方向性結合器は、マイクロ波測定やその他のマイクロ波システムにおける標準的なマイクロ波／ミリ波コンポーネントです。電力監視、信号源出力安定化、信号源分離、透過および反射周波数掃引試験など、信号の分離、分離、混合に使用できます。方向性マイクロ波電力分配器であり、現代の周波数掃引反射計に不可欠なコンポーネントです。通常、導波管、同軸線路、ストリップ線路、マイクロストリップなど、いくつかの種類があります。
図1は構造の概略図です。主に主線と補助線の2つの部分で構成され、これらは様々な形状の小さな穴、スリット、隙間を介して互いに結合されています。そのため、主線端の「1」から入力された電力の一部は、補助線に結合されます。波の干渉または重ね合わせにより、電力は補助線に沿ってのみ伝送されます。つまり、一方の方向（「順方向」と呼ばれます）には電力が伝送され、もう一方の方向（「逆方向」と呼ばれます）には電力がほとんど伝送されません。
図 2 は交差方向性カプラであり、カプラのポートのうちの 1 つが内蔵のマッチング負荷に接続されています。
方向性結合器の応用
1、電力合成システム用
3dB方向性結合器（通称3dBブリッジ）は、通常、下図に示すように、マルチキャリア周波数合成システムで使用されます。この種の回路は、屋内分散システムによく使用されます。2つのパワーアンプからの信号f1とf2が3dB方向性結合器を通過すると、各チャネルの出力には2つの周波数成分f1とf2が含まれ、各周波数成分の振幅は3dB減少します。出力端子の1つを吸収負荷に接続し、もう1つの出力をパッシブ相互変調測定システムの電源として使用できます。さらにアイソレーションを向上させる必要がある場合は、フィルターやアイソレーターなどのコンポーネントを追加できます。適切に設計された3dBブリッジのアイソレーションは、33dB以上になる場合があります。
方向性結合器は電力結合システム 1 で使用されます。
電力結合の別の応用としての方向性ガリー領域を下図(a)に示します。この回路では、方向性結合器の方向性が巧みに適用されています。2つの結合器の結合度が両方とも10dBで、方向性が両方とも25dBであると仮定すると、f1端とf2端の間のアイソレーションは45dBです。f1とf2の入力が両方とも0dBmの場合、結合された出力は両方とも-10dBmです。下図(b)のウィルキンソン結合器(その典型的なアイソレーション値は20dB)と比較すると、同じ入力信号OdBmで、合成後に-3dBmになります(挿入損失を考慮せず)。サンプル間条件と比較すると、図(a)の入力信号を7dB増加させて、その出力が図(b)と一致するようにします。このとき、図(a)のf1とf2間のアイソレーションは「38dB低下」します。最終的な比較結果は、方向性結合器による電力合成法がウィルキンソン結合器よりも18dB高いという結果です。この方式は、10台の増幅器の相互変調測定に適しています。
方向性結合器は電力結合システム2で使用される
2、受信機の耐干渉測定またはスプリアス測定に使用される
RFテストおよび測定システムでは、下の図に示す回路がよく見られます。DUT（テスト対象のデバイスまたは機器）が受信機であるとします。その場合、隣接チャネル干渉信号を方向性結合器の結合端から受信機に注入することができます。次に、方向性結合器を介してそれらに接続された統合テスターは、受信機の抵抗、つまり1000干渉性能をテストできます。 DUTが携帯電話の場合、方向性結合器の結合端に接続された包括的なテスターによって電話の送信機をオンにすることができます。次に、スペクトラムアナライザを使用して、シーンフォンのスプリアス出力を測定できます。 もちろん、スペクトラムアナライザの前にいくつかのフィルタ回路を追加する必要があります。 この例では方向性結合器の用途についてのみ説明しているため、フィルタ回路は省略されています。
方向性結合器は、受信機の耐干渉測定や携帯電話のスプリアス高さの測定に使用されます。
この試験回路では、方向性結合器の方向性が非常に重要です。スルー端に接続されたスペクトラムアナライザは、DUTからの信号のみを受信し、結合端からのパスワードは受信しません。
3、信号のサンプリングと監視用
送信機のオンライン測定と監視は、方向性結合器の最も広く使用されている用途の一つです。次の図は、携帯電話基地局測定における方向性結合器の典型的な応用例です。送信機の出力電力が43dBm（20W）、方向性結合器の結合容量が30dB、挿入損失（線路損失と結合損失の合計）が0.15dBであるとします。結合端から基地局テスターに送られる信号は13dBm（20mW）、方向性結合器の直接出力は42.85dBm（19.3W）、絶縁側の漏洩電力は負荷によって吸収されます。
方向性結合器は基地局測定に使用されます。
ほとんどすべての送信機は、オンラインサンプリングと監視にこの方法を使用しており、おそらくこの方法だけが、通常の動作条件下での送信機の性能テストを保証できます。ただし、送信機のテストは同じであり、テスターごとに懸念事項が異なることに注意する必要があります。 WCDMA基地局を例にとると、事業者は信号品質、チャネル内電力、隣接チャネル電力など、動作周波数帯域（2110〜2170MHz）の指標に注意を払う必要があります。この前提の下、メーカーは基地局の出力端に狭帯域（2110〜2170MHzなど）方向性結合器を設置し、送信機の帯域内動作状態を監視し、いつでも制御センターに送信します。
無線周波数スペクトルの規制当局である無線監視局がソフト基地局指標を試験する場合、その焦点は全く異なります。無線管理仕様の要求によると、試験周波数範囲は9kHz～12.75GHzに拡張されており、試験対象となる基地局は非常に広範囲です。この周波数帯域でどれだけのスプリアス放射が発生し、他の基地局の正常な動作に干渉するでしょうか？無線監視局の懸念事項です。このとき、信号サンプリングには同じ帯域幅の方向性結合器が必要ですが、9kHz～12.75GHzをカバーできる方向性結合器は存在しないようです。方向性結合器の結合アームの長さは、その中心周波数に関係していることがわかっています。超広帯域方向性結合器の帯域幅は、0.5～18GHzなどの5～6オクターブ帯域を実現できますが、500MHz以下の周波数帯域はカバーできません。
4、オンライン電力測定
スルー型電力測定技術において、方向性結合器は非常に重要なデバイスです。下図は、典型的なスルー型高電力測定システムの概略図を示しています。被試験増幅器からの順方向電力は、方向性結合器の順方向結合端（端子3）でサンプリングされ、電力計に送られます。反射電力は、逆方向結合端（端子4）でサンプリングされ、電力計に送られます。
高電力測定には方向性結合器が使用されます。
ご注意：逆結合端子（端子4）は、負荷からの反射電力に加えて、方向性結合器の方向性によって生じる順方向（端子1）からの漏洩電力も受信します。テスターが測定したいのは反射エネルギーであり、漏洩電力は反射電力測定における主な誤差源です。反射電力と漏洩電力は逆結合端（端子4）で重畳され、電力計に送られます。2つの信号の伝送経路が異なるため、ベクトル重ね合わせとなります。電力計に入力される漏洩電力と反射電力を比較すると、大きな測定誤差が生じます。
もちろん、負荷（端2）からの反射電力も、前方結合端（端1、上図には示されていません）に漏れます。しかし、その大きさは、前方強度を測定する前方電力と比較するとごくわずかです。結果として生じる誤差は無視できます。
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投稿日時: 2023年4月20日