JP5417622B2 - Analog / digital stacked variable phase shifter - Google Patents
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Description
本発明は、電子回路部品、半導体技術、マイクロ波回路、レーダ・センサー技術、通信放送用アンテナ装置等に用いられ、主には高周波の位相を所望の量だけずらす、移相器に関する。 The present invention relates to a phase shifter that is used in electronic circuit components, semiconductor technology, microwave circuits, radar sensor technology, communication broadcasting antenna devices, and the like, and mainly shifts the phase of a high frequency by a desired amount.
フェーズドアレーアンテナは、宇宙電波通信技術や軍事防衛技術、移動体通信技術など、特に厳密な指向性制御を要求される先端技術分野において利用されている。 Phased array antennas are used in advanced technology fields that require particularly strict directivity control, such as space radio communication technology, military defense technology, and mobile communication technology.
一般にフェーズドアレーアンテナとは、移相器を用いて互いに所定の量だけ位相差を持たせた多数のアンテナ素子を一次元的又は二次元的に配列することにより、アンテナ全体として所望の指向性を持たせたアンテナであり、各アンテナ素子の位相を個々に制御することにより、アンテナ自体を機械的に回転させることなく放射方向を変えられるという特長を有する。 In general, a phased array antenna is a one-dimensional or two-dimensional array of a large number of antenna elements having a predetermined amount of phase difference from each other using a phase shifter. This antenna has a feature that the radiation direction can be changed without mechanically rotating the antenna itself by individually controlling the phase of each antenna element.
しかしながら、現時点においてフェーズドアレーアンテナが広く普及しているとは言い難い。その理由として、フェーズドアレーアンテナが他のアンテナと比較して高価であり、また大型化を避けられないという問題があることが挙げられる。 However, at present, it is difficult to say that phased array antennas are widely used. The reason is that the phased array antenna is expensive as compared with other antennas, and the increase in size is inevitable.
すなわち、フェーズドアレーアンテナを構成するためには個々のアンテナ素子における位相を調整するために多数の(一般にはアンテナ素子と同数の)移相器が必要となるが、きめ細やかな位相調整を行おうとすれば各移相器は高価且つ大型になってしまい、したがってアンテナ全体としても高価且つ大型となることが避けられない。 In other words, in order to configure a phased array antenna, a large number of phase shifters (generally the same number as the antenna elements) are required to adjust the phase of each antenna element. In this case, each phase shifter becomes expensive and large, and thus the whole antenna is inevitably expensive and large.
移相器における位相調整手段としては、スイッチ切り替えなどによるデジタル制御と、リアクタンス変化が可能な素子を電圧などで制御することによるアナログ制御とが存在するが、いずれの場合も、精度を高めようとすると多数の素子又は大型の素子が必要となるため、従来のような平面型回路構成を採用すると、移相器の大型化は避けられない。 There are two types of phase adjustment means in phase shifters: digital control by switching switches and analog control by controlling elements that can change reactance with voltage. Then, since a large number of elements or large elements are required, if a conventional planar circuit configuration is adopted, an increase in the size of the phase shifter is inevitable.
特にデジタル制御による移相器は、移相器を構成する個々の移相回路(ビット)における移相量の量子化誤差が移相器全体の出力に累積されるという問題や、スイッチ等の実装後は位相誤差の微調整が困難であるという問題を有するために、帯域の調整、挿入損の低減に注意して設計する必要がある。さらに、たとえ十分注意して設計したとしても、はんだ付けなどでのわずかな作製誤差により、位相調整の精度は不十分なものとなる。 Especially for digitally controlled phase shifters, there is a problem that the quantization error of the amount of phase shift in each phase shift circuit (bit) that constitutes the phase shifter is accumulated in the output of the entire phase shifter, and implementation of switches, etc. After that, since there is a problem that fine adjustment of the phase error is difficult, it is necessary to design with attention to adjustment of the band and reduction of insertion loss. Furthermore, even if designed with great care, the accuracy of phase adjustment will be inadequate due to slight manufacturing errors caused by soldering or the like.
一方、アナログ制御の移相器を用いれば位相角の厳密な制御も可能となるが、そのような場合には大きなリアクタンス変化が可能な素子、すなわち大型のリアクタンス素子を個々の移相器に備えることが必要となり、アンテナは大型で高価なものとなる。 On the other hand, if an analog-controlled phase shifter is used, it is possible to precisely control the phase angle. In such a case, an element capable of a large reactance change, that is, a large reactance element is provided in each phase shifter. The antenna becomes large and expensive.
このため、きめ細やかな位相調整を可能としつつ、従来よりも小型で安価な、移相器が求められている。 Therefore, there is a demand for a phase shifter that enables fine phase adjustment and is smaller and less expensive than conventional ones.
上記課題を解決するため、本発明は、複数の誘電基板を積層してなる誘電積層基板の内部又は表面上に形成される第1の移相回路であって、第1の信号経路切り替え手段と、第1の信号経路切り替え手段により切り替えられる2以上の信号経路と、を含み、第1の信号経路切り替え手段により切り替えられる2以上の信号経路のうち少なくとも1つから分岐した信号経路を含み、分岐した信号経路は、ビアを介して誘電積層基板表面上のリアクタンス素子と電気的に接続される、第1の移相回路と、誘電積層基板の内部又は表面上に形成される第2の移相回路であって、第2の信号経路切り替え手段と、第2の信号経路切り替え手段により切り替えられる2以上の信号経路であって、誘電積層基板中の異なる2以上の層上にそれぞれ形成された信号経路を層間ビアにより電気的に接続してなる信号経路を含む、2以上の信号経路と、を含む第2の移相回路と、を含む移相器を提供する。 In order to solve the above-described problems, the present invention provides a first phase shift circuit formed on or on the surface of a dielectric multilayer substrate formed by laminating a plurality of dielectric substrates, the first signal path switching means and Two or more signal paths switched by the first signal path switching means, and including a signal path branched from at least one of the two or more signal paths switched by the first signal path switching means The signal path includes a first phase shift circuit that is electrically connected to a reactance element on the surface of the dielectric multilayer substrate through a via, and a second phase shift circuit formed in or on the surface of the dielectric multilayer substrate. A second signal path switching unit and two or more signal paths switched by the second signal path switching unit, each formed on two or more different layers in the dielectric laminated substrate. A signal path formed by electrically connecting the interlayer via a signal path, and two or more signal paths, providing a second phase-shift circuit, a phase shifter comprising including.
また本発明は、複数の誘電基板を積層してなる誘電積層基板の内部又は表面上に形成される移相回路であって、信号経路切り替え手段と、信号経路切り替え手段により切り替えられる2以上の信号経路であって、誘電積層基板中の異なる2以上の層上にそれぞれ形成された信号経路を層間ビアにより電気的に接続してなる信号経路を含む、2以上の信号経路と、を含み、信号経路切り替え手段により切り替えられる2以上の信号経路のうち少なくとも1つから分岐した信号経路を更に含み、分岐した信号経路は、ビアを介して誘電積層基板表面上のリアクタンス素子と電気的に接続される、移相回路を含む移相器を提供する。 The present invention also relates to a phase shift circuit formed on or on the surface of a dielectric multilayer substrate formed by laminating a plurality of dielectric substrates, wherein two or more signals are switched by the signal path switching means and the signal path switching means. 2 or more signal paths including signal paths formed by electrically connecting signal paths respectively formed on two or more different layers in the dielectric laminated substrate by interlayer vias, It further includes a signal path branched from at least one of the two or more signal paths switched by the path switching means, and the branched signal path is electrically connected to the reactance element on the surface of the dielectric multilayer substrate through the via. A phase shifter including a phase shift circuit is provided.
上記移相器において、各信号経路は誘電積層基板の内部又は表面上に形成されている。従来であれば、信号経路は積層化しない単なる平面構造の回路として形成されており、したがって回路規模も大きくなることを避けられなかったのであるが、本発明においてはこれを立体構造とすることにより移相器全体の小型化を図っている。 In the phase shifter, each signal path is formed inside or on the surface of the dielectric laminated substrate. Conventionally, the signal path is formed as a circuit having a simple planar structure that is not laminated. Therefore, it has been unavoidable that the circuit scale becomes large, but in the present invention, this is made into a three-dimensional structure. The entire phase shifter is miniaturized.
具体的に、そのような立体構造において層間の信号経路を電気的に接続する役目は、層間ビアが担う。すなわち、誘電体基板にスルーホールを形成し、当該スルーホール内に金属など電極材料を充填若しくは付着させてビアを形成し、当該ビアの上端と下端とをそれぞれの層の信号経路と接続することにより、層間での信号伝達を可能とする。 Specifically, interlayer vias play a role in electrically connecting signal paths between layers in such a three-dimensional structure. That is, a through hole is formed in a dielectric substrate, a via is formed by filling or attaching an electrode material such as metal into the through hole, and the upper end and the lower end of the via are connected to the signal path of each layer. This enables signal transmission between layers.
また、上記移相器によれば、信号経路切り替えによるデジタルな位相調整とリアクタンス素子の制御によるアナログな位相調整とを組み合わせることにより、段階的な位相調整を厳密に行うことが可能となる。すなわち、デジタル位相調整を担うべく形成された各信号経路において、経路長やインダクタンス等の誤差があるために出力される信号の移相が設計値からずれていたとしても、移相器の使用段階においてリアクタンス素子に印加する電圧を随時調整することなどにより、そのようなずれを解消することが可能となる。 Further, according to the phase shifter, stepwise phase adjustment can be strictly performed by combining digital phase adjustment by switching the signal path and analog phase adjustment by controlling the reactance element. That is, in each signal path formed to handle digital phase adjustment, even if the phase shift of the output signal deviates from the design value due to errors such as path length and inductance, the phase shifter use stage In such a case, it is possible to eliminate such a deviation by adjusting the voltage applied to the reactance element as needed.
また、リアクタンス素子は誘電積層基板表面上に形成されるため、調整・交換が比較的容易である。例えば連続的な位相調整を広範囲に亘って行う必要があるならば大型のリアクタンス素子を配置し、あるいは純粋に段階的位相調整を行うことが目的であって、且つ各信号経路における誤差が僅かであることが判明した場合には、小型のリアクタンス素子を配置するということも可能である。すなわち目的に応じて可能な限りの小型化を図ることができる。 Further, since the reactance element is formed on the surface of the dielectric laminated substrate, adjustment and replacement are relatively easy. For example, if continuous phase adjustment needs to be performed over a wide range, the purpose is to arrange a large reactance element, or to perform pure phase adjustment, and there is little error in each signal path. If it is found out, it is possible to arrange a small reactance element. That is, it is possible to reduce the size as much as possible according to the purpose.
リアクタンス素子としては、可変容量ダイオード、電界効果トランジスタ(FET)、金属酸化物半導体(MOS)キャパシタ、フォトダイオード、フォトトランジスタ、などを用いることができる。 As the reactance element, a variable capacitance diode, a field effect transistor (FET), a metal oxide semiconductor (MOS) capacitor, a photodiode, a phototransistor, or the like can be used.
典型的には、ダイオードに直流逆電圧を印加してp型半導体側とn側半導体側との間に空乏層を形成することにより構成され、且つ印加する逆電圧を制御することにより当該ダイオードに所望の静電容量を持たせることが可能である、可変容量ダイオード(バラクタダイオード)が用いられる。
しかしながら、本発明の移相器において用いられるべきリアクタンス素子はこれに限られるわけではなく、ゲートへの印加電圧により特性が変化する電界効果トランジスタ(FET)や、金属酸化物半導体(MOS)キャパシタ、あるいは、照射光強度によって特性が変化するフォトダイオードやフォトトランジスタのような光検出器など、信号に与えるリアクタンス効果を外部入力に応じて調整可能とする素子であれば、どのようなものであってもよい。
Typically, it is configured by applying a DC reverse voltage to a diode to form a depletion layer between the p-type semiconductor side and the n-side semiconductor side, and controlling the reverse voltage to be applied to the diode. A variable-capacitance diode (varactor diode) that can have a desired capacitance is used.
However, the reactance element to be used in the phase shifter of the present invention is not limited to this, and a field effect transistor (FET) whose characteristics change depending on a voltage applied to the gate, a metal oxide semiconductor (MOS) capacitor, Alternatively, any element that can adjust the reactance effect given to a signal according to an external input, such as a photodetector such as a photodiode or a phototransistor whose characteristics change depending on the intensity of irradiation light. Also good.
本発明の移相器に用いる誘電基板とはLTCC基板であって、誘電積層基板はLTCC多層基板であることが好ましい。LTCC(Low Temperature Co−fired Ceramics)、すなわち低温同時焼成セラミックスを用いて回路基板を作成する場合、各層のグリーンシート上に回路を形成して積層させた後に焼成するという製造工程により、積層基板全体としてのサイズが面積方向、積層方向の両方向で圧縮される。したがって、面積を小さく抑えつつ、積層構造による厚みの増大も最小限に留めることができるという点において、LTCCは相対的に優れた材料である。
またLTCCは、従来のアルミナセラミック基板よりも低温での焼成が可能であるため、このLTCCを回路基板として採用することにより、以前は耐火性の問題から使用が困難であった導体抵抗の低い金属(金、銀、銅など)を回路に用いることが可能となる。
The dielectric substrate used in the phase shifter of the present invention is an LTCC substrate, and the dielectric laminated substrate is preferably an LTCC multilayer substrate. When a circuit board is formed using LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramics), that is, low-temperature co-fired ceramics, a circuit is formed on each green sheet, laminated, and then fired. Are compressed in both the area direction and the stacking direction. Therefore, LTCC is a relatively excellent material in that the increase in thickness due to the laminated structure can be minimized while keeping the area small.
Moreover, since LTCC can be fired at a lower temperature than conventional alumina ceramic substrates, by adopting this LTCC as a circuit substrate, a metal with low conductor resistance that was difficult to use in the past due to fire resistance problems. (Gold, silver, copper, etc.) can be used for the circuit.
本発明の移相器に用いる信号経路切り替え手段は、高周波用MEMSスイッチであることが好ましい。MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)、すなわち微小電子機械システムによるスイッチを用いれば、従来の半導体スイッチや機械式スイッチを用いる場合と比べて、移相器を挿入することによる損失の低下、及び移相器全体としての更なる小型化が可能となるのであり、また開発・製作コストの削減へと繋がるからである。しかしながら、移相器において許容される損失やサイズの程度に応じて、その他のスイッチを採用することも当然可能である。 The signal path switching means used in the phase shifter of the present invention is preferably a high frequency MEMS switch. When using a micro electro mechanical system (MEMS), that is, a switch based on a micro electro mechanical system, a loss reduction due to insertion of a phase shifter and a phase shifter compared to the case where a conventional semiconductor switch or mechanical switch is used. This is because further downsizing as a whole becomes possible, and it leads to reduction in development and production costs. However, other switches can naturally be employed depending on the degree of loss and size allowed in the phase shifter.
本発明の移相器において、誘電積層基板中の異なる2以上の層上にそれぞれ形成された信号経路は、層を介してほぼ投影面内垂直に交差するよう形成されることが好ましい。各層上の信号経路が層を介して平行に形成された場合、平行電流間の相互作用により移相器の機能に影響が出る恐れがあるからである。そのような相互作用を避けるため、各層での回路形成に際しては他の層における回路パターンも考慮して配線を行うことが好ましい。 In the phase shifter of the present invention, it is preferable that the signal paths respectively formed on two or more different layers in the dielectric laminated substrate are formed so as to intersect substantially perpendicularly in the projection plane through the layers. This is because if the signal paths on each layer are formed in parallel through the layers, the function of the phase shifter may be affected by the interaction between the parallel currents. In order to avoid such interaction, it is preferable to perform wiring in consideration of circuit patterns in other layers when forming a circuit in each layer.
本発明の移相器において、移相回路のそれぞれにおける信号経路は、誘電積層基板中の最上層以外の層において形成されることが好ましい。誘電積層基板中、内部の層に移相回路を形成すれば、最上層表面、すなわち移相器表面には信号経路切り替えスイッチ及びリアクタンス素子以外の回路素子を配置する必要がなくなるのであり、この表面面積を他の用途に使うことが可能となるからである。 In the phase shifter of the present invention, the signal path in each of the phase shift circuits is preferably formed in a layer other than the uppermost layer in the dielectric laminated substrate. If a phase shift circuit is formed in the inner layer of the dielectric laminated substrate, it is not necessary to arrange circuit elements other than the signal path switching switch and the reactance element on the surface of the uppermost layer, that is, the surface of the phase shifter. This is because the area can be used for other purposes.
本発明の移相器において、分岐した信号経路は、分岐元の信号経路上において入力信号波長のほぼ1/4の距離を介して分岐した2つの調整用スタブとすることが可能である。このような構成をとれば、2つの調整スタブ各々に起因する反射波が打ち消しあうことにより、挿入損失を抑えることができる。 In the phase shifter of the present invention, the branched signal path can be two adjustment stubs branched on the branch source signal path through a distance of approximately 1/4 of the input signal wavelength. With such a configuration, the insertion loss can be suppressed by canceling the reflected waves caused by the two adjustment stubs.
また、本発明は、複数の誘電基板を積層してなる誘電積層基板の内部又は表面上に形成される第1の移相回路であって、第1の信号経路切り替え手段と、第1の信号経路切り替え手段により切り替えられる2以上の信号経路と、を含み、第1の信号経路切り替え手段により切り替えられる2以上の信号経路のうち少なくとも1つから分岐した信号経路を含み、分岐した信号経路は、誘電積層基板表面へと通じるビアへ電気的に接続される、第1の移相回路と、誘電積層基板の内部又は表面上に形成される第2の移相回路であって、第2の信号経路切り替え手段と、第2の信号経路切り替え手段により切り替えられる2以上の信号経路であって、誘電積層基板中の異なる2以上の層上にそれぞれ形成された信号経路を層間ビアにより電気的に接続してなる信号経路を含む、2以上の信号経路と、を含む第2の移相回路と、を含む移相器を提供する。 The present invention also provides a first phase shift circuit formed on or on the surface of a dielectric laminated substrate formed by laminating a plurality of dielectric substrates, the first signal path switching means, the first signal Two or more signal paths switched by the path switching means, including a signal path branched from at least one of the two or more signal paths switched by the first signal path switching means, and the branched signal path is: A first phase shift circuit electrically connected to vias leading to the surface of the dielectric multilayer substrate, and a second phase shift circuit formed in or on the surface of the dielectric multilayer substrate, wherein the second signal Two or more signal paths that are switched by the path switching means and the second signal path switching means, and the signal paths formed on two or more different layers in the dielectric laminated substrate are electrically connected by interlayer vias. And comprising a signal path formed by the two or more signal paths, providing a second phase-shift circuit, a phase shifter comprising including.
さらに、本発明は、複数の誘電基板を積層してなる誘電積層基板の内部又は表面上に形成される移相回路であって、信号経路切り替え手段と、信号経路切り替え手段により切り替えられる2以上の信号経路であって、誘電積層基板中の異なる2以上の層上にそれぞれ形成された信号経路を層間ビアにより電気的に接続してなる信号経路を含む、2以上の信号経路と、を含み、信号経路切り替え手段により切り替えられる2以上の信号経路のうち少なくとも1つから分岐した信号経路を更に含み、分岐した信号経路は、誘電積層基板表面へと通じるビアへ電気的に接続される、移相回路、を含む移相器を提供する。 Furthermore, the present invention is a phase shift circuit formed inside or on the surface of a dielectric multilayer substrate formed by laminating a plurality of dielectric substrates, and is switched by a signal path switching means and a signal path switching means. Two or more signal paths including signal paths formed by electrically connecting signal paths respectively formed on two or more different layers in the dielectric laminated substrate by interlayer vias, A signal path branched from at least one of two or more signal paths switched by the signal path switching means, and the branched signal path is electrically connected to a via that leads to the surface of the dielectric laminated substrate; A phase shifter including a circuit.
分岐した信号経路がビアを介して誘電積層基板表面へと電気的に接続されているため、表面上にリアクタンス素子を配置した上で、あるいは位相調整回路など、任意の位相調整手段を表面上に形成した上で、それらをビアと電気的に接続することにより、位相の更なる微調整が可能となる。なお、それら位相調整手段は必ずしも誘電積層基板の表面上に形成されなければならないわけではなく、本発明の移相器とは別個のものとして予め構成した上で、両者を電気的に接続することにより位相の微調整を行うことも可能である。 Since the branched signal path is electrically connected to the surface of the dielectric multilayer substrate through vias, any phase adjustment means such as a phase adjustment circuit or the like is placed on the surface after a reactance element is arranged on the surface. Once formed, they can be electrically connected to the vias to allow further fine tuning of the phase. These phase adjusting means do not necessarily have to be formed on the surface of the dielectric laminated substrate, and are configured in advance separately from the phase shifter of the present invention and electrically connected to each other. It is also possible to finely adjust the phase.
本発明によれば、例えばフェーズドアレーアンテナを構成する各アンテナ素子における位相調整をするための移相器として都合がよい、小型・薄型・多機能で安価なアナログ・デジタル混成移相器が与えられる。 According to the present invention, a compact, thin, multifunctional and inexpensive analog / digital hybrid phase shifter that is convenient as a phase shifter for adjusting the phase of each antenna element constituting a phased array antenna, for example, is provided. .
本発明に係る移相器は、デジタル制御による位相の粗調整とアナログ制御による位相の微調整とを組み合わせることにより、必要以上に大型のリアクタンス素子を用いることなく(したがって低コストでの)、きめ細やかな位相調整を可能とする。 The phase shifter according to the present invention combines coarse phase adjustment by digital control and fine phase adjustment by analog control, so that a large reactance element is not used more than necessary (and therefore at low cost). Enables fine phase adjustment.
また、本発明に係る移相器は埋め込み型の調整用スタブを用い、アナログ微調整はリアクタンス素子への電圧、光などによる制御をもって行うため、従来のように測定前にスタブをはんだなどで調整する必要もない。またそのようなアナログ微調整は、後述のとおりプログラム化などによって電子制御とすることが可能である。 In addition, the phase shifter according to the present invention uses an embedded adjustment stub, and analog fine adjustment is performed by controlling the reactance element with voltage, light, etc., so the stub is adjusted with solder or the like before measurement as in the past. There is no need to do. Such analog fine adjustment can be electronically controlled by programming as described later.
さらに、回路基板としてLTCC多層基板などの誘電積層基板を用いることにより、信号経路を複数の層に亘る立体構造とした。これにより移相器が占める面積は大幅に削減され、従来に比較しての大幅な小型化が達成された。なお、立体構造とすることにより厚さ方向のサイズは増すこととなるが、例えばLTCC基板を用いる場合での一層あたりの厚さは10〜100μm程度であるため、実用上の不利益はほぼ存在しないといえる。 Furthermore, by using a dielectric laminated substrate such as an LTCC multilayer substrate as a circuit substrate, the signal path has a three-dimensional structure extending over a plurality of layers. As a result, the area occupied by the phase shifter has been greatly reduced, and a significant reduction in size compared to the prior art has been achieved. In addition, although the size in the thickness direction is increased by adopting a three-dimensional structure, for example, when the LTCC substrate is used, the thickness per layer is about 10 to 100 μm, so there is almost no practical disadvantage. I can say no.
このような利点を有する本発明の移相器を用いることにより、低コストで位相制御精度の高い、電子制御のフェーズドアレーアンテナが実現できる。 By using the phase shifter of the present invention having such advantages, an electronically controlled phased array antenna with low cost and high phase control accuracy can be realized.
これより、本発明に係る移相器の一実施形態を、図面を用いて詳細に説明する。なお、図中に示される信号経路パターンや素子の配置、構成は単なる一例であり、当業者であれば本発明の範囲内でさまざまな設計変更を行うことが可能である。 From this, one Embodiment of the phase shifter which concerns on this invention is described in detail using drawing. The signal path pattern and the arrangement and configuration of elements shown in the drawing are merely examples, and those skilled in the art can make various design changes within the scope of the present invention.
図1は、本発明の一実施形態に係る移相器1を上から見た平面図である。移相器1は、4つの移相回路2,3,4,及び5を含んでおり、これらが信号線によって電気的に接続されて、4ビット構成となっている。
FIG. 1 is a plan view of a phase shifter 1 according to an embodiment of the present invention as viewed from above. The phase shifter 1 includes four
各移相回路中の各信号線は、誘電基板の異なる層上に分布しており、信号経路は全体として立体構造とされている。誘電積層基板は、LTCC基板などの誘電基板から構成される。この立体構造は、後に図2,3,6,及び7を用いて詳細に説明するとおり、全5層からなる誘電積層基板内に形成されている。 Each signal line in each phase shift circuit is distributed on different layers of the dielectric substrate, and the signal path has a three-dimensional structure as a whole. The dielectric laminated substrate is composed of a dielectric substrate such as an LTCC substrate. This three-dimensional structure is formed in a dielectric laminated substrate having a total of five layers, as will be described later in detail with reference to FIGS.
信号経路は、誘電積層基板を構成する各層の誘電基板上において金属粒子をパターン印刷等することにより形成される。具体的にLTCC基板を用いる場合は、例えばCaO−Al2O3−B2O3−SiO2系のガラス質とAl2O3系のセラミック材料を混合して、混合粉末に有機バインダーと溶剤を加え混練してスラリーを作製し、シート状に成型することでグリーンシートを作製し、このグリーンシート上に、金、銀、銅などの金属粒子による回路パターンを印刷法、あるいは薄膜法などにより形成する。 The signal path is formed by pattern printing of metal particles on the dielectric substrate of each layer constituting the dielectric laminated substrate. When an LTCC substrate is specifically used, for example, a CaO—Al 2 O 3 —B 2 O 3 —SiO 2 glass material and an Al 2 O 3 ceramic material are mixed, and an organic binder and a solvent are mixed into the mixed powder. And kneading to prepare a slurry, and forming a green sheet by molding it into a sheet shape. On this green sheet, a circuit pattern made of metal particles such as gold, silver, and copper is printed or thin film method is used. Form.
グリーンシートにはレーザー法などによりスルーホールを開け、そこに信号経路と同様の金属材料を充填若しくは付着させることによりビアを形成する。またビアの両端には、信号線と同じく印刷法などにより、金属の導体パッドを形成する。最下層のグリーンシートの底面には、接地用の導体層を、同じく印刷法などにより形成する。このように、各層をグリーンシート上の回路として形成した後、それら各層を圧力により接続した上で焼成することにより、誘電積層基板内の回路としての移相回路を備えた移相器1が作製される。 A through hole is formed in the green sheet by a laser method or the like, and a via is formed by filling or adhering the same metal material as the signal path. Also, metal conductor pads are formed on both ends of the vias by the printing method or the like as with the signal lines. On the bottom surface of the lowermost green sheet, a grounding conductor layer is also formed by the printing method or the like. Thus, after forming each layer as a circuit on a green sheet, the layers are connected by pressure and then fired to produce a phase shifter 1 having a phase shift circuit as a circuit in a dielectric laminated substrate. Is done.
4つの移相回路のうち、第1の移相回路2は、SPDT(Single Pole Double Throw)スイッチ(または単極双投スイッチ)6と7とにより、入力部8から入力された信号(典型的には高周波信号であるが、これに限られない)が進む経路を基準線9と遅延線10とのいずれかに切り替えるよう構成されている。この経路切り替えにより、入力部8より入力された信号における位相のデジタル調整が可能となる。
Of the four phase shift circuits, the first phase shift circuit 2 is a signal (typical) input from the
SPDTスイッチとしては、高周波用MEMSスイッチ、半導体スイッチ、機械式スイッチなど任意のスイッチを用いることが可能であるが、移相器挿入による損失の抑制や移相器全体の小型化を考慮すれば高周波用MEMSスイッチを用いることが好ましい。 As the SPDT switch, any switch such as a high-frequency MEMS switch, a semiconductor switch, or a mechanical switch can be used. However, considering the suppression of loss due to the insertion of the phase shifter and the miniaturization of the entire phase shifter, It is preferable to use a MEMS switch.
高周波用MEMSスイッチを用いる場合は、スイッチ内部の電極間に直流電圧を印加することにより基準線9と遅延線10とのいずれか一方を導通させ、経路選択を行う。
In the case of using a high-frequency MEMS switch, a DC voltage is applied between the electrodes inside the switch to make one of the
スイッチへの電圧印加による経路選択は、例えばグリーンシート上への回路形成時に、スイッチ内部の両電極から移相器外部へと導線を配線した上で(不図示)、移相器の使用時に随時印加電圧を調整することによっても行うことができる。 Route selection by applying voltage to the switch, for example, at the time of circuit formation on the green sheet, after connecting the conductors from both electrodes inside the switch to the outside of the phase shifter (not shown), when using the phase shifter This can also be done by adjusting the applied voltage.
ここで、基準線9からは調整用信号経路11が、そして遅延線10からは調整用信号経路12及び13が、それぞれ分岐して形成されている。これらは、移相回路2,3,4,及び5によるデジタル位相調整の誤差を修正するために用いられる信号経路であり、典型的には調整用スタブである。
Here, the
調整用信号経路11,12,及び13は、それぞれビア14,15,及び16を介して移相器表面の導体パッド17,18,及び19と接続されている。導体パッド17,18,及び19には、それぞれ可変容量ダイオードなどのリアクタンス素子が電気的に接続されており(導体パッド17に接続される可変容量ダイオード20のみを図示している。)、直流電源を用いて(可変容量ダイオード20に対応する直流電源21のみを図示している。)リアクタンス素子に電圧を印加し、あるいは光を照射し、併せて電圧の大きさ、あるいは照射強度を調整することによって、位相をアナログ的に調整することができる。
The
なお、リアクタンス素子としては、ゲートへの印加電圧により特性が変化する電界効果トランジスタ(FET)や、金属酸化物半導体(MOS)キャパシタ、あるいは、照射光強度によって特性が変化するフォトダイオードやフォトトランジスタのような光検出器など、信号に与えるリアクタンス効果を外部入力に応じて調整可能とする素子であれば、どのようなものを用いてもよい。 The reactance element includes a field effect transistor (FET) whose characteristics change depending on the voltage applied to the gate, a metal oxide semiconductor (MOS) capacitor, or a photodiode or phototransistor whose characteristics change depending on the intensity of irradiation light. Any element can be used as long as it can adjust the reactance effect given to the signal according to an external input, such as a photodetector.
第2〜第4の移相回路3〜5も、それぞれのSPDTスイッチ22〜27によって信号経路を切り替え、それにより位相のデジタル調整を可能とするよう構成されている。 The second to fourth phase shift circuits 3 to 5 are also configured to switch the signal path by the SPDT switches 22 to 27, thereby enabling digital adjustment of the phase.
ここで、第1の移相回路2とは異なり、第2〜第4の移相回路3〜5を構成する信号経路から調整用信号経路は分岐していない。入力部8から入力されて出力部28より出力される信号は、第1の移相回路2を構成する基準線9と遅延線10とのいずれか一方を必ず通過するので、そのいずれかから分岐した調整用信号経路を介して接続されたリアクタンス素子によるアナログ位相調整を行うことにより、第2〜第4の移相回路3〜5で生じた位相誤差も修正可能だからである。
Here, unlike the first phase shift circuit 2, the adjustment signal path is not branched from the signal paths constituting the second to fourth phase shift circuits 3 to 5. Since the signal input from the
なお、調整用信号経路を、第2〜第4の移相回路3〜5を構成する基準線、あるいは遅延線29〜34のいずれかから分岐して形成することも可能であり、したがって、アナログ位相調整手段を特に第1の移相回路2へと接続することは必須ではない。
The adjustment signal path can be formed by branching from either the reference line constituting the second to fourth phase shift circuits 3 to 5 or the
また、第2〜第4の移相回路3〜5のビア35〜37は、第1の移相回路2のビア14,15,及び16とは異なり、それぞれの移相回路の信号線を異なる層間で接続するのに用いている。しかしながらこれらビア35〜37を信号経路として用いている点はビア14〜16と同様である。
The vias 35 to 37 of the second to fourth phase shift circuits 3 to 5 are different from the
LTCC多層基板で回路を作製する場合のビアは、従来は回路を最下層の接地導体と接続するための接地手段として用いられており、このような信号伝達経路としてのビアの利用は、本発明における特徴の一つである。 A via in the case of producing a circuit with an LTCC multilayer substrate is conventionally used as a grounding means for connecting the circuit to a ground conductor in the lowermost layer, and the use of such a via as a signal transmission path is the present invention. Is one of the features of
次に、図2と図3とを用いて、第1の移相回路2を更に詳細に説明する。 Next, the first phase shift circuit 2 will be described in more detail with reference to FIGS. 2 and 3.
図2は、移相回路2を表した斜視図である。但し、導体パッド17,18,及び19に接続された可変容量ダイオード20,57,及び58、そして各可変容量ダイオードへ直流電圧を印加するための直流電源21,62,及び63は図示していない。
FIG. 2 is a perspective view showing the phase shift circuit 2. However, the
図2から分かるように、基準線9はスタブ38と39とを信号線で接続することにより形成されており、また遅延線10はスタブ40〜42を信号線で接続することにより形成されている。同様に、調整用信号経路11〜13は、それぞれ調整用スタブ43〜45により形成されている(なお、ビア46〜49は、SPDTスイッチ6,7からの信号線と、基準線9及び遅延線10を接続するためのビアである。)。
As can be seen from FIG. 2, the
なお、本実施形態は4ビット構成の移相器であるため、信号が基準線9を通過する場合と遅延線10を通過する場合とでは22.5°の位相差が生じるよう、各スタブ及び信号線のサイズが入力信号の波長に応じて適宜選択されている。同様に、第2〜第4の移相回路3〜5においては、信号が基準線と遅延線とのそれぞれを通過した場合における位相差が45°,90°,及び180°となるよう、各スタブ及び信号線のサイズが選択されている。
Since the present embodiment is a 4-bit phase shifter, each stub and each stub have a phase difference of 22.5 ° between the case where the signal passes through the
当然ながら、本発明に係る移相器を4ビット以外の構成とすることも可能であり、その場合にも、基準線と遅延線との間で生じるべき位相差に応じて、適宜信号経路を設計することができる(例えば5ビット構成とする場合は、それぞれの移相回路における経路切り替えによって生じる位相差が、11.25°,22.5°,45°,90°,及び180°となるよう、5つの移相回路を設計することができる。)。一般にnビット構成を採用する場合、(360/2n)°刻みでのデジタル位相調整が可能となる。 Of course, the phase shifter according to the present invention can be configured to have a configuration other than 4 bits. (For example, in the case of a 5-bit configuration, phase differences caused by path switching in each phase shift circuit are 11.25 °, 22.5 °, 45 °, 90 °, and 180 °. 5 phase shift circuits can be designed.) In general, when an n-bit configuration is adopted, digital phase adjustment in increments of (360/2 n ) ° is possible.
図3は、移相回路2を、その回路基板である誘電積層基板も含めて表した、図2におけるA方向から見た場合の図である。図3から分かるように、移相回路2は、SPDTスイッチ6及び7を除き第3層54の表面上に形成され、最上位層である第5層56へとビア14〜16,46,48(及び、不図示ではあるが47,49)を介して電気的に接続されている。
FIG. 3 is a diagram showing the phase shift circuit 2 including the dielectric multilayer substrate that is the circuit board when viewed from the direction A in FIG. 2. As can be seen from FIG. 3, the phase shift circuit 2 is formed on the surface of the
第5層56表面の入力部8から入力された信号は第1の移相回路2へと進み、SPDTスイッチ6からビア47,あるいは46を介して第3層54表面へと進むが、その信号はビア14,あるいはビア15及び16を介して第5層表面の可変容量ダイオード20,あるいは57及び58にも入力され、印加電圧に応じて生じる可変容量ダイオードのリアクタンスにより入力信号がアナログ位相調整される。
The signal input from the
なお、符号59は接地用導体パッドを示しており、接地用ビア60を介して第1層52の底面に形成された接地用導体95と電気的に接続されている。上記入力部8からの信号の入力は入力部8における導体パッド50と接地用導体パッド59との間に接続された高周波電源より高周波電圧を印加することにより行われるのであり、このため接地用導体パッド59が必要となる。
図1における出力部28から出力信号を取り出す際にも、実際には出力部28の導体パッドと、当該導体パッドとペアを成す接地用パッドとの間で電圧信号を取り出すので、同様の接地用導体パッドが必要となる(これら接地用導体パッドは図1には示されていない)。
When the output signal is taken out from the
図4は、第1の移相回路2の回路構成を示す回路図である。基準線9から分岐した調整用信号経路11には可変容量ダイオード20が接続され、遅延線10から分岐した調整用信号経路12と13とには、それぞれ可変容量ダイオード57と58とが接続されている。なお、調整用信号経路12と13とは、遅延線10上に、入力信号の位相90°に対応する距離を介して接続されている。このような構成により、2つの調整用信号経路12と13との各々に起因する反射波は互いに打ち消し合い、挿入損失を抑えることができる。
FIG. 4 is a circuit diagram showing a circuit configuration of the first phase shift circuit 2. A
SPDTスイッチ6,7の切り替えにより入力信号は基準線9と遅延線10とのいずれか一方のみを通過する。したがって移相器を使用する際のアナログ調整は、可変容量ダイオード20のみ、あるいは可変容量ダイオード57と58のみ、について行えばよい。
By switching the SPDT switches 6 and 7, the input signal passes through only one of the
経路選択によるデジタル位相調整と可変容量ダイオードによるアナログ位相調整とを受けた信号は、接続部51を介して第2の移送回路3へと入力される。
A signal that has undergone the digital phase adjustment by path selection and the analog phase adjustment by the variable capacitance diode is input to the second transfer circuit 3 via the
次に、図5、図6、及び図7を参照して、第2の移相回路3について詳細に説明する。 Next, the second phase shift circuit 3 will be described in detail with reference to FIG. 5, FIG. 6, and FIG.
図5は、図1中の第2の移相回路3を更に詳細に示した、平面図である。基準線29はスタブ68により形成されており、また遅延線30は、スタブ69〜75を信号線、及びビア76〜81で接続することにより形成されている。すなわち、遅延線30がスイッチ切り替えにより選択される場合、移相回路3に入力された信号は、各スタブ69〜75だけでなく、各ビア76〜81を介して伝播する。
FIG. 5 is a plan view showing the second phase shift circuit 3 in FIG. 1 in more detail. The
既に述べたとおり、LTCC技術を使ったマイクロ波部品は従来から存在するものの、そのようなLTCC多層基板で回路を作製する場合のビアは、通常は接地に対する接続手段として用いられていた。これに対し、本実施例に係る移相器は、LTCC多層基板中のビアを信号経路として、特にここでは遅延線の一部として用いるものであり、この点で従来の構成とは異なる。 As already described, although microwave components using the LTCC technology have conventionally existed, vias in the case of producing a circuit with such an LTCC multilayer substrate are usually used as a connection means for grounding. On the other hand, the phase shifter according to the present embodiment uses a via in the LTCC multilayer substrate as a signal path, particularly as a part of the delay line here, and this point is different from the conventional configuration.
なお、図5ではスタブ70と73とが交差しているように見えるが、図6及び図7に示したように、これらのスタブはお互い異なる層に存在するため、接触することはない。
既に述べたとおり、基準線29と遅延線30とから調整用信号経路は分岐形成されていないが、第1の移相回路2における基準線9と遅延線10とから調整用信号経路を分岐させる代わりに、基準線29と遅延線30とから分岐させることも可能である。
In FIG. 5, the
As described above, the adjustment signal path is not branched from the
同じく既に述べたとおり、第2の移相回路3においては、信号が基準線29と遅延線30とのそれぞれを通過した場合における位相差が45°となるよう、スタブ69〜75、ビア76〜81のサイズは調整されているが、仮に各スタブ69〜75、及び各ビア76〜81の製作精度が理想的なものであって、信号経路の長さを理論的に要求される値へと一致させることができたとしても、それぞれの経路を通過した場合の位相差にはビアの表皮効果による誤差がなお存在する。
As already described, in the second phase shift circuit 3, the
すなわち、ビアは典型的に円柱形状を有する導体として形成されるため、電磁波はビア内部へは侵入できず、表面付近のみを伝播する(表皮効果)。これに伴う位相のずれが生じるため、ビアを介した立体構造として信号経路を形成する際には、そのようなビアの寄生インダクタンス成分による誤差をも考慮しなければならない。 That is, since the via is typically formed as a conductor having a cylindrical shape, the electromagnetic wave cannot penetrate into the via and propagates only near the surface (skin effect). Due to this, a phase shift occurs. Therefore, when a signal path is formed as a three-dimensional structure via, an error due to the parasitic inductance component of the via must also be taken into consideration.
この場合、積層構造としての移相器1を作製し、実際に高周波信号を入力して出力信号における位相の設計値からの誤差を計測した上で、表層に誤差修正のための調整用スタブを新たに追加し、はんだ等でつなげて位相のずれを調整するということも考えられるが(調整用スタブのサイズは、事前に計算機シミュレーションなどにより正確に定めておく必要がある。)、表層スタブが移相器表面の一定面積を占有することとなり、移相器の省面積化を図る上で問題となる。 In this case, the phase shifter 1 as a laminated structure is manufactured, and after actually inputting a high-frequency signal and measuring an error from the phase design value in the output signal, an adjustment stub for correcting the error is formed on the surface layer. It is also possible to add a new one and connect it with solder etc. to adjust the phase shift (the size of the adjustment stub needs to be accurately determined in advance by computer simulation etc.), but the surface stub is This occupies a certain area on the surface of the phase shifter, which is a problem in reducing the area of the phase shifter.
そこで本実施例に係る移相器1では、あらかじめ第1の移相回路2において埋め込み型の調整用スタブ43〜45を形成することによって、移相器表面の省面積化を損なうことなく誤差を修正している。この場合には上記埋め込み型調整用スタブ43〜45の製作精度が問題となる。仮に製作精度が十分なものではなかった場合、LTCC多層基板の各層を焼結により定着させた後に再びスタブ43〜45の調整をすることは困難である。
Therefore, in the phase shifter 1 according to the present embodiment, the embedded
本発明においては、このような表皮効果による誤差、及び埋め込み型調整用スタブの製作精度に起因する問題を解決するために、第1の移相回路2に形成された調整用スタブ43〜45に加え、それら調整用スタブへ電気的に接続された可変容量ダイオード20,57,58を用いる。すなわち、直流電源21,あるいは62及び63からの印加電圧を制御することにより可変容量ダイオード20,あるいは57及び58の容量を適宜調整し、基準線9あるいは遅延線10から分岐した調整用スタブ43,あるいは44及び45による(反射に起因する)位相のずれをアナログ制御する。
In the present invention, in order to solve the error due to the skin effect and the problem due to the manufacturing accuracy of the embedded adjustment stub, the adjustment stubs 43 to 45 formed in the first phase shift circuit 2 are provided. In addition,
可変容量ダイオードへの印加電圧と残存する移相器誤差との関係は、厳密には埋め込み型スタブにおけるサイズ誤差や内部の回路素子における製作誤差にも依存する。したがって誤差修正のために可変容量ダイオードへ印加すべき電圧は、一般には、印加電圧を変えつつ実際に移相器へ高周波信号を入力して位相誤差のデータを取得することにより、経験的に決定される。 Strictly speaking, the relationship between the voltage applied to the variable capacitance diode and the remaining phase shifter error also depends on the size error in the embedded stub and the manufacturing error in the internal circuit elements. Therefore, the voltage to be applied to the variable capacitance diode for error correction is generally determined empirically by actually inputting a high frequency signal to the phase shifter while acquiring the phase error data while changing the applied voltage. Is done.
しかしながら、そのような誤差修正のための印加電圧が一旦決定されれば、よりきめ細やかな位相調整を行うための更なる印加電圧制御は、プログラム化することも可能である。可変容量ダイオードにおける印加電圧と容量との関係は理論的、あるいは実験的に決定可能であって、また可変容量ダイオードの容量値に対する位相の遅延量も、理論的あるいは実験的に決定可能だからである。すなわち、デジタル位相制御における誤差を一旦修正すれば、その後はプログラム制御により所望のアナログ位相調整をすることが可能となる。 However, once the applied voltage for such error correction is determined, further applied voltage control for finer phase adjustment can be programmed. This is because the relationship between applied voltage and capacitance in a variable capacitance diode can be determined theoretically or experimentally, and the amount of phase delay relative to the capacitance value of the variable capacitance diode can also be determined theoretically or experimentally. . That is, once an error in digital phase control is corrected, a desired analog phase can be adjusted by program control thereafter.
なお、印加電圧を変えつつ位相誤差データを取得して誤差修正のために最適な印加電圧を探すというステップ、及びその最適な電圧へと印加電圧を調整するステップも、適切なプログラミング技術によりプログラム化可能である。 The steps of acquiring the phase error data while changing the applied voltage and searching for the optimum applied voltage for error correction, and the step of adjusting the applied voltage to the optimum voltage are also programmed by an appropriate programming technique. Is possible.
なお、符号88は第2の移相回路3と第3の移相回路4との接続部であり、基準線29又は遅延線30を通過した信号は、接続部88において第3の移相回路4へと入力される。
図6は、第2の移相回路3の斜視図であり、信号経路の立体構造をより分かりやすく示している。 FIG. 6 is a perspective view of the second phase shift circuit 3 and shows the three-dimensional structure of the signal path in an easy-to-understand manner.
基準線29を構成する信号線とスタブ68は、図7に示されるとおり、第3層54の表面上において形成されている。
The signal lines and the
一方、遅延線30を構成する信号線とスタブ69〜75とは、第1層52、第2層53、あるいは第3層54の表面上にて立体的に分布しており、それらスタブが(信号線、及び導体パッドを介して)層間ビア76〜81で接続されることにより、遅延線30を形成している。なお、ビア64〜67は、SPDTスイッチ22,23からの信号線と、基準線29及び遅延線30を接続するためのビアである。
On the other hand, the signal lines constituting the
具体的には、まず第5層56表面上のSPDTスイッチ22からビア64を介して、第3層54表面上にてスタブ69が形成されている。スタブ69は、信号線を通じ、導体パッド82を介してビア76と接続されている。ビア76は第2層53表面上へと通じており、導体パッド89及び信号線を介してスタブ70と接続されている。
Specifically, a
第2層53表面上に形成されたスタブ70は、信号線を通じ、導体パッド83を介してビア77と接続されている。ビア77は第1層52表面上へと通じており、導体パッド90及び信号線を介してスタブ71と接続されている。
The
第1層52表面上に形成されたスタブ71は、信号線を通じ、導体パッド91を介してビア78と接続されている。ビア78は第3層54表面上へと通じており、導体パッド84及び信号線を介してスタブ72と接続されている。
The
第3層54表面上に形成されたスタブ72は、信号線を通じ、導体パッド85を介してビア79と接続されている。ビア79は第1層52表面上へと通じており、導体パッド92及び信号線を介してスタブ73と接続されている。
The
第1層52表面上に形成されたスタブ73は、信号線を通じ、導体パッド93を介してビア80と接続されている。ビア80は第2層53表面上へと通じており、導体パッド86及び信号線を介してスタブ74と接続されている。
The
第2層53表面上に形成されたスタブ74は、信号線を通じ、導体パッド94を介してビア81と接続されている。ビア81は第3層54表面上へと通じており、導体パッド87及び信号線を介してスタブ75と接続されている。
The
スタブ75は、信号線とビア66とを介して、第5層56表面上のSPDTスイッチ23へと接続されている。
The
上記のとおり、ビア64は第5層から第3層まで、ビア76は第3層から第2層まで、ビア77は第2層から第1層まで、ビア78は第1層から第3層まで、ビア79は第3層から第1層まで、ビア80は第1層から第2層まで、ビア81は第2層から第3層まで、そしてビア66は第3層から第5層まで、を貫くようそれぞれ形成されており、それぞれの長さも、各ビアが貫く層の厚さに対応したものである。したがって、図5においてはスタブ70と73とが交差しているように見えるが、スタブ70は第2層53表面上に形成され、一方スタブ73は第1層52表面上に形成されているために、それらは第2層53を介して交差しているに過ぎず、接触の問題はない。
As described above, the via 64 is from the fifth layer to the third layer, the via 76 is from the third layer to the second layer, the via 77 is from the second layer to the first layer, and the via 78 is from the first layer to the third layer. The via 79 is from the third layer to the first layer, the via 80 is from the first layer to the second layer, the via 81 is from the second layer to the third layer, and the via 66 is from the third layer to the fifth layer. , And the length of each of them corresponds to the thickness of the layer through which each via penetrates. Accordingly, in FIG. 5, the
なお、異なる層上のスタブが両スタブの間に存在する層を介して交差する場合は、ほぼ投影面内垂直に交差することが好ましい。仮に、各スタブが層を介して平行に形成されると、信号を入力した際、両スタブにおける平行電流間の相互作用により位相誤差の生じる恐れがあるからである。 In addition, when the stubs on different layers intersect with each other through a layer existing between both stubs, it is preferable that the stubs intersect substantially perpendicularly in the projection plane. If the stubs are formed in parallel through the layers, a phase error may occur due to the interaction between the parallel currents in both stubs when a signal is input.
図7は、第2の移相回路3を、その回路基板である誘電積層基板も含めて表した、図6におけるB方向から見た場合の図である。図6に関連して述べたとおり、第2の移相回路3は、SPDTスイッチ22及び23を除き第1層52、第2層53、及び第3層54に亘って立体的に形成されていることがわかる。なお、接続部51及び88より先は図示されていないが、これらはそれぞれ第1の移相回路2、及び第3の移相回路4へと通じている。
FIG. 7 is a diagram showing the second phase shift circuit 3 including the dielectric multilayer substrate that is the circuit substrate when viewed from the B direction in FIG. 6. As described with reference to FIG. 6, the second phase shift circuit 3 is three-dimensionally formed across the
第3の移相回路4、及び第4の移相回路5も、第2の移相回路3と同じく誘電積層基板内にてビアを介してスタブを接続することにより、立体的に形成されている。第3及び第4の移相回路のように、遅延線の経路が長い回路を従来の平面型として構成した場合は特に大きな回路面積が必要となるが、本発明のように立体構造として遅延線を形成すれば、大幅な省面積化が図られる。
Similarly to the second phase shift circuit 3, the third phase shift circuit 4 and the fourth
基準線31と遅延線32とのそれぞれを通過した場合の位相差は90°となるよう、及び基準線33と遅延線34とのそれぞれを通過した場合の位相差は180°となるよう、各スタブ及び信号線のサイズが選択されているのであるが、第2の移相回路3におけるビアと同様、これらの信号経路として用いるビアも寄生のインダクタンス成分を有するため、第1の移相回路2にて形成した調整用スタブ43〜45、及びそこから接続された可変容量ダイオード20,57,58により誤差修正を行う必要がある。
The phase difference when passing through each of the reference line 31 and the
続いて、移相器1の動作について説明する。まず、入力部8における導体パッド50と接地用導体パッド59との間に接続された高周波電源より高周波電圧を印加することにより、移相器1へ信号が入力される。
Subsequently, the operation of the phase shifter 1 will be described. First, a signal is input to the phase shifter 1 by applying a high frequency voltage from a high frequency power source connected between the
第1の回路2におけるSPDTスイッチ6,7の切り替えにより、信号は基準線9又は遅延線10を通過する。遅延線10を通過する場合は、基準線9を通過する場合に比べておよそ22.5°の位相遅延が生ずることとなる(あるいは、可変容量ダイオード20,57,及び58へ印加する直流電圧の調整により、これとは異なる任意の値のアナログ位相遅延を生ずるよう構成することもできる。)。
The signal passes through the
なお、上述のビア内表皮効果に起因する位相の誤差は、第1〜第4の移相回路2〜5のそれぞれにおいて生じ、調整用スタブ43〜45、及び可変容量ダイオード20,57,58は、これらそれぞれの移相回路で累積した誤差をまとめて修正する。したがって、修正後、第1の移相回路2においてスイッチ切り替えにより生じる位相差は厳密には22.5°とは異なることがあり(第2〜第4の移相回路における誤差を修正するための調整も、第1の移相回路2に対して加えられるため)、上記「およそ22.5°」との表現は、これを考慮したものである。いずれにしても、リアクタンス素子によるアナログ調整により、デジタル調整の量子化誤差は、移相器1全体の出力として修正される。
The phase error due to the above-described via skin effect occurs in each of the first to fourth phase shift circuits 2 to 5, and the adjustment stubs 43 to 45 and the
第1の移相回路2を通過した信号は、第2の移相回路3へと入力される。SPDTスイッチ22,23をいずれの経路へと切り替えているかに依存して、信号は基準線29又は遅延線30を通過する。遅延線30を通過する場合は、基準線29を通過する場合に比べておよそ45°の位相遅延が生じる。
The signal that has passed through the first phase shift circuit 2 is input to the second phase shift circuit 3. Depending on which path the
第2の移相回路3を通過した信号は、第3の移相回路4へと入力される。SPDTスイッチ24,25をいずれの経路へと切り替えているかによって、信号は基準線31又は遅延線32を通過する。遅延線32を通過する場合は、基準線31を通過する場合に比べておよそ90°の位相遅延が生じる。
The signal that has passed through the second phase shift circuit 3 is input to the third phase shift circuit 4. Depending on which path the SPDT switches 24 and 25 are switched to, the signal passes through the reference line 31 or the
第3の移相回路4を通過した信号は、第4の移相回路5へと入力される。SPDTスイッチ26,27をいずれの経路へと切り替えているかによって、信号は基準線33又は遅延線34を通過する。遅延線34を通過する場合は、基準線33を通過する場合に比べておよそ180°の位相遅延が生じる。
The signal that has passed through the third phase shift circuit 4 is input to the fourth
第4の移相回路5を通過した信号は、出力部28から出力される。具体的には、SPDTスイッチ27から信号線を介して接続された表層の導体パッドと、当該導体パッドとペアをなす接地導体95へとビアを通じて接続されることにより、接地された導体パッドとの間の電位差として出力信号が取り出される。
The signal that has passed through the fourth
出力部から任意の増幅器を接続すれば、位相調整された信号を増幅することが可能であり、また、直接アンテナ素子へと接続し、出力信号をもって素子を給電することも可能である。 If an arbitrary amplifier is connected from the output unit, it is possible to amplify the phase-adjusted signal, and it is also possible to directly connect to the antenna element and to feed the element with the output signal.
以上、いわゆる経路長切り替え型(透過型)移相器1を例として、本発明に係る移相器を説明した。しかしながら、本発明に係る移相器を、任意の反射型移相器として構成することも可能である。反射型移相器においても、信号経路を立体的に構成し、併せて信号経路中に調整用スタブを分岐させ、リアクタンス素子を接続した上で電圧、光によって制御することにより、デジタル調整における誤差の修正、及びそれを超える位相のアナログ調整が可能となる。 The phase shifter according to the present invention has been described above using the so-called path length switching type (transmission type) phase shifter 1 as an example. However, the phase shifter according to the present invention can be configured as an arbitrary reflection type phase shifter. Even in the reflection type phase shifter, the signal path is configured in three dimensions, and at the same time, an adjustment stub is branched in the signal path, and a reactance element is connected and controlled by voltage and light. Correction, and analog adjustment of the phase exceeding that can be performed.
本発明に係る移相器は、フェーズドアレーアンテナにおける各アンテナ素子の位相調整を行うために最適である。例えば、通信・センサー用アンテナ装置、地上局・移動局アクティブフェーズドアレーレーダ、及び通信放送用アンテナ装置などを構成するための素子として用いることができる。 The phase shifter according to the present invention is optimal for adjusting the phase of each antenna element in the phased array antenna. For example, it can be used as an element for configuring a communication / sensor antenna device, a ground / mobile station active phased array radar, a communication broadcast antenna device, and the like.
1 移相器
2〜5 移相回路
6〜7 SPDTスイッチ
8 入力部
9 基準線
10 遅延線
11〜13 調整用信号経路
14〜16 ビア
17〜19 導体パッド
20 可変容量ダイオード
21 直流電源
22〜27 SPDTスイッチ
28 出力部
29 基準線
30 遅延線
31 基準線
32 遅延線
33 基準線
34 遅延線
35〜37 ビア
38〜42 スタブ
43〜45 調整用スタブ
46〜49 スタブ
50 導体パッド
51 接続部
52 第1層
53 第2層
54 第3層
55 第4層
56 第5層
57〜58 可変容量ダイオード
59 接地用導体パッド
60 接地用ビア
61 導体パッド
62〜63 直流電源
64〜67 ビア
68〜75 スタブ
76〜81 ビア
82〜87 導体パッド
88 接続部
89〜94 導体パッド
95 接地用導体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Phase shifter 2-5 Phase shift circuit 6-7
Claims (7)
第1の信号経路切り替え手段と、
前記第1の信号経路切り替え手段により切り替えられる2以上の信号経路と、
を含み、
前記第1の信号経路切り替え手段により切り替えられる2以上の信号経路のうち少なくとも1つから分岐した信号経路を含み、該分岐した信号経路は、ビアを介して前記誘電積層基板表面上のリアクタンス素子と電気的に接続される、
第1の移相回路と、
前記誘電積層基板の内部又は表面上に形成される第2の移相回路であって、
第2の信号経路切り替え手段と、
前記第2の信号経路切り替え手段により切り替えられる2以上の信号経路であって、前記誘電積層基板中の異なる2以上の層上にそれぞれ形成された信号経路を層間ビアにより電気的に接続してなる信号経路を含む、2以上の信号経路と、
を含む第2の移相回路と、
を含み、
前記第1及び第2の信号経路切り替え手段は、前記誘電積層基板の表面上に配置された高周波用MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)スイッチであり、更に該誘電積層基板における該高周波用MEMSスイッチが配置された側とは反対側の表面上にのみ接地用導体が形成されている、移相器。 A first phase shift circuit formed on or on the surface of a dielectric multilayer substrate formed by laminating a plurality of dielectric substrates,
First signal path switching means;
Two or more signal paths switched by the first signal path switching means;
Including
Including a signal path branched from at least one of two or more signal paths switched by the first signal path switching means, and the branched signal path includes a reactance element on the surface of the dielectric multilayer substrate via a via Electrically connected,
A first phase shift circuit;
A second phase shift circuit formed on or on the surface of the dielectric laminated substrate,
Second signal path switching means;
Two or more signal paths switched by the second signal path switching means, wherein signal paths respectively formed on two or more different layers in the dielectric laminated substrate are electrically connected by interlayer vias. Two or more signal paths, including signal paths;
A second phase shift circuit including:
Only including,
The first and second signal path switching means are high-frequency MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) switches disposed on the surface of the dielectric multilayer substrate, and the high-frequency MEMS switch on the dielectric multilayer substrate is further disposed. A phase shifter in which a grounding conductor is formed only on the surface opposite to the opposite side .
信号経路切り替え手段と、
前記信号経路切り替え手段により切り替えられる2以上の信号経路であって、前記誘電積層基板中の異なる2以上の層上にそれぞれ形成された信号経路を層間ビアにより電気的に接続してなる信号経路を含む、2以上の信号経路と、
を含み、
前記信号経路切り替え手段により切り替えられる2以上の信号経路のうち少なくとも1つから分岐した信号経路を更に含み、該分岐した信号経路は、ビアを介して前記誘電積層基板表面上のリアクタンス素子と電気的に接続される、
移相回路、
を含み、
前記信号経路切り替え手段は、前記誘電積層基板の表面上に配置された高周波用MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)スイッチであり、更に該誘電積層基板における該高周波用MEMSスイッチが配置された側とは反対側の表面上にのみ接地用導体が形成されている、移相器。 A phase shift circuit formed inside or on the surface of a dielectric multilayer substrate formed by laminating a plurality of dielectric substrates,
Signal path switching means;
Two or more signal paths switched by the signal path switching means, wherein the signal paths are formed by electrically connecting signal paths respectively formed on two or more different layers in the dielectric laminated substrate by interlayer vias. Including two or more signal paths;
Including
The signal path switching unit further includes a signal path branched from at least one of two or more signal paths switched by the signal path switching unit, and the branched signal path is electrically connected to a reactance element on the surface of the dielectric multilayer substrate through a via. Connected to the
Phase shift circuit,
Including
The signal path switching means is a high-frequency MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) switch disposed on the surface of the dielectric multilayer substrate, and is further opposite to the side where the high-frequency MEMS switch is disposed on the dielectric multilayer substrate. A phase shifter in which a grounding conductor is formed only on the side surface .
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