JPH08321704A - 可変減衰器 - Google Patents

可変減衰器

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JPH08321704A
JPH08321704A JP7124643A JP12464395A JPH08321704A JP H08321704 A JPH08321704 A JP H08321704A JP 7124643 A JP7124643 A JP 7124643A JP 12464395 A JP12464395 A JP 12464395A JP H08321704 A JPH08321704 A JP H08321704A
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JP
Japan
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variable
field effect
impedance
effect transistor
variable attenuator
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Application number
JP7124643A
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Inventor
Seiichi Baba
清一 馬場
Minoru Sawada
稔 澤田
Yasoo Harada
八十雄 原田
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Sanyo Electric Co Ltd
Original Assignee
Sanyo Electric Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 線型性が高く、広帯域動作が可能でかつMM
IC化が容易な可変減衰器を提供することである。 【構成】 反射型可変減衰器を、マイクロストリイップ
導体1a,1bからなる方向性結合器1およびゲート接
地FETからなる2つの可変インピーダンス回路2,3
により構成する。方向性結合器1のマイクロストリップ
導体1aの一方側の端部に可変インピーダンス回路2を
接続し、マイクロストリップ導体1bの他方側の端部に
可変インピーダンス回路3を接続する。マイクロストリ
ップ導体1bの一方側の端部に高周波入力信号RFin
を受ける入力端子I1を接続し、マイクロストリップ導
体1aの他方側の端部に高周波出力信号RFoutを導
出する出力端子O1を接続する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はマイクロ波帯またはミリ
波帯で使用される可変減衰器に関する。
【0002】
【従来の技術】可変減衰器は、通信システムにおいて、
例えば、位相変調器を構成するために用いられる。従来
の集積回路では、可変減衰器としてブランチライン型の
90°ハイブリッドやバラクタダイオード等が用いられ
ている。しかしながら、これらの可変減衰器は、線型性
が悪く、動作帯域が狭いという欠点を有する。
【0003】図12(a),(b)に送信システムの構
成例を示す。図12(a)の送信システムでは、発振器
51により発生された高周波信号が変調器52により変
調された後、増幅器53により増幅されて出力される。
一方、図12(b)の送信システムでは、発振器51に
より発生された高周波信号が増幅器53により増幅され
た後、変調器52により変調されて出力される。図12
(b)の送信システムでは、図12(a)の送信システ
ムに比べてS/N比が高くなるが、変調器52に大きい
電力振幅の高周波信号が入力されることになる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上記のように従来の可
変減衰器は良好な線型性を有さないので、変調器52に
大きい電力振幅の高周波信号が入力されると、線型的な
出力が得られないという問題がある。したがって、図1
2(b)の構成を採用してS/N比が高い送信システム
を実現することが困難となる。
【0005】一方、マイクロ波帯およびミリ波帯を用い
た通信の発達に伴って通信システムの小型化および高集
積化のためにMMIC(モノリシックマイクロ波集積回
路)が開発されている。しかし、ブランチライン型の9
0°ハイブリッドやバラクターダイオードからなる従来
の可変減衰器はMMIC化が容易でないという問題があ
る。
【0006】本発明の目的は、線型性が高く、広帯域動
作が可能でかつMMIC化が容易な可変減衰器を提供す
ることである。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明に係る可変減衰器
は、電磁的に結合した第1および第2の導体からなる方
向性結合器と、第1の電界効果トランジスタからなる第
1の可変インピーダンス手段と、第2の電界効果トラン
ジスタからなる第2の可変インピーダンス手段とを備
え、第1の導体の一方側の端部に第1の可変インピーダ
ンス手段が接続され、第2の導体の他方側の端部に第2
の可変インピーダンス手段が接続され、第2の導体の一
方側の端部に高周波入力信号が与えられ、第1の導体の
他方側の端部から高周波出力信号が導出されるものであ
る。
【0008】特に、第1の電界効果トランジスタがゲー
ト接地されたショットキゲート型電界効果トランジスタ
からなり、第2の電界効果トランジスタがゲート接地さ
れたショットキゲート型電界効果トランジスタからなる
ことが好ましい。
【0009】あるいは、第1の電界効果トランジスタが
ドレイン接地されたショットキゲート型電界効果トラン
ジスタからなり、第2の電界効果トランジスタがドレイ
ン接地されたショットキゲート型電界効果トランジスタ
からなることが好ましい。
【0010】可変減衰器をオン状態およびオフ状態で使
用する場合には、第1および第2の電界効果トランジス
タの相互コンダクタンスが平坦な領域にゲート電圧を設
定することが好ましい。
【0011】
【作用】本発明に係る可変減衰器においては、第1およ
び第2の電界効果トランジスタのゲート電圧を制御する
ことにより、第1および第2の可変インピーダンス手段
のインピーダンスを変化させることができる。特に、第
1および第2の電界効果トランジスタがゲート接地また
はドレイン接地されている場合には、ゲート電圧を制御
することにより第1および第2の電界効果トランジスタ
の相互コンダクタンスを変化させ、それらの入力側また
は出力側インピーダンスを変化させることができる。
【0012】それにより、方向性結合器から第1の可変
インピーダンス手段への反射係数および方向性結合器か
ら第2の可変インピーダンス手段への反射係数が変化
し、方向性結合器の伝達特性が変化する。第2の導体の
一方側の端部に与えられた高周波入力信号は、方向性結
合器の伝達特性に応じて減衰され、第1の導体の他方側
の端部から高周波出力信号として導出される。
【0013】本発明に係る可変減衰器は、対向する2つ
の導体からなる方向性結合器および電界効果トランジス
タからなる第1および第2の可変インピーダンス手段に
より構成されるので、MMIC化も容易である。
【0014】特に、第1および第2の電界効果トランジ
スタがゲート接地またはドレイン接地されたショットキ
ゲート型電界効果トランジスタからなる場合には、第1
および第2の可変インピーダンス手段の線型性が高くな
り、かつ入力側または出力側インピーダンスがほとんど
周波数に依存しない。したがって、可変減衰器の線型性
が高くなり、かつ広帯域動作が可能となる。
【0015】
【実施例】図1は本発明の第1の実施例における反射型
可変減衰器の構成を示す回路図である。
【0016】図1の可変減衰器は方向性結合器1および
可変インピーダンス回路2,3からなる。方向性結合器
1は、電磁的に結合した2つのマイクロストリップ導体
1a,1bからなる。この方向性結合器1の入出力イン
ピーダンス(線路インピーダンス)Z0 は50Ω、結合
度Cは−3dBである。
【0017】可変インピーダンス回路2は、MES−F
ET(金属−半導体電界効果トランジスタ;以下、FE
Tと呼ぶ)20、抵抗21,22およびキャパシタ23
を含む。FET20のゲートはキャパシタ23を介して
接地され、ソースは方向性結合器1のマイクロストリッ
プ導体1aの一方側の端部に接続される。ゲートには抵
抗21を介して制御信号VCNT が与えられ、ドレインに
は抵抗22を介して一定のドレイン電圧VDDが与えられ
る。
【0018】可変インピーダンス回路3は、FET3
0、抵抗31,32およびキャパシタ33を含む。FE
T30のゲートはキャパシタ33を介して接地され、ソ
ースは方向性結合器1のマイクロストリップ導体1bの
他方側の端部に接続される。ゲートには抵抗31を介し
て制御信号VCNT が与えられ、ドレインには抵抗32を
介して一定のドレイン電圧VDDが与えられる。
【0019】このように、可変インピーダンス回路2,
3はゲート接地FETにより構成される。抵抗21の抵
抗値は例えば1KΩであり、抵抗22の抵抗値は例えば
200Ωである。また、抵抗31の抵抗値は例えば1K
Ωであり、抵抗32の抵抗値は例えば200Ωである。
ドレイン電圧VDDは2〜3V程度であり、制御信号V
CNT の電圧は−0.3V程度から−2V以下の範囲内で
変化させる。可変インピーダンス回路2,3には同じ電
圧の制御信号VCNT を与える。
【0020】方向性結合器1のマイクロストリップ導体
1bの一方側の端部は高周波入力信号RFinを受ける
入力端子I1に接続され、マイクロストリップ導体1a
の他方側の端部は高周波出力信号をRFoutを出力す
る出力端子O1に接続される。
【0021】図2は図1の可変減衰器の等価回路図であ
る。図2において方向性結合器1の入出力インピーダン
スZ0 は標準で50Ωである。可変インピーダンス回路
2,3のインピーダンスをそれぞれZとする。この場
合、可変減衰器の伝達特性は次式で表される。
【0022】 S21=20log|Γ| [dB] …(1) ここで、S21はSパラメータの正方向伝達係数である。
Γは、方向性結合器1から可変インピーダイス回路2へ
の反射係数および方向性結合器1から可変インピーダン
ス回路3への反射係数を表わし、ゲート接地FETの場
合は入力側反射係数であり、ドレイン接地FETの場合
は出力側反射係数である。反射係数Γは次式により表さ
れる。
【0023】 Γ=(Z−Z0 )/(Z+Z0 ) …(2) ここで、Z0 =50[Ω]である。したがって、Z=5
0[Ω]のときには、式(2)よりΓ=0となり、式
(1)よりS21=−∞[dB]となる。一方、Z=0
(短絡)およびZ=∞(開放)のときには、式(2)よ
りそれぞれΓ=−1,Γ=1となり、式(1)よりS21
=0[dB]となる。
【0024】したがって、可変インピーダンス回路2,
3のインピーダンスZを制御することにより、出力端子
O1から出力される高周波出力信号RFoutの値を制
御することができる。
【0025】可変インピーダンス回路2,3のインピー
ダンスZを0または無限大に設定すると、高周波入力信
号RFinが減衰されずに方向性結合器1を通過し、出
力端子O1から高周波出力信号RFoutとして出力さ
れる。一方、可変インピーダンス回路2,3のインピー
ダンスZを50Ωに設定すると、高周波入力信号RFi
nが出力端子O1から出力されない。
【0026】ここで、ゲート接地FET、ドレイン接地
FETおよびソース接地FETの入力側インピーダンス
および出力側インピーダンスを表1に示す。
【0027】
【表1】
【0028】表1においてgmはFETの相互コンダク
タンスを表わす。表1に示すように、ゲート接地FET
では入力側が低インピーダンスとなり、出力側が高イン
ピーダンスとなる。ゲート接地FETの入力側インピー
ダンスZinは1/gmにほぼ等しくなる。ドレイン接
地FETでは出力側が低インピーダンスとなり、入力側
が高インピーダンスとなる。出力側インピーダンスZo
utはほぼ1/gmに等しくなる。
【0029】このように、ゲート接地FETの入力側イ
ンピーダンスZinの値およびドレイン接地FETの出
力側インピーダンスZoutの値は周波数依存性が少な
く、相互コンダクタンスgmの値で決定される。また、
相互コンダクタンスgmを20mSに設定することによ
り、広い周波数帯域においてインピーダス50Ωとなる
(アクティブマッチング法)。したがって、ゲート接地
FETまたはドレイン接地FETを可変インピーダンス
回路2,3として用いる場合には、可変インピーダンス
回路2,3のインピーダンスZは、FETの相互コンダ
クタンスgmの値を制御することにより変化させること
ができる。
【0030】相互コンダクタンスgmを20mSに設定
すると、インピーダンスZは50Ωとなり、相互コンダ
クタンスgmを0mSに設定すると、インピーダンスZ
は無限大となる。
【0031】図3にFETにおけるドレイン電圧Vdと
ドレイン電流Idとの関係を示す。また、図4にFET
におけるゲート電圧Vgとドレイン電流Idおよび相互
コンダクタンスgmとの関係を示す。相互コンダクタン
スgmはゲート幅が400μmの場合のデータである。
【0032】小信号動作の場合には、図5に示すソース
接地FETを可変インピーダンス回路として用いること
も可能である。ソース接地FETでは、ドレイン電圧は
印加しない。この場合、FETのインピーダンスは、図
3のドレイン電流Id−ドレイン電圧Vd特性の傾きで
決まる。この傾きは、ゲート電圧Vgによって変化する
ので、FETのインピーダンスを50Ωに設定するため
には、ゲート電圧Vgをある基準値に設定する必要があ
る。その基準値からのゲート電圧Vgの偏差が大きいほ
ど、インピーダンスの変動が大きくなる。したがって、
大信号動作では線型性が得られない。
【0033】一方、ゲート接地FETおよびドレインF
ETでは、ドレイン電圧を印加して動作状態でFETを
使用するため、ゲート電圧Vgに対して相互コンダクタ
ンスgmの値が平坦な領域があれば、線型性が高くな
り、大信号動作が可能となる。図4においては、ゲート
電圧Vgが−1.0〜0.5Vの範囲で相互コンダクタ
ンスgmが一定となり、ゲート電圧Vgのマージンが
1.5Vとなる。これにより、ゲート接地FETおよび
ドレイン接地FETでは、ソース接地FETよりも線型
性が大幅に向上する。
【0034】なお、図4の相互コンダクタンスgmはゲ
ート幅が400μmの場合のデータであるので、相互コ
ンダクタンスgmを20mSとするためには、FETの
ゲート幅を90μm程度に設定する。
【0035】この場合、ゲート電圧Vgを−0.3V程
度に設定すると、相互コンダクタンスgmが20mSと
なり、可変インピーダンス回路2,3のインピーダンス
Zが50[Ω]となる。また、ゲート電圧Vgを−2V
以下に設定すると、相互コンダクタンスgmが0mSと
なり、可変インピーダンス回路2,3のインピーダンス
Zは無限大となる。
【0036】以上の説明から、図1の可変減衰器では、
制御信号VCNT の電圧を−0.3V程度に設定すると、
FET20,30の相互コンダクタンスgmが20mS
となり、インピーダンスZが50Ωとなる。それによ
り、式(1),(2)からS21=−∞[dB]となり、
高周波入力信号RFinが出力端子O1から出力されな
い。この状態をオフ状態と呼ぶ。
【0037】一方、制御信号VCNT の電圧を−2V以下
に設定すると、FET20,30の相互コンダクタンス
gmが0mSとなり、インピーダンスZは無限大とな
る。それにより、式(1),(2)からS21=0[d
B]となり、高周波入力信号RFinが減衰されずに方
向性結合器1を通過し、出力端子O1から出力される。
この状態をオン状態と呼ぶ。
【0038】また、FET20,30の相互コンダクタ
ンスgmが0mSと20mSとの間になるように制御信
号VCNT の電圧を設定すると、可変減衰器の減衰量を連
続的に変化させることができる。
【0039】図6は本発明の第2の実施例における反射
型可変減衰器の構成を示す回路図である。図6の可変減
衰器が図1の可変減衰器と異なるのは、ゲート接地FE
Tからなる可変インピーダンス回路2,3の代わりにド
レイン接地FETからなる可変インピーダンス回路2
a,3aを設けた点である。
【0040】可変インピーダンス回路2aは、FET2
5、抵抗26,27およびキャパシタ28を含む。FE
T25のソースは方向性結合器1のマイクロストリップ
導体1aの一方側の端部に接続されている。ドレインは
キャパシタ28を介して高周波的に接地されている。ド
レインには抵抗27を介して一定のドレイン電圧VDD
与えられ、ゲートには抵抗26を介して制御信号VCNT
が与えられる。
【0041】可変インピーダンス回路3aは、FET3
5、抵抗36,37およびキャパシタ38を含む。FE
T35のソースは方向性結合器1のマイクロストリップ
導体1bの他方側の端部に接続されている。ドレインは
キャパシタ38を介して高周波的に接地されている。ド
レインには抵抗37を介して一定のドレイン電圧VDD
与えられ、ゲートには抵抗23を介して制御信号VCNT
が与えられる。
【0042】抵抗26の抵抗値は例えば1KΩであり、
抵抗27の抵抗値は例えば200Ωである。また、抵抗
36の抵抗値は例えば1KΩであり、抵抗37の抵抗値
は例えば200Ωである。ドレイン電圧VDDは2〜3V
程度であり、制御信号VCNTの電圧は−0.3V程度か
ら−2V以下の範囲内で変化させる。可変インピーダン
ス回路2a,3aには同じ電圧の制御信号VCNT を与え
る。
【0043】図6の可変減衰器においても、図1の可変
減衰器と同様に、制御信号VCNT の電圧を制御すること
により、FET25,35の相互コンダクタンスgmを
変化させてインピーダンスZを変化させることができ
る。それにより、式(1),(2)からS21を−∞[d
B]から0[dB]まで連続的に変化させることができ
る。
【0044】第1および第2の実施例の可変減衰器で
は、可変インピーダンス回路がゲート接地FETまたは
ドレイン接地FETにより構成されるので、線型性が高
くなる。したがって、大きい電力振幅の高周波信号を入
力することができる。また、可変インピーダンス回路の
インピーダンスZが周波数にほとんど依存しないので、
広帯域動作が可能となる。
【0045】また、第1および第2の実施例の可変減衰
器は、マイクロストリップ導体1a,1bからなる方向
性結合器1およびFET20,30からなる可変インピ
ーダンス回路2,3により構成されるので、MMIC化
も容易である。
【0046】図7(a)は第1または第2の実施例の可
変減衰器を用いたBPSK(Bi-Phase-Shift Keying )
変調器(0/π変調器)の構成を示す図であり、図7
(b)は図7(a)のBPSK変調器の高周波出力信号
のベクトル図である。
【0047】図7(a)のBPSK変調器は、図1また
は図6の構成を有する可変減衰器100a,100b、
0°ハイブリッド(電力分配・合成器)110および1
80°ハイブリッド120を含む。
【0048】0°ハイブリッド110に高周波入力信号
RFinを入力すると、可変減衰器100a,100b
に同位相の信号がそれぞれ与えられる。可変減衰器10
0a,100bを交互にオン・オフさせることにより、
180°ハイブリッド120から図7(b)に示すよう
に180°位相の異なった高周波出力信号RFoutを
交互に取り出すことができる。なお、可変減衰器100
a,100bの減衰量を連続的に変化させた場合には平
衡変調器と働く。
【0049】図8(a)は図7のBPSK変調器を用い
たQPSK(Quadrature Phase-Shift Keying )変調器
の構成を示す図であり、図8(b)は図8(a)のQP
SK変調器の高周波出力信号のベクトル図である。
【0050】図8(a)のQPSK変調器は、図7
(a)の構成を有する2つのBPSK変調器200a,
200b、0°ハイブリッド210および90°ハイブ
リッド220を含む。すなわち、このQPSK変調器は
図1または図6の構成を有する4個の可変減衰器を用い
て構成される。
【0051】0°ハイブリッド210に高周波入力信号
RFinを入力すると、BPSK変調器200a,20
0bに同位相の信号がそれぞれ与えられる。各BPSK
変調器200a,200bからは180°位相の異なる
信号が出力されるので、90°ハイブリッド120から
図8(b)に示すように90°ずつ位相の異なる高周波
出力信号RFoutを取り出すことができる。
【0052】なお、BPSK変調器200a,200b
の可変減衰器の減衰量を連続的に変化させると、ガウス
平面上のあらゆる座標を指定することができ、アナログ
無限移相器として働く。
【0053】図9(a)は図8のQPSK変調器を用い
た16QAM(Quadrature Amplitude Modulation )変
調器の構成の一例を示す図であり、図9(b),
(c),(d)は図9(a)の16QAM変調器の各部
の信号のベクトル図である。
【0054】図9(a)の16QAM変調器は、図8の
構成を有する2つのQPSK変調器300a,300
b、図1または図6の構成を有する可変減衰器100お
よび0°ハイブリッド310,320を含む。すなわ
ち、この16QAM変調器は図1または図6の構成を有
する9個の可変減衰器を用いて構成される。
【0055】0°ハイブリッド310に高周波入力信号
RFinを入力すると、QPSK変調器300a,30
0bに同位相の信号が与えられる。QPSK変調器30
0aからは9(b)に示すように90°ずつ位相の異な
る4つの信号を取り出すことができる。また、可変減衰
器100からは図9(c)に示すように90°ずつ位相
が異なり振幅が減衰された4つの信号を取り出すことが
できる。それにより、0°ハイブリッド320からは図
9(d)に示すようにガウス平面上で16箇所の位置を
取り得る16個の高周波出力信号RFoutを取り出す
ことができる。このように、振幅変調および位相変調が
混在する高機能回路が実現される。図10は図8のQP
SK変調器を用いた16QAM変調器の構成の他の例を
示す図である。
【0056】図10の16QAM変調器は、図8の構成
を有する2つのQPSK変調器300a,300b、9
0°ハイブリッド330および0°ハイブリッド340
を含む。図10の16QAM変調器も図9の16QAM
変調器と同様に、ガウス平面上で16箇所の位置を取り
得る16個の高周波出力信号RFoutを取り出すこと
ができる。
【0057】図11(a),(b)は上記実施例の可変
減衰器を用いた位相変調器を含む送信システムの構成例
を示す図である。図11(a)の送信モジュール42a
では、発振器41から発生された信号が位相変調器43
により変調された後、低雑音増幅器44および電力増幅
器45により増幅されて出力される。
【0058】図11(b)の送信モジュール42bで
は、発振器41から発生された信号が低雑音増幅器44
で増幅された後、位相変調器43により変調され、電力
増幅器45により増幅されて出力される。
【0059】図11(b)の送信システムは、図11
(a)の送信システムに比べて高いS/N比を有する。
位相変調器43を上記実施例の可変減衰器で構成するこ
とにより大きな電力振幅の高周波信号を入力することが
可能となるので、図11(b)の送信システムを実現す
ることができる。それにより、S/N比が高く、広帯域
動作が可能な送信システムをMMIC化することができ
る。
【0060】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、対向する
2つの導体からなる方向性結合器および電界効果トラン
ジスタからなる第1および第2の可変インピーダンス手
段を用いることにより、線型利得および周波数特性が改
善され、かつMMIC化が容易な可変減衰器が得られ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例における反射型可変減衰
器の構成を示す回路図である。
【図2】図1の可変減衰器の等価回路図である。
【図3】FETにおけるドレイン電圧とドレイン電流と
の関係を示す図である。
【図4】FETにおけるゲート電圧とドレイン電流およ
び相互コンダクタンスとの関係を示す図である。
【図5】ソース接地FETを示す図である。
【図6】本発明の第2の実施例における反射型可変減衰
器の構成を示す回路図である。
【図7】図1または図6の可変減衰器を用いたBPSK
変調器の構成を示す図および高周波出力信号のベクトル
図である。
【図8】図7のBPSK変調器を用いたQPSK変調器
の構成を示す図および高周波出力信号のベクトル図であ
る。
【図9】図8のQPSK変調器を用いた16QAM変調
器の構成の一例を示す図および各部の信号のベクトル図
である。
【図10】図8のQPSK変調器を用いた16QAM変
調器の構成の他の例を示す図である。
【図11】図1または図6の可変減衰器を用いた位相変
調器を含む送信システムの構成例を示す図である。
【図12】送信システムの構成例を示す図である。
【符号の説明】
1 方向性結合器 1a,1b マイクロストリップ導体 2,3,2a,3a 可変インピーダンス回路 20,25,30,35 MES−FET I1 入力端子 O1 出力端子

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電磁的に結合した第1および第2の導体
    からなる方向性結合器と、第1の電界効果トランジスタ
    からなる第1の可変インピーダンス手段と、第2の電界
    効果トランジスタからなる第2の可変インピーダンス手
    段とを備え、前記第1の導体の一方側の端部に前記第1
    の可変インピーダンス手段が接続され、前記第2の導体
    の他方側の端部に前記第2の可変インピーダンス手段が
    接続され、前記第2の導体の前記一方側の端部に高周波
    入力信号が与えられ、前記第1の導体の前記他方側の端
    部から高周波出力信号が導出されることを特徴とする可
    変減衰器。
  2. 【請求項2】 前記第1の電界効果トランジスタはゲー
    ト接地されたショットキゲート型電界効果トランジスタ
    からなり、前記第2の電界効果トランジスタはゲート接
    地されたショットキゲート型電界効果トランジスタから
    な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3】 前記第1の電界効果トランジスタはドレ
    イン接地されたショットキゲート型電界効果トランジス
    タからなり、前記第2の電界効果トランジスタはドレイ
    ン接地されたショットキゲート型電界効果トランジスタ
    からなることを特徴とする請求項1記載の可変減衰器。
JP7124643A 1995-05-24 1995-05-24 可変減衰器 Pending JPH08321704A (ja)

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