ウィルキンソン電力分配器シミュレーター

アンテナアレイの給電回路：フェーズドアレイやパッチアンテナアレイでは、1つの送信機の電力を多数の放射素子に分配する必要があります。ウィルキンソン分配器をツリー状に多段接続して、4分配・8分配・16分配の給電網を構成します。各素子に行く電力の振幅を制御するため、中央素子に強く端素子に弱く配る「テーパ給電」では、不等分配のウィルキンソンが使われます。

電力増幅器の合成・分配：高出力のRF電力増幅器では、複数のトランジスタの出力を合成して大電力を得ます。ウィルキンソン分配器は入力を各増幅段に等分配し、出力側で同じ回路を逆向きに使って合成します。出力ポート間のアイソレーションがあるため、1つの増幅段が故障しても他段への悪影響が抑えられ、システムの信頼性が高まります。

計測器・テストセットアップ：ベクトルネットワークアナライザやスペクトラムアナライザのフロントエンド、信号源の分岐などで、基準信号と測定信号を分けるために使われます。出力ポート間のアイソレーションが高いため、一方の測定対象の状態が他方の測定経路を乱さず、正確な測定が可能になります。広帯域版や多段版も計測用途で多用されます。

無線通信機器・基地局：携帯電話基地局、Wi-Fiルーター、衛星通信端末などで、送受信信号の分配・合成に組み込まれます。マイクロストリップやストリップラインでプリント基板上に作り込めるため、追加部品はアイソレーション抵抗1個のみで済み、低コスト・小型・量産性に優れます。本ツールで 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、「ウィルキンソン分配器は広い周波数で使える」という思い込みです。基本形のウィルキンソンは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、入力整合・アイソレーション・分配バランスがすべて劣化します。1オクターブを超える広帯域が必要なら、λ/4線路を多段にカスケードした多段ウィルキンソンを使います。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。試作前には必ず詳細計算かシミュレーションで線路寸法を確定させてください。

最後に、「アイソレーション抵抗はただの普通の抵抗でよい」という誤解です。この抵抗には、設計値どおりの抵抗値であることに加え、動作周波数で寄生インダクタンス・寄生容量が小さいことが求められます。リード付き抵抗や大型のチップ抵抗はインダクタンスが効いてしまい、高周波でアイソレーション特性が崩れます。GHz帯では小型の薄膜チップ抵抗を使い、実装パッドも最小限にします。また合成器として使う場合は、不平衡時にこの抵抗が電力を消費するため、定格電力にも余裕を持たせてください。