JP4376940B2 - 低プロファイルのサーキュレータ - Google Patents

Description

本発明は、低プロファイルのサーキュレータに関する。

送信／受信モジュールは典型的に、パワー増幅器送信機と低雑音増幅器受信機とをアンテナに結合するためのサーキュレータを含んでいる、１つの普通のサーキュレータ構造はフェライト基板上にマイクロストリップ回路パターンを含んでいる。磁石は、マイクロストリップパターンの共振部分のフィールドを回転するためのＤＣ磁界を提供する。必要なＤＣ磁界が基板の平面に対して直交するように、マイクロストリップ回路パターンがレイアウトされている。ＤＣ磁界は回路パターンの上部および基板の平面の上方に位置されるパック型の磁石により与えられる。基板の平面に直交する必要な磁界を設けることにより、マイクロストリップ回路の平面の上方に磁石が配置される。送信／受信モジュールは、少なくとも基板の厚さと磁石の厚さを足した厚さに等しい厚さを有している。

サーキュレータは、第１及び第２の結合器を具備している。第１及び第２の結合器は第１及び第２の伝送ラインにより結合される。第１及び第２の磁界はそれぞれ第１及び第２の伝送ラインを横切って与えられる。例示的な実施形態では、磁界は第１及び第２の伝送ラインにより規定される平面と実質的に平行であり、その平面内にある。

発明の特徴及び利点は、添付図面に示されているような、その例示的な実施形態についての以下の詳細な説明から、当業者により容易に認識されるであろう。
以下の詳細な説明と、幾つかの図面では、類似の素子は、同一の参照符号で識別されている。

図１は、アンテナシステム１の例示的な実施形態の例示的な概略回路図を示している。アンテナシステムは送信増幅器２と、受信増幅器３とを備えている。例示的な実施形態では、送信増幅器２は高パワー増幅器を含んでいる。例示的な実施形態では、受信増幅器３は低雑音増幅器を含んでいる。送信増幅器２と、受信増幅器３はサーキュレータ５を通して、放射素子またはアンテナ４に結合されている。

図１の例示的な実施形態では、アンテナシステム１はレーダシステムを含んでいる。送信増幅器２は送信信号25を提供する。送信信号25は高周波信号を含んでいる。周波数の上限は伝送ライン８、９で使用される材料によって決定されることができる。低い周波数は特定の応用の大きさの制限または要求によって規制されることができる。例示的な実施形態では、送信信号25は約１０ＧＨｚ乃至２０ＧＨｚの周波数範囲を有する。別の例示的な実施形態では、送信信号25は約６ＧＨｚ乃至１２ＧＨｚの周波数範囲を有する。送信信号はレーダパルス28を送信するようにアンテナ４を駆動するためのレーダ送信信号を含んでいる。例示的な実施形態では、アンテナシステムは、放射素子のアレイと、対応する複数の送信増幅器と、サーキュレータと、受信増幅器とを具備している。

図１の例示的な実施形態では、アンテナ４は帰還信号26を受信し、その帰還信号26に応答して受信信号27を提供する。帰還信号26は例えば、送信されたレーダパルス28からの反射エコーを有する。サーキュレータ５は受信された信号27を受信増幅器３へ伝送する。

例示的な実施形態では、サーキュレータ５は、伝送ライン８、９により接続された第１及び第２の結合器10、20を具備している。第１及び第２の結合器10、20と伝送ライン８、９は実質的に同一の平面にある。結合器10、20はインターデジタルのマイクロストリップ結合器またはランゲ結合器を具備している。ランゲ結合器は例えば、Lange, J.の“Interdigitated Stripline Quadrature Coupler”、IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques、1969年12月、1150−1151頁に記載されている。別の実施形態では、結合器は例えば直交結合器を含めた異なるタイプの結合器を具備することができる。結合器10、20は例えば、誘電体基板７（図３）上に形成された導電トレースを具備することができる。このトレースは、金、銅、またはその他の金属或いは低損失材料で構成することができる。導電トレースは例えば、印刷、メッキ、或いはその他の薄膜またはフォトリソグラフ技術により、基板７上に形成されることができる。基板７はアルミナ、シリコン、砒化ガリウム、印刷回路板または他の低損失誘電体材料で構成することができる。基板は、例えば約０．００５インチ乃至０．１２５インチの厚さの範囲でよい。

伝送ライン８、９は、同一の伝送ラインを横切って異なる方向に伝播する信号に対して異なる位相応答を与えるので、非可逆的である。非可逆的な伝送ライン８、９は例えば、反対方向の磁界28、29の影響下で、異方性で透磁性の材料で構成されることができる。例えば伝送ライン８、９は例えば、フェライトを負荷した伝送ラインのような、異方性で透磁性の材料を含むことができる。例示的な実施形態では、伝送ライン８、９は基板に切込むかまたは貫通した穴71（図３）中に配置され、その位置にエポキシ樹脂で接着されることができる。伝送ライン８、９はフェライト材料で構成されている基板７を含んでおり、その外部表面の一方の面は接地平面層81、91で被覆され、他方の面はマイクロストリップライン82、92で被覆されている（図３）。外部表面は例えば金で被覆されることができる。

例示的な実施形態では、結合器10、20と伝送ライン８、９により規定される平面に沿って反対方向で作用するＤＣ磁界28、29が設けられる。磁界28、29は図２に示されているように、伝送ライン８、９の長手方向に対して実質的に直交している。例示的な実施形態では、磁界28、29は背中合わせに位置された２つの磁石18、19により与えられる。磁石18、19は例えば、永久磁石であるか、棒磁石であるか、或いは任意の他の適切な磁界ソースを有することができる。

反対の磁界28、29は伝送ライン８、９の異方性の透磁性を反対方向で整列させる。磁界28、29はそれぞれの伝送ライン８、９の透磁性テンソルを整列し、それによって結合されたポート13または14から結合されたポート24または23へ伝播する信号251、252の左から右への透磁性（または送信透磁性）が、結合されたポート24または23から結合されたポート13または14へ伝播する信号271、272の右から左への透磁性（または受信透磁性）とはそれぞれ異なっている。

例えば、信号251における伝送ライン８の透磁性は、信号271における伝送ライン８の透磁性よりも高く、一方で、伝送ライン９の透磁性は信号252よりも信号272において高い。別の実施形態では、信号の伝播方向に関する伝送ラインの相対的な透磁性は逆であってもよい。伝送ライン８、９はさらに以下説明するように、信号251、252、271、272間の所望の位相シフト及び位相関係を実現するように選択される。適切な伝送ライン構造は、例えばマイクロストリップ、誘電体導波体、および挿入誘電体導波体伝送ラインを含むことができる。挿入誘電体導波体は金属スラブ中に長方形の溝を具備し、その溝には誘電体の層およびまたはフェライト材料が配置されている。溝の側壁は別の層上で材料層を支持でき、それによって空気の層が伝送ラインの一部として使用されることを可能にする。種々の伝送特性はこの方法で材料を積層することにより得られる。

例示的な実施形態では、第１の結合器10は入力ポート11で送信信号25を受信し、その信号を２つの信号251と252に分割する。信号251は結合されたポート13に伝送され、伝送ライン８を通って、第２の結合器20の結合されたポート24に伝送される。信号252は結合されたポート14に伝送され、伝送ライン９を通って、結合されたポート23に伝送される。結合されたポート13の信号251は実質的に、結合されたポート14の信号252と同位相である。

信号251に対する伝送ライン８の左から右、すなわち送信の透過性は実質的に、信号252に対する伝送ライン９の左から右、すなわち送信の透過性に等しい。結果として、信号251と252は等しい長さの伝送ライン８、９を横切ってそれぞれ実質的に等しい位相シフトを有し、それ故、信号251と252は結合されたポート24、23で実質的に同位相である。第２の結合器20は同位相信号251と252を送信信号25に対応する信号25’へ結合し、その信号25’を入力ポート21を通って外部へ伝送する。

例示的な実施形態では、第２の結合器20は入力ポート21で受信信号27を受信し、その信号を２つの信号271と272に分割する。信号271は結合されたポート24に伝送され、伝送ライン８を通って、第１の結合器10の結合されたポート13に伝送される。信号272は結合されたポート23に伝送され、伝送ライン９を通って、第１の結合器10の結合されたポート14に伝送される。信号271と272は実質的に、それぞれ結合されたポート24と23において同位相である。伝送ライン８と９および磁界28と29は、伝送ライン８および９を通る右から左の信号271と272の受信透過性をそれぞれ結合されたポート13と14で１８０度位相がずれるようにさせるように構成されている。

例示的な実施形態では、伝送ライン８の右から左、すなわち受信の透過性は、結合されたポート24と13の間を伝播する信号271の位相をシフトさせ、これは結合されたポート13と24の間を伝播する信号251の位相シフトよりも９０度大きい。他方で、伝送ライン９の右から左、すなわち受信の透過性は、結合されたポート23と14の間を伝播する信号272の位相をシフトさせ、これは結合されたポート14と23の間を伝播する信号251の対応する位相シフトよりも９０度小さい。別の実施形態では、伝送ライン８、９を通る送信されたまたは受信された信号の相対的な±９０度の位相シフト関係は反対にされることができる。何れかのケースでは、信号271と272は、結合されたポート13、14でそれぞれ受信されるとき、実質的に１８０度位相がずれている。第１の結合器10は位相のずれている信号271と272を受信信号27に対応する信号27’へ結合し、これは隔離されたポート12を通して受信増幅器３へ伝送される。

例示的な実施形態では、受信増幅器３はスイッチ15（図１）を通ってサーキュレータ５へ接続される。スイッチ15は例えば単極双投（ＳＰＤＴ）スイッチであってもよい。使用中、スイッチ15は通常は閉じた位置にあるが、受信信号27の大きさが非常に高いとき、または過渡動作中には、受信増幅器３を保護するために開かれることができる。例えば、レーダの場合、スイッチ15はレーダ周波数がアクティブに妨害される場合、開かれることができる。別の実施形態では、サーキュレータ５は受信増幅器へ直接接続されることができる。別の例示的な実施形態では、サーキュレータはスイッチ15なしに受信増幅器へ接続されることができる。

例示的な実施形態では、第２の結合器20の隔離されたポート22は低雑音増幅器からの任意の反射を吸収するために終端装置または負荷16（図１）へ接続されてもよい。例えば送信増幅器２と受信増幅器３がオフに切換えられるならば、アンテナ４からの受信信号27の反射は主に終端装置16により制御される。終端装置16は制御された方法で、受信された信号を放散または反射するように選択されることができ、パワーの放散および／または同調に使用されることができる。

図２は、サーキュレータ５の例示的な実施形態を示している。サーキュレータは第１及び第２の結合器10、20を具備している。結合器10、20はランゲ結合器で構成されている。結合器10、20は基板７（図３）上に製造されている。例示的な実施形態では、結合器は約１３５ミルの長さである。その長さは、少なくとも部分的に、サーキュレータ５の動作周波数に基づいて選択されることができる。

例示的な実施形態では、第１の結合器10は入力ポート11、隔離されたポート12、２つの結合されたポート13、14を具備している。第２の結合器20は入力ポート21、隔離されたポート22、２つの結合されたポート23、24を具備している。第１の結合器の結合されたポート13は伝送ライン８により第２の結合器20の結合されたポート24に接続されている。第１の結合器10の結合されたポート14は伝送ライン９により第２の結合器20の第２の結合されたポート23に接続されている。

サーキュレータ５は結合されたポート13、14を結合されたポート24、23にそれぞれ接続する異方性で透磁性の送信ライン８、９も具備している。磁石18、19は反対方向の磁界28、29をそれぞれ提供する。磁界28、29は実質的に、それぞれ伝送ライン８、９の長手方向と直交する。磁界28、29は伝送ライン８、９をバイアスし、それによって、左から右に伝播する信号251、252の伝送ライン８、９の送信透過性は、右から左に伝播する信号271、272の受信透過性とは異なっている。

例示的な実施形態では、伝送ラインと磁界強度は、磁気のバイアスが信号251、252、271、272に所望の位相シフトと位相関係をもたせるように選択される。この実施形態では、伝送ライン８、９の両者は図１の左から右へ伝播する信号に対して同一の位相シフトφＬ−Ｒを与える。１つの伝送ライン８または９は、右から左へ伝播する信号にφＬ−Ｒよりも９０度大きい位相シフトを与え、他の伝送ライン９または８は右から左に伝播する信号にφＬ−Ｒよりも９０度小さい位相シフトを与える。これは結合器10の結合されたポート13、14で、１８０度位相のずれた信号を提供し、結合器10にポート13、14の信号をポート12へ伝送させる。例えば信号251、252は結合されたポート13、14および結合されたポート24、23で同位相であり、信号271、272は結合されたポート24、23で同位相であり、結合されたポート13、14で１８０度位相がずれている。伝送ライン８と９を横切る信号271、272の受信位相シフトは、それぞれの伝送ライン８、９を横切る信号251、252の送信位相シフトよりも９０度大きいか小さい。

伝送ライン８、９の長さは、送信信号が第１の結合器10の入力ポート11から第２の結合器の入力ポート21から出力され、受信信号27が第２の結合器20の入力ポート21から伝送され、信号271と272に分割され、第１の結合器10の隔離されたポート12で受信信号27に対応する信号27’に再度結合されるように選択される。伝送ライン８、９の長さは、信号251、252、271、272がそれぞれ所望の相対的な受信（右から左）および送信（左から右）の位相シフト関係を有し、それ故、信号251、271、252、272は、またそれぞれ結合されたポート13、14、24、23で所望の同位相または逆位相の関係を有するように選択される。伝送ライン８、９の長さは、例えばサーキュレータ５を通して送信及び受信される信号25、27の周波数に少なくとも部分的に基づいて選択されることができる。例示的な実施形態では、伝送ライン８、９の実効的な電気的な長さは動作周波数範囲の中心の波長の約４分の１である。

図３は、図２のサーキュレータの例示的な実施形態の断面図を示している。このサーキュレータは基板７と、反対方向の磁界28、29を発生する磁石18、19と、伝送ライン８、９とを具備している。図３の例示的な実施形態では、伝送ライン８、９は接地平面81、91及びマイクロストリップライン82、92によりメッキされる。結合器10、20（図２）は基板７の表面上に製造される。

例示的な実施形態では、伝送ライン８、９は基板に切り込まれたか貫通した穴71中に位置され、その位置にエポキシ樹脂で接着されることができる。伝送ライン８、９は（基板７の表面に対して垂直の方向で）約１０ミルの厚さであり、（１つの結合器の結合されたポートから、他の結合器の対応する結合されたポートへの方向で）４０ミル幅及び５００ミルの長さであることができる。

例示的な実施形態では、磁石18、19は例えば基板と同じ厚さ、すなわち約１０ミルの厚さであり、伝送ラインと同じ長さ、すなわち約５００ミルの長さであり、信号251、252、271、272間で所望の位相シフト及び位相関係を与えるために十分な磁界強度を発生するのに十分な幅である。例示的な実施形態では、磁界強度は約３５００ガウスである。磁石18、19は、基板７に切り込まれたか貫通した穴72に位置され、その位置にエポキシ樹脂で接着されることができる。

例示的な実施形態では、回路の平面に沿って作用する磁界は、基板の平面の上方または下方に磁石を有するサーキュレータと比較するとき、所定の応用に対して、低プロファイル、即ち低い高さで減少した厚さのサーキュレータ５を提供する。回路の平面に沿って作用する磁界28、29は、図３に示されているように、伝送ラインおよび／または基板と同一の平面に磁石18、19を配置することを許容する。結果的な低プロファイルのサーキュレータ５は、必要な磁界が基板の平面および基板平面の外側に位置する磁石に直交する場合のサーキュレータと同じ厚さではない。例示的な実施形態では、回路は厳密に平面である必要はない。回路は例えば、ゆるやかに湾曲する表面の形状に適合する表面上に設けられることができるが、その場合にも磁界28、29と伝送ライン８、９はサーキュレータ５が所望の機能を行うように実質的に同一の平面にある。

前述の実施形態は、本発明の原理を表す可能な特定の実施形態の単なる例示であることが理解されよう。その他の構造も当業者により本発明の技術的範囲を逸脱することなく、これらの原理に従って容易に行われるであろう。

アンテナシステムの例示的な実施形態の概略的な回路図。 サーキュレータの例示的な実施形態を示す図。 図２のサーキュレータの例示的な実施形態の断面図。

Claims (5)

1. 同一平面上に配置されている第１及び第２の伝送ライン(8, 9)と、
   前記第１及び第２の伝送ライン(8, 9)の一端に結合されている第１の結合器(10)と、
   前記第１及び第２の伝送ライン(8, 9)の他端に結合され、前記第１及び第２の伝送ライン(8, 9)によって前記第１の結合器と結合されている第２の結合器（20）とを具備し、
   前記第１及び第２の伝送ライン(8, 9)はフェライトで構成され、その表面には導電性の条帯が付着されており、
   さらに、前記第１及び第２の伝送ライン(8, 9)の平面に位置されており、その平面に平行で、第１の伝送ライン（8)と交差する第１の磁界(28)を生成する第１の磁石(18)と、
   前記第１及び第２の伝送ライン（8 、9)の平面に位置されており、その平面に平行で、第２の伝送ライン（9)と交差して第１の磁界の極性と反対の極性である第２の磁界（29）を生成する第２の磁石(19)とを具備しているサーキュレータ。
2. 前記第１の磁界(28)は、実質的に第１の伝送ライン（8)と直交し、第２の磁界(29)は、実質的に第２の伝送ライン(9) と直交している請求項１記載のサーキュレータ。
3. 前記第１及び第２の結合器(10, 20）はランゲ結合器である請求項１記載のサーキュレータ。
4. 前記第１及び第２の結合器（10、20）は基板の表面上に形成されている請求項１記載のサーキュレータ。
5. 誘電体基板（7)と、
   基板（7)上に形成され、第１の入力ポート(11)と、第１の出力ポート(12)と、第１及び第２の結合されたポート（13、14）とを有する第１のインターデジタルの４ポートマイクロストリップ結合器(10)と、
   基板（7)上に形成され、第２の入力ポート(21)と、第２の出力ポート(22)と、第３及び第４の結合されたポート（24、23）とを有する第２のインターデジタルの４ポートマイクロストリップ結合器（20）と、
   第１の結合されたポート（13）と第３の結合されたポート（24）との間に接続されたフェライトで負荷された第１の伝送ライン（8 ）と、
   第２の結合されたポート（14）と第４の結合されたポート（23）との間に接続されたフェライトで負荷された第２の伝送ライン（9 ）と、
   基板（7)に取付けられた第１及び第２の磁石（18、19）とを具備し、
   前記第１の磁石(18)は第１の伝送ライン(8) と交差している第１の磁界(28)を形成し、それは実質的に基板（7)と平行であり、第２の磁石(19)は第２の伝送ライン(9) と交差して第１の磁界の極性と反対の極性である第２の磁界(29)を形成し、それによって実質的に基板（7)と平行な低プロファイルの構造を形成しているサーキュレータ。

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