JP2018121315A

JP2018121315A - 発振器

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Publication number: JP2018121315A
Application number: JP2017021685A
Authority: JP
Inventors: 相川　正義; Masayoshi Aikawa; 正義相川
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-01-23
Filing date: 2017-01-23
Publication date: 2018-08-02

Abstract

【課題】ミリ波以上の高周波帯における簡易かつ良好な特性の発振器を実現する。
【解決手段】本発明は、基本発振周波数帯ならびにその高調波周波数帯のコプレーナライン（以下、ＣＰＷと表記）共振器２〜４を電磁界結合で縦続接続してＣＰＷ共振系を形成し、その接続部に半導体発振素子あるいはその集積発振デバイス１を実装することによって、目的とする次数の高調波を選択生起する。直線形状のＣＰＷ共振系により電磁放射損を抑圧すると共に、ＣＰＷ共振系２〜４と発振デバイス１によって高調波信号を安定かつ選択的に同期発振する。開放あるいは短絡の線路境界５にＣＰＷ可変リアクタンス回路を電磁結合することよって、周波数可変制御や周波数変調機能も容易に実現できる。比較的単純な構造であるので、ミリ波帯以上の簡易な高周波帯発振に好適であり、また、共平面型（ＣＰＷ型）モノリシックＩＣ化にも適している。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロ波・ミリ波などの高周波帯発振器を技術分野とし、特にミリ波以上の超高周波帯の発振に適した回路構成に関するものである。

ミリ波、短ミリ波さらにはテラヘルツに至る高周波帯発振技術について、安定かつ簡易な発振器が求められている。例えば、各種のワイヤレスセンサーやレーダーシステムなど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ている。

図７（ａ）は、非特許文献１に報告されているＧｕｎｎｄｉｏｄｅ素子をスロット共振器に実装したＫ帯第２次高調波発振器である。同図（ｂ）は、同じくＧｕｎｎｄｉｏｄｅ素子をスロットライン共振器に実装した第２次高調波発振器である。これらはミリ波帯以上の超高周波帯では実現が困難となり、また電磁放射損などの課題を伴う。Ｇｕｎｎｄｉｏｄｅデバイスを用いた他の高調波発振器としては、特許文献１、２などにも示されているように、一般に使用導波路の遮断周波数特性を利用した基本周波数信号阻止型の構成が報告されている。

図７（ｃ）は、非特許文献２に報告されているように、Ｇｕｎｎｄｉｏｄｅ集積チップをコプレーナライン（以下、ＣＰＷと表記．）共振器に表面実装したミリ波帯発振器である。これは単純な回路構造であり、発振デバイスの有する基本発振周波数帯の発振器である。その他ＣＰＷを用いたＧｕｎｎｄｉｏｄｅ発振器の事例として、例えば特許文献３や４にも提起されているが、いずれもデバイスが有する基本発振周波数の発振回路である。

特開２００４−１４０８５６号特開２００２−５７５２９号特開２００２−９５５１号特開２００２−３６８３０号

渡辺他，"コプレーナ線路を用いたＶ帯フリップチップガン発振器"、信学会総合大会、Ｃ−２−３２，ｐ．８３，２０００年３月．

（従来技術の問題点）
ミリ波以上の超高周波信号の発振技術分野において、ＣＰＷ等の共平面型線路とＧｕｎｎｄｉｏｄｅ集積チップのような表面実装型デバイス（ＳＭＤ）の技術複合化は有効である。しかしその実現においてはなおいくつかの課題があり、例えば前述の図７（ａ）〜（ｃ）の先行実施例では、高次高調波発振の実現、電磁放射の抑制、寄生リアクタンス、バイアス回路の形成などに制約や困難を伴う。

（発明の目的）
本発明は、ＧｕｎｎｄｉｏｄｅやＨＥＭＴ等の半導体発振素子と小型・簡易化に適したＣＰＷ共平面共振系の集積化によって、ミリ波以上の高周波帯に有効な高調波発振技術を提供することを目的とする。

そのために、本発明ではＣＰＷ共平面型共振系と表面実装に適した半導体素子あるいはその集積チップで構成する発振器を提供する。即ち、基本周波数帯ならびにその高調波周波数帯のＣＰＷ共振器を電界結合及び磁界結合よって縦続接続した共振系を形成し、それに発振素子あるいはその集積デバイスを実装することによって、目的とする高調波を選択生起する。直線形状のＣＰＷ共振系によって電磁放射を抑圧すると共に、ハーモニック共振系と表面実装デバイスから成る単純な直線形状であり、ミリ波以上の高調波信号を容易かつ安定して生起させる。回路の単純構造によって、寄生リアクタンスも小さく高周波帯における設計性にも優れていると共に、発振デバイスへのバイアス給電もＣＰＷ共振系の波動場電磁界分布を積極的に利用して実現できるので、一般のマイクロストリップライン型回路等と比較して、格段に単純な回路構成が可能となる。

一方、高周波帯における信号生成には、高調波発振が有効な手法である。その基盤とする基本概念を、図８（ａ）、（ｂ）に示す。同図（ａ）では、基本発振周波数帯の共振波動場の電磁界分布を積極的に活用して、目的次数の高調波を選択抽出する。同図（ｂ）では、発振デバイスを介して高調波（ハーモニック）共振関係にある共振器を同期結合し、目的次の高調波発振を実現する。本発明は、この基本概念に基づくと共に、ＣＰＷ共振系の特徴を積極的に活用した高調波発振回路構成を提起するものであり、特にミリ波以上の超高周波帯に好適な発振回路技術を提供する。

図１は、ＣＰＷ共振系と発振デバイスによる高調波発振器の基本回路構成である。図１（ａ）及び（ｃ）は、図８（ａ）に示す高調波発振基本概念に基づいており、図１（ｂ）は、図８（ｂ）の基本概念に基づく構成である。ＣＰＷに並列あるいは直列に実装した発振デバイス１は、その基本発振周波数帯に共振周波数を有する基本周波数共振器２及び３と結合して、基本周波数信号（ｆ０信号）を生起する。同図で、５、６、７は、開放あるいは短絡のＣＰＷ線路境界であり、隣接する共振器とはそれぞれ電界結合あるいは磁界結合する。

図１（ａ）は、基本周波数共振器２、３の接続部に発振デバイス１を実装し、共振器２は線路境界５で終端する。一方、共振器３は線路境界６を介して目的とする第ｍ次高調波周波数（ｍｆ０）の共振周波数を有する高調波共振器４と結合する。その高調波共振器４の他端は線路境界７を介して第ｍ次高調波信号（ｍｆ０信号）をポート８へ出力する。ここでｍは自然数であり、ｍ＝１は基本周波数発振の場合である。この基本回路構成に基づく実施例については、図３を用いて後述する。

図１（ｂ）は、発振デバイス１の片側に基本周波数共振器２を接続し、その他端は線路境界５で終端する。残る片側には、目的とする高調波周波数（ｍｆ０）の共振周波数を有する高調波共振器４を接続し、線路境界７を介して第ｍ次高調波信号（ｍｆ０信号）をポート８へ出力する。この基本回路構成に基づく実施例については、図４を用いて後述する。

図１（ｃ）は、基本周波数共振器３の端部に発振デバイス１を実装し、残る他端は線路境界６を介して高調波周波数（ｍｆ０）の共振周波数を有する高調波共振器４を接続する。即ち、この基本回路構成は、図１（ａ）の回路において基本周波数共振器２を削除した回路構成である。高調波共振器４により選択抽出したｍｆ０信号は、線路境界７を介してポート８へ出力する。この基本回路構成に基づく実施例については、図５を用いて後述する。

以上は、ＣＰＷ高調波発振器の３種の基本回路構成であるが、さらにこれらに周波数可変機能を付与する基本回路構成を図２に示す。図２（ａ）、（ｂ）は、それぞれ図１の基本回路構成（ａ）、（ｂ）の線路境界５に可変リアクタンス回路９を縦続接続した構成である。この周波数可変高調波発振器の実施例については、図６を用いて後述する。

図１ならびに図２に示すように、本発明の発振器はＣＰＷ縦続接続共振系と表面実装発振デバイスで構成する回路であり、ミリ波以上の超高周波帯発振に好適である。また、位相同期やサブハーモニック注入同期などは基本発振周波数帯で処理することによって、それに同期した高調波信号を安定して生成することが出来る。なお、図１および図２の基本回路構成においては、左右対称のマルチポート同期出力構成としてもよい。

これらの構成により、本発明は以下のような効果がある。
（１）高調波次数選択抽出型やデバイス同期結合型の基本概念（図８）に基づいて、ミリ波からテラヘルツに至る超高周波帯において安定かつ良好な特性の発振が実現出来る。
（２）ＲＦ半導体発振デバイスあるいはその集積チップとその表面実装技術によって、高精度かつ簡易な製造が可能である。さらには、そのＣＰＷ共平面型モノリシック集積化も容易である。
（３）周波数可変制御、注入同期や位相同期などの安定化や低雑音化さらに周波数変調等は、実現が比較的容易な基本周波数帯で処理するので、生産性やコストの観点からも有効である。

本発明の基本回路構成である。周波数可変機能を付与した基本回路構成である。図１（ａ）の基本回路構成に基づく第１の実施例である。図１（ｂ）の基本回路構成に基づく第２の実施例である。図１（ｃ）の基本回路構成に基づく第３の実施例である。図２の基本回路構成に基づく第４の実施例である。Ｇｕｎｎｄｉｏｄｅデバイスを用いた先行発振回路の説明図である。（ａ）はＧｕｎｎｄｉｏｄｅ素子とスロットリング共振器を用いた第２次高調波発振器、（ｂ）は同じくＧｕｎｎｄｉｏｄｅ素子とスロット線路共振器を用いた第２次高調波発振器、（ｃ）はＧｕｎｎｄｉｏｄｅ集積チップとＣＰＷ共振器を用いた基本周波数帯発振器である。（ａ）、（ｂ）は、それぞれ高調波選択抽出型、デバイス共有同期結合型の基本概念図である。

以下、本発明の実施形態を、図３〜図６を用いて説明する。いずれも、図１ならびに図２に示した基本回路構成に基づいた実施例である。ＣＰＷ共振系は、基本周波数帯あるいは高調波周波数帯においてそれぞれ４分の１波長の整数倍の直線形状ＣＰＷ共振器で構成し、図中の半導体発振デバイスは、ここではＧｕｎｎｄｉｏｄｅあるいはその表面実装型集積チップと仮定する。

図３は、いずれも図１（ａ）の基本回路構成に基づく第１の実施例である。発振デバイス１を、基本周波数（ｆ０）帯に共振周波数を有する基本周波数共振器２、３の接続部に実装する。基本周波数共振器３の他端部は、線路境界６を介して高調波共振器４と縦続接続し、その他端部は線路境界７を介して出力ポート８と接続する。図３（ａ）の回路では、基本周波数共振器２、３は基本周波数（ｆ０）において２分の１波長の線路共振器であり、それぞれの端部５、６は短絡の線路境界である。高調波共振器４は、目的の第ｍ次高調波周波数（ｍｆ０）において２分のＩ波長の両端短絡線路共振器であり、磁界結合の線路境界６を介して目的の高調波（ｍｆ０信号）を選択抽出すると共に、磁界結合の線路境界７を介してポート８へ出力する。同図において、ＣＰＷ中心導体のスリット１０は、バイアス端子１１の給電電極を形成すると共に、目的とするｆ０信号およびｍｆ０信号の共振姿態の安定化にも有効である。なお、発振デバイス１のバイアス端子１１は、導体ワイヤ使用の場合を示しているが、基板１２の裏面配線を用いる場合は、ビアホールを介したバイアス給電も可能である。

図３（ｂ）の回路では、基本周波数共振器２、３は基本周波数において４分の１波長の線路共振器であり、それぞれの端部５、６は開放の線路境界となる。高調波共振器４は、第ｍ次高調波周波数において２分のＩ波長の両端開放線路共振器であり、電界結合の線路境界６を介して高調波（ｍｆ０信号）を選択抽出すると共に、電界結合の線路境界７を介してポート８へ出力する。同図において、高調波共振器４の中点の線路短絡は、目的とする高調波（ｍｆ０信号）の安定した共振姿態形成並びに不要信号の阻止に有用である。図３（ｃ）の回路では、同じく基本周波数共振器２、３は基本周波数において４分の１波長の線路共振器であり、それぞれの端部５、６は開放の線路境界となる。ここで、回路（ａ）、（ｂ）の発振デバイスは並列実装であるが、回路（ｃ）は直列実装の場合である。高調波共振器４は、第ｍ次高調波周波数において２分のＩ波長の両端開放共振器であり、電界結合の線路境界６により高調波（ｍｆ０信号）を選択抽出すると共に、電界結合の線路境界７を介してポート８へ出力する。ここで、同図の導体ワイヤ１３は、バイアス端子１１と共にバイアス給電回路を形成している。また、回路（ｂ）と同様に、高調波共振器４中点の線路短絡は、目的とする高調波（ｍｆ０信号）の安定した共振姿態形成ならびに不要信号の阻止に有効である。（請求項１、２、６、７）

図４は、いずれも図１（ｂ）の基本回路構成に基づく第２の実施例である。発振デバイス１は、基本発振周波数（ｆ０）帯に共振周波数を有する基本周波数共振器２と第ｍ次高調波（ｍｆ０）の共振周波数を有する高調波共振器４の接続部に実装する。基本周波数共振器２の他端部は線路境界５で終端し、高調波共振器４の他端部は、線路境界７を介して出力ポート８と接続する。図４（ａ）の回路では、基本周波数共振器２は基本周波数（ｆ０）において２分の１波長の線路共振器であり、その端部は短絡の線路境界５である。高調波共振器４は、第ｍ次高調波周波数（ｍｆ０）において２分のＩ波長の共振器であり、目的の高調波（ｍｆ０信号）を選択励起すると共に、磁界結合の線路境界７を介してポート８へ出力する。実施例１と同様、ＣＰＷ中心導体のスリット１０は、バイアス端子１１の給電電極を構成すると共に、目的とするｆ０信号およびｍｆ０信号の安定した共振姿態形成にも有用である。

図４（ｂ）の回路では、基本周波数共振器２は、基本周波数ｆ０において４分の１波長の共振器であり、端部は開放の線路境界５である。高調波共振器４は、高調波周波数ｍｆ０において２分のＩ波長の共振器であり、高調波（ｍｆ０信号）を選択励起すると共に、磁界結合の線路境界７を介してポート８へ出力する。同図（ｃ）の回路は、同図（ｂ）の動作原理と同じであるが、高調波共振器４が４分の１波長線路共振器の場合であり、また線路境界７が開放である点が異なっている。これらの実施例２では、ハーモニック共振関係にある基本周波数共振器２と高調波共振器４が発振デバイス１を共有して同期発振するために、安定した高調波発振が実現出来る。（請求項１、３、６、７）

図５は、いずれも図１（ｃ）の基本回路構成に基づく第３の実施例である。発振デバイス１を、基本周波数（ｆ０）帯の共振周波数を有する基本周波数共振器３の端部に実装する。基本周波数共振器３の他端部は、線路境界６を介して高調波共振器４と縦続接続し、その他端部は線路境界７を介して出力ポート８と電磁結合する。図５（ａ）の回路では、基本周波数共振器３は基本周波数ｆ０において４分の１波長の共振器であり、その両端部はいずれも開放の線路境界５、６である。高調波共振器４は、高調波周波数ｍｆ０において２分のＩ波長の両端開放共振器であり、電界結合の線路境界６を介して高調波（ｍｆ０信号）を選択抽出すると共に、電界結合の線路境界７を介してポート８へ出力する。図５（ｂ）の回路では、高調波共振器４は高調波周波数ｍｆ０において４分のＩ波長の線路共振器であり、電界結合の線路境界６を介して目的のｍｆ０信号を選択抽出すると共に、磁界結合の線路境界７を介してポート８へ出力する。

図５（ａ）の回路において、線路境界５が開放であるので発振デバイス１を単一素子化して、図５（ｃ）の回路に簡易化出来る。さらに、その基本周波数共振器３を基本周波数ｆ０において２分の１波長の線路共振器に置換すると、図５（ｄ）に示す回路となる。この回路の高調波共振器４は、目的とする第ｍ次高調波周波数において２分のＩ波長の両端短絡共振器であり、磁界結合の線路境界６を介してｍｆ０信号を選択抽出すると共に、磁界結合の線路境界７を介してポート８へ出力する。（請求項１、４、６、７）

図２に示す周波数可変機能を付与する発振器の基本回路構成に基づいて、以下、その実施例を図６に示す。即ち、前述の各実施例に可変リアクタンス回路９を縦続接続して周波数可変機能を実現する。図６（ａ）は、第１の実施例（図３（ｂ））の開放線路境界５に可変リアクタンス回路９を電界結合している。可変リアクタンス回路９は、基本周波数において２分のＩ波長の両端開放共振器であり、その一端にバラクターダイオード等の可変リアクタンス素子１４を実装し、その制御電圧給電のための導体ワイヤ端子１５は、２分の１波長共振器の共振電界ヌル点に接続する。

図６（ｂ）は、第１の実施例（図３（ｃ））の開放線路境界５に可変リアクタンス回路９を電界結合した回路である。可変リアクタンス回路９は、基本周波数において４分のＩ波長の先端開放共振器であり、線路境界５に可変リアクタンス素子１４を直列実装し、その制御電圧給電のための導体ワイヤ端子１５を先端開放共振器に接続する。なお、直列実装である発振デバイス１へのバイアスは基本周波数共振器３へ給電し、さらに基本周波数共振器２を直流接地することによって、可変リアクタンス素子１４ならびに発振デバイス１双方の給電回路を構成している。図６（ｃ）は、第２の実施例（図４（ｂ））の線路境界５に可変リアクタンス回路９を縦続接続した周波数可変高調波発振器の実施例である。（請求項１、２、３、５、６、７）

以上、ＣＰＷハーモニック共振系とＧｕｎｎｄｉｏｄｅを用いた高調波発振器およびその周波数可変発振器の実施例を説明したが、共鳴トンネルダイオード等の高周波デバイスを用いる場合への拡張も容易である。さらには、ＨＥＭＴ等の三端子デバイスとＣＰＷ共振器を集積するユニプレーナ型モノリシック集積回路へ展開することも容易である。また、位相同期や注入同期などの低雑音化・安定化機能やＦＳＫなどの周波数変調機能の装荷にも適した回路構造であり、特にミリ波以上の超高周波帯における簡易な発振とそのＲＦ信号処理に好適である。

なお、各実施例における発振デバイスのバイアス給電は、バイアス給電ポート１１をＣＰＷ中心導体の中点へ接続する構造で図示しているが、基板裏面にバイアス給電回路とビアホールを形成した給電も可能である。また、実施例の図では、ＣＰＷ共振系はいずれも一様な線路幅であるが、必ずしも一様な線路幅である必要はない。特に、直流バイアスとＲＦ信号の結合が課題となるような場合には、一様なＣＰＷ線路幅に拘らず自由に設計可能である。

ミリ波、短ミリ波からテラヘルツに至る超高周波数帯の簡単かつ低コストの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のＲＦ帯基礎技術として有効である。特に、Ｇｕｎｎｄｉｏｄｅやその表面実装型集積デバイスとＣＰＷハーモニック共振系で構成する発振器は、簡易かつ低コストで実現出来ると共に、平面アンテナとの一体集積化にも適しており、多様な機能のＲＦ送受信機能モジュールの実現も容易である。

１ＧｕｎｎｄｉｏｄｅやＨＥＭＴ等の半導体発振デバイス、あるいはその集積化チップ
２、３基本発振周波数（ｆ０）帯の基本周波数共振器
４第ｍ次高調波周波数（ｍｆ０）の高調波共振器、ｍ：自然数
５、６、７開放境界あるいは短絡境界のＣＰＷ線路境界
８発振出力のＣＰＷポート
９可変リアクタンス回路
１０ＣＰＷ中心導体のスリット
１１半導体発振デバイスのバイアス給電ポート
１２誘電体基板
１３バイアス給電の導体ワイヤ端子
１４バラクターダイオード等の可変リアクタンス半導体デバイス
１５可変リアクタンス半導体デバイスのバイアス給電ワイヤ端子
λ 波長図面中のλ（）は、（）内の周波数における１波長を示す。

Claims

基本発振周波数帯の共振周波数を有する基本周波数共振器と前記共振周波数の整数倍の共振周波数を有する高調波共振器を電磁界結合で縦続接続した共振系について、コプレーナライン（以下、ＣＰＷと表記）を用いてＣＰＷ共振系を形成し、さらに該ＣＰＷ共振系に半導体発振デバイスを並列あるいは直列に実装して、前記高調波共振器の他端部より発振信号を出力することを特徴とする発振器。
請求項１において、前記半導体発振デバイスの両側に前記基本周波数共振器を接続し、該基本周波数共振器の他端部に前記高調波共振器を縦続接続し、該高調波共振器の他端部より発振信号を出力することを特徴とする発振器。
請求項１において、前記半導体発振デバイスの片側に基本周波数共振器を接続し、該半導体発振デバイスの残る片側に前記高調波共振器を接続し、該高調波共振器の他端部より発振信号を出力することを特徴とする発振器。
請求項１において、前記基本周波数共振器の端部に前記半導体発振デバイスを実装し、該基本周波数共振器の他端部に前記高調波共振器を縦続接続し、該高調波共振器の他端部より発振信号を出力することを特徴とする発振器。
請求項１〜４において、前記基本周波数共振器の他端部に可変容量素子等を実装したＣＰＷ可変リアクタンス回路を電磁結合して発振周波数可変としたことを特徴とする発振器。
請求項１〜５において、前記基本周波数共振器および前記高調波共振器は、それぞれの周波数帯において４分の１波長の整数倍であるＣＰＷ共振器であり、前記半導体発振デバイスは、高周波帯二端子素子あるいは高周波帯三端子素子、またはそれらの集積回路であることを特徴とする発振器。
請求項１〜６の回路について、主要線路をＣＰＷとするユニプレーナ型モノリシックＩＣで形成したことを特徴とする発振器。