JP7075079B2

JP7075079B2 - バトラーマトリクス回路

Info

Publication number: JP7075079B2
Application number: JP2018230019A
Authority: JP
Inventors: 貴奈加保; 裕文笹木; 浩之福本; 康徳八木; 斗煥李; 啓介佐藤
Original assignee: Denki Kogyo Co Ltd; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Denki Kogyo Co Ltd; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2018-12-07
Filing date: 2018-12-07
Publication date: 2022-05-25
Anticipated expiration: 2038-12-07
Also published as: JP2020092377A

Description

本発明は、マルチビーム形成回路として、特にマイクロ波帯またはミリ波帯の無線通信システム用アンテナに用いて好適なバトラーマトリクス回路に関する。

図７は、従来の８×８バトラーマトリクス回路の構成例を示す。
図７において、８×８バトラーマトリクス回路は、第１の４×４バトラーマトリクス回路を構成するハイブリッド回路Ｈ１～Ｈ４および－67.5°，－22.5°の移相器と、第２の４×４バトラーマトリクス回路を構成するハイブリッド回路Ｈ５～Ｈ８および－67.5°，－22.5°の移相器と、各４×４バトラーマトリクス回路の出力端に接続されるハイブリッド回路Ｈ９～Ｈ12および－45°の移相器から構成される。このような固定型の移相器は、伝送線路の長さを調整することで容易に実現できる。

各回路間の実線は、導体による伝送線路配線であり、各回路の入出力間の全経路は、移相器の部分を除き、図７内の長さによらず等長である。白丸の部分は、クロスオーバーの部分となり、エアブリッジなどにより双方の配線を立体的に交差させるように設計する必要がある。ただし、ハイブリッド回路Ｈ９～Ｈ12と出力端側は、出力ポートOutput１～８の配列によってエアブリッジは必ずしも必要ではないが、８×８バトラーマトリクス回路を構成するためには、複数のエアブリッジを設ける必要がある。しかし、エアブリッジによる不連続な構造は、回路の高周波特性、特に通過特性の位相・振幅特性の劣化を招くため、好ましくない。

また、８×８を超えるバトラーマトリクス回路についても、例えば16×16および32×32バトラーマトリクス回路が検討されている（例えば、非特許文献１）。

図８は、非特許文献１の16×16バトラーマトリクス回路の構成例を示す。なお、移相器およびクロスオーバーの表記は省略している。

図８において、16×16バトラーマトリクス回路は、第１の８×８バトラーマトリクス回路を構成するハイブリッド回路Ｈ１～Ｈ12と、第２の８×８バトラーマトリクス回路を構成するハイブリッド回路Ｈ13～Ｈ24と、ハイブリッド回路Ｈ９～Ｈ12とＨ21～Ｈ24の同じ位置の出力ポートを、８個のハイブリッド回路Ｈ25～Ｈ32で接続して構成される。一般に２ⁿ⁺¹ ×２ⁿ⁺¹ バトラーマトリクス回路は、２つの２ⁿ ×２ⁿ バトラーマトリクス回路の同じ位置の出力ポートを、ハイブリッド回路で接続することにより構成される。しかしながら、図７の８×８バトラーマトリクス回路と同様にクロスオーバーが存在するため、実現のためにはエアブリッジなどが必要となり、上述のとおり性能面の劣化が避けられない。

特許文献１には、クロスオーバーとなる部分をなくし、エアブリッジを不要としたバトラーマトリクス回路が示されている。ただし、特許文献１では、４×４バトラーマトリクス回路の構成までが示されているが、出力ポートの位置が４×４バトラーマトリクス回路の内側に等間隔に配置される構成であり、８×８バトラーマトリクス回路もしくはそれ以上に拡張することは想定されていない。すなわち、８×８バトラーマトリクス回路以上の構成におけるクロスオーバーの回避が可能か否かは明確になっていない。

非特許文献２には、クロスオーバー部分に90度ハイブリッド回路を２段用いたバランス回路（Fig.4 ）を用いた報告もあるが、回路面積が大きくなり通過損失が増加するという課題がある。

非特許文献３には、クロスオーバーとなる部分をなくし、エアブリッジやＶＩＡホールを不要としたバトラーマトリクス回路が示されている。ここでは、平面二層構造を用いて、基板中心部をグラウンドとし、グラウンドにスロット（空隙）を設けてスロット結合型のハイブリッド回路を用いている。しかし、ブランチライン型とスロット結合型の２種類のハイブリッド回路を用いるため、設計する要素回路が増えること、スロット結合型は電磁界設計と実測値のずれが大きいことも多く、設計製造に時間を要する課題がある。

非特許文献４には、クロスオーバーとなる部分を低減した８×８バトラーマトリクス回路が示されている。非特許文献１の構成に比べてクロスオーバーを減らせてはいるが、一部にクロスオーバーを用いている。また、入力端子と出力端子がそれぞれ平面基板上の１つの辺に集中する回路構成となっており、実装が近い端子間はアイソレーションが低下している。端子間アイソレーションは、ビームを切替えて使うタイプの従来のフェーズドアレーアンテナへの適用ではあまり問題とならないが、ＭＩＭＯによる空間多重においては複数のビームを同時に使い、かつ同一の周波数帯の信号を利用するため、アイソレーションの確保が重要になる。また、実用上のアンテナは直線状のアレーアンテナではなく、平面アレーアンテナを用いることが多い。基板上の１辺へ入力端子および出力端子が集中する構成は、平面アレーアンテナへ接続する場合は別途複雑な引き回しが必要となる。

特開平９－９３００８号公報

T ．M ．MACNAMARA ，"Positions and Magnitudes of Fixed Phase Shifters In Butler Matrices Incorporating 90°Hybrids ，"IEE Proceedings, H-Microwaves, Antennas and Propagation Vol. 135，No.5，pp359-360 ，October 1988． Hamza Nachouane, Abdellah Najid, Abdelwahed Tribak, Fatima Riouch,"Broadband 4x4 Butler Matrix Using Wideband 90 hybrid Couplers and Crossovers for Beamforming Networks, " 2014 International Conference on Multimedia Computing and Systems (ICMCS), September 2014. 関智弘、上原一浩、鹿児島憲一、「平面二層構造バトラーマトリクス回路の一構成法」電子情報通信学会総合大会講演論文集 B-64, 1995. Kejia Ding , Fei He, Xiaojun Ying, Jian Guan, "A compact 8 ×8 Butler matrix based on double-layer structure," 2013 5th IEEE International Symposium on Microwave, Antenna, Propagation and EMC Technologies for Wireless Communications, October 2013. DOI: 10.1109/MAPE.2013.6689925

８×８バトラーマトリクス回路の構成では、通常クロスオーバーを作成しなければならないが、その影響で出力側の位相・振幅特性が劣化するので、クロスオーバーとなる部分をなくし、エアブリッジ等の不連続点による電気特性劣化を除去する構成が必要になる。

また、非特許文献２に記載のようなクロスオーバー用の２段ハイブリッド回路を用いず、回路面積や通過損失が増大することを避ける必要がある。さらに、配線などにおける複雑さを解消し、製造コストならびに設計調整コストを低減し、加えて製造歩留まりを改善する必要がある。

また、非特許文献３に記載のようなブランチライン型とスロット結合型の２種類のハイブリッド回路を用いず、同一種類のブランチライン型ハイブリッドを使うことにより、設計を容易する必要がある。

また、非特許文献４に記載のような入力端子または出力端子が平面基板上の特定の辺に集中せず、実装時にも端子間のアイソレーションが確保しやすく、ＭＩＭＯなどの空間多重伝送において同一周波数の複数のビームを同時送信する用途に適応させる必要がある。

本発明は、クロスオーバーのない小型で、電気特性の向上およびコスト低減を可能にするバトラーマトリクス回路を提供することを目的とする。

第１の発明のバトラーマトリクス回路は、少なくとも３層からなる多層基板を用い、２つの４×４バトラーマトリクス回路をグランド層を挟んだ両側の層に形成し、一方の４×４バトラーマトリクス回路と同一層に４個のハイブリッド回路を形成し、該４個のハイブリッド回路にそれぞれ、一方の４×４バトラーマトリクス回路の出力端と、スルーホールを介して他方の４×４バトラーマトリクス回路の出力端を接続して８×８バトラーマトリクス回路を構成し、２つの４×４バトラーマトリクス回路の入力端を８×８バトラーマトリクス回路の入力ポートとし、４個のハイブリッド回路の出力端を８×８バトラーマトリクス回路の出力ポートとする。

第２の発明のバトラーマトリクス回路は、第１の発明の８×８バトラーマトリクス回路を最小単位としてグランド層を挟んだ両側の層に積層する構成であり、２つの２ⁿ ×２ⁿ バトラーマトリクス回路（ｎは３以上の整数）をグランド層を挟んだ両側の層に形成し、一方の２ⁿ ×２ⁿ バトラーマトリクス回路と同一層に２ⁿ 個のハイブリッド回路を形成し、該２ⁿ 個のハイブリッド回路にそれぞれ、一方の２ⁿ ×２ⁿ バトラーマトリクス回路の出力端と、スルーホールを介して他方の２ⁿ ×２ⁿ バトラーマトリクス回路の出力端を接続して２ⁿ⁺¹ ×２ⁿ⁺¹ バトラーマトリクス回路を構成し、２つの２ⁿ ×２ⁿ バトラーマトリクス回路の入力端を２ⁿ⁺¹ ×２ⁿ⁺¹ バトラーマトリクス回路の入力ポートとし、２ⁿ 個のハイブリッド回路の出力端を２ⁿ⁺¹ ×２ⁿ⁺¹ バトラーマトリクス回路の出力ポートとする。

本発明のバトラーマトリクス回路において、スルーホールに代えて、表面実装型同軸コネクタを用いる構成である。

本発明のバトラーマトリクス回路において、入力ポートから出力ポートまでの全ての配線経路での折り曲げ回数を同一とした構成である。

本発明のバトラーマトリクス回路において、２つの４×４バトラーマトリクス回路の形状を同一形状とした構成である。

本発明のバトラーマトリクス回路において、２つの４×４バトラーマトリクス回路の出力端が外向きに配置され、８×８バトラーマトリクス回路の出力ポートが外側に配置された構成である。

本発明のバトラーマトリクス回路において、２つの４×４バトラーマトリクス回路の出力端が内向きに配置され、８×８バトラーマトリクス回路の出力ポートが内側に配置された構成である。

本発明は、多層基板とスルーホールまたは表面実装型同軸コネクタを利用することで、８×８バトラーマトリクス回路においても、クロスオーバーとなる部分をなくすことができるため、従来技術におけるエアブリッジなどによる電気特性の劣化を回避することができる。

また、クロスオーバーをなくすことで、入力ポートから出力ポートまでの全経路を同一回数の折り曲げで実現することが可能となるため、各径路での不要放射の発生や、挿入損失のバラつきなどの特性劣化、さらには周波数帯域幅の狭域化などの性能劣化を回避することができる。

また、多層基板による実装が可能であるため、製造コストの低減や、歩留まりの向上など、大量生産において好適な効果が得られる。

本発明における８×８バトラーマトリクス回路の実施例１の分解構成を示す図である。本発明における８×８バトラーマトリクス回路の実施例１の断面構成を示す図である。本発明における８×８バトラーマトリクス回路の実施例２の分解構成を示す図である。本発明における16×16バトラーマトリクス回路の実施例の分解構成を示す図である。本発明における16×16バトラーマトリクス回路の実施例の断面構成を示す図である。実施例における入力ポート間アイソレーションの周波数特性を示す図である。従来の８×８バトラーマトリクス回路の構成例を示す図である。従来の16×16バトラーマトリクス回路の構成例を示す図である。

図１は、本発明における８×８バトラーマトリクス回路の実施例１の分解構成を示す。図２は、本発明における８×８バトラーマトリクス回路の実施例１の断面構成を示す。図１および図２において、多層基板を用い、第Ｎ層（Ｎは自然数）に第１の４×４バトラーマトリクス回路を形成し、グランド層となる第（Ｎ＋１）層を挟んで、第（Ｎ＋２）層に第１の４×４バトラーマトリクス回路と同等形状の第２の４×４バトラーマトリクス回路を形成する。ここでは、図７の８×８バトラーマトリクス回路の各ハイブリッド回路Ｈ１～Ｈ12、入力ポート Input１～８、出力ポートOutput１～８に対応させて表記する。

すなわち、第Ｎ層の４個のハイブリッド回路Ｈ１～Ｈ４と移相器により第１の４×４バトラーマトリクス回路を形成し、ハイブリッド回路Ｈ１に入力ポート Input１，２を接続し、ハイブリッド回路Ｈ２に入力ポート Input３，４を接続する。第（Ｎ＋２）層の４個のハイブリッド回路Ｈ５～Ｈ８および移相器により第２の４×４バトラーマトリクス回路を形成し、ハイブリッド回路Ｈ５に入力ポート Input５，６を接続し、ハイブリッド回路Ｈ６に入力ポート Input７，８を接続し、ハイブリッド回路Ｈ７，Ｈ８の出力端をスルーホールを用いて第Ｎ層に導通させる。なお、図２に示すスルーホールは一部である。また、第（Ｎ＋１）層は導体によるグランド層を形成しているが、スルーホールとグランドが非接触となるように、導体なしの部分が設けられている。

これにより、第Ｎ層の第１の４×４バトラーマトリクス回路のハイブリッド回路Ｈ３，Ｈ４の出力端と、第（Ｎ＋２）層の第２の４×４バトラーマトリクス回路のハイブリッド回路Ｈ７，Ｈ８の出力端は同一層に配置されることになり、各出力端は移相器を介して第Ｎ層に形成されたハイブリッド回路Ｈ９～Ｈ12に接続され、さらにハイブリッド回路Ｈ９～Ｈ12に出力ポートOutput１～８が接続される。

ここで、第１および第２の４×４バトラーマトリクス回路を同一形状とし、入力ポート Input１～８から出力ポートOutput１～８までの全ての配線経路での折り曲げ回数を同一としている。

このように、実施例１の特徴は、第１および第２の４×４バトラーマトリクス回路をそれぞれグランド層を挟んだ両側の層に形成するとともに、第（Ｎ＋２）層の第２の４×４バトラーマトリクス回路の出力端をスルーホールを用いて第Ｎ層に導通させ、同一面にパターニングされた第１，第２のバトラーマトリクス回路の出力端をハイブリッド回路Ｈ９～Ｈ12に接続することで、クロスオーバーを不要とする８×８バトラーマトリクス回路を実現するところにある。

ただし、入力ポート Input１，２，５，６と出力ポートOutput１，２，５，６が一方の辺に形成され、入力ポート Input３，４，７，８と出力ポートOutput３，４，７，８が他方の辺に形成される。

図３は、本発明における８×８バトラーマトリクス回路の実施例２の分解構成を示す。図１に示す８×８バトラーマトリクス回路の実施例１は、第１および第２の４×４バトラーマトリクス回路を構成するハイブリッド回路Ｈ３，Ｈ４，Ｈ７，Ｈ８の出力端が外向きになっており、ハイブリッド回路Ｈ９～Ｈ12もその外側に配置される。一方、図３に示す８×８バトラーマトリクス回路の実施例２は、第１および第２の４×４バトラーマトリクス回路を構成するハイブリッド回路Ｈ３，Ｈ４，Ｈ７，Ｈ８の出力端が内向きになり、ハイブリッド回路Ｈ９～Ｈ12および出力ポートOutput１～８もその内側に配置される。

本構成においても、第１および第２の４×４バトラーマトリクス回路を同一形状とし、入力ポート Input１～８から出力ポートOutput１～８までの全ての配線経路での折り曲げ回数を同一としている。

図４は、本発明における16×16バトラーマトリクス回路の実施例の分解構成を示す。
図５は、本発明における16×16バトラーマトリクス回路の実施例の断面構成を示す。
図４および図５において、16×16バトラーマトリクス回路は、図１の８×８バトラーマトリクス回路を２セット用意して多層化する。すなわち、Ｎ＝１として、第１層に形成されるハイブリッド回路Ｈ１～Ｈ４，Ｈ９～Ｈ12と、第３層に形成されるハイブリッド回路Ｈ５～Ｈ８（図示せず）により第１の８×８バトラーマトリクス回路が形成される。グランド層となる第４層を挟んで、第５層に形成されるハイブリッド回路Ｈ13～Ｈ16，Ｈ21～Ｈ24と、第７層に形成されるハイブリッド回路Ｈ17～Ｈ20（図示せず）により、第１の８×８バトラーマトリクス回路と同等形状の第２の８×８バトラーマトリクス回路が形成される。

さらに、第２の８×８バトラーマトリクス回路の第５層から、第１の８×８バトラーマトリクス回路のある第１層へ、スルーホールで配線し、ハイブリッド回路Ｈ25～Ｈ32と移相器を接続することで、クロスオーバーがない16×16バトラーマトリクス回路を構成する。なお、図５に示すスルーホールは一部である。

本構成においても、第１および第２の８×８バトラーマトリクス回路を同一形状とし、入力ポート Input１～16から出力ポートOutput１～16までの全ての配線経路での折り曲げ回数を同一としている。

なお、図１のように、基本となる４×４バトラーマトリクス回路の出力端を外側にすることによって、容易に図４のような配線が可能となる。また、32×32バトラーマトリクス回路など、２ⁿ⁺¹ ×２ⁿ⁺¹ バトラーマトリクス回路についても同様に、２ⁿ ×２ⁿ バトラーマトリクス回路を２セット用意し、ある１つの面にスルーホールを用いて配線し、必要なハイブリッド回路と移相器を接続することで、実現することが可能である。

図６は、実施例における入力ポート間アイソレーションの周波数特性を示す。
ここでは、図１に示す８×８バトラーマトリクス回路の例を示す。Ｓパラメータの添字は、図１の入力ポートInput の番号に対応している。図示した周波数範囲において、いずれのアイソレーションも－20dBを十分に下回る良好な特性が得られており、非特許文献４のFig.13で示されるアイソレーションと比較して改善していることが確認できる。

なお、以上説明した実施例においては、異なる層への配線はスルーホールにて行う例を示したが、表面実装型同軸コネクタなどを用いた接続でも、クロスオーバーのない、２ⁿ ×２ⁿ バトラーマトリクス回路を実現することが可能である。

Ｈ１～Ｈ32 ハイブリッド回路

Claims

少なくとも３層からなる多層基板を用い、２つの４×４バトラーマトリクス回路をグランド層を挟んだ両側の層に形成し、一方の４×４バトラーマトリクス回路と同一層に４個のハイブリッド回路を形成し、該４個のハイブリッド回路にそれぞれ、一方の４×４バトラーマトリクス回路の出力端と、スルーホールを介して他方の４×４バトラーマトリクス回路の出力端を接続して８×８バトラーマトリクス回路を構成し、
前記２つの４×４バトラーマトリクス回路の入力端を前記８×８バトラーマトリクス回路の入力ポートとし、前記４個のハイブリッド回路の出力端を前記８×８バトラーマトリクス回路の出力ポートとする
ことを特徴とするバトラーマトリクス回路。
請求項１に記載の８×８バトラーマトリクス回路を最小単位としてグランド層を挟んだ両側の層に積層する構成であり、
２つの２ⁿ ×２ⁿ バトラーマトリクス回路（ｎは３以上の整数）をグランド層を挟んだ両側の層に形成し、一方の２ⁿ ×２ⁿ バトラーマトリクス回路と同一層に２ⁿ 個のハイブリッド回路を形成し、該２ⁿ 個のハイブリッド回路にそれぞれ、一方の２ⁿ ×２ⁿ バトラーマトリクス回路の出力端と、スルーホールを介して他方の２ⁿ ×２ⁿ バトラーマトリクス回路の出力端を接続して２ⁿ⁺¹ ×２ⁿ⁺¹ バトラーマトリクス回路を構成し、
前記２つの２ⁿ ×２ⁿ バトラーマトリクス回路の入力端を前記２ⁿ⁺¹ ×２ⁿ⁺¹ バトラーマトリクス回路の入力ポートとし、前記２ⁿ 個のハイブリッド回路の出力端を前記２ⁿ⁺¹ ×２ⁿ⁺¹ バトラーマトリクス回路の出力ポートとする
ことを特徴とするバトラーマトリクス回路。
請求項１または請求項２に記載のバトラーマトリクス回路において、
前記スルーホールに代えて、表面実装型同軸コネクタを用いる構成である
ことを特徴とするバトラーマトリクス回路。
請求項１または請求項２に記載のバトラーマトリクス回路において、
前記入力ポートから前記出力ポートまでの全ての配線経路での折り曲げ回数を同一とした構成である
ことを特徴とするバトラーマトリクス回路。
請求項１に記載のバトラーマトリクス回路において、
前記２つの４×４バトラーマトリクス回路の形状を同一形状とした構成である
ことを特徴とするバトラーマトリクス回路。
請求項１に記載のバトラーマトリクス回路において、
前記２つの４×４バトラーマトリクス回路の出力端が外向きに配置され、前記８×８バトラーマトリクス回路の出力ポートが外側に配置された構成である
ことを特徴とするバトラーマトリクス回路。
請求項１に記載のバトラーマトリクス回路において、
前記２つの４×４バトラーマトリクス回路の出力端が内向きに配置され、前記８×８バトラーマトリクス回路の出力ポートが内側に配置された構成である
ことを特徴とするバトラーマトリクス回路。