JP2016119647A - 発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロ波やミリ波を出力する発振器において、発振出力のレベルを高い精度で検出できる発振器を提供すること。【解決手段】ガンダイオード４を発振させてマイクロ波を出力するガンダイオード発振器１０において、発振回路内のオープンスタブ線路３に電磁気的に結合されたカプラ７を介してマイクロ波の出力レベルを検出するようにしている。このためオープンスタブ線路３に形成された定在波のエネルギーを直接検出することができ、マイクロ波あるいはミリ波の出力値を正確に検出することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、ミリ波あるいはマイクロ波を出力する発振器に関する。

例えば非特許文献１、２に示すようなコンクリートに含まれる水分量を測定するために、マイクロ波などの高周波が水分に選択的に吸収される性質を利用した検出装置が知られている。この検出装置は、マイクロ波を試料に向けて照射し、試料から反射したマイクロ波を受信して、試料に吸収されたマイクロ波のレベルにより、試料中の水分量を検出するものである。このような検出装置に用いられるマイクロ波を出力する発振器としては、良好な位相雑音を持つことから特許文献１に記載されたようなガンダイオードが発振供給源として広く利用されている。

このような検出装置において、試料に含まれる微量な水分の検出や、水分量を高精度に検出するためには、マイクロ波を出力するマイクロ波出力装置の出力レベルを安定させる必要があり、例えばマイクロ波出力装置の出力を正確に検出する方法が求められている。
特許文献２には、発振回路から放射されるマイクロ波を受信し、検波用ダイオードにより整流して得られた直流信号を検出する技術が記載されている。しかしながら、この方法においては、マイクロ波を検出した出力レベルが変動したときに、変動要因を特定するためにマイクロ波出力装置、マイクロ波の出力の測定装置、あるいは環境要因を夫々個別に調査する必要があり、変動要因の特定が難しいという問題があった。

特開２００９−１３５６１９号公報 特開２０１１−２１１４５３号公報

泉田福典 外４名「マイクロ波を用いた非破壊検査システムの開発」岩手県工業技術センター研究報告 vol.９ 平成１４年 田中秀樹 外２名「中性子とマイクロ波を利用したコンクリート」広島県工業技術センター研究報告pp.66-71平成１３年水分量計測法の検証」

本発明はこのような事情の下になされたものであり、その目的は、マイクロ波やミリ波を出力する発振器において、発振出力のレベルを高い精度で検出できる発振器を提供することにある。

本発明の発振器は、負性抵抗を有する半導体素子と、周波数を決定する共振回路用線路と、前記半導体素子と前記共振回路用線路との接続点に接続された出力信号用線路と、を誘電体からなる基板に設けて構成され、マイクロ波またはミリ波を出力する発振器において、
前記共振回路用線路に電磁気的に結合された結合部と、
この結合部に接続された検波素子と、
検波素子にて整流された電気信号を測定部に接続するための検出信号端子部と、を備えたことを特徴とする。

また本発明の発振器は、前記共振回路用線路は、オープンスタブ線路であってもよく、被測定物質に対するマイクロ波またはミリ波の吸収の度合いを調べるために用いられる測定用の発振器であってもよい。更に前記結合部は、発振器が出力するマイクロ波またはミリ波の波長λに対して、λ／４±λ／１６以内の長さに相当する伝送線路であって、前記検波素子は、アノードもしくはカソードの一方が前記結合部に接続され、他方がチョーク回路を介して接地されていてもよく、前記共振回路用線路と発振用の信号線路と前記検波素子の両端に接続された線路とを含む導体線路は、前記基板の裏面全体に接地導体を有するマイクロストリップ線路であってもよく、前記半導体素子は、ガンダイオード、インパットダイオード、共鳴トンネルダイオード及びトランジスタから選ばれる半導体素子であることを特徴としてもよい。

本発明は、負性抵抗を有する半導体素子を発振させてマイクロ波を出力する発振器において、発振回路内の共振回路用線路に電磁気的に結合された結合部を介してマイクロ波の出力レベルを検出するようにしている。このため共振回路用線路に形成された定在波のエネルギーを直接検出することができ、マイクロ波あるいはミリ波の出力値を正確に検出することができる。この結果、例えば水分検出装置などに用いられる発振器に適用したときには、マイクロ波の受信レベルの管理が容易になる。

本発明の実施の形態に係るガンダイオード発振器の斜視図である。 本発明の実施の形態に係るガンダイオード発振器を示す回路図である。 本発明の実施の形態に係るガンダイオード発振器を用いた水分検出装置の説明図である。 本発明の実施の形態に係るガンダイオード発振器の他の例を示す回路図である。 発振器の出力と検波出力電圧値とを示す特性図である。 発振器の出力と検波出力電圧値とを示す特性図である。

本発明の実施の形態にかかる発振器、例えばマイクロ波を出力するガンダイオード発振器１０の構成について、図１、２を参照して説明する。ガンダイオード発振器１０は、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）などの誘電体からなる基板１３の表面に例えば金（Ａｕ）などにより構成されたマイクロストリップ線路の回路パターンを備えている。基板１３は例えば１辺が概ね５ｍｍの正方形状に形成されている。１は、発振用の信号線路であって、図１に示すように基板１３の表面に直線状に形成され、一端側には共振回路用線路であるオープンスタブ線路３が接続されている。また信号線路１の他端側は導波管変換器６０の下方側にて、図２に示すように発振出力の出力端子６に接続されている。

発振用の信号線路１におけるオープンスタブ線路３と出力端子６との間には、負性抵抗を有する半導体素子であるガンダイオード４のアノードが接続され、ガンダイオード４のカソードは接地されている。ガンダイオード４は信号線路１を跨ぐように基板１３の表面に設けられている。ガンダイオード４の底面中央にアノードバンプが設けられかつ信号線路１に接続され、ガンダイオード４の底面の両端のカソードバンプは夫々表面接地電極４１に接続されている。表面接地電極４１は例えばビアホール４４を介して基板１３の裏面側に設けられた接地電極１２に短絡されている。

発振用の信号線路１におけるガンダイオード４のアノードと出力端子６との間には、図２に示すようにチョークコイルＬ１及びコンデンサＣ１の並列回路からなるローパスフィルタ５１を介して電源端子５が接続されている。電源端子５には直流電源１０４が接続されている。
オープンスタブ線路３は、目的とする発振周波数のマイクロ波の波長をλとすると、表面接地電極４１の出力端子６側端部の位置からオープンスタブ線路３の先端部までの長さ寸法が３λ／４±λ／１６以内、例えば３λ／４に設定されている。ガンダイオード４の負性コンダクタンス、容量を夫々−Ｇａ、Ｃａとし、ガンダイオード４から見た外部回路のコンダクタンス、サセプタンスを夫々Ｇｂ、Ｂｂとすると、ガンダイオード４のサセプタンスは２π・ｆ（周波数）・Ｃａで表せるので、発振条件は、Ｇａ＝Ｇｂ、２π・ｆ・Ｃａ＋Ｂｂ＝０となる。サセプタンスＢｂはオープンスタブ線路３の線路長により決まってくることから、オープンスタブ線路３により発振周波数が決まる。

発振用の信号線路１におけるガンダイオード４のアノードとローパスフィルタ５１との接続点と、信号線路１の出力端の間のインピーダンスは５０Ωに設定されている。信号線路１の出力端を導波管変換器６０のキャップで覆うことで出力信号は基板１３表面から裏面に向かってマイクロ波が放射され、導波管に変換された信号を例で挙げるならばホーンアンテナ１０１から出力させる。

図１において、７はマイクロ波の波長をλとすると、長さ方向の寸法が概ねλ／４±λ／１６以内の長さに設定され伝送線路からなる側方向性結合器（カプラ）であり、前記オープンスタブ線路３と電磁気的に結合している。カプラ７には、整流素子（検波素子）であるショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）８のアノードが接続されている。ＳＢＤ８のカソードには、図２に示すようにコンデンサＣ２及びチョークコイルＬ２からなるローパスフィルタ７２を介して検波出力端子９が接続され、またカプラ７におけるＳＢＤ８とは反対側の端部はコンデンサＣ３及びコイルＬ３からなるローパスフィルタ７１を介して接地されている。カプラ７及びＳＢＤ８を含むこれらの回路は、発振用の信号線路１に現れるマイクロ波の出力レベル（出力エネルギー）を検出する検波回路を構成している。検波出力端子９には、検波出力を測定するための測定部であるモニター、例えば図１に示すように直流電圧をモニターするマルチメーター１００が接続される。

上述実施の形態に係るガンダイオード発振器の作用について説明する。図１に示すように直流電源１０４から電源端子５に所定の電圧例えば３．３Ｖのバイアス電圧を印加すると、ガンダイオード４が既述のようにして決まる発振周波数で発振し、マイクロ波の周波数信号が生成される。発振により生じた周波数信号は出力端子６から出力され、導波管変換器６０を介して、ホーンアンテナ１０１から出力される。この時ガンダイオード４において生成された周波数信号によりオープンスタブ線路３が共振して定在波が形成される。

このためオープンスタブ線路３に電磁気的に結合している検波回路のカプラ７には、オープンスタブ線路３にて発生した定在波に対応したエネルギーのマイクロ波が発生する。このマイクロ波はＳＢＤ８にて整流され、ローパスフィルタ７２にて平滑され、これにより検波出力端子９には定在波のエネルギーに応じた直流電圧が発生し、この直流電圧がマルチメーター１００により測定される。

ガンダイオード４により発振されるマイクロ波のエネルギーは、例えば周囲の温度変化等により変化する。ガンダイオード４を発振させたときオープンスタブ線路３に発生する定在波は、ガンダイオード４の発振による周波数信号の共振により形成されるため、定在波のエネルギーは、ガンダイオード４の発振出力に応じた出力になる。またオープンスタブ線路３に形成された定在波は、カプラ７により検波回路に入力されるため、検波回路に入力されるマイクロ波もガンダイオード４により発振されたマイクロ波のエネルギーに応じたエネルギーを持つことになる。従って検波回路に入力されたマイクロ波をＳＢＤ８により整流し、ローパスフィルタ７２にて平滑した後、マルチメーター１００により直流電圧を測定した場合に、検波出力の直流電圧の値は、ガンダイオード４の発振により生成されたマイクロ波のエネルギーに対応した値となる。

出力端子６から出力されたマイクロ波を受信してエネルギーを測定する場合には、出力端子６から出力されたマイクロ波の外部への飛散や、外部の周波数信号との干渉あるいは、周囲の温度変化によるマイクロ波のエネルギーの変化の虞がある。また測定されたマイクロ波のエネルギーの誤差が、マイクロ波を受信する受信器側の問題による誤差か、ガンダイオード発振器１０の出力の誤差なのか判断が難しい。しかしながらオープンスタブ線路３に発生した定在波をカプラ７により検波回路に入力し、エネルギーを測定することで、ガンダイオード発振器１０の出力の誤差を測定することができる。

上述の実施の形態は、ガンダイオード４を発振させてマイクロ波を出力するガンダイオード発振器１０において、発振回路内のオープンスタブ線路３に電磁気的に結合されたカプラ７を介してマイクロ波の出力レベルを検出するようにしている。このためオープンスタブ線路３に形成された定在波のエネルギーを直接検出することができ、マイクロ波あるいはミリ波の出力値を正確に検出することができる。

本発明の発振器を用いた検出装置として例えばコンクリートの水分量を測定する水分検出装置について説明する。例えば、３ＧＨｚ〜３０ＧＨｚの周波数のマイクロ波を試料に向けて照射し、マイクロ波を受信アンテナにより受信し、受信アンテナにより受信したマイクロ波の減衰量を測定する。例えば図３に示すようにガンダイオード発振器１０の出力端子６から出力されたマイクロ波は、導波管６１を介して、ホーンアンテナ１０１から試料８０に向けて照射される。その後試料８０の表面にて反射されたマイクロ波や試料８０中を透過し試料８０の底部で反射されたマイクロ波を受信アンテナ１０２で受信する。受信アンテナ１０２により受信されたマイクロ波をアンプ１０５により増幅した後、マイクロ波検出器１０３にて受信し、例えば電圧計１０６にて電圧を測定し、ガンダイオード発振器１０側に接続されたマルチメーター１００にて計測された電圧と、電圧計の電圧とを比較することによりマイクロ波の減衰量を調べる。なお図中１０４は直流電源である。

マイクロ波出力装置として、本発明の実施の形態に係るガンダイオード発振器１０を用いた場合には、検波出力端子９に発生する直流電圧により、ガンダイオード４から発振されるマイクロ波のエネルギーの変動を高精度に把握することができる。そのため、検波出力端子９から出力される直流電圧をモニターすることにより、ガンダイオード発振器１０から出力されるマイクロ波のエネルギーを正確に把握することができるため、コンクリートなどの試料８０に含まれる水分量によるマイクロ波の減衰量を正確に求めることができ、水分の検出精度がよくなる。

また定在波を検波回路に入力するカプラは、例えば図４に示すように、共振部３と共に、ギャップコンデンサ７９を構成するように配置された伝送線路７であってもよい。このギャップコンデンサ７９にＳＢＤ８に接続して、共振部３にて定在波を形成している周波数信号を検波回路に入力し、ＳＢＤ８により検波して、検波出力端子９から出力される検波された周波数信号の電圧を測定するようにした場合も、ガンダイオード発振器１０の出力の変化を高精度に検出できるため同様の効果がある。
また半導体素子は、ガンダイオードに代えて、インパットダイオード、共鳴トンネルダイオードあるいはトランジスタを用いてもよい。

本発明の効果を検証するために以下の試験を行った。上述の実施の形態に示した発振器を用い、ガンダイオード４に印加するバイアス電圧を変化させたときのガンダイオード発振器１０から出力されるマイクロ波の電力レベル（ｄＢｍ）の値と、検波出力端子９に形成される直流電圧について測定した。またガンダイオード発振器１０を実験室にて１２時間放置し、ガンダイオード電圧制御発振器１０から出力されるマイクロ波の電力レベル（ｄＢｍ）の値の変化と検波出力端子９から出力される直流電圧の変化とについて測定した。

図５は、ガンダイオード発振器１０のバイアス電圧を変化させたときのガンダイオード発振器１０の出力の電力レベル（ｄＢｍ）の値と、検波出力端子９から出力される直流電圧と、を示す特性図である。この結果によれば、ガンダイオード４に印加するバイアス電圧を上げていき、１．９Ｖまで上昇したときにガンダイオード発振器１０の出力が一気に上昇し、３．９Ｖまで上昇したときに一気に下降していることがわかる。そのとき検波出力端子９から出力される電圧（ｌｏｇ換算値）も同様にバイアス電圧が１．９Ｖまで上昇したときに一気に上昇し、３．９Ｖまで上昇したときに一気に下降している。またバイアス電圧が２．３Ｖから３．９Ｖの範囲において、ガンダイオード発振器１０の出力の上昇に従い、検波回路２の出力電圧も上昇し、ガンダイオード発振器１０の出力の下降に従い、検波出力端子９から出力される電圧も下降している。

図６は、ガンダイオード発振器１０を実験室にて１２時間放置し、ガンダイオード発振器１０の出力の電力レベル（ｄＢｍ）の値の変化と検波出力端子９から出力される電圧の変化とを示す特性図である。この結果によれば、ガンダイオード発振器１０の電力レベルは時間経過に従って９．３５ｄＢｍから９．７０ｄＢｍまで変動していた。検波出力端子９から出力される電圧も電源投入から時間経過に従い低下し、その後上昇していた。ガンダイオード発振器１０の出力変化に従って、検波出力端子９から出力される電圧も変化していることがわかる。従って検波出力端子９から出力される電圧をモニターすることにより、ガンダイオード発振器１０から出力されるマイクロ波のエネルギーの変動を精度よくモニターすることができるといえる。

１ 信号線路
３ オープンスタブ線路
４ ガンダイオード
５ 電源端子
６ 出力端子
７ カプラ
８ ＳＢＤ
９ 検波出力端子
１０ ガンダイオード発振器
５１、７１、７２ ローパスフィルタ
６０ 導波管変換部
１００ マルチメーター
１０１ ホーンアンテナ

Claims (6)

1. 負性抵抗を有する半導体素子と、周波数を決定する共振回路用線路と、前記半導体素子と前記共振回路用線路との接続点に接続された発振用の信号線路と、を誘電体からなる基板に設けて構成され、マイクロ波またはミリ波を出力する発振器において、
   前記共振回路用線路に電磁気的に結合された結合部と、
   この結合部に接続された検波素子と、
   検波素子にて整流された電気信号を測定部に接続するための検波出力端子と、を備えたことを特徴とする発振器。
2. 前記共振回路用線路は、オープンスタブ線路であることを特徴とする請求項１記載の発振器。
3. 被測定物質に対するマイクロ波またはミリ波の吸収の度合いを調べるために用いられる測定用の発振器であることを特徴とする請求項１または２記載の発振器。
4. 前記結合部は、発振器が出力するマイクロ波またはミリ波の波長λに対して、λ／４±λ／１６以内の長さに相当する伝送線路であって、
   前記検波素子は、アノードもしくはカソードの一方が前記結合部に接続され、他方がチョーク回路を介して接地されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の発振器。
5. 前記共振回路用線路と発振用の信号線路と前記検波素子の両端に接続された線路とを含む導体線路は、前記基板の裏面全体に接地導体を有するマイクロストリップ線路であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の発振器。
6. 前記半導体素子は、ガンダイオード、インパットダイオード、共鳴トンネルダイオード及びトランジスタから選ばれる半導体素子であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の発振器。

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