JP2001251138A - 平面構造放射型発振装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 放射型発振装置の発振効率の最適化の条件と
して必要な、共振器と空間との結合係数や、増幅素子と
共振器との結合係数のパラメータを調整する自由度を持
つ放射型発振装置の構成を実現し、また、装置間の相互
干渉を分離し易く、独立した通信周波数チャンネルの利
用等ができるようにする。 【解決手段】 この発明の平面構造放射型発振装置１０
０は、誘電体基板１０上に並列に配置した一対の導体パ
ッチ１ａ，１ｂと、誘電体基板１０上に各導体パッチ１
ａ，１ｂとは空隙を保って配置した接地導体面３と、導
体パッチ１ａ，１ｂの各々と接地導体面３とにその端子
を接続して配置した高周波増幅素子４と、直流電源６
ａ，６ｂと、を備え、導体パッチ１ａ，１ｂの各々と接
地導体面３とでそれぞれ共振器Ａ，Ｂを構成しマイクロ
波ミリ波帯の高周波発振出力を空間に取り出すようにし
た、ことを特徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高周波発振のため
の共振器を空間への電磁波放射のためのアンテナ機能と
共用し、高い周波数領域で問題となる導波路の損失と結
合部・変換部での特性劣化を避け、高い効率のマイクロ
波ミリ波帯の無線通信装置、電波計測装置技術に利用で
きるマイクロ波ミリ波帯の無線装置技術に関する。

【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、
高周波回路技術を主体とした送信・受信装置技術との組
み合わせで構成されている。

【０００３】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、受信装置のため
の高周波回路技術とは、長い間に亘って相互に独立した
技術分野を形成してきた。

【０００４】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。

【０００５】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、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期待さ
れるようになっている。

【０００６】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。

【０００７】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、通信・計測制御システム上の新しい機能を
実現するための技術開発への要求を生みだしている。

【０００８】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。

【０００９】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。

【００１０】以下に図面を用いて、本発明に関連する従
来技術について述べ、本発明の目的と技術上の位置づけ
を明らかにするために具体例を用いて説明する。

【００１１】図１５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６０と負性抵抗増
幅回路６２が導波路６１により接続され、負荷６４は負
性抵抗増幅回路６２の他の端子に導波路６３によって取
り付けられ、発振電力が共振器６０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６０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。

【００１２】これに対し、図１６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６０の内部に負性抵抗増幅
回路６２が組み込まれ、負荷６４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。

【００１３】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６４に
対応している。

【００１４】図１７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６０と負性抵抗増幅回路６２が
導波路６１により接続され、インピーダンスＺＬで表現
される負荷６４は高周波発振電力をビーム６３ａ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。

【００１５】この構成例は、本願の発明者等によって、
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(U.S.Patent No. 5,45
0,040）として、開示された。

【００１６】図１７による公知の発振装置は、原理的に
は図１６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。

【００１７】図１８は、図１７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１７
の共振器６０は、部分透過性の反射鏡面６０１と導体反
射鏡面６０２から成るファブリペロー型の共振器６００
であり、負性抵抗増幅回路６２は、共振器６００の導体
反射鏡面６０２の一部を成す結合領域６０３と導波路６
１とにより接続され、部分透過性の反射鏡面６０１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
０１及び導体反射鏡面６０２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。

【００１８】更に、反射鏡面６０１の反射率は、他方の
導体反射鏡面６０２の反射率に比べて高く設定され、負
性抵抗増幅回路６２側から見た共振器６００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
６２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６０１からガウシアンビームとして漏れ
出るビーム出力６０４の電力が増加し、負性抵抗増幅回
路６２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。

【００１９】図１８に開示の構成では、部分透過性反射
鏡面６０１及び導体反射鏡面６０２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６０３と導波路６１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
帯域を用いる無線通信装置や、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。

【００２０】これに対し、平面の回路とアンテナを一体
化して装置を構成する試みがある。図１９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１９にお
いて、高周波トランジスタ６９は、ストリップラインか
ら成る共振器６０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６６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
て接続されアンテナとして機能する方形導体パッチ６５
を通じて空間へ放射される。

【００２１】この場合に、発振はスタブ６８やストリッ
プライン共振器６０、直流バイアスライン６６及び方形
導体パッチ６５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。

【００２２】上記の様な発振回路とアンテナの集積化の
試みと並行して、上記構成における困難を克服する試み
として平面共振器構造を発振の為の共振器として用いる
と同時に、電磁波放射器として利用する方法が研究され
てきた。図２０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. York and
R.C. Compton, "Quasi-Optical Power Combining Usin
g Mutually Synchronized Oscillator Arrays", IEEE T
rans. Microwave Theory Tech.,Vol.MTT-39,pp1000-100
9,1991)。

【００２３】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６５を狭いギャッ
プ７０を隔てて配置し、ソース接地の電界効果型（ＦＥ
Ｔ）の高周波トランジスタ６９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６６により直接
バイアスを取り、且つこの狭いギャップ７０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。

【００２４】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。

【００２５】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。

【００２６】従って、図２０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６９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６５の間の狭いギャップ７０の幅を
変化させ、キャパシタンスを調整する図２０に開示の方
式は、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。従って、アンテナ機能を兼ね
る共振器を用いた放射型発振装置として、最適な発振状
態を実現する手法は開示されていなかった。

【００２７】これに対し、図２１は、本願の発明者等に
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
明図であり、当該開示の技術によって、平面構成の共振
器を用いた放射型発振装置の、放射機能を兼ねる平面共
振器と空間との結合強度と、該平面共振器と増幅素子と
の結合関係を最適化し、高能率な放射型発振装置が実現
できる様になった。

【００２８】図２１に開示の構成では、一対の扇状導体
パッチ７１は、その尖鋭部７２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７１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６９と、当
該各一対の扇状導体パッチ７１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７１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７１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６６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。

【００２９】図２１に開示の技術によれば、一対の扇状
導体パッチ７１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７１の広がり角θの調整の
自由度がある点において、他の従来技術に比較して優れ
ており、図１８に開示のファブリペロー型の共振器を用
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基本構成が
開示されている。

【００３０】しかし、上記「平面放射型発振装置」（特
願平１１−５９０７０号）に依れば、隣接配置の放射型
発振装置の相互結合効果が高く、効率の良い空間電力合
成に適している反面、異なる周波数もしくは、異なる指
向ビームにより複数の通信回線を並列に確保する場合に
は隣接する放射型発振装置間の相互干渉が生じ易く、適
していない問題があった。

【００３１】これに対し、放射型発振装置を同一平面に
複数配置した場合の相互干渉を防ぎ、独立した放射型発
振装置の平面的配置を実現し易い構成として、接地導体
面を共有するスロット型共振器の構成が考えられる。

【００３２】図２２は、公知の放射型発振装置であって
導体平面上に形成されたリングスロット型アンテナを発
振用の共振器として用いた放射型発振装置（Electronic
s Letters Vol.29, No.6, pp.521-522, 1993）の構成を
示す説明図である。導体平面８０上に、導体面８１及び
８２の間にリングスロット８３を形成し、電界効果型の
高周波トランジスタ６９のゲート６９ａ及びドレイン６
９ｂをそれぞれ導体面８１及び８２に接合し、ソース６
９ｃを導体平面８０に接合し接地とし、該導体面８１及
び８２は、狭い空隙８４によって直流的に分離され、前
記接地を共有する直流電源に接続される。当該公知の放
射型発振装置は、発振用のリングスロット８３共振器の
周辺が導体平面８０で囲まれた構成であり、同一平面上
に当該リングスロット８３をアンテナとして放射型発振
装置を配置した場合にも、該放射型発振装置間の相互干
渉を分離し易い特徴がある。

【００３３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記に
開示のリングスロット８３のアンテナを発振用の共振器
として用いた放射型発振装置の共振周波数は、リングス
ロット８３の長さπＬで決まり、該リングスロット８３
の幅Ｇが、特性インピーダンスを調整する唯一の可変パ
ラメータであり、これは、空間を出力とする放射型発振
装置の発振効率を最適化するための条件として必要な、
共振器と空間との結合係数、増幅素子と共振器との結合
係数のパラメータ調整する自由度が無く、原理的に発振
の最適化が不可能であった。この問題は、円形状のリン
グスロット８３を方形リングスロットやその他の形状に
変更しても同じであり、放射型発振装置として最適化す
るための調整パラメータの自由度が不足しており、放射
型発振装置として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かった。

【００３４】放射型発振装置を同一平面上に複数配置
し、異なる周波数により複数の独立した通信回線を構成
する場合や、多チャンネンル計測装置システムを構成す
るためには、隣接する放射型発振装置間の相互干渉が分
離し易く、高能率の発振特性が得られる新しい構成の平
面構造放射型発振装置の開発が必要となっていた。

【００３５】本発明は、上記の問題点を解決するために
行ったもので、放射型発振装置の発振効率の最適化の条
件として必要な、共振器と空間との結合係数や、増幅素
子と共振器との結合係数のパラメータを調整する自由度
を持つ放射型発振装置の構成を実現し、同一平面上に複
数の該放射型発振装置を隣接して配置した場合にも該放
射型発振装置間の相互干渉を分離し易く、独立した通信
周波数チャンネルの利用や、独立した位相制御等を可能
とする効率の良い平面構造の放射型発振装置を提供する
ことを目的とする。

【００３６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に記載の発明は、平面構造放射型発振装置
であって、誘電体基板上に並列に配置した一対の導体パ
ッチと、上記誘電体基板上に各導体パッチとは空隙を保
って配置した接地導体面と、上記導体パッチの各々と接
地導体面とにその端子を接続して配置した高周波増幅素
子と、上記導体パッチの各々に接続した直流電源と、を
備え、上記導体パッチの各々と接地導体面とでそれぞれ
共振器を構成し、その共振器の各々に直流電源からの電
力を高周波増幅素子を介して入力し、マイクロ波ミリ波
帯の高周波発振出力を空間に取り出すようにした、こと
を特徴としている。

【００３７】また、請求項２に記載の発明は、上記した
請求項１に記載の発明の構成に加えて、上記共振器の各
々は、導体パッチの幅および長さ、導体パッチ間の距
離、並びに導体パッチと接地導体面との空隙幅をパラメ
ータとしてその高周波発振出力が制御される、ことを特
徴としている。

【００３８】また、請求項３に記載の発明は、上記した
請求項１に記載の発明の構成に加えて、上記導体パッチ
間の距離を、発振波長の１／９０〜１／１５とする、こ
とを特徴としている。

【００３９】請求項４に記載の発明は、上記した請求項
１に記載の発明の構成に加えて、上記導体パッチの長さ
を、発振波長の２／５〜３／５とする、ことを特徴とし
ている。

【００４０】請求項５に記載の発明は、上記した請求項
１に記載の発明の構成に加えて、上記誘電体基板上の導
体パッチおよび接地導体面から下方で発振波長の１／４
の距離に、平行に導体平面を配置した、ことを特徴とし
ている。

【００４１】また、請求項６に記載の発明は、上記した
請求項１に記載の発明の構成に加えて、上記誘電体基板
上の導体パッチおよび接地導体面から下方で発振波長の
１／４の距離に、集束性の反射鏡面を配置した、ことを
特徴としている。

【００４２】また、請求項７に記載の発明は、上記した
請求項１に記載の発明の構成に加えて、上記誘電体基板
上の導体パッチおよび接地導体面から下方で発振波長の
１／３０〜１／１０の距離に平行に導体平面を配置し
た、ことを特徴としている。

【００４３】さらに、請求項８に記載の発明は、上記し
た請求項１に記載の発明の構成に加えて、上記高周波増
幅素子は、電界効果型高周波トランジスタであって、ゲ
ートは一方の導体パッチに、ドレインは他方の導体パッ
チに、またソースは接地導体面にそれぞれ接続し、直流
電源は少なくともドレインを接続した導体パッチに接続
する、ことを特徴としている。

【００４４】請求項９に記載の発明は、上記した請求項
１に記載の発明の構成に加えて、上記高周波増幅素子
は、接合型高周波トランジスタであって、ベースは一方
の導体パッチに、コレクタは他方の導体パッチに、また
エミッタは接地導体面にそれぞれ接続し、直流電源は少
なくともコレクタを接続した導体パッチに接続する、こ
とを特徴としている。

【００４５】また、請求項１０に記載の発明は、上記し
た請求項１に記載の発明の構成に加えて、上記誘電体基
板は、高周波誘電損失の小さい、高純度シリコン、石
英、サファイア、アルミナ、ＰＴＦＥ、ポリエチレン等
の材料から成る、ことを特徴としている。

【００４６】

【発明の実施の形態】以下にこの発明の実施の形態を図
面に基づいて詳細に説明する。先ず第１の実施形態を図
１、図２を用いて説明する。

【００４７】図１は本発明の平面構造放射型発振装置の
第１の構成例を示す斜視図、図２はその要部を示す平面
図、図３は図２のＩ−Ｉ線断面図である。これらの図に
おいて、この発明の平面構造放射型発振装置１００は、
誘電体基板１０上に並列に配置した一対の矩形状の導体
パッチ１ａ，１ｂと、誘電体基板１０上に各導体パッチ
１ａ，１ｂとは空隙を保って配置した接地導体面３と、
導体パッチ１ａ，１ｂの各々と接地導体面３とにその端
子７，８，９を接続して配置した高周波増幅素子４と、
導体パッチ１ａ，１ｂの各々に接続した直流電源６ａ，
６ｂと、を備えている。ここで、高周波増幅素子４は、
例えば電界効果型の高周波トランジスタであって、ゲー
ト８は一方の導体パッチ１ａに、ドレイン７は他方の導
体パッチ１ｂに、またソース９，９は接地導体面３にそ
れぞれ接続し、直流電源６ａ，６ｂはそれぞれ直流バイ
アスライン１４により低域フィルタ５ａ，５ｂを介して
導体パッチ１ａ，１ｂに接続されている。

【００４８】そして、導体パッチ１ａと、この導体パッ
チ１ａをその周囲の空隙領域２を介して囲む接地導体面
３とで共振器Ａを構成し、また、導体パッチ１ｂと、こ
の導体パッチ１ｂをその周囲の空隙領域２ｂを介して囲
む接地導体面３とで共振器Ｂを構成し、その共振器Ａ，
Ｂの各々に直流電源６ａ，６ｂからの電力を、低域フィ
ルタ５ａ，５ｂおよび高周波トランジスタ４を介して入
力し、マイクロ波ミリ波帯の高周波発振出力を空間に取
り出すようになっている。

【００４９】なお、誘電体基板１０は高周波誘電損失の
小さい、高純度シリコン、石英、サファイア、アルミ
ナ、ＰＴＦＥ、ポリエチレン等の材料で形成されてい
る。また、導体パッチ１ａ，１ｂ、接地導体面３の導体
表面での高周波電流損失の影響を最小限にするために該
導体表面は高品質な高導電性膜である必要があり、それ
らが形成される誘電体基板の表面は、滑らかな面である
ことが重要である。

【００５０】上記構成の平面構造放射型発振装置１００
において、ゲート８に接続した導体パッチ１ａと接地導
体面３との間（すなわち共振器Ａ）に発生した雑音信号
は増幅され、ドレイン７に接続した導体パッチ１ｂと接
地導体面３との間（すなわち共振器Ｂ）に高周波電界を
誘起し、共振器Ａ，Ｂの共振周波数に一致する成分は、
効率よく振動が保持され、導体パッチ１ａ，１ｂの長さ
方向に磁界を発生させ、一部は空間へ放射される。

【００５１】このとき、導体パッチ１ａ，１ｂ間の距離
Ｄ１（＝２×Ｇ（空隙領域２の幅）＋Ｄ（導体パッチ１
ａ，１ｂの間の接地導体面３の幅）を、発振波長の１／
９０から１／１５に設定すると、導体パッチ１ａ，１ｂ
は相互に十分近接した配置となり、したがって、ゲート
８側へ同位相の電磁界が誘起されて正帰還条件が満足さ
れ、発振が成長し、大振幅動作の状態で、空間への電磁
界の放射を含めた損失の和が、高周波トランジスタ４に
よる高周波電力の供給と釣り合った状態で定常状態に達
する。

【００５２】共振器Ａ，Ｂに蓄積された電磁界エネルギ
ーは、定常状態において一定の割合で空間に放射され、
ほぼ対称な放射パターンを持つ平面構造放射型発振装置
となる。

【００５３】また、導体パッチ１ａ、１ｂ及び接地導体
面３と空隙領域２とで形成される共振器での実効波長
は、導体パッチ１ａ、１ｂの幅Ｗ、空隙領域２の幅Ｇ及
び接地導体面３と平行に配置される導体平面１１との間
隔等に依存し、誘電体基板の比誘電率の効果を含め、
０．８〜１．２倍の程度の範囲でずれを生じることか
ら、導体パッチ１ａ、１ｂの長さＬを、上記のパラメー
タの条件にあわせて発振波長の２／５〜３／５の間で選
ぶことで発振周波数を設定することができる。さらに、
上記のパラメータの条件の選択により発振のための共振
器のＱ値を調整できることから、相対的に高いスペクト
ル純度の発振が得られる状態から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持つ発振状態
を選択できるようになる。一般には、共振器Ａ，Ｂは、
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。

【００５４】このように、本発明の平面構造放射型発振
装置１００の構成によれば、導体パッチ１ａ，１ｂの幅
Ｗおよび長さＬ、導体パッチ１ａ，１ｂ間の距離Ｄ１、
および導体パッチ１ａ，１ｂと接地導体面３との空隙幅
Ｇをパラメータとすることで、共振器Ａ，Ｂの空間との
結合、共振器Ａ，Ｂ相互間の空間結合、及び高周波トラ
ンジスタ４と各共振器Ａ，Ｂとの結合の各度合いを広い
範囲で選択調整することが可能となる。

【００５５】これにより、直流バイアスライン１４によ
り低域フィルター５ａ，５ｂを介して高周波トランジス
タ４に接続された直流電源６ａ，６ｂからのＤＣ電力を
高い効率でマイクロ波ミリ波帯の高周波発振出力（ＲＦ
電力）として空間に取り出すことができる。すなわち、
平面構造放射型発振装置１００の発振出力の最適化が可
能となる。

【００５６】また、本発明による一対の共振器Ａ，Ｂ
は、導体パッチ１ａ，１ｂと、その導体パッチ１ａ，１
ｂの周囲に空隙領域２を介して拡がる接地導体面３とで
形成されることから、この一つの共振器Ａ，Ｂからなる
平面構造放射型発振装置１００を同一平面上に複数配置
した場合でも装置間の相互干渉を分離することができ、
したがって、互いに異なる周波数を持つ複数の独立した
通信回線を構成できすることができる。また、異なる指
向ビームにより複数の通信回線を並列に確保することが
でき、さらにアレー構成によるビーム形成へ応用するこ
とができる。

【００５７】図４は本発明の平面構造放射型発振装置の
第２の構成例を示す断面図である。この第２の構成例で
は、図に示すように、誘電体基板１０上の導体パッチ１
ａ，１ｂと接地導体面３との下方に、発振波長の１／４
の距離に平行な導体平面１１が配置されている。したが
って、上記した第１の構成例の場合と同様に、発振出力
の最適化等の効果を奏するとともに、さらに次のような
効果を発揮するにいたる。すなわち、導体パッチ１ａ，
１ｂ及び接地導体面３の両側にほぼ対称な放射パターン
で放射される電磁界の内、導体パッチ１ａ，１ｂ及び接
地導体面３の下方に放射される成分は、当該平行な導体
平面１１で反射され、導体平面１１での位相ずれを含め
一波長に相当する位相差で重畳されるため強め合い、単
一指向性の平面構造放射型発振装置とすることができ
る。

【００５８】なお、第２の構成例および以下に説明する
各構成例において、誘電体基板１０の下方に導体平面１
１を設ける場合、その導体平面１１はここでは図示され
ていないが、低損失で表面が滑らかな誘電体基板上に設
けるものとする。また、誘電体基板１０と導体平面１１
との間には、さらに誘電体基板を介在させるようにして
もよいし、単に空気層として構成してもよい。空気層と
する場合は、装置外周に支持機構を設け、誘電体基板１
０と、導体平面１１が設けられている誘電体基板との双
方を支持するようにすればよい。

【００５９】図５、図６および図７は第２の構成例にお
いて集束性の反射鏡面が配置される構成を示す図であ
る。図５では、凸レンズ状の誘電体１２と導体平面１１
の組み合わせにより、凹面反射鏡と等価な集束性の反射
鏡面を構成している。また、図６では、図５の場合のレ
ンズ状の誘電体１２に換えて、円柱状の誘電体１２１と
導体平面１１とを組み合わせた場合であり、この場合に
は、円柱状の誘電体１２１の径と厚さの組み合わせを適
当に選択することで、十分効果的な集束効果のある反射
鏡面を構成することができる。さらに、図７では、集束
効果のある凹面反射鏡１３そのものを用いた場合であ
る。

【００６０】このように、図５、図６および図７では、
導体パッチ１ａ，１ｂと接地導体面３との下方に、集束
効果のある反射鏡面を配置するようにしたので、導体パ
ッチ１ａ，１ｂ及び接地導体面３の両側にほぼ対称な放
射パターンで放射される電磁界の内、導体パッチ１ａ，
１ｂ及び接地導体面３の下方に放射される成分は、集束
性の導体反射鏡面（１２＋１１、１２１＋１１、１３）
で反射され、導体面での位相ずれを含め一波長に相当す
る位相差で重畳されるため強め合い、図４の場合と同様
に、単一指向性の平面構造放射型発振装置とすることが
できる。

【００６１】図８は本発明の平面構造放射型発振装置の
第３の構成例を示す断面図である。この第３の構成例で
は、導体パッチ１ａ，１ｂと接地導体面３との下方に、
発振波長の１／３０〜１／１０の間隔を保って平行な導
体平面１１が配置される。

【００６２】このように、導体パッチ１ａ，１ｂと接地
導体面３との下方で、発振波長の１／３０〜１／１０の
距離に、平行に導体平面１１を配置したので、上記した
第１の構成例の場合と同様に、発振出力の最適化等の効
果を奏するとともに、さらに次のような効果を発揮する
にいたる。すなわち、上記した共振器Ａ，Ｂの各々は、
バックプレート付き共振器となり、共振器Ａ，Ｂのイン
ピーダンスを、導体平面１１が平行に配置されていない
場合と比較して低減することができるようになる。その
結果、平行に配置される導体平面１１が無い場合、及び
平行に配置される導体平面１１が発振波長の１／４の距
離に配置される場合に比べ、導体パッチ１ａ、１ｂの幅
Ｗに対する空隙領域２の幅Ｇを相対的に大きくとること
ができ、短波長のミリ波帯で微細化する加工寸法上の条
件を和らげる効果が得られる他、単一指向性が容易に実
現できる等の利点がある。

【００６３】図９は本発明の平面構造放射型発振装置の
第４の構成例を示す説明図である。この第４の構成例で
は、導体パッチ１ａ，１ｂを矩形状ではなく半楕円状に
形成している。したがって、導体パッチ１ａ，１ｂと、
周囲の接地導体面３との間の空隙幅が一定でなく、外周
側で変化するようになっている。すなわち、導体パッチ
１ａ，１ｂが相対する領域にある接地導体面３との間で
の空隙幅Ｇ１は一定であるが、それ以外の領域にある接
地導体面３との間での空隙幅Ｇ２は変化している。

【００６４】上記のように、導体パッチ１ａ，１ｂ間の
距離Ｄ１は、発振波長の１／９０〜１／１５として互い
に近接させる必要があることから、空隙幅Ｇ１は、発振
波長の１／１００〜１／２０の範囲であることが必要と
なる。一方、外周側の空隙幅Ｇ２は、発振波長の１／２
０〜１／４程度の相対的に大きな空隙とすることが可能
である。

【００６５】このように、導体パッチ１ａ，１ｂを半楕
円状に形成するようにしたので、上記した第１の構成例
の場合と同様に、発振出力の最適化等の効果を奏すると
ともに、さらに次のような効果を発揮するにいたる。す
なわち、導体パッチ１ａ，１ｂ同士を近接させる必要が
ある領域での空隙幅Ｇ１は小さく設定でき、一方、近接
させる必要のない領域での空隙幅Ｇ２は変化を持たせる
ことができ、したがって、放射パターンの対称性を含め
た調整を、簡単にかつ有効に行えるようになる。

【００６６】なお、導体パッチ１ａ，１ｂは半楕円状で
あるとして説明したが、相対する側の形状が直線であれ
ば、外周側は任意の形状をとるようにしてもよい。

【００６７】図１０は本発明の第５の構成例を示す斜視
図である。この第５の構成例が上記した第１の構成例と
異なるのは、接地導体面３等の下方で発振波長の１／３
０〜１／１０の間隔を保って平行に導体平面１１を設け
たこと、およびドレイン７を接続した導体パッチ１ｂ
は、直流バイアスライン１４により直流電源６に接続し
ているが、ゲート８側は無バイアスとしていることの２
点である。

【００６８】この第５の構成例では、上記した第１の構
成例の場合と同様に、発振出力の最適化等の効果を奏す
るとともに、さらに次のような効果を発揮するにいた
る。すなわち、導体平面１１を設けたので、第２の構成
例の場合と同様に、単一指向性の平面構造放射型発振装
置とすることができる。また、ゲート側を無バイアスと
したので、発振動作状態でゲート側はセルフバイアスの
状態となって駆動するし、直流電源が一つで済むので、
構成が簡単となり、複数の平面構造放射型発振装置を動
作させる際にも有効となる。

【００６９】図１１は本発明の第６の構成例を示す斜視
図である。この第６の構成例では、導体平面１１を設
け、またゲート側を無バイアスとした点では、上記した
第５の構成例の場合と同様であるが、この第６の構成例
は、さらに導体パッチ１ａ，１ｂのそれぞれに、複数の
チップ状高周波トランジスタ１５を、フリップチップ構
成で接合させている。したがって、ミリ波帯における平
面構造放射型発振装置として実用的な構成となってお
り、チップ状高周波トランジスタ１５の並列運転により
高出力化及び高スペクトル純度化の効果を得ることがで
きる。

【００７０】図１２は本発明の平面構造放射型発振装置
の発振スペクトルの一例を示す図である。本発明では、
導体パッチ１ａ，１ｂの幅Ｗおよび長さＬ、導体パッチ
１ａ，１ｂ間の距離Ｄ１、並びに導体パッチ１ａ，１ｂ
とその周囲の接地導体面３と間の空隙幅Ｇ（Ｇ１，Ｇ
２）をパラメータとすることで、共振器Ａ，Ｂの空間と
の結合、共振器Ａ，Ｂ相互間の空間結合、及び高周波ト
ランジスタ４（１５）と各共振器Ａ，Ｂとの結合の各度
合いを広い範囲で選択調整することが可能となる。した
がって、その選択調整により、発振スペクトルを鋭く高
い純度のスペクトルとしたり、より広い周波数同期帯域
幅を持つものとしたり、その用途に応じて自在に制御す
ることができる。

【００７１】図１３は本発明の平面構造放射型発振装置
の放射パターンの一例を示す図である。導体パッチ１
ａ，１ｂと接地導体面３とからなる面に平行に導体平面
１１を持つ構成の場合であって、正面方向に相対的に強
い放射パターン特性を示している。水平（±９０度）方
向の放射レベルが低く抑えられている。したがって、こ
の一対の共振器からなる平面構造放射型発振装置を同一
平面上に複数配置した場合、その装置間の相互干渉を分
離することができるようになる。

【００７２】図１４は公知の一対の対称平面パッチを用
いた放射型発振装置（特願平１１−５９０７０号）の放
射パターンの一例を示す説明図であるが、本発明による
平面構造放射型発振装置の放射パターンと対照的に、水
平方向（±９０度）放射レベルが高いことが分かる。こ
の放射パターン特性の差は、本発明による平面構造放射
型発振装置における発振及び放射のための共振器構造
が、接地導体面３で囲まれている構造であることに関係
している。

【００７３】なお、上記の説明では導体パッチ１ａ，１
ｂは対称な形状のものを使用するようにしたが、必ずし
も対称な形状でなくともよい。

【００７４】また、高周波トランジスタ４に電解効果型
のものを使用するようにしたが、その他のタイプ、例え
ば接合型のものを使用するようにしてもよい。接合型高
周波トランジスタを使用する場合は、ベース及びコレク
タを導体パッチの異なる一方にそれぞれ接続し、エミッ
タを接地導体面に接続する。特にヘテロバイポーラトラ
ンジスタ（ＨＢＴ）等の利用により、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構造放射型発
振装置が実現できる。

【００７５】

【発明の効果】この発明は上記した構成からなるので、
以下に説明するような効果を奏することができる。

【００７６】請求項１に記載の発明では、誘電体基板上
に一対の導体パッチと、その各導体パッチとは空隙を保
つ接地導体面とを配置して、一対の共振器を構成したの
で、共振器の各々は、導体パッチの幅および長さ、導体
パッチ間の距離、並びに導体パッチと接地導体面との空
隙幅をパラメータとすることで、共振器の空間との結
合、共振器相互間の空間結合、及び高周波増幅素子と各
共振器との結合の各度合いを広い範囲で選択調整するこ
とが可能となる。

【００７７】これにより、直流バイアスラインにより高
周波増幅素子に接続された直流電源からのＤＣ電力を高
い効率でマイクロ波ミリ波帯の高周波発振出力（ＲＦ電
力）として空間に取り出すことができる。すなわち、平
面構造放射型発振装置の発振出力の最適化が可能とな
る。

【００７８】また、本発明による一対の共振器は、一対
の導体パッチと、その導体パッチの周囲に空隙を介して
囲む接地導体面とで形成されることから、この一対の共
振器からなる平面構造放射型発振装置を同一平面上に複
数配置した場合でも装置間の相互干渉を分離することが
でき、したがって、互いに異なる周波数を持つ複数の独
立した通信回線を構成できすることができる。また、異
なる指向ビームにより複数の通信回線を並列に確保する
ことができ、さらにアレー構成によるビーム形成へ応用
することができる。

【００７９】請求項３に記載の発明では、導体パッチ間
の距離を発振波長の１／９０から１／１５と近接配置と
した構成により、ゲート側へ同位相の電磁界が誘起され
やすく、正帰還条件が満足され、発振が成長し大振幅動
作の状態で、空間への電磁界の放射を含めた損失の和
が、高周波増幅素子による高周波電力の供給と釣り合っ
た状態で定常状態に達する。一対の共振器に蓄積された
電磁界エネルギーは、定常状態において一定の割合で空
間に放射され、ほぼ対称な放射パターンを持つ平面構造
放射型発振装置となる。

【００８０】また、請求項４に記載の発明では、導体パ
ッチの長さを、発振波長の２／５〜３／５としたので次
のような効果を奏する。すなわち、導体パッチと接地導
体面と空隙領域とで形成される共振器での実効波長は、
導体パッチの幅、空隙領域の幅及び接地導体面と平行に
配置される導体平面との間隔等に依存し、誘電体基板の
比誘電率の効果を含め、０．８〜１．２倍の程度の範囲
でずれを生じることから、導体パッチの長さを、上記の
パラメータの条件にあわせて発振波長の２／５〜３／５
の間で選ぶことで発振周波数を設定することができる。
さらに、上記のパラメータの条件の選択により発振のた
めの共振器のＱ値を調整できることから、相対的に高い
スペクトル純度の発振が得られる状態からスペクトルの
純度は多少劣るが、広い同期可能周波数帯域特性を持つ
発振状態を選択できるようになる。一般には、共振器
は、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。

【００８１】また、請求項５に記載の発明では、導体パ
ッチおよび接地導体面から下方で発振波長の１／４の距
離に、平行に導体平面を配置したので、一対の導体パッ
チ及び接地導体面の両側にほぼ対称な放射パターンで放
射される電磁界の内、該一対の導体パッチ及び接地導体
面の下方に放射される成分は、当該平行な導体平面で反
射され、導体面での位相ずれを含め一波長に相当する位
相差で重畳されるため強め合い、単一指向性の平面構造
放射型発振装置となる。

【００８２】請求項６に記載の発明では、導体パッチお
よび接地導体面から下方で発振波長の１／４の距離に、
集束性の反射鏡面を配置したので、一対の導体パッチ及
び接地導体面の両側にほぼ対称な放射パターンで放射さ
れる電磁界の内、該一対の導体パッチ及び接地導体面の
下方に放射される成分は、当該平行な導体平面で反射さ
れ、導体面での位相ずれを含め一波長に相当する位相差
で重畳されるため強め合い、単一指向性の平面構造放射
型発振装置となる。

【００８３】請求項７に記載の発明では、誘電体基板上
の導体パッチおよび接地導体面から下方で発振波長の１
／３０〜１／１０の距離に、平行に導体平面を配置した
ので、共振器の各々は、バックプレート付き共振器とな
り、共振器のインピーダンスを、導体平面が平行に配置
されていない場合と比較して、低減することができる。

【００８４】また、請求項８に記載の発明では、電界効
果型高周波トランジスタを用い、ゲートは一方の導体パ
ッチに、ドレインは他方の導体パッチに、またソースは
接地導体面にそれぞれ接続し、直流電源は少なくともド
レインを接続した導体パッチに接続するようにしたの
で、電解効果型の高周波トランジスタの特性を活かした
低雑音の平面構造放射型発振装置を実現することができ
る。

【００８５】さらに、請求項９に記載の発明では、接合
型高周波トランジスタを用い、ベースは一方の導体パッ
チに、コレクタは他方の導体パッチに、またエミッタは
接地導体面にそれぞれ接続し、直流電源は少なくともコ
レクタを接続した導体パッチに接続するようにしたの
で、接合型の高周波トランジスタの特性を活かした低雑
音の平面構造放射型発振装置を実現することができる。

【００８６】また、請求項１０に記載の発明では、誘電
体基板は、高周波誘電損失の小さい、高純度シリコン、
石英、サファイア、アルミナ、ＰＴＦＥ、ポリエチレン
等の材料で形成したので、実用的で高効率な平面構造放
射型発振装置が実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の平面構造放射型発振装置の第１の構成
例を示す斜視図である。

【図２】本発明の平面構造放射型発振装置の第１の構成
例の要部を示す平面図である。

【図３】図２のＩ−Ｉ線断面図である。

【図４】本発明の平面構造放射型発振装置の第２の構成
例を示す断面図である。

【図５】本発明の平面構造放射型発振装置の第２の構成
例のうち、集束性反射鏡を用いた例を示す断面図であ
る。

【図６】本発明の平面構造放射型発振装置の第２の構成
例のうち、集束性反射鏡を用いた例を示す断面図であ
る。

【図７】本発明の平面構造放射型発振装置の第２の構成
例のうち、集束性反射鏡を用いた例を示す断面図であ
る。

【図８】本発明の平面構造放射型発振装置の第３の構成
例を示す断面図である。

【図９】本発明の平面構造放射型発振装置の第４の構成
例の要部を示す平面図である。

【図１０】本発明の平面構造放射型発振装置の第５の構
成例を示す斜視図である。

【図１１】本発明の平面構造放射型発振装置の第６の構
成例を示す斜視図である。

【図１２】本発明の平面構造放射型発振装置の発振スペ
クトルの一例を示す図である。

【図１３】本発明の平面構造放射型発振装置の放射パタ
ーンの一例を示す図である。

【図１４】公知の一対の対称平面パッチを用いた放射型
発振装置の放射パターンの一例を示す図である。

【図１５】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１６】公知の発振用共振器が電磁波の出力部分を兼
ねる放射型発振装置の一構成の概念を示す説明図であ
る。

【図１７】公知の発振用共振器が電磁波の出力部分を兼
ねる放射型発振装置の他の構成の概念を示す説明図であ
る。

【図１８】公知の発振用共振器が電磁波の出力部分を兼
ねる放射型発振装置の具体的な構成を示す説明図であ
る。

【図１９】公知の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２０】公知のアンテナ機能を兼ねる共振器を用いた
放射型発振装置の他の構成を示す説明図である。

【図２１】公知の平面パッチ共振器を用いた放射型発振
装置の別の構成を示す説明図である。

【図２２】公知のリングスロット型アンテナを発振用の
共振器として用いた放射型発振装置の構成を示す説明図
である。

【符号の説明】

１ａ，１ｂ 導体パッチ ２ 空隙領域 ３ 接地導体面 ４ 高周波トランジスタ ５ａ，５ｂ 低域フィルタ ６ａ，６ｂ 直流電源 ７ ドレイン ８ ゲート ９ ソース １０ 誘電体基板 １１ 導体平面 １２ 凸レンズ状の誘電体 １３ 凹面反射鏡 １４ 直流バイアスライン １５ チップ状高周波トランジスタ １２１ 円柱状の誘電体 Ａ 共振器 Ｂ 共振器 Ｄ 導体パッチ間の接地導体面の幅 Ｄ１ 導体パッチ間の距離 Ｇ 導体パッチと接地導体面と間の空隙幅 Ｌ 導体パッチの長さ Ｗ 導体パッチの幅

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5J021 AA02 AA09 AB06 CA06 FA24 FA26 FA32 GA08 HA04 HA05 HA10 JA07 JA08 5J045 AA01 AA07 DA10 EA07 FA02 HA03 NA01 5J081 AA11 BB01 CC11 CC24 DD02 EE06 EE09 EE10 FF04 GG01 MM04 MM05 MM07

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 誘電体基板上に並列に配置した一対の導
   体パッチと、 上記誘電体基板上に各導体パッチとは空隙を保って配置
   した接地導体面と、 上記導体パッチの各々と接地導体面とにその端子を接続
   して配置した高周波増幅素子と、 上記導体パッチの各々に接続した直流電源と、 を備え、 上記導体パッチの各々と接地導体面とでそれぞれ共振器
   を構成し、その共振器の各々に直流電源からの電力を高
   周波増幅素子を介して入力し、マイクロ波ミリ波帯の高
   周波発振出力を空間に取り出すようにした、 ことを特徴とする平面構造放射型発振装置。
2. 【請求項２】 上記共振器の各々は、導体パッチの幅お
   よび長さ、導体パッチ間の距離、並びに導体パッチと接
   地導体面との空隙幅をパラメータとしてその高周波発振
   出力が制御される、請求項１に記載の平面構造放射型発
   振装置。
3. 【請求項３】 上記導体パッチ間の距離を、発振波長の
   １／９０〜１／１５とする、請求項１に記載の平面構造
   放射型発振装置。
4. 【請求項４】 上記導体パッチの長さを、発振波長の２
   ／５〜３／５とする、請求項１に記載の平面構造放射型
   発振装置。
5. 【請求項５】 上記誘電体基板上の導体パッチおよび接
   地導体面から下方で発振波長の１／４の距離に、平行に
   導体平面を配置した、請求項１に記載の平面構造放射型
   発振装置。
6. 【請求項６】 上記誘電体基板上の導体パッチおよび接
   地導体面から下方で発振波長の１／４の距離に、集束性
   の反射鏡面を配置した、請求項１に記載の平面構造放射
   型発振装置。
7. 【請求項７】 上記誘電体基板上の導体パッチおよび接
   地導体面から下方で発振波長の１／３０〜１／１０の距
   離に、平行に導体平面を配置した、請求項１に記載の平
   面構造放射型発振装置。
8. 【請求項８】 上記高周波増幅素子は、電界効果型高周
   波トランジスタであって、ゲートは一方の導体パッチ
   に、ドレインは他方の導体パッチに、またソースは接地
   導体面にそれぞれ接続し、直流電源は少なくともドレイ
   ンを接続した導体パッチに接続する、請求項１に記載の
   平面構造放射型発振装置。
9. 【請求項９】 上記高周波増幅素子は、接合型高周波ト
   ランジスタであって、ベースは一方の導体パッチに、コ
   レクタは他方の導体パッチに、またエミッタは接地導体
   面にそれぞれ接続し、直流電源は少なくともコレクタを
   接続した導体パッチに接続する、請求項１に記載の平面
   構造放射型発振装置。
10. 【請求項１０】 上記誘電体基板は、高周波誘電損失の
    小さい、高純度シリコン、石英、サファイア、アルミ
    ナ、ＰＴＦＥ、ポリエチレン等の材料から成る、請求項
    １に記載の平面構造放射型発振装置。