(57)【要約】      （修正有）【課題】大電力を取り扱うために十分な耐熱性を有する電力合成器を提供する。【解決手段】電力合成器１００は、第１伝送線路１１２、第２伝送線路１１４、第３伝送線路１１６及び第４伝送線路１１８の順で環状に接続され、第１ポート１２０は、第１伝送線路１１２及び第２伝送線路１１４の接続部に接続され、第２ポート１２２は、第２伝送線路１１４及び第３伝送線路１１６の接続部に接続され、第３ポート１２４は、第３伝送線路１１６及び第４伝送線路１１８の接続部に接続され、第４ポート１２６は、第４伝送線路１１８及び第１伝送線路１１２の接続部に接続され、所定の周波数において、第１ポート１２０を入力ポートとしたときに、第２ポート１２２及び第３ポート１２４には、入力した信号の半分の電力が出力される９０°ハイブリッド回路１０４を備える。９０°ハイブリッド回路１０４は、厚さが０．４ｍｍ以上である。【選択図】図１
2017011344.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１伝送線路乃至第４伝送線路と、第１ポート乃至第４ポートとを有し、
前記第１伝送線路、前記第２伝送線路、前記第３伝送線路及び前記第４伝送線路の順で環状に接続され、
前記第１ポートは、前記第１伝送線路及び前記第２伝送線路の接続部に接続され、
前記第２ポートは、前記第２伝送線路及び前記第３伝送線路の接続部に接続され、
前記第３ポートは、前記第３伝送線路及び前記第４伝送線路の接続部に接続され、
前記第４ポートは、前記第４伝送線路及び前記第１伝送線路の接続部に接続され、
所定の周波数において、前記第１ポートを入力ポートとしたときに、前記第２ポート及び前記第３ポートにはそれぞれ前記第１ポートに入力した信号の半分の電力が出力され、前記第４ポートには信号が出力されず、前記第１ポートと前記第４ポートに同時に同じ大きさで、かつ位相の異なる信号を入力することにより、前記第２ポート又は前記第３ポートに前記第１ポートと前記第４ポートに入力した信号の合計の電力が出力される９０°ハイブリッド回路を備え、
前記９０°ハイブリッド回路は、
厚さが０．４ｍｍ以上であることを特徴とする電力合成器。
【請求項２】
前記９０°ハイブリッド回路は、厚さが２ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の電力合成器。
【請求項３】
前記９０°ハイブリッド回路は、前記第１伝送線路及び前記第２伝送線路の接続部と、前記第２伝送線路及び前記第３伝送線路の接続部と、前記第３伝送線路及び前記第４伝送線路の接続部と、前記第４伝送線路及び前記第１伝送線路の接続部とにおいて、内側端部の曲率半径が１ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の電力合成器。
【請求項４】
前記９０°ハイブリッド回路は、前記第１伝送線路及び前記第１ポートの接続部と、前記第１ポート及び前記第２伝送線路の接続部と、前記第２伝送線路及び前記第２ポートの接続部と、前記第２ポート及び前記第３伝送線路の接続部と、前記第３伝送線路及び前記第３ポートの接続部と、前記第３ポート及び前記第４伝送線路の接続部と、前記第４伝送線路及び前記第４ポートの接続部と、前記第４ポート及び前記第１伝送線路の接続部とにおいて、端部の曲率半径が１ｍｍ以上であることを特徴とする請求項３に記載の電力合成器。
【請求項５】
前記９０°ハイブリッド回路は、前記環状に接続された第１伝送線路、第２伝送線路、第３伝送線路及び第４伝送線路の内側端部は、閉じた曲線であることを特徴とする請求項４に記載の電力合成器。
【請求項６】
前記９０°ハイブリッド回路は、前記環状に接続された第１伝送線路、第２伝送線路、第３伝送線路及び第４伝送線路の内側端部は、楕円形であることを特徴とする請求項５に記載の電力合成器。
【請求項７】
前記９０°ハイブリッド回路は、前記環状に接続された第１伝送線路、第２伝送線路、第３伝送線路及び第４伝送線路の内側端部は、円形であることを特徴とする請求項６に記載の電力合成器。
【請求項８】
前記９０°ハイブリッド回路の構成を有する第１乃至第３の９０°ハイブリッド回路を備え、
前記第１の９０°ハイブリッド回路の第１ポート及び前記第２の９０°ハイブリッド回路の第３ポートが接続され、
前記第１の９０°ハイブリッド回路の第４ポート及び前記第３の９０°ハイブリッド回路の第２ポートが接続されることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか一に記載の電力合成器。
【請求項９】
誘電体基板と、
前記誘電体基板上に配置された前記９０°ハイブリッド回路とを備える請求項１乃至請求項８のいずれか一に記載の電力合成器。
【請求項１０】
前記誘電体基板は、樹脂基板であることを特徴とする請求項９に記載の電力合成器。
【請求項１１】
前記樹脂基板は、テフロン基板であることを特徴とする請求項１０に記載の電力合成器。
【請求項１２】
前記誘電体基板は、厚さが３ｍｍ以上であることを特徴とする請求項９に記載の電力合成器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電力合成器に関し、特にマイクロ波帯で使用される９０°ハイブリッド回路を利用した電力合成器に関する。
【背景技術】
【０００２】
高周波電力合成器は、複数経路からの信号を１つに合成する用途に用いられる。近年、マイクロ波帯以上の周波数帯が多方面で利用されるようになり、高周波電力合成器も、これら周波数帯に適用される構成のものが実現されている。
【０００３】
従来、高周波電力合成器でマイクロ波帯等の高周波信号を扱う場合には、例えばプリント基板上に形成されたマイクロストリップ線路や、誘電体内に形成されたストリップ線路等の伝送線路が用いられる。
【０００４】
マイクロストリップ線路は、誘電体基板の両面に導体が形成され、上面の導体は伝送線路、下面の導体は接地されたグラウンドパターンとなっている。誘電体基板の比誘電率及び厚さ、導体の厚さ及び幅は、伝送線路の特性インピーダンスを決める。マイクロストリップ線路は、例えば面実装部品に適した構造、エッチング処理によってパターニングが可能といった加工の容易さ、又は伝送線路の厚さを無視する近似が可能であるために数値シミュレーションが容易といったことから、広く用いられている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、電力合成器が取り扱う電力の大きさが増加していくと、従来のマイクロストリップ線路を用いることには限界がある。特に、発熱に伴う熱応力に耐えられず、伝送線路が湾曲したり、熔解してしまうといった問題を有することがわかった。
【０００６】
本発明は、上記問題に鑑み、大電力を取り扱うために十分な耐熱性を有する電力合成器を提供することを目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る電力合成器は、第１伝送線路乃至第４伝送線路と、第１ポート乃至第４ポートとを有し、第１伝送線路、第２伝送線路、第３伝送線路及び第４伝送線路の順で環状に接続され、第１ポートは、第１伝送線路及び第２伝送線路の接続部に接続され、第２ポートは、第２伝送線路及び第３伝送線路の接続部に接続され、第３ポートは、第３伝送線路及び第４伝送線路の接続部に接続され、第４ポートは、第４伝送線路及び第１伝送線路の接続部に接続され、所定の周波数において、第１ポートを入力ポートとしたときに、第２ポート及び第３ポートにはそれぞれ第１ポートに入力した信号の半分の電力が出力され、第４ポートには信号が出力されず、第１ポートと第４ポートに同時に同じ大きさで、かつ位相の異なる信号を入力することにより、第２ポート又は第３ポートに第１ポートと第４ポートに入力した信号の合計の電力が出力される９０°ハイブリッド回路を備え、９０°ハイブリッド回路は、厚さが０．４ｍｍ以上であることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態に係る電力合成器の構成を示す上面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る電力合成器の構成を示す断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る電力合成器の構成を示す上面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る電力合成器が有する９０°ハイブリッド回路の構成を示す上面図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る電力合成器の構成を示す上面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態を、図面等を参照しながら説明する。但し、本発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、以下に例示する実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。また、図面は説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。また、本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して、詳細な説明を適宜省略することがある。
【００１０】
本明細書において、ある部材又は領域が、他の部材又は領域の「上に（又は下に）」あるとする場合、特段の限定がない限り、これは他の部材又は領域の直上（又は直下）にある場合のみでなく、他の部材又は領域の上方（又は下方）にある場合を含み、すなわち、他の部材又は領域の上方（又は下方）において間に別の構成要素が含まれている場合も含む。
【００１１】
＜第１実施形態＞
図１は、本実施形態に係る電力合成器１００の構成を説明するための上面図である。本実施形態に係る電力合成器１００は、基板１０２上に９０°ハイブリッド回路１０４が配置されている。
【００１２】
９０°ハイブリッド回路１０４は、第１伝送線路乃至第４伝送線路（１１２乃至１１８）と第１ポート乃至第４ポート（１２０乃至１２６）とを有している。
【００１３】
第１伝送線路乃至第４伝送線路（１１２乃至１１８）は、第１伝送線路１１２、第２伝送線路１１４、第３伝送線路１１６及び第４伝送線路１１８の順で環状に接続されている。本実施形態においては、第１伝送線路乃至第４伝送線路（１１２乃至１１８）は、有限の幅を有する直線状の形状を有している。
【００１４】
第１ポート１２０は、第１伝送線路１１２及び第２伝送線路１１４の接続部に接続され、第２ポート１２２は、第２伝送線路１１４及び第３伝送線路１１６の接続部に接続され、第３ポート１２４は、第３伝送線路１１６及び第４伝送線路１１８の接続部に接続され、そして、第４ポート１２６は、第４伝送線路１１８及び第１伝送線路１１２の接続部に接続されている。第１ポート乃至第４ポート（１２０乃至１２６）は、環状に接続された第１伝送線路乃至第４伝送線路（１１２乃至１１８）の外側に向けて接続されている。
【００１５】
本実施形態に係る電力合成器１００においては、入力信号の想定される周波数を２４５０ＭＨｚとしている。これに伴い、第１伝送線路１１２及び第３伝送線路１１６の幅は共に４．９ｍｍ、長さは共に２３．７ｍｍとしている。第２伝送線路１１４及び第４伝送線路１１８の幅は共に９．１ｍｍ、長さは３０．６ｍｍとしている。これらの値は、想定する周波数に応じて決定される設計事項である。
【００１６】
本実施形態に係る９０°ハイブリッド回路は、所定の周波数において、例えば第１ポート１２０を入力ポートとしたときに、第２ポート１２２および第３ポート１２４にはそれぞれ第１ポートに入力した信号の半分の電力が出力され、第４ポート１２６には信号が出力されない構成を有している。また、例えば第１ポート１２０と第４ポート１２６に同時に同じ大きさの信号で、かつ第１ポートに入力する信号の位相が０度で、第４ポートに入力する信号の位相を第１ポートに入力する信号の位相と＋９０度ずらすことにより、第２ポート１２２に第１ポート１２０と第４ポート１２６に入力した信号の合計を出力することができる。この場合、第３ポート１２４には信号が出力されない。この場合に、第４ポートに入力する信号の位相を第１ポートに入力する信号の位相と−９０度ずらせば、第３ポート１２４に第１ポート１２０と第４ポート１２６に入力した信号の合計を出力することができる。この場合、第２ポート１２２には信号が出力されない。
【００１７】
本実施形態に係る９０°ハイブリッド回路１０４の材料としては、従来用いられる銅等の導体を用いてよい。当該導体の厚さは０．４ｍｍ以上が好ましく、この例では０．４ｍｍである。このような構成を有することによって、９０°ハイブリッド回路１０４の発熱に伴う熱応力への耐性が向上する。特に、第１ポート１２０及び第４ポート１２６に１ｋＷの信号を入力し、第２ポート１２２又は第３ポート１２４において２ｋＷに合成された信号を出力する際の発熱による伝送線路の湾曲、熔解にさえ耐え得る構成となる。
【００１８】
基板としては、誘電体基板が用いられる。誘電体基板の厚さは２ｍｍ以上であればよく、この例では３ｍｍである。誘電体基板としては、樹脂基板を用いることができる。樹脂基板としては、例えばテフロン（登録商標）基板、ガラスエポキシ基板等を用いることができる。また、セラミック基板を用いてもよい。
【００１９】
本実施形態に係る電力合成器１００は、誘電体基板１０２と９０°ハイブリッド回路１０４との密着性を良くするために、更に、複数のバンド１２８を設け、９０°ハイブリッド回路１０４を誘電体基板１０２上に固定してもよい。図２に、図１に示した上面図のＡ−Ａ´に沿った断面図を示す。このような構成を有することによって、誘電体基板と９０°ハイブリッド回路１０４との間に大気が入り込むことを防ぎ、伝送線路の各々の特性インピーダンスが設計値から変動することを防ぐことができる。これによって、電力合成器を作製する前の数値シミュレーションによる特性予測と実特性との整合性が確保されることから、特性予測が容易になる。
【００２０】
本実施形態に係る９０°ハイブリッド回路１００の加工方法としては、エッチング処理を用いてもよいが、従来のマイクロストリップ線路を用いる場合に比べて導体の厚さが厚いため、レーザカッター等を用いて加工してもよい。
【００２１】
以上、本実施形態に係る電力合成器１００の構成について説明した。本実施形態に係る電力合成器１００は、それが有する９０°ハイブリッド回路１０４の厚さを従来よりも厚く、０．４ｍｍ以上とすることによって、発熱に伴う熱応力への耐性が向上し、大電力を取り扱うために有利な構成となる。
【００２２】
＜第２実施形態＞
図３は、本実施形態に係る電力合成器２００を説明するための上面図である。更に、図３内に、破線で示した第１伝送線路２１２及び第２伝送線路２１４の接続部近傍を拡大して示している。本実施形態に係る電力合成器２００と第１実施形態に係る電力合成器１００とを比較すると、本実施形態に係る電力合成器２００は、第１伝送線路２１２及び第２伝送線路２１４の接続部と、第２伝送線路２１４及び第３伝送線路２１６の接続部と、第３伝送線路２１６及び第４伝送線路２１８の接続部と、第４伝送線路２１８及び第１伝送線路２１２の接続部とにおいて、内側端部が曲率半径を有して接続している。
【００２３】
換言すると、環状に接続された第１伝送線路乃至第４伝送線路（２１２乃至２１８）の内周側の端部において、隣接する伝送線路同士の接続部が曲率半径を有している。
【００２４】
当該曲率半径は１ｍｍ以上が好ましく、この例では全ての接続部において１．３ｍｍである。
【００２５】
第１実施形態に係る電力合成器１００においては、当該曲率半径を有さず、環状に接続された第１伝送線路乃至第４伝送線路（１１２乃至１１８）の内周は長方形であり、４本の線分の組み合わせとなっている。
【００２６】
伝送線路同士の接続部付近には、発熱に伴う熱応力が集中し易い。本実施形態に係る電力合成器２００のように、当該曲率半径を有する構成とすることによって、伝送線路の接続部付近における発熱に伴う熱応力の集中を緩和することができる。これによって、９０°ハイブリッド回路２０４を含む電力合成器２００全体の耐熱性が更に向上し、熱応力による伝送線路の湾曲、熔解に耐え得る構成となる。つまり、大電力を取り扱うために適した電力合成器を提供することができる。
【００２７】
＜第３実施形態＞
図４は、本実施形態に係る電力合成器３００が有する９０°ハイブリッド回路３０４を説明するための上面図である。本実施形態に係る９０°ハイブリッド回路３０４と第２実施形態に係る９０°ハイブリッド回路２０４とを比較すると、本実施形態に係る９０°ハイブリッド回路３０４は、環状に接続された第１伝送線路乃至第４伝送線路（３１２乃至３１８）の内周側端部の形状が円形となっている。
【００２８】
換言すると、第１伝送線路乃至第４伝送線路（３１２乃至３１８）の各々の内周側端部の形状が円弧状となっている。これに伴い、それぞれの伝送線路の幅を一定とするために第１伝送線路乃至第４伝送線路（３１２乃至３１８）のそれぞれの外周側端部の形状も円弧状となっている。
【００２９】
尚、本実施形態に係る電力合成器３００においては、入力信号の想定される周波数を２４５０ＭＨｚとしている。これに伴い、環状に接続された第１伝送線路乃至第４伝送線路（３１２乃至３１８）の内周側端部の半径は、１３ｍｍとしている。円弧状の第１伝送線路３１２及び第３伝送線路３１６の幅は共に５．７ｍｍとしている。円弧状の第２伝送線路３１４及び第４伝送線路３１８の幅は共に９．９ｍｍとしている。
【００３０】
また、この例では、第１ポート乃至第４ポート（３２０乃至３２６）は、円形の内周側端部の中心に対して放射状に引き出されている。第１ポート３２０と第２ポート３２２との成す角、第２ポート３２２と第３ポート３２４との成す角、第３ポート３２４と第４ポート３２６との成す角、そして、第４ポート３２６と第１ポート３２０との成す角は、全て略９０°である。この例では、数値シミュレーションによる最適化の結果、第１ポート３２０と第２ポート３２２との成す角、及び第３ポート３２４と第４ポート３２６との成す角は８８°であり、第２ポート３２２と第３ポート３２４との成す角、及び第４ポート３２６と第１ポート３２０との成す角は９２°としている。これらの値は、想定する周波数に応じて決定される設計事項である。
【００３１】
更に本実施形態に係る電力合成器３００と第２実施形態に係る電力合成器２００とを比較すると、本実施形態に係る電力合成器３００は、図中に破線の円で示したように、第１伝送線路３１２及び第１ポート３２０の接続部と、第１ポート３２０及び第２伝送線路３１４の接続部と、第２伝送線路３１４及び第２ポート３２２の接続部と、第２ポート３２２及び第３伝送線路３１６の接続部と、第３伝送線路３１６及び第３ポート３２６の接続部と、第３ポート３２６及び第４伝送線路３１８の接続部と、第４伝送線路３１８及び第４ポート３２８の接続部と、第４ポート３２８及び第１伝送線路３１２の接続部とにおいて、曲率半径を有して接続している。当該曲率半径は、好ましくは１ｍｍ以上であり、この例では２ｍｍである。
【００３２】
このような構成を有することによって、９０°ハイブリッド回路３０４を含む電力合成器３００全体の耐熱性が更に向上し、大電力向けの電力合成器３００を提供することができる。
【００３３】
更に、本実施形態に係る電力合成器３００と第２実施形態に係る電力合成器２００とを比較すると、本実施形態に係る電力合成器３００の９０°ハイブリッド回路３０４の厚さは、０．４ｍｍ以上が好ましく、この例では２ｍｍである。
【００３４】
このような構成を有することによって、９０°ハイブリッド回路３０４を含む電力合成器３００全体の耐熱性が更に向上し、熱応力に伴う伝送線路の湾曲、熔解に耐え得る構成となる。つまり、大電力を取り扱うために適した電力合成器３００を提供することができる。
【００３５】
尚、本実施形態に係る電力合成器の９０°ハイブリッド回路３０４の伝送線路の形状は図面を用いて説明したものに限られない。例えば、環状に接続された第１伝送線路乃至第４伝送線路（３１２乃至３１８）の内周側端部の形状は、円形に限らず、閉じた曲線であってもよい。閉じた曲線は、例えば楕円形であってもよい。
【００３６】
＜第４実施形態＞
図５は、本実施形態における電力合成器４００を説明するための上面図である。本実施形態に係る電力合成器４００は、第３実施形態に係る電力合成器３００の９０°ハイブリッド回路３０４を３個有し、それらを組み合わせた構成を有している。尚、図中に破線の円で示したように、図４と同様に、各接続部において曲率半径を有することを意味している。
【００３７】
具体的には、第３実施形態に係る９０°ハイブリッド回路３０４の構成を有する第１乃至第３の９０°ハイブリッド回路（４０４ａ乃至４０４ｃ）を備える。第１の９０°ハイブリッド回路４０４ａの第１ポート４２０ａと、第２の９０°ハイブリッド回路４０４ｂの第３ポート４２４ｂとが接続され、第１の９０°ハイブリッド回路４０４ａの第４ポート４２６ａと、第３の９０°ハイブリッド回路４０４ｃの第２ポート４２２ｃとが接続されている。
【００３８】
このような構成を有することによって、第２の９０°ハイブリッド回路４０４ｂの第１ポート４２０ｂ及び第４ポート４２６ｂと、第３の９０°ハイブリッド回路４０４ｃの第１ポート４２０ｃ及び第４ポート４２６ｃとから入力された４つの信号を、第１の９０°ハイブリッド回路４０４ａの第２ポート４２２ａに出力することができる。
【００３９】
入力される４つの信号の振幅を共通とし、それぞれの位相を調整することによって、第１の９０°ハイブリッド回路４０４ａの第２ポート４２２ａに当該入力される信号の４倍の信号を出力することができる。また、これとともに第１の９０°ハイブリッド回路４０４ａの第３ポート４２４ａ、第２の９０°ハイブリッド回路４０４ｂの第２ポート４２２ｂ及び第３の９０°ハイブリッド回路４０４ｃの第３ポート４２４ｃには信号が出力されないようにすることができる。
【００４０】
以上のような構成を有することによって、単一の９０°ハイブリッド回路を用いる場合よりも更に高い電力の信号を合成して出力することができる。特に、振幅が１ｋＷの入力信号を合成し、４ｋＷの信号を出力する際において、熱応力に伴う伝送線路の湾曲、熔解に耐え得る構成となる。
【００４１】
以上、本発明の好ましい態様を第１実施形態乃至第４実施形態によって説明した。しかし、これらは単なる例示に過ぎず、本発明の技術的範囲はそれらには限定されない。当業者であれば、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の変更が可能であろう。よって、それらの変更も当然に、本発明の技術的範囲に属すると解されるべきである。
【符号の説明】
【００４２】
１００、２００、３００、４００・・・電力合成器
１０１、２０１、３０１、４０１・・・グラウンドパターン
１０２、２０２、３０２、４０２・・・基板
１０４、２０４、３０４、４０４ａ、４０４ｂ、４０４ｃ・・・９０°ハイブリッド回路
１１２、２１２、３１２・・・第１伝送線路
１１４、２１４、３１４・・・第２伝送線路
１１６、２１６、３１６・・・第３伝送線路
１１８、２１８、３１８・・・第４伝送線路
１２０、２２０、３２０、４２０ａ、４２０ｂ、４２０ｃ・・・第１ポート
１２２、２２２、３２２、４２２ａ、４２２ｂ、４２２ｃ・・・第２ポート
１２４、２２４、３２４、４２４ａ、４２４ｂ、４２４ｃ・・・第３ポート
１２６、２２６、３２６、４２６ａ、４２６ｂ、４２６ｃ・・・第４ポート
１２８、２２８・・・バンド
【図１】
2017011344.tif 000003
【図２】
2017011344.tif 000004
【図３】
2017011344.tif 000005
【図４】
2017011344.tif 000006
【図５】
2017011344.tif 000007