JP5751210B2

JP5751210B2 - 移相器

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Publication number: JP5751210B2
Application number: JP2012110065A
Authority: JP
Inventors: 田崎　修; 修田崎; 村野　慎介; 慎介村野
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2012-05-11
Filing date: 2012-05-11
Publication date: 2015-07-22
Anticipated expiration: 2032-05-11
Also published as: JP2013239794A

Description

本発明は、アンテナ素子から送信される高周波信号の位相を変化させる移相器に関する。

従来、アンテナ素子から送信される高周波信号の位相を変化させる移相器が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載の移相器は、誘電体基板と、誘電体基板に設けられた入力側線路と、同じく誘電体基板に設けられた円弧状の出力側線路と、誘電体基板に対して回転可能な可動誘電体基板と、可動誘電体基板に設けられた可動導体とを備えている。可動導体は、出力側導体に結合する円弧状結合部、及び入力側導体に結合する円形状結合部を有し、可動誘電体基板の回転に伴って円弧状結合部が出力側線路に沿って移動するように構成されている。そして、可動導体が出力側線路に沿って移動することにより入力ポートから出力ポートまでの線路長が変化し、これにより出力ポートから出力される信号の位相が変化する。

特開２００８−５３９２０号公報

上記のように構成された移相器は、可動誘電体基板の回転によって出力ポートから出力される信号の位相が変化しても、出力ポートに接続されるアンテナ素子から放射される電波の放射特性は変化しないことが望ましい。しかし、可動誘電体基板の回転によって可動導体と入力側線路との間隔が変化すること等に起因して、電圧定在波比（ＶＳＷＲ）が変化し、電力変換効率が低下してしまうことがある。

この電圧定在波比の変化は、例えば可動誘電体基板の回転角度を、円弧状結合部と入力側線路との間隔が十分に確保される角度範囲に制限することによって抑制することができるが、この場合には、所望の移相量を得るために出力側線路の円弧半径を大きくする必要があるため、移相器が大型化してしまう。

そこで、本発明は、大型化を抑制しながら、位相の変化に伴ってアンテナ素子から放射される電波の電圧定在波比が変化することを抑制できる移相器を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決することを目的として、第１の誘電体基板と、前記第１の誘電体基板に設けられ、高周波信号が入力される第１の導体と、前記第１の誘電体基板に前記第１の導体と分離して設けられ、前記高周波信号をアンテナ素子に出力する第２の導体と、前記第１の誘電体基板に対して相対移動可能な第２の誘電体基板と、前記第２の誘電体基板に設けられ、前記第１の導体と前記第２の導体とを電気的に結合させる第３の導体と、前記第２の誘電体基板に前記第３の導体と分離して設けられた第４の導体とを備え、前記第４の導体は、前記第３の導体と容量結合し、かつ前記第１の誘電体基板と前記第２の誘電体基板との相対移動に伴う前記アンテナ素子の電圧定在波比の変動が抑制される位置に設けられ、前記第２の導体は、前記第１の誘電体基板に円弧状に設けられた円弧部を有し、前記第２の誘電体基板は、前記第２の導体の前記円弧部の円弧中心を中心として前記第１の誘電体基板と相対回転可能であり、前記第４の導体は、前記第２の誘電体基板の回転方向における前記第３の導体の一側に設けられている移相器を提供する。

また、前記第４の導体は、前記第１の誘電体基板と前記第２の誘電体基板との相対移動に伴って、前記第１の導体に誘電体を介して重なる面積が変化するとよい。

本発明に係る移相器によれば、位相の変化に伴ってアンテナ素子から放射される電波の電圧定在波比が変化することを抑制できる。

実施の形態に係る移相器を示す分解斜視図である。実施の形態に係る移相器を示す平面図である。浮遊スタブ及びその周辺部を示す拡大図であり、（ａ）は可動基板が中立位置にある状態を、（ｂ）は可動基板が中立位置から矢印Ａ方向に回転した状態を、（ｃ）は可動基板が中立位置から矢印Ｂ方向に回転した状態を、それぞれ示す。（ａ）〜（ｈ）は、比較例に係る移相器におけるＶＳＷＲ及びスミスチャートである。（ａ）〜（ｈ）は、本実施の形態に係る移相器におけるＶＳＷＲ及びスミスチャートである。

［実施の形態］
図１は、本発明の実施の形態に係る移相器を示す分解斜視図である。図２は、この移相器の平面図である。

移相器１は、第１の誘電体基板としての固定基板１０と、第２の誘電体基板としての可動基板２０と、固定基板１０と可動基板２０との間に配置された薄板状の誘電体シート３０とを有している。固定基板１０、可動基板２０、及び誘電体シート３０には、それぞれを厚さ方向に貫通し、中心軸Ｃを共有する貫通孔１００ａ，２００ａ，３００ａが形成されている。貫通孔１００ａ，２００ａ，３００ａには、ボルト４０が挿通され、このボルト４０にナット４１が螺合している。これにより、可動基板２０は、貫通孔２００ａを中心として固定基板１０に対して回転可能である。すなわち、可動基板２０は、固定基板１０に対して相対移動可能である。

固定基板１０は、例えばガラスエポキシやＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）等の板状の誘電体からなる。本実施の形態では、固定基板１０が長方形状に形成されている。固定基板１０の第１及び第２の主面１０ａ，１０ｂのうち、第１の主面１０ａには、後述する入力導体１１及び第１〜第３の出力導体１２１〜１２３が形成されている。また、第２の主面１０ｂには、銅箔等の導電体からなる接地層１０１が形成されている。なお、図１では、説明のため、固定基板１０に対する接地層１０１等の厚みを誇張して表している。

固定基板１０の長手方向に対向する両端部には、コネクタ１３０〜１３７が配置されている。コネクタ１３０，１３２，１３４，１３６は、固定基板１０の一方の短辺に沿って配置され、コネクタ１３１，１３１，１３３，１３５は、固定基板１０の他方の短辺に沿って配置されている。コネクタ１３０〜１３７は、中心導体と、この中心導体を囲むように設けられた筒状導体とを有する同軸コネクタであり、筒状導体は接地層１０１に接続されている。

固定基板１０の第１の主面１０ａには、送信回路５０（図２に示す）から高周波信号が入力される入力導体１１と、入力導体１１と分離して設けられた第１〜第３の出力導体１２１〜１２３とが設けられている。入力導体１１及び第１〜第３の出力導体１２１〜１２３は、銅等の導電体からなり、例えば第１の主面１０ａに積層された銅箔をエッチングすることにより形成されている。入力導体１１は、本発明の第１の導体の一例であり、第１〜第３の出力導体１２１〜１２３は、本発明の第２の導体の一例である。

入力導体１１は、固定基板１０をその長手方向に沿って横断するように、直線状に形成されている。入力導体１１は、固定基板１０の貫通孔１００ａの周囲に形成された結合部１１ａと、結合部１１ａとコネクタ１３０との間に形成された第１直線部１１ｂと、結合部１１ａとコネクタ１３１との間に形成された第２直線部１１ｃとを一体に有している。第１直線部１１ｂは、コネクタ１３０の中心導体に、第２直線部１１ｃは、コネクタ１３１の中心導体に、それぞれ接続されている。

第１の出力導体１２１は、貫通孔１００ａの中心軸Ｃを中心として円弧状に形成された円弧部１２１ａと、円弧部１２１ａの一方の端部とコネクタ１３２との間に形成された第１直線部１２１ｂと、円弧部１２１ａの他方の端部とコネクタ１３３との間に形成された第２直線部１２１ｃとを一体に有している。第１直線部１２１ｂは、コネクタ１３２の中心導体に、第２直線部１２１ｃは、コネクタ１３３の中心導体に、それぞれ接続されている。

同様に、第２の出力導体１２２は、貫通孔１００ａの中心軸Ｃを中心として円弧状に形成された円弧部１２２ａと、円弧部１２２ａの一方の端部とコネクタ１３４との間に形成された第１直線部１２２ｂと、円弧部１２２ａの他方の端部とコネクタ１３５との間に形成された第２直線部１２２ｃとを一体に有している。第１直線部１２２ｂは、コネクタ１３４の中心導体に、第２直線部１２２ｃは、コネクタ１３５の中心導体に、それぞれ接続されている。

また同様に、第３の出力導体１２３は、貫通孔１００ａの中心軸Ｃを中心として円弧状に形成された円弧部１２３ａと、円弧部１２３ａの一方の端部とコネクタ１３６との間に形成された第１直線部１２３ｂと、円弧部１２３ａの他方の端部とコネクタ１３７との間に形成された第２直線部１２３ｃとを一体に有している。第１直線部１２３ｂは、コネクタ１３６の中心導体に、第２直線部１２３ｃは、コネクタ１３７の中心導体に、それぞれ接続されている。

第２の出力導体１２２の円弧部１２２ａの曲率半径は、第１の出力導体１２１の円弧部１２１ａの曲率半径よりも大きく形成されている。また、第３の出力導体１２３の円弧部１２３ａの曲率半径は、第２の出力導体１２２の円弧部１２２ａの曲率半径よりも大きく形成されている。つまり、第２の出力導体１２２の円弧部１２２ａは、第１の出力導体１２１の円弧部１２１ａの外周側に形成され、第３の出力導体１２３の円弧部１２３ａは、第２の出力導体１２２の円弧部１２２ａの外周側に形成されている。

コネクタ１３０には、送信回路５０から高周波信号が入力される。コネクタ１３１〜１３７には、そのそれぞれにアンテナ素子６０（図２に示す）が接続される。すなわち、入力導体１１の第１直線部１１ｂは入力線路として機能し、入力導体１１の第２直線部１１ｃ及び第１〜第３の出力導体１２１〜１２３は出力線路として機能する。コネクタ１３１〜１３７に接続される複数（７つ）のアンテナ素子６０は、アレイアンテナ６を構成する。

可動基板２０は、例えばガラスエポキシやＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）等の板状の誘電体からなる。可動基板２０には、入力導体１１と第１〜第３の出力導体１２１〜１２３とを電気的に結合させる結合導体２００が設けられている。結合導体２００は、第１及び第２の主面２０ａ，２０ｂのうち、固定基板１０の第１の主面１０ａに対向する第２の主面２０ｂに設けられている。結合導体２００は、本発明の第３の導体の一例である。

結合導体２００は、入力導体１１の結合部１１ａに対向して貫通孔２００ａの周囲に形成された結合部２１０と、第１〜第３の出力導体１２１〜１２３の円弧部１２１ａ，１２２ａ，１２３ａに対向する円弧状結合部２１１，２２１，２３１と、結合部２１０と円弧状結合部２１１，２２１，２３１とを連結する第１連結部２１２，２２２，２３２及び第２連結部２１３，２２３，２３３とを一体に有している。

円弧状結合部２１１は、貫通孔２００ａの中心軸Ｃを中心とする円弧状であり、第１の出力導体１２１の円弧部１２１ａに対応する曲率半径を有し、誘電体シート３０を介して第１の出力導体１２１の円弧部１２１ａに対向して第１の出力導体１２１に電気的に結合する。

同様に、円弧状結合部２２１は、貫通孔２００ａの中心軸Ｃを中心とする円弧状であり、第２の出力導体１２２の円弧部１２２ａに対応する曲率半径を有し、誘電体シート３０を介して第２の出力導体１２２の円弧部１２２ａに対向して第２の出力導体１２２に電気的に結合する。

また同様に、円弧状結合部２３１は、貫通孔２００ａの中心軸Ｃを中心とする円弧状であり、第３の出力導体１２３の円弧部１２３ａに対応する曲率半径を有し、誘電体シート３０を介して第３の出力導体１２３の円弧部１２３ａに対向して第３の出力導体１２３に電気的に結合する。

第１連結部２１２は、結合部２１０と円弧状結合部２１１の一端との間に形成され、第２連結部２１３は、結合部２１０と円弧状結合部２１１の他端との間に形成されている。

また、第１連結部２２２は、円弧状結合部２１１と円弧状結合部２２１の一端との間に形成され、第２連結部２２３は、円弧状結合部２１１と円弧状結合部２２１の他端との間に形成されている。同様に、第１連結部２３２は、円弧状結合部２２１と円弧状結合部２３１の一端との間に形成され、第２連結部２３３は、円弧状結合部２２１と円弧状結合部２３１の他端との間に形成されている。

第１連結部２１２，２２２，２３２の幅（貫通孔２００ａの中心軸Ｃに対する周方向の幅）は、第２連結部２１３，２２３，２３３の幅よりも太く形成されている。

また、可動基板２０には、浮遊スタブ２０１が第２の主面２０ｂに設けられている。浮遊スタブ２０１は、結合導体２００と分離して、可動基板２０の回転方向における結合導体２００の一側に設けられている。本実施の形態では、浮遊スタブ２０１が、結合導体２００の第２連結部２１３の一側（第１連結部２１２とは反対側）に、第２連結部２１３との間に所定の間隔をあけて形成されている。これにより、浮遊スタブ２０１は、入力導体１１に入力される高周波信号の周波数帯域において、可動基板２０と容量結合する。

結合導体２００及び浮遊スタブ２０１は、銅等の導電体からなり、例えば可動基板２０の第２の主面２０ｂに積層された銅箔をエッチングすることにより形成されている。

誘電体シート３０は、例えば超高分子量ポリエチレン、ＰＴＦＥ、ＦＥＰ（テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体）、又はポリエステル等の誘電体からなり、少なくとも可動基板２０の可動範囲をカバーするように、固定基板１０の第１の主面１０ａ側に配置されている。本実施の形態では、誘電体シート３０が、固定基板１０の第１の主面１０ａのほぼ全体を覆うように配置されている。

上記のように構成された移相器１は、可動基板２０が固定基板１０に対して回転することにより、高周波信号が入力されるコネクタ１３０からコネクタ１３２〜１３７までの信号伝搬の経路長が変化する。つまり、可動基板２０が図２に示す位置（円弧状結合部２２１，２２１，２３１が円弧部１２１ａ，１２２ａ，１２３ａの中央部にある位置。以下、この位置を「中立位置」という。）から右側（時計回り）に回転すると、コネクタ１３０からコネクタ１３２，１３４，１３６までの経路長が短くなる一方、コネクタ１３０からコネクタ１３３，１３５，１３７までの経路長が長くなる。また、可動基板２０が中立位置から左側（反時計回り）に回転すると、コネクタ１３０からコネクタ１３２，１３４，１３６までの経路長が長くなる一方、コネクタ１３０からコネクタ１３３，１３５，１３７までの経路長が短くなる。

なお、可動基板２０は、貫通孔２００ａの中心軸Ｃを中心として、すなわち第１〜第３の出力導体１２１〜１２３の円弧部１２１ａ，１２２ａ，１２３ａの円弧中心を中心として固定基板１０と相対回転するので、可動基板２０が固定基板１０に対して回転しても、円弧状結合部２１１，２２１，２３１と円弧部１２１ａ，１２２ａ，１２３ａとの電気的な結合状態が維持される。

これにより、可動基板２０の回転に伴ってコネクタ１３１〜１３７に接続された各アンテナ素子６０から放射される電波の位相差が変化し、これらのアンテナ素子６０から構成されるアレイアンテナ６の指向性が変化する。つまり、可動基板２０を回転させることにより、アレイアンテナ６の指向性を調節することが可能となる。

図３は、浮遊スタブ２０１及びその周辺部を示す拡大図であり、（ａ）は可動基板２０が中立位置にある状態を、（ｂ）は可動基板２０が中立位置から矢印Ａに示す方向（反時計回り）に３０°回転した状態を、（ｃ）は可動基板２０が中立位置から矢印Ｂに示す方向（時計回り）に３０°回転した状態を、それぞれ示す。

図３（ａ）及び（ｂ）に示す状態では、浮遊スタブ２０１と入力導体１１（第１直線部１１ｂ）との距離が離れており、浮遊スタブ２０１と入力導体１１とが容量結合しない。これにより、浮遊スタブ２０１は、実質的にアンテナ素子６０からの放射特性に影響を与えない。

一方、図３（ｃ）に示す状態では、浮遊スタブ２０１が入力導体１１（第１直線部１１ｂ）に誘電体シート３０を介して重なり、浮遊スタブ２０１と入力導体１１とが容量結合する。これにより、浮遊スタブ２０１がアンテナ素子６０からの放射特性に影響を与えることとなる。浮遊スタブ２０１が入力導体１１と重なる面積は、可動基板２０の固定基板１０に対する回転（相対移動）に伴って変化する。つまり、可動基板２０の回転に伴って、浮遊スタブ２０１と入力導体１１との静電容量が変化する。

図４は、図１〜３に示す移相器１における浮遊スタブ２０１を有しない比較例としての移相器において、周波数帯域を１．８〜２．２ＧＨｚとした場合のＶＳＷＲ（Voltage Standing Wave Ratio：電圧定在波比）、及びスミスチャートを示す。この比較例に係る移相器は、浮遊スタブ２０１を有しない他は、本実施の形態に係る移相器１と同様に構成されている。

図５は、本実施の形態に係る移相器１において、周波数帯域を１．８〜２．２ＧＨｚとした場合のＶＳＷＲ（Voltage Standing Wave Ratio：電圧定在波比）、及びスミスチャートを示す。

図４，５において、（ａ）及び（ｂ）は、可動基板２０が中立位置から図３に示す矢印Ａ方向に３０°回転したときのＶＳＷＲ特性を示すグラフ及びスミスチャートであり、（ｃ）及び（ｄ）は、可動基板２０の中立位置におけるＶＳＷＲ特性を示すグラフ及びスミスチャートである。また、図４，５において、（ｅ）及び（ｆ）は、可動基板２０が中立位置から図３に示す矢印Ｂ方向に２０°回転したときのＶＳＷＲ特性を示すグラフ及びスミスチャートであり、（ｇ）及び（ｈ）は、可動基板２０が中立位置から図３に示す矢印Ｂ方向に３０°回転したときのＶＳＷＲ特性を示すグラフ及びスミスチャートである。

図４に示すように、浮遊スタブ２０１がない場合には、可動基板２０が矢印Ｂ方向に２０°又は３０°回転したときに、特に２．２ＧＨｚ付近の周波数においてＶＳＷＲが高くなると共に、スミスチャートが実数軸（横軸）の左寄り（マイナス側）に偏ってしまう。このことは、アンテナ素子６０における電力変換効率の低下を示している。この傾向は、可動基板２０が矢印Ｂ方向に３０°回転したときに、特に顕著に表れている。

これに対し、本実施の形態に係る移相器１では、可動基板２０が矢印Ｂ方向に２０°又は３０°回転したときのＶＳＷＲの上昇及びスミスチャートの偏りが改善され、可動基板２０が中立位置にある場合との比較において、ＶＳＷＲの変動及びスミスチャートに示される特性の変化が抑制されている。つまり、本実施の形態では、固定基板１０と可動基板２０との相対回転に伴うＶＳＷＲの変動が抑制される位置に浮遊スタブ２０１が設けられている。

より具体的には、比較例に係る移相器では、可動基板２０が中立位置から図３に示す矢印Ｂ方向に２０°回転したときの２．２ＧＨｚにおけるＶＳＷＲが１．２３、同じく３０°回転したときの２．２ＧＨｚにおけるＶＳＷＲが１．２８であるのに対し、本実施の形態に係る移相器１では、可動基板２０が中立位置から図３に示す矢印Ｂ方向に２０°及び３０°回転したときの２．２ＧＨｚにおけるＶＳＷＲが共に１．１９である。

このように、本実施の形態によれば、位相の変化に伴ってアンテナ素子６０から放射される電波の電圧定在波比が変化することを抑制できる。また、浮遊スタブ２０１は、可動基板２０の回転方向における結合導体２００の一側に設けられるので、移相器１の大型化を招来することなく、浮遊スタブ２０１による特性改善効果を得ることができる。またさらに、浮遊スタブ２０１は、可動基板２０の回転に伴って入力導体１１と重なる面積が変化するので、浮遊スタブ２０１が入力導体１１と重ならない場合に比較して、より確実に浮遊スタブ２０１による特性改善効果を得ることができる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

また、本発明は、上記実施の形態に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変形して実施することが可能である。例えば、上記実施の形態では、固定基板１０に入力導体１１及び第１〜第３の出力導体１２１〜１２３が設けられた場合について説明したが、これに限らず、例えば入力導体１１及び第１の出力導体１２１のみが固定基板１０に設けられていてもよい。結合導体２００の形状も、図１〜図３に例示したものに限らない。

また、上記実施の形態では、可動基板２０と固定基板１０とが貫通孔１００ａ，２００ａの中心軸Ｃを中心として相対回転する場合について説明したが、これに限らず、可動基板と固定基板とが平行移動する構成の移相器に本発明を適用することも可能である。この場合、入力導体と出力導体とが固定基板上に並んで配置され、入力導体と出力導体とを電気的に結合する結合導体を有する可動基板が、入力導体及び出力導体の延伸方向に沿って移動することにより、出力導体の両端部からアンテナ素子に出力される信号の位相差が変化する。また、この場合、浮遊スタブは、可動基板の移動に伴って入力導体に誘電体を介して重なる面積が変化することにより、可動基板の移動に伴うＶＳＷＲの変動が抑制される可動基板上の位置に設けられる。

１…移相器、６…アレイアンテナ、１０…固定基板（第１の誘電体基板）、１０ａ…第１の主面、１０ｂ…第２の主面、１１…入力導体（第１の導体）、１１ａ…結合部、１１ｂ…第１直線部、１１ｃ…第２直線部、２０…可動基板（第２の誘電体基板）、２０ａ…第１の主面、２０ｂ…第２の主面、３０…誘電体シート、４０…ボルト、４１…ナット、５０…送信回路、６０…アンテナ素子、１００ａ…貫通孔、１０１…接地層、１２１〜１２３…第１〜第３の出力導体（第２の導体）、１２１ａ，１２２ａ，１２３ａ…円弧部、１２１ｂ，１２２ｂ，１２３ｂ…第１直線部、１２１ｃ，１２２ｃ，１２３ｃ…第２直線部、１３０〜１３７…コネクタ、２００…結合導体（第３の導体）、２００ａ…貫通孔、２０１…浮遊スタブ（第４の導体）、２１０…結合部、２１１，２２１，２３１…円弧状結合部、２１２，２２２，２３２…第１連結部、２１３，２２３，２３３…第２連結部

Claims

第１の誘電体基板と、
前記第１の誘電体基板に設けられ、高周波信号が入力される第１の導体と、
前記第１の誘電体基板に前記第１の導体と分離して設けられ、前記高周波信号をアンテナ素子に出力する第２の導体と、
前記第１の誘電体基板に対して相対移動可能な第２の誘電体基板と、
前記第２の誘電体基板に設けられ、前記第１の導体と前記第２の導体とを電気的に結合させる第３の導体と、
前記第２の誘電体基板に前記第３の導体と分離して設けられた第４の導体とを備え、
前記第４の導体は、前記第３の導体と容量結合し、かつ前記第１の誘電体基板と前記第２の誘電体基板との相対移動に伴う前記アンテナ素子の電圧定在波比の変動が抑制される位置に設けられ、
前記第２の導体は、前記第１の誘電体基板に円弧状に設けられた円弧部を有し、
前記第２の誘電体基板は、前記第２の導体の前記円弧部の円弧中心を中心として前記第１の誘電体基板と相対回転可能であり、
前記第４の導体は、前記第２の誘電体基板の回転方向における前記第３の導体の一側に設けられている
移相器。
前記第４の導体は、前記第１の誘電体基板と前記第２の誘電体基板との相対移動に伴って、前記第１の導体に誘電体を介して重なる面積が変化する
請求項１に記載の移相器。