高周波・電磁気学インタラクティブ Multi-Topology RF Simulator

方向性結合器 物理メカニズム ＆ マルチトポロジー完全探究シミュレータ

平行線路型 伝磁波伝搬・結合モデル

Port 1 (入力)
10.00 dBm
Port 2 (通過)
9.54 dBm
Port 3 (結合)
-10.00 dBm
Port 4 (孤立)
-40.00 dBm
電界結合 (同相)
磁界結合 (逆相)
λ/4 結合長
進行波 (正方向流)
Port 1 → Port 2
反射波 (逆方向流)
Port 2 → Port 1
結合経路 1
Port 1 → Port 3
結合経路 2 (または相殺)
Port 1 → Port 4 (消滅)

電磁界結合ベクトルの合成

平行線路型において、結合線路の左右端に生じる誘起起電力は、同相の電界結合（静電容量 $C_m$）と、逆方向に作用する磁界結合（相互インダクタンス $M$）の重ね合わせです。

⚡ 電界（静電）結合 $E_e$ 両方向に同相
🌀 磁界（誘導）結合 $H_m$ 順方向に逆相 / 逆方向に同相
Port 3: $E_e + H_m$ (強め合う結合波)
Port 4: $E_e - H_m$ (弱め合う相殺波)
【Port 3 出力成分】 【Port 4 出力成分】

パラメータ設定

10.00 dBm (10.0 mW)
10.0 dB
3 dB (等分配) 10 dB 20 dB 30 dB (微弱)
25.0 dB
0 dB (最悪) 20 dB (標準) 30 dB (高性能) 40 dB (理想)
通過ポート負荷 (Z_L) 50.0 Ω
0 Ω (短絡) 50 Ω (整合) 100 Ω 150 Ω (不整合)
600 MHz
1.2x

電力配分 ＆ 反射定数計測

負荷の反射特性
電圧反射係数 ($\Gamma$)
0.00
VSWR (電圧定在波比)
1.00
リターンロス
∞ dB
測定される電力比
反射波(P4) / 進行波(P3)
-∞ dB
💡 SWR計の原理： P4 / P3 の振幅比を測ることで、主線路を直接切断せずに負荷のVSWRをリアルタイムに特定できます。
各ポートの電力・位相分配
Port 1 (入力) 10.0 mW (10.00 dBm)
Port 2 (通過) 9.0 mW (9.54 dBm)
Port 3 (結合) 1.0 mW (0.00 dBm)
Port 4 (孤立) 0.0 mW (-40.00 dBm)
散乱行列 (Sパラメータ行列) 複素振幅値 位相基準: Port 1 = 0°
S11
0.00 ∠0°
S12
0.95 ∠0°
S13
0.32 ∠90°
S14
0.00 ∠0°
S21
0.95 ∠0°
S22
0.00 ∠0°
S23
0.00 ∠0°
S24
0.32 ∠90°
S31
0.32 ∠90°
S32
0.00 ∠0°
S33
0.00 ∠0°
S34
0.95 ∠0°
S41
0.00 ∠0°
S42
0.32 ∠90°
S43
0.95 ∠0°
S44
0.00 ∠0°

方向性結合器の「中身・原理・回路」完全解説

電磁界による分布結合

平行線路において、なぜ「逆方向（Port 3）」へエネルギーが流れ、「順方向（Port 4）」へは流れないのでしょうか。その物理現象の裏側には、主線路を流れる電磁波が生み出す**電界による結合**と**磁界による結合**の美しい非対称性があります。

  • 電界結合（容量結合 / Capacitive Coupling）:
    主線路上の高周波電圧によって時間的に変化する電界が発生し、2つの線路間の相互容量 $C_m$ を通して、結合線路上に変位電流 $I_e$ が誘起されます（静電誘導）。この誘導電荷は結合部の中央から**左右両方向へ同相**（位相角 $0^\circ$）で分流します。
  • 磁界結合（誘導結合 / Inductive Coupling）:
    主線路を流れる高周波電流が変化することで周囲に交番磁界が発生し、相互インダクタンス $M$ を通して、ファラデーの電磁誘導の法則およびレンツの法則に基づき、結合線路上に誘導起電力が発生します。この誘導電流 $I_m$ は、主線路の電流変化を打ち消す方向に作用するため、**主線路とは逆向き（Port 3側へ向かう方向）**を正として流れます。

逆方向結合と順方向相殺のからくり

平行線路型における結合線路の末端に流れ込む電流は、電界結合分と磁界結合分の和となります：

■ Port 3 (逆方向・結合ポート) の合成波
$$I_{\text{Port3}} = I_e + I_m \quad \rightarrow \quad \text{同相加算されて強いサンプリング出力となる}$$
■ Port 4 (順方向・アイソレーションポート) の合成波
$$I_{\text{Port4}} = I_e - I_m \quad \rightarrow \quad \text{逆相相殺により理想状態では完全にゼロになる}$$

結合線路の偶モードと奇モードの位相速度が完全に等しく（均一な誘電体中を伝搬するTEM波）、かつ相互インダクタンス $M$ と静電容量 $C_m$ の比が線路の特性インピーダンス $Z_0$ と以下の整合条件を満たしているとき： $$\frac{L}{C} = Z_0^2$$ Port 4の打ち消し合いは完全となり、無限大の方向性（Directivity）が実現します。