JP5727248B2 - 高周波信号合成分配器 - Google Patents

Description

本発明は、複数の高周波信号の電力を合成または１の高周波信号の電力を分配するようにした高高周波用信号合成分配器および切替器に関し、特に損失の少ない高周波用信号合成分配器および切替器の技術に関する。

特開２００７−３１２３２２公報 特開２００３−１６３５１４公報

上記特許文献に記載されているとおり、高周波用信号切替器に使用される低損失な分配器として、種々のものが提案されている。

複数の端子に入力された高周波信号のうち、何れか１つの端子に入力された高周波信号のみを選択して出力する、何れか２つ以上の端子の高周波信号を選択して合成する、逆に１つの高周波信号を複数の端子のうち、何れか１つに出力する、１つの高周波信号を２つ以上の高周波信号に分配するといった場合には、上記分配器と別にスイッチを組み合わせてこれらの機能を実現する。

例えば、図９（ａ）、（ｂ）は３つのアンテナの全てを選択或いは何れかを選択するための高周波用切替器の接続図である。
図９（ａ）は３つのアンテナの全てを選択することができる場合或いは何れか1つを選択することができる場合に考えられる接続図の例である。この場合、図で示されるように分配器２１、スイッチＳ３、スイッチＳ６、スイッチＳ７およびスイッチＳ８で構成することができる。

スイッチＳ３は、端子ｎについて端子ｃ、端子ｄ、端子ｅ、端子ｆに切り換え接続することができる。
スイッチＳ６、スイッチＳ７およびスイッチＳ８は端子ｈについて端子ｇ、端子ｉに切り換え接続することができる。

分配器２１は、３つの信号を１つに合成する若しくは逆に１つの信号を３つに分配することができる。

図９（ａ）の状態は、スイッチＳ６の端子ｈと端子ｇが接続され、スイッチＳ３の端子ｃと端子ｎが接続されているので、一番上のアンテナ２３が１つ選択されている状態である。

３つのアンテナ２３を全て選択するには、スイッチＳ６の端子ｈと端子ｉを接続し、スイッチＳ７およびスイッチＳ８の端子ｈと端子ｇを接続し、さらにスイッチＳ３の端子ｎと端子ｄを接続すれば、３つのアンテナ２３をすべて選択することができる。

しかし、３つのアンテナ２３のうち、２つのアンテナ２３を選択しようとする場合、例えば図９（ａ）の接続状態でスイッチＳ３の端子ｎと端子ｄを接続したとしても、分配器２１の端子ｉが開放状態となっているので、この場合には２つのアンテナ２３を選択することはできない。これを解決するために図９（ｂ）の接続が考えられる。

図９（ｂ）は、３つのアンテナ２３のうち、２つのアンテナ２３を選択することができる場合の接続図である。もちろん全てのアンテナ２３も選択可能であり、３つのアンテナ２３のうち、何れか１つのアンテナ２３を選択することも可能である。この場合、図で示されるように分配器２２、分配器２４、スイッチＳ４、スイッチＳ５、スイッチＳ９、スイッチＳ１０およびスイッチＳ１１で構成することができる。

図において、スイッチＳ４とスイッチＳ５は、端子ｎについて端子ｃ、端子ｄ、端子ｅ、端子ｆに切り換え接続することができる。
スイッチＳ９、スイッチＳ１０およびスイッチＳ１１は端子ｍについて端子ｊ、端子ｋ、端子ｍに切り換え接続することができる。

分配器２２は、３つの信号を１つに合成する若しくは逆に１つの信号を３つに分配することができる。
分配器２４は、２つの信号を１つに合成する若しくは逆に１つの信号を２つに分配することができる。

３つのアンテナ２３のうち、何れか２つを選択する場合、例えば、図９（ｂ）の上の２つのアンテナ２３を選択するにはスイッチＳ４の端子ｎを端子ｃに接続し、スイッチＳ５の端子ｎを端子ｄに接続し、スイッチＳ９の端子ｍを端子ｊに接続し、スイッチＳ１０の端子ｍを端子ｋに接続してやればよい。

３つのアンテナ２３を全て選択する場合、スイッチＳ４の端子ｎを端子ｄに接続し、スイッチＳ９の端子ｍを端子ｌに接続し、スイッチＳ１０の端子ｍを端子ｊに接続し、スイッチＳ１１の端子ｍを端子ｊに接続し、スイッチＳ５の端子ｎを端子ｅに接続すればよい。

３つのアンテナ２３のうち、何れか１つを選択する場合、例えば、図９（ｂ）の真中のアンテナ２３を選択するにはスイッチＳ４の端子ｎを端子ｅに接続し、スイッチＳ１０の端子ｍを端子ｌに接続し、スイッチＳ５の端子ｎを端子ｅに接続してやればよい。

しかしながら、上記の機能を実現すると、図９（ｂ）に示されているように回路規模が大きくなり、省スペースでの部品実装が困難となり、部品点数の増加による信号損失が増大するという問題があった。

そこで本発明は、できるだけ小型で、かつ低損失の高周波信号切替器を実現し、提供することを目的とする。

本発明の高周波信号合成分配器は、単一の伝送路の一端に複数の分岐伝送路の一端が接続され、前記単一の伝送路の他端が出力端となる場合は前記分岐伝送路の他端がそれぞれ入力端となり、前記単一の伝送路の他端が入力端となる場合は前記分岐伝送路の他端がそれぞれ出力端となることで、高周波信号の電力を合成または分配するようにしたもので、前記分岐伝送路の長さがいずれも動作周波数の半波長の長さを有するものとされる。
また、前記の単一の伝送路および複数の伝送路は、マイクロストリップラインで形成することができる。これにより、小型で低損失な高周波信号合成分配器を実現できる。

そして前記マイクロストリップラインは基板上に形成することができる。
さらに、前記マイクロストリップラインの特性インピーダンスは５０Ωとすることができる。
また、前記複数の分岐伝送路は３つの分岐伝送路とすることができる。
さらに、前記複数の分岐伝送路の各他端には高周波デバイスを接続するためのスイッチ部が備えられている高周波信号切替器とすることができる。

本発明によれば、小型で省スペースである低損失な高周波信号合成分配器を実現でき、これを用いて高周波信号切替器とすることができる。かかる高周波信号切替器は、複数のアンテナを切替える場合に適用でき、特に複数のアンテナで構成するセクタアンテナに適用することが好適とされる。これにより小型のセクタアンテナの製作が可能となる。

本発明の実施の形態の高周波信号切替器の図面である。 本発明の実施の形態を説明するためのλ／２ダイポールアンテナの電圧、電流分布図である。 本発明の実施の形態を適用するアンテナの説明図である。 本発明の実施の形態における損失等を測定するための接続図である。 本発明の実施の形態における損失およびＶＳＷＲの実験結果（１つのアンテナを選択した場合）を表す図である。 本発明の実施の形態における損失およびＶＳＷＲの測定結果（２つのアンテナを選択した場合）を表す図である。 本発明の実施の形態における損失およびＶＳＷＲの測定結果（２つのアンテナを選択した場合）を表す図である。 本発明の実施の形態における損失およびＶＳＷＲの測定結果（３つのアンテナを選択した場合）を表す図である。 従来の高周波切替器の接続図である。

以下、本発明の実施の形態を次の順序で説明する。なお、第１の実施の形態では、本発明に係る高周波信号切替器の適用例としてセクタアンテナを例に挙げる。
＜１．実施の形態の概要＞
＜２．第１の実施の形態＞
＜３．実験結果＞

図１は、実施の形態の高周波信号切替器１の図である。
本実施の形態では、伝送路５の一端で分岐した伝送路２、伝送路３および伝送路４の各一端がそれぞれ接続されている。伝送路２の他端にはスイッチＳ１２を介してアンテナ６が接続されている。伝送路３の他端にはスイッチＳ１３を介してアンテナ６が接続されている。
伝送路４の他端にはスイッチＳ１４を介してアンテナ６が接続されている。この場合、高周波信号切替器１に接続されるデバイスはアンテナに限られるものでなく、高周波デバイスであればどんなものでもよい。

伝送路２、伝送路３および伝送路４の線路の長さは、伝送される高周波信号の信号波長（以下λ）の略１／２の長さに形成されている。
本実施の形態では、伝送路２、伝送路３および伝送路４の長さは光の速度が真空中より遅くなることから、光の真空中の速度と伝送線路の速度との比である短縮率（この場合は６２％）を考慮して、略３８．８４ｍｍとすることができる。

伝送路５は高周波信号の入力端となる場合があり、この場合には、入力された高周波信号は伝送路２、伝送路３および伝送路４に分配され、各アンテナ６に出力される。
また、伝送路５は高周波信号の出力端となる場合があり、この場合には、アンテナ６が受信した高周波信号はスイッチＳ１２、スイッチＳ１３およびスイッチＳ１４がすべて接続状態になっているとすれば、伝送路２、伝送路３および伝送路４を経由して伝送路５で合成され、合成された信号が伝送路５から出力される。

スイッチＳ１２、スイッチＳ１３およびスイッチＳ１４の状態により、３つのアンテナ６の何れかを選択することができる。例えば、スイッチＳ１３を接続すれば伝送路３のアンテナ６を選択することができる。スイッチＳ１２、スイッチＳ１３およびスイッチＳ１４のうち、何れか２つのスイッチを接続状態にすれば、何れか２つのアンテナ６を選択することができる。スイッチＳ１２、スイッチＳ１３およびスイッチＳ１４のすべてを接続状態にすれば３つのアンテナすべてを選択することができることになる。

伝送路５、伝送路２、伝送路３および伝送路４はマイクロストリップラインで形成することができる。
その特性インピーダンスは、マイクロストリップラインの幅と厚み、基板の厚みとその基板の材料の比誘電率により調整することができる。
本実施の形態ではマイクロストリップラインの幅は、伝送路２、伝送路３および伝送路４では略１．１１ｍｍとし、伝送路５では略２．００ｍｍとすることができる。基板の材料はガラスエポキシ樹脂とすることができる。

図２は、本発明の実施の形態を説明するためのλ／２ダイポールアンテナの電圧、電流分布図である。
本発明の実施の形態に係る高周波信号切替器１は、λ／２ダイポールアンテナの電流および電圧分布を考え方を基礎としている。
すなわち、図２（ａ）に示されるようにダイポールの先端において電流は最小となり、電圧は最大となる。

また、図２（ｂ）に示されているように、λ／２の長さのパターンに左端から高周波信号を印加すると、パターンの右側先端において電流は最小となり、電圧は最大となると考えられる。このため図１に示すように、このλ／２の長さのパターンを形成し、これを３つ用意して一端を共通にした高周波信号切替器１を形成すると、パターンの右側先端が開放状態であれば、電流値を最小としたまま電流が流れない状態とすることができる。
もちろん上記パターンはマイクロストリップラインで形成することができる。

ここで、従来の分配器による経路損失と、本実施の形態にかかる高周波信号切替器１の経路損失について考察しておく。
分配器として、１つの信号を３つの出力に分配する分配器を考える。この場合、１０＊ｌｏｇ３（ｄＢ）と計算でき、約４．８（ｄＢ）の経路損失が生じる。
また、分配された３つの出力のうち、１つを使用することもできるし、２つを使用することもできる。何れの場合も、固定的に約４．８（ｄＢ）の経路損失が生じる。
この場合、使用していない出力端子は所定のインピーダンスで終端していることが条件である。

他方、図１の本実施の形態の高周波信号切替器１において、例えば伝送路２のみを選択した場合、伝送路３と伝送路４の先端は、上記で説明したとおり、電圧は最大となるものの、電流は最小となり、負荷がなければ電流は流れないと考えられることから、伝送路２には効率的に電流が流れ、その損失は４．８（ｄＢ）よりも小さくなると考えられる。これは他の伝送路３のみまたは伝送路４のみを選択した場合も同じである。

また、伝送路２、伝送路３および伝送路４のうち、２つを選択した場合も、その損失は
上記と同じ理由から、４．８（ｄＢ）よりも小さくなると考えられる。

さらに、伝送路２、伝送路３および伝送路４の全てを選択した場合には、４．８（ｄＢ）と同等かそれ以上の損失が生じるものと推測される。

以上まとめると、従来の分配器においては分配された３つの出力のうち、１つを選択する場合でも固定的に約４．８（ｄＢ）の損失を生じる。
しかし、本実施の形態に係る高周波信号切替器１においては、１つを選択する場合若しくは２つを選択する場合に４．８（ｄＢ）より小さな損失とすることができる。この場合の損失値の詳細については、実験結果として後述する。

＜２．第１の実施の形態＞

図３は、本発明の実施の形態を適用するアンテナ（セクタアンテナ）の説明図である。
図３（ａ）、（ｂ）は、本発明の第１の実施形態としてのアンテナ素子１０およびセクタアンテナ２０の外観図である。
図３（ａ）に示されているように、アンテナ素子１０は反射板１１と放射器（ラジエータ）１２で構成されている。アンテナ素子１０は、水平面指向性の電力半値幅が略１２０°とされる。

図３（ｂ）に示されているように、セクタアンテナ２０はアンテナ取付部１３の円周上に上記の反射板１１と放射器１２で構成されたアンテナ素子１０を３個取付けて形成することができる。アンテナ取付部１３は円柱状筒型とされている。

アンテナ取付部１３の断面方向からの図である図３（ｂ）の下図に示されているように、アンテナ取付部１３の円周表面上にアンテナ素子１０を一対として３個のアンテナ素子が略１２０°でそれぞれ配置、取り付けられている。これにより、各アンテナ素子１０の水平指向特性が合成されたときは無指向性のセクタアンテナ２０とすることができる。

ところで、無線ＬＡＮ等の端末装置は基地局がどの方向にあっても電波を受信できるように水平面内３６０°のすべての方向にビームを向けられるようにするのが望ましい。
また、基地局が特定できれば、その方向にビームを固定することが望ましい。つまり、状況にあわせて適切にビーム方向が選択できることが望ましいとされる。
これを実現するアンテナとして、上記のセクタアンテナ２０が考えられている。

すなわち、セクタアンテナ２０は、基地局がどの方向にあるかわからないときにはアンテナ素子１０を全て選択した状態で電波を受信する、基地局が特定できれば、３つのアンテナ素子１０のうち、その方向に向いているアンテナ素子１０を１つ又は２つ選択する、という動作を行う。この選択動作を行わせる高周波信号切替器として本実施の形態に係る高周波信号切替器１を適用することができる。

一般的にセクタアンテナは、水平面の３６０°の全方位をカバーする（無指向性とする）ため複数のアンテナを用いるものとされている。したがって、セクタアンテナ自体大型化する傾向にある。本実施の形態に係る高周波用切替器１は、すでに説明したとおり小型で低損失なものである。したがって、セクタアンテナ２０に適用することは好適な形態ということができる。もちろん、本実施の形態に係る高周波信号切替器１は、セクタアンテナに限られるものでなく、その他の高周波信号を切替えることが必要なものであれば、適用が可能である。

＜３．実験結果＞

図４は、本実施の形態に係る高周波用切替器１の損失およびＶＳＷＲ（定在波比）を測定するための接続図である。
図４において、損失を測定する場合、信号発生器７から所定の信号レベルの信号を伝送路５に入力し、伝送路４から出力される信号を信号レベルメータ８で測定することにより損失値を測定できる。

ＶＳＷＲの場合は、信号発生器７から所定の信号レベルの信号を伝送路５に入力し、伝送路５から反射される信号を信号レベルメータ８で測定することによりＶＳＷＲを求めることができる。
このとき、伝送路４の出力端は終端しておくことが必要である。

上記の測定は、スイッチＳ１およびスイッチＳ２をオンもしくはオフとすることにより行われる。
図４に示されるように、スイッチＳ１およびスイッチＳ２をオンにすると伝送路２および伝送路３は５０Ωに終端される。つまり、これは図１においてはアンテナ６が伝送路２および伝送路３に接続されることを意味する。

したがって、スイッチＳ１のオン、オフの状態およびスイッチＳ２のオン、オフの状態により以下の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）状態での高周波信号切替器１の損失およびＶＳＷＲを測定することができる。
（ａ）スイッチＳ１およびスイッチＳ２の両方をオフにすれば、図１において３つのアンテナ６のうち、伝送路４のアンテナ６が選択されている状態での高周波信号切替器１の伝送路４の損失およびＶＳＷＲを測定することができる。

（ｂ）スイッチＳ１およびスイッチＳ２の何れか１つをオンにすれば、図１において３つのアンテナ６のうち、伝送路４のアンテナ６と残り２つの何れか１つのアンテナ６が選択されている状態での高周波信号切替器１の伝送路４の損失およびＶＳＷＲを測定することができる。

（ｃ）スイッチＳ１およびスイッチＳ２の両方をオンにすれば、図１においてすべてのアンテナ６が選択されている状態での高周波信号切替器１の伝送路４の損失およびＶＳＷＲを測定することができる

図５〜図８は本発明に係る実施の形態における高周波信号切替器１の損失およびＶＳＷＲの実験結果である。
図５は上記の（ａ）の場合の実験結果である。図において横軸は周波数（ＭＨｚ）で左端が０．３ＭＨｚ、右端が３ＧＨｚであり、縦軸は損失（ｄＢ）とＶＳＷＲ（ｄＢ）の２つ値を表している。損失の場合、縦軸の単位目盛りは５ｄＢであり、センターの線が０ｄＢとされる。ＶＳＷＲの場合、縦軸の単位目盛りは１ｄＢであり、下端の線が０ｄＢとされる。

図５に示されるように、２．４５ＧＨｚのとき、損失はＭＥＡＳ２＝１．０２ｄＢ、ＶＳＷＲはＭＥＡＳ１＝１．４１ｄＢとなっている。

図６と図７は上記の（ｂ）の場合の実験結果である。図６は図１において３つのアンテナ６のうち、伝送路４のアンテナ６と伝送路３のアンテナ６が選択されている状態での高周波信号切替器１の伝送路４の損失およびＶＳＷＲの値を表している。図５と同様に横軸は周波数（ＭＨｚ）で左端が０．３ＭＨｚ、右端が３ＧＨｚであり、縦軸は損失（ｄＢ）とＶＳＷＲ（ｄＢ）の２つの値を表している。損失の場合、縦軸の単位目盛りは５ｄＢであり、センターの線が０ｄＢとされる。ＶＳＷＲの場合、縦軸の単位目盛りは１ｄＢであり、下端の線が０ｄＢとされる。

図６に示されるように、２．４５ＧＨｚのとき、損失はＭＥＡＳ２＝４．１６ｄＢ、ＶＳＷＲはＭＥＡＳ１＝１．８１ｄＢとなっている。

図７は、図１において３つのアンテナ６のうち、伝送路４のアンテナ６と伝送路２のアンテナ６が選択されている状態での高周波信号切替器１の伝送路４の損失およびＶＳＷＲの値を表している。
図７に示されるように、２．４５ＧＨｚのとき、損失はＭＥＡＳ２＝４．０８ｄＢ、ＶＳＷＲはＭＥＡＳ１＝１．８３ｄＢとなっている。

図８は上記の（ｃ）の場合の実験結果である。図において横軸は周波数（ＭＨｚ）で左端が０．３ＭＨｚ、右端が３ＧＨｚであり、縦軸は損失（ｄＢ）とＶＳＷＲ（ｄＢ）の２つ値を表している。損失の場合、縦軸の単位目盛りは５ｄＢであり、センターの線が０ｄＢとされる。ＶＳＷＲの場合、縦軸の単位目盛りは１ｄＢであり、下端の線が０ｄＢとされる。

図８に示されるように、２．４５ＧＨｚのとき、損失はＭＥＡＳ２＝６．３３ｄＢ、ＶＳＷＲはＭＥＡＳ１＝２．６２ｄＢとなっている。
なお、伝送路２または伝送路３の上記（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の場合の損失とＶＳＷＲは伝送路４を伝送路２または伝送路３に置き換えれば同様に測定できる。測定結果は同様と考えられる。

以上の実験結果より、本実施の形態に係る高周波信号切替器１をセクタアンテナに組込んだ状態での高周波信号切替器１の伝送路４の損失とＶＳＷＲの値は、適切な値となっている。
１つのアンテナを選択した場合、損失は１．０２ｄＢであり、ＶＳＷＲは１．４１ｄＢである。
２つのアンテナを選択した場合、損失は４．１６ｄＢ（４．０８ｄＢ）、ＶＳＷＲは１．８１ｄＢ（１．８３ｄＢ）である。
３つのアンテナを選択した場合、損失は６．３３ｄＢであり、ＶＳＷＲは２．６２ｄＢである。

損失に関しては、従来の場合が上記のいずれの場合も略４．８ｄＢとされているので、上記１つのアンテナを選択した場合と上記２つのアンテナを選択した場合は本願に係る実施の形態では改善されている。３つのアンテナを選択した場合は損失は増加するが、実用の範囲である。高周波信号切替器自体の大きさと部品点数の数を考慮すると本願に係る高周波信号切替器１の応用の範囲は広いと考えられる。特にセクタアンテナの高周波信号切替器として好適なものである。
なお、ＶＳＷＲの値も３ｄＢ以下であり実用の範囲内である。

１ 高周波信号切替器、２、３、４、５ 伝送路、６、２４ アンテナ、７ 信号発生器、８ 信号レベル測定器、１０ アンテナ素子、１１ 反射板、１２ 放射器、１３ アンテナ取付部、２０ セクタアンテナ、２１、２２、２４ 分配器、Ｓ１〜Ｓ１４ スイッチ

Claims (4)

1. 単一の伝送路の一端に複数の分岐伝送路の一端が接続され、前記単一の伝送路の他端が出力端となる場合は前記分岐伝送路の他端がそれぞれ入力端となり、前記単一の伝送路の他端が入力端となる場合は前記分岐伝送路の他端がそれぞれ出力端となることで、高周波信号の電力を合成または分配するようにした高周波信号合成分配器であって、
   前記分岐伝送路の長さがいずれも動作周波数の半波長の長さであり、
   前記単一の伝送路および複数の分岐伝送路は、基板上にマイクロストリップラインとして形成され、
   前記マイクロストリップラインの特性インピーダンスは５０Ωである
   高周波信号合成分配器。
2. 前記複数の分岐伝送路の各他端には高周波デバイスを接続するためのスイッチ部が備えられている
   請求項１に記載の高周波信号合成分配器。
3. 前記高周波デバイスは、前記複数の分岐伝送路と同じ個数のアンテナ素子で構成されるセクタアンテナである
   請求項２に記載の高周波信号合成分配器。
4. 前記複数の分岐伝送路は３つの分岐伝送路である
   請求項１に記載の高周波信号合成分配器。

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