JP3667167B2

JP3667167B2 - 高周波ダイオード発振器

Info

Publication number: JP3667167B2
Application number: JP23731899A
Authority: JP
Inventors: 浩紀喜井; 信樹平松
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1999-08-24
Filing date: 1999-08-24
Publication date: 2005-07-06
Anticipated expiration: 2019-08-24
Also published as: JP2001060830A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ミリ波集積回路等の高周波回路等に組み込まれるガンダイオード発振器等の高周波ダイオード発振器であって、非放射性誘電体線路を用いた高周波ダイオード発振器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のガンダイオード発振器を図４に示す。同図において、１は一対の平行平板導体であり、それらの間隔ｚをｚ≦λ／２とすることにより外部から誘電体線路７へのノイズの侵入をなくしかつ外部への高周波信号の放射をなくして信号を伝送させる、所謂非放射性誘電体線路（nonradiative dielectric waveguide で、以下、ＮＲＤガイドという）を構成する。尚、λは使用周波数において空気中を伝搬する電磁波（高周波信号）の波長である。
【０００３】
また、２はガンダイオード素子を設置（マウント）するための金属ブロック等の金属部材、３はマイクロ波を発振するマイクロ波ダイオードの１種であるガンダイオード素子、４は金属部材２の一側面に設置され、ガンダイオード素子３にバイアス電圧を供給するとともに高周波信号の漏れを防ぐローパスフィルタとして機能するチョーク型バイアス供給線路４ａを形成した配線基板、５はチョーク型バイアス供給線路４ａとガンダイオード素子３の上部導体とを接続する金属箔リボン等の帯状導体、６は誘電体の基体に共振用の金属ストリップ線路６ａを設けた金属ストリップ共振器、７は金属ストリップ共振器６により共振した高周波信号を外部へ伝送させる誘電体線路である。尚、図４では、内部を透視するために平行平板導体１の上側を一部切り欠いている。
【０００４】
図４のＮＲＤガイド型のガンダイオード発振器は、一対の平行平板導体１の間に、ガンダイオード素子３を搭載した金属部材２が配置されており、ガンダイオード素子３から発振されたマイクロ波等の高周波信号（電磁波）は、金属ストリップ線路６ａを有する金属ストリップ共振器６を介して誘電体線路７に導出される。
【０００５】
そして、チョーク型バイアス供給線路４ａは、図５に示すように、幅の広い線路の空間的周期と幅の狭い線路の空間的周期とがそれぞれ略λ／４の周期で反復されたチョークを構成しており、また帯状導体５の長さも略λ／４に設定されローパスフィルタの一部として機能している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のガンダイオード発振器においては、金属ストリップ共振器６、ガンダイオード素子マウント用の金属部材２および誘電体線路７を各々個別に位置決め配置し、平行平板導体１，１で挟持するように構成しており、このため、金属ストリップ共振器６の加工精度が低いと、金属ストリップ共振器６が振動や自重で位置ずれを起こし、またその位置決めが正確でないと、誘電体線路７への伝搬特性が劣化していた。即ち、金属ストリップ共振器６の加工精度および位置決め精度の管理が必要であり、また製造の作業性が悪く、従って量産に向かないという問題点があった。
【０００７】
従って、本発明は上記事情に鑑みて完成されたものであり、その目的は、部品の加工および位置決めの困難性を軽減し、従って加工精度および位置決め精度の管理を容易にし、また製造、組立の作業性が良好なものとすることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の高周波ダイオード発振器は、高周波信号の波長λの２分の１以下の間隔で配置した平行平板導体間に、高周波信号を発振する高周波ダイオードと、幅の広い線路と幅の狭い線路が交互に形成され前記高周波ダイオードにバイアス電圧を供給するチョーク型バイアス供給線路と、該チョーク型バイアス供給線路および前記高周波ダイオードを直線状に接続する帯状導体とが設置された金属部材を設けるとともに、前記高周波ダイオードの近傍に配置され前記高周波信号を受信し伝搬させる誘電体線路を設けて成る高周波ダイオード発振器であって、前記チョーク型バイアス供給線路の幅の広い線路の周期と幅の狭い線路の周期をそれぞれ略λ／４とし、前記帯状導体の長さを略｛（３／４）＋ｎ｝λ（ｎは０以上の整数）としたことを特徴とする。
【０００９】
本発明は、このような構成により、チョーク型バイアス供給線路と帯状導体とが高周波ダイオードの発振周波数を決定する共振器として機能し、金属ストリップ共振器等の別個の共振器が不要となり、従って高周波ダイオードマウント用の金属部材と誘電体線路との位置決めが容易になり、製造の作業性が大幅に向上する。また、金属ストリップ共振器等の別個の共振器による損失が解消され、高周波信号の伝搬特性が向上するという作用効果も有する。
【００１０】
本発明において、好ましくは、前記帯状導体の主面と対向する主面を有する誘電体チップを、前記帯状導体に近接配置し電磁結合させたことを特徴とする。これにより、高周波ダイオード発振器の発振周波数の調整がさらに容易になり、量産性もさらに向上する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の高周波ダイオード発振器について以下に説明する。図１〜図３は、本発明のＮＲＤガイド型の高周波ダイオード発振器を示し、これらの図において、１はガンダイオード等の高周波ダイオードが発振する高周波信号の空気中での波長λの２分の１以下の間隔で配置した一対の平行平板導体、２はガンダイオード素子を設置（マウント）するための略直方体状の金属ブロック等の金属部材、３はマイクロ波を発振するマイクロ波ダイオードの１種であるガンダイオード素子、４は金属部材２の一側面に設置され、ガンダイオード素子３にバイアス電圧を供給するとともに高周波信号の漏れを防ぐローパスフィルタとして機能するチョーク型バイアス供給線路４ａを形成した配線基板、５はチョーク型バイアス供給線路４ａとガンダイオード素子３の上部導体とを接続する金属箔リボン等の帯状導体、７はガンダイオード素子３の近傍に配置され高周波信号を受信し外部へ伝搬させる誘電体線路である。尚、図１では、内部を透視するために平行平板導体１の上側を一部切り欠いている。
【００１２】
本発明において、チョーク型バイアス供給線路４ａは、図２に示すように、幅の広い線路の空間的周期と幅の狭い線路の空間的周期とがそれぞれ略λ／４の広狭線路から成り、また帯状導体５の長さは略｛（３／４）＋ｎ｝λ（ｎは０以上の整数）である。この帯状導体５の長さは略３λ／４〜略｛（３／４）＋３｝λが良く、略｛（３／４）＋３｝λを超えると帯状導体５が長くなり、撓み、捩じれ等が生じ易くなり、個々の高周波ダイオード発振器間で発振周波数等の特性のばらつきが大きくなるとともに、種々の共振モードが発生して、所望の発振周波数と異なる周波数の信号が発生するという問題が生じる。より好ましくは、略３λ／４，略｛（３／４）＋１｝λである。
【００１３】
また、略｛（３／４）＋ｎ｝λとしたのは、｛（３／４）＋ｎ｝λから多少ずれていても共振は可能だからである。例えば、帯状導体５を｛（３／４）＋ｎ｝λよりも１０〜２０％程度長く形成しても良く、その場合、帯状導体５の接するチョーク型バイアス供給線路４ａの１パターン目（図２では最右方の幅の広い線路部分）の長さλ／４のうち一部が共振に寄与すると考えられるからである。従って、帯状導体５の長さは｛（３／４）＋ｎ｝λ±２０％程度の範囲内で変化させることができる。
【００１４】
これらチョーク型バイアス供給線路４ａおよび帯状導体５の材料は、Ｃｕ，Ａｌ，Ａｕ，Ａｇ，Ｗ，Ｔｉ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｐｄ，Ｐｔ等から成り、特にＣｕ，Ａｇが、電気伝導度が良好であり、損失が小さく、発振出力が大きくなるといった点で好ましい。
【００１５】
また、チョーク型バイアス供給線路４ａはプリント配線基板等の配線基板４に形成され、帯状導体５の一端をチョーク型バイアス供給線路４ａに他端をガンダイオード素子３の上部導体に半田付けや熱圧着等により接続しているが、帯状導体５も配線基板４に形成して、チョーク型バイアス供給線路４ａと一体化しても良い。
【００１６】
そして、金属部材２は、ガンダイオード素子３の電気的な接地（アース）を兼ねているため金属導体であれば良く、その材料は金属（合金を含む）導体であれば特に限定するものではなく、真鍮（黄銅：Ｃｕ−Ｚｎ合金），Ａｌ，Ｃｕ，ＳＵＳ（ステンレス），Ａｇ，Ａｕ，Ｐｔ等から成る。また金属部材２は、全体が金属から成る金属ブロック，セラミックスやプラスチック等の絶縁基体の表面全体または部分的に金属メッキしたもの，絶縁基体の表面全体または部分的に導電性材料をコートしたものであっても良い。
【００１７】
また、誘電体線路７の材料は、コーディエライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ₂Ｏ₃・５ＳｉＯ₂），アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）等が好ましく、これらは高周波帯域において低損失である。ガンダイオード素子３と誘電体線路７との間隔は１．０ｍｍ程度以下が好ましく、１．０ｍｍを超えると損失を小さくして電磁的結合が可能な最大離間幅を超える。
【００１８】
本発明において、好ましくは、図３の断面図に示すように高周波信号の発振周波数を調整する誘電体チップ８を、帯状導体５に近接させて配置する。尚、同図において９はガンダイオード素子３のネジ止め部である。この誘電体チップ８の形状は特に限定するものではないが、帯状導体５の主面に対向し近接する平行な主面Ａを有する直方体状，板状，四角錐状，三角柱等の角柱状，蒲鉾状等が良く、帯状導体５を伝搬する高周波信号との電磁結合を主面Ａにより制御し易いという利点がある。そして、主面Ａの長さＬを調整する、または種々の長さＬを有する誘電体チップ８を用意しておき、長さＬを変化させることにより、発振周波数を制御できる。即ち、誘電体チップ８を帯状導体５に近接させることで、チョーク型バイアス供給線路４ａと帯状導体５とから成る共振器の実質的な共振器長を微妙に調整でき、例えば帯状導体５の電気的な共振器長を｛（３／４）＋ｎ｝λよりも僅かに大きくし、発振周波数を低くすることが可能である。
【００１９】
そして、誘電体チップ８はコーディエライト，アルミナ等が好ましく、これらは高周波帯域において低損失である。また、誘電体チップ８の主面Ａと帯状導体５の主面との間隔Ｂは０．１ｍｍ〜１．０ｍｍが良く、０．１ｍｍ未満では、振動等により誘電体チップ８が位置ずれしたり、熱変形、撓み等を起こして帯状導体５に接触し、高周波の伝搬特性が変化し易くなる。１．０ｍｍを超えると、帯状導体５と誘電体チップ８との電磁結合が弱すぎて、発振周波数の制御が困難となる。
【００２０】
本発明でいう高周波帯域は、数１０〜数１００ＧＨｚ帯域のマイクロ波帯域およびミリ波帯域に相当し、例えば３０ＧＨｚ以上、特に５０ＧＨｚ以上、更には７０ＧＨｚ以上の高周波帯域が好適である。
【００２１】
また本発明の高周波ダイオードとしては、インパット（impatt：impact ionisation avalanche transit time）・ダイオード，トラパット（trapatt ：trapped plasma avalanche triggered transit）・ダイオード，ガンダイオード等のマイクロ波ダイオードおよびミリ波ダイオードが好適に使用される。
【００２２】
本発明のＮＲＤガイド用の平行平板導体１は、高い電気伝導度および加工性等の点で、Ｃｕ，Ａｌ，Ｆｅ，ＳＵＳ（ステンレス），Ａｇ，Ａｕ，Ｐｔ等の導体板、あるいはセラミックス，樹脂等から成る絶縁板の表面にこれらの導体層を形成したものでもよい。
【００２３】
また、本発明のＮＲＤガイド型の高周波ダイオード発振器は、無線ＬＡＮ，自動車のミリ波レーダ等に使用されるものであり、例えば自動車の周囲の障害物および他の自動車に対しミリ波を照射し、反射波を元のミリ波と合成してビート信号を得、このビート信号を分析することにより障害物および他の自動車までの距離、それらの移動速度、移動方向等が測定できる。
【００２４】
かくして、本発明は、チョーク型バイアス供給線路と帯状導体とが共振器として機能し、金属ストリップ共振器等の別個の共振器が不要となり、従って高周波ダイオードマウント用の金属部材と誘電体線路との位置決めが容易になり、製造の作業性が大幅に向上する。また、金属ストリップ共振器等の別個の共振器がないため、それによる損失がなくなり、高周波信号の伝搬特性が向上するという作用効果を有する。
【００２５】
尚、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を行っても何等差し支えない。
【００２６】
【実施例】
本発明の実施例を以下に説明する。
【００２７】
（実施例）
図１のＮＲＤガイド型のガンダイオード発振器を以下のように構成した。一対の平行平板導体１，１として、縦１００ｍｍ×横１００ｍｍ×厚さ２ｍｍのＡｌ板を１．８ｍｍの間隔で配置し、それらの間にガンダイオード素子３をネジ止めした真鍮性の金属部材２とコーディエライトセラミックスから成る誘電体線路７を設置した。この金属部材２は高さが約１．８ｍｍの直方体状であり、その一側面には、発振周波数７７ＧＨｚで波長λが３．９ｍｍの高周波信号（電磁波）を発振するガンダイオード素子３と、ガンダイオード素子３にバイアス電圧を入力するチョーク型バイアス供給線路４ａが形成された配線基板４と、チョーク型バイアス供給線路４ａとガンダイオード素子３の上部導体とを接続する帯状導体５を設けた。
【００２８】
前記配線基板４はガラスエポキシ樹脂から成り、金属部材２に接着剤により固定した。また、チョーク型バイアス供給線路４ａの幅の広い線路と幅の狭い線路について、幅の広い線路の空間的周期はλ／４＝０．７０ｍｍ（誘電体基板上では短波長化する）、幅の狭い線路の空間的周期はλ／４＝０．７０ｍｍであり、幅の広い線路部の幅は１．５ｍｍ、幅の狭い線路部の幅は０．２ｍｍであり、帯状導体５は厚さ３５μｍ，幅０．６ｍｍの銅箔リボンから成り、一端をチョーク型バイアス供給線路４ａに他端をガンダイオード素子３の上部導体に各々半田付けした。誘電体線路７は、比誘電率５のコーディエライトセラミックスから成り、ガンダイオード素子３の上部導体から約０．５ｍｍの間隔をあけて配置した。そして、帯状導体５の長さを種々に変化させた場合のガンダイオード素子３の発振周波数と発振出力とを図６のグラフに示した。同図より、帯状導体５の長さを調整することで発振周波数を制御でき、また高出力の高周波信号が得られた。尚、帯状導体５の長さが、３λ／４≒２．９ｍｍよりも１４％程度大きい３．３ｍｍで最大の発振出力となっているのは、チョーク型バイアス供給線路４ａの１パターンの一部が共振に寄与しているためと考えられる。
【００２９】
また、帯状導体５の長さを３．２ｍｍとし、図３のように間隔Ｂ＝０．１ｍｍをあけて、長さＬ，幅０．４ｍｍ，高さ１．８ｍｍで、比誘電率５のコーディエライトセラミックスから成る直方体状の誘電体チップ８を配置した。そして、誘電体チップ８の一端を配線基板４と帯状導体５との接合点Ｐに一致させ、長さＬを種々に変化させた場合の発振周波数の変化を図７のグラフに示す。同図より、誘電体チップ８の長さＬを変化させることにより発振周波数の制御が可能であった。
【００３０】
【発明の効果】
本発明は、チョーク型バイアス供給線路の幅の広い線路の周期と幅の狭い線路の周期をそれぞれ略λ／４とし、帯状導体の長さを略｛（３／４）＋ｎ｝λ（ｎは０以上の整数）としたことにより、チョーク型バイアス供給線路と帯状導体とが高周波ダイオードの発振周波数を決定する共振器として機能し、金属ストリップ共振器等の別個の共振器が不要となり、従って高周波ダイオードマウント用の金属部材と誘電体線路との位置決めがきわめて容易になり、発振特性の制御および向上が容易になされ、製造の作業性が大幅に向上する。また、金属ストリップ共振器等の別個の共振器による損失が解消され、高周波信号の伝搬特性が向上するという作用効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＮＲＤ型の高周波ダイオード発振器の内部透視した斜視図である。
【図２】本発明のチョーク型バイアス供給線路と帯状導体の平面図である。
【図３】本発明において、帯状導体に発振周波数調整用の誘電体チップを近接させた場合の帯状導体とガンダイオード素子部の部分断面図である。
【図４】従来の金属ストリップ共振器を用いたＮＲＤガイド型のガンダイオード発振器の内部透視した斜視図である。
【図５】従来のチョーク型バイアス供給線路と帯状導体の平面図である。
【図６】本発明の高周波ダイオード発振器について、帯状導体の長さを変化させた場合の発振周波数と発振出力を示すグラフである。
【図７】本発明の高周波ダイオード発振器について、誘電体チップの長さを変化させた場合の発振周波数を示すグラフである。
【符号の説明】
１：平行平板導体
２：金属部材
３：ガンダイオード素子
４：配線基板
４ａ：チョーク型バイアス供給線路
５：帯状導体
７：誘電体線路
８：誘電体チップ

Claims

高周波信号の波長λの２分の１以下の間隔で配置した平行平板導体間に、高周波信号を発振する高周波ダイオードと、幅の広い線路と幅の狭い線路が交互に形成され前記高周波ダイオードにバイアス電圧を供給するチョーク型バイアス供給線路と、該チョーク型バイアス供給線路および前記高周波ダイオードを直線状に接続する帯状導体とが設置された金属部材を設けるとともに、前記高周波ダイオードの近傍に配置され前記高周波信号を受信し伝搬させる誘電体線路を設けて成る高周波ダイオード発振器であって、前記チョーク型バイアス供給線路の幅の広い線路の周期と幅の狭い線路の周期をそれぞれ略λ／４とし、前記帯状導体の長さを略｛（３／４）＋ｎ｝λ（ｎは０以上の整数）としたことを特徴とする高周波ダイオード発振器。
前記帯状導体の主面と対向する主面を有する誘電体チップを、前記帯状導体に近接配置し電磁結合させたことを特徴とする請求項１記載の高周波ダイオード発振器。