JP7640211B2 - 段付きバラン - Google Patents

Description

本明細書は、段付きバランの例、及びその例示的な用途を説明する。

バランは、平衡信号接続と不平衡信号接続との間で変換するように構成された電気デバイスを含む。

例示的なバランは、複数の誘電体層を有するプリント配線板を通過する中心導体と、中心導体に対して配置されたケージビアとを含む。ケージビアは、バランへの不平衡接続と、バランへの平衡接続との間に延びるケージビアの第１のセットを含む。ケージビアの第１のセットは、第１の円弧の一部であり、第１の接地リングを介して電気接地に接続される。ケージビアは、不平衡接続から途中でプリント配線板を通って延びるケージビアの第２のセットを含む。ケージビアの第２のセットは、第２の円弧の一部であり、第２の接地リングを介して電気接地に接続される。第２の円弧は、第１の円弧よりも長い。例示的なバランは、以下の特徴の１つまたは複数を単独でまたは組み合わせのいずれかで含み得る。

平衡接続から不平衡接続への距離は第１の距離であってよい。ケージビアの第２のセットは、プリント配線板を通って第２の距離、延び得る。第１の距離及び第２の距離は異なってよい。バランはまた、不平衡接続からプリント配線板を通って第３の距離延びるケージビアの第３のセットを含み得る。第３の距離は、第２の距離より大きく、第１の距離に満たなくてもよい。ケージビアの第３のセットは、第３の円弧の一部であってよく、第３の接地リングを介して電気接地に接続され得る。第３の円弧は、第１の円弧よりも長く、第２の円弧よりも短い場合がある。バランはまた、不平衡接続からプリント配線板を通って第４の距離延びるケージビアの第４のセットを含み得る。第４の距離は、第２の距離と第３の距離との間であってよい。ケージビアの第４のセットは、第４の円弧の一部であってよく、第４の接地リングを介して電気接地に接続され得る。第４の円弧は、第３の円弧よりも長く、第２の円弧よりも短い場合がある。ケージビアの第１のセットに３つのビアがあり、ケージビアの第３のセットに５つのビアがあり、ケージビアの第４のセットに７つのビアがあり、ケージビアの第２のセットに９つのビアがある場合がある。第２の円弧は、中心導体の周囲３６０°であってよい。

ケージビアは、一次ケージビアであってよい。バランはまた、電気接地に接続された二次ケージビアを含み得る。二次ケージビアは、一次ケージビアの周囲に円弧状に配置され得る。二次ケージビアは、一次ケージビアの周囲に３６０°の円弧状に配置され得る。二次ケージビアは、不平衡接続が位置するプリント配線板の層から、平衡接続が位置するプリント配線板の層に延び得る。

バランは、中心導体の長さに沿って接続された１つまたは複数の同調リングを含み得る。１つまたは複数の同調リングは、バランを通過する信号の周波数とともにバランのインピーダンスがどのように変化するのかを制御するためにキャパシタンスを追加するように構成され得る。バランの目標性能を達成するために、以下のパラメータ、つまり個々のケージビア及び中心導体の直径、各層がケージビアのセットの終端点に対応するプリント配線板の層の数、複数の誘電体層の誘電体と関連付けられた誘電率、及びバランと関連付けられたキャパシタンスを変更するために中心導体と関連付けられた同調リングが選択され得る。

不平衡接続は、同軸ケーブルへの接続のために構成され得る。平衡接続は、アンテナへの接続のために構成され得る。アンテナは、複数のアンテナを有するフェーズドアレイのアンテナであってよく、各アンテナは、アンテナビームを電子的に誘導するために必要とされる位相シフトを生成するように構成されたアナログ送信機／受信機モジュールを含む。平衡接続は、５Ｇ移動通信用鉄塔アンテナへの接続のために構成され得る。平衡接続は、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）を含む回路基板への接続のために構成され得る。

例示的なバランは、複数の誘電体層を有するプリント配線基板を通過する中心導体を含む。バランはまた、バランの平衡接続とバランの不平衡接続との間の段階的な遷移を含む。段階的な遷移は、円弧状に配置され、電気接地に接続される接地リングを含む。接地リングは、平衡接続での第１の接地リングから、不平衡接続での第２の接地リングへの長さを増加させる。段階的な遷移は、第２の接地リングと他の接地リングのそれぞれとの間に接続されたケージビアを含む。例示的なバランは、以下の特徴の１つまたは複数を単独でまたは組み合わせのいずれかで含み得る。

バランは、中心導体の長さに沿って接続された１つまたは複数の同調リングを含み得る。１つまたは複数の同調リングは、バランを通過する信号の周波数とともにバランのインピーダンスがどのように変化するのかを制御するためにキャパシタンスを追加するように構成され得る。不平衡接続は、同軸ケーブルへの接続のために構成され得る。平衡接続は、複数のアンテナを含むフェーズドアレイのアンテナへの接続のために構成され得、各アンテナは、アンテナビームを電子的に誘導するために必要とされる位相シフトを生成するように構成されたアナログ送信機／受信機モジュールを含む。平衡接続は、５Ｇ移動通信用鉄塔アンテナへの接続のために構成され得る。平衡接続は、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）を含む回路基板への接続のために構成され得る。ケージビアは、一次ケージビアであってよい。バランはまた、電気接地に接続された二次ケージビアを含み得る。二次ケージビアは、一次ケージビアの周囲に３６０°の円弧状に配置され得る。

例示的なシステムは、第１のバランと、第２のバランとを含む。第１のバラン及び第２のバランのそれぞれは、複数の誘電体層を有するプリント配線基板を通過する中心導体を含む。バランはまた、バランの平衡接続とバランの不平衡接続との間の段階的な遷移を含む。段階的な遷移は、円弧状に配置され、電気接地に接続される接地リングを含む。接地リングは、平衡接続での第１の接地リングから、不平衡接続での第２の接地リングへの長さを増加させる。段階的な遷移は、第２の接地リングと他の接地リングのそれぞれとの間に接続されたケージビアを含む。伝送線路は、第１のバランと第２のバランの間にある。第１のバランは、その平衡接続を介して伝送線路に接続され、第２のバランは、その平衡接続を介して伝送線路に接続される。

本明細書に説明される装置、システム、及び／またはそのコンポーネントは、例えば、設計、構築、配置、設置、動作、及び／または信号伝達を通じて構成され得る。

本発明の概要の項を含む本明細書に説明される特徴の２つ以上は組み合わせて、本明細書に具体的に説明されない実施態様を形成し得る。

１つまたは複数の実施態様の詳細は、添付の図面及び以下の説明に述べられる。他の特徴及び利点は、説明及び図面、ならびに特許請求の範囲から明らかになる。

例示的な段付きバランの斜視図である。 段付きバラン自体とともに、例示的な段付きバランに含まれる接地リングの斜視図である。 段付きバラン自体とともに、例示的な段付きバランに含まれる接地リングの斜視図である。 段付きバラン自体とともに、例示的な段付きバランに含まれる接地リングの斜視図である。 段付きバラン自体とともに、例示的な段付きバランに含まれる接地リングの斜視図である。 例示的な段付きバランを構築し得るプリント配線板の切り欠き側面図である。 例示的な段付きバランの透明斜視図である。 例示的な段付きバランの上面図である。 別の例示的な段付きバランの透明斜視図である。 図９の例示的な段付きバランの上面図である。 例示的な段付きバランの側面図である。 図１１の例示的な段付きバラン内の電界の大きさの濃度変動を示すプロットである。 Ａ及びＢは、表面電流密度の濃度を示す図１１の例示的なバランの斜視図である。 Ａ及びＢは、表面電流密度の濃度を示す二次ケージビアを有する例示的な段付きバランの斜視図である。 矢印を使用して電流量及び方向を示す例示的な段付きバランの中心導体及びケージビアの斜視図である。 ミリ波用途向けに構成された例示的な段付きバランの透視斜視図である。 図１６Ａの例示的な段付きバランの上面図である。 図１６Ａの例示的な段付きバランの側面図である。 図１６Ａの例示的な段付きバラン内の電界の大きさの濃度変動を示すプロットである。 表面電流密度の濃度を示す図１６Ａの例示的なバランの斜視図である。 伝送線路上で２つの段付きバランを互いに接続する例示的なシステムの透明斜視図である。 図２０の例示的なシステムの側面図である。 図２０の例示的な段付きバランシステム内の電界の大きさの濃度変動を示すプロットである。 Ａ及びＢは、表面電流密度の濃度を示す図２０の例示的なシステムの斜視図である。 矢印を使用して導体上の大きさ及び方向を示す、図２０の例示的なシステムで使用される２導体伝送線路内の導体の側面図である。 電気的に小さいＳバンドアレイ放射器及びこのような放射器の位相配列に給電するように構成された段付きバランを示す。 段付きバランを含む例示的な二重直線偏光Ｘバンドアレイの斜視図である。 Ａ及びＢは、平衡伝送線路内の２つの導体の、それらの２つの導体の電界線及び磁力線とともに示す図である。

異なる図の類似する参照番号は類似する要素を示す。

バランは、平衡信号接続と不平衡信号接続との間で変換するように構成された電気デバイスを含む。不平衡信号接続は、中心導体を取り囲む電磁シールドを含む。シールドは、中心導体に到達する電気干渉の量を減少させるために電気接地に接続された外側導体である。中心導体内の電流は、外側導体を基準とする。したがって、中心導体の信号電圧は、外側導体での電気接地に応じて変化する。不平衡信号構成の導体の例は、同軸ケーブルである。平衡信号接続は、電気接地に対して等しいインピーダンスを有し、一部の例ではともにシールドによって取り囲まれる場合がある信号に対する２つの導体を含む。２つの導体を流れる電流は大きさが等しく、方向が逆で、磁力線に囲まれている。導体間の電界は、一方の導体で開始し、他方の導体で終了する。平衡信号構成での導体を介した信号の伝送によって、外部電界からのノイズまたは干渉の影響が軽減され得る。平衡信号構成での導体はまた、不平衡構成での導体よりも接地ループの影響を受けにくい場合がある。平衡信号構成の導体の例は、ダイポールアンテナ接続である。

本明細書で説明されるのは、「段付きバラン」と呼ばれる例示的なバランである。段付きバランに対する言及は、本明細書に説明されるその変形のいずれかを含む場合がある。一例では、段付きバランは、複数の誘電体層を有するプリント配線板を通過する中心導体を含む。バランの平衡接続とバランの不平衡接続との間の段階的な遷移によって、不平衡接続と平衡接続との間の変換が可能になる。一例では、段階的な遷移は、共通の電気接地に接続される円弧状に構成された接地リングを含む。接地リングは、不平衡接続での最大接地リングから平衡接続での最小接地リングまで長さを減少させ、それによって不平衡接続と平衡接続との間で徐々に変化する。段階的な遷移は、様々な接地リングの間で接続されたケージビアを含む。ケージビアは、それらが中心導体を少なくとも部分的に取り囲んでいるという意味で「ケージ」である、メッキされたスルーホールなどの導電性の構造である。

図１は、段付きバラン１０の一例を示す。この例では、バラン１０内に４つの接地リング１１、１２、１３、及び１４によって画定された４つの段がある。以下により詳細に示されるように、接地リング１１、１２、１３、及び１４は、それぞれ９つのケージビア（ケージビアは集合的に１８と名前が付けられている）、７つのケージビア、５つのケージビア、及び３つのケージビアに電気的に及び物理的に接続される。平衡接続２０と不平衡接続２１との間に４つの接地リングがあるため、段付きバラン１０は４段バランと呼ばれる。しかしながら、本明細書に説明される段付きバランは、図１に示される構成に限定されない。例えば、段及び／またはビアの数は異なる実施態様で異なる場合がある。

図２～図５は、バラン１０の段での接地リング及び同調リング（以下に説明）の例示的なレイアウトを示す。各図の右に示されているバラン１０での矢印１４ａ、１３ａ、１２ａ、及び１１ａは、左にある層がどこに位置しているのかを示す。図３に示されるように、接地リング１３は、接地リング１３へ及び接地リング１３を介して電気的に及び物理的に接続する３つのケージビアを保持するための３つの穴を含む。図４に示されるように、接地リング１２は、接地リング１２へ及び接地リング１２を介して電気的に及び物理的に接続する５つのケージビアを保持するための５つの穴を含む。図５に示されるように、接地リング１１は、接地リング１１へ及び接地リング１１を介して電気的に及び物理的に接続する７つのケージビアを保持するための７つの穴を含む。図１に示されるように、接地リング１１はまた、接地リング１１を終端する、つまり接地リング１１を通過しないケージビア２３などのケージビアに電気的に及び物理的に接続する。

段付きバラン１０は、接地リング１１～１４を含む、図６のプリント配線板２５などのプリント配線板（ＰＷＢ）を直角に通過する中心導体２４を含む。プリント配線板は、複数の誘電体層２５ａから２５ｄと、接地リングを形成する金属層とを含む。この例では、プリント配線板は、少なくとも４つの誘電体層を含むが、他の数の誘電体層が使用され得る。中心導体は、プリント配線板を介してメッキされたスルーホールである。

一例が同軸接続である不平衡電気接続２１は、プリント配線板２５の一方の表面２５ｅに含まれる。平衡電気接続２１は、プリント配線板２５の他方－例えば反対側の－表面２５ｆに含まれる。平衡電気接続は、中心導体と接地リング１４の両方を含む。両方の接続によって、標準的なダイポールアンテナなどの標準的なコンポーネントに対するインターフェースが可能になる。図７は、段付きバラン１０を透明として示す。ここでは、平衡接続及び不平衡接続は、図１よりも容易に明らかである場合がある。

一例では、段付きバラン１０は、不平衡伝送線路の場及び電流を、平衡２導体伝送線路の場及び電流に変換するように構成される。段付きバランは、このようにして平衡電気信号を不平衡電気信号に変換し、不平衡電気信号を平衡電気信号に変換するように構成される。この文脈では、段付きバランは「フィールドトランス」と見なすことができる。すなわち、段付きバラン１０は、相対的に小さい電気長にわたって、同軸線路の電（及び磁）界分布を２導体電（及び磁）界分布に変換する。例えば、図１、図６、及び図７に示されるように、接地リング（外側導体）は、相対的に短距離であるプリント配線板の厚さにわたって不平衡接続２１と平衡接続２０との間で徐々に（段階的に）円弧長が変化する。段付きバラン１０は、逆の変換も実行する。

図１及び図７に示されるように、段付きバラン１０は、中心導体２４に対して配置されたケージビア１８を含む。この例では、ケージビアは、示されるように、中心導体２４の周囲に円弧状に配置される。ケージビアの円弧は、やはり円弧内にある接地リングの形状に相当する。円弧のサイズは、不平衡バラン接続２１から平衡バラン接続２０に漸次的に減少する。例えば、図５及び図７に示されるように、不平衡接続２１に近接して、接地リング１１の円弧（ここでは円）は３６０°をカバーする。平衡接続に向かう第１の段の場所で、接地リング１２の円弧は、この例で約２７０度をカバーする。平衡接続に向かう次の段の場所で、接地リング１３の円弧は、この例で１８０°をカバーする。次の段の場所で、すなわち平衡接続２１で、接地リングの円弧は、この例で９０°をカバーする。ケージビアは、図１に示されるようにこれらの円弧に沿って配置される。

上述のように－接地リングの範囲及び長さ、ならびにケージビアのスパンを含む－円弧の範囲及び長さは、図示のものとは異なる場合があり、プリント配線板の奥行など、様々な要因に基づいて変化する場合がある。段付きバランの各段でのケージビア及び接地リングは、同じ電気接地に接続されており、したがって、プリント配線板の対向する表面で平衡接続と不平衡接続との間で漸進的なまたは段階的な遷移を提供するように構成される。

図８を参照すると、段付きバラン１０は、不平衡接続２１と平衡接続２１との間にずっと延びる３つのケージビアの第１のセット３０ａ、３０ｂ、３０ｃを含む。３つのケージビアの第１のセットは、接地リング１４に接続されたケージビアの第１の円弧の一部である。この例では、接地リング１４は、中心導体２４の周囲の円の約９０°以下をカバーする長さに沿って延び得る。この例では、不平衡接続２１は、標準的な同軸ケーブルへの接続のために構成される疑似同軸接続を含むが、代わりに、カスタマイズされた同軸ケーブルへの接続のために構成される疑似同軸接続を使用してもよい。平衡接続２０は、平衡伝送線路に電気的に接続するために２導体ポートを含む。例示的な２導体ポートは、ダイポールアンテナ接続を含む。アンテナ接続の例は、ダイポールアンテナ、ボウタイアンテナ、正弦波アンテナ、スパイラルアンテナ、折り返しダイポールアンテナ、バイコニカルアンテナ、柳生田アンテナ、及びループアンテナなどの２端子平衡給電アンテナを含むが、これらに限定されない。

段付きバラン１０は、不平衡接続２１に及び接地リング１３に物理的に及び電気的に接続されるケージビアの第２のセットを含む。このセットのケージビアは、ケージビア３０ｄ及び３０ｅとともに、ケージビア３０ａ、３０ｂ、及び３０ｃを含む。したがって、第２のセットには５つのケージビアがある。段付きバラン１０は、不平衡接続２１に及び接地リング１２に物理的に及び電気的に接続されるケージビアの第３のセットを含む。このセットのケージビアは、ケージビア３０ｆ及び３０ｇとともに、ケージビア３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、及び３０ｅを含む。したがって、第３のセットには７つのケージビアがある。段付きバラン１０は、不平衡接続２１に及び接地リング１１に物理的に及び電気的に接続されるケージビアの第４のセットを含む。このセットのケージビアは、ケージビア３０ｈ及び３０ｉとともに、ケージビア３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅ、３０ｆ、及び３０ｇを含む。したがって、第３のセットには９つのケージビアがある。この例では、接地リング１１は、同軸ケーブルのシールドに近似するために中心導体２４の周囲に完全な円（３６０°）で延びる。特に、ケージビアは不連続である－すなわち、ケージビアの間には誘電体がある－ため、ケージビアは、同軸ケーブルのように正確に動作しない場合がある。ケージビア３０ａ～３０ｉはまた、図１でラベルを付けられている。

図１及び図７に示されるように、かつ上述されるように、外側導体リングとも呼ばれる接地リングは、不平衡接続２１から平衡接続２０へ円弧長が漸次的に減少し、その結果、接地リング１１が接地リング１２よりも長くなり、接地リング１２が接地リング１３よりも長くなり、接地リング１３が接地リング１４よりも長くなる。別の言い方をすると、接地リングは、平衡接続２０から不平衡接続２１へ円弧長が漸次的に増加し、その結果、接地リング１４は接地リング１３よりも短くなり、接地リング１３は接地リング１２よりも短くなり、接地リング１２は接地リング１１よりも短くなる。

上述のように、例示的な段付きバラン１０には４つの誘電体層がある。やはり上述されたように、プリント配線板には４つの誘電体層が含まれる。したがって、この例では、各接地リングは、誘電体層の１つの表面に形成される。一部の実施態様では、より多くのまたはより少ない誘電体層がある場合があり、それらの例では、段付きバランにより多くのまたはより少ない接地リング層またはステップがある。例えば、段付きバランは、本明細書に説明されるように構成された４つ、５つ、６つ、７つ、８つ、またはそれ以上の段を含み得る。一部の実施態様では、誘電体層は、接地リングがそれらの内部にある状態で製造され得るため、接地リングはプリント配線板内の個々の誘電体層の表面に位置しない場合がある。

図１、図７、及び図８を参照すると、一部の実施態様では、ケージビア１８によって取り囲まれた領域内で中心導体２４の長さに沿って接続された１つまたは複数（例えば、３つ）の同調リング（または同調パッド）３２がある場合がある。すなわち、一部の実施態様では、同調リングは中心導体とケージビアとの間にある場合がある。１つまたは複数の同調リングは、段付きバランを通過する信号の周波数の変化とともに段付きバランのインピーダンスがどのようにして動作を変更するのかを制御するために、段付きバランにキャパシタンスを追加するように構成される。同調リングは、コンデンサ－例えば、導電プレート間の誘電体－または他の適切に構成された導電材料及び／または非導電材料を含み得る。任意の適切な数の同調リングが使用され得る。その数及び位置は、目標性能によって決まる場合がある。

図１～図８のケージビア－第１のセット、第２のセット、第３のセット、及び第４のセット－は、一次ケージビアと呼ばれる。図９及び図１０に示されるように、それ以外の場合、段付きバラン１０と同じ構造を有する段付きバラン４０は、二次ケージビア４１のセットを含み得る。一次ケージビア４２は、中心導体４６に対して第１の半径４３にあってよく、二次ケージビア４１は、中心導体４６に対してより大きい半径４５にあってよい。二次ケージビア４１は、図９及び図１０に示されるように一次ケージビア４２を全体的に、または部分的に取り囲み得、不平衡接続が位置する（またはそれに近接する）プリント配線板の層から、平衡接続が位置するプリント配線板の層まで延び得る。二次ケージビアは、それらが一次ケージビアを、結果的に中心導体も少なくとも部分的に取り囲んでいるという意味で「ケージ」である、メッキされたスルーホールなどの導電性の構造を含む。二次ケージビアは、接地リング及び一次ケージビアと同じ電気接地に接続する。接続は、平衡接続を含むプリント配線板の層に、不平衡接続を含むプリント配線板の層に、または両方の層にあり得る。一部の実施態様では、二次ビアは、一次ケージビアの周囲に３６０°の円弧状に配置される。この構成では、二次ケージビアは、段付きバランを電磁的にシールドする。段付きバラン４０では、８つの二次ケージビアがあるが、任意の適切な数が使用され得る。

段付きバランの性能を変えるために－例えば、目標性能を達成するために－以下のパラメータ、つまり個々の一次ケージビア及び／または二次ケージビアの直径、中心導体の直径、プリント配線板の層の数、複数の誘電体層の誘電体と関連付けられた誘電率、及びバランと関連付けられたキャパシタンスを変更するための中心導体と関連付けられた同調リングを設定または変更し得る。他のパラメータの中でも、中心導体間の距離、ならびにケージビアの数及びタイプはまた変化し得る。

一部の実施態様では、段付きバランは比較的にコンパクトであり、プリント配線板を通して垂直に（直交して）配置される。一部の実施態様では、段付きバランは、段付きバランを収容するデバイス（単位セル）の設置面積を減少させるか、または最小限に抑える。これは、面積≦（λ／２）^２の単位セルを有する広帯域広走査角度位相配列用途に関連する場合がある。この点で、段付きバランは、位相配列用途、ならびにＲＦ（無線周波数）性能の向上及び単位セル領域の経済的な使用、基板厚さ、及び重量が考慮事項である場合がある他の用途に応用性を有し得る。

一部の実施態様では、４段バランは、比較的に低損失性能で５オクターブ帯域幅（例えば、０．１５０ＧＨｚ（ギガヘルツ）～４．８ＧＨｚ）にわたるどこかで動作するように構成される。例示的な実施態様では、５０ΩＧＰＯ（標準的な同軸）コネクタ入力インピーダンス、及び４０Ω～７５Ωに変化する２導体出力インピーダンスを有する段付きバランでは、７５Ωの２導体インピーダンスの場合、最大信号損失は４．８ＧＨｚで０．２９０ｄＢ（デシベル）である。例示的な実施態様では、段付きバランは、７５Ω同軸入力及び７５Ω２導体出力を有する。この実施態様では、５オクターブ帯域幅にわたるリターンロス及び挿入損失は、５０Ω入力及び５０Ω２導体インピーダンスのリターンロス及び挿入損失に匹敵する。最大挿入は、この例では４．６ＧＨｚで０．１１ｄＢである。一例では、５０Ω同軸入力及び５０Ωの２導体出力を有する段付きバランは、最大３０ＧＨｚまで動作するために周波数を拡張可能である。リターンロス及び挿入損失は、１．２ＧＨｚ～３８．４ＧＨｚの５オクターブ帯域幅にわたって比較的に低い。最大挿入損失は、この例では３８．４ＧＨｚで０．１９ｄＢである。

段付きバランは、ＴＥＭ（横電磁）伝送モードで動作する。この点で、段付きバランは、ＴＥＭモードで動作する非共鳴伝送線路またはその部分として動作すると見なすことができる。ＴＥ１１モードのような高次モードに起因する共振モード損失は、本明細書に説明される４段バラン構成をはるかに超えている。同軸伝送線路のＴＥ１１モードカットオフ周波数を、段付きバランのＴＥモードカットオフ周波数のプロキシとして使用すると、以下に説明される４段バラン構成及び４段ｍｍ波（ミリメートル波）周波数構成に、以下のＴＥモードカットオフ周波数を決定し得る。
・４段階動作帯域：１５０ＭＨｚ～４．８ＧＨｚ
○ＴＥ１１モードカットオフ周波数＞１３ＧＨｚ
・４段ｍｍ波周波数動作帯域：１．２ＧＨｚ～４４．８ＧＨｚ
○ＴＥ１１モードカットオフ周波数＞７５ＧＨｚ

一部の実施態様では、群遅延と呼ばれる挿入位相対周波数の変化率が、複雑な広帯域波形を伝送するレーダー用途、及び複雑な変調方式を使用する５Ｇ（第５世代移動体通信技術）無線用途などの商用無線通信においての考慮事項である。上述のように、段付きバランは、一部の例では、５オクターブ帯域幅にわたって２ピコ秒（ｐｓ）以下で変化する群遅延を生じさせる場合があるＴＥＭモードで動作し、段付きバランをこれらのタイプの用途に適したものにする。

段付きバランは、標準的なプリント配線板材料及び製作技術を使用して実装し得る。これによって、以下に説明されるように、数百または数千の単位セルがいくつかのプリント配線板全体で製作されるフェーズドアレイアンテナ付きの段付きバランの使用が容易になり得る。段付きバランは以下のように製作され得る。画像及び銅のエッチング操作が、プリント配線板の各誘電体層に対して実行され得る。積層サイクルは、結果として生じるプリント配線板内の誘電体層の積み重ねに対して実行され得る。ドリル及び銅板の操作は、結果として生じた積み重ねに対して実行され得る。最後に、ケージビアを製造するために積み重ねがバックドリルされ得る。

段付きバランの例示的な構成では、一次ケージビアは、中心導体の周囲に０．１４０インチ（３．６ミリメートル（ｍｍ））直径の円または円弧（つまり、完全な円に満たない）上にある。二次ケージビアは、中心導体の周囲の０．２３６インチ（６．０ｍｍ）の直径の円の上にある。この例では、段付きバランの全高は０．１４３インチ（３．５ｍｍ）であり、高さ対ビア直径のアスペクト比は６である。ただし、これらは寸法の例である。段付きバランは、これらとは異なる寸法を有する場合がある。

図１１は、段付きバランの２導体平衡ポート側での切断面４９とともに、前の段落に説明される寸法を有する（誘電体層５０を含む）段付きバラン４８のコンポーネントの側面図を示す。電界の大きさは、この切断面でのバランを通過する２．４ＧＨｚ信号について評価される。図１２は、切断面での２導体ポート５１ａ、５１ｂ（それぞれ、中心ビアパッド及び外部導体リング）での電界の大きさの濃度５１の変動を示す。この例では、段付きバランの外部領域の電力は、バランの平衡接続での２つの導体間のピーク電力に比して－５０ｄＢ未満である。二次ケージビアは、この例には含まれていない。図１２に示されるように、より大きい電界の大きさは、中心ビアパッドと外側導体リングとの間に集中する。

図１３Ａ及び図１３Ｂは、段付きバラン４８について、その中心導体５５と、そのケージビア５６の３つと、上部外側導体リング５７との間の表面電流密度の大きさ５２を示す。二次ケージビアは、図１３Ａ及び図１３Ｂの例には含まれていない。図１４Ａ及び図１４Ｂは、図１の構成を有し、図９のバラン４０でのような二次ケージビア６１も有する段付きバラン６０の表面電流密度の大きさを示す。その濃い陰影によって明らかであるように、一次ケージビアに接地された二次ケージビア４１は、無視できるほどの表面電流密度を有する。電磁エネルギー６２は、中心導体５５ａと、中心ビアパッド５３ａと、３つの一次ケージビア（図１３Ａのビア５６）に接続された上部外側導体パッドとの間に集中する。

図１５は、バラン１０などの例示的な段付きバラン内の一次ケージビアの表面電流方向を示す。中心導体６５上の最大の電流ベクトル６４は、２つの外側導体ビア６８、６９に向き、下方向を指す。２つの外側導体ケージビア上の最大電流ベクトル６６は、上方向を指す。電流密度は等しく、この例では方向が逆である。電流密度の最大の大きさは、中心導体上にあり、約１５０Ａ／ｍ（アンペア／メートル）である。２つの対向するケージビア６８、６８はそれぞれ約７５Ａ／ｍの表面電流を有する。二次ケージビアは、図１５には含まれていない。

図１６Ａ及び図１６Ｂは、ｍｍ波（ミリメートル波）周波数での動作のために構成された例示的な４段バラン７０の図を示す。段付きバラン７０は、５０Ωの同軸入力を有する。段付きバラン７０は、図１の段付きバラン１０のように、それぞれ９つのケージビア、７つのケージビア、５つのケージビア、及び３つのケージビアに対する物理的及び電気的な接続を有する４段を含む。しかしながら、段付きバラン７０は、一次ケージビア７２を取り囲む１６の二次ケージビア７１を含む。この例では、一次ケージビア７２は、中心導体７５に対して０．０２４インチ（６ｍｍ）直径の円７４上にある。一次ケージビアと同じ電気接地に電気的に接続される二次ケージビア７１は、中心導体７５に対して０．０３８インチ（９．６ｍｍ）直径の円７６上にある。すべてのビアは、直径が０．００４８インチ（０．１２ｍｍ）である。ビアは、標準的なマイクロビアプロセスを使用して製作され得る。この例では、マイクロビアのアスペクト比は、ビアごとに０．７５：１である。

図１７は、電界の大きさが、１９．２ＧＨｚ信号について評価される、段付きバランの２導体平衡ポート側の切断面７８とともに、前の段落に説明された寸法を有する段付きバラン７０を示す。図１８は、段付きバラン７０の２導体ポート８０での電界の大きさの濃度７９を示す。バラン領域外の電力は、２つの導体間のピーク電力に比較して－５５ｄＢ未満である。

図１９は、段付きバラン７０について、中心ビア８１と一次ケージビア７２との間の表面電流の大きさを示す。電流及び電界（図１８に示される）は、中心ビア８１と、一次ケージビア７２ａの内部との間に集中する。二次ケージビア７１上には小さい電流密度がある。

図２０は、第１の段付きバラン８６と、第２の段付きバラン８７と、第１の段付きバランと第２の段付きバランとの間の伝送線路８８を有する例示的なシステム８５を示す。伝送線路８８は、２導体平衡伝送線路である。第１の段付きバラン及び第２の段付きバランは、そのそれぞれの平衡接続を介して伝送線路に接続される。同軸ケーブルは、段付きバラン８６及び８７の不平衡接続に接続され得る。図２０の実施態様では、段付きバラン８６及び８７は、二次ケージビアを含まない。ただし、二次ケージビアは、段付きバランのどちらかまたは両方と使用され得る。図２１は、電界の大きさが１９．２ＧＨｚ信号について評価される、伝送線路８８に沿った切断面８９を有するシステム８５を示す。

図２２は、切断面での電界の大きさの濃度９０を示す。図２３Ａ及び図２３Ｂは、システム８５の表面電流密度の大きさを示す。２導体伝送線路８８上での最大電流密度９２は、互いに対向する伝送線路－すなわち導体－表面上にある。図２４は、２導体伝送線路８８内の導体８８ａと８８ｂとの間のベクトル表面電流密度の大きさを示す。２導体伝送線路上の最大電流密度は、互いに対向する導体８８ａ及び８８ｂの表面上にある。電流は等しく、１８０°位相がずれている。

段付きバランは、ダイポール放射器など、標準的な放射器（例えば、アンテナ）と使用するために構成され得る。段付きバランはまた、本明細書に説明されるように、フェーズドアレイアンテナ構成と使用するために構成され得る。段付きバランは、狭帯域（≦２０％同調可能帯域幅）から広帯域（＞２０％同調可能帯域幅）にまで、マルチオクターブ同調可能帯域幅、ダイポールアンテナ、ボウタイアンテナ、正弦波アンテナ、スパイラルアンテナなど、２端子平衡給電アンテナまでと使用するために構成され得る。

上記で特定されたものなどのアンテナは、フェーズドアレイレーダー、通信アンテナ及びアレイ、リモートセンシングアレイ、ならびに医療用イメージングアンテナ及びアレイ（例えば、マイクロ波ベースの腫瘍イメージング）を含むが、これらに限定されない様々なシステムで使用され得る。段付きバランは、薄型で低損失、広走査角のマルチバンド性能用途に使用され得る。このタイプの例示的な用途は、航空機、ヘリコプター、ドローンなどに搭載されるセンサを含み得る。これらの用途では、軽量で薄型であり、複数のタスクを実行し得る段付きバランが、複数の周波数帯域での使用のために構成され得る。このような周波数帯域は、気象レーダー、衝突回避、地上地形マッピング、及び／または電子戦用の周波数帯域を含み得るが、これらに限定されない。段付きバランは、例えば、低周波数検索（例えば、ＵＨＦ（極超短波）帯域（３００ＭＨｚ～３ＧＨｚ））及び高周波分解能トラック（例えば、Ｃバンド（４ＧＨｚ～８ＧＨｚ））を利用するデュアルバンドレーダーなど、地上及び船舶ベースのレーダーシステムとの使用のために構成され得る。

電気的にまたは物理的に小型のアンテナは、電気的にまたは物理的に小型のバランを必要とする場合がある。図２５は、６０Ωのオーム入力インピーダンスを有する電気的に小型のＳバンドアレイ放射器９６に給電するように構成された段付きバラン９５を示す。段付きバラン９５の同軸ポート９７は、５０ΩのＧＰＯコネクタを含む。この例では、０．５インチ（１２．７ｍｍ）×０．５インチ（１２．７ｍｍ）の単位セル（λ／１０×λ／１０単位セル）を使用した２．２ＧＨｚ～２．６ＧＨｚまでの結合された全信号損失は、０．２ｄＢ以下である。Ｓバンドアレイ放射器９６及び段付きバランは、同タイプの複数のＳバンドアレイ放射器及び段付きバランを含む位相配列９８の一部である。位相配列では、各アンテナは、アンテナビームを電子的に誘導するために必要とされる位相シフトを生成するように構成されたアナログ送信機／受信機モジュールを含む。

段付きバランは、ボウタイ放射器との使用のために構成され得る。この点で、図２６は、例示的な二重直線偏光Ｘバンドアレイ９９を示す。アレイ１００の各セルには、垂直及び水平のボウタイ放射器がある。両方の直線偏光放射器は、段付きバランによって給電され得る。

段付きバランは、二重直線偏光放射器との使用のために構成され得る。共通の位相中心を有する例示的な偏光放射器は、アンテナ端子の各対に直交電界が供給されることを必要とする場合がある。段付きバランは、中心導体に対して任意の角度でその外側導体を回転させることによってその電界を回転させるように構成され得る。例えば、段付きバランでは、段付きバランのケージビアは、中心導体に対して回転され得る。結果として、電界は、図２７Ａの電界１０２から図２７Ｂの電界１０３まで回転し得る。

上述のように、段付きバランは、５Ｇセルラー用途との使用のために構成され得る。この点で、例示的な５Ｇハンドセットは、最大１０個のアンテナを含む。アンテナが多いということは、アンテナ領域がより少ないことを意味するため、アンテナ効率を維持しつつアンテナサイズを縮小することは有利である場合がある。段付きバランは、５Ｇ携帯電話ハンドセットに効率的で、電気的に及び物理的に小型のアンテナ及びバランを提供するように構成され得る。この点で、段付きバランの一部の実施態様の５オクターブバンド性能は、以下の５Ｇ周波数帯域をカバーする。
ｉ．「ローバンド５Ｇ」。６００～８５０ＭＨｚ、５０～２５０Ｍｂｐｓ。４段設計はこの周波数帯域をカバーする。
ｉｉ．「ミッドバンド５Ｇ」。２．５～３．７ＧＨｚ、１００～９００Ｍｂｐｓ。４段のミリ波周波数設計がこの周波数帯域をカバーする。
ｉｉｉ．「ハイバンド５Ｇ」。２５～３９ＧＨｚ、≦１．８Ｇｂｐｓ。４段のミリ波周波数設計がこの周波数帯域をカバーする。
さらに、携帯電話塔に配備されたアンテナアレイは、５Ｇ性能にとって重要なコストドライバーである、電力増幅器の主要電力及び空冷の要件を低減するために低損失フロントエンドを必要とする場合がある。比較的に低損失であり、広帯域にわたって動作可能である段付きバランは、ＭＩＭＯ（大規模入力／大規模出力）５Ｇシステムでの使用のために構成され得る。段付きバランは、主要電力を低減し得、アンテナ／給電アセンブリの重量を低減し得る可能性がある。

段付きバランは、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）を含む回路基板に接続するように構成され得る。この点で、ＤＳＰ用途で使用される差動増幅器などのコンポーネントは、差動信号入力を必要とする。段付きバランは、不平衡伝送線路（例えば、同軸コネクタ）から差動増幅器の２端子入力への低損失、低分散広帯域バラン信号変換を提供するために、コンポーネント面積がきわめて限られているＤＳＰバックプレーンアセンブリでの使用のために構成され得る。さらに、データレートが高くなると、より高速のパルス立ち上がり／立下り時間が必要になる。段付きバランのマルチギガヘルツ低分散性能は、ナノ秒オーダーであるパルス立ち上がり時間を処理するように構成され得る。

段付きバランは、上述されるように、医療用途との使用のために構成され得る。この点で、腫瘍を撮像するために人体の深部まで浸透するためにより低いマイクロ波周波数（例えば、ＬバンドまたはＳバンド）が必要とされる、腫瘍イメージング、がん治療などの医療用途向けのコンパクトで軽量のＲＦアンテナのニーズがある。一例では、図２５の３インチ（７６．２ｍｍ）×３インチのＳバンドアレイは、医療診断及び／または治療システムの一部であってよい。

本明細書で使用される任意の「電気接続」は、直接的な物理接続、または介在するコンポーネントを含むか、または含まないが、それにも関わらず、接続されたコンポーネント間で電気信号が流れることを可能にする有線接続もしくは無線接続を含み得る。信号が流れることを可能にする電気回路を含む任意の「接続」は、別段に明記されない限り、電気接続であり、「接続」を修飾するために言葉「電気的」が使用されるかどうかに関わりなく、必ずしも直接的な物理接続ではない。

説明された異なる実施態様の要素は、特に上述されていない他の実施態様を形成するために結合されてもよい。要素は、その動作または一般的なシステムの動作に悪影響を及ぼすことなく、上述のシステムから除外され得る。さらに、様々な別々の要素は、本明細書に説明される機能を実行するために１つまたは複数の個別要素に結合され得る。

本明細書に具体的に説明されていない他の実施態様もまた、以下の特許請求の範囲の範囲内にある。

Claims (21)

1. バランであって、
   複数の誘電体層から成るプリント配線板を通って延びる中心導体と、
   前記中心導体に対して配置されたケージビアであって、
   前記バランの不平衡接続端子と前記バランの平衡接続端子との間に延びるケージビアの第１のセットであって、第１の円弧の一部であり、第１の接地リングを介して電気接地に接続される前記ケージビアの第１のセットと、
   前記不平衡接続端子から前記プリント配線板を部分的に通って延びるケージビアの第２のセットであって、第２の円弧の一部であり、第２の接地リングを介して前記電気接地に接続され、前記第２の円弧が前記第１の円弧よりも長い、前記ケージビアの第２のセット
   とを備える前記ケージビアと
   を備える、バラン。
2. 前記平衡接続端子から前記不平衡接続端子への距離が第１の距離であり、
   前記ケージビアの第２のセットが、前記プリント配線板を通って第２の距離延び、
   前記バランが、
   前記不平衡接続端子から前記プリント配線板を通って第３の距離延びるケージビアの第３のセットであって、前記第３の距離が、前記第２の距離よりも大きく、前記第１の距離よりも少なく、前記ケージビアの第３のセットが、第３の円弧の一部であり、第３の接地リングを介して前記電気接地に接続されており、前記第３の円弧が、前記第１の円弧よりも長く、前記第２の円弧よりも短い、前記ケージビアの第３のセット
   をさらに備える、請求項１に記載のバラン。
3. 前記不平衡接続端子から前記プリント配線板を通って第４の距離延びるケージビアの第４のセットであって、前記第４の距離が前記第２の距離と前記第３の距離の間であり、前記ケージビアの第４のセットが、第４の円弧の一部であり、第４の接地リングを介して前記電気接地に接続されており、前記第４の円弧が、前記第３の円弧よりも長く、前記第２の円弧よりも短い、前記ケージビアの第４のセット
   をさらに備える、請求項２に記載のバラン。
4. 前記ケージビアの第１のセットに３つのビアがあり、前記ケージビアの第３のセットに５つのビアがあり、前記ケージビアの第４のセットに７つのビアがあり、及び前記ケージビアの第２のセットに９つのビアがある、請求項３に記載のバラン。
5. 前記ケージビアの第２のセットは前記中心導体の周囲に３６０°の円周に沿って配置される、請求項１に記載のバラン。
6. 前記ケージビアが一次ケージビアであり、
   前記バランが、前記電気接地に接続された二次ケージビアをさらに備え、前記二次ケージビアが、前記一次ケージビアの周囲に円弧状に配置される、
   請求項１に記載のバラン。
7. 前記二次ケージビアが、前記一次ケージビアの周囲に３６０°の円周に沿って配置される、請求項６に記載のバラン。
8. 前記二次ケージビアが、前記不平衡接続端子が位置する前記プリント配線板の前記誘電体層から、前記平衡接続端子が位置する前記プリント配線板の前記誘電体層に延びる、請求項７に記載の前記バラン。
9. 前記中心導体の長さに沿って接続された１つまたは複数の同調リングであって、前記バランを通過する信号の周波数とともに前記バランのインピーダンスがどのように変化するのかを制御するためにキャパシタンスを追加するように構成された前記１つまたは複数の同調リングをさらに備える、請求項１に記載のバラン。
10. 前記バランの目標性能を達成するために、以下のパラメータ、つまり個々のケージビア及び前記中心導体の直径、各層がケージビアのセットの終端点に対応する前記プリント配線板の層の数、前記複数の誘電体層の誘電体と関連付けられた誘電率、及び前記バランと関連付けられたキャパシタンスを変更するために前記中心導体と関連付けられた同調リング、が選択される、請求項１に記載のバラン。
11. 前記不平衡接続端子が、同軸ケーブルへの接続のために構成され、
    前記平衡接続端子が、アンテナへの接続のために構成される、
    請求項１に記載のバラン。
12. 前記不平衡接続端子が、同軸ケーブルへの接続のために構成され、
    前記平衡接続端子が、アンテナを備える位相配列のアンテナへの接続のために構成され、各アンテナが、アンテナビームを電子的に誘導するために必要とされる位相シフトを生成するように構成されたアナログ送信機／受信機モジュールを備える、
    請求項１に記載のバラン。
13. 前記不平衡接続端子が、同軸ケーブルへの接続のために構成され、
    前記平衡接続端子が、５Ｇ移動通信用鉄塔アンテナへの接続のために構成される、
    請求項１に記載のバラン。
14. 前記不平衡接続端子が、同軸ケーブルへの接続のために構成され、
    前記平衡接続端子が、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）を含む回路基板への接続のために構成される、
    請求項１に記載のバラン。
15. バランであって、
    複数の誘電体層から成るプリント配線板を通って延びる中心導体と、
    前記バランの平衡接続端子と前記バランの不平衡接続端子との間の段階的な遷移であって、前記段階的な遷移が、円弧状に配置され、電気接地に接続された接地リングを備え、前記接地リングが、前記平衡接続端子が位置する前記プリント配線板の前記誘電体層上の第１の接地リングから前記不平衡接続端子が位置する前記プリント配線板の前記誘電体層上の第２の接地リングへ長さが増加し、前記第２の接地リングとそれぞれの他の接地リングとの間に接続されたケージビアをさらに備える前記段階的な遷移と
    を備える、バラン。
16. 前記中心導体の長さに沿って接続された１つまたは複数の同調リングであって、前記バランを通過する信号の周波数とともに前記バランのインピーダンスがどのように変化するのかを制御するためにキャパシタンスを追加するように構成される前記１つまたは複数の同調リングと
    をさらに備える、請求項１５に記載のバラン。
17. 前記不平衡接続端子が、同軸ケーブルへの接続のために構成され、
    前記平衡接続端子が、アンテナを備える位相配列のアンテナへの接続のために構成され、各アンテナが、アンテナビームを電子的に誘導するために必要とされる位相シフトを生成するように構成されたアナログ送信機／受信機モジュールを備える、
    請求項１５に記載のバラン。
18. 前記不平衡接続端子が、同軸ケーブルへの接続のために構成され、
    前記平衡接続端子が、５Ｇ移動通信用鉄塔アンテナへの接続のために構成される、
    請求項１５に記載のバラン。
19. 前記不平衡接続端子が、同軸ケーブルへの接続のために構成され、
    前記平衡接続端子が、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）を含む回路基板への接続のために構成される、
    請求項１５に記載のバラン。
20. 前記ケージビアが一次ケージビアであり、
    前記バランが、前記電気接地に接続された二次ケージビアをさらに備え、前記二次ケージビアが、前記一次ケージビアの周囲に３６０°の円周に沿って配置される、
    請求項１５に記載のバラン。
21. システムであって、
    請求項１５に記載の第１のバランと、
    請求項１５に記載の第２のバランと、
    前記第１のバランと前記第２のバランとの間の伝送線路であって、前記第１のバランが、前記平衡接続端子を介して前記伝送線路に接続され、前記第２のバランが、前記平衡接続端子を介して前記伝送線路に接続される、前記伝送線路と
    を備える、システム。

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