JP5158862B2 - Broadband attenuation circuit - Google Patents
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Description
本発明は、減衰回路に関するものであり、特に準ミリ波帯において広帯域にわたって良好な特性が得られる広帯域減衰回路に関するものである。 The present invention relates to an attenuation circuit, and more particularly to a broadband attenuation circuit that can obtain good characteristics over a wide band in a quasi-millimeter wave band.
近年、新しいコンセプトの無線通信技術として、数百MHz乃至数GHzの帯域幅を利用した超広帯域無線システムであるUWB(Ultra Wide Band)無線通信システムが注目されている。また、UWB無線通信システムの応用として、UWBレーダシステムも検討されている。 In recent years, as a new concept wireless communication technology, a UWB (Ultra Wide Band) wireless communication system, which is an ultra-wideband wireless system using a bandwidth of several hundred MHz to several GHz, has attracted attention. A UWB radar system is also being studied as an application of the UWB wireless communication system.
広帯域の高周波回路において、アンプ等の利得を調整するのに広帯域の減衰回路(アッテネータ)が必要となる。たとえば、UWBレーダでは準ミリ波帯(18GHz〜30GHz)でリニアに動作する広帯域減衰回路が必要となるが、UWBレーダの製品化のためには小型で低コストのものが要求される。 In a broadband high-frequency circuit, a broadband attenuation circuit (attenuator) is required to adjust the gain of an amplifier or the like. For example, a UWB radar requires a broadband attenuation circuit that operates linearly in a quasi-millimeter wave band (18 GHz to 30 GHz), but a small and low-cost one is required for commercialization of UWB radar.
従来、減衰回路としてπ型のものとT型のものが広く知られている。π型およびT型減衰回路の基本的な構成を図8に示す。同図(a)がπ型減衰回路910の基本構成を示し、(b)がT型減衰回路920の基本構成を示している。それぞれの減衰器において、抵抗R11、R12、R13およびR21、R22、R23の抵抗値を適切に設定することにより、所望の減衰量を得るようにすることができる。
Conventionally, π-type and T-type attenuation circuits are widely known. The basic configuration of the π-type and T-type attenuation circuits is shown in FIG. FIG. 4A shows the basic configuration of the π-
また、減衰回路の減衰特性を可変とした可変減衰回路として、PINダイオードを用いたものも広く知られている。PINダイオードを用いた可変減衰器回路では、各PINダイオードのバイアス電流を調整することで各PINダイオードの抵抗値を変更することができ、それにより減衰量を調整することができる。PINダイオードを用いた高周波用可変減衰回路として、たとえば特許文献1に記載のものが開示されている。
しかしながら、従来のπ型、T型の減衰回路は、そのままの形状で実際の回路を構成すると、数GHzまでの周波数帯でしか利用できず、それより高周波帯の準ミリ波帯では適切に動作しないといった問題がある。とくに、20GHz以上の周波数帯では、減衰回路の特性がそれ以下のものと大きく異なってしまうため、このような準ミリ波帯では実用化できないといった問題がある。 However, conventional π-type and T-type attenuation circuits can be used only in the frequency band up to several GHz when the actual circuit is configured as it is, and it operates properly in the quasi-millimeter wave band of higher frequencies. There is a problem of not doing. In particular, in the frequency band of 20 GHz or higher, the characteristics of the attenuation circuit are greatly different from those of the lower frequency band, and there is a problem that it cannot be put into practical use in such a quasi-millimeter wave band.
そこで、本発明は上記問題を解決するためになされたものであり、準ミリ波帯においても広帯域で好適な利得特性が得られる広帯域減衰回路を提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a broadband attenuation circuit that can obtain a suitable gain characteristic in a wide band even in a quasi-millimeter wave band.
本発明の広帯域減衰回路の第1の態様は、準ミリ波帯の広帯域にわたって略平坦な減衰特性が得られる広帯域減衰回路であって、所定の誘電率を有する基板と、前記基板上に形成されて第1の入出力用ポートと第2の入出力用ポートとの間に配索された伝送線路と、前記基板上にグラウンドパターンとして形成されて接地された接地用導体部と、を備え、さらに、減衰量を調整するためのチップ抵抗器が、前記基板上で前記伝送線路と前記接地用導体部との間のみに2段以上並列に接続されており、準ミリ波帯の高周波信号を入力したときの前記減衰量が、前記チップ抵抗器の抵抗値と段数のそれぞれに略比例して決定されていることを特徴とする。 A first aspect of the broadband attenuation circuit of the present invention is a broadband attenuation circuit capable of obtaining substantially flat attenuation characteristics over a quasi-millimeter wave band, and is formed on a substrate having a predetermined dielectric constant. comprising Te first input-output port and a transmission line which is routed between the second input-output port, and a grounding conductor portion which is grounded is formed as a ground pattern on the substrate, Further, a chip resistor for adjusting the amount of attenuation is connected in parallel in two or more stages only between the transmission line and the grounding conductor portion on the substrate, and a high frequency signal in a quasi-millimeter wave band is received. The amount of attenuation when input is determined approximately proportionally to the resistance value of the chip resistor and the number of stages.
本発明の広帯域減衰回路の他の態様は、前記チップ抵抗器は、抵抗値の調整が可能な可変抵抗器であることを特徴とする。 Another aspect of the broadband attenuation circuit of the present invention is characterized in that the chip resistor is a variable resistor capable of adjusting a resistance value.
本発明の広帯域減衰回路の他の態様は、前記チップ抵抗器は、雰囲気温度によって抵抗値が変化する感温式抵抗器であることを特徴とする。 Another aspect of the broadband attenuation circuit of the present invention is characterized in that the chip resistor is a temperature-sensitive resistor whose resistance value changes depending on an ambient temperature.
本発明の広帯域減衰回路の他の態様は、前記チップ抵抗器は、並列に3段以上配列されていることを特徴とする。 Another aspect of the broadband attenuation circuit of the present invention is characterized in that the chip resistors are arranged in three or more stages in parallel .
本発明によれば、準ミリ波帯においても広帯域で好適な利得特性が得られる広帯域減衰回路を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a broadband attenuation circuit that can obtain a suitable gain characteristic in a wide band even in the quasi-millimeter wave band.
本発明の好ましい実施の形態における広帯域減衰回路について、図面を参照して詳細に説明する。同一機能を有する各構成部については、図示及び説明簡略化のため、同一符号を付して示す。 A broadband attenuation circuit according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Each component having the same function is denoted by the same reference numeral for simplification of illustration and description.
本発明の実施の形態に係る広帯域減衰回路を、図1および図2を用いて説明する。図1は広帯域減衰回路100の基板パターンを示す図であり、図2は本実施形態の広帯域減衰回路100の回路構成を示す図である。本実施形態の広帯域減衰回路100は、図1に示すように、線路パターン101とグラウンドパターン102との間に、複数のチップ抵抗器111を有する抵抗部110を配置した構成としている。例えば、図1、図2では、抵抗部110に5つ(5段)のチップ抵抗器111を並列に並列した場合を示しているが、本実施形態の抵抗部110には、チップ抵抗器111の段数(個数)を変えて配置することができる。ここで、基板パラメータとして、比誘電率を3.66、基板厚を0.254mm、銅箔厚を18μmとしている。また、チップ抵抗器111の寸法を、長さ1mm、幅0.5mmとしている。
A broadband attenuation circuit according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a diagram showing a substrate pattern of the
図1に示した本実施形態の広帯域減衰回路100の回路構成が、図2に示されている。図2において、チップ抵抗器111のそれぞれの抵抗値をR1〜R5としている。このような構成において、第1のポート103からRF帯の高周波信号が入力されると、所定の減衰量だけ減衰されて第2のポート104から出力される。
The circuit configuration of the
上記構成の本実施形態の広帯域減衰回路100では、チップ抵抗器111のそれぞれの抵抗値を変更することにより減衰量の大きさを調整することができる。これに加えて、抵抗部110に配置されるチップ抵抗器111の数(段数)を変更することによっても、広帯域減衰回路100の減衰量の大きさを変更することができる。
In the
本実施形態の広帯域減衰回路100では、抵抗部110に配置される抵抗器111の抵抗値および段数に対して、減衰量が単調増加するといった特性が得られる。広帯域減衰回路100の周波数特性について、シミュレーション結果の一例を用いて以下に説明する。なお、以下では、線路パターン101を50Ω線路とし、各抵抗器111の抵抗値を減衰回路抵抗値として説明する。なお、ここでは抵抗値を全て同じとした場合を例としているが、本発明の実施形態は各抵抗器111の抵抗値が全て同じであるものに限られないことはいうまでもない。
In the
抵抗部110のチップ抵抗器111の段数を5段としたときの広帯域減衰回路100について、その利得周波数特性を図3に示す。図3(a)は、横軸を周波数としたときの広帯域減衰回路100の利得周波数特性(S21特性)を示しており、同図(b)は横軸を減衰回路抵抗値としたときの利得の変化を示している。図3(a)では、減衰回路抵抗値を47Ω、100Ω、150Ωとしたときの周波数30GHzまでの利得特性を、それぞれ符号11〜13で示している。また、図3(b)では、周波数が1GHzの場合と26.5GHzの場合の減衰回路抵抗値に対する利得特性の変化を、それぞれ符号14、15で示している。
FIG. 3 shows the gain frequency characteristic of the
図3(a)より、減衰回路抵抗値がいずれの大きさの場合も準ミリ波帯での周波数に対する変化が小さく、47〜150Ωの範囲では良好な利得平坦性が得られることがわかる。また、図3(b)より、準ミリ波帯の26.5GHzの場合(符号15)、減衰回路抵抗値に対して線形性を有する減衰特性が得られていることがわかる。 From FIG. 3 (a), it can be seen that the change with respect to the frequency in the quasi-millimeter wave band is small regardless of the magnitude of the attenuation circuit resistance value, and good gain flatness is obtained in the range of 47 to 150Ω. Further, FIG. 3B shows that in the case of 26.5 GHz in the quasi-millimeter wave band (symbol 15), an attenuation characteristic having linearity with respect to the attenuation circuit resistance value is obtained.
同じく抵抗部110のチップ抵抗器111の段数を5段としたときの広帯域減衰回路100について、その反射周波数特性を図4に示す。図4(a)は、横軸を周波数としたときの広帯域減衰回路100の反射周波数特性(S11特性)を示しており、同図(b)は反射特性をスミスチャートを用いて示したものである。図4(a)では、減衰回路抵抗値Rを47Ω、100Ω、150Ωとしたときの周波数30GHzまでの反射特性を、それぞれ符号21〜23で示しており、図4(b)でもそれぞれの減衰回路抵抗値での反射特性の軌跡を、それぞれ符号24〜26で示している。
Similarly, FIG. 4 shows the reflection frequency characteristics of the
図4(a)より、本実施形態の広帯域減衰回路100は、準ミリ波帯で良好な反射特性が得られており、S11が−12dB以下となっている。また、図4(b)に示すスミスチャートから、いずれの減衰回路抵抗値においても準ミリ波帯では反射特性が良好であることがわかる。
As shown in FIG. 4A, the
図1、2に示した本実施形態の広帯域減衰回路100では、抵抗部110に配置されるチップ抵抗器111の段数を5段としたが、この段数を変更することでも広帯域減衰回路100の減衰特性を調整することができる。以下では、抵抗部110に配置されるチップ抵抗器111の段数を変更したときの広帯域減衰回路100の特性について説明する。
In the
抵抗部110に配置されるチップ抵抗器111の抵抗値を100Ωに固定し、チップ抵抗器111の段数を変化させたときの広帯域減衰回路100の利得周波数特性および反射特性を、それぞれ図5および図6に示す。
The gain frequency characteristic and reflection characteristic of the
図5(a)では、チップ抵抗器111の段数を1段、3段、5段にしたときの周波数30GHzまでの利得周波数特性(S21特性)を示しており、それぞれの利得特性を符号31〜33で示している。同図より、利得周波数特性は、いずれのチップ抵抗器の段数に対しても、準ミリ波帯では良好な平坦性を持つことがわかる。
FIG. 5 (a) shows gain frequency characteristics (S21 characteristics) up to a frequency of 30 GHz when the number of stages of the
また、図5(b)では、周波数が1GHzの場合と26.5GHzの場合について、横軸をチップ抵抗器111の段数としたときの利得の変化を示しており、それぞれ符号34、35で示している。同図より、準ミリ波帯では、チップ抵抗器111の段数に対し利得特性が良好な線形性を示すことがわかる。この条件では準ミリ波帯だけでなく1GHzにおいても同様に良好な線形性を示している。
FIG. 5B shows the change in gain when the horizontal axis is the number of stages of the
図6(a)では、チップ抵抗器111の段数を1段、3段、5段にしたときの周波数30GHzまでの反射周波数特性(S11特性)を示しており、それぞれの利得特性を符号41〜43で示している。同図より、反射周波数特性は、高周波側で比較的低減されており、特に段数が多いほど良好な反射特性が得られている。
FIG. 6A shows reflection frequency characteristics (S11 characteristics) up to a frequency of 30 GHz when the number of stages of the
また、図6(b)では、広帯域減衰回路100の反射特性をスミスチャートを用いて示している。同図でも、チップ抵抗器110の段数を1段、3段、5段にしたときの反射特性の軌跡を、それぞれ符号44〜46で示している。同図より、いずれの段数においても良好な反射特性が得られている。
In FIG. 6B, the reflection characteristic of the
上記説明のとおり、本発明によれば、準ミリ波帯において広帯域で好適な周波数特性が得られる広帯域減衰回路を提供することができる。また、本発明の広帯域減衰回路は、シンプルな構造を有しており、回路基板面積も小さくすることできることから、低コストの広帯域減衰回路を提供することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a broadband attenuation circuit capable of obtaining a suitable frequency characteristic in a wide band in the quasi-millimeter wave band. In addition, since the broadband attenuation circuit of the present invention has a simple structure and can reduce the circuit board area, a low-cost broadband attenuation circuit can be provided.
本発明の別の実施形態にかかる広帯域減衰回路として、抵抗部110に配置する抵抗器として、感温式の抵抗器を用いることができる。本実施形態の広帯域減衰回路を適用するシステムにおいて、その温度特性を事前に把握し、本実施形態の広帯域減衰回路に用いる抵抗器として、システムの温度特性と逆の温度特性を持たせるようにすることで、本実施形態の広帯域減衰回路を温度補償型の減衰回路とすることができる。
As a broadband attenuation circuit according to another embodiment of the present invention, a temperature-sensitive resistor can be used as a resistor disposed in the
一例として、図7に示すように、本実施形態の広帯域減衰回路200が、増幅器210から出力される高周波信号を入力するように構成されたシステムでは、広帯域減衰回路200内の抵抗器201に対し、増幅器210の温度特性と逆の温度特性を持たせるようにする。これにより、環境温度が変化して増幅器210の特性が変化しても、その変化を抵抗器201で補償させるようにすることが可能となる。
As an example, as shown in FIG. 7, in a system in which the
次に、従来例として図8に示したπ型減衰回路910の減衰回路の特性について、シミュレーション結果を用いて説明する。一例として、従来の減衰回路の基板パターン例を図9に示す。同図に示す減衰回路900は、図8に示したπ型減衰回路910に相当するものであり、線路パターン904上にチップ抵抗器903を配置し、線路パターン904とグラウンドパターン905との間にチップ抵抗器901、902を配置している。図8のπ型減衰回路910に対応させて、チップ抵抗器901、902、903の抵抗値を、それぞれR11、R12、R13とする。
Next, the characteristics of the attenuation circuit of the π-
図9に示す減衰回路900の基板パラメータは、図1と同様に、比誘電率を3.66、基板厚を0.254mm、銅箔厚を18μmとしている。また、チップ抵抗器901〜903の寸法を、長さ1mm、幅0.5mmとしている。
Substrate parameters of the
上記構成のπ型減衰回路900の周波数特性を図10に示す。同図(a)はπ型減衰回路900の利得周波数特性(S21特性)を示しており、同図(b)は減衰量設定値に対する利得特性の変化を示している。また、同図(c)はπ型減衰回路900の反射周波数特性(S11特性)を示しており、同図(d)は減衰量設定値に対する反射周波数特性の変化を示している。
FIG. 10 shows frequency characteristics of the π-
図10(a)では、低周波帯での減衰量設定値が2dB、5dB、8dB、および12dBとなるように各抵抗値を調整したときの30GHzまでの周波数特性を、それぞれ符号81〜84で示している。同図より、ほぼ設定値通りの利得が得られるのは5GHz程度までであり、それより高周波帯では減衰量が設定値より大きくなっており、かつ周波数によって大きく変動するといった好ましくない特性となっている。とくに17GHz超では、減衰量設定値と実際の減衰量との大小関係が逆転しており、さらに調整範囲がかなり限定(10dB前後)されてしまったりする。
In FIG. 10A, frequency characteristics up to 30 GHz when the respective resistance values are adjusted so that the attenuation set values in the low frequency band are 2 dB, 5 dB, 8 dB, and 12 dB are denoted by
図10(b)では、周波数が1GHzの場合(符号85)と、26.5GHzの場合(符号86)の減衰量設定値に対する利得特性の変化を示している。符号85のグラフで示すように、周波数が1GHzの場合には、減衰量設定値とほぼ等しい利得特性が得られている。これに対し、符号86のグラフで示す周波数が26.5GHzの場合には、減衰量設定値(計算値)と実際の利得(S21)が一致しないだけでなく、減衰量設定値を大きくすると実際の利得の絶対値が逆に減少するといった逆の特性が見られる。さらに、減衰量設定値を大きくするにつれて利得の絶対値の変化が徐々に小さくなって飽和してしまうような変化が見られる。
FIG. 10B shows the change of the gain characteristic with respect to the attenuation setting value when the frequency is 1 GHz (reference numeral 85) and when the frequency is 26.5 GHz (reference numeral 86). As indicated by the graph with
図10(c)では、低周波帯での減衰量設定値が2dB、5dB、8dB、および12dBとなるように各抵抗値を調整したのときの30GHzまでの反射周波数特性を、それぞれ符号91〜94で示している。同図に示すように、低周波帯では反射特性が十分低減されているのに対し、高周波帯では反射特性が急激に悪化(反射が大きくなる)している。
In FIG. 10C, the reflection frequency characteristics up to 30 GHz when the respective resistance values are adjusted so that the attenuation set values in the low frequency band are 2 dB, 5 dB, 8 dB, and 12 dB are denoted by
図10(d)では、周波数が1GHzの場合(符号95)と、26.5GHzの場合(符号96)の減衰量設定値に対する反射周波数特性を示している。符号95のグラフで示すように、周波数が1GHzの場合には、反射特性が25dB以下に低減されているが、符号96で示す26.5GHzの場合には、−5dB程度の高い反射特性となっている。なお、反射特性は、減衰量設定値によってそれほど変化せず、とくに26.5GHzの場合には反射量が大きい状態でほぼ一定となっている。
FIG. 10D shows the reflection frequency characteristics with respect to the attenuation amount setting value when the frequency is 1 GHz (reference numeral 95) and when the frequency is 26.5 GHz (reference numeral 96). As shown by the graph with
上記のシミュレーション結果からも明らかなように、従来のπ型減衰回路(T型減衰回路でも同様)では、高周波帯で減衰量が設定値から大きくずれてしまったり設定範囲が限定されてしまったりするため、このような周波数帯で実用化することはできず、特にUWBレーダのような準ミリ波帯で広い帯域を利用するシステムでは、これを適用することはできない。 As is clear from the above simulation results, in the conventional π-type attenuation circuit (the same applies to the T-type attenuation circuit), the attenuation amount greatly deviates from the set value in the high frequency band, or the setting range is limited. Therefore, it cannot be put into practical use in such a frequency band, and this cannot be applied particularly to a system that uses a wide band in a quasi-millimeter wave band such as a UWB radar.
なお、本実施の形態における記述は、本発明に係る広帯域減衰回路の一例を示すものであり、これに限定されるものではない。本実施の形態における広帯域減衰回路の細部構成及び詳細な動作等に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。 Note that the description in the present embodiment shows an example of the broadband attenuation circuit according to the present invention, and the present invention is not limited to this. The detailed configuration and detailed operation of the broadband attenuation circuit in the present embodiment can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention.
100、200 広帯域減衰回路
101 線路パターン
102 グラウンドパターン
103 第1のポート
104 第2のポート
110 抵抗部
111 チップ抵抗器
201 抵抗器
210 増幅器
910 π型減衰回路
920 T型減衰回路
100, 200 Broadband attenuation circuit 101
Claims (4)
所定の誘電率を有する基板と、
前記基板上に形成されて第1の入出力用ポートと第2の入出力用ポートとの間に配索された伝送線路と、
前記基板上にグラウンドパターンとして形成されて接地された接地用導体部と、を備え、
さらに、減衰量を調整するためのチップ抵抗器が、前記基板上で前記伝送線路と前記接地用導体部との間のみに2段以上並列に接続されており、
準ミリ波帯の高周波信号を入力したときの前記減衰量が、前記チップ抵抗器の抵抗値と段数のそれぞれに略比例して決定されている
ことを特徴とする広帯域減衰回路。 A broadband attenuation circuit capable of obtaining a substantially flat attenuation characteristic over a quasi-millimeter wave band,
A substrate having a predetermined dielectric constant;
A transmission line formed on the substrate and routed between the first input / output port and the second input / output port;
A grounding conductor portion formed as a ground pattern on the substrate and grounded,
Furthermore, the chip resistor for adjusting the amount of attenuation is connected in parallel in two or more stages only between the transmission line and the grounding conductor on the substrate,
A broadband attenuation circuit , wherein the attenuation when a quasi-millimeter-wave high-frequency signal is input is determined substantially in proportion to the resistance value and the number of stages of the chip resistor.
ことを特徴とする請求項1に記載の広帯域減衰回路。 2. The broadband attenuation circuit according to claim 1, wherein the chip resistor is a variable resistor capable of adjusting a resistance value.
ことを特徴とする請求項1に記載の広帯域減衰回路。 2. The broadband attenuation circuit according to claim 1, wherein the chip resistor is a temperature-sensitive resistor whose resistance value varies depending on an ambient temperature.
ことを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の広帯域減衰回路。 4. The broadband attenuation circuit according to claim 1, wherein the chip resistors are arranged in three or more stages in parallel. 5.
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