(57)【要約】【課題】  インピーダンス変成器を実装することなく、マイクロ波やミリ波などの周波数信号の位相を変化させることができる位相器を得ることを目的とする。【解決手段】  直方体の誘電体２の長辺２ａの寸法Ｌが導波管１の管内波長λｇ1の２分の１の整数倍に設定され、その誘電体２の長辺２ａの方向が導波管１の長さ方向と一致するように、その導波管１の内部に配置されている。これにより、インピーダンス変成器を実装することなく、マイクロ波やミリ波などの周波数信号の位相を変化させることができるようになり、その結果、部品数の削減による低価格化や組立時間の短縮化を図ることができるとともに、信頼性の向上を図ることができる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数信号を伝送する導波管と、長辺の寸法が上記導波管の管内波長の２分の１の整数倍に設定され、その長辺の方向が上記導波管の長さ方向と一致するように、その導波管の内部に配置された直方体の誘電体とを備えた位相器。
【請求項２】
直方体の誘電体が偶数個又は偶数組配置される場合、偶数個又は偶数組の誘電体の配置周期が４分の１波長の奇数倍であることを特徴とする請求項１記載の位相器。
【請求項３】
周波数信号を伝送する導波管と、長辺の寸法が上記導波管の管内波長の２分の１の整数倍に設定され、その長辺の方向が上記導波管の長さ方向と一致するように、その導波管の内部に配置された直方体のフェライトと、上記フェライトに磁界を印加する磁気回路とを備えた位相器。
【請求項４】
直方体のフェライトが偶数個又は偶数組配置される場合、偶数個又は偶数組のフェライトの配置周期が４分の１波長の奇数倍であることを特徴とする請求項３記載の位相器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、導波管の内部を伝搬する周波数信号（例えば、マイクロ波やミリ波の高周波信号）の位相を変化させる位相器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
位相器は、伝送線路を構成する導波管を有し、その導波管の内部を伝搬するマイクロ波の位相を変化させる装置である。
位相器は、例えば、２本の導波管を製造して、電気的に高精度な位相合わせが必要である場合や、フェーズドアレーアンテナのように、複数のアンテナに給電するマイクロ波の位相を制御して、アンテナビーム方向を変化させる場合などに適用される。
【０００３】
従来の位相器は、導波管の内部にトロイド形状のフェライトが装荷されているが、トロイド形状のフェライトの両端では、インピーダンスの不連続によりマイクロ波の反射が発生するため、そのマイクロ波の反射を抑制する目的で、矩形の誘電体インピーダンス変成器がフェライトの両端に接続されている。
フェライトが装荷されている導波管の特性インピーダンスがＺｆ、空の導波管の特性インピーダンスがＺ0として、１段の誘電体インピーダンス変成器の特性インピーダンスＺｄが下記のようになるように、誘電体インピーダンス変成器の寸法を決定している（例えば、非特許文献１参照）。
Ｚｄ＝（Ｚｆ×Ｚ0）1/2
【０００４】
【非特許文献１】Ｌ．Ｒ．Ｗｈｉｃｋｅｒ，Ｒ．Ｒ．Ｊｏｎｅｓ，“Ａ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｌａｔｃｈｉｎｇ  Ｆｅｒｒｉｔｅ  Ｐｈａｓｅ  Ｓｈｉｆｔｅｒ”，１９６５  ＩＥＥＥ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎ  Ｒｅｃｏｒｄ，Ｐａｒｔ  ５，ｐｐ．２１７−２２３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の位相器は以上のように構成されているので、誘電体インピーダンス変成器の特性インピーダンスＺｄを適宜設定することにより、マイクロ波の位相を適宜変化させることができる。しかし、誘電体インピーダンス変成器をフェライトの両端に接続する必要があるので、部品点数が多くなり、組み立てが複雑になる課題があった。また、例えば、高電力のマイクロ波を伝搬する場合、熱の影響で誘電体インピーダンス変成器とフェライト間の接着が取れることがあり、信頼性が低下する課題もあった。
【０００６】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、インピーダンス変成器を実装することなく、マイクロ波やミリ波などの周波数信号の位相を変化させることができる位相器を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係る位相器は、直方体の誘電体の長辺の寸法が導波管の管内波長の２分の１の整数倍に設定され、その誘電体の長辺の方向が導波管の長さ方向と一致するように、その導波管の内部に配置されているものである。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、直方体の誘電体の長辺の寸法が導波管の管内波長の２分の１の整数倍に設定され、その誘電体の長辺の方向が導波管の長さ方向と一致するように、その導波管の内部に配置されているように構成したので、インピーダンス変成器を実装することなく、マイクロ波やミリ波などの周波数信号の位相を変化させることができる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による位相器を示す斜視図であり、図２はこの発明の実施の形態１による位相器を示す断面図である。
図において、導波管１は高周波の周波数信号であるマイクロ波を伝送するものであり、内部には直方体の誘電体２が配置されている。
直方体の誘電体２は長辺２ａの寸法Ｌが導波管１の管内波長λｇ1の２分の１の整数倍に設定され、その長辺２ａの方向が導波管１の長さ方向と一致するように、その導波管１の内部に配置されている。
ただし、導波管１の管内波長λｇ1は誘電体２が配置されている状態での波長であり、誘電体２が配置されていない状態での管内波長、即ち、中空導波管の管内波長はλｇ0で表現する。
誘電体２の短辺２ｂの寸法はＷ、誘電体２の高さの寸法はＨに設定されている。また、誘電体２の比誘電率はεｒに設定されている。
【００１０】
図３はこの発明の実施の形態１による位相器を示す等価回路図であり、図において、Ｚ1は誘電体２が配置されている状態での導波管１（以下、誘電体装荷導波管と称する）の特性インピーダンス、Ｚ0は誘電体２が配置されていない状態での導波管１（以下、中空導波管と称する）の特性インピーダンスを示している。
【００１１】
次に動作について説明する。
誘電体２の比誘電率εｒが空気や真空の比誘電率より高い値に設定されているので、誘電体装荷導波管を分布定数線路としてみたときの並列容量値が中空導波管の並列容量値よりも大きくなり、誘電体装荷導波管の特性インピーダンスＺ1が中空導波管の特性インピーダンスＺ0より低くなる。
このため、図３の観測面Ａから左側を見たときのインピーダンスは、誘電体装荷導波管の特性インピーダンスＺ1で正規化されるので、Ｚ0／Ｚ1で表される。
このインピーダンスＺ0／Ｚ1は、１より大きいので、図４に示すように、スミスインピーダンス図上では、中心より右側の軸上に位置する（図中、黒丸を参照）。
【００１２】
図３の観測面Ｂから右側を見たときのインピーダンスは、誘電体２の長辺２ａの寸法Ｌが、導波管１の管内波長λｇ1の２分の１の整数倍、即ち、Ｎ・λｇ1／２に等しいため（ただし、Ｎは整数である）、スミスインピーダンス図上では、φ＝２π×２Ｌ／λｇ1＝Ｎ×２πの角度分が、位相が遅れる方向（時計方向）に回転する位置にくる。
ただし、このインピーダンスは、２πの整数倍であるため、図５に示すように、観測面Ａから左側を見たときのインピーダンスと同じインピーダンスになる。
【００１３】
位相器の正規化入力インピーダンスは、図３の観測面Ｃから右側を見たときのインピーダンスになるが、図３の観測面Ｂで見たときの正規化の基準特性インピーダンスがＺ1、観測面Ｃで見たときの正規化の基準特性インピーダンスがＺ0であるため、位相器の正規化入力インピーダンスは、インピーダンス変換Ｚ1／Ｚ0を、観測面Ｂで見たときの正規化インピーダンスＺ0／Ｚ1に掛けたものに相当する。
したがって、図６に示すように、観測面Ｃから右側を見たときの正規化インピーダンスが下記の式（１）のようになり、インピーダンスの整合がとれた状態になる。
（Ｚ1／Ｚ0）×（Ｚ0／Ｚ1）＝１                  （１）
このことは、誘電体２の長辺２ａの寸法Ｌを導波管１の管内波長λｇ1の２分の１の整数倍、即ち、Ｎ・λｇ1／２に設定することにより、反射が生じない位相器が得られることを表している。
【００１４】
ここで、図７は誘電体２が配置されていない導波管１（位相器）を示す斜視図であり、図８は誘電体２が配置されていない導波管１（位相器）を示す断面図である。
図１及び図２の位相器を通過する信号の位相と、図７及び図８の位相器を通過する信号の位相とは、Δθの位相差が生じる。この位相差Δθは、下記の式（２）のように表される。
Δθ＝３６０°×Ｌ×（１／λｇ0−１／λｇ1）        （２）
また、この実施の形態１では、Ｌ＝Ｎ×λｇ1／２としているので、式（２）は下記の式（３）のように書き換えることができる。
λｇ1／λｇ0＝１−Δθ／（Ｎ×π）                （３）
【００１５】
図９は誘電体２の短辺２ｂの寸法Ｗをパラメータとして、λｇ／λ0の周波数特性（分散特性）と、この分散特性から求めたλｇ1／λｇ0を示すグラフ図である。
図９から明らかなように、誘電体２の短辺２ｂの寸法Ｗを変化させると、位相器のλｇ1／λｇ0の周波数特性（分散特性）が変化するので、式（３）の関係を満足するように設計できることが理解される。
なお、誘電体２の短辺２ｂの寸法Ｗではなく、誘電体２の高さの寸法Ｈや、誘電体２の誘電率εｒをパラメータとして変化させても、式（３）の関係を満足するように設計することができる。
【００１６】
以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、直方体の誘電体２の長辺２ａの寸法Ｌが導波管１の管内波長λｇ1の２分の１の整数倍に設定され、その誘電体２の長辺２ａの方向が導波管１の長さ方向と一致するように、その導波管１の内部に配置されているように構成したので、インピーダンス変成器を実装することなく、マイクロ波やミリ波などの周波数信号の位相を変化させることができるようになり、その結果、部品数の削減による低価格化や組立時間の短縮化を図ることができるとともに、信頼性の向上を図ることができる効果を奏する。
【００１７】
実施の形態２．
図１０はこの発明の実施の形態２による位相器を示す斜視図であり、図において、図１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
直方体のフェライト３は長辺３ａの寸法Ｌが導波管１の管内波長λｇ1の２分の１の整数倍に設定され、その長辺３ａの方向が導波管１の長さ方向と一致するように、その導波管１の内部に配置されている。
磁気回路４はフェライト３に磁界を印加する機能を備えている。
【００１８】
次に動作について説明する。
磁気回路４がフェライト３に磁界を印加すると、フェライト３が配置されている状態での導波管１（以下、フェライト装荷導波管と称する）では、フェライト磁気特性の根源である電子スピン歳差運動に起因する非可逆性により、高周波信号の伝搬方向において、管内波長が異なる現象が生じる。
図１１は管内波長が異なる現象が生じている場合の等価回路を示しており、一方の管内波長がλｇ1+、他方の管内波長がλｇ1-である。
【００１９】
磁気共鳴に至らない通常の磁界強度では、一般に（λｇ1+＋λｇ1-）は、ほぼ不変である。このため、Ｌ＝Ｎ×（λｇ1+＋λｇ1-）／４＝Ｎ×λｇ1／２とすれば、上記実施の形態１のように、誘電体２が実装されている位相器と同じ論理で、フェライト３が実装されている位相器の反射も小さくすることができる。
ここで、λｇ1は（λｇ1+＋λｇ1-）／２であり、かつ、磁界が印加されていない状態の管内波長に等しい。
【００２０】
フェライト３が実装されている位相器を通過する信号の位相と、フェライト３が実装されていない位相器を通過する信号の位相とは、Δθの位相差が生じる。この位相差Δθは、下記の式（４）のように表される。
Δθ＝３６０°×Ｌ×（１／λｇ0−１／λｇ1+）      （４）
式（４）のλｇ1+は、磁気回路４が印加する磁界強度を制御することにより制御することができるので、位相差Δθは磁界強度で制御することができる。ただし、位相差Δθを磁界強度で制御しても、上記の通り、反射は小さいまま安定している。
【００２１】
以上で明らかなように、この実施の形態２によれば、直方体のフェライト３の長辺３ａの寸法Ｌが導波管１の管内波長λｇ1の２分の１の整数倍に設定され、そのフェライト３の長辺３ａの方向が導波管１の長さ方向と一致するように、その導波管１の内部に配置されているように構成したので、インピーダンス変成器を実装することなく、マイクロ波やミリ波などの周波数信号の位相を変化させることができるようになり、その結果、部品数の削減による低価格化や組立時間の短縮化を図ることができるとともに、信頼性の向上を図ることができる効果を奏する。
【００２２】
実施の形態３．
図１２はこの発明の実施の形態３による位相器を示す斜視図である。
この実施の形態３では、上記実施の形態１と異なり、直方体の誘電体２が２個配置されており、２個の誘電体２の配置周期が４分の１波長である。
この実施の形態３では、誘電体２が２個配置されているものについて説明するが、誘電体２が偶数個配置されていてもよい。この場合、偶数個の誘電体２の配置周期が４分の１波長の奇数倍、即ち、偶数個の誘電体２の配置周期が（２Ｎ＋１）×λｇ／４であればよい。
また、誘電体２が偶数組（平行に配置されている誘電体２の組が偶数個）配置されていてもよい。この場合、偶数組の誘電体２の配置周期が４分の１波長の奇数倍、即ち、偶数組の誘電体２の配置周期が（２Ｎ＋１）×λｇ0／４であればよい。
【００２３】
図１３はこの発明の実施の形態３による位相器を示す等価回路図である。
２個の誘電体２の長辺２ａを導波管１の長さ方向に向って同方向とし、かつ、その長辺２ａの方向が導波管１の長さ方向と一致するように配置しているので、導波管１の伝送線路においては、等しい値のサセプタンスＢで表現することができる。
このサセプタンスＢにより、伝送線路内では反射が生じるが、２個の誘電体２の間隔を（２Ｎ＋１）×λｇ0／４としているため、位相器の左側から信号が入射された場合には、左側のサセプタンスＢによる反射波と、右側のサセプタンスＢによる反射波の位相が、図１３の観測面Ｄで逆位相になるため、反射波が打ち消し合うことになる。このため、この位相器では反射が生じないことになる。
なお、この実施の形態３による位相器の位相差Δθは、下記のように表される。
Δθ＝２π×２Ｌ×（１／λｇ0−１／λｇ1）      （５）
【００２４】
以上で明らかなように、この実施の形態３によれば、直方体の誘電体２が偶数個又は偶数組配置される場合、偶数個又は偶数組の誘電体２の配置周期が４分の１波長の奇数倍であるように構成したので、直方体の誘電体２を偶数個又は偶数組配置する必要がある場合でも、インピーダンス変成器を実装することなく、マイクロ波やミリ波などの周波数信号の位相を変化させることができる効果を奏する。
【００２５】
実施の形態４．
上記実施の形態３では、直方体の誘電体２が偶数個又は偶数組配置される場合、偶数個又は偶数組の誘電体２の配置周期が４分の１波長の奇数倍であるものについて示したが、誘電体２の代わりにフェライト３を配置してもよい。
図１４はこの発明の実施の形態４による位相器を示す斜視図である。
この実施の形態４では、上記実施の形態２と異なり、直方体のフェライト３が２個配置されており、２個のフェライト３の配置周期が４分の１波長である。
この実施の形態４では、フェライト３が２個配置されているものについて説明するが、フェライト３が偶数個配置されていてもよい。この場合、偶数個のフェライト３の配置周期が４分の１波長の奇数倍、即ち、偶数個のフェライト３の配置周期が（２Ｎ＋１）×λｇ／４であればよい。
また、フェライト３が偶数組（平行に配置されているフェライト３の組が偶数個）配置されていてもよい。この場合、偶数組のフェライト３の配置周期が４分の１波長の奇数倍、即ち、偶数組の誘電体２の配置周期が（２Ｎ＋１）×λｇ0／４であればよい。
【００２６】
図１４に示すように、２個の誘電体２を２個のフェライト３に置き換える場合、上記実施の形態２と同様に、磁気回路４を備えている構造にする。
２個のフェライト３に同方向で同じ強度の磁界を印加すれば、位相器の位相差Δθが下記のように表される。
Δθ＝２π×２Ｌ×（１／λｇ0−１／λｇ1+）      （６）
式（６）のλｇ1+は、磁気回路４が印加する磁界強度を制御することにより制御することができるので、位相差Δθは磁界強度で制御することができる。ただし、位相差Δθを磁界強度で制御しても、反射は小さいまま安定している。
【００２７】
以上で明らかなように、この実施の形態４によれば、直方体のフェライト３が偶数個又は偶数組配置される場合、偶数個又は偶数組のフェライト３の配置周期が４分の１波長の奇数倍であるように構成したので、直方体のフェライト３を偶数個又は偶数組配置する必要がある場合でも、インピーダンス変成器を実装することなく、マイクロ波やミリ波などの周波数信号の位相を変化させることができる効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】この発明の実施の形態１による位相器を示す斜視図である。
【図２】この発明の実施の形態１による位相器を示す断面図である。
【図３】この発明の実施の形態１による位相器を示す等価回路図である。
【図４】観測面Ａから左側を見たときの正規化インピーダンスを示すスミスインピーダンス図である。
【図５】観測面Ｂから右側を見たときの正規化インピーダンスを示すスミスインピーダンス図である。
【図６】観測面Ｃから右側を見たときの正規化インピーダンスを示すスミスインピーダンス図である。
【図７】誘電体が配置されていない導波管（位相器）を示す斜視図である。
【図８】誘電体が配置されていない導波管（位相器）を示す断面図である。
【図９】この発明の実施の形態１による位相器のλｇ1／λｇ0の周波数特性（分散特性）を示すグラフ図である。
【図１０】この発明の実施の形態２による位相器を示す斜視図である。
【図１１】この発明の実施の形態２による位相器を示す等価回路図である。
【図１２】この発明の実施の形態３による位相器を示す斜視図である。
【図１３】この発明の実施の形態３による位相器を示す等価回路図である。
【図１４】この発明の実施の形態４による位相器を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００２９】
１  導波管、２  誘電体、２ａ  長辺、２ｂ  短辺、３  フェライト、３ａ  長辺、４  磁気回路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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