CN102210060B - 脉冲信号发生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种可实现构造单纯化、高性能化、小型集成化、设计容易化、低耗电化、低成本化的微波/毫米波段的高频脉冲信号发生装置。使内层GND(12)介于表面侧电介质基板(10)和里面侧电介质基板(11)之间的平面放射型振荡器基板(S1)在放射面轴对称地具备一对导体贴片(4、4)，将微波晶体管(1)的栅电极(2)和漏电极(3)分别连接到导体贴片(4、4)上，在栅电极(2)上经由RF扼流电路(5a)供给直流偏置，在漏电极(3)上经由RF扼流电路(5b)从单脉冲发生电路(7)供给单脉冲，在源电极(8)上连接满足振荡条件的阻抗线路(9)，发生基于通过微波晶体管(1)的短时间动作所产生的负阻和谐振腔之构造所决定的振荡频率/频率带宽的高频脉冲信号，同时将其放射至空间。

Description

脉冲信号发生装置
技术领域
本发明涉及发生超宽带(UWB：UltraWideBand)的高频脉冲信号的高频脉冲信号发生装置，特别是涉及在忌讳复杂电路构成的微波/毫米波段的装置中实现构成单纯化、低成本化、高性能化的技术。
背景技术
作为近些年引人注目的通信技术有UWB技术。这一技术尽管使用极宽的频带，功率频谱密度却非常小，所以就有能够共用已经被使用的频率这一优点。另外，还有通过使用数百微微秒以下的短脉冲，能够进行高分辨率的位置检测等优点。
以往的微波/毫米波段UWB技术中的高频脉冲信号发生装置是用传输线路将高频脉冲信号发生器和超宽带天线连接起来的结构(例如参照非专利文献1，非专利文献2、专利文献1)。
非专利文献1：YunHwachoi,“GatedUWBPulseSignal.Generation，”JointwithConferenceonUltrawideband.SystemsandTechnologiesJointUWBST&IWUWBS.2004InternationalWorkshopon,pp.122-124
非专利文献2：IanGresham,“Ultra-WidebandRadarSensorsforShort-RangeVehicularApplications”，MTTVOL.52，No.9，pp.2111-2113，Sep.2004
专利文献1：日本专利公开特表2003-515974号公报
这些非专利文献1、非专利文献2或者专利文献1所记载的高频脉冲信号发生器以如下方法或者这些方法的组合而构成，即借助于超宽带滤波电路仅仅使基带脉冲信号(依照基带信号发生的单脉冲信号或阶跃信号)的频率分量的某部分得以通过的方法；或者进行利用高速RF开关使CW信号振荡电路的输出得以通过/阻止这样进行调制的方法。
另一方面，还提案有：用天线替代传输线路及谐振电路的高频脉冲信号发生装置(例如参照专利文献2、专利文献3)。
专利文献2：日本专利公开特开2004-186726号公报
专利文献3：日本专利公开特开2007-124628号公报
这些专利文献2或者专利文献3所记载的高频脉冲信号发生装置是对作为传输线路及谐振电路的天线进行电荷充电，并利用高速开关等使该电荷急速地进行放电这一方式。通过此急速的放电而发生的高频分量之中、作为谐振电路的天线的谐振频带的频率分量得以放射。
但是，在上述非专利文献1、非专利文献2或者专利文献1所记载的发明中，由于是将高频脉冲信号发生器和超宽带天线用传输线路连接起来的结构，所以除了传输线路的传输损耗成为问题外，对忌讳复杂电路构成的微波毫米波段的装置而言并非所希望的构成。
另外，在上述非专利文献1、非专利文献2或者专利文献1所记载发明的装置构成中，装置内部的滤波器、放大器及RF开关等各种电路分别要求超宽带特性。例如，在用传输线路连接脉冲发生电路和滤波电路时，若各个电路的输入输出反射系数及连接部的反射系数在宽带上不足够小，就会在各个电路间产生多重反射。进而，若各个电路的群延迟特性在宽带上不平坦，就会在脉冲波形上产生失真。因而，这种超宽带电路设计与狭频带电路设计相比就很困难，个个电路全部要求超宽带特性这样的装置就会成为高成本。
而且，在上述非专利文献1、非专利文献2或者专利文献1所记载的发明中，由于是将高频脉冲信号发生器和超宽带天线用传输线路进行连接这一构成，所以从传输线路的阻抗(一般为50Ω)向空间阻抗进行阻抗变换就需要超宽带天线，若该天线的反射系数在超宽带上不足够小，就会在传输线路的连接部产生多重反射。作为持有这种超宽带特性的天线，虽然采用锥形构造非谐振系天线及多谐振系天线，但因锥形构造非谐振系天线的锥形部需要与波长相比较长的尺寸，故不得不变得大型而不利于装置全体的集成化，从群延迟特性的观点来看采用多谐振系天线并不理想，其构造亦易于变得复杂。
再者，如上述非专利文献1、非专利文献2或者专利文献1所记载的发明那样，利用高速RF开关使CW信号振荡电路的输出得以通过/阻止这样进行调制的方法，因不要的CW信号的漏泄本质上存在，故不利于UWB通信的应用。另外，因CW信号振荡电路进行动作，故从消耗电力的观点来看也不利。
另外，专利文献2或者专利文献3所记载的发明，为了使进行放射的高频信号分量得以发生就需要极其高速地进行动作的开关等电路，在开关的驱动器上亦要求高速性，电路易于复杂化。
发明内容
因而，本发明的目的就是提供可实现构造单纯化、高性能化、小型集成化、设计容易化、低耗电化、低成本化的微波/毫米波段的高频脉冲信号发生装置。
为了解决上述课题，技术方案1所涉及的脉冲雷达装置的特征是：使谐振腔与三电极高频放大元件集成化以便发生负阻，并且为了共用向空间放射电磁波的天线功能构成放射型振荡器，通过使上述三电极高频放大元件短时间进行动作而获得短时间的负阻，发生基于该负阻和上述谐振腔之构造所决定的振荡频率/频率带宽的高频脉冲信号，并同时将其向空间放射。
另外，技术方案2所涉及的发明的特征是：在上述技术方案1所记载的脉冲信号发生装置中，上述放射型振荡器的三电极高频放大元件中的三电极是被控制电流流入电极、被控制电流流出电极和控制电极，对被控制电流流入电极或者被控制电流流出电极供给单脉冲信号，将此单脉冲信号自身的电力作为电源电力以获得短时间的负阻。
另外，技术方案3所涉及的发明的特征是：在上述技术方案1所记载的脉冲信号发生装置中，上述放射型振荡器的三电极高频放大元件中的三电极是被控制电流流入电极、被控制电流流出电极和控制电极，通过对被控制电流流入电极或者被控制电流流出电极供给直流，并对控制电极供给单脉冲信号，以流过短时间的被控制电流并获得短时间的负阻。
另外，技术方案4所涉及的发明的特征是：在上述技术方案2或者技术方案3所记载的脉冲信号发生装置中，在上述放射型振荡器上将单脉冲信号发生电路集成化。
另外，技术方案5所涉及的发明的特征是：在上述技术方案1～技术方案4所记载的脉冲信号发生装置中，具备：频率选择性滤波部件，从上述放射型振荡器的放射面隔开适宜距离进行配置，对所要频率的电波有选择性地进行滤波。
另外，技术方案6所涉及的发明的特征是：在上述技术方案1～技术方案5所记载的脉冲信号发生装置中，在上述放射型振荡器的放射方向一侧设置了防止频率低于所放射的高频脉冲信号的频率的不要信号分量漏泄的接地导体构造。
根据技术方案1所涉及的发明，由于使谐振腔与三电极高频放大元件集成化以便发生负阻，并且为了共用向空间放射电磁波的天线功能构成放射型振荡器，通过使上述三电极高频放大元件短时间进行动作而获得短时间的负阻，发生基于此负阻和上述谐振腔之构造所决定的振荡频率/频率带宽的高频脉冲信号，同时向空间进行放射，所以构造单纯，设计简易，容易小型集成化、低成本化。这一单纯构造之类的特征，在抑制特性差异、确保制造上的高成品率方面很有利，在确保高可靠性方面亦很有利。特别是，在需要精密且细微的薄膜加工技术的毫米波段装置的制造中，装置为单纯构造这一点在品质管理上会非常有利。
另外，由于是振荡器和天线浑然一体的构成，所以高频脉冲信号在发生的同时就放射至空间，因不存在对天线进行馈电用传输线路故不存在传输损耗，DC/RF变换效率较高而低耗电。进而，因进行振荡的是极短时间，故晶体管以间歇动作流过短时间的电流，所以是低耗电。
进而，技术方案1所涉及的脉冲信号发生装置，由于在原理上不会有在放射UWB频谱的中心出现CW信号的漏泄(单一频谱)这一情况，所以就有能够有效利用法律所规定的UWB通信频谱模板内的频带之类的优点。
再者，在通过谐振器或滤波电路选出开关电路所造成的急速放电或者基带脉冲信号的频率分量的某部分，使高频脉冲信号发生这样构成的现有脉冲信号发生装置中，就需要在该急速放电或者基带脉冲信号自身预先包含所放射的高频信号分量，所以在开关电路及基带脉冲信号发生电路上就要求超高速性而成为高成本，相对于此，技术方案1所涉及的脉冲信号发生装置就不需要预先包含所放射的高频信号分量的急速放电及基带脉冲信号，所以设计性较好、有利于低成本化。
根据以上优点，技术方案1所涉及的脉冲信号发生装置与以现有技术构成同功能的装置这一情况相比，就能够有效果地实现单纯构造、高性能、小型集成、低耗电、低成本。
另外，根据技术方案2所涉及的发明，由于上述放射型振荡器的三电极高频放大元件中的三电极是被控制电流流入电极、被控制电流流出电极和控制电极，在被控制电流流入电极或者被控制电流流出电极上供给单脉冲信号，将此单脉冲信号自身的电力作为电源电力以获得短时间的负阻，所以就无需用于使负阻发生的电源，能够以简易的构成比较廉价地实现脉冲信号发生装置。
另外，根据技术方案3所涉及的发明，由于上述放射型振荡器的三电极高频放大元件中的三电极是被控制电流流入电极、被控制电流流出电极和控制电极，通过在被控制电流流入电极或者被控制电流流出电极上供给直流，并在控制电极上供给单脉冲信号，以流过短时间的被控制电流并获得短时间的负阻，所以还能够采用负载驱动能力较小的电路作为单脉冲信号发生电路，能够以简易的构成比较廉价地实现脉冲信号发生装置。
另外，根据技术方案4所涉及的发明，由于将单脉冲信号发生电路集成化在上述放射型振荡器上，所以就易于回避放射型振荡器和单脉冲信号发生电路之间的多重反射的问题，能够以简易的构成比较廉价地实现脉冲信号发生装置。
另外，根据技术方案5所涉及的发明，由于具备从上述放射型振荡器的放射面隔开适宜距离进行配置，对所要频率的电波有选择性地进行滤波的频率选择性滤波部件，所以就能够防止不要的信号的辐射，另外，由于能够选择所希望的高次谐波频率分量进行放射，所以就能够获得更高品质的放射信号。
另外，根据技术方案6所涉及的发明，由于在上述放射型振荡器的放射方向一侧设置了防止频率低于所放射的高频脉冲信号的频率的不要信号分量漏泄的接地导体构造，所以就能够防止基带信号及基带脉冲信号分量的漏泄、不要信号的辐射，并能够获得更高品质的放射信号。
附图说明
图1是本发明第1实施方式所涉及的脉冲信号发生装置中的放射型振荡器基板之示意图。
图2是放射型振荡器中的导体贴片以及微波晶体管之构成说明图。
图3是对通过本发明所涉及的脉冲信号发生装置发生放射的高频脉冲信号进行了实测的波形图。
图4是对第1实施方式所涉及的脉冲信号发生装置中的放射型振荡器基板等价地进行了改变的示意图。
图5是本发明第2实施方式所涉及的脉冲信号发生装置中的放射型振荡器基板之示意图。
图6是对第2实施方式所涉及的脉冲信号发生装置中的放射型振荡器基板等价地进行了改变的示意图。
图7是可应用于本发明的谐振腔的第1构成例之示意图。
图8是可应用于本发明的谐振腔的第2构成例之示意图。
图9是可应用于本发明的谐振腔的第3构成例之示意图。
图10是可应用于本发明的谐振腔的第4构成例之示意图。
图11是可应用于本发明的谐振腔的第5构成例之示意图。
图12是可应用于本发明的谐振腔的第6构成例之示意图。
图13是可应用于本发明的谐振腔的第7构成例之示意图。
图14是可应用于本发明的谐振腔的第8构成例之示意图。
图15是可应用于本发明的谐振腔的第9构成例之示意图。
图16是可应用于本发明的谐振腔的第10构成例之示意图。
图17是可应用于本发明的谐振腔的第11构成例之示意图。
图18是可应用于本发明的谐振腔的第12构成例之示意图。
图19是本发明第3实施方式所涉及的脉冲信号发生装置之概略构成图。
图20是本发明第4实施方式所涉及的脉冲信号发生装置之概略构成图。
图21是本发明第5实施方式所涉及的脉冲信号发生装置之概略构成图。
图22是本发明第6实施方式所涉及的脉冲信号发生装置之概略构成图。
具体实施方式
接着，基于附图就本发明所涉及的脉冲信号发生装置之实施方式进行说明。
图1表示第1实施方式所涉及的脉冲信号发生装置(漏极驱动型高频脉冲信号发生装置)之概略构成，此脉冲信号发生装置由放射型振荡器基板S1和对它供给基带信号的信号源(图示省略)以及进行直流偏置馈电的电源装置(图示省略)所构成。
这里，放射型振荡器基板S1作为“使谐振腔与三电极高频放大元件集成化以便发生负阻，并且共用空间放射电磁波的天线功能的放射型振荡器”而发挥功能。另外，三电极高频放大元件是通过根据较小的电压或者电流来控制较大的电流来实现放大功能的元件，包含单体晶体管元件及使用多个单体晶体管所构成的元件，并且并不限于可用单体进行操作的零件还包含通过半导体工艺在半导体晶片上制作进来的零件。此三电极高频放大元件中的控制电极是施加控制电压、使控制电流进行流入(或者流出)的电极，相当于栅极或基极。另外，被控制电流流入电极是被控制的电流流入的电极，被控制电流流出电极是被控制的电流流出的电极，依照元件构造是N型还是P型或者是NPN型还是PNP型，一方相当于漏极或集电极，另一方相当于源极或发射极。
放射型振荡器基板S1使用三层基板构成了必要的电路，该三层基板是使作为接地导体层的内层GND12介于表面侧电介质基板10和里面侧电介质基板11之间。具体而言，用表面和内层GND12构成放射型振荡器的RF电路部，并用内层GND12和里面构成RF扼流电路以及基带电路。另外，单脉冲发生电路7被集成化于里面侧电介质基板11一侧。此外，图1(a)表示放射型振荡器基板S1的平面(表面侧电介质基板10的表面)，图1(b)表示放射型振荡器基板S1的概略纵截面构造，图1(c)表示放射型振荡器基板S1的底面(里面侧电介质基板11的里面)。
在表面侧电介质基板10的表面侧以轴对称设置一对导体贴片4、4而形成放射面，并且将配置在这些一对导体贴片4、4之间的作为三电极高频放大元件的高频晶体管1的控制电极即栅电极2以及被控制电流流入电极即漏电极3分别连接到导体贴片4、4，在栅电极2上连接着栅极直流Bias电压供给用的RF扼流电路5a。在此RF扼流电路5a上经由直流栅极电压供给端子15从省略了图示的直流电源进行馈电。另外，在漏电极3上连接着导体贴片4以及单脉冲信号供给用的RF扼流电路5b。在RF扼流电路5b和基带信号输入端子6之间串联连接着单脉冲发生电路7(例如由高速逻辑IC或开关构成)。单脉冲发生电路7的GND用通孔17连接到内层GND12。在高频晶体管1的被控制电流流出电极即源电极8上连接着满足振荡条件的阻抗线路9，并通孔接地到内层GND12。然后，高频晶体管1、导体贴片4及RF扼流电路5a、5b的一部分和阻抗线路9构成在表面侧电介质基板10的表面(高频脉冲放射侧一面)，RF扼流电路5a、5b的剩余部分和单脉冲发生电路7构成在里面侧电介质基板11的里面。在RF扼流电路5a、5b上包含通孔部13。
这里，导体贴片4作为谐振器、天线而发挥功能，并且构成反馈电路。通过设定此导体贴片4的面积/形状等和向上述高频晶体管进行馈电而实现振荡放射RF信号的放射型振荡器。
图2表示一对轴对称的导体贴片4，各导体贴片4具备被连接到高频晶体管1的栅电极2或者漏电极3上的等倾斜角的尖锐部，这些尖锐部相互接近配置，设宽度w经此尖锐部变得相等的平行部的长度为D，设一对导体贴片4从一端到另一方的全体长度(全长)为L。
在如此构成的导体贴片4中，通过调整高频晶体管1的栅电极2或者漏电极3连接的尖锐部的扩展角θ，就能够调整高频晶体管1和谐振器的耦合强度，另外，通过适宜地选择全长L、宽度W、平行部的长度D，就获得振荡条件设定所需要的诸条件的选择自由度。另外，虽然省略了图示，但通过使导体贴片4和内层GND12之间隔h(实质上为表面侧电介质基板10的厚度)设定在振荡波长λ的1/15～1/5倍之间，就能够确保稳定的振荡状态。此外，导体贴片4的构成并不特别进行限定，只要能够用表面侧电介质基板10以及内层GND12构成适合于振荡RF信号的谐振腔，则不管怎样的构造都可以。关于谐振腔的改变例在后面进行说明。
为了使如上述那样构成的放射型振荡器基板S1进行动作，在直流栅极电压供给端子15施加适当的直流偏压，并在基带信号输入端子6输入用于使单脉冲发生电路7进行动作的基带信号。来自单脉冲发生电路7的单脉冲输出信号通过RF扼流电路5b被输入到高频晶体管1的漏电极3，单脉冲输出信号自身就成为电源电压，短时间产生由高频晶体管1产生的负阻。以取决于该短时间的负阻、导体贴片4和表面侧电介质基板10之构造的频率、带宽，进行短时间的RF带振荡放射、亦即高频脉冲信号的发生放射。
此外，还可以在漏电极3输入单脉冲信号的期间，如果振荡条件满足则无需从外部电源供给在直流栅极电压供给端子15上施加的直流偏压，而是通过自给偏压来进行施加。例如，如果该栅极的偏压为0[V]并满足振荡条件，只要将直流栅极电压供给端子15与内层GND等进行电连接并在栅极上施加0[V]，就不用直流偏置馈电用的电源。
在上述单脉冲信号的波形上并无特别限制，无论是矩形波形还是高斯波形还是三角波形都可以。另外，在其波形的上升时间上就无需高速性。例如，在考虑三角波形的情况下，就不需要在该三角波形信号中包含放射的高频信号分量。在考虑该三角波形从谷底向波峰顶点的上升的情况下，只要在较该顶点稍微靠前满足振荡条件，并在该顶点稍微靠后脱离振荡条件，纵使上升时间变大也可以。这是因为放射的高频信号分量基于上述负阻和上述谐振腔之构造的缘故。
图3表示实际制作本实施方式所涉及的X带脉冲信号发生装置，并对使其发生放射的高频脉冲信号进行了实测的波形图。图3所示的信号脉宽为约600微微秒。
这样，本实施方式所涉及的脉冲信号发生装置就是单纯构造，在抑制特性差异、确保制造上的高成品率方面很有利，在确保高可靠性方面亦很有利。特别是，在需要精密且细微的薄膜加工技术的毫米波段装置的制造中，装置为单纯构造这一点在品质管理上会非常有利。
另外，由于波源自身作为天线进行动作，所以就无需在波源和天线之间考虑阻抗匹配、频带限制及群延迟，就可以在波源存在的时点，确保波源和自由空间的超宽带匹配，以进行劣化较少的高频脉冲信号的发生放射。
另外，由于易于较低地设定谐振腔的Q并能够对应极短脉宽的高频脉冲信号发生放射，所以适合于高性能的UWB装置的实现。在应用于UWB通信装置的情况下，较短脉宽的高频脉冲信号有利于高传输速率通信。在应用于脉冲式UWB雷达装置的情况下，较短脉宽的高频脉冲信号有利于高分辨率距离探测。
另外，因不存在对天线进行馈电用传输线路，故不存在传输损耗，DC/RF变换效率较高而低耗电。进而，因进行振荡的是极短时间，晶体管以间歇动作流过短时间的电流，故成为超低耗电，所以在对蓄电池动作的便携设备进行应用时尤其有利。
进而，在以往的将CW信号振荡电路和高速RF开关组合起来使高频脉冲信号发生这样构成的脉冲信号发生装置中，因CW信号振荡电路进行动作故在放射UWB频谱的中心会出现CW信号的漏泄(单一频谱)这一点就成为问题，相对于此，本发明所涉及的脉冲信号发生装置在原理上不会有出现这种CW信号的漏泄，所以就有能够有效利用法律所规定的UWB通信频谱模板内的频带之类的优点。
另外，在通过谐振器或滤波电路选出开关电路所造成的急速放电或者基带脉冲信号的频率分量的某部分，使高频脉冲信号发生这样构成的脉冲信号放射装置中，就需要在该急速放电或者基带脉冲信号自身预先包含所放射的高频信号分量。因而，在开关电路及基带脉冲信号发生电路上就要求超高速性而成为高成本，相对于此，本发明所涉及的脉冲信号发生装置就不需要预先包含所放射的高频信号分量的急速放电及基带脉冲信号，所以设计性较好、有利于低成本化。
这样，本实施方式所涉及的脉冲信号发生装置就能够使用构造单纯的放射型振荡器而构成，可以实现高性能化、小型集成化、设计性容易化、低耗电化、低成本化。
此外，还可以如图4所示的放射型振荡器基板S1′那样，将单脉冲发生电路7连接到源电极8上，以便对被控制电流流出电极即源电极8供给单脉冲信号。在此情况下，如果从单脉冲发生电路7输出负的单脉冲信号，则接地电位仅仅是从源电极变成漏电极，只是基准电位不同而已，所以作为脉冲信号发生装置进行相同的动作。另外，供给单脉冲信号的电极根据作为三电极高频放大元件的晶体管是N型还是P型或者是NPN型还是PNP型进行适宜选择即可。
接着，基于图5说明第2实施方式所涉及的脉冲信号发生装置(栅极驱动型高频脉冲信号发生装置)。
本实施方式的脉冲信号发生装置由放射型振荡器基板S2和对它供给基带信号的信号源(图示省略)、进行直流偏置馈电的电源装置(图示省略)所构成。另外，本实施方式的脉冲信号发生装置的放射型振荡器基板S2使用三层基板构成了必要的电路，该三层基板是使作为接地导体层的内层GND12介于表面侧电介质基板10和里面侧电介质基板11之间，并用表面和内层GND12构成放射型振荡器的RF电路部，用内层GND12和里面构成RF扼流电路以及基带电路。此外，图5(a)表示放射型振荡器基板S2的平面(表面侧电介质基板10的表面)，图5(b)表示放射型振荡器基板S2的概略纵截面构造，图5(c)表示放射型振荡器基板S2的底面(里面侧电介质基板11的里面)。
在高频晶体管1的栅电极2上连接着导体贴片4以及单脉冲信号供给用的RF扼流电路5a。在高频晶体管1的漏电极3上连接着导体贴片4以及漏极电压供给用的RF扼流电路5b。在此RF扼流电路5b上经由直流漏极供给端子18从省略了图示的直流电源进行馈电。在RF扼流电路5a和基带信号输入端子6之间串联连接着单脉冲发生电路7。在高频晶体管1的源电极8上连接着满足振荡条件的阻抗线路9并接地。高频晶体管1、导体贴片4及RF扼流电路5a、5b的一部分和阻抗线路9构成在表面侧电介质基板10的表面(高频脉冲放射侧一面)，RF扼流电路5a、5b的剩余部分和单脉冲发生电路7构成在里面侧电介质基板11的里面。在RF扼流电路5a、5b上包含通孔部13。
为了使如上述那样构成的放射型振荡器基板S2进行动作，在直流漏极电压供给端子18上施加适当的直流电压，并在基带信号输入端子6上输入用于使单脉冲发生电路7进行动作的基带信号。来自单脉冲发生电路7的单脉冲输出信号通过RF扼流电路5a被输入到高频晶体管1的栅电极2，通过该单脉冲信号使栅极短时间打开而流过短时间的漏极电流，短时间产生由高频晶体管1产生的负阻。以取决于该短时间的负阻、导体贴片4和表侧电介质基板10之构造的频率、带宽，进行短时间的RF带振荡放射、亦即高频脉冲信号的发生放射。
此外，在本实施方式中，由于通过单脉冲信号电压使高频晶体管1的栅极打开，所以就需要设定适当的偏压以便在无信号时(某单脉冲和下一单脉冲之间的时间)使栅极成为关闭的状态(夹断：pitchoff)。
对上述单脉冲信号的波形并无特别限制，无论是矩形波形还是高斯波形还是三角波形都可以。另外，在其波形的上升时间上就无需高速性。例如，在考虑三角波形的情况下，就不需要在该三角波形信号中包含所放射的高频信号分量。在考虑该三角波形从谷底向波峰顶点的上升的情况下，只要在较该顶点稍微靠前满足振荡条件，并在该顶点稍微靠后脱离振荡条件，纵使上升时间变大也可以。这是因为所放射的高频信号分量基于上述负阻和上述谐振腔之构造的缘故。
这样，本实施方式所涉及的脉冲信号发生装置只要可对于高频晶体管1进行栅极的开闭控制即可，所以与上述第1实施方式相比，就能够采用低输出功率、低驱动能力的单脉冲发生电路，能够以简易的构成比较廉价地实现脉冲信号发生装置。
此外，还可以如图6所示的放射型振荡器基板S2′那样，在被控制电流流出电极即源电极8上供给直流。在此情况下，只要在源电极上供给负的直流电压，则仅仅是接地电位从源电极变成漏电极，只是基准电位不同而已，所以作为脉冲信号发生装置进行相同的动作。另外，供给直流的电极根据作为三电极高频放大元件的晶体管是N型还是P型或者是NPN型还是PNP型进行适宜选择即可。
另外，在上述各实施方式所涉及的脉冲信号发生装置中，用于构成放射型振荡器的用作三电极高频放大元件的高频晶体管1是包含MOS-FET的IG-FET(InsulatedGateFET)、HEMT(HighElectronMobilityTransistor)、MESFET(Metal-SemiconductorFET)等场效应晶体管(FET：FieldEffectTransistor)、或者HBT(Hetero-junctionBipolarTransistor)等双极晶体管(BJT：BipolarJunctionTransistor)等，只要具有通过较小的电压或者电流来控制较大的电流的放大功能，其种类并不特别进行限定。
进而，三电极高频放大元件的内部构造亦不特别进行限定，还可以是诸如达林顿连接式晶体管或级联连接式晶体管那样的将多个单体晶体管组合起来的构造的元件。例如，在采用达林顿连接式晶体管的情况下，就有获得用单体晶体管无法实现的较高电流放大率之类的优点。
另外，上述各实施方式所涉及的脉冲信号发生装置既可以用HMIC(混合微波集成电路：hybridmicrowaveintegratedcircuit)来实现，也可以用MMIC(单片微波集成电路：MonolithicMicrowaveintegratedcircuit)来实现。另外，还可以用采用了LTCC(LoWTemperatureCo-firedCeramics)等的三维形态的集成电路来实现。亦即、还可以无需如第1～第2实施方式所示的放射型振荡器基板S1～S2那样将独立的零件即高频晶体管1搭载至基板上，而是与谐振腔(导体贴片等)一起通过同一半导体工艺在半导体晶片上将三电极高频放大元件以单片方式制作进来。特别是，因毫米波段电波其波长较短故谐振腔的尺寸亦较小，所以如果将三电极高频放大元件以单片形态(MMIC)制作进来，就能够谋求更加小型/轻量化，还具有能够通过高精度的半导体工艺技术以高品位实现高生产性之类的优点。
另外，在上述各实施方式所涉及的脉冲信号发生装置中，虽然RF扼流电路的功能在于防止RF信号泄漏到直流电源侧或单脉冲发生电路7侧，但纵使RF信号泄漏，只要能够通过高频晶体管1获得超过该泄漏所造成的损耗的负阻，放射型振荡器就可以进行动作。因而，即便通过未设置RF扼流电路的放射型振荡器来构成本发明，也能够实现脉冲信号发生装置。另外，如果单脉冲发生电路7自身在RF带是高阻抗的电路，就能够使单脉冲发生电路7和放射型振荡器直接集成化，不需要RF扼流电路。另外，亦无需为了构成RF扼流电路而采用三层基板构造的放射型振荡器基板。
另外，作为上述各实施方式中的放射型振荡器的单脉冲发生电路7，除高速逻辑IC及开关以外还能够用基于StepRecoveryDiode(SRD)或NonlinearTransmissionLine(NLTL)的电路等来构成。由SRD或NLTL所构成的单脉冲发生电路能够不要直流电源，所以如果通过使高频晶体管1自给偏压化等还省略栅极偏压的供给，就能够实现不存在直流电源地进行动作的高频脉冲信号发生装置。此时的脉冲信号发生装置，尽管直流电源和局部振荡器都不存在，但仍是如从基带信号向RF带高频脉冲信号变换信号的升频变频器一样的动作，单纯且使用方便的构成。
另外，虽然在上述各实施方式所涉及的脉冲信号发生装置中，在放射型振荡器基板S上具备一对大致扇形导体贴片4，但构成谐振腔的导体贴片的形状并不特别进行限定，并非必须是一对轴对称的导体贴片。以下，就可以应用于本发明的导体贴片之改变例进行说明。
图7是以轴对称设置了一对矩形导体贴片4a的第1改变例，图8是以轴对称设置了一对矩形导体贴片4b的第2改变例，图9是以轴对称设置了一对圆形导体贴片4c的第3改变例。除此以外，还可以是三角形等多边形、椭圆形、扇形等导体贴片。在图7～图9中用箭头E表示电场朝向以表示主要偏振面。GND导体面255对导体贴片4a～4c而言相当于内层GND12。电介质基板259对导体贴片4a～4c而言相当于表面侧电介质基板10。虽然导体贴片4a～4c以及GND导体面255、电介质基板259构成谐振腔，构成用于振荡动作的反馈电路的一部分，但只要恰当地获得该反馈，就未必需要设置电介质基板259及GND导体面255。例如，如果通过钣金加工来制作导体贴片并具有保持该导体贴片板的机构，则电介质基板259的部分还可以为中空。另外，还可以如图10所示的第4改变例那样，在导体贴片4b上搭载用于促进上述反馈的芯片电容器等反馈用零件248。此外，无GND导体面255时的放射在导体贴片板的两面方向进行。
图11所示的第5改变例是在大致扇形状的导体贴片4、4的周围设置GND导体面256和将该GND导体面256与GND导体面255进行连接的通孔35，以防止信号在电介质基板259内部进行传送从基板一端泄漏出去而成为损耗的例子。如果适当地设定GND导体面256的尺寸/形状，就能够取代信号在电介质基板259内部进行传送，将该损耗部分的信号能量作为本来的放射能量进行利用。
图12所示的是通过矩形导体贴片4d、4d和与这些导体贴片4d、4d保持适宜的空隙244进行配置的接地导体面256d而构成振荡用的谐振腔的第6改变例。
图13所示的是在高频晶体管1上所连接的矩形导体贴片4e1、4e1的附近，设置与高频晶体管1不连接的矩形导体贴片4e2、4e2，并将导体贴片4e1与导体贴片4e2之间以及与接地导体面256e用空隙244e进行隔开，构成了振荡用的谐振腔的第7改变例。
图14所示的是通过半椭圆状的导体贴片4f、4f和与这些导体贴片4f、4f保持适宜的空隙244f进行配置的接地导体面256f而构成振荡用的谐振腔的第8改变例。此空隙244f的宽度依照位置而变化以满足振荡条件。
导体贴片以及空隙的形状并非限定于上述图11～图14所示的构成例，只要满足振荡条件，则不管怎样的构成都可以应用于本发明。另外，虽然导体贴片以及空隙、GND导体面、电介质基板构成用于振荡动作的反馈电路的一部分，但只要恰当地获得该反馈，就未必需要设置电介质基板259、GND导体面255。此外，无GND导体面255时的放射在导体贴片面的两侧方向进行。
图15所示的是通过隙缝245和接地导体面256而构成振荡用的谐振腔的第9改变例。此隙缝245相对于图7所例示的矩形导体贴片4a处于补对关系并满足振荡条件。当然，只要满足振荡条件则隙缝245的形状并不特别进行限定。在本构成例中，为了在高频晶体管1的栅极和漏极上施加不同的直流偏压，设置将栅极和漏极在直流上进行分离并在高频下使其导通的电容耦合部246。此电容耦合部246能够采用基于间隙的电容及MIM(Metal-Insulator-Metal)电容、电容器零件等而实现，未必需要设置电介质基板259及GND导体面255。此外，无GND导体面255时的放射在导体贴片面的两侧方向进行。
虽然上述的导体贴片的改变例都是表示相对于高频晶体管1对称地设置一对导体贴片的例子，但也可以采用非对称形状的导体贴片。
图16所示的是非对称地构成矩形第1导体贴片4g1和矩形第2导体贴片4g2的第10改变例。即便这样使第1导体贴片4g1和第2导体贴片4g2为非对称形状，因谐振频率基本上取决于导体贴片部全体的尺寸(图16(a)中L所示)，故只要满足振荡条件，就可以作为天线和振荡电路浑然一体类型的放射型振荡器使其进行动作。
图17所示的是通过大致半圆形导体贴片4h、4h和与这些导体贴片4h、4h保持适宜的空隙244h进行配置的接地导体面256h，而在放射面一侧形成环形隙缝型天线，并构成振荡用的谐振腔的第11改变例。
图18所示的是在矩形导体贴片4i、4i的周边适宜地配置与高频晶体管1不连接的导体贴片247，可以控制放射定向性的第12改变例。通过适宜设定导体贴片4i、4i和导体贴片247的位置关系及尺寸关系，就能够使其进行例如八木天线(波道式天线)那样的动作。
接着，基于图19说明第3实施方式所涉及的脉冲信号发生装置。本实施方式的脉冲信号发生装置是在放射型振荡器基板S3(与上述放射型振荡器基板S1、S1′、S2、S2′相同的高频脉冲振荡/放射构造，其动作亦同)上具备作为频率选择性滤波部件的频率选择性平面(FSS：FrequencySelectiveSurface)。另外，还具备用于防止频率低于所放射的高频脉冲信号频率的不要信号分量(例如基带信号分量、单脉冲信号分量)漏泄的接地导体构造。
在放射型振荡器基板S3的放射方向一侧配置将低通滤波器图案30在内面(与放射型振荡器基板S3的放射面相对的面)侧进行布图的FSS基板31，并通过作为接地导体构造的金属导体构造物32a从放射面隔开适宜距离进行支撑。放射型振荡器基板S3如图11所示的第5改变例那样以包围导体贴片4周围的方式设置接地导体全面图案33，此接地导体全面图案33用通孔34与内层GND连接起来。此外，通孔34以比波长充分短的间隔在导体贴片的周围配置多个。
上述金属导体构造物32a经由接地导体全面图案33与内层GND电接触，对直流乃至比较低的频率而言，金属导体构造物32a作为本装置的框架地线(本装置全体的基本接地导体)发挥功能。另外，金属导体构造物32a形成从放射型振荡器基板S3的放射面一侧朝向FSS基板31进行扩径的喇叭形状的放射空腔部，以使高频脉冲信号的放射定向性变得尖锐。亦即、金属导体构造物32a兼顾放射定向性的尖锐化功能和作为框架地线的功能。
这样，在具备FSS基板31和金属导体构造物32a的本实施方式的高频脉冲信号发生装置中，能够使所发生的高频脉冲信号的不要高次谐波频率分量在以低通滤波器图案30所形成的FSS基板31进行衰减。进而，欲从导体贴片4漏泄的基带信号以及单脉冲信号分量(从直流到比较低的频率分量)的电磁场在导体贴片4和框架地线之间被关闭起来不至于被放射。此外，在基带信号以及单脉冲信号的频率分量相对于高频脉冲信号的频率分量而言充分低的情况下，即便拆除金属导体构造物32a仅仅用接地导体全面图案33和内层GND构成框架地线，也具有防止漏泄的功能。
另外，本实施方式的高频脉冲信号发生装置是通过FSS基板31、金属导体构造物32a和放射型振荡器基板S3将高频晶体管1和导体贴片4、4的部分包围进来的形态，能够将RF电路部与外部空气进行隔离。据此，就使FSS基板31、金属导体构造物32a和放射型振荡器基板S3作为本装置的气密罩壳的一部分，能够防止外部环境所引起的性能劣化。
另外，若不是如金属导体构造物32a那样使放射空腔部朝向放射方向进行扩径的喇叭形状，而是如图20所示的金属导体构造物32b那样采用直线管状(第4实施方式)，或者如图21报示的金属导体构造物32c那样朝向放射方向进行缩径的形状(第5实施方式)，并设定其口径的尺寸以使基带信号以及单脉冲信号的频率分量截止，就能够防止基带信号以及单脉冲信号的不要漏泄。设定成截止就是采用口径尺寸以便低于波导管之处的截止频率(低域截止频率)，截止频率就是电磁波变得无法沿管轴方向在管内行进的分界点频率。这种低通滤波器是简易的构造，而且还具备频率选择性滤波部件的功能和基于接地导体构造的不要信号漏泄防止部件的功能。
另外，还能够对设置于FSS基板31上的电路图案进行适宜设定，使所发生的高频脉冲信号的基本波频率分量进行衰减，使任意的高次谐波频率分量有选择性地透过并进行放射。通过这样不是将高次谐波频率分量作为不要信号而是积极地进行利用，就能够实现即便采用fmax(最大振荡频率)较小的低成本/低性能的晶体管，也可实现频率比较高的脉冲信号放射的装置。此外，在采用高次谐波频率分量的高频脉冲信号发生装置中，尽管与采用基本波频率分量的情况相比放射电力变得微弱，却能够作为近距离通信或近距离传感器的信号源进行利用。
此外，虽然在本实施方式中在FSS基板31上对FSS图案面进行布图而实现作为频率选择性滤波部件的FSS，但只要能够保持FSS图案面就不特别需要基板。
另外，采用FSS以外的频率选择性滤波部件的第6实施方式的脉冲信号发生装置如图22那样配置了波导管滤波器40。
波导管滤波器40具备：将放射型振荡器的放射波变换成波导管的传输波的变换部41；用虹膜板等波导管电路所构成的滤波器42；通过该滤波器42选出所希望的RF频带使其通过或者衰减并使已通过的信号进行放射的喇叭形天线43。此外，变换部41是例如借助于锥形状构造使管的粗细徐徐进行变化直到所希望大小的波导管口为止，假如放射型振荡器基板S3的导体贴片4是小于所希望大大的波导管口的尺寸就无需锥形状构造，只要是能够将来自放射型振荡器基板S3的放射波高效率地变换成波导管的传输波的构造即可。
以上，基于若干实施方式就本发明所涉及的脉冲信号发生装置进行了说明，但本发明并非仅仅限定于这些实施方式，只要不变更权利要求范围所记载的构成则作为权利范围包涵可以实现的全部脉冲信号发生装置。
起到上述特征性效果的本发明的脉冲信号发生装置若在UWB通信系统、UWB车载传感器(雷达)系统、用于防犯/医疗/看护等的UWB电波监视器系统、UWB有源成像阵列等使用，就能够发挥上述优点。特别是，在零件成本较高、因传输损耗增加或设备性能而成为低电力效率的毫米波段的系统中预计有较大的优越性。此外，在应用于这些系统时，如果使本发明的脉冲信号发生装置还作为Self-Oscillating降频变频混频器进行动作，就能够用同一装置实现脉冲式UWB发射机和UWB接收机、UWB传感器装置。例如，若作为发射机通过任意的基带信号以任意的定时使高频脉冲信号列进行发生放射，作为接收机在自外部到来的高频脉冲信号入射到本装置时发生相当于本地信号的高频脉冲信号，就能够实现仅仅在定时吻合时被降频变频(脉宽时间内的Mixing动作)的信噪比良好的UWB收发机、UWB传感器装置。为了使放射定向性变得尖锐，考虑在本装置的放射方向一侧设置喇叭形构造以确保所希望的开口的方法，和在放射Patch或者Slot附近的放射方向一侧控制波面的电介质透镜等方法。
上述UWB通信系统是在家庭或办公室环境的PC及周边设备、AV设备、便携式终端等中搭载用本发明所涉及的脉冲信号发生装置而构成的脉冲式UWB收发机，并进行各个设备间的数据通信这一系统。本系统与采用了以往的UWB收发机的系统相比，能够以低成本进行设备间的无电缆化。另外，由于是低耗电，所以在搭载于通过蓄电池进行动作的笔记本PC等的便携式设备的情况下尤其有利。
上述车载传感器系统是在车体的前后左右搭载多个用本发明所涉及的脉冲信号发生装置而构成的UWB传感器装置，并分别使其进行适当的调制动作等，对由该多个用脉冲信号发生装置所构成的UWB传感器装置之中的任意装置所获得的IF信号的相位信息及延迟时间差等综合地进行信号处理、信号分析，以进行自动控制或向驾驶者进行通知等的系统。这与采用单独的传感器装置的情况相比，可以多角度地进行正确的感知及高分辨率感知，另外，还可以以电气方式高速地确定目标物的方位而无需通过电机等以机械方式改变传感器的方位。特别是用本发明所涉及的脉冲信号发生装置所构成的UWB传感器装置能够以低成本/低耗电进行提供，所以就能够以普及价格带实现使用了多个传感器装置的具有高度的碰撞防止等安全行驶功能、进入车库时的驾驶辅助功能、起因于车体周围死角的事故防止功能等的车载传感器系统。
上述用于防犯/医疗/看护等的电波监视器系统是指住宅周围的多处设置用本发明所涉及的脉冲信号发生装置而构成的UWB传感器装置，根据从各个地方的传感器装置获得的IF信号来警告非法侵入者的存在、场所、移动路径等信息的系统；或者是在医院内的多个患者用床上天花板部分别设置用本发明所涉及的脉冲信号发生装置构成的UWB传感器装置而构成网络，对各个患者的存在、呼吸的情形等进行监视，并在异常时进行警告的系统等。在这种使用多个传感器装置的系统的构建上，单体的传感器装置低成本就很重要，用本发明的脉冲信号发生装置构成的UWB传感器装置较有利。特别是，用本发明所涉及的脉冲信号发生装置而构成的UWB传感器装置因为是高灵敏度特性故可以减弱放射电力使其进行动作，另外，与在便携式电话等中利用不断进展的准微波段的电波相比，作为采用对其他电子设备的动作带来的影响较小的准毫米波段、毫米波段的电波的传感器装置能够以低成本实现供给，所以在需要排除对医疗设备及心脏起搏器等造成误动作的外部电波的影响的医院内，其有用性尤其高。
上述有源成像阵列是在用本发明所涉及的脉冲信号发生装置构成的UWB传感器装置中，将放射型振荡器配置成N行M列的矩阵状以构成放射型振荡器基板，通过矩阵控制使任意的放射型振荡器或者全部的放射型振荡器进行动作/扫描，并对自各个放射型振荡器所取得的IF信号综合地进行信号处理、信号分析，由此进行被测定物的形状、形状变动等的成像。

Claims (10)

1.一种脉冲信号发生装置，其特征在于：
具备在三电极高频放大元件的控制电极侧、被控制电流流入电极侧或者被控制电流流出电极侧分别配置的一对导体贴片构成的谐振腔，上述三电极高频放大元件具有被控制电流流入电极、被控制电流流出电极和控制电极，通过该三电极高频放大元件的动作来发生负阻，产生在RF频带的振荡，同时该谐振腔实现向空间放射电磁波的天线功能来构成放射型振荡器，
从单脉冲信号发生电路对上述放射型振荡器供给单脉冲信号，
通过用上述单脉冲信号使上述三电极高频放大元件短时间进行动作而获得短时间的负阻，发生基于构成上述放射型振荡器的上述谐振腔之构造所决定的频率带宽的高频脉冲信号，并同时将其向空间放射。
2.按照权利要求1所记载的脉冲信号发生装置，其特征在于：
对上述控制电极施加有适当的直流偏压，对上述被控制电流流入电极或者被控制电流流出电极供给单脉冲信号，将此单脉冲信号自身的电力作为电源电力以获得短时间的负阻，发生基于构成上述放射型振荡器的上述谐振腔之构造所决定的频率带宽的高频脉冲信号，并同时将其向空间放射。
3.按照权利要求1所记载的脉冲信号发生装置，其特征在于：
上述放射型振荡器的三电极高频放大元件中的三电极是被控制电流流入电极、被控制电流流出电极和控制电极，
通过对被控制电流流入电极或者被控制电流流出电极供给直流，并对控制电极供给单脉冲信号，以流过短时间的被控制电流并获得短时间的负阻。
4.按照权利要求2或权利要求3所记载的脉冲信号发生装置，其特征在于：
在上述放射型振荡器上将单脉冲信号发生电路集成化。
5.按照权利要求1～权利要求3中任意一项所记载的脉冲信号发生装置，其特征在于具备：
频率选择性滤波部件，从上述放射型振荡器的放射面隔开适宜距离进行配置，对所要频率的电波有选择性地进行滤波。
6.按照权利要求4所记载的脉冲信号发生装置，其特征在于具备：
频率选择性滤波部件，从上述放射型振荡器的放射面隔开适宜距离进行配置，对所要频率的电波有选择性地进行滤波。
7.按照权利要求1～权利要求3中任意一项所记载的脉冲信号发生装置，其特征在于：
在上述放射型振荡器的放射方向一侧设置了防止频率低于所放射的高频脉冲信号的频率的不要信号分量漏泄的接地导体构造。
8.按照权利要求4所记载的脉冲信号发生装置，其特征在于：
在上述放射型振荡器的放射方向一侧设置了防止频率低于所放射的高频脉冲信号的频率的不要信号分量漏泄的接地导体构造。
9.按照权利要求5所记载的脉冲信号发生装置，其特征在于：
在上述放射型振荡器的放射方向一侧设置了防止频率低于所放射的高频脉冲信号的频率的不要信号分量漏泄的接地导体构造。
10.按照权利要求6所记载的脉冲信号发生装置，其特征在于：
在上述放射型振荡器的放射方向一侧设置了防止频率低于所放射的高频脉冲信号的频率的不要信号分量漏泄的接地导体构造。
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