JP4780097B2

JP4780097B2 - 移相器

Info

Publication number: JP4780097B2
Application number: JP2007319895A
Authority: JP
Inventors: 慎介村野
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2007-12-11
Filing date: 2007-12-11
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2027-12-11
Also published as: JP2009147442A

Description

本発明は、移相器に係り、特に線路通過型移相器に関する。

フェーズド・アレー・アンテナのビーム制御や、位相変調などに用いられる移相器として、線路通過型移相器がある。

図６（ａ）および図６（ｂ）に示すように、従来の移相器６１は、２本のマイクロストリップ線路６２，６３を、１／２波長の整数倍長のＵ字型線路６４で電気的に結合もしくは導通させた位相可変部（位相調整回路）６５を備える。この位相可変部６５では、Ｕ字型線路６４を図示左右方向にスライドさせることにより通過する信号経路長を変化させて位相を変えている（例えば、特許文献１参照）。

移相器６１は、位相可変部６５を多段化したものであり、１つの入力ポートＰｉと、複数の出力ポートＰｏを備える（例えば、特許文献２参照）。この移相器６１は、携帯電話基地局用アンテナに代表されるアレーアンテナに搭載して指向性方向変更装置として使用される。

特開平５−１４００４号公報特開２００１−２３７６０５号公報

しかしながら、アンテナ、特に広帯域な周波数を使用する携帯電話基地局用アンテナでは、位相可変部６５を多段とし、線路段数を増加させるほど多数の出力ポートＰｏの位相を変化させることが可能であるが、多段化すればするほど外形寸法は大きくなってしまう。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、位相可変部を効率よく多段化して小型化した移相器を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１の発明は、入力用マイクロストリップ線路と出力用マイクロストリップ線路とが表面と裏面のそれぞれに形成された第１基板と、その第１基板の表面に形成された上記入力用マイクロストリップ線路と上記出力用マイクロストリップ線路とを電気的に接続するための結合マイクロストリップ線路が形成された第２基板と、上記第１基板の裏面に形成された上記入力用マイクロストリップ線路と上記出力用マイクロストリップ線路とを電気的に接続するための結合マイクロストリップ線路が形成された第３基板とからなる移相器であって、上記第１基板の表面に形成された上記出力用マイクロストリップ線路と上記第１基板の裏面に形成された上記入力用マイクロストリップ線路とが電気的に接続されている移相器である。

請求項２の発明は、上記第２基板と上記第３基板とが上記第１基板に形成された上記入力用マイクロストリップ線路と出力用マイクロストリップ線路の長手方向に沿って同時にスライド可能となるように、上記第２基板と上記第３基板とが機械的に接続されている請求項１記載の移相器である。

請求項３の発明は、上記第１基板の表面に形成された最下段の上記出力用マイクロストリップ線路と、上記第１基板の裏面に形成された上記入力用マイクロストリップ線路とが電気的に接続されている請求項１または２記載の移相器である。

本発明によれば、位相可変部を多層に配置することにより、移相器の外形寸法を小さくできる。

以下、本発明の好適な実施形態を添付図面にしたがって説明する。

本実施形態に係る移相器は、アレーアンテナなどの多素子アンテナの給電位相を制御するために用いられるものであり、携帯電話基地局用アンテナの指向性変更装置（ビームチルティング装置）などに用いられるものである。

図１（ａ）は、本発明の好適な第１の実施形態を示す移相器の上面図、図１（ｂ）はその側断面図である。

図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、第１の実施形態に係る移相器１は、多層基板（第１基板）２と、その多層基板２の表裏面に形成された位相可変部３とを主に備える。多層基板２は、その表面と裏面との間に、グランドとなるグランド層４を備える。

位相可変部３は、２本のマイクロストリップ線路６，７と、その２本のマイクロストリップ線路６，７を結合する結合マイクロストリップ線路（Ｕ字結合線路）８とからなる。２本のマイクロストリップ線路６，７は、入力側マイクロストリップ線路（入力用マイクロストリップ線路）６と出力側マイクロストリップ線路（出力用マイクロストリップ線路）７とからなる。

さて、移相器１は、多層基板２の表面Ｆに１つの位相可変部３ａを形成すると共に、多層基板２の裏面Ｒに１つの位相可変部３ｂを形成し、合計２段の位相可変部３を形成したものである。

多層基板２の表面Ｆに形成された位相可変部３ａは、略直線状に形成された入力側マイクロストリップ線路６ａと、その入力側マイクロストリップ線路６ａと略平行に形成された出力側マイクロストリップ線路７ａと、入力側マイクロストリップ線路６ａと出力側マイクロストリップ線路７ａとを電気的に結合する結合マイクロストリップ線路８ａとを備える。

入力側マイクロストリップ線路６ａおよび出力側マイクロストリップ線路７ａは、多層基板２表面に形成された銅箔などの金属箔のパターンからなる。図２（ａ）に示すように、入力側マイクロストリップ線路６ａの一端には入力ポートＰｉが設けられ、出力側マイクロストリップ線路７ａの一端には出力ポートＰａが設けられる。

結合マイクロストリップ線路８ａは、図２（ｂ）に示すように、第２基板（表側誘電体基板）９ａの表面に形成される。結合マイクロストリップ線路８ａは、第２基板９ａ上に形成された銅箔などの金属箔のパターンからなる。結合マイクロストリップ線路８ａは、略Ｕ字型の形状を有し、入力ポートＰｉより入力する入力信号Ｓｉの１／２波長の長さとなるように形成される。

第２基板９ａは、結合マイクロストリップ線路８ａを形成した表面を多層基板２側とし、多層基板２の表面Ｆにスライド可能に設置される。このとき、第２基板９ａは、結合マイクロストリップ線路８ａの一端部が入力側マイクロストリップ線路６ａの他端部と直接接触し電気的に接続し、他端部が出力側マイクロストリップ線路７ａの他端部と直接接触し電気的に接続するように設置される。

多層基板２の裏面Ｒに形成された位相可変部３ｂは、入力側マイクロストリップ線路６ｂと、出力側マイクロストリップ線路７ｂと、入力側マイクロストリップ線路６ｂと出力側マイクロストリップ線路７ｂとを電気的に接続する結合マイクロストリップ線路８ｂとからなる。出力側マイクロストリップ線路７ｂの一端には、出力ポートＰｂが設けられる。

図２（ｃ）に示すように、入力側マイクロストリップ線路６ｂは略Ｌ字状に形成され、上段となる位相可変部３ａの出力側マイクロストリップ線路７ａを伝搬する信号を分岐するための分岐部１０ｂが形成される。

出力側マイクロストリップ線路７ａと入力側マイクロストリップ線路６ｂの分岐部１０ｂの先端とは、内周面側に金属めっきが形成されたスルーホール１１を介して電気的に接続される。スルーホール１１は、グランド層４と接触しないように形成される。

結合マイクロストリップ線路８ｂは、図２（ｄ）に示すように、第３基板（裏側誘電体基板）９ｂの表面に形成される。結合マイクロストリップ線路８ｂは、第３基板９ｂ上に形成された銅箔などの金属箔のパターンからなる。結合マイクロストリップ線路８ｂは、略Ｕ字型の形状を有し、入力ポートＰｉより入力する入力信号Ｓｉの１／２波長の長さとなるように形成される。

第３基板９ｂは、結合マイクロストリップ線路８ｂを形成した表面を多層基板２側とし、多層基板２の裏面Ｒにスライド可能に設置される。このとき、第３基板９ｂは、結合マイクロストリップ線路８ｂの一端部が入力側マイクロストリップ線路６ｂの他端部と直接接触し電気的に接続し、他端部が出力側マイクロストリップ線路７ｂの他端部と直接接触し電気的に接続するように設置される。

位相可変部３ｂの経路長は、位相可変部３ａの経路長と同じ長さとなるように形成される。ここで、位相可変部３ｂの経路長とは、入力側マイクロストリップ線路６ｂ、結合マイクロストリップ線路８ｂ、および出力側マイクロストリップ線路７ｂの長さの合計長であり、位相可変部３ａの経路長とは、入力側マイクロストリップ線路６ａ、結合マイクロストリップ線路８ａ、および出力側マイクロストリップ線路７ａの長さの合計長である。

第２基板９ａおよび第３基板９ｂは図示しない連結機構により機械的に接続され、連結機構のスライド時に同時に同方向（マイクロストリップ線路６、７の長手方向）に動くように構成される。連結機構としては、例えば、コの字状の部材を用意し、その一端と第２基板９ａの端部（図１（ｂ）では右側の端部）とを機械的に接続し、その他端と第３基板９ｂの端部（図１（ｂ）では右側の端部）とを機械的に接続するとよい。

入力ポートＰｉには、例えば、電源などの給電部が接続され、出力ポートＰａ，Ｐｂには、例えば、アンテナ素子（放射素子）などが接続される。

ここで、第１の実施形態に係る移相器１の動作を説明する。

入力ポートＰｉより入力した入力信号Ｓｉは、入力側マイクロストリップ線路６ａを通って、結合マイクロストリップ線路８ａに結合される。結合マイクロストリップ線路８ａは入力信号Ｓｉの１／２波長の長さに形成されているため、入力信号Ｓｉはその周波数で共振し、出力側マイクロストリップ線路７ａを通って、出力ポートＰａより出力する。

出力ポートＰａより出力される出力信号Ｓａは、入力側マイクロストリップ線路６ａ、結合マイクロストリップ線路８ａ、および出力側マイクロストリップ線路７ａを通って出力されるため、入力信号Ｓｉと比較して位相がΔＬ変化する。

このとき、結合マイクロストリップ線路８ａを形成した第２基板９ａを図示左右方向にスライドすると、入力信号Ｓｉが通過する経路長が変化するため、出力ポートＰａに出力する出力信号Ｓａの位相が変化する。

出力側マイクロストリップ線路７ａを伝搬する入力信号Ｓｉは、スルーホール１１で分岐され、スルーホール１１を通り、多層基板２の裏側に設けられた入力側マイクロストリップ線路６ｂを通って、結合マイクロストリップ線路８ｂに結合される。結合マイクロストリップ線路８ｂは入力信号Ｓｉの１／２波長の長さに形成されているため、入力信号Ｓｉはその周波数で共振し、出力側マイクロストリップ線路７ｂを通って、出力ポートＰｂより出力される。

出力ポートＰｂより出力される出力信号Ｓｂは、さらに入力側マイクロストリップ線路６ｂ、結合マイクロストリップ線路８ｂ、および出力側マイクロストリップ線路７ｂを通って出力されるため、出力信号Ｓａよりもさらに位相がΔＬ変化する。すなわち、入力信号Ｓｉと出力信号Ｓｂとの位相差はΔＬ×２となる。

第１の実施形態の効果を説明する。

第１の実施形態に係る移相器１では、多層基板２の表面Ｆに位相可変部３ａ、裏面Ｒに位相可変部３ｂを形成し、出力側マイクロストリップ線路７ａと、入力側マイクロストリップ線路６ｂとをスルーホール１１を介して電気的に接続している。

多層基板２の表裏面に位相可変部３を形成し、これらをスルーホール１１を介して電気的に接続することにより、位相可変部３を多段化した際に外形寸法が大きくなるのを抑制でき、小型化できる。

また、移相器１では、結合マイクロストリップ線路８ａ，８ｂを多層基板２に対してスライド可能に設けている。これにより、位相可変部３ａ，３ｂの経路長を変化させることができ、出力信号Ｓａ，Ｓｂの位相を自由に変化させることができる。よって、入力信号Ｓｉと出力信号Ｓａとの位相差（出力信号Ｓａと出力信号Ｓｂとの位相差）ΔＬを所望の値に設定することができる。

さらに、移相器１では、結合マイクロストリップ線路８ａを形成した第２基板９ａと、結合マイクロストリップ線路８ｂを形成した第３基板９ｂとを機械的に接続し、スライド時に同時に同方向に動くようにしている。これにより、第２基板９ａのスライド量と第３基板９ｂのスライド量とを常に一致させることができ、入力信号Ｓｉと出力信号Ｓａの位相差と、出力信号Ｓａと出力信号Ｓｂの位相差を常に同じ値に保つことができる。

次に、第２の実施形態を説明する。

図３（ａ）〜（ｃ）および図４（ａ）〜（ｄ）に示すように、第２の実施形態に係る移相器３１は、基本的に図１の移相器１と同じ構成であり、多層基板２の表面Ｆに２段の位相可変部３ａ、３ｂを形成すると共に、裏面Ｒに１段の位相可変部３ｃを形成し、合計３段の位相可変部３を形成したものである。

移相器３１では、１段目の位相可変部３ａの結合マイクロストリップ線路８ａと、２段目の位相可変部３ｂの結合マイクロストリップ線路８ｂとは、共通の第２基板９ａに形成される。

また、移相器３１では、多層基板２の裏面Ｒに形成される位相可変部３ｃの入力側マイクロストリップ線路６ｃは、略直線状に形成される。よって、スルーホール１１は、出力側マイクロストリップ線路７ｂの一端部と入力側マイクロストリップ線路６ｃの一端部とを電気的に接続するように形成される。

第２の実施形態に係る移相器３１では、入力ポートＰｉから入力される入力信号Ｓｉに対して、出力ポートＰａから出力する出力信号Ｓａの位相はΔＬ変化する。出力ポートＰｂから出力する出力信号Ｓｂの位相は、出力信号ＳａよりもさらにΔＬ変化し、出力ポートＰｃから出力する出力信号Ｓｃの位相は出力信号ＳｂよりもさらにΔＬ変化する。

第２の実施形態に係る移相器３１は、図１の移相器１において、位相可変器３をさらに１段追加したものであるため、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

また、移相器３１では、多層基板２の表面Ｆに形成された最下段の位相可変部３ｂの出力側マイクロストリップ線路７ｂにスルーホール１１を形成している。

これにより、入力ポートＰｉからの入力信号Ｓｉは、多層基板２の表面Ｆに形成された全ての位相可変部３を通過した後に、多層基板２の裏面Ｒに形成された位相可変部３を通過するようにでき、効率的に位相可変部３を配置することができる。また、位相可変部３を多段化した際にも、多数のスルーホール１１を形成する必要もなくなる。よって、スルーホール１１の内周面に形成する金属めっき箇所も少なくなり、裏面Ｒに位相可変部３を効率よく配置することができる。

さらに、移相器３１では、多層基板２の裏面Ｒに形成される位相可変部３ｃの入力側マイクロストリップ線路６ｃを直線状に形成している。よって、分岐部を形成する必要がなくなり、さらに小型化が可能である。

上記実施形態では、多層基板２に位相可変部３を２段、または３段形成した例を説明したが、これに限定されず、位相可変部３を４段以上形成してもよい。

特に、図５に示すように、多層基板２の両面Ｆ，Ｒに形成する位相可変部３を同数とすることにより、最も効率的に位相可変部３を配置でき、かつマイクロストリップ線路６，７のパターン形状を多層基板２の両面Ｆ，Ｒで同一とすることができる。そのため、多層基板２上にマイクロストリップ線路用の金属箔を蒸着などの方法で形成する場合、マイクロストリップ線路６，７の配置パターンマスク１種類のみを用意すればよいので、コスト的に有利である。

また、上記実施形態では、入力側マイクロストリップ線路６および出力側マイクロストリップ線路７と結合マイクロストリップ線路８とを直接接触させたが、入力信号Ｓｉが伝送される状態であればよく、例えば、誘電体などを介して静電結合接続してもよい。

さらに、上記実施形態では、結合マイクロストリップ線路８として、第２基板９ａおよび第３基板９ｂに形成した銅箔などの金属箔のパターンからなるものを用いたが、金属であればよく、例えば、金属板からなるものを用いてもよい。

図１（ａ）は第１の実施形態に係る移相器の上面図であり、図１（ｂ）はその側断面図である。図２（ａ）は図１の多層基板の表面の平面図であり、図２（ｂ）は第２基板の平面図、図２（ｃ）は多層基板の裏面の平面図であり、図２（ｄ）は第３基板の平面図である。図３（ａ）は第２の実施形態に係る移相器の上面図であり、図３（ｂ）はその３Ｂ−３Ｂ線断面図、図３（ｃ）はその３Ｃ−３Ｃ線断面図である。図４（ａ）は図３の多層基板の表面の平面図であり、図４（ｂ）は第２基板の平面図、図４（ｃ）は多層基板の裏面の平面図であり、図４（ｄ）は第３基板の平面図である。図５（ａ）は位相可変部を４段形成した際の多層基板の表面の平面図であり、図５（ｂ）は第２基板の平面図、図５（ｃ）は多層基板の裏面の平面図であり、図５（ｄ）は第３基板の平面図である。図６（ａ）は従来の移相器の上面図であり、図６（ｂ）はその側面図である。

符号の説明

１移相器
２多層基板（第１基板）
３位相可変部
４グランド層
６入力側マイクロストリップ線路（入力用マイクロストリップ線路）
７出力側マイクロストリップ線路（出力用マイクロストリップ線路）
８結合マイクロストリップ線路
９ａ第２基板
９ｂ第３基板
Ｐｉ入力ポート
Ｐａ〜Ｐｄ出力ポート

Claims

入力用マイクロストリップ線路と出力用マイクロストリップ線路とが表面と裏面のそれぞれに形成された第１基板と、その第１基板の表面に形成された上記入力用マイクロストリップ線路と上記出力用マイクロストリップ線路とを電気的に接続するための結合マイクロストリップ線路が形成された第２基板と、上記第１基板の裏面に形成された上記入力用マイクロストリップ線路と上記出力用マイクロストリップ線路とを電気的に接続するための結合マイクロストリップ線路が形成された第３基板とからなる移相器であって、上記第１基板の表面に形成された上記出力用マイクロストリップ線路と上記第１基板の裏面に形成された上記入力用マイクロストリップ線路とが電気的に接続されていることを特徴とする移相器。
上記第２基板と上記第３基板とが上記第１基板に形成された上記入力用マイクロストリップ線路と出力用マイクロストリップ線路の長手方向に沿って同時にスライド可能となるように、上記第２基板と上記第３基板とが機械的に接続されている請求項１記載の移相器。
上記第１基板の表面に形成された最下段の上記出力用マイクロストリップ線路と、上記第１基板の裏面に形成された上記入力用マイクロストリップ線路とが電気的に接続されている請求項１または２記載の移相器。