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、ソース出力電力安定化、信号源分離、伝送および反射周波数掃引テストなど、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、現代の掃引周波数反射計に不可欠なコンポーネントです。通常、導波管型、同軸線型、ストリップライン型、マイクロストリップ型など、いくつかの種類があります。
図1は構造の概略図である。主線と補助線の2つの部分から構成され、これらは様々な形状の小さな穴、スリット、隙間を介して相互に接続されている。そのため、主線端の「1」からの入力電力の一部が補助線に結合される。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一方向（「順方向」と呼ばれる）にのみ伝送され、逆方向（「逆方向」と呼ばれる）にはほとんど電力が伝送されない。
図2は交差方向カプラであり、カプラのポートの1つは内蔵の整合負荷に接続されている。
方向性結合器の応用
1. 電力合成システム
3dB方向性結合器（一般に3dBブリッジと呼ばれる）は、下図に示すように、マルチキャリア周波数シンセシスシステムで一般的に使用されます。この種の回路は、屋内分散システムでよく用いられます。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減衰されます。出力端子の1つを吸収負荷に接続した場合、もう一方の出力は受動相互変調測定システムの電源として使用できます。アイソレーションをさらに向上させる必要がある場合は、フィルタやアイソレータ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を超えることができます。
方向性結合器は、電力合成システム１で使用される。
電力合成の別の応用例として、方向性のある溝領域を図(a)に示す。この回路では、方向性結合器の指向性が巧みに利用されている。2つの結合器の結合度が両方とも10dB、指向性が両方とも25dBであると仮定すると、f1とf2の端間のアイソレーションは45dBとなる。f1とf2の入力が両方とも0dBmの場合、合成出力は両方とも-10dBmとなる。下の図(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0dBmの入力信号の場合、合成後には-3dBmとなる(挿入損失は考慮しない)。サンプル間の条件と比較すると、図(a)の入力信号を7dB増加させて、出力が図(b)と一致するようにしている。この時点で、図(a)のf1とf2間のアイソレーションは「減少」し、「38dB」となります。最終的な比較結果は、方向性結合器の電力合成方式がウィルキンソン結合器よりも18dB高いということです。この方式は、10個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合成システム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
RFテストおよび測定システムでは、下図に示す回路がよく見られます。DUT（被試験デバイスまたは機器）が受信機であると仮定します。この場合、方向性結合器の結合端を介して受信機に隣接チャネル干渉信号を注入できます。そして、方向性結合器を介して接続された統合テスターで、受信機の抵抗値、すなわち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総合テスターで携帯電話の送信機をオンにできます。そして、スペクトラムアナライザを使用して、携帯電話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応用についてのみ説明しているため、フィルタ回路は省略します。
方向性結合器は、受信機の干渉防止測定、または携帯電話のスプリアス高さの測定に使用されます。
このテスト回路では、方向性結合器の指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、被試験デバイス（DUT）からの信号のみを受信し、結合端からのパスワードを受信しないようにする必要があります。
3. 信号のサンプリングとモニタリング
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アプリケーションの 1 つです。次の図は、セルラー基地局測定のための方向性結合器の典型的なアプリケーションです。送信機の出力電力が 43dBm (20W) で、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。結合端には、基地局テスターに 13dBm (20mW) の信号が送信され、方向性結合器の直接出力は 42.85dBm (19.3W) で、漏洩電力は絶縁側の負荷によって吸収されます。
方向性結合器は基地局の測定に使用されます。
ほぼすべての送信機は、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も、テスト担当者によって関心事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、オペレーターは、動作周波数帯域（2110～2170MHz）の信号品質、チャネル内電力、隣接チャネル電力などの指標に注意を払う必要があります。この前提の下で、メーカーは基地局の出力端に狭帯域（2110～2170MHzなど）の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て、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機関である無線監視局が、ソフト基地局の指標をテストする場合、その焦点は全く異なります。無線管理仕様の要件によれば、テスト周波数範囲は9kHz～12.75GHzに拡張され、テスト対象の基地局はこれほど広いため、周波数帯域でどれだけの不要放射が発生し、他の基地局の正常な動作に干渉するかが、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中心周波数に関係していることはわかっています。超広帯域方向性結合器の帯域幅は、0.5～18GHzなどの5～6オクターブバンドを実現できますが、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。次の図は、典型的なパススルー型高電力測定システムの概略図を示しています。被測定アンプ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用いられる。
ご注意ください：逆結合端子（端子4）は、負荷からの反射電力に加えて、方向性結合器の指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の原因となります。反射電力と漏洩電力は逆結合端（4端子）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、これはベクトルの重畳となります。電力計に入力される漏洩電力を反射電力と比較すると、大きな測定誤差が生じます。
もちろん、負荷（端点2）からの反射電力も順方向結合端（端点1、上図には示されていない）に漏れる。しかし、その大きさは順方向電力（順方向強度を測定する指標）に比べてごくわずかである。結果として生じる誤差は無視できる。
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投稿日時：2023年4月20日