JP2003110322A

JP2003110322A - 平面回路

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Publication number: JP2003110322A
Application number: JP2001302483A
Authority: JP
Inventors: Masayoshi Aikawa; 正義相川; Eisuke Nishiyama; 英輔西山; Takayuki Tanaka; 高行田中; Fumio Asamura; 文雄浅村; Takeo Oita; 武雄追田
Original assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Priority date: 2001-09-28
Filing date: 2001-09-28
Publication date: 2003-04-11
Anticipated expiration: 2021-09-28
Also published as: JP3830029B2; US20030062963A1; US6756857B2

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、電磁波動場を可変制御して機能及び
性能を大幅に拡大することを基本的な目的として、さら
には製造を容易にして生産性を高めた平面回路を提供す
る。【構成】基板の一主面に設けた平面回路導体と前記基板
の他主面に設けた接地導体とから電磁波動場による高周
波用の共振器を形成してなる平面回路において、前記平
面回路導体又は前記接地導体の少なくとも一方に開口部
を設け、前記電磁波動場を電子的に制御する集積回路や
機能回路を含む半導体素子及び受動素子等の回路素子を
前記開口部上に配置した構成とする。

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（マイクロ
波）用の共振器、発振器あるいはアンテナ等に用いられ
る平面回路を産業上の技術分野とし、特に、高機能化及
び簡易経済化に適した平面回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】（発明の背景）マイクロ波集積回路を基
盤とした各種の平面回路は、ワイヤレス通信システム機
器や測定機器等に使用され、需要も年々増加する傾向に
ある。近年では、各種機器の高性能化や生産性等の点か
ら、高機能化及び製造の容易性が求められている。

【０００３】（従来技術の例）第７図及び第８図は一従
来例を説明する典型的な平面回路の図で、第７図は平面
回路からなる共振器（以下では、便宜的に平面共振器と
する）及びこれを用いた発振器（同平面発振器とする）
の例であり、第８図は平面回路からなるアンテナ（同平
面アンテナとする）の例である。なお、各図ともに
（ａ）は平面図、同図（ｂ）は断面図である。平面共振
器は、誘電体からなる基板１の一主面に円形の平面回路
導体（単に回路導体とする）２を、他主面に接地導体３
を形成してなる。このようなものでは、回路導体２と接
地導体３との間で生ずる電界及びこれによる磁界によっ
てＴＭモードからなる共振器を形成する。なお、共振周
波数は、基板１の誘電率、厚さ及び回路導体２の面積に
依存する。

【０００４】平面発振器は、平面共振器を形成する基板
１内にガンダイオード６を埋設（挿入）する。通常で
は、基板１に貫通孔を設けて埋設される。そして、ガン
ダイオード６の両端子を例えば半田によって回路導体２
及び接地導体３に接続する。そして、２個のガンダイオ
ード６が発振用増幅器と機能し、平面共振器の共振周波
数を帰還増幅して発振回路を構成する。なお、平面共振
器は、発振回路の共振器であると同時に位相同期と電力
合成機能の役割を果たす。図中の符号４は引出線、同５
はマッチング用の容量線路である。

【０００５】平面アンテナは、基板１の一主面に例えば
方形状の回路導体２を、中間層に開口部を有する接地導
体３を、他主面に給電線８を設けてなる。そして、回路
導体２と接地導体３によって平面共振器を形成し、給電
線８と接地導体３でマイクロストリップラインを形成す
る。マイクロストリップラインは信号線８と接地導体３
との間で生じる電界及びこれによる磁界によって高周波
の伝送路を形成する。これにより、マイクロストリップ
ラインを給電線として、平面共振器による共振周波数の
電磁波を送信あるいは受信してアンテナを構成する。な
お、平面共振器とマイクロストリップラインとは中間層
に設けた開口部７によって電磁結合する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】（従来技術の問題点）
しかしながら、上記構成の平面共振器に基づいた各平面
回路ではいずれも電気的特性は固定のままであり（した
がって共振周波数は固定のままであり）、例えば共振周
波数を可変型として高機能化とすることが困難であっ
た。すなわち、平面共振器の電気的特性は、幾何学的形
状で規定される境界条件、入出力線路の接続条件及び構
成材料等によって形成される固定的な電磁波動場に依存
する。したがって、各平面回路を可変型として高機能化
することが困難であった。要するに、現状の平面回路
（共振器）では、固定的な電磁波動場をただ利用するに
止まっている。

【０００７】また、上述したガンダイオード６を用いた
平面発振器の構成例で示されるように、集積回路や能動
回路を含む半導体素子及び受動素子等からなる回路素子
は、回路導体２と接地導体３間の基板１内に埋設して接
続するのが一般的である。このため、基板１に対して穴
（貫通孔）あけ工程が必要となって高精度の製造を困難
にして生産性（量産性）が低下するとともに、回路素子
の表面実装には不適当になる問題もあった。

【０００８】なお、回路素子を表面に配置した場合、例
えば前述のガンダイオード６を一主面に配置した場合に
は、回路導体２と接地導体３と所謂ビアホール（電極貫
通孔）によって接続せざるを得ない。しかし、この場合
には、ビアホールによる導体長（線路長）が大きくなる
ため、インダクタ成分が増加して高周波特性を劣化させ
る。したがって、回路素子を基板１に埋設して線路長を
小さくしていた。

【０００９】（発明の目的）本発明は、電磁波動場を可
変制御して機能及び性能を大幅に拡大することを基本的
な目的として、さらには製造を容易にして生産性を高め
た平面回路を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、平面共振器を
形成する回路導体又は接地導体の少なくとも一方に開口
部を設けて、電磁波動場を電子的に制御（可変）する回
路素子を配置したことを基本的な解決手段とする（請求
項１に相当）。また、回路素子を可変リアクタンス素子
やスイッチング素子とする（請求項２、３に相同）。さ
らには、平面共振器は直交方向に縮退した共振モードを
有して回路素子をスイッチング素子とする（請求項４に
相当）。

【００１１】

【作用】本発明では、電磁波動場を電子的に制御する回
路素子を開口部に配置するので、境界条件が等価的に変
化して固定された電磁波動場が変化する基本的な作用を
有する。そして、回路素子を一主面上の開口部に配置す
るので、表面実装を採用できて製造を容易にする。そし
て、回路素子を可変リアクタンス素子とするので、電磁
波動場が変化して共振周波数を可変できる。また、回路
素子をスイッチング素子としたので、これのオン・オフ
によって平面共振器を動作又は非動作のいずれかを選択
できる。さらには、平面共振器を縮退した共振モードと
して回路素子をスイッチング素子とするので、縮退した
共振モードのうちのいずれかを選択できる。以下、本発
明の実施例を説明する。

【００１２】

【第１実施例、請求項２に相当】第１図（ａｂ）は本発
明の一実施例を説明する可変型とした平面共振器（可変
型共振器とする）の図で、第１図（ａ）は平面図、同図
（ｂ）は断面図である。可変型共振器は、基板１の一主
面に方形状の回路導体２を他主面に接地導体３を形成
し、回路導体２に短冊状の開口部９を設ける。そして、
カソード同士が接続した逆極性接続の一対のバラクター
ダイオード１０を実装し、両者の中点（接続点）に制御
電圧を印加する供給端子１１の一端を接続する。各バラ
クターダイオード１０のアノードは開口部の両側の回路
導体２に接続する。そして、供給端子１１と回路導体２
との間に印加される制御電圧によって、一対のバラクタ
ーダイオード１０における端子間の容量値が変化する。

【００１３】このような構成であれば、前述したように
回路導体２と接地導体３との間で平面共振器を形成す
る。そして、この場合には、一対のバラクターダイオー
ド１０が開口部内に配置されるので、バラクターダイオ
ード１０の容量値によって、開口部の電気的な長さ（開
口長とする）が等価的に変化する。したがって、電磁波
動場を形成する境界条件も異なって、共振周波数が変化
する。これらのことから、バラクターダイオード１０の
容量値を制御電圧によって可変すれば、平面共振器の共
振周波数を変化させられる。

【００１４】要するに、回路導体２に設けた開口部に可
変容量素子を設けたことによって、従来の固定された電
磁波動場を電子的に制御して、可変型共振器を形成でき
る。そして、可変容量素子としてのバラクターダイオー
ド１０の容量値を制御電圧によって任意に制御できるの
で、共振器としてのアダプティブ性及び汎用性を大きく
高めて高機能化をもたらす。また、バラクターダイオー
ド１０を基板１内に埋設することなく、基板１の一主面
に実装できるので製造も容易にして生産性を高める。

【００１５】なお、バラクターダイオード１０に、必要
に応じて、並列あるいは直列に固定のコンデンサーを接
続して、中心周波数を調整することもできる。また、こ
こでは単に可変型共振器として説明したが、前述したよ
うに接地導体３を中間層として開口部を設け、他主面に
電磁結合するマイクロストリップラインを形成すれば、
動作周波数を可変型とした平面アンテナを形成できる。

【００１６】

【第２実施例、請求項２に相当する他の例】第２図は本
発明の第２実施例を説明する可変型共振器の断面図であ
る。なお、前第１実施例と同一部分の説明は省略又は簡
略する。前第１実施例では回路導体２に短冊状の開口部
９を設けて一対のバラクターダイオード１０を配置した
が、第２実施例では開口部９を接地導体３に設ける。そ
して、開口部９上に一対のバラクターダイオード１０を
配置し、各アノードを接地導体３に接続する。なお、図
では開口部の符号９は省略されている。

【００１７】このような構成であっても、バラクターダ
イオード１０の容量値によって、開口長が等価的に変化
して境界条件を異ならせ、電磁波動場を変化させるので
可変型共振器を形成できる。したがって、前述同様に共
振器としてのアダプティブ性及び汎用性を大きく高めて
高機能化を達成する。そして、バラクターダイオード１
０を基板１内に埋設することなく、基板１の一主面に実
装できるので製造も容易にして生産性を高める。

【００１８】また、この場合でも、第３図（ａｂ）に示
したように、回路導体２に給電線を接続すれば、動作周
波数を可変型とした平面アンテナを形成できる。この場
合、給電線は回路導体２に信号線１２Ａを設けたマイク
ロストリップライン１２とする。なお、第３図（ａ）は
一主面の平面図、同図（ｂ）は断面図である。

【００１９】

【第３実施例、請求項２に相当する他の例】第４図（ａ
ｂｃ）は本発明の第３実施例を説明する周波数可変型の
平面発振器（可変型発振器とする）の図である。なお、
前各実施例と同一部分の説明は省略又は簡略する。可変
型発振器は、第１実施例で説明した可変型共振器を利用
する。すなわち、可変型発振器は、前述のように基板１
の一主面に設けられた回路導体２の開口部９に、共振周
波数を制御する一対のバラクターダイオード１０を配置
する。ここでは、さらに他主面の接地導体３に開口部９
を設けて、開口部内に分割された一対の信号線１４（ａ
ｂ）を形成する。一対の信号線１４（ａｂ）は接地導体
３との間でコプレーナラインを形成する。そして、信号
線１４（ａｂ）間にＩＣ等を含む半導体素子からなる増
幅器１５を接続する。

【００２０】このような構成であれば、一対の信号線１
４（ａｂ）と回路導体２との電磁結合によって、第４図
（ｃ）に矢印で示すように発振閉ループを形成する。な
お、発振周波数は可変型共振器の共振周波数に依存し
て、決定される。したがって、バラクターダイオード１
０の容量値を制御電圧によって制御することにより、発
振周波数を可変できる。これにより、可変型発振器（所
謂電圧制御発振器）を得ることができる。そして、この
場合には、増幅器１５を開口部７上に配置するので、従
来のように増幅器を基板１内に埋設することなく基板面
上に表面実装できて製造を容易にする。

【００２１】そして、方形状の回路導体２と接地導体３
からなる平面共振器に図示しない給電線を設けて平面ア
ンテナに設計すれば、周波数可変発振機能とアンテナ機
能を持たせた送信モジュールが実現できる。発振周波数
の可変、あるいは発振のオンオフも可能であるからFSK
やASK 変調のディジタル変調機能を付加する等の高機能
化も実現できる。

【００２２】

【第４実施例、請求項４に相当】第５図（ａｂ）は本発
明の第４実施例を説明するモード切替制御の平面共振器
（モード切替共振器とする）の図で、同図（ａ）は平面
図、同図（ｂ）は断面図である。第４実施例は、直交す
る縮退モードを有する平面共振器を切り替え制御した、
モード切替共振器に関するものである。すなわち、モー
ド切替共振器は、基板１の一主面に形成された円形状の
回路導体２に同心とする小円状の開口部９を設け、他主
面を接地導体３とする。そして、小円状の開口部９上に
対向する素子が互いに逆極性にスター結線して、直交方
向にオン、オフして切り替えられる２対のスイッチング
素子（計４個）１６を配置する。そして、各スイッチン
グ素子１６の接続する中点（接続点）に、スイッチング
用の制御電圧が印加される供給端子１１を接続する。そ
して、ここでの、平面共振器の共振モードはＴＭ11モー
ドとし、これは水平及び垂直の直交方向に縮退姿態を有
する。

【００２３】このような構成であれば、制御電圧を正電
圧とすれば垂直方向のスイッチング素子が導通（オン）
する。したがって、この場合には、水平方向のＴＭ11モ
ードは励起することなく、垂直方向のＴＭ11モードのみ
が励起する。逆に、制御電圧を負電圧とすれば、水平方
向のスイッチング素子が導通する。したがって、この場
合には、垂直方向のＴＭ11モードは励起することなく、
水平方向のＴＭ11モードのみが励起する。これにより、
制御電圧によって水平方向又は垂直方向のＴＭ11モード
を切り替え選択できる。なお、この場合でも、スイッチ
ング素子によって、境界条件等が等価的に変化して固定
の電磁波導場を制御していると言える。

【００２４】このようなことから、前述したような給電
線を設けて平面アンテナを形成すれば、水平又は垂直方
向のＴＭ11モードでの共振を切替選択することによっ
て、水平又は垂直偏波の高周波（電波）を送信あるいは
受信できる。したがって、この場合には、水平／垂直偏
波切り替え機能を有する平面アンテナを得ることができ
る。

【００２５】なお、この例では開口部９は小円状とした
が、例えば第６図に示したように十字状の開口部９とし
てもよい。この場合、開口部９が小円状のときには例え
ば水平方向のＴＭ11モードが励起されているときは垂直
モードが僅かに存在するが、十字状のときには抑圧され
る。なぜなら、十字状の開口部によって、大部分の垂直
方向の表面電流が阻止されるからである。

【００２６】また、スイッチング素子１６としては開口
部９上の一主面上に配置するので表面実装素子を採用で
き、例えば各種のパッケージ入りやピームリード型のシ
ョットキーバリヤダイオードやＰＩＮダイオード等が一
般的に適用できるとともに、スイッチング機能のあるＩ
Ｃ類でも可能である。また、実装する集積回路がトラン
シーバ機能を有する場合は、開口部の対向近接する回路
導体２間を入出力ポートと設定し、さらに、送信は垂直
偏波、受信は水平偏波とすれば、アンテナ共用の簡易な
双方向のワイヤレス送受信機も実現できる。

【００２７】

【他の事項】上記実施例では回路素子を表面実装すると
したが、例えばバンプを用いて実装すると接続線路長を
最小にするので好都合である。また、基板１は誘電体と
したが、これに代えて磁性体あるいは半導体でもよい。
また、基板１は単一基板として説明したが、例えば平面
回路を形成した複数の基板１を積層して多層構造マイク
ロ波集積回路を形成する。あるいは、集積回路や機能回
路を含む半導体素子及び受動素子等の回路素子が表面上
に形成された半導体上に、前述した各平面回路を搭載し
て例えばビアホールによって接続して、所謂３次元ＭＭ
ＩＣを形成してもよい。これらの場合、大幅な小型化を
達成する。

【００２８】また、第１及び第３実施例ではバラクタダ
イオード１０によって共振周波数を基本的に可変した
が、例えばオン・オフ動作のスイッチング素子を適用す
れば可変型共振器を動作又は非動作状態を選択できる。
これによって、アンテナや発振器の動作をオン・オフで
きる（請求項３）。

【００２９】また、第４実施例では、平面共振器を直交
する方向に縮退モード有するとしてスイッチング素子に
より垂直又は水平方向のモードを選択したが、例えば縮
退モードでない形状の場合には、直交方向を切り替える
２対のスイッチング素子によって垂直方向と水平方向を
選択したときに得られる両線路の線路長差を移相量とし
たデジタル移相器、所謂線路切替型移相器にも適用でき
る。この場合、基本モードあるいは高次モードのいずれ
でも電磁波動場の制御に適用できる。

【００３０】また、スイッチング素子は単にオン・オフ
としたが、例えばＭＯＳＦＥＴ等を可変抵抗器として抵
抗値を制御すれば、抵抗値の大小によってオン・オフの
スイッチング機能を持たせるとともに、アンテナの送受
信や発振器等の出力の強度を制御できる。

【００３１】また、上記実施例で可変リアクタンス素子
は容量値の変化するバラクタダイオードとしたが、制御
電圧に対して実質的にインダクタンスを含むリアクタン
スが変化する素子であれば適用でき、電圧によらず結果
としてリアクタンスを制御できればよい。また、縮退し
た共振モードは直交方向に縮退姿態を有するＴＭ11モー
ドとしたが、例えば回路導体を方形状としたＴＭ10モー
ド等も適用できる。

【００３２】そして、ここで述べた以外に本発明はその
趣旨を逸脱しない範囲で適宜自在な変更を可能として、
本発明の技術範囲に包含される。なお、基板本体内に一
部の素子が埋設されてあったとしても、本発明の趣旨で
ある開口部を設けて回路素子を配置し、これにより電磁
波動場を制御している場合にも、本発明の技術的範囲に
属する。

【００３３】

【発明の効果】本発明は、平面共振器を形成する回路導
体又は接地導体の少なくとも一方に開口部を設けて、電
磁波動場を電子的に制御する回路素子を配置したので、
製造を容易にして生産性を高めた平面回路を提供でき
て、電磁波動場を可変制御して高機能化を達成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を説明する可変型共振器の
図で、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は断面図であ
る。

【図２】本発明の第２実施例を説明する可変型共振器の
断面図である。

【図３】本発明の第２実施例の可変型共振器を用いた平
面アンテナの図で、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は
Ａ−Ａ断面図である。

【図４】本発明の第３実施例を説明する可変型発振器の
図で、同図（ａ）は一主面の、同図（ｂ）は他主面の平
面図、同図（ｃ）は断面図である。

【図５】本発明の第４実施例を説明する図で切替制御共
振器の図で、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は断面図
である。

【図６】本発明の第４実施例の他の例を説明する切替制
御共振器の平面図である。

【図７】従来例を説明する平面発振器の図で、同図
（ａ）は平面図、同図（ｂ）は断面図である。

【図８】従来例を説明する平面アンテナの図で、同図
（ａ）は平面図、同図（ｂ）は断面図である。

【符号の説明】

１基板、２回路導体、３接地導体、４引出線、
５マッチング用の容量線路、６ガンダイオード、
７、９開口部、８、１２、１４信号線、１０バラク
ターダイオード、１１供給線、１５増幅器、１６
スイッチング素子．

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者浅村文雄埼玉県狭山市大字上広瀬1275番地の２日本電波工業株式会社狭山事業所内 (72)発明者追田武雄埼玉県狭山市大字上広瀬1275番地の２日本電波工業株式会社狭山事業所内Ｆターム(参考） 5J006 HB03 5J045 AA03 BA03 DA10 EA07 HA03 LA01 LA03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板の一主面に設けた平面回路導体と前記
基板の他主面に設けた接地導体とから電磁波動場による
高周波用の共振器を形成してなる平面回路において、前
記平面回路導体又は前記接地導体の少なくとも一方に開
口部を設け、前記電磁波動場を電子的に制御する回路素
子を前記開口部上に配置したことを特徴とする平面回
路。
【請求項２】前記回路素子は可変リアクタンス素子であ
って、前記共振器の共振周波数を可変した請求項１の平
面回路。
【請求項３】前記回路素子はスイッチング素子であっ
て、前記共振器を動作又は非動作とした請求項１の平面
回路。
【請求項４】前記共振器は直交方向に縮退した共振モー
ドを有し、前記回路素子をスイッチング素子として前記
縮退した共振モードを電子的に切り替え制御した請求項
１の平面回路。