(57)【要約】【課題】高周波通信用の位相可変装置において、簡易な構成で、高周波信号の位相を連続的に、容易に変化させることができるとともに、小型かつ安価に作製することができるようにする。【解決手段】誘電体基板１上に薄膜の磁気インピーダンス素子３を形成し、もう一つの誘電体基板２で挟み込み、更にアルミニウム、銅等の非磁性体の接地板４で挟み込んだ構造とした。すなわち、高周波信号伝送線路であるストリップ線路を上下（両側）から誘電体と接地導体との二重構成で挟み込む構造を持ったトリプレート構造とし、さらに上記の磁気インピーダンス素子３によるトリプレート構造の高周波伝送線路を、非磁性体である導体、例えばアルミニウムや銅からなる金属ケースで取り囲む構造とした。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波信号伝送線路を有し、該高周波信号伝送線路は、外部磁界の変化を受けてインピーダンス成分が変化する磁気インピーダンス素子を具備することを特徴とする位相可変装置。
【請求項２】
高周波信号伝送線路は、外部磁界の変化を受けて磁気インダクタンス成分が変化するインダクタンス素子を具備することを特徴とする請求項１記載の位相可変装置。
【請求項３】
高周波信号伝送線路を誘電体と非磁性体の接地導体との二重構成で両側から挟み込んだトリプレート構造を有していることを特徴とする請求項１または２記載の位相可変装置。
【請求項４】
非磁性体の金属ケースで周囲を囲んだことを特徴とする請求項３記載の位相可変装置。
【請求項５】
磁界制御が可能な励磁コイルの中に配置したことを特徴とする請求項１ないし３何れか記載の位相可変装置。
【請求項６】
高周波信号伝送線路の近傍に左記高周波信号伝送線路との距離を制御可能なように磁性体を配置したことを特徴とする請求項１ないし３何れか記載の位相可変装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばアンテナアレイの指向性制御を行う移相器に使用される位相可変装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
通信機器における高周波信号は、正弦波や矩形波、変調された信号など、周波数成分を持った信号すべてを意味する。また、高周波信号の伝送線路のうちマイクロ波帯及びミリ波帯伝送線路は、その周波数帯の性質から誘電体基板上に導電体パターンによる平面回路で形成されることが多い。この基板上の導電体パターンで形成されることにより、安価、小型化が可能となる。
【０００３】
上記マイクロ波帯及びミリ波帯伝送線路は、マイクロ波帯信号、準ミリ波帯信号及びミリ波帯信号を伝播することができる伝送線を意味する。また、マイクロ波帯信号は、周波数がおおむね３ＧＨｚ〜３０ＧＨｚの信号を意味し、ミリ波帯信号は、おおむね３０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚの信号をそれぞれ意味する。
【０００４】
そして、上記の伝送線路を通過する高周波信号の位相を変化させることのできる位相可変装置として、種々の移相器が実用化されている。この高周波信号の位相を可変できることにより、その応用の一つとして、多数のアンテナを使用する送受信において、指向性を所望の方向に向けることができる。また、他の応用として、高周波信号の位相変調を行うこともできる。図７〜図１０に現在実用化されている移相器の例を示す。
【０００５】
図７に示すものは、伝送線路切り替え型移相器である。この移相器は、スイッチング素子を用いて伝送線路を切り替えることにより、高周波伝送線路の長さを制御するデジタル移相器である。図７のような回路構成をとれば、スイッチの切り替えによって０°から３３７．５°まで２２．５°ステップで伝送線路長を変化させることができる。
【０００６】
上記の伝送線路長の変化は２２．５°刻みでデジタル的であり、連続変化させることはできない。刻み幅を小さくすると最大変化量が少なくなる。刻み幅を小さく、かつ最大変化量を大きくとるには、段数を増やす必要があり、回路の規模が大きくなる。
【０００７】
図８に示すものは、トランスミッションタイプ（Ｔｔａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　Ｔｙｐｅ；Ｌｏａｄｅｄ　Ｌｉｎｅ型）の移相器である。この移相器は、伝送線路の間に可変リアクタンス素子を挿入し、リアクタンス素子からの反射量を制御して位相を変化させるものである。図８の構成においては、可変キャパシタンス素子１１として例えばバラクタグイオードを伝送線路に並列に接続し、バラクタグイオードの容量、つまりリアクタンスのうち容量成分を変化させて位相を変化させている。変化量はアナログ的に変化させることが可能となる。
【０００８】
また、バラクタグイオードの代わりにスイッチング素子であるＰＩＮダイオードを接続することもできる。この場合、ＰＩＮダイオードをオン（ＯＮ）、オフ（ＯＦＦ）させることにより、容量性と抵抗性を切り替えて位相を変化させる。この場合も、移相器はデジタル式となる。
【０００９】
図９に示すものは、リフレクションタイプ（Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ　Ｔｙｐｅ；Ｈｙｂｒｉｄ　Ｃｏｕｐｌｅｄ型）の移相器である。この移相器は、伝送線路の間にハイブリッド回路及び可変リアクタンス素子を挿入し、リアクタンス素子からの反射量を制御して位相を変化させるものである。図９の構成においては、可変キャパシタンス素子１１として例えばバラクタグイオードをハイブリッドの端部に並列に接続し、バラクタグイオードの容量、つまりリアクタンスを変化させて位相を変化させている。変化量はアナログ的に変化させることが可能となる。
【００１０】
また、バラクタグイオードの代わりにスイッチング素子であるＰＩＮダイオードでも代用できる。この場合ＰＩＮダイオードをオンオフさせることにより、容量性と抵抗性を切り替えて位相を変化させる。この場合は移相器はデジタル式となる。
【００１１】
図１０に示すものは、２信号合成型移相器である。この移相器は、増幅器と、ハイブリッド回路と、二つの可変減衰器と、結合器とを備え、高周波信号を直交関係にある２つの信号（ｓｉｎ波、ｃｏｓｉｎ波）に分け、重み付けしたその２つの信号を合成することにより所望の位相量を持った信号を生成するものである。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のような従来の移相器にあっては、リアクタンス成分のうち、容量性の変化を用いた移相器のみであり、次のような問題点があった。
【００１３】
伝送線路切り替え型移相器では、可変できる位相の値はあるステップ単位のデジタル方式であり、位相の連続変化を行うことはできない。また、スイッチング素子には例えばＰＩＮダイオードなどが使用されるが、そのスイッチング素子に電流を流すためには各ビットごとの制御信号線が必要であり、制御回路を含め回路全体が複雑となる。更に、最大位相変化量を広げるために制御ビット数を増やすと、回路規模が大きくなってしまう。また、移相器を伝送する高周波信号は、複数のスイッチング素子を通過するため、挿入損失が非常に大きくなる。
【００１４】
トランスミッションタイプの移相器では、少なくとも２個の可変リアクタンス素子を一定の距離をおいて配置するため、回路規模が大きくなるとともに、周波数帯域が非常に狭いものとなる。また、最大移相量を大きくとるために、並列に多段接続が行われるが、回路が更に大きくなり、制御回路を含め回路全体が複雑となる。
【００１５】
リフレクションタイプの移相器では、少なくとも２個の可変リアクタンス素子を一定の距離を置いて配置するため、回路規模が大きくなるとともに、周波数帯域が非常に狭いものとなる。また、最大移相量を大きくとるために、並列に多段接続が行われるが、回路が更に大きくなり、制御回路を含め回路全体が複雑となる。
【００１６】
２信号合成型移相器では、アンプなどの能動回路と高周波回路との組み合わせであり、回路全体が複雑、大型であり、非常に高価なものとなる。
【００１７】
本発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたもので、簡易な構成で、高周波信号の位相を連続的に、容易に変化させることができるとともに、小型かつ安価に作製することができる位相可変装置を提供することを目的としている。
【００１８】
また、電気的、高周波的に外部の影響を断つことができ、高周波信号の通過損失を低減でき、更に金属体の影響を受けることもない位相可変装置を提供することを目的としている。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る位相可変装置は、次のように構成したものである。
【００２０】
（１）高周波信号伝送線路を有し、該高周波信号伝送線路は、外部磁界の変化を受けてインピーダンス成分が変化する磁気インピーダンス素子を具備するようにした。
【００２１】
（２）上記高周波信号伝送線路は、外部磁界の変化を受けて磁気インダクタンス成分が変化するインダクタンス素子を具備するようにした。
【００２２】
（３）上記高周波信号伝送線路を誘電体と非磁性体の接地導体との二重層で両側から挟み込んだトリプレート構造を有するようにした。
【００２３】
（４）上記非磁性体の金属ケースで周囲を囲んだ。
【００２４】
（５）磁界制御が可能な励磁コイルの中に配置した。
【００２５】
（６）上記高周波信号伝送線路の近傍に左記高周波信号伝送路との距離を制御可能なように磁性体を配置した。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面について説明する。
【００２７】
磁気インピーダンス素子は、外部磁界の変化によってインピーダンス成分が変化する素子である。そのインピーダンス成分のうち、レジスタンス成分、リアクタンス成分共に変化をするが、特にリアクタンス成分のうちのインダクタンス成分が変化する。
【００２８】
上記の磁気インピーダンス素子を高周波信号伝送線路とし、外部磁界を変化させると、高周波信号伝送線路のインダクタンス成分が変化し、高周波信号伝送線路を通過する高周波信号の位相を変化させることができる。本実施例は、この磁気インピーダンス素子で構成する高周波信号伝送線路を通過損失の極めて少ないトリプレート構造としている。
【００２９】
図１は本実施例の基本構成を示す斜視図であり、上述のトリプレート構造を示している。誘電体基板１上に薄膜の磁気インピーダンス素子３を形成し、もう一つの誘電体基板２で挟み込み、更にアルミニウム、銅等の非磁性体の接地板４で挟み込んだ構造としている。
【００３０】
すなわち、トリプレート構造とは高周波信号伝送線路であるストリップ線路を上下（両側）から誘電体と接地導体との二重構成で挟み込む構造を持った高周波信号伝送線路のことを言う。
【００３１】
図２は本実施例の断面構造を示す図である。上記の磁気インピーダンス素子３によるトリプレート構造の高周波伝送線路を、非磁性体である導体、例えばアルミニウムや銅からなる金属ケース５で取り囲む構造としている。このような構造により、高周波伝送線路を通過する高周波信号は、電気的に外部の影響を受けなくなる。
【００３２】
図３に本実施例の上部からの透視図を示し、図４に横方向からの透視図を示す。同図中に示す６はコネクタである。
【００３３】
図５及び図６は本実施例の使用形態を示す図である。
【００３４】
上記の電気的に外部の影響をなくした磁気インピーダンス素子３によるトリプレート構造の高周波伝送線路７を、図５のように外部磁界を発生する励磁コイル８の近傍に配置する。その際、励磁コイル８の近傍であっても、内部であってもどちらでも構わない。
【００３５】
このとき、磁気インピーダンス素子３による高周波信号伝送線路７は、電気的及び高周波的にシールドされているため、近傍に配置した励磁コイル８の金属体としての影響を受けることがない。
【００３６】
また、磁気インピーダンス素子３による高周波信号伝送線路７は非磁性体で囲まれているため、励磁コイル８から発生する磁界の影響は受けることができる。つまり、励磁コイル８に流れる制御電流を制御することによって、磁気インピーダンス素子３による高周波信号伝送線路７を通過する高周波信号の位相を変化させることができる。
【００３７】
更に、磁気インピーダンス素子３による高周波信号伝送線路７及び励磁コイル８を磁気遮蔽ケース９内に設置することにより、地磁気など外部の磁気の影響を受けなくすることができる。
【００３８】
また、図６のように励磁コイル８の代わりに外部磁界を変化させることができる素子として永久磁石のような磁性体１０を用いることも可能である。その際、磁性体１０と磁気インピーダンス素子３による高周波信号伝送線路７との距離を制御することによって、磁気インピーダンス素子３による高周波信号伝送線路７を通過する高周波信号の位相を変化させることができる。
【００３９】
また、空気は誘電率１．０の誘電体と見なすことができるので、トリプレート構造の磁気インピーダンス素子３による高周波信号伝送線路７は、片方の誘電体基板を空気、つまり空洞とすることも可能であるのは明らかである。
【００４０】
このように、本実施例では誘導性の変化を利用しており、簡易な構成で、高周波信号の位相を連続的に、容易に変化させることができるとともに、小型かつ安価に作製することができる。
【００４１】
また、電気的、高周波的に外部の影響を断つことができ、高周波信号の通過損失を低減でき、更に金属体の影響を受けることもない位相可変装置を実現することができる。
【００４２】
すなわち、従来の移相器は通過する高周波信号の位相を連続的に変化させることが難しかったが、可変リアクタンス素子、つまり可変インダクタンス素子である磁気インピーダンス素子３を用いることにより、励磁コイル８や永久磁石を使用して外部磁界を変化させることで、高周波信号の位相を連続的に、容易に変化させることができる。
【００４３】
従来の移相器は、移相回路及び制御回路共に回路規模が大きく、かつ高価であったが、本実施例の磁気インピーダンス素子３は薄膜化が容易であるので、マイクロ波帯及びミリ波帯伝送線路と同様に平面回路だけでの移相器が可能となり、小型かつ安価に作製できる。
【００４４】
また、磁気インピーダンス素子３による高周波信号伝送線路７をアルミニウムや銅などの非磁性体の導体ケースで囲み、シールドすることによって、電気的、高周波的に外部の影響を取り去ることができる。
【００４５】
また、磁気インピーダンス素子３による高周波信号伝送線路７は導体ケースで取り囲むのに適し、かつ通過損失が非常に少ないトリプレート構造とすることによって、高周波信号伝送線路７を通過する高周波信号の通過損失を低減することができる。
【００４６】
更に、電気的、高周波的にシールドした高周波信号伝送線路７の周囲に励磁コイル８や永久磁石などの磁性体１０を配置しても、高周波伝送線路７は電気的、高周波的にシールドされているので、これら近傍に配置する励磁コイル８や永久磁石などの磁性体１０の金属体の影響を受けることはない。
【００４７】
また、高周波信号伝送線路７及び近傍に配置した励磁コイル８や永久磁石などの磁性体１０全体を磁気遮蔽板９で取り囲むことにより、地磁気など他の外部磁気の影響を受けないようにすることができる。
【００４８】
なお、高周波信号伝送線路７に用いる素子は、磁界によってリアクタンス成分が変化するものであれば何でも良く、磁気インダクタンス素子でも同様であるのはいうまでもないことである。
【００４９】
また、本発明によって、小型化、安価が実現できるので、高周波信号を用いた携帯通信機器の移相素子、変調素子、アンテナアレイの指向性制御における移相器、高周波通信機器における周波数可変発振器、通信機器における高周波信号の変復調素子として広く利用することができる。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によって、簡易な構成で、高周波信号の位相を連続的に、容易に変化させることができるとともに、小型かつ安価に作製することができる。
【００５１】
また、電気的、高周波的に外部の影響を断つことができ、高周波信号の通過損失を低減でき、更に金属体の影響を受けることもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の基本構成を示す斜視図
【図２】実施例の断面構造を示す図
【図３】実施例の上部からの透視図
【図４】実施例の横方向からの透視図
【図５】実施例の使用形態を示す図
【図６】実施例の使用形態を示す図
【図７】伝送線路切り替え型移相器の構成を示す図
【図８】トランスミッションタイプの移相器の構成を示す図
【図９】リフレクションタイプの移相器の構成を示す図
【図１０】２信号合成型移相器の構成を示す図
【符号の説明】
１　誘電体基板
２　誘電体基板
３　磁気インピーダンス素子
４　接地板
５　金属ケース
８　励磁コイル
９　磁気遮蔽ケース
１０　磁性体
【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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