JP2010098738A - 移相器 - Google Patents

Abstract

【課題】ミリ波領域の無線通信システムにおいて、移相器の広帯域、低損失化を実現する。
【解決手段】移相器は、基板１００の所定の位置に形成された信号ライン１０４と、基板内に形成され、基板の効果誘電率を変化させ、信号ラインに誘起された信号の位相を遅延させる空気空隙１０８を含む。このように、空気空隙によって基板の効果誘電率を調節して、信号の位相を遅延させることにより、従来の移相器に比べて画期的に少ない挿入損失を持つ。さらに、移相器は、基準線路と比較した時、変化なく同じ大きさで作製可能なので、小型作製が可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、移相器に係るものであり、より詳しくは、空気空隙だけを用いて基板の効果誘電率を調節することによって、信号の位相を遅延させられる移相器に関する。

全世界的な高速大容量データの無線通信に対する需要の爆発的な増加により、７ＧＨｚの広域幅でＧｂｐｓ級の超高速広域大容量通信の可能なミリ波帯域（特に、６０ＧＨｚ）に関する研究が盛んに行われている。ミリ波帯域を用いた無線通信システムの実現において、ミリ波が持つ高いカップリングは、システムの性能に決定的に影響を及ぼすため、回路の位置および連結はシステム全体の性能において極めて重要である。このような理由から、素子間の位置と連結までを考慮した設計により全体システムを１つのモジュールに集積するＳｏＰ（System on Package,以下「ＳｏＰ」と称する）技術は必需的である。ミリ波域の無線通信システムの実現において、必需的なもう１つの要素はビーム形成回路である。ミリ波域（特に、６０ＧＨｚ）が持つ高い酸素吸収率によって無線通信が克服せねばならない大きいパスロス（path loss）を解決し、通信が不可能なNLOS（Non Line of Sight）状態を解決するためにはアレイアンテナを用いてビームを所望の方向に形成するビーム形成回路が必ず必要であり、ビーム形成回路を設けるのに最も重要な役割をする素子が移相器である。

移相器は、RFアナログ信号のプロセスユニットに幅広く用いられており、中でも位相アレイアンテナにおいてビーム制御や位相変調等の核心的な役割を果たす素子である。特に、ミリ波域での無線通信のためのＳｏＰモジュールでは、ビーム形成のため低ロス特性を持ち、かつ、高集積可能な移相器は必ず必要である。

このような移相器は、その構造および形態によって、機械式と電気式とで大別され、機械式移相器が持っている小型化の限界により、電気式移相器がRF回路およびアナログ回路に主に用いられている。 電気式移相器は、ダイオード、電界効果トランジスタ、磁性体、転送線、ハイブリッドカップラー等と様々な種類の構成要素を用いて、システムから求められる帯域幅、挿入損失、スイッチング速度、分解能等によりその構成要素の種類は選択され得る。

多種の移相器の良し悪しを見てみると、まず、磁性体を利用する移相器は回路全体の規模が大きくなり、高額で、しかも温度に敏感であるため、超小型無線通信システムモジュールに用いるには適していない。

強誘電体に電圧を加えることによって発生する誘電率の変化を用いて実現する移相器は、誘電率の変化のために必要とする電圧が１００V程度で、無線通信システムに適用するのは不可能である。

ハイブリッドカップラーを用いた移相器も、規模の大きさと端末ポート処理問題等の限界がある。方形導波管の低損失特徴を平面回路に取り入れたSIW（Substrate Integrated Waveguide）を用いた移相器も提案されているが、平面回路と導波路の転換の際生じる損失が大きくて、かつ転換構造の実現そのものが難しいという課題を持っている。

極めて損失の少ない異種物をそれぞれ異なる大きさで基板の一部に用いて、位相遷移を実現する方法が提案されているが、異種物間の収縮、膨張率の差から製造が難しく、このような問題から製品のコストが高くなる致命的な短所を持っている。

このような理由から、ミリ波域でビーム形成のための移相器は、比較的に小型で実現しやすいダイオード型が主に用いられており、そのダイオード型移相器の中でもスイッチと固定移相器を用いた移相器が幅広く用いられている。

普通、固定移相器は、線路の長さを変化せせる方法が多く用いられている。この際、線路の長さだけが変化するため、結果としての位相差は、周波数と線形関係を持つので広域特性を持つ大きいメリットがあり、ここで挿入損失は、スイッチと線路の長さとの合計で比較的少ない。

しかしながら、従来の固定移相器は、物理的な線路の長さの差が存在するため、システム集積のためにはメアンダーライン（meander line）のような構造的変化が必要である。メアンダーラインを用いた場合は、線路長の増加による追加的線路損失が生じて、アレイアンテナの各素子に誘起される信号の大きさが異なることとなり、これは、アンテナのビーム幅を広げてゲインを減少させる問題を発生させる。

また、メアンダーラインの構成において必然的である急激な線路の方向転換は、放射損失を引き起こすという問題を持っており、メアンダーラインの特性上、各移相器間の距離が近づいて来て移相器間のカップリングが問題となる。

米国登録特許第４８１６７８７号

従来の移相器は、比較的大きい挿入損失と回路の規模、低い集積度等の問題により、マイクロ波の回路およびミリ波域のビーム形成回路の適用に限界がある。また、ビーム形成回路を含むミリ波域の無線通信システムにおいて、移相器の性能がシステム全体に与える影響はかなり大きいことを考えると、広域、低損失、高集積度を持つ移相器がどうしても求められる。

本発明は、追加電圧や素子の追加することなく、空気空隙だけを用いて基板の効果誘電率を調節することによって、信号の位相を遅延させられる。

本発明に係る移相器は、基板と、前記基板上部の所定の位置に形成された信号ラインと、前記基板内に形成され、前記基板の効果誘電率を変化させ、前記信号ラインに誘起された信号の位相を遅延させる空気空隙を含む。

別の知見から見る本発明の移相器は、基板と、前記基板の上部に形成され接地される第1金属膜と、前記基板の下部に形成され 接地される第２金属膜と、前記基板の内部に形成され、前記基板に誘起された信号が転送される信号ラインと、前記基板の内部に形成され、かつ、前記信号ラインの上下部に形成されて、前記信号ラインを介して転送される信号の位相を遅延させる上下部の空気空隙を含む。

本発明は、空気空隙によって基板の効果誘電率を調節して、信号の位相を遅延させることのより、従来の移相器に比べて画期的に少ない挿入損失を持ち、基準線路と比較した時に変化なく同様な大きさで作製可能なので、小型作製が可能となる。

また、本発明は、基板を用いるので、システム的に集積度が高いだけでなく広域の位相遷移が可能というメリットがある。

本発明の一実施例に係るＧＣＰＷラインに適用される移相器を示す断面図である。 本発明の別の実施例に係るマイクロストリップラインに適用される移相器を示す断面図である。 本発明のまた別の実施例に係るストリップラインに適用される移相器を示す断面図である。 図３におけるストリップラインの移相器の構造を示す斜視図である。 図４における移相器に挿入された空気空隙の長さによる移相遅延をシミュレーションした結果グラフである。 図４におけるストリップラインの移相器において、空気空隙の挿入による特性インピーダンスの変化によって生じる不整合を緩和しようとする信号ラインの幅を最適化した図である。 ３０度移相遷移可能なストリップラインの移相器のシミュレーション結果曲線図である。 図７における移相器に対する挿入損失示すグラフである。 本発明の各実施例において実現された移相器が適用されるミリ波域のビーム形成回路のブロック図である。

以下、本発明の望ましい実施例を、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明の説明に当たって、関連する公知の構成または機能に対する具体的説明が、本発明の要旨の妨げになり得ると判断する場合は、その詳細説明を省略する。

本発明の望ましい実施例では、追加の電圧や素子の追加することなく、空気空隙だけで基板の効果誘電率を調節することのできる移相器に関して説明する。

図１は、本発明の一実施例に係る移相器を示す断面図であり、GCPW（Ground Coplanar Waveguide、以下“GCPW”という）ラインに本発明が適用されている形態である。
図１を参照すると、GCPW移相器は、多層のセラミック基板を用いて形成される転送基板１００と、転送基板１００の下部に形成され接地される第１金属膜１０２と、転送基板１００の上部一定の領域に形成された信号ライン１０４と、転送基板１００の上部に形成され接地される第２金属膜１０６、および 信号ライン１０４と 第１金属膜１０２との間の転送基板１００内部に形成される空気空隙１０８とで構成される。

図２は、本発明の他の実施例に係る移相器を示す断面図であり、マイクロストリップラインに本発明が適用されている形態である。

図２を参照すると、マイクロストリップラインの移相器は、図１に示しているＧＣＰＷ移相器とほぼ同様の構造を持っている。具体的に、マイクロストリップラインの移相器は、 多層のセラミック基板を用いて形成される転送基板１００と、転送基板１００の下部に形成され接地される第１金属膜１０２と、転送基板１００の上部一定の領域に形成された信号ライン１０４、および 信号ライン１０４と 第１金属膜１０２との間の転送基板１００内部に形成される空気空隙１０８とで構成される。

転送基板１００は、多層基板技術により形成される、つまり、多数のセラミック基板を用いて形成される。より詳しくは、一定の領域（空気空隙が形成される領域）がオープンされた多数の基板とオープンされない多数の基板とを重ねて転送基板１００を形成することによって、空気空隙１０８を含む転送基板１００を形成することができる。

図１のＧＣＰＷ移相器の場合、転送基板１００を構成する多層基板の内、上部基板面には第２金属膜１０６と信号ライン１０４が形成されていて、下部基板面には第１金属膜１０２か形成されている。

図２のマイクロストリップライン移相器の場合は、転送基板１００を構成する多層基板の内、上部基板面には信号ライン１０４が形成されていて、下部基板面には第１金属膜１０２か形成されている。

図１のＧＣＰＷ移相器の第２金属膜１０６は、信号ライン１０４と離隔して形成される、つまり、信号ライン１０４の両側に形成される。ここで、第１、２金属膜１０２、１０６はそれぞれ接地され、第１金属膜１０２の上部に転送基板１００内部の一定領域に空気空隙１０８が形成される。

空気空隙１０８は、効果誘電率の減少を誘導することによって、転送基板１００に誘起された信号の位相を遅延させる役割を果たす。

一般に、転送基板１００の信号ライン１０４に誘起された信号は、転送基板１００を形成するために用いられた基板の情報、例えば、誘電率、透磁率、周波数、および転送基板１００の長さによって位相遅延を受ける。このような原理を利用して転送基板１００上に空気空隙１０８を挿入することによって、効果誘電率の減少を誘導して位相遅延を生じさせる。

本発明において、空気空隙１０８の大きさは線形的に実現できるので、転送基板１００の長さの変化なく超小型で３６０度以上の位相遷移が可能なアナログ固定移相器が実現できる。

このように、本発明は、損失のない空気空隙１０８を用いるので、他の移相器より一層少ない挿入損失で移相器を実現することができる。この際、空気空隙１０８を挿入による特性インピーダンスの不連続のため発生し得るインピーダンスの不整合を解決するべく、信号ライン１０４の幅を最適化する。

図３は、本発明のまた別の実施例に係る移相器を示す断面図であり、ストリップラインに本発明が適用された形態である。

図３を参照すると、ストリップラインの移相器は、図１に示している ＧＣＰＷ移相器とほぼ同様の構造を持っている。具体的に、ストリップラインの移相器は、多層のセラミック基板を用いて形成される転送基板１００と、転送基板１００の下部に形成され接地される第１金属膜１０２と、転送基板１００の上部に形成され接地される第２金属膜１０６とを含んでおり、転送基板１００の内部に形成された信号ライン１０４と、信号ライン１０４を含む上部空気空隙１０８ａと、第１金属膜１０２上部の転送基板１００内部に形成される下部空気空隙１０８ｂとを含む。この際、上下部空気空隙１０８ａ、１０８ｂは、信号ライン１０４を基準に上下部に形成されることが好ましい。

本発明において、上下部空気空隙１０８ａ、１０８ｂを含む転送基板１００は、多層基板技術を用いて形成される。

一方、本発明の実施例では、上下部空気空隙１０８ａ、１０８ｂの幅が信号ライン１０４の幅より大きく形成されたが、 上下部空気空隙１０８ａ、１０８ｂの幅が信号ライン１０４の幅より小さく形成されても構わない。

図４は、図３のストリップラインの移相器の構造を示す斜視図である。

図４に示すように、転送基板１００の中心部に信号ライン１０４が形成され、信号ライン１０４を基準に、上下部に上部空気空隙１０８ａと下部空気空隙１０８ｂが形成される。この際、信号ライン１０４は、上部空気空隙１０８ａに含まれる。

このような構造を持つ移相器の信号ライン１０４に信号が与えられると、誘起された信号は、転送基板１００を形成するために用いられた基板の情報、例えば、誘電率、透磁率、周波数、および転送基板１００の長さによって位相遅延を受ける。このような原理を利用して信号ライン１０４の上下部に上下部空気空隙１０８ａ、１０８ｂ を挿入することによって、効果誘電率の減少を誘導して位相遅延を生じさせる。

図５は、図４の移相器において、上下部空気空隙１０８ａ、１０８ｂの長さを変えながら位相遅延をシュミレーションした結果を示している。

図５に示すように、上下部空気空隙１０８ａ、１０８ｂの長さを増加させるほど位相遅延が全帯域に亘ってＴＴＤ（True Time Delay）に発生して広域に適する特性を見せている。つまり、挿入された上下部空気空隙１０８ａ、１０８ｂの長さ変化に対する位相遅延は約７０度／ｍｍである。

上記のような構造において、上下部空気空隙１０８ａ、１０８ｂを転送基板１００上に挿入する事による特性インピーダンスの変化が生じられ、このような変化によって不整合が発生する。この不整合を緩和するべく、図６に示すように、上下部空気空隙１０８ａ、１０８ｂが始まる時点で信号ライン１０４の線幅を最適化する、つまり、大きくすることによって、概ね０．７ｄＢの反射損失の減少効果が得られる。

図７は、このような構造を持つ３０度位相遷移が可能なストリップラインの移相器のシミュレーション結果である。曲線Ａと曲線Ｂはそれぞれ基準線路とストリップラインの位相特性を示す。図７に示すように、基準線路の曲線Ａに比べ移相器の曲線Ｂにおいて約３０度の移相遅延が発生することが分かる。

図８は、図７の移相器に対する挿入損失を示すグラフである。図８に示すように、全帯域において−０．４ｄＢ未満の挿入損失を示している。また、基準線路よりも少ない挿入損失特性を示す周波数域が存在することが分かる。

図９は、本発明の各実施例で実現した移相器が適用されるミリ波域のビーム形成回路のブロック図である。

図９を参照すると、ビーム形成回路は、電力分配器１１０と、移相器１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ、１３０ｄを含む。 移相器１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ、１３０ｄは、アレイアンテナ１２０の前段に位置して電力分配器１１０から分配された信号の位相を調節した後、信号をアレイアンテナ１２０に誘起させる役割を果たす。ここで、アレイアンテナ１２０に誘起される信号の位相がビームの形成角度を決めるので、移相器１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ、１３０ｄは、ビーム形成回路において極めて重要な役割を果たす。

これまで、本発明の各実施例に限らせて説明して来たが、本発明の技術が当業者により容易に改変できることは明らかである。 これらのような変形例は、本発明の特許請求範囲に記載している技術思想に含まれるべきである。

Claims (11)

1. 基板と、
   前記基板上部の所定の位置に形成された信号ラインと、
   前記基板内に形成され、前記基板の効果誘電率を変化させ、前記信号ラインに誘起された信号の位相を遅延させる空気空隙とを含むことを特徴とする移相器。
2. 前記移相器は、
   前記基板の下部に形成され接地される第1金属膜と、
   前記信号ラインの両側に形成され接地される第２金属膜をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の移相器。
3. 前記空気空隙は、前記信号ラインと前記第1金属膜との間の前記基板内部に形成されることを特徴とする請求項２に記載の移相器。
4. 前記空気空隙と距離の近い領域内の前記信号ラインの線幅と、前記空気空隙と距離の遠い領域内の前記信号ラインの線幅とを異ならせることを特徴とする請求項３に記載の移相器。
5. 前記移相器は、
   前記基板の下部に形成され接地される金属膜をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の移相器。
6. 前記空気空隙は、前記信号ラインと前記金属膜との間の前記基板内部に形成されることを特徴とする請求項５に記載の移相器。
7. 前記空気空隙と距離の近い領域内の前記信号ラインの線幅と、前記空気空隙と距離の遠い領域内の前記信号ラインの線の幅とを異ならせることを特徴とする請求項６に記載の移相器。
8. 基板と、
   前記基板の上部に形成され接地される第1金属膜と、
   前記基板の下部に形成され接地される第２金属膜と、
   前記基板の内部に形成され、前記基板に誘起された信号が転送される信号ラインと、
   前記基板の内部に形成され、かつ、前記信号ラインの上下部に形成されて、前記信号ラインを介して転送される信号の位相を遅延させる上下部空気空隙とを含むことを特徴とする移相器。
9. 前記信号ラインは、前記上部空気空隙の内部に設けられることを特徴とする請求項８に記載の位相器。
10. 前記上部空気空隙内に設けられる前記信号ライン一部の線幅と、前記上部空気空隙内に設けられない残り一部の前記信号ラインの線幅とを異ならせることを特徴とする請求項８に記載の移相器。
11. 前記上部空気空隙内に設けられる前記信号ライン一部の線幅は、前記上下部空気空隙の幅より狭いと同時に、前記上部空気空隙内に設けられない残り一部の前記信号ラインの線幅よりは広く形成されることを特徴とする請求項８に記載の移相器。

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