JP2004527946A - 連続的に整調可能な位相器 - Google Patents

Abstract

位相器は、粗位相整調配置及び微位相整調配置を含む。粗位相整調配置は、離散的な多くの位相偏移を提供する。微位相整調配置は、抵抗器、インダクタ、及びコンデンサを有する、ＲＬＣネットワークを含む。微位相整調配置は、抵抗器の抵抗値を変動させるための光学的配置もまた含む。この位相器は、広帯域の連続的な３６０°の位相の偏移、また、ギガヘルツ周波数を得ることができる。真時間遅延の性能、非常に低い挿入損失、及び最大位相調節の高い値に帰着する、ほとんど線型の位相偏移対周波数もまた可能にする。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、位相器に、より詳しくは、固体素子の半導体に基づいた小型で連続的に可変な位相器に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在の商業的な可変な位相器は、例えば、ＴＲＡＫ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｃｏｒｐ．（Ｆｌｏｒｉｄａ）から販売されたもののように、典型的には、最大の位相偏移１２０°未満に限定してきた、また、帯域の動作を１ＧＨｚ未満に限定してきた、バラクターダイオードを含む。
【０００３】
しかしながら、動作帯域を変化させることは、適切なダイオードを連結するインピーダンス素子を変化させることを要求する。さらに、１２０°を超える位相偏移を、一つより多いデバイスを縦続接続することによって得ることができるのみである。
【０００４】
別のタイプの先行技術の可変な位相器は、ＭＥＭの可変なコンデンサ、すなわち、マイクロ電気機械的スイッチの配列を通じて実現されたコンデンサと共に周期的に載せられた共面導波伝送線路を含む。アナログ制御は、コンデンサの静電的な制御によって提供される。ＭＥＭＳのスイッチに対する入門的な注を、例えば、非特許文献１に見出すことができる。共面導波伝送線路は、非特許文献２に開示されている。
【０００５】
この第二のアプローチ欠点は、ＭＥＭの静電容量の値における限定された（約３０％の）変動によって、位相制御用の載せられた伝送線路に著しい結合した効果を有するために、多数のこれらのコンデンサを必要とすることである。例えば、２°／ＧＨｚの位相の偏移を提供するために、３２個のエアーブリッジを備えた１０ｍｍの載せられた線路が要求される。
【０００６】
また別のタイプの可変なＲＦの位相器は、光ファイバーの遅延線路と結合した、ＬｉＮｂＯ_３から製造された電圧可変な光結合器を含む。例えば、非特許文献３を参照のこと。
【０００７】
再度、このデバイスの最大の位相偏移は、８０ＭＨｚのみの最大の動作周波数における４０°から８０°までの整調可能な範囲と共に、かなり限定される。また、このデバイスの挿入損失は、８０ＭＨｚにおいて８ｄＢまでであり得る。さらに、ＬｉＮｂＯ_３を主材料としたデバイスは、かなり高価である。
【０００８】
従って、ギガヘルツ周波数でもまた広帯域の連続的な３６０°の位相の偏移を得ることができる、単純、小型サイズ、及び低コストの位相器に対する要求がある。
【非特許文献１】
“ＲＦ−ＭＥＭＳ Ｓｗｉｔｃｈｅｓ ｆｏｒ Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ”，Ｅｌｌｉｏｔｔ Ｒ．Ｂｒｏｗｎ，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，Ｖｏｌ．４６，Ｎｏ．１１，Ｎｏｖｅｍｂｅｒ １９９８．
【非特許文献２】
“Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ＭＥＭＳ Ｔｒｕｅ−Ｔｉｍｅ Ｄｅｌａｙ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔｅｒｓ ａｎｄ Ｗｉｄｅ−Ｂａｎｄ Ｓｗｉｔｃｈｅｓ”，Ｎ．Ｓｃｏｔｔ Ｂａｒｋｅｒ，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，Ｖｏｌ．４６，Ｎｏ． １１，Ｎｏｖｅｍｂｅｒ １９９８．
【非特許文献３】
“Ａ Ｎｏｖｅｌ Ｗｉｄｅ−Ｂａｎｄ Ｔｕｎａｂｌｅ ＲＦ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔｅｒ Ｕｓｉｎｇ ａ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｏｐｔｉｃａｌ １ ０ Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ Ｃｏｕｐｌｅｒ”，Ｋ．Ｇｈｏｒｂａｎｉ，Ａ．Ｍｉｔｃｈｅｌｌ，Ｒ．Ｂ．Ｗａｔｅｒｈｏｕｓｅ，ａｎｄ Ｍ．Ｗ．Ａｕｓｔｉｎ，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，Ｖｏｌ．４７，Ｎｏ．５，Ｍａｙ １９９９．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、特に無線周波数（ＲＦ）領域における使用のための新規な小型サイズの連続的に可変な位相器に関する。また、この新規な位相器を、ＶＨＦ（超短波）、ＵＨＦ（極超短波）のような、周波数においてより低い他の帯域、又は、そのうえ、マイクロ波若しくはミリ波のような、より高い周波数帯域へ適用することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第一の態様によれば、粗位相整調用のディジタルの二値のマイクロ電気機械的（ＭＥＭ）に基づいた位相器、並びに、ディジタルの二値の粗位相器に連続して接続された微位相整調用の抵抗器、インダクタ、及びコンデンサ（ＲＬＣ）ネットワークを含み、ここで微細な位相の整調は、可変な光学パワーを通じて抵抗値を連続的に変動させることによって達成される、位相器が開示される。
【００１１】
本発明の第二の態様によれば、抵抗器、インダクタ、及び第一のコンデンサを有するＲＬＣネットワークを提供するステップ、及び抵抗器の抵抗値を光学的に連続的に変動させるステップを含む、連続的な位相を偏移させる方法を提供する。
【００１２】
結果として、非常に小型サイズの可変な位相器が、０°から３６０°までの広帯域の連続的に可変な位相の偏移と共に得られる。この位相器を、Ｓｉ又はＧａＡｓのような従来の半導体に十分に集積することができる。本発明の好適な実施例によれば、ＲＬＣネットワークは、非常に低い挿入損失及びほとんど線形の位相遅延対周波数の応答をもつ低域フィルターとして作用する。さらに、本発明による位相器は、広帯域の動作の性能を有する。その帯域幅を、ＲＬＣネットワークにおけるインダクタＬ及び／又はコンデンサＣの値を変化させることによって、容易に変動させることができる。このように、別の組みのＭＥＭスイッチを使用してこれらのパラメータの値を切替えることによって、その場における帯域幅の切替えの性能をもつ小型の位相器を実現することができる。
【発明の効果】
【００１３】
従って、本発明の利点を、以下の、小型サイズ、その場で切替え可能な帯域幅をもつ広帯域の動作、真時間遅延の性能に帰着するほとんど線型の位相偏移対周波数、非常に低い挿入損失、及び高い値の最大位相調節のように要約することができる。
【００１４】
これに対してさらに、本発明による位相器においては、ＲＬＣネットワークと結合した１０個未満のＭＥＭスイッチが、連続的な３６０°の位相の偏移を得るために、要求されることに注意する必要がある。さらに、最大位相調節は、先行技術のデバイスよりも大きい。
【００１５】
なお、本発明のさらなる利点は、商業的なＳｉ又はＧａＡｓの技術を使用するという事実によって、安価なデバイスを提供することである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明は、図面と合わせて考慮される以下の詳細な説明から、より十分に、理解され、認識されると思われる。
【００１７】
ここでは、図面を参照することにするが、提示は、本発明の好適な実施例を説明する目的のためであり、本発明を限定するためではない。
【００１８】
図１は、本発明による位相を偏移させるデバイスの概略のブロック図を含む好適な実施例を示す。位相偏移されるＲＦ信号は、入力Ｒｆ_ｉｎで入力され、３ビットの二値の粗位相偏移ブロック１を通過する。粗位相偏移ブロック１は、一連のＭＥＭで切替えられる遅延線路Ｄ１からＤ６までを含み、各々をそれぞれのスイッチＳ１からＳ６までと適合させる。特に、ブロック１は、これらの区画Ａ、Ｂ、及びＣを含む。これらの三つの区画Ａ、Ｂ、及びＣの各々は、異なる電気的な長さの二つのアームを有し、ＲＦ信号をアームの一方又は他方の方へ押しやるための二つのスイッチを含む。図１を参照して、区画Ａは、それぞれのスイッチＳ１、Ｓ２を有するアームＤ１、Ｄ２を有する。区画Ｂは、それぞれのスイッチＳ３、Ｓ４を有するアームＤ３、Ｄ４を有し、区画Ｃは、それぞれのスイッチＳ５、Ｓ６を有するアームＤ５、Ｄ６を有する。これは、適切な電気的な遅延線路を通じて信号を経路指定することによって、関心のあるＲＦ周波数で４５°、９０°、１３５°、１８０°、２２５°、２７０°、３１５°、及び３６０°の８（＝２^３）個の可能な位相偏移を提供する。例えば、アームの長さは、以下の表１に従って選ばれるであろうが、ここでｄは、所定の値である。
【００１９】
【表１】

２ＧＨｚの動作周波数における３６０°の位相偏移（２４ｄ）に対する遅延線路の合計の長さは、約３．４インチである。この値は、５０Ωのマイクロストリップ線路に帰着する５２ミルの幅をもつシリカ基板における金の線路に当てはまる。アルミナ基板における金の線路に対しては、遅延線路のこの長さは、２４ミルのマイクロストリップの幅と共に、約２．３インチである。図１に示す３ビットの粗位相器のレイアウトによれば、２４ｄの合計の長さは、３６０°の位相偏移に対応する。従って、２ＧＨｚにおいて、ｄに対する値は、それぞれ、シリカ及びアルミナ基板に対して約１４２ミル及び９６ミルである。
【００２０】
以下の表２は、スイッチＳ１からＳ６までの様々な可能な状態に対する行列表現を与え、ここで用語オンは、スイッチを閉じることを示し、用語オフは、スイッチを開けることを示し、各々のサブ経路の結果として生じる長さは、表１に示す値から取られる。
【００２１】
【表２】

このように、適切なＭＥＭスイッチを選択することによって、位相偏移全体の範囲を決定することができる。例えば、スイッチＳ１、Ｓ３、及びＳ６を閉じることによって、２２５°の粗い位相偏移を得ることができる。これは、その長さがＤ１＋Ｄ３＋Ｄ６＝ｄ＋ｄ＋１３ｄ＝１５ｄ＝２２５°である、入力信号に対する経路を生成することになる。
【００２２】
また、ブロック１は、０°−４５°の範囲においてもまた連続的な位相の整調を提供するために、第七のアームＤ７及び初期位相偏移を加えずＲＦ信号を可変な位相器の第二の部分を通じて直接押しやる第七のＭＥＭスイッチＳ７を含むことにも注意する必要がある。この場合における経路長は、３６０°の位相偏移を得るためのものと同じ長さ、すなわち２４ｄであることになる。もちろん、３６０°の位相偏移を、表２に示すような組み合わせＳ２＝Ｓ４＝Ｓ６と共に得ることができるので、アームＤ７無しの実施例もまた可能である。
【００２３】
また、本発明による位相器は、粗位相偏移ブロック１に連続して接続された、微位相偏移ブロック２を含む。この微位相偏移ブロック２の目的は、０°及び４５°の間における範囲で追加の微細な位相の偏移を提供することである。例えば、位相器は、２１８°の偏移の動作を行うことを必要とするとすれば、次に、ブロック１は、１８０°の粗い位相の偏移を行うことになり、ブロック２は、３８°の追加の微細な位相の偏移を行うことになる。
【００２４】
ブロック２は、抵抗器Ｒ（λ）が、その抵抗を光エネルギーｈνによって連続的に変動させることができる光伝導体である、ＲＬＣネットワークを含む。図１に示す好適な実施例において、抵抗器Ｒ（λ）は、インダクタＬと並列であり、Ｒ（λ）及びＬの間における並列の結合は、分路コンデンサＣと直列である。低い周波数（＜１ＧＨｚ）に対しては、インダクタＬ及びコンデンサＣに対して離散的な集中素子を使用することが好適である。より高い周波数（＞１ＧＨｚ）に対しては、分配された、開いた分路のマイクロストリップ線路を、インダクタＬ及びコンデンサＣに使用することができる。
【００２５】
図１は、ハイブリッドの並列−直列ＲＬＣ構成を示す。ＲＬＣネットワークの他の構成もまた可能である。しかしながら、図１の分路コンデンサと直列の抵抗器及びインダクタの並列の結合は、低い挿入損失のみならずほぼ線型の位相偏移対周波数の特性に帰着する、好適なものである。
【００２６】
源Ｖ_ｓ、５０Ωの負荷、及び出力電圧Ｖ_０を有するシステムにおける図１のこのＲＬＣネットワークのＡＣ解析は、その電圧の伝達関数ｖ_０／ｖ_ｓの大きさ｜ｖ_０／ｖ_ｓ｜及び位相＜ｖ_０／ｖ_ｓに対する以下の
【００２７】
【数１】

【００２８】
【数２】

の閉じた形態の表現に従い、ここで、ωは、角周波数である。上式（１）は、電圧の伝達関数が、以下の式
【００２９】
【数３】

から得られた３ｄＢの帯域幅をもつ低域フィルターであることを示す。
【００３０】
式（３）は、ω（角周波数）の関数である振幅｜ｖ_０／ｖ_ｓ｜を（−３ｄＢに等しい）√２／２に設定することによって、式（２）から得られる。結果として生じる式（３）は、Ｒ、Ｌ、及びＣの値の関数として３ｄＢの周波数を決定する。これより上の周波数では、（｜ｖ_０／ｖ_ｓ｜に等しい）ネットワークの挿入損失は、３ｄＢを超過し、位相器は、損失のあるものになる。
【００３１】
図２は、二つのＳｉ層を分離する熱的に成長させたＳｉＯ_２層１０を伴う結合したシリコン−オン−インシュレーター（ＳＯＩ）基板を、位相器を構築するために使用する、この発明の好適な実施例を図説する。図２における最上のＳｉ層の例は、ファイバー１２が置かれる溝のみならず光導電セルによって取り囲まれた容積である。
【００３２】
二値の位相器における様々な遅延線路のみならず、デバイスの電気的入力及び出力は、好ましくは、最上のＳｉ層が取り除かれるエリアで、絶縁用の酸化物（ＳｉＯ_２）層１０に金のような導電体を使用して作られたマイクロストリップ線路である。ＲＦのＭＥＭスイッチは、良好に設置されたバルクのＳｉのマイクロマシニング技術を使用して、最上のＳｉ層に構築される。この技術に対する参照には、例えば、“Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｌｏｗ−Ｌｏｓｓ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｓｗｉｔｃｈｅｓ”，Ｚ．Ｊａｍｉｅ Ｙａｏ，Ｓｈｅａ Ｃｈｅｎ，Ｓｕｓａｎ Ｅｓｈｅｌｍａｎ，Ｄａｖｉｄ Ｄｅｎｎｉｓｔｏｎ， ａｎｄ Ｃｈｕｃｋ Ｇｏｌｄｓｍｉｔｈ，ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｖｏｌ．８，Ｎｏ．２，Ｊｕｎｅ １９９９を参照のこと。
【００３３】
図１と比較したとき、図２は、三つの追加のスイッチＳ８、Ｓ９、及びＳ１０並びに三つのコンデンサＣ１、Ｃ２、及びＣ３を示す。これらのスイッチは、ＲＬＣネットワークにおけるコンデンサＣ１、Ｃ２、又はＣ３を決定する位相の範囲の値を切替えるために造られる。各々の時間で、（一つのコンデンサである）一つのスイッチのみがオンである。
【００３４】
スイッチを制御するデバイスに対するスイッチの接続を明瞭さの目的で図に示してない。ＭＥＭスイッチは、それらの制御端子に加えられるＤＣ制御電圧によって静電的に制御される。
【００３５】
ＲＬＣネットワークのインダクタＬは、絶縁用の酸化物の層に、金のような導電体を使用してモノリシックに製造された螺旋形のインダクタとして実現される。インダクタＬの他の実施例は、アルミナ又はシリカの基板に製造された商業的な小規模の螺旋形のインダクタを含み、そして、位相器の基板へエポキシで結合され、その端子がこの基板における残りの回路にワイヤーボンディングされる。提案した実施例は、それが、あまり寄生的でない値及びより小型であまり高価でないデバイスに帰着する、位相器の基板とモノリシックであるので、好適である。
【００３６】
このネットワークのコンデンサＣ１−Ｃ３は、金属−酸化物−半導体の構造を使用して製造され、ここで下地の半導体は、一つの電極として役立つために、イオン注入を使用して、多量にドープされる。コンデンサＣ１−Ｃ３の他の実施例は、次には位相器の基板にエポキシで結合され、その端子がこの基板における残りの回路にワイヤーボンディングされる、商業的な小規模のチップのコンデンサを含む。提案された実施例は、それが、あまり寄生的でない値及びより小型であまり高価でないデバイスに帰着する、位相器の基板とモノリシックであるので、好適である。
【００３７】
ＲＬＣネットワークの光導電セルＲ（λ）は、上述のように、高いダークの状態の抵抗に帰着するように非常に少量でドープされる、最上のＳｉ層を使用して形成される。Ｓｉ層のドーピングの範囲は、たいてい、１０^１２から１０^１４ｃｍ^−３までである。半導体（この場合にはＳｉ）のバンドギャップより上の光子エネルギーで放出する安価なＬＥＤ１１を、ＲＬＣネットワークにおいて光導電セルの抵抗を連続して変動させることに要求される光エネルギーを提供するために、結合したＳＯＩ基板にエポキシで結合させる。チップの（包装されない）形態におけるＬＥＤ又はレーザーダイオードは、より小型のデバイス全体を有するためには、好適である。また、ＬＥＤ又はレーザーダイオードの放出スペクトルは、光導電セルに使用された半導体の材料と適合するべきである。Ｓｉの好適な実施例に対して、４００−１０００ｎｍの範囲における光放出の波長が要求される。
【００３８】
ＬＥＤ１１からの光を、結合したＳＯＩ基板に構築された導波路を使用して、又は図２に示すような光ファイバー１２を使用して、光導電セルに結合させることができる。この構成において、Ｖ字溝１３を、光ファイバー用の支持体を形成するために、結合したＳＯＩ基板の最上のＳｉ層にエッチングすることができる。Ｖ字溝１３は、ウェットエッチングによって形成された半導体の露出した結晶面である。この場合には、ファイバーの光学パワーを操作する性能を最大にするためのみならず、ＬＥＤ１１及び光導電セルＲ（λ）に対する改善された光結合のために、多モードファイバーを使用することができる。最終的な結果は、真時間遅延の位相の偏移の性能を有する、小型で、モノリシックで、あまり高価でないＲＦの可変な位相器である。
【００３９】
他の実施例は、ファイバー及び溝を、次には導波路に結合されると共に光学的に結合される商業的なＬＥＤ又はレーザーダイオードのチップで置き換えて、位相器の基板に製造された光導波路を含むことができるであろう。代わりに、光導電セルの活性層が、ＧａＡｓのようなＩＩＩ−Ｖの材料であるとすれば、例えば、ＬＥＤ又はレーザーダイオードを、この層中にモノリシックに製造すると共に導波路又はファイバーに光結合させることができ、このように、結果として生じる位相器を、さらにより小型でコスト的に有効にする。
【００４０】
可変な長さの遅延線路を含む、従来のＲＦの可変な位相器は、その傾きが、遅延線路の長さが増加するにつれて、増加する、線型の位相偏移対周波数の特性を有することに注意する必要がある。遅延線路の長さにおける変化は、機械的に得られる。これらの位相器の仕様の一つは、遅延線路の最大の長さにおける単位周波数当たりの度単位の位相偏移を有する、この位相偏移−周波数の特性の傾きである。この形は、最大位相調節と呼ばれる。例えば、６０°／ＧＨｚの最大位相調節をもつ可変な位相器は、１ＧＨｚの動作周波数における６０°及び６ＧＨｚにおける３６０°の位相偏移を、それが周波数のこの範囲で動作することを仮定して、提供する。これらの位相器の別の特徴は、それらの最大位相調節が妥当であると共にそれらが適度に低い（例えば、０から−３ｄＢまでの）挿入損失を有する、周波数の範囲である、それらの動作する帯域幅である。上の例において、位相器が、０−１０ＧＨｚの動作（の帯域幅）の周波数の範囲を有するとすれば、位相偏移は、遅延の長さが最大位相調節に設定されるとすれば、明らかにＤＣで０°及び１０ＧＨｚで６００°であろう。さらに、動作の各々の周波数で、位相偏移を、遅延の長さを調節することによって、０からその周波数に利用可能な最大値まで変動させることもできる。上の例では、０°から１２０°までの可変な位相偏移は、遅延線路の長さを、０から最大位相調節まで変動させることによって、２ＧＨｚで得られる。
【００４１】
従来技術の位相器とのはっきりした対比において、本発明による可変な位相器は、アナログの微細な位相整調、低い挿入損失、及びほとんど線型の位相偏移対周波数の特性を伴う非常に広い範囲の周波数で動作する非常に高い最大の位相偏移の利点を有する。理想的には、位相偏移の非常に微細な制御及び非常に低い挿入損失と一緒に非常に広い範囲の周波数で動作する非常に高い最大の位相調節を有することが望ましい。最大位相調節に対する望ましい値は、動作の周波数に依存する。例えば、動作の最大の周波数が２ＧＨｚであるとすれば、１８０°／ＧＨｚ以上の最大位相調節が、この周波数で３６０°以上の最大の位相偏移を得るために要求される。しかしながら、線型の位相偏移対周波数の依存性によって、利用可能な最大の位相偏移は、２ＧＨｚ以下の周波数に対して３６０°未満である。本発明による位相器に対する最大位相調節に関する１８０°／ＧＨｚの値は、すでに記載したように、粗ディジタル整調ブロックの遅延線路に対する適切な長さを選択することによって得られる。
【００４２】
本発明による位相器におけるＲＬＣの微アナログ整調ブロックによって得られる、位相偏移の微細な制御は、好ましくは、０．１°以下である。位相偏移の調節のこの値は、次には光導電セルの値の連続的な調節に帰着する、ＬＥＤ又はレーザーダイオード源の連続的なアナログ調節の性能によって、本発明による位相器によって容易に得られる。−３ｄＢ以下の低い挿入損失を、関心のある動作する周波数の範囲で得ることができる。
【００４３】
本発明の好適な実施例は、所望の帯域幅において真時間遅延の動作に対する上の望ましい低い挿入損失（＜−３ｄＢ）及び実質的に線形の位相角対周波数の応答を提供する。これを得るために、Ｒ、Ｌ、及びＣの適切な値を、前述の式を利用して、計算する必要がある。このような式の複雑さによって、（Ａｇｉｌｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓによって生産された）Ｌｉｂｒａ^ＴＭのような回路解析のソフトウェアを、上のＲＬＣネットワークの位相角及び挿入損失の周波数依存性をシミュレーションするために使用してきた。
【００４４】
この点において、図３Ａ−３Ｃ及び４Ａ−４Ｃは、２ＧＨｚの帯域幅の位相器に帰着する、Ｒを１から１００Ωの間で変動させると同時にＬ＝３ｎＨ及びＣ＝０．１、０．７５、及び２ｐＦの好適な場合に関して、それぞれ、位相角及び挿入損失の周波数依存性を示す。
【００４５】
これらの図におけるシミュレーションのデータが示すように、２ＧＨｚ以下の周波数に対して、位相の遅延は、ほとんど線型であり、挿入損失は、３ｄＢ未満である。
【００４６】
０°−４５°の位相整調の全範囲を網羅するために、三つの異なるコンデンサの値を選んできた。各々のコンデンサの値は、全０°−４５°の範囲の一部分を網羅する。このように、これらの三つのコンデンサを切替えることによって、例えば、別の３個のＭＥＭスイッチの使用によって、位相調整の全範囲を得ることができる。
【００４７】
図３Ａ、３Ｂ、及び３Ｃにおけるシミュレーションの結果が示すように、約二桁の大きさ（１から１００Ω）の抵抗の変化は、静電容量の値を定義する三つの範囲の各々によって提示される位相偏移の各々の範囲に対して可能な全範囲の位相変化を得ることを許容する。図３Ａ、３Ｂ、及び３Ｃは、１、１０、及び１００Ωの光誘起された抵抗の値の機能並びに０．１、０．７５、及び２ｐＦの範囲を切替えるコンデンサの値として、本発明による位相器のアナログの微細な整調段階に関するシミュレーションした位相偏移対周波数を図説する。Ｌ＝３ｎＨのインダクタンスの値と結合したＣのこれらの値を、光導電セルの値を、２ＧＨｚの動作する周波数で光の照明を介して１から１００Ωまで変動させるとき、０°から６０°までの連続的に可変な位相偏移を伝えることができる、微細な整調段階に帰着するように、設計してきた。デバイスのこの部分の最小の要件は、関心のある周波数で４５°の最大の位相偏移を伝えることであるので、この設計は、本当に、その要件を超過する。実際に、４５°の最大の位相偏移が、１．５ＧＨｚで得られる。光導電セルの値を１００Ω以上に増加させることは、位相偏移における著しい増加に少しも帰着せずに、むしろ挿入損失を増加させることに注意する必要がある。
【００４８】
位相偏移の他の重要なパラメータは、挿入損失である。本発明による位相器の挿入損失のシミュレーションした周波数依存性を、図４Ａ、４Ｂ、及び４Ｃに示す。既に上で説明したように、目標は、動作の任意の周波数で３ｄＢ未満の挿入損失を有することである。このデバイスの微整調部分におけるＲＬＣネットワークの低域フィルターの性質によって、挿入損失は、周波数と共に増加する。１．５から２．５ＧＨｚの周波数の範囲において、少なくとも４５°の最大の位相偏移が、位相器全体において０°から３６０°までの合計の位相偏移に帰着する、デバイスのこの部分で得られることに注意することができる。
【００４９】
０．１、０．７５、及び２ｐＦの値は、図４Ａ、４Ｂ、及び４Ｃに示すコンデンサＣ１、Ｃ２、及びＣ３に対する好適な値である。コンデンサＣに対するこれらの値は、上の例で得ることが可能な位相の偏移の範囲を決定する。例えば、Ｃ＝２ｐＦに対しては、２ＧＨｚにおける位相偏移に対する値の範囲は、光導電セルを１から１００Ωまで変動させるとき、３０°から６０°までであると同時に、Ｃ＝０．７５ｐＦに対しては、この位相偏移の範囲が、１５°から３０°までであり、最後にＣ＝０．１ｐＦに対しては、この範囲は、０°から２０°までである。
【００５０】
本発明によれば、抵抗Ｒの変動は、光導電性の効果によって得られる。Ｓｉのような半導体において、１００Ω・ｃｍと同程度に高いダークの抵抗率（即ち、光の欠除における抵抗率）を、少量ドープされた材料で容易に得ることができる。ｌの電気的な長さ及びそれぞれｗ及びｄの幅及び深さをもつこの材料のスラブを仮定すると、Ｒ_０＝１００Ωのダークの抵抗を、ｌ／（ｄ・ｗ）＝１ｃｍ^−１とすれば、得ることができる。材料の同じスラブは、以下の式
【００５１】
【数４】

によって与えられる、光誘起された抵抗（光抵抗）Ｒ_λを有し、ここでｈνは、光子のエネルギーであり、Ｐ_λは、光導電性の効果に帰着する入射光の光学パワーであり、ηは、量子効率であり、μｎ及びτは、半導体におけるキャリアの移動度及び寿命であり、ｑは、電子の電荷である。１０００ｃｍ^２／Ｖ・ｓのキャリアの移動度及び、少量ドープされたＳｉで良好に達成可能である、１００μｓの寿命を仮定すると、可視から近赤外まで（λ＝４００−１１００ｎｍ）においてたった１．３−２．５ｍＷの光学パワーが、ほとんど一の量子効率でＳｉの１００μｍの長いスラブで１Ωの光抵抗を得るために、要求される。このように、０から２．５ｍＷまでの光学パワーを変動させることによって、次には上述のＲＬＣネットワークにおいて０°−４５°の連続的な位相変化に帰着する、１００から１Ωまでの光抵抗における連続的な変化を達成することができる。ダークの光抵抗の高い値（＞１００Ω）に帰着するための高い値のダークの抵抗（＞１００Ω・ｃｍ）のみならず、適度な値の光学パワー（＜１０ｍＷ）及び幾何学的寸法（＜１ｍｍ）で、式（４）において低い値（約１Ω）のＲ_λに帰着し得る、キャリアの移動度及び寿命の値をもつ任意の半導体は、使用可能である。
【００５２】
これは、３ビットの二値の遅延線路の位相器と一緒に、本発明によるデバイスにおける連続的な０°−３６０°の位相偏移に帰着する。さらに、ＲＬＣネットワークにおけるインダクタ及び／又はコンデンサの値を変化させることによって、位相器の帯域幅を調節することができる。Ｌ及びＣの値を減少させることは、位相器の動作する帯域幅を増加させることに注意する必要がある。一方、Ｌ及びＣの値を増加させることは、動作する帯域幅の減少に帰着する。例えば、Ｌ＝１ｎＨ及びＣ＝０．２ｐＦの値に対して、５５°及び４５°を超える最大の位相偏移が、３ｄＢ未満の対応する挿入損失と共に、それぞれ、１０及び７．５ＧＨｚで得られる。この構成において、この位相器のアナログの微整調部分は、１から１００Ωまでの光導電セルの値に対して、１０ＧＨｚで２５°から５５°までの位相偏移に帰着する。さらに、０．０５ｐＦ及び０．０１ｐＦのコンデンサの値は、位相の偏移の範囲をそれぞれ５°−３５°及び０°−２０°へ変化させる。再度、２ＧＨｚの動作の場合に対する前の例におけるように、０°から５５°を超えるまでの全位相整調は、静電容量の三つの値を切替えることによって達成される。これは、１０ＧＨｚで３６０°の最大値、１０ＧＨｚで０°から３６０°までの全位相整調に関して設計された遅延線路の幅をもつ粗い整調段階と一緒に、３ｄＢ以下の挿入損失と共に達成される。
【００５３】
大きい帯域幅での連続的に可変なＲＦの位相の偏移を提示することのほかに、本発明によるデバイスは、十分に集積される性能もまた有し、このように、小型で低コストのＲＦ位相器に帰着する。これは、その好適な実施例によれば、デバイスが、Ｓｉ又はＧａＡｓに製造したすでに設置したＲＦのＭＥＭスイッチ及びＭＥＭスイッチと共にモノリシックに容易に集積させることができる単純なＲＬＣネットワークからなるという事実による。光抵抗を変動させるための光学パワーを、安価なＬＥＤによって供給すると共に、以下に記載するように、化合物半導体の基板に造られた位相器に対してモノリシックに集積させるか、又はＳｉに造られたデバイスに対してハイブリッドの様式で容易に取り付けることができる。
【００５４】
本発明による微細な及び粗い整調段階の順序は、重要ではない。微細な整調段階は、連続的な位相の偏移に帰着するために、好ましくは、アナログである。微細な整調段階が、ディジタルであるとすれば、多数の整調ビットと共にでさえ、それは、もはや完全に連続的ではないことになる。粗い整調段階は、原則として、ディジタルのみならずアナログであり得る。しかしながら、連続的に整調可能な位相器の構造全体を単純化するために、少数のビットと共にディジタルであることが好適である。
【００５５】
本発明を特定の実施例を参照して記載してきた。他のものへの変更及び変形は、この明細書を読むと共に理解することで起こることになる。全てのこのような変更及び変形は、それらが、添付した請求項又はその均等物の範囲内で生ずる範囲で、含まれることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明による位相器の概略のブロック図を示す。
【図２】図１の実施例の透視図を示す。
【図３】Ａ−Ｃは、静電容量Ｃ１、Ｃ２、及びＣ３の値をもつこの発明の一つの実施例に対する位相角の周波数依存性を示す。
【図４】Ａ−Ｃは、静電容量Ｃ１、Ｃ２、及びＣ３の値をもつこの発明の一つの実施例に対する挿入損失の周波数依存性を示す。

Claims (28)

1. 離散的な数の位相偏移を提供する粗位相整調配置、並びに
   抵抗器、インダクタ、及び第一のコンデンサを有する、前記粗位相整調配置に連続して接続されたＲＬＣネットワーク並びに
   前記抵抗器の抵抗値を光学的に変動させる光学配置
   を含む微位相整調配置
   を含む位相器。
2. 前記粗位相整調配置は、三ビットの二値の位相器を含む請求項１記載の位相器。
3. 前記粗位相整調配置は、４５°、９０°、１３５°、１８０°、２２５°、２７０°、３１５°、及び３６０°の位相偏移を提供し、
   前記微位相整調配置は、０°及び４５°の間における範囲で追加の位相偏移を提供する請求項２記載の位相器。
4. 前記粗位相整調配置は、複数の遅延線路を含む請求項１乃至３いずれか１項記載の位相器。
5. 前記遅延線路は、ＭＥＭで切替えられる遅延線路である請求項４記載の位相器。
6. 前記抵抗器は、前記インダクタと並列にあり、
   前記抵抗器及び前記インダクタは、前記第一のコンデンサと直列にある請求項１乃至５いずれか１項記載の位相器。
7. 前記インダクタは、マイクロストリップ線路で作られる請求項１乃至６いずれか１項記載の位相器。
8. 前記ＲＬＣネットワークは、第二のコンデンサ及び第三のコンデンサをさらに含む請求項１乃至７いずれか１項記載の位相器。
9. 前記抵抗器は、前記インダクタと並列にあり、
   前記抵抗器及び前記インダクタは、前記第一、第二、及び第三のコンデンサと直列にある請求項８記載の位相器。
10. 前記第一、第二、及び第三のコンデンサは、それぞれの第一、第二、及び第三のスイッチを通じて、前記インダクタ及び前記抵抗器に選択的に接続可能である請求項９記載の位相器。
11. 前記インダクタは、Ｌ＝３ｎＨの値を有し、
    前記第一のコンデンサは、Ｃ１＝０．１ｐＦの値を有し、
    前記第二のコンデンサは、Ｃ２＝０．７５ｐＦの値を有し、
    前記第三のコンデンサは、Ｃ３＝２ｐＦの値を有する請求項９又は１０記載の位相器。
12. 前記抵抗器は、１Ω及び１００Ωの間で光学的に変動させられる請求項１１記載の位相器。
13. 前記抵抗器は、１Ω及び１００Ωの間で光学的に変動させられる請求項１乃至１２いずれか１項記載の位相器。
14. 前記インダクタは、可変なインダクタンスを有し、
    前記第一のコンデンサは、可変な静電容量を有する請求項１乃至１３いずれか１項記載の位相器。
15. 前記インダクタは、螺旋形のインダクタである請求項１乃至１４いずれか１項記載の位相器。
16. 前記粗位相整調配置及び前記微位相整調配置は、シリコン−オン−インシュレータ基板に造られる請求項１乃至１５いずれか１項記載の位相器。
17. 前記第一のコンデンサは、金属−酸化物−半導体の構造を使用して製造される請求項１６記載の位相器。
18. 前記光学配置は、前記抵抗器に光学的に結合された光ファイバー及び前記光ファイバーに光学的に結合されたＬＥＤ又はレーザーダイオードを含む請求項１乃至１７いずれか１項記載の位相器。
19. 前記光学配置は、前記光ファイバーを支持する溝をさらに含む請求項１８記載に位相器。
20. 前記光ファイバーは、多モードファイバーである請求項１８又は１９記載の位相器。
21. 前記粗位相整調配置は、複数の遅延線路を含む請求項１８乃至２０いずれか１項記載の位相器。
22. 前記遅延線路は、ＭＥＭで切替えられる遅延線路である請求項２１記載の位相器。
23. 前記光学配置は、
    光を前記抵抗器に結合させる光導波路及び
    前記光導波路に光学的に結合されたＬＥＤ又はレーザーダイオード
    を含む請求項１乃至１７いずれか１項記載の位相器。
24. 抵抗器、インダクタ、及び第一のコンデンサを有するＲＬＣネットワークを提供するステップ、
    前記抵抗器の抵抗値を光学的に連続的に変動させるステップ、並びに
    ４５°、９０°、１３５°、１８０°、２２５°、２７０°、３１５°、及び３６０°の離散的な位相偏移を提供するステップを含み、
    前記ＲＬＣネットワークは、０°及び４５°の間の範囲で追加の連続的な位相偏移を提供する、連続的な位相を偏移させる方法。
25. 前記インダクタは、マイクロストリップ線路で作られる請求項２４記載の方法。
26. 前記ＲＬＣネットワークは、第二のコンデンサ及び第三のコンデンサをさらに含む請求項２４又は２５記載の方法。
27. 前記インダクタは、Ｌ＝３ｎＨの値を有し、
    前記第一のコンデンサは、Ｃ１＝０．１ｐＦの値を有し、
    前記第二のコンデンサは、Ｃ２＝０．７５ｐＦの値を有し、
    前記第三のコンデンサは、Ｃ３＝２ｐＦの値を有する請求項２６記載の方法。
28. 前記抵抗器は、１Ω及び１００Ωの間で光学的に変動させられる請求項２７記載の方法。

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