JP4223488B2 - Phaser - Google Patents
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Description
この発明は、導波管の内部を伝搬する周波数信号(例えば、マイクロ波やミリ波の高周波信号)の位相を変化させる位相器に関するものである。 The present invention relates to a phase shifter that changes the phase of a frequency signal (for example, a microwave or millimeter wave high-frequency signal) that propagates inside a waveguide.
位相器は、伝送線路を構成する導波管を有し、その導波管の内部を伝搬するマイクロ波の位相を変化させる装置である。
位相器は、例えば、2本の導波管を製造して、電気的に高精度な位相合わせが必要である場合や、フェーズドアレーアンテナのように、複数のアンテナに給電するマイクロ波の位相を制御して、アンテナビーム方向を変化させる場合などに適用される。
The phase shifter is a device that has a waveguide that constitutes a transmission line and changes the phase of the microwave that propagates inside the waveguide.
For example, a phase shifter manufactures two waveguides and requires highly precise phase alignment, or the phase of microwaves fed to a plurality of antennas, such as a phased array antenna. This is applied when the antenna beam direction is changed by controlling.
従来の位相器は、導波管の内部にトロイド形状のフェライトが装荷されているが、トロイド形状のフェライトの両端では、インピーダンスの不連続によりマイクロ波の反射が発生するため、そのマイクロ波の反射を抑制する目的で、矩形の誘電体インピーダンス変成器がフェライトの両端に接続されている。
フェライトが装荷されている導波管の特性インピーダンスがZf、空の導波管の特性インピーダンスがZ0として、1段の誘電体インピーダンス変成器の特性インピーダンスZdが下記のようになるように、誘電体インピーダンス変成器の寸法を決定している(例えば、非特許文献1参照)。
Zd=(Zf×Z0)1/2
In the conventional phase shifter, toroidal ferrite is loaded inside the waveguide, but microwave reflection occurs at both ends of the toroidal ferrite due to impedance discontinuity. In order to suppress this, a rectangular dielectric impedance transformer is connected to both ends of the ferrite.
The dielectric impedance is set such that the characteristic impedance of the waveguide loaded with ferrite is Zf, the characteristic impedance of the empty waveguide is Z 0 , and the characteristic impedance Zd of the one-stage dielectric impedance transformer is as follows: The dimensions of the body impedance transformer are determined (for example, see Non-Patent Document 1).
Zd = (Zf × Z 0 ) 1/2
従来の位相器は以上のように構成されているので、誘電体インピーダンス変成器の特性インピーダンスZdを適宜設定することにより、マイクロ波の位相を適宜変化させることができる。しかし、誘電体インピーダンス変成器をフェライトの両端に接続する必要があるので、部品点数が多くなり、組み立てが複雑になる課題があった。また、例えば、高電力のマイクロ波を伝搬する場合、熱の影響で誘電体インピーダンス変成器とフェライト間の接着が取れることがあり、信頼性が低下する課題もあった。 Since the conventional phase shifter is configured as described above, the phase of the microwave can be changed as appropriate by appropriately setting the characteristic impedance Zd of the dielectric impedance transformer. However, since it is necessary to connect the dielectric impedance transformer to both ends of the ferrite, there is a problem that the number of parts increases and the assembly becomes complicated. In addition, for example, when propagating a high-power microwave, adhesion between the dielectric impedance transformer and the ferrite may be removed due to the influence of heat, and there is a problem that reliability is lowered.
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、インピーダンス変成器を実装することなく、マイクロ波やミリ波などの周波数信号の位相を変化させることができる位相器を得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems. It is an object of the present invention to obtain a phase shifter capable of changing the phase of a frequency signal such as a microwave or a millimeter wave without mounting an impedance transformer. Objective.
この発明に係る位相器は、直方体の誘電体の長辺の寸法が導波管の管内波長の2分の1の整数倍に設定され、その誘電体の長辺の方向が導波管の長さ方向と一致するように、その導波管の内部に配置されているものである。 In the phase shifter according to the present invention, the dimension of the long side of the rectangular parallelepiped is set to an integral multiple of one-half of the waveguide wavelength of the waveguide, and the direction of the long side of the dielectric is the length of the waveguide. It is arranged inside the waveguide so as to coincide with the vertical direction.
この発明によれば、直方体の誘電体の長辺の寸法が導波管の管内波長の2分の1の整数倍に設定され、その誘電体の長辺の方向が導波管の長さ方向と一致するように、その導波管の内部に配置されているように構成したので、インピーダンス変成器を実装することなく、マイクロ波やミリ波などの周波数信号の位相を変化させることができる効果がある。 According to this invention, the dimension of the long side of the rectangular parallelepiped dielectric is set to an integral multiple of one half of the waveguide wavelength of the waveguide, and the direction of the long side of the dielectric is the length direction of the waveguide. Because it is arranged inside the waveguide so as to match, the effect of changing the phase of frequency signals such as microwaves and millimeter waves without mounting an impedance transformer There is.
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1による位相器を示す斜視図であり、図2はこの発明の実施の形態1による位相器を示す断面図である。
図において、導波管1は高周波の周波数信号であるマイクロ波を伝送するものであり、内部には直方体の誘電体2が配置されている。
直方体の誘電体2は長辺2aの寸法Lが導波管1の管内波長λg1の2分の1の整数倍に設定され、その長辺2aの方向が導波管1の長さ方向と一致するように、その導波管1の内部に配置されている。
ただし、導波管1の管内波長λg1は誘電体2が配置されている状態での波長であり、誘電体2が配置されていない状態での管内波長、即ち、中空導波管の管内波長はλg0で表現する。
誘電体2の短辺2bの寸法はW、誘電体2の高さの寸法はHに設定されている。また、誘電体2の比誘電率はεrに設定されている。
FIG. 1 is a perspective view showing a phase shifter according to
In the figure, a
In the rectangular parallelepiped dielectric 2, the dimension L of the long side 2 a is set to an integral multiple of one half of the in-tube wavelength λg 1 of the
However, the guide wavelength lambda] g 1 of the
The dimension of the
図3はこの発明の実施の形態1による位相器を示す等価回路図であり、図において、Z1は誘電体2が配置されている状態での導波管1(以下、誘電体装荷導波管と称する)の特性インピーダンス、Z0は誘電体2が配置されていない状態での導波管1(以下、中空導波管と称する)の特性インピーダンスを示している。
FIG. 3 is an equivalent circuit diagram showing the phase shifter according to
次に動作について説明する。
誘電体2の比誘電率εrが空気や真空の比誘電率より高い値に設定されているので、誘電体装荷導波管を分布定数線路としてみたときの並列容量値が中空導波管の並列容量値よりも大きくなり、誘電体装荷導波管の特性インピーダンスZ1が中空導波管の特性インピーダンスZ0より低くなる。
このため、図3の観測面Aから左側を見たときのインピーダンスは、誘電体装荷導波管の特性インピーダンスZ1で正規化されるので、Z0/Z1で表される。
このインピーダンスZ0/Z1は、1より大きいので、図4に示すように、スミスインピーダンス図上では、中心より右側の軸上に位置する(図中、黒丸を参照)。
Next, the operation will be described.
Since the relative permittivity εr of the dielectric 2 is set to a value higher than the relative permittivity of air or vacuum, the parallel capacitance value when the dielectric loaded waveguide is viewed as a distributed constant line is parallel to the hollow waveguide. The capacitance value becomes larger, and the characteristic impedance Z 1 of the dielectric-loaded waveguide becomes lower than the characteristic impedance Z 0 of the hollow waveguide.
For this reason, since the impedance when the left side is viewed from the observation plane A in FIG. 3 is normalized by the characteristic impedance Z 1 of the dielectric-loaded waveguide, it is expressed by Z 0 / Z 1 .
Since this impedance Z 0 / Z 1 is larger than 1, as shown in FIG. 4, it is located on the right axis from the center in the Smith impedance diagram (see the black circle in the figure).
図3の観測面Bから右側を見たときのインピーダンスは、誘電体2の長辺2aの寸法Lが、導波管1の管内波長λg1の2分の1の整数倍、即ち、N・λg1/2に等しいため(ただし、Nは整数である)、スミスインピーダンス図上では、φ=2π×2L/λg1=N×2πの角度分が、位相が遅れる方向(時計方向)に回転する位置にくる。
ただし、このインピーダンスは、2πの整数倍であるため、図5に示すように、観測面Aから左側を見たときのインピーダンスと同じインピーダンスになる。
The impedance when the right side is viewed from the observation plane B in FIG. 3 is that the dimension L of the long side 2a of the dielectric 2 is an integral multiple of one half of the waveguide wavelength λg 1 of the
However, since this impedance is an integral multiple of 2π, the impedance is the same as the impedance when the left side is viewed from the observation plane A as shown in FIG.
位相器の正規化入力インピーダンスは、図3の観測面Cから右側を見たときのインピーダンスになるが、図3の観測面Bで見たときの正規化の基準特性インピーダンスがZ1、観測面Cで見たときの正規化の基準特性インピーダンスがZ0であるため、位相器の正規化入力インピーダンスは、インピーダンス変換Z1/Z0を、観測面Bで見たときの正規化インピーダンスZ0/Z1に掛けたものに相当する。
したがって、図6に示すように、観測面Cから右側を見たときの正規化インピーダンスが下記の式(1)のようになり、インピーダンスの整合がとれた状態になる。
(Z1/Z0)×(Z0/Z1)=1 (1)
このことは、誘電体2の長辺2aの寸法Lを導波管1の管内波長λg1の2分の1の整数倍、即ち、N・λg1/2に設定することにより、反射が生じない位相器が得られることを表している。
Normalization input impedance of the phase shifter is comprised in impedance when viewed from the right side observation surface C of FIG. 3, the reference characteristic impedance Z 1 of normalization when viewed in the observation plane B of FIG. 3, the observation plane Since the reference characteristic impedance for normalization when viewed at C is Z 0 , the normalized input impedance of the phase shifter is the normalized impedance Z 0 when the impedance transformation Z 1 / Z 0 is viewed at the observation plane B. correspond to those subjected to / Z 1.
Therefore, as shown in FIG. 6, the normalized impedance when the right side is viewed from the observation plane C is expressed by the following equation (1), and the impedance is matched.
(Z 1 / Z 0 ) × (Z 0 / Z 1 ) = 1 (1)
This is because reflection occurs when the dimension L of the long side 2a of the dielectric 2 is set to an integral multiple of a half of the in-tube wavelength λg 1 of the
ここで、図7は誘電体2が配置されていない導波管1(位相器)を示す斜視図であり、図8は誘電体2が配置されていない導波管1(位相器)を示す断面図である。
図1及び図2の位相器を通過する信号の位相と、図7及び図8の位相器を通過する信号の位相とは、Δθの位相差が生じる。この位相差Δθは、下記の式(2)のように表される。
Δθ=360°×L×(1/λg0−1/λg1) (2)
また、この実施の形態1では、L=N×λg1/2としているので、式(2)は下記の式(3)のように書き換えることができる。
λg1/λg0=1−Δθ/(N×π) (3)
Here, FIG. 7 is a perspective view showing the waveguide 1 (phaser) in which the dielectric 2 is not arranged, and FIG. 8 shows the waveguide 1 (phaser) in which the dielectric 2 is not arranged. It is sectional drawing.
A phase difference of Δθ is generated between the phase of the signal passing through the phase shifter in FIGS. 1 and 2 and the phase of the signal passing through the phase shifter in FIGS. 7 and 8. This phase difference Δθ is expressed as the following equation (2).
Δθ = 360 ° × L × (1 / λg 0 −1 / λg 1 ) (2)
In the first embodiment, since L = N × λg 1/2 , Equation (2) can be rewritten as Equation (3) below.
λg 1 / λg 0 = 1−Δθ / (N × π) (3)
図9は誘電体2の短辺2bの寸法Wをパラメータとして、λg/λ0の周波数特性(分散特性)と、この分散特性から求めたλg1/λg0を示すグラフ図である。
図9から明らかなように、誘電体2の短辺2bの寸法Wを変化させると、位相器のλg1/λg0の周波数特性(分散特性)が変化するので、式(3)の関係を満足するように設計できることが理解される。
なお、誘電体2の短辺2bの寸法Wではなく、誘電体2の高さの寸法Hや、誘電体2の誘電率εrをパラメータとして変化させても、式(3)の関係を満足するように設計することができる。
Figure 9 is a size W of the
As can be seen from FIG. 9, when the dimension W of the
Even if the height H of the dielectric 2 and the dielectric constant εr of the dielectric 2 are changed as parameters instead of the dimension W of the
以上で明らかなように、この実施の形態1によれば、直方体の誘電体2の長辺2aの寸法Lが導波管1の管内波長λg1の2分の1の整数倍に設定され、その誘電体2の長辺2aの方向が導波管1の長さ方向と一致するように、その導波管1の内部に配置されているように構成したので、インピーダンス変成器を実装することなく、マイクロ波やミリ波などの周波数信号の位相を変化させることができるようになり、その結果、部品数の削減による低価格化や組立時間の短縮化を図ることができるとともに、信頼性の向上を図ることができる効果を奏する。
As is apparent from the above, according to the first embodiment, the dimension L of the long side 2a of the rectangular parallelepiped dielectric 2 is set to an integral multiple of one half of the in-tube wavelength λg 1 of the
実施の形態2.
図10はこの発明の実施の形態2による位相器を示す斜視図であり、図において、図1と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
直方体のフェライト3は長辺3aの寸法Lが導波管1の管内波長λg1の2分の1の整数倍に設定され、その長辺3aの方向が導波管1の長さ方向と一致するように、その導波管1の内部に配置されている。
磁気回路4はフェライト3に磁界を印加する機能を備えている。
FIG. 10 is a perspective view showing a phase shifter according to
In the rectangular parallelepiped ferrite 3, the dimension L of the
The
次に動作について説明する。
磁気回路4がフェライト3に磁界を印加すると、フェライト3が配置されている状態での導波管1(以下、フェライト装荷導波管と称する)では、フェライト磁気特性の根源である電子スピン歳差運動に起因する非可逆性により、高周波信号の伝搬方向において、管内波長が異なる現象が生じる。
図11は管内波長が異なる現象が生じている場合の等価回路を示しており、一方の管内波長がλg1+、他方の管内波長がλg1-である。
Next, the operation will be described.
When the
FIG. 11 shows an equivalent circuit when a phenomenon in which the guide wavelength is different occurs. One guide wavelength is λg 1+ and the other guide wavelength is λg 1− .
磁気共鳴に至らない通常の磁界強度では、一般に(λg1++λg1-)は、ほぼ不変である。このため、L=N×(λg1++λg1-)/4=N×λg1/2とすれば、上記実施の形態1のように、誘電体2が実装されている位相器と同じ論理で、フェライト3が実装されている位相器の反射も小さくすることができる。
ここで、λg1は(λg1++λg1-)/2であり、かつ、磁界が印加されていない状態の管内波長に等しい。
Generally, (λg 1+ + λg 1− ) is almost unchanged at a normal magnetic field intensity that does not lead to magnetic resonance. Therefore, if L = N × (λg 1+ + λg 1− ) / 4 = N × λg 1/2 , the same logic as the phase shifter on which the
Here, λg 1 is (λg 1+ + λg 1− ) / 2, and is equal to the guide wavelength in a state where no magnetic field is applied.
フェライト3が実装されている位相器を通過する信号の位相と、フェライト3が実装されていない位相器を通過する信号の位相とは、Δθの位相差が生じる。この位相差Δθは、下記の式(4)のように表される。
Δθ=360°×L×(1/λg0−1/λg1+) (4)
式(4)のλg1+は、磁気回路4が印加する磁界強度を制御することにより制御することができるので、位相差Δθは磁界強度で制御することができる。ただし、位相差Δθを磁界強度で制御しても、上記の通り、反射は小さいまま安定している。
There is a phase difference of Δθ between the phase of the signal passing through the phase shifter on which the ferrite 3 is mounted and the phase of the signal passing through the phase shifter on which the ferrite 3 is not mounted. This phase difference Δθ is expressed by the following equation (4).
Δθ = 360 ° × L × (1 / λg 0 −1 / λg 1+ ) (4)
Since λg 1+ in Expression (4) can be controlled by controlling the magnetic field strength applied by the
以上で明らかなように、この実施の形態2によれば、直方体のフェライト3の長辺3aの寸法Lが導波管1の管内波長λg1の2分の1の整数倍に設定され、そのフェライト3の長辺3aの方向が導波管1の長さ方向と一致するように、その導波管1の内部に配置されているように構成したので、インピーダンス変成器を実装することなく、マイクロ波やミリ波などの周波数信号の位相を変化させることができるようになり、その結果、部品数の削減による低価格化や組立時間の短縮化を図ることができるとともに、信頼性の向上を図ることができる効果を奏する。
As apparent from the above, according to the second embodiment, the dimension L of the
実施の形態3.
図12はこの発明の実施の形態3による位相器を示す斜視図である。
この実施の形態3では、上記実施の形態1と異なり、直方体の誘電体2が2個配置されており、2個の誘電体2の配置周期が4分の1波長である。
この実施の形態3では、誘電体2が2個配置されているものについて説明するが、誘電体2が偶数個配置されていてもよい。この場合、偶数個の誘電体2の配置周期が4分の1波長の奇数倍、即ち、偶数個の誘電体2の配置周期が(2N+1)×λg/4であればよい。
また、誘電体2が偶数組(平行に配置されている誘電体2の組が偶数個)配置されていてもよい。この場合、偶数組の誘電体2の配置周期が4分の1波長の奇数倍、即ち、偶数組の誘電体2の配置周期が(2N+1)×λg0/4であればよい。
Embodiment 3 FIG.
FIG. 12 is a perspective view showing a phase shifter according to Embodiment 3 of the present invention.
In the third embodiment, unlike the first embodiment, two
In the third embodiment, a case where two
Further, an even number of dielectric bodies 2 (an even number of sets of
図13はこの発明の実施の形態3による位相器を示す等価回路図である。
2個の誘電体2の長辺2aを導波管1の長さ方向に向って同方向とし、かつ、その長辺2aの方向が導波管1の長さ方向と一致するように配置しているので、導波管1の伝送線路においては、等しい値のサセプタンスBで表現することができる。
このサセプタンスBにより、伝送線路内では反射が生じるが、2個の誘電体2の間隔を(2N+1)×λg0/4としているため、位相器の左側から信号が入射された場合には、左側のサセプタンスBによる反射波と、右側のサセプタンスBによる反射波の位相が、図13の観測面Dで逆位相になるため、反射波が打ち消し合うことになる。このため、この位相器では反射が生じないことになる。
なお、この実施の形態3による位相器の位相差Δθは、下記のように表される。
Δθ=2π×2L×(1/λg0−1/λg1) (5)
FIG. 13 is an equivalent circuit diagram showing a phase shifter according to Embodiment 3 of the present invention.
The long sides 2 a of the two
The susceptance B, and reflection occurs in the transmission line, since the two intervals of the dielectric 2 and the (2N + 1) × λg 0 /4, when the signal from the left side of the phaser is incident, left The phases of the reflected wave from the susceptance B and the reflected wave from the right susceptance B are opposite in phase on the observation plane D in FIG. 13, so the reflected waves cancel each other. For this reason, no reflection occurs in this phase shifter.
The phase difference Δθ of the phase shifter according to the third embodiment is expressed as follows.
Δθ = 2π × 2L × (1 / λg 0 −1 / λg 1 ) (5)
以上で明らかなように、この実施の形態3によれば、直方体の誘電体2が偶数個又は偶数組配置される場合、偶数個又は偶数組の誘電体2の配置周期が4分の1波長の奇数倍であるように構成したので、直方体の誘電体2を偶数個又は偶数組配置する必要がある場合でも、インピーダンス変成器を実装することなく、マイクロ波やミリ波などの周波数信号の位相を変化させることができる効果を奏する。
As apparent from the above, according to the third embodiment, when the
実施の形態4.
上記実施の形態3では、直方体の誘電体2が偶数個又は偶数組配置される場合、偶数個又は偶数組の誘電体2の配置周期が4分の1波長の奇数倍であるものについて示したが、誘電体2の代わりにフェライト3を配置してもよい。
図14はこの発明の実施の形態4による位相器を示す斜視図である。
この実施の形態4では、上記実施の形態2と異なり、直方体のフェライト3が2個配置されており、2個のフェライト3の配置周期が4分の1波長である。
この実施の形態4では、フェライト3が2個配置されているものについて説明するが、フェライト3が偶数個配置されていてもよい。この場合、偶数個のフェライト3の配置周期が4分の1波長の奇数倍、即ち、偶数個のフェライト3の配置周期が(2N+1)×λg/4であればよい。
また、フェライト3が偶数組(平行に配置されているフェライト3の組が偶数個)配置されていてもよい。この場合、偶数組のフェライト3の配置周期が4分の1波長の奇数倍、即ち、偶数組の誘電体2の配置周期が(2N+1)×λg0/4であればよい。
In the third embodiment, when the even number or even number of
FIG. 14 is a perspective view showing a phase shifter according to
In the fourth embodiment, unlike the second embodiment, two rectangular parallelepiped ferrites 3 are arranged, and the arrangement period of the two ferrites 3 is a quarter wavelength.
In the fourth embodiment, a case where two ferrites 3 are arranged will be described, but an even number of ferrites 3 may be arranged. In this case, the arrangement period of the even number of ferrites 3 may be an odd multiple of a quarter wavelength, that is, the arrangement period of the even number of ferrites 3 may be (2N + 1) × λg / 4.
Further, an even number of ferrites 3 (an even number of sets of ferrites 3 arranged in parallel) may be arranged. In this case, an odd multiple of one wavelength of the arrangement period of the even sets of ferrite 3 4 minutes, i.e., as long as the even sets of the arrangement period of the dielectric 2 (2N + 1) × λg 0 / 4.
図14に示すように、2個の誘電体2を2個のフェライト3に置き換える場合、上記実施の形態2と同様に、磁気回路4を備えている構造にする。
2個のフェライト3に同方向で同じ強度の磁界を印加すれば、位相器の位相差Δθが下記のように表される。
Δθ=2π×2L×(1/λg0−1/λg1+) (6)
式(6)のλg1+は、磁気回路4が印加する磁界強度を制御することにより制御することができるので、位相差Δθは磁界強度で制御することができる。ただし、位相差Δθを磁界強度で制御しても、反射は小さいまま安定している。
As shown in FIG. 14, when two
If magnetic fields having the same strength in the same direction are applied to the two ferrites 3, the phase difference Δθ of the phase shifter is expressed as follows.
Δθ = 2π × 2L × (1 / λg 0 −1 / λg 1+ ) (6)
Since λg 1+ in Equation (6) can be controlled by controlling the magnetic field strength applied by the
以上で明らかなように、この実施の形態4によれば、直方体のフェライト3が偶数個又は偶数組配置される場合、偶数個又は偶数組のフェライト3の配置周期が4分の1波長の奇数倍であるように構成したので、直方体のフェライト3を偶数個又は偶数組配置する必要がある場合でも、インピーダンス変成器を実装することなく、マイクロ波やミリ波などの周波数信号の位相を変化させることができる効果を奏する。 As can be seen from the above, according to the fourth embodiment, when an even number or even number of rectangular parallelepiped ferrites 3 are arranged, the arrangement period of the even number or even number of ferrites 3 is an odd number of a quarter wavelength. Since it is configured to be double, even if it is necessary to arrange an even number or even number of rectangular parallelepiped ferrites 3, the phase of a frequency signal such as a microwave or millimeter wave is changed without mounting an impedance transformer. There is an effect that can be.
1 導波管、2 誘電体、2a 長辺、2b 短辺、3 フェライト、3a 長辺、4 磁気回路。
1 Waveguide, 2 Dielectric, 2a Long side, 2b Short side, 3 Ferrite, 3a Long side, 4 Magnetic circuit.
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