JP2002000018U - 伝導平面共振器により安定化される発振器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本考案の目的は、人工衛星のような宇宙空間
にも応用できる小型、軽量な発振器を提供する。 【解決手段】 本考案の発振器５は、利得素子１４と導
線１６及び３２と直流ブロッキングバイアスキャパシタ
２４と抵抗２８を含む発振手段１２と、導線１６に接近
して磁気的に結合された伝導平面共振器１０と、出力導
体１８と、直流ブロッキングバイアスキャパシタ２６と
から構成される。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】 本考案は、周波数を安定化した電子発振器に関し、さらに特定すると、小型軽 量が重要であるような応用に使用するために超伝導材料から製造された共振器を もつ周波数を安定化した電子発振器に関する。

【０００２】 能動素子と結合された誘電共振器を使用して安定性を改善する発振手段を使用 することは知られている。この誘電共振器は、高いＱの性能を提供するが大型で 重量がある。例えば、Ｆｉｅｄｚｉｕｓｚｋｏに与えられた米国特許第４，５６ ５，９７９号は、螺子によって同調されるダブル誘電共振器を開示している。こ のような装置は、かさばった機械要素を含んでおり、集積回路の工程によって製 造できない。

【０００３】 日本国特許公表６１−２８５８０４号は、二つの結合ホールを通じて発振手段 回路の他の要素と結合された共振金属キャビティを有する発振手段を開示してい る。このようなキャビティにより安定化された発振手段もまた大型で重量があり しかも製造に経費がかかる。大きさ及び重量は、人工衛星のような宇宙空間での 応用において重要である。したがって、この公表に記載された巨大な発振手段は 、このような応用には十分に適していない。

【０００４】 Ｍａｋｉｍｏｔｏ他に与えられた米国特許第４，７４９，９６３号は、発振手 段の安定化共振器の一部を形成するＣ型ストリップラインリング構造を示す。こ のＣ型ストリップラインリングは、共振器の誘導部分のみを提供するのに使用さ れる。この共振器は、Ｃ型ストリップラインリングの開端部間に付加的な容量回 路素子を有する。コンデンサの挿入物は、性能を低下させる（低いＱ）。したが って、Ｍａｋｉｍｏｔｏ他によって開示された構造は、超伝導体の実用に適して いない。

【０００５】 他の参照例には、米国特許第４，１４９，１２７号、第４，１８７，４７６号 、第４，２１９，７７９号、第４，３０７，３５２号、第４，３３１，９４０号 、第４，４８１，４８６号がある。

【０００６】 本考案は、発振手段１２と、前記発振手段１２に結合されていて実質的に一つ の周波数でＲＦ正弦波を伝送する出力導体１８と、前記発振手段１２に隣接して 磁気的に結合された薄い実質的に平面の伝導平面共振器１０と、を有する。前記 発振手段１２は、反射型か、または並列帰還型か、または直列帰還型の発振手段 でよい。共振器１０は、所望の発振器周波数で共振する伝導平面を有する。伝導 平面共振器１０は、高いＱの性能を達成するために超伝導材料から製造されるの が好ましい。

【０００７】 図１は、本考案の第一実施例を示す。この実施例では、伝導平面共振器により 安定化される発振器５は、直列帰還型の発振手段１２と、実質的に一つの周波数 でＲＦ正弦波を伝送する出力導体１８と、直流ブロッキングバイアスコンデンサ ２６と、発振手段１２に隣接して磁気的に結合された薄い実質的に平面の伝導平 面共振器１０とを含んでいる。

【０００８】 発振手段１２は、実質的に一つの周波数で不安定な正弦波ＲＦ発振を発生する 負インピーダンス装置である。発振手段１２は、直流ブロッキングバイアスコン デンサ２４と、抵抗２８と、入力導線１６と、利得素子１４と、接地を高める導 線３２とから構成される。この図示された実施例では、利得素子１４は、電界効 果トランジスタ（ＦＥＴ）である。逆チャンネルＦＥＴは、高いもしくは中間の 電力使用の際に使用する利得素子１４として好ましい。利得素子１４は、またバ イポーラトランジスタか、あるいはＧｕｎｎダイオードもしくはＩｍｐａｔｔダ イオードのような負インピーダンスのダイオードでもよい。第一実施例では、入 力導線１６は利得素子１４のゲートに結合され、そして負インピーダンスを生じ る長さをもつ。利得素子１４のソースは、Ｒ．Ｆ．接地を高めるための導線３２ によってグランドと結合される。

【０００９】 図１の実施例は、図３の実施例のような二つの導体の代わりに一つの導体１６ に伝導平面共振器１０を結合することがさらに便利であるという利点を提供する 。図１の実施例は、共振器１０が利得素子１４によって出力端子から絶縁される ため、図２に示す実施例ほど出力負荷に対して感応しない。

【００１０】 伝導平面共振器１０は、プレーナ伝送線路を有する。本考案の容量及び誘導の 部分は、伝導平面共振器１０の振り分けられたキャパシタンス及びインダンクタ ンスによって提供される。この方法は、全ての導線１０、１６、１８及び３２が 薄いフィルム状の超伝導体を使って実現できる超伝導体の実用化に特に適してい る。このような完全な超伝導の共振器は、Ｃ型伝導リング構造で可能なＱよりか なり高いＱをもつ。

【００１１】 伝導平面共振器１０は、ＦＥＴ１４のドレインからおよそ（所望の周波数での ）半波長のある点で入力導線１６と磁気的に結合されるのが好ましい。発振手段 １２は、帯域消去フィルタとして動作し、そして共振器１０の共振周波数のある 電力量を後ろへ反射するように機能する。こうして、高いＱの開路が、発振手段 １２の所望の出力周波数によって決まる入力導体１６に沿うある点に作られる。

【００１２】 伝導平面共振器により安定化される発振器５の三つの実施例全てについて、伝 導平面共振器１０と導線１６、１８及び３０との間の所望の結合の程度は、導線 １６、１８及び３０の幅と所望の動作周波数を含む回路のパラメータに応じて変 わる。

【００１３】 図２を参照すると、自己発振反射モードを使用する本考案の第二の実施例が示 される。理解しやすいように、同様の部分には図１で使用した参照番号を付した 。第二の実施例では、伝導平面共振器１０により安定化される発振器５は、発振 手段１２と、実質的に一つの周波数でＲＦ正弦波を伝送する出力導体１８と、発 振手段１２に隣接し且つ出力導体１８と磁気的に結合された（こうして、発振手 段１２と間接的に結合される）伝導平面共振器１０と、直流ブロッキングバイア スセッティングコンデンサ２６とを有する。発振手段１２は、出力導線１８に沿 って不安定な正弦波ＲＦ発振を発生する負インピーダンス装置である。発振手段 １２は、さらに入力導線１６と（図２で示したようにここでもＦＥＴのような） 利得素子１４とを有する。図２の実施例では、入力導線１６は、利得素子１４の ゲートと結合され、負インピーダンスを生ずるだろう長さをもつ。出力導線１８ は、ＦＥＴ１４のドレインと結合される。またＦＥＴ１４のソースは、接地され る。

【００１４】 図２の実施例は、低いＱの帰還経路を提供して発振を高めるために利得素子１ ４のゲートとドレインの間に結合された任意の直列ＬＣ回路２０、２２の使用法 を示す。直流ブロッキングバイアスセッティングコンデンサ２６は、出力導体１ ８と出力端子との間にある。

【００１５】 図３は、並列帰還型の発振手段１２を使用する本考案の第三の実施例を示す。 第三の実施例は、伝導平面共振器１０と、発振手段１２と、出力導線１８と、結 合用に使用される導線延長部３０と、直流バイアスブロッキングコンデンサ２６ とを有するのが好ましい。発振手段１２と伝導平面共振器１０とは、互いに隣接 して配置されて互いに磁気的に結合される。発振手段１２は、入力導線１６と出 力導線１８とに沿って不安定な正弦波ＲＦ発振を発生する負インピーダンス装置 である。発振手段１２は、利得素子１４と、出力導線１６と、直流バイアスブロ ッキングコンデンサ２４と、抵抗２８とを有する。

【００１６】 利得素子１４は、図３に示すような電界効果トランジスタか、あるいはバイポ ーラトランジスタか、あるいはＧｕｎｎダイオードもしくはＩｍｐａｔｔダイオ ードのような負インピーダンスダイオードが好ましい。バイポーラトランジスタ がデバイス１４に使用される場合、コレクタはドレインの位置につき、エミッタ はソースの位置につき、あるいはその逆も可能である。この型の発振手段は、伝 導平面共振器１０が入力導線１６と能動デバイス１４の出力導線１８とに磁気的 に結合されることが必要である。結合用に使用される導線３０は、出力導線１８ と結合されてデバイス１４の出力部分と伝導平面共振器１０とを結合する。共振 器１０とデバイス１４の入力との間の結合は、共振器１０と入力導線１６との間 の磁気的結合によって達成される。この入力導線１６は、図示されるＦＥＴ１４ のゲートに接続される。

【００１７】 コンデンサ２４および２６は、直流ブロッキングバイアスセッティングコンデ ンサである。これらは、入力導線１６と出力導線１８のそれぞれの端部に接続さ れる。入力導線１６と出力導線１８のそれぞれの端部は、ＦＥＴ１４から離れて いる。ＦＥＴ１４のソースは、グランドと結合される。抵抗２８はブロッキング コンデンサ２４をグランドに接続する。抵抗２８は、入力導線１６の特性インピ ーダンスに等しい数値（通常、約５０オーム）をもつのが好ましい。抵抗で終端 されるゲートは優れた帯域外の安定性を保証し、発振手段がスプリアス発振およ びモードジャンピングに従事するのを阻止する。伝導平面共振器１０は、入力導 線１６および結合導線３０とに隣接して配置される。

【００１８】 三つの実施例全ての伝導平面共振器１０は、所望の発振周波数で共振する伝導 材料のプレーナ連続ストリップであり、例えば、円形リング、矩形リング、長円 形リング、ディスク、正方形、矩形もしくはグリッドでもよい。他の同等の幾何 構造も使用できる。リングの場合、好ましくは、リング中央の円周が所望の発振 周波数の波長の整数倍である。矩形の場合は、好ましくは矩形の長い寸法が所望 の発振周波数の半波長の整数倍である。伝導平面共振器１０と発振手段１２の導 線とは、マイクロストリップもしくはストリップラインのような薄い実質的に平 面の導体から製造される。マイクロストリップ回路の場合、薄い導体部分１６、 １８及び３０は、誘電基質上に配置され、電気的に伝導性のグランド平面から離 されている。ストリップライン回路の場合、薄い導体部分１６、１８及び３０は 、実質的に誘電率の等しい二つの絶縁層の間に挟まれる。絶縁層は、二つの電気 的に伝導性のグランド平面の間に挟まれる。これらの導体は、約０．０２５４ｍ ｍの厚さが好ましい。

【００１９】 高いＱを達成するには、共振器１０が、ＹＢＣＯ、Ｎｂ、Ｂｉｓｃｃｏもしく はタリウム、またはそれらのいくつかの化合物のような超伝導材料から構成され るのが好ましい。誘電基質は、（狭い周波数範囲以上に発振手段の出力電力を集 中させるために）高いＱと、高い温度安定性と、高い誘電率とをもつ材料から製 造されて要素の物理的寸法を縮小するのが好ましい。通常、ある材料のＱとその 誘電正接との間には逆の関係がある。例えば、要素は、Ｍｕｒａｔａ Ｍａｎｕ ｆａｔｕｒｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙによって製造されたＲｅｓｏｎｉｃｓ（ＴＭ ）Ｒ−０３ＣもしくはＲｅｓｏｎｉｃｓ Ｒ−０４Ｃから構成されてもよい。Ｒ −０３Ｃは、無負荷のＱ１５，０００と誘電率３０をもち、ペロブスキーを添加 したＢａ（ＮｉＴａ）Ｏ₃−Ｂａ（ＺｒＺｎＴａ）Ｏ₃から構成される。Ｒ−０４ Ｃは、無負荷Ｑ８，０００と誘電率３７をもち、（ＺｒＳｎ）ＴｉＯ₄から構成 される。当業者であれば、他の同様の材料を認めるであろう。

【００２０】 いくつかの発振手段については、発振手段１２が温度安定化されることは重要 である。まず最初に、共振器１０用の材料には、できれば、材料が通常対応する 周波数シフトを生じせしめる上昇温度を拡大するという事実を補償するために温 度補償を備えたものが選択されるべきである。共振器１０用の材料が温度補償を 備えていない場合もしくはこの補償が不十分である場合には、ある付加的な温度 補償が必要かもしれない。

【００２１】 囲がさらに広がるけれど、本考案は、マイクロ波周波数（すなわち１ＧＨｚよ り高い周波数）で動作する回路と共に最も優れた適応性をもつ。

【００２２】 以上は、好ましい実施例の動作を図示して、本考案の範囲を限定するつもりは ない。本考案の範囲は実用新案登録請求の範囲によってのみ限定されるべきであ る。当業者であれば、本考案の技術思想から逸脱することなく種々の変更及び修 正が可能であることは明白であろう。かかる変更及び修正は全て本考案の技術思 想に包含されるべきものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の第一実施例の概略図を示す。

【図２】本考案の第二実施例の概略図を示す。

【図３】本考案の第三実施例の概略図を示す。

【符号の説明】

５ 発振器 １０ 伝導平面共振器 １２ 発振手段 １４ 利得素子 １６、１８、３２ 導線 ２０ 抵抗 ２２ コンデンサ ２４、２６ 直流ブロッキングバイアスコンデンサ ２８ 抵抗 ３０ 導線延長部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)考案者 ジョン・エイ・カーティス アメリカ合衆国カリフォルニア州サニーベ イル、イースト・イーブリン・アベニュー 730、ナンバー133 Ｆターム(参考） 5J081 AA11 BB01 CC30 DD01 DD03 DD04 EE00 EE09 FF21

Claims (11)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 伝導平面共振器により安定化される発振
   器において、 入力導体をもち、実質的に一つの周波数でＲＦ正弦波を
   発生するための発振手段と、 前記発振手段に結合されていて前記ＲＦ正弦波を伝送す
   るための出力導体と、 前記発振手段に隣接しかつ前記入力導体と磁気的に結合
   され、前記発振手段の所望の出力周波数によって決定さ
   れる前記入力導体に沿うある点に高いＱの開路を作る薄
   い実質的に平面の超伝導材料から成る前記伝導平面共振
   器と、 を有する前記発振器。
2. 【請求項２】 前記発振手段が、前記入力導体の第一端
   部と前記出力導体とに結合された利得素子と、 前記入力導体の第二端部に結合された抵抗性及び容量性
   手段と、 をさらに有する請求項１に記載の伝導平面共振器により
   安定化される発振器。
3. 【請求項３】 前記利得素子が電界効果トランジスタ
   （ＦＥＴ）である請求項２に記載の伝導平面共振器によ
   り安定化される発振器。
4. 【請求項４】 前記利得素子がバイポーラトランジスタ
   である請求項２に記載の伝導平面共振器により安定化さ
   れる発振器。
5. 【請求項５】 前記利得素子がＧｕｎｎダイオードであ
   る請求項２に記載の伝導平面共振器により安定化される
   発振器。
6. 【請求項６】 前記利得素子がＩｍｐａｔｔダイオード
   である請求項２に記載の伝導平面共振器により安定化さ
   れる発振器。
7. 【請求項７】 前記伝導平面共振器がまた前記出力導体
   に磁気的に結合される請求項１に記載の伝導平面共振器
   により安定化される発振器。
8. 【請求項８】 伝導平面共振器により安定化される発振
   器において、 実質的に一つの周波数でＲＦ正弦波を発生するための発
   振手段と、 前記発振手段に結合されていて前記ＲＦ正弦波を伝送す
   るための出力導体と、 前記出力導体に磁気的に結合され薄い実質的に平面の超
   伝導材料から成る前記伝導平面共振器と、 を有する前記発振器。
9. 【請求項９】 前記伝導平面共振器が所望の発振周波数
   で共振するディスクから成る請求項１に記載の発振器。
10. 【請求項１０】 前記伝導平面共振器が矩形から成る請
    求項１に記載の発振器。
11. 【請求項１１】 前記伝導平面共振器が矩形から成り、
    矩形の長い寸法が所望の発振周波数での半波長の整数倍
    である請求項１に記載の発振器。