JP2000261234A - 平面放射型発振装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 平面的構造の共振器を増幅素子として一体化
し、同時に該共振器に空間への電磁波放射器としての機
能を兼ね備え、より広い同期可能周波数帯域とより強い
空間的な相互結合とを必要に応じて実現させる。 【解決手段】 一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具備
する導体パッチの尖鋭部を近接させ、当該各軸対称な等
傾斜角の尖鋭部を具備する導体バッチの対称軸を共有す
るように配置された当該一対の軸対称な等傾斜角のを尖
鋭部を具備する導体パッチと、高周波トランジスタと、
導体表面と、及び軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具備する
導体パッチにソースを接地電位として接続する直流電源
とから成る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、平面放射型発振装
置に関し、更に詳細には、アンテナとしての電磁波放射
機能と高周波発振機能とを一体化し、高い効率のマイク
ロ波サブミリ波帯の電気通信装置、及び電波計測装置技
術に利用できる電磁波放射型発振装置及び高出力化のた
めの空間電力合成型発振装置での平面放射型発振装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、実用化されている各種の無線通信
装置の他に、レーダ装置及びラジオメータ等の電波計測
装置を含む従来からの無線装置は、アンテナ装置技術
と、及び高周波回路技術とを主体とした送信・受信装置
技術との組み合わせで構成されている。目的に応じた電
磁波の放射及び到来する電磁波信号の受信を効率よく行
うためのアンテナ装置技術と、信号処理・制御を扱う送
信装置と、及び受信装置のための高周波回路技術とは、
長い間に渡って、相互に独立した技術分野を形成してき
た。共通の基本条件は、アンテナ入力インピーダンスと
回路の出力インピーダンスとの整合を確保することであ
った。

【０００３】一方、通信装置に関連する技術的及び社会
的背景の大きな変化が生じつつある。 最近の半導体デ
バイス技術の進展により、増幅、発振、及び逓倍ミキシ
ング等の高周波回路素子機能を平面回路として集積化す
る技術が開発され、それらの高周波集積回路技術は、従
来からの導波管や同軸型の各種の回路部品を相互に接続
して装置を構成する方式に代わって、平面化且つ集積回
路化による小型軽量で高性能で、且つ高信頼性と低コス
ト化を同時に達成する将来の無線通信装置技術として広
く認識され期待されるようになっている。このような技
術状況の下に、アンテナと集積回路との一体化を想定し
た新しいマイクロ波ミリ波技術の開発が必要となってき
ている。高周波回路用半導体デバイス技術の進展は、マ
イクロ波ミリ波帯の移動通信システム構成技術上から要
求される新しい装置機能や、更に高機能なアンテナビー
ム形成技術及びマイクロ波ミリ波帯のイメージング技術
等の、電波計測制御システム上の新しい機能のための多
くの技術的要求が生じている。

【０００４】マイクロ波からミリ波にかけて周波数の上
昇とともに、誘電損失と導体表面での導体損の増加によ
り伝送線路上での損失が大きな問題となり、平面アンテ
ナのアレー化によるアンテナの高利得化は、給電線路上
での損失が大きくなる他に、マイクロ波ミリ波無線装置
内での長い伝送路による接続はシステムの全体性能及び
効率を大きく低下させる。そのため、アンテナと高周波
平面回路を一体化する新しい技術の開発が重要となって
いるが、その技術の開発には、今後解決されるべき困難
な技術課題が多く残されている。

【０００５】最も単純な構成として、能動回路とアンテ
ナ回路が同一平面上に近接して配置された場合に、高周
波的な相互結合により、アンテナパターン及び発振周波
数又は雑音特性等にずれを生じさせ、その結果、目的と
する装置性能が実現できないという不都合が生じやす
い。このような場合には、空間的な相互結合を厳密に考
慮することが必要となるが、前記相互結合は概して複雑
であり、特別な場合を除いては、電磁界解析の手法を用
いて解決することは、通常困難である。

【０００６】上述したように、高周波発振出力を効率よ
く発生し、且つ目的に合う指向特性を与え、必要な方向
へ放射する送信機技術を実現するためには、発振回路と
アンテナを効率良く機能的に一体化する新しい方法を開
発することが必要である。従来、目的の地点への伝達す
べき高周波信号レベルが不足する場合には、その不足分
を補うためには、信号源出力を増加させるか、又はアン
テナ利得を大きくすることにより、実現する方法が採ら
れていた。

【０００７】もし、給電線路の損失による放射効率の低
下を補うに足る十分な高出力の信号源が容易に得られる
と仮定すれば、多素子のアンテナアレーを用い、且つ鋭
いアンテナ放射特性を実現することは可能である。しか
し、現実には、ミリ波の半導体素子は、高周波特性を確
保するために、極微細加工技術を用いることにより、微
細構造化しており、そのため、素子単体の扱える電力
は、周波数の増加と共に急速に低下するので、ミリ波帯
では、十分な出力をどのような方法によって実現するか
が重要な技術課題となっている。

【０００８】マイクロ波・ミリ波帯で十分大きな高周波
信号出力を確保するためには、素子単体から効率よく高
周波出力を発生させる技術の確立が必要であり、さら
に、素子単体から得られた高周波出力を効率よく合成す
るための新しい電力合成技術の開発が必要となってい
る。伝送路の損失が大きな問題となるミリ波帯での電力
合成技術としては、準光学的な空間位相合成による方法
が有望視されている。

【０００９】共振器とアンテナを兼ねる平面パッチと増
幅素子を一体化し高周波電力を空間出力として取り出
し、空間的に電力合成するすための工夫は、York等（
R.A. York and R.C. Compton, "Quasi-Optical Power C
ombining Using Mutually Synchronized Oscillator Ar
rays", IEEE Trans. on Microwave Theory and Tech.,
Vol.MTT-39, pp.1000-1009, 1991 ）により、開示され
ている。York等は、２端子素子であるガンダイオードを
用いた場合と、及び３端子素子を用いた場合とについて
開示している。

【００１０】電磁波を効率よく空間に放射するためのア
ンテナ機能と、負性抵抗増幅素子とを一体化し、発振器
を構成するための共振器機能とを併用する効果的な方法
は、本発明の発明者の一人である松井等によって開示さ
れている（ T. Matsui and M. Kiyokawa, "Gaussian-Be
am Oscillator for Microvave and Millimeter Waves",
U.S. Patent No. 5,450,040）。上記開示の技術では、
球面鏡からなるファブリペロー型共振器が用いられ、空
間との結合部は部分透過性の高反射率鏡面を形成してお
り、他方の反射鏡面には、その導体反射鏡面の一部を成
す負性抵抗増幅素子との結合部を設け、その結合は空間
との結合部側と比較して、相対的に強い結合とすること
により、準光学共振器の内部に発振エネルギーを蓄積さ
せ、定常状態では内部に形成された光軸を中心にガウス
分布する電磁界をしみ出させるアンテナとして機能し、
結果として低サイドローブのビーム出力型発振装置とし
て用いることができることを、開示している。

【００１１】上記の、ガウシアンビーム共振器を用いた
ビーム出力型の発振装置は、電磁波の空間への放射機能
を兼ねる共振器の空間との結合状態と、共振器と増幅素
子との結合強度との組み合わせを選択設定することによ
り、発振スペクトル純度を優先するか、又は発振出力効
率を優先するかの選択の自由度を有し、共振器部分に温
度係数が小さい低損失な石英を用いることにより、高Ｑ
値による高いスペクトル純度と周波数安定度を同時に達
成でき、良質なビームとして取り出すことができる等の
優れた特徴がある。

【００１２】一方で、ガウシアンビーム共振器が、数波
長以上の開口寸法を具備することによる応用上の制限が
あり、更に高Ｑ値の共振器としての基本的性質があるこ
とから、広い範囲の周波数変調及び多周波数の共用等の
利用目的には適していない。また、平面回路との積層化
等に適しているが、一方を球面鏡とする平凸レンズ状共
振器の製造コストが割高になる問題があり、低コスト化
の面での新しい解決策が必要である。

【００１３】発明者等は、ガウシアンビーム共振器を用
いた、上記のビーム放射型発振装置の構成技術上の知見
を生かし、平面扇形導体パッチ共振器を用いて、高能率
な放射型発振装置を実現し、特願平９−２２０５７９号
（発明者：松井敏明及び村田正望、発明の名称：「マイ
クロ波ミリ波放射型発振装置」）に開示している。上記
開示の技術によれば、マイクロ波からさらに高い周波数
領域のミリ波帯において、高能率な平面放射型発振装置
が実現できる。当該公知の技術によれば、放射型発振装
置間での空間的な結合が得やすい放射型発振装置を同一
平面上に配置し、空間的に相互位相同期させる点から、
従来技術の中で、最も可能性の高い装置の構成であっ
た。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、高周波
化と共に、デバイスの寸法が微細化し、高周波トランジ
スタ個々の特性の違い、回路及び共振器の加工精度の誤
差、材料上の不均一等の誤差要因により、個々の放射型
発振装置の発振周波数にバラツキを生じ易く、更に空間
的に配置する放射型発振装置の数の増加と共に、個々の
特性の均一性に対する要求はさらに厳しくなり、その結
果、より広い同期周波数帯域幅と、及びより強い空間的
な結合とを実現又は調整できる新しい技術の開発が必要
となっていた。

【００１５】上述したように、従来技術によっては、マ
イクロ波から更に高い周波数領域のミリ波帯において広
帯域特性と高能率な発振出力、アレー配置化による鋭い
ビーム化、電力合成による高出力化、更には能動的なビ
ーム形成への応用等の要求に適応できる自由度の高さを
確保するために、同期可能周波数帯域幅、及び空間的な
結合の強さを必要に応じて調整する機能の全てを同時に
達成できる平面的構成による放射型発振装置は実現され
ていなかった。

【００１６】本発明は、上記の状況に鑑みてなされたも
ので、平面的構造の共振器を増幅素子と一体化して、発
振器を構成し、同時に該共振器に空間への電磁波放射器
としての機能を兼ね備えさせ、より広い同期可能周波数
帯域幅と、及びより強い空間的な相互結合とを必要に応
じて実現し、且つ調整が可能で、高い効率で高周波発振
出力を空間に取り出すことができ、更に前記発振器を同
一平面内にアレー状に配置し、且つ空間的な相互位相同
期による高能率な電力合成及び能動的なビーム形成技術
への実現と応用に適したマイクロ波ミリ波帯の平面放射
型発振装置を提供することを、目的としている。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の目的を
達成するために、一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具
備する導体パッチの尖鋭部を近接させ、当該各軸対称な
等傾斜角の尖鋭部を具備する導体パッチの対称軸を共有
するように配置された当該一対の軸対称な等傾斜角の尖
鋭部を具備する導体パッチと、一対の軸対称な等傾斜角
の尖鋭部を具備する導体パッチの両端間は電磁波の発振
波長の２／５〜３／５の長さであり、前記一対の軸対称
な等傾斜角の尖鋭部を具備する導体パッチ間に配置され
た高周波トランジスタと、該トランジスタは前記一対の
軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具備する導体パッチに接合
し、前記一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具備する導
体パッチの下方に発振波長の１／１５〜１／５の間に間
隔を保って平行に配置された導体平面と、及び軸対称な
等傾斜角の尖鋭部を具備する導体パッチにソースを接地
電位として接続する直流電源とからなることを特徴とし
いる。

【００１８】また、本発明は、一対の軸対称な等傾斜角
の尖鋭部を具備する導体パッチの尖鋭部を近接させ、当
該各軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具備する導体パッチの
対称軸を共有するように配置された前記一対の軸対称な
等傾斜角の尖鋭部を具備する導体パッチと、一対の軸対
称な等傾斜角の尖鋭部を具備する導体パッチの両端間は
電磁波の発振波長の２／５〜３／５の長さであり、前記
一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具備する導体パッチ
間に配置された高周波トランジスタと、該トランジスタ
は上記一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具備する導体
パッチに接合し、前記一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭部
を具備する導体パッチの下方に発振波長の１／１５〜１
／５の間に間隔を保って平行に配置された導体平面とか
ら成る構成を、複数個に渡って同一平面上にアレー状に
配置することと、及び軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具備
する導体パッチにソースを接地電位として接続する直流
電源とからなることを特徴としている。

【００１９】更に、本発明は、上記の高周波トランジス
タは、電界効果型高周波トランジスタであって、ゲート
は一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具備する導体パッ
チの一方に、ドレインは他方の軸対称な等傾斜角の尖鋭
部を具備する導体パッチにそれぞれ接合し、ソースは接
地されていることを特徴としている。

【００２０】更に又、本発明は、上記の高周波トランジ
スタは、接合型の高周波トランジスタであって、ベース
は一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具備する導体パッ
チの一方に、コレクタは他方の軸対称な等傾斜角の尖鋭
部を具備する導体パッチにそれぞれ接合し、エミッタを
接地されていることを特徴としている。

【００２１】また、本発明は、一対の軸対称な等傾斜角
の尖鋭部を具備する導体パッチの中央部に配置する高周
波トランジスタは複数の並列接続であることを特徴とし
ている。

【００２２】更に、本発明は、一対の軸対称な等傾斜角
の尖鋭部を具備する導体パッチと、前記一対の軸対称な
等傾斜角の尖鋭部を具備する導体パッチに平行に広がる
導体平面は、高周波損失の小さい高純度シリコン、石
英、サファイア、アルミナ、ＰＴＦＥ、及びポリエチレ
ン等の誘電体材料を挟んで形成されることを特徴として
いる。

【００２３】上記構成の平面放射型発振装置によれば、
一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具備する導体パッチ
の尖鋭部の開き角及び両端の形状を選択することによ
り、発振の周波数が両端の長さがほぼ半波長に対応する
発振と、及び高いスペクトル純度特性とが得られること
から、得られる発振周波数が両端の長さを１／２波長と
する周波数の０．８〜１．２倍の程度の範囲でずれを生
じ、スペクトルの純度は多少劣るが、広い同期可能周波
数帯域特性を実現できる。更に、本発明による一対の軸
対称な等傾斜角の尖鋭部を具備する導体パッチの尖鋭部
の形状が、共振器の直交偏波成分の発生を抑える作用を
具備し、交叉偏波成分の少ない良好な放射出力が得られ
る。また、一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具備する
導体パッチ面と平行に広がる導体平面との間隔が、通常
のストリップ線路、又は平面アンテナ基板に用いられる
回路基板の厚さに比較して、３〜１０倍の程度と大きい
ので、一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具備する導体
パッチは、共振周波数において空間と整合が採れた平面
アンテナとはならず、空間に対して弱く結合する平面共
振器となる。一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具備す
る導体パッチの中央部に、電界効果型の高周波トランジ
スタを用いた場合に、ゲート及びドレインは該一対の軸
対称な等傾斜角の尖鋭部を具備する導体パッチの異なる
一方に接続され、それぞれ直流バイアスされ、ソースを
接地しており、ソース接地の高周波増幅器が形成されて
おり、且つゲート側に発生した雑音信号は増幅され、ド
レインに接続された軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具備す
る導体パッチに高周波電流を誘起し、該軸対称な等傾斜
角の尖鋭部を具備する導体パッチと背面の平行導体面と
の間を高周波電磁界は導波され、半径方向へ伝搬し、該
軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具備する導体パッチの先端
に達した後に、大部分は反射され、逆向きに戻る。更に
他の一方の軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具備する導体パ
ッチの側を伝搬・往復し、中央の電界効果型の高周波ト
ランジスタのゲート側に入射し、再増幅される。上記一
対の軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具備する導体パッチと
背面の平行導体面とで形成される導波路は、当該高周波
トランジスタによる増幅器の帰還回路を形成し、この際
に、一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具備する導体パ
ッチの両端の長さ及び形状に対応した共振周波数と一致
し、増幅器の出力から入力への帰還が正帰還位相の関係
を満足する周波数成分について発振が成長し、一対の軸
対称な等傾斜角の尖鋭部を具備する導体パッチの平面共
振器にエネルギーが蓄積される。空間に対して弱く結合
する上記一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具備する導
体パッチと高周波トランジスタとから成る平面共振器か
ら蓄積された高周波エネルギーの一部が、定常状態では
一定の割合で空間に放射される。一対の軸対称な等傾斜
角の尖鋭部を具備する導体パッチ面と平行に広がる導体
平面との間隔を波長の１／１５〜１／５の間で選択する
ことにより、一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具備す
る導体パッチの共振周波数における空間との整合を選択
でき、更に一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具備する
導体パッチの開き角度と、幅と、及び先端部の形状とを
各種に選択設定することにより、共振周波数帯域幅を広
範囲で調整できる他、該平面共振器と高周波増幅器の結
合強度を選択調整でき、電磁波放射パターン特性を選択
し、且つ同一平面上に配置された平面放射型発振装置間
の空間相互結合強度を必要に応じて調整でき、外部に接
続された直流電源からの電力を高い効率で高周波発振出
力として空間に取り出すことができる平面放射型発振装
置が実現できる。

【００２４】また、上記構成の平面放射型発振装置によ
れば、一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具備する導体
パッチと電界効果型の高周波トランジスタを一体化した
個々の放射型発振装置は、上記のごとく、外部に接続さ
れた直流電源からの電力を高い効率で高周波発振出力と
して空間に取り出すことができる平面の放射型発振装置
として作用する。従って、複数対の軸対称な等傾斜角の
尖鋭部を具備する導体パッチが、同じ材料で同じ形状の
同じ寸法に作られ、各一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭部
を具備する導体パッチの中央部にゲート及びドレインを
各一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具備する導体パッ
チの異なる一方にそれぞれ接続し、ソースを接地した同
じ種類の同じ特性の電界効果型の高周波トランジスタと
から構成されるので、それぞれがほぼ同じ周波数の平面
の放射型発振装置となり、且つそれぞれが高い効率の高
周波発振装置として動作し、同一平面上にアレー状に配
置されているので、それぞれの放射型発振装置は周囲に
隣接する同様の放射型発振装置の出力との間で相互同期
し、全体として、極めて高い効率の空間電力合成が可能
な平面放射型発振装置が実現できる。

【００２５】また、各一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭部
を具備する導体パッチの中央部にゲート及びドレインを
各一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具備する導体パッ
チの異なる一方にそれぞれ接続し、ソースを接地した電
界効果型の高周波トランジスタに替えて、前記一対の軸
対称な等傾斜角の尖鋭部を具備する導体パッチの中央部
にベース及びコレクタを前記一対の軸対称な等傾斜角の
尖鋭部を具備する導体パッチの異なる一方にそれぞれ接
続し、エミッタを接地した接合型の高周波トランジスタ
とからなるので、接合型の高周波トランジスタの特性を
活かした低雑音の平面放射型発振装置又は高い効率の空
間電力合成が可能な平面放射型発振装置が実現できる。

【００２６】また、上記一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭
部を具備する導体パッチの中央部に配置する高周波トラ
ンジスタは、２〜３個以上の並列接続であるので、単体
の高周波トランジスタの時の飽和電力に比較して、並列
の個数倍又は最大並列個数の自乗倍に比例して増加し、
且つ共振器内に蓄積できる飽和電力が大幅に改善され、
更に共振器内により多くのエネルギーを蓄積する状態ま
で発振が成長可能であり、より高い発振スペクトル純度
と大きな発振出力とを具備する平面放射型発振装置が実
現できる。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
面を参照して詳細に説明するが、本発明は、これらの実
施の態様に限定されない。

【００２８】図１９は、公知の高周波帯発振装置の一構
成の概念を示す説明図であり、共振器１と負性抵抗増幅
回路２が導波路４により接続され、負荷３は負性抵抗増
幅回路２の他の端子に導波路５によって取り付けられ、
発振電力が共振器１とは別のポートから取り出される場
合を示している。これは、マイクロ波以下の周波数帯の
携帯用通信装置等に広く用いられている発振装置の構成
であり、共振器１には小型化した高誘電率の誘電体共振
器等が組み込まれている。

【００２９】これに対し、図２０は、発振用共振器が電
磁波の出力部分を兼ねる公知の発振装置の一構成の概念
を示す説明図であり、共振器１の内部に負性抵抗増幅回
路２が組み込まれ、負荷３は発振電力を共振器外部へ取
り出すことによる損失の付加分を表している。この構成
例を代表するものに、増幅媒質を共振器内部に具備する
レーザー発振装置があり、この場合に、レーザー共振器
の部分透過性の反射鏡面から空間にビームとして発振電
力を取り出すことが、負荷３に対応している。

【００３０】図２１は、発振用共振器が電磁波の出力部
分を兼ねる公知の放射型発振装置の他の構成の概念を示
す説明図であり、共振器１と負性抵抗増幅回路２が導波
路４により接続され、インピーダンスZ _L で表現される
負荷３は高周波発振電力をビーム５の形で共振器外部へ
取り出すことによる損失の付加分を表している。この構
成例は、本発明者の一人等によって、ガウシアンビーム
共振器と負性抵抗増幅素子を一体化したマイクロ波・ミ
リ波帯発振装置（Gaussian-Beam Oscillator For Micro
wave And Millimeter Wave, U.S.Patent No.5,450,040
）として、開示された。図２１による公知の発振装置
は、原理的には図２０の構成に基づく装置の変形である
が、増幅媒質を共振器外部に取り出すことにより、発振
条件の制御が可能なパラメータを２つ確保でき発振装置
の技術上の有利な条件を達成している。

【００３１】図２２は、図２１の構成の具体的な実施例
の一つである公知のビーム出力型マイクロ波ミリ波発振
装置の構成の概念を示す説明図であり、ここで、図２１
の共振器１は、部分透過性の球面反射鏡面６と導体反射
鏡面７から成るファブリペロー型の共振器８であり、負
性抵抗増幅回路２は、共振器８の導体反射鏡面７の一部
を成す結合領域９と導波路４とにより接続され、部分透
過性の反射鏡面６としては、２次元の導体薄膜格子等が
用いられ、反射鏡面６及び導体反射鏡面７のいずれか
は、球面鏡であるので゜、共振モードは光軸を中心とし
たガウス分布を成す。更に、反射鏡面６の反射率は、他
方の導体反射鏡面７の反射率に比べて高く設定され、負
性抵抗増幅回路２側から見た共振器８は、見かけ上一端
子の共振器となるように、空間と弱く結合する共振器と
して構成されており、共振器と負性抵抗増幅回路２との
相互作用により発振が成長し、共振器内に蓄積される高
周波エネルギーが増加し、それとともに部分透過性の反
射鏡面６からガウシアンビームとして漏れ出るビーム出
力１０の電力が増加し、負性抵抗増幅回路２による利得
と発振出力を含むトータルの損失が釣り合った状態で定
常状態となる。

【００３２】図２２に開示の構成では、部分透過性反射
鏡面６及び導体反射鏡面７の反射率、即ち空間との結合
強度と負性抵抗増幅回路との結合強度を独立に設定でき
ることから、結合領域９と導波路４の組み合わせによる
位相調整を含め、発振装置としての基本的な二つの調整
項目が実質的に制御できる。しかし、一方で、ガウシア
ンビーム共振器が、数波長以上の開口寸法を具備するこ
とによる応用上の制限があり、更に高Ｑ値の共振器とし
ての基本的性質があるので、広い周波数帯域特性を要求
する利用目的には適していない。

【００３３】図２３は、負性抵抗増幅回路とアンテナ素
子を同一平面に近接して配置する公知の発振装置の構成
を示す説明図である。図２３において、高周波トランジ
スタ１２は、ストリップラインから成る共振器１と一体
化され、負性抵抗増幅回路として発振器が構成され、且
つ直流バイアスライン１１から供給される直流電力は高
周波電力に変換され、一体化して接続された方形導体パ
ッチ１５アンテナを通じて空間へ放射される。この場合
に、発振はスタブ１３やストリップライン共振器１、直
流バイアスライン１１及び方形導体パッチ１５アンテナ
の相互間に避けがたい結合があるので、インピーダンス
整合や共振周波数、配線位置等の僅かな違いで複雑に影
響し合い、発振スペクトル、発振出力、及び放射パター
ン特性に敏感に影響するので、現実的に扱い難い構成で
ある。

【００３４】一方、図２４にR.A.York等によって開示さ
れた平面導体パッチが発振用共振器と電磁波の出力部分
を兼ねる公知の放射型発振装置の一構成例を示す（R.A.
Y-ork and R.C.Compton, "Quasi-Optical Power Combin
ing Using Mutually Sync-hronized Oscillator Array
s", IEEE Trans.Microwave Theory Tech.,Vol.MTT-39,p
p1000-1009,1991）。幅の広い二つの低インピーダンス
マイクロストリップ線路となる方形導体パッチ１５を狭
いギャップ１６を隔てて配置し、ソース接地の電界効果
型（ＦＥＴ）の高周波トランジスタ１２のドレインとゲ
ートを、それぞれの低インピーダンスマイクロストリッ
プ線路に接続し、この二つの低インピーダンスマイクロ
ストリップ線路に、それぞれ直流バイアスライン１１に
より直接バイアスを取り、且つこの狭いギャップ１６に
よる容量的な結合を増幅器の正帰還回路とすることによ
り、高周波的に共振器側から見て負性抵抗増幅回路とな
るようにし、且つ簡易な平面放射型発振装置を構成する
方法として開示されている。

【００３５】また、図２５は、平面導体パッチが発振用
共振器と電磁波の出力部分を兼ねる公知の放射型発振装
置の他の例で（R.A. Flynt, J.A. Navarro and K. Chan
g, "Low Cost and Compact Active Integrated Antenna
Transceiver for System Applications", IEEE Trans.
Microwave Theory Tech., Vol.44, pp.1642-1649, 199
6) 、半円形導体パッチ１７を互いに向かい合わせ、中
央に電界効果型（ＦＥＴ）の高周波トランジスタ１２を
配置しており、原理的には、図２４に開示されている例
と同様な構成の放射型発振装置であって、二つの半円形
導体パッチ１７のギャップ１６間をチップキャパシタ１
８で容量的に結合し、ゲートとソースの間にチップ抵抗
３４を接合し、正帰還による負性抵抗条件を満足させる
ために、位相条件を作り出している。

【００３６】図２６は、平面導体パッチが発振用共振器
と電磁波の出力部分を兼ねる公知の放射型発振装置の他
の例で(X.D. Wu and K. Chang,"Novel Active FET Circ
ularPatch Antenna Arrays for Quasi-Optical Power C
ombining, "IEEE Trans. Microwave Theory Tech., v
ol. MTT-42, pp. 766-771, May 1994)つの円形導体パ
ッチ１７を近接させ、その中央部に高周波トランジスタ
１２を配置しており原理的には、図２４に開示されてい
る例と同様な構成の放射型発振装置であって、二つの円
形導体パッチ１７により共振器を形成しており、背面の
平行導体面との間隔を調整する他には、放射型発振装置
としてのパラメータの調整の自由度が無い。

【００３７】発振が成長し共振器内に電磁波エネルギー
が蓄積されるためには、ＦＥＴ（電界効果トランジス
タ）のゲート側への帰還が適当な位相と比率で行われる
必要がある。帰還位相と振幅の組み合わせが共振器から
みて、負性抵抗増幅回路の条件になる時に、発振が可能
となり、共振器に高周波電磁界が蓄積される。その際
に、共振器から見て負性抵抗回路に見えるためには、ト
ランジスタ増幅器への正帰還条件が満足される必要があ
り、更に共振器と空間との間の弱い結合が確保されるこ
とが基本条件として要求される。

【００３８】従って、図２４、図２５及び図２６に開示
のアンテナ機能を兼ねる共振器を用いた放射型発振装置
の場合に、高周波トランジスタ１２への正帰還条件につ
いてキャパシタンスにより調整できるように、工夫され
ている。しかし、二つの方形導体パッチ１５の間の狭い
ギャップ幅を変化させ、キャパシタンスを調整する図２
３に開示の方式は調整の自由度が十分でなく。また、円
形導体パッチ１７の間のギャップをチップキャパシタで
結合する図２５に開示の方法は、ミリ波帯ではそのまま
有効ではなく、同様に調整の自由度に欠ける欠点があ
る。更に、図２６に開示の方法は、裏面導体板との間隔
の調整が開示されているが、それ以外の調整機能が無
く、放射型発振装置として調整の自由度に欠ける。上述
の様に共振器である導体パッチと空間との間の弱い結合
状態の確保に関して、上記のいずれの方式でも考慮され
ておらず、空間と共振器の弱い結合状態の実現方法に関
して開示されていない。上述したように、図２４、図２
５及び図２６に開示のアンテナ機能を兼ねる共振器を用
いた放射型発振装置においては、最適な発振状態を実現
するのに必要な手法は開示されていない。

【００３９】これに対し、図２７は、発明者等によって
開示されている「マイクロ波ミリ波放射型発振装置」
（特願平９−２２０５７９号）の平面構成を示す説明図
である。 一対の扇状導体パッチ１９は、その尖鋭部２
０が互いに近接し、且つ円弧部が互いに相対する様に配
置され、該一対の扇状導体パッチ１９の中央部にゲート
及びドレインを当該一対の扇状導体パッチの異なる一方
にそれぞれ接続し、ソースを接地した電界効果型の高周
波トランジスタ１２と、当該各一対の扇状導体パッチ１
９と平行に広がる導体平面とからなり、上記一対の扇状
導体パッチ１９面と平行に広がる上記導体平面との間隔
は波長の１／１５〜１／５倍の間であり、上記扇状導体
パッチ１９の半径は、発振波長の約１／４の長さであ
り、扇状導体パッチは直流バイアスライン１１により、
それぞれソースを接地電位とする別々の直流電源に接続
される。

【００４０】図２７に開示の技術によれば、一対の扇状
導体パッチ１９と平行に広がる上記導体平面との間隔の
調整と、及び扇状導体パッチ１９の広がり角θの調整の
自由度とがある点において、他の従来技術に比較して優
れており、図２２を用いて説明したファブリペロー型の
共振器技術を用いた発振用共振器が電磁波の出力部分を
兼ねる公知の放射型発振装置で実現しているのと同様
に、平面導体パッチが発振用共振器と電磁波の出力部分
を兼ねる放射型発振装置として作用し、発振条件の最適
化に必要な制御可能なパラメータを２つ確保し、高い効
率で高周波発振出力を空間に取り出すこと、更にそれら
を同一平面上にアレー状に配置し、空間的な相互位相同
期による高能率な電力合成の実現に適した平面放射型発
振装置の実現が期待された。

【００４１】しかしながら、高周波化と共に進むデバイ
スの寸法の微細化と、高周波トランジスタ個々の特性差
の増加と、回路及び共振器の加工精度の誤差の拡大と、
及び材料上の不均一等の影響の増加等により、放射型発
振装置の発振周波数にバラツキを生じ易く、更に多数の
放射型発振装置を空間的に配置する場合に、アレー上に
配置する数の増加と共に個々の特性の均一性に対する要
求と、及び結合強度に対する条件とがさらに厳しくな
り、より広い同期周波数帯域幅と、及びより強い空間的
な結合とを実現又は調整できる新しい技術の開発が必要
となっていた。

【００４２】本発明は、これらの技術上の要求の下に研
究を進めた結果、得られたもので、図２７に開示の放射
型発振装置技術をさらに発展させ、基本的な特性を生か
し、高能率な放射型発振出力の達成と同時に、従来不可
能であった、（１）周波数同期帯域幅の調整を可能と
し、且つ（２）電磁波放射パターンを調整し、同一平面
上に配置された複数の平面放射型発振装置の間の空間的
結合の強度を必要に応じて調整することが可能になる。
本発明による、平面放射型発振装置において可能と成っ
た調整機能は、マイクロ波からミリ波帯での高出力のた
めの高能率な空間電力合成技術や、能動的なアンテナビ
ームの制御技術への効果的な応用が期待される。

【００４３】図１は本発明による平面放射型発振装置の
第一の構成例を示す説明図である。また、図２は、本発
明による平面放射型発振装置の断面構成を示す説明図で
ある。一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具備する導体
パッチ２４の尖鋭部２０は、互いに近接され、前記各軸
対称な等傾斜角の尖鋭部を持つ導体パッチ２４の対称軸
を共有する様に配置され、その中央部にゲート及びドレ
インを当該一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具備する
導体パッチ２４の異なる一方に、それぞれ接合し、ソー
スを接地した電界効果型の高周波トランジスタ１２と、
当該各一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具備する導体
パッチ２４と平行に広がる導体平面２１とからなり、上
記一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具備する導体パッ
チ２４の面と平行に広がる上記導体平面２１との間隔ｈ
は、波長の１／１５〜１／５倍の間に設定することで安
定な発振状態が確保される。上記一対の軸対称な等傾斜
角の尖鋭部を具備する導体パッチ２４の両端の長さはＬ
であり、また幅Ｗの部分の長さはＤであり、軸対称な等
傾斜角の尖鋭部を具備する導体パッチは、直流バイアス
ライン１１により、それぞれソースを接地電位とする別
々の直流電源に接続される。図２では、軸対称な等傾斜
角の尖鋭部を具備する導体パッチ２４及び導体平面２１
が低損失の誘電体基板２２の両面に形成される場合を示
している。

【００４４】本発明による平面放射型発振装置は、発振
のための共振器機能と蓄積された電磁界エネルギーの空
間への放射器を兼ねる一対の導体パッチ２４は、軸対称
な等傾斜角の尖鋭部２０を具備する。この形状は本発明
の重要な部分をなし、図２７に開示の扇形導体パッチ１
９、及び該扇形導体パッチ１９の変形による各種の形状
の導体パッチによる実験の結果、図１及び図２に示す本
発明による平面放射型発振装置の中央部の高周波トラン
ジスタ１２の近傍の尖鋭部２０の位置から連続的に広が
る導体パッチ形状における尖鋭部２０の広がり角θの調
整は、高周波トランジスタ（増幅素子）１２と共振器と
の結合強度に影響を与え、発振条件を決める重要な要素
であること、また、本発明における尖鋭部２０の位置か
ら連続的に広がる導体パッチ形状の採用が、交叉偏波成
分の抑圧に優れた効果が得られることが明らかになっ
た。更に、本発明においては一対の軸対称な等傾斜角の
尖鋭部２０を具備する導体パッチ２４の広がり角θの調
整と合わせ、両側の先端部間の長さＬ、幅をＷ、同様に
幅Ｗの部分の長さをＤとして選択でき、発振条件の設定
に必要な条件の選択の自由度が得られる。

【００４５】図３は、本発明による平面放射型発振装置
の第二の構成例を示す説明図である。一対の軸対称な等
傾斜角の尖鋭部を持つ導体パッチ２６の幅Ｗの両端部に
共振周波数帯域を広くする工夫として開き角αの直線的
な切り欠いた部分２５を設けた場合である。ここで、両
端の切り欠き部分の開き角αは、９０゜≦α≦２７０゜
の範囲の程度が現実的である。一対の軸対称な等傾斜角
の尖鋭部を具備する導体パッチ２６の両端の直線による
切り欠いた部分２５により発振の中心周波数は、角度α
に依存して変化し、同時に広い同期周波数帯域幅を持つ
平面放射型発振装置が得られる。図１に示す本発明の第
一の構成例は、図３の本発明による平面放射型発振装置
の第二の構成例においてα＝１８０゜とした場合に相当
すると見なすことができる。 本発明による平面放射型
発振装置の電磁波放射パターンのうち、同一平面上に配
置された平面放射型発振装置間の空間的相互結合の強さ
に関連する±９０゜方向の放射パターン特性は一対の軸
対称な等傾斜角の尖鋭部を持つ導体パッチ２６（又は２
５）の幅Ｗ、及び軸対称な等傾斜角の尖鋭部２０の開き
角θに主に依存する。

【００４６】図４及び図５は、それぞれ、本発明による
の平面放射型発振装置の第三及び第四の構成例を示す説
明図である。図４に示す平面放射型発振装置は、一対の
軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具備する導体パッチ２８の
幅Ｗの両端部が外に凸となる様に曲線で切り欠いた形状
を具備する場合であり、この場合、共振周波数帯域は狭
くなり、これにより同期周波数帯域幅は狭くなるが、そ
れと引き替えに発振のスペクトル純度は高くなる。これ
に対し、図５に示す平面放射型発振装置は一対の軸対称
な等傾斜角の尖鋭部を具備する導体パッチ２９の幅Ｗの
両端部が外に凹となる様に曲線で切り欠いた形状を具備
する場合であり、この場合は、共振周波数帯域が広くな
る。これにより同期周波数帯域幅は広くなるが、それと
引き替えに発振のスペクトル純度は低くなる。図４に示
す一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具備する持つ導体
パッチ２８の外に凸の幅Ｗの両端部の切り欠いた形状の
曲率半径Ｒが、一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具備
する導体パッチ２８の長さＬの１／２に近く、且つＤが
小さい時、図４の平面放射型発振装置の一対の軸対称な
等傾斜角の尖鋭部を具備する導体パッチ２８は、図２７
に開示の扇型導体パッチの形状に近くなり、共振帯域は
非常に狭くなり発振のスペクトル純度は高くなるが、引
き替えに同期周波数帯域は非常に限られる。本発明によ
る平面放射型発振装置の一対の軸対称な等角傾斜の尖鋭
部を具備する導体のバッチの形状に、多少の非対称性が
加えられたとしても機能上の大きな変化がないことは、
もちろんである。

【００４７】図６は、図１に示した本発明による平面放
射型発振装置の具体的な実施例を示す図で、Ｄ＝０の場
合である。この場合、広い共振周波数帯域となり、これ
により同期周波数帯域幅は広く採れるが、それと引き替
えに発振のスペクトル純度は低くなる。一対の軸対称な
等傾斜角の尖鋭部を具備する導体パッチ３０は直流バイ
アスライン１１により、それぞれソースを接地電位とす
る別々の直流電源に接続される。図７は、図６と同様な
構成であるが、ゲートは無バイアスとし、ドレインとソ
ース間のみにバイアスを供給し動作させる場合である。
いずれのバイアス方法においても、基本的な発振動作に
違いはない。特に、図１６のバイアス方法は、同一平面
上に複数の平面放射型発振器をアレイ状に配置し、同期
動作させる場合の構成においてバイアスの為の配線が単
純化される利点がある。

【００４８】図８は、図１の本発明による平面放射型発
振器の第一の構成例を立体的に示した見取り図である。
一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具備する導体パッチ
２４の尖鋭部２０は、互いに近接され、該各軸対称な等
傾斜角の尖鋭部を具備する導体パッチ２４の対称軸を共
有する様に配置され、その中央部にゲート及びドレイン
を当該一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具備する導体
パッチ２４の異なる一方にそれぞれ接合し、ソースを接
地した電界効果型の高周波トランジスタ１２と、当該各
一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具備する導体と平行
に広がる導体平面２１とからなり、上記一対の軸対称な
等傾斜角の尖鋭部を具備する導体パッチ２４面と平行に
広がる上記導体平面２１との間隔は誘電体基板２２で定
められている。導体平面２１の孔３１を通して、更に下
層の誘電体基板の孔３１を通して裏面に形成されたチョ
ークフィルタ３２を経由して直流電源に接続される。図
１、３、４、５、６、及び７に示す、本発明による平面
放射型発振装置の一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具
備する導体パッチの尖鋭部２０から幅Ｗの位置への導体
パッチ幅の連続的遷移は直線的、又は曲線的な変化であ
るかによって平面放射型発振装置の特性上大きな違いは
生じない。

【００４９】図９及び図１０は、本発明による平面放射
型発振装置の異なる２つの構成についての発振スペクト
ルの例である。図９は、図４で示した狭い共振周波数帯
域の形状の導体パッチ２８の場合の発振スペクトルであ
る。一方、図１０は、図６で示した場合であって、広い
共振周波数帯域の導体パッチ３０の場合の発振スペクト
ルである。図１１は、本発明による平面放射型発振装置
の、図１及び図５に示す構成例について、Ｄ＝０、尖鋭
部の開き角θが３０度及び６０度とした場合について同
期周波数帯域を測定した結果と、図２７に示す扇形導体
パッチを用いた平面放射型発振装置の尖鋭部の開き角θ
が０度、３０度及び６０度とした場合について同期周波
数帯域の測定結果をまとめて比較したものを示す。実験
は、照射レベルを一定に保ち、照射周波数を変化させ、
平面放射型発振装置の発振周波数の追従可能範囲を測定
し、相対的な同期可能周波数帯域幅として示したもので
ある。図２７に示す公知の扇形導体パッチを用いた平面
放射型発振装置の構成では、開き角θの変化に対し、同
期可能周波数帯域幅に大きな変化は観測されなかった。
これに対し、本発明による図１及び図５に示す平面放
射型発振装置の構成によれば、尖鋭部２０の開き角θの
変化及び導体パッチの形状の違いによって、同期可能周
波数帯域幅を広い範囲で選択、調整できることが明らか
にされた。

【００５０】図１２及び図１３は、本発明による平面放
射型発振装置の放射パターンの例を示すものであって、
図１の一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具備する導体
パッチ２４及び図５の一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭部
を具備する導体パッチ２８についてＤ＝０とした場合の
放射パターンを測定した結果である。図１２は、図４に
示す本発明による平面放射型発振装置の構成による一対
の軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具備する導体パッチ２８
の両端が外に凸の曲線の形状を具備する場合であり、図
９における発振スペクトル純度の高い場合に対応し、図
１３は、図１に示す本発明に示す平面放射型発振装置の
構成による一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具備する
導体パッチ２４のＤ＝０の場合であり、一対の導体パッ
チ２４の両端が導体パッチの対称軸に直交して切断され
た形状であり、図１０における発振スペクトル純度の低
い場合に対応する。図１２及び図１３の放射パターン特
性から明らかなように、本発明による一対の軸対称な等
傾斜角の先鋭部を具備する導体パッチを用いた平面放射
型発振装置では、交差偏波成分の発生が低いレベルに抑
圧される特徴がある。図１２及び図１３において、本発
明による平面放射型発振装置の一対の軸対称な等傾斜角
の尖鋭部を具備する導体パッチの形状の違いにより、E
面において、平面放射型発振装置の導体面と平行な方向
の放射レベルに有意な差が観測された。導体面に平行な
方向の放射特性の差は、同一平面上にアレイ状に配置さ
れた平面放射型発振装置相互間の空間的な結合強度に直
接的な差を生じさせる。

【００５１】図１４は、本発明による平面放射型発振装
置を同一平面上に２次元アレー状に配置する構成例であ
る。図１５は、図１４と同様な配置の場合であるが、バ
イアスを図７の例で示したようにゲート無バイアスとし
たバイアス配線を含めて示してある。バイアス配線が非
常に単純化された形で構成されており、単一の電源で４
つの平面放射型発振装置を駆動させることができる。バ
イアス線路１１は、孔３１を通して、背面に配置された
チョークフィルタを通して、直流電源に接続される。

【００５２】図１６は、本発明による平面放射型発振装
置の４素子アレーの放射パターン特性を示す図である。
４素子アレーからなる平面放射型発振装置の放射パター
ンの測定は電波無響室で行った。被測定ビーム出力発振
装置は、送信アンテナとして回転台にセットされ角度を
変えながらホーンアンテナにより送信信号を受信し、受
信出力の角度依存性を測定した。図１６は、８．５ＧＨ
ｚでのビーム出力の放射パターンの測定例で縦軸は相対
利得を、横軸は回転角度を表す。４素子アレーからなる
平面放射型発振装置の正面方向受信電力は、単一素子の
平面放射型発振装置の正面方向受信電力の約１０倍の受
信電力が得られた。これは、平面放射型発振装置を同一
平面上にアレー状に配置した並列動作が、単純な電力の
加算ではなく平面放射型発振装置相互間の相互同期発振
動作よる効果が表れており、効率の良い空間電力合成が
達成されていることを示しており、多素子アレーからな
る平面放射型発振装置による高能率大出力の信号源の実
現が期待できる。

【００５３】また、上記各一対の軸対称な等傾斜角の尖
鋭部を具備する導体パッチの中央部にゲート及びドレイ
ンを各一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具備する導体
パッチの異なる一方にそれぞれ接続し、ソースを接地し
た電界効果型の高周波トランジスタ１２に替えて、該一
対の軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具備する導体パッチの
中央部にベース及びコレクタを該一対の軸対称な等傾斜
角の尖鋭部を具備する導体パッチの異なる一方にそれぞ
れ接続し、エミッタを接地した接合型の高周波トランジ
スタで置き換え、基本的に同様な増幅機能を得ることは
原理的に可能である。具体的な、高周波トランジスタと
しては、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）、ＭＥ
ＳＦＥＴトランジスタ、ＭＯＳトランジスタ、接合型Ｆ
ＥＴ等の電界効果型トランジスタ、又はバイポーラトラ
ンジスタ、及びヘテロバイポーラトランジスタ（ＨＢ
Ｔ）等の接合型トランジスタが同様に置き換えて用いる
ことができる。

【００５４】また、本発明による平面放射型発振装置の
一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具備する導体パッチ
を形成するための基板材料としては、高周波損失の小さ
い高純度シリコン、石英、サファイア、アルミナ、ＰＴ
ＦＥ、ポリエチレン等の誘電体基板を用いることができ
る。

【００５５】また、該一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭部
を具備する導体パッチの中央部に配置する高周波トラン
ジスタは２〜３個以上の並列接続とすることにより、単
体の高周波トランジスタのときの飽和電力に比較し並列
の個数倍以上で最大並列個数の自乗倍に比例して増加
し、共振器内に蓄積できる飽和電力が大幅に改善され、
共振器内により多くのエネルギーを蓄積する状態まで発
振が成長可能となる。これは、より高い発振スペクトル
純度と大きな発振出力とを具備する平面放射型発振装置
の実現に有効である。図１７は、本発明による平面放射
型発振装置の一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭部２０を具
備する導体パッチ２４の尖鋭部２０の間に接合する高周
波トランジスタとして、図１における高周波トランジス
タ１２に変えてフリップチップ型トランジスタ３３を接
合した構成例を示す図である。図１８は、本発明による
平面放射型発振装置の一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭部
２０を具備する導体パッチ２４の尖鋭部２０の間に接合
する高周波トランジスタとして、図１における高周波ト
ランジスタ１２に変えてフリップチップ型トランジスタ
３３を並列接続した場合の構成例を示す図である。

【００５６】

【発明の効果】本発明による平面放射型発振装置によれ
ば、一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具備する導体パ
ッチ面と平行に広がる導体平面との間隔が、通常のスト
リップ線路あるいは、平面アンテナ基板に用いられる回
路基板の厚さに比較し３〜１０倍の程度と大きいことか
ら、一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具備する導体パ
ッチは共振周波数において空間に対して弱く結合する平
面共振器となる。軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具備する
導体パッチの基板厚をこの範囲で選択設定すること、及
び軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具備する導体パッチ尖鋭
部の広がり角、及び導体パッチの形状を選択調整し、変
化させることにより、インピーダンス整合と増幅器の帰
還条件を制御し、平面導体パッチが発振用共振器と電磁
波の出力部分を兼ねる放射型発振装置として最適化に必
要な条件を実現できる。本発明によって従来技術では達
成されていない高い高周波電力発生効率と単純化した構
成とによって、空間電力合成に必要な各素子のアレー配
置上の自由度が大きく多素子アレーの空間合成、及び多
素子アレーによるビーム形成等多くの技術的発展が期待
できる。衛星技術を含めたミリ波移動通信、及びレーダ
技術応用等高出力を必要とする多くの技術分野への応用
は特に有望である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による平面型発振装置の第一の構成例を
示す説明図である。

【図２】本発明による、一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭
部を具備する導体パッチを用いた平面放射型発振装置の
第一の構成例の断面を示す説明図である。

【図３】本発明による、一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭
部を具備する導体パッチを用いた平面放射型発振装置の
第二の構成例を示す説明図である。

【図４】本発明による、一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭
部を具備する導体パッチを用いた平面放射型発振装置の
第三の構成例を示す説明図である。

【図５】本発明による、一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭
部を具備する導体パッチを用いた平面放射型発振装置の
第四の構成例を示す説明図である。

【図６】本発明による、一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭
部を具備する導体パッチを用いた平面放射型発振装置の
一構成例を示す説明図である。

【図７】本発明による、一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭
部を具備する導体パッチを用いた平面放射型発振装置の
他の構成例を示す説明図である。

【図８】本発明による、平面放射型発振装置の一構成例
を立体的概念図によって示す説明図である。

【図９】本発明による、平面放射型発振装置の一構成例
における発振スペクトルを示す説明図である。

【図１０】本発明による、平面放射型発振装置の他の構
成例における発振スペクトルを示す説明図である。

【図１１】本発明による、平面放射型発振装置の周波数
同期特性の変化を導体パッチ先鋭部の開き角度θに対し
てまとめた説明図である。

【図１２】本発明による、平面放射型発振装置の一構成
例における電磁波放射パターン特性を示す図である。

【図１３】本発明による、平面放射型発振装置の他の構
成例における放射パターン特性を示す図である。

【図１４】本発明による、平面放射型発振装置を同一平
面上にアレー状に配置した平面放射型発振装置の一構成
概念を示す説明図である。

【図１５】本発明による、平面放射型発振装置を同一平
面上にアレー状に配置した平面放射型発振装置の他の構
成概念を示す説明図である。

【図１６】本発明による、平面放射型発振装置を同一平
面上にアレー状に配置した平面放射型発振装置の電磁波
放射パターン特性を示す図である。

【図１７】本発明による、一対の導体パッチの間にチッ
プ状の高周波トランジスタを接合する平面放射型発信装
置の構成を示す説明図である。

【図１８】本発明による、一対の導体パッチの間にチッ
プ状の高周波トランジスタを接合する平面放射型発振装
置の構成を示す説明図。

【図１９】公知の高周波帯発振装置の一構成の概念を示
す説明図である。

【図２０】発振用共振器が電磁波の出力部分を兼ねる公
知の発振装置の一構成の概念を示す説明図である。

【図２１】発振用共振器が電磁波の出力部分を兼ねる公
知の発振装置の他の構成の概念を示す説明図である。

【図２２】公知のビーム出力型発振装置の構成の概念を
示す説明図である。

【図２３】負性抵抗増幅回路とアンテナ素子を同一平面
に近接して配置する公知の発振装置の構成を示す説明図
である。

【図２４】平面導体パッチが発振用共振器と電磁波放射
器を兼ねる公知の放射型発振装置の一構成例を示す説明
図である。

【図２５】平面導体パッチが発振用共振器と電磁波放射
器を兼ねる公知の放射型発振装置の他の構成例を示す説
明図である。

【図２６】平面導体パッチが発振用共振器と電磁波放射
器を兼ねる公知の放射型発振装置のその他の構成例を示
す説明図である。

【図２７】一対の扇状導体パッチが発振用共振器と電磁
波放射器を兼ねる公知の放射型発振装置の構成例を示す
説明図である。

【符号の説明】

１：共振器 ２：負性抵抗増幅回路 ３：負荷 ４：導波路 ５：導波路 ６：部分透過性反射鏡面 ７：導体反射鏡面 ８：ファブリペロー型の共振器 ９：結合領域 １０：ビーム出力 １１：直流バイアスライン １２：高周波トランジスタ １３：スタブ １４：パッド １５：方形導体パッチ １６：ギャップ １７：円形導体パッチ １８：チップキャパシタ １９：扇状導体パッチ ２０：等傾斜角の尖鋭部 ２１：導体平面 ２２：誘電体基板 ２３：電磁波放射出力 ２４：軸対称な等傾斜角の尖鋭部を持つ導体パッチ ２５：直線による切り欠き ２６：軸対称な等傾斜角の尖鋭部を持つ導体パッチ ２７：曲線による切り欠き ２８：軸対称な等傾斜角の尖鋭部を持つ導体パッチ ２９：軸対称な等傾斜角の尖鋭部を持つ導体パッチ ３０：軸対称な等傾斜角の尖鋭部を持つ導体パッチ ３１：孔 ３２：チョークフィルタ ３３：フリップチップ型トランジスタ ３４：チップ抵抗

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１１年４月２８日（１９９９．４．２
８）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１０】電磁波を効率よく空間に放射するためのア
ンテナ機能と、負性抵抗増幅素子とを一体化し、発振器
を構成するための共振器機能とを併用する効果的な方法
は、本発明の発明者の一人である松井等によって開示さ
れている（ T. Matsui and M. Kiyokawa, "Gaussian-Be
am Oscillator for Microwave and Millimeter Waves",
U.S. Patent No. 5,450,040）。上記開示の技術では、
球面鏡からなるファブリペロー型共振器が用いられ、空
間との結合部は部分透過性の高反射率鏡面を形成してお
り、他方の反射鏡面には、その導体反射鏡面の一部を成
す負性抵抗増幅素子との結合部を設け、その結合は空間
との結合部側と比較して、相対的に強い結合とすること
により、準光学共振器の内部に発振エネルギーを蓄積さ
せ、定常状態では内部に形成された光軸を中心にガウス
分布する電磁界をしみ出させるアンテナとして機能し、
結果として低サイドローブのビーム出力型発振装置とし
て用いることができることを、開示している。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１６】本発明は、上記の状況に鑑みてなされたも
ので、平面的構造の共振器を増幅素子と一体化して、発
振器を構成し、同時に該共振器に空間への電磁波放射器
としての機能を兼ね備えさせ、より広い同期可能周波数
帯域幅と、及びより強い空間的な相互結合とを必要に応
じて実現し、且つ調整が可能で、高い効率で高周波発振
出力を空間に取り出すことができ、更に前記発振装置を
同一平面内にアレー状に配置し、且つ空間的な相互位相
同期による高能率な電力合成及び能動的なビーム形成技
術への実現と応用に適したマイクロ波ミリ波帯の平面放
射型発振装置を提供することを、目的としている。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１７

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の目的を
達成するために、一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具
備する導体パッチの尖鋭部を近接させ、当該各軸対称な
等傾斜角の尖鋭部を具備する導体パッチの対称軸を共有
するように配置された当該一対の軸対称な等傾斜角の尖
鋭部を具備する導体パッチと、一対の軸対称な等傾斜角
の尖鋭部を具備する導体パッチの両端間は電磁波の発振
波長の２／５〜３／５の長さであり、前記一対の軸対称
な等傾斜角の尖鋭部を具備する導体パッチ間に配置され
た高周波トランジスタと、該トランジスタは前記一対の
軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具備する導体パッチに接合
し、前記一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具備する導
体パッチの下方に発振波長の１／１５〜１／５の間に間
隔を保って平行に配置された導体平面と、及び軸対称な
等傾斜角の尖鋭部を具備する導体パッチにソースを接地
電位として接続する直流電源とからなることを特徴とし
ている。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３１】図２２は、図２１の構成の具体的な実施例
の一つである公知のビーム出力型マイクロ波ミリ波発振
装置の構成の概念を示す説明図であり、ここで、図２１
の共振器１は、部分透過性の球面反射鏡面６と導体反射
鏡面７から成るファブリペロー型の共振器８であり、負
性抵抗増幅回路２は、共振器８の導体反射鏡面７の一部
を成す結合領域９と導波路４とにより接続され、部分透
過性の反射鏡面６としては、２次元の導体薄膜格子等が
用いられ、反射鏡面６及び導体反射鏡面７のいずれか
は、球面鏡であるので、共振モードは光軸を中心とした
ガウス分布を成す。更に、反射鏡面６の反射率は、他方
の導体反射鏡面７の反射率に比べて高く設定され、負性
抵抗増幅回路２側から見た共振器８は、見かけ上一端子
の共振器となるように、空間と弱く結合する共振器とし
て構成されており、共振器と負性抵抗増幅回路２との相
互作用により発振が成長し、共振器内に蓄積される高周
波エネルギーが増加し、それとともに部分透過性の反射
鏡面６からガウシアンビームとして漏れ出るビーム出力
１０の電力が増加し、負性抵抗増幅回路２による利得と
発振出力を含むトータルの損失が釣り合った状態で定常
状態となる。

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３８

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３８】従って、図２４、図２５及び図２６に開示
のアンテナ機能を兼ねる共振器を用いた放射型発振装置
の場合に、高周波トランジスタ１２への正帰還条件につ
いてキャパシタンスにより調整できるように、工夫され
ている。しかし、二つの方形導体パッチ１５の間の狭い
ギャップ幅を変化させ、キャパシタンスを調整する図２
４に開示の方式は調整の自由度が十分でなく。また、円
形導体パッチ１７の間のギャップをチップキャパシタで
結合する図２５に開示の方法は、ミリ波帯ではそのまま
有効ではなく、同様に調整の自由度に欠ける欠点があ
る。更に、図２６に開示の方法は、裏面導体板との間隔
の調整が開示されているが、それ以外の調整機能が無
く、放射型発振装置として調整の自由度に欠ける。上述
の様に共振器である導体パッチと空間との間の弱い結合
状態の確保に関して、上記のいずれの方式でも考慮され
ておらず、空間と共振器の弱い結合状態の実現方法に関
して開示されていない。上述したように、図２４、図２
５及び図２６に開示のアンテナ機能を兼ねる共振器を用
いた放射型発振装置においては、最適な発振状態を実現
するのに必要な手法は開示されていない。

【手続補正６】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００４３】図１は本発明による平面放射型発振装置の
第一の構成例を示す説明図である。また、図２は、本発
明による平面放射型発振装置の断面構成を示す説明図で
ある。一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具備する導体
パッチ２４の尖鋭部２０は、互いに近接され、前記各軸
対称な等傾斜角の尖鋭部を具備する導体パッチ２４の対
称軸を共有する様に配置され、その中央部にゲート及び
ドレインを当該一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具備
する導体パッチ２４の異なる一方に、それぞれ接合し、
ソースを接地した電界効果型の高周波トランジスタ１２
と、当該各一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具備する
導体パッチ２４と平行に広がる導体平面２１とからな
り、上記一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具備する導
体パッチ２４の面と平行に広がる上記導体平面２１との
間隔ｈは、波長の１／１５〜１／５倍の間に設定するこ
とで安定な発振状態が確保される。上記一対の軸対称な
等傾斜角の尖鋭部を具備する導体パッチ２４の両端の長
さはＬであり、また幅Ｗの部分の長さはＤであり、軸対
称な等傾斜角の尖鋭部を具備する導体パッチ２４は、直
流バイアスライン１１により、それぞれソースを接地電
位とする別々の直流電源に接続される。図２では、軸対
称な等傾斜角の尖鋭部を具備する導体パッチ２４及び導
体平面２１が低損失の誘電体基板２２の両面に形成され
る場合を示している。

【手続補正７】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４５

【補正方法】変更

【補正内容】

【００４５】図３は、本発明による平面放射型発振装置
の第二の構成例を示す説明図である。一対の軸対称な等
傾斜角の尖鋭部を具備する導体パッチ２６の幅Ｗの両端
部に共振周波数帯域を広くする工夫として開き角αの直
線的な切り欠いた部分２５を設けた場合である。ここ
で、両端の切り欠き部分の開き角αは、９０゜≦α≦２
７０゜の範囲の程度が現実的である。一対の軸対称な等
傾斜角の尖鋭部を具備する導体パッチ２６の両端の直線
による切り欠いた部分２５により発振の中心周波数は、
角度αに依存して変化し、同時に広い同期周波数帯域幅
を持つ平面放射型発振装置が得られる。図１に示す本発
明の第一の構成例は、図３の本発明による平面放射型発
振装置の第二の構成例においてα＝１８０゜とした場合
に相当すると見なすことができる。本発明による平面放
射型発振装置の電磁波放射パターンのうち、同一平面上
に配置された平面放射型発振装置間の空間的相互結合の
強さに関連する±９０゜方向の放射パターン特性は一対
の軸対称な等傾斜角の尖鋭部を持つ導体パッチ２６（又
は２５）の幅Ｗ、及び軸対称な等傾斜角の尖鋭部２０の
開き角θに主に依存する。

【手続補正８】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００４６】図４及び図５は、それぞれ、本発明による
の平面放射型発振装置の第三及び第四の構成例を示す説
明図である。図４に示す平面放射型発振装置は、一対の
軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具備する導体パッチ２８の
幅Ｗの両端部が外に凸となる様に曲線で切り欠いた形状
を具備する場合であり、この場合、共振周波数帯域は狭
くなり、これにより同期周波数帯域幅は狭くなるが、そ
れと引き替えに発振のスペクトル純度は高くなる。これ
に対し、図５に示す平面放射型発振装置は一対の軸対称
な等傾斜角の尖鋭部を具備する導体パッチ２９の幅Ｗの
両端部が外に凹となる様に曲線で切り欠いた形状を具備
する場合であり、この場合は、共振周波数帯域が広くな
る。これにより同期周波数帯域幅は広くなるが、それと
引き替えに発振のスペクトル純度は低くなる。図４に示
す一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具備する導体パッ
チ２８の外に凸の幅Ｗの両端部の切り欠いた形状の曲率
半径Ｒが、一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具備する
導体パッチ２８の長さＬの１／２に近く、且つＤが小さ
い時、図４の平面放射型発振装置の一対の軸対称な等傾
斜角の尖鋭部を具備する導体パッチ２８は、図２７に開
示の扇型導体パッチの形状に近くなり、共振帯域は非常
に狭くなり発振のスペクトル純度は高くなるが、引き替
えに同期周波数帯域は非常に限られる。本発明による平
面放射型発振装置の一対の軸対称な等角傾斜の尖鋭部を
具備する導体のバッチの形状に、多少の非対称性が加え
られたとしても機能上の大きな変化がないことは、もち
ろんである。

【手続補正９】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４７

【補正方法】変更

【補正内容】

【００４７】図６は、図１に示した本発明による平面放
射型発振装置の具体的な実施例を示す図で、Ｄ＝０の場
合である。この場合、広い共振周波数帯域となり、これ
により同期周波数帯域幅は広く採れるが、それと引き替
えに発振のスペクトル純度は低くなる。一対の軸対称な
等傾斜角の尖鋭部を具備する導体パッチ３０は直流バイ
アスライン１１により、それぞれソースを接地電位とす
る別々の直流電源に接続される。図７は、図６と同様な
構成であるが、ゲートは無バイアスとし、ドレインとソ
ース間のみにバイアスを供給し動作させる場合である。
いずれのバイアス方法においても、基本的な発振動作に
違いはない。特に、図７のバイアス方法は、同一平面上
に複数の平面放射型発振器をアレイ状に配置し、同期動
作させる場合の構成においてバイアスの為の配線が単純
化される利点がある。

【手続補正１０】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００５０】図１２及び図１３は、本発明による平面放
射型発振装置の放射パターンの例を示すものであって、
図１の一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具備する導体
パッチ２４及び図５の一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭部
を具備する導体パッチ２８についてＤ＝０とした場合の
放射パターンを測定した結果である。図１２は、図４に
示す本発明による平面放射型発振装置の構成による一対
の軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具備する導体パッチ２８
の両端が外に凸の曲線の形状を具備する場合であり、図
９における発振スペクトル純度の高い場合に対応し、図
１３は、図１に示す本発明による平面放射型発振装置の
構成による一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具備する
導体パッチ２４のＤ＝０の場合であり、一対の導体パッ
チ２４の両端が導体パッチの対称軸に直交して切断され
た形状であり、図１０における発振スペクトル純度の低
い場合に対応する。図１２及び図１３の放射パターン特
性から明らかなように、本発明による一対の軸対称な等
傾斜角の先鋭部を具備する導体パッチを用いた平面放射
型発振装置では、交差偏波成分の発生が低いレベルに抑
圧される特徴がある。図１２及び図１３において、本発
明による平面放射型発振装置の一対の軸対称な等傾斜角
の尖鋭部を具備する導体パッチの形状の違いにより、E
面において、平面放射型発振装置の導体面と平行な方向
の放射レベルに有意な差が観測された。導体面に平行な
方向の放射特性の差は、同一平面上にアレイ状に配置さ
れた平面放射型発振装置相互間の空間的な結合強度に直
接的な差を生じさせる。

【手続補正１１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図１

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】本発明による平面放射型発振装置の第一の構成
例を示す説明図である。

【手続補正１２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図１８

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１８】本発明による、一対の導体パッチの間にチッ
プ状の高周波トランジスタを並列に接合する平面放射型
発振装置の構成を示す説明図。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 村田 正望 東京都小金井市貫井北町４−２−１ 郵政 省通信総合研究所内 Ｆターム(参考） 5J021 AA01 AB06 CA06 FA01 FA24 HA05 HA10 JA02 JA07 JA09 5J045 AA01 AA02 AB05 AB06 DA10 EA07 HA03 JA03 LA01 NA01

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具備
   する導体パッチの尖鋭部を近接させ、当該各軸対称な等
   傾斜角の尖鋭部を具備する導体パッチの対称軸を共有す
   るように配置された当該一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭
   部を具備する導体パッチと、一対の軸対称な等傾斜角の
   尖鋭部を具備する導体パッチの両端間は電磁波の発振波
   長の２／５〜３／５の長さであり、前記一対の軸対称な
   等傾斜角の尖鋭部を具備する導体パッチ間に配置された
   高周波トランジスタと、該トランジスタは前記一対の軸
   対称な等傾斜角の尖鋭部を具備する導体パッチに接合
   し、前記一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具備する導
   体パッチの下方に発振波長の１／１５〜１／５の間に間
   隔を保って平行に配置された導体平面と、及び軸対称な
   等傾斜角の尖鋭部を具備する導体パッチにソースを接地
   電位として接続する直流電源とからなることを特徴とす
   る平面放射型発振装置。
2. 【請求項２】 一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具備
   する導体パッチの尖鋭部を近接させ、当該各軸対称な等
   傾斜角の尖鋭部を具備する導体パッチの対称軸を共有す
   るように配置された前記一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭
   部を具備する導体パッチと、一対の軸対称な等傾斜角の
   尖鋭部を具備する導体パッチの両端間は電磁波の発振波
   長の２／５〜３／５の長さであり、前記一対の軸対称な
   等傾斜角の尖鋭部を具備する導体パッチ間に配置された
   高周波トランジスタと、該トランジスタは上記一対の軸
   対称な等傾斜角の尖鋭部を具備する導体パッチに接合
   し、前記一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具備する導
   体パッチの下方に発振波長の１／１５〜１／５の間に間
   隔を保って平行に配置された導体平面とから成る構成
   を、複数個に渡って同一平面上にアレー状に配置するこ
   とと、及び軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具備する導体パ
   ッチにソースを接地電位として接続する直流電源とから
   なることを特徴とする請求項１記載の平面放射型発振装
   置。
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載の高周波トランジス
   タは、電界効果型高周波トランジスタであって、ゲート
   は一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具備する導体パッ
   チの一方に、ドレインは他方の軸対称な等傾斜角の尖鋭
   部を具備する導体パッチにそれぞれ接合し、ソースは接
   地されていることを特徴とする請求項１又は２記載の平
   面放射型発振装置。
4. 【請求項４】 請求項１〜３の何れか１項に記載の高周
   波トランジスタは、接合型の高周波トランジスタであっ
   て、ベースは一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具備す
   る導体パッチの一方に、コレクタは他方の軸対称な等傾
   斜角の尖鋭部を具備する導体パッチにそれぞれ接合し、
   エミッタを接地されていることを特徴とする請求項１〜
   ３の何れか１項記載の平面放射型発振装置。
5. 【請求項５】 一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具備
   する導体パッチの中央部に配置する高周波トランジスタ
   は複数の並列接続であることを特徴とする請求項１〜４
   の何れか１項記載の平面放射型発振装置。
6. 【請求項６】 一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭部を具備
   する導体パッチと、前記一対の軸対称な等傾斜角の尖鋭
   部を具備する導体パッチに平行に広がる導体平面は、高
   周波損失の小さい高純度シリコン、石英、サファイア、
   アルミナ、ＰＴＦＥ、及びポリエチレン等の誘電体材料
   を挟んで形成されることを特徴とする請求項１記載の平
   面放射型発振装置。