タンデムマッチカプラの考察　　　　　　　　　　　　　　最新改定　2019.Aug.28　JH3FJA

　回路が簡単な割に起用されることが稀な タンデムマッチカプラ方向性結合器について動作などを考察したものです。

	１．まえがき
	２．タンデムマッチカプラとは
	３．回路と動作
	４．参考資料

１．まえがき

　JA2JKE局がロシアの機能基板通販屋さんの品を参考にタンデムマッチカプラによるパワーメータ部を自作されており 興味を持ったものです。 トランス２つと抵抗2本のみのシンプルな構成ですが これを適用されたアマチュア無線機や自作記事は極めて少ないようです。

２．タンデムマッチカプラとは

　「タンデムマッチカプラ」 は電流センス用トランス１つと電圧センス用トランス１つを組み合わせ 進行波成分と反射波成分が１８０度位相が異なることを基本の分離原理とした方向性結合回路です。 「ソントハイマーブリッジ」 とも呼ばれ 1966年にCG Sontheimerによって発明されたものです。
　下記は 当該の米国特許 番号：US 3,426,298　名称：BROADBAND DIRECTIONAL COUPLER の図部分です。 Fig8、Fig9 がここで考察対象としているタップなしトランス２個による２つの結合出力の片端をコモンに落とせる構成です。


３．回路と動作

　図１ にタンデムマッチカプラの回路図を示します。 非常にシンプルな構成のものです。

図１　タンデムマッチカプラ回路図 ４つのポートは次の機能を持ちます。 　Ｐ１：主回路の入力端 （RF信号源に繋ぐ） 　Ｐ２：主回路の出力端 （RF負荷に繋ぐ） 　Ｐ３：進行波成分結合出力 （進行波レベル信号） 　Ｐ４：反射波成分結合出力 （反射波レベル信号） トランスの巻数比 　Ｔｒ１：電流センストランス、PS巻数比 １：Ｎ 　Ｔｒ２：電圧センストランス、PS巻数比 Ｎ：１

　回路シミュレーションで３つの状態下での動作を見てみます。 進行波のみに対する動作、反射波のみに対する動作、進行波と反射波が混じり合った定在波が立った状態です。
　共通条件は Ｚ＝５０オーム（信号源インピーダンス・２つの結合出力負荷）、Ｎ＝１０（巻数比）、信号源電力５Ｗ、周波数＝３ＭＨｚです。

（１） 進行波に対する動作

　図２ は整合負荷状態でのモデル回路と主要点の波形です。 ３つのグラフを下から順に説明します。
　Ｖ（vｌｉｎｅ）は主回路のライン電圧、ピーク電力５Ｗ相当の信号源としていますので15.8V（ピーク値）、信号源起電力はその倍です。 Ｖ（vfwd）は進行波成分電圧で1.58V（ピーク値）、これは１／N巻数比 相当の出力です。 Ｖ（vref）は反射波成分電圧 で0Vです。 これらは後述で導出します。
　下から２つ目のグラフ、Ｉ（Ｌ１２）は電流センストランスの２次側電流、Ｉ（Ｒｆ）はＰ３-Ｒｆに流れる電流です。 波形が重なって１本に見えています。 これら電流位相はライン電圧Ｖ（vｌｉｎｅ）位相と 逆位相になっています。
　下から３つ目のグラフ、Ｉ（Ｌ２２）は電圧センストランスの２次側電流、Ｉ（Ｒｒ）はＰ４-Ｒｒに流れる電流です。 ともにゼロなのですがこれは後述の通り電流センストランスからの電流位相で打消しが生じているものです。

図２　進行波のみ 各点波形とモデル回路

　図３ は電流センストランスの２次側位置で電流源に置き代え 眺め易くしたモデル回路と各点波形です。
　電流センストランスの２次側電流は１次側電流の１／Ｎ倍、 １次側電流は ライン電圧ｖｌｉｎｅ／負荷抵抗（Ｒｌ＝５０オーム） から 31.62mA（ピーク値）、電流方向は１次側とは逆方向です。

図３　進行波のみ センス電流を電流源に置換

　一見して分かるように このセンス電流は 並列形態の値の等しい２つの抵抗Ｒf と Ｒｒ（いずれもＺオーム） に半分ずつ流れます。 一方 Ｔｒ２の２次側電圧センス電圧の方は 直列形態の抵抗Ｒf と Ｒｒで半分ずつに分圧されます。
　これら２つの重ね合わせから 進行波のみでの Ｐ３出力電圧Ｖｆｒｄ と Ｐ４出力電圧Ｖｒｅｆは次のように導出できます。 なお ここでの極性符合は位相を現わしています。

経路 電流センスによる電流 電圧センスによる電流 ２つの重畳電流 電圧出力 Ｐ３、Ｒｆ −Ｖline／２Ｎ・Ｚ −Ｖline／２Ｎ・Ｚ −Ｖline／Ｎ・Ｚ Ｖfwd＝−Ｖline／Ｎ Ｐ４、Ｒｒ −Ｖline／２Ｎ・Ｚ Ｖline／２Ｎ・Ｚ ０ Ｖｒｅｆ＝０

　以上の通りですが 結果がより明確に分かるよう 図４ に Ｖ（vｌｉｎｅ）、Ｖ（ｆwd）、Ｖ（vref）の拡大波形を掲げておきます。

図４　進行波のみ 図２の一部波形拡大

（２） 反射波に対する動作

　図５ はモデル回路と主要点の波形です。 分かり易いように信号源と出力負荷の繋ぎ先を相互に入れ替え流れの方向を反対にしています。 ３つのグラフを下から順に説明します。
　Ｖ（vｌｉｎｅ）は主回路のライン電圧、ピーク電力５Ｗ相当の信号源としていますので15.8V（ピーク値）になっています。 Ｖ（vfwd）進行波成分電圧はゼロ、Ｖ（vref）反射波成分電圧は1.58V（ピーク値）です。 これらは後述で導出します。
　下から２つ目のグラフ、Ｉ（Ｌ１２）は電流センストランスの２次側電流、Ｉ（Ｒｆ）はＰ３-Ｒｆに流れる電流です。 Ｉ（Ｒｆ）はゼロ、Ｉ（Ｌ１２）の電流位相はライン電圧Ｖ（vｌｉｎｅ）位相と 同相になっています。
　下から３つ目のグラフ、Ｉ（Ｌ２２）は電圧センストランスの２次側電流、Ｉ（Ｒｒ）はＰ４-Ｒｒに流れる電流です。 Ｉ（Ｌ２２）の電流位相はＩ（Ｌ１２）の電流位相と同相、またＩ（Ｒｒ）の電流位相はライン電圧Ｖ（vｌｉｎｅ）位相と 同相になっています。

図５　反射波のみ 各点波形とモデル回路

　反射波のみの場合も Ｐ３出力電圧Ｖｆｒｄ と Ｐ４出力電圧Ｖｒｅｆも 進行波のみの場合と同様の眺め方で導出できます。進行波のみの場合との違いは電流センストランスの２次側電流の方向が反対になるだけです。 極性符合は位相を現わしています。

経路 電流センスによる電流 電圧センスによる電流 ２つの重畳電流 電圧出力 Ｐ３、Ｒｆ Ｖline／２Ｎ・Ｚ −Ｖline／２Ｎ・Ｚ ０ Ｖfwd＝０ Ｐ４、Ｒｒ Ｖline／２Ｎ・Ｚ Ｖline／２Ｎ・Ｚ Ｖline／Ｎ・Ｚ Ｖｒｅｆ＝Ｖline／Ｎ

　以上の通りですが 結果がより明確に分かるよう 図６ に ライン電圧Ｖｌｉｎｅ、Ｐ３ Ｖｆｒｄ、Ｐ４ Ｖｒｅｆ の拡大波形を掲げておきます。

図６　反射波のみ 一部波形の拡大

（３） 進行波・反射波複合した動作

　線形回路でありトランスが飽和でもしない限り上述の進行波・反射波単独での動作の重ね合わせで動作しますが、LTspiceの伝送線路モデル（TLINE） を用い 負荷端を３００オームで不整合とし定在波が立った状態を模擬してみました。 伝送線路モデルは特性インピーダンスは５０オーム、無損失、遅延時間は８００ｎ秒です。
　図７ はこれらモデル回路と主要点の波形です。 負荷端での反射波がタンデムマッチカプラに到達するシミュレーション開始１．６μ秒後までは進行波のみ、以降重畳する反射波込みでライン電圧Ｖ（ｖｌｉｎｅ）も変化し、Ｐ４反射波成分電圧Ｖ（ｖｒｅｆ）が出力され始めています。 一方 Ｐ３進行波成分電圧Ｖ（ｖfwd）は一定で変化していません。

図７　進行波のみ 各点波形とモデル回路

４．参考資料

１） トリオのパワーメータ　ＰＦ-８１０のマニュアル

　特許への抵触回避のためか 進行波・反射波別々に専用タンデムマッチカプラを設けてありますが 原理図では単一の（純正）タンデムマッチカプラが示してあり 広帯域のメリットに魅力があっての適用かと思われます。
　TRIO FUNCTION POWER METER PF-810 OPERATING INSTRUCTIONS

END

改定来歴： 　2019.Aug.28　作成