有するユーグリッド（Euclidian）又は対称的な形式のハイブリッド変圧器を特定する必要も残る。
【００１０】
従って、前述の背景を鑑みて、球状又は円柱状の形状及び巻線の空間的な重ね合わせで、カプラ又は変圧器のような広帯域ハイブリッド結合器を提供することが本発明の目的である。広帯域結合器は、非タップ巻線又はブリッジがなく、磁気コアは省略されてもよい。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明による前記及び他の目的、特徴及び利点は、虚球面（imaginary  spherical  surface）に沿って位置するように構成された４つの円形の導電性巻線を含むハイブリッド結合器により提供される。４つの円形の導電性巻線は、約45°だけ隣接する巻線から離れている。４つの円形の導電性巻線は、相互に電気的に絶縁されており、それぞれが各信号ポートを含む。
【００１２】
円形の導電性巻線のそれぞれは、複数の巻数（turn）を含んでもよい。また、コアは、４つの円形の導電性巻線内に含まれてもよい。コアは、固体誘電材料、気体誘電材料及び非導電性磁気材料のうち１つでもよい。虚球面の直径は、好ましくは電気的に小さく、直径で波長の1/20以下である。好ましくは、信号ポートのそれぞれは、虚球面の均分円線（equator）に沿って位置してもよく、信号ポートのそれぞれは、同軸信号ポート又は導波管信号ポートでもよい。更に、好ましくは、信号ポートは、180°カプラ又は0°カプラを規定するように接続される。
【００１３】
方法の態様は、ハイブリッド結合器を作る方法を対象とし、虚球面に沿って位置するように構成された４つの円形の導電性巻線を形成し、４つの円形の導電性巻線のそれぞれを約45°だけ隣接する巻線から離すことを含む。この方法はまた、円形の導電性巻線を相互に電気的に絶縁し、４つの円形の導電性巻線のそれぞれに各信号ポートを提供することを含む。
【００１４】
この方法はまた、４つの円形の導電性巻線内にコアを提供することを含んでもよく、コアは、固体誘電材料、気体誘電材料又は非導電性磁気材料である。また、好ましくは、信号ポートのそれぞれは、虚球面の均分円線に沿って位置してもよく、信号ポートは、均衡ツイストペア（balanced  twisted  pair）、同軸信号ポート又は変換付（with  transitions）導波管ポートでもよい。
【００１５】
本発明による目的、特徴及び利点はまた、ハイブリッド結合器により提供され、バイア（via）を有する円柱状コアと、４つの矩形（又は正方形）の導電性巻線を含む。４つの矩形の導電性巻線のそれぞれは、約45°だけ隣接する巻線から離れている。４つの矩形の導電性巻線は、相互に電気的に絶縁されており、それぞれ各信号ポートを含む。
【００１６】
円柱状コアは、４つの矩形の導電性巻線の内に提供されてもよく、コアは、固体誘電材料、気体誘電材料又は非導電性磁気材料でもよい。コアの長さ（l）及び直径（d）はほぼ等しくてもよく、(l=d)<1/20波長になるように、電気的に小さいサイズ（1/20の波長以下）のコアでもよい。また、各信号ポートは、巻線から形成されたツイストペア伝送線でもよい。好ましくは、信号ポートは、接続極性を反転することにより、0°カプラ又は180°カプラを規定するように接続される。
【００１７】
他の方法の態様は、ハイブリッド結合器を作る方法を対象とし、円柱状コアが形成された後に、４つの矩形の導電性巻線を巻くことを含む。４つの矩形の導電性巻線のそれぞれは、約45°だけ隣接する巻線から回転している。更に、この方法は、４つの矩形の導電性巻線を相互に電気的に絶縁し、４つの矩形の導電性巻線のそれぞれに各信号ポートを提供することを含む。
【００１８】
他の方法は、巻線が形成された後に、４つの矩形の導電性巻線内にコアを提供することを含む。コアは、固体誘電部分、気体誘電材料又は非導電性磁気粉末でもよい。コアはまた、後の巻線の組み立てを許容するために、区分されてもよく、くさび（wedge）で構成されてもよく、４つの矩形の巻線は、実質的に平面でもよい。最後に、信号ポートは、ツイストペア、同軸信号ポート又は導波管構成への変換でもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１の実施例によるハイブリッド結合器の側面図の概略図
【図２】図１のハイブリッド結合器の上面図
【図３】本発明の他の実施例による円柱状コアの等角図
【図４】図３のハイブリッド結合器の円柱状コアの透過図
【図５】図３のハイブリッド結合器の巻線を含む円柱状コアの等角図
【図６Ａ】本発明によるハイブリッド結合器の信号の分割を示す概略図
【図６Ｂ】本発明によるハイブリッド結合器の信号の分割を示す概略図
【図６Ｃ】本発明によるハイブリッド結合器の信号の分割を示す概略図
【図６Ｄ】本発明によるハイブリッド結合器の信号の分割を示す概略図
【図７】送信機及び受信機のデュプレクサとして動作する本発明のハイブリッド結合器を示す概略図
【図８Ａ】角度回転の関数として測定される振幅及び位相での２つの巻線の間の結合のグラフ
【図８Ｂ】角度回転の関数として測定される振幅及び位相での２つの巻線の間の結合のグラフ
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明について、添付図面を参照して以下に詳細に説明する。添付図面には、本発明の好ましい実施例が示されている。しかし、本発明は、多くの異なる形式で具現されてもよう、ここに示す実施例に限定されるものとして解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施例は、この開示が十分且つ完全であり、当業者に本発明の範囲を十分に伝えるために提供されている。同様の参照符号は同様の要素を示し、代替実施例で同様の要素を示すためにプライム表記が使用されている。
【００２１】
まず図１及び２を参照して、本発明の第１の実施例に従って、ハイブリッド結合器10及び関連する製造方法を説明する。ハイブリッド結合器10は、虚球面（imaginary  spherical  surface）14に沿って位置するように構成された４つの円形の導電性巻線12（巻線1-4）を含む。４つの円形の導電性巻線12の平面のそれぞれは、約45°だけ隣接する巻線から離れている、或いは回転している。４つの円形の導電性巻線12は、（例えば、交差点での空間又は誘電体（dielectric）により）相互に電気的に絶縁されており、それぞれが各信号ポート16（ポート1-4）を含む。各信号ポート16は、同じように２つの端子18を有してもよい。
【００２２】
円形の導電性巻線12は、複数の巻数（turn）を含んでもよい。また、コア22は、４つの円形の導電性巻線内に含まれてもよい。コアは、固体誘電材料、気体誘電材料（例えば、空気）及び非導電性磁気材料のうち１つでもよい。例えば、2000MHz未満のような低い周波数で透過性（permeable）磁気コアが使用されてもよい。虚球面の直径は、波長の1/20未満であることが好ましい。
【００２３】
全体のハイブリッド結合器10は、充填材料28を含む球状ケース24に囲まれてもよい。例えば、ハイブリッド結合器10は、フェライト粉末の粒剤に浸され、球状ケース24が囲いを提供してもよい。充填材料28は、巻線12のHフィールドに拡張磁気回路を提供してもよい。球状ケース24は、導電体、絶縁体、磁気物質、誘電体でもよい。しかし、導電体ケース24は、例えば隣接する電線からのような周囲の場（電場又は磁場）からハイブリッド結合器10を保護することができる。図１の実施例の代替の図である図２では、球状ケース24及び充填材料28は示されていない点に留意すべきである。これは、単に図面を簡単にするためであり、球状ケース24及び充填材料28が図２に存在してもよい。
【００２４】
好ましくは、信号ポート16のそれぞれは、虚球面14の均分円線（equator）20に沿って位置してもよく、信号ポートのそれぞれは、ツイストペアのような均衡ポート（balanced  port）、同軸信号ポート又は変換付（with  transitions）導波管信号ポートでもよい。更に、好ましくは、信号ポートは、当業者にわかるように、端子18への接続を反転することにより、180°カプラ又は0°カプラを規定するように接続される。
【００２５】
方法の態様は、ハイブリッド結合器10を作る方法を対象とし、虚球面14に沿って位置するように構成された４つの円形の導電性巻線12を形成し、４つの円形の導電性巻線12のそれぞれを約45°だけ隣接する巻線から離すことを含む。この方法はまた、（例えば、交差点での空間又は誘電体を提供することにより）円形の導電性巻線12を相互に電気的に絶縁することを含む。この方法はまた、４つの円形の導電性巻線12のそれぞれに各信号ポート16を提供することを含む。
【００２６】
この方法はまた、４つの円形の導電性巻線12内にコア22を提供することを含んでもよく、好ましくは、コアは、非導電性磁気材料（固体、液体又は気体）である。導電性である場合、コアの材料は、電力変圧器で一般的であるように、絶縁ラミネーション（isolated  lamination）でもよい。コア22の材料は、等しい誘電率及び磁気透過性（magnetic  permeability）を有し（μ=ε）、自由空間に一致する377オームの特性のインピーダンスを有するアイソインピーダンス（isoimpedance）材料を形成してもよい。
【００２７】
他の実施例によるハイブリッド結合器30は、製造目的に好ましいことがあり、図３〜５を参照して説明する。ハイブリッド結合器30は、磁気又は誘電材料の如何なる組み合わせでもよいコア40を含む。典型的には、コア40は、フェライト又はE鉄のような非導電性磁気材料であり、コア40は波長に対して小さい。コア40は、穴44を有するように構成され、バイア（via）を形成する。穴44は８個でもよい。穴44は、典型的にはコア40の半径の0.25の半径を有する円形基準線上に配置され、全てコア40を通過し、バイア又は経路を形成する。コア40はまた、巻線が構成された後に平面での組み立てを容易にするために、くさび（wedge）に区分されてもよい。
【００２８】
穴44は、巻線46を収容するために使用される。各巻線は実質的に平面であり、巻線は隣接する穴ではなく反対にジャンプ（jump）する。巻線の交差に接続は存在せず、巻線は、例えばエナメル状マグネット線で構成されてもよい。各巻線からの２つの線の終端は、端子52になり、各ポート50を形成し、当業者に明らかになるように、電気回路網に接続されてもよい。端子52への接続は、所望のように0°又は180°の位相ハイブリッドを提供するように反転されてもよい。
【００２９】
任意選択で、各巻線からの２つの線の終端又は“リード（lead）は、コア40から出るときに相互にねじられ、制御された特性のインピーダンスの均衡伝送線を形成してもよい。これは、本発明の如何なる実施例で行われてもよい。
【００３０】
本発明のハイブリッド結合器は、好ましくは約45°の回転的にオフセットされた巻線平面を含む。当業者にわかるように、ハイブリッド結合器の性能は、45°から更に変化した角度で劣化する。中央タップは必要なく、磁気コアも必要ない。円形の巻線のため、ハイブリッド結合器の形状は、図１の実施例のように、任意選択で球状である。しかし、図３〜５の円柱状コアの実施例は、製造目的で好ましいことがある。図１の実施例は、本発明の理論的に理想的な形状（交差平面のハイブリッド変圧器）を伝えるものである。
【００３１】
図６Ａ〜６Ｄを参照して、信号を自動的に分割及び／又はソートするハイブリッド結合器10、30の動作結果について説明する。ポート1は、等しい大きさの反対の位相をポート2及び3に結合し、ポート4に結合しない。ポート2は、等しい大きさの反対の位相をポート1及び4に結合し、ポート3に結合しない。ポート3は、等しい大きさの反対の位相をポート1及び4に結合し、ポート2に結合しない。すなわち、S13=-S43及びS23=0である。ポート4は、等しい大きさの反対の位相をポート2及び3に結合し、ポート1に結合しない。ハイブリッド結合器は相反的（reciprocal）であり、全てのポートが完全に一致する。この関数はまた、以下の数式で記述されてもよい。
【００３２】
【数１】
0004757942.tif 000002
背景として、簡単な２つの巻線の教育上のシステムの動作について説明する。図８（Ａ、Ｂ）は、角度の移動の関数として２つの巻線の間の測定された結合のグラフである。２つの巻線のみが図８（Ａ、Ｂ）の教育上のシステムに存在し、これらは変圧器として互いに動作し、一方の巻線はバリオメータ（variometer)（可変変圧器）として他方の平面から回転してもよい。データは、２つの巻線が同一平面であるように正規化されている。回転した巻線が90°〜180°の物理回転を通るときに、位相が約180°だけ進むという事実に注意すべきである。これは、動作理論からわかるように、本発明の動作に重要である。
【００３３】
完全な本発明の動作理論について説明する。図２を参照すると、巻線1はRF（無線周波数）電位により駆動される。巻線1からの磁場が巻線4の開口（aperture）を曲げないように、巻線1及び4は相互に直交する。本発明では、直角の巻線は相互に結合しない。
【００３４】
しかし、動作原理を続けると、巻線2及び3は巻線1に直交しないため、巻線1に結合する。巻線1からの磁場は、巻線2及び3の開口を等しく曲げ、等しい電力の分割をもたらす。この理由は、巻線4の平面について対称性が存在するからである。ここで、当然に、巻線2及び3は巻線1と同様に、巻線4に結合し、巻線1及び4の絶縁が望ましい。しかし、巻線3の平面は、巻線1の平面から315°時計回りに回転している点に留意すべきである。これにより、巻線3が巻線1の平面を“通過（pass  through）”し、180°の位相シフトが誘導場で生じさせる。従って、巻線2及び3が個々に巻線1に結合するが、巻線2及び3からの場は、相互に180°だけ位相がずれ、巻線4で相殺される。従って、巻線2及び3は、巻線4及び1で180°だけ位相がずれ、組み合わせて巻線4及び1での絶縁を生じる。
【００３５】
本発明は、巻線により生成される磁束密度に応じて、疎結合器（loose  coupler）又は密結器（tight  coupler）を形成してもよい。要件に応じて、疎結合器が有利になってもよく、密結合器が有利になってもよい。例えば計測器（instrumentation）には、接続された回路網への外乱を低減することにより、疎結合器が有利である。密結合では、巻線（12、46）は、複数の巻数Nを含んでもよく、コア（22、40）は大きい直径でもよく、或いは、コア（22、40）は高い磁気透過性を有してもよい。一般的に、巻線（12、48）の誘導リアクタンスは、RF変圧器の設計で一般的であるように、接続される回路のインピーダンスより４倍以上大きくなるべきである。
【００３６】
ハイブリッド結合器10（球状コア）の巻線12及びハイブリッド結合器30（円柱状コア）の巻線46は、サイズ及び共振に対して２つのモード（電気的に小さい非共振又は電気的に大きい自己共振）で動作可能である。一般的に、好ましいモードは、変圧器で典型的であるように、非共振巻線である。しかし、高電力レベルのような要件では、自己共振巻線が有利なことがある。このようなハイブリッドは大きい物理サイズ及び消費熱量になる。巻数N、巻線の技術及び分布キャパシタンスに応じて、自己共振巻線で使用される線の長さは、約0.2〜0.45の波長でもよい。共振巻線の瞬時帯域は狭いが（約0.5〜2%）、調整可能にされてもよい。
【００３７】
一般的に、巻線（12、46）は短いソレノイド（short  solenoid）である。しかし、低い周波数の要件では、正式でないスクランブル巻線（scramble  winding）で十分である。高い周波数で複数の巻線の層が必要である場合、周波数応答を上げるために、バンク巻線（bank  winding）が使用されてもよい。
【００３８】
本発明のポート接続は、電話線でもよく、巻線はアンテナへのツイストペア又は同軸ケーブルを形成してもよく、或いはRADARSへの変換付導波管でもよい。ハイブリッド結合器は、変圧器、コイル、カプラ、magic-T又は重信回線（phantom  circuit）として記述されてもよい。例えば、ハイブリッド結合器は、電話、RFミキサ、スーパーヘテロダイン受信機（Superheterodyne  receivers）、円形偏極アンテナ、送受信TRデュプレクサ、双方向増幅器／リピータ、海底ケーブル、イグニション（ignition）で使用されてもよい。図７に示すように、ハイブリッド結合器10、30は、同じアンテナを使用する送受信機のデュプレクサとして動作してもよい。
【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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