特開 2023-134142 非線形伝送線路およびそれを用いたサンプリングオシロスコープ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023134142

(43)【公開日】2023-09-27

(54)【発明の名称】非線形伝送線路およびそれを用いたサンプリングオシロスコープ

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/822 20060101AFI20230920BHJP

   H01L 21/768 20060101ALI20230920BHJP

   G01R 13/20 20060101ALI20230920BHJP

【ＦＩ】

H01L27/04 D

H01L21/90 N

G01R13/20 N

【審査請求】有

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022039504

(22)【出願日】2022-03-14

(71)【出願人】

【識別番号】000000572

【氏名又は名称】アンリツ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110003694

【氏名又は名称】弁理士法人有我国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】白土 悟

【テーマコード（参考）】

5F033

5F038

【Ｆターム（参考）】

5F033GG02

5F033MM17

5F033RR30

5F033XX24

5F038AZ01

5F038CD05

5F038CD13

5F038EZ01

5F038EZ02

5F038EZ20

(57)【要約】

【課題】広帯域で周波数特性の優れた非線形伝送線路を提供する。
【解決手段】入力されたパルス信号のパルス幅を圧縮して出力する非線形伝送線路であって、基板と、基板の一面に並行に形成された第１の主線路１２および第２の主線路１４と、基板の一面において第１の主線路と第２の主線路の間の領域で主線路方向に所定間隔で形成された複数のダイオード３と、基板の一面に形成され、一端が第１の主線路にそれぞれ接続され、他端が複数のダイオードのアノード端子にそれぞれ接続された複数の第１分岐配線４と、基板の一面に形成され、一端が第２の主線路にそれぞれ接続され、他端が複数のダイオードのカソード端子にそれぞれ接続された複数の第２分岐配線５と、を備える。第１分岐配線および第２分岐配線のうち、少なくとも入力側から所定数個までの範囲の第１分岐配線および第２分岐配線は、基板から浮いたエアーブリッジ構造を有する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

入力されたパルス信号のパルス幅を圧縮して出力する非線形伝送線路であって、
基板（２）と、
前記基板の一面に並行に形成された第１の主線路（１２）および第２の主線路（１４）と、
前記基板の一面において前記第１の主線路と前記第２の主線路の間の領域で主線路方向に所定間隔で形成された複数のダイオード（３_１，...，３_Ｎ）と、
前記基板の一面に形成され、一端側が前記第１の主線路にそれぞれ接続され、他端側が前記複数のダイオードのアノード端子にそれぞれ接続された複数の第１分岐配線（４_１，...，４_Ｎ）と、
前記基板の一面に形成され、一端側が前記第２の主線路にそれぞれ接続され、他端側が前記複数のダイオードのカソード端子にそれぞれ接続された複数の第２分岐配線（５_１，...，５_Ｎ）と、を備え、
前記複数の第１分岐配線および前記複数の第２分岐配線のうち、少なくとも入力側から所定数個までの範囲の第１分岐配線および第２分岐配線は、前記基板から浮いたエアーブリッジ構造を有することを特徴とする非線形伝送線路。

【請求項2】

前記複数の第１分岐配線および前記複数の第２分岐配線のうち、少なくとも入力側から所定数個までの範囲の第１分岐配線および第２分岐配線は、前記基板から浮いたエアーブリッジ構造を有し、残りの第１分岐配線および第２分岐配線は、全体が前記基板の一面に接して形成されている、請求項１に記載の非線形伝送線路。

【請求項3】

前記複数のダイオードの前記所定間隔（Ｄ）は、入力側から順に１または複数個の前記ダイオードごとに段階的に狭くなるように構成されている、請求項１または２に記載の非線形伝送線路。

【請求項4】

前記第１の主線路と前記第２の主線路とのギャップ（Ｇ）は、入力側から順に１または複数個の前記ダイオードごとに段階的に狭くなるように構成されている、請求項１～３のいずれか一項に記載の非線形伝送線路。

【請求項5】

前記第１分岐配線は、前記基板の一面において前記第１の主線路に対して直角方向に延在し、前記第２分岐配線は、前記基板の一面において前記第２の主線路に対して直角方向に延在し、前記第１分岐配線および前記第２分岐配線の幅（Ｗ２）は、前記第１の主線路および前記第２の主線路の幅（Ｗ１）よりも狭い、請求項１～４のいずれか一項に記載の非線形伝送線路。

【請求項6】

前記第１の主線路および前記第２の主線路のうち一方が接地されている、請求項１～５のいずれか一項に記載の非線形伝送線路。

【請求項7】

前記複数のダイオード（３_１，...，３_Ｎ）は、それぞれのアノード端子が前記第１分岐配線を介して接続された、前記第１の主線路の所定の長手区間の主線路導体（ＴＬ１_１，...，ＴＬ１_Ｎ）、およびぞれぞれのカソード端子が前記第２分岐配線を介して接続された、前記第２の主線路の所定の長手区間の主線路導体（ＴＬ２_１，...，ＴＬ２_Ｎ）とともに、複数のローパスフィルタ（１０_１，...，１０_Ｎ）を構成し、前記ローパスフィルタは、入力側から順に１または複数個の前記ローパスフィルタごとに段階的にカットオフ周波数が小さくなるように構成されている、請求項１～６のいずれか一項に記載に記載の非線形伝送線路。

【請求項8】

パルス信号を生成するパルス生成部（１１０）、および前記パルス信号を入力して電気短パルス信号を発生させる請求項１～７のいずれか一項に記載の非線形伝送線路（１）を有する電気短パルス発生装置（１００）と、
被測定信号をサンプリングするサンプラ（２１０）とを備え、
前記電気短パルス発生装置により生成された電気短パルス信号が、前記サンプラによるサンプリングのトリガ信号として用いられることを特徴とするサンプリングオシロスコープ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、非線形伝送線路およびそれを用いたサンプリングオシロスコープに関する。

【背景技術】

【0002】

従来より、電気短パルス発生装置として、ステップリカバリダイオード（ＳＲＤ：Step Recovery Diode）を用いたものが知られている。ＳＲＤは、例えば正弦波が印加されると、印加された正弦波が逆バイアス状態のときに電荷を蓄積し、順バイアス状態になった瞬間に放電して、正弦波の周波数と同じ繰返し周波数の電気短パルスを発生させるように動作する。

【0003】

しかしながら、単にパルス幅が狭いだけではなく、ジッタの少ない電気短パルスが求められる計測機器においては、上記の電気短パルス発生装置が出力する電気短パルスはその要求に十分に応えられるものではなかった。

【0004】

そこで、非線形伝送線路（ＮＬＴＬ：Non-Linear Transmission Line）を用いて電気短パルスを発生する電気短パルス発生装置が提案された（例えば、特許文献１参照）。この非線形伝送線路は、コプレーナ線路等の伝送線路に、半導体微細加工技術により複数個の非線形素子を所定の間隔で配置した構造を有している。非線形伝送線路は、伝送線路に並列に配置される非線形素子の容量変化を利用することにより、入力された正弦波の立ち上がり時間を徐々に短縮して、急峻な立ち上がり特性を有するとともに、ジッタの少ないパルス信号を出力することができる。

【0005】

具体的には、特許文献１に記載の非線形伝送線路は、主線路導体からなる主線路と複数のダイオードを備え、ダイオードのカソード端子はそれぞれ分岐配線を介して主線路に接続され、アノード端子はそれぞれ分岐配線を介して接地されている。非線形伝送線路は、主線路導体のインダクタンス成分とダイオードの容量成分によるＬＣフィルタのカットオフ周波数が等比数列になるように構成されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１２－１５１７４６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、従来の非線形伝送線路の構成では、分岐配線が基板上に形成されるので、基板の誘電作用により分岐配線の寄生容量が大きくなり、ＬＣフィルタのカットオフ周波数が低下する問題があった。このように、容量成分として働く分岐配線がカットオフ周波数を低下させる要因となり、それにより非線形伝送線路の周波数特性を低下させるため、分岐配線の容量成分を低減することが重要となる。

【0008】

本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであって、広帯域で周波数特性の優れた非線形伝送線路およびそれを用いたサンプリングオシロスコープを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記課題を解決するために、本発明の非線形伝送線路は、入力されたパルス信号のパルス幅を圧縮して出力する非線形伝送線路であって、基板（２）と、前記基板の一面に並行に形成された第１の主線路（１２）および第２の主線路（１４）と、前記基板の一面において前記第１の主線路と前記第２の主線路の間の領域で主線路方向に所定間隔で形成された複数のダイオード（３_１，...，３_Ｎ）と、前記基板の一面に形成され、一端側が前記第１の主線路にそれぞれ接続され、他端側が前記複数のダイオードのアノード端子にそれぞれ接続された複数の第１分岐配線（４_１，...，４_Ｎ）と、前記基板の一面に形成され、一端側が前記第２の主線路にそれぞれ接続され、他端側が前記複数のダイオードのカソード端子にそれぞれ接続された複数の第２分岐配線（５_１，...，５_Ｎ）と、を備え、前記複数の第１分岐配線および前記複数の第２分岐配線のうち、少なくとも入力側から所定数個までの範囲の第１分岐配線および第２分岐配線は、前記基板から浮いたエアーブリッジ構造を有することを特徴とする。

【0010】

上述のように、本発明の非線形伝送線路は、複数の第１分岐配線および複数の第２分岐配線のうち、少なくとも入力側から所定数個までの範囲の第１分岐配線および第２分岐配線は、基板から浮いたエアーブリッジ構造を有するようになっている。この構成により、第１分岐配線とそれに対応する第２分岐配線との電磁的結合が弱まり、第１分岐配線とそれに対応する第２分岐配線の寄生容量を低減することができる。これにより、カットオフ周波数に対する分岐配線の寄生容量の影響を抑制することができ、設計通りの所望のカットオフ周波数に正確に設定することができる。したがって、広帯域で通過特性等の周波数特性が優れた非線形伝送線路を提供することができる。

【0011】

また、本発明の非線形伝送線路は、前記複数の第１分岐配線および前記複数の第２分岐配線のうち、少なくとも入力側から所定数個までの範囲の第１分岐配線および第２分岐配線は、前記基板から浮いたエアーブリッジ構造を有し、残りの第１分岐配線および第２分岐配線は、全体が前記基板の一面に接して形成された構成であってもよい。

【0012】

カットオフ周波数に対する分岐配線の寄生容量の影響は、エアーブリッジ構造により抑制されるが、その効果は分岐配線の長さ等によっても変わる。一般に、分岐配線の長さは入力側から出力側に向けて段階的あるいは漸次短くなるので、入力側ほどエアーブリッジ構造にする効果が高く、出力側ほどエアーブリッジ構造にする効果が薄まる傾向にある。また、短い配線をエアーブリッジ構造にする場合、製造装置のグレードを上げる等の必要性が生じることもある。そこで、上記構成とするにより、入力側の所定個数の第１分岐配線と第２分岐配線はエアーブリッジ構造にし、残りの出力側の第１分岐配線と第２分岐配線は従来配線とするハイブリッド構造にすることにより、電気的特性を満たしつつ製造コストの上昇を抑えることができる。

【0013】

また、本発明の非線形伝送線路において、前記複数のダイオードの前記所定間隔（Ｄ）は、入力側から順に１または複数個の前記ダイオードごとに段階的に狭くなるように構成してもよい。

【0014】

この構成により、本発明の非線形伝送線路は、ダイオード等が形成するローパスフィルタを構成する主線路導体の部分の長さを段階的に短くして、その部分のインダクタンス成分を段階的に小さくすることができる。

【0015】

また、本発明の非線形伝送線路において、前記第１の主線路と前記第２の主線路とのギャップ（Ｇ）は、入力側から順に１または複数個の前記ダイオードごとに段階的に狭くなるように構成してもよい。

【0016】

この構成により、本発明の非線形伝送線路は、第１分岐配線および第２分岐配線の長さを段階的に短くすることができ、第１分岐配線および第２分岐配線の寄生容量を段階的に小さくしていくことができる。

【0017】

また、本発明の非線形伝送線路は、前記第１分岐配線は、前記基板の一面において前記第１の主線路に対して直角方向に延在し、前記第２分岐配線は、前記基板の一面において前記第２の主線路に対して直角方向に延在し、前記第１分岐配線および前記第２分岐配線の幅（Ｗ２）は、前記第１の主線路および前記第２の主線路の幅（Ｗ１）よりも狭い構成であってもよい。

【0018】

この構成により、本発明の非線形伝送線路は、第１分岐配線および第２分岐配線の寄生容量を小さく抑えられる。

【0019】

また、本発明の非線形伝送線路は、前記第１の主線路および前記第２の主線路のうち一方が接地された構成であってもよい。

【0020】

この構成により、本発明の非線形伝送線路は、主線路がシングル型となり、シングルエンドの入力パルス信号に対してパルス幅の圧縮を行うことができる。

【0021】

また、本発明の非線形伝送線路において、前記複数のダイオード（３_１，...，３_Ｎ）は、それぞれのアノード端子が前記第１分岐配線を介して接続された、前記第１の主線路の所定の長手区間の主線路導体（ＴＬ１_１，...，ＴＬ１_Ｎ）、およびぞれぞれのカソード端子が前記第２分岐配線を介して接続された、前記第２の主線路の所定の長手区間の主線路導体（ＴＬ２_１，...，ＴＬ２_Ｎ）とともに、複数のローパスフィルタ（１０_１，...，１０_Ｎ）を構成し、前記ローパスフィルタは、入力側から順に１または複数個の前記ローパスフィルタごとに段階的にカットオフ周波数が小さくなるように構成してもよい。

【0022】

本発明の非線形伝送線路において、ダイオードは容量成分Ｃとして働き、ダイオードに接続された所定の長手区間の主線路導体はインダクタンス成分Ｌとして働くので、ダイオードと主線路導体とがＬＣフィルタ（ローパスフィルタ）を構成する。このように形成されたローパスフィルタのカットオフ周波数が段階的に小さくなるように構成することにより、急峻な短パルス信号を生成することができる。

【0023】

また、本発明のサンプリングオシロスコープは、パルス信号を生成するパルス生成部（１１０）、および前記パルス信号を入力して電気短パルス信号を発生させる上記いずれかに記載の非線形伝送線路（１）を有する電気短パルス発生装置（１００）と、被測定信号をサンプリングするサンプラ（２１０）とを備え、前記電気短パルス発生装置により生成された電気短パルス信号が、前記サンプラによるサンプリングのトリガ信号として用いられることを特徴とする。

【0024】

電気短パルス発生装置に用いられる本発明の非線形伝送線路は、ＤＣから高周波数までの広帯域で良好な周波数特性、特に優れた透過特性を有している。本発明のサンプリングオシロスコープは、このような特性を有する非線形伝送線路を用いて生成された電気短パルス信号が、サンプラによるサンプリングのトリガ信号として用いられるので、ＤＣを含め広帯域の信号を精度よく測定することが可能となる。

【発明の効果】

【0025】

本発明によれば、広帯域で周波数特性の優れた非線形伝送線路およびそれを用いたサンプリングオシロスコープを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【図1】本発明の一実施形態に係る非線形伝送線路の概略構成を示す模式図である。

【図2】図１の非線形伝送線路の等価回路図である。

【図3】図１の非線形伝送線路の平面図である。

【図4】（ａ）は図３のＡ－Ａ断面図であり、（ｂ）は従来の非線形伝送線路の断面構造を示す模式図である。

【図5】本発明の変形例に係る非線形伝送線路の断面構造を示す模式図である。

【図6】（ａ）は本発明の実施形態に係る非線形伝送線路への入力パルス信号を示し、（ｂ）は本発明の実施形態に係る非線形伝送線路からの出力パルス信号を示す図である。

【図7】（ａ）は本発明の実施形態に係る非線形伝送線路への入力パルス信号のスペクトラムを示し、（ｂ）は本発明の実施形態に係る非線形伝送線路からの出力パルス信号のスペクトラムを示す図である。

【図8】本発明の実施形態に係る非線形伝送線路の透過特性を示す図である。

【図9】本発明の実施形態に係る電気短パルス発生装置の構成を示すブロック図である。

【図10】本発明の実施形態に係るサンプリングオシロスコープの構成を示すブロック図である。

【図11】本発明の別の実施形態に係る非線形伝送線路の概略構成を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0027】

以下、本発明の実施形態に係る非線形伝送線路（ＮＬＴＬ）およびそれを用いたサンプリングオシロスコープについて図面を用いて説明する。

【0028】

（第１の実施形態）
非線形伝送線路１は、差動信号である入力パルス信号のパルス幅を圧縮して出力パルス信号として出力するものである。なお、本明細書においてパルス幅とは、パルス波形の半値全幅（ＦＷＨＭ：Full Width at Half Maximum）を示すものとする。

【0029】

図１は、本発明の第１の実施形態に係る非線形伝送線路１の概略構成を示す模式図である。図１に示すように、非線形伝送線路１は、半導体あるいは誘電体からなる基板２（図３参照）と、基板２の表面２ａに並行に形成された第１の主線路１２および第２の主線路１４と、基板２の表面２ａにおいて第１の主線路１２と第２の主線路１４の間の領域で主線路方向に所定間隔で形成された複数のダイオード３_１，３_２，...，３_Ｎ（以下、ダイオード３と総称することもある）とを備えている。

【0030】

第１の主線路１２は、入力端子２１側から出力端子３１側に向けて順に、主線路導体６_１，６_２，...，６_Ｎ（以下、主線路導体６と総称することもある）と、主線路導体７_１，７_２，...，７_Ｎ（以下、主線路導体７と総称することもある）とを交互に有している。同様に、第２の主線路１４は、入力端子２２側から出力端子３２側に向けて順に、主線路導体８_１，８_２，...，８_Ｎ（以下、主線路導体８と総称することもある）と、主線路導体９_１，９_２，...，９_Ｎ（以下、主線路導体９と総称することもある）とを交互に有している。

【0031】

一般に、ｎ番目の主線路導体６_ｎと主線路導体７_ｎとを合わせて、主線路導体ＴＬ１_ｎと表記し、ｎ番目の主線路導体８_ｎと主線路導体９ｎとを合わせて、主線路導体ＴＬ２_ｎと表記する。また、一般に、ｎ番目の主線路導体ＴＬ１_ｎとＴＬ２_ｎとを合わせて、主線路導体ＴＬ_ｎと表記する。ここでサフィックスｎは１≦ｎ≦Ｎの整数であり、以下の説明において記載されたサフィックスｎについても同様である。

【0032】

ダイオード３_１，３_２，...，３_Ｎは、アノード端子が第１分岐配線４_１，４_２，...，４_Ｎ（以下、第１分岐配線４と総称することもある）を介して第１の主線路１２に接続されており、カソード端子が第２分岐配線５_１，５_２，...，５_Ｎ（以下、第２分岐配線５と総称することもある）を介して第２の主線路１４に接続されている。ダイオード３は、例えばバラクターダイオードであり、通常は電源を供給せずにパッシブ方式で使用する。

【0033】

第１分岐配線４_１，４_２，...，４_Ｎは、各々、基板２の表面２ａにおいて第１の主線路１２に対して直角方向に延在し、一端側が第１の主線路１２に接続され、他端側が対応するダイオード３のアノード端子に接続されている。また、第２分岐配線５_１，５_２，...，５_Ｎは、各々、基板２の表面２ａにおいて第２の主線路１４に対して直角方向に延在し、一端側が第２の主線路１４に接続され、他端側が対応するダイオード３のカソード端子に接続されている。

【0034】

具体的には、第１分岐配線４_ｎは、一端側が第１の主線路１２の所定の長手方向区間の主線路導体ＴＬ１_ｎを構成する主線路導体６_ｎと主線路導体７_ｎとの間に接続されている。同様に、第２分岐配線５_ｎは、一端側が第２の主線路１４の所定の長手方向区間の主線路導体ＴＬ２_ｎを構成する主線路導体８_ｎと主線路導体９_ｎとの間に接続されている。

【0035】

本実施形態では、主線路導体６_ｎと主線路導体７_ｎは長さを同一にしているが、異なる長さにしてもよく、あるいはどちらか一方だけにしてもよい。同様に、本実施形態では、主線路導体８_ｎと主線路導体９_ｎは長さを同一にしているが、異なる長さにしてもよく、あるいはどちらか一方だけにしてもよい。また、本実施形態では、主線路導体６_ｎと主線路導体８_ｎは長さを同一にしているが、異なる長さにしてもよい。同様に、本実施形態では、主線路導体７_ｎと主線路導体９_ｎは長さを同一にしているが、異なる長さにしてもよい。ここで、１≦ｎ≦Ｎである。

【0036】

本実施形態では、第１分岐配線４_１，４_２，...，４_Ｎは、各々、基板２の表面２ａにおいて第１の主線路１２に対して直角方向に延在しているが、これに限定されず、第１の主線路１２に対して非直角の傾斜方向に延在して形成されていてもよい。同様に、第２分岐配線５_１，５_２，...，５_Ｎは、各々、基板２の表面２ａにおいて第２の主線路１４に対して直角方向に延在しているが、これに限定されず、第２の主線路１４に対して非直角の傾斜方向に延在して形成されていてもよい。

【0037】

上述のように、非線形伝送線路１は、複数のダイオード３のアノード端子とカソード端子が、第１および第２分岐配線４、５を介して第１の主線路１２と第２の主線路１４に並列に接続されている。また、非線形伝送線路１は、直流のバイアス電圧を加えて動作させるようにしてもよい。

【0038】

＜ＬＣフィルタ＞
図２は、非線形伝送線路１の等価回路図である。図２に示すように、ダイオード３_ｎは、容量成分Ｃ_ｎとして働き、主線路導体６_ｎ，７_ｎ，８_ｎ，９_ｎはそれぞれインダクタンス成分Ｌ６_ｎ，Ｌ７_ｎ，Ｌ８_ｎ，Ｌ９_ｎとして働く。ここでは、主線路導体６_ｎ，７_ｎ，８_ｎ，９_ｎから構成される主線路導体ＴＬ_ｎのインダクタンス成分をＬ_ｎと表記する（１≦ｎ≦Ｎ）。

【0039】

ダイオード３_ｎと主線路導体６_ｎ，７_ｎ，８_ｎ，９_ｎ（すなわち、主線路導体ＴＬ_ｎ）とが、ｎ番目のＬＣフィルタ（ローパスフィルタ１０_ｎ）を構成している。ローパスフィルタ１０_ｎのカットオフ周波数ＦＣ_ｎは次式により近似できる。

【数1】

ここで、Ｌ_ｎは主線路導体ＴＬ_ｎのインダクタンス成分であり、Ｃ_ｎはダイオード３_ｎの容量成分である。

【0040】

非線形伝送線路１は、主線路導体ＴＬ_ｎのインダクタンス成分Ｌ_ｎとダイオード３_ｎの容量成分Ｃ_ｎによるローパスフィルタ１０_ｎのカットオフ周波数ＦＣ_ｎが等比数列になるように構成されている。すなわち、ダイオード３_ｎの容量成分Ｃ_ｎと主線路導体ＴＬ_ｎのインダクタンス成分Ｌ_ｎのいずれか一方あるいは両方が、入力側から出力側に向かって徐々に小さくなるように構成される。

【0041】

また、複数のローパスフィルタ１０_１，...，１０_Ｎ（以下、ローパスフィルタ１０と総称することもある）は、入力側から順に１または複数個のローパスフィルタごとに段階的にカットオフ周波数ＦＣ_ｎが小さくなるように構成してもよい。

【0042】

このように、ローパスフィルタ１０_ｎのカットオフ周波数ＦＣ_ｎが漸次あるいは段階的に小さくなるように構成することにより、負パルスの場合の立ち下がり（あるいは正パルスの場合の立ち上がり）が急峻な短パルス信号を生成することができる。

【0043】

図２において、第１分岐配線４_ｎと第２分岐配線５_ｎは、寄生容量ＣＰ_ｎとして働き（破線で囲った部分）、カットオフ周波数ＦＣ_ｎを低下させる要因となるので、第１分岐配線４_ｎと第２分岐配線５_ｎの寄生容量を低減する必要がある。

【0044】

＜ＩＣ構成＞
図３は、非線形伝送線路１の平面図である。図３に示すように、例えばガリウムヒ素（ＧａＡｓ）などの半導体からなる基板２の表面２ａ上で、入力端子２１、２２と出力端子３１、３２の間に、第１の主線路１２と第２の主線路１４とが並行して形成されている。第１の主線路１２と第２の主線路１４の間には、ダイオード３が第１および第２分岐配線４、５を介してラダー状に並列に接続されている。非線形伝送線路１は、例えば、ガリウムヒ素の基板２に半導体製造プロセスを用いることによりベアチップＩＣとして製造され、サイズは例えば縦が１．６ｍｍ、横が６ｍｍ程度である。

【0045】

図３に示す非線形伝送線路１は、入力端子２１、２２側から順に、４つの領域Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４が設けられており、第１の主線路１２と第２の主線路１４とのギャップＧ、および隣接するダイオード３の間隔Ｄが、領域ごとに段階的に狭くなっている。領域Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４のうち同一領域では、第１の主線路１２と第２の主線路１４とのギャップＧ、および隣接するダイオード３の間隔Ｄは、同一にしている。

【0046】

本実施形態では、４つの領域Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４が設けられているが、領域の個数はこれに限定されるものではなく、４個より多くてもよく、４個より少なくてもよく、１個でもよい。また、各領域Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４に含まれるダイオード３の個数は、全て同じでもよく、あるいは異なっていてもよく、１または任意の複数にすることができる。

【0047】

本実施形態では、領域Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４において同一の領域では第１の主線路１２と第２の主線路１４とのギャップＧを同一にしているが、これに限定されず、領域内でギャップＧを段階的あるいは漸次狭めてもよい。また、本実施形態では、領域Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４において同一領域では隣接するダイオード３の間隔Ｄを同一にしているが、これに限定されず、領域内で間隔Ｄを段階的あるいは漸次狭めてもよい。

【0048】

本実施形態に係る非線形伝送線路１において、第１分岐配線４および第２分岐配線５の幅Ｗ２は、第１の主線路１２および第２の主線路１４の幅Ｗ１よりも狭い構成であってもよい。この構成により、第１分岐配線４および第２分岐配線５の寄生容量を小さく抑えられる。

【0049】

＜エアーブリッジ＞
図４（ａ）は図３のＡ－Ａ断面図であり、図４（ｂ）は比較のため従来の非線形伝送線路の断面構造を示す模式図である。図４（ａ）に示すように、第１分岐配線４は、少なくとも一部が基板２の表面２ａから浮いて湾曲した例えば円弧状のエアーブリッジ構造（単にエアーブリッジともいう）４ａを有しており、エアーブリッジ構造４ａと基板２との間に空気層１６が形成されている。第１分岐配線４の一端は基板２の表面２ａに固定されるとともに、第１の主線路１２に接続され、他端は基板２の表面２ａに固定されるとともに、ダイオード３のアノード端子に接続されている。

【0050】

同様に、第２分岐配線５は、少なくとも一部が基板２から浮いて湾曲した例えば円弧状のエアーブリッジ構造５ａを有しており、エアーブリッジ構造５ａと基板２の表面２ａとの間に空気層１６が形成されている。第２分岐配線５の一端は基板２の表面２ａに固定されるとともに、第２の主線路１４に接続され、他端は基板２の表面２ａに固定されるとともに、ダイオード３のカソード端子に接続されている。

【0051】

図４（ａ）および図４（ｂ）では、第１分岐配線４と第２分岐配線５との間に電位差があるときの両者の電磁的結合の様子を示すために、電気力線を破線で示している。図４（ａ）の構成は、空気層１６を含んでいるので、図４（ｂ）の構成に比べて電磁的結合が弱くなっており、第１分岐配線４と第２分岐配線５の寄生容量が小さくなることが分かる。

【0052】

上述のとおり、第１分岐配線４とそれに対応する第２分岐配線５との電磁的結合が弱まり、第１分岐配線４とそれに対応する第２分岐配線５の寄生容量を低減することができる。これにより、第１および第２分岐配線４、５の寄生容量がカットオフ周波数に与える影響を抑制することができ、設計通りの所望のカットオフ周波数に正確に設定することができる。したがって、広帯域で周波数特性の優れた非線形伝送線路１を提供することができる。

【0053】

本実施形態では、すべての第１分岐配線４および第２分岐配線５が、基板２の表面２ａから浮いたエアーブリッジ構造４ａおよび５ａを有しているが、この構成に限定されない。すべての第１分岐配線４および第２分岐配線５のうち、少なくとも入力側から所定数個までの範囲の第１分岐配線４および第２分岐配線５が、基板２の表面２ａから浮いたエアーブリッジ構造４ａおよび５ａを有するようにしてもよい。

【0054】

＜変形例１＞
図５は、本発明の変形例に係る非線形伝送線路１Ａについて、図４と同様の位置で見た断面模式図である。図５に示すように、第１分岐配線４Ａは、少なくとも一部が基板２の表面２ａから浮いたエアーブリッジ構造（単にエアーブリッジともいう）４Ａａを有しており、エアーブリッジ構造４Ａａは、基板２の表面に間隔をあけて立設された２つの立脚導体部４Ａｂ、４Ａｃと、２つの立脚導体部４Ａｂ、４Ａｃの上部に架け渡された、基板２の表面２ａに平行なブリッジ導体部４Ａｄとを有して構成され、エアーブリッジ構造４Ａａと基板２の表面２ａとの間に空気層１６が形成されている。立脚導体部４Ａｂの下部は第１の主線路１２に接続され、立脚導体部４Ａｃの下部はダイオード３のアノード端子に接続されている。

【0055】

同様に、第２分岐配線５Ａは、少なくとも一部が基板２の表面２ａから浮いたエアーブリッジ構造５Ａａを有しており、エアーブリッジ構造５Ａａは、基板２の表面２ａに間隔をあけて立設された２つの立脚導体部５Ａｂ、５Ａｃと、２つの立脚導体部５Ａｂ、５Ａｃの上部に架け渡された、基板２の表面２ａに平行なブリッジ導体部５Ａｄとを有して構成され、エアーブリッジ構造５Ａａと基板２の表面２ａとの間に空気層１６が形成されている。立脚導体部５Ａｂの下部は第２の主線路１４に接続され、立脚導体部５Ａｃの下部はダイオード３のカソード端子に接続されている。

【0056】

この構成により、第１分岐配線４Ａとそれに対応する第２分岐配線５Ａとの電磁的結合が弱まり、第１分岐配線４Ａとそれに対応する第２分岐配線５Ａの寄生容量を低減することができる。これにより、第１および第２分岐配線４Ａ、５Ａの寄生容量がカットオフ周波数に与える影響を抑制することができ、設計通りの所望のカットオフ周波数に正確に設定することができる。したがって、周波数特性の優れた非線形伝送線路１Ａを提供することができる。

【0057】

図５に示すエアーブリッジ構造４Ａａおよび５Ａａは、図４（ａ）に示す湾曲したエアーブリッジ構造４ａおよび５ａよりも、空気層１６を大きく取れる点で好ましい。

【0058】

＜変形例２＞
非線形伝送線路１の変形例２を説明する。変形例２に係る非線形伝送線路１の平面形状は、図３に示すものと同じである。上述した第１の実施形態では、すべての領域Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４において、第１分岐配線４と第２分岐配線５が、エアーブリッジ形状を有していたが、変形例２に係る非線形伝送線路１では、すべての第１分岐配線４および第２分岐配線５のうち、少なくとも入力側から所定数個までの範囲の第１分岐配線４および第２分岐配線５は、基板２の表面２ａから浮いたエアーブリッジ構造４ａを有し、残りの第１分岐配線４および第２分岐配線５は、全体が基板２の表面２ａに接して形成されている。

【0059】

具体的には、例えば、入力側から領域Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３における第１分岐配線４と第２分岐配線５は、エアーブリッジ構造を有し、領域Ｓ４における第１分岐配線４と第２分岐配線５は、エアーブリッジ構造を有しておらず、全体が基板２の表面２ａに接して形成されている。

【0060】

上述のように、非線形伝送線路１のカットオフ周波数ＦＣ_ｎはダイオード３_ｎの容量成分Ｃ_ｎと主線路導体ＴＬ_ｎのインダクタンス成分Ｌ_ｎにより、上記（１）式で近似できる。通常、Ｃ_ｎとＬ_ｎは入力側から出力側に向かって徐々にあるいは段階的に小さくなるように設計される。すなわち、入力側のＬ_ｎは大きい値となるため、主線路間の電磁的相互作用を弱めるべく主線路間のギャップＧを広げることが望ましい。そのため、第１および第２分岐線路４、５は長くなるので、入力側ほどエアーブリッジにする効果が高くなる。

【0061】

一方で、出力側のＬ_ｎは小さい値となるため、主線路間のギャップＧを狭めることができ、第１および第２分岐配線４、５を短くできる。そのため、第１および第２分岐配線４、５をエアーブリッジにする効果は、出力側ほど低くなる傾向にある。また、短い配線のエアーブリッジ化自体は可能であるが、そのための製造設備のグレードアップが必要になる場合もあり、その際には費用対効果を考慮する必要もある。

【0062】

そこで、上記構成とすることにより、入力側の所定個数の第１分岐配線４と第２分岐配線５はエアーブリッジにし、残りの出力側の第１分岐配線４と第２分岐配線５は従来配線にするハイブリッド構造とすることにより、電気的特性を満たしつつ製造コストの上昇を抑えることができる。

【0063】

本実施形態では、エアーブリッジにする第１分岐配線４の個数と第２分岐配線５の個数は同一であるが、これに限定されず、エアーブリッジにする第１分岐配線４の個数と第２分岐配線５の個数が異なるようにしてもよい。

【0064】

＜性能＞
次に、本実施形態に係る非線形伝送線路１の性能を調べるために行ったシミュレーション結果を説明する。

【0065】

図６（ａ）は、本実施形態に係る非線形伝送線路１への入力パルス信号を示し、図６（ｂ）は、非線形伝送線路１からの出力パルス信号を示す図である。入力パルス信号は、２０％から８０％までの立ち下がり時間Ｔｆ（２０％／８０％）＝３０ｐｓ、信号電圧Ｖｏｕｔ＝８Ｖｐｐの三角形状のパルス波である。出力パルス信号は、立ち下がり時間Ｔｆ（２０％／８０％）＝１０ｐｓ（圧縮比率：０．３３）、信号電圧Ｖｏｕｔ＝６Ｖｐｐであった。立ち下がり時間の圧縮比率は０．３３となっており、パルス前方部の立ち下がりが急峻になっている。よって、立ち下がりが急峻なパルス幅の圧縮された出力パルス信号が得られることが分かった。

【0066】

図７（ａ）は、本実施形態に係る非線形伝送線路１への入力パルス信号のスペクトラムを示し、図７（ｂ）は、非線形伝送線路１からの出力パルス信号のスペクトラムを示す図である。非線形伝送線路１によるパルス圧縮により、出力パルス信号は、入力パルス信号に比べて、ＤＣから２００ＧＨｚまでの広帯域にて信号の減衰が少なく、比較的均一な周波数特性が得られることが分かった。

【0067】

図８は、本実施形態に係る非線形伝送線路１の透過特性を示す図である。図８において、実線が本実施形態に係る非線形伝送線路１の透過特性を示し、点線はエアーブリッジのない従来の非線形伝送線路の透過特性を示す。本実施形態に係る非線形伝送線路１は、従来のものに比べて、ＤＣから６０ＧＨＺまでの広帯域において、透過特性が向上していることが分かった。

【0068】

［電気短パルス発生装置］
図９は、本実施形態に係る電気短パルス発生装置１００の構成を示すブロック図である。図９に示すように、電気短パルス発生装置１００は、パルス信号を生成するパルス生成部１１０と、生成されたパルス信号のパルス幅を圧縮して短パルス信号を発生させる非線形伝送線路１とを備えている。パルス生成部１１０は、ＳＲＤを用いてパルス信号を生成する従来の構成であってもよい。

【0069】

非線形伝送線路１の出力側に全反射回路を接続し、非線形伝送線路１の入力側に方向性結合器（またはサーキュレータ）を設け、非線形伝送線路１から出力された短パルス信号を全反射回路で全反射させて方向性結合器から取り出すようにしてもよい。

【0070】

［サンプリングオシロスコープ］
図１０は、本実施形態に係るサンプリングオシロスコープ２００の構成を示すブロック図である。図１０に示すように、サンプリングオシロスコープ２００は、周期的に繰り返す被測定信号の波形を観測するために、電気短パルス発生装置１００と、サンプラ２１０と、信号処理部２１２と、表示部２１４とを備えている。本実施形態に係るサンプリングオシロスコープ２００では、電気短パルス発生装置１００により生成された短パルス信号がサンプラ２１０におけるサンプリングに用いられている。

【0071】

サンプラ２１０は、電気短パルス発生装置１００の非線形伝送線路１から出力された短パルス信号をトリガ信号として、被測定信号Ｓ１をサンプリングするようになっている。サンプル点をずらしながら複数回のサンプリング（等価時間サンプリング）を行うことによって、波形全体の情報を取得する。

【0072】

信号処理部２１２は、サンプラ２１０の出力信号Ｓ２に対して、Ａ／Ｄ変換や波形表示に必要な各種の信号処理を行うようになっている。信号処理部２１２の出力信号Ｓ３は、表示部２１４に送られ、被測定信号の波形が表示される。

【0073】

サンプリングオシロスコープ２００は、他にも、波形データ等を記憶する記憶部、各種設定や指示操作等を行うための操作部等を備えている。

【0074】

上述のように、電気短パルス発生装置１００は、本実施形態に従い広帯域で良好な周波数特性、特に優れた透過特性を有する非線形伝送線路１を用いており、パルス幅の短い短パルス信号を発生することができる。本実施形態に係るサンプリングオシロスコープ２００は、電気短パルス発生装置１００により生成されたパルス幅の短い短パルス信号がサンプラ２１０によるサンプリングのトリガ信号として用いられるので、ＤＣから高周波数（例えば８０ＧＨｚ）までの広帯域の信号を精度良く測定することが可能となる。
上述のように、電気短パルス発生装置１００に用いられる本実施形態の非線形伝送線路１は、ＤＣから高周波数までの広帯域で良好な周波数特性、特に優れた透過特性を有している。本実施形態のサンプリングオシロスコープ２００は、このような特性を有する非線形伝送線路１を用いて生成された電気短パルス信号が、サンプラ２１０によるサンプリングのトリガ信号として用いられるので、ＤＣを含め広帯域（例えばＤＣ～８０ＧＨｚ）の信号を精度よく測定することが可能となる。

【0075】

（作用・効果）
上述のように、本実施形態に係る非線形伝送線路１は、すべての第１分岐配線４および第２分岐配線５のうち、少なくとも入力側から所定数個までの範囲の第１分岐配線４および第２分岐配線５が、基板２の表面２ａから浮いたエアーブリッジ構造４ａ、５ａを有するようになっている。この構成により、第１分岐配線４とそれに対応する第２分岐配線５との電磁的結合が弱まり、第１分岐配線４とそれに対応する第２分岐配線５の寄生容量を低減することができる。これにより、第１および第２分岐配線４、５の寄生容量がカットオフ周波数に与える影響を抑制することができ、設計通りの所望のカットオフ周波数を正確に設定することができる。したがって、広帯域で通過特性等の周波数特性が優れた非線形伝送線路１を提供することができる。

【0076】

また、本実施形態に係る非線形伝送線路１において、ダイオード３の相互の間隔Ｄは、入力側から順に１または複数個のダイオード３ごとに段階的に小さくなるように構成されている。この構成により、ローパスフィルタ１０_ｎを構成する主線路導体ＴＬ_ｎの部分の長さが段階的に短くなり、その部分のインダクタンス成分Ｌ_ｎを段階的に小さくすることができる。

【0077】

また、本実施形態に係る非線形伝送線路１において、第１の主線路１２と第２の主線路１４とのギャップＧは、入力側から順に１または複数個のダイオード３ごとに段階的に狭くなるように構成されている。この構成により、第１分岐配線４および第２分岐配線５の長さを段階的に短くすることができ、第１分岐配線４および第２分岐配線５の寄生容量も段階的に小さくしていくことができる。

【0078】

また、本実施形態の非線形伝送線路１において、第１の主線路１２と第２の主線路１４は、第１の主線路１２と第２の主線路１４とのギャップＧが入力側から出力側に向けて漸次狭くなるように、非平行に配置された構成であってもよい。この構成により、寄生容量を生じる第１分岐配線４および第２分岐配線５の長さを漸次短くすることができ、第１分岐配線４および第２分岐配線５の寄生容量も段階的に小さくしていくことができる。

【0079】

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る非線形伝送線路１Ｂについて、図面を参照して説明する。

【0080】

第２の実施形態に係る非線形伝送線路１Ｂは、第１の主線路１２および第２の主線路１４のうち一方が接地され、主線路がシングル型の構成となっている点で、差動型の構成の第１の実施形態とは異なっている。その他の構成は第１の実施形態と同一であり、同一の構成については同一の符号を付し、詳細な説明は適宜省略する。

【0081】

図１１は、第２の実施形態に係る非線形伝送線路１Ｂの概略構成を示す模式図である。図１１に示すように、本実施形態に係る非線形伝送線路１Ｂは、第１の実施形態の第１の主線路１２が接地され、主線路がシングル型の構成となっている。この構成により、非線形伝送線路１Ｂは、シングルエンドの入力パルス信号に対してもパルス幅の圧縮を行うことができる。

【0082】

具体的には、ダイオード３_１，３_２，...，３_Ｎのカソード端子がそれぞれ第２分岐配線５_１，５_２，...，５_Ｎを介して第２の主線路１４に接続され、アノード端子がそれぞれ第１分岐配線４_１，４_２，...，４_Ｎを介してグランド（ＧＮＤ）に接続されている。第２の主線路１４は、入力側から順に、主線路導体８_１，８_２，...，８_Ｎと、主線路導体９_１，９_２，...，９_Ｎとを交互に有している。主線路導体８_ｎと主線路導体９_ｎとを合わせて、主線路導体ＴＬ_ｎと表記する（１≦ｎ≦Ｎ）。

【0083】

ダイオード３_ｎは、容量成分Ｃ_ｎとして働き、主線路導体ＴＬ_ｎはインダクタンス成分Ｌ_ｎとして働く。よって、ダイオード３_ｎと主線路導体ＴＬ_ｎとが、ｎ番目のＬＣフィルタ（ローパスフィルタ１０_ｎ）を構成しており、ローパスフィルタ１０_ｎのカットオフ周波数ＦＣ_ｎは上記（１）式により近似できる。

【0084】

詳細には、非線形伝送線路１Ｂは、主線路導体ＴＬ_ｎのインダクタンス成分Ｌ_ｎとダイオード３_ｎの容量成分Ｃ_ｎによるローパスフィルタ１０_ｎのカットオフ周波数ＦＣ_ｎが等比数列になるように構成されている。すなわち、Ｃ_ｎとＬ_ｎのいずれか一方あるいは両方が入力側から出力側に向かって徐々に小さくなるように構成される。

【0085】

すべての第１分岐配線４および第２分岐配線５のうち、少なくとも入力側から所定数個までの範囲の第１分岐配線４および第２分岐配線５が、基板２の表面２ａから浮いたエアーブリッジ構造４ａ、５ａを有するようになっている。

【0086】

この構成により、第１分岐配線４とそれに対応する第２分岐配線５との電磁的結合が弱まり、第１分岐配線４とそれに対応する第２分岐配線５の寄生容量を低減することができる。これにより、第１および第２分岐配線４、５の寄生容量がカットオフ周波数に与える影響を抑制することができ、設計通りの所望のカットオフ周波数を正確に設定することができる。したがって、広帯域で通過特性等の周波数特性が優れたシングル型の非線形伝送線路１Ｂを提供することができる。

【産業上の利用可能性】

【0087】

以上述べたように、本発明は、ＤＣを含めた広帯域で優れた周波数特性を有するという効果を有し、非線形伝送線路およびそれを用いたサンプリングオシロスコープの全般に有用である。

【符号の説明】

【0088】

１、１Ａ、１Ｂ 非線形伝送線路（ＮＬＴＬ）
２ 基板
２ａ 表面（一面）
３_１～３_Ｎ ダイオード
４_１～４_Ｎ 第１分岐配線
５_１～５_Ｎ 第２分岐配線
６_１～６_Ｎ、７_１～７_Ｎ、８_１～８_Ｎ、９_１～９_Ｎ 主線路導体
１０_１～１０_Ｎ ローパスフィルタ
１２、１４ 主線路
１６ 空気層
２１、２２ 入力端子
３１、３２ 出力端子
１００ 電気短パルス発生装置
１１０ パルス生成部
２００ サンプリングオシロスコープ
２１０ サンプラ
２１２ 信号処理部
２１４ 表示部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】