JPH02231801A - Microwave semiconductor phase shifter - Google Patents

Microwave semiconductor phase shifter

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JPH02231801A
JPH02231801A JP5264789A JP5264789A JPH02231801A JP H02231801 A JPH02231801 A JP H02231801A JP 5264789 A JP5264789 A JP 5264789A JP 5264789 A JP5264789 A JP 5264789A JP H02231801 A JPH02231801 A JP H02231801A
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Makoto Matsunaga
誠 松永
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  • Waveguide Switches, Polarizers, And Phase Shifters (AREA)

Abstract

PURPOSE:To decrease the length of a diode loading line to 1/3 or less than the length of a conventional phase shifter by connecting a 1/4 wavelength impedance transformer used for setting quantity of phase shift in series in a main line, decreasing the length of the diode loading line and deciding the transformation ratio of the 1/4 wavelength impedance transformer in response to a required phase shift quantity. CONSTITUTION:A 1/4 wavelength impedance transformer 9 is connected in series with a main line 10. A diode loading line connecting to the 1/4 wavelength main line 10 is only a 1st line 4 and since the length of the 1st line 4 is 45 deg. or below, the length of the diode loading line is reduced to 1/3 or below more than the length of a conventional phase shifter.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明はマイクロ波半導体移相器に関し、特に広帯域
な半導体移相器に関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to a microwave semiconductor phase shifter, and particularly to a broadband semiconductor phase shifter.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

第7図は、例えば電子情報通信学会、技術報告会資料M
W7B−43 .PP.35〜42 .1978に示さ
れたマイクロ波半導体移相器の一つであるローデソドラ
イン形移相器の線路構成を示す図である。図において、
■は主線路、2は1/4波長主線路、3はPINダイオ
ード、4は第1の線路、5は1/4波長インピーダンス
変成器を示しており、ここでは、第1の線路4と1/4
波長インピーダンス変成器5を合わせてダイオード装荷
線路6と呼ぶことにする。
Figure 7 shows, for example, the Institute of Electronics, Information and Communication Engineers, technical report meeting material M.
W7B-43. PP. 35-42. 1 is a diagram showing a line configuration of a low-desode line type phase shifter, which is one of the microwave semiconductor phase shifters shown in 1978. In the figure,
2 is the main line, 2 is the 1/4 wavelength main line, 3 is the PIN diode, 4 is the first line, and 5 is the 1/4 wavelength impedance transformer. /4
The wavelength impedance transformer 5 will be collectively referred to as a diode-loaded line 6.

次に動作について説明する。Next, the operation will be explained.

この構成ではPINダイオード3のバイアスを切り換え
ることにより主線路1に装荷するりアクタンスが容量性
.誘導性と切り換わることにより、主線路1を伝搬する
電波の通過位相が遅れ,進みと変化し、移相器として動
作する。
In this configuration, by switching the bias of the PIN diode 3, the load on the main line 1 can be changed to capacitive. By switching from inductive to inductive, the passage phase of the radio waves propagating through the main line 1 changes from delay to advance, and operates as a phase shifter.

また、第8図は第7図に示したローデソドライン形移相
器の動作説明を行なうための等価回路図である。ダイオ
ード装荷線路6内の1/4波長インピーダンス変成器5
は1:Nの巻線比の理想変成器7と長さ1/4波長の変
成器線路8で等価的に書きあらわされる。1/4波長イ
ンピーダンス変成器5は、その特性インピーダンスをZ
Tとすると、特性インピーダンスZOに対しては特性イ
ンピーダンスzT” /Zoの線路と整合をとることが
できる。この特性インピーダンスをZ2は、Zz=ZT
2/Zoである。
Further, FIG. 8 is an equivalent circuit diagram for explaining the operation of the low-desode line type phase shifter shown in FIG. 7. 1/4 wavelength impedance transformer 5 in diode loaded line 6
is equivalently expressed by an ideal transformer 7 with a turns ratio of 1:N and a transformer line 8 with a length of 1/4 wavelength. The quarter-wavelength impedance transformer 5 has its characteristic impedance Z
If T, it is possible to match the characteristic impedance ZO with a line of characteristic impedance zT''/Zo.This characteristic impedance Z2 is defined as Zz=ZT
2/Zo.

今、PINダイオード3のインピーダンスを順バイアス
,逆バイアスに従い、 ZF=0 Zi− j ωCj        で表す。
Now, the impedance of the PIN diode 3 is expressed as ZF=0 Zi- j ωCj according to forward bias and reverse bias.

ローデッドライン形移相器は、このバイアスの切り換え
により、主線路1に装荷される線路のりアクタンスの大
きさX+が、移相量Δφに応じて次の値になるように設
定される。
By switching the bias, the loaded line phase shifter is set so that the magnitude X+ of the line actance loaded on the main line 1 is set to the following value in accordance with the phase shift amount Δφ.

また、同時に、両バイアス状態での整合を得るため、1
/4波長主線路2の特性インピーダンスZIは、 に設定される。ここでZoは主線路1の特性インピーダ
ンスである。第(1)式に示すような絶対値が等しく符
号が逆であるリアクタンスを実現するために従来のロー
デソドライン形移相器では、ダイオード装荷線路6が特
性インピーダンスZ2.長さθ2の第1の線路4と1/
4波長インピーダンス変成器5から構成されていた。各
線路の役割は次のようになる。第1の線路4の長さθ2
は、各バイアス状態において、リアクタンスX2の絶対
値が等しく符号が逆になるように定める。即ち、とする
。ここではθ2はθ2〈π/4となる。次に、1/4波
長インピーダンス変成器5の巻線比Nを所要のりアクタ
ンス±jXzが得られる値に設定する。即ち、 に選定する。これにより、PINダイオード3のバイア
スを順,逆と切り換えて、所要の移相量Δφを得るロー
デッドライン形が構成できる。
At the same time, in order to obtain matching in both bias states, 1
The characteristic impedance ZI of the /4 wavelength main line 2 is set as follows. Here, Zo is the characteristic impedance of the main line 1. In order to realize reactances with equal absolute values and opposite signs as shown in equation (1), in the conventional low-desode line phase shifter, the diode-loaded line 6 has a characteristic impedance Z2. The first line 4 and 1/ of length θ2
It consisted of a four-wavelength impedance transformer 5. The role of each line is as follows. Length θ2 of first line 4
are determined so that the absolute values of the reactances X2 are equal and have opposite signs in each bias state. That is, Here, θ2 becomes θ2<π/4. Next, the turns ratio N of the 1/4 wavelength impedance transformer 5 is set to a value that provides the required actance ±jXz. In other words, select. As a result, a loaded line type can be constructed in which the bias of the PIN diode 3 is switched between forward and reverse to obtain the required phase shift amount Δφ.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problem to be solved by the invention]

従来のローデッドライン形移相器は、以上のように構成
されているので、ダイオード装荷線路6がλ/4〜3/
8・λの間の長さを持つようになる。このように線路長
が長いため設計中心周波数では所要のりアクタンス±j
Xgを得ることができても設計中心周波数から周波数が
離れると、大きく所要の値からずれ、移相量が所要の値
からずれると共に反射が増大し、移相器が狭帯域特性を
示していた。特に移相量を大きくとるとこの傾向が強ま
り、移相量90゜では帯域が狭くなりすぎ、従来のロー
デソドライン形移相器では移相量900は実用的でなく
、45°までが限界と考えられていた0そのため移相量
90°は456移相量を2段縦続接続する構成をとらな
ければならず、このため所要ダイオード数が増加し、装
置が大形化するという問題があった。
The conventional loaded line type phase shifter is configured as described above, so that the diode loaded line 6 is λ/4 to 3/4.
It has a length between 8 and λ. Because the line length is long, the required actance ±j at the design center frequency
Even if it was possible to obtain Xg, if the frequency moved away from the design center frequency, it would deviate significantly from the desired value, and as the phase shift amount deviated from the desired value, reflection would increase, and the phase shifter would exhibit narrow band characteristics. . In particular, this tendency becomes stronger when the phase shift amount is large; a phase shift amount of 90° makes the band too narrow, and a phase shift amount of 900° is not practical for conventional low-desode line phase shifters, and the limit is up to 45°. Therefore, a phase shift of 90° requires a configuration in which 456 phase shifts are connected in two stages, which increases the number of required diodes and increases the size of the device. Ta.

この発明は、上記のような問題点を解消するためになさ
れたもので、移相量90°をローテソドライン形移相器
で広帯域特性を得るように実現するとともに、ローデッ
ドライン形の特性である小形を生かしたマイクロ波半導
体移相器を得ることを目的とする。
This invention was made to solve the above-mentioned problems, and it is possible to achieve a phase shift of 90° by using a loaded line type phase shifter to obtain broadband characteristics, and also to obtain broadband characteristics using a loaded line type phase shifter. The purpose is to obtain a microwave semiconductor phase shifter that takes advantage of its small size.

〔課題を解決するための手段〕[Means to solve the problem]

この発明に係るマイクロ波半導体移相器は、ダイオード
装荷線路に含まれていた1/4波長インピーダンス変成
器を不要とし、ダイオード装荷線路の長さを短かくし、
また、1/4波長インピーダンス変成器を新し《主線路
に直列に設け、このインピーダンス変成器の変成比を所
要の移相量に応じて設定するようにしたものである。
The microwave semiconductor phase shifter according to the present invention eliminates the need for a quarter-wavelength impedance transformer included in the diode-loaded line, shortens the length of the diode-loaded line,
In addition, a new 1/4 wavelength impedance transformer is installed in series with the main line, and the transformation ratio of this impedance transformer is set according to the required amount of phase shift.

〔作用〕[Effect]

この発明におけるマイクロ波半導体移相器は、従来、ダ
イオード装荷線路に含まれていた1/4波長インピーダ
ンス変成器を除去してダイオード装荷線路の長さを短か
くし、また、主線路に移相量を設定する1/4波長変成
器を設け、この変成比を所要の移相量によって決定する
ようにしたので、ダイオード装荷線路を従来の1/3以
下の長さに出来る。したがって、ダイオード装荷線路の
呈するリアクタンスの周波数変化を小さくでき、ローテ
゛ツドライン形移相器の広帯域化を図ることができる。
The microwave semiconductor phase shifter of the present invention shortens the length of the diode-loaded line by removing the 1/4 wavelength impedance transformer conventionally included in the diode-loaded line, and also adds a phase shift amount to the main line. Since a 1/4 wavelength transformer is provided and the transformation ratio is determined by the required amount of phase shift, the length of the diode-loaded line can be reduced to 1/3 or less of the conventional length. Therefore, the frequency change in the reactance exhibited by the diode-loaded line can be reduced, and the band of the rotary line phase shifter can be increased.

〔実施例〕〔Example〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。 An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

第1図はこの発明の一実施例によるマイクロ波半導体移
相器の線路構成を模式的に示したものである。図におい
て、10は1/4波長主線路、9は主線路10に直列に
接続した1/4波長インピーダンス変成器である。図に
示すように、1/4波長主線路10に接続されているダ
イオード装荷線路は第1の線路4だけであり、第1の線
路4の長さは45°以下であるから、ダイオード装荷線
路は従来に比べて1/3以下の長さになる。
FIG. 1 schematically shows the line configuration of a microwave semiconductor phase shifter according to an embodiment of the present invention. In the figure, 10 is a 1/4 wavelength main line, and 9 is a 1/4 wavelength impedance transformer connected in series to the main line 10. As shown in the figure, the first line 4 is the only diode-loaded line connected to the 1/4 wavelength main line 10, and the length of the first line 4 is 45° or less. is less than 1/3 the length of the conventional one.

次に動作について説明を行なう。Next, the operation will be explained.

第2図は動作説明のため第1図の線路構成を等価回路表
示したものであり、1/4波長インピーダンス変成器9
を長さ1/4波長の変成器線路11と巻線比1:Nの理
想変成器12で表示してある。装荷した第1の線路4と
1/4波長変成器10との接続点AからみたPINダイ
オード3と第1の線路4のリアクタンスは従来と同様に
±jX2である場合について説明する。すなわち第1の
線路4の長さθ2、特性インピーダンスZ2は共に従来
と同様とし、ダイオードを装荷する線路の長さを45°
以下とする。このとき、所要の移相量Δφを得るには式
(1)の関係を満たす必要がある。
Fig. 2 is an equivalent circuit representation of the line configuration of Fig. 1 to explain the operation, and shows a 1/4 wavelength impedance transformer 9.
is shown using a transformer line 11 with a length of 1/4 wavelength and an ideal transformer 12 with a turns ratio of 1:N. A case will be described in which the reactance of the PIN diode 3 and the first line 4 seen from the connection point A between the loaded first line 4 and the 1/4 wavelength transformer 10 is ±jX2 as in the conventional case. That is, the length θ2 of the first line 4 and the characteristic impedance Z2 are both the same as before, and the length of the line loaded with the diode is set to 45°.
The following shall apply. At this time, in order to obtain the required phase shift amount Δφ, it is necessary to satisfy the relationship of equation (1).

即ち、第2図A点から理想変成器12側を見たインピー
ダンスを23とすると、与えられたX2に対しZ3は次
の関係となることが必要である。
That is, assuming that the impedance seen from point A in FIG. 2 toward the ideal transformer 12 side is 23, Z3 must have the following relationship for a given X2.

また両バイアス状態で同時に整合するための条件として
、1/4波長主線路10の特性インピ−ダンスZ4は、 に設定される。ここで、式(5)を満たすようなZ3を
得るための理想変成器12の変成比Nは、と決まる。こ
のように、所要の移相量Δφを得るには、与えられたX
2に対し、式(7)に示すNの値を用いれば、本発明に
よる移相器が構成できる。
Further, as a condition for simultaneous matching in both bias states, the characteristic impedance Z4 of the 1/4 wavelength main line 10 is set as follows. Here, the transformation ratio N of the ideal transformer 12 to obtain Z3 that satisfies equation (5) is determined as follows. In this way, in order to obtain the required phase shift amount Δφ, the given
2, the phase shifter according to the present invention can be constructed by using the value of N shown in equation (7).

例として、Δφ=906の場合について、本発明の方式
の移相器と従来のローデッドライン形移相器の移相量を
それぞれ第3図(a), (b)に示す。また、本発明
の移相器と従来の移相器の順バイアス.及び逆バイアス
の時の他の特性計算値である挿入損失,反射(リターン
ロス)特性をそれぞれ比較したものを第4図(a). 
(b).及び第5図(a). (b)に示す。これらの
図からわかるように、本発明の方式では従来の方式と比
較して、移相量,挿入損失.及び反射(リターンロス)
特性のすべてが広帯域化できることがわかる。
As an example, in the case of Δφ=906, the phase shift amounts of the phase shifter according to the present invention and the conventional loaded line type phase shifter are shown in FIGS. 3(a) and 3(b), respectively. Also, the forward bias of the phase shifter of the present invention and the conventional phase shifter. Figure 4(a) compares insertion loss and reflection (return loss) characteristics, which are other calculated characteristics when reverse bias is applied.
(b). and Figure 5(a). Shown in (b). As can be seen from these figures, the method of the present invention has lower phase shift and insertion loss than the conventional method. and reflection (return loss)
It can be seen that all of the characteristics can be made broadband.

なお、上記実施例では、半導体としてPINダイオード
示したが、これはバラクターダイオードあるいは電界効
果トランジスタ等を用いてもよ《、この場合においても
上記実施例と同様の効果を奏する。
In the above embodiment, a PIN diode is shown as the semiconductor, but a varactor diode, a field effect transistor, or the like may be used instead. In this case, the same effects as in the above embodiment can be obtained.

また、上記実施例では、第1の線路4としては単一線路
幅の線路を示したが、これは本発明の他の実施例として
第6図に示すように、線路幅の異なる線路から構成する
ようにしても良い。
Further, in the above embodiment, the first line 4 is a line with a single track width, but as shown in FIG. You may also do this.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上のようにこの発明によれば、従来ダイオード装荷線
路に含まれていた移相量設定に用いる1/4波長インピ
ーダンス変成器を主線路内に直列に接続し、ダイオード
装荷線路の長さを短かくし、1/4波長インピーダンス
変成器の変成比を所要の移相量に応じて決定するように
したので、ダイオード装荷線路を従来の1/3以下の長
さに短縮することが出来る。したがって、ダイオード装
荷線路の呈するリアクタンスの周波数変化を小さくでき
、広帯域な周波数特性が得られる効果がある。
As described above, according to the present invention, the length of the diode-loaded line is shortened by connecting the quarter-wavelength impedance transformer used for setting the phase shift, which was conventionally included in the diode-loaded line, in series in the main line. Since the transformation ratio of the 1/4 wavelength impedance transformer is determined according to the required amount of phase shift, the length of the diode-loaded line can be shortened to 1/3 or less of the conventional length. Therefore, the frequency change in the reactance exhibited by the diode-loaded line can be reduced, and a broadband frequency characteristic can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図はこの発明の一実施例によるマイクロ波半導体移
相器の線路構成を示す図、第2図は第1図のマイクロ波
半導体移相器の等価回路図,第3図(a). (b)は
それぞれこの発明によるマイクロ波半導体移相器と従来
の移相器の移相量を示す図、第4図(a), (b)は
それぞれこの発明によるマイクロ波半導体移相器と従来
の移相器の挿入損失特性を示す図、第5図(a), (
b)はそれぞれこの発明によるマイクロ波半導体移相器
と従来の移相器のリターンロス特性を示す図、第6図は
この発明の他の実施例によるマイクロ波半導体移相器の
線路構成を示す図、第7図は従来のマイクロ波半導体移
相器の線路構成を示す図、第8図は第7図に示すマイク
ロ波半導体移相器の等価回路図である。 図において、1は主線路、3はPINダイオード、4は
第1の線路、9は1/4波長インピーダンス変成器、1
0は1/4波長主線路、l1は長さ1/4波長の変成器
線路、12は理想変成器である。 なお図中同一符号は同一又は相当部分を示す。
1 is a diagram showing a line configuration of a microwave semiconductor phase shifter according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of the microwave semiconductor phase shifter of FIG. 1, and FIG. 3(a). (b) is a diagram showing the phase shift amount of a microwave semiconductor phase shifter according to the present invention and a conventional phase shifter, respectively, and FIGS. A diagram showing the insertion loss characteristics of a conventional phase shifter, Fig. 5(a), (
b) is a diagram showing return loss characteristics of a microwave semiconductor phase shifter according to the present invention and a conventional phase shifter, respectively, and FIG. 6 shows a line configuration of a microwave semiconductor phase shifter according to another embodiment of the present invention. 7 is a diagram showing a line configuration of a conventional microwave semiconductor phase shifter, and FIG. 8 is an equivalent circuit diagram of the microwave semiconductor phase shifter shown in FIG. In the figure, 1 is the main line, 3 is the PIN diode, 4 is the first line, 9 is the 1/4 wavelength impedance transformer, 1
0 is a 1/4 wavelength main line, l1 is a transformer line with a length of 1/4 wavelength, and 12 is an ideal transformer. Note that the same reference numerals in the figures indicate the same or equivalent parts.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)先端に半導体を装備した2本の第1の線路をほぼ
1/4波長離して主線路を並列に接続し、上記半導体に
印加するバイアスを変えることにより上記主線路の通過
位相を変え、所要の移相量を得る方式のマイクロ波半導
体移相器において、上記第1の線路を1/4波長以下の
長さとし、かつ該第1の線路と上記主線路の接続点にお
いて、それぞれ1/4波長インピーダンス変成器を主線
路に直列に接続し、該インピーダンス変成器の変成比を
所要の移相量に応じて設定するようにしたことを特徴と
するマイクロ波半導体移相器。
(1) Two first lines equipped with semiconductors at their tips are connected in parallel with the main lines separated by approximately 1/4 wavelength, and the passing phase of the main lines is changed by changing the bias applied to the semiconductors. , in a microwave semiconductor phase shifter that obtains a required amount of phase shift, the first line has a length of 1/4 wavelength or less, and at the connection point of the first line and the main line, each 1. A microwave semiconductor phase shifter, characterized in that a /4 wavelength impedance transformer is connected in series to a main line, and a transformation ratio of the impedance transformer is set according to a required phase shift amount.
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