電力分配器と方向性結合器

10 dB 1.7～2.2 GHz方向性結合器。左から右へ：入力ポート、結合ポート、絶縁ポート（負荷終端）、送信ポート。

3 dB 2.0～4.2 GHz 電力分配器/結合器。

電力分配器（パワースプリッターとも呼ばれ、逆の場合はパワーコンバイナーとも呼ばれる）と方向性結合器は、主に無線技術分野で使用される受動デバイスです。これらは、伝送線路内の一定量の電磁力（電磁波）をポートに結合し、信号を別の回路で使用できるようにします。方向性結合器の重要な特徴は、一方向にのみ電力を結合することです。出力ポートに入る電力は、分離ポートに結合されますが、結合ポートには結合されません。2つのポート間で電力を均等に分割するように設計された方向性結合器は、ハイブリッド結合器と呼ばれます。

方向性結合器は、2本の結合伝送線路を十分近接させて配置することで最も一般的に構成されます。これらの線路は、一方を通過するエネルギーが他方に結合するように設計されます。この手法は、多くの回路要素を実装するために伝送線路設計が一般的に用いられるマイクロ波周波数帯で好まれます。しかし、電話で使用される音声周波数帯など、より低い周波数帯では、集中定数デバイスも利用可能です。また、マイクロ波周波数帯、特に高周波数帯では、導波管設計が用いられます。これらの導波管結合器の多くは、導電性伝送線路設計の1つに対応していますが、導波管に特有のタイプも存在します。

方向性結合器と電力分配器には多くの用途があります。測定や監視のための信号サンプルの提供、フィードバック、アンテナへの給電とアンテナからの給電の結合、アンテナビームフォーミング、ケーブルテレビなどのケーブル分散システムへのタップの提供、電話回線における送信信号と受信信号の分離などです。

表記法と記号

図1方向性結合器に使用される2つの記号

方向性結合器で最もよく使用される記号を図 1 に示します。記号には結合係数(dB単位) が記されている場合があります。方向性結合器には4 つのポートがあります。ポート 1 は電力が供給される入力ポートです。ポート 3 はポート 1 に供給された電力の一部が出力される結合ポートです。ポート 2 はポート 1 からの電力 (ポート 3 に供給された電力を差し引いたもの) が出力される送信ポートです。方向性結合器は多くの場合対称形であるため、分離ポートであるポート 4 も存在します。ポート 2 に供給された電力の一部はポート 4 に結合します。ただし、デバイスは通常このモードでは使用されず、ポート 4 は通常、整合負荷(通常 50 オーム) で終端されます。この終端はデバイス内部で行うことができ、ポート 4 はユーザーがアクセスすることはできません。実質的には 3 ポートデバイスとなるため、図 1 の方向性結合器の 2 番目の記号が使用されています。^{[ 1 ]}

図2電力分配器の記号

フォームのシンボル。

${\displaystyle P_{\mathrm {a,b} }\ }$

この記事における「ポートbの入力によるポートaのパラメータP 」の意味を持ちます。

電力分配器の記号を図2に示します。電力分配器と方向性結合器は、本質的に同じクラスのデバイスです。 方向性結合器は、疎結合の4ポートデバイス（つまり、入力電力のごく一部のみが結合ポートに供給されるデバイス）に使用される傾向があります。 電力分配器は、密結合のデバイス（一般的に、電力分配器は各出力ポートに入力電力の半分を供給する、つまり3dB分配器）に使用され、通常は3ポートデバイスと見なされます。^{[ 2 ]}

パラメータ

すべての方向性結合器に求められる共通の特性は、広い動作帯域幅、高い方向性、そして他のポートが整合負荷で終端されているときにすべてのポートで良好なインピーダンス整合が得られることです。これらの特性とその他の一般的な特性については、以下で説明します。^{[ 3 ]}

結合係数

結合係数は次のように定義されます。 ${\displaystyle C_{3,1}=10\log {\left({\frac {P_{3}}{P_{1}}}\right)}\quad {\rm {dB}}}$

ここで、P ₁はポート 1 の入力電力、P ₃は結合ポートからの出力電力です (図 1 を参照)。

結合係数は方向性結合器の主要な特性を表す。結合係数は負の値であり、受動デバイスでは0 dBを超えることはできず、実際には-3 dBを超えることはない。これは、これを超えると結合ポートからの出力電力が送信ポートからの電力よりも大きくなり、実質的に両者の役割が逆転してしまうためである。負の値であるにもかかわらず、本文や図表ではマイナス符号が省略されることが多く（ただし、マイナス符号は暗黙的に含まれ）、一部の著者^{[ 4 ]}はそれを正の値として定義している。結合は一定ではなく、周波数によって変化する。設計を変えることで変動を減らすことはできるが、理論的には完全に平坦な結合器は構築できない。方向性結合器は、周波数帯域中心における結合精度によって規定される。^{[ 5 ]}

損失

図3結合による挿入損失のグラフ

ポート1からポート2へのメインライン挿入損失（ _P1 -P2 _）は次のようになります。

挿入損失:${\displaystyle L_{i2,1}=-10\log {\left({\frac {P_{2}}{P_{1}}}\right)}\quad {\rm {dB}}}$

この損失の一部は、結合ポートに流れる電力によるもので、結合損失と呼ばれ、次のように表されます。

結合損失:${\displaystyle L_{c2,1}=-10\log {\left(1-{\frac {P_{3}}{P_{1}}}\right)}\quad {\rm {dB}}}$

理想的な方向性結合器の挿入損失は、すべて結合損失のみで構成されます。しかし、実際の方向性結合器では、挿入損失は結合損失、誘電体損失、導体損失、およびVSWR損失の組み合わせで構成されます。周波数範囲によって異なりますが、15 dB以上の結合損失では結合損失はそれほど重要ではなくなり、その場合は他の損失が全体の損失の大部分を占めます。損失のない結合器の理論的な挿入損失（dB）と結合損失（dB）の関係は、図3のグラフと下の表に示されています。^{[ 6 ]}

結合による挿入損失

カップリング	挿入損失
dB	dB
3	3.00
6	1.25
10	0.458
20	0.0436
30	0.00435

分離

方向性結合器の絶縁は、他の 2 つのポートが整合負荷で終端されている場合の、入力ポートと絶縁ポート間の信号レベルの差 (dB 単位) として定義できます。

分離：${\displaystyle I_{4,1}=-10\log {\left({\frac {P_{4}}{P_{1}}}\right)}\quad {\rm {dB}}}$

2つの出力ポート間に絶縁を定義することもできます。この場合、出力ポートの1つは入力として使用され、もう1つは出力ポートとして扱われ、残りの2つのポート（入力ポートと絶縁ポート）は整合した負荷によって終端されます。

その結果： ${\displaystyle I_{3,2}=-10\log {\left({\frac {P_{3}}{P_{2}}}\right)}\quad {\rm {dB}}}$

入力ポートと絶縁ポート間のアイソレーションは、2つの出力ポート間のアイソレーションとは異なる場合があります。例えば、ポート1と4間のアイソレーションは30 dBであるのに対し、ポート2と3間のアイソレーションは25 dBなど、異なる値になる場合があります。アイソレーションは、結合度とリターンロスから推定できます。アイソレーションは可能な限り高くする必要があります。実際のカプラでは、絶縁ポートが完全に絶縁されることはありません。常に ある程度のRF電力が存在します。導波管方向性結合器は、最も優れたアイソレーションを備えています。^{[ 7 ]}

指向性

指向性は遮音性と直接関係しており、以下のように定義されます。

指向性:${\displaystyle D_{3,4}=-10\log {\left({\frac {P_{4}}{P_{3}}}\right)}=-10\log {\left({\frac {P_{4}}{P_{1}}}\right)}+10\log {\left({\frac {P_{3}}{P_{1}}}\right)}\quad {\rm {dB}}}$

ここで、P ₃は結合ポートからの出力電力、P ₄は分離ポートからの出力電力です。

方向性は可能な限り高くする必要があります。設計周波数では方向性が非常に高く、2つの波動成分の打ち消し合いに依存するため、周波数の影響を受けやすい関数です。導波管方向性結合器は最も優れた方向性を有します。方向性は直接測定することはできず、アイソレーションと（負の）結合の測定値を加算することで次のように計算されます。^{[ 8 ]}

${\displaystyle D_{3,4}=I_{4,1}+C_{3,1}\quad {\rm {dB}}}$

結合の正の定義を使用すると、式は次のようになることに注意してください。

${\displaystyle D_{3,4}=I_{4,1}-C_{3,1}\quad {\rm {dB}}}$

Sパラメータ

理想的な（無限絶縁かつ完全に整合した）対称方向性結合器のS行列は次のように表さ れる。

${\displaystyle \mathbf {S} ={\begin{bmatrix}0&\tau &\kappa &0\\\tau &0&0&\kappa \\\kappa &0&0&\tau \\0&\kappa &\tau &0\end{bmatrix}}}$

${\displaystyle \tau \ }$ は透過係数であり、

${\displaystyle \kappa \}$ 結合係数

一般に、と は周波数に依存する複素数です。行列の主対角線上のゼロは、完全な整合、つまりどのポートへの電力入力も同じポートに反射されないことによるものです。行列の反対角線上のゼロは、入力ポートと分離されたポート間の完全な分離によるものです。 ${\displaystyle \tau \ }$ ${\displaystyle \kappa \}$

受動損失のない方向性結合器の場合、さらに、

${\displaystyle \tau {\overline {\tau }}+\kappa {\overline {\kappa }}=1}$

入力ポートに入った電力はすべて他の２つのポートのいずれかから出ていく必要があるためである。^{[ 9 ]}

挿入損失は次のようなものと関連しています。 ${\displaystyle \tau \ }$

${\displaystyle L(\mathrm {dB} )=-20\log |\tau |\ }$

結合係数は次のように関連します。 ${\displaystyle \kappa \}$

${\displaystyle C(\mathrm {dB} )=20\log |\kappa |\ }$

ゼロ以外の主対角要素はリターンロスに関連し、ゼロ以外の反対角要素は同様の式によって分離に関連します。

一部の著者は、ポート3と4を入れ替えてポート番号を定義しています。これにより、散乱行列は対角成分がすべてゼロではなくなります。^{[ 10 ]}

振幅バランス

この用語は、3 dBハイブリッドの2つの出力ポート間の電力差をdB単位で定義します。理想的なハイブリッド回路では、この差は0 dBになるはずです。しかし、実際のデバイスでは、振幅バランスは周波数に依存し、理想的な0 dB差からはずれてしまいます。^{[ 11 ]}

位相バランス

ハイブリッドカプラの2つの出力ポート間の位相差は、使用するタイプに応じて0°、90°、または180°になります。ただし、振幅バランスと同様に、位相差は入力周波数に敏感であり、通常は数度変化します。^{[ 12 ]}

伝送線路の種類

方向性結合器

結合伝送線路

図4 . 単一セクションλ/4方向性結合器

方向性結合器の最も一般的な形態は、一対の結合伝送線路である。これは、同軸や平面技術（ストリップライン、マイクロストリップ）など、様々な技術で実現できる。図4は、ストリップラインを用いた1/4波長（λ/4）方向性結合器の実装例である。結合線路上の電力は主線路上の電力とは逆方向に流れるため、ポートの配置は図1とは異なるが、番号付けは同じである。このため、この結合器は後方結合器と呼ばれることもある。^{[ 13 ]}

主線路はポート1とポート2の間の部分であり、結合線路はポート3とポート4の間の部分である。方向性結合器は線形デバイスであるため、図1の表記は任意である。任意のポートを入力ポートとすることができ（図20に例を示す）、その結果、直接接続されたポートが送信ポート、隣接ポートが結合ポート、対角ポートが分離ポートとなる。一部の方向性結合器では、主線路は高電力動作（大型コネクタ）用に設計されている一方、結合ポートではSMAコネクタなどの小型コネクタが使用される場合がある。内部負荷電力定格によって結合線路の動作が制限されることもある。^{[ 14 ]}

図5短区間方向性結合器

図6 50Ω主線路と100Ω結合線路を備えた短区間方向性結合器

図7図5および図6に示すカプラの集中定数等価回路

結合係数の精度は、2本の結合線路の間隔の寸法公差に依存する。平面印刷技術の場合、これは印刷プロセスの解像度に帰着し、印刷プロセスの解像度によって製造可能な最小トラック幅が決まり、線路同士をどれだけ近づけて配置できるかにも制限が課される。これは非常に密な結合が必要な場合に問題となり、3dBカプラでは異なる設計が用いられることが多い。しかし、密結合線路はエアストリップラインで製造可能であり、これも印刷平面技術による製造を可能にする。この設計では、2本の線路は誘電体の横に並ぶのではなく、反対側に印刷される。2本の線路の幅方向の結合は、線路が互いに端を接している場合の結合よりもはるかに大きくなる。^{[ 15 ]}

λ/4結合線路設計は同軸線路やストリップ線路の実装には適していますが、現在普及しているマイクロストリップ線路形式ではうまく機能しません。ただし、設計自体は存在します。その理由は、マイクロストリップ線路が均質な媒体ではないためです。つまり、伝送ストリップの上下に2つの異なる媒体が存在するのです。このため、導電性回路で見られる通常のTEMモードとは異なる伝送モードが発生します。偶数モードと奇数モードの伝搬速度が異なるため、信号が分散します。マイクロストリップ線路の場合、より優れた解決策は図5に示すようにλ/4よりもはるかに短い結合線路ですが、これは結合係数が周波数とともに顕著に上昇するという欠点があります。この設計のバリエーションとして、図6に示すように、結合線路のインピーダンスを主線路よりも高く設定するものがあります。この設計は、結合器が電力監視用の検出器に供給される場合に有利です。インピーダンスの高い線路は、主線路の電力に対してより高いRF電圧をもたらし、検出器ダイオードの動作を容易にします。^{[ 16 ]}

メーカーが指定する周波数範囲は、結合線路の周波数範囲です。主線路の応答ははるかに広く、たとえば、2～4 GHzと指定されている結合器は、 1～5 GHzで動作する主線路を持っている可能性があります。結合応答は周波数に対して周期的です。たとえば、 λ/4 結合線路結合器は、nを奇数とすると、 n λ/4で応答します。 ^{[ 17 ]}この好ましい応答は、主線路上の短いインパルスが結合器を通過するときに明らかになります。主線路上のインパルスが結合線路に到達すると、 RC ハイパスの応答と同様に、結合線路上に同じ極性の信号が誘導されます。これにより、結合線路上に互いに反対方向に伝わる 2 つの非反転パルスが発生します。主線路上のパルスが結合線路から離れると、結合線路上に反転信号が誘導され、互いに反対方向に伝わる 2 つの反転インパルスが発生します。結合線路上の主線路のパルスと同じ方向に進む2つのインパルスは、極性が逆である。これらは互いに打ち消し合うため、結合線路の順方向出口には応答がない。これが分離ポートである。結合線路上の主線路のパルスと反対方向に伝わる2つのインパルスも極性が逆であるが、2番目のインパルスは並列線路の2倍の遅延時間だけ遅延される。λ/4結合線路の場合、総遅延時間はλ/2であるため、2番目の信号は反転され、結合ポートの応答は最大となる。^{[ 18 ]}

1オクターブ未満の帯域幅には、単一のλ/4結合セクションが適しています。より広い帯域幅を実現するには、複数のλ/4結合セクションが使用されます。このような結合器の設計は、分布定数フィルタの設計とほぼ同じ方法で行われます。結合器の各セクションはフィルタのセクションとして扱われ、各セクションの結合係数を調整することで、結合ポートに最大平坦（バターワースフィルタ）、等リップル（カウアーフィルタ）、指定リップル（チェビシェフフィルタ）応答などの古典的なフィルタ応答を持たせることができます。 リップルは、通過帯域における結合ポート出力の最大変動であり、通常は公称結合係数からのdB値プラスまたはマイナスで示されます。^{[ 19 ]}

図8 . 5セクション平面型方向性結合器

結合線路方向性結合器は、すべての周波数において純実数と純虚数を持つことが示される。これによりS行列が簡略化され、結合ポートは常に出力ポートと直交位相（90°）にある。いくつかのアプリケーションでは、この位相差が利用される。とすると、損失のない動作の理想的なケースは次のように簡略化される。^{[ 20 ]}${\displaystyle \tau \ }$ ${\displaystyle \kappa \}$ ${\displaystyle \kappa =i\kappa _{\mathrm {I} }\ }$

${\displaystyle \tau ^{2}+{\kappa _{\mathrm {I} }}^{2}=1\ }$

• 
  スペクトル アナライザ PCB 上の局部発振器の出力にあるマイクロストリップ方向性結合器。
• 
  マイクロストリップ鋸歯状方向性結合器

分岐線カプラ

図9平面形式で実装された3セクション分岐線路結合器

分岐線路結合器は、2本以上の分岐線路を介して物理的に結合された2本の平行伝送線路で構成されています。分岐線路はλ/4の間隔で配置され、結合線路結合器の複数のセクションと同じようにマルチセクションフィルタ設計のセクションを表します。ただし、ここでは各セクションの結合が分岐線のインピーダンスで制御されます。主線路と結合線路はシステム インピーダンスです。結合器内のセクション数が多いほど、分岐線のインピーダンスの比が高くなります。 高インピーダンスの線路はトラックが狭く、これにより通常、製造上の制限により平面形式での設計は3つのセクションに制限されます。同様の制限は、 10 dBよりも緩い結合係数にも適用されます。低結合でも狭いトラックが必要です。結合線路は、疎結合が必要な場合に適した選択肢ですが、分岐線路結合器は密結合に適しており、3 dBハイブリッドに使用できます。分岐線路結合器は通常、結合線路ほど広い帯域幅はありません。このタイプのカプラは、剛性構造のため機械的にサポートしやすいため、高出力、空気誘電体、ソリッドバー形式での実装に適しています。^{[ 21 ]}${\displaystyle \scriptstyle {\sqrt {2}}}$

分岐線路結合器は、エアブリッジの代替としてクロスオーバーとして使用できます。エアブリッジは、一部の用途では交差する線路間に許容できない量の結合を引き起こします。理想的な分岐線路クロスオーバーは、理論的には2つの経路間に結合がありません。この設計は、2つの3 dB 90°ハイブリッド結合器を縦続接続したものに相当する3分岐結合器です。結果として、実質的に0 dB結合器が得られます。この結合器は、入力を対角線上に反対側の出力にクロスオーバーし、両線路で90°の位相遅延が発生します。^{[ 22 ] [ 23 ]}

ランゲカプラー

ランゲ結合器の構造は、結合を実現するために並列線路をインターリーブしたインターデジタルフィルタに似ています。3 dBから6 dBの範囲の強い結合に使用されます。^{[ 24 ]}

電力分配器

図10 . 平面形式の単純なT接合電力分割

初期の伝送線路電力分配器は単純なT字型分岐でした。これらの分岐は出力ポート間のアイソレーションが非常に低く、ポート2から反射された電力の大部分がポート3に流れ込んでしまいます。受動的なロスレス3ポートでは、3つのポートすべてを同時に整合させることは理論的に不可能であり、アイソレーションの低下は避けられません。しかし、4ポートではそれが可能であり、これが3ポート電力分配器を実装するために4ポートデバイスが用いられる根本的な理由です。4ポートデバイスは、ポート2に到達した電力をポート1とポート4（整合負荷で終端）に分割し、（理想的な場合）ポート3には電力が流れないように設計できます。^{[ 25 ]}

ハイブリッドカプラという用語は、もともと3dB結合線路方向性結合器、すなわち2つの出力がそれぞれ入力電力の半分である方向性結合器を指していました。これは同義語として、出力が90°位相ずれした直交3dB結合器を意味していました。現在では、分離されたアームと均等な電力分配を備えた整合4ポートのすべてをハイブリッドまたはハイブリッドカプラと呼びます。他のタイプは位相関係が異なる場合があります。90°の場合は90°ハイブリッド、180°の場合は180°ハイブリッドなどです。この記事では、ハイブリッドカプラという修飾語がない場合、結合線路ハイブリッドを指します。^{[ 26 ]}

ウィルキンソン電力分配器

図11同軸形式のウィルキンソン分配器

ウィルキンソン電力分配器は、2本の並列非結合λ/4伝送線路で構成される。入力は両方の線路に並列に供給され、出力はシステムインピーダンスの2倍で終端される。この設計は平面伝送でも実現できるが、同軸伝送の方がより自然な実装となる。平面伝送では、2本の線路は結合しないように離しておき、出力で結合させて終端する必要がある。一方、同軸伝送では、シールドのために同軸の外部導体を利用し、線路を並列に配線することができる。ウィルキンソン電力分配器は、単純なT分岐の整合問題を解決し、すべてのポートで低いVSWRと、出力ポート間の高いアイソレーションを実現する。各ポートの入力インピーダンスと出力インピーダンスは、マイクロ波システムの特性インピーダンスと等しくなるように設計されている。これは、システムの線路インピーダンスを50 Ωシステムの場合のウィルキンソン線路のインピーダンスとすることで実現される。 ^{[ 27 ]}${\displaystyle \scriptstyle {\sqrt {2}}}$

ハイブリッドカプラ

結合線路方向性結合器については上記で説明しました。結合度が3dBに設計されている場合はハイブリッド結合器と呼ばれます。理想的な対称ハイブリッド結合器のS行列は次のように簡略化されます。

${\displaystyle \mathbf {S} ={\frac {1}{\sqrt {2}}}{\begin{bmatrix}0&-i&-1&0\\-i&0&0&-1\\-1&0&0&-i\\0&-1&-i&0\end{bmatrix}}}$

2つの出力ポートは90°の位相差（-iから-1）を持つため、これは90°ハイブリッドです。^{[ 28 ]}

ハイブリッドリングカプラ

図12平面形式のハイブリッドリングカプラ

ハイブリッドリング カプラはラット レース カプラとも呼ばれ、4 ポートの3 dB方向性結合器で、図 12 に示す間隔で 4 本の線路が 3 λ/2 リング状に並んだ伝送線路で構成されています。ポート 1 に入力された電力は分割され、リング内を両方向に伝わります。ポート 2 と 3 では信号が同位相で到着して加算されますが、ポート 4 では信号が逆位相で到着してキャンセルされます。ポート 2 と 3 は互いに同位相であるため、これは 0° ハイブリッドの例です。図 12 は平面実装を示していますが、この設計は同軸ケーブルや導波管でも実装できます。リングの各 λ/4 セクションを交互に低インピーダンスと高インピーダンスにすることで、結合係数が3 dBとは異なるカプラを作成することもできますが、 3 dBカプラの場合はリング全体がポート インピーダンスで構成されます。つまり、50 Ω設計の場合、リングは約70 Ωになります。^{[ 29 ]}${\displaystyle \scriptstyle {\sqrt {2}}}$

このハイブリッドの S 行列は次のように表されます。

${\displaystyle \mathbf {S} ={\frac {1}{\sqrt {2}}}{\begin{bmatrix}0&-i&-i&0\\-i&0&0&i\\-i&0&0&-i\\0&i&-i&0\end{bmatrix}}}$

ハイブリッドリングはポートが対称ではありません。異なるポートを入力として選択しても、必ずしも同じ結果が得られるとは限りません。ポート1またはポート3を入力として使用すると、ハイブリッドリングは前述のように0°ハイブリッドになります。しかし、ポート2またはポート4を入力として使用すると、180°ハイブリッドになります。^{[ 30 ]} この事実は、ハイブリッドリングの別の有用な用途につながります。図12に示すように、2つの入力信号から和（Σ）信号と差（Δ）信号を生成するために使用できます。ポート2と3に入力すると、Σ信号はポート1に、Δ信号はポート4に現れます。^{[ 31 ]}

複数の出力分周器

図13電力分配器

典型的な電力分配器を図13に示す。理想的には、入力電力は出力ポート間で均等に分配される。分配器は複数のカプラで構成され、カプラと同様に反転させてマルチプレクサとして使用することができる。欠点は、4チャンネルマルチプレクサの場合、出力は各カプラからの電力の1/4しか含まれず、比較的効率が悪いことである。これは、各コンバイナにおいて入力電力の半分がポート4に送られ、終端負荷で消費されるためである。もし2つの入力がコヒーレントであれば、位相を調整することでポート4で相殺し、すべての電力がポート1に送られる。しかし、マルチプレクサの入力は通常、完全に独立したソースから供給されるため、コヒーレントではない。ロスレス多重化はフィルタネットワークによってのみ実現できる。^{[ 32 ]}

導波管の種類

導波管方向性結合器

導波管分岐線路結合器

上述の分岐線路結合器は導波管内に実装することもできる。^{[ 33 ]}

ベーテホール方向性結合器

図14多孔方向性結合器

最も一般的でシンプルな導波管方向性結合器の一つに、ベテホール方向性結合器があります。これは2つの平行導波管が重ねられ、その間に穴が設けられています。一方の導波管から出力された電力の一部は、この穴を通ってもう一方の導波管に入射されます。ベテホール方向性結合器は、後方結合器のもう一つの例です。^{[ 34 ]}

ベテホール結合器の概念は、複数の穴を設けることで拡張できる。穴の間隔はλ/4である。このような結合器の設計は、複数セクション結合伝送線路と類似している。複数の穴を用いることで、バターワース、チェビシェフ、あるいは他のフィルタクラスとしてセクションを設計することで、帯域幅を拡張することができる。穴のサイズは、フィルタの各セクションに所望の結合を与えるように選択される。設計基準は、所望の帯域において高い指向性を有しつつ、実質的に平坦な結合を実現することである。^{[ 35 ]}

リブレットショートスロットカプラ

リブレット短スロット結合器は、ベテホール結合器のように長辺を共有するのではなく、側壁を共有する2つの導波管を並列に配置したものです。結合を可能にするために側壁にスロットが切られています。この設計は、3dB結合器の製造によく用いられます。^{[ 36 ]}

シュインガー逆相カプラー

シュウィンガー逆位相結合器は、平行導波管を用いた別の設計であり、片方の長辺がもう一方の短辺と共通となっている。導波管間には、λ/4間隔で中心からずれた2つのスロットが切られている。シュウィンガーは逆位相結合器である。この設計の利点は、実質的に平坦な指向性応答が得られることであるが、結合係数の変動が小さいベテホール結合器と比較して、結合が周波数に強く依存するという欠点がある。^{[ 37 ]}

モレノクロスガイドカプラ

モレノ・クロスガイド・カプラは、ベテホール・カプラと同様に2つの導波管を積み重ねた構造ですが、互いに平行ではなく直角に交差しています。導波管間の対角線上に、通常は十字形の2つの中心からずれた穴が、一定の間隔を置いて開けられています。モレノ・カプラは、密結合用途に適しています。ベテホール・カプラとシュウィンガー・カプラの特性を両立させたもので、結合度と指向性は周波数によって変化します。^{[ 38 ]}${\displaystyle \scriptstyle {\sqrt {2}}\lambda /4}$

導波管電力分配器

導波路ハイブリッドリング

上で説明したハイブリッドリングは導波管でも実装できる。^{[ 39 ]}

マジックティー

図15マジックティー

コヒーレントな電力分割は、最初は単純なT字接合によって実現されました。マイクロ波周波数では、導波管T字型はE面とH面の2つの形状をとることができます。これら2つの接合は電力を均等に分割しますが、接合部における電界構成が異なるため、出力アームにおける電界はH面T字型では同位相、E面T字型では180°位相がずれます。これら2つのT字型接合を組み合わせたハイブリッドT字型は、マジックT字型と呼ばれています。マジックT字型は4ポートのコンポーネントで、2つのコヒーレントなマイクロ波信号のベクトル和（Σ）と差（Δ）を計算できます。^{[ 40 ]}

離散要素型

ハイブリッド変圧器

図16 . 50Ωシステム用の3dBハイブリッドトランス

標準的な3 dBハイブリッドトランスを図16に示す。ポート1の電力はポート2と3に均等に分割されるが、互いに逆位相となる。したがって、このハイブリッドトランスは180°ハイブリッドである。センタータップは通常は内部で終端されているが、ポート4から取り出すことも可能である。この場合、ハイブリッドトランスは和差ハイブリッドとして使用できる。ただし、ポート4は他のポートとは異なるインピーダンスを示すため、このポートを同じシステムインピーダンスで使用する場合は、インピーダンス変換用のトランスが必要となる。^{[ 41 ]}

ハイブリッド変圧器は、通信分野で2線式から4線式への変換に一般的に使用されています。電話機には、2線式回線を受話口と送話口からの4線式回線に変換するコンバータが搭載されています。^{[ 42 ]}

交差接続変圧器

図17変圧器を用いた方向性結合器

低周波数（ 600 MHz未満）では、 RFトランスを用いたコンパクトな広帯域実装が可能です。図17は弱結合を目的とした回路を示しており、次のように理解できます。信号は一方の線路対に入力されます。一方のトランスは信号の電圧を低下させ、もう一方のトランスは電流を低下させます。したがって、インピーダンスは整合されます。同じことが、カプラを通過する信号の他のすべての方向についても当てはまります。誘導電圧と電流の相対的な符号によ​​って、出力信号の方向が決まります。^{[ 43 ]}

結合は次のように与えられます。

${\displaystyle C_{3,1}=20\log n\ }$

ここで、nは二次巻線と一次巻線の比です。

3dB結合の場合、信号は送信ポートと結合ポートの間で均等に分割され、分離ポートは特性インピーダンスの2倍、つまり50Ωシステムの場合は100Ωで終端されます。この回路に基づく3dB電力分配器では、 2つの出力は互いに180°の位相関係を持ちます。これは、λ/4結合線路では90°の位相関係を持つのに対し、3dB電力分配器では180°の位相関係を持つことを意味します。^{[ 44 ]}${\displaystyle \scriptstyle n={\sqrt {2}}}$

抵抗ティー

図18 . 50Ωシステム用の単純な抵抗T回路

図18に示すように、抵抗器のシンプルなT字型回路は電力分配器として使用できます。この回路は、Y-Δ変換を適用することでデルタ回路としても実装できます。デルタ型では、システムインピーダンスに等しい抵抗器を使用します。ほとんどのシステム公称インピーダンスに対して、システムインピーダンスの値の高精度抵抗器が常に利用できるため、これは有利です。T字型回路は、シンプルさ、低コスト、本質的に広い帯域幅などの利点があります。この回路には2つの大きな欠点があります。1つ目は、抵抗性であるため回路が電力を消費することです。均等に分割すると、挿入損失は3 dBではなく6 dBになります。2つ目の問題は、 0 dBの方向性があるため、出力ポート間のアイソレーションが非常に悪くなることです。^{[ 45 ]}

電力が不均等に分配されている場合、挿入損失はそれほど問題になりません。例えば、ポート3で-40dBの出力の場合、ポート2での挿入損失は0.2dB未満です。出力抵抗をTパッドに置き換えることで、両方の出力ポートの挿入損失を犠牲にしてアイソレーションを改善できます。アイソレーションの改善は、挿入損失の増加分よりも大きくなります。^{[ 46 ]}

6 dB抵抗ブリッジハイブリッド

図19 . 600Ωシステム用の6dB抵抗ブリッジハイブリッド

抵抗ブリッジ回路を用いることで、理論上は無限大のアイソレーションと指向性を持つ真のハイブリッド分配器／結合器を構成できる。T回路と同様に、ブリッジ回路の挿入損失は6 dBである。不平衡回路では変圧器を追加しないと使用できないという欠点があるが、挿入損失が問題にならないのであれば、600 Ω平衡通信回線には最適である。ブリッジ回路内のポートを表す抵抗器は、通常はデバイスの一部ではなく（ポート4は内部で終端されたままになっている場合が多い）、回線終端によって提供される。したがって、デバイスは基本的に2つの抵抗器（およびポート4の終端）で構成される。^{[ 47 ]}

一般的な抵抗ブリッジハイブリッド

上記の 6 dB 結合器は、任意の結合比を持つ結合器に一般化できます。^{[ 48 ] [ 49 ]}次の 5 抵抗ブリッジ回路を考えます。ここで、2 つのアームの抵抗比は等しいです。一般的なアプリケーションでは、駆動抵抗は特性インピーダンスであり、通常は無線波およびマイクロ波回路で 50 です。ポート 2 と 3 はハイブリッドの内部ではなく、外部負荷に接続され、通常は です。これらの条件下では、回路全体の入力インピーダンスは です。つまり、ポート 1 には整合負荷が接続されます。結合ポート (P3) の電圧比は、スルー ポート (P2) の電圧比は です。 ${\displaystyle r=R_{5}/R_{2}=R_{3}/R_{6}}$ ${\displaystyle R_{1}=Z_{0}}$ ${\displaystyle \オメガ}$ ${\displaystyle R_{2}=R_{3}=Z_{0}}$ ${\displaystyle Z_{0}}$ ${\displaystyle r/(1+r)}$ ${\displaystyle 1/(1+r)}$

抵抗ブリッジハイブリッドカプラの構成

この回路は、 のとき理論上は無限大の逆絶縁特性を持ちます。これを確認するには、ポート2をフローティング電源に接続してください。ブリッジ回路は平衡状態にあり、ポート3には電圧がかかりません。つまり、無限大の逆絶縁特性を持ちます。 ${\displaystyle R_{4}=Z_{0}}$

逆絶縁を解析するためにスルーポートと入力ポートを交換した抵抗ブリッジハイブリッドカプラ

このハイブリッドの欠点は、ポート1と3のみがグラウンド基準であることです。ポート2はフローティングです。シングルエンドの信号源と負荷を使用する場合、ポート2をグラウンド基準からフローティングに変換する必要があります。これは、バラン、具体的にはコモンモードチョークを使用することで実現できます。

接地基準ポートをフローティングポートに変換するポートを介して接続されたバランを備えた抵抗ブリッジハイブリッドカプラ

これをさらに拡張して、2つのハイブリッドを背中合わせに接続し、同じバランを共有することで、完全な4ポートハイブリッドカプラにすることができます。^{[ 50 ]}

2つの3ポートハイブリッドを背中合わせに接続して4ポート方向性結合器を構築する

アプリケーション

監視

方向性結合器からの結合出力は、システム内の主電源の流れを中断することなく、信号の周波数と電力レベルを監視するために使用できます（電力の減少を除く - 図3を参照）。^{[ 51 ]}

孤立を利用する

図20 2トーン受信機のテストセットアップ

絶縁が高い場合、方向性結合器は、信号を結合して2 トーン受信機テスト用に 1 つのラインを受信機に供給するのに適しています。図 20 では、 1 つの信号がポート P _{3に入り、もう 1 つの信号がポート P 2}に入り、両方の信号がポート P 1 から_{出ています。ポート P 3からポート P 1}への信号は10 dBの損失が発生し、ポート P ₂からポート P _{1への信号は}0.5 dB の損失が発生します 。分離されたポートの内部負荷は、ポート P ₃とポート P ₂からの信号損失を分散します。図 20 のアイソレータを無視すると、絶縁測定 (ポート P ₂からポート P _{3 ) によって、}信号発生器F _{2から信号発生器 F 1}に注入される電力量が決定されます。注入レベルが増加すると、信号発生器 F ₁の変調や、注入位相ロックが発生することがあります。方向性結合器の対称性により、信号発生器F ₂とF ₁の変調問題と同様に、逆方向注入が発生します。そのため、図20ではアイソレータを用いて方向性結合器のアイソレーション（または方向性）を効果的に高めています。その結果、注入損失は方向性結合器のアイソレーションとアイソレータの逆方向アイソレーションの合計になります。^{[ 52 ]}

ハイブリッド

ハイブリッドの用途としては、モノパルスコンパレータ、ミキサー、電力合成器、分配器、変調器、フェーズドアレイレーダーアンテナシステムなどが挙げられます。同相デバイス（ウィルキンソン分配器など）と直交（90°）ハイブリッドカプラの両方が、コヒーレント電力分配器の用途に使用できます。コヒーレント電力合成器の用途における直交ハイブリッドの適用例を次のセクションで示します。^{[ 53 ]}

図16に示すような安価な電力分配器は、家庭内でケーブルテレビや地上波テレビの信号を複数のテレビやその他の機器に分配するために用いられます。2つ以上の出力ポートを備えたマルチポート分配器は、通常、内部に複数のカプラが縦続接続された構造になっています。家庭用ブロードバンドインターネットサービスは、ケーブルテレビ会社（ケーブルインターネット）によって提供されています。家庭内のユーザーのインターネットケーブルモデムは、分配器の1つのポートに接続されます。^{[ 54 ]}

電力結合器

ハイブリッド回路は双方向であるため、電力を分割するだけでなく、コヒーレントに合成することもできます。図21は、信号を複数の低電力増幅器に供給するために分割し、その後、高電力で単一のアンテナに供給するために再合成する例を示しています。^{[ 55 ]}

図21 . 増幅器と組み合わせて高出力40 dB（電圧利得100）のソリッドステート増幅器を生成するために使用されるスプリッタとコンバイナネットワーク

図22ハイブリッド電力結合器の位相配置。

各電力結合器への入力の位相は、2 つの入力が互いに 90° 位相がずれるように調整されます。ハイブリッド結合器の結合ポートは送信ポートと 90° 位相がずれているため、結合器の出力で電力が加算され、分離ポートで打ち消されます。図 21 の代表的な例を図 22 に示します。図を簡略化するために、各結合器/分配器の両方のポートに追加の固定 90° 位相シフトがありますが、これは図には示されていません。^{[ 56 ]} 両方の入力ポートに同相電力を印加しても、望ましい結果は得られません。2つの入力の直交和が両方の出力ポートに現れ、これは各出力ポートからの合計電力の半分になります。このアプローチにより、回路内で単一の高出力TWTの代わりに、より安価で低電力の増幅器を多数使用できます。さらに別のアプローチとして、各ソリッド ステート増幅器 (SSA) からアンテナに電力を供給し、電力を空間で結合するか、アンテナに取り付けられたレンズに供給する方法があります。^{[ 57 ]}

位相差

図23 2つのアンテナの位相合成

90°ハイブリッドカプラの位相特性は、マイクロ波回路において大きな利点として活用できます。例えば、平衡型マイクロ波増幅器では、2つの入力段にハイブリッドカプラを介して電力が供給されます。FETデバイスは通常、整合が非常に悪く、入射エネルギーの多くを反射します。しかし、これらのデバイスは本質的に同一であるため、各デバイスからの反射係数は等しくなります。FETからの反射電圧は、絶縁ポートでは同位相ですが、入力ポートでは180°異なります。したがって、FETからの反射電力はすべて絶縁ポートの負荷に送られ、入力ポートには電力が送られません。この結果、良好な入力整合（低VSWR）が得られます。^{[ 58 ]}

図23に示すように、180°ハイブリッドカプラへのアンテナ入力に位相整合線路を用いると、アンテナ間にヌルが生じます。この位置で信号を受信するには、ハイブリッドの種類を変えるか、線路の長さを変更する必要があります。特定の方向からの信号を除去する場合や、モノパルスレーダー用の差分パターンを生成する場合、これは良い方法です。^{[ 59 ]}

位相差結合器は、アンテナアレイの下位素子への位相を遅らせることで、VHF /FMラジオ局におけるビームチルトを生成するために用いられる。より一般的には、位相差結合器は、固定位相遅延素子とアンテナアレイとの組み合わせで、バトラーマトリックスなどのビーム形成ネットワークにおいて、任意の方向に無線ビームを生成するために使用される。^{[ 60 ]}

参照

• スターカプラ
• ビームスプリッター

参考文献

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参考文献

 この記事には、海軍航空戦センター兵器部門航空電子工学部発行の「電子戦およびレーダーシステムエンジニアリングハンドブック」（報告書番号TS 92-78）のパブリックドメイン資料が含まれています。 2006年6月9日閲覧。 （pp. 6–4.1 ～ 6–4.5「電力分配器と方向性結合器」）。

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