JP7099628B2 - 移相器 - Google Patents
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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。
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。
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。
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。
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。
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。
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 (7)
- 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。
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