JP2019149770A

JP2019149770A - Limiter circuit

Info

Publication number: JP2019149770A
Application number: JP2018034854A
Authority: JP
Inventors: 治夫小島; Haruo Kojima
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Infrastructure Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Infrastructure Systems and Solutions Corp
Priority date: 2018-02-28
Filing date: 2018-02-28
Publication date: 2019-09-05

Abstract

To provide a limiter circuit that can sufficiently attenuate an unnecessary signal and reduce attenuation of a high-frequency signal to be passed.SOLUTION: A limiter circuit 1 includes an open stub 12, a diode 14, and a short stub 16. The open stub is connected to a transmission line of a high frequency signal, and the length of the open stub is 1/8 of the wavelength of the high frequency signal. The diode is connected to the transmission line and the ground, and limits the amplitude of the high frequency signal flowing through the transmission line. The short stub is connected to the transmission line and the ground, and the length of the short stub is shorter than 1/4 of the wavelength of the high frequency signal, and direct-current power generated by rectifying the high frequency signal by the diode is supplied to the ground.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明の実施の形態は、リミッタ回路に関する。 Embodiments described herein relate generally to a limiter circuit.

リミッタ回路のＰＩＮダイオードに対して入力端側と出力端側との両方にインダクタンス成分を挿入し、ＰＩＮダイオードのキャパシタンス成分を用いてローパスフィルタを構成し、不要信号を減衰させるリミッタ回路が知られている。しかしながら、このようなリミッタ回路においては、ローパスフィルタの構成のために挿入されたインダクタのインダクタンスおよびＰＩＮダイオードのキャパシタンスが、通過させるべき高周波信号に損失を与えてしまう。 A limiter circuit is known that inserts an inductance component on both the input end side and the output end side of the PIN diode of the limiter circuit, and forms a low-pass filter using the capacitance component of the PIN diode to attenuate unnecessary signals. Yes. However, in such a limiter circuit, the inductance of the inductor inserted for the configuration of the low-pass filter and the capacitance of the PIN diode give a loss to the high-frequency signal to be passed.

特開２０１２−１８６７２３号公報JP 2012-186723 A 特開２０１５−０５６７３１号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2015-056731

本発明の実施の形態は上述した問題を解消するためになされ、不要信号を十分に減衰させ、通過させるべき高周波信号の減衰を少なくできるリミッタ回路を提供することを課題とする。 An embodiment of the present invention is made to solve the above-described problem, and an object of the present invention is to provide a limiter circuit that can sufficiently attenuate unnecessary signals and reduce attenuation of high-frequency signals to be passed.

上記に記載された課題を解決するために、実施の形態にかかるリミッタ回路は、オープンスタブと、ダイオードと、ショートスタブとを備える。オープンスタブは、高周波信号の伝送線路に接続され、その長さは高周波信号の波長の１／８とされる。ダイオードは、伝送線路とグラウンドとに接続され、伝送線路を流れる高周波信号の振幅を制限する。ショートスタブは、伝送線路とグラウンドとに接続され、その長さは高周波信号の波長の１／４よりも短くされ、高周波信号がダイオードにより整流されて生じた直流電力をグラウンドに流す。 In order to solve the problems described above, a limiter circuit according to an embodiment includes an open stub, a diode, and a short stub. The open stub is connected to the transmission line of the high frequency signal, and its length is set to 1/8 of the wavelength of the high frequency signal. The diode is connected to the transmission line and the ground, and limits the amplitude of the high-frequency signal flowing through the transmission line. The short stub is connected to the transmission line and the ground, and the length thereof is shorter than ¼ of the wavelength of the high-frequency signal, and direct current power generated by rectifying the high-frequency signal by the diode is supplied to the ground.

本実施の形態にかかるリミッタ回路の実装図Mounting diagram of limiter circuit according to this embodiment 図１に示されたリミッタ回路の回路図Circuit diagram of the limiter circuit shown in FIG. 図１，図２に示されたリミッタ回路の各構成要素の目的の周波数成分に対する等価回路を示す図The figure which shows the equivalent circuit with respect to the target frequency component of each component of the limiter circuit shown in FIG. 1, FIG. 図１〜図３に示されたリミッタ回路の伝送線路に対するオープンスタブ、ＰＩＮダイオードおよびショートスタブの影響をスミスチャートの形式で例示する図The figure which illustrates the influence of an open stub, a PIN diode, and a short stub with respect to the transmission line of the limiter circuit shown in FIGS. 1-3 in the form of a Smith chart 図１〜図３に示されたリミッタ回路においてショートスタブによるキャパシタンスの補償を行わない場合のリミッタ回路の挿入損失を示す図The figure which shows the insertion loss of a limiter circuit when not compensating the capacitance by a short stub in the limiter circuit shown in FIGS. 図１〜図３に示されたリミッタ回路において、ショートスタブを適切な形状とすることにより、伝送線路とグラウンドとに接続されたオープンスタブおよびＰＩＮダイオードに起因するキャパシタの影響を排除した効果をグラフ形式で例示する図In the limiter circuit shown in FIGS. 1 to 3, the effect of eliminating the influence of the capacitor caused by the open stub and the PIN diode connected to the transmission line and the ground by making the short stub into an appropriate shape. Figure illustrating the format 図６に示されたキャパシタの影響を排除した効果を、挿入損失および反射損失を示す軸を拡大して示す図The figure which expands the axis | shaft which shows the insertion loss and the reflection loss, and shows the effect which excluded the influence of the capacitor shown by FIG.

［リミッタ回路１の構成］
以下、実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本実施の形態にかかるリミッタ回路１の実装図である。なお、図１に示す各構成要素の寸法の比率は、実際のリミッタ回路１における各構成要素の寸法の比率とは必ずしも一致しない。図２は、図１に示されたリミッタ回路１の回路図である。図３は、図１，図２に示されたリミッタ回路１の各構成要素の目的の周波数成分に対する等価回路を示す図である。図４は、図１〜図３に示されたリミッタ回路１の伝送線路１０に対するオープンスタブ１２、ＰＩＮダイオード１４およびショートスタブ１６の影響をスミスチャートの形式で例示する図である。 [Configuration of Limiter Circuit 1]
Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a mounting diagram of a limiter circuit 1 according to the present embodiment. Note that the ratio of the dimensions of the components shown in FIG. 1 does not necessarily match the ratio of the dimensions of the components in the actual limiter circuit 1. FIG. 2 is a circuit diagram of the limiter circuit 1 shown in FIG. FIG. 3 is a diagram showing an equivalent circuit for the target frequency component of each component of the limiter circuit 1 shown in FIGS. FIG. 4 is a diagram illustrating the influence of the open stub 12, the PIN diode 14 and the short stub 16 on the transmission line 10 of the limiter circuit 1 shown in FIGS. 1 to 3 in the form of a Smith chart.

図１，図２に示すように、リミッタ回路１は、ＬＮＡ１８による増幅の対象となる目的の高周波信号を伝送する伝送線路１０にそれぞれ接続されたオープンスタブ１２、ＰＩＮダイオード１４およびショートスタブ１６を備える。伝送線路１０は、５０Ωのインピーダンスで、マイクロ波帯、例えば９ＧＨｚの目的の高周波信号を入力端子からＬＮＡ１８の入力（ＬＮＡ入力）に伝送する。 As shown in FIGS. 1 and 2, the limiter circuit 1 includes an open stub 12, a PIN diode 14, and a short stub 16 connected to a transmission line 10 that transmits a target high-frequency signal to be amplified by the LNA 18. . The transmission line 10 transmits a target high-frequency signal in the microwave band, for example, 9 GHz, from the input terminal to the input of the LNA 18 (LNA input) with an impedance of 50Ω.

ＰＩＮダイオード１４のアノードはスルーホールを介してＰＩＮダイオード１４の裏面のグラウンドに接続され、ＰＩＮダイオード１４のカソードは伝送線路１０に接続され、伝送線路１０を伝送される高周波信号の振幅を制限する。また、ショートスタブ１６の一端は伝送線路１０に接続され、ショートスタブ１６の他端は、スルーホールを介して裏面のグラウンドに接続される。なお、図１，図２においては、目的の高周波信号の波長はλ_０と記される。また、以下、目的の高周波信号の周波数はｆ_０と記される。また、伝送線路１０、オープンスタブ１２およびショートスタブ１６は、マイクロストリップラインにより構成される。また、リミッタ回路１の用途によっては、ＰＩＮダイオード１４の代わりに高速スイッチングダイオード、高周波用ショットキーバリアダイオードなどが使われ得る。 The anode of the PIN diode 14 is connected to the ground on the back surface of the PIN diode 14 through a through hole, and the cathode of the PIN diode 14 is connected to the transmission line 10 to limit the amplitude of the high-frequency signal transmitted through the transmission line 10. One end of the short stub 16 is connected to the transmission line 10, and the other end of the short stub 16 is connected to the ground on the back surface through a through hole. In FIGS. 1 and 2, the wavelength of the target high-frequency signal is _denoted as λ ₀ . Hereinafter, the frequency of the target high-frequency signal is _denoted as f0. Further, the transmission line 10, the open stub 12, and the short stub 16 are configured by microstrip lines. Depending on the use of the limiter circuit 1, a high-speed switching diode, a high-frequency Schottky barrier diode, or the like can be used instead of the PIN diode 14.

目的の高周波信号およびその高調波成分がＰＩＮダイオード１４により制限されるときには整流され、ＤＣ電流が生じる。ＰＩＮダイオード１４およびショートスタブ１６は、図２に示されるように、このＤＣ成分をグラウンドに流すＤＣリターン用短絡線路を形成する。目的の高周波信号の振幅がＰＩＮダイオード１４の非線形領域に入ったときには、ＰＩＮダイオード１４の特性の非直線性に起因して、目的の高調波信号の高調波成分が生じる。この高調波成分には、通常、第２高調波成分が最も多く含まれる。第２高調波成分の周波数は、目的の高周波信号の周波数ｆ_０の２倍（２ｆ_０）である。また、第２高調波成分の波長は、目的の高周波信号の波長λ_０の１／２（λ_０／２）である。 When the target high frequency signal and its harmonic components are limited by the PIN diode 14, it is rectified and a DC current is generated. As shown in FIG. 2, the PIN diode 14 and the short stub 16 form a DC return short-circuit line that allows this DC component to flow to the ground. When the amplitude of the target high-frequency signal enters the nonlinear region of the PIN diode 14, a harmonic component of the target harmonic signal is generated due to the nonlinearity of the characteristics of the PIN diode 14. This harmonic component usually contains the most second harmonic component. The frequency of the second harmonic component is twice (2f ₀ ) the frequency f ₀ of the target high-frequency signal. The wavelength of the second harmonic component is a half of the wavelength lambda ₀ of the objective of the high frequency signal (λ _0/2).

オープンスタブ１２の伝送線路１０から見た長さは、第２高調波成分の波長λ_０／２の１／４（λ_０／８）とされ、オープンスタブ１２は、第２高調波成分をグラウンドに短絡させる。従って、第２高調波成分の電力はオープンスタブ１２により−３５ｄＢ程度に減衰される。つまり、リミッタ回路１の入力端子からアンテナなどに出力される第２高調波成分の反射電力は、リミッタ回路１がオープンスタブ１２を備えない場合に比べて非常に小さくなる。 Length viewed from the transmission line 10 of the open stub 12 is a quarter of the wavelength lambda _0/2 of the second harmonic component (λ _0/8), the open stub 12 is ground a second harmonic component Short circuit to Therefore, the power of the second harmonic component is attenuated to about −35 dB by the open stub 12. That is, the reflected power of the second harmonic component output from the input terminal of the limiter circuit 1 to the antenna or the like is much smaller than when the limiter circuit 1 does not include the open stub 12.

一方、オープンスタブ１２の伝送線路１０から見た長さは、目的の高周波信号の波長λ_０の１／４（λ_０／４）よりも短くされる。従って、オープンスタブ１２は、伝送線路１０を伝送される目的の高周波信号にとっては、図３，図４に示されるように、伝送線路１０とグラウンドとに接続されたキャパシタ（インピーダンス＝−ｊωＡ）と等価になる。また、ＰＩＮダイオード１４は、そのＰＮ接合面の容量に起因して、伝送線路１０を伝送される目的の高周波信号にとっては、図３，図４に示されるように、伝送線路１０とグラウンドとに接続されたキャパシタ（インピーダンス＝−ｊω（Ｂ−Ａ））と等価になる。ただし、Ａ，Ｂは正の実数であり、Ｂ＞Ａである。 On the other hand, the length as viewed from the transmission line 10 of the open stub 12 is shorter than 1/4 (λ _0/4) of the wavelength lambda ₀ of the objective of the high frequency signal. Therefore, the open stub 12 has a capacitor (impedance = −jωA) connected to the transmission line 10 and the ground, as shown in FIGS. 3 and 4, for the intended high-frequency signal transmitted through the transmission line 10. Become equivalent. Further, the PIN diode 14 is connected to the transmission line 10 and the ground as shown in FIGS. 3 and 4 for the intended high frequency signal transmitted through the transmission line 10 due to the capacitance of the PN junction surface. It becomes equivalent to the connected capacitor (impedance = −jω (B−A)). However, A and B are positive real numbers, and B> A.

つまり、目的の高周波信号の振幅がＰＩＮダイオード１４によりグラウンドに短絡されない範囲において、オープンスタブ１２およびＰＩＮダイオード１４は、伝送線路１０とグラウンドとに接続され、インピーダンス−ｊωＢのキャパシタとなる。なお、ＰＩＮダイオード１４により目的の高周波信号が制限されるときには、ＰＩＮダイオード１４により伝送線路１０は、図４の点Ｃに示されるように、グラウンドに短絡された状態となる。 In other words, the open stub 12 and the PIN diode 14 are connected to the transmission line 10 and the ground in a range in which the amplitude of the target high-frequency signal is not short-circuited to the ground by the PIN diode 14, and becomes a capacitor of impedance −jωB. When the target high-frequency signal is restricted by the PIN diode 14, the transmission line 10 is short-circuited to the ground by the PIN diode 14 as indicated by a point C in FIG.

一方、リミッタ回路１以外において、ＰＩＮダイオード１４とともにＤＣリターン用短絡線路を構成するショートスタブの伝送線路１０から見た長さは、一般的には、目的の高周波信号の波長λ_０の１／４（λ_０／４）とされる。従って、このようなショートスタブは、目的の高周波信号から見て開放状態となる。一方、リミッタ回路１において、ショートスタブ１６の代わりに、送線路１０から見た長さがλ_０／４のショートスタブが用いられると、オープンスタブ１２およびＰＩＮダイオード１４に起因するキャパシタンスの影響を排除することはできない。そこで、リミッタ回路１において、ショートスタブ１６の伝送線路１０から見た長さは、目的の高周波信号の波長λ_０の１／４（λ_０／４）よりも短くされる。従って、ショートスタブ１６は、伝送線路１０を伝送される目的の高周波信号にとってインダクタと等価になる。 On the other hand, the length viewed from the transmission line 10 of the short stub constituting the DC return short-circuit line together with the PIN diode 14 other than the limiter circuit 1 is generally ¼ of the wavelength λ ₀ of the target high-frequency signal. are (λ _0/4). Therefore, such a short stub is in an open state when viewed from the target high-frequency signal. On the other hand, the limiter circuit 1, in place of the short stub 16, the length as viewed from the feed line 10 is short stub of lambda _0/4 is used, the influence of the capacitance caused by the open stub 12 and PIN diode 14 eliminates I can't do it. Therefore, the limiter circuit 1, the length as viewed from the transmission line 10 of the short stub 16 is shorter than 1/4 (λ _0/4) of the wavelength lambda ₀ of the objective of the high frequency signal. Accordingly, the short stub 16 is equivalent to an inductor for a target high-frequency signal transmitted through the transmission line 10.

図５は、図１〜図３に示されたリミッタ回路１においてショートスタブ１６によるキャパシタンスの補償を行わない場合のリミッタ回路１の挿入損失を示す図である。リミッタ回路１において、オープンスタブ１２および適切な形状のショートスタブ１６が用いられず、伝送線路１０から見たＰＩＮダイオード１４の合計の容量値が０．２５ｐＦで、目的の高周波信号の周波数ｆ_０が９ＧＨｚである場合が想定される。この想定においては、図５に示されるように、９ＧＨｚの目的の高周波信号は、ＰＩＮダイオード１４のキャパシタンス性のインピーダンスにより、−０．５ｄＢ程度、減衰してしまう。 FIG. 5 is a diagram illustrating insertion loss of the limiter circuit 1 when the capacitance compensation by the short stub 16 is not performed in the limiter circuit 1 illustrated in FIGS. 1 to 3. In the limiter circuit 1, the open stub 12 and the appropriately shaped short stub 16 are not used, the total capacitance value of the PIN diode 14 viewed from the transmission line 10 is 0.25 pF, and the frequency f ₀ of the target high-frequency signal is A case of 9 GHz is assumed. In this assumption, as shown in FIG. 5, the intended high-frequency signal of 9 GHz is attenuated by about −0.5 dB due to the capacitive impedance of the PIN diode 14.

一方、ショートスタブ１６の伝送線路１０から見た長さは、目的の高周波信号の波長λ_０の１／４（λ_０／４）よりも短くされる。従って、ショートスタブ１６は、伝送線路１０を伝送される目的の高周波信号にとって、伝送線路１０とグラウンドとに接続されたインダクタと等価になる。つまり、ショートスタブ１６を適切な形状とすることにより、図３，図４に示されるように、ショートスタブ１６の目的の高周波信号に対するインダクタンスのインピーダンスを＋ｊωＢとすることができる。このように、ショートスタブ１６を適切な形状とすることにより、伝送線路１０とグラウンドとに接続されたオープンスタブ１２およびＰＩＮダイオード１４に起因するキャパシタの影響を排除することができる。 On the other hand, the length as viewed from the transmission line 10 of the short stub 16 is shorter than 1/4 (λ _0/4) of the wavelength lambda ₀ of the objective of the high frequency signal. Accordingly, the short stub 16 is equivalent to an inductor connected to the transmission line 10 and the ground for a target high-frequency signal transmitted through the transmission line 10. That is, by making the short stub 16 into an appropriate shape, the impedance of the inductance with respect to the target high-frequency signal of the short stub 16 can be + jωB, as shown in FIGS. Thus, by making the short stub 16 into an appropriate shape, it is possible to eliminate the influence of the capacitor due to the open stub 12 and the PIN diode 14 connected to the transmission line 10 and the ground.

［実施例］
図６は、図１〜図３に示されたリミッタ回路１において、ショートスタブ１６を適切な形状とすることにより、伝送線路１０とグラウンドとに接続されたオープンスタブ１２およびＰＩＮダイオード１４に起因するキャパシタの影響を排除した効果をグラフ形式で例示する図である。図７は、図６に示されたキャパシタの影響を排除した効果を、挿入損失および反射損失を示す軸を拡大して示す図である。 [Example]
FIG. 6 is caused by the open stub 12 and the PIN diode 14 connected to the transmission line 10 and the ground by making the short stub 16 an appropriate shape in the limiter circuit 1 shown in FIGS. It is a figure which illustrates the effect which excluded the influence of the capacitor in a graph form. FIG. 7 is a diagram showing the effect of eliminating the influence of the capacitor shown in FIG. 6 by enlarging the axes showing the insertion loss and the reflection loss.

リミッタ回路１において、ショートスタブ１６は適切な形状に形成されて、オープンスタブ１２およびＰＩＮダイオード１４のキャパシタンスを打ち消す。従って、図６，図７に示されるように、９ＧＨｚの目的の高周波信号の反射は小さくなり、入力端子から見た目的の高周波信号の反射損失は−３５ｄＢ程度となる。また、入力端子から見た目的の高周波信号の挿入損失は−０．２ｄＢ程度と非常に小さくなる。また、図６，図７に示されるように、１８ＧＨｚの目的の高周波信号の第２高調波成分の大部分は反射されて、入力端子から見た第２高調波成分の挿入損失は−３５ｄＢ程度となる。 In the limiter circuit 1, the short stub 16 is formed in an appropriate shape to cancel the capacitance of the open stub 12 and the PIN diode 14. Therefore, as shown in FIGS. 6 and 7, the reflection of the target high-frequency signal of 9 GHz becomes small, and the reflection loss of the target high-frequency signal viewed from the input terminal is about −35 dB. Further, the insertion loss of the target high-frequency signal viewed from the input terminal is very small, about -0.2 dB. As shown in FIGS. 6 and 7, most of the second harmonic component of the target high frequency signal of 18 GHz is reflected, and the insertion loss of the second harmonic component viewed from the input terminal is about −35 dB. It becomes.

このように、目的の高周波信号はリミッタ回路１により反射されず、その反射損失は非常に小さくなる。一方、目的の高周波信号の第２高調波はリミッタ回路１により反射されて、その挿入損失は非常に大きくなる。つまり、リミッタ回路１によれば、入力端子からＬＮＡ１８の入力までに目的の高周波信号に与えられる損失は非常に小さくなり、入力端子から出力される目的の高周波信号の第２高調波の電力は非常に小さくなる。 Thus, the target high frequency signal is not reflected by the limiter circuit 1, and its reflection loss becomes very small. On the other hand, the second harmonic of the target high frequency signal is reflected by the limiter circuit 1, and its insertion loss becomes very large. That is, according to the limiter circuit 1, the loss given to the target high-frequency signal from the input terminal to the input of the LNA 18 becomes very small, and the power of the second harmonic of the target high-frequency signal output from the input terminal is very low. Becomes smaller.

本発明の実施の形態を説明したが、この実施の形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施の形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although the embodiment of the present invention has been described, this embodiment is presented as an example and is not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

１リミッタ回路、１０伝送線路、１２オープンスタブ、１４ＰＩＮダイオード、１６ショートスタブ、１８ＬＮＡ 1 limiter circuit, 10 transmission line, 12 open stub, 14 PIN diode, 16 short stub, 18 LNA

Claims

An open stub connected to a transmission line of a high-frequency signal and having a length of 1/8 of the wavelength of the high-frequency signal;
A diode that is connected to the transmission line and ground and limits an amplitude of the high-frequency signal flowing through the transmission line;
A short stub connected to the transmission line and the ground, and having a length shorter than ¼ of the wavelength of the high-frequency signal, and flowing DC power generated by rectifying the high-frequency signal by the diode to the ground;
A limiter circuit comprising:

The open stub serves as a first capacitor for the high-frequency signal connected to the transmission line and ground,
The diode becomes a second capacitor for the high-frequency signal connected to the transmission line and ground,
The short stub is connected to the transmission line and ground, and when connected in parallel to the first capacitor and the second capacitor, the capacitance of the first capacitor and the capacitance of the second capacitor The limiter circuit according to claim 1, wherein the limiter circuit is an inductor having an inductance with respect to the high-frequency signal having a value that cancels the total value.

The limiter circuit according to claim 1, wherein the short stub is configured to short-circuit and attenuate a second harmonic of the high-frequency signal generated by the nonlinearity of the diode.

The limiter circuit according to claim 1, wherein the diode is a PIN diode.