JP6546136B2 - 高周波回路、および高周波装置 - Google Patents

高周波回路、および高周波装置 Download PDF

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Description

本発明は、高周波回路、および高周波装置に関するものである。
携帯電話基地局等の無線装置で使用される、高周波増幅器などの高周波部品は、特性にばらつきが見られることが多々ある。このため、製造時の検査や調整にかかる手間が多く掛かり、製造原価を高くしている。
図14は高周波回路の一例である。高周波回路140は、信号源141、搬送波発信源143、ミキサ(mixer)142、高周波増幅器144、アンテナ(antenna)145によって構成される。信号源141は音声やデータ(data)等の信号を発生する。搬送波発信源143は、送信電波の搬送波を発生する。ミキサ142は、搬送波発信源143の出力である搬送波と信号源141の出力信号を重畳して出力する。高周波増幅器144は、ミキサ142の出力を増幅し、アンテナ145に出力する。
ここで、高周波増幅器144が最大の能力を発揮するには、次の第1および第2の条件を満足する必要がある。第1の条件は、高周波増幅器144の入力端から観測した入力側回路のインピーダンス(impedance)と、高周波増幅器144の入力端から観測する高周波増幅器144の入力インピーダンスが整合条件を満足していることである。第2の条件は、高周波増幅器144の出力端から観測した出力側回路のインピーダンスと、高周波増幅器144の出力端から観測する高周波増幅器144の出力インピーダンスが整合条件を満足していることである。
高周波増幅器144と入力側回路、および高周波増幅器144と出力側回路のインピーダンス整合を満足するには、集中定数回路ではキャパシタ(capacitor)、インダクタ(inductor)等を用い、分布定数回路ではスタブ(stub)等を用いる。
しかし、高周波増幅器144に接続される入力側および出力側の回路のインピーダンスや、高周波増幅器144の入力側および出力側のインピーダンスはそれぞれにばらつきを有することが多い。そして、インピーダンスの調整は試行錯誤的に行われることが多く、高周波増幅器144が最良の性能を得るためには、作業者の労力が多大となる問題がある。
この問題に対して、特許文献1及び特許文献2の様な技術が提案されている。
特許文献1では、図12に示す様に、マイクロストリップ線路121の上に溝を設け、溝に球状導体122を備えている。該球状導体は、その物理的形状による容量性もしくは誘導性のインピーダンスを持つ。そして、球状導体がマイクロストリップ線路121の上を移動することによって、高周波増幅器123から観測した、球状導体122の存在する回路側のインピーダンスを変化させることができる。
この様にすることで、高周波増幅器123の入力側および出力側のインピーダンスの調整を可能としている。
特許文献2では、図13の様に誘電体基板132の下の接地導体131に空隙部135を有する。そして、マイクロストリップ線路133の真下、空隙部135の内部に金属導体134を備える。金属導体134は、ネジ状の金属導体である。そして、インピーダンス調整用の金属導体134が上下することによって、マイクロストリップ線路133とアースとの距離が変化する。その為、金属導体134の配置された箇所のマイクロストリップ線路133のインピーダンスが変化する。このようにして、インピーダンス調整を可能としている。
特許第2812291号公報 特開平11−289203号公報
しかし、図12に示す特許文献1の構成によるインピーダンス調整箇所は、球状導体122であるために、球状導体122が最適な調整箇所から容易にずれてしまうことが予想される。また、球状導体122を固定するための方法として、粘着性を有し、かつ非導電性の物質を使用して固着する必要がある。さらに、球状導体122とマイクロストリップ線路121が電気的に接続されるように、押し続ける構造を用意する必要がある。
さらに、高周波増幅器123を動作させたまま、球状導体122を半田付けによって固定する場合、半田ごてを回路に当てたことによるインピーダンスの大きな変化によって、反射や発振等が起きて、高周波増幅器123を破損するおそれがある。また、半田ごてをあてた箇所に直流電圧が供給されている場合には、半田ごてによって直流電圧がショートして、高周波増幅器123を破損するおそれもある。
また、図13に示す特許文献2の構成では、インピーダンス調整の為の金属導体134は、マイクロストリップ線路133に沿った方向に移動することは出来ない。高周波回路のインピーダンス調整においては、容量性や誘導性の量を調整することだけでは不十分である。伝送線路上のどの距離に容量性や誘導性の調整素子を配置するかは、インピーダンス調整に必要な要素である。このために、特許文献2の構成では、インピーダンスの調整範囲は極めて限定的になってしまう。
本発明の高周波回路、および高周波装置は、簡易な作業で広範囲なインピーダンス調整を可能にすることを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明の高周波回路は、導体板と、前記導体板の表面上に固定された誘電体基板と、前記誘電体基板上に導体で形成されたマイクロストリップ線路と、上下および前記マイクロストリップ線路に沿って移動可能な少なくとも1つの支持体と、導体で形成され前記支持体の下部に固定され前記マイクロストリップ線路の表面に一部が接触可能なスタブとを備える。 上記の目的を達成するために、本発明の高周波装置は、導体板と、前記導体板の表面上に固定された誘電体基板と、前記誘電体基板上に導体で形成されたマイクロストリップ線路と、上下および前記マイクロストリップ線路に沿って移動可能な少なくとも1つの支持体と、導体で形成され前記支持体の下部に固定され前記マイクロストリップ線路の表面に一部が接触可能なスタブとを備える高周波回路を少なくとも1つ備える。
本発明によれば、簡易な作業で広範囲なインピーダンス調整を行うことが可能となる高周波回路、および高周波装置を実現する。
第1の実施形態の構成例を示す図である。 第1の実施形態の構成例を示す図である。 第1の実施形態の構成例を示す図である。 第1の実施形態の動作を説明する図である。 第1の実施形態の動作を説明する図である。 第1の実施形態の動作を説明する図である。 第1の実施形態の変形例を示す図である。 第1の実施形態の変形例を示す図である。 第2の実施形態の構成例を示す図である。 第3の実施形態の構成例を示す図である。 第3の実施形態の構成例を示す図である。 関連技術の構成を示す図である。 関連技術の構成を示す図である。 関連技術の構成を示す図である。 第4の実施形態の構成例を示す図である。 第1および第3の実施形態の変形例を示す図である。
[第1の実施形態]
次に、本発明の実施の形態について図1乃至図6を参照して詳細に説明する。
[構成の説明]
図1乃至図3に第1の実施形態の構成を示す。
図1は、本実施形態の高周波回路10の構成例である。
高周波回路10は、金属筐体21、および金属筐体21の上部に図示せぬ金属筐体21に固定される支持体で支持される上部カバー22を有する。
金属筐体21の上には、高周波増幅器30、誘電体基板11が配置される。誘電体基板11の上面には、一定の幅を有するマイクロストリップ線路12が導体で形成されている。マイクロストリップ線路12は、銅箔にニッケル等のメッキを施した導体を用いることが出来る。
マイクロストリップ線路12の一端は、高周波増幅器30の接続端子31と半田付けなどで電気的に接続されている。また、マイクロストリップ線路12の高周波増幅器30と接続されない一端を、外部接続端13とする。
尚、図1では、高周波増幅器30の接続端子31は、高周波増幅器30の入力端子または出力端子の片方だけを図示しているが、入力端子側、出力端子側のどちらも同様の構成とすることが出来る。
また、図1では金属筐体21と誘電体基板11は密着しているが、金属筐体21と誘電体基板11の間に均一の厚みの空間があっても良い、この場合、金属筐体21と誘電体基板11の間は、一部に非導電体の支持体を用いて間隔を支持するなどしてもよい。
マイクロストリップ線路12の上には、マイクロストリップ線路12とほぼ直交する位置に、スタブ14が圧接されている。スタブ14は、マイクロストリップ線路の一種であり、一定の幅を有しており、銅板にニッケル等のめっきを施した導体を用いることが出来る。
スタブ14は支持体15の下部に固定されている。支持体15は直方体であり、上面視でスタブ14の線路幅と略同等の幅と一定の長さの長方形を断面とする。そして、支持体15は、導電率の極めて低い材質で形成されているため、マイクロストリップ線路12やスタブ14とは電気的に接続されない。
更に、支持体15は上部で支持棒16と接続されている。支持棒16は、上部カバー22に設けられた長穴23を貫通して把持部19と接続されている。支持棒16は、マイクロストリップ線路12の電気特性に影響を与えない位離れていれば、導体であっても非導電体であってもかまわない。しかし、マイクロストリップ線路12の電気特性に影響を与えるようであれば、非導電体で形成される。
そして、支持棒16の周囲を取り巻くようにばね17が配置されている。ばね17は、マイクロストリップ線路12の電気特性に影響を与えない位離れていれば、導体であっても非導電体であってもかまわない。しかし、マイクロストリップ線路12の電気特性に影響を与えるようであれば、非導電体で形成される。
ばね17の上には支持棒16が貫通する穴を有する円板状の留め具18が配置される。留め具18は上部カバー22の下面に接する様に配置される。また、留め具18の外径は長穴23の短径より大きい。
そして、留め具18は、ばね17が上方向に押し上げる力で上部カバー22の下面に押しつけられている。ばね17は留め具18の下面と支持体15の上面を互いに押し広げる弾性力を有していて、支持体15はスタブ14をマイクロストリップ線路12に常に押し当てている。
また、図3に示す様に把持部19を引上げると、支持体15が上方へ動くので、スタブ14はマイクロストリップ線路12から離れる。そして、図3に示す把持部19を引上げた状態で、把持部19を長穴23の長径方向に動かすと、留め具18は上部カバー22の下面を摺動する。そのため、支持体15およびスタブ14は、マイクロストリップ線路12に沿った方向に移動する。そして、把持部19を動かした後に把持部19を離すと、再び図2の様に支持体15が下に押されることで、スタブ14はマイクロストリップ線路12と接触する。
尚、留め具18の摺動構造については、他にも種々の一般的な方法を用いることが出来る。
[動作の説明]
次に本実施形態の動作の説明を図1乃至図6を参照して説明する。
はじめに、高周波増幅器30を動作した状態で、外部接続端13からマイクロストリップ線路12のインピーダンスを、一般的な高周波測定方法によって測定する。
この後、スタブ14を調整して、先に測定した外部接続端13から観測した高周波増幅器30のインピーダンスを、外部回路の設計上の特性インピーダンス、例えば50オームに整合することを目的とする。
図4は、誘電体基板11、および高周波増幅器30を上面から見た図である。
最初にスタブ14は、図4の実線の位置にあるとする。一般的には、接続端子31から高周波増幅器30を観測したインピーダンスが、リアクタンスがゼロでレジスタンスが設計上の特性インピーダンス、例えば50オームとなる様に調整する。
そこで、把持部19を図3の様に持ち上げて把持部19を長穴23の長径方向に移動して、例えば図4の点線で示す位置にスタブ14を移動して、接続端子31からマイクロストリップ線路12側のインピーダンスを変化させる。このことで、マイクロストリップ線路12のスタブ14の位置が変化するので、インピーダンスの位相が変化する。
また、図5に示す様に、スタブ14を実線の位置から点線の位置に回転することも可能である。スタブ14は一端がマイクロストリップ線路12と接続され、その他の部分はマイクロストリップ線路12からはみ出している。ここで、スタブ14をマイクロストリップ線路12との接続点から観測したインピーダンスは、スタブ14のはみ出した長さによって、容量性もしくは誘導性となる。
マイクロストリップ線路12を流れる高周波電流の波長に対し、スタブ14のマイクロストリップ線路12と重ならない部分の長さが1/4波長以下であると、接続点から観測したスタブ14のインピーダンスは容量性となる。また、マイクロストリップ線路12を流れる高周波電流の波長に対し、スタブ14のマイクロストリップ線路12と重ならない部分の長さが1/4波長より大きく1/2波長以下であると、接続点から観測したスタブ14のインピーダンスは誘導性となる。
そこで、把持部19を回転させると、支持体15およびスタブ14も回転し、図5に示す例の様にスタブ14は実線から点線、或いは点線から実線の位置に回転する。すると、回転によってスタブ14がマイクロストリップ線路12と重なる面積が増減する。従って、マイクロストリップ線路12の接続点から観測したスタブ14の、容量性もしくは誘導性のインピーダンスのリアクタンス値を変化させることができる。
次に、インピーダンス整合の例を示す。
図6はインピーダンスチャートであるスミスチャートを示し、中心であるp3はマイクロストリップ線路12の特性インピーダンス、ここでは50オームであるとする。図1における接続端子31から高周波増幅器30のインピーダンスを観測すると、図12に示すスミスチャートのp1であったとする。
外部接続端13から観測したマイクロストリップ線路12のインピーダンスは、マイクロストリップ線路12にスタブ14が接続されていない状態で、仮にマイクロストリップ線路12の長さを変化すると、p1とp3を結んだ線を半径とする円周上を回転する。その回転量は、マイクロストリップ線路12の長さに対応する電気長である。
外部接続端13に接続される回路は50オームであるので、外部接続端13から観測するマイクロストリップ線路12のインピーダンスを50オームであるp3に整合させる必要がある。しかし、特性インピーダンスが50オームのマイクロストリップ線路12のみでは、スミスチャート上でp3を中心として回転するのみで、p3に合わせることが出来ない。この時、マイクロストリップ線路12に対して、図6のp2に一致する電気長の位置にスタブ14を接続する。そして、マイクロストリップ線路12からのスタブ14の長さを適宜調整すれば、容量性素子を付加してp3に整合することが出来る。この様にして、高周波増幅器30が接続されたマイクロストリップ線路12の、外部接続端13から観測したインピーダンスをp3に整合することが出来る。そして、外部接続端に接続される次段回路とのインピーダンスが整合することで、電力を無駄なく送出することが出来る。
以上、図4で示した様に、スタブ14のマイクロストリップ線路との接続点を変化することと、図5で示した様に、スタブ14の面積を変化することが可能である。その結果、外部接続端13から観測するマイクロストリップ線路12のインピーダンスは、多くの自由度をもって変化することが出来る。
従って、外部接続端13から観測した高周波増幅器30が接続されたマイクロストリップ線路12のインピーダンスを、例えば50オームに整合することが、容易に行うことが出来る。
また、本実施形態の高周波回路10は、スタブ14をマイクロストリップ線路12に接続する際に半田ごてを回路に当てることは無く、スタブ14をマイクロストリップ線路12に圧接する支持体15は電気的に絶縁されている。従って、高周波増幅器30の電源を投入したまま、測定器で高周波特性を確認しながらインピーダンス調整を行っても、半田ごて使用によるインピーダンスの大きな変化は起こらないので、高周波増幅器30を破損するおそれが無い。
以上説明した様に、本実施形態の高周波回路10によると、簡易な作業で広範囲なインピーダンス調整が可能となる。
(第1の実施形態の変形例)
図7、および図8は第1の実施形態の変形例の構成を示す図であり、誘電体基板11、および高周波増幅器30を上面から見た図である。
第1の実施形態で説明した、図1乃至図5のスタブ14の形状は長方形であった。
しかし、スタブ14は図7のスタブ71の三角形、および図8のスタブ81の扇形などの様に、長方形以外の形状をとることも出来る。スタブの形状が異なると、リアクタンスの周波数応答特性が異なる。そこで、インピーダンス調整時に、所望する周波数帯域を得られるようなスタブの形状を選択することが出来る。
ここで、スタブはマイクロストリップ線路12との接続箇所を有し、スタブとマイクロストリップ線路12と重ならない部分が、どこにも電気的に接続されない形状であれば良い。
尚、スタブの形状に合わせて、支持体15のスタブと平行な面の断面形状を一致させても良い。
[第2の実施形態]
次に、第2の実施形態について図9を参照して説明する。
[構成の説明]
図9は本実施形態の構成例として、高周波回路90の誘電体基板91、および高周波増幅器30を上面方向から見た図である。
本実施形態の誘電体基板91には、点線で囲まれた複数の導体パターンからなる導体パターン群92が形成されていることが、第1の実施形態の誘電体基板11と異なる。
[動作の説明]
第1の実施形態のスタブ14と同様に、本実施形態のスタブ93も、図9の実線および点線の様に移動することが可能である。
ここで、スタブ93が実線の位置の場合は、スタブのみの長さが電気長として作用する。また、スタブ93が点線の位置の場合は、スタブ93だけでなく導体パターン群92の一つである導体パターン94もスタブの延長部分として電気的に作用する。
この様に、導体パターン群92の導体パターンとスタブ93が接触することにより、スタブ93より大きなスタブとして電気的に作用することが出来る。その為、スタブ93のみによるリアクタンス値の調整範囲より、調整値の範囲を大きくすることが可能である。
尚、導体パターン群92を構成する各導体は、図9に示されるように色々な形状がランダムに配列される他に、同一導体形状の周期的配列などをとることも可能である。
以上説明した様に、本実施形態の高周波回路90は第1の実施形態の高周波回路10より、広範囲のインピーダンス調整を可能とする。
[第3の実施形態]
次に、第3の実施形態について図10および図11を参照して説明する。
[構成の説明]
図10に示す第3の実施形態の高周波回路100では、スタブ101がマイクロストリップ線路12と接触している端部から離れるにつれて、スタブ101が誘電体基板11から離れる様に湾曲している。図11は、図10の手前方向からマイクロストリップ線路12の進行方向を見た図である。
図11を参照すると、スタブ101が湾曲した形状となる様に、支持体102の下端もスタブ101の湾曲に合わせて湾曲している。しかし、図1のスタブ14の様に、支持体からはみ出したスタブとして、はみだした部分が誘電体基板11から離れる様に湾曲することでもよい。
[動作の説明]
本実施形態では、スタブ101が湾曲することによって、スタブ101と誘電体基板11との間に空間が生じる。そのため、スタブ下面の誘電率は、誘電体基板11の誘電率と空間の誘電率の合成された誘電率となる。一方、第1の実施形態の高周波回路100の様に、スタブ14の下面が誘電体基板11とほぼ密着している。そのため、本実施形態のスタブ下面の誘電率と第1の実施形態のスタブ14の下面の誘電率は異なる。その結果、本実施形態のスタブ101と第1の実施形態のスタブ14の位置変化とでは、高周波電流の周波数の感度変化は異なる。
従って、本実施形態の高周波回路90は第1の実施形態の高周波回路10と比べて、インピーダンスの調整感度を変えることが出来る。
また、本実施形態の別の効果を以下に記す。
高周波回路基板では、誘電体基板11の表面にはマイクロストリップ線路12以外にも、同一面上に電気的接地導体面が形成されていることがある。この場合、第1の実施形態の様に、誘電体基板11に密着する様なスタブを使ってインピーダンス調整を行うと、誤ってスタブがマイクロストリップ線路12と電気的接地導体面とを短絡してしまう可能性がある。その結果、高周波増幅器を破損してしまうおそれがある。
しかし、本実施形態のスタブ101は、マイクロストリップ線路12と接続しない部分が誘電体基板、および誘電体基板上の電気的接地導体面から離れている。その為、スタブ101がマイクロストリップ線路12と電気的接地導体面とを短絡する可能性は極めて低い。
以上の様に、第1の実施形態の高周波回路10と比べて本実施形態の高周波回路90は、より安全にインピーダンス調整が可能となる効果もある。
[第4の実施形態]
次に第4の実施形態について図15を参照して説明する。
本実施形態の高周波回路150は、導体板151と、前記導体板151の表面上に固定された誘電体基板152と、前記誘電体基板152の上に導体で形成されたマイクロストリップ線路153を備える。また、高周波回路150は、上下および前記マイクロストリップ線路153に沿って移動可能な少なくとも1つの支持体154を備える。更に、高周波回路150は、導体で形成され前記支持体154の下部に固定され前記マイクロストリップ線路153の表面に一部が接触可能なスタブ155を備える。
この様にすることで、高周波回路150は、簡易な作業で広範囲なインピーダンス調整が可能となる。
以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、上記実施形態に限定されるものではなく、次のように拡張または変形できる。
第1乃至第3の実施形態では、スタブの一端がマイクロストリップ線路に接触していたが、図16の様にスタブ14の端部ではなくスタブの中心部などの部分がマイクロストリップ線路に接触するなどでもよい。
第1乃至第3の実施形態において、スタブは1つであったが、マイクロストリップ線路の1本について、複数のスタブおよび支持体を用いてもよい。
第1乃至第4の実施形態、および変形例に示した高周波回路の少なくとも1つを用いて高周波装置を構成することが出来る。
10 高周波回路
11 誘電体基板
12 マイクロストリップ線路
13 外部接続端
14 スタブ
15 支持体
16 支持棒
17 ばね
18 留め具
19 把持部
21 金属筐体
22 上部カバー
23 長穴
30 高周波増幅器
31 接続端子
71 スタブ
81 スタブ
90 高周波回路
91 誘電体基板
92 導体パターン群
93 スタブ
94 導体パターン
100 高周波回路
101 スタブ
102 支持体
121 マイクロストリップ線路
122 球状導体
123 高周波増幅器
131 接地導体
132 誘電体基板
133 マイクロストリップ線路
134 金属導体
135 空隙部
140 高周波回路
141 信号源
142 ミキサ
143 搬送波発信源
144 高周波増幅器
145 アンテナ
150 高周波回路
151 導体板
152 誘電体基板
153 マイクロストリップ線路
154 スタブ
155 支持体

Claims (10)

  1. 導体板と、
    前記導体板の表面上に固定された誘電体基板と、
    前記誘電体基板上に導体で形成されたマイクロストリップ線路と、
    上下および前記マイクロストリップ線路に沿って移動可能な少なくとも1つの支持体と、
    導体で形成され前記支持体の下部に固定され前記マイクロストリップ線路の表面に一部が接触可能なスタブとを備えることを特徴とする高周波回路。
  2. 前記支持体は前記ストリップ線路の表面に対して回転移動可能であることを特徴とする請求項1に記載の高周波回路。
  3. 前記誘電体基板と略平行な上部に板状で前記マイクロストリップ線路と平行な長穴を有する上部カバーと、
    前記支持体の上部に固定され前記長穴を貫通する支持棒と、
    前記支持棒の周囲を取り巻くつるまき状のばねと、
    前記支持棒を貫通して自然長に対して縮められた前記ばねの上部に接触し、かつ前記上部カバーの下面と接触する留め具とを更に備えることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の高周波回路。
  4. 前記誘電体基板の表面に少なくとも1つの導体パターンを備え、
    前記支持体を移動することで前記スタブが前記導体パターンと接触か非接触の何れかになることを特徴とする請求項1乃至請求項3の何れかに記載の高周波回路。
  5. 前記スタブは前記マイクロストリップ線路の表面と接触する部分から遠ざかるにつれて前記誘電体基板の表面から離れることを特徴とする請求項1乃至請求項4に記載の高周波回路。
  6. 前記スタブは表面が長方形の板状であり、
    前記長方形の短辺の一辺を含む部分が前記マイクロストリップ線路と接触することを特徴とする請求項1乃至請求項5に記載の高周波回路。
  7. 前記スタブは表面が長方形の板状であり、
    前記長方形の2つの短辺以外の部分が前記マイクロストリップ線路と接触することを特徴とする請求項1乃至請求項5に記載の高周波回路。
  8. 前記スタブは表面が三角形の板状であり、
    前記三角形の頂点の1つを含む部分が前記マイクロストリップ線路と接触することを特徴とする請求項1乃至請求項5に記載の高周波回路。
  9. 前記スタブは表面が扇形の板状であり、
    前記扇形の頂点を含む部分が前記マイクロストリップ線路と接触することを特徴とする請求項1乃至請求項5に記載の高周波回路。
  10. 請求項1乃至請求項9の何れかに記載される少なくとも1つの高周波回路を備えることを特徴とする高周波装置。
JP2016169395A 2016-08-31 2016-08-31 高周波回路、および高周波装置 Active JP6546136B2 (ja)

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