JP7099628B2

JP7099628B2 - 移相器

Info

Publication number: JP7099628B2
Application number: JP2021518237A
Authority: JP
Inventors: 貴雄春名
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2019-05-07
Filing date: 2019-05-07
Publication date: 2022-07-12
Anticipated expiration: 2039-05-07
Also published as: CN113748570A; US11575188B2; CN113748570B; JPWO2020225857A1; US20220077552A1; DE112019007294T5; WO2020225857A1

Description

本発明は、移相器に関する。

移動体通信、衛星通信用などのマイクロ波帯、ミリ波帯、例えば数ＧＨｚから数１００ＧＨｚの通信機器に高周波移相器が用いられている（例えば、特許文献１参照）。移相器はＭＭＩＣ等を用いて製造されている。

日本特開平１１－１９５９６０号公報

従来のハイパス／ローパス切替型移相器は、ハイパスフィルタとローパスフィルタの周波数特性によって、所望の移相量が得られる周波数帯域が狭く、移相器の広帯域化が困難であった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は所望の移相量が得られる周波数帯を広帯域化することができる移相器を得るものである。

本発明に係る移相器は、入力端子と、出力端子と、前記入力端子と前記出力端子の間に互いに並列に接続された第１及び第２の経路と前記第１の経路に設けられたハイパスフィルタと、前記第２の経路に設けられたローパスフィルタと、前記ハイパスフィルタと前記ローパスフィルタの一方を前記入力端子及び前記出力端子に接続し、他方を切断するスイッチと、前記第１及び第２の経路にそれぞれ設けられた伝送線路とを備え、前記ハイパスフィルタ及び前記ローパスフィルタの回路定数と前記スイッチのＯＦＦ時の容量に起因する共振を通信周波数帯にシフトするように前記伝送線路の線路長が調整されていることを特徴とする。

本発明では、ハイパスフィルタ及びローパスフィルタの回路定数とスイッチのＯＦＦ時の容量に起因する共振を通信周波数帯にシフトするように伝送線路の線路長が調整されている。これにより、所望の移相量が得られる周波数帯を広帯域化することができる。

実施の形態１に係る移相器を示す図である。比較例に係る移相器のＳパラメータＳ２１の位相特性を示す図である。比較例に係る移相器のＳパラメータＳ２１の振幅特性を示す図である。比較例に係る移相器の移相量を示す図である。Ｃｏｆｆがある場合のＳパラメータＳ２１の振幅特性を示す図である。実施の形態１に係る移相器のＳパラメータＳ２１の振幅特性を示す図である。実施の形態１に係る移相器の移相量を示す図である。実施の形態１に係る移相器のＳパラメータＳ２１の振幅特性を示す図である。実施の形態２に係る移相器を示す図である。実施の形態３に係る移相器を示す図である。実施の形態４に係る移相器を示す図である。実施の形態５に係る移相器を示す図である。

実施の形態に係る移相器について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る移相器を示す図である。この移相器は１８０度のハイパス／ローパス切替形移相器である。

入力端子ＩＮと出力端子ＯＵＴの間に第１の経路Ｉと第２の経路ＩＩが互いに並列に接続されている。第１の経路ＩにハイパスフィルタＨＰＦが設けられている。第２の経路ＩＩにローパスフィルタＬＰＦが設けられている。

スイッチＳＷ１が入力端子ＩＮとハイパスフィルタＨＰＦの間に接続されている。スイッチＳＷ２がハイパスフィルタＨＰＦと出力端子ＯＵＴの間に接続されている。スイッチＳＷ３が入力端子ＩＮとローパスフィルタＬＰＦの間に接続されている。スイッチＳＷ４がローパスフィルタＬＰＦと出力端子ＯＵＴの間に接続されている。これらのスイッチＳＷ１～ＳＷ４は、ハイパスフィルタＨＰＦとローパスフィルタＬＰＦの一方を入力端子ＩＮ及び出力端子ＯＵＴに接続し、他方を切断する。

ハイパスフィルタＨＰＦは、スイッチＳＷ１，ＳＷ２の間に直列に接続されたキャパシタＣ１，Ｃ２と、キャパシタＣ１，Ｃ２の接続点と接地点との間に接続されたインダクタＬ１とを有する。ローパスフィルタＬＰＦは、スイッチＳＷ３，ＳＷ４の間に直列に接続されたインダクタＬ２と、インダクタＬ２の両端と接地点の間に接続されたキャパシタＣ３，Ｃ４とを有する。

伝送線路ＴＬ１，ＴＬ２が第１及び第２の経路Ｉ，ＩＩにそれぞれ設けられている。なお、ここではスイッチＳＷ１，ＳＷ３側に伝送線路ＴＬ１，ＴＬ２を設けているが、スイッチＳＷ２，ＳＷ４側に設けてもよい。伝送線路ＴＬ１，ＴＬ２の線路長は、ハイパスフィルタＨＰＦ及びローパスフィルタＬＰＦの回路定数とスイッチＳＷ１～ＳＷ４のＯＦＦ時の容量に起因する共振を通信周波数帯にシフトするように調整されている。

続いて、本実施の形態に係る移相器の動作について説明する。入力端子ＩＮに入力された通信周波数の信号は、スイッチＳＷ１，ＳＷ２をＯＮしスイッチＳＷ３，ＳＷ４をＯＦＦすることによりハイパスフィルタＨＰＦを通過し出力端子ＯＵＴから出力される。このとき、通過位相は進む。一方、スイッチＳＷ１，ＳＷ２をＯＦＦしスイッチＳＷ３，ＳＷ４をＯＮすることにより信号はローパスフィルタＬＰＦを通過し、通過位相は遅れる。このように４つのスイッチＳＷ１～ＳＷ４の切替えによって、信号の経路をハイパスフィルタＨＰＦ又はローパスフィルタＬＰＦに切り替えることで二つの位相量を作ることができ、それらの差で一つの移相量を得る。

続いて、本実施の形態の効果を比較例と比較して説明する。比較例には伝送線路ＴＬ１，ＴＬ２が存在しない。図２は、比較例に係る移相器のＳパラメータＳ２１の位相特性を示す図である。ここではスイッチＳＷ１～ＳＷ４のＯＦＦ時の容量値がゼロと仮定する。この移相器は通信周波数１０ＧＨｚで１８０度の移相量を得る移相器である。ハイパスフィルタが位相－９０度から始まり、ローパスフィルタが位相０度から始まっている。図３は、比較例に係る移相器のＳパラメータＳ２１の振幅特性を示す図である。ハイパスフィルタ、ローパスフィルタの特徴的な通過特性が見られる。図４は、比較例に係る移相器の移相量を示す図である。移相量はハイパスフィルタＨＰＦとローパスフィルタＬＰＦの位相差である。周波数１０ＧＨｚ近傍だけが位相差１８０度になっていることが分かる。

スイッチＳＷ１～ＳＷ４はトランジスタ又はダイオード等であり、ＯＦＦ時に理想的にオープンにならず、わずかな容量Ｃｏｆｆを持つ。Ｃｏｆｆはトランジスタのサイズとゲート長等に依存する。このわずかなＣｏｆｆによって、ハイパスフィルタとローパスフィルタの経路が理想的に分離されず、お互いの経路がわずかに干渉する。図５は、Ｃｏｆｆがある場合のＳパラメータＳ２１の振幅特性を示す図である。Ｃｏｆｆを経由して他方の経路と干渉が起こるため、ＳパラメータＳ２１の位相特性に共振が生じる。共振は１３．５ＧＨｚ付近（図５中の一点鎖線の円で囲んだ部分）に生じている。この共振の周波数と大きさは、ハイパスフィルタＨＰＦ及びローパスフィルタＬＰＦの回路定数とトランジスタのＣｏｆｆの大きさに依存して変化する。

そこで、本実施の形態では、伝送線路ＴＬ１，ＴＬ２の長さを、共振を通信周波数帯域にまでシフトさせるように設定する。例えばＣｏｆｆの容量値が大きいほど共振が発生する周波数は低くなるので、伝送線路ＴＬ１，ＴＬ２の長さを短く設定することによって共振を通信周波数帯域にシフトさせればよい。また、ハイパスフィルタＨＰＦ又はローパスフィルタＬＰＦの回路定数が大きいほど共振が発生する周波数は低くなるので、伝送線路ＴＬ１，ＴＬ２の長さを短く設定することによって共振を通信周波数帯域にシフトさせればよい。

図６は、実施の形態１に係る移相器のＳパラメータＳ２１の振幅特性を示す図である。伝送線路ＴＬ１，ＴＬ２を設けることで共振の急峻な移相変化が鈍りながら通信周波数帯にシフトする。具体的には図５において１３．５ＧＨｚ付近に生じていた共振は、図６において８．３ＧＨｚ付近（図６中の一点鎖線の円で囲んだ部分）に移動しており、その振幅は小さくなっている。

図７は、実施の形態１に係る移相器の移相量を示す図である。図８は、実施の形態１に係る移相器のＳパラメータＳ２１の振幅特性を示す図である。共振を利用するため、ＳパラメータＳ２１の位相と振幅に極値と変曲点（リプル）が発生する。

以上説明したように、本実施の形態では、ハイパスフィルタＨＰＦ及びローパスフィルタＬＰＦの回路定数とスイッチＳＷ１～ＳＷ４のＯＦＦ時の容量Ｃｏｆｆに起因する共振を通信周波数帯にシフトするように伝送線路ＴＬ１，ＴＬ２の線路長を調整している。これにより、図７に示すように、実施の形態１で位相差１８０度になる領域は比較例の図４に比べて広くなる。従って、移送器の所望の移相量が得られる周波数帯を広帯域化することができる。伝送線路などの簡易な回路を挿入するだけで広帯域化を実現できるため、小型で広帯域な移相器を得ることができる。例えば、通信周波数の中心周波数が１０ＧＨｚの場合、所望の移相量が得られる周波数帯として８～１２ＧＨｚ程度をカバーできる。また、ＩＥＥＥのマイクロ波の周波数の分類（Ｌ，Ｋａ帯等）の各帯域の周波数レンジをカバーできる。

なお、ハイパスフィルタＨＰＦ及びローパスフィルタＬＰＦの回路定数は、通信周波数によってほぼ一意に決まる。また、スイッチＳＷ１～ＳＷ４の単位ゲート幅あたりＣｏｆｆは、スイッチＳＷ１～ＳＷ４の製造プロセス等にも依存するが、Ｃｏｆｆ＝０．１～０．５ｐＦ／ｍｍ程度である。このため、共振を通信周波数帯にシフトさせる伝送線路ＴＬ１，ＴＬ２の線路長は通信周波数の波長の１／４程度の長さになると見込まれる。

実施の形態２．
図９は、実施の形態２に係る移相器を示す図である。伝送線路Ｔｌ１は複数の線路ＴＬ１ａ～Ｔｌｄを有する。伝送線路Ｔｌ２は複数の線路ＴＬ２ａ～Ｔ２ｄを有する。複数の線路ＴＬ１ａ～Ｔｌｄ，ＴＬ２ａ～Ｔ２ｄが第１及び第２の経路Ｉ，ＩＩに分散して配置されている。このように伝送線路を配置する箇所に制約はない。ただし、複数の線路ＴＬ１ａ～Ｔｌｄの線路長の合計及び複数の線路ＴＬ２ａ～Ｔ２ｄの線路長の合計は、それぞれ共振を通信周波数帯にシフトするように調整する必要がある。

ハイパスフィルタＨＰＦで通過位相が＋９０°、ローパスフィルタＬＰＦで通過位相が－９０°になるため、両者で形成される移相量は１８０°になる。このように移相量が決まっているため、ハイパスフィルタＨＰＦ及びローパスフィルタＬＰＦの回路内部に、分散させた伝送線路ＴＬ１ａ～Ｔｌｄ，ＴＬ２ａ～Ｔ２ｄを配置しないようにする。

共振を通信周波数帯にシフトさせる複数の線路ＴＬ１ａ～Ｔｌｄの線路長の合計及び複数の線路ＴＬ２ａ～Ｔ２ｄの線路長の合計はそれぞれ通信周波数の波長の１／４程度の長さになると見込まれる。

本実施の形態では、スイッチＳＷ１～ＳＷ４、ハイパスフィルタＨＰＦ及びローパスフィルタＬＰＦの隙間に伝送線路を分散させて配置することができる。このため、レイアウトを効率的に行うことができるので、実施の形態１の効果に加えて移相器の小型化が図れる。

実施の形態３．
図１０は、実施の形態３に係る移相器を示す図である。実施の形態２の第１の経路ＩにキャパシタＣ５，Ｃ６がシャント接続され、第２の経路ＩＩにキャパシタＣ７，Ｃ８がシャント接続されている。キャパシタＣ５～Ｃ８に限らず、インダクタ、キャパシタ、それらと伝送線路を組み合わせた回路等、通過位相を変化させる位相変化回路であればその種類及び形状は問わない。この位相変化回路と伝送線路ＴＬ１，ＴＬ２により通信周波数の信号の通過位相を９０°変化させる。ただし、共振を通信周波数帯にシフトするように伝送線路ＴＬ１，ＴＬ２の線路長と位相変化回路の通信周波数量が調整されている必要がある。本実施の形態では、実施の形態１，２の伝送線路ＴＬ１，ＴＬ２だけでなく、インダクタ又はキャパシタ等の集中定数を使用することができるため、レイアウトが容易になり、移相器の小型化が図れる。その他の構成及び効果は実施の形態１，２と同様である。

実施の形態４．
図１１は、実施の形態４に係る移相器を示す図である。キャパシタＣ９～Ｃ１２がそれぞれスイッチＳＷ１～ＳＷ４に並列に接続されている。なお、キャパシタＣ９～Ｃ１２は全てのスイッチＳＷ１～ＳＷ４に接続してもよいし、一部のトランジスタだけに接続してもよい。

スイッチＳＷ１～ＳＷ４のＣｏｆｆと並列に接続したキャパシタＣ９～Ｃ１２の合計の容量値が大きく見えることで、ハイパスフィルタＨＰＦとローパスフィルタＬＰＦのお互いの回路が見えることによって発生している共振を低周波側にシフトさせることができる。これにより、実施の形態１～３の伝送線路ＴＬ１，ＴＬ２又は位相変化回路のサイズを小さくしつつ、実施の形態１～３と同様の効果を得ることができる。

実施の形態５．
図１２は、実施の形態５に係る移相器を示す図である。伝送線路ＴＬ１，ＴＬ２を設ける際に細い線路又はスパイラルインダクタ等を使用することで、移相器のインピーダンスが高くなってしまう場合がある。このため、入力端子ＩＮ及び出力端子ＯＵＴのインピーダンスが、整合された５０Ω等からずれてしまい、移相器の反射特性が悪くなる恐れがある。そこで、本実施の形態では、インピーダンス整合回路ＭＣ１，ＭＣ２をそれぞれ入力端子ＩＮ及び出力端子ＯＵＴに接続する。インピーダンス整合回路ＭＣ１，ＭＣ２により、入力端子ＩＮ及び出力端子ＯＵＴを５０Ωなどの所望のインピーダンスに整合することができる。この結果、移相器の反射特性を改善することができ、移相器で消費される電力を低減することができる。その他の構成及び効果は実施の形態１と同様である。

Ｉ第１の経路、ＩＩ第２の経路、Ｃ５～Ｃ８キャパシタ（位相変化回路）、Ｃ９～Ｃ１２キャパシタ、ＨＰＦハイパスフィルタ、ＩＮ入力端子、ＬＰＦローパスフィルタ、ＭＣ１，ＭＣ２インピーダンス整合回路、ＯＵＴ出力端子、ＳＷ１～ＳＷ４スイッチ、ＴＬ１，ＴＬ２伝送線路、ＴＬ１ａ～Ｔｌｄ，ＴＬ２ａ～Ｔ２ｄ複数の線路

Claims

入力端子と、
出力端子と、
前記入力端子と前記出力端子の間に互いに並列に接続された第１及び第２の経路と
前記第１の経路に設けられたハイパスフィルタと、
前記第２の経路に設けられたローパスフィルタと、
前記ハイパスフィルタと前記ローパスフィルタの一方を前記入力端子及び前記出力端子に接続し、他方を切断するスイッチと、
前記第１及び第２の経路にそれぞれ設けられた伝送線路とを備え、
前記ハイパスフィルタ及び前記ローパスフィルタの回路定数と前記スイッチのＯＦＦ時の容量に起因する共振を通信周波数帯にシフトするように前記伝送線路の線路長が調整されていることを特徴とする移相器。
前記伝送線路は複数の線路を有し、前記複数の線路の線路長の合計が前記共振を前記通信周波数帯にシフトするように調整されていることを特徴とする請求項１に記載の移相器。
前記第１及び第２の経路にそれぞれ設けられ、通過位相を変化させる位相変化回路を更に備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の移相器。
前記伝送線路と前記位相変化回路により通信周波数の信号の通過位相を９０°変化させることを特徴とする請求項３に記載の移相器。
前記スイッチに並列に接続されたキャパシタを更に備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の移相器。
前記入力端子及び前記出力端子に接続されたインピーダンス整合回路を更に備えることを特徴とする請求項１～５の何れか１項に記載の移相器。
前記伝送線路の線路長は通信周波数の波長の１／４の長さであることを特徴とする請求項１～６の何れか１項に記載の移相器。