JP2014121091A - マイクロストリップ−スロットライン遷移回路 - Google Patents

Abstract

【課題】２つの周波数バンドにおいて動作するマイクロストリップ−スロットライン遷移回路を提供する。
【解決手段】第１フィルタリング回路３２は、マイクロストリップライン３０の第１の部分と第１入出力ポートＰ１０との間に接続され、第１フィルタリング回路３２及び第１の部分は、第１周波数バンドの周波数を受け入れ且つ第２周波数バンドの周波数を拒絶するよう構成される。第２フィルタリング回路３３は、マイクロストリップライン３０の第２の部分と第２入出力ポートＰ２０との間に接続され、第２フィルタリング回路３２及び第２の部分は、第２周波数バンドの周波数を受け入れ且つ第１の周波数バンドの周波数を拒絶するよう構成される。スロットライン３１は、マイクロストリップラインとスロットラインとの間の結合区間で開回路のインピーダンスと略等しいインピーダンスを提供するようサイジングされる。
【選択図】図６

Description

本発明は、２つの異なる周波数バンドにおいて動作するマイクロストリップ−スロットライン遷移回路（microstrip-slotline transition circuit）に関する。本発明は、その応用を、ＩＥＥＥ−８０２．１１ａ／ｂ／ｇ／ｎ標準に従って動作するシステムのような、２つの周波数バンドにおいて同時に動作する無線システムの分野において見出す。上記の標準に従って、無線システムは、約２．４ＧＨｚの周波数バンドで且つ約５ＧＨｚの周波数バンドで動作することができる。

本発明は、従って、２つの周波数バンドにおいて動作するマイクロストリップ−スロットライン遷移回路であって、特に、無線周波数通信システムにおいてスロットアンテナに給電するために使用され得る遷移回路に関する。

ゲートウェイ又はデコーダに組み込まれる無線通信システムは、ますますマルチモード及びマルチスタンダードとなりつつある。それらは、少なくとも２つの異なる周波数バンドにおいて機能することができる。これは、従って、それらが、利用可能な周波数のスペクトルをより有効に使用し、且つ、容量及びロバスト性に対する必要性の増大を満足することを可能にする。それらのニーズを満たすよう、ＩＥＥＥ−８０２．１１ａ／ｂ／ｇ標準に基づく無線システムにおいて、有用な解決法は、同時に２つの無線バンドを使用することであり、第１には、データのみを送信するよう２．４ＧＨｚバンドで動作し、第２には、映像のみを送信するよう５ＧＨｚバンドで動作する。

両方の送信チャネルが単一のデバイスにおいて共存することを可能にするよう、両方の周波数バンドは、通常要求されるように、ＲＦフロントエンド回路において約４０ｄＢだけ隔てられるべきである。必要とされる分離を提供するための最も一般的な解決法は、図１における解決法Ａ、Ｂ及びＣによって示される。

図解的に、解決法Ａは、比較的狭いバンドにおいて放射する２つのアンテナ（アンテナ＃１及びアンテナ＃２）を用いることから成る。それらのアンテナは、最大の分離を可能にするよう装置の回路基板上で物理的に離され得る。夫々のアンテナは、ポートＦ１及びＦ２で、フィルタ１又は２を介して特定の処理回路へ接続される。フィルタ１及び２は、夫々フィルタ１についてはローパスフィルタであり且つフィルタ２についてはハイパスフィルタであり、図示される実施形態では、２つのアンテナの間の分離を改善する。この解決法の主な欠点は、そのサイズであり、複数のアンテナを必要とするデュアルバンドＭＩＭＯシステムに受け入れられない。

解決法Ｂは、符号Ａ３により参照される広帯域アンテナを示し、アンテナＡ３は、２つのバンドを分離してそれらを入出力ポートＦ１及びＦ２を手段として処理回路へ送信するために使用されるダイプレクサ３へ、単一の伝送線路によって接続される。この解決法は、解決法Ａと比べて扱いやすい。しかし、広帯域アンテナの設計はより難しく、４０ｄＢ分離はフィルタにより得られる。これは、解決法Ａにおけるフィルタと比べて達成するにはより複雑である。

解決法Ｃでは、広帯域アンテナＡ４も使用されるが、この場合には、アンテナは２つのアクセスラインによってダイプレクサ４へ接続される。２つのアクセス端子Ｆ１及びＦ２で、約１５乃至２０ｄＢの分離が得られ、これは、フィルタリングに対する制約を軽減する。

既知の方法において、広帯域アンテナは、ＴＳＡアンテナ（Tapered Slot Antenna）またはビバルディ（Vivaldi）アンテナのようなスロットアンテナを用いることによって、実現され得る。図２及び図３で示されるように、ビバルディアンテナは、基板の端に向かって広がった端部を有するスロット１０がエッチングされている金属層によって形成される接地面を備えた基板Ｓにおいて実現される。このスロット１０は、接地面から所定の距離にある基板上のマイクロストリップライン１１によって給電され得る。このマイクロストリップライン１１は、図２に示されるように、入出力ポートＰ１から延在し、スロット１０と略直角にスロット１０と交差する。この場合に、ビバルディアンテナは、クノール遷移（Knorr transition）として知られる、マイクロストリップ／スロットライン遷移回路に沿った電磁結合によって給電される。上記の解決法Ｃを達成するよう、図３に示されるように、２つの異なる結合区間へとビバルディアンテナを延長するスロットラインを横断する２つのマイクロストリップライン１２、１３により、ビバルディタイプのスロットアンテナ１０に給電することが可能である。図３に示されるもののようなスロットアンテナは、国際公開第０６／１０８５６７号（特許文献１）の下で公開されている特許出願において記載されている。２つの入出力ポートＰ′１及びＰ′２の間の適切な分離と、結合区間での正規化されたインピーダンスとを得て、ビバルディアンテナが２つのバンドにおいて動作することを可能にするよう、マイクロストリップライン１２、１３と結合区間と間の具体的な大きさは、上記の特許文献１において記載されるように、留意されるべきである。

上記の解決法は、幾つかの欠点を有する。図２を参照して記載される従来のマイクロストリップ−スロットライン遷移をダイプレクサによりカスケード接続することを伴う解決法Ｂは、挿入損失、すなわち、クノール遷移による挿入損失及びダイプレクサと共有される接合による挿入損失、の増大を引き起こす。

解決法Ｃに関して、それは、周波数バンド幅及びバンド間距離を制限する複数の４分の１波長及び半波長の線路の使用に基づくために、改善するには複雑である。

国際公開第０６／１０８５６７号

よって、本発明は、特に、可能な限り多くの挿入損失を制限する簡単な構造において広帯域アンテナが２つの別個の周波数バンドで動作することを可能にする、２つの周波数バンドにおいて動作するマイクロストリップ−スロットライン遷移回路を提案することを目的とする。

本発明の他の目的は、低コスト技術において達成可能なマイクロストリップ−スロットライン遷移回路を提案することである。

よって、本発明は、２つの周波数バンドにおいて動作するマイクロストリップ−スロットライン遷移回路であって、
接地面を設けられた基板と、
第１の入出力ポートと第２の入出力ポートとの間で前記接地面からの決定された距離にある前記基板上のマイクロストリップラインと、
遷移回路結合区間と呼ばれる区間において前記マイクロストリップラインを横断する前記接地面内のスロットラインと
を有し、
前記マイクロストリップラインは、前記第１の入出力ポートと前記結合区間との間で第１の周波数バンドからの信号を送信する第１マイクロストリップライン部分と、前記第２の入出力ポートと前記結合区間との間で第２の周波数バンドからの信号を送信する第２マイクロストリップライン部分とを有し、
前記スロットラインは、前記結合区間と第３の入出力ポートとの間で前記信号を送信する第１スロットライン部分と、前記結合区間を越えて当該スロットラインを延長する第２スロットライン部分とを有する、マイクロストリップ−スロットライン遷移回路において、
第１のフィルタリング回路が前記第１マイクロストリップライン部分と前記第１の入出力ポートとの間に接続され、前記第１のフィルタリング回路及び前記第１マイクロストリップライン部分は、前記第１の周波数バンドの周波数を受け入れ且つ前記第２の周波数バンドの周波数を拒絶するよう構成され、
第２のフィルタリング回路が前記第２マイクロストリップライン部分と前記第２の入出力ポートとの間に接続され、前記第２のフィルタリング回路及び前記第２マイクロストリップライン部分は、前記第２の周波数バンドの周波数を受け入れ且つ前記第１の周波数バンドの周波数を拒絶するよう構成され、
前記第２スロットライン部分は、前記第１の周波数バンド及び前記第２の周波数バンドをカバーする周波数バンドにおいて前記結合区間における開回路のインピーダンスと略等しいインピーダンスを提供する、
ことを特徴するマイクロストリップ−スロットライン遷移回路に関する。

本発明の一実施形態に従って、前記第１のフィルタリング回路及び前記第１マイクロストリップライン部分は、前記結合区間における前記マイクロストリップラインにおいて、前記第１の周波数バンドについて前記第２スロットライン部分によって提供されるインピーダンスと略等しいインピーダンスを、及び前記第２の周波数バンドについて短絡回路インピーダンスと略等しいインピーダンスを提供するよう構成され、前記第２のフィルタリング回路及び前記第２マイクロストリップライン部分は、前記結合区間における前記マイクロストリップラインにおいて、前記第２の周波数バンドについて前記第２スロットライン部分によって提供されるインピーダンスと略等しいインピーダンスを、及び前記第１の周波数バンドについて短絡回路インピーダンスと略等しいインピーダンスを提供するよう構成される。

望ましくは、前記第１のフィルタリング回路はローパスフィルタであり、前記第２のフィルタリング回路はハイパスフィルタであり、あるいは、その逆である。

他の実施形態に従って、前記第１のフィルタリング回路及び前記第２のフィルタリング回路は、カットオフ周波数が前記第１の周波数バンド及び前記第２の周波数バンドに夫々対応するバンドパスフィルタ又はバンドストップフィルタである。前記第１の周波数バンド及び前記第２の周波数バンドは、ＩＥＥＥ８０２．１１ａ／ｂ／ｇ／ｎ標準に適応したマルチスタンダード・マルチモード端末において使用可能であるように、約２．４ＧＨｚの周波数バンド及び約５ＧＨｚの周波数バンドに夫々対応する。

本発明の他の特徴及び利点は、異なる実施形態の記載を読むことで明らかであろう。この記載は、添付の図面を参照して明確に理解される。

本発明の実施形態によれば、可能な限り多くの挿入損失を制限する簡単な構造において広帯域アンテナが２つの別個の周波数バンドで動作することを可能にする、２つの周波数バンドにおいて動作するマイクロストリップ−スロットライン遷移回路を提供することが可能となる。

マルチスタンダード・マルチモード端末におけるアンテナアーキテクチャのための３つの可能な解決法のブロック図を示す。 クノール原理に従うマイクロストリップ−スロットライン遷移によって給電されるビバルディタイプの広帯域アンテナの上面図である。 クノール原理に従うマイクロストリップ−スロットライン遷移を夫々用いる２つのアクセスを備えたビバルディタイプのスロットアンテナの上面図である。 クノール原理に従うマイクロストリップ−スロットライン遷移の平面図及び断面図を図解的に示す。 図４の回路のシミュレーションされた伝送応答Ｓ（２．１）を表すチャートである。 本発明に従うマイクロストリップ−スロットライン遷移回路の実施形態の概略図である。 ローパスフィルタの概略図、該ローパスフィルタのシミュレーションされた伝送及び戻り応答を表すチャート、並びにそのスミスチャートである。 ハイパスフィルタの概略図、該ハイパスフィルタのシミュレーションされた伝送及び戻り応答を表すチャート、並びにそのスミスチャートである。 図６の回路のシミュレーションされた伝送及び戻り応答を表すチャートを示す。

記載は、最初に、従来のクノールタイプのマイクロストリップ−スロットライン遷移回路について、図４及び図５を参照して与えられる。図４を参照すると、遷移回路は、接地面を設けられた基板Ｓにおいて実現される。それは、マイクロストリップライン２０と、接地面にエッチングされているスロットライン２１とを含む。マイクロストリップライン２０は、図４の断面図から分かるように、接地面から所定距離を有する。マイクロストリップライン２０は、入出力ポートＰ１によって第１の端部２０ａで、及び開回路ＯＣによって第２の端部２０ｂで、終端する。スロットライン２１は、短絡回路ＣＣによって第１の端部２１ａで、及び入出力ポートＰ１によって第２の端部２１ｂで、終端する。ポートＰ１は伝送システムへ接続され、ポートＰ２はスロットアンテナへ接続される。図４で示されるように、マイクロストリップライン２０はスロットライン２１と略直角に延在し、２つのラインは、遷移回路の結合区間Ｚと呼ばれる領域において交差する。前記結合区間は、従って、２つのラインの交差部でスロットラインの部分を覆うマイクロストリップラインの部分によって構成される。従って、ポートＰ１からポートＰ２へのエネルギの伝達は、結合区間に配置されるマイクロストリップライン及びスロットラインの各部分の電磁結合によって行われる。

マイクロストリップライン２０とスロットライン２１との間で最適な電磁結合条件を得るよう、結合区間とマイクロストリップラインの端部２０ｂとの間のマイクロストリップラインの部分Ｌ２は、遷移区間Ｚにおいて短絡回路を提供すべきであり、一方、スロットラインの端部２１ａと結合区間との間のスロットラインの部分Ｌ１は、遷移区間Ｚにおいて開回路を提供すべきである。このために、部分Ｌ２の長さは、λｍ／４と略等しくなければならず、ここで、λｍは、遷移回路の動作周波数に関連するマイクロストリップラインにおける導波長であり、一方、部分Ｌ１の長さは、λｆ／４と略等しくなければならず、ここで、λｆは、遷移回路の動作周波数に関連するスロットラインにおける導波長である。最後に、ポートＰ１又はＰ２と遷移区間との間のライン部分は、夫々、ポートＰ１及びＰ２にポートＰ１及びＰ２のインピーダンスに近いインピーダンス、すなわち、一般的に、ポートＰ１については５０オーム及びポートＰ２については約８０〜１００オームのインピーダンスを提供する関数を有する。

図４で示される遷移回路は、基板材料ＦＲ４が１．４ｍｍの厚さを有する基板を基板として用いてシミュレーションされた。このような伝送は、約５ＧＨｚのＷｉＦｉバンドにおいて動作するようシミュレーションされた。図４における遷移からの伝送応答を示す図５において得られた結果は、約６ＧＨｚの極めて広いバンド幅を示す。

図６において、図は、本発明の一実施形態に従うデュアルバンドのマイクロストリップ−スロットライン遷移回路について示されている。本発明に従って、２つの周波数バンドにおいて動作するマイクロストリップ−スロットライン遷移回路は、各端部が遷移面においてフィルタリング回路へ接続されるマイクロストリップラインを有し、各フィルタリング回路は周波数バンドを受け入れるが他のフィルタの周波数バンドを拒絶し、一方、全てのフィルタリング回路はクノール原理に従う結合条件を満足する。よって、図６で示されるように、マイクロストリップライン３０は、第１の端部３０ｂ及び第２の端部３０ａを有して示されており、このライン３０は、図４で示される遷移の場合と同様に、接地面を備えた基板の上で実現される。マイクロストリップライン３０は、基板の接地面内で実現されるスロットライン３１から決定された距離で配置される。スロットライン３１は、短絡された端部３１ａと、ビバルディアンテナ（図示せず。）のようなスロットアンテナに給電するよう入出力ポートＰ３０へ接続された他の端部３１ｂとを有する。マイクロストリップライン３０とスロットライン３１との間の結合は、図４を参照して記載された態様で結合区間において実現される。図６で示されるように、マイクロストリップライン３０の端部３０ａは、第１のフィルタ３２によって入出力ポートＰ１０へ接続され、一方、マイクロストリップライン３０の他の端部３０ｂは、第２のフィルタ３３を介して第２の入出力ポートＰ２０へ接続される。図６で示されるように、フィルタ３２は、ローパス応答を有するフィルタであり、フィルタ３３は、ハイパス応答を有するフィルタである。２つのフィルタ３２及び３３は、実際には、ダイプレクサを形成する。他方で、スロットライン３１の短絡された端部３１ａは、スロットライン３１とマイクロストリップライン３０との間の結合区間から距離Ｌ′１に位置付けられる。よって、図６で示される構造は、マイクロストリップ−スロットライン遷移を介してテイパード・スロット又はビバルディタイプのスロットアンテナに直接給電する中継線を有するダイプレクサを形成する。しかし、この遷移がクノールタイプの結合の条件を完全に満たすためには、信号が一方のポートから他方のポートへ、すなわち、ポートＰ１０からポートＰ３０へ、又はポートＰ２０からポートＰ３０へ、同時に送信される場合に挿入損失が最低限であるように、次の条件が満足されなければならない：
フィルタ３２は、接合Ａで、フィルタ３３のバンド幅において短絡回路を有さなければならない。

反対に、フィルタ３３は、接合Ｂで、フィルタ３２のバンド幅において短絡回路を有さなければならない。

最後に、短絡回路スロットラインは、フィルタ３２及び３３の両方の周波数バンドをカバーする周波数バンドにおいて接合で開回路を有さなければならない。

これは、全体の周波数バンドの特定の周波数で長さλｆ／４と等しくなるようにスロットライン３１の長さＬ′１を調整することによって、得られる。

複数のシミュレーションが、アジレント／ＡＤＳシミュレーションソフトウェアにより実行されている。

よって、図７において、ローパスフィルタ、すなわち、ＡＤＳモデルに従うローパス楕円フィルタが示され、このフィルタは、２．４ＧＨｚ周波数バンドを受け入れるが、３０ｄＢよりも大きい５ＧＨｚの周波数バンドを拒絶する。シミュレーションの間、伝送線路が加えられ、その長さは、５ＧＨｚバンドにおいて必要とされる短絡回路を得るために調整された。結果は、図７の右に示されたスミスチャートにおいて与えられる。中央の図は、周波数に基づき、楕円フィルタのローパス動作を実証する伝送及び反射曲線を示す。

図８において、ハイパス楕円フィルタがＡＤＳモデルに従って示されており、このフィルタは、５ＧＨｚ周波数バンドを受け入れるが、３０ｄＢよりも大きい２．４ＧＨｚ周波数バンドを拒絶する。この場合に、前述同様に、スミスチャートからの応答は、フィルタが２．４ＧＨｚバンドにおいて短絡されることを示し、中央の図は、周波数に基づき、ハイパスフィルタの動作を実証する伝送曲線及び反射曲線を提供する。

シミュレーションはまた、図７で示されるように、マイクロストリップ−スロットライン遷移回路に関して実行されている。この場合に、短絡スロットラインの長さＬ１はλｆ／４であり、ここで、λｆは、約４．５ＧＨｚの周波数での波長である。スロットアンテナの給電ポートである入出力ポートＰ３０でのインピーダンスは９０オームであり、一方、入出力ポートＰ１０及びＰ２０でのインピーダンスは５０オームである。図９において、マイクロストリップ−スロットライン遷移からのシミュレーションされた応答が示されており、次の２つの経路、すなわち、入出力ポートＰ１０から入出力ポートＰ３０へ至る経路及び入出力ポートＰ２０から入出力ポートＰ３０へ至る経路を含む。バンド幅の夫々における挿入損失は著しく低く、各入力ポートでのインピーダンスは、両方のＷｉＦｉバンド、すなわち、２．４ＧＨｚバンド及び５ＧＨｚバンドにおける１５ｄＢよりも少ない低反射損失を有して所与のインピーダンスと整合する点に留意されたい。更に、夫々の相補的なバンドは、少なくとも４０ｄＢの減衰を有する。

他の実施形態に従って、ローパスフィルタ及びハイパスフィルタは、第１の周波数バンド及び第２の周波数バンドに夫々対応するカットオフ周波数を有するバンドパスフィルタ、又はバンドストップフィルタによって置換され得る。

よって、２つの別個の周波数バンドにおいて動作するマイクロストリップ−スロットライン遷移回路は、幾つかの利点を有する。この遷移回路は、実現するのが容易且つ単純である。それはよりコンパクトであり、結果として得られるサイズは主としてフィルタのサイズに依存する。バンド幅及び分離に関して２つの周波数バンドの特性に起因する制約は、少ない。制限は主に、クノールタイプの遷移バンド幅に由来する。挿入損失は、ダイプレクサの共通接合点からのアンテナの直接給電により、極めて低い。

３０ マイクロストリップライン
３１ スロットライン
３２ 第１のフィルタ
３３ 第２のフィルタ
Ｐ１０ 入出力ポート
Ｐ２０ 第２の入出力ポート
Ｐ３０ 入出力ポート（給電ポート）

Claims (7)

1. ２つの周波数バンドにおいて動作するマイクロストリップ−スロットライン遷移回路であって、
   接地面を設けられた基板と、
   第１の入出力ポートと第２の入出力ポートとの間で前記接地面からの決定された距離にある前記基板上のマイクロストリップラインと、
   遷移回路結合区間と呼ばれる区間において前記マイクロストリップラインを横断する前記接地面内のスロットラインと
   を有し、
   前記マイクロストリップラインは、前記第１の入出力ポートと前記結合区間との間で第１の周波数バンドからの信号を送信する第１マイクロストリップライン部分と、前記第２の入出力ポートと前記結合区間との間で第２の周波数バンドからの信号を送信する第２マイクロストリップライン部分とを有し、
   前記スロットラインは、前記結合区間と第３の入出力ポートとの間で前記信号を送信する第１スロットライン部分と、前記結合区間を越えて当該スロットラインを延長する第２スロットライン部分とを有する、マイクロストリップ−スロットライン遷移回路において、
   第１のフィルタリング回路が前記第１マイクロストリップライン部分と前記第１の入出力ポートとの間に接続され、前記第１のフィルタリング回路及び前記第１マイクロストリップライン部分は、前記第１の周波数バンドの周波数を受け入れ且つ前記第２の周波数バンドの周波数を拒絶するよう構成され、
   第２のフィルタリング回路が前記第２マイクロストリップライン部分と前記第２の入出力ポートとの間に接続され、前記第２のフィルタリング回路及び前記第２マイクロストリップライン部分は、前記第２の周波数バンドの周波数を受け入れ且つ前記第１の周波数バンドの周波数を拒絶するよう構成され、
   前記第２スロットライン部分は、前記第１の周波数バンド及び前記第２の周波数バンドをカバーする周波数バンドにおいて前記結合区間における開回路のインピーダンスと略等しいインピーダンスを提供する、
   ことを特徴するマイクロストリップ−スロットライン遷移回路。
2. 前記第１のフィルタリング回路及び前記第１マイクロストリップライン部分は、前記結合区間における前記マイクロストリップラインにおいて、前記第１の周波数バンドについて前記第２スロットライン部分によって提供されるインピーダンスと略等しいインピーダンスを、及び前記第２の周波数バンドについて短絡回路インピーダンスと略等しいインピーダンスを提供するよう構成される、
   ことを特徴とする請求項１に記載のマイクロストリップ−スロットライン遷移回路。
3. 前記第２のフィルタリング回路及び前記第２マイクロストリップライン部分は、前記結合区間における前記マイクロストリップラインにおいて、前記第２の周波数バンドについて前記第２スロットライン部分によって提供されるインピーダンスと略等しいインピーダンスを、及び前記第１の周波数バンドについて短絡回路インピーダンスと略等しいインピーダンスを提供するよう構成される、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロストリップ−スロットライン遷移回路。
4. 前記第１のフィルタリング回路はローパスフィルタであり、前記第２のフィルタリング回路はハイパスフィルタである、
   ことを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一項に記載のマイクロストリップ−スロットライン遷移回路。
5. 前記第１のフィルタリング回路はハイパスフィルタであり、前記第２のフィルタリング回路はローパスフィルタである、
   ことを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一項に記載のマイクロストリップ−スロットライン遷移回路。
6. 前記第１のフィルタリング回路及び前記第２のフィルタリング回路は、カットオフ周波数が前記第１の周波数バンド及び前記第２の周波数バンドに夫々対応するバンドパスフィルタ又はバンドストップフィルタである、
   ことを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一項に記載のマイクロストリップ−スロットライン遷移回路。
7. 前記第１の周波数バンド及び前記第２の周波数バンドは、約２．４ＧＨｚの周波数バンド及び約５ＧＨｚの周波数バンドに夫々対応する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のマイクロストリップ−スロットライン遷移回路。

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