JP4908596B2 - マイクロ波結合器 - Google Patents
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Description
第1の伝送線路および第2の伝送線路を備え、各伝送線路はその長さに沿って一連のスタブを含み、第1および第2の伝送線路のスタブは互いにコムラインパターンの向きにされ、使用時に一方の伝送線路を通るマイクロ波エネルギは他方と結合され、伝送線路はコムラインパターンの第1の端部とコムラインパターンの反対側の第2の端部との間に延在しており、
前記伝送線路へまたは前記伝送線路からのマイクロ波信号を結合するために前記伝送線路の各端部に1つずつ、4つのポートを備え、コムラインパターンの第1の端部に第1の伝送線路に対する第1の入力ポートおよび第2の伝送線路に対する第2の入力ポートを含み、コムラインパターンの第2の端部に第1の伝送線路に対する第3の出力ポートおよび第2の伝送線路に対する第4の出力ポートを含み、
出力ポートに現われる信号間の位相差は、2本の結合された伝送線路内のマイクロ波エネルギの伝搬特性の差に関連する前記伝送線路の対称パラメータの特性であり、
コムラインマイクロ波方向性結合器は、前記対称パラメータを変更する手段をさらに備え、マイクロ波信号がコムライン構造の前記第1の端部のポートの一方に結合されるときに、コムライン構造の前記第2の端部の2つのポートからの結合されるマイクロ波信号の相対位相を制御する、
コムラインマイクロ波方向性結合器が提供される。
コムライン結合器は、最初にGuntonおよびPaigeによって1975年に文献[D J Gunton and E G S Paige:‘Directional coupler for gigahertz frequencies based on the coupling properties of two planar comb transmission lines(2本のプレーナコムラインの結合特性に基づくギガヘルツ周波数のための方向性結合器)’, Elec. Lett., 1975, 11, pp 406-8.]において、近い導体間隔を必要としない構成で高レベルの結合(ほぼ0dB)を得るやり方として提案された。この点で、これは従来の「エッジ結合器」から一歩前進した。従来の「エッジ結合器」では、高い結合レベルは、非常に近い導体の間隔が必要であり、原理的に0dBは不可能であり、一方で−3dBの結合レベルは技術的課題があった。一般論[D J Gunton and E G S Paige: ‘An analysis of the general asymmetric directional coupler with non-mode-converting terminations(非モード変換成端によるほぼ非対称の方向性結合器の解析)’, IEE J Micr., Opt, and Acoust., 1978, 2,1, pp31-6]および超広帯域動作の説明[D J Gunton: ‘The design of wideband codirectional couplers and their realisation at microwave frequencies using coupled comblines(結合コムラインを使用したマイクロ波周波数における広帯域方向性結合器の設計およびその実現)’, IEE J Micr., Opt, and Acoust., 1978, 2,1, pp19-30]も提案された。
等しい同相信号が対称結合器1のポート11および12に印加されると、これらの信号は特性速度veを有しかつその振幅および位相関係を維持して、結合領域に沿って伝搬することを実験的および理論的に示すことができる。この励起モードは偶モードと称され、その速度は偶モード速度と称される。等しい振幅であるが反対位相の入力がポート11および12に印加されると、これらもその関係性を変えることなく伝搬する。これらは共に、特性速度voを有する奇モードを構成する。奇モード速度と偶モード速度とは異なるので、両者が存在するとき、モード間の位相関係が変わるので、2本の結合線のエネルギは距離と共に変化する。
λb=ve.vo/f(ve−vo) (1)
である。
偶モードおよび奇モードはここでも異なる速度を有するが、それらのモードを構成している電圧ベクトルは、対称結合器で見られた+1および−1の関係を最早有していない。
(第1のポート11における単位入力電力に対して、無損失状態であり逆方向結合はないと仮定して)第4のポート14の出力電力を次に示す。
代わりに式(4)を次のように書いてもよい。
これは変数のcos2θの性質を示している。
(この式は、r=1の特別な場合にΔφ1=90°に低減する。)
第2のポート12における単位入力電力に対して、電力分配の式は同じである(すなわち、|S42|2=|S31|2および|S32|2=|S41|2)が、位相差は180°異なる。
結合器の出力13、14における位相差について式(7)および(8)は、θ、r、およびCに依存し、これらは次にセクション2においてさらに詳しく検討する。
コムライン結合器の対称を示す主な特徴は、その幾何学形状、とくに、スタブの相対的な長さである。2本の結合伝送線路の結合位相速度を厳密に比較しなければならない。
一般的な結合器において、βc1およびβc2は、2本の結合伝送線路の結合された位相定数であり、モード対称パラメータmはこれらによって決まる。βc1=βc2であるとき、結合器は対称であり、r=1である。
・伝送線路の細長い部分の異なる幅
・各伝送線路の下の異なる誘電特性
・細長い部分の外側へのスタブの付加(へリングボーンパターン)
・湾曲部周りの結合器の形成
・特定の周波数における共振または長さに応じた効果
これらの幾つかは、他よりも、動的な変化に対してより修正可能であることは明らかである。
伝送線路に沿った様々な点における各線路の電力レベルに対する結合の結果は、図7A、7B、および7Cに示されており、これらは、ビート波長λbのパーセンテージで表わされた様々な結合器の全長に対して、スタブ対間の結合因子を変えた結果を示している。
様々な結合を様々なやり方で実施することができ、次に3つの例を与える。最初に結合器の全体的な動作が分散作用に基づくことは注目に値する。したがって、局部レベルで、2値の変化を有することのみが可能であるとき、パラメータの全中間値(例えば、対称)は、二極状態の適切に分散した局部の組合せによって得ることができる。
別の技術は、コムライン上のスタブの長さを伸ばして、伝送線路間の結合を変更するために、MEMSスイッチを使用する。図11および12に概略的に示されているように、これはマイクロストリップ回路に最も適している。
この実施形態では、結合は、図13に示されているようにスタブの端部において接地平面を引込める(retract)ことによって変えられる。この技術の特定の長所は、様々な構成要素が回路の外部にあるときに、ストリップ線路の実施が可能であることである。
Claims (14)
- 第1の伝送線路および第2の伝送線路と、
4つのポートと、
を備えたコムラインマイクロ波方向性結合器であって、
前記第1および第2の伝送線路の各々はその長さに沿って一連のスタブを含み、前記第1および第2の伝送線路の前記スタブは互いにコムラインパターンの向きにされ、使用時に前記第1および第2の伝送線路のうちの一方の伝送線路を通るマイクロ波エネルギは他方の伝送線路を通るマイクロ波エネルギと結合され、前記第1および第2の伝送線路は前記コムラインパターンの第1の端部と前記コムラインパターンの反対側の第2の端部との間に延在しており、
前記4つのポートは、前記第1および第2の伝送線路へのまたは前記第1および第2の伝送線路からのマイクロ波信号を結合するために前記第1および第2の伝送線路の各端部に1つずつ備えられていて、前記コムラインパターンの前記第1の端部に前記第1の伝送線路に対する第1の入力ポートおよび前記第2の伝送線路に対する第2の入力ポートを含み、前記コムラインパターンの前記第2の端部に前記第1の伝送線路に対する第3の出力ポートおよび前記第2の伝送線路に対する第4の出力ポートを含み、
前記第3および第4の出力ポートに現われる信号間の位相差は、2本の結合された前記第1および第2の伝送線路内のマイクロ波エネルギの伝搬特性の差に関連する前記第1および第2の伝送線路の対称パラメータの特性であり、
前記コムラインマイクロ波方向性結合器は、前記対称パラメータを変更する手段をさらに備え、マイクロ波信号が前記コムラインパターンの前記第1の端部の前記第1と第2の入力ポートの一方に結合されるときに、前記コムラインパターンの前記第2の端部の前記第3と第4の出力ポートからの結合されるマイクロ波信号の相対位相を制御する、
コムラインマイクロ波方向性結合器。 - 前記スタブの少なくとも幾つかは、前記第1および第2の伝送線路のうちの一方の伝送線路から他方の伝送線路へ向かって延在している、請求項1記載のコムラインマイクロ波方向性結合器。
- 前記第1の伝送線路から前記第2の伝送線路へ向かって延在している前記スタブの少なくとも幾つかは、前記第2の伝送線路から前記第1の伝送線路へ向かって延在している他のスタブと交互配置されて、交互配置されたコムラインパターンを形成している、請求項2記載のコムラインマイクロ波方向性結合器。
- 前記交互配置されたスタブは、互い違いに交互配置されている、請求項3記載のコムラインマイクロ波方向性結合器。
- 前記スタブの少なくとも幾つかは、前記第1および第2の伝送線路の少なくとも一方の伝送線路から、他方の伝送線路から離れる方向に延在して、ヘリングボーンコムラインパターンを形成している、請求項1乃至4の何れか1項記載のコムラインマイクロ波方向性結合器。
- 前記コムラインマイクロ波方向性結合器は、使用時に前記第1および第2の伝送線路の一方または両方におけるマイクロ波エネルギを電磁的に結合する少なくとも1つの可動構成要素をさらに備え、
前記対称パラメータを変更する手段は、前記可動構成要素を動かす機械的手段であり、前記第1および第2の伝送線路間のマイクロ波エネルギの相対的な結合を変更して、それによって前記マイクロ波信号の前記相対位相を制御する、請求項1乃至5の何れか1項記載のコムラインマイクロ波方向性結合器。 - 前記可動構成要素は、微小電気機械システム(microelectromechanical system, MEMS)の一部である、請求項6記載のコムラインマイクロ波方向性結合器。
- 前記可動構成要素は、動かされたときに、少なくとも1つのスタブの寸法を変えるように作用して、前記第1および第2の伝送線路間のマイクロ波エネルギの相対的な結合を変更して、それによって前記マイクロ波信号の前記相対位相を制御する、請求項6または7記載のコムラインマイクロ波方向性結合器。
- 各スタブは平面に延在していて、
前記可動構成要素は、動かされたときに、隣り合う、スタブの平面の相対的な向きを変えるように作用する、請求項6または7記載のコムラインマイクロ波方向性結合器。 - 前記可動構成要素は、動かされたときに、前記第1および第2の伝送線路間の間隔を変えるように作用して、前記第1および第2の伝送線路間のマイクロ波エネルギの相対的な結合を変更して、それによって前記マイクロ波信号の前記相対位相を制御する、請求項6または7記載のコムラインマイクロ波方向性結合器。
- 前記コムラインマイクロ波方向性結合器は、導電性接地平面、絶縁性誘電層、および導電性パターン層を更に備え、
前記コムラインパターンは、前記導電性パターン層によって形成され、
前記絶縁性誘電層は、前記導電性接地平面と前記導電性パターン層との間に位置しており、
前記対称パラメータを変更する手段は、前記導電性パターン層と前記コムラインパターンとの間の誘電結合を変更するように作用して、前記第1および第2の伝送線路間のマイクロ波エネルギの相対的な結合を変更して、それによって前記マイクロ波信号の前記相対位相を制御する、請求項1乃至6の何れか1項記載のコムラインマイクロ波方向性結合器。 - マイクロ波エネルギのソースおよびコムラインマイクロ波方向性結合器を備えるマイクロ波回路であって、
前記コムラインマイクロ波方向性結合器は、請求項1乃至11の何れか1項に記載されており、
前記第1のポートは、前記マイクロ波エネルギのソースからマイクロ波エネルギを受け取るように構成されている、マイクロ波回路。 - 前記マイクロ波エネルギのソースは、マイクロ波エネルギのミリメートル帯域のソースである、請求項12記載のマイクロ波回路。
- レーダ信号を送信する少なくとも2つの送信要素と、少なくとも1つのコムラインマイクロ波方向性結合器とを備える、整相列レーダシステムであって、
前記コムラインマイクロ波方向性結合器は、請求項1乃至11の何れか1項に記載されており、
前記送信要素は前記コムラインマイクロ波方向性結合器の異なる出力ポートに接続され、前記出力ポートからの結合されるマイクロ波信号の相対位相を制御することによって、使用時に前記送信要素によって送信されるレーダ信号の方向を制御することができる、整相列レーダシステム。
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