JP6969190B2 - 可変移相器 - Google Patents

Description

本発明は、連続的に位相を変化させることができる反射型の可変移相器に関する。

ビームの方向を変化させることが可能なフェーズドアレーアンテナでは、各アンテナ素子に接続する移相器によって位相を変化させている。ビームの方向を連続的に大きく変化させるためには、移相器によって位相を連続的に大きく変化させる必要がある。

非特許文献１には、長さλ／４の２つのスタブをλ／４の間隔を空けて２つ接続し、２つのスタブの端部に可変容量素子を設けた構成の移相器が記載されている。この非特許文献１の移相器は、高い伝送効率を維持しつつ、位相を連続的に１２０°変化させることができる。

非特許文献２には、９０°ハイブリッド回路の４つのポートを時計回りに第１〜４ポートとして、第１ポートを入力ポート、第４ポートを出力ポートとし、第２、３ポートには、接地するか否かを選択可能なスイッチと、長さλ／４のスタブの一端と接続するか否かを選択す可能なスイッチを設け、さらにスタブの他端に接地するか否かを選択するスイッチを設けた反射型移相器が記載されている。この非特許文献２の反射型移相器では、スイッチの選択によって０°、９０°、１８０°、２７０°の離散的な位相変化が可能となっている。

特許文献１には、線路長の異なる経路をスイッチで選択することにより、０°、９０°、１８０°、２７０°の位相を選択し、その後に反射型移相器を用いて連続的に位相を変化させることにより、０〜３６０°の連続的な位相変化を実現した移相器が記載されている。

特開２００３−３０４１３６号公報

森川大輔 他、"チューナブルフィルタを用いたマイクロストリップ線路移相器の一構成法、"電子情報通信学会論文誌Ｃ、Ｊ８８−Ｃ（１２）、１０４９−１０５６、２００５ 後藤篤矢 他、"反射型２ビット移相器の設計、"電子情報通信学会総合大会講演論文集、２０１６

しかし、非特許文献１の移相器は位相の変化量が１２０°と狭く、３６０°の位相変化量を実現するには多段化する必要があった。しかし、多段化すると、回路の規模が大きくなってしまったり、伝送効率が低下するなどの問題があった。

また、非特許文献２の移相器は、位相の変化が離散的であり、連続的に位相を変化させることができないという問題があった。

また、特許文献１の移相器は、２段の構成となっているため、回路の規模が大きくなってしまう問題があった。

そこで本発明は、１段の構成でありながら、連続的に大きく位相を変化させることが可能な可変移相器を実現することである。

本発明は、第１〜４ポートを有し、第１ポートからの波長λの信号の入力に対して、第２、３ポートに位相差９０°で出力し、第４ポートには出力しない９０°ハイブリッド回路と、第２ポートおよび第３ポートにそれぞれ設けられた１対のスイッチと、スイッチにそれぞれ接続された１対の第１の可変リアクタンス素子と、スイッチに一端がそれぞれ接続された１対の第１スタブと、第１スタブの他端にそれぞれ接続された一対の第２の可変リアクタンス素子と、を有し、スイッチは、第１の可変リアクタンス素子との接続と、第１スタブの一端との接続とを切り換える、ことを特徴とする可変移相器である。

スイッチは、ＦＥＴスイッチ、ダイオードスイッチ、ＭＥＭＳスイッチなどによって接続を切り換えるものであってもよいし、第１の可変リアクタンス素子のリアクタンスを変化させることでオープン状態とショート状態を実現して切り換えるものであってもよい。

第１スタブの長さはλ／４とするとよい。０〜３６０°の連続的な位相変化を実現できる。

第１スタブとは異なる長さの１個以上の第２スタブを１対さらに有し、１対におけるそれぞれの第２スタブが複数個である場合には互いに長さが異なり、第１スタブおよび第２スタブはスイッチを介して並列に接続され、スイッチは、第１スタブおよび第２スタブのうち１つの一端と接続するように切り換える構成とするとよい。位相変化できないギャップが生じないようにすることができ、０〜３６０°の連続的な位相変化を実現することがより容易となる。また、第１の可変リアクタンス素子および第２の可変リアクタンス素子の容量可変範囲を実施例１に比べて低減することができる。また、スイッチは第２、３ポートにそれぞれ１箇所であり、スイッチング損失は少なく、伝送効率も高い。

第１スタブおよび第２スタブを、長さの異なるｎ個（ｎは２以上の自然数）のスタブで構成する場合、それぞれの長さは、λ／（２（ｎ＋１））、２λ／（２（ｎ＋１））、・・・、ｎλ／（２（ｎ＋１））とするとよい。より容易に０〜３６０°の連続的な位相変化を実現することができる。

第１スタブおよび第２スタブは、第２ポートあるいは第３ポートを中心として放射状に配置するとよい。

また、１対の第１スタブそれぞれについて、複数の第３スタブをスイッチによって直列接続し、そのスイッチによる第３スタブ間の接続、切断の選択によって第１スタブの長さを選択可能とした構成としてもよい。位相変化できないギャップが生じないようにすることができ、０〜３６０°の連続的な位相変化を実現することがより容易となる。また、第１の可変リアクタンス素子および第２の可変リアクタンス素子の容量可変範囲を実施例１に比べて低減することができる。また、この場合、ｎ個（ｎは２以上の自然数）のλ／（２（ｎ＋１））の長さの第３スタブをスイッチによって直列接続した構成とするとよい。より容易に０〜３６０°の連続的な位相変化を実現することができる。

本発明の可変移相器によれば、連続的に大きく位相を変化させることが可能であり、特に０〜３６０°の位相変化も実現可能である。また、本発明の可変移相器は、１段の構成であるため、回路面積を小さくすることができ、小型の可変移相器を実現することができる。

実施例１の可変移相器の構成を示した図。 実施例１の可変移相器の動作を模式的に示した図。 容量と移相量の関係を示したグラフ。 伝送効率を示したグラフ。 実施例２の可変移相器の構成を示した図。 実施例２の可変移相器の動作を模式的に示した図。 実施例３の可変移相器の構成を示した図。

以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

図１は、実施例１の可変移相器の構成を示した図である。この実施例１の可変移相器は、波長λの信号の位相を０〜３６０°の範囲で連続的に可変とすることができる移相器である。たとえば、５．８ＧＨｚ帯の信号の位相を変化させるために用いる。図１のように、実施例１の可変移相器は、９０°ハイブリッド回路１と、第１の可変容量素子２Ａ、Ｂと、スタブ３Ａ、Ｂと、第２の可変容量素子４Ａ、Ｂと、スイッチ５Ａ、Ｂと、によって構成されている。

９０°ハイブリッド回路１は、図１のように、一辺の長さがλ／４の正方形の線路で構成されており、その正方形の角部に４つのポートを備えている。この４つのポートを時計回りに第１〜４ポートＰ１〜４とし、第１ポートＰ１を入力ポート、第４ポートＰ４を出力ポートとする。第１ポートＰ１には信号入力用の線路６が接続され、第４ポートＰ４には信号出力用の線路７が接続されている。信号入力用の線路６、９０°ハイブリッド回路１のうち第１ポートＰ１と第４ポートＰ４間の線路、および信号出力用の線路７は、一の直線を成している。また、第２、３ポートには、スイッチ５Ａ、Ｂがそれぞれ接続されている。

なお、実施例１では、正方形型の線路の９０°ハイブリッド回路を用いており、一般的にもこのような正方形型の線路で構成されることが多いが、他の従来知られる任意の形状に構成されていてよく、第１〜４ポートを有し、第１ポートからの信号の入力に対して、第２、３ポートに位相差９０°で出力し、第４ポートには出力しない他の任意の構造の９０°ハイブリッド回路を用いてよい。

スイッチ５Ａ、Ｂは、９０°ハイブリッド回路１の第２、３ポートＰ２、３にそれぞれ設けられている。スイッチ５Ａは、第２ポートＰ２と第１の可変容量素子２Ａの一端との接続と、第２ポートＰ２とスタブ３Ａとの接続とを切り換えるものである。つまり、スタブ３Ａが第２ポートＰ２に接続された状態とされていない状態とを切り換えるものである。また、スイッチ５Ｂは、第３ポートＰ３と第１の可変容量素子２Ｂの一端との接続と、第３ポートＰ３とスタブ３Ｂとの接続とを切り換えるものである。つまり、スタブ３Ｂが第３ポートＰ３に接続された状態とされていない状態とを切り換えるものである。

スイッチ５Ａ、Ｂの切り替え動作は連動しており、スイッチ５Ａがスタブ３Ａと接続するように動作すると、スイッチ５Ｂもスタブ３Ｂと接続するように動作し、スイッチ５Ａが第１の可変容量素子２Ａと接続するように動作すると、スイッチ５Ｂも第１の可変容量素子２Ｂと接続するように動作する。

スイッチ５Ａ、Ｂは、たとえばＦＥＴスイッチ、ダイオードスイッチ、ＭＥＭＳスイッチなどである。

スタブ３Ａ、Ｂは、第２、３ポートＰ２、Ｐ３の近傍に設けられた長さλ／４の線路である。スタブ３Ａは、９０°ハイブリッド回路１の線路のうち第１ポートＰ１と第２ポートＰ２とを結ぶ線路と同一直線上に配置されている。また、スタブ３Ｂは、９０°ハイブリッド回路１の線路のうち第３ポートＰ３と第４ポートＰ４とを結ぶ線路と同一直線上に配置されている。

スタブ３Ａ、Ｂの両端のうち、第２、３ポートＰ２、３側の一端は、スイッチ５Ａ、Ｂによって第２、３ポートＰ２、３とそれぞれ選択的に接続され、他端は第２の可変容量素子４Ａ、Ｂの一端がそれぞれ接続されている。

なお、スタブ３Ａ、Ｂの配置は実施例１のような配置に限らず、スタブ３Ａ、Ｂ間で電気的な結合が生じない範囲で任意である。たとえば、９０°ハイブリッド回路１の線路で囲われた正方形の領域内に設けてもよい。この場合、可変移相器の面積をより小さくすることができ、より小型の可変移相器を実現できる。

また、スタブ３Ａ、Ｂの長さをλ／４としているが、必ずしもこの長さとする必要はなく、いずれの長さであっても大きな位相変化を得ることができる。ただし、０〜３６０°の移相変化を実現するためには、実施例１のようにλ／４とすることが望ましい。もちろん、厳密にλ／４でなくともよく、２０％程度の誤差は許容される。

第１の可変容量素子２Ａ、Ｂ、および第２の可変容量素子４Ａ、Ｂは、バラクタダイオードであり、逆電圧の印加により容量を連続的かつ単調に変化させることができる素子である。第１の可変容量素子２Ａ、Ｂ、および第２の可変容量素子４Ａ、Ｂは、同一特性のものを用いる。第１の可変容量素子２Ａ、Ｂと第２の可変容量素子４Ａ、Ｂは必ずしも同一特性のものでなくともよいが、位相量の制御の容易さから同一特性のものを用いるのがよい。

第１の可変容量素子２Ａ、Ｂの一端は、スイッチ５Ａ、Ｂによって第２、３ポートＰ２、３とそれぞれ選択的に接続され、他端は接地されている。また、第２の可変容量素子４Ａ、Ｂの一端は、スタブ３Ａ、Ｂのスイッチ５Ａ、Ｂ接続側とは反対側の一端と接続され、他端は接地されている。

なお、実施例１では、第１の可変容量素子２Ａ、Ｂ、および第２の可変容量素子４Ａ、Ｂとしてバラクタダイオードを用いて容量を可変としているが、強誘電体キャパシタなど任意の可変容量素子を用いることができる。可変容量素子を並列接続することで、容量の可変範囲を広げてもよい。さらには、容量を可変とするものに限らず、リアクタンスを可変とする素子であってもよい。たとえば、可変インダクタンス素子を用いてもよいし、可変容量素子と可変インダクタンス素子を併用してもよい。また、２つのバラクタダイオードを逆向きに対向させて直列接続してもよく、高調波を抑制することができる。

また、スイッチ５Ａ、Ｂのスイッチング動作は、第１の可変容量素子２Ａ、Ｂの容量可変によるオープン状態とショート状態の動作で実現することも可能である。この場合、第１の可変容量素子２Ａ、Ｂに電流が流れるおそれがある。そこで、第１の可変容量素子２Ａ、Ｂに幅の細い線路を直列に接続し、電流を抑制するとよい。また、ダイオードを逆向きに直列接続することで電流を抑制してもよく、このダイオードとして第１の可変容量素子２Ａ、Ｂと同一特性のバラクタダイオードを用いることも可能である。この場合、高調波も抑制することができる。

次に、実施例１の可変移相器の動作について、図２を参照に説明する。

まず、スイッチ５Ａ、Ｂによって、第２、３ポートＰ２、３と第１の可変容量素子２Ａ、Ｂとがそれぞれ接続されている場合（スタブ３Ａ、Ｂと接続されていない場合）について説明する。第１の可変容量素子２Ａ、Ｂには同じ逆電圧を印加して、同じ容量となるようにしておく。

この場合、９０°ハイブリッド回路１を用いた従来の反射型の可変移相器と同様に動作する。すなわち、第１ポートＰ１に入力された信号は、正方形の線路の各辺の長さがλ／４に設定されているため、第２、３ポートＰ２、３から出力され、第４ポートＰ４からは出力されない。また、第２、３ポートＰ２、３から出力される信号は、互いに位相がπ／２ずれている。そして、第２、３ポートＰ２、３には抵抗成分が０で第１の可変容量素子２Ａ、Ｂによる容量成分のみの負荷が接続されているため、第２、３ポートでは全反射が生じる。

この全反射では、第１の可変容量素子２Ａ、Ｂの容量に応じて位相が変化する。第１の可変容量素子２Ａ、Ｂには同じ逆電圧が印加されており、同じ容量となるように設定されているため、その容量による位相変化量は同じφである。全反射により第２、第３ポートに信号が入力されるが、互いに位相がπ／２ずれていて、正方形の線路の各辺の長さがλ／４に設定されているため、第１ポートＰ１からは出力されず、第４ポートＰ４から合成されて出力される。９０°ハイブリッド回路１による位相の変化量は−３π／２であるため、結局、第４ポートＰ４から出力される信号は、入力信号に対してφ−３π／２となる。

ここで、第１の可変容量素子２Ａ、Ｂに印加する逆電圧値によって第１の可変容量素子２Ａ、Ｂの容量は連続的かつ単調に変化させることができ、その容量に応じて位相変化量φも連続的かつ単調に変化する。具体的には、図２のように、容量が０では位相変化量は１８０°であり、容量が増加するに従って次第に位相変化量が減少していく。そして、減少は飽和していき、容量が無限大で位相変化量は０°となる。

その結果、実施例１の可変移相器は、スイッチ５Ａ、Ｂによりスタブ３Ａ、Ｂと接続されていない場合には、図２のように、第１の可変容量素子２Ａ、Ｂの容量を変化させることで０〜１８０°の位相変化を実現することができる。

次に、スイッチ５Ａ、Ｂによって、第２、３ポートＰ２、３とスタブ３Ａ、Ｂが接続されている場合について説明する。第２の可変容量素子４Ａ、Ｂには同じ逆電圧を印加して、同じ容量となるようにしておく。

この場合、信号はスタブ３Ａ、Ｂを伝送し、第２の可変容量素子４Ａ、Ｂ接続側の端部で全反射されて、第２、３ポートＰ２、３へと戻る。ここで、スタブ３Ａ、Ｂの長さがλ／４であるため、位相はスタブ３Ａ、Ｂの長さの２倍分、つまりπ遅れる。よって、第２、３ポートＰ２、３に再び入力される信号は、第２の可変容量素子４Ａ、Ｂの容量に応じた位相変化量φと、スタブ３Ａ、Ｂの線路長に応じた位相変化量−πとを合わせたφ−πの位相変化量となる。

すなわち、容量−位相変化量の特性曲線は、スタブ３Ａ、Ｂを接続していない場合の特性曲線を下方に１８０°ずらした形となる。具体的には、図２のように、容量が０では位相変化量は０°であり、容量が増加するに従って次第に位相変化量が減少していく。そして、減少は飽和していき、容量が無限大で位相変化量は−１８０°となる。

その結果、実施例１の可変移相器は、スイッチ５Ａ、Ｂによりスタブ３Ａ、Ｂと接続されている場合には、図２のように、第２の可変容量素子４Ａ、Ｂの容量を変化させることで、−１８０〜０°の位相変化を実現することができる。

したがって、実施例１の可変移相器は、スイッチ５Ａ、Ｂによるスタブ３Ａ、Ｂの接続の有無（つまり、固定の位相変化量の選択）と、第１の可変容量素子２Ａ、Ｂあるいは第２の可変容量素子４Ａ、Ｂの容量変化（つまり、連続的な位相変化量の選択）とにより、０〜３６０°の連続的な位相変化を実現することができる。

また、実施例１の可変移相器は、図１に示すように１段の構成である。そのため、回路面積を小さくすることができ、小型にすることができる。また、原理的には損失は銅損のみであり、伝送効率も高い。さらに、実施例１の可変移相器は反射型であるため、インピーダンス整合を気にする必要がなく、利便性が高い。

図３は、実施例１の可変移相器について、位相量の変化をシミュレーションにより算出した結果である。図３において、実線は、スイッチ５Ａ、Ｂにより第１の可変容量素子２Ａ、Ｂ側に接続した場合（スタブ３Ａ、Ｂと接続しない場合）を示し、破線は、スイッチ５Ａ、Ｂによりスタブ３Ａ、Ｂ側に接続した場合を示している。周波数は２．４５ＧＨｚ、線路幅は２．１ｍｍとした。

図３のように、第１の可変容量素子２Ａ、Ｂ側に接続し、第１の可変容量素子２Ａ、Ｂの容量を０〜２０ｐＦの範囲で変化させると、位相は１８０°から０°まで連続的かつ単調に減少していくことがわかる。また、スタブ３Ａ、Ｂ側に接続し、第２の可変容量素子４Ａ、Ｂを０〜２０ｐＦの範囲で変化させると、位相は０°から−１７０°付近まで連続的かつ単調に減少していくことがわかる。−１８０°から−１７０°の領域に位相変化できないギャップがあるが、第１の可変容量素子２Ａ、Ｂの容量を十分に大きくすれば、−１８０°〜−１７０°の範囲でも位相変化可能となる。このように、実施例１の可変移相器では、０〜３６０°まで連続的に位相を変化させることができる。

図４は、実施例１の可変移相器について、伝送効率をシミュレーションにより算出した結果である。実線、破線は、図３の場合と同様である。

図４のように、スタブ３Ａ、Ｂと接続しない場合、接続する場合のいずれにおいても、第１の可変容量素子２Ａ、Ｂあるいは第２の可変容量素子４Ａ、Ｂを０〜２０ｐＦに変化させた範囲では、非常に高い伝送効率を示し、損失は１ｄＢ以下であった。

図５は、実施例２の可変移相器の構成を示した図である。図５のように、実施例２の可変移相器は、実施例１の可変移相器における第２、３ポートＰ２、３の接続部分を、以下のように変更したものであり、他の構成は実施例１の可変移相器と同様である。なお、図５中、実施例１の可変移相器と同一構成部分については同一の符号を付し、説明を省略する。

実施例２の可変移相器は、図５のように、９０°ハイブリッド回路１の第２、３ポートＰ２、３にそれぞれ設けられたスイッチ２５Ａ、Ｂを有している。

スイッチ２５Ａは、第２ポートＰ２と、第１の可変容量素子２Ａの一端、スタブ２１Ａの一端、スタブ２２Ａの一端、またはスタブ２３Ａの一端のいずれか１つとの接続を切り換えるものである。

また、スイッチ２５Ｂは、第３ポートＰ３と第１の可変容量素子２Ｂの一端、スタブ２１Ｂの一端、スタブ２２Ｂの一端、またはスタブ２３Ｂの一端のいずれか１つとの接続を切り換えるものである。

スイッチ２５Ａ、Ｂの切り替え動作は連動しており、次のように動作する。スイッチ２５Ａがスタブ２１Ａと接続するように動作すると、スイッチ２５Ｂもスタブ２１Ｂと接続するように動作する。また、スイッチ２５Ａがスタブ２２Ａと接続するように動作すると、スイッチ２５Ｂもスタブ２２Ｂと接続するように動作する。また、スイッチ２５Ａがスタブ２３Ａと接続するように動作すると、スイッチ２５Ｂもスタブ２３Ｂと接続するように動作する。また、スイッチ２５Ａが第１の可変容量素子２Ａと接続するように動作すると、スイッチ２５Ｂも第１の可変容量素子２Ｂと接続するように動作する。

スタブ２１Ａ〜２３Ａは、図５のように、第２ポートＰ２近傍を中心にして放射状に配置され、等間隔に離間して配置されている。また、スタブ２１Ｂ〜２３Ｂも同様に、第３ポートＰ３近傍を中心にして放射状に配置され、等間隔に離間して配置されている。このように放射状に配置することで、線路間の結合を低減している。また、入出力ポート間を挟んで線対称となるようにスタブ２１〜２３Ａ、Ｂが配置されている。

なお、スタブ２１〜２３Ａ、Ｂの配置は、必ずしも実施例２のような配置に限るものではなく、各スタブや線路との間で電気的な結合が生じない範囲であれば任意の配置でよい。回路面積を低減するために、スタブ２１〜２３Ａ、Ｂの一部ないし全部を、９０°ハイブリッド回路１の線路で囲われた正方形の領域内に設けてもよい。

スタブ２１Ａ、Ｂは長さλ／８、スタブ２２Ａ、Ｂは長さλ／４、スタブ２３Ａ、Ｂは長さ３λ／８である。

スタブ２１Ａ、Ｂの両端のうち、第２、３ポートＰ２、３側の一端は、スイッチ２５Ａ、Ｂによって第２、３ポートＰ２、３とそれぞれ選択的に接続され、他端は第２の可変容量素子２６Ａ、Ｂの一端がそれぞれ接続されている。また、スタブ２２Ａ、Ｂの両端のうち、第２、３ポートＰ２、３側の一端は、スイッチ２５Ａ、Ｂによって第２、３ポートＰ２、３とそれぞれ選択的に接続され、他端は第２の可変容量素子２７Ａ、Ｂの一端がそれぞれ接続されている。また、スタブ２３Ａ、Ｂの両端のうち、第２、３ポートＰ２、３側の一端は、スイッチ２５Ａ、Ｂによって第２、３ポートＰ２、３とそれぞれ選択的に接続され、他端は第２の可変容量素子２８Ａ、Ｂの一端がそれぞれ接続されている。

第２の可変容量素子２６〜２８Ａ、Ｂは、バラクタダイオードであり、逆電圧の印加により容量を連続的かつ単調に変化させることができる素子である。第１の可変容量素子２Ａ、Ｂ、および第２の可変容量素子２６〜２８Ａ、Ｂは、同一特性のものを用いる。

第１の可変容量素子２Ａ、Ｂの一端は、スイッチ２５Ａ、Ｂによって第２、３ポートＰ２、３とそれぞれ選択的に接続され、他端は接地されている。また、第２の可変容量素子２６〜２８Ａ、Ｂの一端は、スタブ３Ａ、Ｂのスイッチ２５Ａ、Ｂ接続側とは反対側の一端と接続され、他端は接地されている。

次に、実施例２の可変移相器の動作について、図６を参照に説明する。

実施例１の動作原理で説明したように、第２、３ポートＰ２、３がスタブと接続されている場合、スタブの長さによって固定された位相変化と、可変容量素子による位相変化とを合わせた量の位相変化が得られる。

実施例２の場合、スタブの長さは、スタブ２１Ａ、Ｂがλ／８、スタブ２２Ａ、Ｂがλ／４、スタブ２３Ａ、Ｂが３λ／８となっているため、それぞれπ／２、π、３π／２の位相遅れが加わる。

したがって、スイッチ２５Ａ、Ｂによる各選択によって容量−位相変化量の特性曲線は、図６のように変化する。すなわち、スタブ２１Ａ、Ｂと接続されている場合における容量−位相変化量の特性曲線は、スタブが接続されていない場合の特性曲線を下方に９０°ずらした形となる。また、スタブ２２Ａ、Ｂと接続されている場合における容量−位相変化量の特性曲線は、スタブが接続されていない場合の特性曲線を下方に１８０°ずらした形となる。また、スタブ２３Ａ、Ｂと接続されている場合における容量−位相変化量の特性曲線は、スタブが接続されていない場合の特性曲線を下方に２７０°ずらした形となる。

このように、実施例２の可変移相器においても、スイッチ２５Ａ、Ｂによる接続先の選択、および第１の可変容量素子２Ａ、Ｂあるいは第２の可変容量素子２６〜２８Ａ、Ｂの容量変化とにより、０〜３６０°の連続的な位相変化を実現することができる。

また、実施例２の可変移相器は、実施例１の可変位相器に対して次のような利点がある。実施例１の可変位相器では、第１の可変容量素子２Ａ、Ｂ、第２の可変容量素子４Ａ、Ｂの容量可変範囲によっては、位相変化を十分に広げることができず、スタブ３Ａ、Ｂが接続している状態と接続していない状態とで位相可変範囲が重ならない領域が生じ、その結果、０°近傍、あるいは１８０°近傍に位相変化できないギャップが生じる可能性がある。

しかし、実施例２の可変移相器では、各スタブ２１〜２３Ａ、Ｂが接続してる状態としていない状態とで、位相可変範囲を一部重複させることができる（図６参照）。したがって、実施例２の可変移相器では、位相変化できないギャップが生じないようにすることができ、０〜３６０°の連続的な位相変化を実現することがより容易となる。

また、実施例２の可変移相器は、第１の可変容量素子２Ａ、Ｂおよび第２の可変容量素子２６〜２８Ａ、Ｂの容量可変範囲を実施例１に比べて低減することができる。たとえば、実施例１では０〜３６０°の移相変化のために第１の可変容量素子２Ａ、Ｂ、および第２の可変容量素子４Ａ、Ｂの容量可変範囲が０〜２０ｐＦ必要なところ、実施例２の可変移相器では、第１の可変容量素子２Ａ、Ｂおよび第２の可変容量素子２６〜２８Ａ、Ｂの容量可変範囲が０〜約７ｐＦで済む。そのため、より簡便かつ制御性よく、０〜３６０°の位相変化を実現することができる。

また、実施例２の可変移相器は、スイッチ２５Ａを介して第１の可変容量素子２Ａ、スタブ２１〜２３Ａとが、スイッチ２５Ｂを介して第１の可変容量素子２Ｂ、スタブ２１〜２３Ｂとが、並列に接続される構成となっている。つまり、第２、３ポートＰ２、３それぞれ１箇所にスイッチ２５Ａ、Ｂが設けられる構成であるため、スイッチング損失が小さく、伝送効率が高いという利点がある。

なお、実施例２では、第２、３ポートＰ２、３に並列接続するスタブの数を３つとし、それぞれの長さをλ／８、λ／４、３λ／８としているが、スタブの数が２つ以上で、それぞれの長さが異なるようにすれば任意でよい。ただし、スタブの数が多いと回路レイアウトの設計が難しくなるため、３本以下の数とするのが望ましい。また、スタブの長さによる位相変化量が３６０°を等分割するように設定することが望ましく、スタブの数をｎ（ｎは２以上の自然数）として、λ／（２（ｎ＋１））、２λ／（２（ｎ＋１））、・・・、ｎλ／（２（ｎ＋１））とすることが望ましい。より容易に０〜３６０°の連続的な位相変化を実現することができる。もちろん、厳密にこのような長さでなくともよく、２０％程度の誤差は許容される。たとえば、スタブの数を２とし、それぞれの長さをλ／６、λ／３としてもよい。

図７は、実施例３の可変移相器の構成を示した図である。実施例３の可変移相器は、実施例１の可変移相器において、実施例１の可変移相器における第２、３ポートＰ２、３の接続部分を、以下のように変更したものであり、他の構成は実施例１の可変移相器と同様である。なお、図５中、実施例１の可変移相器と同一構成部分については同一の符号を付し、説明を省略する。

実施例３の可変移相器では、図７のように、９０°ハイブリッド回路１の第２ポートＰ２に、スイッチ３５Ａ〜Ｃを介してλ／８の長さの３つのスタブ３１〜３３Ａが直列に接続されている。また、第３ポートＰ３に、スイッチ３５Ｄ〜Ｆを介してλ／８の長さの３つのスタブ３１〜３３Ｂが直列に接続されている。

スイッチ３５Ａ、Ｄは、スタブ３１Ａ、Ｂまたは第１の可変容量素子２Ａ、Ｂのどちらかと選択的に接続され、スイッチ３５Ｂ、Ｅは、スタブ３２Ａ、Ｂまたは第２の可変容量素子３６Ａ、Ｂのどちらかと選択的に接続され、スイッチ３５Ｃ、Ｆは、スタブ３３Ａ、Ｂまたは第２の可変容量素子３７Ａ、Ｂのどちらかと選択的に接続される。また、スタブ３３Ａ、Ｂのスイッチ３５Ｃ、Ｆ接続側とは単体側の端部は、第２の可変容量素子３８Ａ、Ｂが接続されている。また、第１の可変容量素子２Ａ、Ｂおよび第２の可変容量素子３６Ａ、Ｂ、３７Ａ、Ｂのスイッチ側とは反対側の一端は接地されており、第２の可変容量素子３８Ａ、Ｂのスタブ３３Ａ、Ｂ側とは反対側の一端は接地されている。

実施例３の可変移相器では、スイッチ３５Ａ〜Ｆによって、以下の４つの状態のいずれかを選択する。スイッチ３５Ａ、Ｄを第１の可変容量素子２Ａ、Ｂ側に接続することで、スタブが接続されていない状態とする。また、スイッチ３５Ａ、Ｄをスタブ３１Ａ、Ｂ側に接続し、スイッチ３５Ｂ、Ｅを第２の可変容量素子３６Ａ、Ｂ側に接続することで、長さλ／８のスタブが接続された状態とする。また、スイッチ３５Ａ、Ｄをスタブ３１Ａ、Ｂ側に接続し、スイッチ３５Ｂ、Ｅをスタブ３２Ａ、Ｂに接続し、スイッチ３５Ｃ、Ｆを第２の可変容量素子３７Ａ、Ｂ側に接続することで、長さλ／４のスタブが接続された状態とする。また、スイッチ３５Ａ、Ｄをスタブ３１Ａ、Ｂ側に接続し、スイッチ３５Ｂ、Ｅをスタブ３２Ａ、Ｂに接続し、スイッチ３５Ｃ、Ｆをスタブ３３Ａ、Ｂ側に接続することで、長さ３λ／８のスタブが接続された状態とする。

このように、実施例３の可変移相器は、スイッチ３５Ａ〜Ｆによってスタブ全体の長さをλ／８、λ／４、３λ／８の３通りに選択することができる。そのため、スイッチ３５Ａ〜Ｆによるスタブの長さの選択と、そのスタブの一端に接続された可変容量素子の容量変化とにより、図６に示すような実施例２の可変移相器と同様の位相変化を実現することができる。

また、実施例３の可変移相器は、実施例２の可変移相器と同様に、位相変化できないギャップが生じないようにすることができ、０〜３６０°の連続的な位相変化を実現することがより容易となる。

また、実施例３の可変移相器は、実施例２の可変移相器と同様に、第１の可変容量素子２Ａ、Ｂおよび第２の可変容量素子３６〜２８Ａ、Ｂの容量可変範囲を実施例１に比べて低減することができる。そのため、より簡便かつ制御性よく、０〜３６０°の位相変化を実現することができる。

また、実施例３の可変移相器は、スイッチ３５Ａ〜Ｆが多いためスイッチング損失は大きくなるが、回路面積は小さくすることができ、可変移相器の小型化に有利である。

なお、実施例３では、第２、３ポートＰ２、３にそれぞれ直列接続するスタブの数を３つとし、長さをλ／８としているが、スタブの数が２つ以上であれば任意でよく、スタブの長さを同一とする必要もない。要するに、複数のスタブをスイッチによって直列接続し、そのスイッチによるスタブ間の接続、切断の選択によってスタブの長さを選択可能に構成されていればよい。ただし、スタブの数が多いと回路レイアウトの設計が難しくなるため、３本以下の数とするのが望ましい。また、直列接続するスタブの長さを等しくし、スタブの数をｎ（ｎは２以上の自然数）として、λ／（２（ｎ＋１））とすることが望ましい。もちろん、厳密にこのような長さでなくともよく、２０％程度の誤差は許容される。たとえば、スタブの数を２とし、長さをλ／６としてもよい。

（変形例）
実施例２は、スイッチ２５Ａ、Ｂを介して第２ポートＰ２とスタブ２１〜２３Ａ、第３ポートＰ３とスタブ２１〜２３Ｂを並列に接続するものであり、実施例３はスイッチ３５Ａ〜Ｆを介して第２ポートＰ２とスタブ３１〜３３Ａ、第３ポートＰ３とスタブ３１〜３３Ｂを直列に接続するものであったが、並列接続と直列接続を組み合わせてもよい。

また、実施例では、第２、３ポートＰ２、３と第１の可変容量素子２Ａ、Ｂとを直接接続しているが、スタブとは異なる長さの線路を間に設けて間接的に接続する構成としてもよい。

本発明の可変移相器は、アレーアンテナの指向性制御などに利用することができる。

１：９０°ハイブリッド回路
２Ａ、Ｂ：第１の可変容量素子
３Ａ、Ｂ：スタブ
４Ａ、Ｂ：第２の可変容量素子
５Ａ、Ｂ：スイッチ
６：信号入力用の線路
７：信号出力用の線路

Claims (8)

1. 第１〜４ポートを有し、第１ポートからの波長λの信号の入力に対して、第２、３ポートに位相差９０°で出力し、第４ポートには出力しない９０°ハイブリッド回路と、
   前記第２ポートおよび前記第３ポートにそれぞれ設けられた１対のスイッチと、
   前記スイッチにそれぞれ接続された１対の第１の可変リアクタンス素子と、
   前記スイッチに一端がそれぞれ接続された１対の第１スタブと、
   前記第１スタプの他端にそれぞれ接続された一対の第２の可変リアクタンス素子と、
   を有し、
   前記スイッチは、第１の可変リアクタンス素子との接続と、前記第１スタブの一端との接続とを切り換える、
   ことを特徴とする可変移相器。
2. 前記スイッチは、前記第１の可変リアクタンス素子のリアクタンスを変化させることでオープン状態とショート状態を実現して切り換えるものである、ことを特徴とする請求項１に記載の可変移相器。
3. 前記第１スタブの長さはλ／４である、ことを特徴とする請求項１に記載の可変移相器。
4. 前記第１スタブとは異なる長さの１個以上の第２スタブを１対さらに有し、１対におけるそれぞれの前記第２スタブが複数個である場合には互いに長さが異なり、
   前記第１スタブおよび前記第２スタブは前記スイッチを介して並列に接続され、
   前記スイッチは、前記第１スタブおよび前記第２スタブのうち１つの一端と接続するように切り換える、
   ことを特徴とする請求項１に記載の可変移相器。
5. 前記第１スタブおよび前記第２スタブは、長さの異なるｎ個（ｎは２以上の自然数）であり、それぞれの長さは、λ／（２（ｎ＋１））、２λ／（２（ｎ＋１））、・・・、ｎλ／（２（ｎ＋１））である、ことを特徴とする請求項４に記載の可変移相器。
6. 前記第１スタブおよび前記第２スタブは、前記第２ポートあるいは前記第３ポートを中心として放射状に配置されている、ことを特徴とする請求項４または請求項５に記載の可変移相器。
7. 前記第１スタブは、複数の第３スタブをスイッチによって直列接続し、そのスイッチによる第３スタブ間の接続、切断の選択によって前記第１スタブの長さを選択可能としたものである、ことを特徴とする請求項１に記載の可変移相器。
8. 前記第３スタブは、ｎ個（ｎは２以上の自然数）のλ／（２（ｎ＋１））の長さの前記第３スタブをスイッチによって直列接続したものである、ことを特徴とする請求項７に記載の可変移相器。

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