JP2011205343A

JP2011205343A - 移相器

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Publication number: JP2011205343A
Application number: JP2010069908A
Authority: JP
Inventors: Masataka Yasukawa; 昌孝安川
Original assignee: Furuno Electric Co Ltd
Current assignee: Furuno Electric Co Ltd
Priority date: 2010-03-25
Filing date: 2010-03-25
Publication date: 2011-10-13
Anticipated expiration: 2030-03-25
Also published as: JP5518539B2

Abstract

【課題】スタブ間隔が１／４波長未満であってもインピーダンス整合を取ることができる移相器を提供する。
【解決手段】主線路１１には、線路幅が異なる箇所（整合線路）が２箇所設けられている。移相器１は、これら整合線路部１２Ａおよび整合線路部１２Ｂに、それぞれスタブ１３Ａおよびスタブ１３Ｂが接続されている。整合線路部１２Ａは誘導性であり、接続されているスタブ１３Ａが容量性であるため、主線路部１１Ａ側から見て整合線路部１２Ａのスタブ接続箇所まで、十分にインピーダンス整合が取れていることになる。同様に、整合線路部１２Ｂは誘導性であり、接続されているスタブ１３Ｂが容量性であるため、主線路部１１Ｃ側から見て整合線路部１２Ｂのスタブ接続箇所まで、整合線路部１２Ｂは十分にインピーダンス整合が取れていることになる。
【選択図】図３

Description

この発明は、高周波信号の位相を変化させる移相器に関する。

一般的な移相器としては、ローデッドライン型移相器が知られている（特許文献１を参照）。

図１は、一般的なローデッドライン型移相器の構成を示す図である。ローデッドライン型移相器は、主線路５１の両端に入力端子５２、出力端子５３が接続されており、主線路５１には、１／４波長（０．２５λｇ：λｇは基板上の波長）の間隔でスタブ５４Ａおよびスタブ５４Ｂの一端が接続されている。スタブ５４Ａおよびスタブ５４Ｂの他端は、それぞれスイッチ５５Ａおよびスイッチ５５Ｂを介して接地されている。

ローデッドライン型移相器は、スイッチ５５Ａおよびスイッチ５５Ｂを同時にオン、オフすることでオープンスタブとショートスタブを切り替え、伝送する高周波信号の位相を変化させる。

特開２００３−６９３０５号公報

従来のローデッドライン型移相器は、各スタブの反射成分を打ち消し合うために、１／４波長のスタブ間隔が必要であった。

そこで、この発明は、スタブ間隔が１／４波長未満であってもインピーダンス整合を取ることができる移相器を提供することを目的とする。

本発明の移相器は、主線路幅を有する複数の主線路部と、該複数の主線路部間に接続された第１整合線路幅の第１整合線路部と、前記第１整合線路と異なる箇所で前記複数の主線路部間に接続された第２整合線路幅の第２整合線路部と、を含む主線路と、前記第１整合線路部に接続された第１のスタブと、前記第２整合線路部に接続された第２のスタブと、を備えた移相器である。そして、主線路幅は、前記第１線路幅および前記第２線路幅それぞれと異なることを特徴とする。

つまり、主線路にインピーダンスの異なる箇所（整合線路部）を設けることで、移相器全体としてインピーダンス整合を取るものである。例えば、各スタブが容量性である場合、整合線路部の幅を主線路部の幅より細くして誘導性とし、各スタブ単体でインピーダンス整合が取れる構成とする。したがって、スタブ間隔が０．２５λｇでなくとも移相器全体として十分にインピーダンス整合を取ることができる。この場合、スタブ間の線路長を短くすることができる（整合線路部を誘導性としたことで、スタブ間の伝送線路は誘導性となるため、その誘導成分を打ち消す分だけスタブ間の線路長を短くすると整合が取れると考えられる）。なお、スタブが誘導性である場合は、逆に整合線路部の幅を太くして整合線路部を容量性とすれば、同じく移相器全体としてインピーダンス整合を取りながらスタブ間隔を短くすることができる。

具体的には、０．１５λｇ程度のスタブ間隔でＣバンド（５．８ＧＨｚ）の信号の反射を十分に抑えることができる。例えば、従来は０．２５λｇ（７．５ｍｍ）程度のスタブ間隔が必要であったものが０．１５λｇ（４．５ｍｍ）程度のスタブ間隔でもインピーダンス整合を取ることができ、従来よりも大幅に移相器を小型化することができる。Ｌバンド等、より周波数が低い場合は、さらに顕著に小型化することができる。また、例えば、フェーズドアレイアンテナでは、放射電磁波の１／２波長程度の間隔でアンテナ素子が配列されることもあり、この配列間隔内に移相器や各種制御線を配置しなければならないため、スタブ間隔を０．２５λｇ未満とする効果は大きい。

さらに、各スタブは、互いに異なる長さの複数のスタブを含むスタブ群を含み、整合線路部と前記複数のスタブの間に配置され、前記複数のスタブのうち整合線路部に接続されるスタブを選択可能なスイッチを含む構成とすることで、長さの異なるスタブを複数選択的に整合線路部に接続することが可能となり、移相量を変化させることができる。これにより多ビットの移相器を実現することができる。従来は、多ビット化するためには、移相器を複数段接続する必要があったため、非常に大型化してしまう問題があったが、上記本発明の構成であれば、移相器全体として大型化せずに多ビット化を実現することができる。また、スタブの長さを微少に変化させることで、従来の様なオープンスタブとショートスタブの切り替えよりも微少な移相量を実現することができる。

この発明によれば、従来よりも小型化した移相器を実現することができる。

従来の移相器の構成を示す図である。本実施形態のフェーズドアレイレーダの構成を示す図である。本実施形態の移相器の構成を示す図である。Ｓ１１特性を示す図である。位相特性を示す図である。応用例に係る移相器の構成を示す図である。

図２は、本発明の実施形態に係る移相器を備えたレーダ装置の構成図である。本実施形態では、レーダ装置として、複数のアンテナ素子２を配列したフェーズドアレイレーダについて説明する。

移相器１は、それぞれアンテナ素子２と給電ポート３（送信側マグネトロンや受信側信号処理部に接続される。）の間に接続されており、伝送する高周波信号の位相を変化させる。各アンテナ素子２は、例えばパッチアンテナからなる。なお、図２においては、４つの移相器およびアンテナ素子を示しているが、実際にはさらに多数の移相器およびアンテナ素子が１次元または２次元配列されている。

図３（Ａ）は、移相器１の配線パターンを示した平面図である。移相器１は、基板上に主線路（５０Ωライン）１１が形成され、マイクロストリップラインを構成している。

主線路１１には、線路幅が異なる箇所（整合線路）が２箇所設けられている。移相器１は、これら整合線路１２Ａおよび整合線路１２Ｂに、それぞれスタブ１３Ａおよびスタブ１３Ｂが接続（装荷）されている。なお、同図（Ａ）に示す配線パターンでは、スイッチ等の実装スペースを確保するために、各スタブが紙面上で上下逆向き（整合線路を軸として、信号伝送方向に直交する方向に対称）に接続されているが、同じ向きに接続されていても電気的特性は変わらない。

このような配線パターンを有する移相器１の電気的特性について、同図（Ｂ）の回路図を参照して説明する。同図（Ｂ）の回路図に示すように、主線路１１は、入力ポート１８に接続され、当該入力ポート１８に接続される主線路部１１Ａから順に、整合線路部１２Ａ、主線路部１１Ｃ、整合線路部１２Ｂ、主線路部１１Ｂと直列につながる伝送線路とみなされる。主線路部１１Ｂは、出力ポート１９に接続される。整合線路部１２Ａには、長さＬのスタブ１３Ａが接続され、整合線路部１２Ｂには、長さＬのスタブ１３Ｂが接続される。

主線路部１１Ａ、主線路部１１Ｂ、および主線路部１１Ｃは、全て整合が取れたインピーダンス（例えば５０Ω）を有する線路である。

整合線路部１２Ａおよび整合線路部１２Ｂは、各主線路部（主線路部１１Ａ、主線路部１１Ｂ、および主線路部１１Ｃ）よりも線路幅が細くなっており、各整合線路単体で見た場合、誘導性となる。

スタブ１３Ａおよびスタブ１３Ｂは、オープンスタブであり、それぞれのスタブ長Ｌは、０．２５λｇ未満である（λｇは、基板上の波長）。したがって、各スタブ単体で見た場合、容量性である。

つまり、整合線路部１２Ａは誘導性であり、接続されているスタブ１３Ａが容量性であるため、主線路部１１Ａ側から見て整合線路部１２Ａのスタブ接続箇所まで、十分にインピーダンス整合が取れていることになる（整合線路部１２Ａの線路幅と長さを調整し、主線路の５０Ωに近い値に調整するものとする）。同様に、整合線路部１２Ｂは誘導性であり、接続されているスタブ１３Ｂが容量性であるため、主線路部１１Ｃ側から見て整合線路部１２Ｂのスタブ接続箇所まで、整合線路部１２Ｂは十分にインピーダンス整合が取れていることになる。よって、各スタブが接続される箇所における反射成分は考慮する必要なく、スタブ間隔Ｄが０．２５λｇでなくともインピーダンス整合を取ることが可能となり、スタブ間隔Ｄを０．２５λｇ未満とすることができる。整合線路部１２Ａのスタブ接続箇所から整合線路部１２Ｂのスタブ接続箇所までは伝送線路として誘導性となるため、その誘導成分を打ち消す分だけ線路長を短くする（０．２５λｇ未満とする）と、インピーダンス整合を取ることができると考えられる。

図４を参照して、上記移相器１の構成において、スタブ間隔Ｄを変更したときの反射特性を説明する。同図に示すグラフの横軸は周波数（ＧＨｚ）を表し、縦軸はレベル（ｄＢ）を表す。同図においては、Ｃバンド（５．８ＧＨｚ）の信号を伝送する場合において、スタブ間隔Ｄを３．５ｍｍから８．０ｍｍまで変更したときの移相器１のＳ１１特性を示している。

同図に示すように、５．８ＧＨｚの信号を伝送する場合、スタブ間隔Ｄ＝４．５ｍｍ（≒０．１５λｇ）で反射レベルは−５０ｄＢ程度となり、十分に整合が取れていることがわかる。スタブ間隔Ｄ＝４．０ｍｍにおいても、反射レベルは−４０ｄＢ未満であり、十分に整合が取れていると言える。

以上のように、本実施形態の移相器は、従来の０．２５λｇのスタブ間隔（Ｄ＝７．５ｍｍ程度）に比べ、０．１５λｇ（４ｍｍ）程度のスタブ間隔でもインピーダンス整合を取ることができ、従来よりも大幅に移相器を小型化することができる。また、Ｌバンド等のさらに低い周波数では、より顕著に小型化することができる。

特に、本実施形態で示すようなフェーズドアレイレーダでは、所望の指向性を実現するために、各アンテナ素子を０．５λ（λ：放射電磁波の波長）程度の間隔で配列することがある。この０．５λの配列間隔内に移相器や各種制御線を配置しなければならないため、スタブ間隔を０．２５λｇから０．１５λｇに短縮できる効果は大きい。

上記の移相器１の移相量は、スタブ長Ｌを変更することで制御することができる。図５に示す位相特性を参照して、スタブ長Ｌと移相量の関係について説明する。同図に示すグラフの横軸は、周波数（ＧＨｚ）を表し、縦軸は位相（ｄｅｇ）を表す。同図においては、５．８ＧＨｚの信号を伝送する場合において、スタブ長Ｌを１．０ｍｍから５．５ｍｍまで変更したときの移相器１の位相特性を示している（スタブ間隔Ｄは、４．５ｍｍに固定している）。

同図に示すように、５．８ＧＨｚの信号を伝送する場合、スタブ長Ｌ＝１．０での位相は約１６８ｄｅｇ、スタブ長Ｌ＝５．５での位相は約１００ｄｅｇとなっており、スタブ長Ｌを変更すれば、移相器として最大で約６８ｄｅｇ程度の位相変化量を与えることが可能である。また、スタブ長を微少に変更すれば、微少な位相変化量を実現することも可能である。

なお、上述の実施形態では、整合線路を誘導性とし、容量性のスタブが接続される例を示したが、逆に整合線路が容量性で、誘導性のスタブが接続される場合であっても、本発明の移相器を実現することができる。例えば、０．２５λｇ＜Ｌ＜０．５λｇのオープンスタブを接続する場合、整合線路の幅を主線路よりも太くして、容量性の伝送線路とする。この場合においても、各スタブ単体で見て、十分にインピーダンス整合が取れていることになる。よって、各スタブが接続される箇所における反射成分は考慮する必要なく、スタブ間隔Ｄが０．２５λｇでなくともインピーダンス整合を取ることが可能となる。また、スタブ間は伝送線路として容量性となるため、その容量成分を打ち消す分だけ線路長を短くし、スタブ間隔を０．２５λｇ未満とすることができると考えられる。

なお、オープンスタブの場合、０＜Ｌ＜０．２５λｇの場合に容量性となり、０．２５λｇ＜Ｌ＜０．５λｇの場合に誘導性となり、以後、０．２５λｇ分長くなる毎に容量性と誘導性が入れ替わるが、ショートスタブの場合、逆に０＜Ｌ＜０．２５λｇの場合に誘導性となり、０．２５λｇ＜Ｌ＜０．５λｇの場合に容量性となり、以後、０．２５λｇ分長くなる毎に誘導性と容量性が入れ替わる。移相器としては、それぞれ、接続するスタブの特性に応じて整合線路の幅を調整して誘導性と容量性を適宜選択すればよい。

次に、図６の回路図を参照して、本実施形態の移相器の応用例について説明する。なお、図３（Ｂ）に示した移相器１の回路図と共通する構成については、共通の符号を付し、その説明を省略する。

図６に示す移相器は、長さの異なる複数のスタブ（スタブ１３１Ａ、スタブ１３２Ａ、スタブ１３３Ａ、およびスタブ１３４Ａ）からなるスタブ群がスイッチ（ＳＷ）１５Ａを介して整合線路部１２Ａに接続されている。同様に、長さの異なる複数のスタブ（スタブ１３１Ｂ、スタブ１３２Ｂ、スタブ１３３Ｂ、およびスタブ１３４Ｂ）からなるスタブ群がスイッチ（ＳＷ）１５Ｂを介して整合線路部１２Ｂに接続されている。

スイッチ１５Ａおよびスイッチ１５Ｂは、それぞれ単極複投のスイッチであり、同図においては、４つのスタブが接続されるため、単極４投のスイッチを用いる。スイッチ１５Ａは、接続するスタブを選択的に切り替えることで、整合線路部１２Ａに装荷するスタブ長Ｌを切り替えることができる。同様に、スイッチ１５Ｂも、接続するスタブを選択的に切り替えることで、整合線路部１２Ｂに装荷するスタブ長Ｌを切り替えることができる。

図５で示したように、スタブ長Ｌを変化させると、移相量が変化するため、スイッチ１５Ａおよびスイッチ１５Ｂを用い、接続するスタブのスタブ長を切り替えることで、移相量を４段階に切り替えることができる。すなわち、多ビット化を実現することができる。従来の様なローデッドライン型移相器は、多ビット化するためには、同じ移相器を複数段接続する必要があったため、非常に大型化してしまう問題があったが、図６に示した応用例に係る構成であれば、移相器全体として大型化せずに多ビット化を実現することができる。また、スタブの長さを微少に変化させることで、従来の様なオープンスタブとショートスタブの切り替えよりも微少な移相量を実現することができる。

特に、フェーズドアレイレーダでは、上述のように、各アンテナ素子を０．５λ程度の間隔で配列する場合もあるため、従来の様なローデッドライン型移相器（スタブ間隔が０．２５λｇ）では、多ビット化を実現することがほぼ不可能であったが、図６に示した応用例に係る構成であれば、複数のスタブを配列するだけでよいため、アンテナ素子間隔が０．５λであるフェーズドアレイレーダであっても多ビット化を実現することができる。

また、図３（Ａ）に示したように、整合線路を軸として、信号伝送方向に直交する方向に対称にスタブを接続することで、上記スイッチおよびスイッチの制御線を実装しながらも、多数のスタブを接続することが可能となる。

なお、本実施形態においては、フェーズドアレイレーダの例を示したが、本発明としての移相器は、他の形式のレーダ装置に用いることも可能であるし、レーダ装置への適用に限るものではない。

１…移相器
１１…主線路
１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ…主線路部
１２Ａ，１２Ｂ…整合線路部
１３Ａ，１３Ｂ…スタブ
１８…入力ポート
１９…出力ポート
２…アンテナ素子
３…給電ポート

Claims

主線路幅を有する複数の主線路部と、該複数の主線路部間に接続された第１整合線路幅の第１整合線路部と、前記第１整合線路部と異なる箇所で前記複数の主線路部間に接続された第２整合線路幅の第２整合線路部と、を含む主線路と、
前記第１整合線路部に接続された第１のスタブと、
前記第２整合線路部に接続された第２のスタブと、
を備えた移相器であって、
前記主線路幅と前記第１整合線路幅、および前記主線路幅と前記第２整合線路幅がそれぞれ異なることを特徴とする移相器。
請求項１に記載の移相器において、
前記第１のスタブは、
互いに異なる長さの複数のスタブを含むスタブ群と、
前記第１整合線路部と前記複数のスタブの間に配置され、前記複数のスタブのうち前記第１整合線路部に接続されるスタブを選択可能なスイッチと、
を含むことを特徴とする移相器。
請求項２に記載の移相器において、
前記第２のスタブは、
互いに異なる長さの複数のスタブを含むスタブ群と、
前記第１整合線路部と前記複数のスタブの間に配置され、前記複数のスタブのうち前記第１整合線路部に接続されるスタブを選択可能なスイッチと、
を含むことを特徴とする移相器。
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の移相器において、
前記第１のスタブは、容量性のスタブを含み、前記第１線路幅が前記主線路より狭いことを特徴とする移相器。
請求項４に記載の移相器において、
前記第２のスタブは、容量性のスタブを含み、前記第２線路幅が前記主線路より狭いことを特徴とする移相器。
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の移相器において、
前記第１のスタブは、誘導性のスタブを含み、前記第１線路幅が前記主線路より広いことを特徴とする移相器。
請求項６に記載の移相器において、
前記第２のスタブは、誘導性のスタブを含み、前記第２線路幅が前記主線路より広いことを特徴とする移相器。
請求項４または請求項６に記載の移相器において、
前記第１のスタブは、前記第１整合線路部に接続される側とは反対側が接地されていないオープンスタブであることを特徴とする移相器。
請求項５または請求項７に記載の移相器において、
前記第２のスタブは、前記第２整合線路部に接続される側とは反対側が接地されていないオープンスタブであることを特徴とする移相器。
請求項４または請求項６に記載の移相器において、
前記第１のスタブは、前記第１整合線路部に接続される側とは反対側が接地されているショートスタブであることを特徴とする移相器。
請求項５または請求項７に記載の移相器において、
前記第２のスタブは、前記第２整合線路部に接続される側とは反対側が接地されているショートスタブであることを特徴とする移相器。
請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載の移相器において、
前記第１のスタブおよび第２のスタブは、それぞれ前記主線路に対して直交して配置されていることを特徴する移相器。
請求項１２に記載の移相器において、
前記第１のスタブおよび第２のスタブは、前記主線路に対して互いに反対側に配置されていることを特徴する移相器。
請求項１乃至請求項１３のいずれかに記載の移相器を複数備え、
前記移相器のそれぞれに接続される複数のアンテナ素子を有していることを特徴とするアレイアンテナ。
請求項１４に記載のアレイアンテナと、
前記アレイアンテナのアンテナ素子から放射された電磁波に基づき受信されたエコー信号を処理する信号処理部を備えたレーダ装置。