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Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Phasenschieber.
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Hintergrund
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Ein Hochfrequenz-Phasenschieber wird für Kommunikationsvorrichtungen eingesetzt, die zum Beispiel ein Mikrowellenband und ein Millimeterwellenband verwenden, in einem Bereich von einigen GHz bis zu einigen hundert GHz, für eine Mobilkommunikation, eine Satellitenkommunikation, und dergleichen (siehe z. B. PTL 1). Solch ein Phasenschieber wird unter Verwendung von MMIC oder dergleichen hergestellt.
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Zitierliste
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Patentliteratur
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Zusammenfassung
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Technisches Problem
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In einem herkömmlichen Hochpass-/Tiefpass-Schalttyp-Phasenschieber ist ein Frequenzband, in welchem ein gewünschter Phasenbetrag erhalten wird, aufgrund von Frequenzcharakteristiken eines Hochpassfilters und eines Tiefpassfilters schmal, und folglich ist es schwierig, das Band des Phasenschiebers zu verbreitern.
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Die vorliegende Erfindung wurde getätigt, um das vorstehend beschriebene Problem zu lösen, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Phasenschieber zu erhalten, in welchem ein Frequenzband, in dem ein gewünschter Phasenbetrag erreicht wird, verbreitert werden kann.
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Lösung des Problems
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Ein Phasenschieber gemäß der vorliegenden Offenbarung weist auf: einen Eingangsanschluss; einen Ausgangsanschluss; erste und zweite Pfade, die parallel zwischen den Eingangsanschluss und den Ausgangsanschluss geschaltet sind; ein Hochpassfilter, welches im ersten Pfad bereitgestellt ist; ein Tiefpassfilter, welches im zweiten Pfad bereitgestellt ist; einen Schalter, welcher das Hochpassfilter oder das Tiefpassfilter mit dem Eingangsanschluss verbindet und das andere aus dem Hochpassfilter und dem Tiefpassfilter trennt; und eine Übertragungsleitung, welche jeweils in den ersten und zweiten Pfaden bereitgestellt ist, wobei eine Leitungslänge der Übertragungsleitung derart angepasst ist, dass eine Resonanz, welche aufgrund von Schaltungskonstanten des Hochpassfilters und des Tiefpassfilters und einer Kapazität, die erhalten wird, wenn der Schalter AUS ist, verursacht wird, in ein Kommunikationsfrequenzband verschoben ist.
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Vorteilhafte Auswirkungen der Erfindung
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In der vorliegenden Offenbarung ist die Länge der Übertragungsleitung derart angepasst, dass die Resonanz, die durch die Schaltungskonstanten des Hochpassfilters und des Tiefpassfilters und die Kapazität, welche erhalten wird, wenn der Schalter AUS ist, verursacht wird, in das Kommunikationsfrequenzband verschoben ist. Dementsprechend kann das Frequenzband, in dem ein gewünschter Phasenbetrag im Phasenschieber vorliegt, vergrößert werden.
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Figurenliste
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- 1 ist ein Diagramm, welches einen Phasenschieber gemäß Ausführungsform 1 veranschaulicht.
- 2 ist ein Diagramm, welches Phasencharakteristiken eines S-Parameters S21 eines Phasenschiebers gemäß dem Vergleichsbeispiel veranschaulicht.
- 3 ist ein Diagramm, welches Amplitudencharakteristiken des S-Parameters S21 des Phasenschiebers gemäß dem Vergleichsbeispiel veranschaulicht.
- 4 ist ein Diagramm, welches den Phasenbetrag des Phasenschiebers gemäß dem Vergleichsbeispiel veranschaulicht.
- 5 ist ein Diagramm, welches Amplitudencharakteristiken des S-Parameters S21 veranschaulicht, wenn Coff vorliegt.
- 6 ist ein Diagramm, welches Amplitudencharakteristiken des S-Parameters S21 des Phasenschiebers gemäß Ausführungsform 1 veranschaulicht.
- 7 ist ein Diagramm, welches den Phasenbetrag des Phasenschiebers gemäß Ausführungsform 1 veranschaulicht.
- 8 ist ein Diagramm, welches Amplitudencharakteristiken des S-Parameters S21 des Phasenschiebers gemäß Ausführungsform 1 veranschaulicht.
- 9 ist ein Diagramm, welches einen Phasenschieber gemäß Ausführungsform 2 veranschaulicht.
- 10 ist ein Diagramm, welches einen Phasenschieber gemäß Ausführungsform 3 veranschaulicht.
- 11 ist ein Diagramm, welches einen Phasenschieber gemäß Ausführungsform 4 veranschaulicht.
- 12 ist ein Diagramm, welches einen Phasenschieber gemäß Ausführungsform 5 veranschaulicht.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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Es wird ein Phasenschieber gemäß einer Ausführungsform mit Bezug zu den Figuren beschrieben. Dieselben oder korrespondierende Komponenten sind mittels derselben Bezugszeichen gekennzeichnet, und wiederholte Beschreibungen können ausgelassen sein.
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Ausführungsform 1
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1 ist ein Diagramm, welches einen Phasenschieber gemäß Ausführungsform 1 veranschaulicht. Der Phasenschieber ist ein 180-Grad Hochpass-/Tiefpass-Schalttyp-Phasenschieber.
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Ein erster Pfad I und ein zweiter Pfad II sind zwischen einem Eingangsanschluss IN und einem Ausgangsanschluss OUT parallelverbunden. Der erste Pfad I ist mit einem Hochpassfilter HPF bereitgestellt. Der zweite Pfad II ist mit einem Tiefpassfilter LPF bereitgestellt.
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Ein Schalter SW1 ist zwischen den Eingangsanschluss IN und das Hochpassfilter HPF geschaltet. Ein Schalter SW2 ist zwischen das Hochpassfilter HPF und den Ausgangsanschluss OUT geschaltet. Ein Schalter SW3 ist zwischen den Eingangsanschluss IN und das Tiefpassfilter LPF geschaltet. Ein Schalter SW4 ist zwischen das Tiefpassfilter LPF und den Ausgangsanschluss OUT geschaltet. Die Schalter SW1 bis SW4 verbinden das Hochpassfilter HPF oder das Tiefpassfilter LPF mit dem Eingangsanschluss IN und dem Ausgangsanschluss OUT, und trennen das andere aus dem Hochpassfilter HPF und dem Tiefpassfilter LPF.
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Das Hochpassfilter HPF weist Kondensatoren C1 und C2, die in Reihe zwischen die Schalter SW1 und SW2 geschaltet sind, und eine Induktivität L1 auf, die zwischen einen Knoten zwischen den Kondensatoren C1 und C2 und einen Massepunkt geschaltet ist. Das Tiefpassfilter LPF weist eine Induktivität L2, welche in Reihe zwischen die Schalter SW3 und SW4 geschaltet ist, und Kondensatoren C3 und C4 auf, welche zwischen beide Enden der Induktivität L2 und den Massepunkt geschaltet sind.
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Übertragungsleitungen TL1 und TL2 sind jeweils in den ersten und zweiten Pfaden I und II bereitgestellt. Es sei darauf hingewiesen, dass die Übertragungsleitungen TL1 und TL2 an einer Seite bereitgestellt sind, an welcher die Schalter SW1 und SW3 in diesem Fall bereitgestellt sind, aber sie können stattdessen an einer Seite bereitgestellt sein, an welcher die Schalter SW2 und SW4 bereitgestellt sind. Die Leitungslänge der jeweiligen Übertragungsleitungen TL1 und TL2 ist derart angepasst, dass eine Resonanz, welche aufgrund von Schaltungskonstanten des Hochpassfilters HPF und des Tiefpassfilters LPF und Kapazitäten, welche erhalten werden, wenn die Schalter SW1 bis SW4 AUS sind, verursacht wird, in ein Kommunikationsfrequenzband verschoben ist.
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Als Nächstes wird ein Betrieb des Phasenschiebers gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Wenn die Schalter SW1 und SW2 eingeschaltet sind und die Schalter SW3 und SW4 ausgeschaltet sind, passiert eine Kommunikationsfrequenzsignaleingabe in den Eingangsanschluss IN das Hochpassfilter HPF und wird durch den Ausgangsanschluss OUT ausgegeben. Zu diesem Zeitpunkt schreitet die passierende Phase voran. Wenn andererseits die Schalter SW1 und SW2 ausgeschaltet sind und die Schalter SW3 und SW4 eingeschaltet sind, passiert das Signal das Tiefpassfilter LPF und die passierende Phase wird verzögert. Indem die vier Schalter SW1 bis SW4 auf diese Weise geschaltet werden, wird der Signalpfad zum Hochpassfilter HPF oder zum Tiefpassfilter LPF geschaltet, wodurch zwei Phasenbeträge erzeugt werden und ein Phasenbetrag basierend auf der Differenz zwischen den beiden Phasenbeträgen erhalten wird.
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Als Nächstes wird ein Vergleich der vorteilhaften Effekte der vorliegenden Ausführungsform mit einem Vergleichsbeispiel beschrieben. Im Vergleichsbeispiel sind die Übertragungsleitungen TL1 und TL2 nicht vorhanden. 2 ist ein Diagramm, welches Phasencharakteristiken eines S-Parameters S21 des Phasenschiebers gemäß dem Vergleichsbeispiel veranschaulicht. Hierbei wird angenommen, dass Kapazitätswerte, die erhalten werden, wenn die Schalter SW1 bis SW4 ausgeschaltet sind, null betragen. Dieser Phasenschieber ist ein Phasenschieber, der einen Phasenbetrag von 180 Grad bei einer Kommunikationsfrequenz von 10 GHz erzielt. Das Hochpassfilter beginnt bei einer Phase von -90 Grad, und das Tiefpassfilter beginnt bei einer Phase von 0 Grad. 3 ist ein Diagramm, welches Amplitudencharakteristiken des S-Parameters S21 des Phasenschiebers gemäß dem Vergleichsbeispiel veranschaulicht. Es werden Durchgangscharakteristiken gezeigt, welche Charakteristiken des Hochpassfilters und des Tiefpassfilters sind. 4 ist ein Diagramm, welches den Phasenbetrag des Phasenschiebers gemäß dem Vergleichsbeispiel veranschaulicht. Der Phasenbetrag ist eine Phasendifferenz zwischen dem Hochpassfilter HPF und dem Tiefpassfilter LPF. Es ist ersichtlich, dass die Phasendifferenz nur in der Nähe der Frequenz von 10 GHz 180 entspricht.
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Die Schalter SW1 bis SW4 sind Transistoren, Dioden, oder dergleichen, welche in einem AUS-Zustand nicht ideal offen sind, und welche einen geringen Betrag einer Kapazität Coff aufweisen. Coff ist abhängig von der Größe, der Gate-Länge, oder dergleichen des jeweiligen Transistors. Der geringe Betrag der Kapazität Coff verhindert, dass die Pfade des Hochpassfilters und des Tiefpassfilters ideal getrennt sind, und die Pfade beeinflussen sich gegenseitig leicht. 5 ist ein Diagramm, welches eine Amplitudencharakteristik des S-Parameters S21 veranschaulicht, wenn Coff vorliegt. Ein Pfad beeinflusst den anderen über Coff, so dass eine Resonanz in der Phasencharakteristik des S-Parameters S21 auftritt. Die Resonanz tritt in der Nähe von 13, 5 GHz auf (ein Bereich, welcher durch eine gestrichelt-gepunktete Linie in 5 umgeben ist). Die Frequenz und der Betrag der Resonanz variieren in Abhängigkeit der Schaltungskonstanten des Hochpassfilters HPF und des Tiefpassfilters LPF und des Betrags von Coff jedes Transistors.
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Dementsprechend ist in der vorliegenden Erfindung die Länge der Übertragungsleitungen TL1 und TL2 derart festgelegt, dass die Resonanz in das Kommunikationsfrequenzband verschoben ist. Zum Beispiel nimmt die Frequenz, bei welcher die Resonanz auftritt ab, wenn der Kapazitätswert von Coff zunimmt. Daher kann die Resonanz in das Kommunikationsfrequenzband verschoben werden, indem die Länge der jeweiligen Übertragungsleitungen TL1 und TL2 kürzer festgelegt wird. Ferner verringert sich die Frequenz, bei welcher die Resonanz auftritt, wenn die Schaltungskonstante des Hochpassfilters HPF oder des Tiefpassfilters LPF zunimmt. Daher kann die Resonanz in das Kommunikationsfrequenzband verschoben werden, indem die Länge der jeweiligen Übertragungsleitungen TL1 und TL2 kürzer festgelegt wird.
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6 ist ein Diagramm, welches Amplitudencharakteristiken des S-Parameters S21 des Phasenschiebers gemäß Ausführungsform 1 veranschaulicht. Die Übertragungsleitungen TL1 und TL2 sind bereitgestellt, um dadurch die Resonanz in das Kommunikationsfrequenzband zu verschieben, während eine steile Phasenänderung der Resonanz sanfter wird. Konkret wird die in der Nähe von 13,5 GHz in 5 auftretende Resonanz in die Nähe von 8,3 GHz in 6 verschoben (ein Bereich, welcher durch eine gestrichelt-gepunktete Linie in 6 umgeben ist), und die Amplitude nimmt ab.
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7 ist ein Diagramm, welches den Phasenbetrag des Phasenschiebers gemäß Ausführungsform 1 veranschaulicht. 8 ist ein Diagramm, welches Amplitudencharakteristiken des S-Parameters S21 des Phasenschiebers gemäß Ausführungsform 1 veranschaulicht. Da die Resonanz verwendet wird, werden ein Extremwert und ein Wendepunkt (Welligkeit) in der Phase und der Amplitude des S-Parameters S21 erzeugt.
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Wie oben beschrieben, ist die Leitungslänge in der vorliegenden Ausführungsform der jeweiligen Übertragungsleitungen TL1 und TL2 derart angepasst, dass die Resonanz, welche aufgrund der Schaltungskonstanten des Hochpassfilters HPF und des Tiefpassfilters LPF und der Kapazität Coff, welche erhalten wird, wenn die Schalter SW1 bis SW4 AUS sind, verursacht wird, in das Kommunikationsfrequenzband verschoben ist. Wie in 7 veranschaulicht, ist folglich ein Bereich, in dem die Phasendifferenz in Ausführungsform 1 180 Grad entspricht, breiter, als jener in 4 gemäß dem Vergleichsbeispiel. Dementsprechend kann das Frequenzband, in dem ein gewünschter Phasenbetrag im Phasenschieber vorliegt, vergrößert werden. Eine Vergrößerung des Frequenzbandes kann erreicht werden, indem nur eine einfache Schaltung wie eine Übertragungsleitung eingefügt wird, und folglich kann ein kleiner Phasenschieber mit einem breiten Frequenzband erzielt werden. Wenn die Mittenfrequenz der Kommunikationsfrequenz zum Beispiel 10 GHz entspricht, kann ein Frequenzband von ungefähr 8 bis 12 GHz als das Frequenzband überdeckt werden, bei welchem ein gewünschter Phasenbetrag erhalten werden kann. Darüber hinaus der Frequenzbereich im jeweiligen band der IEEE Kategorien von Mikrowellenfrequenzen (L-Band, Ka-Band, etc.).
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Es sei darauf hingewiesen, dass die Schaltungskonstanten des Hochpassfilters HPF und des Tiefpassfilters LPF im Wesentlichen spezifisch durch die Kommunikationsfrequenz bestimmt werden. Coff pro Einheits-Gate-Breite der Schalter SW1 bis SW4 hängt darüber hinaus vom Herstellungsprozess der Schalter SW1 bis SW4 und dergleichen ab, und Coff beträgt ungefähr 0,1 to 0,5 pF/mm. Dementsprechend wird erwartet, dass die Leitungslänge der jeweiligen Übertragungsleitungen TL1 und TL2 zur Verschiebung der Resonanz in das Kommunikationsfrequenzband ungefähr 1/4 der Wellenlänge der Kommunikationsfrequenz entspricht.
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Ausführungsform 2
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9 ist ein Diagramm, welches einen Phasenschieber gemäß Ausführungsform 2 veranschaulicht. Die Übertragungsleitung TI1 weist eine Vielzahl von Leitungen TL1a bis TId auf. Die Übertragungsleitung TI2 weist eine Vielzahl von Leitungen TL2a bis T2d auf. Die Vielzahl von Leitungen TL1A bis Tld, und TL2a bis T2d ist in verteilter Weise in den ersten und zweiten Pfaden I und II angeordnet. Der Bereich, in dem die Übertragungsleitungen wie oben beschrieben angeordnet sind, ist nicht speziell beschränkt. Jedoch müssen auch die Gesamtleitungslängen der Vielzahl von Leitungen TL1a bis TId und die Gesamtleitungslängen der Vielzahl von Leitungen TL2A bis T2d angepasst sein, so dass die Resonanz in das Kommunikationsfrequenzband verschoben ist.
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Die passierende Phase im Hochpassfilter HPF entspricht +90° und die passierende Phase im Tiefpassfilter LPF entspricht -90°. Der Phasenbetrag, welcher durch beide Filter ausgebildet wird, beträgt 180°. Da der Phasenbetrag wie oben beschrieben bestimmt wird, sind die verteilten Übertragungsleitungen TL1a bis TId und TL2a bis T2d nicht in den Schaltungen des Hochpassfilters HPF und des Tiefpassfilters LPF angeordnet.
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Es wird erwartet, dass die Gesamtleitungslängen der Vielzahl von Leitungen TL1a bis TId und die Gesamtleitungslängen der Vielzahl von Leitungen TL2A bis T2d zur Verschiebung der Resonanz in das Kommunikationsfrequenzband ungefähr 1/4 der Wellenlänge der Kommunikationsfrequenz entsprechen.
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In der vorliegenden Ausführungsform können die Übertragungsleitungen in verteilter Weise in einer Lücke zwischen den Schaltern SW1 bis SW4 und dem Hochpassfilter HPF und dem Tiefpassfilter LPF angeordnet sein. Daher kann das Layout effizient ausgelegt werden, wodurch eine Reduzierung hinsichtlich einer Größe des Phasenschiebers sowie die vorteilhaften Effekte von Ausführungsform 1 erreicht werden.
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Ausführungsform 3
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10 ist ein Diagramm, welches einen Phasenschieber gemäß Ausführungsform 3 veranschaulicht. Kondensatoren C5 und C6 sind im Nebenschluss zum ersten Pfad I gemäß Ausführungsform 2 verbunden und Kondensatoren C7 und C8 sind im Nebenschluss zum zweiten Pfad II verbunden. Nicht nur die Kondensatoren C5 bis C8, sondern auch Schaltungen einer beliebigen Art und Form wie Induktivitäten, Kondensatoren, und Schaltungen, die in Kombination mit den Induktivitäten und Kondensatoren und Übertragungsleitungen ausgebildet sind, können verwendet werden, solange die Schaltungen jeweils als Phasenänderungsschaltung fungieren, welche die passierende Phase ändern. Diese Phasenänderungsschaltung und die Übertragungsleitungen TL1 und TL2 ändern die passierende Phase des Kommunikationsfrequenzsignals um 90°. Es besteht jedoch eine Notwendigkeit, die Leitungslänge der jeweiligen Übertragungsleitungen TL1 und TL2 und den Kommunikationsfrequenzbetrag der Phasenänderungsschaltung anzupassen, sodass die Resonanz in das Kommunikationsfrequenzband verschoben werden kann. In der vorliegenden Ausführungsform können nicht nur die Übertragungsleitungen TL1 und TL2 gemäß den Ausführungsformen 1 und 2, sondern auch zusammengelegte Konstanten von Induktivitäten, Kondensatoren, oder dergleichen verwendet werden. Infolgedessen wird das Layout vereinfacht und eine Reduzierung hinsichtlich der Größe des Phasenschiebers kann erreicht werden. Die weiteren Komponenten und vorteilhaften Effekte sind ähnlich jenen der Ausführungsformen 1 und 2.
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Ausführungsform 4
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11 ist ein Diagramm, welches einen Phasenschieber gemäß Ausführungsform 4 veranschaulicht. Kondensatoren C9 bis C12 sind jeweils parallel zu den Schaltern SW1 bis SW4 geschaltet. Es sei darauf hingewiesen, dass die Kondensatoren C9 bis C12 mit allen Schaltern SW1 bis SW4 verbunden sein können, oder dass sie nur mit einigen Transistoren verbunden sein können.
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Da der Gesamtkapazitätswert der Kondensatoren C9 bis C12, welche parallel zu Coff der Schalter SW1 bis SW4 geschaltet sind, offensichtlich einen großen Wert aufweist, kann die Resonanz, die aufgrund der Auslegung der jeweiligen Schaltungen des Hochpassfilters HPF und des Tiefpassfilters LPF auftritt, zu einer Niederfrequenzseite verschoben werden. Folglich können vorteilhafte Effekte ähnlich jenen der Ausführungsformen 1 bis 3 erzielt werden, während eine Reduzierung hinsichtlich der Größe der Übertragungsleitungen TL1 und TL2 oder der Phasenänderungsschaltung gemäß den Ausführungsformen 1 bis 3 erzielt werden kann.
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Ausführungsform 5
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12 ist ein Diagramm, welches einen Phasenschieber gemäß Ausführungsform 5 veranschaulicht. Die Verwendung einer verlängerten Leitung, einer Zylinderspule, oder dergleichen, wenn die Übertragungsleitungen TL1 und TL2 bereitgestellt werden, kann die Impedanz des Phasenschiebers erhöhen. Dementsprechend weicht die jeweilige Impedanz des Eingangsanschlusses IN und des Ausgangsanschlusses OUT von einer angepassten Impedanz von zum Beispiel 50 Ω ab, was zu einer Verschlechterung von Reflexionseigenschaften des Phasenschiebers führen kann. Dementsprechend sind in der vorliegenden Ausführungsform jeweils Impedanzanpassungsschaltungen MC1 und MC2 mit dem Eingangsanschluss IN und dem Ausgangsanschluss OUT verbunden. Die Impedanzanpassungsschaltungen MC1 und MC2 ermöglichen, dass der Eingangsanschluss IN und der Ausgangsanschluss OUT an eine gewünschte Impedanz angepasst werden, zum Beispiel 50 Ω. Infolgedessen können die Reflexionseigenschaften des Phasenschiebers verbessert werden, was zu einer Reduzierung einer Leistungsaufnahme im Phasenschieber führt. Die weiteren Komponenten und vorteilhaften Effekte sind ähnlichen jenen von Ausführungsform 1.
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Bezugszeichenliste
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- I
- erster Pfad;
- II
- zweiter Pfad;
- C5-C8
- Kondensator (Phasenänderungsschaltung);
- C9-C12
- Kondensator;
- HPF
- Hochpassfilter;
- IN
- Eingangsanschluss;
- LPF
- Tiefpassfilter;
- MC1, MC2
- Impedanzanpassungsschaltung;
- OUT
- Ausgangsanschluss;
- SW1-SW4
- Schalter;
- TL1, TL2
- Übertragungsleitung;
- TL1a-Tld, TL2a-T2d
- eine Vielzahl von Leitungen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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