JP3734754B2 - 集積高周波回路を有する構成素子 - Google Patents

Description

本発明は、集積高周波回路を備える構成素子に関するものである。この集積高周波回路は、発振器コンデンサを備える共振回路を有し、その値を、同調ダイオード（Abstimmdiode）によって所定の周波数領域に調節できるものである。
【０００１】
従来、１．５〜３ギガヘルツの周波数領域では、集積構成素子は、共振回路または信号発信器に用いられることはない。現時点では、孤立した（diskret）コイルおよびコンデンサダイオードが用いられたり、また、ハウジング（Gehaeuse）に収められた、複数の集積構成素子を備えたモジュールが用いられたりしている。
【０００２】
しかし、共振回路または信号発信器を備える集積構成素子の必要性はある。特に、同調可能で、電圧制御機能を有する集積構成素子が必要とされている。電圧制御機能を有する共振回路として一般的な回路は、少なくとも同調ダイオードを含んでいる。この同調ダイオードには、バイアス電圧（Vorspannung）として、順方向と反対方向に、直流電圧が印加されている。そして、この同調ダイオードの接合コンデンサは、このバイアス電圧の単一の印加先（Funktion）である。したがって、この共振回路は、その共振周波数を設定できる電圧調整コンデンサを有している。この場合、バイアス電圧は、使用可能な周波数帯を通過する（Durchfahren）ために用いられる。
【０００３】
共振回路を備える完全な集積構成素子の仕様（Spezifikation）には、バイアス電圧と共振周波数との間の明確な関係も含まれている。しかし、全ての回路素子の電気的特性は、誤差の範囲で変化する。このため、共振回路の共振周波数を微調整できるようにする必要がある。
【０００４】
Ulrich L. Rohdeの著書『マイクロ波および無線シンセサイザー（Microwave and Wireless Synthesizers）』（New York, 1997年、62−63ページ）から知られているように、順方向と逆向きの直流電圧をバイアス電圧として印加された同調ダイオードによって、共振回路を精確に制御できる。この同調ダイオードには、第２および第３の同調ダイオードが並列に備えられている。また、これら第２および第３の同調ダイオードは、互いに逆向きの極性を有しており、それらの間には、バイアス電圧として、共振回路の共振周波数を粗制御できる直流電圧が印加されている。
【０００５】
本発明は、この従来技術を前提として、同調および微調整可能な電圧制御共振回路を備える集積構成素子を提供する、という目的に基づいている。
【０００６】
この目的は、以下に示すような利点を有する本発明によって達成される。その利点とは、すなわち、共振回路の共振周波数に関して発生する製造誤差を、結合コンデンサを介して共振回路に連結された、電導回路網（Leiternetzwerk）によって補整できる点である。この電導回路網は、連続導線（Laengsleitungen）間に直列接続された横断ダイオード（Querdioden）および横断コンデンサ（Querkapazitaet）を有している。これらは、切り替え可能な直流電圧網を用いて横断ダイオードの動作点を調整することによって、発振器コンデンサに対して並列に配置できる。
【０００７】
本発明による構成素子の場合、横断コンデンサは、横断ダイオードの動作基点を調節することによって、発振器コンデンサに対して並列に配置される。このため、微調整用の実際の電導回路網には、ヒューズブリッジ（Schmelzbruecke）またはトランジスタのように、電導回路網の働きを妨害する可能性のある電気的特性を有するスイッチング素子は存在しない。というのも、通電状態では、トランジスタにおいてもヒューズブリッジにおいても、電導回路網すなわち共振回路の質を下げるオーム抵抗（ohmscher Widerstand）が、相対的に高いからである。これに対して、ダイオードでは、通電状態におけるオーム抵抗は低い。それゆえに、本発明による構成素子では、横断ダイオードによって、電導回路網のスイッチング機能を実現しているのである。また、横断ダイオードの動作基点を調節するために必要なスイッチング素子は、直流電圧網にあるため、電導回路網の質を低下させることはない。
【０００８】
なお、本発明の他の有用な形態については、従属請求項に示す。
【０００９】
次に、本発明の実施形態を、添付図面に基づいて詳述する。
図１は、電導回路網によって微調整可能な共振回路を備えた集積構成素子の回路構造を示す図である。
【００１０】
図１の回路構造は、共振回路１を有しており、この共振回路１は、インダクタンス２と、反対の極性を有する直列接続された１対のコンデンサダイオード（Kapazitaetsdioden）３とを備えている。コンデンサダイオード３の間には、同調線（Abstimmleitung）４が接続されており、この同調線４は、直列抵抗器（Vorwiderstand）５を介して同調入力部６に達している。また、この共振回路１は、外部結合コンデンサ７を介して、発振器出力部８と結合している。さらに、接地線（Masseleitung）９が、接地端子（Masseanschluss）１０に達している。
【００１１】
同調入力部６に印加されている同調電圧Ｖ_tuneによって、コンデンサダイオード３の容量は変化する。これにあわせて、共振回路１の共振周波数が変わる。しかし、コンデンサダイオード３の電気的特性は、一般的に、その製造誤差を有している。したがって、共振回路の共振周波数と同調入力部６に印加されている同調電圧Ｖ_tuneとの精確な関係を求めるためには、微調整を行えることが不可欠である。
【００１２】
図１の回路構造では、共振回路１は、内部結合コンデンサ１１を介して共振回路１に接続している電導回路網１２を用いることで機能する。電導回路網１２は、結合コンデンサ１１に達する微調整線１３を有している。電導回路網１２の電位は、抵抗値Ｒ´およびＲ“を有するオーム抵抗器１４・１５によって、接地線９の電位と供給電圧Ｖ_ddの電位との間の値に保たれている。オーム抵抗器１４・１５から構成される電圧分割器は、接地線９と供給電圧入力部１６との間に接続されている。
【００１３】
ＰＩＮダイオード１７の陰極は、微調整線１３に接続されている。このＰＩＮダイオード１７は、接地線９と結合している微調整コンデンサ１８に直列に接続されている。このＰＩＮダイオード１７の陽極については、引き出し抵抗器１９およびヒューズブリッジ２０を介して、供給電圧入力部１６の供給電圧の電位または接地線９の電位に、選択的に設定させられる。特に、ヒューズブリッジ２０が閉じている場合、微調整コンデンサ１８は、ヒューズブリッジ２０と並列抵抗器２１とによって橋絡（ueberbruecken）される。
【００１４】
最後に、ヒューズブリッジ２０を通って接地線９にヒューズ電流を流すヒューズ電流入力部（Schmelzstromeingaenge）２１が、備えられている。
【００１５】
次に、電導回路網１２の機能を、電導回路網１２の素子に基づいて詳述する。
【００１６】
上記したように、微調整線１３は、接地線９の電位と供給電圧Ｖ_ddの電位との間の電位を有している。ヒューズブリッジ２０が閉じている場合、その（zugeordnet）ＰＩＮダイオード１７の陽極は、接地線９の電位となる。これにより、ＰＩＮダイオード１７は、逆バイアスがかかるので、ＰＩＮダイオード１７を通ることで降下する直流電圧値とほぼ無関係の容量を有するコンデンサのように作用する。すなわち、高周波工学（hochfrequenztechnisch）でいえば、直列に配置された２つのコンデンサが存在することになる。したがって、微調整コンデンサ１８およびＰＩＮダイオード１７がそれぞれ容量値Ｃを有する場合、全容量は値Ｃ／２となる。
【００１７】
逆に、ヒューズブリッジ２０が開いていれば、引き出し抵抗器（Pull-Up-Widerstand）１９および並列抵抗器２１は、ＰＩＮダイオード１７の陽極を供給電圧Ｖ_ddの電位に変える。これにより、ＰＩＮダイオード１７は前の順方向にバイアスされ、高周波工学上、そのオーム抵抗は、わずかに作用するのみである。したがって、高周波工学上、微調整コンデンサ１８の容量のみが作用することになる。これゆえに、このＰＩＮダイオード１７および微調整コンデンサ１８から構成される列は、総容量Ｃを有する。
【００１８】
さらに、電導回路網１２のｎ個の素子が、並列回路状に並んで配置されているとき、共振回路１によって、異なる２ⁿの共振を生成できる。図１に示した実施形態の場合、微調整コンデンサ１８およびＰＩＮダイオード１７の容量は、第１素子では値Ｃ₀に設定されていた。第２素子では、微調整コンデンサ１８およびＰＩＮダイオード１７の容量Ｃ₁は、２Ｃ₀に等しく設定された。続いて第３セルでは、微調整コンデンサ１８およびＰＩＮダイオード１７の容量Ｃ₂は、４Ｃ₀に等しく固定された。それゆえに、表１に示した総容量に関する値を実現できる。
【００１９】
【表１】

【００２０】
続いて、図１の回路構造に関する数値例を示す。なお、共振回路１は、１ＧＨｚの周波数に設計されているとする。このために、コンデンサダイオード３の容量は、値Ｃ_j＝４ｐＦに設定される。また、インダクタンス２は、Ｌ＝８ｎＨの大きさである。
【００２１】
さらに、３つのスイッチング素子が備えられる。微調整コンデンサ１８の数値例としては、Ｃ₂＝１ｐＦ、Ｃ₁＝０．５ｐＦ、および、Ｃ₀＝０．２５ｐＦの値を挙げられる。ＰＩＮダイオード１７には、容量値Ｃ_j2＝１ｐＦ、Ｃ_j1＝０．５ｐＦ、および、Ｃ_j0＝０．２５ｐＦが用いられる。オーム抵抗器１４・１５および抵抗器１９・２１の値は、これにあわせて選ばれる。抵抗器１９・２１は、Ｒ₁₂＝２５ｋΩ、Ｒ₁₁＝５０ｋΩ、Ｒ₁₀＝１００ｋΩ、Ｒ₂₂＝２５ｋΩ、Ｒ₂₁＝５０ｋΩ、Ｒ₂₀＝１００ｋΩ、なる値を有する。抵抗器１４の値はＲ´＝２０ｋΩであり、抵抗器１５の抵抗はＲ“＝１０ｋΩである。これにより、Ｖ_DD＝３Ｖの供給電圧の場合、全てのヒューズブリッジ２０が閉じているとき、微調整線１３において、Ｖ_high＝１Ｖの電位となる。これに対して、全てのヒューズブリッジ２０が開いている場合、Ｖ_high＝１．４Ｖの電位が微調整線１３に生じる。
【００２２】
順方向に１０μＡの電流を印加する際、ＰＩＮダイオード１７での電圧降下は０．７Ｖであり、電流にはほとんど依存しない。これにより、Ｒ_1nおよびＲ_2nでの電流は、Ｉ_n＝（Ｖ_DD−０．７−Ｖ_high）／（Ｒ_1n＋Ｒ_2n）という式で算出される。それゆえに、電流は、Ｉ₂＝２０μＡ、Ｉ₁＝１０μＡ、および、Ｉ₀＝５μＡとなる。
【００２３】
これらの電流により、このＰＩＮダイオード１７は、１ＧＨｚの際に、Ｒ_j2＝１．２５Ω、Ｒ_j1＝２．５Ω、および、Ｒ_j0＝５Ωのような直列抵抗を有する。これらの直列抵抗は、各支線に約２０ｋΩの同じ値を供給するコンデンサの並列抵抗、Ｒ_P＝１／（ω²Ｃ²Ｒ_S）に転換できる。この値は、電導度Ｇ_p＝０．００００５ジーメンスに相当する。
【００２４】
この回路構造における高周波の品質要素は、全ヒューズブリッジ２０が開いている場合における全並列電導度（Parallelleitwerte）を合計することによって、Ｑ＝ωＣ_total／Ｇ_{p total}＝２π×１０⁹×３．３ １０^-12／０．０００３３＝６２、のように算出できる。
【００２５】
なお、全てのヒューズが閉じている場合、逆バイアスのＰＩＮダイオード１７はほとんどロスしないので、より高い値（約１００）が生じる。
【００２６】
また、ヒューズブリッジ２０の代わりに、トランジスタを使用することもできる。これらのトランジスタは、マイクロプロセッサによって制御されることが好ましい。なお、この場合、トランジスタは直流電圧網に位置し、実際の回路機能はＰＩＮダイオード１７によって実行されるので、各トランジスタの正確な電気的特性は重要ではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 電導回路網によって微調整可能な共振回路を備えた集積構成素子の回路構造を示す図である。
【符号の説明】
１ 共振回路
２ インダクタンス
３ コンデンサダイオード
４ 同調線
５ 直列抵抗器
６ 同調入力部
７ 外部結合コンデンサ
８ 発振器出力部
９ 接地線
１０ 接地端子
１１ 結合コンデンサ
１２ 電導回路網
１３ 微調整線
１４ オーム抵抗器
１５ オーム抵抗器
１６ 供給電圧入力部
１７ ＰＩＮダイオード
１８ 微調整コンデンサ
１９ 引き出し抵抗器
２０ ヒューズブリッジ
２１ 並列抵抗器
２２ ヒューズ電流入力部

Claims (5)

1. 発振器コンデンサ（３）を備える共振回路（１）を有し、同調ダイオード（３）によって、その値を所定の周波数領域に調節可能な集積高周波回路を備える構成素子において、
   上記共振回路（１）の共振周波数に関して発生する製造誤差を、結合コンデンサ（１１）を介して共振回路（１）に連結された電導回路網（１２）によって補整でき、
   この電導回路網は、連続導線（９・１３）間に直列接続された横断ダイオード（１７）および横断コンデンサ（１８）を有しており、横断コンデンサ（１８）は横断ダイオード（１７）の陽極に接続されており、これら横断ダイオード（１７）および横断コンデンサ（１８）を、切り替え可能な直流電圧網（１９，２０，２１）を用いて、発振器コンデンサ（３）に対してそれぞれ並列に配置でき、
   上記の連続導線が、結合コンデンサ（１１）を介して共振回路に接続された微調整線（１３）、および、接地線（９）から構成され、
   上記横断ダイオードが、陰極によって上記微調整線（１３）に接続されたダイオード（１７）であり、
   上記横断コンデンサが接地線（９）に接続されたコンデンサ（１８）であり、
   上記各横断ダイオード（１７）の陽極が、直列接続された抵抗器（２１）および引き出し抵抗器（１９）を介して供給電圧（Ｖdd）の電位に接続され、抵抗器（２１）と引き出し抵抗器（１９）との接続部と上記接地線（９）との間にヒューズブリッジ（２０）が設けられ、
   ヒューズブリッジ（２０）が閉じている場合には、横断ダイオード（１７）の陽極が接地線（９）の電位となる結果、横断ダイオード（１７）に逆バイアスがかかって、高周波工学上、横断ダイオード（１７）が静電容量として作用する一方、
   ヒューズブリッジ（２０）が開いている場合には、抵抗器（２１）および引き出し抵抗器（１９）を介して供給電圧（Ｖ dd ）の電位が横断ダイオード（１７）の陽極に与えられる結果、横断ダイオード（１７）に順バイアスがかかって、高周波工学上、横断ダイオード（１７）が導通状態となることを特徴とする構成素子。
2. 上記微調整線（１３）の電位が、電圧分割器（１４・１５）によって、供給電圧（Ｖdd）の電位と接地線（９）の電位との間の値に調節されていることを特徴とする請求項１に記載の構成素子。
3. 上記横断ダイオードがＰＩＮダイオード（１７）であることを特徴とする請求項１に記載の構成素子。
4. 上記ヒューズブリッジ（２０）が、ヒューズ入力部（２２）に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の構成素子。
5. 上記横断ダイオード（１７）の陽極が、抵抗器（２１）によって保護されている（gesichert）ことを特徴とする請求項４に記載の構成素子。

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