CN110611495A - 可变衰减器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可变衰减器。可变衰减器是衰减器，其通过耦合具有对应于输入信号的波长λ的电长度λ/4的两条传输线而形成，具有一条传输线的一端作为输入端子，具有一条传输线的另一端作为贯通端子，具有另一条传输线的一端作为耦合端子，并且具有另一条传输线的另一端作为输出端子，其中，可变衰减器在贯通端子和耦合端子这二者处具有相同的阻抗的电阻器对，并且在输入端子和输出端子这二者处具有相同阻抗的电阻器对。

Description

可变衰减器

技术领域

本发明的方面涉及一种用于RF信号的可变衰减器。

背景技术

其中场效应晶体管(FET)161和162以及50Ω电阻器151和152并联连接到贯通端子和90°耦合器的耦合端子的配置被称为RF信号的可变衰减器(参见专利文献1：日本未审专利公开No.2000-507751)。在此电路中，当FET 161和162被截止时，发送到输入端子的信号被50Ω电阻器151和152吸收，并且从输出端子(隔离端子)输出的信号的衰减量被最大化，并且当FET 161和162被导通时，大部分信号被反射到输出端子，并且从输出端子输出的信号的衰减量减小。

在专利文献1中描述的电路中，当可变电阻器的电阻值与构成正交相位混合电路的传输线的特性阻抗匹配时，输出信号的衰减量变为最大。然而，取决于应用，衰减量的最大值可能不足。因此，期望具有足够大的衰减量的可变衰减电路。

发明内容

根据本发明的一个方面的可变衰减器是可变衰减器，其通过耦合第一传输线和第二传输线而形成，所述第一传输线和第二传输线具有对应于输入信号的波长λ的电长度λ/4，具有第一传输线的一端作为输入端子，具有第一传输线的另一端作为贯通端子，具有第二传输线的一端作为耦合端子，具有第二传输线的另一端作为输出端子，其中，可变衰减器在贯通端子和耦合端子这二者处具有两个具有相同阻抗的第一电阻元件，并且在输入端子和输出端子这两者处具有两个具有相同阻抗的第二电阻元件。

附图说明

图1是根据实施例的可变衰减器的电路图。

图2是示出图1的可变衰减器的详细配置的电路图。

图3A是示出形成在电路板上的传输线L1和L2的配置的平面图。

图3B是沿着线IIIB-IIIB的在图3A中所示的电路板的横截面图。

图4是示出该实施例中的S参数(S41)的测量结果的曲线图。

图5A是示出该实施例中的输入/输出阻抗的测量结果的示图。

图5B是示出该实施例中的输入/输出阻抗的测量结果的示图。

图5C是示出该实施例中的输入/输出阻抗的测量结果的示图。

图5D是示出该实施例中的输入/输出阻抗的测量结果的示图。

图6是示出该实施例中的S参数(S41)的测量结果的曲线图。

图7A是示出该实施例中的输入阻抗的测量结果的示图。

图7B是示出该实施例中的S参数(S11)的测量结果的曲线图。

图8A是示出该实施例中的输出阻抗的测量结果的示图。

图8B是示出该实施例中的S参数(S44)的测量结果的曲线图。

图9是示出图1的电阻器5a的另一配置示例的电路图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图的描述中，相同的元件将由相同的附图标记指定，并且将省略多余的描述。

[可变衰减器的配置]

图1是根据实施例的可变衰减器的电路图。图1中所示的可变衰减器1是在RF频带中衰减并输出输入信号(例如，15至25GHz的高频信号)的电路。可变衰减器1包括彼此耦合的两条传输线L1和L2、包括两个电阻元件3a和3b的电阻器对3、以及包括两个电阻元件5a和5b的电阻器对5。

两条传输线L1和L2中的每一条配置有线性图案，并且具有对应于输入信号的波长λ的电长度λ/4。两条传输线L1和L2在电长度λ/4的部分上彼此耦合。传输线L1的一端电连接到输入端子RF_IN，并且另一端被电连接到贯通端子RF_TH。另外，耦合到传输线L1的传输线L2的一端电连接到耦合端子RF_CP，并且传输线L2的另一端电连接到输出端子RF_OUT。输出端子RF_OUT可以称为隔离端子。在这样的配置中，从输入端子RF_IN输入的输入信号从传输线L1侧被发送到传输线L2侧，并且在输出端子RF_OUT处产生输出信号。

电阻元件3a和3b具有相同的电阻值，并且设置在贯通端子RF_TH和耦合端子RF_CP与接地GND之间。电阻元件5a和5b具有相同的电阻值，并且设置在输入端子RF_IN和输出端子RF_OUT与接地GND之间。

图2示出电阻器对3和5的具体电路配置。如图2所示，电阻器对3和5中的每一个由晶体管配置而成。

具体地，电阻元件3a包括FET 7a和电阻器9a。作为FET 7a的一个端子的漏极连接到贯通端子RF_TH，作为FET 7a的另一个端子的源极连接到接地GND，并且作为FET 7a的控制端子的栅极通过电阻器9a连接到控制端子Vg2。因此，FET 7a的栅极接收被供应给控制端子Vg2的控制信号。

类似地，电阻元件3b包括FET 7b和电阻器9b。作为FET 7b的一个端子的漏极连接到耦合端子RF_CP，作为FET 7b的另一个端子的源极连接到接地GND，并且作为FET 7b的控制端子的栅极经由电阻器9b连接到控制端子Vg2。因此，如在FET 7a中那样，FET 7b的栅极接收被供应给控制端子Vg2的控制信号。

构成电阻器对3的FET 7a和7b具有基本相同的电特性。因此，通过调节供应给控制端子Vg2的控制信号，可以在保持相同值的同时改变电阻元件3a和3b的电阻值。

电阻元件5a包括FET 13a和电阻器15a。作为FET 13a的一个端子的漏极连接到输入端子RF_IN，作为FET 13a的另一个端子的源极连接到接地GND，并且作为FET 13a的控制端子的栅极通过电阻器15a连接到控制端子Vg1。因此，FET 13a的栅极接收供应给控制端子Vg1的控制信号。

类似地，电阻元件5b被配置为包括FET 13b和电阻器15b。作为FET 13b的一个端子的漏极连接到输出端子RF_OUT，作为FET 13b的另一个端子的源极连接到接地GND，并且作为FET 13b的控制端子的栅极通过电阻器15b连接到控制端子Vg1。因此，FET 13b的栅极接收供应给控制端子Vg1的控制信号。

构成电阻器对5的FET 13a和13b具有基本相同的电特性。因此，通过调节供应给控制端子Vg1的控制信号，能够在被设置为相同值的同时改变电阻元件5a和5b的电阻值。

这里，通过将FET 7a和7b的电特性以及FET 13a和13b的电特性设置为相同，将电阻器9a和9b的电阻值与电阻器15a和15b的电阻值设置为相同并使供应给控制端子Vg1和控制端子Vg2的控制信号相同，可以将电阻器对3和5设置为具有相同的电阻值。另一方面，通过使供应给控制端子Vg1和控制端子Vg2的控制信号彼此不同，可以将电阻器对3和电阻器对5的电阻值设置为彼此不同。

将参考图3A和3B描述传输线L1和L2的配置示例。图3A是形成在电路板上的传输线L1和L2的平面图，并且图3B是沿着图3A中示出的线IIIB-IIIB截取的横截面图。

如图3A和3B中所示，传输线L1和L2形成在例如由聚酰亚胺等形成的绝缘层23内，并形成在诸如具有预定厚度(例如，250μm)的GaAs衬底的半导体衬底21上。例如，传输线L2由金属(金等)形成并沿半导体衬底21直线地形成，以在绝缘层23中的半导体衬底21侧上具有1μm的厚度和12μm的宽度。传输线L1由金属形成并且在传输线L2的相对于绝缘层23中的半导体衬底21的相反侧上直线地形成为具有1μm的厚度和9μm的宽度。传输线L1和传输线L2形成以长度为λ/4的并行地彼此重叠的组合部分(耦合部分)。

此外，与传输线L1和L2的上部间隔开的接地层25平行于传输线L1和L2延伸，并且由具有预定厚度(例如，2μm或更大)的金属(例如，金)形成，形成在绝缘层23的最外表面上。传输线L1和L2之间具有2μm的间隙，并且传输线L1和L2之间的耦合度由间隙和填充间隙的绝缘层的介电常数加以确定。使传输线L1的宽度窄于传输线L2的宽度，以便于加宽传输线L2的宽度(以使传输线L1的宽度变窄)并使传输线L1和L2两者与接地层25的耦合度均等，并且这是因为接地层25和传输线L1之间的距离窄，并且因此传输线L1与接地的耦合程度变得大于另一传输线L2的耦合度。此外，还去除与传输线L1和L2重叠的接地层25的区域，以便于通过设置去除区域来均衡传输线L1和L2与接地层25的耦合程度，而不使两条传输线L1和L2的宽度很大地不同，并且这是因为，当在不去除区域的情况下在整个表面上提供接地层并且使传输线L1和传输线L2与接地层25的耦合程度是相等时，上传输线L1的宽度变得太窄。

根据实施例的可变衰减器1，能够改变被设置在贯通端子RF_TH和耦合端子RF_CP上的电阻器对3的阻抗。此外，通过改变，能够改变被设置在输入端子RF_IN和输出端子RF_OUT上的电阻器对5的阻抗。具体地，当电阻器对3和5的电阻值(阻抗)与分别连接到其上的传输线L1和L2中的一个的特征阻抗匹配时，信号的反射被最小化。另一方面，当各个电阻值(阻抗)偏离传输线L1和L2中的一个的特征阻抗时，由于阻抗不匹配，信号的反射增加。结果，可以改变从输出端子RF_OUT输出的信号的衰减量。

在实施例中，除了电阻器对3之外，还能够通过设置电阻器对5来增加衰减量。此外，因为构成电阻器对5的电阻元件5a和5b被设置为具有相同的电阻值，衰减器1的衰减操作能够被稳定。

特别地，在该实施例中，在包括在电阻器对3中的晶体管对和包括在电阻器对5中的晶体管对的控制端子处接收的控制信号被设置为相同，并且因此晶体管的端子之间的电阻值被设置为彼此匹配。因此，能够增加最大衰减量。此外，当在包括在电阻器对3中的晶体管对和包括在电阻器对5中的晶体管对的控制端子处接收到的控制信号被设置为彼此匹配时，还能够进一步增加最大衰减量。

在下文中，将示出可变衰减器1的特性的测量结果。

图4示出当施加到控制端子Vg1和控制端子Vg2的控制信号被单独地改变时对应于从输入端子RF_IN到输出端子RF_OUT的信号强度的S参数(S41，衰减量)。这里，频率在15至25GHz的范围内被扫描。当施加到控制端子Vg2的控制信号固定在-0.7V并且施加到控制端子Vg1的控制信号在-0.7V到-0.2V的范围内改变时，衰减量能够是大约-10dB。此外，当给予控制端子Vg1的控制信号固定在作为上限值的-0.2V并且给予控制端子Vg2的控制信号在-0.7V到-0.2V的范围内改变时，衰减量能够被进一步增加到-40dB。

此外，图5A至5D示出对应于与图4中示出的测量结果相对应的输入阻抗和输出阻抗的S参数(S11和S44)。图5A和5B分别示出当给予控制端子Vg2的控制信号是固定的并且给予控制端子Vg1的控制信号改变时的S11和S44，并且图5C和5D分别示出当给予控制端子Vg1的控制信号固定为上限值并且给予控制端子Vg2的控制信号改变时的S11和S44。如上所述，当供应给控制端子Vg1的控制信号改变时，输入阻抗和输出阻抗稍微改变，但是改变量在允许范围内。另一方面，当改变施加到控制端子Vg2的控制信号时，输入阻抗和输出阻抗的波动被抑制到小的值。

图6示出当施加到控制端子Vg1的控制信号和施加到控制端子Vg2的控制信号同时并且类似地改变时的S41。如图所示，通过在-0.7V到-0.2V的范围内类似地改变施加到控制端子Vg1和Vg2的信号，能够将衰减量设置为与-40dB一样大。

此外，图7A、7B、8A和8B示出使用给予控制端子Vg1和Vg2的控制信号作为参数在15至25GHz的频率范围内评估衰减器1的输入阻抗(S11)和输出阻抗(S44)的结果。在本发明中，通过将电阻器对5插入在输入端子RF_IN和输出端子RF_OUT中，并且通过改变其等效阻抗来获得所需的衰减量。结果，当输入/输出阻抗大大偏离特性阻抗时，连接到衰减器的前级和后级的电路的传输特性劣化。图7A和8A以史密斯圆图示出S11和S44，并且图7B和8B示出S11和S44的值。如图所示，尽管输入阻抗和输出阻抗受施加到控制端子Vg1和Vg2的信号的影响，即，电阻器对5的存在，输入和输出之间的阻抗匹配不会发生很大变化，因为两种阻抗类似地改变。另外，在输入信号的频率的15至25GHz的宽范围内，返回被抑制到大约-10dB。

虽然已经在优选实施例中图示和描述本发明的原理，但是本领域的技术人员将理解，在不脱离这些原理的情况下，能够在布置和细节上修改本发明。本发明不限于实施例中公开的特定配置。因此，将要求保护来自权利要求范围及其精神范围的所有修改和变化。

例如，能够不同地改变被包括在上述实施例的可变衰减器1中的电阻器对3和5的配置。图9示出电阻元件5a的另一个配置示例。对于另一电阻元件3a能够采用相同的配置。

图9中所示的电阻元件5a包括至少两个FET 31a和33a，它们串联连接在输入端子RF_IN和接地GND之间，并且具有彼此相同的电特性。另外，在两个FET 31a和33a中的每一个中，控制信号经由电阻器15a从控制端子Vg1供应给控制端子。电阻元件5b也具有相同的配置。根据这样的修改示例，当输入信号的强度高时，能够减小施加到串联连接的晶体管的一级的功率。结果，能够通过分布所施加的电压来防止晶体管的击穿并且能够减少信号线的失真。

Claims (9)

1.一种可变衰减器，包括：

第一传输线和第二传输线，所述第一传输线和第二传输线具有与输入信号的波长λ相对应的电长度λ/4并且彼此耦合；

输入端子，所述输入端子被设置在所述第一传输线的一端处；

贯通端子，所述贯通端子被设置在所述第一传输线的另一端处；

耦合端子，所述耦合端子被设置在所述第二传输线的一端处；

输出端子，所述输出端子被设置在所述第二传输线的另一端处；

第一电阻元件对，所述第一电阻元件对被连接到所述贯通端子和所述耦合端子中的每一个并且具有彼此相同的阻抗；以及

第二电阻元件对，所述第二电阻元件对被连接到所述输入端子和所述输出端子中的每一个并且具有彼此相同的阻抗。

2.根据权利要求1所述的可变衰减器，

其中所述第一电阻元件对包括第一晶体管，所述第一晶体管具有连接在所述贯通端子或所述耦合端子与接地之间的端子，并且

所述第二电阻元件对包括第二晶体管，所述第二晶体管具有连接在所述输入端子或所述输出端子与接地之间的端子。

3.根据权利要求2所述的可变衰减器，

其中所述第一晶体管的控制端子接收第一控制信号，并且所述第二晶体管的控制端子接收第二控制信号。

4.根据权利要求3所述的可变衰减器，

其中所述第一控制信号和所述第二控制信号是相同的信号。

5.根据权利要求3所述的可变衰减器，

其中所述第二晶体管包括至少两个晶体管，所述至少两个晶体管被串联连接在所述输入端子和所述输出端子与接地之间并具有彼此相同的特性，并且

所述两个晶体管由所述第二控制信号驱动。

6.根据权利要求5所述的可变衰减器，

其中所述第一晶体管包括至少两个晶体管，所述至少两个晶体管被串联连接在所述贯通端子和所述耦合端子与接地之间，并且具有彼此相同的特性，并且

所述两个晶体管由所述第一控制信号驱动。

7.根据权利要求1所述的可变衰减器，还包括：

半导体衬底；

绝缘层，所述绝缘层被形成在所述半导体衬底上；以及

接地层，所述接地层被形成在所述绝缘层上，

其中所述第一传输线和所述第二传输线是在所述绝缘层中并行地形成以彼此重叠的金属线。

8.根据权利要求7所述的可变衰减器，

其中在所述第一传输线和所述第二传输线之中，在更靠近所述接地层的一条传输线中的沿着所述半导体衬底的宽度小于在另一条传输线中的沿着所述半导体衬底的宽度。

9.根据权利要求7所述的可变衰减器，

其中所述接地层被形成在除了与所述第一传输线和所述第二传输线重叠的区域之外的区域中。