JPWO2003065494A1 - マイクロ波移相器及び電力増幅器 - Google Patents

Abstract

本発明に係る移相器は、半絶縁性層を有する回路基板を備える。半絶縁性層の一方面側には伝送線路の形成部分に能動層が形成され、他方面側には第１接地導体層が形成され、能動層の上側には伝送線路が形成され、半絶縁性層の伝送線路形成面には伝送線路の片側に沿って近接するように第２接地導体層が形成される。第１、第２接地導体層を接地し、伝送線路に負極性のバイアス電圧を印加すると、能動層に逆バイアスがかかって空乏層が形成され、インダクタンスを持つ伝送線路に等価的にキャパシタンスが接続される。このキャパシタンスの値をバイアス電圧に応じて変化させることで、移相量を任意に制御することができる。

Description

技術分野
本発明は高周波信号に任意の移相量を与えるマイクロ波移相器と、このマイクロ波移相器を用いた電力増幅器に関する。
背景技術
マイクロ波移相器は、マイクロ波やミリ波などの高周波信号に所定の移相量を与える回路で、通常、いくつかの伝送線路やスイッチ回路などを組み合わせて構成される。例えば、基準となる伝送線路と共に、この基準側伝送線路に対して所定の位相差相当の遅延量を持つ伝送線路を備え、スイッチ回路によりいずれかの伝送線路を選択することで、基準に対する位相差に相当する移相量を得ている。
このような構成のマイクロ波移相器は、基板上に互いに遅延量の異なる複数の伝送線路とこれらの伝送線路を切り換えるためのスイッチ回路を形成してＩＣ化することで、装置全体の小型化を図っている。しかしながら、スイッチ回路は、入力側と出力側で複数線路から一線路を同時に選択切換を行うために、複数のスイッチ素子と駆動制御回路が必要となる。その結果、マイクロ波移相器は、基板上に形成する回路構成が複雑となり、基板の大型化、製造工程増大によるコスト上昇を招いている。
ところで、近年の衛星通信や移動通信等のマイクロ波通信装置においては、小型軽量化や信頼性等の面から、半導体増幅素子を用いた電力増幅器が広く使用されている。半導体増幅素子を用いた電力増幅器では、１つの素子で得られる出力電力は必ずしも高くない。そこで、高い出力電力を必要とする場合には、入力信号を複数経路に分配し、それぞれの経路に分配された信号の位相を制御しつつ半導体増幅素子で電力増幅後、再びこれらを合成するという、電力合成型の電力増幅器が提案されている（例えば、特開２００１−１９６８７０号公報（第５頁、図１））。
この電力増幅器では、電力合成時に信号間の位相がずれていると電力損失を生じるため、基準とする経路を除く他の経路中に移相器を挿入して位相調整することによって信号間の位相差をなくし、電力合成時の損失を低減している。このように、電力合成型の電力増幅器では、（分配数−１）相当の移相器が必要となる。したがって、電力増幅器を小型化し、かつ損失を十分に低減するために、小型でかつ安価であり、しかも移相量を比較的簡単にかつ精度良く調整が可能な移相器が望まれている。
発明の開示
本発明の目的は、回路構成が簡単で小型化が容易であり、これによって製造コストを低減することができ、しかも移相量を比較的簡単にかつ精度良く調整することが可能なマイクロ波移相器とこのマイクロ波移相器を用いる電力合成型の電力増幅器を提供することにある。
本発明のマイクロ波移相器は、動作層が一部に形成された半絶縁性基板と、この半絶縁性基板の前記動作層上に形成された信号導体と、前記半絶縁性基板上の前記信号導体と同じ面に形成された接地導体と、前記信号導体にバイアス電圧を印加するバイアス電源とを具備している。
発明を実施するための最良の形態
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係るマイクロ波移相器の構成を示す構成図である。図１において、１１はマイクロ波移相器の回路基板である。この回路基板１１は、ＧａＡｓなどの半絶縁性材料で形成された半絶縁性層１１１を有する半絶縁性基板である。半絶縁性層１１１の一方面（基板の表面）側には少なくとも伝送線路の形成部分に能動層１１２が形成され、他方面（基板の裏面）側には金属材料による第１導体層１１３が形成される。能動層１１２は、例えば半絶縁性層１１１に不純物をイオン注入して形成される。
上記能動層１１２の上側には、金属材料による伝送線路１１４が形成される。また、半絶縁性層１１１の伝送線路１１４が形成された面上には、端部が伝送線路１１４の片側（図では右側）に沿って近接するように、第２導体層１１５が形成される。
上記の構成による回路基板１１において、第１導体層１１３及び第２導体層１１５は接地端子１１６に接続され（以下、第１導体層、第２導体層をそれぞれ第１接地導体層、第２接地導体層と称する）、伝送線路１１４はバイアス電圧入力端子１１７に接続される。端子１１７には、移相器外部のバイアス電源１２から負極性のバイアス電圧Ｖ_ｐが印加される。この場合、伝送線路１１４の直下にある能動層１１２には逆バイアスがかかる。この結果、能動層１１２に空乏層が形成され、等価的に伝送線路１１４にキャパシタンスが接続されたことになる。また、バイアス電圧の値を変化させると、空乏層の広がりが変化する。したがって、空乏層の形成によって生じるキャパシタンスの値はバイアス電圧の関数に基づいて変化する。
図２は上記構成によるマイクロ波移相器の単位長当たりの等価回路を示す回路図である。半絶縁性層１１１の表面及び裏面に形成された伝送線路１１４と第１及び第２接地導体層１１３，１１５は、近接効果を利用したマイクロ・コプレーナ・ストリップ線路を構成する。この構成は、図２に示すように、インダクタンス及びキャパシタンスによる等価回路で表すことができる。図２において、１は伝送線路１１４の単位長当たりのインダクタンス、ｃは伝送線路１１４と第１及び第２接地導体層１１３，１１５との間に生じる寄生キャパシタンス、ｃ_１は空乏層の形成によって発生するキャパシタンスである。図２から明らかなように、空乏層によるキャパシタンスｃ_１は寄生キャパシタンスｃと並列に形成される。
この場合、マイクロ・コプレーナ・ストリップ線路の特性インピーダンスＺ_０は（１）式で決定される。
Ｚ_０＝［１／（ｃ＋ｃ_１）］^１／２ …（１）
したがって、線路長Ｌの伝送線路１１４を伝搬するマイクロ波信号（角周波数ω）の位相θは、β＝ω・Ｚ_０とすると、（２）式で与えられる。
θ＝βＬ＝ω［１／（ｃ＋ｃ_１）］^１／２×Ｌ…（２）
前述のように、伝送線路１１４に印加するバイアス電圧Ｖ_ｐを変化させれば、キャパシタンスｃ_１の値が変化する。したがって、（２）式から明らかなように、バイアス電圧Ｖ_ｐを変化させることで、伝送線路１１４の伝搬位相θを変化させることができる。
例えば、バイアス電圧Ｖ_ｐが０［Ｖ］のときを基準位相（θ_１）とし、バイアス電圧Ｖ_ｐがｖのときの位相をθ_２とすると、（３）式に示す位相差Δθが得られる。
Δθ＝θ_２−θ_１ …（３）
この場合、移相量Δθの移相器として動作する。
以上のことから、本実施形態の構成によれば、伝送線路を切り換えるためのスイッチ回路が不要となり、伝送線路に印加するバイアス電圧のみで移相量を設定することができるため、回路構成が簡単になる。また、バイアス電圧Ｖ_ｐの値により位相差Δθが決定されるため、バイアス電圧を連続的あるいは段階的に変化させることにより、移相量を連続的あるいは段階的に制御することができる。
（第２の実施形態）
図３は本発明の第２の実施形態に係るマイクロ波移相器の構成を示す構成図である。尚、図３において、図１と同一部分には同一符号を付して示し、ここでは異なる部分を取り上げて説明する。
図３に示す回路基板１１は、図１の半絶縁性層に代わって液晶誘電体層１１８を備える。液晶誘電体層１１８の表面及び裏面に形成された伝送線路１１４と第１及び第２接地導体層１１３，１１５は、第１の実施形態と同様に、近接効果を利用したマイクロ・コプレーナ・ストリップ線路を構成する。
但し、本実施形態の場合は、能動層は形成しない。
上記構成において、伝送線路１１４にバイアス電圧Ｖ_ｐを印加すると、伝送線路１１４と第１接地導体層１１３との間、伝送線路１１４と第２接地導体層１１５との間の液晶誘電体層１１８に電圧がかかる。この結果、液晶誘電体層１１８では、異方性誘電体の方向性が変化する。この方向性は、バイアス電圧Ｖ_ｐの値に応じて変化する。このため、バイアス電圧Ｖ_ｐの値を変化させると、伝送線路１１４と第１接地導体層１１３との間、伝送線路１１４と第２接地導体層１１５との間に生じる寄生キャパシタンスの値が変化する。
図４は上記構成によるマイクロ波移相器の単位長当たりの等価回路を示す回路図である。図４において、１は伝送線路１１４の単位長当たりのインダクタンス、ｃは伝送線路１１４と第１及び第２接地導体層１１３，１１５との間に生じる寄生キャパシタンスである。図４から明らかなように、本実施形態の場合は、第１の実施形態のような空乏層によるキャパシタンスは存在せず、寄生キャパシタンスｃの値そのものが変化する。
この場合、マイクロ・コプレーナ・ストリップ線路の特性インピーダンスＺ_０は（１）式で決定される。
Ｚ_０＝（１／ｃ）^１／２ …（４）
したがって、線路長Ｌの伝送線路１１４を伝搬するマイクロ波信号（角周波数ω）の位相θは、β＝ω・Ｚ_０とすると、（２）式で与えられる。
θ＝βＬ＝ω（１／ｃ）^１／２×Ｌ …（５）
前述のように、伝送線路１１４に印加するバイアス電圧Ｖ_ｐを変化させれば、液晶誘電体層１１６の誘電率が変化し、寄生キャパシタンスｃの値が変化する。したがって、（５）式から明らかなように、バイアス電圧Ｖ_ｐを変化させることで、伝送線路１１４の伝搬位相θを変化させることができる。
例えば、バイアス電圧Ｖ_ｐが０［Ｖ］のときを基準位相（θ_１）とし、バイアス電圧Ｖ_ｐがｖのときの位相をθ_２とすると、（３）式に示す位相差Δθが得られる。
Δθ＝θ_２−θ_１ …（６）
この場合、移相量Δθの移相器として動作する。
以上のことから、本実施形態の構成によっても、伝送線路を切り換えるためのスイッチ回路が不要となり、伝送線路に印加するバイアス電圧のみで移相量を設定することができるため、回路構成が簡単になる。また、バイアス電圧Ｖ_ｐの値により位相差Δθが決定されるため、バイアス電圧を連続的あるいは段階的に変化させることにより、移相量を連続的あるいは段階的に制御することができる。
（第３の実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態に係る電力増幅器の構成を示すブロック回路図である。図５において、入力端子２１にはマイクロ波伝送信号が供給される。この信号は２つの経路に分配される。一方の経路は基準経路となり、その分配信号は増幅器２３に供給され、電力増幅される。他方の経路の分配信号は移相器２４で基準経路の信号に対して位相が揃うように位相調整された後に増幅器２５に供給され、電力増幅される。各増幅器２３，２５で電力増幅された分配信号は合成器２６で合成されて出力端子２７から出力される。
上記構成による電力増幅器はいわゆる電力合成型と称され、分配された各マイクロ波信号を電力増幅する際に位相を揃え、電力増幅出力を加算合成する。本実施形態では、位相調整のための移相器２４として、第１または第２の実施形態の構成によるマイクロ波移相器を用いる。
出力端子２６に送られる合成信号は電力モニタ装置２８でその電力値がモニタされ、そのモニタ結果は制御装置２９に送られる。制御装置２８は、モニタ電力値が最大となるように移相器２４の移相量を制御する。この制御は、移相器２４のバイアス電圧入力端子にバイアス電圧Ｖ_ｐを供給し、このバイアス電圧Ｖ_ｐを移相量に応じて変化させる。
上記構成による電力増幅器は、移相器２４に第１または第２の実施形態のマイクロ波移相器を用いるため、移相器の小型化、コスト低減に伴って小型化、コスト低減を実現することができる。また、移相器２４の移相量は連続的にあるいは細かいステップで調整できるため、従来の線路切換方式に比して高精度に調整可能である。
尚、上記実施形態の電力増幅器では、各分配経路において、増幅器２５の前段に移相器２４を組み込むようにしたが、本発明による移相器の構造は耐電力性にも優れているため、図６に示すように、増幅器２５の後段に配置するようにしてもよい。この場合、増幅器２５の処理遅延時間を考慮する必要がなくなるので、よりいっそう精度の高い位相合わせが可能となる。
また、上記実施形態では、増幅器２５と移相器２４を別々のユニットとして説明したが、移相器２４の構成を増幅器２５自体に組み込むようにしてもよい。これにより、よりいっそうの小型化を実現することができる。
また、上記実施形態では、分配経路数を２つとしたが、分配経路数を増やした場合でも、１経路を基準経路とし、他の経路中に移相器を配置することで、同様に各経路の伝送信号の位相を揃えることができる。勿論、基準経路に移相器を配置するようにしても同様に実施可能である。
【図面の簡単な説明】
図１は本発明の第１の実施形態に係るマイクロ波移相器の構成を示す構成図である。
図２は第１の実施形態の等価回路を示す回路図である。
図３は本発明の第２の実施形態に係るマイクロ波移相器の構成を示す構成図である。
図４は第２の実施形態の等価回路を示す回路図である。
図５は本発明の第３の実施形態に係る電力増幅器の構成を示すブロック回路図である。
図６は本発明の第３の実施形態に係る電力増幅器の変形例を示すブロック回路図である。

Claims (18)

1. 半絶縁性層の一方面上にマイクロ波信号を伝送するための伝送線路が形成され、他方面に第１導体層が形成され、前記伝送線路の形成面上に端部が前記伝送線路の片側に近接するように第２導体層が形成され、前記半絶縁性層における前記伝送線路の形成部分の下部に能動層が形成される回路基板と；
   前記伝送線路にバイアス電圧を印加するバイアス手段と；
   を具備するマイクロ波移相器。
2. 前記バイアス手段は、前記第１及び第２導体層を接地し、前記伝送線路に負極性のバイアス電圧を印加する請求項１記載のマイクロ波移相器。
3. 前記バイアス手段は、前記バイアス電圧を連続的または段階的に可変制御する請求項１記載のマイクロ波移相器。
4. 液晶誘電体層の一方面上にマイクロ波信号を伝送するための伝送線路が形成され、他方面に第１導体層が形成され、前記伝送線路の形成面上に端部が前記伝送線路の片側に近接するように第２導体層が形成される回路基板と；
   前記伝送線路にバイアス電圧を印加するバイアス手段と；
   を具備するマイクロ波移相器。
5. 前記バイアス手段は、前記第１及び第２の導体層を接地し、前記伝送線路に定期的に極性が反転するバイアス電圧を印加する請求項４記載のマイクロ波移相器。
6. 前記バイアス手段は、前記バイアス電圧を連続的または段階的に可変制御する請求項４記載のマイクロ波移相器。
7. マイクロ波信号を複数の伝送経路に分配する分配手段と；
   前記複数の伝送経路それぞれに設けられ、伝送信号を電力増幅する複数の増幅器と；
   前記複数の伝送経路のいずれかを基準経路とし、少なくとも他の経路に移相器を設け、前記移相器の移相量を調整して前記複数の伝送経路間の信号伝搬位相を揃える位相調整手段と；
   前記複数の伝送経路端で前記複数の増幅器によって電力増幅された信号を合成する合成手段とを具備し；
   前記移相器は、半絶縁性層の一方面上にマイクロ波信号を伝送するための伝送線路が形成され、他方面に第１導体層が形成され、前記伝送線路の形成面上に端部が前記伝送線路の片側に近接するように第２導体層が形成され、前記半絶縁性層における前記伝送線路の形成部分の下部に能動層が形成される回路基板と、前記伝送線路にバイアス電圧を印加するバイアス手段とを備え；
   前記位相調整手段は、前記移相器に移相量に応じたバイアス電圧を供給する電力増幅器。
8. 前記バイアス手段は、前記第１及び第２導体層を接地し、前記伝送線路に負極性のバイアス電圧を印加する請求項７記載の電力増幅器。
9. 前記バイアス電圧は連続的または段階的に可変制御される請求項７記載の電力増幅器。
10. 前記移相器は、前記電力増幅器の出力側に配置される請求項７記載の電力増幅器。
11. 前記位相調整手段は、前記合成手段の出力信号をモニタするモニタと；このモニタ手段のモニタ結果に基づいて前記バイアス電圧の電圧値を制御する制御装置と；を備える請求項７記載の電力増幅器。
12. マイクロ波信号を複数の伝送経路に分配する分配手段と；
    前記複数の伝送経路それぞれに設けられ、伝送信号を電力増幅する複数の増幅器と；
    前記複数の伝送経路のいずれかを基準経路とし、他の経路に移相器を設け、前記移相器の移相量を調整して前記複数の伝送経路間の信号伝搬位相を揃える位相調整手段と；
    前記複数の伝送経路端で前記複数の増幅器によって電力増幅された信号を合成する合成手段とを具備し；
    前記移相器は、液晶誘電体層の一方面上にマイクロ波信号を伝送するための伝送線路が形成され、他方面に第１導体層が形成され、前記伝送線路の形成面上に端部が前記伝送線路の片側に近接するように第２導体層が形成される回路基板と、前記伝送線路にバイアス電圧を印加するバイアス手段とを備え；
    前記位相調整手段は、前記移相器に移相量に応じたバイアス電圧を供給する電力増幅器。
13. 前記バイアス手段は、前記第１及び第２の導体層を接地し、前記伝送線路に定期的に極性が反転するバイアス電圧を印加する請求項１２記載の電力増幅器。
14. 前記バイアス手段は、前記バイアス電圧を連続的または段階的に可変制御する請求項１２記載の電力増幅器。
15. 前記移相器は、前記電力増幅器の出力側に配置する請求項１２記載の電力増幅器。
16. 前記位相調整手段は、前記合成手段の出力信号をモニタするモニタと；このモニタ手段のモニタ結果に基づいて前記バイアス電圧の電圧値を制御する制御装置と；を備える請求項１２記載の電力増幅器。
17. 半絶縁性層と；
    この半絶縁性層の一方面上に形成され、マイクロ波信号を伝送するための伝送線路と；
    前記半絶縁性層の他方面に形成される第１導体層と；
    前記半絶縁性層の前記伝送線路の形成面上に端部が前記伝送線路の片側に近接するように形成される第２導体層と；
    前記半絶縁性層における前記伝送線路の形成部分の下部に形成される能動層と；
    前記第１及び第２導体層が接続される接地端子と；
    前記伝送線路が接続されるバイアス電圧入力端子と；
    を具備するマイクロ波移相器の回路基板。
18. 液晶誘電体層と、
    この液晶誘電体層の一方面上に形成され、マイクロ波信号を伝送するための伝送線路と；
    前記液晶誘電体層の他方面に形成される第１導体層と；
    前記液晶誘電体層の前記伝送線路の形成面上に端部が前記伝送線路の片側に近接して形成される第２導体層と；
    前記第１及び第２導体層が接続される接地端子と；
    前記伝送線路が接続されるバイアス電圧入力端子と；
    を具備するマイクロ波移相器の回路基板。

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