JP2004523973A

JP2004523973A - マイクロ波発振器

Info

Publication number: JP2004523973A
Application number: JP2002574220A
Authority: JP
Inventors: フィリップノートン
Original assignee: マルコニアップライドテクノロジーズリミテッド
Priority date: 2001-03-16
Filing date: 2002-03-18
Publication date: 2004-08-05
Also published as: GB2376140A; GB0206238D0; US20040070460A1; GB0106581D0; GB2376140B; WO2002075916A1; EP1368890A1

Abstract

少なくともその一部分が誘電性の基板（１）内に載置された半導体発振素子（例えばガン・ダイオード（３））を備えるマイクロ波発振器。発振素子は、使用状態で、所定の基本周波数および高調波周波数において出力を生成するようにされる。発振器はさらに、基板上に、高調波周波数において生成された出力を出力部（１０）に送信する一方、基本周波数における出力の送信を禁止する（hold）ようにされた回路パターン（４）を備える。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばレーダを含む車両安全システムに見出され得るマイクロ波発振器に関連する。
【背景技術】
【０００２】
車両安全システムは一般的に、衝突保護システムまたは事故回避システムとしてカテゴライズされ得る。衝突保護安全システムは、事故の効果を最小化できるが、効果的な事故回避システムは、ドライバーが事故自体を回避することを可能にする。車両レーダーは特に、事故回避システムにおける使用に適する。車両レーダの、他の関連する応用は、能動巡航制御（active cruise control: ACC）のものである。このＡＣＣにおいては、車両の速度は、レーダの視野（field of "view"）における、車両または障害物の距離および相対速度によって自動的に設定される。
【０００３】
車両レーダーシステムは、車両の正面（front）の上に別々に載置された送信機／受信器を採用する。近づいて来る自動車のようなターゲットを検知出来る最大範囲は、例えば数百メーター程度の比較的短い距離である。それゆえ、そのようなレーダーシステムは、好んで、７７ＧＨｚ周辺の周波数を持つ、マイクロ波の範囲の高周波を使用する。
【０００４】
車両レーダシステムのためのマイクロ波発振器は一般的に、ウェーブガイド・キャビティー（waveguide cavity）にカップルされたガン・ダイオードのような発振素子を採用してきた。
【０００５】
従来のマイクロ波発振器において遭遇し得る問題は、それらがいくらか、かさばり、高程度の機械的設計と組み立てを伴い、しばしば機械的チューニング・セットアップ技術を必要とすることである。そのような発振器の設計、組み立て、およびセットアップに伴う労力は、そのコストを大幅に増やす。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、少なくとも部分的に誘電性の基板内に載置された（mounted）半導体発振素子を備え、当該発振素子が使用状態において、所定の基本周波数および高調波周波数において出力（power）を生成するように配置されるマイクロ波発振器を提供する。当該発振器は更に、基板上に、高調波周波数において生成された出力を出力部に送信する一方、基本周波数における出力の送信を禁止する（inhibiting）ようにされた回路パターンを備える。
【０００７】
或いは、発振素子は使用状態において、基本周波数および複数の高調波周波数で出力を生成するようにされ得る。この場合には、回路パターンは、一つあるいはそれ以上の高調波での出力の送信を可能とする一方、他の周波数で生成された出力を禁止する（blocking）するようにされる。
【０００８】
基板上の回路パターンを準備することによって、所望の周波数における出力が、ウェーブガイド・キャビティーを必要とすること無しに送信されることが可能となる。本発明は、従来のキャビティー発振器に較べて、より小さく、よりコストが少なく、機械的振動に対して、より大きな耐性を持つ。不所望の周波数（例えば基本周波数）で生成された出力は、回路パターンによって素子内に保持されるので、発振器の周波数は、外部環境からの影響を受けにくい。
【０００９】
好ましくは、半導体発振素子はガン・ダイオードである。更に好ましくは、ガン・ダイオードは、熱電子注入（hot electron injection）を採用する漸変（graded）ギャップ素子である。そのような素子は、動作温度に亘って良い動作を示す。
【００１０】
本発明は、添付の図面（本発明によって構築された発振器の平面図）を参照して、または、それに示されることによって、例によって以下説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図を参照して、ベース２（電気的および熱的に伝導性である）の上に載置された誘電性の基板１が示される。ベースは、接地平面およびヒートシンクの役割を果し得る。基板１は、開口（この中にガン・ダイオード３が挿入される）を含む。本実施例では、ダイオード３は金属ベースに接合されて、良い熱接触を提供する。ガン・ダイオードは、ウェーハ・スケールの（a wafer-scale）にパッケージされた素子であり得る（その製造業者は、本出願とともに出願中の我々の特許（出願番号ＧＢ0015775.0）に記載される）。
【００１２】
ダイオード３は、パッケージから外される（unpackaged）。この特徴により、よりコンパクトな発振回路が可能となる。基板はまた、一般的に、参照番号４によって示される回路を持つ。これは、マイクロストリップ技術を用いてアプライされ（applied）得る。ガン・ダイオード３は、その上部表面が、回路４と同じ平面に置かれるように、基板内の開口内に載置される。回路４は、ガン・ダイオード３と対応付けられた、好ましくは非常に高いＱの共振器（resonator）５を含む。回路４は、バイアス・フィルタ６をも含む。ガン・ダイオード３に対する必要なＤＣバイアス信号は、バイアス・フィルタ６および対応する相互接続構造（ボンディング・エリア７を用いたもの）を介してガン・ダイオードのカソードに供給される。この相互接続構造は部分的に、ガン・ダイオード３を取り囲む。ボンド・ワイヤ８は、ガン・ダイオード３を発振回路４に接続する。
【００１３】
出力パワーは、インターディジタル・キャパシタ９を介してガン・ダイオード３から出力部１０に抽出される。インターディジタル・キャパシタ９はまた、もし除去されなければ出力部１０からガン・ダイオード３に印加され得るＤＣバイアスを除去する。
【００１４】
ガン・ダイオード３は、一定の条件下で負性抵抗を示す半導体素子のタイプの一つである。これが、負荷インピーダンスと適切に整合される（matched）と、所定の基本周波数において発振が発生する。しかし、ダイオードはまた、この周波数の高調波で出力を生成する。この特性は従来のガン・ダイオードとしては有用であるが、約６０ＧＨｚまでしか発振できない。所望の７７ＧＨｚ周波数で出力を達成するために、ガン・ダイオードは、約３８．５ＧＨｚの基本周波数で発振するようにされる。第２の高調波で生成された出力は、所望の周波数内に入る。
【００１５】
回路の寸法は、基本周波数で生成された出力が、実質的に回路によって送信されないようなものにされる。例えば回路は、回路トラック（circuit tracks）の構造内のフィルタリング工程によって基本出力送信を回避し得る。このやり方で、基本出力は、回路パターン内に保持される。マイクロストリップ回路は、第２の高調波周波数の出力のみが、インターディジタル・キャパシタ９を介して出力部１０に通過することを許容する。
【００１６】
ガン・ダイオード３は、他の高調波周波数で発振するようにされる。この場合には、マイクロストリップ回路４は、所定の高調波周波数が送信される一方、基本及び／又は他の高調波は回路パターン内に保持されるように構成される。この特徴は、他の用途に適した、本発明の回路をもたらし得る。
【００１７】
誘電性の基板１に対する適切な材料には、アルミナ、ソフトボード材料（softboard materials）、アルミニウム窒化物（ＡＩＮ）、および石英が含まれる。回路４は、薄いフィルムまたは厚いフィルムの伝導体（conductors）、またはマイクロ波ＰＣＢ伝導体によって実現され得る。
【００１８】
本発明の視野から離れること無しに、更なる変更がなされ得る。例えば、ダイオードチップ３は好ましくは、熱電子注入を採用する漸変（graded）ギャップ素子である。しかし、熱電子注入をオプションとして持つ、複数の遷移領域（transit regions）を有するガン・ダイオードが採用され得る。
【００１９】
更に、ガン・ダイオード３は、パッケージ化された素子（パッケージは、オプションで密封される）、メサ・チップ（a mesa chip）、またはフリップ・チップ素子（flip chip device）の形を採り得る。しかし、パッケージされない素子が好ましい。なぜなら、それは、いわゆるパッケージ寄生（package parasitics）の問題を緩和するからである。信号品質およびノイズ感度のようなＩＣパッケージの電気的性能は、パッケージ寄生（これは、例えばボンド・ワイヤ、内部パッケージ・ルーティング、および外部リードなどの、パッケージの構成要素の貢献を表す）によって直接影響を受ける。ガン・ダイオード３は、アノードとカソードの双方に対する接続がチップの同じ面上にある、平面でありうる。ダイオードはまた、総合的ヒートシンク（integral heat sink）を持つようにされ得る。
【００２０】
前述の構成において、ダイオードの上部表面は、マイクロストリップ回路パターンと同じ平面にあった。しかし、これは必然的な特徴ではない。ダイオード３は、回路パターン４の平面の上に、またはその下に、配置され得る。
【００２１】
発振器の出力部１０は、マイクロストリップ、ウェーブガイド、または非放射誘電性（non-radiative dielectric：ＮＲＤ）材料、の形を採りうる。
【００２２】
正確な発振周波数を提供するために、回路の素子（一般的に共振器５）を修正するための能動レーザ同調（active laser tuning）が採用され得る。レーザ同調は、構成要素または回路の特性（例えばパワー出力または周波数）を修正するために、小さな量の導電性材料を構成要素または回路から除去するためのレーザの使用を含む。レーザ同調は通常、複数の位置（所定の順序においてか、または、臨時的に）で為される（effected）。仮に発振回路の構成要素がパッケージ化された場合でさえ、能動同調のこの形式が、採用され得る。この場合には、レーザ・ビームは、パッケージの蓋（lid）内の小さい孔（これは、発振器の周波数以上でカット・オフ（cut off）される）を通じて伝達される。
【００２３】
素子の、オプションの周波数同調は、ガン・ダイオード３に印加されたバイアス電圧を変更することによって達成され得る。或いは、電圧−可変容量を提供するために、バラクター（不図示）が、基本回路内に採り込まれ得る。
【００２４】
使用状態において、ガン・ダイオードは、一定のＤＣバイアスの印加状態で動作し得る。或いは、入力ＤＣ出力は、発振器ランプ（ramp）の周波数以下の周波数でパルス化され得る。これは、運ばれる平均出力を削減し、ダイオード内での出力消費を削減する効果を持つ。
【００２５】
本発明の発振器は、改善された周波数ランプ（improved frequency ramp）（即ち、線形電圧ランプ（ｄＶ／dt）が印加されたときの、時間に伴う周波数の変化（df／dt））を提供するようにされた制御回路（不図示）を含み得る。制御回路によって提供された線形性は、ガン・ダイオード、（もし使用するなら）バラクタの、または、これらの双方、の特性に関連され得る。
【００２６】
本発明の集積回路構成は、容易に他の構成要素と統合される素子をもたらす。基板は、レーダー・システムの他の構成要素を含む、より広い層の形を採り得る。
【００２７】
マイクロ波周波数源とともに、本発明は、受信器としての動作にも適しうる。これは特に、障害物から反射された信号が受信されて、車両レーダーによって処理される必要がある、車両レーダーシステムにおいて有用である。それ故本発明は、反射された信号を検知してダウン・コンバージョン（down-conversion）を実行するようにされた回路もまた含み得る。反射された信号は、信号を送信するために採用されるアンテナ・フィードとは異なる、別個のアンテナ・フィード配列（arrangement）を介して受信され得る。或いは、信号アンテナが使用され得る。この後者の実施例は、交互に回路を、「送信」および「受信」にバイアスするために、サーキュレータまたはスイッチを必要とする。ダウン・コンバージョン・ミキサは、ビーム・リード（beam-lead）、フリップチップ（flip-chip）、または裸のダイ・フォーマット（naked die formats）に、ショットキー・ダイオードを使用し得る。或いは、ＭＭＩＣが採用され得るか、または、例えば平面ドープされた障壁（planar doped barrier：ＰＤＢ）ダイオードのような非対称Ｉ／Ｖ特性を持ついかなる素子、または、非対称スペーサおよび送信時間（asymmetric spacer and transmit time：ＡＳＰＡＴＴ）ダイオードのようなヘテロ・ジャンクション構造、をもが採用され得る。

Claims

少なくとも部分的に誘電性の基板の内に載置された半導体発振素子を備えるマイクロ波発振器であって、
前記発振素子が使用状態で、所定の基本周波数および高調波周波数で出力を生成するようにされ、
前記発振器が更に、
高調波周波数で生成された出力を出力部に送信する一方、基本周波数での出力の送信を禁止するようにされた前記基板上の回路パターン
を備える、
マイクロ波発振器。
少なくとも部分的に誘電性の基板内に載置された半導体発振素子を備えるマイクロ波発振器であって、
前記発振素子が使用状態で、所定の基本周波数および複数の高調波周波数で出力を生成するようにされ、
前記発振器が更に、
複数の周波数のうちの所望の一つの周波数で生成された出力を出力部に送信する一方、他の複数の周波数での出力の送信を禁止するようにされた前記基板上の回路パターン
を備える、
マイクロ波発振器。
前記半導体発振素子がガン・ダイオードを含む、請求項１または２に記載の発振器。
前記ガン・ダイオードが漸変（graded）ギャップ素子である、請求項３に記載の発振器。
前記ガン・ダイオードが複数の遷移領域（transit regions）を含む、請求項３に記載の発振器。
前記ガン・ダイオードが、熱電子注入を採用する、請求項３乃至５のいずれかに記載の発振器。
前記ガン・ダイオードがメサ・チップ（mesa chip）である、請求項３に記載の発振器。
前記ガン・ダイオードがフリップ・チップ（flip chip）である、請求項３に記載の発振器。
前記ガン・ダイオードが、ヒートシンクを含む、請求項３に記載の発振器。
前記ガン・ダイオードがパッケージ化（packaged）された、請求項３乃至９のいずれかに記載の発振器。
前記回路パターンがマイクロストリップを含む、以上のいずれかの請求項に記載の発振器。
前記マイクロストリップが厚いフィルム伝導体（thick film conductors）を備える、請求項１１に記載の発振器。
前記マイクロストリップが、薄いフィルム伝導体（thin film conductors）を備える、請求項１１に記載の発振器。
前記マイクロストリップが、マイクロ波ＰＣＢ伝導体を備える、請求項１１に記載の発振器。
ヒートシンクを更に備える、以上の請求項のいずれかに記載の発振器。
前記ヒートシンクが、前記発振器に対する接地平面（ground plane）をも提供する、請求項１５に記載の発振器。
前記出力部がマイクロストリップを備える、以上のいずれかの請求項に記載の発振器。
前記出力部がウェーブガイドを備える、請求項１乃至１６のいずれかに記載の発振器。
前記出力部が、誘電性材料を含む、請求項１乃至１６のいずれかに記載の発振器。
前記出力部から前記発振素子へのＤＣバイアスの伝達（transmission）を禁止するようにされた手段を更に備える、以上のいずれかの請求項に記載の発振器。
ＤＣバイアスの伝達を禁止するようにされた前記手段が、キャパシタを備える、請求項２０に記載の発振器。
前記キャパシタが、インターディジタル・キャパシタである、請求項２１に記載の発振器。
添付の図面を参照して、または、その中に説明された、本出願明細書に実質的に記載されたマイクロ波発振器。
以上のいずれかの請求項に記載のマイクロ波発振器を組み込んだレーダーシステム。
請求項１乃至２３のいずれかに記載のマイクロ波発振器を組み込んだ車両レーダーシステム。
請求項２５に記載の車両レーダーを組み込んだ車両。
少なくとも部分的に誘電性の基板内に半導体発振素子を載置するステップと、
前記基板上に回路パターンを形成するステップであって、使用状態で、当該回路パターンが、前記発振素子によって生成された所定の高調波周波数の送信を可能とするようにされるステップを含む、
マイクロ波発振器を製造する方法。
レーザーによって前記回路から伝導材料を除去するステップを更に含む、請求項２７に記載の方法。
前記発振器の構成要素がパッケージ化された請求項２８に記載の方法であって、
前記パッケージに少なくとも一つの開口であって、当該開口を通じて前記レーザーからの光が浸入され得る当該開口を提供するステップを更に含む、方法。