JP3641226B2

JP3641226B2 - 移相器

Info

Publication number: JP3641226B2
Application number: JP2001271085A
Authority: JP
Inventors: 尚田村; 敏和浦田; 宏之新井; 源泉
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 2001-09-06
Filing date: 2001-09-06
Publication date: 2005-04-20
Anticipated expiration: 2021-09-06
Also published as: JP2003087003A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波やミリ波帯の回路における移相器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロ波／ミリ波を用いた装置では、通常、マイクロストリップラインを用いて回路を構成されることが多い。良く知られているように、マイクロストリップラインは、波長との関係でその寸法形状を適宜に設定することにより、各種の回路素子を構成することができる。ところで、このマイクロストリップライン上で意図的に移相をコントロールする場合、線路長を長く構成するためにメアンダラインを用いる必要が出てくる。
【０００３】
ここで言う線路長は、物理的な長さと同時に電気長も意味し、線路長を長くする手段には、図１に示すように基板１の上に形成する線路を蛇行させて、メアンダライン２を構成し長さをかせぐ方法がある。さらには、このメアンダライン２の上に高誘電率の基板を設け、物理的な長さをさらに短縮する方法もある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の移相器では、以下に示す問題を有している。すなわち、メアンダライン２は、図示するように直線パータン要素２ａと曲線パータン要素２ｂが交互に連続した構成となり、直線パータン要素２ａは、複数本が平行に配置される。そして、係るパータン要素は、フォトリソグラフィ技術により形成される。従って、曲線パータン要素２ｂの部分での曲率や幅などが設計通りに形成できなかったりすると、伝播特性が劣化する。
【０００５】
また、メアンダライン２は、蛇行しているため、隣接する直線パータン要素２ａを流れる信号の方向は逆向きとなる。その結果、隣接する直線パータン要素２ａの長さや間隔によって信号が相殺されてしまうことがあり、その点でも伝播特性が悪化してしまう。
【０００６】
また、係る構成からなる移相器を、アレーアンテナの後段に設けたとすると、移相器とアレーアンテナはＤＣ的に接続されているので、サージ等の異常電流がかかった場合に、その異常電流が回路内に流れ込み、回路を破損させてしまうおそれもある。
【０００７】
更に、移相器における移相量は、パータンの寸法形状により一義的に決まってしまい、容易に変更することはできない。また、移相量を変えるためには、メアンダライン２、つまり移相器全体の寸法形状も変わってしまい、ひいては、その移相器を組み込む回路全体の大きさも変動を余儀なくされる。
【０００８】
本発明は、上記した背景に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、上記した問題を解決し、マイクロ波／ミリ波等の高周波用の回路において、移相量が変わっても全体の寸法形状に影響を与えることがなく、ＤＣ成分をカットすることができ、製造も容易に行うことのできる移相器を提供することにある。さにらは、移相量を変更させることが可能な移相器を提供することを他の目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するため、本発明に係る移相器は、マイクロ波或いはミリ波帯の回路に用いられる移相器である。そして、回路基板上に所定のギャップをおいて形成された一対の主線路（実施の形態では、「ストリップライン１１ａ，１１ｂ」に対応）の先端部の上方に、誘電体基板からなる寄生素子を配置して構成され、前記寄生素子の上面の一部に導体部（実施の形態では、「導体膜１６」に対応）を設け、前記導体部の両端は、それぞれ前記一対の主線路の先端部と重なるとともに、その導体部の幅は、前記主線路の先端部の幅よりも狭くするようにし、前記寄生素子には、前記導体部は、長さの異なる複数の線路を備え、前記各線路の両端が、それぞれ前記一対の主線路の先端部と重なるようにした。
【００１０】
主線路と寄生素子（導体部）が電磁的に結合することにより、高周波信号が伝播される。本発明では、寄生素子を用いることにより、通過帯域も広帯域になるので、多少の隙間間隔の変動があっても安定した伝送状態を確保できる。そして、長さの異なる複数の線路を備え、前記各線路の両端が、それぞれ前記一対の主線路の先端部と重なるようにしたため、主線路に重なる線路の本数に応じて移相量が変わる。
【００１２】
また、導体部の形状は任意であるが、実施の形態でも示すように帯状の線路としてもよいので、曲線部を設ける必要がない（設けるのは妨げないが）ので、製造が容易となる。
【００１５】
好ましくは、前記寄生素子は、スライド可能にし、前記一対の主線路に重なる前記導体部の数を変更可能とすることである。係る構成にすると、スライドさせることにより、主線路の上に位置する線路の本数が変わるので、移相量を調整することができる。
【００１６】
また、前記寄生素子は、前記回路基板上に支持部材を介して支持され、前記支持部材は、低誘電率材料で構成されるとよい。
【００１７】
特に、支持部材を設けることにより、寄生素子と主線路との間に所望の間隔が形成され、両者間でキャパシタが構成されることになる。よって、回路上に静電気，サージ等の異常電位が伝搬されて来ても、本発明の接続構造の部分で遮断され、それよりも後段へ伝播することはない。
【００１８】
更に、支持部材の誘電率は高いものでも良いが、低誘電率材料で構成するとよい。ここで低誘電率材料は、まず、誘電体基板の誘電率よりも低いことを意味する。さらに、一般的に低誘電率材料と称されるものも含み、誘電率が１より大きく３以下程度のものが良い。低誘電率材料にすることにより、その支持部材における損失を減少することができる。
【００１９】
また、低誘電率材料としては、ガラスその他各種の材料があるが、例えば発泡材（実施の形態では「発泡ウレタン」）とすると好ましい。発泡材は、弾力性があるので、緩衝材としての機能も発揮する。つまり、寄生素子と高周波回路要素の熱膨張係数が異なっていたとしても、温度変化にともなう熱膨張，収縮の相違が支持部材で吸収され、相手側に伝達されない。その結果、温度変化に基づく接続部分での応力も発生せず、伝送線路が剥離することを可及的に抑制できる。
【００２０】
前記寄生素子としては、樹脂その他の各種の材料を用いることができるが、セラミック基板から構成すると好ましい。すなわち、セラミックとすると、寸法形状のばらつきがほとんど無く、伝送状態が安定し、各製品間での伝送状態のばらつきも抑制できる。さらに、誘電体基板は、通常アルミナ系で構成されることが多いので、セラミック基板（例えば、アルミナ）とすることにより、寄生素子と回路基板の熱膨張係数をほぼ等しくすることができるという効果も期待できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図２〜図５は本発明の前提となる移相器の一例を示している。同図に示すように、アルミナ等の誘電体材料で構成された回路基板１０の表面に、導体膜で構成される伝送線路、つまり、所定の回路パータンからなるストリップライン１１ａ，１１ｂが形成される。図では、接続部分のみを示している。この２本のストリップライン１１ａ，１１ｂは、その先端に接続部となるパッチ部１２ａ，１２ｂが形成されている。このパッチ部１２ａ，１２ｂは、矩形状からなり、その幅Ｗは、使用周波数（λg）の４／９とし、長さＬｒは、使用周波数（λg）の約１／２に設定することにより、共振器を構成している。なお、λgは、回路基板１０を構成する誘電体材料の誘電率を考慮した実効波長である。
【００２２】
さらに、パッチ部１２ａ，１２ｂの先端は、所定の距離（ギャップ）をおいて離れており、ＤＣ的に遮断されている。そして、両パッチ部１２ａ，１２ｂは同一直線上に配置される。また、回路基板１０の裏面側は、全面に導体膜１３が成膜されている。
【００２３】
上記した２つのパッチ部１２ａ，１２ｂを跨ぐようにして、その上方に寄生素子１５を配置している。この寄生素子１５は、誘電体基板から構成され、その上面には矩形状の導体膜１６が形成されている。これにより、パッチ部１２ａ，１２ｂ（共振器）と寄生素子１５が、電磁的結合した構造がとられる。
【００２４】
寄生素子１５の幅とパッチ部の幅Ｗは、ほぼ一定にしている。また、導体膜１６の幅Ｗ１は、寄生素子１５の幅よりも小さくしている。さらに、導体膜１６の長さＬは、少なくとも両パッチ部１２ａ，１２ｂの間隔よりも長くしている。これにより、図２に示すように、導体膜１６の両端は、それぞれパッチ部１２ａ，１２ｂの上方に位置する。
【００２５】
また、図３では、寄生素子１５は、パッチ部１２ａ，１２ｂの上に直接接触するように配置している。この場合でも、導電体であるパッチ部１２ａ，１２ｂは絶縁体である誘電体基板からなる寄生素子１５が接触するだけであるので、電気的に絶縁され、少なくともＤＣ成分は両パッチ部１２ａ，１２ｂ間で遮断される。
【００２６】
また、例えば寄生素子１５を支持部材１８によって支持することにより、パッチ部１２ａ，１２ｂとの間に空間を形成することもできる（図５参照）。図示の例では、一方のパッチ部１２ａの上面の一部に接触するように配置されるとともに、寄生素子１５の一端側に下面に接触し、片持ち支持するようにしている。なお、パッチ部１２ａの全面に接触するように形成しても良い。さらに、全面に接触する場合に、支持部材１８をパッチ部１２ａと同一形状としても良いし、パッチ部１２ａよりも大きい寸法形状にしても良い。
【００２７】
支持部材１８と寄生素子１５の材料について説明する。支持部材１８は、発泡ウレタン等の発泡材（εr＝１．０４から１．１）から構成する。発泡材は低誘電率材料でもあり、そこでの損失も少なく、パッチ部１２ａ，１２ｂと寄生素子１５間での電磁的な結合が強くなる。
【００２８】
また、寄生素子１５は、セラミック基板、より具体的にはアルミナで形成している。これにより、回路基板１０を構成する誘電体基板もアルミナで形成しているので、同一部材となり、当然のことながら両者の誘電率も等しくなる。また、アルミナに替えて、テフロン（登録商標）その他の材質を用いても良い。
【００２９】
上記のように構成すると、パッチ部（共振器）１２ａ，１２ｂと寄生素子１３が電磁的に結合することにより、高周波信号が伝播され、非接触型の電磁結合型コネクタが形成される。換言すると、例えば一方のストリップライン１１ａ側から信号が伝播された場合は、パッチ部１２ａがアンテナとして機能して高周波信号（マイクロ波／ミリ波）が放射される。この放射された高周波が寄生素子１５に伝播され、さらにパッチ部１２ｂが受信アンテナとして機能するため受信することにより信号の伝送が行われるとも言える。
【００３０】
本例によれば、この伝播の際に移相が変わる。すなわち、図６は、本例の移相器の周波数に対する移相（図中実線で示す）と、移相器を設けない場合の周波数に対する位相（図中破線で示す）を示している。同図から明らかなように、同一周波数における位相が異なっており、５ＧＨｚ帯では、２０度以上も相違する。従って、本例の構造によると、移相器として十分機能することが確認できた。
【００３１】
次に、寄生素子１５に設けた導体膜１６の長さに対する移相量の関係を調べた。まず、図４に示すように、パッチ部１２ａ，１２ｂは、長さＬｒを１６ｍｍで幅Ｗｒを１６ｍｍにし、パッチ部１２ａ，１２ｂ間のギャップは５．６ｍｍとした。また、寄生素子１５の長さＬｐを１６ｍｍにした。さらに、寄生素子１５と回路基板１０の板厚ｈは、共に０．８ｍｍとし、寄生素子１５に設ける導体膜１６の長さＬを変えたものを複数用意し、それぞれの移相量を求めた。その結果、図７に示すような結果が得られた。なお、測定周波数は５ＧＨｚとした。
【００３２】
同図から明らかなように、導体の長さが変わると移相量も変化することが確認できた。従って、予め複数の長さの異なる寄生素子１５を用意しておき、使用に併せて適宜のものを選択し、実装することにより、目的の移相量を得ることができる。また、交換することにより、移相量を変更・調整することができる。
【００３３】
更に、図８はパッチ部１２ａ，１２ｂと寄生素子１５の間に所定の隙間（空気）が存在している場合電気的特性を示す。同様に、図９は、パッチ部１２ａ，１２ｂと寄生素子１５の間に低誘電率からなる部材（上記した支持部材１８等）が介在している場合の電気特性を示している。いずれの場合も、Ｓ１１，Ｓ２１特性が良好な曲線を描いており、信号の伝搬が正しく行われることが確認できる。
【００３５】
本例によれば、従来のミアンダラインを用いる構成に比べて、線路（ストリップライン）上にコーナがないことから作りやすく、電気的特性も安定する。さらに、これらをフェーズドアレーアンテナに用いた場合、２つのパッチ部１２ａ，１２ｂ間にギャップが形成されているので、ＤＣ成分を遮断することができ、サージ等の異常電位がアンテナ後段に設けている送受信回路に入り込むのを抑えることができる。
【００３６】
また、この移相器は、２つのパッチ部１２ａ，１２ｂと１つの寄生素子１５から構成されるので、緩やかなフィルタ特性も有する。その結果、アンテナの後段に設けられる送受信用フィルタの帯域外減衰特性を良好にすることも可能となるという副次的効果も奏する。
【００３７】
図１０，図１１は、本発明に係る移相器の第１の実施の形態を示している。図示するように基本的な構成は上述した前提となる移相器のものと同様であるが、本実施の形態では、寄生素子１５に形成する導体膜１６のパータンを変えている。すなわち、長さの異なる１３種類の導体膜１６を縞状（平行）に配置し、寄生素子１５をスライド可能にした。可変方法は、寄生素子１５を±ｙ方向、つまり、主線路であるストリップライン１１ａ，１１ｂによる信号の伝送方向（ｘ方向）と直交する方向にスライドさせるようにしている。
【００３８】
さらに、各導体膜１６の寸法形状は、一方から他方に行くに従って徐々に長くなり、両サイドに位置する導体膜１６の幅は、中間に位置する残りの導体膜１６の幅よりも広くし、係る残りの導体膜１６の幅は、全て等しくしている。もちろん、全ての導体膜１６の幅を等しくしても良いし、適宜異ならせても良いが、本実施の形態のように構成すると、電気特性が良好になることが確認できた。
【００３９】
また、いずれの導体膜１６も、その両端がそれぞれパッチ部１２ａ，１２ｂの上方に位置することを可能にしているため、導体膜１６の長さＬｐは、少なくともパッチ部１２ａ，１２ｂ間のギャップよりも長くする必要がある。
【００４０】
そして、移相量を変更する場合には、上記したごとく寄生素子１５をスライドさせることであるが、具体的には、図１０に示す状態から寄生素子１５を図中下側（−ｙ方向）に移動させ、一番短い導体膜（１）のみがピッチ部１２ａ，１２ｂの上方に位置する状態から、寄生素子１５を図１０中上側（＋ｙ方向）に徐々にずらして行き、一番長い導体膜（１３）が、ピッチ部１２ａ，１２ｂの上方に位置するまで移動できる。つまり、図１０は、１つ手前の状態を示している。
【００４１】
次に、本実施の形態の効果（寄生素子１５のスライドに伴い移相量が変化すること）を実証すべく、実際に寄生素子１５をずらしながら、移相量を測定した。すると、図１２に示すような実験結果（測定周波数５ＧＨｚ）が得られた。
【００４２】
ここで、実験に用いた移相器の寸法形状であるが、ピッチ部１２ａ，１２ｂの寸法は上述した前提となる移相器についての実験に使用したものと同様である。そして、寄生素子１５に形成する導体膜１６（縞状導体）であるが、中間に位置する２番目から１２番目までの導体膜の幅は０．８ｍｍとし、隣接する導体膜の間隔は、０．７８ｍｍとした。また、各導体膜の長さは、０．８ｍｍずつ増加させ、最も長い導体膜（１３）の長さは１６ｍｍとした。
【００４３】
また、図１２中のスライド回数「１」というのは、導体膜（１）のみがパッチ部の端部に配置されている状態を示し、スライド回数「１３」というのは、図１０の状態を示している。図から明らかなように、ピッチ部１２ａ，１２ｂの上に存在する導体膜１６の数が増えるほど、移相量も大きくなることが確認できた。また、移相量も、２０度から９０度以上という広い範囲で制御できる。なお、その他の構成並びに作用効果は、上述した前提となる移相器と同様であるので、その詳細な説明を省略する。
【００４４】
図１３は、第１の実施の形態の別の構成を示している。この例では、寄生素子１５に形成する導体膜１６（縞状導体）の数を１８本に増やしている。そして、具体的な寸法形状であるが、ピッチ部の幅Ｗｒ（ｙ方向）は１７．１ｍｍ，長さＬｒ（ｘ方向）は１６ｍｍとし、ギャップは５．６ｍｍとした。また、導体膜（１）の長さは６．４ｍｍで、各導体膜は順に０．８ｍｍずつ増加させ、最も長い導体膜（１８）の長さを２０ｍｍとした。また、導体膜の間隔は０．７８ｍｍとし、中間の導体膜の幅は０．８ｍｍとした。そして、両サイドの導体膜（１），（１８）の幅は、（１）が３．５ｍｍで（１８）が２．３ｍｍとした。さらに、寄生素子１５の寸法形状は、パッチ部１２ａ，１２ｂよりも十分に大きくしている。
【００４５】
そして、導体膜（１）のみがピッチ部１２ａ，１２ｂの上に位置する状態から寄生素子１５を＋ｙ方向に順次移動させていき、そのときの移相量を測定したところ、図１５に示すような実験結果（測定周波数５ＧＨｚ）が得られた。この結果からも、移相量を可変できることが確認できる。
【００４６】
さらに、図１４に示す構造の移相器を用い、パッチ部１２ａ，１２ｂと寄生素子１５の間に所定の隙間（空気）が存在している場合の電気的特性を求めたところ、図１６に示すような結果が得られた。また、同様に、パッチ部１２ａ，１２ｂと寄生素子１５の間に低誘電率からなる部材（上記した支持部材１８等）を介在させた状態で電気特性を求めたところ、図１７に示すような結果が得られた。いずれの場合も、Ｓ11，Ｓ21特性が良好な曲線を描いており、信号の伝搬が正しく行われることが確認できる。
【００４７】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る移相器では、寄生素子に設ける導体部の長さや、主線路に重なる導体部の本数を変えるだけで、簡単に移相量を変更させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来例を示す図である。
【図２】本発明の前提となる移相器の一例を示す図である。
【図３】本発明の前提となる移相器の一例を示す図である。
【図４】本発明の前提となる移相器の一例を示す図である。
【図５】本発明の前提となる移相器の一例をの変形例を示す図である。
【図６】周波数に対する位相（移相量）の関係を示す図である。
【図７】寄生素子の長さの伝送特性への影響を示す図である。
【図８】周波数に対する電気特性を示す図である。
【図９】周波数に対する電気特性を示す図である。
【図１０】本発明に係る移相器の第１の実施の形態を示す図である。
【図１１】本発明に係る移相器の第１の実施の形態を示す図である。
【図１２】寄生素子のスライド量に対する移相量などの影響を示す図である。
【図１３】本発明に係る移相器の第１の実施の形態の変形例を示す図である。
【図１４】本発明に係る移相器の第１の実施の形態の変形例を示す図である。
【図１５】寄生素子のスライド量に対する移相量などの影響を示す図である。
【図１６】周波数に対する電気特性を示す図である。
【図１７】周波数に対する電気特性を示す図である。
【符号の説明】
１０回路基板
１１ａ，１１ｂストリップライン（主線路）
１２ａ，１２ｂパッチ部
１３導体膜
１５寄生素子
１６導体膜
１８支持部材

Claims

マイクロ波或いはミリ波帯の回路に用いられる移相器であって、
回路基板上に所定のギャップをおいて形成された一対の主線路の先端部の上方に、誘電体基板からなる寄生素子を配置して構成され、
前記寄生素子の上面の一部に導体部を設け、
前記導体部の両端は、それぞれ前記一対の主線路の先端部と重なるとともに、その導体部の幅は、前記主線路の先端部の幅よりも狭くし、
前記寄生素子には、前記導体部は、長さの異なる複数の線路を備え、
前記各線路の両端が、それぞれ前記一対の主線路の先端部と重なるようにしたことを特徴とする移相器。
前記寄生素子は、スライド可能にし、前記一対の主線路に重なる前記導体部の数を変更可能としたことを特徴とする請求項１に記載の移相器。
前記主線路の先端部は、幅広のパッチ部としたことを特徴とする請求項１または２に記載の移相器。
前記パッチ部に共振器が構成されていることを特徴とする請求項３に記載の移相器。
前記寄生素子は、前記回路基板上に支持部材を介して支持され、
前記支持部材は、低誘電率材料で構成されることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の移相器。
前記低誘電率材料は、発泡材であることを特徴とする請求項５に記載の移相器。
前記寄生素子は、セラミック基板から構成されたことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の移相器。