JP2012095257A - 可変減衰器及び可変減衰装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＰＩＮダイオードをπ接続構成とした可変減衰器において、ＶＳＷＲ（Voltage Standing Wave Ratio）が良好であり、電力損失が抑えられる技術を提供すること。
【解決手段】第１のＰＩＮダイオードＤ１の端子間容量をキャンセルするためのインダクタＬ１を高周波伝送路にて当該第１のＰＩＮダイオードＤ１に直列に接続する。また第２のＰＩＮダイオードＤ２、第３のＰＩＮダイオードＤ３が設けられる、バイアス電流が流れる経路においてこれらＰＩＮダイオードＤ２、Ｄ３の端子間容量をキャンセルするためのインダクタＬ２、Ｌ３を設ける。これら端子間容量をキャンセルする、対象となる高周波信号の周波数は例えば１ＧＨｚ以上である。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＰＩＮダイオードを用いた可変減衰器及び可変減衰器を用いた可変減衰装置に関する。

通信装置において出力信号レベルの安定化を図るために、ＰＩＮダイオードをπ型に接続した可変減衰器が用いられている。図１７はこの種の可変減衰器を示す回路図であり、実線Ａの経路で示すように定電圧回路１から電流が抵抗Ｒ１０、ＰＩＮダイオードＤ２、ＰＩＮダイオードＤ３、抵抗Ｒ２０及び接地の経路で流れると共に、実線Ｂの経路で示すように電圧制御回路２から電流がインダクタンスＬ１０、ＰＩＮダイオードＤ１、抵抗Ｒ２０及び接地の経路で流れる。ＣＩ〜Ｃ７はコンデンサである。

この回路においては、電圧制御回路２の制御電圧を小さくすることにより減衰量が大きくなる。即ち、制御電圧を小さくすることでＰＩＮダイオードＤ１の順電流が小さくなり当該ＰＩＮダイオードＤ１の順抵抗値が大きくなる。これにより抵抗Ｒ２０の電圧降下量が小さくなるので、実線Ｂで示す経路に流れる電流が多くなる。従ってＰＩＮダイオードＤ２、Ｄ３の順電流が大きくなり、ＰＩＮダイオードＤ２、Ｄ３の順抵抗値が小さくなる。

また逆に電圧制御回路２の制御電圧を大きくすることにより減衰量が小さくなる。即ち、制御電圧を大きくすることでＰＩＮダイオードＤ１の順電流が大きくなり当該ＰＩＮダイオードＤ１の順抵抗値が小さくなる。これにより抵抗Ｒ２０の電圧降下量が大きくなるので、実線Ｂで示す経路に流れる電流が小さくなる。従ってＰＩＮダイオードＤ２、Ｄ３の順電流が小さくなり、ＰＩＮダイオードＤ２、Ｄ３の順抵抗値が大きくなる。

上記の可変減衰器は、各ＰＩＮダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３の抵抗値に基づいて設計されているが、可変減衰器を通過する高周波信号の周波数が例えば１ＧＨｚ以上と高くなると、ＰＩＮダイオードの端子間の容量値が見えてくるようになり、つまりＰＩＮダイオードの端子間の容量成分に基づくインピーダンスが小さくなる。このため高周波信号から見たＰＩＮダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３の抵抗値のバランスが崩れてしまう。このため結果として可変減衰器に対して広い可変幅を確保しようとすると、ＶＳＷＲ（Voltage Standing Wave Ratio）が悪化する現象があり、また分解能が悪くなる。

ＶＳＷＲとは、次のように表される。特性インピーダンスがＺ０である伝送線路の両端に、夫々信号源と負荷インピーダンスＺとが接続されているときに、負荷側の電圧定在波比ＶＳＷＲは、次の式で表される。
ＶＳＷＲ＝（１＋｜ρ｜）／（１−｜ρ｜）
ρ＝（Ｚ−Ｚ０）／（Ｚ＋Ｚ０）＝Ｖ２／Ｖ１
Ｖ１＝進行波の振幅電圧 Ｖ２＝反射波の振幅電圧 ρ＝電圧反射係数
高周波信号において伝送線路と負荷のインピーダンスとが一致（整合）した場合には、ＶＳＷＲが１であり、反射波がない状態である。インピーダンスに不整合があると、ＶＳＷＲが悪化し、電力損失が発生する。例えば信号現側のＶＳＷＲが１であり、負荷側のＶＳＷＲが１．５のとき、電力効率は９６％となる。

ＰＩＮダイオードをπ型に接続した可変減衰器において、特許文献１には前記ＰＩＮダイオードＤ２、Ｄ３の間の経路に抵抗を接続した構成が記載されている。また特許文献２には前記ＰＩＮダイオードＤ２、Ｄ３の間の経路にインダクタンスを接続した構成が記載されているが、いずれの特許文献１、２にも上記の課題を解決できる技術は記載されていない。

特開平７ー３３６１７７（図９） 特開２００２−２９０１８７（図１）

本発明はこのような背景の下になされたものであり、その目的はＰＩＮダイオードを用いた可変減衰器において、ＶＳＷＲが良好であり、電力損失が抑えられる技術を提供することにある。

本発明は、高周波伝送路の入力側分岐点及び出力側分岐点の間に第１のＰＩＮダイオードを介在させると共に、前記入力側分岐点と接地との間及び前記出力側分岐点と接地との間に第２のＰＩＮダイオード及び第３のＰＩＮダイオードを夫々介在させてＰＩＮダイオードによるπ型接続構造を形成し、第２のＰＩＮダイオードのカソード側と第３のＰＩＮダイオードのアノード側とを接続して、バイアス電流を第２のＰＩＮダイオード及び第３のＰＩＮダイオードを介して接地に流すと共に、制御電流を第１のＰＩＮダイオードを介して接地に流すように構成した可変減衰器において、
前記高周波伝送路に前記第１のＰＩＮダイオードの端子間容量をキャンセルするためのインダクタ成分を当該第１のＰＩＮダイオードに直列に接続し、
前記入力側分岐点、第２のＰＩＮダイオード、第３のＰＩＮダイオード及び及び前記出力側分岐点に至るまでの経路に、第２のＰＩＮダイオードの端子間容量をキャンセルするためのインダクタ成分及び第３のＰＩＮダイオードの端子間容量をキャンセルするためのインダクタ成分を設けたことを特徴とする。
高周波伝送路を伝送される高周波信号の周波数は例えば１ＧＨｚ以上である。

また本発明の可変減衰器が１個の経路と、ｎ（２以上の整数）個直列に接続された経路と、ｍ（２以上であって、ｎとは異なる整数）個直列に接続された経路と、の中のいずれか２つの経路を備え、
これら経路の間で切り替えるための切替え部を設けて可変減衰装置を構成してもよい。この場合、各経路のいずれか一つの経路には、減衰量が固定の固定減衰器を前記可変減衰器に対して直列に接続するようにしてもよい。

本発明は、ＰＩＮダイオードをπ型に接続した可変減衰器において、ＰＩＮダイオードの端子間の容量値をキャンセルするためのインダクタ成分を各ＰＩＮダイオードに応じて設けるようにしているため、高周波信号の周波数が高くなってもＶＳＷＲが良好であり、電力損失が抑えられる。

本発明の実施形態に係る可変減衰器を示す回路図である。 順バイアスがかかっているときのＰＩＮダイオードの等価回路図である。 本発明の実施形態の可変減衰器において、制御電圧と各部位の電流や減衰量などとの関係を示す説明図である。 本発明の実施形態の可変減衰器において、可変幅を１５ｄＢとしたときの減衰量及びＶＳＷＲに関する特性図である。 本発明の実施形態の可変減衰器において、可変幅を１５ｄＢとしたとき減衰量及び分解能に関する特性図である。 本発明の実施形態の可変減衰器において、可変幅を３０ｄＢとしたときの減衰量及びＶＳＷＲに関する特性図である。 本発明の実施形態の可変減衰器において、可変幅を３０ｄＢとしたとき減衰量及び分解能に関する特性図である。 比較例の可変減衰器において、可変幅を１５ｄＢとしたときの減衰量及びＶＳＷＲに関する特性図である。 本発明の実施形態に係る可変減衰器の変形例を示す回路図である。 本発明の実施形態に係る可変減衰器の変形例を示す回路図である。 本発明の実施形態に係る可変減衰器の変形例を示す回路図である。 本発明の実施形態に係る可変減衰装置を示す回路図である。 本発明の実施形態に係る可変減衰装置を示す回路図である。 本発明の実施形態に係る可変減衰装置を示す回路図である。 本発明の実施形態に係る可変減衰装置を示す回路図である。 本発明の実施形態に係る可変減衰装置を示す回路図である。 従来の可変減衰器を示す回路図である。

図１は本発明の実施形態にかかる可変減衰器を示す回路図であり、３は高周波伝送路、４は入力端、５は出力端である。この高周波伝送路３には、コンデンサＣ１、コンデンサＣ６、第１のＰＩＮダイオードＤ１及びインダクタンス成分であるインダクタＬ１の直列回路、並びにコンデンサＣ７が設けられている。コンデンサＣ１及びＣ６の間に位置する入力側分岐点Ｐ１と接地との間には、第２のＰＩＮダイオードＤ２、インダクタＬ２及びコンデンサＣ２の直列回路が接続されている。

またインダクタＬ１とコンデンサＣ７との間に位置する出力側分岐点Ｐ２と接地との間には、第３のＰＩＮダイオードＤ３、インダクタＬ３及びコンデンサＣ３の直列回路が接続されている。インダクタＬ２及びコンデンサＣ２の互いの接続点とインダクタＬ３及びコンデンサＣ３の接続点とは互いに接続されている。このようにＰＩＮダイオードＤ１、Ｄ２及びＤ３はπ接続構造を構成している。

入力側分岐点Ｐ１には、抵抗Ｒ１０を介して定電圧源である定電圧回路１が接続されている。この抵抗Ｒ１０は、抵抗Ｒ２０と共にＰＩＮダイオードＤ２、ＤＤ３に流れる電流を決定し、かつ高周波伝送路３から高周波信号が定電圧回路１側に流れないように高インピーダンスにしている。コンデンサＣ６と第１のＰＩＮダイオードＤ１との互いの接続点には、インダクタＬ１０及びＬ２０を介して制御電圧源である電圧制御回路２が設けられている。インダクタＬ１０及びＬ２０は、高周波信号が電圧制御回路２に流れ込むことを抑えるために設けられ、例えば通過帯域において夫々周波数の低い信号の流入抑制用及び周波数の高い信号の流入抑制用として使用される。定電圧回路１からは例えば５Ｖの直流電圧が出力され、電圧制御回路２からは例えば０〜５Ｖの直流電圧が出力される。

ここで図２は、ＰＩＮダイオードに順バイアスが印加されたときの等価回路を示しており、この等価回路は、抵抗成分１０１及びインダクタ成分１０２の直列回路と容量成分１０３との並列回路とから構成される。本実施の形態では、高周波信号の周波数が高くなるとＰＩＮダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３の容量成分１０３の容量値が見えてくるため、これら容量成分をキャンセルするために夫々インダクタ成分としてインダクタＬ１、Ｌ２、Ｌ３を設けている。

インダクタＬ１のインダクタンス値は、第１のＰＩＮダイオードＤ１における前記等価回路の容量成分１０３の容量値ｃをキャンセルするように設定されている。即ち、インダクタの符号であるＬ１が便宜上インダクタンス値も表しているものとすると、Ｌ１は２πｆ・Ｌ１＝１／（２πｆ・ｃ）で表される値に設定されている。ｆは高周波信号の周波数であるが、例えば可変減衰器の仕様で決められる帯域が例えば８００ＭＨｚ〜３ＧＨｚであるとすると、例えば１ＧＨｚ以上の周波数であって、使用帯域の中から選択される。ｆは１ＧＨｚ以上とすることに限定されないが、１ＧＨｚ以上の周波数においては前記容量成分１０３の影響が大きくなることからこのように選択される。言い換えれば、この例では１ＧＨｚ以上のある周波数において、上記の式が成り立つようにＬ１の値が決められているということである。

また同様にインダクタＬ２のインダクタンス値は、第２のＰＩＮダイオードＤ２における前記等価回路の容量成分１０３の容量値ｃをキャンセルするように設定され、インダクタＬ３のインダクタンス値は、第３のＰＩＮダイオードＤ３における前記等価回路の容量成分１０３の容量値ｃをキャンセルするように設定される。このように構成することにより、ＰＩＮダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３の容量成分が見えなくなり、ＰＩＮダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３の抵抗値及びこれらのバランスが設計に沿ったものとなり、本来の特性が得られることになる。

インダクタＬ１の配置位置は、図１に示す構成に限られず、例えば電圧制御回路２からの直流電流が高周波伝送路３に流れ込むポイントとコンデンサC６との間であってもよい。またインダクタＬ２、Ｌ３は、ＰＩＮダイオードＤ２、Ｄ３が設けられている、入力側分岐点Ｐ１から出力側分岐点Ｐ２に至る経路に設けられていれば図１に示す構成に限られない。

上述の可変減衰器の動作については、背景技術の欄にて詳述したように、定電圧回路１及び電圧制御回路２からは図１７に示すごとくバイアス電流が流れる。制御電圧を大きくした場合と小さくした場合との夫々において、ＰＩＮダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３の抵抗値の増減や減衰量などについては背景技術の欄で記載してあるが、これらをまとめると図３のように表される。

ここで図４は横軸に制御電圧をとり、縦軸に減衰量及びＶＳＷＲをとった特性図であり、図５は横軸に制御電圧をとり、縦軸に減衰量及び分解能をとった特性図である。図４の実験では高周波信号の周波数を１０ＭＨｚ、３ＧＨｚとし図５の実験では高周波信号の周波数を２００ＭＨｚ、２．５ＧＨｚとし、減衰量の可変幅の設定が１５ｄＢである。図４から分かるように３ＧＨｚの場合にはＶＳＷＲが１．５を下回っており、良好な特性であるといえる。なおＶＳＷＲは、１．０であることが理想である。
また図６、図７は、減衰量の可変幅の設定が３０ｄＢである場合における同様の特性図であり、可変幅を広げるとＶＳＷＲが１．８にもなってしまう。なお、分解能についても減衰量の可変幅の設定が３０ｄＢの場合には１５ｄＢの場合よりも悪化している。

一方、ＰＩＮダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３の容量成分をキャンセルしない場合、つまりインダクタＬ１、Ｌ２、Ｌ３を設けない場合において、ＶＳＷＲ及び分解能について調べた結果を図８に示す。既述の特性図と図８とを比較して分かるように、ＰＩＮダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３の容量成分をキャンセルしない場合にはＶＳＷＲが悪化しており、逆に言えば本発明の構成が有効であることが理解される。

図９〜図１１は上述実施形態の変形例であり、図９ではＰＩＮダイオードＤ１、Ｄ２の端子間容量をキャンセルするインダクタ成分として抵抗Ｒ２、Ｒ３を用いている。図１０では、ＰＩＮダイオードＤ１、Ｄ２の端子間容量をキャンセルするインダクタＬ１、Ｌ２をコンデンサＣ２、Ｃ３における接地側とは反対側の電極間に設けている。更に図１１では、図１０において用いたインダクタＬ１、Ｌ２、Ｌ３の代わりに、前記端子間容量をキャンセルするインダクタ成分として抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３を用いている。また図１１では、高周波伝送路３側から電圧制御回路２に高周波が流れ込むのを防止するために、インダクタＬ１０、１１を設けることに代えて抵抗Ｒ１１を設けている。これら変形例においても図１の実施形態と同様の効果が得られる。

次にＶＳＷＲが良好であり、かつ減衰量の可変幅を大きくとることができる構成例について図１２〜図１６に示しておく。図１２は例えば図１の実施形態に係る可変減衰器６を２つ用意し、その一方を高周波伝送路３に設けると共にこの可変減衰器６の出力側に２つの経路２０１、２０２を切り替えることができるように切替え部であるスイッチ部ＳＷ１、ＳＷ２を設けて可変減衰装置を構成している。分岐経路２０１には可変減衰器を設けず、分岐経路２０２には他方の可変減衰器６を介在させている。この場合模式的な説明をすると、各可変減衰器６の可変幅がいずれも０〜１５ｄＢであれば、減衰量を０〜１５ｄＢの間で設定する場合には分岐経路２０１を選択し、減衰量を１５ｄＢ〜３０ｄＢの間で設定する場合には分岐経路２０２を選択すればよい。即ち可変減衰器６を直列に接続すると、減衰量は両者の減衰量の和になり、ＶＳＷＲは２個の可変減衰器６のうち、特性の悪い方で決定される。

図１３の例は、図１２の構成に更に分岐経路２０３を加え、スイッチ部ＳＷ１、ＳＷ２により３つの経路を選択できるようにし、分岐経路２０３に可変減衰器６と減衰量が固定されている固定減衰器７とを直列接続したものを介在させている。この例では、減衰量を０〜１０ｄＢに設定する場合には経路２０１を選択し、減衰量を１１〜２６ｄＢに設定する場合には分岐経路２０２を選択し、減衰量を２７〜４２ｄＢに設定する場合には分岐経路２０３を選択すればよい。

図１４の例は、図１３の構成に更に経路２０４を加え、スイッチ部ＳＷ１、ＳＷ２により３つの経路を選択できるようにし、分岐経路２０４に可変減衰器６と減衰量が固定されている２個の固定減衰器７とを直列接続したものを介在させている。図１５及び図１６は更に経路の数を増やして減衰量を選択できるように構成した他の例である。ＳＷ３〜ＳＷ６は切替え部をなすスイッチ部であり、ＡＴＴの後に付した１から５までの数字は、固定減衰器の減衰量が互いに異なることを示している。

本発明の可変減衰装置は、図１２〜図１６の構成に限らず、切替え部により選択される経路の一つに可変減衰器が２個あるいは３個以上含まれていてもよい。また上述の例では主経路（分岐経路の外にある１本の経路）に可変減衰器６を設けているが、主経路には可変減衰器６を設けずに分岐経路にだけ可変減衰器６を設けるようにしてもよい。従って本発明の可変減衰装置は、可変減衰器が１個の経路と、可変減衰器がｎ（２以上の整数）個直列に接続された経路と、可変減衰器がｍ（２以上であって、ｎとは異なる整数）個直列に接続された経路と、のうちのいずれか２つの経路を備え、これら経路の間で切り替えるための切替え部を設けた構成であるということができる。つまり切替え部を切替えることにより、高周波伝送路に介在する可変減衰器や固定減衰器の数が変わるという構成といえる。ここでいう経路とは主経路及び分岐経路の両方が含まれる。このような可変減衰装置によれば、良好なＶＳＷＲを確保しながら、減衰量の可変幅を大きくとることができる。

１ 定電圧回路
２ 電圧制御回路
３ 高周波伝送路
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３ ＰＩＮダイオード
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３ ＰＩＮダイオードの端子間容量キャンセル用のインダクタ
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３ ＰＩＮダイオードの端子間容量キャンセル用の抵抗
１０３ ＰＩＮダイオードの端子間容量
６ 可変減衰器
７ 固定減衰器

Claims (4)

1. 高周波伝送路の入力側分岐点及び出力側分岐点の間に第１のＰＩＮダイオードを介在させると共に、前記入力側分岐点と接地との間及び前記出力側分岐点と接地との間に第２のＰＩＮダイオード及び第３のＰＩＮダイオードを夫々介在させてＰＩＮダイオードによるπ型接続構造を形成し、第２のＰＩＮダイオードのカソード側と第３のＰＩＮダイオードのアノード側とを接続して、バイアス電流を第２のＰＩＮダイオード及び第３のＰＩＮダイオードを介して接地に流すと共に、制御電流を第１のＰＩＮダイオードを介して接地に流すように構成した可変減衰器において、
   前記高周波伝送路に前記第１のＰＩＮダイオードの端子間容量をキャンセルするためのインダクタ成分を当該第１のＰＩＮダイオードに直列に接続し、
   前記入力側分岐点、第２のＰＩＮダイオード、第３のＰＩＮダイオード及び及び前記出力側分岐点に至るまでの経路に、第２のＰＩＮダイオードの端子間容量をキャンセルするためのインダクタ成分及び第３のＰＩＮダイオードの端子間容量をキャンセルするためのインダクタ成分を設けたことを特徴とする可変減衰器。
2. 高周波伝送路を伝送される高周波信号の周波数は１ＧＨｚ以上であることを特徴とする請求項１記載の可変減衰器。
3. 請求項１または２記載の可変減衰器が１個の経路と、請求項１または２記載の可変減衰器がｎ（２以上の整数）個直列に接続された経路と、請求項１または２記載の可変減衰器がｍ（２以上であって、ｎとは異なる整数）個直列に接続された経路と、の中のいずれか２つの経路を備え、
   これら経路の間で切り替えるための切替え部を設けたことを特徴とする請求項１または２記載の可変減衰装置。
4. 各経路のいずれか一つの経路には、減衰量が固定の固定減衰器を前記可変減衰器に対して直列に接続されたことを特徴とする請求項３記載の可変減衰装置。

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