ブランチライン カプラ シミュレーター

バランス型（バランスド）増幅器：ブランチラインカプラの最も代表的な応用です。入力をハイブリッドで2つに分け、それぞれ同じ増幅器に通し、出力側でもう1つのハイブリッドで合成します。各増幅器で反射が起きても、その反射波はハイブリッドの分離ポートの終端に集まって吸収されるため、入力ポートへ戻りません。結果として、個々の増幅器の整合が悪くても、システム全体としては良好な入出力VSWRが得られます。

I/Q（直交）変復調回路：2出力の90°位相差は、I（同相）成分とQ（直交）成分を扱う無線機の心臓部です。直交変調器・復調器、イメージ除去ミキサ、シングルサイドバンド（SSB）回路などで、信号を正確に90°ずらした2系統に分けるためにブランチラインカプラが使われます。位相精度がそのまま画像抑圧比やEVMに直結します。

アンテナの偏波制御：円偏波アンテナでは、直交する2つの放射素子に等振幅・90°位相差で給電する必要があります。ブランチラインカプラはこの給電に最適で、パッチアンテナの隣り合う2辺に90°ずれた信号を送り込むことで、右旋・左旋の円偏波を生成します。GPS・衛星通信端末のアンテナで広く使われています。

マイクロ波回路の基板実装：ブランチラインカプラはマイクロストリップやストリップラインだけで構成でき、アイソレーション抵抗のような追加部品が一切不要です。プリント基板上に4本のλ/4線路を正方形に描くだけで作れるため、低コスト・量産性に優れます。本ツールで直列・並列ブランチのインピーダンスとλ/4線路長を見積もれば、基板レイアウトの第一近似がすぐ得られます。

まず大きな誤解が、「ブランチラインカプラは広い周波数で使える」という思い込みです。基本形のブランチラインカプラは4本のλ/4線路を使うため、設計周波数でしか正しく動きません。線路長が λ/4 からずれると、分配バランス・90°位相差・アイソレーションがすべて劣化します。一般に良好な特性が得られるのは中心周波数の±10〜20%程度の帯域に限られます。1オクターブを超える広帯域が必要なら、複数段を縦続接続した多段ブランチラインや、Lange カプラなどの結合線路型カプラを使います。本ツールは1段の基本形を対象にしているため、得られる値は中心周波数での設計値であることに注意してください。

次に、「実効誘電率 εeff = (εr+1)/2 が正確な値だ」という思い込みです。本ツールが採用しているこの式は、あくまでマイクロストリップの簡易近似です。実際の εeff は、線路幅と基板厚の比、導体厚、表面粗さによって変わり、正確には Hammerstad-Jensen の式や電磁界シミュレータ（モーメント法・FEM）で求めます。簡易式の誤差は数%〜十数%あり、それがそのまま λg と線路長の誤差になります。さらにブランチラインカプラでは、直列ブランチ（細い線路）と並列ブランチ（太い線路）で線路幅が異なり、εeff も微妙に違います。試作前には必ず詳細計算かシミュレーションで各線路寸法を確定させてください。

最後に、「ブランチが交わる接合部（ジャンクション）は理想点として無視してよい」という誤解です。実際のブランチラインカプラでは、4本の線路が交わるT字・L字の接合部に寄生リアクタンスが生じます。この不連続性を無視して理想線路長のまま設計すると、中心周波数がずれたり、分配バランス・位相差に誤差が出たりします。マイクロ波帯では接合部の補正（線路長の微調整や角の面取り）が必須で、最終的にはフルウェーブの電磁界シミュレーションで寸法を追い込みます。本ツールの値は接合部補正前の出発点として使ってください。