(57)【要約】【課題】マイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）内に集積可能であり、かつ簡便な構成の可変減衰器を提供する。【解決手段】可変減衰器１００は、間を空けて対向して配置されている伝送線路１０３、１０４と、接地されている接地電極１１２と、伝送線路１０３、１０４の対向する各端部および接地電極１１２に接続されている抵抗体１１０と、対向する各端部および接地電極１１２の間における抵抗体１１０の一部分と接している制御電極１７３とを備える。【選択図】図１
2007110446.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
間を空けて対向して配置されている二つの伝送線路と、
接地されている接地電極と、
前記二つの伝送線路の対向する各端部および前記接地電極に接続されている抵抗体と、
前記対向する各端部および前記接地電極の間における前記抵抗体の一部分と接している制御電極と
を備えることを特徴とする可変減衰器。
【請求項２】
前記抵抗体は、半導体層によって形成されている
ことを特徴とする請求項１記載の可変減衰器。
【請求項３】
前記抵抗体は、２種類以上のシート抵抗値を有する薄膜抵抗体からなり、
前記薄膜抵抗体のうち少なくとも１種類は、半導体材料からなる
ことを特徴とする請求項１または２に記載の可変減衰器。
【請求項４】
前記薄膜抵抗体のうち少なくとも１種類は、金属、複数の金属からなる合金、および金属間化合物のいずれかからなる
ことを特徴とする請求項３に記載の可変減衰器。
【請求項５】
前記可変減衰器は、前記制御電極を複数備える
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の可変減衰器。
【請求項６】
前記可変減衰器は、前記抵抗体と前記接地電極との間に形成された容量性素子
を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の可変減衰器。
【請求項７】
請求項１に記載の可変減衰器が単一の基板上に形成されていることを特徴とする高周波集積回路。
【請求項８】
前記基板は、半導体材料からなることを特徴とする請求項７に記載の高周波集積回路。
【請求項９】
前記基板は、抵抗率が１０ＫΩ・ｃｍ以上の半絶縁性半導体よりなることを特徴とする請求項７に記載の高周波集積回路。
【請求項１０】
前記基板は、Ｓｉをその構成元素に含み、かつ抵抗率が１００Ω・ｃｍ以上の半導体よりなることを特徴とする請求項７に記載の高周波集積回路。
【請求項１１】
前記二つの伝送線路が形成されている基板面を、基板材料より誘電率の大きい誘電体材料で覆うことを特徴とする請求項７に記載の高周波集積回路。
【請求項１２】
前記二つの伝送線路が形成されている基板面を、基板材料より誘電率の小さい誘電体材料で覆うことを特徴とする請求項７に記載の高周波集積回路。
【請求項１３】
請求項１に記載の可変減衰器を含む高周波集積回路と、
前記高周波集積回路から出力される高周波信号に基づいて電力を検出信号として検出する電力検出回路と、
前記電力検出回路において検出された検出信号に応じて、前記制御電極に印加される制御信号を変化させる制御回路と
を備えることを特徴とする通信装置。
【請求項１４】
前記制御回路は、前記電力検出回路における送信電力および反射電力を検出することを特徴とする請求項１３に記載の通信装置。
【請求項１５】
前記制御回路は、前記電力検出回路における送信電力と反射電力の位相差および送信電力と反射電力の電力差を検出することを特徴とする請求項１３に記載の通信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＲＦ帯域からマイクロ波帯域まで動作する無線通信装置に関し、特に、高周波信号の伝送量を制御する可変減衰器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、世界各国で携帯電話や携帯情報端末などのように、ＲＦ帯域からマイクロ波帯域までの高周波信号を搬送波とする様々な情報通信機器が実用化されている。これに伴い、種々の情報通信サービスが提供されるようになってきている。これら異なる高周波システムの共通技術として、各高周波回路ブロックにおける信号レベルを制御する技術がある。例えば、出力ブロックにおける電力制御は、他の無線システムへ干渉を防止する目的で用いられる。また、増幅素子の入力側における電力制御は、高周波信号の歪レベルを制御し、通信品質確保のための設計手法として用いられる。加えて、アンテナ負荷変動に対する不要反射電力低減による高周波回路の安定動作においても重要な技術となる。また、多段構成の増幅器において、設計値通りの増幅度の実現、または各増幅段の入力レベルを線形動作レベルに調整するためにも利用されている。
【０００３】
この信号減衰量を動的に制御する信号減衰器を構成するものとして、例えば、図２６に示されるように、伝送線路１１と伝送線路１２との間に信号遮断用のＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）１３と、さらに、信号をバイパスする伝送線路１４とを設けた構成がある（例えば、特許文献１参照。）。これ以外にも、ひとつの伝送線路両端に抵抗、容量性素子、誘導性素子からなる共振回路を配置した構成がある（例えば、特許文献２参照。）。また、長さの異なる伝送線路を複数用い、その伝送線路と接地間にダイオード素子を配置したものがある（例えば、特許文献３参照。）。さらに、固定の減衰回路とバイパス回路をスイッチにより切り替え選択するものがある（例えば、特許文献４参照。）。また、図２７に示されるように、π型と呼ばれる抵抗ネットワークを半導体抵抗３１、３２、３３により構成し、その半導体抵抗の抵抗値を外部電極からのデジタル信号により変化させる可変減衰器も開示されている（例えば、特許文献５参照。）。
【特許文献１】特開平５−２５２０１６号公報
【特許文献２】特開平９−１３０１０７号公報
【特許文献３】特開２０００−２５２７０２号公報
【特許文献４】特開２００２−２６１５６２号公報
【特許文献５】特開平４−１６７６０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、一般に、高周波回路は、入力端子、出力端子共に、５０Ω負荷を接続することを前提として構成される。これにより、インピーダンス変換器を用いずとも、種々の高周波回路を直接接続することが可能となり、高周波回路素子の取り扱いが簡便となる。そして、可変減衰器も同様に、入出力端子に５０Ω負荷を接続することを条件として構成されることが多い。また、可変減衰器の場合は、システム仕様や用途にあわせて必要な減衰量が決定され、求められる減衰量ならびにその可変量に応じて最適な可変減衰器の構成が選択される。このとき、減衰回路が高周波伝送経路に入ったことによる高周波信号での雑音の増加、歪の増加を抑えることが課題となる。また、可変減衰量制御方法も複数電源を用いるような複雑なものより、単電源動作する簡便な構成が望ましく、また、回路構成自体も簡便なものが要求されている。
【０００５】
さらに、今日の高周波回路分野では、能動素子をマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ：Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）として構成することが主流となっている。このＭＭＩＣ構造にて増幅素子を構成する場合は、微細な半導体基板上に複数のトランジスタや受動素子を形成し、必要な機能を持つ高周波回路を構成する。しかし、このＭＭＩＣ構成においては、同じ半導体基板上に可変減衰器を形成することが望ましい。例えば、複数段構成の増幅器において、後段トランジスタへの過入力を防いだり、出力増幅回路自体の増幅度を調整したりする目的で可変減衰器をＭＭＩＣ内に形成する要望がなされる。そして、そのときの可変減衰器は、他の半導体素子形成プロセスで同時に作成できることが要求される。さらに、ＭＭＩＣは、個別部品をセラミック基板や樹脂基板上に配置した高周波モジュールと呼ばれるハイブリッド回路に比較して、すでに十分小型である。しかし、そのＭＭＩＣといえども、製造コストを下げるためには、より小型化が求められている。したがって、可変減衰器に関しても半導体基板上に形成でき、また小型で簡便な構成で実現することが課題となる。
【０００６】
そこで、本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、減衰量を外部信号により制御でき、さらに、ＭＭＩＣを製造する半導体プロセスにより製造可能で、しかも、簡便な構成による可変減衰器を提供することを目的とする。特に、高周波信号の伝送において、可変減衰器を入れたことによる雑音の増加、歪の増加を最低限に抑える構成を提供することを目的とする。また、これにより得られる増幅度可変ＭＭＩＣを用いた小型、高機能かつ安定性に優れた無線通信装置を供給することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を達成するために、（ａ）本発明に係わる可変減衰器は、（ａ１）間を空けて対向して配置されている二つの伝送線路と、（ａ２）接地されている接地電極と、（ａ３）前記二つの伝送線路の対向する各端部および前記接地電極に接続されている抵抗体と、（ａ４）前記対向する各端部および前記接地電極の間における前記抵抗体の一部分と接している制御電極とを備えることを特徴とする。
【０００８】
これによって、二つの伝送線路の間に抵抗体を設け、さらに、その抵抗体の一部を接地することにより、信号減衰機能を実現することができる。さらに、その抵抗体に接する二つの伝送線路と接地電極との間に挿入される抵抗体に制御電極を接続し、その制御電極に印加する制御信号により制御電極の近傍に位置する抵抗体のシート抵抗値を制御し、結果として、二つの伝送線路の間の信号の減衰量を制御することができる。
【０００９】
なお、本発明は、可変減衰器として実現されるだけでなく、可変減衰器を含む高周波集積回路、高周波集積回路を備える通信装置などとしても実現されるとしてもよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、高周波電力を制御する可変減衰器を、ＭＭＩＣを製造する半導体プロセスを用いることにより、小型化することが出来る。また半導体集積回路プロセスにより製造できるため、ＭＭＩＣを同一基板上に形成できる。これにより、外部信号により増幅器の信号増幅度を変更する小型ＭＭＩＣを形成できる効果が得られる。特に、抵抗体として半導体層を用いた場合、トランジスタの一部を構成する半導体層を利用でき、製造プロセスを簡略化できるとともに素子構造自体も単純な構成となる効果がある。また、抵抗体として金属シリサイドを用いると、大きな信号減衰量をもつ可変減衰器を構成でき、さらに、温度変化に対する特性変化も小さな減衰回路を構成できる効果がある。また、制御電圧を多段階に調整する制御方法や、制御電極を複数用いることで、減衰量を段階的に制御できる効果が得られる。さらに、高周波信号の入力、および出力となる伝送線路間に位置する抵抗体に対し、制御電極などの導電体を配置しない構造とすることで雑音や歪の増加を抑え、可変減衰機能を実現する効果が得られる。
【００１１】
この可変減衰器を集積化したＭＭＩＣを用いた通信装置では、その減衰量を変化させることで、送信電力を制御することが可能となる。さらに、送受信信号を検出し、その反射電力値に応じて、信号経路に挿入されている可変減衰器の減衰量を制御する構成をとることが可能となる。すなわち、電力増幅器からみた負荷インピーダンス変化に対し、この可変減衰器の減衰量を制御することにより、増幅器自体の出力レベルを制御し、結果的に増幅器出力端に逆方向から入力される反射電力量を軽減でき、電力増幅回路の破壊を防ぐことができる。この構成によれば、送信出力回路にアイソレータを用いないでも送信増幅器の保護が可能となる場合があり、送信増幅器あるいは通信装置の製造コストを低減できる。また、アイソレータと併用することにより、より通信機器動作の信頼性を高めることができる。
【００１２】
なお、これら可変減衰器は、現在利用されている無線通信分野の周波数帯、また、将来的に利用が計画されている周波数帯も含め、広帯域にわたって効果を示すものである。すなわち、現在利用される周波数帯域はＲＦ帯からマイクロ波である１０ＭＨｚから６ＧＨｚである。しかし、本発明は、上記周波数帯域、さらには、準ミリ波（〜３０ＧＨｚ）からミリ波帯域（〜７５ＧＨｚ）においても顕著な効果を示すものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
（実施の形態１）
以下、本発明に係る実施の形態１について、図面に基づいて詳細に説明する。
【００１４】
本実施の形態に係わる可変減衰器は、間を空けて対向して配置されている二つの伝送線路と、接地されている接地電極と、二つの伝送線路の対向する各端部および接地電極に接続されている抵抗体と、対向する各端部および接地電極の間における抵抗体の一部分と接している制御電極とを備えることを特徴とする。
【００１５】
また、この可変減衰器が単一の基板上に形成されているとしてもよい。
以上の点を踏まえて、本実施の形態における可変減衰器について説明する。
【００１６】
図１は、本実施の形態における可変減衰器の構成を示す平面図である。図２は、本実施の形態における可変減衰器を切断線Ａ−Ａで切断した素子断面を示す断面図である。図３は、本実施の形態における可変減衰器を切断線Ｂ−Ｂで切断した素子断面を示す断面図である。
【００１７】
図１〜図３に示されるように、可変減衰器１００は、基板１０１上に層間絶縁膜１０２を挟んで形成された伝送線路１０３と伝送線路１０４との間に、線路間抵抗１０５と接地間抵抗１０６とを構成する抵抗体１１０が配置されている。その抵抗体１１０上の、線路間抵抗１０５と接地電極１１２との間に位置するように制御電極１７３が配置されている。接地電極１１２は、ビアホール１０９と基板１０１の裏面に形成された裏面接地電極１０７とを介して接地されている。
【００１８】
抵抗体１１０は、例えば、半導体層によって形成されているとしてもよい。具体的には、電界効果型トランジスタのチャネル層を構成する半導体層や、バイポーラトランジスタのベース層、エミッタ層、コレクタ層を形成する半導体層で構成される。ここで、線路間抵抗１０５と接地間抵抗１０６とは、抵抗体１１０と同一である。しかし、その存在する位置により機能が異なるため、明確に区別して使用している。
【００１９】
すなわち、抵抗体１１０のうち伝送線路１０３と伝送線路１０４との間に位置する部分を線路間抵抗１０５として、接地電極１１２と制御電極１７３とまでの抵抗体１１０を接地間抵抗１０６と称する。以後、同様に、接地間抵抗とは、接地電極に接している抵抗体部分を指すこととする。
【００２０】
なお、伝送線路１０３と伝送線路１０４との間に挿入される線路間抵抗１０５の抵抗値は、その抵抗率と形状（Ｗ、Ｌ、さらに厚さｔ。）で規程され、伝送線路と接地との間に配置される接地間抵抗１０６の抵抗値は、同じく、抵抗率と形状（Ｗ（Ｒ１）、Ｌ（Ｒ１）、さらに厚さｔ（Ｒ１）。）で規程される。さらに、伝送線路と接地間に配置される抵抗値自体は制御電極下の抵抗体が持つ抵抗値が加わったものとなる。
【００２１】
ここで、伝送線路１０３と伝送線路１０４とは、基板１０１上に形成された抵抗体１１０である半導体抵抗層を介して接続される。これにより、可変減衰器１００は、抵抗体１１０（半導体抵抗層）を通して、伝送線路１０３、伝送線路１０４、さらに接地間に高周波信号を伝送させる構造となる。
【００２２】
図４は、本実施の形態における制御電極の周辺の伝導キャリア空乏層の分布を模式的に示す図である。図４に示されるように、抵抗体１１０の上に配置された制御電極１７３と抵抗体１１０との間に形成されるショットキー障壁層１１６を介して電圧を印加することによって、その直下の抵抗体１１０（半導体抵抗層）に形成される空乏層１１７の分布を制御し、結果的に制御電極１７３の周辺における抵抗体１１０のシート抵抗値を変化させる。ここで、抵抗体は、２種類以上のシート抵抗値を有する薄膜抵抗体からなり、薄膜抵抗体のうち少なくとも１種類は、半導体材料からなるとしてもよい。また。薄膜抵抗体のうち少なくとも１種類は、金属、複数の金属からなる合金、および金属間化合物のいずれかからなるとしてもよい。
【００２３】
具体的には、制御電極１７３は、抵抗体１１０（半導体抵抗層）にショットキー障壁や絶縁層を介して電界が印加されるように配置された金属電極、または合金材料で構成されている。さらに、印加電圧によって、その制御電極１７３の直下およびその周辺に空乏層１１７が形成される。形成された空乏層１１７の分布によって、抵抗体１１０（半導体抵抗層）のシート抵抗値を変化させ、結果として、伝送線路１０３と伝送線路１０４との間の信号減衰量を変化させる。
【００２４】
すなわち、制御電極１７３は、ショットキー電極を用いた電界効果型ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）や金属酸化物半導体（ＭＯＳ：Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）構造のＦＥＴの動作を利用して、抵抗体１１０のシート抵抗値を変化させる。
【００２５】
例えば、ＧａＡｓ基板上のＭＭＩＣでは、チャネル層となるエピタキシャル半導体層を抵抗体１１０として利用し、その上に配置された金属電極間に形成されるショットキー障壁を介して電圧が印加されることによって、その直下の半導体層の空乏層分布を制御し、結果的に制御電極１７３の周辺における抵抗体１１０のシート抵抗値を変化させる。ＭＯＳ構造では、障壁層がＳｉ酸化物層になることが異なるだけで、基本的な考え方は同様である。
【００２６】
以上、本実施の形態における可変減衰器１００は、伝送線路１０３と伝送線路１０４との間に抵抗体１１０を設け、さらに、その抵抗体１１０の一部を接地することにより、信号減衰機能を実現する。さらに、その抵抗体１１０に接する伝送線路１０３、１０４と接地間に挿入される抵抗体に制御電極を接続し、その制御電極に印加する制御信号により制御電極１７３の近傍に位置する抵抗体１１０のシート抵抗値を制御し、結果として伝送線路１０３と伝送線路１０４との間の信号減衰量を制御する構成を提供する。また、制御電圧を多段階に調整したり、制御電極を複数用いたりすることにより、その減衰量制御を段階的に行える構成をとる。
【００２７】
（実施の形態２）
次に、本発明に係る実施の形態２について、図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態１における構成要素と同一の構成要素については、同一の参照符号を付して説明を省略する。
【００２８】
図５は、本実施の形態における可変減衰器の構成を示す平面図である。図６は、その動作特性を示す図である。また、図７は、これらデータをまとめた表を示す図である。図５に示されるように、半導体抵抗層は、ＧａＡｓＦＥＴプロセスのチャネル層を構成するエピタキシャル層を用いており、制御電極２７３に閾値電圧近傍の電圧を印加することで、シート抵抗値を制御している。
【００２９】
図５に示されるように、可変減衰器２００は、抵抗体２１０（半導体抵抗層）に高周波信号を伝送させる構造となる。ここで、伝送線路１０３と伝送線路１０４とは、抵抗体２１０である半導体抵抗層を介して接続されている。
【００３０】
なお、可変減衰器２００は、実施の形態１における可変減衰器１００（例えば、図１参照。）と比べて、伝送線路１０３、１０４に対して対称な構造を有しており、伝送線路１０３および伝送線路１０４よりみた高周波信号の伝送特性も対称に近いものとする効果がある。さらに、抵抗体２１０と基板間の熱抵抗が下がるため、信号電力が増大した際の高周波信号の歪が増大しにくいという効果がある。
【００３１】
また、可変減衰器２００は、抵抗体２１０のうち伝送線路１０３と伝送線路１０４との間に位置する部分を線路間抵抗２０５とする。接地電極２１３と制御電極２７３とまでの抵抗体２１０を接地間抵抗２６１とする。接地電極２１４と制御電極２７４とまでの抵抗体２１０を接地間抵抗２６２とする。
【００３２】
このとき、図６および図７に示されるように、印加電圧が閾値電圧より十分大きい場合を「ＯＮ」状態と呼ぶことにする。一方、閾値電圧以下の値にした場合を「ＯＦＦ」状態と呼ぶことにする。なお、閾値電圧付近は、中間状態でありＯＮ状態とＯＦＦ状態との間の特性値を持つ。このとき、図６および図７に示されるように、Ｓ２１（ｄＢ）において、ＯＮ状態では、可変減衰器の減衰量が大きく、約−２．５ｄＢ程度が得られる。一方、ＯＦＦ状態では減衰量が−０．７ｄＢ程度となる。そして、制御電圧をその中間値にすることにより、減衰量をこの間の任意の値として得ることができる。
【００３３】
その一方で、Ｓ１１（ｄＢ）において、両状態においてもリターンロスの値は、−２０ｄＢ以下であり、電圧定在波比としては、１．２２程度以下を実現している。さらに、この特性は３０ＧＨｚまで平坦で、１０ＭＨｚ程度のＲＦ帯から３０ＧＨｚ程度のミリ波帯に至るまで、非常に広帯域な可変減衰特性を示している。
【００３４】
ここで、本実施の形態における可変減衰器に対する実験例について説明する。
可変減衰器２００は、抵抗率が１０ＫΩ・ｃｍ以上の半絶縁性半導体よりなる基板を用いる。具体的には、ＧａＡｓ系材料を用いたＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）用の基板（基板自体の抵抗率１０ＫΩ・ｃｍ〜１０ＭΩ・ｃｍ）を用い、そのチャネル層を抵抗体２１０とする。このチャネル層のシート抵抗値は、電界印加がない場合は、３４（Ω／ｓｑ．）である。ＧａＡｓ基板の厚みは、１００ミクロンメートル、裏面は、金メッキにより、接地電位としている。伝送線路１０３、１０４の幅は、８０ミクロンメートルであり、この構造によって、特性インピーダンス約５０Ωのマイクロストリップ線路を構成する。線路間抵抗２０５は、伝送線路１０３、１０４の間隔を２０ミクロンメートルとしており、長さ２０ミクロンメートル、幅８０ミクロンメートルと等価と考えられる。一方、接地間抵抗２６１、２６２は、幅６０ミクロンメートル、長さ３０ミクロンメートルとする。伝送線路１０３、１０４と、接地間抵抗２６１、または接地間抵抗２６２との間隔は１０ミクロンメートルであり、幅は２０ミクロンメートルである。この半導体抵抗層上にＷＳｉ／Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ、またはＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ材料からなる幅２ミクロンメートルの制御電極２７３、２７４が配置されている。この制御電極２７３、２７４に−２．４Ｖを印加した場合は、図７に示されるように「ＯＦＦ」状態の特性（５ＧＨｚ、減衰量約−０．７ｄＢ）が得られる。さらに、制御電極２７３、２７４に０Ｖを与えた場合は、「ＯＮ」状態の特性（５ＧＨｚ、減衰量約−２．７ｄＢ）が得られ、両状態においてリターンロスは−２０ｄＢ以下であることを確認した。
【００３５】
なお、他の実験例として、Ｓｉをその構成元素に含み、かつ抵抗率が１００Ω・ｃｍ以上の半導体よりなる基板を用いるとしてもよい。具体的には、高抵抗Ｓｉ基板（抵抗率１００Ω・ｃｍ〜２ＫΩ・ｃｍ）において、ＣＭＯＳ回路用プロセスを用い、また抵抗体としてポリＳｉ抵抗層を用いても同様な可変減衰器を形成できることも確認した。特に、封止材として誘電率３．５の樹脂を用い、樹脂封止をしても信号伝送特性に影響が無く、また特性の経時変化を小さく抑えられることを確認した。
【００３６】
なお、上記において減衰量を任意に設定できる旨を記載したが、その特性例を図８に示し、また、その値をまとめた表を図９に示す。図８および図９に示されるように、この特性値から、周波数５ＧＨｚにおいて、制御電極２７３、２７４直下のシート抵抗に対する伝送線路１０３と伝送線路１０４との間の減衰量、および伝送線路端からみたリターンロスを示すものである。制御電圧に対する半導体抵抗層のシート抵抗値の変化に伴い、Ｓ２１（ｄＢ）において、減衰量は、−２．３５ｄＢから−０．７６ｄＢまで変化している。しかし、Ｓ１１（ｄＢ）において、リターンロスは、この間−２０ｄＢ以下となっている。
【００３７】
以上、本実施の形態における可変減衰器は、高周波信号減衰量を任意に変化し得る可変減衰特性を示すと共に、リターンロスも−２０ｄＢ程度以下にできることが示される。さらに、この特性は、ＲＦ帯からミリ波帯にかけての非常に広帯域な周波数範囲で実現できる。
【００３８】
（実施の形態３）
次に、本発明に係る実施の形態３について、図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態２における構成要素と同一の構成要素については、同一の参照符号を付して説明を省略する。
【００３９】
図１０は、本実施の形態における可変減衰器の構成を示す平面図である。図１０に示されるように、可変減衰器３００は、実施の形態２における可変減衰器２００（例えば、図５参照。）と比べて、接地間抵抗３６１、接地間抵抗３６２、さらに線路間抵抗を形成する抵抗体３１０、３１２の形状（形状の横幅）とシート抵抗値が異なるものである。これは各抵抗体における抵抗値を最適設計し、減衰特性（減衰量）ならびにリターンロスを改善するために、より有効となるものである。
【００４０】
なお、制御できる減衰量自体を大きくする場合は、（１）伝送線路１０３と伝送線路１０４との間隔を広げる。または、（２）伝送線路１０３、１０４が向き合う方向に対して線路間抵抗の幅を狭める。または、（３）線路間抵抗にシート抵抗値の大きなものを用いる、などして、線路間抵抗の値そのものを大きくし、さらに、接地間抵抗の幅を広げる、または、シート抵抗値の小さなものを用いるなどして、抵抗値を小さくすることで実現可能である。
【００４１】
このとき、線路間抵抗と接地間抵抗３６１、３６２の抵抗値には最適の値があり、その設計値に合わせ形状を決定しているものである。なお、接地間抵抗３６１、３６２、または線路間抵抗は、半導体抵抗層として説明している。しかし、金属抵抗層でもＷＳｉなどの金属シリサイド層でも効果は変わらない。なぜならば、本実施の形態では制御電極２７３、２７４に接している部分が半導体抵抗層であり、そのシート抵抗値を制御できることが可変減衰機能を得るために必要な要素となるためである。
【００４２】
（実施の形態４）
次に、本発明に係わる実施の形態４について、図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態２における構成要素と同一の構成要素については、同一の参照符号を付して説明を省略する。
【００４３】
図１１は、本実施の形態における可変減衰器の構成を示す平面図である。図１１に示されるように、可変減衰器４００ａは、実施の形態２における可変減衰器２００（例えば、図５参照。）と比べて、半導体抵抗層４１０ａを複数用い、制御電極２７３、２７４を共通化した構造をとる。この構造では、実施の形態２における可変減衰器２００に対して、減衰量を大きくすることが可能となる。また、制御電極２７３、２７４を共通化することで、制御回路の構成自体は、簡便なままにできる利点がある。なお、伝送線路１０３と伝送線路１０４との間の線路間抵抗４０５ａを複数に分離している。しかし、これを図１２に示されるように、単一の線路間抵抗４０５ｂとしても機能する。
【００４４】
（実施の形態５）
次に、本発明に係わる実施の形態５について、図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態４における構成要素と同一の構成要素については、同一の参照符号を付して説明を省略する。
【００４５】
図１３は、本実施の形態における可変減衰器の構成を示す平面図である。図１３に示されるように、可変減衰器５００は、実施の形態４における可変減衰器４００ａ（例えば、図１１参照。）と比べて、制御電極の構造を工夫し、制御電極を複数備える。具体的には、制御電極２７３、２７４の代わりに、制御電極２７３、２７４と制御電極５７３、５７４とを備え、線路間と接地間の抵抗値をより柔軟に制御可能としたものである。すなわち、制御電極２７３、２７４と制御電極５７３、５７４とに加える電圧値を異なるものとし、その組み合わせにより減衰量の制御を行う。このとき、複数の制御電極が配置された抵抗体部分の素子断面を図１４に示す。図１４に示されるように、可変減衰器５００は、制御電極２７３、２７４、５７３、５７４の形状、数量は、用途に応じて、適宜選択される。
【００４６】
なお、本実施の形態では、高周波伝送線路１０３、１０４の間に制御電極２７３、２７４、５７３、５７４を配置しないため、素子構造が単純になるだけでなく制御電極２７３、２７４、５７３、５７４からの高周波雑音の混入を招くことがない。また、いかなる減衰量の時にも物理的な電流路を狭窄することが無く、高周波電力レベルに対する非線形性（高調波レベル）は信号減衰量の変更によらず一定となる。なぜならば、半導体、あるいは抵抗層の電力依存に対する非線形性は、その電流密度に依存することに起因するため、本実施の形態のように伝送線路１０３、１０４の間の抵抗体層に制御を加えない場合は、高周波信号の電力に対する電流密度は、いかなる減衰量のときにも同一であることによる。
【００４７】
（実施の形態６）
次に、本発明に係わる実施の形態６について、図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態１における構成要素と同一の構成要素については、同一の参照符号を付して説明を省略する。
【００４８】
図１５は、本実施の形態における可変減衰器の構成を示す平面図である。図１６は、本実施の形態における可変減衰器の構成を示す断面図である。図１５および図１６に示されるように、可変減衰器６００は、抵抗体と接地電極との間に形勢された容量性素子を備える。具体的には、接地間抵抗６０６と、接地電極６１２またはビアホール６０９との間に、直流阻止用の容量性素子６１４として、ＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ  Ｍｅｔａｌ）素子が挿入されている。なお、図１５においては、接地抵抗に対するバイアス印加用の電極が省略されている。
【００４９】
容量性素子６１４は、層間絶縁膜６０２をはさんだ接地電極６１２と接地抵抗６０６との重なりによって構成される。その層間絶縁膜６０２の膜厚、誘電率、さらに、その重なり部分の面積によって、容量値を規程するものである。この構成の場合において、抵抗体６１０を任意の電圧にバイアスすることができるため、制御電極１７３に与える電圧値と合わせ制御方法に柔軟性を持たせることが可能となる。例えば、制御電極１７３には電源電圧そのものを印加しておき、その一方で接地間抵抗６０６の電位を変化させることで実施の形態１から実施の形態５と同様の効果を得ることが可能となる。デプリーション型、エンハンスメント型どちらのＦＥＴプロセスを利用したＭＭＩＣにおいても本実施の形態における可変減衰器６００を集積化することが可能となる。
【００５０】
（変形例）
なお、図１７に示されるように、本発明に係わる可変減衰器８００ａの抵抗体８１０ａが堆積薄膜によって形成されるとしてもよい。このとき、薄膜堆積によるＷＳｉなどの金属合金抵抗体を用いた場合は、リフトオフ法により薄膜抵抗パターンが形成される。そして、リフトオフ用のマスクパターンが反映された抵抗体層が形成される。
【００５１】
なお、図１８に示されるように、本発明に係わる可変減衰器８００ｂの抵抗体８１０ｂが半導体基板８０１上にエピタキシャル成長させたエピタキシャル半導体層を用いるとしてもよい。このとき、エピタキシャル半導体層を用いた場合は、通常、半導体基板８０１の全面にエピタキシャル層が形成されるため、抵抗体に利用する部分を残して不要な部分を化学的エッチング手法や機械的エッチング手法などを用いて除去する。従って、基板８０１ｂを一部掘り込んだメサ形状となったり、複数のエピタキシャル層中のある任意の層の上面でエッチングを停止したメサ構造となったりする場合が多い。
【００５２】
なお、図１９に示されるように、本発明に係わる可変減衰器８００ｃの抵抗体８１０ｃがイオン注入によって形成されるとしてもよい。この場合において、基板８０１ｃに対しイオン注入により抵抗率を変化させ、抵抗体層が形成されている。イオン注入の場合は、高抵抗基板８０１ｃに対し抵抗体層８１９を形成する部分にイオン注入を行い低抵抗化する場合と、導電率を有する基板８０１ｃにおいて抵抗体８１０ｃとする部分以外にイオン注入を行い高抵抗化する場合がある。いずれの場合も、基板表面は、おおむね平坦な構造となる。
【００５３】
なお、図２０に示されるように、制御電極８７３の部分の構造は、金属と半導体界面のショットキー障壁を利用する場合のほかに、ＭＯＳトランジスタのゲート構造を用いるとしてもよい。
【００５４】
なお、図２１に示されるように、本発明に係わる可変減衰器８００ｅを樹脂封止するとしてもよい。このとき、可変減衰器８００ｅを樹脂封止することによって、耐湿性など、長期の信頼性を確保することができる。ここで、二つの伝送線路が形成されている基板面を、基板材料より誘電率の大きい誘電体材料で覆うとしてもよい。これによって、基板８０１ｅの材料より誘電率の大きな樹脂封止材料８１５に用いた場合は、直接的にＭＭＩＣを構成する伝送線路中の高周波信号の実効的波長が短くなり、可変減衰器を集積化したＭＭＩＣ自体を小型化することができる。一方、二つの伝送線路が形成されている基板面を、基板材料より誘電率の小さい誘電体材料で覆うとしてもよい。これによって、基板８０１ｅの材料より誘電率の小さな樹脂封止材料８１５を用いた場合は、誘電損失が小さい材料を用いることができ、信号伝送損失を小さくすることができる。これは、特に、Ｓｉ基板を用いたＭＭＩＣにおいて顕著な効果を示すものである。
【００５５】
なお、本発明に係わる実施の形態１から実施の形態６や変形例などのいずれかに示される可変減衰器を含む高周波回路が形成されている集積回路（以下、高周波集積回路と呼称する。）と、この高周波集積回路から出力される高周波信号に基づいて電力を検出信号として検出する電力検出回路と、電力検出回路において検出された検出信号に応じて、制御電極に印加される制御信号を変化させる制御回路とを備える通信装置としてもよい。
【００５６】
具体的には、図２２に示されるように、本発明に係わる可変減衰器９１１を用いて高周波無線システム９０１（通信装置に該当する。）を構成するとしてもよい。この場合において、集積化電力増幅回路９１０（高周波集積回路に該当する。）は、ＧａＡｓ基板上に形成されたＦＥＴ、伝送線路、容量性素子などから構成される出力整合回路９１３を含む。そして、その入力段に、可変減衰器９１１が配置されている。さらに、電力増幅器９１２の前段に配置された可変減衰器９１１によって、集積化電力増幅回路９１０の全体の出力電力の制御を行う。
【００５７】
ここで、可変減衰器９１１は、本発明に係わる実施の形態１から実施の形態６や変形例などに示される可変減衰器のいずれかである。
【００５８】
また、電力検出回路９２０は、送信電力を検出し、集積化電力増幅回路９１０と、空間とのインターフェース回路であるアンテナ９３０との間に設けられている。
【００５９】
ここで、電力検波回路９５０（制御回路に該当する。）は、ダイオード検波回路９５１を含み、ダイオード検波回路９５１の出力は、バッファ増幅器９５２によって増幅される。
【００６０】
さらに、差動増幅器９５４は、可変減衰器９１１の望ましい動作を実現する制御信号入力レベルに合わせるために、基準電圧と、バッファ増幅器９５２によって増幅された電圧との差をとって、適当な増幅度で増幅したのち可変減衰器９１１の制御電極パッドに入力される。すなわちシステム動作の要請から高周波送信電力の制御が必要となった場合は、基準電圧の値を所望の値に変更することで、高周波送信電力制御がなされる。なお、電力検出回路９２０は、信号経路にほとんど影響を与えないレベルの結合度を有する方向性結合器などを用いる。ここでは−３０ｄＢである。
【００６１】
また、高周波無線システム９０１をＭＭＩＣとして単一の半導体基板上に形成するとしてもよい。
【００６２】
なお、制御回路は、電力検出回路における送信電力および反射電力を検出するとしてもよい。
【００６３】
具体的には、図２３に示されるように、本発明に係わる可変減衰器９１１を用いて高周波無線システム９０２（通信装置に該当する。）を構成するとしてもよい。この場合において、電力検波回路９６０（制御回路に該当する。）は、送信電力および反射電力のそれぞれをダイオード検波回路９６１、９６２において電圧変換し、電圧変換して得られた信号のそれぞれをバッファ増幅器９６３、９６４において増幅した後、差動増幅器９６５において差分に応じた制御信号を得ている。特にこの構成により、負荷特性に対する増幅器保護の効果を示す。動作の概要を示すと、通常使用状態では、アンテナ９３０は、空間のインピーダンスに整合しているため、アンテナ９３０からの電力反射は、ほとんど生じない。一方、使用状態においてアンテナ９３０の周辺に導電性の物体や誘電体が近接するなど、負荷特性が大きく変化した場合は、インピーダンスの不整合により、アンテナ９３０の部分で高周波信号の反射が起きる。反射電力が大きくなると、集積化電力増幅回路９１０（高周波集積回路に該当する。）の出力端より反射電力が流入し、場合によっては、電力増幅器９１２を破壊することがある。ここでは、反射電力が大きくなった場合、すなわち、差動増幅器９６５の出力が小さくなった場合は、可変減衰器９１１の減衰量が大きくなるような構成としているため、反射電力量が大きい場合は、電力増幅器９１２の増幅度が下がり、出力電力を低下させ、結果的に反射電力量を低減するように動作し、電力増幅器９１２を保護する動作を行う。
【００６４】
なお、制御回路は、電力検出回路における送信電力の位相差および反射電力の位相差を検出するとしてもよい。
【００６５】
具体的には、図２４に示されるように、本発明に係わる可変減衰器９１１を用いて高周波無線システム９０３を構成するとしてもよい。この場合において、位相検波回路９７０（制御回路に該当する。）は、電力検出回路９２０において取り出された送信電力と反射電力とを、バッファ増幅器９７１、９７２において増幅した後、位相比較器９７３において位相差を電圧変換し、電圧変換して得られた信号と基準電圧とを比較して、差動増幅器９７６において差分に応じた制御信号を出力する。こうすることによって、電力をモニタする場合と同様の効果や機能などを実現することができる。特に、この機能は、位相変化に対して保護する必要があるデバイスの応用に対して有効である。
【００６６】
なお、図２５に示されるように、本発明に係わる可変減衰器９１１を用いて高周波無線システム９０４を構成するとしてもよい。この場合において、高周波無線システム９０４は、電力および位相を同時にモニタし、その値により負荷インピーダンスを求める。この負荷インピーダンスに応じて、制御論理回路９８７において制御信号レベルが演算される。この場合は、変動する負荷特性を全インピーダンス領域において検出することができるので、その負荷インピーダンスに合わせ、より詳細な入力信号のレベルを制御することが可能となる。
【００６７】
なお、本発明に係わる可変減衰器は、ＲＦ周波数帯からマイクロ波帯における高周波集積回路において、信号減衰量を制御しうる。その結果として増幅回路の増幅度制御、電力送信回路の送信電力制御を行うことに有用である。また、増幅回路間に配置すれば、後段増幅回路に対する過入力を防止することに関しても効果を発揮する。特に、本発明に係わる可変減衰器は、ＭＭＩＣとして集積化可能であり、小型ＭＭＩＣを利用するような高周波通信分野で有用となる。なお、本発明は、高周波分野一般に応用可能であり、周波数として実験例に示した周波数範囲（１００ＭＨｚから３０ＧＨｚ）に限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明は、可変減衰器として、特に、高周波集積回路において信号減衰量を制御し得る可変減衰器などとして、利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明に係わる実施の形態１における可変減衰器の構成を示す平面図である。
【図２】本発明に係わる実施の形態１における可変減衰器を切断線Ａ−Ａで切断した素子断面を示す断面図である。
【図３】本発明に係わる実施の形態１における可変減衰器を切断線Ｂ−Ｂで切断した素子断面を示す断面図である。
【図４】本発明に係わる実施の形態１における制御電極周辺の伝導キャリア空乏層の分布を模式的に示す図である。
【図５】本発明に係わる実施の形態２における可変減衰器の構成を示す平面図である。
【図６】本発明に係わる実施の形態２における可変減衰器の動作特性を示す図である。
【図７】本発明に係わる実施の形態２における可変減衰器の動作特性に関する値を示す図である。
【図８】本発明に係わる実施の形態２における可変減衰器の可変減衰特性を示す図である。
【図９】本発明に係わる実施の形態２における可変減衰器の可変減衰特性に関する値を示す図である。
【図１０】本発明に係わる実施の形態３における可変減衰器の構成を示す平面図である。
【図１１】本発明に係わる実施の形態４における可変減衰器の構成を示す平面図である。
【図１２】本発明に係わる実施の形態４における可変減衰器の構成を示す平面図である。
【図１３】本発明に係わる実施の形態５における可変減衰器の構成を示す平面図である。
【図１４】本発明に係わる実施の形態５における可変減衰器を切断線Ｃ−Ｃで切断した素子断面を示す断面図である。
【図１５】本発明に係わる実施の形態６における可変減衰器の構成を示す平面図である。
【図１６】本発明に係わる実施の形態６における可変減衰器を切断線Ｄ−Ｄで切断した素子断面を示す断面図である。
【図１７】本発明に係わる可変減衰器の抵抗体を堆積薄膜によって形成された場合を示す断面図である。
【図１８】本発明に係わる可変減衰器の抵抗体がイオン注入によって形成された場合を示す断面図である。
【図１９】本発明に係わる可変減衰器の抵抗体がイオン注入によって形成された場合を示す断面図である。
【図２０】本発明に係わる可変減衰器の制御電極を、ＭＯＳを用いて形成された場合の断面図である。
【図２１】本発明に係わる可変減衰器を樹脂封止した場合を示す断面図である。
【図２２】本発明に係わる可変減衰器を用いた高周波無線システムの第１の例を示す回路ブロック図である。
【図２３】本発明に係わる可変減衰器を用いた高周波無線システムの第２の例を示す回路ブロック図である。
【図２４】本発明に係わる可変減衰器を用いた高周波無線システムの第３の例を示す回路ブロック図である。
【図２５】本発明に係わる可変減衰器を用いた高周波無線システムの第４の例を示す回路ブロック図である。
【図２６】従来に係わる可変減衰器の構成を示す平面図である。
【図２７】従来に係わる可変減衰器の構成を示す平面図である。
【符号の説明】
【００７０】
１００、２００、３００、４００ａ、４００ｂ、５００、６００、８００ａ〜８００ｅ、９１１  可変減衰器
１０１、８０１ａ〜８０１ｃ、８０１ｅ  基板
１０２、８０２ａ〜８０２ｃ、８０２ｅ、６０２  層間絶縁膜
１０３、１０４  伝送線路
１０５、２０５、４０５ａ、４０５ｂ、５０５、６０６  線路間抵抗
１０６、２６１、２６２、３６１、３６２、４６１ａ、４６２ａ、４６１ｂ、４６２ｂ  接地間抵抗
１０７、５０７  裏面接地電極
１０９、２１５、２１６、３１５、３１６、４１５、４１６、５１５、５１６、６０９  ビアホール
１１０、２１０、４１０ａ、４１０ｂ、５１０、８１０ａ〜８１０ｃ、６１０  抵抗体
１１１、２１１、２１２  制御電極パッド
１１２、２１３、２１４、３１３、３１４、４１３、４１４、５１３、５１４、６１２  接地電極
１１６  ショットキー障壁層
１１７、２１７、５１７  空乏層
１７３、２７３、２７４、５７３、５７４  制御電極
３１２  抵抗体
６１４  容量性素子
８１５  樹脂封止材料
８１８  高抵抗イオン注入層
８１９  低抵抗イオン注入層
９０１、９０２  高周波無線システム
９１０  集積化電力増幅回路
９１１  可変減衰器
９１２  電力増幅器
９１３  出力整合回路
９２０  電力検出回路
９３０  アンテナ
９５０、９６０、９８４  電力検波回路
９５１、９６１、９６２  ダイオード検波回路
９５２、９６３，９６４、９７１、９７２、９７４、９８５、９８６  バッファ増幅器
９５３、９７５  基準電圧
９５４、９６５、９７６  差動増幅器
９７０、９８３、  位相検波回路
９７３  位相比較器
９８１、９８２  電力分配器
９８７  制御論理回路
【図１】
2007110446.tif 000003
【図２】
2007110446.tif 000004
【図３】
2007110446.tif 000005
【図４】
2007110446.tif 000006
【図５】
2007110446.tif 000007
【図６】
2007110446.tif 000008
【図７】
2007110446.tif 000009
【図８】
2007110446.tif 000010
【図９】
2007110446.tif 000011
【図１０】
2007110446.tif 000012
【図１１】
2007110446.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
2007110446.tif 000019
【図１８】
2007110446.tif 000020
【図１９】
2007110446.tif 000021
【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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