JP4809266B2 - 非線形伝送線路を利用したインパルス発生器 - Google Patents

Description

本発明は、極めて細いパルスを生成するインパルス発生器に関し、特に伝送線路にダイオードを接続した非線形伝送線路を利用したインパルス発生器に関する。

インパルス発生器から出力するインパルスは、直流から高周波まで広い周波数成分を含むことから、インパルス発生器は広帯域無線通信システムやオシロスコープのサンプリングパルスの発生などのために計測システムで広く利用されている。

図１は、広帯域無線通信システムにおけるインパルス発生器の利用例を示す図である。図１に示すように、ベースバンド信号生成器１１により生成されたベースバンド（発振）信号は、インパルス発生器１２により発生されたインパルスにより変調され、バンドパスフィルタ１３により濾波された後、送信アンプ１４で増幅され、送受信切替スイッチ１５を介してアンテナ１６から送信される。一方、送信アンテナ１６で受信された電波は送受信切替スイッチ１５を介して受信アンプに送られて増幅された後、バンドパスフィルタ１３により濾波され、検波器１９で検波されてベースバンド信号再生器２０で再生される。

図示のように、アンテナ１６から送信される信号は、インパルスのある部分がデータ値”１”に対応し、インパルスのない部分がデータ値”０”に対応する。伝送可能な情報量を増加させるには、１データ当たりの時間（データ幅）を短くする必要がありインパルスを狭くすることが求められる。

インパルス発生器の中でも、非線形伝送線路を使用するインパルス発生器は、伝送線路の非線形性によるパルス幅圧縮効果のため、半値幅が数ピコ秒という極めて細いパルスを生成することができ、次世代広帯域無線伝送システムや計測システムへの応用が期待されている。

非線形伝送線路を使用するインパルス発生器については、例えば、非特許文献１に記載されている。

図２は、非特許文献１に記載された非線形伝送線路を使用するインパルス発生器を示す図であり、（Ａ）が構成を、（Ｂ）がインパルス発生器の特性（入力信号と出力信号）を示す。図２の（Ａ）に示すように、従来の非線形伝送線路を使用するインパルス発生器は、パルス信号を生成するパルス発生源２１と、単位線路ユニットＰ１とダイオードＤ１とを有する伝送線路ユニット、Ｐ２とＤ２とを有する伝送線路ユニット、Ｐ３とＤ３とを有する伝送線路ユニットなどの複数個の伝送線路ユニットを直列に接続した非線形伝送線路２２と、終端抵抗２３と、入力抵抗２４と、を有する。図２の（Ｂ）に示すように、パルス発生源２１からのパルスをこの線路の送信端に入力すると、パルス信号が線路を伝播する過程で、ダイオードの非線形効果により徐々に信号の立下りが急峻となる。

"Generation of 3.5-ps fall-time shock waves on a monolithic GaAs nonlinear transmission line", Madden, C.J. ; Rodwell, M.J.W. ; Marslanad, R.A. ; Bloom, D.M. ; Pao, Y.C., IEEE Electron Device Letters vol. 9, no.6 Page(s) : 303-305 1988

ところが、立下りは急峻化するものの、立ち上がりはなまって尾（テール）を引く。また、テールは、ある電圧以上から引き始めるので、パルス振幅を十分に確保できないことになる。前述のようなインパルスの応用分野で利用するには、立上りのなまり、すなわちテールを取り去って、パルス半値幅を小さくすると共に、十分なパルス幅を確保することが要求される。

本発明は、従来の非線形伝送線路を利用するインパルス発生器の上記の問題を解決して、半値幅が小さくかつ振幅の大きいインパルスが得られるインパルス発生器の実現を目的とする。

上記目的を実現するため、本発明のインパルス発生器は、非線形伝送路と、非線形伝送路の送端に接続されたパルス発生器と、を備える構成に加えて、非線形伝送路の受端にバイアス依存素子を接続することを特徴とする。

本発明の説明を行う前に従来の非線形伝送線路を利用するインパルス発生器において、立上りのテールがなまる原因について、図３を参照して説明する。図３の（Ａ）に示すように、０．８Ｖから０Ｖに低下した後０．８Ｖに戻るパルスが入力されるとする。非線形伝送線路を構成するダイオードＤの端子間容量は、ダイオードへの端子間電圧に対して、図３の（Ｂ）示すような依存性、すなわち、端子間電圧の３／２乗から２乗で増加する。従って、ある端子間電圧Ｖ_ON以上では端子間容量が急激に増加する。非線形伝送線路を伝播する信号については、電圧レベルがＶ_ON以下ではダイオード容量が小さく、Ｖ_ON以上になるとダイオード容量が急増することになる。ここで、伝送線路の伝播速度は(LC)^-1/2（Ｌ：線路インダクタンス、Ｃ：線路容量）で表される。そのため、信号レベルがＶ_ON以下ではダイオードの容量が小さく、伝播速度が大きくなり、信号が急激に変化する。これに対して、信号レベルがＶ_ON以上になるとダイオード容量が急増して伝播速度が低下し、信号の変化は緩やかになる。その結果、テールが生じる。

図４は、本発明の原理を説明する図である。本発明によれば、図４の（Ａ）に示すように、非線形伝送線路２２の受端にバイアス依存素子３１を接続する。バイアス依存素子３１の一方の端子は伝送線路の受端に接続され、もう一方の端子が所定の電位の電源にバイアスされている。

図４の（Ｂ）に示すように、バイアス依存素子３１のリアクタンスは、端子間電圧が所定値Ｖｃより小さい時には大きい値となり、端子間電圧が所定値Ｖｃより大きい時には小さい値となる特性を有する。そのため、受端に達した信号は、レベルが低い時には開放状態（オープン）に、レベルが高い時には短絡状態（ショート）の回路に入力されることになる。ここで、図４の（Ｃ）に示すように、非線形伝送線路からテールをもった信号がバイアス依存素子３１の部分に達すると、パルス尖頭付近の振幅が大きい部分では開放（オープン）となるため、同相全反射し、受端の入射波と反射波の合成電位は最大で２倍となる。これに対して、テールが生じる振幅の小さい部分では短絡（ショート）となるため、逆相全反射する。その結果、合成電位は入射波と反射波で打ち消しあうことになり、テールが低減する。テールが低減する結果、パルス振幅も増大する。

伝送線路の受端には、増幅器又は終端抵抗が接続される。増幅器は、高入力インピーダンスを有するものが望ましい。

上記のような特性を有するバイアス依存素子は、例えば、互いにカソード電極を対向させて接続した２個のダイオードと、この２個のダイオードに並列に接続したインダクタンスと、を備える構成で実現される。

バイアス依存素子を構成するダイオードは、非線形伝送線路の特性インピーダンスより大きい値のリアクタンスを有するようにする。

本発明のインパルス発生器は、半値幅が小さくかつ振幅の大きいインパルスを発生することができる。

図５は、本発明の実施例のインパルス発生器の構成を示す図である。

図示のように、実施例のインパルス発生器は、パルス発生源２１と、単位線路ユニットＰ１とダイオードＤ１とを有する伝送線路ユニット、Ｐ２とＤ２とを有する伝送線路ユニットなどの複数個の伝送線路ユニットを直列に接続した非線形伝送線路２２と、入力抵抗２４と、バイアス依存素子３１と、増幅器３２と、を有する。

非線形伝送線路２２は、ＩｎＰ基板上に形成したコプレーナ線路（線路幅２０μｍ、ギャップ１５μｍ）Ｐ１、Ｐ２、…と、ＩｎＰ基板上に形成した高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）のゲートショットキーダイオードＤ１、Ｄ２、…と、を用いて実現する。伝送線路Ｐ１、Ｐ２、…の長さはそれぞれ４８μｍ、ダイオードＤ１、Ｄ２、…のゲート幅はそれぞれ２０μｍである。伝送線路Ｐ１、Ｐ２、…のインピーダンスＺ₀は５０Ωである。図示のように、ダイオードＤ１、Ｄ２、…の一方の端（アノード）は線路に接続され、他方の端（カソード）は接地されている。送端には５０Ωの入力抵抗２４が設けられ、パルス発生源２１から、図示のような０Ｖから−０．８Ｖに低下した後０Ｖに戻るパルス信号が入力抵抗２４を介して印加される。バイアス依存素子３１は、ゲート長０．４８μｍでゲート幅５μｍの２個のダイオードＤ１１とＤ１２を互いにカソードを対向させて接続し、更に０．３ｎＨのインダクタンスＬをその両端に並列に接続した回路構成を有する。バイアス依存素子３１は、一端が非線形伝送線路２２の受端に接続され、他端が−０．１Ｖにバイアスされる。２個のダイオードを対向させると、バイアスの低い時に容量値が大きく、バイアスが高い時に容量値が低くなり、図４の（Ｂ）に示した特性に近い特性が得られる。その結果、前述のような作用が生じてテールの長さが低減される。

より大きなインパルス振幅を得るために、バイアス依存素子３１として使用するダイオードＤ１１とＤ１２のリアクタンスは、非線形伝送線路２２の特性インピーダンスと比較して大きな値となるようにする。インダクタンスＬは、パルスが急激に変化する尖頭値付近と緩やかに変化するテール部とで、含まれる周波数成分に違いがあることに着目して配置する。テール部は緩やかに変化するためインダクタンスはほぼ短絡となり、パルス尖頭部は変化が急激なためインダクタンスはほぼ開放に見える。このように、インダクタンスＬもテールの長さを低減するように働く。以上説明したように、対向接続したダイオードＤ１１及びＤ１２とインダクタンスＬにより、テールの長さ低減とパルス振幅増大の効果がより大きくなる。

図６は、増幅器３２の回路構成を示す図である。図示のように、増幅器３２は、ゲート長０．１３μｍで、ゲート幅２０μｍのＩｎＰ ＨＥＭＴを直列に接続したソースフォロア回路で構成される。増幅器の入力インピーダンスは５ｋΩである。

図７は、図５の実施例のインパルス発生器に、パルス幅１０ｐｓ、振幅０．８Ｖ（０Ｖから−０．８Ｖ）のパルスを加えた場合の出力信号波形を示す。なお、図７は、参考に、図２の従来の回路で受端に増幅器を付加した構成で同じパルスを加えた場合の出力信号波形を合わせて示す。いずれの例も増幅器の入力インピーダンスは５ｋΩである。バイアス依存素子３１と増幅器３２の間の配線長は５０μｍである。バイアス依存素子３１と増幅器３２が十分に近接していないと、その間で信号の位相が変化してバイアス依存素子による効果が得られない。よって、バイアス依存素子３１と増幅器３２は最短距離で配置することが望ましい。本実施例の５０μｍは、以上の観点からは十分に短い距離であり、バイアス依存素子による効果が得られる。ＩｎＰ基板上に非線形伝送線路２２、バイアス依存素子３１及びソースフォロア増幅器３２を集積するならば、バイアス依存素子３１と増幅器３２を５０μｍ程度に近接して配置することは十分に可能である。

図７に示すように、従来回路では、大きなテールを生じていたために、半値幅４．５ｐｓ、尖頭値からのパルス幅０．８Ｖであったのに対して、本実施例の回路では、半値幅１．７ｐｓ、尖頭値からのパルス幅１．４Ｖと大きく改善された。つまり、パルス半値幅は従来の３８％に低減され、パルス振幅は従来の１７５％に増大した。なお、図７に示すように、パルスの電圧値は、尖頭値まで減少した後電圧が上昇するが、０Ｖに戻るまでに小さなピークを生じる。パルス信号として使用する場合には、この小さなピークを生じるまでの幅が実効的なパルスの基底になるので、ここではこの部分を基底として尖頭値までの電圧差をパルス振幅とし、基底から尖頭値までの間の半値の部分で半値幅を規定した。

図８は、図５の実施例のインパルス発生器の変形例の構成を示す図である。図８の変形例は、図５のインパルス発生器の構成において、増幅器３２を除いて、受端に５０オームの終端抵抗３４を直接接続した場合である。なお、図８の受端に増幅器３２を接続することも可能であり、図５の構成で増幅器３２として入力インピーダンスが５０Ωの増幅器を使用した場合と見なすことも可能である。

図９は、図８の変形例の回路特性、すなわち図７と同じ条件の出力信号波形を示す。この場合、従来回路では、半値幅２．７ｐｓ、尖頭値からのパルス幅０．６８Ｖであったのに対して、変形例の回路では、半値幅２．４ｐｓ、尖頭値からのパルス幅０．７５Ｖと改善された。従って、パルス半値幅は従来の９０％に低減され、パルス幅は従来の１１０％に増大した。

伝送線路の受端は、線路の特性インピーダンスに整合する抵抗素子を用いるのが一般的である。しかし、非線形伝送線路を利用するインパルス発生器の場合、終端抵抗では波形の不完全性を取り除くことはできない。非伝送線路を利用する場合には、本発明のようにバイアス依存性素子を終端素子として利用して波形整形する手法が有効である。

本発明は、非線形伝送線路を利用したインパルス発生器に適用可能である。

本発明により非常に狭いインパルスが発生できるので、次世代の超広帯域無線伝送システムや超高速サンプリングオシロスコープの実現に有用である。

インパルス発生器で発生されるインパルスの利用例を説明する図である。 従来の非線形伝送線路を利用したインパルス発生器の構成と回路特性を示す図である。 従来例でテールがなまる原因を説明する図である。 本発明のインパルス発生器の原理を説明する図である。 本発明の実施例のインパルス発生器の構成を示す図である。 実施例のインパルス発生器で使用する増幅器の構成を示す図である。 実施例のインパルス発生器の出力信号特性（回路特性）を示す図である。 実施例のインパルス発生器の変形例の構成を示す図である。 変形例のインパルス発生器の出力信号特性（回路特性）を示す図である。

符号の説明

２１ パルス信号源
２２ 非線形伝送線路
３１ バイアス依存素子
３２ 増幅器

Claims (7)

1. 単位線路ユニットとダイオードとを有する伝送線路ユニットを複数個直列に接続した非線形伝送路と、
   前記非線形伝送路の送端に接続されたパルス発生器と、
   前記非線形伝送路の受端に接続されたバイアス依存素子と、を備えるインパルス発生器であって、
   前記伝送線路ユニットの前記ダイオードは、アノードが前記伝送線路に、カソードがグランドに接続されており、
   前記バイアス依存素子は、一端が前記伝送線路の受端に接続され、他端が負電位にバイアスされていることを特徴とするインパルス発生器。
2. 前記伝送線路の受端に接続された増幅器、をさらに備える請求項１に記載のインパルス発生器。
3. 前記伝送線路の受端に接続された終端抵抗、をさらに備える請求項１に記載のインパルス発生器。
4. 前記バイアス依存素子は、端子間電圧が所定値より小さい時にはリアクタンスが大きく、端子間電圧が所定値より大きい時にはリアクタンスが小さくなる特性を有する請求項１から３のいずれか１項に記載のインパルス発生器。
5. 前記バイアス依存素子は、互いにカソード電極を対向させて接続した２個のダイオードと、該２個のダイオードに並列に接続したインダクタンスと、を備える請求項１から４のいずれか１項に記載のインパルス発生器。
6. 前記バイアス依存素子を構成する前記ダイオードは、前記非線形伝送線路の特性インピーダンスより大きい値のリアクタンスを有する請求項５に記載のインパルス発生器。
7. 前記増幅器は、高入力インピーダンスを有する請求項２に記載のインパルス発生器。

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