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JP2000295003A - 移相器 - Google Patents

移相器

Info

Publication number
JP2000295003A
JP2000295003A JP11096956A JP9695699A JP2000295003A JP 2000295003 A JP2000295003 A JP 2000295003A JP 11096956 A JP11096956 A JP 11096956A JP 9695699 A JP9695699 A JP 9695699A JP 2000295003 A JP2000295003 A JP 2000295003A
Authority
JP
Japan
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line
phase shifter
phase shift
phase
loading
Prior art date
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Pending
Application number
JP11096956A
Other languages
English (en)
Inventor
Kuniyoshi Nakada
国芳 中田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NEC Corp
Original Assignee
NEC Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by NEC Corp filed Critical NEC Corp
Priority to JP11096956A priority Critical patent/JP2000295003A/ja
Priority to US09/540,984 priority patent/US6525627B2/en
Publication of JP2000295003A publication Critical patent/JP2000295003A/ja
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01PWAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00Auxiliary devices
    • H01P1/18Phase-shifters
    • H01P1/184Strip line phase-shifters

Landscapes

  • Waveguide Switches, Polarizers, And Phase Shifters (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 移相誤差を防ぐとともに、従来よりも移相量
の周波数特性を広帯域化する。 【解決手段】 主線路(伝送線路4)に接続されかつ入
力信号10を移相する移相回路部3と、前記主線路に対
する接続および切り離しを任意に可能とするオープン・
スタブによって構成された装荷線路部2とを備える。そ
して、前記移相回路部の移相量の状態変化と連動して前
記オープン・スタブと前記主線路との接続と切り離しを
行うことにより前記移相回路部における移相量の周波数
特性を補償するものである。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、移相器に関し、マ
イクロ波帯、ミリ波帯における移相器に関するものであ
る。例えばこのような移相器は、フェーズドアレイアン
テナの位相制御素子として使用される。
【0002】
【従来の技術】通常、移相器は信号が移相器内部を通過
するときに位相制御が行われる。従来の移相器には、線
路切換型移相器と装荷線路型移相器とがある。
【0003】図14は、従来の線路切換型の移相器を示
す平面図である。同図に示すように、主線路である伝送
線路4には、長さの異なる伝送線路S,LがスイッチS
Wb,SWc,SWd,SWeを介して接続されてい
る。
【0004】スイッチSWb〜SWdは連動して動作
し、(SWb,SWc,SWd,SWe)=(オン,オ
ン,オフ,オフ)の状態で、伝送線路4は伝送線路Sに
接続される(以下、この状態を状態Sという)。また、
(SWb,SWc,SWd,SWe)=(オフ,オフ,
オン,オン)の状態で、伝送線路4は伝送線路Lに接続
される(以下、この状態を状態Lという)。したがっ
て、高周波の入力信号10は、伝送線路SまたはLの何
れかを通って出力信号11として出力される。
【0005】このように、線路切換型移相器は、スイッ
チSWb〜SWeを切り換えることにより伝送線路長の
差に相当する移相量を実現し、所望の移相量が得られる
という利点がある。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の移相器は、下記の理由により、移相量周波数
特性が悪いという問題点がある。
【0007】前述の伝送線路L,Sの長さをLL ,LS
とすると、これらは中心周波数f0における波長λg0
基準にして設定される。例えば、移相量180゜の移相
器であれば、LL−LS=λg0/2となるよう設定される
ので、その電気的経路差は中心周波数f0 において18
0゜となる。しかし、中心周波数f0 よりも高い周波数
では、波長がλg0より短くなるので、その周波数におい
ては電気的経路差が180゜以上となり移相量が大きく
なる。逆に低い周波数では、波長がλg0より長くなるの
で、電気的経路差が180゜以下となり移相量が小さく
なる。
【0008】図15は、図14に示した線路切換型移相
器(移相量は180°)による移相量の周波数特性のシ
ミュレーション値を示すグラフである。同図において、
横軸はf/f0 (f:現在の周波数、f0 :中心周波
数)、縦軸は移相量を示す。縦軸の移相量Δφは、状態
Lを基準とした状態Sの移相量、すなわちΔφ=φLS
−φLL (φLL ,φLS は、それぞれ状態L,Sにお
ける通過位相)を表す。同図に示すように、移相量の周
波数特性は全体として正の傾きをもつ直線であり、中心
周波数f0 においてはちょうど180゜となっている
が、中心周波数f0から離れるに従って移相量も180
゜から離れ、誤差は大きくなっている。
【0009】このように、従来の移相器は、周波数に対
して通過移相量が一定でなく、ある周波数帯域内におい
て移相誤差を生じてしまう問題がある。特に、線路切換
型移相器においては、移相量の周波数特性が大きな傾き
を持つ直線であり、移相誤差が大きくなって狭帯域であ
るという問題がある。
【0010】本発明はこのような課題を解決するための
ものであり、移相誤差を防ぐとともに、従来よりも移相
量の周波数特性を広帯域化することができる移相器を提
供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために本発明に係る移相器は、高周波信号をデジタル
的に移相する移相器において、主線路に接続されかつ入
力信号を移相する移相回路部と、前記主線路に対する接
続および切り離しを任意に可能とするオープン・スタブ
によって構成された装荷線路部とを備える。そして、前
記移相回路部の移相量の状態変化と連動して前記オープ
ン・スタブと前記主線路との接続と切り離しを行うこと
により前記移相回路部における移相量の周波数特性を補
償するものである。
【0012】また、前記装荷線路部は、所定の長さを有
しかつ一端がオープンである伝送線路と、この伝送線路
の他端と前記主線路との接続および切り離しを行うスイ
ッチと、で構成されていてもよい。また、前記装荷線路
部は、複数の直列接続された伝送線路と、前記複数の伝
送線路の接続と切り離しを行う複数のスイッチと、で構
成されていてもよい。また、前記装荷線路部は、所定の
間隔で前記主線路に接続された複数の伝送線路と、前記
複数の伝送線路と前記主線路との接続と切り離しを行う
複数のスイッチと、で構成されていてもよい。
【0013】また、前記移相回路部は、線路切換型移相
器であってもよい。また、前記移相回路部は、線路装荷
型移相器であってもよい。また、前記移相回路部は、線
路切換型移相器と線路装荷型移相器とを含んでもよい。
また、前記主線路、前記移相回路部および前記装荷線路
部は、分布定数線路で構成されていてもよい。
【0014】また、前記分布定数線路は、マイクロスト
リップライン、スロットライン、または、同軸線路であ
ってもよい。また、前記スイッチは、PINダイオー
ド、FET、または、マイクロマシンスイッチの何れか
であってもよい。また、前記伝送線路は、その長さがλ
g0/2(λg0:前記主線路の設計中心周波数における伝
搬波長)の任意の自然数倍であってもよい。また、前記
移相器は、フェーズドアレイアンテナに使用されてもよ
い。
【0015】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て図を用いて説明する。
【0016】[第1の実施の形態]図1は、本発明の第
1の実施の形態を示すブロック図である。同図に示すよ
うに、移相器1は、主線路である伝送線路4に接続され
た装荷線路部2と移相回路部3とからなる。
【0017】移相回路部3は、従来の3ビットの移相器
(180°の移相器、90°の移相器、45°の移相
器)であり、例えば線路切換型移相器によって構成され
ている。ただし、移相回路部3の構成およびビット数は
任意であり、線路装荷型の移相器を用いたり、3ビット
以下または以上の移相器であってもよい。
【0018】装荷線路部2は、移相回路部3につながる
伝送線路4に、スイッチSWaを介して切換可能な状態
で装荷線路をとりつけたものである。伝送線路2aは、
伝送線路4から離れた側の末端が電気的にオープンな状
態となっている、いわゆるオープン・スタブと呼ばれる
ものである。
【0019】次に、移相回路部3として線路切換型移相
器を用いた場合の本発明について説明する。図2は、図
1の移相回路部3に線路切換型移相器を用いた例を示
す。すなわち、本実施の形態は、前述の図14に示した
線路切換型移相器の特性を改善するものであり、以下に
おいては簡単のために伝送線路の曲がりによる影響、ス
イッチ等の影響を無視して説明する。
【0020】移相回路部3においては、従来の線路切換
型移相器と同様、長さの異なる伝送線路Lと伝送線路S
がスイッチSWb,SWc,SWd,SWeにより切り
換えられる。これらのスイッチは連動して動作し、(S
Wb,SWc,SWd,SWe)=(オン,オン,オ
フ,オフ)の状態で伝送線路Sに接続する(以下、状態
Sという)。また、(SWb,SWc,SWd,SW
e)=(オフ,オフ,オン,オン)の状態で伝送線路L
に接続する(以下、状態Lという)。したがって、高周
波の入力信号10は、伝送線路SまたはLの何れかを通
って出力信号11として出力される。
【0021】スイッチSWb〜SWdの切り換えること
によって伝送線路長LL ,LS の何れかを選び、伝送線
路長の差に値する移相量を実現することができる。ここ
では移相量Δφを180゜とし、LS =α,LL =λg0
/2+αとする。λg0は設計中心周波数f0 における伝
送線路4上の伝搬波長であり、αは任意長である。
【0022】装荷線路部2は、線路切換型移相器3aに
つながる伝送線路4に、スイッチSWaを介して切換可
能な状態で装荷線路をとりつけたものである。したがっ
て、スイッチSWaは、線路切換型移相器3aが状態L
のとき(SWa)=(オフ)、状態Sのとき(SWa)
=(オン)と切り替わり、移相回路部3と連動して動作
する。結果として移相器1の移相量周波数特性を改善す
る。
【0023】なお、移相回路部3および装荷線路部2を
構成する分布定数線路、伝送線路4,2aとしては、マ
イクロストリップライン、スロットライン、同軸線路な
ど任意の伝送線路で構成することが可能である。本実施
の形態ではマイクロストリップラインを用いている。ま
た、マイクロストリップラインのスイッチとしては、P
INダイオード、FET、マイクロマシンスイッチ等の
素子が使用される。これら伝送線路およびスイッチ等の
種類については、後述の実施の形態も同様に適用され
る。
【0024】次に、本実施の形態の動作について説明す
る。まず、従来の線路切換型移相器の特性については、
図15で説明したように移相量の周波数特性が悪く、移
相量の周波数特性は全体として正の傾きをもつ直線であ
り、中心周波数f0 においてはちょうど180゜となっ
ているが、中心周波数から離れるに従って移相量も18
0゜から離れ、誤差が大きくなる。
【0025】一方、装荷線路を付加した伝送線路の特性
は以下のようになる。図3は、オープン・スタブを付加
した伝送線路を示す。同図において、オープン・スタブ
のリアクタンスXは、 X = −Zs ・cot(2πθ/λg ) となる。ここで、Zs はスタブの特性インピーダンスで
あり、θはオープン・スタブの長さであり、λg は伝送
線路上での波長である。
【0026】図4,5は、このようなリアクタンスが装
荷されることによって生じる通過位相の変化量(スタブ
を付加したことによる通過位相の変化量)を示すグラフ
である。図4は、装荷線路の長さθが0.08λg0
0.19λg0の場合を示しており、図5は装荷線路の長
さθがλg0/2,λg0の場合について示している。
【0027】これらの図から明らかなように、通過位相
の変化量は周波数に対して負の傾きをもっており、スタ
ブ長が長くなるにつれて傾きも大きくなっている。後述
するように、本発明はこの負の傾きを利用して、前述し
た移相回路部における正の傾きをもった周波数特性を補
正する。
【0028】なお、装荷線路を付加すると、一般的には
図4に示されているように通過位相は全帯域で0゜から
ずれてしまい、また(図示はしていないが)不整合が生
じて反射特性が劣化する。しかし、後述するように、こ
の位相ズレをあらかじめ考慮した移相回路設計を行い、
かつ別途整合回路を設けることにより、この問題は解決
できる。あるいは、装荷線路の長さをλg0/2の自然数
倍に選べば、図5に示されているように通過位相は中心
周波数f0 おいて0゜となるので位相ズレを考慮する必
要もなくなり、かつ(図示はしていないが)不整合の問
題も解消される。
【0029】以上の説明から明らかなように、スイッチ
により切り離し可能な装荷線路を移相回路部(従来の移
相器)に付加し、状態Lの時はスイッチをオフにして装
荷線路を切り離し、状態Sの時のみスイッチをオンにし
て装荷線路を接続することにより、従来の移相器がもっ
ていた移相量の周波数特性(正の傾き)に、装荷線路の
通過位相特性(負の傾き)が加算されることにより、位
相特性はより平坦となり、使用可能帯域を広げることが
できる。
【0030】図6は、図2の移相器における移相量の周
波数特性のシミュレーション値であり、装荷線路の長さ
θがλg0/2,λg0の場合について示している。図6に
示すように、装荷線路を付加しても中心周波数f0 での
移相量は180゜のままであり、移相量の周波数特性の
傾きだけが補正されている。そして、θを大きくするに
従って移相量の周波数特性の傾きが0に近づき、θ=λ
g0で傾きがほぼ0となる。このとき、広帯域にわたって
移相誤差はほぼ0であり、広帯域化が実現される。
【0031】なお、図6は装荷線路の長さθがλg0/2
の任意の自然数倍の場合の特性なので、図14に示した
従来の移相器の特性(中心周波数f0 での移相量は18
0゜)と図5に示した装荷線路部の通過位相特性(中心
周波数f0 での移相量は0゜)が加算された特性とな
り、中心周波数f0 での移相量は180゜となった。し
かし、装荷線路の長さθがλg0/2の任意の自然数倍で
ない場合は、図4に示すような通過位相特性、つまり中
心周波数f0 において0゜ではない特性が加算されるの
で、移相器全体の最終的な移相量としては180゜から
ずれてしまう。
【0032】また、図示されていないが装荷線路を付加
したことにより不整合が生じ、反射特性が劣化する。し
かし、装荷線路を付加したことによる中心周波数f0
の通過位相変化分をあらかじめ把握し、移相回路の設計
時にこの変化分を考慮しておけば、全体として所望の移
相特性を得ることができる。また、反射特性劣化の問題
も、別途整合回路を設けたり、あるいは図12のように
装荷線路を適切な間隔で複数本配列することにより、解
消することができる。装荷線路を設ける位置は、移相回
路部3の前後の何れでも構わないし、図1であれば18
0°移相器と90°移相器との間のように、移相器間に
設けてもよい。
【0033】[第2の実施の形態]第1の実施の形態で
は、線路切換型移相器の移相補正について説明したが、
線路装荷型移相器についても本発明を適用することがで
きる。
【0034】図7は、本発明の第2の実施の形態であ
り、移相回路部3に45゜線路装荷型移相器を用いた例
を示す。伝送線路4に対して4分の1波長だけ離して2
本の伝送線路が設けられており、スイッチSWf,SW
gの切り換えによって移相量が可変される。
【0035】線路装荷型移相器は、移相量誤差が少なく
なるように移相量周波数特性を最適化することにより、
図8のような極値を持つ曲線になる。しかし、実際に基
板へレイアウトする時の設置面積の関係などの理由で、
理想的な最適化が行われなかった場合には、極値の周波
数がずれてしまい、図9のように設計周波数f0 付近で
傾きを持つ特性になってしまう。(図9はあくまでも一
例であり、傾き量は、設計により異なる。)このような
状態においては、本発明の効果が期待できる。
【0036】図10は、図9に示される特性の線路装荷
型移相器に対して、本発明の装荷線路部2を付加したと
きの移相量周波数特性である。線路切換型移相器の場合
と同様に、θを大きくして行くにしたがい、設計周波数
移相量の傾きが小さくなり、移相量特性が広帯域になっ
てゆき、θ=3/2λg0のとき、図8のような移相量誤
差が少ない最適な特性に近くなる。
【0037】[第3の実施の形態]図11は、本発明の
第3の実施の形態を示し、図1の構成とほぼ同様の構成
であるが、装荷線路部2が3本の伝送線路2b、2c、
2dとこれらを接続するスイッチSWh、SWiとで構
成されている点で相違する。
【0038】本実施の形態は、スイッチSWa、SW
h、SWiの切り換えにより、装荷線路部2における通
過位相を4段階に可変することができ、移相回路部3に
おける周波数特性に応じてきめ細かに対応することがで
きる。なお、装荷線路部2内の伝送線路の本数は、3本
に限られるものではなく、本数を増減してもよい。その
場合、スイッチの個数は伝送線路の本数に応じて用意す
る。
【0039】例えば、図11のように3ビット移相器の
移相量誤差を補償する場合、第1の実施の形態より18
0゜ビット移相器はθ=λg0のオープンスタブを接続す
ることにより、移相誤差を少なくできた。90゜線路切
換型移相器の移相量誤差は、180゜のものと比べ半分
になるので、θ=1/2λg0のオープンスタブにより移
相誤差を少なくすることができる。また、実施の形態2
の場合は、90゜線路装荷型移相器の移相誤差はθ=3
/2λg0のオープンスタブにより移相誤差を少なくする
ことができる。したがって、図11のように3本のスタ
ブを縦続に接続し、スタブ長がθ=1/2λg0、λg0
3/2λg0となるようにすれば、3ビット移相器全体の
移相誤差を少なくすることができる。
【0040】また、図12のように、複数のスタブを並
列に接続してもよい。この場合、1ヶ所に複数本並列接
続してもよいし、図13のようにスタブを各移相器の間
に配置してもよい(第4の実施の形態)。スタブを配置
する場所は任意であり、レイアウト上有利になる場所を
選ぶことが可能である。また、図11の構成と、図12
および図13の構成と、を組み合わせたものも本発明に
含まれる。
【0041】
【発明の効果】以上説明したとおり本発明は、移相回路
部につながる伝送線路に接続および切り離しを任意に行
える伝送線路を取りつけている。そのため、この伝送線
路を、移相器と同時に動作させることにより、移相量の
周波数特性を改善し、移相誤差を改善することができ
る。また、接続する伝送線路の長さを1/2波長の任意
の自然数倍にすれば、伝送線路を接続することによる反
射損特性および通過損特性の影響を抑制することができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1の実施の形態を示す構成図であ
る。
【図2】 図1に係る移相器の詳細を示す平面図であ
る。
【図3】 1個のオープン・スタブによって構成された
装荷線路型移相器を示す平面図である。
【図4】 図5に係る移相器によるf/f0 と移相量と
の関係を示すグラフである。
【図5】 図5に係る移相器によるf/f0 と移相量と
の関係を示すグラフである。
【図6】 従来例と本実施の形態によるf/f0 と移相
量との関係を比較したグラフである。
【図7】 本発明の第2の実施の形態を示す構成図であ
る。
【図8】 図7に係る移相器によるf/f0 と移相量と
の関係を示すグラフである。
【図9】 図7に係る移相器によるf/f0 と移相量と
の関係を示すグラフである。
【図10】 従来例と第2の実施の形態によるf/f0
と移相量との関係を比較したグラフである。
【図11】 本発明の第3の実施の形態を示す構成図で
ある。
【図12】 図1に係る第1の実施の形態において、整
合を考慮した場合の平面図である。
【図13】 本発明の第4の実施の形態を示す平面図で
ある。
【図14】 従来の線路切換型移相器を示す平面図であ
る。
【図15】 図14に係る従来の移相器によるf/f0
と移相量との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
1…移相器、2…装荷線路部、2a,2b,2c,2
d,2e,2f,2g,2h、4,L,S…伝送線路、
3…移相回路部、10…入力信号、11…出力信号、S
Wa,SWb,SWc,SWd,SWe,SWf,SW
g,SWh,SWi,SWj…スイッチ。

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 高周波信号をデジタル的に移相する移相
    器において、 主線路に接続されかつ入力信号を移相する移相回路部
    と、前記主線路に対する接続および切り離しを任意に可
    能とするオープン・スタブによって構成された装荷線路
    部とを備え、 前記移相回路部の移相量の状態変化と連動して前記オー
    プン・スタブと前記主線路との接続と切り離しを行うこ
    とにより前記移相回路部における移相量の周波数特性を
    補償することを特徴とする移相器。
  2. 【請求項2】 請求項1において、 前記装荷線路部は、所定の長さを有しかつ一端がオープ
    ンである伝送線路と、この伝送線路の他端と前記主線路
    との接続および切り離しを行うスイッチと、で構成され
    ていることを特徴とする移相器。
  3. 【請求項3】 請求項1において、 前記装荷線路部は、複数の直列接続された伝送線路と、
    前記複数の伝送線路の接続と切り離しを行う複数のスイ
    ッチと、で構成されていることを特徴とする移相器。
  4. 【請求項4】 請求項1において、 前記装荷線路部は、所定の間隔で前記主線路に接続され
    た複数の伝送線路と、前記複数の伝送線路と前記主線路
    との接続と切り離しを行う複数のスイッチと、で構成さ
    れていることを特徴とする移相器。
  5. 【請求項5】 請求項1において、 前記移相回路部は、線路切換型移相器であることを特徴
    とする移相器。
  6. 【請求項6】 請求項1において、 前記移相回路部は、線路装荷型移相器であることを特徴
    とする移相器。
  7. 【請求項7】 請求項1において、 前記移相回路部は、線路切換型移相器と線路装荷型移相
    器とを含むことを特徴とする移相器。
  8. 【請求項8】 請求項1において、 前記主線路、前記移相回路部および前記装荷線路部は、
    分布定数線路で構成されていることを特徴とする移相
    器。
  9. 【請求項9】 請求項8において、 前記分布定数線路は、マイクロストリップライン、スロ
    ットライン、または、同軸線路であることを特徴とする
    移相器。
  10. 【請求項10】 請求項2または3において、 前記スイッチは、PINダイオード、FET、または、
    マイクロマシンスイッチの何れかであることを特徴とす
    る移相器。
  11. 【請求項11】 請求項2または3において、 前記伝送線路は、その長さがλg0/2(λg0:前記主線
    路の設計中心周波数における伝搬波長)の任意の自然数
    倍であることを特徴とする移相器。
  12. 【請求項12】 請求項1ないし11の何れか一項にお
    いて、 前記移相器は、フェーズドアレイアンテナに使用される
    ことを特徴とする移相器。
JP11096956A 1999-04-02 1999-04-02 移相器 Pending JP2000295003A (ja)

Priority Applications (2)

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