JP2008160269A

JP2008160269A - 移相回路

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Publication number: JP2008160269A
Application number: JP2006344299A
Authority: JP
Inventors: Kengo Nishimoto; 研悟西本; Yoshiyuki Chatani; 嘉之茶谷; Manabu Kurihara; 学栗原; Takeshi Oshima; 毅大島; Masataka Otsuka; 昌孝大塚
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-12-21
Filing date: 2006-12-21
Publication date: 2008-07-10
Anticipated expiration: 2026-12-21
Also published as: JP4745213B2

Abstract

【課題】誘電体板の端部での反射を低減でき、製造コストが低く、かつ、良好な反射特性を有する移相回路を得る。
【解決手段】ストリップ線路のストリップ導体１と、ストリップ導体１に対向して設けられた地導体２と、ストリップ導体１と地導体２との間に設置された誘電体板３とを備え、誘電体板３は、ストリップ導体１の長手方向に垂直な直線ＨＨ’を対称軸とした、略々Ｍ字型の線対称の形状であって、ストリップ導体１の長手方向に対して垂直な方向に可動である。したがって、誘電体板３を動かすことによって移相量を変化させる。なお、誘電体板３は線対称な形状であるため、両端部で反射を打ち消しあうので、端部での反射を略々０まで低減することができる。
【選択図】図１

Description

この発明は、移相回路に関するものであり、特に、移動体通信基地局用アンテナのビームチルト角を制御する移相回路に関する。

移動体通信基地局用アンテナとしては、垂直面のビームを絞る必要があるため、一般に、リニアアレーアンテナが用いられている。また、下方に存在する移動端末が通信対象となるため、水平面から下の方向へビームをチルトさせる。このチルト角を電気的に制御するために、各アンテナ素子へ給電する位相を変化させる必要があり、移相回路が使用される。

移相回路の従来技術として、線路間結合構造によって結合長を可動させることにより移相量を変化させる移相回路がある（例えば、特許文献１および２参照）。また、ストリップ線路のストリップ導体と地導体の間に誘電体板を置き、この誘電体板を動かすことによって移相量を変化させる移相回路がある（例えば、特許文献３参照）。

特開平９−２４６８４６号公報特許第３６５０３３０号公報米国特許出願公開第２００５／０１１０６９９号明細書

上記特許文献１および２のような線路間結合構造を有する移相回路では、結合線路間の高さによって移相量が変動しやすいため、結合線路間の高さには高精度が要求される。したがって、製造コストが高くなる、歩留まりが低くなるなどの問題点がある。

また、上記特許文献３においては、ストリップ導体と地導体の間で、誘電体板がある部分と、誘電体板がない部分とで、線路の特性インピーダンスが異なるため、誘電体板の端部で反射が生じるという問題点があるが、この反射を低減する方法については当該特許文献３においては何ら開示されていない。

この発明は、かかる問題点を解決するためになされたものであり、誘電体板の端部での反射を低減することにより良好な反射特性を有し、かつ、製造コストが低い移相回路を得ることを目的とする。

この発明は、ストリップ線路のストリップ導体と、前記ストリップ導体に対向して設けられた地導体と、前記ストリップ導体および前記地導体との間に設置された誘電体板とを備え、前記誘電体板は、前記ストリップ導体の長手方向に垂直な直線を対称軸とした線対称の形状であって、前記ストリップ導体の長手方向に対して垂直な方向に可動であることを特徴とする移相回路である。

この発明は、ストリップ線路のストリップ導体と、前記ストリップ導体に対向して設けられた地導体と、前記ストリップ導体および前記地導体との間に設置された誘電体板とを備え、前記誘電体板は、前記ストリップ導体の長手方向に垂直な直線を対称軸とした線対称の形状であって、前記ストリップ導体の長手方向に対して垂直な方向に可動であることを特徴とする移相回路であるので、誘電体板の端部での反射は線対称位置で互いに打ち消し合うので低減させることができ、かつ、製造コストを低く抑えることができる。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る移相回路について図１〜６を参照しながら説明する。図１（ａ）は、この発明の実施の形態１に係る移相回路の構成を示す正面図、図１（ｂ）は左側面図である。これらの図に示されるように、この発明の実施の形態１に係る移相回路は、細長い帯状のストリップ線路のストリップ導体１と、ストリップ導体１に対向して設けられた略々平板状の地導体２と、ストリップ導体１と地導体２の間に設置された誘電体板３とから構成されている。なお、これらの図においては、ストリップ導体１は、略々矩形の地導体２の四辺のうちの二辺に略々平行で、かつ、地導体２の略々中央位置に設置されている例が示されているが、この場合に限らず、地導体２は矩形以外のいかなる形状であってもよく、また、ストリップ導体１は、地導体２の辺に平行である必要はなく、地導体２の中央に設置されていなくてもよいものとする。ストリップ導体１の一端には入力ポート４が設けられ、他端には出力ポート５が設けられている。

誘電体板３は、図１（ａ）に示すように、ストリップ導体１の長手方向に対して垂直な直線ＨＨ'を対称軸として、線対称となっている。誘電体板３は、略々Ｍ字形状であるが、その形状は次のようになるように設定される。

まず、ストリップ導体１の長手方向に対して平行となる第１の直線１００上にくるように点Ａ、点Ｂの２点を選ぶ。当該２点は、距離Ｌ_１だけ互いに離れている。次に、ストリップ導体１の長手方向に対して平行で、第１の直線１００から一定間隔ｉだけ離れた第２の直線２００上にある点Ｃ、点Ｄ、点Ｅを選ぶ。このとき、点Ｄは、直線ＨＨ’上にあり、点Ｃは点Ａ側、点Ｅは点Ｂ側にとるようにする。当該点Ｃおよび点Ｅは、距離Ｌ_２だけ互いに離れている。図１の例では、距離Ｌ_２の方が、距離Ｌ_１よりも若干大きくなっているが、この場合に限らず、同じでもよく、あるいは、逆でもよい。また、次に、ストリップ導体１の長手方向に対して平行で、第２の直線２００から一定間隔ｊだけ離れた第３の直線３００上にある点Ｆ、点Ｇを選ぶ。このとき、点Ｆは点Ｃ側、点Ｇは点Ｅ側にとるようにし、また、直線ＣＦおよび直線ＥＧが、直線ＨＨ’に平行になるように、点Ｆ、点Ｇを選ぶ。また、当該Ｆ点およびＧ点は、距離Ｌ_２だけ互いに離れている。なお、第３の直線３００は、第２の直線２００を挟んで、第１の直線１００の反対側にとるので、第３の直線３００は、第１の直線１００から一定間隔（ｉ＋ｊ）だけ離れていることになる。このように、点Ａから点Ｇまでの７個の点を決定した後、点Ａと点Ｃとを任意の曲線ＡＣで結び、点Ａと点Ｄとを任意の曲線ＡＤで結び、点Ｂと点Ｄとを任意の曲線ＢＤで結び、点Ｂと点Ｅとを任意の曲線ＢＥで結び、点Ｃと点Ｆとを直線ＣＦで結び、点Ｅと点Ｇとを直線ＥＧで結び、点Ｆと点Ｇとを直線ＦＧで結ぶことにより構成される。このように決定した形状になるように、誘電体板から切断して切り取ることにより、誘電体板３を生成することができる。

誘電体板３は以上のように構成されているので、誘電体板３において、点Ｄは、点Ｃと点Ｅの中点であり、点Ａと点Ｂの中点と点Ｄとを結ぶ直線ＨＨ’はストリップ導体１の長手方向に対して垂直であり、点Ｃと点Ｆとを結ぶ直線はストリップ導体１の長手方向に対して垂直であり、点Ｅと点Ｇとを結ぶ直線はストリップ導体１の長手方向に対して垂直である。この誘電体板３は、ストリップ導体１と地導体２との間の隙間を、ストリップ導体１の長手方向に対して垂直に可動する。なお、図１（ｂ）においては、誘電体板３と地導体２とは接触し、誘電体板３とストリップ導体１とは接触せずに所定距離だけ離間している例について図示しているが、この場合に限らず、誘電体板３は、地導体２とストリップ導体１の間にあれば、いずれの位置にあってもよい。また、図１において、ストリップ導体１は、誘電体板３の外側において、樹脂スペーサ等で地導体２に固定する。

図２〜図４は、図１に示したこの発明の実施の形態１に係る移相回路において、誘電体板３をストリップ導体１の長手方向に垂直な方向に動かした各状態を示した図である。図２は、図１に示したこの発明の実施の形態１に係る移相回路において、誘電体板３の点Ａ、点Ｂがストリップ導体１の下にある場合を示した図であり、図２（ａ）は正面図、図２（ｂ）は左側面図である。図３は、図１に示したこの発明の実施の形態１に係る移相回路において、誘電体板３の直線ＣＥと直線ＦＧの間の一部分がストリップ導体１の下にある場合であり、図３（ａ）は正面図、図３（ｂ）は左側面図である。図４は、図１に示したこの発明の実施の形態１に係る移相回路において、誘電体板３の直線ＡＢと直線ＣＥの間の一部分がストリップ導体１の下にある場合であり、図４（ａ）は正面図、図４（ｂ）は左側面図である。図５は、この発明の実施の形態１に係る移相回路における誘電体板３の形状の一例である。図６は、誘電体板３の可動量と移相量との関係の一例を示した図である。なお、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

この発明の本実施の形態１に係る移相回路の動作について説明する。誘電体板３を、ストリップ導体１の長手方向に対して垂直な方向に可動させる。誘電体板３を可動させる可動手段および可動手段を駆動する駆動手段等については図示していないが、それらを適宜設けておき、ユーザのオペレーションあるいは自動制御にて誘電体板３が可動することとする。まず、図２に示したように、誘電体板３の点Ａ、点Ｂがストリップ導体１の下にある場合を考える。ここで、λ₀を自由空間波長とする。また、ストリップ導体１と地導体２との間に誘電体板３がない場合のストリップ線路の特性インピーダンス、実効比誘電率を、それぞれ、Ｚ_１、ε_reff1とし、ストリップ導体１と地導体２との間に誘電体板３がある場合のストリップ線路の特性インピーダンス、実効比誘電率をそれぞれＺ₂、ε_reff2とする。また、距離Ｌ_１を次式（１）とする。

このとき、ストリップ線路の点Ａと点Ｂとの位相差は約９０度なので、入力ポート４から見た場合、点Ａでの反射と点Ｂでの反射は約１８０度位相が異なる。一方、点Ａでの反射係数と点Ｂでの反射係数は振幅、位相ともにおおむね同じである。したがって、点Ａでの反射と点Ｂでの反射は互いに打ち消しあい、反射を約０とすることができる。

次に、図３に示したように、誘電体板３の直線ＣＥと直線ＦＧとの間の一部分がストリップ導体１の下にある場合を考える。距離Ｌ₂を次式（２）とする。

このとき、ストリップ線路の直線ＣＦと直線ＥＧとの位相差は約１８０度なので、入力ポート４から見た場合、ストリップ線路の直線ＣＦでの反射と直線ＥＧでの反射は約３６０度位相が異なる。一方、ストリップ線路の直線ＣＦでの反射係数と直線ＥＧでの反射係数は、振幅がおおむね同じで、位相が約１８０度異なる。したがって、入力ポート４から見たとき、直線ＣＦでの反射と直線ＥＧでの反射は１８０度位相が異なるため、互いに打ち消しあい反射を約０とすることができる。

さらに、図４に示したように、誘電体板３の直線ＡＢと直線ＣＥとの間の一部分がストリップ導体１の下にある場合を考える。すなわち、ストリップ導体１の長手方向に対して平行で、かつ、直線ＡＢと直線ＣＥの間にある第４の直線である任意の直線６上に、ストリップ導体１があるとする。ここで、誘電体板３の曲線ＡＣと直線６との交点をＷ、誘電体板３の曲線ＡＤと直線６との交点をＸ、誘電体板３の曲線ＢＤと直線６との交点をＹ、誘電体板３の曲線ＢＥと直線６との交点をＺとする。そして、点Ｗと点Ｘとの距離をｒとし、点Ｘと点Ｙとの距離をｓとし、点Ｙと点Ｚとの距離をｔとする。誘電体板３は直線ＨＨ’を対称の軸とした線対称となっているので、ｒ＝ｔである。

ストリップ線路において損失がないと仮定し、ｓに対して、ｒを以下の式のように与える。ここで、ｓは、

である。

このとき、入力ポート４から見たときの反射を約０とすることができる。すなわち、図４において直線ＡＢと直線６との間隔をｍとすると、誘電体板３の可動量ｍによらず、入力ポート４から見たときの反射を常に約０とすることができる。

入力ポート４と出力ポート５との間の位相差をｍの関数で表し、φ（ｍ）とする。このとき、可動量ｍと移相量｛φ（ｍ）−φ（０）｝とがおおむね比例するように、ｍを決定することもできる。

例えば、Ｚ_１＝５０Ω、ε_reff1＝１、Ｚ₂、＝２５Ω、ε_reff2＝４とし、直線ＡＢと直線ＣＥの間隔を０．２５λ₀とする。このとき、（ｉ）式、（ｉｉ）式を用いてｓに対するｒを求め、かつ、ｍと｛φ（ｍ）−φ（０）｝がおおむね比例するようにｍを決定すると、誘電体板３の形状は図５のようになる。すなわち、点Ａと点Ｂとの距離Ｌ_１、点Ｆと点Ｇとの距離Ｌ₂、および、直線ＡＢと直線ＣＥとの距離（図１の第１の直線１００と第２の直線２００との距離）は、すべて、λ_０／４となる。なお、ここでは、直線ＡＢと直線ＣＥの間隔を０．２５λ_０としたが、直線ＡＢと直線ＣＥの間隔はどんな大きさでも良い。

また、ｍと｛φ（ｍ）−φ（０）｝との関係は、図６のように比例関係になる。なお、図６において、Ｘ軸はｍ、Ｙ軸は｛φ（ｍ）−φ（０）｝である。図６から、この例では、誘電体板３をストリップ導体１の長手方向に対して垂直に動かすことにより、移相量を９０度変化させることができることが分かる。

以上のように、この発明の本実施の形態１によれば、誘電体板３を、ストリップ線路のストリップ導体１と地導体２との間で、ストリップ導体１の長手方向に対して垂直な方向に可動なように構成したので、誘電体板３を動かすことによって移相量を所望の値に変化させることができるので、製造コストが低く、かつ、良好な反射特性を有する移相回路が得られるという効果を有する。さらに、本実施の形態においては、誘電体板３の両端での反射は入力ポート４から見て互いに打ち消しあうので、当該反射をほぼ０まで低減することができるという効果を有する。

実施の形態２．
本実施の形態２では、上記実施の形態１のλ₀を、所望の周波数帯域の中心周波数における自由空間波長とした場合の上記実施の形態１の効果を明らかにする。図７は、移相回路の反射振幅の周波数特性の一例である。Ｘ軸は周波数、Ｙ軸は反射振幅である。

所望の周波数帯域の中心周波数をｆ₀とする。このとき、上記実施の形態１のλ₀をｆ₀における自由空間波長とする。距離Ｌ_１、Ｌ₂を

とし、ｓに対するｒを上述した（ｉ）式、（ｉｉ）式により与える。

例えば、Ｚ_１＝５０Ω、ε_reff1＝１、Ｚ₂、＝２５Ω、ε_reff2＝４とする。また、図４において、直線ＡＢと直線ＣＥの間隔を０．２５λ₀とし、可動量ｍと移相量｛φ（ｍ）−φ（０）｝がおおむね比例するようにｍを決定する。このとき、線路において損失がないと仮定すると、ｍ＝０．０５λ₀、０．１λ₀、０．１５λ₀、０．２λ₀、０．２５λ₀の時の入力ポート４から見た反射振幅の各周波数特性は、それぞれ、図７のようになる。なお、図７の横軸は、ｆ_０で規格化した周波数である。

図７から、可動量ｍを変化させても、すなわち、任意のｍにおいて、周波数の値がｆ₀において反射振幅が最も小さくなることが確認できる。また、周波数がｆ₀から離れるにつれて反射振幅が大きくなることが分かる。このように、可動量ｍを変化させても、所望の周波数帯域の中心周波数ｆ₀において常に反射を約０とすることができるので、所望の帯域内において低反射とすることができる。

以上のように、本実施の形態で示したように、上記実施の形態１のλ₀を、所望の周波数帯域の中心周波数における自由空間波長とすると、製造コストが低く、かつ、所望の帯域内で低反射となる移相回路が得られるという効果を有する。

実施の形態３．
本実施の形態３では、ストリップ導体１と誘電体板３との間、あるいは、誘電体板３と地導体２との間に、複数の誘電体板７を積層した場合の上記実施の形態１の効果を明らかにする。図８（ａ）は、この発明の実施の形態３に係る移相回路の構成を示す正面図、図８（ｂ）は左側面図である。

図８に示すように、この実施の形態３に係る移相回路には、ストリップ導体１と誘電体板３との間と、誘電体板３と地導体２との間に、複数の誘電体板７を積層している。なお、図８の例では、誘電体板７は全部で４枚設けられ、隣接している誘電体板７は互いに接触している。ストリップ導体１に隣接している誘電体板７はストリップ導体１に接触しており、地導体２に隣接している誘電体板７は地導体２に接触している。しかしながら、これらは接触していなくてもよく、離間していてもよいものとする。また、図８の例では、誘電体板３を間に挟んで対向している２枚の誘電体板７は、それぞれ、誘電体板３に接触している例が図示されているが、この場合に限らず、これらは離間していてもよいものとする。なお、誘電体板７は任意の枚数だけ積層してよく、その枚数は適宜決定してよいこととする。

ここで、ストリップ導体１と地導体２との間に誘電体板３がない場合のストリップ線路の特性インピーダンス、実効比誘電率をそれぞれＺ_１、ε_reff1とし、ストリップ導体１と地導体２の間に誘電体板３がある場合のストリップ線路の特性インピーダンス、実効比誘電率をそれぞれＺ₂、ε_reff2とする。

距離Ｌ_１、Ｌ₂を

とし、ｓに対するｒを上述した（ｉ）式、（ｉｉ）式を用いて求めることにより、移相回路の形状を与えることができる。このとき、可動量ｍを変化させても、常に、入力ポート４から見た反射を約０とすることができる。

なお、図８の例では、ストリップ導体１と誘電体板３との間と、誘電体板３と地導体２との間に、複数の誘電体板７を積層したが、ストリップ導体１と誘電体板３との間、あるいは、誘電体板３と地導体２との間のいずれか一方にのみ複数の誘電体板７を積層しても良い。

以上のように、本実施の形態においては、ストリップ導体１と誘電体板３との間、および／または、誘電体板３と地導体２との間に、複数の誘電体板７を積層したが、その場合においても、実施の形態１〜３と同様に、製造コストが低く、かつ、良好な反射特性を有する移相回路が得られるという効果を有する。また、本実施の形態においては、誘電体板７を積層させたので、移相回路の全体の強度が高くなるという効果がさらに得られる。

なお、以上の実施の形態１〜３において、誘電体板３の直線ＦＧに、任意の形状の誘電体板を接続しても良い。尚、その場合も、同様の効果が得られることは言うまでもない。

この発明の実施の形態１に係る移相回路の構成を示した正面図および左側面図である。この発明の実施の形態１に係る移相回路の動作を示した正面図および左側面図である。この発明の実施の形態１に係る移相回路の動作を示した正面図および左側面図である。この発明の実施の形態１に係る移相回路の動作を示した正面図および左側面図である。この発明の実施の形態１に係る移相回路における誘電体板の構成の一例を示した正面図である。この発明の実施の形態１に係る移相回路における誘電体板の可動量ｍと移相量｛φ（ｍ）−φ（０）｝との関係を示した図である。この発明の実施の形態２に係る移相回路における誘電体板の各可動量ｍにおける周波数と反射振幅との関係を示した図である。この発明の実施の形態３に係る移相回路の構成を示した正面図および左側面図である。

符号の説明

１ストリップ導体、２地導体、３誘電体板、４入力ポート、５出力ポート、６直線、７誘電体板、１００第１の直線、２００第２の直線、３００第３の直線。

Claims

ストリップ線路のストリップ導体と、
前記ストリップ導体に対向して設けられた地導体と、
前記ストリップ導体および前記地導体との間に設置された誘電体板と
を備え、
前記誘電体板は、前記ストリップ導体の長手方向に垂直な直線を対称軸とした線対称の形状であって、前記ストリップ導体の長手方向に対して垂直な方向に可動である
ことを特徴とする移相回路。
ストリップ線路のストリップ導体と、
前記ストリップ導体に対向して設けられた地導体と、
前記ストリップ導体および前記地導体との間に設置された誘電体板とを備え、
前記誘電体板は、
前記ストリップ導体の長手方向に対して平行な第１の直線上にある点Ａ、点Ｂと、
前記ストリップ導体の長手方向に対して平行で、第１の直線から一定間隔ｉだけ離れた第２の直線上にある点Ｃ、点Ｄ、点Ｅと、
前記ストリップ導体の長手方向に対して平行で、第２の直線から一定間隔ｊだけ離れた第３の直線上にある点Ｆ、点Ｇに関して、
前記点Ａと前記点Ｃとを任意の曲線ＡＣで結び、
前記点Ａと前記点Ｄとを任意の曲線ＡＤで結び、
前記点Ｂと前記点Ｄとを任意の曲線ＢＤで結び、
前記点Ｂと前記点Ｅとを任意の曲線ＢＥで結び、
前記点Ｃと前記点Ｆとを直線ＣＦで結び、
前記点Ｅと前記点Ｇとを直線ＥＧで結び、
前記点Ｆと前記点Ｇとを直線ＦＧで結ぶことにより構成され、
前記誘電体板において、前記点Ｄは、前記点Ｃと前記点Ｅの中点であり、
前記点Ａと前記点Ｂの中点と前記点Ｄとを結ぶ直線は、前記ストリップ導体の長手方向に対して垂直であり、
前記点Ｃと前記点Ｆを結ぶ直線は前記ストリップ導体の長手方向に対して垂直であり、
前記点Ｅと前記点Ｇを結ぶ直線は前記ストリップ導体の長手方向に対して垂直であって、
前記誘電体板は、前記ストリップ導体の長手方向に対して垂直な方向に可動であることを特徴とする移相回路。
前記誘電体板において、
前記ストリップ導体の長手方向に対して平行で、かつ、前記第１の直線と前記第２の直線の間にある任意の第４の直線上には、
前記第４の直線と前記曲線ＡＣとの交点Ｗと、
前記第４の直線と前記曲線ＡＤの交点Ｘと、
前記第４の直線と前記曲線ＢＤの交点Ｙと、
前記第４の直線と前記曲線ＢＥの交点Ｚとがあり、
前記第４の直線上に前記ストリップ導体があり、
前記点Ｗと前記点Ｘとの距離をｒとし、
前記点Ｘと前記点Ｙとの距離をｓとし、
前記点Ｙと前記点Ｚとの距離をｔとし、
λ₀を自由空間波長とし、
前記ストリップ導体と前記地導体との間に前記誘電体板がない場合の前記ストリップ線路の特性インピーダンスおよび実効比誘電率をそれぞれＺ_１、ε_reff1とし、
前記ストリップ導体と前記地導体との間に前記誘電体板がある場合の前記ストリップ線路の特性インピーダンスおよび実効比誘電率をそれぞれＺ₂、ε_reff2としたときに、
前記点Ａと前記点Ｂとの距離Ｌ_１を

とし、かつ、前記点Ｃと前記点Ｅとの距離Ｌ_２を

とし、前記距離ｒおよび距離ｔを

としたことを特徴とする請求項２記載の移相回路。
前記誘電体板において、前記第１の直線と前記第４の直線との間隔をｍとしたときに、
前記誘電体板が前記ストリップ導体の長手方向に対して垂直に動く可動量と、位相の変化量である移相量とが略々比例するように前記ｍの長さを設定したことを特徴とする請求項３記載の移相回路。
前記λ₀を、所望の周波数帯域の中心周波数における自由空間波長としたことを特徴とする請求項３または４に記載の移相回路。
前記ストリップ導体と前記地導体との間に、複数の第二の誘電体板を積層したことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の移相回路。