JPWO2017017844A1 - 給電回路 - Google Patents

Abstract

第１の端子および第２の端子を有する第１の線路１０３と、第１の端子および第２の端子を有する第２の線路１０４と、第１の端子および第２の端子を有する第３の線路１０５と、第１の線路１０３の第２の端子および第２の線路１０４の第２の端子と接続し、第１の線路１０３の第２の端子および第２の線路１０４の第２の端子から出力される信号を合成する第１の合成器１０１と、第１の線路の一部と第３の線路の一部が、電気的に結合する第１の結合部１１５と、第２の線路の一部と第３の線路の一部が、電気的に結合する第２の結合部１１６であって、第３の路線の第１の端子から、第１の結合部を介して第１の合成器に出力される信号と、第３の路線の第１の端子から、第２の結合部を介して第１の合成器に出力される信号が相殺する第２の結合部を備えたことを特徴とする給電回路。

Description

この発明は、主としてＶＨＦ帯、ＵＨＦ帯、マイクロ波帯およびミリ波帯において、回路間を接続する給電回路に関するものである。

一般的な給電回路では、回路間を接続するのに、マイクロストリップ線路、ストリップ線路などの各種線路が用いられる。
例えば、平面アンテナでは、給電点（出力端子）とその複数配置された放射素子間を接続する線路は、給電点と放射素子間に配置されている。
しかし、放射素子を密に配置しようとすると、放射素子付近の線路同士が近くなるため、線路間での電気的な結合が生じ、平面アンテナの放射パターンや反射特性が劣化する。
特許文献１では、平面アンテナの開口面に積層された誘電体と、所望の偏波が実現できるように設けた偏波グリッドとを備える方法が、開示されている。

特開２０１１−１４２５１４号公報

しかし、従来の給電回路では、偏波制御を行っても線路間結合を生じさせないようにするために、偏波グリットを配置し、多層化する必要がある。このため、平面アンテナの厚さが増加し、また、コストも増加するという課題がある。
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、回路間を接続する線路が近接して配置されることによる線路間結合が生じても、その影響を低減可能な給電回路を低コストで実現することを目的とする。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、第１の端子および第２の端子を有する第１の線路と、第１の端子および第２の端子を有する第２の線路と、第１の端子および第２の端子を有する第３の線路と、前記第１の線路の第２の端子および前記第２の線路の第２の端子と接続し、前記第１の線路の第２の端子および前記第２の線路の第２の端子から出力される信号を合成する第１の合成器と、前記第１の線路の一部と前記第３の線路の一部が、電気的に結合する第１の結合部と、前記第２の線路の一部と前記第３の線路の一部が、電気的に結合する第２の結合部であって、前記第３の路線の第１の端子から、前記第１の結合部を介して前記第１の合成器に出力される信号と、前記第３の路線の第１の端子から、前記第２の結合部を介して前記第１の合成器に出力される信号が相殺する第２の結合部と、を備えたことを特徴とする給電回路を提供する。

この発明によれば、給電回路上の近接した線路間で線路間結合が生じても、その影響を低減させることが可能となる。

本実施の形態１における給電回路の上面図である。 図１の給電回路における断面Ａ−Ａ’の断面図である。 従来の給電回路において回避不可能な結合部があった場合を示す図である。 図１の給電回路における各結合の電気長を示す図である。 図１の給電回路における各結合の電気長を示す図である。 本実施の形態２における給電回路の上面図である。 図５の給電回路における断面Ｂ−Ｂ’の断面図である。

実施の形態１．
以下、この発明の好適な実施の形態につき図面を用いて説明するが、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。

図１は実施の形態１における上面図である。図２は図１における断面Ａ−Ａ’における断面図である。図１、２における１は誘電体、２は誘電体基板の一方の面に設けられた地導体、１０４は第２の信号導体で、第２の信号導体１０４と誘電体１と地導体２より、第２の線路を形成し、１０６は第４の信号導体で、第４の信号導体１０６と誘電体１と地導体２より、第４の線路を形成する。
図１において、３と４は放射素子、１０１は第１の合成器、１０２は第２の合成器、１０３は第１の線路、１０５は第３の線路、１０７は第１の合成器１０１の入力端子、１０８は第１の合成器１０１の出力端子、１０９は第２の合成器１０２の入力端子、１１０は第２の合成器１０２の出力端子である。

図１において、１１１は第１の線路１０３の第１の端子、１１２は第２の線路１０４の第１の端子、１１３は第３の線路１０５の第１の端子、１１４は第４の線路の第１の端子である。 １１７は第１の線路１０３の第２の端子、１１８は第２の線路１０４の第２の端子、１１９は第３の線路１０５の第２の端子、１２０は第４の線路の第２の端子である。
第１の線路１０３の第２の端子１１７および第２の線路１０４の第２の端子１１８は、第１の合成器１０１の入力端子１０７に接続される。
第３の線路１０５の第２の端子１１９および第４の線路１０６の第２の端子１２０は、第２の合成器１０２の入力端子１０９に接続される。
１１５は、第１の線路１０３と第３の線路１０５が近接して電気的に結合している第１の結合部、１１６は、第２の線路１０４と第４の線路１０６が近接して電気的に結合している第２の結合部である。なお、本実施の形態では、結合部が２つの場合について述べたが、３つ以上であっても良く、それぞれの結合が合成器で打ち消し合うように、各結合部を設けることで、同様の効果が得られる。

本実施の形態では、説明を容易にするため、第１の結合部１１５は、第１の線路１０３、及び第３の線路１０５を設ける際に、誘電体１の一面のみではレイアウト上回避不可能な結合部とする。例えば、図１のように、放射素子３の中心線から離れた位置に合成器１０１を配置しつつ、放射素子４の中心線から離れた位置に合成器１０２を配置しなければならない場合は、このような制約が生じる。
また、第１の合成器１０１は、入力端子１０７が第１の線路１０３の第２の端子１１７及び第２の線路１０４の第２の端子１１８から等振幅同相の信号が入力された場合に反射損失など生じず合成できる同相合成の合成器とし、第２の合成器１０２は、入力端子１０９が第３の線路１０５の第２の端子１１９及び第４の線路１０６の第２の端子１２０から等振幅同相の信号が入力された場合に反射損失など生じず合成できる同相合成の合成器とする。なお、第２の合成器１０２は、第１の合成器１０１と同じものであっても良いし、第１の合成器１０１と別のものであっても良い。また、第２の合成器１０２は無くてもよい。

なお、第１の線路１０３の第１の端子１１１、第２の線路１０４の第１の端子１１２には、放射素子３が接続され、第３の線路１０５の第１の端子１１３、第４の線路の第１の端子１１４には、放射素子４が接続される。
本実施の形態では、放射素子３および放射素子４はパッチアンテナとしたが、これに限るものでは無く、合成器１０１や合成器１０２で反射なく合成可能なように、高周波信号を受信するアンテナであればどのようなアンテナでもよく、パッチアレーアンテナやヘリカルアンテナなどでも良い。

図３は、以上のような条件の元、第２の線路１０４と第４の線路１０６については、お互い電気的に結合しないように、離れてレイアウトすることができたが、第１の線路１０３と第３の線路１０５は電気的に結合しないように、離れてレイアウトすることができず、第１の結合部１１５が発生した場合を示す、従来の給電回路の上面図である。

次に、従来の給電回路の動作について説明する。
まず、図３の従来の給電回路において、放射素子３で受信され第１の合成器１０１にて同相となる２つの信号が、第１の線路１０３の第１の端子１１１、第２の線路１０４の第１の端子１１２からそれぞれ入力され、同様に、放射素子４で受信され第２の合成器１０２にて同相となる２つの信号が、第３の線路１０５の第１の端子１１３、第４の線路１０６の第１の端子１１４からそれぞれ入力される場合を考える。
放射素子３は電波を受信し、その受信した信号を第１の線路１０３の第１の端子１１１及び第２の線路１０４の第１の端子１１２へ出力する。
第１の線路１０３は、第１の端子１１１に入力された信号を、第２の端子１１７へ伝達する。
第２の線路１０４は、第１の端子１１２に入力された信号を、第２の端子１１８へ伝達する。
同様に放射素子４は電波を受信し、信号に変換した信号を第３の線路１０５の第１の端子１１３及び第４の線路１０６の第１の端子１１４へ出力する。
第３の線路１０５は、第１の端子１１３に入力された信号を、第２の端子１１９へ伝達する。
第４の線路１０６は、第１の端子１１４に入力された信号を、第２の端子１２０へ伝達する。

この時、第３の線路１０５の第１の端子１１３から入力された信号の一部は、第１の線路１０３と第３の線路１０５が第１の結合部１１５で電気的に結合しているため、第１の線路１０３へ伝搬し、第１の線路１０３の第２の端子１１７を経由して第１の合成器１０１に入力される。
第１の合成器１０１は、理想的には、第１の線路１０３の第１の端子１１１と第２の線路１０４の第１の端子１１２から入力された信号のみを入力端子１０７で受け取り、信号の合成を行い、合成された信号を出力端子１０８へ出力する。
しかし、上記のように第１の結合部１１５によって、第３の線路１０５の第１の端子１１３から結合して入力された信号の一部も第１の線路１０３を伝搬し、第１の合成器１０１を経由して出力端子１０８に出力される。つまり、合成器１０１の出力端子１０８からは、第１の線路１０３の第１の端子１１１と第２の線路１０４の第１の端子１１２から入力された信号だけでなく、第３の線路１０５の第１の端子１１３から入力された信号の一部も重なった信号が出力される。
これは、放射素子３単体の受信パターンが劣化することとなり、問題となる。

図１に戻り、本願発明の流れについて説明を続ける。図３に示した従来の給電回路の時と同様、図１の給電回路でも、放射素子３で受信された信号が、第１の線路１０３の第１の端子１１１、第２の線路１０４の第１の端子１１２からそれぞれ入力され、同様に、放射素子４で受信され第２の合成器１０２にて同相となる２つの信号が、第３の線路１０５の第１の端子１１３、第４の線路１０６の第１の端子１１４からそれぞれ入力される場合について、図４を用いて考える。
第１の線路１０３の第１の端子１１１に入力される信号の位相をφ１、第２の線路１０４の第１の端子１１２に入力される信号の位相をφ２、第３の線路１０５の第１の端子１１３に入力される信号の位相をφ３、第４の線路１０６の第１の端子１１４に入力される信号の位相をφ４とする。

本実施の形態の場合、図５に示すように、第３の線路１０５の第１の端子１１３から入力された信号の一部は、第１の結合部１１５で電気的に結合するため、第１の線路１０３を伝搬し、第１の合成器１０１に入力され、同様に、第４の線路１０６の第１の端子１１４から入力された信号の一部は、第２の結合部１１６で電気的に結合し、第２の線路１０４を伝搬し、第１の合成器１０１に入力される。

図４に戻り、各結合の経路における電気長について説明する。具体的には、第３の線路１０５の第１の端子１１３から第１の結合部１１５までの電気長をθ１、第１の結合部１１５における結合での電気長をθ２、第１の結合部１１５の終端から出力端子１０８までの電気長をθ３、第４の線路１０６の第１の端子１１４から第２の結合部１１６までの電気長をθ４、第２の結合部１１６における結合での電気長θ５、結合部１１６の終端から出力端子１０８までの電気長をθ６とする。

第１の結合部１１５は、本実施の形態では、レイアウト上回避できないため、ある固定の値となる。
一方、第２の結合部１１６は、レイアウト上自由度があり、電気長θ４〜θ６を変えることがレイアウト上可能である。電気長を変更するには、例えば迂回する部分の線路長を変更したりすればよい。
また、第１の合成器１０１に対して、上側の放射素子４、及び下側の放射素子４から出力される信号は、放射素子４に対して接続される向きが上下逆になっていることから、逆相となる。
このことを考慮して、第１の結合部１１５での結合量と第２の結合部１１６での結合量が同じになるようにしつつ、下記の式が成り立つように、θ４〜θ６を決定する。
θ４〜θ６は、それぞれの線路の長さを変えることで可変に決定することができる。なお、線路は、直線だけではなく、曲線を用いてもよいし、幅とかを変えてもよい。
φ３＋θ１＋θ２＋θ３＝φ４＋θ４＋θ５＋θ６＋１８０［ｄｅｇ．］×Ａ （１）
なお、Ａは奇数である。

つまり、第１の合成器１０１に対し、上側の放射素子４から第１の結合部１１５を介して第１の合成器の出力端子１０８に伝搬する信号と、第１の合成器１０１に対し、下側の放射素子４から第２の結合部１１６を介して第１の合成器１０１の出力端子１０８に伝搬する信号が、等振幅逆相となるように、端子１１４から第２の結合部１１６までの線路、結合部１１６、及び結合部１１６から第１の合成器１０１までの線路を決定することで、放射素子４で受信した信号は、第１の合成器１０１で打ち消し合い、出力端子１０８からは放射素子３で受信した信号のみ出力されることから、放射素子３単体の受信パターンは変化しないため、第１の結合部１１５が配置されても所望の放射パターンを実現することが可能となる。

また、本実施の形態では、放射素子へ給電するための線路信号線同士の結合の影響を低減しつつ、放射素子と線路の信号線を同じ誘電体基板の面に配置できることから、単層の誘電体基板によりアレーアンテナを実現できるため、アンテナを低コスト化できる。
なお、実施の形態１では、マイクロストリップ線路、及びパッチアンテナを用いているが、これに限るものではなく、ストリップ線路やモノポールアンテナなど、他の線路形式やアンテナ方式を用いても良い。このとき、第１の結合部１１５を介して第１の合成器１０１に入力される信号が打ち消し合うような位相関係となるように、結合部１１６を設計すれば良い。

なお、本実施の形態では、第３の線路１０５の第２の端子１１９と第４の線路１０６の第２の端子１２０が、第２の合成器１０２に接続される構成について説明したが、第３の線路１０５だけとし、第２の結合部１１６は、第２の線路１０４と第３の線路１０５が近接して電気的に結合していてもよい。
この場合も同様に、第２の結合部１１６のレイアウトを行う際には、第４の線路１０６の第１の端子１１４から第２の結合部１１６までの電気長をθ４、第２の結合部１１６における結合での電気長θ５、結合部１１６から出力端子１０８までの電気長をθ６とし、第１の結合部１１５での結合量と第２の結合部１１６での結合量が同じになるようにθ４〜θ６を決定すればよい。

実施の形態２
実施の形態１では、合成器が同相合成の場合の給電回路について説明を行った。本実施の形態では、合成器が逆相合成の場合の給電回路について説明を行う。なお、逆相合成の合成器を用いた給電回路の例として、出力端子が誘電体基板の地導体側に設けられた合成器を用いて説明を行う。
図６に本実施の形態における給電回路を示す。また、図６におけるＢ−Ｂ’断面の断面図を図７に示す。

なお、本実施の形態では、給電回路の説明を行う図６及び図７において、図１および図２と同一の符号である、誘電体１、地導体２、放射素子３、放射素子４、第１の合成器１０１、第２の合成器１０２、第１の線路１０３、第２の線路１０４、第３の線路１０５、第４の線路１０６、第２の合成器１０２の入力端子１０９、第１の線路１０３の第１の端子１１１、第２の線路１０４の第１の端子１１２、第３の線路１０５の第１の端子１１３、第４の線路１０６の第１の端子１１４、第１の線路１０３の第２の端子１１７、第２の線路１０４の第２の端子１１８、第３の線路１０５の第２の端子１１９、第４の線路１０６の第２の端子１２０は、同一または相当する部分を表しており、図１および図２で説明したものと同じである。
図６及び図７において、２１０は本実施の形態における第１の合成器、２１１は本実施の形態における第２の合成器、２０７は第１の合成器２１０の入力端子、２０９は第２の合成器２１１の入力端子、２０１は接続導体、２０２はスロットである。

図７において、２０３は第１の合成器２１０の導波管出力端子、２０５は第２の合成器２１１の導波管出力端子、２０６は金属ブロックである。
本実施の形態では、誘電体１の下面に地導体２が接続され、もう一方の上面には、各種線路が接続されている。
接続導体２０１は、誘電体１の下面の地導体２と、誘電体１の上面に設けられたパターンとを接続する導体である。
スロット２０２は、地導体２を貫通する穴である。穴の形は直方体や楕円形など、任意の形で良い。
第１の合成器２１０の導波管出力端子２０３は、スロット２０２を含むように地導体２と接し、誘電体１の下部に設けられる。
第２の合成器２１１の導波管出力端子２０５は、スロット２０２を含むように地導体２と接し、誘電体１の下部に設けられる。
金属ブロック２０６は、第１の合成器２１０の導波管出力端子２０３及び第２の合成器２１１の導波管出力端子２０５の間を遮断するための壁面である。

なお、第１の合成器２１０は、第１の線路１０３及び第２の線路１０４から入力端子２０７へ入力された信号が、等振幅逆相であった場合、反射損失を生じることなく合成し、導波管出力端子２０３へ出力する、逆相合成の合成器である。
また、第２の合成器２１１は、第３の線路１０５及び第４の線路１０６から入力端子２０９へ入力された信号が、等振幅逆相であった場合、反射損失を生じることなく合成し、導波管出力端子２０５へ出力する、逆相合成の合成器である。

本実施の形態の給電回路の動作は、実施の形態１と同様に、端子１１１に入力される信号の位相をφ１、端子１１２に入力される信号の位相をφ２、端子１１３に入力される信号の位相をφ３、端子１１４に入力される信号の位相をφ４とする。

実施の形態２に係る給電回路は、実施の形態１に係る方向性結合器と同様に、合成器２１０、２１１は逆相合成の合成器であることを考慮して、結合部１１５での結合量と結合部１１６での結合量が同じになるようにしつつ、下記の式が成り立つように、θ４〜θ６を決定する。
φ３＋θ１＋θ２＋θ３＝φ４＋θ４＋θ５＋θ６＋３６０［ｄｅｇ．］×Ｂ （２）
なお、Ｂは整数である。「φ３＋θ１＋θ２＋θ３」と「φ４＋θ４＋θ５＋θ６」が同相となれば良いことから、３６０度×Ｂとしても本発明の効果がある。

つまり、第１の合成器に対し、上側の放射素子４から第１の結合部１１５を介して第１の合成器の出力端子１０８に伝搬する信号と、第１の合成器に対し、下側の放射素子４から第２の結合部１１６を介して第１の合成器の出力端子１０８に伝搬する信号が、等振幅同相となるように、端子１１４から第２の結合部１１６までの線路、結合部１１６、及び結合部１１６から第１の合成器１０１までの線路を決定することで、放射素子４で受信した信号は、第１の合成器２１０で打ち消し合い、出力端子２０３からは放射素子３で受信した信号のみ出力されることから、放射素子３単体の受信パターンは変化しないため、結合部１１５が配置されてもアンテナ特性を維持することが可能となる。

なお、実施の形態２では、マイクロストリップ線路、及びパッチアンテナを用いているが、これに限るものではなく、ストリップ線路やモノポールアンテナなど、他の線路形式やアンテナ方式を用いても良い。このとき、結合部を介して合成器に入力される信号が打ち消し合うような位相関係となるように、結合部１１６を設計すれば良い。

１ 誘電体、２ 地導体、３ 放射素子、４ 放射素子、１０１ 第１の合成器、１０２ 第２の合成器、１０３ 第１の線路、１０４ 第２の線路、１０５ 第３の線路、１０６ 第４の線路、１０７ 入力端子、１０８ 出力端子、１０９ 入力端子、１１０ 出力端子、１１１ 第１の端子、１１２ 第１の端子、１１３ 第１の端子、１１４ 第１の端子、１１５ 第１の結合部、１１６ 第２の結合部、１１７ 第２の端子、１１８ 第２の端子、１１９ 第２の端子、１２０ 第２の端子、２０１ 接続導体、２０２ スロット、２０３ 第１の合成器２１０の導波管出力端子、２０５ 第２の合成器２１１の導波管出力端子、２０６ 金属ブロック、２０７ 第１の合成器２１０の入力端子、２０９ 第２の合成器２１１の入力端子、２１０ 合成器、２１１ 合成器。

Claims (8)

1. 第１の端子および第２の端子を有する第１の線路と、
   第１の端子および第２の端子を有する第２の線路と、
   第１の端子および第２の端子を有する第３の線路と、
   前記第１の線路の第２の端子および前記第２の線路の第２の端子と接続し、前記第１の線路の第２の端子および前記第２の線路の第２の端子から出力される信号を合成する第１の合成器と、
   前記第１の線路の一部と前記第３の線路の一部が、電気的に結合する第１の結合部と、
   前記第２の線路の一部と前記第３の線路の一部が、電気的に結合する第２の結合部であって、前記第３の路線の第１の端子から、前記第１の結合部を介して前記第１の合成器に出力される信号と、前記第３の路線の第１の端子から、前記第２の結合部を介して前記第１の合成器に出力される信号が相殺する第２の結合部と
   を備えたことを特徴とする給電回路。
2. 第１の端子および第２の端子を有する第４の線路と、
   前記第３の線路の第２の端子および前記第４の線路の第２の端子と接続し、前記第３の線路の第２の端子および前記第４の線路の第２の端子から出力される信号を合成する第２の合成器と、
   前記第２の線路の一部と前記第４の線路の一部が、電気的に結合する第２の結合部であて、前記第３の路線の第１の端子から、前記第１の結合部を介して前記第１の合成器に出力される信号と、前記第４の路線の第１の端子から、前記第２の結合部を介して前記第１の合成器に出力される信号が相殺する第２の結合部と
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の給電回路。
3. 前記第１の合成器は、同相合成の合成器であり、
   前記第２の結合部は、前記第３の線路の第１の端子から前記第２の結合部を介して前記第１の合成器に出力する信号の振幅及び位相が、前記第３の線路の第１の端子から、前記第１の結合部を介して前記第１の合成器に出力する信号の振幅及び位相と、等振幅逆相となることを特徴とする請求項１に記載の給電回路。
4. 前記第１の合成器は、同相合成の合成器であり、
   前記第２の結合部は、前記第４の線路の第１の端子から前記第２の結合部を介して前記第１の合成器に出力する信号の振幅及び位相が、前記第３の線路の第１の端子から前記第１の結合部を介して前記第１の合成器に出力する信号の振幅及び位相と、等振幅逆相となることを特徴とする請求項２に記載の給電回路。
5. 前記第１の合成器は、逆相合成の合成器であり、
   前記第２の結合部は、前記第３の線路の第１の端子から前記第１の結合部を介して前記第１の合成器に出力する信号の振幅及び位相が、前記第３の線路の第１の端子から前記第２の結合部を介して前記第１の合成器に出力する信号の振幅及び位相と、等振幅同相となることを特徴とする請求項１に記載の給電回路。
6. 前記第１の合成器は、逆相合成の合成器であり、
   前記第２の結合部は、前記第４の線路の第１の端子から前記第２の結合部を介して前記第１の合成器に出力する信号の振幅及び位相が、前記第３の線路の第１の端子から前記第１の結合部を介して前記第１の合成器に出力する信号の振幅及び位相と、等振幅同相となることを特徴とする請求項２に記載の給電回路。
7. 前記第１の結合部の電気的に結合している前記第１の線路の一部と前記第３の線路の一部のそれぞれの幅および長さと電気的に結合している前記第１の線路の一部と前記第３の線路の一部との間の距離が、前記第２の結合部の電気的に結合している前記第２の線路の一部と前記第３の線路の一部のそれぞれの幅および長さと電気的に結合している前記第２の線路の一部と前記第３の線路の一部との間の距離と一致することを特徴とする前記請求項１、請求項３または請求項５のいずれか一項に記載の給電回路。
8. 前記第１の結合部の電気的に結合している前記第１の線路の一部と前記第３の線路の一部のそれぞれの幅および長さと電気的に結合している前記第１の線路の一部と前記第３の線路の一部との間の距離が、前記第２の結合部の電気的に結合している前記第２の線路の一部と前記第４の線路の一部のそれぞれの幅および長さと電気的に結合している前記第２の線路の一部と前記第４の線路の一部との間の距離と一致することを特徴とする前記請求項２、請求項４または請求項６のいずれか一項に記載の給電回路。

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