ボクにもわかる地上デジタル - 地デジ対策編 - 分岐器、直列ユニット

              (作成:2003年11月)      地デジTopへ戻る
              (追記:2008年05月)


分岐器とは(直列ユニットとは)

  分岐器は電力の一部を取り出すアンテナ部品です。一つの入力に対して2つ
  の出力があります。ほとんど損失の無い出力を通過出力と呼び、この損失を
  通過損失(挿入損失)と呼んでいます。反対に、大きな損失のある出力を結合
  出力と呼びます。結合出力の損失は約10dB前後もあり、この損失を負の数
  で表した数字を結合度と呼びます。(10dB以外のタイプもあります。)
  なお、分配器とは異なります。分配器は電力を等分に分配する部品で、詳し
  くは、「対策編-分配器」に記載しています。

                        ↓入力
         分岐器          直┏┿┓ 
        ┏━━━┓         列┃|┃  結合
    入力─→╂───╂─→ 通過出力  ユ┃|┠◎ 出力 -10dB前後
        ┗━┯━┛   -1dB以内  ニ┃|┃(テレビコンセント)
          ↓           ッ┗┿┛
         結合出力 -10dB前後     ト ↓通過出力 -1dB以内

  直列ユニットはアンテナコンセントと分岐器が一体になっている部品です。
  壁面内から電力の一部を分岐して取り出す働きをします。

分配器と分岐器(直列ユニット)の違い
部品 作用 損失 主な接続形態
分配器 電力を等分に分配する 3〜4dB スター型(根元で分配)
分岐器 電力の一部を取り出す 約10dB バス型(配線途中で分岐)

  また、分岐器の通過先からの反射波が分岐出力に混入するのを阻止する働き
  をもった分岐器もあります。方向性をもつという特長から方向性結合器とも
  呼んでいます。詳しくは後述の「方向性結合器」を参照ください。

分岐器の使い方(直列ユニットの使い方)

  下図は分岐器からアンテナケーブルを分岐した例です。アンテナで受信した
  放送波は、ブースターで増幅され、3つの分岐器によって、それぞれ1つの
  テレビコンセントに接続されています。

                  分岐器1  分岐器2  分岐器3
   ┏━━━━┓ ┏━━━━┓ ┏━━━┓ ┏━━━┓ ┏━━━┓
   ┃アンテナ┠→┨ブースタ┠→╂───╂→╂───╂→╂──┨┃
   ┗━━━━┛ ┗━━━━┛ ┗━┯━┛ ┗━┯━┛ ┗━┯━┛
                   |中間用  |中間用  |端末型
       壁面━━━━━━━━━━|━━━━━|━━━━━|━━
                   |     |     |
          (テレビコンセント)◎     ◎     ◎

  通常は、分岐器が壁面内側やテレビコンセントと一体になった中継ユニット
  に内蔵されていて、目に触れることがありませんが、10dBもの損失がある
  ことを意識する必要があります。この損失によって受信に問題が生じる場合
  は、アンテナから分岐器までの間にブースターを挿入して対策を行います。

分岐器の中間用と端末用(直列ユニットの中間用と端末用)

  前の図に書かれているように、分岐器、および直列ユニットには、中間用と
  端末用の2つのタイプがあります。
  どちらにも、結合出力(テレビコンセント出力)が1つ以上あります。しかし、
  通過出力(次の分岐器への出力)の有無に違いがあり、中間用には通過出力が
  ありますが、端末用は通過出力がありません。
  つまり、端末用は最後の終端に使用し、その他は中間用を使用します。

分岐器、直列ユニットの中間用と端末用過
タイプ 通過側 結合側 使用方法
中間用 ○電波通過 ○電波結合 中間用に使用します
端末用 ×端子なし ○電波結合 最後の終端用に使用します

  なお、端末用は、中間用の通過出力にダミー抵抗が取り付けられたものです
  が、中間用にダミー抵抗を接続する場合は直流を阻止する必要があります。
  したがって、終端には端末用を使用した方が安全でしょう。

分岐器の電流通過(直列ユニットの電流通過)

  分岐器、および直列ユニットには、電流通過型と電流挿入型、そして、電流
  阻止型の3タイプがあります。

分岐器、直列ユニットの電流通過
タイプ 通過側 結合側 使用方法
電流通過型 ○電流通過 ×電流阻止 中間用に使用します
電流挿入型 ×電流阻止 ○電流通過 ブースタ用電源の接続用に使用します
電流阻止型 ×電流阻止 ×電流通過 電源挿入よりも後ろ側で使用します

  電流通過型は中間用に使用します。しかし、結合側(テレビコンセント側)か
  らは電流が通過しないので、ブースター用電源を接続しても、ブースターに
  電源を供給することが出来ません。
  電源挿入型はブースター用電源を接続する箇所に使用します。アンテナから
  見て、電源挿入型の分岐器(直列ユニット)以降には電流が通過しません。
  電流阻止型は、アンテナから見て、電源挿入型の分岐器よりも後ろ側で使用
  します。通常は、電流通過型で代用してもかまいませんが、一番後ろの分岐
  器に、中間用とダミー抵抗を用いる場合は、必ず、電流阻止型である必要が
  あります。

方向性結合器、方向性分配器の設計(ハイブリッドカプラ,3dBカップラー)

  方向性結合器とは、下図のような4端子の回路でA点からの入力はB点とD
  点に出力されますが、C点には出力されない結合器です。また、左右対称な
  ので、B点からの入力は、A点とC点に出力されます。したがって、A〜B
  を主線路とすると、A→BはD点に、B→AはC点に出力されます。
  また、主線路の特性インピーダンスZ=Zo/sqrt(2)となり約50Ωですの
  で、50Ωの同軸ケーブル(3Dや5Dケーブル)を利用することが出来ます。

ハイブリッドカプラー

  A→DはA→B→DとA→C→Dの2経路が同位相で合成されています。
  一方、A→Cは、A→B→D→Cと逆相で合成されており、出力が出ないよ
  うに調整することが可能であることが分かります。ここで、Cからは出ない
  ように調整されたとすると、Bからλ/2離れたB点に出力されることにな
  ります。
  A点からの75Ωの入力電力はC点には向かわないので50Ωの線路によって
  37.5Ωに変換されます。37.5Ωは75Ωの半分であり、75ΩのB点と75Ω
  ラインの合成抵抗に一致しますので、電力が半分に分割されてB点とD点か
  ら出力されます。つまり、C点から電力が出てこない状態で整合がとれた為、
  電力はB点とD点で半分づつ出力してしまうので、結果的にもC点には電力
  が出てこないことになります。
  さらに、左右対称に線路のインピーダンスを設定すると、B点からの入力が
  A点とC点に出てくることになります。つまり、方向性を持った結合器とな
  ります。

λ/4線路による方向性結合器(分岐器)の設計(ディレクショナルカプラ)

  前記の方向性結合器では電力を等分しますが、ここでは電力の一部を取り出
  す方向性分岐器を説明します。

方向性結合器の製作例
方向性結合器の製作例

   入力→                      →通過
   ━━━┳━    ┏━━━━━━━━┓    ━┳━━━
   同軸1┠───●─┨ 75  入/4┠─●───┨同軸2
   ━━━┻┯ ┏┷┓┗━━━━━━━━┛┏┷┓ ┯┻━━━
      ┯┿┯┃ ┃    主線路    ┃ ┃┯┿┯   
         ┃C┃          ┃C┃
         ┃ ┃   結合線路   ┃ ┃   →結合
   ┏━━━┓ ┗┯┛┏━━━━━━━━┓┗┯┛ ━┳━━━
   ┃75Ω┠──●─┨ 75  入/4┠─●───┨同軸3
   ┗┯━━┛    ┗━━━━━━━━┛    ┯┻━━━
   ┯┿┯┯┯┯┯┯┯┯┯┯┯┯┯┯┯┯┯┯┯┯┯┿┯┯┯┯

            C=1pF R=75Ω

  同軸1から入ってきた電力は同軸2に追加すると共に、同軸3に漏れてきま
  す。ところが同軸2から入ってきた電力はダミー抵抗(終端器)で消費されて
  同軸3には出てきません。(実際には、多少、漏れてきます)
  例えば、同軸1にアンテナを接続し、同軸2へと通過させるとともに同軸3
  から電波の一部を取り出してテレビに接続しているとします。もし、同軸2
  の先に他のテレビが接続されておらずテレビコンセントの部分で反射が発生
  したとしても、反射波は同軸3には混入しないので安定した受信が行えます。

  他にも、同軸1にアンテナを接続した場合と同軸2にアンテナを接続した場
  合とを比較し、同軸2に接続した場合の方が高いようであれば電波が正しく
  流れていないことが分かります。レベル比較のために同軸3に日本アンテナ
  の
UHFチェッカーを接続すれば測定できます。ただし、方向性結合器での
  損失が大きいことと、帯域が狭いことから、結合出力とチェッカーとの間に
  BPFとブースターを挿入した方が、より正確に測定できるでしょう。

  主線路と結合線路を3Cの同軸ケーブルで製作する場合のケーブルの長さは
  約10cmになります。これは、ケーブル内で波長が約0.67倍に短縮する為です。

  ここから、製作した方向性結合器の特性について説明します。挿入損失は、
  同軸1から同軸2へ通過するときに発生する損失です。2分配器が約4dB
  だったのに対し、500MHzで1dB以下の損失しかありません。また、600MHz
  を超えると、損失が増大してゆく傾向がみられます。

方向性結合器の挿入損失
方向性結合器の挿入損失

  次に、結合度です。結合度は同軸1から同軸3に結合する度合いのことです。
  この例では、500MHzで−14dBくらいの結合度があり、同軸1から入力さ
  れた電力のうち、14dB低い電力が同軸3から出力されます。

方向性結合器の結合度
方向性結合器の結合度

  結合度はコンデンサCの値で調整可能です。結合度を−20dBなどに小さ
  くする場合は、1pFより小さなコンデンサに変更します。しかし、1pF
  以下のコンデンサは入手しにくいので、コンデンサを直列に接続するなどで
  代用します。

  最後はアイソレーションです。アイソレーションは同軸2から同軸3に漏れ
  てくる度合いです。この例では、500MHzで30dBくらいのアイソレーションが
  あります。先ほどの結合度の絶対値(14dB)よりも大きいことから「方向性」
  を有していることがわかります。すなわち、同軸1からの入力と同軸2から
  の入力との結合出力には、16dB(=30-14)の違いがあり、この違いが方向性を
  示しているのです。

方向性結合器のアイソレーション
方向性結合器のアイソレーション


方向性結合器による反射損失測定(リターンロス、VSWR、SWR)

  前節で製作した方向性結合器の方向性を応用して、反射損失(リターンロス)
  の測定を行いました。
  反射を測定するので、方向性結合器の入出力は逆にします。方向性結合器の
  出力側から信号を入力し、入力側に反射損失を測定する測定対象を接続し、
  結合出力から出力される漏れ電力を測定します。
  下図は測定結果です。左図は測定対象をダミー抵抗にした場合です。中心の
  500MHzで反射損失20dB(VSWR=1.2)が測定できました。
  しかし、方向性結合器の方向性以上の反射損失は測定できません。最も方向
  性のある500MHz以外の周波数では、正しい結果が得られないのです。
  右図は5dBアッテネーターで反射損失10dBにした場合の測定結果です。
  測定結果は15dBとなっていて、5dBもの誤差がありますが、反射係数
  が劣化していることは、明確に測定できています。

方向性結合器のアイソレーション
方向性結合器による反射損失測定

  このように、測定帯域や測定レンジの狭さ、測定精度の悪さなどがあります。
  それでも、UHFを使った回路では、設計どおりのインピーダンスにならな
  い場合があり、例えば、ブースターの整合回路を調整する際に利用すると、
  とても、重宝します。

トランスによる方向性結合器(分岐器)の設計(ディレクショナルカプラ)

  前記の方向性結合器と同様に、電力の一部を取り出す作用を小型かつ広帯域
  に実現できるトランスを用いた分岐器を下図に示します。
  入力端子から入った電力のほとんどは通過端子から出力されますが、一部が
  結合端子から出力されます。

                 トランス         
                  1:N          
     ━━━┳━       ┏━━┓         
     入力→┠────────╂┐┌╂─┐
     ━━━┻┯       ┃|∫┃┯┿┯
        ┯┿┯      ┃∫∫┃
              通過路┃|∫┃
     ━━━┳━      ┌╂┘└╂┐┏━━━━━┓ 
     通過←┠───────●┗━━┛●┨ダミー抵抗┃75
     ━━━┻┯      |    |┗━━┯━━┛Ω
        ┯┿┯   DC ┷ N:1 ┷  ┯┿┯   
             カット┯┏━━┓┯        
                └╂┐┌╂┘        
                 ┃∫|┃結合路
                 ┃∫∫┃
                 ┃∫|┃      ━┳━━━
                ┌╂┘└╂───────┨→結合
                |┗━━┛      ┯┻━━━
     ┯┯┯┯┯┯┯┯┯┯┯┿┯┯┯┯┯┯┯┯┯┯┿┯┯┯┯

                    ※ブースター用電源使用時は要注意

            方向性結合器による分岐器

  以下に製作例を示します。

トランス方向性結合器の製作例(基板表面)
トランス方向性結合器の製作例(基板裏面)
トランス方向性結合器の製作例


    1:N 結合度 阻止減衰量 方向性 トランス
    ───────────────────────────
    1:3 −8dB 17dB 10dB アドミン T25-10(6uH/m)
    1:5 −12dB 17dB 6dB アドミン T25-10(6uH/m)

  以下にトランスの巻き線比を1:3にした場合の特性例を示します。特性線
  は上から、通過損失、結合度、阻止減衰量、方向性の測定結果です。

トランス方向性結合器の特性
トランス方向性結合器の特性

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