新しいフィルタ付きT字型伝送線路構造と小型化したバトラーマトリクス設計への応用

より小さなハードウェアで賢いワイヤレスビームを実現

5Gやレーダーのような現代の無線システムは、アンテナを動かすことなく電波の方向を切り替えるために特殊な回路を使うことが多い。こうしたステアリングネットワークは大きく、狭い機器内部で貴重なスペースを浪費しがちだ。本論文は、バトラーマトリクスと呼ばれる主要回路の一つを小型化する新しい手法を示すとともに、不要な高周波信号を遮断する実用的なフィルタ機能を組み込む方法を紹介する。

新しいT字型の基本素子

研究者らは、基板上に描かれる金属トラックのシンプルなT字形状を提案する。このパターンは動作周波数付近では標準的なλ/4（4分の1波長）区間の伝送線路と同等に振る舞う。主な違いは、新パターンが古典的な設計の水平方向の占有幅を約半分にできる点で、代わりに垂直方向の長さを増やすことで基板上のフットプリントを大幅に短縮している。多くのステアリングネットワークが複数のλ/4区間を用いるため、これをT字版に置き換えることでシステム全体を目に見えて小型化できる。

組み込みの信号クリーンアップ

T字の垂直に開放された部分は単なる省スペース用ではない。形状を調整することで、著者らはその分岐が設定したカットオフ周波数より上の信号を強く遮断できることを示した。狙った動作周波数では回路は所望の通過特性を示すが、およそその2倍の周波数では開放部が接地に近い振る舞いをし、出力にはほとんど電力が到達しない。分岐を調整することで遮断帯域を移動でき、主動作周波数での正しい振る舞いを保ちながら各T節が実質的にローパスフィルタの作用を持つようになる。

ステアリングネットワークの小型化

このアイデアの有用性を示すため、チームは4入力4出力のバトラーマトリクスの主要素であるハイブリッドカプラとクロスオーバーの再設計を行った。各構成要素で可能な限り従来のλ/4線路を新しいT構造に置き換えた。得られた単層回路は標準的なマイクロ波基板材料上に構築され、2.5ギガヘルツで試験された。従来のレイアウトと比べて新マトリクスは元の面積の約3分の1に収まり、約65％のサイズ削減に相当し、複数の基板を積み重ねるのではなく全て単一層に収めている。

実用での性能

試作回路の測定では、マトリクスに入る信号が基板に対して良好に整合されており、試験した入力ポートで動作周波数における反射が小さいことが示された。出力4系統への電力分配は経路間でわずかな差にとどまり、出力間の相対位相は理想的なバトラーマトリクスの値に近く一致している。4ギガヘルツを超える領域では反射が大きくなり、内蔵のローパス挙動が高周波を遮断していることが確認された。測定とシミュレーションの小さな差は、コネクタの影響や基板材料のわずかなばらつきに起因するとされ、いずれも高周波プロトタイプでよく見られる問題である。

回路からビームステアリングへ

このコンパクトなマトリクスを実際のシステムで使う例を示すため、著者らは出力を長方形パッチアンテナのアレイに接続し、アナログビームフォーミング構成を構築した。異なる入力ポートを励振すると、合成されたアンテナパターンは約±40度の範囲で主ビームを向け、ピーク利得は約10dB、サイドローブは−5dB以下に抑えられた。入力ポート間のアイソレーションは約−15dB以上で、ポート同士が強く干渉していないことを示している。総じて、縮小されたマトリクスはステアリングと利得の面で古典的な設計と同等に振る舞いつつ、はるかに小さなフットプリントとフィルタリングという付加価値を提供する。

将来のワイヤレス機器への示唆

この研究は、単純なT字型伝送線路素子が5Gやレーダーで用いられる主要なステアリング回路を小型化し、同時に信号をクリーンアップできることを示している。設計が単層で数学的に記述しやすく、特定のバトラーマトリクス配置に限定されないため、λ/4線路を用いる他のマイクロ波回路にも再利用できる。ほかの小型化手法と組み合わせれば、このアプローチはよりコンパクトで効率的なビームフォーミング機器の開発に寄与し、将来の無線機器でのコスト削減や空間節約に役立つ可能性がある。

引用: Amangeldi, Y., Rano, D., Arzykulov, S. et al. A novel filtering T-shaped transmission line structure and its application in the design of reduced-size Butler matrix. Sci Rep 16, 15116 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44962-y

キーワード: バトラーマトリクス, ビームフォーミング, 5Gアンテナ, ローパスフィルタリング, 伝送線路