JP2001308639A - 発振器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 外部からの衝撃により起こる周波数変化を少
なくする。 【解決手段】 メタルチップキャリア１１に取り付けた
可変容量ダイオ−ド３と、誘電体基板１３表面に設けた
λ／２共振器５と、メタルチップキャリア１２に取り付
けた発振トランジスタ７と、誘電体基板１４表面に設け
た出力結合回路８と、λ／２共振器５に接続されかつボ
ンディングワイヤ３１で可変容量ダイオ−ド３に接続さ
れる結合コンデンサ４と、λ／２共振器５に接続されか
つボンディングワイヤ３２で発振トランジスタ７に接続
される結合コンデンサ６と、発振トランジスタ７と出力
結合回路８を接続するボンディングワイヤ３３と、出力
結合回路８に接続されかつボンディングワイヤ３４で出
力端子１０に接続される結合コンデンサ９とを備えた電
圧制御発振器の結合コンデンサ４，６，９をインタディ
ジタル形コンデンサで構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、マイクロ波帯で
使用する発振器に関し、特にマイクロ波帯ＩＣ（ＭＩ
Ｃ）の発振器に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、マイクロ波帯で使用する発振器に
おいて、シリコンバイポーラトランジスタやガリウム砒
素電界効果トランジスタのようなマイクロ波用の半導体
素子と誘電体共振器とから構成される発振回路を用いた
小型、軽量のマイクロ波帯ＩＣ（ＭＩＣ）が開発されて
いる。このような発振器には各種の回路が考案されてお
り、例えば図３の回路図と図５の断面図と図６の平面図
とに示すような、発振素子にシリコンバイポーラトラン
ジスタを用いてコレクタ電極を接地し、ベース電極にλ
／２共振器５を接続し、エミッタ電極から出力結合回路
８を通して出力を取り出す基本回路を用いた電圧制御発
振器がある。

【０００３】図５と図６において、結合コンデンサ６と
発振トランジスタ７のベース電極、及び発振トランジス
タ７のエミッタ電極と出力結合回路８を接続するボンデ
ィングワイヤ３２，３３を最短にするために、発振トラ
ンジスタ７がヘッダー２上に配置された直方体のメタル
チップキャリア１２上に取り付けられている。同様に副
共振回路を構成する可変容量ダイオード３と結合コンデ
ンサ４を接続するボンディングワイヤ３１を最短にする
ために、可変容量ダイオード３もヘッダー２上に配置さ
れた直方体のメタルチップキャリア１１上に取り付けら
れている。

【０００４】また、λ／２共振器５は、誘電体基板１３
の表面に形成され、λ／２共振器５の両開放端上に結合
コンデンサ４，６となるコンデンサチップが取り付けら
れている。出力結合回路８は、誘電体基板１４の表面に
形成され、出力側の開放端上に結合コンデンサ９となる
コンデンサチップが取り付けられている。通常、組み立
てによる高周波特性のばらつきを押さえるために、ヘッ
ダー２上に搭載するメタルチップキャリア１１，１２と
誘電体基板１３，１４は互いに密着するように隙間なく
組み立てられている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
発振器の場合、発振トランジスタ７が取り付けられたメ
タルチップキャリア１２の端部から誘電体基板１３上の
λ／２共振器５の開放端までは、隙間なく誘電体が充満
された状態となるためλ／２共振器５とメタルチップキ
ャリア１２の間に浮遊容量２８が生じる（図３参照）。
この場合、λ／２共振器５の浮遊容量２８は、ε_r×ε₀
×Ｓ／ｄで表される。ここで、ε_rは誘電体基板の比誘
電率、ε₀は真空の誘電率、Ｓはλ／２共振器５の開放
端の一部面積、ｄはメタルチップキャリア１２の端部か
らλ／２共振器５の開放端間までの距離を表す。

【０００６】従来の発振器は、外部からの衝撃を受ける
と、衝撃によってメタルチップキャリア１２に横方向の
加速度が加わることにより、ほとんど隙間のなかったメ
タルチップキャリア１２と誘電体基板１３の間で瞬間的
に隙間が発生し、浮遊容量２８が変化してしまうため、
外部からの衝撃により周波数変位が起こりやすいという
問題が生じていた。また、可変容量ダイオード３が取り
付けられたメタルチップキャリア１１についても同様の
ことがいえる。この発明の目的は、外部からの衝撃によ
り起こる周波数変化を小さくしたマイクロ波帯ＩＣの発
振器を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために、この発明の発振器は、ヘッダー上に載置された
基板と、この基板上に形成された共振器と、この共振器
の両開放端にそれぞれ接続された第１及び第２の結合コ
ンデンサと、ヘッダー上に載置され、基板と隣接した第
１及び第２のメタルチップキャリアと、第１のメタルチ
ップキャリアに設けられ、第１の結合コンデンサとボン
ディングワイヤで接続された発振トランジスタと、第２
のメタルチップキャリアに設けられ、第２の結合コンデ
ンサとボンディングワイヤで接続された可変容量ダイオ
ードとを備えており、第１及び第２の結合コンデンサ
は、基板上に形成された導電体膜によって電極が構成さ
れたことによって特徴づけられる。この発振器の一構成
例は、さらにヘッダー上に載置され、第１のメタルチッ
プキャリアと隣接した第２の基板と、この第２の基板上
に形成され、発振トランジスタとボンディングワイヤで
接続された出力結合回路とを備えている。結合コンデン
サの一構成例は、複数のくし形導体を組み合わせたイン
タディジタル形コンデンサである。このインタディジタ
ル形コンデンサの一構成例は、容量調整パターンを有す
る。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下に図を用いて発明の実施の形
態を説明する。まず、この発明の第１の実施の形態につ
いて、図１〜図３を参照して説明する。図１は、第１の
実施の形態に係る電圧制御発振器の構造を示す断面図で
あり、図２は、第１の実施の形態に係る電圧制御発振器
のキャップを外した状態の部分平面図である。また、図
３は、この実施の形態に係る電圧制御発振器の回路図で
あり、この電圧制御発振器は、シリコンバイポーラトラ
ンジスタを発振素子に用いたコレクタ接地の帯域反射型
方式である。

【０００９】この電圧制御発振器は、図１と図２に示す
ように、所定パターンの金属膜によりλ／２共振器５と
この共振器５の両開放端に接続された複数の結合コンデ
ンサ４，６とが表面に形成された高誘電率（比誘電率〜
１０）の誘電体基板１３と、所定パターンの金属膜によ
り出力結合回路８とこの出力結合回路８の出力に接続さ
れた結合コンデンサ９とが表面に形成された高誘電率
（比誘電率〜１０）の誘電体基板１４と、発振トランジ
スタ７が載置されたメタルチップキャリア１２と、可変
容量ダイオード３が載置されたメタルチップキャリア１
１とがヘッダー２上に載置されており、誘電体基板１３
の一方の端部及び誘電体基板１４の端部とメタルチップ
キャリア１２が密着され、かつ誘電体基板１３の他方の
端部とメタルチップキャリア１１が密着されるように、
メタルチップキャリア１１，１２と誘電体基板１３，１
４が隙間なく組み立てられている。

【００１０】ここで、発振トランジスタ７は、λ／２共
振器５の一方の開放端に接続された結合コンデンサ６と
出力結合回路８の入力とにボンディングワイヤ３２，３
３で接続されている。この場合、ベース電極は結合コン
デンサ６に接続されるとともにバイアスライン２２を介
して発振トランジスタバイアス端子２５に接続されてお
り、エミッタ電極は出力結合回路８の入力に接続される
とともにバイアスライン２３を介して発振トランジスタ
バイアス端子２６と接続されている。また、コレクタ電
極はメタルチップキャリア１２を介して接地されてい
る。

【００１１】副共振回路としての可変容量ダイオード３
は、λ／２共振器５の他方の開放端に接続された結合コ
ンデンサ４とボンディングワイヤ３１で接続されてい
る。この場合、カソードはメタルチップキャリア１１を
介して接地されており、アノードは結合コンデンサ４に
接続されるとともにバイアスライン２１を介して周波数
制御端子２４に接続されている。また、出力結合回路８
の出力に接続された結合コンデンサ９は、ヘッダー２を
貫通して設けた丸棒状の出力端子１０とボンディングワ
イヤ３１で接続されている。この場合、ヘッダー２の貫
通孔と出力端子１０の間に絶縁物２０を設けている。ま
た、メタルチップキャリア１１，１２と誘電体基板１
３，１４と出力端子１０とを覆う導電性のキャップ１
が、ヘッダー２に取り付けられている。

【００１２】誘電体基板１３上に設けられた結合コンデ
ンサ４，６と、誘電体基板１４上に設けられた結合コン
デンサ９は、金属膜により形成された複数のくし形導体
を所定距離離間して組み合わせたインタディジタル形コ
ンデンサである。この場合、結合コンデンサ４，６は、
λ／２共振器５、周波数制御端子２４に接続されるバイ
アスライン２１及び発振トランジスタバイアス端子２５
に接続されるバイアスライン２２と一体で形成されてお
り、結合コンデンサ９は、出力結合回路８及び発振トラ
ンジスタバイアス端子２６に接続されるバイアスライン
２３と一体で形成されている。金属膜は、例えば銅のよ
うな高周波特性に優れた金属を用いることが望ましく、
周知の印刷法やメッキ法で形成する。また、誘電体基板
１３は、誘電率が高いほど面積の小さなくし形導体で所
定の容量が得られ小型化できるので、例えばアルミナの
ような高誘電率の誘電体を用いることが好ましい。

【００１３】メタルチップキャリア１１は、可変容量ダ
イオード３と結合コンデンサ４を接続するボンディング
ワイヤ３１を最短の長さにする厚さとし、メタルチップ
キャリア１２は、発振トランジスタ７と結合コンデンサ
６を接続するボンディングワイヤ３２を最短の長さにす
る厚さとしている。この場合、メタルチップキャリア１
１は、可変容量ダイオード３と結合コンデンサ４のボン
ディングワイヤ３１接続部分の高さが同じになる厚さと
し、メタルチップキャリア１２は、発振トランジスタ７
と結合コンデンサ６のボンディングワイヤ３２接続部分
の高さが同じになる厚さとしている。ボンディングワイ
ヤ３１〜３４は、例えば金線などのボンディング可能な
導電線を用いる。

【００１４】次に、このように構成した電圧制御発振器
が外部衝撃による周波数変位を少なくできる理由を説明
する。この電圧制御発振器は、発振トランジスタバイア
ス端子２５と発振トランジスタバイアス端子２６にバイ
アス電圧を印加し、周波数制御端子２４に可変容量ダイ
オード３の逆印加電圧を加えることにより、発振周波数
の制御を行う。この場合、電圧制御発振器の発振周波数
は、発振トランジスタ７、λ／２共振器５、可変容量ダ
イオード３のインピーダンス以外に、出力結合回路８や
結合コンデンサ４，６，９のインピーダンス、ボンディ
ングワイヤ３１，３２，３３のインダクタンス成分及び
λ／２共振器５の浮遊容量２８の影響を受ける。

【００１５】ところで、ボンディングワイヤ３１，３
２，３３のインダクタンス成分のばらつきは、特に高周
波特性のばらつきとなり影響が大きいので、前述したよ
うに、メタルチップキャリア１１，１２を用いてボンデ
ィングワイヤ３１，３２，３３を最短の長さにするとと
もに、組み立てによる高周波特性のばらつきを抑えるた
め、メタルチップキャリア１１，１２と誘電体基板１
３，１４を互いに密着させて隙間なく組み立てている。
このため、外部からの衝撃によりメタルチップキャリア
１２に横方向の加速度が加わると、ほとんど隙間のなか
ったメタルチップキャリア１２と誘電体基板１３の間で
瞬間的に隙間が発生し、誘電体基板１３上のλ／２共振
器５とメタルチップキャリア１２の間で生じる浮遊容量
２８が変化して、周波数変位が発生する。これは、メタ
ルチップキャリア１１と誘電体基板１３の間でも同様で
ある。

【００１６】よって、この周波数変位を少なくするに
は、λ／２共振器５の浮遊容量２８を小さくすればよ
い。しかし、図５に示したように、従来の電圧制御発振
器は、結合コンデンサ４，６，９にコンデンサチップを
用いていたので、結合コンデンサのボンディングワイヤ
接続部分がコンデンサチップの厚み分高くなることか
ら、ボンディングワイヤを最短の長さにするためメタル
チップキャリアの厚みを厚くして発振トランジスタ７や
可変容量ダイオード３をかさ上げしていた。このため、
メタルチップキャリア１２の端部とλ／２共振器５の開
放端の間が接近し、浮遊容量２８を小さくできなかっ
た。

【００１７】一方、この実施の形態の係る電圧制御発振
器は、図１と図２に示したように、結合コンデンサ４，
６を例えばインタディジタル形コンデンサのような高誘
電率（比誘電率〜１０）の誘電体基板１３表面に所定パ
ターンの金属膜を設けて形成したコンデンサで構成した
ので、従来例に比べてメタルチップキャリアの厚みを薄
くできる。このため、メタルチップキャリア１２の端部
とλ／２共振器５の開放端の距離を広げることができ、
浮遊容量２８を小さくできる。

【００１８】具体例として、図１に示すこの実施の形態
の電圧制御発振器と、図５に示す従来の電圧制御発振器
とにおける浮遊容量の計算を、メタルチップキャリア１
２の端部とλ／２共振器５の開放端との間で行う。誘電
体基板１３の比誘電率＝１０とし、従来の電圧制御発振
器では誘電体基板１３とメタルチップキャリア１２間の
隙間はほとんどないと仮定するとこの場合の浮遊容量
は、１０×ε₀×Ｓ／ｄとなる。ここで、ε₀は真空の誘
電率、Ｓはλ／２共振器５の開放端の一部面積、ｄはメ
タルチップキャリア１２の端部からλ／２共振器５の開
放端間までの距離を表す。なお、実際にはｄは５０μｍ
程度である。

【００１９】次に、この実施の形態の電圧制御発振器に
おいて、インタディジタル形コンデンサを使った構成の
場合で、空気の層（比誘電率＝１）の隙間を１０×ｄ程
度入れた場合の浮遊容量を計算すると、従来の電圧制御
発振器と比べて１００分の１程度に浮遊容量が減少する
ことがわかる。よって、衝撃による電圧制御発振器の周
波数変位も１００分の１程度に減少する計算結果とな
る。

【００２０】このように、この実施の形態によれば、衝
撃による電圧制御発振器の周波数変位を小さくできる効
果が得られる。また、結合コンデンサ４，６，９を誘電
体基板１３，１４上にλ／２共振器５や出力結合回路８
と一体に形成するので、コンデンサチップが不要とな
り、部品コストや製作工数を少なくできるという効果が
得られる。さらに、ヘッダー２に取り付けるキャップ１
の高さを従来と同じとした場合は、内部の発振回路部と
の距離を大きくできるので、キャップ１に起因する浮遊
容量も減少できるので、外部衝撃によるキャップ１の振
動に係る周波数変位も抑制できる効果が得られる。ま
た、キャップ１の振動による周波数変位が従来と同等で
よい場合には、キャップの高さを低くできるので、電圧
制御発振器の薄型化が図れるという効果が得られる。

【００２１】この実施の形態では、シリコンバイポーラ
トランジスタを発振素子に用いたコレクタ接地の発振回
路で説明したが、エミッタ接地発振回路やベース接地発
振回路においても同様に耐衝撃性特性の優れた電圧制御
発振器が得られることは言うまでもない。また、発振素
子としてシリコンバイポーラトランジスタの代わりにガ
リウム砒素電界効果トランジスタを使用しても、ドレイ
ン電極を接地し、ゲート電極に共振器を接続し、ソース
電極から出力結合回路を通して出力を取り出すことにな
り、発振器の構成としては全く同じであり、同様の耐衝
撃性特性に優れた電圧制御発振器が得られることは言う
までもない。

【００２２】次に、この発明の第２の実施の形態につい
て、図４を参照して説明する。図４は、この実施の形態
に係る電圧制御発振器を示す平面図であり、この電圧制
御発振器が第１の実施の形態と異なる点は、結合コンデ
ンサ４，６，９を構成するインタディジタル形コンデン
サに容量調整パターン１５〜１９を設けたことである。
この電圧制御発振器は、誘電体基板１３上の結合コンデ
ンサ４の両側部に容量調整パターン１５，１６が配置さ
れ、結合コンデンサ６の両側部に容量調整パターン１
７，１８が配置されている。また、誘電体基板１４上の
結合コンデンサ９の一側部に容量調整パターン１９が配
置されている。

【００２３】この場合、容量調整パターン１５〜１８
は、それぞれ結合コンデンサ４，６を構成するくし歯１
つ分のパターンとボンディングワイヤ接続部とから構成
されており、それぞれ結合コンデンサ４，６の対向する
くし歯間の幅だけ離れた位置に配置されている。また、
容量調整パターン１９は、結合コンデンサ９を構成する
くし歯１つ分のパターンより小さなパターンとボンディ
ングワイヤ接続部とから構成されており、結合コンデン
サ９の対向するくし歯間の幅だけ離れた位置に配置され
ている。

【００２４】容量調整パターン１５は、結合コンデンサ
４の可変容量ダイオード３側のパターンとボンディング
ワイヤ３５で接続されており、容量調整パターン１６
は、結合コンデンサ４のλ／２共振器５側のパターンと
ボンディングワイヤ３６で接続されている。容量調整パ
ターン１７は、結合コンデンサ６のλ／２共振器５側の
パターンとボンディングワイヤ３７で接続されており、
容量調整パターン１８は、結合コンデンサ６の発振トラ
ンジスタ７側のパターンとボンディングワイヤ３８で接
続されている。容量調整パターン１９は、結合コンデン
サ９の出力端子１０側のパターンとボンディングワイヤ
３９で接続されている。

【００２５】この実施の形態によれば、第１の実施の形
態で示した効果に加えて、結合コンデンサのパターンと
容量調整パターンをボンディングワイヤで接続すること
により、電圧制御発振器の変調特性や出力電力特性の微
調整を行えるという効果が得られる。なお、容量調整パ
ターンの数は、前述した個数に限られるものではなく、
交互に複数配置するようにしてもよい。また、容量調整
パターンは、くし歯１つ分のパターンに限られるもので
はなく、複数のくし歯を有するパターンを組み合わせた
ものでもよい。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、この発明の発振器
は、結合コンデンサをλ／２共振器と同じく誘電体基板
表面に形成した所定パターンの金属膜により構成したこ
とにより、発振トランジスタや可変容量ダイオードを取
り付けたメタルチップキャリアの厚さを薄くすることが
可能となり、λ／２共振器の開放端からの距離を大きく
できて浮遊容量が小さくなるので、外部衝撃による周波
数変位を小さくできる効果が得られる。また、結合コン
デンサをインタディジタル形コンデンサで構成し容量調
整パターンを設けたので、発振器の変調特性や出力電力
特性の微調整を行えるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 第１の実施の形態に係る電圧制御発振器の断
面図である。

【図２】 第１の実施の形態に係る電圧制御発振器のキ
ャップを外した状態の部分平面図である。

【図３】 第１の実施の形態に係る電圧制御発振器の回
路図である。

【図４】 第２の実施の形態に係る電圧制御発振器のキ
ャップを外した状態の部分平面図である。

【図５】 従来の電圧制御発振器の断面図である。

【図６】 従来の電圧制御発振器のキャップを外した状
態の部分平面図である。

【符号の説明】

１…キャップ、２…ヘッダー、３…可変容量ダイオー
ド、４，６，９…結合コンデンサ、５…λ／２共振器、
７…発振トランジスタ、８…出力結合回路、１０…出力
端子、１１，１２…メタルチップキャリア、１３，１４
…誘電体基板、１５〜１９…容量調整パターン、２０…
絶縁物、２１，２２，２３…バイアスライン、２４…周
波数制御端子、２５，２６…発振トランジスタバイアス
端子、２８…浮遊容量、３１〜４１…ボンディングワイ
ヤ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5E082 AA01 AB02 BB05 BC31 CC01 CC12 DD13 DD20 EE04 EE17 EE26 EE35 EE50 FF05 FG08 FG26 5J006 HB03 HB12 LA11 LA13 LA18 MA03 MA07 MA09 MA11 NA04 NC02 NE02 NE14 NE16 5J081 AA11 BB06 CC06 CC36 DD03 DD24 EE03 EE09 EE18 JJ13 JJ14 LL02 MM07 MM08

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ヘッダー上に載置された基板と、この基
   板上に形成された共振器と、この共振器の両開放端にそ
   れぞれ接続された第１及び第２の結合コンデンサと、前
   記ヘッダー上に載置され、前記基板と隣接した第１及び
   第２のメタルチップキャリアと、前記第１のメタルチッ
   プキャリアに設けられ、前記第１の結合コンデンサとボ
   ンディングワイヤで接続された発振トランジスタと、前
   記第２のメタルチップキャリアに設けられ、前記第２の
   結合コンデンサとボンディングワイヤで接続された可変
   容量ダイオードとを備えた発振器において、 前記第１及び第２の結合コンデンサは、 前記基板上に形成された導電体膜によって電極が構成さ
   れたことを特徴とする発振器。
2. 【請求項２】 前記ヘッダー上に載置され、前記第１の
   メタルチップキャリアと隣接した第２の基板と、この第
   ２の基板上に形成され、前記発振トランジスタとボンデ
   ィングワイヤで接続された出力結合回路とを備えたこと
   を特徴とする請求項１記載の発振器。
3. 【請求項３】 前記結合コンデンサは、 複数のくし形導体を組み合わせたインタディジタル形コ
   ンデンサであることを特徴とする請求項１又は２記載の
   発振器。
4. 【請求項４】 前記インタディジタル形コンデンサは、 容量調整パターンを有することを特徴とする請求項３記
   載の発振器。