JP2008271297A - 可変位相器 - Google Patents

Abstract

【課題】通過損失を少なくし直線的な位相変化量の範囲を広くする。
【解決手段】接地導体基板１の上面側に固定誘電体基板２が配設され、基板２上に半月状の導体線路であって、一端が入出力端となり他端が開放となる線路６，７が形成される。接地導体基板１の、導体線路６，７と対向する領域に、所定幅と深さの溝６ａ，７ａが構成される。接地導体基板３の下面側に回転誘電体基板４上が配設され、基板４上の半月状の導体線路１１，１２は、一端が開放、他端が接続される。導体線路６，７と１１，１２は電磁的に結合する。回転軸１０により回転誘電体基板４が回動すると、導体線路６，７，１１，１２の実効長が変化するので高周波信号の位相が変化する。このとき、導体線路６，７は溝６ａ，７ａによりサスペンドされるので、導体線路６，７の幅を広くすることが可能となり通過損失を少なくし直線的な位相変化量を改善できる。他の導体線路８，９に相当する個所も同様の構成とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、マイクロ波帯の高周波信号の位相を連続的に変化させる可変位相器に関する。

近年、移動体通信において指向性可変機能を有する基地局装置が多く使用されている。アダプティブアンテナ、アクティブビームアンテナ等による指向性可変機能を有する基地局装置は、トラフィックが高い地域において電波利用効率を上げるため、複数のアンテナから送信する電波の位相を可変位相器によって制御することにより、特定加入者方向にアンテナビームを向け、不必要な方向に対し送信電力を下げる働きをする。

従来、このような基地局装置で使用される可変位相器として、少なくとも2本の同心円状の半月形線路を備え、且つこの線路の各片端を入出力端とし、他端を開放端とした固定誘電体基板と、片端で開放し他端で互いに接続した同心円状の半月形線路を備えた回転誘電体基板とを有し、前記固定誘電体基板と回転誘電体基板とをそれらの線路同士が接触するように重ね合わせた可変位相器（以下、従来技術１という）が知られている（特許文献１参照）。

また、中央部が切断されたストリップ線路であってそれぞれのストリップ線路の一端部が電波の入出力端となるストリップ線路を誘電体基板上に配し、この誘電体基板を備える固定基板と、中央部が切断されたストリップ線路であって前記固定基板上のストリップ線路と高周波的に接続するストリップ線路を誘電体基板上に配し、この誘電体基板を備える可動基板と、固定基板のストリップ線路と可動基板のストリップ線路を対向配置し、固定基板と可動基板が非接触且つ移動できるようにこれら基板間に挟み込まれた絶縁体とを備え、固定基板と可動基板と絶縁体によるトリプレート構造の非接触可変位相器（以下、従来技術２という）が知られている（特許文献２参照）。

更に、上下面に設けた外導体とその間に設けた内導体からなる伝送線路の内導体と外導体との間隙に、誘電体基板を無接触に挿入し、伝送線路の実効線路長を変化させる可変位相器において、内導体を誘電体基板の挿入方向と平行に往復を複数回繰返す形状に形成する可変位相器（以下、従来技術３という）が知られている（特許文献３参照）。

前記従来技術１によれば、線路をプリント板等で構成することにより導体厚さを薄くすることができるので、ステータとロータの線路の重なりによるインピーダンス変化をなくすことができ、また手数のかからない加工により製造することができ、小型に構成することができる。

また前記従来技術２によれば、構造が簡素化できると共にノイズやＩＭ（相互変調歪）等の発生を防止し、位相を連続且つ直線的に変化させることが可能になる。

更に前記従来技術３によれば、位相を連続的に緩やかに変化させることが可能になる。
特開昭５８−７５９０１号公報 特開平１１−３４０７０５号公報 特開２００２−１５８５０２号公報

しかしながら、従来技術１、２、３とも、誘電体に配置される導体は、誘電体基板に開放型に取り付けられるマイクロストリップ線路タイプにより構成されている。このため実効比誘電率に基く通過損失が発生していた。この通過損失を少なくしようとすると誘電体基板を厚くしなければならず、厚くすることにより線路のパターン幅は広くしなければならないので必然的に位相器自体の構造は大きくなる。また、複数方向に電波を送信する基地局装置に使用する場合、位相器毎に位相を調整しなければならず、調整後に位相のずれが生じた場合、再調整に多大の手間を要する。また従来技術１では、更に、固定誘電体基板に備えられた同心円状の半月形線路と回転誘電体基板に備えられた同心円状の半月形線路とが接触しながら回転移動するので、ノイズやＩＭ（相互変調歪）が発生する。また従来技術２では、直線的な位相変化量が得られる範囲が狭く、従来技術３では、上下部に設けた外導体とその間に設けた内導体からなる伝送線路の内導体と外導体と間隙部に誘電体基板を無接触に挿入するための駆動機構が、製造工程において厳しい加工精度を求められるので製造に手間がかかる、などの問題がある。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、その第１の目的は通過損失を少なくし、ノイズ、ＩＭの発生をなくすことであり、第２の目的は直線的な位相変化量の範囲を広くすることである。また第３の目的は製造に手間がかからないようにすることであり、更に第４の目的は位相調整の手間を少なくすることである。

請求項１の発明は、片端を入出力端とし他端を開放端とした２本の同心円状の半月形線路を有する固定誘電体基板と、片端を開放し他端を互いに接続した半月形線路を有する回転誘電体基板を、前記固定誘電体基板と回転誘電体基板の線路同士が対面するように重ね合わせて構成する可変位相器において、前記固定誘電体基板と回転誘電体基板の各線路をサスペンデッド構造により設置したことを特徴とする可変位相器である。
請求項２の発明は、請求項１記載の可変位相器において、前記サスペンデッド構造は、前記各線路を有する誘電体基板の線路と反対側の面に設置した、各線路に沿って構成された溝を有する接地導体基板により構成したことを特徴とする可変位相器である。
請求項３の発明は、請求項１又は２記載の可変位相器を回転誘電体の回動軸上に複数備えたことを特徴とする可変位相器である。
請求項４の発明は、請求項３に記載の可変位相器を備えたことを特徴とする基地局装置である。

本発明によれば、通過損失が少なくなり、ノイズ、ＩＭの発生がなくなる。また直線的な位相変化量の範囲が広くなり、更に製造や位相の再調整に手間がかからなくなる。

（実施形態１）はじめに本発明の実施形態に係る可変位相器について図面を参照し説明する。図１は、本発明の実施形態に係る可変位相器を上面から俯瞰した構成図である。図において、可変位相器１００は、一番底部（紙面に平行）に位置する四角平板状の接地導体基板１から上部に向って順番に、導体線路を備える四角平板状の固定誘電体基板２、四角平板状の絶縁板５、後述する導体線路を備え回転軸１０により回転可能な円形平板状の回転誘電体基板４、四角平板状の接地導体基板３が、それぞれの中心部を合わせて重なるように配置構成されている。

図２は、可変位相器の断面図であり、図１のＡ−Ａ断面を示す。図において、接地導体基板１は、アルミニウム等の金属で構成され、その上面にテフロン（登録商標）等で構成される誘電体基板２を汎用の接着手段により取付ける。更に誘電体基板２上には、図３で後述する導体線路６，７，８，９が蒸着により形成されている。また接地導体基板１の、導体線路６，７，８，９と対向する領域に所定の幅と深さの溝６ａ，７ａ，８ａ，９ａが構成される。

同様に接地導体基板３は、アルミニウム等の金属で構成され、その下面にテフロン（登録商標）等で構成される誘電体基板４が接着手段により取付けられる。誘電体基板４には、導体線路１１，１２，１３，１４が蒸着により形成され、これら導体線路１１，１２，１３，１４と対向する領域に所定の幅と深さの溝１１ａ，１２ａ，１３ａ，１４ａが構成される。前記誘電体基板４は、回転軸１０により回動する。

誘電体基板２，４との間には、テフロン（登録商標）シート等の絶縁板５が、図２では導体線路６，７，８，９及び導体線路１１，１２，１３，１４との間に若干の間隙を有して描かれているが、実際には殆ど接触するように設けられる。

続いて固定誘電体基板２及び回転誘電体基板４の導体線路について説明する。
図３は、固定誘電体基板及び回転誘電体基板上の導体線路の構成を示す平面図であり、図３（Ａ）は固定誘電体基板２、図３（Ｂ）は回転誘電体基板４の構成を示す。

図３（Ａ）において、固定誘電体基板２の絶縁板５と対向する面には、回転中心Ｃの回りであって略半分の領域に、同心円状に２本の半月状をした導体線路６，７、また他の略半分の領域に同様に導体線路８、９が形成される。半月状線路６，７の片端は、固定誘電体基板２の縁部まで伸ばされてそれぞれ入力ポート６ａ、出力ポート７ａとなり、他端６ｂ，７ｂは固定誘電体基板２の面上で中断されている。また半月状線路８，９の片端も、固定誘電体基板２の縁部まで伸ばされてそれぞれ入力ポート８ａ、出力ポート９ａとなり、他端８ｂ，９ｂは固定誘電体基板２の面上で中断されている。

図３（Ｂ）において、回転誘電体基板４の絶縁板５と対向する面には、同様に回転中心Ｃの回りであって略半分の領域に、同心円状に２本の半月状をした導体線路１１，１２、また他の略半分の領域に同様に導体線路１３，１４が形成される。半月状線路１１，１２の片端１１ｔ、１２ｔは、回転誘電体基板４の面上で中断され、他端は参照番号２１で示すように互いに接続されている。また半月状線路１３，１４の片端１３ｔ、１４ｔは、同様に回転誘電体基板４の面上で中断され、他端は参照番号２２で示すように互いに接続されている。

前記構成の導体線路を有する固定誘電体基板２と回転誘電体基板４は、図１及び図２で説明したように回転中心Ｃを合わせて重ね合わされ、回転誘電体基板４は回転軸１０により回動させられる。入力ポート６ａから高周波信号が入力されると、導体線路６から電磁結合により導体線路１１，１２を経由し更に電磁結合により導体線路７を通り出力ポート７ａから出力される。このとき回転誘電体基板４が回動させられると、導体線路６，７，１１，１２の実効長が変化するので、高周波信号の位相を変化させることができる。

ここで高周波信号の導体線路間の電磁結合について更に説明する。
図４は、固定誘電体基板の溝部分（図２のＡ部分）の拡大図であり、図中、図２及び図３と同じ構成部品には同じ参照番号を付し説明を省略する。
図において、接地導体基板１には、固定誘電体基板２に形成された半月状の導体線路６に対向する領域に、溝６ａが設けられている。従って、誘電体基板２が接地導体基板１に配設されるとき、誘電体基板２は溝６ａ間にサスペンドされる形態で配設されることになる。このため溝６ａにより形成される空気層により接地導体基板１の実効比誘電率が小さくなる。実効比誘電率と導体線路６の特性インピーダンスは、相反関係にあり、同じ特性インピーダンスを保持するためには導体線路６の幅をＷ、厚みをｈとするとき、Ｗ／ｈを大きくする必要がある、つまり幅Ｗが大きくなる。これにより導体線路６の導体損による減衰定数は小さくなる。

これらの構成は、導体線路７，８，９に対向する接地導体基板１の領域部分及び、接地導体基板３の、導体線路１１，１２，１３，１４に対向する領域部分においても同様に構成される。

図５は、サスペンドされた誘電体基板の導体線路による高周波信号の電磁界分布を模式的に示す図であり、Ｈは磁界の分布方向、Ｅは電界の分布方向を示す。導体線路６の幅Ｗを大きくすることができることにより、電界Ｅの分布領域が拡大するので、回転誘電体基板２の導体線路１１との電磁界結合がよくなり、高周波信号の通過損失は空気層を構成しない従来のものに比較して格段に少なくなる。このことは、導体線路７〜９、１１〜１４においても同じである。

実施形態１によれば、通過損失が少なくなる、このためノイズ、ＩＭの発生がなくなり、直線的な位相変化量の範囲は広くなる。また誘電体を加工する作業工程はなくなり又、導体線路のサスペンドは接地導体基板に溝を穿つことよって構成するので製造に手間がかからなくなる。

（実施形態２）つぎに本発明に係る可変位相器が使用される基地局装置について説明する。図６は、本発明に係る可変位相器が使用される基地局装置の回路構成図である。図において、送信信号入力端子２１は基地局で送信する送信信号を入力する。ドライバ回路部２２は、送信信号を4つに分配する電力分配回路２３と送信信号の位相を変化させる可変位相器２４ａ，ｂ，ｃ，ｄと利得を調整する可変増幅器２５ａ，ｂ，ｃ，ｄを有する。高出力増幅部２６は、送信信号をそれぞれ電力増幅する高出力増幅器２７ａ，ｂ，ｃ，ｄと結合器２８ａ，ｂ，ｃ，ｄとを有する。無指向性アンテナ２９ａ，ｂ，ｃ，ｄは送信信号を送信する。制御部３０は所定のプログラムにより送信信号の位相や出力等を制御する。ＤＡコンバータ３１は可変増幅器２５に接続され、駆動部３２は可変位相器２４にそれぞれ接続され、制御部３０の指令により増幅度や位相の調整を行う。また検波復調器３３は高出力増幅器２７から出力される信号の位相と出力を検出し、制御部３０に戻してそれらの校正を行わせる。

前記構成の基地局装置において、可変位相器２４ａ，ｂ，ｃ，ｄは実施形態１で述べた可変位相器１００を、回転軸１０を通して４つ取り付けた４段構成の可変位相器として構成する。このとき各可変位相器は無指向性アンテナ２９ａ，ｂ，ｃ，ｄから送信される信号の方向に従って予め機械的に回転誘電体基板４の取付け方向を調整しておく。

いま送信信号入力端子２１に送信信号が入力されると、送信信号はドライバ回路部２２の電力分配回路２３により４つの送信信号に分配され、可変位相器２４ａ，ｂ，ｃ，ｄによりその位相が変化させられ、可変増幅器２５ａ，ｂ，ｃ，ｄにより利得が調整され、高出力増幅部２６に渡される。高出力増幅部２６の高出力増幅器２７ａ，ｂ，ｃ，ｄは送信信号を電力増幅した後、結合器２８ａ，ｂ，ｃ，ｄを経て無指向性アンテナ２９ａ，ｂ，ｃ，ｄから送信する。このとき制御部３０は検波復調器３３の検波出力により、駆動部３２やＡＤコンバータ３１を介して送信信号の位相や出力を再調整する。

実施形態２によれば、送信する各信号の方向に従って可変位相器を予め機械的に調整しておくので、送信信号に位相のずれが生じた場合でも制御部３０で一括して容易に再調整することができる。

本発明の実施形態に係る可変位相器の上面からの俯瞰構成図である。 本発明の実施形態に係る可変位相器の断面図である。 固定誘電体及び回転誘電体上の導体線路の構成を示す図である。 接地導体基板の溝部分（図２のＡ部分）の拡大図である。 サスペンドされた誘電体基板の導体線路による高周波信号の電磁界分布を模式的に示す図である。 本発明に係る可変位相器が使用される基地局装置の回路構成図である。

符号の説明

１・・接地導体基板、２・・固定誘電体基板、３・・接地導体基板、４・・回転誘電体基板、５・・絶縁板、６・・導体線路、１０・・回転軸、１１・・導体線路。

Claims (4)

1. 片端を入出力端とし他端を開放端とした２本の同心円状の半月形線路を有する固定誘電体基板と、片端を開放し他端を互いに接続した半月形線路を有する回転誘電体基板を、前記固定誘電体基板と回転誘電体基板の線路同士が対面するように重ね合わせて構成する可変位相器において、
   前記固定誘電体基板と回転誘電体基板の各線路をサスペンデッド構造により設置したことを特徴とする可変位相器。
2. 請求項１記載の可変位相器において、前記サスペンデッド構造は、前記各線路を有する誘電体基板の線路と反対側の面に設置した、各線路に沿って構成された溝を有する接地導体基板により構成したことを特徴とする可変位相器。
3. 請求項１又は２記載の可変位相器を回転誘電体の回動軸上に複数備えたことを特徴とする可変位相器。
4. 請求項３に記載の可変位相器を備えたことを特徴とする基地局装置。

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