JP2014014072A - 発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】パッチアンテナなどのマイクロストリップ型共振器において、その発振周波数をω_oscとすると、ＤＣ以上ω_osc未満の周波数領域において寄生発振を抑制するような回路構成を有する発振器を提供することである。
【解決手段】電磁波を発振する発振器は、負性抵抗素子１０１と、電磁波の発振周波数を規定するためのマイクロストリップ型共振器１０２と、寄生発振を抑制するための低インピーダンス回路をなす抵抗素子１０４と、ストリップ導体１０３１を備える。ストリップ導体は、低インピーダンス回路をなす容量素子１０３２とマイクロストリップ型共振器を接続する。ストリップ導体のインダクタンスLがマイクロストリップ型共振器の容量Cとで形成する共振周波数１/２π√LCの等価波長の１/４が、負性抵抗素子と低インピーダンス回路をなす抵抗素子１０４との間のストリップ導体を介する距離より大きい。
【選択図】図１

Description

本発明は、負性抵抗素子を用いた発振器に関し、特には、例えばミリ波帯からテラヘルツ帯まで（３０ＧＨｚ以上３０ＴＨｚ以下、以下同様な意味で用いる）の周波数領域内の周波数帯における電磁波発振器に関する。

広く認識されている様に、負性抵抗素子は、共振器を伴い、電磁波の発振器の応用分野で有用である。これまで、ミリ波帯からテラヘルツ波帯までの周波数帯域のうちの少なくとも一部の周波数成分を含む電磁波（以後、単にテラヘルツ波などと呼ぶ）を発生させることで知られている。その一つとして、負性抵抗素子を基板上にモノリシック（monolithic）化した発振器が非特許文献１に開示されている。負性抵抗素子を有する半導体基板上にスロットアンテナを集積し、共振器構造と利得媒質がモノリシックに構成されている。

図６は、非特許文献１の発振器を示す図である。この発振器において、負性抵抗素子としては、コレクタ側にショットキー障壁（Schottky-barrier）を備えた共鳴トンネルダイオード（Resonant-Tunneling-Diode）S-RTD１１を用いている。共振器としては、スロットアンテナを用いている。非特許文献１におけるスロットアンテナは、半導体基板上の金属パターン１２で構成され、そのスロットの端部に容量１３、１４を備えている。非特許文献１の発振器は、更に、整流ダイオード１５も備えている。ここで、整流ダイオード１５は、負性抵抗素子を用いた発振器で問題となる寄生発振を抑制するための安定化回路をなしている。寄生発振とは、所望の周波数とは異なる低周波側の周波数帯における寄生的な発振のことを指す。こうした寄生発振は所望の周波数における発振出力を著しく低下させるため、負性抵抗素子を用いた発振器において安定化回路の存在は非常に重要といえる。その詳細については、次の通りである。発振器の発振波長をλ_osc、発振周波数をω_oscとすると、寄生発振を抑制するためには、ＤＣ以上ω_osc未満の周波数領域においてバイアス供給のための電源側のインピーダンスが低いことが必要である。そのための一つの方法として、S-RTDから見て電源側に向かってλ_osc/４以内の位置に低インピーダンス回路（例えば、シャント整流ダイオードなど）が配置されるべきである。それ故、図６では、こうした低インピーダンス回路として、S-RTD１１から見て電源１６側に向かってλ_osc/４以内の位置に整流ダイオード１５を集積している。１７は、電源１６の内部抵抗及び接続線が持つ抵抗を合計したものである。

ＩＥＥＥ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ Ｌｅｔｔｅｒｓ， Ｖｏｌ １８, ２１８（１９９７）

しかしながら、非特許文献１の発振器は、スロットアンテナを用いたスロット型共振器における回路構成を述べているに過ぎず、パッチアンテナなどのマイクロストリップ型共振器ではこれを適用することは出来なかった。具体的には、RTDなどの負性抵抗素子から見て電源側に向かってλ_osc/４以内の位置はパッチそのもの、あるいはパッチの周辺部の中でも共振電磁界に対する影響が大きな領域となるため、低インピーダンス回路を配置することが容易ではなかった。本発明はかかる課題を鑑みてなされたものである。その目的は、パッチアンテナなどのマイクロストリップ型共振器において、その発振周波数をω_oscとすると、ＤＣ以上ω_osc未満の周波数領域において寄生発振を抑制するような回路構成を提案することである。

本発明の発振器は、電磁波を発振する発振器であって、負性抵抗素子と、前記負性抵抗素子により励起される電磁波の発振周波数を規定するためのマイクロストリップ型共振器と、寄生発振を抑制するための低インピーダンス回路をなす抵抗及び容量素子と、前記低インピーダンス回路をなす容量素子と前記マイクロストリップ型共振器を接続するストリップ導体と、を備える。そして、前記ストリップ導体のインダクタンスLが前記マイクロストリップ型共振器における容量Cとで形成する共振周波数１/２π√LCの等価波長の１/４が、前記負性抵抗素子と前記低インピーダンス回路をなす抵抗素子との間の前記ストリップ導体を介する距離より大きくなるように構成する。

本発明の発振器によれば、マイクロストリップ型共振器における共振電磁界に対する影響が抑制された任意の位置に寄生発振を抑制するための低インピーダンス回路を配置することが可能である。それゆえ、マイクロストリップ型共振器を伴った負性抵抗素子において問題となる寄生発振を抑制することができる。

実施形態１に係る発振器の構成を示す図。 実施形態１に係る発振器の構成の等価回路を示す図。 実施例１に係る発振器の構成を示す図。 実施例２に係る発振器の構成を示す図。 本発明の発振器を用いた測定装置を説明する図。 非特許文献１の発振器の構成を示す模式図。

本発明は、マイクロストリップ型共振器を伴った負性抵抗素子と低インピーダンス回路をなす容量素子との間をストリップ導体で接続する。そして、ストリップ導体のインダクタンスLとマイクロストリップ型共振器における容量Cとで形成する共振周波数１/２π√LC（ω_LC＝１/√LC）の等価波長λ_LC（＝ω_LC/２π）の１/４が、距離dより大きい。容量Cはマイクロストリップ型共振器とその接地電極の間における容量である。距離dは、負性抵抗素子と低インピーダンス回路をなす抵抗素子との間のストリップ導体を介する距離である。こうした構成によって、マイクロストリップ型共振器における電磁界に対する影響が抑制された任意の位置に低インピーダンス回路を配置することが可能となる。

以下、図を用いて本発明の実施形態を説明する。
（実施形態１）
実施形態１に係る発振器について、図１、図２を用いて説明する。図１（ａ）は本実施形態の発振器を示す模式図であり、図２は本実施形態の発振器を説明する回路図である。本実施形態において、１０１は、負性抵抗素子である。負性抵抗素子１０１は、典型的には、共鳴トンネルダイオード（RTD）やエサキダイオード、ガンダイオードが選ばれる。一端子を終端したトランジスタを用いてもよい。負性抵抗素子により励起される電磁波の発振周波数を規定するための共振器１０２は、パッチアンテナや有限な長さのマイクロストリップラインなどを用いたマイクロストリップ型共振器である。マイクロストリップ型共振器は、グランド上で電気的に浮いた金属板等の導電層を持つ共振器である。対応する回路を示す図２においては、発振周波数ω_oscにおける共振回路１０２と、これ以下の周波数領域における容量C（１０３３）と、に素子を分けて書いている。バイアス回路は、電源１０５と配線１０６から構成される。配線には必ず寄生的なインダクタンス成分１０６を伴うため、対応する回路を示す図２にはインダクタンスとして書いてある。

電源１０５は、負性抵抗素子１０１の駆動に必要な電流を供給し、動作点電圧を調整する。動作点は、典型的には、負性抵抗領域から選択される。発振周波数ω_oscの発振に対する寄生発振を防止するための低インピーダンス回路は、本実施形態では、抵抗１０４とこれと並列に接続されたデカップリング容量（バイパスコンデンサ）１０３２と、で構成される。これらは、寄生発振を防止したい各周波数領域で低インピーダンスを実現するための素子となっている。共振器１０２の発振周波数ω_oscをテラヘルツ帯とすると、抵抗１０４はＤＣからミリ波帯までを作用域とし、容量１０３２は、例えばテラヘルツ帯といった帯域を作用域とする。抵抗１０４の値は、負性抵抗素子１０１の負性抵抗領域における負性抵抗の絶対値と等しいか少し小さい値が選択される。低インピーダンスを実現するための素子は容量素子でもよく、容量素子の場合も、抵抗の場合も、負性抵抗素子１０１の負性抵抗の絶対値より素子のインピーダンスが低くなれば低インピーダンス回路をなす素子と考えることができる。

１０３１は、マイクロストリップラインである。マイクロストリップライン１０３１は、バイアス回路１０５、１０６から負性抵抗素子１０１にバイアスを供給する役割を持つ。発振周波数以下の周波数領域においてはインダクタンスLとして作用するため、対応する回路を示す図２においては、インダクタンスの記号を使って表示してある。上記デカップリング容量１０３２は、マイクロストリップライン１０３１と接続したデカップリング容量である。例えば、パッチと基板を共にしたMIM（Metal-insulator-Metal）構造を利用してもよい。本実施形態では、低インピーダンス回路の部品としてテラヘルツ帯（ω_THz）のみを作用域とするため１pF以上（>１/ω_THzのオーダ）でもよい。一般には、容量１０３２の値は大きいほうが好ましい。

こうした構造において、低インピーダンス回路をなす抵抗素子１０４は、ストリップ導体（インダクタンスL）１０３１の存在によって共振器１０２から引き出された好きな位置に配置できるようになる。一方で、ストリップ導体１０３１は、デカップリング容量１０３２を通じ、パッチアンテナなどのマイクロストリップ型共振器の容量１０３３とでLC共振周波数ω_LCの共振回路を形成する。これら（素子１０４の任意の位置への配置とLC共振周波数の共振回路の形成）は通常はトレードオフの関係になるが、LC共振は、次のように構成すると発振不可ないし発振抑制することができる。

それは、インダクタンスLを十分に大きくし、LC共振周波数を十分に下げることで可能となる。例えば、抵抗１０４の担当する周波数帯までLC共振周波数を下げることで、発振不可ないし発振抑制することが可能である。負性抵抗素子１０１から見て電源側に向かってλ_LC/４未満の位置に抵抗１０４が配置されると、抵抗１０４がλ_LCを含む電磁波帯域での低インピーダンス素子として作用する。この作用を利用して、LC共振周波数の等価波長λ_LCの１/４が、負性抵抗素子１０１と低インピーダンス回路をなす抵抗素子１０４との間の距離dより大きくなるような構成とすることで、LC共振は発振不可ないし発振抑制することが可能である。故に、パッチ型共振器などのマイクロストリップ型共振器でもＤＣ以上ω_osc未満の周波数領域において寄生発振を生じさせることがなく（ないし発振抑制され）、共振器の所望の発振周波数の発振出力を得ることができるようになる。

以上の構成によって、マイクロストリップ型共振器における電磁界に対する影響が抑制された任意の位置に低インピーダンス回路を配置することが可能となり、ストリップ導体のインダクタンスによって新たな寄生発振が生じることが抑制される。これにより、マイクロストリップ型共振器における所望の発振周波数を得ることができる。

さらに具体的な発振器について、以下の実施例において説明する。
（実施例１）
実施例１に係る発振器について、図３を用いて説明する。図３（ａ）は、本実施例の発振器を示す斜視図である。図３（ｂ）はパッチアンテナ周辺の金属パターニングを示す上面図である。本実施例では負性抵抗素子として共鳴トンネルダイオード（RTD）を用いている。

図３は電磁波発振用の金属パターニングによるパッチアンテナとその周囲の回路構造を示す。本実施例のパッチアンテナは、およそ０.５ＴＨｚを発振させるための発振器である。RTD２０１は、例えば、InP基板２１上のInGaAs／InAlAs、InGaAs／AlAsによる多重量子井戸構造とn-InGaAsによる電気的接点層を伴って構成される。多重量子井戸構造としては、例えば三重障壁構造を用いる。より具体的には、AlAs(１.３nm)／InGaAs(７.６nm)／InAlAs(２.６nm)／InGaAs(５.６nm)／AlAs(１.３nm)の半導体多層膜構造で構成する。

このうち、InGaAsは井戸層、格子整合するInAlAsや非整合のAlAsは障壁層である。これらの層は意図的にキャリアドープを行わないアンドープとしておく。この様な多重量子井戸構造は、電子濃度が２×１０^１８cm^-３のn-InGaAsによる電気的接点層に挟まれる。こうした電気的接点層間の構造の電流電圧I（V）特性において、ピーク電流密度は２８０kA/cm^２であり、約０.７Vから約０.９Vまでが負性抵抗領域となる。RTD２０１が約２μmΦのメサ構造の場合、ピーク電流１０mA、負性抵抗−２０Ωが得られる。

パターニングの詳細は図３（ｂ）のとおりである。パッチ２０２の共振方向の辺の長さは１５０μmである。パッチ２０２の下部に接続された直径２μmのRTDのリアクタンスを考慮すると、発振周波数は約０.５ＴＨｚとなる。パッチと接続されたマイクロストリップライン２０３１は、パッチ２０２から１１２.５μmだけ伸び、さらに約１５０μmを４回折り曲げた途中のメアンダ形状を経て、MIM容量２０３２（図２の回路上は容量１０３２に対応する）まで配されている。メアンダを用いると、比較的小さな面積で大きなインダクタンスを得られるため好ましい。MIMパターン２０３２は、パッチアンテナの放射パターンに影響しないようにパッチ２０２からは１１２.５μmだけ離している。MIM容量の大きさは本実施例では１０pFである。

こうしたパターニング構造において、ストリップ導体のインダクタンス約０.４nHとパッチアンテナの容量０.１６ pFとで形成されたLC共振周波数は２０ＧＨｚ前後となる。本実施例において、２０ＧＨｚの等価波長は管内波長で定義され、約９.７mmである。故に、RTD２０１からその４分の１より小さい距離d（<２.４mm）に抵抗２０４が配置される。本実施例の場合、２.４mm以内に容易に収納することのできる抵抗２０４を選択する。ストリップ導体２０３１の全長は０.９mm以下であり、ストリップ導体を介したRTDとの距離d（<２.４mm）となるMIM構造の内部の位置に抵抗体を埋め込めばこれを達成することができる。抵抗２０４は、MIM構造の上金属と下金属を例えば２０Ωで接続する構造となっている。こうした構造において、２０ＧＨｚにおける電磁界はストリップ導体２０３１からMIM構造へ漏れ出て抵抗２０４にまで及ぶため、抵抗２０４が低インピーダンス回路の素子として有効に作用する。それゆえ、LC共振周波数における発振が抑制される。こうして所望の発振周波数０.５ＴＨｚのみの発振出力を得るとともに、RTD２０１と抵抗２０４との間の距離があることから、抵抗２０４におけるジュール発熱のRTD２０１への影響を比較的低減できる効果もある。そのため、CW発振も可能な構造となっている。

本実施例による発振素子は次の作製方法で作製することができる。まず、ＩｎＰ基板２１上に、分子ビームエピタキシー（ＭＢＥ）法や有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）法などによって、次の層をエピタキシャル成長する。すなわち、順に、ｎ−ＩｎＰ／ｎ−ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓによる共鳴トンネルダイオードをエピタキシャル成長する。ＩｎＰ基板２１としてｎ型の導電性基板を選択する場合は、ｎ−ＩｎＧａＡｓからエピタキシャル成長すればよい。つぎに、共鳴トンネルダイオード２０１を円形のメサ状にエッチングを行う。さらに、直径が２μmとなるような円弧形状のメサ状にエッチングを行う。エッチングにはＥＢ（電子線）リソグラフィとＩＣＰ（誘導性結合プラズマ）によるドライエッチングを用いる。ホトリソグラフィを用いてもよい。続いて、エッチングされた面に、リフトオフ法により接地金属を形成する。共鳴トンネルダイオードにおける側壁の保護のためのパッシベーションを成膜してもよい。さらに絶縁体で埋め込みを行い、リフトオフ法によりＴｉ／Ｐｄ／Ａｕパターニング２０２、２０３１、２０３２を形成する。最後に、リフトオフ法により、抵抗体２０４となる部分にビスマスパターニングを行い、形成したビスマススルーホールによってＴｉ／Ｐｄ／Ａｕ２０３２と接地金属とを接続して本実施例の発振素子は完成する。

発振素子への電力の供給はパッチ２０２の中央部に配したストリップ導体２０３１を介して適宜バイアス回路２０５、２０６から行えばよく、通常は負性抵抗領域におけるバイアス電圧を印加してバイアス電流を供給すると、発振器として動作する。

（実施例２）
実施例２に係る発振器について、図４を用いて説明する。図４は、実施例１の変形例に係る発振器を示す図で、本実施例でも負性抵抗素子として共鳴トンネルダイオードを用い、さらに発振周波数が高い場合の例を示すものである。図４（ａ）は、本実施例に係る発振器を示す斜視図である。図４（ｂ）はパッチアンテナ周辺の金属パターニングを示す上面図である。

本実施例のパッチアンテナは、およそ０.９ＴＨｚを発振させるための発振器である。パターニングの詳細は図４（ｂ）のとおりである。パッチ３０２は、共振方向の辺の長さが７５μmである。パッチ３０２の下部に接続された直径２μmのRTDのリアクタンスを考慮すると、発振周波数は約０.９ＴＨｚとなる。共振器の辺の長さを半分にしてもRTDのリアクタンスの影響で、発振周波数は二倍にはならない。マイクロストリップライン３０３１は、パッチ３０２から５６.２５μmだけ伸び、さらに約１５０μmを６回折り曲げた途中のメアンダ形状を経てMIM容量３０３２まで配されている。この部分は、より高周波用に設計が変更されており、比較的小さなパッチの容量３０３３によってLC共振周波数があまり大きくなり過ぎないようになっている。また、本実施例では、メアンダ３０３１の途中に、ストリップ導体の一部分を高周波ショートするための高周波ショート部３０３４を持たせている。これは、ストリップ導体３０３１が比較的長い場合にストリップ導体３０３１内に定在波が立つ、LC共振周波数とは別の分布定数型の共振周波数を発振不可ないし発振抑制するための構造である。

こうしたパターニング構造において、ストリップ導体のインダクタンス約０.５nHとパッチアンテナの容量約０.０４
pFとで形成されたLC共振周波数は３５ＧＨｚ前後となる。本実施例において、３５ＧＨｚの等価波長は約５.４mmであるから、ストリップ導体を介したRTD３０１からその４分の１より小さい距離d（<１.４mm）に抵抗３０４が配置される。本実施例のように、抵抗３０４はストリップ導体３０３１の途中に埋め込んでもよい。可能な限りRTD３０１の近い側に配置すると、抑制効果は効果的になる。さらには、本実施例ではω_osc付近におけるパッチアンテナのインピーダンスに影響しないように、発振周波数ω_osc/２πにおける等価波長の１/４だけパッチ３０２から離したストリップ導体中に低インピーダンス回路をなす抵抗素子３０４を配置している。

また、メアンダ３０３１の途中のショート部３０３４を設けない場合の分布定数型の共振周波数は１５０ＧＨｚ付近に存在することがシミュレーションによって明らかになっている。しかし、高周波ショート部３０３４を設けることによって１５０ＧＨｚ付近のインピーダンスが低下し、発振不可ないし発振抑制される。したがって、ＤＣ以上ω_osc未満の周波数領域において寄生発振を生じさせることがなく（ないし発振抑制され）、所望の発振周波数０.９ＴＨｚのみの発振出力を得ることができる。

尚、発振周波数が１ＴＨｚを超えるパッチでは、さらなるストリップ導体の長さが要求される。故に、分布定数型の２次の共振周波数が生じ得るが、ストリップ導体の途中に高周波ショート部を設ける方法でこれを発振不可ないし発振抑制することが可能である。

これまで説明してきた発振器を用い、被検体の状態などを算出する演算部などと組合せた図５に示す装置を提供することができる。例えば、本発明の発振器を、マイクロストリップ型共振器３０３を有する発振器３００として用い、ここからのテラヘルツ波などの電磁波３１０が照射される位置に被検体６００を配置する。被検体６００は電磁波３１０と相互作用するため、発振された電磁波は何らかの影響をうける。被検体６００に照射された電磁波は反射や透過するため、その反射ないし透過波７１０、８１０を検出器７００、８００で検出する。その後、パソコン等の演算部で、検出した信号から被検体６００の情報（状態など）を算出する。具体的には、薬の状態などを検査する産業用検査装置などの応用が想定される。以上の様にして、発振器から出射した電磁波が照射された被検体からの電磁波を受信器で検出する測定装置を構成することができる。ここでは、発振器３００が本発明の発振器であり、被検体と相互作用した電磁波を検出し、検出した信号から被検体の情報を取得する。

以上、本発明の実施形態と実施例について説明したが、本発明はこれらの実施形態と実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

１０１，２０１，３０１・・・負性抵抗素子、１０２・・・マイクロストリップ型共振器、２０２，３０２・・・パッチ、１０３１，２０３１，３０３１・・・ストリップ導体、１０３２，２０３２，３０３２・・・容量、１０３３，２０３３，３０３３・・・マイクロストリップ型共振器の容量、１０４，２０４，３０４・・・抵抗、１０５，２０５，３０５・・・電源、１０６，２０６，３０６・・・配線

Claims (7)

1. 電磁波を発振する発振器であって、
   負性抵抗素子と、
   前記負性抵抗素子により励起される電磁波の発振周波数を規定するためのマイクロストリップ型共振器と、
   寄生発振を抑制するための低インピーダンス回路をなす抵抗素子及び容量素子と、
   前記低インピーダンス回路をなす容量素子と前記マイクロストリップ型共振器を接続するストリップ導体と、を備え、
   前記ストリップ導体のインダクタンスLが前記マイクロストリップ型共振器における容量Cとで形成する共振周波数１/２π√LCの等価波長の１/４が、前記負性抵抗素子と前記低インピーダンス回路をなす抵抗素子との間の前記ストリップ導体を介する距離より大きくなるように構成することを特徴とする発振器。
2. 前記負性抵抗素子の動作点電圧を調整するための電源と配線とを含むバイアス回路をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の発振器。
3. 前記ストリップ導体がメアンダ形状の部分を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の発振器。
4. 前記ストリップ導体の一部分が高周波ショートしていることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の発振器。
5. 前記ストリップ導体には容量が接続していることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の発振器。
6. 前記マイクロストリップ型共振器はパッチアンテナであることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の発振器。
7. 発振器から出射した電磁波が照射された被検体からの電磁波を受信器で検出する測定装置であって、
   前記発振器が、請求項１から６の何れか１項に記載の発振器であり、
   被検体と相互作用した前記電磁波を検出し、検出した信号から被検体の情報を取得することを特徴とする装置。