JP2006287970A - 平面共振器 - Google Patents

Abstract

【目的】電磁波動場を可変制御して、特に縮退した直交モードの切り替えを容易にした平面共振器の提供を目的とする。
【構成】基板の一主面に設けられた平面回路導体と、基板の他主面に設けられて平面回路導体とは直流的に接続されない接地導体とから、ＴＭモードとした電磁波動場による高周波用の共振器を形成し、前記共振器は直交方向に縮退した２つの共振モードを有する平面共振器において、
平面回路導体又は接地導体の少なくとも一方に、接地導体又は平面回路導体の外形面積よりも面積が小さい開口部を設け、前記開口部内の全面が接地導体又は平面回路導体の外形面積内で対面し、前記開口部における前記直交方向の接地導体又は平面回路導体は、前記電磁波動場を電子的に制御して前記２つの共振モードのうちのいずれか一方を選択するスイッチング素子よって電気的に接続され、前記２つの共振モードのうちの一方のみを動作した構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、高周波（マイクロ波）用とした平面回路中の平面共振器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共振器に関する。

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。

（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図は平面共振器及びこれを用いた平面発振器の例であり、第８図は平面共振器からなる平面アンテナの例である。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。

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が発振用増幅器として機能し、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。

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。
特開平１０−１９０３４７号公報 特開平６−３２６５０８号公報

（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。

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。

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。

（発明の目的）本発明は、電磁波動場を可変制御して、特に縮退した直交モードの切り替えを容易にした平面共振器を提供することを目的とする。

本発明は、特許請求の範囲（請求項１）に示したように、基板の一主面に設けられた平面回路導体と、前記基板の他主面に設けられて前記平面回路導体とは直流的に接続されない接地導体とから、ＴＭモードとした電磁波動場による高周波用の共振器を形成し、前記共振器は直交方向に縮退した２つの共振モードを有する平面共振器において、
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、前記接地導体又は前記平面回路導体の外形面積よりも面積が小さい開口部を設け、前記開口部内の全面が前記接地導体又は前記平面回路導体の外形面積内で対面し、前記開口部における前記直交方向の前記接地導体又は前記平面回路導体は、前記電磁波動場を電子的に制御して前記２つの共振モードのうちのいずれか一方を選択するスイッチング素子よって電気的に接続され、前記２つの共振モードのうちの一方のみを動作した構成とする。

このような構成であれば、開口部における直交方向の接地導体又は平面回路導体は、電磁波動場を電子的に制御して２つの共振モードのうちのいずれか一方を選択するスイッチング素子よって電気的に接続される。したがって、直交方向に縮退した２つの共振モードのうちの一方のみを選択的に動作できる。以下、本発明の実施例を説明する。なお、本発明は原出願の分割出願であり、第４実施例が本発明の実施例に相当する。

（第１実施例、参考）
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。

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。

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。

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。

（第２実施例、参考）
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。

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。

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。

（第３実施例、参考）
第４図（ａｂｃ）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（ａｂ）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。

このような構成であれば、一対の信号線１４（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１０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。

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。

（第４実施例、請求項１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。

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。

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。

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。

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ＩＣ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。

（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ＭＭＩＣ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。

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。

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。

また、上記第１、第２及び第３実施例では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。

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。

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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。

Claims (1)

1. 基板の一主面に設けられた平面回路導体と、前記基板の他主面に設けられて前記平面回路導体とは直流的に接続されない接地導体とから、ＴＭモードとした電磁波動場による高周波用の共振器を形成し、前記共振器は直交方向に縮退した２つの共振モードを有する平面共振器において、
   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、前記接地導体又は前記平面回路導体の外形面積よりも面積が小さい開口部を設け、前記開口部内の全面が前記接地導体又は前記平面回路導体の外形面積内で対面し、前記開口部における前記直交方向の前記接地導体又は前記平面回路導体は、前記電磁波動場を電子的に制御して前記２つの共振モードのうちのいずれか一方を選択するスイッチング素子よって電気的に接続され、前記２つの共振モードのうちの一方のみを動作したことを特徴とする平面共振器。