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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024135909
(43)【公開日】2024-10-04
(54)【発明の名称】反射型移相器
(51)【国際特許分類】
H01P 1/185 20060101AFI20240927BHJP
H01P 5/20 20060101ALI20240927BHJP
【ＦＩ】
H01P1/185
H01P5/20 B
【審査請求】未請求
【請求項の数】2
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023046812
(22)【出願日】2023-03-23
(71)【出願人】
【識別番号】504182255
【氏名又は名称】国立大学法人横浜国立大学
(74)【代理人】
【識別番号】110001634
【氏名又は名称】弁理士法人志賀国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】新井 宏之
(72)【発明者】
【氏名】田村 成
(57)【要約】
【課題】４端子対回路を用いた反射型移相器の性能を向上させること。
【解決手段】反射型移相器は、誘電体基板と、誘電体基板の第１面に形成され一端に第１ポートを有する第１マイクロストリップ線路と、第１面に形成されたリング状の線路であって一端に第２ポートを有し他端に第３ポートを有する第２マイクロストリップ線路と、第１面に所定の間隔を設けて形成された第１線路と第２線路とから構成され第１線路の一端及び第２線路の一端に第４ポートを有するコプレーナ線路と、第２マイクロストリップ線路の第２ポートを有する一端及び第３ポートを有する他端それぞれに接続され第２ポートと第３ポートとの間に９０度の位相差を付加する反射負荷とを備え、第２ポートとの間の距離と第３ポートとの間の距離とが等しい周方向の位置に第１マイクロストリップ線路の他端が接続され第２ポートが第１線路の他端に接続され第３ポートが第２線路の他端に接続される。
【選択図】図１
【解決手段】反射型移相器は、誘電体基板と、誘電体基板の第１面に形成され一端に第１ポートを有する第１マイクロストリップ線路と、第１面に形成されたリング状の線路であって一端に第２ポートを有し他端に第３ポートを有する第２マイクロストリップ線路と、第１面に所定の間隔を設けて形成された第１線路と第２線路とから構成され第１線路の一端及び第２線路の一端に第４ポートを有するコプレーナ線路と、第２マイクロストリップ線路の第２ポートを有する一端及び第３ポートを有する他端それぞれに接続され第２ポートと第３ポートとの間に９０度の位相差を付加する反射負荷とを備え、第２ポートとの間の距離と第３ポートとの間の距離とが等しい周方向の位置に第１マイクロストリップ線路の他端が接続され第２ポートが第１線路の他端に接続され第３ポートが第２線路の他端に接続される。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
誘電体基板と、
前記誘電体基板の第１面に形成され、一端に第１ポートを有する第１マイクロストリップ線路と、
前記第１面に形成され、一端に第２ポートを有し他端に第３ポートを有する第２マイクロストリップ線路と、
前記第１面に所定の間隔を設けて形成された第１線路と第２線路とから構成され、前記第１線路の一端、及び前記第２線路の一端に第４ポートを有するコプレーナ線路と、
前記第２マイクロストリップ線路の前記第２ポートを有する一端、及び前記第３ポートを有する他端それぞれに接続され、前記第２ポートと前記第３ポートとの間に９０度の位相差を付加する反射負荷と、
を備え、
前記第２マイクロストリップ線路において、
前記第２ポートとの間の距離と前記第３ポートとの間の距離とが等しい周方向の位置に前記第１マイクロストリップ線路の他端が接続され、
前記第２ポートが前記第１線路の他端に接続され、前記第３ポートが前記第２線路の他端に接続される
反射型移相器。
前記誘電体基板の第１面に形成され、一端に第１ポートを有する第１マイクロストリップ線路と、
前記第１面に形成され、一端に第２ポートを有し他端に第３ポートを有する第２マイクロストリップ線路と、
前記第１面に所定の間隔を設けて形成された第１線路と第２線路とから構成され、前記第１線路の一端、及び前記第２線路の一端に第４ポートを有するコプレーナ線路と、
前記第２マイクロストリップ線路の前記第２ポートを有する一端、及び前記第３ポートを有する他端それぞれに接続され、前記第２ポートと前記第３ポートとの間に９０度の位相差を付加する反射負荷と、
を備え、
前記第２マイクロストリップ線路において、
前記第２ポートとの間の距離と前記第３ポートとの間の距離とが等しい周方向の位置に前記第１マイクロストリップ線路の他端が接続され、
前記第２ポートが前記第１線路の他端に接続され、前記第３ポートが前記第２線路の他端に接続される
反射型移相器。
【請求項2】
前記反射負荷は、集中定数回路によって構成される
請求項１に記載の反射型移相器。
請求項１に記載の反射型移相器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、反射型移相器に関する。
【背景技術】
【0002】
反射型移相器の基本構造として、サーキュレータまたは３ｄＢハイブリッドカプラと、バラクタ反射負荷またはスライディングショート負荷との組み合わせが知られている。このうちサーキュレータは狭帯域でしか動作せず、かつ製作が煩雑なため使用されない。最も使用される組み合わせは、３ｄＢハイブリッドカプラとバラクタ反射負荷との組み合わせである。３ｄＢハイブリッドカプラとバラクタ反射負荷との組み合わせは、製作が簡単である一方、狭帯域（５－１０％）であることが課題である。
【0003】
ここで反射型移相器の性能を決定する要因には、製作容易性、構造性、帯域、サイズ、Ｆｉｇｕｒｅ ｏｆ Ｍｅｒｉｔ（ＦｏＭ）、及び損失移相量変動がある。これら要因のうち接続回路のみにより決定される要因は、製作容易性、構造性、帯域、及びサイズである。接続回路と反射負荷との両方によって決定される要因は、ＦｏＭ、及び損失移相量変動である。
損失変動が発生せず、移相量が高い反射負荷を設計しても、反射型移相器としての最終的な性能は、接続回路の周波数特性によって決定される。そのため、接続回路の選択は、反射負荷の設計と同様に重要である。
損失変動が発生せず、移相量が高い反射負荷を設計しても、反射型移相器としての最終的な性能は、接続回路の周波数特性によって決定される。そのため、接続回路の選択は、反射負荷の設計と同様に重要である。
【0004】
４端子対回路（ハイブリッド回路ともいう）を用いた反射型移相器が知られている。２つの分岐ポート間において振幅と位相のバランスが取れた特殊な特性をもつ回路である。４端子対回路を反射型移相器に用いるには、次の２つの条件を満たす必要がある。１つ目の条件は、２つのポートに入力ポートから入力された電力を等しく分配することである。なお、この場合、残りの１ポートは結合しない。２つ目の条件は、それらの２つのポートそれぞれから出力される信号の間に９０度の位相差を付加することである。
【0005】
これらの２つの条件を満たすことのできる４端子対回路として、ブランチライン結合器（例えば、非特許文献１－５）、結合線路方向性結合器（例えば、非特許文献６－１０）、ラットレース回路（例えば、非特許文献１１、１２）、及びＭａｇｉｃ－Ｔが知られている。ブランチライン結合器、及び結合線路方向性結合器は、９０度ハイブリッド回路である。ラットレース回路、及びＭａｇｉｃ－Ｔは、１８０度ハイブリッド回路である。
【0006】
４端子対回路としてＭａｇｉｃ－Ｔのみが唯一７０年にわたって反射型移相器として利用することが注目されていなかった。近年は、Ｍａｇｉｃ－Ｔは両平面回路で実現でき、その応用性が盛んに研究されている（例えば、非特許文献１３）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0007】
【非特許文献1】「ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ」、２００７年９月、５５巻、９号、ｐ．１８６２－１８６８
【非特許文献2】「ＩＥＥＥ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ａｎｄ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ」、２００８年２月、１８巻、２号、ｐ．１０６－１０８
【非特許文献3】「ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ」、２０１５年６月、６３巻、６号、ｐ．１８８３－１８９３
【非特許文献4】「ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ」、２０１５年２月、６３巻、２号、ｐ．４１４－４２１
【非特許文献5】「２０１７ ＩＥＥＥ ＭＴＴ－Ｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ （ＩＭＳ）」、２０１７年６月、ｐ．８９７－８９９
【非特許文献6】「２０２０ ５０ｔｈ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ （ＥｕＭＣ）」、２０２１年１月、ｐ．５５０－５５３
【非特許文献7】「ＩＥＥＥ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ａｎｄ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ」、２０１８年９月、２８巻、９号、ｐ．８０７－８０９
【非特許文献8】「ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ」、２０１２年８月、６０巻、８号、ｐ．２４６５－２４７２
【非特許文献9】「ＩＥＥＥ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ａｎｄ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ」、２０１８年８月、２８巻、８号、ｐ．６７８－６８０
【非特許文献10】「ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ＩＩ： Ｅｘｐｒｅｓｓ Ｂｒｉｅｆｓ」、２０１７年１２月、６４巻、１２号、ｐ．１４４２－１４４６
【非特許文献11】「ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ」、２００２年４月、５０巻、４号、ｐ．１１４６－１１５５
【非特許文献12】「２０２１ ５１ｓｔ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ （ＥｕＭＣ）」、２０２２年４月、ｐ．２６－２９
【非特許文献13】「２００７ ＩＥＥＥ／ＭＴＴ－Ｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ」、２００７年６月、ｐ．３７－４０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
非特許文献１－３それぞれに記載のブランチライン結合器は、帯域が狭く、単一周波数以外では、回路の特性の変化により損失の変動、及び移相量の変動が強く生じてしまう。また、ブランチライン結合器では、構造に３５Ωの線路が必要であるため、線路幅が大きい傾向がある。ブランチライン結合器では、２８ＧＨｚ帯または６０ＧＨｚ帯は平面回路のリアクタンスの影響が強く、さらに狭帯域化してしまう。
【0009】
非特許文献４－５それぞれに記載のブランチライン結合器には、Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ｈｙｂｒｉｄ Ｃｉｒｃｕｉｔの提案によって動作帯域を拡張したものがある。しかしそれらのブランチライン結合器では、使用する帯域を変更する移相器であり、広帯域では動作できない。また、挿入損が大きくなり、損失の変動が大きい。
【0010】
非特許文献６－１０それぞれに記載の結合線路方向性結合器では、３ｄＢ分岐を広帯域で得るには、線路間の結合度を可能な限り高めたり、Ｄｅｆｅｃｔｅｄ Ｇｒｏｕｎｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ（ＤＧＳ）を設けたり必要がある。様々な工夫が提案されているが、製作容易性、及び挿入損が他の移相器よりも劣る。
【0011】
ラットレース回路を接続回路として用いる場合、帯域とサイズとのトレードオフが大きい。非特許文献１１に記載のラットレース回路は、アナログ移相器ではなく固定移相器であり、サイズが大きい。非特許文献１２に記載のラットレース回路は、右手左手系複合線路を利用して回路を小型化している。しかし、元々のラットレース回路に比べて接続回路の特性が悪化してしまう。
【0012】
非特許文献１３に記載の平面型Ｍａｇｉｃ－Ｔでは、マイクロストリップ、及びスロット線路が用いられている。この平面型Ｍａｇｉｃ－Ｔでは、マイクロストリップとスロット線路との間の変換が複雑である。その複雑さに伴い狭帯域となり、また放射損が発生してしまう。
【0013】
上述した４端子対回路を用いた反射型移相器ではいずれも、製作容易性、構造性、帯域、サイズ、ＦｏＭ、及び損失移相量変動のいずれかの性能が十分ではなかった。４端子対回路を用いた反射型移相器の性能を向上させることが求められている。
【0014】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、４端子対回路を用いた反射型移相器の性能を向上させることができる反射型移相器を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0015】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、本発明の一態様は、誘電体基板と、前記誘電体基板の第１面に形成され、一端に第１ポートを有する第１マイクロストリップ線路と、前記第１面に形成され、一端に第２ポートを有し他端に第３ポートを有する第２マイクロストリップ線路と、前記第１面に所定の間隔を設けて形成された第１線路と第２線路とから構成され、前記第１線路の一端、及び前記第２線路の一端に第４ポートを有するコプレーナ線路と、前記第２マイクロストリップ線路の前記第２ポートを有する一端、及び前記第３ポートを有する他端それぞれに接続され、前記第２ポートと前記第３ポートとの間に９０度の位相差を付加する反射負荷と、を備え、前記第２マイクロストリップ線路において、前記第２ポートとの間の距離と前記第３ポートとの間の距離とが等しい周方向の位置に前記第１マイクロストリップ線路の他端が接続され、前記第２ポートが前記第１線路の他端に接続され、前記第３ポートが前記第２線路の他端に接続される反射型移相器である。
【0016】
また、本発明の一態様は、上記の反射型移相器において、前記反射負荷は、集中定数回路によって構成される。
【発明の効果】
【0017】
本発明によれば、４端子対回路を用いた反射型移相器の性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【図1】本発明の実施形態に係る平面型Ｍａｇｉｃ－Ｔ１の回路構成の一例を示す図である。
【図2】本発明の実施形態に係る平面型Ｍａｇｉｃ－Ｔ１の回路構成に対応する伝送線路の構成を偶数モードが励起される場合について示す図である。
【図3】本発明の実施形態に係る平面型Ｍａｇｉｃ－Ｔ１の回路構成に対応する伝送線路の構成の一例を奇数モードが励起される場合について示す図である。
【図4】本発明の実施形態に係る反射型移相器６の構成の一例を示す図である。
【図5】本発明の実施形態に係る反射型移相器６の等価回路の一例を示す図である。
【図6】本発明の実施形態に係る反射型移相器６と従来の反射型移相器との性能の比較の一例を示す図である。
【図7】従来技術に係るハイブリッド回路の作成方法の一例を示す図である。
【図8】従来技術に係る従来平面型Ｍａｇｉｃ－Ｔ１０の構成の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0019】
（実施形態）
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。図１は、本実施形態に係る平面型Ｍａｇｉｃ－Ｔ１の回路構成の一例を示す図である。平面型Ｍａｇｉｃ－Ｔ１は、リング形状のパワーデバイダと、Ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ－ｔｏ－ｃｏｐｌａｎａｒ ｓｔｒｉｐｓ（ＣＰＳ）変換構造とを有する平面型のＭａｇｉｃ－Ｔである。なお、ＣＰＳ変換構造を、Ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ－ｔｏ－ＣＰＳ変換構造ともいう。
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。図１は、本実施形態に係る平面型Ｍａｇｉｃ－Ｔ１の回路構成の一例を示す図である。平面型Ｍａｇｉｃ－Ｔ１は、リング形状のパワーデバイダと、Ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ－ｔｏ－ｃｏｐｌａｎａｒ ｓｔｒｉｐｓ（ＣＰＳ）変換構造とを有する平面型のＭａｇｉｃ－Ｔである。なお、ＣＰＳ変換構造を、Ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ－ｔｏ－ＣＰＳ変換構造ともいう。
【0020】
平面型Ｍａｇｉｃ－Ｔ１は、第１マイクロストリップ線路２と、第２マイクロストリップ線路３と、コプレーナ線路４とを備える。第１マイクロストリップ線路２、第２マイクロストリップ線路３、及びコプレーナ線路４は、誘電体基板５の表面である第１面５０に形成される。誘電体基板５の裏面には、接地導体５１が設けられる。
【0021】
第１マイクロストリップ線路２は、直線状の線路である。第１マイクロストリップ線路２は、一端に第１ポートＰ１を有し、他端が第２マイクロストリップ線路３の第１接続部３２に接続される。第１ポートＰ１は、信号（例えば、マイクロ波）が入力されるポートである。
【0022】
第２マイクロストリップ線路３は、リング状の線路である。第２マイクロストリップ線路３は、第１アーム３０と、第２アーム３１とから構成される。第１アーム３０と第２アーム３１とは、第１接続部３２において接続されている。第１アーム３０と第２アーム３１とは図１において、第１接続部３２と第２接続部３３とを結ぶ直線について左右対称である。第１アーム３０、及び第２アーム３１それぞれの形状は、円弧である。
【0023】
したがって、第２マイクロストリップ線路３において、第２ポートＰ２との間の距離と第３ポートＰ３との間の距離とが等しい周方向の位置（第１接続部３２の位置）に第１マイクロストリップ線路２の他端が接続されている。
【0024】
第１アーム３０は、一端に第２ポートＰ２を有し、他端に第１接続部３２を有する。第２アーム３１は、一端に第３ポートＰ３を有し、他端に第１接続部３２を有する。したがって、第２マイクロストリップ線路３は、一端に第２ポートＰ２を有し他端に第３ポートＰ３を有する。
【0025】
第１接続部３２には、第１マイクロストリップ線路２が接続される。第２ポートＰ２、及び第３ポートＰ３からは、第１ポートＰ１から入力されたマイクロ波が分岐されてそれぞれ出力される。第２接続部３３には、コプレーナ線路４が接続される。
【0026】
第２マイクロストリップ線路３には、第２接続部３３においてコプレーナ線路４が接続される。第２接続部３３は、第２接続部第１部分３３０と第２接続部第２部分３３１とから構成される。第２接続部第１部分３３０は、第１アーム３０の端である。第２接続部第２部分３３１は、第２アーム３１の端である。
【0027】
コプレーナ線路４は、直線状の線路である。コプレーナ線路４は、第１線路４０と第２線路４１とから構成される。第１線路４０と第２線路４１とは、第１面５０上において所定の間隔を設けて並行に配置された１対の線路である。コプレーナ線路４は、一端が第２接続部３３に接続される。第２接続部３３のうち第２接続部第１部分３３０と第１線路４０とが接続され、第２接続部第２部分３３１が第２線路４１と接続される。
【0028】
コプレーナ線路４は、他端に第４ポートＰ４を有する。ここでコプレーナ線路４は、第１線路４０の一端、及び第２線路４１の一端に第４ポートＰ４を有する。第４ポートＰ４は、マイクロ波を検出するためのポートである。
また、第２ポートＰ２は、第１線路４０の他端に接続される。第３ポートＰ３は、第２線路４１の他端に接続される。
また、第２ポートＰ２は、第１線路４０の他端に接続される。第３ポートＰ３は、第２線路４１の他端に接続される。
【0029】
平面型Ｍａｇｉｃ－Ｔ１は、線路が平面上に配置されて構成されるが、移相器としての特性は、従来の立体形状のＭａｇｉｃ－Ｔと同じである。平面型Ｍａｇｉｃ－Ｔ１では、第１マイクロストリップ線路２、及び第２マイクロストリップ線路３から構成されるリング形状のマイクロストリップ線路から構成されるパワーデバイダによって、Ｈ面分岐が実現されている。また、平面型Ｍａｇｉｃ－Ｔ１では、第２マイクロストリップ線路３、及びコプレーナ線路４から構成されるＣＰＳ変換構造によって、Ｅ面分岐が実現されている。
【0030】
第１ポートＰ１及び第４ポートＰ４の特性インピーダンスは、第１マイクロストリップ線路２の幅ｗ１、コプレーナ線路４を構成する第１線路４０及び第２線路４１それぞれの幅ｗ４、並びに第１線路４０と第２線路４１との間の間隔ｇＣＰＳに応じて決まる。図１では、一例として、幅ｗ１は１．７ｍｍであり、幅ｗ４は０．２ｍｍであり、間隔ｇＣＰＳは０．１ｍｍである。
【0031】
コプレーナ線路４は、マイクロ波の伝搬モードとしてＴＥＭモード、及び高次モード（つまり、奇数モード、及び偶数モード）を伝搬させる。これらのモードはそれぞれ、インピーダンスＺｏｄｄ、及びインピーダンスＺｅｖｅｎをもつ。なお、第２ポートＰ２、及び第３ポートＰ３は、例えば、同軸ケーブルによって実現される。
【0032】
接地導体５１は、誘電体基板５の裏面において、コプレーナ線路４の下面に位置する領域５２では配置されていない。換言すれば、接地導体５１は、誘電体基板５の裏面において境界５３によって示される範囲まで設けられている。コプレーナ線路４では、誘電体基板５の第１面５０において、境界５３から第４ポートＰ４までの部分が裏面に接地導体５１が配置されていない領域５２上に設けられている。コプレーナ線路４では、第２接続部３３から境界５３までの部分は裏面に接地導体５１が配置されている。そのため、コプレーナ線路４には、主に奇数モードが伝搬する。なお、境界５３は、第１接続部３２と第２接続部３３とを結ぶ直線と垂直な直線である。第２接続部３３から境界５３までの距離ｌ１は、一例として、３ｍｍである。
【0033】
第２マイクロストリップ線路３のリングの半径Ｒは、２πＲ＝λｇ／２を満たす。ここでλｇは、設計周波数における管内波長である。したがって、第１アーム３０、及び第２アーム３１の電気長はそれぞれ、λｇ／４である。図１では、一例として、半径Ｒは７．５ｍｍである。また、第２マイクロストリップ線路３の幅ｗＲは０．９ｍｍである。なお、幅ｗＲは、第１アーム３０と第２アーム３１とに共通である。
【0034】
平面型Ｍａｇｉｃ－Ｔ１において、第１ポートＰ１、第２ポートＰ２、及び第３ポートＰ３それぞれのインピーダンスは、５０Ωであり、第４ポートＰ４のインピーダンスは、１００Ωである。
【0035】
平面型Ｍａｇｉｃ－Ｔ１は、従来の４端子対回路に比べて２つの利点を有する。平面型Ｍａｇｉｃ－Ｔ１の１つ目の利点は、回路構成が単純であるため、製作が容易であり、また他の回路と統合することが容易であることである。平面型Ｍａｇｉｃ－Ｔ１では、調整が必要なパラメータの数は最小限に抑えられている。平面型Ｍａｇｉｃ－Ｔ１の性能は、第１ポートＰ１、及び第４ポートＰ４それぞれの特性インピーダンス、並びに４分の１波長の電気長の第１アーム３０、及び第２アーム３１によって決まる。
【0036】
平面型Ｍａｇｉｃ－Ｔ１の２つ目の利点は、Ｈ面分岐としてのリング形状のマイクロストリップ線路（第２マイクロストリップ線路３）と、ＣＰＳ変換構造（コプレーナ線路４）とを組み合わせることによって、回路のサイズの小型化、及び挿入損失の低減を実現できている点である。
【0037】
第２マイクロストリップ線路３には、２つの役割がある。１つ目の役割として、第２マイクロストリップ線路３は、Ｈ面分岐として４分の１波長インピーダンス変成器として機能する。なお、第２マイクロストリップ線路３のインピーダンスＺＴは＝７０．７Ω（１００×５０の平方根）である。２つ目の役割として、第２マイクロストリップ線路３は、Ｅ面分岐として４分の１波長ショートスタブとして機能する。平面型Ｍａｇｉｃ－Ｔ１は、従来技術において挿入損失の主要因であったスロットスタブを必要としない。
【0038】
次に図２及び図３を参照し、偶数モード及び奇数モードを用いて平面型Ｍａｇｉｃ－Ｔ１の動作原理について説明する。図２は、平面型Ｍａｇｉｃ－Ｔ１の回路構成に対応する伝送線路の構成の一例を、偶数モードが励起される場合について示す図である。図３は、平面型Ｍａｇｉｃ－Ｔ１の回路構成に対応する伝送線路の構成の一例を、奇数モードが励起される場合について示す図である。図２、及び図３にそれぞれ示す伝送線路では、説明を簡単にするため、インピーダンスは、５０Ωの特性インピーダンスに規格化する。
【0039】
図２に示す偶数モードの励起では、第２ポートＰ２、及び第３ポートＰ３では、マイクロ波の振幅、及び位相は互いに等しい。平面型Ｍａｇｉｃ－Ｔ１が配置される第１面５０が磁界面となる。したがって、コプレーナ線路は奇数モードを伝搬させず、第２ポートＰ２、及び第３ポートＰ３は、実質的にオープンとなる。平面型Ｍａｇｉｃ－Ｔ１は、３つのポートを有する回路となる。第２ポートＰ２から入力された信号は、第１ポートＰ１、及び第４ポートＰ４にそれぞれ分配され、第４ポートＰ４を伝搬する偶数モードは、挿入損失となる。
【0040】
図３に示す奇数モードの励起では、第２ポートＰ２、及び第３ポートＰ３では、マイクロ波の振幅は互いに等しくなるが、位相は互いに逆位相となる。平面型Ｍａｇｉｃ－Ｔ１が配置される第１面５０が電界面となる。したがって、コプレーナ線路は偶数モードを伝搬させない。さらに、Ｈ面分岐における４分の１波長の線路は、４分の１波長ショートスタブとなる。第１ポートＰ１、及び第２ポートＰ２は、完全にアイソレートする。図３に示す回路構成は、２つのポートのネットワークとなり、挿入損失は存在しない。なお、第１ポートＰ１、及び第３ポートＰ３も、アイソレートする。
【0041】
上述したように、平面型Ｍａｇｉｃ－Ｔ１では、Ｈ面分岐がマイクロストリップ線路（第１マイクロストリップ線路２、及び第２マイクロストリップ線路３）によって構成され、Ｅ面分岐がコプレーナ線路（コプレーナ線路４）によって構成される。Ｈ面分岐には、コプレーナ線路における偶数モードの伝搬によって挿入損失が発生する。一方、Ｅ面分岐には、挿入損失は発生しない。
【0042】
ここで、ハイブリッド回路の作成方法としては、６通りの作成方法が既知である。同一平面回路では、図７（Ａ）に示す回路が最小のサイズとなる。一方、図７（Ｂ）に示す回路では、２分の１波長の線路が含まれている。２分の１波長の線路は、当該線路の伝送線路長を０にしたとしても位相差は同じあり、Ｍａｇｉｃ－Ｔとしての特性は変わらないと考えられる。
【0043】
例えば、非特許文献１３に記載の平面型Ｍａｇｉｃ－Ｔは、図７（Ｂ）に示す回路に基づいて構成されている。図８は、従来技術に係る従来平面型Ｍａｇｉｃ－Ｔ１０の構成の一例を示す図である。従来平面型Ｍａｇｉｃ－Ｔ１０では、スロット線路１０１を設けてマイクロストリップ線路間の変換を実現していた。スロット線路１０１を設ける構成では、マイクロストリップ・スロット線路変換が複雑である。そのため、従来平面型Ｍａｇｉｃ－Ｔ１０では、帯域幅が狭くなり、また、放射損失が大きくなってしまう。
【0044】
一方、上述したように、本実施形態に係る平面型Ｍａｇｉｃ－Ｔ１では、スロット線路による変換の代わりに、コプレーナ線路４が第２マイクロストリップ線路３に直接接続されるＣＰＳ変換構造が用いられている。平面型Ｍａｇｉｃ－Ｔ１におけるコプレーナ線路４は、従来平面型Ｍａｇｉｃ－Ｔ１０におけるスロット線路１０１に比べて短い。平面型Ｍａｇｉｃ－Ｔ１では、ＣＰＳ変換構造を利用することによって、小型でスロット線路１０１より低損失な構成を実現している。また、平面型Ｍａｇｉｃ－Ｔ１では、モードの直交性を利用することによって、回路の分配特性が伝送線路長に依存しない平面回路を実現している。
【0045】
次に図４を参照し、上述した平面型Ｍａｇｉｃ－Ｔ１を接続回路として用いた反射型移相器６の構成について説明する。図４は、本実施形態に係る反射型移相器６の構成の一例を示す図である。反射型移相器６は、誘電体基板５と、平面型Ｍａｇｉｃ－Ｔ１と、反射負荷７とを備える。平面型Ｍａｇｉｃ－Ｔ１、及び反射負荷７は、誘電体基板５上に形成される。
【0046】
なお、図４において示されているサイズの単位は、ミリメートルである。接地導体５１は、誘電体基板５の裏面において領域５２では配置されていない。領域５２は、コプレーナ線路４の第４ポートＰ４側の一部の下面に位置する。領域５２のサイズは、２０ｍｍ×２．５ｍｍである。回路のサイズは、０．１７λｇ×０．２０λｇである。
【0047】
ここで４端子対回路（ハイブリッド回路）を反射型移相器に用いるには、次の２つの条件を満たす必要がある。１つ目の条件は、２つのポートに入力ポートから入力された電力を等しく分配することである。２つ目の条件は、それらの２つのポートそれぞれから出力される信号の間に９０度の位相差を付加することである。上述したように、１つ目の条件は、平面型Ｍａｇｉｃ－Ｔ１によって満たされている。
【0048】
一方、Ｍａｇｉｃ－ＴのＳパラメータは、式（１）によって示される。
【0049】
【数1】
【0050】
このＳパラメータを見ると、Ｍａｇｉｃ－Ｔは、ラットレース回路と同様に１８０度ハイブリッド回路に分類され、そのままでは上記の２つ目の条件を満たしていない。そこで、第２ポートＰ２及び第３ポートＰ３それぞれから出力される信号の間に９０度の位相差を付加する必要がある。
【0051】
反射負荷７は、第２ポートＰ２及び第３ポートＰ３それぞれから出力される信号の間に９０度の位相差を付加する。反射負荷７は、第２接続部第１部分３３０、及び第２接続部第２部分３３１それぞれに接続される。したがって、反射負荷７は、第１マイクロストリップ線路２の第２ポートＰ２を有する一端、及び第３ポートＰ３を有する他端それぞれに接続される。つまり、反射負荷７は、第２マイクロストリップ線路３の両端に接続される。また、反射負荷７は、第２マイクロストリップ線路３のリングの内側に配置されている。
【0052】
反射負荷７は、集中定数回路である。本実施形態において、集中定数回路は、反射型移相器６を伝搬する信号の波長よりも十分小さい形状の電子部品、及び十分短い配線長で構成され、かつ、部品間の配線のインピーダンスが無視できるほど小さい回路である。反射負荷７の回路構成は、第２ポートＰ２及び第３ポートＰ３それぞれから出力される信号の間に９０度の位相差を付加できさえすれば、いずれの集中定数回路の構成であってもよい。本実施形態では、集中定数回路である反射負荷７のサイズは、第２マイクロストリップ線路３のリングの内側に配置できる程度に小さい。
【0053】
本実施形態では、反射負荷７は、一例として、ハイパス移相器またはローパス移相器と、バラクタ負荷（可変容量ダイオードともいう）とを備える。バラクタ負荷は、直流電源によって制御される。また、反射負荷７は、ＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）を遮断する抵抗であるＲＦチョーク抵抗、及び直流カット用キャパシタを含む。反射負荷７は、一例として、１４個の表面実装用部品（ＳＭＤ：Ｓｕｒｆａｃｅ Ｍｏｕｎｔ Ｄｅｖｉｃｅ）を備える。図５に反射型移相器６の等価回路を示す。
【0054】
インダクタンスＬＨ、キャパシタンスＣＨ、インダクタンスＬＬ、及びキャパシタンスＣＬの各値は、次の式（２）から式（５）によって示される。
【0055】
【数2】
【0056】
【数3】
【0057】
【数4】
【0058】
【数5】
【0059】
ここで特性インピーダンスＺ０は、第１アーム３０及び第２アーム３１それぞれの特性インピーダンスである。位相φは、所望の位相差である。角周波数ωは、反射型移相器６の設計周波数ｆ０における角周波数である。本実施形態では、特性インピーダンスＺ０は５０Ωであり、位相φは４５度であり、設計周波数ｆ０は２．０ＧＨｚである。
これらのパラメータの値に対して、インダクタンスＬＨは５．６ｎＨであり、キャパシタンスＣＨは３．２ｐＦであり、インダクタンスＬＬは１．８ｎＨである。
これらのパラメータの値に対して、インダクタンスＬＨは５．６ｎＨであり、キャパシタンスＣＨは３．２ｐＦであり、インダクタンスＬＬは１．８ｎＨである。
【0060】
バラクタ負荷のキャパシタンスＣνは、０．６３ｐＦから２．６７ｐＦまでの範囲で可変であり、寄生容量Ｌνは０．７ｎＦであり、寄生抵抗Ｒνは、１Ωである。バラクタ負荷は、位相差を増加させるためチップインダクタを有する。チップインダクタのインダクタンスＬｓは４．０ｎＨである。ＲＦチョーク抵抗の抵抗ＲＤＣは１０ＭΩである。直流カット用キャパシタのキャパシタンスＣＤＣは２０ｐＦである。
【0061】
なお、本実施形態では、第２ポートＰ２及び第３ポートＰ３それぞれから出力される信号の間に９０度の位相差を付加するために、集中定数回路である反射負荷７と平面型Ｍａｇｉｃ－Ｔ１とが組み合わされる場合の一例について説明したが、反射負荷７は集中定数回路に限られない。集中定数回路の代わりに、例えば、従来のラットレース回路に備えられるような９０度の位相遅れを実現する伝送線路が用いられてもよい。ただし、反射負荷として伝送線路を用いた場合、回路のサイズが大きくなってしまう。
【0062】
反射型移相器６では、反射負荷７として集中定数回路を用いることによって、回路のサイズを小さくできる。
【0063】
図６は、本実施形態に係る反射型移相器６と従来の反射型移相器との性能の比較の一例を示す図である。従来の反射型移相器は、非特許文献１－１０、１２に記載の反射型移相器、並びに、比較例の反射型移相器である。上述したように非特許文献１－５のハイブリッド回路は、ブランチライン結合器である（図６では、「ＢＬＣ」として示されている）。非特許文献６－１０のハイブリッド回路は、結合線路方向性結合器である（図６では、「ＣＬＣ」として示されている）。非特許文献１２のハイブリッド回路は、ラットレース回路である。比較例のハイブリッド回路は、本実施形態に係る反射型移相器６と同様に平面型Ｍａｇｉｃ－Ｔである。なお、比較例のハイブリッド回路では、平面型Ｍａｇｉｃ－Ｔの構成が本実施形態に係る反射型移相器６とは異なる。
【0064】
図６では、反射型移相器の性能として、帯域、挿入損失、位相差、ＦｏＭ、２種類の損失変動（ＦＢＷ）、及びサイズがそれぞれ比較されている。反射型移相器６では、製作が容易でありかつ平面構造であり、広帯域、小型、高ＦｏＭ、及び１ｄＢ以下の損失変動を同時に満足する。従来の反射型移相器では、これら性能を同時に満足できなかった。
【0065】
なお、本実施形態では、第２マイクロストリップ線路３の形状がリング状（つまり円形）である場合の一例について説明したが、これに限られない。第２マイクロストリップ線路３の形状は、誘電体基板５の第１面５０において迂回するように湾曲または屈曲した形状を有していればよい。ここで第１面５０において迂回するように湾曲または屈曲した形状とは、例えば、第１アーム３０、及び第２アーム３１がそれぞれ、第１接続部３２と第２接続部３３とを結ぶ線分上の点を迂回するような形状である。また別の例では、第１面５０において迂回するように湾曲または屈曲した形状とは、第１アーム３０、及び第２アーム３１がそれぞれ、第１接続部３２と第２接続部３３とを結ぶ線分から対称に離れている形状である。
なお、第２マイクロストリップ線路３の形状は、誘電体基板５の第１面５０において迂回するように湾曲または屈曲した形状を有している場合であっても、第１アーム３０、及び第２アーム３１は、第１接続部３２と第２接続部３３とを結ぶ線分について対称である。
なお、第２マイクロストリップ線路３の形状は、誘電体基板５の第１面５０において迂回するように湾曲または屈曲した形状を有している場合であっても、第１アーム３０、及び第２アーム３１は、第１接続部３２と第２接続部３３とを結ぶ線分について対称である。
【0066】
なお、本実施形態では、集中定数回路である反射負荷７が、第２マイクロストリップ線路３のリングの内側に配置される場合の一例について説明したが、これに限られない。例えば、複数の基板を積層してビアを設け、この積層された基板の裏面に集中定数回路が配置されてもよい。ただし、本実施形態のように、集中定数回路は第２マイクロストリップ線路３のリングの内側に配置された方が構成として簡便である。
【0067】
以上に説明したように、本実施形態に係る反射型移相器６は、誘電体基板５と、第１マイクロストリップ線路２と、第２マイクロストリップ線路３と、コプレーナ線路４と、反射負荷７と、を備える。
第１マイクロストリップ線路２は、誘電体基板５の第１面５０に形成され、一端に第１ポートＰ１を有する。
第２マイクロストリップ線路３は、第１面５０に形成され、一端に第２ポートＰ２を有し他端に第３ポートＰ３を有する。
コプレーナ線路４は、第１面５０に所定の間隔を設けて形成された第１線路４０と第２線路４１とから構成され、第１線路４０の一端（本実施形態において、第２接続部第１部分３３０）、及び第２線路４１の一端（本実施形態において、第２接続部第２部分３３１）に第４ポートＰ４を有する。
反射負荷７は、第２マイクロストリップ線路３の第２ポートＰ２を有する一端、及び第３ポートＰ３を有する他端それぞれに接続され、第２ポートＰ２と第３ポートＰ３との間に９０度の位相差を付加する。
第２マイクロストリップ線路３において、第２ポートＰ２との間の距離と第３ポートＰ３との間の距離とが等しい周方向の位置に第１マイクロストリップ線路２の他端が接続され、第２ポートＰ２が第１線路４０の他端に接続され、第３ポートＰ３が第２線路４１の他端に接続される。
第１マイクロストリップ線路２は、誘電体基板５の第１面５０に形成され、一端に第１ポートＰ１を有する。
第２マイクロストリップ線路３は、第１面５０に形成され、一端に第２ポートＰ２を有し他端に第３ポートＰ３を有する。
コプレーナ線路４は、第１面５０に所定の間隔を設けて形成された第１線路４０と第２線路４１とから構成され、第１線路４０の一端（本実施形態において、第２接続部第１部分３３０）、及び第２線路４１の一端（本実施形態において、第２接続部第２部分３３１）に第４ポートＰ４を有する。
反射負荷７は、第２マイクロストリップ線路３の第２ポートＰ２を有する一端、及び第３ポートＰ３を有する他端それぞれに接続され、第２ポートＰ２と第３ポートＰ３との間に９０度の位相差を付加する。
第２マイクロストリップ線路３において、第２ポートＰ２との間の距離と第３ポートＰ３との間の距離とが等しい周方向の位置に第１マイクロストリップ線路２の他端が接続され、第２ポートＰ２が第１線路４０の他端に接続され、第３ポートＰ３が第２線路４１の他端に接続される。
【0068】
この構成により、本実施形態に係る反射型移相器６では、４端子対回路を用いた反射型移相器の性能を向上させることができる。ここで反射型移相器６では、製作が容易でありかつ平面構造であり、広帯域、小型、高ＦｏＭ、及び１ｄＢ以下の損失変動を同時に満足する。従来の４端子対回路では、回路の特性が移相器の特性に影響する。Ｍａｇｉｃ－Ｔを使った場合のみ、移相器の特性が反射負荷の特性に等しくなる。本実施形態に係る反射型移相器６では、平面型Ｍａｇｉｃ－Ｔ１によって、最小構成、低損失、かつ広帯域で動作するＭａｇｉｃ－Ｔを実用レベルで実現している。
【0069】
反射型移相器６では、誘電体基板５の第１面５０に形成された第１マイクロストリップ線路２、第２マイクロストリップ線路３、及び第２マイクロストリップ線路３によって、平面型Ｍａｇｉｃ－Ｔ１を実現している。平面型Ｍａｇｉｃ－Ｔ１では、従来技術で用いられたマイクロストリップ・スロット線路変換の代わりにＣＰＳ変換構造を用いており、放射損失の低減と、回路の小型化を実現している。
【0070】
また、本実施形態に係る反射型移相器６では、反射負荷７は、集中定数回路である。
この構成により、本実施形態に係る反射型移相器６では、反射負荷として、集中定数回路を用いることによって、回路の小型化、広帯域化を実現している。
この構成により、本実施形態に係る反射型移相器６では、反射負荷として、集中定数回路を用いることによって、回路の小型化、広帯域化を実現している。
【0071】
以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。
【符号の説明】
【0072】
１…平面型Ｍａｇｉｃ－Ｔ、２…第１マイクロストリップ線路、３…第２マイクロストリップ線路、４…コプレーナ線路、５…誘電体基板、６…反射型移相器、７…反射負荷、５０…第１面、Ｐ１…第１ポート、Ｐ２…第２ポート、Ｐ３…第３ポート、Ｐ４…第４ポート
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】