JP2002134809A

JP2002134809A - ガンダイオード発振器

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Publication number: JP2002134809A
Application number: JP2000326008A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Watanabe; 健一渡辺
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2000-10-25
Filing date: 2000-10-25
Publication date: 2002-05-10
Anticipated expiration: 2020-10-25
Also published as: JP4798835B2

Abstract

(57)【要約】【課題】量産化に適し、低コスト化、小型化、少ない
特性バラツキ等を実現できる２次高調波モードのガンダ
イオード発振器を提供する【解決手段】裏面に接地導体３２が形成され、表面に
スロット状の伝送線路３４が残る形状に表面導体３３が
形成され、且つ接地導体３２と表面導体３４がヴィアホ
ール３８によって接続された誘電体基板３１と、発振出
力が伝送線路３４と電磁結合するよう誘電体基板３１の
表面に搭載された表面実装型ガンダイオード１０とを具
備し、送線路３４のカットオフ周波数をガンダイオード
１０の基本波周波数より高く且つ２次高調波の周波数よ
り低く設定した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロ波やミリ
波帯のガンダイオードを用いた発振器に係り、特に２次
高調波モード発振の発振特性向上を実現したガンダイオ
ード発振器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】マイクロ波やミリ波の発振器の発振素子
であるＧａＡｓからなるガンダイオードは、ＧａＡｓの
Energy Relaxation Timeの制限により基本発振周波数の
２倍の周波数を用いた２次高調波モードにより構成する
ことが多い。

【０００３】従来では、図７に示すように、メサ型に形
成されたガンダイオード５０を図８に示すピル型パッケ
ージ６０に組み立て、これを図示しない導波管キャビテ
ィ内に配置して構成されたガンダイオード発振器があ
る。これらの図７，図８において、５１は半導体基板、
５２はコンタクト層、５３は活性層、５４はバッファ
層、５５はカソード電極、５６はアノード電極、６１は
ガンダイオード５０を搭載した放熱基台、６２はガンダ
イオード５０の周囲を覆う円筒、６３は金リボン、６４
は金属ディスクである。

【０００４】導波管はカットオフ周波数ｆを持ち、ｆ＝
ｃ／２ａで表される。ｃは光速、ａは導波管の長い方の
内辺である。従って、基本波周波数が、このカットオフ
周波数ｆ以下の場合、基本波成分は導波管によって除外
され２次高調波成分のみが取り出されることになる。

【０００５】また、本出願人の前の出願である特開平１
０−１１８５３６に開示された、平面実装型（プレーナ
構造）のガンダイオードを用いる発振器では、該ガンダ
イオードをマイクロストリップ線路やコプレーナ線路が
形成された基板上に実装して構成している。

【０００６】この平面実装型のガンダイオード１０は、
図９の(a)の平面図、(b)の断面図に示すように、半導体
基板１１上に、第１の半導体層１２、活性層１３および
第２の半導体層１４が順に積層され、第２の半導体層１
４上に活性層１３に電圧を印加するためのアノード電極
１５とカソード電極１６が配置されている。１７は裏面
カソード電極である。アノード電極１５には導電性突起
からなる所定の高さのアノードバンプ１８が形成され、
カソード電極１６にもアノードバンプ１８と同じレベル
の高さに導電性突起からなるカソードバンプ１９が形成
されている。そして、アノード電極１５の周囲が第２の
半導体層１４および活性層１３に向けて深く切り込ま
れ、これによりアノード電極１５が接続される第２の半
導体層１４と活性層１３をガンダイオード部分として機
能される領域として区画する凹部２０が形成されてい
る。その凹部２０や、パンプ１８、１９以外の表面は非
導電性膜２１によって保護されている。なお、アノード
電極１５とアノードバンプ１８は図９に示したように複
数個の場合も、また１個の場合もある。また、アノード
電極１５とカソード電極１６は逆の場合もある。

【０００７】図９に示した表面実装型のガンダイオード
１０が実装されるマイクロストリップ線路は、図１０の
(a)の平面図、(b)の断面図に示すように、誘電体の平板
基板７１の表面に信号電極７２が、裏面に接地電極７３
が各々形成され、さらに表面には表面接地電極７４形成
され、この表面接地電極７４はヴィアホール７５を介し
て裏面の接地電極７３に接続されている。ガンダイオー
ド１０は、そのアノードバンプ１８が信号電極７２に接
着され、カソードバンプ１９が表面接地電極７４に接着
されるよう搭載され、これにより発振器が構成される。

【０００８】なお、ガンダイオード１０のコプレーナ線
路への実装は、誘電体の平板基板の表面に形成された信
号電極及びその信号電極の両側の一対の接地電極からな
るコプレーナ線路の該信号電極にアノードバンプ１８
を、両接地電極にカソードバンプ１９をそれぞれ接着搭
載して構成される。

【０００９】これら平面実装型のガンダイオード１０を
用いたガンダイオード発振器では、図１０の(a)に示す
ように、信号電極７２の一端がガンダイオード１０のア
ノードバンプ１８の接着部分から所定の長さＬで開放す
る電極部分を形成して、この電極部分を共振器として働
かせ、該電極部分の長さＬにより発振周波数を決定する
ことができる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図８に
示した導波管型の発振器は精度の高い金属加工技術が要
求されるため量産化や低コスト化が困難であり、また、
一般的に導波管コンポーネントはサイズが大きく小型化
も困難であるという問題点があった。

【００１１】一方、図９の表面実装型のガンダイオード
１０をマイクロストリップ線路やコプレーナ線路に搭載
する発振器は、マイクロストリップ線路やコプレーナ線
路が導波管のようにカットオフ周波数を持たないため、
２倍波成分を取り出すためのフィルタが必要になるが、
ミリ波帯においては減衰が小さく且つ帯域の広い平面回
路型のフィルタを作製することは困難で、フィルタの減
衰のために出力が劣化したり、帯域の狭さのために歩留
りの低下を引き起すという問題点があった。

【００１２】本発明の目的は、表面実装型ガンダイオー
ドを使用しながらも、その基本波成分は伝送線路でカッ
トできるようにして、量産化に適し、低コスト化、小型
化、少ない特性バラツキ等を実現できるガンダイオード
発振器を提供することである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】このために第１の本発明
は、ガンダイオードの発振出力の２次高調波を出力信号
として取り出すガンダイオード発振器において、裏面に
接地導体が形成され、表面にスロット状の伝送線路が残
る形状に表面導体が形成され、且つ前記接地導体と前記
表面導体がヴィアホールによって接続された誘電体基板
と、発振出力が前記スロット状の伝送線路と電磁結合す
るよう前記誘電体基板の前記表面に搭載された表面実装
型ガンダイオードとを具備し、前記伝送線路のカットオ
フ周波数を前記表面実装型ガンダイオードの基本波周波
数より高く且つ２次高調波の周波数より低く設定した。

【００１４】第２の発明は、第１の発明において、前記
表面実装型ガンダイオードには、その底面の略中央に第
１の電極を設けると共に、該第１の電極を挟むように前
記底面の両側に第２の電極を各々設け、前記第１の電極
を前記誘電体基板の前記表面導体に接続し、前記第２の
電極の内の一方を前記誘電体基板の表面に別に設けた第
１のバイアス電極に接続し、前記第２の電極の内の他方
を前記誘電体基板の表面に別に設けた調整電極に接続し
た。

【００１５】第３の発明は、第１の発明において、前記
表面実装型ガンダイオードには、その底面の片端に第１
の電極を設けると共に、他端に第２の電極を設け、前記
第１の電極を前記誘電体基板の前記表面導体に接続し、
第２の電極を前記誘電体基板の表面に別に設けた第１の
バイアス電極に接続した。

【００１６】第４の発明は、第１乃至第３の発明のいず
れか１つにおいて、第１、第２の電極を有し且つ前記ガ
ンダイオードと異なる２端子素子を具備し、該２端子素
子の前記第１の電極を前記誘電体基板の表面に別に設け
た第２のバイアス電極に接続し、前記第２の電極を前記
表面導体に接続した。

【００１７】第５の発明は、第４の発明において、前記
２端子素子が、バラクタダイオード又はＰＩＮダイオー
ドであり、該バラクタダイオード又はＰＩＮダイオード
が前記スロット状の伝送線路上に搭載されているように
構成した。

【００１８】

【発明の実施の形態】図１は本発明の実施形態のガンダ
イオード発振器の構造を示す斜視図である。３１は誘電
体基板であり、その裏面の全面には接地導体３２が形成
され、表面には表面導体３３、その表面導体３３の一部
を削除した形のスロット状の伝送線路３４、表面実装型
ガンダイオード１０にバイアスを供給するためのバイア
ス電極３５、表面導体３３の一部としての表面接地電極
３６、表面導体３３とは絶縁された周波数の調整電極３
７が形成されている。また、スロット状の伝送線路３４
の両側には線路に沿って、ヴィアホール３８が設けら
れ、このヴィアホール３８によって表面導体３３と接地
導体３２が接続されている。ガンダイオード１０は、そ
の中央のアノードバンプ１８が表面接地電極３６に接着
され、両側のカソードバンプ１９の一方がバイアス電極
３５に接着され、他方が調整電極３７に接着されてい
る。３９はガンダイオード１０のスロット状の伝送線路
３４側と反対側に設けたスロット状のショートスタブで
ある。

【００１９】ここで、本発明で用いられているスロット
状の伝送線路３４について説明する。この伝送線路３４
は図２の(a)の平面図、(b)の断面図に示すように、スロ
ットラインに似た形状をしているが、裏面が接地導体３
２で覆われていることと、両側にヴィアホール３８が設
けられているところが異なっている。この構造から容易
にわかるように、この伝送線路３４はＴＥＭモードを持
たない。つまりこの伝送線路３４はカットオフ周波数を
もち、それより低い周波数では伝搬しない。

【００２０】具体的なカットオフ周波数を求めるのは容
易ではないが、スロット幅Ｗ１＝１８０μｍ、ヴィアホ
ール２２の間隔Ｗ２＝６００μｍ、基板３１の厚さｈ＝
３８０μｍのときの伝送特性のシミュレーション結果を
図３に示す。伝送線路の長さは１ｍｍである。この図か
ら６０ＧＨｚ付近がカットオフ周波数になっていること
がわかる。

【００２１】本発明では、上記カットオフ周波数がガン
ダイオード１０の基本波発振周波数より高く且つその２
次高調波の周波数（出力発振周波数）よりは低くなるよ
うに設定し、上記構造の諸元を決定する。

【００２２】さて、バイアス電極３５と接地電極３２の
間に電圧を印加すると、バイアス電極３５−ガンダイオ
ード１０−表面接地電極３６−表面導体３３−ヴィアホ
ール３８−接地電極３２の経路で電流が流れ、ガンダイ
オード１０で電磁波（マイクロ波）が発生する。発生し
た電磁波は伝送線路３４に沿って伝搬してゆく。この
際、基本波成分は伝送線路３４がカットオフ周波数以下
になっているのでそこを伝搬できず、２次高調波以上の
周波数成分のみが伝搬する。

【００２３】この発振器の発振周波数および整合条件
は、調整電極３７の長さやガンダイオード１０後方のシ
ョートスタブ３９の長さを変えることによって調整す
る。また、本実施形態では外部に出力を取り出すため
に、エアーブリッジ４０を用いて伝送線路をコプレーナ
線路に変換しているが、必要に応じて導波管やマイクロ
ストリップ線路に変換してもよい。

【００２４】図１で説明した実施形態では、底面の略中
央に複数のアノードバンプ１８が形成され、その両側に
カソードバンプ１９が形成されたガンダイオード１０を
用いたが、図４の(a)の平面図、(b)の断面図に示すよう
に、アノードバンプ１８とカソードバンプ１９が底面の
両端に配置されたガンダイオード１０Ａを用いることも
できる。その場合の発振器の構成は図５に示すようにな
り、調整電極３７が省かれる。この構成は、図１の構成
に比べて調整機構が１つ減るという欠点があるが、アノ
ード付近の電位が基本波と２次高調波で同じになり、発
振出力が増すという利点がある。

【００２５】また、本発明の発振器において、表面導体
３３に導体除去によって区画した別のバイアス電極４１
を形成しておくとよい。これによりガンダイオードと異
なる別の２端子素子を搭載することができる。すなわ
ち、その一方の電極をそのバイアス電極４１に、他方の
電極を表面導体３３の一部にそれぞれ接着可能となる。

【００２６】例えば図６に示すように、伝送線路３４の
上にその２端子素子としての表面実装型バラクタダイオ
ード４２を搭載して電圧制御発振器とすることができ
る。バラクタダイオード４２は、一方の電極をバイアス
電極４１に、他方の電極を表面導体３３に接着して搭載
する。この構成では、バイアス電極４１に電圧を印加す
ることによりガンダイオード１０から見た外部回路のイ
ンピーダンスが変化するので、それに伴って発振周波数
が変化する。また、２端子素子としてバラクタダイオー
ド４２の代りに、ＰＩＮダイオードを搭載すると、パル
ス変調の発振器として機能させることができる。更にこ
こでは２端子素子をガンダイオード１０の前方（伝送線
路３４の側）に設けたが、後方のショートスタブ３９上
に設けてもよい。

【００２７】

【発明の効果】上述したように、本発明の２次高調波利
用のガンダイオード発振器は、誘電体基板に表面実装型
のガンダイオードを搭載するので組立容易な構造とな
り、量産化、小型化が可能であり、しかもカットオフ周
波数をもつ伝送線路を用いているので特別なフィルタを
使用することなく不要な基本波成分を除去することが可
能となり、特性のバラツキが少ない利点がある。

【００２８】また、底面の略中央に第１の電極（アノー
ド等）が形成されその両側に第２の電極（カソード等）
が形成されたガンダイオードを用い、第２の電極の一方
を調整電極に接続することによって、整合条件や周波数
を調整することができる。

【００２９】また、第１の電極（アノード等）と第２の
電極（カソード等）が底面の両側に配置されたガンダイ
オードを用い、調整機構を省くことによって、第１の電
極付近の電位が基本波と２次高調波で同じになり、発振
出力を向上させることができる。

【００３０】また、本発明のガンダイオード発振器は、
表面導体にバイアス電極を形成しておくことにより、２
端子素子を伝送線路上に搭載可能となり、２端子素子の
選択によって異なる機能を発揮させることができる。具
体的には、バラクタダイオードを搭載することにより電
圧制御発振器とすることができ、ＰＩＮダイオードを搭
載することによりパルス変調の発振器とすることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態のガンダイオード発振器の
斜視図である。

【図２】 (a)は図１のガンダイオード発振器の伝送線
路部分の平面図、(b)は(a)のｂ−ｂ断面図である。

【図３】図２の伝送線路の周波数特性を示す図であ
る。

【図４】 (a)は本発明で使用する別の表面実装型ガン
ダイオードの平面図、(b)は(a)のｂ−ｂ断面図である。

【図５】図４のガンダイオードを使用したガンダイオ
ード発振器の斜視図である。

【図６】図１のガンダイオード発振器にバラクタダイ
オードを搭載して構成した電圧制御発振器の斜視図であ
る。

【図７】従来のメサ型構造のガンダイオードの断面図
である。

【図８】図７のメサ型構造のガンダイオードを組み込
んだピル型パッケージの断面図である。

【図９】 (a)は表面実装型ガンダイオードの平面図、
(b)は(a)のｂ−ｂ断面図である。

【図１０】 (a)は図９のガンダイオードを実装した状
態の平面図、(b)は(a)のｂ−ｂ断面図である。

【符号の説明】

１０：表面実装型ガンダイオード、１１：半導体基板、
１２：第１の半導体層、１３：活性層、１４：第２の半
導体層、１５：アノード電極、１６：カソード電極、１
７：裏面アノード電極、１８：アノードバンプ、１９：
カソードバンプ、２０：凹部、２１：非導電性膜３１：誘電体基板、３２：接地電極、３３：表面導体、
３４：スロット状の伝送線路、３５：バイアス電極、３
６：表面接地電極、３７：調整電極、３８：ヴィアホー
ル、３９：ショートスタブ、４０：エアブリッジ、４
１：別のバイアス電極、４２：バラクタダイオード５０：メサ構造ガンダイオード、５１：半導体基板、５
２：コンタクト層、５３：活性層、５４：バッファ層、
５５：カソード電極、５６：アノード電極６０：ピル型パッケージ、６１：放熱基台電極、６２：
円筒、６３：金リボン、６４：金属ディスク７１：誘電体の平板基板、７２：信号電極、７３：接地
電極、７４：表面接地電極、７５：ヴィアホール

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ガンダイオードの発振出力の２次高調波を
出力信号として取り出すガンダイオード発振器におい
て、裏面に接地導体が形成され、表面にスロット状の伝送線
路が残る形状に表面導体が形成され、且つ前記接地導体
と前記表面導体がヴィアホールによって接続された誘電
体基板と、発振出力が前記スロット状の伝送線路と電磁結合するよ
う前記誘電体基板の前記表面に搭載された表面実装型ガ
ンダイオードとを具備し、前記伝送線路のカットオフ周波数を前記表面実装型ガン
ダイオードの基本波周波数より高く且つ２次高調波の周
波数より低く設定したことを特徴とするガンダイオード
発振器。
【請求項２】請求項１のガンダイオード発振器におい
て、前記表面実装型ガンダイオードには、その底面の略中央
に第１の電極を設けると共に、該第１の電極を挟むよう
に前記底面の両側に第２の電極を各々設け、前記第１の電極を前記誘電体基板の前記表面導体に接続
し、前記第２の電極の内の一方を前記誘電体基板の表面
に別に設けた第１のバイアス電極に接続し、前記第２の
電極の内の他方を前記誘電体基板の表面に別に設けた調
整電極に接続したことを特徴とするガンダイオード発振
器。
【請求項３】請求項１のガンダイオード発振器におい
て、前記表面実装型ガンダイオードには、その底面の片端に
第１の電極を設けると共に、他端に第２の電極を設け、前記第１の電極を前記誘電体基板の前記表面導体に接続
し、第２の電極を前記誘電体基板の表面に別に設けた第
１のバイアス電極に接続したことを特徴とするガンダイ
オード発振器。
【請求項４】請求項１乃至３のいずれか１つのガンダイ
オード発振器において、第１、第２の電極を有し且つ
前記ガンダイオードと異なる２端子素子を具備し、該２端子素子の前記第１の電極を前記誘電体基板の表面
に別に設けた第２のバイアス電極に接続し、前記第２の
電極を前記表面導体に接続したことを特徴とするガンダ
イオード発振器。
【請求項５】請求項４のガンダイオード発振器におい
て、前記２端子素子が、バラクタダイオード又はＰＩＮダイ
オードであり、該バラクタダイオード又はＰＩＮダイオ
ードが前記スロット状の伝送線路上に搭載されているこ
とを特徴とするガンダイオード発振器。