(57)【要約】【課題】  使用周波数帯域が広帯域で、広い位相可変範囲を有する、連続的移相が可能な移相器を提供すること。【解決手段】  分岐数ｎ（図ではｎ＝４）の９０度ハイブリッド１の第ｎ分岐ＢＣ間をＰＩＮダイオード２で置換して移相器とする。Ｂ，Ｃ点は、ＰＩＮダイオード２によって互いに結合される。インダクタンス４を介してバイアス電流をＰＩＮダイオード２に流し、ＰＩＮダイオード２のインピーダンスを変化させると、端子Ｂ，Ｃにおける信号の反射あるいは結合の割合が変化する。このようにして、端子Ｄに出現する信号の位相を連続的に変化させることができる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ（ｎ≧２の整数）分岐９０度ハイブリッド回路の第ｎ分岐を可変インピーダンス素子で構成した移相器。
【請求項２】
前記可変ピーダンス素子は、ＰＩＮダイオードである請求項１に記載の移相器。
【請求項３】
前記可変ピーダンス素子は、ＦＥＴである請求項１に記載の移相器。
【請求項４】
前記可変インピーダンス素子のインピーダンスを連続的に変化させる移相量制御部を備える請求項１〜３のいずれか１項に記載の移相器。
【請求項５】
前記移相量制御部は、前記可変インピーダンス素子のバイアスを制御する請求項４に記載の移相器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、移相器に関し、例えば、ストリップラインで構成する高周波帯、マイクロ波帯、及びミリ波帯における移相器に関する。
【背景技術】
【０００２】
位相を変化させるための移相器は、例えば通信及び計測の分野において必要不可欠で、特にマイクロストリップ回路による９０度ハイブリッドを利用した移相器は構造が簡単で小型に構成できるので広く使用されている。
【０００３】
図６に、多段の９０度ハイブリッドを示す。その分岐ｋは１〜ｎまでのｎ個（ｎ≧２）存在する。ポート又は端子Ｅから入力する信号は、端子Ｆ，Ｇに、９０度位相の異なる信号として現れる。ここで各端子Ｆ，Ｇを無反射終端させれば、端子Ｈには信号が現れないが、端子Ｆ，Ｇのインピーダンスを調整すると、端子Ｈに位相が変化した信号が現れ、移相器として働く。なお、９０度ハイブリッド回路を多段に構成するのは、動作帯域を広げるためであり、また、ストリップラインの幅が変化しているのは、マイクロストリップ回路の結合度を調整した結果であり、それぞれ設計上の要請により決定される。
【０００４】
このような、９０度ハイブリッドを利用する移相器には、従来次のようなものがあった。図７に、９０度ハイブリッド１段を用いる反射型の移相器５０の例を示す。移相器５０は、入力端子Ｅ、出力端子Ｈを備え、反射端Ｆ，ＧにＰＩＮダイオード５１をスタブ５２を介して接続し、ＰＩＮダイオードに印加するバイアス電圧を調整して出力端Ｈに現れる信号の位相を調整するものである（特許文献１参照）。これは、その構成上、２つの位相状態を選択的に実現する目的で使用されることが多く、連続的な位相の変化を得るには問題がある。すなわち、ＰＩＮダイオードのオン時（順方向にバイアス電圧が加えられ低抵抗となっている場合）では、反射端Ｆ，ＧはＰＩＮダイオード５１を介して接地されているので、Ｆ，Ｇ端の信号は短絡端反射により戻ってゆく。これに対してＰＩＮダイオード５１のオフ時には、反射端Ｆ，Ｇは開放状態にあり、端子Ｆ，Ｇの信号は開放端反射により戻ってゆく。しかしながら、オンとオフの間のあるインピーダンスでは、使用する周波数によっては入射した高周波信号が端子Ｆ，Ｇで吸収される場合が存在し、これを回避しようとすると連続的な可変が実現できない。
【０００５】
また、ハイブリッドの多段接続により改善を試みると、１段当り少なくとも３ｄＢ程度の挿入損が加算され、また位相の連続性を保つことも困難になる。さらに、数種のスタブを選択的に使用する形態（特許文献２参照）では素子数が増大し、また位相可変範囲が連続ではなく、目的周波数によってはスタブ長が大きく長くなってしまう。
【０００６】
他に、図８に示すような、アッテネータ型の移相器がある。これは、９０度ハイブリッド５０の端子Ｆ，ＧにＰＩＮダイオードを用いた可変振幅回路（アッテネータ）５５及び５６を備えて、９０度ハイブリッド５０の端子Ｆ，Ｇに現れる９０度位相が異なる信号を可変振幅回路（アッテネータ）５５及び５６を介して再度合成して連続的な位相を実現するものである。しかし、減衰器を利用していることから挿入損が大きく、またマイクロ波帯ではキャパシタンス等が無視できずアッテネータそのものの減衰率を保つことは困難で、広帯域移相器としては現実的ではない。
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−２８４９０４号公報
【０００８】
【特許文献２】特許第３４３２３９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記の問題に鑑み、使用周波数帯域が広帯域で、広い位相可変範囲を有し、可変範囲内で連続的に安定した通過特性をもつ移相器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記課題を解決するために、ｎ（ｎ≧２の整数）分岐９０度ハイブリッド回路の第ｎ分岐を可変インピーダンス素子で構成して移相器とした。
【００１１】
この可変ピーダンス素子は、ＰＩＮダイオード又はＦＥＴとすることができる。
可変インピーダンス素子のインピーダンスは位相量制御部によって連続的に変化させることができる。この位相量の連続的変化は、可変インピーダンス素子のバイアスを制御することによって行うことができる。
【発明の効果】
【００１２】
このように構成したことによって、広帯域で位相可変範囲が広く、位相可変範囲内で安定した通過特性をもつ移相器を実現することができた。
【００１３】
また、従来の反射型やアッテネータ型では少なくとも２個以上必要であった可変インピーダンス素子が１つで済み、コスト削減、小型化に寄与する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
最初に、図６を参照して、本発明の原理を説明する。
図６は、先に述べたように、ｎ分岐９０度（３ｄＢ）ハイブリッドである。端子Ｆ，Ｇに現れる信号は９０度の位相差をもつ。本発明では、この第ｎ番目の分岐をＰＩＮダイオード等からなる可変インピーダンスで置換した。従来の９０度ハイブリッドを用い端子Ｈから位相が変化した信号を得るものは、端子Ｆ，Ｇにおける信号の反射のみを利用するのに対して、本発明は、端子Ｆ，Ｇにおける反射のみならず結合をも利用するものである。本発明によると、第ｎ分岐に置き換わった可変インピーダンスを変化させることによって、ハイブリッド回路のポートに存在する信号バランスを積極的に変化させて出力の位相を変化させることができる。可変インピーダンスとしてＰＩＮダイオードを用いる場合は、インピーダンスの変化を制御する移相量の制御はバイアス電圧を変化させることにより実現できる。本発明による回路はもはやハイブリッド回路とはいえないことに注目されたい。本発明は、９０度ハイブリッド回路に修正を加えて、新たな原理で移相器として構成したものである。
【００１５】
以下、図１〜５を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図１〜３で同一の符号は同一の構成を示す。
図１は、分岐数ｎ＝４の９０度ハイブリッド１の第４分岐ＢＣ間をＰＩＮダイオード２で置換したものである。ＰＩＮダイオード２のバイアス電流は、インダクタンス４を介してバイアス源（図示せず）から流れ込むように構成した。インダクタンス４はＡＣブロックの作用を果たしている。ＰＩＮダイオード２と点Ｂ及びＣは、ＤＣブロックのためキャパシタ３を介して接続した。本実施形態では、可変インピーダンス素子としてＰＩＮダイオードを使用したが、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を使用してもよい。この場合もバイアスを変化させることにより、インピーダンスを変化させることができる。図１には、本実施形態の９０度ハイブリッドを構成するストリップラインのプリントパターンをも示すが、当然のことながらライン幅及びライン間隔等は設計により決定されるものである。
【００１６】
ＰＩＮダイオード２等の追加した回路素子を除いて考えると、すなわち第４分岐をＰＩＮダイオードで置換する前の状態を考えると、点Ｂ，Ｃには９０度の位相差が存在している。ＰＩＮダイオード２に置換することは、Ｂ，Ｃ点に存在する高周波信号を可変複素インピーダンスであるＰＩＮダイオード２によって互いに結合することを意味する。そして、インダクタンス４を介してバイアス電圧をＰＩＮダイオード２に印加し、ＰＩＮダイオード２に順方向電流を流してバイアスを調整すると、点Ｂ，Ｃにおける高周波の反射と結合とが変化し、分岐ｋ＝１〜３のマルチバスのバランスにより点Ｄに出現している信号の位相が変化して、移相器として動作する。
【００１７】
すなわち、ＰＩＮダイオード２にバイアス電圧が印加されずにバイアス電流が流れていないか、又はバイアス電圧が低く順方向バイアス電流が小さい場合には、端子Ｂ，Ｃ間はＯＦＦ状態かあるいはＯＦＦ状態に近い。バイアス電圧を増加して順方向バイアス電流を増大させると、ＰＩＮダイオード２のインピーダンスは低下しＯＮ状態に近づき、点Ｄに現れる信号の位相は、相対的に進む。逆に、流れている順方向電流を減少させてゆくと、点Ｄに現れる信号の位相は、相対的に遅れる。このようにして、位相の連続的な変化が実現できる。従来の移相器では少くとも２個必要であった可変インピーダンス素子が１つで済むことも、本発明による利点である。
【００１８】
本実施形態では、一般的な４分岐ハイブリッドの第４分岐に可変複素インピーダンスを介在させ、この複素インピーダンスを変化させることによって、ハイブリッド回路のポートに存在する高周波信号バランスを変化させて、所望の位相をもつ出力信号を得ることができた。また、分岐の数を多くすれば、移相量変化に伴う入出力インピーダンスの乱れをさらに減少させることができる。なお、原理的にはハイブリッドの分岐数ｎは少なくとも２あれば、第２分岐を複素インピーダンスに置換して本発明を構成することができるが、実際には分岐の数ｎは３以上であることが望ましい。
【００１９】
図２は、図１にスタブ５，６を追加配置したものである。本例では、端子Ｂ，Ｃに適当なオープンあるいはショートスタブ５，６を設けることにより、端子Ｂ，Ｃに所望の反射波を存在させ、この点の位相を調整し、移相器の帯域を微調整するようにした。
【００２０】
図３は、図１の、点Ｂ，Ｃ間に配置されたＰＩＮダイオード２の前後に、所定の電気長とインピーダンスとを備えた伝送線７，８を配置して、位相状態を最適化したものである。さらに、図３の構成に、図２のショートスタブ５，６を追加することもできる。
なお、多段接続をさらに増やすことによって位相可変範囲を広げるようにしてもよいし、選択使用可能として更に帯域を広げることもできる。
【００２１】
図４は、本実施形態の通過特性を示す図であり、図５は、最大可変移相幅を示す図である。いずれも、分岐数ｎ＝４、中心周波数ｆ＝３．２ＧＨｚとして設計した図１に示す本実施形態について、ＰＩＮダイオードの各バイアス状態に相当するＳパラメータ（順方向電流Ｉf＝１０μＡ、Ｉf＝１０ｍＡの二例でＯＮ、ＯＦＦ状態を近似している）を算出して、計算機によるシミュレーションを行った結果である。
【００２２】
図４では、ＰＩＮダイオードがオン、オフ時の通過特性が示され、２．３ＧＨｚ〜４．１ＧＨｚ（正規化周波数約０．７〜１．３）の範囲で、少なくとも約−４ｄＢを達成していることが分る。図５によれば、同じ周波数範囲で、０度〜最大約７０度の位相を任意に生成することができる。従来の移相器では、正規化周波数約０．９〜１．１で最大可変位相範囲０度〜３０度程度であるから、本発明によって、使用周波数帯域及び可変位相範囲が拡大されていることを示している。
なお、可変インピーダンス素子としては、ＰＩＮダイオード及びＦＥＴに限定されず、他の素子を使用してもよいことはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の移相器の一実施形態を示す図である。
【図２】図１の実施形態にスタブを加えた変形例を示す図である。
【図３】図１の実施形態に伝送線を挿入した変形例を示す図である。
【図４】図１の実施形態の通過特性を示す図である。
【図５】図１の実施形態の最大可変移相幅を示す図である。
【図６】ｎ分岐３ｄＢハイブリッド回路を示す図である。
【図７】従来の反射型移相器の一例を示す図である。
【図８】従来の移相器の他の例を示す図である。
【符号の説明】
【００２４】
１…９０度ハイブリッド
２…ＰＩＮダイオード
３…キャパシタンス
４…インダクタンス
５，６…スタブ
７，８…伝送線
【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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