(57)【要約】【課題】従来よりも構造が簡易で位相可変量が大きく、小型で高周波特性に優れた可変位相器を提供する。【解決手段】第１の誘電体基板１０と、第１の誘電体基板１０の上面１０ｂ上に形成され、信号を伝播させる信号線路１１と、を含む伝送線路１０１、１０２を有し、伝送線路１０１、１０２は、信号線路１１の上方に第２の誘電体基板２０を配置した第１の伝送線路１０１と、信号線路１１上方に第２の誘電体基板２０と異なる誘電率の異誘電率部２３を配置した、第１の伝送線路１０１とは実効誘電率が異なる第２の伝送線路１０２と、からなり、第２の誘電体基板２０と異誘電率部２３は、第１の誘電体基板１０の上面１０ｂに沿って移動可能に配置され、前記移動によって伝送線路１０１、１０２における第１の伝送線路１０１と第２の伝送線路１０２の伝送路長比率が可変される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の誘電体基板と、前記第１の誘電体基板の一方の面上に形成され、信号を伝播させる信号線路と、を含む伝送線路を有し、
前記伝送線路は、前記信号線路の上方に第２の誘電体基板を配置した第１の伝送線路と、前記信号線路上方に前記第２の誘電体基板と異なる誘電率の異誘電率部を配置した、前記第１の伝送線路とは実効誘電率が異なる第２の伝送線路と、を含んでなり、
前記第２の誘電体基板と前記異誘電率部は、前記第１の誘電体基板の前記一方の面に沿って移動可能に配置され、
前記移動によって前記伝送線路における前記第１の伝送線路と前記第２の伝送線路の伝送路長比率が可変されることにより前記伝送線路における前記信号の伝播速度が変化し、該信号の位相を可変させて出力することを特徴とする可変位相器。
【請求項２】
前記信号線路が、蛇行状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の可変位相器。
【請求項３】
前記信号線路が、所定の軸上に曲率中心を有する円弧状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の可変位相器。
【請求項４】
前記伝送線路の特性インピーダンスが所望の値となるように、前記異誘電率部上部の所定位置に接地導体を設けたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の可変位相器。
【請求項５】
前記異誘電率部が、空気層あるいは誘電体部材からなることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の可変位相器。
【請求項６】
前記伝送線路が、コプレナーウエーブガイドあるいはグランデッドコプレナーウエーブガイドである請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の可変位相器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可変位相器に係り、特に位相可変量が大きな可変位相器に関する。
【背景技術】
【０００２】
位相を連続可変させる方法としては、伝送線路の長さを変えるようにしたものが性能的に安定であり、一般的に多く用いられている。
【０００３】
例えば、同軸伝送線路の長さを可変する機構を設けた可変位相器（例えば、特許文献１参照）や、マイクロストリップ線路の長さを可変する機構を設けた可変位相器（例えば、特許文献２参照）が公知である。
【０００４】
特許文献１に開示されたような従来の可変位相器は、図９（ａ）に示すように、入出力コネクタ６１、６２と、この入出力コネクタ６１、６２に接続された固定の伝送ライン６３と、この固定の伝送ライン６３に対し摺動自在な可動の伝送ライン６４により構成されている。導電性のケース６５内に収容された伝送ライン６３、６４は、パイプ形状で互いが嵌まり込み電気的に接続されている。
【０００５】
可動の伝送ライン６４が移動することにより、伝送ライン６３、６４の全体の長さを可変とすることができ、これにより入出力コネクタ６１、６２間の伝送線路長が変化し、位相を連続的に可変とすることができる。
【０００６】
また、特許文献２に開示されたような従来の可変位相器は、図９（ｂ）に示すように、第１基板７１上に形成された２本のマイクロストリップ線路７２、７３と、第２基板７４上に形成された結合マイクロストリップ線路７５と、を備えている。
【０００７】
第２基板７４は、結合マイクロストリップ線路７５が形成された面と、第１基板７１の２本のマイクロストリップ線路７２、７３が形成された面とが対向するように、第１基板７１に対してスライド可能に設置される。このとき、第２基板７４は、結合マイクロストリップ線路７５の一端部が入力側マイクロストリップ線路７２と直接接触して電気的に接続され、他端部が出力側マイクロストリップ線路７３と直接接触して電気的に接続されるように設置される。
【０００８】
そして、結合マイクロストリップ線路７５が形成された第２基板７４をスライドさせることにより、入力ポートＰｉと出力ポートＰｏの間の伝送線路長を変化させて位相を変えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平１１−１６３６０８号公報
【特許文献２】特開２００９−１４７４４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献１に開示されたような従来の可変位相器は、伝送線路長を変化させるための駆動機構が複雑になるとともに、可動の伝送ラインを直線状に構成する必要があるため、位相可変量を大きくするほど駆動機構を含めて大型化してしまうという問題を有していた。また、安定的に伝送線路長を可変するためには使用する部品の加工精度が必要となり高価となる問題もあった。
【００１１】
また、特許文献２に開示されたような従来の可変位相器においては、対向する２つの基板にそれぞれ形成されたマイクロストリップ線路同士のパターン合わせを正確に行うことは困難であり、可動部を短くする／可動部を直線にする／可動部の線路幅を広くするなどの対策を必要に応じて実施するため、位相可変量／小型化／伝送線路特性などを犠牲にする必要があった。
【００１２】
本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであって、従来よりも構造が簡易で位相可変量が大きく、小型で高周波特性に優れた可変位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】
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１の可変位相器は、第１の誘電体基板と、前記第１の誘電体基板の一方の面上に形成され、信号を伝播させる信号線路と、を含む伝送線路を有し、前記伝送線路は、前記信号線路の上方に第２の誘電体基板を配置した第１の伝送線路と、前記信号線路上方に前記第２の誘電体基板と異なる誘電率の異誘電率部を配置した、前記第１の伝送線路とは実効誘電率が異なる第２の伝送線路と、を含んでなり、前記第２の誘電体基板と前記異誘電率部は、前記第１の誘電体基板の前記一方の面に沿って移動可能に配置され、前記移動によって前記伝送線路における前記第１の伝送線路と前記第２の伝送線路の伝送路長比率が可変されることにより前記伝送線路における前記信号の伝播速度が変化し、該信号の位相を可変させて出力する構成を有している。
この構成により、従来よりも構造が簡易で小型かつ位相可変量の大きい可変位相器を実現できる。
【００１４】
また、本発明の請求項２の可変位相器は、前記信号線路が、蛇行状に形成されている構成を有している。また、本発明の請求項３の可変位相器は、前記信号線路が、所定の軸上に曲率中心を有する円弧状に形成されている構成を有している。
これらの構成により、外形を大きくすることなく伝送線路長を長くできるので、より小型化を実現できるとともに位相可変量の増大を実現することが可能である。なお、信号線路を蛇行状に形成することは従来技術の伝送線路長を可変する（可動部を合わせる）構造で実現することは難しい。
【００１５】
また、本発明の請求項４の可変位相器は、前記伝送線路の特性インピーダンスが所望の値となるように、前記異誘電率部上部の所定位置に接地導体を設けた構成を有している。
この構成により、異誘電率部が信号線路の上方にあるときの特性インピーダンスが、第２の誘電体基板が上方にあるときの特性インピーダンスからずれることによる周波数特性の劣化をなくすことができるので（異誘電率部上部の所定位置に接地導体を設けることにより特性インピーダンス補正を行う機構を設けるため）、高周波特性においても優れた可変位相器を実現できる。
【００１６】
また、本発明の請求項５の可変位相器は、前記異誘電率部が、空気層あるいは誘電体部材からなる構成を有している。
異誘電率部を空気層とすることは、第２の誘電体基板に空洞部を設けるだけでよく、少ない部品で可変位相器を実現できる。また、空気層は誘電率が低く、第１の伝送線路と第２の伝送線路との実効誘電率差を大きくとることができる。
異誘電率部を誘電体部材とすることは、請求項４に係る発明においては接地導体と信号線路との間に誘電体材料を介在できるため、接地導体と信号線路との接触がより生じにくい構造となるという効果がある。
【００１７】
また、本発明の請求項６の可変位相器は、前記伝送線路が、コプレナーウエーブガイドあるいはグランデッドコプレナーウエーブガイドである構成を有している。
この構成により、伝送線路をマイクロストリップ線路で構成した場合と比較して、異誘電率部が空気層であっても高周波部での群遅延特性が良好であるため、高周波特性の優れた可変位相器を実現できる。なお、コプレナーウエーブガイドあるいはグランデッドコプレナーウエーブガイドの伝送線路において、信号線路と接地導体パターンの間隔が狭い場合でも、本構造は従来技術の伝送線路長を可変する（可動部を合わせる）構造ではないので容易に実現可能である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明は、従来よりも構造が簡易であり小型化に優れている。さらに、本発明は、高周波特性にも優れた構造とすることも容易であり、位相可変量が大きく、小型で高周波特性にも優れた可変位相器を提供するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る可変位相器の構成を示す分解斜視図
【図２】本発明に係る可変位相器が備える伝送線路の構成例を示す上面図
【図３】本発明に係る可変位相器が備える第２の誘電体基板および異誘電率部の回転された状態を示す上面図
【図４】図３のＡ−Ａ'線断面図およびＢ−Ｂ'線断面図
【図５】図３のＡ−Ａ''線断面図およびＢ−Ｂ''線断面図
【図６】信号線路の上部に第２の誘電体基板を配置した場合の反射特性Ｓ11、透過特性Ｓ21および群遅延特性Ｔgのシミュレーション結果を示すグラフ
【図７】信号線路の上部に空気層を配置（上部接地導体なし）した場合の反射特性Ｓ11、透過特性Ｓ21および群遅延特性Ｔgのシミュレーション結果を示すグラフ
【図８】信号線路の上部に空気層を配置（上部接地導体あり）した場合の反射特性Ｓ11、透過特性Ｓ21および群遅延特性Ｔgのシミュレーション結果を示すグラフ
【図９】従来の可変位相器の構成を示す上面図
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明に係る可変位相器の実施形態について、図面を用いて説明する。
【００２１】
図１は本実施形態の可変位相器の構成を示す分解斜視図、図２、３は上面図、図４は図３のＡ−Ａ'線断面図（ａ）およびＢ−Ｂ'線断面図（ｂ）、図５は図３のＡ−Ａ''線断面図（ａ）およびＢ−Ｂ''線断面図（ｂ）である。なお、説明のために、各図面上の各構成の寸法比は、実際の寸法比とは必ずしも一致していない。
【００２２】
即ち、図１、４に示すように、本実施形態の可変位相器は、円筒状の筐体５０と、筐体５０内部に収納される第１の誘電体基板１０、第１の誘電体基板１０の上面１０ｂ側に配置された第２の誘電体基板２０、第２の誘電体基板２０の上面２０ｂ側に配置された第１の接地導体３０、および第１の誘電体基板１０の下面１０ａ側に配置された第２の接地導体４０とを備える（なお、図１では第２の接地導体４０の図示を省略）。
【００２３】
第１の接地導体３０は回転軸３２を有しており、第１の誘電体基板１０、第２の誘電体基板２０、および第２の接地導体４０の中央部分には、それぞれ回転軸３２が挿通される軸穴が形成されている。また、筐体５０には回転軸３２を回転可能に保持する軸受が形成されている。回転軸３２の上端には溝３２ａが形成されており、回転力を供給するための不図示の駆動手段と連結できるようになっている。第１の接地導体３０は、回転軸３２を中心に第２の誘電体基板２０と一体的に回転されるようになっている。
【００２４】
図２（ａ）に示すように、第１の誘電体基板１０の上面１０ｂには、円弧状の信号線路である信号線路パターン１１と、信号線路パターン１１の両側に同心円状に配置される円弧状の接地導体である接地導体パターン１２ａ、１２ｂが形成されている。信号線路パターン１１、接地導体パターン１２ａ、１２ｂ、および異誘電率部２３はともに回転軸３２上に曲率中心を有する円弧状に形成されている。信号線路パターン１１へは、筐体５０のコネクタ５０ａ、５０ｂを通じて信号が入出力される。なお、図２においては、第１の接地導体３０および第２の誘電体基板２０の図示を省略している。
【００２５】
また、図４、５に示すように、第２の接地導体４０と接地導体パターン１２ａ、１２ｂとは、第１の誘電体基板１０を貫通する複数のスルーホール１３によって電気的に接続されており、これによりグランデッドコプレナーウエーブガイド（伝送線路１０１、１０２）が形成される。スルーホール１３の内壁面には、第２の接地導体４０と接地導体パターン１２ａ、１２ｂとを電気的に接続するために金属メッキが施されている。
【００２６】
なお、伝送線路１０１、１０２は、図２（ｂ）に示すように、蛇行状の信号線路パターン１１と、信号線路パターン１１の両側に配置される蛇行状の接地導体パターン１２ａ、１２ｂと、を含むグランデッドコプレナーウエーブガイドであってもよい。
【００２７】
図１、４に示すように、第２の誘電体基板２０、第１の接地導体３０は、第１の誘電体基板１０の上方に順に配置されている。第２の誘電体基板２０の下面２０ａは信号線路パターン１１と接触できるようになっている。第２の誘電体基板２０は空洞部２１を備え、第１の接地導体３０は空洞部２１と嵌合する突起部３１を備えている。突起部３１は、後述する伝送線路において接地導体として機能する（以降、接地導体３１と言う）。
【００２８】
図５（ｂ）に示すように、接地導体３１の先端面３１ａは、第１の誘電体基板１０の上面１０ｂに対して所定間隔Δ（第２の誘電体基板２０と接地導体３１の厚さで決まる）の間隙を有して対向している。これにより、空洞部２１内の第１の誘電体基板１０および接地導体３１に挟まれた領域に、異誘電率部としての空気層２３（以降、異誘電率部２３とも言う）が形成されるようになっている。第２の誘電体基板２０と異誘電率部２３は第１の誘電体基板１０の上面１０ｂに沿って移動可能に配置されている。なお、異誘電率部２３は、空気層の代わりに、第２の誘電体基板２０と異なる誘電率を有する誘電体部材からなるものであってもよい。
【００２９】
異誘電率部２３の横寸法（信号線路方向と交わる方向）は狭く設定され、上下方向から負荷がかかった場合でも、図５（ｂ）に示す空洞部２１の周縁領域２４、２５が支柱の役割を果たし、信号線路パターン１１と接地導体３１の先端面３１ａとの距離を安定的に維持する構造となっている。また、周縁領域２４、２５の少なくとも一方が、導電体または絶縁体からなっていてもよい。この導電体は、第１の接地導体３０または第２の接地導体４０と同じ材料からなっていてもよい。
【００３０】
以上のように、信号線路パターン１１の周囲には、第１の誘電体基板１０、第２の誘電体基板２０、空気層２３、接地導体３１が配置される。信号線路パターン１１の周囲のこれら各部位の誘電率などによって、各々所定の実効誘電率を持つ伝送線路が構成される。伝送線路は、図４（ａ）に示す、信号線路パターン１１の周囲に第１の誘電体基板１０、第２の誘電体基板２０を含んだ第１の伝送線路１０１と、図４（ｂ）に示す、さらに空気層２３と接地導体３１を含んだ第２の伝送線路１０２とから構成され、第１の伝送線路１０１と第２の伝送線路１０２は信号の伝播方向に沿って連なった構成となっている。
【００３１】
図３は、第１の誘電体基板１０の上面１０ｂに形成された信号線路パターン１１の上方において、第２の誘電体基板２０と、第２の誘電体基板２０に空洞部２１を設けることにより形成した異誘電率部２３（本図では空気層）と、がともに回転軸３２を中心として回転する様子を示した上面図である。なお、図３においては、第１の接地導体３０の図示を省略している。
【００３２】
第２の誘電体基板２０は固定された第１の誘電体基板１０に対して例えば図３（ａ）〜（ｃ）に示すような配置をとる。図３（ａ）は、第１の誘電体基板１０の上面１０ｂ上の信号線路パターン１１を最大限に覆い隠すように、第２の誘電体基板２０が信号線路パターン１１に接触し、第１の伝送線路１０１の伝送線路長が最大になる状態（状態１：第１の伝送線路１０１の比率が最大となる状態）、図３（ｃ）は、第２の誘電体基板２０が図３（ａ）の状態から回転軸３２を中心に１８０度回転し、第２の伝送線路１０２の伝送線路長が最大になる状態（状態３：第２の伝送線路１０２の比率が最大となる状態）、図３（ｂ）は、状態１と状態３の間の状態（状態２：第１の伝送線路１０１と第２の伝送線路１０２が混在した状態）を示している。
【００３３】
このように、第２の誘電体基板２０と異誘電率部２３とがともに回転軸３２を中心として回転されることにより、第１の伝送線路１０１の伝送線路長と第２の伝送線路１０２の伝送線路長の比率が連続的に可変され、コネクタ５０ａおよび５０ｂ間の伝送線路の実効誘電率が変化するため、伝送線路における信号の伝播速度が変化する。従って、信号線路パターン１１へ入力された信号は、その位相を変化されて出力されることとなる。
【００３４】
しかしながら、伝送線路の実効誘電率を単純に変化させるだけであると、伝送線路の特性インピーダンスが変化してしまう。これにより、コネクタ５０ａ、５０ｂを介して接続される不図示の外部デバイスなどとの間にインピーダンス不整合を生じるという問題がある。
【００３５】
そこで、本実施形態の可変位相器においては、状態１の場合の伝送線路の特性インピーダンスを所望の特性インピーダンス（例えば５０Ω）と一致するように設計するとともに、第２の伝送線路１０２の伝送線路長が最大になる状態３の場合においても、伝送線路の特性インピーダンスが上記所望の特性インピーダンスと一致するように異誘電率部２３の厚さΔを設定し、接地導体３１を信号線路パターン１１に近接させている。
【００３６】
図６〜８に本実施形態の可変位相器の反射特性（Ｓ11）、透過特性（Ｓ21）および群遅延特性（Ｔg）についてシミュレーションを行った結果を示す。
【００３７】
図６は信号線路パターン１１の上方に第２の誘電体基板２０を配置した場合（図３（ａ）に示した状態１に相当）、図７は信号線路パターン１１の上方に空気層を配置し、かつ、接地導体３１を除去した場合、図８は信号線路パターン１１の上方に空気層および接地導体３１を配置した場合（図３（ｃ）に示した状態３に相当）の反射特性Ｓ11（ａ）、透過特性Ｓ21（ｂ）および群遅延特性Ｔg（ｃ）のシミュレーション結果である。
【００３８】
図６〜図８におけるシミュレーション条件は以下の通りである。
・第１の誘電体基板１０：誘電率２．１７、長さ５ｍｍ、幅１．４ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ（図６〜８）
・第２の誘電体基板２０：誘電率６．１５、長さ５ｍｍ、幅１．４ｍｍ、厚さ１．０ｍｍ（図６）
・異誘電率部２３：空気層、長さ５ｍｍ、幅１．４ｍｍ、厚さ１．０ｍｍ（図７）、１００μｍ（図８）
【００３９】
即ち、図６〜８に示したシミュレーション結果から以下のことがわかる。
・第１の誘電体基板１０の上部に第２の誘電体基板２０がある場合は高周波特性は良好で、使用周波数範囲の上限は３０ＧＨｚ程度である（図６）。
・第１の誘電体基板１０の上部に空気層があり、接地導体３１がない場合（空気層の厚さ１．０ｍｍ）は高周波特性が悪く、使用周波数範囲の上限は数ＧＨｚ程度である（図７）。
・第１の誘電体基板１０の上部に空気層があり、接地導体３１がある場合（空気層の厚さ１００μｍ）は高周波特性は改善され、使用周波数範囲の上限は３０ＧＨｚ程度である（図８）。
・伝送線路長５ｍｍでの最大位相可変量は、３０ＧＨｚ程度までの広い周波数範囲にわたって約１４ｐｓである（図６（ｃ）と図８（ｃ）との比較より）。
【００４０】
よって、位相可変量が１００ｐｓ必要な場合でも伝送線路長は３５ｍｍ程度あればよく、図１に示したような構造（接地導体３１あり）では使用周波数範囲は３０ＧＨｚ程度まで拡大することが可能であり、外形寸法も直径約３０ｍｍとかなり小型にできる。これは、従来構造（特許文献１）のような構成で実現した場合の１／３程度の大きさである。また、従来構造（特許文献２）でも同等程度の大きさは実現することは可能であるが、使用周波数範囲を３０ＧＨｚ程度まで使用できる構造にすることはかなり困難であり、実際には１０〜１５ＧＨｚ程度が上限である。
【００４１】
なお、伝送線路条件や上記間隔Δなどを調整することにより、使用周波数範囲を４０ＧＨｚ程度まで広くすることも可能であり、また、信号線路パターン１１を蛇行させてやることにより外形寸法もさらに小型化することが可能である。
【００４２】
なお、上記では、本実施形態の可変位相器の伝送線路がグランデッドコプレナーウエーブガイドである場合について説明したが、コプレナーウエーブガイド、あるいは、マイクロストリップなどを伝送線路としてもよい。さらに、上記では伝送線路が第１の伝送線路１０１と第２の伝送線路１０２とで構成されるようにしたが、これに限られるものではなく、例えば第３の伝送線路を設ける構成としてもよい。
【符号の説明】
【００４３】
１０  第１の誘電体基板
１０ａ  下面
１０ｂ  上面（一方の面）
１１  信号線路パターン（信号線路）
１２ａ、１２ｂ  接地導体パターン
１３  スルーホール
２０  第２の誘電体基板
２０ａ  下面
２０ｂ  上面
２１  空洞部
２３  空気層（異誘電率部）
２４、２５  周縁領域
３０  第１の接地導体
３１  突起部（接地導体）
３１ａ  先端面
３２  回転軸（所定の軸）
３２ａ  溝
４０  第２の接地導体
５０  筐体
５０ａ、５０ｂ  コネクタ
１０１  第１の伝送線路
１０２  第２の伝送線路
【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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