JP4768815B2 - 可変移相器 - Google Patents

Description

本発明は入力された信号の位相を遷移させて出力するための移相器に関するもので、特に入力信号の分配及び移相の可変が制御可能な可変移相器に関する。

移相器(phase shifter）は、特に位相配列アンテナ(Phase Array Antenna）のビーム制御だけでなく、位相変調機能を遂行するためにＲＦアナログ信号処理段の多様な分野で使用される。可変移相器の原理は、入力信号を適切に遅延させることによって、入力信号と出力信号との間の位相差を発生させることであって、例えば、単に伝送線路の物理的な長さ又は伝送線路内の信号伝送速度を変化させることによる多様な方式で実現することができる。このような移相器は、例えば、伝送線路長を可変とすることで、一般に位相遷移の変更が可能な可変移相器の構造として使用される。

最近では、移動通信システムにおいて、基地局の位相配列アンテナの垂直ビームの角度を調節して基地局のカバレッジを調整するために位相配列アンテナの各放射素子の位相を相互に適応的に可変する技術が要求されており、それに応じて多様な構造の位相可変器が開発及び普及されている。このような可変移相器は、特に入力信号を複数の出力信号に分配し、各出力信号の位相差を適切に調節するための構造を有することができる。この可変移相器は、その一例として、Ｋａｔｈｒｅｉｎ−Ｗｅｒｋｅ ＫＧによって出願された韓国特許出願第２００２−７００１９１６号の“高周波−移相アセンブリ”(発明者：Ｇｏｅｔｔｌ, Ｍａｘｉｍｉｌｉａｎら)に開示されている。
なお、最近の移動通信技術の飛躍的な発展は、ＲＦ信号処理技術のより高度の性能を要求するため、可変移相器のより良い性能及び一層効率的な構成のために多様な研究が活発に進んでいる。
韓国特許出願公開第２００２−７００１９１６号明細書

したがって、本発明の目的は、より向上した性能を有する可変移相器を提供することにある。
本発明の他の目的は、全体的な製品サイズの小型化が可能で、且つより安定した機構的構造を有する可変移相器を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明は、ハウジングと、ハウジング内に固定されるように設けられ、少なくとも一つの円弧状のマイクロストリップラインを一面に備える誘電体基板で構成される固定基板部と、固定基板部の他面に当接しつつハウジング内に回転可能に設けられ、固定基板部の他面に当接する面には回転時にも固定基板部の円弧状のマイクロストリップラインにマイクロストリップ−スロットラインカップリングがなされるスロットラインを備える誘電体基板で構成される回転基板部とを含み、固定基板部の少なくとも一つのマイクロストリップラインの両端は出力ポートに接続され、回転基板部のスロットラインは電気的に入力ポートに接続されて入力信号を受信することを特徴とする可変移相器を提供する。

本発明よる可変移相器は、固定基板及び回転基板を用いるマイクロストリップ−スロットラインカップリング構造を介して入力信号を分配し、複数の伝送線路間の長さに差が発生するようにして位相を可変する。したがって、本発明は、全体的な製品サイズの小型化ができ、加えて、ストリップライン間の機構的接触による機械的摩耗を減少し、より向上した性能を実現することができる効果がある。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付の図面を参照して詳細に説明する。
下記に、具体的な構成素子のような特定事項を説明するが、これは、本発明のより全般的な理解のために提供されることであって、本発明の範囲内で所定の変形や変更が可能であることは、当該技術分野における通常の知識を持つ者には自明である。

図１及び図２は、本発明の実施形態による可変移相器１０の概略的な分解斜視図である。図１は可変移相器１０の上面から見た分解斜視図を、図２は可変移相器１０の底面から見た分解斜視図を、各々示す。図１及び図２を参照すると、本発明の実施形態による可変移相器１０は、適切な収容空間が形成された円筒状のハウジング１３を備える。ハウジング１０の円筒形の収容空間には円板状の固定基板１４及び回転基板１５が当接した形態で取り付けられる。すなわち、固定基板１４の底面と回転基板１５の上面とが相互に当接する構造で装着される。これら固定基板１４及び回転基板１５は、相互に当接しているが、相互に固定して結合された構造ではない。それによって、後述する構造によって回転基板１５が回転する場合に、固定基板１４に接している回転基板１５の当接面は滑るようになる。

外部から回転力を受けて回転する回転体１７は、回転基板１５の下部に備えられてハウジング１３内に設置される。回転体１５は、図１及び図２に示すように、ギア構造を有し、外部モーターのギア(図示せず)と連動するため、回転が可能なように構成することができる。

固定基板１４は、ハウジング１３内に適切に固定されるように装着される。一方、回転基板１５は、回転体１７と相互に結合されて回転体１７の回転により共に回転する。回転ピン１６は、回転体１７及びこれと結合された回転基板１５の回転中心軸に設けられ、回転体１７及び回転基板１５は回転ピン１６を中心軸として回転するようになる。

このような構造を有する可変移相器１０は、また、ハウジング１３内に装着され、固定基板１４の上部に適切な誘電率を有する誘電体ディスク１２を備える。さらに、ハウジング１３内に固定基板１４、回転基板１５、及び回転体１７などが装着された状態で、ハウジング１３の上下側には上側カバー１１及び下側カバー１２が各々結合されて内部構造物を支持する。このとき、図２に示すように、回転体１７の下部には回転体１７を上側に押すための弾性力を提供するために適切な構造の板バネ１７４が設置され、これによって固定基板１４に回転基板１５が密着可能になる。以下、添付の図面を参照して、固定基板１４及び回転基板１５の構造及び動作をより詳細に説明する。

図３及び図４は、図１に示した固定基板１４及び回転基板１５の詳細斜視図である。図３にこれら基板を上から見た状態を示し、図４には下から見た状態を示す。図５は、図１に示した回転基板１５上に固定基板１４が取り付けられた状態の一例を示す平面図である。図６は、図１に示した回転基板１５の平面及び底面構成図であって、（ａ）に回転基板１５の平面図を、(ｂ)に回転基板１５の底面図を、それぞれ示す。図７は、図１に示した固定基板上に回転基板が取り付けられた状態の一例を示す断面図であって、例えば、図５に示すＡ−Ａ’に沿った断面図である。

図３〜図７を参照すると、固定基板１４は、適切に設定された誘電率を有する誘電体で構成され、この固定基板１４の上面に円弧状を有するマイクロストリップライン１４２，１４４が備えられる。外側の第１ストリップライン１４２と内側の第２ストリップライン１４４は、固定基板１４の中心から同心円状に配列される。それぞれのマイクロストリップライン１４２，１４４の円弧状の両端は、第１〜第４の出力ポート１４８ａ，１４８ｂ，１４８ｃ，１４８ｄを各々形成する。このとき、第１〜第４の出力ポート１４８ａ〜１４８ｄは、図１及び図２に示すハウジング１３に形成された貫通孔１３２の対応する一つに各々挿入されて結合されるコネクタ(図示せず)に接続され、このようなコネクタを介して最終的にアンテナの各放射素子(図示せず)と接続される。

また、固定基板１４の上面に備えられる入力ストリップライン１４６は、ハウジング１３に形成されている貫通孔１３２の対応する一つに挿入されて結合されているコネクタ(図示せず)に接続されて入力信号を受信し、これを固定基板１４の中心部に結合された回転ピン１６に伝送する。

一方、回転基板１５は、全体的にマイクロストリップ−スロットライン(microstrip-slot line)カップリング構造で構成される。すなわち、誘電体基板からなる回転基板１５の底面には開放端１５４ｄを有するマイクロストリップライン、すなわち伝送ストリップライン１５４が形成され、回転基板１５の上面には伝送ストリップライン１５４とカップリングされるスロットライン１５２が形成される。ここで、伝送ストリップライン１５４で、スロットライン１５２とカップリングされる第１転送地点１５４ｃと開放端１５４ｄとの間の距離は伝送信号の周波数に対して１/４波長に設定される。図面において、伝送ストリップライン１５４は、全体的に四角形の形態で示すが、開放端１５４ｄと第１転送地点１５４ｃとの間の距離が伝送信号の周波数に対して１/４波長を満たしつつ、多様な形態を有することができることはもちろんである。

また、回転基板１５の伝送ストリップライン１５４の他端は、回転ピン１６に接続されて回転ピン１６から信号を受信する。特に、図７を参照すると、固定基板１４の入力ストリップライン１４６が第１誘電体１６６を介して回転ピン１６と接続され、同様に回転基板１５の伝送ストリップライン１５４は第２誘電体１６４を介して回転ピン１６に接続される構造を有する。それによって、入力ストリップライン１４６に受信された信号は、回転ピン１６を経て伝送ストリップライン１５４に提供される。また、このような構造を有する回転基板１５は、回転体１７が回転する場合に、回転体１７に取り付けられた回転基板１５のグラウンドがハウジング１３の内面とカップリングを介して容量的に結合される。

固定基板１４の底面と当接される回転基板１５の上面には、スロットライン１５２を形成するために薄い金属材質の導電層が全体的に形成され、スロットライン１５２の両端は開放端(open-end)回路であるディスク型開放部(opening)(導電性物質が除去された部分)１５６，１５８が形成される。ディスク型開放部１５６，１５８は、回路的に開放端をなすため、スロットライン１５２の電磁気エネルギーは、スロットライン１５２の両端とディスク型開放部１５６，１５８が接する地点、すなわち図５に示す第２転送地点１５４ａ及び第３転送地点１５４ｂで最大に放射される。このとき、ディスク型開放部１５６，１５８の半径が大きいほどより向上した放射特性を有する。しかしながら、ディスク型開放部１５６，１５８のサイズ及び位置は、第２転送地点１５４ａ及び第３転送地点１５４ｂが図５に示すように、第１ストリップライン１４２及び第２ストリップライン１４４の円弧部分と各々対応する部分に位置するように形成される。また、スロットライン１５２の第１転送地点１５４ｃとスロットライン１５２の両端との間の距離は同一に形成して、回転基板１５の底面の伝送ストリップライン１５８からスロットライン１５２に転送された信号はスロットライン１５２の両端に同一に分配されるようにする。

上記したように、固定基板１４は、誘電体基板の上面に第１及び第２のストリップライン１４２，１４４が形成された構造を有し、固定基板１４の底面は第１及び第２のストリップライン１４２，１４４に対応する適正位置に形成されたディスク型開放部１５６，１５８及びスロットライン１５２が形成された回転基板１５と当接する構造である。したがって、これら構造は、マイクロストリップ−スロットラインカップリング構造であることがわかる。すなわち、スロットライン１５２の第２転送地点１５４ａ及び第３転送地点１５４ｂから放射された信号は、第１ストリップライン１４２及び第２ストリップライン１４４に各々転送される。

上記の固定基板１４及び回転基板１５の構成を用いて、固定基板１４の上面の入力ストリップライン１４６に受信された信号は、回転ピン１６を経て回転基板１５の底面の伝送ストリップライン１５４に転送され、第１転送地点１５４ｃを介して回転基板１５の上面のスロットライン１５２に転送される。その後、この信号は、スロットライン１５２の第２転送地点１５４ａ及び第３転送地点１５４ｂを介して固定基板の上面の第１ストリップライン１４２及び第２ストリップライン１４４にそれぞれ分配され、最後に、第１ストリップライン１４２及び第２ストリップライン１４４の第１〜第４の出力ポート１４８ａ〜１４８ｄに出力される。このとき、回転基板１５は、回転可能に構成されるため、第２転送地点１５４ａ及び第３転送地点１５４ｂに対応する第１ストリップライン１４２及び第２ストリップライン１４４の位置は変化し、それによって、第１〜第４の出力ポート１４８ａ〜１４８ｄに出力される信号の位相差が変化するようになる。以下、上述した入力信号の転送、分配、及び出力過程をより詳細に説明する。

固定基板１４の入力ストリップライン１４６の入力ポートを介して信号が受信されると、その信号は、回転ピン１６に伝送されて回転基板１５の底面に提供される。固定基板１４の底面に信号が入力されると、伝送ストリップライン１５４に伝送される。伝送ストリップライン１５４の第１転送地点１５４ｃが開放端１５４ｄからλ/４となる部分に位置するため、物理的にはオープン(open)又は電気的にショート(short)されて第１転送地点１５４ｃで信号は固定基板１５の上面のスロットライン１５２に転送される。転送された信号は、第２転送地点１５４ａと第３転送地点１５４ｂに分配される。

スロットライン１５２から分配された信号の中で、第２転送地点１５４ａに伝送された信号は、ディスク型開放部１５６によって第２転送地点１５４ａで物理的にオープン又は電気的にショートされて固定基板１４の上面の第１ストリップライン１４２に転送される。第１ストリップライン１４２に転送された信号は、両側に分配される。分配された信号は、第１出力ポート１４８ａと第４出力ポート１４８ｄに各々出力されてアンテナの各放射素子(図示せず）に提供される。

同様に、スロットライン１５２から分配された信号の中で、第３転送地点１５４ｂに伝送された信号は、ディスク型開放部１５８によって第３転送地点１５４ｂで物理的にオープン又は電気的にショートされて固定基板１４の上面の第２ストリップライン１４４に転送される。第２ストリップライン１４４に転送された信号は、両側に分配される。分配された信号は、第２出力ポート１４８ｂと第３出力ポート１４８ｃに各々出力されてアンテナの各放射素子(図示せず）に提供される。つまり、入力ストリップライン１４６の入力ポートを介して受信された信号は、４個の信号に分配されて出力される。

このとき、回転体１７に結合された回転基板１５の回転状態、すなわち、回転基板１５の回転による回転基板１５の上面に形成されたスロットライン１５２の転送地点の位置によって第１〜第４の出力ポートを介して出力される信号の位相差が決定される。例えば、第２転送地点１５４ａが第４出力ポート１４８ｄより第１出力ポート１４８ａに近く位置する場合に、この転送地点を介して転送された信号が第１及び第４の出力ポート１４８ａ，１４８ｄの方向に分配されるため、第４出力ポート１４８ｄを介して出力される信号の伝送ラインの長さが、第１出力ポート１４８ａを介して出力される信号の伝送ラインの長さより長くなる。

このように、第１ストリップライン１４２で、各々両出力ポート１４８ａ，１４８ｄに分配された信号の伝送ラインの長さが相互に変わることによって、第１及び第４の出力ポート１４８ａ，１４８ｄを介して出力される信号間の位相差が発生する。同様に、第３転送地点１５４ｂを介して転送された信号は、第２ストリップライン１４４の両出力ポート１４８ｂ，１４８ｃを介して位相差を発生し、分配されて出力される。

上述したように、固定基板１４の第１及び第２のストリップライン１４２，１４４は、ラインの長さが相互に異なるように構成されているため、第１ストリップライン１４２の両出力ポート１４８ａ，１４８ｄと第２ストリップライン１４４の両出力ポート１４８ｂ，１４８ｃとを介して出力される信号間の位相差はそれぞれ相互に異なる。例えば、第２ストリップライン１４４の両出力ポート１４８ｂ，１４８ｃから出力される信号間の位相差を＋１から−１までの範囲に設計する場合に、第１ストリップライン１４２の両出力ポート１４８ａ，１４８ｄから出力される信号間の位相差は＋２から−２の範囲に設計することができる。したがって、各出力ポートの位相差を＋２，＋１，０，−１，−２のような値にすることによって、アンテナを介して放射されるビームの傾斜角(tilt angle)が可変可能になる。

上記のように、本発明の実施形態による可変移相器の構成及び動作が実現可能であり、一方、本発明では具体的な実施形態に関して説明したが、本発明の範囲を外れない限り、多様な変形を実施できることはもちろんである。例えば、上記の説明で言及したマイクロストリップラインは、ストリップライン、同軸ケーブル、及びＣＰＷ(Coplanar Waveguide)に代替しても実現可能である。また、スロットラインの代りにＣＰＳ(Coplanar Strip)を用いても実現が可能である。したがって、本発明の範囲は、前述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲及びこれと均等なものに基づいて定められるべきである。

本発明の実施形態による可変移相器の概略的な分解斜視図である。 本発明の実施形態による可変移相器の概略的な分解斜視図である。 図１に示す固定基板及び回転基板の詳細斜視図である。 図１に示す固定基板及び回転基板の詳細斜視図である。 図１に示す回転基板上に固定基板が取り付けられた状態の一例を示す平面図である。 図１に示す回転基板の平面及び底面の構成を示す図である。 図１に示す固定基板上に回転基板が取り付けられた状態の一例を示す断面図である。

符号の説明

１０ 可変移相器
１１ 上側カバー
１２ 誘電体ディスク
１３ ハウジング
１３２ 貫通孔
１４ 固定基板
１４２ 第１ストリップライン
１４４ 第２ストリップライン
１４６ 入力ストリップライン
１４８ａ 第１出力ポート
１４８ｂ 第２出力ポート
１４８ｃ 第３出力ポート
１４８ｄ 第４出力ポート
１５ 回転基板
１５２ スロットライン
１５４ 伝送ストリップライン
１５４ａ 第２転送地点
１５４ｂ 第３転送地点
１５４ｃ 第１転送地点
１５４ｄ 開放端
１５６，１５８ ディスク型開放部
１６ 回転ピン
１６４ 第２誘電体
１６６ 第１誘電体
１７ 回転体
１７２ ギア
１７４ 板バネ
１８ 下側カバー

Claims (12)

1. ハウジングと、
   前記ハウジング内に固定されるように設けられ、少なくとも二つの円弧状のマイクロストリップラインを一面に備える誘電体基板で構成される固定基板部と、
   前記固定基板部の他面に当接しつつ前記ハウジング内に回転可能に設けられ、前記固定基板部の他面に当接する面には回転時にも前記固定基板部の少なくとも二つの円弧状のマイクロストリップラインにマイクロストリップ−スロットラインカップリングがなされる一つのスロットラインを備える誘電体基板で構成される回転基板部と、を含み、
   前記固定基板部の少なくとも二つのマイクロストリップラインの両端は出力ポートに接続され、前記回転基板部のスロットラインは電気的に入力ポートに接続されて入力信号を受信し、
   前記スロットラインの両端には、開放端回路であるディスク型開放部がそれぞれ形成され、
   前記ディスク型開放部のそれぞれと前記スロットラインが接する地点で、前記少なくとも二つのマイクロストリップラインと同時に前記マイクロストリップ−スロットラインカップリングがなされるように、前記スロットライン、前記ディスク型開放部、及び前記少なくとも二つのマイクロストリップラインが形成されることを特徴とする可変移相器。
2. 前記固定基板部と前記回転基板部との共同中心軸に設けられ、前記回転基板部の回転軸機能をする回転ピンと、
   前記固定基板部の一面に設けられ、前記入力ポートに前記回転ピンが接続される入力ストリップラインと、を備え、
   前記回転基板部のスロットラインは前記回転ピンに電気的に接続されて前記入力ポートの入力信号を受信することを特徴とする請求項１に記載の可変移相器。
3. 前記回転基板部は、前記スロットラインが形成される面の他面に、前記スロットラインにマイクロストリップ−スロットラインカップリングがなされる、開放端を有するマイクロストリップラインである伝送ストリップラインを備え、
   前記伝送ストリップラインは、前記回転ピンに電気的に接続され、これを介して前記入力信号を受信して前記スロットラインに転送することを特徴とする請求項２に記載の可変移相器。
4. ハウジングと、
   前記ハウジング内に固定されるように設けられ、一面に円弧状を有し、同心に配列される２つのマイクロストリップラインを備える誘電体基板で構成される固定基板部と、
   前記固定基板部の他面に当接しつつ前記ハウジング内に回転可能に設けられ、前記固定基板部の他面に当接する面には、回転時にも両端で前記固定基板部の円弧状の２本のマイクロストリップラインにマイクロストリップ−スロットラインカップリングがなされる一つのスロットラインを備え、且つ前記スロットラインが備えられる面の他面には、前記スロットラインにマイクロストリップ−スロットラインカップリングがなされる開放端を有するマイクロストリップラインである伝送ストリップラインを備える誘電体基板で構成される回転基板部と、
   前記回転基板部に結合されて外部から提供される回転力によって前記回転基板部を回転させる回転体と、を含み、
   前記固定基板部の２本のマイクロストリップラインの両端は各々出力ポートに接続され、前記回転基板部の伝送ストリップラインは電気的に入力ポートに接続されて入力信号を受信し、
   前記スロットラインの両端には、開放端回路であるディスク型開放部がそれぞれ形成され、
   前記ディスク型開放部のそれぞれと前記スロットラインが接する地点で、前記二つのマイクロストリップラインと同時に前記マイクロストリップ−スロットラインカップリングがなされるように、前記スロットライン、前記ディスク型開放部、及び前記二つのマイクロストリップラインが形成されることを特徴とする可変移相器。
5. 前記固定基板部と前記回転基板部との共同中心軸に設けられ、前記回転基板部の回転軸機能をする回転ピンと、
   前記固定基板部の一面に設けられ、前記入力ポートに前記回転ピンが接続される入力ストリップラインと、を備え、
   前記回転基板部の伝送ストリップラインは、前記回転ピンに電気的に接続されて前記入力ポートの入力信号を受信することを特徴とする請求項４に記載の可変移相器。
6. 前記スロットラインの両端は開放端(open-end)回路が形成されることを特徴とする請求項４又は５に記載の可変移相器。
7. ハウジングと、
   前記ハウジング内に固定されるように設けられ、少なくとも二つの円弧状の伝送ラインを一面に備える誘電体基板で構成される固定基板部と、
   前記固定基板部の他面に当接しつつ前記ハウジング内に回転可能に設けられ、前記固定基板部の他面に当接する面には、回転時にも前記固定基板部の少なくとも二つの円弧状の伝送ラインに信号転送が遂行される一つのスロットラインを備える誘電体基板で構成される回転基板部と、を含み、
   前記固定基板部の少なくとも二つの伝送ラインの両端は出力ポートに接続され、前記回転基板部のスロットラインは電気的に入力ポートに接続されて入力信号を受信し、
   前記スロットラインの両端には、開放端回路であるディスク型開放部がそれぞれ形成され、
   前記ディスク型開放部のそれぞれと前記スロットラインが接する地点で、前記少なくとも二つの伝送ラインと前記信号転送が同時に遂行されるように、前記スロットライン、前記ディスク型開放部、及び前記少なくとも二つの伝送ラインが形成されることを特徴とする可変移相器。
8. 前記固定基板部と前記回転基板部との共同中心軸に設けられ、前記回転基板部の回転軸機能をする回転ピンと、
   前記固定基板部の一面に設けられて前記入力ポートに前記回転ピンが接続される入力伝送ラインと、を備え、
   前記回転基板部のスロットラインは前記回転ピンに電気的に接続されて前記入力ポートの入力信号を受信することを特徴とする請求項７に記載の可変移相器。
9. 前記回転基板部は、前記スロットラインが備えられる面の他面に、前記スロットラインに信号転送が遂行される開放端を有する伝送ラインを備え、
   前記伝送ラインは、前記回転ピンに電気的に接続され、それを介して前記入力信号を受信して前記スロットラインに転送することを特徴とする請求項８に記載の可変移相器。
10. 前記伝送ラインは、マイクロストリップライン、ストリップライン同軸ケーブル、コプレーナ導波路(Coplanar Waveguide：ＣＰＷ)のうちいずれか一つで形成されることを特徴とする請求項７に記載の可変移相器。
11. 前記伝送ラインは、マイクロストリップライン、ストリップライン同軸ケーブル、コプレーナ導波路 (ＣＰＷ)のうちいずれか一つで形成されることを特徴とする請求項８に記載の可変移相器。
12. 前記伝送ラインは、マイクロストリップライン、ストリップライン同軸ケーブル、コプレーナ導波路 (ＣＰＷ)のうちいずれか一つで形成されることを特徴とする請求項９に記載の可変移相器。

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