JP6533796B2 - 広周波数帯域にわたってほぼ一定な位相シフトを有する無線周波数信号経路 - Google Patents

Description

本発明は、位相シフト回路構成に関し、特に、広周波数帯域にわたってほぼ一定な位相シフトを提供する受動位相シフト回路構成に関する。

今日の電子装置の多くは、接続目的と通信目的の両方のために無線信号技術を使用する。無線装置は電磁エネルギーを送受信するので、そして２つ以上の無線装置はそれらの信号周波数およびパワースペクトル密度により互いの動作と干渉する可能性を有するので、これらの装置およびそれらの無線信号技術は様々な無線信号技術標準規格に従わねばならない。

このような無線装置を設計する際、技術者は、「このような装置が装置に含まれる無線信号技術規定標準規格のそれぞれを満足するまたは超える」ことを保証するために特別の注意を払う。さらに、これらの装置が後で量産される際、これらの装置は、含まれる無線信号技術標準規格に従うことを保証することを含み、製造欠陥が不適切な動作を引き起こさないということを保証するために試験される。

一般的に高周波数（ＲＦ）装置およびシステム、特に無線ＲＦ装置およびシステムを試験する際、特定の信号経路を介し送信または受信される信号の位相をシフトする必要がしばしばある。例えば、遮蔽筐体内または別の形態の制御された信号経路環境内などで１つ以上の無線信号経路を使用することにより装置を試験する際、マルチパス信号干渉効果を緩和するように信号源と各アンテナ素子間の１つ以上の信号経路内の信号位相のシフトを可能にするために１つ以上のアンテナ素子（例えばアンテナアレイ）が移相素子と共に利用され得る（このような試験筐体および無線信号試験技術は米国特許出願第１３／８３９，１６２号明細書と同第１３／８３９，５８３号明細書に開示されており、参照としてその内容を本明細書に援用する）。

位相シフトの可変量を生じ得る多種多様なＲＦ信号経路構造が存在する。例えば、異なる長さの２つの伝送線路を単に有することで、このような線路により搬送される信号に互いに異なる位相シフトを経験させ、これにより一方の信号の他方の信号に対する位相シフトを引き起こす。しかし、選択された長さの伝送線路を単に使用することでは、信号周波数の線形関数として変化する位相シフトを導入することになる。したがって、所望量の位相シフトは非常に狭い帯域幅だけにわたって実現され得る。

受動伝送線路上で利用可能な帯域幅を増加するために開発された１つの技術は、所望の位相シフトが与えられ得る広帯域幅を提供するために伝送線路と連結部とを使用するＳｃｈｉｆｆｍａｎ移相器設計として知られている。しかし、この広帯域幅の実現には、実装を困難にし得る伝送線路素子間の緊密な信号結合を必要とする。

小型超広帯域移相器（ｃｏｍｐａｃｔ ｕｌｔｒａ ｗｉｄｅｂａｎｄ ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔｅｒ）としばしば呼ばれる開発された別の技術は広位相シフト帯域幅（例えば３〜１１ＧＨｚ）を実現し得る。しかし、位相差は３０度以下に制限される。

したがって、広周波数帯域にわたって著しい位相シフトの選択可能量（例えば９０度以上）を提供する技術を有することが望ましい。

本発明による、高周波（ＲＦ）信号の位相をシフトするための回路構成が提供される。基板の一方の側の電磁気伝送線路パターンの互いに異なりかつ電気的に結合された部分は、ＲＦ信号周波数と電磁気伝送線路パターンのそれぞれの寸法とにより決定される位相シフトであって、広帯域幅にわたってほぼ一定である位相シフトを有するＲＦ信号を搬送するために、対向する基板側の別の電磁気伝送線路パターンと相互作用する。異なるパターン寸法を有しＲＦ信号スイッチ間に結合するこのような、対向する電磁気伝送線路パターンの複数実装により、複数の位相シフトが選択的に提供され得る。

本発明の一実施形態によると、高周波（ＲＦ）信号の位相をシフトするための回路構成は、電気的絶縁体で形成された基板であって、互いに対向する第１および第２の側を有する基板と、第１の側に配置された第１の導電性層であって、第１と第２の信号端子間に電気的に結合された互いに異なり電気的に結合された第１および第２のパターン部を有する第１の電磁気伝送線路パターンを含む第１の導電性層と、第２の側に配置された第２の導電性層であって、第２のパターン部分と電磁気連通するための第２の電磁気伝送線路パターンを含む第２の導電性層とを含む。

例示的実施形態によると、第１のパターン部分はマイクロストリップ構造を含み、第２のパターン部分および第２の電磁気伝送線路パターンは併せてパッチ−スロット構造を構成する。

図１は、異なる長さの２つの受動伝送線路と、周波数の関数としてそれぞれにより与えられる位相差とを描写する。 図２は従来のマイクロストリップ伝送線路構造の斜視図である。 図３は、マイクロストリップ−スロットライン遷移技術を使用する従来の小型超広帯域移相器の伝送線路構造を描写する。 図４は図３の移相器の周波数の関数としての位相シフトを描写する。 図５は、本発明の例示的実施形態による２つの受動伝送線路構造を使用する周波数の関数としての位相シフト差を描写する。 図６は、本発明の例示的実施形態による伝送線路位相シフト回路構成を描写する。 図７は図６の位相シフト回路構成の信号位相対周波数を描写する。 図８は、選択可能位相シフトを提供する位相シフト構造として実現される例示的実施形態による複数伝送線路位相位相シフト回路を描写する。

以下の詳細説明は、添付図面を参照した本発明の例示的実施形態である。このような説明は、本発明の範囲に対する制限ではなく例示的となるように意図されている。このような実施形態は、当業者に本発明を実施できるようにするのに十分に詳細に説明され、本発明の思想または範囲から逸脱することなくいくつかの変形と共に他の実施形態が実施され得るということが理解されよう。

本開示全体にわたって、別途明示しない限り、説明される個別回路要素は単数または複数であり得るということが理解される。例えば、用語「回路」、「回路構成」は、単一部品、または能動および／または受動のいずれかであり、説明される機能を提供するために接続され、またはそうでなければ連結される（例えば、１つ以上の集積回路チップとして）複数の部品のうちのいずれかを含み得る。加えて、用語「信号」は１つ以上の電流、１つ以上の電圧またはデータ信号を指し得る。添付図面内では、同様なまたは関連要素は同様なまたは関連する英数字表記を有することになる。さらに、本発明は個別電子回路構成（好適には１つ以上の集積回路チップの形式の電子回路構成）を使用する実施形態の文脈で論述されたが、このような回路構成の任意の部品の機能は代替的に、処理される信号周波数またはデータ速度に依存して、１つ以上の適切にプログラムされたプロセッサを使用することにより実現され得る。さらに、添付図面が様々な実施形態の機能ブロックの線図を示す限りでは、機能ブロックはハードウェア回路間の分割を必ずしも示さない。

携帯電話、スマートフォン、タブレットなどの無線装置は、ＩＥＥＥ８０２．１１ａ／ｂ／ｇ／ｎ／ａｃ、３ＧＰＰ ＬＴＥおよびブルートゥース（登録商標）などの標準規格ベースの技術を活用する。これらの技術の基礎をなす標準規格は、信頼できる無線接続性および／または通信を提供するように設計される。標準規格は、物理的および上位仕様がエネルギー効率良く概して設計されることと、同じまたは他の技術を使用することにより、隣接する装置間または無線スペクトルを共有する装置間の干渉を最小化することとを規定する。

これらの標準規格により規定された試験は、このような装置が標準規定仕様に従うように設計されるということと、製造された装置がこれらの規定仕様に依然として従うということとを保証することを意味する。ほとんどの装置は、少なくとも１つ以上の受信機および送信機を含む送受信器である。したがって、試験は、受信機と送信機の両方が標準規定仕様に準拠するかどうかを確認するように意図されている。ＤＵＴの受信機または受信機群の試験（ＲＸ試験）は通常、試験システム（テスタ）が試験パケットを受信機へ送信することと、ＤＵＴ受信機がこれら試験パケットにどのように応答するかを判断する何らかの方法とに関わる。ＤＵＴの送信機は、同送信機にパケットを試験システムへ送信させることにより試験され、次に試験システムは同ＤＵＴにより送信された信号の物理的特性を評価する。

一般的に、無線装置の試験は、導電性信号コネクタを使用することによりそれぞれの試験サブシステムまたはシステムへ無線装置を接続することに先立つ。しかし、いくつかの例では（例えば、上記特許出願において論述したように）、無線装置と試験装置とのインターフェースは信号が電磁気的に搬送される無線信号経路を含む。比較的小さな電磁的遮蔽筐体に閉じ込められ、試験信号インターフェースは、上記筐体内にアレイアンテナ素子を含む。アレイアンテナ素子を介し無線信号は受信または送信され、個々のアンテナ信号は同相に調整される。アンテナ素子のアレイを使用するこのような試験環境は、信号源と送信機アンテナアレイ素子間または受信機アンテナアレイ素子と信号受信サブシステム間のそれぞれの信号経路において信号位相をシフトするための機構を必要とする。同装置の動作要件を所与として、これらの移相器は最小挿入損でもって広周波数範囲にわたって動作しなければならない。さらに、これらの移相器は、反射減衰量を最小化するように接続された信号経路の電圧定在波比（ＶＳＷＲ）と一致することができなければならない。

図１に示されているように、上記のように、互いに異なる信号位相を有する２つのＲＦ信号を搬送するための従来技術は２つの伝送線路１０ａ、１０ｂを使用し、後者の信号経路１０ｂはより長い。その結果、第２の経路１０ｂを通過する信号の位相は、より短い信号経路１０ａを通過する信号の位相と比較して遅延されることになる。したがって、所望の信号周波数１３において、信号経路１０ａ、１０ｂの長さの差は、２つの信号間の所望位相シフトが実現されるように設定され得る。しかし、位相対周波数グラフに描写するように、所望周波数１３未満の周波数では位相シフトは低下し、所望周波数１３より高い周波数では位相シフトは増加する。したがって位相シフトが特定の所望シフトにほぼ等しいままである帯域幅は狭い。

図２に示されているように、このような移相器に使用される一般的伝送線路構造はマイクロストリップとして知られる。周知の技術によると、マイクロストリップ伝送線路構造は、導体（例えば金属）でめっきされた上面１４ａと下面１４ｂ（接地面を提供する）を有する誘電体１４を有するプリント回路基板と、幅１２と長さ１８を有する信号導体１０とを含む。幅１２は、基板１４の厚さ１６とその誘電率とに従って所望の線路インピーダンスにより決定され、長さ１８は搬送信号に与えられる所望位相シフトにより決定される。

図３に示されているように、上記のように、小型超広帯域移相器は伝送線路パッチ−スロット構造を使用して実現された。ここでは２つのこのような構造２０ａ、２０ｂが描写され、互いに並んで配置され、入出力伝送線路パターンは基板（例えばプリント回路基板）の上部（Ａ側）に配置され、結合伝送線路構造は下部（Ｂ側）に配置される。長さ寸法２５ａおよび幅寸法２３ａを有する入力導電性パッチ２２ａと出力導電性パッチ２４ａが片側に配置され、入力信号ポート３２ａはマイクロストリップ３３ａを介し入力導電性パッチ２２ａへ結合され、出力導電性パッチはマイクロストリップ３５ａを介し出力信号ポート３４ａへ結合される。ほぼ互いに反対の位置において他方側に配置されるのは、幅寸法２７ａおよび長さ寸法２９ａを有する２つの矩形導電性パッチ２６ａ、２８ａにより形成された電気的絶縁伝送線路構造であって所定長３１ａを有するマイクロストリップ３０ａを介し結合された電気的絶縁伝送線路構造である。入力信号３２ａは、入力マイクロストリップライン３３ａとパッチ２２ａにより導かれ、対向パッチ２６ａへ結合され、ここで、マイクロストリップ３０ａを介し他の対向パッチ２８ａへ搬送され、結合して出力パッチ２４ａまで戻され、ここで、出力マイクロストリップ３５ａを介し出力ポート３４ａへ導かれる。

同様に、隣接回路構造２０ｂを参照すると、入力ポート３２ｂに入り出力ポート３４ｂから出る信号は同様に位相シフトを経験することになる。様々な回路構造寸法２３ａ、２５ａ、２７ａ、２９ａ、３１ａが同じであれば、位相シフトは同じになる。しかし、第２の構造２０ｂの寸法が第１の構造２０ａのものと異なれば、出力ポート３４ａ、３４ｂから出る２つの信号間には位相差が存在することになる。

図４に示されているように、第２の構造２０ｂの寸法が第１の構造２０ａと異なる場合、当該周波数域にわたってほぼ一定のままである位相差が存在する。しかし、上記のように、この位相差は約３０度に制限される。

図５に示されているように、本発明の例示的実施形態によると、このような伝送パッチ／スロット構造と伝送線路は、１つ以上の集中型（ｌｕｍｐｅｄ）回路リアクタンス（例えば、個別の容量および／またはインダクタ）を使用することにより伝送線路の傾斜（すなわち位相対周波数）を変えるために併せて使用され得る。したがって、伝送線路位相勾配は、伝送パッチ／スロット構造の対応傾斜の事実上線形な部分にほぼ平行に作られ得る。したがって、２つの信号間の位相差は当該周波数域にわたってほぼ一定の値で維持され得る。このような例示的実施形態によると、この位相差は３０度より著しく大きい（例えば定格９０度である）可能性があり、当該周波数域にわたる位相分散は＋／−２０度である。したがって、大きい位相シフトを実現するためのカスケード接続には少ない移相器が必要である。

図６に示されているように、例示的実施形態によると、伝送パッチ／スロット構造２０の形式の伝送線路パターンは、上部導体と下部導体間にはさまれた誘電体を有するプリント回路基板などの共有基板上のマイクロストリップの形式の伝送線路構造４０と併せて使用される（上述のように）。第２の構造４０の入力ポート４２に入る信号は伝送線路４０により出力ポート４４へ搬送される。別の信号は、第１の構造２０の入力ポート３２に入り、そして、第１のパターン２０の出力信号が第２のパターン４０の出力ポート４４における信号と比較して９０＋／−２０度の位相シフトを有するような位相シフトでもって出力ポート３４へ搬送される。この位相シフトは、１ｄＢ以下の挿入損と＋１０ｄＢ以上の反射減衰量とでもって８００ＭＨｚ〜８ＧＨｚの周波数範囲全体にわたってこの分散内に維持される。

第１の回路構造２０と第２の回路構造４０間の位相シフトの差は当該技術分野において周知の技術を使用することにより補償され得る、周知の技術としては、Ｔ型ネットワーク（第２のタイプの直列リアクタンスにより分離された第１のタイプの２つのシャント回路リアクタンス）またはπ型ネットワーク（第２のタイプの２つの直列リアクタンス間に接続された第１のタイプのシャントリアクタンス）などのネットワーク４１の形式の集中型容量および／またはインダクタンスなどの集中型回路素子を含む技術が挙げられる。

図７に示されているように、例示的実施形態によると、図６に描写されたものに従う回路構造は、第２の伝送線路構造４０（マイクロストリップ）が伝送パッチ／スロット構造２０のものとほぼ平行な傾斜（位相対周波数）を有し得るように実現され得るもので、２つの構造間の位相分散は＋／−２０度以下であり、これは多くの用途で許容可能な位相分散である。

図８に示されているように、例示的実施形態によると、複数の可能位相シフトを有する回路構造５０を形成するために伝送線路パターン２０、４０（図６）の複数のインスタンスが使用され得る（より多いまたは少ない位相シフトは伝送線路パターン２０、４０の様々な組み合わせを使用することにより含まれ得るということは容易に理解されるが、この例では４つの可能な位相シフトが設けられる）。例えば、この構造５０は、４つの信号経路の中から信号配策回路６０ａ、６０ｂ（例えば単極４投スイッチ形式）を切り替えることにより１８０、９０、０および２７０度（左から右へ）の定格位相シフトを提供する。

本発明の構造および動作方法における様々な他の変形および代替形態が本発明の範囲と思想から逸脱することなく当業者にとって明白となる。本発明は特定の好ましい実施形態に関連して説明されたが、本発明はこのような特定の実施形態へ不当に限定されるべきでないということを理解すべきである。以下の特許請求の範囲は本発明の範囲を規定し、これらの特許請求の範囲に入る構造および方法とそれらの均等物はこれによりカバーされるように意図されている。

Claims (7)

1. 高周波（ＲＦ）信号の位相をシフトするための回路構成を含む装置であって、
   電気的絶縁体で形成された基板であって、互いに対向する第１の側および第２の側を有する基板と、
   前記第１の側に配置された第１の導電性層であって、第１の信号端子と第２の信号端子との間に電気的に結合された、互いに異なり電気的に結合された第１のパターン部分および第２のパターン部分を有する第１の電磁気伝送線路パターンを含む第１の導電性層と、
   前記第２の側に配置された第２の導電性層であって、前記第２のパターン部分と電磁気連通するための第２の電磁気伝送線路パターンを含む第２の導電性層と
   を含み、
   前記第２の電磁気伝送線路パターンは前記第２の側の任意の他の導電体から電気的に絶縁される、装置。
2. 高周波（ＲＦ）信号の位相をシフトするための回路構成を含む装置であって、
   電気的絶縁体で形成された基板であって、互いに対向する第１の側および第２の側を有する基板と、
   前記第１の側に配置された第１の導電性層であって、第１の信号端子と第２の信号端子との間に電気的に結合された、互いに異なり電気的に結合された第１のパターン部分および第２のパターン部分を有する第１の電磁気伝送線路パターンを含む第１の導電性層と、
   前記第２の側に配置された第２の導電性層であって、前記第２のパターン部分と電磁気連通するための第２の電磁気伝送線路パターンを含む第２の導電性層と
   を含み、
   前記第２のパターン部分と前記第２の電磁気伝送線路パターンとは併せてパッチ−スロット構造を構成する、装置。
3. 高周波（ＲＦ）信号の位相をシフトするための回路構成を含む装置であって、
   電気的絶縁体で形成された基板であって、互いに対向する第１の側および第２の側を有する基板と、
   前記第１の側に配置された第１の導電性層であって、第１の信号端子と第２の信号端子との間に電気的に結合された、互いに異なり電気的に結合された第１のパターン部分および第２のパターン部分を有する第１の電磁気伝送線路パターンを含む第１の導電性層と、
   前記第２の側に配置された第２の導電性層であって、前記第２のパターン部分と電磁気連通するための第２の電磁気伝送線路パターンを含む第２の導電性層と、
   前記第１の信号端子および第３の信号端子へ結合された第１のＲＦ信号スイッチ回路構成と、
   前記第２の信号端子および第４の信号端子へ結合された第２のＲＦ信号スイッチ回路構成と、
   を含み、
   前記第１の導電性層はさらに、第３の信号端子と第４の信号端子との間に電気的に結合された互いに異なり、電気的に結合された第３のパターン部分および第４のパターン部分を有する第３の電磁気伝送線路パターンを含み、
   前記第４のパターン部分の少なくとも一部は前記第２のパターン部分の少なくとも一部と同様であり、
   前記第２の導電性層はさらに、前記第４のパターン部分と電磁気連通するための第４の電磁気伝送線路パターンを含み、
   前記第４の電磁気伝送線路パターンの少なくとも一部は前記第２の電磁気伝送線路パターンの少なくとも一部と同様である、装置。
4. 高周波（ＲＦ）信号の位相をシフトするための回路構成を含む装置であって、
   電気的絶縁体で形成された基板であって、互いに対向する第１の側および第２の側を有する基板と、
   前記第１の側に配置された第１の導電性層であって、第１の信号端子と第２の信号端子との間に電気的に結合された、互いに異なり電気的に結合された第１のパターン部分および第２のパターン部分を有する第１の電磁気伝送線路パターンを含む第１の導電性層と、
   前記第２の側に配置された第２の導電性層であって、前記第２のパターン部分と電磁気連通するための第２の電磁気伝送線路パターンを含む第２の導電性層と
   を含み、
   前記第１の導電性層はさらに、第３の信号端子と第４の信号端子との間に電気的に結合された互いに異なり、電気的に結合された第３のパターン部分および第４のパターン部分を有する第３の電磁気伝送線路パターンを含み、
   前記第４のパターン部分の少なくとも一部は前記第２のパターン部分の少なくとも一部と同様であり、
   前記第２の導電性層はさらに、前記第４のパターン部分と電磁気連通するための第４の電磁気伝送線路パターンを含み、
   前記第４の電磁気伝送線路パターンの少なくとも一部は前記第２の電磁気伝送線路パターンの少なくとも一部と同様であり、
   前記第１の電磁気伝送線路パターンおよび第３の電磁気伝送線路パターンを介し搬送されるＲＦ信号は互いに異なるＲＦ信号位相シフトを経験する、装置。
5. 高周波（ＲＦ）信号の位相をシフトするための回路構成を含む装置であって、
   電気的絶縁体で形成された基板であって、互いに対向する第１の側および第２の側を有する基板と、
   前記第１の側に配置された第１の導電性層であって、第１の信号端子と第２の信号端子との間に電気的に結合された、互いに異なり電気的に結合された第１のパターン部分および第２のパターン部分を有する第１の電磁気伝送線路パターンを含む第１の導電性層と、
   前記第２の側に配置された第２の導電性層であって、前記第２のパターン部分と電磁気連通するための第２の電磁気伝送線路パターンを含む第２の導電性層と、
   別の電気的絶縁体で形成される別の基板であって、互いに対向する第３の側と第４の側を有する別の基板と、
   前記第３の側に配置された第３の導電性層であって、第３の信号端子と第４の信号端子との間に電気的に結合された、互いに異なり電気的に結合された第３のパターン部分および第４のパターン部分を有する第３の電磁気伝送線路パターンを含む第３の導電性層と、
   前記第４の側に配置された第４の導電性層であって、前記第４のパターン部分と電磁気連通するための第４の電磁気伝送線路パターンを含む第４の導電性層と、
   前記第１の信号端子と第３の信号端子へ結合された第１のＲＦ信号スイッチ回路構成と、
   前記第２の信号端子と第４の信号端子へ結合された第２のＲＦ信号スイッチ回路構成と
   を含む、装置。
6. 前記第２のパターン部分と前記第２の電磁気伝送線路パターンはほぼ互いに反対方向の位置に配置される、請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記第１のパターン部分はマイクロストリップ構造を含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の装置。