JP2018078534A - Oscillator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、マイクロ波・ミリ波帯以上の高周波帯発振器を技術分野とし、特に超高周波帯発振が可能な高次高調波同期発振機能を具備する回路構成技術に関する。 The present invention relates to a technical field of a microwave / millimeter wave band or higher frequency band oscillator, and more particularly to a circuit configuration technology having a high-order harmonic synchronous oscillation function capable of super-high frequency band oscillation.
ミリ波、短ミリ波帯さらにはテラヘルツなどの高周波帯発振技術について、安定で簡易かつより高い周波数帯の発振技術が求められている。例えば、各種のワイヤレスセンサーやレーダー装置が多様に展開しており、無線通信に限らず、様々なニーズが顕在化しつつある。 There is a need for a stable, simple and higher frequency oscillation technique for high frequency band oscillation techniques such as millimeter wave, short millimeter wave band, and terahertz. For example, various wireless sensors and radar devices have been developed in various ways, and various needs are becoming apparent, not limited to wireless communication.
第8図(a)は、高調波発振器構成の基本概念図の一つであり、共振器波動場の電磁界分布の特徴を積極的に活用して高調波を選択抽出する。この基本概念に基づいて、同図(b)は、HEMTなどで構成する負性抵抗回路をリング共振器に実装して、リング共振器上の第4次高調波を選択抽出する発振器である(非特許文献1)。同図(c)もこの基本概念に基づいており、2分の1波長線路共振器の適切なポイントにHEMT等の負性抵抗回路を実装することにより、第2次高調波を抑制して第4次高調波を選択励起し抽出するPush−Push型発振器である(特許文献1)。これらは、単一共振器上の高調波電磁界分布の直交性を利用して目的次数の高調波を励起し選択抽出するという原理に基づいている。そのために、高次の高調波次数の選択性には限界があり、特にミリ波帯以上における実現は困難である。第8図(d)は、高調波(ハーモニック)共振関係にある共振器を電磁結合して高調波同期発振器を実現する他の基本概念図である。これは、電磁結合に基づく高調波同期であるために、安定した高次の同期発振は困難を伴う。 FIG. 8 (a) is one of the basic conceptual diagrams of the harmonic oscillator configuration, and the harmonics are selectively extracted by actively utilizing the characteristics of the electromagnetic field distribution of the resonator wave field. Based on this basic concept, FIG. 5B is an oscillator that selectively extracts the fourth harmonic on the ring resonator by mounting a negative resistance circuit composed of a HEMT or the like on the ring resonator. Non-patent document 1). FIG. 6C is also based on this basic concept. By mounting a negative resistance circuit such as HEMT at an appropriate point of the half-wavelength line resonator, the second harmonic is suppressed. This is a Push-Push type oscillator that selectively excites and extracts fourth-order harmonics (Patent Document 1). These are based on the principle of exciting and selectively extracting harmonics of the target order using the orthogonality of the harmonic electromagnetic field distribution on a single resonator. For this reason, there is a limit to the selectivity of higher harmonic orders, and in particular, it is difficult to realize above the millimeter wave band. FIG. 8 (d) is another basic conceptual diagram for realizing a harmonic synchronous oscillator by electromagnetically coupling resonators having a harmonic (harmonic) resonance relationship. Since this is harmonic synchronization based on electromagnetic coupling, stable high-order synchronous oscillation is difficult.
一方、本発明の実施例に関わるGunn diodeを用いた平面回路構造発振器の先行事例としては、例えば、非特許文献2に示されているように、4分の1波長共振器にGunn diode集積チップを表面実装したミリ波帯発振器がある(図8(e))。また、特許文献2ならびに非特許文献3には、同図(e)の接地用ビアホールを4分の1波長先端開放スタブに置換した回路も報告されている(図8(f))。いずれも、Gunn diodeの基本発振周波数帯で実現したミリ波帯平面回路構造発振器である。 On the other hand, as a prior example of the planar circuit structure oscillator using the Gunn diode according to the embodiment of the present invention, for example, as shown in Non-Patent
(従来技術の問題点)
高調波発振技術は、ミリ波帯以上の超高周波信号の発生にとって有効であるが、安定した発振の実現には課題が多い。例えば、図8(d)に示すような共振波動場の電磁結合による高調波同期型発振においては、安定した高次高調波発振の実現は一般に困難である。(Problems of conventional technology)
Harmonic oscillation technology is effective for the generation of ultra-high frequency signals in the millimeter wave band and above, but there are many problems in realizing stable oscillation. For example, in harmonic synchronous oscillation by electromagnetic coupling of a resonant wave field as shown in FIG. 8D, it is generally difficult to realize stable high-order harmonic oscillation.
(発明の目的)
本発明は、Gunn diodeや共鳴トンネルダイオード、さらにはそれらを集積化した表面実装型チップ等と小型化に適した平面回路技術の複合効果によって、高次高調波発振をミリ波帯以上の高周波帯で簡易に実現する回路構成技術を提供することを目的とする。(Object of invention)
The present invention enables high-order harmonics to be generated in a high frequency band above the millimeter wave band by the combined effect of Gunn diodes, resonant tunneling diodes, and surface-mounted chips that integrate them and planar circuit technology suitable for miniaturization. An object of the present invention is to provide a circuit configuration technique that can be easily realized by the above.
その目的のために、本発明では高調波(ハーモニック)共振関係にある共振器が半導体発振デバイスを共有して結合することによって、高調波同期発振を安定して励起する発振回路を提起している。図1に示すように、基本発振周波数帯において共振周波数f0を有する第一の共振器(以下、共振器#1とする)と発振デバイス3により安定した基本周波数発振を生起すると共に、高調波共振関係にある第二の共振器(以下、共振器#2とする)が発振デバイス3を共有して結合しているために、共振器#2の共振周波数(以下、mf0とする.)信号を選択的に共振励起する。即ち、共振器#2上に、共振器#1のf0波動場と高調波同期した第m次高調波であるmf0波動場を安定して励起する。 For this purpose, the present invention proposes an oscillation circuit that stably excites harmonic synchronous oscillation by a resonator having a harmonic (harmonic) resonance relationship sharing and coupling a semiconductor oscillation device. . As shown in FIG. 1, a stable fundamental frequency oscillation is generated by a first resonator (hereinafter referred to as resonator # 1) having a resonance frequency f0 in the fundamental oscillation frequency band and an
図1の本発明の基本概念図に基づいた4種の発振器(以下、基本回路とする.)を、図2に示す。ここでは、図1の基本概念構成を2段構造に限定し、その共振器#1および共振器#2は、それぞれの共振周波数(f0、mf0)において4分の1波長の整数倍の線路共振器とする。また、半導体発振デバイス3としては、Gunn diodeを想定している。 FIG. 2 shows four types of oscillators (hereinafter referred to as basic circuits) based on the basic conceptual diagram of the present invention in FIG. Here, the basic conceptual configuration of FIG. 1 is limited to a two-stage structure, and the
図2(a)の回路1は、共振器#1の両端にそれぞれ共振器#2を接続すると共に、その接続部には発振デバイス3を並列接続する。第m次高調波mf0信号は、共振器#2の他端から抽出する。これをマイクロストリップライン平面回路で実現する場合の実施例を、図3に示す。 In the
図2(b)の回路2は、共振器#2の両端にそれぞれ共振器#1を接続すると共に、その接続部に発振デバイス3を並列接続する。第m次高調波mf0信号あるいはその倍波である2mf0信号は、共振器#2の中点から抽出する。これをマイクロストリップライン平面回路で実現する場合の実施例を、図4に示す。 In the
図2(c)の回路3は、共振器#1ならびに共振器#2をいずれも結合線路とし、それぞれの片端を接続すると共に、その接続部に発振デバイス3を並列接続する。第m次高調波mf0信号は、共振器#2の残る他端から抽出する。これをマイクロストリップライン平面回路で実現する場合の実施例を、図5に示す。 In the
図2(d)の回路4は、共振器#1と共振器#2のそれぞれをU字形状に曲げて両端を互いに接続し、各接続部に発振デバイス3をそれぞれ実装する。第m次高調波mf0信号あるいはその倍波である2mf0信号は、共振器#2の中点から出力する。これをマイクロストリップラインやスロットラインの平面回路で実現する場合の実施例を、図6に示す。 In the
図2に示す4種の基本回路において、基本発振周波数(f0)帯の共振器#1とその自然数(m)倍の共振周波数mf0を持つ共振器#2が発振デバイス3を共有結合していること、さらには極めて単純な回路構造であることが本発明の特徴である。その結果、図8(a)の従来の高調波発振技術である高調波選択抽出型発振回路や図8(d)の電磁結合による高調波同期型発振回路と比べて、高周波帯においてより安定した高次の高調波発振を簡易に実現することが出来る。図8(b)、(c)のように単一の共振器上の高調波電磁界分布の直交性を利用する従来の高調波発振技術と比較して、高次高調波の選択性、不要信号の抑圧、耐干渉性に優れ、さらに周波数安定化や低雑音化などの発振制御機能の実装にも適した構造である。 In the four basic circuits shown in FIG. 2, the
以上の特徴より、本発明は以下のような効用、展開可能性がある。
(1)ミリ波から短ミリ波帯、さらにはサブテラヘルツ帯において、安定かつ良好な特性 の高次高調波発振が実現出来る。
(2)半導体発振デバイスとその集積化、そのチップ実装技術および平面回路技術による 高精度な製造が可能であり、高周波数帯の実現に適している。
(3)周波数可変制御、注入同期や位相同期等の安定化や低雑音化処理さらには周波数変 調等が、基本周波数(f0)帯で容易に実装出来る。
(4)隣接発振器間の相互同期にも適した構造であり、発振アレー等の2次元展開も可能 である。
(5)より高い周波数帯の新たな開拓にも寄与すると共に、ミリ波からテラヘルツに至る 様々な計測やセンシングなど、様々なワイヤレス応用技術への展開が期待される。From the above features, the present invention has the following effects and possibilities.
(1) High-order harmonic oscillation with stable and good characteristics can be realized in the millimeter wave to short millimeter wave band and further to the sub-terahertz band.
(2) The semiconductor oscillation device and its integration, its chip mounting technology and planar circuit technology can be manufactured with high precision, and is suitable for realizing a high frequency band.
(3) Frequency variable control, stabilization of injection locking and phase locking, noise reduction processing, and frequency modulation can be easily implemented in the fundamental frequency (f0) band.
(4) The structure is suitable for mutual synchronization between adjacent oscillators, and two-dimensional development such as an oscillation array is possible.
(5) In addition to contributing to the new development of higher frequency bands, it is expected to develop various wireless application technologies such as various measurements and sensing from millimeter waves to terahertz.
以下、本発明の実施形態を、図3〜図7を用いて説明する。いずれも図2に示す4種の基本回路に基づいた実施例である。共振器は主にマイクロストリップラインあるいはスロットラインで形成し、発振デバイスはGunn diodeを用いる場合である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. Each of the embodiments is an embodiment based on the four basic circuits shown in FIG. The resonator is mainly formed of a microstrip line or a slot line, and the oscillation device is a Gunn diode.
図3は、図2(a)の回路1の基本回路に基づく第1の実施例である。いずれも#1共振器をU字形状に曲げ、共振器#2上の第m次高調波であるmf0信号を電磁結合で電力合成すると共に、表面実装型Gunn diode集積チップ6を実装するために適した回路形状でもある。(a)では、2個のGunn diode個別素子3のアノード端子をビアホール4で接地し、カソード端子を共振器#1と共振器#2の接続部に並列実装する。共振器#1とビアホール接地によって基本周波数f0の発振を生起すると同時に、発振デバイス3を共有する共振器#2によって第m次高調波mf0を選択励起して電磁結合でポート5へ出力する。(b)、(c)の回路も基本原理は同じであるが、前者は集積チップ6を表面実装する場合の構成であり、後者はさらにビアホール接地を除去するために共振器#1、#2それぞれの共振周波数において先端開放4分の1波長スタブ7、8を形成している。(請求項1、2、3、7) FIG. 3 shows a first embodiment based on the basic circuit of the
図4は、図2(b)の回路2の基本回路に基づく第2の実施例である。この実施例ではいずれも共振器#2をU字形とし、共振器#2上の第m次高調波であるmf0信号をその中点から電磁結合で抽出すると共に、Gunn diode集積チップ6を実装するために適した回路形状である。(a)では、2個のGunn diode個別素子3のアノード端子をビアホール4で接地し、残るカソード端子を共振器#1と#2の接続部に並列実装する。この構造によって、基本周波数f0の発振を生起すると同時に、共振器#2によって第m次高調波mf0を選択励起する。(b)、(c)の回路も基本原理は同じであり、いずれも集積チップ6を表面実装する場合の構成である。(c)では、共振器#2の中点と基板裏面に形成したスロットライン9を磁界結合することによって、共振器#2の共振周波数mf0の倍波である2mf0信号を選択抽出する。この磁界結合出力によって、原理的には基本周波数信号f0およびmf0信号を完全に抑圧することが出来る。(請求項1、2、4、7、9) FIG. 4 shows a second embodiment based on the basic circuit of the
図5は、図2(c)の回路3の基本回路に基づく第3の実施例である。共振器#1、共振器#2はいずれも結合線路であり、共振器#2上の第m次高調波であるmf0信号を電力合成すると共に、表面実装型Gunn diode集積チップ6を実装するために適した回路構成である。(a)では、2個のGunn diode個別素子3のアノード端子をビアホール4で接地し、残るカソード端子を共振器#1と#2の接続部に並列実装する。この構造によって、基本周波数f0の発振を生起すると共に、共振器#2によって第m次高調波のmf0信号を選択励起してポート5へ出力する。(b)、(c)の回路も基本原理は同じであるが、前者は集積チップ6を表面実装すると共に、ビアホール4を除去するために先端開放4分の1波長スタブ7、8を用いた回路構成であり、後者では共振器#1、共振器#2を単一線路に簡略化した回路である。(b)および(c)の回路は、ビアホール接地の(a)と比較して高調波信号の次数選択性向上が期待出来る。(請求項1、2、5、7) FIG. 5 shows a third embodiment based on the basic circuit of the
図6は、図2(d)の回路4の基本回路に基づく第4の実施例である。共振器#1、共振器#2はいずれもU字形状の線路共振器であり、共振器#2上の第m次高調波であるmf0信号を電磁結合でポート5へ出力すると共に、表面実装型集積チップを実装するために適した回路形状である。(a)では、2個のGunn diode個別素子3のアノード端子をビアホール接地し、残るカソード端子を共振器#1と#2の接続部に並列実装する。この構造によって、基本周波数f0の発振を生起すると同時に、第m次高調波であるmf0信号を選択励起してポート5へ出力する。(b)〜(d)の回路は、いずれも基本原理は同じである。(b)、(c)は集積チップ6を表面実装するために適したビアホール接地配置である。(c)では、基板裏面のスロットライン9と共振器2の磁界結合によって、倍波である2mf0信号を出力することが出来る。(d)はスロットラインで形成した共振器#1、共振器#2の接続部に発振デバイス3を並列実装した回路である。(請求項1、2、6、7、9) FIG. 6 shows a fourth embodiment based on the basic circuit of the
図7は、Push−Push発振型の実施例5である。回路1の基本回路に基づく実施例1の回路(図3の(a)、(c))を変形して、共振器#1と共振器#2の接続点で逆位相となる基本周波数帯波動場を共振器#1上に形成する。図7(a)では、共振器#1の電気長を1波長と設定し、同図(b)では共振器#1と2分の1波長共振器10を電磁結合することによって、逆位相波動場を形成する。その結果、原理的には基本周波数成分や奇数次高調波成分の出力を完全に抑圧することが出来る。なお、このPush−Push動作の場合、原理的に高調波次数mは偶数であることが必要である。(請求項1、2、7、8) FIG. 7 shows a fifth embodiment of the push-push oscillation type. A circuit of the first embodiment based on the basic circuit of the circuit 1 (FIGS. 3A and 3C) is modified to generate a fundamental frequency band wave having an opposite phase at the connection point between the
以上、共振器#1、#2の2段構成のGunn diode高調波発振器で5つの実施例を説明したが、3段以上の構成や他の高周波デバイスを用いる高次発振器への拡大も容易である。また、周波数可変制御や位相同期等の低雑音化や安定化機能の実装にも適した単純な回路構造であり、さらには発振器間の相互同期による多素子アレー発振なども可能である In the above, five embodiments of the two-stage Gunn diode harmonic oscillators of the
ミリ波から短ミリ波、そしてサブテラヘルツからテラヘルツに至る高周波数帯の簡易な信号発生技術として、計測やセンシングなど様々なニーズや新たな応用を喚起することが期待される。特に、Gunn diodeや共鳴トンネルダイオードなどを発振デバイスとした平面回路構造の発振系は容易かつ低コストで実現出来る上に、平面アンテナなどのRF機能を一体集積化することによって多様なニーズの送信・受信モジュール開拓に向けた技術展開も期待出来る。 As a simple signal generation technology in the high frequency band from millimeter waves to short millimeter waves and from sub-terahertz to terahertz, it is expected to stimulate various needs and new applications such as measurement and sensing. In particular, an oscillation system with a planar circuit structure using Gunn diodes, resonant tunneling diodes, etc. as an oscillation device can be realized easily and at low cost, and by integrating RF functions such as a planar antenna, transmission / reception of various needs can be achieved. Technology development for the development of receiver modules can also be expected.
#1 基本発振周波数f0の共振器(共振器#1)
#2 第m次高調波周波数mf0の共振器(共振器#2)、m:自然数
3 発振デバイス、Gunn diodeや共鳴トンネルダイオード等の発振素子
4 接地用ビアホール
5 マイクロストリップライン発振出力ポート
6 発振デバイス集積チップ、表面実装型集積チップ
7 基本発振周波数f0における4分の1波長先端開放スタブ
8 第m次高調波周波数mf0における4分の1波長先端開放スタブ
9 スロットライン発振出力ポート
10 Push−Push動作のための2分の1波長共振器
λ 1波長 λ( ):( )内の周波数における1波長を意味する。# 1 Resonator with fundamental oscillation frequency f0 (Resonator # 1)
# 2 Resonator with mth harmonic frequency mf0 (resonator # 2), m:
Claims (9)
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Family Applications (1)
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JP2016227229A Pending JP2018078534A (en) | 2016-11-07 | 2016-11-07 | Oscillator |
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