特開 2024-86998 ラットレース回路

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024086998

(43)【公開日】2024-06-28

(54)【発明の名称】ラットレース回路

(51)【国際特許分類】

   H01P 5/22 20060101AFI20240621BHJP

【ＦＩ】

H01P5/22 A

【審査請求】有

【請求項の数】1

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2024069470

(22)【出願日】2024-04-23

(62)【分割の表示】P 2020046895の分割

【原出願日】2020-03-17

(71)【出願人】

【識別番号】000004330

【氏名又は名称】日本無線株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100126561

【弁理士】

【氏名又は名称】原嶋 成時郎

(72)【発明者】

【氏名】須田 保

(57)【要約】

【課題】反射特性が最良となる周波数と、透過特性が最良となる周波数と、アイソレーション特性が最良となる周波数と、を一致させることが可能なラットレース回路を提供する。
【解決手段】リング状の導体線路ＲＣに、順に第１のポートＰ１、第２のポートＰ２、第３のポートＰ３および第４のポートＰ４が設けられたラットレース回路１であって、所定の周波数近辺で各ポートＰ１～Ｐ４の反射特性と透過特性とアイソレーション特性が最良となるように、導体線路ＲＣと各ポートＰ１～Ｐ４との分岐部における高周波電流の位相基準面のずれ量だけ、第１のポートＰ１と第２のポートＰ２の間の線路Ｒ１２の長さ、第２のポートＰ２と第３のポートＰ３の間の線路Ｒ２３の長さおよび、第３のポートＰ３と第４のポートＰ４の間の線路Ｒ３４の長さが、１／４波長よりも長く設定されている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

リング状の導体線路に、順に第１のポート、第２のポート、第３のポートおよび第４のポートが設けられたラットレース回路であって、
所定の周波数近辺で前記各ポートの反射特性と透過特性とアイソレーション特性が最良となるように、前記導体線路と前記各ポートとの分岐部における高周波電流の位相基準面のずれ量だけ、前記第１のポートと前記第２のポートの間の線路の長さ、前記第２のポートと前記第３のポートの間の線路の長さおよび、前記第３のポートと前記第４のポートの間の線路の長さが、１／４波長よりも長く設定されている、
ことを特徴とするラットレース回路。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、マイクロ波帯の分岐回路などとして使用されるラットレース回路に関する。

【背景技術】

【0002】

ラットレース回路は、誘電体の基板上に印刷配線されたマイクロストリップ回路などで構成される高周波・マイクロ波回路であり、図７に示すように、一周が１．５波長のリング状の導体線路（リング状線路）ＲＣに、１／４波長間隔つまり６０°の角度間隔で引き出して配線されるポートＰ１～Ｐ４が、４つ設けられている（例えば、特許文献１参照。）。すなわち、一周が１．５波長のリング状線路ＲＣに対して、１／４波長間隔で４つのポートＰ１～Ｐ４を設けると、長さが１／４波長の線路Ｒ１２、Ｒ２３、Ｒ３４が３つ、長さが３／４波長の線路Ｒ４１が１つ構成される。また、各ポートＰ１～Ｐ４のインピーダンスを５０Ωとすると、リング状線路ＲＣのインピーダンスは、√2倍の７０．７１Ωとなる。

【0003】

このようなラットレース回路では、一番端の第１のポートＰ１から高周波信号を入力すると、その隣である第２のポートＰ２と一つ飛ばした第４のポートＰ４に半分ずつ出力され、その振幅は同じだが位相は１８０°異なる。このとき、第３のポートＰ３には出力されない。また、第３のポートＰ３から高周波信号を入力すると、第２のポートＰ２と第４のポートＰ４に半分ずつ出力され、その振幅と位相は同じとなり、第１のポートＰ１には出力されない。

【0004】

このような動作・作用は可逆的で、第２のポートＰ２と第４のポートＰ４から同振幅で同位相の高周波信号を入力すると、第２のポートＰ２と第４のポートＰ４から入力された信号を足し合わせた信号が、第３のポートＰ３に出力される。このとき、第１のポートＰ１からは出力されない。また、第２のポートＰ２と第４のポートＰ４から同振幅で逆位相（位相差１８０°）の高周波信号を入力すると、第２のポートＰ２と第４のポートＰ４から入力された信号を足し合わせた振幅が２倍の信号が、第１のポートＰ１に出力される。このとき、第３のポートＰ３からは出力されない。このように、出力されない特性をアイソレーション特性と呼ぶ。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開平０８－２７９７０７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ところで、従来のラットレース回路では、隣接するポートＰ１～Ｐ４間の線路Ｒ１２、Ｒ２３、Ｒ３４の長さが１／４波長であるため、各ポートＰ１～Ｐ４の反射特性が最良・最適となる周波数と、透過特性が最良となる周波数と、アイソレーション特性が最良となる周波数とが一致しない、という問題があることを本願発明者は確認した。

【0007】

すなわち、使用する中心周波数を２．４５ＧＨｚとした場合、図８、図９に示すように、反射特性が最良となる周波数が中心周波数よりも高い周波数に位置する。ここで、図８、図９における「Ｓ１，１」は、第１のポートＰ１の反射特性（Ｓパラメータ）を示し、「Ｓ２，２」は、第２のポートＰ２の反射特性を示し、「Ｓ３，３」は、第３のポートＰ３の反射特性を示し、「Ｓ４，４」は、第４のポートＰ４の反射特性を示す。

【0008】

また、第１のポートＰ１から高周波信号を入力した際に、第３のポートＰ３からは出力されないアイソレーション特性は、図１０に示すように、ほぼ中心周波数で最良となる。これに対して、第１のポートＰ１から高周波信号を入力した際に、第２のポートＰ２と第４のポートＰ４から出力される透過特性・伝達特性が最良となる周波数は、図１１に示すように、中心周波数よりも高い周波数に位置する。ここで、図１０、図１１における「Ｓ２，１」は、第１のポートＰ１から第２のポートＰ２へのＳパラメータを示し、「Ｓ３，１」は、第１のポートＰ１から第３のポートＰ３へのＳパラメータを示し、「Ｓ４，１」は、第１のポートＰ１から第４のポートＰ４へのＳパラメータを示す。

【0009】

そこでこの発明は、反射特性が最良となる周波数と、透過特性が最良となる周波数と、アイソレーション特性が最良となる周波数と、を一致させる（近づける）ことが可能なラットレース回路を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

前記の課題を解決するために、請求項１の発明は、リング状の導体線路に、順に第１のポート、第２のポート、第３のポートおよび第４のポートが設けられたラットレース回路であって、所定の周波数近辺で前記各ポートの反射特性と透過特性とアイソレーション特性が最良となるように、前記導体線路と前記各ポートとの分岐部における高周波電流の位相基準面のずれ量だけ、前記第１のポートと前記第２のポートの間の線路の長さ、前記第２のポートと前記第３のポートの間の線路の長さおよび、前記第３のポートと前記第４のポートの間の線路の長さが、１／４波長よりも長く設定されている、ことを特徴とする。

【発明の効果】

【0011】

請求項１の発明によれば、所定の周波数（中心周波数）近辺で各ポートの反射特性と透過特性とアイソレーション特性が最良となるように、第１のポートと第２のポートの間の線路の長さ、第２のポートと第３のポートの間の線路の長さおよび、第３のポートと第４のポートの間の線路の長さが、１／４波長よりも長く設定されている。このため、各ポートの反射特性が最良となる周波数と、透過特性が最良となる周波数と、アイソレーション特性が最良となる周波数と、を一致させる（近づける）ことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】この発明の実施の形態に係るラットレース回路を示す平面図である。

【図2】マイクロストリップ線路のＴ分岐における位相基準面のずれを示す説明図である。

【図3】図１のラットレース回路の第１のポートと第２のポートの入力反射特性（周波数特性）の計算値を示す図である。

【図4】図１のラットレース回路の第３のポートと第４のポートの入力反射特性（周波数特性）の計算値を示す図である。

【図5】図１のラットレース回路の第１のポートから他のポートへの伝達特性（周波数特性）の計算値を示す図である。

【図6】図５の第１のポートから第２および第４のポートへの伝達特性の拡大図である。

【図7】従来のラットレース回路を示す平面図である。

【図8】図７のラットレース回路の第１のポートと第２のポートの入力反射特性（周波数特性）の計算値を示す図である。

【図9】図７のラットレース回路の第３のポートと第４のポートの入力反射特性（周波数特性）の計算値を示す図である。

【図10】図７のラットレース回路の第１のポートから他のポートへの伝達特性（周波数特性）の計算値を示す図である。

【図11】図１０の第１のポートから第２および第４のポートへの伝達特性の拡大図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、この発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

【0014】

図１は、この発明の実施の形態に係るラットレース回路１を示す平面図である。このラットレース回路１は、誘電体の基板上に印刷配線されたマイクロストリップ回路で構成される高周波回路であり、ポートＰ１～Ｐ４の配設間隔を除いて従来のラットレース回路と同等の構成となっている。

【0015】

ラットレース回路１は、リング状の導体線路（リング状線路）ＲＣに、順に第１のポートＰ１、第２のポートＰ２、第３のポートＰ３および第４のポートＰ４が設けられている。そして、所定の周波数近辺、つまり、使用する中心周波数近辺において、各ポートＰ１～Ｐ４の反射特性と透過特性とアイソレーション特性が最良となるように、第１のポートＰ１と第２のポートＰ２の間の線路Ｒ１２の長さ、第２のポートＰ２と第３のポートＰ３の間の線路Ｒ２３の長さおよび、第３のポートＰ３と第４のポートＰ４の間の線路Ｒ３４の長さが、中心周波数の１／４波長よりも長く設定されている。

【0016】

すなわち、リング状線路ＲＣから引き出される、第１のポートＰ１と第２のポートＰ２の角度間隔、第２のポートＰ２と第３のポートＰ３の角度間隔および、第３のポートＰ３と第４のポートＰ４の角度間隔が、従来の６０°よりも大きく（この実施の形態では、６０．２°に）設定されている。さらに、第１のポートＰ１と第４のポートＰ４の間の線路Ｒ４１の長さが、従来と同じ３／４波長に設定されている。従って、リング状線路ＲＣの全周の長さは、従来の１．５波長よりも長く設定（リング状線路ＲＣの直径φ１は従来の直径φ２よりも大きく設定）されている。

【0017】

このように、線路Ｒ１２、線路Ｒ２３および線路Ｒ３４の長さを１／４波長よりも長く設定するのは、リング状線路ＲＣからポートＰ１～Ｐ４が分岐する分岐部（根元部）において、高周波電流の位相基準面が分岐部の中心からずれるためである。すなわち、マイクロストリップ線路でＴ分岐を構成する場合、線路を伝搬する高周波電流の位相基準面が、図２に示すように、Ｔ分岐の交点の中心から少しずれた位置（ｄ₁、ｄ₂ずれた位置）に位置することが知られている。

【0018】

このときのずれ量ｄ₁、ｄ₂は、以下の計算式で算出される。すなわち、
ｆ：周波数[ＧＨｚ]
ｔ：板厚[ｍｍ]
ε_eff：実効誘電率
Ｚ₁：主線路のインピーダンス
Ｚ₂：分岐線路のインピーダンス
ｄ₁：主線路の位相基準面オフセット
ｄ₂：分岐線路の位相基準面オフセット
とすると、

【数1】

ε_eff：主線路の実効誘電率

【数2】

ε_eff：分岐線路の実効誘電率

【数3】

【数4】

【数5】

【数6】

【0019】

そして、このようなずれがラットレース回路１の分岐部においても生じ、線路Ｒ１２、線路Ｒ２３および線路Ｒ３４の長さを１／４波長とすると、線路Ｒ１２、線路Ｒ２３および線路Ｒ３４と、３／４波長の線路Ｒ４１とで位相が合わなくなる。従って、この位相基準面のずれ量（Ｔ分岐の場合には、ずれ量ｄ₁の２倍）だけ、線路Ｒ１２、線路Ｒ２３および線路Ｒ３４の長さを１／４波長よりも長くする必要があると、本願発明者が考察したためである。

【0020】

このため、マイクロストリップ線路のＴ分岐におけるずれ量ｄ₁に基づいて（参考にして）、中心周波数近辺において、各ポートＰ１～Ｐ４の反射特性と透過特性とアイソレーション特性が最良となるように、線路Ｒ１２、線路Ｒ２３および線路Ｒ３４の長さが１／４波長よりも長く設定されている。

【0021】

具体的には、リング状線路ＲＣの直径φ１が３０～４０ｍｍの場合、１／４波長よりも０．数ｍｍ長く設定されており、この延長量は、印刷配線のエッチングの厚み（例えば、１８μｍ）に対して桁違いに大きい値となっている。また、この場合、リング状線路ＲＣの直径φ１は従来の直径φ２（図７）よりも０．数ｍｍ大きい。なお、リング状線路ＲＣの幅Ｄ１と各ポートＰ１～Ｐ４の幅Ｄ２は、従来のそれらの幅Ｄ３、幅Ｄ４（図７）と同値となっている。

【0022】

このような構成のラットレース回路１によれば、所定の周波数（中心周波数）近辺で各ポートＰ１～Ｐ４の反射特性と透過特性とアイソレーション特性が最良となるように、第１のポートＰ１と第２のポートＰ２の間の線路Ｒ１２の長さ、第２のポートＰ２と第３のポートＰ３の間の線路Ｒ２３の長さおよび、第３のポートＰ３と第４のポートＰ４の間の線路Ｒ３４の長さが、１／４波長よりも長く設定されている。このため、各ポートＰ１～Ｐ４の反射特性が最良となる周波数と、透過特性が最良となる周波数と、アイソレーション特性が最良となる周波数と、を一致させる（近づける）、つまり、中心周波数にすることが可能となる。

【0023】

さらに、第１のポートＰ１と第４のポートＰ４の間の線路Ｒ４１の長さが３／４波長に設定されている。つまり、リング状線路ＲＣの全周の長さが１．５波長よりも長く設定されているため、反射特性と透過特性とアイソレーション特性が最良となる中心周波数を、所望の周波数に設定する（近づける）ことが可能となる。

【0024】

ここで、本ラットレース回路１の周波数特性の計算値を図３～図６に示す。使用する中心周波数を２．４５ＧＨｚとした場合、図３、図４に示すように、反射特性が最良となる周波数が中心周波数近辺であることが確認できる。ここで、図３、図４における「Ｓ１，１」は、第１のポートＰ１の反射特性（Ｓパラメータ）を示し、「Ｓ２，２」は、第２のポートＰ２の反射特性を示し、「Ｓ３，３」は、第３のポートＰ３の反射特性を示し、「Ｓ４，４」は、第４のポートＰ４の反射特性を示す。

【0025】

また、第１のポートＰ１から高周波信号を入力した際に、第３のポートＰ３からは出力されないアイソレーション特性は、図５に示すように、ほぼ中心周波数で最良となる。さらに、第１のポートＰ１から高周波信号を入力した際に、第２のポートＰ２と第４のポートＰ４から出力される透過特性が最良となる周波数が、図６に示すように、中心周波数近辺であることが確認できる。ここで、図５、図６における「Ｓ２，１」は、第１のポートＰ１から第２のポートＰ２へのＳパラメータを示し、「Ｓ３，１」は、第１のポートＰ１から第３のポートＰ３へのＳパラメータを示し、「Ｓ４，１」は、第１のポートＰ１から第４のポートＰ４へのＳパラメータを示す。

【0026】

このように、本ラットレース回路１の周波数特性は、従来のラットレース回路の周波数特性（図８～図１１）に比べて、反射特性と透過特性とアイソレーション特性が最良となる周波数が、同じ周波数である中心周波数近辺にあることが確認できる。

【0027】

以上、この発明の実施の形態について説明したが、具体的な構成は、上記の実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。例えば、上記の実施の形態では、ラットレース回路１をマイクロストリップで構成する場合について説明したが、マイクロストリップ以外の導波管などで構成してもよい。また、リング状線路ＲＣの外側にポートＰ１～Ｐ４が引き出される場合について説明したが、リング状線路ＲＣの内側にポートＰ１～Ｐ４が引き出される場合にも適用することができる。

【産業上の利用可能性】

【0028】

この発明によるラットレース回路は、レーダ装置、方向探知機、移動体用衛星追尾アンテナ、各種電子応用装置の分野で利用可能である。

【符号の説明】

【0029】

１ ラットレース回路
ＲＣ リング状の導体線路（リング状線路）
Ｐ１ 第１のポート
Ｐ２ 第２のポート
Ｐ３ 第３のポート
Ｐ４ 第４のポート
Ｒ１２ 第１のポートと第２のポートの間の線路
Ｒ２３ 第２のポートと第３のポートの間の線路
Ｒ３４ 第３のポートと第４のポートの間の線路
Ｒ４１ 第１のポートと第４のポートの間の線路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】