(57)【要約】  リアクタンス可変装置は、電圧制御可変容量回路、バイアス回路、及びインピーダンス変換器を備える。バイアス回路は、可変容量回路にバイアス電圧を供給するゲートウェイとして作動する仮想ＡＣ接地ノードを有する。インピーダンス変換器は、ＡＣ接地ノードから可変容量回路を分離するとともに、リアクタンス可変ＬＣタンクを形成する誘導素子となる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧制御可変容量回路と、
交流接地ノードを有し、前記可変容量回路にバイアス電圧を供給するバイアス回路と、
前記可変容量回路を前記交流接地ノードから分離するインピーダンス変換器と
を備えるリアクタンス可変装置。
【請求項２】
前記バイアス回路が、直列共振を生じて前記交流接地ノードを実現する誘導性チョーク及び容量性チョークを含む、請求項１記載のリアクタンス可変装置。
【請求項３】
前記バイアス回路が、共振回路を形成して前記交流接地ノードを実現する一組の開放スタブと該開放スタブを分離する伝送線路区間とを含む、請求項１又は２記載のリアクタンス可変装置。
【請求項４】
前記共振回路が、前記可変容量回路にバイアス電圧を供給する交流接地バイアスティー回路として作動する、請求項３記載のリアクタンス可変装置。
【請求項５】
前記バイアス回路が、直流電圧の供給を受ける直流電圧入力ノードを有し、前記共振回路が、該直流電圧入力ノードへの交流信号の漏れを遮断する、請求項３記載のリアクタンス可変装置。
【請求項６】
前記開放スタブが互いに異なる長さを有する、請求項３記載のリアクタンス可変装置。
【請求項７】
前記バイアス回路が、直流電圧の供給を受ける直流電圧入力ノードを有し、該直流電圧入力ノードに近い方の前記開放スタブの長さが前記インピーダンス変換器に近い方の前記開放スタブの長さより長い、請求項６記載のリアクタンス可変装置。
【請求項８】
前記開放スタブの一方の長さが交流信号の波長の１／４より長い、請求項６記載のリアクタンス可変装置。
【請求項９】
前記開放スタブの一方が前記リアクタンス可変装置の動作周波数以下の伝達零点を有する誘導性チョークとして作動するように、該開放スタブの一方の長さが設計される、請求項８記載のリアクタンス可変装置。
【請求項１０】
前記開放スタブの一方の長さが交流信号の波長の１／４より短い、請求項６記載のリアクタンス可変装置。
【請求項１１】
前記開放スタブの一方が前記リアクタンス可変装置の動作周波数より高い周波数の伝達零点を有する容量性チョークとして作動するように、該開放スタブの一方の長さが設計される、請求項１０記載のリアクタンス可変装置。
【請求項１２】
前記伝送線路区間の長さが交流信号の波長の１／４より短い、請求項６記載のリアクタンス可変装置。
【請求項１３】
前記インピーダンス変換器が伝送線路区間である、請求項１記載のリアクタンス可変装置。
【請求項１４】
前記インピーダンス変換器の長さが交流信号の波長の１／８以下である、請求項１３記載のリアクタンス可変装置。
【請求項１５】
前記交流接地ノードが高周波信号接地として作動しながら、前記可変容量回路及び前記インピーダンス変換器が一緒になって高周波信号に対するリアクタンス変動を生じさせる、請求項１記載のリアクタンス可変装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リアクタンス可変装置に関し、より具体的には、無線周波数（ＲＦ）におけるリアクタンスを可変するリアクタンス可変受動回路と、電子的に走査可能なパラサイトアレイ（ＥＳＰＡＲ）アンテナ又は適応インピーダンス整合回路等におけるマイクロ波アプリケーションに関する。
【背景技術】
【０００２】
薄型で低損失のリアクタンス可変回路は、例えばＥＳＰＡＲアンテナにおける適応ビーム形成のように、寄生受動素子間の結合を各寄生素子の入力インピーダンスを変更することで制御するＲＦ及びマイクロ波における様々なアプリケーションにおいて、必須となり得るものである。このリアクタンス可変回路は、アンテナの最大放射電力を得るための適応インピーダンス整合回路においても広く使用されている。リアクタンス可変回路は、その実効リアクタンス可変範囲が付随するＲＦ回路による影響を受けないように、あるいは、ＲＦ及びマイクロ波回路において妥当な性能を得るための所望の動作範囲内でリアクタンスを可変しながらもＲＦ損失を一切発生させないように、設計されるべきである。
【０００３】
リアクタンス可変回路を形成する単純な方法は、直流（ＤＣ）電源のためのバイアスティー回路とともにバラクタダイオードを使用することであろう。バラクタダイオードは、印加ＤＣ電圧に応じて可変容量を生成する逆バイアスダイオードである。バイアスティーの一般的な実施方法は、ＤＣ部とＲＦ部の間の高インピーダンスアイソレーションを実現することである。この高インピーダンスアイソレーションは、開放誘導性スタブを使用するか、１／４波長の高インピーダンス線路とともにラジアルスタブを使用するか（特許文献１、２、及び３を参照）、あるいは単にＲＦ部とＤＣ部の間に高抵抗チップ抵抗器を使用することで実現可能である。
【０００４】
リアクタンス可変回路内でバイアス回路に対してバラクタダイオードを接続する場合、そのバイアス回路に起因する寄生インピーダンスにより、ＲＦ損失を発生させる漏れが生じるとともに、そのバラクタダイオードのリアクタンス可変範囲を狭める効果が生じる。
【０００５】
図１は、ＲＦアプリケーションにおける単純化された従来のリアクタンス可変回路を示している。このリアクタンス可変回路は、可変容量回路１０３とバイアス回路１０４の２つの部分からなり、伝送線路１０２を介してＲＦアンテナ１０１に接続されている。可変容量回路１０３は、可変リアクタンス−ｊｘを有するバラクタダイオードを含み、バイアス回路１０４はバイアスティー回路を含む。バイアス回路１０４の役割は、ＲＦ部からＤＣ部へのＲＦ漏れを回避しながら可変容量回路１０３にＤＣ電圧を供給することである。
【０００６】
従来のバイアス回路１０４では、例えば、直列インダクタンスのように作動する開放スタブチョークや、開放スタブのように作動する１／４波長区間の高インピーダンス伝送線路付きラジアルスタブチョークや、単なる高抵抗チップ抵抗器を使用して、高インピーダンスアイソレーションを実現している。この高インピーダンスアイソレーションに起因して、バイアス回路１０４が寄生インピーダンスを生じることがある。この寄生インピーダンスは、バイアス回路１０４に対してそれぞれ並列及び直列に生じるＺｐｐ及びＺｐｓとして表記される。その結果、寄生インピーダンスにより所望のリアクタンス範囲の変動が乱されるとともに、望ましくないＲＦ損失がバイアス回路１０４で生じてしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−３４０７３７号公報
【特許文献２】特開昭５８−１４１００１号公報
【特許文献２】特開昭６１−００２３４０号公報
【発明の概要】
【０００８】
本発明の課題は、リアクタンス可変装置に設けられたバイアス回路に起因する寄生インピーダンスを除去することである。
本発明のリアクタンス可変装置は、電圧制御可変容量回路、バイアス回路、及びインピーダンス変換器を備える。バイアス回路は、交流（ＡＣ）接地ノードを有し、可変容量回路にバイアス電圧を供給する。インピーダンス変換器は、可変容量回路を交流接地ノードから分離する。
【０００９】
バイアス回路がＡＣ接地ノードを有するため、バイアス回路を横断する如何なる寄生インピーダンスも取り除かれ、ＲＦ損失のような望ましくない高周波信号損失が小さくなる。さらに、可変容量回路及びインピーダンス変換器がＬＣタンクを形成し、高周波信号に対する比較的広い範囲のリアクタンス変動を生じさせる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】単純化された従来のリアクタンス可変回路のブロック図である。
【図２】本発明の実施形態におけるリアクタンス可変回路のブロック図である。
【図３】リアクタンス可変回路の近似的な集中素子等価モデルの回路図である。
【図４】リアクタンス可変回路用に実現される平面回路のレイアウト図である。
【図５】リアクタンス可変回路用の平面回路の斜視図である。
【図６】共振デュアルチョーク回路のＤＣ−ＲＦアイソレーション特性の周波数依存性に関するシミュレーション結果を示すグラフである。
【図７】共振デュアルチョーク回路の反射減衰特性の周波数依存性に関するシミュレーション結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。
本発明の実施形態では、従来のものとは異なるバイアスティー回路のための新技術を採用する。この新技術では、バイアスティー回路用の高インピーダンスの代わりにＲＦ接地アイソレーション技術を提案する。ＲＦ部とＤＣ部の間のインピーダンス変換器とともにＲＦ接地を導入することで、ＲＦ損失を無視できるほど小さく抑えながら所望の範囲のリアクタンス変動を生じさせるリアクタンス可変受動ＲＦ回路を実現することができる。
【００１２】
リアクタンス可変回路は、可変容量回路、インピーダンス変換器、及び寄生インピーダンスを含まないＲＦ接地バイアス回路からなる、薄型プリント回路基板（ＰＣＢ）技術の集積受動ＲＦ回路として実現される。このバイアス回路は共振デュアルチョーク（ＲＤＣ）回路により実現され、その入力インピーダンスは零であるため、バイアス回路を横断する如何なる寄生インピーダンスも取り除かれる。ＲＤＣ回路は、例えば、異なる長さ又は電気長を有する２つの非共振開放スタブチョークで実現される。それぞれのチョークは２つの異なる長さで設計されるため、ＲＤＣ回路には２つの伝達零点が存在する。これらのチョークは、お互いから物理的に分離されるように、適切な長さの伝送線路区間を挟んで縦列接続され、ＲＤＣ回路は、２つの極の間の周波数帯域においてＲＦとＤＣの間のアイソレーション動作を持続する。
【００１３】
ＲＤＣ回路はＲＦ接地が得られるように設計されるため、可変容量回路に対して直接接続されるべきではない。伝送線路区間であり、Ｚ変換器と表記されるインピーダンス変換器が、可変容量回路とＲＤＣ回路の間に挿入される。ＲＦとＤＣ電源の間のＲＦ接地になるほかに、ＲＤＣ回路は、可変容量回路とインピーダンス変換器を組み合わせることでリアクタンス可変回路がＬＣタンクを形成するのを支援する、というもう１つの特別な特徴を有する。このインピーダンス変換器は並列インダクタとして作動するため、ＬＣタンクは比較的広い範囲でリアクタンスを可変する。
【００１４】
図２は、このようなリアクタンス可変回路のブロック図を示している。このリアクタンス可変回路は、可変容量回路２０３、Ｚ変換器２０４、及びバイアス回路２０５からなり、伝送線路２０２を介してＲＦアンテナ２０１に接続されている。例えば、可変容量回路２０３はバラクタダイオードを含み、バイアス回路２０５はＲＤＣ回路を含む。
【００１５】
この回路のキーポイントとしてＲＦ接地バイアスを提案する。ＲＦ接地２０６によりすべての寄生インピーダンスＺｐｐ及びＺｐｓが短絡されるため、寄生インピーダンスは消滅することになる。バイアスはＲＦ短絡により実現されるが、ＤＣ電源に対するＲＦ信号の漏れを遮断しながらも可変容量回路２０３へのＤＣ電源パスは維持される。短絡回路は可変容量回路２０３側にあるため、ＲＦ接地２０６を可変容量回路２０３から分離する必要がある。この可変容量回路２０３とＲＦ接地２０６を分離するために、Ｚ変換器と表記される伝送線路区間２０４が設けられる。
【００１６】
図３は、リアクタンス可変回路の動作方法を説明するための近似的な集中素子等価モデルを示している。集中素子は、すべての損失等価パラメータを無視することで、理想的なケースとして近似されている。点線のブロック３０８は、ＲＤＣ回路の近似的な集中素子等価モデルを示しており、容量Ｃｒ及びインダクタンスＬｒをそれぞれ有する近似的な集中キャパシタ３１１及びインダクタ３１２を含む。キャパシタ３１１及びインダクタ３１２が一緒になって所望の設計周波数で直列共振を生じるため、ＲＤＣブロック３０８はＲＦ接地３１３を実現する。ＲＤＣブロック３０８が共振している間、Ｌｒ及びＣｒが消滅し、ノード３０７における入力インピーダンスは零になる。
【００１７】
ノード３０９は、ＤＣ電源が接続される点を表す。Ｚ変換器３０６は、ノード３０３と３０７の間に接続される。Ｚ変換器３０６は、ＲＦ接地ノードであるノード３０７で終端された伝送線路区間であるため、インダクタのように作動する。バラクタダイオード３０４は、ノード３０３とＤＣ接地３０５の間に接続される。ＤＣ接地３０５はＲＦ接地３１３とは異なる。したがって、Ｚ変換器３０６はＲＦ接地を認識し、バラクタダイオード３０４とともにＬＣタンク回路を形成する。このＬＣタンク回路は、ノード３０３において入力リアクタンスの変動を生じさせる。ノード３０９において供給されるＤＣ電源が変化するとバラクタダイオード３０４の容量値が変化するため、バラクタダイオード３０４は、ノード３０３においてＬＣタンク回路に対するリアクタンス変動を生じさせる。
【００１８】
インダクタ３０２は、アンテナ３０１の給電点をリアクタンス可変ノード３０３に接続する５０オーム伝送線路区間を近似したものである。アンテナ３０１をＲＦ回路に置き換えることも可能であろう。
【００１９】
図４は、リアクタンス可変受動ＲＦ回路のレイアウト例の平面図を示している。点線のブロック４０１は、リアクタンス可変回路のＲＤＣブロック３０８を表しており、２つのマイクロストリップ開放スタブ４１３及び４１５を含む。両方のスタブは、伝送線路区間４１４により分離されている。スタブ４１５の長さはＬ１であり、スタブ４１３の長さＬ２より長いことが好ましい。スタブ４１５は所望の設計周波数で誘導性チョークとして作動するため、長さＬ１がＲＦ信号の基板上波長の１／４より長いことが好ましい。スタブ４１３は容量性チョークとして作動するように、スタブ４１３の長さＬ２が基板上波長の１／４より短いことが好ましい。伝送線路区間４１４の長さはＬｃｃであり、これも基板上波長の１／４より短いことが好ましい。
【００２０】
設計手順としては、スタブ４１５のＬ１及び幅が設計周波数に基づいて初期段階で決定され、その後、ＲＤＣブロック３０８が図３のノード３０７でＲＦ接地を実現するように、電磁気シミュレーションによりＬ２及びＬｃｃが同時に設計される。Ｌ１及びＬ２は２つの異なる長さであるため、ＲＤＣブロック３０８は２つの異なる伝達零点又は極を有する。低い方の周波数に現れる極は、スタブ４１５の誘導性チョークに起因し、高い方の周波数に現れる他の極は、スタブ４１３の容量性チョークに起因する。このため、ＲＤＣブロック３０８は、ある周波数帯域に渡ってＤＣとＲＦの間のアイソレーションを持続する。誘導性チョークに起因する伝達零点又は極は、指定された設計周波数又はそれよりわずかに低い周波数に現れるべきある、つまり、リアクタンス可変回路の指定された動作周波数は、ＲＤＣブロック３０８の極と極の間に収まるべきである。
【００２１】
点線のブロック４０２は、バラクタダイオード３０４がＲＦ接地を認識しないようにするＺ変換器３０６に対応する。ブロック４０２に適した長さは、基板上波長の１／８以下である。スタブ４１３及び４１５、伝送線路区間４１４、及びブロック４０２の幅は異なっていてもよい。ブロック４０２はブロック４０１をＲＦ接地として認識するため、バラクタダイオード３０４とともにＬＣタンクを形成するインダクタのように作動する。間隙４０３は、バラクタダイオード３０４を取り付ける場所を表している。伝送線路区間４１２の細い区間は、バラクタダイオード３０４の半田付けパッドになるとともに、伝送線路区間４１１とブロック４０２の間の切れ目にもなる。バラクタダイオード３０４の逆バイアス端は伝送線路区間４１２に接続され、他方の端は、低インダクタンスビアホール４１９を介してＰＣＢの底面に接続されている接地パッド４１８に接続される。
【００２２】
伝送線路区間４１１は、リアクタンス可変回路をアンテナ３０１の給電点又は関連するＲＦ回路に接続する。４１６の部分はバイアスティー回路を構成するためのもので、伝送線路区間４１４と同じ幅を有する。４１６の部分はリアクタンス変動に影響を与えることはなく、ＤＣ電源へのパスになるだけである。４１７の部分は、ＤＣ電源接続パッドとしての役割を果たす。
【００２３】
図５は、ＰＣＢ上のリアクタンス可変受動ＲＦ回路の斜視図を示している。上面５０３は、図４に示したリアクタンス可変受動ＲＦ回路を包含している。ＰＣＢの基板誘電材料５０２は、上面５０３と底面５０１の間に挟まれている。底面５０１は、ＤＣ接地３０５になる接地面を包含している。
【００２４】
図６及び図７は、ＲＤＣブロック３０８の周波数特性を示している。図６は、ＲＦとＤＣの間のアイソレーションを、ノード３０７と３０９の間の透過係数Ｓ２１を用いてｄＢ単位で図示している。ＲＤＣブロック３０８は、図示する目的のため、５．０６ＧＨｚで設計されている。曲線６０１、６０２、及び６０３は、誘導性チョーク、容量性チョーク、及びＲＤＣにそれぞれ起因するアイソレーションを表している。曲線６０３は、このＲＤＣ回路が２つの伝達零点又は極６０５及び６０６を有することを示している。設計周波数に現れる第１の極６０５は、スタブ４１５からの寄与によるものである。第２の極６０６は、ＲＤＣ回路の入力インピーダンスが零になるように、スタブ４１３の長さＬ２及び幅とともに伝送線路区間４１４の長さＬｃｃを最適化することで得られる。
【００２５】
図７は、ＲＤＣ回路の入力ノード３０７における反射係数Ｓ１１を用いてｄＢ単位で反射減衰量を図示している。曲線７０１、７０２、及び７０３は、誘導性チョーク、容量性チョーク、及びＲＤＣにそれぞれ起因する反射減衰量を表している。図示されているように、動作帯域全域に渡って反射が極めて小さいため、このＲＤＣのＲＦ損失は無視できるほど小さい。ただし、図示された反射減衰量は理想的な状態のシミュレーションで得られたものであることを明記しておく。実際に製造されたＲＤＣは、導体及び誘電体基板に起因するいくらかの損失を伴うであろう。
【００２６】
以上説明したように、リアクタンス可変回路用のＲＤＣ回路を首尾よく提案することができた。この回路は広帯域動作を支援し、ＥＳＰＡＲアンテナ又は適応インピーダンス整合回路に使用可能な広いリアクタンス変動を生じさせるものである。
【図１】
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【図２】
2010529699.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2010529699.tif 000007
【図６】
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【図７】
2010529699.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成21年12月8日(2009.12.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧制御可変容量回路と、
交流接地ノードを有し、前記可変容量回路にバイアス電圧を供給するバイアス回路と、
前記可変容量回路を前記交流接地ノードから分離するインピーダンス変換器と
を備えるリアクタンス可変装置。
【請求項２】
前記バイアス回路が、直列共振を生じて前記交流接地ノードを実現する誘導性チョーク及び容量性チョークを含む、請求項１記載のリアクタンス可変装置。
【請求項３】
前記バイアス回路が、共振回路を形成して前記交流接地ノードを実現する一組の開放スタブと該開放スタブを分離する伝送線路区間とを含む、請求項１又は２記載のリアクタンス可変装置。
【請求項４】
前記開放スタブが互いに異なる長さを有する、請求項３記載のリアクタンス可変装置。
【請求項５】
前記バイアス回路が、直流電圧の供給を受ける直流電圧入力ノードを有し、該直流電圧入力ノードに近い方の前記開放スタブの長さが前記インピーダンス変換器に近い方の前記開放スタブの長さより長い、請求項４記載のリアクタンス可変装置。
【請求項６】
前記開放スタブの一方の長さが交流信号の波長の１／４より長い、請求項４記載のリアクタンス可変装置。
【請求項７】
前記開放スタブの一方の長さが交流信号の波長の１／４より短い、請求項４記載のリアクタンス可変装置。
【請求項８】
前記伝送線路区間の長さが交流信号の波長の１／４より短い、請求項４記載のリアクタンス可変装置。
【請求項９】
前記インピーダンス変換器が伝送線路区間である、請求項１記載のリアクタンス可変装置。
【請求項１０】
前記インピーダンス変換器の長さが交流信号の波長の１／８以下である、請求項９記載のリアクタンス可変装置。
【国際調査報告】
2010529699.tif 000010
2010529699.tif 000011