(57)【要約】【課題】より広範なインピーダンス可変範囲を持たせることが可能で、また回路の小型化及び高速なインピーダンス制御が可能な反射形可変インピーダンス整合回路を提供する。【解決手段】方向性結合器３の通過・結合端子Ｔ３，Ｔ４に各々可変サセプタンス回路を接続し残りの端子を入出力端子Ｔ１，Ｔ２とし、各可変サセプタンス回路が共振周波数可変の可変直列共振回路９ａ，９ｂと、インダクタ及びキャパシタの少なくとも一方を含む補助回路８ａ，８ｂと、を並列に接続した回路からなることを特徴とする反射形可変インピーダンス整合回路。特に、補助回路を共振周波数可変の可変並列共振回路とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
方向性結合器の通過・結合端子に各々可変サセプタンス回路を接続し残りの端子を入出力端子とし、前記各可変サセプタンス回路が共振周波数可変の可変直列共振回路と、インダクタ及びキャパシタの少なくとも一方を含む補助回路と、を並列に接続した回路からなることを特徴とする反射形可変インピーダンス整合回路。
【請求項２】
補助回路が、共振周波数可変の可変並列共振回路からなることを特徴とする請求項１に記載の反射形可変インピーダンス整合回路。
【請求項３】
補助回路が、インダクタンス可変の可変インダクタ回路又はキャパシタンス可変の可変キャパシタ回路からなることを特徴とする請求項１に記載の反射形可変インピーダンス整合回路。
【請求項４】
補助回路が、インダクタンス固定の固定インダクタ回路又はキャパシタンス固定のキャパシタ回路からなることを特徴とする請求項１に記載の反射形可変インピーダンス整合回路。
【請求項５】
補助回路が、共振周波数固定の並列共振回路からなることを特徴とする請求項１に記載の反射形可変インピーダンス整合回路。
【請求項６】
可変サセプタンス回路が可変サセプタンス素子として、容量値を電気的に制御可能なバラクタ素子を含み、方向性結合器を誘電体基板上に構成したことを特徴とする請求項１から５までのいずれか１項に記載の反射形可変インピーダンス整合回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、高周波回路において周波数あるいは周辺環境の変化に応じて適応的に回路内のインピーダンス整合を取り、可変高周波回路を実現するために必要な反射形可変インピーダンス整合回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の反射形可変インピーダンス整合回路として、機械的可動機構を有する一対の反射回路と方向性結合器からなる反射形可変整合回路があった(例えば下記特許文献１参照)。
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−０４９５０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した従来の反射形可変インピーダンス整合回路は、反射回路が共に例えば単一の可変直列共振回路又は可変並列共振回路だけからなるため、インピーダンス可変範囲が狭いという問題点があった。また、反射回路を機械的に制御する必要があるため、近年の各種通信機に要求される回路の小型化、また高速なインピーダンス制御への対応が困難となる問題点があった。
【０００５】
この発明は上記の問題点を解決するためになされたもので、より広範なインピーダンス可変範囲を持たせることが可能で、また回路の小型化及び高速なインピーダンス制御が可能な反射形可変インピーダンス整合回路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】
【０００６】
この発明は、方向性結合器の通過・結合端子に各々可変サセプタンス回路を接続し残りの端子を入出力端子とし、前記各可変サセプタンス回路が共振周波数可変の可変直列共振回路と、インダクタ及びキャパシタの少なくとも一方を含む補助回路と、を並列に接続した回路からなることを特徴とする反射形可変インピーダンス整合回路にある。特に、補助回路を共振周波数可変の可変並列共振回路で構成する。
【発明の効果】
【０００７】
この発明では、反射回路を構成する可変サセプタンス回路として、可変直列共振回路と可変並列共振回路等のインダクタ及びキャパシタの少なくとも一方を含む補助回路の組合せからなる回路を用いることにより、広範なインピーダンス可変範囲を持たせることが可能となる。さらに、可変サセプタンス素子を、機械的ではなく電気的に制御が可能なバラクタ(バリキャップ)素子や、ＭＥＭＳ(Micro-Electro-Mechanical Systems)(又はマイクロマシン)技術によるインダクタンス可変素子で構成することで、回路の小型化や高速なインピーダンス制御が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
この発明による反射形可変インピーダンス整合回路の実施の形態を説明する前に、この発明の背景を説明するために、上述の従来の反射形可変インピーダンス整合回路である、反射形可変整合回路を図７に示して説明する。図７において、１００は金属筐体、１０１ａ、１０１ｂは本回路の入出力端子となる同軸コネクタ、１０２、１０３ａ、１０３ｂは同軸線で、同軸線１０３ａ，１０３ｂの一端は金属筐体１００に接触しており電気的に短絡されている。また図中１０４ａ、１０４ｂは可動短絡器で、同軸線１０３ａ、１０３ｂと合わせてそれぞれ反射回路である可変同軸管１０６ａ，１０６ｂを構成している。また１０５は分配位相差９０°の方向性結合器として機能するブランチラインカプラである。
【０００９】
すなわち図７の回路は、方向性結合器(ブランチラインカプラ１０５に相当)と一対の反射回路(可変同軸管１０６ａ，１０６ｂに相当)からなる反射形可変インピーダンス整合回路であり、図８にはその等価回路を示す。
【００１０】
図８において、１１０は方向性結合器、Ｔ１，Ｔ２は方向性結合器１１０の入出力端子、Ｔ３，Ｔ４は同じく通過・結合端子、１１１ａ、１１１ｂは反射回路である。図８の等価回路において、方向性結合器１１０から反射回路１１１ａ、１１１ｂを見た反射係数をΓ１、Γ２とすると、反射形可変整合回路全体のＳ行列は
【００１１】
Ｓ１１＝Ｓ２２＝（Γ１−Γ２）／２                        (１）
Ｓ２１＝Ｓ１２＝−ｊ（Γ１＋Γ２）／２                    (２)
【００１２】
により与えられる。従って、図７に示すように反射回路をその短絡点を機械的に制御可能な可変同軸管１０６ａ，１０６ｂとして−１≦Γ１、Γ２≦１とすることにより任意のＳ１１（|Ｓ１１|≦１）を実現できることが上式より分かり、図７に示す回路は、そのＳ１１、ひいてはその入力インピーダンスを機械的に制御できる可変整合回路として機能する。しかしながら、反射回路が共に例えば単一の可変直列共振回路又は可変並列共振回路だけからなるため、インピーダンス可変範囲が狭いという問題があり、さらに機械的に制御せざるを得ないことから、小型化、また高速なインピーダンス制御への対応が困難である。そこでこの問題を解消したこの発明の反射形可変インピーダンス整合回路の実施の形態について、以下に説明する。
【００１３】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による反射形可変インピーダンス整合回路の構成を示す図である。図１において、１は誘電体基板、２は金属導体からなるマイクロストリップ線路、４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂは可変サセプタンス素子であるバラクタダイオード(バラクタ素子)、６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂは高インピーダンス線路、ＴＲは薄膜抵抗線路である。そしてこれらの要素により本整合回路の構成要素となる各回路ブロックが形成され、３は方向性結合器の一種であるランゲカプラ、９ａ、９ｂは共振周波数可変の可変直列共振回路、８ａ、８ｂは共振周波数可変の可変並列共振回路(補助回路)である。また図中に示すように、電気的接地あるいは直流成分除去用のスルーホールＴＨ及びキャパシタ２２ａ，２２ｂが適宜接続されており、また上述した構成要素間を電気的に接続するためのボンディングワイヤＢＷ、が適宜用いられている。
【００１４】
ランゲカプラ３は、誘電体基板１上に形成されたマイクロストリップ線路２で構成され、例えばマイクロストリップ線路ＭＬ２はボンディングワイヤＢＷ１，ＢＷ２でマイクロストリップ線路ＭＬ１，ＭＬ３にそれぞれ電気的に接続され、またマイクロストリップ線路ＭＬ４，ＭＬ５がボンディングワイヤＢＷ３，ＢＷ４で互いに接続されている。そしてランゲカプラ３は入出力端子Ｔ１，Ｔ２と通過・結合端子Ｔ３，Ｔ４を備える。
【００１５】
可変並列共振回路８ａ、８ｂはそれぞれ、ランゲカプラ３の通過・結合端子Ｔ３，Ｔ４を構成するマイクロストリップ線路２から延びる先端にキャパシタ２２ａ，２２ｂ及びスルーホールＴＨを設けた高インピーダンス線路６ａ，６ｂと、これに並列に接続されたボンディングワイヤＢＷで接続されたバラクタダイオード４ａ，４ｂからなる。高インピーダンス線路６ａ，６ｂの中間部には薄膜抵抗線路ＴＲが延びている。
【００１６】
可変直列共振回路９ａ、９ｂはそれぞれ、ランゲカプラ３の通過・結合端子Ｔ３，Ｔ４を構成するマイクロストリップ線路２から延び、中間部にキャパシタ２１ａ，２１ｂを設けた高インピーダンス線路７ａ，７ｂからなる。高インピーダンス線路７ａ，７ｂの先端にはボンディングワイヤＢＷによりバラクタダイオード５ａ，５ｂが接続されている。また高インピーダンス線路７ａ，７ｂの先端には薄膜抵抗線路ＴＲが延びている。
【００１７】
なお、バラクタダイオード４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂは、誘電体基板１全体が実装されている金属ブロック上に形成されている。
【００１８】
この実施の形態では、反射回路を構成する可変サセプタンス回路は可変直列共振回路(９ａ，９ｂ)と可変並列共振回路(８ａ，８ｂ)の並列回路からなる。
【００１９】
次に動作について説明する。図１においてランゲカプラ３は分配位相差９０°の方向性結合器として機能する。また高インピーダンス線路６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂは近似的にインダクタとして機能するため、バラクタダイオード４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂと組み合わされてそれぞれ、可変並列共振回路８ａ，８ｂ、可変直列共振回路９ａ，９ｂとして機能する。なお各バラクタダイオード４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂの容量値は同ダイオードに印加する電圧値によりある有限の範囲内にて制御され、印加電圧は図１に示した薄膜抵抗線路ＴＲを介して印加される。この時、薄膜抵抗線路ＴＲは本整合回路が動作する高周波帯にてチョーク回路として機能する。また図１中のキャパシタ２２ａ，２２ｂ，２１ａ，２１ｂは各バラクタダイオード４ａ、４ｂ，５ａ，５ｂの制御電圧の相互干渉を防ぐためのもので、高周波帯ではそのリアクタンス分がほぼ無視できる程度に小さくなる。
【００２０】
以上のことから、本実施の形態による反射形可変インピーダンス整合回路の高周波帯における等価回路は、図２に示す反射形可変インピーダンス整合回路となる。図２の可変並列共振回路８ａのインダクタンスＬ８ａは高インピーダンス線路６ａ、可変キャパシタンスＣ８ａはバラクタダイオード４ａに相当し、可変並列共振回路８ｂのインダクタンスＬ８ｂは高インピーダンス線路６ｂ、可変キャパシタンスＣ８ｂはバラクタダイオード４ｂに相当する。また、可変直列共振回路９ａのインダクタンスＬ９ａは高インピーダンス線路７ａ、可変キャパシタンスＣ９ａはバラクタダイオード５ａに相当し、可変直列共振回路９ｂのインダクタンスＬ９ｂは高インピーダンス線路７ｂ、可変キャパシタンスＣ９ｂはバラクタダイオード５ｂに相当する。
【００２１】
以下、図２に基づいて本実施の形態による反射形可変インピーダンス整合回路の動作について説明する。前述したように、反射形可変インピーダンス整合回路の反射係数Ｓ１１は、方向性結合器(ランゲカプラ３)に接続される反射回路(可変直列共振回路９ａと可変並列共振回路８ａ、可変直列共振回路９ｂと可変並列共振回路８ｂ)の反射係数Γ１、Γ２により上述の式(１)にて与えられる。ここでもし反射回路が可変並列共振回路のみからなるとした場合、バラクタダイオードの可変容量範囲が有限であるため、可変並列共振回路の反射係数Γ１、Γ２は
【００２２】
|Γｉ|＝１                                        (３)
−φ≦Ａｒｇ［Γｉ］≦＋φ    (ｉ＝１，２)        (４）
（Ａｒｇは位相角を表す）
【００２３】
となり、その位相角最大値φは
【００２４】
φ＜π［ｒａｄ］                                  (５)
【００２５】
となり、任意の位相角を実現できないことになる。このことは可変並列共振回路が共振状態にあるときにＡｒｇ［Γｉ］＝０となることから直感的に理解できる。図３には例としてφ＝π／２としたときに式(１)、式(３)、式(４)から得られる、反射形可変インピーダンス整合回路におけるＳ１１の取りうる範囲をスミスチャート上に示す。図３の示す範囲が上記整合回路により整合可能なインピーダンス範囲となるが、その範囲はスミスチャート上の或る領域に限られてしまうことがわかる。なお、反射回路として可変直列共振回路のみを用いた場合にも同様の結論が得られる。
【００２６】
一方、本実施の形態にあるように反射形可変インピーダンス整合回路の反射回路として可変直列共振回路と可変並列共振回路の両方を用いることにより、(４)式における反射回路の反射位相角最大値φを
【００２７】
φ≧π［ｒａｄ］                                  (６)
【００２８】
とし、任意の反射位相角を実現することが可能となる。このことは、可変直列共振回路が共振状態にあるときにはＡｒｇ［Γｉ］＝π［ｒａｄ］となることを考えると直感的に理解できる。図４には例としてφ＝πとしたときに(１)式、(３)式、(４)式から得られる、反射形可変インピーダンス整合回路におけるＳ１１の取りうる範囲をスミスチャート上に示す。前述した事例とは異なり、スミスチャートの全領域にわたる任意のインピーダンスに整合可能となることが分かる。
【００２９】
このように、方向性結合器と反射回路からなる反射形可変インピーダンス整合回路において、方向性結合器を誘電体基板上に構成したランゲカプラにより実現し、また反射回路として可変直列共振回路、可変並列共振回路からなる回路を用いると共に同回路をバラクタダイオードなどの電気的制御可能な可変容量素子により構成することで、広範なインピーダンス可変範囲を有し、回路寸法も小型な、反射形可変インピーダンス整合回路を得ることができる。また従来あったような機械的可変同軸管ではなくバラクタダイオードを含む反射回路を用いることで、高速なインピーダンスの電気的制御が可能となる。
【００３０】
実施の形態２．
図５はこの発明の実施の形態２による反射形可変インピーダンス整合回路の構成を示す図である。図１に示す上記実施の形態１のものと同一もしくは相当部分は同一符号で示し説明を省略する。図１と異なる部分は、補助回路として可変並列共振回路８ａ、８ｂの代わりに、ランゲカプラ３の通過・結合端子Ｔ３，Ｔ４を構成するマイクロストリップ線路２から延びる先端にキャパシタ２２ａ，２２ｂ及びスルーホールＴＨを設けた高インピーダンス線路６ａ，６ｂからなるインダクタンス固定の固定インダクタ回路が設けられている。また共振周波数可変の可変直列共振回路１９ａ，１９ｂの高インピーダンス線路７ａ，７ｂにはキャパシタが設けられていない。
【００３１】
この実施の形態では、反射回路を構成する可変サセプタンス回路は可変直列共振回路(９ａ，９ｂ)とインダクタンス固定の固定インダクタ回路(６ａ，２３ａ，ＴＨ、６ｂ，２３ｂ，ＴＨ)の並列回路からなる。
【００３２】
次に動作について説明する。この実施の形態は、実施の形態１において反射回路に含まれる可変並列共振回路を単一の固定インダクタ回路としたものである。それにより、反射回路の取りうる反射位相角の範囲は、前述した直列あるいは可変並列共振回路のみの場合よりは広範となるものの、実施の形態１にある直列可変共振回路と並列可変共振回路の並列回路を用いた場合よりは狭くなる。そのためこの実施の形態による反射形可変インピーダンス整合回路の取りうるインピーダンス可変範囲は、図３と図４のほぼ中間となり、実施の形態１に比べるとその範囲は狭くなってしまう。しかしこの実施の形態にて用いるバラクタダイオード５ａ，５ｂの個数は実施の形態１の場合の半数となるため、その制御回路(図示省略)も含めた回路全体の構成の簡略化を図ることができる。またバラクタ素子は一般に寄生抵抗成分が含まれ、それにより反射形可変インピーダンス整合回路の通過損失やインピーダンス可変範囲の劣化を招く問題があるが、この実施の形態によれば使用するバラクタダイオードの個数が低減されるため、その問題を回避し易くなる利点を有している。
【００３３】
このように、方向性結合器と反射回路からなる反射形可変インピーダンス整合回路において、方向性結合器を誘電体基板上に構成したランゲカプラにより実現し、また反射回路として可変直列共振回路と固定インダクタ回路からなる回路を用いると共に同回路をバラクタダイオードなどの電子制御可能な可変容量素子により構成することで、実用上十分なインピーダンス可変範囲を有しつつ、回路が小型かつ簡素で、比較的低損失な反射形可変インピーダンス整合回路を得ることができる。また従来あったような機械的可変同軸管ではなくバラクタダイオードからなる反射回路を用いることで、高速なインピーダンス電子制御が可能となる。
【００３４】
なお、可変直列共振回路と並列接続される補助回路としては図５に示されるインダクタンス固定の固定インダクタ回路(６ａ，２３ａ，ＴＨ、６ｂ，２３ｂ，ＴＨ)の他に、図６に示した回路が適用可能である。図６の(ａ)はキャパシタンス固定の固定キャパシタ回路の例で、通過・結合端子Ｔ３，Ｔ４から延びた使用高周波の波長λの理論的に０〜λ／４の範囲の長さの低インピーダンス線路６ｃで構成したものである。図６の(ｂ)はインダクタンス可変の可変インダクタ回路の例で、通過・結合端子Ｔ３，Ｔ４から延びた、先端にキャパシタ２２とスルーホールＴＨを設けた高インピーダンス線路６上に、ＭＥＭＳ技術によるインダクタンス可変の可変インダクタ素子１０を設けて構成したものである。
【００３５】
図６の(ｃ)はキャパシタンス可変の可変キャパシタ回路の例で、通過・結合端子Ｔ３，Ｔ４を誘電体基板１が実装されている金属ブロック上に形成されたバラクタダイオード４にボンディングワイヤＢＷで接続して構成したものである。また、図６の(ｄ)は共振周波数固定の固定並列共振回路の例で、図５に示した先端にキャパシタ２２とスルーホールＴＨを設けた高インピーダンス線路６からなる固定インダクタ回路と図６の(ａ)の低インピーダンス線路６ｃからなる固定キャパシタ回路とを並列接続させたものである。
【００３６】
これらの補助回路を適用しても、相当な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】この発明の実施の形態１による反射形可変インピーダンス整合回路の構成を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態１による反射形可変インピーダンス整合回路の高周波帯における等価回路を示す図である。
【図３】反射形可変インピーダンス整合回路の反射回路を可変並列共振回路のみで構成した場合に得られるインピーダンス整合範囲を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態１による反射形可変インピーダンス整合回路のインピーダンス整合範囲を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態２による反射形可変インピーダンス整合回路の構成を示す図である。
【図６】この発明の実施の形態２による反射形可変インピーダンス整合回路の補助回路の変形例を示す図である。
【図７】従来の反射形可変インピーダンス整合回路の構成を示す図である。
【図８】従来の反射形可変インピーダンス整合回路の等価回路を示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  誘電体基板、２  マイクロストリップ線路(金属導体)、３  ランゲカプラ(方向性結合器)、４，４ａ，４ｂ，５ａ，５ｂ  バラクタダイオード、６，６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂ  高インピーダンス線路、６ｃ  低インピーダンス線路、８ａ，８ｂ  可変並列共振回路、９ａ，９ｂ，１９ａ，１９ｂ  可変直列共振回路、１０  可変インダクタ素子、２１ａ，２１ｂ，２２，２２ａ，２２ｂ  キャパシタ、ＴＨ  スルーホール、ＴＲ  薄膜抵抗線路、ＢＷ，ＢＷ１，ＢＷ２，ＢＷ３，ＢＷ４  ボンディングワイヤ、Ｔ１，Ｔ２  入出力端子、Ｔ３，Ｔ４  通過・結合端子、ＭＬ１，ＭＬ２，ＭＬ３，ＭＬ４，ＭＬ５  マイクロストリップ線路。
【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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