高分離度＆低ロス！1.6G～11GHzパワー・ディバイダ

低エラー・レート広帯域SDR入門

ウィルキンソン型パワー・ディバイダの基本構造と特性

ウィルキンソン・ディバイダは，マイクロ波回路において信号を2つに分配するための基本的な構成です．構成はシンプルで，マイクロストリップ線路と1本の100$\Omega$チップ抵抗からなります．この構造により，ロスレスに近い動作が可能です．

理論上，入力信号は等分に分配され，各出力ポートには約-3dBのパワーが到達します．実際には伝送路の損失により少し大きな損失が生じますが，高性能な基板材を使用することでこのロスを最小限に抑えることができます．

Rogers 4350B基板は，その誘電率やタンデル値（$tan\ \delta$）の低さにより，広帯域かつ低損失な伝送が実現できます．具体的には，厚さ0.254mm，$tan\ \delta = 0.002$といったパラメータが設定されています．

構成と周波数設計のポイント

ウィルキンソン・ディバイダは，50$\Omega$の入力伝送路から分岐し，中央部で71$\Omega$の伝送路を経由して2つの出力に接続されます．この71$\Omega$区間の長さは，使用する周波数に応じて1/4波長（$\lambda/4$）に設計されます．

両端は50$\Omega$の伝送路に戻り，中央の抵抗（100$\Omega$）で接続されます．この構成により，分配器としてだけでなく，出力間のアイソレーション特性も向上します．P2とP3間で反射が発生しても，互いに干渉しにくい設計です．

シミュレーション結果では，挿入損失が約3dB，アイソレーションはチューニング状態で最大30dBを記録しています．これは，SDR（Software Defined Radio）などで重要な低エラー・レートの伝送にも適した特性です．

高周波対応と設計上の注意点

チップ抵抗には1005サイズが使われています．導体長が0.57mm程度あるため，1桁GHz帯まではおおよそ問題なく使えます．ただし，10GHzを超える周波数帯では抵抗のインダクタンス成分が無視できなくなります．

高周波では，チップ抵抗が純粋な抵抗として働かず，寄生成分が影響します．対策としては以下のような工夫があります．

1. 可能な限り小型サイズの抵抗を選ぶ
2. プリント抵抗などの一体化構造を検討する
3. 設計段階でパッドを配置し，調整を可能にする

ウィルキンソン・ディバイダでは，100$\Omega$抵抗が信号品質に絶対的な影響を与えるわけではありませんが，反射やアイソレーションの面で重要な役割を果たします．設計時には，これらの要素を加味して適切なサイズと配置を検討することが求められます．

広帯域化のための多段構成

設計対象の周波数帯を広げるには，$1/4\lambda$構成を複数段に重ねる方法が有効です．たとえば，1GHz～11GHzの帯域をカバーするには，中央の71$\Omega$区間を異なる長さで複数段設計し，それぞれ異なる中心周波数に最適化します．

この方式により，交代機構造を実現できます．各段の伝送特性が重なることで広帯域化され，SDRに必要なマルチバンド対応が可能になります．

シミュレーション環境と使用ツール

今回の設計と検証には，Qucs Studioを使用しています．Qucs Studioは，Sパラメータ解析を中心としたシンプルかつ実用的な回路シミュレータです．高価な商用ツールと比べると機能に制限はありますが，基礎的な動作確認や伝送路のモデリングには十分対応可能です．

測定結果との合成やマッチング特性の評価など，実用的な回路設計プロセスにおいて有効な支援ツールとして使用できます．

〈著：ZEPマガジン〉

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著者紹介

• 1990年　無線通信機器メーカで設計開発．その後，計測器メーカでRF測定機器，半導体試験装置の設計開発
• 2017年　フリーランスエンジニアとして独立，無線通信機器やSDR機器の受託開発
• 2019年　株式会社ラジアンとして法人化，現在に至る

著書

1. ソフトウェア制御フェーズドアレイ・ミリ波モジュール“mmCon3”誕生［Vol.1　分散型マルチビーム無線機のハードウェア］，ZEPエンジニアリング．
2. ソフトウェア制御フェーズドアレイ・ミリ波モジュール“mmCon3”誕生［Vol.2　1エレメント1モジュール独立分散型の理由］，ZEPエンジニアリング．
3. ソフトウェア制御フェーズドアレイ・ミリ波モジュール“mmCon3”誕生［Vol.3　ソフトウェアによるマルチビーム制御の実験］，ZEPエンジニアリング．
4. ソフトウェア制御フェーズドアレイ・ミリ波モジュール“mmCon3”誕生［Vol.4　非接触共振カプラによるアレイ・チャネル拡張］，ZEPエンジニアリング．
5. ［Webinar/KIT/data］Arm M4/M7/DSP×500MHz！STM32H7ハイスペック計測通信Module開発，ZEPエンジニアリング．
6. 高感度受信！ソフトウェア無線機の心臓部“Root-Raised Cosine Filter”の設計，ZEPエンジニアリング．
7. 超長距離無線LoRaからローカル5Gまで！GNU Radio×USRPで作るソフトウェア無線機，ZEPエンジニアリング．
8. 自宅で設計・開発！USBミクスト・シグナル・アナライザ Analog Discovery Pro 3000 誕生，ZEPエンジニアリング．
9. 高精度基準搭載＆1GSPS広帯域！プロ用USBマルチ測定器 ADP5250誕生，ZEPエンジニアリング．
10. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.1]，ZEPエンジニアリング．
11. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.2]，ZEPエンジニアリング．
12. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.3]，ZEPエンジニアリング．
13. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.4]，ZEPエンジニアリング．
14. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.5]，ZEPエンジニアリング．
15. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.6]，ZEPエンジニアリング．
16. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.7]，ZEPエンジニアリング．
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25. ［VOD/KIT］GPSクロック・ジッタ・クリーナ【z-pptgen-on1】，ZEPエンジニアリング．

参考文献

1. ［VOD］MATLAB/Simulink×FPGAで作るUSBスペクトラム・アナライザ，ZEPエンジニアリング．
2. ［VOD/KIT］3GHzネットアナ付き！RF回路シミュレーション＆設計・測定入門，ZEPエンジニアリング．
3. ［VOD/KIT］3GHzネットアナ付き！初めてのIoT向け基板アンテナ設計，ZEPエンジニアリング．
4. ［VOD/KIT］初めてのソフトウェア無線＆信号処理プログラミング 基礎編/応用編，ZEPエンジニアリング．
5. ［VOD］Pythonで学ぶ マクスウェル方程式 【電場編】＋【磁場編】，ZEPエンジニアリング．