JP2008211305A - 左手系線路 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単かつ容易に構成することができる左手系線路を得る。
【解決手段】電気長が９０°以下で、信号出力端子が短絡端となる第１の伝送線路１ａと、電気長が９０°以下で、信号入力端子が短絡端となり、前記第１の伝送線路に対向して配置された第２の伝送線路１ｂとでなる複数の結合線路２と、前記結合線路間にそれぞれ設けられて、前記第１の伝送線路の信号入力端子と前記第２の伝送線路の信号出力端子とを接続することにより、前記結合線路を複数従属接続する接続用伝送線路４とを備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、左手系線路に関するものである。

通常、伝送線路を等価回路で表現した場合に、直列のＬ成分と並列のＣ成分の従属接続によって構成される。これを右手系線路とよぶ。これに対して左手系線路と呼ばれるものは、等価回路で表現した場合に、直列のＣ成分と並列のＬ成分で構成されるものである。現在、マイクロストリップ線路で左手系線路を実現する場合について代表的なものは、直列のＣ成分についてはインターディジタルキャパシタを用いて実現し、並列のＬ成分についてはショートスタブとバイアホールを用いて実現している。これらの方法は広い範囲で用いられている（例えば、非特許文献１参照）。

IEEE microwave magazine Volume 5, Issue 3, Sept. 2004 Page(s):34 - 50 Lai, A.; Itoh, T.; Caloz, C [Composite right/left-handed transmission line metamaterials]

しかしながら、左手系線路を、インターディジタルキャパシタによるＣ成分とショートスタブとバイアホールを用いたＬ成分の従属接続により実現する場合、主にインターディジタルキャパシタのパターンが細かくなってしまい、所望の性能を満足するにはパターン精度を高くする必要があり、製造が難しくなってしまい、価格も高額になってしまうといった問題点がある。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされたものであり、簡単かつ容易に構成することができる左手系線路を得ることを目的とする。

この発明に係る左手系線路は、電気長が９０°以下で、信号出力端子が短絡端となる第１の伝送線路と、電気長が９０°以下で、信号入力端子が短絡端となり、前記第１の伝送線路に対向して配置された第２の伝送線路とでなる複数の結合線路と、前記結合線路間にそれぞれ設けられて、前記第１の伝送線路の信号入力端子と前記第２の伝送線路の信号出力端子とを接続することにより、前記結合線路を複数従属接続する接続用伝送線路とを備えたものである。

この発明によれば、直列のＣ成分や並列のＬ成分などを持たせることなく逆位相を簡単に実現できるため、簡単な回路構成で任意の進み位相変化を与えることができる左手系線路を簡単に実現できる。

実施の形態１．（等価回路）
図１は、この発明の実施の形態１に係る左手系線路の構成を示す回路図である。図１に示す左手系線路は、電気長が９０°以下で、信号出力端子が短絡端３となる第１の伝送線路１ａと、電気長が９０°以下で、信号入力端子が短絡端３となり、第１の伝送線路１ａに対向して配置された第２の伝送線路１ｂとでなる複数の結合線路２と、結合線路２間にそれぞれ設けられて、第１の伝送線路１ａの信号入力端子と第２の伝送線路１ｂの信号出力端子とを接続することにより、結合線路２を複数従属接続する接続用伝送線路４とを備えている。なお、図中、伝送線路１ａ、１ｂを総称して伝送線路１と付す。また、結合線路２を複数従属接続する場合においては、ほぼ同一の結合線路２を長さが０以上の接続用伝送線路４を介して周期的に接続することで構成している。

続いて、本実施の形態における動作について説明する。始めに、図２に示すように結合線路２が一組の電気長θとした場合について、それぞれ対向した一端を短絡した線路を考える。この場合の結合線路２の等価回路は、図３に示すようになり、伝送線路１の電気長θが９０°以下となる時にはスタブが誘導性となるため、電気長θ、−θの伝送線路１を組み合わせたπ形回路で表現でき、図４のような電気長−θの伝送線路１として動作していると考えることができる。

図５に結合線路２の長さを９０°としたときの本伝送線路の計算結果を示す。図５では実線が本実施の形態における左手系線路の通過位相５、破線が通常の伝送線路の通過位相６を示す。この結果から、通常の中心周波数において、通常の伝送線路の場合は＋９０°となっていることに対して、本実施の形態で実現される伝送線路の場合は−９０°となり、この計算結果から通過位相が通常の線路に対して反対の通過位相特性となっていることがわかる。

従って、実施の形態１によれば、直列のＣ成分や並列のＬ成分などを持たせることなく逆位相を簡単に実現できるため、簡単な回路構成で任意の進み位相変化を与えることができ、いわゆる左手系線路を簡単に実現できるという効果がある。

ここで、図２の回路は１つの場合についても位相進みの特性となるが、図１に示すように、図２で表される線路を従属接続することで、１つの場合に対して帯域幅を広げることができるという効果や、更に任意の位相変化を与えることができるという効果が得られる。

なお、上記実施の形態１に係る左手系線路は、結合線路２を同一周期で複数従属接続しているが、これは、回路設計が比較的容易となるためであり、周期性に着目することにより、その特性を記述する方程式などが簡素化されるため設計の見通しが立てやすくなり、ひいては開発コストの低減につながる。他方、制限を設けることなく非同一周期で結合線路２を複数従属接続することも考えられ、この場合は、回路設計の自由度が増すことになる。左手系線路においては、その通過位相特性に加えて外部回路とのインピーダンス整合や動作周波数帯域も設計対象となり、回路設計の自由度を増すことでそれらの特性の改善を図ることが可能となる。

実施の形態２．（マイクロストリップで実現）
図６は、この発明の実施の形態２に係る左手系線路の構成を示すブロック図である。図６に示す左手系線路は、結合している伝送線路としてマイクロストリップ線路７を用いると共に、短絡端３対応位置にバイアホール８を設けて導体である基板裏面と接続することで実現している点が、実施の形態１と異なる。

続いて動作について説明する。位相進み線路としての基本的な動作は実施の形態１の場合と同一である。ここでは、伝送線路としてマイクロストリップ線路７を使用し、マイクロストリップ線路７を結合するように並べることで結合線路を実現している。また、マイクロストリップ線路７上にバイアホール８を設けることで、実施の形態１における短絡部を実現している。これによって、左手系線路を実現することができ、実施の形態１と同様の効果が得られる。

従って、実施の形態２によれば、インターディジタルキャパシタとショートスタブを使用して実現する通常の構成に対して、大幅な面積の低減を図るという効果が得られる。更にパターンも単純な為に作りやすく、パターン誤差による位相量の変化が少なくなるという効果についても併せて得られる。

また、図７に示すように、バイアホール８をマイクロストリップ線路７の脇に設けた場合についても同様の効果が得られる。また、マイクロストリップ線路７において基板の誘電率を複数変化させた場合についても同様の効果を得られる。また、図６、図７の様にバイアホールを共用せずに別々に設けても同様の効果が得られる。

実施の形態３．（トリプレート線路で実現１）
図８及び図９は、この発明の実施の形態３に係る左手系線路の構成を示す断面図である。図８及び図９に示す左手系線路は、結合線路が、伝送線路として外導体１２に囲まれて対向配置される内導体１０を有するトリプレート線路で構成され、短絡端として内導体１０と外導体１２とを接続する導体ピン１１を用いている。そして、内導体１０は、導体ピン１１の軸方向ベクトルと直交する面内に対向配置される。

すなわち、外導体１２で上下を囲まれた内導体１０を設け、これらが結合するように設置することで結合線路を実現している。また、短絡端は、図９に示すように、内導体１０と外導体１２とを導体ピン１１で接続することで実現している点が、実施の形態１及び２とは異なる。

続いて動作について説明する。位相進み線路としての基本的な動作は実施の形態１の場合と同一である。この場合、伝送線路としては、外導体１２に囲まれた内導体１０を結合するような距離、配置で実現することで結合線路を実現しており、短絡端については、内導体１０と外導体１２を接続した導体ピン１１によって実現している。

従って、実施の形態３によれば、トリプレート線路においても実施の形態１で設けた左手系線路を実現できるという効果が得られる。また、導体ピン１１については、図９のように両方の外導体１２に接続して短絡させる他に、図１０に示すように短絡端子としてシャーシ上側、もしくは下側のみに導体ピン１１を接続した場合についても同様の効果が得られる。

実施の形態４．（トリプレート線路で実現２）
図１１及び図１２は、この発明の実施の形態４に係る左手系線路の構成を示す断面図である。図１１及び図１２に示す左手系線路は、外導体１２で上下を囲まれた内導体１０を設け、これらが結合するように設置することで結合線路を実現している。また、短絡端は、図１２に示すように内導体１０と外導体１２を導体ピン１１で接続することで実現しているが、内導体１０を、導体ピン１１の軸方向ベクトルを含む面内に対向配置、つまり紙面と直交する方向の面内に縦に重ねて配置している点が実施の形態３とは異なる。

続いて動作について説明する。位相進み線路としての基本的な動作は、実施の形態１の場合と同一である。この場合、伝送線路としては、外導体１２に囲まれた内導体１０を結合するような距離、配置で実現することでトリプレート線路による結合線路を実現しており、短絡端については、内導体１０と外導体１２を接続した導体ピン１１によって実現している。

従って、実施の形態４によれば、トリプレート線路においても実施の形態１で設けた左手系線路を実現できるという効果が得られる。

実施の形態５．（トリプレート線路で実現、誘電体充填）
図１３は、この発明の実施の形態５に係る左手系線路の構成を示す断面図である。図１３に示す左手系線路は、図９に示す実施の形態３とほぼ同様の構成であり、外導体１２で上下を囲まれた内導体１０を設け、これらの結合するように設置することで結合線路を実現している。また、短絡端は、図９に示すように内導体１０と外導体１２を導体ピン１１で接続することで実現している。ここで、内導体１０と外導体１２との間に第一の誘電体１３を充填している点が実施の形態３と異なる。

続いて動作について説明する。位相進み線路としての基本的な動作は、実施の形態１の場合と同一である。本実施の形態においては、図１３に示すように第一の誘電体１３が充填されている点が実施の形態３と異なっているが、動作原理は、実施の形態３と同様である。

従って、実施の形態５によれば、実施の形態１、３と同様の効果が得られることに加えて、内導体１０と外導体１２の間が中空とした場合に比べて更に小形化できるという効果が得られる。また、これらを従属接続した場合においては、１つの場合に比べて更に広帯域化が実現できるという効果が得られる。

また、図１４、図１５の様に第二の誘電体１４や第三の誘電体１５のような複数の誘電率を持つ誘電体で充填した場合についても同様の効果が得られる。更に、短絡端として導体ピン１１を使用しているが、これをバイアホール７とした場合についても同様の効果が得られる。

実施の形態６．（トリプレート線路で実現２、誘電体充填）
図１６は、この発明の実施の形態６に係る左手系線路の構成を示す断面図である。図１６に示す左手系線路は、図１２に示す実施の形態４とほぼ同様の構成であり、外導体１２で上下を囲まれた内導体１０を設け、これらの結合するように設置することで結合線路を実現している。

また、短絡端は、図１２に示すように内導体１０と外導体１３を導体ピン１２で接続することで実現している。ここで、内導体１０と外導体１３の間に第一の誘電体１３を充填している点が実施の形態４と異なる。

続いて動作について説明する。位相進み線路としての基本的な動作は、実施の形態１の場合と同一である。本実施の形態においては、殆ど実施の形態４と同様であるが、第一の誘電体１３が充填されている点が実施の形態４と異なっているが、動作原理は、実施の形態４と同様である。

従って、実施の形態６によれば、実施の形態４と同様の効果に加えて、誘電体充填により更に小形化できるという効果が得られる。また、これらを従属接続した場合においては１つの場合に比べて更に広帯域化が実現できるという効果が得られる。また、実施の形態５と同様に複数の誘電率を持つ誘電体で充填した場合についても同様の効果が得られる。

実施の形態７．（同軸線路で実現）
図１７は、この発明の実施の形態７に係る左手系線路の構成を示す斜視図である。図１７に示す左手系線路は、内導体１７が外導体１９で囲まれた同軸線路として伝送線路を形成し、内導体１７が互いに結合するように配置することで結合線路を実現する。短絡端は、内導体１７から外導体１９をそれぞれ接続するように導体ピン１８を設けて実現している点が実施の形態１と異なる。

続いて動作について説明する。入出力端２０から信号を入力した場合の位相進み線路としての基本的な動作は、実施の形態１の場合と同一である。この場合、本実施の形態は、実施の形態１を同軸線路上で実現した場合であり、伝送線路、結合線路として同軸線路を用い、短絡端子としては導体ピン１８を設けることで実現している点が実施の形態１とは異なる。

従って、実施の形態７によれば、同軸線路においても実施の形態１と同様の効果が得られる。更に本実施の形態を従属接続した場合においては更に広帯域化が実現できるという効果が得られる。

実施の形態８．（同軸線路で実現＋誘電体充填）
図１８は、この発明の実施の形態８に係る左手系線路の構成を示す斜視図である。図１８に示す左手系線路は、図１７に示す実施の形態７とほぼ同様の構成であるが、内導体１７と外導体１９との間に少なくとも１種類の誘電体２１を充填している点が実施の形態７と異なる。

続いて動作について説明する。位相進み線路としての基本的な動作は、実施の形態１を同軸線路上で実現した場合であることは実施の形態７と同様であるが、誘電体２１が同軸線路内部に充填されているために、誘電体２１による波長短縮によって、図１８においては実施の形態１と同様の効果に加えて、実施の形態６より小形になるという効果が得られる。更に本実施の形態を従属接続した場合においては更に広帯域化が実現できるという効果が得られる。また、誘電体２１が充填されているため、に外力が付加された場合に対しても損傷しにくいという効果が得られる。

実施の形態９．（コプレーナ）
図１９及び図２０は、この発明の実施の形態９に係る左手系線路の構成を示す上面図及び断面図である。図１９及び図２０に示す左手系線路は、１組の伝送線路２３とその両側に設けた地板２４を基板２６の上に構成されることで、１組のコプレーナ線路による結合線路を構成する。更に、それぞれの伝送線路２３から地板２４にショートスタブ２５で接続している。

続いて動作について説明する。本実施の形態において、端子２３から信号を入力した場合における位相進み線路としての基本的な動作は、実施の形態１をコプレーナ線路上で実現した場合であり、伝送線路、結合線路としてコプレーナ線路を用い、短絡端子としてはショートスタブ２５を設けることで実現している。

従って、実施の形態９によれば、実施の形態１と同様の効果が得られる。基板２６においては１種類だけではなく、２種類以上とした場合についても同様の効果が得られる。更に本実施の形態を従属接続した場合においては更に広帯域化が実現できるという効果が得られる。また、ショートスタブの代わりに導体のワイヤで短絡を実現した場合についても同様の効果が得られる。

この発明の実施の形態１に係る左手系線路の構成を示す回路図である。 この発明の実施の形態１に係る結合線路の単位回路図である。 この発明の実施の形態１に係る結合線路において図２を回路変形した場合について単位回路を示す回路図である。 この発明の実施の形態１に係る結合線路において図３を回路変形した場合について単位回路を示す回路図である。 この発明の実施の形態１に係る結合線路において図１と通常の伝送線路について通過位相を計算した場合の計算結果を示す特性図である。 この発明の実施の形態２に係るマイクロストリップ線路上に形成した左手系線路を示す上面図である。 この発明の実施の形態２に係るマイクロストリップ線路上に形成した左手系線路を示す上面図である。 この発明の実施の形態３に係るトリプレート線路上に形成した左手系線路を示す上面図である。 この発明の実施の形態３に係るトリプレート線路上に形成した左手系線路を示す断面図である。 この発明の実施の形態３に係るトリプレート線路上に形成した左手系線路を示す断面図である。 この発明の実施の形態３に係るトリプレート線路上に形成した左手系線路を示す上面図である。 この発明の実施の形態４に係る内導体を縦に配置したトリプレート線路上に形成した左手系線路を示す断面図である。 この発明の実施の形態５に係る誘電体を充填したトリプレート線路上に形成した左手系線路を示す断面図である。 この発明の実施の形態５に係る二種類の誘電体を充填したトリプレート線路上に形成した左手系線路を示す断面図である。 この発明の実施の形態５に係る三種類の誘電体を充填したトリプレート線路上に形成した左手系線路を示す断面図である。 この発明の実施の形態６に係る誘電体を充填したトリプレート線路上に形成した左手系線路を示す断面図である。 この発明の実施の形態７に係る同軸線路に形成した左手系線路を示す図である。 この発明の実施の形態８に係る導波管に形成した左手系線路の上方斜影面を示す図である。 この発明の実施の形態９に係るコプレーナ線路に形成した左手系線路の上面を示す図である。 この発明の実施の形態９に係るコプレーナ線路に形成した左手系線路の断面を示す図である。

符号の説明

１，１ａ，１ｂ 伝送線路、２ 結合線路、３ 短絡端、４ 接続用伝送線路、５ 左手系線路の通過位相、６ 通常の伝送線路の計算結果、７ マイクロストリップ線路、８ バイアホール、９ コネクタ、１０ 内導体、１１ 導体ピン、１２ 外導体、１３ 第一の誘電体、１４ 第二の誘電体、１５ 第三の誘電体、１６ 反射板、１７ 内導体、１８ 導体ピン、１９ 外導体、２０ 入出力端、２１ 誘電体、２２ 端子、２３ 伝送線路、２４ 地板、２５ ショートスタブ、２６ 基板。

Claims (9)

1. 電気長が９０°以下で、信号出力端子が短絡端となる第１の伝送線路と、電気長が９０°以下で、信号入力端子が短絡端となり、前記第１の伝送線路に対向して配置された第２の伝送線路とでなる複数の結合線路と、
   前記結合線路間にそれぞれ設けられて、前記第１の伝送線路の信号入力端子と前記第２の伝送線路の信号出力端子とを接続することにより、前記結合線路を複数従属接続する接続用伝送線路と
   を備えた左手系線路。
2. 請求項１に記載の左手系線路において、
   前記接続用伝送線路は、同一周期で前記結合線路を複数従属接続する
   ことを特徴とする左手系線路。
3. 請求項１に記載の左手系線路において、
   前記結合線路は、前記伝送線路としてマイクロストリップ線路を用いて構成し、前記短絡端としてバイアホールによる短絡を用いた
   ことを特徴とする左手系線路。
4. 請求項１に記載の左手系線路において、
   前記結合線路は、前記伝送線路として外導体に囲まれて対向配置される内導体を有するトリプレート線路で構成し、前記短絡端として前記内導体と前記外導体とを接続する導体ピンを用いた
   ことを特徴とする左手系線路。
5. 請求項４に記載の左手系線路において、
   前記内導体は、前記導体ピンの軸方向ベクトルと直交する面内に対向配置される
   ことを特徴とする左手系線路。
6. 請求項４に記載の左手系線路において、
   前記内導体は、前記導体ピンの軸方向ベクトルを含む面内に対向配置される
   ことを特徴とする左手系線路。
7. 請求項１に記載の左手系線路において、
   前記結合線路は、前記伝送線路として内導体と当該内導体を囲む外導体とで構成された同軸線路を用い、前記短絡端として前記内導体と前記外導体とを接続する導電性ピンを用いた
   ことを特徴とする左手系線路。
8. 請求項４から７までのいずれか１項に記載の左手系線路において、
   前記内導体と前記外導体との間に少なくとも１種類の誘電体を充填した
   ことを特徴とする左手系線路。
9. 請求項１に記載の左手系線路において、
   前記結合線路は、前記伝送線路として１組の伝送線路とその両側に設けた地板を基板上に構成したコプレーナ線路による結合線路を用いて構成し、前記短絡端として前記伝送線路から前記地板に接続するショートスタブを用いた
   ことを特徴とする左手系線路。

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