JP6534950B2

JP6534950B2 - 分配合成回路

Info

Publication number: JP6534950B2
Application number: JP2016036776A
Authority: JP
Inventors: 麻希新井; 山口　陽; 陽山口; 智弘関
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2016-02-29
Filing date: 2016-02-29
Publication date: 2019-06-26
Anticipated expiration: 2036-02-29
Also published as: JP2017157894A

Description

本発明は、例えばフェーズドアレーアンテナ等の給電回路に用いる分配合成回路に関する。

フェーズドアレーアンテナに用いる給電回路としては、例えば非特許文献１に開示された４ポートバトラーマトリクス給電回路が知られている。また、例えば非特許文献２に開示されたロットマンレンズ給電回路が知られている。

K.Uehara, T. Seki, and K. Kagoshima, "A Planar Sector Antenna for Indoor High-Speed Wireless Communication Systems" , IEICE Trans. Commun., Vol. E79-B, No.12, pp.1773-1777, Dec. 1996. W. Rotman and R. F. Turner, "Wide-angle microwave lens for line source applications," IEEE Trans. Antennas Propag., Vol. AP-11, No.11, pp. 623-632, Nov 1963.

従来の４ポートバトラーマトリクス給電回路は、複数のハイブリッド回路と移相器とで構成され、ポート数が４ポートを超えると高周波信号を伝達する信号線を交差させる部分が必要である。よって、１層のみの基板では製造できない課題がある。また、ロットマンレンズ給電回路は、水平面成型用と垂直面形成用の２系統の平面レンズから成る多ポート入出力分配器が必要であることから、周波数が高い場合に回路損失が大きくなるという課題がある。

本発明は、これらの課題に鑑みてなされたものであり、バトラーマトリクス給電回路を１層の基板で構成でき、また、１個の給電回路でも２系統の給電回路が構成できる分配合成回路を提供することを目的とする。

本発明の分配合成回路は、中心からの距離に応じて比誘電率が小さくなるレンズと、前記レンズの表面に接続される複数の入力信号線路と、前記レンズの表面における前記入力信号線路の接続位置以外の位置に接続される複数の出力信号線路とを具備し、前記レンズに電圧を印加するための２つの電極を前記レンズの表面に具備する。

本発明によれば、バトラーマトリクス給電回路を１層の基板で構成でき、また、１個の給電回路でも２系統の給電回路が構成できる分配合成回路を提供することができる。

第１実施形態の分配合成回路１の斜視図を示す図である。分配合成回路１のｘ−ｙ断面を示す図である。レンズ１０の断面を示す図である。第２実施形態の分配合成回路２のｘ−ｙ断面を示す図である。第３実施形態の分配合成回路３のｘ−ｙ断面を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。複数の図面中同一のものに
は同じ参照符号を付し、説明は繰り返さない。

〔第１実施形態〕
図１に、第１実施形態の分配合成回路１の斜視図を示す。分配合成回路１は、レンズ１０と、入力信号線路２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄと、出力信号線路３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄとを具備する。以降において入力信号線路の参照符号は２０、また、出力信号線路の参照符号は３０と表記する場合もある。

入力信号線路２０は、レンズ１０の表面に接続される複数の信号線路であり、例えば高周波信号を、レンズ１０に入力する。入力信号線路２０は、例えば導波管である。また、入力信号線路２０は、マイクロストリップ線路、ストリップ線路、サスペンデット線路、コプレーナ線路、の何れであってもよい。

また、入力信号線路２０は、これらの線路から同軸導波変換器などを用いて誘電体線路へ接続する構成、または、導波管と誘電体線路とを組み合わせた構成であってもよい。出力信号線路３０についても同様である。

レンズ１０は、例えばルーネベルグレンズ等の誘電体レンズであり、入力信号線路２０で入力される高周波信号を、内部で屈折・反射させるものである。また、金属板で構成されるロットマンレンズを用いることも可能である。したがって、レンズ１０の材質は誘電体に限られない。レンズ１０を誘電体で構成した場合、比誘電率は、レンズ１０の中心部が最も大きく、表面に向けて小に変化する。

図１において、入力信号線路２０は２０ａ,２０ｂ,２０ｃ,２０ｄ,２０ｅの４本、出力信号線路３０は３０ａ,３０ｂ,３０ｃ,３０ｄ,３０ｅの４本の例で示す。信号線路の本数は、２本以上の複数であれば何本でもよい。また、図１では、レンズ１０を挟んで入力信号線路２０と対向する位置に出力信号線路３０を配置している。なお、入力信号線路２０と出力信号線路３０との配置は、この例に限定されない。出力信号線路３０は、レンズ１０の表面における入力信号線路２０の接続位置以外の位置に接続すればよい。

以上のように構成される分配合成回路１は、例えばバトラーマトリクス給電回路を１層の基板で構成できる。つまり、高周波信号を伝達する信号線を交差させる作用をレンズ１０が担うので、信号線を交差する必要があっても入力信号線路２０と出力信号線路３０を一層の基板上に配置することができる。

また、分配合成回路１によれば、水平面成型用と垂直面成型用の２系統の給電回路を容易に構成することができる。例えば、図１のｚ軸方向に、入力信号線路２０と出力信号線路３０を配置すれば1個のレンズ１０の作用によって、水平面と垂直面の２系統に、高周波信号を分配合成することが可能である。

図２に、図１のｘ−ｙ断面で切断した分配合成回路１の断面図を示す。図２を参照して更に詳しく本実施形態の分配合成回路１を説明する。

図２において、レンズ１０の中心から表面に向けての階層構造は、比誘電率が階層的に異なることを表している。入力信号線路２０からレンズ１０に入力された例えば高周波信号は、比誘電率の異なる界面で屈折・反射して出力信号線路３０から出力される。反射には、レンズ１０の内側表面で反射するものも含まれる。したがって、入力信号線路２０からレンズ１０に入力された高周波信号は分散して出力信号線路３０から出力される。

〔レンズ〕
図３に、レンズ１０の断面図を示す。図３は、図２の分配合成回路１からレンズ１０を取り出した図である。レンズ１０は球状であり、レンズの半径がaである場合、レンズ１０の中心からの距離rの位置の比誘電率εrは、次式で表せる。

ａ=2とすると、rの範囲0≦r≦2より、比誘電率εrの範囲は2〜1となる。レンズ１０の中心部分はεr=2で最も大きく、表面部分はεr=1で最も小さくなる。このようにレンズ１０の中心部分の比誘電率εrが大きいと、入力信号線路２０から入力された高周波信号は、中心部分に向けて屈折することになる。なお、比誘電率εrの範囲は、広く見積もると4〜1の場合も有り得る。

つまり、レンズ１０内の比誘電率の最大値をε_maxとした場合、比誘電率εrは次式で表せる。

レンズ１０の中心から表面に向けての比誘電率εrの値を、式（１）又は（２）に示すように連続的な値にすることが難しい場合は、例えば図３に示すように６種類の比誘電率εrの階層構造にしてもよい。なお、比誘電率εrの種類は、２種類（２段階）あれば必要な屈折・反射の作用効果が得られる。

表１に、誘電体の階層数と信号の分配特性の関係をシミュレーションした結果を示す。表１は、１本の入力信号線路から入力した信号の分配特性を、４本の出力信号線路に出力される信号振幅で示す。

表１に示すように誘電体の階層を２段階以上にすることで、出力信号線路間の信号振幅の差分を10dB以内に収めることができる。また、階層数を増やすことによって、出力信号の差分が小さくなる傾向が分かる。

〔第２実施形態〕
図４に、第２実施形態の分配合成回路２の断面図を示す。図４は、図１と図２の関係と同様に分配合成回路２をｘ−ｙ断面で切断した断面図である。また、分配合成回路２のレンズ１１は、例えばラグビーボールに似た立体形状である。

また、入力信号線路２１ｃ〜２１ｇの各信号線路の途中に設けられた線路延長部分は、例えば高周波信号の等位相合成を行うための位相調整用の延長線路である。延長線路は、出力信号線路３１ｃ〜３１ｇの各信号線路にも設けられる。このように、入力信号線路２１と出力信号線路３１とは、レンズ１１を中心にして対称の関係で構成される。したがって、入力信号線路２１と出力信号線路３１とは、逆にして用いることが可能である。つまり、入力信号線路２１を出力信号線路、出力信号線路３１を入力信号線路として用いてもよい。

また、レンズ１１は、球状、ラグビーボール状の立体で無くてもよい。例えば、断面が円の円板形状であってもよい。例えば、図１の例では、レンズ１０を球の例を示したが、図１に示す入力信号線路２０と出力信号線路３０の例では、レンズ１０の形状は円板でよい。つまり、1方向のみに信号を分散させる場合のレンズ１０は、入力信号線路２０と出力信号線路３０の厚みを持つ円板でよい。この場合、比誘電率εrは、z軸方向において変化しない。

〔第３実施形態〕
図５に、第３実施形態の分配合成回路３の断面図を示す。分配合成回路３は、分配合成回路１（図２）のレンズ１０に、電圧を印加するための２つの電極４０,４１を、レンズ１０の表面に具備したものである。

図５では、電極４０と４１とが、入力信号線路２０が配列する方向に配置されている。電極４０と４１との間に電圧を印加することでレンズ１０の比誘電率を可変することができる。なお、電極４０,４１と、入力信号線路２０と出力信号線路３０の配置関係は、図５に示す例に限定されない。電極４０,４１は、入力信号線路２０と出力信号線路３０とを結ぶ軸と直交する軸方向に設けてもよい。

また、電極４０,４１は、信号の伝搬する軸方向と直交させて配置する必要もない。２個の電極４０,４１の間に電圧を印加することで、レンズ１０に、その材質で決まる比誘電率よりも大きな比誘電率を持たせることができる。なお、電極４０,４１の間に印加する電圧は、一定値でなくてもよい。つまり、電圧は変化させてもよい。

また、電圧を印加する方法の他に誘電率を変化させる方法としては、例えば誘電体内に空気包等の異なる媒質を内包させることで誘電体の密度を変化させ、比誘電率を変化させることも可能である。

レンズ１０は、例えば、液晶ポリマー樹脂などの誘電率異方性を有する高分子樹脂で形成する。比誘電率の段階は、上記の式（１）又は式（２）に従うのであれば、等間隔のみではなく、比誘電率の層の厚みを変化させ、層の厚みをランダムに設定してもよい。このように比誘電率を変化させたレンズ１０は、３次元彫像装置（３Ｄプリンター）による成型、もしくは金型を用いた射出成型により容易に形成することが可能である。

以上説明したように本実施形態の分配合成回路によれば、レンズ１０の表面にアレーアンテナのアンテナ素子と対応する入力信号線路２０と出力信号線３０とを配置した簡易な構造で、フェーズドアレーアンテナ用給電回路を実現することができる。また、水平垂直成型用の給電回路を一体で実現することができるため小型化が可能であり、回路による損失も低減させることができる。

また、レンズ１０を球状又は円板状とし、レンズの半径をa、レンズの中心からの距離をrとした場合に、中心からの距離rの位置の比誘電率εrを上記の式（１）又は式（２）で表される関係にすることで、入出力信号線路間の信号の分配・合成を精度良く実現することができる。よって、広角に指向性を制御する場合においても指向性のずれの少ない制御が可能となる。

なお、実施形態に沿って本発明の内容を説明したが、本発明はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変形及び改良が可能であることは、当業者には自明である。例えば、図１に示す入力信号線路２０と出力信号線路３０は、ｘ−ｙ平面上に1列のみの例を示したが、z軸方向の側面に配置するようにしてもよい。このように本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で数々の変形が可能である。

１,２,３：分配合成回路
１０：レンズ
２０：入力信号線路
３０：出力信号線路

Claims

中心からの距離に応じて比誘電率が小さくなるレンズと、
前記レンズの表面に接続される複数の入力信号線路と、
前記レンズの表面における前記入力信号線路の接続位置以外の位置に接続される複数の出力信号線路と
を具備し、
前記レンズに電圧を印加するための２つの電極を前記レンズの表面に具備する
ことを特徴とする分配合成回路。
請求項１に記載した分配合成回路において、
前記レンズは円板形状であり、
前記入力信号線路及び前記出力信号線路は、前記レンズの側面部に接続される
ことを特徴とする分配合成回路。
請求項１に記載した分配合成回路において、
前記レンズは球状である
ことを特徴とする分配合成回路。
請求項１乃至３の何れかに記載した分配合成回路において、
前記レンズの比誘電率は、当該レンズの中心から表面に向けて少なくとも２段階の階層に分けられる
ことを特徴とする分配合成回路。
請求項１乃至３の何れかに記載した分配合成回路において、
前記レンズ内の比誘電率の最大値をεmax、当該レンズの半径をaとした場合、前記レンズの中心からの距離rの位置の比誘電率εrは、εr＝εmax-(r/a)2である
ことを特徴とする分配合成回路。
請求項１乃至５の何れかに記載した分配合成回路において、
前記レンズは、誘電率異方性を有する高分子樹脂により形成される
ことを特徴とする分配合成回路。