JP2005027246A

JP2005027246A - 群遅延時間調整器

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Publication number: JP2005027246A
Application number: JP2003270838A
Authority: JP
Inventors: Kyosuke Sasaki; 恭介佐々木; Toshio Ozawa; 俊雄小澤
Original assignee: SPC Electronics Corp
Current assignee: SPC Electronics Corp
Priority date: 2003-07-03
Filing date: 2003-07-03
Publication date: 2005-01-27
Anticipated expiration: 2023-07-03
Also published as: JP4417666B2

Abstract

【課題】群遅延特性が要求される用途において電気的に遅延時間を制御することができる群遅延時間調整器を提供する。
【解決手段】所定の信号が伝送される伝送線路１と、リアクタンス値が固定され伝送線路１に対して直列に接続される誘導素子Ｌ１と、リアクタンス値が電圧値に応じて変化し伝送線路１に対してシャントに接続される可変容量素子Ｃ１、Ｃ２と、可変容量素子Ｃ１、Ｃ２に同じ電圧Ｖ１を供給する電圧入力端子とを有する。可変容量素子Ｃ１、Ｃ２は、誘導素子Ｌ１を挟む位置に設けられる。電圧Ｖ１の電圧値に応じて定まる可変容量素子Ｃ１、Ｃ２のリアクタンス値により、誘導素子Ｌ１及び可変容量素子Ｃ１、Ｃ２により構成される共振回路で、入力損失を所定値以下に保ちつつ負荷Ｑが変化し、これにより伝送線路１を通過する信号の群遅延時間が変化する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばフィードフォワード方式の歪み補償装置に用いられる群遅延時間調整器に関し、特に、良好な群遅延特性（group delay characteristic）が要求される用途において、入出力間の群遅延時間を電気的に制御することができる群遅延時間調整器に関する。

様々な周波数の信号を一度に伝送する装置などでは、群遅延特性を考慮に入れた設計を行う必要がある。
従来、群遅延特性が必要になる用途では、同軸プランジャなどの機械的に伝播時間を変化させて群遅延時間を調整する装置が一般的に使用されていた。
群遅延特性とは、それを通過する信号の位相が周波数に比例して遅れる（周波数の増加に伴い位相が負の方向に回転する）特性をいい、群遅延だけあるが位相変化がない回路では波形の変化がないことが特徴である。

本発明は、群遅延特性が要求される用途において電気的に遅延時間を制御することができる群遅延時間調整器を提供することをその課題とする。

上記課題を解決するための本発明の群遅延時間調整器は、所定の信号が伝送され、リアクタンス値が固定された第１素子、及び印加される電圧の電圧値に応じてリアクタンス値が変化する２個の第２素子が、直列又はシャントに接続される伝送線路と、前記２個の第２素子に同じ電圧を供給するための電圧入力端子とを有し、この電圧入力端子から供給される電圧の電圧値に応じて定まる前記２個の第２素子のリアクタンス値により、前記第１素子及び前記２個の第２素子により構成される共振回路で、入力損失を所定値以下に保ちつつ負荷Ｑが変化し、これにより前記伝送線路を通過する信号の群遅延時間が変化するように構成されている。

入力損失を所定値以下、好ましくは略“０”に保ちつつ負荷Ｑを変化させるので、群遅延時間を変えることができる。第２素子のリアクタンス値により群遅延時間が変わる。このとき２個の第２素子のリアクタンス値を同値にするために、同じ電圧値を印加することになるので、制御が簡単になる。

このような群遅延時間調整器は、例えば、前記伝送線路に対して前記第１素子が直列に接続されるとともに、前記２個の第２素子が、前記第１素子を挟む位置で前記伝送線路に対してシャントに接続されている、いわゆるπ型に構成したり、前記伝送線路に対して前記第１素子がシャントに接続されるとともに、前記２個の第２素子が、前記第１素子の前記伝送線路との接続点を挟む位置で前記伝送線路に対して直列に接続されている、いわゆるＴ型に構成できる。いずれにしても２個の第２素子は同じリアクタンス値をとるので、制御は簡単である。

他の本発明の群遅延時間調整器は、所定の信号が伝送され、リアクタンス値が固定された第１素子、及び印加される電圧の電圧値に応じてリアクタンス値が変化する２個の第２素子が、直列又はシャントに接続される伝送線路と、前記２個の第２素子に同じ電圧を供給するための電圧入力端子とを有する群遅延時間調整手段が、前記伝送線路が直列になるように複数接続されており、各群遅延時間調整手段は、前記電圧入力端子から供給される電圧の電圧値に応じて定まる前記２個の第２素子のリアクタンス値により、前記第１素子及び前記２個の第２素子により構成される共振回路で、入力損失を所定値以下に保ちつつ負荷Ｑが変化し、これにより前記伝送線路を通過する信号の群遅延時間が変化するように構成されている。

本発明によれば、電気的に、簡単な制御により群遅延時間を変えられる群遅延時間調整器を提供できる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は、本発明の第１実施形態の群遅延時間調整器である。
この群遅延時間調整器は、入力側から入力された信号を出力側に伝送するための伝送線路１と、この伝送線路１に対して、直列に接続される誘導素子Ｌ１と、シャントに接続される可変容量素子Ｃ１、Ｃ２とを有している。可変容量素子Ｃ１、Ｃ２は、誘導素子Ｌ１を挟む位置に設けられている。可変容量素子Ｃ１、Ｃ２は同じ特性のものであり、電圧入力端子により外部から印加される電圧Ｖ１により同じ容量値を取るようになっている。当然、電圧Ｖ１が変化した場合には、可変容量素子Ｃ１、Ｃ２の容量値は、同じように変化する。

このような構成の群遅延時間調整器は、スミスチャート上で考察すると、特定の周波数においてそのインピーダンス値が“１”から出発して、元の“１”に戻るような誘導値及び容量値を選ぶことができる。この特定の周波数では、誘導素子Ｌ１、可変容量素子Ｃ１、Ｃ２により構成される共振回路の挿入損失が“０”となる。その前後の周波数では、インピーダンス値が“１”に戻らず、ミスマッチが生じて挿入損失が発生する。すなわちバンドパス特性になる。

誘導素子Ｌ１によるインピーダンス値を伝送線路１のインピーダンス値に近い値にしておき、可変容量素子Ｃ１、Ｃ２のサセプタンス値を伝送線路のサセプタンス値の前後の値にすると、スミスチャート上のインピーダンス値が特定の周波数で元の“１”に戻る。スミスチャートによる説明の詳細は後述する。
可変容量素子Ｃ１、Ｃ２のサセプタンス値を伝送線路１のサセプタンス値の前後で変動させても、その周波数における挿入損失は殆ど“０”である。しかし、負荷Ｑが変化するために、この周波数周辺の信号に対する群遅延時間を変えられることになる。可変容量素子Ｃ１、Ｃ２の容量値は等しくてよいので、容量値の変動を容易に行える。

図１の群遅延時間調整器において、誘導素子Ｌ１の誘導値が“７９．５８ｎＨ”、周波数１００ＭＨｚ＋／−２ＭＨｚとすると、可変容量素子Ｃ１、Ｃ２の容量値が“２８．６ｐＦ”のときに群遅延時間が“２．８６ｎｓ”、容量値が“３１．８３ｐＦ”のときに群遅延時間が“３．１５ｎｓ”になる。このときの挿入損失は、いずれも“０．００２ｄＢ”以下である。周波数の範囲は、群遅延時間の許容範囲、挿入損失の許容範囲により決まる。
容量素子のインピーダンス値や誘導素子のインピーダンス値の絶対値が伝送線路インピーダンスに近いときの条件で、群遅延を計算すると、群遅延時間は容量素子のインピーダンス値に比例する。

第１実施形態の群遅延時間調整器の群遅延時間を数学的に解析する。図２は、説明のための回路図であり、図１の群遅延時間調整器に、負荷インピーダンス２及び電源出力インピーダンス３を付加した構成である。
伝送線路１、誘導素子Ｌ１、負荷インピーダンス２、電源出力インピーダンス３のインピーダンス値などはすべて“１”に正規化する。周波数も“１”に正規化する。また可変容量素子Ｃ１、Ｃ２のアドミッタンス値をｊｍ(≒ｊ１)とする。
負荷インピーダンス２にかかる電圧Ｖ２が“１”になるための電源電圧から逆算して電圧伝達関数を求める。

１)周波数が１+/-Δのとき、可変容量素子Ｃ２のアドミッタンスＹ(Ｃ)はｊｍ(１+/-Δ)である。負荷インピーダンス２にかかる電圧Ｖ２が“１”であるので、負荷インピーダンス２に流れる電流及びそれに並列に接続される可変容量素子Ｃ２に流れる電流の合計電流Ｉ（Ｚ2）は、
Ｉ(Ｚ2)＝１＋ｊｍ(１+/-Δ)
で表される。ここでＺ２は、負荷インピーダンス２と可変容量素子Ｃ２の合成インピーダンスを表す。

２)周波数が１+/-Δのとき、誘導素子Ｌ１のインピーダンスＺ(Ｌ)はｊ(１+/-Δ)であり、誘導素子Ｌ１に流れる電流はＩ(Ｚ2)であるから、可変容量素子Ｃ１に印加される電圧Ｖ１は、
Ｖ1＝Ｖ2＋Ｚ(Ｌ)＊Ｉ(Ｚ2)
＝１＋ｊ(１+/-Δ)＊{１＋ｊｍ(１+/-Δ)}
＝１＋ｊ(１+/-Δ)−ｍ(１+/-Δ)(１+/-Δ)
＝１−ｍ-/+２Δｍ＋ｊ(１+/-Δ)
+/-、-/+は周波数偏差+/-に従う
で表される。

３)可変容量素子Ｃ１に流れる電流Ｉ(Ｃ1)は、
Ｉ(Ｃ1)＝Ｖ1＊Ｙ(Ｃ)
＝{１−ｍ-/+２Δｍ＋ｊ(１+/-Δ)}＊ｊｍ(１+/-Δ)
＝−ｍ(１+/-Δ)²＋ｊ(１−ｍ-/+２Δｍ)ｍ(１+/-Δ)
＝−ｍ-/+２Δｍ＋ｊｍ{１−ｍ+/-(１−３ｍ)Δ}
で表される。

４)可変容量素子Ｃ１と誘導素子Ｌ１に流れる電流の合計Ｉ(Ｚ1)は、
Ｉ(Ｚ1)＝Ｉ(Ｚ2)＋Ｉ(Ｃ1)
＝１−ｍ-/+２Δｍ＋ｊｍ{２−ｍ+/-(２−３ｍ)Δ}
で表される。

５)電源出力インピーダンス３で発生する電圧は、電源出力インピーダンス３が正規化されているためにＩ(Ｚ1)と等しい。そのために電源電圧Ｖｏは、
Ｖo＝Ｉ(Ｚ1)＋Ｖ１
＝２−２ｍ-/+４Δｍ＋ｊ{１＋２ｍ−ｍ²+/-(１＋２ｍ−３ｍ²)Δ}
で表される。
このベクトルを−９０度回転させたＶｏ'は、
Ｖo'＝(１＋２ｍ−ｍ²+/-(１＋２ｍ−３ｍ²)Δ)−２ｊ(１−ｍ-/+２Δｍ)
で表される。

伝達関数Ｈは２／Ｖｏ、ＧＤは−ｄ(∠Ｈ)／ｄωなので、
ＧＤ＝−ｄ(∠Ｈ)／ｄω
＝ｄ(∠Ｖｏ')／ｄΔ
∠Ｖo'＝tan^-1(２ｍ−２+/-４Δｍ)／(１＋２ｍ−ｍ²+/-(１＋２ｍ−３ｍ²)Δ)
ここで、ｍ≒１、Δ≪１とすると、
∠Ｖo'≒tan^-1(−２(１−ｍ-/+２Δｍ)／２)
と表される。よって、
∠Ｖo'＝−(１−ｍ−+/-２Δｍ)
ＧＤ＝ｄ(∠Ｖｏ')／ｄΔ
＝+/-２ｍ
となる。

以上の計算結果から、ｍ≒１のとき、中心周波数付近のＧＤはｍに比例する。すなわちこの群遅延時間調整器の群遅延時間は、可変容量素子Ｃ１、Ｃ２の容量値に比例する。
上記の解析では周波数を正規化しているが、例えば、ｍ＝１、周波数が１００ＭＨｚのときには、ω＝６２８Ｍｒ／ｓであり、群遅延時間はＧＤ＝２／ω＝３．１８ｎｓになる。

図３は、本発明の第２実施形態の群遅延時間調整器である。
この群遅延時間調整器は、入力側から入力された信号を出力側に伝送するための伝送線路１と、この伝送線路１に対して、直列に接続される容量素子Ｃ３と、シャントに接続される可変誘導素子Ｌ２、Ｌ３とを有している。可変誘導素子Ｌ２、Ｌ３は、容量素子Ｃ３を挟む位置に設けられている。可変誘導素子Ｌ２、Ｌ３は同じ特性のものであり、電圧入力端子により外部から印加される電圧Ｖ１により同じ誘導値を取るようになっている。当然、電圧Ｖ１が変化した場合には、可変誘導素子Ｌ２、Ｌ３の誘導値は、同じように変化する。

図４は、本発明の第３実施形態の群遅延時間調整器である。
この群遅延時間調整器は、入力側から入力された信号を出力側に伝送するための伝送線路１と、この伝送線路１に対して、直列に接続される可変容量素子Ｃ４、Ｃ５と、シャントに接続される誘導素子Ｌ４とを有している。誘導素子Ｌ４は、可変容量素子Ｃ４、Ｃ５の間に設けられている。可変容量素子Ｃ４、Ｃ５は同じ特性のものであり、電圧入力端子により外部から印加される電圧Ｖ１により同じ容量値を取るようになっている。当然、電圧Ｖ１が変化した場合には、可変容量素子Ｃ４、Ｃ５の容量値は、同じように変化する。

図５は、本発明の第４実施形態の群遅延時間調整器である。
この群遅延時間調整器は、入力側から入力された信号を出力側に伝送するための伝送線路１と、この伝送線路１に対して、直列に接続される可変誘導素子Ｌ５、Ｌ６と、シャントに接続される容量素子Ｃ６とを有している。容量素子Ｃ６は、可変誘導素子Ｌ５、Ｌ６の間に設けられている。可変誘導素子Ｌ５、Ｌ６は同じ特性のものであり、電圧入力端子により外部から印加される電圧Ｖ１により同じ誘導値を取るようになっている。当然、電圧Ｖ１が変化した場合には、可変誘導素子Ｌ５、Ｌ６の誘導値は、同じように変化する。

第２〜第４実施形態の群遅延時間調整器については、具体的な数値についての説明を省略するが、第１実施形態の群遅延時間調整器とは虚数の極性が逆になるのみで、２個可変誘導素子の誘導値又は２個の可変容量素子の容量値を、常に同じ値とすることができるので、挿入損失は殆ど変わらず、群遅延時間のみの変化を得ることができる。

本実施形態の群遅延時間調整器の周波数特性について、図６、７のスミスチャートを用いて説明する。
図６は、第１実施形態の群遅延時間調整器のＡ〜Ｄ点で負荷（出力）側を見たインピーダンス値を、スミスチャート上にプロットしたものである。図６において、Ａ点から負荷（出力）側を見たインピーダンスはスミスチャート上中央にある。

Ｂ点はＡ点に可変容量素子Ｃ２のアドミッタンスが加わったときの点である。周波数が高いときには、可変容量素子Ｃ２のアドミッタンスも大きくなるので、定コンダクタ円でＢ点よりもスミスチャートの中心から遠くまで進み、周波数が低いときには定コンダクタ円でＢ点よりもスミスチャートの中心に近くにしか進まない。

Ｃ点は、Ｂ点に誘導素子Ｌ１のアドミッタンスが加わったときの点である。周波数が高いときには、誘導素子Ｌ１のインピーダンスも大きくなるので、定抵抗円でＣ点よりもスミスチャートの中心から遠くまで進み、周波数が低いときには定抵抗円でＣ点よりもスミスチャートの中心に近くにしか進まない。

Ｄ点は、Ｃ点に可変容量素子Ｃ１のアドミッタンスが加わったときの点である。周波数が高いときには定コンダクタ円上を大きく進むので、最初の可変容量素子Ｃ２で大きく進んだ分を取り戻し、チャートの実軸上にくる。そのインピーダンスは“１”より大きくなる。周波数が低いときはインピーダンスは“１”より小さくなる。
この回路をもう一度通すと、周波数特性が元に戻る。よって例えば一定値以下の挿入損失のときに周波数範囲（バンド幅）が広がる。

図７は、第４実施形態の群遅延時間調整器のＡ、Ｅ〜Ｇ点で負荷（出力）側を見たインピーダンス値を、スミスチャート上にプロットしたものである。
図７においても図６と同様に、可変誘導素子Ｌ５、Ｌ６、容量素子Ｃ６によるインピーダンス変化をＡ点、Ｅ点、Ｆ点、Ｇ点で表す。その結果、その周波数特性は周波数が高いときインピーダンスが１より小さいところにきて、低いときは１より大きいところにくる。この回路も図６と同様にもう一度通すと、周波数特性が元に戻り、周波数範囲が広がる。

この図６、７の両者の周波数特性は逆であるから、それぞれ２段を縦続接続すると更に補い合うので、使用可能な周波数範囲が広がる。

可変容量素子Ｃ１、Ｃ２、Ｃ４、Ｃ５には、いわゆるバリキャップが使用でき、可変誘導素子Ｌ２、Ｌ３、Ｌ５、Ｌ６には、外部磁界の変化により透磁率の変わるコアに巻いたコイルを使用できる。これにより、容易に、電気的に可変容量素子Ｃ１、Ｃ２、Ｃ４、Ｃ５の容量値、可変誘導素子Ｌ２、Ｌ３、Ｌ５、Ｌ６の誘導値を変化させることができる。

以上のような第１〜第４実施形態の群遅延時間調整器を、多段接続するようにしてもよい。これにより、同じ周波数帯域で遅延量を大きくすることができる。また、周波数特性を補うことが可能になる。さらに、広帯域の群遅延時間を可変にすることができる。多段接続する際には、各群遅延時間調整器の間に減衰器やアイソレータを挿入することにより、所望の特性を得ることも可能である。

第１実施形態の群遅延時間調整器の回路図。第１実施形態の群遅延時間調整器を数学的に解析するための説明図。第２実施形態の群遅延時間調整器の回路図。第３実施形態の群遅延時間調整器の回路図。第４実施形態の群遅延時間調整器の回路図。第１実施形態の群遅延時間調整器のスミスチャートの例示図。第４実施形態の群遅延時間調整器のスミスチャートの例示図。

符号の説明

１伝送線路
２負荷インピーダンス
３電源出力インピーダンス
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ４、Ｃ５可変容量素子
Ｃ３、Ｃ６容量素子
Ｌ１、Ｌ４誘導素子
Ｌ２、Ｌ３、Ｌ５、Ｌ６可変誘導素子

Claims

所定の信号が伝送され、リアクタンス値が固定された第１素子、及び印加される電圧の電圧値に応じてリアクタンス値が変化する２個の第２素子が、直列又はシャントに接続される伝送線路と、
前記２個の第２素子に同じ電圧を供給するための電圧入力端子とを有し、
この電圧入力端子から供給される電圧の電圧値に応じて定まる前記２個の第２素子のリアクタンス値により、前記第１素子及び前記２個の第２素子により構成される共振回路で、入力損失を所定値以下に保ちつつ負荷Ｑが変化し、これにより前記伝送線路を通過する信号の群遅延時間が変化するように構成されている、
群遅延時間調整器。
前記伝送線路に対して前記第１素子が直列に接続されるとともに、前記２個の第２素子が、前記第１素子を挟む位置で前記伝送線路に対してシャントに接続される、
請求項１記載の群遅延時間調整器。
前記伝送線路に対して前記２個の第２素子が直列に接続されるとともに、前記第１素子が、前記２個の第２素子の間にシャントに接続される、
請求項１記載の群遅延時間調整器。
所定の信号が伝送され、リアクタンス値が固定された第１素子、及び印加される電圧の電圧値に応じてリアクタンス値が変化する２個の第２素子が、直列又はシャントに接続される伝送線路と、前記２個の第２素子に同じ電圧を供給するための電圧入力端子とを有する群遅延時間調整手段が、前記伝送線路が直列になるように複数接続されており、
各群遅延時間調整手段は、前記電圧入力端子から供給される電圧の電圧値に応じて定まる前記２個の第２素子のリアクタンス値により、前記第１素子及び前記２個の第２素子により構成される共振回路で、入力損失を所定値以下に保ちつつ負荷Ｑが変化し、これにより前記伝送線路を通過する信号の群遅延時間が変化するように構成されている、
群遅延時間調整器。