JPS61214812A - 薄膜減衰器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は減衰器特にマイクロ波帯に使用する広帯域薄膜
減衰器に関する。

〔従来の技術及び発明が解決しようとする問題点〕マイ
クロ波回路の構成においては、その回路が取り扱う直流
乃至最高周波数に亘って、減衰量と入力インピーダンス
が一定値を保つ減衰器を用いることが望ましい場合がし
ばしばある。マイクロ波減衰器はＩＮｍ！素子色素子構
成されていた。すなわち平板状の導体と抵抗素子の組み
合せから成る素子が、代表的にはセラミックである薄い
絶縁物により平板状の接地面導体と分離されていた。し
かしながら、従来知られていた薄膜マイクロ波減衰器に
は欠点があった。典型的には、上限周波数以上において
、周波数が増加するにつれて、入力インピーダンスが著
しく減少する。同時に減衰量も周波数が増加するにつれ
て著しく減少する。

比較的高い周波数まで比較的一定の減衰量を示すマイク
ロ波減衰器の１つは、ウニインシェルによる米国特許第
３．１５７．８４６号明細書に示されるカード減衰器で
ある。しかしながら、このような減衰器にもまた、減衰
器の性能を制限するいくつかの欠点がある。特に、抵抗
素子内のマイクロ波信号の電界が、入力導体付近部分の
抵抗素子へ集中する。この結果、その部分は減衰器が動
作できる最大電力消費を制限する高電流密度になり、退
入電力消費により抵抗素子が破壊されることになる。

電力消費を増加させるために入力接触領域を増加すると
、分布容量も増加し、そして分布容量の増加は周波数の
上限を下げる。さらに、この種のカード減衰器は、板状
の減衰素子を囲む筒状のシールドを具えているので、あ
らゆる応用に対して物理的に便利でない。

従ってマイクロ波減衰器、特に薄膜減衰器にとって、帯
域、入力インピーダンス特性及び電力消費能力を向上さ
せることが必要である。

従って本発明の主要な目的は、新規な広帯域薄膜減衰器
を提供することにある。

本発明の他の目的は、従来達成できた以上の高周波数ま
で減衰量が略一定に保てる広帯域薄膜減衰器を提供する
ことである。

本発明の他の目的は、動作可能な帯域に亘って入力イン
ピーダンスが略一定の広帯域薄膜減衰器を提供すること
である。

本発明の他の目的は、所定の電力消費能力に対し、周波
数の上限が、従来可能だったものよりも高い広帯域薄膜
減衰器を提供することである。

〔問題点を解決するための手段及び作用〕本発明は、従
来知られていたカード減衰器や薄膜減衰器と比べて帯域
が著しく向上し、入力インピーダンスは減衰器の動作可
能な帯域に亘って本質的に一定であり、減衰器のこの帯
域に対し従来達成されているよりも電力消費能力が大き
い改良された薄膜減衰器を提供する。信号導体と接地面
の間のインダクタンスを補正するための容量スタブを使
用したり、減衰器の分布容量を補正するために入力導体
と出力導体をインダクタンスを発生する形状にすること
により、薄膜減衰器の帯域を増加している。所定の減衰
段におけるより高い電力消費は、この減衰段用に単一の
抵抗素子を設けることにより達成される。この抵抗素子
は、分布容量を最少にするためにこの素子の表面積を比
較的小さく保ちながら、電力消費を最大にする為にこの
素子全体に亘って電流密度を分配するのに最適な形状に
している争 減衰器の構造は、例えば石英やアルミナ・セラミックの
様なものから作られたほぼ平板状の絶縁基板を用いてい
る。接地面導体をこの基板の一面に配置し、他の素子、
すなわち抵抗素子、容量素子及び信号導体を基板の他方
の面に配置する。抵抗値が温度に対して略一定に保たれ
る物質から成る１個以上の抵抗素子は、要求された減衰
量、帯域及び電力消費に最適な形状で設ける。抵抗素子
は、平板状の導体を通じて減衰器の入力及び出力ボート
と電気的に接続される。また、抵抗素子は基板の端部を
包む夫々の導体により接地面導体にも接続される。さら
に、抵抗素子は、スタブを形成する各突出部の端部にお
いて容量板に夫々接続される。入力及び出力導体は、そ
れ自身の直列インダクタンスをおさえるように配置され
る。

本発明の他の目的、特徴及び長所は、添付図面を参照し
た以下の実施例の説明から容易に理解することができよ
う。

〔実施例〕

以下添付図面を参照して、本発明の詳細な説明する。第
１図は本発明の好適な一実施例の斜視図である。本発明
の減衰器の好適な一実施例は、石英（５ｉＯ２）やアル
ミナ（＾Ｊ！２０３）のようなセラミックからできてい
る略平坦な絶縁基板（３６）を具えている。金のような
高導電物質からできている接地面導体（３８）を、基板
（３６）の片面に配置する。入力導体（４０）は、基板
（３６）の反対側の面の一方の端部に配置し、出力導体
（４２）は別の端部に配置する。第１抵抗素子（４４）
は、入力導体（４０）と同一の基板面上で入力導体（４
０）の付近に配置し、第２抵抗素子（４６）は、基板（
３６）の同一面上で出力導体（４２）の付近に配置する
。

第１抵抗素子（４４）と第２抵抗素子（４６）は、中間
導体（４８）で接合する。第１接地導体（５０）は、基
板（３６）の端部を包んで第１抵抗素子（４４）と接地
面導体（３８）とを接続する。さらに第２接地導体（５
２）も同様に、第２抵抗素子（４６）を接地面導体（３
８）に接続する。入力導体（４０）、出力導体（４２）
　、中間導体（４８）　、第１接地導体（５０）及び第
２接地導体（５２）は、全て例えば金のような高導電金
属からできている。第１抵抗素子（４４）と第２抵抗素
子（４６）は、ニッケルとクロムの合金の様な広い温度
範囲で抵抗率が適度に一定な素材から作られる。

本発明は、高電流密度の集中をな（すように選択した形
状の第１抵抗素子（４４）を用いており、この形状でな
ければ熱点（ｈｏｔ　５ｐｏｔ）が発生してしまう。第
１図に示す好適な実施例の場合では、入力導体（４０）
と第１抵抗素子（４４）とを接続する縁が、入力導体（
４０）と第１接続導体（５０）との間に延びる第１抵抗
素子（４４）の傾斜縁（５８）に対しかど（５６）にお
いて内角が鈍角となるように入力導体（４０）はインタ
ーフェース部（５４）を通じて第１抵抗素子（４４）と
接続する。同様に縁（５８）は、第１接地導体（５０）
の縁（１０２）に対しすみ（９８）において内角が鈍角
となる。入力導体（４０）と第１接地導体（５０）との
間の領域で電力の大部分を消費するので、中間導体（４
８）に接続される第１抵抗素子（４４）の縁（６ｏ）は
直線であり、第１接地導体（５ｏ）の対応する縁と一直
線をなす６図示の実施例において、第１抵抗素子（４４
）の形状は、変則的な多角形である。しかしながら、本
発明の原理から逸脱することなく、他の形状を採用して
もよいことが理解できょう。重要なことは、この形状に
より表面積を最少にして広帯域にわたり希望する減衰量
を得るだけでなく、熱消費を最大にすることである。こ
れら２つの目的を達成するために、入力導体及び接地導
体間に延びる抵抗素子の傾斜縁がこれら導体の各線に対
し内角が鈍角とすべきことが判った。この点について、
用語「縁」は直線的形状と同様に曲線的形状も含むもの
であり、２つの曲線的な縁が交差する場合は交差した一
方の縁の接線と他方の縁の別の接線との角度が鈍角でな
ければならない。

本発明の好適な実施例に於て、２つの抵抗素子が希望す
る減衰量を達成するために実際に用いられている。この
場合、入出力間の総合減衰量は２０ｄＢである。電力消
費を含めた減衰量の最適な配分は、１０ｄＢの減衰量の
第１図に示したような不規則な形状の第１抵抗素子を使
用することと、追加の１０ｄＢの減衰量の第１図に示し
たような本質的に矩形の第２抵抗素子を使用することに
より達成される。

接地導体（５０）及び（５２）のインダクタンスを補償
するために、すなわちインダクタンスの影響を減らすた
めに、抵抗素子（４４）と（４６）は、接地面導体（３
８）と共にコンデンサとして働く容量板（６６）と（６
８）で終端された突出部（６２）と（６４）を夫々具え
ている。入力導体（４０）及び出力導体（４２）と同様
に、例えば金の様な高導電金属で容量板（６Ｂ）と（６
８）を作る。抵抗素子の分布容量を補償するために、入
力導体（４０）は入力くびれ部分（７０）を備え、出力
導体（４２）は出力くびれ部分（７２）を備えている。

これら２つのくびれ部分は、入力導体（４０）と出力導
体（４２）の直列インダクタンスを夫々増加させる。

第１図に示した減衰器の適切な電気モデルは、入力端芋
（４０）から見た時の１対の縦続し型回路であり、これ
を第２図に示す。第１段は第２段の入力で終端され、第
２段は一定インピーダンスで終端されていると仮定すれ
ば、低周波において、第１段は抵抗（７４）と（８２）
で表わせ、第２段は抵抗（７４Ａ　）と（８２Ａ　）で
表わせる。抵抗（７４）と（８２）及び抵抗（７４Ａ）
と（８２Ａ）の値で表わせる減衰器の入力インピーダン
スと各段の減衰量は、各段の実際の電流流路により定ま
り、それは抵抗素子（４４）と（４６）の夫々の寸法、
形状及び抵抗率や終端インピーダンスの関数である。終
端インピーダンスは、公称５０Ωが代表的である。

高周波では、入力インピーダンスと減衰量は、基本的に
以下の５種類の条件により変化する。

＋１）　　コンデンサ（９０）　、　　（９０＾）とし
て第２図中にまとめて示した寄生分布容！。

（２）　　インダクタ（８４）　、　　（ｌｌＩ４Ａ）
としてまとめて示した接地導体（５０）　、　　（５２
）と抵抗素子（４４）（４６）の分布インダクタンスと
を含む寄生リード・インダクタンス。

（３）　　インダクタ（７６）　、　　（８０）として
まとめて示した入力導体（４０）と出力導体（４２）夫
々のくびれ部分（７０）　、　　（７２）によるインダ
クタンス。

（４）　　コンデンサ（８Ｂ）　、　　（８８Ａ）で夫
々表わされる補正コンデンサ（６６）　、　　（６８）
　　（これらのコンデンサの他方の電極は、基板裏面の
接地面導体（３８）である）。

（５）　　抵抗（８６）　、　　（８６Ａ）で夫々表わ
され、周波数の増加に従い、抵抗（８２）　、　　（８
２Ａ　）に夫々並列に追加される突出部（６２）　、　
　（６４）の抵抗。

第３図は本発明の原理を示す回路図であり、もしもある
周波数でＸｃ　＝ＸＬ　＝Ｒ１−Ｒ２であれば、第３図
に示された回路の入力端から見た対接地インピーダンス
は、全ての周波数で一定であるということを示すことが
できる。ここで、ＸＬ＝インダクタＬのインピーダンス ＸＣ＝コンデンサＣのインピーダンス Ｒ１−抵抗Ｒ１の抵抗値 Ｒ２−抵抗Ｒ２の抵抗値 第２図に於て抵抗（８２）、インダクタ（８４）　。

抵抗（８６）　、コンデンサ（８８）は、この様な回路
網の１つを形成し、抵抗（８２Ａ　）　、インダクタ（
８４Ａ）、抵抗（８６Ａ）、コンデンサ（８８Ａ　）も
別の回路網を形成する。

第４図に示す様に、もしもコンデンサ（８８）　。

（８８Ａ　）で示す要素が無かったならば、接地導体の
大きな誘導性インピーダンスの結果、周波数と共に減衰
量が減少する傾向にある。その結果、特性曲線（９２）
に示すように出力が増加する。コンデンサの電極（６６
）　、　　（８Ｂ）を作っているスタブと、これらスタ
ブの夫々が持つ抵抗性の突出部（６２）　、　　（６４
）が接地インダクタンスを補正するので、第４図の特性
曲線（９４）で示される様に減衰器の周波数上限を広げ
る。しかしながら入力及び出力導体内のくびれ部分（Ｔ
ｏ）　、　　（７２）を導入しなかったならば、コンデ
ンサ（９０）　、　　（９０Ａ　＞で示される抵抗素子
の分布容量の結果、出力は減少する傾向にある。第４図
の特性曲線（９６）に示す様に、これらくびれ部分は、
帯域を更に広げるためにこの分布容量を補正する。

第５図の流れ図に示す様に、経験的な仮定及び試行錯誤
を組合せ、フィールド回路網解析モデルを組込んだコン
ピュータを好適には利用して、第１抵抗素子（４４）の
形状を決める。第５図の流れ図に示す様に、まず最初は
希望する伝送特性、主要な減衰量、減衰器の入出力イン
ピーダンス、抵抗素子物質の所定抵抗率を基にして、抵
抗素子の適切な形状に関して合理的な仮定を行う０次に
抵抗素子の静電界モデルを選ぶ。このモデルを基にして
、抵抗素子の直流特性、すなわち主要なものとしては入
力抵抗、出力抵抗及び減衰量を、当業者に広く知られて
いる技法により計算する。例えば、オハイオ州のストラ
クチュアル・ダイナミックス・リサーチ社が提供してい
るスパーブ（５ＵＰＩｉＲＢ）と呼ばれるプログラムを
、この様な計算に使うことができる。この特性に満足出
来なかったならば、新しい形状を仮定して再び計算する
。

直流特性に満足したならば、抵抗素子の動的モデルを個
別素子の回路網を用いて準備する。素子の交流特性、す
なわち主要なものとしては、入力インピーダンス、出力
インピーダンス及び減衰量を当業者に広く知られている
技術により計算する。

例えばカリフォルニア州パロ・アルドのコンパクト・エ
ンジニアリング社が提供しているスーパーコンパクト（
ＳＵＰＥＲＣＯＭＰＡＣＴ　）と呼ばれルコンピュータ
・プログラムをこの様な計算に使う事が出来る。その結
果に不満足であれば、満足のいく結果を得るために補正
用リアクタンス素子が追加可能であるか否か決めなけれ
ばならない。否であれば、新しい形状を仮定して処理を
始める。補正用素子が追加可能であることが明らかにな
れば、この追加を行ない、交流特性と再度計算する。こ
の工程を、満足できる静的及び動的結果が得られるまで
続ける。

これに制限する訳では無いが、例としてあげると、適切
な放熱鼎を取り付け、第１図に示したように第１抵抗素
子（４４）に単位面積当り５０Ωのシート抵抗率のニッ
ケル・クロム合金を使った時に、その減衰器は４０ＧＨ
ｚの帯域とＩＷ以上の熱消費能力を備えていることがわ
かった。第１図に示したように、第１抵抗素子（４４）
の形状は以下の様に決定された。

支も すみ　５６　　　　角度　９７゜１２゜〃９８　　　　
　〃１２６．６６゜ 〃１００　　　　　／／１３３．７８゜他の角は全て９
０°である。

縁− 縁　５８　　　　　　　　　　　長さ　０．０２６８イ
ンチ〃６０　（１０２から１１２）　　　　〃０，０４
３０　　〃〃６１（４Ｂの幅）〃０．０２１５〃 Ｎ１ｏ２〃０．０２４０〃 〃１０４〃０．０１００〃 〃１０６　　　　　　　　　　　　〃０．０１６６　　
〃、、　　１０８　　　　　　　　　　　　〃０．０１
２０　　”〃１１０〃０゜０１２０　　〃 〃１１２　　　　　　　　　　　　〃０．０１２０　　
〃１０ｄＢの減衰量を持つ第１抵抗素子の寸法を例とし
て上記に示したが、本発明の原理によれば、その様な素
子の設計や異なる特性を持つ抵抗素子の設計法は−通り
ではないことが認められよう。

〔発明の効果〕

本発明は、抵抗素子の形状を工夫して、電流密度の過度
の集中をなくすことにより従来の減衰器の欠点であった
電力消費容量の限界を改善し、更に補正用素子の定数を
調整することにより帯域の限界を解決した結果、薄膜減
衰器の性能を著しく向上することが可能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の好適な一実施例の斜視図、第２図は
第１図に示した減衰器の等価回路図、第３１！！は第２
図中の主要部分の説明図、第４図は減衰、量の周波数特
性図、第５図は減衰器に使用する薄膜抵抗素子の形状設
計の手順を示す流れ図である。 図中、（３６）は基板、（３８）は接地面導体、（４０
）は入力導体、（４２）は出力導体、（４４）及び（４
６）は第１抵抗素子、（５０）は接地導体、（６６）及
び（６８）は容量導体である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 絶縁基板と、 該絶縁基板の一方の面に配置された接地面導体と、 上記絶縁基板の他方の面に配置された入力導体、抵抗素
   子、出力導体、上記接地面導体に接続された接地導体及
   び容量導体とを具え、 上記抵抗素子は、上記入力導体に接続される入力縁、上
   記出力導体に接続される出力縁、上記接地導体に接続さ
   れる接地縁及び上記容量導体に接続されるスタブ縁を有
   する多角形であることを特徴とする薄膜減衰器。