JP4508037B2 - 減衰器 - Google Patents

Description

本発明は、グランドに電気的に接続され基板上に形成された抵抗体パターンと、この抵抗体パターンを介して互いに直列接続された一対の導体パターンとを有する減衰器に関し、詳しくは、周波数に対する減衰特性の改善を図った減衰器に関するものである。

図７は、入力信号の周波数が数［ＧＨｚ］になる高周波帯域やマイクロ波帯域で使用される従来の減衰器の構成を示した図である（例えば、特許文献１参照）。図７（ａ）は、斜視図であり、図７（ｂ）は上面図である。図７において、基板１０は、例えば、アルミナ等の絶縁基板である。

裏面電極１１は、基板１０の裏面全体に形成される。抵抗体パターン１２は、薄膜または厚膜の所定の抵抗値を持ったパターンであり、基板１０の表面に概矩形状に形成される。スルーホール１３は、抵抗体パターン１２の長手方向の両端に設けられ、裏面電極１１と抵抗体パターン１２とを電気的に接続する。

一対のマイクロストリップライン１４ａ、１４ｂは、導体パターンであり、信号を伝送する伝送経路であり、抵抗体パターン１２の長手方向のほぼ中央に設けられる。そして、マイクロストリップライン１４ａ、１４ｂの一端が、抵抗体パターン１２に接続され、抵抗体パターン１２を介して互いに直列接続されている。従って、抵抗体パターン１２とマイクロストリップライン１４ａ、１４ｂとで、概十字を形成している。

このような装置の動作を説明する。
マイクロストリップライン１４ａの他端に入力した高周波な入力信号が、ライン１４ａによって伝送される。そして、ライン１４ａによって伝送された高周波信号が、抵抗体パターン１２により減衰される。さらに、減衰された信号が、ライン１４ｂに伝送され、ライン１４ｂの他端から後段の回路に伝送される。

特開平９−８３２１５号公報

図７に示すように、基板１０上にパターン１２、１４ａ、１４ｂで減衰器を形成する場合、入力信号の入力レベルが大きく、減衰量も大きいと、抵抗体パターン１２での発熱量が大きくなる。例えば、入力信号の入力レベルが１［Ｗ］であり、減衰量が２０〜３０［ｄＢ］であれば、抵抗体パターン１２の発熱量は、ほぼ１［Ｗ］になる。もちろん、減衰量が小さくとも、入力レベルが大きいほど、発熱量が増える。

そのため、基板１０裏面の裏面電極１１を、減衰器を収納する金属ケース（図示せず）に密着させ、金属ケースへの放熱パスを確保している。なお、裏面電極１１は、金属ケースに電気的にも接続され、電位的にグランド（接地または筐体接地）になる。そして、放熱パスの確保と熱密度の低減とを目的として分布型のパターン設計を行なう。

具体的には、入力レベルが小さければ、抵抗体パターン１２での発熱量が小さいため、パターンサイズを小型化できる。一方、入力レベルが大きければ、発熱量も大きくなり、パターンサイズが大型化される。

ここで、図８は、図７に示す抵抗体パターン１２の高周波における等価回路であり、理想的には、π型の減衰器の等価回路で表現される。図８（ａ）は、パターンサイズが小さい場合であり、図８（ｂ）は、パターンサイズが大きい場合である。

図８（ａ）において、マイクロストリップライン１４ａ、１４ｂを接続するライン上に直列抵抗Ｒ１、この直列抵抗Ｒ１の両端それぞれに一端が接続され他端がグランドに接続される並列抵抗Ｒ２、Ｒ３、この並列抵抗Ｒ２，Ｒ３と対称に並列抵抗Ｒ４，Ｒ５が接続される。一方、図８（ｂ）において、並列抵抗Ｒ２〜Ｒ５それぞれに寄生インダクタンスＬがある。なお、他にも寄生インダクタンス、寄生容量が発生するが、図示を省略している。

図８（ａ）に示すように、パターンサイズが小さければ、寄生インダクタンスや寄生容量の影響は小さく、ほぼ理想的な集中乗数モデルであらわされる。

しかしながら、図８（ｂ）に示すように、パターンサイズが大きい場合、高周波信号では寄生インダクタンスや寄生容量（図示せず）が無視できぬ値となる。このため、特に並列抵抗Ｒ２〜Ｒ５につく寄生インダクタンスＬの影響で、周波数が高くなるほど減衰量が小さくなり、周波数に対する減衰特性が悪化するという問題があった。

そこで本発明の目的は、周波数に対する減衰特性の改善を図った減衰器を実現することにある。

請求項１記載の発明は、
グランドに電気的に接続され基板上に形成された抵抗体パターンと、この抵抗体パターンを介して互いに直列接続された一対の導体パターンとを有する減衰器において、
一端が前記グランドに電気的に接続され、前記抵抗体パターンに沿って形成されるグランドパターンを設けたことを特徴とするものである。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、
前記抵抗体パターンの一端または両端と前記基板裏面のグランドとを電気的に接続するスルーホールを設けたことを特徴とするものである。
請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明において、
前記基板表面上に前記抵抗体パターンの長手方向に対して垂直に設けられるサイドパターンと、
このサイドパターンと前記基板裏面のグランドとを電気的に接続するスルーホールと
を設けたことを特徴とするものである。
請求項４記載の発明は、請求項１記載の発明において、
前記基板表面上に前記抵抗体パターンの長手方向に対して垂直に設けられるサイドパターンと、
前記基板側面に前記サイドパターンと前記基板裏面のグランドとを電気的に接続する側面のパターンと
を設けたことを特徴とするものである。
請求項５記載の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の発明において、
グランドパターンは、他端が開放端であることを特徴とするものである。
請求項６記載の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の発明において、
抵抗体パターンは、両端が前記グランドに接続され、
前記抵抗体パターンと前記導体パターンとで、概十字を形成していることを特徴とするものである。
請求項７記載の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の発明において、
抵抗体パターンは、一端が前記グランドに接続され、他端が前記導体パターンと接続され、
前記抵抗体パターンと前記導体パターンとで、概Ｔ字を形成していることを特徴とするものである。
請求項８記載の発明は、請求項１〜７のいずれかに記載の発明において、
高周波信号の信号処理を行なう信号処理装置に用いたことを特徴とするものである。

本発明によれば、以下のような効果がある。
請求項１〜８によれば、一端をグランドに電気的に接続したグランドパターンが、抵抗体パターンに沿って形成されるので、入力される信号の周波数が高くなるほど、グランドパターンがインピーダンスの低いバイパスとして機能する。これにより、抵抗体パターンのパターンサイズが大きくても、抵抗体パターンで発生する寄生インダクタンスの影響を減少することができ、周波数に対する減衰特性の改善を図ることができる。

以下図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
［第１の実施例］
図１は、本発明の第１の実施例を示した構成図である。ここで、図７と同一のものには同一符号を付し、説明を省略する。また、斜視図も省略する。図１において、抵抗体パターン１２が形成されるのと同じ面の基板１０上に、グランドパターン１５が新たに形成される。

グランドパターン１５は、スルーホール１３からマイクロストリップライン１４ａ、１４ｂ側に向けて、抵抗体パターン１２の長手方向に沿ってほぼ平行に形成される。なお、グランドパターン１５は、一端がスルーホール１３に電気的に接続され、他端がライン１４ａ、１４ｂに接続されず開放端である。つまり、グランドパターン１５は、いわゆる、スタブである。また、グランドパターン１５は、スルーホール１３それぞれに、抵抗体パターン１２の両脇に形成され、合計４個形成される。離間Ｓは、グランドパターン１５と抵抗体パターン１２の距離である。

このような装置の動作を説明する。
マイクロストリップライン１４ａの他端に入力した入力信号が、ライン１４ａによって伝送される。そして、ライン１４ａによって伝送された入力信号が、抵抗体パターン１２により減衰される。さらに、減衰された信号が、ライン１４ｂに伝送され、ライン１４ｂの他端から後段の回路に伝送される。

次に、周波数による寄生インダクタンス、寄生容量の説明をする。ここで、図２は、図１に示す抵抗体パターン１２、グランドパターン１５の等価回路の一例を示した図である。ここで、図８と同一のものは同一符号を付し、説明を省略する。

直流〜低周波（数［ＧＨｚ］以下）の入力信号では、パターンサイズによらず、図８（ａ）に示すような、寄生インダクタンスや寄生容量の影響が小さく、ほぼ理想的な集中乗数モデルであらわされる。なお、抵抗体パターン１２からグランドパターン１５には、離間Ｓによって、ほとんど信号が伝送されない。

高周波（例えば、４［ＧＨｚ］以上）の入力信号では、図２に示すように、並列抵抗Ｒ２〜Ｒ５につく寄生インダクタンスＬの影響が発生するが、抵抗体パターン１２に沿って追加したグランドパターン１５と抵抗体パターン１５間が、周波数が高くなるほどコンデンサとして動作する。そして、抵抗体パターン１２への経路が、高い周波数ほどインピーダンスの低いバイパスとなる。従って、寄生インダクタンスＬの影響が減少する。

図３を用いて説明する。図３は、高周波な信号の伝送を模式的に示した図である。高周波信号（矢印Ａ１）のうち所定パワー分の信号が、抵抗体パターン１２によってスルーホール１３に伝送される（矢印Ａ２）。しかし、信号の周波数が高くなるほどグランドパターン１５をバイパスして伝送され（矢印Ａ３）、寄生インダクタンスＬの影響が減少する。

図４は、図１に示す装置の電磁界解析によるシミュレーションの結果を示した図である。図４において、横軸は入力信号の周波数であり、縦軸は減衰量である。図４中、菱形は、グランドパターン１５がない場合であり、丸印は、離間Ｓが３０［μｍ］の場合であり、三角は、離間Ｓが１００［μｍ］の場合である。

図４に示すように、グランドパターン１５がない場合、１２［ＧＨｚ］において、減衰量の傾きは１．５［ｄＢ］程度の右肩あがりだが、グランドパターン１５を設け、離間Ｓを３０［μｍ］とすると、約０．６［ｄＢ］程度の右肩上がりになり、減衰特性が改善されている。

また、図４に示すように、離間Ｓを調整することにより、右肩上がりの傾向、すなわち減衰特性を連続的に変化させることもできる。

このように、一端をグランドに電気的に接続したグランドパターン１５が、抵抗体パターン１２の長手方向に沿って形成されるので、入力される信号の周波数が高くなるほど、グランドパターン１５はインピーダンスの低いバイパスとして機能する。これにより、抵抗体パターン１２のパターンサイズが大きくても、抵抗体パターン１２で発生する寄生インダクタンスＬの影響が減少することができ、周波数に対する減衰特性の改善を図ることができる。

また、抵抗体パターン１２とグランドパターン１５との離間Ｓを調整することにより、減衰特性の傾きを調整することができるので、周波数に対する減衰特性を所望の特性とすることができる。

［第２の実施例］
図５は、本発明の第２の実施例を示した構成図である。ここで、図１と同一のものには同一符号を付し、説明を省略する。図５（ａ）は上面図であり、図５（ｂ）はＡ−Ａ’の断面図である。図５において、スルーホール１３の代わりにグランド用のサイドパターン１６が設けられる。サイドパターン１６は、基板１０の表面（抵抗体パターン１２と同一面）に、概矩形状で、抵抗体パターン１２の長手方向に対して垂直に設けられる。また、サイドパターン１６は、基板１０の側面のパターン１６’を介して（または図示しないスルーホールを介して）、裏面電極１１と電気的に接続される。いわゆる、ラップグランドを形成する。もちろん、グランドパターン１５の一端が、このサイドパターン１６に接続される。

すなわち、図１においては、グランドである裏面電極１１と抵抗体パターン１２とを電気的に接続するためスルーホール１３を用いる構成としたが、スルーホール１３の代わりにグランド用のサイドパターン１６、パターン１６’で、裏面電極１１と抵抗体パターン１２とを電気的に接続している。このような装置の動作は、裏面電極１１への信号の伝送を、スルーホール１３の代わりにサイドパターン１６で行なう以外は、図１に示す装置とほぼ同様なので説明を省略する。

［第３の実施例］
図６は、本発明の第３の実施例を示した構成図である。ここで、図１と同一のものには同一符号を付し、説明を省略する。図１では、抵抗体パターン１２とマイクロストリップライン１４ａ、１４ｂとで、概十字を形成したが、図６は、概Ｔ字に形成した例を示している。

図６において、片方のスルーホール１３およびこのスルーホールと一体に形成されるグランドパターン１５が取り外される。また、抵抗体パターン１２の代わりに、抵抗体パターン１７が設けられる。

抵抗体パターン１７は、薄膜または厚膜の所定の抵抗値を持ったパターンであり、基板１０の表面に概矩形状に形成される。また、抵抗体パターン１７は、一端がスルーホール１３と電気的に接続され、他端がライン１４ａ、１４ｂと電気的に接続され、他端の端辺とライン１４ａ、１４ｂの長辺とが直線となるように形成される。このように、抵抗体パターン１７とマイクロストリップライン１４ａ、１４ｂとで、概Ｔ字を形成する。このような装置の動作は、抵抗体パターン１７の一端のみがスルーホール１３に接続されているので、減衰される信号が抵抗体パターン１７の両端のスルーホール１３でなく片端方向にのみ伝送される。これ以外の動作は、図１に示す装置と同様なので説明を省略する。

なお、本発明はこれに限定されるものではなく、以下に示すようなものでもよい。
図１、図５に示す減衰器において、両方のスルーホール１３またはサイドパターン１６にグランドパターン１５を設ける構成を示したが、片方のみでもよい。

図１、図５、図６に示す減衰器において、抵抗体パターン１２、１７の両脇にグランドパターン１５を設ける構成を示したが、片方のみでもよい。

図１、図５、図６に示す減衰器において、グランドパターン１５の形状を、概矩形状としたが、他端を楕円形状にしたり、長手方向の長辺を曲線等にし、所望の減衰特性となるように調整してもよい。

図１、図５、図６に示す減衰器において、グランドパターン１５の形状、大きさ等を同一の概矩形状としたが、各グランドパターン１５の形状、幅、長さ、大きさ等を変え、所望の減衰特性となるように調整してもよい。

図１、図５、図６に示す減衰器において、導体パターンとしてマイクロストリップライン１４ａ、１４ｂを用いる構成を示したが、その他の伝送線（例えば、ストリップライン、コプレーナライン等）でもよい。

図１、図５、図６に示す基板１０を、同軸タイプのなかにもうけてもよい、すなわち、同軸ケーブル内に基板１０を設け、同軸ケーブルの信号線をライン１４ａ、１４ｂと電気的に接続し、裏面電極１１を同軸ケーブルのシールド線と電気的に接続する。

さらに、高周波信号を取り扱う信号処理装置に用いられる回路、回路ブロックには、図１、図５、図６に示す減衰器の他に、フィルタ、分配器、カップラー等が使用される。これらの回路、回路ブロックでは、一般的に、周波数に対するロス特性が、右下がり（周波数が高くなるほど損失が大きくなる）のものが多い。そこで、本発明の減衰器（抵抗体パターン１２が大きく、高周波な信号に対しては並列抵抗成分に寄生インダクタンスが生ずる）を、これらの回路、回路ブロックに接続するとよい。すなわち、図１、図５、図６に示す減衰器の抵抗体パターン１２、１７とグランドパターン１５を適切な大きさとすることにより、周波数に対する減衰特性を調整し、右下がりのロス特性をもつ回路、回路ブロックが含まれたとしても、装置全体では、入力レベルの大小によらず、周波数に対して所望の傾斜をもつ特性にすることができる。これにより、信号処理を行なう信号処理装置全体の特性（減衰特性、ロス特性等）を改善することができる。

本発明の第１の実施例を示した構成図である。 図１に示す減衰器の抵抗体パターン１２、グランドパターン１５の等価回路の一例を示した図である。 図１に示す減衰器の高周波における信号の伝送を模式的に示した図である。 図１に示す減衰器の電磁界解析によるシミュレーションの結果を示した図である 本発明の第２の実施例を示した構成図である。 本発明の第３の実施例を示した構成図である。 従来の減衰器の構成例を示した図である。 図７に示す減衰器の抵抗体パターン１２の等価回路の一例を示した図である。

符号の説明

１０ 基板
１２、１７ 抵抗体パターン
１４ａ、１４ｂ マイクロストリップライン（導体パターン）
１５ グランドパターン

Claims (8)

1. 基板裏面のグランドに電気的に接続され基板表面上に形成された抵抗体パターンと、この抵抗体パターンを介して互いに直列接続された一対の導体パターンとを有する減衰器において、
   一端が前記グランドに電気的に接続され、前記抵抗体パターンに沿って形成されるグランドパターンを設けたことを特徴とする減衰器。
2. 前記抵抗体パターンの一端または両端と前記基板裏面のグランドとを電気的に接続するスルーホールを設けたことを特徴とする請求項１記載の減衰器。
3. 前記基板表面上に前記抵抗体パターンの長手方向に対して垂直に設けられるサイドパターンと、
   このサイドパターンと前記基板裏面のグランドとを電気的に接続するスルーホールと
   を設けたことを特徴とする請求項１記載の減衰器。
4. 前記基板表面上に前記抵抗体パターンの長手方向に対して垂直に設けられるサイドパターンと、
   前記基板側面に前記サイドパターンと前記基板裏面のグランドとを電気的に接続する側面のパターンと
   を設けたことを特徴とする請求項１記載の減衰器。
5. グランドパターンは、他端が開放端であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の減衰器。
6. 抵抗体パターンは、両端が前記グランドに接続され、
   前記抵抗体パターンと前記導体パターンとで、概十字を形成していることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の減衰器。
7. 抵抗体パターンは、一端が前記グランドに接続され、他端が前記導体パターンと接続され、
   前記抵抗体パターンと前記導体パターンとで、概Ｔ字を形成していることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の減衰器。
8. 高周波信号の信号処理を行なう信号処理装置に用いたことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の減衰器。

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